(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブレード翼（２）と、
ブレード基部（３）であって、周囲スロット内に配置される菱形ハンマーヘッド基部として構成された、ブレード基部（３）と、
前記ブレード翼（２）の一端に配置されたブレード先端（３０）と、
前記ブレード基部（３）と前記ブレード翼（２）との間のシュラウド（１４）と、
を備えるタービンブレード（１）であって、
前記ブレード基部（３）及び前記ブレード翼（２）が、ブレード軸（４）に沿って前記ブレード基部（３）から前記ブレード先端（３０）まで構成され、
前記シュラウド（１４）が、正面（４０）及び前記正面（４０）に対して平行に配置された背面（４１）と、第１隣接面（４３）及び前記第１隣接面（４３）に対して平行に配置された第２隣接面（４４）と、を有する平行四辺形部（４２）を有し、
前記第１隣接面（４３）が、隣り合うタービンブレードの第２隣接面（４４）と当接するように方向づけられ、
前記ブレード翼（２）が、外形とされ、且つ前縁部（４５）及び後縁部（４６）を有し、前記前縁部（４５）が、前記正面（４０）に向いており、前記後縁部（４６）が、前記背面（４１）に向いている、タービンブレード（１）において、
前記正面（４０）が、所定のセクションにおいて曲がり部（２０）を有しており、
前記正面（４０）が、長さＬＯを有し、前記曲がり部（２０）が、ＬＫＶで始まり、
０．３ＬＯ＜ＬＫＶ＜０．７ＬＯ、０．２ＬＯ＜ＬＫＶ＜０．８ＬＯ、又は０．４５ＬＯ＜ＬＫＶ＜０．５５ＬＯであり、
前記平行四辺形部はコーナー（１６，２４）を有し、当該コーナーは鋭角の領域内に設けられており、前記曲がり部は前記コーナーの領域内に形成されており、
前記平行四辺形部（４２）は鈍角を有し、ＬＫＶは当該鈍角と前記曲がり部（２０）の開始部との間の距離を表すことを特徴とするタービンブレード（１）。
【請求項２】
前記背面（４１）が、所定のセクションにおいて曲がり部（２０）を有していることを特徴とする請求項１に記載のタービンブレード（１）。
【請求項３】
前記曲がり部（２０）が、前記ブレード軸（４）周りにあることを特徴とする請求項１又は２に記載のタービンブレード（１）。
【請求項４】
前記曲がり部（２０）が、凸状であることを特徴とする請求項１に記載のタービンブレード（１）。
【請求項５】
前記背面（４１）が、長さＬＯを有し、前記曲がり部（２０）が、ＬＫＲで始まり、
０．２ＬＯ＜ＬＫＲ＜０．８ＬＯ、０．３ＬＯ＜ＬＫＲ＜０．７ＬＯ、又は０．４５ＬＯ＜ＬＫＲ＜０．５５ＬＯであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のタービンブレード（１）。
【請求項６】
タービンブレード装置を作り出すための方法であって、
複数のタービンブレード（１）がスロット内に配置され、
前記タービンブレード（１）は菱形ハンマーヘッド基部として構成されたブレード基部（３）を有して構成され、
前記ブレード基部（３）とブレード翼（２）との間に、平行四辺形部（４２）として構成されたシュラウド（１４）が配置され、
前記シュラウド（１４）は、隣り合うタービンブレード（１）の第２隣接面（４４）と当接するための第１隣接面（４３）を有し、
前記シュラウド（１４）は、前記スロットに対向する正面（４０）を有して構成され、
前記正面（４０）は、前記正面（４０）と第１隣接面（４３）との間の鋭角の領域内で曲がり部（２０）を有して構成され、
当該曲がり部が、動作中に生じる前記ブレード基部（３）と前記スロットとの間の力が前記正面（４０）の塑性変形を引き起こさないように形成されていることを特徴とする方法。
【請求項７】
前記曲がり部が、凸状（２０ｂ）であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブレード翼及びブレード基部を有するタービンブレードであって、ブレード基部及びブレード翼が、回転軸に対して垂直に方向づけられたブレード軸に沿って形成され、回転軸及びブレード軸が、径方向面を形成し、ブレード基部が、径方向面に対して本質的に垂直である側面を有する、タービンブレードに関する。
【０００２】
本発明は、ターボ機械のスロット内のタービンブレード装置を作り出すための方法にも関する。
【背景技術】
【０００３】
包括的な用語“ターボ機械”は、水力タービン、蒸気タービン、ガスタービン、風力タービン、遠心力ポンプ及び遠心圧縮機とプロペラとを含む。これら機械の全ては、それら機械が、流体からエネルギーを抽出し、ひいては別の機械を駆動するために働く、又は逆に流体の圧力を上昇させるために流体にエネルギーを与えるために働くという特徴を共有している。
