JP2013164068A - タービンアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】タービンアセンブリの基本振動数を変更する。
【解決手段】タービンアセンブリは、動翼から延びる翼形部と、動翼の下部に位置するダブテールとを含んでおり、タブテールはダブテール接触面を有している。タービンアセンブリは、ダブテールを介して翼形部と結合するように構成されたスロットを有する部材も含んでおり、スロットは、ダブテール接触面と接触するスロット接触面を有していて、動翼と部材とのアセンブリの基本振動数を変更させるためレリーフによってダブテール接触面が縮小されている。
【選択図】 図１

Description

本明細書で開示する対象は、ターボ機械の回転部品及び静止部品、特にタービンシステムの動翼及びディスクダブテール設計に関する。

ある種のタービンロータディスクは、ディスクの外周に、複数の周方向に離隔したダブテールスロットを含んでいる。ダブテールスロットの各々には、ダブテールスロットの雌部に相補的な雄部を有する動翼ダブテールと翼形部とで形成される動翼が嵌め込まれる。動翼ダブテールはダブテールスロットに軸方向に挿入される。

タービン作動中に、ある種の部品の運動並びにタービンを流れる圧縮空気及び高温ガスによって、タービンシステムで振動が生じるおそれがある。例えば、回転中の動翼の振動は、空気又はガスが隣接する静翼を流れることによって引き起こされることがある。具体的には、タービンシステムの作動中、流体が圧縮機又はタービンの動翼を通過する際に生じるパルスによって駆動振動数が生ずる。動翼は、それらの基本固有振動数が駆動振動数を避けるか或いは駆動振動数に起因する振動に耐えることができるように設計するのが望ましく、さもなければ部品に摩耗、高サイクル疲労その他の損傷が起こるおそれがある。振動によって惹起される疲労のため部品を修理及び／交換することは、コストと時間がかかる。

米国特許第７４７６０８５号明細書

本発明の一態様では、タービンアセンブリは、動翼から延びる翼形部と、動翼の下部に位置するダブテールとを含んでおり、タブテールはダブテール接触面を有している。タービンアセンブリは、ダブテールを介して翼形部と結合するように構成されたスロットを有する部材も含んでおり、スロットは、ダブテール接触面と接触するスロット接触面を有していて、動翼と部材とのアセンブリの基本振動数を変更させるためレリーフによってダブテール接触面が縮小されている。

本発明の別の態様では、タービンアセンブリの基本振動数を変更させるための方法は、動翼のダブテールとロータディスクのスロットとによってロータディスクに結合した動翼から延びる翼形部に高温ガスを流し、ダブテール接触面とスロットのスロット接触面との接触面積を縮小させることによってロータディスクと動翼とのアセンブリの基本振動数を変更することを含む。

本発明とみなされる対象については、本明細書に続く特許請求の範囲に具体的かつ明瞭に記載されている。本発明の上記その他の特徴及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。

一実施形態に係るタービンディスクセグメントとタービン動翼の斜視図。 図１に示すービン動翼の斜視図。 一実施形態に係るタービン動翼のダブテール部の詳細斜視図。 図３に示すダブテールの一部分の詳細側面図。 図３及び図４に示すダブテールの一部分の詳細図。

