JP2013510994A - タービンブレード又は圧縮機ブレード - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも部分的に繊維強化プラスチック、特に炭素繊維強化プラスチックから作られていると共に、特に運転状態において耐久性を有しているタービン又は圧縮機のためのブレードに関する。本発明では、ブレード（４）がブレード本体（５）とブレード根元部（６）とを備えている。ブレード本体（５）が、繊維強化プラスチックから成る折り曲げられた繊維ウェブ（７）から作られている。保持ループ（９）が折り曲げ部分（８）の領域に形成されており、ブレード表面（１１）が重なり合ったウェブ端部（１０）から形成されている。ブレード根元部は、ロータ（２）の対応する溝（３）内にブレード（４）を係止するために、長手方向ビーム（２０）と少なくとも２つのホルダ（２５）とを備えている。好ましくは、ホルダが、両端においてビームに固定状態で接続されている。ブレード本体（５）が、保持ループ（９）を利用することによってビーム（２０）に係止されている。

Description

本発明は、タービンブレード又は圧縮機ブレードに関する。

ターボ機械のブレードは、一般に、空気力学を考慮して湾曲されたブレード翼と、ロータの対応する溝内にブレードを係止するように機能するブレード根元部とを備えている。ブレードを備えているロータは、以下においてロータ組立体と呼称される。

ブレードを製造するための比較的新しいタイプの材料として、現在、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＫ）さえ検討されている。例えばＣＦＫから製造することによって、優位には、ブレードの重量が低減される。しかしながら、ＣＦＫは、圧力負荷に関する安定性が比較的低い点において不利である。ブレードに作用する、例えば溝の内側に位置するブレード根元部の領域に作用する、このような圧力負荷が、回転を誘発する遠心力の影響を受けて大きくなる。

このために、例えば特許文献１に開示されるように、ターボ機械のロータブレードは繊維複合材料から作られている。ロータブレードは、根元側端部に共通するループを形成している多数の繊維層から構成されている。この場合、これらループのうち２つのループが、ブレード根元部を形成するために設けられている。ロータブレードをロータディスク内に固定するために、溝が長手方向に形成されたボルトが設けられており、溝付ボルトのボルト要素が各ループを貫通して延在している。ボルトの端部に螺合可能なボルト頭とネジ付ナットとが、ブレードをロータの軸方向溝内に固定された状態で締め付けている。ターボ機械の動作中において、繊維層が、遠心力の作用を受けて、保持溝の荷重を受けるフランクに対して押圧される。しかしながら、プロセス中に繊維層に発生する圧力負荷によって、ロータブレードは限られた範囲内のみで保持可能とされる。さらに、特許文献２に開示されるように、ガスタービンのためのロータブレードは、根元側にシリンドリカル状且つ高剛性なコアを有しており、ループ状のフィラメントから作られている多数の織物状レイヤがコアの周囲に配置されている。また、ブレード翼は織物状レイヤから形成されている。ロータブレードを保持溝内に固定するために、保持溝のフランクに対して当接している金属プレートがコアに設けられている。プラスチックから成る充填材料が、最も外側のレイヤと保持溝の輪郭との間に形成された空間を充填するために、２つの金属プレートの間に設けられている。

米国特許第４０３７９９０号明細書 米国特許第２９２９７５５号明細書

本発明の目的は、繊維強化プラスチックから、特にＣＦＫから少なくとも部分的に作られている、タービン又は圧縮機のためのブレードであって、特に耐性に優れたすなわち耐久性が高いブレードを提供することである。また、本発明の目的は、繊維強化プラスチックから作られていると共に、特に運転状態において耐久性を有しているロータ組立体を提供することである。

ブレードに関しては、本発明における当該目的は、請求項１の特徴によって達成される。請求項１の特徴と空気力学を考慮して湾曲されたブレード翼とによって、ブレードは、好ましい実施例では金属製とされる細長い又はピン状のキャリアを具備している、ブレード根元部を備えている。また、ブレード根元部は、少なくとも２つのホルダを備えている。好ましくはプレート状の当該ホルダは、少なくとも径方向において位置固定された状態でキャリアに接続されている。ホルダそれぞれが、対応する逆Ｔ状の溝内に又はファーツリー状の溝内にブレードを係止するように構成されており、その側壁に当接している。

