(57)【要約】【課題】  翼形部で支持された先端シュラウドの前縁及び後縁輪郭を提供する。【解決手段】  タービンバケット（２４）は、先端シュラウド（４０）を有するバケット翼形部（３６）を含み、該先端シュラウド（４０）は前縁及び後縁（４６、４８）を有し、該前縁及び後縁は、表Ｉに記載したそれぞれ点１２〜点２０及び点１〜点１１におけるＸ及びＹのデカルト座標値に従って前縁及び後縁輪郭を定められる。Ｘ及びＹ値は、点１２〜点２０及び点１〜点１１が滑らかな連続円弧によって接続されると、先端シュラウドの前縁及び後縁輪郭を形成するインチで表した距離である。９５％スパンにおける翼形部輪郭は、表Ｉの原点とＺ軸に沿った同一のＸ、Ｙ原点を有する表IIに記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値によって定められる。先端シュラウドの翼形部輪郭に対して輪郭付けされた前縁及び後縁は、クリープ寿命を最大にする最適の先端シュラウド質量分布をもたらす。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端シュラウド（４０）を有するバケット翼形部（３６）を含むタービンバケット（２４）であって、
前記先端シュラウドが、前縁及び後縁（４６、４８）を有し、
前記前縁（４６）が、表Ｉに記載した点１２〜点２０におけるデカルト座標系のＸ及びＹの値に実質的に従った輪郭を有しており、前記表Ｉにおいて、Ｘ及びＹは、滑らかな連続円弧によって接続されると、先端シュラウド前縁輪郭を形成するインチで表した距離である、
タービンバケット。
【請求項２】
前記バケット翼形部（３６）が、表IIに記載したＸ、Ｙ及びＺ座標値に従った９５％スパンにおける輪郭を有し、前記表IIのＸ、Ｙ及びＺ座標値は、インチで表されておりかつ前記表ＩのＸ、Ｙ座標値の原点とデカルト座標系のＺ軸に沿った同一の原点を有する、請求項１記載のタービンバケット。
【請求項３】
前記前縁輪郭が、前記先端シュラウドの厚さ全体を通して一定である、請求項１記載のタービンバケット。
【請求項４】
前記前縁輪郭が、該前縁輪郭に沿った任意の位置に対して垂直な方向に±０．０８０インチの範囲にあるエンベロープ内に在る、請求項１記載のタービンバケット。
【請求項５】
表Ｉに記載したＸ及びＹ値が、拡大又は縮小された前縁輪郭を得るために、同一数値の関数として拡大縮小可能である、請求項１記載のタービンバケット。
【請求項６】
先端シュラウド（４０）を有するバケット翼形部（３６）を含むタービンバケット（２４）であって、
前記先端シュラウドが、前縁及び後縁（４６、４８）を有し、
前記後縁（４８）の輪郭が、表Ｉに記載した点１〜点１１におけるデカルト座標系のＸ及びＹの値に実質的に従って定められており、前記表Ｉにおいて、Ｘ及びＹ値は、前記点が滑らかな連続円弧によって接続されると、前記先端シュラウドの後縁輪郭を形成するインチで表した距離である、
タービンバケット。
【請求項７】
前記バケット翼形部（３６）が、表IIに記載したＸ、Ｙ及びＺ座標値に従った９５％スパンにおける輪郭を有し、前記表IIのＸ、Ｙ及びＺ座標値は、インチで表されておりかつ前記表ＩのＸ、Ｙ座標値の原点とデカルト座標系のＺ軸に沿った同一のＸ、Ｙ原点を有する、請求項６記載のタービンバケット。
【請求項８】
前記後縁輪郭が、前記先端シュラウドの厚さ全体を通して一定である、請求項６記載のタービンバケット。
【請求項９】
前記後縁輪郭が、該後縁輪郭に沿った任意の位置に対して垂直な方向に±０．０８０インチの範囲にあるエンベロープ内に在る、請求項６記載のタービンバケット。
【請求項１０】
