JP2014062544A - ターボ機械ブレード先端インサート - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械の回転部品であるブレードとブレードを囲む固定構造部品との摩擦および／または摩耗を回避するための改善されたブレード構造を提供する。
【解決手段】ターボ機械ブレード２２，２８の先端部のシュラウドに設けられたポケット内に保持されるように構成された保持部分と、ターボ機械ブレードを囲む固定構造部品との動的シールを形成するように構成された露出部分とを有する先端シュラウド・インサートを含むシステム。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示する主題は、ターボ機械に関し、より詳細には、ターボ機械ブレードに対する先端の改善に関する。

ターボ機械には、圧縮機とタービン（たとえばガス・タービン、蒸気タービン、および水力タービン）とが備わっている。一般的に、ターボ機械には、ロータ（シャフトまたはドラムの場合がある）が備わっており、ロータにはターボ機械ブレードが取り付けられている。ある特定のターボ機械ブレードには、構造および／または性能要求を満足する先端シュラウドが備わっている場合がある。たとえば、ターボ機械ブレードの先端シュラウドによって、ターボ機械ブレードの圧力側（たとえば、凹面）から吸引側（たとえば、凸面）への漏れまたは横断流が減る場合がある。しかし、先端シュラウドは、ターボ機械ブレードを囲む固定構造部品（たとえば、固定または静止シュラウド）との摩擦および／または摩耗にさらされる場合がある。

固定構造部品との摩擦および／または摩耗を回避するために、間隔または隙間を従来の先端シュラウドと固定構造部品との間に形成する場合があり、その結果、間隔のサイズを増加させるにつれてターボ機械の効率が減少する可能性がある。

当初に請求される発明と範囲において対応する特定の実施形態を以下にまとめる。これらの実施形態は、請求される発明の範囲を限定することは意図されておらず、むしろこれらの実施形態は、本発明の可能な形態の簡単な概要を与えることのみが意図されている。実際には、本発明は、以下に述べる実施形態と同様の場合もあるし異なる場合もある種々の形態を包含する場合がある。

第１の実施形態では、システムが、先端シュラウド・インサートを備え、先端シュラウド・インサートは、ターボ機械ブレードのポケット内に保持されるように構成された保持部分と、ターボ機械ブレードを囲む固定構造部品との動的シールを形成するように構成された露出部分と、を有している。

第２の実施形態では、システムが、ターボ機械ブレードの半径方向端部に形成されたポケットを有するターボ機械ブレードを備えている。システムはさらに、ポケット内に配置された保持部分と、保持部分に結合された露出部分とを有する先端シュラウド・インサートを備え、露出部分は、ターボ機械ブレードの半径方向端部から半径方向外側に延びている。

第３の実施形態では、システムは、ターボ機械を備え、ターボ機械は、ターボ機械ブレードと、ターボ機械ブレードのポケット内に配置された取り外し可能な先端シュラウド・インサートとを有し、ポケットは、ターボ機械ブレードの半径方向端部に形成され、取り外し可能な先端シュラウド・インサートは、ターボ機械ブレードとターボ機械の固定構造部品との間に動的シールを形成するように構成されている。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および優位性は、以下の詳細な説明を添付図面を参照して読むことでより良好に理解される。なお図面の全体に渡って同様の文字は同様の部品を表わしている。

先端シュラウド・インサートを伴うブレードを有するガス・タービン・システムの実施形態の概略的なブロック図である。 本開示の実施形態により、先端シュラウド・インサートを伴うターボ機械ブレードを有するターボ機械（たとえば、タービン）の図１のライン２−２内での部分側面図である。 先端シュラウド・インサートを伴うターボ機械ブレードの実施形態の部分斜視図である。 先端シュラウド・インサートを伴うターボ機械ブレードの実施形態の部分斜視図である。

以下、本発明の１または複数の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態についての説明を簡潔に行なうために、本明細書では実際の実施のすべての特徴については説明しない場合がある。当然のことながら、任意のこのような実際の実施を起こす際には、任意のエンジニアリングまたはデザイン・プロジェクトの場合と同様に、開発者の具体的な目標（たとえばシステム関連およびビジネス関連の制約に適合すること）を実現するために、実施に固有の多くの決定を行なわなければならない。具体的な目標は実施ごとに違う場合がある。また当然のことながら、このような開発努力は、複雑で時間のかかる場合があるが、それでも、本開示の利益を受ける当業者にとってはデザイン、作製、および製造の日常的な取り組みであろう。

