JP2007332968A - 蒸気タービン用のハイブリッドブレード - Google Patents

Abstract

【課題】 蒸気タービン用のハイブリッドブレードを提供する。
【解決手段】 蒸気タービンブレードは、作動温度範囲および設計回転速度を有し、ブレード根元、ブレード先端、及び前記ブレード先端に向かって外向きにかつ前記ブレード根元に向かって内向きに延びる半径方向軸線を備える翼形部を含み、前記翼形部が、本質的に金属から成り、第１の質量密度を有し、かつほぼ前記ブレード根元からほぼ前記ブレード先端まで半径方向に延びる金属セクション（１３４）と、前記第１の質量密度よりも小さい第２の質量密度を有する少なくとも１つの繊維複合材セクションと、を含み、前記繊維複合材セクションが、炭素繊維複合材（１４４、２４４、３４４）と、前記炭素繊維複合材と前記金属セクションとの間に配置されたガラス障壁層（１４６、２４６、３４６）とを含む。
【選択図】 図５

Description

本発明は、総括的にはガス及び蒸気タービンに関し、より具体的には、異なる材料で作られた２つ又はそれ以上の構成要素で構成された蒸気タービンブレードに関する。

蒸気タービンブレードは、それらブレードが高い遠心荷重及び振動応力に曝される環境内で作動する。振動応力は、ブレード固有振動数が運転速度又は他の通過振動周波数（上流側バケット又はノズル数、或いは他の主要な回転当たり特性）と共振状態になったときに増大する。ブレード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減衰量（減衰作用は、材料、空力的及び機械的構成部品並びに振動刺激レベルから構成される）に比例する。連続的に結合されたブレードでは、振動数は、列の形態の全体ブレードシステムの関数であり、必ずしも列内の個々のブレードの関数ではない。

さらに、タービンバケット又はブレードでは、遠心荷重は、作動速度、ブレードの質量、及び質量が位置したエンジン中心線からの半径の関数である。ブレードの質量が増加すると、所定の材料の許容応力を超えずに該ブレード上の質量を支持することができるようにするために、より低い半径高さにおいて物理的面積又は断面積を増加させなければならない。このようなより低いスパンにおいてブレードの断面積を増加させることは、根元における過度な流れ閉塞の一因となり、従って性能を低下させる。ブレードの重量は、より高いディスク応力の一因となり、従って信頼性を低下させる可能性の一因となる。

幾つかの過去の米国特許／出願は、いわゆる「ハイブリッド」ブレード設計に関連しており、それらの設計では、翼形部を金属及びポリマー充填材料の組合せで構成することによって翼形部の重量を軽減している。具体的には、１つ又はそれ以上のポケットが、翼形部に形成され、ポリマー充填材料で充填される。これらの過去の特許／出願には、米国特許第６，８５４，９５９号、第６，３６４，６１６号、第６，１３９，２７８号、第６，０４２，３３８号、第５，９３１，６４１号及び第５，７２０，５９７号、並びに２００４年７月２８に出願された米国特許出願第１０／９００，２２２号及び２００４年８月７日に出願された米国特許出願第１０／９１３，４０７号が含まれ、これらの各々の開示内容は、参考文献として本明細書に組み入れる。
米国特許第６，８５４，９５９号公報 米国特許第６，３６４，６１６号公報 米国特許第６，１３９，２７８号公報 米国特許第６，０４２，３３８号公報 米国特許第５，９３１，６４１号公報 米国特許第５，７２０，５９７号公報 米国特許出願公開第１０／９００，２２２号公報 米国特許出願公開第１０／９１３，４０７号公報 米国特許第６，２８７，０８０号公報 米国特許第５，７９１，８７９号公報 米国特許第６，０４２，２３８号公報 米国特許出願公開第２００６／００２９５０１号公報 米国特許出願公開第２００６／００２４１６９号公報 米国特許第６，３７５，４１７号公報 米国特許第４，９５７，４１０号公報

本発明は、複合材充填材を含む陥凹ポケット又は貫通壁窓を備えた金属バケット（又は、ブレード）を提供する。例示的な実施形態では、複合材充填材は炭素繊維複合材である。さらに、例示的な実施形態では、炭素複合材と金属ブレードとの間にガラス繊維（織物）障壁界面部が設けられる。

