JP2004316657A - 混合調整式ハイブリッドバケット及びその関連方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、蒸気タービンバケットに関する。
【解決手段】 蒸気タービンロータホイールは、各々がシャンク部分（１２）と翼形部分（１４）とを備えた、ホイールの円周周辺部の周りに固定した複数のバケット（１０、３４）を含み、複数のバケットは、それぞれ異なる所定の共振振動数を有する２つのグループのバケット（１０、３４）を含む。蒸気タービンロータホイール上のバケット列内の振動を減少させる方法は、ａ）第１の所定の固有振動数範囲を有する第１のグループのバケット（１０）を準備する段階、ｂ）第１の所定の固有振動数範囲とは異なる第２の所定の固有振動数範囲を有する第２のグループのバケット（３４）を準備する段階、及びｃ）第１及び第２のグループのバケットのうちのバケットを交互方式でロータホイール上に組立てる段階を含む。
【選択図】 図５

Description

本発明は、一般的に蒸気タービンバケット（又は、ブレード）に関し、より具体的には、特に異なる所定の振動数ダンピング特性を備えかつ改善されたシステムダンピングをもたらすように調整した複合バケットに関する。

蒸気タービンバケットは、大きな遠心荷重及び振動応力を受ける環境内で作動する。振動応力は、バケット固有振動数が共振状態になったときに増大する。バケットが共振状態で振動するときの振動応力の大きさは、システム内に存在するダンピング量（ダンピングは、材料的、空力的及び機械的要素からなる）と振動励振レベルとに比例する。連続結合されたバケットの場合には、振動周波数は、列になったブレードの全体システムの関数であって、必ずしもその列内の個々のブレードの関数ではない。

同時に、遠心荷重は、作動速度とバケット質量と質量が位置するエンジン中心線からの半径との関数である。バケット荷重（質量）が増大すると、所定の材料における許容可能な応力を超えることなく質量をバケット上に支持することを可能にするために、物理的面積すなわち断面積が、より低い半径方向高さにおいて増大されなければならない。このより低いスパンにおいてバケットの断面積を増大させることは、根元において流れを過剰に閉塞することになり、従って性能を低下させる。バケットの重量は、より大きなディスク応力の一因となり、従って信頼性を低下させるおそれがある。

幾つかの先行の米国特許が、翼形部分の一部が金属とポリマー充填材との組合せから構成された所謂「ハイブリッド」バケット設計に関連している。これらの先行特許には、特許文献１、特許文献２、特許文献３、及び特許文献４が含まれる。
特開平１０−５４２０４号 米国特許第６，０４２，３３８号 米国特許第５，９３１，６４１号 特開平９−３０３１０４

本発明は、バケット又はブレード列（連続結合式又は自立形）の空気弾性応答を、列内のブレード又はバケットの固有振動数を混合調整することによって抑制する手段を提案する。具体的には、本特許は、特許文献３（米国特許第５，９３１，６４１号）に開示されているようなハイブリッドバケットの概念を利用するが、バケットの翼形部分内の内部ポケット構成を最適化することを含むようにその概念を拡大して、例示的な実施形態では、各々が同一の外部空力形状及び輪郭を有するが異なるバケット共振振動数になるような異なる内部リブ及び／又はポケット形状を備えた２つのグループ又は集団のバケットを形成するようにする。バケットの翼形部分内部のポケットは、好ましくはポリマー充填材で充填し、このポリマー充填材によってもバケットの翼形部分の１面を形成する。２つのグループのバケットの固有振動数を意図的に変えることによって、バケットは、バケットの空力特性に悪影響を及ぼさずにこの固有共振振動数の固有差を同期及び非同期回転数振動に対するシステム応答をダンピングする手段として利用するように意図的かつ論理的に組立てることができる。

この例示的な実施形態では、バケットの正圧側面に沿って異なる内部ポケット構成を有する２つのグループ又は組のバケットが、バケットの単一列内において蒸気タービンのロータホイール上に組立てられる。１つのグループのバケットは、別のグループのバケットよりも高い共振振動数を有するように設計される。バケット構成が決定されると、バケットは、振動抑制の目標を最良に達成するパターンでホイール上に組立てられる。この例示的な実施形態では、各グループのバケットは、交互方式で、すなわち１つのグループの各バケットが他のグループのバケットに隣り合う状態でホイール上に組立てられる。しかしながら、依然として本発明の技術的範囲内にある別の配置も考えられる。

ハイブリッドバケットによってバケットの全体重量を最大約３０％軽減することを達成できるので、翼形部分の空力特性を変えずに、取付け応力を減少させかつ信頼性を向上させることができる。

従って、より広範な態様では、本発明は、蒸気タービンロータホイールに関し、該蒸気タービンロータホイールは、ホイールの円周周辺部の周りに固定した複数のバケットを含み、各バケットは、シャンク部分と翼形部分とを含み、複数のバケットは、それぞれ異なる所定の固有共振振動数をもつ２つのグループのバケットを含む。

