JP4201508B2 - タービンロータのバケットとホイールのダブテール継手 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気タービンロータに関し、より具体的には、蒸気タービンロータホイールと蒸気タービンバケットの間のダブテール継手に関する。
【０００２】
【従来の技術】
タービンロータホイールとタービンバケットの間のダブテール継手は、互いに協働して継手に掛かる遠心力に抗するホイールフック及びバケットフックを含む。これらのフックはまた、蒸気タービンの運転中にバケットがそのホイールから外れるのを防止する。しかしながら、従来のダブテール継手において起こる可能性のある主な破損は、クリープに対するそれらの余裕度がないことによるものである。このことは、高温が生じるタービンの高圧（ＨＰ）セクションにおいて特に当てはまる。華氏約８５０度から１０００度（摂氏約４５５度から５３８度）の間の作動温度でかつ所定の応力レベルで運転するタービン中のバケットとホイールのダブテール継手の場合には、バケット及びロータ材料のクリープ強度は等しくない。それどころか、ホイールの強度は、バケットの強度より低い。材料強度の差及び運転中に起こる荷重配分の結果として、より低い強度のホイールが、継手が耐えられる応力の大きさを制限する。応力がホイールの材料強度を超えれば、クリープが起こるだろうし、また継手は破損する可能性がある。これらの従来の継手の形状及び寸法、及びこれらの継手がホイールのより低い材料強度に左右されることから生じる制約により、従来のタービンは最適レベルの性能に達するのを妨げられている。
【０００３】
本出願と同一の出願人の、Ｓｅｅｌｅｙ他に付与された米国特許第５，４７４，４２３号は、蒸気タービンロータのバケットとホイールのダブテール継手を開示している。Ｓｅｅｌｅｙ他の特許において、ダブテール継手は、クラッシュ表面を有するロータホイール上の４つのフックを含む。クラッシュ表面の各々は、対応する頸部表面と９０度より大きい角度を形成する。半径方向最内部のフックは、その対応する頸部表面に対して９０度の角度をなすクラッシュ表面を含む。傾斜したクラッシュ表面は、ホイールフック中により低い応力集中を生じる。それにもかかわらず、ホイールとバケットの間のダブテール継手を最適化する必要性が依然として存在している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらの従来のダブテール継手は、継手の大きさを増大させない限り、より大きい羽根を支持することができない。より大きい羽根を使用すると、従来のダブテール継手を用いるタービンを破損させることになる。若しくは、ダブテール継手の全体的な大きさを増大させると、結果としてタービン段の全体的な大きさの好ましくない増大を招き、タービン段の間隔をも増大させることになる。これらの増大により、蒸気タービンの全体的な大きさも増す必要がでてくる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
ロータホイールとバケットの間の継手を最適化して、タービンのホイール及び他の現用の構成部品の大きさを変えることなく、バケットの端部により幅広の羽根を用いることを可能にするダブテール継手を提供することにより、従来技術の欠点を克服することが望ましい。本発明の実施形態では、タービンのロータホイールとバケットを接続するためのダブテール継手は、雄ダブテール構成部分及び雌ダブテール構成部分を含む。雄ダブテール構成部分は、第１及び第２フックを含む。フックの各々は、クラッシュ表面、頸部、及びクラッシュ表面と頸部の間に形成される角度を含む。これらのフックは、下に列挙した表の少なくとも１つに従って寸法が決められる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図は、バケットとホイールのダブテール継手を含む蒸気タービンロータの部分を示す。従来のダブテール継手と比べて、本発明によるダブテール継手は、タービンの運転中に生じる遠心力から起こるバケット及びホイール中の平均応力及び集中応力を減少させる。例えば、フックの形状及び寸法は、高温時における過度のクリープを防止する。また、ダブテール継手は、以下に説明するが、同じ外形寸法を有する現用のダブテール継手と比較した場合に、より大きい荷重支持能力を有する。ダブテール継手は、タービンの運転中にホイールに対してよりも少なくとも３０％多い荷重をバケットに分配することを可能にする。この分配は、バケット材料のより大きい材料強度を活用する。このことは、運転温度が華氏約８５０度から１０００度（摂氏約４５５度から５３８度）の間に達するタービン部分で特に有利である。その上に、バケットへ追加の応力が分配されることにより、従来の蒸気タービンの寸法条件の範囲内でより大きい羽根を用いることが可能になる。結果として、その全体の寸法を増大させることなく、タービンの性能を最適レベルにまで向上させることができる。
