JP4646159B2 - ロータにおける動翼の軸方向固定装置とその利用方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロータの軸カラーの外周にロータの軸方向に延びる多数の動翼取付け溝が設けられ、各動翼取付け溝内に各々動翼取付け溝に対応して形成された翼脚が配置され、軸カラーの端面側側面の、動翼取付け溝の箇所に突出部が配置され、該突出部に半径方向外向きに開いた周溝が設けられ、動翼を軸方向に固定すべく周溝に各々係合する複数の板状シール要素が設けられ、該全シール要素が円周方向において１個の端面側シールリングを形成し、シール要素の円周方向における変位を防止すべく少なくとも１個のシール要素が該要素に固定された帯鋼部片を有するロータの動翼の軸方向固定装置に関する。また本発明は、かかる固定装置の利用方法と帯鋼部片が固定されたシール要素に関する。

ロータ外周の動翼取付け溝内に配置されたタービン翼の軸方向変位をシール板により防止したガスタービンのロータは公知である。図１はこの種動翼軸方向固定装置を正面図で示し、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図を示す。動翼取付け溝１２の内部での軸方向変位を防止すべき各動翼１４に対し、隣り合う各２個のシール板１６を設けている。該各シール板１６は動翼取付け溝１２の端面側開口の半分を各々覆っている。各シール板１６の半径方向内側端１８は、タービン円板１９の端面の溝２０にはめ込まれ、各シール板１６の半径方向外側端２２は、動翼１４の翼台座２８の下側面２６に設けられた保持溝２４にはめ込まれている。各シール板１６の円周方向Ｕにおける変位を防止すべく、各シール板１６にロータ２３の半径方向に延びる直線的帯鋼部片３０が取り付けられている。各帯鋼部片３０の半径方向外側端３２は等辺三角形状尖端３４で終えている。動翼１４の翼台座２８に傾斜縁３６が存在し、直接隣り合う２個の動翼１４の互いに対向して位置する傾斜縁３６は、先が徐々に狭まった空所３８を形成し、シール板１６の円周方向Ｕにおける変位を防止すべく、空所３８内に帯鋼部片３０の尖端３４が入り込み接している。

シール板１６は更に、冷却空気が貫流する領域３７と望まれない燃焼ガス流が現れる領域３９とを分離する働きをする。

シール板１６に帯鋼部片３０を固定すべくシール板１６に互いに平行な２個のスロット４０が設けられ、予めＵ形に曲げられた帯鋼部片３０が両スロット４０を通される。尖端３４と反対側に位置する帯鋼部片３０の端部４１は、シール板１６のタービン円板１９への据え付け前に予め、帯鋼部片３０を固定すべく図２に示す位置に曲げられる。

タービン円板１９への動翼１４の取付後、タービン円板１９に形成された無端周溝２０と翼台座２８の下側面に形成された保持溝２４内に、予め帯鋼部片３０を取り付けたシール板１６が順にはめ込まれる。シール板１６は、各帯鋼部片３０が空所３８に対向して位置するよう、周溝２０の円周に沿って位置決めされる。続いて、シール板１６の円周方向Ｕでの変位を防止すべく帯鋼部片３０の尖端３４が空所３８内に曲げ入れられる。

本発明の課題は、シール要素の円周方向における回転変位に対する異なった方式の固定装置を提供することにある。本発明の更なる課題は、そのために利用できるシール要素並びにかかる固定装置の利用方法を提供することにある。

ロータの動翼の軸方向固定装置に関する課題は、請求項１の特徴事項にて解決される。

本発明は、帯鋼部片が伸張範囲に沿ってほぼＬ形に形成され、帯鋼部片の円周方向に延びる第１脚がシール要素に取り付けられ、半径方向内側に延びる第２脚が、軸カラーの端面箇所に設けられた固定ポケットに係合することを特徴とする。即ち、本発明は、シール要素の半径方向外側端の領域で帯鋼部片が動翼に当接することで、シール要素の円周方向での変位を阻止する従来の方式と異なっている。即ち、本発明は、帯鋼部片が、シール要素に関して半径方向内側に位置し、軸カラーの側面ないし端面に設けられた固定ポケットに係合することを特徴とする。

