JP2013139808A - 回転子内の応力を低減するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子内の応力を低減するためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】本システムは、回転子本体と、前記回転子本体の中を軸方向に延在する中孔と、前記回転子本体上に半径方向に配置された複数のインペラー羽根とを含む。各インペラー羽根は前記中孔に近接した第１の端部を含み、また、各インペラー羽根の前記第１の端部におけるアンダーカット成形部が、前記中孔に近接した各インペラー羽根の一部分を除去している。本方法は、回転子本体上に配置された複数のインペラー羽根の第１の端部にアンダーカット成形部を機械加工する段階を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的に云えば、回転子（ローター）内の応力を低減するためのシステム及び方法に関するものである。本発明の特定の実施形態では、回転子内の熱応力を低減し及び／又は回転子内の機械的応力及び熱応力を分離して、回転子の疲労寿命を延長するために、回転子に機械加工されたアンダーカット成形部(undercut feature)を含むことができる。

ガスタービンは産業用途及び商業用途に広く用いられている。典型的なガスタービンは、前部に圧縮機、中間部に１つ以上の燃焼器、及び後部にタービンを含む。圧縮機は作動流体（例えば、空気）に運動エネルギを与えて、高エネルギ状態の圧縮作動流体を生成する。この圧縮作動流体は圧縮機を出て燃焼器へ流れ、該燃焼器で燃料と混合されて点火され、その結果として高い温度及び圧力を持つ燃焼ガスを発生する。燃焼ガスはタービンへ流れて、そこで膨張して仕事を生成する。例えば、タービン内での燃焼ガスの膨張は、電気を発生するために発電機に接続されたシャフトを回転させることができる。

圧縮機及びタービンは、典型的には、共通の回転子を使用し、該共通の回転子は圧縮機の前部の近くから燃焼器部分を通ってタービンの後部の近くまで延在する。回転子は一般的に低合金鋼から製造されており、重量が１００トン近く又はそれを超えることがある。回転子はかなりの機械的応力に対処するように設計されているが、ガスタービンの過渡的な運転中には、回転子はかなりの熱応力を受けることがある。例えば、ガスタービンの始動中、回転子の外側部分は回転子の内側部分よりもより急速に温度上昇する。回転子プロフィールにわたる温度勾配により、回転子にわたってかなりの熱応力が生じ、その熱応力は大体Ｔmax −Ｔave に比例する。ここで、Ｔmax は回転子プロフィールにわたる最高温度であり、またＴave は回転子プロフィールにわたる平均温度である。圧縮機部分では、Ｔmax は圧縮機を出る圧縮作動流体の温度に近づくことがあり、またタービンでは、Ｔmax はタービンを出る燃焼ガスの温度に近づくことがある。Ｔave は、ガスタービンの低温始動の際は、最初は周囲温度である。回転子にわたる熱応力は、回転子プロフィールにわたって温度が平衡に達するまで存在し続け、これは１２時間以上のことがあり、実質的に回転子の低サイクル疲労限界を低減する。

当該技術分野では、回転子にわたる熱応力を低減するための様々なシステム及び方法が知られている。例えば、回転子は、軸方向に整列し且つ一緒に接続された複数の回転子本体又は回転子ホイールから作ることができ、また隣り合う回転子ホイールの間のインペラー(impeller)羽根が圧縮機からの圧縮作動流体の一部分を、半径方向内向きに回転子を通って流れるように導くことができる。この迂回させた流体は、Ｔmax とＴave との温度差を低減して、回転子ホイール３２がより短い期間で平衡温度に到達できるようにすることによって、回転子ホイール３２にわたる熱応力を低減する。

インペラー羽根は、回転子ホイール３２にわたる熱応力を低減するのに有効であるが、回転子ホイールの残りの部分よりも急速に加熱され又は冷却される傾向がある。その結果、インペラー羽根は、インペラー羽根４０と回転子ホイール３２との接合部において付加的な熱応力を生じさせる。この付加的な熱応力は、回転子ホイール内の既存の機械的応力と一致して、回転子ホイールの疲労寿命に悪影響を与えることがある。従って、熱応力を低減し及び／又は回転子内の機械的応力から熱応力を分離する改良されたシステム及び方法があれば、有益であろう。

