(57)【要約】      （修正有）【課題】ロータ用の低ひずみ溶接のための装置及び方法を提供する。【解決手段】機械継手３２が、第１及び第２のロータセグメント２２、２６間に設けられ、また空洞３４、３６が、機械継手の半径方向外側にかつ第１及び第２の外表面２４、２８の下方に設けられる。溶接ビード３８が、第１及び第２の外表面２４、２８間に設けられる。第１の同心回転軸線を有する第１のロータセグメント２２を機械加工するステップと、第２の同心回転軸線を有する第２のロータセグメント２６を機械加工するステップとを含む。機械継手を使用して第２のロータセグメント２６に対して第１のロータセグメント２２を半径方向に整列させるステップと、第１及び第２のロータセグメント２２、２６の一部分上に溶接ビード３８を施工して、第２のロータセグメント２６に対して第１のロータセグメント２２を連結するステップとを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．第１の外表面（２４）を有する第１のロータセグメント（２２）と、
ｂ．第２の外表面（２８）を有する第２のロータセグメント（２６）と、
ｃ．前記第１及び第２のロータセグメント（２２、２６）間に設けられた機械継手（３２）と、
ｄ．前記機械継手（３２）の半径方向外側にかつ前記第１及び第２の外表面（２４、２８）の下方に設けられた空洞（３４、３６）と、
ｅ．前記第１及び第２の外表面（２４、２８）間に設けられた溶接ビード（３８）と
を備えるロータ（１８）。
【請求項２】
前記機械継手（３２）が、前記第１及び第２のロータセグメント（２２、２６）を半径方向に整列させる、請求項１記載のロータ（１８）。
【請求項３】
前記機械継手（３２）がラベット継手である、請求項１又は請求項２記載のロータ（１８）。
【請求項４】
前記機械継手（３２）がデイドー継手である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のロータ（１８）。
【請求項５】
前記機械継手（３２）がテーブルドスプライス継手である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のロータ（１８）。
【請求項６】
前記溶接ビード（３８）が空洞（３４、３６）と軸方向に整列している、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のロータ（１８）。
【請求項７】
前記溶接ビード（３８）が前記第１及び第２の外表面（２４、２８）の少なくとも一部分の周りに設けられた連続ビードである、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のロータ（１８）。
【請求項８】
ロータ（１８）の製造方法であって、
ａ．第１の同心回転軸線を有する第１のロータセグメント（２２）を機械加工するステップと、
ｂ．第２の同心回転軸線を有する第２のロータセグメント（２６）を機械加工するステップと、
ｃ．機械継手（３２）を使用して前記第２のロータセグメント（２６）に対して前記第１のロータセグメント（２２）を半径方向に整列させるステップと、
ｄ．前記第１及び第２のロータセグメント（２２、２６）の一部分上に溶接ビード（３８）を施工して、前記第２のロータセグメント（２６）に対して前記第１のロータセグメント（２２）を連結するステップと
を含む方法。
【請求項９】
前記第１及び第２のロータセグメント（２２、２６）間における前記溶接ビード（３８）をアニーリング処理するステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記第１及び第２のロータセグメント（２２、２６）の外周部の周りに連続して前記溶接ビード（３８）を施工するステップをさらに含む、請求項８又は請求項９のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはロータを組立てるための装置及び方法に関連する。具体的には、本発明は、ロータセグメントを半径方向に整列させる機械継手について記述する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、発電用の商業運転において広く使用されている。一般的なガスタービンは、前部における圧縮機と、中間部の周りの１以上の燃焼器と、後部におけるタービンとを含む。
【０００３】
圧縮機及びタービンは一般的に、該圧縮機の前部付近から燃焼器セクションを通って該タービンの後部付近まで延びる共通のロータを共有する。ロータの長さ及び寸法により、該ロータの全体重量は、１００トン近くになるか或いはそれを越える可能性がある。その製造を可能にするためには、複数のロータセグメントを個々に製造しかつ機械加工し、次にそれら個々のロータセグメントを互いに接合して、単一のロータを形成することができる。
【０００４】
組立ロータは一般的に、３０００〜３６００ｒｐｍ又はそれ以上の回転速度で回転する。その結果、個々のロータセグメントは、互いに接合する前に、正確にバランスさせなければならない。おそらくさらに重要なのは、個々のロータセグメントは、組立ロータのバランスした同心の回転軸線を構成して、作動速度で回転している間における振動、ひずみ及び偏心を最少にするように互いに接合しなければならないことである。
