(57)【要約】【課題】ホイール・フックの応力腐食割れを回避することのできるダブテール・ジョイントを提供する。【解決手段】    タービン・バケット１８を回転子ホイール１４に取り付けるダブテール・ジョイントは、雄のホイール・ダブテール１６と、実質的に相補形の雌のバケット・ダブテール２０とを備えており、前記ホイール・ダブテール１６は、横方向に伸びている複数のフック２２、２４、２６、２８を含んでおり、頚部３２が１つのフックの下面をその下側にあるフックの上面に結合しており、該頚部３２は、複数の半径を有している上側の隅肉３１と、１つの半径を有している下側の隅肉３２とを含んでいるダブテール・ジョイント。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン・バケットを回転子ホイールに取り付けるダブテール・ジョイントであって、雄のホイール・ダブテールと、実質的に相補形の雌のバケット・ダブテールとを備えており、
前記ホイール・ダブテールは、横方向に伸びている複数のフックを含んでおり、該フックは、最も上側のフックから最も下側のフックまで半径方向の厚さが減少しており、前記フックの各々には、実質的に平坦な上面が形成されており、
頚部が１つのフックの下面をその下側にあるフックの上面に結合しており、該頚部は、複数の半径を有している上側の隅肉と、１つの半径を有している下側の隅肉とを含んでいる、ダブテール・ジョイント。
【請求項２】
タービン・バケットを回転子ホイールに取り付けるダブテール・ジョイントであって、雄のホイール・ダブテールと、実質的に相補形の雌のバケット・ダブテールとを備えており、
前記ホイール・ダブテールは、横方向に伸びている複数のフックを含んでおり、頚部が１つのフックの下面をその下側にあるフックの上面に結合しており、該頚部は、複数の半径を有している上側の隅肉と、１つの半径を有している下側の隅肉とを含んでいるダブテール・ジョイント。
【請求項３】
前記上側の隅肉は、３つの半径を有しており、該半径のうちの真ん中の半径は、その両側にある半径よりも大きい請求項１又は請求項２に記載のダブテール・ジョイント。
【請求項４】
前記真ん中の半径は、前記下側の隅肉の前記１つの半径よりも大きい請求項３に記載のダブテール・ジョイント。
【請求項５】
前記ホイール・ダブテールは、横方向に突出している４つのフックを含んでいる請求項２に記載のダブテール・ジョイント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的には蒸気タービンに関し、特に、蒸気タービン回転子と蒸気タービン・バケットとの間のダブテールの取り付けに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン・バケットとタービン回転子ホイールとの間のダブテール（ありつぎ）の取り付け技術は、当業界では周知である。しかしながら、低圧回転子の後段における従来の接線方向入り込みダブテールは、応力腐食割れ（ＳＣＣ）を生じ易い環境内で作用することがわかっている。典型的なダブテール形式のフック隅肉領域に存在する応力レベルにより、ＳＣＣは加速される。通常、このような応力は受容し得るが、汚染された蒸気内では、ひび割れが始まり、検出されないままでいると、ホイール・フックの破損を招く深さにまで成長することがある。極端な場合、すべてのフックが破損し、バケットが回転子から飛び散ることがある。
【０００３】
一般的に、上に述べたひび割れの問題は、相補形のバケット・フックではなく、主にホイール・フックで起こることがわかっている。これは、低圧回転子に使用されているＮｉＣｒＭｏＶのような鋼は、バケットに使用されている１２Ｃｒ鋼よりもＳＣＣに対する抵抗力がずっと小さいためであると思われる。しかしながら、低圧回転子の鋼は、低圧回転子の全体的な設計の観点からは利用可能な性質の最適の組み合わせになっている。従って、典型的な低圧蒸気の環境内でＳＣＣが開始する確率を減少させるのに有効な手段は、材料を変えることではなく、ホイール・ダブテールの応力を許容し得るレベルに低下させることである。腐食性の環境内で動作する部品の最大応力が材料の降伏強度よりも低くなれば、ＳＣＣに対する抵抗力は著しく改善される。
【特許文献１】特開昭６１−１４５３０１号公報
【特許文献２】実願昭６２−０７７４１９号（実開昭６３−１８６９０２号）のマイクロフィルム
【特許文献３】米国特許第４７０２６７３号明細書
【特許文献４】米国特許第３０７９６８１号明細書
【特許文献５】米国特許第４１９１５０９号明細書
【特許文献６】特表昭６３−５０１３７２号公報
【特許文献７】特公昭３０−００７９５７号公報
