JP2014181694A - フィレット移行部がある複合ブレードのシステムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ブレード部とプラットフォームの間の接続面を改善してターボ機械ブレードの応力を減少させ、寿命を延ばすこと。
【解決手段】システムは、外面を含むエーロフォイル、ならびにエーロフォイルに結合され第１の側および第２の側を含むプラットフォームを有する、ターボ機械ブレードセグメントを備える。システムは、さらに、エーロフォイルとプラットフォームの間に延在する凹形フィレット移行部を有する。凹形フィレット移行部は、エーロフォイルの外面およびプラットフォームの第１の側または第２の側にわたって延在する１つまたは複数の接続面プライセグメントを含み、エーロフォイルとプラットフォームの間に連続表面を形成する。
【選択図】図１
【解決手段】システムは、外面を含むエーロフォイル、ならびにエーロフォイルに結合され第１の側および第２の側を含むプラットフォームを有する、ターボ機械ブレードセグメントを備える。システムは、さらに、エーロフォイルとプラットフォームの間に延在する凹形フィレット移行部を有する。凹形フィレット移行部は、エーロフォイルの外面およびプラットフォームの第１の側または第２の側にわたって延在する１つまたは複数の接続面プライセグメントを含み、エーロフォイルとプラットフォームの間に連続表面を形成する。
【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、ターボ機械ブレードに関する。
ターボ機械は、圧縮機、ならびにガスタービン、蒸気タービン、ジェットエンジンおよび水力タービンなどのタービンを含む。一般的に、ターボ機械は、それを支持する、シャフトまたはドラムであってよいロータを含む。各ターボ機械ブレードは、ブレード部およびプラットフォームまたは基部を含むことができる。遺憾ながら、ブレード部とプラットフォームの間の接続面は、鋭い角または接合部になっており、そこに応力が集中しがちである。したがって、その接続面を改善してターボ機械ブレードの応力を減少させ、寿命を延ばすことが望まれている。
本来特許請求している発明に範囲が相応する一部の実施形態を以下に要約している。これらの実施形態は、本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、むしろこれらの実施形態は本発明の可能な形態の簡潔な要約を提供することのみを意図している。言うまでもなく、本発明は、以下に述べるいくつかの実施形態と同様なまたは異なるものとすることができる多様な形態を含むことができる。
第１の実施形態では、システムは、外面を含むエーロフォイル、ならびにエーロフォイルに結合され第１の側および第２の側を含むプラットフォームを有するターボ機械ブレードセグメントを備える。システムは、さらに、エーロフォイルとプラットフォームの間に延在する凹形フィレット移行部を有する。凹形フィレット移行部は、エーロフォイルの外面およびプラットフォームの第１の側または第２の側にわたって延在する１つまたは複数の接続面プライセグメントを有し、エーロフォイルとプラットフォームの間に連続表面を形成する。
第２の実施形態では、システムは、複数のエーロフォイル層、複数のプラットフォーム層、および１つまたは複数のフィレットセグメントを含む、ターボ機械ブレードセグメントを有する。複数のエーロフォイル層は、互いに貼り合わされてエーロフォイルを形成する。複数のプラットフォーム層は、互いに貼り合わされてプラットフォームを形成し、そのプラットフォームはエーロフォイルに結合される。複数のフィレットセグメントは、エーロフォイルの外面にわたって延在し、複数のフィレットセグメントのうちの少なくとも１つが複数のプラットフォーム層に織りまぜられるように複数のプラットフォーム層内へと延在する。
第３の実施形態では、方法は、複数のエーロフォイル層を貼り合せてターボ機械ブレードのエーロフォイルを形成することを含む。方法は、さらに、複数のプラットフォーム層を貼り合せてターボ機械ブレードのプラットフォームを形成することを含む。方法は、さらに、エーロフォイルとプラットフォームの間に凹形フィレット移行部を形成するように、エーロフォイルの第１の外面およびプラットフォームの第２の外面にわたって複数の接続面プライセグメントを配置することを含む。
本発明の上記その他の特徴、態様および利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めばより良く理解できるであろう。図面を通して、同様の文字は同様の部分を示す。
本発明の１つまたは複数の特定の実施形態について、以下に説明する。これら実施形態の簡潔な説明をおこなうために、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。あらゆる工学技術または設計プロジェクトにおけるのと同様にあらゆるそのような実際の実施態様の開発では、多数の実施態様仕様の決定をおこなって、実施態様間で変化する可能性があるシステム関連およびビジネス関連制約条件の順守のような開発者の特定の目標を達成するようにしなければならないことを理解されたい。さらに、そのような開発努力は、複雑なものとなりかつ時間がかかる可能性があるが、それにもかかわらず、本開示の利点を有する当業者には、設計、組み立ておよび製造の定型業務であることになることを理解されたい。
本発明の様々な実施形態の要素の説明において、冠詞「ａ」、「ａｎ」「ｔｈｅ」および「ｓａｉｄ」は、１つまたは複数の要素が存在することを意味するものである。「備える」「含む」および「有する」という用語は、記載した以外の付加的要素が存在し得ることを包含しかつ意味することを意図している。
