JP2015017609A - タービンコンポーネントおよびそれを組立てる方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】タービンコンポーネントが提供される。
【解決手段】 タービンコンポーネントは、第１の表面および第２の表面を備えるエーロフォイルを含む。遮熱コーティングは、第２の表面に結合され、遮熱コーティングは、第１の部分、第２の部分、および第１の部分と第２の部分との間で画定されるトレンチを含む。チャネルは、第１の表面およびトレンチに流体連通状態で結合され、チャネルは、第１の側壁および第１の側壁に対向する第２の側壁を含む。第１および第２の側壁は、ある角度で第１表面からトレンチに向かって延在する。タービンコンポーネントは、第２の表面に結合されるカバーを含み、カバーは、第１の部分に結合される第１の端部およびトレンチ内に延在しかつ第２の部分から離間する第２の端部を含む。
【選択図】図１
【解決手段】 タービンコンポーネントは、第１の表面および第２の表面を備えるエーロフォイルを含む。遮熱コーティングは、第２の表面に結合され、遮熱コーティングは、第１の部分、第２の部分、および第１の部分と第２の部分との間で画定されるトレンチを含む。チャネルは、第１の表面およびトレンチに流体連通状態で結合され、チャネルは、第１の側壁および第１の側壁に対向する第２の側壁を含む。第１および第２の側壁は、ある角度で第１表面からトレンチに向かって延在する。タービンコンポーネントは、第２の表面に結合されるカバーを含み、カバーは、第１の部分に結合される第１の端部およびトレンチ内に延在しかつ第２の部分から離間する第２の端部を含む。
【選択図】図１
Description
本明細書で述べる実施形態は、一般に、タービンコンポーネントに関し、より詳細には、タービンコンポーネントに沿う媒体流を容易にするためにタービンコンポーネントにカバーを結合するための方法およびシステムに関する。
ガスタービンでは、高温ガスが環状高温ガス経路に沿って流れる。通常、タービン段は、高温ガスがタービン段のバケットおよびノズルを通して流れるように高温ガス経路に沿って配設される。タービンバケットは、複数のタービンホイールに固定されることができ、各タービンホイールは、タービンホイールと共に回転するためにロ−タシャフトに搭載される。
従来より、タービンバケットは、実質的に平坦なプラットフォームから半径方向に外側に延在するエーロフォイルを含むことができる。中空シャンク部分は、平坦プラットフォームから半径方向に内側に延在し、バケットをタービンホイールに固定するためにダブテールまたは他の手段を含むことができる。一般に、ガスタービンの運転中に、高温ガスは、全体的に、エーロフォイルを覆いかつその周りに方向付けられる。高温からエーロフォイルを保護するために、エーロフォイルは、空気などの冷却媒体を、エーロフォイルを通して供給するように構成されるエーロフォイル冷却回路を含むことができる。冷却回路は、エーロフォイルの圧力側と吸引側との温度差を減少させることができる。さらに、エーロフォイルの外部壁は、遮熱コーティングでコーティングされて、酸化／腐食保護および／または熱保護を提供することができる。これらのコーティングは、エーロフォイルの圧力側表面および／または吸引側表面に空気を供給するために冷却スキームまたは配置構成と連携して使用されることができる。
冷却回路は、エーロフォイルを通して画定される一連の膜穴および／またはチャネルを使用することができる。より具体的には、通常、膜穴は、通常ある角度でエーロフォイル表面を通してまたエーロフォイル冷却回路内に穿孔されて、冷却回路を通して流れる冷却媒体が、エーロフォイル表面に供給されることを可能にする。しかし、丸い穴などの一部の膜穴は、エーロフォイル表面の最善でない冷却をもたらす場合がある。
冷却効率を改善するために、一部のエーロフォイルは、高度形状の膜穴（たとえば、ディフューザ、シェブロン状穴）または膜穴用の他の複雑形状出口を含むことができる。しかし、これらの高度形状の穴は、製造するのが難しく、また、タービンバケットを生産する全体コストを著しく増加させる場合がある。さらに、一部のエーロフォイルは、エーロフォイルの外側表面上に配置され、膜穴と流体連通状態のディフューザを含むことができる。しかし、表面ディフューザは、製造し、補修し、かつ／または置換するのが難しい可能性がある。
