(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン構成要素（１２，１４）が回転軸線に直交する平面内にほぼ環状のダブテール形溝（８０）を有し、
リブ（８２）が前記溝の底部から外方へ突出し、溝に沿った離間した位置でスロット（８４）により中断され、
バランスウェイト（９０）が前記溝内に収容され、その下側に、前記溝の突出するリブ（８２）を受け入れる凹所（９６）を有し、前記バランスウェイトはその内側および外側間に貫通する貫通孔（９２）を有し、
締結部材（９４）が前記貫通孔にはまり、その一端が前記スロットで前記溝に係合し、
前記締結部材（９４）および前記バランスウェイト（９０）を互いにかしめ（９８）、締結部材およびバランスウェイトを互いに固定した、
タービンロータを回転軸線のまわりにバランス調整する装置。
【請求項２】
前記バランスウェイトの断面形状が前記溝の断面形状とほぼ相補的である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記バランスウェイトの貫通孔が少なくとも部分的にねじ切りされ、前記締結部材がこの貫通孔に螺合された、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記溝が、前記スロットの両側壁を互いに十分に離間させて前記バランスウェイトを溝内に挿入できるようにした少なくとも１つの装填用アパーチャ（７６）を有し、前記装填用アパーチャの位置の前記溝の壁が互いに離間した距離が前記溝の両側壁間の間隔より大きい、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
複数のホイール（１２，１４，１６，１８）とスペーサ（２２，２４）とが交互に積重されてロータを形成し、前記ホイールおよびスペーサの少なくとも一つには、その回転軸線に直交する平面にほぼダブテール形状の溝（８０）が周りに設けられ、
リブ（８２）が前記溝それぞれの底部（８６）から外方へ突出し、各リブがそれに沿った円周方向に離間した位置で中断されてリブにスロット（８４）を形成し、
バランスウェイト（９０）が前記溝それぞれに収容され、その下側に、前記溝の突出するリブ（８２）を受け入れる凹所（９６）を有し、前記バランスウェイトはその外側と下側との間に貫通する少なくとも部分的にねじ切りされた孔（９２）を有し、
ねじ切り締結部材（９４）が前記部分的にねじ切りされた孔に螺合し、その一端が前記スロットで前記溝に係合し、
前記締結部材およびバランスウェイトのねじ係合による以外の、前記締結部材（９４）および前記バランスウェイト（９０）を互いに固定する手段が設けられた、
タービンロータを回転軸線のまわりにバランス調整する装置。
【請求項６】
前記バランスウェイトが前記溝とほぼ相補的な形状であり、前記固定手段が前記締結部材と前記ウェイトとを互いにかしめ（９８）てなる、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記各溝が、両側壁を互いに十分に離間させて前記バランスウェイトを溝内に挿入できるようにした少なくとも１つの装填用アパーチャ（７６）を有し、前記装填用アパーチャの位置の前記溝の壁が互いに離間した距離が前記溝の両側壁間の間隔より大きい、請求項５又は６に記載の装置。
【請求項８】
ロータには回転軸線に直交する平面内に溝が周辺に設けられ、バランスウェイトが前記溝に沿って所定の位置まで摺動できる、タービンロータを回転軸線のまわりにバランス調整する方法において、
前記溝の底部に沿ってかつ溝とほぼ同一範囲に外方突出リブ（８２）を形成し、前記溝にバランスウェイト装填用アパーチャ（７６）を形成し、
バランスウェイト（９０）を前記装填用アパーチャに挿入し、前記バランスウェイトが前記ロータ溝のリブを受け入れる、その一端から他端まで延在する凹所（９６）を備え、
前記リブにリブに沿った所定位置でスロット（８４）を設け、
前記バランスウェイトを前記溝に沿って前記装填用アパーチャから前記溝に沿った所定位置まですべらせ、
締結部材（９４）を前記バランスウェイトの相補的ねじ切り孔（９２）を通して前記スロットまで螺合して前記スロットの底部と係合させ、これにより前記溝に沿ったバランスウェイトの円周方向移動を阻止し、
