JP4820695B2

JP4820695B2 - シュラウド付きタービンバケットと接線方向挿入式ダブテールとを組立てる方法及びシステム

Info

Publication number: JP4820695B2
Application number: JP2006154521A
Authority: JP
Inventors: ロバート・エドワード・ディーレンバッハ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2026-06-02
Also published as: JP2006336656A; US7344359B2; RU2399772C2; EP1731713A3; US20060275124A1; CN1872491B; EP1731713A2; CN1872491A; RU2006119275A

Description

本発明は、シュラウドと接線方向挿入式ダブテールとを有するバケットをタービンホイールのリム上に組立てるための方法及びシステムに関し、具体的には、最終組立体において隣接するシュラウド間の完全かつ正確な機械的結合をより確実にすることに関する。

例えば蒸気タービンで使用するためのシュラウド付きタービンバケットはシュラウド縁部を互いに機械的に接触させて隣接するシュラウド間のあらゆるギャップを排除する必要がある。シュラウドは一般的に、先端シールを使用してタービン熱効率を改善するのを支援する。実動運転状況下での高レベルの機械的信頼性もまた必要とされる。主として菱形（すなわち、完全な菱形又は変形菱形）構成を有するシュラウドは、これらの設計特性を満たす。しかしながら、菱形構成を有するシュラウドは、それ自体は新規なものではないが、接線方向挿入式ダブテールを使用するバケットに関しては新規である。これ迄、菱形シュラウドを有するバケットは、低圧、中圧及び高圧タービン用途で使用されてきた。しかしながら、一体形シュラウド付きバケットは、翼形部アスペクト比（すなわち、半径方向高さ／軸方向幅）が小さいので翼形部剛性が増大している場合、又はより高いプレツイスト（予ねじり）応力が必要とされる場合には、組立てることが次第に困難になる。菱形構成のシュラウドと接線方向挿入式ダブテールとを有するバケットの組立に関連する問題点には、隣接するシュラウド面間及びダブテール面間のギャップを排除する（すなわち、共に詰め込まれる）のに必要な適当に高い接線方向力を発生させることと、バケット翼形部の適当なプレツイスト（予ねじり）を生じさせることとが含まれる。プレツイストのレベルは、全てのタービン作動段階の間に、隣接するシュラウドが接触した状態を維持するすなわち機械的に結合されていることを保証するのに十分でなければならない。タービンホイール上にバケットを共に適当に詰め込むのに必要な接線方向組立力（組み立てのための接線方向の力）は、大型蒸気タービン用途に使用される大きさのバケットでは非常に高くなる可能性がある。また、バケットが互いに詰込まれると、ダブテールが回転し、これが次にバケット翼形部に加えられたプレツイストのレベルを低下させる。ダブテール回転は、適当な組立体を保証するためには制限されなければならない。さらに、その詰込まれた構成のバケットは、付加的なバケットをホイール上に据付ける時に、互いから離れて元に戻るのを拘束されなければならない。離れて元に戻る傾向は、シュラウド接触面に発生する力と、接線方向に対するこれらの面の配向とに関連している。
米国特許第５，５０９，７８４号公報

従って、タービンホイール上へのシュラウド付きバケットの組立に関連した前述の問題点を克服し、次にバケットが全ての効率及び信頼性の目標を満たすことができるようになる組立方法及びシステムに対する必要性がある。

本発明の好ましい実施形態では、両端部の一方がシュラウドによって他方がダブテールによって終端する翼形部を含む複数のバケットをロータホイール上に組立てる方法を提供し、本方法は、接線方向組立力を締り嵌めシュラウド接触面に加えることに応じて各バケットのシュラウド及び翼形部をほぼ半径方向の線を回転軸線とする回転方向にプレツイストさせ、これにより前記翼形部に回転バイアスを与えて後続の翼形部の回転を可能にして、隣接するバケットのシュラウド縁部が互いに接触し且つ隣接するバケットのダブテール面が互いに接触した状態の最終組立体にするステップを含む。
本発明の別の好ましい実施形態によれば、両端部がシュラウドとダブテールとによって終端する翼形部を含む複数のバケットをロータホイール上に組立てる方法が提供される。本方法は、各バケットのシュラウド上にラグを設けるステップと、各バケットのシュラウドに支持された各ラグ上に固定具を取外し可能に固定して、隣接するバケットの該固定具及びラグが接線方向に対して鋭角になったほぼ相補形のテーパ面をそれぞれが有するようにするステップと、据付け対象の各バケットのシュラウドに支持された前記固定具を、ロータリム上に先に据付けられている隣接するバケットのシュラウドに支持された前記ラグのテーパ面に対して押込んで、該バケットのシュラウド及び翼形部をプレツイストさせるステップと、を含む。

