JP2012036893A - 蒸気タービンバケット用のスイング軸方向挿入ダブテール - Google Patents

Abstract

【課題】ロータホイールの軸方向挿入スロット内に連接タービンバケットを取付けるための装置及び方法を提供する。
【解決手段】垂直平面における曲率は、バケット根元のスイング軸方向挿入雄形ダブテール突出部及びロータホイールの関連スイング軸方向挿入雌形ダブテールスロットに組入れることができる。この曲率により、そうでなければ隣接するバケット上の相互噛合い先端シュラウドのような障害（干渉）物によって妨げられるバケットの装着が容易になる。そのような装着は、隣接する先端シュラウドに近接してシュラウド先端シュラウドを位置決めしかつ該先端シュラウドの位置の周りでスイング軸方向挿入バケットの根元端部を枢動させて、バケットによって形成された円弧によりスイング軸方向挿入雄形ダブテール突出部の曲率がロータホイールのスイング軸方向挿入雌形ダブテールスロット内に揺動するのが可能になるようにすることによって行うことができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的にはターボ機械に関し、より具体的には、ターボ機械のロータホイールの軸方向挿入スロット内に連接タービンバケットを取付けるための装置及び方法に関する。

ターボ機械用のロータは多くの場合、大型の鍛造品から機械加工される。この鍛造品から切削されたロータホイールには多くの場合、ターボ機械バケットの根元を受けて取付けるためのスロットが設けられる。より高いターボ機械出力及びより効率的なターボ機械性能に対する要求が増大し続けているので、より大型のかつより多くの連接ターボ機械バケットが実使用に供されている。

前述の要素は、高い空気力学的性能、熱力学的性能及び機械的性能を有する最終段蒸気タービンバケットに関して特に重要である。タービン用の最終段バケットはここしばらくの間、多くの開発的仕事の課題になっている。これらバケットの性能を最適にしてタービンの空気力学的損失を減少させかつ熱力学的性能を向上させることが非常に望ましい。バケットは、広範囲の流れ、負荷及び強い動的な力に曝される。最終バケット輪郭設計に影響を与える要素には、バケットのアクティブ長さ、ピッチ径及び超音速並びに亜音速流れ領域の両方における高い作動速度が含まれる。減衰性及びバケット疲労もまた、バケット及びその輪郭の機械的設計において考慮しなければならない要素である。バケットのこれらの機械的及び動的応答特性並びに空気−熱力学的特性又は材料選択のようなその他のものは全て、最適なバケット輪郭に影響を与える。従って、タービンバケットは、広範な運転範囲にわたって最少の損失で最適な性能が得られるような正確に形成したバケット輪郭が必要である。バケットは多くの場合、オーバハング部を備えた複雑なブレードジオメトリを含む可能性がある。

ロータホイール上の隣接するタービンバケットは一般的に、何らかの形態のカバーバンド又はシュラウドバンドによってその周辺部の周りで互いに連結されて、良好に形成された通路内に作動流体を閉じ込めかつバケットの剛性を高めている。相互噛合いシュラウドは多くの場合、ロータホイール上にバケットを組立てる際に障害（干渉）を生じさせる可能性がある。

ロータホイールには多くの場合、相補形軸方向挿入ダブテールを含む根元を備えたバケットを受け入れる軸方向挿入ダブテールスロットが組入れられる。そのような軸方向挿入ダブテールは、それらが外部封鎖部品又は組立固定具の使用を必要としないものとすることができるので望ましいと言える。

図１は、ロータホイールのダブテールスロット内に軸方向に装着することができるダブテールを備えた従来技術のタービンバケットを示している。タービンバケット１０は、ベーン２０、先端シュラウド３０及び根元４５を備えたプラットフォーム４０を含む。根元４５は、ロータホイール６５の相補形ダブテールスロット６０内に軸方向に挿入するためのダブテール突出部５０を含むことができる。幾つかのバケット構成ではまた特に大型の最終段バケットの場合には、ロータホイールのダブテールスロットの内側半径方向端部における空間内に少なくとも１つのスロットスプリング（図示せず）を設けることができる。スロットスプリングは、低速度状態下で剛性があるタービンバケットを保持するダブテール突出部の下面にジャッキングのような外向き半径方向力を加え、それによってダブテールの表面上の摩耗を抑制することができる。

