JP7220977B2 - ブレードの応力を低減するロックワイヤタブバックカット - Google Patents

Description

本願および結果として得られる特許は、概してガスタービンエンジンに関し、より詳細には、取り付けられたタービンブレードの負荷経路を応力集中構造部の周りに迂回させるように設計された、タービンブレードの修正済みロックワイヤタブに関する。

ガスタービンディスクは、ディスクの外周付近において、円周方向に間隔をおいて配置され、かつ相互間でダブテールスロットを画定している複数のダブテールを備え得る。ダブテールスロットの各々は、タービンブレードを内部で軸方向に収容することができる。タービンブレードは、翼形部と、ダブテールスロットに相補的となっている形状を有するブレードダブテールとを備え得る。タービンブレードは、ディスク内の冷却スロットを通り、かつブレードのダブテール部に形成された溝またはスロットを通って進入する空気によって、冷却され得る。冷却スロットは、通常、互い違いに配置されたダブテールとダブテールスロットとを通って、付近に円周方向に延在し得る。

ブレードダブテールとダブテールスロットとの接合位置は、ブレードの過剰負荷と応力集中形状とに起因して、耐用年数が限定される可能性のある場所である。これまで、特定のタービンエンジンにおいてダブテールバックカットを使用して、このような応力を緩和してきた。しかしながら、こうしたバックカットは実際には少なく、またこれらはディスクの応力低減と、タービンブレードの応力低減と、タービンブレードの有用寿命との間の均衡を図るように最適化されていなかった。

同様に、タービンブレードは、各タービンブレードのダブテールの周りに配置され、かつ円周方向に整列したタブをロックワイヤが通っていることによって、ダブテールスロット内を軸方向に移動することができない。また、これらのロックワイヤタブは応力集中形状を有し得るが、これに関しては、バックカットの最適化が有効となる可能性がある。

したがって、タービンブレードおよび／またはディスクならびにそれらの相互作用を改善することが要望されている。このようにタービンブレードおよび／またはディスクを改善することにより、タービンブレードの寿命の延長およびシステム効率の向上のために、タービンブレードの空気力学的挙動に悪影響を及ぼすことなく、応力の全体的な低減が促進され得る。

米国特許出願公開第２０１５／０３２８７２８号明細書

したがって、本願および結果として得られる特許により、タービンブレードの応力を低減する方法が提供され、タービンブレードの各々は、ロックワイヤタブを有するダブテールを備える。本方法は、（ａ）バックカットの開始線を、ロックワイヤタブの端部に対して決定するステップと、（ｂ）バックカットの切断角を決定するステップと、（ｃ）開始線と切断角とに従って、ロックワイヤタブから材料を除去し、かつダブテールバックカットを形成するステップとを含み得る。開始線は、ダブテール軸線に沿って、ロックワイヤタブの端部から約０．６インチ（約１５．２４ミリメートル）、またはこれにプラスもしくはマイナス０．０６５インチ（約１．６５ミリメートル）の位置に定められてもよい。

本願および結果として得られる特許により、タービンブレードがさらに提供される。本タービンブレードは、翼形部とブレードダブテールとを備え得、ロックワイヤタブを有するブレードダブテールは、最適化されたブレードの幾何学形状に従って大きさと位置とが定められたバックカットを備える。ダブテール軸線に沿ったバックカットの長さを定めるバックカットの開始線は、ダブテール軸線に沿って、ロックワイヤタブの端部から約０．６インチ（約１５．２４ミリメートル）、またはこれにプラスもしくはマイナス０．０６５インチ（約１．６５ミリメートル）の位置に設けられている。

本願および結果として得られる特許におけるこれらならびに他の特徴および改良点は、いくつかの図面および添付の特許請求の範囲と併せて、以下の発明を実施するための形態を精査することにより、当業者には明らかとなる。

圧縮機と、燃焼器と、タービンと、負荷とを示す、ガスタービンエンジンの概略図である。 タービンブレードが取り付けられた状態のタービンディスクセグメントの斜視図である。 図２のタービンブレードの負圧側面を示す斜視図である。 図２のタービンブレードの正圧側面を示す斜視図である。 本明細書に記載されるようなロックワイヤタブを有するタービンブレードの部分斜視図である。 図５のタービンブレードのロックワイヤタブを示す部分断面図である。 本明細書に記載されるようなロックワイヤタブを有するタービンブレードの別実施形態を示す部分斜視図である。

