JPH04214902A - ロータ羽根の固定装置およびロータ羽根の固定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の背景】この発明はタービンロータにタービン羽
根を固定するための装置および方法に関するものである
。現代の蒸気タービンおよびガスタービンは、タービン
ロータにタービン羽根を機械的に取り付けあるいは固定
することができる、タービン羽根およびタービンロータ
の設計を用いている。 【０００２】従来のタービンロータにタービン羽根の一
つを取り付けるための従来の取り付け機構は、羽根の基
礎部から延びた細長い三角形の羽根根元部と、タービン
ロータに設けられ羽根根元部と嵌着する細長い三角形の
キャビティとを含んでいる（羽根根元部とキャビティと
は横断面が三角形である）。羽根根元部の外周面には、
代表的には複数の外側方向に延びた出張り部と複数の内
側方向に向けられた溝部とを形成する波形構造が設けら
れている。同様に、キャビティの壁面には、複数の外側
方向に延びた出張り部と複数の内側方向に延びた溝部と
を形成する波形構造が設けられている。取り付けられた
ときには、羽根根元部の外側方向に延びた出張り部がキ
ャビティ壁面の内側方向に延びた溝部に延び、またキャ
ビティ壁面の外側方向に延びた出張り部が羽根根元部の
内側方向に延びた溝部に延びようにして、羽根根元部は
キャビティ内に嵌着される。 【０００３】図１は従来のタービンロータ１０およびタ
ービンロータ１０に取り付け可能な数個の従来の羽根１
２の部分断面図である。図１に示すように各羽根１２は
基礎部１４と、この基礎部１４から延びた羽根根元部１
６とを含んでいる。上述したように、タービンロータ１
０にはキャビティ１８が設けられており、そのキャビテ
ィ１８の内部には羽根根元部１６が延びている。 【０００４】タービンロータ１０は数個のキャビティ１
８が設けられた外周表面２０を有している。キャビティ
１８同士の間に位置したタービンロータ１０の部分は代
表的には円盤尖状部２２と呼ばれている。 【０００５】また、上述したように、各羽根根元部１６
の外周表面には、幾つかの外側方向に延びた出張り部２
４と幾つかの内側方向に延びた溝部２６とを形成する波
形構造が設けられている。また、各キャビティ１８の壁
面には、幾つかの外側方向に延びた出張り部２８と幾つ
かの内側方向に延びた溝部３０とを形成する波形構造が
設けられている。取り付けられたときには、羽根根元部
１６の外側方向に延びた出張り部２４はキャビティ１８
の壁面の内側方向に延びた溝部３０の内部に延びている
。また、キャビティ１８の壁面の外側方向に延びた出張
り部２８は羽根根元部１６の内側方向に延びた溝部２６
の内部に延びている。最適には、羽根根元部１６とディ
スクステープル２２との間には隙間がなく、あるいは最
小量の隙間が存在するように、羽根根元部１６はキャビ
ティ１８の内部に緊密に嵌着される。このような緊密な
嵌着により、タービンの運転中にタービンロータ１０に
対して羽根１２が移動せず、あるいは振動しないであろ
うということが保証される。さらに、緊密な嵌着により
、羽根１２はタービンロータ１０に対してまたはキャビ
ティ１８に対して適正な整列（例えば半径方向の整列）
が維持されるということが保証される。 【０００６】再び図１を参照するに、各溝部３０には、
第１の表面部３２（図１に示された各溝部３０の上部に
位置している。）と第２の表面部３４（図１に示された
各溝部３０の底部に位置している。）とが設けられてい
る。第１の表面部３２はキャビティ１８の中心軸線に対
して角度αでキャビティ１８の壁面内部に延びている。 第２の表面部３４はキャビティ１８の中心軸線に対して
角度βでキャビティ１８の壁面内部に延びている。好適
には、角度αは角度βよりも大きい。 【０００７】同様に、各羽根根元部１６の外側方向に延
びた出張り部２４は、第１の表面部３６（図１に示され
た各出張り部２４の上部に位置している。）と第２の表
面部３８（図１に示された各出張り部２４の下部に位置
