(57)【要約】【課題】タービンバケット先端シュラウド端縁部輪郭を提供する。【解決手段】タービンバケット（２４）は、先端シュラウド（３６）を有するバケット翼形部３４を含み、先端シュラウド（３６）は、２つのスカラップ状端面（５２、５４）を含む前縁（４８）及び第３のスカラップ状端面（５６）を含む後縁（５０）を有し、これら端面（５２、５４及び５６）は、表Ｉに記載した点１〜４１としてのＸ及びＹのデカルト座標値に実質的に合致する前縁輪郭及び後縁輪郭を形成する。Ｘ及びＹ値は、それぞれの点を滑らかな連続円弧で結ぶと前縁及び後縁先端シュラウドスカラップ状輪郭を形成するインチで表した距離である。先端シュラウドはさらに、表ＩＩのそれぞれ点４２〜５９及び点６０〜７７としてのＸ及びＹのデカルト座標値に実質的に合致する第１及び第２のすなわち上部及び下部Ｚ形端縁部輪郭（３８、４０）を有する。【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（３６）を有するバケット翼形部（３４）を備えるタービンバケット（２４）であって、
先端シュラウドが、前縁（４８）及び後縁（５０）を有し、
前縁（４８）が、表Ｉに記載の点１〜６及び点７〜２１におけるデカルト座標系のＸ及びＹ座標値にそれぞれ実質的に合致する第１及び第２のスカラップ状セクション（５２、５４）を含む所定の輪郭を有し、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り、また点１〜６及び点７〜２１を滑らかな連続円弧で結ぶと、それらの点が前縁先端シュラウド輪郭のそれぞれ第１及び第２のスカラップ状セクションを画成する、
タービンバケット。
【請求項２】
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インチ以内の包絡面内に位置する、請求項１記載のタービンバケット。
【請求項３】
表Ｉに記載したＸ及びＹ値が、拡大した又は縮小した前縁部輪郭を得るために同一の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４】
後縁（５０）が、表Ｉに記載した点２２〜４１におけるデカルト座標系のＸ及びＹ座標値に実質的に合致するスカラップ状セクションを含む所定の輪郭を有し、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り、また点２２〜４１を滑らかな連続円弧で結ぶと、これら点が、後縁先端シュラウド輪郭のスカラップ状セクションを画成する、請求項１記載のタービンバケット。
【請求項５】
先端シュラウドが、第１及び第２のＺ形端縁部輪郭（３８、４０）をさらに含み、
第１及び第２のＺ形端縁部輪郭が、表ＩＩに記載の点４２〜５９及び点６０〜７７におけるデカルト座標系のＸ及びＹ座標値に実質的に合致する所定の輪郭を有し、表ＩＩ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り、また点４２〜５９及び点６０〜７７を滑らかな連続円弧又は直線で結ぶと、それらの点がそれぞれ第１及び第２のＺ形端縁部輪郭を形成する、
請求項１記載のタービンバケット。
【請求項６】
先端シュラウドが、該先端シュラウドの円周方向端縁部間で延びる第１及び第２のすなわち前方及び後方シールレールをさらに含み、
翼形部の後縁から後方シールレールまでの距離が約０．８１インチであり、
翼形部の後縁から前方シールレールまでの距離ｂが約１．８１インチである、
請求項１記載のタービンバケット。
【請求項７】
先端シュラウドが、該先端シュラウドの円周方向端縁部間で延びる第１及び第２のすなわち前方及び後方シールレールをさらに含み、
シールレールが、カッタ歯をさらに含み、
翼形部の後縁から後方シールレールのカッタ歯の中間点までの距離が約１．４４インチであり、
翼形部の後縁から前方シールレールのカッタ歯の中間点までの距離が約２．４３インチである、
請求項１記載のタービンバケット。
【請求項８】
先端シュラウドが、第１及び第２のＺ形端縁部輪郭をさらに含み、
先端シュラウドが、Ｚ形端縁部間で延びる第１及び第２のすなわち前方及び後方シールレールをさらに含み、
後方シールレールが、Ｚ形端縁部の硬質端面領域と同じ場所に設置される、
請求項１記載のタービンバケット。
【請求項９】
先端シュラウドが、第１及び第２のＺ形端縁部輪郭（３８、４０）をさらに含み、
第１及び第２のＺ形端縁部輪郭が、表ＩＩに記載の点４２〜５９及び点６０〜７７におけるデカルト座標系のＸ及びＹ座標値に実質的に合致する所定の輪郭を有し、表ＩＩ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り、また点４２〜５９及び点６０〜７７を滑らかな連続円弧又は直線で結ぶと、それらの点がそれぞれ第１及び第２のＺ形端縁部輪郭を形成する、
請求項４記載のタービンバケット。
【請求項１０】
先端シュラウドが、該先端シュラウドの円周方向端縁部間で延びる第１及び第２のすなわち前方及び後方シールレールをさらに含み、
翼形部の後縁から後方シールレールまでの距離が約０．８１インチであり、
翼形部の後縁から前方シールレールまでの距離ｂが約１．８１インチである、
