(57)【要約】【課題】  本発明は、カッタ歯（５４）が端部間のほぼ中央に位置した第２段バケット用のシュラウドを提供する。【解決手段】  タービンバケット（２４）は、先端シュラウドシール（４６）により支持された、固定シュラウド内の溝を広げるためのカッタ歯（５４）を含み、カッタ歯が、Ｘ、Ｙ及びＺ軸を基準にして位置決めされた中心点を有し、ここで、Ｘ軸は軸方向に排気流れ方向に延び、Ｙ軸はタービンバケットの回転方向に延び、またＺ軸はＸ及びＹ軸の交点を通り半径方向に延びており、該中心点が、Ｙ軸に沿ってＸ＝０の位置から約１／２インチの位置にあり、またＺ軸が、バケットのシャンク（３８）に対して垂直な方向に測定したとき、挿入ダブテール（４０）に沿って延びたシールピンの外側端縁から０．５１７インチの位置にある。【選択図】      図２
2005106053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端シュラウド（４４）、シャンク（３８）及び挿入ダブテール（４０）を有する翼形部（４２）と、
前記先端シュラウド（４４）から半径方向外向きに突出し、かつ該先端シュラウドの端部端縁間でタービン軸線の周りでの前記翼形部の回転方向に連続して延びた先端シュラウドシール（４６）と、
前記先端シュラウドシール（４６）により支持された、対向する固定シュラウド内の溝（５２）を広げるためのカッタ歯（５４）と、を含み、
前記カッタ歯（５４）が、Ｘ、Ｙ及びＺ軸を基準にして位置決めされた中心点（６３）を有し、ここで、Ｘ軸は軸方向に排気流れ方向に延び、Ｙ軸はタービンバケットの回転方向に延び、またＺ軸はＸ及びＹ軸の交点を通り半径方向に延びており、
前記中心点が、Ｙ軸に沿ってＸ＝０の位置から約１２．７mm（１／２インチ）の位置にあり、またＺ軸が、前記バケットのシャンクに対して垂直な方向に測定したとき、前記挿入ダブテールに沿って延びたシールピン（７２）の外側端縁から１３．１３１８mm（０．５１７インチ）の位置にある、
タービンバケット（２４）。
【請求項２】
前記中心点（６３）が、Ｙ軸に沿って１４．９３５２mm（０．５８８インチ）の位置にある、請求項１記載のタービンバケット。
【請求項３】
Ｚ軸が、Ｘ軸に沿って測定したとき、前記タービンバケット挿入ダブテールの前部タング（６８）の前側端縁から４７．３９６４mm（１．８６６インチ）の位置にある、請求項１記載のタービンバケット。
【請求項４】
Ｚ軸＝０の位置が、該タービンバケットがその上に取付けられるようになったロータの縦方向回転軸線から６１２．１４mm（２４．１インチ）の距離に確定され、前記先端シュラウドシール（４６）の半径方向最外側端縁が、前記Ｚ軸＝０の位置から２８６．３８５mm（１１．２７５インチ）の位置にある、請求項２記載のタービンバケット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、翼形部先端シュラウドを有するタービンバケットに関し、具体的には、シュラウドの対向する端部間で延びた先端シールを有し、該先端シールに沿って設置されカッタ歯がバケットの回転方向においてシュラウドの対向する端部間のほぼ中央に位置した第２段バケット用のシュラウドに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの場合、タービンバケットの翼形部は、先端シュラウドを備えている。シュラウドは、振動応力のために高サイクル疲労で翼形部が破損するのを防止する。先端シュラウドシールは、一般的にシュラウドの最外側面から半径方向外向きに突出し、かつシュラウドの対向する端部間で円周方向にタービンロータの回転方向に延びる。先端シュラウドシールは、通常、回転する先端シュラウドと対向する固定シュラウドに形成された溝内に半径方向に延びる。一部の設計では、固定シュラウドは、ハニカム経路を有する。先端シュラウドと固定シュラウドとの間に結果的に翼形部を不安定にするゼロ公差シールを設けるのではなくて、先端シュラウドシールを越える漏洩路を設けるのがこのような不安定性を排除することになり望ましいことが判明した。一般的に、先端シュラウドシールの幅よりも広い溝を固定シュラウドのハニカム経路内に切削するように、先端シュラウドシールの前縁にはカッタ歯が設けられる。これによって、溝内部における先端シュラウドシールの両側の高圧及び低圧領域間の漏洩流が可能になる。このことは、翼形部両側での望ましくない圧力降下の減少をもたらしてシール能力を低下させることになるが、効率の損失は、翼形部の安定性が向上することによって相殺される。
