(57)【要約】  ターボ機械の半径方向差込み翼（６２）列用の固定装置。詰め翼（６６）に、半径方向差込みロータディスク（５６）の差込みスロット位置（３４）に形成された軸方向取付け形状部分（７６）を備える、軸方向の配向が施されたスロットと係合するための軸方向取付け形状部分（７８）を備える根元部分（７４）が含まれている。湾曲した台座面（１１２）を備える翼を利用する用途の場合、列をなす先行翼（１０８）と後続翼（１１０）は、隣接する半径方向差込み翼と接合するための１つの湾曲面と、フラットな詰め翼面（１１６）と接合するための１つのフラットな面（１２０）を備えるように設計される。詰め翼（８４）は、根元部分（８８）が、キー（８６）によって押し離されて、隣接翼にしっかり接触させられる２つの脚（９０、９２）を備えるように設計される。半径方向差込み翼とほぼ同じ詰め翼（６２）は、軸方向取付け形状部分を備える半径方向の内側部分（９８）と、半径方向取付け形状部分を備える半径方向の外側部分（１００）を具備する、接続部材（９６）によって差込みスロット位置に固定することが可能である。半径方向差込みロータディスク（５６）の外周部における傷は、隣接する材料と共に傷を除去して、ロータディスクに軸方向取り付け形状部分を形成し、次に、相補形の軸方向取付け形状部分を備えた詰め翼をその修理位置に取り付けることによって、溶接せずに修理することが可能である。
2008534841.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械用の回転要素であって、
ロータディスクと、
前記ディスクの外周に沿って形成された第１の半径方向取付け形状部分と、
前記ロータディスクの前記外周の差込みスロット位置に形成された第１の軸方向取付け形状部分と、
それぞれ、前記第１の半径方向取付け形状部分と相補形で、それに係合する第２の半径方向取付け形状部分を具備する根元部分を含んでおり、前記ロータディスクの前記外周に沿って、前記差込みスロット位置以外の位置に配置された、複数の半径方向差込み翼と、
前記差込みスロット位置に配置され、前記第１の軸方向取付け形状部分と相補形で、それに係合する第２の軸方向取付け形状部分を具備する根元部分を含んでいる詰め翼が含まれていることを特徴とする回転要素。
【請求項２】
さらに、前記詰め翼と前記複数の半径方向差込み翼の隣接する１つとの間に挿入される留めピンが含まれることを特徴とする請求項１に記載の回転要素。
【請求項３】
さらに、
第１の脚及び第２の脚を具備する前記詰め翼の根元部分と、
前記第１の脚と前記第２の脚の間に配置されて、前記根元部分を前記ディスクに押し付けるキーが含まれることを特徴とする請求項１に記載の回転要素。
【請求項４】
前記キーにダブルドッグボーン形状部分が含まれることを特徴とする請求項３に記載の回転要素。
【請求項５】
前記キーに前記根元部分の材料とは異なる材料が含まれることを特徴とする請求項３に記載の回転要素。
【請求項６】
前記キーの材料が前記根元部分の材料より高い降伏強度を示すことを特徴とする請求項３に記載の回転要素。
【請求項７】
前記キーの材料が前記根元部分の材料より高い熱膨張係数を示すことを特徴とする請求項３に記載の回転要素。
【請求項８】
前記詰め翼に、さらに、
前記複数の半径方向差込み翼のそれぞれとほぼ同じで、前記第２の半径方向取付け形状部分を具備する根元部分を含んでいる半径方向差込み翼部分と、
前記半径方向差込み翼部分の前記根元部分と係合する前記第１の半径方向取付け形状部分を具備する半径方向取付け部分と、
前記ディスクの前記差込みスロット位置に形成された前記第１の軸方向取付け形状部分と係合する前記第２の軸方向取付け形状部分を具備する軸方向取付け部分を含む接続部材部分が含まれることを特徴とする請求項１に記載の回転要素。
【請求項９】
さらに、前記詰め翼の前記半径方向差込み翼部分と前記複数の半径方向差込み翼の隣接する１つとの間に配置された留めピンが含まれることを特徴とする請求項８に記載の回転要素。
【請求項１０】
前記接続部材部分に、前記半径方向差込み翼部分の材料とは異なる材料が含まれることを特徴とする請求項８に記載の回転要素。
【請求項１１】
前記接続部材部分の前記材料が、前記半径方向差込み翼部分の前記材料よりも高い降伏強度を示すことを特徴とする請求項１０に記載の回転要素。
【請求項１２】
前記接続部材が、前記半径方向差込み翼部分の材料より高い熱膨張係数を示すことを特徴とする請求項１０に記載の回転要素。
【請求項１３】
さらに、
前記複数の半径方向差込み翼のそれぞれに、相補対をなす対向湾曲面が含まれることと、
前記詰め翼に１対のフラットな対向面が含まれることと、
前記第１の半径方向取付け形状部分と係合する前記第２の半径方向取付け形状部分を具備する根元部分、前記複数の半径方向差込み翼の隣接する１つに接合する湾曲面、及び、前記詰め翼の前記フラットな対向面の第１の面に接合するフラットな面を含んでいる先行翼が、前記詰め翼の第１の側に隣接して配置されていることと、
