(57)【要約】      （修正有）【課題】機械的減衰やクリープ寿命を改善することによって、動翼の性能を向上させ、かつ翼形設計においても、性能を向上させる動翼シュラウドを提供する。【解決手段】タービン動翼は、挿入ダブテールと、挿入ダブテールから延び、前縁２２６、後縁２２８、正圧面２３０、および負圧面２３２を有する翼形部２２４とを含む。径方向内側および外側のスパンシュラウド２３８，２４０、２４２、２４４が、正圧面および負圧面のそれぞれに設けられ、この部分スパンシュラウドは、隣接する動翼の対応する部分スパンシュラウドに対し、係合して摺動するのに適した硬質面を有する。【選択図】図２
2015140807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
挿入ダブテール（２３４、３３４）と、
前記挿入ダブテール（２３４、３３４）から延び、前縁（２２６、３２６）、後縁（２２８、３２８）、正圧面（２３０）、および負圧面（２３２）を有する翼形部（２２４）と、
径方向において、前記挿入ダブテール（２３４、３３４）と、前記翼形部（２２４）の外側の先端（２４６）との間において、前記翼形部（２２４）の前記正圧面（２３０）および前記負圧面（２３２）のそれぞれに設けられた、径方向内側の部分スパンシュラウド（２３８、２４０、３３８）および径方向外側の部分スパンシュラウド（２４２、２４４、３４２）であって、隣接する動翼（４２０）の、対応する径方向内側の部分スパンシュラウドおよび径方向外側の部分スパンシュラウド（４４２，４４４）の硬質面（４４８、４５０、４５２）に対して、係合して摺動するのに適した硬質面（２４８、２５０、２５２）を有する、径方向内側の部分スパンシュラウド（２３８、２４０、３３８）および径方向外側の部分スパンシュラウド（２４２、２４４、３４２）とを備える、
タービン動翼（２２０、３２０）。
【請求項２】
少なくとも、前記径方向外側の部分スパンシュラウド（２４２、２４４、３４２）が、翼形形状の断面を有する、請求項１に記載のタービン動翼（２２０、３２０）。
【請求項３】
少なくとも、前記径方向外側の部分スパンシュラウド（２４２、２４４、３４２）が、前記翼形部（２２４）の前記前縁（２２６、３２６）と前記後縁（２２８、３２８）との間で測定して、前記翼形部（２２４）の幅寸法の２０〜７５％延びている、請求項１に記載のタービン動翼（２２０、３２０）。
【請求項４】
前記径方向内側の部分スパンシュラウド（２３８、２４０、３３８）が、前記翼形部（２２４）の径方向最内端部から測定して、前記翼形部（２２４）の径方向長さの２０〜６０％の範囲の位置にある、請求項１に記載のタービン動翼（２２０、３２０）。
【請求項５】
前記径方向外側の部分スパンシュラウド（２４２、２４４）が、前記翼形部（２２４）の径方向最内の位置から測定して、前記翼形部（２２４）の径方向長さ寸法の６０〜９０％の範囲の位置にある、請求項１に記載のタービン動翼（２２０）。
【請求項６】
前記径方向内側の部分スパンシュラウド（２３８、２４０）が、前記径方向長さ寸法の２０〜６０％の範囲の位置にある、請求項５に記載のタービン動翼（２２０）。
【請求項７】
前記翼形形状の断面が、１：０．５〜１：２の翼弦アスペクト比で形成されている、請求項２に記載のタービン動翼（２２０、３２０）。
【請求項８】
少なくとも、前記径方向外側の部分スパンシュラウド（２４４）の前記硬質面（２４８、２５０、２５２）が、ほぼＺ字形である、請求項１に記載のタービン動翼（２２０、３２０）。
【請求項９】
前記径方向内側の部分スパンシュラウド（２３８、２４０、３３８）と、前記径方向外側の部分スパンシュラウド（２４２、２４４、３４２）との間の径方向距離が、前記翼形部（２２４）の径方向最内端部から測定して、前記翼形部（２２４）の径方向長さの少なくとも１０％である、請求項１に記載のタービン動翼（２２０、３２０）。
【請求項１０】
前記挿入ダブテール（３３４）が、前記翼形（２２４）の前縁（３２６）から、前記翼形（２２４）の後縁（３２８）まで湾曲している、請求項１に記載のタービン動翼（３２０）。