【０００３】
しかしながら、歯の質量が、翼形部の質量中心と同じ半径方向線に位置していないので、この非対称的な設計は、特に高温時にバケット上のシュラウド下方のフィレット（すなわち、翼形部と先端シュラウドとの間の領域）内の応力を増大させることになることが明らかになってきた。高温時におけるこの応力の増大は、高いクリープ率を招き、例えば割れ又は裂けの発生により、ついにはシュラウドの破損を生じるおそれがある。ただ一つのバケットが破損するだけで必然的にタービンをオフラインにする原因になることが分かるであろう。その結果、先端シュラウドと翼形部との間のフィレット領域における応力の増大によるシュラウド破損により、時間と費用の掛かる修理が必要となり、その修理にはタービンをオフラインにすることに加えて修理を行うための労力と交換部品を必要とする。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の例示的な実施形態によると、翼形部先端シュラウド上のカッタ歯が、シュラウドのほぼ中央部に、バケットの翼形部分の形状を定めるのに用いられるＸ、Ｙ及びＺ軸を基準にして設置される。さらに、翼形部分は、２００３年６月１３日に出願した米国特許出願第 １０／７０１５３４号に従って定められる。
【０００５】
より具体的には、バケット翼形部輪郭は、必要な効率及び負荷要件を達成しそれによってタービン性能の向上が得られるような固有の点の軌跡により定められる。これらの固有の点の軌跡は、基準翼形部輪郭を定めるものであり、上で示した係属中の出願において記載するようなＸ、Ｙ及びＺデカルト座標によって特定される。正のＸ、Ｙ及びＺの方向は、それぞれタービンの排出端部に向かう軸方向、ロータホイールの回転方向の接線方向及びバケット先端に向かう半径方向外向き方向である。
【０００６】
Ｚ軸の位置は、バケットシャンク部分の一部の表面を基準点として用いてＸ及びＹ軸に対して決定される。この例示的な実施形態では、Ｚ軸は、Ｘ軸に沿って前部バケットタングの前端縁から１．８６６インチでかつバケットのシャンクに対して垂直な方向に測定したとき、前記挿入ダブテールに沿って延びたシールピンの外側端縁から０．５１７インチの位置にある。Ｚ軸は、半径方向外向きに延びて先端シュラウドを通過し、そしてカッタ歯の中心がＸ＝０の位置でＹ軸に沿って０．５８８インチの位置にあるべきであると判断された。
【０００７】
上述のようにカッタ歯を位置させることによって、先端シュラウドフィレット内で応力が最小となる。この位置は、先端シュラウドの重心とほぼ一致しているが、このことは必ずしも必要条件ではない。この応力が減少することにより、多くの場合部品の寿命制限位置となるフィレットのクリープ寿命が延びる。
【０００８】
従って、１つの態様では、本発明はタービンバケットに関し、本タービンバケットは、先端シュラウド、シャンク及び挿入ダブテールを有する翼形部と、先端シュラウドから半径方向外向きに突出し、かつ先端シュラウドの端部端縁間でタービン軸線の周りでの翼形部の回転方向に連続して延びた先端シュラウドシールと、先端シュラウドシールにより支持された、対向する固定シュラウド内の溝を広げるためのカッタ歯とを含み、カッタ歯が、Ｘ、Ｙ及びＺ軸を基準にして位置決めされた中心点を有し、ここで、Ｘ軸は軸方向に排気流れ方向に延び、Ｙ軸はタービンバケットの回転方向に延び、またＺ軸はＸ及びＹ軸の交点を通り半径方向に延びており、該中心点が、Ｙ軸に沿ってＸ＝０の位置から約１／２インチの位置にあり、またＺ軸が、バケットのシャンクに対して垂直な方向に測定したとき、挿入ダブテールに沿って延びたシールピンの外側端縁から０．５１７インチの位置にある。
