JP2007270843A - 機械的保持のためのハイブリッドバケットのダブテール形空洞有する翼形部 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッドバケット内に充填材を機械的に保持する方法および装置を提供すること。
【解決手段】
少なくとも一つのダブテール形状の空洞（１２２）を放射状の翼形部に対して傾斜した境界面（１８４、１８６）を有したバケットに生成し、空洞を複合材料またはポリマー材料で充填して、複合材料またはポリマー材料（１０１）を放射状翼形部（１０２）のバケット（１００）に機械的に装着する方法。
【選択図】図２

Description

本発明は広義には、蒸気タービンに関するものであり、より具体的には、ハイブリッドバケット内に材料を保持する方法および装置に関する。

蒸気タービンバケット（ブレード）は、強い遠心過重を受ける環境で動作する。さらに、バケットへの蒸気の流入角度が変化する環境で動作する。ハイブリッドバケットとは、非金属複合充填材料で満たされ少なくとも一つの「空洞」を有した主として金属物質からなる蒸気タービンバケットである。充填材料はさらに、オリジナルの翼形部表面に達するポリイミド、または連続ガラス、炭素、ケブラー（登録商標）またはその他の繊維強化材を組み合わせたその他の種類のポリマー樹脂を有してもよい。この複合材料マトリックスは現在、気擦状態（バケットが高速で「風車状態」、低流動性）時に高温となったバケット温度の影響を受ける部位に使用するように設計されている。極めて堅い上に高温となる複合材料で、金属との接着部がシステム内で結合が最も弱くなる部位の一つとなるという問題がある。

「ガスタービン用多構成翼」と題した米国特許第５，７２０，５９７号は、金属と泡から構成されるガスタービン用航空機翼が複合皮、壊食皮膜、またはその両方を備えたものを記載している。ファンブレード、より具体的には「推進エンジン」に適用可能な構成が開示されている。このようなものは、空洞の大きさと形状は著しく制限される。さらに、米国特許第５，７２０，５９７号と類似した構成ではあるが、蒸気タービン用のものを、「蒸気タービン用の多構成部翼」と題した米国特許第６，１３９，７２８号が記載している。これらに開示されたものの利点は、低量化により、ローバストなブレードの位置合わせを削減できる上に低コストとなることである。さらに、「ディチューンしたファンブレード装置および方法」と題した米国特許第６，０４２，３３８号は、「推進エンジンファン」と、空洞位置の異なる様々な種類のブレードを記載しているが、異なるリブ構造を有した基本的に一つの空洞のブレードについては開示していない。さらに、ここに開示されたものは、空洞の位置が半径方向については先端部から５％−３８％の距離で、翼弦方向については前縁から１５％から３５％、後縁から２０％から４５％に制限されており、同様の制限が第二または代替の空洞設計にも適用されている。

一つの態様では、本発明のいくつかの構成は、複合材料またはポリマー材料を放射状翼形部のバケットに機械的に装着する方法を提供する。この方法では、少なくとも一つのダブテール形状の空洞を放射状の翼形部に対して傾斜した境界面を有したバケットに生成し、空洞を複合材料またはポリマー材料で充填する。

別の態様では、本発明のいくつかの構成は、前方および後方内部境界面を有したバケットを備えた翼形部を提供する。このバケットは、前方および後方内部境界面に沿って、複数の傾斜面と充填材料で充填された空洞を有する。

ここで記載しているように、単数形の用語に続き、単数として表現される要素またはステップは、明確に詳述されない限り、複数の前記要素またはステップの場合を除外して理解してはならない。また、本発明の「一つの実施形態」について言及する際には、そこに列挙された特徴を盛り込んださらなる実施形態の存在を除外すると解釈されることを意図するものではない。さらに、それとは異なることが明示的に記載されてない限り、特定の性質を有する一つまた複数の要素を「備えた」または「有した」実施の形態は、その特性を有したそのような要素をさらに含んでもよい。

