JP2002295202A - 低延性の翼を備えたタービン翼組立体 - Google Patents
低延性の翼を備えたタービン翼組立体Info
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Abstract
翼組立体に関する。 【解決手段】 例えば、セラミックマトリックス複合材
のようなセラミックベース材料、又はNiAl材料のよ
うな金属間化合物材料といった低延性材料で作られた少
なくとも1つのエーロフォイル形状の翼(12)は、少
なくとも1つの耐高温性コンプライアントシール(36
/38)により内側及び外側翼支持体(14/16)を
含むタービン翼組立体内に遊動可能に支持される。シー
ル(36/38)は、翼支持体(14/16)の少なく
とも1つから翼(12)を分離し、支持体(14/1
6)とは独立した翼(12)の熱膨張及び収縮を可能に
する。
Description
ンエンジンで使用される形式のタービン翼組立体に関す
る。より具体的には、1つの実施形態において、本発明
は、コンプライアントシールによって少なくとも部分的
に支持され、間隔を置いて配置された金属支持体又はバ
ンドの少なくとも1つから独立して翼が膨張又は収縮す
るのを可能にする少なくとも1つの低延性の翼を備えた
タービン翼組立体に関する。
温で作動するガスタービンセクションの部品は、典型的
にはFe、Co及びNiの少なくとも1つをベースにし
た超合金のような高温超合金で作られる。そのような部
品の金属合金の劣化に抗するために、そのような部品
に、様々な広く報告されている種類またはそれらの組合
せによる、流体又は空気冷却と表面環境の保護又はコー
ティングとの組合せを施すのが、通常の手法であった。
形式には、タービンエンジン燃焼セクションの下流でタ
ービンセクションのノズルとして使用されるタービンス
テータ翼組立体がある。一般に、そのような組立体は複
数の金属合金のセグメントで作られ、その金属合金セグ
メントの各々は、例えば溶接又はろう付けなどにより間
隔を置いて配置された金属合金の内側及び外側バンドに
接合されたエーロフォイル形状の中空の空気冷却される
複数の金属合金翼、例えば2つから4つの翼を備える。
そのセグメントは、円周方向に組み立てられてステータ
ノズル組立体を構成する。そのようなガスタービンエン
ジンのノズル組立体の一形式は、Tobergらによる
米国特許第5,343,694号(1994年9月6日
特許取得)に図示され、記載されている。
ティングされた高温超合金で作られたタービンノズルの
評価から、ガスタービンエンジンの燃焼セクション下流
のエンジン流路に存在する過酷で、高温の、侵食性及び
腐食性の条件は、ノズルの翼の環境耐性コーティング及
び/又は合金基体構造の劣化を生じさせる可能性がある
ことが解った。そのような部品を実用運転に戻す前に、
1つ又はそれ以上の翼を修理または交換する必要があっ
た。充分な強度があり、そのような劣化に対しより耐性
のあるタービン翼を提供すれば、部品の寿命と修理を必
要とするまでの時間を長くし、そのようなエンジンの運
転費用を削減することになる。
は、外側翼支持体と、外側翼支持体から一定の間隔を置
いた位置にある内側翼支持体と、外側及び内側翼支持体
の間に支持された少なくとも1つのエーロフォイル形状
の翼とを含むタービン翼組立体を提供する。翼は、例え
ばセラミックマトリックス複合材又は金属間化合物材料
をベースにした、約1%より大きくない室温延性を有す
る低延性材料からなる。外側及び内側翼支持体が、少な
くとも約5%の室温延性を有する材料からなる。耐高温
性コンプライアントシールが、翼と翼支持体の少なくと
も1つとの間に配置され、翼と翼支持体との間にある流
体通路から翼を実質的にシールし、翼が記翼支持体から
独立して膨張及び収縮することを可能にする。1つの形
態では、翼支持体が、例えばFe、Co及びNiの少な
くとも1つの元素をベースにした、約5〜15%の範囲
の室温引張延性を有する高温金属合金からなる。
ース並びにセラミックベース複合材を含む、ある種のセ
ラミックベース及び金属間化合物型耐高温性材料が、開
発されてきており、それら材料は、それらをタービンエ
ンジンの高温セクションにおける過酷な環境中で使用す
るのに魅力を感じるほどに充分な強度特性と環境耐性の
向上を備えるに至っている。しかしながら、それら材料
は、その支持体構造に一般に使用される高温金属合金と
比較して、引張延性が非常に低いという共通の特性を持
