(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線の周りで回転可能なロータホイール（１２）とバケット（１６）との間のダブテール継手であって、
前記ロータホイール上の雄ダブテール要素（１４）とバケット上の雌ダブテール要素（１８）とを含み、
前記雄ダブテール要素(１４)が、前記ロータホイールに対して接線方向に前記雌ダブテール要素(１８)を受け入れ、また、前記軸線に垂直でありかつ該雄ダブテール要素を二分する平面の両側に位置する複数の周方向に延びるフック（２８、３０、３２、３４、１２８、１３０、１３２）を含み、該フックの各々が、ほぼ半径方向内側に向いた面（２２）を有し、
前記平面の両側の各側にある少なくとも１対のフックの前記面（２２）が、該平面に対して９０°よりも大きい角度（α）を形成し、前記平面の両側の各側にある前記対のフックの各々の前記面の角度が、互いに等しくなっている、
ことを特徴とするダブテール継手。
【請求項２】
ネック部分（２４、１２４）が、前記面と半径方向内側下方にあるフックのほぼ半径方向外側に向いた部分とを接合し、前記ネック部分と前記面との間にフィレットが設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の継手。
【請求項３】
前記フックの各々は、半径方向最外側のフック（２８、１２８）から半径方向最内側のフック（３４、１３４）に移るにつれて、半径方向の厚さが増大していることを特徴とする、請求項１に記載の継手。
【請求項４】
ネック部分（２４、１２４）が、前記面と半径方向内側下方にあるフックのほぼ半径方向外側に向いた部分とを接合し、前記ネック部分と前記面との間にフィレットが設けられており、前記フックの各々は、半径方向最外側のフックから半径方向最内側のフックに移るにつれて、半径方向の厚さが増大していることを特徴とする、請求項１に記載の継手。
【請求項５】
前記雄ダブテールが、前記平面の両側の各側に少なくとも３つのフック（２８、３０、３２、１２８、１３０、１３２）を有することを特徴とする、請求項４に記載の継手。
【請求項６】
前記雄ダブテールが、前記平面の両側の各側に４つのフック（２８、３０、３２、３４）を有することを特徴とする、請求項１又は請求項４に記載の継手。
【請求項７】
前記雄ダブテールが、基部に隣接してその両側にホイールポケット（４１）を有し、該ホイールポケットの各々が、半径方向内向き方向において前記平面から遠ざかるように傾けられた軸方向に向いた面（４３）を有することを特徴とする、請求項１又は請求項４に記載の継手。
【請求項８】
前記雌ダブテールが、前記雄ダブテールのホイールポケット内に受け入れられるタング（５２）を有し、該タングが、前記雄ダブテールのホイールポケットの前記傾けられた面よりも大きい角度で、半径方向内向き方向において前記平面から遠ざかるように傾けられた軸方向に向いた面（５３）を有することを特徴とする、請求項７に記載の継手。
【請求項９】
軸線の周りで回転可能なロータホイール（１２）とバケット（１６）との間のダブテール継手であって、
前記ロータホイールが、該ロータホイールに対して接線方向に雌ダブテール要素を受け入れるための雄ダブテール要素(１４)を含み、
該雄ダブテール要素が、前記軸線に垂直でありかつ該雄ダブテール要素を二分する平面の両側に位置する複数の周方向に延びるフック（２８、３０、３２、３４、１２８、１３０、１３２）を含み、
該フックの各々が、ほぼ半径方向内側に向いた面（２２、１２２）を有し、前記平面の両側にある前記フックの各々の前記面が、該平面に対して９０°よりも大きい角度（α）を形成し、各面の前記角度が、他のいずれの面の角度とも等しく、
各バケット上の前記雌ダブテール要素が、複数の周方向に延びるフック（２８Ｂ、３０Ｂ、３２Ｂ、３４Ｂ、１２８Ｂ、１３０Ｂ、１３２Ｂ）を含み、該フックが、前記雄ダブテール要素のフックとほぼ相補形で、前記雄ダブテールの前記角度のある面とほぼ相補形の半径方向外側に向いた角度のある面を有し、前記雌ダブテール要素の前記面の角度が互いに等しくなっている、
