JP2008151141A - ロータアセンブリにおける荷重伝達のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータアセンブリが提供される。
【解決手段】ロータアセンブリは第１のタービンバケット（１００）を含み、第１のタービンバケットはその径方向外端部（２５４）から延びる第１の先端シュラウド（２１２）を含み、第１の先端シュラウドは第１の表面（２４４）を含み、ロータアセンブリはさらに第２のタービンバケット（１０１）を含み、第２のタービンバケットはその径方向外端部（２５５）から延びる第２の先端シュラウド（２１４）を含み、第２の先端シュラウドは第１の先端シュラウドに円周方向に隣接して配置され、第２の先端シュラウドは、第２の先端シュラウドに誘起される径方向荷重の少なくとも一部を第１の先端シュラウドに伝達し、第１の先端シュラウドに誘起される径方向荷重の少なくとも一部を第２の先端シュラウドに伝達するように構成された第２の表面（２４５）を含む。
【選択図】 図３

Description

本発明は、一般にタービンロータアセンブリに関し、より詳細にはタービンロータアセンブリで使用される回転翼形部の先端シュラウドにおける応力を軽減するための方法及び装置に関する。

少なくともいくつかの周知のタービンロータアセンブリは、根元部から先端シュラウドまで延びる複数のロータ動翼又はバケット（以下、用語「バケット」を、タービンのバケットや航空機のエンジン動翼を総称するために使用するものとする）を含む。一般的に、先端シュラウドはタービンロータアセンブリの性能を改善し易くする。動作中、先端シュラウドは、その先端シュラウド内に応力を誘起する大きな熱的・機械的負荷を受ける。動翼の有効寿命を維持するには、その応力に対処しなければならない。

少なくともいくつかの周知のバケット先端シュラウドは、先端シュラウドに誘起される応力を低減し易くするために、先端シュラウドの選択された部分が取り除かれるようにスカラップ加工される。例えば、スカラップ加工は、そのプロセス中に先端シュラウドの前縁及び／又は後縁に沿ってその一部分を取り除くことで知られている。
米国特許第３８７４１３９号明細書 米国特許第６７０１６１６号明細書

スカラップ加工された領域により、先端シュラウドに誘起される機械的負荷、したがって応力は低減し易くなるが、先端シュラウドにスカラップ加工を行うと、エンジンの性能に悪影響を及ぼす恐れがある。

一態様では、ロータアセンブリの組立て方法が提供される。この方法は、第１の表面を含んだ第１の先端シュラウドを備える第１のタービンバケットをロータディスクに結合し、第２の表面を含んだ第２の先端シュラウドを備える第２のタービンバケットを設け、第２のタービンバケットが第１のタービンバケットに円周方向に隣接するように、且つロータアセンブリの動作中、第１の先端シュラウドが第１及び第２の表面に沿って第２の先端シュラウドに接触して、第１の先端シュラウドに誘起される径方向荷重の少なくとも一部を第２の先端シュラウドに伝達し、第２の先端シュラウドに誘起される径方向荷重の一部分を第１の先端シュラウドに伝達可能となるように、第２のタービンバケットをロータディスクに結合することを含む。

他の態様では、ロータアセンブリが提供される。ロータアセンブリは第１のタービンバケットを含み、第１のタービンバケットはその径方向外端部から延びる第１の先端シュラウドを含む。第１の先端シュラウドは第１の表面を含む。ロータアセンブリはさらに第２のタービンバケットを含み、第２のタービンバケットはその径方向外端部から延びる第２の先端シュラウドを含む。第２の先端シュラウドは第１の先端シュラウドに円周方向に隣接して配置される。第２の先端シュラウドは、第２の先端シュラウドに誘起される径方向荷重の少なくとも一部を第１の先端シュラウドに伝達し、第１の先端シュラウドに誘起される径方向荷重の少なくとも一部を第２の先端シュラウドに伝達するように構成された第２の表面を含む。