本発明は、直線的帯鋼部片を維持しつつ、固定ポケットを単に半径方向外側から内側に移動した場合、ガスタービンの運転時帯鋼部片がそれに作用する遠心力で曲がり、そのために固定ポケットから外れると言う認識から出発している。これを防止すべく、本発明はもう一歩進展している。即ち、帯鋼部片を従来の如く直線的に形成せず、板状シール要素に対し平行な平面内でＬ形に屈曲形成し、その両端を各々脚（第１脚、第２脚）とする。帯鋼部片の円周方向に延びる第１脚は、シール要素に例えば公知の方式で取り付け、半径方向内側に延びる第２脚は、据付け状態において、軸カラーの側面に設けられた固定ポケットに係合させる。帯鋼部片の直線的に延びる両脚間の屈曲箇所のため、ガスタービンの運転時の遠心力による帯鋼部片の曲がりは効果的に確実に防止できる。

動翼の軸方向変位に対する固定が、シール要素と、該シール要素に開けられた２個のスロットを通された帯鋼部片とシール要素との掛け止め構造により保証されている故、その原理は、動翼を組立分解可能とするためにも維持される。このため、シール要素は円周方向に変位でき、帯鋼部片は相応して組立時に固定ポケットの中に曲げ入れ或いは分解時に固定ポケットから曲げ外すことが可能でなければならない。更に、事情によっては分解時に穿孔作業が必要なねじ結合部やピン止め部が存在しないことが必要である。

また、各屈曲帯鋼部片を、従来と異なり、シール要素にとって危険のない箇所に置き、もってシール要素の局部的座屈性を改良する。ガスタービンの運転中にシール要素に生ずる温度は、半径の減少と共に低下し、これは主に、その半径方向減少箇所における少ない燃焼ガス流入に起因する。帯鋼部片がシール要素の半径方向内側部に設けられ、従来のように半径方向外側部に設けられないので、シール要素は、低い温度の影響しか受けないと言う利点がある。これは、帯鋼部片の強度を高め、向上させ、且つ寿命を延ばす。また曲げ加工過程により、即ち帯鋼部片を固定ポケットに曲げ入れる際、ガスタービンの運転中に帯鋼部片の最も負荷を受ける箇所に圧縮応力が加わり、該応力がガスタービンの運転中に引張り応力と重畳し、このため、相互に少なくとも部分的に相殺される。従来、ここでは、引張り応力が重畳される欠点があった。

また、この構造は、シール要素を使用後に分解して再利用することを可能にし、その場合、帯鋼部片を新品と換えるだけで済む。

本発明による対象の他の利点は、各動翼がそれに付属するシール要素だけで固定でき、これにより、翼列の各動翼の交換時、１個のシール要素を取り外すだけで済み、手近な従来技術のように２個のシール板を取り外す必要がないことにある。これは、点検作業時間およびガスタービンの停止時間を短縮する。

有利な実施態様は従属請求項に示す。

少なくとも各第２のシール要素或いは各シール要素が、その円周方向における変位を防止すべく、前記帯鋼部片と同一構造の帯鋼部片を備えるとよい。この結果、全シール要素で形成されたシールリングの、円周方向に分布した複数の位置での、円周方向における変位を防止できる。

他の実施態様では、各帯鋼部片の第２脚の側面箇所が、固定ポケットの半径方向に延びる側壁に接する。これは、シール要素の円周方向における変位に対する効果的な対抗処置となる。シール要素を半径方向内側に保持する端面側周溝が、動翼取付け溝に関してより半径方向内側に配置されると特に有利である。これによって、軸カラーの製造時に、特に簡単かつ安価に製造できる無端周溝が得られる。

他の実施態様では、軸カラーの側面に設けられた固定ポケットは、端面側に配置され互いに間隔を隔てて半径方向外側に延びる２個の歯により形成される。

各動翼の翼台座の下側面に、シール要素が係合する保持溝を設けるとよい。これ伴い、シール要素を半径方向に間隔を隔てた２つの点で確実に固定し、位置決めできる。

軸カラーをタービン円板により形成すると望ましい。

他の実施態様では、端面側周溝を半径方向において動翼取付け溝の高さに配置する。より半径方向内側に、半径方向外向きに開いた溝を設け、シール要素をそれらの両溝にはめ込み、動翼脚の端面に接触させる。これによって、半径方向に間隔を隔てられた少なくとも２つの点におけるシール要素の確実な引っ掛かりが生じ、その結果動翼の軸方向における変位に伴い生ずる力をシール要素により確実に相殺できる。

