JP4288380B2 - ガスタービンのブレードのロータディスクへの改良型継手 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンのブレードのロータディスクへの改良型継手に関する。
【０００２】
【発明の背景】
公知のように、ガスタービンは、圧縮機及び１つ又はそれ以上の段を備えるタービンからなる機械であり、これらの構成部品は回転シャフトにより互いに接続されて、燃焼チャンバが圧縮機とタービンの間に設けられる。
【０００３】
高温及び高圧を有する燃焼チャンバからのガス出力は、対応する管を通してタービンの異なる段に到達し、該タービンの段が、ガスのエンタルピーをユーザが利用できる機械的エネルギーに変換する。
【０００４】
２段を備えるタービンにおいては、ガスは、極めて高い温度及び圧力状態でタービンの第１の段で処理されて、第１の膨張を行う。
【０００５】
次に、タービンの第２の段において前の段で用いられたものより低い温度及び圧力状態で第２の膨張を行う。
【０００６】
また、特定のガスタービンから最大性能を得るためには、できるだけ高いガス温度が必要であるということも知られている。
【０００７】
しかしながら、タービンが使用されている際に得ることが可能な最高温度値は、現在用いられている材料の耐性により制限される。
【０００８】
また、ガスタービンにおいては、ロータブレードは、ロータディスクと単一体を構成せず、その基部延長部によってディスクの円周上に設けられた適当な座の中に保持されることも知られている。
【０００９】
具体的には、現在用いられている座は、溝のついた輪郭を備える側面を有しており、その中に対応するブレードの基部すなわち根元の端部分が嵌め込まれる。
【００１０】
従って、現在の技術において特に重要な問題は、機械の全ての作動状態においてブレードのロータディスクへの最適な接続を保証する問題である。
【００１１】
要するに、損傷も他の同様な問題をも生じることなく、ディスクはブレードにより生じる荷重に十分にかつ確実に耐えなければならないという事実を考慮に入れると、ブレードをロータディスクに接続する方法は、あらゆるタービンの設計において重要な側面を持つということに注目されたい。
【００１２】
事実、ロータブレードは、機械の作動中に、半径方向及びそれよりは少ない程度であるが軸方向の両方向の高い応力にさらされることが知られている。
【００１３】
半径方向の応力は、タービンの高い回転速度により発生し、一方、軸方向の応力は、ブレードの輪郭付けされた表面上のガスの流れにより生じる作用により発生する。
【００１４】
ガスの同じ流れは、応力の円周方向成分をブレードに伝え、この円周方向成分が、有用な動力を駆動シャフトに集めることを可能にする。
【００１５】
しかしながら、ブレードの接続方法は、可能な限り最小寸法を用いて、ロータディスク及びブレードにより構成される組立体を可能な限り最小寸法に縮小するように、正確に限られたスペースを占めるようにしなければならない。
【００１６】
更に、今日では、ガスタービンは、ますます高い性能レベルを備えるようになる傾向がある。
【００１７】
このことは、回転速度及び燃焼温度の両方を増大させなければならないということを必要とする。その結果、タービンの段においてブレードに対して膨張するガスの温度も上昇することになる。
【００１８】
実際には、このことが、タービンのブレードとロータディスクとの間の継手に掛かる応力の増大を引き起こし、ブレード及びロータディスクの適当な有効寿命を保証するのがますます困難になる。
【００１９】
現在最も広く用いられている継手は、一般的に「松の木」形として知られている継手である。
【００２０】
この継手は、その断面がひっくり返った松の木を思い出させる独特な形状を呈するように、ブレードの根元すなわち基部を形成することからなる。
【００２１】
この独特の構成においては、根元の側面は、丸みのある輪郭を持つ一連の歯状突起を形成するような溝のついた輪郭を有しており、他方、その下端部において、根元は、２つの側面の２つの下部歯状突起の接続部により形成される。
【００２２】
これらの根元は、座の側面の溝が根元の歯状突起に一致し、また座の底部における溝が根元の下端部に一致するようにロータディスクの円周上に設けられた、該根元に対して相補形の座又は結合スロットに接続される。
【００２３】
従来の実施形態においては、ブレードの根元のためのこれらの座は、ロータディスクの軸線にほぼ平行な方向に延びている。
【００２４】
一方、別の実施形態においては、根元のための座は、ディスク自体の軸線に対して傾斜した方向に実質的に延びる。
【００２５】
この形式の継手は、特に応力が集中する領域を有しており、それら領域は、より具体的には、溝の底部、座の底部、及び各歯状突起の溝での基部であるとして判断することができ、これらが実際の継手の輪郭を構成する。
