JP6027445B2

JP6027445B2 - ターボ機械のロータホイール

Info

Publication number: JP6027445B2
Application number: JP2013000765A
Authority: JP
Inventors: アンドリュー・クリフォード・ハート
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2013-01-08
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2033-01-08
Also published as: EP2615251B1; JP2013144978A; RU2013100415A; US20130183156A1; EP2615251A1; CN103206260A; US8932023B2; RU2620622C2; CN103206260B

Description

本明細書で開示される主題は、ターボ機械の分野に関し、より詳細には、ターボ機械のロータホイールに関する。

ターボ機械は通常、圧縮機部分、タービン部分、及び燃焼器組立体を含む。圧縮機部分における複数の圧縮機段を空気が通過し、加圧されて加圧空気を形成する。加圧空気の一部は、燃焼器組立体に送られ、可燃性燃料と混合されて燃焼してガスを形成し、該ガスがタービン部分に送られる。ガスは、複数のタービン段を通って膨張し、仕事を生成する。圧縮機段及びタービン段の各々は、複数のブレード又はバケットに装着されるロータホイールを含む。バケットは、空気流又はガスと反応して、ロータホイールに回転力を与える。

バケットは通常、ダブテール接続によりロータホイールに装着される。一般に、ブレードはピンを含み、ロータホイールはテール又はスロットを含む。スロットは、ブレード上でピンを受けるよう構成される。場合によっては、スロットは、ロータホイールの外径面にわたって横方向に延びる。このような場合、ロータホイールは、各ブレードにスロットを含む。他の場合では、スロットは、ロータホイールの外径面の周りに円周方向に延びる。この場合、スロットは、外径面の中心線からオフセットされ、装荷部分を含む。装荷部分は、各ブレードを受けるよう構成される。各ブレードは、ロータホイールに装着され、外径面の周りで所定位置に配置される。全てのブレードが装着されると、ブレードの遊離を阻止するため、ロック機構が装荷部分付近でロータホイールに固定される。

米国特許第３２１６７００号明細書

例示的な実施形態の１つの態様によれば、ターボ機械のロータホイールは、中心線を有する外径面によってつなぎ合わされた第１の面及び対向する第２の面を有するロータホイール本体を含む。ブレード受入スロットは、ロータホイール本体の周りに延びて外径面に形成される。ブレード装荷スロットは、外径面に形成される。ブレード装荷スロットは、ブレード受入スロットと接続され且つ該ブレード受入スロットからオフセットされる。

例示的な実施形態の別の態様によれば、ターボ機械は、圧縮機部分と、圧縮機部分に機械的に連結されたタービン部分と、圧縮機部分及びタービン部分に流体接続された燃焼器組立体と、圧縮機部分及びタービン部分の一方に装着されたロータホイールとを含む。ロータホイールは、中心線を有する外径面によってつなぎ合わされた第１の面及び対向する第２の面を有するロータホイール本体を含む。ブレード受入スロットは、ロータホイール本体の周りに延びて外径面に形成される。ブレード装荷スロットは、外径面に形成される。ブレード装荷スロットは、ブレード受入スロットと接続され且つ該ブレード受入スロットからオフセットされる。

これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。

本発明とみなされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。

例示的な一実施形態に係るロータホイールを含むターボ機械の概略図。例示的な一実施形態に係るロータホイールの斜視図。例示的な一実施形態に係るブレード装荷スロットを有するブレード受入スロットを示す図２のロータホイールの外径面の平面図。例示的な一実施形態に係るブレード装荷スロットに挿入されたブレードを示す、図２のロータホイールの部分斜視図。ブレード装荷スロットに挿入されたブレードを示す例示的な一実施形態に係るブレード装荷スロットの側断面図。ブレード受入スロット内に位置するよう配置されたブレードを示す図５のブレード受入スロットの側断面図。ブレード受入スロット内に着座されたブレードを示すブレード装荷スロットの側断面図。例示的な実施形態による対応する第１及び第２のロックスロットに挿入された第１及び第２のロック部材で所定位置にロックされるブレードを示す、図２のロータホイールの部分斜視図。

