JP5836214B2 - タービンブレード - Google Patents

Description

本発明は、タービン、特にガスタービンのロータのためのブレードに関する。さらに、本発明は、少なくとも１つのこのようなブレードを有するロータ及びタービンに関する。

タービンは、流体の膨張エネルギをロータの回転に変換し、この回転エネルギをさらに利用することができる。ロータは、ロータの軸に半径方向に結合されたブレードを有する。前記結合は、通常、ブレードの固定部によって実現されており、この固定部は、ブレードのプラットフォームのシャンクの下方に配置されている。この場合、「下方」との用語は軸の半径方向に関して規定されている。駆動流体、特に膨張するガスは、これによりブレードを移動させ、これが軸の回転につながる。ブレードは翼を有しており、翼は、翼の内側端部においてプラットフォームの上板に結合されている。上板はシャンクの上方に配置されており、内側端部は、軸に関する半径方向に関して規定されている。さらに、駆動流体、ひいては膨張するガスの漏れを減じるために、ブレードは、翼の外側端部にシュラウドを有している。前記シュラウドはさらにフィンを有することができ、このフィンは、前記漏れを減じるために、タービンの対面する対向部分と協働する。

ブレード、特に翼は、対応するロータのある回転周波数と重なり合う共振周波数を有しており、このことは、特にブレードが、翼の外側に配置されたシュラウドを有する場合には、望ましくない破壊的な振動につながる。

本発明の課題は、特に改良された機械的特性を特徴とする、前記種類のブレードのための改良された又は少なくとも択一的な実施形態を提供することである。

本発明によれば、前記課題は独立請求項によって解決される。本発明によるブレードの好適な実施形態は、従属請求項に見ることができる。

本発明は、ブレードのプラットフォームの上流壁部及び／又は下流壁部に、前記壁部の少なくとも一方に設けられた、特に少なくとも一方を軸方向に貫通した少なくとも１つの凹所を提供するという基本的な概念に基づき、前記壁部は、翼の内側端部においてブレードの翼を支持する、プラットフォームの上板から、半径方向に、プラットフォームのシャンクの下方に配置されたプラットフォームの固定部に向かって延びており、これにより、シャンクの上流側又はシャンクの下流側に沿って少なくとも部分的にカバーしている若しくは延びており、かつシャンクから周方向に突出している。これにより、壁部の軸方向の貫通は、必ずしも凹所の実質的な軸方向の延びを必要としない。これは単に、凹所が、軸方向でシャンクとは反対の壁部の側から、軸方向でシャンクに面した壁部の側まで延びていることを意味する。さらに、壁部を、凹所によって部分的に又は完全に貫通することができる。さらに、凹所は、この凹所が設けられたそれぞれの壁部の突出の方向と同じ方向に面した、開放した側を有する。さらに、ブレードは、翼の外側端部に配置されたシュラウドを有しており、このシュラウドは通常、前記ブレードを備えたロータを有するタービンの駆動流体の漏れを減じるために働く。ロータはさらに回転する軸を有し、この軸は、軸に沿った軸方向、並びに半径方向及び周方向を規定している。これによりここで与えられる方向及び位置は、前記方向に関する。例えば「下方」及び「上方」という用語は、半径方向に関して与えられている。つまり、シャンクの下方における固定部の配置は、ブレードが前記軸に結合されているときに、固定部が半径方向に沿ってシャンクよりも軸の近くに配置されており、プラットフォームの上板が軸からさらに離れていることを意味する。同様に、翼の内側端部は、外側端部よりも軸に近い端部である。「下流」及び「上流」という用語は、タービンの駆動流体の流れ方向に関するものであり、この流れ方向は概して軸の軸方向に対して平行に延びている。したがって、それぞれ、上流側は、流れ方向に対面する側であり、下流側は反対側である。同じ定義が、上流壁部及び下流壁部にも当てはまる。プラットフォームのシャンクは、さらに、周方向に沿った前側及び後側を含む。この場合、下流壁部は、シャンクの前側及び／又は後側から突出している。すなわち、下流壁部は、シャンクの前側及び下流側に沿って延びていることができるか、又は下流壁部は、下流側において、シャンクの前側及び後側に沿って延びていることができる。この場合、下流側は、前側及び後側に沿って異なる又は同じ寸法を有することができる。すなわち、下流壁部が、下流側においてシャンクの前側全体に沿って延びる一方で、下流壁部は、下流側においてシャンクの後側の一部にわたって延びていることができる。下流壁部と同様に、上流壁部は、シャンクの前側及び／又は後側から突出しているが、シャンクの上流側に配置されている。

