JP6352628B2 - テーパ付き部分スパン型シュラウド - Google Patents

Description

本発明は一般的には、ターボ機械に用いられる回転動翼に関する。さらに具体的には、本発明は、隣り合った動翼の間に部分スパン型シュラウド（part-span shroud）を設けた回転動翼に関する。

蒸気タービン又はガス・タービンのようなターボ機械の流体流路は一般的には、静止したケーシング及びロータによって形成される。この構成では、所定数の静翼が円周方向のアレイを成してケーシングに取り付けられており、半径方向内向きに流路内まで延在している。同様に、所定数の回転動翼が円周方向のアレイを成してロータに取り付けられており、半径方向外向きに流路内まで延在している。静翼及び回転動翼は、静翼列と直下流の動翼列とが「段」を形成するように交互列を成して配列されている。静翼は、流路が正しい角度で下流動翼列に流入するように流路を導くためのものである。動翼又はバケットの翼型部分は作動流体からエネルギを抽出し、これによりロータ及びロータに取り付けられた負荷を駆動するのに必要な動力を発生する。

米国特許出願公開第２０１０／０２４７３１５号明細書

ターボ機械の動翼は、高速で回転するため振動及び軸方向捩れを受ける場合がある。これらの問題に対処するために、動翼は典型的には、各々の動翼の外側先端と基部との間の中間の半径方向距離で翼型部分に配設された部分スパン型シュラウドを含んでいる。部分スパン型シュラウド又はシュラウド部分は典型的には、各々の翼型の加圧（凹形）側及び吸込（凸形）側の各々に固着されており、隣り合った動翼の部分スパン型シュラウドが対を成して係合し、ロータの回転中には互いに沿って摩擦しながら摺動する。従来の部分スパン型シュラウドはかなりの重量を有し、典型的には、部分スパン型シュラウドと翼型表面との間の構造的応力を緩和して翼型に部分スパン型シュラウドを支持するためにシュラウド／翼型境界面に比較的大きいフィレット（fillet）を必要とする。重量及び要求されるフィレット設計のため、動翼の空気力学性が低下し、従って、問題となるターボ機械段の流量及び全体的性能が低下する傾向にある。

例示的であり非限定的な実施形態の一例では、ターボ機械のための回転式動翼が提供され、この回転式動翼は、前縁及び後縁、半径方向内側端部及び半径方向外側端部を有する翼型部分と、翼型部分の半径方向内側端部に位置する基部と、基部と半径方向外側端部との間で翼型部分に位置して、翼型部分の両側から離隔するように突出している部分スパン型シュラウドとを含んでおり、部分スパン型シュラウドは、翼型部分から、隣接する動翼の部分スパン型シュラウドの相手接触面と係合するように構成されている接触面まで幅及び厚みが減少している。

もう一つの例示的な観点では、ステータの内部で回転自在に装着されたロータを含むターボ機械が提供され、ロータは、シャフトと、該シャフトに装着された少なくとも一つのロータ・ホイールとを含んでおり、少なくとも一つのロータ・ホイールの各々が、複数の半径方向外向きに延在する動翼を装着して含んでおり、各々の動翼が、前縁及び後縁、半径方向内側端部及び半径方向外側端部、加圧側及び吸込側を有する翼型部分と、翼型部分の半径方向内側端部に位置する基部と、それぞれ加圧側及び吸込側において基部と半径方向外側端部との間で翼型部分に位置する一対の部分スパン型シュラウド部分とを含んでおり、各々の部分スパン型シュラウド部分が、翼型部分から、隣接する動翼の部分スパン型シュラウド部分の相手接触面と係合するように構成されている接触面まで幅及び厚みが減少している。

