JP5185426B2 - ターボ機械のロータのためのロータセクション - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段部におけるロータセクションに関する。

一般的なタービンまたはタービンロータにおける軸ロータセクションは、例えば公開公報である特許文献１から公知である。ロータセクションは、ロータディスクを備えており、その周囲においてタービンのロータブレードのための複数の軸方向に延在する保持溝部を有する。ロータディスクには、この場合、端面において、シールストリップのための延々と周囲を取り囲む位置付スロットが設けられている。位置付スロットの一側壁部には、周方向に均一に分布しかつ位置付スロットの基部と部分的に重なる複数の突出部が設けられている。プレート状のシールストリップが位置付スロットに位置しており、このシールストリップは、これらの径方向内方に配置された内側端部において、両側に厚化部分を有し、この厚化部分の幅は、位置付スロットの幅にほぼ対応している。厚化部分は、周方向で示されるように、この場合において、凹所によって部分的に遮断されており、この凹所は、位置付スロットの突出部に対応する幅広の設計からなる。この結果、シールストリップは、外側からの単純な径方向の運動を用いて位置付スロット内に挿入され、周方向で移動させた後に、−その移動経路が突出部の幅にほぼ対応する−これに引っ掛かる。そして、シールストリップの厚化部分は、位置付スロットの突出部の後方に嵌合し、シールストリップは、外方に移動しない。シールストリップをすべて取り付けるため、これらは、位置付スロットに相次いで挿入され、その後でのみ、周方向に集合的に移動される。この結果、シールストリップのロック部を必要とすることが回避される。シールストリップ及びロータブレードを挿入した後、シールストリップの外側端部は、ロータブレードのプラットフォーム側の溝部に挿入され、後者(last-named)は、軸方向の移動に対して留められる。取り付けを終了するため、シールストリップは、それらの隆起部分においてネジを用いて固定される。そして、各幅広部分は、突出部を支持する。この構成部材の配置を用いて、シールストリップとロータディスクの端面との間の第１空間は、分離され、さまざまな媒体を案内するためにシールストリップの外側に位置する第２空間に対してシールされる。とりわけ十分なシールを達成するために、シールストリップは、その幅広部分によって位置付スロットの側壁部を支持しており、これには、突出部が形成されていない。さらに、突出部における内側の円錐状に延在する端部は、遠心力の影響で、シールストリップを位置付けスロットにおける突出部の無い側壁部に押し付けることを確実にする。

公知の配置における１つの欠点は、ロータディスクの側面における並びに突出部及び凹所を有するシールストリップにおけるコストがかかる構造である。さらなる欠点は、周方向の移動に対してシールストリップを留めるためにネジを用いることである。熱応力の変動が作動及び静止状態間で発生する理由で、及び高温ガスがタービンを流通する理由で、ネジ締結における腐食及び強度に関する問題が発生する。これらの可能性は、特定の方法で解決されない。この場合、ネジをドリル穿孔するが、この処理は、一般に、ガスタービンの下側ケース半体に依然として位置するロータで行われる。この処理において、削りくずが下側ケース半体に落下することがあり、これは、後続の工程中に望まない汚染を引き起こす。

同様に、軸方向の移動に対してロータブレードであって周方向で移動可能なプレートを用いて保持されるロータブレードを留めることは、特許文献２から公知である。ここで示される配置は、プレートの外側に存在する空間に関してディスクに近接する空間をシールすることに適していない。

さらに、ロータブレードを軸方向でロックするための一部品のシールリングを有するタービンのロータサブ組立体は、公開公報である特許文献３から公知である。特許文献３における一部品シールリングは、バイヨネット接続を用いてタービンディスクに引っ掛けられている。このために、突出部及び凹所は、周方向に沿って分散した態様で、タービンディスクに及びシールリングに交互に配置されている。取り付けるために、シールリングは、ロータディスクに位置し、凹所及び突出部は、互いに反対側に位置する。そして、両部分をわずかに回転させることにより、これらは、双方で互いに引っ掛かる。しかしながら、シールリングが一体構造で形成されている理由で、これは、これらのタービンを軸方向で積み重ねることによって組み立てるので、航空機のガスタービンで使用されるのみである。他方、定置ガスタービンは、完全に取り付けられたロータを覆う２つのケース半体から組み立てられている。

