JP5651394B2 - タービンバケットロックワイヤの回転防止 - Google Patents

Description

本発明は、タービンロータホイールの対応ダブテールスロット内でのタービンバケットダブテールの軸方向移動の防止に用いられるロックワイヤ保持システムに関し、さらに具体的には、タービンロータホイールの環状溝内でロックワイヤ自体が周方向に回転するのを防止する技術に関する。

従来のタービン及び／又はタービン圧縮機部品では、バケット（又はブレード若しくは翼形部）はスロット結合によってロータホイールに保持されており、例えば、樅の木又はクリスマスツリーと呼ばれる構成では、バケットの半径方向内端の内向きに細くなった雄コネクタ部分を、ロータホイールの相補的な雌スロットに収める。かかる結合は一般に「ダブテール」結合とも呼ばれ、タービンロータの回転で生じる高い遠心力に対応するためにバケットをホイールに半径方向及び周方向に係止する様々な相補的形状が包含される。

ブレードのダブテールとダブテールスロットとのかみ合わせ度（フィット）は、組立て及び公差を担保するため若干緩くされる。そのため、ブレードが適切に保持されていないと、緩いかみ合わせ度のため、バケット又はブレードがスロットに沿って軸方向に移動できるようになり、過剰な磨耗又は隣接した部品との衝突にもつながりかねない。過剰な磨耗により、最終的にその部分が機能しなくなるおそれもがあり、修理されるまでそのユニットを停止する必要がある。バケットの移動は、冷却式バケットでは特に問題となる。わずかな軸方向偏位であっても、その部分への空気の流入が阻止され、早期故障を招くおそれがある。

ある公知の慣行では、ホイールの半径方向周縁に形成された環状スロットを通って、ダブテールスロット同士を結び付け、各バケットのダブテール部の周方向に整列したスロットを通過するロックワイヤによって、ロータホイールのダブテールスロット内でバケット又はブレードが軸方向に移動するのを防止する。ワイヤの自由端同士は重ね合せ継手で係合し、翼形部が各ダブテールスロット内で半径方向に動く際に直径の微小な変化を可能にするように形作られる。重ね合せ継手は、さらに、過渡期間中のワイヤ及びロータ双方の熱膨張／熱収縮が可能となるようにされる。ロックワイヤは、タービンホイールにロックワイヤの半径方向内側に取り付けられるピンで所定位置に保持される。今回、ロータホイールの環状スロット内でのロックワイヤの回転（時間経過と共に起こる）のため、ロックワイヤの一方の端部がピンと係合し、ピンの下方で下方向（半径方向内側）に屈曲し、環状スロットから離脱するおそれがあることが判明した。ロックワイヤがないと、翼形部は、ダブテールスロットに沿って軸方向に自由に移動し、前述の通り過剰な磨耗及び干渉を起こしかねない。これは、内部冷却のための穴がバケットの基部に設けられる第１段バケットでは特に重大である。これらの穴がバケットの軸方向移動で塞がれると、バケットはその前縁に沿って急速に酸化されかねない。

米国特許第６９８１８４７号明細書

ロックワイヤがその環状スロット内で回転するのを防止して、ロータホイールからのロックワイヤの離脱を防止するための信頼性のある技術が求められている。

１つの例示的な実施形態では、本発明は、タービンロータホイールの各嵌合用スロットに配置される複数のタービンバケットのための保持システムであって、タービンホイールの外縁部に形成された複数の第１の保持スロットと、バケットのホイール装着部に形成された複数の第２の保持スロットであって、第１の保持スロットと第２の保持スロットとが整合して、ロータホイールの外縁部に延在する環状保持スロットを形成する第２の保持スロットと、環状保持スロット内に配置されるロックワイヤであって、自由端同士が係合するロックワイヤと、ロータホイールに固定されて環状保持スロット内にロックワイヤを保持する複数の軸方向に配向した保持ピンと、環状スロット内でのロックワイヤの周方向の回転を少なくとも制限する手段とを備える保持システムに関する。

