JP6153599B2 - タービン翼 - Google Patents

Description

本発明は、流体機械の分野に関するものであって、特にガスタービンにおける静翼又は動翼として使用されるような、請求項１の上位概念に記載のタービン翼に関する。

背景技術
圧縮機部分又はタービン部分において静翼又は動翼として用いられる、ガスタービン用の翼は、一般に１つの部品として、鍛造又はインベストメント鋳造により製造される。このことは特に、プラットフォーム及び／又はシュラウドセグメントを有する翼についても当てはまる。

益々促進される高温ガス温度の上昇及び冷却空気消費量の低下に基づき、ガスタービンにおける静翼及び動翼の負荷は高まる。よって、翼に生じる応力を、構造的な手段により低下させることが望ましい。同じ耐用年数の場合、減少された応力を有する構成部材の方が、より高い温度に耐えることができる。このようにして、より高い高温ガス温度と、より少ない冷却空気消費量とに対する要求が考慮され得る。

刊行物ＥＰ２１８９６２６Ａ１から、ガスタービン用の動翼ユニットが公知であり、この動翼ユニットは翼支持体に固定可能であり、各１つの翼板部材とプラットフォーム部材とを有しており、この場合、１つの翼列のプラットフォーム部材は、連続した内側シュラウドを形成している。そこでは低下された応力が、翼板部材とプラットフォーム部材とが別個の部材として形成されており、それぞれ翼支持体に固定可能であることによって達成される。この構成の欠点は、レトロフィットの課題には適していないという点にある。なぜならば、プラットフォーム部材に基づきロータにおける固定形式が変わるので、ロータ自体を適合させねばならないからである。

刊行物ＵＳ７７６２７８１Ｂ１から公知の、タービン翼とプラットフォームとから成るユニットでは、プラットフォームが別個の部材として形成されていて、特殊なピンによって翼に固定される。この構成は、個々の部材の製造に極めて費用がかかる、という欠点を有している。

発明の概要
本発明の課題は、公知のタービン翼の欠点を回避し、且つ変更無しでロータの固定側に取り付けられる別個のプラットフォームが用いられる、という点において優れたタービン翼を提供することにある。

前記課題及び別の課題は、請求項１記載の特徴全体により解決される。

本発明によるタービン翼は、前縁及び後縁を備え、且つシャフトを越えて、タービン翼を固定するために形成された翼脚部に移行している翼板と、流体通路を画定するために翼板の下端部に配置されたプラットフォームとを有しており、この場合、プラットフォームは別個の構成部材として形成されていて、翼板と形状接続的に結合可能である。プラットフォームは、複数の個別のプラットフォーム部材から組み合わされており、これらのプラットフォーム部材は、組み合わせた状態では翼板を包囲している、という点において優れている。プラットフォームを組み合わせて形成することにより、プラットフォームを翼に直接に固定することが可能なので、翼固定領域の適合は回避され得る。

本発明の１つの構成では、プラットフォームが２つのプラットフォーム部材から組み合わされている。

本発明の別の構成は、２つのプラットフォーム部材が組み合わされた状態においてそれぞれ接続面でもって、翼板の前縁若しくは後縁からプラットフォームの対応する縁部まで軸方向に延在する分離平面において、互いに突き合わせられていることを特徴とする。

特に、プラットフォーム部材にはそれぞれ、分離平面から出発する凹部が設けられており、これらの凹部は組み合わせた状態において、翼板の輪郭に適合された開口を、プラットフォームを貫通する翼板のために形成している。

好適には、プラットフォームは翼板に対してシールされている。

特に、翼板に対するシールのためには、プラットフォーム部材に、開口に沿った環状のシール溝が形成されており、該シール溝は、適合するシールを収容する。

本発明の更に別の構成では、２つのプラットフォーム部材は、分離平面内で互いにシールされている。

特に分離平面内でのシールのために、適合されたシールを収容するシール溝が設けられている。

本発明の更に別の構成は、２つのプラットフォーム部材が解離可能に互いに結合されていることを特徴とする。

特に、２つのプラットフォーム部材は互いにねじ締結されているか、又はリベット締結されていてよい。

好適には、２つのプラットフォーム部材に、それぞれ分離平面に対して平行に方向付けられ且つ分離平面において互いに突き合わされるフランジ区分が形成されており、これらのフランジ区分を介して、２つのプラットフォーム部材が互いにねじ締結又はリベット締結されている。

本発明の更に別の構成では、２つのプラットフォーム部材は、係止手段によって互いに係止されている。

特に、前記プラットフォーム部材は組み合わされた状態において、それぞれオーバラップ区分でもって互いにオーバラップしており、この場合、これらのオーバラップ区分間のオーバラップ領域には係止通路が形成されており、該係止通路には充填材が流し込まれている。