図１は、典型的な対向流式低圧（LP）蒸気タービン１０の概略図である。タービン１０は、第１低圧部１２および第２低圧部１４を含んでいる。複数の当技術分野で公知のように、各タービン部分１２および１４は、複数のダイヤフラムステージを有する（図１に示されていない）。ロータ軸１６は、部分１２および１４を貫通して延在する。各ＬＰ部分１２および１４は、ノズル１８および２０を有する。単一の外側シェルまたはケーシング２２は、水平面に沿って軸方向に対して上側および下側半体部分２４および２６に分割され、それぞれ、ＬＰ部分１２および１４両方にまたがっている。シェル２２の中央部分２８は、低圧蒸気注入口３０を有する。ＬＰ部分１２および１４は、ジャーナルベアリング３２および３４によって支持された１つのベアリングスパンで外側シェルまたはケーシング２２内に配設されている。分流器４０は、第１のタービン部分１２と第２のタービン部分１４との間に延在する。

図２は、（図１に示した）タービン１０で使用できる蒸気タービンバケット１００の概略図である。図３は、タービンバケット１００に形成された空洞１２２を充填するために用いられる複合材料１０１の部分斜視図である。タービンバケット１００は、前縁１０４および後縁１０６で相互に接合された加圧側１０２と吸引側（図２に示されていない）とを有している。加圧側１０２は一般的に凹状で、吸引側は一般的に凸状である。タービンバケット１００は、ダブテール部１０８、翼形部１１０、およびそれらの間に延在する根元部１１２を有している。典型的な実施の形態では、翼形部１１０と根元部１１２は、一体の部材から製造され、ダブテール部１０８に接合している。代替の実施の形態では、翼形部１１０、根元部１１２およびダブテール部１０８はすべて一体の部品として製造されてもよい。典型的な実施の形態では、ロータ軸１６にダブテール部１０８を介して接合したバケット１００は、ロータ軸１６から放射状外側に延在する。代替の実施の形態では、バケット１００は、バケットとロータ軸を接合するように構成されたその他の装置、例えば、ブリスクなどによりロータ軸１６に接合されてもよい。

バケットのダブテール部１０８はバケット１００をロータ軸１６に固定することを容易にする程度の長さ１１４を有している。ロータ軸１６の大きさの変更に応じて、長さ１１４もまた、バケット１００、より具体的にはタービン１０の性能の最適化を容易にするために変更してもよい。根元部１１２はダブテール部１０８から放射状外側に延在し、ダブテール部の長さ１１４とほぼ等しい長さを有している。翼形部１１０は根元部１１２から放射状外側に延在し、ダブテール部の長さ１１４とほぼ等しい初期長を有している。典型的な実施の形態では、根元部１１２から翼形部１１０への遷移部においてバケット１００に継ぎ目や不整合の生じることのないように、根元部１１２と翼形部１１０は一体として製造される。

翼形部１１０は根元部１１２から放射状外側に延在し、バケット１００の先端部１１６に向かって長さが増加している。典型的な実施の形態では、先端部１１６の長さ１１８は長さ１１４より長い。翼形部１１０はまた、スナブカバー（図示されてない）のロックを容易にする程度の幅（図示されてない）を有している。先端部の長さ１１８と先端部の幅は、バケット１００、より具体的にはタービン１０の用途に応じて変更してもよい。バケット１００は、ダブテール部１０８から先端部１１６までの測定値である半径方向の長さ１２０を有している。長さ１２０は、バケット１００性能の最適化を容易にするものから選択される。バケットの長さ１２０は、バケット１００、より具体的にはタービン１０の用途に応じて変更してもよい。

本発明のいくつかの構成では、図２および図３に示されるように、方向性繊維１３６の配向性をハイブリッドバケットの構成に用いている。バケット１００は金属製卑金属で製造され、ポリマー複合材料１０１で充填可能な一つ以上の空洞１２２を有することができる。

複合材料１０１はポリイミドベースの複合材料または、バケット１００が本明細書中記載の機能を実現可能とするために適当であれば、その他のいかなる材料でもよい。複合材料１０１は、マトリックス１３８内で結合したガラス、炭素、ケブラーまたは、樹脂その他の繊維などの、但しこれに限定されない繊維１３６を含む。繊維１３６は単一の層１３３、複数の層１３３、一つ以上の布地の層に包含されてもよく、或いはマトリックス１３８を介して分散されてもよい。

