(57)【要約】      （修正有）【課題】タービンブレード用のシャンク形状及びそれを組込んだタービンを提供する。【解決手段】本タービンは、複数のバケットを有するタービンホイールを含み、バケットの各々は、バケット翼形部３４と、バケットをタービンホイールに連結するバケットダブテールと、翼形部をバケットダブテールに連結するシャンク形状とを含み、シャンクは、デカルト値Ｘ、Ｙ及びＺ’に実質的に合致する凹状正圧側面と、シャンク基準輪郭がデカルト値Ｘ、Ｙ及びＺ’に実質的に合致する凸状負圧側面とを含む皮膜のない基準輪郭を有し、Ｚ’値は、該Ｚ’値にインチ単位のシャンク高さを乗じることによってインチ単位のＺ距離に変換可能な０から１までの範囲内の無次元値であり、Ｚ’値は、該Ｚ’値にインチ単位のシャンク高さを乗じることによってインチ単位のＺ距離に変換可能な０から１までの範囲内の無次元値である。【選択図】図３
2009133316.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バケット翼形部（３４）と、バケット（２０）をタービンホイール（１７）に連結するバケットダブテール（３８）と、前記翼形部（３４）を前記バケットダブテール（３８）に連結するシャンク形状とを含む製品であって、
前記シャンクが、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺ’のデカルト値に実質的に合致する凹状正圧側面を含む皮膜のない基準輪郭を有し、前記表Ｉにおいて、Ｚ’値は、該Ｚ’値にインチ単位のシャンク高さを乗じることによってインチ単位のＺ距離に変換可能な０から１までの範囲内の無次元値であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧で結ぶと、各距離Ｚにおけるシャンク輪郭断面を画成するインチ単位の距離であり、
前記輪郭断面を互いに滑らかに結ぶと完全な凹状正圧側面シャンク形状をなす、製品。
【請求項２】
タービンバケットを画成して、タービンの第２段の一部が形成される、請求項１記載の製品。
【請求項３】
前記シャンク形状が、任意のシャンク表面位置に対して垂直な方向に±０．０６７インチ以内の包絡面内にある、請求項１記載の製品。
【請求項４】
前記ダブテールからプラットフォームまでの前記シャンクの高さが３．４４５インチである、請求項１記載の製品。
【請求項５】
バケット翼形部（３４）と、バケット（２０）をタービンホイール（１７）に連結するバケットダブテール（３８）と、前記翼形部（３４）を前記バケットダブテール（３８）に連結するシャンク形状とを含む製品であって、
前記シャンクが、表ＩＩに記載したＸ、Ｙ及びＺ’のデカルト値に実質的に合致する凸状負圧側面を含む皮膜のない基準輪郭を有し、前記表ＩＩにおいて、Ｚ’値は、該Ｚ’値にインチ単位のシャンク高さを乗じることによってインチ単位のＺ距離に変換可能な０から１までの範囲内の無次元値であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧で結ぶと、各距離Ｚにおけるシャンク輪郭断面を画成するインチ単位の距離であり、
前記輪郭断面を互いに滑らかに結ぶと完全な凸状負圧側面シャンク形状をなす、製品。
【請求項６】
タービンバケットを画成して、タービンの第２段の一部が形成される、請求項５記載の製品。
【請求項７】
前記シャンク形状が、任意のシャンク表面位置に対して垂直な方向に±０．０６７インチ以内の包絡面内にある、請求項５記載の製品。
【請求項８】
前記ダブテールからプラットフォームまでの前記シャンクの高さが３．４４５インチである、請求項５記載の製品。
【請求項９】
複数のバケット（２０）を有するタービンホイール（１７）を含み、前記バケットの各々が、バケット翼形部（３４）と、該バケットを前記タービンホイールに連結するバケットダブテール（３８）と、前記翼形部（３４）を前記バケットダブテール（３８）に連結するシャンク形状とを含む製品であって、
前記シャンクが、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺ’のデカルト値に実質的に合致する凹状正圧側面を含む皮膜のない基準輪郭を有し、前記表Ｉにおいて、Ｚ’値は、該Ｚ’値にインチ単位のシャンク高さを乗じることによってインチ単位のＺ距離に変換可能な０から１までの範囲内の無次元値であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧で結ぶと、各距離Ｚにおけるシャンク輪郭断面を画成するインチ単位の距離であり、
前記輪郭断面を互いに滑らかに結ぶと完全な凹状正圧側面シャンク形状を形成し、
前記シャンク基準輪郭が、表ＩＩに記載したＸ、Ｙ及びＺ’のデカルト値に実質的に合致する凸状負圧側面をさらに含み、前記表ＩＩにおいて、Ｚ’値は、該Ｚ’値にインチ単位のシャンク高さを乗じることによってインチ単位のＺ距離に変換可能な０から１までの範囲内の無次元値であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧で結ぶと、各距離Ｚにおけるシャンク輪郭断面を画成するインチ単位の距離であり、
