(57)【要約】【課題】材料ブロックを有するタービンブレードを提供する。【解決手段】本タービンブレード（１００）は、タービンブレード（１００）の端部に配置された根元セクション（１０２）と、根元セクション（１０２）に隣接して配置された第１の翼形部セクション（１１０）と、翼形部セクションに隣接して配置されかつ翼形部セクションと連続整合していない材料ブロックを備えた先端セクション（１３０）とを含む。翼長中央セクション（１２０）もまた、材料ブロックを備えることができる。各材料ブロックは、本タービンブレード（１００）の長さ並びに先端シュラウド連結部（１６２）又は翼長中央連結部（１５４）の位置を特注製作するように選択的に機械加工することができる。本タービンブレード（１００）は、旧型タービンの最終段ブレードを改造するような寸法にすることができる。本タービンブレード（１００）の根元マウント（１０８）の半径方向位置はまた、更なる特注製作を行なうように調整することができる。【選択図】      図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンブレード（１００）であって、
タービンブレード（１００）の端部に配置された根元セクション（１０２）と、
根元セクション（１０２）に隣接して配置された第１の翼形部セクション（１１０）と、
第１の翼形部セクション（１１０）に隣接して配置されかつ第１の材料ブロック（１２２）を備えた翼長中央セクション（１２０）と、
翼長中央セクション（１２０）に隣接して配置された第２の翼形部セクション（１２６）と、
第２の翼形部セクション（１２６）に隣接して配置されかつ第２の材料ブロック（１３２）を備えた先端セクション（１３０）と、を含み、
第１及び第２の材料ブロック（１２２、１３２）が、いずれの隣接翼形部セクションとも連続整合していない、
タービンブレード。
【請求項２】
第１の材料ブロック（１２２）が、第１及び第２の翼形部セクション（１１０、１２６）と連続整合した第３の翼形部セクション（１５２）を備えるように機械加工可能である、請求項１記載のタービンブレード。
【請求項３】
第１の材料ブロック（１２２）が、第１の材料ブロック（１２２）の長さに沿った選択位置において隣接タービンブレード（１００）との嵌合せ連結のための翼長中央連結部（１５４）を備えるように機械加工可能である、請求項２記載のタービンブレード。
【請求項４】
第２の材料ブロック（１３２）が、第２の翼形部セクション（１２６）と連続整合した第４の翼形部セクション（１６０）を備えるように機械加工可能である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のタービンブレード。
【請求項５】
第２の材料ブロック（１３２）が、第２の材料ブロック（１３２）の長さに沿った選択位置において隣接タービンブレード（１００）との嵌合せ連結のための先端シュラウド連結部（１６２）を備えるように機械加工可能である、請求項４記載のタービンブレード。
【請求項６】
第２の材料ブロック（１３２）が、タービンブレード（１００）の長さを選択的に形成するように機械加工可能である、請求項１乃至請求項５のいずれか１乃至請求項５のいずれか１項項記載のタービンブレード。
【請求項７】
根元セクション（１０２）が、複数段タービンの回転シャフト（１４）に結合された根元マウント（１０８）と噛合うようになった連結部を含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のタービンブレード。
【請求項８】
根元マウント（１０８）が、複数段タービンの隣接段の隣接根元マウント（１７０）よりも小さい、回転シャフト（１４）に対する半径方向位置を有する、請求項７記載のタービンブレード。
【請求項９】
第１及び第２の材料ブロック（１２２、１３２）が各々、第１及び第２の翼形部セクション（１１０、１２６）の少なくとも１つがそれぞれの材料ブロックに連結した場所を除いて、ほぼ多面体形状を有する、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載のタービンブレード。
【請求項１０】
タービンブレード（１００）が、独立形ブレードである、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載のタービンブレード。
【請求項１１】
第１及び第２の材料ブロック（１２２、１３２）が、タービンブレード（１００）の長さの約１５〜２５％に相当する、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項記載のタービンブレード。
【請求項１２】
その端部に配置された根元セクション（１０２）と、
根元セクション（１０２）に隣接して配置された第１の翼形部セクション（１１０）と、
第１の翼形部セクション（１１０）に隣接して配置されかつ第１の材料ブロック（１２２）を備えた翼長中央セクション（１２０）と、
翼長中央セクション（１２０）に隣接して配置された第２の翼形部セクション（１２６）と、
第２の翼形部セクション（１２６）に隣接して配置されかつ第２の材料ブロック（１３２）を備えた先端セクション（１３０）と、
