JP2008008290A - 高性能タービンバケット並びにそれを含むエンジン及びタービン - Google Patents

Abstract

【課題】タービンバケットに関し、特に、タービンバケット間に均一な流路面を形成する方法及び装置、並びにそのようなバケットを組込まれたタービン及びエンジンを提供する。
【解決手段】ダブテール１０８と、後縁部及び前縁部を含み先端シュラウド２１２を有するエーロフォイル部分１１０と、ダブテールとエーロフォイル部分との間に延在する根元部１１２とを有するバケット１００。先端シュラウドは、動作条件下に置かれる前に、後縁部又は前縁部の少なくとも一方において傾斜される。傾斜された先端シュラウド２１２は、動作条件の下で隣接するシュラウド間に好適な係合状態を設定するように傾斜された先端シュラウドを具備することができる。先端部１１６は、傾斜されない先端部と比較して高温流路段差及びギャップを形成する可能性を低減するように設定された量だけ傾斜されることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、タービンバケットに関し、特に、タービンバケット間に均一な流路面を形成する方法及び装置、並びにそのようなバケットを組込まれたタービン及びエンジンに関する。

発電装置タービンバケット又は航空機エンジンブレードにおける先端シュラウド（以下の説明中、「バケット」という用語は、タービンバケット又は航空機エンジンブレードを総称するために使用されるものとする）は、通常、エンジンの性能を向上するために採用される。シュラウド材料から成る滑らかで連続するリングが好ましいが、部品が動作する間、部品において変化する熱条件及び機械条件によって、バケットの前縁部からバケットの後縁部に向かって不均一な成長が起こる。例えば、隣接するシュラウドは、製造時には十分適切に整合しているが、前縁部が後縁部より半径方向に大幅に大きく又は小さく成長する場合がある。その結果、運転条件の下で、隣接するシュラウドの整合が損なわれてしまう。この不整合によって、流路面は不均一になり、それにより、エンジン又はタービンの性能は低下する。

例えば、従来のバケットにおいては、第１のバケットの後縁部が動作中に成長する量は、隣接する第２のバケットの前縁部の成長量より大きい。「低温組立て時」オーバラップは、動作条件に置かれる前のバケットに存在するオーバラップである。「高温オーバラップ」は、動作（すなわち、運転）条件の下で同じバケットに発生するオーバラップであり、バケットの寿命が経過する間に変化することもある。高温オーバラップは、事実上０を下回るほど減少することがあり、その結果、高温ギャップ及び流路段差が形成される。これにより、動作条件下で不整合が発生し、エンジン又はタービンの性能が低下するおそれがある。
米国特許第７，０９７，４２８号公報 米国特許第６，９６６，７５６号公報 米国特許第６，８９３，２１６号公報 米国特許第６，８９０，１５０号公報 米国特許第６，８５１，９２６号公報 米国特許第６，７８６，６９８号公報 米国特許第６，４７８，５４０号公報 米国特許第６，３９０，７７４号公報 米国特許第３，８５６，４３３号公報 米国特許出願公開第２００６／０１９３７２６号 米国特許出願公開第２００５／０２７１５０７号

１つの面においては、本発明のいくつかの構成は、バケットを製造する方法を提供する。方法は、傾斜された先端シュラウドをバケットに設けることを含む。

別の面においては、本発明のいくつかの構成は、複数のバケットを有するタービンを製造する方法を提供する。方法は、傾斜されたシュラウドを少なくとも１つのバケットに設けることと、その後、バケットをタービン又は航空機エンジンに組立てることとを含む。

更に別の面においては、本発明のいくつかの構成は、ダブテールと、後縁部及び前縁部を有する先端シュラウドを有するエーロフォイル部分と、ダブテールとエーロフォイル部分との間に延在する根元部とを有するバケットを提供する。先端シュラウドは、動作条件下に置かれる前に傾斜される。

本発明の構成は、タービンバケット又は航空機エンジンブレードの従来の構成と比較して、不整合を少なくし、より均一な流路面を提供することにより、エンジン及び／又はタービンの性能を向上する。本発明の構成は、周囲熱環境が特に苛酷であるガスタービンと関連させた場合に特に有用である。

本明細書において、「１つの」（特に「少なくとも１つの」）という用語に続いて単数扱いで述べられる要素又は工程は、特に明示して指示がない限り、それらの要素又は工程が複数存在する場合を除外しないものとする。更に、本発明の「一実施形態」（又は「他の実施形態」）という場合、それは、列挙された特徴を同様に組込まれた追加の実施形態の存在を除外すること又は本発明と関連して説明される他の特徴を除外することとして解釈されない。また、明示して指示のない限り、特定の特性を有する１つの要素又は複数の要素を「具備する」又は「有する」実施形態は、その特性を有していないそのような要素を更に含んでもよい。

