JP2016000996A - ガスタービン用のロータアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】タービンブレードにおける高温流の漏れを防止する。
【解決手段】本発明は、ガスタービンなどの回転機械用のロータアセンブリ１に関する。本解決手段は、ロータ本体に刻み込まれた溝６内に配置されたシーリングワイヤ８を提供する。シーリングワイヤ８は、機械の通常運転中に作用する半径方向遠心力に応答し、機械構成部材に向かう損傷する高温漏れを防止するためのシーリング状態が達成されるまで、溝６において半径方向に移動する。
【選択図】図４

Description

本発明は、ガスタービンなどの回転機械用のロータアセンブリに関する。

公知のように、ガスタービン用の標準的な構成は、ロータ本体に堅固に挿入された複数のブレードを想定している。特に、各ブレードは、ロータ本体の対応するもみの木形部分内に保持されるもみの木形根元部を有する。ブレードの外側部分は、機械において発達する高温流体流に関連した運動エネルギ及び圧力エネルギを、ロータシャフトにおいて利用可能な機械的エネルギに変換するように成形された翼を有しており、ブレード翼は、ブレード翼ともみの木形根元部との間に介在したブレードシャンクによってブレードもみの木形根元部に一体化されている。連続するブレードの間に位置決めされたロータキャビティにおいて生じる圧力及び温度は、ブレードのシャンク及びもみの木形部分へ向かう高温流体の漏れを生ぜしめる。このような発生は、ブレード部分の過熱を生じ、このような構成部材の経時劣化につながる。

この問題を解決するために、一般的にロックプレートが提供される。ロックプレートは、隣接するロータキャビティから入り込む高温流からブレードもみの木形根元部及びブレードシャンクを遮断する。ロックプレートの下側部分は、通常、ロータ本体に刻み込まれた溝に挿入されているのに対し、その上側部分は、ブレードプラットフォーム縁部に設けられたフック状部分に埋め込まれている。

しかしながら、このような配列は漏れ低減を決定するが、問題に対する決定的な解決を提供しない。実際、機械の通常運転中には、ブレードのもみの木形根元部及びシャンク部分と、隣接するロータキャビティとの間に温度及び圧力の勾配が通常は生じるため、極めて大きな漏れが生じる。相互接続される構成部材の間の製造公差により完全な密閉性を確保することができないことが認められるであろう。その結果、ロータキャビティとブレード部分との境界面にロックプレートが存在するにもかかわらず、高温流の漏れが依然として見られ、ブレードにおける損傷効果を生じ、機械の全体的な経時性能に影響する。

本発明の課題は、独立請求項１に実質的に定義されたようなロータアセンブリ１を提供することによって前述の技術的問題を解決することである。

さらに、本発明の課題は、従属請求項１５に実質的に定義されたようなガスタービンを提供することでもある。

好適な実施の形態は、対応する従属請求項に定義されている。

典型的かつ非制限的な目的のためだけの以下の詳細な説明に説明される好適な実施の形態によれば、本解決手段は、ロータ本体に刻み込まれた溝内に配置されたシーリングワイヤを提供する。シーリングワイヤは、機械の通常運転中に作用する半径方向遠心力に応答し、シーリング状態が達せられるまで溝内で半径方向に移動する。

これにより、ブレード部分に向かう高温流体の漏れは、従来技術に比して著しく低減され、ひいては、一体性及び耐久性の観点からブレード材料のより優れた性能が得られる。

本発明の前記課題及び付随する利点の多くが、さらに容易に認められることになるであろう。なぜならば、それらの課題や利点は、添付の図面に関連して見た場合に以下の詳細な説明を参照することによってさらに理解されるからである。

従来技術によるロータブレード構成の正面断面図である。 線Ａ−Ａに沿ったロータブレードロックプレート構成の側方断面図である。 図２の詳細を示す図である。 ロータが静止した状態における本発明によるロータアセンブリの横方向断面図である。 図５ａ及び図５ｂは、運転中のロータアセンブリの横方向断面図である。 本発明によるロータアセンブリの概略的な正面図である。