前記第１の半径方向取付け形状部分と係合する前記第２の半径方向取付け形状部分を具備する根元部分、前記複数の半径方向差込み翼の隣接する１つに接合する湾曲面、及び、前記詰め翼の前記フラットな対向面の第２の面に接合するフラットな面を含んでいる後続翼が、前記先行翼と対置される前記詰め翼の第２の側に隣接して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回転要素。
【請求項１４】
さらに、前記詰め翼と前記先行翼及び前記後続翼の一方との間に配置される留めピンが含まれることを特徴とする請求項１３に記載の回転要素。
【請求項１５】
さらに、
前記第１及び第２の半径方向取付け形状部分に、それぞれ、クリスマスツリー形状、Ｔシャンク形状、及び、ドッグボーン形状の１つが含まれることと、
前記第１及び第２の軸方向取付け形状部分に、それぞれ、クリスマスツリー形状、Ｔシャンク形状、及び、ドッグボーン形状の１つが含まれることを特徴とする請求項１に記載の回転要素。
【請求項１６】
前記詰め翼根元部分に、前記ロータディスクに関連したロータ軸に対して平行な挿入軸が含まれることを特徴とする請求項１に記載の回転要素。
【請求項１７】
前記詰め翼根元部分に、前記ロータディスクに関連したロータ軸に対して横方向の挿入軸が含まれることを特徴とする請求項１に記載の回転要素。
【請求項１８】
請求項１に記載の回転要素を含むことを特徴とするターボ機械。
【請求項１９】
ターボ機械のための回転要素であって、
外周を有する全体がディスク形状の部材と、
複数の半径方向差込み翼を一列に配置するための、前記外周に沿って形成された半径方向取付け形状部分と、
前記外周の半径方向翼差込み位置に形成されて、詰め翼を収容し、前記ターボ機械の運転中、前記詰め翼を固定するための軸方向取付け形状部分を含む軸方向スロットが含まれていることを特徴とする回転要素。
【請求項２０】
前記半径方向取付け形状部分に、内側クリスマスツリー形状、外側クリスマスツリー形状、及び、Ｔシャンク形状の１つが含まれることを特徴とする請求項１９に記載の回転要素。
【請求項２１】
前記軸方向取付け形状部分にドッグボーン形状が含まれることを特徴とする請求項１９に記載の回転要素。
【請求項２２】
前記軸方向スロットが、前記回転要素の回転軸に対して平行な挿入軸に沿って配置されることを特徴とする請求項１９に記載の回転要素。
【請求項２３】
前記軸方向スロットが前記回転要素の回転軸に対して横方向の挿入軸に沿って配置されることを特徴とする請求項１９に記載の回転要素。
【請求項２４】
請求項１９に記載の回転要素を含むことを特徴とするターボ機械。
【請求項２５】
湾曲した根元／台座面を備える半径方向差込みタービン翼列のための詰め翼のグループであって、
翼形部分、１対のフラットな対向面を具備する台座、及び、ロータの差込みスロット位置に形成された軸方向取付け形状部分と相補形の軸方向取付け形状部分を具備する根元部分を含む詰め翼と、
翼形部分、隣接する半径方向差込み翼と接合するための湾曲面と、前記詰め翼の第１のフラットな面に接合するためのフラットな対向面を具備する台座、及び、前記ロータの外周に形成された第２の半径方向取付け形状部分と相補形の第１の半径方向取付け形状部分を具備する根元部分を含む先行翼と、
翼形部分、前記詰め翼の第２のフラットな面に接合するためのフラットな面と、隣接する半径方向差込み翼に接合するための対向湾曲面を具備する台座、及び、前記第１の半径方向取付け形状部分を具備する根元部分を含む後続翼が含まれていることを特徴とする詰め翼のグループ。
【請求項２６】
前記詰め翼の前記１対のフラットな対向面が、前記ロータの回転軸に対して平行に配置されることを特徴とする請求項２５に記載の詰め翼のグループ。
【請求項２７】
前記詰め翼の前記１対のフラットな対向面が、前記ロータの回転軸に対して横方向に、かつ、前記詰め翼の前記軸方向取付け形状部分の挿入軸に対して平行に配置されることを特徴とする請求項２５に記載の詰め翼のグループ。
【請求項２８】
前記半径方向取付け形状部分に、内側クリスマスツリー、外側クリスマスツリー、及び、Ｔシャンク形状の１つが含まれることを特徴とする請求項２５に記載の詰め翼のグループ。
【請求項２９】
前記軸方向取付け形状部分にドッグボーン形状が含まれることを特徴とする請求項２５に記載の詰め翼のグループ。
【請求項３０】
請求項２５に記載の詰め翼のグループを含むことを特徴とするターボ機械。
【請求項３１】
半径方向差込みタービンロータディスクの差込みスロット位置に取り付けられる詰め翼の固定装置であって、
前記ディスクの前記差込みスロット位置に形成された軸方向に配置されたスロットと、
前記軸方向に配置されたスロットに軸方向に挿入するように構成された半径方向の内側部分、及び、前記詰め翼の根元部分に係合するように構成された半径方向の外側部分を具備するキーが含まれていることを特徴とする固定装置。
【請求項３２】
前記キーに、前記ロータディスクの材料とは異なる材料が含まれることを特徴とする請求項３１に記載の固定装置。
【請求項３３】
前記キーに、前記詰め翼の前記根元部分の材料とは異なる材料が含まれることを特徴とする請求項３１に記載の固定装置。
【請求項３４】
請求項３１に記載の固定装置を含むことを特徴とするターボ機械。
