JP5002063B2 - ガスタービンのロータにおいて回転羽根を軸方向固定するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載された形式の、ガスタービンのロータにおいて回転羽根を軸方向固定するための装置、すなわち、ロータにおいて回転羽根を軸方向固定するための装置であって、軸カラーが設けられていて、該軸カラーの外周部に、ロータの軸方向に延びる複数の回転羽根保持溝が設けられており、これらの回転羽根保持溝内にそれぞれ回転羽根の、回転羽根保持溝に対応する羽根基部が配置されており、回転羽根保持溝の領域において軸カラーの端面側の側面に配置されていて半径方向外側に向かって開放した環状溝が設けられており、回転羽根を軸方向固定するために、環状溝内にそれぞれ金属薄板状のシールエレメントが配置されていて、該シールエレメントが、周方向において端面側のシールリングを形成しており、シールエレメントが周方向において移動することを防止するために、シールエレメントのうちの少なくとも１つが、該シールエレメントに固定されていて脚を備えた金属薄板条片を有していて、該金属薄板条片の脚が、回転羽根又は軸カラーに形状接続式に接触している形式のものに関する。

このような形式の装置は、例えばＷＯ２００７／０２８７０３Ａ１に開示されており、この公知の装置は、図１及び図２に示されている。装置１０は、ロータ円板１９によって形成された軸カラー２１を有しており、この軸カラー２１は、ガスタービンのロータ２３の一部である。ロータ円板１９において、ロータ２３の外周部５２には、軸方向に延びる複数の溝１２が設けられている。これらの溝１２内には、各回転羽根１４の回転羽根基部５４が挿入されていて、回転羽根１４もしくはその基部５４は、溝１２に沿ったずれもしくは移動を防止されている。このような移動防止のために、シールエレメント１６が設けられており、これらのシールエレメント１６は、各溝１２の端面側の開口を少なくとも部分的に覆っていて、まとめられて、端面側のシールリングを形成している。軸カラー２１の端面５６には環状溝２０が設けられていて、この環状溝２０内には、ほぼ方形のシールエレメント１６が配置されている。半径方向外側においてシールエレメント１６は、回転羽根１４のプレート形状部の下側面２６に設けられた溝２４内に位置している。シールエレメント１６が周方向において移動することを防止するために、シールエレメント１６のうちの少なくとも１つが、該シールエレメントに固定されていて脚６４を備えた金属薄板条片３０を有しており、この脚６４は、回転羽根１４もしくはそのプレート形状部６４（図１）又はロータ円板１９（図２）自体に形状結合式に接触している。回転羽根１４の固定の他に、シールエレメント１６は、冷却空気流をロータ円板１９の端面に沿って案内するという課題をも担っている。

シールエレメントの取付け時及び金属薄板条片の内側への曲げ時に、金属薄板条片はしかしながら不適切に塑性変形されてしまうことがあり、その結果シール金属薄板は極めて大きな遊びをもって環状溝内に位置するおそれがある。これによって冷却空気損失の生じることがある。さらに、設定とは異なる塑性変形によって、シールエレメントと金属薄板条片との完璧な状態に不都合な影響の及ぼされることがある。さらに、内側への曲げ過程の後で金属薄板条片はその弾性に基づいて僅かしか戻らないという、不都合が存在する。

ゆえに本発明の課題は、冒頭に述べた形式の、ガスタービンのロータにおいて回転羽根を軸方向固定するための装置を改良して、シールエレメントを特に確実に取付け及び取外しできるようにすることである。

この課題を解決するために本発明の構成では、金属薄板条片の材料が形状記憶合金であり、金属薄板条片の脚が、熱処理後に遊びなしに又はプリロード下でシールエレメントに接触しているようにした。

