JP2013533937A - シュラウド付きのエーロフォイルの中の結晶粒界を低減するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

タービンバケット（１０）は、エーロフォイル（１４）とシュラウド（１６）とを含む。シュラウド（１６）は、第１および第２のベアリング面（３８、４０）を含み、第１および第２のベアリング面（３８、４０）は、単一結晶粒子構造体（４２）をそれぞれ含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、概して、超合金鋳造品から作製されたガスタービンコンポーネントに関する。特に、本発明は、局所的な単一結晶粒子構造体を備えたタービン翼シュラウドおよびそのようなタービン翼シュラウドを製造する方法を説明し、実施可能にする。

タービンは、一般的に、複数段の回転翼を含んでおり、回転翼は、タービンバケットとしても知られ、ロータの周囲に配置されている。それぞれのタービンバケットは、一般的に、ロータに接続されるルート部分、ルート部分から半径方向に延在するエーロフォイル部分、および、タービンバケットの半径方向外側端においてエーロフォイル部分に接続されるシュラウド部分を含んでいる。タービンの中を流れる作動流体は、タービンバケットおよびロータを回転させ、動力を生成する。シュラウド部分のそれぞれの側のベアリング面は、隣接するタービンバケットが半径方向外側端において連結することを可能にする。このタービンバケットの半径方向の連結は、タービンバケットが振動することを防止し、それによって、運転中にタービンバケットに加えられる応力を低減する。

タービンバケットは、溶融金属から鋳造されることが多く、一方向に凝固したタービンバケット鋳造品がよく使用され、タービンバケットの効率および性能を、従来鋳造品によって以前から利用可能なものを超えて改善している。一方向凝固鋳造において、タービンバケットのルート部分、エーロフォイル部分、およびシュラウド部分のための空洞を有する、垂直方向に配向されたタービンバケットの鋳型に、溶融金属が供給される。冷却プレートが、鋳型の下端部、例えば、鋳型のルート部分に隣接して配置され、急速に熱を除去し、鋳型に沿って垂直方向の温度勾配を生じさせる。垂直方向の温度勾配は、ルート部分から、エーロフォイル部分を通して、シュラウド部分において終端する、冷却プレートに垂直な一方向に凝固した結晶粒子の成長を促進する。しかし、鋳型の形状の中の角度、湾曲、くぼみ、および他の変化は、結晶粒子の成長の方向を変化させ、結果として、溶融金属が冷却されるにつれて、複数の方向に凝固した結晶粒子の成長が生じる。複数の方向に凝固した結晶粒子は、鋳型の垂直方向の最も高い部分、例えば、タービンバケットのシュラウド部分に集中する。複数の方向に凝固した結晶粒子が集中することにより、結果として、タービンバケットのシュラウド部分の中に複数の結晶粒界が生じる。

米国特許出願公開第２０１０／０７１８１２号明細書

タービンバケットのシュラウド部分の中の複数の結晶粒界は、高い界面エネルギー、比較的弱い結合、および破壊経路の発生し易さによって特徴付けられる。結果として、シュラウド部分は、腐食、クリープ、疲労破壊、亀裂、および他の破壊メカニズムのより早期の発生に、より影響され易くなる可能性がある。これは、通常運転時に追加的な応力および疲労サイクルを経験するシュラウド部分のベアリング面に、特に関係する可能性がある。したがって、タービンバケットのシュラウド部分の中の結晶粒界を低減するシステムおよび方法が、有用であり得る。

本発明の態様および利点は、次に続く明細書の中で以下に記載されるか、または、明細書から明らかであり得るか、または、本発明の実施を通して理解され得る。

本発明の一実施形態は、タービンバケットである。タービンバケットは、エーロフォイルと、エーロフォイルの一端部にシュラウドとを含む。シュラウドは、第１のベアリング面および第２のベアリング面を含み、第１および第２のベアリング面は、単一結晶粒子構造体をそれぞれ含む。

