JP2013234660A - 内部キャビティ反応中和剤を有するターボ機械構成要素およびその形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内部キャビティ反応中和剤を有するターボ機械構成要素を提供すること。
【解決手段】ターボ機械構成要素は、外面および内面を有する本体、内面によって画定された内部キャビティ、並びに、内部キャビティ内に配置された反応中和部材を含む。反応中和部材は、本体の内面上のターボ機械の燃焼生成物を中和するように構成され配置される。内面をセラミック系材料から形成してもよい。セラミック材料を炭化ケイ素／炭化ケイ素（ＳｉＣ／ＳｉＣ）セラミック複合マトリックス（ＣＭＣ）材料としてもよい。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示する主題はターボ機械の技術に関し、より詳細には、内部キャビティ反応中和剤を有するターボ機械構成要素に関する。

ターボ機械は、圧縮機部分およびタービン部分を収容するケーシングを含む。圧縮機部分は流路に沿って延びる幾つかの圧縮機段を含む。各圧縮機段は、複数の圧縮機羽根またはノズルの上流に配置された複数の圧縮機ブレードまたは動翼を含む。空気流が流路に沿って通り、圧縮されて圧縮空気流が形成される。同様に、タービン部分は、熱ガス通路に沿って延びる幾つかのタービン段を含む。各タービン段は、複数のタービン羽根またはノズルの下流に配置された、複数のタービンブレードまたは動翼を含む。

圧縮ガスの一部は、それぞれ圧縮機部分およびタービン部分に流体連結された燃焼器アセンブリに流れる。燃焼器アセンブリで、圧縮ガスの一部が可燃流体と混合されて、可燃混合物が形成される。可燃混合物は、燃焼器アセンブリで燃焼され、トランジションピースを通ってタービン部分に通される。燃焼器アセンブリからの熱ガスに加えて、比較的低温のガスが圧縮機からタービンのホイールスペースに向かって流れる。比較的低温のガスは、タービンロータ、並びにタービンの他の内部構成要素の冷却を行う。したがって、多くのターボ機械構成要素は、冷却流体を通すための通路になる内部キャビティを含む。

米国特許出願公開第２０１１／００６４６２５号公報

例示の実施形態の一態様によれば、ターボ機械構成要素は、外面および内面を有する本体と、内面によって画定された内部キャビティと、内部キャビティ内に配置された反応中和部材とを含む。反応中和部材は、本体の内面上のターボ機械の燃焼生成物を中和するように構成され配置される。

例示の実施形態の他の態様によれば、ターボ機械構成要素を形成する方法は、外面および内面を含む本体を有するターボ機械構成要素を形成することを含む。内面は内部キャビティを画定する。この方法は、反応中和部材を内部キャビティ内に位置付けることも含む。

例示の実施形態の他の態様によれば、ターボ機械は、圧縮機部分と、圧縮機部分に動作可能に結合されたタービン部分と、圧縮機部分およびタービン部分と流体連通する燃焼器アセンブリと、圧縮機部分およびタービン部分の１つに配置されたターボ機械構成要素とを含む。ターボ機械構成要素は、外面および内面を有する本体と、内面によって画定された内部キャビティと、内部キャビティ内に配置された反応中和部材とを備え、反応中和部材は、本体の内面上のターボ機械の燃焼生成物を中和するように構成され配置される。

上記その他の利点および特徴は、図面と併せて、以下の説明からさらに明らかになるであろう。

本発明とみなされる主題は、本明細書の終末の特許請求の範囲に具体的に挙げられ、明瞭に主張される。本発明の上記その他の特徴および利点は、添付の図面と併せて、以下の詳細な説明から明らかである。

一例示の実施形態による内部キャビティ反応中和剤を含むターボ機械構成要素を有するターボ機械を示す概略図である。 一例示の実施形態による内部キャビティ反応中和剤を含む一例示のターボ機械構成要素を示す部分切欠図である。