金属薄板条片のための材料として形状記憶合金を使用することによって、金属薄板条片の取付けもしくは組付けが確実になるのみならず、金属薄板条片の機能確実性をも高めることができる。さらに、金属薄板条片が、遊びなしに又はプリロード下でシールエレメントに接触していることによって、周方向におけるシールエレメントの不都合な移動を確実に回避することができる。この確実な回避は、シールエレメントと金属薄板条片との間に今や間隙が存在せず、これにより金属薄板条片が該金属薄板条片に接触している機械構成部材によって、つまり回転羽根のフラットフォーム又はロータ円板の突出部によって、確実にブロックされることに、起因するものと見なすことができる。もしシールエレメントと金属薄板条片との間に間隙が存在していると、最悪の場合、間隙の大きさに応じて、シールエレメントと機械構成部材との間において相対運動が発生してしまい、機械構成部材が間隙内に入り込んでしまうことがある。しかしながら、このような不都合は本発明によって回避されるので、周方向移動を確実に防止してシールエレメントを特に確実な固定することができる。

形状記憶合金から製造された部材は、該部材が温度の影響によってその外側形状を大きな強度を維持しながら持続的に変えることができる、という特徴を有している。つまりこのような部材は、第１のジオメトリ、つまり形状、輪郭と、第２のジオメトリとを有することができる。そしてこのような部材は、第２のジオメトリから第１のジオメトリへは、ただ熱処理によってしか、戻り変形され得ない。金属薄板条片が熱処理後に有するジオメトリを、以下においては機能ジオメトリと呼ぶ。第２のジオメトリはほぼ任意であってよく、部材の製造時に所定することができる。

ＷＯ２００７／０２８７０３Ａ１に記載された内容は、この関連付けによって本明細書及び図面においても完全に受け入れられる。特に、ＷＯ２００７／０２８７０３Ａ１の従来技術に記載された、図１及び図２に示された装置と、ＷＯ２００７／０２８７０３Ａ１による発明である、図３及び図４に示された装置は、本発明によってさらに改善することができる。

金属薄板条片は、後で組み込まれた状態においてシールエレメントの位置を固定するのに望ましいような形状で、製造される。この一時的な形状は第１のジオメトリに相当している。そして取付け前に金属薄板条片は適宜な形式で第２のジオメトリに変形され、それにより金属薄板条片はシールエレメントに固定されることができる。次いでシールエレメントは軸カラーに組み付けられる。取り付けられた後で、熱処理が行われ、これにより金属薄板条片はその第１のジオメトリに戻り変形しようとする。熱処理は、ガスタービンがまだ運転される前に、外部の熱源を用いた加熱によって行うこともできるし、又は、高温が発生するガスタービンの最初の運転によって、金属薄板条片の変形を実施することも可能である。さらにまた、金属薄板条片の最終的な変形を達成するために、両方の熱処理を併用することも可能である。熱処理後、金属薄板条片はその機能ジオメトリを有し、シールエレメントに関してその損失及び、周方向における移動を確実に阻止する。機能ジオメトリと第１のジオメトリとが互いに異なっている場合には、シールエレメントもしくは金属薄板条片をプリロード下で固定することができる。

特にこれによって、ロータの軸カラーにおける金属薄板条片もしくはシールエレメントの特に簡単かつ確実な取付けが可能になり、これにより、従来技術において生じていた不都合を回避することができる。さらには金属薄板条片を手によって曲げ込む作業は、制限された範囲において、つまり僅かしか行う必要がなくなるか、又はまったく不要になる。従って、手による誤った組付けを排除することができ、これによって本発明による装置を備えたガスタービンの確実性が高まる。