図２は、軸方向挿入ダブテールタービンバケット１０を装着した従来技術のタービンロータホイール組立体７０を示している。タービンバケット１０の雄形ダブテール突出部５０は、ロータホイール６５上に連続して軸方向に装着されて、隣接するプラットフォーム４５、先端シュラウド３０及びベーン２０を干渉のない状態で据付けるのを可能にする。しかしながら、据付けられる最終バケットは多くの場合、特殊封鎖部品と適合するか又はトリム端縁部と適合することを必要とする重ね合わせベーン２０の干渉を生じさせる。

米国特許第６６８２３０６号明細書

従って、ターボ機械におけるロータホイールへの軸方向挿入連接バケットの装着を容易にするバケット装置及び方法を提供するのが望ましいと言える。

本発明の第１の態様によると、蒸気タービンのバケット用のスイング軸方向挿入装置を提供する。本装置は、その各々がロータホイール内へのスイング軸方向挿入に合せて構成された根元を備えたスイング軸方向挿入バケットを含む。各バケットの根元上のダブテール突出部が、垂直平面における曲率を有する。ロータホイールは、周辺部の周りに対応するスイング軸方向挿入ダブテールスロットを含み、各スロットは、各バケットのダブテール突出部と相補形でありかつ垂直平面内における曲率を有する。

本発明の第２の態様によると、複数のスイング軸方向挿入ダブテールスロットを備えたロータホイール及びバケットの根元上に複数の相補形スイング軸方向挿入ダブテール突出部を備えたバケットを含む蒸気タービンを提供する。蒸気タービン用のバケットは、各バケットの根元のダブテール突出部についての垂直平面内における曲率を有する。ロータホイール上に切削されたスイング軸方向挿入ダブテールスロットもまた、垂直平面内における曲率を有する。

本発明のさらに別の態様は、スイング軸方向挿入ダブテール突出部及び先端シュラウドを備えた複数のバケットを複数の相補形スイング軸方向挿入ダブテールスロットを備えたロータホイール上に組立てる方法を提供する。本方法は、垂直平面内における曲率を有するスイング軸方向挿入ダブテールスロットを備えたロータホイール及び垂直平面内における対応する曲率を有するスイング軸方向挿入ダブテール突出部を備えたバケットを準備するステップを含む。バケットは、取付け位置において先端シュラウドと共に配置される。バケットは、先端シュラウドに近接した枢動ポイントで枢動されかつ枢動ポイントの周りで揺動されて、スイング軸方向挿入ダブテールスロット内にスイング軸方向挿入ダブテール突出部が組立てられる。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部品を表している添付図面を参照して以下の詳細な説明を読む時に良好に理解されるようになるであろう。

ロータホイールのダブテールスロット内に軸方向に装着することができるダブテールを備えた従来技術のタービンバケットを示す図。 軸方向挿入ダブテールバケットを装着した従来技術のタービンロータホイール組立体を示す図。 スイング軸方向挿入ダブテールバケットのフック及びグルーブにおける曲率半径を示す図。 フック及びグルーブの曲率を示すバケットの根元の拡大軸方向図。 ロータホイールの雌形ダブテールスロットの相補形フック及びグルーブの切取り断面図。 ロータホイールスロット内へのストレート式挿入を内向き半径方向に見た円周方向部分図。 ロータホイールスロット内への斜め軸方向式挿入を内向き半径方向に見た円周方向部分図。 ロータホイール内へのスイング軸方向挿入ダブテールバケットを据付けるための側面図。 スイング軸方向挿入ダブテールバケットをロータホイールのスイング軸方向ダブテールスロット内に組立てる方法のフローチャート。 既に据付けたスイング軸方向挿入ダブテールバケット間においてロータホイール上の相補形ダブテールスロット内に最終スイング軸方向挿入ダブテールバケットを据付けていることを示す図。

