JP6915052B2 - ターボ機械ローターおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明はターボ機械ローターに関する。本発明はさらに、そのようなターボ機械ローターを製造するための方法に関する。
タービンまたは圧縮機などのターボ機械は、ステータ側アセンブリとローター側アセンブリとを備える。ターボ機械のローター側アセンブリは、いわゆるターボ機械ローターを含み、これは、半径方向内側ハブ要素と、このハブ要素を起点として半径方向外側に延びる動翼と、閉鎖型形態の場合には半径方向外側で動翼に隣接するシュラウド要素とを備える。動翼のブレードリーフは、閉鎖型ターボ機械ローターの半径方向内側ハブ要素と半径方向外側シュラウド要素との間に延びる。
既知の閉鎖型ターボ機械ローターは、第1の代替形態によれば動翼がハブ要素の一体部分でありかつシュラウド要素に堅固な結合様式で接続され、あるいは第2の代替形態によれば動翼がシュラウド要素の一体部分でありかつハブ要素に堅固な結合様式で接続されるように構成される。
特に、動翼がハブ要素の一体部分であるとき、動翼とハブ要素とはモノリシックアセンブリを形成する。特に、対照的に動翼がシュラウド要素の一体部分である場合、動翼とシュラウド要素とはモノリシックアセンブリを形成する。
ターボ機械の性能を向上させるために、それぞれのターボ機械ローターをますます高い回転速度で動作させる必要がある。しかしながら、実際に知られているターボ機械ローターは、ますます高い回転速度で運転することはできない。というのは、動翼と、第1の代替形態によればシュラウド要素または第2の代替形態によればハブ要素との間の堅固に結合された接続部、特にロウ付け接続部は、回転速度がますます高くなると損傷する可能性があるからである。したがって、より高い回転速度で運転することができるターボ機械ローターが必要とされている。
上記に鑑みて、本発明は、新しいタイプのターボ機械ローターおよびその製造方法を創出するという目的に基づいている。
この目的は、請求項1に記載のターボ機械ローターによって解決される。
本発明によれば、第1の代替形態による動翼は一体的なベースを備え、それを介して動翼は、堅固な結合様式で、第1の代替形態によればシュラウド要素に接続され、あるいは第2の代替形態によればハブ要素に接続される。
動翼上に一体的なベースを設けることによって、そしてベースと、第1の代替形態によればシュラウド要素または第2の代替形態によればハブ要素との間の堅固に結合された接続部によって、それぞれの堅固に結合された接続部を改良することができ、特に応力がその領域において低減させられ、この結果、最終的に、ターボ機械ローターをより高い回転速度で運転することができ、これによってターボ機械の性能を向上させることができる。
本発明の有利なさらなる展開によれば、動翼は、各動翼リーフと各ベースとの間の移行領域において、ターボ機械ローターの外径の0.5%ないし2.5%の、特に好ましくは1.0%ないし2.0%の移行半径を有する。動翼リーフとベースとの間のこうした移行半径により、それぞれの堅固に結合された接続部の強度を、したがってターボ機械ローターの最大回転速度を、特に有利なことに、増大させることができる。
好ましくは、第1の代替形態によればハブ要素、動翼およびベースが、あるいは第2の代替形態によればシュラウド要素、動翼およびベースが、それぞれフライス加工によって一体的な、したがってモノリシックアセンブリとして形成され、第1の代替形態では動翼およびシュラウド要素が、または第2の代替形態では動翼およびハブ要素が、ロウ付けによって、動翼のベースで互いに接続される。これによって、特に高い回転速度で運転することができるターボ機械ローターを提供することができる。
本発明によるターボ機械ローターを製造するための方法は請求項8において規定される。
本発明の好ましいさらなる展開は従属請求項および以下の説明から得られる。本発明の例示的な実施形態について、これに限定されることなく、図面を参照して、より詳細に説明する。
第1のターボ機械ローターの概略図である。 第2のターボ機械ローターの概略図である。
本発明は、ターボ機械ローター、すなわちいわゆる閉鎖型ターボ機械ローター、特にタービンまたは圧縮機の閉鎖型ターボ機械ローターに関する。閉鎖型ターボ機械ローターはシュラウド要素を備える。
図1は、半径方向内側ハブ要素11と、半径方向外側シュラウド要素12と、そのそれぞれが動翼リーフ13を備えた、半径方向内側ハブ要素11と半径方向外側シュラウド要素12との間に延びる動翼13とを有する、本発明による第1のターボ機械ローター10の概略図である。半径方向内側ハブ要素11はハブディスクとも呼ばれ、半径方向外側シュラウド要素12はシュラウドディスクとも呼ばれる。
図1の例示的な実施形態では、動翼13はハブ要素11の一体部分である。したがって、動翼13とハブ要素11とはモノリシックアセンブリを形成する。
図1では、動翼13は、シュラウド要素12に対して、堅固な結合様式で、特にロウ付けによって接続されている。