ここで図面を参照すると、いくつかの図面を通して同一の符号が同一の要素を示しているが、図１では、本明細書で使用されるようなガスタービンエンジン１０の概略図を示している。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を備えていてもよい。圧縮機１５は、流入する空気２０の流れを圧縮している。圧縮機１５は、圧縮された空気２０の流れを燃焼器２５に送っている。燃焼器２５は、圧縮された空気２０の流れを加圧された燃料３０の流れと混合し、かつその混合物に点火して、燃焼ガス３５の流れを生成している。燃焼器２５を１台のみ示しているが、ガスタービンエンジン１０は、円周配列などに配置された任意の台数の燃焼器２５を備えることができる。燃焼ガス３５の流れは、次いでタービン４０に送られる。燃焼ガス３５の流れは、機械的動力を生成するために、タービン４０を駆動している。タービン４０で生成された機械的動力は、シャフト４５および発電機などの外部負荷５０を介して、圧縮機１５を駆動している。

ガスタービンエンジン１０では、天然ガス、各種合成ガス、液体燃料、および／または他のタイプの燃料、ならびにこれらの配合物を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、米国ニューヨーク州スケネクタディのジェネラルエレクトリック社が提供する複数の異なるガスタービンエンジンのうちの任意の１台であってもよく、これは７または９シリーズのような高出力ガスタービンエンジンなどを含むが、これらに限定されない。ガスタービンエンジン１０は種々の構成を有していてもよく、またこれにおいて他のタイプの構成部品を使用していてもよい。また、本明細書において、他のタイプのガスタービンエンジンを使用していてもよい。また、本明細書において、複数のガスタービンエンジンと、他のタイプのタービンと、他のタイプの発電装置とを共に使用していてもよい。

図２は、ガスタービンブレード６０を有するガスタービンディスクセグメント５５の一実施例を示す斜視図である。ディスクセグメント５５は、相応する形状を有するブレードダブテール７０を収容し、かつタービンブレード６０をディスク５５に固定しているダブテールスロット６５を備えていてもよい。図３および図４において、翼形部７５とブレードダブテール７０とを備えるタービンブレード６０の対向側面を示している。図３において、タービンブレード６０の正圧側面を示し、図４において、タービンブレード６０の負圧側面を示している。ブレード６０のダブテール７０が概ね軸方向に、すなわちディスク５５の軸線に対して概ね平行であるが、これに向かって傾斜してダブテールスロット６５に挿入され得るということから、ダブテールスロット６５は、通常「軸方向挿入」スロットと呼ばれている。

ブレードダブテール７０とディスクダブテールスロット６５との接合面は、応力集中を受ける可能性がある。応力集中構造部の一例として、冷却スロットを挙げることができる。上記のように、タービンブレード６０およびディスク５５の上流面または下流面は、その周りに円周方向に延在し、かつダブテール７０ならびにダブテールスロット６５のそれぞれの半径方向内側部分を通っている環状の冷却スロットを備えていてもよい。冷却空気（たとえば、圧縮機吐出空気など）は冷却スロットに供給され得、この冷却スロットは、次いでダブテールスロット６５の半径方向内側部分に冷却空気を供給し、かつブレード６０のベース部における溝またはスロット（図示せず）を介してこれを送って、ブレード翼形部７５の内部を冷却している。

応力集中構造部の第２の例として、ブレード保持部またはロックワイヤタブ８０を挙げることができる。ブレード６０の前方端部８５または後方端部９０には、その周りに円周方向に延在し、かつダブテール７０ならびにダブテールスロット６５のそれぞれの半径方向内側部分を通っている環状の保持スロットを画定するロックワイヤタブ８０が設けられていてもよい。ブレード保持ワイヤをロックワイヤタブ８０に挿入することができ、これにより、ブレードに対する軸方向保持が得られる。これらの例のいずれにおいても、また同様の状況においても、応力集中は、タービンディスク５５および／またはタービンブレード６０内で耐用年数を限定する位置に顕著に出現する可能性がある。