典型的な実施の形態では、バケット１００はまた、翼形部１１０内に画成される空洞１２２を有している。或いは、翼形部１１０が複数の空洞１２２を有してもよい。空洞１２２は、翼形部１１０の加圧側１０２の凹んだ底面１２４に形成されている。或いは、空洞１２２は、翼形部１１０の吸引側（図２に示されていない）の凹んだ底面１２４に形成されてもよい。典型的な実施の形態では、空洞１２２は実質的に長方形であり、幅１２６と長さ１２８を有している。或いは、当技術分野で公知のように、空洞１２２は、バケット１００が本明細書中記載の機能を実現可能とするために適当であれば、その他の如何なる断面の形状で形成されてもよい。幅１２６と長さ１２８は、空洞１２２が確実に加圧側１０２により外接されるものから選択される。他の実施の形態では、空洞１２２が加圧側１０２に外接されるのであれば、空洞１２２の形状は各構成で異なってもよい。空洞１２２の形状は、バケット１００性能の最適化を容易にするものから選択される。

本発明のいくつかの構成によると、複合材料またはポリマー材料１０１を放射状の翼形部１０２のバケット１００に機械的に装着する方法が提供される。この方法は、バケット１００の金属と複合材料１０１との間の接着剤層の剪断応力削減を支援すると同時に、確実に複合材料１０１をバケット１００へ機械的に固定する点に長所がある。本発明のいくつかの構成は、一つ以上の異なる層の繊維材料１３６、および／または織物の配向性の異なる繊維材料１３６を含む複合材料マトリックス１０１を使用する。さらに、本発明のいくつかの構成は、遠心荷重時に金属製バケット１００にかかる複合材料１０１の負荷を分散させるために役立つ、「ダブテール」形状の前方および後方縁（すなわち境界面）を有したバケット１００の「ダブテール」形状の空洞１９０を利用する。本発明のいくつかの構成では、空洞が後部壁を有する構成において、柔軟な（低温）複合材料１０１マトリックスまたは剛性の（高温）複合材料１０１マトリックスの何れかを用いることができる。

本発明の他の構成では、振動および／または減衰特性の振幅を低減することを容易にする、連続して連結した、または独立したタービンバケット１００の列をチューニングする方法が提供される。この方法は、ハイブリッドバケット１００構成の方向性繊維の配向性を利用する。バケット１００は、ポリマー複合材で充填可能な一つ以上の空洞１２２を有した金属製卑金属から製造することができる。複合材料１０１として、ポリイミドベースの複合材、またはその他の適当な種類の材料が可能であり、材料１０１は、例えば、樹脂マトリックス内で結合した、ガラス、炭素、ケブラー（登録商標）または、その他の繊維などを含んでもよい。繊維１３６は単一の層、複数の層、一つ以上の布地の層に包含されてもよく、或いはマトリックス１８を介して分散されてもよい。繊維の配向性は、バケット１００を特定の様式でチューニングすることを容易にするもの、および／または一式を「混合チューニング」するために使用可能なものから選択する。換言すれば、繊維の配向性は、事前に選択したバケット１００のチューニングに応じて決定する。本発明のいくつかの構成では、複合材のレイアップ（lay up）および硬化時に繊維配向性を調製することにより、周波数特性を制御する。繊維配向性および／または布地の折り方を微調整することにより、本発明のいくつかの構成ではこれらの繊維により生成された布地の様々な方向の強度および弾性率の制御を容易にする。

図４は、いくつかの構成で（図１に示す）蒸気タービン１０と使用することが可能な、複数のバケット１００の斜視図である。図５は、典型的な単軸繊維の配向性の拡大図である。図６は、典型的な双軸繊維の配向性の拡大図である。図７は、典型的な準等方性繊維の配向性の拡大図である。

本発明の構成は、環境（例えば、ガスタービン前方段圧縮機翼）が可能であれば、その他の蒸気またはガスタービンのバケットまたはブレードとともに使用可能であることに留意されたい。