図１は、例えば、蒸気タービン、ガスタービン又は航空機エンジンと共に使用されるタービンバケット１００を示した斜視図である。タービンバケット１００は、係合するシュラウド縁部１０４及び１０６において一体に結合された圧力側１０２及び吸込み側（図１には図示せず）を含む。圧力側１０２は一般に凹形であり、吸込み側は一般に凸形である。タービンバケット１００は、ダブテール１０８と、エーロフォイル部分１１０と、それらの間に延在する根元部１１２とを含む。本実施形態においては、エーロフォイル部分１１０及び根元部１１２は一体の部材から製造され、ダブテール１０８に結合される。別の実施形態においては、エーロフォイル１１０、根元部１１２及びダブテール１０８は、全て、一体の構成要素として製造されてもよい。本実施形態においては、バケット１００は、ダブテール１０８を介して回転子軸に結合し、回転子軸から半径方向外側へ延在する。別の実施形態においては、バケット１００は、バケットを回転子軸に結合するように構成されたブリスクなどの他の装置により、回転子軸に結合されてもよい。

バケットのダブテール１０８は、バケット１００を回転子軸に固着するのを助けるような長さ１１４を有する。回転子軸の大きさは種々異なるので、特にタービン又は航空機エンジンに対して、バケット１００の最適な性能を提供するのを助けるように、長さ１１４も様々に異なってよい。図示される構成においては、根元部１１２は、ダブテール１０８から半径方向外側へ延在し、ダブテールの長さ１１４とほぼ等しい長さを有する。エーロフォイル部分１１０は、根元部１１２から半径方向外側へ延在し、同様に、ダブテールの長さ１１４とほぼ等しい初期長さを有する。本実施形態においては、特に、根元部１１２がエーロフォイル部分１１０に移行する場所でバケット１００に継目又は不一致が存在しないように、根元部１１２及びエーロフォイル部分１１０は、互いに一体に製造される。

エーロフォイル部分１１０は、根元部１１２から半径方向外側へ延在し、その長さは、バケット１００の先端部１１６に向かって増加する。本実施形態においては、先端部１１６は、長さ１１４より長い長さ１１８を有する。先端部の長さ１１８及び先端部の幅は、バケット１００の用途、特にタービン又は航空機エンジンへの適用条件に応じて変更されてもよい。バケット１００は、ダブテール１０８から先端部１１６までの長さとして測定される半径方向長さ１２０を有する。長さ１２０は、バケット１００の性能の最適化を助けるように選択される。従って、バケットの長さ１２０は、バケット１００の用途、特にタービン又は航空機エンジンへの適用条件に応じて変更されてもよい。いくつかの構成においては、ブレードバケットの先端部は根元部より長い必要はなく、本明細書中で説明される方法以外の装着方法を使用できる。

図２、図３及び図４を参照すると、本発明の種々の構成は、（例えば）タービンの各バケット１００、１０１及び他のバケットに傾斜した先端シュラウド２１２を提供する（図３には、バケット１００、１０１以外のバケット又はタービンは示されていない。）。バケット１００の先端シュラウド２１２は、この傾斜により、隣接するバケット１０１の隣接するシュラウド２１２と製造の時点ではなく動作条件の下で整合するように構成される。この構成の拡大図が図４に示される。図４は、バケット１００のシュラウド縁部１０４とバケット１０１の係合するシュラウド縁部１０６との低温組立て時オーバラップＣＯを示す。

特に、本発明のいくつかの構成においては、図５に概略的に示されるように、先端シュラウド２１２は、シュラウド縁部１０４において傾斜される（いくつかの構成においては、事前に、すなわち、低温組立て条件にあるときに傾斜される）。動作中、バケット１００のエーロフォイル後縁部が隣接するバケット１０１のエーロフォイル前縁部より大きく成長した場合、図６に概略的に示されるように、動作中、バケット１００のシュラウド縁部１０４と、バケット１０１の縁部１０６とは適切に整合する。シュラウド２１２の低温組立て時不整合の量（すなわち、事前傾斜の量）は、高温流路段差及び高温ギャップが発生する可能性を最小限に抑える（又は少なくとも低減する）ように選択できる。適切な低温組立て時不整合の量を選択することにより、傾斜した先端シュラウド２１２を使用するバケット１００を有するエンジン又はタービン１０の性能を向上できる。例えば、そのような不整合の量を様々に変えながら、エンジン又はタービンの性能を観測することにより、実験に基づき、低温組立て時不整合の最適な量（又は少なくとも好都合な量）を判定できる。

