JP2013227968A - ターボ機械ブレード用の抵抗バンド - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械のブレードの耐久性を向上させること。
【解決手段】ターボ機械システムは、ターボ機械システムの長手方向軸線を定めるロータを含む。第１のブレードがロータに結合され、第１のブレードが第１及び第２の積層プライを有する。第１のバンドは、第１のブレードに結合され、第１及び第２の積層プライの分離を抑制するよう構成されている。
【選択図】 図１

Description

本明細書で開示される主題は、ターボ機械に関し、より具体的には、ターボ機械のブレードの耐久性を向上させるシステムに関する。

圧縮機及びタービンなどのターボ機械は、ロータと流体間でエネルギーを伝達するのに用いる。例えば、タービンエンジンは、航空機、船舶、及び発電機を作動させる推力を提供する。ターボ機械は一般に、シャフト又はロータの周りで回転してロータと流体間でエネルギーを伝達するブレードを含む。加えて、ブレードは、ロータによって支持することができる。例えば、ターボ機械ブレードは、ロータに取り付けられ、又は装着することができる。ターボ機械の運転中、ブレードは、ブレードの急速な回転及び／又は高い作動温度により高応力を受ける場合がある。残念ながら、高応力によりブレーの劣化を生じ、特定の状況では機械的故障を生じる場合がある。

米国特許第５，７５９，３２１号明細書

最初に請求項に記載された本発明の範囲内にある特定の実施形態について以下で要約する。これらの実施形態は、特許請求した本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではなく、むしろそれらの実施形態は、本発明の実施可能な形態の簡潔な概要を示すことのみを意図している。当然のことながら、本発明は、下記に説明した実施形態と同様のもの又は該実施形態と異なるものとすることができる様々な形態を含むことができる。

第１の実施形態において、システムはターボ機械を含む。ターボ機械は、ターボ機械システムの長手方向軸線を定めるロータを含む。第１のブレードは、ロータに結合され、第１のブレードは、第１及び第２の積層プライを有する。第１の抵抗バンドは、第１のブレードに結合され、第１及び第２の積層プライの分離を抑制するよう構成されている。

第２の実施形態において、装置は、ターボ機械の流路内に装着されるよう構成されたターボ機械ブレードを含む。本装置はまた、ターボ機械ブレードに結合された抵抗バンドを含み、該抵抗バンドは、ターボ機械ブレードの分離を抑制するよう構成されている。

第３の実施形態において、ガスタービンエンジンは、圧縮機、燃焼器、及びタービンを含む。圧縮機は、複数の圧縮機ブレードを有し、空気を加圧するよう構成されている。燃焼器は、圧縮機から加圧空気を受け取り、加圧空気及び燃料の混合気を燃焼して燃焼生成物にするよう構成されている。タービンは、複数のタービンブレードを有し、燃焼器から燃焼生成物を受け取るよう構成されている。抵抗バンドは、複数の圧縮機ブレード又は複数のタービンブレードの第１のブレードに結合される。第１のブレードは、第１及び第２の積層パイルを有する。抵抗バンドは、第１及び第２の積層プライの分離を抑制するよう構成されている。

本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、図面全体を通じて同様の参照符号が同様の要素を示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むと更に理解できるであろう。

本開示の１つの態様による、抵抗バンドを備えたタービンブレードを有するガスタービンエンジンシステムの１つの実施形態の概略ブロック図。 本開示の１つの態様による、抵抗バンドを備えた円周方向に装着されたターボ機械ブレードを有する、図１のロータの１つの実施形態を示す、図１の線２−２に沿ったターボ機械の部分軸方向断面図。 本開示の１つの態様による、抵抗バンドを有するターボ機械ブレードの１つの実施形態を示す、図２の線３−３で囲まれたターボ機械の概略斜視図。 本開示の１つの態様による、ターボ機械ブレードのパイルの分離を抑制するよう構成された抵抗バンドをターボ機械ブレードが有する１つの実施形態を示す、線４−４に沿った図３のターボ機械ブレードの概略正面図。 本開示の１つの態様による、複数の抵抗バンドを有するターボ機械ブレードの１つの実施形態の概略正面図。 本開示の１つの態様による、貫通孔と、貫通孔内に配置された１つ又はそれ以上の抵抗バンドとをターボ機械ブレードが有する１つの実施形態を示す、線３−３に沿った図３のターボ機械ブレードの概略正面図。 本開示の１つの態様による、複数の抵抗バンドを有するターボ機械ブレードの１つの実施形態の概略正面図。

本発明の１つ又はそれ以上の特定の実施形態について、以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を行うために、本明細書では、実際の実施態様の全ての特徴については説明しないことにする。何れかの技術又は設計プロジェクトと同様に、このような何らかの実際の実装の開発において、システム及びビジネスに関連した制約への準拠など、実装毎に異なる可能性のある開発者の特定の目標を達成するために、多数の実装時固有の決定を行う必要がある点は理解されたい。更に、このような開発の取り組みは、複雑で時間を要する可能性があるが、本開示の利点を有する当業者にとっては、設計、製作、及び製造の日常的な業務である点を理解されたい。

本発明の種々の実施形態の要素を説明する際に、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、要素の１つ又はそれ以上が存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。

