JP2013185586A - 加工タービンエーロフォイル - Google Patents

Abstract

【課題】異なる熱的および機械的特性を有する材料をガスタービンバケットなど製品に組み合わせるための装置および方法を提供すること。
【解決手段】本発明は、異なる熱的および機械的特性を有する材料をガスタービンバケット（１０）など製品に組み合わせるための装置および方法を提供する。ガスタービンバケット（１０）は、第１のセクション（１８）、第２のセクション（１００）、および第３のセクション（１６０）を含み、第１のセクション（１８）は残りのセクションを構造的に支持し、第２のセクション（１００）は第１のセクション（１８）に一体に接合され、第３のセクション（１６０）は第１のセクション（１８）と第２のセクション（１００）を連結する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、加工品として形成したタービンエーロフォイルに関し、より詳細には、半径方向の最外部分が、高い温度、高速ガス、または他の劣化環境にさらされないように保護する、加工ガスタービンバケットを提供するための装置および方法に関する。

ガスタービンでは、圧縮器からの加圧空気が燃料と混合され、燃焼器内で点火されて、高温の加圧ガスが生成される。高温の加圧ガスは、燃焼器から、１つまたは複数の固定タービン段および回転タービン段に流れる。各回転タービン段は、ディスクなど回転する要素周りに半径方向に配置された複数のエーロフォイル、またはバケットを含む。シュラウドなど静止要素が、回転するエーロフォイル周りに半径方向に配置され、それによって環状流路が形成される。エネルギーが高温の加圧ガスから回転エーロフォイルに伝達されて、回転要素を回転させ、それによって、高温の加圧ガスからの熱および運動のエネルギーが機械的トルクに変換される。通常、機械的トルクの一部を使用して、圧縮器を駆動し、通常、残りのトルクを使用して発電機または他の回転機械を駆動する。

各ガスタービンバケットは、一般に、シャンクから半径方向外側に延びるエーロフォイルを含み、シャンクは回転要素に連結され、回転要素に機械的エネルギーを伝達する。通常、エーロフォイルは中空であり、または複数の内部通路を含み、この内部通路を通って圧縮空気など加圧流体がエーロフォイル材料を冷却するために流される。さらに、先端部を設けて、エーロフォイルの半径方向の最外部分を保護し、構造的完全性を与えることができる。先端部は、高い温度および高速ガスを含むきわめて劣化性の環境状態に耐える他に、十分な機械的強度および剛性を有して、エーロフォイルの空力的形状を維持し、加圧内部冷却流体を含み、先端部が静止シュラウドと接触した場合は、高速摩擦に耐えることができなければならない。

先端部をエーロフォイルの残りの部分と異なる材料で形成することが有利なことが多い。この組合せによって、先端部の熱的および機械的特性を上記の特別な要件を満たすように製作して、バケットの全重量を軽減し、バケットを修理しやすくすることを含む、様々な恩恵を与えることができる。しかし、エーロフォイルに作用する熱的および機械的負荷は、一体式のエーロフォイルよりも材料の組合せを実質的に弱め、耐性を低下させる恐れがある。この問題は、熱膨張係数、熱伝導率、または弾性モジュールなど、異なる熱的および機械的特性を有する材料を組み合わせた場合は特に重大である。

米国特許出願公開第２０１０／０２２９５５８号公報

本発明は、異なる熱的および機械的特性を有する材料をガスタービンバケットなど製品に組み合わせるための装置および方法を提供する。本発明は、ガスタービンバケットの半径方向の最外部分が高い温度、高速ガス、または他の劣化環境にさらされないように保護する手段も提供する。

本発明の態様および利点は、以下の記載である程度説明され、またはその記載から明らかになり、あるいは本発明の実施によって判明するであろう。

一実施形態では、加工タービンエーロフォイルは、第１のセクションと第２のセクションと第３のセクションとを備え、第１のセクションが残りのセクションを構造的に支持し、第２のセクションが第１のセクションに一体に接合され、第３のセクションが第１のセクションと第２のセクションを連結する。

他の実施形態では、加工タービンエーロフォイルを作製する方法は、耐荷部材、第１の端部、および第２の端部を含む第１のセクションを形成するステップ、第２のセクションを形成するステップ、第３のセクションを形成するステップ、第３のセクションを第１のセクションの第２の端部に取り付けるステップ、および第２のセクションが第１のセクションに一体に接合され、第１のセクションが残りのセクションを構造的に支持するように、第２のセクションを第３のセクションに取り付けるステップを含む。

本発明の他の目的および利点は、以下の詳細な説明からより良く理解されるであろう。

非限定的かつ非網羅的な実施形態を以下の図を参照して記載する。図では、参照数字は別段の規定がない場合は、様々な図を通して同様の部分を示す。

本発明の態様による、加工品として形成されたガスタービンバケットの一実施形態を示す斜視図である。 図１で示したガスタービンバケットの先端領域を周方向から見た拡大斜視図である。 図１および２で示したガスタービンバケットの先端領域を線３−３に沿って見た断面図である。