本発明のさらに別の好ましい実施形態によれば、タービンホイール及びバケットの組立体が提供される。本組立体は、タービンホイール及びバケットの組立体において、
複数のバケットであってその各々が翼形部と該翼形部の先端に隣接するシュラウドと前記翼形部の根元に隣接するダブテールとを含む複数のバケットと、各シュラウドに支持されたラグと、各ラグに取外し可能に固定され、前記ホイール上に先行して組立ててあるバケットのラグの一部分に重なるように接線方向に延びる突出部を有する固定具と、を有し、前記隣接するシュラウドが、締り嵌め接触面を備え、前記ラグ及び前記突出部の少なくとも一方が、据付け対象のシュラウド及び翼形部をプレツイストさせるための、該ラグ及び該突出部の他方の面と接触するテーパ面を備える。

次に図面、特に図１を参照すると、ホイールリム（ロータリム）１２を含むタービンロータホイール１０を示しており、ホイールリム１２は、当該軸方向と直交方向の側面に沿って延びるリブ及び溝構成を、ロータホイール１０の外周部に有する。すなわちホイールリム１２は、断面松の木状の構成を有する。また、図１に示すのは、全体を符号１４で示した複数のバケットである。各バケット１４は翼形部１６を含み、翼形部１６は、該翼形部の根元から突出したダブテール１８と、該翼形部の先端に隣接するシュラウド２０とを有する。ダブテール１８は、対応するリブ及び溝に嵌合する構成、すなわちホイールダブテール１２の松の木状の構成と相補的な松の木状の構成を有することが分かるであろう。従って、バケット１４は接線方向挿入式バケットを構成し、それによってバケットは、ホイール１０の半径方向スロット（図示せず）内に配置されかつタービンホイールの周りで摺動可能に配置されて、ダブテールの接触面及びシュラウドの接触縁部が、隣接するバケットの対応する部分とそれぞれ係合した状態になる。また図１に示すのは、回転防止キー２２であり、回転防止キー２２は、ロータホイール１０（のロータリング）上に設けられ、ダブテール１２の外周辺部の周りで延び且つダブテール１８の基部において対応するスロットに係合している。したがって、組立及び作動の間においてダブテール（すなわちバケット１４）の回転を最小にするか又は阻止する。同様の回転防止キーが、本出願と同一出願人の米国特許第5,509,784号に記載されかつ図示されている。

図１において、バケット１４の各々は、シュラウド２０の前縁から半径方向外向きに突出したラグ２４を含むものとして示している。ラグ２４は、シュラウド２０と一体形に形成され、その一部が最終組立体後に各バケット及びシュラウドから除去されるのが好ましい。また図１に示すのは、それぞれのラグ２４の各々上に取付けられた固定具２６であり、この固定具２６は軸方向前向きに突出する。各固定具２６は、ボルト２８によって関連するラグ２４にボルト止めすることができる。

図２に最もよく示すように、シュラウド２０は、菱形構成を有する。最終組立体において、シュラウドの傾斜縁部すなわち接線方向縁部３０は図７に示すように互いに当接していることが分かるであろう。しかしながら、接線方向軸線又は接線方向に対して一般的に約４０度〜６０度で延びる隣接する傾斜縁部３０は、バケットがタービンホイールに組立てられかつ隣接するダブテール面３４が互いに接触した時に、そのかみ合いシュラウド接触面３２において実際に干渉する状態になる。すなわち、隣接するバケット１４のダブテール面３４が互いに接触した時には、シュラウドの接触縁部３０上に、該シュラウド縁部が理論的には互いに重複することになるような余分な量の材料が存在する。シュラウド接触面３２におけるこのシュラウド干渉状態のために、隣接するダブテール面３４は、シュラウド２０の回転又はねじり（ツイスト）が発生するまで互いに完全な全面接触になることができない。バケット半径方向の線を軸線としてシュラウドを回転させることによって、シュラウドカバー接線方向ピッチの変化が発生し、そのことによりバケット組立体をシュラウド干渉状態に適応させることが可能になる。すなわち、バケットのほぼ半径方向軸線の周りでシュラウドを回転させることによって隣接するシュラウドの縁部３０を形成する余分な量の材料を利用して、シュラウドのツイスト及びバケット翼形部の弾性プレツイストを生じさせる。シュラウド縁部３０の角度のために、シュラウドをツイストさせることは、干渉の全てがなくなるまでほぼ半径方向軸線の周りでシュラウドを回転させた時にシュラウドの接線方向幅を減少させる。シュラウドをツイストさせることによって、翼形部はトーションバネとして作用し、このことが、バケットの全ての正常作動状態において隣接するシュラウド接触面３２間の接触荷重を維持するのに役立つ。