この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。

例示的な実施形態によるターボ機械が、図１において全体的に参照符号２で示されている。ターボ機械２は、燃焼器組立体８を通ってタービン部分６に流体結合された圧縮機部分４を含む。燃焼器組立体８は、環状アレイで配列された複数の燃焼器を含み、その１つが参照符号１０で示されている。勿論、燃焼器組立体８は、様々な形態をとることができる点は理解されたい。圧縮機部分４はまた、共通の圧縮機／タービンシャフト１２を通じてタービン部分６に機械的に連結される。タービン部分６は、複数のタービン段２０、２１、及び２２を密閉するタービンハウジングを含めるように図示される。複数のタービン段は変えることができる。各タービン段２０〜２２は、参照符号２６で示すような複数の回転翼形部部材から上流側に配列された、段２２と関連して参照符号２４で示すような複数の対応する固定翼形部部材を含む。回転翼形部部材２６は、タービン部分６内のロータホイール３０に装着される。

この構成では、空気は、吸気口（図示せず）を通って圧縮機部分４に吸い込まれ、該空気は、複数の圧縮機段（同様に図示せず）を通って加圧されて加圧空気流を形成する。加圧空気流の一部は、燃焼器組立体８に送られて各燃焼器１０において可燃性燃料と混合され、可燃性混合気を形成する。可燃性混合気は、燃焼して燃焼ガスを形成し、該燃焼ガスはタービン部分６に配向される。燃焼ガスは、段２０〜２２を通って膨張して仕事を生成し、この仕事を用いて発電機又はポンプなどの外部部品を作動させる。当然、ターボ機械２は、車両用の動力源としても用いることができる。

図２〜図７に示す例示的な実施形態では、ロータホイール３０は、第１の面４２及び第２の面４３を有するロータホイール本体４０を含み、該第１の面４２及び第２の面４３は、図２〜図３に示すような中心線５０を有する外径面４５によってつなぎ合わされる。ブレード受入スロット６０が外径面４５内に形成される。ブレード受入スロット６０は、外径面４５の周りで複数の回転翼形部部材２６を支持する。ブレード受入スロット６０は、外径面４５を第１の寸法６２を有する第１の表面セクション６１と、第２の寸法６４を有する第２の表面セクション６３とに分割する。図示の例示的な実施形態では、第２の寸法６４は、第１の寸法６２よりも大きく、ブレード受入スロット６０を中心線５０に対して軸方向にオフセットする。

ブレード受入スロット６０は、ロータホイール本体４０内に形成された内部キャビティ６６を含む。図示の例示的な実施形態では、内部キャビティ６６は、第１の底部６７と第２の底部６８とを含む。第１及び第２の底部６７及び６８は非対称である。すなわち、第２の底部６８は、第１の底部６７の深さよりも大きい深さまでロータホイール本体内に軸方向に延びている。この構成では、複数の回転翼形部部材２６の各々は、ブレード受入スロット６０内に配置されなければならない。より具体的には、複数の回転翼形部部材２６の各々は、翼形部部分７３を支持するベース部７２と装着部材又はピン７４とを含む。装着部材７４は、ブレード受入スロット６０内で入れ子状にされる。以下でより詳細に検討するように、複数の回転翼形部部材２６の各々は、図５に示すようにブレード受入スロット６０内に案内されて、図６に示すように配置又は軸方向に角度が付けられ、次いで、第１及び第２の底部６７、６８に延びる装着部材７４によりブレード受入スロット６０内に入れ子にされる
更に例示的な実施形態では、ブレード受入スロット６０は、ロータホイール本体４０内に形成されたブレード装荷スロット８０を含む。ブレード装荷スロット８０は、第１及び第２の壁部８７、８８により定められ、装着部材７４を受けるようなサイズにされた開口８４を含む。ブレード装荷スロットは、ブレード受入スロット６０から軸方向にオフセットされる。より具体的には、第１の壁部８７は、第２の壁部８８が第１の表面部分６１内に延びる深さよりも大きい深さまで第２の表面部分６３内に延びる。このようにして、ブレード装荷スロットは、応力集中区域をロータホイール３０のより堅牢な部分に移動させるため、外径面４５においてより中心方向に位置付けられる。作動中、第１の表面部分６１と第１の面４２との間の境界部９０において応力が集中する。例示的な実施形態は、ブレード装荷スロット８０を外径面４５に沿ってより中心方向に位置付け、第１の表面部分６１の全体の幅を大きくし、境界部９０における応力を支持する追加の構造を提供するようにする。

