JP6382115B2 - プレツイステッド翼用のシュラウド - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械におけるシュラウド付きブレードに対する改良に関する。本発明は、特に、しかし排他的にではなく、蒸気タービンのロータに取り付けられる可動ブレードに関する。

以下の説明では、“タービン”という用語は、蒸気又はガスなどの流動媒体によって力結合されるステータおよび回転部分を有するロータリエンジンを指すために用いられる。本発明にとって特に関連があるのは、可動ロータブレードの半径方向配列と交互に位置する、半径方向に配置されて固定されたステータブレードもしくはベーンを有する軸流タービンである。移動は、概してケーシングまたはハウジングに対する移動として定義される。

可動ブレードは、ロータに組み付けるための、下端における根元部と、隣接するブレードのシュラウドと係合してリングを形成するための、上端に設けられたシュラウドとを有するように設計されている。可動ブレードは、軸方向または周方向の溝を有するロータに組み付けられる。軸方向溝は、直線状または曲線状であることができる。

各ブレードがねじられるようにブレードの列を組み立てることが知られている。ねじりのプロセスは、機械的制約を加えることによって、通常は根元セクションおよびトップまたはシュラウドセクションに加えられる力によって、制約されない平衡状態からねじられた状態へブレードを強制することとして見なすことができる。

回避しようとする特定の問題は、タービン設計におけるブレードの固有振動数の励起である。ブレードまたはブレードアセンブリのあらゆるタイプの共振挙動は、潜在的に、タービンの作動に不利な影響を有し、したがって回避すべきである。作動中の共振を回避する１つの方法は、より剛性のブレードプロフィルおよび／またはより大きなねじり角度を用いることによって試みられる。両解決策は、高いプレストレスでブレードの列を組み立てる際に、より大きな応力または困難につながるという欠点を有する。より大きなプレツイスト（予め加えられるねじれ）で組み立てられたブレードは、所望のようにねじる代わりに、曲げを受けやすい。

したがって、本発明の課題は、前記解決策に関連した問題を少なくとも部分的に回避しつつ、ブレードの振動数を高めるために既存のブレード設計を改良することである。

本発明の１つの態様によれば、ブレードの振動数を高めるために、タービン、またはより一般的にはターボ機械用のシュラウド付きブレード、好適にはプレツイステッドブレードの接触面に沿って凹所が設けられる。

凹所もしくは凹みは、好適には、平坦な面を備えた、すなわち凹所を備えない隣接する慣用のシュラウドの間の接触領域となるべきものと部分的に重なるように配置されている。この形式では、元の接触領域は有効に分割され、新たな接触領域は、凹所の幅を超えたシュラウドの面の部分を有する。１つの接触領域を、シュラウドの接触領域もしくは接触面に提供された凹所によって分離された２つの接触領域と置き換えることが発明の目的として見なすことができる。

平らな面を備えた隣接する慣用のシュラウドの間の元の接触領域は、通常、面の１つの（軸方向）端部に近いので、凹所は、シュラウドを構成する隣接するセグメントの間の接触が軸方向でシュラウドの両端部に向かって広がるように、面の中央に配置することができる。

この特徴は、より大きな節直径における振動数を高め、ひいては、シュラウド付きブレードの列の振動数安定性を高める。

好適な実施の形態において、シュラウドセグメントは、周方向端部のうちの一方において１つの凹所のみを有し、この凹所は、好適には、シュラウドセグメントの周方向幅の１０％までの範囲の凹所深さを有する。商業的に使用されるブレードの場合、深さは、通常、０．１ｍｍ〜５ｍｍの範囲またはさらには０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲である。凹所が、隣接するシュラウドの接触面の間で分割されている場合、各凹所の深さは、たとえば、半分にするか、またはあらゆるその他の所望の比にしたがって分割することができる。

別の好適な実施の形態において、凹所は、２つの隣接するシュラウドセグメントの間の潜在的な接触領域の少なくとも全半径方向長さをカバーする線に沿って半径方向に延びている。その形状に応じて、凹所の一部分は、潜在的な接触領域のエッジまで、ひいてはシュラウドセグメントのエッジまでも延びていることができる。