【０００４】
ターボ機械の一実施形態として、蒸気タービンは、回転することができるように取り付けられたロータと、ロータを囲むように配置されたケーシングと、を本質的に備えている。一般的に、蒸気タービンは、内側ケーシング及び外側ケーシングから形成され、外側ケーシングは、内側ケーシングを囲むように配置されている。ロータは、タービンロータブレードを備えており、これらタービンロータブレードは、周方向周りに分配され、且つ通常、スロット内で互いに隣り合って配置されている。これは、回転軸に沿って並んで配置された多数のタービンロータブレード列をもたらす。内側ケーシングは、同様に、タービンガイドブレードを備えており、これらタービンガイドブレードは、同様に周方向において互いに隣り合って配置され、これにより、タービンロータブレード列の間に配置されたタービンガイドブレード列を作り出す。動作中に、高い熱エネルギーを有する蒸気は、タービンロータブレードとタービンガイドブレードとの間を流れ、蒸気の熱エネルギーは、ロータの回転エネルギーに変換される。
【０００５】
個々の構成要素、例えばスロット内でのタービンロータブレードの取り付けは、室温で行われる。その一方で、６００℃を上回る温度が動作中に生じ、これは、このようなターボ機械の構築のための技術的要件を増大させることを引き起こす。
【０００６】
従って、タービン構成要素は、一般的に、動作中に過渡的な熱負荷にさらされ、これは、熱変化が個々のタービン構成要素の加熱又は冷却を引き起こすことを意味する。構成要素の熱容量及びサイズは、通常、異なっており、これにより、個々のタービン構成要素が温度変化に対して異なって反応するという影響を引き起こす。より小さい大きさのタービン構成要素は、より大きい大きさのタービン構成要素よりも急速に温度が上がるか又は下がる。
【０００７】
ターボ機械の構築で使用されるスチールは、０でない熱膨張計数を有し、結果として、タービン構成要素の寸法は、温度変化とともに変化する。一般的に、タービン構成要素は、温度が上昇するとサイズが増大する。結果として、過渡的温度変化の間に、異なる速度で加熱される構成要素の間で応力が生じる可能性がある。特に、異なるサイズのタービン構成要素が異なる速度で温度が上がるので、異なるサイズのタービン構成要素の間で応力が生じる。
【０００８】
これら応力は、タービン構成要素に対する相当な機械的負荷を引き起こす可能性があり、タービン構成要素を損傷する可能性さえある。
【０００９】
これは、特に過渡的動作中に、ターボ機械の構成の課題となる。再生可能エネルギーからの変動する電力供給を補償することは、蒸気タービンが負荷変化動作で動作することをますます必要にする。そのような状況を考慮して、発電所の経済的な持続性に関して、負荷の急速な変化に迅速に反応することができる蒸気タービンに焦点があてられている。
【００１０】
負荷変化勾配が大きくなり且つ始動時間が短くなればなるほど、タービン構成要素の熱負荷と、ひいては熱応力に起因する個々のタービン構成要素の損傷のリスクと、がますます大きくなる。また、温度の段階的な変化を所定の限度内に維持しなければならないことは、解決が難しい。
【００１１】
ロータ及びタービンブレードは、タービン構成要素の例である。タービンブレードは、周方向に配置されたスロット内で互いに緊密に当接している。動作中にその周囲を入力蒸気が流れるタービンブレードは、極めて急速に蒸気の温度変化を受け、これは、タービンブレードが、それらの体積に対して大きな表面積の冷却又は加熱フィンとして作用するという事実につながる。その一方で、ロータは、その体積に対して比較的小さな表面積にわたってのみ動作中に入力蒸気にさらされる。従って、ロータは、タービンブレードよりも極めてゆっくりと温度が上がる。これは、例えば、ロータブレード列がロータよりも速く熱を受け取ってロータよりも迅速に熱的に成長し、このため、ロータの熱成長がタービンブレードの成長よりも遅くなることを意味する。
【００１２】
これは、タービンブレードアンカー固定ポイントにおいて誘導された熱応力を生じさせる。ブレード列が直径方向に成長することができないので、周方向の圧縮応力も生じる。
【００１３】
タービンブレードは、ブレード翼及びブレード基部を有している。ブレード基部の所定の実施形態は、菱形の断面を有している。組み立てられた状態では、菱形のブレード基部は、互いに対して緊密に当接する。動作中に、熱勾配は、回転力がタービンブレード基部に作用するという結果を伴って、圧縮応力を生じさせる。結果として、菱形のコーナーは、シャフト内に軸方向に推進される。力は、極めて大きいので、ブレード基部又はロータのコーナーは、塑性変形される。結果として、このポイントでは、タービンブレード基部は、緊密に当接しなくなり、固定が緩んでしまう。
