JP2012087787A - 接合タービンバケット先端シュラウド及び関連する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンバケットを提供する。
【解決手段】本タービンバケットは、翼形部（１１２）と、翼形部の半径方向外側端部における先端シュラウド（１１０）とを含む。先端シュラウドは、翼形部と一体形に形成されかつ第１の金属材料から成る第１の半径方向内側先端シュラウド部品（１１６Ａ）と、第１の半径方向内側先端シュラウド部品に接合されかつ第２の金属材料から成る第２の半径方向外側構造先端シュラウド部品（１１６Ｂ）とを含む。
【選択図】 図４

Description

本発明は、総括的にはタービン技術に関し、より具体的には、一体形先端シュラウドが形成されたタービンバケット又はブレードに関する。

タービンバケット又はブレードの先端に設置された先端シュラウドは、振動を減衰させかつバケットの翼形部の先端領域を維持する。先端シュラウドはまた、タービン段を通る高温ガス流路の半径方向外側境界を形成する。従って、先端シュラウドは、１つのバケットから別のバケットの間にわたって延びかつその対向する円周方向端縁部において接触する。先端シュラウドの前方及び後方端縁部分は一般的に、翼形部からオーバハングしており、かつ多くの場合により高い温度及び高い曲げ応力に曝されるのはこれらの領域である。これらのオーバハング領域はまた、クリープを生じ、またバケット全体の有効寿命が尽きる前にクリープを生じて破壊することさえあり、従ってバケットの寿命が制限される。

先端シュラウドは、多くの場合にバケット翼形部と一体形に形成されかつまた該シュラウドの外側端縁部周りの高温ガス漏洩を防止するように設計された一体形シール歯を支持することができる。バケット又は翼形部並びに先端シュラウドは通常、鋳造によって形成され、また先端シュラウドは一般的に、その最終構成に機械加工される。

先端シュラウドのオーバハング前方及び後方端縁部分は、多くの場合にオーバハング材料を取除いたスカラップ状にしてそれら領域内の質量を減少させているが、それにより、先端シュラウド外側流路被覆範囲が減少し、従って効率が低下する。加えて、バケット用の材料は一般的に、翼形部における応力及び有効寿命要件に耐えることができる最も低温かつ最も低コストの合金として選択される。

米国特許第７７７１１７１号明細書

それ故に、クリープを生じる傾向がより少なく、従ってバケットの予測有効寿命を満たすことに関してより有利である先端シュラウド構成を得ることが望ましいと言える。

第１の例示的であるが非限定的な実施形態によると、本発明は、タービンバケットを提供し、本タービンバケットは、翼形部と、翼形部の半径方向外側端部における先端シュラウドとを含み、先端シュラウドは、翼形部と一体形に形成されかつ第１の金属材料から成る第１の半径方向内側先端シュラウド部品と、内側先端シュラウド部品に接合されかつ第２の金属材料から成る第２の半径方向外側構造先端シュラウド部品とを含む。

別の例示的であるが非限定的な態様では、本発明は、タービンバケットを提供し、本タービンバケットは、翼形部と、翼形部の半径方向外側端部における先端シュラウドとを含み、先端シュラウドは、翼形部と一体形に形成されかつ第１の金属材料から成る第１の半径方向内側部品と、互いに接合されてそれを形成する第２の１以上の金属材料から成りかつ第１の金属材料に接合された第２の半径方向外側部品とを含み、また第２の金属材料は、第１の金属材料よりも高温性能及び／又は低密度を有する１種以上の成分で構成される。

さらに別の態様では、本発明は、一体形タービンバケット先端シュラウドを形成する方法を提供し、本方法は、ａ）タービンバケットの翼形部を第１の一体形半径方向内側先端シュラウド部品と共に形成するステップと、ｂ）第２の半径方向外側構造先端シュラウド部品を第１の一体形半径方向内側先端シュラウド部品に接合するステップとを含む。

次に、以下に特定する図面に関連させて、本発明を説明する。

従来型のタービンバケット先端シュラウドの側面図。 従来型のタービンバケット先端シュラウドの上面図。 従来型のタービンバケット先端シュラウドの円周方向図。 本発明の例示的であるが非限定的な実施形態による接合先端シュラウドの部分分解側面図。 図４と同様であるが、下部先端シュラウドに接合された上部先端シュラウドを示す部分側面図。 図５に示す先端シュラウドの部分円周方向図。

