(57)【要約】【課題】本発明の実施形態は、総括的にはタービン動翼及びロータに関し、より具体的には、他の特徴の中でも特に、振動応力を低減させながら剛性及び減衰特性を高めることができる相補的形状の一体形カバー（６０）及び基部（３０）を有するタービン動翼（１００）に関する。【解決手段】一実施形態では、本発明は、タービン動翼を提供し、本タービン動翼（１００）は、その長手方向軸の周りで捩れ構成を有しかつ前端面（１４）及び後端面（１６）を有する細長翼部（１０）と、細長翼部（１０）の近位端部（１３）にある基部（３０）とを含み、基部（３０）は、細長翼部（１０）の長手方向軸（１２）にほぼ垂直な実質的平面部材（３２）と、平面部材（３２）の細長翼部（１０）とは反対側の面にあるダブテール部材（４０）とを有し、本タービン動翼（１００）はさらに、細長翼部（１０）の遠位端部（１９）にあるカバー部材（６０）を含み、カバー部材（６０）は、前端面（６２）及び後端面（６４）を有する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン動翼（１００）であって、
長手方向軸の周りで捩れた細長翼部（１０）であって、前端面（１４）と後端面（１６）とを有する細長翼部（１０）と、
細長翼部（１０）の近位端部（１３）にある基部（３０）であって、細長翼部（１０）の長手方向軸（１２）にほぼ垂直な実質的平面部材（３２）と、平面部材（３２）の後端面（３３）にある突出部（３４）にして細長翼部（１０）の近位端部（１３）の一部分を支持する突出部（３４）と、平面部材（３２）の前端面（３５）にあるレリーフにしてその形状が突出部（３４）の形状に実質的に相補形なレリーフ（３６）と、平面部材（３２）の細長翼部（１０）とは反対側の面にあるダブテール部材（４０）とを有する基部（３０）と、
細長翼部（１０）の遠位端部（１９）にあるカバー部材（６０）であって、該カバー部材（６０）が細長翼部（１０）の長手方向軸（１２）にほぼ垂直であって前端面（６２）と後端面（６４）とを有しており、その前端面（６２）と後端面（６４）の形状が実質的に相補形であるカバー部材（６０）と
を備えるタービン動翼（１００）。
【請求項２】
前記カバー部材（６０）の縦方向軸（６６）が、平面部材（３２）の縦方向軸にほぼ直角である、請求項１記載のタービン動翼（１００）。
【請求項３】
前記カバー部材（６０）の前端面（６２）の形状がノッチ部（６２Ａ）を含んでいて、カバー部材（６０）の後端面（６４）の形状がノッチ部（６２Ａ）と実質的に相補形の突端部（６４Ａ）を含む、請求項１記載のタービン動翼（１００）。
【請求項４】
前記カバー部材（６０）が、細長翼部（１０）の捩り戻りに応答してその長手方向軸（１２）の周りで細長翼部（１０）の捩れ方向とは逆方向に移動できる、請求項１記載のタービン動翼（１００）。
【請求項５】
前記細長翼部（１０）が、その前端面（１４）の長さ方向に沿って１以上の細長い溝（７２，７４，７６）をさらに含む、請求項１記載のタービン動翼（１００）。
【請求項６】
前記１以上の細長い溝（７２，７４，７６）が、細長翼部（１０）の半径方向高さ（８０）の約１／３〜約１／２にある第１の端部（７２Ａ，７４Ａ，７６Ａ）と、細長翼部（１０）の遠位端部（１９）にある第２の端部（７２Ｂ，７４Ｂ，７６Ｂ）とを含む、請求項１記載のタービン動翼（１００）。
【請求項７】
前記カバー部材（６０）が、１以上の細長い溝（７２，７４，７６）の第２の端部（７２Ｂ，７４Ｂ，７６Ｂ）に隣接してはいるが、第２の端部（７２Ｂ，７４Ｂ，７６Ｂ）を覆っていない、請求項１記載のタービン動翼（１００）。
【請求項８】
前記１以上の細長い溝（７２，７４，７６）が火炎焼入れされている、請求項１記載のタービン動翼（１００）。
【請求項９】
前記細長翼部（１０）の前端面（１４）が火炎焼入れされている、請求項１記載のタービン動翼（１００）。
【請求項１０】
前記ダブテール部材（４０）が複数のフック（４２，４４，４６）を含む、請求項１記載のタービン動翼（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、広義にはタービン動翼及びロータに関し、具体的には、他の特徴の中でも特に、振動応力を低減させながら剛性及び減衰特性を高めることができる相補的形状の一体形カバー及び基部を有するタービン動翼に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン動翼、特に高速度で回転し及び／又は高荷重を受けるタービン動翼は、タービンの全体効率を低下させ、タービン動翼その他のロータ部品の寿命を短縮させ、また場合によってはタービン動翼自体及び／その他のロータ部品の損傷を引き起こしかねない振動応力を含む応力に付される。