前記締結部材およびバランスウェイト間のねじ係合以外で、前記締結部材および前記バランスウェイトを互いに固定する、
工程を含む、タービンロータを回転軸線のまわりにバランス調整する方法。
【請求項９】
前記固定工程として、前記締結部材および前記バランスウェイトを互いにかしめる（９８）、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記溝を前記ロータの軸線方向に面する構成要素に沿って形成する、請求項８又は９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
この発明は、タービンロータをバランス調整する装置および方法に関し、特に、バランスウェイトを固定するロータ構成要素を変形したり、貫入したりすることなく、タービンロータをバランス調整する装置および方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
タービン、たとえばガスタービン用のロータをバランス調整する慣例の方法では、回転構成要素の一つ以上にできるだけ大きな半径に対応する位置で、３６０°円周方向バランス溝を設ける。これらのバランス溝は代表的には、ロータの回転構成要素、たとえばホイールおよびスペーサの軸線方向面および円周方向リムに、ロータ軸線に直交する鉛直平面内にあるように形成されている。通常、つぎにバランスウェイトをこのような構成要素の軸線方向に面するバランス溝に装着し、ロータへの組立に先立って、このような個別の構成要素に存在するアンバランスを相殺する。組立後、スプールバランスウェイトを円周方向溝に設けてロータスプールをバランス調整する。バケットをホイールリムに取り付けた後、ウェイトを円周方向溝に適用することにより、ロータの最終的なバランス調整を行う。
【０００３】
代表的には、円周方向および軸線方向に面する溝のそれぞれが、相補形状のバランスウェイトを受け入れるほぼダブテール形状を有する。軸線方向に面する鉛直溝において、各バランスウェイトに傾斜スクリュを用い、相補形状のバランスウェイトの下側に沿ってダブテールの一部を切除し、かくしてスクリュを溝のコーナに緊締してバランスウェイトを溝内に効果的に、かつ回転構成要素に対して移動しないように保持することができる。円周方向、すなわち水平方向溝においては、バランスウェイトの中心にねじ切り孔を設け、スクリュ締結部材をこの孔に螺合して溝の底部に当接し、これによりダブテール形状のバランスウェイトを相補形状の溝内に固定する。それぞれの場合に、回転構成要素およびバランスウェイトを互いにかしめて両者間の相対移動を阻止する。
【０００４】
これらのバランスウェイトと溝の組合せは有効であることが確認されているが、回転構成要素とバランスウェイトとを互いにかしめることによる変形時に、回転構成要素に亀裂（クラック）を生成または誘引する可能性が残っている。その結果、回転構成要素とバランスウェイトとを互いにかしめることなく、また回転構成要素の材料を変形することなく、バランスウェイトを回転構成要素に対して移動しないように保持できる、タービンの回転構成要素およびロータ組立体のバランス調整用の、バランスウェイト／溝組合せが必要とされている。
【０００５】
【発明の概要】
この発明により提供される、タービンの回転構成要素およびロータ組立体をバランス調整する装置および方法は、回転構成要素を変形することなく、特にかしめることなく、バランス調整を行い、しかもバランスウェイトおよび構成要素の相対的移動を防止する。このことを達成するために、回転構成要素には、ほぼダブテール形状の溝を、たとえば構成要素の回転軸線に直交する軸線方向面および回転軸線のまわりに円周方向に延在するリムに、設ける。各溝は、溝の底部に沿って突出するレールまたはリブを有する。リブには、複数のスロットまたは凹所が、溝のまわりの互いに円周方向に離間した位置に形成されている。溝には１個以上の装填用アパーチャも設けられ、そこでは溝の側壁が溝の残りの部分よりも互いに更に離されており、１個以上のバランスウェイトを溝に挿入することができる。バランスウェイトの形状が溝の形状、すなわちダブテール形状と相補的であるのが好ましい。各ウェイトはその下側に沿ってその一端から他端まで延在する凹所を有し、これにより、バランスウェイトをダブテール溝に挿入した際に、ウェイトを溝に沿って円周方向に、スロットと整合する所定の位置まで、すべらせることができる。