本発明の以下の実施形態は、相互噛合い先端シュラウドを備えた軸方向挿入ダブテールバケットをロータホイール上に装着するのを可能にすることを含む多くの利点を有する。本発明の実施形態によると、バケット根元のスイング軸方向挿入雄形ダブテール突出部及びロータホイールの関連するスイング軸方向挿入雌形ダブテールスロット上に、垂直平面における曲率を取入れることができる。この曲率により、そうでなければ隣接するバケット上の相互噛合い先端シュラウドのような障害（干渉）物によって妨げられるおそれのあるバケットの装着が容易になる。そのような装着は、隣接する先端シュラウドに近接してシュラウド先端シュラウドを位置決めしかつ該先端シュラウドの位置の周りでバケットの根元端部を枢動させて、バケットによって形成された円弧により軸方向雄形ダブテール突出部の曲率がロータホイールの軸方向雌形ダブテールスロットの曲率内に揺動できるようにすることによって行うことができ、従って、スイング軸方向挿入バケットについて説明することにする。ダブテール端縁部における応力集中もまた減少させることができる。ダブテールにおける曲率の実施形態は、バケットにおける先端シュラウド構成又は中央スパン構成を制約するものではない。この発明のダブテール装置の使用により、先端シュラウドの設計が組立制約条件によって限定されずにすみ、高いブレード性能が得られる。この装置はさらに、バケットをロータホイール上に取付けるための組立固定具の排除を可能にすることができる。さらに、現時点では幾つかの軸方向挿入ダブテールに必要なスプリングを排除することができる。

本発明の実施形態によると、バケットのスイング軸方向挿入雄形ダブテール突出部及びスイング軸方向挿入雌形ダブテールスロットのダブテールに平行な平面内にダブテール曲率が設けられる。そのような曲率は、長尺の軸方向挿入バケットの組立を容易にするために用いるのが最も望ましい。ダブテールには、曲率の中心がバケットの先端シュラウド又はカバーの近傍に位置するような垂直平面内における曲率が設けられる。この曲率は、ダブテールとバケット先端との間の距離（アクティブ長さに近似した）にほぼ等しい半径を有する。軸方向ダブテールスロットには、同じ曲率が設けられ、その曲率の半径はバケットとホイールクラッシュ表面との間の初期の接触の位置を制御することができるように僅かに変更することができる。ダブテール曲率は、ダブテールに平行な平面内に位置しかつバケット半径線を含み、従ってホイールとの組立時に容易に揺動するのを助ける。ダブテールの曲率は、ストレート軸方向挿入バケット及び斜め軸方向挿入バケット、並びにロータホイールのその関連ダブテールスロットに適用することができる。

図３は、蒸気タービン用のスイング軸方向挿入ダブテールバケットのフック及びグルーブにおける曲率半径を示している。スイング軸方向挿入ダブテールバケット１１０は、先端シュラウド１３０を備えたベーン１２０及び根元１４０を含む。根元１４０上のダブテール１５０は、それらの間に配置されたグルーブ１４２を備えた複数のフック１４１を含む。曲率半径Ｒ１１９は、先端シュラウド１３０に近接したポイント１８０から根元１４０まで延びる。スイング軸方向挿入ダブテールバケット１１０は、枢動ポイント１８０の周りで揺動させて、ロータホイール１６５のスロット１９０（図５）内に挿入するようにすることができる。個々のバケットダブテール上の個々のフック１４１及び個々のグルーブ１４２（及び、ロータホイール１６５内のスロット１９０（図５）の対応するフック及びグルーブ）は、曲率の中心における枢動ポイント１３０からの半径Ｒ₁１２３及び半径Ｒ₂１２４によって表した特定の半径方向距離に応じて異なる曲率で切削される。

図４は、フック１４１及びグルーブ１４２の曲率を示すバケット１１０の根元１４０の拡大軸方向図を示している。本発明の実施形態は、プラットフォーム１４３の下方に３つのフック１４１及び３つのグルーブ１４２を含むが、フック及びグルーブのその他の個数及び構成を本発明の技術的範囲内で考えることができる。プラットフォーム１４３の外表面１４７は、バケット１１０がロータホイール１６５（図１０）に取付けられると、ロータホイールの連続した外側半径方向表面１６６を形成することができる。

