(57)【要約】【課題】  接線方向挿入式ダブテールカンチレバーの荷重分担について説明する。【解決手段】  一実施形態では、バケットダブテール（２１０）を形成した複数のフック（２５０）上における遠心荷重のほぼ均一な分布を可能にするタービンバケットダブテール（２１０）を提供する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータホイール（３００）にバケット（２００）を固定するためのバケットダブテール（２１０）であって、
前記バケット（２００）を前記ロータホイール（３００）と連結する複数のフック（２５０）を含み、
前記複数のフック（２５０）が、前記バケット（２００）に作用する遠心荷重を該複数のフック（２５０）の各々間におけるほぼ均一な分布で分散させる形状にされる、
ダブテール（２１０）。
【請求項２】
前記複数のフック（２５０）の幾つかが、遠心荷重を分散させるカンチレバーを形成する、請求項１記載のダブテール（２１０）。
【請求項３】
前記カンチレバーの上面部分が、半径（２６０）及び平坦な奥行き（２７０）によって形成される、請求項２記載のダブテール（２１０）。
【請求項４】
前記カンチレバーによる遠心荷重の分布が、前記半径（２６０）及び平坦な奥行き（２７０）の関数である、請求項３記載のダブテール（２１０）。
【請求項５】
遠心荷重によって前記カンチレバー上に生じる応力が、前記半径（２６０）及び平坦な奥行き（２７０）の関数である、請求項３記載のダブテール（２１０）。
【請求項６】
前記半径（２６０）が、約２ｍｍ（０．０７９インチ）〜約８ｍｍ（０．３１インチ）の範囲にある、請求項３乃至請求項５のいずれか１項記載のダブテール（２１０）。
【請求項７】
前記平坦な奥行き（２７０）が、約２ｍｍ（０．０７９インチ）〜約９ｍｍ（０．３５インチ）の範囲にある、請求項３乃至請求項６のいずれか１項記載のダブテール（２１０）。
【請求項８】
ロータホイール（３００）に連結された複数のタービンバケット（２００）を備える  タービンロータであって、
各タービンバケット（２００）が、複数のバケットダブテールフック（２５０）を有するバケットダブテール（２１０）を含んでおり、前記ロータホイール（３００）が、各バケットダブテール（２１０）のバケットダブテールフック（２５０）と係合するホイールポストダブテールフック（３２０）を有するような形状にされたホイールポストダブテール（３１０）を含んでおり、前記ホールポストダブテールフック（３１０）との各バケットダブテール（２１０）からの前記複数のバケットダブテールフック（２５０）の連結がそれらの間に少なくとも１つのポケット（５１０）を形成して、前記タービンバケット（２００）にかかる遠心荷重を該複数のバケットダブテールフック（２５０）が分担できるようにしている、タービンロータ。
【請求項９】
前記複数のバケットダブテールフック（２５０）の各々の上面部分が、半径（２６０）及び平坦な奥行き（２７０）を含み、前記少なくとも１つのポケット（５１０）の寸法が、前記半径（２６０）及び平坦な奥行き（２７０）の関数である、請求項８記載のタービンロータ。
【請求項１０】
ロータホイール（３００）にバケット（２００）を固定するためのバケットダブテール（２１０）であって、当該バケットダブテール（２１０）が、
前記バケット（２００）を前記ロータホイール（３００）と連結する複数のフック（２５０）を備えており、前記複数のフック（２５０）が、前記バケット（２００）に作用する遠心荷重を該複数のフック（２５０）の各々間における望ましい分布で分散させる形状にされており、前記望ましい分布が、前記複数のフック（２５０）の各々を所定の量の遠心荷重及び応力に付す、バケットダブテール（２１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広義には蒸気タービンに関し、具体的には、蒸気タービンロータホイールに対して蒸気タービンバケットを取付けるためのダブテール設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、低圧タービンの後段における蒸気タービンバケット及び蒸気タービンロータホイールは通常、より長くかつより重い後段バケットの回転によって加えられる大きな遠心荷重のために運転時に高度に応力を受ける。