従って、本発明は、蒸気タービンブレードとして具現化され、本蒸気タービンブレードは、作動温度範囲、設計回転速度、ブレード根元、ブレード先端、及びブレード先端に向かって外向きにかつブレード根元に向かって内向きに延びる半径方向軸線を有する翼形部を含み、翼形部は、（１）本質的に金属から成り、第１の質量密度を有し、かつほぼブレード根元からほぼブレード先端まで半径方向に延びる金属セクションと、（２）第１の質量密度よりも小さい第２の質量密度を有する少なくとも１つの繊維複合材セクションとを含み、繊維複合材セクションは、炭素繊維複合材と、該炭素繊維複合材と金属セクションとの間に配置されたガラス障壁層とを含む。

本発明はさらに、それから延びる複数のブレードを備えた回転構成部品を有するガスタービンエンジンとして具現化することができ、複数のブレードは、その中の各第１のブレードが第１の共振振動数を有する第１のブレード群を形成した少なくとも１つの第１のブレードタイプと、その中の各第２のブレードが第１の共振振動数とは異なる第２の共振振動数を有する第２のブレード群を形成した少なくとも１つの第２のブレードタイプとを含み、第１のブレードタイプは、作動温度範囲、設計回転速度、ブレード根元、ブレード先端、及びブレード先端に向かって外向きにかつブレード根元に向かって内向きに延びる半径方向軸線を有する翼形部を含み、翼形部は、（１）本質的に金属から成り、第１の質量密度を有し、かつほぼブレード根元からほぼブレード先端まで半径方向に延びる金属セクションと、（２）第１の質量密度よりも小さい第２の質量密度を有する少なくとも１つの繊維複合材セクションとを含み、繊維複合材セクションは、炭素繊維複合材と、該炭素繊維複合材と金属セクションとの間に配置されたガラス障壁層とを含む。

本発明はまた、蒸気タービンブレードとして具現化することができ、本蒸気タービンブレードは、ａ）蒸気タービンブレードシャンク部と、ｂ）シャンク部に取り付けられかつ正圧側面と負圧側面とを有し、正圧側面及び負圧側面の少なくとも１つが空隙ボリュームを有する少なくとも１つの陥凹部を含む蒸気タービンブレード金属翼形部分と、ｃ）少なくとも１つの陥凹部内に配置されかつそれに接着され、空隙ボリュームをほぼ完全に充填した充填材料と含み、全体としての充填材料は、全体としての金属翼形部分の質量密度より低い平均質量密度を有し、また充填材料は、炭素繊維複合材と、該炭素繊維複合材と金属翼形部分との間に配置されたガラス障壁層を含む。

図１は、タービンケーシング１２と、ロータ１４と、参照符号１６、１８で示す２つのタービンセクション内の複数のホイールとを含む複流低圧タービン１０の概略図である。点線で丸く囲んだ区域２０、２２は、部分負荷条件時に最も大きなウィンデージ加熱を受けることを示した最終段ブレードの半径方向最外側領域を表す。

図２は、本発明を具現化することができる蒸気タービンブレード２４の例示的な構成を概略的に示す。蒸気タービンブレードは、シャンク部２６と翼形部２８とを含む。翼形部は、作動温度範囲、設計回転速度、シャンク部に取り付けられたブレード根元、ブレード先端、及びブレード先端に向かって外向きにかつブレード根元に向かって内向きに延びる半径方向軸線を有する。シャンク部は一般的に、ロータディスク（図３）に対してブレードを取り付けるためのダブテールと、蒸気流を半径方向に封じ込める働きをするためのブレードプラットフォームとを含む。翼形部は前縁と後縁とを有し、蒸気流の方向は一般的に、前縁から後縁に向かう。翼形部はまた、正圧側面と負圧（凸面形）側面とを有する。この図示した実施例では、半径方向内側及び外側ポケット３０、３２が、翼形部２８の正圧側面上に形成され、比較的幅広のウェブ又はリブとスパン中央ダンパ３６とによって分離される。ブレード設計において、より多い数（又は、より少ない数）のポケットを含むことができる。図３は、以下でさらに説明するような、タービンロータホイール４２上に取り付けられたハイブリッドブレード２４の列を概略的に示す。

