JP2015075108A - シュラウド付きタービンブリスク及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シュラウド付きタービンブリスク及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】シュラウド付きタービンブリスク及びその製造方法を提供する。シュラウド付きタービンブリスクは、回転軸を含む中央ディスク部分と、内側リムと、内側リムから半径方向外側に延在する複数の翼形部と、複数の翼形部の各々と一体に結合したシュラウドとを備える。シュラウドは、隣接シュラウドセグメント間に配置される間隙によって少なくとも部分的に画成される複数の周方向に配置された弧状シュラウドセグメントを含む。中央ディスク部分、内側リム、複数の翼形部及びシュラウドが、ブリスク材料から構成される単一のビレットから画成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、全体的に蒸気タービンエンジンに関し、より詳細には、蒸気タービンエンジンで使用するためのタービンブリスクに関する。

少なくともいくつかの公知の蒸気タービンエンジンは、ディスクを含む１以上の段落を備えており、周方向に離隔した複数のロータブレードがディスクから半径方向外側に延在している。各ロータブレードは、翼形部及びその根元のダブテールを含み、ダブテールはディスク外周の相補スロットに半径方向に保持される。作動中、ディスク及びそれに取り付けられたブレードは回転し、ブレードは実質的な遠心力を発達させ、その遠心力は各ダブテールを通ってディスク内に下方に担持される。ダブテールは、作動中の耐用寿命を得るために、適切な低い応力レベルでブレードを支持するように適切に構成され、サイズ調製されなければならない。

いくつかの公知の蒸気タービンエンジンでは、ブレードがディスクの周囲の周りに相対的に近接して一体に離隔配置され、それによって、従来のダブテール設計は、ディスクが有用な耐用寿命を有することを可能にするような適切なレベルの応力で遠心負荷を担持することができない。他の同様の設計考察は、従来のダブテール設計を使用する際の課題を提供する可能性がある。したがって、少なくともいくつかの公知の蒸気タービンエンジンでは、翼形部が、ブリスク（「ｂｌａｄｅｄ ｄｉｓｋ（ブレード付きディスク）」から由来する）として従来から公知の一体の構成要素として、ディスクと一体に製造される。ブリスクは、一体型ブレード付きロータと呼ばれることもある。ブリスクは、典型的には、一体の固体鍛造から製造され、それに続いて従来通り、例えば圧延機又は電解加工（ＥＣＭ）電極のいずれかを使用して機械加工される。ブレードがディスクと一体になるので、作動中ブリスク内で満足のいくレベルの応力能力を得ることができて、有用な耐用寿命を得ることができる。

少なくともいくつかのブリスク構成では、翼形部を内側又はハブ翼形部と外側又は先端翼形部とに２つに分ける、連続的な中間全長又は部分全長のシュラウドが設けられて、その結果、空気流が別の内側流路と外側流路にその上を別個に導かれるようになる。連続的シュラウドは、半径方向直交流又は内側流路と外側流路との間の漏れを排除することを促進するのみならず、ブリスクの全体的剛性が実質的に増加するよう促進して、振動数をより望ましい範囲に上昇させる。更に、シュラウド自体によってもたらされる追加の質量もまた、作動中の遠心負荷を生成し、その遠心負荷は、作動中にシュラウドの中で生成される円周応力によって部分的に担持される。しかし、シュラウド遠心負荷の一部分はまた、内側翼形部によってディスクに担持される。

しかし、そのようなブリスク構成は、やはり翼形部の半径方向に最も外側の先端が依然として覆われない状態であり、ブリスクを取り囲む固定シュラウドの使用が必要である。したがって、覆われない翼形部先端の問題に対処するブリスク構成を提供することが望ましい。更に、翼形部に結合されているシュラウド構成要素によって生成される円周応力に対処するブリスク構成を提供することも望ましい。