前記輪郭断面を互いに滑らかに結ぶと完全な凸状負圧側面シャンク形状をなす、製品。
【請求項１０】
ガスタービンを画成し、前記タービンホイールが、前記タービンの第２段を含む、請求項９記載の製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンのバケット段に関し、具体的には、第２段タービンバケット用のシャンク形状に関する。本発明は、特にガスタービンのためのものであるが、拡大又は縮小した設計の使用は、蒸気タービン又は航空機エンジンにも適用可能とすることができる。
【背景技術】
【０００２】
全体的な効率及び翼形部負荷の改善を含む設計目標に適合させるためには、ガスタービンの高温ガス通路の各段について多くのシステム要件を満たされなくてはならない。具体的には、タービン断面の第２段バケットは、その特定の段の作動要件を満たさねばならず、かつ効率的な製造もまた可能でなくてはならない。
【特許文献１】米国特許第５９８０２０９号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明は、バケット翼形部と、バケットをタービンホイールに連結するバケットダブテールと、翼形部をバケットダブテールに連結するシャンク形状とを含む製品として具現化することができ、シャンクは、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺ’のデカルト値に実質的に合致する凹状正圧側面を含む皮膜のない基準輪郭を有し、この表Ｉにおいて、Ｚ’値は、該Ｚ’値にインチ単位のシャンク高さを乗じることによってインチ単位のＺ距離に変換可能な０から１までの範囲内の無次元値であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧で結ぶと、各距離Ｚにおけるシャンク輪郭断面を画成するインチ単位の距離であり、これらのＺ距離における輪郭断面を互いに滑らかに結ぶと完全な凹状正圧側面シャンク形状をなす。
【０００４】
本発明はまた、バケット翼形部と、バケットをタービンホイールに連結するバケットダブテールと、翼形部をバケットダブテールに連結するシャンク形状とを含む製品として具現化することができ、シャンクは、表ＩＩに記載したＸ、Ｙ及びＺ’のデカルト値に実質的に合致する凸状負圧側面を含む皮膜のない基準輪郭を有し、この表ＩＩにおいて、Ｚ’値は、該Ｚ’値にインチ単位のシャンク高さを乗じることによってインチ単位のＺ距離に変換可能な０から１までの範囲内の無次元値であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧で結ぶと、各距離Ｚにおけるシャンク輪郭断面を画成するインチ単位の距離であり、これらの輪郭断面を互いに滑らかに結ぶと完全な凸状負圧側面シャンク形状をなす。
【０００５】
本発明はさらに、複数のバケットを有するタービンホイールを含み、バケットの各々が、バケット翼形部と、バケットをタービンホイールに連結するバケットダブテールと、翼形部をバケットダブテールに連結するシャンク形状とを含む製品として具現化することができ、シャンクは、表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺ’のデカルト値に実質的に合致する凹状正圧側面を含む皮膜のない基準輪郭を有し、この表Ｉにおいて、Ｚ’値は、該Ｚ’値にインチ単位のシャンク高さを乗じることによってインチ単位のＺ距離に変換可能な０から１までの範囲内の無次元値であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧で結ぶと、各距離Ｚにおけるシャンク輪郭断面を画成するインチ単位の距離であり、これらの輪郭断面を互いに滑らかに結ぶと完全な凹状正圧側面シャンク形状を形成し、シャンク基準輪郭はさらに、表ＩＩに記載したＸ、Ｙ及びＺ’のデカルト値に実質的に合致する凸状負圧側面を含み、この表ＩＩにおいて、Ｚ’値は、該Ｚ’値にインチ単位のシャンク高さを乗じることによってインチ単位のＺ距離に変換可能な０から１までの範囲内の無次元値であり、またＸ及びＹは、滑らかな連続円弧で結ぶと、各距離Ｚにおけるシャンク輪郭断面を画成するインチ単位の距離であり、これらの輪郭断面を互いに滑らかに結ぶと完全な凸状負圧側面シャンク形状をなす。
【０００６】
本発明のこれらの及びその他の目的及び利点は、添付の図面と関連させて本発明の現時点で好ましい例示的な実施形態の以下のより詳細な説明を注意深く精査することによって、より完全に理解されかつ評価されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
