JP2007100697A - 二層先端キャップ - Google Patents

Abstract

【課題】タービン動翼（１０）に使用される先端キャップ（１００）を提供すること。
【解決手段】本先端キャップ（１００）は、耐酸化性材料のシールド（１１０）およびシールド（１１０）内に配置される高強度材料のキャップ（１２０）を含むことができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般に、タービンエンジンに関し、より具体的にはタービン動翼用の二層先端キャップに関する。

ガスタービンエンジンにおいて、空気は圧縮機内で加圧され、次いで燃料と混合されて燃焼器内で点火され、高温燃焼ガスが発生する。ガスは、タービン段を通って流れ、そこからエネルギが取り出されて圧縮機に動力を供給し有用な仕事を行う。タービン段は、支持ロータディスクから外方に延びるタービン動翼の列を含む。各タービン動翼は、燃焼ガスが上を流れるエーロフォイルを含む。エーロフォイルは、全体的に中空であり、それには動作中クーラントとして使用される圧縮機からの抽気がもたらされる。

各タービン動翼は、ブレード本体および先端キャップを含む。先端キャップは、その動作環境から、耐酸化性でなければならない。先端キャップはまた、クリープにより膨れ上がる傾向がある。十分なクリープ強度がある大多数の合金は、酸化に対して十分な耐性がない。十分な耐酸化性がある大多数の合金は、十分なクリープ強度がない。クリープおよび酸化の両方について十分な特性がないそれらの合金は、一般に、特注鋳造ビレット（ｃｕｓｔｏｍ ｃａｓｔ ｂｉｌｌｅｔ）を除いて利用することができない。そうした特注鋳造ビレットは、完成品を作るのに多額の費用をかけて加工しなければならない。他の代替方法は、先端キャップの下側にアルミナイズド被膜（ａｌｍｉｎｉｚｅｄ ｃｏａｔｉｎｇ）を使用することを含む。
"ＮＩＭＯＮＩＣ ａｌｌｏｙ ２６３"，Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌｓ，１２ｐｇｓ． "Ｈａｙｎｅｓ ２３０ Ａｌｌｏｙ"，Ｈａｙｎｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２８ｐｇｓ．

したがって、十分な耐酸化性および十分なクリープ強度の両方をもたらす適当な材料の要望がある。好ましくは、材料は、費用および作業性からみて適当であるべきである。

したがって、本特許出願では、タービン動翼に使用される先端キャップについて説明する。本先端キャップは、耐酸化性材料のシールドおよびシールド内に配置される高強度材料のキャップを含むことができる。

耐酸化性材料は、ニッケル基合金またはコバルト基合金であってよい。シールドの厚さは、約０．０２５〜約０．７６２ミリメートル（約０．００１〜約０．０３０インチ）であってよい。高強度材料は、ニッケル基合金またはコバルト基合金であってよい。具体的には、高強度材料は、耐クリープ性の析出強化型超合金（precipitation-strengthened,creep resistant super alloy）を含むことができる。キャップの厚さは、約０．７６２〜約３ミリメートル（約０．０３０〜０．１２０インチ）であってよい。

シールドは、カップ形を有することができ、キャップはシールド内に嵌合する。シールドは、平板であってもよく、キャップはシールドに取り付けられてもよい。シールドは、キャップに被着される粉末であってもよい。シールドは、溶接、ろう付けまたは機械的な取り付けによりキャップに取り付けられてもよい。

本特許出願ではさらにタービン動翼について説明する。タービン動翼は、エーロフォイルおよびその内部に配置される先端キャップを含むことができる。先端キャップは、耐酸化性シールドおよび高強度キャップを含むことができる。

耐酸化性シールドは、ニッケル基合金またはコバルト基合金を含むことができる。耐酸化性シールドの厚さは、約０．０２５〜約０．７６２ミリメートル（約０．００１〜約０．０３０インチ）であってよい。高強度キャップは、ニッケル基合金またはコバルト基合金を含むことができる。高強度キャップの厚さは、約０．７６２〜約３ミリメートル（約０．０３０〜０．１２０インチ）であってよい。高強度キャップは、耐クリープ性の析出強化型超合金を含むことができる。

