JP2013510995A - タービンエンジン用のタービンブレード固定構造 - Google Patents

タービンエンジン用のタービンブレード固定構造 Download PDF

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Abstract

本発明はタービンブレード固定構造に関し、これは、クリスマスツリー形状で具現化されたブレード根(１)を備え、これは、ブレード成形チップ(１２)に向かって定着歯(５)の高さ(Ｈ)が低減するようにブレード成形チップ(１２)に向かって具現化された定着歯(５)を備える。

Description

本発明はタービンブレード固定構造に関し、これは、ブレード根と、ブレードエアフォイルと、ブレード溝とを備え、ブレード根はブレード溝内に配置され、ブレード根は少なくとも二つの定着歯を備え、この歯はローターの対応するリセス内に嵌るように設計されている。
ターボ機械、特に蒸気タービンにおいては、流動媒体のエネルギーはローターの回転エネルギーに変換される。このために、ローターは複数のタービンブレードを有しているが、これは、流動媒体の熱エネルギーがローターの回転エネルギーへと変換されるように形成されている。蒸気タービンの場合、流動媒体は蒸気である。
ターボ機械は、さらにまた、ローター上に配置されたタービンブレードに加えて、ケーシングに配置されたタービンブレードを備える。ローター上に配置されたタービンブレードはタービンローターブレードと呼ばれ、そして、ケーシング上に配置されたタービンブレードはタービンステータブレードと呼ばれる。タービンローターブレードはブレード根を有するが、それを介して、タービンローターブレードはローターに固定される。このために、ブレード根は、それらがローター内の対応するリセスに係合するように設計される。リセスの内側輪郭は、この場合には、ブレード根の外側輪郭に対応する。原則として、二つのブレード根設計、すなわちモミの木型設計およびダブテール型設計が公知である。
モミの木型設計の場合のブレード根の断面輪郭は、タービンローターブレードの回転方向にリーディング領域を、そして回転方向にトレーリング領域を有するが、これは、波状輪郭として特徴付けられる。そうした波状輪郭の突起は、二つの領域において、複数の定着歯を形成する。タービンローターブレードは、ローター内の対応するリセス内にブレード根を用いて差し込まれる。このためにローターは、ブレード根に対応する波状輪郭を有する。
ローターは、運転中に、タービンローターブレードと共に、たとえば、５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの比較的高い周波数で回転する。蒸気タービンは、対応する用途のために、高い回転速度で作動することも知られている。運転の間に生じる高い温度および回転速度において、大きな熱および機械的負荷が発生する。特に、タービンローターブレードのブレード根には、機械的に大きな負荷が作用する。タービンローターブレードの振動(これは運転の間生じ、しかもブレード根へと伝達される)がタービンローターブレードのあるいはローターの対応するリセスのクラックにつながることがある。そうしたクラックが生じた場合、クラック伝播の結果、クラックがさらに大きくなり、そして最悪の場合には、たとえば、そうしたタービンブレードが運転中にローターから分離し、そしてケーシング内でダメージを引き起こすならば、ターボ機械全体のダメージにつながる可能性が高い。
クラックが成長する場合でさえ、クラック伝播が最小限に抑えられるブレード根構造を有することが望ましい。
本発明は、この点に対応したものであり、その目的は、クラックの伝播を遅らせるブレード根固定構造を開示することである。
この目的は、ブレード根と、ブレードエアフォイルと、ブレード溝と、を具備してなり、ブレード根はブレード溝内に配置され、ブレード根は、ローターの対応するリセス内に嵌るように構成された少なくとも二つの定着歯を具備してなり、定着歯の高さはブレード根チップに向かって増大するタービンブレード固定構造によって達成される。
有利な展開は従属請求項に開示されている。
本発明は、モミの木型根のための公知のブレード根設計から脱するという技術思想に基づくものである。目下、定着歯は、定着歯の高さがブレード根チップに向かって減少するように設計されている。この場合、周方向における空間的範囲は定着歯の高さによって理解されるべきである。従来技術に基づくブレード根設計においては、定着歯は波状輪郭をなすように形成される。定着歯の高さは、この場合、高さが定着歯から定着歯へとブレード根チップに向かって減少し、この結果、ブレード根チップにおける最後の定着歯が最小高さを有しかつ第１の定着歯(これはローターの表面の近傍に配置される)が最大高さを有するように変化する。
本発明は完全に異なる設計に基づくものであり、それによれば、これからは、高さは、やはりまた、定着歯から定着歯へと変化するが、定着歯の高さはブレードチップ根に向かって増大する。この結果、ブレード根チップに配置される定着歯が最大高さを有し、かつ、ローター表面の近傍に存在する定着歯が最小高さを持つことになる。