【特許文献８】特開昭６２−２７１９０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、本発明の主な目的は、ホイール・フックのＳＣＣを回避するのに十分低いピーク応力を有するような、低圧回転子に対するバケットと回転子ホイールとのダブテール取り付け形式を提供することにある。同時に、現存の蒸気通路の寸法制限を維持することが並行する目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施例によれば、蒸気タービン・ホイール・フックに６つ以上の設計の特徴が取り入れられている。これを次に簡単に説明する。ダブテールは半径方向平面に対して対称的であるため、ダブテールの半分のみについて説明することが慣習であることを念頭に置かれたい。即ち、本発明の実施例では、ホイール・フック（雄のダブテール部品）が、典型的なフック３つのダブテール形式に対比して、４つのフック（実際には８つのフックがある）を含んでいるものとして説明される。余分の４番目のフックを取り入れたことにより、バケットの遠心荷重がより多くのフックに分配され、こうしてフック１つ当たりの公称荷重を減少させ、こうして、フック応力をも減少させる。
【０００６】
更に、４つのフックのうちの最も上側のフックは、このフックにおける曲げ応力を減少させるために、従来のフック３つの設計におけるよりも一層太く作成されている。ピーク応力は曲げ応力及び引張り応力の組み合わせから生ずるので、曲げ応力を減少させれば、ピーク応力も減少することになる。ここで説明する実施例では、フックの厚さは最も上側のフックが最大であり、この最も上側のフックより下方の相次ぐフックでは、次々に比例的に小さくなっている。上側のフックは４つのフックのうちで最も強い応力を受けるものであり、フック応力が最も上側から最も下側のフックへと絶えず減少するので、最も上側のフックの余分の厚さの利点が下側のフックには必要はなく、フックの厚さを減少させることは、ダブテールの全体的な高さを最小限にすることに寄与する。
【０００７】
フックの間の頚部（ネック）において隅肉の半径の寸法が増加するにつれて、応力集中、従ってピーク応力が減少することがわかった。この効果を最小の移行距離（フックの底面からダブテールの次の面の真っ直ぐな部分までの距離）で最大にするために、複合隅肉が用いられており、隅肉の最大半径の部分がピーク応力の領域に及ぶようにする。こうして、移行距離を最小限に抑えることにより、頚部の太さの減少及び頚部の応力増加を最小限に抑える。
【０００８】
各々のフックの上面を典型的なフックの形式に見られるように実質的に傾斜した又は斜め切りした形状にする代わりに、実質的に平坦にすることが本発明の特徴である。本明細書の説明では、フックの実質的に平坦な上面というとき、それは、水平から８°未満の若干傾斜した又は斜め切りした上面も含んでいる。このようなわずかな傾斜は、５°又はそれ以下であることが好ましい。上面の傾斜をできる限り小さくすることが望ましいが、ホイール及びバケットにダブテールをフライス・カッタで加工するために、実質的に平坦な上面にこのようなわずかな傾斜を持たせることが必要になることがある。実質的に平坦な上面にした結果として、頚部の厚さ（即ち、１つのホイール・フックの上面からその上方のホイール・フックの底面までの距離）が、ホイール・フックの剪断ずり厚さ又は曲げスチフネスを目立って減少させずに、実効的に増加する。この構成は、適切なバケット・フックの厚さをもたらすと共に、ダブテールの全体的な高さを最小限に抑えるのに役立つ。
【０００９】
最後に、可変の厚さのフック及び実質的に平坦な上面を有しているフックを用いることにより高さを節約したことが、普通よりも厚手のフック及び余分のフックを取り入れたことを部分的に相殺する。その結果、ダブテールの全体的な高さは、比較し得る幅を有するフック３つの設計を用いている現存の蒸気通路に利用可能な空間に当てはまる。
【００１０】
バケット・フック（雌のダブテール部品）が、受け入れられる許容公差の範囲内で、実質的に相補形に整形されることが理解されよう。従って、本発明の一面は、回転子ホイールとバケットとの間のダブテール・ジョイント（ありつぎて）に関する。このジョイントは、回転子ホイールにある雄のダブテール部品と、バケットにある雌のダブテール部品とを含んでいる。雄のダブテール部品は、横方向に突出している４つのフックを含んでおり、各々のフックは、最も上側のフックから最も下側のフックまで、半径方向の厚さが減少していると共に軸方向の長さが増加している。
【００１１】
他の一面では、本発明は、タービン・バケットを回転子ホイールに取り付けるダブテール・ジョイントに関する。このダブテール・ジョイントは、雄のホイール・ダブテールと、実質的に相補形の雌のバケット・ダブテールとを含んでいる。ホイール・ダブテールは、横方向に伸びている複数のフックを含んでいる。これらのフックは、半径方向の厚さが最も上側のフックから最も下側のフックまで減少しており、各々のフックには実質的に平坦な上面が形成されている。