従って、剛性又は減衰特性が向上しているか或いは低減した振動応力に付されるタービン動翼は、概して、さらに高い速度での回転及び／又は高い荷重に耐えることができ、向上した効率及び増大した寿命を示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６５７５７００号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一実施形態では、本発明は、タービン動翼を提供するが、本タービン動翼は、長手方向軸の周りで捩れた細長翼部であって前端面と後端面とを有する細長翼部と、細長翼部の近位端部にある基部と、細長翼部の遠位端部にあるカバー部材とを備えている。基部は、細長翼部の長手方向軸にほぼ垂直な実質的平面部材と、平面部材の後端面にある突出部にして細長翼部の近位端部の一部分を支持する突出部と、平面部材の前端面にあるレリーフにしてその形状が突出部の形状に実質的に相補形なレリーフと、平面部材の細長翼部とは反対側の面にあるダブテール部材とを有している。カバー部材は、細長翼部の長手方向軸にほぼ垂直であって前端面と後端面とを有していて、その前端面と後端面の形状は実質的に相補形である。
【０００５】
本発明の別の実施形態では、タービン動翼を提供するが、本タービン動翼は、その長手方向軸の周りで捩れた細長翼部であって前端面と後端面とを有する細長翼部と、細長翼部の近位端部にある基部と、細長翼部の遠位端部にあるカバー部材とを備えており、上記基部は、細長翼部の長手方向軸にほぼ垂直な実質的平面部材と、平面部材の細長翼部とは反対側の面にあるダブテール部材とを有しており、上記カバー部材は前端面と後端面とを有している。
【０００６】
本発明のさらに別の実施形態では、ロータを提供するが、本ロータは、複数の軸方向配向ダブテール開口を有するロータホイールと、複数のタービン動翼とを備えている。各タービン動翼は、その長手方向軸の周りで捩れた細長翼部と、細長翼部の近位端部にある基部と、細長翼部の遠位端部にあるカバー部材とを備えており、基部は、細長翼部の長手方向軸にほぼ垂直な実質的平面部材と、平面部材の細長翼部とは反対側の面にあるダブテール部材にしてその形状が複数の軸方向配向ダブテール開口の少なくとも１つの形状と相補形であるダブテール部材とを有し、カバー部材は、細長翼部の長手方向軸にほぼ垂直であって前端面と後端面とを有していて、その前端面及び後端面の形状は実質的に相補形である。
【０００７】
本発明の上記その他の特徴については、本発明の様々な実施形態を示す添付図面と併せて本発明の様々な態様に関する以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができよう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係るタービン動翼の斜視図。
【図２】図１のタービン動翼の平面図。
【図３】ロータホイール内に据付けたときの配置を示す本発明の実施形態に係る２枚のタービン動翼の側面図。
【図４】図１のタービン動翼の部分側面図。
【図５】本発明の実施形態に係るタービン動翼を据付けることができるロータホイールの全体断面図。
【図６】本発明の実施形態に係るタービン動翼を据付けることができるロータホイールの部分断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
なお、本発明の図面は正確な縮尺でないことに留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様のみを示すことを意図したものであり、本発明の技術的範囲を限定するものと解釈すべきではない。様々な図面を通して、同様の構成要素には同様の符号を付した。
【００１０】
図１は、本発明の実施形態に係るタービン動翼１００の斜視図を示す。タービン動翼１００は、その長手方向軸１２の周りで捩れた細長翼部１０と、細長翼部１０の近位端部１３にある基部３０と、タービン動翼１００をロータホイール（図示せず）に嵌合するためのダブテール部材４０と、翼部１０の遠位端部１９にある一体形カバー６０とを備える。本明細書において、細長翼部１０の構成を説明する際に用いる「捩れ」という用語は、細長翼部１０の半径方向高さ８０に沿っての不均等な曲がり、回転又は巻回を意味する。つまり、図１に示すように、細長翼部１０の遠位端部１９は、長手方向軸１２の周りで近位端部１３よりも大きい角度に回転又は巻回される。
【００１１】
実質的平面部材３２は細長翼部１０の長手方向軸１２にほぼ垂直に配向している。つまり、平面部材３２の表面は、ロータホイールへの挿入に適応した僅かな弧形形状（以下で詳しく説明する）を有していてもよいが、平面部材が細長翼部と交わる表面は、細長翼部１０の長手方向軸１２が平面部材３２と約９０度の角度をなすように実質的に平面である。カバー６０は、その縦方向軸６６が、細長翼部１０の長手方向軸１２にほぼ直角となるように配向される。