【０００６】
所定の位置で、ねじ切り締結部材をバランスウェイトを通してスロットまで貫通させてスロットの底部に係合させ、これにより回転構成要素に対するバランスウェイトの円周方向移動を阻止する。締結部材のねじゆるみを防止するために、バランスウェイトと締結部材のねじ係合に加えて、たとえばかしめにより、バランスウェイトと締結部材を互いに固定する。このようにして、従来からの回転構成要素とバランスウェイトとを互いにかしめる必要を完全になくし、かくしてバランスウェイトと回転構成要素とを互いにかしめる結果として回転構成要素に亀裂を生成する可能性をなくす。また、ウェイトの端部付近の材料を切除することによりウェイトを調節することができ、これによりウェイトを位置決めする際の調節をほぼ無限にすることができる。
【０００７】
この発明の好適な実施例によるタービンロータを回転軸線のまわりにバランス調整する装置においては、タービン構成要素が回転軸線に直交する平面内にほぼ環状のダブテール形溝を有し、リブが前記溝の底部から外方へ突出しそして溝に沿った離間した位置でスロットにより中断され、バランスウェイトが前記溝内に収容されてその下側に前記溝の突出するリブを受け入れる凹所を有し、前記バランスウェイトはその内側および外側間に貫通する貫通孔を有し、締結部材が貫通孔にはまりその一端が前記スロットで前記溝に係合し、前記締結部材および前記バランスウェイトを互いにかしめて締結部材およびバランスウェイトを互いに固定する。
【０００８】
この発明の別の好適な実施例によるタービンロータを回転軸線のまわりにバランス調整する装置においては、複数のホイールとスペーサとが交互に積重されてロータを形成し、前記ホイールおよびスペーサの少なくとも一つにはその回転軸線に直交する平面にほぼダブテール形状の溝が周辺に設けられ、リブが前記溝それぞれの底部から外方へ突出し、各リブがそれに沿った円周方向に離間した位置で中断されてリブにスロットを形成し、バランスウェイトが前記溝それぞれに収容されそしてその下側に沿って前記溝の突出するリブを受け入れる凹所を有し、前記バランスウェイトはその外側と下側との間に貫通する少なくとも部分的にねじ切りされた孔を有し、ねじ切り締結部材が部分的にねじ切りされた孔に螺合しその一端が前記スロットで前記溝に係合し、さらに前記ねじ係合による以外の、前記締結部材および前記バランスウェイトを互いに固定する手段が設けられる。
【０００９】
この発明の他の好適な実施例では、ロータには回転軸線に直交する平面内に溝が周りに設けられ、バランスウェイトが前記溝に沿って所定の位置まで摺動できる構成にあって、タービンロータを回転軸線のまわりにバランス調整する方法において、前記溝の底部に沿ってかつ溝とほぼ同一範囲に外方突出リブを形成し、前記溝にバランスウェイト装填用アパーチャを形成し、バランスウェイトを前記装填用アパーチャに挿入し、前記バランスウェイトが前記ロータ溝のリブを受け入れるその一端から他端まで延在する凹所を備え、前記リブにリブに沿った所定位置でスロットを設け、前記バランスウェイトを前記溝に沿って前記装填用アパーチャから前記溝に沿った所定位置まですべらせ、締結部材を前記バランスウェイトの相補的ねじ切り孔を通して前記スロットまで螺合し前記スロットの底部と係合させて前記溝に沿ったバランスウェイトの円周方向移動を阻止し、前記締結部材およびバランスウェイト間のねじ係合以外で、前記締結部材および前記バランスウェイトを互いに固定する、工程を含む。
【００１０】
【好適な実施態様】
図１に、１０で総称する、軸線Ａのまわりに回転するロータを備えるタービンセクションを示す。ロータ１０には、複数のホイール１２，１４，１６および１８と複数のスペーサ２０，２２および２４とが軸線Ａに沿って交互に配置されている。これらのホイールおよびスペーサは、複数の円周方向に間隔をあけて配置された細長いボルト（その内１本を２６で示す）により互いに固定され、ホイールとスペーサからなる積層ロータを形成している。ホイール１２，１４，１６および１８にはそれぞれバケット２８，３０，３２および３４の円周方向配列が装着され、一方スペーサ２０，２２および２４のリムはノズル３６，３８および４０と半径方向に向かい合っていることが明らかである。また、ノズル４２がバケット２８とともにタービンの第１段の一部を形成していることが明らかである。
