JP5443601B2 - 軸流ターボ機械のためのロータブレードおよびそのようなロータブレードのための組み付け部 - Google Patents

Description

本発明は、連続的に湾曲したブレード翼と、プラットフォームと、互いに反対側の２つの側壁とを具備し、側壁がプラットフォームからブレード根底面に向かって広がった軸流ターボ機械のロータブレードに関する。さらに、そのようなロータブレードのための組み付け部に関する。

タービンおよびコンプレッサのようなターボ機械のためのロータブレード、ならびに組み付け部は従来技術から広く知られている。例えば、ロータブレードは原則的に蟻継ぎ形状を備えた根領域を備え、ブレード根の互いに反対側の側壁はプラットフォームからブレード根底面に向かう方向において直線的に広がっている。締結のために、これらのブレードを担持したロータは、たいていの場合はシャフトカラーまたは相応に形成されたロータディスクを形成面上に備え、ブレード根に対応した輪郭を備えた保持溝は軸方向に延在している。ロータブレードは蟻継ぎ形状のブレード根によって対応した保持溝内に挿入されることが可能であり、このようにして蟻継ぎが形成されることによって、ロータの回転の際に径方向における離脱に対して安全に保持される。

例えば、そのようなブレード締結は特許文献１から知られている。この場合において、高応力および低応力のサイクルを伴った疲労に関してサービス寿命の限界値を達成するために、六角形断面の蟻継ぎ形状フック締結が設けられている。さらに、タービンロータの径方向に関して傾斜した直線状の蟻継ぎロータブレード根が特許文献２から知られている。しかしながら、この処理は非金属ブレードのためのみに提供されている。

さらに、いわゆる鋸歯形状を利用してロータブレードをロータディスクに締結することが先行技術から知られている。この目的のために、対応するように形成されたロータブレードのブレード根と保持溝とは、鋸歯形状に対応して形成された輪郭を備えている。これによって設けられ且つ相互に噛み合う窪みと突起とは、ロータディスクまたはロータブレード根の材料内において、高速でのロータの回転による高い遠心力の負荷がある場合に応力を生じ、そのことは疲労現象を引き起こし得る。

独国特許出願公開第４１ ０８ ９３０号明細書 欧州特許出願公開第０ ５０２ ６６０号明細書

したがって、本発明の目的はターボ機械のロータへのロータブレードの代替の、且つ現実的な締結を提供するものである。本発明のさらなる目的は、そのようなロータブレードの代替の長寿命の組み付けを提供するものである。

本発明の根幹を形成した目的は、請求項１の特徴によるロータブレードと、請求項５の特徴による組み付け部と、によって達成されている。本発明によるロータブレードは、連続的に湾曲したブレード翼と、プラットフォームと、互いに反対側の２つの側壁を備えた蟻継ぎ形状のブレード根と、を備え、ブレード根はプラットフォームからブレード根底面に向かって広がっており、両方の側壁は大部分においてプラットフォームとブレード根底面との間の範囲に沿って同一の方向に湾曲されており、ブレード根中心線は２つの側壁の間の中央に配置され、横断面で見て対応した方向に湾曲されている。ロータブレードのための本発明による組み付け部は、組み付けられる各々のロータブレードのための保持溝を備え、保持溝は各々において２つの互いに対向した側壁を備え、側壁は蟻継ぎ形状を形成するために外向きに向けられた溝開口部から溝ベースに向かって広がり、両方の側壁は、大部分が溝開口部と溝ベースとの間の範囲に沿って同一方向に湾曲されており、２つの側壁の間の中央に配置された仮想溝中心線は、横断面で見て対応した方向に湾曲されている。

より高い負荷が可能なロータブレードとロータとの接続が、プラットフォームからロータブレード根底面まで湾曲されたブレード根を利用して可能とされることを、本発明は知識の基礎としている。特に、ロータブレードがタービン内において使用される場合に、生産コストは減少される。それは他の従来の鋸歯状接続も本発明による湾曲された蟻継ぎ接続を利用して達成され得るためである。コストの低減は、特にブレード根およびブレード根に対応してロータに形成された軸方向保持溝の両方の突起と窪みとの数の低減の結果として達成されている。さらに、向上された周波数減衰が達成されている。また、プラットフォームからブレード根底面に向かってブレード根が広がった結果、そのようなブレードの重心はロータの回転軸に近接するように移動し、その結果、ブレードの重量に起因したロータの荷重、特に遠心力荷重は減少される。組み付け部の特別な利点は、ノッチ応力が、溝ベースからより大きい開き角すなわちより大きい半径を有する保持溝側壁までの遷移部において減少され得る。

この場合、側壁は大部分において同一の方向に湾曲され、すなわち２つの側壁のうちの１つが大部分において凹面をなすように湾曲され、一方で反対側の他の側壁は少なくとも大部分において凸面をなすように湾曲されている。

それと同時に、２つの側壁はプラットフォームからブレード根底面に向かって広がっており、これによってブレードの径方向フック締結のための蟻継ぎ形状を確実にするためである。