本発明の別の実施形態は、一方向に凝固したタービンバケットを鋳造するためのシステムである。システムは、鋳型を含んでおり、鋳型は、第１の端部において、タービンバケットのシャンクを画定する第１の部分と、タービンバケットのエーロフォイルを画定する、第１の部分に接続された第２の部分と、第２の端部において、タービンバケットのシュラウドを画定する、第２の部分に接続された第３の部分とを有する。第３の部分は、第１の側部および第２の側部を含み、単結晶セレクターが、第３の部分の第１の側部または第２の側部のうちの少なくとも１つに接続されている。

本発明のさらなる実施形態は、一方向に凝固したタービンバケットを形成する方法である。本方法は、鋳型を垂直方向に配向させるステップであって、鋳型は、タービンバケットのシャンクを画定する第１の部分と、タービンバケットのエーロフォイルを画定する、第１の部分に接続された第２の部分と、タービンバケットのシュラウドを画定する、第２の部分に接続された第３の部分とを含み、第３の部分は、第１の側部および第２の側部を含み、第１の部分が、第２の部分よりも高くなっており、第２の部分が、第３の部分よりも高くなっている、ステップを含む。本方法は、さらに、溶融金属を鋳型の中に流し込むステップと、第３の部分の第１の側部または第２の側部のうちの少なくとも１つの中に大きな単一結晶粒子を選択的に成長させるステップとを含む。

当業者は、本明細書を検討すれば、そのような実施形態および他の実施形態の特徴および態様をより良く理解するであろう。

本発明の完全かつ実施可能な開示（当業者にとって、その最良の形態を含む）が、添付の図面を参照することも含めて、本明細書の残りの部分に、より具体的に記載される。

本発明の一実施形態によるタービンバケットの側面図である。 図１に示されているタービンバケットの上部平面図である。 本発明の一実施形態によって構成された隣接するタービンバケットの上部平面図である。 本発明の一実施形態による一方向に凝固したタービンバケットを鋳造するためのシステムを示す図である。

ここで、本発明の本実施形態が詳細に参照され、その１つまたは複数の例は、添付の図面の中に示されている。詳細な説明では、図面の中の特徴を参照するために、数字記号および文字記号を使用している。図面および明細書の中の類似または同様の記号は、本発明の類似または同様の部分を参照するために使用されている。

それぞれの例は、本発明を説明する目的で提供されており、本発明を限定するものではない。実際、本発明の範囲または趣旨から逸脱することなく、本発明の中で、修正例および変形例を作製することが可能であるということが、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として図示または説明された特徴は、別の実施形態において、さらなる実施形態を生み出すために使用され得る。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内に入るものとして、そのような修正例および変形例をカバーすることが意図されている。

図１は、本発明の一実施形態によるタービンバケット１０の側面図を提供している。示されているように、タービンバケット１０は、概して、シャンク１２、エーロフォイル１４、およびシュラウド１６を含んでいる。シャンク１２は、タービンバケット１０をロータ（図示せず）へ接続するためのダブテール１８または他の形状を含むことが可能である。シャンク１２は、燃焼ガスの流れがタービンバケット１０をバイパスすることを制限するために、シャンク１２から延在する１つまたは複数のエンジェルウィング２０をさらに含むことが可能である。シャンク１２は、エーロフォイル１４のルート部２２において、エーロフォイル１４に接続されている。当分野では既知のように、エーロフォイル１４は、前縁２４および後縁２６を有している。概して凹面の圧力表面、および概して凸面の吸引表面２８が、エーロフォイル１４の両側の前縁２４と後縁２６との間に延在している。シュラウド１６は、エーロフォイル１４の半径方向外側端においてエーロフォイル１４に接続されている。

図２は、シュラウド１６の具体的な態様および特徴をより明確に示すために、図１に示されているタービンバケット１０の上部平面図を示している。エーロフォイル１４の輪郭が、位置確認できるように点線で示されている。シュラウド１６は、概して、シールレールまたはバッフル３０、およびシュラウド表面３２を含んでいる。シールレールまたはバッフル３０は、概して、タービンバケット１０の幅にわたって延在している。結果として、バッフル３０は、タービンバケット１０とケーシングまたはシェル（図示せず）との間のシールを形成し、燃焼ガスの流れがタービンバケット１０をバイパスすることを制限している。バッフル３０とシュラウド表面３２との間の応力を低減するために、バッフル３０の基部は、バッフル３０をシュラウド表面３２に接続するためのフィレット３４または凹面湾曲部を含むことが可能である。