本発明の更に別の構成では、プラットフォームはタービン翼に固定されている。

特に、プラットフォームは、フックによりタービン翼に掛止されている。

好適には、プラットフォーム若しくはプラットフォーム部材にはフックが設けられており、該フックでもってプラットフォーム若しくはプラットフォーム部材は、タービン翼のシャフトの領域に設けられた溝に掛止されている。

択一的に、プラットフォーム若しくはプラットフォーム部材は、タービン翼と材料接続的に結合されていてよい。

特に好適な態様では、プラットフォーム若しくはプラットフォーム部材は、係止通路内に流し込まれた充填材によってタービン翼と結合されており、タービン翼及びプラットフォーム若しくはプラットフォーム部材の所定の区分の接続面には、それぞれ対向して共に１つの中空室を形成する凹部が設けられており、前記中空室は、硬化性の充填材、例えば金属溶融物を充填するために適している。

本発明の１つの実施形態による、２つの個別の部材から組み合わせ可能なプラットフォームの斜視図である。 図１に示したプラットフォームを備えるタービン翼の斜視図である。 図２に示した配置における、翼板に対するプラットフォーム部材のシールの断面図である。 本発明によりねじ締結されたプラットフォームの１実施形態の側面図（ａ）及び上から見た図（ｂ）である。 本発明により係止されたプラットフォームの１実施形態の側面図（ａ）及び上から見た図（ｂ）である。 図２に示した配置における、翼板に対するプラットフォーム部材の固定及びシールの択一的な実施形態を示した図である。

発明を実施するための方法
以下に、本発明を図面に関連した実施形態に基づき詳しく説明する。

図２には、本発明の１つの実施形態によるプラットフォームを備えたタービン翼が、斜視図で示されている。例えばガスタービンの動翼又は静翼であってよいタービン翼１０は、翼板１１を有しており、翼板１１は、上部が翼先端部１２で終わっており且つ前縁１３及び後縁１４を有している。翼板１１は下方に向かってシャフト１５に移行しており、シャフト１５には、ロータに設けられた相応する収容部に挿入するために公知の形式でもみの木状に形成された翼脚部１６が続いている。

翼板１１の下端部は、プラットフォーム１７により包囲され、プラットフォーム１７は、図１では２つの別個のプラットフォーム部材１７ａ及び１７ｂを分離平面１９において組み合わせたものであり、この場合、両プラットフォーム部材１７ａ，ｂは、相応する接続面１９ａ及び１９ｂでもって互いに突き合わされている（図１）。接続面１９ａ及び１９ｂから出発して、両プラットフォーム部材１７ａ，ｂには凹部１８ａ及び１８ｂが形成されており、これらの凹部１８ａ及び１８ｂは、組み合わされた状態のプラットフォーム１７において開口１８を形成し、この開口１８を貫通して翼板１１が延在している（図２）。図１及び図２から判るように、分離平面１９は翼板１１の両側で軸方向に、前縁１３からプラットフォーム１７の前縁部まで、若しくは後縁１４からプラットフォーム１７の後縁部まで延在している。

図３には、翼板１１におけるプラットフォーム部材１７ａ，ｂの固定、並びにプラットフォーム部材１７ａ，ｂと翼板１１との間の相応のシールが例示されている。固定のために、プラットフォーム部材１７ａ，ｂの、翼板１１に面した側にはフック２３が形成されており、フック２３でもってプラットフォーム部材１７ａ，ｂは、翼のシャフト１５に設けられた相応する溝２２に係合している。このようにして、翼脚部１６はプラットフォーム１７により何ら損傷されないままである。シールのために、プラットフォーム部材１７ａ，ｂの、開口１８に面した縁部には、環状のシール溝２０が設けられており、シール溝２０は、適合されたシール２１を収容している。

両プラットフォーム部材１７ａ及び１７ｂの結合は、種々様々な方法で行うことができる。図４には、例えば両部材のねじ締結が示されている。このために両プラットフォーム部材１７ａ，ｂには、分離平面１９に対して平行に方向付けられ且つ分離平面１９内で互いに突き合わされるフランジ区分２７ａ，ｂが形成されており、これらのフランジ区分２７ａ，ｂを貫通する、特にねじ込みボルトの形態の結合部材２６によって、両プラットフォーム部材１７ａ，ｂが互いに結合されている。ねじ込みボルトの代わりに、リベットも使用可能である。図４（ａ）に示したように、分離平面１９内でプラットフォーム部材１７ａ，ｂ間にシール２５が設けられていてもよい。このために分離平面１９内にはシール溝２４が形成されており、シール溝２４は適合されたシール２５を収容している。

