JP2013160228A - タービン組立体用の回転組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン組立体用の回転組立体を提供すること。
【解決手段】タービン組立体用の回転組立体は、軸方向中心線から半径方向外向きに延在して且つ該軸方向中心線の周りを回転可能な翼形部を含む。また、翼形部の半径方向外側先端に近接して一体的に接続された先端シュラウドが含まれる。更に、先端シュラウドに動作可能に結合された基材が含まれる。更に、基材に固定された少なくとも１つの硬質表面接合部材が含まれる。
【選択図】 図１

Description

本明細書で開示される主題は、タービンシステムに関し、より詳細には先端シュラウドに関する。

タービンシステムは、例えば、タービンが作動状態にあるときに高速度で回転する圧縮機段及びタービン段などの幾つかの回転構成要素又は組立体を利用している。一般に、１つの段は、中心ハブから半径方向外向きに延在する複数のフリーフローブレードを含む。一部のブレードは、段内の振動を制限するシュラウドを含む。シュラウドは、通常、ブレードの先端部分、ブレードの中間部分、或いは、ブレードの中間部分と先端部分の両方に位置付けられる。シュラウドは、高速又は作動速度では浮動ブレードが相互連結して一体的な回転部材を形成するが、低速及び場合によって０ｒｐｍの始動位置からの始動時にもブレードが相互連結できるように設計されている。ブレードの相互連結中、先端部分が相互連結されるときのスリップに起因して摩耗が発生する。タービンのターニングギア上などでの低速では、ブレードは相互連結しない場合があり、互いに衝突することが多くなる。ブレード間の衝突は、ターボ機械の耐用期間が短くなる損傷を引き起こす恐れがある。

ブレード衝突により生じる損傷を最小限にするために、接触する可能性がある箇所に硬質表面皮膜が施される。硬質表面皮膜は、ブレードの作動中に生じる可能性がある摩耗に対する耐性を強化し、また、衝突を受けやすい接触可能箇所の耐久性を向上させる。従来は、硬質表面皮膜は、例えば、溶接、ろう付け、又は溶射法によってブレードに金属結合される。ブレードに硬質表面接合部を結合する溶接プロセスを用いることで多大な量の局所的熱が発生し、この熱は、適切に制御しない場合には、接合される材料の接合部における摩耗及び衝突耐性並びに他の金属特性を低下させる可能性がある。過剰な熱はまた、製造中の隣接材料に亀裂を発生させる可能性がある。

米国特許第７７７１１７１号明細書

本発明の１つの態様によれば、タービン組立体用の回転組立体は、軸方向中心線から半径方向外向きに延在して且つ該軸方向中心線の周りを回転可能な翼形部を含む。また、翼形部の半径方向外側先端に近接して一体的に接続された先端シュラウドが含まれる。更に、先端シュラウドに動作可能に結合された基材が含まれる。更に、基材に固定された少なくとも１つの硬質表面接合部材が含まれる。

本発明の別の態様によれば、タービン組立体用の回転組立体は、軸方向中心線から半径方向外向きに延在して且つ該軸方向中心線の周りを回転可能な複数の回転部材を含む。また、複数の回転部材のうちの少なくとも１つの回転部材の半径方向外側先端に近接して一体的に接続された先端シュラウドが含まれる。更に、先端シュラウドに動作可能に結合された基材が含まれる。更にまた、ベース部及び複数の縁部を有する硬質表面接合部材が含まれ、ベース部が基材に固定され、基材の一部が複数の縁部のうちの少なくとも１つを少なくとも部分的に囲む。

本発明の更に別の態様によれば、タービン組立体用の回転組立体は、軸方向中心線から半径方向外向きに延在して且つ該軸方向中心線の周りを回転可能な翼形部を含む。また、翼形部の半径方向外側先端に近接して一体的に接続された先端シュラウドが含まれる。更に、先端シュラウドに動作可能に結合され、複数の溝付き部分を含む基材が含まれる。更にまた、基材と機械的に相互連結され且つ金属結合される少なくとも１つの硬質表面接合部材が含まれる。

これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。

本発明とみなされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。

回転組立体を含むターボ機械の部分概略断面図。 複数の回転構成要素を含む回転組立体の部分斜視図。 第１の実施形態の先端シュラウドの前方斜視図。 図３の先端シュラウドの後方立面図。 複数の実質的に「Ｕ字」形状の溝を有する基材の斜視図。 複数の実質的に「Ｖ字」形状の溝を有する基材の斜視図。 第２の実施形態の先端シュラウドの前方斜視図。