図１を参照すると、従来技術によるロータブレード構成の正面断面図が示されている。概して参照符号１０で示されたブレードは、ロータ本体３に固定されている。より具体的には、ブレード１０は、ブレード翼部分１３と、ブレードシャンク部分１２と、ブレードもみの木形部分１１とを有する。ブレードもみの木形部分は、対応するロータもみの木形部分４に保持されている。構成部材間の所要の公差は、必然的に、ブレードとロータとの間の間隙を決定する（図面において、このような間隙のサイズは、見やすくするために誇張されている）。したがって、ブレード及びロータのもみの木形の面の間の密閉した接触は、上記理由から確保することができない。さらに、ロータ本体内でのブレードの確実なロッキングを保証するために、部材間の所要の摩擦を提供するための大きな接触面が必要とされ、これは、既存の間隙の存在を増大させる。

ここで次の図２を参照すると、側方断面Ａ−Ａに沿った図１の配列が示されている。対応するブレードもみの木形部分１１を保持するもみの木形部分４を有する、軸線ａを中心にして回転可能なロータ３が、概略的に示されている。横方向断面図は、軸線ａの方向に沿って２つの連続するブレード（そのうちブレード１０のみが示されている）の間に位置決めされたロータキャビティ３１を示しており、温度及び圧力条件（Ｔ_c及びＰ_cとして示されている）は、ブレードに向かって、特に、ブレードがロータ本体内に保持されておりかつ温度及び圧力がＴ_B及びＰ_Bとして示された値を有するもみの木形領域に向かって高温流漏れ（図面における矢印Ｆ）を生ぜしめるようになっている。この問題を解決するために、公知の方法によれば、ロータキャビティ３１と、ブレード及びロータ本体それぞれのもみの木形領域１１及び４との間の温度及び圧力の勾配によって生ぜしめられる漏れを遮断するために、ロックプレート７が設けられている。より具体的には、図２の横方向断面図に概略的に示されているように、ロックプレート７は、ロータ本体３に刻み込まれた周方向溝６に挿入された下側部分７１を有する。しかしながら、接触した部材間の公差により、ロックプレート７を通る漏れが依然として生じるので、高温流は、ブレードもみの木形部分１１に達し、温度及び圧力Ｔ_B及びＰ_Bに影響を与える。

図３は、周方向溝６に挿入されたロックプレート７の下側部分７１に注目した図２の詳細を示している。矢印Ｆは、ロックプレートの周囲を通り、ブレード及びロータのもみの木形領域（図示せず）へ到達する漏れの経路を示している。

ここで次の図４を参照すると、ここでは非制限的な例として開示された本発明の好適な実施の形態によるロータアセンブリ１が示されている。ロータアセンブリ１は、軸線ａを中心として回転可能なロータ本体３を有する。ロータ本体は、もみの木形部分４（対応するブレードもみの木形部分１１を保持するように構成されている）と、ロータもみの木形部分４の近くでロータ本体３に刻み込まれた周方向溝６とを有する。ロータの隣接するキャビティ（図示せず）から入り込む高温漏れからブレードもみの木形部分４を遮断するように構成されたロックプレート７が設けられている。ロックプレート７は、溝６に挿入された下側部分７１を有しており、溝６は、ロックプレート下側部分７１に面した側壁を規定している。本発明によるロータアセンブリ１は、さらに、周方向溝６内に配置されたシーリングワイヤ８（図４に横方向断面図で示されている）を有する。有利には、ロックプレート下側部分７１及び溝側壁９は、収束する通路を形成するように配置されている。シーリングワイヤ８は、ロータの作動中、機械の高速回転中に生じる遠心力を受け、ロックプレート下側部分７１と溝側壁９とにシーリング状態で接触するまで、収束する通路に沿って上方へ移動させられる。これにより、ロックプレート７の周囲を通る高温漏れは、その経路に沿ってさらなる妨害を受け、これにより、アセンブリの密閉性が著しく高められる。さらに、高い遠心力は、ワイヤを収束する通路にしっかりと押し付けたまま保つ極めて密閉性のシーリング状態を保証する。図４は、休止状態におけるロータアセンブリを示しており、この場合、ロータは静止しており、シーリングワイヤ８は、溝内の規定されていない位置に配置されている。好適には、側壁９は、ロータ本体の半径方向ｒと一致させられている（図示されていない例）。これに代えて、側壁９は、半径方向ｒに対して鋭角α₂を形成するように傾斜させられていてもよい。側壁９に達したときにシーリングワイヤ８が、実際に、接触面の間に生じた摩擦を克服して側壁９上で滑ることができることを保証するために、角度α₂は好適には０＜α₂＜アークタンジェント（μｆ₂）の範囲で選択されている。μｆ₂は、側壁表面に関連した摩擦係数である。係数μｆ₂は、摩擦のクーロンの法則に従って計算される。例えば、溝側壁９及びシーリングワイヤ８が鋼から形成されている場合、μｆ₂は、実質的に０．１５に等しい数値を有する。