【０００５】
組立ロータのバランスした同心の回転軸線を保証するように個々のロータセグメントを接合する様々な方法が存在する。例えば、低ひずみ電子ビーム及びレーザビーム溶接を使用して、個々のロータセグメントを連結しかつ各ロータセグメントの位置を半径方向に固定することができる。しかしながら、これらの低ひずみ溶接法の各々は、高価な装置を必要とする。
【０００６】
加えて、個々のロータセグメントを互いに接合した後に、それら個々のロータセグメント間の溶接部内における溶接誘発応力を除去するための応力除去プロセスが必要となる。しかしながら、溶接部内の応力除去において、応力除去プロセスにより、個々のロータセグメントの半径方向位置が僅かに変化して組立ロータの偏心を引き起こす可能性がある。応力除去プロセスによって生じた組立ロータの偏心は、該組立ロータの外面を機械加工することによって或いは該組立ロータの内面又は外面上にバランスウェイトを据付けることによって減少させることができる。しかしながら、偏心を除去するための付加的な機械加工及びバランス作業は、ロータを製造することに関連するコスト、労力及び時間を増大させる。加えて、ロータの内部アンバランスは、様々な作動回転速度において好ましくない振動及び／又は調波振動を引き起こす可能性がある。このような振動及び／又は調波振動は、ロータに連結されかつ該ロータと同期して回転する圧縮機ブレード及びタービンブレードのような部品間の設計間隙に悪影響を与えるおそれがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、ロータセグメントをロータに組立てるためのシステム及び方法の改善に対する必要性が存在する。その改善したシステム及び方法は、電子ビーム又はレーザビーム溶接のような高価な低ひずみ溶接法を必要とせずにロータセグメントを互いに溶接した後にロータの同心性を保証することになるのが理想的である。加えて、そのシステム及び方法により、組立ロータ内に偏心を生じさせずに溶接後応力除去を可能にすることができる。
【０００８】
本発明の態様及び利点は、以下において次の説明に記載しており、或いはそれら説明から自明なものとして理解することができ、或いは本発明の実施により学ぶことができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１つの実施形態では、本ロータは、第１の外表面を有する第１のロータセグメントと、第２の外表面を有する第２のロータセグメントとを含む。本ロータはさらに、第１及び第２のロータセグメント間に設けられた機械継手と、機械継手の半径方向外側にかつ第１及び第２の外表面の下方に設けられた空洞とを含む。溶接ビードが、第１及び第２の外表面間に設けられる。
【００１０】
本発明の別の実施形態は、ガスタービンである。本ガスタービンは、圧縮機と、圧縮機の下流の少なくとも１つの燃焼器と、圧縮機の下流のタービンとを含む。ロータが、タービンに対して圧縮機を連結し、またロータは、第１の外表面を有する第１のロータセグメントと、第２の外表面を有する第２のロータセグメントとを含む。ロータはさらに、第１及び第２のロータセグメントを半径方向に整列させる手段と、第１及び第２のロータセグメントを半径方向に整列させる手段の半径方向外側にかつ第１及び第２の外表面の下方に設けられた空洞とを含む。さらに、ロータは、第１及び第２の外表面を連結する手段を含む。
【００１１】
本発明はまた、ロータを製造する方法を含む。本方法は、第１の同心回転軸線を有する第１のロータセグメントを機械加工するステップと、第２の同心回転軸線を有する第２のロータセグメントを機械加工するステップとを含む。本方法はさらに、機械継手を使用して第２のロータセグメントに対して第１のロータセグメントを半径方向に整列させるステップと、第１及び第２のロータセグメントの一部分上に溶接ビードを施工して、第２のロータセグメントに対して第１のロータセグメントを連結するステップとを含む。
【００１２】
本明細書を精査することにより、当業者には、そのような実施形態の特徴及び態様並びにその他がより良好に理解されるであろう。
【００１３】
添付図面の図を参照することを含む本明細書の以下の残り部分において、当業者に対する本発明の最良の形態を含む本発明の完全かつ有効な開示をより具体的に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の技術的範囲内にあるガスタービンの簡略断面図。
【図２】本発明の技術的範囲内にあるロータの実施形態の断面図。
【図３】本発明の技術的範囲内にあるロータの第２の実施形態の断面図。
【図４】本発明の技術的範囲内にあるロータの第３の実施形態の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、その１以上の実施例を添付図面に示している本発明の現時点での実施形態を詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴要素を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様な又は類似した部品を示すために、図面及び説明において同様な又は類似した表示を使用している。