特に、金属薄板条片の脚が熱処理後にプリロード下で回転羽根又は軸カラーに接触していると、軸カラーもしくはロータにおけるシールエレメントの特に確実な結合及び固定を可能にすることができる。このようにして、従来技術に基づいて公知の構成をさらに有利に改善することができる。つまり本発明による金属薄板条片によって生ぜしめられる予負荷もしくはプリロードは、回転羽根とシールエレメントとの間において、次のような作用を生ぜしめる。すなわちこの場合、シールエレメントの、溝内に位置する外端部は、プリロードに基づいて、回転羽根のプラットフォームの下側に配置された溝の側壁に、面で圧着されることができる。このように面で圧着されることによって、外側の溝におけるシールエレメントの特に密な接触が生ぜしめられる。そしてこれにより、さもないと生じる、シールエレメントの外端部と溝との間における、シールエレメントによって導かれた冷却空気の漏れを、減じること、又は完全に回避することができる。同様なことは、金属薄板条片が軸カラーにプリロード下で支持されていて、シールエレメントの内端部をリング溝の側壁に密にかつ面で圧着していると、シールエレメントの、半径方向内側においてリング溝に配置された内端部に対しても、言える。
本発明の別の有利な構成は請求項２以下に記載されている。
本発明の有利な構成では、材料が、ワンウエイ形状記憶効果（Einweg-Effekt）を有している。ワンウエイ形状記憶効果というのは、金属薄板条片を予めマルテンサイト状態において疑似塑性変形させた後、当該金属薄板条片の加熱時に、１回、塑性変形前の形状に形状変化を行い、しかも加熱後において冷却しても、それによってさらなる形状変化は生ぜしめられず、金属薄板条片はその第１のジオメトリつまり機能ジオメトリにとどまる、ということを意味する。

さらにまた、シールエレメントを固定するための改善された形状結合部を得ることを目的として、金属薄板条片に、非形状記憶合金から成る別の構成部材が取り付けられているような構成も可能である。

次に図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図面において、同一の構成部材には同一の符号が使用されている。

回転羽根を軸方向固定する１つの装置を示す図である。 回転羽根を軸方向固定する別の装置を示す図である。 従来技術に基づいて公知のシールエレメントの固定構造を、形状記憶合金製の本発明による金属薄板条片の１実施形態と共に示す概略図である。 本発明による金属薄板条片の第２の実施形態と共に示す概略図である。 本発明による金属薄板条片の第３の実施形態と共に示す概略図である。 本発明による金属薄板条片の第４の実施形態と共に示す概略図である。 本発明による金属薄板条片の第５の実施形態と共に示す概略図である。

従来技術における図１及び図２の記載を参照して、そこに示された金属プレート条片３０は本発明によれば形状記憶合金から成っていることができる。図１及び図２に示された金属薄板条片３０のジオメトリは、第１のジオメトリである。金属薄板条片３０を取り付けるために、この金属薄板条片３０は第２のジオメトリに変形されねばならず、この変形によってシールエレメント１６は環状溝２０に挿入されることができる。シールエレメント１６の組付け後に、金属薄板条片３０は熱処理によって機能ジオメトリに戻し変形され、金属薄板条片３０とプラットフォーム２８（図１）又はロータ円板１９（図２）との間における形状結合部が形成される。機能ジオメトリが第１のジオメトリに相当している限りは、金属薄板条片３０及びシールエレメント１６は緊張することなしにつまり応力なしで又は遊びをもってロータ２３に位置することになる。

これに対して本発明のように形成された金属薄板条片３０の構成、つまり少なくとも僅かに第１のジオメトリとは異なっている構成は、回転羽根（動翼もしくは回転翼とも呼ばれる）１４もしくは軸カラー２１とシールエレメント１６との間において予負荷もしくはプリロードを生ぜしめることができ、特に有利である。金属薄板条片３０の第１のジオメトリが、該第１のジオメトリが熱処理にもかかわらず他の機械構成部材による機械的なブロックに基づいて得ることができないように、選択されていると、予負荷もしくはプリロードが得られる。このような場合には、熱処理が行われた後で、金属薄板条片３０は機能ジオメトリに留まり、この場合予負荷された状態で、ブロックする機械構成部材に接触している。ブロックする機械構成部材は、溝２４、環状溝２０、回転羽根１４のプラットフォーム２８によって、又は軸カラー２１によっても形成されることができる。機能ジオメトリが、図平面に対して垂直に方向付けられた予負荷が生じるように、選択される場合には、シールエレメント１６は半径方向外側で、プラットフォーム２８の下面２６に配置された溝２４の側壁に、かつ／又は半径方向内側で、環状溝２０の側壁に、面でシール作用をもって圧着されることができ、これによってシールエレメントによって案内された冷却空気の漏れを減じること、かつ場合によっては阻止することができる。