以下の詳細な説明では、具体例として、図面を参照して、本発明の実施形態について特徴及び利点と共に説明する。

図１は、タービン動翼１１２が取り付けられた例示的なタービンディスクセグメント１１０の斜視図である。実施形態としては、ガスタービン、蒸気タービン、軸流圧縮機その他複数の動翼がダブテールで固定される装置に対する用途が挙げられる。ディスク１１０は、動翼１１２をディスク１１０に固定するための相補的形状の動翼ダブテール１１６が嵌め込まれるダブテールスロット１１４を含んでいる。一実施形態では、動翼ダブテール１１６は、ダブテールスロット１１４に動翼１１２を保持するための３つのタング１２１を有する。実施形態によっては、タング１２１を１つしか含んでいなくてもよいし、８つ以上のタング１２１を含んでいてもよい。図２に、翼形部２１８と動翼ダブテール１１６とを含む動翼１１２の基部を示す。一実施形態では、高温ガスが翼形部２１８に流れ、動翼１１２の正圧側２２２（前縁）と負圧側２２４（後縁）を生じる。後でさらに詳しく説明する通り、動翼１１２とディスクセグメント１１０（単に「部材」又は「タービン部材」ともいう。）とのアセンブリの基本振動数を変更させるために、タング１２１に複数のレリーフ２２６が形成される。タービンシステムの１以上の駆動振動数から遠ざかるように基本振動数を変更又はシフトせしめ、もって部品での摩耗又は疲労の発生率を低減させる。

ダブテールスロット１１４は通例「軸方向植込」スロットと呼ばれ、動翼１１２のダブテール１１６はダブテールスロット１１４に略軸方向（つまりディスク１１０の軸に対して概ね平行ではあるが、傾いた方向）に挿入される。ここで説明した特徴は、任意の翼形部／ディスク接合部全般に適用できる。図１及び図２に示す構造は、様々な種類のタービンにおける多種多様なディスク及び動翼設計の代表例にすぎない。一実施形態では、レリーフ２２６は、鋳造、切削及び機械加工のような、ダブテール１１６から材料を除去して表面に凹部を形成するための任意の適切な方法で形成される。例えば、レリーフ２２６としては、凹部に緩やかな勾配又は緩やかな丸みをおびた勾配を生じるダブテール表面の切削又は機械加工凹部が挙げられる。

本明細書で用いる「下流」及び「上流」という用語は、タービンを通る作動流体の流れに対する方向を示す用語である。したがって、「下流」という用語は概して作動流体が流れる方向に対応する方向を意味し、「上流」という用語は概して作動流体が流れる方向とは反対の方向を意味する。「半径方向」という用語は、軸又は中心線に対して垂直な方向の運動又は位置を意味する。この用語は、軸に対して異なる半径方向位置にある部材を表すのにも有用である。この場合、第１の部品が第２の部品よりも軸に近い位置にあるときは、本明細書では、第１の部品は第２の部品の「半径方向内側」にあると表現できる。逆に、第１の部品が第２の部品よりも軸から離れた位置にあるときは、本明細書では、第１の部品は第２の部品の「半径方向外側」又は「外側」にあると表現することができる。「軸方向」という用語は、軸と平行な運動又は位置を意味する。最後に、「周方向」という用語は、軸の周りの運動又は位置を意味する。以下、主にガスタービンに重点をおいて説明するが、本明細書に記載した技術的思想はガスタービンに限定されるものではなく、蒸気タービンを始めとする機械にも適用できる。したがって、本明細書の記載はガスタービンの実施形態に関するものではあるが、別のタービンシステムにも適用できる。

図３は、動翼の一実施形態のダブテール３００を含む部分の斜視図である。ダブテール３００は、タング３０４、３０８、３１２及び３１６にそれぞれ形成されたレリーフ３０２、３０６、３１０及び３１４を含んでいる。これらのレリーフではダブテール３００から材料が除去されており、タービンディスク又は圧縮機ディスクに形成されたスロットのような嵌合ダブテールスロットと接触する接触面３１７の面積が縮小している。一実施形態では、レリーフはダブテール３００の第１の側面３１８及び第２の側面３２０に形成される。さらに、ダブテール３００の前縁３３２（すなわち、正圧側）及び後縁３２４（すなわち、負圧側）にもレリーフが形成される。ダブテール、タング及びレリーフの様々な構成が想定される。実施形態によっては、１以上のレリーフを１つのタングのみに形成してもよいし、或いはタング３０４、３０８、３１２及び３１６のすべてに形成してもよい。さらに、１以上のレリーフを前縁３２２及び前縁３２４の一方又は両方に形成してもよい。さらに、１以上のレリーフをダブテール３００の第１の側面３１８及び第２の側面３２０の一方又は両方に形成してもよい。