している。）とを含んでいる。第１の表面部３６は羽根
根元部１６の中心軸線に対して角度αで延びている。第
２の表面部３８は羽根根元部１６の中心軸線に対して角
度βで延びている。この取り合わせにより、各出張り部
２４の第１の表面部３６と各キャビティ１８の各溝部３
０の第１の表面部３２との間での十分な接触面積を可能
にする。このように、運転応力は各溝部３０の第１の表
面部３２と各出張り部２４の第１の表面部３６との間で
最初に及ぼされる。 【０００８】この設計は幾年かの間は首尾よくいくが、
羽根根元部の出張り部の亀裂のような問題が生じがちで
ある。このような亀裂の問題は溝部３０内での出張り部
２４の不適正な着座による。この問題はタービンのオー
バーホールの間に行われる各種の運転により悪化される
ということを見いだされた。 【０００９】このようなタービンのオーバーホール運転
により、キャビティ１８の溝部と出張り部との輪郭は寸
法許容差を失なう傾向にある。即ち、このようなタービ
ンのオーバーホールにより、溝部３０の円盤尖状部２２
を形成する金属の部分は除去され、あるいは摩耗される
ことにより、キャビティ１８の壁面に設けられた、溝部
３０および出張り部２８の形状あるいは寸法は変化する
傾向にある。その結果として、オーバーホールされたタ
ービンロータ１０のキャビティ１８に挿入される羽根根
元部１６はキャビティ１８内に緊密に嵌着されないかも
しれない。 【００１０】このようなキャビティ１８内の羽根根元部
１６の隙間嵌めにより、羽根部１２はタービンの運転の
間中タービンロータ１０に対して振動し、あるいは移動
するかもしれない。このようなタービンロータ１０に対
する羽根部１２の移動あるいは振動はキャビティ１８の
壁面および羽根根元部１６に対して過大な損傷を生じさ
せることができる。また、このような移動あるいは振動
は、羽根部１２とタービンロータ１０との間、または（
および）キャビティ１８に関して過大な摩擦熱を生じさ
せることができる。 【００１１】隙間嵌めに関連した問題を軽減する従来の
方法には、羽根根元部１６の最下部（図１参照）とター
ビンロータ１０との間に位置した従来の金属シムの使用
が含まれていた。しかしながら、ロータのオーバーホー
ルは溝部３０と出張り部２８とについて通常不均一であ
る金属の損失を生じさせるので、現在のシム技術では、
羽根１２は、キャビティ１８内で半径方向に整列しない
、即ち集中せず、またキャビティ１８内で緊密に着座し
ない結果となる。 【発明の概要】 【００１２】そのために、この発明の目的は、羽根をタ
ービンロータに固定あるいは取り付けるための装置およ
び方法を提供することであり、また羽根根元部の外周面
寸法がタービンロータに形成されたキャビティの外周面
に正確に適合しないときでさえ緊密な嵌着を可能にする
装置および方法を提供することである。 【００１３】また、この発明の目的は、タービンロータ
に対して正確な整列（例えば、半径方向の整列）を保持
するように、タービンロータに羽根を固定あるいは取り
付けるための装置および方法を提供することである。 【００１４】それらの目的および他の目的は、羽根根元
部とキャビティの壁面との間に膨張材料を配設すること
による、この発明で達成される。この発明の実施例では
、膨張材料は、高温にさらされたときに大きく膨張する
、自然に生じた鉱物から構成されている。この膨張材料
は膨張材料から直接作られたシム、あるいは膨張材料の
組成物とポリマーあるいはエラストマーのような結合剤
とから作られたシムであってもよい。あるいは、この膨
張材料は、キャビティの壁面の表面に付けられる液状ビ
ヒクルの形態で提供されてもよい。 【００１５】この発明の実施例によると、膨張材料（シ
ムあるいは液状ビヒクルの形態で）は、羽根根元部の一
定の表面をキャビティの壁面の一定の表面に対して押圧
するようにキャビティ内の特定の位置に位置決めされる
。このようにして、羽根は、膨張材料の膨張のときに、
強制的に整列された位置に緊密に嵌着されることができ
る。 【００１６】この膨張材料は、加熱のときに比較的大き