別の好適な実施の形態において、凹所は、シュラウドセグメントの全軸方向幅の少なくとも０．１倍または少なくとも０．３倍に沿って軸方向に延びており、さらにより好適には、シュラウドセグメントの、周方向に向けられた重心に中心を合わせられている。

凹所は、接触領域の半径方向位置を規定するように提供することもできる。たとえば、凹所は、概してＴ字形であることができ、この場合、材料のより広いストリップが、面の軸方向中心線の上方で除去されており、これにより、この中心線の下方での隣接するシュラウドの接触を保証する。凹所が、この中心線の上方および下方で除去されたより広いストリップを有するならば、接触領域を、中心線における位置または中心線に近い位置に限定することができる。

シュラウドセグメントの係合面が、周方向の段部または同様の幾何学的変化を有する場合、前記凹所を、周方向で対面するそれぞれの面に、すなわち、シュラウドが互いに接触するそれぞれの面に提供することができる。

発明のこれらの態様およびその他の態様は、以下の詳細な説明および以下に挙げる図面から明らかになるであろう。

発明の例示的な実施の形態をここで添付の図面を参照して説明する。

シュラウドセグメントでもって互いに係合する３つのブレードまたは翼のグループを示す図である。 公知の、１つのブレードおよびシュラウドセグメントの上部を示す、より詳細な概略的な三次元の図である。 本発明の１つの例による、１つのブレードおよびシュラウドセグメントの上部の、図２Ａと同様の図である。 本発明の別の例により変更されたシュラウドセグメントを示す図である。 公知の、２つの係合するシュラウドセグメントの概略的な三次元の図である。 本発明の例による、２つの係合するシュラウドセグメントの、図３Ａと同様の図である。 変更を有さない同じ列と比較した、本発明の例による翼の列の第１のモードのための振動数のシフトを示す図である。

本発明の例の態様および詳細は、以下の説明において、蒸気タービンのロータに取り付けられる一列のブレードもしくは翼を用いてさらに詳細に説明される。

３つのブレード１１，１２，１３から成るグループが図１の斜視図に示されている。各ブレードは、ロータ（図示せず）の対応する周方向溝への挿入のための根元セクション１１−１，１２−１，１３−１を有する。各ブレードの上部において、実際の翼にシュラウドセグメント１１−２，１２−２，１３−２が載設されている。シュラウドセグメントは、シュラウドと称される完全な周方向リングを構成する。例において、シュラウドセグメントは、互いに接触しているが、原則的に互いに対して相対的に自由に移動できる。その結果、シュラウドセグメントは、組み立てられた位置から、たとえば２５、３０、５０または６０Ｈｚでのロータの高速回転によって生ぜしめられる作動位置へ移動している。

ブレードのプレツイスト（予め加えられるねじれ）は、シュラウドセグメント１１−２，１２−２，１３−２の周方向長さを、シュラウドの円周を列ごとのブレードの数で割ることによって決定される公称長さよりもわずかに拡大することによって達成することができる。ブレードがロータの溝に組み付けられると、余分な長さを許容するためにシュラウドセグメントは回転するので、ねじれが生ぜしめられる。択一的に、シュラウドにおけるブレードの結合は、回転による翼のねじり戻しにより達成することもできる。この態様では、プレツイストは必要とされず、シュラウドセグメントは、組立時に小さな間隙を有していて、この間隙は、タービンの作動速度で閉じるようになっている。

１１−２，１２−２などの２つの隣接するシュラウドセグメントの接触面が平坦である場合、ねじれは、接触領域を生じる。通常、この接触領域は、接触面の軸方向端部のうちの一方の近くに位置する。

本発明の効果は、図２Ａに示された公知のブレードのシュラウドセグメント１１−２と、図２Ｂに示された発明の一例によるブレードのシュラウドセグメント１１−２との比較によって示される。図２Ａにおいて、隣接するシュラウドセグメントと接触するように設計されたシュラウドセグメント１１−２の面１１１は、平坦な面として示されている。上述のように、組み立てられた列において、接触領域１１２は、接触面の軸方向端部のうちの一方の近くに位置する。図２Ａの斜視図において、接触領域１１２は、面１１１の近位軸方向端部における斜線部分として示されている。