開示の実施形態は、複合ブレード部（例えばエーロフォイル）、複合プラットフォーム、およびエーロフォイルとプラットフォームの間の移行部セクションを有するターボ機械ブレード（例えば複合ブレード）を含む。より具体的には、いくつかの実施形態では、移行部セクションは、凹形フィレット移行部を含む。凹形フィレット移行部は、複合ターボ機械ブレードのエーロフォイルの外面およびプラットフォームの全体にわたって延在する。以下に詳細に説明するように、複合エーロフォイルおよび複合プラットフォームは、複合材料（例えば、セラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料）の１つまたは複数の貼り合せ層から、単一片として形成され得る。複合材料のこれらの層が組み付けられるとき、やはりまたＣＭＣ材料で形成され得る１つまたは複数のプライセグメントがエーロフォイル（例えばエーロフォイルの外面に沿って）およびプラットフォームに沿って組み付けられ、凹形フィレット移行部が形成される。以下に議論するように、凹形フィレット移行部は、エーロフォイルとプラットフォームの間に滑らかな連続した接続面を形成し、それによって振動応力、早期の摩耗および劣化に対する複合ターボ機械ブレードへのさらなるサポートが実現する。
いくつかの実施形態では、凹形のフィレット移行部の１つまたは複数のプライセグメント（例えば、平行プライセグメント）は、エーロフォイルの外面から延在し、エーロフォイルとプラットフォームが結合する角で曲がり、プラットフォームの外面の長さにわたって延在する。他の実施形態では、１つまたは複数のプライセグメントの少なくとも１つは、エーロフォイルの外面から延在し、エーロフォイルとプラットフォームが結合する角で曲がり、プラットフォームの貼り合せ層に織りまざり、プラットフォームの内側の面の長さにわたって延在する。さらに、充填領域（例えば、材料が充填される中空領域）は、エーロフォイルとプラットフォームが結合する角および凹形フィレット移行部と、エーロフォイルとプラットフォームとの間の空間（例えば空隙）に形成され得る。いくつかの実施形態では、充填領域には、セラミック繊維片、ＣＭＣ材料中に懸濁したセラミック繊維片、短繊維樹脂、補強なし樹脂またはその組み合わせが充填され得る。
以下に詳細に議論するように、凹形フィレット移行部は、１つまたは複数のプライセグメント（例えば、平行プライセグメント）から形成され、エーロフォイルとプラットフォームの間に１つまたは複数の連続層を作り出すことができる。いくつかの実施形態では、プライシートは、エーロフォイルおよびプラットフォーム上に組み付けられて凹形フィレット移行部が形成されるとき互いに当接するが互いにオーバーラップしないようなやり方で、プライセグメント（例えば、プライストリップ）にセグメント化される。他の実施形態では、プライシートは、プライセグメントが互いにオーバーラップしてエーロフォイルおよびプラットフォーム上に１つまたは複数の薄層を形成するようなやり方で、プライセグメント（例えばプライストリップ）にセグメント化される。さらに、いくつかの実施形態では、複数の繊維は、エーロフォイルおよび／またはプラットフォームを形成するのに使用されるＣＭＣ材料または層内よりもプライシートのＣＭＣ材料内により多く分散する。そうした実施形態では、凹形フィレット移行部を形成するプライシートにＣＭＣ材料繊維を追加することによって、複合ターボ機械ブレードにおける振動負荷への抵抗を高めることができる。
次に図面を参照すると、図１は、ブレードシステムを含む様々な複合ターボ機械を有する、複合サイクルシステム１０の一実施形態の概略ブロック図である。具体的には、ターボ機械は、複合ターボ機械ブレード（すなわち、複合ターボ機械ブレードセグメント）を含む。複合ターボ機械ブレードは、ブレード部（例えば、エーロフォイル）、プラットフォームおよびダブテールを含む基部、ならびにエーロフォイルとプラットフォームの全体にわたって橋渡し、結合かつ／または延在する１つまたは複数の凹形フィレット移行部セクションを有することができる。具体的には、複合ターボ機械ブレードの各凹形フィレット移行部セクションは、エーロフォイルの外面およびプラットフォームにわたって延在し、エーロフォイルとそのそれぞれのプラットフォームの間に滑らかな連続した移行部を形成する。
図示のように、複合サイクルシステム１０は、圧縮機１２、燃料ノズル１６を含む１つまたは複数の燃焼器１４、およびガスタービン１８を有する、ガスタービンシステム１１を含む。燃料ノズル１６は、天然ガスもしくはシンガスなどの液体燃料および／または気体燃料を燃焼器１４に送る。燃焼器１４において燃料−空気混合物が点火されて燃焼し、次いで、その結果得られた高温加圧燃焼ガス２０（例えば排出ガス）がガスタービン１８に送られる。ガスタービン１８は、ロータ２４に結合されているタービンブレード２２を含む。各複合ブレード２２は、（図２に示されるように）エーロフォイルおよびプラットフォームを含む。具体的には、以下に説明するように、タービンブレード２２（例えば、複合ブレード）は、各タービンブレード２２のエーロフォイルとプラットフォームを橋渡しし、滑らかな移行接続面を形成する１つまたは複数の凹形フィレット移行部セクションを含む。燃焼ガス２０がガスタービン１８のタービンブレード２２を通過すると、ガスタービン１８が回転させられ、それによってロータ２４が回転軸２５に沿って回転する。最終的に、燃焼ガス２０は、排出口２６（例えば、排出ダクト、排出筒またはサイレンサなど）を通ってガスタービン１８から排出される。
