JP2003522872A - タービン翼配置構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 タービン円板（３）の外周（２）に所定の相対間隔（１）を隔てて分散配置された多数の動翼（４）を備え、各動翼が各々翼脚（８）を有し、各翼脚が各々タービン円板の外周にわたり分散して存在する溝（９）内に嵌め込まれて半径方向に噛合い結合され、各動翼が各々翼形部（５）を有し、各翼形部がそのタービン円板側終端部（６）に横に翼台座を有しているタービン翼配置構造において、翼形部の寸法を延長可能とするため、本発明に基づき翼台座の少なくとも一部（１０）を、翼脚と無関係のホルダにより、タービン円板に結合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、タービン円板の外周にわたり所定の相対間隔を隔てて分散配置され
た多数の動翼を備え、各動翼が各々翼脚を有し、各翼脚が各々タービン円板の外
周にわたり分散して存在する溝内に嵌め込まれて半径方向に噛合い結合し、各動
翼が各々翼形部を有し、各翼形部がそのタービン円板側終端部に横に翼台座を有
するタービン翼配置構造に関する。

【０００２】 タービンの効率と出力を向上するため、従ってタービンの有効断面積を増大す
るために、通常、タービン翼の翼形部を延長し、これによって、通過して流れる
高温作動流体の利用率を改善して大きな出力を得るようにしている。しかし翼形
部の延長は、多くのパラメータにより制限される。

【０００３】 延長された翼形部およびこれに伴って増大した運動質量により、特にタービン
円板のハブ部が、作用する遠心力により強く負荷される。これには、円板の軸方
向延長によりハブ部における支持面積を増大することで対処するよう試みられて
いる。しかしこの延長方式には限度がある。増大した翼形部により、ハブが強く
負荷されるだけでなく、タービン翼の翼脚がタービン円板にある溝に嵌め込まれ
た部も大きく負荷される。翼形部の延長は円板ハブの方向にも行われる。しかし
これに伴い、タービン円板の外周にわたり分散して存在する多数の溝の相互間隔
が小さくなり、この結果、溝間の円板部、特に翼脚断面とも呼ばれるハブに最も
近い溝部が、一層強く負荷される。現在この負荷が一般に問題にされており、タ
ービン円板の損傷の危険なしに高めることは殆どできない。

【０００４】 本発明の課題は、タービン円板の溝ないし動翼の翼脚の局所的な負荷を全く或
いはほんの僅かしか増大することなしに、翼形部を延長できるタービン翼配置構
造を提供することにある。

【０００５】 この課題は、翼台座の少なくとも一部を、翼脚と無関係のホルダによりタービ
ン円板に結合することにより解決される。翼台座をタービン円板に結合すること
で、タービン円板と共に回転する動翼による遠心力負荷の少なくとも一部が、ホ
ルダからタービン円板にその翼脚間に位置する部分に伝わる。従って遠心力負荷
の少なくとも一部は、翼脚からこの翼脚が嵌め込まれた溝で受ける必要がなく、
タービン円板に伝えられる。従って荷重分配により、負荷はタービン円板に一様
に伝わり、動翼の翼脚とこの翼脚が嵌め込まれた溝とが、その部分の強度を害す
る応力上昇から免れる。これは、特に溝の最深部を通って延びるハブの周りの、
円状の仮想翼脚断面の範囲内で、この溝の最深部において最も大きな応力上昇が
生ずるので重要である。また、通常の羽根の場合、羽根に取り付けられて突出す
る翼台座によりこの範囲に生ずるてこ作用力が、ホルダの使用によって完全に受
け止められるので、翼台座と羽根との移行部を、僅かに厚く且つ頑丈に形成でき
る。また細長い形状により、追加的に一層の軽量化が生ずる。従って動翼の翼形
部は、円板溝から動翼脚の局所的な負荷を全く又は（延長の大きさに応じ）ほん
の僅かしか増大することなしに延長できる。これにより、円板および羽根の強度
に不利な影響を与えることなくタービンの効率が高められる。