上述のように、ターボ機械のブレードは、熱膨張及び収縮、圧力、摩擦、回転力、及び／又は同様のものによって引き起こされる応力のような、比較的高いレベルの機械的応力を受ける可能性がある。また、これらの応力によってブレードが劣化する可能性がある。ブレードが複合材料から形成されている構成では、ブレードは、隣接する材料間（例えば、隣接するパイル間又は母材とフィラーとの間）に形成される粒界にて亀裂又は分離を生じる場合がある。亀裂又は分離は、ブレードを脆弱にし、土砂又は水分の出入り口となり、ブレードの劣化を加速させる可能性がある。例えば、一部の構成において、各ターボ機械ブレードは、各々が互いに実質的に平行に配置された２つ又はそれ以上の積層プライの複合組立体とすることができる。残念ながら、ブレードの回転中のように、積層プライが局所的に加圧されたときには、パイルは、その平行位置に対して横方向に分離される可能性がある。

以上のことから、現在のところ、パイルの亀裂形成又は分離の発現又は発生を低減し、ターボ機械ブレードの耐久性を向上させることが望ましいと考えられている。従って、以下で詳細に考察するように、本開示は、ブレードに結合され、上述の横方向分離を抑制するよう構成された抵抗バンドを提供する。加えて、抵抗バンドは、層間引張（ＩＬＴ）を低減し、ブレードにおける亀裂の可能性又は大きさを低減し、また、ターボ機械ブレードの耐久を改善する局所的加圧荷重をもたらすことができる。本明細書で考察されるように、用語「抵抗バンド」は、ブレード全体の周りを囲む形状、ブレードの一部の周りを囲む形状、ブレードの１つ又はそれ以上の表面に延びる形状、及び／又はブレード全体に延びる形状を含むことを意図している。

ここで図面を参照すると、図１は、抵抗バンドを備えたターボ機械を有するガスタービンシステム１０の１つの実施形態の概略ブロック図である。また、特定の実施形態において、これらのバンドは、ターボ機械内のブレードの耐久性を向上させることができる。図示のように、ガスタービンシステム１０は、圧縮機１２、燃料ノズル１６を有する燃焼器１４、及びタービン１８を含む。燃料ノズル１６は、液体燃料及び／又はガス燃料（天然ガス又はシンガスのような）を燃焼器１４内に送る。燃焼器１４は、燃料−空気混合気を点火して燃焼させ、次いで、高温加圧燃焼ガス２０（例えば、排出ガス）をタービン１８内に送る。以下で検討するように、タービンブレード２２は、ロータ２４（例えば、回転ブレード）に結合され、このロータ２４は、ガスタービンシステム１０全体の幾つかの他の構成要素に結合される。タービンブレード２２の一部は、タービン１８のステータ構成要素（例えば、固定ブレード）に装着することができる。本発明の実施形態によれば、タービンブレード２２は、以下で検討するように、タービンブレード２２の分離を抑制する１つ又はそれ以上の抵抗バンド２３を含むことができる。燃焼ガス２０がタービン１８のタービンブレード２２を通過すると、タービンブレード２２は、回転駆動される。回転ブレード２２は、この回転エネルギーをロータ２４に伝達し、これによりロータ２４が回転軸２５に沿って回転するようになる。最終的には、燃焼ガス２０は、排気出口２６（例えば、排出ダクト、排気スタック、サイレンサ、その他）を介してタービン１８から流出する。

図示の実施形態において、圧縮機１２は圧縮機ブレード２８を含む。圧縮機１２内の圧縮機ブレード２８はまた、ロータ２４（例えば、回転ブレード）に結合され、上述のようにロータ２４がタービン１８によって回転駆動されたときに回転する。圧縮機ブレード２８の一部は、圧縮機１２のステータ構成要素（例えば、固定ブレード）に装着することができる。圧縮機ブレード２８はまた、以下で検討するように、圧縮機ブレード２８における分離又は亀裂形成を抑制する１つ又はそれ以上の抵抗バンド２３を含むことができる。圧縮機ブレード２８が圧縮機１２内で回転すると、圧縮機ブレード２８は、空気吸入口からの空気を加圧して加圧空気３０にする。図示のように、加圧空気３０は、燃焼器１４、燃料ノズル１６、及びガスタービンシステム１０の他の部分に送られる。次いで、燃料ノズル１６は、加圧空気３０及び燃料を混合して好適な燃料−空気混合気を生成し、該混合気が燃焼器１４にて燃焼して燃焼ガス２０を生成し、ロータ２４及びタービン１８を駆動する。加えて、ロータ２４は、負荷３１に結合することができ、該負荷には、ロータ２４の回転によって動力を供給することができる。負荷３１は、発電プラント又は外部の機械負荷のような、ガスタービンシステム１０の回転出力により出力を生成することができるあらゆる好適な装置とすることができる。例えば、負荷３１は、発電機、航空機のプロペラ、その他を含むことができる。以下の検討では、タービン１８の軸線２５に沿った軸方向３２、軸線２５から離れる半径方向３４、軸線２５の周りの円周方向３６など、様々な方向又は軸線について参照することができる。