ブレード翼は、繊維強化プラスチック、特にＣＦＫから構成されている繊維層から成る積層体から基本的に製造されており、（基本的にホルダ同士の間において）キャリアの周囲に案内されている。この場合には、キャリアを越えて突出している２つのウェブ端部それぞれが、ブレード表面を形成するために相互に平坦接続している。キャリアの周囲に案内されているブレード翼の一部分が、ブレード翼をキャリアに嵌め合わせるための保持ループを形成している。生産技術に関連して、最初にブレード翼（すなわちブレード表面及び保持ループ）を成型（forming）するために繊維積層体を製造した後に、このようにして製造されたブレード翼をキャリアに取り付けることが望ましい。代替的には、言うまでもなく、繊維積層体も、キャリアに隣接しているブレード翼を成型及び型出し（profiling）するためにキャリアの周囲に取り付けられる場合がある。

ブレードが正常に据え付けられた場合には、当該ブレードが、そのブレード根元部すなわちブレード翼の保持ループとブレード根元部内に配置されているキャリアとがロータの溝内に配設されている状態で設けられており、ロータに関連するそのブレード翼が、溝から径方向に突出している。

ブレード翼が保持ループによってキャリアに取り付けられているので、回転によって発生する遠心力がブレードに作用し、遠心力の大部分がキャリアを介して吸収される。ブレード翼とロータの溝との間では、力が直接伝達されないか、又は比較的小さい程度の力のみが伝達されるにすぎない。従って、ブレード翼又はブレード翼の繊維積層体は、その大部分において引張応力が作用した状態にある。

繊維強化プラスチックにおいては、圧縮荷重や剪断荷重に対する耐性より引張荷重に対する耐性の方が何倍も高いので、ブレードは、特にブレード根元部として形成されたブレードの固定部分は、運転条件に関して特に耐性及び耐久性が高い。

ブレード翼を製造するための繊維強化プラスチック、特にＣＦＫを利用することによって、一般に、空気力学的に特に好ましいブレード翼を構築する可能性が高められる。従って、このことは、入力すべきエネルギの低減に貢献するので、優位には、ＣＯ_２の低減も達成することができる。繊維強化プラスチックによる軽量化によって、ブレード根元部の大きさが同一である場合には、このようなブレードのブレード翼を金属製ブレードのブレード翼より大きくすることができる。また、これにより、質量流量を高めることもできる。

ブレード根元部のホルダそれぞれが、ブレード根元部を安定化させるために、少なくともフランク部分を介して相互接続されている。フランク部分は、キャリアに対して略平行に向いている。

この場合、好ましくは、ホルダそれぞれがブレード翼を覆って延在している状態において、２つのフランク部分それぞれがホルダそれぞれの２つの側方縁部に取り付けられている。従って、当該２つのフランク部分は、キャリアに対して、好ましくは完全に対向して配置されている。特にこの場合には、少なくともホルダがブレード翼を覆って延在している領域において、フランク部分が繊維層から成る積層体と接触しない態様で、再度、フランク部分が取り付けられる。この結果として、繊維層から成る積層体に作用する不慮の圧力負荷が確実に防止される。台形状のホルダの場合には、力束（force flux）がフランク部分を介して全体に発生するように、好ましくはフランク部分が台形状のホルダの２つの側面に固定されている。このことは、保持溝の端部側の負荷を大幅に低減するので、フランク部分によって著しく拡大された接触面によって、ロータディスクに作用する負荷が一様になる。結果的に、２つの隣り合っている保持溝の間に配設されている尖端部分をより小さくすることができるので、その結果として、小型で場所を取らないように保持溝をロータに形成することができる。