ことを特徴とするダブテール継手。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービンに関し、具体的には、蒸気タービンロータホイールと蒸気タービンバケットとの間のダブテール継手に関する。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気タービンのためのタービンバケットとタービンロータホイールとの間のダブテール取付け技術は、当技術分野においてよく知られている。汚染された蒸気環境において作動する低圧ロータ後段上の従来の接線方向嵌込み式ダブテールは、応力腐食割れ（ＳＣＣ）を起こし易いことが判明した。ＳＣＣは、典型的なダブテール構成のフックフィレット領域に生じる応力レベルによって加速される。普通、これらの応力は許容できるが、汚染された蒸気環境によって、ひび割れが始まり、これが検知されないまま放置された場合には、ホイールフックの損傷を引き起こす深さにまで成長するおそれがある。極端な場合には、全てのフックが損傷して、バケットがロータから外れることになる。バケットをホイールに取付けるダブテール継手についての長年の経験によると、ホイールフックには割れが生じるが、バケットフックには割れが生じないということを示している。これは、低圧ロータ用に使用されるＮｉＣｒＭｏＶ及び類似の低合金鋼が、バケット用に使用される１２Ｃｒ鋼よりも、ＳＣＣに対する耐性が非常に低いことによるものであることは明らかである。ホイール用の鋼には、低圧ロータの設計全体を考慮して、利用可能な特性の最適な組合せが与えられる。従って、典型的な低圧蒸気環境におけるＳＣＣを回避する効果的な方法は、ホイールダブテール内の応力を許容レベルにまで減少させることである。腐食性環境内で作動する構成部品内の最大応力が、材料の降伏強度より低い場合には、ＳＣＣに対する耐性は大いに改善される。
【０００３】
蒸気タービンロータのためのバケットとホイールのダブテール設計が、特許文献１、特許文献２および特許文献３に記載され、かつ図示されている。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第５，４７４，４２３号
【特許文献２】
米国特許第５，４９４，４０８号
【特許文献３】
米国特許第５，５３１，５６９号
【０００５】
特許文献１におけるダブテール継手設計は、ロータホイール上に４つのフックを備えており、これらのフックは半径方向最外側のフックから最内側のフックに移るにつれて厚さが減少している。更に、ロータホイールダブテールのネック部分とその上方にあるフックの底面との間には、フィレットの半径を順次増大させる事によって応力集中を減少させるために、複数の半径を有するフィレット、すなわち複合フィレットが設けられている。この先行技術による設計のその他の特徴は、フックの半径方向最外側の面に沿って平坦面を含み、様々な形状の複合フィレットと組合されている。特許文献２においては、フック間に半径の異なるフィレットが設けられている。特許文献３においては、複合的なフィレット半径が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明によると、バケットの遠心力によりホイールフックフィレットに生じる集中応力を最少化し、またフックフィレット半径をより大きくすることを可能にし、それによって応力集中を更に減少させる、ロータホイールとバケットのダブテール継手設計が提供される。本発明の主要な態様によると、ロータホイールの接触面、つまりホイールフックの下面に沿ったほぼ半径方向内側に向いた面が、ダブテールに沿った異なる半径位置における各ダブテールフックに対して、同一の傾斜面角度を備えている。ロータの回転はバケットに遠心力を発生させ、この遠心力がホイールフックの下面に沿った接触面を介してダブテールに作用することが分かるであろう。これらの力によって、フックのフィレット領域にピーク応力を持つ応力がダブテール内に生じる。傾斜面は、所定のフィレット半径に対する応力集中を減少させ、またフックのフィレット半径をより大きくすることを可能にし、それによって応力集中を更に減少させる。
【０００７】