上述のように、ブレード、特に翼は、対応するロータのある回転周波数と重なり合う共振周波数を有しており、これは望ましくない破壊的振動につながる。この場合、本発明は、前記形式の少なくとも１つの凹所をブレードに提供することは特にブレードの望ましくない共振周波数を回避し、つまり、共振効果又は振動を防止又は少なくとも低減し、これが、ブレードの改良された機械的特性、特により長い耐久性を結果として生じるという知識を利用する。

発明の基本的な思想によれば、下流壁部は、好適な実施形態において凹所を有する。この場合、凹所は、下流壁部を貫通しており、好適にはシャンクの前側に配置されている。しかしながら、凹所は、シャンクの後側に配置することもでき、凹所の開口は、シャンクの前側又は後側それぞれから、つまり下流壁部と同じ方向に沿って、突出している。

別の実施形態によれば、上流壁部が凹所を有する。下流壁部の凹所と同様に、この凹所は好適にはシャンクの前側に配置されており、したがって、その開口は、前側から突出している。しかしながら、凹所はシャンクの後側において突出させられていることもでき、後者の場合、開口は後側から突出している。

別の実施形態によれば、ブレードは複数の凹所を有する。この場合、これらの凹所を上流壁部及び／又は下流壁部に配置することができる。凹所をさらに、個々の開口の対応する突出で、シャンクの前側及び／又は後側に配置することができる。１つの凹所は、さらに、異なるサイズ及び形状、又は同じサイズ及び形状を有することができる。凹所は、同じように成形することもできる及び／又は同じサイズを有することができる。

上述のように、凹所は任意の形状及びサイズを有することができ、凹所の形状及びサイズは、対応する下流壁部及び上流壁部のそれぞれの形状及びサイズによって制限される。上流壁部及び下流壁部も、任意の形状及びサイズであり、これは、ブレードを構成する場合に、凹所のための多数の可能性につながる。この場合、下流壁部及び上流壁部は概して異なるサイズ及び形状を有する。しかしながら、凹所の好適な形状は円筒形であり、これは特に単純な構成及び／又は組立てを許容する。

好適な実施形態によれば、シャンクの前側は、湾曲した形状を有する。つまり、前側は特に凹面状である。すなわち、特に、ブレードがロータに組み付けられると、前側は、周方向で隣接するブレードの後側から見ると凹面形状を有する。付加的に又は択一的に、シャンクの後側は、曲線に構成されている。すなわち特に、後側は凸面形状を有する。シャンクの凹面状の前側と、凸面状の後側との場合、シャンクの前側及び後側に接する、直径Ｃの円を規定することができる。前記円はこの場合、好適には周方向に沿った、半径方向に対して垂直な平面に位置する。

凹所の寸法は、特に共振効果の制限に関して、ブレードの所要の特性を達成するための重要な役割を果たす。したがって、凹所の幅Ｂは、半径方向に沿った、凹所の外端における寸法として規定することができ、凹所の外端は周方向でシャンクから最も離れている。さらに、凹所の長さＡは、軸方向寸法、すなわち軸方向に沿った延びとして定義される。実質的に軸方向からの逸脱を有する凹所の場合、長さＡの対応する定義を与えることができる。凹所の長さＡは、この場合特に、壁のサイズ変化及び形状変化の場合に、それぞれの壁セクションの下流壁部及び上流壁部の形状及びサイズに依存する。同様に、凹所の深さＤは、円周方向に沿った寸法として規定される。

別の実施形態によれば、凹所の深さＤは、軸方向に沿って減少又は増大している。すなわち、深さＤは、軸方向に沿って、特に線形に変化している。深さＤはこれにより、凹所の上流側から凹所の下流側に向かって、又はその逆に増大している。これは、凹所の最小深さ及び最大深さ、及びその差としての深さ差Ｅにつながる。