有利な発展が従属請求項に開示されている。

有利な発展によれば、ブレード根の側壁は、ロータブレードを備えたターボ機械のロータの回転方向において他の側壁に関して先行し、側壁の湾曲は少なくとも大部分において凸状である。相応して、保持溝の側壁は、組み付け部を備えたターボ機械のロータの回転方向において他の側壁に関して先行し、側壁の湾曲は少なくとも大部分において凹状であり、それに対応して追従する側壁の湾曲は大部分において凸状である。両方の場合において、ブレード翼に作用する流れ力は周方向においてブレード根接続部に作用し、ロータブレードはより保持溝の溝ベースに向かって移動される結果となる。この結果として、ロータの保持溝間に形成された尖塔は、逆方向に湾曲された場合よりも小さい機械的引張応力を受ける。ブレード根の追従する側壁は好適に大部分において凹面をなすように形成されている。

低い機械的荷重の結果、組み付け部またはロータディスクおよびロータブレードのサービス寿命は延長されることが可能である。

ブレード根およびそれに対応した組み付け部の保持溝は、いずれの場合でも軸方向にも便宜上湾曲されている。

さらなる有利な発展によれば、反対側に配置されたブレード根または保持溝の２つの支持面は少なくとも部分的に異なった半径とされている。結果的に、より長い仮想疲労クラック長が保証され、その結果、より狭いブレード根が同一の荷重の下で可能となる。

発明はこれ以降に図面を参照してさらに説明されている。

本発明によるロータブレードを概略的に示した斜視図である。 本発明による図１のロータブレードを適切に保持するための保持溝を備えたロータディスクの側面を示した図である。 図２のロータディスクの詳細を示した斜視図である。 軸方向に湾曲された保持溝を備えた、図３の代替となる発展におけるロータディスクを示した図である。

図１は本発明に関連したロータブレード１０の斜視図を示している。金属製ロータブレード１０は連続した湾曲したブレード翼１２、プラットフォーム１４、およびブレード根１６を具備している。ブレード根１６はプラットフォーム１４からブレード根底面１８に向かって延びている。さらに、ブレード根１６は互いに反対側の２つの側壁２０、２２を具備し、それらの間の間隔はプラットフォーム１４からの距離が増大するとともに大きくなっている。したがって、２つの側壁２０、２２はプラットフォーム１４からブレード根底面１８に向かって広がっており、側壁２０、２２のブレード根底面８への丸められた遷移部はここではまったく無視されている。

ブレード根中心線２４は側壁２０と２２との間の中央に延在し、破線で示されている。側壁２０および側壁２２の両方は、プラットフォーム１４からブレード根底面１８まで全長に沿って連続的に湾曲している。この結果、側壁２０は大部分が凸形状であり、側壁２２は大部分が凹形状である。結果的に、ブレード根中心線２４もプラットフォーム１４からブレード根底面１８まで全長に沿って連続的に湾曲している。その結果として、側壁２０、２２はブレード根中心線２４に関して鏡像の態様ではなく、凹凸の態様において光学的発散レンズの場合のように湾曲されており、蟻継ぎ形状（dovetail shape）を形成するために全体的に広がるような輪郭から離れている。

「大部分」との語を使用することによって、丸められた遷移部として側壁２０、２２をブレード根底面１８に接続した、側壁２０、２２の極めて小さい領域２３の部分は除外されている。

図２は、ターボ機械の一部分であるロータディスク２５の詳細な側面、およびロータブレード１０のための組み付け部２９を示した図である。ロータディスク２５は、その外周２６に、外周全体に均等に分布した保持溝２８を備え、図２においてはその２つのみが図示されている。ロータブレード１０はこの場合各々の保持溝２８内に挿入されることが可能である。保持溝２８は外向きの溝開口部３４を備え、その反対の径方向内側は溝ベース３６である。たいていの場合、溝ベース３６は平坦な構成である。

この場合、保持溝２８の側壁３０および３２の輪郭は、ブレード根１６の２つの側壁２０、２２によって画定された輪郭に基本的に対応している。この結果、ロータブレードはそのブレード根１６によってぴったりと嵌りあう態様で保持溝２８内に挿入されることが可能である。

保持溝２８の側壁３０、３２はブレード根１６の側壁２０、２２の側壁と同様に相応して湾曲されている。この場合の周方向における湾曲の方向は、原則的に、ロータまたはロータディスク２５の回転方向Ｒにおいて、保持溝２８の凸状湾曲側壁３０が、それに対向して配置された対応する保持溝２８の側壁３２に関して追従するように選択されている。

ロータブレード１０はロータディスク２５内に挿入されており、原則的に、ロータの回転の際にＡ，Ａ´およびＢ，Ｂ´によって特定された表面領域に対して位置している。これらの表面領域は、ロータブレード１０および保持溝２８の支持面Ａ，Ａ´およびＢ，Ｂ´を形成しており、ロータブレード１０は径方向の移動に対して固定されている。ブレード根１６の湾曲の配列とロータの回転方向Ｒとの一致のために、領域Ａ，Ａ´およびＢ，Ｂ´に負荷される応力の増加は回避されることが可能である。この場合の特別な利点は、ブレード根中心線２４の両側において、個々の支持面ＡおよびＢの中心が異なった半径Ｒ１およびＲ２にあることである。結果として、その効果は、全体的に仮想破壊クラック長が増大する、均等な半径にある場合よりも２つの中心間が大きくなる距離となることを達成している。