図示の実施形態では、圧縮機１２は圧縮機ブレード２８（例えば、複合ブレード）を含む。やはりまた圧縮機１２の圧縮機ブレード２８もロータ２４に結合され、ロータ２４が上述のようにガスタービン１８によって回転させられると回転する。圧縮機１２の圧縮機ブレード２８が回転すると、圧縮機ブレード２８が空気入口からの空気を圧縮して加圧空気３０を生成し、それが燃焼器１４、燃料ノズル１６および複合サイクルシステム１０の他の部分に送られる。次いで、燃料ノズル１６によって加圧空気３０と燃料が混合されて適当な燃料−空気混合物が生成され、それが燃焼器１４内で燃焼してタービン１８を駆動する燃焼ガス２０が生成される。さらに、ロータ２４は、ロータ２４の回転により動力が供給され得る第１の負荷３１に結合され得る。例えば、第１の負荷３１は、発電プラントまたは外部の機械的負荷など、複合サイクルシステム１０の回転出力によって出力を生成することができる任意の適当なデバイスであってよい。例えば、第１の負荷３１には、発電機および航空機のプロペラ等があり得る。
システム１０は、さらに、（例えば、シャフト２７の回転によって）第２の負荷２３を駆動するブレード（例えば複合ブレード）を有する蒸気タービン２１を含む。例えば、第２の負荷２３は、電力を生成する発電機であってよい。しかし、第１の負荷３１および第２の負荷２３の両方が、ガスタービンシステム１１および蒸気タービン２１によって駆動され得る他のタイプの負荷であってもよい。さらに、図示の実施形態では、ガスタービンシステム１１および蒸気タービン２１は別個の負荷（例えば、第１の負荷３１および第２の負荷２３）を駆動するが、単一のシャフトを介して単一の負荷を駆動するように縦に並べて利用してもよい。
システム１０は、さらに、ＨＲＳＧシステム３５を含む。タービン１８からの加熱排出ガス２９は、ＨＲＳＧシステム３５に送られ、そこで水が加熱され、蒸気タービン２１を作動させるのに使用される蒸気３３が発生する。当然のことながら、ＨＲＳＧシステム３５は、蒸気タービン２１の作動に使用される蒸気３３を生成して加熱するのに、様々なエコノマイザ、凝縮器、蒸発器および加熱器等を含むことができる。ＨＲＳＧシステム３５によって生成される蒸気３３は、蒸気タービン２１のタービンブレードを通過する。蒸気３３が蒸気タービン２１のタービンブレードを通過すると、蒸気タービン２１が回転させられ、それによってシャフト２７が回転して第２の負荷２３が作動する。
以下の議論では、軸２５に沿った軸方向３２、軸２５から離れていく径方向３４、およびタービン１８の回転軸２５まわりの円周方向３６など、様々な方向または軸について言及することがある。さらに、上述のように、以下に説明するフィレット移行部は、ターボ機械（例えば、圧縮機１２、ガスタービン１８または蒸気タービン２１）内の様々な複合ターボ機械ブレードのいずれにも使用可能であるが、以下の議論では、タービン１８（例えば、ガスタービン）の文脈で、改良型の複合ターボ機械ブレードについて説明する。
図２は、各タービンブレード２２の凹形フィレット移行部５０を示す、ロータ２４に結合されたタービンブレード２２を有するタービン１８の一実施形態の軸方向断面図である。具体的には、各凹形フィレット移行部５０は、各タービンブレード２２のブレード部（例えば、エーロフォイル５２）と各タービンブレード２２のプラットフォーム５４を橋渡しする。
各タービンブレード２２は、くぼみまたは例えば軸方向もしくは円周方向のスロットであるスロット５８と係合するように構成されるダブテール５６（例えば、取り付けセグメント部またはダブテールインサート）を有することができる。例えば、ダブテール５６は、ロータ２４に形成された第２のダブテール部またはダブテールスロットと係合することができる。例えば、一実施形態では、スロット５８は、円周方向３６に、ロータ２４を完全に一周して（例えば、ロータ２４を取り囲むように）延在することができる。他の実施形態では、ロータ２４は、円周方向に互いに間隔を置いて配置される複数の軸方向スロット５８を含むことができる。図示の実施形態は、ロータ２４に結合されたタービンブレード２２の単一の段６０を示している。本明細書で使用される、タービンブレード２２の「段」は、ロータ２４に沿った特定の軸方向３２位置においてロータ２４まわりに円周方向３６に延在するタービンブレード２２を示している。さらに、上述のように、図示の実施形態のタービンブレード２２は、ダブテールスロット５８内に（例えば、ダブテール５６によって）軸方向３２に取り付けられる。換言すると、ロータ２４内に形成されたスロット５８は、ロータ２４に沿って軸方向３２に延在する。当然のことながら、各タービンブレード２２のダブテール５６は、ダブテール５６をスロット５８に軸方向３２に挿入することにより、ロータ２４に結合され得る。
図示のように、各タービンブレード２２は、エーロフォイル５２、ダブテール５６およびシャンク６２を含む。この場合も、エーロフォイル５２は、ブレード２２のブレード部であり、一方、プラットフォーム５４、ダブテール５６およびシャンク６２は、ブレード２２の基部すなわち取り付け部を画成する。各タービンブレード２２は、多数の貼り合せ層（例えば、プライ）から単一片として形成され得る。各貼り合せ層は、セラミックマトリックス複合材料（例えば、ポリマーマトリックス複合材料）などの複合材料からなってよく、またセラミックマトリックスに組み込まれた複数のセラミック繊維を有することができる。具体的には、いくつかの実施形態では、各エーロフォイル層１１２（図３参照）のセラミックマトリックス複合材料内に分散する複数のセラミック繊維は、概ね同一であってよい。他の実施形態では、各エーロフォイル層１１２のセラミックマトリックス複合材料内に分散する複数のセラミック繊維は、エーロフォイル上に加わる振動負荷に対する抵抗を増減させるように変えることができる。当然のことながら、複合材料は、金属材料よりもより高い温度に耐えることができ、寿命もより長い。さらに、複合材料は、金属材料よりも冷却の必要が少なくて済む。