組立の間に翼形部をプレツイストさせるためには、必要なねじりモーメント、すなわちシュラウド接触面３２上の支持力（bearing force）により発生するシュラウドへのトルクを生じさせる大きな接線方向組立力が必要になる。接線方向組立力はまた、１つの接触面３２を隣接する接触面３２に対して摺動させることに関連する摩擦力に打ち勝つものでなければならない。

上で引用した米国特許第5,590,784号では、バケットを接線方向に組立てる時に押込み（ウェッジング）作用を生じさせるために接線方向軸線に対して浅い角度、すなわち約１５度になったシュラウド接触面が設けられている。従って、この特許に示されている急角度設計の場合には、大きな支持力がシュラウド接触面上に発生し、かつその支持力は主として軸方向に配向しており、シュラウド上に大きなねじりモーメントを生じさせる。しかしながら、組立力の接線方向成分は、その力の軸方向成分に比べて比較的小さく、このことは、シュラウド力及び摩擦力の接線方向成分に打ち勝つのに必要な要求接線方向組立力を最小にする。

しかしながら、実質的により大きな、すなわち約４０度〜６０度のオーダの接線方向軸線を有する菱形構成のシュラウドは、バケットを接線方向に押進めた時のシュラウド接触面間の押込み作用を低下させて、必要な接線方向組立力を従来技術の特許の急角度設計の場合よりも実質的に大きなものにする。このことは、適当に組立てることができるバケットの大きさを制限することになる。

しかしながら、本発明の好ましい実施形態によると、ラグ２４に固定具２６を取付けることによって、非常に大きな干渉接触面角度を受け入れるようにする。図２及び図３を参照すると、各固定具２６は、それに固定具２６を取付けたラグ２４から接線方向に突出した部分４０を含む。突出部４０は、図３に示すように、各軸方向下流面上に、接線方向軸線に対して約１０度の角度θを有しかつ接線方向軸線に対して約０度で配向された平坦部４４で終端する先行面取り部４２を含む。平坦部４４は、固定具２６の下流面における段部４６につながる即ち段部４６で終端する。段部４６の大きさは、シュラウド接触面３２における干渉レベルに基づいて調整される。加えて、図３で分かるように、ラグ２４の軸方向進入面もまた面取り部（テーパ面）４２と相補形になった面取り部（テーパ面）４８を含み、この面取り部４８は整合するテーパ３２を有するラグに隣接するラグ上に設けられる。

バケットをロータホイールのリム上に組立てるために、固定具２６は、例えばボルト２８を用いてラグ２４に固定される。組立てられることになる（組立対象の）各一連のバケットは、面取り部４２が前のバケットのラグ２４のかみ合い面取り部４８に接触する位置までホイールリムの周りで摺動させる。一旦接触すると、据付け対象のバケットに接線方向組立力を加えて、バケットを前のバケットに向けて押進める。従って、固定具２６は、最初にかみ合い面取り部４２及び４８によって形成されたウェッジ角度に沿ってスライドして、図５に示すようにシュラウドに大きなねじり運動及び対応する回転を発生させ、同時に翼形部１６のねじり作用も生じさせる。かみ合いバケットの両方が、接線方向組立力を加えることでツイストすることになることが分かるであろう。２つのバケットの面間の軸方向段差が固定具の段部の大きさに等しい場合、固定具の平坦面４４はシュラウドラグの軸方向前方の平坦な面に接触する。シュラウドの回転の程度は、固定具の段部の大きさによって左右され、シュラウド接触面３２における干渉状態によって自然に生じることになる回転のレベルを僅かに超えるように設定される。従って、シュラウドがツイストするので、またシュラウド縁部３０の角度のために、シュラウドを回転させた時のカバーの接線方向幅は、最大でバケットのダブテール面の表面が互いに接触する大きさまで縮小される。例えば、段部の大きさは、縁部３０間に約0.00508〜0.01016ｃｍ（約0.002〜0.004インチ）のギャップが存在するように設定される。このことは、隣接するバケットが共に摺動するのを可能にして、ダブテール面３４が、関連する摩擦力のみがバケットの動きに抗した状態で互いに接触するのを可能にする。固定具２６とラグ２４との間の小さな角度、すなわち１０度の面取り部及び平坦部４４と隣接するラグとの間の接触のために、そのような接触における摩擦力は、バケットを離れる方向に押進める傾向にある力よりも大きい。従って、バケットは、共に押進められた後に組立力が除去された場合でさえ、部分的組立位置に保持されることになる。このことは次に、付加的なバケットを組立てかつ前に組立てたバケットによる干渉がない状態で同様に共に押進めることを可能にする。