別の態様では、本発明は、タービンロータホイールの各嵌合用スロットに配置される複数のタービンバケットのための保持システムであって、タービンホイールの外縁部に形成された複数の第１の保持スロットと、バケットのホイール装着部に形成された複数の第２の保持スロットであって、第１の保持スロットと第２の保持スロットとが整合して、ロータホイールの外縁部に延在する環状保持スロットを形成する第２の保持スロットと、環状保持スロット内に配置されるロックワイヤであって、自由端同士が重なり合うロックワイヤと、ロータホイールに固定されて環状保持スロット内にロックワイヤを保持する複数の軸方向に配向した保持ピンと、ロックワイヤに形成された１以上のノッチであって、保持ピンの１つと係合して環状スロット内でのロックワイヤの周方向回転を実質的に防止する１以上のノッチとを備える保持システムに関する。

さらに別の態様では、本発明は、タービンロータホイールの各嵌合用スロットに配置される複数のタービンバケットのための保持システムであって、タービンホイールの外縁部に形成された複数の第１の保持スロットと、バケットのホイール装着部に形成された複数の第２の保持スロットであって、第１の保持スロットと第２の保持スロットとが整合して、ロータホイールの外縁部に延在する環状保持スロットを形成する第２の保持スロットと、環状保持スロット内に配置されるロックワイヤであって、両端に自由端を有するロックワイヤと、ロータホイールに固定されて環状保持スロット内にロックワイヤを保持する複数の軸方向に配向した保持ピンとを含み、ロックワイヤの先頭の自由端が、隣り合った保持ピンの一方と係合できるようにロータホイールの中心線の方へ内側に屈曲していて、環状保持スロット内でのロックワイヤの周方向回転が制限される、保持システムに関する。

さらに別の態様では、本発明は、タービンロータホイールの各嵌合用スロットに配置される複数のタービンバケットのための保持システムであって、タービンホイールの外縁部に形成された複数の第１の保持スロットと、バケットのホイール装着部に形成された複数の第２の保持スロットであって、第１の保持スロットと第２の保持スロットとが整合して、ロータホイールの外縁部に延在する環状保持スロットを形成する第２の保持スロットと、環状保持スロット内に配置されるロックワイヤであって、自由端同士が係合するロックワイヤと、ロータホイールに固定されて環状保持スロット内にロックワイヤを保持する複数の軸方向に配向した保持ピンと、環状スロット内でのロックワイヤの周方向の回転を少なくとも制限する手段とを備える保持システムに関する。

以下、図面を参照して本発明を説明する。

公知のタービンロータホイール及びバケット組立体の部分上面斜視図であり、所定位置に配置されたロックワイヤを示している。 図１に示すロータホイール及びバケット組立体の部分底面斜視図である。 ロックワイヤの自由端の概略図であり、一端が保持ピンの下方に捕捉された状態を示す。 ロックワイヤの周方向回転を実質的に防止するための、本発明の第１の例示的な実施形態に係るバケットダブテールとロックワイヤとの相互作用の概略図である。 ロックワイヤの周方向回転を制限するための、本発明の第２の例示的な実施形態に係るバケットダブテールとロックワイヤとの相互作用の概略図である。 ロックワイヤの周方向回転を防止するための、本発明の第３の例示的な実施形態に係るバケットダブテールとロックワイヤとの相互作用の概略図である。 ロックワイヤの周方向回転を制限するための、本発明の第４の例示的な実施形態に係るバケット保持ピンとロックワイヤとの相互作用の概略図である。

図１及び図２は、タービンロータホイールのスロット内に挿入されるタービンバケットの軸方向移動を防止する公知の技術を示す。さらに具体的には、タービンロータホイール１０には、ホイールの周縁全体に設けられた複数のダブテールスロット１２であって、バケット又はブレード１６の相補的なダブテール部１４が各々挿入される複数のダブテールスロットが形成される（図には３つの完全なスロット及び１つのバケットのみを示す）。自明であろうが、バケット又はブレード１６は従来の構造であり、シャンク部１８と、翼形部２０と、ダブテール部（単にダブテールともいう）１４とを含む。