【０００９】
別の態様では、本発明はタービンバケットに関し、本タービンバケットは、先端シュラウド、シャンク及び挿入ダブテールを有する翼形部と、先端シュラウドから半径方向外向きに突出した先端シュラウドシールと、先端シュラウドにより支持された、半径方向に対向する固定シュラウド内の溝を切削するためのカッタ歯とを含み、カッタ歯が、Ｘ、Ｙ及びＺ軸を基準にして位置決めされた中心点を有し、ここで、Ｘ軸は軸方向に排気流れ方向に延び、Ｙ軸はタービンバケットの回転方向に延び、またＺ軸はＸ及びＹ軸の交点を通り半径方向に延びており、該中心点が、Ｙ軸に沿って約１／２インチの位置にあり、またＺ軸が、Ｘ軸に沿って測定したとき、タービンバケット挿入ダブテールの前部タングの前側端縁から１．８６６インチの位置にある。
【００１０】
別の態様では、本発明はタービンバケットに関し、本タービンバケットは、先端シュラウド、シャンク及び挿入ダブテールを有する翼形部と、先端シュラウドから半径方向外向きに突出し、かつ先端シュラウドの端部端縁間でタービン軸線の周りでの翼形部の回転方向に連続して延びた先端シュラウドシールと、先端シュラウドにより支持された、対向する固定シュラウド内の溝を広げるためのカッタ歯とを含み、カッタ歯が、Ｘ、Ｙ及びＺ軸を基準にして位置決めされた中心点を有し、ここで、Ｘ軸は軸方向に排気流れ方向に延び、Ｙ軸はタービンバケットの回転方向に延び、またＺ軸はＸ及びＹ軸の交点を通り半径方向に延びており、該中心点が、Ｙ軸に沿って０．５８８インチの位置にあり、またＺ軸が、Ｘ軸に沿って測定したとき、タービンバケット挿入ダブテールの前部タングの前側端縁から１．８６６インチでかつバケットのシャンクに対して垂直な方向に測定したとき、挿入ダブテールに沿って延びたシールピンの外側端縁から０．５１７インチの位置にある。
【００１１】
更に別の態様では、本発明は、複数のバケットを支持するガスタービンロータ用の第２段タービンホイールに関し、各バケットは、先端シュラウド、シャンク及び挿入ダブテールを有する翼形部と、先端シュラウドから半径方向外向きに突出し、かつ先端シュラウドの端部端縁間でロータの縦方向回転軸線の周りでの翼形部の回転方向に連続して延びた先端シュラウドシールと、先端シュラウドシールにより支持された、対向する固定シュラウド内の溝を広げるためのカッタ歯とを含み、カッタ歯が、Ｘ、Ｙ及びＺ軸を基準にして位置決めされた中心点を有し、ここで、Ｘ軸は軸方向に排気流れ方向に延び、Ｙ軸はタービンバケットの回転方向に延び、またＺ軸はＸ及びＹ軸の交点を通り半径方向に延びており、該中心点が、Ｙ軸に沿ってＸ＝０の位置から約１／２インチの位置にあり、またＺ軸が、バケットのシャンクに対して垂直な方向に測定したとき、挿入ダブテールに沿って延びたシールピンの外側端縁から０．５１７インチの位置にある。
【００１２】
更に別の態様では、本発明は、複数のバケットを支持するガスタービンロータ用の第２段タービンホイールに関し、各バケットは、先端シュラウド、シャンク及び挿入ダブテールを有する翼形部と、先端シュラウドから半径方向外向きに突出し、かつ先端シュラウドの端部端縁間でロータの縦方向回転軸線の周りでの翼形部の回転方向に連続して延びた先端シュラウドシールと、先端シュラウドシールにより支持された、対向する固定シュラウド内の溝を広げるためのカッタ歯とを含み、カッタ歯が、Ｘ、Ｙ及びＺ軸を基準にして位置決めされた中心点を有し、ここで、Ｘ軸は軸方向に排気流れ方向に延び、Ｙ軸はタービンバケットの回転方向に延び、またＺ軸はＸ及びＹ軸の交点を通り半径方向に延びており、該中心点が、Ｙ軸に沿ってＸ＝０の位置から約１／２インチの位置にあり、またＺ軸が、バケットのシャンクに対して垂直な方向に測定したとき、挿入ダブテールに沿って延びたシールピンの外側端縁から０．５１７インチの位置にある。
【００１３】