図２に示されているように、シュラウド表面３２は、概して、複数の結晶粒子構造体を含んでおり、関連する複数の結晶粒界３６はタービンバケット１０の鋳造から生成される。しかし、シュラウド表面３２の両端の第１および第２のベアリング面３８、４０は、シュラウド表面３２の残りの部分に存在する複数の結晶粒界３６とは異なり、それぞれ単一結晶粒子構造体４２を含んでいる。第１および第２のベアリング面３８、４０は、タービンバケット１０の深さにわたって、またはその一部分にわたって延在することが可能であり、図２に示されているように、ｚ形ノッチ４４を含むことが可能であるが、本発明は、特許請求の範囲の中で具体的に記載されていなければ、第１および第２のベアリング面３８、４０について任意の特定の深さまたは形状に限定されない。第１および第２のベアリング面３８、４０の単一結晶粒子構造体４２は、０．２５インチ（０．６３５センチメートル）、０．５インチ（１．２７センチメートル）、１インチ（２．５４センチメートル）、またはそれ以上の厚さまたは幅を有することが可能である。そのベアリング面３８、４０に存在する単一結晶粒子構造体４２により、ベアリング面３８、４０における破壊に対する抵抗力が強化される。

図３に示されているように、第１および第２のベアリング面３８、４０は、隣接するタービンバケット１０の第２および第１のベアリング面４０、３８と係合する。隣接するタービンバケット１０の間の係合によって、隣接するタービンバケット１０が、半径方向外側端において連結され、タービンバケット１０が振動することを低減または防止し、それによって、運転中にタービンバケット１０に加えられる応力を低減することが可能になる。第１および第２のベアリング面３８、４０の単一結晶粒子構造体４２は、隣接するタービンバケット１０が互いに係合するまさにその領域において、タービンバケット１０の摩耗抵抗力および亀裂抵抗力を改善することが可能である。結果として、シュラウド１６の点検の間隔および／または平均寿命が、延長され得、それによって停止時間および／またはメンテナンス費用が低減される。

図４は、前に説明され図１〜図３に示された、一方向に凝固したタービンバケット１０を鋳造するためのシステム５０の実施形態を示している。示されているように、システム５０は、概して、鋳型５２および冷却プレート５４を含んでいる。鋳型５２は、概して、第１の部分５６、第２の部分５８、および第３の部分６０を含んでおり、それらは、タービンバケット１０のシャンク１２、エーロフォイル１４、およびシュラウド１６をそれぞれ画定する。第１の部分５６は、鋳型５２の第１の端部６２において、鋳型５２の中央の第２の部分５８に接続され、さらには、第２の部分５８は、鋳型５２の第２の端部６４において、第３の部分６０に接続されている。図４に示されているように、鋳型は、概して、垂直方向に配向されており、第１の部分５６が、第２の部分５８よりも高くなっており、第２の部分５８が、第３の部分６０よりも高くなっている。急速に熱を除去し、鋳型５２に沿って垂直方向の温度勾配を生じさせるために、冷却プレート５４は、典型的に、第３の部分６０に近接して配置されている。垂直方向の温度勾配は、第３の部分６０から、第２の部分５８を通して、第１の部分５６において終端する、冷却プレート５４に垂直な一方向に凝固した結晶粒子の成長を促進する。

鋳型５２の第３の部分６０は、第１の側部６６および第２の側部６８を含んでおり、それらは、概して、シュラウド１６の第１および第２のベアリング面３８、４０の位置に対応する。単結晶セレクター７０が、第３の部分６０の第１の側部６６または第２の側部６８のうちの少なくとも１つに接続されている。特定の実施形態では、単結晶セレクター７０は、第３の部分６０の第１の側部６６および第２の側部６８の両方に接続され得る。単結晶構造体を成長させるための様々な単結晶セレクターが、当技術分野において知られている。例えば、単結晶セレクター７０は、温度勾配にさらされた溶融材料の垂直方向または水平方向のるつぼを含み、ブリッジマン法と称される技法を使用して種晶から単結晶構造体を生成することが可能である。単結晶構造体を成長させるための当技術分野において知られている他の技法には、電子ビーム浮遊帯域法、ＲＦ浮遊帯域法、エピタキシャル成長法、および浮揚溶解法が含まれる。