本発明における特に好ましい実施例では、ホルダそれぞれが、キャリアの領域において、ブレード翼の両側でブレード翼の長手方向延長線（longitudinal extent）に対して少なくとも略直角にブレード翼を覆って延在している。言い換えれば、このような構成では、ホルダは、ブレード翼の取付領域において、繊維積層体が少なくともその領域において溝の（溝の側面のうち）対応する側面と接触しないように、ブレード翼の両側で繊維層から成る積層体を覆って延在している。結論として、ブレードは、遠心力の作用下において、主にホルダのみを介して溝の側面に当接しており、繊維積層体を介して溝の側面に当接していないので、圧力負荷がホルダのみに作用する。これによって、ブレード根元側の繊維積層体が溝の側面と接触した場合に遠心力作用によって発生する圧力負荷が、ブレード根元側の繊維積層体の領域において発生しない。

また、ホルダそれぞれが、繊維層から成る積層体も非接触状態でロータ溝の溝ベース内に取り付けられるように、ブレードの（ブレード表面と反対向きで面している）径方向内側においてブレード翼を覆って延在している。

本発明のさらなる実施例では、ブレード根元部は、特にキャリアの端部それぞれに取り付けられている２つのホルダと、キャリアの端部それぞれに取り付けられている当該２つのホルダそれぞれから所定距離で離隔している状態で、キャリアの長手方向においてキャリアに位置固定されている少なくとも第３のホルダとを備えている。これら付加的に設けられているホルダは、好ましくはキャリアの全長に亘って等間隔で配置されている。当該実施例では、便宜上、ブレード翼は、それぞれが２つのホルダの間においてキャリアに取り付けられており、これによりキャリアの長手方向において中央のホルダを位置固定する、複数の繊維層から成る積層体から製造されている。原則として、ホルダを細長いキャリアに対して固定する２つの固定位置がブレードの重心に従って選定されるので、ブレード翼の端部ではなくキャリアの端部の領域に配置されているホルダの固定位置が望ましい。

ホルダそれぞれが、好ましくは、それぞれがキャリアの断面に対応すると共にキャリアが密接状態で挿入される際に通過する、突出部を備えている。キャリアがホルダに溶接されている場合もある。

フランク部分はそれぞれ、便宜上、嵌合又は接着された状態でホルダに接続されており、好ましくは閉塞されているか又は溶接されている。

キャリアの断面は、好ましくは丸みを帯びた形状又は略三角状とされる。キャリアの断面が三角状とされる場合には、特に丸みを帯びた角部を有している二等辺三角形が望ましく、この場合には、縁部が特にブレード翼のブレード表面に面している２つの面によって形成されている。

好ましくは、キャリアの表面には、スライド層が、特にポリテトラフルオロエチレンから成る層が形成されている。これにより、必要に応じて、最内側の繊維層から成る積層体が、キャリアに対して相対的に滑動可能とされる。

本発明の優位な発展形態では、繊維積層体は、概略的には、運転によって発生する遠心力の方向に沿って向いている主繊維方向を有している一方向構造とされる。この結果として、ブレード翼は、偶発的な引張力に対して特に安定している。繊維積層体は、付加的又は代替的に、三次元的に織り合わされた繊維構造によって、ブレード根元部又はキャリアの領域において強化されている。

ブレード翼は、少なくともそのブレード表面の領域において、便宜上、特にその表面が粒子複合材から成る又は硬質な材料でコーティングされた金属箔から成る腐食防止コーティングが施されている。また、このようなコーティングは、優位には、水の侵入に対するブレードの耐性を改善する。

ロータ組立体に関しては、本発明における上述の目的は、請求項１２の特徴によって達成される。従って、ロータ組立体は、少なくとも１つの溝がその内部に形成されているロータと、少なくとも１つの上述の本発明におけるロータとを備えている。ブレードは、そのブレード根元部を介して、位置固定された状態で溝内に配設されている。

繊維強化プラスチックから概略的に製造されたブレードは比較的軽量であり、その結果として、ロータに形成されている溝それぞれが比較的小さくなるので優位である。さらに、ロータ組立体全体が優位には特に軽量とされる。また、当然ながら、運転に起因する負荷が作用しているターボ機械において、本発明におけるブレードが金属又は高級鋼から純粋に製造されたブレードに交換される場合には、ブレード根元部がブレード翼に対して不釣り合いな程に大きく構成されている場合がある。

好ましくは、溝及びホルダは、ホルダそれぞれが溝の側面において支持されるように、互いに対して適合している。特に、便宜的な構成として、ホルダは溝の内部に埋設されている。