ここで、後で特定する図面に関して本発明を詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
ここで図面、特に図１を参照すると、３段ガスタービン１２の、全体を符号１０で表した高温ガス流路が示されている。第１段は、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズル１４及びバケット１６を含む。ノズルは、互いに円周方向に間隔を置いて配置され、ロータの縦方向中心軸線の周りに固定される。第１段バケット１６は、ロータホイール２０を介してタービンロータ１８に取付けられる。タービン１２の第２段は、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズル２２と、ロータホイール２６を介してこれもまたロータ１８に取付けられた複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケット２４とを含む。第３段は、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズル２８と、ロータホイール３２を介してロータ１８に取付けられたバケット３０とを含む。ノズル及びバケットは、タービンの高温ガス流路１０内に直接位置しており、高温ガス流路１０を通る高温ガスの流れの方向が、矢印３４で示されていることが分かるであろう。
【００１５】
本発明は、特にタービンの第２段のバケット２４に関係する。図２及び図３も参照すると、各バケット２４には、プラットホーム３６と、シャンク３８と、ロータホイール２６上の相補形状の嵌合ダブテール（図示せず）と連結するためのほぼ軸方向又はそれに近い方向の挿入ダブテール４０とが設けられる。しかしながら、軸方向挿入ダブテールには、本発明の翼形部輪郭を設けることができる。各バケット２４もまたその半径方向外側先端に先端シュラウド４４を備えた翼形部又は翼形部分４２を有することも分かるであろう。先端シュラウド４４には、円周方向、すなわちバケットの回転方向に先端シュラウドの対向する端部間で延びた細長い半径方向に突出する先端シュラウドシール４６が形成される。隣接するシュラウドは互いに結合されないことが分かるであろう。もっと適切に言えば、隣接するシュラウドは、図６で最も良く分かるように、それらの整合した端部構成５０において互いに突き合わされている。また、図６には、翼形部４２及び該翼形部がその一部を構成するバケットの回転方向を矢印４８で示している。
【００１６】
回転するバケット上の先端シュラウドシール４６は、隣接する固定シュラウド（図１）に形成した固定溝５２内でシール作用を行うようになっている。一般的に、固定シュラウドは、先端シール４６のための経路が形成された溝５２の内部にハニカム構造体（図示せず）を含む。その結果、先端シュラウドシール４６は、使用中にバケットの翼形部分４２の両側に圧力差を発生させる。
【００１７】
再び図２及び図３を参照すると、先端シュラウドシール４６及び先端シュラウド４４の全体としての構成は、従来技術のものと同様に形成される。しかしながら、本発明の例示的な実施形態によると、カッタ歯５４が、先端シュラウドシールに沿って先端シュラウドの対向する端部５６、５８のほぼ中間に、好ましくは円周方向及び軸方向の両方向における先端シュラウドのほぼ中央に位置する。図示したように、カッタ歯５４は、半径方向に翼形部分４２の中央部分の上に位置している。
【００１８】