図４に示されているように、単結晶セレクター７０は、らせん部７４などのような管状通路に接続されたスターターチャンバ７２を含むことが可能である。柱状結晶が管状通路の中に成長することを可能にするために、スターターチャンバ７２は、冷却プレート５４から間隔を空けて配置されるべきである。管状通路は、スターターチャンバ７２と、第３の部分６０の第１および／または第２の側部６６、６８との間に通路を形成する。したがって、管状通路は、スターターチャンバ７２から連続的な上り坂の傾斜を設け、第３の部分６０の第１および／または第２の側部６６、６８まで延びることが望まれる結晶粒子を除いた全てを取り除くのに十分な方向の変化を含むべきである。このようにして、単結晶セレクター７０は、スターターチャンバ７２かららせん部７４を通って鋳型５２の第３の部分６０への単結晶の柱状の成長を促進し、結果として、図２および図３を参照して前に説明および示された単一結晶粒子構造体４２が生じる。

図４に図示されているシステムは、図１〜図３を参照して前に説明および示されたタービンバケット１０などのような、一方向に凝固したタービンバケットを形成する方法を提供することが可能である。図４に示されているように、鋳型は、概して、垂直方向に配向されており、第１の部分５６が、第２の部分５８よりも高くなっており、第２の部分５８が、第３の部分６０よりも高くなっている。溶融金属が、鋳型５２の中に流れ込むことが可能であり、単結晶セレクター７０は、第３の部分６０の第１の側部６６または第２の側部６８のうちの少なくとも１つの中に大きな単一結晶粒子を選択的に成長させるために使用され得る。特定の実施形態では、単結晶セレクター７０は、第３の部分６０の第１の側部６６および第２の側部６８の両方の中に大きな単一結晶粒子を選択的に成長させるために使用され得る。

本明細書は、本発明を開示するために、また、任意の当業者が本発明を実施（任意のデバイスまたはシステムを製造および使用すること、ならびに任意の組み込まれた方法を実行することを含む）することができるように、例（最良の形態を含む）を使用している。本発明の特許の範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が考え付く他の例を含むことが可能である。そのような他の例が、特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を含んでいる場合には、または、特許請求の範囲の文言とわずかに異なる、均等な構造的要素を含んでいる場合には、そのような他の例は、特許請求の範囲内に含まれるということが意図されている。

１０ タービンバケット
１２ シャンク
１４ エーロフォイル
１６ シュラウド
１８ ダブテール
２０ エンジェルウィング
２２ ルート部
２４ 前縁
２６ 後縁
２８ 吸引表面
３０ バッフル
３２ シュラウド表面
３４ フィレット
３６ 結晶粒界
３８ 第１のベアリング面
４０ 第２のベアリング面
４２ 単一結晶粒子構造体
４４ ｚ形ノッチ
５０ システム
５２ 鋳型
５４ 冷却プレート
５６ 第１の部分
５８ 第２の部分
６０ 第３の部分
６２ 第１の端部
６４ 第２の端部
６６ 第１の側部
６８ 第２の側部
７０ 単結晶セレクター
７２ スターターチャンバ
７４ らせん部

Claims (20)

