JP5497063B2 - ブレードを軸方向について保持するためのシステムを備えているタービンホイール - Google Patents

Description

本発明は、広くには、ガスタービンのタービンホイールに関し、さらに詳しくは、ホイールが保持するブレードの軸方向の保持に関する。本発明の応用の分野は、特に産業用ガスタービンまたはガスタービン航空エンジンの分野である。

タービンホイールにおいては、ブレードがディスクの外周に取り付けられるが、各々のブレードが、基底部が取り付け部材へと固定された翼を有しており、取り付け部材が、ディスクの外周に開いており、ディスクの反対向きの両面の間を延びているハウジングまたはスロットに、軸方向から係合させられる。

振動または熱の影響に起因する軸方向の動きを、ブレードの取り付け部材およびディスクのハウジングの接触面部分の間に遠心力によって生じる圧力にかかわらず防止するために、ブレードの軸方向の保持装置が必要である。

知られている軸方向の保持装置は、ロータによって保持され、ブレードの取り付け部材の上流側（前側）および下流側（後ろ側）の面に押し付けられるプレートを利用している。また、上流側について、ブレードの取り付け部材に押し付けられるただ１枚のプレートを使用し、下流側について、ディスクに形成されて下流側においてブレードのプラットフォームの下方に形成された凸部に押し付けられる連続的な周状の当接部を使用することが、国際公開第９９／５０５３４号および国際公開第９９／３０００８号から知られている。全体としてのサイズを小さくするために、取り付け部材の（軸方向の）長さをハウジングの長さよりも短くし、取り付け部材の下流側の面をディスクの下流側の面よりもセットバックすることが可能である。しかしながら、結果として、ブレードの翼の後縁が、取り付け部材に対して片持ち梁状に突き出し、この部材に、この部材を弱体化させかねない曲げ応力が加わると考えられる。

国際公開第９９／５０５３４号 国際公開第９９／３０００８号

本発明の目的は、ブレードを軸方向について保持するためのシステムを備えているタービンホイールであって、全体としてのサイズが最小限でありながら、ブレードの取り付け部材に過度の負荷を生じさせることがないタービンホイールを提供することにある。

この目的は：
複数のブレードと、
反対向きの両側面を有するディスクを備えており、ディスクの外周にブレードが取り付けられており、各々のブレードが、取り付け部材を保持しているプラットフォームへと基底部が固定された翼を有しており、取り付け部材が、反対向きの両側面を有するとともに、ディスクの外周に開いたハウジングに係合しており、ハウジングは、歯を形成するディスクの部位によって互いに隔てられているロータと、
ブレードをディスク上に保持するための軸方向の保持装置であって、ブレードを、ディスクの上流側および下流側の面のうちの第１の面においては、保持プレートによって軸方向について保持し、ディスクの他方の面または第２の面においては、ディスクの外周から半径方向に突き出してブレードのプラットフォームの下方に形成された凸部に押し付けられる凸部によって軸方向について保持する保持装置とを備えており、
ブレードの取り付け部材のためのハウジングが、ディスクの反対向きの両側面の間の距離の全体にわたって軸方向に延びており、ディスクの第２の面において、ブレードがブレードのプラットフォームの下方に形成された凸部がディスクの歯に形成された凸部に軸方向に押し付けられることによって軸方向について保持され、軸方向の押し付けは、ディスクの第２の面に位置する取り付け部材の側面よりもセットバックしており、ブレードの取り付け部材およびディスクの側面が、それらの外周部分において、ディスクの各側において実質的に同じ平面内に位置しているタービンホイールによって達成される。

このようにして、有利には、軸方向の全体サイズが最小化され、各々の翼のベースの後縁を、ブレードの取り付け部材に対して片持ち梁状に大きく突き出させる必要がない。

好ましくは、ブレードおよびディスクの対応する歯の間の軸方向の圧力は、翼の基底部の下方で、翼の吸い込み側の面と実質的に同じ高さに加えられる。

好ましくは、保持プレートが、ディスクの歯またはブレードの取り付け部材の側面に対して軸方向の圧力を作用させる。保持プレートは、有利には、ディスクの歯またはブレードの取り付け部材の底部だけに押し付けられるように限定された半径方向の寸法を有している。

軸方向の圧力を、有利には、ロータと隣接するステータとの間の軸方向のすき間を侵すことなく、ブレードおよびディスクの間に提供および維持することができる。

有利には、保持プレートが、片持ち梁状の質量を形成する追加の厚さを外周に有する。これにより、回転の際に、プレートが開いてプレートからの圧力の喪失が生じることを、回避することができる。