具体的には、ロータホイールの高回転速度のために大きな遠心荷重がバケットにかかり、ひいてはブレードに応力が加わる。それらの荷重は、ロータホイールにバケットを取付ける連結ダブテール内により高い平均及び局所応力を誘起する。蒸気タービンの蒸気流路からの水分に加えてこれら応力により、応力腐食割れが促進される。より高い平均応力集中及び局所応力集中の両方は、タービンロータホイール及びダブテールの疲労寿命の低下及び応力腐食に至る可能性がある。大きな遠心荷重の下でダブテールにおける応力集中及び応力腐食割れを減少させることは、特により大きなブレードに対する要求が増加するにつれて、蒸気タービン製造者にとって設計課題となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／０１０９７６６号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の１つの態様では、ロータホイールにバケットを固定するためのバケットダブテールを提供する。本ダブテールは、バケットをロータホイールと連結する複数のフックを含む。複数のフックは、バケットに作用する遠心荷重を該複数のフックの各々の間でほぼ均一な分布で分散させる形状にされる。
【０００５】
本発明の別の態様では、タービンロータを提供し、本タービンロータは、ロータホイールに連結された複数のタービンバケットを含む。各タービンバケットは、複数のバケットダブテールフックを有するバケットダブテールを含む。ロータホイールは、各バケットダブテールのバケットダブテールフックと係合するホイールポストダブテールフックを有するような形状にされたホイールポストダブテールを含む。ホールポストダブテールフックとの各バケットダブテールからの複数のバケットダブテールフックの連結は、それらの間に少なくとも１つのポケットを形成して、タービンバケットに加わる遠心荷重を該複数のバケットダブテールフックが分担できるようにする。
【０００６】
本発明の第３の態様では、ロータホイールにバケットを固定するためのバケットダブテールを提供する。この実施形態では、ダブテールは、バケットをロータホイールと連結する複数のフックを含む。複数のフックは、バケットに作用する遠心荷重を該複数のフックの各々の間で望ましい分布で分散させる形状にされ、この望ましい分布は、複数のフックの各々を所定の量の遠心荷重及び応力に付す。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】例示的な対向流蒸気タービンエンジンの概略図。
【図２】本発明の一実施形態による、図１に示す蒸気タービンで使用することができるダブテールを備えたバケットの概略斜視図。
【図３】本発明の一実施形態による、図２に示すバケットダブテールと係合するタービンロータホイールを示す概略斜視図。
【図４】従来技術による、タービンロータホイールに対するバケットダブテールの取付けを示す概略正面図。
【図５】本発明の一実施形態による、図３に示すタービンロータホイールに対する図２に示すバケットダブテールの取付けを示す概略正面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図面を参照すると、図１は、例示的な対向流蒸気タービン１００の概略図を示している。タービン１００は、第１の低圧（ＬＰ）セクション１０５及び第２のＬＰセクション１１０を含む。当技術分野では公知なように、各ＬＰセクション１０５及び１１０は、複数のダイアフラム段（図１には図示せず）を含む。本発明の一実施形態では、各ＬＰセクション１０５及び１１０は、５つの段を含む。５つの段は、Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４と呼ばれる。Ｌ４段は、第１段でありかつ５つの段のうちで最も小さい（半径方向において）ものである。Ｌ３段は、第２段でありかつ軸方向において隣の段である。Ｌ２段は、第３段でありかつ５つの段の中間に位置する。Ｌ１段は、第４段でありかつ最終段の隣の段である。Ｌ０段は、最終段でありかつ最も大きい（半径方向において）ものである。５つの段は単に１つの実例として示しているものであり、またＬＰセクション１０５及び１１０は、６以上又は４以下の段を有することができることを理解されたい。