【請求項１１】
前記径方向内側の部分スパンシュラウド（３３８）が、前記翼形部（２２４）の径方向最内端部から測定して、前記翼形部（２２４）の径方向長さの２０〜６０％の範囲の位置にある、請求項１０に記載のタービン動翼（３２０）。
【請求項１２】
前記径方向外側の部分スパンシュラウド（３４２）が、前記径方向長さ寸法の６０〜９０％の範囲の位置にある、請求項１１に記載のタービン動翼（３２０）。
【請求項１３】
前記動翼（２２０、３２０）の最外端部に、スキーラ先端が設けられている、請求項１に記載のタービン動翼（２２０、３２０）。
【請求項１４】
外周に取り付けられた動翼（１２０、２２０、３２０）の列を備える、タービンのロータホイール（１１８）であって、前記動翼（１２０、２２０、３２０）の各々が、
挿入ダブテール（２３４、３３４）と、
前記挿入ダブテール（２３４、３３４）から径方向外側に延びる翼形部（２２４）と、
径方向において、前記挿入ダブテール（２３４、３３４）と、前記翼形部（２２４）の径方向外側先端（２４６）との間において、前記翼形部（２２４）の正圧面（２３０）および負圧面（２３２）のそれぞれに設けられた、径方向内側の部分スパンシュラウド（２３８、２４０、３３８）および径方向外側の部分スパンシュラウド（２４２、２４４、３４２）であって、タービン運転温度において、隣接する動翼（４２０）の対応する部分スパンシュラウド（４４２、４４４）に対して、係合して摺動するのに適した硬質面（２４８、２５０、２５２）をそれぞれ有する、径方向内側の部分スパンシュラウド（２３８、２４０、３３８）および径方向外側の部分スパンシュラウド（２４２、２４４、３４２）とを備える、
ロータホイール（１１８）。
【請求項１５】
前記径方向内側の部分スパンシュラウド（２３８、２４０、３３８）および前記径方向外側の部分スパンシュラウド（２４２、２４４、３４２）が、翼形形状の断面を有する、請求項１４に記載のロータホイール（１１８）。
【請求項１６】
前記径方向内側の部分スパンシュラウド（２３８、２４０、３３８）が、前記翼形部（２２４）の径方向最内端部から測定して、前記翼形部（２２４）の径方向長さの２０〜６０％の範囲の位置にある、請求項１４に記載のロータホイール（１１８）。
【請求項１７】
前記径方向外側の部分スパンシュラウド（２４２、２４４、３４２）が、径方向長さ寸法の６０〜９０％の範囲の位置にある、請求項１６に記載のロータホイール（１１８）。
【請求項１８】
前記径方向内側の部分スパンシュラウド（２３８、２４０、３３８）と、前記径方向外側の部分スパンシュラウド（２４２、２４４、３４２）との間の径方向距離が、前記翼形部（２２４）の径方向最内端部から測定して、前記翼形部（２２４）の径方向長さの少なくとも１０％である、請求項１５に記載のロータホイール（１１８）。
【請求項１９】
前記翼形形状の断面が、１：０．５〜１：２の翼弦アスペクト比で形成されている、請求項１５に記載のロータホイール（１１８）。
【請求項２０】
前記挿入ダブテール（３３４）が、前記翼形（２２４）の前縁（３２６）から、前記翼形（２２４）の後縁（３２８）まで湾曲している、請求項１４に記載のロータホイール（１１８）。
【請求項２１】
外周で動翼（１２０、２２０、３２０）の列を支持する少なくとも１つのロータホイール（１１８）を有するタービンロータ（１１２）であって、前記動翼（１２０、２２０、３２０）の各々が、
挿入ダブテール（２３４、３３４）を備えるタービン動翼（１２０、２２０、３２０）と、
前記挿入ダブテール（２３４、３３４）から延びる翼形部（２２４）と、
径方向において、前記挿入ダブテール（２３４、３３４）と外側の先端（２４６）との間において、前記翼形部（２２４）の正圧面（２３０）および負圧面（２３２）のそれぞれに設けられた、径方向内側の部分スパンシュラウド（２３８、２４０、３３８）および径方向外側の部分スパンシュラウド（２４２、２４４、３４２）であって、タービン運転温度において、隣接する動翼（４２０）の対応する部分スパンシュラウド（４４２、４４４）に対して、係合して摺動するのに適した硬質面（２４８、２５０、２５２）をそれぞれ有する、径方向内側の部分スパンシュラウド（２３８、２４０、３３８）および径方向外側の部分スパンシュラウド（２４２、２４４、３４２）とを備え、