図２は、図１の線２−２で囲まれた、円周方向に装着されたターボ機械ブレード（例えば、圧縮機ブレード２８又はタービンブレード２２）を備えたロータ２４を示す部分軸方向断面図である。明確にするために、以下ではタービンブレード２２について説明する。しかしながら、以下の検討はまた、圧縮機ブレード２８及び圧縮機１２にも適用可能である。実際には、本明細書で提示される実施形態は、本明細書で記載される亀裂進展又はプライ分離を生じ易いあらゆるターボ機械ブレード又は翼形部にも適用することができる。上述のように、タービンブレード２２は、該タービンブレード２２の分離又は亀裂形成を抑制する１つ又はそれ以上の抵抗バンド２３を含むことができる。図示の実施形態において、ある特定のタービンブレード２２が１つの抵抗バンド２３を有し、他のタービンブレード２２は２つの抵抗バンド２３を有する。一般に、タービンブレード２２の各々は、１、２、３、４、又はそれ以上の抵抗バンド２３を含むことができる。加えて、現在のところ、ターボ機械は、異なる数の抵抗バンドを有する様々な数のタービンブレードを組み込むことができることも企図される。その上、タービンブレード２２の一部は、抵抗バンド２３を含まなくてもよい。

図２は、ロータ２４の軸方向３２に沿った共通の位置（例えば、タービン段）に配置されたタービンブレード２２のセットを示す。しかしながら、抵抗バンド２３を備えたタービンブレード２２は、図１に示すように、異なるタービン段に配置してもよい。例えば、タービン１８の段の何れか又はその組み合わせは、抵抗バンド２３を有するタービンブレード２２を含むことができる。理解できるように、タービン１８の温度及び圧力は、タービン１８の軸方向３２に沿って変わる可能性があり、各タービンブレード２２上の抵抗バンド２３の数は、タービン１８の動作パラメータに対応することができる。

図示のように、タービンブレード２２は、近位端５８から遠位端６０までロータ２４の長手方向軸線２５から離れて半径方向３４に延びる。本明細書で検討するように、近位端５８は、長手方向軸線２５に向けて配置され、遠位端６０は、長手方向軸線２５から離れて配置される。図示の実施形態において、タービンブレード２２は、ロータ２４の外周６４の開口６２を通ってロータ２４に装着される。開口６２は、方形、円形、ダブテール形、又はタービンブレード２２の装着に対応する他の好適な形状を有することができる。より具体的には、タービンブレード２２の近位端５８とロータ２４の開口６２は、界接領域６６にて当接することができる。界接領域６６は、開口６２と同様の形状（例えば、方形、円形、ダブテール、又は他の好適な形状）を有することができる。すなわち、タービンブレード２２は、ロータ２４内に装着され、又は他の方法で取り付けることができる。従って、タービンブレード２２の一部は、ロータ２４の界接領域６６内に配置される。加えて、タービンブレード２２の別の部分（例えば、露出部分６８）は、界接領域６６から半径方向３４外向きに配置される。タービン１８の作動中、露出部分６８を通過する燃焼ガス２０の流れにより、ロータ２４が回転してタービン１８を駆動するようにすることができる。理解されるように、燃焼ガス２０は、タービンブレード２２を高い機械的又は熱的応力に曝し、抵抗バンド２３は、圧縮又は同様の力を提供することによりブレード２２の分離又は亀裂形成を抑制することによって、これらの応力の影響を軽減又は低減することができる。

各タービンブレード２２の露出部分６８は、タービンブレード２２の近位端７０から遠位端６０に延びる。露出した近位端は、ロータ２４の界接領域６６から半径方向３４に沿って外向きにある。加えて、露出近位端７０と遠位端６０との間の距離は、露出部分６８のスパン７２を定める。スパン７２は、その０パーセントが露出した近位端７０に相当し、その１００パーセントが遠位端６０に相対するように定めることができる。特定の実施形態において、抵抗バンド２３は、以下で詳細に検討するように、タービンブレード２２の耐久性及び耐用年数を改善するためにスパン７２の種々のパーセント（例えば、約１０〜６０、１５〜５５、又は２０〜５０パーセント）に相当する半径方向位置に配置することができる。

抵抗バンド２３がタービンブレード２２の耐久性を改善することができる様態が図３に概略的に示されており、図３は、図２の線３−３から見た、ターボ機械ブレード（例えば、回転又は固定圧縮機ブレード２８、或いは、回転又は固定タービンブレード２２）の１つの実施形態の斜視図である。この場合も同様に、明確にするために、以下ではタービンブレード２２について説明するが、以下の検討はまた、圧縮機ブレード２８及び圧縮機１２にも適用可能である。一般に、タービンブレード２２は、２つ又はそれ以上の積層プライ８２（例えば、２、３、４、５、６、又はそれ以上）の複合組立体８０とすることができ、積層プライ８２の各々は、タービンブレード２２の近位端５８から遠位端６０まで半径方向３４に延びている。図示のように、タービンブレード２２は、ほぼ円周方向３６に沿って互いに隣接して配置された（互いに対して積層された）５つの積層プライ８２を含む。従って、境界部８３は、積層プライ８２間に形成され、パイル８２に対してほぼ平行で且つ円周方向３６に対し横方向の向きになっている。しかしながら、他の実施形態では、積層プライ８２は、ほぼ軸方向３２に沿うような、異なる向きで互いに隣接して配置することができる。これらの境界部８３での積層プライ８２の分離を抑制するために、抵抗バンド２３は、積層プライ８２の半径方向３４に対して横方向の向きにすることができる。実際に、抵抗バンド２３は、円周方向３６の積層プライ８２の横分離を抑制することにより、タービンブレード２２の耐久性を改善することができる。