本発明のいくつかの構成によると、複合材料またはポリマー材料１０１を放射状の翼形部１０２のバケット１００に機械的に装着する方法が提供される。複合材料またはポリマー材料１０１をバケットに保持するため、図２、図８および図９に示されるように、浅い空洞１２２をバケット１００に生成し、複合材料またはポリマー材料１０１で充填する。これにより、金属製バケット１００と複合材料またはポリマー材料１０１との接着が強化され、機械的な方法を用いることにより、接着層の剪断応力は減少する。一つ以上の空洞１０８は、バケット１００の流路面１６８に沿って境界面まで緩やかな傾斜を有している。図８に示す実施の形態は、凸状の境界面１８０を有し、図９に示す実施の形態は、凹状の境界面１８２を有している。

本発明のいくつかの構成によると、図１０、図１１、図１２および図１３に示すように、一つ以上のダブテール形状のハイブリッドバケットが提示される。放射状の翼形部１０２に対して傾斜した境界面１８４、１８６は、貫通した窓部１９０または浅い空洞構成１２２（後者は図８および図９に示される）の何れに対しても、複合材料またはポリマー材料１０１の保持と、複合材料またはポリマー材料１０１と金属製バケット１００の間の接着剪断応力の削減を支援する。図１０は、凸状境界面１８４を有した貫通した窓部１９０全体の図で、図１１は、凹状境界面１８６を有した貫通した窓部１９０全体の図である。壁を貫通する窓部１９０を生成するためには、剛性の高い複合材料１０１を使用する。従来の構成のハイブリッドバケットでは、低温にのみ耐性があるが、剛性の極めて低いポリマーを使用していたため、バケット壁を貫通することは不可能であった。

本発明のいくつかの構成では、図１２および図１３（図から隠れた端部は点線で表し、図で見える端部は実線で表し）に示されるように、前方および後方のバケット境界面に沿って複数の傾斜面１８４、１８６を有したハイブリッドバケット１００が提示されている。図１２に示す構成では、凸状境界面１８４を用いており、図１３に示す構成では凹状境界面１８６を用いている。凸状境界面１８４と凹状境界面１８６は、複合材またはポリマー材の充填材（図１２または図１３に示されていない）をバケット１００に保持する際に、放射状に圧縮する特徴を有する。このような「ダブテール」構成を従来技術の浅い「空洞」の構成に代えて、或いは従来技術の構成と組み合わせて使用することができる。（従来技術の空洞の構成とは、翼形部を貫通することのない浅い空洞である。この空洞を充填材料で充填して、オリジナルの翼形部の形状に達している。）いくつかの構成のダブテール面は、図１２および図１３にそれぞれ示すように、どちらが複合積層処理時に最も有利であると判断されるか、および／またはどちらが最善の保持特性を有すると判断されるかに応じて、端部の周りに凹状或いは凸状の何れかになっている。この判定はいくつかの構成では経験に基づいてなされる。

さらに、いくつかの構成では、空洞またはバケットをより大きくして応力の集中を最小化、或いは少なくとも削減するため、空洞を貫通した窓部１９０が形成される。ダブテール境界面は、バケットの有限要素解析に応じた、様々な幾何学的形状の何れかを用いることができる。

いくつかの構成では、複合材料またはポリマー材料１０１は、樹脂結合剤または充填剤を使用し、層に布地材料１３６（例であり、その他の材料、例えば、ガラス、炭素またはケブラー（登録商標）などを除外するものではない）を含んでいる。図６、図７および図８に示すように、この複合材はいくつかの構成では、予め含浸された単方向性１７５、準等方性１７６または準等方性１７７のものや、或いは織物テープのレイアップ、またはその他の構成を用いて形成され、その他の構成では、鋳造処理時に樹脂が繊維を介して注入される。これらの構成のうち一部では、材料のベースは、高温のポリイミドベースとしているが、高温の能力を有した異なるポリマーを使用してもよい。

図８、図９、図１０および図１１に示されるように、本発明のいくつかの構成は、空洞１２２または１９０の複合材の硬化時に翼形部１０２の一方の側または両側に「当て板シート」１７０を配置する。この当て板シート１７０を使用して、空洞１２２または１９０が機械的に切削される翼形部の形状を形成する。本発明のいくつかの構成では、樹脂充填材を使用して、空洞部が形成される前に翼形部の形状を生成する。