米国特許出願公開第２０１２０２３０８２５号明細書

一態様では、タービンブリスクの製造方法が提供される。方法は、ブリスク材料から構成される中実の円形ビレットを用意するステップを含み、ビレットは回転軸を含む。方法はまた、回転軸を中心にして周方向に延在し、中央ディスク部分を取り囲む内側リムを画成するステップを含む。方法はまた、内側リムから半径方向外側に延在する複数の翼形部を画成するステップを含む。本方法はまた、複数の翼形部の各々と一体に結合したシュラウドを画成するステップを含み、シュラウドは、隣接シュラウドセグメント間に配置された間隙によって少なくとも部分的に画成される、複数の周方向に配置された弧状シュラウドセグメントを含む。

別の態様では、タービンエンジンで使用するためのタービンブリスクが提供される。タービンブリスクは、回転軸を含む中央ディスク部分を備える。タービンブリスクはまた、回転軸を中心にして周方向に延在し、中央ディスク部分を取り囲む内側リムを備える。タービンブリスクはまた、内側リムから半径方向外側に延在する複数の翼形部を備える。タービンブリスクはまた、複数の翼形部の各々と一体に結合したシュラウドを備え、シュラウドは、隣接シュラウドセグメント間に配置される間隙によって少なくとも部分的に画成される複数の周方向に配置された弧状シュラウドセグメントを含む。中央ディスク部分、内側リム、複数の翼形部及びシュラウドは、ブリスク材料から構成される単一のビレットから画成される。

別の態様では、タービンシステムが提供される。タービンシステムは、蒸気源を備える。タービンシステムはまた、蒸気源に結合された蒸気タービンを備え、蒸気タービンが、軸を中心として回転するための出力シャフトに結合されている少なくとも１つタービンブリスクを含む。タービンシステムはまた、出力シャフトに結合された負荷を備える。タービンブリスクが、回転軸を含む中央ディスク部分を備える。タービンブリスクはまた、回転軸を中心にして周方向に延在し、中央ディスク部分を取り囲む内側リムを備える。タービンブリスクはまた、内側リムから半径方向外側に延在する複数の翼形部を備える。タービンブリスクはまた、複数の翼形部の各々と一体に結合したシュラウドを備え、シュラウドは、隣接シュラウドセグメント間に配置される間隙によって少なくとも部分的に画成される複数の周方向に配置された弧状シュラウドセグメントを備え、中央ディスク部分、内側リム、複数の翼形部、及びシュラウドが、ブリスク材料から構成される単一のビレットから画成される。

例示的な蒸気タービンエンジンの概略図である。 図１に示す蒸気タービンエンジンで使用され得るタービンブリスクの正面図である。 図２の線３−３に沿って取った、図２に示すタービンブリスクの側面断面図である。 図２に示すタービンブリスクの部分の上面斜視図である。

本明細書で使用する場合、「軸方向の」及び「軸方向に」という用語は、蒸気タービンエンジンの長手軸に略平行に延在する方向及び配向を指す。更に、「半径方向の」及び「半径方向に」という用語は、蒸気タービンエンジンの長手軸に略垂直に延在する方向及び配向を指す。加えて、本明細書で使用する場合、「周方向の」及び「周方向に」という用語は、蒸気タービンエンジンの長手軸を中心として弧状に延在する方向及び配向を指す。本明細書で使用する場合、「流体」という用語は、流れる任意の媒体又は材料を含み、限定しないが、ガス及び空気を含むことを理解すべきである。

図１は、例示的な蒸気タービンエンジン１００の概略図である。蒸気タービンエンジン１００は、高圧（ＨＰ：ｈｉｇｈ−ｐｒｅｓｓｕｒｅ）セクション１０２及び中圧（ＩＰ：ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ−ｐｒｅｓｓｕｒｅ）セクション１０４を含む。ＨＰシェル又はケーシング１０６は、上半部１０８及び下半部１１０に軸方向に分割される。同様に、ＩＰシェル１１２は、上半部１１４及び下半部１１６に軸方向に分割される。例示的な実施形態では、シェル１０６及び１１２は内側ケーシングである。別法として、シェル１０６及び１１２は外側ケーシングである。例示的な実施形態では、シェル１０６及び１１２は、周囲空気が蒸気タービンエンジン１００の中に入ることができないように封止されている。中央セクション１１８は、ＨＰセクション１０２とＩＰセクション１０４との間に配置されており、高圧蒸気入口１２０及び中圧蒸気入口１２２を含む。

