(57)【要約】【課題】  ロータブレードを改修する方法及びロータブレード１０２が、提供される。【解決手段】  このロータブレードは、蒸気タービン１０用のものであり、該ロータブレードは、該ロータブレードの固有振動数を変えることを可能にするように改修され、また該ロータブレードは、前縁１０６と、後縁１０４と、第１の側壁１０８と、第２の側壁１１０とを含み、第１及び第２の側壁は、前縁及び後縁において軸方向に接合されかつロータブレード根元１１２とロータブレード先端１１４との間で半径方向に延びる。この方法は、ロータブレードの振動共振条件を求める段階と、ロータブレード根元とロータブレード先端との間に求めた共振条件を変えるブレード延長部１２８を形成する段階とを含む。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
前縁(１０６)と、後縁(１０４)と、第１の側壁(１０８)と、第２の側壁(１１０)とを含み、前記第１及び第２の側壁が、前記前縁及び後縁において軸方向に接合されかつロータブレード根元(１１２)とロータブレード先端(１１４)との間で半径方向に延びるロータブレード(１０２)の固有振動数を変えることを可能にするように、蒸気タービン(１０)用のロータブレードを改修する方法であって、
前記ロータブレードの振動共振条件を求める段階と、
前記ロータブレード根元と前記ロータブレード先端との間に前記求めた共振条件を変えるブレード延長部(１２８)を形成する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ロータブレードの振動共振条件を求める前記段階が、有限要素モデルを用いて該ロータブレードの振動共振条件を求める段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ロータブレードの振動共振条件を求める前記段階が、振動解析及び振動テストのうちの少なくとも１つを用いて該ロータブレードの振動共振条件を求める段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ブレード延長部を形成する前記段階が、前記ブレードの前縁及び前記ブレードの後縁のうちの少なくとも１つ上にロータブレード翼弦方向延長部を形成する段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ロータブレードが、ブレード中間連結点を含み、ロータブレード翼弦方向延長部を形成する前記段階が、前記ブレード中間連結点(１２６)と前記ブレード先端との間の前記ロータブレード上に該ロータブレード翼弦方向延長部を形成する段階を更に含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
ロータブレード列と隣接する固定ノズル(２２)列とから形成された少なくとも１つの段を含む蒸気タービン用のロータブレードであって、該ロータブレードが、
前縁と、後縁と、前記前縁及び後縁において軸方向に接合されかつロータブレード根元とロータブレード先端との間で半径方向に延びる第１の側壁及び第２の側壁とを含み、
第１の固有振動数を含み、
前記前縁、前記後縁、前記第１の側壁、及び前記第２の側壁のうちの少なくとも１つから突出し、該ロータブレードの固有振動数を前記第１の固有振動数から該第１の固有振動数とは異なる第２の固有振動数に変更するブレード延長部を含む、
ことを特徴とするロータブレード。
【請求項７】
該ロータブレードが、ブレード中間連結点を更に含み、前記延長部が、前記ブレード中間連結点と前記ブレード先端との間の該ブレード上に形成されていることを特徴とする、請求項６に記載のロータブレード。
【請求項８】
前記延長部が、前記ロータブレードの第１の側壁及び前記ロータブレードの第２の側壁のうちの少なくとも１つから突出していることを特徴とする、請求項６に記載のロータブレード。
【請求項９】
タービンロータシャフト(１４)の周りで円周方向に連結され、その各々が前縁と、後縁と、前記前縁及び後縁において軸方向に接合されかつロータブレード根元とロータブレード先端との間で半径方向に延びる第１の側壁及び第２の側壁とを含む複数のロータブレード列と、
