(57)【要約】      （修正有）【課題】応力、重なり配置や振動に関する問題を軽減又は排除するブレード相互界面を先端シュラウド及びミッドスパンシュラウド位置の両方に設けるタービンバケットを提供する。【解決手段】タービン又はロータホイールに支持されるように構成されたタービンバケットは、ロータホイールの長手方向軸に対して半径方向に延在し、前縁、後縁、正圧側、及び負圧側を有する翼形部分を含む。少なくとも１つの先端シュラウド３２は、反対の円周方向に延在し、隣接するバケットから円周方向に延在するシュラウドの嵌合用の第２の硬質面３４と係合するように構成された第１の硬質面３４を有している。第１の硬質面３４は、ロータホイールの長手方向軸から測定した半径の増加と共に円周方向に変動する表面部分によって規定される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン又はロータホイールに支持されるように構成されたタービンバケットであって、
前記ロータホイールの長手方向軸に対して半径方向に延在し、前縁、後縁、正圧側、及び負圧側を有する翼形部分と、
反対の円周方向に延在する少なくとも１つのシュラウドであって、隣接するバケットから円周方向に延在するシュラウドの嵌合用の第２の硬質面と係合するように構成された第１の硬質面を有しており、前記第１の硬質面はその円周方向位置が前記長手方向軸からの半径の増加と共に変動する表面部分によって規定される、前記少なくとも１つのシュラウドとを備えている、
タービンバケット。
【請求項２】
前記少なくとも１つのシュラウドは、前記バケットの半径方向外側端部にある第１の先端シュラウドを備えている、請求項１に記載のタービンバケット。
【請求項３】
前記少なくとも１つのシュラウドは、前記バケットの片側から突出する第１のミッドスパンシュラウド部分と、前記バケットの反対側から突出する第２のミッドスパンシュラウド部分とを備えており、前記第１及び第２のミッドスパンシュラウド部分は、前記バケットの前記翼形部分の内側端部と外側端部の間に半径方向に設置されている、請求項１に記載のタービンバケット。
【請求項４】
前記先端シュラウドには、その２つの対向側の各々にＺ形ノッチエッジが形成されており、このＺ形ノッチエッジは、隣接するバケット先端シュラウド上の同様のＺ形ノッチエッジと係合するように構成されている、請求項２に記載のタービンバケット。
【請求項５】
前記硬質面は前記Ｚ形ノッチ部分を備えている、請求項４に記載のタービンバケット。
【請求項６】
前記第１の硬質面は、前記ロータホイールの前記長手方向軸に対して軸方向にも角度をつけられる、請求項１に記載のタービンバケット。
【請求項７】
前記第１の硬質面は、前記長手方向軸から半径方向に前記バケットの中心線に沿って延在する面に対して２つの反対方向のいずれかに約２〜約１５度の範囲内の第１の鋭角で配向される、請求項１に記載のタービンバケット。
【請求項８】
前記第１の鋭角は、実質的に５〜１０度の範囲内である、請求項７に記載のタービンバケット。
【請求項９】
複数のバケットを取り付けているタービンロータホイールであって、各バケットは翼形部分を有し、前記翼形部分は、前縁、後縁、正圧側、及び負圧側を有し、前記複数のバケットのうちの隣接するバケットは前記翼形部分に固定された先端又はミッドスパンシュラウド上に設けられた接触面に沿って係合可能であり、前記接触面は２つの角度点に傾斜しており、それによって前記接触面に沿った隣接する先端又はミッドスパンシュラウド間の相対運動が可能になる、
タービンロータホイール。
【請求項１０】
１つの角度点における運動は、半径の増加と共に変動する前記接触面の円周方向位置を有することによって可能になり、それによって第１の傾斜角を形成する、請求項９に記載のタービンロータホイール。
【請求項１１】
前記接触面は、平面図で見た時、前記タービンロータホイールの前記長手方向軸に対して第２の傾斜角で位置する、請求項１０に記載のタービンロータホイール。
【請求項１２】
前記第１の傾斜角は、ラジアル基準面に対して正又は負である、請求項１０に記載のタービンロータホイール。
【請求項１３】
前記隣接するバケットは、先端及びミッドスパンシュラウドの両方において係合可能である、請求項９に記載のタービンロータホイール。
【請求項１４】
前記第１の傾斜角は、前記バケットの中心線に沿って延在するラジアル基準面の両側の２〜１５度の範囲内である、請求項１０に記載のタービンロータホイール。
【請求項１５】