本発明の種々の実施形態の要素を導入するとき、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、および「前記」は、要素の１つまたは複数が存在することを意味することが意図されている。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包含的であることが意図されており、列記した要素以外のさらなる要素が存在する場合があることを意味している。

開示された実施形態には、ターボ機械ブレードに対する改善された先端シュラウドが含まれている。より具体的には、後述する先端シュラウドは、ターボ機械ブレードの半径方向端部に形成されたポケットまたは凹部内に少なくとも部分的に挿入されていても良い先端シュラウド・インサートを備えている。すなわち、先端シュラウド・インサートは、ターボ機械ブレードから独立しており、ターボ機械ブレードの材料特性を著しく変更することなく交換または修復することができる。その結果、先端シュラウド・インサートとターボ機械ブレードとを異なる材料から形成しても良い。ある実施形態では、先端シュラウド・インサートを、摩耗性材料または他の材料であって、固定構造部品との接触に耐えるかもしくは吸収する場合がある材料から形成しても良い。こうして、どんな接触も、より低い摩擦で生じる場合があり、および／または他の部品ではなくインサートを摩耗させる場合がある。さらに加えて、ターボ機械ブレードを、セラミックス、複合物、ポリマーなどの材料、または先端もしくは合成材料特性を有する材料から形成しても良い。後述するように、先端シュラウド・インサートを、ターボ機械ブレードの吸引側と圧力側とに渡る動的シールを維持および提供するように構成しても良い。たとえば、先端シュラウド・インサートによって、ターボ機械ブレードとターボ機械ブレードを囲む固定構造部品（たとえばシュラウド）との間の接触（またはよりきつい隙間）点がもたらされる結果、ターボ機械ブレードの吸引側と圧力側との間にシールが設けられても良い。このように、ターボ機械ブレードと固定構造部品との間の不要な接触が妨げられるかまたは回避される結果、ターボ機械ブレードの損傷または劣化が減少する場合がある。開示した改善された先端シュラウドは種々のターボ機械（たとえば、タービンおよび圧縮機）のターボ機械ブレードとともに用いても良いが、以下の説明では、タービン（たとえばガス・タービンまたは蒸気タービン）に関連する改善された先端シュラウドについて説明する。しかし、以下の説明では開示した改善された先端シュラウドの応用例をタービンに限定することは意図されていないことに留意することは重要である。

次に図面を参照して、図１は、改善された先端シュラウド（たとえば、先端シュラウド・インサート）を伴うタービン・ブレード２２を有するガス・タービン・システム１０の実施形態の概略的なブロック図である。ガス・タービン・システム１０は、圧縮機１２と、燃料ノズル１６を有する燃焼器１４と、タービン１８とを備えている。燃料ノズル１６から液体燃料および／または気体燃料（たとえば天然ガスまたはシンガス）が燃焼器１４内に送られる。燃焼器１４は、燃料空気混合気を点火して燃焼させた後に、高温加圧燃焼ガス２０（たとえば、排気）をタービン１８内に送る。タービン・ブレード２２は、ロータ２４に結合されている。ロータ２４はまた、例示したように、ガス・タービン・システム１０の全体に渡る複数の他の構成部品に結合されている。燃焼ガス２０がタービン１８内のタービン・ブレード２２を通ると、タービン１８が強制的に回転させられ、その結果、ロータ２４が回転軸２５に沿って回転する。最終的には、燃焼ガス２０はタービン１８を排気口２６を介して出る。

