JP6106021B2 - タービンアセンブリ - Google Patents

Description

本明細書で開示されている主題は、タービンエンジンに関するものであり、より具体的には、タービンエンジン用のロータアセンブリに関するものである。

タービンの動翼または回転動翼は、円周方向でタービンロータホイール上に取り付ける用に設計されることが多い。回転動翼は、典型的には、外部の円周方向ダブテール部を使用してタービンホイールに取り付けられ、受け入れダブテール部がホイールの外周上の円周方向溝またはスロット内にあり、相補的なダブテール部が回転動翼の基部または根元にある。これらの回転動翼をホイール上に装填するために、局所的に受け入れダブテール部分を取り除いた切り込みをホイールの周上に入れ、ロータホイール上のスロット内に一般的に矩形の開口部を残す。次いで、それぞれの回転動翼を最初に切り込みの開口部内に配置され、次いで、ホイールの周りの円周方向に移動する。円周方向溝の開口部により、比較的均一なロータホイール設計に途切れが生じる。したがって、切り込みの開口部が、ロータホイール内の応力集中の源となり、ロータの寿命を縮める要因ともなりうる。

米国特許出願公開第２０１０／０２９６９３６号公報

本発明の一態様によれば、タービンアセンブリは、ロータホイールおよびロータホイール内に形成された円周方向スロットを備え、円周方向スロットはロータホイールの円周に対して均一な断面形状を備える。アセンブリは、円周方向スロット内に位置決めされた第１のリング部材も備え、第１のリング部材は円周方向スロット内に位置決めされたときにダブテール取り付け部の半径方向の移動を防ぐように構成され、ダブテール取り付け部はタービン動翼の一部である。

本発明の別の態様によれば、タービンアセンブリは、ロータホイール、動翼を受け入れるように構成されたロータホイール内に形成された円周方向スロット、ならびに円周方向スロット内に位置決めされた第１および第２のリング部材を備え、第１および第２のリング部材は円周方向スロット内に位置決めされたときに動翼の半径方向移動を防ぐように動翼の一部のそれぞれの側部に配置される。

これらおよび他の利点ならびに特徴は、図面と併せて以下の詳細な説明を読むとより明らかになるであろう。

発明とみなされる本発明対象は、明細書の終わりの請求項において特に指摘され、明確に区別できる形で請求される。本発明の上述および他の特徴および他の利点は、付属の図面と併せて以下の詳細な説明を読むとより明確になる。

一実施形態によるロータホイールおよびタービン動翼の斜視図である。 図１に示されているタービン動翼およびロータホイールの斜視図である。 図１および２に示されているタービン動翼およびロータホイールの詳細断面図である。 一実施形態によるロータホイール内の動翼およびリング部材の移動を防ぐように構成された係止部材を備えるタービンアセンブリの斜視図である。 図１に示されているタービンアセンブリの一部の詳細斜視図である。

「発明を実施するための形態」において、例として図面を参照しつつ本発明の実施形態について利点および特徴と併せて説明する。

図１は、動翼１０４を受け入れるように構成されたロータホイール１０２を備える例示的なタービンアセンブリ１００の一部の斜視図である。動翼１０４は、ロータホイール１０２の円周方向スロット１０８内に位置決めされたダブテールピンまたは取り付け部１０６を備える。一実施形態では、第１のリング部材１１０および第２のリング部材１１２は、円周方向スロット１０８内に置かれ、動翼１０４を保持し、円周方向スロット１０８内に置かれたときに動翼１０４の半径方向移動を防ぐように構成される。一実施形態では、ロータホイール１０２は、動翼１０４を含む、動翼の取り付け前に円周方向スロット１０８内に第１のリング部材１１０および第２のリング部材１１２を有する。リング部材は、スロット内に半径方向に挿入され、軸方向に摺動して円周方向スロット１０８を形成するホイール側面と嵌合するようにできる。円周方向スロット１０８内に位置決めされたときに、第１のリング部材１１０および第２のリング部材１１２は、開口部１２２を形成し、これにより、動翼および対応するダブテール取り付け部を円周方向スロット１０８内に挿入することが可能になる。以下で説明されているように、開口部１２２内に挿入した後、動翼１０４は円周方向スロット１０８に沿って周上に摺動し、これによりホイールの円周上にその後の動翼を取り付けることができる。