本発明の上記その他の特徴は、図面および添付の特許請求の範囲と併せて、以下の好ましい実施形態の詳細な説明を検討すれば当業者には明らかになるであろう。

ここで、いくつかの図を通して同じ部品を同じ番号で示す図を参照すると、図１には、タービン動翼１０の一実施例が示されている。タービン動翼１０は、従来型のダブテール１２を含むことができる。ダブテール１２は、従来型のロータディスク（図示せず）に取り付けられる。ブレードシャンク１４は、ダブテール１２から上方に延び、プラットフォーム１６で終端する。プラットフォーム１６は、シャンク１４から外方に突き出しかつそれを囲繞する。

プラットフォーム１６からは中空のエーロフォイル１８が外方に延びる。エーロフォイル１８は、プラットフォーム１６との接合部にルート部２０、外端部に先端部２２を有する。エーロフォイル１８は、凹形圧力側壁２４および凸形吸引側壁（ｃｏｎｖｅｘ ｓｕｃｔｉｏｎ ｓｉｄｅｗａｌｌ）２６を有し、それらは前縁２８および後縁３０のところで互いに接合される。エーロフォイル１８は、いくつかの後縁冷却孔３２およびいくつかの前縁冷却孔３３を含むことができる。先端キャップ３４は、エーロフォイル１８の先端部２２を閉鎖することができる。スクイーラ先端部（ｓｑｕｅａｌｅｒ ｔｉｐ）３６は、先端キャップ３４から外方に延びることができる。

エーロフォイル１８の構造は、高温ガス流からエネルギを取り出しロータディスクの回転を発生させるのに適したどんな構造でもよい。本明細書に記載のエーロフォイル１８は、単なる一例を挙げたものにすぎない。本特許出願は、このエーロフォイルの実施形態に限定するものではない。エーロフォイル１８は、ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製のタービンの１つの動翼段においてまたは同様のタイプの装置において使用されることができる。

図２には、本明細書で説明される先端キャップ１００が示されている。図示のように、先端キャップ１００は、エーロフォイル１８の側壁２４、２６の間において先端部２２内に配置される。先端キャップ１００は、２つの部分からなる構造のものであってよく、シールド１１０およびキャップ１２０を含むことができる。

シールド１１０は、酸化シールドである。シールド１１０は、アルミニウム、珪素、ランタンである添加剤または他の耐酸化性添加剤が加えられたニッケル基合金またはコバルト基合金などの耐酸化性材料で作製されることができる。Ｈａｙｎｅｓ２３０合金などの合金を使用してもよい。シールド１１０は、シート材、粉末、ワイヤ、めっき材または他のタイプの構成物として作られることができる。シールド１１０は、平板として、被覆加工材料（ｃｌａｄｄｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）として使用される、またはカップの形に形成されてもよい。カップの形に形成される場合、カップは別個にされるまたはキャップ１２０まわりに形成されてもよい。シールドの厚さは、約０．００１〜約０．０３０インチ（約０．０２５〜約０．７６２ミリメートル）であってよい。

キャップ１２０は、シート材、鍛造材または鋳造材として作られることができる。キャップ１２０は、ニッケル基またはコバルト基のガンマプライム強化合金（ｇａｍｍａ−ｐｒｉｍｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ ａｌｌｏｙ）製であってよい。Ｎｉｍｏｎｉｃ２６３合金材料を使用してもよい。その材料は、高強度および耐食性を有し、優れた成形性を示すことができる。本発明に他のタイプの高強度の材料または構成物を使用してもよい。高強度材料とは、耐性がある材料という意味である。耐クリープ性の析出強化型超合金が好ましい。

キャップ１２０の厚さは、約０．７６２〜約３ミリメートル（約０．０３０〜０．１２０インチ）であってよい。キャップ１２０は、シールド１１０内およびエーロフォイル１８の動翼先端部２２内に嵌合するように寸法設定されることができる。本発明にはどんな所望の寸法も使用することができる。キャップ１２０は、ワイヤ切断、ウォータージェット切断またはレーザ切断されてよい。キャップ１２０は、スタンピング、剪断加工またはフライス加工により機械的に切断されてもよい。本発明に他のタイプの製造方法を使用することもできる。