詳細な記載は、図面を参照し、例によって、本発明の実施形態を利点および特徴とともに説明するものである。

図１を参照すると、一例示の実施形態により構築されたターボ機械が全般的に２で示されている。ターボ機械２は、タービン部分６に流体連通された圧縮機部分４を含む。燃焼器アセンブリ８も圧縮機部分４およびタービン部分６と流体連通する。燃焼器アセンブリ８は複数の燃焼器を含み、その１つが１０で示されており、ターボ機械２の周囲の缶−環状アレイ内に配置される。燃焼器の数および配置を変えることができる。

図で示したように、圧縮機部分４は、共通の圧縮機／タービン軸１２によってタービン部分６に機械的に連結される。圧縮機部分４は、流路１６に沿って延びる複数の圧縮機段１４を入れるハウジング１３を含む。図で示した例示の実施形態では、圧縮機部分４は、入口案内羽根１８、第１の圧縮機段２０、第２の圧縮機段２１、および第３の圧縮機段２２を含む。第１の段２０は、２６で示したような複数の固定羽根またはノズルの上流に配置された２５で示したような複数の回転動翼またはブレードを含む。第２の段２１および第３の段２２は同様の構成要素を含むと理解されたい。圧縮機部分４は、流路１６の一端部に位置付けられた入口案内羽根２７を含むところも図で示されている。タービン部分６は、熱ガス通路３５に沿って延びる複数の段３４を入れるハウジング３３を含む。図で示した例示の実施形態では、タービン部分６の複数のタービン段３４は、第１のタービン段３６、第２のタービン段３７、および第３のタービン段３８を含む。第１のタービン段３６は、複数の回転動翼またはブレード４２の上流に配置された複数の固定羽根またはノズル４０を含む。第２の段３７および第３の段３８は同様の構造を含むと理解されたい。当然、理解されるように、圧縮機部分４とタービン部分６の両方の段の数を変えることができる。

この構成では、圧縮機取入口（別にラベル表示せず）内に通る空気は流路１６に沿って流れ、圧縮機段２０〜２２を通って圧縮されて、圧縮空気が形成される。圧縮空気の第１の部分は燃焼器アセンブリ８内に流れ、可燃流体と混合され、次いで燃焼されて、燃焼ガスが形成される。燃焼ガスは、熱ガス通路３５に沿ってタービン段３６〜３８を通り、圧縮ガスの第２の部分とともに膨張して、ターボ機械２からの出力である労力を生成する。圧縮空気の第３の部分は冷却流体としてタービン部分６を通過する。冷却流体はタービン部分６の様々な構成要素内に形成された中空領域を通過する。たとえば、冷却流体はロータ（図示せず）、ノズル４０、ブレード４２、並びにタービンシュラウド（これも図示せず）、および他の構造を通って流れる。動作中、異物損傷（ＦＯＤ）により構成要素に穿孔され、燃焼ガスが中空部分内に入る恐れがある。流路のガスに長期にわたり露出されることによって、内面が浸食されて、１つまたは複数の構成要素の構造的な劣化を招く可能性がある。以下でさらに十分に論じるように、ターボ機械２の構成要素に、中空部分を有する様々な構成要素の内面上への燃焼ガスの影響を相殺かつ／または中和する構造を設ける。