【請求項３５】
タービンロータディスクに半径方向差込み翼列を固定する方法であって、
前記ロータディスクの外周に沿って第１の半径方向取付け形状部分を形成するステップと、
前記ロータディスクの外周に沿って差し込みスロット位置を形成するステップと、
前記差込みスロット位置に第１の軸方向取付け形状部分を形成するステップと、
前記差込みスロット位置を介して、前記ロータディスクの前記外周に、前記第１の半径方向取付け形状部分と相補形で、それに係合する第２の半径方向取付け形状部分を具備する複数の半径方向差込み翼を取り付けるステップと、
前記差込みスロット位置に、前記第１の軸方向取付け形状部分と相補形で、それに係合する第２の軸方向取付け形状部分を具備する軸方向差込み詰め翼を取り付けるステップが含まれていることを特徴とする方法。
【請求項３６】
さらに、前記詰め翼と隣接する半径方向差込み翼との間に留めピンを取り付けるステップが含まれることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
さらに、２つの脚、及び、前記２つの脚の間に配置されて、前記第２の軸方向取付け形状部分を形成するように延びるキー部分を具備する根元部分を含む、前記詰め翼を形成するステップが含まれることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
さらに、前記台座部分の材料とは異なる材料から前記軸方向キー部分を形成するステップが含まれることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
さらに、前記複数の半径方向差込み翼とほぼ同じ半径方向差込み翼部分と、前記半径方向差込み翼部分と係合する前記第１の半径方向取付け形状部分を含む半径方向取付け部分、及び、前記第２の軸方向取付け形状部分を含む軸方向取付け部分を具備する接続部材部分を含んでいる、前記詰め翼を形成するステップが含まれることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
さらに、前記ディスクの回転軸に対して平行な挿入軸を備えるように、前記第１及び第２の軸方向取付け形状部分を形成するステップが含まれることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項４１】
さらに、前記ディスクの回転軸に対して横方向の挿入軸を備えるように、前記第１及び第２の軸方向取付け形状部分を形成するステップが含まれることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項４２】
ターボ機械用半径方向差込みロータディスクを改良する方法であって、
半径方向差込みロータディスクの外周部分から材料を除去して軸方向取付け形状部分を形成するステップと、
前記軸方向取付け形状部分に係合するように前記半径方向差込みロータディスクに軸方向差込み翼を取り付けるステップが含まれていることを特徴とする方法。
【請求項４３】
さらに、前記軸方向差込み翼と前記ロータディスクに取り付けられた少なくとも１つの隣接する半径方向差込み翼との間に留めピンを取り付けるステップが含まれることを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
さらに、半径方向差込みロータディスクの外周部分から傷を含む材料を除去して、前記軸方向取付け形状部分を形成するステップが含まれることを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４５】
２つの対向するフラットな台座面を備える前記軸方向差込み翼を設けるステップと、
前記軸方向差込み翼に隣接して、半径方向差込み先行翼及び半径方向差込み後続翼を取り付けるステップが含まれていることと、前記先行翼と前記後続翼のそれぞれに、前記２つの軸方向差込み翼のフラットな台座面のそれぞれと接合するためのフラットな台座面が含まれることと、前記先行翼と前記後続翼のそれぞれに、隣接する半径方向差込み翼と接合するための湾曲した対向台座面が含まれることを特徴とする湾曲した台座面を備えるロータディスク支持翼に適用されることを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
さらに、前記ディスクの回転軸に対して平行になるように、前記先行翼、前記後続翼、及び、前記詰め翼の前記フラットな台座面を形成するステップが含まれることを特徴とする請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
さらに、前記ディスクの回転軸に対して横方向になるように、前記先行翼、前記後続翼、及び、前記詰め翼の前記フラットな台座面を形成するステップが含まれることを特徴とする請求項４５に記載の方法。
【請求項４８】
前記留めピンに、前記詰め翼及び隣接する半径方向差込み翼の材料のそれぞれの熱膨張係数より高い熱膨張係数を示す材料が含まれることを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、ターボ機械の分野に関するものであり、とりわけ、タービン翼取付け部品の分野に関するものである。
