JP2009057975A

JP2009057975A - タービンロータ装置及びシステム

Info

Publication number: JP2009057975A
Application number: JP2008219113A
Authority: JP
Inventors: Swami Ganesh; スワミ・ガネッシュ; Robin Carl Schwant; ロビン・カール・シュワント; Lyle B Spiegel; ライル・ビー・スピーゲル
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2008-08-28
Publication date: 2009-03-19
Also published as: US20090060735A1; CN101377131B; RU2496007C2; EP2031182A3; KR20090023291A; CN101377131A; RU2008135271A; EP2031182A2

Abstract

【課題】分割形タービンロータ（２８）が開示される。
【解決手段】分割形タービンロータ（２８）は、複数のタービンブレード（４８）の複数の列（５２）を有する。分割形タービンロータ（２８）の複数のロータセグメント（３０）の内の１以上のロータセグメント（３０）は、ロータ（２８）の中心軸線（５６）と実質的に平行な軸線（５７）を有し且つ該軸線の周りに円周方向に配置されたリング（３６、３８、４０）を含み、該リング（３６、３８、４０）は、その中心に配置されたキャビティ（４５、４６、４７）を形成し、タービンブレード（４８）の複数の列（５２）の内の１以上の列（５２）を支持する外表面（３９）を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、総括的にはタービンに関し、より具体的には、タービンロータに関する。

例えば蒸気タービン内で使用されるような現在のタービンロータは、大きなモノブロック鍛造により単体の大きなロータとして製造することができる。或いは、例えばガスタービン内で使用されるようなタービンロータは、各ホイールがタービンの１つの段を表す１列のタービンブレードを含む、幾つかのホイールから成る組立体を含むことができる。ホイールは、互いに溶接又はボルト固定することができる。上記のこれらのタービンロータ設計は、重量及び熱質量が大きなタービンロータを生じる。現在のロータ設計の重量及び熱質量は、ロータの温度及び速度の変化に対応するために妥協的なクリアランス制御及びタービン始動手順の延長をもたらす。
米国特許第５４１４９２９号明細書米国特許第５９９３１５４号明細書米国特許出願公開第２００２／００９２１６５号明細書米国特許出願公開第２００３／００８４５６８号明細書

従って、これらの欠点を克服したタービンロータ構成が当技術分野において必要とされる。

本発明の一実施形態は、分割形タービンロータを含む。この分割形タービンロータは、複数のタービンブレードの複数の列を有する。分割形タービンロータの複数のロータセグメントの内の１以上のロータセグメントは、ロータの中心軸線と実質的に平行な軸線を有し且つ該軸線の周りに円周方向に配置されたリングを含み、該リングは、その中心に配置されたキャビティを形成し、且つタービンブレードの複数の列の内の１以上の列を支持する外表面を有する。

本発明の別の実施形態は、外側フレームと、該外側フレーム内に配置され、複数のロータセグメントを含む分割形タービンロータと、分割形タービンロータと動作可能に連通した複数の列の複数のタービンブレードとを含む。複数のロータセグメントの内の１以上のロータセグメントが、ロータの中心軸線と実質的に平行な軸線を有し且つ該軸線の周りに円周方向に配置されたリングを含み、これにより、リングの中心に置かれたキャビティを形成し、該リングがタービンブレードの複数の列の内の１以上の列を支持する外表面を有する。

これら及び他の利点並びに特徴は、添付図面を参照しながら提供される本発明の好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。

添付図において同様の要素に同様の参照符号が付与される例示的な図面を参照する。

本発明の一実施形態は、タービンブレードの２以上の列を含むことができる溶接セグメントを含むタービン用分割形ロータを提供する。分割形ロータは、１つ又はそれ以上のディスクと協働する１つ又はそれ以上のリングを含むことができ、現在のロータ設計と比べて分割形ロータの重量及び熱質量を低減するために実質的に中空内部を含む。

次に図１を参照すると、ロータ２４と動作可能に連通する複数のタービンブレードを使用して、外側フレーム２６に対するロータ２４の回転により熱及び運動エネルギーを機械エネルギーに変換するタービン２０の一実施形態の概略図が示される。タービン２０はガスタービンとすることができ、該ガスタービンは、燃焼ガス１２の膨張から生じる熱及び運動エネルギーを変換して、例えば航空機、船舶、又は列車のような乗物を推進させるための機械エネルギーを提供し、又は発電し、或いは、例えばポンプ動作のような他の用途のための機械エネルギーを提供する。或いは、タービン２０は、例えば上に述べたような多様ないずれかの用途のために高温蒸気１２の膨張により生じる熱及び運動エネルギーを機械エネルギーに変換する蒸気タービンとすることができる。