もう一つの例示的な観点では、本発明は、ステータの内部で回転自在に装着されたロータを含むターボ機械に関し、ロータは、シャフトと、該シャフトに装着された少なくとも一つのロータ・ホイールとを含んでおり、少なくとも一つのロータ・ホイールの各々が、複数の半径方向外向きに延在する動翼を装着して含んでおり、各々の動翼が、前縁及び後縁、半径方向内側端部及び半径方向外側端部、加圧側及び吸込側を有する翼型部分と、翼型部分の半径方向内側端部に位置する基部と、それぞれ加圧側及び吸込側において基部と半径方向外側端部との間で翼型部分に位置する一対の部分スパン型シュラウドとを含んでおり、各々の部分スパン型シュラウド部分が、翼型部分から、隣接する動翼の部分スパン型シュラウドの相手接触面と係合するように構成されている接触面まで幅及び厚みが減少し、翼型部分の加圧側の部分スパン型シュラウドは、翼型部分の吸込側の部分スパン型シュラウドの最大厚みの１．１倍から１．５倍である最大厚みを有し、翼型部分の加圧側の部分スパン型シュラウドは、翼型部分の吸込側の部分スパン型シュラウドの長さの１．１倍から１．５倍の長さを有している。

発明のこれらの観点、利点及び特徴、並びに他の観点、利点及び特徴は、下記の図面と併せて以下の詳細な説明から明らかとなろう。

従来型蒸気タービンの部分切除遠近図である。 従来型ガス・タービンの断面図である。 例示的であり非限定的な実施形態の一例による二つの隣り合った回転動翼の遠近図である。 図３から取った部分スパン型シュラウドを含む二つの隣り合った回転動翼の一部の拡大遠近図である。 本発明の実施形態のもう一つの例による部分スパン型シュラウドを含む二つの隣り合った動翼の一部の上面図である。 公知の対称型部分スパン型シュラウドの断面図である。 涙滴型部分スパン型シュラウドの断面図である。 図５と同様の図であるが、本発明の例示的であり非限定的な実施形態の一例による隣り合った動翼の対を成す部分スパン型シュラウドを示す上面図である。 図８の様々な断面Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂ及びＣ−Ｃの概略図であって、対を成す部分スパン型シュラウドの様々な切断面における面積差を示す図である。 図９と同様の図であるが、実施形態のもう一つの例による概略図である。 図１０と同様の図であるが、実施形態のもう一つの例による対を成す部分スパン型シュラウドの断面形状を示す概略図である。

本開示の図面は必ずしも一定寸法比ではないことを特記しておく。図面は、本開示の典型的な観点のみを示すものとし、従って、本開示の範囲を限定するものと看做すべきでない。加えて、切断線Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂ及びＣ−Ｃは、部分スパン型シュラウド部分の複合的な角度形状のため近似となっている。

以下、他では従来型の蒸気タービン・エンジンの動作に関連した応用を参照して、本発明の少なくとも一つの実施形態を記載する。本発明の各実施形態は、発電に用いられる蒸気タービン・エンジン及びガス・タービン・エンジンに対して説明されているが、本教示は、限定しないがガス・タービン・エンジン圧縮機、ファン、及び航空機分野に用いられる他のガス・タービンを含めた他の電気機械にも同等に応用可能であることが理解される。さらに、以下では、本発明の少なくとも一つの実施形態は、一組の公称寸法を含む公称サイズに関して記載されている。しかしながら、本発明が任意の適当なタービン及び／又は圧縮機に同様に適用可能であることは当業者には明らかであろう。さらに、本発明が本書に記載される機械の様々な拡縮倍率の形態に同様に適用可能であることは当業者には明らかであろう。

図１及び図２は、本書に記載されているような動翼が用いられ得るタービン環境例を示す。図１は、蒸気タービン１０の部分切除遠近図を示す。蒸気タービン１０はロータ１２を含んでおり、ロータ１２は、シャフト１４と、複数の軸方向に隔設されたロータ・ホイール１８とを含んでいる。各々のロータ・ホイール１８には、複数の回転式動翼２０が機械的に結合されている。さらに明確に述べると、動翼２０は、各々のロータ・ホイール１８の周りで円周方向に延在する列を成して配列されている。複数の静翼２２が、シャフト１４の周りで円周方向に延在しており、動翼２０の隣り合った列の間に軸方向に配置されている。静翼２２は回転式動翼２０と協働して、複数のタービン段の一つを形成し、タービン１０を通る蒸気流路の一部を画定している。