図５および図６において、本明細書に記載されているようなタービンブレード１００の一実施例を示している。本実施例では、タービンブレード１００は、米国ニューヨーク州スケネクタディのジェネラルエレクトリック社が提供する９Ｅ．０４ガスタービンエンジンの第２段の一部であってもよい。本明細書において、他のタイプのガスタービンエンジンを使用することができる。タービンブレード１００は、翼形部１０５と、上記のものと同様のダブテール１１０とを備えていてもよい。タービンブレード１００は、ダブテール１１０の周りに配置されたロックワイヤタブ１２０を備えていてもよい。タービンのクラスとブレードおよびディスク段とに依存して、ロックワイヤタブ１２０は、ダブテール１１０の前方端部８５または後方端部１７５のいずれに設けられていてもよい。本実施例では、ロックワイヤタブ１２０は、後方端部１７５の周りに配置されている。ロックワイヤタブ１２０から所定量の材料を除去することによって、１つ以上のバックカット１３０を形成することができる。この材料は、研削加工またはフライス加工プロセスなどの任意の適切なプロセスを使用して、除去することができる。また、これらのプロセスは、ブレードダブテール１１０（および／またはディスクダブテールスロット６５）を形成するために使用される対応プロセスと同一のものであるか、またはこれに類似したものであってもよい。

除去される材料の量、すなわちバックカット１３０の大きさは、ダブテールバックカット１３０の開始線１５０、すなわち、ダブテール軸線に沿って、バックカット１３０の開始線１５０から前方端部１７０または後方端部１７５までの長さ１６０を規定している開始線１５０をまず定めることにより、決定することができる。また、切断角１８０は、バックカット１３０に対して決定されてもよい。開始線１５０と切断角１８０とは、ブレードおよびディスクの幾何学形状に従って、タービンディスク５５の応力低減と、タービンブレード１００の応力低減と、タービンブレード１００の有用寿命と、タービンブレード１００の空気力学的挙動の維持または改善との間の均衡を最大限にするように最適化されてもよい。このため、バックカット１３０が大き過ぎる場合、バックカット１３０は、タービンブレード１００の寿命に悪影響を及ぼす恐れがある。バックカット１３０が小さ過ぎる場合、タービンブレード１００の寿命は最長となり得るが、タービンブレードとディスクとの接合面における応力集中を最小限に抑えることができない恐れがあるため、ディスクが最長となった寿命の恩恵を受けない可能性がある。バックカット１３０は平面状であってもよいし、非平面状であってもよい。本明細書では、切断角１８０は開始切断角として定義されてもよい。バックカット１３０は、タービンブレード１００の正圧側面と負圧側面との一方または両方に形成することができる。

バックカット１３０の開始線１５０と切断角１８０とは、ブレードおよびディスクの幾何学形状に対して有限要素解析を実行することによって、決定することができる。エンジンデータに基づく仮想熱負荷量と仮想構造負荷量とを、ブレード１００およびディスク５５の有限要素グリッドに適用して、エンジン動作条件をシミュレートすることができる。有限要素モデルを使用して、バックカットなしの幾何学形状と変化する一連のバックカット幾何学形状とを解析することができる。バックカット幾何学形状とブレードおよびディスク応力との伝達関数は、有限要素解析から推測することができる。次いで、各バックカット幾何学形状に対するブレードおよびディスク寿命と、ブレードの空気力学的挙動とを予測するために、独自の材料データを使用して、推測した応力をフィールドデータに相関付けることができる。最適なバックカット幾何学形状ならびに許容可能なバックカット幾何学形状の範囲は、ブレードおよびディスク寿命とブレードの空気力学的挙動との両方を考慮して決定されてもよい。

したがって、タービンディスクの応力低減と、タービンブレードの応力低減と、タービンブレードの有用寿命と、ガスタービンブレードの空気力学的挙動の維持または改善との間の均衡を最大限にするために、有限要素解析を使用して、バックカット１３０それぞれに対する最適化された開始線１５０と切断角１８０とを決定することができる。具体的な寸法について説明するが、本明細書に記載されているタービンブレード１００は、このような特定の寸法に限定されることを必ずしも意図していない。最大ダブテールバックカットは、開始線１５０から前方端部１７０または後方端部１７５までの公称寸法によって測定することができる。有限要素解析により、ダブテールバックカットがより大きくなるにつれて、ガスタービンブレードの許容寿命が犠牲となることが判明している。