【０００６】 ホルダでタービン円板に結合される翼台座部品が、動翼と別個に形成される場
合、ホルダは総遠心力負荷を翼台座部品により受ける。従って、溝はもはや負荷
されない。翼台座部品と、翼形部および翼脚を備える動翼との質量を完全に分離
することで、作用する遠心力は、タービン円板との各々の継手により別個に受け
られる。従って、ホルダと翼脚は、総遠心力負荷の僅かな部分しか伝える必要が
ない。翼台座部品が羽根から離れた部分、即ち縁において、タービン円板と補助
的に結合されていない一体品の羽根の場合よりも、羽根および翼台座部品を小さ
な質量に形成できる。これは翼台座の重量を補助的に支える必要がないからであ
る。従って、羽根の総重量が、先ずは翼台座の分離により、更に縁における小さ
な質量により減少する。この結果、翼脚と溝は僅かな重量を支えるだけで済む。
また翼状の羽根と、別個に取り付けられた翼台座部品とは、翼の取付けにとって
危険な振動を簡単には生ぜず、かつその振動は、単一品として形成された翼の場
合より大きく減衰する。また、羽根と翼台座部品は別個に安価な費用で製造でき
る。特に、翼台座が一体成形されていないタービン翼は殆ど突出部分を有さない
ので、羽根の鋳造時、鋳型の製造と正確な鋳造が単純化される。別個の翼台座部
品は単純な幾何学形状、一般に板状をなし、安価に製造できる。更に、羽根と翼
台座部品に対し異なる材料が使用できる。この結果、軽量合金を利用して、重量
及び場合によっては材料費と加工費を減少可能である。

【０００７】 単一翼台座部品を隣り合う２つの動翼間の翼台座部品として使用し、ホルダを
隣り合う２つの動翼間のほぼ中央に配置することにより、作用する遠心力を、タ
ービン円板の円周にわたり一様に分布することができる。これに伴い、大きな遠
心力により、特に溝最深部の歯の下側に生ずる応力集中を、大きく減少できる。
２つの動翼間で単一翼台座部品をタービン円板に結合することで、必要な翼台座
部品とこの翼台座部品に対するホルダの数を、各々隣接する２つの動翼間におけ
る各１つの翼台座部品とホルダに減少可能である。

【０００８】 翼台座部品を、隣り合う２つの動翼の翼形部の終端部間に、翼台座を実際に完
全に代用するよう嵌め込むことで、翼台座部品を最大の面積にできる。これに伴
い、翼台座質量全体が殆どホルダで支持され、翼脚と該翼脚が嵌め込まれた溝を
負荷しない。従って翼脚とホルダに関し最良の質量分布を達成できる。翼台座部
品と羽根が隣り合う分割部において、翼台座と羽根を一体に形成する場合と異な
り、大きな翼台座部分により生ずるてこ力を受ける必要がないので、大きな材料
節約と軽量化が達成される。また大きな材料節約は、翼台座部品の翼形部に隣接
する縁を翼形部の曲率に合わせて形成することでも達成できる。また、翼脚と翼
形部との移行部にも、翼の細い部分が存在するので、製造を単純化し、簡単に鋳
造できる。

【０００９】 ホルダを互いに噛合う少なくとも一対の保持部から構成し、一方の保持部を有
する少なくとも１つの継手要素を、翼台座部品およびタービン円板と別個に形成
することで、ホルダを翼台座部品およびタービン円板に柔軟且つ安定的に適合さ
せられる。翼台座部品は、保持部の別個の形成に伴い、種々の方式で且つ簡単に
交換可能にタービン円板に設けられる。更にこの結果、部品間で材料を種々に組
み合わせられる。特に、別個に形成した翼台座部品および別個に形成した保持部
並びにタービン円板および羽根の材料を異ならせ、各々の要件と負荷を考慮に入
れてコスト的に有利に選定できる。

【００１０】 保持部を、遠心力負荷に抗する噛合い結合手段によりタービン円板と翼台座部
品に結合することで、ホルダは、例えば修理目的で簡単に釈放でき、その後、機
能を制限することなく再利用できる。

【００１１】 保持部を、翼台座部品とタービン円板とに遊びをもって結合することで、ホル
ダを簡単に組み立て、万一の腐食時には安価な費用で分解できる。同時にホルダ
は、力が種々の方向から作用し又は大きく変動する際、柔軟に反応しかつその力
の方向に容易に合わせるべく良好に適用され、この結果ホルダとこれに結合され
た噛合い結合手段と、翼台座部品およびタービン円板との損傷が避けられる。