【００１６】
各実施例は、本発明の限定ではなくて本発明の説明として示している。実際には、本発明においてその技術的範囲及び技術思想から逸脱せずに修正及び変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示し又は説明した特徴要素は、別の実施形態で使用してさらに別の実施形態を生成することができる。従って、本発明は、そのような修正及び変更を特許請求の範囲及びその均等物の技術的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。
【００１７】
図１は、本発明の技術的範囲内にあるガスタービン１０の簡略断面図を示している。ガスタービン１０は一般的に、前部における圧縮機１２と、中間部の周りの１以上の燃焼器１４と、後部におけるタービン１６とを含む。圧縮機１２及びタービン１６は、該圧縮機１２の前部付近から該タービン１６の後部付近まで延びる共通のロータ１８を共有する。ロータ１８は、複数のロータセグメントで構成され、複数のロータセグメントは、ガスタービン１０に沿って延びる軸線２０上で同心に回転する単体構造ロータ１８を形成するように接合される。軸線２０は、そうである必要はないが、ガスタービン１０の中心線と同心にすることができる。
【００１８】
図２は、本発明の技術的範囲内にあるロータセグメント間の連結部（継手）の断面図を示している。この実施形態では、ロータ１８は、第１の外表面２４を有する第１のロータセグメント２２と、第２の外表面２８を有する第２のロータセグメント２６とを含む。第１及び第２のロータセグメント２２及び２６は、軸線２０と同心になったバランスした回転軸線を有するように機械加工しかつバランスさせた。
【００１９】
第１及び第２のロータセグメント２２及び２６は、該第１及び第２のロータセグメント２２及び２６を半径方向に整列させるた手段を含み、従って第１及び第２のロータセグメント２２及び２６は、接合した時に軸線２０と同心になったバランスした回転軸線を有し続ける。第１及び第２のロータセグメント２２及び２６を半径方向に整列させる手段は、該第１及び第２のロータセグメント２２及び２６間の機械継手とすることができる。第１及び第２のロータセグメント２２及び２６の質量並びに厚さにより、機械継手は、ロータ１８内に偏心を生じさせる可能性がある第１のロータセグメント２２又は第２のロータセグメント２６のいずれかの半径方向の移動を防止する。機械継手は、２つの隣接する部材を接合しかつそれら隣接する部材を半径方向に所定の位置に保持する、当技術分野で公知のあらゆる好適な機械継手を含むことができる。例えば、機械継手は、図２に例示した実施形態に示すように、第１及び第２のロータセグメント２２及び２６間の単純なラベット継手３２とすることができる。ラベット継手３２は、第１及び第２のロータセグメント２２及び２６の周りで円周方向に延びることができ、或いは第１及び第２のロータセグメント２２及び２６は、半径のまわりに間隔を置いて配置された複数のラベット継手３２を含むことができる。本発明の技術的範囲内にある機械継手のその他の実施例には、ダウエル継手、スプライン継手、スプライス継手、テーブルドスプライス継手、ピン及びグルーブ継手、並びに当技術分野で公知の等価な継手が含まれる。
【００２０】
第１及び第２のロータセグメント２２及び２６は各々、機械継手の半径方向外側にかつ第１及び第２の外表面２４及び２８の下方に設けられた空洞３４、３６を含む。結合されると、第１及び第２のロータセグメント２２及び２６は、機械継手の半径方向外側にかつ第１及び第２の外表面２４及び２８の下方に空洞３４、３６を形成する。
【００２１】
第１及び第２の外表面２４及び２８を連結する手段は、第１及び第２のロータセグメント２２及び２６を互いに連結して、該第１及び第２のロータセグメント２２及び２６間にねじり強度を与える。図２に示すように、第１及び第２の外表面２４及び２８を連結する手段は、下に位置する空洞３４、３６と軸方向に整列した溶接ビード３８とすることができる。別の実施形態では、第１及び第２の外表面２４及び２８を連結する手段は、該第１及び第２の外表面２４及び２８にボルト止めされるか又は取付けられた、掛け金、ストラップ、プレート、ブリッジ、或いは等価な構造体とすることができる。
【００２２】
下に位置する空洞３４、３６と溶接ビード３８を軸方向に整列させることにより、空洞３４、３６が該溶接ビード３８によって生じたあらゆる半径方向力を吸収し又は緩和することが可能になる。加えて、溶接ビード３８を機械継手から遠く離して配置しかつ空洞３４、３６によって分離したことによって、溶接ビード３８は、溶接プロセスの間に機械継手を損耗させないほど十分に該機械継手から遠く離れた状態になる。
【００２３】
溶接ビード３８は、ロータ１８によって伝達されたトルクを支持するのに十分な厚さを有しかつロータ１８全体の曲げ強度を得るような寸法になっている。加えて、溶接ビード３８は、溶接部によって生じたあらゆる半径方向ひずみが該溶接部の下に位置する空洞３４、３６によって減弱されるのに十分なほど細くなっている。その結果、溶接ビード３８によって生じたあらゆる発生半径方向力が、機械継手によって得られる半径方向支持よりも大幅に小さくなり、従って溶接ビード３８が組立ロータ１８内に如何なる偏心も生じさせないことが保証される。