一態様では、タービンコンポーネントが提供される。タービンコンポーネントは、第１の表面および第２の表面を備えるエーロフォイルを含む。遮熱コーティングは、第２の表面に結合され、遮熱コーティングは、第１の部分、第２の部分、および第１の部分と第２の部分との間で画定されるトレンチを含む。チャネルは、第１の表面およびトレンチに流体連通状態で結合され、チャネルは、第１の側壁および第１の側壁に対向する第２の側壁を含む。第１および第２の側壁は、ある角度で第１表面からトレンチに向かって延在する。タービンコンポーネントは、第２の表面に結合されるカバーを含み、カバーは、第１の部分に結合される第１の端部およびトレンチ内に延在しかつ第２の部分から離間する第２の端部を含む。
別の態様では、カバーが提供される。カバーは、エーロフォイルに結合され、角度のあるチャネルからエーロフォイルに沿って媒体流を方向付けるためにトレンチ内に配置される。カバーは、エーロフォイルに結合される第１の端部と、第１の端部に結合され、トレンチ内に延在するように構成される第２の端部とを含む。第２の端部は、角度のあるチャネルに整列される角度のある表面を含む。ろう付け締結具は、第１および第２の端部ならびにエーロフォイルに結合される。
さらに別の態様では、タービンコンポーネントを製造する方法が提供される。方法は、基材の第１の表面および第２の表面の少なくとも一方の表面を通して角度のあるチャネルを形成することを含む。第１の端部および第２の端部を備えるカバーが形成される。方法は、カバーを第１の表面に結合させること、および、角度のあるチャネルを越えてカバーを延在させることを含む。第２の端部は角度のあるチャネルに整列される。さらに、方法は、角度のあるチャネルを被覆するために、第１の表面およびカバーにマスクを塗布することを含む。遮熱コーティングは第１の表面に塗布される。方法は、遮熱コーティングを通して、かつ、角度のあるチャネルと流体連通状態でトレンチを形成することを含む。
本明細書で述べる実施形態は、一般に、タービンコンポーネントに関する。より詳細には、実施形態は、タービンコンポーネントに沿う流体流を容易にするためにタービンコンポーネントにカバーを結合するための方法およびシステムに関する。加熱式コンポーネントについての本明細書で述べる実施形態はタービンエーロフォイルに限定されないことを理解されるべきであり、またさらに、タービン、エーロフォイル、およびカバーを利用する説明および図は例示に過ぎないことが理解されるべきである。さらに、実施形態がタービンエーロフォイルを示すが、本明細書で述べる実施形態は、限定はしないが、タービンノズル、ステータベーン、圧縮機ブレード、燃焼ライン、トランジションピース、および排気ノズルなどの他の適したタービンコンポーネントに含まれることができる。さらに、本明細書で述べる実施形態がタービンコンポーネントに限定される必要がないことが理解されるべきである。具体的には、カバーは、一般に、任意の適した物品であって、その物品を通して、媒体（たとえば、水、蒸気、空気、燃料、および／または任意の他の適した流体）が、物品の表面を冷却するためにおよび／または物品の表面の温度を維持するために方向付けられる、任意の適した物品において使用されることができる。例示的な実施形態では、３つの垂直軸Ｘ、Ｙ、およびＺ、ならびに、関連するＸ、Ｙ、およびＺの基準平面が、タービンコンポーネントに対する３次元デカルト座標系を規定するために使用される。
図１は、タービンコンポーネント１０の斜視図である。図２は、ライン２−２に沿って切取ったタービンコンポーネント１０（図１に示す）の断面図である。タービンコンポーネント１０は、実質的に平坦なプラットフォーム１６から延在するシャンク部分１２およびエーロフォイル１４を含む。プラットフォーム１６は、ガスタービン（図示せず）のタービンセクションを通って流れる高温燃焼ガス用の半径方向に内側の境界を形成する。シャンク部分１２は、プラットフォーム１６から半径方向に内側に延在するように構成され、側面１８、側面１８によって部分的に画定される中空キャビティ２０、およびそれぞれの側面から軸方向軸２４の方向に延在する１つまたは複数のエンジェルウィング２２を含む。シャンク部分１２はまた、タービンコンポーネント１０をガスタービン（図示せず）のロータディスク（図示せず）に固定するように構成される、ダブテールなどの根元構造（例示せず）を含む。
例示的な実施形態では、エーロフォイル１４は、プラットフォーム１６から半径方向軸２６に沿って外側に延在し、プラットフォーム１６に配設されるエーロフォイルベース２８およびエーロフォイルベースに対向して配設されるエーロフォイル先端３０を含む。エーロフォイル１４は、前縁３６と後縁３８との間に延在する圧力側表面３２および吸引側表面３４を含む。圧力側表面３２は、エーロフォイル１４の空気力学的凹状外側表面を含む。同様に、吸引側３４は、エーロフォイル１４の空気力学的凸状外側表面を画定する。
