JP5421572B2 - タービンブレード用のｚ形ノッチ形状 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関し、詳細には、タービンブレード（すなわち、タービンバケット）におけるシュラウド先端の設計に関する。

ガスタービンは、多くの可動部品を含み、該部品の各々は運転中に応力を受ける。一例として、ガスタービンは、燃焼器から放出される高温ガスからエネルギーを取り出すためのタービンを含む。このエネルギーを取り出すために、一連の段で複数のバケットが設けられる。バケットの各々は様々な構成部品を含む。例えば、各バケットは一般に、翼形部（エネルギーを吸収するための表面として）、根元（バケットをシャフトに係止するためのもの）及びシュラウド先端（（運転中のブレードのアラインメントを維持する）を含む。

バケットの各々は、極めて高い温度及び機械的応力に曝される。これらの要因は一般に、バケット全体に影響を及ぼす。このことは、メテナンス及び寿命の観点から問題がある。例えば、熱膨脹は、隣接する先端が互いに接触するシュラウド先端部に特定の程度の応力を誘起する可能性がある。

従って、シュラウド先端に対する設計の改善が必要とされる。好ましくは、シュラウド先端に対する設計の改善により応力低減がもたらされ、従って、バケットの性能及び寿命の向上が得られることになる。

一実施形態において、タービンバケットは、表１に記載のデカルト座標値Ｘ、Ｙ及びＺによるＺ形ノッチ輪郭を含む前縁及び後縁を備えた先端シュラウドを含み、座標値が、バケットについての内部座標系の原点からの距離を表わす寸法値であり、Ｘ及びＹ値を滑らかな連続円弧で結んだときにＺ形ノッチ輪郭が規定される。

別の実施形態では、タービンは、複数のバケットを有し、且つ各バケットが表１に記載のデカルト座標値Ｘ、Ｙ及びＺによるＺ形ノッチ輪郭を含む前縁及び後縁を備えた先端シュラウドを有するタービンホイールを含み、該座標値が、バケットについての内部座標系の原点からの距離を表わす寸法値であり、Ｘ及びＹ値を滑らかな連続円弧で結んだときにＺ形ノッチ輪郭が規定される。

更に別の実施形態では、タービンは、複数のバケットを有し、且つ各バケットが表１に記載のＸ、Ｙ及びＺの拡大及び縮小されたデカルト座標値のうちの１つによるＺ形ノッチ輪郭を含む前縁及び後縁を備えた先端シュラウドを有するタービンホイールを含み、該座標値が、バケットについての内部座標系の原点からの距離を表わす寸法値であり、Ｘ及びＹ値が、滑らかな連続円弧でつながれたときにＺ形ノッチ輪郭が規定される。

開示されるのは、タービンバケットの先端シュラウド設計である。「Ｚ形ノッチ」（又はＺ形ノッチ輪郭）設計と呼ばれている本設計は、運転中の隣接するバケット間に連動状態を生じさせ、応力を低減しながら隣接バケットの係合をもたらす。Ｚ形ノッチ設計は、「Ｚ形状輪郭」を含むものを指すことができる。Ｚ形ノッチ形状輪郭は、とりわけ、高圧タービンにおけるタービンブレード間の接触相互作用の改善、エンジン運転状態時における機械的ブレード荷重の改善、先端シュラウドにおける質量分布の改善、及びＺ形ノッチの領域における隣接シュラウド間のあらゆるギャップの制御の改善をもたらす。実施形態を詳細に説明する前に、幾つかの定義を示しておく。

用語「ガスタービン」とは、連続燃焼エンジンを意味する。例示的な実施形態では、ガスタービンは一般に、圧縮機、燃焼チャンバ（燃焼器と呼ばれる）及びタービンを含む。運転中、燃焼チャンバが高温ガスを排出し、これがタービンに配向される。用語「バケット」とは、タービン内に含まれるブレードを意味する。各バケットは一般に、バケット上に衝突する高温ガスを回転仕事に変換するのを可能にするために翼形形状を有する。用語「タービン段」とは、タービンシャフトのセクションの周りに円周方向に配置された複数のバケットを意味する。タービン段のバケットは、シャフトの周りに円形パターンで配列される。

