JP2011220325A - 複合タービン動翼組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】金属タービンロータ又はディスクに対してＣＭＣ翼を取り付けることができる簡単且つ費用効果的なシステムを提供する。
【解決手段】複合タービン翼組立体１０は、翼形部１３、シャンク部１４及び取付部１６を含むセラミック翼１３と、セラミック翼１３をタービンディスク又はロータに取り付けるように構成されており、固定された第１及び第２遷移部品２０，２２を含み、それらの間にセラミック翼１３を拘束する遷移組立体１８とを含む。第１及び第２遷移部品２０，２２の内面は、セラミック翼１３のシャンク部１４及び取付部１６と嵌合するように形成され、第１及び第２遷移部品２０，２２の外面は、遷移組立体１８をタービンロータ又はディスクに取り付けることができるようにする取付機構を含むように形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン翼又は動翼に関し、より詳細には、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）タービン翼の金属タービンディスク又はロータへの取付を可能にする遷移組立体に関する。

現在、金属タービンディスク又はロータにＣＭＣ翼を接続するために利用される方法は、ロータシステムに直接セラミック翼を接続するボルト等の機械的手段の使用を伴う。或いは、タービンディスク又はロータは、特にＣＭＣシステムを想定して設計できる。しかしながら、現在のシステムは、過剰な費用や相当な複雑さの追加を伴わずに既存の金属ディスク又はロータ上で金属合金翼のＣＭＣ翼との直接的な現場交換を可能にすることができない。

米国特許第７０９４０２１号

従って、既存の金属タービンロータ又はディスクに対してＣＭＣ翼を取り付けることができる簡単且つ費用効果的なシステムに関する必要性が依然としてある。

第１の例示的だが非限定的な実施形態において、本発明は、翼形部、シャンク部及び取付部を含むセラミック翼と、セラミック翼をタービンディスク又はロータに取り付けるように構成されており、固定された第１及び第２金属遷移部品からなり、それらの間にセラミック翼を拘束する遷移組立体であって、第１及び第２金属遷移部品の内面は、セラミック翼のシャンク部及び取付部と嵌合するように形成され、第１及び第２金属遷移部品の外面は、遷移組立体をタービンロータ又はディスクに取り付けることができるようにする取付機構を含むように形成される遷移組立体とからなる複合タービン翼組立体に関する。

別の例示的だが非限定的な実施形態において、本発明は、翼形部、シャンク部及び第１ダブテール取付部を含むセラミック翼と、セラミック翼をタービンディスク又はロータに取り付けるように構成されており、固定された第１及び第２遷移部品からなり、それらの間にセラミック翼を拘束する遷移組立体であって、第１及び第２遷移部品の内面は、セラミック翼のシャンク部及び第１ダブテール取付部と嵌合するように形成され、第１及び第２遷移部品の外面は、遷移組立体をタービンロータ又はディスクに取り付けることができるようにする第２ダブテール取付部を含むように形成される遷移組立体とからなる複合タービン翼組立体に関する。

更に別の例示的だが非限定的な実施形態において、本発明は、翼形部、シャンク部及び第１取付部を含む少なくとも１つのセラミック翼と、少なくとも１つのセラミック翼をタービンディスク又はロータに取り付けるように構成されており、固定された第１及び第２遷移部からなり、それらの間に少なくとも１つのセラミック翼を拘束する遷移組立体であって、第１及び第２遷移部の内面は、少なくとも１つのセラミック翼のシャンク部及び第１取付部と嵌合するように形成され、第１及び第２遷移部の外面は、遷移組立体をタービンロータ又はディスクに取り付けることができるようにするプラットホーム、シャンク、複数のエンジェルウィングシール及び第２取付部を含むように形成される遷移組立体とからなるタービンロータ又はディスク組立体に関する。

次に、以下で特定する図面に関連して本発明を詳細に説明する。

本発明の例示的だが非限定的な実施形態の分解図であり、セラミック翼形と関連する遷移組立体を示す。 部分組立図であり、図１に示す遷移組立体の半分入れ子状態のＣＭＣ翼形を示す。 実質的に完全に組み立てられたセラミック翼形及び遷移組立体を示す斜視図である。