ホルダ及び溝の両方の断面が、好ましくは台形状（“ダブテール状”）とされる。ホルダ及び溝の他の断面の形状としては、“ファーツリー状”や半円状の断面が挙げられる。

本発明の便宜的な発展形態では、ブレードのホルダが互いに対して適合するように形成されており、溝がその全長に亘って一様な幅及び形状を有している。

ロータ組立体の好ましい発展形態では、ロータ組立体は、それぞれが略軸線方向に向いていると共に周方向において等間隔で配置されている、多数の溝を備えている。特に、ブレードそれぞれが溝それぞれに挿入されており、その挿入位置に位置固定されている。代替的には、周方向溝が、タービンロータ組立体又は圧縮機ロータ組立体のロータ内部に形成されており、多数のブレードが当該溝内に当接した状態で収容されており、その場に固定されている。

本発明の２つの典型的な実施例について、図面を参照しつつ以下に詳述する。

ブレード翼とブレード根元部とを有しているタービンブレードを備えているタービンロータ組立体の第１の実施例における断面図である。 第１の実施例におけるブレード根元部の概略的な分解図である。 第２の実施例におけるブレード根元部の概略的な分解図である。

互いに対応する部品及び値には、すべての図面において、同一の参照符号が常に付されている。

図１は、タービンロータ組立体１の若干概略的な断面図である。タービンロータ組立体１は、高級鋼から成るロータ２を備えている。ロータ２の内部には、多数の軸方向溝３が、ロータ２の周囲全体に亘って一様に分布した状態で形成されている。図１は、単一の軸方向溝３の領域におけるロータ２のみを詳細に表わす。図１に表わす第１の実施例では、軸方向溝３それぞれが、基本的に、いわゆるダブテール状の溝として構成されている。

タービンブレード４は、軸方向溝３内に収容されている。タービンブレード４は、（図１では部分的にのみ表わすにすぎない）ブレード翼５と、タービンブレード４を軸方向溝３内に係止するように機能するブレード根元部６とを備えている。

ブレード翼５は、主に単方向ＣＦＫの積層繊維から成る複数の層状ウェブ７から製造されている。当該実施例では、層状ウェブ７は、折り曲げる際の結果として折り曲げ部分８の領域において、好ましくは略中央において、保持ループ９が形成されるように折り曲げられている。保持ループ９の向こう側（図１の上側）では、ウェブ端部１０が平坦な状態で互いに重ね合わされており、ウェブ端部１０同士が“融合（amalgamated）”し、ブレード翼５のブレード表面１１を形成している。ブレード表面１１は、ロータ２の軸方向溝３から略径方向に突出している。

ＣＦＫの積層繊維の主繊維方向は、ＣＦＫの積層繊維の炭素繊維１２それぞれが基本的にブレード翼５の長手方向断面に対して略平行に向いている（基本的にループを形成する）ように、概略的に層状ウェブ７に沿って向いている。

当該実施例では製造完了した状態で表されているブレード翼５の外面１３は、耐腐食コーティング１４によって覆われている。代替的には、耐腐食コーティング１４は、ブレード表面１１の領域のみに施されている。

一方、ブレード根元部６は、ブレード翼５を取り付けるためにブレード翼５の保持ループ９の内部に設けられている、細長い金属コア２０をキャリアとして備えている。ブレード根元部６の構造について、図２に表わすブレード根元部６の分解斜視図に基づいて詳述する。図２を参照すると明らかなように、金属コア２０が高級鋼から成る丸棒によって形成されている。金属コア２０の表面２１は、例えばＰＴＦＥから成る滑り面２２を備えている。金属コア２０は、その２つの端部２３，２４それぞれにおいてホルダ２５に接続されている。基本的に、２つのホルダ２５は、ダブテール状の軸方向溝３に対応していると共にダブテール状の軸方向溝３に挿入可能とされる、合同な等脚台形状の鋼製プレートによって形成されている。

ホルダ２５それぞれが、自身の表面の略中央に、金属コア２０が精密に嵌合された状態で挿入される円状の貫通口２６を有しており、ホルダ２５は、金属コア２０に対して略直角に金属コア２０の周囲に延在している。