環状セクション分割器１３４が、ＨＰセクション１０２とＩＰセクション１０４との間に延在し、軸Ｘを中心として回転するように構成されているロータシャフト１４０に向かって、中央セクション１１８から半径方向内側に延在する。ロータシャフト１４０は、軸受１３０及び１３２によって、回転のために支持されている。より具体的には、分割器１３４は、第１のＨＰセクション入口ノズル１３６と第１のＩＰセクション入口ノズル１３８との間のロータシャフト１４０の部分の周りに周方向に延在する。分割器１３４は、チャネル１４２内に受けられる。

作動中、高圧蒸気入口１２０は、蒸気源１５０、例えば発電用ボイラから高圧／高温蒸気１４４を受け取る。蒸気１４４は、ＨＰセクション入口ノズル１３６からＨＰセクション１０２を通って送られ、蒸気１４４から仕事が抽出されて、ロータシャフト１４０に結合されている１つ又は複数のブレード付きロータ１５２、１５４を介してロータシャフト１４０を回転させる。ブレード付きロータ１５２、１５４は、複数のタービン翼形部（ブレード又はバケットとも呼ばれる）２０６（図２〜図４参照）を含む。蒸気１４４は、ＨＰセクション１０２を出てボイラに戻され、ここで再熱される。次いで再熱された蒸気１４６は、中圧蒸気入口１２２に送られて、ＨＰセクション１０２に入る蒸気１４４よりも低い圧力で、しかしＨＰセクション１０２に入る蒸気１４４の温度に概ね等しい温度で、ＩＰセクション入口ノズル１３８を介してＩＰセクション１０４に戻される。仕事は、回転及び固定構成要素のシステムを介して、ＨＰセクション１０２で使用される方式と概ね同様な方式で、ＩＰセクション１０４において蒸気１４６から抽出される。したがって、ＨＰセクション１０２内の作動圧力は、ＩＰセクション１０４内の作動圧力よりも高く、その結果、ＨＰセクション１０２内の蒸気１４４の圧力は、ＩＰセクション１０４内の作動圧力よりも高くなる。例示的な実施形態では、抽出された仕事はロータシャフト１４０を回転させる。ロータシャフト１４０は、発電機などの負荷１５６に結合されている。

例示的な実施形態では、蒸気タービンエンジン１００は、対向流の高圧及び中圧蒸気タービンの組合せである。別法として、蒸気タービンエンジン１００は、限定されないが、低圧タービンを含む任意の個々のタービンと共に使用することができる。加えて、本発明は、対向流蒸気タービンと共に使用されることに限定されるものではなく、しかしむしろ、限定されないが、単流及び複流タービンの蒸気タービンを含む他の蒸気タービン構成で使用することができる。

図２は、図１に示す蒸気タービンエンジン１００と共に使用することができるタービンブリスク２００の正面図である。図３は、図２の線３−３に沿って取られた図２に示すタービンブリスク２００の側面断面図である。タービンブリスク２００は、内側リム２０４によって取り囲まれた中央ディスク部分２０２を含む。複数の翼形部２０６が、内側リム２０４の円周の周りに一定の間隔を置いて、内側リム２０４から半径方向外側に延在する。複数の通路２１８が、隣接する翼形部２０６の間に画成される。シュラウド２０８が、間隙２１２によって分離された複数の弧状シュラウドセグメント２１０によって画成される。例示的な実施形態では、タービンブリスク２００の動的釣合いを促進するために偶数個の翼形部２０６が設けられさえすれば、タービンブリスク２００は、タービンブリスク２００が本明細書で説明するように機能することを可能にする任意の数の翼形部２０６を含む。各翼形部２０６は、半径方向の外周側先端２２２を含む。