【００１４】
この問題を回避するために、蒸気タービンは、通常、温度変化が許容される限度内にとどまるように動作される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
従って、本発明の目的は、動作中に、より急速な温度変化を許容するタービンブレードを規定することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この目的は、
ブレード翼と、
ブレード基部であって、周囲スロット内に配置される菱形ハンマーヘッド基部として構成された、ブレード基部と、
前記ブレード翼の一端に配置されたブレード先端と、
前記ブレード基部と前記ブレード翼との間のシュラウドと、
を備えるタービンブレードであって、
前記ブレード基部及び前記ブレード翼が、ブレード軸に沿って前記ブレード基部から前記ブレード先端まで構成され、
前記シュラウドが、正面及び前記正面に対して平行に配置された背面と、第１隣接面及び前記第１隣接面に対して平行に配置された第２隣接面と、を有する平行四辺形部を有し、
前記第１隣接面が、隣り合うタービンブレードの第２隣接面と当接するように方向づけられ、
前記ブレード翼が、外形とされ、且つ前縁部及び後縁部を有し、前記前縁部が、前記正面に向いており、前記後縁部が、前記背面に向いている、タービンブレードにおいて、
前記正面が、所定のセクションにおいて曲がり部を有しており、
前記正面が、長さＬＯを有し、前記曲がり部が、ＬＫＶで始まり、
０．３ＬＯ＜ＬＫＶ＜０．７ＬＯ、０．２ＬＯ＜ＬＫＶ＜０．８ＬＯ、又は０．４５ＬＯ＜ＬＫＶ＜０．５５ＬＯであるタービンブレードによって達成される。
【００１７】
前記背面が、長さＬＯを有し、前記曲がり部が、ＬＫＲで始まり、
０．２ＬＯ＜ＬＫＲ＜０．８ＬＯ、０．３ＬＯ＜ＬＫＲ＜０．７ＬＯ、又は０．４５ＬＯ＜ＬＫＲ＜０．５５ＬＯであってもよい。
【００１８】
目的は、請求項８に記載のタービンブレード装置を作り出すための方法によっても達成される。
【００１９】
有利な発展は、従属請求項において規定されている。
【００２０】
従って、本発明は、熱過渡状態に対する予期された反応が起こる場合に塑性変形する傾向を最小化させるために、ブレード基部の幾何学的形状を局所的に変更することを提案する。側面における曲がり部の効果は、動作中に生じるタービンブレードのねじれが増大する場合に、力の伝達が減少され、その結果、生じる応力が制限されて永久的な塑性変形が抑制されることにある。このことは、これがブレードの固定の緩みを引き起こすことなく、より大きな温度差又は温度勾配を想定することを可能にする。これは、塑性変形がないこと、そしてブレードの固定の緩みがないことをもたらすので、特に蒸気タービンの始動時に有利である。これは、より柔軟な動作を達成し、この動作は、より短い始動時間及びより迅速な負荷変化などにつながる。
【００２１】
１つの有利な改良では、曲がり部は、凸状の曲がり部によって特徴付けられる。これは、伝達される力の最適な分配を許容する。
【００２２】
曲がり部は、有利には、側面にあり、途中のポイントで始まっている。これは、伝達される力が側面の縁部でより大きいことが予期されるからである。有利には、曲がり部は、動作中に弾性変形のみが起こるように構成される。有利なことに、これは、塑性変形が起こることを防止する。
【００２３】
本発明は、例示的な実施形態を参照してこれからより詳細に説明されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】２つのタービンブレードの斜視図を示す。
【図２】単一のタービンブレードの斜視図を示す。
【図３】設置された状態での、並んで配置された多数のタービンブレードの平面図を示す。
【図４】設置された状態でのシュラウドの図を示す。
【図５】熱膨張が生じた場合のシュラウドの図を示す。
【図６】熱膨張及び伝達される力が生じた場合のシュラウドの図を示す。
【図７】図６からの細部の拡大図を示す。