つ。さらに、一般にそれら材料と合金との間、例えば低
延性のセラミックマトリックス複合材(CMC)又はN
iAlをベースにした金属間化合物材料と、そのような
エンジンセクションで支持体として最近使用されている
典型的な市販のNi基及びCo基超合金との間の熱膨張
係数(CTE)には顕著な差がある。
合金構造体で剛性支持された場合、低延性材料に破壊を
生じさせる特性の不整合から、低延性材料に熱歪が生じ
るおそれがある。例えば、その形態がRossらによる
米国特許第5,173,255号に記載され、ガスター
ビンエンジンのタービン部品に使用されている、市販の
Rene’N5合金のような典型的なNi基超合金は、
約5〜15%の範囲の室温引張延性(CTEは約7〜1
0Microinch/inch/°Fの範囲(micrometer/meter/
°C x 0.556 = inch/inch/ °Fの関係) )を有する。
低延性材料は、約1%より大きくない室温引張延性(C
TEは約1.5〜8.5Microinch/inch/°Fの範
囲)を有する。例えば、SiCファイバ/SiCマトリ
ックスCMCのような、典型的な市販の低延性セラミッ
クマトリックス複合(CMC)材料は約0.4〜0.7
%の範囲の室温引張延性と、約1.5〜5Microinch/i
nch/°Fの範囲のCTEを有する。同様に、低延性N
iAl型金属間化合物材料は、引張延性がゼロに近く、
0.1〜1%の範囲であり、CTEは約8〜10Microi
nch/inch/°Fの範囲である。従って、本発明では、
低延性材料は、室温引張延性が約1%より大きくない材
料と定義される。
え、低延性材料と、1つ又はそれ以上の高温合金支持体
材料、例えばFe、Co及びNiの少なくとも1つをベ
ースにした超合金との間でCTEの比較すると、低延性
材料のCTEに対するより延性の高い支持体合金のCT
Eの平均値の割合は、少なくとも約0.8である。Ni
基超合金のそのような割合は、CMC低延性材料に対し
て、約1.4〜6.7の範囲であり、NiAl低延性材
料に対しては、約0.8〜1.2の範囲であるのが典型
的な例である。
支持体との間にはそのような特性に顕著な差又は不整合
がある。タービン翼組立体における高温合金支持体間に
ある低延性の翼のような、そのような材料からなる剛性
固定された組立体は、エンジンの作動中、翼の中に破壊
又は亀裂発生を引き起こすほど大きい熱歪を翼の中に発
生させる可能性がある。従って、低延性材料中の亀裂発
生を防止するようにすることが望ましい。
脆性材料に対して、亀裂発生を防ぐのに必要な塑性伸長
又は変形を表す。しかしながら、別の機械的特性、すな
わち破壊靱性は、既にある亀裂又はきずの存在が伝播す
るのを最小限にする又はそれに抗する材料の能力を表
す。1つの形態では、低延性材料は、破壊靱性が約20
ksi・inch1/2未満であると定義されるが、ここで、
「ksi」は1平方インチ当り千ポンドの単位(N/mm2
x 145000 = ksiの関係)である。典型的には、CMC材
料は 約5〜20ksi・inch1/2の範囲の破壊靱性を
有し、NiAl金属間化合物材料は約5〜10ksi・
inch1/2の範囲の破壊靱性を有する。
化合物ベースのタービン翼のような低延性構造部材を、
超合金バンドのような支持構造体内に順応するように遊
動可能に捕捉し、低延性材料中に過剰な熱歪が発生しな
いようにする、構造部材と材料の組合せを提供する。そ
の組合せの形態では、低延性翼の少なくとも1つの端部
と端部に並置されている支持体との間に、かつそれらの
両方に接触させて、コンプライアントシールが配置され
る。同時に、コンプライアントシールは、空気及び/又
は燃焼生成物のような流体が翼端部と支持体の間を流れ
るのを防止しながら、低延性翼を支持体から分離し、翼
及び支持体の各々が熱に暴されるにより互いに独立して
膨張及び収縮することを可能にする。
トシールの形態は、時としてロープシールと呼ばれる。
異なった荷重でのシールの偏位量を比較する典型的なロ
ープシールの応力−歪曲線は、そのようなシールのコン
プライアンスと弾性とを確証している。高温で使用する
ための形態では、ロープシールにはセラミックファイバ
又はフィラメントを織った形態、又は編んだ形態があ
り、それらセラミックファイバ又はフィラメントはNe
xtelアルミナ材料及びZircarアルミナシリカ
材料として市販されている。例えば強度及び/又は表面
磨耗に対する耐性のためのコンプライアントシールのい