他の態様では、タービンバケットアセンブリが提供される。タービンバケットアセンブリは、タービンバケットと、このタービンバケットの径方向外端部から延びる先端シュラウドを含む。先端シュラウドは、第１の外周側部とそれに対向する第２の外周側部がそれぞれ前縁と後縁の間に延びるような、前縁とそれに対向する後縁を含む。先端シュラウドはさらに、第１の外周側部と第２の外周側部の間に延びる、１本以上の先端レールを含む。タービンバケットアセンブリはまた、第１の外周側部、１本以上の先端レール、前縁、及び後縁のうちの１つ以上の一部分に沿ってそれぞれ広がる、第１の表面と第２の表面を含む。第１及び第２の表面は、第１の先端シュラウドからそれに隣接する第２の先端シュラウドへの径方向荷重の伝達を可能とするように構成される。

本明細書では、単数形で記載したものであっても、複数のものを除くと明示されていない限り、複数のものを包含する。さらに、本発明の「一実施形態」（又は「その他の実施形態」）に関する言及は、記載されている特徴をやはり組み入れている追加的な実施形態の存在を排除する、或いは本発明に関連して説明されているその他の特徴の存在を排除すると解釈されるためのものではない。さらに、明記されない限りは反対に、特定の特性を有する１以上の要素を「備える」又は「有する」実施形態は、その特性をもたない追加的なかかる要素を含むことができる。

図１は、軸流タービンで使用できるタービンバケット１００の斜視図である。例示的な一実施形態では、各バケット１００は、翼形部４２と、翼形部４２をロータディスク（図示せず）に取り付けるために使用する、一体形成されたダブテール４３を含む。

翼形部４２は、第１の側壁４４及び第２の側壁４６を含む。第１の側壁４４は凹形で、翼形部４２の正圧側を画成し、第２の側壁４６は凸形で、翼形部４２の負圧側を画成する。側壁４４及び４６は、翼形部４２の前縁４８と、前縁４８より下流にある軸方向に隔置された後縁５０で繋がる。

第１、第２の側壁４４、４６はそれぞれ、ダブテール４３に隣接して配置された動翼根元部５２から架け渡すように長手方向すなわち径方向外向きに延びる。この例示的な実施形態では、翼形部４２と動翼根元部５２は、単一の部品として製作される。一代替実施形態では、翼形部４２と根元部５２は、単一の部品としては製作されない。この例示的な実施形態では、バケット１００は先端シュラウド２１２を含む。バケット１００は、ロータシャフトに結合され、ロータシャフトから径方向外向きに延びる。一代替実施形態では、バケット１００は、ブリスクなどの、バケットをロータシャフトに結合するように構成されたその他の装置で、ロータシャフトに結合してもよい。

図２は、タービンロータアセンブリ内部の定位置に結合された、円周方向に隣接するバケット１００と１０１の対の一部分の斜視図である。図３は、先端シュラウド２１２の上面斜視図である。図４は、先端シュラウド２１２の下面斜視図である。

具体的には、この例示的な実施形態では、バケット１００及び１０１は、ほぼ同一であり、それぞれ先端シュラウド２１２を含む。簡単にするために、第１のバケットをバケット１００としてみなし、第２のバケットをバケット１０１とみなす。バケット１００は第１の先端シュラウド２１２を含み、バケット１０１は第２の先端シュラウド２１４を含む。下記に詳細に示すように、先端シュラウド２１２は、製造時に、先端シュラウド２１４の一部分に対して協働し対合するようなサイズと向きに形成される。さらに、下記に詳細に示すように、この例示的な実施形態では、第１の先端シュラウド２１２の一部分は、それと円周方向に隣接する第２の先端シュラウド２１４からの径方向荷重を支持するように構成される。

図２に示されているように、先端シュラウド２１２、２１４はそれぞれ、前縁側部２４０とそれに対向する後縁側部２４２を介して繋ぎ合わされる、第１の側壁２３４と円周方向に対向して隔置される第２の側壁２３８を含む。この例示的な実施形態では、前縁側部２４０も後縁側部２４２もスカラップ加工されない。前縁側部２４０及び後縁側部２４２はそれぞれ、第１の側壁２３４と第２の側壁２３８の間に円周方向に延びる。この例示的な実施形態では、先端シュラウド２１２、２１４はそれぞれ、先端レール２４１と２４３の対を含む。一代替実施形態では、先端シュラウド２１２、２１４はそれぞれ、先端レールを１本含む。