通常通り、ホイールおよびスペーサは軸線Ａのまわりに回転し、一方ノズル３６，３８，４０および４２はタービンの高熱ガス流路内で静止している。
【００１１】
ロータ構成要素、すなわちホイールおよびスペーサをバランスさせるために、ホイールおよびスペーサそれぞれの軸線方向面の少なくとも一つに複数の溝を形成する。たとえば、ホイール１２およびスペーサ２０の前方面に溝４４および４６をそれぞれ形成する。同様の溝を、ホイール１４，１６および１８およびスペーサ２２および２４の軸線方向前方面に、図示の通りに、形成する。これらの溝それぞれに１個以上のバランスウェイト（釣合重り）を配置して、組み立ててロータ１０を形成する前に、これらのロータ構成要素をバランス調整する。
【００１２】
なお、スペーサ２０，２２および２４の１つ以上のリムには半径方向外向きに開口した溝が設けられ、たとえばスペーサ２２および２４に溝５２および５４が設けられている。同様に、これらの半径方向に開口した溝にも１個以上のバランスウェイトを配置してロータをバランス調整する。
【００１３】
前述したように、軸線方向に面する溝およびその中のウェイトを用いて、ロータの構成要素、すなわちホイールおよびスペーサを最初に（初期）バランス調整する。ロータホイールおよびスペーサの組立後、１個以上のウェイトを円周方向溝に挿入することにより、ロータスプールのバランス調整を行う。最後に、バケットをロータに取り付けた後、同じく、１個以上のウェイトを円周方向溝に挿入することにより、タービンロータの最終バランス調整を行う。
【００１４】
図２を参照すると、従来の回転要素の軸線方向面には、代表的には、環状のほぼダブテール形溝が設けられ、ここに相補形状のウェイト６２が収容されている。各ウェイトのコーナ６４の部分が切除されており、かくしてねじ切り締結部材６６がウェイト６２に傾斜角度で螺合し、溝６０の内面に当接して、ウェイトを溝内の調整位置に保持する。図３に示す従来の構成では、溝内でのウェイトの位置を確定し、締結部材を溝に螺合した後、６８で示すようにバランスウェイト６２の４つのコーナそれぞれをかしめることにより、ウェイト６２をホイールまたはスペーサのような構成要素に固定する。かしめは、互いにかしめる部品それぞれの金属を変形させることであり、前述したように、このことは回転要素に亀裂を生じる可能性がある。
【００１５】
図４および図５を参照すると、同様の溝およびバランスウェイトの配置が円周方向溝内に設けられている。すなわち、ダブテール形状のバランスウェイト７０が相補形状の溝７２に挿入され、中心位置のねじ付き締結部材７４によりバランスウェイト７０を溝内に固定している。バランスウェイト７０を溝に沿った所定位置の装填用アパーチャ７６に挿入し、ウェイトを溝に沿って調節位置まですべらせる。軸線方向に面する溝にバランスウェイトを配置した場合と同じく、この従来例の場合も、代表的にはバランスウェイトを回転構成要素にかしめている。
【００１６】
図６を参照すると、本発明の好適な実施例にしたがって形成されたほぼダブテール形状の溝８０が示されている。これは、ロータの構成要素、すなわちホイールまたはスペーサの軸線方向面において図示されている。なお、ロータ構成要素の軸線方向面における溝およびバランスウェイトについての以下の説明は、スペーサのリムまたは周縁に沿って配置された溝およびウェイトにも適用できる。図６に示すように、ダブテール形溝８０は傾斜した側壁８１および底部８６を有し、底部８６には中心にリブまたはレール８２が外向きに突出し、このリブ８２は溝８０の長さと同一範囲に延在するのが好ましい。図７に示すように、リブ８２は円周方向に離間したスロット８４により中断されている。図７では、溝の底部を破線８６で示し、スロット８４の底部を８７で示す。
【００１７】