保持プレートを、あらかじめの圧迫によってディスクの歯またはブレードの取り付け部材の側面に押し付けることができる。

保持プレートを、保持用の分割リングによって軸方向について保持しつつ、ロータに取り付けることができる。

有利には、保持用の分割リングの配置を視覚的に検査できるように、検査窓を形成する少なくとも１つの開口がロータに形成される。

さらに本発明は、本発明によるタービンホイールを備えるターボ機械を提供する。

本発明を、添付の図面を参照して行われる以下の説明を検討することによって、よりよく理解することができる。

本発明の一実施形態におけるタービンホイールの一部分の軸方向片側断面図である。 図１のホイールのブレードの斜視図である。 図１のタービンホイールのディスクにブレードがどのように取り付けられるのかを示している一部分の斜視図である。 図１のタービンホイールのディスクにブレードがどのように取り付けられるのかを示している一部分の斜視図である。 図１のタービンホイールの保持プレートの実施形態の概略の斜視図である。 図１のタービンホイールの保持プレートの実施形態の概略の斜視図である。

図１が、タービンロータ１０（例えば、ガスタービンエンジンの高圧（ＨＰ）タービンロータ）を示している。ロータ１０は、外周に複数のブレード２０を保持しているディスク１２へと固定されている。

各々のブレード２０（図２から図４も参照のこと）が、タービンを通過するガスの流れのための環状の通路３０を延びている翼２２を備えており、この通路が、ブレードの先端に隣接するタービンリング（図示せず）によって外側に画定されている。

各々のブレード２０の基底部が、ブレードをディスク１２へと接続するように機能する取り付け部材（または、突起）２６を保持しているプラットフォーム２４へと固定されている。図示の例では、取り付け部材が、モミの木状の外形を有している。ブレードのプラットフォーム２４が、通路３０を内側に画定している。

取り付け部材２６は、ディスク１０の外周に分布し、ディスク１０の外周へと開いている対をなす形状のハウジング（または、スロット）１４に軸方向に係合させられる。ハウジング１４は、ディスクの上流側（または、前側）の面１２ａと下流側（または、後ろ側）の面１２ｂとの間の距離の全体にわたって軸方向に延びており、ディスクの歯１６によって互いに隔てられている。用語「上流」および「下流」は、本明細書において、タービンを通過するガス流の流れの方向に対して使用されている。

下流において、ブレード２０は、プラットフォーム２４の下面に形成されたスタッドの形態の凸部２８と、ディスクの歯１６の下流側から突き出しているスタッドの形態の当接部またはストッパ１８との間の当接によって、軸方向について保持されている。スタッド２８は、取り付け部材２６の長手方向の面のうちの一方から周方向に延びており、取り付け部材２６の下流側の面からセットバックしている。凸部２８と当接部１８との間の接触は、有利には、翼２２の基底部の真下で、翼の吸い込み側と実質的に同じ高さに位置している。１つ以上の凸部２８（例えば、周方向に位置合わせされた２つの凸部）を、ブレード２０のプラットフォーム２４の底面に、スタッドの形態の当接部１８に押し付けられるように形成することができる。同様に、ブレード２０のプラットフォーム２４の底面に形成されたスタッドの形態の凸部２８を、ディスクの対応する歯１６に形成された複数の当接部１８（例えば、周方向に位置合わせされた２つの歯１８）に押し付けることができる。

図３および図４に示されるように、取り付け部材２６は、ハウジング１４を全長にわたって延びており、取り付け部材の上流側おおよび下流側の面２６ａおよび２６ｂが、それぞれディスク１２の外周部の上流側おおよび下流側の面１２ａおよび１２ｂと実質的に同じ平面に位置している。したがって、翼２２の底端の後縁ＢＦが、ブレードの取り付け部材２６に対して片持ち梁状に突き出すことが実質的になく、結果として、下流側において取り付け部材２６に過度の負荷が生じることがない。

上流においては、ブレードの軸方向の保持が、プレート４０によってもたらされる。図５の実施形態において、プレート４０が、ディスク１２の上流側の面１２ａには接触せずに取り付け部材２６の上流側の面２６ａに横方向に押し付けられ、突き出した歯４２を有している。

図６の実施形態においては、プレート４０が、歯１６の位置においてディスク１２の上流側の面１２ａへと横から押し付けられるように突き出している連続的な外周のリム４６を有している。したがって、プレート４０を、ロータの歯１６に対する歯４２の当接の圧力を保証するために、軸方向にあらかじめ圧迫して取り付けることができる。当然ながら、取り付け部材２６および歯１６の軸方向の寸法は、上流側において、ディスクの歯１６の位置において、取り付け部材２６がディスク１２の上流側の面１２ａの平面から突き出すことがないような寸法である。

有利には、プレート４０が、歯１６または取り付け部材２６の基底部にのみ押し付けられる。したがって、プレート４０の半径方向のサイズが抑えられ、動作時にタービンホイールの上流のノズルの羽根３６を保持しているステータ３４に接触する可能性を回避することが可能になる。