この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。

図１を参照すると、ガスタービンエンジンの形態で示され、本発明の例示的な実施形態に従って構成されたターボ機械が、全体的に参照符号１０で示されている。エンジン１０は、圧縮機１２と、缶アニュラ型アレイで配列された複数の燃焼器組立体を含み、その１つが参照符号１４で示される。図示のように、燃焼器組立体１４は、燃焼室１８をシールし且つ少なくとも部分的に定める端部カバー組立体１６を含む。端部カバー組立体１６によって複数のノズル２０〜２２が支持されて燃焼室１８内に延在する。ノズル２０〜２２は、共通の燃料入口（図示せず）を通じて燃料と、圧縮機１２から加圧空気とを受ける。燃料及び加圧空気は、燃焼室１８に入って点火され、高温高圧の燃焼生成物又は空気ストリームを形成し、これを用いてタービン２４を駆動する。タービン２４は、複数の回転組立体又は段２６〜２８を含み、これらは、圧縮機／タービンシャフト３０（ロータと呼ばれることもある）を通じて圧縮機１２に動作可能に接続される。

作動時には、空気は圧縮機１２に流入して加圧され、高圧ガスにされる。高圧ガスは、燃焼器組立体１４に供給され、燃焼室１８において燃料（例えば、プロセスガス及び／又は合成ガス（シンガス））と混合される。燃料／空気又は可燃混合気が点火して、約５３８℃〜１５９３℃（１０００°Ｆ〜２９００°Ｆ）の高圧高温燃焼ガスストリームを形成する。或いは、燃焼器組立体１４は、限定ではないが、天然ガス及び／又は燃料油を含む燃料を燃焼することができる。いずれにしても、燃焼器組立体１４は、燃焼ガスストリームをタービン２４に送り、該タービンが、熱エネルギーを機械回転エネルギーに変換する。

ここで、各回転組立体又は段２６〜２８は同様に形成されているので、残りの段（すなわち段２７及び２８）が類似の構造を有する条件下で、図２を参照して、本発明の第１の例示的な実施形態に従って構成した段２６について説明する点を理解されたい。また、本発明は、圧縮機１２の段で、或いは摩耗及び／又は衝突耐性のある表面を必要とする他の回転組立体で利用することができる点を理解されたい。いずれにしても、段２６は、各々が軸方向中心線３５を有する中心ハブ３４から半径方向外向きに延在した翼形部３２などの複数の回転部材を含めて図示されている。翼形部３２は、中心ハブ３４の軸方向中心線３５の周りを回転可能であり、ベース部分３６と先端部分３８とを含む。

先端シュラウド５０は、翼形部３２のバケット又はスロート部分（別個に表記せず）を覆う。先端シュラウド５０は、隣接する回転部材上に先端シュラウドを受け入れ、又は入れ子にし、段２６の周りに円周方向に延在する連続したリングを形成するように設計されている。連続リングは、外側流路境界を生成して、段２６の上部（別個に表記せず）を越えるガス経路空気漏洩を低減し、段効率並びにタービン性能全体を向上させるようにする。図示の例示的な実施形態において、高速又は作動速度の間、隣接する翼形部３２は、タービン２４の作動によって生成される遠心力によりそれぞれの先端シュラウド５０を通じて相互連結される。相互連結は、極低速作動時でも発生する場合があり、その結果、ブレードのスリップによる摩耗が相互連結中の作動に起因して生じる可能性がある点は理解されたい。しかしながら、タービンターニングギア中などの低速時には、相互連結を確立するには回転力が不十分である場合があり、隣接する回転部材が互いに衝突する可能性がある。衝突は、回転部材に摩耗を生じさせ、これによりタービン２４の全体の耐用期間が短くなる可能性がある。加えて、複数の製造及び組立段階での作業者の取り扱いがこのような衝突をもたらす場合がある。このため、先端シュラウド５０は、以下でより完全に説明されるような耐摩耗性／耐衝撃性部材を備える。