動作について述べると、蒸気２４がタービン１０の入口２６に入り、静翼２２を通過して運ばれる。静翼２２は、蒸気２４を動翼２０に衝突させながら下流へ導く。蒸気２４は残りの段を通過し、動翼２０に力を加えながら、シャフト１４を回転させる。タービン１０の少なくとも一方の端部はシャフト１４を介してロータ１２から軸方向に離隔して延在することができ、限定しないが発電機及び／又はもう一つのタービンのような負荷又は機械装置（不図示）に取り付けられ得る。従って、大型の蒸気タービン・ユニットは実際に、全て同じシャフト１４に同軸で結合された幾つかのタービンを含み得る。かかるユニットは、例えば順に低圧タービン、中圧タービンに結合された高圧タービンを含み得る。

図１に示す蒸気タービン１０は、五つの段を含んでいる。これら五つの段をＬ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４と付番する。段Ｌ４が第一段であり、五つの段で最も小さい（半径方向に）。段Ｌ３が第二段であり、軸方向の次段である。段Ｌ２は第三段であり、五つの段の中央に示されている。段Ｌ１は第四段であり、最後の段の一つ前の段である。段Ｌ０は最後の段であり、最も大きい（半径方向に）。五つよりも多い又は少ない段が存在し得ることを理解されたい。

図２を参照すると、ガス・タービン１１０の断面図が示されている。ガス・タービン１１０はロータ１１２を含んでおり、ロータ１１２は、シャフト１１４と、複数の軸方向に隔設されたロータ・ホイール１１８とを含んでいる。幾つかの実施形態では、各々のロータ・ホイール１１８は、例えば鋼のような金属製であってよい。各々のロータ・ホイール１１８には、複数の回転動翼１２０が機械的に結合されている。さらに明確に述べると、動翼１２０は、各々のロータ・ホイール１１８の周りで円周方向に延在する列を成して配列されている。複数の静翼１２２が、シャフト１１４の周りで円周方向に延在しており、動翼１２０の隣り合った列の間に軸方向に配置されている。

動作時には、大気圧にある空気が圧縮機によって圧縮されて、燃焼段に送られる。燃焼段では、圧縮機を出た空気が、空気に燃料を加えて得られる混合気を燃焼させることにより熱せられる。次いで、燃焼段での燃料の燃焼から生ずるガス流がタービン１１０を通じて膨張して、自身のエネルギの幾分かを、タービン１１０を駆動すると共に機械的動力を発生するように送る。駆動トルクを発生するために、タービン１１０は１又は複数の段から成る。各々の段が、静翼１２２の列と、ロータ・ホイール１１８に装着された回転動翼１２０の列とを含んでいる。静翼１２２は、燃焼段からの流入ガスを動翼１２０まで導く。これにより、ロータ・ホイール１１８の回転、及び結果としてシャフト１１４の回転を駆動し、機械的動力を発生する。

以下の記載は、動翼２０を特に参照するが、動翼１２０にも同等に適用可能である。図３及び図４へ移ると、一対の隣り合った動翼２０がさらに詳細に示されている。各々の動翼２０が、翼型部分３２を含んでいる。翼型部分３２の半径方向内向き端部には、基部３４が固着（又は一体化）されている。基部３４から、動翼取付け部材３６が突出している。幾つかの実施形態では、動翼取付け部材３６はばち形（dovetail）であってよいが、他の動翼取付け部材形状及び構成も当技術分野では周知であり、本書でも思量される。翼型部分３２の第二の反対側端部には半径方向外側先端３８が位置している。翼型構成は、前縁４０、後縁４２、加圧側４４及び吸込側４６を含んで形成される。

基部３４と先端３８との間で翼型部分３２の中間区画に部分スパン型シュラウド４８が取り付けられている。この実施形態の例では、翼型部分３２の吸込側４４及び加圧側４６に、それぞれ部分スパン型シュラウド部分５０、５２が位置している。図３に示す実施形態の例では、隣り合った動翼２０の部分スパン型シュラウド部分５０、５２は、タービンの動作中に対を成したＺ字形状の接触面５４、５６（図４を参照されたい）に沿って少なくとも部分的に係合するように設計されている。部分スパン型シュラウド部分は、フィレット５８において翼型部分に接合されている（フィレット５８は部分スパン型シュラウド部分５２について示されているが、部分スパン型シュラウド部分５０にも用いられている）。