図１及び図２に示された構成の代わりに、本発明は、本発明による択一的な構成においても使用することができる。そのために図３〜図７には、異なった金属薄板条片３０を備えた様々に異なった構成が示されている。図３〜図７に示されたすべての金属薄板条片３０において、金属薄板条片３０が適宜な形式でシールエレメント１６に固定されていることは共通である。図３〜図７のそれぞれは、ａ，ｂ又はｃの添え字を付した３つの部分図を有している。添え字ａを付した部分図は、本発明による金属薄板条片３０を最初のジオメトリで、つまり第１のジオメトリで示しており、この場合金属薄板条片３０は、適宜な手段（図示せず）によってシールエレメント１６に固定されている。金属薄板条片３０は、疑似塑性変形によって第２のジオメトリに変えられる。添え字ｂを付した部分図は、第２のジオメトリを有する各金属薄板条片３０を、取付け状態もしくは組付け状態で示している。添え字ｃを付した部分図には、それぞれの金属薄板条片３０がその機能ジオメトリで示されており、この機能ジオメトリを金属薄板条片３０は１回の加熱が行われた後で得、この機能ジオメトリを金属薄板条片３０は持続的に高い強度をもって維持する。添え字ｂ及びｃを付した部分図には、それぞれ付加的に閉鎖エレメント４０も示されており、この閉鎖エレメント４０によって金属薄板条片３０は形状結合されることができる。そのために金属薄板条片３０は単に熱処理されるだけでよく、この熱処理により金属薄板条片３０は第２のジオメトリから第１のジオメトリに変形しようとする。閉鎖エレメント４０は任意に構成されていることができ、図３〜図７には、軸カラー２１に配置されたポケットか又は、互いに隣接した回転羽根１４のプラットフォーム２８の間に配置されていて先細に延びる切欠きが、代表的に略示されている。

図３ａ，図３ｂ，図３ｃを参照しながら述べると、周方向におけるずれを阻止すべくシールエレメント１６を固定するために該シールエレメント１６に固定された、形状記憶合金から成る金属薄板条片３０は、横断面Ｌ字形の第２のジオメトリを有している。従って金属薄板条片３０は２つの脚６２，６４を有している。金属薄板条片３０の両方の脚のうちの一方、例えば脚６２は、適宜な手段でシールエレメント１６に固定されている。金属薄板条片３０の脚６２はシールエレメント１６と例えばろう接されている。他方の脚６４は、シールエレメント１６もしくは金属薄板条片３０を切欠き３８内に形状結合式に固定するために働く。切欠き３８は、また択一的に、図１に示されているように、先細に収斂して、互いに直に隣接した２つの回転羽根１４のプラットフォーム２８の間に配置されていてもよい。切欠き３８はまた、ロータ円板１９に配置された２つの歯６８によって形成されていてもよい（図２）。

図３とは異なる、金属薄板条片３０の択一的な実施形態が、図４に示されている。この実施形態では第２の脚６４の代わりに、金属薄板条片３０は図４ａ，図４ｃに示された第１のジオメトリにおいて、隆起状もしくは瘤状の端部６５を有しており、この端部６５は、疑似塑性変形によって第２のジオメトリに変わることができる。図４ｂに示された第２のジオメトリにおいて端部６５は、プレート状に形成されており、これによってシールエレメントの取付けが可能になる。

図３及び図４に示された実施形態において共通なことは、機能ジオメトリと第２のジオメトリとが一致していて、これによりシールエレメント１６が遊びをもって切欠き３８内に固定され得る、ということである。