を有し、また第１及び第２の材料ブロック（１２２、１３２）が、いずれの隣接翼形部セクションとも連続整合していない、
タービンブレード（１００）を調達するステップと、
タービンブレード（１００）の選択長さにおいて先端シュラウドを備えるように第２の材料ブロック（１３２）を選択的に機械加工するステップと、
を含む方法。
【請求項１３】
選択的に機械加工するステップが、選択位置において隣接タービンブレード（１００）との連結のための翼長中央連結部（１５４）を備えるようにタービンブレード（１００）を機械加工するステップを含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
タービンの回転シャフト（１４）の根元マウント（１０８）から最終段タービンブレード（１８０）を取外すステップと、
根元マウント（１０８）の半径方向位置を調整して、根元マウント（１０８）の調整半径方向位置に適合するように選択長さを選ぶステップと、
最終段タービンブレード（１８０）をタービンブレード（１００）と交換するステップと、
をさらに含む、請求項１２又は請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
タービンブレード（１００）であって、
タービンブレード（１００）の端部に配置された根元セクション（１０２）と、
根元セクション（１０２）に隣接して配置された第１の翼形部セクション（１１０）と、
第１の翼形部セクション（１１０）に隣接して配置されかつ第１の材料ブロック（１２２）を備えた先端セクション（１３０）と、を含み、
第１の材料ブロック（１２２）が、第１の翼形部セクション（１１０）と連続整合していない、
タービンブレード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはタービンブレード技術に関する。より具体的には、本発明は、旧型タービンの最終段ブレードを改造するような特注製作を可能にする１以上の材料ブロックを有するタービンブレード及び関連する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン産業では、タービンは、定期的にアップグレードされる可能性がある。タービンをアップグレードするために使用する１つの方法は、古いタービンブレードをより効率的設計ものと交換することである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本開示の第１の態様は、タービンブレードを提供し、本タービンブレードは、タービンブレードの端部に配置された根元セクションと、根元セクションに隣接して配置された第１の翼形部セクションと、第１の翼形部セクションに隣接して配置されかつ第１の材料ブロックを備えた翼長中央セクションと、翼長中央セクションに隣接して配置された第２の翼形部セクションと、第２の翼形部セクションに隣接して配置されかつ第２の材料ブロックを備えた先端セクションとを含み、第１及び第２の材料ブロックは、いずれの隣接翼形部セクションとも連続整合していない。
【０００４】
本開示の第２の態様は、方法を提供し、本方法は、その端部に配置された根元セクションと、根元セクションに隣接して配置された第１の翼形部セクションと、第１の翼形部セクションに隣接して配置されかつ第１の材料ブロックを備えた翼長中央セクションと、翼長中央セクションに隣接して配置された第２の翼形部セクションと、第２の翼形部セクションに隣接して配置されかつ第２の材料ブロックを備えた先端セクションとを有し、また第１及び第２の材料ブロックがいずれの隣接翼形部セクションとも連続整合していないタービンブレードを調達するステップと、タービンブレードの選択長さにおいて先端シュラウドを備えるように第２の材料ブロックを選択的に機械加工するステップとを含む。
【０００５】
本発明の第３の態様は、タービンブレードに関し、本タービンブレードは、タービンブレードの端部に配置された根元セクションと、根元セクションに隣接して配置された第１の翼形部セクションと、第１の翼形部セクションに隣接して配置されかつ第１の材料ブロックを備えた先端セクションとを含み、第１の材料ブロックは、第１の翼形部セクションと連続整合していない。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】蒸気タービンの一部切欠き斜視図。
【図２Ａ】本発明によるタービンブレードの実施形態の斜視図。
【図２Ｂ】本発明によるタービンブレードの実施形態の斜視図。
【図２Ｃ】本発明によるタービンブレードの実施形態の斜視図。
【図３】機械加工後における、図２Ａのタービンブレードの１つの実施形態の斜視図。
【図４】図３のタービンブレードを使用する方法の実施形態を示す複数段タービンの断面図。