独国特許第１９６３３６４号明細書 仏国特許第２５２４９３３号明細書 独国特許出願公開第３０３３７６８号明細書

したがって、本発明の目的は、シール素子の取り付け及び取り外しに関して改善された定置ガスタービンのための軸ロータセクションを提供することである。

ロータセクションに向けた目的は、請求項１の機能を有する一般的なタイプにおけるロータを用いて達成される。さらに、ロータブレードに向けた目的は、請求項８におけるロータブレードを用いて達成される。

本発明は、シール素子が遠心力によってロータに当接支持される位置と個別のシール素子が周方向において当接して留められる位置とが可能な限り互いに近接して位置するときに、シール素子における特有の確実な保護が特に可能であるという知識に基づいている。すなわち、シール素子が遠心力によって当接支持するロータのその表面と周方向の移動に対してシール素子を留める位置との間においてロータの径方向に延在する距離は、可能な限り小さい。これは、ロータブレードの接触面に当接支持するシール素子を同様に周方向の移動に対して外側領域に留められることを意味する。この場合において周方向でロックするための可能な限り単純な構造を開示するため、ボルト状のブロック素子が設けられる。一方では、ブロック素子は、シール素子に形成された開口部に嵌合する。他方では、ボトル状のブロック素子は、ロータブレード付根部の端面に配置された穴部に嵌合する。シール素子の開口部は、この場合において、ロータの接触面に当接支持するシール素子のその端部に比較的近接する。接触面は、好ましくは、ロータブレードのプラットフォームの下側の一部である。シール素子が遠心力によって接触面に当接して強固に支持することによって、あったとしてもごくわずかな相対的な運動は、シール素子とロータブレード付根部との間に発生する。シール素子を周方向で固定することは、シール素子が動作中に当接支持されこれによりシール素子の位置決め及び運動に影響を及ぼすその構成部材で行われる。このような配置を用いて、接触面に、シール素子に及びブロック素子における摩耗は、確実に回避される。

ロータに関するブロック素子の径方向の位置決めは、その位置がロータブレードに対する運動が中立的である領域に位置するように続いて選択され、ブロック素子の固定点における動作によって引き起こされた運動の補償は、必要ない。ボルト状のブロック素子を用いることにより、柔軟な固定(flexibility of the fixing)を防止する。

ロータディスク及びロータブレードを冷却するために設けられた冷却媒体は、シール素子とロータディスクの端面との間でロータセクション上を案内される。本発明によって提案される配置は、シール素子における丸い開口部を用いすることと隙間なくそこに挿入されるブロックボルトを用いることとによって比較的短い漏洩セクションまたは寸法が小さい漏洩面積を達成するので、冷却媒体の漏洩を最小化するに至る。漏洩として失われる冷却媒体量を減少させることによって、タービンの効率向上が原理上達成される。

少なくともブレード付根部、プラットフォーム及び湾曲ブレードエアフォイルを備える本発明におけるロータブレードにおいて、ブレード付根部を覆うように突出する突出部が設けられており、ブレード付根部を向く突出部の下側において、ブレード付根部を向く接触面と、プレート状のシール素子と、が設けられている。シール素子のための接触面とシール素子を周方向の運動に対してロックするデバイスとの間の距離を比較的小さくすることを達成するため、ブロック素子をブレード付根部に適合させる止め穴部が設けられており、この穴部は、突出部に直接隣接して位置する。これにより、ロータセクションに関する利点を達成する。