解離可能なねじ締結の代わりに、プラットフォーム部材１７ａ，ｂ間の結合は、溶接又はろう接により、材料接続的に行うことも可能である。

プラットフォーム部材１７ａ，ｂ間の結合の別の手段として、図５には特別な形式の係止が示されている。この係止は、「バイキャスト(bi-cast)」という用語で知られており、例えば刊行物ＵＳ５７９７７２５に記載されている。このケースでは、両プラットフォーム部材１７ａ，ｂが相応するオーバラップ区分２８ａ及び２８ｂでもってそれぞれオーバラップしており、この場合、オーバラップ領域には係止通路２９が形成され、係止通路２９には、プラットフォーム部材１７ａ，ｂを組み合わせた後に、金属の充填材３０が流し込まれ、この場合、充填材３０は、オーバラップ区分２８ａ，ｂ間の相対運動を確実に阻止する。図５（ａ）に示す、図５（ｂ）の平面Ａ−Ａに沿った断面から明らかなように、係止通路２９には、側方に突出している充填材３０のノーズが設けられていてよく、これにより、係止通路２９の長手方向への充填材３０の滑り出しが阻止される。

図６には、図３に示した実施形態に対して択一的に、翼板１１におけるプラットフォーム部材１７ａ，ｂの別の固定形式が示されており、この固定形式は、機械的な固定機能とシール機能とを互いに統合したものである。図３に例示したような、固定要素である溝２２及びフック２３、並びにシール要素である溝２０及びシール２１を用いた摩擦接続的（摩擦力による束縛）及び形状接続的（形状的な束縛、例えば係合による結合）な結合の代わりに、硬化性の充填材３０を用いた前記構成要素の材料接続的な結合が生ぜしめられており、硬化性の充填材３０は、結合されるべき前記タービン翼構成要素間に形成された係止通路２９内に流し込み可能である。このことを達成するためには、プラットフォーム部材１７ａ，ｂの凹部１８並びにタービン翼１０の翼板１１若しくはシャフト１５の互いに面した接続面に、それぞれ対向位置する溝が、流し込み可能な充填材３０、特に金属溶融物を注入するために設けられている。注入された充填材が固まって例えば凝固又は硬化した後に、前記翼構成要素は互いに固く結合されている。この場合、タービン翼１０の特定の使用条件下で固体の状態であり続け且つ熱的な損傷を一切受けない充填材を選択せねばならないことは自明である。係止通路２９が、タービン翼１０の翼板１１若しくはシャフト１５を取り囲んで閉じられたリングを形成するように連続的に形成されている場合に、この結合は、固定とシールの２重の機能を満たすことになる。それというのも、このような結合は必然的に、十分に液密だからである。これにより、翼板１１又はシャフト１５とプラットフォーム１７との間の付加的なシールの要求を懸念する必要がなくなる。

本発明により、望ましくない応力を回避すると同時に、フレキシブルに適用され、且つ翼固定部を変更することなく後から装備可能な、プラットフォームと翼との間の機械的な分離部が達成される。

１０ タービン翼、 １１ 翼板、 １２ 翼先端部、 １３ 前縁、 １４ 後縁、 １５ シャフト、 １６ 翼脚部、 １７ プラットフォーム、 １７ａ，ｂ プラットフォーム部材、 １８ 開口、 １８ａ，ｂ 凹部、 １９ 分離平面、 １９ａ，ｂ 接続面、 ２０，２４ シール溝、 ２１，２５ シール、 ２２ 溝、 ２３ フック、 ２６ 結合部材（例えばねじ込みボルト、リベット）、 ２７ａ，ｂ フランジ区分、 ２８ａ，ｂ オーバラップ区分、 ２９ 係止通路、 ３０ 充填材

Claims (17)