図１〜図３は、隣接する半径方向内側翼形部１２及び一体形先端シュラウド１４を備えたタービンバケット先端領域１０を示している。図示しているのは、一体形先端シュラウド構成の側面、上面及び円周方向図である。先端シュラウド１４は、シュラウドプロパ又はベース部１６を含み、シュラウドベース部１６は一般的に、次に少なくとも１つの直立又は半径方向突出シール歯１８を支持する。多くの場合に、シュラウド１４は、バケットと一体形に製作される。一般的に、バケットは鋳造され、かつ鋳造後に、先端シュラウドは、その最終形状に機械加工される。図２は、翼形部１２にオーバハングした先端シュラウド１６の側方又は側部領域（前方及び後方端縁部分とも呼ぶ）２０、２２を示しており、またクリープを生じる傾向があり、その結果時の経過と共に高い温度及び高い曲げ応力に曝されることになるのはこれらの領域（破線で囲んだ）である。円周方向端縁部２４、２６は、隣接するバケット先端シュラウド（その1つを参照符号２８で示す）上の同様な端縁部と係合する形状になっている。

次に図４〜図６を参照すると、例示的であるが非限定的な実施形態による接合二金属先端シュラウド領域１１０を示している。より具体的には、翼形部１１２は、半径方向内側及び外側部品１１６Ａ、１１６Ｂで構成された先端シュラウド１１４を含み、内側部品１１６Ａは、翼形部１１２と一体形に形成された状態になっている。半径方向内側先端シュラウド部品１１６Ａは、一般的なバケット低温能力、等軸又は一方向凝固ニッケル基、コバルト基或いはその他の超合金から成ることができる。半径方向外側先端シュラウド部品１１６Ｂは、半径方向内側先端シュラウド部品１１６Ａに接合され、かつより高温かつ高価格合金材料及び／又はより低密度材料で製作される。例えば、１４００°〜１８００°又はそれ以上の温度特性を有しかつ低価格ニッケル基超合金内側先端シュラウド部品１１６Ａと同様な密度を有する単結晶ニッケル基Ｒｅｎｅ Ｎ５超合金が好適である。別の解決方法は、発泡金属のようなより低密度材料を使用することである。発泡金属は、任意選択的に異種のかつさらに高温合金を混合した同じＲｅｎｅ Ｎ５材料とすることができる。より低密度発泡金属材料は、該金属材料が応力を低下させてシュラウド先端がより高い温度に耐えるようにするので、有効である。従って、上記の二部品先端シュラウド内におけるクリープ発生を減少させるために、２つの例示的な技術的方法、つまり半径方向外側先端シュラウド部品内でより高温能力材料を使用すること、或いは半径方向外側先端シュラウド部品内でより高温性能材料と共に又はより高温性能材料がない状態で発泡金属のようなより密度材料を使用することを採用することができる。

いずれのケースでも、両部品１１６Ａ及び１１６Ｂは事実上構造用のものである、つまり内側部品１１６Ａは別の材料による単なるクラッド又は皮膜ではないことを理解されたい。実際には、外側部品１１６Ｂは、先端シュラウド１１４に強度を付加している。

先端シュラウド部品平坦接合部表面１１７Ａ、１１７Ｂの接合前処理は、先端シュラウド部品間の接合を強化するための粗面処理、ニッケルフラッシング又はその他の好適な方法を含むことができる。しかしながら、1つ又は両方の接合部表面には、それぞれの対向表面の１以上の凹部内には嵌合して接合線に沿った剪断に抗するようになった半径方向タブを設けることができることを理解されたい。

内側及び外側先端シュラウド部品１１６Ａ及び１１６Ｂが、例えば拡散ロウ付けによって互いに接合されると、外側のより高温能力部品１１６Ｂは、より低温能力先端シュラウド部品１１６Ａを維持しかつ強化して、温度及び構造能力を大幅に増大させかつ先端シュラウドのクリープ及び／又は低サイクル疲労性能を著しく高める。拡散ロウ付けは、部品部品自体に近接して接合線強度を与えるので、有利である。

外側先端シュラウド部品１１６Ｂがより低密度材料で製作された構成では、下方先端シュラウド１１６Ａに作用する及びバケット全体に作用する引張り又はＧ力が低下する。この実施形態の場合には、バケット翼形部の応力が低下しかつその有効寿命が向上する。加えて、オーバハング領域２０及び２２におけるシュラウド寸法を増大させて、バケット先端間のギャップによってのみ中断された連続円周方向表面を形成することができる。この被覆範囲の向上により、先端損失が低減されかつ先端間隙が改善されて、性能が高められる。