ブロック素子は、Ｚ字状の金属シートストリップを用いて損耗に対して保護される。このため、ブロック素子は、その長手方向の範囲に沿って平坦化される。金属シートストリップは、取り付け前に依然としてＬ字状をなしており、このために、その角度付の脚部をシール素子とロータブレード付根部との間に配置することによって、開口部に挿通され、その後、ボルト状の平坦化されたブロック素子は、したがって、開口部と止め穴部とに挿通される。そして、以前はＬ字状の金属シートストリップは、回転して曲げることによってそのＺ字状に至り、そして、これは、ブロック素子を損耗に対して保護する。

有利な展開を従属請求項で開示する。

穴部は、好ましくは、近接して、すなわち径方向で見ると接触面の直接下方に配置される。これに対応して、ロックするボルトが嵌合するシール素子の開口部は、同様に、ロータブレードの接触面に当接支持するシール素子の縁部に比較的近接して配置される。

特にこの結果として、ボルト状のブロック素子をロータブレードの運動に関する中立領域に位置決めすることを確実にする。

−ブロック素子の摩損(loss)に対する保護を取り除いた後に−ブロック素子がそれを取り外すための端面開口部を有する場合に、ブロック素子の特に簡素な取り外しを達成する。開口部において、例えばネジ部が設けられており、ブロック素子を開口部及び穴部から引き抜く手段がこのネジ部に螺着されている。この機能は、ブロック素子の特に簡素かつ迅速な取り外しを可能とする。

すべてのシール要素は、互いに周方向で当接して支持しており、好ましくは、シールリングを形成し、冷却媒体は、シールリングとブレード付根部の端面またはロータディスクの端面との間に沿ってほぼ損失なく流動する。シール素子は、この場合において、同様に、わずかに重なっている。

この結果、ブレード付根部の端面またはブレードディスクに沿って冷却媒体を特に効果的に案内することが可能となる。

全体として、本発明により、シール素子を周方向で固定するための簡単なかつ簡素な態様で設計された構造を開示しており、各シール素子は、好ましくは、それぞれブロック素子を用いて留められている。

本発明によって説明される構造は、この場合において、境界条件に関して控えめに考え(conservative consideration)ても、シール素子の周方向の力すべてを確実に伝達するように、これが構成されているので、高い堅牢性を有する。柔軟な固定が必要ない。さらに、曲げてロックするプレート(bent-in locking plate)を適合するためのコストを掛けて形成されるスロット／ポケットが必要なく、その結果、配置は、比較的安価になる。

さらなる利点及びさらなる機能は、以下の図面の説明に起因する。

ロータセクションの部分断面斜視図である。 図１における細部Ａの詳細を示す図である。 ブロック素子に適合するシール素子に配置された開口部を示す図である。 ブロック素子を示す斜視図である。 ブロック素子を示す斜視図である。 ターボ機械のためのロータブレードの一部を示す斜視図である。 本発明の展開におけるロータの配置を示す平面図である。 本発明の展開におけるブロック素子を軸方向移動に対して留めることを示す図である。 本発明におけるブロック素子を示す斜視図である。

図１は、ターボ機械のロータのためのロータセクション１０における部分断面図を特に斜視図で示し、このターボ機械は、追加で図示しないが、ガスタービンとして設計されている。ロータセクションは、本質的に、一方で、第１ロータディスク１２と、そこに隣接するさらなるロータディスク１４と、を備える。ロータディスク１２、１４は、トルクを伝達させるために、図示しないヒルトトゥーシング(Hirth toothing)を用いて形状嵌合する(form-fitting)態様で相互接続されており、さらには図示しない張力ボルトを介して互いにクランプされている。ロータセクション１０は、図示した代表例に替えて、同様に、単一ブロックの形態をなす単一部品からまたは単一のロータディスクからから形成されてもよい。ロータセクション１０の外周において、複数のロータブレード保持溝部１６が設けられており、この溝部は、それぞれ、ロータの軸方向で少なくとも部分的に延在し、その１つのみが段面図で示される。ロータブレード保持溝部１６は、クリスマスツリー状の輪郭を有している。ロータブレード１８は、ロータブレード保持溝部１６内それぞれに挿入されており、図１の右側において最も遠くに図示されるこの溝部は、段面図で示される。ロータブレード１８は、ブレード付根部２０を備え、このブレード付根部２０は、溝部によって径方向で形状が嵌め合う態様で保持されるように、ロータブレード保持溝部１６の輪郭に少なくとも部分的に対応するように形成されている。ロータブレード１８は、プラットフォーム２２を備えており、このプラットフォームには、さらには図示しないブレードエアフォイルが配置されている。図１における断面図において、プラットフォーム２２は、内方に湾曲する輪郭を有し、その端部には、外方に突出するシール点２４が設けられている。これに関して、図１に示すプラットフォーム２２は、同様に、シール翼部を形成し、このシール翼部は、従来技術において「エンジェルウィング」として公知であり、ブレード付根部２０の端面２６を覆って突出する。