表Ｉに記載したＸ及びＹ値が、拡大又は縮小された後縁輪郭を得るために、同一数値の関数として拡大縮小可能である、請求項６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、翼形部及び該翼形部によって支持された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、タービンバケットの翼形部によって支持された先端シュラウドの前縁及び後縁輪郭に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン用バケットは一般的に、翼形部、プラットホーム、シャンク及びダブテールを含む。ダブテールは、タービンホイール内の相補形スロット内に固定される。多くの場合、翼形部は、一体形成した先端シュラウドを含む。もちろん、翼形部及び先端シュラウドを含むバケットは、作動中にエンジン中心線の周りで回転可能であり、また翼形部及び先端シュラウドは、高温ガス流路内に設置される。先端シュラウドは翼形部の先端に取付けられるので、先端シュラウドと翼形部先端との間の先端シュラウドフィレット領域内に大きな応力が発生する。具体的には、翼形部に対する先端シュラウドの質量アンバランスのために、翼形部の先端シュラウドとの接合部において該翼形部の正圧及び負圧側面間に大きなフィレット応力差が発生する。この質量アンバランスが、バケットのクリープ寿命にマイナスの影響を及ぼす。つまり、従来のバケットにおける先端シュラウド質量分布では、先端シュラウドフィレットに大きな荷重がかかり、クリープ寿命が低下していた。さらに、一部の従来の先端シュラウドは、翼形部スロートを覆っておらず、先端シュラウド上の流れの漏洩により段効率にマイナスの影響が生じていた。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の好ましい実施形態によると、先端シュラウド質量分布を最適化して先端シュラウドフィレット応力をバランスさせ、それによってクリープ寿命を最大にし、さらに翼形部スロートの被覆範囲を保証して段効率を向上させるような前縁及び後縁輪郭を有するバケット先端シュラウドを提供する。具体的には、先端シュラウドの前縁、すなわちタービンの高温ガス流路内でほぼ軸方向上流側に面する端縁は、下記する表Ｉに記載した点１２〜点２０におけるデカルト座標系のＸ及びＹ座標値に実質的に従った所定の輪郭を有しており、該表Ｉにおいて、Ｘ及びＹは原点からのインチで表した距離である。点１２〜点２０が滑らかな連続円弧によって接続されると、これらの点は、先端シュラウド前縁輪郭を形成する。同様に、先端シュラウド後縁は、表Ｉに記載した点１〜点１１における座標系のＸ及びＹ値に実質的に従った所定の輪郭を有しており、該表Ｉにおいて、Ｘ及びＹは原点からのインチで表した距離である。点１〜点１１が滑らかな連続円弧によって接続されると、これらの点は先端シュラウド後縁輪郭を形成する。
【０００４】
さらに、前縁及び後縁輪郭は、９５％スパンにおける翼形部輪郭に適合されており、先端シュラウドのクリープ寿命を最大にしかつ段効率を向上させる。具体的には、バケット翼形部は、９５％スパンにおける、すなわち先端シュラウドと翼形部先端との接合部でのフィレット領域の直ぐ半径方向内側における翼形部輪郭を有する。この９５％スパンにおける翼形部輪郭セクションは、下記する表IIに記載したＸ、Ｙ座標値に従って定められ、該表IIのＸ及びＹ座標値は、インチで表されておりかつ表ＩのＸ、Ｙ座標値と同一の原点を有する。従って、前縁及び後縁輪郭によって形成された先端シュラウドの質量分布は、９５％スパンにおける翼形部セクション先端に対して配置されている。
【０００５】
また、翼形部セクション及び先端シュラウドは使用中に高温になるので、応力及び温度の結果として先端シュラウドの前縁及び後縁輪郭は変化することになることが分かるであろう。従って、先端シュラウドの低温すなわち室温輪郭は、製造目的のためのＸ及びＹ座標によって与えられる。製造された先端シュラウドは、表Ｉにより与えられた規準先端シュラウド輪郭とは異なる可能性があるため、基準輪郭に沿った任意の表面位置に対して垂直な方向に、前縁及び後縁の各々における基準輪郭からのかつ任意の被膜を含む±０．０８０インチの距離により、先端シュラウドに対する前縁及び後縁輪郭エンベロープが定まる。この先端シュラウドは、このような差異に対して強く、機械的機能及び空気力学的機能を損なうことがない。
【０００６】