例示的な実施形態では、タービンコンポーネント１０は、エーロフォイル１４全体を通して冷却流体（たとえば、空気、水、燃料、蒸気、および／または任意のまたは適した流体）などの媒体４２を流すために、シャンク部分１２から半径方向に外側に延在するエーロフォイル冷却回路４０を含む。例示的な実施形態では、エーロフォイル回路４０は、１つまたは複数の供給通路４６からエーロフォイル先端３０に全体が隣接するエーロフォイル１４のエリアまで半径方向に外側に延在する複数のチャネル４４を含む。より具体的には、エーロフォイル回路４０は、エーロフォイル１４全体を通して供給通路４６から供給される媒体４２を流すように構成される半径方向に延在する７つのチャネル４４を含む。代替的に、エーロフォイル回路４０は、エーロフォイル１４が本明細書で述べるように機能することを可能にする任意の数のチャネル４４を含むことができる。
エーロフォイル１４は、第１のまたは内側の表面５０および第２のまたは外側の表面５２を有する基材４８から形成され、外側表面５２は、ガスタービン（図示せず）の運転中に、内側表面５０より比較的高い温度に全体的にさらされる。基材４８の内側表面５０は、エーロフォイル回路４０のチャネル４４の全てまたは一部を全体的に画定し、チャンネル４４を通って流れる媒体４２はこうした表面５２を直接冷却する。例示的な実施形態では、基材４８は、コンポーネント１０の所望の運転条件に耐えることが可能な任意の適した材料を含む。より具体的には、基材４８は、限定はしないが、セラミック、ならびに、鋼、耐火金属、ニッケル基超合金、コバルト基超合金、鉄基超合金、および／または同様なものなどの金属材料などの適した材料を含む。さらに、腐食／酸化から外側表面５２を保護するために、および／または、基材４８の運転温度能力を増加させるために、遮熱コーティング（thermal barrier coating）（ＴＢＣ）５４が、基材４８の外側表面５２にまたそれに沿って結合される。
タービンコンポーネント１０は、角度のあるトレンチ５６ならびにエーロフォイル１４内で画定されかつトレンチ５６と流体連通状態の複数の穴および／または角度のあるチャネル５８（たとえば、ディフューザ穴／チャネル）を含む。例示的な実施形態では、ディフューザチャネル５８は、エーロフォイル１４の圧力側表面３２および／または吸引側表面３４を冷却するために、エーロフォイル回路４０を通って流れる媒体４２の一部分を角度のあるトレンチ５６に供給するように構成される。より具体的には、ディフューザチャネル５８のそれぞれは、一端でエーロフォイル回路４０の一部分と流体連通状態にあり、別の端で、角度のあるトレンチ５６と流体連通状態にある。ディフューザチャネル５８は、基材４８の内側表面５０から（たとえば、エーロフォイル回路４０のチャネル４４の１つのチャネルから）エーロフォイル１４の圧力側表面３２内で画定される角度のあるトレンチ５６までエーロフォイル１４内に延在する。したがって、エーロフォイル回路４０を通って流れる媒体４２は、ディフューザチャネル５８のそれぞれを通って、角度のあるトレンチ５６内に方向付けられ、その後、角度のあるトレンチ５６からエーロフォイル１４の圧力側表面３２上に吐出されて、こうした表面３２の膜冷却を容易にする。
角度のあるトレンチ５６は、エーロフォイル１４内で画定されて、ディフューザチャネル５８のそれぞれがトレンチ５６と流体連通状態になることを可能にする任意の適した半径方向長さ６０を規定する。より具体的には、ディフューザチャネル５８は、エーロフォイルベース２８からエーロフォイル先端３０まで全体的に延在する列（row）で、エーロフォイル１４に沿って半径方向に離間する。代替的に、角度のあるトレンチ５６は、エーロフォイルベース２８とエーロフォイル先端３０との間で部分的にのみ半径方向に延在するように構成されることができる。角度のあるトレンチ５６および／またはディフューザチャネル５８は、エーロフォイル１４の外部周囲内でおよび／またはその周りの任意の適した場所で画定されうる。たとえば、角度のあるトレンチ５６は、前縁３６と後縁３８との間の任意の適した場所でエーロフォイル１４の圧力側３２または吸引側３４で画定されることができ、ディフューザチャネル５８は、エーロフォイル回路４０を通して角度のあるトレンチ５６内に流れるように媒体４２を方向付けるために、適した場所のエーロフォイル１４内に画定される。さらに、タービンコンポーネント１０は、２つ以上の角度のあるトレンチ５６およびディフューザチャネル５８の対応するセットを含むことができる。複数のトレンチ５６が、エーロフォイル１４の圧力側３２または吸引側３４で画定されることができる。代替的に、１つまたは複数のトレンチ１２が、エーロフォイル１４の圧力側３２と吸引側３４の両方で画定されることができる。