前記径方向内側の部分スパンシュラウド（２３８、２４０、３３８）が、前記翼形部（２２４）の径方向最内端部から測定して、前記翼形部（２２４）の径方向長さの２０〜６０％の範囲の位置にあり、前記径方向外側の部分スパンシュラウド（２４２、２４４、３４２）が、前記径方向長さ寸法の６０〜９０％の範囲の位置にあり、
前記径方向内側の部分スパンシュラウド（２３８、２４０、３３８）および径方向外側の部分スパンシュラウド（２４２、２４４、３４２）はそれぞれ、前記翼形部（２２４）の前縁（２２６、３２６）と後縁（２２８、３２８）との間で測定して、前記翼形部（２２４）の幅寸法の２０〜７５％延びており、さらに、前記径方向内側の部分スパンシュラウド（２３８、２４０、３３８）と、前記径方向外側の部分スパンシュラウド（２４２、２４４、３４２）との間の径方向距離が、前記径方向長さの少なくとも１０％である、
タービンロータ（１１２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、ターボ機械で使用するためのブレードすなわち動翼の列を支持するロータホイールに関する。さらに詳細には、本発明は、隣接するブレードの翼形部同士の間に部分スパンシュラウドを設けた、回転するブレードすなわち動翼に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンまたはガスタービン等の、ターボ機械の流体流路は、一般に、固定のケーシング、およびロータによって形成されている。この構成では、いくつかの静翼が、ケーシングに周方向の配列で取り付けられており、径方向内側に向けて流路内まで延びている。同様に、いくつかの回転するブレードすなわち動翼が、ロータに周方向の配列で取り付けられており、径方向外側に向けて流路内まで延びている。静翼と、回転するブレードすなわち動翼は、静翼の列と、すぐ下流のブレードすなわち動翼の列が「段」を形成するように、交互の列に配置されている。静翼は、流路の作動流体が、正しい角度で下流のブレードすなわち動翼の列に入るように、導く働きをする。ブレードすなわち動翼の翼形部（または単に翼形とも呼ばれる）は、作動流体からエネルギーを取り出して、ロータ、および取り付けられている装置、例えば発電機を駆動させるために必要な動力を発生させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第８，１８２，２２８号明細書
【発明の概要】
【０００４】
ターボ機械のブレードすなわち動翼は、高速で回転するときに、振動や軸ねじれを受ける場合がある。これらの問題に対処するために、一部の段のブレードすなわち動翼は、部分スパンシュラウドを備えており、これは、翼形の先端と根元部との間の径方向距離の中間で、翼形に配置されている。部分スパンシュラウドは、通常、各翼形の正圧（凹）面および負圧（凸）面のそれぞれに固定され、ロータの回転中は、隣接するブレードの部分スパンシュラウドが、相手側の「硬質面」に沿って噛み合い係合し、摩擦摺動する。
【０００５】
部分スパンシュラウドに加えて、ブレード翼形の径方向最外端部に取り付けられた（または形成された）、先端シュラウドを使用することが、しばしば行われる。先端シュラウドも、ブレードすなわち動翼の外側先端で、振動を減衰し、たわみ量を制御するために使用される。
【０００６】
しかしながら、例えば、機械的減衰やクリープ寿命を改善することによって、動翼の性能を向上させ、かつ／または、翼形設計において、性能を向上させる機会を提供する、動翼シュラウド設計の必要性が、依然として存在している。
【０００７】