別の態様では、本発明は、蒸気タービンロータホイールに関し、該蒸気タービンロータホイールは、ホイールの円周周辺部の周りに固定したバケット列を含み、バケット列は、ホイールの周辺部の周りに交互パターンで配列された２つのグループのバケットを含み、各グループは、バケット列の振動の振幅を低減するための個別手段を有する。

別の態様では、本発明は、蒸気タービンロータホイール上のバケット列内の振動を減少させる方法に関し、該方法は、ａ）第１の所定の固有振動数範囲を有する第１のグループのバケットを準備する段階、ｂ）第１の所定の固有振動数範囲とは異なる第２の所定の固有振動数範囲を有する第２のグループのバケットを準備する段階、及びｃ）第１及び第２のグループのバケットのうちのバケットを交互方式でロータホイール上に組立てる段階を含む。

次ぎに、以下に特定する図面に関連させて、本発明を詳細に説明する。

図１には、部分的に製造された形態の蒸気タービンバケット１０を示す。バケット１０は、シャンク部分１２と翼形部分１４とを含む。本発明は、鋼又はチタンで製作することが好ましい翼形部分に関するが、他の好適な材料としては、アルミニウム、コバルト又はニッケルが含まれる。リブ１６、１８が、翼形部分と一体に鋳造されて個別のポケット２０、２２及び２４を形成する。しかしながら、リブは、翼形部分の側縁部２６、２８と同一平面で延びていないことが分かるであろう。実際には、リブ高さは、特定の用途に応じて異なるものとすることができる。米国特許第５，９３１，６４１号に記載されているようなポリマーベースの充填材３０が、図２に示すように、翼形部の正圧側面上の所定位置に成型され、ポケット２０、２２及び２４を充填しかつリブを覆い、それによってバケットの正圧側面に滑らかな面３２を形成する。具体的には、充填材３０は、本質的にはポリ（ジメチルシロキサン）のようなエラストマーからなることができる。エラストマーの他の好適な選択肢には、それに限定するのではないが、ポリ（ジフェニルジメチルシロキサン）、ポリ（フルオロシロキサン）、Ｖｉｔｏｎ（商標）、ポリサルファイド、ポリ（チオールエーテル）及びポリ（ホスファゼン）が含まれる。

充填材３０を翼形部分の金属表面に接着するための選択肢には、それに限定するのではないが、自己接着、充填材３０と翼形部分の金属表面との間の接着、粘着（粘着性フィルム又はペースト）及び融着が含まれる。

エラストマーを充填材として用いる場合には、エラストマーは、作動温度範囲にわたってほぼ２５０ｐｓｉ（ポンド／平方インチ）〜ほぼ５０，０００ｐｓｉ（また、より好ましくはほぼ２５０ｐｓｉ〜ほぼ２０，０００ｐｓｉ）の平均弾性率をもつのが好ましいこともさらに注目される。柔らか過ぎる（つまり、ほぼ２５０ｐｓｉ未満の平均弾性率をもつ）エラストマーは、構造的に翼形部形状を形成することができず、また硬過ぎる（つまり、ほぼ５０，０００ｐｓｉを越える平均弾性率をもつ）エラストマーは、必要な精密許容差に製造することができない。平均弾性率に対するより好ましい範囲は、ほぼ５００ｐｓｉ〜ほぼ１５，０００ｐｓｉである。一部の用途においては、従来型の薄膜（図示せず）及び従来型の耐食被膜（図示せず）で、バケットの翼形部分１４の露出表面を覆うことができる。

上述の実施形態では、リブ１６、１８は、翼形部分１４の長さに沿って反対方向に傾斜するように図示しているが、別の配置もまた本発明の技術的範囲内にある。

図３に移ると、図示する別のバケット３４は、リブ３６、３８、４０、４２、４４、４６と結合ウェブ部分４８、５０との一層複雑な組を含む。リブは、翼形部分の半径方向の中央付近に集中し、それに対応してより多数のポケットを形成する。しかしながら、充填材３０が所定位置に成型されると、バケット３４は、他の点では図２に示すバケット１０と同じ外観を有することになる。

次ぎに図４に移ると、調整したバケットのさらに別の実施形態を示している。ここでは、バケット５２は、リブのない状態、もっと適切に言えば単一の大きなポケット５４を備えた状態で形成されており、ポケットの全体がポリマーベースの充填材３０で充填されることになる。

例示的な実施形態では、上述のバケット設計は、図５に示すように蒸気タービンロータホイール５６上にバケット列を形成するために用いることができる。具体的には、グループＡ及びＢ（それぞれ、例えばバケット１０及び３４からなる）を、交互方式、すなわちＡＢＡＢ．．．のパターンでタービンホイール５６上に組立てて、１つのグループのバケットが、常にもう一方のグループのバケットに隣り合うようにする。バケットＡ、Ｂは、所望の振動周波数差を生じるように、本明細書で述べる構成以外の内部ポケット構成を有することもできる。やはり所望の振動ダンピング特性を得るためにバケットグループ分布のパターンを変更することも可能である。例えば、パターンＡＡＢＢＡＡ．．．等もまた用いることができる。