ブレード付根部２０の一端面２６は、ロータディスク１２の端面２８と位置合わせしている。各ロータブレードについて、ロータディスク１２の端面には、シール素子３０が設けられている。遠心力によって、シール素子３０は、それらの外側端部３２により、接触面３４を支持し、この接触面３４は、プラットフォーム２２のまたは突出部の下側に配置されており、この突出部は、端面においてブレード付根部２０を覆って突出する。したがって、接触面３４は、内方を向く。あるいは、接触面３４は、同様に、プラットフォームの下面に配置された溝部の基部として形成されてもよい。シール素子３０は、ストリップ状またはプレート状の設計からなり、さらに、外方に開口する環状溝部３８に嵌合する内側端部３６を備える。

シール素子３０それぞれは、この場合において、ロータディスク１２に望む面の外側１／３のところに内方を向くフック４０を有し、このフックは、図示しないが、端面２８にあるロータディスク１２に配置されたフックと係合する。シール素子３０をロータディスク１２内に引っ掛ける結果、ロータブレード１８のロータブレード保持溝部１６に沿う移動は、確実に回避され、シール素子３０は、それぞれ適切なロータブレード１８の軸方向のロックを引き起こす。また、シール素子３０は、冷却媒体、好ましくは冷却空気をロータディスク１２の端面２８及びブレード付根部２０の端面２６に沿って案内する機能を果たす。

シール素子３０の周方向における移動を防止するため、開口部４４をシール素子３０それぞれの外側端部３２の領域に形成する。開口部４４とそこに嵌合する代替のブロック素子４６とブレード付根部２０の所定部分とは、図２において詳細に図示される。図３は、開口部４４を示す斜視図である。開口部４４は、円形開口セクションを有する鍵穴状の設計からなり、比較的短くかつ比較的幅広の小凹所４７は、図３の底部に向けて、この開口部に隣接している。

図４及び図５において斜視図で示されるブロック素子４６は、その外周にカム５０を有する。カム５０は、どちらかといえば端部側に、すなわちブロック素子４の端面の第１端部４８に設けられており、約２０°からなる角長さ(angular length)にわたって外周に沿って延在する。カム５０の角長さは、この場合において小凹所４７に対応しており、ブロック素子４６は、開口部４４を通ってシール素子３０内に挿入される。その上、ブロック素子４６は、その第２端面の端部において、リング５２を有しており、２つのスロット５４は、このリングに形成されており、リング５２の所定部分は、鋸歯部５６または歯部として形成される。スロット５４は、この場合において、カム５０の端部とは反対側に位置する外周の所定部分に配置されている。これに関して、鋸歯部５６及びカムは、少なくともほぼ同じ幅である。鋸歯部５６の自由端部には、この場合において取り外しを容易にするために所定点が構成されている。