計算によれば、そうしたブレード根設計は、ブレード根における、あるポイントでのクラックの成長によって代替応力経路が形成され、これが既存のクラックの周りの応力を低減する、という効果をもたらす。これは、クラックの周囲領域における応力の低減につながるが、クラックの外側の領域における応力は増大する。クラックによって影響を受けない定着歯の負荷は、こうして増大する。クラックにおける応力が最小化されるので、それゆえ、クラックのさらなる成長は、ほとんど抑止されるか、あるいは最小限に抑えられる。
有利な展開では、定着歯は定着歯頂を有し、定着歯頂は、実質的に、頂直線に沿って配置される。
新規な設計は、波状輪郭によって区別されるが、ここで、定着歯は、視覚的に、波頂を呈し、そして波底(谷部)が定着歯間に形成される。定着歯は、定着歯頂を、そのチップに有し、ここで、個々の定着歯の定着歯頂は頂直線に沿って配置される。
さらに有利な展開では、定着歯谷部頂は、各場合に、定着歯間に形成され、ここで、定着歯谷部頂は、実質的に、谷部直線に沿って配置される。これは、定着歯谷部頂(これは、各場合に、定着歯間に配置される)が谷部直線上に存在する仮想線に沿って配置されることを意味する。
この設計によって、クラックがブレード根に発生するや否や、余分な応力経路が形成される。
さらに有利な展開では、頂直線は、谷部直線に対して、２°ないし１０°、特に１°ないし１２°の角度αをなすように配置される。この角度範囲内では、運転中の応力分布が最適なものとなる。
さらなる有利な展開では、定着歯の長さはブレードチップに向かって増大する。さらに、この場合、従来技術における既存の設計とは対照的に、定着歯の長さは、この長さがブレード根チップに向かって増大するように変化する。従来技術に関して説明したように、定着歯の長さは、通常、ブレード根チップに向かって減少する。こうして獲得されたブレード根設計は、それゆえ、複数の定着歯を有し、そのサイズはローター表面からブレード根チップに向かって増大する。
さらに有利な展開では、定着歯は、定着歯谷部頂と定着歯頂との間にフランクを有し、内側ノッチ半径が、定着歯谷部頂とフランクとの間に形成され、かつ、外側ノッチ半径が、フランクと定着歯頂との間に形成され、外側ノッチ半径は内側ノッチ半径よりも大きなものである。
新規なブレード根設計においては、クラックが生じた場合にクラック伝播が停止されるように、力がブレード根において可能な限り遠くで作用することになる。特に、ノッチ半径において、(経験から)機械的応力は高く、この結果、本発明によれば、外側ノッチ半径は、内側ノッチ半径よりも小さなものである。
さらに有利な展開においては、荷重支持フランククリアランスが、フランクと、ブレード溝における対応する荷重支持フランクとの間に形成され、ここで、ブレード根チップに最も近い定着歯における荷重支持フランククリアランスは最小であり、これは、したがって、当初、組み付けの間、定着歯がこのポイントにおいてブレード溝に当接し、かつ、荷重支持フランククリアランスはブレードエアフォイルに向かって増大することを意味する。
図示の代表的実施形態に基づいて、本発明を詳しく説明する。
従来技術に基づくローターブレード構造を示す図である。 本発明に基づくローターブレード構造を示す図である。
図１は、タービンブレードの詳細を示しているが、これは、ブレード根１と、ブレードエアフォイル(これは詳しく図示していない)とを備える。図１に基づくブレード根１は、いわゆるモミの木型設計で構成されており、そして従来技術を構成する。そうしたブレード根１は、回転の方向(矢印２)にリーディング領域３を、そして回転の方向にトレーリング領域４を有する。図１に基づくブレード根１は、リーディング領域およびトレーリング領域４の両方に三つの定着歯５を有する。定着歯５は、ローター(これは詳しくは示していない)内の対応するように輪郭取りされたリセスに係合し、この結果、タービンブレードはブレード根１を介してローターに固定される。
図１に示すブレード根１は本質的に対称設計のものであり、すなわち定着歯５の輪郭は、リーディング領域３およびトレーリング領域４において本質的に同一の設計のものである。定着歯５は、ローターの対応するリセス内に嵌るように設計される。各定着歯５は高さＨを有する。定着歯５は、上向きフランク６と、定着歯頂７と、下向きフランク８とを有する。ブレーキ根１の輪郭は、それゆえ、波状として説明でき、ここで、定着歯谷部頂９が各定着歯頂７間に配置されている。個々の定着歯５の定着歯頂７は、図１において選択された例では、頂直線１０上の線内に存在する。それと対向して、定着歯５間の個々の谷部の定着歯谷部頂９は、谷部直線１１に沿った線上に存在する。
定着歯５の高さＨは、第一近似として、定着歯頂７と谷部直線１１との間の最短距離として決定できる。
従来秘術によれば、定着歯５の高さＨはブレード根チップ１２に向かって減少する。
図２は、本発明に基づいて構成されたブレード根１を示している。分かりやすくするために、リーディング領域３におけるブレード根１の輪郭のみを示す。トレーリング領域４は、これに対応して対称的に構成できる。図１に示す従来技術に基づくブレード根１に対する差異は、とりわけ、定着歯５の高さＨがブレードチップ１２に向かって増大することである。