1. タービン翼（１０）であって、前縁（１３）及び後縁（１４）を備え、且つシャフト（１５）を越えて、前記タービン翼（１０）を固定するために形成された翼脚部（１６）に移行している翼板（１１）と、流体通路を画定するために前記翼板（１１）の下端部に配置されたプラットフォーム（１７）とを有しており、該プラットフォーム（１７）は、別個の構成部材として形成されていて、前記翼板（１１）と形状接続的に結合可能であるものにおいて、
   前記プラットフォーム（１７）は、複数の個別のプラットフォーム部材（１７ａ，ｂ）から組み合わされており、これらのプラットフォーム部材（１７ａ，ｂ）は、組み合わされた状態では前記翼板（１１）を包囲しており、
   前記プラットフォーム（１７）は、２つのプラットフォーム部材（１７ａ，ｂ）から組み立てられており、
   前記両プラットフォーム部材（１７ａ，ｂ）は、それぞれ組み立て状態において接続面（１９ａ，ｂ）でもって、前記翼板（１１）の前記前縁（１３）若しくは前記後縁（１４）から軸方向に、前記プラットフォーム（１７）の対応する縁部に向かって延在する分離平面（１９）において、互いに突き合わせられており、
   前記両プラットフォーム部材（１７ａ，ｂ）は、前記分離平面（１９）内で互いにシールされている、
   ことを特徴とする、タービン翼。
2. 前記プラットフォーム部材（１７ａ，ｂ）は、それぞれ前記分離平面（１９）から出発する凹部（１８ａ，ｂ）を有しており、これらの凹部（１８ａ，ｂ）は組み立て状態において、前記プラットフォーム（１７）を貫通する翼板（１１）のために、前記翼板（１１）の輪郭に適合された開口（１８）を形成している、請求項１記載のタービン翼。
3. 前記プラットフォーム（１７）は、翼板（１１）に対してシールされている、請求項２記載のタービン翼。
4. 前記翼板（１１）に対するシールのために、前記プラットフォーム部材（１７ａ，ｂ）に、前記開口（１８）に沿った環状のシール溝（２０）が形成されており、該シール溝（２０）は、適合するシール（２１）を収容する、請求項３記載のタービン翼。
5. 前記分離平面（１９）内でのシールのために、適合されたシール（２５）を収容するシール溝（２４）が設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載のタービン翼。
6. 前記両プラットフォーム部材（１７ａ，ｂ）が解離可能に互いに結合されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のタービン翼。
7. 前記両プラットフォーム部材（１７ａ，ｂ）は互いにねじ締結（２６）されているか、又はリベット締結されている、請求項６記載のタービン翼。
8. 前記両プラットフォーム部材（１７ａ，ｂ）に、それぞれ前記分離平面（１９）に対して平行に方向付けられ且つ前記分離平面（１９）において互いに突き合わされるフランジ区分（２７ａ，ｂ）が形成されており、これらのフランジ区分（２７ａ，ｂ）を介して、前記両プラットフォーム部材（１７ａ，ｂ）が互いにねじ締結（２６）又はリベット締結されている、請求項７記載のタービン翼。
9. 前記両プラットフォーム部材（１７ａ，ｂ）は、係止手段（２９，３０）によって互いに係止されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のタービン翼。
10. 前記プラットフォーム部材（１７ａ，ｂ）は組み立て状態において、それぞれオーバラップ区分（２８ａ，ｂ）でもって互いにオーバラップしており、これらのオーバラップ区分（２８ａ，ｂ）間のオーバラップ領域には係止通路（２９）が形成されており、該係止通路（２９）には充填材（３０）が流し込まれている、請求項９記載のタービン翼。
11. 前記プラットフォーム（１７）は、前記タービン翼（１０）に固定されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のタービン翼。
12. 前記プラットフォーム（１７）は、フックにより前記タービン翼（１０）に掛止されている、請求項１１記載のタービン翼。
13. 前記プラットフォーム（１７）若しくは前記プラットフォーム部材（１７ａ，ｂ）にはフック（２３）が設けられており、該フック（２３）でもって前記プラットフォーム（１７）若しくは前記プラットフォーム部材（１７ａ，ｂ）は、前記タービン翼（１０）の前記シャフト（１５）の領域に設けられた溝（２２）に掛止されている、請求項１２記載のタービン翼。
14. 前記プラットフォーム（１７）又は前記プラットフォーム部材（１７ａ，ｂ）は、前記タービン翼（１０）と材料接続的に結合されている、請求項１１記載のタービン翼。
15. 前記翼板（１１）又は前記シャフト（１５）と、前記プラットフォーム部材（１７ａ，ｂ）とには、それぞれ溝状の凹部が設けられており、これらの溝状の凹部は、係止通路（２９）を形成するように対向して配置されていて、該係止通路（２９）に充填材（３０）が流し込まれている、請求項１４記載のタービン翼。
16. 前記係止通路（２９）は、前記翼板（１１）若しくは前記シャフト（１５）の全周にわたって連続的に形成されている、請求項１５記載のタービン翼。
17. 前記充填材（３０）は、前記タービン翼の特定の使用条件下で固体の状態にある、流し込み可能な金属である、請求項１５又は１６記載のタービン翼。

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