ここで図２を参照すると、分割形ロータ２８の一実施形態の断面図が示される。分割形ロータ２８は、ロータセグメント３２、３４、３６、３８、４０、４２、４４のような２以上のロータセグメント３０を含む。タービンブレード４８は、段としても知られる複数の列５２で分割形ロータ２８上に配列される。４つのタービンブレードだけが具体的に図示されているが、参照符号４８は、全体的にこうしたタービンブレード全てを指していることは理解されるであろう。タービンブレード４８の各列５２は、図２に示すタービンブレード４８で表現されているが、各列５２は、図示のタービンブレード４８と列を成して分割形ロータ２８の中心すなわち中心軸線５６の周りで円周方向に延びる複数のタービンブレード４８を含むことは理解されるであろう。図示のロータセグメント３６、４０、４４のようなロータセグメント３０の１以上は、タービンブレード４８の２以上の列５２を含む。

図２に示す実施形態（限定ではなく例証の目的のもの）において、分割形ロータ２８は、７つのロータセグメント３２、３４、３６、３８、４０、４２、４４を含み、これらにタービンブレード４８の１２の列５２が配置されている。

本明細書において「ディスク」とも呼ばれるロータセグメント３４、４２を詳細に参照すると、ロータセグメント３４、４２は、図２に示すように、ウェブ１４４、１４８と、ほぼＴ字形状を定めるフランジ１５２、１５６とを有する構造を提供する。一実施形態において、ロータセグメント３４、４２は、ウェブ１４４、１４８と一体化されたフランジ１５２、１５６を有する一体部品の「ディスク」ロータセグメントである。ウェブ１４４、１４８は、第１の端部１４５、１４９と第２の端部１４７、１５１とを有する。ウェブ１４４、１４８の第１の端部１４５、１４９は、ロータ２４の中心５６に向って半径方向内向きに延び、且つロータ２４の中心５６付近に配置される。第２の端部１４７、１５１は、フランジ１５２、１５６の近くに配置され、ウェブ１４４、１４８に対してほぼ垂直方向に向けられ、中心５６の周りで円周方向に配置される。一実施形態において、例えばディスクロータセグメント３４のようなディスクロータセグメントは、以下で更に検討するように、溶接部の検査及び必要な何らかのドレッシングのために分割形ロータ２８内部へのアクセスを可能にするボア５８又は孔を含む。

例えば、セグメント３２のような第１のセグメントは、例えばセグメント３４のような第２のセグメントに隣接して配置され、こうした第１のセグメント３２のフランジ１５４は、第２のセグメント３４のフランジ１５２と接触する。言い換えると、フランジ１５２、１５６は、中心５６に平行に配向されて、該中心５６を囲む同心シェルを形成する。

本明細書において「リング」とも呼ばれるロータセグメント３６、３８、４０を詳細に参照すると、ロータセグメント３６、３８、４０は、図２に示すように、ほぼ矩形形状３７の断面を有するトロイダル構造を提供する。ロータセグメント３６、３８、４０のトロイダル又はリング状構造は、オープンスペースのキャビティ又は中心区域４５、４６、４７を形成し、その結果、リングロータセグメント３６、３８、４０が中空になる。リングロータセグメント３６、３８、４０のほぼ矩形の断面形状は、中心５６の周りで円周方向に配置される。一実施形態において、ロータセグメント３６、３８、４０は、一体部品の「リング」ロータセグメント３６、３８、４０であり、該セグメントは、半径方向内向きに延びるウェブが無く、これにより、ロータセグメント３４、４２のフランジ１５２、１５６に類似した、ロータ２４の中心軸線５６にほぼ平行な軸線５７を囲み且つこれを有する同心シェルを形成する。別の実施形態において、リングロータセグメント３６、３８、４０の各々の軸線５７は、ロータ２８の中心軸線５６と一致している。リングロータセグメント３６、３８、４０のようなリングロータセグメントは、タービンブレード４８の１つ又はそれ以上の列５２を支持する外表面３９を含む。