図２Ｂの例において、浅い凹所または凹み１１３が面１１１に機械加工されている。凹所１１３の位置は、元の接触領域１１２と部分的に重なっている。凹所は、元の接触領域１１２の重なる部分における接触を防止し、凹所１１３の反対側における面１１１において、第２の接触領域１１４を生じる。接触領域は、元の接触領域１１２の残りの部分と、新たな接触領域１１４とに有効に分割されている。２つの接触領域を有することは、シュラウド付きブレードをより剛性にすると考えられる。

図２Ｂの凹所は、矩形の単純な浅い溝である。しかしながら、残りの接触領域１１２，１１４を、シュラウドの安定性または剛性が高められる位置へ移動させるように、より複雑な形状に溝を切ることが有利であり得る。たとえば、図２Ｃでは、溝１１３の断面は、大文字のＨもしくは二重Ｔ字形として形成されている。この形状は、２つの領域１１２，１１４における接触を、シュラウドセグメント１１−２の（半径方向）中心線に近づける。別の変化態様（図示せず）において、単独のＴ形状を用いて、接触領域を、たとえば（半径方向）中心線の下方のシュラウドセグメントの下側部分または半径方向中心線の上方の上側部分に移動させることができる。この例の変化態様において、凹所の一部分は、軸方向に面１１１のエッジまで延びることができる。

図３Ａにおいて、公知のような平坦な接触面を備えた２つの隣接するシュラウドセグメント１１−２，１２−２が示されている。隠れた線は点線で示されている。図３Ｂには、発明の例により変更された接触面を備えた２つの隣接するシュラウドセグメント１１−２，１２−２が示されている。上述のように、凹所１１３は、シュラウドセグメント１１−２，１２−２の対向した面を、凹所１１３のそれぞれの側における２つの別々の位置において互いに接触させる。

図２Ｂおよび図３Ｂの例において、浅い凹所は、シュラウドセグメントの係合面のうちの一方のみに提供されている。しかしながら、シュラウドセグメントの係合面の両方に凹所を有することも同様に可能であり、その場合、隣接するシュラウドの分離にそれぞれの凹所が貢献するので、それぞれの凹所をより浅くすることができる。

凹所の全深さは、通常、シュラウドの全体的な機械的安定性および漏れ挙動に影響することなく、接触領域の所望の分離を達成するのにちょうど十分であるように設計されている。セグメントの周方向幅の１０％未満の深さ、すなわち典型的なシュラウドセグメントの場合には０．１〜５ｍｍの深さが、ほとんどの用途およびブレード設計に対して十分であり得ることが分かった。

凹所の（軸方向）幅も、同様の設計制約を受け、シュラウドセグメントの全軸方向幅の１０％〜９０％の範囲であることができる。通常、シュラウドの全幅の約５０％の幅が、接触領域の有効な分離を達成するために十分であることが分かっている。

（半径方向での）凹所の高さは、通常、係合面の高さ、つまり係合面を横切って切り取る高さと同じである。しかしながら、元の接触領域が正確にわかっているならば、有効な分離を達成するために接触領域だけにより小さな凹所を提供することができる。

上で適用されたのと同じ原理を用いてシュラウドセグメントの係合面のより複雑なジオメトリに上記の例を等しく適用することができることにさらに注意すべきである。シュラウドセグメントの係合面が周方向に段部を有していて、これにより、周方向に面する２つの潜在的な接触領域を有する場合、上記のような凹所を、１つまたは複数の接触領域を分離するために、そのいずれか一方または両方において接触領域に提供することができる。

凹所の機械的安定性を高めるために、凹所の側壁が面取りされ、これにより、荷重を受けたときに変形するエッジを回避するように、凹所を機械加工または切削することが好ましい。

シュラウドセグメントに対する変更の潜在的効果が、図４のグラフに示されている。グラフは、最初の２５の節直径数に対する軸方向曲げモードの振動数を示す。下側の曲線４１は、慣用のシュラウドの振動数を示すのに対し、上側の曲線４２は、凹所もしくはレリーフ溝を備えたシュラウドセグメントから組み立てられたシュラウドの挙動を反映している。２つの平坦部の間の臨界的な帯域において、２つの曲線の間の振動数変化は、多くの節直径について１０％を超えており、これらの振動数が通常作動中に励起されにくくしている、または、オペレータが蒸気タービンをより広いパラメータのエンベロープにおいて運転することを許容しているもしくはそのように設計されている。