最後に組み付けるバケット（閉鎖バケット）を除く全てのバケットをホイールの周りに取付けた時に、ホイールダブテールの半径方向開口部内に閉鎖バケットを挿入し、隣接するバケットにキー止め又はピン止めする。閉鎖及び隣接するバケットのシュラウド上の組立固定具は、閉鎖バケットシュラウドのプレツイストを固定具によって加えることができるので、閉鎖バケットの組立を助ける。従って、閉鎖バケットは、V字状の開口部内に半径方向に挿入され押し込まれる。

閉鎖バケットの組立後に、組立固定具２６はシュラウドから取外される。固定具２６が取外されると、最初のプレツイストとは反対方向にシュラウドの回転が発生する（図５及び図６を比較のこと）。このシュラウドの反対方向すなわち負の方向の回転によって、シュラウドの接触面３２が互いに完全な全面接触になることができる。すなわち、この逆方向回転は、前に加えられたプレツイストによる翼形部１６のバイアスによってもたらされる。バケットの組立の間にダブテール回転防止キー２２を所定の位置に配置してダブテールの回転を拘束することが分かるであろう。従って、シュラウドの回転によって生じたバケット翼形部のプレツイストのレベルは、シュラウドが反対方向に回転するように付勢して（バイアスをかけて）最終組立体にする。次に、ラグ２４の外側部分５４は、図７及び図８に示すように最終位置におけるラグ２４の残り部分を含むシュラウド２０を残した状態で、例えば機械加工によって除去することができる。

図５〜図７を参照すると、シュラウド正圧側面上には、逃げ溝５０が設けられる。逃げ溝５０は、シュラウド接触面とクリアランス面との間に低応力移行部を形成する。逃げ溝５０はまた、最大シュラウド曲げ応力と支持応力との分離を行うことによってフレッチング疲労の可能性を低減するように設けられる。逃げ溝５０はまた、シュラウド接触面とクリアランス面との間の分離を行い、仕上げクリアランス面又はコーナ部フィレット面に影響を与えずに、より重要なシュラウド接触面に対して最終機械加工を行うことができるようにする。

現在最も実用的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本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に、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更及び均等な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。

本発明の好ましい実施形態による、タービンロータホイールのリム上に据付けられかつ菱形形状のシュラウドを有するバケットを示す部分斜視図。ホイール上へのバケットの組立過程中においてシュラウドの半径方向外側面に向かって内向きに見た場合の１対のバケットの平面図。図２の一部分の拡大部分詳細図。シュラウド上のラグに固定するようになった固定具の拡大図。ロータホイール上へのバケットの組立過程中におけるシュラウド及び翼形部の回転又はねじりの方向を示す、図２と同様の図。シュラウド及び翼形部の逆方向回転を示す、固定具を取外した状態での図５と同様の図。バケットが最終組立体になった状態での図６と同様の図。最終取付け時におけるバケットのシュラウド及び翼形部の部分側面図。

符号の説明

１０タービンロータホイール
１２ホイールリム
１４バケット
１６翼形部
１８ダブテール
２０シュラウド
２２回転防止キー
２４ラグ
２６固定具
２８ボルト
３０傾斜縁部又は接線方向縁部
３２シュラウド接触面
３４ダブテール面
４０突出部
４２先行面取り部
４４平坦部
４６段部
４８面取り部