米国特許第６４７１４７４号

本発明の様々な面及び利点は、以下に記載し、又は以下の記載から明らかであり、或いは本発明の実施を通じて習得することができよう。

本発明の一実施形態は、回転子内の応力を低減するためのシステムである。本システムは、回転子本体と、前記回転子本体の中を軸方向に延在する中孔と、前記回転子本体上に半径方向に配置された複数のインペラー羽根とを含む。各インペラー羽根は、前記中孔に近接した第１の端部を含み、また、各インペラー羽根の前記第１の端部におけるアンダーカット成形部が、前記中孔に近接した各インペラー羽根の一部分を除去している。

本発明の別の実施形態は、回転子内の応力を低減するためのシステムである。本システムは、回転子本体と、前記回転子本体上に半径方向に配置された複数のインペラー羽根と、前記回転子上の機械的応力場所と、前記回転子上の熱応力場所とを含む。各インペラー羽根上のアンダーカット成形部が前記機械的応力場所を前記熱応力場所から分離する。

本発明はまた、回転子内の応力を低減するための方法を含むことができる。本方法は、回転子本体上に配置された複数のインペラー羽根の第１の端部にアンダーカット成形部を機械加工する段階を含む。

当業者には、明細書を読むことにより、このような実施形態の特徴及び側面などがより良く理解されよう。

以下の説明では、当業者を対象として、最良の実施形態を含む本発明の完全で実現可能な開示を、添付の図面を参照して行う。

図１は、典型的なガスタービンの簡略側断面図である。 図２は、本発明の一実施形態に従った回転子ホイールの斜視図である。 図３は、本発明の一実施形態に従った、図２に示された回転子ホイールの一部分の断面輪郭図である。 図４は、図２に示されたアンダーカット成形部の拡大斜視図である。 図５は、基本回転子ホイールの一部分の断面輪郭図である。 図６は、本発明の一実施形態に従った回転子ホイールの一部分の断面輪郭図である。 図７は、本発明の別の実施形態に従った回転子ホイールの一部分の断面輪郭図である。

次に本発明の様々な実施形態について詳しく説明するが、その内の１つ以上の例を添付の図面に示す。詳しい説明では、図面中の特徴部分を表すために英数字の符号を用いている。図面及び明細書中の同様な又は類似の符号は、本発明の同様な又は類似の部品を表すために用いている。

各々の例は本発明を説明するためのものであり、本発明を制限するものではない。実際に、当業者には、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく本発明に様々な修正及び変更を為し得ることが明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として例示又は説明した特徴を別の実施形態に用いて、更に別の実施形態を作成することが可能である。従って、本発明は、このような修正及び変更を「特許請求の範囲」の記載及びその等価な内容の範囲内に入るものとして包含するものとする。

本発明の様々な実施形態は、回転子内の応力を低減するためのシステム及び方法を含む。特定の実施形態では、回転子に設けたアンダーカット成形部が、回転子内の熱応力を低減し、並びに／又は回転子内の機械的応力と熱応力を分離する。この代わりに、又はこれに加えて、回転子に設けた応力緩和スリットが、回転子にわたって半径方向に熱応力を低減することができる。アンダーカット成形部及び／又はスリットは、回転子の疲労寿命を劇的に改善するために、新しい又は既存の回転子に容易に機械加工することができる。本発明の典型的な実施形態を例示の目的でガスタービンに組み込まれた回転子に関して一般的に説明するが、当業者には、本発明の実施形態が任意の回転子に適用できること、及び「特許請求の範囲」に具体的に記載されていない限りガスタービンに限定されないことが直ぐに理解されよう。

図１は、本発明の様々な実施形態を例示するための典型的なガスタービン１０の簡略側断面図である。図示のように、ガスタービン１０は、一般的に、圧縮機１２、圧縮機１２の下流にある１つ以上の燃焼器１４、及び燃焼器１４の下流にあるタービン１６を含む。圧縮機１２は、一般的に、軸方向に整列した複数の静翼１８及び複数の動翼２０の交互の段を含む。複数の静翼１８は圧縮機ケーシング２２に円周方向に接続され、また複数の動翼２０は回転子２４に円周方向に接続される。回転子２４が回転しているとき、複数の静翼１８及び複数の動翼２０は、作動流体（例えば、空気）に漸進的に運動エネルギを与えて、高エネルギ状態の圧縮作動流体を生成する。次いで、圧縮作動流体は、回転子２４の周りに半径方向に配列された１つ以上の燃焼器１４へ流れ、そこで燃料と混合して点火されて、高い温度及び圧力を持つ燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは燃焼器１４を出て、高温ガス流路に沿ってタービン１６を通って流れる。タービン１６は、軸方向に整列した複数の静翼２６及び複数の動翼（バケット）２８の交互の段を含む。複数の静翼２６はタービン・ケーシング３０に円周方向に接続され、また複数の動翼２８は回転子２４に円周方向に接続される。各段の複数の静翼２６は、その下流の段の複数の動翼２８へ燃焼ガスを導いて加速して、仕事を生成する。