あるいは、開始線１５０は、ダブテール１１０を通る所定の基準線Ｗに基づき有限要素解析を使用して決定されてもよい。基準線Ｗにより、タービンのクラスの各々におけるそれぞれの段のブレードおよびディスクに対して、ダブテールバックカットの最適化された開始線を定めるための特定可能な基準点が設けられる。本実施例では、バックカット１３０は、米国ニューヨーク州スケネクタディのジェネラルエレクトリック社が提供する９Ｅ．０４ガスタービンエンジンの第２段のために最適化されてもよい。

バックカット１３０の長さ１６０、すなわち開始線１５０から後方端部１７５までは、約０．６インチ（約１５．２４ミリメートル）、またはこれにプラスもしくはマイナス０．０６５インチ（約１．６５ミリメートル）であってもよい。ただし、本明細書では、異なる長さ１６０も使用され得る。また、ダブテールバックカット１３０に対して、切断角１８０が決定されてもよい。本実施例では、切断角１８０は約１．０度、またはこれにプラスもしくはマイナス０．３度程度であってもよい。他の切断角１８０を本明細書で使用することができる。他の適切な大きさと、形状と、構成とを本明細書で使用することができる。

図７において、本明細書に記載されているようなタービンブレード２００の別実施形態を示している。本実施例では、タービンブレード２００は、米国ニューヨーク州スケネクタディのジェネラルエレクトリック社が提供する９Ｅ．０４ガスタービンエンジンの第１段の一部であってもよい。タービンブレード１００は、翼形部１０５と、上記のものと同様のダブテール１１０とを備えていてもよい。タービンブレード１００は、ダブテール１１０の周りに配置されたロックワイヤタブ１２０を備えていてもよい。本実施例では、ロックワイヤタブ１２０は、前方端部１７０の周りに配置されている。ロックワイヤタブ１２０は、内部にバックカット１３０を有していてもよい。バックカット１３０は、上記のものと同様の寸法を有していてもよい。

バックカットは、通常の高温ガス経路検査プロセスの間に、１つのユニットとして形成され得ることが想定される。この構成では、ブレード負荷経路を、ディスクおよび／またはブレードの応力集中構造部における高応力領域の周りに迂回させるべきである。最適化された開始線と最適化された切断角とを含むリリーフカットパラメータにより、ガスタービンディスクの応力低減と、ガスタービンブレードの応力低減と、ガスタービンブレードの有用寿命と、ガスタービンブレードの空気力学的挙動の維持または改善との間の均衡を最大限にするようなバックカットが定められる。応力集中の低減は、ガスタービンディスクの損傷を軽減するのに役立ち、これは、ディスク全体の疲労寿命にとって有意な恩恵となる。

上記は、本願および結果として得られる特許の特定の実施形態のみに関するものであることは明らかである。以下の特許請求の範囲およびその等価物によって定義される本発明の一般的な趣旨および範囲を逸脱することなく、当業者は本明細書において多くの変更および修正を行うことができる。

１０ ガスタービンエンジン
６０、１００、２００ タービンブレード、ブレード
１５ 圧縮機
２０ 空気
２５ 燃焼器
３０ 燃料
３５ 燃焼ガス
４０ タービン
４５ シャフト
５０ 外部負荷、負荷
５５ ガスタービンディスクセグメント、ディスクセグメント、タービンディスク
６５ ダブテールスロット、ディスクダブテールスロット
７０、１１０ ブレードダブテール、ダブテール
７５、１０５ 翼形部、ブレード翼形部
８０、１２０ ロックワイヤタブ
８５、１７０ 前方端部
９０、１７５ 後方端部
１３０ バックカット、ダブルテールバックカット
１５０ 開始線
１６０ 長さ
１８０ 切断角

Claims (7)