ブロック素子４６は、その端部位置において図２に図示される。ブロック素子４６を開口部４４に取り付けるため、ブロック素子は、カム５０を小凹所４７内に挿入するように方向付けられる。ブロック素子４６を開口部４４に挿入した後、これは、その第２端部に配置された鋸歯部５６が小凹所４７の領域にあるまで、その長手方向軸回りに１８０°だけ回転される。適切な工具を用いて、鋸歯部５６は、小凹所４７内に湾曲され、その結果、ブロック素子４６は、回転に対して留められる。ブロック素子４６を挿入した後、カム５０が設けられたその端部４８は、穴部５８内に突出し、この穴部は、ブレード付根部２０の端面２６に配置されている。穴部５８は、この場合において、ブロック素子４６の端部４８が隙間を有して嵌合する止まり穴として形成される。

カム５０は、ブレード付根部２０の端面２６とシール素子３０との間に存在する軸方向間隙に対応して係合する。このため、シール素子３０は、開口部４４の領域においてスリーブ状の設計からなる。

ロータブレード１８を取り外すため、鋸歯部５６は、上方に湾曲され、その結果、小凹所４７との形状嵌め合わせを解放する。この後、ブロック素子４６は、１８０°だけ回転され、カム５０は、小凹所４７の領域に位置する。そして、適切な工具を用いて、ブロック素子４６は、周方向で移動される。シール素子３０を周方向で移動させる結果、シール素子のロータディスク内への引っ掛かりが解放され、したがって、シール素子は、ロータセクション１０から取り外される。そして、ロータブレード１８は、保持溝部１６に沿って軸方向に移動させることによってロータセクション１０から取り外される。

ロータブレード付根部２０に配置された止まり穴部５８は、この場合において、接触面３４に比較的近接して配置されている。

図６は、タービンブレード１８を斜視図で示しているが、タービンブレード１８のブレードエアフォイル６０は、プラットフォームに近接してのみ示されている。図６から明確なことは、止まり穴部が接触面３４に比較的近接して、すなわち直接隣接しているという事実である。したがって、シール素子３０のための接触面３４と周方向での運動を防止するその手段とは、互いに比較的近接して配置される。両機能性手段を近接して位置させる結果として、特有の留めること及び確実な移動の防止が開示され、その上、これは、摩擦する相対的な運動がほぼ発生しないので、特に摩耗が無い。

図７は、周方向で互いに隣接するシール素子３０を示しており、これらは、ブロック素子を用いてこれらをロックする前に、それら自体が閉塞されているシールリングを取り付けることを可能とするために、互いに対して移動可能である。このため、隣接するシール素子を向くシール素子の端部は、それぞれシール素子の壁部の材料厚の半分のみを有しており、シール素子には、それら領域において重ね合わせ効果が形成される。単純な重ね合わせに替えて、舌部を溝部に入れる重ね合わせ(tongue-in-groove overlapping)を同様に形成してもよい。

図７に示す周方向の移動をロックする本発明における展開は、図１から図６に示すものに対して、さらなるブロック素子６２及びその固定部が開口部４４から及び穴部５８からの損耗に対するその保護に関して、異なる。

本発明の展開における本発明のブロック素子６２は、図９において斜視図で示される。代替の展開におけるさらなるブロック素子６２は、同様に、２つの異なる直径を有するボルト状の設計からなる。しかしながら、その長手方向の範囲に沿って、ブロック素子６２には、平坦セクションが設けられており、ロックプレートは、平坦部６４を支持する。ブロック素子６２を留めることは、図８に示されており、図８は、図２に示す細部Ａと同様の細部を示す。同様に、この場合において、同一の構成部材には、同一の参照符号が付されている。ロータブレード１８を保持溝部１６に取り付けて続いてシール素子３０を取り付けた後、初期的にＬ字状をなすロックプレート６６ａは、開口部４４内に挿入され、このロックプレートの短脚部は、ブレード付根部２０の端面２６とシール素子３０との間の間隙に係合する。そして、ブロック素子６２は、その平坦部６４によってロックプレート６６に位置決めされる。この後、ブロック素子６２は、それがその端部４８によって止まり穴部５８に係合するまで、開口部４４内に挿入される。したがって、適切な手段を用いて、以前はＬ字状をなすロックプレート６６ａは、断面図で示すように、これが断面Ｚ字状となるように曲げられる。Ｚ字状のロックプレート６６の結果として、これは、ブロック素子６２が軸方向で移動することを阻止する。この結果として、シール素子３０を周方向でロックすることは、不注意で解放されない。