いくつかの構成においては、動作条件の下でタービン又はエンジンの隣接するシュラウド間に好適な係合状態を設定し且つ／又は動作条件において隣接するシュラウドと係合させるために、先端シュラウド２１２は、後縁部又は前縁部の少なくとも一方において事前に傾斜される。他の構成においては、動作条件の下でタービン又はエンジンの隣接するシュラウド間に好適な係合状態を設定し且つ／又は動作条件において隣接するシュラウドと係合させるために、先端シュラウド２１２は、エーロフォイル吸込み側及びエーロフォイル圧力側１０２のうち少なくとも一方において事前に傾斜される。更に他の構成においては、動作条件の下でタービン又はエンジンの隣接するシュラウド間に好適な係合状態を設定し且つ／又は動作条件において隣接するシュラウドと係合させるために、先端シュラウド２１２は、エーロフォイル吸込み側及びエーロフォイル圧力側１０２のうち少なくとも一方及び／又は後縁部又は前縁部の少なくとも一方を任意に組合わせた箇所において事前に傾斜される。従って、傾斜は、上向き又は下向き、左右又はそれらの任意の組み合わせのいずれであってもよい。いくつかのタービン構成又はエンジン構成においては、少なくとも１つのバケットに傾斜シュラウドが設けられるが、他の構成においては、２つ以上又は全てのバケットに傾斜シュラウドが設けられる。

本発明の構成は、タービンバケット又は航空機エンジンブレードの従来の構成と比較して、流路面の不整合を少なくし、より均一な流路面を提供することにより、エンジン及び／又はタービンの性能を向上する。

種々の特定の実施形態に関して本発明を説明したが、特許請求の範囲の趣旨の範囲内で、変形を伴って本発明を実施できることは当業者には認識されるであろう。

蒸気タービン、ガスタービン、航空機エンジンなどと共に使用されるバケットの一例を示した斜視図である。 隣接するバケットにおけるシュラウド縁部の意図的な所定の低温組立て時不整合を示した本発明の隣接するバケットの構成の斜視図である。 不整合が生じた係合シュラウド縁部を有するバケットの部分を更に明瞭に示した、図２に示される本発明の隣接するバケットの構成の拡大斜視図である。 不整合が生じた係合シュラウド縁部を有するバケットの部分を更に明瞭に示した、図２に示される本発明の隣接するバケットの構成の拡大斜視図である。 低温組立て時条件の下における隣接するシュラウド縁部の構成を示した概略図である。 動作条件の下における隣接するシュラウド縁部の構成を示した概略図である。

符号の説明

１０…エンジン又はタービン、１００、１０１…バケット、１０８…ダブテール、１１０…エーロフォイル部分、１１２…根元部、１１６…先端部、２１２…先端シュラウド

Claims (9)

1. ダブテール（１０８）と；
   前縁部及び後縁部を有する先端シュラウド（２１２）を有するエーロフォイル部分（１１０）と；
   前記ダブテールと前記エーロフォイル部分との間に延在する根元部（１１２）とを具備し、
   前記先端シュラウドは、動作条件下に置かれる前に傾斜されるバケット（１００）。
2. 前記傾斜された先端シュラウド（２１２）は、動作条件の下で隣接するシュラウド間に好適な係合状態を設定するように傾斜された先端シュラウドを更に具備する請求項１記載のバケット（１００）。
3. 前記先端部（１１６）は、傾斜されない先端部と比較して、高温流路段差及びギャップを形成する可能性を低減するように設定された量だけ傾斜される請求項１記載のバケット（１００）。
4. 前記傾斜の量は、所期の動作条件において隣接するシュラウド（２１２）に整合するように設定される請求項１記載のバケット（１００）。
5. 航空機タービン（１０）又は航空機エンジンを更に具備する請求項１記載のバケット（１００）。
6. 航空機エンジン（１０）を具備する請求項５記載のバケット（１００）。
7. 蒸気タービンを具備する請求項５記載のバケット（１００）。
8. 前記傾斜された先端シュラウド（２１２）は、後縁部で事前に傾斜される請求項５記載のバケット（１００）。
9. 前記傾斜の量は、傾斜されない先端部（１１６）と比較して、高温流路段差及びギャップが形成される可能性を減少するように設定される請求項５記載のバケット（１００）。