【００２６】
【発明の概要】
従って、本発明の主目的は、前述の不利な点を解消し、具体的には応力集中を減少させることを可能にする、従って、機械の回転速度を増大させるか、流体の温度を上昇させるか、又はこれら要因を適当に組み合わせることを可能にする、ガスタービンのブレードのロータディスクへの改良型継手を提供することである。
【００２７】
本発明の別の目的は、タービンの異なる段のブレードを必要に応じて容易に組み立てたり分解したりすることを可能にする、ガスタービンのブレードのロータディスクへの改良型継手を提供することである。
【００２８】
本発明の別の目的はまた、高い信頼性がある、ガスタービンのブレードのロータディスクへの改良型継手を提供することである。
【００２９】
本発明の更に別の目的は、現在用いられている継手で得ることができる有効寿命よりも更に長い構成部品の有効寿命を得ることである。
【００３０】
本発明の更に別の目的は、特に簡単でかつ機能的であり、しかも比較的低コストであり、また従来の加工によって製作することができる、ガスタービンのブレードのロータディスクへの改良型継手を提供することである。
【００３１】
本発明によるこれらの目的及び他の事項は、請求項１に記載したような、ガスタービンのブレードのロータディスクへの改良型継手を提供することにより達成される。
【００３２】
別の特徴は、後続の請求項に示される。
【００３３】
本発明によると、力が集中する領域における最大応力値を低下させることで、構成部品の寿命を著しく増大させるように定めることも可能になった。
【００３４】
本発明によるガスタービンのブレードのロータディスクへの改良型継手の特徴と利点は、添付の１組の概略図を参照して非限定的実施例によりなされる以下の記述から一層明らかになるであろう。
【００３５】
【発明の実施の形態】
図１は、公知技術による、ガスタービンのブレード１２の根元すなわち基部とロータディスク２２の座すなわち端スロット２０との間の継手を示す。
【００３６】
ブレード１２の根元すなわち基部１０は、底部で収束する２つの側面を備えるほぼ逆二等辺三角形の特徴のある形状を有する。この形状は、根元１０の軸線Ｙに対して対称形である。
【００３７】
この２つの側面すなわちフランクは、丸みのある輪郭を持つ一連の歯状突起１４を形成するような溝のついた輪郭を有する。
【００３８】
図１に示す実施例では、３つの歯状突起１４が根元１０の各側面に対して設けられる。
【００３９】
根元１０の下端部１６が、根元１０自体の２つの側面の２つの下部歯状突起１４の接続部により形成される。
【００４０】
これらの根元１０は、座２０の側面の溝２４が根元１０の歯状突起１４に一致し、また座２０の底部における内端溝２６が根元１０の下端部１６に一致するように、ロータディスク２２の円周上に設けられた、該根元に対して相補形の座又は結合スロット２０に接続される。
【００４１】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、本発明による継手のそれぞれ根元１０及び該根元１０に相補形の座２０の部分的輪郭を示す。
【００４２】
図示した実施例においては、根元１０は各側面について４つの歯状突起１４を有する。
【００４３】
根元１０の側面の下端部にある別の歯状突起１４は、他の側面にある同様の歯状突起１４に接続部により接続され、根元１０の下端部１６を形成する。
【００４４】
それに対応して、座２０は各側面において４つの溝２４を有する。
【００４５】
座２０の側面の下端部にある別の溝２４は、他の側面にある同様の溝２４に接続部により接続され、座２０の内端溝２６を形成する。
【００４６】
図２（Ｂ）は、座２０の輪郭を特徴づけ、結果的には座２０自体に対して相補形である根元１０の輪郭もまた特徴づけることになる幾何学的変数を示す。
【００４７】
一連の溝２４は、座２０の軸線Ｙに対して角度β₁だけ傾斜した線Ｘに沿って延びる。
【００４８】
結果として、座２０の側面もまたこの傾斜に従って延びる。
【００４９】
４つの溝２４は、座２０の軸線Ｙに対して角度α₁及び角度α₂の傾斜を持つ平坦な面を有しており、ここで、α₁はロータディスク２２の外部に向いた面の角度である。
【００５０】
従って、溝２４の２つの面は、α₁からα₂を差し引いたものに等しい溝角度α_gを形成する。
【００５１】
溝２４は、半径Ｒ₄の円弧により底部で接続される。
【００５２】
更に、４つの溝２４の間及び下部溝２４と内端溝２６との間には、半径Ｒ₄の円弧による４つの接続部がある。
【００５３】
上部溝２４の角度α₁を持つ面は、半径Ｒ₃の円弧によりロータディスク２２の外部に向かって接続される。
【００５４】
内端溝２６は、座２０の軸線Ｙに対して角度α₁で配置された２つの対称形の上部面を有する逆オメガの形状になっている。