スロット１２を画成するホイールの半径方向突出部２４に第１のロックワイヤスロット２６が形成されており、各々その半径方向外端部２８が閉じていて、その半径方向内端部３０が開放されている。第１のロックワイヤスロット２６は、ホイールの一方の側面に近接して形成されており、該側面と共にホイールの周縁に、ダブテールスロット１２で中断される３６０°環状スロットを形成する。ダブテールスロット１２にバケット１６を挿入すると、バケットダブテール２２の軸方向オフセット部（又はロックタブ）３２が、第１のロックワイヤスロット２６と整合し得る複数の第２のロックワイヤスロット３４を画成する。次いで、ロックワイヤ３６（好ましくは適当な金属合金）を、図１及び図２に示すように整合したロックワイヤスロット２６，３４内に導入すればよく、自由端３８，４０（図３参照）は、正常に設置された状態で互いに滑らかに重なり合うように形作られる。ロックワイヤスロット２６内にロックワイヤ３６を保持するため、ロータホイール１０の部分２４を貫通して挿入される軸方向に配向したピン４２が用いられる。

図３は、上述のロックワイヤ構成で起きた問題を示す。具体的には、タービン作動時に、おそらくは熱的及び／又は機械的ラチェット作用のため、ロックワイヤ３６が周方向に回転する傾向があることが判明した。その結果、ロックワイヤの自由端３８，４０が分離して、一方の端部（ロックワイヤの回転方向の後端）が一方のピン４２の下方（つまり半径方向内側）に移動して、ホイールが矢印４４で示す方向に回転する際に、ロックワイヤスロット２６，３４からロックワイヤ３６が離脱して、バケット１６がダブテールスロット１２内で軸方向に移動してしまうようになる。

図４は、ロックワイヤ３６の回転を実質的に防止するための技術の非限定的な一例の概略を示す。タービンロータホイールに植設された一揃いのバケットでは、バケット１６の１つ（係止バケット（locking bucket）として知られる。）は、ロックワイヤの除去を容易にするため、ロックタブ３２に形成された半径方向スロット４６（理解し易いように、図１に点線で示す）備える。このロックワイヤの回転を防止するための第１の技術では、半径方向スロット４６の存在を利用する。具体的には、（ピン４２と同様に）軸方向に配向したダウェルピン４８が、ロックワイヤ３６に形成された穴に挿入される（例えば、ロックワイヤの装着前に、座ぐり穴にろう付けされる）。ロックワイヤ３６の装着時に、ピン４８は、半径方向スロット４６内に位置し、ロックタブ３２の面５０に垂直な軸方向に延在していて、タービン作動時にロックワイヤ３６の回転を制限し、実質的に防止する。

図５は、ロックワイヤ３６の回転を制限するための技術の第２の非限定的な例の概略を示す。本例では、周方向に離隔した半径方向タブ５２は、ロックワイヤ５４を通すための半径方向突出部２４に類似したタービンホイールの部分を表す。本例でも、軸方向に配向した保持ピン５６を利用して、タブ背後のスロット内にロックワイヤを保持する。この例では、ロックワイヤ３６の横断つまり垂直方向に小さな穴が座ぐり加工され、その穴にダウェルピン５８がろう付け（又は適宜その他の方法で固定）されており、ダウェルピン５８は、ロックワイヤを環状スロットに配置したときに、保持ピン５６よりも半径方向内側に延在するのに十分な長さを有する。こうして、ロックワイヤ３６が回転すると、ダウェルピン５８が次の隣接保持ピン５６と係合するので、ロックワイヤ３６の回転が制限される。保持ピン密度が最大となる領域にダウェルピン５８が位置するときに、最大限の有効性が発揮される。自明であろうが、２以上のダウェルピン５８を、ロックワイヤの周方向に離隔した位置でロックワイヤ３６に挿入してもよい。ロックワイヤの回転を防止するのではなく、回転を制限する場合、ロックワイヤの自由端３８，４０の重なり領域よりも狭い範囲に周方向の回転を制限することが重要である。