前記第１の角度は５〜１０度の範囲内である、請求項１４に記載のタービンロータホイール。
【請求項１６】
複数のバケットを取り付けているタービンロータホイールであって、各バケットは翼形部分を有し、前記翼形部分は、前縁、後縁、正圧側、及び負圧側を有し、隣接するバケットは、前記隣接するバケットの前記翼形部分の外側端部に固定された先端シュラウド上に設けられた第１の接触面対と、前記隣接するバケットの前記翼形部分の正圧側及び負圧側それぞれに固定されたミッドスパンシュラウド上に設けられた第２の接触面対とに沿って係合可能であり、前記先端シュラウド又は前記ミッドスパンシュラウドの前記接触面対のうちの少なくとも１つが二方向に傾斜しており、それによって少なくとも１つの接触面対間の界面において隣接するバケットが係合するように少なくとも２つの運動自由度が与えられる、
タービンロータホイール。
【請求項１７】
前記第１及び第２の接触面対は、前記ロータホイールの重心軸から測定した半径の増加と共に円周方向に変動する、請求項１６に記載のタービンロータホイール。
【請求項１８】
前記第１及び第２の接触面対は、前記バケットの中心線に沿って延在するラジアル基準面に対して約２〜約１５度の角度で傾斜している、請求項１６に記載のタービンロータホイール。
【請求項１９】
前記接触面はまっすぐである、請求項１８に記載のタービンロータホイール。
【請求項２０】
前記表面はマルチアングルエッジを規定する、請求項１６に記載のタービンロータホイール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してターボ機械に関し、より詳細には、タービンロータホイールに取り付けられたブレード又はバケットの列の翼形部に対する周辺支持装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンブレード又はバケットは、多くの場合、ブレード又はバケットの翼形部分の半径方向長さに沿った２つの位置で支持される。具体的には、ブレード又はバケットの半径方向外側先端が個々の先端シュラウドによって係合されると共に、翼形部の半径方向内側端部と半径方向外側端部の中間の位置で、部分スパン又はミッドスパンシュラウド（ミッドスパンスナバと呼ばれることもある）が設けられ、これらが隣接するバケットの同様のミッドスパンシュラウドと係合する。
【０００３】
タービンバケット先端シュラウドは、「硬質面」と呼ばれる特徴を有しており、これは各シュラウドの接触面であって、隣接するシュラウドの同様の接触面即ち硬質面と係合する。現在の先端シュラウド硬質面の設計は、半径方向にまっすぐに配向された平坦面である（図１及び２参照）。先端シュラウドは、タービン運転中にバケットを支持するものであり、それらを正しい配列に保持し、回転するバケットにかかるねじれ力による過剰な運動を阻止すると共に、不必要なバケット振動のダンパーとしても機能する。一部の先端シュラウドは、硬質面即ち接触面が隣接するマルチアングルエッジに沿って延在する、周知のＺ形ノッチ構造を有しているが、それはしばしば、先端シュラウドの突出部の撓みや隣接するバケット間の荷重伝達による高応力を受けるため、バケットにとって寿命制限位置になることが判明している。先端シュラウドの正圧側及び負圧側の突出部の不等変位によって生じる重なり配置は、タービンバケット先端シュラウドに関するもう１つの重要問題である。
【０００４】
同様に、隣接するミッドスパンシュラウド又はスナバ間で嵌合する硬質面即ち接触面もまた、平坦で半径方向にまっすぐに配向される。ミッドスパンシュラウドは、特に重なり配置や過剰な振動の影響を受けやすく、これもまた寿命制限となり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７６２８５８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、応力、重なり配置や振動に関する前述の問題を軽減又は排除するブレード相互界面を先端シュラウド及びミッドスパンシュラウド位置の両方に設けることが望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１つの例示的だが非限定的な実施形態では、タービン又はロータホイールに支持されるように構成されたタービンバケットは、ロータホイールの長手方向軸に対して半径方向に延在し、前縁、後縁、正圧側、及び負圧側を有する翼形部分と、反対の円周方向に延在する少なくとも１つのシュラウドであって、隣接するバケットから円周方向に延在するシュラウドの嵌合用の第２の硬質面と係合するように構成された第１の硬質面を有しており、第１の硬質面はその円周方向位置が長手方向軸からの半径の増加と共に変動する表面部分によって規定される、少なくとも１つのシュラウドとを備えている。
