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

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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