図１に示されているように、回転子２４は、軸方向に整列していて且つタービン１６と圧縮機１２との間でトルクを伝達するように接続された複数の回転子本体又はホイール３２を含むことができる。各々の回転子本体又はホイール３２は１つ以上の空洞を含むことができ、それらの空洞は、回転子２４を通る軸方向中孔３４を形成する。１つ以上の隣り合う回転子ホイール３２は、圧縮機１２と中孔３４との間を流体連通させる流体通路３６を含むことができる。この態様では、圧縮機１２からの圧縮作動流体の一部分を、様々な理由のために、燃焼器１４を迂回して又は側路して、タービン１６へ直接供給することができる。例えば、迂回させた流体は、回転子空洞を加圧して、回転子空洞とタービン１６内の高温ガス流路との間に所望の差圧を生じさせるために用いることができる。この代わりに、又はこれに加えて、迂回させた流体は、タービン１６内の様々な構成部品に対して冷却を行うために用いることができる。

図２は、本発明の一実施形態に従った回転子ホイール３２の斜視図である。図示のように、回転子ホイール３２の外周部は、複数の動翼２０を受け入れるように構成された複数のダブテール・スロット３８を含むことができる。更に、回転子ホイール３２の半径方向の面は、回転子ホイール３２上に半径方向に配置された１つ以上の突出部又はインペラー羽根４０を含むことができる。各々のインペラー羽根４０は中孔３４に近接した第１の端部４２を含むことができ、また回転子ホイール３２の表面上の隣り合う突出部又はインペラー羽根４０は、回転子ホイール３２を半径方向に横切る流体通路３６を画成することができる。この態様では、回転子ホイール３２が図２に示されているように反時計回りに回転するとき、インペラー羽根４０は、圧縮作動流体の一部分を、流体通路３６を通って中孔３４へ迂回させることができる。迂回した流体は、Ｔmax とＴave との温度差を低減して、回転子ホイール３２がより短い期間で平衡温度に到達できるようにすることによって、回転子ホイール３２にわたる熱応力を低減する。

図２に示されたインペラー羽根４０は、回転子ホイール３２の残りの部分をより急速に加熱し又は冷却しようとする。その結果、インペラー羽根４０は、インペラー羽根４０に沿って、特にインペラー羽根４０と回転子ホイール３２との交差部分において、付加的な熱応力を生じさせる。例えば、始動の際、熱応力は、Ｔmax とＴave との温度差が最大であるインペラー羽根４０の第１の端部４２で最大になる。図２に示されているように、１つ以上のインペラー羽根４０は、インペラー羽根４０の第１の端部４２における熱応力を低減するために、応力緩和スリット４３及び／又はアンダーカット成形部４４を含むことができる。

図３は、本発明の一実施形態に従った、図２に示された回転子ホイール３２の一部分の断面輪郭図であり、図２に示された応力緩和スリット４３を例示する。図示のように、スリット４３は、一般的に、インペラー羽根４０の外周部よりも第１の端部４２の近くに配置され、且つインペラー羽根４０の表面にわたって存在し得る任意の熱応力を不連続にするのに充分な幅及び深さを持つことができる。例えば、スリット４３は、約０．１インチの幅、及びインペラー羽根４０の厚さの約２０〜８０％の深さを持つことができる。特定の実施形態では、スリット４３は、約０．１〜０．５インチの幅を持ち、且つインペラー羽根４０の厚さに等しい深さを持つことができる。いずれの場合も、スリット４３は、回転子ホイール３２にわたる熱応力を低減し、これによって回転子ホイール３２の疲労寿命を延長するために、既存の又は新しい回転子ホイール３２に容易に機械加工することができる。