【０００８】
別の例示的態様では、複数のバケットを取り付けているタービンロータホイールが提供され、各バケットは翼形部分を有し、翼形部分は、前縁、後縁、正圧側、及び負圧側を有し、複数のバケットのうちの隣接するバケットは翼形部分に固定された先端又はミッドスパンシュラウド上に設けられた接触面に沿って係合可能であり、接触面は２つの角度点に傾斜しており、それによって接触面に沿った相対運動が可能になる。
【０００９】
更に別の態様では、複数のバケットを取り付けているタービンロータホイールが提供され、各バケットは翼形部分を有し、翼形部分は、前縁、後縁、正圧側、及び負圧側を有し、隣接するバケットは、隣接するバケットの翼形部分の外側端部に固定された先端シュラウド上に設けられた第１の接触面対と、隣接するバケットの翼形部分の正圧側及び負圧側それぞれに固定されたミッドスパンシュラウド上に設けられた第２の接触面対とに沿って係合可能であり、先端シュラウド又はミッドスパンシュラウド上の接触面対のうちの少なくとも１つが二方向に傾斜しており、それによって少なくとも１つの接触面対間の界面において隣接するバケットが係合するように少なくとも２つの運動自由度が与えられる。
【００１０】
本発明のこれら及びその他の態様、利点及び顕著な特徴は、以下で特定される図面と併せて、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】既知のＺ形ノッチタービンバケット先端シュラウドの頂平面図であり、破線で示す隣接する先端シュラウドとの嵌合係合を示している。
【図２】図１の線２−２に沿った断面図である。
【図３】本発明の第１の例示的だが非限定的な実施形態に従ったバケット先端シュラウドの平面図である。
【図４】本発明に従った、正及び負の傾斜角を示す先端シュラウドの接触面部分の斜視図である。
【図５】本発明に従った、負の傾斜角を有する隣接する先端シュラウドの嵌合接触面の平面詳細図である。
【図６】本発明に従った、正の傾斜角を有する隣接する先端シュラウドの嵌合接触面の平面詳細図である。
【図７】本発明の別の例示的だが非限定的な実施形態に従った、ミッドスパンシュラウド又はスナバが取り付けられたタービンバケットの斜視図である。
【図８】図７に示す隣接するミッドスパンシュラウドの部分平面図であるが、隣接するバケットの各翼形部分もまた示している。
【図９】図８に示すミッドスパンシュラウドの部分側立面図である。
【図１０】図８及び９に示す隣接するミッドスパンシュラウドの部分斜視図であるが、ミッドスパンシュラウドの各接触面の合成角を示すために分離されている。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、従来のタービンバケット先端シュラウド構造の一実施例を提示する。この実施例では、隣接するバケット先端シュラウド１０，１２が、隣接するバケットの各翼形部分の半径方向外側端部に取り付けられている。先端シュラウド１０，１２は、それぞれ、タービン運転中に係合する硬質面即ち接触面１４，１６を有する。実線で示すシュラウド１０に関して、接触面即ち硬質面１４は、エッジ部分１８及び２０の間に設置されて、これらが一緒に略Ｚ形状を形成する。この全体的構造の先端シュラウドは、しばしば「Ｚ形ノッチ」シュラウドと呼ばれる。接触面１４及び１６は、各先端シュラウドの半径方向外側面２１，２３と実質的に垂直なラジアル面に位置する。明記すると、硬質面即ち接触面１４，１６は、バケットの半径方向中心線と９０°の角度で交差するように引かれた、バケットの円周方向列（図１では、ロータホイール（図示せず）に固定されたバケット２８，３０の翼形部分２４，２６が部分的に見える）の半径方向外周上の接線と実質的に垂直である。上記の接触面構造の実施例は、米国特許第５，５２２，７０５号、第６，４０２，４７４号、及び第７，００１，１５２号で見られる。
【００１３】
別途図示しないが、典型的なミッドスパンシュラウド又はスナバは、ロータホイールに取り付けられたバケットの列の円周の接線に垂直なラジアル面に位置する、同様の接触面を有することが理解されよう。
【００１４】