【００２４】
加えて、機械継手は第１及び第２のロータセグメント２２及び２６を半径方向に整列させまた溶接ビード３８は第１及び第２のロータセグメント２２及び２６間に単にねじり強度を与えるだけであるので、本発明は、ロータ部品を組立てるために従前使用されてきた、電子ビーム及びレーザビーム溶接のようなより高価かつ時間がかかる低ひずみ溶接法を必要としない。代わりに、溶接ビード３８は、２つの部品を互いに溶接する当技術分野では公知のあらゆる従来型の方法を使用して、施工することができる。例えば、アーク溶接、ＴＩＧ溶接及びＭＩＧ溶接を使用して第１及び第２の外表面２４及び２８上に溶接ビード３８を施工して、第１及び第２のロータセグメント２２及び２６を連結することができる。
【００２５】
溶接ビード３８は、第１及び第２のロータセグメント２２及び２６の外周部を囲む連続ビードとすることができ、或いは溶接ビード３８は、第１及び第２のロータセグメント２２及び２６の外周部の周りで間隔を置いた位置に実行した断続溶接部を含むことができる。必要に応じて、溶接ビード３８は、該溶接ビード３８の施工によって生じたあらゆる応力を除去するためのアニーリング処理をすることができる。機械継手の質量は、ロータセグメント２２及び２６を半径方向に所定の位置に保持しかつ応力除去プロセスにより組立ロータ１８内に何らかの偏心が生じるのを防止する。
【００２６】
図３は、本発明の技術的範囲内にある別の実施形態の断面図を示している。ここでもロータ１８は、図２に関して前述したのと同様に、第１及び第２のロータセグメント２２及び２６、第１及び第２の外表面２４及び２８、並びに空洞３４、３６を含む。図３に示した実施形態では、第１及び第２のロータセグメント２２及び２６を半径方向に整列させる手段は、デイドー継手４０とすることができる。デイドー継手４０は、図２に示すラベット継手３２と比較して、内向き及び外向き方向の両方向において第１及び第２のロータセグメント２２及び２６に対して付加的な半径方向支持を与える。前述のラベット継手３２と同様に、デイドー継手４０は、第１及び第２のロータセグメント２２及び２６の周りで円周方向に延びることができ、或いは第１及び第２のロータセグメント２２及び２６は、半径の周りに間隔を置いて配置された複数のデイドー継手４０を含むことができる。
【００２７】
図３に示した実施形態では、第１及び第２の外表面２４及び２８を連結する手段は、掛け金４２とすることができる。掛け金４２並びに第１及び第２の外表面２４及び２８を貫通するボルト４４は、第１及び第２のロータセグメント２２及び２６に対して掛け金を固定して、ロータ１８に対するねじり方向支持を与える。別の実施形態では、掛け金４２は、第１及び第２の外表面２４及び２８に対してスポット溶接することができる。
【００２８】
図４は、本発明の技術的範囲内にある別の実施形態の断面図を示している。ここでもロータは、図２に関して前述したのと同様に、第１及び第２のロータセグメント２２及び２６、第１及び第２の外表面２４及び２８、空洞３４、３６、並びに溶接ビード３８を含む。図４に示した実施形態では、第１及び第２のロータセグメント２２及び２６を半径方向に整列させる手段は、スプライス継手４６とすることができる。図３に関して説明したデイドー継手４０と同様に、スプライス継手は、内向き及び外向き方向の両方向において第１及び第２のロータセグメント２２及び２６に対して付加的な半径方向支持を与える。加えて、スプライス継手４６は、スプライス４８を利用することができ、スプライス４８は、第１及び第２のロータセグメント２２及び２６に機械加工された対応する凹部５０、５２内に嵌合するように別個に機械加工することができる。このように、第１及び第２のロータセグメント２２及び２６は別個に製造することができ、また第１及び第２のロータセグメント２２及び２６の組立の間に、凹部５０、５２の位置を決定することができかつ該凹部５０、５２を形成するための機械加工を実行することができる。
【００２９】
特許請求の範囲に記載したような本発明の技術的範囲及び技術思想並びにその均等物から逸脱せずに本明細書に記載した本発明の実施形態に対して改良及び変更を加えることができることは当業者には分かる筈である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  ガスタービン
１２  圧縮機
１４  燃焼器
１６  タービン
１８  ロータ
２０  ガスタービンの軸線
２２  第１のロータセグメント
２４  第１の外表面
２６  第２のロータセグメント
２８  第２の外表面
３２  ラベット継手
３４  空洞
３６  空洞
３８  溶接ビード
４０  デイドー継手
４２  掛け金
４４  ボルト
４６  スプライス継手
４８  凹部
５０  凹部
【図１】
2011142806.tif 000003
【図２】
2011142806.tif 000004
【図３】
2011142806.tif 000005
【図４】
2011142806.tif 000006
【外国語明細書】
2011142806000001.pdf