次に図面の図、特に図１を参照すると、複数のタービン段を含むガスタービン１２の、全体を符号１０で表した高温ガス流路を示している。この実施例では３つの段が示されている。第１段は、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズル１４及びバケット１６を含む。ノズル１４は、互いに円周方向に間隔を置いて配置され、ロータの軸線周りに固定される。勿論、第１段バケット１６は、図示しないタービンロータホイール上に取り付けられる。タービン１２の第２段も示されており、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズル１８と、ロータ上に同様に取り付けられる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケット２０とを含む。第３段もまた示されており、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズル２２と、ロータ上に取り付けられるバケット２４とを含む。ノズル及びバケットは、タービン１２の高温ガス流路内に位置し、高温ガス流路１０を通過する高温ガスの流れの方向が矢印２６で示されているのが分かるであろう。

次にまた、図２を参照すると、第２段の各バケット２０には、プラットフォーム３０と、シャンク（図示せず）と、ロータの一部を形成するロータホイール上で相補形の嵌合ダブテール（図示せず）と接続するダブテール４０とを備える。第２段バケット２０の各々はまた、プラットフォーム２３から翼形部先端２９までの翼形部２３に沿ったあらゆる断面で翼形輪郭を有する翼形部２３（図２）を含む。

第２段バケット２０の各々はまた、全体を符号２１（図２）で表した先端シュラウドを備える。各先端シュラウド２１は、バケット２０と一体的に形成されるのが好ましく、各先端シュラウド２１は、隣接バケット２０の先端シュラウドに隣接する相対端部で係合し、第２段バケットの位置において高温ガス流路を囲むほぼ環状のリング又はシュラウドを形成する。図２に示すように、第２段バケット２０の先端シュラウド２１は、その半径方向外表面に沿って少なくとも１つの（例えば、一対の）軸方向に間隔を置いて配置されたシール４２及び４４を含み、該シール４２及び４４は、先端シュラウド２１の周りに一対の軸方向に間隔を置いて配置された連続シールリングを形成し、タービンケーシングに固定された固定シュラウド４５（図１）と共にシールする。図３に示すように、先端シュラウド２１が、成形された前縁４６及び後縁４８を含むことは理解されるであろう。すなわち、前縁４６及び後縁４８は、高温ガス流路１０内の先端シュラウド２１の相対して軸方向に面する側部上に位置する。更に図３には、ＡからＶまでの参照符号を付けた幾つかの点が示されている。ロータのほぼ回転方向Ｒに対して、ＡからＫまでの点は、前縁４６に沿って位置し、ＬからＶまでの点は、先端シュラウド２１の後縁４８に沿って位置することに留意されたい。

前縁４６及び後縁４８の形状（すなわち、これらの縁部によって形成される輪郭）をそれぞれ定義するために、空間における点の固有のセット又は軌跡が与えられる。詳細には、Ｘ、Ｙ及びＺ軸のデカルト座標系において、Ｘ及びＹ値は以下の表１で与えられ、これらに沿った種々の位置で前縁４６及び後縁４８の輪郭を規定する。座標系は、バケットの内部座標系として提供される。従って、バケット２０の特定の態様は、点の固有のセット又は軌跡を定義する座標に影響を及ぼすことなく（ダブテール４０の寸法のように）変わることができる。

この実施例では、座標系が翼形部２３に対して設定され、点Ｘ、Ｙ及びＺにより完全に定義される。点Ｘ及びＹの両方は、低温ロータ中心線上の１００．５８ｃｍに配置される。点Ｘは、翼形中心キャンバ線と前縁翼形部表面との交点に位置する。点Ｙは、翼形中心キャンバ線と翼形部後縁表面との交点に位置する。点Ｚは、低温ロータ中心線上の１２６．６５ｃｍに配置され、翼形中心キャンバ線と翼形部後縁表面との交点に位置する。座標系の原点は、点Ｘに位置する。点Ｘ及びＹは正のＸ軸を規定する。点Ｘ、Ｙ及びＺは、正のＸ−Ｚ平面を規定する。次に、Ｙ軸は右手の法則手法を用いて定められる。