【００１２】 一方の保持部が継手長にわたり直線的に延びて断面レール状をなし、他方の保
持部が第１保持部と対を成して直線的に平行に延び、第１保持部のレール状断面
を噛合い結合的に包囲する横断面形状を有すると、簡単な設置が可能となる。全
継手長にわたり保持部をレール状に形成すると、大きな設置面と接触面が生じ、
この結果、継手の全範囲にわたり良好な力分布が生ずる。従って遠心力による局
所的な応力集中が減る。特に翼台座部品を湾曲して形成した際、翼台座部品は、
レール状保持部により非常に確実にタービン円板上に座る。

【００１３】 レール状保持部が翼台座部品に、レール状保持部がタービン円板に各々結合さ
れ、これらの両保持部が、２つの保持部を備えた継手要素により結合され、該要
素が、レール状断面を噛合い結合的に包囲する断面Ｈ形を有するなら、確実な保
持が可能となる。保持部は大きな範囲で噛合い結合により互いに結合される。継
手は簡単に製造でき、容易に再び釈放できる。保持部のレール状の形状に応じ、
断面Ｈ形の継手要素は、翼台座部品とタービン円板との間に容易に挿入し、かつ
引き抜ける。保持部が複雑な形状をしていないので、安価にかつコスト的に有利
に製造できる。

【００１４】 タービン円板がレール状保持部、翼台座部品がレールを包囲する保持部を有し
、両保持部が継手要素で結合され、該要素がレールを包囲する保持部とレール状
保持部を有することにより、非常に安定した保持部が生ずる。

【００１５】 図１は、本発明の実施例を示す

【００１６】 図１は本発明に基づくタービン翼配置構造を斜視図で示す。ガスタービンにお
いて、タービンを貫流する高温作動流体、特に高温ガスは翼形部（羽根）５に向
かって流れる。その作動流体により、動翼４付きタービン円板３がタービン軸線
２４を中心として回転する。各動翼４はその断面クリスマスツリー状翼脚８が、
タービン円板３の外周２にわたり相対間隔１を隔てて多数配置された溝９内に各
々横方向挿入にて嵌め込まれている。タービン円板３の回転運動に伴い、動翼４
は外向きの遠心力を受ける。動翼４の翼脚８とタービン円板３の噛合い爪２５が
、翼脚８にクリスマスツリー状に成形された種々の歯１７、１８、１９および対
応して噛合い爪２５に存在する歯２１、２２、２３により、この遠心力を吸収す
る。例えば翼脚８の両側における最下位歯１７、中間歯１８および最上位歯１９
が存在する。翼脚８の両側の最下位歯１７は、噛合い爪２５の最下位噛合い歯２
１により保持され、中間歯１８は対応した中央噛合い歯２２の後ろに係合し、最
上位歯１９はタービン円板３の表面に最も近接して存在し、最上位噛合い歯２３
の後ろに係合している。翼脚８は最下位歯１７から最上位歯１９迄その幅２６が
徐々に増大している。このようにして、タービン円板３とこれに設けられた動翼
４との回転により生ずる遠心力を受け止める。

【００１７】 しかし非常に長い動翼４の場合、噛合い爪２５の最下位歯１７を収容する凹所
１７′が、特に溝９の最深部に沿う翼脚断面３３の範囲で、そこに作用する局所
的な強い力のために、動翼４の増大限界となっている。これは、翼台座の一部１
０を、ホルダ１１によりタービン円板３に遠心力負荷に抗して結合することで対
処している。翼台座とここに存在する翼台座部品１０は、通常翼脚部をその近傍
を流れる作動流体、特に高温ガスによる加熱から保護するために使われる。

【００１８】 翼台座部品１０は各々２つの動翼４間に別個に嵌め込んでいる。この場合ホル
ダ１１は、２つのレール状保持部３１と１つの継手要素３２から成る。その一方
のレール状保持部３１は、タービン円板３の外周２に、好適にはその翼脚８用の
２つの溝９間のほぼ中央（溝９の相対間隔ｌのほぼ半分の個所）にそして他方の
レール状保持部３１は、翼台座部品１０のタービン円板３側の下側面２８に設け
ている。これら両レール状保持部３１は互いに平行に延び、半径方向において互
いに一致している。これら保持部３１は断面Ｈ形をなす継手要素３２により互い
に結合される。この継手要素３２には、上下に各々保持部３１が挿入される、丸
みを持った２つの凹所１３を有する。