Claims

対向する端部がシュラウド（２０）とダブテール（１８）とによって終端する翼形部（１６）を備えるバケット（１４）の複数をロータホイール（１０）上に組立てる方法であって、
接線方向組立力を締り嵌めシュラウド接触面（３２）に加えることに応じて各バケットのシュラウド及び翼形部を、半径方向の線を回転軸線とする回転方向にプレツイストさせ、これにより前記翼形部に回転バイアスを与えて後続の翼形部の回転を可能にして、隣接するバケットのシュラウド縁部（３０）が互いに接触し且つ隣接するバケットのダブテール面（３４）が互いに接触した状態の最終組立体にすることを含み、
前記プレツイストさせることは、前記各バケットのシュラウド（２０）及び翼形部（１６）を、隣接するシュラウド接触面（３２）間の締り嵌めによって生じる回転レベルを超える回転レベルまでプレツイストさせることを特徴とする、方法。
前記接線方向組立力を加えたときに、前記ダブテールと前記ロータホイールとの接触面において該ダブテールの回転運動を拘束する（２２）、請求項１記載の方法。
各バケットのシュラウド（２０）に支持された固定具（２６）を前記隣接するバケットのシュラウド（２０）に支持されたラグ（２４）に対して押込んで、前記シュラウド（２０）及び翼形部（１６）をプレツイストさせる、請求項１又は２に記載の方法。
前記シュラウド（２０）及び翼形部を隣接するシュラウド接触面（３２）間の締り嵌めによって生じる回転レベルを超えてプレツイストさせながら、各据付け対象のバケット（１４）をロータリム（１２）に沿って摺動させて前記ダブテール（１８）の対向する接触面（３４）を係合させる、請求項１記載の方法。
前記バケット（１４）のそれぞれのシュラウド（２０）上にラグ（２４）を設け、
各バケットのシュラウドに支持された各ラグ（２４）上に固定具（２６）を取外し可能に固定して、隣接するバケットの該固定具及びラグが接線方向に対して鋭角になった相補形のテーパ面（４２、４８）をそれぞれが有するようにし、
据付け対象の各バケットのシュラウド（２０）に支持された前記固定具（２６）を、ロータリム（１２）上に先に据付けられている隣接するバケットのシュラウド（２０）に支持されている前記ラグ（２４）のテーパ面（４８）に対して押込んで、該バケットのシュラウド及び翼形部をプレツイストさせる、請求項１記載の方法。
対向する端部がシュラウド（２０）とダブテール（１８）とによって終端する翼形部（１６）を含む複数のバケット（１４）をロータホイール（１０）上に組立てる方法であって、
各バケットのシュラウド上にラグを設け、
各バケットのシュラウドに支持された各ラグ（２４）上に固定具（２６）を取外し可能に固定して、隣接するバケットの該固定具及びラグが接線方向に対して鋭角になった相補形のテーパ面（４２、４８）をそれぞれが有するようにし、
据付け対象の各バケットのシュラウド（２０）に支持された前記固定具（２６）を、ロータリム（１２）上に先に据付けられている隣接するバケットのシュラウド（２０）に支持された前記ラグ（２４）のテーパ面（４８）に対して押込んで、該バケットのシュラウド及び翼形部をプレツイストさせる、方法。
前記バケットのそれぞれについて、前記ラグ（２４）から前記固定具（２６）を取外して、前記シュラウド及び翼形部の反対回転方向への回転を可能にして最終組立体にする、請求項６記載の方法。
タービンホイール（１０）及びバケットの組立体において、
複数のバケット（１４）であってその各々が翼形部（１６）と該翼形部の先端に隣接するシュラウド（２０）と前記翼形部の根元に隣接するダブテール（１８）とを含む複数のバケット（１４）と、
各シュラウドに支持されたラグ（２４）と、
各ラグに取外し可能に固定され、前記ホイール上に先行して組立ててあるバケットのラグの一部分に重なるように接線方向に延びる突出部（４０）を有する固定具（２６）と、を有し、
前記隣接するシュラウドが、締り嵌め接触面（３２）を有し、
前記ラグ及び前記突出部の少なくとも一方が、据付け対象のシュラウド及び翼形部をプレツイストさせるための、該ラグ及び該突出部の他方の面と接触するテーパ面（４２、４８）を有する、
組立体。
前記固定具（２６）が前記テーパ面（４２）を備え、前記ラグ（２４）が第２のテーパ面（４８）を備え、これらのテーパ面が互いに係合した状態になって前記シュラウド及び翼形部をプレツイストさせる、請求項８記載の組立体。