【０００９】
ロータシャフト１１５は、ＬＰセクション１０５及び１１０を貫通して延在する。各ＬＰセクション１０５及び１１０は、それぞれノズル１２０及び１２５を含む。単一の外側シェルつまりケーシング１３０が、水平面に沿って軸方向にそれぞれ上半分及び下半分セクション１３５及び１４０に分割され、かつＬＰセクション１０５及び１１０の両方にわたって延在する。シェル１３０の中央部セクション１４５は、低圧蒸気入口１５０を含む。外側シェルつまりケーシング１３０内において、ＬＰセクション１０５及び１１０は、ジャーナル軸受１５５及び１６０によって支持された単一の軸受スパンとして配置される。流れスプリッタ１６５が、ＬＰセクション１０５及び１１０間で延在する。
【００１０】
運転時に、低圧蒸気入口１５０は、特に限定されないが高圧（ＨＰ）タービン又は中圧（ＩＰ）タービンのような供給源からクロスオーバ管（図示せず）を通して低圧／中間温度蒸気１７０を受ける。蒸気１７０は入口１５０を通って流れ、入口１５０において、流れスプリッタ１６５は、蒸気の流れを２つの対向する流路１７５及び１８０内に分割する。より具体的には、この例示的な実施形態では、蒸気１７０は、ＬＰセクション１０５及び１１０を通して送られ、これらＬＰセクション１０５及び１１０において、蒸気から仕事を取出してロータシャフト１１５を回転させる。蒸気は、ＬＰセクション１０５及び１１０から流出し、更なる処理を行なう場所（例えば、復水器に）送られる。
【００１１】
図１は、対向流ＬＰタービンを示しているが、当業者には分かるように、本発明は、ＬＰタービンでのみ使用することに限定されるものではなく、特に限定されないがＩＰタービン及び／又はＨＰタービンを含むあらゆる対向流タービンで使用することができる。さらに、本発明は、対向流タービンで使用することのみに限定されるものではなく、むしろ、その他のタービン（例えば、単流蒸気タービン）で使用することもできる。
【００１２】
図２は、本発明の一実施形態による、図１に示す蒸気タービンで使用することができるダブテール２１０を備えたバケット２００の概略斜視図である。図２に示すように、ダブテール２１０は、タービンロータホイール３００（図３に示す）と係合するように構成された６つの接触面を有する３フック設計を備えた接線方向挿入式ダブテールである。以下の説明は３フック設計を備えた接線方向挿入式ダブテールについてのものであるが、本発明の原理は、そのような構成に限定されるものではなく、３未満又は４以上のフックを有する接線方向挿入式ダブテールで使用するのに適している。再び図２を参照すると、ダブテール２１０は、６つのバケットダブテールフック２５０（２５０Ｔ、２５０Ｍ及び２５０Ｂをまとめて）を含み、ここでは２つのフック２５０Ｔはダブテール２１０の上部セクションに設置され、２つのフック２５０Ｍはダブテール２１０の中間セクションに設置され、また２つのフック２５０Ｂはダブテール２１０の底部セクションに設置される。フック２５０Ｔ、２５０Ｍ及び２５０Ｂは半径方向に設置されており、ダブテール２１０は、ロータホイール３００（図３）内に半径方向に挿入し、次に接線方向に所定の位置に滑動させるようにする。
【００１３】
一実施形態では、フック２５０Ｔ及び２５０Ｍは、ロータホイール３００が取得した高回転速度の結果としてバケット２００に作用する遠心引張り荷重を分散させるカンチレバーを形成するような形状にされる。それらの遠心荷重は、バケット２００内に該バケットの使用平均寿命を最少にする応力を生じさせる。フック２５０Ｔ及び２５０Ｍの上面部分は、半径２６０及び平坦な奥行き２７０によって形成される。フック２５０Ｔ及び２５０Ｍによる遠心荷重の分布は、半径及び／又は平坦な奥行きの関数である。具体的には、半径２６０の増大及び／又は平坦な奥行きセクション２７０の増大は、フック２５０Ｔ及び２５０Ｍに作用する遠心荷重の減少に比例することになる。同様に、遠心荷重によりカンチレバー上に生じることになる応力は、半径２６０及び／又は平坦な奥行き２７０の関数である。具体的には、半径２６０の増大及び／又は平坦な奥行き２７０の増大は、フック２５０Ｔ及び２５０Ｍが受ける応力の減少に比例することになる。一実施形態では、半径２６０は、約２ｍｍ（０．０７９インチ）〜約８ｍｍ（０．３１インチ）の範囲にあり、一方、平坦な奥行き２７０は、約２ｍｍ（０．０７９インチ）〜約９ｍｍ（０．３５インチ）の範囲にある。半径２６０及び平坦な奥行き２７０に選択した数値は、特定のフックにつてどの程度の遠心荷重及び応力が望ましいかに応じて決まることになり、従ってその数値は、１つのダブテール設計から次のダブテール設計に対して変化させることができることは当業者には分かるであろう。