一実施形態では、動翼１０４がロータホイール１０２内に取り付けられるときに、第１のリング部材１１０は、円周方向スロット１０８の第１の側壁１１４とダブテール取り付け部１０６の第１の側部１１６との間に位置決めされる。同様に、動翼１０４が円周方向スロット１０８内に配置されるときに、第２のリング部材１１２は、円周方向スロット１０８の第２の側壁１１８とダブテール取り付け部１０６の第２の側部１２０との間に位置決めされる。一実施形態では、第１のリング部材１１０および第２のリング部材１１２は、円周方向スロット１０８の第１の側壁１１４および第２の側壁１１８にそれぞれ形状適合する。図示されているように、円周方向スロット１０８は、ロータホイール１０２の円周全体に対して実質的に均一な断面形状を有する。円周方向スロット１０８の断面形状は、１つまたは複数の動翼および１つまたは複数のリング部材を受け入れるのに適した形状であればどのような形状のものであってもよい。円周方向スロット１０８の図示されている実施形態は、ダブテール取り付け部１０６より大きい実質的にダブテール形状をとる。

一実施形態では、ダブテールとロータホイール１０２の側壁は、異なる傾斜または輪郭を有するものとしてよく、リング部材の側壁は嵌合ホイールまたはダブテール取り付け部の輪郭に相補的な輪郭を有する。

円周方向スロット１０８の実質的に均一な断面形状は、他のロータホイールの実施形態において生じうる比較的均一なホイール内の応力集中点を低減する。具体的には、第１のリング部材１１０および第２のリング部材１１２によってもたらされる開口部１２２および保持特性により、実質的に均一な円周方向スロット１０８内に動翼を保持することが可能になる。一実施形態では、第１のリング部材１１０および第２のリング部材１１２は、ロータホイール１０２に取り付けられる、固定される、または結合されるということがない。他の実施形態では、リング部材１１０、１１２のうちの１つまたは複数がロータホイールに取り付けられる。それに加えて、第１のリング部材１１０および第２のリング部材１１２は、それぞれ、リング１１０および１１２を形成する１つまたは複数のリング部材で構成されうる。例示的な一実施形態では、第１のリング部材１１０は、部材部分１２４などの複数の部材部分を備える。例示的なリング部材は、用途に特有の基準から決定されたとおりに２、３、５、５０から好適な任意の数までの個数のリング部分から形成することができる。別の実施形態では、リング部材１１０および１１２のそれぞれは、単一のリング部材から形成される。さらに、第１のリング部材１１０および第２のリング部材１１２の実施形態は、形状または幾何学的形状の点で同一であるか、または用途に応じて所望の動翼荷重パターンに合わせて異なる形状をとりうる。一実施形態では、ロータホイール上の動翼荷重スロットに付随する応力集中を低減し、代替えとなる低コストの材料を使用しやすくしてコストを低減する。

ダブテール部円周方向スロット１０８は、典型的には、動翼１０４のダブテール取り付け部１０６が一般的に円周方向である方向でスロット内に挿入されるという点で「円周方向進入」スロットと称される。本明細書で説明されている特徴は、一般的にエーロフォイルおよびディスク界面に適用可能である。図１に示されている構造は、異なるクラスのタービンにまたがる多くの異なるディスクおよび動翼設計を単に表しているに過ぎない。

本明細書で使用されているように、「下流」および「上流」という用語は、タービンを通る作動流体の流れに関する方向を示す。したがって、「下流」という用語は、一般的に作動流体の流れの方向に対応する方向を指し、「上流」という用語は、一般的に、作動流体の流れの方向とは反対の方向を指す。「半径方向」という用語は、軸もしくは中心線に垂直な移動または位置を指す。これは、軸に関して異なる半径方向位置にある部分を記述する場合に有用であると思われる。この場合、第１のコンポーネントが軸に対して、第２のコンポーネントに比べて近い位置にある場合、本明細書では、第１のコンポーネントは第２のコンポーネントの「半径方向内向き」であると言うことができる。その一方で、第１のコンポーネントが軸から、第２のコンポーネントに比べて遠い位置にある場合、本明細書では、第１のコンポーネントは第２のコンポーネントの「半径方向外向き」または「外側」であると言うことができる。「軸方向」という用語は、軸に平行な移動または位置を指す。最後に、「円周方向」という用語は、軸の周りの移動または位置を指す。以下の説明は、もっぱら、ガスタービンを対象としているけれども、説明されている概念はガスタービンに限定されず、蒸気タービン、オイルおよびガス機械類、および航空機エンジンを含む任意の好適な機械類にも適用可能である。したがって、本明細書の説明はガスタービンの実施形態を対象とするが、他のタービンシステムにも適用可能である。