現在、隣接するバケット先端シュラウドの従来の半径方向に配向された硬質面即ち接触面部分の修正に関連する利点があることがわかっている。具体的には、半径方向に傾斜した硬質面即ち接触面を有することによって、Ｚ形ノッチ応力及び／又は重なり配置の減少に関する先端シュラウドの能力が向上することがわかっている。
【００１５】
ミッドスパンスナバ又は部分スパンシュラウドにおける同様の硬質面即ち接触面構造は、ミッドスパン位置でのバケット振動を減らすことが証明されている。例示的だが非限定的な実施形態に従った先端シュラウド及びミッドスパンシュラウドの両方については、以下で別々に説明する。
先端シュラウド
本発明の例示的だが非限定的な実施形態によれば、隣接するバケットの硬質面即ち接触面は実質的に平行のままだが、半径方向に傾斜している。傾斜角及び傾斜方向は、先端シュラウドの形状や、対処すべき特定の問題（例えば、Ｚ形ノッチ応力、重なり配置、減衰効果、又は周波数同調）を含む設計要件によって決まる。
【００１６】
具体的には、まず図３を参照すると、バケット先端シュラウド３２は、隣接するバケット上の同様のシュラウドと少なくとも部分的に係合するように構成されたシュラウドの両側に、Ｚ形ノッチ構造を有している。後述するように、シュラウド３２の硬質面即ち接触面部分３４は、半径方向に突出するリブ３６の両側にエッジを含み、略Ｕ字形カーブ３８に延在するように示されているが、接触面部分は、特定の用途に応じて、リブ３６から両方向に更に延在し得ることが理解されよう。シュラウド３２の端部４０において、接触面部分３４は、点線４２によって示すように、半径方向にアンダーカットされている。換言すれば、接触面は、シュラウドの上部エッジに対して負の角で半径方向内側方向に傾斜して、接触面部分３４がロータホイールの接線と垂直ではなくなっている。先端シュラウド３２の対向端部４４において、接触面部分４６は、実線４８で示すように、半径方向内側方向に逆に傾斜している。周知のように、同様の先端シュラウドを有する同様のバケットの円周方向列において、シュラウド３２の端部４０は、隣接する先端シュラウドの端部４４に似た端部と係合することになる。従って、接触面部分は、互いに対して実質的に平行のままになるが、ロータホイールの軸から延在するラジアル面に対してある角度をなして位置することになる。実際的な言い方をすれば、接触面材料のウェッジを、１つのシュラウド端部の硬質面から「取り除いて」負の傾斜角を設け、隣接する硬質面に「付け加えて」正の傾斜角を設けることによって、隣接する硬質面を実質的に平行だが、半径方向に傾斜した面に沿ったままにすることができる。各々の先端シュラウドの接触面部分を、ロータホイールの重心軸又は長手方向軸から測定した半径が増加すると共に変動する、硬質面即ち接触面に沿った円周方向位置に関して説明することもまた可能である。
【００１７】
硬質面即ち接触面部分を傾斜させることによって、滑り運動の半径方向及び円周方向成分の両方が先端シュラウドの界面において可能になる。これは、界面において、相対運動が半径方向にのみ可能である従来の硬質面即ち接触面とは異なっている。従って、本発明は、隣接する先端シュラウド間の界面において更なる運動自由度を与える。
【００１８】
上記のように、接触面の傾斜角は正及び負の両方向に変化し得る。傾斜角と、バケットの正圧側又は負圧側から離れて延びるシュラウド部分の傾斜角が正か負かの決定は、特定の用途によって変化し得る。約２°〜約１５°、好ましくは５°〜１０°の角度は正又は負のいずれの方向でも、Ｚ形ノッチ応力や重なり配置の点で先端シュラウド性能を向上させると共に、傾斜角の調節を介して周波数同調の向上も可能にするはずである。重なり配置に関しては、より大きな半径方向変位を有する突出部を下側に位置させることができるように、先端シュラウド硬質面を傾斜させることができるため、運転中、最も変位の少ない突出部側が反対側の突出部の変位を抑えるようになり、それによって運転の間中、硬質面の接触を維持する。
【００１９】
硬質面即ち接触面に対する正及び負の傾斜角の図を図４に示す。具体的には、実線で示す硬質面即ち接触面５０は、図２に実質的に示す現在の慣例を表している。本発明の１つの例示的だが非限定的な実施形態によれば、硬質面即ち接触面は、ラジアル基準面に対して、−５°の傾斜角又は＋５°の傾斜角で傾斜している。
【００２０】
図５は、例示的実施例を示す。このように、先端シュラウド５６には正の傾斜角で硬質面即ち接触面５８が形成され、相補的な負の傾斜角で硬質面即ち接触面６２が形成された隣接する先端シュラウド６０と嵌合している。