積層プライ８２は各々、軸方向３２に深さＤ１、半径方向３４に高さＨ１、及び円周方向３６に幅Ｗ１を有する。積層プライ８２のこれらの寸法、積層プライ８２の材料組成、又は積層プライ８２の他の特性は同一とすることができ、或いは、タービンブレード２２内もしくはタービンブレード２２の間で異なることもできる。図示のように、積層プライ８２の各々は、他の積層プライ８２と同様の深さＤ１、高さＨ１、幅Ｗ１、及び材料組成を有する。従って、積層プライ８２の耐荷重能力は同様とすることができる。しかしながら、ターボ機械の作動中に生じるタービンブレード２２の応力又は加圧荷重は、軸方向３２、半径方向３４、又は円周方向３６で均一ではない場合がある。従って、積層プライ８２の特性は、タービンブレード２２内で変わるよう設計することができる。例えば、積層プライ８２は、円周方向端部８５にて大きい幅と、中心プライ８７にて小さな幅とを有することができる。加えて、積層プライ８２の幅Ｗ１は、円周方向端部８５から中心プライ８７まで漸次的に変化することができる。

積層プライ８２の変化する寸法に加えて、或いは代替として、積層プライ８２の材料組成は、タービンブレード２２が比較的大きな機械的又は熱的応力に耐えるよう設計することができる。一般に、積層プライ８２は、セラミック、金属、ポリマー、ガラス繊維、エポキシ、又は別の好適な材料、或いはこれらの組み合わせを含む材料組成を有することができる。例えば、１つの実施形態において、積層プライ８２は、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）から構成することができる。しかしながら、材料組成は、タービンブレード２２の積層プライ８２間で変えることができる。例えば、材料組成は、隣接する積層プライ８２間でセラミックと金属で交互に変えることができる。加えて、又は代替として、材料組成の特性は、積層プライ８２間で変えることができる。例えば、積層プライ８２は、繊維８８（例えば、炭化ケイ素繊維）から構成することができ、中心プライ８７の繊維８８は、半径方向３４に向けることができ、残りの積層プライ８２の繊維８８は、中心プライ８７の繊維８８に対して横方向（例えば、軸方向３２又は円周方向３６）に配向することができる。更に、繊維８８の方向は、隣接する積層プライ８２間で半径方向３４か円周方向３６まで交互に変えることができる。特定の実施形態において、繊維８８は、ロータ２４に対して角度を付けることができる。実際には、積層プライ８２のあらゆる特性を変えることができ、本開示の範囲内と見なされる。

図示のように、タービンブレード２２は、積層プライ８２の分離（例えば、境界部８３において）を抑制することによりタービンブレード２２の耐久性及び耐用年数を増大させることができる抵抗バンド２３を有する。一部の実施形態において、抵抗バンド２３と積層プライ８２が変形及び機械的強度に対する抵抗力のような同様の構造的特性を有するように、抵抗バンド２３とタービンブレード２２の材料組成を同様にすることが望ましいとすることができる。従って、抵抗バンド２３は、セラミック、金属、ポリマー、ガラス繊維、エポキシ、又は別の好適な材料、或いはこれらの組み合わせから構成することができる。例えば、１つの実施形態において、抵抗バンド２３及びタービンブレード２２は共に、炭化ケイ素から構成することができる。上述のように、積層プライ８２は、繊維８８（例えば、複合繊維）から構成することができ、繊維８８は、隣接する積層プライ８２の繊維が横方向、又は実質的に平行、或いはこれらの組み合わせであるように配向することができる。抵抗バンド２３もまた、繊維９１（例えば、複合繊維）から構成することができる。繊維９１は、実質的に１つの方向（例えば、軸方向３２、半径方向３４、又は円周方向３６）に、又は複数の方向に配向することができる。一部の実施形態では、抵抗バンド２３の繊維９１は、積層プライ８２の繊維８８に対して特定の方向に向けられ、耐分離性を増強することができる。例えば、１つの実施形態において、抵抗バンド２３の繊維９１は、積層プライ８２の各々の繊維８８に対して横方向であるように配向することができる。

加えて、又は代替として、積層プライ８２及び抵抗バンド２３の材料の選択は、熱膨張係数αのような、材料の種々の熱物理特性に少なくとも部分的に基づくことができる。例えば、抵抗バンド２３のαは、タービンブレード２２のαよりも小さいか又はほぼ等しいのが望ましいとすることができる。理解されるように、抵抗バンド２３及びタービンブレード２２は、それぞれの温度が室温からタービンの通常作動温度まで上昇すると膨張することができる。抵抗バンド２３は、タービンブレード２２よりも膨張を少なくすることができ（例えば、約０〜２０、２〜１８、又は５〜１５パーセント少ない）、これにより積層プライ８２の横分離を更に抑制し、タービンブレード２２の耐久性を改善することができる。他の実施形態では、材料の選択は、熱伝導率、密度、ヤング係数、又は別の好適な材料特性など、他の特性に少なくとも部分的に基づくことができる。実際に、材料の選択は、あらゆる好適な特性に基づくことができる。

図３に示す実施形態において、抵抗バンド２３は、タービンブレード２２の全周囲８６の周りを円周方向３６及び軸方向３２に延びる。一般に、全周囲８６は、タービンブレード２２の横断面を通る断面により定められる形状を有することができる。特定の実施形態において、形状は、矩形、円形、ダブテール、又は別の好適な形状とすることができる。１つの実施形態において、全周囲８６は、ロータ２４の開口６２にほぼ相当する形状を有することができる。従って、抵抗バンド２３は、積層プライ８２の機械的及び／又は熱応力に起因する横（例えば、円周方向３６及び／又は軸方向３２）分離を抑制することができる。抵抗バンド２３は、層間引張を低減することによりタービンブレード２２の耐久性及び耐用年数を改善することができ、これによりタービンブレード２２の亀裂の可能性又は大きさが同時に低減され、タービンブレード２２への局所的加圧荷重がもたらされる。特定の実施形態において、タービンブレード２２は、タービンブレード２２の耐久性を更に改善するために１つよりも多い抵抗バンド２３を含むことができる。実際に、このような実施形態において、抵抗バンドは、図４に関して以下で更に詳細に説明するように、半径方向３４に沿った種々の位置に配置することができる。