図３は、ディスク及びロータセグメントの交互配置を有する分割形ロータ２８の一実施形態を示している。例えば、ディスクロータセグメント２００は、２つのリングロータセグメント２０８、２１２に隣接して、ロータ２８の中心２０４近くに配置される。一実施形態において、フランジ２１６のようなフランジは、ウェブ２２４に対向する表面２２０を提供し、この表面２２０は、タービンブレード４８の２以上の列５２を支持することができる。

合計１２の列５２のタービンブレード４８を備えた７つのロータセグメント３０を有する本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、本発明は、特定のタービン２０用途の要求により必要に応じて、タービンブレード４８の異なる数の列５２が配置された異なる数のロータセグメント３０を有する分割形ロータ２８にも適用されることは理解されるであろう。一実施形態において、セグメント３０の数、又はセグメント３０当たりのタービンブレード４８の列５２の数は、応力、製造性、コスト、及び品質検査の容易さに基づいて最適化することができる。更に、幾つかの実施形態をリングロータセグメントに対するディスクロータセグメントの特定の配置に関連して説明してきたが、本発明の範囲は、これに限定されるものではなく、本発明は、例えば、リングロータセグメントに隣接した各ディスクロータセグメントを含む配列を組み込むような、ディスクロータセグメントとリングロータセグメントの異なる配列を利用した分割形ロータ２８にも適用されと点は理解されるであろう。

再度図２を参照すると、フランジ１５２、１５４及びウェブ１４４、１４６を含む上記の互いに隣接配置された２つのディスクロータセグメントのようなロータセグメント３２、３４の構造を使用することにより、隣り合うロータセグメント３２、３４のウェブ１４４、１４６とフランジ１５２、１５４との間に配置され且つこれらによって形成されるオープンスペース区域７２、７６又はキャビティが提供される。リングロータセグメント３６、３８、４０によって提供されるオープンスペース区域４５、４６、４７に加えて、ロータセグメント３２、３４、４２、４４によって提供されるオープンスペース区域７２、７６は、現在のロータ設計と比べて分割形ロータ２８の重量及び熱質量の低減に寄与する。

図４は、ロータ２８の近位端３２０、３２２に配置されたロータセグメント３１６、３１８以外にはどのようなディスクロータセグメントも存在しない、リングロータセグメント３００、３０４、３０８、３１２の配列を有する分割形ロータ２８の一実施形態を示している。

再度図２を参照すると、例示的な実施形態において、ロータセグメント３２、３４は、互いに隣接し接触して配置され、溶接接合部６０において互いに溶接される。同様に、ロータセグメント３４、３６は、セグメント３４のフランジ１５２とセグメント３６のリングとの間に置かれた溶接接合部６４において互いに溶接される。同様に、ロータセグメント３６、３８、ロータセグメント３８、４０、ロータセグメント４０、４２、及びロータセグメント４２、４４は、溶接接合部６８において互いに溶接される。分割形ロータ２８の一実施形態は、ナロウギャップタングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接法によって作られた溶接接合部６０、６４、６８を使用して、ロータセグメント３０を接合するのに必要な溶接材料の量を最小にする。電子ビーム溶接法、レーザ溶接法、及びその他の溶接法のような代替の溶接法を利用してセグメント３０を接合することができる点も企図される。ロータセグメント３０の溶接を準備するために、溶接接合部６０、６４、６８に最も近いロータセグメント３０の領域８４、８８、９２の局所溶接前熱処理が企図される。更に、例えばミクロ構造、残留応力、及び歪みのような溶接特性を最適化するために、領域８４、８８、９２の局所溶接後熱処理が企図される。一実施形態において、２つの隣り合うロータセグメント３０は、異なる又は異種の合金母材を含む。このような局所熱処理は、異種の合金母材を含むロータセグメント３０を共に溶接するのに対応させるために、制御された熱勾配を生じるような方式で行われるよう企図される。局所熱処理は、異なる合金母材を有するロータセグメント３０の各々を異なる温度に曝して、溶接接合部６０、６４、６８の全域にわたって異種の合金母材の各々の特性を最適化するように企図される。