ブレード装荷スロット８０の位置付けは、第１及び第２の面４２、４３の何れか一方において応力を相殺するように変えることができる。すなわち、第１の面４２における応力が第２の面４３における応力より大きいことが分かっている場合には、ブレード装荷スロット８０は、第１の面４２から離して移動させ、局所的応力を低減することができる。一般に、応力は、高温に曝される第１及び第２の面の一方でより大きいことが分かっている。従って、圧縮機部分では、ロータホイール３０の下流側面が高温に曝される可能性が高い。結果として、下流側面の応力が上流側面において見られる応力よりも大きい。そのため、ロータホイール３０が圧縮機部分に装着される場合には、ブレード装荷スロット８０は、上流側面に向けてオフセットされ、ロータホイール本体４０の応力を均衡させることができる。逆に、タービン部分においては、ロータホイール３０の上流側面がより高温に曝される可能性がある。その結果、上流側面の応力が下流側面において見られる応力よりも大きくなる可能性が高い。そのため、ロータホイール３０がタービン部分に装着される場合には、ブレード装荷スロット８０は、下流側面に向けてオフセットされ、ロータホイール本体４０の応力を均衡させることができる。上記の説明は温度が異なっている場合の応力を説明したが、他の要因がロータホイール３０の応力に影響を及ぼす可能性もある。従って、より高い応力を有する面から離れるブレード装荷スロットの移動は、必ずしもより高い温度を受ける面から離れる方向であるとは限らない。

例示的な実施形態によるブレード装荷スロット８０は、第１及び第２の面４２、４３の間の応力を均衡させるよう移動され、外径面４０の全体の動作寿命を延ばすことができる。詳細には、第１及び第２の面４２、４３の間の応力を均衡させると、ロータホイール３０の低サイクル疲労寿命（ＬＣＦ）を高める。従って、ロータホイール本体４０は、ターボ機械の始動時の力に耐えるのに好適になる。加えて、ロータ本体４０のＬＣＦの向上は、ターボ機械２に付随する補修コスト、保守整備コスト、及び始動コストの低減につながる。

更に別の例示的な実施形態では、ロータホイール３０は、ブレード装荷スロット８０の何れかの側部上に配列された第１及び第２のブレードロックスロット９４、９５を含む。第１のブレードロックスロット９４は、第１及び第２の壁セクション９８、９９により定められる開口９７を含む。同様に、第２のブレードロックスロット９５は、第１及び第２の壁セクション１０５、１０６により定められる開口１０４を含む。上述と同様にして、第１及び第２のロックスロット９４、９５は、ブレード受入スロット６０に対して軸方向にオフセットされ、第１の表面部分６１での強度を増大させている。ブレードロックスロット９４、９５は、複数の回転翼形部部材のうちの２つと係合して翼形部部材の遊離を阻止する、図１に示した対応するブレードロック部材１１４、１１６を受け入れるよう構成されている。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