図４は、線４−４から見た、複合組立体８０の積層プライ８２の分離を抑制するよう構成された抵抗バンド２３を有する、ターボ機械ブレード（例えば、回転又は固定圧縮機ブレード２８、或いは回転又は固定タービンブレード２２）の実施形態を示す正面図である。この場合も同様に、図示の実施形態は、タービンブレード２２の関連で検討されているが、以下の検討はまた、図１の圧縮機ブレード２８のようなあらゆるターボ機械ブレードにも適用可能である。図示のように、抵抗バンド２３は、タービンブレード２２の界接領域６６と遠位端６０との間の半径方向位置９０に配置される。半径方向位置９０は、スパン７２のパーセンテージにより表すことができる。例えば、一部の実施形態において、パーセンテージは、約１〜６０、５〜５０、又は２０〜４０パーセントとすることができる。理解できるように、ブレードへの機械的及び／又は熱応力は、ロータ２４又はタービンブレード２２の軸方向３２位置に応じて変わる可能性がある。従って、抵抗バンド２３の半径方向位置９０は、タービンブレード２２の各々で変わる可能性がある。例えば、抵抗バンド２３の半径方向位置９０は、あるタービンブレード２２のスパン７２の１０パーセントであり、別のタービンブレード２２のスパン７２の２０パーセントとすることができる。代替として、又はこれに加えて、抵抗バンド２３は、図７に関して更に検討するように、界接領域６６内などのタービンブレード２２のスパン７２の外に配置することができる。このような実施形態において、抵抗バンド２３は、積層プライ８２の分離を防ぐことにより、及び／又はタービンブレード２２にかかる圧縮／安定化力を提供することにより、タービンブレード２２の耐久性及び耐用年数を同時に改善しながら、抵抗バンド２３がスパン７２内に配置された構成と比べて曝される高温燃焼ガスを少なくすることができる。

抵抗バンド２３は、例えば、タービンブレード２２及び抵抗バンド２３に使用される材料、使用時にタービンブレード２２が受けることになる予想される力、タービンブレード２２の予想作動温度、その他に応じて、あらゆる好適な方法を用いて半径方向位置９０でタービンブレード２２に結合することができる。例えば、一部の実施形態において、抵抗バンド２３は、タービンブレード２２に接着結合、機械的結合、又はこれらの組み合わせで結合することができる。実際に、このような取付方法により、ターボ機械ブレードの初期製造中、又は抵抗バンド２３が既存のターボ機械ブレードに後付けされる再製造プロセス中に抵抗バンド２３をターボ機械ブレードに取り付けることを可能にすることができる。

抵抗バンド２３がタービンブレード２２に接着結合される実施形態において、抵抗バンド２３は、複合接着剤を用いて積層プライ８２に接着することができる。これらの実施形態のうちの幾つかにおいて、複合接着剤は、抵抗バンド２３及びタービンブレード２２の材料組成と実質的に同様の材料組成を有することができる。例えば、タービンブレード２２及び／又は抵抗バンド２３が炭化ケイ素などのＣＭＣを用いて構成された実施形態では、複合接着剤は、炭化ケイ素、元素状ケイ素、又はこれらの組み合わせを含むことができる。更に、複合接着剤は、抵抗バンド２３によるタービンブレード２２の分離及び亀裂形成に対する抵抗を強化する特定の特性を有することができる。例えば、複合接着剤は、積層プライ８２又は抵抗バンド２３の熱膨張係数αよりも小さいか又はほぼ等しい熱膨張係数αを有することができる。従って、複合接着剤は、タービン１８がタービンの通常作動温度に達したときに抵抗バンド２３がタービンブレード２２に結合されたままであるように膨張することができる。

加えて又は代替として、上述のように、抵抗バンド２３はタービンブレード２２に機械的に結合することができる。例えば、抵抗バンド２３は、タービンブレード２２の積層プライ８２にボルト締め、溶接、ろう付け、又は機械的に取り付けることができる。例えば、特定の実施形態において、ブレード２２は、中実又は中空のリベット又はネジ組立体（例えば、タイロッド、ボルト、又は他のネジ締結具）を含むことができる。従って、抵抗バンド２３は、既存のブレード（例えば、圧縮機ブレード２８又はタービンブレード２２）に接着で又は機械的に結合することにより、既存のターボ機械（例えば、圧縮機２８又はタービン１８）に後付けすることができる。一部の実施形態において、抵抗バンド２３は、単一部品構造としてタービンブレード２２と一体的に形成することができる。実際に、このような実施形態において、抵抗バンド２３及びタービンブレード２２は、同じ材料（例えば、炭化ケイ素などのＣＭＣ材料）から、又は異なる材料（例えば、第１及び第２のＣＭＣ材料、或いは、ＣＭＣ材料と金属）から形成することができる。従って、一体的に形成された抵抗バンド２３を有するタービンブレード２２の１つ又はそれ以上はまた、既存のターボ機械に後付けすることができる。