翼形部は、本質的に金属から成る本体又はメインセクション３４を含む。この点に関して、「金属」という用語は、「合金」を含むが、本明細書で本発明を説明する目的では「金属発泡体」を意味することは考えてない。本明細書に記載したこの例示的な実施形態では、本体は、モノリシック金属セクションであるが、本発明は、この点に関して必ずしも限定する必要はない。金属セクションは、第１の質量密度を有し、ほぼブレード根元からブレード先端まで半径方向に延びる。ポケットすなわち陥凹部３０、３２が、その部分で金属を削除又は除去した翼形部内に形成される。この点に関して、ブレードの本体又は金属セクション３４は、鍛造、押出し又は鋳造され、ポケットすなわち陥凹部３０、３２は、例えば化学研磨、電解加工、水ジェットミル加工、放電加工又は高速機械加工によるなどのような機械加工によって形成することができる。

図４は、図２のハイブリッドブレード構造の断面図であり、このブレード構造では、本質的に金属から成っておらず、第１の質量密度とは異なる第２の質量密度を有する充填材セクション４０が、金属セクションのポケット３０内に設けられる。幾つかの好適な充填材組成物が、例えば米国特許第６，２８７，０８０号及び第５，９３１，６４１号に開示されており、これらの特許の各々の開示内容は、参考文献として本明細書に組み入れる。

必要又は望ましいと思われる場合には、充填ポケット３２に配置される充填材セクション３８は、ポケット３０を充填するのに用いた充填材セクション４０に比べて、例えば耐熱性などの異なる特性を有することができる。異なる充填材セクションすなわち具体的には充填材料の利用によって、安いコストでハイブリッドブレードの温度性能の改善が可能になる。用いる各材料は、充填材料の温度特性及びいずれかの所定の段におけるブレードの温度性能要件に基づいて、ブレード上の特定の部位に対して調製することができる。ブレード上の限られた部位により高価かつ耐熱性の材料を用いることによって、特に高いウィンデージを受ける、すなわち最終段の領域２０、２２におけるブレードに対するハイブリッドブレードの設計がより容易に可能になる。

翼形部２８の金属表面に対する充填材料の接着の選択には、それに限定されないが、粘着、充填材料と翼形部２８の金属表面との間の付着、接着（接着フィルム又はペースト）及び融着が含まれる。

ハイブリッドバケット（又は、ブレード）設計は、この設計がより長尺の又は幅広翼弦のバケットを可能にする軽量ブレードを製作する点で多くの有利な結果を可能にする。しかしながら、一般的なハイブリッドブレード設計は、ブレードを強化するのに役立つほど十分に剛性の複合材料をポケット内に有していない。従って、従来では、ハイブリッドブレード内でのポケット形成の量（深さ）は、応力限界によって制限されてきた。このことが、より長尺、幅広又はチューンドバケット（ブレード）を製作する能力を制限している。従来のハイブリッドブレード設計のこの制限を克服することは、有利であるといえる。

ハイブリッドブレードにおける充填材料として炭素繊維材料を用いることは、炭素繊維材料が金属ブレードセクションよりも剛性があり、それによってブレードを機械的に堅牢に保ちながらブレードのより積極的なポケット成形が可能になるので、有利である。従って、剛性のある炭素複合材を用いることは、炭素複合材が除去した金属を補うので、ブレード外側領域の応力レベルを低下させるのに役立つことができる。しかしながら、発明者は、金属セクションと炭素複合材との間の界面が、時間の経過と共に金属セクションの強度及び性能を低下させることになる電解腐食を引き起こすおそれがあることを見つけ出した。加えて、０．０１ｐｐｍ／°Ｆほどにも低くなる可能性がある炭素繊維複合材と例えば一般的に７ｐｐｍ／°Ｆである鋼と間の熱膨張における大きな不一致によって、界面応力が生じるおそれがある。