くつかの形態には、セラミックフィラメント中の市販の
Hastelloy X合金のような金属性コア、及び
/又は、セラミックフィラメントの周りの薄い延性金属
の外鞘の1つ又はそれ以上の組合せがある。セラミック
ファイバ又はフィラメントの織った又は編んだ構造は、
コンプライアンスと弾性を与える。
り完全に理解されるであろう。図1は、全体を符号10
で示すガスタービンエンジンのタービンステータ翼セグ
メント又は組立体の斜視図であり、該翼セグメント又は
組立体は、外側翼支持体又はバンド14と一定の間隔で
配置された内側翼支持体又はバンド16との間に配置さ
れた4つのエーロフォイル形状の翼12を備えている。
典型的な現在市販されているガスタービンエンジンにお
いては、翼及び翼支持体の各々は高温合金で作られ、図
示するように、溶接及び/又はろう付けで互いに接合さ
れる。このようにして翼を一定の相対的位置においてバ
ンドに固定し、流路からバンドを通り抜けてエンジンの
流れが漏れるのを防ぐ。例えば前述のTobergらに
よる特許に示されているように、複数の整合させた翼セ
グメントは円周方向に組み立てられてタービンノズルを
構成する。
ため、図1の線2−2に沿った図2の断面図に示すよう
に、翼12は中空の内部18を有し、翼内部を通してま
た翼内部から冷却空気を受けまた分配する。いくつかの
実施形態では、図6に示すように、翼インサート20
が、翼中空内部18内に配置されており、翼12の内部
にまた翼12を通して、また一般に翼壁を貫通して設け
られている冷却空気吐出孔(図示せず)を通して冷却空
気を分配する。
断断面図に示す。セラミック材料として表された図にお
いて、翼12は前述の種類の低延性材料で作られる。翼
12は、翼半径方向外端部22と翼半径方向内端部24
とを有する。金属合金の外側翼支持体14は、外部開口
壁30で画定された、ほぼ翼12の外端部22を受ける
寸法にされた開口部28を備える。金属合金の内側翼支
持体16は、内部開口壁34で画定された、ほぼ翼12
の内端部24を受ける寸法にされた開口部32を備え
る。外側翼支持体14及び内側翼支持体16は、互いに
一定の間隔を置いた位置に保持される。翼12が全て、
外側及び内側翼支持体14及び16の間に剛性保持され
ない低延性材料からなる場合、翼支持体は、符号26で
輪郭だけ示す位置決め手段によりそのような一定の間隔
を置いた関係に保持される。例えばそのような位置決め
手段は、剛性の金属ボルト、チューブ、ロッド、支柱等
の少なくとも1つを含むことができる。
かつそれらの両方に接触させて、第1のコンプライアン
トシール36が配置されている。シール36は、外部開
口壁30から独立して、開口部28内に翼外端部22を
支持し、翼12と外側支持体14との間の独立した相対
的な動きを可能にする。例えば、そのような相対的な動
きは、エンジンの作動中に、並置された材料間の膨張及
び収縮率の違いから生じることがある。同時に、シール
36は、エンジンの流れによる翼端部22の周りの流体
の通過から翼端部22を実質的にシールする。
内側開口壁34との間に、かつそれらの両方に接触させ
て、第2のコンプライアントシール38が配置されてい
る。シール38は、内部開口壁34から独立して、開口
部32内に翼内端部24を支持し、翼12と内側支持体
16との間の独立した相対的な動きを可能にする。同時
に、シール38は、エンジンの流れによる翼端部24の
周りの流体の通過から翼端部24を実質的にシールす
る。
シールのそのような配置は、外部バンド14と内部バン
ド16との間で翼12を捕捉すると同時に、翼及び支持
体の独立した熱膨張及び収縮を可能にする。シールのコ
ンプライアンスは、翼12へ圧縮応力が掛からないよう
にして、翼の応力破壊を回避する。図3の実施形態に含
まれているのは外部シール保持体40であり、例えば溶
融やろう付けで外側支持体14に固着接合される。シー
ル保持体40は、翼外端部22と外側支持体開口壁30
との間の位置にシール36を保持する。またこの実施形
態に含まれているのは、内部シール保持体42であり、
同様に内側支持体16に接合され、翼内端部24と内側
支持体開口壁34との間の位置にシール38を保持す
る。
体14に接合する前の、図3の一部の概略破断上面図で
ある。図4は、翼外端部22の全体的なエーロフォイル
形状と、翼端部の周りでのコンプライアントシール36
の位置又は配置を示している。
破断断面図であり、そこでは図3と同じ総体的な構成部