【０００７】
図１は、シャフト１０及び任意の公知の方法でシャフト１０に固定されたロータホイール１２を含む蒸気タービンの１部を示す。図示していないが、シャフト１０はまた、シャフト１０の長さに沿って互いに間隔を置いて配置される追加のロータホイールを含む。ロータホイール１２の各々は、当該技術では公知なように羽根を支持する複数の蒸気タービンバケット１６と組み合わされる。ホイール１２を形成するのに用いられる材料には、それに限定されるわけではないが、クロム・モリブデン・バナジウム合金鋼を含むことができる。バケット１６を形成するのに用いられる材料には、それに限定されるわけではないが、１２％のクロムステンレス鋼を含むステンレス鋼を含むことができる。
【０００８】
分かり易くするために、ここではホイール１２及びバケット１６のみについて、図示し説明してきた。しかしながら、ホイール１２及びバケット１６に関する説明は、シャフト１０の長さに沿って配置された他のホイール及びバケットにも同様に適用できる。
【０００９】
ホイール１２及びバケット１６の実施形態を図２に示す。以下に述べるように、図２に示す実施形態は、３つのフックを含む。タービンの最適性能を増すこれらのフックの形状及び寸法は、以下の表に記載されている。
【００１０】
図２に示すように、ロータホイール１２は、雄ダブテール構成部分１４中のその外径に沿って終わる。雄ダブテール構成部分１４は、複数のフック４１、４２、４３を含む。雌ダブテール構成部分１８を含むタービンバケット１６は、ホイール１２上に配置されて示されている。雌ダブテール構成部分１８は、雄ダブテール構成部分１４のフック４１〜４３それぞれと組み合わされるための、バケット１６の最内部分に沿って延びる複数のフック５１、５２、５３を含む。バケット１６はまた、雌ダブテール構成部分１８から遠ざかる方向に延びる羽根２０を含む。１つの実施形態において、ダブテール継手は、接線方向差込み型のダブテール構成を含む。
【００１１】
図２に示すように、第１フック４１は、シャフト１０の中心線から最も遠く離れている。第２フック４２は、第１フック４１と第３フック４３の間に間隔を置いて配置される。はっきりと示されているように、第３フック４３は、シャフト１０の中心線に最も近接している。
【００１２】
以下の説明においては、雄構成部分１４のダブテールフック４１〜４３及び雌構成部分１８のフック５１〜５３は、シャフト１０の回転軸線に垂直に延びる半径方向平面１００に関して対称になっていることが分かるであろう。また、構成部分１４、１８のダブテールフック４１〜４３及び５１〜５３の半分、すなわち半径方向平面１００の一側に沿うダブテールフックのみを説明するのは、認められた手法である。従って、図２に示す実施形態の記述は、バケット１６の方向に延びるホイール１２の、対称軸を含む、中央面と平行でかつ同延である半径方向平面１００の一側に沿う３つのフック４１〜４３及び３つのフック５１〜５３について説明する。フック４１〜４３及び５１〜５３は、ダブテール継手の１部分のみを形成すること、また図４に示すように、ダブテール継手の各構成部分１４、１８は６つのフックを含むことは当業者には理解されよう。
【００１３】
第１フック４１の上方に、ホイール１２は約０．２９７５インチの幅を有する端面４４を含む。端面４４はまた、ホイールリム表面と呼ぶこともできる。本発明による幅は、軸方向に延びている。幅は平面１００から第１フック４１の上部表面６０まで延びる。上部表面６０は、端面４４と上部フック面６１の間に延びる。上部表面６０は平面１００に対して傾斜しているので、上部表面６０は、上部フック面６１と角度Ａ’を形成する。図３は、角度Ａ’が１８０度から角度Ａを差引いたものに等しいことを示す。角度Ａは、上部表面６０と上部フック面６１に平行な平面との間に形成される角度である。図２に示すように、上部フック面６１は平面１００にほぼ平行に延びる。
【００１４】
接触表面６２は、面６１と第１フック４１の頸部６３との間に延びる。接触表面６２は、面６１に対して鈍角で傾斜している。頸部６３は、平面１００にほぼ平行にかつ接触表面６２に対して角度Ｂ’で延びる。角度Ｂ’は１８０°から角度Ｂを差引いたものに等しい。図３に示すように、角度Ｂは、接触表面６２と、平面１００及び頸部６３に平行に頸部６３から遠ざかる方向にかつ端面４４の方向に延びる線との間の角度として定められる。
【００１５】
第２フック４２は、第１フック４１の頸部６３とフック面６７との間に延びる上部表面６６を含む。上部表面６６は、平面１００に対して傾斜しているので、上部表面６６は、第２フック面６７と角度C’を形成する。図３は、角度C’が１８０度から角度Ｃを差引いたものに等しいことを示す。角度Ｃは上部表面６６と第２フック面６７の間に広がっている。図２に示すように、第２フック面は平面１００にほぼ平行に延びる。
【００１６】