特に、本発明では、２つの「一回転当たり」基準（例えば一回転当たり４分割及び一回転当たり５分割）間で固有振動数が等しくなるようにした１つのグループのバケットを設計し、別の組の「一回転当たり」刺激（例えば一回転当たり３分割及び一回転当たり４分割のような）に関して固有振動数が等しくなるように、異なるリブ又はポケット構成を有するもう一方のグループのバケットを設計する可能性が存在する。解析結果は、内部リブ構成及び／又はポケット形状を変更することにより、バケットの固有振動数を大きく（±１０％又はそれ以上）変更することができることを示した。

従って、本発明は、「製造したまま」の固有振動数に基づいて選択するのではなく、特に異なる固有振動数を得るようにブレードを製造することを可能にする。バケットの個々の固有振動数を混合調整することで、ブレード設計の空力特性に悪影響を及ぼさずに同期及び非同期振動に対するシステム応答をダンピングすることによってブレード列全体の振動の振幅が低減する。

別の重要な考慮事項は、ポリマーベースの充填材３０を用いることによって可能になった質量の減少である。例えば、図１及び図３に示すように全体を構成したブレードの場合には、バケット重量を約３０％軽減することができる。このような重量の軽減により、翼形部分の空力的構成を変更せずに取付け応力を減少させ、それにより信頼性を向上させる。低サイクル疲労寿命が改善され、かつ応力腐食割れの危険性を少なくすることができる。

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、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。

本発明による、部分的に製造されたバケットの斜視図。 ポリマー充填材がバケットに付加された後の、図１に示すバケットの斜視図。 本発明による別の構成を示す、部分的に完成されたバケットの斜視図。 本発明によるさらに別の構成を示す、部分的に完成されたバケットの斜視図。 取付けられたバケットを備えたタービンホイールの軸方向概略正面図。

符号の説明

１０ 蒸気タービンバケット
１２ シャンク部分
１４ 翼形部分
１６、１８ リブ
２０、２２、２４ ポケット
２６、２８ 翼形部分の側縁部

Claims (10)

1. ホイールの円周周辺部の周りに固定した複数のバケット（１０、３４）を含み、各バケット（１０）が、シャンク部分（１２）と翼形部分（１４）とを含み、前記複数のバケットが、それぞれ異なる所定の共振振動数をもつ２つのグループのバケット（１０、３４）を含む蒸気タービンロータホイール（５６）。
2. １つのグループのバケット（１０）が、前記ホイールの周辺部の周りで他のグループのバケット（３４）と交互し、前記１つのグループのあらゆるバケットが、前記他のグループのバケットと隣り合っている、請求項１記載の蒸気タービンロータホイール。
3. 前記翼形部分（１４）が金属とポリマー充填材（３０）とから構成されている、請求項１記載の蒸気タービンロータホイール。
4. 前記ポリマー充填材（３０）が、本質的にポリ（ジメチルシロキサン）、ポリ（ジフェニルジメチルシロキサン）、ポリ（フルオロシロキサン）、Ｖｉｔｏｎ（商標）、ポリサルファイド、ポリ（チオールエーテル）及びポリ（ホスファゼン）から成る群から選ばれる、請求項３記載の蒸気タービンロータホイール。
5. 前記ポリマー充填材（３０）が２５０ｐｓｉ〜５０，０００ｐｓｉの平均弾性率をもつ、請求項３記載の蒸気タービンロータホイール。
6. 前記ポリマー充填材（３０）が２５０ｐｓｉ〜２０，０００ｐｓｉの平均弾性率をもつ、請求項３記載の蒸気タービンロータホイール。
7. 前記ポリマー充填材（３０）が５００ｐｓｉ〜１５，０００ｐｓｉの平均弾性率をもつ、請求項３記載の蒸気タービンロータホイール。
8. 蒸気タービンロータホイール上のバケット列内の振動を減少させる方法であって、
   ａ）第１の所定の固有振動数範囲を有する第１のグループのバケット（１０）を準備する段階、
   ｂ）前記第１の所定の固有振動数範囲とは異なる第２の所定の固有振動数範囲を有する第２のグループのバケット（３４）を準備する段階、及び
   ｃ）前記第１及び第２のグループのバケットのうちのバケットを交互方式で前記ロータホイール上に組立てる段階、
   を含む方法。
9. 前記第１及び第２の所定の固有振動数範囲が、前記第１及び第２のグループのバケット（１０、３４）のそれぞれの翼形部分内の異なるリブ配置（１６、１８）（３６、３８、４０、４２、４４、４６）によって得られる、請求項８記載の方法。
10. 前記リブ配置（１６、１８）が、前記翼形部分の内部にポケット（２０、２２、２４）を形成しており、当該方法が、前記ポケットをポリマー充填材（３０）で充填する段階をさらに含む、請求項９記載の方法。

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