各々が１列のブレードを有し、互いにボルト固定された幾つかのホイールを利用する現在のガスタービン２０用ロータ設計と比べて、分割形ロータ２８は、複数のホイール及びボルトに伴う重量、熱質量、及び複雑さを低減させる。複雑さが低減されると、これに応じて分割形ロータ２８の製造コストが低下する。ロータ２４の重量及び熱質量が減少すると、ロータ２４の膨張及び収縮速度に影響を及ぼす。従って、低減された熱質量を有する分割形ロータ２８を使用すると、隣接タービン２０静止構成要素の膨張に対してロータ２４の膨張速度をより一致させることにより、クリアランスの制御を向上させることが企図される。更に、重量及び熱質量の減少は、分割形ロータ２８がより短い時間間隔内に定常状態の速度及び温度に到達するので、始動手順を単純化すると企図される。一実施形態において、分割形ロータ２８の重量は、現在の設計及び構造配置を用いている同等のロータよりも４０％小さいことが企図される。

現在の蒸気タービン２０は、１つの大形ロータ２４の機械加工を可能にする材料から作られたロータ２４を使用することができるが、タービン２０内での特定の作動条件により好適な最新材料の企図される使用は、このような材料は１つの大形ロータ２４に対応したサイズでは利用可能ではないことが多いので、１つの大形ロータ２４の機械加工を排除するであろう。従って、蒸気タービン内におけるロータセグメント３０の使用は、最新材料を組み込んだより軽量なロータ２４の使用を促進することが企図される。最新材料の実施例としては、例えばａｌｌｏｙ７１８、７０６、Ｒｅｎｅ９５、６２５、Ｎｉｍｏｎｉｃ２６３、及び他の商用超合金のような超合金、例えばＭ１５２（以前はＪｅｔｈｅｔｅＭ１５２という名で知られていた）、ＡＩＳＩ４０３、４５０のようなマルテンサイト系ステンレス鋼、例えばＮｉＣｒＭｏＶ、ＣｒＭｏＶ（ＡＳＴＭＡ４７０）のような低合金鋼、及び、例えばＴｉ−６−４、Ｔｉ６Ｑ２のようなチタン合金が含まれる。以上の実施例は、例示的なものであって、これらに限定されるわけではない。

例示的な実施形態において、異なるロータセグメント３０は、異なる材料で作られ、各ロータセグメント３０は、曝露されるタービン２０内における特殊作動条件に適した材料で作られることが企図される。例えば、異なる温度、異なるペイロード、又はブレード４８の重量から生じる異なる遠心荷重に曝される異なるロータセグメント３０は、温度、ペイロード、又は遠心荷重に対してこれらの性能として選ばれた異なる材料から作られることが企図される。異なる材料で作られたこのようなロータセグメント３０で組み立てられた分割形ロータ２８は、異なる材料の要件に適合するように最適化された異なる溶接後熱処理を利用することが更に企図される。

ここで図５を参照すると、ロータセグメント９６の別の実施形態が示されている。ロータセグメント９６に機械加工されたダブテール溝１００は、このダブテール溝１００の幾何形状と一致した幾何形状を有する根元１０８を含んだタービンブレード１０４のような、タービンブレードの接線方向入力の組み付けを可能にする。ダブテール溝１００は、フランジ１１４の外表面１１２内に切り込まれる。

開示されたように、本発明の幾つかの実施形態は、以下の利点：すなわち、タービンロータの重量が低減されたこと；タービンロータの熱質量が低減されたこと；タービンロータの組み付けの複雑さが低減されたこと；タービンの始動手順が単純化されたこと；タービンロータのクリアランス制御が改善されたこと；タービンロータがタービン内の位置に依存する作動条件に好適な異なる材料を有すること；及びタービンロータの製造コストが低減されたことの一部を含むことができる。

例示的な実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能であり、本発明の要素を均等物で置換え得る点は当業者であれば理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、本発明の教示に対して特定の状況又は材料に適応させるように多くの変更を行うことが可能である。従って、本発明は、本発明を実施するために企図された最良又は唯一の形態として開示される特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の請求項の範囲内に含まれる全ての実施形態を含むものとする。更に、図面及び明細書において、本発明の例示的な実施形態が開示されており、特定の用語を使用しているが、これらは特に断りのない限り、一般的な記述上の意味で使用されており、限定の目的で使用されるものではなく、従って、本発明の範囲は、これらの用語によって限定されることはない。更に、「第１の」、「第２の」、その他の用語の使用は、あらゆる順序又は重要度を表すものではなく、これらは、或る要素を他の要素と区別するために使用されている。更に、「ａ」、「ａｎ」、その他の用語は、数量の限定を表すものではなく、参照アイテムの１以上が存在していることを表している。