次に図２を参照して、本発明の一例示の実施形態により構築されたタービンブレード４２を説明する。図で示したように、タービンブレード４２は、ベース部分５０およびブレード部分５２を含む。ベース部分５０は第１の端部セクション５５を含み、第１の端部セクション５５は、中間セクションまたはシャンクキャビティ５７を通って第２の端部セクション５６まで延びる。取付け部材６４は、第１の端部セクション５５でベース部分５０に取り付けられる。取付け部材６４は、タービンブレード４２と第１段のロータ円板（図示せず）の間のインターフェースとして働く。さらに、ベース部分５０は、第２の端部セクション５６から外側に延びてトレンチキャビティ７３を画定する第１のエンジェルウィング７２を含む動翼キャビティ前部領域６９を含む。動翼キャビティ前部領域６９は、さらに、やはり第２の端部セクション５６から外側に延びて緩衝キャビティ７８を画定する第２のエンジェルウィング７６を含む。第３のエンジェルウィング８０はベース部分５０の反対側（別にラベル表示せず）から外側に延びる。エンジェルウィング７２、７６、および８０は、熱ガス通路３５とホイールスペース領域（別にラベル表示せず）の間の流体交換を阻止し、または少なくとも低減する構造を与える。

ブレード部分５２は、ベース部分５０の第２の端部セクション５６からエーロフォイル領域９６を通って第２の端部または先端部分９４まで延びる第１の端部部分９２を有する本体９０を含む。本体９０は外面１００および内面１０２を含む。内面１０２は、内部キャビティ１０４を少なくとも部分的に画定する。内部キャビティ１０４は、冷却ガスがタービンブレード４２を通るための通路になる。一例示の実施形態によれば、タービンブレード４２は内部キャビティ１０４内に位置付けられた反応中和部材１２０を含む。反応中和部材１２０は、以下でさらに十分に論じるように、中和材料１２４から形成される。

上記で論じたように、ＦＯＤにより、熱ガス通路３５に沿って流れる燃焼または他のガスに長期にわたり露出されるブレード部分５２に穿孔され、内面１０２に至る恐れがある。熱ガス通路３５に沿って通るガスに露出されることによって、内面１０２が浸食される可能性がある。酸素、水蒸気、または他の腐蝕性ガスへの露出により、タービンブレード４２の構造的損傷を招く恐れがある。ＦＯＤによる損傷を受けた炭化ケイ素／炭化ケイ素（ＳｉＣ／ＳｉＣ）セラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料から形成された被覆されない内部キャビティ（図示せず）は、酸素に露出される可能性があり、それによって、高温酸化：ＳｉＣ（ｓ）＋３／２Ｏ₂（ｇ）＝ＳｉＯ₂（ｓ）＋ＣＯ（ｇ）の結果として、破壊靭性の損失を招くことがある。ＦＯＤの結果として、流れる燃焼ガスに露出される被覆されない内部キャビティも、別の方法で、腐蝕性水蒸気、燃焼ガスの成分に露出される可能性がある。中空ＣＭＣ部分の内面の構造的劣化を起こす可能性がある燃焼ガス流の成分には、酸素、二酸化炭素、および水蒸気が含まれる。ＣＭＣ構成要素の内面は、構成要素が穿孔されても、穿孔されなくても、構造的に弱いＳｉＯ₂表面層を形成するＯ₂（ｇ）および／またはＣＯ₂（ｇ）との反応によって損傷される恐れがある。ＳｉＯ₂表面層は、また、反応：ＳｉＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ（ｇ）＝Ｓｉ（ＯＨ）₄（ｇ）によって気化する。

上記の反応の速度は、ＳｉＣ／ＳｉＣセラミックマトリックス複合材料部分が穿孔された場合は、はるかに速い。比較的高速度の反応は、通常は冷却が目的の部分を通って流れる圧縮機の排気よりも高い水蒸気分圧を有する燃焼ガスのため、および一部が穿孔された場合に少なくとも穿孔部のすぐ近辺の全体ガス流量が高くなる可能性が高いことの両方により起こる。Ｓｉを含む反応中和剤１２０の目的は、以下でさらに十分に論じるように、内部キャビティ１０４をＳｉ（ＯＨ）₄（ｇ）で飽和し、タービンブレード４２の断面の厚さの損失を防ぐことである。したがって、反応中和剤１２０は犠牲部材の形態をとる。具体的には、中和材料１２４が作用を受け、劣化されて、内面１０２の劣化が全て大幅に低減される。