材を含む。図5は、金属支持構造体から独立した翼12
の膨張及び収縮を可能にする、翼12の端部の少なくと
も1つとシール保持体との間にある隙間44をより明確
に示している。
サート20を示すために一部断面にした、図3と同様の
概略破断図である。インサート20は、翼12の中空内
部18へ、またそれを通して冷却のための空気を供給す
る。例えば、矢印48で表す冷却空気は、カップ状の構
造体50を通して翼12内部のインサート20へ供給さ
れる。冷却空気は、中空内部18内のインサート20に
より複数のインサート穴を通して分配されるが、インサ
ート穴の幾つかが符号52で表されている。典型的に
は、冷却空気は、翼12の壁面を貫通する冷却空気孔
(図示せず)を通して、及び/又は、少なくとも1つの
シール保持体を貫通する穴(図示せず)を通して、ガス
タービンエンジンの分野で周知の広く使用されている方
法で翼中空内部18から排出される。図6の実施形態で
は、インサート20は最初に、適当な形状にされた外側
シール保持体40の開口を通して保持体40と接合され
て、単体として外側支持体14に組み立てられ接合され
るための、シール保持体と冷却空気インサートの組立体
にされる。
部分断面図である。この形態では、例えばNiAl低延
性金属間化合物材料からなる翼12は、NiAlの翼端
キャップ54と、全体を符号56で示す、金属ピン、ワ
ッシャ及びパッドの組立体との組合せにより、半径方向
内端部24で固定されている。しかしながら、翼12の
外端部22は、前述のように、コンプライアントシール
36により遊動可能に、またコンプライアンスを持つよ
うに保持されており、翼12が外側支持体14から独立
して膨張及び収縮することが可能になっている。
せに関して説明してきたが、それらは決して本発明の技
術的範囲を限定するものではなく、本発明の典型例を示
そうとするものであることを理解されたい。例えば、ガ
スタービンエンジン、冶金、非金属材料、セラミック
ス、及び強化セラミック構造体等に関する種々の技術分
野の当業者には、本発明は、特許請求の範囲の技術的範
囲を逸脱することなく変更及び修正が可能であることが
明らかであろう。
グメントの斜視図。
の断面図。
外側及び内側翼支持体の間に支持された低延性の翼を示
す、本発明の1つの実施形態の概略破断断面図。
翼の概略上面図。
ートを備えた、図3と同様の図。
て支持され、またその外端部においてその外端部と金属
合金の外側翼支持体との間のコンプライアントシールに
より遊動可能に支持された低延性の翼を示す、本発明の
別の実施形態の概略破断部分断面図。
Claims (15)
- 【請求項1】 外側翼支持体(14)と、 該外側翼支持体(14)から一定の間隔を置いた位置に
ある内側翼支持体(16)と、 前記外側及び内側翼支持体(14/16)の間に支持さ
れた少なくとも1つのエーロフォイル形状の翼(12)
と、を含むタービン翼組立体(10)であって、 前記翼(12)が、約1%より大きくない室温引張延性
を有する低延性材料からなり、 前記外側及び内側翼支持体(14/16)が、少なくと
も約5%の室温引張延性を有する材料からなり、 耐高温性コンプライアントシール(36/38)が、前
記翼(12)と前記外側及び内側翼支持体(14/1
6)の少なくとも1つとの間に配置され、前記翼(1
2)と前記翼支持体(14/16)との間にある流体通
路から前記翼(12)を実質的にシールし、また前記コ
ンプライアントシール(36/38)は、前記翼(1
2)を前記翼支持体(14/16)から分離し、前記翼
(12)が前記翼支持体(14/16)から独立して膨
張及び収縮することを可能にする、ことを特徴とするタ
ービン翼組立体(10)。 - 【請求項2】 前記外側及び内側翼支持体(14/1
6)が、Fe、Co及びNiからなる群から選ばれる少
なくとも1つの元素をベースにした、約5〜15%の範
囲の室温引張延性を有する高温金属合金からなることを
特徴とする、請求項1に記載の組立体(10)。 - 【請求項3】 前記翼(12)が、約0.4〜0.7%
の範囲の室温引張延性を有するセラミックマトリックス
複合(CMC)材料を含むことを特徴とする、請求項1
に記載の組立体(10)。 - 【請求項4】 前記翼(12)が、約0.1〜1%の範
囲の室温引張延性を有するNiAl金属間化合物材料を
含むことを特徴とする、請求項1に記載の組立体(1
0)。 - 【請求項5】 前記少なくとも1つのエーロフォイル形
状の翼が、翼半径方向外端部(22)と翼半径方向内端