Ｘ，Ｙ及びＺ座標の値は、表１ではｃｍで記載されているが、数値が適切に変換される場合には、他の寸法単位を用いてもよい。Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の原点に対して選択位置にてＸ及びＹ座標値を規定することにより、ＡからＶの参照符号の点の位置を確定することができる。Ｘ、Ｙ及びＺ値を前縁４６及び後縁４８の各々に沿って滑らかな連続円弧でつなぐことにより、各縁の輪郭を確定することができる。

これらの値は、周囲条件、非作動条件又は非高温条件（すなわち、低温条件）における前縁及び後縁の輪郭を表わすことは理解されるであろう。より具体的には、先端シュラウド２１は、表１に記載した基準点ＡからＫにおけるＸ及びＹのデカルト座標値に実質的に従って前縁輪郭を規定すた前縁４６を有しており、この表１において、Ｘ及びＹ値は原点からのｃｍ単位の距離である。点ＡからＫが滑らかな連続円弧でつながれると、点ＡからＫは前縁先端シュラウド輪郭を規定する。同様に、先端シュラウド２１は、表１に記載した点ＬからＶにおけるＸ及びＹのデカルト座標値に実質的に従って後縁輪郭を規定すた後縁４８を有しており、この表１において、Ｘ及びＹは、同一の原点からのｃｍ単位の距離である。点ＬからＶが滑らかな連続円弧でつながれると、点ＬからＶは、後縁先端シュラウド輪郭を規定する。単一の原点を有するＸ、Ｙ座標系において前縁４６及び後縁４８の各々の輪郭を規定することにより、前縁４６及び後縁４８に沿った先端シュラウド２１の形状が定義される。

便宜上、本明細書で説明する輪郭を総称してＺ形ノッチ輪郭と呼ぶ。一般に、Ｚ形ノッチ設計は、先端シュラウド２１及びバケット２０における応力を低減又は実質的に低減する。より具体的には、Ｚ形ノッチ輪郭は、先端シュラウド２１における応力に関連した主要損傷モードに対処する。第１の損傷モード（特定の順序はない）は、疲労に起因するＬＣＦ又は亀裂である。第２の損傷モードはクリープであり、これは、応力領域における亀裂を通じて、又は歪み及び局所的変形の増大を通じて顕在化する可能性がある。一例として、応力領域は、Ｚ形ノッチフィレット領域、又は先端シュラウド２１を翼形部２３に接続するフィレット領域とすることができる。第３の損傷モードは、高サイクル疲労（ＨＣＦ）である。ＨＣＦは、平均応力と結合された繰り返し応力によって引き起こされ、亀裂、従って部品損傷をもたらす。繰り返し応力は一般に、振動によって引き起こされるが、平均応力は一般に、機械的及び熱的荷重によって引き起こされる。

本明細書で開示されたＺ形ノッチ輪郭は、タービン１２における種々の段のバケットに組込むことができる。本明細書で提供される実施例では、Ｚ形ノッチ設計を含む先端シュラウド２１は、段２バケット２０の一部分である。しかしながら、Ｚ形ノッチ輪郭は、他の段においても好都合に利用することができる。

Ｚ形ノッチ輪郭は、既存の設計（すなわち、近接触フィレット領域における高応力）の限界に対応している。更に、Ｚ形ノッチ設計により、適切な空気力学減衰性及び改善された質量分布を提供し、先端シュラウド２１及びバケット２０のＬＣＦ及びクリープ寿命に対処する。結果として得られる改善された質量分布は、翼形部２３及び該翼形部２３とシャンクとの間のフィレット領域における応力低減に関して更に有利な効果を有する。

Ｚ形ノッチ輪郭は、必要に応じて適合させることができる。例えば、Ｚ形ノッチ輪郭は、プラットフォーム２８に対して翼形部２３での傾き又は傾斜の程度を考慮するように適合させることができる。従って、特定の統計的分析又は他のモデル化技法を使用することができる。

Ｚ形ノッチ設計の例示的なパラメータを示す。一実施形態では、Ｚ形ノッチ輪郭は、硬質面輪郭及び３７度の硬質面角度を含む。一実施形態では、Ｚ形ノッチフィレット半径は、約２．２９ｍｍである。この実施形態では、Ｚ形ノッチフィレット半径は、局所的応力を分散させ、応力分布を改善する。側面輪郭は、Ｚ形ノッチ設計に対する必要な融通性を提供し且つ各先端シュラウド２１の質量を適切に分散するように選択される。また、この実施形態では、結果として得られるＺ形ノッチ輪郭は、応力分布を改善し、シングリングの可能性を低減し、先端シュラウド２１の寿命の向上を提供する。