【０００２】
ガスまたは蒸気タービンのようなタービン機械では、翼列が、それぞれのロータディスクの周囲から半径方向の外側に延びており、ロータディスクは、さらに、ある長さの軸方向にアライメントのとれたシャフトに沿って取り付けられている。各翼は、ロータディスクから半径方向に延び、その根元が機械的接続によってディスクに固定されている。各翼の翼形部分が、機械を軸方向に通って流れる作動流体と反応して、ロータの回転を生じさせ、それによって、作動流体から機械的シャフト動力が取り出される。翼は、運転中に定常遠心力、曲げモーメント、及び、交番力を受ける。さらに、交番力による翼振動によって取付け構造に対するかなりの応力が発生することになる。
【０００３】
翼は、軸方向取り付けと半径方向取り付けという、２つの機械的接続スタイルのどちらかでロータディスクに取り付けられる。図１は、ターボ機械のための軸方向（側面差込み）翼取付け機構の実施形態の１つに関する透視図である。タービンロータディスク２は、その外周に等間隔をあけ軸方向を向いた複数の溝４が配置されるように形成される。各溝４は、個別に、図１のクリスマスツリー形状のような、所定の形状に合わせてフライス加工またはブローチ加工が施される。翼６ａ、６ｂ、６ｃがロータディスク２の外周に配置されるが、各翼６は、ディスク２のそれぞれの溝４にスライドさせて側面差込みされるように形成された根元部分８を備えている。隣接する翼の台座部分１０によって、作動流体が翼の翼形部分１２を通過する際の作動流体の流路の片側が形成される。大部分の実施形態では、翼間に機械的接続を施すため、翼形の外周に沿ってシュラウド（不図示）が配置されている。一般に、隣接翼６ａ、６ｂ、及び、６ｃの台座間は接触しない。軸方向取付けの例については、参考までに本明細書において援用されている、米国特許第３，５０１，２４９号明細書及び第５，１７６，５００号明細書に見出すことが可能である。
【０００４】
図２は、タービン機械のための先行技術による半径方向差込み翼取付け機構の実施形態の１つに関する透視図である。ロータディスク１４は、その外周に単一の連続溝１６が形成されている。明らかに、こうした連続溝１６を形成するための製造コストは、図１で説明された個別の軸方向溝４を形成するための製造コストよりも大幅に低くなる。図２の半径方向溝１６は、クリスマスツリーの雌形を備えているがクリスマスツリーの雄形及びＴシャンク形状を含む他の形状も知られている。各翼１８ａ、１８ｂは、ロータディスク溝１６と係合する雄型嵌め合い根元部分２０を備えている。
【０００５】
図３は、先行技術による半径方向差込み翼取付け機構の第２の実施形態に関する透視図である。ロータディスク２４が、図２の溝１６の代わりに、その外周に連続したＴシャンク形状２６を備えるように形成されている。翼３０ａ、３０ｂのそれぞれの根元部分２８には、Ｔシャンク形状の嵌め合い溝３２が形成されている。翼３０ａ、３０ｂは、差込みスロット位置においてロータディスク２４に個別に取り付けられる。図３には差し込みスロット位置が例示されていないが、図４にはクリスマスツリー形状の半径方向ロータディスク２５のための典型的な差込みスロット位置３４が示されている。１つの差込みスロット位置３４または２つの直径の反対側の差込みスロット位置を利用することが可能である。Ｔシャンク形状２６（または、必要に応じてクリスマスツリー形状）のラグ（耳状部）は、翼を半径方向の所定位置につけることができるようにするため、差込みスロット位置において欠落している。翼は、従って、図３に例示のように差込みスロット位置からその最終取り付け位置まで、ロータディスク２４の外周を円周方向に自由にスライドすることができる。全ての翼３０が取り付けられると、翼３０ａ、３０ｂは、根元部分２８において互いに接触する。
【０００６】
全ての翼が半径方向差込みディスクに取り付けられると、クリスマスツリー形状に関して図５に例示のように、詰め翼３６を差し込みスロット位置３４に取り付けなければならない。１つ以上のピン（不図示）が、ロータディスク２５の差込みスロット位置３４、及び、詰め翼３６に形成されたそれぞれの嵌め合い穴３８、４０に挿入されて半径方向取付け機構が形成される。詰め部品位置３４においてクリスマスツリー形状のラグが欠落しているため、ピンは機械の運転中に発生する遠心力に抵抗する働きをする。半径方向翼取付け部品の例については、参考までに本明細書において援用されている、米国特許第４，９１５，５８７号明細書及び第５，１７６，５００号明細書に見出すことができる。
【０００７】