中央シャフト穴２１４は、中央ディスク部分２０２内に同心状に画成される。中央シャフト穴２１４は、複数の締め具穴２１６によって囲まれている。図２には８つの締め具穴２１６が図示されているが、別の例示的な実施形態では、任意の数の締め具穴２１６が設けられ、タービンブリスク２００が本明細書で説明するように機能することができるようにする。中央シャフト穴２１４は、駆動シャフト（図示せず）を受けるように構成され、タービンブリスク２００が軸２２０（図３に示す）を中心として回転することを促進する。締め具穴２１６は、少なくともいくつかの公知の蒸気タービンエンジンで使用されるスペーサなど、他の構造体（図示せず）にタービンブリスク２００を結合することを促進する。

図３は更に、例示的なタービンエンジン２０１内に配向される形でタービンブリスク２００の側面断面図を示す。タービンエンジン２０１は固定流路構造体２０３、２０５、２０７及び２０９を含み、それぞれシュラウド２０８及び内側リム２０４と協働して、蒸気などの作動流体２１１が、タービンブリスク２００に向かい、翼形部２０６を通過し、タービンブリスク２００から離れるように導くことを促進する。シュラウドセグメント２１０は、タービンエンジン２０１の作動中、作動流体２１１が半径方向外側にタービンブリスク２００から離れて移動することを防止するよう促進して、タービンエンジン２０１の効率を向上させるように促進する。

例示的な実施形態では、タービンブリスク２００は、中実の円形ビレット１９９（図２に図示する）から製造される。ビレット１９９は、タービンホイール及び翼形部が作製される任意の適切な材料から鍛造又は鋳造される。翼形部２０６、内側リム２０４及び／又はシュラウドセグメント２１０は、限定されないが、コンピュータ数値制御（「ＣＮＣ」）ミリング、電解加工（「ＥＣＭ」）及び放電加工（「ＥＤＭ」）を含む任意の適切な材料除去方法を使用して続いて画成される。中央ディスク部分２０２上に翼形部２０６を一体に形成することにより、タービン作動中に過度の半径方向の負荷を受けやすいダブテール構造体をなくすことが容易になる。加えて、そのようなダブテール構造体は特に超合金が使用される場合、機械で作製することが困難であることが多い。

図４は、図２に示すタービンブリスク２００の部分の上面斜視図である。例示的な実施形態では、シュラウド２０８は、中央ディスク部分２０２を取り囲む内側リム２０４から延在する翼形部２０６のすべての半径方向の外周側先端２２２（図３参照）を結合する材料の連続的リボンとして最初に画成される。次いでシュラウド２０８は、任意の適切な切断又は材料除去方法を使用して、分離したシュラウドセグメント２１０に分割され、それによってタービンブリスク２００は本明細書で説明するように機能することができる。シュラウド２０８を分離したシュラウドセグメント２１０に分割することによって、そうでない場合に、タービン作動中に直面することになる、タービンブリスク２００内の過度な円周応力及び接線応力を防止することを促進する。

例示的な実施形態では、タービンブリスク２００は、偶数個のシュラウドセグメント２１０を含む。加えて、各シュラウドセグメント２１０は、円弧α（図２参照）と等しい量を覆う全長を有し、αは角度で計測され、約９０°以下である。同様に、９０°である最大の角度αは、隣接する間隙２１２の間に設けられ、間隙中心２２４から隣接する間隙中心２２４まで測定される。別の実施形態では、シュラウドセグメント２１０間の間隙２１２は、各対の隣接する翼形部２０６間に設けられて、その結果、最大数のシュラウドセグメント２１０がもたらされ、その場合最小円弧αは、翼形部２０６の数、各翼形部２０６の寸法及び／又は隣接する翼形部２０６間の間隔によって画成される。例示的な実施形態では、円弧αの寸法が、各タービンブリスク２００の物理的寸法及び計画された作動状態に応じて個別的に決定されるタービンブリスク２００の振動数特性によって作動される。間隙２１２の有利な配置及び離隔が、望ましくない振動数の防止に向けて、タービン作動中にタービンブリスク２００の振動数を制御することを促進する。