以下に詳細に説明するように、各タービンブレード２２のダブテール５６は、タービン１８のロータ２４のスロット５８（例えば、くぼみ）に配置されるように構成され得る。さらに、各タービンブレード２２のプラットフォーム５４は、ロータ２４の外面に沿って配置され、そのタービンブレード２２に対して垂直に円周方向３６および／または軸方向３２にあってよい。いくつかの実施形態では、凹部フィレット移行部５０は、エーロフォイル５２の外面から延在し、エーロフォイル５２とプラットフォーム５４が結合する角６４で曲がり、プラットフォーム５４の外面にわたって延在し、エーロフォイル５２とプラットフォーム５４の間に連続した滑らかな移行部を形成する。そうした実施形態では、凹形フィレット移行部によって、エーロフォイル５２とプラットフォーム５４が結合する角６４が補強され、タービンブレード２２に加わる振動応力に対するさらなるサポートが実現する。さらに、凹形フィレット移行部５０によって、タービンブレード２２上にある貼り合せ保護コーティングがさらに保護され、したがって、タービンブレード２２の耐用年数を減少させる恐れがある保護コーティングのクラッキングまたは劣化を減少させることができるようになる。
図３は、タービンブレード２２のエーロフォイル５２とプラットフォーム５４の間に滑らかな連続した層を形成する凹形フィレット移行部５０を示す、図２のタービンブレード２２の一実施形態の円周方向断面図である。具体的には、各凹形フィレット移行部５０は、タービンブレード２２の外面７０から延在し、エーロフォイル５２とプラットフォーム５４が結合する角６４で曲がり、プラットフォーム５４の外面７２の長さにわたって延在する、１つまたは複数の平行プライセグメントからなる。
図示の実施形態では、エーロフォイル５２は、タービンブレード２２の先端７４まで延在し、一方ダブテール５６およびシャンク６２は、タービンブレード２２の末端７６まで延在する。タービンブレード２２のダブテール５６（例えば、取り付けセグメント部）は、ダブテール構造を有することができ、タービン１８のロータ２４の（図２に示されるような）スロット５８またはくぼみに配置されるように構成され得る。さらに、プラットフォーム５４は、ダブテール５６がロータ２４のスロット５８に配置されるとき、ダブテール５６から左側７８と右側８０に横方向に延在することができる。すなわち、プラットフォーム５４は、タービンブレード２２の圧力側（すなわち右側８０）と、タービンブレード２２の吸込み側（すなわち、左側７８）に配置され得る。
上述のように、タービンブレード２２は、エーロフォイル５２、ダブテール５６およびシャンク６２を含む。さらに、タービンブレード２２は、エーロフォイル５２に結合されタービンブレード２２をロータ２４内に固定しタービン１８内に（例えば、燃焼生成物２０の）流路を画成するプラットフォーム５４を含む。いくつかの実施形態では、タービンブレード２２は、成形構造８１内において、一組の予め準備されたエーロフォイル５２プライ層を一組の予め準備されたプラットフォーム５４プライ層に密着させて配置することによって組み付けられる。具体的には、成形構造８１内において、一組の予め準備されたエーロフォイル５２プライ層は、一組の予め準備されたプラットフォーム５４プライ層に垂直に配置され得る。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の接続面プライセグメント１２６（例えば、接続面プライストリップ、複数のプライ、および／または凹形フィレット移行部５０を作り出すプライセグメント）は、成形構造８１内において、凹形フィレット移行部５０を形成するように配置される。具体的には、接続面プライセグメント１２６は、タービンブレード２２の先端７４から角６４に向かって下方に延在し、プラットフォーム５４の長さにわたって延在し続けることができる。例えば、接続面プライセグメント１２６は、タービンブレード２２の外面７０に沿って角６４に向かって下方に配置され、プラットフォーム５４の長さにわたって右側７８または左側８０に延在する。他の実施形態では、１つまたは複数の接続面プライセグメント１２６は、タービンブレード２２の末端７６から角６４に向けて上方に延在し、プラットフォーム５４の長さにわたって右側７８または左側８０に延在し続けることができる。いくつかの実施形態では、成形構造８１内で完全に組み付けられたタービンブレード２２は、オートクレーブ内で加圧され、エーロフォイル５２、プラットフォーム５４および凹形フィレット移行部５０の予め準備された貼り合せプライ層がバルク処理される。貼り合せプライ層をバルク処理すると、プライの有機揮発物が除去され、プライ層に樹脂（例えば、溶融シリコン）が浸透するようになる。樹脂が浸透した層は、凝固し、最終タービンブレード２２になる。具体的には、凹形フィレット移行部５０は、タービンブレード２２の最終構造に組み込まれ、エーロフォイル５２とプラットフォーム５４の間に均質で高密度な移行部が形成される。いくつかの実施形態では、（エーロフォイル５２、ダブテール５６、シャンク６２およびプラットフォーム５４を含む）タービンブレード２２は、組み付けられ、次いで、化学処理および／または治金処理によって互いに固定される。例えば、エーロフォイル層１１２、プラットフォーム層１１０および接続面プライセグメント１２６は、化学処理または治金処理によって互いに固定される。