【００１２】
運転中に、タービン動翼１００はＡ方向に移動する。そこで、翼部１０は前端面１４と後端面１６とを有する。基部３０は、前端面３５と後端面３３とを有する実質的平面部材３２を備えており、カバー６０は前端面６２と後端面６４を有している。幾つかの実施形態では、細長翼部１０の前端面１４は火炎焼入れ（flame-hardened）される。
【００１３】
平面部材３２は、その前端面３５に沿ってレリーフ３６又はフィレットを含んでいるとともに、その後端面３３に沿って相補的形状の突出部３４を含んでおり、隣接タービン動翼１００同士が連結端面をなす（以下で詳しく説明する）。上述のように、平面部材３２の直ぐ下方で、ダブテール部材４０によって動翼１００をロータホイールに嵌合できるようにする。フック４２，４４，４６は、ロータホイールの軸方向配向ダブテール開口に相補的な形状を有する。運転中、フック４２，４４，４６はロータ荷重を動翼１００からロータホイールに公知の態様で伝達する働きをする。
【００１４】
図１では、ダブテール部材４０を３つのフック４２，４４，４６を有するものとして示したが、これは必須ではない。あらゆる任意の数のフックを用いることができる。同様に、フック４２，４４，４６を寸法の異なる類似した形状を有するものとして示したが、これも必須ではない。つまり、フック４２，４４，４６は、異なる形状のものでもよく、同様の寸法のものでもよい。そうした場合、ロータホイールの軸方向配向ダブテール開口は相補的な形状及び寸法のものである。
【００１５】
図２は、タービン動翼１００の平面図を示す。カバー６０の前端面６２は、ノッチ部６２Ａを有するものとして示したが、ノッチ部６２Ａの形状は後端面６４の突端部６４Ａと実質的に相補形である。従って、一対の動翼１００をロータホイールの隣接位置に据付けたとき、動翼の後端面６４とその隣接動翼の前端面６２との間に締まり嵌め（interface fit）をなす（以下で詳しく説明する）。翼部１０が、荷重の増大に応答して「捩り戻り（アンツイスト）」すると、各動翼１００のカバー６０はＢ方向に回転して、締まり嵌めを高める。
【００１６】
図３は、２枚のタービン動翼２００，３００をロータホイール（図示せず）の隣接位置に据付けたときの側面図を示す。このように配置すると、タービン動翼３００の突出部３３４は、タービン動翼２００のレリーフ（隠れている）を覆う。同様に、タービン動翼３００の隣（つまり、タービン動翼３００のタービン動翼２００とは反対側）に、もう一つのタービン動翼を据付けると、追加したタービン動翼の突出部はタービン動翼３００のレリーフ３３６を覆う。
【００１７】
図３から明らかな通り、タービン動翼２００の前端面２６２は、タービン動翼３００の後端面３６４と締まり嵌め３９０を形成する。組立ロータ（つまり、ロータホイールの利用可能なすべての軸方向配向ダブテール開口にタービン動翼で植設したとき）では、この締まり嵌めは動翼の連続結合をもたらし、かかる締まり嵌めのない「自立」設計に比べると、優れた剛性、優れた減衰特性及び低い振動応力を生じる。
【００１８】
運転中、タービン動翼２００，３００に作用する荷重が増大すると、翼部２１０，３１０は変形する。つまり、翼部２１０，３１０がその長手方向軸２１２，３１２の周りで「捩り戻り」する。その結果、タービン動翼２００のカバー２６０はＣ方向（長手方向軸２１２の周りで翼部２１０の捩れとは逆方向）に移動し、タービン動翼３００のカバー３６０はＤ方向（長手方向軸３１２の周りで翼部３１０の捩れとは逆方向）に移動し、締まり嵌め３９０が増大して、組立ロータでの剛性及び減衰性が増大するとともに振動応力が低減する。
【００１９】
次に図４を参照すると、図１のタービン動翼１００の部分側面図を示す。この図から明らかな通り、複数７０の縦方向溝７２，７４，７６が、翼部１０の前端面１４に沿って設けられる。縦方向溝７２，７４，７６は、運転中に前端面１４に形成される可能性のある水分を除く働きをする。各縦方向溝７２，７４，７６は、翼部１０の遠位端部１９から測定して翼部１０の半径方向高さ８０（図１）の約１／３〜約１／２に位置する第１の端部７２Ａ，７４Ａ，７６Ａと、翼部１０の遠位端部１９にある第２の端部７２Ｂ，７４Ｂ，７６Ｂとを含む。従って、縦方向溝７２，７４，７６は、翼部１０の半径方向高さ８０の約１／３〜約１／２に延在する。幾つかの実施形態では、縦方向溝７２，７４，７６は、翼部１０の半径方向高さ８０の約４０％に延在する。上述のように、前端面１４は火炎焼入れしてもよい。同様に、水分を前端面１４から除去してエロージョンを防止するように機能する縦方向溝７２，７４，７６も、火炎焼入れすることができる。