請求項４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する。より具体的には、本発明は、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輪郭、後縁輪郭及びＺ形端縁部輪郭に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン用のバケットは一般的に、翼形部、プラットフォーム、シャンク及びダブテールを含む。ダブテールは、タービンホイールの相補形スロット内に取付けられる。多くの場合、翼形部は、一体形に形成した先端シュラウドを含む。勿論、翼形部及び先端シュラウドを含むバケットは、運転時にエンジン中心線の周りで回転可能であり、翼形部及び先端シュラウドは、高温ガス通路内に設置される。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は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不均衡のために、正圧及び負圧側面間で先端シュラウドとのその接合部に、翼形部フィレット応力の大きな差が発生する。この質量不均衡は、バケットのクリープ寿命に悪影響を与える。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の高い負荷が生じ、クリープ寿命の低下が発生していた。さらに、特定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、このことが、先端シュラウドを越える流れの漏洩による段効率に対する悪影響を引き起こしている。
【特許文献１】米国特許第６８９３２１６号明細書
【特許文献２】米国特許第６８５１９３１号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の例示的な実施形態によると、先端シュラウドを有するバケット翼形部を備えるタービンバケットを提供しており、先端シュラウドは、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均衡させ、それによってクリープ寿命を最大にしまた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。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通路内でほぼ軸方向上流に面する端縁部は、表Ｉに記載の点１〜６及び点７〜２１におけるデカルト座標系のＸ及びＹ座標値に実質的に合致する第１及び第２のスカラップ状セクションを含む所定の輪郭を有し、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り、また点１〜６及び点７〜２１を滑らかな連続円弧で結ぶと、それらの点が前縁先端シュラウド輪郭のそれぞれ第１及び第２のスカラップ状セクションを画成する。
【０００４】
本発明はまた、先端シュラウドを有するバケット翼形部を備えるタービンバケットとして具現化することができ、先端シュラウドは、前縁及び後縁を有し、後縁は、表Ｉに記載した点２２〜４１におけるデカルト座標系のＸ及びＹ座標値に実質的に合致するスカラップ状セクションを含む所定の輪郭を有し、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り、また点２２〜４１を滑らかな連続円弧で結ぶと、これら点が、後縁先端シュラウド輪郭のスカラップ状セクションを画成する。
【０００５】
本発明のさらに別の実例実施形態では、先端シュラウドを有するバケット翼形部を備えるタービンバケットを提供しており、先端シュラウドは、前縁及び後縁輪郭並びに第１及び第２のＺ形端縁部輪郭を有し、第１及び第２のＺ形端縁部輪郭は、表ＩＩに記載の点４２〜５９及び点６０〜７７におけるデカルト座標系のＸ及びＹ座標値に実質的に合致する所定の輪郭を有し、表ＩＩ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り、また点４２〜５９及び点６０〜７７を滑らかな連続円弧又は直線で結ぶと、それらの点がそれぞれ第１及び第２のＺ形端縁部輪郭を形成する。
【０００６】
本発明のこれらの及びその他の目的及び利点は、添付図面と共に行った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検討することによってより完全に理解されかつ納得されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
次に図面の図、具体的には図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で示した高温ガス通路を示している。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取付けられる。勿論、第１段バケット１６は、タービンロータホイール１７上に取付けられる。タービン１２の第２段もまた、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズル１８及び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を含むものとして示している。第３段もまた、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズル２２及びロータ１７上に取付けられたバケット２４を含むものとして示している。ノズル及びバケットは、タービン１２の高温ガス通路１０内に位置し、高温ガス通路を通る高温ガスの流れの方向を矢印２６によって示していることが分かるであろう。