図２は、複数の動翼が取り付けられている状態にある図１からのタービンアセンブリ１００の斜視図である。図示されている実施形態は、動翼１０４、その後の第２の動翼２００、第３の動翼２０２、第４の動翼２０４を受け入れるロータホイール１０２および円周方向スロット１０８の一部を示している。例示的な一組み立て工程において、第１のリング部材１１０および第２のリング部材１１２は、動翼を受け入れるように円周方向スロット１０８内に位置決めされ、軸方向に相隔てて並ぶ。したがって、次の組み立て段階において、第１の動翼１０４は開口部１２２内に挿入され、円周方向スロット１０８に沿って円周方向に摺動され、これにより開口部１２２内に第２の動翼２００を挿入することが可能になる。第２の動翼２００が円周方向スロット１０８内に挿入された後、これも円周方向に摺動され、これにより、第１の動翼１０４は円周方向に押され、これにより、第３の動翼２０２およびそのダブテール取り付け部２０６を開口部１２２内に配置することができる。一実施形態では、実質的に同様の段階を繰り返して、ロータホイール１０２の円周全体に動翼を配置する。

図３は、図１および２に示されているタービンアセンブリ１００の断面図である。一実施形態は、ダブテール取り付け部１０６を受け入れて固定するように軸方向に相隔てて並ぶ第１のリング部材１１０および第２のリング部材１１２を備える。図示されているように、動翼１０４は、ダブテール取り付け部２０６からタービンの高温ガス経路内に延在するエーロフォイル３００を備える。いくつかの実施形態では、第１のリング部材１１０、第２のリング部材１１２、および動翼１０４が、締め具、接着剤、または他の機構を介して互いに取り付けられるか、または結合されるということがない。しかし、機械の運転中に、動翼のダブテール部、リング、およびホイールは、遠心力により強力な接触を形成する。図５に示されているように、突起部５００などの特徴は、円周方向スロット１０８のそれぞれの側部に形成されうる。突起部５００は、第１のリング部材１１０および第２のリング部材１１２の円周方向の移動を防ぎ、動翼を開口部１２２内に受け入れられるようにする。図示されている配置構成では、製造が簡素化されており、リング部材１１０、１１２により、円周方向スロット１０８の製造公差に対してより柔軟に対処できる。具体的には、リング部材１１０、１１２は、動翼１０４を受け入れるように機械加工されるが、円周方向スロット１０８は、鋳込成形または圧延などの精度が低く、したがって比較的安価である工程によって製造することができる。それに加えて、円周方向スロット１０８およびリング部材１１０、１１２は、スロット内に動翼を保持するのに適した幾何学的形状であればどのような形状でもよい。

次に図４を参照すると、ロータホイール１０２の円周方向スロット１０８内に置かれる係止部材４００を備えるタービンアセンブリが図示されている。一実施形態では、係止部材４００は、閉鎖動翼（クロージャ動翼）が円周方向スロット１０８内に置かれる前に円周方向スロット１０８内に置かれるように構成される。閉鎖動翼の挿入後に、動翼アセンブリを円周方向に移動して一組のリング部材の間の開口部１２２内に係止部材４００を配置することができる。係止部材４００は、半径方向に移動されたときにもはや（ダブテール取り付け部が置かれたときのリングの間の）間隙１０８内に摺動しなくなるような形状をとる。したがって、係止部材４００およびネジ４０２は動翼を係止し、リング部材が円周方向に移動するのを防ぐ。一実施形態では、ネジ４０２は、係止部材４００内に配設され、適所まで回転して方向４０４へ半径方向に伸張し、円周方向スロット１０８に関して閉鎖動翼およびリング部材１１０、１１２の位置を係止するように構成される。ネジ４０２および係止部材４００は、それぞれ、係止部材の半径方向の移動がなされるようにねじ込むことができる。閉鎖動翼は、組み立て工程の完了時にロータホイール１０４の円周上に配置される最後の動翼である。図示されている実施形態では、動翼４０６は、動翼４１０と係止部材４００との間に位置決めされた閉鎖動翼である。動翼４０６および４１０は、第１のリング部材１１０および第２のリング部材１１２によって円周方向スロット１０８内に保持され、係止部材４００による円周方向４０８に移動しないように防止される。