【図５】図３のタービンブレードを使用する方法の実施形態を示す複数段タービンの断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図面を参照すると、図１は、複数段蒸気タービン１０の一部切欠き斜視図を示している。タービン１０は、回転シャフト１４と複数の軸方向に間隔を置いて配置されたロータホイール１８とを備えたロータ１２を含む。複数の回転ブレード２０が、各ロータホイール１８に対して機械的に結合される。より具体的には、ブレード２０は、各ロータホイール１８の円周方向周りで延びる列の形態で配置される。複数の固定ベーン２２が、シャフト１４の円周方向周りで延びかつこれらベーンは、隣接ブレード２０列の軸方向間に配置される。固定ベーン２２は、ブレード２０と協働してタービン段を形成しかつタービン１０を通る蒸気流路の一部分を形成する。
【０００８】
作動中に、蒸気２４は、タービン１０の入口２６に流入しかつ固定タービン２２を通して送られる。ベーン２２は、下流方向にブレード２０に対して蒸気２４を導く。蒸気２４は、残りの段を通って流れ、ブレード２０に力を与えてシャフト１４を回転させる。タービン１０の少なくとも一端部は、回転ロータ１２から離れるように軸方向に延びることができ、またそれに限定されないが、発電機及び／又は別のタービンのような負荷又は機械（図示せず）に取付けることができる。
【０００９】
１つの実施形態では、タービン１０は、５つの段を含むことができる。５つの段は、Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４と呼ぶ。段Ｌ４は第１段でありかつ５つの段のうちで最小のもの（半径方向において）である。段Ｌ３は、第２段でありかつ軸方向における次の段である。段Ｌ２は、第３段でありかつ５つの段のうちの中央に位置したものとして示している。段Ｌ１は、第４段でありかつ最後から２番目の段である。段Ｌ０は、最終段でありかつ最大のもの（半径方向において）である。５つの段は、単に１つの実施例として示しておりまた各タービンは、５つよりも多い又は少ない段を有することができることを理解されたい。また、本明細書に説明するように、本発明の教示は、複数段タービンを必要とするものではない。
【００１０】
図２Ａ〜図２Ｂは、本発明の実施形態によるタービンブレード１００の斜視図を示している。説明するように、タービンブレード１００は、実用ブレードではなくて、複数段タービン１０における最終段タービンブレードの特注交換又は改造のための完成実用タービンブレード１５０（図３）に機械加工することができる中間製品である。先端シュラウド連結部（また、従ってタービンブレード１００の長さ）及び／又は翼長中央連結部の位置は、異なる用途に適応するように調整することができる。１つの実施形態では、タービンブレード１００は、タービンブレードが曝されることになる用途に合った適切な金属合金を鍛造することによって形成される。本明細書に記載した機械加工に加えて、幾らかの鍛造後機械加工又はその他の材料処理を行なうことができる。
【００１１】
タービンブレード１００は、タービンブレードの第１の端部１０４に根元セクション１０２を含むことができる。根元セクション１０２は、根元マウント１０８のための相補形噛合せ結合部（継手）１０６に形成するようになった材料のブロックを含むことができ、或いは鍛造された相補形噛合せ表面１０６を含むことができる。理解されるように、また図５に示すように、根元セクション１０２は、根元マウント１０８に連結され、根元マウント１０８は、例えば複数段タービン１０（図１）の回転シャフト１４又は回転シャフト１４に結合されたロータホイール１８に結合することができる。根元セクション１０２は、図２Ａ及び図２Ｂに示す「逆向きパインツリー」或いは図４及び図５に示す「半径方向フィンガ形」のいずれかの形状又は構成を有することができる。いずれのケースでも、根元セクション１０２及び根元マウント１０８は、堅固な連結を達成するための相補形噛合せ表面１０６を含むことができる。根元マウント１０８は、回転シャフト１４に対する特定の半径方向位置に固定配置され、従って特定の段内におけるタービンブレードのための根元直径アニュラス（環状空間）を形成する。
【００１２】
タービンブレード１００はまた、根元セクション１０２に隣接して配置された第１の翼形部セクション１１０を含むことができる。第１の翼形部セクション１１０は、蒸気２４によりタービンブレード１００に力を与え（図１）、従って回転シャフト１４を回転させるようになった現在公知の又は今後開発されるあらゆる翼形形状を有することができる。
【００１３】
１つの実施形態では、図２Ａに示すように、翼長中央セクション１２０は、第１の翼形部セクション１１０に隣接して配置することができかつ第１の材料ブロック１２２を備える。「翼長中央」という用語は、タービンブレード１００の長さに沿った位置の何らかの正確さを必要とすると解釈すべきではなく、タービンブレード１００の端部１０４、１３４から幾らか離れて大まかに位置すると解釈すべきである。第２の翼形部セクション１２６は、翼長中央セクション１２０に隣接して配置することができる。第２の翼形部セクション１２６は、蒸気２４（図１）によりタービンブレード１００に力を与え、従って回転シャフト１４（図１）を回転させるようになった現在公知の又は今後開発されるあらゆる翼形形状を有することができる。１つの実施形態では、第２の翼形部セクション１２６は、本明細書でより詳細に説明するように、第１の材料ブロック１２２を機械加工することによって第１の翼形部セクション１１０と連続整合した（ｃｏｎｇｒｕｏｕｓ）状態にすることができる翼形形状を有する。