図３は、タービンコンポーネント１０に結合した例示的なカバー６２の斜視図である。図４は、図３のライン４−４に沿って切取ったカバー６２およびタービンコンポーネント１０の断面図である。例示的な実施形態では、ＴＢＣ５４は、基材４８の外側表面５２に結合したボンド層６４およびボンド層６４に沿いかつそれに結合して配設された遮熱層６６を含む。例示的な実施形態では、ボンド層６４は、下にある基材４８の酸化および／または腐食を防止するように設計された耐酸化性金属材料を含む。ボンド層６４は、「ＭＣｒＡｌＹ」（「Ｍ」は、鉄、ニッケル、またはコバルトを示す）、あるいは、アルミナイドまたは金属アルミナイド材料（たとえば、プラチナアルミナイド）で作られた材料を含むことができる。遮熱層６６は、耐熱材料を含み、耐熱材料は、基材４８の運転温度能力の増加を容易にするように構成される。例示的な実施形態では、遮熱層６６は、たとえば、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、または酸化金属によって部分的にまたは完全に安定化されたジルコニアなどの種々の材料から形成される。代替的に、ボンド層６４および遮熱層６６は、ＴＢＣ５４が本明細書で述べるように機能することを可能にする任意の材料組成を含むことができる。さらに、ＴＢＣ５４は複数の層を必要としない。たとえば、ＴＢＣシステム５６は、基材４８の外側表面５２に直接塗布された遮熱層を含むことができる。
例示的な実施形態では、ＴＢＣ５４は、第１の部分６８および第１の部分６８の下流に配設された第２の部分７０を含む。本明細書で使用される場合、用語「下流（downstream）」は、媒体４２の局所流が矢印で示すように移動する方向を指す。第１の部分６８は、実質的に真直ぐの端部７２を含み、実質的に真直ぐの端部７２は、第１の部分６８と外側表面５２との間に第１の角度７４が規定されるように外側表面５２から外側に延在する。さらに、第２の部分７０は、角度のある端部７８を含み、角度のある端部７８は、第２の部分７０と外側表面５２との間に第２の角度８０が規定されるように外側表面５２から外側に延在する。角度のあるトレンチ５６は、角度のあるトレンチ５６の下部表面８２が基材４８の外側表面５２に平行に延在しかつ外側表面５２によって画定されるようにＴＢＣ５４内に形成される。代替的に、角度のあるトレンチ５６は、ＴＢＣ５４内に、角度のあるトレンチ５６を形成することなどによってＴＢＣ５４の一部分だけを通して画定されることができ、それにより、下部表面８２は、ＴＢＣ５４の層６４および６６の一方の層によっておよび／または一方の層内に完全に画定される。
締結具８４は、カバー６２を外側表面５２およびＴＢＣ５４に結合する。例示的な実施形態では、締結具８４は、カバー６２を、外側表面５２および／またはＴＢＣ５４に結合させるように構成されるろう付け締結具を含む。代替的に、締結具８４は、たとえば、接着剤、溶接剤、およびボンディング剤を含みうる。締結具８４は、カバー６２を外側表面５２に結合することを可能にするための任意の構造および／または組成を含みうる。カバー６２は、真直ぐの表面８８を有する第１の端部８６および角度のある表面９２を有する第２の端部９０を含む。例示的な実施形態では、第１の端部８６は第１の部分６８に結合され、第２の端部９０はトレンチ５６内に延在する。より詳細には、角度のある表面９２は、外側表面５２からトレンチ５６に入るように外側に延在し、それにより、外側表面５２と第２の端部９０との間に第３の角度９４が規定される。例示的な実施形態では、カバー６２は予備焼結プリフォームを含む。代替的に、カバー６２は、カバー６２が本明細書で述べるように機能することを可能にするために合金および粉末などの任意の構造および材料組成を含むことができる。
カバー６２は、タービンコンポーエント１０の製造プロセス中におよび／またはタービンコンポーネント１０の修理プロセス中に、効率的でかつ経済的な設置を容易にするようにサイズ決定され、形作られ、外側表面５２および／またはＴＢＣ５４に結合される。さらに、カバー６２は、第２の部分７０に沿うおよび／または第２の部分７０に隣接する後続の流れのために、チャネル５８から、角度のある端部７８に向かう媒体４２の流れを容易にするようにサイズ決定され、形作られ、外側表面５２および／またはＴＢＣ５４に結合される。