さらに、いくつかの実施形態では、充填領域８２（すなわち中空領域または内側の角）は、凹形フィレット移行部５０とエーロフォイル５２および／またはプラットフォーム５４との間の角６４に形成される空間として画成される。換言すると、充填領域８２は、各凹形フィレット移行部５０の内側の角である。いくつかの実施形態では、充填領域８２の寸法は、角６４における凹形フィレット移行部５０の屈曲８４のおおよその角度に基づいて増減され得る。例えば、屈曲８４の角度がより大きい（例えば、約１００度〜１７０度の角度である）と、充填領域８２がより大きくなり得る。同様に、屈曲８４の角度がより小さい（例えば、約４０度〜８０度の角度である）と、充填領域８２はより小さくなり得る。他の実施形態では、充填領域８２の寸法は、凹形フィレット移行部５０を形成するプライセグメントの厚さに基づいて増減され得る。例えば、プライセグメントの厚さが薄いとより大きな充填領域８２が形成され得る。さらに他の実施形態では、充填領域８２の寸法は、充填領域８２内に配置される充填材の量に基づいて決定され得る。充填領域８２には、セラミック繊維片、ＣＭＣ材料中に懸濁したセラミック繊維片、短繊維樹脂、繊維強化プライ、繊維強化なし樹脂またはその組み合わせが充填され得る。具体的には、凹形フィレット移行部５０は、角６４で曲がり、凹形フィレット移行部５０と充填領域８２内の材料の間の空隙を減少させるように充填領域８２内に配置された材料上に滑らかな移行部を形成する。
図示の実施形態では、凹形フィレット移行部５０は、タービンブレード２２の先端７４にあるその外面７０の頂点８６から始まる、１つまたは複数のプライセグメント１２６（例えば、プライストリップ）からなる。プライセグメント１２６は、タービンブレード２２の基部７６に向かって下方に続き、エーロフォイル５２がプラットフォーム５４に結合される角６４で曲がる。プライセグメント１２６は、角６４を曲がった後、プラットフォーム端点８８で終端するまで、プラットフォーム５４の外面７２にわたって延在し続ける。他の実施形態では、プライセグメントは、タービンブレード２２の外面７０の中間点９０から始まる、またはタービンブレード２２の外面７０のエーロフォイル基点９２から始まることができる。実際には、プライセグメントは、頂点８６と基点９２の間の任意の点から始まってよい。同様に、図示の実施形態では、他の凹形フィレット移行部５０は、タービンブレード２２の基部７６にあるその外面７０の終点９４から始まる。この実施形態では、プライセグメントは、タービンブレード２２の先端７４に向けて上方に続き、エーロフォイル５２がプラットフォーム５４に結合される角６４で曲がる。プライセグメントは、角６４で曲がった後、プラットフォーム端点８９で終端するまで、プラットフォーム５４の外面７２の長さにわたって延在し続ける。
いくつかの実施形態では、高温の流れに曝されるタービンブレード２２、エーロフォイル５２および／またはプラットフォーム５４の表面には、耐環境コーティング（ＥＢＣ）７９の層（例えば、単一層または複数の層）が施され得る。他の実施形態では、ＥＢＣ７９は、凹形フィレット移行部５０のような滑らかな移行部または連続表面を有する、タービンブレード２２、エーロフォイル５２および／またはプラットフォーム５４の任意の表面に施され得る。例えば、ＥＢＣ７９が例えば頂点８６および／または終点９４からプラットフォーム端点８８、８９まで凹形フィレット移行部５０を覆うように、ＥＢＣ７９の層が凹形フィレット移行部５０の外面７２に施される。いくつかの場合では、ＥＢＣ７９によって、システム内の流路状態による後退（ｒｅｃｅｓｓｉｏｎ）からタービンブレード２２が保護され得る。ＥＢＣ７９は、セラミックマトリックス複合材料（例えば、ポリマーマトリックス複合材料）などの複合材料で形成され得る。
図４は、複数のプラットフォーム層１１０に織りまぜられた１つまたは複数の凹形フィレット移行部５０（例えば、１００、１０２、１０４および１０６）を示す、図２のタービンブレード２２の一実施形態の円周方向断面図である。具体的には、各凹形フィレット移行部１００、１０２、１０４または１０６は、図５、６について以下に説明するように、１または複数の接続面プライ層１２６（例えば、プライセグメントまたはプライストリップ）からなる。図示のように、（エーロフォイル５２、ダブテール５６、シャンク６２およびプラットフォーム５４を含む）タービンブレード２２は、貼り合せられた複数の層またはプライから形成される。例えば、エーロフォイル５２は、複数のエーロフォイル層１１２（例えば、エーロフォイルプライ層またはエーロフォイルプライ）からなり、プラットフォーム５４は、複数のプラットフォーム層１１０（例えば、プラットフォームプライ層またはプラットフォームプライ）からなる。同様に、凹形フィレット移行部５０（例えば、１００、１０２、１０４または１０６）は、接続面プライ１２６からなる。図示の実施形態では、各凹形フィレット移行部５０は、（図５、６についてさらに説明するような）オーバーラップしない接続面プライセグメント１２６の単一層からなる。他の実施形態では、各凹形フィレット移行部５０は、接続面プライセグメント１２６の２、３、４、５、６または７個以上の層からなってよい。いくつかの実施形態では、エーロフォイル層１１２、プラットフォーム層１１０および接続面プライ層は、セラミック繊維１１４が組み込まれたセラミックマトリックス材料１１６で形成され得る。具体的には、セラミック繊維１１４の集中度（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）は、エーロフォイル層１１２と、プラットフォーム層１１０と接続面プライ層１２６との間で異なってよい。例えば、エーロフォイル層１１２およびプラットフォーム層１１０のセラミックマトリックス材料１１６内のセラミック繊維１１４の集中度（例えば、密度）は概ね同じであってよい。さらに、例えば、接続面プライ層のセラミックマトリックス材料１１６内のセラミック繊維１１４の集中度（例えば、密度）は、エーロフォイル層１１２およびプラットフォーム層１１０における集中度よりも高くてよい。いくつかの実施形態において、接続面プライ層のセラミックマトリックス材料１１６内のセラミック繊維１１４の集中度（例えば、密度）は変えることができ、したがって、接続面プライ層における集中度がエーロフォイル層１１２およびプラットフォーム層１１０における集中度以下であってもよい。