シュラウド付きタービンブリスク及びそれを製造するための方法の例示的な実施形態を上記に詳細に説明している。シュラウド付きタービンブリスク及びそれを製造するための方法は、本明細書で説明する特定の実施形態に限定されず、しかしむしろ、シュラウド付きタービンブリスクの構成要素及び／又は方法のステップは、本明細書で説明する他の構成要素及び／又はステップとは独立して別個に利用可能である。例えば、本明細書で説明するシュラウド付きタービンブリスク及び方法は、他の機械加工及び方法と組み合わせて使用することもでき、本明細書で説明する蒸気タービンエンジンのみを用いて実施することに限定されない。むしろ、例示的な実施形態は、他の多くのモータ及び／又はタービン応用に関連して、実施及び利用可能である。

公知のタービンブリスク構成と対照的に、本明細書で説明するシュラウド付きタービンブリスク構成及び方法は、作動流体が半径方向外側にそこから移動することを防止する方向に、翼形部先端を封止することを促進する。加えて、本明細書で説明するシュラウド付きタービンブリスク構成及び方法は、タービン効率の向上を促進する。本明細書で説明するシュラウド付きタービンブリスク構成及び方法はまた、タービンロータを製造する際に使用する構成要素の数を削減することを促進する。本明細書で説明するシュラウド付きタービンブリスク構成及び方法はまた、タービン作動中に生成される円周応力及び接線応力を制御することを促進する。更に、本明細書で説明する蒸気タービンエンジンブリスク構成は、タービン作動中に直面する振動数を制御することを促進する。

本発明の様々な実施形態の特定の特徴がいくつかの図面の中に示され、他の図面の中には示されていないが、これは便宜上のために過ぎない。本発明の原則に従って、図面の任意の特徴は、任意の他の図面の任意の特徴と組み合わせて参照され、特許請求されることが可能である。

ここに記載する説明は、最良の形態を含む本発明を開示するための実施例、更に、任意の装置又はシステムを作製し、使用すること、及び任意の組み込まれた方法を実施することを含めて、すべての当業者が本発明を実施することができるための実施例を使用する。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって形成され、当業者に思い当たる他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を有する場合、又はそれらが特許請求の範囲と実質的ではない相違を有する均等な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあると意図される。

１００ 蒸気タービンエンジン
１０２ 高圧（ＨＰ）セクション
１０４ 中圧（ＩＰ）セクション
１０６ シェル、ケーシング
１０８ 上半分
１１０ 下半分
１１２ ＩＰシェル、ケーシング
１１４ 上半分
１１６ 下半分
１１８ 中央セクション
１２０ 高圧蒸気入口
１２２ 中圧蒸気入口
１３０ 軸受
１３２ 軸受
１３４ 分割器
１３６ ＨＰセクション入口ノズル
１３８ ＩＰセクション入口ノズル
１４０ ロータシャフト
１４２ チャネル
１４４ 蒸気
１４６ 蒸気
１５０ 蒸気源
１５２ ブレード付きロータ
１５４ ブレード付きロータ
１５６ 負荷
１９９ ビレット
２００ タービンブリスク
２０１ タービンエンジン
２０２ 中央ディスク部分
２０３ 固定流路構造体
２０４ 内側リム
２０５ 固定流路構造体
２０６ 翼形部
２０７ 固定流路構造体
２０８ シュラウド
２０９ 固定流路構造体
２１０ シュラウドセグメント
２１１ 作動流体
２１２ 間隙
２１４ 中央シャフト穴
２１６ 締め具穴
２１８ 通路
２２０ 軸
２２２ 半径方向外側先端
２２４ 間隙中心

Claims (20)