1. タービンブレード（６０、１００、２００）の応力を低減する方法であって、複数の前記タービンブレード（６０、１００、２００）をディスク（５５）に取り付けることができ、かつ前記タービンブレード（６０、１００、２００）の各々がロックワイヤタブ（８０、１２０）を有するダブテール（７０、１１０）を備え、前記方法は、
   （ａ）第１段のタービンブレードと第２段のタービンブレードの双方に対してダブテール軸線に沿ったバックカット（１３０）の長さ（１６０）を定める前記バックカット（１３０）の開始線（１５０）を、前記ロックワイヤタブ（８０、１２０）の端部に対して決定するステップと、
   （ｂ）前記バックカット（１３０）の切断角（１８０）を決定するステップと、
   （ｃ）前記開始線（１５０）と前記切断角（１８０）とに従って、前記ロックワイヤタブ（８０、１２０）の前記端部から材料を除去せず、前記ロックワイヤタブ（８０、１２０）の基部から材料が除去されるように、前記ロックワイヤタブ（８０、１２０）及び、前記ダブテール（７０、１１０）の前記ロックワイヤタブ（８０、１２０）よりも半径方向外側の部分から材料を除去し、かつ前記バックカット（１３０）を形成するステップであって、前記開始線（１５０）と前記切断角（１８０）とが、前記タービンブレード（６０、１００、２００）の幾何学形状に従って、前記タービンブレード（６０、１００、２００）の応力低減と、前記タービンブレード（６０、１００、２００）の有用寿命と、前記タービンブレード（６０、１００、２００）の空気力学的挙動の維持または改善との間の均衡を最大限にするように最適化されており、前記開始線（１５０）が、前記ダブテール軸線に沿って、前記ロックワイヤタブ（８０、１２０）の端部から０．６インチ（１５．２４ミリメートル）プラスもしくはマイナス０．０６５インチ（１．６５ミリメートル）の位置に定められている、ステップとを含む、タービンブレード（６０、１００、２００）の応力を低減する方法。
2. 前記開始線（１５０）と前記切断角（１８０）との最適化は、前記タービンブレード（６０、１００、２００）の幾何学形状に対して有限要素解析を実行することによって実施される、請求項１に記載の方法。
3. 前記ステップ（ａ）は、前記バックカット（１３０）の前記開始線（１５０）を、後方端部（９０、１７５）に対して決定することによって実施される、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ステップ（ｃ）は、前記ロックワイヤタブ（８０、１２０）の負圧側面および／または前記ロックワイヤタブ（８０、１２０）の正圧側面から材料を除去することによって実施される、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
5. 翼形部（７５、１０５）とブレードダブテール（７０、１１０）とを備える第１段及び第２段のタービンブレード（６０、１００、２００）であって、各々が前記ブレードダブテール（７０、１１０）はロックワイヤタブ（８０、１２０）を有し、前記ロックワイヤタブ（８０、１２０）は、前記タービンブレード（６０、１００、２００）の幾何学形状に従って、前記タービンブレード（６０、１００、２００）の応力低減と、前記タービンブレード（６０、１００、２００）の有用寿命と、前記タービンブレード（６０、１００、２００）の空気力学的挙動の維持または改善との間の均衡を最大限にするように大きさと位置とが定められたバックカット（１３０）を備え、前記バックカット（１３０）は、前記ロックワイヤタブ（８０、１２０）の端部には形成されず、前記ロックワイヤタブ（８０、１２０）の基部と、前記ダブテール（７０、１１０）の前記ロックワイヤタブ（８０、１２０）よりも半径方向外側の部分に形成され、ダブテール軸線に沿った前記バックカット（１３０）の長さ（１６０）を定める前記バックカット（１３０）の開始線（１５０）は、前記ダブテール軸線に沿って、前記ロックワイヤタブ（８０、１２０）の端部から０．６インチ（１５．２４ミリメートル）プラスもしくはマイナス０．０６５インチ（１．６５ミリメートル）の位置に設けられている、タービンブレード（６０、１００、２００）。
6. 前記ダブテールバックカット（１３０）は非平面状の表面を有する、請求項５に記載のタービンブレード（６０、１００、２００）。
7. 前記ロックワイヤタブ（８０、１２０）は後方端部（９０、１７５）の周りに配置されている、請求項５または６に記載のタービンブレード（６０、１００、２００）。

Images