例示的であって限定的ではない第１の実施形態において、本発明は、タービン動翼を提供する。このタービン動翼は、挿入ダブテールと、挿入ダブテールから延び、前縁、後縁、正圧面、および負圧面を含む翼形部と、径方向において、挿入ダブテールと、翼形部の外側先端との間において、翼形部の正圧面および負圧面のそれぞれに設けられた径方向内側および外側の部分スパンシュラウドであって、隣接する動翼の、対応する径方向内側および径方向外側の部分スパンシュラウドの硬質面に対して、係合して摺動するのに適した硬質面を有する、径方向内側および外側の部分スパンシュラウドとを備える。
【０００８】
例示的であって限定的ではない別の実施形態において、本発明は、外周に取り付けられた動翼の列を備えるタービンのロータホイールを提供する。各動翼は、挿入ダブテールと、挿入ダブテールから径方向外側に延びる翼形部と、径方向において、挿入ダブテールと翼形部の外側先端との間において、翼形部の正圧面および負圧面のそれぞれに設けられた径方向内側および外側の部分スパンシュラウドであって、タービン運転温度において、隣接する動翼の対応する部分スパンシュラウドに対して、係合して摺動するのに適した硬質面をそれぞれ有する部分スパンシュラウドとを備える。
【０００９】
例示的であって限定的ではない、さらに別の実施形態において、本発明は、外周で動翼の列を支持する少なくとも１つのホイールを有するタービンロータを提供する。各動翼は、挿入ダブテールを備えるタービン動翼と、挿入ダブテールから延びる翼形部と、径方向において、挿入ダブテールと外側先端との間において、翼形部の正圧面および負圧面のそれぞれに設けられた径方向内側および外側の部分スパンシュラウドであって、タービン運転温度において、隣接する動翼の対応する部分スパンシュラウドに対して、係合して摺動するのに適した硬質面をそれぞれ有する部分スパンシュラウドとを備え、径方向内側の部分スパンシュラウドが、翼形部の径方向最内端部から測定して、翼形部の径方向長さの２０〜６０％の範囲の位置にあり、径方向外側の部分スパンシュラウドは、径方向長さ寸法の６０〜９０％の範囲の位置にあり、径方向内側および外側の部分スパンシュラウドはそれぞれ、翼形部の前縁と後縁との間で測定して、翼形部の幅寸法の２０〜７５％延びており、さらに、径方向内側の部分スパンシュラウドと、径方向外側の部分スパンシュラウドとの間の径方向距離は、径方向長さの少なくとも１０％である。
【００１０】
本発明については、以下に示す図面を参照して、さらに詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来のガスタービンエンジンの概略側面図である。
【図２】本発明の、例示的であって限定的ではない第１の実施形態による、動翼の斜視図である。
【図３】本発明の、例示的であって限定的ではない第２の実施形態による、動翼の斜視図である。
【図４】隣接する動翼の、径方向外側の部分スパンシュラウド同士の間の、例示的な噛み合い係合を示す、部分斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の少なくとも１つの実施形態について、ガスタービンエンジンの運転に関する、その適用を参照しながら、以下に説明する。このガスタービンエンジンは、他の点では従来のものである。本発明の実施形態は、発電に使用されるガスタービンエンジンに関して例示されているが、本教示は、他の電気的ターボ機械、例えば、蒸気タービンエンジン、圧縮機、ファン等にも適用し得るが、これらに限定されないことが理解される。
【００１３】
図１を参照すると、従来のガスタービン１１０の断面図が示されている。ガスタービン１１０は、タービンロータ１１２を含み、タービンロータ１１２は、ロータシャフト１１４と、軸線方向に離間された複数のロータホイール１１８とを含む。複数の回転する動翼すなわちブレード１２０が、各ロータホイール１１８に、機械的に結合されている。さらに詳細には、ブレード１２０は、各ロータホイール１１８の周りに、周方向に延びる複数の列に配置されている。複数の静翼１２２が、ロータシャフト１１４の周りに周方向に延びて、隣接するブレード１２０の列同士の間の軸線方向位置に配置されている。
【００１４】