従って、本発明の例示的な実施形態では、ハイブリッドブレードにおける充填材料は、樹脂含有炭素繊維レイアップ（積層体）と、少なくとも金属ブレード材料と炭素複合材との間に設けられたガラスタイプ繊維界面部（障壁）とを含む。この点に関して、ガラス複合材層は、ブレードの金属と炭素複合材充填材との間の障壁として働くこと、及びこれら熱的に不一致な構成要素間の界面応力を低減することの二重の利点をもたらす。さらに、この点に関して、ガラス複合材層間の膨張係数は、繊維配向及び繊維割合を制御することによって調整することができる。

従って、本明細書で上に述べたような炭素複合材を使用することによって、応力限界値を克服するのに十分な剛性となってより積極的なポケット形成が可能になり、また炭素複合材と金属本体との間に配置されたガラス繊維（織物）障壁界面部を設けることによって、金属が電解腐食から保護され、界面残留応力が低減される。

幾つかの状況では、炭素は蒸気環境において堅牢でないものとなるおそれがあるので、炭素と蒸気との界面もまた保護する必要がある可能性がある。この点に関して、蒸気及び炭素は常に適合性があるとは限らないという幾つかの証拠がある。従って、必要又は望ましいと思われる場合には、ガラス複合材はまた、炭素と蒸気環境との間の腐食シールド又は障壁として用いることができる。従って、本発明の例示的な実施形態のまた別の任意選択的な特徴によると、ガラス障壁層はまた、炭素繊維複合材の蒸気流路接面のための保護カバー層として用いることができる。しかしながら、ガラス複合材カバーは、必ずしも蒸気流路表面上に用いる必要はない。

図５は、本発明の例示的な実施形態を概略的に示し、この実施形態では、炭素繊維積層体１４４を含む充填材セクション１４０は、翼形部本体１３４に形成されたポケット１３０内に配置される。図５にまた示すように、ガラス繊維層１４６は、金属ブレード本体と炭素繊維充填材１４４との間に配置される。図５はまた、蒸気環境と炭素繊維充填材料１４４との間の界面部としてのガラス複合材層１４８の任意選択的な使用を概略的に示している。この積層体はまた、各層間の異なる繊維配向を用いて、特に翼形部振動数を「同調」させるか、又は以下で説明するようにバケットの組を「離調」させることができる。

以下でより詳細に説明するように、本発明の例示的な実施形態においてブレードの重量をさらに軽減するために、その１つ又は複数のポケットは、ブレードを完全に貫通して１つ又はそれ以上の窓として該ブレードの反対側の負圧側面まで延びるように形成することができる。ポケット及び／又は窓は次に、複合材料で充填されて初期翼形部形状又は設計翼形部形状を回復する。

従って、図６の実施形態は、浅いポケット部分２３０の底面からブレード本体を貫通して翼形部２２４の負圧側面まで延びるように形成された窓２３１をポケットが含むという点以外は、図５の実施形態と同様である。従って、この実施形態では、窓２３１は各々、ブレードの横方向において浅いポケット部分２３０の幅よりも小さい幅を有する。この図示した実施例では、ガラス障壁材料２４６は、炭素繊維充填材料２４４が浅いポケット部分２３０に閉じ込められた状態で窓２３１自体を充填する。窓２３１は、ブレード構造２２４の重量をさらに軽減するだけでなく、複合材２４４と金属ブレードとの間のその界面におけるせん断応力を低下させるのに役立つように作られている。図６の実施形態はまた、蒸気環境と炭素繊維充填材料２４４との間の界面部としてガラス複合材層２４８を随意的に使用することを概略的に示している。

図７は、本発明のまた別の例示的な実施形態を示し、この実施形態では、ポケット３３０はここでも、ブレード３２４の本体内に形成された窓を含む。従って、この実施形態では、窓はポケットの幅に対応する幅を有する。窓又は貫通ポケット３３０は、炭素繊維複合材料３４４で充填される。さらに、窓の周辺部に沿った充填材料と翼形部本体との間の接合部には、ガラス繊維（樹脂マトリクス含有の）の障壁３４６が設けられる。この図示した実施例では、ガラス繊維障壁層はまた、参照符号３４８で示すように剛性炭素材料３４４と蒸気流路との間で延びるように配置される。上記のように、剛性炭素材料の使用なしでは、完全にブレード壁を貫通した貫通ポケット３３０としてポケットを形成することは不可能となる。従って、本明細書に開示するようにガラス界面部３４６、３４８と共に炭素繊維３４４を用いることによって、翼形部の外側領域付近のブレードの重量をさらに軽減する大きな可能性が得られる。