本発明によれば、図1に示される例示的な実施形態における動翼13は、シュラウド要素12に隣接して、すなわちシュラウド要素12に面する動翼13の端部に一体的な、したがってモノリシックベース15を備えており、これを介して、動翼13は、シュラウド要素に対して堅固な結合様式で接続されている。それぞれの動翼13のベース15とシュラウド要素12との間には、したがって堅固に接合された接続部17が、好ましくはロウ付けされた接続部が形成される。図1は、堅固に結合された接続部17の領域における半径を示している。
ハブ要素11と、このハブ要素11の一体型動翼13と、動翼13の一体的なベース15とは、好ましくは、フライス加工によって一体型アセンブリとして具現化される。したがって、ハブ要素11と、動翼13と、ベース15とはモノリシックアセンブリを形成する。
それぞれの動翼リーフ14とそれぞれのベース15との間の移行領域16において、動翼13は、堅固に結合された接続部17の領域における半径よりも大きな所定の移行半径を有し、これは、ターボ機械ローター10の外径の0.5%ないし2.5%である。ターボ機械ローター10のこの外径は、シュラウド要素12の最大直径によって規定される。
好ましくは、移行領域16における移行半径は、ターボ機械ローター10の外径の0.5%ないし2%あるいは1.0%ないし2.5%、特に好ましくは1.0%ないし2.0%である。
図2は、半径方向内側ハブ要素21と、半径方向外側シュラウド要素22と、動翼リーフ24を備える、半径方向内側ハブ要素21と半径方向外側ハブ要素22との間に延びる動翼23とを有するターボ機械ローター20の例示的代替実施形態を示している。
図2のバージョンでは、動翼23はシュラウド要素22の一体部分であり、ハブ要素21に対して堅固な結合様式で、すなわち各動翼23の一体部分を呈するベース25を介して接続される。動翼23、すなわちその動翼リーフ24は、ハブ要素21に隣接して、またはハブ要素21の反対側に位置する端部に、それぞれのベース25を備え、それを介して、動翼23は堅固な結合様式でハブ要素21に対して接続される。
図2において、シュラウド要素22、動翼23およびベース25は、一体的なアセンブリ、すなわちモノリシックアセンブリを形成し、これは、好ましくは、フライス加工によって形成される。動翼23のベース25を介して、このモノリシックアセンブリは、堅固な結合様式で、特にロウ付けによって、ハブ要素21に対して接続される。図2は、堅固に結合された接続部27の領域における半径を示している。
それぞれの動翼23のそれぞれの動翼リーフ24と、それぞれのベース25との間の移行領域26において、所定の移行半径が形成され、この移行半径は、堅固に結合された接続部27の領域における半径よりも大きく、ターボ機械ローター20の外径の0.5%ないし2.5%、好ましくは0.5%ないし2.0%あるいは1.5%ないし2.5%、特に好ましくは1.0%ないし2.0%である。
さらに、本発明は、そうしたターボ機械ローター10および20を製造するための方法を含む。
第1の代替形態によれば動翼13によって一体的にブレード化されたハブ要素11が、あるいは第2の代替形態によれば動翼23によって一体的にブレード化されたシュラウド要素22が、第1のステップにおいて提供される。
第1の代替形態によれば別個のシュラウド要素12が、または第2の代替形態によれば別個のハブ要素21が第2のステップで提供される。これらのアセンブリは、好ましくは、それぞれフライス加工または付加造形によって具体化されるアセンブリである。第1の代替形態によれば、ハブ要素11と、動翼13と、ベース15とは、フライス加工によって製造された一体的なモノリシックアセンブリを形成する。第2の代替形態によれば、シュラウド要素22と、動翼23と、ベース25とは、フライス加工によって製造された一体的なモノリシックアセンブリを形成する。
第3のステップでは、ハブ要素11または21と、シュラウド要素12または22とが、好ましくはロウ付けによって、動翼13および23それぞれのベース15および25それぞれを介して、堅固な結合様式で互いに接続される。
好ましくはフライス加工によって形成されたそれぞれの移行領域16,21における移行半径は、それぞれの堅固に結合された接続部17,27の領域における半径よりも大きなものである。したがって、ベース15と動翼リーフ14との間の移行領域16における移行半径は、ベース15とシュラウド要素12との間の接続領域における半径よりも大きなものである。図2のバージョンでは、ベース25と動翼リーフ24との間の移行領域26における移行領域は、ベース25とハブ要素21との間の接続領域における半径よりも大きなものである。
本発明によるターボ機械ローター10,20では、成形によって応力を低減することができる。さらに、ターボ機械ローター10,20の回転速度を上げることができ、それによって最終的にターボ機械の性能を高めることができる。
10 ターボ機械ローター
11 ハブ要素
12 シュラウド要素
13 動翼