運転中は、大気圧の空気が圧縮機１２４によって圧縮され、タービンロータ１１２周りの環状配列に配置された、複数の燃焼器１２６に送られる。燃焼段においては、圧縮機を出た空気に燃料を加え、その結果生じた混合気を燃焼させることによって、圧縮機を出た空気が加熱される。燃焼段において、燃料の燃焼の結果生じたガス流は、ガスタービン１１０を通って膨張し、そのエネルギーの一部をガスタービン１１０、および、例えば、発電する発電機（図示せず）を運転するために、供給する。必要な駆動トルクを発生させるために、ガスタービン１１０は、１つ以上の段で構成されている。各段は、静翼１２２の列、およびロータホイール１１８に取り付けられた、回転するブレード１２０の列を含む。静翼１２２は、燃焼段から流入するガスを、回転するブレード１２０へ導くことによって、１つまたは複数のロータホイール１１８、およびロータシャフト１１４を駆動する。
【００１５】
図２を参照すると、例示的であって限定的ではない、本発明の第１の実施形態によるタービンブレードすなわち動翼２２０が、翼形部すなわち翼形２２４を有しており、これは、前縁２２６、後縁２２８、正圧面２３０、および負圧面２３２で形成されている。動翼には、挿入ダブテール２３４も設けられており、この挿入ダブテール２３４によって、タービンロータに固定されたホイール（例えばロータホイール１１８）に動翼が取り付けられる。挿入ダブテール２３４、および翼形２２４は、プラットフォーム２３６で隔てられており、プラットフォーム２３６には、従来構造の、いわゆる「エンジェルウイング」シール（図示せず）を設けてもよい。
【００１６】
翼形２２４には、翼形の両面から周方向に離れる方向に延びる、一対の径方向内側の部分スパンシュラウド２３８、２４０が設けられている。すなわち、部分スパンシュラウド２３８は正圧面２３０から延び、部分スパンシュラウド２４０は、負圧面２３２から延びる。以下で説明されている位置関係を除いて、このような部分スパンシュラウドは、知られている構造であり、通常は、ブレード翼形の径方向最外先端に設けられた先端シュラウドと併用される。
【００１７】
例示的な本開示によれば、翼形２２４には、同様に、翼形の両面から周方向に離れる方向に延びる、一対の径方向外側の部分スパンシュラウド２４２、２４４も設けられている。すなわち、外側の部分スパンシュラウド２４２は正圧面２３０から延び、外側の部分スパンシュラウド２４４は、負圧面２３２から延びている。径方向外側の部分スパンシュラウドは、ブレードすなわち動翼の先端２４６より径方向内側に配置されていることに注意されたい。
【００１８】
２つめの組の部分スパンシュラウド、すなわち径方向外側の部分スパンシュラウド２４２、２４４を使用することによって、従来の翼形先端シュラウドを排除でき、それによって、所望の機械的減衰を達成しつつ、引張荷重を低減させることができる。しかしながら、必要に応じて、翼形先端シュラウドを外側の部分スパンシュラウドと併用してもよいことが理解されよう。また、翼形に、いわゆる「スキーラ先端」を設けることも考えられる。スキーラ先端は、回転するブレード先端と、対応する固定のステータシュラウドとの間のシールを改善できることが、よく知られている。通常のスキーラは、翼形端部キャップを囲み、翼形端部キャップから外側に突出している、比較的高さが小さい連続した周縁端壁を有している。本出願と所有者が共通する米国特許第５６６０５２３号明細書にいくつかの実施例が見られる。
【００１９】
例示的であって限定的ではないいくつかの構成において、径方向内側の部分スパンシュラウド２３８、２４０は、プラットフォーム２３６（または翼形部の径方向最内端部）から測定して、翼形の径方向スパンの約２０〜６０％の範囲内に配置され、径方向外側の部分スパンシュラウド２４２、２４４は、同様にプラットフォーム２３６から測定して、翼形の径方向長さの約６０〜９０％に配置される。同時に、径方向内側の部分スパンシュラウド２３８、２４０と、径方向外側の部分スパンシュラウド２４２、２４４との間の径方向距離は、最小で、翼形２２４の径方向長さの約１０％である。
【００２０】