単段タービン構成に限らず、温度が十分に低く、バケットを十分に大きく製造できるのであれば、多段構成でも可能である。

本発明の一つの壁を貫通するダブテール構成の他に、いくつかの構成は浅い空洞１２２にも用いられる。後者の場合、ダブテール境界面の空洞は、主の空洞よりも小さくすることができる。さらに、ダブテール境界面の空洞は、金属接着層と複合部の剪断応力の削減も支援する。

本発明を様々な具体的実施形態について説明したが、本発明は、請求項の精神および範囲逸脱しない限りにおいて、様々な修正が可能であることが当業者には明らかである。

図１は、典型的な対向流式蒸気タービンエンジンの断面概略図。 図２は、図１に示す蒸気タービンとともに使用可能な典型的な蒸気タービンバケットの斜視図。 図３は、図２に示すタービンバケットに形成された空洞を充填するために使用される複合材料の部分斜視図。 図４は、図１に示す蒸気タービンとともに、いくつかの構成において使用可能な、複数のグループのバケットの中の一部の斜視図。 図５は、典型的な単軸繊維配向性の拡大図。 図６は、典型的な双軸繊維配向性の拡大図。 図７は、典型的な準等方性繊維配向性の拡大図。 図８は、後部壁が薄く境界面が凸状の浅い空洞を有したバケットの平面図。 図９は、後部壁が薄く境界面が凹状の浅い空洞を有したバケットの平面図。 図１０は、境界面が凹状の完全に貫通した窓部を有したバケットの平面図。 図１１は、境界面が凸状の完全に貫通した窓部を有したバケットの平面図。 図１２は、図１０に示すバケットの一部の側面図。 図１３は、図１１に示すバケットの一部の側面図。図８で点線は凹状境界面を表す。

符号の説明

10 タービン
12 第１低圧部
14 第２低圧部
16 ロータ軸
18 マトリックス
18 ノズル
20 ノズル
22 外側シェルまたはケーシング
24 上側半体部分
26 下側半体部分
28 中央部分
30 低圧蒸気注入口
32 ジャーナルベアリング
34 ジャーナルベアリング
40 分流器
100 タービンバケット
101 複合材料またはポリマー材料
102 加圧側
104 前縁
106 後縁
108 ダブテール部
110 翼形部
112 根元部
114 ダブテール部の長さ
116 先端部
118 先端部の長さ
120 バケットの長さ
122 空洞
124 底面
126 幅
128 長さ
133 単一の層
136 繊維
138 マトリックス
168 流路面
170 「当て板シート」
175 予め含浸された単方向性
176 準等方性
177 準等方性
180 凸状の境界面
182 凹状の境界面
184 凸状の境界面
186 凹状の境界面
190 窓部

Claims (10)

1. 前方および後方内部境界面（１８０、１８２）を有したバケット（１００）を備え、前記バケットは、前方および後方内部境界面に沿って、複数の傾斜面（１８４、１８６）と充填材料で充填された空洞（１２２）を有する翼形部（１０２）。
2. 前記空洞（１２２）は翼形部を貫通しておらず、前記前方および後方境界面（１８０、１８２）は端部を有し、前記前方および後方境界面は前記端部に沿って凹状または凸状の何れかである請求項１記載の翼形部（１０２）。
3. 前記前方および後方境界面（１８０、１８２）は、保持特性、複合材の積層の容易さ、或いはその両方に応じて前記端部の周りに凹状または凸状の何れであるかが選択される請求項２記載の翼形部（１０２）。
4. 前記翼形部を貫通しない浅い空洞（１２２）を有する請求項２記載の翼形部（１０２）。
5. 貫通する空洞（１２２）を有する請求項２記載の翼形部（１０２）。
6. 前記貫通する空洞（１２２）は、前記バケット（１００）への応力集中を最小化するように構成される請求項３記載の翼形部（１０２）。
7. 前記複合材料（１０１）は、樹脂マトリックスの布地材料の層を含む請求項２記載の翼形部（１０２）。
8. 前記布地材料は予め含浸された単方向性布地テープレイアップである請求項７記載の翼形部（１０２）。
9. 前記布地材料は準等方性（１７６、１７７）である請求項８記載の翼形部（１０２）。
10. 前記布地材料は単軸または双軸である請求項８記載の翼形部（１０２）。

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