図３ａ〜３ｅに示されるように、シールド１１０は、キャップ１２０の１つの側面（１）、２つの側面（２）、３つの側面（３）または４つすべての側面（４）に取り付けられることができる。シールド１１０およびキャップ１２０は、単一の複合先端キャップ１００を形成するように一緒に組み立てられ抵抗溶接されることができる。他の形態の溶接またはろう付けを使用してもよい。シールド１１０は、割れがない溶接を容易するように延性層を形成するようにキャップ１２０の縁部まわりに延びることができる。先端キャップ１００は、側壁２４、２６に従来のやり方で溶接、ろう付けまたは機械的に取り付けられることができる。さらに、シールド１１０は、被覆加工作業中に溶加材またはめっき材としてキャップ１２０に被着されてもよい。シールド１１０が粉末である場合、キャップ１２０に直接被着されてよく、または溶接ワイヤの使用、電気めっき、ろう付けの拡散（ｄｉｆｆｕｓｉｎｇ ａ ｂｒａｚｅ ｐｅｒｆｏｒｍ）もしくはプラズマ溶射により溶接形成（ｗｅｌｄ ｂｕｉｌｔ）されてもよい。本発明に他のタイプの製造方法を使用することもできる。

したがって、先端キャップ１００は、耐酸化性が多少低いが強度が高いキャップ１２０とともに、多少強度が低く耐酸化性がより高いシールド１１０を有する。これらの特徴の組み合わせによって、より新しい先端材料を使用する必要がなくなる。この組み合わせによって、修理および／または改修（ｒｅｆｕｒｂｉｓｈｍｅｎｔ）の費用および時間の両方を低減するために溶接後に先端キャップ１００の下側または上側にアルミナイズド被膜を施す必要もなくなる。

以上の説明は本発明の好ましい実施形態のみに関連し、以下の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される本発明の全体的な趣旨および範囲から逸脱することなく、本発明に多くの変更および修正を加えることができると理解されたい。

本明細書で用いられるタービン動翼の斜視図である。 本明細書で説明される二層先端キャップの垂直断面図である。 図３ａ〜３ｅは、本明細書で説明される二層先端キャップの代替実施形態の断面図である。

符号の説明

１０ タービン動翼
１２ ダブテール
１４ シャンク
１６ プラットフォーム
１８ エーロフォイル
２０ ルート部
２２ 先端部
２４ 圧力側壁
２６ 吸引側壁
２８ 前縁
３０ 後縁
３２ 後縁冷却孔
３３ 前縁冷却孔
３４、１００ 先端キャップ
３６ スクイーラ先端部
１１０ シールド
１２０ キャップ

Claims (9)

1. 耐酸化性材料を含むシールド（１１０）と、
   前記シールド（１１０）内に配置され、高強度材料を含むキャップ（１２０）と
   を備える、タービン動翼（１０）に使用される先端キャップ（１００）。
2. 前記耐酸化性材料が、ニッケル基合金またはコバルト基合金を含む、請求項１記載の先端キャップ（１００）。
3. 前記高強度材料が、ニッケル基合金またはコバルト基合金を含む、請求項１記載の先端キャップ（１００）。
4. 前記シールド（１１０）の厚さが、０．０２５〜０．７６２ミリメートル（０．００１〜０．０３０インチ）である、請求項１記載の先端キャップ（１００）。
5. 前記キャップ（１２０）の厚さが、０．７６２〜３ミリメートル（０．０３０〜０．１２０インチ）である、請求項１記載の先端キャップ（１００）。
6. 前記シールド（１１０）がカップ形を含み、前記キャップ（１２０）が前記シールド（１１０）内に嵌合する、請求項１記載の先端キャップ（１００）。
7. 前記シールド（１１０）が平板を含み、前記キャップ（１２０）が前記シールド（１１０）に取り付けられる、請求項１記載の先端キャップ（１００）。
8. 前記シールド（１１０）が粉末を含み、前記粉末が前記キャップ（１２０）に被着される、請求項１記載の先端キャップ（１００）。
9. 前記高強度材料が、耐クリープ性の析出強化型超合金を含む、請求項１記載の先端キャップ（１００）。

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