【図８】タービンブレード基部の拡大図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、タービンブレード１を示している。タービンブレード１は、タービンガイドブレード又はタービンロータブレードである。タービンブレード１は、ブレード軸４に沿って配置されたブレード翼２及びブレード基部３を有している。ブレード軸４は、タービンブレード１の長手方向の広がりに本質的に対応している。ブレード翼２は、外形とされ、ターボ機械、特に蒸気タービン内に取り付けられるよう意図されている。タービンブレード１は、より詳細には示されないスロット内に挿入される。ターボ機械、例えば蒸気タービンは、回転軸５周りに回転できるように取り付けられたロータと、ロータを囲むように配置されたケーシングと、を有している。このスロットは、表面（図示せず）上でロータに配置され、ロータは、回転軸５周りで作り出される。従って、ロータは、回転軸５周りで回転方向６に回転する。これに関連して、ブレード軸４は、回転軸５に対して垂直である。回転軸５及びブレード軸４は、径方向面７を形成する。ブレード基部３は、径方向面７に対して本質的に垂直であり且つ回転軸５と交差する側面８を有している。図１は、回転軸５、ブレード軸４及び側面８の向きを示す系９を示している。ブレード軸４は、回転軸５に対して垂直に方向づけられている。ブレード軸４及び回転軸５は、径方向面７を形成する。側面８は、径方向面７に対して垂直に配置されている。タービンブレード１の斜視図では、周方向１０は、部分的に示され、より詳細には示されないロータの表面と、より詳細には示されないスロットの表面と、に本質的に対応している。ブレード基部３は、正面１１と、図１の斜視図では示されない背面１２と、を有している。凹所１３が、側面８に配置されている。
【００２６】
設置された状態では、タービンブレード１は、周方向１９に沿って、回転軸５周りの円形経路に配置されている。従って、円形経路は、回転軸５に対して回転対称である。
【００２７】
タービンブレード１は、ブレード基部３とブレード翼２との間にシュラウド１４を有している。シュラウド１４は、正面４０及び正面４０に対して平行に配置された背面４１と、第１隣接面４３及び第１隣接面４３に対して平行に配置された第２隣接面４４と、を有する平行四辺形部４２を有している。
【００２８】
図２は、タービンブレード１の代替的な一実施形態を示している。図１のタービンブレード１との差異は、ブレード基部３が、ロータにおける対応する相補的モミの木状スロット内に配置されるモミの木形状１３を有していることである。
【００２９】
図３は、周方向１０において互いに並んで緊密に当接するタービンブレード１を備えるブレード装置の平面図を示している。ブレード基部３は、菱形又は平行四辺形の形態のシュラウド１４を有している。ブレード翼２は、シュラウド１４上に配置されている。これは、シュラウド１４の正面１１がシュラウド１４の背面１２と当接することを意味する。従って、正面１１及び背面１２は接触することができる。これは、周方向１０において完全なタービンブレード列を作り出す。分かりやすくするために、３つのタービンブレード１のみが示されている。ブレード基部３は、周方向１０で見ると幅１５を有している。（より詳細には示されない）ロータは、同様に幅１５を有するスロットを備えている。従って、設置された状態では、側面８は、スロットの対応するスロット面と当接する。
【００３０】
これは図４に示してあり、図４では、ブレード基部３の３つのシュラウド１４のみが示されている。ブレード翼２は、示されていない。図４は、所定温度、例えば室温で設置された状態を表している。シュラウド１４の幅及びスロットの幅に対応する幅１５は、本質的に等しいことが分かる。
【００３１】
所定の動作条件下、例えば過渡的動作中には、シュラウド１４又はブレード基部３は、ロータのスロットよりも速く温度が上がる。この理論的状態は、図５に示されており、図５では、過渡的動作ではロータの大きな質量に起因してより小さい熱膨張が起こるので、スロットがすでに述べたように幅１５を有することが分かる。その一方で、ブレード基部３のシュラウド１４は、小さい質量に起因して、幅１５ａまでより大きく膨張する。熱膨張した幅１５ａが幅１５よりも大きいことは明らかである。周方向１０におけるシュラウド１４の熱膨張が、オーバーラップが理論的には可能であるように起こることも明らかである。これは、図６に示すように、シュラウド１４の回転を生じさせる応力状態を引き起こす。図６は、シュラウド１４がブレード基部３とともに反時計回りに若干回転する実際の状態を示している。この結果として、コーナー１６において側面８がスロットの壁部に対して押し付けられる。この状態は、細部が円１７によって強調された図６に示されている。この状態は、シュラウド１４のコーナー１６での側面８の塑性変形を引き起こす可能性がある。
【００３２】