図４は、図２に示された回転子ホイール３２の拡大斜視図であって、各インペラー羽根４０の第１の端部４２に位置するアンダーカット成形部４４をより明瞭に示している。図示のように、アンダーカット成形部４４は、各インペラー羽根４０の内の、中孔３４に近接した一部分を除去する。アンダーカット成形部４４は一般的に各インペラー羽根４０の幅又は寸法にわたって延在し、且つ、特定の実施形態では、約０．１インチより大きい半径、又は約０．２５インチより大きい半径、又は約０．４５〜０．６５インチの半径、又は更に大きい半径を持つことができる。この代わりに、１つ以上のアンダーカット成形部４４は、１つ以上のインペラー羽根４０に複合溝を含むことができ、この場合、アンダーカット成形部４４の第１の部分は第１の半径を持ち、またアンダーカット成形部４４の第２の部分は第２の半径を持つ。しかしながら、アンダーカット成形部４４の特定の半径又は形状は、「特許請求の範囲」に具体的に記載されていない限り本発明を制限するものではない。

図４に示された特定の実施形態では、回転子ホイール３２は更に、アンダーカット成形部４４に近接した及び／又は該アンダーカット成形部４４に接続された中孔３４の周りの湾曲した又は弓形の表面４６を含むことができる。アンダーカット成形部４４を中孔３４の周りの弓形の表面４６と接続する又は融合させると、インペラー羽根４０の剛性が減少し且つ熱応力が有意に減少する。

図５〜図７は、回転子ホイール３２の一部分の断面輪郭図であって、本発明の様々な実施形態を例示する。具体的に述べると、図５は、アンダーカット成形部４４を設けていない基本回転子ホイール３２の一部分の断面輪郭図を示す。図５に示されているように、回転子ホイール３２は、インペラー羽根４０が回転子ホイール３２と交差する第１の端部４２に熱応力場所４８を含む。明らかに、回転子ホイール３２はまた、熱応力場所４８と一致する機械的応力場所５０を含む。その結果、回転子ホイール３２内の熱応力及び機械的応力が組み合わさって、図５に示されている基本回転子ホイール３２の疲労寿命を実質的に短くする。

対照的に、図６は、アンダーカット成形部４４がインペラー羽根４０の第１の端部４２に設けられている実施形態を示す。図示のように、アンダーカット成形部４４は、インペラー羽根４０の一部分を除去して、インペラー羽根４０の第１の端部４２における熱応力を低減する。更に、アンダーカット成形部４４は熱応力場所４８を効果的に位置決めし直し、これによって熱応力場所４８を機械的応力場所５０から分離する。その結果、熱応力場所４８及び機械的応力場所５０はもはや互いと一致し又は組み合わさることは無く、アンダーカット成形部４４は回転子ホイール３２の低サイクル疲労寿命を延長させる。

図７に示されているように、アンダーカット成形部４４はこの場合もインペラー羽根４０の第１の端部４２に設けられる。この特定の実施形態では、アンダーカット成形部は複合溝を持つ。具体的に述べると、アンダーカット成形部４４は、インペラー羽根４０の第１の端部４２における熱応力を低減するためにインペラー羽根４０の第１の端部４２の一部分を除去する第１の半径５２を持つ。更に、アンダーカット成形部４４は、インペラー羽根４０の第１の端部４２に近接した回転子ホイール３２の一部分を除去する第２の半径５４を持つ。その結果、アンダーカット成形部４４は、熱応力場所４８を機械的応力場所５０から更に分離して、図６に示された実施形態と比べて回転子ホイール３２の疲労寿命を更に延長する。

図２〜図４及び図６〜図７に示された様々な実施形態は、回転子内の応力を低減するための方法を提供する。本方法は、回転子本体又はホイール３２上に配置されたインペラー羽根４０の第１の端部４２に又はその近くにスリット４３及び／又はアンダーカット成形部４４を機械加工する段階を含む。そうすることで、本方法は、インペラー羽根４０によって生じる熱応力を低減し及び／又は熱応力場所４８を回転子ホイール３２上の機械的応力場所５０から分離する。特定の実施形態では、本方法は更に、インペラー羽根４０に近接した回転子本体又はホイール３２の中にアンダーカット成形部４４の少なくとも一部分を機械加工する段階を含むことができる。その結果、図２〜図４及び図６〜図７に示されたスリット４３及び／又はアンダーカット成形部４４は、回転子ホイール３２の疲労寿命を実質的に延長させるように、新しい又は既存の回転子ホイール３２の中に容易に機械加工又は切削することができる。回転子ホイール３２の疲労寿命が長くなると、既存の回転子ホイール３２に対する検査及び／又は修繕に伴う運転停止を実質的に少なくすることができる。