図２に示す定着歯５の形態は、本質的に、台形状に構成されている。すなわち、上向きフランク６および下向きフランク８はそれぞれ直線として構成されている。定着歯頂７および定着歯谷部頂９は、図２から分かるように、直線上に存在する。代替実施形態では、定着歯は、図１に示すような、波状設計のものであってもよい。高さＨは、図２に基づく選択された代表的実施形態では、概ね、(その上に定着歯頂７が配置される)直線の中央から谷部直線１１までで決定される。高さＨはまた、前方移行領域１３において、あるいは後方移行領域１４から谷部直線１１までで容易に決定できる。
図２に基づくブレード根１は、モミの木型根として構成されている(これは図２には詳しく示していない)。定着歯頂７は定着歯フランク１５上に存在するが、これは頂直線１０と実質的に平行に形成されている。図２に基づく代表的実施形態では、定着歯フランク１５は頂直線１０上に存在する。谷部直線１１および頂直線１０は、互いに、２°ないし１０°の間に存在する角度αをなすように配置されている。角度αを示すために、補助直線３０が図２に示されており、頂直線１０と平行に配置されている。角度αは、代替実施形態では、１°ないし１２°の角度を有することができる。ブレード根１はブレード根チップ１２を有するが、これは、ローター１９の回転軸線に関して端部に形成されている。ブレード根１は、ブレード根チップ１２に面する範囲に沿って直列に配置された少なくとも二つの定着歯５を有する。
定着歯５の高さＨに加えて、さらに、定着歯５の長さＬが、ブレードチップ１２に向かって変化させられる。図２に基づく定着歯５の長さＬは、上向きフランク６と谷部直線１１との間の交差ポイントおよび下向きフランク８と谷部直線１１との交差ポイントから決定される。図２から分かるように、定着歯５の長さはブレードチップ１２に向かって増大する。
前方移行領域１３および／または後方移行領域１４は、湾曲によって丸みが与えられてもよい。
ブレード根１は、ローター１９のブレード溝１８内に嵌め込まれる。これは、個々の定着歯５のフランク６が荷重支持フランク２０に当接することを意味する。
フランク６は、定着歯谷部頂９と定着歯頂７との間に形成される。内側ノッチ半径１６が、定着歯谷部頂９とフランク６との間に形成される。さらに、外側ノッチ半径１７がフランク６と定着歯頂７との間に形成され、ここで、外側ノッチ半径１７は内側ノッチ半径１６よりも小さなものである。これは、応力経路の最適な分布につながる。移行領域１４においては、それゆえ、本発明に基づいて異なる外側ノッチ半径１７あるいは内側ノッチ半径１６が形成される。第１の変形例では、外側ノッチ半径１７は内側ノッチ半径１６よりも小さい。第２の変形例では、外側ノッチ半径１７は内側ノッチ半径１６よりも大きなものであってもよい。
さらに、外側ノッチ半径１７は、それがブレードチップ１２に向かって増大するようなものである。これは、外側ノッチ半径１７が、定着歯５から定着歯５へとブレード根チップ１２に向かって増大することを意味する。同様に、内側ノッチ半径１６は、これが、定着歯５から定着歯５へとブレード根チップ１２に向かって増大するように形成される。
代替実施形態における内側ノッチ半径１６は、それが定着歯５から定着歯５へとブレード根チップ１２に向かって減少するように形成できる。同様に、代替実施形態では、外側ノッチ半径１７は、これが、定着歯５から定着歯５へとブレード根チップ１２に向かって減少するように形成される。
ブレード根１は、さらに、フランク６がブレード溝１８の対応する荷重支持フランク２０に当接するように設計される。荷重支持フランククリアランス２１,２２,２３は、したがって、フランク６と荷重支持フランク２０との間に形成される。応力経路の最適な分布のために、荷重支持フランククリアランス２１は、最初は、ブレード根１が組み込まれているとき、ブレード根チップ１２に最も近い定着歯５が荷重支持フランク２０に直に当接するように設計される。これは、フランク６と荷重支持フランク２０との間に接触が存在することを意味する。この変形例では、ブレード根１は、荷重支持フランククリアランス２２および２３が、より大きくなるように設計される。これは、ブレード根チップ１２から離れると、ブレードエアフォイルに向かって形成された定着歯５の荷重支持フランククリアランス２２および２３が増大することを意味する。
第１の代替実施形態では、荷重支持フランククリアランス２２および２３は等しくなるように設計される。
さらなる代替実施形態では、荷重支持フランククリアランス２３は、基本的に、荷重支持フランククリアランス２３が存在しないように設計される。これは、組み付けの間、荷重支持フランククリアランス２３に対応する定着歯５が接触状態にあることを意味する。荷重支持フランククリアランス２２および２１は、この代替実施形態では、ブレード根チップ１２に向かって増大する。
さらなる代替実施形態では、荷重支持フランククリアランス２２に対応する定着歯５は接触状態であり、ここで、荷重支持フランククリアランス２１および２３はゼロではない。
１ ブレード根
３ リーディング領域
４ トレーリング領域
５ 定着歯
６ 上向きフランク
７ 定着歯頂
８ 下向きフランク
９ 定着歯谷部頂
１０ 頂直線
１１ 谷部直線
１２ ブレード根チップ
１３ 前方移行領域
１４ 後方移行領域
１５ 定着歯フランク
１６ 内側ノッチ半径
１７ 外側ノッチ半径
１８ ブレード溝
１９ ローター
２０ 荷重支持フランク
２１,２２,２３ 荷重支持フランククリアランス
３０ 補助直線