第２フック４２の接触表面６８は、第２フック面６７と第2フック４２の頸部６９の間に延びる。図３に見られるように、接触表面６８は、フック面６７に対して鈍角をなして延びる。頸部６３と同様に、頸部６９は、平面１００にほぼ平行にかつ接触表面６８に対して角度Dをなして延びる。角度Ｄ’は、１８０度から角度Ｄを差引いたものに等しい。図３に示すように、角度Ｄは、接触表面６８と、平面１００及び頸部６９に平行に頸部６９から遠ざかる方向にかつ端面４４の方向に延びる線との間の角度として定められる。
【００１７】
第３フック４３は、最初の２つのフック４１、４２に類似している。フック４３は、頸部６９とフック面７２の間に延び、かつ頸部６９及びフック面７２に対して傾斜している上部表面７１を含む。他のフック面と同様に、フック面７２は、平面１００にほぼ平行に延びる。その結果、上部平面７１は、図３に示すようにフック面７２と角度E’を形成する。角度Ｅ’は、１８０度から角度Ｅを差引いたものに等しい。図示するように、角度Ｅは角度Ａ及び角度Ｃと同様な方法で定められる。
【００１８】
第３フック４３はまた、フック面７２と頸部７４の間に延びる接触表面７３を含む。接触表面７３は、鈍角をなしてフック面７２と交差する。他の頸部と同様に、頸部７４は、平面１００にほぼ平行にかつ接触表面７３に対して角度F’をなして延びる。角度Ｆ’は、１８０度から角度Ｆを差引いたものに等しい。図３に示すように、角度Ｆは、接触表面７３と、平面１００及び頸部７４に平行に頸部７４からシャフト１０の方向に遠ざかる方向にかつ端面４４の方向に延びる線との間の角度として定められる。
【００１９】
第３フックは、頸部７４とホイール１２の肩状部７８の上部表面７７との間に延びる表面７６をさらに含む。表面７６は、頸部７４に対して１８０度から角度Ｇを差引いた角度をなして延びる。角度Ｇは、平面７６と、頸部７４と同延で、かつシャフト１０の方向に頸部７４から遠ざかる方向に延びる平面との間に広がる。表面７６は、頸部７４に対して僅かな角度があるように示されるが、頸部７４にほぼ平行に延びていてもよい。
【００２０】
肩状部７８はその外縁に舌状部４５を含む。肩状部７８及び舌状部４５は、タービンが作動していないときにバケットを支持することができる。また、追加の支持は、各フックの上部表面６０、６６、７１により与えられる。図から分かるように、タービンが停止しているときには、上部表面６０、６６、７１の各々は、バケット１６の協働する表面に接触して、ホイール１２上にバケット１６を支持する。
【００２１】
タービンの運転中に、ホイール１２の回転により生じる遠心力は、ホイール１２とバケット１６が外れるのを防止するために、接触表面６２、６８、７３をバケット１６の協働するフック５１〜５３の接触表面２１と係合させる。これらの接触表面６２、６８、７３、２１は、一般的にクラッシュ表面と呼ばれる。荷重経路の方向が急激に強制的に変えられるとき、集中応力が発生する。従って、傾斜したクラッシュ表面６２、６８、７３、２１は、本明細書中に述べた形状を有するので、それほど激しい方向の変化を生じることがなく、従ってホイール１２にそれほど強い応力集中を与えない。その上に、これらの傾斜したクラッシュ表面６２、６８、７３、２１は、上述のように、タービンが華氏８５０度から１０００度（摂氏約４５５度から５３８度）までの温度で作動しているときにホイール１２より強い材料強度を有するバケット１６に応力を転移する。応力をバケット１６に転移することにより、フック４１〜４３中の弾性剪断応力、クリープ変形（高圧段の高温環境による）、及びホイール１２内部の応力集中は、図５のクリープを改善したグラフにより示されるように従来技術に比較して減少する。さらに、従来のダブテール継手と比較したホイールフック及びバケットフック中の剪断応力及び同等応力の減少率を、図６に示す。
【００２２】
本発明の継手は、バケット１６に掛かる荷重が約３０％またはそれ以上増大することを可能にする。荷重が増大することにより、より大きい羽根２０をバケット１６の端部に使用することが可能になる。より大きい羽根２０が、本発明によって、ホイール１２、バケット１６またはダブテール継手の寸法を増大させることなく使用できるようになる。より大きい羽根を用いることで、タービンの性能が向上するであろう。
【００２３】
ダブテール継手の隣接する表面の交差部分における応力集中を減少させるために、各クラッシュ表面６２、６８、７３は、その対応する頸部６３、６９、７４及び面６１、６７、７２からすみ肉９１により間隔を置いて離される。すみ肉９１の半径は、下記の表Ｆに列挙されている。これらのすみ肉９１の半径は、本発明の他の寸法及び形状と組み合わされれば、ダブテール継手におけるホイール１２及びバケット１６中の集中応力をさらに減少させることになる。すみ肉Ｒ１〜Ｒ１２の半径は、この形式の従来の継手に用いられるものにほぼ等しい。これらのすみ肉は、０．１２５インチ（３．１７５mm）または０．０７５インチ（１．９０５mm）のどちらかの半径を有する。
【００２４】
【表９】