本発明は、単に例として上記に説明されており、発明の範囲内で変更を行うことができる。発明は、ここに説明されたまたは黙示されたまたは図面に示されたまたは黙示されたあらゆる個々の特徴、またはそれらの均等物にまで拡張される、あらゆるこのような特徴のあらゆる組合せまたはあらゆるこのような特徴または組合せのあらゆる一般化をも含んでよい。つまり、本発明の広さおよび範囲は、上記の例示的な実施の形態にいずれによっても限定されるべきではない。

図面を含む明細書に開示された各特徴は、そうでないことが明示して述べられない限り、同じ、均等または類似の目的を果たす代替的な特徴に置き換えられてよい。

ここに明示して述べられない限り、明細書を通じてなされる従来技術のあらゆる説明は、このような従来技術が周知であるまたは技術分野における共通の一般知識の一部を形成することを認めるものではない。

１１，１２，１３ ブレード
１１−１，１２−１，１３−１ 根元セクション
１１−２，１２−２，１３−２ シュラウドセグメント
１１１ 係合面
１１２，１１４ 接触領域
１１３ 凹所
４１ 振動数対節直径のグラフ
４２ 振動数対節直径のグラフ（改良されている）

Claims (10)

1. ターボ機械用のブレードであって、当該ブレードが、
   ブレードの上端部のシュラウドセグメントであって、リング状のアセンブリにおける隣接するブレードのシュラウドセグメントと係合するように設計されたシュラウドセグメントを有しており、
   シュラウドセグメントが、軸方向及び半径方向に延び、凹所と凹所の軸方向両側に位置する第１及び第２の係合領域を有する第１の係合面と、シュラウドセグメントの第１の係合面とは反対側の第２の係合面であって平坦面である第２の係合面とを有しており、第１の係合面が、隣接するブレードのシュラウドセグメントの第２の係合面と係合するように構成され、第１及び第２の係合領域が同一平面に配置されている、ターボ機械用のブレード。
2. 当該ブレードがプレツイステッドブレードである、請求項１記載のブレード。
3. 第２の係合面が周方向に垂直な単一の平面を有する、請求項１又は２記載のブレード。
4. 前記凹所は、０．１ｍｍから、前記シュラウドセグメントの周方向幅の１０％までの範囲の深さを有する、請求項１から３までのいずれか１項記載のブレード。
5. 前記凹所は、前記シュラウドセグメントの全軸方向幅の３０％〜５０％の軸方向の幅を
   有する、請求項１から４までのいずれか１項記載のブレード。
6. 前記凹所は、前記接触領域の半径方向位置を決定するように適応された大文字のＨもしくは二重Ｔ字形の形状を有する、請求項１から５までのいずれか１項記載のブレード。
7. 前記ターボ機械のロータへの挿入のための根元セクションを有する、請求項１から６までのいずれか１項記載のブレード。
8. 前記ターボ機械は蒸気タービンである、請求項１から７までのいずれか１項記載のブレード。
9. ターボ機械用のブレードから組み立てられたリングの振動数を高める方法であって、
   前記ブレードは、前記リングにおける隣接するブレードのシュラウドセグメントと作動中に係合するように設計されたシュラウドセグメントをブレードの上端部に有し、各シュラウドセグメントが、第１の係合面と、シュラウドセグメントの第１の係合面とは反対側の第２の係合面であって平坦面である第２の係合面とを有しており、当該方法が、
   同一平面に配置される第１及び第２の係合領域であって、凹所の軸方向両側に位置する第１及び第２の係合領域が形成されるように、第１の係合面に凹所を機械加工するステップと、
   第１の係合面が、隣接するブレードのシュラウドセグメントの第２の係合面と係合するように、シュラウドを有するブレードを組み立ててリングとするステップと
   を含む方法。
10. 前記ターボ機械は蒸気タービンであり、
    第１の係合面に凹所を機械加工するステップが、
    シュラウドセグメントの第１の係合面の内、隣接するプレートのシュラウドセグメントの第２の係合面との接触領域を確認するステップと、
    第１の係合面の確認された接触領域に凹所を機械加工するステップと、
    を含む、請求項９記載の方法。