1. タービンブリスクの製造方法であって、
   ブリスク材料から構成される中実の円形ビレットを用意するステップと、
   中央ディスク部分の周りに周方向に延在する内側リムを画成するステップと、
   内側リムから半径方向外側に延在する複数の翼形部を画成するステップと、
   複数の翼形部の各々と一体に結合したシュラウドを画成するステップであって、シュラウドが、隣接シュラウドセグメント間に画成された間隙によって少なくとも部分的に画成される複数の周方向に配置された弧状シュラウドセグメントを含む、ステップと
   を含む方法。
2. ブリスク材料から構成されるビレットからブリスク材料を除去することによって、内側リム、複数の翼形部及びシュラウドの少なくとも１つを画成するステップを含む、請求項１記載の方法。
3. コンピュータ数値制御ミリング、電解加工及び放電加工の少なくとも１つによってブリスク材料を除去するステップを含む、請求項２記載の方法。
4. 複数の翼形部を画成するステップが、内側リムの周りで周方向に均等に離隔した偶数個の翼形部を画成するステップを含む、請求項１記載の方法。
5. シュラウドを画成するステップが、各シュラウドセグメントを画成して、他の各シュラウドセグメントの全長に等しい全長を覆うステップを含む、請求項１記載の方法。
6. 一定の全長が円弧αであり、αが約９０°以下である、請求項５記載の方法。
7. ブリスク材料から構成される中実の円形ビレットを用意するステップが、ビレットを鍛造するステップ及びビレットを鋳造するステップの１つを含む、請求項１記載の方法。
8. タービンエンジンで使用するためのタービンブリスクであって、
   中央ディスク部分と、
   中央ディスク部分の周りに周方向に延在する内側リムと、
   内側リムから半径方向外側に延在する複数の翼形部と、
   複数の翼形部の各々と一体に結合したシュラウドであって、隣接シュラウドセグメント間に配置される間隙によって少なくとも部分的に画成される複数の周方向に配置された弧状シュラウドセグメントを含むシュラウドと
   を備えるタービンブリスクにおいて、
   中央ディスク部分、内側リム、複数の翼形部及びシュラウドが、ブリスク材料から構成される単一のビレットから画成される、タービンブリスク。
9. 複数の翼形部が、内側リムの周りで周方向に均等に離隔した偶数個の翼形部を備える、請求項８記載のタービンブリスク。
10. 複数の周方向に配置された弧状シュラウドセグメントが、内側リムの周りで周方向に均等に離隔した偶数個のシュラウドセグメントを備える、請求項８記載のタービンブリスク。
11. 翼形部が、シュラウドセグメントよりも数が多い、請求項８記載のタービンブリスク。
12. 各シュラウドセグメントが、他の各シュラウドセグメントの全長に等しい全長を覆う、請求項８記載のタービンブリスク。
13. 一定の全長が円弧αであり、αが約９０°以下である、請求項１２記載のタービンブリスク。
14. ブリスク材料から構成される中実の円形ビレットが、ビレットを鍛造するステップ及びビレットを鋳造するステップの少なくとも１つによって製造される、請求項８記載のタービンブリスク。
15. 蒸気源と、
    蒸気源に結合された蒸気タービンであって、蒸気タービンが、軸を中心として回転するための出力シャフトに結合されている少なくとも１つタービンブリスクを含む蒸気タービンと、
    出力シャフトに結合された負荷と
    を備えるタービンシステムであって、
    タービンブリスクが、
    回転軸を含む中央ディスク部分と、
    回転軸を中心として周方向に延在し、中央ディスク部分を取り囲む内側リムと、
    内側リムから半径方向外側に延在する複数の翼形部と、
    複数の翼形部の各々と一体に結合したシュラウドであって、隣接シュラウドセグメント間に配置される間隙によって少なくとも部分的に画成される複数の周方向に配置された弧状シュラウドセグメントを含むシュラウドと
    を備え、
    中央ディスク部分、内側リム、複数の翼形部、及びシュラウドが、ブリスク材料から構成される単一のビレットから画成される、タービンシステム。
16. 複数の翼形部が、内側リムの周りで周方向に均等に離隔した偶数個の翼形部を備える、請求項１５記載のタービンシステム。
17. 複数の周方向に配置された弧状シュラウドセグメントが、内側リムの周りで周方向に均等に離隔した偶数個のシュラウドセグメントを備える、請求項１５記載のタービンシステム。
18. 複数の翼形部が、複数のシュラウドセグメントよりも数が多い、請求項１５記載のタービンシステム。
19. 一定の全長が円弧αであり、αが約９０°以下である請求項１９記載のタービンシステム。
20. ブリスク材料から構成される中実の円形ビレットが、ビレットを鍛造するステップ及びビレットを鋳造するステップの少なくとも１つによって製造される、請求項１５記載のタービンシステム。