次に図面を参照すると、図１は、本発明の態様による、加工品として形成されたガスタービンバケット１０の例示的な一実施形態を示している。バケット１０は、ロータディスク（図示せず）に取り付けるダブテール１２を含むことができる。シャンク１４は、ダブテール１２から半径方向外側に延び、プラットホーム１６で終端し、プラットホーム１６はシャンク１４から半径方向外側に突出し、シャンク１４を包囲する。

エーロフォイル１８の形態の第１のセクションは、プラットホーム１６から半径方向外側に延びる。エーロフォイル１８は、プラットホーム１６との接合部に翼根部２０、エーロフォイル１８の半径方向外側の端部に先端部２２を有する。エーロフォイル１８は、前縁部２８および後縁部３０でともに接合される凹面の正圧側壁２４、および凸面の負圧側壁２６を有する。エーロフォイル１８は、熱ガス流からエネルギーを抽出し、翼根部を回転させるのに適した任意の構成を持つことができる。その結果、正圧側壁２４と負圧側壁２６の間のガス圧の差によって、エーロフォイルにかなりの機械的負荷が生じることになる。エーロフォイル１８は中空でもよく、または複数の内部通路を含み、内部通路を通して圧縮空気など加圧流体を流して、エーロフォイル材料を冷却するようにしてもよい。シャンク１４およびプラットホーム１６を同様に冷却することができる。エーロフォイル１８、シャンク１４、およびプラットホーム１６は、通常、鋳造高力ニッケル基超合金から形成されるが、本明細書に記載の機能を行うための任意の適した方法を使用し、任意の適した材料から形成することができる。

図２は、先端部２２をさらに詳細に示している。第２のセクション１００は、エーロフォイルの正圧側壁２４、負圧側壁２６、前縁部２８、および後縁部３０の空力学的および構造的連続性が維持されるように、先端部２２に一体に接合され、先端部２２を封鎖する。第２のセクション１００は、バケット１０の空力学的形状および効率性を維持するのに適した任意の構成を持つことができ、先端部２２に構造的完全性を与え、環境から保護するための任意の適した方法を使用し、任意の適した材料から形成することができる。理解されるように、第２のセクション１００は、バケット１０が回転するとき、またはバケット１０が静止する場合に、エーロフォイル１８が第２のセクション１００を構造的に支持する限り、エーロフォイル１８の半径方向のスパン上の任意の適した位置まで半径方向内側に延びることができる。

第２のセクション１００を、耐火金属、または金属複合材、金属間化合物、セラミック、またはセラミック複合材など、エーロフォイル１８と異なる材料から形成することができる。例示的な一実施形態では、第２のセクション１００は、先ず、静水圧圧縮成形方法を使用して、ニアネット「グリーン」シェイプを形成し、次に、中間燃焼ステップでグリーンシェイプを強化し、次に、機械加工ステップで所望の形状を得て、次に、燃焼ステップで第２のセクション１００の最終寸法および特性を得ることによって、セラミック材料から形成される。理解されるように、こうした方法ステップは網羅的ではなく、第２のセクション１００を形成する材料、および所望の最終寸法公差、表面仕上げ、機械的特性によって、任意の適した方法および方法ステップの順序を使用することができる。

図３は、線３−３に沿って見た先端部２２の断面図である。第２のセクション１００は、半径方向内側に面する表面１４０を形成する首部１２０を含む。スリーブ１６０の形態の第３のセクションを、エーロフォイル１８の半径方向内側に面する表面１４０と半径方向外側に面する表面１８０の間に配置して、スリーブ１６０がエーロフォイルの正圧側壁２４および負圧側壁２６内で入れ子になり、遠心荷重の大部分がせん断方向にとられるようにする。理解されるように、半径方向内側に面する表面１４０および半径方向外側に面する表面１８０を任意の適した方法で配置して、アセンブリに機械的完全性を与えることができる。スリーブ１６０は、連続しても、連続しなくてもよく、機械的完全性をアセンブリに与え、熱変形に対する耐性をもたらすための、任意の適した方法を使用し、任意の適した材料から形成することができる。例示的な一実施形態では、スリーブ１６０は、スタンピング、または押出法を使用し、次に、所望の最終形状、寸法、および表面仕上げに機械加工することによって、ニッケル基超合金から形成される。

スリーブ１６０をろう付け法を使用して半径方向内側に面する表面１４０に接合することができる。例示的な一実施形態では、Ｐａｌｎｉｒｏ（登録商標）１（金５０％、ニッケル２５％、パラジウム２５％）などろう付け合金を適した熱処理で使用して、結果として得られる継手の高度の機械的完全性を獲得することができる。理解されるように、スリーブ１６０および半径方向内側に面する表面１４０に機械的特徴を加えて、接合部の特にせん断方向の機械的強度を向上させることができる。