【００１９】 上述の要素は、例えば経費節約のため、種々の適した材料、特にタービン円板
３と別の材料から作るとよい。強く作用する力で損傷の起点が生じないよう、保
持部３０、３１と継手要素３２は単一品として形成する。耐久性と強度上の理由
から、タービン円板は限られた範囲でのみ研摩・切削加工の可能な、硬化処理し
た特殊合金から製作する。しかし特に、真直ぐに延びるレール状の保持部３１は
タービン円板３１と一体に作ってもよい。これはタービン円板３上の保持部３１
の保持を改善する。この結果、遠心力負荷による損傷発生個所を減少できる。

【００２０】 翼台座部品１０は、その両側長縁２０に湾曲部１５を有する。その両側長縁２
０の曲率は必ずしも同一である必要はない。これはタービン翼の翼形部の形状に
合わされて選定される。その湾曲部１５は、動翼４の終端部６における翼形部５
の横断面のラジアル断面縁２９に存在する。かくして、この縁２９の湾曲経過に
おいても、終端部６における翼形部５の横断面積に関して最適な面積の翼台座部
品１０が得られる。これは溝部の負荷を著しく軽減する。

【００２１】 翼台座部品１０と動翼４の残部との間に、湾曲縁２９とこれに対応した翼台座
部品１０の縁２０との間に隙間が存在する。この隙間のタービン円板側下端は、
両縁２０、２９で軽く面取りされている。その隙間内において、翼台座部品１０
の下側面２８に減衰ワイヤ１６が当てられている。タービン円板３の停止時、減
衰ワイヤ１６は複数の固定突起５０により、図４に示す位置に保持される。減衰
ワイヤ１６は、遠心力負荷時、翼台座とタービン円板との間の中間室を、隙間を
通しての高温ガスの侵入に対し漏れ止めする。同時に減衰ワイヤ１６は羽根の振
動を減衰する。減衰ワイヤ１６は翼台座部品１０および動翼４の湾曲部１５に従
って延びている。減衰ワイヤ１６は、その設置を容易にすべく予め曲げてある。
また両縁２０、２９は、好適には予め湾曲部１５に応じた曲げ半径を持つ減衰ワ
イヤ１６が容易に挿入できるように、相応した一定の曲率を有している。全ての
構成要素を設置した後、タービン円板３の端面側に軸方向シール板２７が取り付
けられる。このシール板２７は、好適には翼脚上縁から翼台座の下縁迄端面側円
板部のほぼ大部分を覆っている。この結果、翼台座から翼台座部品１０の下側或
いは翼脚に横方向に作動流体、特に高温ガスが侵入するのを防止できる。さもな
いと、高温ガスの侵入によりそこがひどい損傷を受けてしまう。

【００２２】 図２は断面Ｈ形の継手要素３２を示す。Ｈの両溝を形成する保持部は、好適に
は継手範囲１４に簡単な方法で丸みをつけた凹所１３の形で直線的に延びている
（図１参照）。これは継手要素の製造を単純化する。継手要素３２はその全横断
面にわたり同じ形状と寸法を持つ。かくして、継手要素をタービン円板の両側か
ら嵌め込める。

【００２３】 図３は、二対の保持部３０、３１から成るホルダを示す。この場合、翼台座部
品１０はレール包囲保持部３０を有し、タービン円板３は第１実施例と同様にレ
ール状保持部３１を持つ。その継手要素３２は、各々レール状保持部３１とレー
ル包囲保持部３０とを有する。継手要素３２は、翼台座部品１０とタービン円板
３との間に容易に挿入できる。

【００２４】 図４は、本発明に基づく保持技術を使用したタービン円板３とこれに取り付け
られた動翼４内部での遠心力負荷により生ずる力分布を示す。最大の切欠き応力
は、噛合い爪の範囲、特に凹所１７′の範囲における噛合い歯２１の下側に現れ
る（図１参照）。遠心力負荷の大部分はホルダ１１を介してタービン円板３に直
接伝わり、噛合い凹所１７′を負荷しない。ホルダ１１の使用に伴い、平均的な
応力が現れ、最狭断面部から噛合い範囲における歯の半径方向の応力は、従来生
じた値よりかなり低い値になる。タービン翼配置構造の機能範囲を負荷に合わせ
て分割することで、力分布は平均化される。これは、例えば効率を向上するため
に翼形部の延長によって生ずる全体として大きな遠心力負荷を可能にする。その
翼形部の延長は、外部タービン流出開口断面の増大と合わせて外側に向けて、並
びにタービン円板のハブ部の方向に内側に向けて行われる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に基づくタービン翼配置構造の概略斜視図。