【０００８】
第３段の各バケット２４には、プラットフォーム３０、シャンク３２及びダブテール（図示せず）が設けられ、該ダブテールは、ロータの一部を形成するロータホイール上の相補的形状の係合ダブテール（これもまた図示せず）と連結するようになっている。第３段バケット２４の各々はまた、図２〜図５において点線で示すような翼形部３４（図２）を含み、翼形部３４は、該翼形部に沿ったプラットフォームから翼形部先端までのあらゆる断面において翼形輪郭を有する。
【０００９】
本発明を具現化した先端シュラウドは、Ｆクラスタービンの第３段バケット用として設けられる。図２〜図５を参照すると、第３段バケットの各々には、その全体を参照符号３６で示した先端シュラウドが設けられる。先端シュラウド３６は、バケットと一体形に形成され、かつ各先端シュラウドが、その円周方向両端部３８、４０において隣接バケットの隣接先端シュラウドと係合して、第２段バケットからの軸方向位置に高温ガス通路を囲むほぼ環状のリング又はシュラウドを形成するのが好ましい。図２〜図５に示すように、各第３段バケット２４の先端シュラウド３６は、その半径方向外面に沿って第１及び第２のすなわち前方及び後方シールレール４２、４４を含み、該シールレール４２、４４は、先端シュラウドの周りで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連続形シールリングを形成する。図２に示すように、先端シュラウド３６は、それぞれ成形前縁及び後縁４８及び５０を含む。成形前縁は、第１及び第２のスカラップ状部分５２、５４を含み、一方、後縁は、単一のスカラップ状部分５６を含む。前縁及び後縁は、高温ガス通路内において先端シュラウド３６の軸方向に面した両側面上に位置する。
【００１０】
それぞれ前縁スカラップ５２、５４及び後縁スカラップ５６の形状を定めるために、空間内における固有の点の組又は軌跡が、図２に概略的に示すようなＸ及びＹ軸のデカルト座標系で具体的に与えられる。それぞれのスカラップ状端面５２、５４、５６における図３に番号付けした代表点のＸ及びＹ値は、下の表Ｉに示しており、これらＸ及びＹ値は、それぞれのスカラップ状端面に沿った様々な位置における前縁及び後縁輪郭を形成する。Ｘ及びＹ座標の数値は、表Ｉにおいてインチで記載しているが、その数値が適切に変換される場合には、その他の寸法の単位も使用することができる。Ｘ及びＹ軸の原点に対して選択位置におけるＸ及びＹ座標値を定めることによって、１〜４１と番号付けした点の位置を確定することができる。そのように定めたスカラップ状端面の各々に沿って滑らかな連続円弧でＸ及びＹ値を結ぶことによって、各端縁部輪郭を確定することができる。
【００１１】
これらの数値は、周囲温度、非作動又は非高温状態、すなわち低温状態における前方及び後方スカラップ状端縁部輪郭を表していることが分かるであろう。
【００１２】
【表１】
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それぞれ図示した構成による第１及び第２の、上部及び下部、すなわち先端シュラウド円周方向両端部３８、４０を形成するＺ形の形状を定めるために、空間内における固有の点の組又は軌跡が、図２に概略的に示すようなＸ及びＹ軸のデカルト座標系で具体的に与えられる。それぞれのＺ形における図４に番号付けした代表点のＸ及びＹ値は、以下の表ＩＩに示しており、これらのＸ及びＹ値は、Ｚ形に沿った様々な位置における先端シュラウドの円周方向両端部の輪郭を形成する。Ｘ及びＹ座標の数値は、表ＩＩにおいてインチで記載しているが、その数値が適切に変換される場合には、その他の寸法の単位も使用することができる。Ｘ及びＹ軸の原点に対して選択位置におけるＸ及びＹ座標値を定めることによって、４２〜７７と番号付けした点の位置を確定することができる。そのように定めたＺ形の各々に沿って滑らかな連続直線又は円弧でＸ及びＹ値を結ぶことによって、各円周方向端部端縁部輪郭を確定することができる。
【００１３】
これらの数値は、周囲温度、非作動又は非高温状態、すなわち低温状態における円周方向端部Ｚ形輪郭を表していることが分かるであろう。
【００１４】
【表２】
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先端シュラウド端縁部端面の実際の輪郭には、考慮しなければならない一般的な製作公差及び皮膜が存在することが分かるであろう。従って、表Ｉ及び表ＩＩに示した先端シュラウド輪郭のための数値は、基準先端シュラウドに対するものである。従って、あらゆる皮膜厚さを含む一般的な±製作公差、すなわち±値は、上の表Ｉ及び表ＩＩに示すＸ及びＹ値に対して加算されることが分かるであろう。従って、前縁及び後縁並びにＺ形に沿った任意の表面位置に対して垂直な方向における±０．０８０インチの距離は、この特定の設計及びタービンについてのそれぞれの前縁及び後縁並びにＺ形に沿った先端シュラウド端縁部輪郭包絡面、すなわち基準の低温又は常温での実際の端縁部輪郭上の測定点と同一温度での上の表Ｉ及び表ＩＩに示すこれらの端縁部輪郭の理想的な位置との間における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安定した状態を保って機械的及び空気力学的機能を損なうことがなく、表Ｉ及び表ＩＩに記載した点１〜７７のデカルト座標値に実質的に合致する輪郭として採用される。