【００１４】
図３は、本発明の一実施形態による、図２に示すダブテール２１０と係合したタービンロータホイール３００の一部分の概略斜視図である。図３に示すように、ロータホイール３００は、ホイールポストゲート開口部（図示せず）を有するホイールポストダブテール３１０を含み、ホイールポストゲート開口部内において、タービンロータのバケット２００及びその他のバケットが、該タービンロータとの間の所定の位置に滑動される。ホイールポストダブテールは、６つのホイールポストダブテールフック３２０（３２０Ｔ、３２０Ｍ及び３２０Ｂをまとめて）を含み、ここでは２つのフック３２０Ｔはホイールポストダブテール３１０の上部セクション内に設置され、２つのフック３２０Ｍはホイールポストダブテール３１０の中間セクション内に設置され、また２つのフック３２０Ｂはホイールポストダブテール３１０の底部セクション内に設置される。このような構成では、タービンロータのバケット２００及びその他のバケットが、ホイールポストゲート開口部（図示せず）内に挿入されると、バケットは、接線方向に所定の位置に滑動させて、バケットダブテール２１０のフック２５０Ｔ、２５０Ｍ、及び２５０Ｂが、それぞれホイールポストダブテール３１０のフック３２０Ｔ、３２０Ｍ及び３２０Ｂと噛合い又は係合するようにする。
【００１５】
運転時に、タービンロータを形成したバケット２００及びその他のバケットは、ロータホイール３００の高回転速度による大きな遠心引張り荷重に付され、これにより次に、バケットに応力が加わる。従来型のバケット組立体では、ダブテールの他のセクションのフックと比較して該ダブテールの上部バケットダブテールフック上に荷重の大部分が集中することを、本明細書では見出した。その結果、バケットは、バケットダブテールフックの上部セクションにおいてより大きな応力に付され、そのため、バケットダブテールが実際に耐えることができる荷重が制限される。実際の荷重は、バケットダブテールが耐えるように設計されたものよりも小さくなる場合もある。さらに、そのようなより大きな応力は、タービンバケットの全寿命を減少させることになる。
【００１６】
本発明の実施形態は、遠心荷重がダブテールにおけるバケットダブテールフックの全てによって分担されかつバケットダブテールフックの１つのセクションのみに集中しないことを保証することによって、これらの荷重問題を克服する。具体的には、カンチレバーを形成するフック２５０Ｔ及び２５０Ｍを有することによって、遠心荷重は、フック（すなわち、２５０Ｔ、２５０Ｍ、２５０Ｂ）の全ての間にほぼ均等に分散される。本明細書で使用する場合に、ほぼ均等に分散される遠心荷重というのは、あらゆるフックに作用する荷重が、他のバケットダブテールフックのいずれにも作用する荷重の約１５％の範囲内にあることを意味している。上記に特定した範囲における半径及び平坦な奥行きの数値を使用することによって、フック２５０Ｔ及び２５０Ｍがより長くなり、それにより、それらフックがより低い剛性になりかつより可撓性になる。さらに、下記に示すように、そのような数値は、ダブテール２１０のバケットダブテールフック２５０Ｔ及び２５０Ｍがそれぞれホイールポストダブテールフック３２０Ｔ及び３２０Ｍと係合する位置にポケットを形成することになる。これらのポケットを形成する理由は、ホイールポストダブテールフック３２０Ｔ及び３２０Ｍの半径及び平坦な奥行きの数値に対して、バケットダブテールフック２５０Ｔ及び２５０Ｍの半径及び平坦な奥行きの数値を変化させるためである。ホイールポストダブテールに対するバケットダブテールの従来型の組立ては、バケットダブテールフック及びホイールポストダブテールフックの寸法がほぼ同じであるので、本明細書におけるようなポケットを有しないことになる。本明細書に記載した構成の結果として、本発明の実施形態は、バケットダブテールの上部フック上に荷重が集中する従来型の組立体と比較して、荷重をバケットダブテールフック（例えば、２５０Ｔ、２５０Ｍ、２５０Ｂ）の全ての間にほぼ均等（均一）に分散（分布）させることができる。