例示した実施形態では、圧縮機１２は圧縮機ブレード２８を備えている。また圧縮機１２内の圧縮機ブレード２８は、ロータ２４に結合されていて、前述したように、ロータ２４がタービン１８によって強制的に回転させられると回転する。開示した改善された先端シュラウドはまた、圧縮機ブレード２８とともに用いても良いことに留意することは重要である。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によって空気取り入れ口からの空気が圧縮されて加圧空気３０になり、加圧空気３０は、燃焼器１４、燃料ノズル１６、およびガス・タービン・システム１０の他の部分に送られる。燃料ノズル１６は次に、加圧空気と燃料とを混合して好適な燃料空気混合気を生成する。燃料空気混合気は、燃焼器１４内で燃焼して燃焼ガス２０を発生させ、タービン１８を駆動する。さらに、ロータ２４は負荷３１に結合されていても良い。負荷３１は、ロータ２４の回転を介してパワー供給されても良い。たとえば、負荷３１は、ガス・タービン・システム１０の回転出力を介してパワーを発生させ得る任意の好適な装置（たとえば発電所または外部の機械的負荷）であっても良い。たとえば、負荷３１としては、発電機、プロペラ飛行機などを挙げても良い。以下の説明では、タービン１８の種々の方向、たとえば軸方向または軸３２、半径方向または軸３４、および周方向または軸３６に言及する場合がある。

図２は、タービン１８の部分側面図（図１のライン２−２内）であり、先端シュラウド５０を有するタービン・ブレード２２（たとえば、翼）を例示している。理解されるように、先端シュラウド５０は、タービン・ブレード２２の半径方向端部５２と固定構造部品５４との間の翼端漏れを妨げる働きをする場合がある。たとえば、固定構造部品５４は、タービン・ケーシング、ハウジング、シュラウドなどであっても良い。言い換えれば、先端シュラウド５０は、タービン１８内の流体流れ５６（たとえば、燃焼器１４からの燃焼ガス２０の流体流れ５６）が、タービン・ブレード２２の半径方向端部５２と固定構造部品５４との間の隙間６２を通ってタービン・ブレード２２の圧力側５８から吸引側６０へ進むことを妨げるのに役立つ場合がある。先端シュラウド５０はまた、ラビリンス・シール６４を備えていても良い。ラビリンス・シール６４は、流体流れ５６が圧力側５８から吸引側６０に隙間６２を通って進むことをさらに妨げる。

例示した実施形態では、先端シュラウド５０は、先端シュラウド・インサート６６を備えている。先端シュラウド・インサート６６は、半径方向３４に固定構造部品５４に向かって延びている。より具体的には、先端シュラウド・インサート６６は、タービン・ブレード２２の半径方向端部５２に形成されたポケット６８内に挿入されている。すなわち、先端シュラウド・インサート６６は、ポケット６８内に保持されて、タービン・ブレード２２の半径方向端部５２から半径方向３４外側に固定構造部品５４に向かって延びている。以下に詳細に説明するように、先端シュラウド・インサート６６は、タービン・ブレード２２のポケット６８内に種々の仕方で保持しても良い。たとえば、先端シュラウド・インサート６６をポケット６８内に保持することを、粘着剤、機械的留め具（たとえば、ボルト）、摩擦嵌合、締まり嵌め、溶接もしくはろう付け、蟻継手、スナップ・フィット結合、ロック・ピン、他の保持メカニズム、またはそれらの任意の組み合わせによって行なっても良い。

さらに加えて、先端シュラウド・インサート６６を種々の材料（たとえば摩耗性材料）で形成しても良い。理解されるように、摩耗性材料を、タービン・ブレード２２が固定構造部品５４内で回転する（たとえば、シャフト２５の周りを回転する）ときに、固定構造部品５４との接触を持ちこたえるか、耐えるか、または吸収するように構成しても良い。前述したように、先端シュラウド・インサート６６は、タービン・ブレード２２と固定構造部品５４との間の接触点であっても良く、タービン・ブレード２２の圧力側５８と吸引側６０とに渡るシールを維持しても良い。このように、タービン・ブレード２２と固定構造部品５４との間の直接接触を低減することによって、タービン・ブレード２２に対する局所的な摩擦損傷および劣化を減らしても良い。理解されるように、タービン・ブレード２２と固定構造部品５４との間の接触が減ることによって、本来はタービン１８の動作中に固定構造部品５４との接触によって劣化または損傷を受ける場合がある合成および／または複合材料を使用することが可能になる。