く膨張を示すような適当な材料であってもよい。このよ
うな材料の例として、ひる石およびパーライトがある。 それらの材料はこの発明に対して特に適している。なぜ
なら、これらは低温に戻った後でも、膨張された寸法を
維持するからである。 【００１７】羽根とタービンロータとの間に配置された
膨張材料の膨張の結果として、羽根は、押圧されて、タ
ービンロータに対して接触した配置で緊密に嵌着される
であろう。さらに、羽根はタービンロータに対して強制
的に一列に整列されて配置されることができる（例えば
、半径方向に整列される）。キャビティ内での羽根のこ
のような緊密な嵌着力により、その羽根はキャビティに
対する移動あるいは振動から防止されるであろう。従っ
て、タービンロータに対する羽根の移動あるいは振動に
より生じる大きな損傷あるいは熱は最小限にすることが
できる。さらに、タービンの運転中に、タービンロータ
に対する羽根の正確な整列は、保証され、また維持され
ることができる。この発明の詳細の説明は図を参照して
なされるが、それらの図においては、同一符号は、それ
ぞれの図において相応の部分を示している。 【好適な実施例の説明】　　　　　　 【００１８】次の詳細な説明は、この発明を実施する場
合に現在考えられる最良のものである。この説明は限定
された意味で把握するべきではなく、この発明の一般的
な原理を説明するために単になされたものである。この
発明の範囲は特許請求の範囲により最も明確にされる。 【００１９】次の説明では、この発明の実施例は、最新
の蒸気即ちガスタービン設備のようなタービンに関して
述べられている。しかしながら、この発明は、ロータ羽
根がロータに固定されるどのような設備にも適用するこ
とができるということは認識されるであろう。 【００２０】図２および図３はタービンロータおよびタ
ービン羽根の部分断面図である。図２および図３は、タ
ービン羽根をタービンロータに固定あるいは付着した、
第１および第２の実施例の略図をそれぞれ示す。それぞ
れの実施例は、高温にさらされたときに、大きく膨張す
る自然物である鉱物を用いている。この特性を示す二つ
の鉱物はひる石とパーライトである。しかしながら、人
工の膨張材料即ち複合材料は、自然物である膨張鉱物の
代わりに用いられ、またこの発明の範囲内で考えられる
。 【００２１】特に、ひる石は、組成物割合が変動しうる
含水のマグネシウム、アルミニウム、層状の珪酸塩から
なる。そのひる石の一般式は（ＯＨ）２（Ｍｇ、Ｆｅ）
３（Ｓｉ、Ａｌ、Ｆｅ）−Ｏ１０・４Ｈ２Ｏである。 【００２２】ひる石は結晶層が二層の水分子により分離
された含水黒雲母として知られているかもしれない。ひ
る石は、結晶層間の蒸気の構造により、強く加熱された
ときには著しく剥離する特性を有している。この剥離現
象により、ひる石は加熱されたときには、冷却（即ち室
温）状態での最初の体積の１２倍あるいはそれよりも大
きく体積が増大する。体積のこの実質的な増大は４２７
℃〜１０９３℃（８００°Ｆ〜２０００°Ｆ）の温度範
囲を越えると生じることができる。 【００２３】図２の実施例では、図１を参照して上述し
たように、羽根１２は基礎部１４と基礎部１４から延び
た羽根根元部１６とを有するように示されている。また
、図１を参照して述べられているように、羽根根元部１
６は複数の外側方向に延びる出張り部２４と内側方向に
延びる溝部２６とを含んでいる。各出張り部２４は第１
の表面部３６（図２の出張り部２４の上部に示されてい
る。）と第２の表面部３８（図２の出張り部の下部に示
されている。）とを有している。 【００２４】羽根根元部１６はタービンロータ１０のキ
ャビティ１８内に嵌着されるように示されている。図１
を参照して上述したように、キャビティ１８はタービン
ロータ１０の外周面２０から内部に延びている。 【００２５】図２に示すように、羽根根元部１６の外周
面寸法はキャビティ１８の壁周面寸法に正確に整合して
いない。その結果、隙間が羽根根元部１６の部分とター
ビンロータ１０との間に形成される。この発明の背景の
ところで上述したように、羽根根元部１６とキャビティ