図６はロックワイヤ３６の回転を防止するするための技術のさらに別の非限定的な例の概略を示す。本例では、ロータホイール及びバケットの構成は、図５に示すものと同様であるが、本例では、ロックワイヤ自体にピンを挿入しない。その代わりに、保持ピン６０の１つを、ロータホイール６２の残りの保持ピン５６よりも半径方向外側の位置に移す。同時に、保持ピン６０の曲面と実質的に適合するノッチ６６が半径方向内側面に形成されるように、ロックワイヤ６４を（例えば、機械加工で）改造する。自明であろうが、２以上のノッチ６６をロックワイヤに形成し、ノッチに係合する２以上の保持ピンの位置を半径方向外側に移してもよい。いずれにせよ、１以上のノッチ６６の半径は、熱膨張できるように、ダウェルピン６０よりも幾分大きくしなければならない。ロックワイヤのノッチ６６がピン６０と係合すると、ロックワイヤの周方向回転が実質的に防止される。

図７は、ロックワイヤ３６の回転を防止する技術のさらに別の例を示す。本例では、矢印７０で示す時計方向のロックワイヤの回転方向に対して、先頭の自由端４０が、隣り合う２本の保持ピン５６の間の周方向位置で内側（タービンロータの回転中心線の方向）に屈曲する。この例では、ロックワイヤが任意のタービン速度で回転し始めると、すぐにロックワイヤの屈曲部６８が最も近い保持ピン５６に留まる（引掛かる）ようになる。図７に示す方向とは逆の回転方向では、ロックワイヤ３６の反対側の自由端３８が内側に屈曲して、同じ回転防止効果を発揮する。

以上の非限定的な実施形態の各々は、特に第１段タービンバケットに実質的な損傷を生じかねないロックワイヤの係止解除に起因するバケットの移動を防止する。本発明では、環状ロックワイヤスロット内でのロックワイヤの回転移動を制限又は防止する均等な構成も想定される。

現時点で最も実用的で好ましいと思料される実施形態を例にとって本発明を説明してきたが、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲に記載された技術的思想及びその技術的範囲に属する様々な修正及び均等な構成を包含する。

１０ ロータホイール
１２ ダブテールスロット
１４ ダブテール
１６ タービンバケット又はブレード
１８ シャンク部
２０ 翼形部
２２ バケットダブテール
２４ 突出部
２６ 第１のロックワイヤスロット
２８ 半径方向外側端部
３０ 半径方向内端
３２ オフセット部又はロックタブ
３４ 第２のロックワイヤスロット
３６ ロックワイヤ
３８ 自由端
４０ 自由端
４２ ピン
４４ 矢印
４６ 半径方向スロット
４８ ダウェルピン
５０ 面
５２ 半径方向タブ
５４ ロックワイヤ
５６ 保持ピン
５８ ダウェルピン
６０ 保持ピン
６２ ロータホイール
６４ ロックワイヤ
６６ ノッチ
６８ 屈曲部
７０ 矢印

Claims (10)