本発明はさらに、列内の固有振動数の混合同調を可能にすることによって、ブレード列（連続的に組み合わせた又は独立した）の空力的弾性応答を抑圧する手段をもたらす。混合同調は、１つの振動数特性を有するバケットの特定のセグメントを１つ又はそれ以上の別の振動数の他の群と組み合わせることを含むことになる。バケットは次に、システムの機械的減衰の改善を達成するように選択的に列の形態で組み立てられる。望ましい最終結果に応じて１つよりも多いブレード群が存在することになる。

この点に関して、ポケット／窓１３０、２３０及び２３１、３３０内の炭素繊維１４４、２４４、３４４対ガラス障壁繊維１４６及び１４８、２４６及び２４８、３４６及び３４８の量を変化させることによって、ブレード１２４、２２４、３２４の剛性を予測通りに変化させることができる。これは、炭素繊維の層の数対ガラス障壁繊維を変更することによって達成することができ、より多い炭素は個々のバケットの剛性を高くし、またより少ない炭素は可撓性をより大きくするのを可能にする。この剛性の変化は一般的に、固有振動数の変化に相関する。様々な振動数特性（剛性）のバケットを組み合わせて、バケット群の固有振動数を変更することができる。従って、その各々が同一の空力的形状及外部輪郭を有するが異なる充填材セクションを有する複数のブレードを準備して、１つの群が高い強度すなわち剛性材料を用いることができる一方、他の群が低い剛性すなわち高い減衰（制振）材料を用いることができる少なくとも２つの異なったブレードの群を形成することができる。従って、この概念を用いることによって、２つ又はそれ以上のブレード集団を意図的に製造しかつ論理的に組み立てて、それらの固有の振動数の差異をシステム応答を減衰する手段として利用して、ブレード設計の空力的特性に悪影響を与えずに振動を同期化及び非同期化させるようにすることができる。

従って、上述のブレード１２４、２２４、３２４は、図３に示すように蒸気タービンロータホイール上にブレードの列を形成するように使用することができる。具体的には、群Ａ及びＢは、例えばＡ群のブレードが常にＢ群のブレードに隣接するようなパターンＡＢＡＢ…の所定のマッピング構成としてタービンホイール上に組み立てることができる。このようにして、２つ（又は、それ以上）のブレードの集団を意図的に製造しかつ論理的に組み立てて、ブレード設計の空力的特性に悪影響を与えず同期化及び非同期振動に対するシステム応答を低減する手段としてそれらの固有の振動数の差異を利用するようにすることができる。さらに、この点に関して、１つのブレードの群を、固有振動数が２つの「回転当たり」基準（例えば４／回転及び５／回転分割のような）間に等しく配置されるように設計し、また異なる充填材セクションを有する他のブレードの群を、別の「回転当たり」の刺激（３／回転及び４／回転分割のような）の組について等しく配置されるように設計できる可能性が存在する。

ここでも同様に望ましい振動数特性を達成するように、ブレード群分布のパターンを変化させることもまた可能である。例えば、パターンＡＡＢＢＡＡ…又はＡＡＢＡＡＢ…もまた使用することができる。マッピング構成により、各ブレード群におけるブレードの様々な減衰応答によって、より減衰したブレードの列又は組を形成するようにブレードの組の混合同調が得られる。これによりまた、混合同調概念のさらに大きな利点を得るように各ブレードの振動数をシフトさせることが可能になる。

現在最も実用的かつ好ましい実施形態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、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

複流低圧タービンの概略図。 部分的に完成したハイブリッドブレードの概略図。 その上に取り付けられた複数のタービンブレードを有するタービンホイールの概略側面図。 図２の線４−４に沿って取った断面図。 本発明の例示的な実施形態によるガラス障壁を備えたハイブリッドブレードを示す図４と同様の断面図。 凸面形側面上に窓を含む、ガラス障壁を備えたハイブリッドブレードを示す図５と同様の断面図。 貫通窓内に配置された充填材料を備えた本発明の別の例示的な実施形態の断面図。