隣接するロータブレード列間で延びる複数の固定ノズルと、
前記前縁、前記後縁、前記第１の側壁、及び前記第２の側壁のうちの少なくとも１つから突出し、該ロータブレードの固有振動数を第１の固有振動数から該第１の固有振動数とは異なる第２の固有振動数に変更するブレード延長部と、
を含むことを特徴とする多段蒸気タービン。
【請求項１０】
前記ロータブレードの各々が、中間ブレード連結点を更に含み、前記延長部が、前記ブレード中間連結点と前記ブレード先端との間の前記ブレード上に形成されていることを特徴とする、請求項９に記載の蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にタービンに関し、より具体的には、タービン翼配列の固有振動数応答を調整するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
バケットとしても知られている回転タービンブレードは、流動流体からのエネルギーを機械的エネルギーに変換する。これらのブレードの信頼性及び性能は、タービンの良好な運転にとって重要である。破損したブレードの冶金学的検査によれば、多くの破損は金属疲労による場合が多いことが分かる。
【０００３】
疲労破壊は、変動力が定常力と組み合わさることによって生じる可能性がある。より具体的には、タービンブレードが、隣接するブレード列間に配置された、ノズルとしても知られている固定翼の下流における不均一な流体流れの中で回転するとき、該タービンブレードは変動力を受ける可能性がある。タービンにおける基本的な設計考慮事項は、固有振動数での共振と変動力により生じる動的応力を回避するか又は最小にするのを可能にすることである。
【０００４】
回転タービンブレード、ブレード列、又はブレードが連結されたブレード付きディスク組立体の動的挙動は、機械的構造体の振動解析を用いて予測することができる。ブレード設計の一部の公知の方法では、固有振動数解析は、ブレード根元で片持ち支持された単一ビームであるとの仮定に基づいている。他の一部の公知の方法では、ブレードの群は、シュラウドによって連結されている。しかしながら、この群は、組合せ系として挙動するために、もっと多くの固有振動数及びモードが存在し、これら固有振動数及びモードは、単一ブレード式の解析を用いて予測することができない。更に、振動数の大きさ及びモードの次数は、その群のブレード数及びシュラウドの剛性によって決まる。
【０００５】
回転タービンディスク上の各ブレードは、固定翼からの非均一な流れの中で回転するとき、動的力を受ける。ブレードが非均一な流れ領域の中で回転すると、ブレードは、例えば応力、変位等のような動的応答を示すことになる。
【０００６】
その上に、タービンブレード付きディスクは、蓄積エネルギーが最大値となる振動状態を生じる可能性がある。このことは、応力又は変位が最大レベルでありかつブレード又はディスクの励振力に対する抵抗が最小であるブレード又はディスクの区域により例証される。このような状態は、共振状態として知られている。解析又は実験テストが、タービン運転の間にタービンロータが共振条件に遭遇する可能性があることを示した場合、共振に遭遇する確率を最小限にするのを可能にする手段を講じることができる。ロータにおける共振応答を変える一部の公知の方法には、パケット内のブレード数を変更すること、ノズル数を変更すること、ブレードの可撓性を変更すること、ホイールの可撓性を変更すること、シュラウドの可撓性を変更することと、及び運転速度範囲を移動させることが含まれる。しかしながら、このような方法は、タービンの設計段階での費用効果を良くすることができるだけであって、タービン構成部品の設計が決定された後では実施することができない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１つの態様では、ロータブレードの固有振動数を変えることを可能にするように蒸気タービン用のロータブレードを改修する方法が、提供される。ロータブレードは、前縁と、後縁と、第１の側壁と、第２の側壁とを含み、第１及び第２の側壁が、前縁及び後縁において軸方向に接合されかつロータブレード根元とロータブレード先端との間で半径方向に延びる。この方法は、ロータブレードの振動共振条件を求める段階と、ロータブレード根元とロータブレード先端との間に求めた共振条件を変えるブレード延長部１２８を形成する段階とを含む。