1. エーロフォイルと、
   前記エーロフォイルの一端部にシュラウドと
   を含み、前記シュラウドは、第１のベアリング面および第２のベアリング面を含み、前記第１および第２のベアリング面は、単一結晶粒子構造体をそれぞれ含む、
   タービンバケット。
2. 前記第１のベアリング面が、タービンバケットの寸法にわたって延在している、請求項１記載のタービンバケット。
3. 前記第１のベアリング面が、ｚ形ノッチを含む、請求項１記載のタービンバケット。
4. 前記第１のベアリング面が、前記第２のベアリング面と対向する、請求項１記載のタービンバケット。
5. 前記第１のベアリング面と前記第２のベアリング面との間に延在するバッフルをさらに含む、請求項１記載のタービンバケット。
6. 前記第１のベアリング面と前記第２のベアリング面との間のシュラウド表面をさらに含む、請求項１記載のタービンバケット。
7. 前記シュラウド表面が、複数の結晶粒界を含む、請求項６記載のタービンバケット。
8. バッフルと、前記バッフルを前記シュラウド表面に接続するフィレットとをさらに含む、請求項６記載のタービンバケット。
9. 前記単一結晶粒子構造体が、少なくとも０．５インチ（１．２７センチメートル）の幅を有する、請求項１記載のタービンバケット。
10. 前記単一結晶粒子構造体が、少なくとも１インチ（２．５４センチメートル）の幅を有する、請求項１記載のタービンバケット。
11. 一方向に凝固したタービンバケットを鋳造するためのシステムであって、
    鋳型であって、第１の端部において、前記タービンバケットのシャンクを画定する第１の部分と、前記タービンバケットのエーロフォイルを画定する、前記第１の部分に接続された第２の部分と、第２の端部において、前記タービンバケットのシュラウドを画定する、前記第２の部分に接続された第３の部分とを含み、前記第３の部分は、第１の側部および第２の側部を含む、鋳型、ならびに
    前記第３の部分の前記第１の側部または前記第２の側部のうちの少なくとも１つに接続された単結晶セレクター
    を含む、一方向に凝固したタービンバケットを鋳造するためのシステム。
12. 前記第３の部分に近接する冷却プレートをさらに含む、請求項１１記載の一方向に凝固したタービンバケットを鋳造するためのシステム。
13. 前記第３の部分の前記第１の側部および前記第２の側部の両方に接続された単結晶セレクターをさらに含む、請求項１１記載の一方向に凝固したタービンバケットを鋳造するためのシステム。
14. 前記単結晶セレクターが、らせん部に接続されたスターターチャンバを含む、請求項１１記載の一方向に凝固したタービンバケットを鋳造するためのシステム。
15. 前記鋳型が、実質的に垂直方向に配向されている、請求項１１記載の一方向に凝固したタービンバケットを鋳造するためのシステム。
16. 前記鋳型が、実質的に垂直方向に配向されており、前記第１の部分が、前記第２の部分よりも高くなっており、前記第２の部分が、前記第３の部分よりも高くなっている、請求項１１記載の一方向に凝固したタービンバケットを鋳造するためのシステム。
17. 一方向に凝固したタービンバケットを形成する方法であって、
    鋳型を垂直方向に配向させるステップであって、前記鋳型は、前記タービンバケットのシャンクを画定する第１の部分と、前記タービンバケットのエーロフォイルを画定する、前記第１の部分に接続された第２の部分と、前記タービンバケットのシュラウドを画定する、前記第２の部分に接続された第３の部分とを含み、前記第３の部分は、第１の側部および第２の側部を含み、前記第１の部分が、前記第２の部分よりも高くなっており、前記第２の部分が、前記第３の部分よりも高くなっている、ステップと、
    溶融金属を前記鋳型の中に流し込むステップと、
    前記第３の部分の前記第１の側部または前記第２の側部のうちの少なくとも１つの中に大きな単一結晶粒子を選択的に成長させるステップと
    を含む、方法。
18. 前記第３の部分の前記第１の側部および前記第２の側部の両方の中に大きな単一結晶粒子を選択的に成長させるステップをさらに含む、請求項１７記載の一方向に凝固したタービンバケットを形成する方法。
19. 前記第３の部分から熱を除去するステップをさらに含む、請求項１７記載の一方向に凝固したタービンバケットを形成する方法。
20. 前記第３の部分の前記第１の側部および前記第２の側部から熱を除去するステップをさらに含む、請求項１７記載の一方向に凝固したタービンバケットを形成する方法。

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