これに加えて又はこれに代えて、ワイヤ８によってシーリング状態を達成するための収束する通路を形成するようにロックプレート下側部分７１が成形されていてもよい。有利には、ロックプレート下側部分７１は、尖った形状であってもよい。特に、好適な実施の形態によれば、ロックプレート下側部分７１は、前記ロータ本体３の半径方向に対して鋭角α₁を形成するように傾斜した、側壁９に面した、末端壁部７１１を有する。好適には、鋭角α₁は、０＜α₁＜アークタンジェント（μｆ₁）の範囲で選択されており、μｆ₁は、この場合は末端壁部７１１に関連した摩擦係数である。係数μｆ₁は、摩擦のクーロンの法則に従って側壁９の場合と同じように決定される。０．１［アークタンジェント（μｆ₁）］＜α₁＜０．３［アークタンジェント（μｆ₁）］のサブ範囲で選択されたα₁を有する尖った形状のロックプレート下側部分７１を提供することが、最善のシーリング性能を生じることが示された。

ここで次の図５ａ及び図５ｂを参照すると、作動中の本発明によるロータアセンブリ１の機能が示されている。軸線ａを中心とするロータ本体３の回転により、シーリングワイヤ８は、半径方向ｒに沿って方向付けられた遠心力Ｆ_cを受ける。ワイヤ８が、収束する通路の表面に接触すると、選択された角度α₁及びα₂に関するロータアセンブリ１におけるジオメトリにより、ワイヤと通路の壁部との接点において生じる力Ｆ_Tは、クーロンの法則に従ってＦ_N・μ_fとして計算される摩擦力よりも大きくなるようになっている。これにより、シーリングワイヤ８は、シーリングワイヤ８に作用する遠心力により、漏れを遮断するための、図５ｂに示されたシーリング状態に達するまで、収束する通路に沿って滑る。

ここで次の図６を参照すると、周方向溝（図示せず）内に配置されたシーリングワイヤと、例えば、それぞれが各ロックプレート７に関連した２つの連続するブレード１３との正面概略図が示されている。シーリングワイヤが、ロータ本体（図示せず）に沿った同じ軸方向位置に属する全てのブレードに同時に作用することが認められるであろう。図示したように、シーリングワイヤ８は環状である。好適には、ワイヤ８は、金属材料から形成されており、１つの角度位置に配置されかつ実質的に互いに面した、２つの自由端部８１及び８２を有する。自由端部８１及び８２は、上記で説明したように作動中にシーリング状態を達成するために、周方向溝を通る金属ワイヤ８の膨張を可能にし、据付け作業をも容易にする。特に、据付けは、以下に説明するように行われる。ブレードがまず据え付けられる。次いで、１つのシーリングワイヤが周方向溝に配置される。次いで、全てのロックプレートが順に据え付けられ、各ロックプレートは最終位置に向かって滑らされる。最後のロックプレートのために、個々に取り付けるためにワイヤが切断される。

これに代えて、シーリングワイヤは、それぞれ各ロックプレートのために、複数の部分に切断されてもよい。ワイヤの各部分は、シーリングワイヤの部分を収容する適切な凹部を有するロックプレートに予め組み付けられる。ワイヤの部分を有する予め組み付けられたロックプレートは、上記で説明したのと同じように、ブレードがロータ本体に取り付けられた後、順に据え付けられる。シーリングワイヤのために金属以外の他の材料が使用されてもよいことが認められるであろう。これに代えて、ロープシール又は弾性材料（金属の場合のように、膨張を許容するための自由端部を必要としない）が使用されてもよい。例えば、エポキシ、樹脂、エラストマ又はゴム材料が使用されてよい。

本発明は、好適な実施の形態に関して完全に説明されたが、本発明の範囲に変更が加えられてよく、本出願をこれらの実施の形態によって限定されるものと考えず、しかし以下の請求項の内容によることが明らかである。