全体として、本発明は、ガスタービンのロータのためのロータセクション１０に、ロータブレード１８に、及びブロック素子４６、６２に関する。ロータセクション１０は、ブレード１８が保持溝部１６に挿入されたロータディスク１２を備え、その結果、ロータブレードは、端面に配置されたシール素子３０を用いて保持溝部１６に沿って移動することに対して留められる。シール素子３０のための周方向の固定に関する容易かつ簡単な方法で設計された確実な構造を開示するため、本発明は、各シール素子３０をブロック素子４６、６２を用いてそれぞれ留め、このブロック素子が端面にあるロータブレード付根部２０に配置された穴部５８に係合すること、を提案する。

１０ ロータセクション、１６ ロータブレード保持溝部，保持溝部、１８ ロータブレード，タービンブレード，ブレード、２０ ロータブレード付根部，ブレード付根部、２２ プラットフォーム、２６ 端面、２８ 端面（ロータ面）、３０ シール素子、３２ 端部、３４ 接触面、３６ 内側端部（端部）、３８ 環状溝部、４４ 開口部、４６，６２ ブロック素子、５０ カム、５６ 鋸歯部、５８ 穴部、６０ エアフォイル、６６ ロックプレート

Claims (4)

1. ターボ機械のロータのためのロータセクション（１０）であって、
   当該ロータセクションの外周面には、前記ロータの軸方向に延在しかつロータブレード（１８）がそれぞれ配置されるロータブレード保持溝部（１６）が形成され、
   前記ロータブレード保持溝部（１６）に対応するブレード付根部（２０）を有し、
   前記ロータブレード（１８）それぞれに設けられた径方向内方を向く接触面（３４）を有し、
   冷却媒体を端面にあるロータ面（２８）に沿って案内するため、プレート状のシール素子（３０）が、遠心力の作用によって前記接触面（３４）に対して支持し、かつ、前記シール素子（３０）を周方向における移動に対して留めるため、少なくとも１つの前記シール素子（３０）が、ブロック素子（４６、６２）に適合する当該シール素子（３０）に設けられた開口部（４４）を有し、
   前記開口部（４４）と位置合わせする穴部（５８）と、位置的に留められたブロック素子（４６、６２）であって前記穴部（５８）及び前記開口部（４４）に嵌合するブロック素子と、を設け、
   前記穴部（５８）が、前記ブレード付根部（２０）に配置され、
   前記ブロック素子（６２）が、Ｚ字状のロックプレート（６６）を用いて摩損に対して保護され、
   前記ロックプレートの一端部が、前記シール素子（３０）と前記ブレード付根部（２０）の端面（２６）との間に配置されていることを特徴とするロータセクション。
2. 請求項１に記載のロータセクション（１０）であって、
   前記穴部（５８）が、それぞれ径方向内方を向く前記接触面（３４）に近接して配置され、
   前記開口部（４４）が、前記シール素子（３０）の端部（３２）に近接して配置され、
   前記端部が、前記シール素子（３０）の内縁（３６）ではなく前記ロータブレード（１８）の前記接触面（３４）に対して支持することを特徴とするロータセクション。
3. 請求項１または２に記載のロータセクション（１０）であって、
   前記ブロック素子（４６、６２）が、それを取り外すための端部を向く開口部を有することを特徴とするロータセクション。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のロータセクション（１０）であって、
   前記シール素子（３０）が、周方向で互いに当接支持し、環状溝部（３８）に嵌合するシールリングを形成し、
   前記環状溝部（３８）が、前記ロータの端面側の表面に配置された周面に形成されていることを特徴とするロータセクション。

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