後述するように、先端シュラウド・インサート６６の形状は変えても良い。たとえば、例示した実施形態では、先端シュラウド・インサート６６は、タービン・ブレード２２の外面７０から横方向にタービン・ブレード２２の周囲に延びている。しかし、他の実施形態では、先端シュラウド・インサート６６は単に、タービン・ブレード２２の半径方向端部５２から半径方向３４外側に延びていても良い。さらに、後述するように、先端シュラウド・インサート６６は、形状に他の変化があっても良い。

図３は、先端シュラウド・インサート６６を伴うタービン・ブレード２２の部分斜視図である。前述したように、先端シュラウド・インサート６６は、タービン・ブレード２２の半径方向端部５２に形成されたポケット６８内に挿入され、先端シュラウド・インサート６６は、タービン・ブレード２２の半径方向端部５２から半径方向３４外側に延びている。言い換えれば、先端シュラウド・インサート６６は、保持部分（たとえば、ブレード取り付け部分）８０と露出部分（たとえば、動的シール部分）８２とを備えている。理解されるように、保持部分８０はタービン・ブレード２２のポケット６８内に保持され、露出部分８２は半径方向端部５２から固定構造部品５４に向かって延びている。また露出部分８２は、横方向に、タービン・ブレード２２の外面７０の方におよび／またはそれを越えて延びていても良い。

前述したように、先端シュラウド・インサート６６を、ポケット６８内に種々の方法を用いて保持しても良い。たとえば、保持部分８０をポケット６８内に保持することを、粘着剤（たとえば、接着剤）、機械的留め具（たとえば、ボルト）、摩擦嵌合、締まり嵌め、溶接部もしくはろう付け、蟻継手、スナップ・フィット結合、ロック・ピン、他の保持メカニズム、または任意の好適なそれらの組み合わせによって行なっても良い。たとえば、例示した実施形態にはボルト８１が含まれており、ボルト８１を、先端シュラウド・インサート６６およびタービン・ブレード２２内に形成された開口部８３内に固定することによって、先端シュラウド・インサート６６の保持部分８０をタービン・ブレード２２内に固定しても良い。

さらに、先端シュラウド・インサート６６を種々の材料から形成しても良い。たとえば、先端シュラウド・インサート６６を、単一の材料から形成しても良いし、または複数の材料から形成しても良い。ある実施形態では、保持部分８０を第１の材料から形成しても良く、露出部分８２を第２の材料から形成しても良い。前述したように、先端シュラウド・インサート６６を作るために用いられる材料は、摩耗性材料または他の材料であって、タービン・ブレード２２を囲む固定構造部品５４との接触を持ちこたえるか、耐えるか、もしくは吸収するように構成された材料であっても良い。先端シュラウド・インサート６６を作るために用いても良い典型的な材料としては、グラファイト、ケブラ（Ｋｅｖｌａｒ）、酸化アルミニウム、タングステン、チタン、セラミックス、または他の好適な材料が挙げられる。

先端シュラウド・インサート６６は、タービン・ブレード２２と固定構造部品５４との間の接触点（または小隙間点）として機能する。このように、先端シュラウド・インサート６６は、タービン・ブレード２２と固定構造部品５４との間に動的シールを形成するのに役立つため、タービン・ブレード２２の半径方向端部５２と固定構造部品５４との間の隙間６２を通ってタービン・ブレード２２の圧力側５８から吸引側６０へ流れ漏出が生じることが減る。異なる実施形態において、先端シュラウド・インサート６６のサイズは変わっても良い。たとえば、先端シュラウド・インサート６６は、タービン・ブレード２２の翼弦（chord）８４の全長に沿って延びていても良いし、または翼弦８４の部分長に沿って延びていても良い。さらに加えて、先端シュラウド・インサート６６には種々の幅があっても良い。ある実施形態では、先端シュラウド・インサート６６は、タービン・ブレード２２の翼弦８４に沿って中心に配置されていても良いが、他の実施形態では、先端シュラウド・インサート６６はずれていても良い（たとえば、タービン・ブレード２２の圧力側５８または吸引側６０の方へおよび／または前縁または後縁の方へ）。