図５は、図１に示されているタービンアセンブリ１００の一部の詳細斜視図である。この実施形態は、ロータホイール１０２内に形成された円周方向スロット１０８を示している。円周方向スロット１０８は、スロットのそれぞれの側部上に突起部５００を備え、突起部５００（見えるものだけ）は、スロット内に位置決めされた後の第１のリング部材１１０および第２のリング部材１１２の移動を防ぐように構成される。突起部５００は、リング部材を受け入れるように構成されている滑らかな角部分５０２と５０４との間の開口部１２２の近くに位置決めされる。いくつかの実施形態では、突起部、スロット、または隆起部などの好適な特徴は、円周方向スロットに関してリング部材を位置決めし、そのリング部材の移動を防ぐために使用されうる。

本発明は、限られた数の実施形態に関してのみ詳細に説明されているが、本発明は、そのような開示されている実施形態に制限されないことは容易に理解されるであろう。むしろ、本発明は、これまでに説明されていないが、本発明の精神と範囲に適合している、多くの変更、改変、置換、または同等の配列を組み込むように修正することができる。それに加えて、本発明のさまざまな実施形態について説明されているが、本発明の態様は、説明されている実施形態の一部のみを含みうることは理解されるであろう。したがって、本発明は、上述の説明によって制限されるものとみなされるべきではなく、付属の特許請求の範囲の範囲によってのみ制限される。

１００ タービンアセンブリ
１０２ ロータホイール
１０４ 動翼
１０６ ダブテールピン
１０８ 円周方向スロット
１１０ 第１のリング部材
１１２ 第２のリング部材
１１４ （スロットの）第１の側壁
１１６ （ダブテールの）第１の側部
１１８ （スロットの）第２の側壁
１２０ （ダブテールの）第２の側部
１２２ （動翼を受け入れるためのリングの）開口部
１２４ （第１のリング部材の）部分
２００ 動翼
２０２ 動翼
２０４ 動翼
２０６ ダブテールピン
３００ エーロフォイル
４００ 係止部材
４０２ ネジ
４０４ 半径方向
４０６ 動翼
４０８ 円周方向
４１０ 動翼
５００ 突起部
５０２ 角
５０４ 角

Claims (6)

1. タービンアセンブリであって、
   ロータホイールと、
   前記ロータホイール内に形成され、前記ロータホイールの円周に対して均一な断面形状を備える、円周方向スロットと、
   前記円周方向スロット内に位置決めされた第１の複数のリング部材と、
   前記円周方向スロット内に位置決めされた第２の複数のリング部材と、
   閉鎖動翼が前記円周方向スロット内に置かれる前に前記円周方向スロット内に置かれるように構成された係止部材と、
   を備え、
   前記第１の複数のリング部材は前記円周方向スロット内に位置決めされたときにダブテール取り付け部の半径方向の移動を防ぐように構成され、前記ダブテール取り付け部はタービン動翼の一部であり、
   前記第１の複数のリング部材は、前記第１の複数のリング部材の間に少なくとも１つの開口を規定し、
   前記少なくとも１つの開口部は、前記ダブテール取り付け部の円周方向のスライドの前に、前記ダブテール取り付け部を半径方向に受け入れて、前記円周方向スロット内に前記ダブテール取り付け部の位置を固定するように構成され、
   前記第２の複数のリング部材は、前記円周方向スロット内に位置決めされたときに前記ダブテール取り付け部の半径方向移動を防ぐように構成され、
   前記第２の複数のリング部材は、前記第２の複数のリング部材の間に少なくとも１つの開口を規定し、
   前記少なくとも１つの開口部は、前記ダブテール取り付け部の円周方向のスライドの前に、前記ダブテール取り付け部を半径方向に受け入れて、前記円周方向スロット内に前記ダブテール取り付け部の位置を固定するように構成され、
   前記係止部材は、ネジを介して半径方向に伸張して前記円周方向スロットに関して前記閉鎖動翼および前記第１の複数のリング部材の少なくとも１つの位置を係止するように構成される、
   タービンアセンブリ。
2. 前記第１の複数のリング部材は、前記円周方向スロットの第１の側壁と前記ダブテール取り付け部の第１の側部との間に位置決めされる請求項１記載のタービンアセンブリ。
3. 前記第１の複数のリング部材は、前記円周方向スロットの前記第１の側壁に形状適合する請求項２記載のタービンアセンブリ。
4. 前記円周方向スロットの第２の側壁と前記ダブテール取り付け部の第２の側部との間に位置決めされた第２の複数のリング部材を備える請求項２または３に記載のタービンアセンブリ。
5. 前記第２の複数のリング部材は、前記第１の複数のリング部材と実質的に同一である請求項４記載のタービンアセンブリ。
6. 前記円周方向スロットの前記断面形状は、ダブテール形状をなす請求項１乃至５のいずれかに記載のタービンアセンブリ。