例示的だが非限定的な実施形態は、セラミックタービン翼形を金属タービンディスク又はロータに取り付けるための新しい遷移機構に関する。以下で更に説明するように、遷移機構又は組立体は、最小の機構及び付属品によって複雑さと費用を大幅に削減する低コストのＣＭＣ翼形又は翼を可能にする。更に、本明細書に開示した設計は、既存のロータシステムの設計を損なうことなくセラミック翼を金属翼と交換することを可能にする。セラミック翼がタービンディスク又はロータに取り付けられる遷移組立体は、固定され、それらの間にＣＭＣ翼を有する２つ以上の金属遷移部品から構成される。より詳細には、遷移組立体の構成部品は、１つ以上のボルト又はその他の適切な締結具によって、セラミック翼の半径方向内方の位置、即ち、ボルト又はその他の締結具がセラミック翼を通過しない位置で直接固定される。遷移組立体の２つの構成部品は、重量及び応力を最適化するように、さもなければセラミック翼に適合するように複数の方法で扇形に分割できる。

典型的な外部金属タービン動翼又は翼の設計の特徴の全ては遷移部品に含まれており、例えば、エンジェルウィングシール、プラットホーム、シャンク、ダブテール、並びに一般的に動翼のプラットホーム、シャンク及び取付部に関連する任意の冷却供給及び／又は冷却機構が含まれる。これらの複雑な機構は遷移部品に組み込まれるので、セラミック翼自体は比較的簡単な設計で比較的製造が容易である。

より詳細には、図１及び２を参照すると、翼形組立体１０は、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）又は窒化ケイ素、酸化ケイ素等のその他の適切なセラミック材料からなるセラミック翼１２を含む。セラミック翼１２は、翼形部１３と、第１シャンク部１４と、ダブテール取付部１６とを含む。組立体１０はまた、その内面がＣＭＣ翼１２の正圧及び負圧面、並びに特にシャンク部１４及び（第１）ダブテール取付部１６と嵌め合い係合することができるように形成される遷移部品２０，２２からなる金属遷移組立体１８を含む。従って、遷移部品２２に関して最も良く見られるように、内面２４は、セラミック翼のシャンク部１４の凸状湾曲即ち正圧面２８（翼形部１３の正圧面と関連する）を受ける凹状窪み２６と、ダブテール取付部１６の基部又は下部を受ける逆段状窪みの基部のランド３０とを備えて形成される。

遷移部品２０は、ＣＭＣ翼１２の負圧面に適合するように異なって輪郭形成される。例えば、凸面３４は、セラミック翼のシャンク部１４の対応する凹面３６を受ける。構成部品２０の内面はまた、ダブテール取付部１６の残りの半分を受けるための窪み（見えないが窪み３２とほぼ同様である）を含むように形成される。従って、遷移組立体部品２０，２２はセラミック翼１２のシャンク部１４及びダブテール取付部１６に関してぴったりと適合し、２つの構成部品２０，２２は続いて、翼形ダブテール部１５の半径方向下方（即ちディスク又はロータに対して半径方向内方）に位置する各ボルト孔対３８，４０を通過するボルト又はその他の適切な締結具（図示せず）によって固定され、そこで、ボルト又はその他の締結具がセラミック翼１２のどの部分も通過しないように遷移部品の平面領域４２，４４が直接結合されることがわかるであろう。このように、締結装置（ボルト）は、組立体の比較的低温且つ低応力の位置を通過する。表面領域４２，４４はまた、ボルト又はその他の締結具の締付荷重を一方の遷移部品から他方へと伝達することを可能にする。