図３に示されているように、この例示的な実施形態では、第１の側壁２３４は、その一部分に沿って画成される張出し部分２５０によって形成される。具体的には、この例示的な実施形態では、張出し部分２５０は、前縁側部２４０から後縁側部２４２の方に延びる。図４に示されているように、この例示的な実施形態では、張出し部分２５０は、前縁側部２４０から後縁側部２４２の方に距離Ｄ１だけ延びる。第１の側壁２３４はまた、切欠き２５２によって形成される。具体的には、この例示的な実施形態では、切欠き２５２は、頂点２５３で繋ぎ合わされる第１の端部２５４及び第２の端部２５５によって画成される。この例示的な実施形態では、切欠き２５２は、第１の端部２５４から第２の端部２５５まで連続的に延びるＺ字形の切欠きである。したがって、この例示的な実施形態では、張出し部分２５０は、前縁側部２４０から切欠きの第１の端部２５４まで延びる。

張出し部分２５０は、第２の側壁２３８の方に径方向内側の表面２５１に沿って幅Ｗ₁だけ延びる陥凹部２５７によって形成される。この例示的な実施形態では、径方向外側の表面２４５が、前縁２４０の径方向外側の表面２４４から外側へ一定の距離（図示せず）だけずれる。張出し部分の径方向内側の表面２５１は、下記に詳細に示すように円周方向に隣接する先端シュラウド２１２と２１４が互いに当接可能となるようにする対合表面を形成する。

第１の側壁２３４はまた、その一部分に沿って延びるアンダーカット部分２６０によって形成される。具体的には、この例示的な実施形態では、アンダーカット部分２６０は、後縁側部２４２から前縁側部２４０の方に延びる。より具体的には、この例示的な実施形態では、アンダーカット部分２６０は、後縁側部２４２から頂点２５３まで距離Ｄ₃だけ延びる。一代替実施形態では、アンダーカット部分２６０は、後縁側部２４２から、切欠きの第２の端部２５５に隣接して位置する突出部２６１まで延びる。この例示的な実施形態では、距離Ｄ₃は、距離Ｄ₁とほぼ等しい。一代替実施形態では、距離Ｄ₃は、距離Ｄ₁と異なる。

アンダーカット部分２６０は、第１の側壁２３４から第２の側壁２３８の方へ、径方向外側の表面２６４に沿って幅Ｗ₂だけ延びる陥凹領域２６３によって画成される。アンダーカット部分の径方向外側の表面２６４は、下記に詳細に示すように円周方向に隣接する先端シュラウド２１２と２１４が互いに当接可能となるにする対合表面を形成する。

第２の側壁２３８は、アンダーカット部分２７０、突出部２７１、切欠き２７２、及び張出し部分２７４を含む。この例示的な実施形態では、アンダーカット部分２７０、切欠き２７２、及び張出し部分２７４は、それぞれが、円周方向に隣接する張出し部分２５０、切欠き２５２、及びアンダーカット部分２６０に対合するようなサイズ、形状、及び向きに形成されるという点で、アンダーカット部分２６０、切欠き２５２、及び張出し部分２５０と同様に形成される。より具体的には、この例示的な実施形態では、アンダーカット部分２７０は、前縁側部２４０から後縁側部２４２の方に延びる。具体的には、アンダーカット部分２７０は、前縁側部２４０から後縁側部２４２の方に距離Ｄ₅だけ延びる。具体的には、アンダーカット部分２７０は、前縁側部２４０から頂点２７９まで延びる。代替方法では、アンダーカット部分２７０は、前縁側部２４０から突出部２７１まで延びる。この例示的な実施形態では、距離Ｄ₅は、アンダーカット部分２６０の距離Ｄ₃とほぼ等しい。一代替実施形態では、距離Ｄ₅は、アンダーカット部分の距離Ｄ₃と異なる。第２の側壁２３８はまた、頂点２７９で繋ぎ合わされる第１の端部２７６及び第２の端部２７８によって画成される切欠き２７２によって形成される。この例示的な実施形態では、切欠き２７２は、第１の端部２７６から第２の端部２７８まで連続的に延びるＺ字形の切欠きである。したがって、この例示的な実施形態では、アンダーカット部分２７０は、前縁側部２４０から、切欠きの第２の端部２７８に近接する突出部２７１まで延びる。