別の好適な実施形態において、凹所の少なくとも１つは、以下の比のうちの全て又は少なくとも１つを満たす：
−凹所の長さＡは、０と（１．５×Ｃ）との間である
−凹所の幅Ｂは、０と（０．７×Ｃ）との間である
−深さ差Ｅは、０と（０．４５×Ｃ）との間である。

これらの比の範囲はこの場合、特にシャンクの前側と後側との間に配置される円の直径Ｃによって与えられるシャンクの寸法に応じて、凹所の共振減衰特性を高める。これらの比はさらに、翼への凹所寸法の依存を反映しており、翼は好適には１００ｍｍと７７２ｍｍとの間の半径方向長さを有する。すなわち、翼の内側端部と外側端部との間の半径方向長さは、好適には１００ｍｍと７７２ｍｍとの間である。しかしながら、翼の半径方向長さのこの範囲は、凹所によって達成される所望の特性のために必須ではない。

別の実施形態によれば、プラットフォームは、好適には下流壁部及び／又は上流壁部に、特に少なくとも１つのシールプレートを収容するように適応された、少なくとも１つの溝を有し、シールプレートは特に、ブレードと、隣接するベーン及び／又は隣接するブレードとの間の封止を保証する。凹所とは対照的に、前記溝は好適には、周方向に沿って下流壁部又は上流壁部全体を貫通している。溝はこの場合好適には同じ壁における凹所の上方に配置されている。すなわち例えば、上流壁部は溝及び凹所を有しているならば、凹所は溝よりも固定部の近くに配置されている。同じことは、複数の溝及び／又は複数の凹所にも当てはまり、凹所は好適には半径方向に関して１つ又は複数の溝の下方に配置されている。

好適な実施形態によれば、下流壁部は、前側に凹所を有している、すなわち凹所の開放側はシャンクの前側と同じ方向に面している。さらに、溝は、半径方向に関して凹所の上方に配置されている。前記凹所は、好適には凹所の下流端部から上流端部に向かって増大する深さにより深さ差Ｅを有する。凹所はさらに、プラットフォームの固定部に隣接した下流壁部領域に配置されており、凹所は好適には固定部内へ延びている。

別の好適な実施形態によれば、ブレードは、翼の外側端部に配置されたシュラウドを有する。シュラウドはあらゆる形状を有する。好適には、シュラウドは、翼の軸方向範囲全体にわたって延びている。すなわち、シュラウドは実質的に、上面図でみて軸方向に沿って翼全体をカバーしている。前記シュラウドは特に、タービンの対向部分と協働することによって、それぞれのタービンの駆動ガスの漏れを改善するために使用される。シュラウドはさらに好適には、３００ｍｍと１５９４ｍｍとの間の重心半径又は回転中心半径を有する。シュラウドのこの寸法は特に、上に提供した比を満たす１つ又は複数の凹所の高められた効果を保証する。

シュラウドの漏れ封止を改善するために、シュラウドは、好適な実施形態によれば少なくとも１つのフィンを有しており、フィンは好適には周方向に沿って延びておりかつ半径方向に沿って突出している。すなわち、前記フィンは、翼から突出し、半径方向に沿って延びている。複数のフィンの場合は、これらのフィンは好適には軸方向で間隔を置いて配置されている。

シュラウドはあらゆる数のフィンを有する。シュラウドは少なくとも１つのフィンを有する。特に好適な実施形態は、２つのフィンを有するシュラウドを含み、両フィンは、半径方向に沿って翼から突出している。前記フィンはさらに、周方向に沿って平行に延びている。フィンはさらに、軸方向に沿って分離されており、一方のフィンが、シュラウドの上流エッジに配置されているのに対し、他方のフィンはシュラウドの下流エッジに配置されている。

別の実施形態によれば、ブレードの固定部はもみの木形状を有しており、これは、ロータへのブレードの組付けを単純化する。もちろん、ブレードの固定部はあらゆる他の形状を有することができる。

発明の別の有利な実施形態によれば、特にタービンのためのロータは、本発明による少なくとも１つのブレードを有する。前記ロータは特に、改良された機械的特性、特に共振効果に対する低減された感度を特徴とする。ロータは、この場合、特に、０回転毎分（ｒｐｍ）と３７８０ｒｐｍとの間の回転速度に適応されており、これは、前記共振効果の高められた抑制につながる。しかしながら、この制限は、必ずしもロータの与えられた有利な特性のために必要というわけではない。