【００１２】
更に他の一面では、本発明は、タービン・バケットを回転子ホイールに取り付けるダブテール・ジョイントに関する。このダブテール・ジョイントは、雄のホイール・ダブテールと、実質的に相補形の雌のバケット・ダブテールとを含んでいる。ホイール・ダブテールは、横方向に伸びている複数のフックを含んでいる。頚部が１つのフックの下面をその下側にあるフックの上面に結合しており、この頚部は、複数の半径を有している上側の隅肉と、１つの半径を有している下側の隅肉とを含んでいる。
【００１３】
この他の目的及び利点は、以下の詳しい説明から明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１について説明すると、通常のホイール・ダブテール２には、上側フック４と、中間フック６と、下側フック８とが形成されている。最も上側のフック４より下側の各々のフックは全般的に、実質的に傾斜した上面１０を有していることが示されており、これらのフックは、厚さの点では実質的に同様である。図２〜図５に例示する本発明では、前に述べたように半径方向の高さの増加を最小限に抑えながら、集中応力を減少しようとするいくつかの新しい設計上の特徴を取り入れている。
【００１５】
図２は、一体の回転子ホイール１４と、関連するホイール・ダブテール１６とを有している回転子本体１２を全体的に示している。バケット・ダブテール２０を含んでいるバケット１８がホイール上の所定位置に示されている。これは通常の接線方向入り込み形のダブテールの構成であるが、ホイール及びバケット・ダブテールは、本発明による新しい設計上の特徴を取り入れている。
【００１６】
再び繰り返すが、以下の詳しい説明では、ダブテールは半径方向平面に対して対称的であるため、半分のダブテール（図３で見て右半分）のみを説明する。このため、図２及び図３に示すダブテールの構成は、合計８つのフック、即ち、４対の横方向に隣接したフックが存在するけれども、フック４つ形の設計と呼ぶ。次に、図１に示した従来のホイール・ダブテールと比べた６つ以上の重要な設計上の相違に重点をおいて、本発明によるホイール・ダブテール１６を説明する。以下、ホイール・ダブテールについて説明するすべての特徴は、相補形のバケット・ダブテールにも取り入れられていることに注意されたい。バケット・ダブテールについては詳しく説明する代わりに、ホイールとバケット・ダブテールとの間の許容公差について説明する。その他の点で、形状そのものは実質的に同様である。
【００１７】
ホイール・ダブテール１６は、いずれも頚部３２によって相互接続されている４つのフック２２、２４、２６及び２８と、刀根３０とを有している。断面の形状は、次々に下側のフックの軸方向の長さが増加している点で、「クリスマス・ツリー」形の設計と呼ばれることがある。ここでは、軸方向の長さは、横方向に隣接したフックの両端の間の寸法、即ち、一方のフックの自由端から軸方向又は横方向に隣接したフックの自由端までの、回転子と平行な方向に測定した距離を示す。３つのフックではなく４つのフックを取り入れたことにより、バケットの遠心荷重がより多くのフックに分配され、これにより、フック１つ当たりの公称荷重が減少し、そのためフック応力も減少する。
【００１８】
上側フック２２は従来の設計よりも一層厚手に作成されており、本実施例では、厚さ、即ち図３に示す寸法Ｔが約０．６３４（＋０．００２／−０．００３）インチであってもよい。フック２４、２６及び２８の対応する寸法は、バケット・ダブテールのカッタによるフライス加工の許容公差を見込んで、実質的に平坦な上面が水平から約５°傾斜しているとき、それぞれ０．５２６（＋０．００２／−０．００３）インチ、０．４７７（＋０．００２／−０．００３）インチ、及び０．４２８（＋０．００２／−０．００３）インチである。比較的厚手の上側フック２２はこの応力における曲げ応力を減少させる。そして、ピーク応力は曲げ応力と引っ張り応力の組み合わせから生ずるものであるので、曲げ応力の減少によって、ピーク応力も減少する。
【００１９】
更に、可変の厚さのフック２２、２４、２６及び２８を用いることにより得られた高さの節約が、普通よりも厚手の上側のフック及び余分の４番目のフックを用いることを部分的に帳消しにする。その結果、ダブテールの全体的な高さは、比較可能な幅を有するフック３つの設計が用いられている場合の蒸気通路内で利用可能な空間に適合する。
【００２０】
フック２４、２６及び２８の厚さが減少することは、ダブテールの全体的な高さを最小限に抑えることに寄与するが、このことが可能なのは、フック応力が全般的に上側フック２２から下側フック２８へと減少するからである。このため、厚手のフック２２によって得られる利点は、残りのフック２４、２６及び２８では必要ではない。