先端シュラウド及び該先端シュラの付随の翼形部セクションは、類似のタービン設計に取り入れるために幾何学的に拡大又は縮小することが可能であることも理解されたい。その場合、下記の表Ｉに示した前縁及び後縁についての基準先端シュラウド輪郭のインチで表したＸ及びＹ座標は、同一数値の関数とすることができる。つまり、インチで表したＸ、Ｙ座標値を、同一数値により乗算又は除算して、輪郭形状を維持しながら先端シュラウド輪郭の拡大又は縮小バージョンを得ることができる。翼形部も同様に、表IIのＸ、Ｙ及びＺ座標値に定数を乗算することによって拡大又は縮小することが可能である。
【０００７】
本発明による好ましい実施形態では、先端シュラウドを有するバケット翼形部を含むタービンバケットを提供し、本タービンバケットにおいて、該先端シュラウドは前縁及び後縁を有し、該前縁は、表Ｉに記載した点１２〜点２０におけるデカルト座標系のＸ及びＹの値に実質的に従った輪郭を有しており、該表Ｉにおいて、Ｘ及びＹは、滑らかな連続円弧によって接続されると、前縁先端シュラウド輪郭を形成するインチで表した距離である。
【０００８】
本発明による別の好ましい実施形態では、先端シュラウドを有するバケット翼形部を含むタービンバケットを提供し、本タービンバケットにおいて、該先端シュラウドは前縁及び後縁を有し、該後縁の輪郭は、表Ｉに記載した点１〜点１１におけるデカルト座標系のＸ及びＹの値に実質的に従って定められており、該表Ｉにおいて、Ｘ及びＹ値は、点が滑らかな連続円弧によって接続されると、先端シュラウドの後縁輪郭を形成するインチで表した距離である。
【０００９】
本発明によるさらに別の好ましい実施形態では、先端シュラウドを有するバケット翼形部を含むタービンバケットを提供し、本タービンバケットにおいて、該先端シュラウドは前縁及び後縁を有し、該前縁及び後縁は、表Ｉに記載したそれぞれ点１２〜点２０及び点１〜点１１におけるデカルト座標系のＸ及びＹの値に実質的に従ってそれぞれの前縁及び後縁輪郭を定められており、該表Ｉにおいて、Ｘ及びＹ値は、それぞれの点１２〜点２０及び点１〜点１１が滑らかな連続円弧によって接続されると、先端シュラウドのそれぞれの前縁及び後縁輪郭を形成するインチで表した距離である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
ここで図面の図、特に図１を参照すると、複数のタービン段を含むガスタービン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。ここには、３つの段が示されている。例えば、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、ロータの軸線の周りに固定される。もちろん、第１段バケット１６は、タービンロータホイール（図示せず）に取付けられる。タービンの第２段１２も示されており、該第２段１２は、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズル１８とロータ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２０とを含む。更に、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段も示されている。ノズル及びバケットは、タービン１２の高温ガス流路１０内に位置しており、高温ガス流路１０を通る高温ガスの流れの方向が、矢印２６によって示されていることが分かるであろう。
【００１１】
第３段の各バケット２４は、プラットホーム３０と、シャンク３２と、ロータの一部を形成するロータホイール上の相補形状の嵌合ダブテール（図示せず）と結合するためのダブテール（これも図示せず）とを備える。第３段バケット２４の各々はまた、翼形部３６（図２）を含み、該翼形部３６は、図２に点線で示すように、翼形部に沿ったプラットホームから翼形部先端までの任意の断面において翼形部輪郭を有する。
【００１２】