【００５５】
これらの面は、対になって互いに対称形である４つの円周の４つの弧により互いに接続される。
【００５６】
より具体的には、それらの上部面は、最初に、半径Ｒ₁と、内端溝２６の底部に対する高さＨ₁及び座２０の軸線Ｙに対する距離Ｄ₁により定まる中心と持つ円弧により接続される。
【００５７】
この円弧に続いて、半径Ｒ₂と、内端溝２６の底部に対する高さＨ₂及び座２０の軸線Ｙに対する距離D₂により定まる中心とを持つ円弧が配置される。
【００５８】
相補的関係で、図２（Ａ）に見られるように、根元１０の歯状突起１４もまた、根元１０の軸線Ｙに対して同じ角度α₁及びα₂の傾斜を持つ平坦な面を有しており、ここで、α₁はブレード１２の方に向いた面の角度である。
【００５９】
従って、歯状突起１４の２つの面は、α₁からα₂を差し引いたものに等しく、従って溝角度α_gに等しい噛み合い角度α_dを形成する。
【００６０】
歯状突起１４は、半径Ｒ₄の円弧により接続される。
【００６１】
更に、４つの歯状突起１４の間及び下部歯状突起１４と根元の下端部１６との間には、半径Ｒ₄の円弧による４つの接続部が存在する。
【００６２】
上部歯状突起１４の角度α₁を持つ面は、半径Ｒ₃の円弧によりブレード１２に接続される。
【００６３】
下端部１６は、根元１０の軸線Ｙに対して第２の角度α₁で配置された２つの対称形の上部面を有する逆オメガの形状になっている。
【００６４】
これらの面は、対になって互いに対称形である４つの円周の４つの弧により互いに接続される。
【００６５】
より具体的には、それらの上部面は、最初に、半径Ｒ₁と、根元１０の下端部１６に対する高さＨ₁及び根元１０自体の軸線Ｙに対する距離Ｄ₁により定まる中心とを持つ円弧により接続される。
【００６６】
この円弧に続いて、半径Ｒ₂と、根元１０の下端部１６に対する高さＨ₂及び根元１０自体の軸線Ｙに対する距離Ｄ₂により定まる中心とを持つ円弧が配置される。
【００６７】
要約すると、根元１０の２つの側面の８つの歯状突起１４及び根元１０自体の下端部１６は、座２０の２つの側面の８つの溝２４及び座２０自体の内端溝２６内にそれぞれ挿入される。
【００６８】
更に、根元１０及び座２０の２つの半径Ｒ₃の接続部もまた、根元１０を軸方向に沿って対応する座２０に滑り込ませることにより行なわれる、根元の座２０への挿入と同時に互いに嵌合させられる。
【００６９】
応力の分析を本発明に適用することによって、本発明は、応力の集中を低下させ、ブレード１２の根元１０とロータディスク２２の座２０との間の接触の輪郭について好適な幾何学的形状を示すことを可能にした。
【００７０】
半径Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃及びＲ₄と、高さＨ₁及びＨ₂と、距離Ｄ₁及びＤ₂と、角度α₁、α₂及びβ₁との間の比率が、基本的なものであると考えなければならない。
【００７１】
事実、これらの比率が、根元１０の下端部１６の構成だけでなく歯状突起１４の構成をも決定し、これが本発明による改良型継手をもたらすことになる。
【００７２】
本発明によると、半径Ｒ₄を基準として、下記の比率が存在する場合に継手は最適化されていると判断された。
【００７３】
Ｒ₃とＲ₄の間の比率は、極値を含む１．８から２．２の間にあり、
Ｒ₁とＲ₄の間の比率は、極値を含む１．８から２．２の間にあり、
Ｒ₂とＲ₄の間の比率は、極値を含む５．５から６の間にある。
【００７４】
同時に、角度については、下記の比率が存在しなければならない。
【００７５】
角度α₁は、極値を含む４２°から４８°の間にあり、
角度α₂は、極値を含む９４°から１００°の間にあり、
角度β₁は、極値を含む１７°から２３°の間にある。
【００７６】
これらの比率の場合には、噛み合い角度α_dに等しい溝角度α_gは、極値を含む４６°から５８°の間にある。
【００７７】
高さＨ₁及びＨ₂と距離D₁及びＤ₂とは、根元１０の全体的な寸法の直接の結果として、すなわち実質的に根元１０の高さを決定した後に決定される。
【００７８】
従って、本発明によると、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示す実施形態による４つの歯状突起１４を備える根元１０又は５つの歯状突起１４を備える根元１０を用いることによって最良の結果が得られるということが分かった。
【００７９】
以上の説明により、本発明によるガスタービンのロータディスクへのブレード用の改良型継手の特徴だけでなくその利点を明らかにしたが、それら利点には以下のことが含まれることに注目されたい。すなわち、
−構成部品の有効寿命が増大すること、
−機械の回転速度の増大、流体の温度の上昇、又はこの２つの点を適当に組み合わせること、及び