【００１７】
ホイールポストダブテールフックに対するバケットダブテールフックの組立て間での差異の比較を図４〜図５に示している。具体的には、図４は、従来技術による、タービンロータホイール３００に対するバケットダブテール４１０の取付けを示す概略正面図４００であり、また図５は、本発明の一実施形態による、図３に示すタービンロータホイール３００に対する図２に示すバケットダブテール２１０の取付けを示す概略正面図５００である。図４に示すように、バケットダブテール４１０は、上部フック４２０Ｔ、中間フック４２０Ｍ及び底部フック４２０Ｂを備えたバケットダブテールフック４２０を含む。バケットダブテールフック４２０Ｔ及び４２０Ｍ並びにホイールポストダブテールフック３２０Ｔ及び３２０Ｍにおける半径及び平坦な奥行きの数値は同じであり、従って連続して係合する（すなわち、緊密に噛合う）。このような構成の結果として、バケットダブテールフック４２０Ｔ及び４２０Ｍは、より短くかつより剛性がある。それに比較して、図５に示すようなホイールポストダブテール３１０に対するバケットダブテール２１０の組立てでは、カンチレバー形状フック２５０Ｔ及び２５０Ｍのために、それぞれバケットダブテールフック２５０Ｔ及び２５０Ｍ並びにホイールポストダブテールフック３２０Ｔ及び３２０Ｍの周りの領域内にポケット５１０が形成される。具体的には、バケットダブテールフック２５０Ｔ及び２５０Ｍの半径及び平坦な奥行きが、ホイールポストダブテールフックに対して増大しているので、それらフックの周りにポケット５１０が形成される。フック２５０Ｂの寸法は、フック４２０Ｂ（図４）の寸法と実質的に同一であることに注目されたい。フック２５０Ｔ及び２５０Ｍに対して加えたこの種の変更により、バケットダブテール２１０は、フックの全ての周りに荷重を実質的により均等に分散させ又は分担させることができる。その結果、バケットダブテール２１０及びホイールポストダブテール３１０の両方のフック上により小さい応力が作用することになる。
【００１８】
下表は、図４に示すバケットダブテール４１０並びに図２及び図５に示すバケットダブテール２１０と関連する荷重分担及び応力を比較した結果の実例を示している。
【００１９】
【表１】
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表に示すように、図４に示す従来技術のバケットダブテールのフックに作用する荷重は、フックが実質的に該荷重を分担するように分散されない。この実施例では、荷重の大部分（４７７００ｌｂｆ）は、上部バケットダブテールフックに作用し、一方、中間バケットダブテールフックに作用する荷重（３７０００ｌｂｆ）及び底部バケットダブテールフックに作用する荷重（３４０００ｌｂｆ）は著しく少ない。それらのそれぞれのフックの各々におけるタービンバケットに作用する応力（局所的バケットのミーゼスの応力）及びロータホイールに作用する応力（局所的ホイールのミーゼスの応力）は、支える荷重の量に関連する。例えば、表は、従来技術のバケットダブテールの上部フックにおける応力は、１９８７００ｐｓｉであり、一方、バケットダブテールの中間フック及び底部フックにおける応力は、それぞれ１６０８００ｐｓｉ及び１２２９００ｐｓｉであることを示している。ロータホイールのホイールポストダブテールフックにおける応力は、上部フックにおいて１７３１００ｐｓｉ、中間フックにおいて１３０６００ｐｓｉ、及び底部フックにおいて１２９３００ｐｓｉである。本明細書に記載した構成としてバケットダブテール２１０のフックを変更した場合には、バケットダブテールフック間でほぼ均一となった荷重分担分布が得られまたバケットダブテール及びホイールポストダブテールの両方において応力が大幅に小さくなる結果となる。例えば、表は、バケットダブテール２１０の上部フックに作用する荷重は、４７７００ｌｂｆから３６５００ｌｂｆに減少し、一方、中間フックに作用する荷重は、３７０００ｌｂｆから３８３００ｌｂｆに増加し、また底部フックに作用する荷重は、３４０００ｌｂｆから４２２００ｌｂｆに増加することを示している。その結果として、荷重の大部分が上部フックに作用するのではなく、それよりむしろ、荷重は、該荷重を支える際にバケットダブテールフックがほぼ均等に分担するように分散されることになることが判るであろう。従って、より高い遠心荷重を支えるのを可能にすることができる。