外側シュラウド部品１１６Ｂ内に１以上のシュラウドシール歯１１８を組入れて、先端シュラウド性能をさらに向上させることができる。

その他の接合方法もまた使用することができることが、分かるであろう。接合した接合部の検査は、接合先端シュラウド部品の最終機械加工後に行なうことができる。接合線は、あらゆる発生可能性空隙について目視検査することができるが、外側表面接合線から離れた内側接合領域は、例えば超音波孔検査又は識別によって非破壊検査して、完全な接合を保証することができる。

現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明が開示した実施形態に限定されるべきものではなく、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。

１０ バケット先端領域
１２、１１２ 翼形部
１４ 先端シュラウド
１６ シュラウドベース部
１８ シール歯
２０、２２ 側部領域或いは前方及び後方端縁部分
２４、２６ 円周方向端縁部
２８ バケット先端シュラウド
１１０、１１４ 先端シュラウド領域（又は先端シュラウド）
１１６Ａ、１１６Ｂ 内側及び外側部品
１１７Ａ、１１７Ｂ 接合表面
１１８ シュラウドシール歯

Claims (15)

1. 翼形部（１１２）と、
   前記翼形部の半径方向外側端部における先端シュラウド（１１０）と
   を備えるタービンバケットであって、前記先端シュラウド（１１０）が、前記翼形部と一体形に形成されかつ第１の金属材料から成る第１の半径方向内側先端シュラウド部品（１１６Ａ）と、第１の半径方向内側先端シュラウド部品に接合されかつ第２の金属材料から成る第２の半径方向外側構造先端シュラウド部品（１１６Ｂ）とを含んでいる、タービンバケット。
2. 第２の金属材料が第１の金属材料よりも高温性能を有する、請求項１記載のタービンバケット。
3. 第２の金属材料が第１の金属材料よりも低密度を有する、請求項１記載のタービンバケット。
4. 第２の金属材料が第１の金属材料よりも高温性能を有する、請求項３記載のタービンバケット。
5. 第１の半径方向内側及び第２の半径方向外側構造先端シュラウド部品（１１６Ａ、１１６Ｂ）が、対向するほぼ平坦表面に沿って接合される、請求項１記載のタービンバケット。
6. 第１の半径方向内側及び第２の半径方向外側構造先端シュラウド部品（１１６Ａ、１１６Ｂ）が、該内側及び外側部品間の接合を強化する対向する成形表面に沿って接合される、請求項１記載のタービンバケット。
7. 第１の金属材料がニッケル又はコバルト基合金を含む、請求項１記載のタービンバケット。
8. 第２の金属材料が第１の金属材料よりも高温性能を有する単結晶ニッケル又はコバルト基超合金を含む、請求項１記載のタービンバケット。
9. 第２の金属材料が発泡金属を含む、請求項１記載のタービンバケット。
10. 第２の金属材料が発泡単結晶ニッケル又はコバルト基超合金を含む、請求項１記載のタービンバケット。
11. 前記先端シュラウド（１１０）の両円周方向端部が、タービンロータホイール上の隣接するバケット先端シュラウドと噛合い係合状態になる輪郭であり、第２の半径方向外側構造先端シュラウド部品（１１６Ｂ）が、１以上のシール歯（１１８）を支持する、請求項１記載のタービンバケット。
12. 翼形部（１１２）と、
    前記翼形部の半径方向外側端部における先端シュラウド（１１０）と
    を備えるタービンバケットであって、前記先端シュラウド（１１０）が、前記翼形部と一体形に形成されかつ第１の金属材料から成る第１の半径方向内側部品（１１６Ａ）と、互いに接合されてそれを形成する第２の１以上の金属材料から成りかつ第１の金属材料に接合された第２の半径方向外側部品（１１６Ｂ）とを含んでおり、第２の金属材料が、第１の金属材料よりも高温性能及び／又は低密度を有する１種以上の成分で構成される、タービンバケット。
13. 第２の金属材料が第１の金属材料よりも低密度を有する、請求項１２記載のタービンバケット。
14. 第２の金属材料が発泡されて前記低密度を生成する、請求項１２記載のタービンバケット。
15. 一体形タービンバケット先端シュラウドを形成する方法であって、
    ａ）タービンバケットの翼形部（１１２）を第１の一体形半径方向内側先端シュラウド部品（１１６Ａ）と共に形成するステップと、
    ｂ）第２の半径方向外側構造先端シュラウド部品（１１６Ｂ）を第１の一体形半径方向内側先端シュラウド部品に接合するステップと
    を含む方法。