【００２１】
上側隅肉の半径（全体的に参照番号３１で示してある）の寸法が増加するにつれて、応力集中、従って、ピーク応力が減少することがわかった。ごく小さい移行距離（フックの底面からダブテールの頚部の面の真っ直ぐな部分までの距離）でこの効果を最大にするために、複合の上側隅肉３１が用いられている。この隅肉は図４に拡大して詳しく示されており、垂直方向で隣接したフックの間にあるすべての上側の隅肉で、寸法は同じである。上側隅肉３１（即ち、９０°にわたる）は３つの別々の半径で構成されている。これらは、図４に最もよく示されているように、垂直から時計回りに見て、約２０°にわたる０．１１０インチの第１の半径Ｒ1 と、次の約５０°にわたる０．２５０インチの第２の半径Ｒ2 と、最後の約２０°にわたる０．１１０インチの第３の半径Ｒ3 とを含んでいる。下側隅肉は普通の設計であってもよく、参照符号Ｒ4 で示す１つの半径の部分を含んでいる。本実施例では、半径Ｒ4 は０．１２５インチである。真っ直ぐな部分が下側隅肉の半径Ｒ4 を上側隅肉の半径部分Ｒ3 に結合している。上側隅肉の０．２５０インチの最大半径Ｒ2 は、ピーク応力の領域にわたっている。移行距離Ｄ1 （フックの底面からダブテールの頚部の面の真っ直ぐな部分までの距離であって、本実施例では０．１９４インチである）を最小限に抑えることにより、頚部の厚さの減少、及び頚部の応力の増加を最小限に抑える。
【００２２】
図３に戻って説明すると、それぞれのフック２２、２４、２６及び２８の上面３４、３６、３８及び４０は実質的に平坦である。その結果、相手のバケット・フックの厚さ（１つのホイール・フックの上面からその直ぐ上方のホイール・フックの底面までの距離）は、ホイール・フックのずり厚さ又は曲げスチフネスを余り減少させることなく、実効的に増加する。このことは、適切なバケット・フックの厚さをもたらすと共に、ダブテールの全体的な高さを最小限にするのを助ける。
【００２３】
本実施例に関するこの他の重要な寸法は、次の通りである。
ダブテールの高さＨ：４．２４４インチフックの軸方向の長さＬ1フック１（２２） ２．０３０インチフック２（２４） ２．８４０インチフック３（２６） ３．６５０インチフック４（２８） ４．４６０インチ頚部の軸方向の長さＮ2フック１とフック２との間 １．２５０インチフック２とフック３との間 ２．０６０インチフック３とフック４との間 ２．８７０インチ注１）各々のフックとダブテールの反対側にある対応する部分との合計の軸方向の長さ。
【００２４】
２）横方向に隣接した隅肉の間の軸方向の長さ。
前に述べたように、バケット・ダブテールの形状はホイール・ダブテールと実質的に同じであり、詳しく説明する必要がない。両者の間の種々の許容公差に注目すれば十分であり、この点については図５及び下記の表Ｉを参照されたい。
【００２５】
【表１】
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要約すれば、ここに説明したホイール／バケット・ダブテールの構造は、ダブテール・ジョイントによってタービン回転子ホイールに装着されたタービン・バケットの遠心力によって生ずる集中応力を最小限に抑えようとする設計上の特徴を含んでいるが、それにも拘わらず、全体的な寸法は現存の蒸気通路と両立し得る。
【００２６】
現在最も実用的で好ましい実施例と考えられるものについて本発明を説明したが、本発明は、ここで開示した実施例に制限されるものではなく、むしろ、特許請求の範囲に記載された要旨の範囲内で種々の変更及び均等構成をもカバーするものであることを承知されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】典型的なタービン回転子ホイール・ダブテールの形状を示す断面図である。
【図２】本発明による回転子本体、回転子ホイール及びバケットの部分的な側面図である。
【図３】本発明によるタービン・ホイール・ダブテールの側面図である。
【図４】図３において参照符号Ｂに示す上側隅肉と下側隅肉とを含んでいる頚部の拡大詳細図である。
【図５】本発明によるホイール・ダブテール及び相補形のバケット・ダブテールの部分的な断面図であって、ホイール・ダブテールと相補形のバケット・ダブテールとの間の許容公差の寸法を例示している図である。
【符号の説明】
【００２８】
１４   回転子ホイール
１６   ホイール・ダブテール
１８   バケット
２０   バケット・ダブテール
２２、２４、２６、２８   フック
３１   隅肉
３２   頚部
３４、３６、３８、４０ 上面
【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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