１８との寸法の不正確な整合はタービンロータ１０のオ
ーバーホールで生じるかもしれない。また、この不正確
な寸法の整合は羽根１２または（および）タービンロー
タ１０の不正確な製造で生じることができる。 【００２６】図２の実施例において、羽根１２とキャビ
ティ１８の壁面との間には三個のシムが配設されている
。第１のシム４０は羽根根元部１６の底部（図２に示さ
れた羽根根元部１６の最下部）とキャビティ１８の底部
との間に配設されている。第２のシム４２は複数ある溝
部３０の一つの内部（図２の上部右側の溝部３０）に配
設されている。第２のシム４２はこの溝部３０の第２の
表面部３４と溝部３０に延びた出張り部２４の第２の表
面部３８との間に配設されている。第３のシム４４は、
この溝部３０の第２の表面部３４とこの溝部３０に延び
た出張り部２４の第２の表面部３８との間に配設された
他の溝部３０（図２の上部左側の溝部３０）に配設され
ている。好適には、室温のとき、シム４０、４２、４４
は、羽根根元部１６がキャビティ１８内に嵌着（必ずし
も緊密でなくてもよい）しうるように、羽根根元部１６
とタービンロータ１０との間の隙間に十分に充填してい
る。しかしながら、シム４０、４２、４４の膨張と同時
に、羽根根元部１６は下述するように、キャビティ１８
内に緊密に固定されるであろう。 【００２７】好適には、シム４０、４２、４４は、膨張
材料であり、シムの厚さを膨張させるように配向されて
いる、自然物である結晶層で作られている（例えばひる
石あるいはパーライト）。即ち、シム４０、４２および
４４を加熱すると、そのシムは図２の矢印４６の方向に
膨張するであろう。その上、膨張材料は、熱が装置から
除去された後（例えば、タービン装置が冷却された後）
でも、膨張された寸法を維持する材料であることが好ま
しい。 【００２８】そのために、図２に関して、第１のシム４
０を加熱すると、羽根根元部１６および羽根１２は図２
において上方向に押圧されるであろう。同様に、第２の
シム４２を加熱すると、羽根根元部１６および羽根１２
は図２において左上方向に押圧されるであろう。さらに
、第３のシム４４の加熱により、羽根根元部１６および
羽根１２は図２において右上方向に押圧されるであろう
。全部で三個のシム４０、４２および４４を加熱すると
、羽根根元部１６および羽根１２は、一斉にタービンの
運転中に自然に生じるのと同様に、図２において実質的
に上方向に押圧されるであろう。その結果、各出張り部
２４の第１の表面部３６は各溝部３０の第１の表面部３
２に押圧され、また羽根１２の羽根根元部１６はタービ
ンロータ１０のキャビティ１８に緊密に固定されるであ
ろう。 【００２９】シム４０、４２および４４は単一条片の膨
張材料からそれぞれ構成されている（例えば、ひる石あ
るいはパーライト）。あるいは、シム４０、４２および
４４は、羽根設計の必要のために調整された特性を与え
るために、また取り扱いおよび据え付け特性を向上させ
るために、第２の材料と交互の鉱物層の複合形態のもの
であってもよい。他に代わるものとして、各シム４０、
４２および４４は膨張材料（例えば、ひる石あるいはパ
ーライト）と他の材料との混合物から構成されてもよい
。この他の材料はポリマーあるいはエラストマーのよう
な結合剤であってもよい。この混合物は適当な寸法と形
をしたシムに調節、あるいは形成されることができる。 また、金属あるいはセラミック粉末が膨張材料と混合さ
れる他の材料として使用され、また圧縮粉の形態でシム
を作ることができるということが注目される。 【００３０】図３は、羽根１２がタービンロータ１０に
固定されているこの発明の他の実施例を示している。図
３の実施例では、膨張材料４８が液状ビヒクル５０中に
備えられている。即ち、膨張材料４８は混合液体を形成
するために液状ビヒクル５０と混合される。キャビティ
１８に羽根根元部１６を挿入する前に、この混合液体は
羽根根元部１６の望ましい領域あるいはキャビティ１８
の壁面に付けられる。この混合液体は塗料あるいは滑剤