−公知技術による継手の場合が既にそうであるように、輪郭はブローチ加工することによって常に得ることができるので、公知技術と比較して低コストであること、
が含まれる。
【００８０】
終りに当たって、その全てが本発明の技術的範囲に含まれることになる多くの修正及び変更が、ガスタービンのロータディスクへのブレードのためにこのように設計された改良継手に対してなされ得るということは明らかである。更に、全ての細部は、技術的に均等の要素と置き換えることができる。
【００８１】
実施においては、何れもの材料、形態、及び寸法が、技術上の要求に従って使用されることができる。
【００８２】
従って、本発明の保護の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められる。
【００８３】
特許請求の範囲において記載する参照番号は、本発明の範囲を限定するためではなく、理解を容易にすることを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 公知技術による、ブレードの根元とロータディスクの「松の木」形の座又は端スロットとの間の継手を示す断面図である。
【図２】 （Ａ）は、本発明の説明に従って製作されたブレードの根元の部分的な輪郭を示す断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のブレードの根元が挿入されるロータディスクの座又は端スロットの部分的輪郭を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ ブレードの根元
１２ ブレード
１４ 歯状突起
１６ 根元の下端部
２０ 座
２２ ロータディスク
２４ 溝
２６ 内端溝
Ｙ 根元の軸線

Claims (4)

1. 各ブレード（１２）の根元（１０）が、該ブレードに対して相補形であるロータディスク（２２）の座（２０）内に挿入され、
   前記根元（１０）が逆二等辺三角形の形状であり、底部で収束する２つの側面の各々が一連の歯状突起（１４）を形成するように溝のついた輪郭を有し、
   前記根元（１０）の下端部（１６）が、該根元（１０）の２つの側面の前記歯状突起（１４）のうちの下部の２つが結合した接続部により形成され、
   前記根元（１０）の歯状突起（１４）が前記座（２０）の側面に設けられた溝（２４）に一致し、また前記根元（１０）の下端部（１６）は前記座（２０）の底部に設けられた内端溝（２６）と一致している形式の、ガスタービンのブレード（１２）のロータディスク（２２）への改良型継手であって、
   前記一連の溝（２４）は、前記座（２０）の軸線（Ｙ）に対して、極値を含む１７°から２３°の間の角度β₁だけ傾斜する線（Ｘ）に沿って延びており、また、前記溝（２４）は、前記座（２０）の軸線（Ｙ）に対して角度α₁及びα₂の傾斜をもつ平坦な面を有しており、ここで、α₁は前記ロータディスク（２２）の外部に向いた前記面の角度で、極値を含む４２°から４８°の間にあり、一方、α₂は極値を含む９４°から１００°の間にあり、
   前記溝（２４）は半径Ｒ ₄ の円弧により底部で接続され、前記溝（２４）の間は同じく半径Ｒ ₄ を有する円弧により接続され、前記溝（２４）の角度α ₁ を有する面は、半径Ｒ ₃ の円弧により前記ロータディスク（２２）の外部に向かって接続され、前記内端溝（２６）は、前記座（２０）の軸線に対して第２の角度α ₁ で配置された２つの対称形の上部面を有する逆オメガの形状になっており、対になって互いに対称形である４つの円弧、具体的には、最初は半径Ｒ ₁ の円弧、続いて半径Ｒ ₂ の円弧により互いに接続されており、ここで、前記半径Ｒ ₁ 、Ｒ ₂ 及びＲ ₃ は、前記半径Ｒ ₄ に対する下記の比率、
   １．８≦Ｒ ₃ ／Ｒ ₄ ≦２．２、
   １．８≦Ｒ ₁ ／Ｒ ₄ ≦２．２、
   ５．５≦Ｒ ₂ ／Ｒ ₄ ≦６．０
   を有することを特徴とする継手。
2. 前記半径Ｒ₁の円弧による接続部は、前記内端溝（２６）の底部に対する高さＨ₁及び前記座（２０）の軸線に対する距離Ｄ₁により定まる点を中心として用いて形成され、また、前記半径Ｒ₂の円弧による接続部は、前記内端溝（２６）の底部に対する高さＨ₂及び前記座（２０）の軸線に対する距離Ｄ₂により定まる点を中心として用いて形成され、従って前記中心は前記座（２０）の深さの全体寸法を基にして定められることを特徴とする、請求項１に記載の継手。
3. 前記角度α₁から前記角度α₂を差し引いたものに等しい、溝についての角度α_gは、極値を含む４６°から５８°の間にあることを特徴とする、請求項１に記載の継手。
4. 前記座（２０）は、対になって対称形である８つの溝（２４）と内端溝（２６）とを有することを特徴とする、請求項１に記載の継手。

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