第３段バケット２４の各々はまた、全体を符号４０で表した先端シュラウド（図２）を備える。先端シュラウド４０は、バケットと一体形成されるのが好ましく、各先端シュラウドは、対向する端部において隣接バケットの隣接する先端シュラウドに係合して、第３段バケットの位置において高温ガス流路を囲むほぼ環状のリング又はシュラウドを形成する。図２に示すように、第３段バケット２４の先端シュラウド４０は、その半径方向外側面に沿った１対の軸方向に間隔を置いて配置されたシール４２及び４４を含み、このシール４２及び４４は、タービンケーシングに固定されたシュラウド４６（図１）との間をシールするための１対の軸方向に間隔を置いて配置された連続するシールリングを先端シュラウドの周りに形成する。図２に示すように、先端シュラウド４０は、それぞれ成形された前縁及び後縁４６及び４８を含むことが分かるであろう。つまり、端縁４６及び４８は、高温ガス流路内における先端シュラウド４０の軸方向に面する両側に位置する。さらに、図２には、１から２０までの番号を付けた多数の点を示している。点１２〜点２０は、高温ガス流路１０に沿った高温ガスの流れ方向に対して先端シュラウド４０の前縁４６に沿って位置し、また点１〜点１１は、後縁４８に沿って位置していることに注目されたい。
【００１３】
それぞれ前縁４６及び後縁４８の形状、すなわちそれらの端縁によって形成された輪郭を定めるために、空間における固有の点の組又は軌跡が与えられる。具体的には、Ｘ、Ｙ及びＺ軸のデカルト座標系において、Ｘ及びＹ値が、以下の表Ｉで与えられ、前縁及び後縁に沿った様々な位置における該前縁及び後縁の輪郭を定める。Ｚ軸は、エンジン中心線、すなわちタービンロータの回転軸線からの半径に一致する。Ｘ及びＹ座標の値は、表Ｉにインチで記載されているが、数値が適当に変換される場合、他の寸法単位を用いることもできる。選択位置におけるＸ、Ｙ軸の原点に対するＸ及びＹ座標値を定めることによって、１から２０までの番号を付けた点の位置を、確定することができる。Ｘ及びＹ値をそれぞれ前縁４６及び後縁４８の各々に沿って滑らかな連続円弧で接続することにより、各端縁輪郭を確定することができる。
【００１４】
これらの値は、周囲温度状態、非作動状態又は非高温状態、すなわち低温状態における前縁及び後縁輪郭を表していることが分かるであろう。より具体的には、先端シュラウドは、表Ｉに記載した点１２〜点２０におけるＸ及びＹのデカルト座標値に実質的に従って前縁輪郭を定められた前縁４６を有しており、この表Ｉにおいて、Ｘ及びＹ値は原点からのインチで表した距離である。点１２〜点２０が滑らかな連続円弧によって接続されると、点１２〜点２０は、前縁先端シュラウド輪郭を形成する。同様に、先端シュラウドは、表Ｉに記載した点１〜点１１におけるＸ及びＹのデカルト座標値にほぼ従って後縁輪郭を定められた後縁４８を有しており、この表Ｉにおいて、Ｘ及びＹは、同一の原点からのインチで表した距離である。点１〜点１１が滑らかな連続円弧によって接続されると、点１〜点１１は、後縁先端シュラウド輪郭を形成する。単一の原点を有するＸ及びＹ座標系で前縁及び後縁輪郭を定めることによって、前縁及び後縁に沿った先端シュラウドの形状が形成される。
表Ｉは次の通りである。
表Ｉ
【００１５】
【表１】
2005036810.tif 000003
【００１６】
＊この点の組は、先端シュラウドの厚さ全体を通して有効である。
【００１７】
先端シュラウドの質量分布を先端シュラウドと翼形部との間のフィレットと相関させ、応力を最小にしかつクリープ寿命を最大にするために、先端シュラウドの前縁及び後縁輪郭は、９５％スパンにおける、すなわちバケット２４の先端シュラウドと翼形部３６の先端との接合部でのフィレット領域の直ぐ半径方向内側における翼形部３６の輪郭と関連させて定められる。（１００％スパンにおける翼形部は想像上のものであり、フィレット領域内に在ることになる。）翼形部輪郭は、先端シュラウド端縁を定めたのと同一のＸ、Ｙ及びＺデカルト座標系でのＸ及びＹの座標値により同様に定められる。翼形部に対するＸ、Ｙ座標系（表II）の原点とシュラウドの前縁及び後縁輪郭を決定するためのＸ、Ｙ座標系（表Ｉ）の原点とは、半径方向のＺ軸に沿って５％スパンの距離だけ互いに間隔を置いている。９５％スパンにおける翼形部３６のＸ、Ｙ及びＺ座標値を定める表IIを、以下に示す。従って、Ｘ、Ｙ及びＺ座標値を定めることによって、図２に示すような９５％スパンにおける翼形部セクションの輪郭を確定することができる。