次に図面、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のその全体を参照符号１０で指定した高温ガス通路を示している。図には、３つの段を示している。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かつロータの軸線の周りに固定される。言うまでもなく、第１段バケット１６は、タービンロータ１７上に取付けられる。タービン１２の第２段もまた図示しており、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１８と、ロータ上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。第３段もまた図示しており、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２２とロータ１７上に取付けられたバケット２４とを含む。ノズル及びバケットはタービンの高温ガス通路１０内に位置しており、該高温ガス通路１０を通る高温ガスの流れの方向を矢印２６で示しているのが分かるであろう。
【０００８】
図２を参照すると、バケット、例えば第２段のバケット２０は、ロータ１７の一部を形成したロータホイール（詳細には図示せず）上に取付けられたバケット根元３２を有し、またプラットフォーム３０を含むことが分かるであろう。各バケット２０が図２に示すようにバケット翼形部３４を有すること、またバケット根元がバケットシャンク３６及びバケットダブテール３８を含むことも分かるであろう。
【０００９】
ガスタービン（例えば、７ＦＡ＋ｅガスタービン）の高温ガス通路は、システムの効率及び負荷要件を満たす第２段翼形部を必要とする。付随の先端シュラウドを備えた翼形部は、これらの要件を満たすように設計されたが、本開示の主題であるシャンク、つまり前述したようにバケットをタービンホイールに連結するバケットダブテールに対し翼形部を連結するシャンクをさらに必要とした。
【００１０】
各第２段バケットシャンクのシャンク形状を定めるために、その段要件を満たしかつ製造することができる空間内における固有の点の組又は軌跡が存在する。この固有の点の軌跡は、段効率の要件を満たし、またタービンが効率的、安全かつ円滑な状態で作動するのを可能にするように空気力学的及び機械的負荷間の反復法によって求められる。これらの点は、このシステムに固有かつ特有のものであり、当業者に自明のものではない。
【００１１】
本発明のバケットシャンク輪郭を定める軌跡は、図３及び図４に示すように設定した基準原点座標系に対するＸ、Ｙ及びＺ’寸法を有する４５０個の点の組を含む。より具体的には、これらの点は、シャンクの正圧及び負圧側面表面上に位置し、図３及び図４に示すような座標原点に対するものである。この座標系は、最終翼形部形状上の３つの点によって定まる。Ｘ軸は、頂部ダブテール荷重支持面の直ぐ下方にあるダブテールの最小ネック上の２点、つまり図３において点Ａ及びＢで示したようなブレードの凹状側面上の２点によって定まる。Ｚ軸上の点Ｃは、平均キャンバ面とプラットフォーム表面の最外側範囲から（半径方向に）１．４８５インチの距離にある前縁との交点として定義される。Ｙ軸は、Ｘ及びＺ軸からの右手の法則によって設定される。Ｚ軸座標値は、シャンク高さ（図３）によって正規化され、このシャンク高さは、図示した例示的な実施形態では、Ｘ軸と軸方向保持溝４０との最前方交点からＺ軸と平行な直線に沿って測定した内側流路表面までの距離として定義される。この実施例では、シャンク高さの測定値は、３．４４５インチである。
【００１２】
上述したように、下記の表Ｉ及び表ＩＩに記載したＸ、Ｙ及びＺ’値のデカルト座標系は、その長さに沿った様々な位置におけるバケットシャンクの正圧及び負圧側面表面輪郭を定める。Ｘ及びＹ座標における座標値は、表Ｉ及び表ＩＩにおいてインチで記載しているが、それらの値が適切に変換される場合にはその他の寸法単位を使用することができる。Ｚ値は、表Ｉ及び表ＩＩにおいて０から１までの範囲内の無次元形式（Ｚ’）で記載している。より具体的には、無次元化座標値Ｚ’は、シャンク高さを定義した方法によって０．２０９から０．９４０までの範囲にある。Ｚ’値を例えばインチ単位で記載したＺ座標値に変換するためには、表Ｉ及び表ＩＩに記載した無次元Ｚ’値は、インチ単位で記載したシャンクのＺ長さ（この例示的な実施形態では、３．４４５インチ）によって乗算される。
【００１３】
上記したように、デカルト座標系は、直交関係にあるＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を有する。Ｘ軸は、バケットダブテールと平行であると定義されており、バケットダブテールは、この例示的な実施形態では、タービンロータ中心線と平行ではない。
【００１４】
Ｘ、Ｙ平面に対して垂直なＺ方向での選択位置においてＸ及びＹ座標値を定めることによって、シャンクの長さに沿った各距離Ｚにおけるバケットシャンクの輪郭断面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って、各距離Ｚにおける各輪郭断面が決定される。距離Ｚ間の様々な表面位置のシャンク輪郭は、隣切する輪郭断面を互いに滑らかに接続してシャンク輪郭を形成することによって決定される。
【００１５】