より具体的には、２つの円周方向に（すなわち、回転方向に）オフセットしたセクション６２、６４で形成されたカッタ歯５４の中心点６３は、Ｘ及びＹ軸に対して位置決めされる。図２及び図３において、Ｘ軸は高温排気ガスのタービン排気口に向かう流れ方向を表し、かつロータ軸線に対してほぼ平行であることに注目されたい。Ｙ軸は、バケット２４、従ってロータホイール２６の回転方向を表す。Ｘ−Ｙ平面に対して垂直に延びる半径方向Ｚ軸の位置は、バケットのシャンク３８内の所定の基準面に対して決定される。特に図４及び図５を参照すると、Ｚ軸は、Ｘ軸に沿って前部バケットタング６８の前側端縁６６から１．８６６インチで、かつバケットのシャンクに垂直な方向に測定したとき、前記挿入ダブテールに沿って延びたシールピン７２の外側端縁から０．５１７インチの位置にある。それぞれのピン７２、７３の外側端縁間の距離は、０．２２４インチのピン直径の場合に１．１５３インチであることに注目されたい。バケットのシャンク部分は、Ｚ軸の周りで時計方向に１５．５°ほど回転していることにも注目すべきである。従って、図４に示すようにＺ軸の位置を定める寸法は、測定のための真の基準方向を示す図８を参考にすれば一層良く理解される。従って、Ｚ軸の位置は、座標Ｘ＝０、Ｙ＝０も定める。Ｚ軸上のＺ＝０の点（図４）は、バケットがホイール上に取付けられたときロータ中心線から２４．１インチの位置にある。
【００１９】
再び図６に移ると、カッタ歯セクション６４の上流側（回転方向に対して）端縁６０は、Ｙ軸に沿って、すなわち翼形部の回転方向にＺ−Ｘ平面から測定して、０．５５０±０．２５インチの位置にある。
【００２０】
各歯セクション６２、６４のその半径方向外側先端における幅は、約０．２５インチに許容機械公差をプラスマイナスした、すなわち約０．２５インチ±０．１６０インチである。歯セクション６２の上流側端縁は、Ｙ軸に沿ってまたバケットの回転方向にほぼ０．３７６インチ±０．１６０インチのところに在る。従って、歯自体の中心６３は、Ｘ＝０の位置でＹ軸に沿って０．５８８インチの位置にある。
【００２１】
図７は、Ｚ軸と関連させた先端シュラウド４４の一部のさらに詳細を示す。この例示的な実施形態では、先端シュラウドシール４６の半径方向最外側先端は、Ｙ＝０、Ｘ＝０座標から１１．２７５インチの位置にある。バケットの前縁側において、先端シール４６の前側端縁は、Ｙ−Ｚ平面から０．８８インチの位置にあり、シール４６のその半径方向先端における幅寸法は、０．１７５インチである。先端シール４６の側面は、両方とも半径方向外向き方向に５．３°だけ内向きにテーパが付けられている。
【００２２】
本明細書に記載したように歯５４の中心を位置決めすることによって、図７に符号７６、７８で示した先端シュラウド下方のフィレットにおける応力が、減少し、部品寿命が増大する。カッタ歯の最適位置を決定するのに用いる解析は、第2段バケット及び先端シュラウドの幾何学的形状並びに先端シュラウド内の冷却孔の位置に基づいている。従って、カッタ歯の正確な位置は、他のバケット−シュラウド構成に対しては変化することになる。
【００２３】
現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の好ましい実施形態による第２段バケット翼形部を示す、ガスタービンの多段を通る高温ガス流路の概略図。
【図２】本発明の例示的な実施形態による第２段バケットの斜視図。
【図３】図２に示すバケットと同様であるが反時計方向に９０°回転させたバケットの斜視図。
【図４】図１に示すバケットの側面図。
【図５】図１に示すようなバケットの部分拡大正面図。
【図６】図１及び図２に示すバケットの上面図。
【図７】図６のほぼ線７−７に沿ってカッタ歯を切断したバケットの断面図。
【図８】バケットシャンクの、Ｘ、Ｙ及びＺ軸に対する回転を示す、図５のほぼ線８−８に沿って取った概略平面図。
【符号の説明】
【００２５】
２４  タービンバケット
３６  プラットホーム
３８  シャンク
４０  軸方向挿入ダブテール
４２  翼形部分
４４  先端シュラウド
４６  先端シュラウドシール
５４  カッタ歯
６６  前部バケットタングの前側端縁
６８  前部バケットタング
【図１】
2005106053.tif 000003
【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】
2005106053.tif 000009
【図８】
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