より具体的には、伝統的な接線方向嵌込み式ダブテールのためのクラッシュ面は、ダブテールに沿った様々な位置におけるクラッシュ面とネック面との間の移行域として使用されるフィレットを備えた状態で、軸方向の周方向平面上に設けられる。従来の接線方向嵌込み式ダブテールにおいては、ネック面とクラッシュ面とは９０°の角度で開いている。同一譲受人の米国特許第６，１４２，７３７号においては、これら２つの面は９０°よりも大きく開いているが、フック毎で異なっている。本発明においては、これらのクラッシュ面は、該クラッシュ面、つまり傾斜面とネック面（半径方向平面内にある）との間の移行角度が９０°よりも大きく、かつ各フック半径において同一となるように、回転されている。この回転の角度は、傾斜角度と呼ばれる。集中応力は、荷重経路がその方向を無理に変えられた時に生じる。本発明による傾斜したクラッシュ面については、９０°からより大きい角度までの方向の変化はそれほど激しくなく、従って応力集中はより少ない。傾斜クラッシュ面はまた、従来の９０°の移行と比べて、同一移行距離においてフィレット半径をより大きくすることを可能にし、その結果、フィレットの半径を一層大きくして、集中応力を減少させることができる。また、傾斜したクラッシュ面が、軸方向の力の成分を発生して、その成分がバケット脚部に曲げを生じさせ、又ホイールダブテールのタングに軸方向の荷重を加えることが理解されるであろう。この影響を最少化するために、傾斜角度はどのフックに対しても一定である。すなわち、各々のフック半径に対して、同一の傾斜角度が与えられる。クラッシュ面は、傾斜角度が９０°より増大されるから、フィレット半径も増大され、それによって応力集中が低減される。
【０００８】
更に別の態様においては、フックの厚さと長さとが、フック間の荷重分担を制御すると共に、フックに加わる曲げ及び剪断応力を制御することが理解されるであろう。従って、集中応力を均等化しかつ最少にするように、フックの厚さが変えられる。つまり、フックの厚さは、その半径方向の高さ位置が減少するにつれて増大する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本明細書で説明する本発明は、３つのフックを備えたダブテール設計と４つのフックを備えたダブテール設計の両方に関する。本発明はまた、任意数のフックを備えたその他のダブテールに対しても有用である。更に本発明は、ＳＣＣを受けやすいロータに限定されるものではなく、クリープがＳＣＣではなくて故障状態である場合の高温領域におけるダブテールの割れのような割れをダブテールフック内に発生させるその他の応力発生条件に対しても、本発明の利点及び有益性を発揮させることができる。
【００１０】
本発明による好ましい実施形態においては、軸線の周りで回転可能なロータホイールとバケットとの間のダブテール継手が提供され、該ダブテール継手は、ロータホイール上の雄ダブテール要素とバケット上の雌ダブテール要素とを含み、該雄ダブテール要素が、ロータホイールに対して接線方向に雌ダブテール要素を受け入れ、また、軸線に垂直でありかつ雄ダブテール要素を二分する平面の両側に位置する複数の周方向に延びるフックを含み、該フックの各々が、ほぼ半径方向内側に向いた面を有し、前記平面の両側の各側にある少なくとも１対のフックの面が該平面から遠ざかるように、かつ軸線に向かって及び該軸線から遠ざかるように拡がる角度を形成し、該平面の両側の各側にある各対のフックの面の角度が、互いに等しくなっている。
【００１１】
本発明による別の好ましい実施形態においては、軸線の周りで回転可能なロータホイールとバケットとの間のダブテール継手が提供され、該ダブテール継手においては、ロータホイールが、該ロータホイールに対して接線方向に雌ダブテール要素を受け入れるための雄ダブテール要素を含み、該雄ダブテール要素が、軸線に垂直でありかつ雄ダブテール要素を二分する平面の両側に位置する複数の周方向に延びるフックを含み、該フックの各々が、ほぼ半径方向内側に向いた面を有し、該平面の両側にあるフックの各々の面が、該平面から遠ざかるように、かつ軸線に向かって及び該軸線から遠ざかるように拡がる角度を形成し、各面の角度が、他のいずれの面の角度とも等しく、各バケット上の雌ダブテール要素が、複数の周方向に延びるフックを含み、該フックが、雄ダブテール要素のフックとほぼ相補形で、該雄ダブテールの角度のある面とほぼ相補形の半径方向外側に向いた角度のある面を有し、雌ダブテール要素の前記面の角度が互いに等しくなっている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、ここには、ロータ本体、例えばシャフト１０が図示されており、シャフト１０はロータホイール１２を支持し、ロータホイール１２はその外側半径に沿って一連の雄ダブテール要素１４で終っている。