半径方向翼取付け部品は、軸方向翼取付け部品よりも安価な選択であることが多いが、周知のように、詰め翼取付け部品のピンにかかる応力が隣接する翼のラグが受ける応力よりも大きくなる。大型翼構造または高速ロータの場合、応力が極めて強いので、詰め翼３６を図６に例示のような詰め部品４２に取り替えなければならない。詰め部品４２は、詰め翼３６と同じ根元／台座部分４４を備えているが翼形部分がなく、従って、タービンの運転中、比較的小さい遠心力を発生する。詰め部品４２を差込みスロット位置３４に取り付ける時、タービンロータを平衡状態に保つため、差込みスロット位置３４に対して直径の反対側位置に翼３０の代わりに図７に例示のような充填部品４６を取り付けることが可能である。この手法によって、詰め位置における高応力レベルの問題が解決されるが、その結果、翼の各列毎に２つの翼形部分が欠落するため、タービンの効率が低下することになる。さらに、欠落する翼によって生じる作動流体流の摂動によって、翼及び翼取付け部品にかかる交番応力のレベルが強まることになる。この影響は悪化する可能性がある。というのは、それぞれの半径方向の最外端４８で各翼に接続されたシュラウド（不図示）は、完全に３６０°の円弧にわたることはできず、むしろ、欠落した翼形部分のために、それぞれが１８０°より幾分小さい円弧にわたる２つのセクションをなすように形成される可能性があるからである。従って、翼の全てにおいて、曲げモーメント及び交番応力のレベルは、翼列内の２つの翼形部分の欠如によって悪影響を受けることになる。
【０００８】
参考までに本明細書において援用されている米国特許第４，０９４，６１５号明細書には、高温ガスタービンエンジンのセラミック翼の翼取り付け装置について記載がある。セラミック材料は高い引張り強さを示さず、この用途には標準的な翼取付け装置は使用できない。従って、各翼は個別の金属取付け部材を介してロータディスクに取り付けられる。この構成におけるタービンディスクは、上述の典型的な軸方向翼取付け装置におけるように、その外周に沿って複数の軸方向の溝を備えるように製作される。金属取付け部材は、それぞれ、ロータの嵌め合い溝に係合するための根元部分を備えている。取付け部材は、それぞれ、対応するセラミック・翼の根元を収容するための外周溝も備えている。取付け部材及び翼の台座には金属板を収容するための対向スロットが形成されており、この金属板は翼から対応する取付け部品にトルクを伝達し、それによって、セラミック翼の根元における応力レベルを低下させる。取付け部品及び金属板は運転中に一緒になって翼を支持する。さらに、取付け部品を高温から保護するため、第２の一連の対向板が必要になる。この翼取付け装置は複雑でコストがかかり、標準的な金属タービン翼用途には望ましくない。
【０００９】
以下の説明では、図面に基づいて本発明の解説を行う。
【００１０】
図８には、半径方向差込みタービンロータディスクに関する改良された翼固定装置の実施形態の１つが例示されている。ターボ機械５０には、回転要素５２が含まれており、回転要素５２には、さらに、ロータディスク５６に取り付けられた翼列５４が含まれている。このロータディスク５６はターボ機械５０のケーシング（不図示）内で回転するようにシャフト（不図示）に接合されたいくつかあるディスクの１つである。ロータディスク５６にはその外周に沿って半径方向取付け形状部分６０を有するように、例えば、機械加工または研削加工によって形成されたディスク形状部材５８が含まれている。複数の半径方向差込み翼６２はロータディスク５６の差込みスロット位置６８以外の位置に取り付けられる。複数の翼６２のそれぞれにはディスク外周の半径方向取り付け形状６０と相補形で、それに係合する半径方向取付け形状部分６４が含まれている。「半径方向取付け形状部分」という用語は、ターボ機械の半径方向差込み翼のための固定機構として用いられる任意の形状部分を含むことを意味するものである。組立て時にディスク外周の差込みスロット位置に通した後に翼とディスクの相補形状が係合すると、半径方向取付け形状部分は、一般に、翼の半径方向の移動に抵抗するが、ディスク外周に沿った円周方向の移動は許す。図８は、クリスマスツリー、逆クリスマスツリー、Ｔシャンク、ドッグボーン（犬がくわえる骨の形）等のような、任意の既知のまたは可能性のある半径方向取付け形状部分を表わすように描かれている。
【００１１】
これまで解説した回転要素５２の諸部分は、先行技術によるデザインと何ら変わりはなく、任意の既知材料から作られる任意の既知構造またはサイズとすることが可能である。先行技術による構造とは異なり、図８の実施形態には差込みスロット位置６８に、軸方向翼取付け機構を利用する詰め翼６６が含まれている。詰め翼６６には翼形部分７０と台座部分７２とが含まれている。半径方向差込み翼６２の台座６５とは異なり、詰め翼６６の台座部分７２は、翼形部分７０の基底部から半径方向差込み翼６２の半径方向取付け形状部分６４の基底部まで半径方向の下方に突き出した塊状部分である。従って、台座部分７２は台座６５及び隣接する半径方向差込み翼６２の半径方向取付け形状部分６４と協働する。さらに、詰め翼６６の台座部分７２及び根元部分７４の構造は、半径方向差込み翼６２の列５４が完全に組み付けられたロータディスク５６の構造にピッタリ重なるようになっている。
【００１２】