別の有利な実施形態によれば、タービン、特にガスタービンには、本発明によるロータ及び／又は本発明によるブレードがそれぞれ装備されている。

前記特徴及び以下で言及される特徴は、発明の範囲から逸脱することなく、対応する組合せとしてだけでなく、他の組合せにおいても、別々でも適用可能である。

発明の上記目的、特徴及び利点、並びにその他の目的、特徴及び利点は、添付の図面を参照した場合に、その好適な実施形態の以下の説明より、さらに明らかになるであろう。

発明は、図面に概略的に示された実施形態を参照して説明されており、以下により詳細に図面を参照して説明される。

ブレードの斜視図である。 ブレードの正面図である。 ブレードの断面図である。

図１を参照すると、ブレード１は、翼２と、翼２の内側端部におけるプラットフォーム３と、翼２の外側端部におけるシュラウド４とを有する。「内側」及び「外側」という用語は、ブレード１が組み付けられるタービンの軸の、矢印５によって示された半径方向に関する。軸は、矢印６によって示された軸方向、及び矢印７によって示された周方向も規定する。さらに、タービンを流過する駆動流体の方向は、矢印８によって示された流れ方向を規定する。翼２の内側端部は、翼２の外側端部よりも軸に近い。シュラウド４は少なくとも１つのフィン９を有する。より多くのフィン９が設けられているならば（図１による好適な実施形態において２つのフィン９が示されている）、全てのフィン９は、同じ形状及びサイズであり、矢印７によって示された周方向に互いに平行に延びており、軸方向６に互いに離間させられている。フィン９のうちの一方は、この場合、シュラウド４の上流エッジ１０を完全にカバーしているのに対し、他方のフィン９は、シュラウド４の下流エッジ１１を完全にカバーしている。「上流」及び「下流」という用語は、矢印８によって示された駆動ガスの流れ方向に関して規定されている。

図１及び図２に示したように、翼２は、プラットフォーム３の上板１２によって支持されている。プラットフォーム３のシャンク１３は、上板１２の下方に配置されておりかつ半径方向に延びており、この実施形態においてはもみの木形状を有する固定部１４は、シャンク１３に隣接してかつシャンク１３の下方に配置されている。シャンク１３は、前側１５と、後側１６とを有する。「前」及び「後」とは、矢印７によって示された周方向に関して決定される。さらに、シャンク１３は、上流側１７と、下流側１８とを有しており、それぞれ、駆動流体の流れ方向に関して、つまり矢印８に関して決定されている。上流壁部１９は、上板１２から固定部１４に向かって、プラットフォームの上流側１７において、半径方向に延びている。上流壁部１９は、周方向７でみて、シャンク１３の前側１５及び後側１６を超えて突出している。つまり、上流壁部１９は、前側１５においては前側１５から突出しており、後側１６においては後側１６から突出している。さらに、上流壁部１９は、シャンク１３の上流側１７において、シャンク１３の前側１５及び後側１６の両方を部分的にカバーしている。下流壁部２０は、上板１２から固定部１４に向かって、シャンクの前側１５及び後側１６の両方において、半径方向に延びており、シャンク１３の下流側１８を完全にカバーしている。つまり、下流壁部２０は、半径方向に沿って上流壁部１９よりもさらに長く延びている。上流壁部１９及び下流壁部２０はそれぞれ、上板１２への湾曲した移行部を有する。さらに、上板１２と、上流壁部１９と、下流壁部２０とはそれぞれ、シャンク１３の前側１５及び後側１６への湾曲した移行部を有する。