タービンバケット１６の各々は、その半径方向最内側部分に沿って雄ダブテール継手１４に嵌合するための雌ダブテール継手１８と、この雌ダブテール継手１８から延びるブレード２０とを含む。このダブテール継手は、接線方向嵌込み式ダブテール構造であることが理解されるであろう。
【００１３】
以下の説明において、ダブテールは、シャフト１０の回転軸線に対して垂直な半径方向平面で左右対称であるから、ダブテールの半分だけ、つまり上記半径方向平面の一方の側に沿ったダブテールフックについてのみ説明すれば、実際には十分であることが理解されるであろう。従って、図２から図４に関するここでの説明では、ダブテール継手には実際には８つのフックがあるが、ダブテールを形成する４つのフックについて説明する。これまでの慣例では、これらのフックは、半径方向最外側のフックから半径方向最内側のフックまで、順に第１、第２、第３、及び第４フックと呼ばれている。更に、ホイールフックとバケットフックとの間の接触面は、クラッシュ面又は傾斜面として知られている。接線方向嵌込み式ダブテールのクラッシュ又は傾斜面は、ダブテールのクラッシュ面とネック面との間の移行域として用いられるフィレットを備えた状態で、軸方向の周方向平面上に位置する。図２に示すように、クラッシュ面２２、ネック面２４、及びこれら両面間のフィレット２６は、バケットの雌ダブテール３８と共に継手を形成するホイールダブテール３６のフック２８、３０、３２、及び３４の各々に設けられる。
【００１４】
図２から分るように、各フックの傾斜したクラッシュ面２２は、各ダブテールフックのネックを通る半径方向平面に対して角度αを形成し、この角度は、前記平面から遠ざかるように、かつロータ軸線に向かう及び該ロータ軸線から遠ざかる両方向に開いている。図２には、４つのフック２８、３０、３２、３４が図示されている。その結果、各フック２８の傾斜したクラッシュ面２２もまた、雄ダブテールを二分する半径方向平面に対しても角度αを形成する。従って、傾斜したクラッシュ面２２は、ホイールダブテールのどの高さにおいても、水平方向に対して一定の角度であることが分るであろう。傾斜したクラッシュ面２２を水平方向に対して或る角度をなすように形成することにより、所定のフィレット半径に対する応力集中が減少され、フックフィレットの半径をより大きくすることが可能となり、そのことが応力集中を更に減少させる。集中応力は、荷重経路がその方向を無理に変えられる時に生じる。傾斜したクラッシュ面により、特に各フックのクラッシュ面角度αを同一にすることにより、方向の変化はそれほど激しくなく、従って応力集中はより少ない。傾斜したクラッシュ面の別の利点は、先行技術におけるゼロ度（０°）の移行域、すなわち水平方向に対して平行なクラッシュ面と比較して、傾斜したクラッシュ面が同一移行距離内においてより大きいフィレット半径を可能にするということである。
【００１５】
好ましい実施形態においては、各クラッシュ傾斜面２２の角度αは、好ましくは１１０°である。更に、傾斜したクラッシュ面によって可能になった大きいフィレット半径は、集中応力の低下を可能とすると同時に、フィレット区域内の応力も減少させる。本発明の好ましい実施形態によると、傾斜したクラッシュ面２２とネック部分２４との間を移行させるフィレット半径は大きくされる。
【００１６】
フックの厚さと長さはまた、フック間の荷重分担を制御すると共に、フックに加わる曲げ及び剪断応力を制御する。これらの全てが、集中応力の度合いに影響を及ぼす。従って、集中応力の等分布化と最小化を達成するために、フックの厚さと長さが変えられる。
【００１７】