【００２０】
この荷重分担の利点は、フックが受ける応力において認められる。例えば、表は、バケットダブテールの上部フックにおける応力が１４４９００ｐｓｉであり、一方、バケットダブテールの中間フック及び底部フックにおける応力がそれぞれ１２７７００ｐｓｉ及び１５５１００ｐｓｉであることを示している。ロータホイールのホイールポストダブテールフックにおける応力は、上部フックにおいて１３４４００ｐｓｉ、中間フックにおいて１４０６００ｐｓｉ、及び底部フックにおいて１５９１００ｐｓｉである。解るように、本発明の実施形態の設計におけるバケットダブテールのフックに作用する最大応力は、１５５１００ｐｓｉであり、これは従来技術の設計における１９８７００ｐｓｉよりも大幅に小さい。また、この最大応力は、上部バケットダブテールフックではなくて底部バケットダブテールフックに作用する。同様に、本発明の実施形態の設計におけるホイールポストダブテールのフックに作用する最大応力は、１５９１００ｐｓｉであり、これは従来技術の設計における１７３１００ｐｓｉよりも小さい。タービンバケットダブテール及びホイールポストダブテールの両方においてフックに作用する応力を減少させることにより、その両方に寿命の向上がもたらされることになる。
【００２１】
表に示す結果は、上記の範囲内でバケットダブテールフック２５０Ｔ及び２５０Ｍに変更を加えることによって得られたが、これは単なる実例に過ぎないものであり、上部フックセクションにおけるバケットダブテールフック又は中間フックセクションにおけるフックだけを変更することによって望ましい荷重分布を得ることができることは当業者には分かるであろう。さらに、３超又は３未満のフックを含むバケットダブテールに対する変更では、そのバケットダブテールフックに対する変更を行なうための異なる実施可能性が存在することになることが当業者には分かるであろう。そのような変更の選択は、最終的にはバケットダブテールにおける望ましい荷重分布及びフックの個数に応じて決まることになる。
【００２２】
本発明をその好ましい実施形態と共に具体的に示しかつ説明してきたが、当業者にはその変更及び修正が想起されることになることが分かるであろう。従って、特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変更を本発明の技術思想の範囲内に属するものとして保護することを意図していることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２３】
１００  蒸気タービンエンジン
１０５  第１の低圧セクション
１１０  第２の低圧セクション
１１５  ロータシャフト
１２０  ノズル
１２５  ノズル
１３０  ケーシング
１３５  上半分セクション
１４０  下半分セクション
１４５  中央部セクション
１５０  蒸気入口
１５５  ジャーナル軸受
１６０  ジャーナル軸受
１６５  流れスプリッタ
１７０  蒸気
１７５  流路
１８０  流路
２００  タービンバケット
２１０  バケットダブテール
２５０  バケットダブテールフック
２６０  半径
２７０  平坦な奥行き
３００  タービンロータホイール
３１０  ホイールポストダブテール
３２０  ホイールポストダブテールフック
４００  従来技術による、タービンロータホイールに対するバケットダブテールの取付けを示す図
４１０  従来技術のバケットダブテール
４２０  従来技術のバケットダブテールフック
５００  タービンロータホイール３００に対するバケットダブテール２１０の取付けを示す図
５１０  ポケット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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