一実施形態では、レリーフ３０２、３０６、３１０及び３１４による接触面３１７の縮小によって、動翼と嵌合部材（例えば、タービンディスクセグメント又は圧縮機ケーシング）とのアセンブリの基本振動数が変化する。例えば、アセンブリの基本振動数がタービンシステムの１以上の駆動振動数から遠ざかるようにシフトして、部品の疲労が低減し、寿命が延びる。一実施形態では、１以上のレリーフによって動翼とディスクとのアセンブリの基本振動数が１〜２％又はそれ以上シフトして、基本振動数は駆動振動数から遠ざかる。実施形態によっては、レリーフは、動翼とディスクセグメントとのアセンブリの基本振動数の変更に用いられる複数の技術のうちの１つであってもよい。レリーフ３０２、３０６、３１０及び３１４は、鋳造後のダブテールを機械加工するなど、任意の適切な方法で形成すればよい。例えば、動翼及びダブテールを合金から鋳造して、試験によって動翼とディスクセグメントとのアセンブリの基本振動数を求め、試験によってレリーフの数、位置及びサイズを決定した後、ダブテールを機械加工してレリーフを形成すればよい。

図４は、図３に示す例示的なダブテール３００の一部分の詳細側面図である。この図はダブテール３００の第２の側面３２０の詳細を示す。図に示すように、レリーフ３０２は第１の軸方向長さ４００を有し、レリーフ３０６は第２の軸方向長さ４０２を有し、レリーフ３１０は第３の軸方向長さ４０４を有し、レリーフ３１４は第４の軸方向長さ４０６を有する。一実施形態では、軸方向長さ４００、４０２、４０４及び４０６の寸法は異なる。別の実施形態では、軸方向長さ４００、４０２、４０４及び４０６のうちの１以上は同じ寸法である。１以上のレリーフの長さ、切削深さ（すなわち、表面３１７内のカット部の側面深さ）及び位置は、用途並びに動翼及び嵌合部材で望まれる基本振動数の変化量に応じて、変更できる。

図５は、図３及び図４に示す例示的なダブテール３００の部分拡大図である。この図は、タブテール３００のタング３０４及び３０８に形成されたレリーフ３０２及び３０６を示す。レリーフ３０２及び３０６は接触面３１７を縮小させて、動翼（ダブテールを含む）と嵌合部材（例えば、ディスク）とのアセンブリの基本振動数を変化させる。具体的には、ダブテール３００の接触面３１７と嵌合ダブテールスロットの接触面との接触面積はレリーフ３０２及び３０６によって縮小される。実施形態によっては、ダブテール３００とダブテールスロットとの接触面積は、ダブテール及び／又はダブテールスロットの接触面に形成されるカット、溝及び凹部などの、適切な方法で縮小し得る。図示した動翼ダブテール及び嵌合部材の実施形態は、タービンシステムの駆動振動数から遠ざかるようにアセンブリの基本振動数を変更することによって、嵌合部材及び／又は動翼の耐用年数を向上させ、アセンブリのロバスト性を向上させる。

限られた数の実施形態に関して本発明を詳しく説明してきたが、本発明がこれらの開示された実施形態に限定されないことは明らかであろう。本発明には、本明細書に記載されていない数多くの変更、修正、置換又は均等な構成を組み込むことができ、これらは本発明の技術的思想及び技術的範囲に属する。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様によっては、その一部しか含んでいないこともある。したがって、本発明は、以上の記載によって限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲にしか限定されない。

１１０ タービンディスクセグメント
１１２ タービン動翼
１１４ ダブテールスロット
１１６ 動翼ダブテール
１２１ タング
２１８ 翼形部
２２２ 正圧面
２２４ 負圧面
３００ 動翼ダブテール
３０２ レリーフカット部
３０４ タング
３０６ レリーフカット部
３０８ タング
３１０ レリーフカット部
３１２ タング
３１４ レリーフカット部
３１６ タング
３１７ 接触表面
３１８ 第１の側面
３２０ 第２の側面
３２２ 前縁
３２４ 後縁

Claims (20)

1. 動翼から延びる翼形部と、
   動翼の下部に位置するダブテールであって、ダブテール接触面を有するダブテールと、
   ダブテールを介して翼形部と結合するように構成されたスロットを有する部材であって、スロットがダブテール接触面と接触するスロット接触面を有し、動翼と部材とのアセンブリの基本振動数を変更させるためレリーフによってダブテール接触面が縮小されている、部材と
   を備えるタービンアセンブリ。
2. 前記ダブテール接触面が複数のレリーフによって縮小されている、請求項１記載のタービンアセンブリ。
3. 前記複数のレリーフがダブテールの前縁及び前縁の近傍に位置する、請求項２記載のタービンアセンブリ。
4. 前記複数のレリーフが複数の異なる軸方向長さのレリーフを含む、請求項２記載のタービンアセンブリ。
5. 前記ダブテールが複数のタングを含んでおり、複数のレリーフの各々が複数のタングの各々に形成される、請求項２記載のタービンアセンブリ。
6. 前記レリーフが基本振動数をシフトさせて、タービンアセンブリ作動時に生じる駆動振動数から遠ざける、請求項１記載のタービンアセンブリ。
7. 前記部材がタービンディスクを含む、請求項１記載のタービンアセンブリ。
8. 前記部材が圧縮機ディスクを含む、請求項１記載のタービンアセンブリ。
9. 動翼から延びる翼形部と、
   動翼の下部に位置するダブテールであって、ダブテール接触面を有するダブテールと、
   前記ダブテールを介して翼形部と結合するように構成されたスロットを有するタービンディスクであって、スロットがダブテール接触面と接触するスロット接触面を有し、スロット接触面とタブテール接触面との接触面積の縮小によって、動翼とタービンディスクとのアセンブリの基本振動数が変更されている、タービンディスクと
   を含むタービンアセンブリ。
10. 前記ダブテール接触面がレリーフによって縮小されている、請求項９記載のタービンアセンブリ。
11. 前記レリーフが基本振動数をシフトさせて、タービンアセンブリ作動時に生じる駆動振動数から遠ざける、請求項１０記載のタービンアセンブリ。
12. 前記ダブテール接触面が複数のレリーフによって縮小されている、請求項９記載のタービンアセンブリ。
13. 前記複数のレリーフがダブテールの前縁及び前縁の近傍に位置する、請求項１２記載のタービンアセンブリ。
14. 前記複数のレリーフが複数の異なる軸方向長さのレリーフを含む、請求項１２記載のタービンアセンブリ。
15. 前記ダブテールが複数のタングを含んでおり、複数のレリーフの各々が複数のタングの各々に形成される、請求項１２記載のタービンアセンブリ。
16. タービンアセンブリの基本振動数を変更する方法であって、
    動翼のダブテールとロータディスクのスロットとによってロータディスクに結合した動翼から延びる翼形部に流体を流し、
    ダブテール接触面とスロットのスロット接触面との接触面積を縮小させることによってロータディスクと動翼とのアセンブリの基本振動数を変更する
    ことを含む方法。
17. 前記接触面がダブテール接触面のレリーフによって縮小されている、請求項１６記載の方法。
18. 基本振動数を変更することが、基本振動数をシフトさせて、タービンアセンブリ作動時に生じる駆動振動数から遠ざけることを含む、請求項１７記載の方法。
19. 前記ダブテール接触面が複数のレリーフによって縮小されている、請求項１６記載の方法。
20. 前記複数のレリーフがダブテールの前縁及び後縁の近傍に位置する、請求項１９記載の方法。