【００１５】
ＣＶ７２４１型の高温ガス通路は、空気力学的効率要件を満たすために第３段先端シュラウドを必要とする。本明細書に記載した先端シュラウド設計は、独特なものでありかつこのシステムに専用のものであるが、他のフレーム寸法に拡大縮小可能である。従って、上の表Ｉ及び表ＩＩに開示した先端シュラウドは、他の同様なタービン設計で使用するようにその幾何学的形状を拡大又は縮小することができる。その結果、表Ｉ及び表ＩＩに記載した座標値は、先端シュラウド前縁及び後縁スカラップ状輪郭並びに上部及び下部Ｚ形輪郭を変化させない状態に維持するようにして、率に応じて拡大又は縮小することができる。表Ｉ及び表ＩＩの座標の拡大又は縮小バージョンは、同一の数値によって乗算又は除算した表Ｉ及び表ＩＩのＸ及びＹ座標値によって表されることになる。
【００１６】
本発明のさらに別の特徴形状によると、先端シュラウド形状はさらに、空気力学的利点及び機械的要件を最適化するようになったシールレール配置に特徴がある。より具体的には、図５を参照すると、例示的な実施形態では、複式レール４４、４２が、図５に仮線で示した翼形部３４の後縁から、それぞれ所定の距離ａ及びｂの位置に設置される。この図示した例示的な実施形態では、翼形部３４の後縁から後方シールレール４４までの距離ａは、０．８１±０．１３インチであり、また前方シールレール４２までの距離ｂは、１．８１±０．１３インチである。
【００１７】
図示したシールレールはさらに、それぞれ翼形部３４の後縁から所定の距離ｙ１及びｙ２の位置に設置されたカッタ歯６２、６０を含む。この図示した例示的な実施形態では、後方シールレール４４のカッタ歯６２の中間点までの距離ｙ１は、１．４４±０．１３インチであり、また後縁から前方シールレール４２のカッタ歯６０の中間点までの距離ｙ２は、２．４３±０．１３インチである。
【００１８】
また図示するように、図示した例示的な実施形態のさらに別の特有の特徴形状は、後方シールレール４４及び硬質端面領域６４が、機械的な利点を得るために同じ場所に設置されることである。また図５において示すような例示的な実施形態では、その硬質端面６４は、後方シールレール４４の長手方向軸線に対して約３０〜３５度の角度になっている。
【００１９】
図１〜図５に示すように、図示した先端シュラウドのさらに別の特色ある特徴形状は、空気力学的利点を得るために、先端シュラウド３６の前縁４８側では翼形部の正圧及び負圧側面への真っ直ぐでない先端シュラウド被覆範囲が存在し、また先端シュラウド３６の後縁５０側では単面被覆範囲が存在することである。
【００２０】
本明細書に上記した固有の先端シュラウド形状及びレール配置は、空気力学的利点及び機械的要件を最適化するようになっている。
【００２１】
本発明の特有の先端シュラウド設計は、ＣＶ７２４１型の空気力学的効率要件に適合するが、同時にブレードの機械的限界値を満たすように構成されている。開示した設計は、空気力学及び機械的設計間の反復法によって到達されかつＣＶ７２４１型を安全かつ円滑な状態で運転することを可能にする。
【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】
【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】半径方向内向きに見た状態でありかつ表Ｉ及び表ＩＩに記載した点の座標を定めるために使用した座標系を示す、本発明を具現化した先端シュラウドの拡大端面図。
【図３】半径方向内向きに見た状態でありかつ表Ｉに記載した点の位置を示す、本発明を具現化した先端シュラウドの拡大端面図。
【図４】半径方向内向きに見た状態でありかつ表ＩＩに記載した点の位置を示す、本発明を具現化した先端シュラウドの拡大端面図。
【図５】座標系を省略しかつ本発明の例示的な実施形態における先端シュラウドの部品間の寸法関係を示す、図２と同様の図。
【符号の説明】
【００２４】
１０  高温ガス通路
１２  ガスタービン
１４  ノズル
１６  バケット
１７  タービンロータホイール
１８  ノズル
２０  バケット
２２  ノズル
２４  バケット
２６  高温ガス流の方向
３０  プラットフォーム
３２  シャンク
３４  翼形部
３６  先端シュラウド
３８、４０  シュラウド端部
４２、４４  シールレール
４６  シュラウド
４８  シュラウド前縁
５０  シュラウド後縁
５２、５４、５６  スカラップ状部分
６０、６２  カッタ歯
ｙ１、ｙ２  所定の距離
６４  硬質端面領域
【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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