詰め翼６６には、ロータディスク５６の差込みスロット位置６８に形成された軸方向取付け形状部分を有するスロット７６と相補形で、それに係合する軸方向取付け形状部分７８を備えるように形成された根元部分７４が含まれている。ロータディスク５６に形成されたスロット７６は、半径方向翼差込み位置と、軸方向に取り付けられる詰め翼６６の固定機構の両方の機能を果たす。軸方向取付け形状部分７６は、半径方向取付け形状部分６０の外周から半径方向の内側に形成される。図８には、相補形軸方向取付け形状部分７６、７８がシングルドッグボーン形状として例示されているが、クリスマスツリー、Ｔシャンク等のような、軸方向の差込みは許すが半径方向への取り出しには抵抗する任意の形状を用いることが可能である。好都合なことには、詰め翼６６の軸方向取付け機構に生じるピーク応力レベルは、ピンで固定される先行技術による詰め翼に生じるピーク応力レベルより低くなり、従って、翼形部分７０を含む完全な翼は、蒸気タービンにおける、より速い回転速度、並びに、より大型の翼用途にも利用することが可能である。従って、本発明によれば、大部分のタービン翼列における詰め部品４２及びこれに対応する充填部品４６の使用が不要になり、その結果、性能に不利な条件が取り除かれ、詰め部品４２及び充填部品４６を使用する先行技術による半径方向差込み翼に比べると、応力レベルが低下する。
【００１３】
図９及び１０には、本発明で実現可能な応力レベルの低下の一例が示されている。図９は、翼列のうちの２つの翼の代わりに、詰め部品と充填部品を使用し、２つの１８０°翼グループを組み込んだ、先行技術による蒸気タービン用の半径方向差込み翼列に関するグッドマン図である。図１０は、タービンが、本明細書に解説のように詰め翼の固定装置を組み込み、それによって、詰め部品及び充填部品の位置に完全に機能する翼が配置され、完全な３６０°翼グループが形成されるように改良された後の、同じ条件で運転する同じ翼列に関するグッドマン図である。２つの図を比較すると明らかなように、改良された設計によると、応力レベル全体が低下し、全ての応力レベルがライン８２によって表示の最大許容レベル未満に維持される。これらの結果は、計算に基づくものであり、特定の用途に関するものではなく、一般的なものとして提示されている。
【００１４】
軸方向取付けスロット７６内への詰め翼６６の嵌めこみは、ロータディスク５６に全ての半径方向差込み翼一式６２を取り付けた後に、詰め翼６６の取り付けを容易にするのに十分なほどに、例えば、０．００１〜０．００２インチのギャップが生じる程度に、ゆるくなされる。こうしたゆるい嵌め込みは、ターボ機械５０の運転には不適当であろう。従って、詰め翼６６と隣接する半径方向差込み翼６２との間には、少なくとも１つの留めピン８０が取り付けられる。図８には、詰め翼の台座７２の両側に取り付けられた２つのこうした留めピン８０が例示されている。留めピン８０は隣接する翼６２、６６とは異なる材料特性を示す材料で製造することが可能である。例えば、運転中にターボ機械５０の温度が上昇するにつれて隣接する翼６２、６６との接合がきつくなるように、熱膨張係数がより高い材料を使用する。留めピンはさまざまな形状が可能であり、接合のきつさを促進するため所定位置に焼ばめすることが可能である。
【００１５】
差込みスロット位置６８の軸方向取付け形状部分７６の形状寸法は、用途特有の負荷及び材料に適応するように選択することが可能である。機構の最大荷重を受ける部分は、一般に、応力集中問題を回避するためにとがった角がないように形成される。半径方向差込み翼６２の取付けを可能にするため、ロータディスク５６毎に必要となるこうしたスロット６８は１つだけであるが、２つ以上のスロットを設けることも可能である。例えば、先行技術による半径方向差込みディスクは、その外周材料が亀裂または他の傷を示すことが見つかると、例えば、研削加工または機械加工によって、その傷のある材料及び周囲の材料を除去して、軸方向取付け形状部分７６を形成することが可能である。その後、それまでその場所を占めていた半径方向差込み翼の代わりに、軸方向差込み詰め翼６６をその位置に取り付けることが可能である。こうして、ディスクの傷は溶接または他の材料付加プロセスを必要とせずに修理され、従って、修理プロセスが単純化される。同様のプロセスで、先行技術による半径方向差込みディスク組立てを、軸方向取付け形状部分の形となるように、翼差込みスロットを変更することによって、軸方向差込み詰め翼を組み込むように変更することが可能である。これは、ただ単に、翼列における応力レベルを低下させるため、及び／または、大形翼を使用する場合に詰め部品及び充填部品を使用しなくすることによって、ユニットの効率を向上させるためだけに要求される可能性がある。詰め部品及び充填部品が既に取付け済みの場合、翼形の追加によって、大部分の用途において、５〜１０％の効率向上を実現できるものと期待される。
【００１６】
図１１には、詰め翼８４がキー８６によってロータディスク５６に固定される他の実施形態が例示されている。詰め翼８４の根元部分８８には２つの対向脚９０、９２が含まれている。キー８６は２つの脚９０、９２の間に取り付けられて根元部分８８を隣接翼に押し付ける。キー８６は、例えば、より高い降伏強度、疲労限度、または、運転温度における接触力を増す熱膨張係数を付与するために、根元部分８８の構造の材料とは異なる材料から形成することが可能である。キー８６は所定位置に焼きばめすることが可能であり、図８の実施形態に関して既述のように、留めピンを不要にすることが可能である。キー、及び、ロータディスク５６及び根元部分８８に形成された対応するスロットは、一例として描かれているダブルドッグボーンのような、任意の所望の取り付け形状をなすことが可能である。