例示的な実施形態では、第１の角度７４は、約９０°の角度を含む。さらに、第２および第３の角度８０および９４は、約６０°未満か、約４５°未満か、または約４０°未満など、約９０°未満に等しい角度を含む。第２の角度８０は、第２の部分７０とエーロフォイル１４の表面９８との間の表面端部９６における移行が比較的スムーズになるように第３の角度９４より小さいとすることができ、それにより、媒体４２の流れがエーロフォイル表面９８上へ乗移るのを容易にする。例示的な実施形態では、第３の角度９４は、約２０°〜約４０°、約２０°〜約３０°、およびそれらの間の部分範囲などの約１５°〜約４５°の範囲にある角度に等しく、第２の角度８０は、約１０°〜約３０°、約１０°〜約２０°、およびそれらの間の部分範囲などの約５°〜約３５°の範囲にある角度に等しいとすることができる。代替的に、第２および第３の角度８０および９４は、等しいかまたは互いに異なるとすることができる。第２および第３の角度８０および９４は、本明細書で述べるように、エーロフォイル表面９８に沿う媒体４２の流れを容易にするように構成される。第１の角度７４、第２の角度８０、および第３の角度９４は、タービンコンポーネント１０が本明細書での述べるように機能することを可能にする任意の角度を含むことができる。
例示的な実施形態では、各ディフューザチャネル５８は、エーロフォイル１４内に画定されて、基材４８の内側表面５０と角度のあるトレンチ５６の下部表面８２との間に延在する。各ディフューザチャネル５８は、基材４８の内側表面５０と下部表面８２との間に角度のある配向を含む。より詳細には、ディフューザチャネル５８は、約４５°未満または約４０°未満などの約６０°未満の第４の角度１００で傾斜することができる。さらに、ディフューザチャネル５８の角度１００は、角度のある表面９２の第３の角度に実質的に等しい。より詳細には、チャネル５８は、第２の部分７０の角度のある端部７８およびカバー６２の角度のある表面９２に整列される。代替的に、角度１００は、第２の部分７０の第２の角度８０に等しいかまたは第２および第３の角度８０および９４の両方と異なるとすることができる。第４の角度１００は、チャンル５８が本明細書での述べるように機能することを可能にする任意の角度を含むことができる。代替的に、任意の適した比較的一定の断面の真直ぐの非拡散チャネル（図示せず）が使用されることができる。
各ディフューザチャネル５８は、調量部分１０２および拡散部分１０４を含む。例示的な実施形態では、各ディフューザチャネル５８の調量部分１０２は、基材４８の内側表面５０と拡散部分１０４との間に延在する実質的に真直ぐの通路を含む。エーロフォイル回路４０（図２に示す）を通してかつエーロフォイル回路４０から供給される媒体４２は、内側表面５０において各ディフューザチャネル５８の調量部分１０２に流入し、各ディフューザチャネル５８の拡散部分１０４に流れる。調量部分１０２は、内側表面５０と拡散部分１０４との間の一定の円形断面形状などの実質的に一定の断面エリアを含む。代替的に、調量部分１０２は、長方形または長円形断面形状を画定することなどによって任意のまたは適した断面形状を有することができる。
各ディフューザチャネル５８の拡散部分１０４は、調量部分１０２から角度のあるトレンチ５６の下部表面８２へと外側に発散するように構成される。拡散部分１０４は、調量部分１０２と下部表面８２との間で角度のあるトレンチ５６の半径方向または長手方向に外側に発散するように構成される概して長方形の断面形状を含む。例示的な実施形態では、拡散部分１０４は、ＴＢＣ５４の角度のある端部７８に実質的に整列する。調量部分１０２を通り、拡散部分１０４に入るように方向付けされる媒体４２は、ディフューザチャネル５８から角度のある表面９２に沿って角度のあるトレンチ５６に入るように流れるにつれて外側に広がる。
タービンコンポーネント１０の例示的な冷却中に、供給通路４６（図１に示す）は、媒体４２を、ソース（図示せず）から冷却回路４０（図１に示す）を通りチャネル５８に入るように放出する。チャネル５８内に供給される媒体４２は、各チャネル５８の調量部分１０２に流入し、各チャネル５８の調量部分１０２を通り拡散部分１０４に流れる。調量部分１０２を通り拡散部分１０４に入るように方向付けられる媒体４２は、ディフューザチャネル５８から角度のあるトレンチ５６に入り、カバーの角度のある端部７８に沿って流れるにつれて外側に広がる。より詳細には、発散側壁１０６は、媒体４２が、拡散部分１０４内で半径方向または長手方向に広がることを可能にし、それにより、速度を減少させ、また、媒体の圧力を増加させる。