ロータホイールのダブテール曲率半径をバケットダブテールの曲率よりも僅かに小さく保つことによって、バケットダブテールとホイールダブテールとの間での初期の接触がダブテールの中央部１４５に生じ、かつその接触がタービン運転時にバケット負荷が増大するにつれて端縁部１４６に向けて拡大することを保証することができる。曲率は、スロットスプリングを排除するように設計することができる。バケットダブテールとホイールダブテールとの間で適切な曲率差を用いた場合には、３ポイント接触を達成することができ、その場合に、１つの接触ポイントは接触面上に形成されかつ２つの接触ポイントは非接触面上に形成される。カバー非接触面間並びに接触面間の間隙は、小さい角度でのカバー回転に適応するのに十分なスペースが得られるように設計することができる。さらに、ホイールダブテール曲率を最適化して、特定の用途における要件に対して応力分布を修正することができる。

図５は、ロータホイール１６５の雌形ダブテールスロット１９０の相補形フック１９１及びグルーブ１９２と係合するように揺動１９５しているスイング軸方向挿入バケット１１０のフック１４１及びグルーブ１４２を備えた根元１４０のスイング軸方向挿入装置１００の斜視図を示している。根元１４０におけるプラットフォームの上部表面１４３は、ロータホイール１６５の外側半径方向表面１６６と整列することができる。

スイング軸方向挿入ダブテールは、ロータホイールの軸方向配向スロット内へのストレート式挿入を行うためにまたさらに斜め軸方向挿入を行うために用いることができる。図６は、ロータホイール１６５へのストレート式スイング軸方向挿入を内向き半径方向に見た円周方向部分図を示している。スイング軸方向挿入バケット１１０の根元１４０のプラットフォーム１４３、フック１４１及びグルーブ（図示せず）は、ロータホイール１６５の内部で軸方向１７０に配向される。図７は、斜めロータホイールスロット２１５内に取付けるための斜め軸方向式スイング軸方向挿入バケット２１０を内向き半径方向に見た円周方向部分図を示している。バケット２１０の根元のプラットフォーム１５３、フック１５５及びグルーブ（図示せず）は、軸方向１７０に対して角度α１７１で斜めにすることができる。

後縁にベーンオーバハング部を有するストレート挿入式スイング軸方向挿入ダブテールバケットの場合には、最終バケットは、該最終バケットの後縁１２１（図１０）をトリムすることによって組立てることができる。そのようなトリム加工は、最新の組立固定具の使用を排除するのを可能にすることができる。さらに、後縁での最終バケット組立時における衝突は、最終バケット挿入のための余分なスペースが形成されるように、大きなロータホイールダブテールピッチ１２２（図１０）を使用することによって対処することができる。ロータホイール上のこの余分なスペースは、ベーン干渉を減少させるのに役立つ。さらに、スイング軸方向挿入ダブテール装置の場合には、バケットのファニングが必要でないので組立時の容易さが得られる。

図８は、湾曲フック１４１及び湾曲グルーブ１４２を備えたスイング軸方向挿入ダブテールバケット１１０をロータホイール１６５のスロット１９０内に据付けるための側面図を示している。バケット１１０の先端シュラウド１３０は、バケット１１０のフック１４１及びグルーブ１４２と相補形のフック１９１及びグルーブ１９２を備えたロータホイール１６５の上方に配置される。先端シュラウド１３０は、ロータホイール１６５の雌形ダブテールスロット１９０への入口に近接して設置されたバケット１１０における半径の中心に対応する枢動ポイント１８０に位置決めされる。半径の中心１８０に先端シュラウド１３０を維持することによって、バケット１１０は、雌形ダブテールスロット１９０と係合するように円弧１９５で揺動することができる。隣接するバケット（図示せず）が既にロータホイール１６５上の所定の位置に配置されると、先端カバー１３０は、該先端カバーが半径の中心１８０に位置決めされているので、隣接するバケットの先端カバー（図示せず）間に最初に配向することができる。