図示のように、抵抗バンド２３は、タービンブレード２２の全周囲８６の周りに延びる。抵抗バンド２３は、積層プライ８２の各々に加圧荷重をもたらし、これにより積層プライ８２の全ての分離を抑制することができる。抵抗バンドは、軸方向３２に深さ、半径方向３４に高さ（例えば、厚み９２）、及び円周方向３６に幅９３を有する。特定の実施形態において、抵抗バンド２３の厚み９２は変わることができる。例えば、厚み９２は、タービンブレード２２のスパン７２の約１〜３０、５〜２０、又は１０〜１５パーセントとすることができる。加えて、又は代替として、厚み９２は、複合組立体の円周方向３６の幅の約１〜１５０、３０〜１００、又は５０〜７０パーセントとすることができる。特定の実施形態において、抵抗バンドの厚み９２対幅９３の比率は、約０．０５〜１、０．１〜０．９、又は０．２〜０．８とすることができる。更に、特定の実施形態において、厚み９２は、タービンブレード２２の円周方向端部８５間で変わることができる。例えば、厚み９２は、中心プライ８７において最小となり、円周方向端部８５において最大となることができる。従って、抵抗バンド２３の断面形状９４は、軸方向３２、半径方向３４、又は円周方向３６で変わることができる。断面形状９４は、図示のようなあらゆる好適な幾何形状を有することができるが、円周方向３６の断面形状９４は実質的に矩形である。しかしながら、特定の実施形態において、断面形状９４は、三角形又は他の多角形、楕円形、もしくは湾曲していてもよい。理解できるように、タービンブレード２２への加圧荷重は、軸方向３２、半径方向３４、又は円周方向３６で非均一とすることができ、抵抗バンド２３の断面形状９４は、タービンブレード２２の応力分布に少なくとも部分的に基づいて設計することができる。従って、抵抗バンド２３の断面形状９４は、タービンブレード２２間で変わることができる。上記で検討したように、タービン１８の温度及び圧力は、軸方向３２に沿って変わることができ、抵抗バンド２３の断面形状９４は、タービン１８の温度及び／又は圧力プロファイルに少なくとも部分的に基づくことができる。特定の実施形態において、図５〜７に関して以下で更に説明するように、タービンブレード２２は、積層プライ８２の分離を更に抑制するために追加の抵抗バンドを含むことができる。

図５は、積層プライ８２の分離を抑制し且つターボ機械ブレードの耐久性を改善するよう構成された複数の抵抗バンド２３を有するターボ機械ブレード（例えば、圧縮機ブレード２８又はタービンブレード２２）の１つの実施形態の正面図である。明確にするために、タービンブレード２２を説明する。しかしながら、以下の検討は、圧縮機ブレード２８にも適用することができる。一般に、抵抗バンド２３は、タービンブレード２２の異なる半径方向位置９０又は同様の半径方向位置９０に配置することができる。更に、抵抗バンド２３は、タービン１８に沿った同じ又は異なる軸方向３２位置でタービンブレード２２状に配置することができる。

図示のように、タービンブレード２２は、複数の抵抗バンド２３（例えば、抵抗バンド１００、１０２、１０４、及び１０５）を含む。上述のように、タービンブレード２２は、１、２、３、４、又はそれよりも多い抵抗バンド２３を含むことができる。更に、抵抗バンド１００、１０２、１０４、及び１０５は、上記で検討したように、軸方向３２の深さ、半径方向３４の高さ（例えば、厚み９２）、円周方向３６の幅、又は材料組成など、特定の特性を変えることができる。特定の実施形態において、タービンブレード２２の応力プロファイルが半径方向３４で均一ではない場合があるので、複数の抵抗バンド２３を用いることが望ましいとすることができる。実際に、抵抗バンド１００、１０２、１０４、及び１０５の特性の変動は、抵抗バンド１００、１０２、１０４、及び１０５の半径方向位置９０（例えば、半径方向位置１０６、１０８、１１０）に少なくとも部分的に基づくことができる。図示のように、抵抗バンド１００、１０５は、共通の半径方向位置１０６を共用する。半径方向位置１０６は、界接領域６６に最も近く、半径方向位置１１０は最も遠くにあり、半径方向位置１０８は、これらの間に配置される。例えば、半径方向位置１０６は、スパン７２の約１０パーセントにあり、半径方向位置１０８は、スパン７２の約３０パーセントにあり、半径方向位置１１０は、スパン７２の約６０パーセントにある。特定の実施形態において、半径方向位置１０６、１０８、１１０は変わることができる。

加えて、抵抗バンド１００、１０２、１０４、及び１０５の各々は、タービンブレード２２の全周囲８６の一部（例えば、部分周囲１１６、１１８、１２０、１２２）の周りに延びる。従って、抵抗バンド１００、１０２、１０４、及び１０５は、積層プライ８２のサブセット（例えば、約１０〜９０、２０〜８０、又は４０〜６０パーセント）の周りに延びることができ、積層プライ８２のサブセットの分離を抑制することができる。例えば、部分周囲１１６は、円周方向端部８５から中心プライ８７に延びる。部分周囲１１６は、タービンブレード２２の円周方向端部８５内に含まれる。非限定的な例証として、部分周囲１１６、１１８、１２０、１２２は、全周囲８６の約１０〜９０、２０〜８０、又は３０〜６０パーセントとすることができる。換言すると、部分周囲１１６、１１８、１２０、１２２は、全周囲８６の幾らかの要因又はパーセンテージとすることができる。例えば、部分周囲１１６、１２２の各々は、全周囲８６よりも小さい。しかしながら、部分周囲１１６、１２２の組み合わせは、全周囲８６よりも大きい。従って、抵抗バンド１００、１０２、１０４、１０５による加圧荷重の量は変わることができる。