媒体４２は、カバーの第２の端部９０の角度のある表面９２に沿って流れ続ける。角度のある表面９２は、媒体４２を、トレンチ５６に入れ、また、ＴＢＣ５４の第２の部分７０に向かって、特に、角度のある端部７８に向かって方向付けるように構成される。例示的な実施形態では、第２の部分７０は、媒体４２が角度のある表面９２によって方向付けられるときのエーロフォイル１４の表面に対する媒体４２の流れ付着(flow attachment)を容易にするために、角度のある表面９２より浅い角度を含む。媒体４２は、第２の部分７０の端部９６において角度のあるトレンチ５６を出る。角度のある端部７８とエーロフォイル表面９８との間の端部９６における媒体４２の移行は、比較的スムーズであり、それにより、媒体の流れがエーロフォイル表面９８上へ乗移るのを容易にする。さらに、媒体流４２の速度の減少は、第２の部分７０の角度のある端部７８に対する媒体４２の流れ付着の向上を容易にし、したがって、次に、エーロフォイル１４（図１に示す）の表面９８に対する媒体４２の流れ付着を高める。したがって、エーロフォイル回路４０（図１に示す）を通って流れる媒体４２は、ディフューザチャネル５８のそれぞれのチャネルを通して角度のある表面９２に入るよう方向付けられ、その後、エーロフォイル１４の圧力側表面３２に沿う流れの方向付けのために、角度のある表面９２から第２の部分７０の角度のある端部７８上に放出されて、コンポーネント１０を膜冷却することを容易にする。
タービンコンポーネント１０のための例示的な修理プロセス中に、損傷を受けたおよび／腐食したカバー６２は、外側表面５２および／またはＴＢＣ５４から除去される。新しいカバー６２が外側表面５２および／またはＴＢＣ５４に結合される。マスク１０７は、第１の部分６８、カバー６２、および第２の部分７０の少なくとも１つに結合される。マスク１０７は、トレンチ５６にわたって塗布されて、チャネル５８および／または内側表面５０を被覆および／または封鎖する。さらに、新しいＴＢＣ５４が表面５２に塗布され、マスク１０７は、塗布されたＴＢＣ５４がチャネル５８および／または内側表面５０に入るのを防止する。マスク１０７は、その後、除去されて、トレンチ５６およびチャネル５８を露出させる。修理プロセスまたはリワークプロセスは、ＴＢＣ５４からトレンチチャネル５８および新しいカバー６２へのスムーズな移行を形成することを容易にするために実施される。
図５は、タービンコンポーネント１０に結合された別のカバー１０８の断面図である。例示的な実施形態では、カバー１０８は、外側表面５２および／またはＴＢＣ５４に結合される。カバー１０８は、実質的に第１の真直ぐの表面１１２を有する第１の端部１１０および実質的に第２の真直ぐの表面１１６を有する第２の端部１１４を含む。より詳細には、第１の端部１１０は第１の部分６８に結合され、第２の端部１１４はトレンチ５６に入るように延在する。第２の真直ぐの表面１１６は、チャネル５８から出る媒体４２の流れを、トレンチ５６を通り、第２の部分７０の角度のある端部７８に向けて方向付けるように構成される。代替的に、表面１１６は、角のある構成を含むことができる。カバー１０８は、第１の端部１１０と第２の端部１１４との間に本体１１８をさらに含む。例示的な実施形態では、本体１１８は、第１の端部１１０から第２の端部１１４まで一様な厚さを含む。第１および第２の真直ぐの表面１１２および１１６ならびに本体１１８は、カバー１０８の好都合な製造、ハンドリング、およびタービンコンポーネント１０に対する適用を容易にするように構成される。延在カバー１０８は、下流表面７８の所望の低い角度に媒体４２の流れを方向付けることを容易にするように構成される。さらに、延在カバー１０８は、高温ガスからコポーネント１０を保護する流れ４２の膜効率（film effectiveness）を増加させるために、媒体４２の流れと入って来る高温ガス（図示せず）との混合を減少させることを容易にするように構成される。