スイング軸方向挿入ダブテールバケットをロータホイールの軸方向挿入ダブテールスロットに組立てる方法を提供する。本方法により、連接先端シュラウドのような構造部品の干渉が回避される。本方法は、従来型の軸方向挿入バケットを取付けるのにこれまで必要であった装備固定具の必要性を排除することができる。図１０は、スイング軸方向挿入ダブテールバケットをロータホイールの軸方向挿入ダブテールスロットに組立てる方法のフローチャートを示している。ステップ３１０では、垂直平面内における曲率を有するスイング軸方向挿入ダブテールスロットを備えたロータホイール及び垂直平面内における対応する曲率を有するスイング軸方向挿入ダブテール根元を備えたバケットを準備する。バケットダブテールとホイールダブテールとの間の適切な曲率により、バケットフックとホイールフックとの間での３ポイント接触を得ることができる。このことは、低温状態でのバケットダブテールとホイールダブテールとの間での接触を保証する。斜め式ダブテールベーンの場合には、バケットの揺動時（組立てている間）における干渉問題は、ベーン後縁に対する修正によって対処することができる。

特定の用途に応じて、ステップ３２０は、ベーン干渉に対応するための大きなピッチを有するロータホイール上に最終バケットスペースを形成することができる。ステップ３３０では、組立てられる最終バケットのブレードには、トリムした後縁を形成して干渉を回避することができる。

ステップ３４０では、先端シュラウドが、バケット根元の湾曲表面フック及びグルーブから半径方向外側に位置する枢動ポイントにおいてその最終取付け位置に近接して設置されかつ曲率半径にほぼ等しい距離に間隔を置いて配置されるように、第１のバケットを所定の位置に位置決めするステップを行う。ステップ３５０では、先端シュラウドにおける枢動ポイントで第１のバケットを枢動させるステップを行う。ステップ３６０では、第１のバケットのダブテールを枢動ポイントの周りで回転させて、スイング軸方向挿入ダブテール突出部を軸方向挿入ダブテールスロット内に組立てる。ステップ３７０では、ステップ３４０〜３５０に従って、スイング軸方向挿入ダブテール突出部を備えた後続するバケットをロータホイール上において後続するスイング軸方向挿入ダブテールスロット内に組立てる。後続するバケットの組立における先端シュラウドは基本的に、その最終取付け位置に最初に設置され、かつスイング軸方向挿入ダブテールがロータホイール内のスロットと係合する間に小さい回転角度のみを生じるので、隣接する先端シュラウドとの間での干渉は回避することができる。

図１０は、既に据付けたスイング軸方向挿入バケット１１０間においてロータホイール１６５上の相補形ダブテールスロット１９０内に据付けられる最終スイング軸方向挿入ダブテールバケット３１０を備えた蒸気タービン２００を示している。最終バケット３１０の先端シュラウド１３０は、該最終バケット３１０の根元１４０が半径方向に対するスイング（揺動）角度で配置された状態で、隣接するバケット１１０の先端シュラウド１３０に近接して設置される。最終バケット３１０のフック１４１及びグルーブ１４２並びにロータスロット１９０のフック１９１（図５）及びグルーブ１９２（図５）は、バケットのアクティブ長さに近似した半径（図３）に切削することができる。最終据付けバケット３３０の先端シュラウド１３０は、バケットダブテール１４０がロータスロット１９０内に揺動１９５するように所定の位置で回転させることができる。

本明細書では様々な実施形態を説明しているが、これらの実施形態における要素の様々な組合せ、変更又は改良を行うことができまたそれらが本発明の技術的範囲内にあることは、本明細書から分かるであろう。