Claims (10)

  1. タービンブレード固定構造であって、
    ブレード根(１)と、ブレードエアフォイルと、ブレード溝(１８)と、を具備してなり、前記ブレード根(１)は前記ブレード溝(１８)内に配置され、
    前記ブレード根(１)は、ローターの対応するリセス内に嵌るように構成された少なくとも二つの定着歯(５)を具備してなり、
    前記ブレード根(１)は、前記ローターの回転軸線に関する端部に形成されたブレード根チップ(１２)を有し、
    前記ブレード根(１)は、前記ブレード根チップ(１２)に面する範囲に沿って一列に配置された少なくとも二つの定着歯(５)を有し、
    前記定着歯(５)の高さ(Ｈ)は前記ブレード根チップ(１２)に向かって増大することを特徴とするタービンブレード固定構造。
  2. 前記ブレード根(１)は、モミの木型根として構成されていることを特徴とする請求項１に記載のタービンブレード固定構造。
  3. 前記定着歯(５)は、各場合に、定着歯頂(７)を有し、かつ、前記定着歯頂(７)は、実質的に、頂直線(１０)に沿って配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のタービンブレード固定構造。
  4. 前記タービンブレード根(１)は、前記定着歯(５)の間に定着歯谷部頂(９)を有し、かつ、前記定着歯谷部頂(９)は、実質的に、谷部直線(１１)に沿って配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のタービンブレード固定構造。
  5. 前記頂直線(１０)および前記谷部直線(１１)は、互いに、２°ないし１０°の角度αをなすように配置されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のタービンブレード固定構造。
  6. 前記定着歯(５)の長さ(Ｌ)は前記ブレード根チップ(１２)に向かって増大することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のタービンブレード固定構造。
  7. 前記定着歯(５)は、前記定着歯谷部頂(９)と前記定着歯頂(７)との間にフランク(６)を有し、
    外側ノッチ半径(１７)が、前記フランク(６)と前記定着歯頂(７)との間に形成され、
    内側ノッチ半径(１６)が、前記定着歯谷部頂(９)と前記定着歯頂(７)との間に形成され、
    前記外側ノッチ半径(１７)は前記内側ノッチ半径(１６)よりも小さなものであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のタービンブレード固定構造。
  8. 前記外側ノッチ半径(１７)は前記ブレード根チップ(１２)に向かって増大することを特徴とする請求項７に記載のタービンブレード固定構造。
  9. 前記内側ノッチ半径(１６)は前記ブレード根チップ(１２)に向かって増大することを特徴とする請求項７または請求項８に記載のタービンブレード固定構造。
  10. 荷重支持フランククリアランス(２１)が、前記フランク(６)と、前記ブレード溝(１８)における対応する荷重支持フランク(２０)との間に形成され、
    前記ブレード根チップ(１２)に最も近い前記定着歯(５)には荷重支持フランククリアランス(２１)が基本的に存在せず、かつ、前記さらなるフランク(６)と、対応する荷重支持フランク(２０)との間の前記荷重支持フランククリアランス(２１)は、前記ブレードエアフォイルに向かって増大することを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のタービンブレード固定構造。
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