図５及び図６に示された、閉鎖エレメント４０及び金属薄板条片３０の実施形態では、閉鎖エレメント４０のジオメトリと金属薄板条片３０の第１のジオメトリとは、金属薄板条片３０から閉鎖エレメント４０に対して予負荷力を作用させることができるように、選択されている。この予負荷力によって、閉鎖エレメント４０における金属薄板条片３０もしくはシールエレメント１６の遊びのない固定が達成される。これを達成するために、機能ジオメトリは第１のジオメトリとは異なっている。形状記憶合金から成る金属薄板条片３０が熱処理中に第１のジオメトリに変形することは、閉鎖エレメント４０の選択された形状に基づいて阻止され、この場合金属薄板条片３０の完全な戻り変形は少なくとも僅かには、閉鎖エレメント４０によってブロックされる。これによって、シールエレメント１６と閉鎖エレメント４０との遊びのない予負荷された固定を、得ることができる。結果的に、図５の実施形態が図３の実施形態と異なっているのは、単に、閉鎖エレメントの形状及び輪郭だけである。

図７には、図３の実施形態をさらに変化させた実施形態が示されている。すなわち図７の実施形態では、「可動の」第２の脚６４に、形状記憶合金製ではない別のエレメント６０が固定されている。このエレメント６０は、この場合ピン形に形成されていることができる。熱処理後に、エレメント６０は切欠き７０内に位置しており、これによって金属薄板条片３０もしくはシールエレメント１６は、閉鎖エレメント４０に対する運動を形状結合により減じられる。

上に述べたすべての実施形態において共通なことは、金属薄板条片の材料として形状記憶合金を使用することによって、シールエレメントの特に確実な組付けを達成することができ、しかもこの場合、手動による曲げ工程に基づいてシールエレメントを不都合に損傷するおそれがない、ということである。さらに、互いに巧みに合わせられた構成部材によって、ロータにおけるシールエレメントの予負荷された固定を達成することができ、これにより、溝内におけるシールエレメントの、さもないと存在する遊びを伴う取付け部を通る、冷却空気の漏れが減じられる。

以上述べたように、本発明によって、ガスタービンのロータに回転羽根を軸方向固定するための装置が提供され、この場合ガスタービンは、ロータの端面側の面に配置されたシールエレメントを有しており、このシールエレメントは、形状記憶合金から成る金属薄板条片を用いて、特に確実に固定されることができる。

Claims (2)

1. ロータ（２３）において回転羽根（１４）を軸方向固定するための装置（１０）であって、
   軸カラー（２１）が設けられていて、該軸カラー（２１）の外周部（５２）に、ロータ（２３）の軸方向に延びる複数の回転羽根保持溝（１２）が設けられており、これらの回転羽根保持溝（１２）内にそれぞれ回転羽根（１４）の、回転羽根保持溝（１２）に対応する羽根基部（５４）が配置されており、
   回転羽根保持溝（１２）の領域において軸カラー（２１）の端面側の側面（５６）に配置されていて半径方向外側に向かって開放した環状溝（２０）が設けられており、
   回転羽根（１４）を軸方向固定するために、環状溝（２０）内にそれぞれ金属薄板状のシールエレメント（１６）が配置されていて、該シールエレメント（１６）が、周方向において端面側のシールリングを形成しており、
   シールエレメント（１６）が周方向において移動することを防止するために、シールエレメント（１６）のうちの少なくとも１つが、該シールエレメント（１６）に固定されていて脚（６４）を備えた金属薄板条片（３０）を有していて、該金属薄板条片（３０）の脚（６４）が、回転羽根（１４）又は軸カラー（２１）に形状接続式に接触している形式のものにおいて、
   金属薄板条片（３０）の材料が形状記憶合金であり、金属薄板条片（３０）の脚（６４）が、熱処理後にプリロード下で回転羽根（１４）又は軸カラー（２１）に接触していて、シールエレメント（１６）を溝（２４）もしくは環状溝（２０）の側壁に圧着させており、金属薄板条片（３０）に、非形状記憶合金から成る別のエレメントが取り付けられていることを特徴とする、ロータにおいて回転羽根を軸方向固定するための装置。
2. 材料が、ワンウエイ形状記憶効果を有している、請求項１記載の装置。

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