【００１４】
タービンブレード１００はまた、第２の翼形部セクション１２６に隣接して配置されかつ第２の材料ブロック１３２を備えた先端セクション１３０を含むことができる。先端セクション１３０は、タービンブレード１００の第２の端部を構成する。本開示の残りの部分では図２Ａの実施形態に関して本発明の実施形態を説明しているが、図２Ｂ〜図２Ｃに示す別の実施形態では、それぞれ、翼長中央セクション１２０（図２Ａ）を省略することができ、或いは先端セクション１３０（図２Ａ）を省略することができる。図２Ｂの実施形態に関して、第２の翼形部セクション１２６（図２Ａ）は、第１の翼形部セクション１１０（図２Ａ）を備えた１つの連続整合した翼形部セクション１４０として作られる。また、この実施形態では、翼長中央連結部が全く設けられていないか又は翼長中央連結部の位置が調整可能でないかのいずれかである。
【００１５】
さらに第１及び第２の材料ブロック１２２、１３２に関して、１つの実施形態では、これらブロックは、いずれの隣接翼形部セクションとも連続整合していない。つまり、あらゆる隣接翼形部セクション１１０、１２６の表面は、タービンブレード１００が材料ブロックと出会う場所においてタービンブレード１００が適正に機能するのを可能にすることになる標準的経路に沿って連続していない。１つの実施形態では、両ブロック１２２、１３２は、第１及び第２の翼形部セクション１１０、１２６がそれぞれの材料ブロックに連結する場所を除いて、ほぼ多面体形状を有する。しかしながら、材料ブロック１２２、１３２は、材料ブロック１２２、１３２を機械加工して、図３に示す実施例としての完成タービンブレード１５０を形成するのに十分な量の材料を提供するあらゆる形状を有することができる。つまり、図３に示すように、第１の材料ブロック１２２は、例えば研削によって機械加工して、第１及び第２の翼形部セクション１１０、１２６と連続整合して実用翼形部を形成する第３の翼形部セクション１５２を備えることができる。さらに、１つの実施形態では、第１の材料ブロック１２２はまた、第１の材料ブロック１２２の長さＬ１に沿った選択位置において隣接タービンブレード（図１）との嵌合せ連結のための翼長中央連結部１５４（例えば、雄／雌嵌合せ部分）を備えるように機械加工することができる。
【００１６】
図３にさらに示すように、第２の材料ブロック１３２は、例えば研削によって機械加工して、第２の翼形部セクション１２６と連続整合して実用翼形部を形成する第４の翼形部セクション１６０を備えることができる。さらに、第２の材料ブロック１３２は、完成タービンブレード１５０の長さＬ３を選択的に形成するように機械加工することができる。別の実施形態では、第２の材料ブロック１３２は、第２の材料ブロック１３２の長さＬ２に沿った選択位置において隣接タービンブレード（図１）との嵌合せ連結のための先端シュラウド連結部１６２（つまり、一体形カバー）を備えるように機械加工することができる。図示していないが第２の別の実施形態では、材料ブロック１２０は、先端セクション１３０がなくて先端シュラウド連結部１６２を全く備えない状態で翼長中央連結部１５４を備えるように機械加工することができる。
【００１７】
第３の別の実施形態では、材料ブロック１２２、１３２は、何らの翼長中央連結部１５４又は先端シュラウド連結部１６２もないように機械加工して、タービンブレード１５０が独立形ブレード（図１参照）となることができる。
【００１８】
１つの実施形態では、第１及び第２の材料ブロック１２２、１３２は各々、タービンブレード１００の長さの約１５〜２５％に相当している。しかしながら、その他の寸法を採用することができる。
【００１９】
図４〜図５を参照すると、上記の機械加工に基づいて、タービンブレード１００は、様々な異なるタービン１０（図１）に改造するように特注製作される。本発明の実施形態の教示は、特に、オリジナルに対して翼形部長さを増大させる
ことによって出口流れ面積の増大を実現し、それによってタービンから流出する流れに関連する損失を低減することができるようなタービンの最終段に適用可能である。１つの実施形態では、タービンブレード１００が調達され、かつ少なくとも第２の材料ブロック１３２がタービンブレード１５０の選択長さＬ３に選択的に機械加工されて、おそらく先端シュラウド連結部１６２を備えるようになる。このようにして、図４に示すように、長さＬ４を有する旧型の最終段タービンブレード１８０は、タービンの回転シャフト１４（又は、ロータホイール１８）の根元マウント１８２から取外すことができる。
【００２０】