抵抗バンド１００、１０２、１０４、１０５は、タービンブレード２２を通って又はその周囲を軸方向３２に延びることができる。例えば、抵抗バンド１００の円周方向端部１２４は、タービンブレード２２の周りを軸方向３２に延びることができ、抵抗バンド１００の対向する円周方向端部１２６は、タービンブレード２２を通って軸方向３２に延びることができる。例えば、一部の実施形態において、抵抗バンド１００、１０２、１０４、１０５の何れか又はその組み合わせは、タービンブレード２２の外部の周り（例えば、半円周方向端部８５の一方の周り）で且つ積層プライ８２間の境界部８３のうちの何れかの間に延びて、これにより少なくとも２つの隣接するプライ８３の円周方向及び軸方向の断面外周を包含することができる。加えて、又は代替として、タービンブレード２２は、図６に示すように、抵抗バンド１００、１０２、１０４、１０５を収容する１つ又はそれ以上の貫通孔１３０を含むことができる。実際には、このような構成は、特定の実施形態において、又は個のような構成に加えて、境界部８３の間にバンドを配置させるのを避けるのに望ましいとすることができる。従って、抵抗バンド１２０は、貫通孔１３０を通って円周方向３６に延びることができる。貫通孔１３０は、抵抗バンド１００、１０２、１０４、１０５をほぼ収容できるプライ８３の向きによって定められる平面を貫通する断面により定められた形状１３１を有することができる。例えば、形状１３１は、円形、楕円、矩形、又は別の好適な形状とすることができる。

図６に示すように、タービンブレード２２は、タービンブレード２２の周りに完全ループを形成しない抵抗バンド１３２を含むことができる。むしろ、抵抗バンド１３２は、タービンブレード２２の１つの平面上の一方向（例えば、円周方向）にのみ延びることができる。従って、抵抗バンドは、積層プライ８２のサブセットの分離を抑制することができる。抵抗バンド１１８と比べて、抵抗バンド１３２は、より小さな質量及び／又は体積を有することができ、タービンブレード２２の全体の質量及び／又は堆積が低減され、これによりタービン効率を向上させることができる。特定の実施形態において、タービンブレード２２は、タービンブレード２２の周りに完全ループを形成しない抵抗バンド１３２と、タービンブレード２２の周りに完全ループを形成する抵抗バンド２３との組み合わせを含むことができる。

図７は、積層プライ８２の分離を抑制し且つターボ機械ブレードの耐久性を改善するよう構成された複数の抵抗バンド２３（例えば、１４０、１４２）を有する、ターボ機械ブレード（例えば、回転又は固定圧縮機ブレード２８、或いは回転又は固定タービンブレード２２）の正面図である。明確にするために、タービンブレード２２について説明する。しかしながら、以下の検討は、圧縮機ブレード２８などのあらゆるターボ機械ブレードにも適用できる。図示のように、抵抗バンド１４０は、半径方向位置１４４に配置され、抵抗バンド１４２は、半径方向位置１４６に配置される。半径方向位置１４４は、界接領域６６から半径方向３４外向きに配置され、タービンブレード２２のスパン７２内にある。しかしながら、抵抗バンド１４２は、界接領域６６内に配置され、スパン７２の外にある。上記で検討したように、抵抗バンド１４２は、タービン１８の作動状態から相対的に隔離（例えば、抵抗バンド１４０と比べて）することができると同時に、積層プライ８２の分離を抑制することができる。

開示された実施形態の技術的効果は、ターボ機械のブレードの耐久性を改善する抵抗バンドを含む。抵抗バンドは、ターボ機械ブレードの積層プライの分離を抑制することができる。加えて、ターボ機械ブレードは、積層プライの分離を更に抑制するために、ブレードの種々の半径方向位置に配置された、異なる特性を各々が有する複数の抵抗バンドを含むことができる。抵抗バンドは、層間引張を低減し、ブレードにおける亀裂の可能性又は大きさを低減し、局所的加圧荷重を提供して、ターボ機械のブレードの耐久性を改善することができる。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること及びあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ ガスタービンシステム
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ 燃料ノズル
１８ タービン
２０ 燃焼ガス
２２ タービンブレード
２３ 抵抗バンド
２４ ロータ
２５ 回転軸
２６ 排気出口
２８ 圧縮機ブレード
３０ 加圧空気
３１ 負荷
３２ 軸方向
３４ 半径方向
３６ 円周方向
５８ 近位端
６０ 遠位端
６２ 開口
６４ 外周
６６ 界接領域
６８ 露出部分
７０ 露出した近位端
７２ スパン
８０ 複合組立体
８２ 積層パイル
８３ 境界部
８５ 円周方向端部
８６ 周囲
８７ 中心パイル
８８ 繊維
９０ 半径方向位置
９１ 繊維
９２ 厚み
９３ 幅
９４ 形状
１００ 抵抗バンド
１０２ 抵抗バンド
１０４ 抵抗バンド
１０５ 抵抗バンド
１０６ 半径方向位置
１０８ 半径方向位置
１１０ 半径方向位置
１１６ 部分周囲
１１８ 部分周囲
１２０ 部分周囲
１２２ 部分周囲
１２４ 円周方向端部
１２６ 円周方向端部
１３０ 貫通孔
１３１ 形状
１３２ 抵抗バンド
１４０ 抵抗バンド
１４２ 抵抗バンド
１４４ 半径方向位置
１４６ 半径方向位置