【図２】 継手要素の斜視図。

【図３】 ホルダの異なった実施例の側面図。

【図４】 タービン翼配置構造における力分布の説明図。

【符号の説明】

２ タービン円板外周 ３ タービン円板 ４ 動翼 ５ 翼形部（羽根） ６ 動翼の終端部 ８ 翼脚 ９ 溝 １０ 翼台座部品 １１ ホルダ １４ 継手長 ３０、３１ 保持部 ３２ 継手要素

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】タービン円板（３）の外周（２）にわたり所定の相対間隔（ｌ
   ）を隔てて分散配置された多数の動翼（４）を備え、各動翼（４）が各々翼脚（
   ８）を有し、各翼脚（８）が各々タービン円板（３）の外周（２）にわたって分
   布して存在する溝（９）内に嵌め込まれ半径方向に噛合い結合され、各動翼（４
   ）が各々翼形部（５）を有し、各翼形部（５）がそのタービン円板側終端部（６
   ）に横に翼台座を有するタービン翼配置構造において、翼台座の少なくとも一部
   （１０）が、翼脚（８）と無関係のホルダによって、タービン円板（３）に結合
   されたことを特徴とするタービン翼配置構造。
2. 【請求項２】ホルダ（１１）によりタービン円板（３）に結合された翼台座
   部品（１０）が、動翼（４）と別個に形成されたことを特徴とする請求項１記載
   の構造。
3. 【請求項３】単一翼台座部品（１０）が、隣り合う２つの動翼（４）間の翼
   台座部品（１０）として使用され、ホルダ（１１）が隣り合う２つの動翼（４）
   間のほぼ中央に配置されたことを特徴とする請求項１又は２記載の構造。
4. 【請求項４】翼台座部品（１０）が隣り合う２つの動翼（４）の翼形部（５
   ）の終端部（６）間に、翼台座を実際上完全に代用するように嵌め込まれたこと
   を特徴とする請求項１から３の１つに記載の構造。
5. 【請求項５】ホルダ（１１）が互いに噛合う少なくとも一対の保持部（３０
   、３１）から成り、一方の保持部（３０、３１）を有する少なくとも１つの継手
   要素（３２）が、翼台座部品（１０）およびタービン円板（３）と別個に形成さ
   れたことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の構造。
6. 【請求項６】保持部（３０）が、遠心力負荷に抗する噛合い結合手段により
   タービン円板（３）および翼台座部品（１０）に結合されたことを特徴とする請
   求項５記載の構造。
7. 【請求項７】保持部（３０）が、翼台座部品（１０）とタービン円板（３）
   に遊びをもって結合されたことを特徴とする請求項５又は６記載の構造。
8. 【請求項８】一方の保持部（３１）が継手長（１４）にわたり直線的に延び
   る断面レール状をなし、他方の保持部（３０）が第１保持部（３１）と対を成し
   て直線的に平行に延び、第１保持部（３１）のレール状断面を噛合い結合的に包
   囲する横断面形状をなすことを特徴とする請求項５から７の１つに記載の構造。
9. 【請求項９】レール状保持部（３１）が翼台座部品（１０）に、レール状保
   持部（３１）がタービン円板（３）に各々結合され、これら両保持部（３１）が
   、２つの保持部（３０）を備えた継手要素（３２）により結合され、この継手要
   素（３２）が、レール状断面を噛合い結合的に包囲する断面Ｈ形をなすことを特
   徴とする請求項８記載の構造。
10. 【請求項１０】タービン円板（３）がレール状保持部（３１）を有し、翼台
    座部品（１０）がレール包囲保持部（３０）を有し、両保持部（３０、３１）が
    継手要素（３２）により結合され、該要素（３２）がレール包囲保持部（３０）
    とレール状保持部（３１）とを有することを特徴とする請求項８記載の構造。