凹所２１は、プラットフォーム３の前側１５において、矢印６によって示された軸方向で、下流壁部２０を貫通している。凹所２１の開放した側２２は、周方向に面しており、つまりシャンク１３の前側１５と同じ方向に面している。したがって、凹所２１の下側、すなわち固定部１４により近い側は、下流壁部２０の下端部に配置されている。すなわち、凹所２１は固定部１４に隣接して配置されている。凹所２１の上側は、上流壁部１９の下側に対して平行に延びている。すなわち、凹所２１の上側と、上流壁部１９の下側とは、一平面に位置しており、この平面は特に軸方向に対して平行に延びている。周方向で下流壁部２０の全範囲に延びた溝２３は、凹所２１の上端部の僅かに上方に配置されている。別の同様の溝２３は、シャンク１３の反対側に配置されている、すなわち、前記溝２３は、上流壁部１９を貫通しており、上流壁部１９の下端部の僅かに上方に配置されている。別の同様の溝２３は、前記溝２３の上方に配置されている。これにより、全ての溝２３は平行な形式で配置されており、この場合、溝２３のうちの２つは上流壁部１９に配置されており、１つの溝２３は下流壁部２０に配置されている。スロット２４は上板１２内に配置されており、前記スロット２４は上板１２の前側に沿って軸方向に延びている。シールプレート２５はスロット２４内に配置されており、前側から突出している。さらに、凹所２１は溝２３及びスロット２４よりも形状及びサイズにおいて大きい。

全ての図面は、シャンク１３の前側１５において、シャンク１３と固定部１４との移行領域に配置されたブレード１の収容部２６を示している。この場合、前記収容部２６は、シャンク１３の突出部２７において軸方向中央に配置されている。

図２に示したように、凹所２１の寸法は以下のように規定される。凹所２１の長さＡは、凹所２１の内側端部と外側端部との間の軸方向の差として与えられる。この場合、内側端部は上流に面しているのに対し、外側端部は下流に面している。さらに、凹所２１の幅Ｂはさらに、凹所２１の半径方向寸法、つまり矢印５に沿った寸法として規定されている。さらに、凹所２１の深さＤは、周方向での凹所２１の寸法によって与えられる。

図３は、図２に示された矢印Ｆによって示された方向から見た場合の、平面２８に沿ったブレード１の断面図を示している。この断面図は、シャンク１３の後側１６が、収容部２６の反対側に配置された突出部２９を有することを開示している。つまり、収容部２６及び突出部２９は、特に、タービンのロータの周方向で隣り合うブレード１を接続するために働く。さらに、前側１５及び後側１６の両方が湾曲した形状を有することが示されている。前側１５が凹面状であるのに対し、後側１６は凸面状である。この場合、前側１５は均一な湾曲を有するのに対し、後側１６は、凹所２１へのインターセプション領域において湾曲の増大する程度を有する。つまり、湾曲した前壁若しくは前側１５及び後壁若しくは後側１６に接触する円３０は直径Ｃを有する。図３は、さらに、凹所２１の深さＤが凹所２１の外端から凹所の内端に向かって線形に増大することを開示している。すなわち、深さは、シャンク１３とは反対の凹所２１の側から、シャンク１３に面した凹所２１の側に向かって増大している。これは、最大深さＤ_maxと、深さ差Ｅによって与えられる最小深さＤ_minとの差につながる。

１ ブレード
２ 翼
３ プラットフォーム
４ シュラウド
５ 半径方向を示す矢印
６ 軸方向を示す矢印
７ 周方向を示す矢印
８ 流れ方向を示す矢印
９ フィン
１０ 上流エッジ
１１ 下流エッジ
１２ 上板
１３ シャンク
１４ 固定部
１５ 前側
１６ 後側
１７ 上流側
１８ 下流側
１９ 上流壁部
２０ 下流壁部
２１ 凹所
２２ 凹所の開放した側
２３ 溝
２４ スロット
２５ シールプレート
２６ 収容部
２７ 突出部
２８ 平面
２９ 突出部
３０ 円
Ａ 凹所の長さ
Ｂ 凹所の幅
Ｃ 円の直径
Ｄ 凹所の深さ
Ｄ_max 最大深さ
Ｄ_min 最小深さ
Ｅ 凹所の深さ差
Ｆ 見る方向を示す矢印

Claims (15)