【０００８】
別の態様では、少なくとも１つの段を含む蒸気タービン用のロータブレードが、提供される。より具体的には、段は、ロータブレード列と隣接する固定ノズル列とを含み、各ロータブレードは、前縁と、後縁と、前縁及び後縁において軸方向に接合されかつロータブレード根元とロータブレード先端との間で半径方向に延びる第１の側壁及び第２の側壁とを含み、また該ロータブレードは、第１の固有振動数を含み、該ロータブレードは更に、前縁、後縁、第１の側壁、及び第２の側壁のうちの少なくとも１つから突出し、該ロータブレードの固有振動数を第１の固有振動数から該第１の固有振動数とは異なる第２の固有振動数に変更するブレード延長部を含む。
【０００９】
更に別の態様では、多段蒸気タービンが提供される。このタービンは、タービンロータシャフトの周りで円周方向に連結された複数のロータブレード列を含む。各ブレードは、前縁と、後縁と、第１の側壁と、第２の側壁とを含み、第１及び第２の側壁は、前縁及び後縁において軸方向に接合されかつロータブレード根元とロータブレード先端との間で半径方向に延びる。隣接するロータブレード列は、該隣接するロータブレード列間で円周方向に延びる固定ノズル列によって分離され、各ロータブレードは、前縁、後縁、第１の側壁、及び第２の側壁のうちの少なくとも１つから突出し、該ロータブレードの固有振動数を第１の固有振動数から該第１の固有振動数とは異なる第２の固有振動数に変更するブレード延長部を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、シャフト１４と低圧タービン（ＬＰ）１６とを備えたロータ１２を含む蒸気タービン１０の一部破断斜視図である。ＬＰタービン１６は、軸方向に間隔を置いて配置された複数のロータホイール１８を含む。複数のバケット２０が、各ロータホイール１８に機械的に連結される。より具体的には、バケット２０は、各ロータホイール１８の周りで円周方向に延びる列の形態で配置される。複数の固定ノズル２２が、シャフト１４の周りで円周方向に延び、かつ隣接するバケット２０列間の軸方向位置に配置される。ノズル２２は、バケット２０と協働してタービン段を形成し、かつタービン１０を通る蒸気流路の一部分を形成する。
【００１１】
運転中、蒸気２４は、タービン１０の入口２６に流入し、ノズル２２を通して導かれる。ノズル２２は、蒸気２４を下流方向にバケット２０に当たるように向ける。蒸気２４は、残りの段を通って流れ、ロータ１２を回転させる力をバケット２０に与える。タービン１０の少なくとも１つの端部は、ロータ１２から遠ざかるように軸方向に延びて、それに限定するのではないが、例えば発電機及び／又は別のタービンのような負荷又は機械類（図示せず）に装着されることができる。従って、大型の蒸気タービン装置は、実際には全て同じシャフト１４に同軸に連結された幾つかのタービンを含む。このような装置は、例えば、中圧タービンに連結された高圧タービンを含むことができ、該中圧タービンは、低圧タービンに連結されることができる。１つの実施形態では、蒸気タービン１０は、ニューヨーク州Schenectady所在のGeneral Electric Power Systemsから購入することができる。
【００１２】
図２は、タービン１０に用いることができるタービンバケット２０の斜視図である。バケット２０は、後縁１０４と前縁１０６とを備えたブレード部分１０２を含み、蒸気は、ほぼ前縁１０６から後縁１０４に流れる。バケット２０はまた、第１の凹面形の側壁１０８と第２の凸面形の側壁１１０とを含む。第１の側壁１０８及び第２の側壁１１０は、後縁１０４及び前縁１０６において軸方向に接合されかつロータブレード根元１１２とロータブレード先端１１４との間で半径方向に延びる。ブレード翼弦距離１１６は、ブレード１０２の半径方向長さ１１８に沿った任意の点において後縁１０４から前縁１０６まで測定した距離である。この例示的な実施形態では、半径方向長さ１１８は、およそ４０インチである。別の実施形態では、長さ１１８は、およそ４８インチである。本明細書では、半径方向長さ１１８は、別個の実施形態においておよそ４０インチ又はおよそ４８インチに等しいものとして記載しているが、半径方向長さ１１８は、用途に応じて任意の好適長さの半径方向長さ１１８とすることができることを理解されたい。根元１１２は、バケット２０をシャフト１４に沿ったロータディスク１２２に連結するために用いられるダブテール１２１と各バケット２０を通る流路の一部を定めるブレードプラットホーム１２４とを含む。この例示的な実施形態では、ダブテール１２１は、ロータディスク１２２内に形成された対をなすスロット１２５に嵌合される湾曲した軸方向挿入ダブテールである。