このように、プレート４０によってブレード２０およびディスク１２の間の軸方向の圧力を達成および維持することで、ディスクと上流または下流に隣接するステータとの間の軸方向のすき間が奪われることがなく、すなわち前記軸方向のすき間のサイズが決定されることがない。

さらに有利には、保持プレート４０が、歯１６または取り付け部材２６へと押し付けられる方の面から遠ざかる片持ち梁状の質量を形成する追加の厚さ４１を外周に有する。これにより、回転によって生じる変形の影響のもとでプレートの外周部が開き、歯１６または取り付け部材２６に対する圧力が失われることが回避される。

図１に示した例では、軸方向の保持プレート４０が、ロータ１０へと取り付けられる一方で、ロータに形成された環状の溝１０ａおよびプレート４０の内面に形成された環状の溝４０ａに係合する分割リング４４によって軸方向について保持されている。組み立て時には、分割リング４４が溝１０ａに配置され、プレート４０を押し込んで取り付けることができるよう、溝へとセットバックされる。動作時には、分割リング４４が遠心力によってプレートの溝４０ａに保持され、プレートの軸方向の移動を防止する。

有利には、検査窓１０ｂを形成する１つ以上の通路または溝が、第１にロータのラジアル面１０ｃに開き、第２に溝１０ａに開くように、ロータ１０に放射状に形成される。検査窓１０ｂは、随意により内視鏡を使用して、分割リング４４の適切な配置を検証するための役に立つ。

例えばバヨネット式の取り付け具など、プレート４０をロータ１０へと軸方向に動くことがないように取り付ける他の方法も、採用することが可能である。

ブレードの軸方向の保持手段の構成を、逆にすることが可能であり、すなわちブレードのプラットフォームに形成されたスタッドと協働する当接部をディスクの歯の上流側の面に形成するとともに、保持プレートを下流側に配置し、歯またはブレードの取り付け部材の下流側の面に圧力を作用させることが可能である。

Claims (7)

1. 複数のブレード（２０）と、
   反対向きの上流側の面および下流側の面を有するディスク（１２）を備えており、ディスクの外周に複数のブレードが取り付けられており、各々のブレードが、プラットフォーム（２４）と、プラットフォーム（２４）から外方に延びた翼（２２）と、プラットフォーム（２４）から内方に延びた取り付け部材（２６）とを有しており、取り付け部材（２６）が、反対向きの両側面を有するとともに、ディスクの外周に開いたハウジング（１４）に係合しており、ハウジングは、歯（１６）を形成するディスクの部位によって互いに隔てられており、ハウジングが、ディスクの反対向きの上流側の面および下流側の面の間の距離の全体にわたって軸方向に延びているロータ（１０）と、
   複数のブレードをディスク上に保持するための軸方向の保持装置とを備えており、
   ブレードが、ディスクの上流側の面および下流側の面のうちの一方の側で、保持プレート（４０）によって軸方向に保持され、該保持プレートが、前記ディスクの上流側の面および下流側の面のうちの一方には接触せずにブレードの取り付け部材（２６）の側面に対して押し付けられる複数の歯（４２）を有しており、保持プレート（４０）は、保持プレートの歯（４２）がブレードの取り付け部材（２６）の下方部分に対してのみ押し付けられるように制限された半径方向の寸法を有しており、
   ブレードが、ディスクの上流側の面および下流側の面のうちの他方の側で、ディスクの歯から半径方向に突き出した凸部（１８）によって軸方向に保持され、該凸部は、ディスクの上流側の面および下流側の面のうちの他方の側に位置するブレードの取り付け部材の側面よりも後退した位置において、ブレードのプラットフォームの下方に形成された凸部（２８）に対して押し付けられ、
   ブレードの取り付け部材（２６）の各側面ならびにディスク（１２）の上流側の面および下流側の面は、それらの外周部分が、ディスクの上流側および下流側の各々において実質的に同じ平面内に位置していることを特徴とする、タービンホイール。
2. 保持プレート（４０）が、あらかじめの圧迫によってブレードの取り付け部材（２６）に押し付けられることを特徴とする、請求項１に記載のタービンホイール。
3. ブレード（２０）およびディスク（１２）の間の軸方向の圧力が、ロータ（１０）と隣接するステータとの間の軸方向のすき間を侵すことなく、提供および維持されることを特徴とする、請求項１または２に記載のタービンホイール。
4. 保持プレート（４０）が、外周に追加の厚さ（４１）を有することによって片持ち梁状に突き出した質量を形成していることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のタービンホイール。
5. 保持プレート（４０）が、保持用の分割リング（４４）によって軸方向に動くことを妨げることによってロータ（１０）に取り付けられることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のタービンホイール。
6. 保持用の分割リング（４４）の配置を視覚的に検査できるように、検査窓（１０ｂ）を形成する少なくとも１つの開口がロータ（１０）に形成されていることを特徴とする、請求項５に記載のタービンホイール。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載のタービンホイールを備えている、ターボ機械。

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