【００１７】
図１２には、半径方向差込み詰め翼固定装置９４のもう１つの実施形態が例示されている。この実施形態では、半径方向差込みタービンロータディスクの外周に取り付けられる他の半径方向差込み翼６２とほぼ同じである、半径方向差込み翼６２が利用される。「ほぼ同じ」という用語は、２つの部品が、互換性のあるように設計、製造されており、互いに同じであるという正規の製作公差内にあることを表わすために用いられている。翼固定装置９４は、接続部材９６を利用して、翼６２をロータディスクに固定する。接続部材９６には、ロータディスクに形成された軸方向配置スロットに軸方向に挿入する構造になっている半径方向の内側部分９８（図１２には示されていないが、図８または図１１の軸方向取付け形状部分と同様とすることが可能である）と、詰め翼６２の根元部分１０２と係合する構造になっている半径方向の外側部分１００が含まれている。接続部分９６は、所望の場合、例えば、より降伏強度が高いか、あるいは、より熱膨張係数が高い、ロータディスクまたは翼６２とは異なる材料から製作することが可能である。固定装置９４は、ターボ機械の運転中、隣接翼との締まりばめを確実にするために詰めピン（不図示）によって補強することが可能である。
【００１８】
半径方向差込み翼のいくつかの実施形態では、相補形の湾曲した接合面を備える台座と根元部分が利用される。明らかに、図８及び１１に例示の構成では、隣接する半径方向の差込み翼６２をそれぞれの運転位置に取り付けた後、ロータディスク面に対して垂直な方向（ロータシャフトに対して平行な方向）において、詰め翼６６、８４を軸方向にスライドさせて所定位置につける必要がある。詰め翼のこうした直線的な軸方向移動は湾曲面を備えた翼の場合不可能であろう。図１３には、湾曲した根元／台座面を備える翼を利用した、半径方向差込みロータディスク（不図示）のための軸方向差込み詰め翼のグループ１０４が例示されている。グループ１０４には、詰め翼１０６と、隣接する先行翼１０８及び後続翼１１０が含まれている。先行翼１０８及び後続翼１１０は、それぞれ、湾曲した根元／台座面１１２と、対向するフラットな根元／台座面１１４を備えるように製作されている。湾曲した根元／台座は隣接する標準的な半径方向差込み翼（不図示）に接合するためのものであり、一方、フラットな根元／台座は、詰め翼１０６のフラットな根元／台座に接合するためのものである。先行翼１０８及び後続翼１１０は、それぞれ、例えば、例示されている内側クリスマスツリー、外側クリスマスツリー、または、Ｔシャンク形状といった、列をなす他の半径方向差込み翼の半径方向取付け形状部分に合わせて形成された根元部分１２０を備えている。詰め翼１０６は、半径方向の内側に延びて先行翼１０８及び後続翼１１０のそれぞれのフラットな根元／台座面１１４に接合する、２つの対向するフラットな台座面１１６を備えるように形成されている。フラットな台座面１１６から半径方向の内側において、詰め翼１０６は、軸方向取付け形状部分を有するように形成された根元部分１１８を備えている。先行翼１０８及び後続翼１１０は差込みスロット位置に隣接してその両側に配置され、それぞれのフラットな面１１４を差込みスロット位置に対面するように、半径方向差込みディスクに取り付けられる。この結果、詰め翼１０６はその根元部分１１８をスライドさせて、差込みスロット位置に形成された嵌め合い軸方向取付け形状部分（不図示）にはめ込むことによって、取り付けることが可能になる。根元部分１１８及びディスクに形成された嵌め合いスロットは、例えば、クリスマスツリー、または、例示のドッグボーン形状のような、任意の所望の形状とすることが可能である。留めピン（不図示）を用いて、列をなす翼間の締まりばめを確実にすることが可能である。フラットな面１１４を除くと、先行翼１０８及び後続翼１１０は、隣接する半径方向差込み翼とほぼ同じになるように製作することが可能である。
【００１９】
明らかに、いくつかの実施形態では、ロータディスクの半径方向の軸に沿った翼形の上方から見て、フラットな面を備えた台座の設置領域内に詰め翼１０６の湾曲した翼形部分全体を納めることはできない。図１４は、こうした詰め翼１２２の１つの平面図であり、この図では、翼形１２６の後縁部分１２４が欠落しているが、そうしないと、台座１２８の設置領域を越えて延びたであろうためである。この形状寸法は、完全な翼形に比べると翼形１２６の空力的性能が劣化するため、決して最適とはいえない。この状況を回避するための技法の１つが、図１５の詰め翼１３０によって例示されているが、この図では、台座１３２は翼形１３４全体を支持するのに十分な設置領域が得られるように角度をつけた非矩形の平行四辺形である。この実施形態の場合、根元の軸方向取付け形状部分は平行四辺形の形状に対して相補形で、ロータディスク面に対して、例えば、約１０〜２０°といった角度Ａの横軸をなす挿入軸（１３６）を備えている。隣接する先行翼及び後続翼は、ロータディスク面に対して角度Ａの横軸をなす挿入軸１３６の方向において翼列に詰め翼を挿入できるようにするため、それぞれのフラットな根元面が同じ角度で配列されるように形成されることになる。