部分スパンシュラウド（内側および外側の両方）は、断面形状が翼形であってもよく、本開示の例示的な一実施形態において、翼弦アスペクト比が１：０．５〜１：２の範囲であってもよい。他の空気力学的な断面形状が、本発明の範囲に含まれることは明らかであろう。各部分スパンシュラウドの後縁は、ブレード２２０の後縁２２８から、部分スパンシュラウドの翼弦の長さの約１０〜９０％離間されてもよく、部分スパンシュラウドは、ブレードの幅（すなわち、前縁２２６と後縁２２８との間の距離）の約２０〜７５％の長さを有し得る。
【００２１】
同様のブレードの列内にある、複数の動翼すなわちブレード２２０の、径方向外側の先端２４６は、集合的に円筒形を形成する（すなわち、先端２４６が、ロータ軸線に平行であるか、または、ロータ軸線に平行な平面内にある）か、もしくは、個々の先端が相互に、およびロータ軸線に対して、角度付けされ得る。
【００２２】
径方向外側の部分スパンシュラウド２４２、２４４の外縁すなわち硬質面２４８、２５０は、タービンが通常の運転温度に達したときに、相手側の端面、すなわち隣接する動翼の隣接する部分スパンシュラウドと相補的に係合するように、ストレート面の構成であってもよいし、Ｖ字形やＺ字形等の、他の構成であってもよいことも理解されよう。Ｚ字形の係合構成が、図４に示されている。部分スパンシュラウド２４４では、硬質面は、傾斜する面２５０によって接続された、互いに平行な面２４８および２５２を含む。これらの面は、隣接する動翼の、それぞれ対応する硬質面４４８、４５２、および４５０と接触し、傾斜面２５０および４５０が、タービンロータシャフトの軸線に対して約２０〜８０度の間の角度を規定する。ブレードすなわち動翼は、中空にしてもよく、内部に、径方向内側および径方向外側の部分スパンシュラウドの、一方または両方の内部に延びる冷却回路（図示せず）を設けてもよいこと、また、この冷却回路は、部分スパンシュラウドに沿って、冷却出口開口部を有していてもよいし、有していなくてもよいことも理解されよう。
【００２３】
図３には、例示的であって限定的ではない、第２の実施形態が示されている。ブレードすなわち動翼３２０は、上述したものと類似の部分スパンシュラウドの配列を有するが、図３で最も良く示されているように、挿入ダブテール３３４が、端から端まで連続的に湾曲している。湾曲した挿入ダブテールは、軸線方向長さが、より小さく、高翼弦の動翼の設計を容易にする。この部分スパンシュラウドの配置は、他の点では、図２および図４に示すものと同様である。
【００２４】
本明細書で説明したように、２つの部分スパンシュラウドを配置することによって、ブレード先端シュラウドが排除されることにより、周波数性能および振動性能の向上、高翼弦動翼、減衰ピンを必要としない短いシャンクの動翼、フラッタの問題が起きる可能性の低減、およびクリープ寿命の向上を含む、空気力学的な利益を達成し得る。
【符号の説明】
【００２５】
１１０  ガスタービン
１１２  タービンロータ
１１４  ロータシャフト
１１８  ロータホイール
１２０  ブレード（動翼）
１２２  静翼
１２４  圧縮機
１２６  燃焼器
２２０  ブレード（動翼）
２２４  翼形部（翼形）
２２６  前縁
２２８  後縁
２３０  正圧面
２３２  負圧面
２３４  挿入ダブテール
２３６  プラットフォーム
２３８、２４０  径方向内側の部分スパンシュラウド
２４２、２４４  径方向外側の部分スパンシュラウド
２４６  先端
２４８  硬質面
２５０  硬質面
２５２  硬質面
３２０  ブレード（動翼）
３２６  前縁
３２８  後縁
３３４  挿入ダブテール
３３８  径方向内側の部分スパンシュラウド
３４２  径方向外側の部分スパンシュラウド
４２０  隣接するブレード（動翼）
４２６  前縁
４２８  後縁
４４２、４４４  径方向外側の部分スパンシュラウド
４４６  先端
４４８  硬質面（平行面）
４５０  硬質面（傾斜面）
４５２  硬質面（平行面）
【図１】
2015140807.tif 000003
【図２】
2015140807.tif 000004
【図３】
2015140807.tif 000005
【図４】
2015140807.tif 000006