アンダーカット部分２７０は、第２の側壁２３８から第１の側壁２３４の方に、シュラウドの径方向外側の表面２８０に沿って幅Ｗ₃だけ延びる陥凹領域２７３によって画成される。アンダーカット部分の径方向外側の表面２８０が、下記に詳細に示すように円周方向に隣接する先端シュラウド２１２と２１４が互いに当接可能となるようにする対合表面を形成する。

さらに、第２の側壁２３８は、その一部分に沿って延びる張出し部分２７４によって形成される。張出し部分２７４は、後縁側部２４２から前縁側部２４０の方に延びる。この例示的な実施形態では、張出し部分２７４は、後縁側部２４２から前縁側部２４０の方に距離Ｄ₆だけ延びる。この例示的な実施形態では、距離Ｄ₆は、張出し部分２５０の距離Ｄ₁とほぼ等しい。一代替実施形態では、Ｄ₆は、張出し部分の距離Ｄ₁と異なる。具体的には、張出し部分２７４は、後縁側部２４２から切欠き２７２の第１の端部２７６まで延びる。張出し部分２７４は、第２の側壁２３８から第１の側壁２３４の方に、シュラウドの径方向内側の表面２８４に沿って幅Ｗ₄だけ延びる陥凹部２８２によって形成される。張出し部分の径方向内側の表面２８４は、下記に詳細に示すように円周方向に隣接する先端シュラウドが互いに当接可能となるようにする対合表面を形成する。

この例示的な実施形態では、第１の側壁２３４は、先端シュラウド２１２に誘起される径方向荷重の一部分が先端シュラウド２１４に伝達されるように第２の側壁２３８に対して対合するように設計される。具体的には、張出し部分２５０は、アンダーカット部分２７０に対して対合するように設計され、張出し部分２７４は、アンダーカット部分２６０に対して対合するように設計される。この例示的な実施形態では、張出し部分２５０、２７４は、アンダーカット部分２７０、２６０とそれぞれ確実に重なり合うように設計される。先端シュラウド２１２及び２１４の向き及び構造は、例示的な実施形態であることに留意されたい。例えば、一代替実施形態では、先端シュラウド２１２も先端シュラウド２１４も、張出し部分２５０、２７４によって形成されない、或いはアンダーカット部分２６０、２７０によって形成されない。一代替実施形態では、先端シュラウドの第１の側壁２３４は、先端シュラウド２１２に誘起される径方向荷重の一部分が先端シュラウド２１４に伝達されるようにロータアセンブリの動作中に第１の表面と第２の表面が接触可能となるように先端シュラウドの第２の側壁２３８に対して配置可能な第１の表面によって形成される。別の代替実施形態では、例えば、先端シュラウド２１２及び／又は先端シュラウド２１４の少なくとも一方が、外周ピン、タブ、及び／又は先端シュラウド２１２に誘起される径方向荷重の一部分が先端シュラウド２１４に移すことができるその他の任意の適当な機構を含むが、これに限定されない。

一代替実施形態では、前縁２４０が張出し部分２５０及びアンダーカット部分２６０を含み、且つ／又は後縁２４２が張出し部分２７４及びアンダーカット部分２７０を含み、先端シュラウド２１２に誘起される径方向荷重の一部分が先端シュラウド２１４に伝達される。他の代替実施形態では、先端レール２４１が張出し部分２５０及びアンダーカット部分２６０を含み、且つ／又は先端レール２４３が張出し部分２７４及びアンダーカット部分２７０を含み、先端シュラウド２１２に誘起される径方向荷重の一部分が先端シュラウド２１４に伝達される。