図３及び４を参照すると、先端シュラウド５０は、該先端シュラウド５０の上面５４にほぼ沿って延在した先端ブレード５２を含む。先端ブレード５２は、第１の面５６及び対向する第２の面５８、並びに第１の縁部６０及び第２の縁部６２から構成される。図示の例示的な実施形態において、先端ブレード５２はまた、第１のカッタ部材６４及び第２のカッタ部材６６などの１つ又はそれ以上のカッタ部材を含む。第１のカッタ部材６４は、先端ブレード５２の第１の縁部６０に近接し且つ第２の面５８上に配置され、他方、第２のカッタ部材６６は、第２の縁部６２に近接し且つ第１の面５６上に配置される。第１のカッタ部材６４及び第２のカッタ部材６６の両方は、対応部分面を係合するよう構成される。このような対応部分面の一例は、ハニカム構造のような外側ケーシング（図示せず）の内面である。対応部分面との第１のカッタ部材６４及び第２のカッタ部材６６の係合は、対応部分面から材料を除去し、段２６の外側区域に近接するシール構成をもたらす。

図５及び６を参照すると、基材７０は、先端シュラウド５０に動作可能に結合され、機械的相互連結パターン７２を含む。図示の実施形態において、機械的相互連結パターン７２は、複数の溝７４として簡単に図示しているが、複数の溝、突出部、又はこれらの組み合わせから形成されてもよい点は理解されたい。複数の溝７４は、限定ではないが、例えば、相対的に「Ｕ字」形状（図５）又は「Ｖ字」形状（図６）を有する溝を含む、幾つかの幾何形状を持つことができる。「Ｕ字」及び「Ｖ字」形状の実施例は、単にこれらを利用して複数の溝７４を形成することができる種々の形状の例示に過ぎずない。機械的相互連結パターン７２及び具体的には溝もしくは突出構成に関係なく、本構成は、単なる平面と比べたときに、取り付け時に相互連結する硬質表面接合部８０の表面積を増大させる。

図３及び４を再度参照すると、基材７０は、先端シュラウド５０及び硬質表面接合部８０との接合部を提供するものとして図示されている。基材７０は、先端シュラウド５０に対する硬質表面接合部８０としての保持及び／又は接合機能を提供する。硬質表面接合部８０は、例えば、溶接又はろう付けにより基材７０に動作可能に固定される。上述のように、基材７０の機械的相互連結パターン７２は、利用可能な表面積を増大させ、基材７０に対する硬質表面接合部８０の固定部を形成することで構造的一体性を強化する。硬質表面接合部８０は、ベース部８０と、複数の縁部８４とを含む。基材７０は、ベース部７０において、又は複数の縁部８４の少なくとも１つにおいて、或いはこれらの組み合わせにおいて硬質表面接合部８０に固定することができる点は企図される。基材７０は、縁部８４の１つ又はそれ以上を部分的に又は完全に内包することにより構造的一体性を更に提供し、作動時、設置時、又は取り扱い時の他の構造体との衝突に起因した硬質表面接合部８０に対する損傷の可能性が低減されるようになる。硬質表面接合部８０は、例えば、予備焼結プリフォーム（ＰＳＰ）材料から形成することができるが、種々の材料を異なる用途で利用できることは理解されたい。

図７を参照すると、図３及び４に示されたものと同様の先端シュラウド５０が図示されている。図７の先端シュラウド５０は、先端ブレード５２の第１の縁部６０と第２の縁部６２との間の中央位置に近接して配置された単一のカッタ部材９０を含む。カッタ部材９０は、第１の面５６及び第２の面５８の両方から離れて延在して、作動中の先端シュラウド５０又は先端ブレード５２の変形に関係なく、カッタ部材９０は、ハニカム構造のような前述の対応部分面から材料を除去する機能を果たすことができるようになる。図示の実施形態において、基材７０は、第２の縁部６２に近接した位置にて第１の面５６から外向きに広がっている。同様に、追加の基材部分は、第１の縁部６０に近接した位置にて第２の面５８から離れような、他の種々の位置にて外向きに広がることができる。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されるとみなすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

１０ エンジン
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器組立体
１６ 端部カバー
１８ 燃焼室
２０−２２ ノズル
２４ タービン
２６−２８ 回転組立体
３０ 圧縮機／タービンシャフト
３２ 翼形部
３４ ハブ
３５ 軸方向中心線
３６ ベース部
３８ 先端部
５０ 先端シュラウド
５２ 先端ブレード
５４ 上面
５６ 第１の面
５８ 対向する第２の面
６０ 第１の縁部
６２ 第２の縁部
６４ 第１のカッタ部材
６６ 第２のカッタ部材
７２ 機械的相互連結パターン
７４ 溝
８０ 硬質表面接合部
８２ ベース部
８４ 縁部
９０ 単一のカッタ部材