14 動翼リーフ
15 ベース
16 移行領域
17 堅固に結合された接続部
20 ターボ機械ローター
21 ハブ要素
22 シュラウド要素
23 動翼
24 動翼リーフ
25 ベース
26 移行領域
27 堅固に結合された接続部

Claims (10)

  1. ターボ機械ローター(10,20)であって、
    半径方向内側ハブ要素(11,21)と、
    半径方向外側シュラウド要素(12,22)と、
    前記ハブ要素(11,21)と前記シュラウド要素(12,22)との間に延在する動翼リーフ(14,24)を備えた動翼(13,23)と
    を具備し、
    前記動翼(13,23)は、前記ハブ要素(11)の一体部分であって、かつ、堅固な結合様式で前記シュラウド要素(12)に対して接続されており、あるいは前記シュラウド要素(22)の一体部分であって、かつ、堅固な結合様式で前記ハブ要素(21)に対して接続されており、
    前記動翼(13,23)は、前記シュラウド要素(12)に隣接して、あるいは前記ハブ要素(21)に隣接して、一体的なベース(15,25)を具備し、この一体的なベース(15,25)を介して、前記動翼は、前記シュラウド要素(12)に対して、あるいは前記ハブ要素(21)に対して、堅固な結合様式で接続されており、前記ベース(15,25)における、前記動翼リーフ(14,24)から横方向に突出する部分の総幅は、前記動翼リーフ(14,24)の幅よりも大きく、かつ、
    前記動翼(13,23)は、前記それぞれの動翼リーフ(14,24)と、前記ぞれぞれのベース(15,25)との間の移行領域(16,26)に移行半径を有し、前記それぞれの移行領域(16,26)における前記移行半径は、それぞれの堅固に結合された接続部(17,27)の領域における半径よりも大きく、かつ、
    前記それぞれの堅固に結合された接続部(17,27)の領域における半径は、前記動翼リーフ(14,24)から横方向に突出する前記ベース(15,25)の部分の最小厚みと略等しいことを特徴とするターボ機械ローター。
  2. 前記動翼(13,23)は、前記それぞれの動翼リーフ(14,24)と前記それぞれのベース(15,25)との間の移行領域において、前記ターボ機械ローターの外径の0.5%ないし2.5%の移行半径を有することを特徴とする請求項1に記載のターボ機械ローター。
  3. 前記移行半径は前記ターボ機械ローターの外径の0.5%ないし2.0%であることを特徴とする請求項2に記載のターボ機械ローター。
  4. 前記移行半径は前記ターボ機械ローターの外径の1.0%ないし2.5%であることを特徴とする請求項2に記載のターボ機械ローター。
  5. 前記移行半径は前記ターボ機械ローターの外径の1.0%ないし2.0%であることを特徴とする請求項3または請求項4に記載のターボ機械ローター。
  6. 前記ハブ要素(11)と前記動翼(13)と前記ベース(15)とは、あるいは前記シュラウド要素(22)と前記動翼(23)と前記ベース(25)とは、それぞれフライス加工によって一体的なアセンブリとして製造されることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載のターボ機械ローター。
  7. 前記動翼(13)と前記シュラウド要素(12)とが、または前記動翼(23)と前記ハブ要素(21)とが、ロウ付けによって堅固な結合様式で互いに接続されることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載のターボ機械ローター。
  8. 請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載のターボ機械ローターを製造するための方法であって、
    前記動翼(13)によって一体的にブレード化されたハブ要素(11)あるいは前記動翼(23)によって一体的にブレード化されたシュラウド要素(22)を提供するステップと、
    別体のシュラウド要素(12)、あるいは別体のハブ要素(21)を提供するステップと、
    前記動翼(13,23)の前記ベース(15,25)を介して、前記ハブ要素(11,21)と前記シュラウド要素(12、22)とを堅固な結合様式で接続するステップと
    を少なくとも備えることを特徴とする方法。
  9. 前記ハブ要素(11)と前記動翼(13)と前記ベース(15)とは、あるいは前記シュラウド要素(22)と前記動翼(23)と前記ベース(25)とは、それぞれフライス加工によって一体的なアセンブリとして提供されることを特徴とする請求項8に記載の方法。
  10. 前記動翼(13)と前記シュラウド要素(22)とは、あるいは前記動翼(23)と前記ハブ要素(21)とは、前記動翼(13,23)の前記ベース(15,25)の領域でロウ付けによって互いに接続されることを特徴とする請求項8または請求項9に記載の方法。
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