３ ロータ本体、 ４ ロータもみの木形部分、 ６ 周方向溝、 ７ ロックプレート、 ８ シーリングワイヤ、 ９ 溝側壁、 １０ ブレード、 １１ ブレードもみの木形部分、 １２ シャンク部分、 １３ 翼部分、 ３１ ロータキャビティ、 ７１ 下側部分、 ８１，８２ 自由端部、 ７１１ 末端壁部

Claims (15)

1. ガスタービン用のロータアセンブリ（１）であって、該ロータアセンブリ（１）は、
   軸線ａを中心に回転可能なロータ本体（３）であって、該ロータ本体（３）は、対応するブレードもみの木形部分（１１）を収容するように構成された少なくとも１つのロータもみの木形部分（４）と、該少なくとも１つのロータもみの木形部分（４）の近くで前記ロータ本体（３）に刻み込まれた周方向溝（６）とを有する、ロータ本体（３）と、
   前記周方向溝（６）に挿入されたロックプレート下側部分（７１）を有する、前記ロータもみの木形部分（４）に関連したロックプレート（７）と、を備え、
   前記溝は、前記ロックプレート下側部分（７１）に面した側壁（９）を規定している、ガスタービン用のロータアセンブリ（１）において、
   前記ロータアセンブリ（１）は、さらに、前記周方向溝（６）内に配置されたシーリングワイヤ（８）を含み、前記側壁（９）及び前記ロックプレート（７）は、収束する通路を規定しており、前記シーリングワイヤ（８）が前記ロックプレート（７）の前記下側部分と、前記側壁（９）とにシーリング状態で接触するまで、前記シーリングワイヤ（８）が作動中に遠心力によって前記収束する通路に沿って上方へ移動させられるようになっていることを特徴とする、ガスタービン用のロータアセンブリ（１）。
2. 前記周方向溝（６）の前記側壁（９）は、前記ロータ本体（３）の半径方向ｒと一致させられている、請求項１記載のロータアセンブリ（１）。
3. 前記側壁（９）は、前記ロータ本体（３）の半径方向ｒに対して鋭角α₂を形成するように傾斜させられている、請求項１記載のロータアセンブリ（１）。
4. 前記鋭角α₂は、０＜α₂＜アークタンジェント（μｆ₂）の範囲で形成されており、μｆ₂は、前記側壁（９）に関連した摩擦係数である、請求項３記載のロータアセンブリ（１）。
5. 前記ロックプレート下側部分（７１）は、尖った形状である、請求項１から４までのいずれか１項記載のロータアセンブリ（１）。
6. 前記ロックプレート下側部分（７１）は、前記ロータ本体（３）の半径方向ｒに対して鋭角α₁を形成するように傾斜した、前記側壁（９）に面した、末端壁部（７１１）を有する、請求項５記載のロータアセンブリ（１）。
7. 前記鋭角α₁は、０＜α₁＜アークタンジェント（μ_f1）の範囲で形成されており、μ_f1は、前記末端壁部（７１１）に関連した摩擦係数である、請求項６記載のロータアセンブリ（１）。
8. 前記α₁は、０．１［アークタンジェント（μ_f1）］＜α₁＜０．３［アークタンジェント（μ_f1）］のサブ範囲で選択されている、請求項７記載のロータアセンブリ（１）。
9. 前記シーリングワイヤ（８）は、環状である、請求項１から８までのいずれか１項記載のロータアセンブリ（１）。
10. 前記シーリングワイヤ（８）は、２つの自由端部（８１，８２）を有する、請求項１から９までのいずれか１項記載のロータアセンブリ（１）。
11. 前記シーリングワイヤ（８）は、金属から形成されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のロータアセンブリ（１）。
12. 前記シーリングワイヤ（８）は、ロープシーリングワイヤである、請求項１から１０までのいずれか１項記載のロータアセンブリ（１）。
13. 前記シーリングワイヤ（８）は、弾性材料から形成されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のロータアセンブリ（１）。
14. 前記弾性材料は、エポキシ、樹脂、エラストマ及びゴムのグループから選択されている、請求項１から１３までのいずれか１項記載のロータアセンブリ（１）。
15. 請求項１から１４までのいずれか１項記載のロータアセンブリ（１）を備えることを特徴とするガスタービン。