ホルダ２５それぞれの２つの側面２７において、縁部側の凹所２８が、ホルダ２５それぞれの内部に導入されている。これら凹所２８は、組み立てられた状態において２つのホルダ２５が側面２７それぞれに接続されている、２つのフランク部分３０を固定するように機能する。

フランク部分３０それぞれが、矩形状に延在している細長い鋼製プレートによって形成されている。フランク部分３０それぞれが、自身の側面３１に、対応するフランク部分３０の全長に亘って延在している突出部分３２を有している。この場合には、突出部分３２それぞれが、フランク部分３０が突出部分３２によって凹所２８内において位置固定されるように、凹所２８に対して相補的に形成されている。

また、フランク部分３０それぞれが、その長辺に、僅かに傾斜した縁部３３を有している。この場合、フランク部分３０それぞれが、側面３１の直線状部分がホルダ２５の脚の長さＬ（side length）に略対応している幅ｂを有しているように形成されている。組み立てられた状態では、フランク部分３０は、その端部それぞれにおいて２つのホルダ２５の２つの側面２７に取り付けられており、好ましくは溶接されている。フランク部分３０それぞれが、側縁部３３の反対側に位置している側縁部３４によって、等脚台形の長辺３５と略面一に配置されている。傾斜している側縁部３３は、等脚台形の短辺３６上において側面２７それぞれを覆うように延在している。

図１から明らかなように、突出している傾斜縁部３３は、組み立てられた状態において、接線方向でブレード翼５を支持するように機能する。

また、図１から明らかなように、ホルダ２５それぞれの平均的な幅Ｂ（図２参照）は、当該ホルダが、金属コア２０又は保持ループ９の領域においてブレード表面１４に対して略直角な状態で、ブレード翼５の両側においてブレード翼５を覆って、言い換えれば、繊維の層状ウェブ７それぞれを覆って延在するような大きさとされる。

このことの結果として、金属コア２０又は保持ループ９の位置では、特に径方向においてフランク部分３０とＣＦＫの積層繊維から成る層状ウェブ７とは接触していない。従って、タービンロータ組立体１の運転中に発生する（ロータに対して径方向に作用する）遠心力Ｆの影響下においてさえ、この領域では、ＣＦＫの積層繊維に対して不利益な圧力負荷が発生しない。

従って、ブレード翼５は、運転中において、遠心力Ｆが作用する方向に沿って位置合わせされており、この結果として、ブレード翼５には引張荷重がほとんど作用しないので、ＣＦＫの積層繊維は、特に好ましい主繊維方向において当該引張荷重に対する耐性を有している。

当該実施例では、２つのフランク部分３０が、軸方向溝３内においてロータ２に溶接されている。

図３は、タービンロータ組立体１又はタービンブレード４の第２の実施例におけるブレード根元部６を表わす。第２の実施例は、第１の実施例に本質的に対応している。このことと対照的に、この場合、ブレード根元部６は、より良好に荷重伝達するために、金属コア２０の長手方向略中央に配置されている第３のホルダ２５を有している。この中央に配置された第３のホルダ２５は、両端に配置されたホルダ２５に類似して構成されており、金属コア２０が貫通口２６を通じて挿入されている。

この場合、ブレード翼５は、２つの部品から成るウェブ７によって形成されている。保持ループ９の領域において、ウェブ７それぞれが、金属コア２０の長手方向においてホルダ２５同士の間に配置されており、さらには、ブレード翼５を取り付けるように、且つ、軸方向において中央のホルダ２５を固定するように機能する。

特定の実施例では、４つ以上のホルダ２５を備えている場合がある。

１ タービンロータ組立体
２ ロータ
３ 軸方向溝
４ タービンブレード
５ ブレード翼
６ ブレード根元部
７ 層状ウェブ
８ 折り曲げ部分
９ 保持ループ
１０ ウェブ端部
１１ ブレード表面
１２ 炭素繊維
１３ （ブレード翼５の）外面
１４ 耐腐食コーティング
２０ 金属コア
２１ （金属コアの）表面
２２ 滑り面
２３ （金属コアの）端部
２４ （金属コアの）端部
２５ ホルダ
２６ （ホルダの）貫通口
２７ （ホルダの）側面
２８ 凹所
３０ フランク部分
３４ 側縁部