図３を参照すると、ホイールダブテール３６はまた、ホイールポケット４１を備え、該ホイールポケット４１は、ポケット角度βと、半径方向内向き方向においてロータ軸線に垂直な平面から遠ざかるように傾斜した軸方向に向いた面４３とを有する。ホイールポケット角度βは、半径方向平面に対する角度として形成され、好ましくは約５度（５°）である。従って、荷重経路はその方向を無理に変えられ、この方向変化によって応力集中が減少される。図３はまた、下方の右フィレットと左フィレットを示している。応力集中を更に減少させるために、一般にこれらのフィレットは大きい。例えば、右フィレット４０、すなわち内側フィレットは、０．２２５インチ（１インチ＝２．５４cm）の半径を有する。左フィレット４２、すなわち外側フィレットは、０．１４０インチの半径を有する。伝統的に、フックフィレット４４は０．３４０インチの半径を有し、ポケット底部からのラグの高さ４６は０．３６０インチであり、ラグの厚さ４８は０．４０７インチである。タングの高さ及び厚さは、バケットからの軸方向荷重による曲げ剪断を制御し、タングフィレットの集中応力を最少化するように設計される。
【００１８】
ここに開示した本発明の例示的な実施形態に関するその他の重要な寸法は表１の通りである。
【００１９】
【表１】
0004391736.tif 000002
【００２０】
半径方向高さは、図２にｈ１〜ｈ４で表したように、フックの各上面の軸方向最外端部からフックの下面に沿った傾斜面が始まる位置までの距離である。
【００２１】
ネックの軸方向長さＮは次の通りである。
Ｎ１−フック２８と３０との間−０．９８０インチ
Ｎ２−フック２０と３２との間−１．８８０インチ
Ｎ３−フック３２と３４との間−２．７８０インチ
Ｎ４−フック３４とタングとの間−３．６８０インチ
【００２２】
図４を参照すると、ここにはバケット５０の雌ダブテール３８が図示されており、図２に示す雄ダブテール要素とほぼ相補形になっている。バケットダブテールの様々な相補形要素は、ホイールダブテールと同じ参照符号の後に添え字Ｂを付して示されている。許容差を除けば、バケットダブテール３８の寸法特性は、ホイールダブテールの寸法特性に対して同一であるか、或いは密嵌合する関係になっているが、但し、フック又はタング５２が垂直方向に対して２０°という拡大された角度σを含む点が異なる。タング５２は、雄ダブテールのホイールポケット４１の傾斜面４３よりも大きい角度で、半径方向においてロータ軸線に垂直な平面から遠ざかるように傾斜した軸方向に向いた面５３を含むことに注目されたい。例示的な実施形態においては、
バケットのダブテール高さは４．１９７インチであり、
フック間の軸方向長さは次の通りである。
フック１（２８Ｂ）−１．０００インチ
フック２（３０Ｂ）−１．９００インチ
フック３（３２Ｂ）−２．８００インチ
フック４（３４Ｂ）−３．７００インチ
ネックの軸方向長さＮＢは次の通りである。
ＮＢ１−フック２８Ｂの上方−１．９００インチ
ＮＢ２−フック３０Ｂの上方−２．８００インチ
ＮＢ３−フック３２Ｂの上方−３．７００インチ
ＮＢ４−フック３４Ｂの上方−４．６００インチ
【００２３】
上記の寸法を持たせることにより、このダブテール形状は、全体の寸法を現存の蒸気通路に適合できるように維持したままで、集中応力を最少化することが理解されるであろう。例えば、米国特許第６，１４２，７３７号に記載された設計と比較すると、同一荷重条件に対して、本発明によるホイールダブテール内のピーク集中応力は４８，９２０ｐｓｉ(pounds per square inch)であり、これは、それら同一条件に対する集中応力が２７％低下されることを表している。
【００２４】
次に図５及び図６を参照すると、ここには本発明の別の実施形態が図示されており、これらの図においては、同様部分に対して、頭に１を付け加えた同様の参照符号が付してある。図に示すように、雄ダブテール１３６と雌ダブテール１３８の各々には、前述した実施形態における４つのフックの代わりに、ただ３つのフックが設けてある。前述の実施形態の場合と同様に、各フック１２８、１３０、１３２のクラッシュ面１２２は、ダブテールのクラッシュ面とネックとの間の移行域として用いるフィレットを有する。従って、各フック１２８、１３０、１３２には、クラッシュ面１２２と、ネック面１２４と、これら両面間のフィレット１２６とが設けられる。前述の実施形態の場合と同様に、各クラッシュ又は傾斜面は、ダブテールのネックを通る半径方向平面に対して角度αを形成し、これらの角度は、前記平面から遠ざかるように、かつロータ軸線に向かって及び該ロータ軸線から遠ざかるように開いている。傾斜したクラッシュ面１２２は、ホイールダブテール１３６の全高にわたり水平方向に対して一定の角度になっている。前述の実施形態の場合と同様に、これらの傾斜したクラッシュ面は、所定のフィレットに対する応力集中を減少させ、フックフィレットの半径をより大きくすることを可能にし、このことが更に応力集中を減少させる。好ましいクラッシュ面の角度αは、１１０°である。