部(24)を含み、 前記外側翼支持体(14)が、外側支持体開口壁(3
0)で画定され、ほぼ前記翼外端部(22)を受ける寸
法にされた少なくとも1つの外側支持体開口部(28)
を含み、また前記外側翼支持体(14)は、第1の熱膨
張係数(CTE)を有する材料で作られており、 前記内側翼支持体(16)が、内側支持体開口壁(3
4)で画定され、ほぼ前記翼内端部(24)を受ける寸
法にされた少なくとも1つの内側支持体開口部(32)
を含み、また前記内側翼支持体(16)は、第2のCT
Eを有する材料で作られており、 前記翼の低延性材料が、前記第1のCTE及び前記第2
のCTEとは異なる第3のCTEを有し、該第3のCT
Eに対する前記第1のCTEと前記第2のCTEとの平
均値の割合が、少なくとも約0.8であり、 前記翼外端部(22)及び前記翼内端部(24)の少な
くとも1つが、それぞれの前記支持体開口壁(30/3
4)に並置された状態でそれぞれの前記支持体開口部
(28/32)中に遊動可能に配置されており、 前記耐高温性コンプライアントシール(36/38)
が、前記少なくとも1つの翼端部(22/24)と前記
それぞれの支持体開口壁(30/34)との間に配置さ
れ、前記翼端部(22/24)をその周りの流体通路か
ら実質的にシールする、ことを特徴とする、請求項1に
記載の組立体(10)。 - 【請求項6】 前記低延性材料が、セラミックベース材
料及び金属間化合物ベース材料からなる群から選ばれる
ことを特徴とする、請求項5に記載の組立体(10)。 - 【請求項7】 前記低延性材料が、セラミックマトリッ
クス複合材を含み、 前記割合が約1.4〜6.7の範囲である、ことを特徴
とする、請求項6に記載の組立体(10)。 - 【請求項8】 前記低延性材料が、NiAlを含み、 前記割合が約0.8〜1.2の範囲である、ことを特徴
とする、請求項6に記載の組立体(10)。 - 【請求項9】 前記低延性材料が、約20ksi.inch
1/2未満の破壊靱性を有することを特徴とする、請求項
6に記載の組立体(10)。 - 【請求項10】 シール保持体(40/42)が、前記
コンプライアントシール(36/38)を覆って配置さ
れ、かつ前記翼支持体(14/16)に結合されて、前
記コンプライアントシール(36/38)を前記支持体
開口壁(30/34)に保持することを特徴とする、請
求項5に記載の組立体(10)。 - 【請求項11】 前記外側翼支持体(14)及び前記内
側翼支持体(16)が、Fe、Co及びNiからなる群
から選ばれる少なくとも1つの元素をベースにした、少
なくとも約7Microinch/inch/°FのCTEを有する
高温金属合金からなることを特徴とする、請求項6に記
載の組立体(10)。 - 【請求項12】 前記低延性材料が、約0.4〜0.7
%の範囲の室温引張延性と、約1.5〜5Microinch/i
nch/°Fの範囲の第3のCTEと、約5〜20ks
i.inch1/2の範囲の破壊靱性とを有する、セラミック
マトリックス複合材料を含むことを特徴とする、請求項
9に記載の組立体(10)。 - 【請求項13】 前記低延性材料が、約0.1〜1%の
範囲の室温引張延性と、約8〜10Microinch/inch/
°Fの範囲の第3のCTEと、約5〜10ksi.inch
1/2の範囲の破壊靱性とを有する、NiAl金属間化合
物材料を含むことを特徴とする、請求項9に記載の組立
体(10)。 - 【請求項14】 前記翼外端部(22)及び翼内端部
(24)の各々が、それぞれの前記外側支持体開口壁
(30)及び内側支持体開口壁(34)に並置された状
態でそれぞれの前記外側支持体開口部及び内側支持体開
口部中に遊動可能に配置されており、 第1の耐高温性コンプライアントシール(36)が、前
記外側支持体開口壁(30)と前記翼外端部(22)と
の間に配置され、第2の耐高温性コンプライアントシー
ル(38)が、前記内側支持体開口壁(34)と前記翼
内端部(24)との間に配置される、ことを特徴とす
る、請求項5に記載の組立体(10)。 - 【請求項15】 シール保持体(40/42)が、前
記第1のコンプライアントシール(36)及び第2のコ
ンプライアントシール(38)の各々を覆って配置さ
れ、かつそれぞれの前記外側及び内側翼支持体(14/
16)に結合されることを特徴とする、請求項14に記
載の組立体(10)。
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