Claims (20)

1. タービン組立体用の回転組立体であって、
   軸方向中心線から半径方向外向きに延在して且つ該軸方向中心線の周りを回転可能な翼形部と、
   前記翼形部の半径方向外側先端に近接して一体的に接続された先端シュラウドと、
   前記先端シュラウドに動作可能に結合された基材と、
   前記基材に固定された少なくとも１つの硬質表面接合部材と
   を備える、回転組立体。
2. 前記先端シュラウドが、
   第１の面、該第１の面に対向する第２の面、第１の縁部及び第２の縁部を有する先端ブレードと、
   前記第１の縁部及び前記第２の面に近接して配置された第１のカッタ部材と、
   前記第２の縁部及び前記第１の面に近接して配置された第２のカッタ部材と
   を含む、請求項１記載の回転組立体。
3. 前記先端シュラウドが、第１の縁部及び第２の縁部を有する相対的に平坦な先端ブレードを含み、前記基材が、前記第１の縁部及び第２の縁部の少なくとも一方に近接したフィレット部分を含む、請求項１記載の回転組立体。
4. 前記少なくとも１つの硬質表面接合部材が、ベース部と複数の縁部とを含み、前記基材の一部が前記複数の縁部の少なくとも１つを少なくとも部分的に囲む、請求項１記載の回転組立体。
5. 前記少なくとも１つの硬質表面接合部材が、予備焼結プリフォーム材料から形成される、請求項１記載の回転組立体。
6. 前記基材が複数の溝付き部分を含む、請求項１記載の回転組立体。
7. 前記複数の溝付き部分が相対的にＵ字形状である、請求項６記載の回転組立体。
8. 前記複数の溝付き部分が相対的にＶ字形状である、請求項６記載の回転組立体。
9. 前記基材が、複数の突出部を含む、請求項１記載の回転組立体。
10. 前記少なくとも１つの硬質表面接合部材が前記基材にろう付けされる、請求項１記載の回転組立体。
11. タービン組立体用の回転組立体であって、
    軸方向中心線から半径方向外向きに延在して且つ該軸方向中心線の周りを回転可能な複数の回転部材と、
    前記複数の回転部材のうちの少なくとも１つの回転部材の半径方向外側先端に近接して一体的に接続された先端シュラウドと、
    前記先端シュラウドに動作可能に結合された基材と、
    ベース部及び複数の縁部を有する硬質表面接合部材と
    を備えており、前記ベース部が前記基材に固定され、前記基材の一部が前記複数の縁部のうちの少なくとも１つを少なくとも部分的に囲む、回転組立体。
12. 前記先端シュラウドが、
    第１の面、該第１の面に対向する第２の面、第１の縁部及び第２の縁部を有する先端ブレードと、
    前記第１の縁部及び前記第２の面に近接して配置された第１のカッタ部材と、
    前記第２の縁部及び前記第１の面に近接して配置された第２のカッタ部材と
    を含む、請求項１１記載の回転組立体。
13. 前記先端シュラウドが、第１の縁部及び第２の縁部を有する相対的に平坦な先端ブレードを含み、前記基材が、前記第１の縁部及び第２の縁部の少なくとも一方に近接したフィレット部分を含む、請求項１１記載の回転組立体。
14. 前記硬質表面接合部材が、予備焼結プリフォーム材料から形成される、請求項１１記載の回転組立体。
15. 前記基材が、複数の溝付き部分を含む、請求項１１記載の回転組立体。
16. 前記基材が、複数の突出部を含む、請求項１１記載の回転組立体。
17. タービン組立体用の回転組立体であって、
    軸方向中心線から半径方向外向きに延在して且つ該軸方向中心線の周りを回転可能な翼形部と、
    前記翼形部の半径方向外側先端に近接して一体的に接続された先端シュラウドと、
    前記先端シュラウドに動作可能に結合され、複数の溝付き部分を含む基材と、
    前記基材と機械的に相互連結され且つ金属結合される少なくとも１つの硬質表面接合部材と
    を備える、回転組立体。
18. 前記複数の溝付き部分が、相対的にＵ字形状である、請求項１７記載の回転組立体。
19. 前記複数の溝付き部分が、相対的にＶ字形状である、請求項１７記載の回転組立体。
20. 前記少なくとも１つの硬質表面接合部材が、予備焼結プリフォーム材料から形成される、請求項１７記載の回転組立体。