【００２５】
上述のように、傾斜したクラッシュ表面は、バケット脚部の曲げ及びホイールダブテールの舌状部４５に掛かる軸方向荷重を上昇させる軸方向成分の力を生じる。この影響を最小限にするために、全てのフックのフック厚さ（高さ）Ｈは、下記の表Ｄ中に示すものとほぼ同じになっている。
【００２６】
【表１０】

【００２７】
図２に示すように、各フックの高さＨは、その上部表面の始まり位置からフックのクラッシュ表面とその頸部との間の接合個所までの距離である。これも示されるように、各ホイール頸部の高さＬは、そのクラッシュ表面及び頸部の接合個所と頸部及び隣接するフックの上部表面の始まり位置の接合個所との間の距離である。
【００２８】
上述の角度の大きさは下記の表Ａに列挙されている。ダブテール継手のパラメタについて本明細書に記述したこれらの角度及び寸法は、少なくともバケット１６の材料強度の増大を利用し、また上述のようにクラッシュ表面に沿う応力を減少させることにより、タービンの性能を最適化するのに寄与することが分かった。
【００２９】
【表１１】

【００３０】
開示した例示的な実施形態に関する他の寸法もまた、各表に開示されている。これらの寸法は、＋／−10000分の１インチ(0.00254mm)の公差を有する。表Ｅ又は表Ｇで開示された寸法は、フックの各表面に対するホイール頸部幅Ｗを含む。図２に見られるように、所定の表面に対するホイール頸部幅Ｗは、表面がホイール１２の１側で平面１００から間隔を置いて配置される距離である。
【００３１】
【表１２】

【００３２】
【表１３】

【００３３】
下に列挙される寸法はまた、タービン運転中のホイールフックの表面とバケットフックの表面との間の間隙Ｃを含む。タービン運転中に互いに接触しない幾つかの表面間の間隙Ｃ１１、Ｃ１３、Ｃ２１、Ｃ２３、Ｃ３１、Ｃ３３、Ｃ３４は、ほぼ同じである。これらの表面は、ホイールフックの頸部及びバケットフックの面を含む。これらの類似した間隙は、下記の表にまとめてＣａとして記載している。同様に、バケットフックの下部表面に接触しないホイールフックの上部表面に対する間隙Ｃ１２、Ｃ２２、Ｃ３２、Ｃ３５は、ほぼ同じである。結果として、それらは下記の表ＣにまとめてＣｂとして記載している。
【００３４】
【表１４】

【００３５】
バケット１６の底部からバケットの異なるセクションの図示された交差部分までの高さもまた、下記の表Ｂに含まれ図2に示されている。同様に、平面１００に平行に延びる平面を有するこれらのセクションの表面により形成される角度は、表Ａに含まれている。
【００３６】
【表１５】