さらに、先端シュラウド・インサート６６は、タービン・ブレード２２と固定構造部品５４との間の接触点として機能するため、タービン・ブレード２２と固定構造部品５４との間の直接接触は、妨げられるかまたは回避される場合がある。言い換えれば、先端シュラウド・インサート６６に対する損傷または磨耗は、タービン・ブレード２２の材料には伝わらない。その結果として、タービン・ブレード２２を、本来は固定構造部品５４との接触によって損傷を受けるであろう合成および／または複合材料（たとえば、ポリマーまたはセラミック・ベースの複合物）から形成しても良い。たとえば、タービン・ブレード２２を、マトリックス材料とマトリックス材料の全体に渡って分散された繊維材料とを有する複合材料から形成しても良い。理解されるように、このようなタービン・ブレード２２を、複合材料の複数の層または積層物によって形成しても良い。代替的に、タービン・ブレード２２を金属によって、鋳造または放電加工処理を用いて形成しても良い。さらに加えて、ある実施形態では、タービン・ブレード２２は、そうでなければ固定構造部品５４との直接接触によって腐食されるか、摩耗されるか、またはすり減らされる場合がある表面処理またはコーティング８６（たとえば耐環境コーティング）を有していても良い。たとえば、表面コーティング８６は、酸化ケイ素、希土類元素（たとえば、イッテルビウム）、酸素もしくは水素阻害剤、または他のコーティングであっても良い。

前述したように、先端シュラウド・インサート６６を、必要に応じて取り外しおよび／または交換しても良い。たとえば、先端シュラウド・インサート６６を、タービン１８の寿命または運転の全体に渡って周期的な間隔で交換しても良い。さらに加えて、先端シュラウド・インサート６６を、閾値の磨耗または劣化を受けた後に交換しても良い。理解されるように、先端シュラウド・インサート６６の交換は、タービン・ブレード２２の交換よりも、複雑さおよび費用がかなり軽減される場合がある。

図４は、先端シュラウド・インサート６６を伴うタービン・ブレード２２の部分斜視図である。具体的には、先端シュラウド・インサート６６の例示した実施形態は２つの保持部分８０を備えている。したがって、タービン・ブレード２２の半径方向端部５２は２つのポケット６８を有し、各ポケット６８は、先端シュラウド・インサート６６の１つの保持部分８０を受け入れるように構成されている。しかし、先端シュラウド・インサート６６およびタービン・ブレード２２の他の実施形態では、他の数の保持部分８０および対応するポケット６８を備えていても良い。

以上、詳細に説明したように、開示した実施形態は、ターボ機械ブレード・先端シュラウド５０の改善に向けられている。より具体的には、前述した先端シュラウド５０の実施形態には、先端シュラウド・インサート６６が含まれていても良い。先端シュラウド・インサート６６は、タービン・ブレード２２の半径方向端部５２に形成されたポケット６８内に保持されている。先端シュラウド・インサート６６は、タービン・ブレード２２とタービン・ブレード２２を囲む固定構造部品５４（たとえば、シュラウド）との間の接触点として機能して、タービン・ブレード２２と固定構造部品５４との間に動的シールを形成する。このように、タービン・ブレード２２と固定構造部品５４との間の直接接触が、タービン１８の動作中（たとえば、タービン・ブレード２２の回転中）に回避される場合がある。したがって、タービン・ブレード２２を、本来は固定構造部品５４との直接接触によって損傷を受けるかまたは劣化するであろう材料から形成しても良く、一方で、先端シュラウド・インサート６６を、固定構造部品５４との直接接触を持ちこたえるか、耐えるか、または吸収するように構成された摩耗性材料から形成しても良い。

この書面の説明では、実施例を用いて、本発明を、ベスト・モードも含めて開示するとともに、どんな当業者も本発明を実施できるように、たとえば任意の装置またはシステムを作りおよび用いること、ならびに取り入れた任意の方法を実行することができるようにしている。本発明の特許可能な範囲は、請求項によって規定されており、当業者に想起される他の例を含んでいても良い。このような他の実施例は、請求項の文字通りの言葉使いと違わない構造要素を有する場合、または請求項の文字通りの言葉使いとの違いが非実質的である均等な構造要素を含む場合には、請求項の範囲内であることが意図されている。