上述のように、凹形フィレット移行部５０は、タービンブレード２２の最終構造に組み込まれ、エーロフォイル５２の外面７０とプラットフォーム５４の外面７２の間に均質で密な移行部を作り出すように構成され得る。例えば、凹形フィレット移行部１００、１０６は、エーロフォイル５２の外面７０およびプラットフォーム５４の外面７２にわたって延在する。他の実施形態では、１つまたは複数の凹形フィレット移行部５０は、複数のプラットフォーム層１１０に織りまぜられるように構成される。例えば、凹形フィレット移行部１０２、１０４は、プラットフォーム５４の内側面１１１上に配置される。図示の実施形態では、凹形フィレット移行部１０２、１０４のそれぞれは、いくつかのプラットフォーム層１１０によって分離されている。他の実施形態では、１つまたは複数の凹形フィレット移行部１０２、１０４は、互いに隣接してよく、隣接した凹形フィレット移行部１０２、１０４がいくつかのプラットフォーム層１１０によって分離されてもよい。
いくつかの実施形態では、（エーロフォイル５２、ダブテール５６、シャンク６２およびプラットフォーム５４を含む）タービンブレード２２は、貼り合せられた複数の層またはプライから形成される。例えば、タービンブレード２２のエーロフォイル５２は、１０〜１０００、５０〜５００、１００〜４００または２００〜３００個のエーロフォイル層１１２を有することができる。上述のように、エーロフォイル層１１２は、貼り合わされてエーロフォイル５２を形成することができる。同様に、プラットフォーム層１１０も貼り合わされてプラットフォーム５４を形成し、接続面プライ層も貼り合わされて凹形フィレット移行部５０（例えば、１００、１０２、１０４または１０６）を形成することができる。具体的には、エーロフォイル層１１２は、タービンブレード２２に沿って縦方向（例えば、径方向３４）に向けられる。エーロフォイル層１１２およびプラットフォーム層１１０は、セラミック繊維１１４が埋め込まれたセラミックマトリックス材料１１６で形成され得る。セラミックマトリックス材料１１６およびセラミック繊維１１４は、同じ材料であってよく、または異なる材料から作製されてもよい。図示のように、セラミック繊維１１４は、全体的に、セラミックマトリックス材料１１６内においてそれぞれの層の方向に向けられる。さらに、接続面プライ層１２６もセラミック材料１１４が埋め込まれたセラミックマトリックス材料１１６で形成される。具体的には、セラミック繊維１１４の集中度は、エーロフォイル層１１２と、プラットフォーム層１１０と接続面プライ層１２６の間で異なってよい。例えば、いくつかの実施形態では、エーロフォイル層１１２に埋め込まれるセラミック繊維１１４間の距離１１８は、凹形フィレット移行部５０に埋め込まれるセラミック繊維１１４間の距離１２０よりも大きくてよい。他の実施形態では、距離１１８は、距離１２０以下であってよい。換言すると、エーロフォイル層１１２またはプラットフォーム層１１０におけるセラミック繊維１１４の集中度は、凹形フィレット移行部５０の接続面プライ層におけるセラミック繊維１１４の集中度よりも低い。
上述のように、充填領域８２（例えば、中空領域または内側の角）は、各凹形フィレット移行部５０と、エーロフォイル５２および／またはプラットフォーム５４との間の角６４に形成される空間として画成される。例えば、図示の実施形態では、各凹形フィレット移行部５０（例えば、１００、１０２、１０４または１０６）は、充填領域８２に結合されている。各充填領域８２は、それぞれの凹形フィレット移行部５０（例えば、１００、１０２、１０４または１０６）の内側の角にある。さらに、各充填領域８２には、セラミック繊維片１２２が充填され得る。例えば、セラミック繊維片１２２は、ＣＭＣ材料中に懸濁したセラミック繊維片、短繊維樹脂、繊維強化プライ、繊維強化なし樹脂またはその組み合わせであってよい。上述のように、各凹形フィレット移行部５０は、角６４で曲がり、凹形フィレット移行部５０とセラミック繊維片１２２の間の空隙を減少させるように、充填領域８２に配置されるセラミック繊維片１２２の上に滑らかな移行部を形成する。具体的には、充填領域８２内のセラミック繊維片１２２の集中度は、接続面プライ層、エーロフォイル層１１２またはプラットフォーム層１１０におけるセラミック繊維１１４の集中度よりも高くてよい。他の実施形態では、充填領域８２内のセラミック繊維片１２２の集中度は、接続面プライ層、エーロフォイル層１１２またはプラットフォーム層１１０におけるセラミック繊維１１４の集中度以下であってよい。
図５は、１つまたは複数の接続面プライセグメント１２６（例えば、プライ層またはプライストリップ）を示す、セグメント化されたプライシート１２４の一実施形態の図である。上述のように、凹形フィレット移行部５０（例えば、１００、１０２、１０４または１０６）は、接続面プライ１２６からなる。いくつかの実施形態では、各凹形フィレット移行部５０は、（図６についてさらに説明するように）オーバーラップしない接続面プライセグメント１２６の単一層からなる。他の実施形態では、各凹形フィレット移行部５０は、接続面プライセグメント１２６の２、３、４、５、６または７個以上の層からなり、したがって、接続面プライセグメント１２６の層を追加することで、タービンブレード２２の構造形状に関して妥協することなく、タービンブレード２２に対するより大きな支持が実現することになる。
図示の実施形態では、セグメント化されたプライシート１２４は、セラミックマトリックス複合材料（例えば、ポリマーマトリックス複合材料）のような複合材料からなり、セラミックマトリックス１１６に埋め込まれた複数のセラミック繊維１１４を有することができる。具体的には、いくつかの実施形態では、セグメント化されたプライシート１２４内に分散する複数のセラミック繊維１１４は、エーロフォイル層１１２またはプラットフォーム層１１０内に分散する複数のセラミック繊維１１４よりも多くてよい。いくつかの実施形態では、セグメント化されたプライシート１２４内に分散する複数のセラミック繊維１１４は、エーロフォイル層１１２またはプラットフォーム層１１０内に分散する複数のセラミック繊維１１４以下であってよい。