が付けられる方法と同じ方法で付けられてもよい。この
液状ビヒクルを用いるという選択により、膨張材料は、
不十分な寸法嵌着を生じるということがわかっている特
定の領域に選択的に付けられることを可能にする。即ち
、液状ビヒクル５０は、付ける際にシムを位置決めする
ことが困難である色々な位置（例えば、曲線部あるいは
くぼみの周囲）に膨張材料４８が付けられるように融通
性を有している。さらに、羽根根元部１６とタービンロ
ータ１０との間の全隙間が膨張材料の膨張前あるいはそ
の後に充填されるように、混合液体が付けられてもよい
。 【００３１】理想的には、この方式は燃焼器および蒸気
駆動タービンの両方で見いだせる加熱温度範囲に対して
各種の膨張特性を有するように調整される。公差および
整列の要求の基づいた特定の膨張寸法を備えたシム設計
が発達されることができる。 【００３２】先の説明から明らかのように、この発明は
、タービンロータに対するタービン羽根の移動あるいは
振動が最小にできるように、タービンロータにタービン
羽根を固定し、あるいは取り付けるための特有の装置お
よび方法を提供することである。さらに、この発明に用
いられた膨張材料はタービンロータに対してタービン羽
根が正確に配列することを確保するように位置決めされ
る。さらに、タービン羽根とタービンロータとの間に存
在するどのような隙間でも膨張材料が充填し、あるいは
詰めるように配置されるので、羽根根元部の外周面寸法
は、その羽根根元部が着座するキャビティの外周面寸法
と正確に適合する必要はない。従って、タービンのオー
バーホールによる金属の損失は補われるかもしれない。 さらに、膨張材料は羽根根元部とキャビティの壁面との
間の隙間を補うように働くので、それらの部分は正確な
寸法で製造される必要はない。 【００３３】上述の説明ではこの発明の特定の実施例に
言及しているが、それら実施例の精神から離れることな
く多くの変形がなされることは理解されるであろう。こ
の特許請求の範囲は、この発明の真の範囲および精神内
に入るような変形を包含している。 【００３４】そのため、ここで開示された実施例は、全
ての点で実例であり、限定されないと考慮され、この発
明の範囲は、先の説明よりも特許請求の範囲で示される
。また、そのため、特許請求の範囲と等価の意味および
範囲内から生まれる全ての変形はその特許請求の範囲内
に包含されるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のタービンロータと従来のタービン羽根と
の一部を示す横断面図である。

【図２】タービンロータと、この発明の実施例によりタ
ービンロータに固定されたタービン羽根との一部を示す
横断面図である。

【図３】タービンロータと、この発明の他の実施例によ
りタービンロータに固定されたタービン羽根との一部を
示す横断面図である。

【符号の説明】

１０　　　　タービンロータ １２　　　　羽根 １６　　　　羽根根元部 １８　　　　キャビティ ２４　　　　出張り部 ２６　　　　溝部 ４０　　　　第１のシム ４２　　　　第２のシム ４４　　　　第３のシム ４８　　　　膨張材料 ５０　　　　液状ビヒクル

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ロータのキャビティ内にロータ羽根の
   根元部を取り付けるための装置であって、前記キャビテ
   ィ内に配設され、膨張された状態で不変であるように熱
   膨張可能である熱膨張可能な材料から構成された、ロー
   タ羽根の固定装置。
2. 【請求項２】　　羽根根元溝部を有するロータにロータ
   羽根の羽根根元部を取り付けるための方法であり、前記
   羽根根元溝部に、膨張された状態で不変であるように、
   膨張可能な熱膨張可能な材料を配設し、前記熱膨張可能
   な材料が前記羽根根元部と前記ロータとの間に挿入され
   た状態で、前記羽根根元部を前記羽根根元溝部に配設し
   、また前記熱膨張可能な材料を膨張させ、膨張された状
   態で不変のままとする、ロータ羽根の固定方法。