例示の実施形態の一側面によれば、内面１０２はＳｉＣ／ＳｉＣ ＣＭＣ材料から形成される。熱ガス通路３５に沿って流れるガスへの露出に関連する影響を全て中和するには、中和材料１２４はケイ素（Ｓｉ）を含む。上記で論じたように、Ｓｉはガス通路３５に沿って流れるガスと反応する。内部キャビティ１０４内の反応中和部材１２０の存在によって、内面１０２がガス通路３５に沿って流れるガスへの露出の影響から保護される。ここで、理解されるように、内面１０２を形成する材料によって、中和材料１２４を変えることができる。内面１０２がポリマーマトリックス複合材料（ＰＭＣ）など有機材料から形成される場合、中和材料１２４は、黒鉛、または炭素の形をとることができる。さらに、理解されるように、タービンブレードに配置するものに関連して記載したが、反応中和部材１２０を、羽根、シュラウド、ロータなど他のタービン構成要素に組み込むことができる。反応中和部材１２０を圧縮機構成要素に組み込むこともできる。

さらに、理解されるように、反応中和部材１２０はターボ機械２の保守中に交換することができる。また、理解されるように、反応中和部材１２０を穿孔される可能性が最も高いと考えられる１つまたは複数の領域に隣接するように位置付けることができ、かつ／または、反応中和部材１２０を比較的大きい表面積対体積率で設けて、内面１０２をさらに保護することができる。タービンブレード４２などの構成要素の構造の材料に関係なく、反応中和材料を構成要素の内部キャビティに追加することによって、平均耐用寿命が延び、したがって、厳しい環境での構成要素のライフサイクルコストが下がる。交換可能な反応中和剤の追加は、構成要素の構造的完全性を維持するために必要な貴重な材料資源の保護につながる。さらに、理解されるように、タービンブレード４２の形成に使用する材料に適合するように中和材料１２４を変えることができる。中和材料１２４は、ポリマーマトリックス複合材（ＰＭＣ）から作製される成分に、ＰＭＣの炭素（Ｃ）成分を内部キャビティの表面の気化から犠牲的に保護するためのＣを含むことができる。

本発明を単に限られた数の実施形態に関連して詳細に記載したが、容易に理解されるように、本発明はこうした開示の実施形態に限定されない。むしろ、本発明を変更して、これまで記載していない任意の数の変形形態、変更形態、代替形態、または等価の構成を組み込むことができるが、それらは本発明の精神および範囲と等しいものである。さらに、本発明の様々な実施形態を記載したが、理解されるように、本発明の態様は、単に記載の実施形態の一部を含むことができる。したがって、本発明は上記に限定されず、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

２ ターボ機械
４ 圧縮機部分
６ タービン部分
８ 燃焼器アセンブリ
１０ 複数の燃焼器
１２ 共通の圧縮機／タービン軸
１４ 複数の圧縮機段
１６ 流路
１８ 入口案内羽根
２０ 第１の圧縮機段
２１ 第２の圧縮機段
２５ 複数の回転動翼またはブレード
２６ 複数の固定羽根またはノズル
２７ 入口案内羽根
３３ ハウジング
３４ 複数の段
３８ 第３のタービン段
４０ 複数の固定羽根またはノズル
４２ 複数の回転動翼またはブレード
５０ ベース部分
５２ ブレード部分
５５ 第１の端部セクション
５６ 第２の端部セクション
５７ 中間セクション、またはシャンクキャビティ
６４ 取付け部材
６９ 動翼キャビティ前部領域
７２ 第１のエンジェルウィング
７３ トレンチキャビティ
７６ 第２のエンジェルウィング
７８ 緩衝キャビティ
８０ 第３のエンジェルウィング
９０ 本体
９２ 第１の端部部分
９４ 第２の端部、または先端部分
９６ エーロフォイル領域
１００ 外面
１０２ 内面
１０４ 内部キャビティ
１２０ 反応中和部材
１２４ 中和材料