【００３７】
他の寸法としては、平面１００からバケット１６の外側表面までの距離ＤＷ／２を含む。この距離は、本発明の実施形態においては約１．４インチ（３．６cm）である。表面４４の上方バケット１６の、羽根を固定する表面７８までの図示した高さＳは、約０．９インチ（２．３cm）である。平面１００からバケットの外縁までの半径距離ＲＷ／２は、約１．４インチ（３．６cm）である。ホイールリム直径（ＷＲＤ）のような他の寸法は、従来のダブテール継手の場合に見られるものと同じにすることができる。当該技術で知られているように、ホイールリム直径は、ある点からシャフトの回転軸線までの距離の２倍である。
【００３８】
上述の寸法の場合には、ダブテール形状は、現在の蒸気経路に適合する全体的な寸法を維持しながら集中応力を最小限にするということが分かるであろう。本発明を現在最も実用的でかつ好ましい実施形態であると考えられるものに関連して説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるべきではなく、逆に、添付の特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変形形態及び均等構成を保護しようとするものであることを理解されたい。例えば、雄フックをバケット上に配置し、雌フックをホイール上に配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来のタービンロータホイールとバケットのダブテール継手の概略図。
【図２】 本発明によるタービンホイールのダブテール継手の部分断面図。
【図３】 図２のダブテール継手のフックの拡大部分断面図。
【図４】 ダブテール継手の斜視図。
【図５】 本発明のダブテール継手による耐クリープ性における改善を示すグラフ。
【図６】 本発明のホイールフック及びバケットフックにおける剪断応力及び同等応力の減少を示す図表。
【符号の説明】
１２ ロータホイール
１４ 雄ダブテール構成部分
１６ バケット
１８ 雌ダブテール構成部分
２１、６２、６８、７３ 接触表面
４１、４２、４３ ホイールのフック
４４ ホイール端面
４５ 舌状部
５１、５２、５３ バケットのフック
６０、６６、７１ 上部表面
６１、６７、７２ フック面
６３、６９、７４ 頸部
７８ 肩状部
１００ 半径方向平面

Claims (3)

1. タービンロータのロータホイール（１２）とバケット（１６）と該ロータホイール（１２）及びバケット（１６）を接続するダブテール継手とを備える接続構造であって、 該ダブテール継手は、雄ダブテール構成部分（１４）及び雌ダブテール構成部分（１８）を含んでおり、
   前記雄ダブテール構成部分（１４）は、第１フック（４１）と第２フック（４２）と第３フック（４３）とを含み、
   前記第１フック（４１）は、平面からなる第１クラッシュ表面（６２）、平面からなる第１頸部（６３）、及び前記第１クラッシュ表面（６２）と前記第１頸部（６３）との間に形成される第１角度（Ｂ’ ）を含んでおり、
   前記第２フック（４２）は、平面からなる第２クラッシュ表面（６８）、平面からなる第２頸部（６９）、及び前記第２クラッシュ表面（６８）と前記第２頸部（６９）との間に形成される第２角度（Ｄ’ ）を含んでおり、
   前記第３フック（４３）は、平面からなる第３クラッシュ表面（７３）、平面からなる第３頸部（７４）、及び前記第３クラッシュ表面（７３）と前記第３頸部（７４）との間に形成される第３角度（Ｆ’ ）を含んでおり、
   前記第１角度（Ｂ’ ）が１１５度、前記第２角度（Ｄ’ ）が１１５度、前記第３角度（Ｆ’ ）が９０度であり、
   前記ロータホイール（１２）には、該ロータホイールの上部表面（７７）に肩状部（７８）が形成され、該肩状部の外延部には舌状部（４５）が設けられ、該肩状部及び舌状部によりタービンロータ不作動時に前記バケット（１６）を受けて支持する
   ことを特徴とする接続構造。
2. 前記第１のフック（４１）、第２フック（４２）及び第３フック（４３）は、各々、第１フック面（６１）、第２フック面（６７）及び第３フック面（７２）、並びに第１上部表面（６０）、第２上部表面（６６）及び第３上部表面（７１）を含んでおり、
   前記第１フック面（６１）は前記第１上部表面（６０）に対し１１０度の角度（Ａ’）で延びており、
   前記第２フック面（６７）は前記第２上部表面（６６）に対し１１０度の角度（Ｃ’）で延びており、
   前記第３フック面（７２）は前記第３上部表面（７１）に対し１１０度の角度（Ｅ’）で延びていることを特徴とする、請求項１に記載の接続構造。
3. 前記ロータホイール（１２）と前記バケット（１６）と前記ダブテール継手とを有し、請求項１又は２の接続構造により前記ロータホイール（１２）と前記バケット（１６）とが接続されている蒸気タービンロータ。

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