【００２０】
ここでは、タービンロータディスク５６に列をなす半径方向差込み翼６２を固定する方法が開示される。半径方向取付け形状部分６４が既知の技法によってロータディスクの外周に沿って形成される。ロータディスクの外周には差込みスロット位置６８も形成され、差込みスロット位置には軸方向取付け形状部分７６が含まれている。次に、半径方向差込み翼６２は、それぞれの根元の半径方法取付け形状部分がロータディスクに形成された半径方向取付け形状部分に係合するように、差込みスロット位置６８を介してロータディスクに取り付けられる。次に、詰め翼６６が差し込みスロット位置に取り付けられて翼列が完成し、詰め翼の根元部分７４の軸方向取付け形状部分７８がロータディスクに形成された軸方向取付け形状部分７６に係合し、根元部分７４（すなわち、詰め翼の台座）が、隣接翼と係合する。１つ以上の留めピン８０を利用して、隣接翼間の締まりばめを確実にすることが可能である。１つ以上のこうした軸方向差込み翼を翼列に利用することが可能である。根元部分８８に２つの間隔をあけた脚が設けられた詰め翼８４は、２つの脚の間にキー８６を挿入して根元部分８８を隣接翼に押し付けることによって取り付けることが可能である。オプションとして、他の半径方向差込み翼６２とほぼ同じ詰め翼６２を利用することが可能である。最初に、こうした詰め翼６２が相補形半径方向取付け部分と係合させることによって接続部材９６に取り付けられ、次に、接続部材が相補形軸方向取付け部分を介してロータディスクに係合させられる。
【００２１】
本明細書では本発明のさまざまな実施形態について示し説明してきたが、こうした実施形態が単なる例証のためだけに提示されたものであることは明白である。本発明から逸脱することなく、さまざまな改変、変更、及び、置換を施すことが可能である。従って、本発明は、請求項に記載の精神及び範囲による制限しか受けないように意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】軸方向差込み翼を備えた先行技術によるタービンロータディスクの部分透視図である。
【図２】ロータディスクの外周溝を利用する半径方向差込み翼を備えた、先行技術によるタービンロータディスクの部分透視図である。
【図３】ロータディスクのＴシャンク形状を利用する半径方向差込み翼を備えた、先行技術によるタービンロータディスクの部分透視図である。
【図４】先行技術によるクリスマスツリー型の半径方向差込みタービンロータディスクの差込みスロット位置の透視図である。
【図５】先行技術による詰め翼の透視図である。
【図６】先行技術による詰め部品の透視図である。
【図７】先行技術による充填部品の透視図である。
【図８】軸方向差込み詰め翼を利用する半径方向差込みタービンロータディスクの実施形態の１つに関する部分透視図である。
【図９】先行技術によるタービンにおける半径方向差込み翼列に関するグッドマン図である。
【図１０】本発明によって改良された図９のタービンに関するグッドマン図である。
【図１１】軸方向差込み詰め翼を利用する半径方向差込みタービンロータディスクの第２の実施形態に関する部分透視図である。
【図１２】半径方向差込み翼及び軸方向差込み接続部材を組み込んだ、軸方向差込み詰め翼の透視図である。
【図１３】詰め翼、隣接する先行翼、及び、後続翼を含む、湾曲翼面を利用する半径方向差込みロータディスクのための軸方向差込み詰め翼グループの透視図である。
【図１４】挿入軸がロータディスク面に対して垂直な、フラットな面の台座を備える詰め翼の平面図である。
【図１５】挿入軸がロータディスク面に対して横方向の、非矩形の平行四辺形台座を備える詰め翼の平面図である。
【符号の説明】
【００２３】
４２  詰め部品
４６  充填部品
５０  ターボ機械
５２  回転要素
５４  半径方向差込み翼列
５６  ロータディスク
５８  ディスク形状部材
６０  半径方向取付け形状部分
６２  半径方向差込み翼
６４  半径方向取付け形状部分
６５  台座部分
６６  詰め翼
６８  差込みスロット位置
７０  翼形部分
７２  台座部分
７６  軸方向取付け形状部分
７８  軸方向取付け形状部分
８４  詰め翼
８６  キー
８８  詰め翼根元部分
９０  脚
９２  脚
９４  詰め翼の固定装置
９６  接続部材
１００  半径方向の外側部分
１０２  根元部分
１０４  詰め翼のグループ
１０６  詰め翼
１０８  先行翼
１１０  後続翼
１１２  湾曲した根元／台座面
１１４  フラットな根元／台座面
１１６  フラットな台座面
１１８  根元部分
１２４  後縁部分
１２６  翼形
１２８  台座
１３０  詰め翼
１３２  台座
１３４  翼形
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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