図８および図９を参照すると、溝８０内に収容すべく、ほぼ相補形状のバランスウェイト９０が設けられている。図示のように、バランスウェイト９０の断面形状は溝８０の断面形状と相補的である。図５に示したのと同様に、バランスウェイト９０は装填用アパーチャを経て溝８０に収容することができる。バランスウェイト９０は中心開口９２を有し、この中心開口は少なくとも一部が、好ましくは全体がねじ切りされ、おねじ締結部材（ファスナ）９４を受け入れるようになっている。バランスウェイト９０の下側には、凹所９６が一端から他端まで延び、突出リブ８２を受け入れるようになっている。その結果、バランスウェイト９０を装填用アパーチャに入れると、凹所９６がリブ８２と向かい合い整合する。さらに、ウェイト９０は溝に沿って所望の調節位置まで摺動でき、こうすれば締結部材９４はリブ８２に形成したスロット８４のうち選択した一つと整合する。この結果、締結部材９４が図８に示すように完全締め付け位置から戻された状態にあると、リブ８２が凹所９６にはまった状態のウェイト９０を溝８０に沿って所定位置まで摺動でき、そこでねじ付き締結部材９４をねじ込み、図９に示すようにスロット８４に係合させる。溝とバランスウェイトが相補的なダブテール形状であり、内端がスロット８４に受容された締結部材９４がねじ作用をなすので、バランスウェイト９０は溝８０に沿って移動できず、したがって溝８０に沿った調節位置に保持される。
【００１８】
締結部材とバランスウェイトとのねじ係合以外に、適当な手段を設けて、締結部材９４がバランスウェイト９０のねじ切り孔から抜け出るのを防止する。このような手段としては、締結部材をバランスウェイトにかしめるのが好適である。
しかし、他の方式の固定手段、たとえば溶接または他の機械的に締結部材およびウェイトを互いに固定する手段を利用してもよい。しかし、締結部材をウェイトに固定する方法として簡単かつ信頼性が高いので、かしめが好適である。かしめ工程により形成された変形金属を図９および図１０に９８で示す。かしめは１個所行えばよいが、図示のように円周方向に離間した２個所で行うのが好ましい。
したがって、締結部材とウェイトを互いに固定する上で、ロータ構成要素の金属の変形は完全に回避されることが明らかであり、これによりかしめ加工の結果として回転構成要素に亀裂が生じる可能性は避けられる。
【００１９】
上述した溝をロータ構成要素、すなわちホイールおよびスペーサの軸線方向面に配置することにより、各構成要素を最初に回転軸線のまわりにバランスさせることができる。特定の位置に特定のウェイトを設ける必要に応じて、標準寸法のウェイトまたは寸法の異なる複数のウェイトを用いることができる。各ロータ構成要素を最初にバランスさせた状態で、これらの構成要素を組み立ててロータスプール１０を形成する。こうして形成されたロータスプールのバランスをとるために、円周方向に延在する溝、すなわちリム溝に１個以上のウェイトを配置する。ロータスプールをバランスさせたら、バケットおよび他の補助部品をロータに組み付け、最終のロータバランス調整を行う。この最終バランス調整には、円周方向溝（リム溝）を利用して、ウェイトをロータのまわりにかけて、ロータを回転軸線のまわりにバランスさせる。また、バランスウェイトの締結部材用開口をレールのスロットと整合させる一方、ウェイトの一端から材料を切除することによりウェイトの調節をほぼ無限に行うことができ、こうしてロータのバランスの微細なかつほぼ無限な調節を実現する。
【００２０】
以上、本発明を現在のところもっとも実用的かつ好適な実施例と考えられるものについて説明したが、本発明は例示の実施例に限定されない。本発明は、その要旨の範囲内に含まれる種々の変更例や等価な配置を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施例にしたがってバランスウェイトをタービンロータ構成要素に適用した状態を示す、タービンセクションの部分的断面図である。
【図２】従来の鉛直溝および対応するバランスウェイトを示す部分的断面図である。
【図３】図２のバランス溝およびウェイトの部分的側面図である。
【図４】従来のロータ部品の円周リムに形成したバランス溝およびウェイトを示す部分的断面図である。
【図５】図４の平面図である。
【図６】本発明の好適な実施例によるバランスウェイトを収容する鉛直溝を示す部分的断面図である。
【図７】図６の７−７線方向に見た断面図である。
【図８】固定前のスロット内のバランスウェイトを示す、図６の溝の部分的拡大断面図である。
【図９】バランスウェイトを溝に沿って円周方向に位置決めし、固定した状態を示す、図８と同様の図である。
【図１０】図９の平面図である。
【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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