動翼の剛直性及び制振性は、部分スパン型シュラウドが動翼の捩り戻り中に接触面５４、５６に沿って互いに接触するため、高められる。このように、複数の動翼２０は単体の連続結合構造として振る舞い、この構造は、分離した非結合型設計に比較して高められた剛直性及び制振性（従って低下した振動応力）を呈する。

図５は、もう一つの公知の構成を示しており、同図では、隣り合ったそれぞれの動翼６４、６６に設けられている部分スパン型シュラウド部分６０、６２が、真直の実質的に平行な接触面６８、７０に沿って係合するように設計されている。

図６は、例えば米国特許第５，６９５，３２３号に図示され記載されているような部分スパン型７２シュラウド（翼型の加圧側及び吸込側の両方に設けられている）についての公知の対称な断面形状を示しており、この形状が典型的には、図３から図５に示すようなシュラウド構成と共に用いられている。部分スパン型断面の最大厚みは、部分スパン型シュラウド７２の前縁７６と後縁７８との間に延在する翼弦７４の長さに沿って近似的に中間に位置する。

図７は、部分スパン型シュラウド８０についての涙滴型断面形状を示す。ここでは、断面形状の最大厚みは、部分スパン型シュラウドの前縁８２に近付いて前方に移動している。さらに明確に述べると、最大厚みの点は、前縁８２から測定して部分スパン型シュラウド８０のそれぞれ前縁８２と後縁８６との間に延在している翼弦８４の長さの２０％から４０％の範囲、好ましくは、約３０％に位置し得る。このように、この涙滴型形状の部分スパン型シュラウドの厚みは、最大厚みの位置から両方向で異なっている。

図８及び図９は、本発明の例示的であり非限定的な実施形態の一例によるロータ・ホイールの隣り合った動翼に設けられたテーパ付き部分スパン型シュラウド（又は部分スパン型シュラウド部分）を示す。一つの動翼又はバケット９０（蒸気タービン又はガス・タービンにおける）が、当該動翼の吸込側９４に部分スパン型シュラウド（ＰＳＳ）部分９２を設けられている。ＰＳＳ部分９２は、三つの縁すなわち前縁９６、後縁９８及び連結縁１００で構成されている。連結縁１００はまた接触面と呼んでもよく、この面は、動翼又はバケット１０６の隣接する加圧側１０５の隣接するＰＳＳ部分１０４の同様の接触面１０２と係合又は当接するように構成されている。後縁９８及び接触面１００は約９０°の第一の角度で交差し、前縁９６は、動翼境界面（フィレット１０８によって画定される）から接触面１００まで狭まり、従って約９０°よりも大きい第二の鈍角で連結縁に交差する。これらの具体的な角度は、タービン・フレーム・サイズ及びタービン段等に基づいて特定応用と共に変化してよい。

実質的に対向する又は鏡像のテーパ構成が、動翼９０の加圧側９５のＰＳＳ部分９３に設けられており、この構成は、隣接する動翼１０６の加圧側１０５の部分スパン型シュラウド部分１０４と同等である。ここでは、前縁１１０及び接触面１０２は約９０°の第一の角度で交差し、後縁１１２は、動翼境界面（フィレット１０９によって表わされる）から接触面１０２まで狭まり、従って９０°よりも大きい第二の角度で接触面１０２に交差する。

前縁及び後縁９６、９８、１１０及び１１２に、円周方向又は動翼から動翼への方向（それぞれの接触縁１００、１０２へ向けて内向き）にそれぞれテーパを設けることにより、部分スパン型シュラウド部分の質量又は重量が減少し、接触面１００、１０２は短縮した長さを有する実質的に真直の線に沿って係合することが分かる。

この特徴はまた、図８にも示されており、同図では、涙滴型形状の断面プロファイル（図８の切断線Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂ及びＣ−Ｃの近似的な位置で切り取られている）は実質的に同様のままであるが、係合した接触面１００、１０２の近傍に位置する切断線Ｂ−Ｂでは質量又は重量減少を伴っている。換言すると、様々に位置する切断面での断面形状及び最大厚みは実質的に同じままであるが、前縁から後縁までの翼弦１０１（接触面１００、１０２の近傍）の長さは翼弦１０３、１０５に対して減少しており、このように接触面面積を縮小している。この短縮した翼弦長さは、動翼から動翼への方向で縁９６、１１２に沿った鋭いテーパを反映している。