遷移組立体部品２０，２２の外面は、金属動翼又は翼シャンク及びダブテールの典型的な表面特徴の全てを含むように形成される。例えば、構成部品２０及び２２の外面は、構成部品２０上に１つ以上のいわゆる「エンジェルウィング」シール４６，４８，５０及び（第２）ダブテール取付部５２を、構成部品２２上にエンジェルウィングシール部５４，５６，５８及び（第２）ダブテール取付部６０を含むように形成される。遷移部品をそのように構成することにより、本明細書に開示したセラミック翼組立体を有する金属動翼又は翼の交換の際に、タービンロータ又はディスクに対していかなる変更も必要なくなる。遷移部品が図３に示すように結合して完全な第２ダブテール取付部を形成する時に、シール４６，４８及び５０はそれぞれシール５４，５６及び５８と整合し、ダブテール取付部５２はダブテール取付部６０と整合することに留意されたい。また、第１及び第２遷移部品２０，２２の外面は、第１シャンク部１４と嵌め合い係合するプラットホーム６２及び第２シャンク部６４を含むように形成されることにも留意されたい。従って、通常は翼構造の一部であるプラットホーム６２及び第２シャンク部６４は、ここでは金属遷移部品の一部である。

また、遷移組立体部品２０，２２は、セラミック翼１２の非対称性輪郭を考慮すると互いの鏡像でないことがわかるであろう。そのため、２つの構成部品２０，２２の間の接触面もまた非対称であるが、少なくとも、セラミック翼形の構造によってだけでなく、製造の容易さ、重量及び応力に関する問題にも基づいて決定される。従って、遷移部品の厳密な構造は、セラミック翼構造に応じて変化する。

図３は、完全に組み立てられた動翼を示しており、遷移部品２０，２２が、セラミック翼１２のシャンク部１４及び第１ダブテール取付部１６に関して、ボルト２１，２３又はその他の適切な締結具を介してしっかりと固定されている。一旦このように組み立てられると、組立体は、遷移組立体部品２０及び２２が交換された金属翼又は動翼の元のシャンク及びダブテール部に対応するように成形されているので、ディスク上のいずれかの金属動翼又は翼と全く同じようにタービンディスク又はロータに取り付けることができる。一方の遷移部品の他方に対する位置決めは、締結具、ピンによって、又は適切な案内機構によって達成される。

本発明は、セラミック翼１２をかなり小さく簡単な設計にすることができるという点で幾つかの利点を提供することが理解されるであろう。加えて、金属遷移組立体は、同等の金属動翼又は翼に用いられるよりも低級の材料から構成することができるため、更なる節約を可能にする。また、シャンク部の低温部分に低い応力が存在し、遷移組立体部品２０，２２が、Ｇ負荷と、それらの質量中心が軸方向に整列するという事実とによって、互いに効果的に崩壊することがわかった。更にこの点に関しては、翼１２のダブテール取付部１６がＣＭＣ翼形及びシャンクの遠心荷重を遷移部品２０，２２の中に伝達し、次に、遷移部品２０，２２が結合した遠心荷重をディスク又はロータに伝達する。

また、上記の説明は単なる例示であり、様々な設計変更が考えられることがわかるであろう。例えば、図示の実施形態では、セラミック翼１２の第１ダブテール取付部１６はシングルタングダブテールであるが、それはもちろん、マルチタング又はその他の形式の取付であっても良い。同様に、遷移部品上に設けられた第２取付機構（第２ダブテール取付部５２，６０）は、関連するタービンロータ又はディスク内に設けられた取付方式に応じて変更できる。

遷移組立体部品２０，２２はまた、金属組立体用の冷却空気又はその他の冷却機構のみならず、ダンパーを収容及び保持する機構のための通路を収容するように形成できる。その他の機構、例えば重量削減のための切り欠き又は窪み（そのような窪みが６６で示されている）等を含んでも良い。

現時点で最も実用的且つ好適な実施形態であると考えられるものに関連して本発明を説明したが、本発明は、開示された実施形態に限定されてはならず、むしろ添付の特許請求の範囲の技術的思想及び技術的範囲内に含まれる種々の変形及び等価の構成を含むことが意図されると理解すべきである。

Claims (10)