図５に示すように、（新しい）根元マウント１０８の半径方向位置は、内向き方向に又は外向き方向に調整することができる。根元マウント１０８は、例えば選択根元直径を備えるように新しいロータホイール１８を形成することによって半径方向に調整することができる。ロータホイール１８は、例えば、低圧回転シャフトを交換しようとする場合には全て新しいロータホイール鍛造品として、或いはオリジナル最終段ロータホイールから機械加工した後に既存の回転シャフト１４に対して張合せかつ溶接することになる別個のホイール及びスタブシャフトとして既存の回転シャフト１４に機械加工することができる。図示したこの実施例では、回転シャフト１４に対する根元マウント１０８の半径方向位置は、複数段タービン１０（図１）の隣接段における隣接根元マウント１７０よりも小さくなるように調整した。円周方向空間制限が必要な場合には、根元マウント１０８の半径方向位置の調整には、その根元マウント１０８が属する段内における少なくとも１つの他の根元マウント（図示せず）を取除くことを含むことができる。同様に、根元マウント１０８は、図４に示すものと同様に隣接根元マウント１７０よりも大きい半径方向位置を有することができ、円周方向空間が許される場合には半径方向マウント１０８が付加される。いずれにしても、選択長さＬ３は、根元マウント１０８の調整半径方向位置に適合し、かつあらゆるタービンケーシング又はその他の構造要件に適合するように選ばれる。次に、最終段タービンブレード１８０（図４）は、タービンブレード１５０（図５）と交換することができる。
【００２１】
また、従来通りの解析法を実施して、タービンブレード１５０の適正な機能を保証することができることが解る。例えば、解析を実行して、以下のこと、すなわち、排気損失の低減目標が満たされていること、新しい先端シュラウド連結部１６２及び翼長中央連結部１５４がそれらの位置におけるピッチ又は間隔の変化に対して適正に対応していること、新しい連結部１５４、１６２が寿命要件を満たしていること、新しいブレード及びホイール構造が適切であること、並びに／或いはオリジナル先行段（Ｌ１）ブレード出口から最終段バケット入口までの流路及び対応するノズルダイアフラムが改造用途に好適であることを保証することができる。必要に応じて、タービンブレード１５０（及び／又は段Ｌ０及び／又はタービン１０）の全航空力学及び空気力学／性能解析を行なうことができる。
【００２２】
本明細書における「第１の」、「第２の」などの用語は、何らの順序、数量又は重要度を表すものではなく、むしろ１つの要素を別の要素から区別するために使用しており、また本明細書における数詞を付していない表現は、数量の限定を表すものではなく、むしろ記載した事項の少なくとも１つが存在することを表している。数量と関連して使用する「約」と言う修飾語は、記述した数値を包含しかつ文脈によって決まる意図的意味を有する（例えば、特定の数量の測定に関連する誤差の程度を含む）。本明細書で使用する場合における「１以上の」という前置表現は、この表現が前置する用語のものの単数及び複数の両方を含み、従ってその用語のものの１以上を含む（例えば、１以上の金属という表現は、１種以上の金属を含む）ことを意図している。本明細書に開示した範囲は、包括的でありかつ独立して組合せ可能である（例えば、「最大約２５重量％までの又はより具体的には約５重量％〜約２０重量％」の範囲というのは、「約５重量％〜約２５重量％」の範囲の端点及び全ての中間値などを含む）。
【００２３】
本明細書では様々な実施形態について説明してきたが、それら実施形態における要素の様々な組合せ、変更又は改良を当業者が行なうことができ、またそれらも本発明の技術的範囲内にあることは、本明細書から分かるであろう。さらに、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱せずに特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合させるように、多くの変更を加えることができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、また本発明は、提出した特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含することになることを意図している。
【符号の説明】
【００２４】
１０  蒸気タービン
１２  ロータ
１４  回転シャフト
１８  ロータホイール
２０  回転ブレード
２２  固定ベーン
２４  蒸気
２６  入口
１００  タービンブレード
１５０  実用タービンブレード
１０２  根元セクション
１０４  第１の端部
１０６  噛合せ表面
１０８  根元マウント
１１０  第１の翼形部セクション
１２０  翼長中央セクション
１２２  第１の材料ブロック
１２６  第２の翼形部セクション
１３０  先端セクション
１３２  第２の材料ブロック
１３４  第２の端部
１５０  完成タービンブレード
１５２  第３の翼形部セクション
１６０  第４の翼形部セクション
１６２  先端シュラウド連結部
１８０  最終段タービンブレード
１７０  隣接根元マウント
１５４  翼長中央連結部
【図１】
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【図２Ａ】
2010180881.tif 000004
【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
2010180881.tif 000008
【図５】
2010180881.tif 000009