スリーブ１６０を半径方向外側に面する表面１８０に、ろう付け、溶接、機械的取り付け、またはその組合せなど、任意の適した方法を使用して取り付けて、その結果として得られる継手の特にせん断方向の高度の機械的完全性を獲得する他に、バケット１０の修理および一新中にスリーブ１６０および第２のセクション１００のアセンブリを取り外す手段を提供することができる。

要約すると、本発明は、加工エーロフォイルを企図するものであり、半径方向の最外部分が、高い温度、高速ガス、または他の劣化環境にさらされないように保護される。加工エーロフォイルの例示的な実施形態を詳細に上述した。

本明細書に記載した装置および方法を、タービンエーロフォイルの作製に関連して記載したが、理解されるように、この装置および方法はターボ機械の用途に限定されない。さらに、上記は多くの詳細を含んでいるが、これらは本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではなく、単に現時点で好ましい実施形態の一部の例を提供するものである。同様に、本発明の精神または範囲から逸脱しない本発明の他の実施形態を考案することもできる。様々な実施形態からの特徴を組み合わせて使用することができる。したがって、本発明の範囲は、上記の説明ではなく、添付の特許請求の範囲およびその法律上の等価のものによってのみ示され、限定される。したがって、本明細書に開示したように、特許請求の範囲の目的および範囲内に含まれる、本発明に対するあらゆる追加、削除、変更は、特許請求の範囲に包含されるものとする。

本明細書で使用されるように、単数形で列挙し、単語「ａ」または「ａｎ」を付けた要素またはステップは、こうした除外が明確に示されていない場合は、複数の要素またはステップが除外されると理解すべきではない。さらに、本発明の「一実施形態」の参照は、やはり記載の特徴を含む追加の実施形態の存在を除外すると解釈されないものとする。

本書は、最良の形態を含めて本発明を開示し、また全ての当業者が、任意のデバイスまたはシステムを作製し、使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含めて本発明を実施することができるように例を使用している。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が思いつく他の例を含むことができる。こうした他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を有し、特許請求の範囲の文言と実質的に差異のない等価の構造的要素を含む場合は、特許請求の範囲内にあるものとする。

１０ バケット
１２ ダブテール
１４ シャンク
１６ プラットホーム
１８ エーロフォイル
２０ 翼根部
２２ 先端部
２４ 正圧側壁
２６ 負圧側壁
２８ 前縁部
３０ 後縁部
１００ 第２のセクション
１２０ 首部
１４０ 半径方向内側に面する表面
１６０ スリーブ
１８０ 半径方向外側に面する表面

Claims (10)

1. 第１のセクション（１８）と第２のセクション（１００）と第３のセクション（１６０）とを備える加工タービンエーロフォイル（１０）であって、前記第１のセクションが残りのセクションを構造的に支持し、前記第２のセクションが前記第１のセクションに一体に接合され、前記第３のセクションが前記第１のセクションと第２のセクションを連結する、加工タービンエーロフォイル（１０）。
2. 前記第１のセクション（１８）が空力学的に形作られた耐荷部材（２４、２６）、第１の端部（２０）、および第２の端部（２２）を備える、請求項１記載のエーロフォイル（１０）。
3. 前記第１の端部（２０）がロータと一体であり、またはロータに取り付けられる、請求項２記載のエーロフォイル（１０）。
4. 前記第２のセクション（１００）が前記第２の端部（２２）を高い温度、高速ガス、または他の劣化環境から保護する、請求項２記載のエーロフォイル（１０）。
5. 前記第３のセクション（１６０）がスリーブを備える、請求項１記載のエーロフォイル（１０）。
6. 前記第３のセクション（１６０）が前記第２のセクション（１００）にろう付け合金を使用して接合される、請求項１記載のエーロフォイル（１０）。
7. 前記第３のセクション（１６０）が、高度の機械的完全性を有する継手が得られる任意の適した方法を使用して前記第１のセクション（１８）の前記第２の端部（２２）に取り付けられる、請求項２記載のエーロフォイル（１０）。
8. 第１のセクション（１８）と第２のセクション（１００）と第３のセクション（１６０）とを備える加工タービンバケット（１０）であって、前記第１のセクションが、残りのセクションを構造的に支持し、耐荷部材（２４、２６）と、ロータと一体である、またはロータに取り付けられた第１の端部（２０）と、高い温度、高速ガス、または他の劣化環境にさらされる第２の端部（２２）とを備えており、前記第２のセクション（１００）が、前記第２の端部を前記劣化環境から保護し、前記第３のセクション（１６０）が、前記第１のセクションと第２のセクションを連結し、ろう付け合金を使用して前記第２のセクション（１００）に接合され、高度の機械的完全性を有する継手が得られる任意の適した方法を使用して前記第１のセクション（１８）の前記第２の端部（２２）に取り付けられる、加工タービンバケット（１０）。
9. 前記第１のセクション（１８）がエーロフォイルを備える、請求項８記載のバケット（１０）。
10. 前記第３のセクション（１６０）がスリーブを備える、請求項８記載のバケット（１０）。