【００２１】
図６は、反対又は逆の構造を示しており、先端シュラウド６４には負の傾斜角で硬質面即ち接触面６６が形成され、隣接するシュラウド６８には正の傾斜角で硬質面即ち接触面７０が形成されている。
【００２２】
上記した接触面の傾斜はその他のシュラウド構造（即ち、Ｚ形ノッチエッジ以外の直線エッジやアングルエッジを使用した構造）にも同じように当てはまることを理解されたい。換言すれば、接触面は、接触線全体に沿ってまっすぐであってもよく、ロータ軸と軸方向に並ぶか又はその軸に対して１°以上の角度で並んでもよい。直線接触面は、下記のミッドスパンシュラウドの説明においてより詳しく説明する。
【００２３】
全ての場合において、傾斜角及び傾斜方向は、設計要件を満たすように定義することができる。
ミッドスパンシュラウド又はスナバ
図７を参照すると、バケット７２が、バケットの翼形部分７６の半径方向外側端部にある先端シュラウド７４と、翼形部分の半径方向内側端部と半径方向外側端部の間に設置されたミッドスパンシュラウド７８とを有して示されている。ミッドスパンシュラウド７８は、実際、翼形部分の正圧側及び負圧側８４，８６（図８参照）からそれぞれ突出する２つの個別のシュラウド８０，８２を備えているので、各々のバケット翼形上のミッドスパンシュラウド部分８０，８２を参照するのが適当であろう。ミッドスパンシュラウド又はシュラウド部分に対する合成角接触面配置もまた、実質的に上記した接触面界面における更なる運動自由度を与えることによって振動を減らすことがわかっている。
【００２４】
ミッドスパンシュラウドに関する例示的だが非限定的な実施形態では、接触面角度は、二方向（即ち、半径方向及び軸方向）に傾斜している。従って、図８を参照して、隣接するバケット対７８，８８間のミッドスパンシュラウド界面を平面図で見ると、翼形部分７６の正圧側８４から側方に突出するシュラウド部分には、９０で表される、ロータの長手方向軸に対して角度αを形成する直線接触面９０が形成されていることが見て取れる。硬質面即ち接触面９０は、隣接するバケット９８のシュラウド部分９６の硬質面即ち接触面９４と係合して示されている。接触面構造のこの態様は、それ自体新規なものではない。しかしながら、接触面界面は図９及び１０に示すように半径方向に角度もつけられ、そうすることで、１００で表されるラジアル面に対して角度βが形成される。この半径方向傾斜は、上記した先端シュラウド接触面界面の半径方向傾斜と同様である。角度α及びβは、ミッドスパンスナバ又はシュラウドの減衰挙動を最適化するように調整することができ、特定の用途に応じて約２〜約１５度（以上）の範囲内にすることもできる。
【００２５】
先端及びミッドスパンシュラウドの両方に関して、本発明は、シュラウドの幾何学的形状をほとんど変えずに部品寿命を向上させる。従って、共振や重なり配置による強制停止の可能性が減少する。
【００２６】
本明細書では様々な実施形態を説明しているが、それらの様々な要素の組み合わせ、変更又は改良を当業者が行うことができ、またそれらが本発明の技術的範囲内にあることは本明細書からわかるであろう。更に、具体的な状況又は材料を本発明の教示に適応させるように本発明の技術的範囲から逸脱することなく多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するにあたって想定される最適の態様として開示した特定の実施形態に限定されず、本発明には、特許請求の範囲の技術的範囲内にある全ての実施形態が含まれることが意図されている。
【符号の説明】
【００２７】
１０，１２，５６，６０，６４，６８，７４  先端シュラウド
１４，１６，３４，５０，５８，６２，６６，７０，９０，９４  硬質面即ち接触面
１８，２０  エッジ部分
２１，２３  半径方向外側面
２４，２６，７６  翼形部分
２８，３０，７２，８７，８８，９８  バケット
３２  バケット先端シュラウド
３６  半径方向に突出するリブ
３８  Ｕ字形カーブ
４０，４４  端部
４２  点線
４６  接触面部分
４８  実線
７８  ミッドスパンシュラウド
８０，８２，９６  シュラウド部分
８４，８６  正圧側及び負圧側
９２  ロータの長手方向軸
１００  ラジアル面
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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