本発明の一実施形態によるタービンの概略図。本発明の実施形態によるタービンロータ装置の断面図。本発明の実施形態によるタービンロータ装置の断面図。本発明の実施形態によるタービンロータ装置の断面図。本発明の一実施形態によるタービンロータセグメント及びタービンブレードの断面図。

Claims

複数のタービンブレード（４８）の複数の列（５２）を有する分割形タービンロータ（２８）であって、
前記分割形タービンロータ（２８）の複数のロータセグメント（３０）の内の１以上のロータセグメント（３０）が、
前記ロータ（２８）の中心軸線（５６）と実質的に平行な軸線（５７）を有し且つ該軸線の周りに円周方向に配置されたリング（３６、３８、４０）を含み、
前記リングが、中心に配置されたキャビティ（４５、４６、４７）を形成し、前記タービンブレード（４８）の複数の列（５２）の内の１以上の列（５２）を支持する外表面（３９）を有する、
分割形タービンロータ（２８）。
前記リング（３６、３８、４０）の外表面（３９）が、前記タービンブレード（４８）の複数の列（５２）の内の２以上の列（５２）を支持する、
請求項１に記載の分割形タービンロータ（２８）。
前記複数のロータセグメント（３０）の内の１以上のロータセグメント（３０）が、
前記ロータ（２８）の中心軸線（５６）の近傍に配置された第１の端部（１４５）と、第２の端部（１４７）とを有するウェブ部分（１４４）と、
前記ウェブ部分（１４４）の第２の端部（１４７）と一体化されたフランジ部分（１５２）と、
を備え、
前記フランジ部分（１５２）が、前記中心軸線（５６）と平行に配置され、これにより前記ウェブ部分（１４４）と前記フランジ部分（１５２）との間に配置されたキャビティ（４５、４６、４７）を形成し、
前記フランジ部分（１５２）が、前記複数のタービンブレード（４８）の複数の列（５２）の内の２以上の列（５２）を支持する外表面（３９）を有する、
請求項１に記載の分割形タービンロータ（２８）。
前記複数のロータセグメント（３０）の第１のロータセグメント（３４）が、前記複数のロータセグメント（３０）の第２のロータセグメント（３６）と隣接し接触して配置されている、
請求項１に記載の分割形タービンロータ（２８）。
前記第１のセグメント（３４）と前記第２のセグメント（３６）との間に配置された溶接接合部（６４）を更に備える、
請求項４に記載の分割形タービンロータ（２８）。
前記第１のセグメント（３４）及び前記第２のセグメント（３６）が異なる材料を含む、
請求項５に記載の分割形タービンロータ（２８）。
前記複数のロータセグメント（３０）の内の１以上が、前記外表面（３９）内に複数のダブテール溝（１００）の内の２以上の列（５２）を更に含み、
前記複数のタービンブレード４８の内のタービンブレード１０４が、前記複数のダブテール溝（１００）の内の各ダブテール溝（１００）によって保持される、
請求項１に記載の分割形タービンロータ（２８）。
外側フレーム（２６）と、
前記外側フレーム（２６）内に配置され、複数のロータセグメント（３０）を含む分割形タービンロータ（２８）と、
前記分割形タービンロータ（２８）と動作可能に連通した複数の列（５２）の複数のタービンブレード（４８）と、
を備えたタービン（２０）であって、
前記複数のロータセグメント（３０）の内の１以上のロータセグメント（３０）が、前記ロータ（２８）の中心軸線（５６）と実質的に平行な軸線（５７）を有し且つ該軸線の周りに円周方向に配置されたリング（３６、３８、４０）を含み、これにより、前記リング（３６、３８、４０）の中心に配置されたキャビティ（４５、４６、４７）を形成し、前記リング（３６、３８、４０）が、前記タービンブレード（４８）の複数の列（５２）の内の１以上の列（５２）を支持する外表面（３９）を有する、
タービン（２０）。
前記リング（３６、３８、４０）の外表面（３９）が、前記タービンブレード（４８）の複数の列（５２）の内の２以上の列（５２）を支持する、
請求項８に記載のタービン（２０）。
前記複数のロータセグメント（３０）の内の第１のセグメント（３４）が、前記複数のロータセグメント（３０）の内の第２のセグメント（３６）と隣接し接触して配置され、
前記分割形タービンロータ（２８）が、前記第１のセグメント（３４）と前記第２のセグメント（３６）との間に配置された溶接接合部（６４）を更に含む、
請求項８に記載のタービン（２０）。