1. タービン、特にガスタービンのロータのためのブレード（１）において、該ブレード（１）が、翼（２）と、該翼（２）の外側端部におけるシュラウド（４）と、前記翼（２）の内側端部におけるプラットフォーム（３）とを有し、
   該プラットフォーム（３）が、翼（２）に隣接した上板（１２）を有し、
   前記プラットフォーム（３）が、半径方向に延びた、上板（１２）の下方に配置されたシャンク（１３）を有し、
   前記プラットフォーム（３）が、半径方向に延びた、シャンク（１３）の下方に配置された固定部（１４）を有し、
   前記シャンク（１３）が、周方向に面した、前側（１５）及び後側（１６）を有し、
   前記シャンク（１３）が、軸方向に面した、上流側（１７）及び下流側（１８）を有し、
   シャンク（１３）から周方向に突出した上流壁部（１９）が、上板（１２）から固定部（１４）へ向かって延びており、かつシャンク（１３）の上流側（１７）を少なくとも部分的にカバーしており、
   シャンク（１３）から周方向に突出した下流壁部（２０）が、上板（１２）から固定部（１４）へ向かって延びており、かつシャンク（１３）の下流側（１８）を少なくとも部分的にカバーしており、
   少なくとも１つの凹所（２１）が設けられており、該凹所（２１）が、上流壁部（１９）又は下流壁部（２０）を軸方向に少なくとも部分的に貫通しており、かつシャンク（１３）領域に配置されており、前記凹所（２１）が、それぞれの上流壁部（１９）又は下流壁部（２０）の突出の方向と同じ方向に面した開放側（２２）を有しており、
   周方向での凹所（２１）の深さＤが、軸方向に沿って増大又は減少しており、
   深さ差Ｅが、最大深さＤ _max と最小深さＤ _min との間の差として与えられることを特徴とする、タービン、特にガスタービンのロータのためのブレード（１）。
2. シャンク（１３）の前側（１５）が、凹面形状を有し、
   シャンク（１３）の後側（１６）が、凸面形状を有し、
   凹面形状の前側（１５）及び凸面形状の後側（１６）に接する円（３０）が、直径Ｃを有する、請求項１記載のブレード。
3. 凹所（２１）のうちの少なくとも１つが、対応する外側端部において半径方向に幅Ｂを、軸方向に沿って長さＡを有し、該長さＡが、対応する壁部の厚さによって与えられる、請求項２記載のブレード。
4. 凹所（２１）の長さＡが、０と（１．５×Ｃ）との間である、及び／又は
   凹所（２１）の幅Ｂが、０と（０．７×Ｃ）との間である、請求項３記載のブレード。
5. 深さ差Ｅが、０と（０．４５×Ｃ）との間である、請求項２から４までのいずれか１項記載のブレード。
6. プラットフォーム（３）の下流壁部（２０）及び／又は上流壁部（１９）が、特に少なくとも１つのシールプレート（２５）を収容するために適応された、少なくとも１つの溝（２３）を有する、請求項１から５までのいずれか１項記載のブレード。
7. 少なくとも１つの凹所（２１）が、半径方向に沿って１つ又は複数の溝（２３）の下方に配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のブレード。
8. 下流壁部（２０）が１つの凹所（２１）を有し、該凹所（２１）が、下流壁部（２０）において１つ又は複数の溝（２３）の下方に配置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のブレード。
9. シュラウド（４）が翼（２）の軸方向範囲全体に沿って延びている、請求項１から８までのいずれか１項記載のブレード。
10. シュラウド（４）が、周方向に延びかつ半径方向に突出した少なくとも１つのフィン（９）を有する、請求項１から９までのいずれか１項記載のブレード。
11. シュラウド（４）が、軸方向で間隔を置いて配置された少なくとも２つのフィン（９）を有する、請求項１０記載のブレード。
12. 翼（２）が、１００ｍｍと７７２ｍｍとの間の半径方向長さを有し、
    シュラウド（４）が、３００ｍｍと１５９４ｍｍとの間の回転中心半径を有する、請求項１から１１までのいずれか１項記載のブレード。
13. プラットフォームの固定部（１４）が、もみの木形状を有する、請求項１から１２までのいずれか１項記載のブレード。
14. ０と３７８０ｒｐｍとの間の回転速度を有する、請求項１から１３までのいずれか１項記載の少なくとも１つのブレード（１）を有することを特徴とする、タービン、特にガスタービンのためのロータ。
15. 請求項１から１４までのいずれか１項記載のロータ及び少なくとも１つのブレード（１）を有することを特徴とする、タービン、特にガスタービン。

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