【００１３】
この例示的な実施形態では、第１の側壁１０８及び第２の側壁１１０は各々、ブレード根元１１２とブレード先端１１４との間に配置されかつ隣接するバケット２０を互いに連結するのに用いられるブレード中間連結点１２６を含む。１つの実施形態では、ブレード中間連結点１２６を用いて、隣接するバケット２０を連結ワイヤ（図示せず）で互いに連結し、根元１１２と先端１１４との間の中間領域におけるバケット２０の振動応答を向上させることを可能にする。
【００１４】
延長部１２８が、ブレード１０２の振動応答を変えるように該ブレード１０２の一部分上に形成される。延長部１２８は、ブレード１０２が設計され、該ブレード１０２が製作されて製品テストされた後に、該ブレード１０２上に形成されることができる。半径方向長さ１１８に沿った特定の点において、翼弦距離１１６が、ブレード１０２の形状を定める。１つの実施形態では、延長部１２８は、ブレード材料をブレード１０２に付加することによって形成されて、ブレード材料が付加された半径方向距離１１８において、翼弦距離１１６は、当初に形成されたときのブレード１０２の前縁１０６及び／又は後縁１０４を越えて延びるようになる。別の実施形態では、ブレード材料が、ブレード１０２から除去されて、ブレード材料が除去された半径方向距離１１８において、翼弦距離１１６は、当初に形成されたときのブレード１０２の前縁１０６及び／又は後縁１０４の手前までしか延びないようになる。更に別の実施形態では、延長部１２８は、ブレード１０２と一体に形成され、延長部１２８における材料が、テストによって示されたように各バケットを調整するために除去されることができる。延長部１２８は、蒸気２４が該延長部１２８を通過するとき蒸気の流れの外乱を最小限にするのを可能にするために、ブレード１０２の空気力学的形状と一致するように形成される。
【００１５】
バケット２０の設計及び製造の間、ブレード１０２の輪郭が、決定されて実施される。輪郭は、半径方向距離１１８で取られたブレード１０２の断面である。半径方向距離１１８の細区分で取られたブレード１０２の一連の輪郭が、ブレード１０２の形状を形成する。ブレード１０２の形状は、ブレード１０２の空気力学的性能の要素である。ブレード１０２が製造された後には、ブレード１０２の形状は、該ブレード１０２の形状を変更することにより望ましくない状態の振動応答を変える可能性があるという点で、比較的決定されたことになる。一部の公知の場合では、ブレード１０２は、例えば製造後テスト工程の間などのような、製造された後に該ブレード１０２の振動応答を変えるのが望ましい場合がある。ブレード１０２の所定の性能を維持するために、ブレード１０２の形状は、コンピュータ解析、又はブレード１０２の振動応答を変える質量をブレード１０２に付加する実験的検討によるような解析により決定されるような状態に改修されることができる。この解析は、ブレード１０２の振動応答の所望の変更を達成するのに必要な最適量の質量を決定する。延長部１２８を用いてブレード１０２に質量を付加するようにブレード１０２を改修することは、該ブレード１０２の固有振動数を減少させる傾向にある。延長部１２８を用いてブレード１０２から質量を除去するようにブレード１０２を改修することは、該ブレード１０２の固有振動数を増加させる傾向にある。延長部１２８はまた、該延長部１２８上を通過する蒸気２４の流れに対する該ブレード１０２の空気力学的応答が該ブレード１０２の振動応答における所望の変化を生じることになるように、該ブレード１０２の空気力学的特性を変えるように人手で巧妙に作られることができる。従って、延長部１２８を付加することは、少なくとも２つの状態、即ちブレード１０２の質量が変化すること、及びブレード１０２の翼形部形状が改修されることで、該ブレード１０２の振動応答を変えることができる。延長部１２８は、質量を付加すること及び翼形部形状を改修することの両方の態様を用いてブレード１０２の振動応答に変化を生じさせるように設計されることができる。