図面に示されるセグメント化されたプライシート１２４の実施形態は、７個の接続面プライセグメント１２６にセグメント化されている。他の実施形態では、セグメント化されたプライシート１２４は、２、３、４、５、６、７、８、９、１０または１２個以上の接続面プライセグメント１２６にセグメント化され得る。いくつかの実施形態では、各接続面プライセグメント１２６は、互いに組み付けられて単一層の凹形フィレット移行部５０を形成するとき互いにオーバーラップしないように、それぞれの形状または寸法が異なってよい（例えば、楔形プライセグメント１２６）。他の実施形態では、接続面プライセグメント１２６の１つまたは複数の形状または寸法が同一であってよい。
図６は、接続面プライセグメント１２６の層が凹形フィレット移行部５０を形成する、接続面プライセグメント１２６の層を有する複合ターボ機械ブレード２２の一実施形態である。具体的には、図示の実施形態では、接続面プライセグメント１２６は、タービンブレード２２上に配置され、凹形フィレット移行部５０を形成する。図示のように、凹形フィレット移行部５０の１つまたは複数のプライセグメント１２６は、エーロフォイル５２の外面７０から延在し、エーロフォイル５２とプラットフォーム５４が結合する角６４で曲がり、プラットフォーム５４の外面７２の長さにわたって延在する。具体的には、凹形フィレット移行部５０によって、エーロフォイル５２とプラットフォーム５４の間に滑らかな連続した接続面が形成され、それによって、振動応力、早期の摩耗および劣化に対する複合ターボ機械ブレード２２へのさらなるサポートが実現する。
本発明の技術的効果は、複合エーロフォイル５２、複合プラットフォーム５４、およびエーロフォイル５２とプラットフォーム５４の間の全体にわたって延在する凹形フィレット移行部５０を有する、ターボ機械ブレード２２（例えば、複合ブレード）を含む。具体的には、凹形フィレット移行部５０は、複合ターボ機械ブレード２２のエーロフォイル５２の外面７０およびプラットフォーム５４の全体にわたって延在する。複合エーロフォイル５２の層、複合プラットフォーム５４の層および凹形フィレット移行部５０の層は、ＣＭＣ材料で形成され、一緒に組み付けられ得る。さらに、エーロフォイル５２とプラットフォーム５４が結合する角６４には、充填領域８２（例えば、材料が充填される中空領域）が形成される。特定の実施形態では、充填領域８２には、セラミック繊維片１２２が充填される。凹形フィレット移行部５０によって、エーロフォイル５２とプラットフォーム５４の間に滑らかな連続した接続面が形成され、それによって、振動応力、早期の摩耗および劣化に対する複合ターボ機械ブレード２２へのさらなるサポートが実現する。
記載の説明は、例を用いて最良の形態を含めて本発明を開示しており、さらに、任意の装置またはシステムを作成し使用し、組み込まれた任意の方法を実施することを含めて、当業者が本発明を実施できるようにする。特許性のある本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思いつく他の例も含むことができる。そうした他の例は、特許請求の範囲の文字通りの文言とは異ならない構造的要素を有する場合、または特許請求の範囲の文字通りの文言と実質的な差異を伴わない均等な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内に入るものとする。
１０ 複合サイクルシステム
１１ 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 ガスタービン
２０ 燃焼ガス
２１ 蒸気タービン
２２ タービンブレード
２３ 第２の負荷
２４ ロータ
２５ 回転軸
２６ 排出口
２７ シャフト
２８ 圧縮機ブレード
２９ 加熱排出ガス
３０ 加圧空気
３１ 第１の負荷
３２ 軸方向
３３ 蒸気
３４ 径方向
３５ ＨＲＳＧシステム
３６ 円周方向
５０ 凹形フィレット移行部
５２ エーロフォイル
５４ プラットフォーム
５６ ダブテール
５８ スロット
６０ 段
６２ シャンク
６４ 角
７０ 外面
７２ 外面
７４ 先端
７６ 末端、基部
７８ 左側
７９ 耐環境コーティング
８０ 右側
８１ 成形構造
８２ 充填領域
８４ 屈曲
８６ 頂点
８８ 端点
８９ 端点
９０ 中間点
９２ 基点
９４ 終点
１００ 凹形フィレット移行部
１０２ 凹形フィレット移行部
１０４ 凹形フィレット移行部
１０６ 凹形フィレット移行部
１１０ プラットフォーム層
１１１ 内側面
１１２ エーロフォイル層
１１４ セラミック繊維
１１６ セラミックマトリックス材料
１１８ 距離
１２０ 距離
１２２ セラミック繊維片
１２４ プライシート
１２６ 接続面プライセグメント
１１ 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 ガスタービン
２０ 燃焼ガス
２１ 蒸気タービン
２２ タービンブレード
２３ 第２の負荷
２４ ロータ
２５ 回転軸
２６ 排出口
２７ シャフト
２８ 圧縮機ブレード
２９ 加熱排出ガス
３０ 加圧空気
３１ 第１の負荷
３２ 軸方向
３３ 蒸気
３４ 径方向
３５ ＨＲＳＧシステム
３６ 円周方向
５０ 凹形フィレット移行部
５２ エーロフォイル
５４ プラットフォーム
５６ ダブテール
５８ スロット
６０ 段
６２ シャンク
６４ 角
７０ 外面
７２ 外面
７４ 先端
７６ 末端、基部
７８ 左側
７９ 耐環境コーティング
８０ 右側
８１ 成形構造
８２ 充填領域
８４ 屈曲
８６ 頂点
８８ 端点
８９ 端点
９０ 中間点
９２ 基点
９４ 終点
１００ 凹形フィレット移行部