Ｘ及びＹ値を滑らかな連続円弧で接続することにより、９５％スパンにおける翼形部の輪郭が先端シュラウドに関連させて空間内に決定される。先端シュラウドの点と９５％スパンにおける翼形部輪郭を形成する点とに対するＸ、Ｙ座標系の共通のＺ軸原点を用いることにより、先端シュラウドの前縁及び後縁は、９５％スパンにおける翼形部の位置に関連して形成される。先端シュラウドの点及び翼形部の点の両方に対するＸ、Ｙ値は、周囲温度状態、非作動状態又は非高温状態（低温状態）におけるものであることが分かるであろう。表IIに示すＺ値は、好ましいタービンに対する実インチでのものであり、９５％スパンにおける翼形部セクションとエンジン中心線、すなわち回転軸線との間の距離を示す。中心線からのＺ軸は、翼形部及び先端シュラウドに対するＸ、Ｙ座標系の原点を通る。
表II
【００１８】
【表２−１】
2005036810.tif 000004
【００１９】
【表２−２】
2005036810.tif 000005
【００２０】
先端シュラウド及び翼形部の両方の実際の輪郭には、考慮しなければならない一般的な製造公差と被膜とが存在する。従って、表Ｉに示す先端シュラウド輪郭の値は、基準先端シュラウドのためのものである。それ故、あらゆる被膜厚さを含む一般的な±製造公差、即ち±値が、上記の表Ｉに示すＸ、Ｙ値に加算されることが分かるであろう。従って、前縁及び後縁に沿った任意の表面位置に対して垂直な方向に±０．０８０インチの距離が、この特定の先端シュラウド設計に対するそれぞれの前縁及び後縁に沿った先端シュラウド端縁輪郭エンベロープ、すなわち基準の低温又は室温での実際の端縁輪郭上で測定した点とそれと同一温度での上記の表Ｉに示したそれらの端縁輪郭の理想的な位置との間の差異の範囲を定める。この先端シュラウド設計は、この差異の範囲に対して強く、機械的機能及び空気力学的機能を損なうことがなく、また表Ｉに記載した点１２〜点２０及び点１〜点１１のデカルト座標に実質的に従った輪郭によってなされる。
【００２１】
上記の表Ｉに開示した先端シュラウドは、他の類似のタービン設計において使用するために、幾何学的に拡大又は縮小することができることも理解されたい。そ場合、表Ｉに記載した座標値は、先端シュラウドの前縁及び後縁輪郭が変化しない状態に維持されて、率に応じて拡大又は縮小することができる。表Ｉの座標の拡大又は縮小バージョンは、同一数値により乗算又は除算された、表ＩのＸ及びＹ座標値によって表されることになる。同様に、表IIに示す９５％スパンにおける翼形部に対するＸ、Ｙ及びＺ値は、該Ｘ、Ｙ及びＺ値に定数を乗算することによって拡大又は縮小することが可能である。
【００２２】
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、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等の構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の好ましい実施形態による所定の前縁及び後縁輪郭を備えた第３段タービンバケット先端シュラウドを有するタービンセクションの概略図。
【図２】表Ｉに記載した点の位置を示す、半径方向内向きに見たシュラウドの拡大端面図。
【図３】バケット翼形部セクションの端部上の先端シュラウドを一側面から見た拡大斜視図。
【図４】バケット翼形部セクションの端部上の先端シュラウドを反対側面から見た拡大斜視図。
【符号の説明】
【００２４】
１０  高温ガス流路
１２  ガスタービン
２４  バケット
３０  プラットホーム
３２  シャンク
３６  翼形部
４０  先端シュラウド
４２、４４  シール
４６  先端シュラウドの前縁
４８  先端シュラウドの後縁
【図１】
2005036810.tif 000006
【図２】
2005036810.tif 000007
【図３】
2005036810.tif 000008
【図４】
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