表Ｉ及び表ＩＩの値は、シャンクの輪郭を決定するために生成され、かつ小数点以下３桁まで示されている。稼動中にバケットが加熱されるにつれて、機械的及び熱的負荷により、Ｘ、Ｙ及びＺ’値に変化を引き起こすことになる。従って、表Ｉ及びＩＩに記載した輪郭用の値は、不作動時つまり高温でない周囲条件における値を表しており、また被膜のないシャンクに対するものである。
【００１６】
実際のシャンクの輪郭には、考慮しなければならない一般的製造公差並びに被膜が存在する。従って、表Ｉに示した輪郭用の数値は、基準翼形部についてのものである。各断面は、他の断面と滑らかに結ぶと、正圧及び負圧側面上に完全なシャンク形状をなす。従って、あらゆる被膜厚さを含む±一般的製造公差、すなわち±値は、下記の表Ｉ及びＩＩに記載したＸ及びＹ値に加算されることが分かるであろう。従って、シャンク輪郭に沿った任意の表面位置に対して垂直な方向における±０．０６７インチの距離は、この特定のバケットシャンク設計及びタービンについてのシャンク包絡面、すなわち基準低温つまり室温における実際のシャンク表面上の測定点と同一温度における下記の表に記載したそれらの点の理想位置との間の変異の幅を定める。バケットシャンク設計は、この変異の幅に対して安定した状態を保ち、機械的機能を損なうことがない。
【００１７】
本質的に同一のシャンク形状について多数の拡張方法が存在するので、シャンク表面の延長部は含んでいないことに注目されたい。さらに、シャンク表面と例えば一体形カバープレートなどのあらゆる付加物との間のフィレットは、このシャンク形状の定義には含んでいない。
【００１８】
【表１】
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2009133316.tif 000004
【００１９】
【表２】
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上記の表Ｉ及びＩＩに開示したシャンクの正圧及び負圧側面表面は、他の同様なタービン設計において使用するために幾何形状的に拡大又は縮小することができることも分かるであろう。従って、表Ｉ及びＩＩに記載した座標値は、シャンク輪郭形状を変えない状態に保持するようにして拡大又は縮小することができる。表Ｉ及びＩＩにおける座標値の拡大又は縮小バージョンは、無次元のＺ’座標値をインチに変換し、かつ定数によって乗算又は除算した状態での表Ｉ及びＩＩのＸ、Ｙ及びＺ’座標値によって表されることになる。
【００２０】
本開示における１つの重要な用語は、輪郭である。輪郭というのは、シャンク表面上の測定点と表Ｉ及び表ＩＩに記載した理想位置との間の変異の幅である。上述したように、製造したブレード上の実際の輪郭は、表Ｉ及び表ＩＩに記載した輪郭とは異なることになるが、設計はこの変異に対して安定しており、このことは、機械的機能が損なわれないことを意味している。これもまた上述したように、本明細書では、＋又は−０．０６７インチの輪郭公差を使用している。
【００２１】
シャンク上には、翼形部からダブテールへの荷重伝達以外の目的のために必要な、例えばエンゼルウイング、シールピンスロット、シールピン嵌合面、ダンパピンスロット及びダンパピン嵌合面のような付加物が存在することに注目されたい。これらの付加物は、上記の表Ｉ及び表ＩＩに記載した輪郭には含まれていない。
【００２２】
開示したシャンク形状は、機械条件及び仕様を最適化しかつそれらに特有なものである。このシャンク形状により、（１）翼形部からバケットダブテールへの機械的負荷の伝達、（２）部品の重量、及び（３）部品の空気力学的応答を最適化する固有の輪郭が得られる。
【００２３】
現時点で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な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】
【００２４】
【図１】本発明の例示的な実施形態による第２段バケット翼形部を示す、ガスタービンの複数段を通る高温ガス通路の概略図。
【図２】本発明の例示的な実施形態によるシャンクを有するバケットの斜視図。
【図３】本発明の例示的な実施形態によるシャンク点における座標原点及び配向を示す斜視図。
【図４】本発明の例示的な実施形態によるシャンク点における座標原点及び配向を示す側面図。
【符号の説明】
【００２５】
１０  高温ガス通路
１２  タービン
１４  第１段ノズル
１６  第１段バケット
１７  タービンロータ
１８  第２段ノズル
２０  第２段バケット
２２  第３段ノズル
２４  第３段バケット
２６  矢印
３０  プラットフォーム
３２  バケット根元
３４  翼形部
３６  シャンク
３８  ダブテール
４０  軸方向保持溝
【図１】
2009133316.tif 000007
【図２】
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【図３】
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【図４】
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