シール要素に関する課題は、請求項９の特徴事項により解決される。このシール要素により生ずる利点は、軸方向固定装置の利点に相当する。

上述の軸方向固定装置を軸流定置形ガスタービンに利用すると特に有効であり、その場合、ロータに配置した各動翼の軸方向変位はシール要素により防止できる。

以下図示の実施例にて本発明を詳細に説明し、詳しい利点と特徴を明らかにする。

図３は、ガスタービンのロータ２３におけるタービン円板１９で形成された軸カラー２１の一部を正面図で示す。回転軸線５０を中心として回転可能なロータ２３は、外周５２に、円周方向Ｕに分布し、軸方向に延びる多数の動翼取付け溝１２を備える。各動翼取付け溝１２に、各動翼取付け溝１２に対応して形成した動翼１４の翼脚５４が挿入される。図３の中央に示す動翼取付け溝１２に、既に動翼１４が挿入されている。図１と２に示す従来技術の場合と同様に、タービン円板１９の端面ないし軸カラー２１の端面側側面５６に、軸方向に延びる突出部５８又は半径方向外向きに開いた周溝２０を備えた拡大部（厚肉部）が配置されている。周溝２０は動翼取付け溝１２より半径方向内側に配置されている。動翼１４は翼脚５４と翼形部（羽根部）との間に配置された翼台座２８を有し、該台座２８の下側面に、周溝２０に向けて開いた保持溝２４が設けられ、両溝２０、２４は互いに対向して位置している。従来技術と同様に、シール要素４２は、無端周溝２０と保持溝２４内にはめ込まれ、動翼１４の動翼取付け溝に沿った変位を防止する。

従来技術と異なり、図３に示す如く各シール要素４２は各１つの動翼取付け溝１２の端面側開口全体を覆い、もって当該動翼１４の動翼取付け溝１２に沿う変位を防止する。

必要に応じ、シール要素４２は従来技術と同様に、各シール要素４２が半分で１個の動翼１４を保持するよう円周上に分布させてもよい。

従来技術の如く、全シール要素４２を組立てて形成したリングは、冷却材が貫流する領域３７を場合により燃焼ガス流が現れる領域３９から分離するシールリングを形成する。

シール要素４２の円周方向Ｕにおける変位を防止すべく、シール要素４２は帯鋼部片６０を備える。この帯鋼部片６０は、好適にはシール要素４２の半径方向内側端６１に設けられ、従来技術と同じ様式で、シール要素４２に固定される。しかし、そのためにシール要素４２に設けられたスロット４０は、従来技術と異なり、半径方向に延びている。それらスロット４０を通って導かれてシール要素４２に引っ掛けられた帯鋼部片６０は屈曲形成され、帯鋼部片６０を板状シール要素４２に対し平行な平面で見る限り、ほぼＬ形をなしている。帯鋼部片６０は伸張範囲に沿ってロータ２３の円周方向Ｕに延びる第１脚６２を有し、帯鋼部片６０は該第１脚６２でシール要素４２に取り付けられる。帯鋼部片６０の半径方向内側に延びる第２脚６４は、軸カラー２１の側面５６に設けられた固定ポケット６６に係合する。帯鋼部片６０の屈曲形状およびその比較的短い第２脚６４のために、遠心力下での変位防止装置の曲がりは防止できる。

固定ポケット６６は、突出部５８の外周縁において半径方向外側に突出し、互いに間隔を隔てて配置された２個の歯６８により形成している。勿論、第２脚６４が相応した長さを有する場合、固定ポケット６６を切欠き６９によって形成することもできる。

第２脚６４の横側箇所が、固定ポケット６６の半径方向に延びる側壁又は歯６８に接するので、本発明によるシール要素４２の円周方向Ｕへの変位は確実に防止できる。

図示しないが、各々第２のシール要素又はシールリングの各シール要素の、周溝２０に沿った変位を帯鋼部片６０により防止することもできる。

図４は、半径方向において動翼取付け溝１２の高さに存在する、別の実施態様の端面側周溝２０を示す。その一層半径方向内側に、半径方向外向きに開いた溝７０を、軸カラー２１に隣接する領域、例えば隣のタービン円板７２に設けている。シール要素４２は半径方向内側溝７０にはめ込まれ、軸カラー側の面にフック７１を有し、該フック７１は半径方向外側溝２０に係合している。シール要素４２は半径方向外側端７５が、動翼１４の翼脚７３および／又は首部の端面に接している。特に良好な形態を得るべく、半径方向に見て溝２０と翼脚７３のシール要素４２への接触点との間の距離を、半径方向外側溝２０と半径方向内側溝７０との距離よりかなり小さくする。この結果、動翼１４の変位によりシール要素４２に軸方向に作用する力は、半径方向外側溝２０の領域における「回転点」に対し、短寸のレバーを介して作用する。十分な反力を発生すべく、長寸のレバーを利用し、更にこれをシール要素４２の箇所７４での補強のために局所的に肉厚にしている。シール要素４２は、図３に示す形態と類似の様式で、円周方向の変位を防止し、その際軸カラー２１の端面箇所を補強すべく、隣のタービン円板７２に歯を設けている。