組立中、この例示的な実施形態では、先端シュラウド２１２と２１４が互いに円周方向に隣接して配置されるように、バケット１００と１０１が互いに円周方向に隣接して配置される。より具体的には、並べられたときに、先端シュラウド２１２の前縁側部２４０は先端シュラウド２１４の前縁側部２４０とほぼ円周方向に並ぶ。したがって、先端シュラウド２１２の第１の側壁２３４は、先端シュラウド２１４の第２の側壁２３８に円周方向に隣接して配置される。より具体的には、この例示的な実施形態では、先端シュラウド２１２と２１４が互いに隣接すると、張出し部分２５０の径方向内側の表面２５１はアンダーカット部分２７０の外側表面２８０と径方向に並び、突出部２７１は切欠き２５２内部の壁と並び、頂点２７９は突出部２６１を受ける。さらに、アンダーカット部分２６０の陥凹領域２６３の径方向外側の表面２６４が、張出し部分２７４の陥凹部２８２の径方向内側の表面２８４と並ぶ。アンダーカット部分２６０、２７０と張出し部分２５０、２７４を互いに対合関係で位置決めすることによって、先端シュラウド２１２、２１４の有効寿命の延長が容易になり、したがって、先端シュラウド２１２及び２１４がスカラップ及び／又はその他の脆弱な切り落とし部分を含まないようになる。バケット１００及び１０１が熱膨張する前に、先端シュラウド２１２の第１の側壁２３４は、隣接する先端シュラウド２１４の第２の側壁２３８と並んでいる。先端シュラウド２１２及び２１４は、タービンの動作中互いに接触するように配置されている。

タービンの動作中は、空気が先端シュラウド２１２及び２１４に沿って前縁２４０から後縁側部２４２の方に流れる。先端シュラウド２１２及び２１４が熱的／機械的に膨張すると、タービンの動作中に先端シュラウド２１２及び２１４に誘起される応力を低減させるように、張出し部分２５０及び２７４によって、アンダーカット部分２６０及び２７０の径方向外向きの動きに耐え易くなる。動作中、この張出し部分２５０、２７４とアンダーカット部分２６０、２７０の組合せによって、先端シュラウドの遠心力による荷重がそれぞれ対応するバケット１００、１０１に伝達される。具体的には、この例示的な実施形態では、先端シュラウド２１２に誘起される径方向荷重の一部分が先端シュラウド２１４に伝達される、或いは先端シュラウド２１４に誘起される径方向荷重の一部分が先端シュラウド２１２に伝達される。さらに、この例示的な実施形態では、先端シュラウド２１２に誘起される径方向荷重の一部分が先端シュラウド２１４に伝達され、同時に先端シュラウド２１４に誘起される径方向荷重の一部分が先端シュラウド２１２に伝達される。径方向の保持を強化したことによって、製造業者による先端シュラウドの前縁及び／又は後縁スカラップ加工の必要性が生じないようにすることができる。さらに、この径方向の保持によって、翼形部と先端シュラウド間にあるフィレット（図示せず）が先端シュラウドの荷重を担持する責任を単独で負うことがないようにすることが容易になる。先端シュラウド２１２及び２１４内の応力を低減し、引き下げることによって、先端シュラウドの有効寿命の延長が容易になる。

上記の発明は、先端シュラウド内部で誘起される応力の低減を容易にする、重なり合った先端シュラウドアセンブリを提供する。先端シュラウド内部の応力が低減されることによって、エンジン性能を維持しながら、先端シュラウドの有効寿命を延ばすことが容易になる。

タービンロータアセンブリの例示的な一実施形態が、上記に詳細に説明されている。例示されたアセンブリは、本明細書に記載の特定の実施形態に限定されるのではなく、各アセンブリの構成部品を、本明細書に記載のその他の部品と独立して別個に利用することができる。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明したが、特許請求の範囲の趣旨及び範囲内の変更で本発明を実施できることは、当業者には認識されよう。

軸流タービンで使用できるバケットの例の斜視図である。 図１に示されているバケットの対の、タービンロータアセンブリ内部の定位置に結合された部分の斜視図である。 図２に示されているバケット先端シュラウドの例の上面斜視図である。 図３に示されているバケット先端シュラウドの下面斜視図である。