一般に、Ｚ形ノッチ輪郭は、二次元（２Ｄ）で記述される。この実施例では、Ｚ座標は、二次元曲線を三次元空間（図２に示すように）内に配置するために提供される。曲線はベクトルに沿って押し出されて平面を生成する。

幾つかの実施形態では、点の何れかについての公差は、Ｘ、Ｙ及びＺ方向の何れか１以上において表１に示した公称輪郭の前後で約±０．３８１ｍｍである。

本明細書において提供された寸法は単に例示的なものであって限定ではない点を理解されたい。すなわち、例えば他の実施形態を実施することができる。実施例には、比例した大きさにされた（拡大又は縮小された）実施形態、或いは（多様なモデルによって決定することができる）他の寸法又は大きさの実施形態が含まれる。従って、外挿法、補間法、比例調整法、及び他の技法によって考案された変形形態は、本明細書の教示の範囲内にある。

幾つかの実施形態では、硬質面輪郭のバケット２０は、約３７度（図３に示す）の硬質面角度（θ）を含む。

先端シュラウド型バケット用のＺ形ノッチ輪郭は、種々の利点を有し、その幾つかは、Ｚ形ノッチ及びその近傍の質量分布に関する良好な制御（このことは、より小さな応力をもたらし、バケットの機械的寿命を改善する）；エンジン作動中のタービンバケットの円滑な係合；シングリングの可能性の低減、従って損傷の低減を含む。

本発明を例示的な実施形態に関して説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなくその要素に対して様々な変更を加えることができ、更にその要素を均等物で置き換えることができる点は理解されるであろう。更に、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的要素を本発明の教示に適合させるため多くの修正を加えることができる。従って、本発明は、本発明を実施するよう企図された最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、請求項の技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことが意図される。

ガスタービンの態様の例示的な実施形態を示す図。 第２段バケットの態様を示す図。 Ｚ形ノッチ先端シュラウドの態様を示す図。

符号の説明

１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
５ シャフト
６ 発電機
７ 段
８ シュラウドリング
９ ケーシング
１１ クリアランス
２２ 支持レッグ
２０ バケット

Claims (8)

1. 表１に記載のデカルト座標値Ｘ、Ｙ及びＺによるＺ形ノッチ輪郭を含む前縁及び後縁を備えた先端シュラウドを含み、
   前記座標値が、バケット（２０）についての内部座標系の原点からの距離を表わす寸法値であり、前記Ｘ及びＹ値を滑らかな連続円弧で結んだときに前記Ｚ形ノッチ輪郭が規定される、タービン（１）バケット（２０）。
2. タービン（１）の第２の段（７）の一部を形成する、請求項１に記載のタービン（１）バケット（２０）。
3. 前記先端シュラウドが、軸方向に間隔を置いて配置されたシールを含む、請求項１に記載のタービン（１）バケット（２０）。
4. Ｚ形ノッチフィレット半径が２．２９ｍｍである、請求項１に記載のタービン（１）バケット（２０）。
5. 前記Ｚ形ノッチ輪郭により低サイクル疲労、クリープ、及び高サイクル疲労のうちの少なくとも１つが低減される、請求項１に記載のタービン（１）バケット（２０）。
6. 前記座標値の何れか１つの公差が、前記Ｘ、Ｙ及びＺ方向の何れか１以上において±０．３８１ｍｍである、請求項１に記載のタービン（１）バケット（２０）。
7. 複数のバケット（２０）を有し、且つ前記各バケット（２０）が、表１に記載のデカルト座標値Ｘ、Ｙ及びＺによるＺ形ノッチ輪郭を含む前縁及び後縁を備えた先端シュラウドを有するタービン（１）ホイールを含むタービン（１）において、 前記Ｚ値が、前記バケット（２０）についての内部座標系の原点からの距離を表わす寸法値であり、前記Ｘ及びＹ値を滑らかな連続円弧で結んだときに前記Ｚ形ノッチ輪郭が規定される、タービン（１）。
8. 前記バケット（２０）が、前記タービン（１）の第２段（７）の一部を形成する、請求項７に記載のタービン（１）。