符号の説明

１０ 複流低圧タービン
１２ タービンケーシング
１４ ロータ
１６、１８ タービンセクション
２０、２２ 最終段ブレードの半径方向最外側領域
２４ ハイブリッド蒸気タービンブレード
２６ シャンク部
２８ 翼形部
３０、３２ 内側及び外側ポケット／陥凹部
３４ 本体又はメインセクション
３６ スパン中央ダンパ
３８、４０ 充填材料
４２ ロータホイール
１３０ ポケット
１３４ 翼形部本体
１４０ 充填材セクション
１４４ 炭素繊維積層体
１４６ ガラス繊維層
１４８ ガラス複合材層
２２４ 翼形部
２３０ ポケット部分
２３１ 窓
２４４ 炭素繊維充填材料
２４６ ガラス障壁材料
２４８ ガラス複合材層
３２４ ブレードの本体
３３０ 窓又は貫通ポケット
３４４ 炭素繊維複合材料
３４６ ガラス障壁
３４８ ガラス障壁層

Claims (10)

1. 作動温度範囲および設計回転速度を有し、ブレード根元、ブレード先端、及び前記ブレード先端に向かって外向きにかつ前記ブレード根元に向かって内向きに延びる半径方向軸線を備える翼形部を含み、
   前記翼形部が、
   （１）本質的に金属から成り、第１の質量密度を有し、かつほぼ前記ブレード根元からほぼ前記ブレード先端まで半径方向に延びる金属セクション（１３４）と、
   （２）前記第１の質量密度よりも小さい第２の質量密度を有する少なくとも１つの繊維複合材セクションと、を含み、
   前記繊維複合材セクションが、炭素繊維複合材（１４４、２４４、３４４）と、前記炭素繊維複合材と前記金属セクションとの間に配置されたガラス障壁層（１４６、２４６、３４６）とを含む、
   蒸気タービンブレード。
2. 前記ガラス障壁層が、前記金属ブレードと前記炭素繊維複合材との間に樹脂含有ガラス繊維層を含む、請求項１記載の蒸気タービンブレード。
3. 前記炭素繊維複合材セクションが、前記金属セクションの正圧側面に形成されたポケット（１３０、２３０、３３０）内に配置される、請求項１記載の蒸気タービンブレード。
4. 前記ポケットが、前記金属セクションを貫通して該金属セクションの凸面形負圧側面まで形成された少なくとも１つの窓（２３１、３３０）を含む、請求項３記載の蒸気タービンブレード。
5. 前記ポケットが、浅いポケット部分（２３０）をさらに含み、
   前記少なくとも１つの窓（２３１）が、前記浅いポケット部分の底面から前記負圧側面まで延びる、
   請求項４記載の蒸気タービンブレード。
6. 前記ガラス障壁層（２４６）が、前記少なくとも１つの窓（２３１）を実質的に充填するように配置される、請求項５記載の蒸気タービンブレード。
7. 前記炭素複合材料の蒸気流路接面上に位置しかつそれを覆うガラス障壁層（１４８、２４８、３４８）をさらに含む、請求項１記載の蒸気タービンブレード。
8. それから延びる複数のブレードを備えた回転構成部品を有するガスタービンエンジンであって、
   前記複数のブレードが、少なくとも１つの第１のブレードタイプと、少なくとも１つの第２のブレードタイプとを含み、
   前記少なくとも１つの第１のブレードタイプの中の各第１のブレードが、第１の共振振動数を有する第１のブレード群を形成し、
   前記少なくとも１つの第２のブレードタイプの中の各第２のブレードが、前記第１の共振振動数とは異なる第２の共振振動数を有する第２のブレード群を形成し、
   前記第１のブレードタイプが、請求項１記載のブレードを含む、
   ガスタービンエンジン。
9. 複数の第１のブレード群と複数の第２のブレード群とを含み、
   前記第１及び第２のブレード群が、前記回転構成部品の周りに互いに隣接して交互に配置される、
   請求項８記載のガスタービンエンジン。
10. 前記第１及び第２のブレード群の少なくとも１つが、単一のブレードのみを有し、
    前記第１及び第２のブレード群のうちの一方の単一のブレードが、該第１及び第２のブレード群のうちの他方のブレード間に配置されるようになる、
    請求項９記載のガスタービンエンジン。

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