図１０は、翼弦長さ変化に関して図９と同様の実施形態を示しているが、ここでは、断面プロファイルは図９の涙滴型形状に対して本質的に対称な長円形状である。加えて、最大断面厚みＴ２が、切断面Ａ−Ａ及びＣ−Ｃに実質的に沿った厚みＴ２及びＴ３と比較して接触面に沿って及び／又は隣接して（切断面Ｂ−Ｂにおいて又は近傍において）減少していることを特記しておく。結果として、翼弦長さ及び最大厚みの両方がこの位置において減少しており、このようにシュラウド部分の質量のさらに一層の減少を生成している。図９と図１０との間の唯一の差はプロファイル形状に関するものであるため、同等の参照番号を用いた。

図１１では、対を成すＰＳＳ部分１１４及び１１６が、全体的に翼型又は涙滴型形状の断面又はプロファイルを有している。本実施形態では、最大厚みＴ１及び翼弦長さ１１５が、動翼の加圧側のＰＳＳ部分１１４の取り付け位置（実質的に切断面Ａ−Ａに沿った）において最大である。ＰＳＳ部分１１６が吸込側に取り付けられている場合（切断面Ｃ−Ｃによって表わされる）には、翼弦長さ１１７及び最大厚みＴ３は両方とも接触面（切断面Ｂ−Ｂによって表わされる）よりも大きいが、加圧側取り付け位置における（切断面Ａ−Ａに表わされる）よりも小さい。加えて、ＰＳＳ１１４の長さＬ１はＰＳＳ１１６の長さＬ２よりも大きい。但し、対を成したＰＳＳ部分の断面形状又はプロファイルは全体的に同様のままであることを特記しておく。

動翼の加圧側から延在するＰＳＳ部分１１４が長いほど、隣接する相対的に短いＰＳＳ部分１１６よりも質量が大きくなり、従って、動作中の遠心力（又は引張り負荷）が高くなる。引張り負荷が高いので、加圧面への取り付け位置での断面積を拡大しなければならず、このときフィレットのサイズを同時に増大させる場合もさせない場合もある。一方、ＰＳＳ部分１１６についての長さは相対的に短いので、断面及びフィレットのサイズを両方とも減少させることができる。言うまでもなく、対面又は接触面（切断面Ｂ−Ｂによって表わされる）の縁での形状及び厚みは、実質的に完全に適合した接触境界面を促進するように同等であるものとする。

例示的であり非限定的な実施形態の一例では、加圧側の切断面Ａ−Ａでの厚みＴ１は、吸込側の切断面ＣＣよりも１０％から５０％大きくてよい（又は１．１倍から．５倍）。同様に、ＰＳＳ部分１１４の長さＬ１は、ＰＳＳ部分１１６のＬ２よりも１０％から５０％大きくてよい（又は１．１倍から１．５倍）。

吸込側境界面においてプロファイル及びフィレットのサイズを減少させることにより、全体的な流れ性能を高めることができる。

加えて、接触面は必ずしも単純な直線を画定していなくてもよく、他の構成例えば従来型のＺ字形係止形状を有し得る。

以上に記載した動翼及び部分スパン型シュラウドは、多様なターボ機械環境に用いられ得る。例えば、部分スパン型シュラウドを有する動翼は、圧縮機の前方段、ガス・タービンの後方段、蒸気タービンの低圧区画動翼、圧縮機の前方段、及び航空機ガス・タービン用タービンの後方段の任意の１又は複数において動作し得る。

本書で角度又は寸法に関して用いられる「約」との修飾語は、所載の値を包含し、文脈によって決まる意味を有する（例えば特定の角度又は寸法の測定に関連する程度の誤差を含む）。

本書では様々な実施形態について記載したが、各実施形態の要素、変形又は改良の様々な組み合わせが当業者によって形成されることができ、本発明の範囲内にあることは明細書から明らかであろう。加えて、発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を発明の教示に合わせて適応構成する多くの改変を施すことができる。従って、本発明は、発明を実施するために思量される最良の態様として開示された特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲内にある全ての実施形態を包含するものとする。