【００２０】
本発明の幾つかの実施形態では、複数７０の縦方向溝７２，７４，７６は、翼部１０の後縁１７よりも前縁１５に近接して配置される。従って、縦方向溝７２，７４，７６の第２の端部７２Ｂ，７４Ｂ，７６Ｂは、前端面１４からの水分の除去を妨げるカバー６０で覆い隠されないのが好ましい。
【００２１】
図５及び図６は、本発明の実施形態に係るロータホイール４００のそれぞれ全体及び部分側面断面図を示す。図５を参照すると、ロータホイール４００は、円形ロータ本体４０２及びその周辺部の周りに配置された複数の軸方向配向ダブテール開口４１０Ａ，４１０Ｂ，４１０Ｃ...４１０ｎを含む。軸方向配向ダブテール開口４１０Ａ，４１０Ｂ，４１０Ｃ...４１０ｎの各々は、タービン動翼１００のダブテール部材４０（図１）に相補的な形状を有しており、例えば軸方向配向ダブテール開口４１０Ａにタービン動翼１００を軸方向に挿入することができる。
【００２２】
図６は、ロータホイール４００の一部分の詳細な図を示す。この図から分るように、軸方向配向ダブテール開口４１０Ａは、タービン動翼１００のダブテール部材４０のフック４２，４４，４６（図１）に相補的な形状を有する複数のスロット４１２Ａ，４１４Ａ，４１６Ａを含む。図示した軸方向配向ダブテール開口４１０Ａ，４１０Ｂ，４１０Ｃ...４１０ｎの数は例示にすぎない。本発明によるロータホイールは、任意の数の軸方向配向ダブテール開口を含むことができる。同様に、図５及び図６に示す軸方向配向ダブテール開口４１０Ａ，４１０Ｂ，４１０Ｃ...４１０ｎの各々は、ほぼ同じ断面形状のものであるが、これは必須ではない。つまり、軸方向ダブテール開口は、各々がタービン動翼の対応するダブテール数に相補的であって、タービン動翼をロータホイール内に完全に据付けることができる限り、異なる形状を有していてもよい。
【００２３】
本明細書で使用する用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とするものであり、本開示を限定することを意図するものではない。本明細書において、数詞を付していない表現は、文脈がそうでないことを明確に示していない限り、複数の形態もまた含む。さらに、本明細書で使用する場合の「含む」及び／又は「含んでいる」という用語は、記述した特徴、回数、ステップ、操作、要素及び／又は部品の存在を特定するが、１以上のその他の特徴、回数、ステップ、操作、要素、部品及び／或いはそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことを理解されたい。
【００２４】
本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、また当業者が、あらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用しまたあらゆる関連した又は組込んだ方法を実行することを含む本発明の実施を行なうことを可能にもする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属する。
【符号の説明】
【００２５】
１００，２００，３００  タービン動翼
１０，２１０，３１０  細長翼部
１２，２１２，３１２  （細長翼部の）長手方向軸
１３  近位端部
１４  （細長翼部の）前端面
１５  （細長翼部の）前縁
１６  （細長翼部の）後端面
１７  （細長翼部の）後縁
１９  遠位端部
３０  基部
３２  平面部材
３５  （平面部材の）前端面
３３  （平面部材の）後端面
３６，３３６  レリーフ
３４，３３４  突出部
４０  ダブテール部材
４２，４４，４６  フック
６０，２６０，３６０  カバー
６２，２６２  （カバーの）前端面
６２Ａ  ノッチ部
６４Ａ  突端部
６４、３６４  （カバーの）後端面
６６  （カバーの）縦方向軸
７０  複数の縦方向溝
７２，７４，７６  縦方向溝
７２Ａ，７４Ａ，７６Ａ  縦方向溝の第１の端部
７２Ｂ，７４Ｂ，７６Ｂ  縦方向溝の第２の端部
８０  半径方向高さ
３９０  締まり嵌め
４００  ロータホイール
４０２  ロータ本体
４１０Ａ，４１０Ｂ，４１０Ｃ、４１０ｎ  軸方向配向ダブテール開口
４１２Ａ，４１４Ａ，４１６Ａ  スロット
【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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【図６】
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