1. 翼形部（１３）、シャンク部（１４）及び取付部（１６）を含むセラミック翼（１２）と、
   前記セラミック翼（１２）をタービンディスク又はロータに取り付けるように構成されており、固定された第１及び第２金属遷移部品（２０，２２）からなり、それらの間に前記セラミック翼（１２）を拘束する遷移組立体（１８）であって、前記第１及び第２金属遷移部品（２０，２２）の内面は、前記セラミック翼（１２）の前記シャンク部（１４）及び前記取付部（１６）と嵌合するように形成され、前記第１及び第２金属遷移部品（２０，２２）の外面は、前記遷移組立体（１８）をタービンロータ又はディスクに取り付けることができるようにする取付機構を含むように形成される前記遷移組立体（１８）とからなる、複合タービン翼組立体（１０）。
2. 前記セラミック翼（１２）の前記取付部（１６）は第１ダブテール取付部である、請求項１に記載の複合タービン翼組立体（１０）。
3. 前記取付機構はダブテールである、請求項１に記載の複合タービン翼組立体（１０）。
4. 前記第１及び第２遷移部品（２０，２２）の前記外面は、単一又は複数のエンジェルウィングシール（４６，４８，５０）を含むように形成される、請求項１に記載の複合タービン翼組立体（１０）。
5. 前記セラミック翼（１２）はセラミックマトリックス複合材料から構成される、請求項１に記載の複合タービン翼組立体（１０）。
6. 翼形部（１３）、第１シャンク部（１４）及び第１ダブテール取付部（１６）を含むセラミック翼（１２）と、
   前記セラミック翼（１２）をタービンディスク又はロータに取り付けるように構成されており、固定された第１及び第２遷移部品（２０，２２）からなり、それらの間に前記セラミック翼（１２）を拘束する遷移組立体（１８）であって、前記第１及び第２遷移部品（２０，２２）の内面は、前記セラミック翼（１２）の少なくとも前記第１ダブテール取付部（１６）と嵌合するように形成され、前記第１及び第２遷移部品（２０，２２）の外面は、前記遷移組立体（１８）をタービンロータ又はディスクに取り付けることができるようにする第２ダブテール取付部（５２，６０）を含むように形成される前記遷移組立体（１８）とからなる、複合タービン翼組立体（１０）。
7. 前記第１及び第２遷移部品（２０，２２）の前記外面は少なくとも１つのエンジェルウィングシール（４６，４８，５０）を含み、前記取付機構はダブテールである、請求項６に記載の複合タービン翼組立体（１０）。
8. 前記第１及び第２遷移部品（２０，２２）は、前記セラミック翼（１２）の半径方向内方の１つ以上の締結具によって直接固定される、請求項６に記載の複合タービン翼組立体（１０）。
9. 前記セラミック翼（１２）はセラミックマトリックス複合材料から構成される、請求項６に記載の複合タービン翼組立体（１０）。
10. 翼形部（１３）、第１シャンク部（１４）及び第１取付部（１６）を含む少なくとも１つのセラミック翼（１２）と、
    前記少なくとも１つのセラミック翼（１２）をタービンディスク又はロータに取り付けるように構成されており、固定された第１及び第２遷移部品（２０，２２）からなり、それらの間に前記少なくとも１つのセラミック翼（１２）を拘束する遷移組立体（１８）であって、前記第１及び第２遷移部品（２０，２２）の内面は、前記少なくとも１つのセラミック翼（１２）の前記シャンク部（１４）及び前記第１取付部（１６）と嵌合するように形成され、前記第１及び第２遷移部品（２０，２２）の外面は、前記遷移組立体をタービンロータ又はディスクに取り付けることができるようにするプラットホーム（６２）、前記第１シャンク部（１４）と嵌め合い係合する第２シャンク部（６４）、１つ以上のエンジェルウィングシール（４６，４８，５０）及び第２取付部（５２，６０）を含むように形成される前記遷移組立体（１８）とからなる、タービンロータ又はディスク組立体。