【００１６】
運転において、ブレード１０２は、テスト工程を受けて、製造工程の間に設計要件が満たされたことが確認させる。１つの公知のテストにより、ブレード１０２の固有振動数が示される。最新の設計及び製造技術では、輪郭がより薄いバケット２０になる傾向がある。より薄い輪郭は、ブレード１０２の固有振動数全体を低下させる傾向がある。ブレード１０２の固有振動数をタービン１０内に存在する振動力の範囲内まで低下させることにより、任意次数又は高次数のシステムモードにおける共振状態が発生する可能性があり、それらは各々が離調されることになる。ブレード１０２の固有振動数を変更するために、質量が、ブレード１０２に付加されるか又は該ブレード１０２から除去されることができる。ブレード１０２の固有振動数をタービン１０内に存在する振動力の範囲内まで低下させることを制限することを可能にするために、最小限の大きさの質量がブレード１０２に付加される。この例示的な実施形態では、延長部１２８は、ブレード１０２の前縁１０６の鍛造材料エンベロープから機械加工される。他の実施形態では、延長部１２８は、他の方法を用いてブレード１０２に結合されることができる。この例示的な実施形態では、延長部１２８は、連結点１０６とブレード先端１１４との間でブレード１０２に結合される。他の実施形態では、延長部１２８は、ブレード根元１１２とブレード先端１１４との間で前縁１０６に、又はブレード根元１１２とブレード先端１１４との間で後縁１０４に結合されることができ、或いは側壁１０８及び／又は側壁１１０に付加されることができる。
【００１７】
上述のタービンロータブレード延長部は、費用効果が良くかつ高い信頼性がある。タービンロータブレードは、該タービンロータブレードのそれぞれの前縁及び後縁において互いに接合された第１及び第２の側壁を含む。ブレードに結合されるか又はブレードの鍛造材料エンベロープから除去される延長部は、ブレードの固有振動数を変えて信頼性を高める。延長部内の材料の量は、ロータブレードの解析又はテストにより最小限にされることが可能になる。この質量付加を最小限にすることにより、ブレードの総重量が軽減され、従ってブレード及びディスク応力の両方を最小にして信頼性を高める。その結果、タービンロータブレード延長部は、費用効果が良くかつ信頼性がある方法で蒸気タービンを運転することを可能にする。
【００１８】
タービンロータブレードの例示的な実施形態を、上に詳細に説明している。タービンロータブレードは、本明細書に説明した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、タービンロータブレードの構成要素は、本明細書に説明した他の構成要素とは独立して別個に用いることができる。各タービンロータブレード構成要素はまた、他のタービンロータブレード構成要素と組み合わせて用いることもできる。
【００１９】
特許請求の範囲に示した参照符号は、本発明の技術的範囲を限定するためのものではなく、それらを容易に理解するためのものだある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】蒸気タービンの一部破断斜視図。
【図２】図１に示す蒸気タービンに用いることができるタービンバケットの斜視図。
【符号の説明】
【００２１】
２０  バケット
１０２  ブレード部分
１０４  後縁
１０６  前縁
１０８  第１の側壁
１１０  第２の側壁
１１２  ブレード根元
１１４  ブレード先端
１１６  ブレード翼弦距離
１１８  ブレードの半径方向長さ
１２１  ダブテール
１２２  ロータディスク
１２４  ブレードプラットホーム
１２５  ロータディスク内のスロット
１２６  ブレード中間連結点
１２８  ブレード延長部
【図１】
2004211705.tif 000003
【図２】
2004211705.tif 000004
【外国語明細書】
2004211705000001.pdf