１０２ 凹形フィレット移行部
１０４ 凹形フィレット移行部
１０６ 凹形フィレット移行部
１１０ プラットフォーム層
１１１ 内側面
１１２ エーロフォイル層
１１４ セラミック繊維
１１６ セラミックマトリックス材料
１１８ 距離
１２０ 距離
１２２ セラミック繊維片
１２４ プライシート
１２６ 接続面プライセグメント
Claims (20)
- ターボ機械ブレードセグメントを備えるシステムであって、
前記ターボ機械ブレードセグメントが、
外面を含むエーロフォイル、
前記エーロフォイルに結合され、第１の側および第２の側を含む、プラットフォーム、ならびに
前記エーロフォイルと前記プラットフォームの間に延在する凹形フィレット移行部を有し、
前記凹形フィレット移行部が、前記エーロフォイルの前記外面および前記プラットフォームの前記第１の側または前記第２の側にわたって延在し前記エーロフォイルと前記プラットフォームの間に連続表面を形成する、１つまたは複数の接続面プライセグメントを有する、
システム。 - 前記エーロフォイルが、複数のエーロフォイルプライ層を備え、前記プラットフォームが、複数のプラットフォームプライ層を備え、前記複数のエーロフォイルプライ層および前記複数のプラットフォームプライ層が、第１のセラミックマトリックス材料の全体にわたって分散する第１の複数のセラミック繊維をそれぞれ含む、請求項１記載のシステム。
- 前記１つまたは複数の接続面プライセグメントが、第２のセラミックマトリックス材料の全体にわたって分散する第２の複数のセラミック繊維を含む、請求項２に記載のシステム。
- 前記第２のセラミックマトリックス材料における前記第２の複数のセラミック繊維の密度を変えることができる、請求項３記載のシステム。
- 前記複数のプラットフォームプライ層が、前記１つまたは複数の接続面プライセグメントに織りまぜられる、請求項２記載のシステム。
- 前記複数のエーロフォイル層、前記複数のプラットフォームプライ層、前記１つまたは複数の接続面プライセグメントまたはその組み合わせが、化学処理および／または治金処理によって互いに固定される、請求項２記載のシステム。
- 前記ターボ機械ブレードセグメントが、前記エーロフォイルと、前記プラットフォームと前記凹形フィレット移行部との間にある空間によって画成される充填領域を備える、請求項１記載のシステム。
- 前記充填領域には、複数のセラミック繊維片、第３のセラミックマトリックス材料中に懸濁した複数のセラミック繊維片またはその組み合わせが充填される、請求項７記載のシステム。
- ターボ機械ブレードセグメントを備えるシステムであって、
前記ターボ機械ブレードセグメントが、
互いに貼り合せられてエーロフォイルを形成する複数のエーロフォイル層、
互いに貼り合せられてプラットフォームを形成する複数のプラットフォーム層であり、前記プラットフォームが前記エーロフォイルに結合される、複数のプラットフォーム層、ならびに
前記エーロフォイルの外面にわたって延在する複数のフィレットセグメントであり、前記複数のフィレットセグメントのうちの少なくとも１つが前記複数のプラットフォーム層に織りまぜられるように前記複数のプラットフォーム層内へと延在する、複数のフィレットセグメントを有する、
システム。 - 前記複数のエーロフォイル層、前記複数のプラットフォーム層、前記複数のフィレットセグメントまたはその組み合わせが、セラミックマトリックス材料の全体にわたって分散する複数のセラミック繊維を含む、請求項９記載のシステム。
- 前記複数のフィレットセグメントが、前記セラミックマトリックス材料のシートをより小さいセクションに切断することによって形成される、請求項１０記載のシステム。
- 前記複数のプラットフォーム層に織りまぜられた前記複数のフィレットセグメントのそれぞれが、前記エーロフォイルと前記プラットフォームの間に凹形フィレット移行部を形成する、請求項１１記載のシステム。
- 方法であって、
複数のエーロフォイル層を貼り合せてターボ機械ブレードのエーロフォイルを形成するステップと、
複数のプラットフォーム層を貼り合せて前記ターボ機械ブレードのプラットフォームを形成するステップと、
前記エーロフォイルと前記プラットフォームの間に凹形フィレット移行部を形成するように、前記エーロフォイルの第１の外面および前記プラットフォームの第２の外面にわたって複数の接続面プライセグメントを配置するステップと
を含む、方法。 - 前記複数の接続面プライセグメントのうちの１つを前記複数のプラットフォーム層間に配置することによって、前記複数の接続面プライセグメントのうちの１つを前記複数のプラットフォーム層に織りまぜるステップを含む、請求項１３記載の方法。
- 前記複数のプラットフォーム層に織りまぜられた前記複数の接続面プライセグメントのそれぞれの間に前記凹形フィレット移行部を形成するステップを含む、請求項１４記載の方法。
- 前記エーロフォイルと、前記プラットフォームと前記凹形フィレット移行部との間に充填領域を形成するステップを含む、請求項１３記載の方法。
- 前記充填領域に、複数のセラミック繊維片、セラミックマトリックス材料中に懸濁した複数のセラミック繊維片またはその組み合わせを充填するステップを含む、請求項１６記載の方法。
- 前記複数のエーロフォイル層、前記複数のプラットフォーム層および前記複数の接続面プライセグメントが、化学処理または治金処理によって互いに固定される、請求項１３記載の方法。
- 前記凹形フィレット移行部を形成するように、前記複数の接続面プライセグメントを互いにオーバーラップさせるステップを含む、請求項１３記載の方法。
- 前記凹形フィレット移行部が、前記エーロフォイルの先端から前記プラットフォームの端部まで延在する、請求項１３記載の方法。
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