Claims (15)

1. タービン又は圧縮機のためのブレード（４）であって、ブレード翼（５）とブレード根元部（６）とを備えている前記ブレード（４）において、
   前記ブレード翼（５）が、折り曲げられた層状の繊維ウェブ（７）であって、繊維強化プラスチックから成る前記繊維ウェブ（７）から実質的に作られており、前記繊維ウェブ（７）が、折り曲げ部分（８）の領域に形成されている保持ループ（９）と、重ねられているウェブ端部（１０）から形成されているブレード表面（１１）とを備えており、
   前記ブレード根元部（６）が、細長いキャリア（２０）と、タービンロータ組立体（１）の対応する溝（３）内に前記ブレード（４）を係止するために位置固定された状態で、前記キャリア（２０）に接続されている少なくとも２つのホルダ（２５）とを備えており、
   前記ブレード翼（５）が、前記保持ループ（９）によって前記キャリア（２０）に取り付けられており、
   前記ホルダ（２５）それぞれが、安定化させるために、少なくとも１つのフランク部分（３０）を介して相互に接続されており、前記フランク部分（３０）が、前記キャリア（２０）に対して実質的に平行に向いていることを特徴とするブレード（４）。
2. 前記ホルダ（２５）それぞれが、前記キャリア（２０）の領域において前記ブレード翼（５）の長手方向の延長線に対して少なくとも実質的に横方向に、且つ、前記ブレード翼（５）の両側において前記ブレード翼（５）を覆って延在していることを特徴とする請求項１に記載のブレード（４）。
3. 前記ブレード（４）が、対応する前記溝（３）内に係止するための第３のホルダ（２５）を少なくとも有しており、
   前記第３のホルダが、前記キャリア（２０）の両端に取り付けられている２つの前記ホルダ（２５）それぞれから離隔した状態で、前記キャリア（２０）の長手方向において前記キャリア（２０）に位置固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のブレード（４）。
4. 前記フランク部分（３０）が、嵌合又は接着によって、前記ホルダ（２５）に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のブレード（４）。
5. 前記ブレード（４）が、前記ホルダ（２５）の２つの領域から成る側縁部（２７）に取り付けられている２つの前記フランク部分（３０）を有しており、
   前記フランク部分（３０）が、前記ブレード翼（５）を覆って延在していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のブレード（４）。
6. 前記キャリア（２０）の断面が、実質的に円状又は略三角状に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のブレード（４）。
7. 前記キャリア（２０）が、金属から作られていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のブレード（４）。
8. 前記キャリア（２０）が、その表面（２１）に滑り層（２２）を備えていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のブレード（４）。
9. 層状の前記繊維ウェブ（７）が、実質的に単方向に形成されており、
   層状の前記繊維ウェブ（７）の主繊維方向が、可能な限り、運転によって発生する遠心力の方向に沿って配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のブレード（４）。
10. 前記ブレード翼（５）が、その表面（１３）に耐腐食コーティング（１４）を少なくとも部分的に備えていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のブレード（４）。
11. 前記繊維強化プラスチックが、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＫ）として形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のブレード（４）。
12. 少なくとも１つの溝（３）がロータ（２）内に形成されている前記ロータ（２）と、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の少なくとも１つのブレード（４）とを備えているロータ組立体（１）において、
    前記ブレード（４）の前記ブレード根元部（６）が、前記溝（３）内に載置されており、
    前記ブレード根元部（６）が、前記ロータ（２）に接続されており、前記溝（３）内に位置固定されていることを特徴とするロータ組立体（１）。
13. 前記ホルダ（２５）及び／又は前記フランク部分（３０）が、前記溝（３）の側面において支持されていることを特徴とする請求項１２に記載のロータ組立体（１）。
14. 前記ホルダ（２５）が、実質的に前記溝内に埋設されていることを特徴とする請求項１２又は１３に記載のロータ組立体（１）。
15. 前記溝（３）と前記ホルダ（２５）との両方が、実質的に台形状に形成されていることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか一項に記載のロータ組立体（４）。

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