【００２５】
次に図５を参照すると、本発明のこの実施形態におけるホイールポケット１３９は、半径方向内向き方向においてロータ軸線に垂直な平面から遠ざかるように傾けられた軸方向に向いた面１４１を有する。また、タング１５２は、雄ダブテールのホイールポケット１３９の傾けられた面１４１よりも大きい角度で、半径方向においてロータ軸線に垂直な平面から遠ざかるように傾けられた軸方向に向いた面１５３を含む。ポケット１３９は、それぞれ０．０９４インチと０．１４０インチの半径を有する右フィレット１４０と左フィレット１４２とを含む。第３フック、すなわちフック１３２の下方にあるフィレット１６０の半径は、０．２２５インチである。
【００２６】
本発明のこの第２の実施形態におけるホイールダブテールに関するその他の重要な寸法は、表２の通りである。
【００２７】
【表２】
0004391736.tif 000003
【００２８】
前述の実施形態の場合と同様に、半径方向高さは、フックの各上面の軸方向最外端部からフックの下面に沿った傾斜面が始まる位置までの距離である。
【００２９】
ネックの軸方向長さＮは次の通りである。
Ｎ１−フック１２８と１３０との間−１．１５４インチ
Ｎ２−フック１３０と１３２との間−２．１６０インチ
Ｎ３−フック１３２とタングとの間−３．１９３インチ
【００３０】
図６には、図５に示す雄ダブテール要素とほぼ相補形であるバケットの雌ダブテール１３８が示されている。例えば、ホイールポケット１３９内に受け入れられるためのタング１５２に注目されたい。図６に示すバケットダブテールの様々な相補形要素は、ホイールダブテールと同じ参照符号の後に添え字Ｂを付して示されている。許容差を除けば、バケットダブテール１３８の寸法特性は、ホイールダブテール１３６の寸法特性に対して同一であるか、或いは密嵌合する関係になっている。
【００３１】
例えば、バケットのダブテール高さは３．３４０インチである。
フック間の軸方向長さは次の通りである。
フック１（１２８Ｂ）−１．３６２インチ
フック２（１３０Ｂ）−２．３６９インチ
フック３（１３２Ｂ）−３．３７４インチ
【００３２】
ネックの軸方向長さ１ＮＢは次の通りである。
ＮＢ１−フック１２８Ｂの上方−２．０６２インチ
ＮＢ２−フック１３０Ｂの上方−３．０６８インチ
ＮＢ３−フック１３２Ｂの上方−４．０７４インチ
【００３３】
本発明を、現在最も実用的で好ましい実施形態であると考えられるものに関連して説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではない。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】
【図１】  典型的なタービンロータホイールとバケットのダブテール継手の概略図。
【図２】  本発明によるタービンホイールダブテールの断面図。
【図３】  本発明によるホイールとバケットのダブテール継手のフィレット及びタング区域の部分拡大断面図。
【図４】  図２のホイールダブテールのダブテール継手に嵌合されるバケットダブテール継手の断面図。
【図５】  本発明の別の実施形態の、図２と同様な断面図。
【図６】  本発明の別の実施形態の、図４と同様な断面図。
【符号の説明】
１０  シャフト
１２  ロータホイール
１４  雄ダブテール要素
１６  タービンバケット
１８  雌ダブテール要素
２０  ブレード
【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】
0004391736.tif 000008
【図６】
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