Claims (20)

1. ターボ機械を含むシステムであって、前記ターボ機械が、
   前記ターボ機械の長手方向軸線を定めるロータと、
   前記ロータに結合され、第１及び第２の積層プライを含む第１のブレードと、
   前記第１のブレードに結合され且つ前記第１及び第２の積層プライの分離を抑制するよう構成された第１の抵抗バンドと、
   を備える、システム。
2. 前記第１の抵抗バンドが、前記第１のブレードに接着、機械的、或いはこれらの組み合わせで結合されている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１のブレードが、前記長手方向軸線から離れて半径方向に延び、前記第１の抵抗バンドが、前記第１のブレードの外周の周りに該第１のブレード上の第１の半径方向位置に配置される、請求項１に記載のシステム。
4. 前記第１のブレードに結合され且つ前記第１及び第２の積層プライの分離を抑制するよう構成された第２の抵抗バンドを備え、前記第１の抵抗バンドが、前記第１のブレードの全周囲の第１の部分の周りに延びており、前記第２の抵抗バンドが、前記第１のブレードの全周囲の第２の部分の周りに延びている、請求項１に記載のシステム。
5. 前記第１の部分及び第２の部分の組み合わせが、前記第１のブレードの全周囲よりも大きいか、又は等しい、請求項４に記載のシステム。
6. 前記第１及び第２の抵抗バンドが、前記第１のブレード上で異なる半径方向位置に配置される、請求項４に記載のシステム。
7. 前記第１のブレードが前記長手方向軸線から離れて半径方向に延びており、前記長手方向軸線に向いて配置された近位端と、前記長手方向軸線から離れて配置された遠位端とを含み、前記第１のブレード及び前記ロータが、前記第１のブレードの近位端と前記ロータの外周内の開口とを含み界接領域において結合されている、請求項１に記載のシステム。
8. 前記第１のブレードが、露出した前記近位端と前記遠位端との間の距離により定められるスパンを含み、前記第１の抵抗バンドは、前記近位端と間隔を定める半径方向位置にて前記第１のブレード上に配置され、前記間隔が、前記スパンの２０パーセントよりも小さいか又はほぼ等しい、請求項７に記載のシステム。
9. 前記第１の抵抗バンドが、前記界接領域と前記第１のブレードの遠位端との間の第１の半径方向位置にて前記第１のブレード上に配置される、請求項７に記載のシステム。
10. 第２の半径方向位置にて前記第１のブレード上に配置された第２の抵抗バンドを備え、前記第２の抵抗バンドが、前記第１及び第２の積層プライの分離を抑制するよう構成されている、請求項９に記載のシステム。
11. 前記第２の半径方向位置が、前記界接領域内にある、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記第１のブレードの前記第１及び第２の積層プライが、前記半径方向に沿った向きにされ、前記第１の抵抗バンドが前記半径方向に対して横方向の向きにされる、請求項７に記載のシステム。
13. 前記第１のブレードが前記ターボ機械の第１の軸方向位置にて前記ロータに結合され、
    前記第１の軸方向位置からオフセットした第２の軸方向位置にて前記ロータに結合された第２のブレードと、
    前記第２のブレードに結合され且つ第３及び第４の積層プライの分離を抑制するよう構成されている第２の抵抗バンドと、
    を更に備える、請求項１に記載のシステム。
14. ターボ機械の流路内に装着するよう構成されたターボ機械ブレードと、
    前記ターボ機械ブレードに結合され且つ前記ターボ機械ブレードの分離を抑制するよう構成された抵抗バンドと、
    を備える装置。
15. 前記ターボ機械が前記ターボ機械ブレードを有する、請求項１４に記載の装置。
16. 前記ターボ機械ブレード及び前記抵抗バンドの材料組成が、セラミック、金属、ポリマー、ガラス繊維、エポキシ、又は何らかの組み合わせの少なくとも１つを含む、請求項１４に記載の装置。
17. 前記抵抗バンドの第１の熱膨張係数が、前記ターボ機械ブレードの第２の熱膨張係数よりも小さいか、又はほぼ等しい、請求項１４に記載の装置。
18. 前記抵抗バンド及び前記ターボ機械ブレードが、単一部品構造体として一体的に形成される、請求項１４に記載の装置。
19. 前記抵抗バンドが、前記ターボ機械ブレードの近位端と遠位端との間の半径方向位置にて前記ターボ機械ブレード上に配置され、前記ターボ機械ブレードが、前記ターボ機械ブレードに接着、機械的、又はこれらの組み合わせで結合される、請求項１４に記載の装置。
20. ガスタービンエンジンであって、
    複数の圧縮機ブレードを有し且つ空気を加圧するよう構成された圧縮機と、
    前記圧縮機からの前記加圧空気を受けて、加圧空気及び燃料の混合気を燃焼して燃焼生成物にするよう構成された燃焼器と、
    複数のタービンブレードを有し且つ前記燃焼器からの燃焼生成物を受けるよう構成されたタービンと、
    複数の圧縮機ブレード又は複数のタービンブレードの第１のブレードに結合された抵抗バンドと、
    を備え、前記第１のブレードが、第１及び第２の積層プライを含み、前記抵抗バンドが、前記第１及び第２の積層プライの分離を抑制するよう構成されている、装置。