図６は、タービンコンポーネント１０に結合された別の例示的なカバー１２０の断面図である。例示的な実施形態では、カバー１２０は、外側表面５２および／またはＴＢＣ５４に結合される。カバー１２０は、実質的に第１の真直ぐの表面１２２を有する第１の端部１２１および実質的に第２の真直ぐの表面１２６を有する第２の端部１２４を含む。カバー１２０は、第１の端部１２１と第２の端部１２４との間に本体１２８をさらに含む。例示的な実施形態では、本体１２８は、第１の端部１２１から第２の端部１２４まで一様でない厚さを含む。例示的な実施形態では、本体１２８は、第１の端部１２１から第２の端部１２４までテーパ付き構成を含む。代替的に、本体１２８は、第１の端部１２１から第２の端部１２４まで表面に沿っておよび／または第２の端部１２４で、たとえば湾曲構成およびスカラップド構成などの任意の厚さの変動する構成を含みうる。本体１２８は、カバー１２０が本明細書で述べるように機能することを可能にする任意の構成を含みうる。第１および第２の真直ぐの表面１２２および１２６ならびに本体１３８は、カバー１２０の好都合な製造、ハンドリング、およびタービンコンポーネント１０に対する適用を容易にするように構成され、また、所望される場合に、流れ不連続性、ホットスポット、およびチャネル冷却剤の流れをなくすかつ／または減少させることを容易にするように構成される。
図７は、別の例示的なカバー１３０の正面立面図である。カバー１３０は、実質的に第１の真直ぐの表面１３４を有する第１の端部１３２および実質的に第２の真直ぐの表面１４０を有する第２の端部１３８を含む。カバー１３０は、第１の端部１３２と第２の端部１３８との間に本体１４２をさらに含む。例示的な実施形態では、本体１４２は、第１の端部１３２から第２の端部１３８まで一様でない厚さを含む。例示的な実施形態では、本体１４２は、第１の端部１３２から第２の端部１３８までテーパ付き構成を含む。代替的に、本体１４２は、第１の端部１３２から第２の端部１３８までおよび／または第２の端部１３８に沿って、たとえば湾曲構成およびスカラップド構成などの任意の厚さの変動する構成を含みうる。第１および第２の表面１３４および１４０ならびに本体１４２は、カバー１３０の好都合な製造、ハンドリング、およびタービンコンポーネント１０（図１に示す）に対する適用を容易にするように構成され、また、所望される場合に、流れの不連続性、ホットスポット、およびチャネル冷却剤の流れをなくすかつ／または減少させることを容易にするように構成される。
図８は、別の例示的なタービンコンポーネント１４５に結合された別の例示的なカバー１４４の断面図である。例示的な実施形態では、基材５０は凹所１４６を含む。カバー１４４は、実質的に真直ぐの表面１５０を有する第１の端部１４８および角度のある表面１５４を有する第２の端部１５２を含む。第１の端部１４８は凹所１４６に結合され、第２の端部１５２はチャネル５８の調量部分１０２に整列する。さらに、ＴＢＣ５６の第１の部分６８は、第１の端部１４８から第２の端部１５２までカバー１４４に沿って延在する。カバー１４４および凹所１４６は、カバー１４４の製造、ハンドリング、およびタービンコンポーネント１０（図１に示す）に対する適用を容易にするように構成される。さらに、窪んだカバー１４４は、ＴＢＣ５６が、所望に応じてチャネル５８までまたチャネル５８を越えて一様に被覆することを容易にするように構成される。
図９は、タービンコンポーネント１０に結合された別の例示的なカバーの断面図である。カバー１５６は、外側表面５２および／またはＴＢＣ５４に結合され、また、限定はしないが、スロット、メッシュ付きスロット、調量スロット、アパーチャ、ピンバンク、および／または多孔質媒体などの非ディフューザ形状１５８を含む。例示的な実施形態では、カバー１５６は、第１の部分１６０および第２の部分１６２を含む。第１の部分１６０は、外側表面５２および／またはＴＢＣ５４に結合され、トレンチ５６に入るように延在する。第２の部分１６２は第１の部分１６０および基材４８に結合される。第２の部分１６２は、複数の部材１６４であって、隣接する部材１６４の間に空間１６８を有するアレイ式レイアウト１６６で構成される、複数の部材１６４を含む。
各部材１６４は、第１の部分１６０に結合した第１の端部１７０および基材に結合した第２の端部１７２を含む。本体は、第１の端部１７０および第２の端部１７２に結合され、両者の間に延在する。例示的な実施形態では各部材１６４は、円形断面を有する柱形状を含む。代替的に、部材１６４は、たとえば正方形および長方形などの他の断面形状を含みうる。部材１６４は、カバーが本明細書で述べるように機能することを可能にする任意の形状を含みうる。第１の部分１６０および第２の部分１６２は、媒体４２の流れを、チャネル５８から空間１６８を通りトレンチ５６に入るよう方向付けることを容易にするように構成される。さらに、第１の部分１６０および第２の部分１６２は、第１の部分１６０から第２の部分１６２を通り媒体４２に入る熱伝達を容易にするように構成される。