図３は図２に類似したロータディスク２５を示しており、保持溝２８は軸方向に関して斜めに延在している。

図４において、保持溝２８は軸方向に沿って湾曲した輪郭を備えている。結果的に、それに対応したロータブレードのブレード根は、軸方向において追加的に湾曲される。

本願に記載されたロータブレード１０の各々は、例えばタービンロータブレードまたはコンプレッサブレードとして設計されることが可能である。

全体において、発明は軸流ターボ機械のロータブレード１０を開示しており、その機械は好適にタービンであり、ブレード根１６およびこのブレード根を支持しているロータの壁３０、３２内の機械的負荷を軽減するために、ブレード根１６の互いに対向した２つの側壁２０、２２は、プラットフォーム１４とブレード根底面１８との間の範囲に沿って連続的に湾曲されている。

１０ ・・・ロータブレード、 １２ ・・・ブレード翼、 １４ ・・・プラットフォーム、 １６ ・・・ブレード根、 １８ ・・・ブレード根底面、 ２０，２２ ・・・側壁、 ２４ ・・・ブレード根中心線、 ２５ ・・・ロータディスク、 ２８ ・・・保持溝、 ２９ ・・・組み付け部、 ３４ ・・・溝開口部

Claims (9)

1. 連続的に湾曲したブレード翼（１２）と、プラットフォーム面を備えたプラットフォーム（１４）と、互いに反対側の２つの側壁（２０，２２）を備えた蟻継ぎ形状のブレード根（１６）と、を備えた軸流ターボ機械のためのロータブレード（１０）であって、
   前記ブレード根は前記プラットフォーム（１４）からブレード根底面（１８）に向かって広がっており、
   前記ロータブレードの長手軸は、前記ブレード翼（１２）とプラットフォーム（１４）との間の接続領域においてプラットフォーム面に直交するように存在しているロータブレード（１０）において、
   前記両方の側壁（２０，２２）は大部分において前記プラットフォーム（１４）とブレード根底面（１８）との間の範囲に沿って同一の方向に湾曲されており、ブレード根中心線（２４）は前記２つの側壁（２０，２２）の間の中央に配置され、横断面で見て対応した方向に湾曲されていることを特徴とするロータブレード（１０）。
2. 前記ブレード根（１６）の一方側側壁（２０）であって、前記ロータブレード（１０）を備えたターボ機械のロータの回転方向において他方側側壁（２２）に関して先行する前記一方側側壁（２０）の湾曲は少なくとも大部分において凸状であり、前記他方側側壁（２２）の湾曲は大部分において凹状であることを特徴とする請求項１に記載のロータブレード（１０）。
3. 前記ロータブレード根（１６）は軸方向において湾曲されていることを特徴とする請求項１または２に記載のロータブレード（１０）。
4. 軸流ターボ機械のタービンロータブレードまたはコンプレッサブレードとして設計されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のロータブレード（１０）。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のロータブレード（１０）のための組み付け（２９）部であって、
   組み付けられる各々のロータブレード（１０）のための保持溝（２８）を備え、該保持溝は各々において２つの互いに対向した側壁（３０，３２）を備え、該側壁は蟻継ぎ形状を形成するために外向きに向けられた溝開口部（３４）から溝ベース（３６）に向かって広がった組み付け部（２９）において、
   前記保持溝の両方の側壁（３０，３２）は、大部分が前記溝開口部（３４）と溝ベース（３６）との間の範囲に沿って同一方向に湾曲されており、前記保持溝の前記２つの側壁（３０，３２）の間の中央に配置された仮想溝中心線（３８）は、横断面で見て対応した方向に湾曲されていることを特徴とする組み付け部（２９）。
6. 前記保持溝（２８）の一方側側壁（３２）であって、前記組み付け部（２９）を備えたターボ機械のロータの回転方向において前記保持溝（２８）の他方側側壁（３０）に関して先行する前記保持溝（２８）の前記一方側側壁（３２）の湾曲は少なくとも大部分において凹状であり、それに対応して追従する前記保持溝（２８）の前記他方側側壁（３０）の湾曲は大部分において凸状であることを特徴とする請求項５に記載の組み付け部（２９）。
7. 前記保持溝（２８）は軸方向において湾曲されていることを特徴とする請求項５または６に記載の組み付け部（２９）。
8. タービンまたはコンプレッサのロータ上に形成され、個々の前記保持溝（２８）の側壁（３０，３２）の支持面（Ａ´，Ｂ´）は少なくとも部分的に異なった半径（Ｒ１，Ｒ２）であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の組み付け部（２９）。
9. 前記保持溝内に請求項１〜４のいずれか一項に記載のロータブレード（１０）が取り付けられたことを特徴とする、請求項５〜８のいずれか一項に記載の組み付け部（２９）を備えたコンプレッサまたはタービンのためのロータ。

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