Claims (20)

1. 外面および内面を有する本体と、
   前記内面によって画定された内部キャビティと、
   前記内部キャビティ内に配置された反応中和部材とを備え、前記反応中和部材が前記本体の前記内面上のターボ機械の燃焼生成物を中和するように構成され配置される、ターボ機械構成要素。
2. 前記内面がセラミック系材料から形成される、請求項１記載のターボ機械構成要素。
3. 前記セラミック材料が炭化ケイ素／炭化ケイ素（ＳｉＣ／ＳｉＣ）セラミック複合マトリックス（ＣＭＣ）材料である、請求項２記載のターボ機械構成要素。
4. 前記反応中和部材がケイ素（Ｓｉ）からなる、請求項３記載のターボ機械構成要素。
5. 前記内面がポリマーマトリックス複合物（ＰＭＣ）系材料から形成される、請求項１記載のターボ機械構成要素。
6. 前記反応中和部材が炭素（Ｃ）からなる、請求項５記載のターボ機械構成要素。
7. 前記ターボ機械構成要素がタービン動翼、タービンノズル、およびタービンシュラウド部材の１つである、請求項１記載のターボ機械構成要素。
8. ターボ機械構成要素を形成する方法であって、
   外面および内面を含む本体を有するターボ機械構成要素を形成することであって、前記内面が内部キャビティを画定すること、および
   反応中和部材を前記内部キャビティ内に位置付けることを含む方法。
9. ターボ機械構成要素を形成することが、セラミック材料から形成されたタービン構成要素を形成することを含む、請求項８記載の方法。
10. 前記タービン構成要素をセラミック材料から形成することが、前記タービン構成要素を炭化ケイ素／炭化ケイ素セラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料から形成することを含む、請求項９記載の方法。
11. 前記反応中和部材を位置付けることが、ケイ素（Ｓｉ）からなる反応中和部材を前記内部キャビティ内に位置付けることを含む、請求項９記載の方法。
12. 前記ターボ機械構成要素を形成することがタービン構成要素をポリマーマトリックス複合物（ＰＭＣ）系材料から形成することを含む、請求項８記載の方法。
13. 前記反応中和部材を位置付けることが炭素（Ｃ）からなる反応中和部材を前記内部キャビティ内に設けることを含む、請求項１２記載の方法。
14. ターボ機械構成要素を形成することがタービン動翼、タービンノズル、およびタービンシュラウドの１つを形成することを含む、請求項８記載の方法。
15. 圧縮機部分と、
    前記圧縮機部分に動作可能に結合されたタービン部分と、
    前記圧縮機部分および前記タービン部分と流体連通する燃焼器アセンブリと、
    前記圧縮機部分および前記タービン部分の１つに配置されたターボ機械構成要素とを含み、前記ターボ機械構成要素が、
    外面および内面を有する本体、
    前記内面によって画定された内部キャビティ、並びに
    前記内部キャビティ内に配置された反応中和部材を備え、前記反応中和部材が前記本体の前記内面上のターボ機械の燃焼生成物を中和するように構成され配置される、ターボ機械。
16. 前記内面が炭化ケイ素／炭化ケイ素（ＳｉＣ／ＳｉＣ）セラミック複合マトリックス（ＣＭＣ）材料から形成される、請求項１５記載のターボ機械。
17. 前記反応中和部材がケイ素（Ｓｉ）からなる、請求項１６記載のターボ機械。
18. 前記内面がポリマーマトリックス複合物（ＰＭＣ）系材料から形成される、請求項１５記載のターボ機械。
19. 前記反応中和部材が炭素（Ｃ）からなる、請求項１８記載のターボ機械。
20. 前記ターボ機械構成要素がタービン動翼、タービンノズル、およびタービンシュラウド部材の１つである、請求項１５記載のターボ機械。