全体として、本発明によって、シール要素の新たな固定装置１０が得られ、その際、円周方向におけるシール要素の変位を防止すべく設けた帯鋼部片を、Ｌ形に形成し、シール要素の半径方向内側端の箇所においてタービン円板で接触支持している。

従来のロータにおける動翼の軸方向固定装置の正面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図。 本発明に基づくシール要素の正面図。 本発明に基づくシール要素の異なった実施例の断面図。

符号の説明

１０ 固定装置、１２ 動翼取付け溝、１４ 動翼、２０ 周溝、２１ 軸カラー、２４ 保持溝、４２ シール要素、５６ 側面、５８ 突出部、６０ 帯鋼部片、６２ 帯鋼部片の第１脚、６４ 帯鋼部片の第２脚、６６ 固定ポケット

Claims (10)

1. ロータ（２３）の軸カラー（２１）の外周（５２）にロータ（２３）の軸方向に延びる多数の動翼取付け溝（１２）が設けられ、各動翼取付け溝（１２）内に各々動翼取付け溝（１２）に対応して形成された翼脚（５４）が配置され、軸カラー（２１）の端面側側面（５６）において動翼取付け溝（１２）の箇所に突出部（５８）が配置され、該突出部（５８）に半径方向外向きに開いた周溝（２０）が設けられ、動翼（１４）を軸方向に固定すべく周溝（２０）に各々係合する複数の板状シール要素（４２）が設けられ、全シール要素（４２）が円周方向（Ｕ）において１個の端面側シールリングを形成し、シール要素（４２）を円周方向（Ｕ）における変位に対して固定すべく少なくとも１個のシール要素（４２）が該シール要素（４２）に固定された帯鋼部片（６０）を有するロータ（２３）における動翼（１４）の軸方向固定装置（１０）において、
   帯鋼部片（６０）が伸張方向に沿ってＬ形に形成され、帯鋼部片（６０）の円周方向（Ｕ）に延びる第１脚（６２）がシール要素（４２）に固定され、半径方向内側に延びる第２脚（６４）が、軸カラー（２１）の箇所に設けられた固定ポケット（６６）に係合することを特徴とするロータ（２３）における動翼（１４）の軸方向固定装置。
2. 少なくとも各々第２のシール要素（４２）が、該シール要素（４２）を円周方向（Ｕ）における変位に対し固定すべく前記帯鋼部片と同じ構造の帯鋼部片（６０）を有し、該帯鋼部片（６０）が、軸カラー（２１）の側面（５６）に設けられた固定ポケット（６６）に係合することを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 帯鋼部片（６０）の第２脚（６４）の側面箇所が、固定ポケット（６６）の半径方向に延びる側壁に接することを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
4. 固定ポケット（６６）が、突出部（５８）に相互に間隔を隔てて配置された２個の歯（６８）により形成されたことを特徴とする請求項１から３の１つに記載の装置。
5. 端面側の周溝（２０）が、動翼取付け溝（１２）に関して半径方向内側に配置されたことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の装置。
6. 各動翼（１４）の翼台座（２８）の下側面（２６）に、シール要素（４２）が係合する保持溝（２４）が設けられたことを特徴とする請求項５記載の装置。
7. 軸カラー（２１）がタービン円板（１９）により形成されたことを特徴とする請求項１から６の１つに記載の装置。
8. 端面側周溝（２０）が半径方向において動翼取付け溝（１２）の高さに配置され、そのもっと半径方向内側に、半径方向外向きに開いた溝（７０）が設けられ、シール要素（４２）が前記両溝（２０、７０）にはめ込まれ、動翼脚の端面に接することを特徴とする請求項１から４の１つに記載の装置。
9. 請求項１から８の１つに記載の装置（１０）に対する帯鋼部片（６０）が固定できる板状シール要素（４２）において、
   帯鋼部片（６０）が伸張方向に沿ってＬ形に形成され、帯鋼部片（６０）の円周方向（Ｕ）に延びる第１脚（６２）がシール要素（４２）に取り付けられ、半径方向内側に延びる第２脚（６４）が固定ポケット（６６）に係合し、該固定ポケット（６６）が軸カラー（２１）の側面（５６）に設けられたことを特徴とする板状シール要素。
10. 軸流ガスタービンの動翼（１４）を固定するために利用することを特徴とする請求項１から８の１つに記載の装置（１０）又は請求項９に記載のシール要素の利用方法。

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