符号の説明

４２ 翼形部
４３ ダブテール
４４ 第１の側壁
４６ 第２の側壁
４８ 前縁
５０ 後縁
５２ 根元部
１００ タービンバケット
１０１ バケット
２１２ 第１の先端シュラウド
２１４ 第２の先端シュラウド
２３４ 第１の側壁
２３８ 第２の側壁
２４０ 前縁側部
２４１ 先端レール
２４２ 後縁側部
２４３ 先端レール
２４４ 外側表面
２４５ 外側表面
２５０ 張出し部分
２５１ 内側表面
２５２ 切欠き
２５３ 頂点
２５４ 第１の端部
２５５ 第２の端部
２５７ 陥凹部
２６０ アンダーカット部分
２６１ 突出部
２６３ 陥凹領域
２６４ 外側表面
２７０ アンダーカット部分
２７１ 突出部
２７２ 切欠き
２７３ 陥凹領域
２７４ 張出し部分
２７６ 第１の端部
２７８ 第２の端部
２７９ 頂点
２８０ 外側表面
２８２ 陥凹部
２８４ 内側表面

Claims (10)

1. 第１のタービンバケット（１００）と第２のタービンバケット（１０１）とを備えるロータアセンブリであって、
   第１のタービンバケットがその径方向外端部（２５４）から延びる第１の先端シュラウド（２１２）を備えていて、第１の先端シュラウドが第１の表面（２４４）を備えており、
   第２のタービンバケットが、その径方向外端部（２５５）から延びる第２の先端シュラウド（２１４）を備えていて、第２の先端シュラウドが、第１の先端シュラウドに円周方向に隣接して配置され、第２の先端シュラウドが、第２の先端シュラウドに誘起される径方向荷重の少なくとも一部を第１の先端シュラウドに伝達し、第１の先端シュラウドに誘起される径方向荷重の少なくとも一部を第２の先端シュラウドに伝達するように構成された第２の表面（２４５）を備える、アセンブリ。
2. 第１のタービンバケット（１００）と第２のタービンバケット（１０１）がロータアセンブリ内部で結合されるときに、第２の表面（２４５）の少なくとも一部が、第１の表面（２４４）の少なくとも一部の径方向内向きに配置される、請求項１記載のアセンブリ。
3. 第１の表面（２４４）が、第２の表面（２４５）の一部分の内部に配置されるように構成される、請求項１記載のアセンブリ。
4. 第１の表面（２４４）が張出し部分（２７４）を備え、第２の表面（２４５）がアンダーカット部分（２７０）を備える、請求項１記載のアセンブリ。
5. 第１の表面（２４４）と第２の表面（２４５）が、動作中に互いにほぼ重なって対合するように構成される、請求項１記載のアセンブリ。
6. タービンバケット（１００）と、
   タービンバケットの径方向外端部（２５４、２５５）から延びる先端シュラウド（２１２、２１４）であって、先端シュラウドが前縁（２４０）とそれに対向する後縁（２４２）を有していて第１の外周側部とそれに対向する第２の外周側部がそれぞれ前縁と後縁の間に延びており、先端シュラウドがさらに、第１の外周側部と第２の外周側部の間に延びる１本以上の先端レール（２４１、２４３）を備えている先端シュラウド（２１２、２１４）と、
   第１の外周側部、１本以上の先端レール、前縁、及び後縁のうちの１つ以上の一部分に沿ってそれぞれ広がる第１の表面（２４４）及び第２の表面（２４５）であって、径方向荷重の伝達を可能にするように構成される第１の表面（２４４）及び第２の表面（２４５）と
   を備えるタービンバケットアセンブリ。
7. 第１の表面（２４４）がアンダーカット部分（２６０、２７０）であり、第２の表面（２４５）が張出し部分（２５０、２７４）であり、アンダーカット及び張出し部分が径方向荷重伝達を容易にするようなものである、請求項６記載のアセンブリ。
8. 第１及び第２の外周側部の少なくとも一方が、第１の表面及び第２の表面（２４４、２４５）を備える、請求項６記載のアセンブリ。
9. １本以上の先端レール（２４１、２４３）が、第１の表面（２４４）及び第２の表面（２４５）を備える、請求項６記載のアセンブリ。
10. 前縁（２４０）及び後縁（２４２）の少なくとも一方が、第１の表面（２４４）及び第２の表面（２４５）を備える、請求項６記載のアセンブリ。

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