1. タービンロータホイール（１０）の各嵌合用スロット（１２）に配置される複数のタービンバケット（１６）のための保持システムであって、
   タービンロータホイール（１０）の外縁部に形成された複数の第１の保持スロット（２６）と、
   バケットのホイール装着部に形成された複数の第２の保持スロット（３４）であって、第１の保持スロット（２６）と第２の保持スロット（３４）とが整合して、タービンロータホイール（１０）の外縁部に延在する環状保持スロットを形成する第２の保持スロットと、
   環状保持スロット内に配置されるロックワイヤ（３６）であって、自由端同士が係合するロックワイヤ（３６）と、
   タービンロータホイール（１０）に固定されて環状保持スロット内にロックワイヤ（３６）を保持する複数の軸方向に配向した保持ピン（４２）と、
   ロックワイヤ（３６）に固定される１以上のピン（４８，５８）であって前記複数のバケットのうちの１つのタブ（３２）と係合し前記環状保持スロット内でのロックワイヤ（３６）の周方向の回転を制限する前記１以上のピン（４８，５８）と
   を備える保持システム。
2. 前記タブ（３２）が半径方向に延在する係止タブを含んでいて、係止タブに半径方向に延在する溝（４６）が形成されており、前記１以上のピン（４８，５８）が、ロックワイヤ（３６）から軸方向に延在していて上記溝内に係止される、請求項１記載の保持システム。
3. 前記１以上のピン（４８，５８）が、ロックワイヤ（３６）から半径方向内側に延在し、軸方向に配向した保持ピンの１つ（５６，６０）によって係合されるのに十分な長さを有していて、もって環状保持スロット内でのロックワイヤ（３６）の回転を制限する、請求項１または２に記載の保持システム。
4. 前記１以上のピン（４８，５８）が複数のダウェルピンを含む、請求項１乃至３のいずれか１項記載の保持システム。
5. 前記ロックワイヤ（３６）が、自由端同士を係合する際に滑らかに重なり合うように形作られた自由端（３８，４０）を有する金属ワイヤを含む、請求項１乃至４のいずれか１項記載の保持システム。
6. タービンロータホイール（１０）の各嵌合用スロット（１２）に配置される複数のタービンバケット（１６）のための保持システムであって、
   タービンロータホイール（１０）の外縁部に形成された複数の第１の保持スロット（２６）と、
   バケットのホイール装着部に形成された複数の第２の保持スロット（３４）であって、第１の保持スロットと第２の保持スロットとが整合して、タービンロータホイール（１０）の外縁部に延在する環状保持スロットを形成する第２の保持スロットと、
   環状保持スロット内に配置されるロックワイヤ（６４）であって、自由端同士（３８，４０）が重なり合うロックワイヤ（６４）と、
   タービンロータホイール（１０）に固定されて環状保持スロット内にロックワイヤ（６４）を保持する複数の軸方向に配向した保持ピン（５６，６０）と、
   ロックワイヤ（６４）に形成された１以上のノッチ（６６）であって、保持ピンの１つ（５６，６０）と係合して環状保持スロット内でのロックワイヤ（６４）の周方向回転を実質的に防止する１以上のノッチ（６６）と
   を備える保持システム。
7. 前記１以上のノッチ（６６）が、ロックワイヤ（６４）に形成された複数のノッチを含んでいて、ノッチは保持ピン（５６，６０）の１以上によって係合される、請求項６記載の保持システム。
8. 前記保持ピンの１つ（５６，６０）が、保持ピンの残りのピン（５６，６０）よりも半径方向外側に位置する、請求項６または７に記載の保持システム。
9. 前記ロックワイヤ（６４）は、自由端同士を係合する際に滑らかに重なり合うように形作られた自由端（３８，４０）を有する金属ワイヤを含む、請求項６乃至８のいずれか１項記載の保持システム。
10. タービンロータホイール（１０）の各嵌合用スロット（１２）に配置される複数のタービンバケット（１６）のための保持システムであって、
    タービンロータホイール（１０）の外縁部に形成された複数の第１の保持スロット（２６）と、
    バケットのホイール装着部に形成された複数の第２の保持スロット（３４）であって、第１の保持スロットと第２の保持スロットとが整合して、タービンロータホイール（１０）の外縁部に延在する環状保持スロットを形成する第２の保持スロットと、
    環状保持スロット内に配置されるロックワイヤ（３６）であって、両端に自由端を有するロックワイヤ（３６）と、
    タービンロータホイール（１０）に固定されて環状保持スロット内にロックワイヤ（３６）を保持する複数の軸方向に配向した保持ピン（５６，６０）と
    を備えており、タービンロータホイール（１０）の回転方向に対するロックワイヤ（３６）の先頭の自由端（４０）が、隣り合った保持ピン（５６，６０）の一方と係合できるようにタービンロータホイール（１０）の中心線の方へ内側に屈曲していて、環状保持スロット内でのロックワイヤ（３６）の周方向回転が制限される、保持システム。
    

Images