２ターボ機械
４圧縮機部分
６タービン部分
８燃焼器組立体
１０複数の燃焼器
１２共通圧縮機／タービンシャフト
１６タービンハウジング
２０タービン段
２１タービン段
２２タービン段
２４複数の固定翼形部部材又はノズル
２６回転翼形部部材
３０ロータホイール
４０ロータホイール本体
４２第１の面
４３第２の面
４５外径面
５０中心線
６０ブレード受入スロット
６１第１の表面セクション
６２第１の寸法
６３第２の表面セクション
６４第２の寸法
６６内部キャビティ
６７第１の底部
６８第２の底部
７２ベース部
７３翼形部分
７４取り付け部材又はピン
８０ブレード装荷スロット
８４開口
８７第１の壁部分
８８第２の壁部分
９０接合部
９４第１のブレードロックスロット
９５第２のブレードロックスロット
９７開口
９８第１の壁セクション
９９第２の壁セクション
１０４開口
１０５第１の壁セクション
１０６第２の壁セクション
１１４ブレードロック部材
１１６ブレードロック部材

Claims

ターボ機械のロータホイール（３０）であって、
中心線を有する外径面（４５）でつながった第１の面（４２）及び対向する第２の面（４３）を有するロータホイール本体（４０）と、
前記外径面（４５）に形成され、前記ロータホイール本体（４０）の周囲に延在するブレード受入スロット（６０）であって、前記外径面（４５）を、第１の面（４２）に隣接して第１の寸法（６２）を有する第１の表面セクション（６１）と、第２の面（４３）に隣接して第１の寸法（６２）よりも大きい第２の寸法（６４）を有する第２の表面セクション（６３）とに分割するブレード受入スロット（６０）と、
前記外径面（４５）に形成されたブレード装荷スロット（８０）であって、該ブレード装荷スロット（８０）が、前記ブレード受入スロット（６０）と接続しかつ該ブレード受入スロット（６０）からオフセットしていて、第１の表面セクション（６１）に第１の距離で延在し、第２の表面セクション（６３）に第１の距離よりも大きい第２の距離で延在している、ブレード装荷スロット（８０）と
を備える、ロータホイール（３０）。
前記外径面（４５）に形成された第１及び第２のブレードロックスロット（９４，９５）を更に備えており、第１のブレードロックスロット（９４）と第２のブレードロックスロット（９５）が、前記ブレード受入スロット（６０）に接続していて前記ブレード装荷スロット（８０）で隔てられている、請求項１記載のロータホイール（３０）。
第１及び第２のブレードロックスロット（９４，９５）の各々が、第１の表面セクション（６１）よりも第２の表面セクション（６３）により大きく延在している、請求項２記載のロータホイール（３０）。
第１及び第２のブレードロックスロット（９４，９５）にそれぞれ配設された第１及び第２のブレードロック部材（１１４，１１６）を更に備える、請求項３記載のロータホイール（３０）。
前記ブレード受入スロット（６０）内に装着された複数のブレード（２６）を更に備える、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のロータホイール（３０）。
圧縮機部分（４）と、
圧縮機部分（４）と機械的に連結したタービン部分（６）と、
圧縮機部分（４）及びタービン部分（６）と流体接続した燃焼器組立体（８）と、
圧縮機部分（４）及びタービン部分（６）の一方に装着された請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のロータホイール（３０）と
を備えるターボ機械（２）。
前記ロータホイール（３０）が圧縮機部分（４）に装着され、第１の面（４２）及び第２の面（４３）の一方が上流側面を構成し、第１の面（４２）及び第２の面（４３）の他方が下流側面を構成し、下流側面が上流側面よりも大きな応力を有し、前記ブレード装荷スロット（８０）が、下流側面からオフセットして前記ロータホイール本体（４０）の応力を均衡させる、請求項６記載のターボ機械。
前記ロータホイール（３０）がタービン部分（６）に装着され、第１の面（４２）及び第２の面（４３）の一方が上流側面を構成し、第１の面（４２）及び第２の面（４３）の他方が下流側面を構成し、上流側面が下流側面よりも大きな応力を有し、前記ブレード装荷スロット（８０）が、上流側面からオフセットして前記ロータホイール本体（４０）の応力を均衡させる、請求項６記載のターボ機械。