１０ タービンバケット
２０ ベーン
３０ 先端シュラウド
４０ プラットフォーム
４５ 根元
５０ ダブテール突出部
６０ 相補形ダブテールスロット
６５ ロータホイール
７０ タービンロータホイール組立体
１１０ スイング軸方向挿入ダブテールバケット
１１９ 曲率半径
１２０ ベーン
１２１ 端縁部
１２３ 半径Ｒ₁
１２４ 半径Ｒ₂
１３０ 先端シュラウド
１４０ 根元
１４１ フック
１４２ グルーブ
１４３ プラットフォーム、上部表面
１４５ 中心部
１４６ 端縁部
１４７ 外表面
１５０ ダブテール
１５３ プラットフォーム
１５５ フック
１６５ ロータホイール
１６６ 連続外側半径方向面
１７０ 軸方向
１７１ 角度α
１８０ 枢動ポイント、半径の中心
１９０ スロット
１９５ 円弧
２００ 蒸気タービン
２１０ 斜め軸方向式スイング軸方向挿入バケット
２１５ 斜めロータホイールスロット
３１０ 最終スイング軸方向挿入ダブテールバケット

Claims (10)

1. 蒸気タービンのバケット用のスイング軸方向挿入装置であって、当該スイング軸方向挿入装置が、
   ロータホイールと、
   その各々が前記ロータホイール内へのスイング軸方向挿入に合せて構成された根元を備えた複数のスイング軸方向挿入バケットと、
   各バケットの根元上に配置されかつ垂直平面における曲率を有するスイング軸方向挿入ダブテール突出部と
   を備えており、前記ロータホイールが、周辺部の周りに対応する複数のスイング軸方向挿入ダブテールスロットを含み、各軸方向切削ダブテールスロットが、各バケットの前記スイング軸方向挿入ダブテール突出部と相補形でありかつ前記垂直平面内における曲率を有する、スイング軸方向挿入装置。
2. 各バケットの前記ダブテール突出部及び前記ロータホイール上の各ダブテールスロットが、ストレート軸方向挿入に合せて切削される、請求項１記載のスイング軸方向挿入装置。
3. 各バケットの前記ダブテール突出部及び前記ロータホイール上の各ダブテールスロットが、斜め軸方向挿入に合せて切削される、請求項１記載のスイング軸方向挿入装置。
4. 前記ロータホイールのダブテールスロットの曲率が、前記バケットのダブテール突出部の曲率にほぼ等しく設定される、請求項１記載のスイング軸方向挿入装置。
5. 複数のスイング軸方向挿入ダブテールスロットを備えたロータホイール及びその根元上に複数の相補形スイング軸方向挿入ダブテール突出部を備えたバケットを含む蒸気タービンであって、
   各バケットの前記根元上に配置された前記スイング軸方向挿入ダブテール突出部についての垂直平面内における曲率と、
   前記ロータホイール上に配置された各スイング軸方向挿入ダブテールスロットについての垂直平面内における曲率と
   を含む蒸気タービン。
6. 各バケットの前記ダブテール及び前記ロータホイール上の各ダブテールスロットが、ストレート軸方向挿入に合せて切削される、請求項５記載の蒸気タービン。
7. 各バケットの前記ダブテール及び前記ロータホイール上の各ダブテールスロットが、斜め軸方向挿入に合せて切削される、請求項５記載の蒸気タービン。
8. 前記ロータホイールのダブテールスロットの曲率が、前記バケットのダブテール突出部の曲率とほぼ等しく設定される、請求項５記載の蒸気タービン。
9. スイング軸方向挿入ダブテール突出部及び先端シュラウドを備えた複数のバケットを複数の相補形スイング軸方向挿入ダブテールスロットを備えたロータホイール上に組立てる方法であって、
   垂直平面内における曲率を有するスイング軸方向挿入ダブテールスロットを備えたロータホイール及び前記垂直平面内における対応する曲率を有するスイング軸方向挿入ダブテール突出部を備えたバケットを準備するステップと、
   先端シュラウドが取付け位置に設置されるように前記バケットを所定の位置に位置決めするステップと、
   前記先端シュラウドにおける枢動ポイントで前記バケットを枢動させるステップと、
   前記枢動ポイントの周りで前記バケットを揺動させて前記軸方向挿入ダブテールスロット内に前記軸方向挿入ダブテール突出部を組立てるステップと
   を含む方法。
10. 前記複数のバケットのスイング軸方向挿入ダブテール突出部を備えた後続するバケットを前記ロータホイール上で前記複数のダブテールスロットの後続するスイング軸方向挿入ダブテールスロット内に組立てるステップをさらに含む、請求項９記載の方法。