Claims (20)

1. 先端シュラウド・インサートを備え、
   前記先端シュラウド・インサートは、
   ターボ機械ブレードのポケット内に保持されるように構成されたブレード取り付け部分と、
   前記ターボ機械ブレードを囲む固定構造部品との動的シールを形成するように構成された動的シール部分と、を備えるシステム。
2. 前記ブレード取り付け部分は、前記ポケット内に、粘着剤、機械的保持器、摩擦嵌合、またはそれらの組み合わせによって取り付けるように構成されている請求項１に記載のシステム。
3. 前記先端シュラウド・インサートを有する前記ターボ機械ブレードを備える請求項１に記載のシステム。
4. 前記ポケットは前記ターボ機械ブレードの半径方向端部に形成される請求項３に記載のシステム。
5. 前記先端シュラウド・インサートは、グラファイト、ケブラ、酸化アルミニウム、タングステン、チタン、セラミック、またはそれらの組み合わせから形成される請求項１に記載のシステム。
6. 前記先端シュラウド・インサートの前記動的シール部分は、前記ターボ機械ブレードの正圧面または負圧面を越えて延びるように構成されている請求項１に記載のシステム。
7. 前記先端シュラウド・インサートは、前記ターボ機械ブレードの翼弦に沿って延びるように構成されている請求項１に記載のシステム。
8. 前記ターボ機械ブレードは、マトリックス材料と、前記マトリックス材料内に分散された繊維材料とを有する複合材料から形成されている請求項７に記載のシステム。
9. 前記ターボ機械ブレードは表面コーティングを備えている請求項７に記載のシステム。
10. 前記ターボ機械ブレードと前記先端シュラウド・インサートとを有するターボ機械を備える請求項７に記載のシステム。
11. ターボ機械ブレードであって、前記ターボ機械ブレードの半径方向端部に形成されたポケットを備えるターボ機械ブレードと、
    前記ポケット内に配置されたブレード取り付け部分と前記保持部分に結合された動的シール部分とを備える先端シュラウド・インサートと、を備え、
    前記露出部分は、前記ターボ機械ブレードの前記半径方向端部から半径方向外側に延びるシステム。
12. 前記保持部分は、前記ポケット内に、粘着剤、機械的留め具、摩擦嵌合、またはそれらの組み合わせによって保持されている請求項１１に記載のシステム。
13. 前記ターボ機械ブレードと前記先端シュラウド・インサートとは、異なる材料から形成されている請求項１１に記載のシステム。
14. 前記先端シュラウド・インサートは、グラファイト、ケブラ、酸化アルミニウム、タングステン、チタン、セラミック、またはそれらの組み合わせから形成されている請求項１１に記載のシステム。
15. 前記ターボ機械ブレードは、マトリックス材料と、前記マトリックス材料内に分散された繊維材料とを有する複合材料から形成される請求項１１に記載のシステム。
16. 前記先端シュラウド・インサートは、固定構造部品と前記ターボ機械ブレードとの間に動的シールを形成するように構成されている請求項１１に記載のシステム。
17. 前記先端シュラウド・インサートの前記動的シール部分は、前記ターボ機械ブレードの正圧面または負圧面を越えて延びる請求項１１に記載のシステム。
18. ターボ機械を備え、
    前記ターボ機械は、
    ターボ機械ブレードと、
    前記ターボ機械ブレードのポケット内に配置された取り外し可能な先端シュラウド・インサートと、を備え、
    前記ポケットは、前記ターボ機械ブレードの半径方向端部に形成され、前記取り外し可能な先端シュラウド・インサートは、前記ターボ機械ブレードと前記ターボ機械の固定構造部品との間に動的シールを形成するように構成されているシステム。
19. 前記取り外し可能な先端シュラウド・インサートは、グラファイト、ケブラ、酸化アルミニウム、タングステン、チタン、セラミック、またはそれらの組み合わせから形成されている請求項１８に記載のシステム。
20. 前記取り外し可能な先端シュラウド・インサートは、前記ポケット内に、粘着剤、機械的留め具、摩擦嵌合、またはそれらの組み合わせによって保持されている請求項１８に記載のシステム。