本明細書は、最良の実施形態を含めて、本発明を開示するために、また当業者が任意の装置又はシステムを作成し使用し、任意の採用した方法を遂行すること含めて、本発明を実施できるようにするために、様々な例を使用した。本発明の特許可能な範囲は「特許請求の範囲」の記載に定めており、また当業者に考えられる他の例を含み得る。このような他の例は、それらが「特許請求の範囲」の文字通りの記載から差異のない構造的要素を持つ場合、或いはそれらが「特許請求の範囲」の文字通りの記載から実質的に差異のない等価な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあるものとする。

１０ ガスタービン
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ タービン
１８ 静翼
２０ 動翼
２２ 圧縮機ケーシング
２４ 回転子
２６ 静翼
２８ 動翼
３０ タービン・ケーシング
３２ 回転子本体又はホイール
３４ 中孔
３６ 流体通路
３８ ダブテール・スロット
４０ インペラー羽根
４２ 第１の端部
４３ 応力緩和スリット
４４ アンダーカット成形部
４６ 弓形の表面
４８ 熱応力場所
５０ 機械的応力場所
５２ 第１の半径
５４ 第２の半径

Claims (20)

1. 回転子内の応力を低減するためのシステムであって、
   回転子本体と、
   前記回転子本体の中を軸方向に延在する中孔と、
   前記回転子本体上に半径方向に配置された複数のインペラー羽根であって、各インペラー羽根が前記中孔に近接した第１の端部を含んでいる複数のインペラー羽根と、
   各インペラー羽根の前記第１の端部に設けたアンダーカット成形部であって、各アンダーカット成形部が前記中孔に近接した各インペラー羽根の一部分を除去している、アンダーカット成形部と、
   を有するシステム。
2. 各アンダーカット成形部は、各インペラー羽根の前記第１の端部に近接した前記回転子本体の一部分を除去している、請求項１記載のシステム。
3. 更に、前記第１の端部に近接して１つ以上のインペラー羽根の中にスリットを有している、請求項１記載のシステム。
4. 各アンダーカット成形部は前記中孔の周りの弓形の表面に接続されている、請求項１記載のシステム。
5. 前記複数のインペラー羽根は前記回転子本体を横切る流体通路を画成している、請求項１記載のシステム。
6. 各アンダーカット成形部は各インペラー羽根の寸法にわたって延在している、請求項１記載のシステム。
7. 前記システムは更に、前記回転子上に最大機械的応力場所及び最大熱応力場所を有しており、各アンダーカット成形部が前記最大機械的応力場所を前記最大熱応力場所から分離している、請求項１記載のシステム。
8. 各アンダーカット成形部は複合溝を有している、請求項１記載のシステム。
9. 回転子内の応力を低減するためのシステムであって、
   回転子本体と、
   前記回転子本体上に半径方向に配置された複数のインペラー羽根と、
   前記回転子上の機械的応力場所と、
   前記回転子上の熱応力場所と、
   各インペラー羽根上のアンダーカット成形部であって、前記機械的応力場所を前記熱応力場所から分離するアンダーカット成形部と
   を有しているシステム。
10. 各アンダーカット成形部は、各インペラー羽根に近接した前記回転子本体の一部分を除去している、請求項９記載のシステム。
11. 更に、第１の端部に近接して１つ以上のインペラー羽根の中にスリットを有している、請求項９記載のシステム。
12. 前記回転子本体は中孔を含み、また各アンダーカット成形部が前記中孔に近接している、請求項９記載のシステム。
13. 更に、前記アンダーカット成形部に接続された前記中孔の周りの弓形の表面を有している請求項１２記載のシステム。
14. 前記複数のインペラー羽根は前記回転子本体を横切る流体通路を画成している、請求項９記載のシステム。
15. 各アンダーカット成形部は各インペラー羽根の寸法にわたって延在している、請求項９記載のシステム。
16. 各アンダーカット成形部は複合溝を有している、請求項９記載のシステム。
17. 回転子内の応力を低減するための方法であって、
    回転子本体上に配置された複数のインペラー羽根の第１の端部にアンダーカット成形部を機械加工する段階
    を有する方法。
18. 更に、前記回転子上の機械的応力場所を前記回転子上の熱応力場所から分離する段階を有している、請求項１７記載の方法。
19. 更に、前記インペラー羽根に近接した前記回転子本体の中に前記アンダーカット成形部の少なくとも一部分を機械加工する段階を有している、請求項１７記載の方法。
20. 更に、前記複数のインペラー羽根の内の１つ以上を横切るスリットを機械加工する段階を有している、請求項１７記載の方法。