図７は、再びこの状況を強調している。線１８は、スロット壁部を表しており、円１７で示された細部は、図７の右側で拡大して示されている。ブレード基部３のコーナー１６は、側面８が、所定のセクションにおいてブレード軸４に対する周囲法線１９に沿って曲がり部２０を有するように形成されている。この曲がり部２０は、ほぼ側面８の中間点２１において始まり、且つ第１実施形態では真っ直ぐである。側面８は、中間点２１まで１つの平面内で平面的であり、中間点２１から屈折点を呈し、これが、曲がり部２０を生じさせる。
【００３３】
曲がり部２０は、中間点２１で始まり、且つ正面１１と一致する側縁部２２につながる。これに関連して、曲がり部２０は、動作中にシュラウド１４の弾性変形のみが起こるように構成されている。特に、曲がり部２０は、塑性変形が生じないように構成されている。曲がり部２０は、側縁部２２まで延びている。側縁部８及び正面１１は、コーナー２３を形成している。コーナー２３の角度は、９０°よりも小さい（従ってコーナー２３は鋭角である）。コーナー２３の正反対には、背面１２と側面８との間にコーナー２４が形成されている。また、コーナー２４は、中間点２１から進んで、側縁部２２へ曲がり部２０を有する。ブレード基部３は、ブレード軸４の方向で菱面体である。側面８は、本質的に途中又は中間点２１まで周囲法線１９に対して平面的である。
【００３４】
タービンブレード１は、ターボ機械、特に蒸気タービンのロータのスロット内に設置されるように構成され、スロットがスロット面を有し、設置された状態では、側面は、スロット面の側面と当接する。
【００３５】
図８は、タービンブレード基部の拡大図を平面図で示している。図８は、曲がり部２０が一直線２０ａの形態をとる第１実施形態に加えて、湾曲した凸状曲がり部２０ｂを示している。
【００３６】
図１から図８は、ブレード翼２及びブレード基部３を有するタービンブレード１であって、タービンブレード１が、ターボ機械、特に蒸気タービンに設置されるように構成され、ターボ機械が、回転軸５周りに回転することができるロータを有し、ブレード翼２が、ブレード先端３０を有し、ブレード基部３及びブレード翼２が、回転軸５に対して垂直に方向づけられたブレード軸４に沿って形成され、回転軸５及びブレード軸４が、径方向面７を形成し、ブレード基部３が、径方向面７に対して本質的に垂直に形成され且つ回転軸５と交差する側面８を有し、側面８が、所定のセクションにおいて、ブレード軸４に対する周囲法線１９に沿って曲がり部２０を有し、設置された状態では、多数のタービンブレード１が、周方向１９に沿って回転軸５周りの円形経路に配置される、タービンブレード１を示している。
【００３７】
また、図は、曲がり部２０が、凸状であることを示している。
【００３８】
さらに、ブレード基部３の側面８は、側縁部２２によって境界を定められており、凸状の曲がり部２０ｂは、側縁部２２に延びている。
【００３９】
さらに、凸状の曲がり部２０ｂは、側縁部２２の正反対側に配置されている。
【００４０】
さらに、ブレード基部３は、ブレード軸４の方向で見ると菱面体である。
【００４１】
さらに、側面８は、本質的に途中まで周囲法線１９に対して平面的であり、曲がり部２０は、途中から配置されている。
【００４２】
さらに、タービンブレード１は、ターボ機械のロータのスロット内に設置されるように構成され、スロットがスロット面を有し、設置された状態では、側面８は、スロット面と当接し、ターボ機械の動作中に、ブレード基部３は、側面８を介してスロット面に力をかけ、曲がり部２０は、弾性変形が生じるように構成されている。
【００４３】
さらに、図は、ターボ機械のスロット内のタービンブレード装置を作り出すための方法であって、タービンブレード基部３が、動作中に、タービンブレード基部３とスロットとの間で生じる力が塑性変形を引き起こさないように形成されている、方法を示している。
【符号の説明】
【００４４】
１  タービンブレード、２  ブレード翼、３  ブレード基部、４  ブレード軸、１４  シュラウド、２０  曲がり部、３０  ブレード先端、４０  正面、４１  背面、４２  平行四辺形部、４３  第１隣接面、４４  第２隣接面、４５  前縁部、４６  後縁部
【図１】
0006424233.tif 000002
【図２】
0006424233.tif 000003
【図３】
0006424233.tif 000004
【図４−６】
0006424233.tif 000005
【図７】
0006424233.tif 000006
【図８】
0006424233.tif 000007