１０：蒸気タービン
１２：ロータ
１４：シャフト
１８：ロータ・ホイール
２０：回転式動翼
２２：静翼
２４：蒸気
２６：入口
３２：翼型部分
３４：基部
３６：動翼取付け部材
３８：半径方向外側先端
４０：前縁
４２：後縁
４４：加圧側
４６：吸込側
４８：部分スパン型シュラウド
５０、５２：部分スパン型シュラウド部分
５４、５６：接触面
５８：フィレット
６０、６２：部分スパン型シュラウド部分
６４、６６：動翼
６８、７０：接触面
７２：部分スパン型シュラウド
７４：翼弦
７６：前縁
７８：後縁
８０：部分スパン型シュラウド
８２：前縁
８４：翼弦
８６：後縁
９０：動翼又はバケット
９２：部分スパン型シュラウド部分
９３：部分スパン型シュラウド部分
９４：吸込側
９５、１０５：加圧側
９６、１１０（図８）：前縁
９８、１１２（図８）：後縁
１００：連結縁
１０１、１０３、１０５：翼弦
１０２：接触面
１０４：部分スパン型シュラウド部分
１０６：動翼又はバケット
１０８、１０９：フィレット
１１０（図２）：ガス・タービン
１１２（図２）：ロータ
１１４（図２）：シャフト
１１４（図１１）、１１６：部分スパン型シュラウド部分
１１５、１１７：翼弦長さ
１１８：ロータ・ホイール
１２０：回転式動翼
１２２：静翼

Claims (8)

1. 前縁及び後縁、半径方向内側端部及び半径方向外側端部を有する翼型部分と、
   前記翼型部分の前記半径方向内側端部に位置する基部と、
   前記基部と前記半径方向外側端部との間で前記翼型部分に位置して、前記翼型部分の第１の側から第１の接触面まで突出している第１の部分スパン型シュラウドであって、前記翼型部分から第１の接触面まで幅及び厚みが減少するようにテーパが付けられている第１の部分スパン型シュラウドと、
   前記基部と前記半径方向外側端部との間で前記翼型部分に位置して、前記翼型部分の第１の側とは反対側の第２の側から第２の接触面まで突出している第２の部分スパン型シュラウドであって、前記翼型部分から第２の接触面まで幅及び厚みが減少するようにテーパが付けられている第２の部分スパン型シュラウドと
   を備えたターボ機械のための回転式動翼であって、前記翼型部分の第１の側が翼型部分の加圧側であって、前記翼型部分の第２の側が翼型部分の吸込側であり、前記翼型部分の加圧側の第１の部分スパン型シュラウドの最大厚みが、前記翼型部分の吸込側の第２の分スパン型シュラウドの最大厚みの１．１倍から１．５倍である、回転式動翼。
2. 前記第１及び第２の部分スパン型シュラウドは長さが実質的に等しい、請求項１に記載の回転式動翼。
3. 前記第１及び第２の部分スパン型シュラウドは異なる長さを有する、請求項１に記載の回転式動翼。
4. 前記第１及び第２の部分スパン型シュラウドは対称な断面形状を有する、請求項１に記載の回転動翼。
5. 前記第１及び第２の部分スパン型シュラウドは実質的に涙滴型形状を有する、請求項４に記載の回転式動翼。
6. 圧縮機の前方段動翼、
   ガス・タービンの後方段動翼、又は
   蒸気タービンの低圧区画動翼
   の一つとして動作する、請求項１に記載の回転式動翼。
7. 前記翼型部分の加圧側の第１の部分スパン型シュラウドの長さが、前記翼型部分の吸込側の第２の部分スパン型シュラウドの長さの１．１倍から１．５倍である、請求項３に記載の回転式動翼。
8. ステータの内部で回転自在に装着されたロータを備えたターボ機械であって、前記ロータは、
   シャフトと、
   前記シャフトに装着された少なくとも一つのロータ・ホイールと
   を含んでおり、前記少なくとも一つのロータ・ホイールの各々に、複数の半径方向外向きに延在する動翼が装着されており、各々の動翼が請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の回転式動翼である、ターボ機械。