図１０は、タービンコンポーネント、たとえばタービンコンポーネント１０（図４に示す）を製造する方法１０００を示す例示的なフローチャートである。方法１０００は、基材４８（図４に示す）などの基材の、第１の表面および第２の表面、たとえば第１の表面５０（図４に示す）および第２の表面５２（図４に示す）の少なくとも一方の表面を通して、チャネル５８（図４に示す）などの角度のあるチャネルを形成すること１００２を含む。例示的な方法では、チャネルは、レーザ機械加工プロセス、ＥＤＭプロセス、ウォータジェット機械加工プロセス、ミリングプロセス、および／または任意のまたは適した機械加工プロセスを使用することなどによって、機械加工プロセスによって形成されることができる。さらに、一実施形態では、各ディフューザチャネルの調量部分、たとえば調量部分１０２（図４に示す）は、各ディフューザ穴１４の拡散部分、たとえば拡散部分１０４（図４に示す）とは別個の製造ステップで形成されることができる。たとえば、調量部分は、基材内で最初に形成され、拡散部分は、その後基材内で機械加工される、または、その逆も同様である。代替的に、調量部分および拡散部分は、単一製造ステップで共に形成されることができる。
例示的な方法１０００では、カバー、たとえばカバー６２（図４に示す）が形成され、１００４、カバーは、第１および第２の端部８６および９０（図４に示す）などの第１の端部および第２の端部を含む。方法１０００は、カバーの第１の端部を第１の表面に結合させること、１００６を含む。さらに、カバーは、角度のあるチャネルを越えて延在される、１００８。例示的な方法１０００では、カバーを形成することは、真直ぐの表面、たとえば真直ぐの表面８８（図４に示す）を第１の端部内に形成すること、および、角度のある表面、たとえば角度のある表面９２（図４に示す）第２の端部内に形成することを含む。方法は、第２の端部を角度のあるチャネルに整列させること、１０１０をさらに含む。形成プロセスおよび／または修理プロセス中に、方法は、マスク、たとえばマスク１０７（図４に示す）を第１の表面に塗布すること、１０１２を含む。マスクは、角度のあるチャネルを被覆および／または封鎖するように構成される。
方法１０００は、ＴＢＣ、たとえばＴＢＣ５４（図４に示す）を基材の第１の表面に塗布すること、１０１４をさらに含む。例示的な方法１０００では、ＴＢＣは、ボンド層、たとえばボンド層６４（図４に示す）および遮熱層、たとえば遮熱層６６（図４に示す）を含む。ボンド層および遮熱層は、限定はしないが、パック拡散プロセス、物理的蒸気堆積プロセス、化学的蒸気堆積プロセス、および／または熱噴霧プロセスを含む任意の適したプロセスを使用して基材の第１の表面に塗布される。方法１０００は、マスクを除去すること、１０１６を含む。一実施形態では、マスクは除去されて、カバーおよび角度のあるチャンネルを露出させる。
方法１０００は、ＴＢＣを通りかつ角度のあるチャネルと流体連通状態で、トレンチ、たとえばトレンチ５６（図４に示す）を形成すること、１０１８をさらに含む。例示的な方法では、トレンチは、ＴＢＣの所定部分を除去することによって形成される。トレンチは、ＴＢＣ内にトレンチを形成するために、レーザ機械加工プロセスなどの任意の適したプロセスを使用して形成されることができる。代替的に、トレンチは、電気放電機械加工（electrical discharge machining）（「ＥＤＭ」）プロセス、ウォータジェット機械加工プロセス（たとえば、アブレイシブウォータジェットプロセスを使用することによる）、および／またはミリングプロセスを使用してＴＢＣ内で形成されることができる。代替的に、対象物から材料の選択された部分を除去するための任意のまたは適した機械加工プロセスが、角度のあるトレンチを形成するために利用されることができる。例示的な方法では、マスクは、第１の表面を実質的に被覆するために塗布される。代替的に、マスクは、第１の表面を部分的に被覆することができ、また、ＴＢＣは、露出したおよび／またはマスクされない第１の表面を被覆することができる。
方法１０００は、ＴＢＣの、第１の部分、たとえば第１の部分６８（図４に示す）を形成すること、および、第１の部分から離間する第２の部分、たとえば第２の部分７０（図４に示す）を形成することを含む。さらに、方法１０００は、角度のある端部、たとえば角度のある端部７８（図４に示す）を第２の部分の中に形成することを含む。
本明細書に述べるシステムおよび方法の技術的効果は、第１の表面および第２の表面を有するエーロフォイルに沿って冷却媒体を方向付けること、第２の表面に結合され、かつ、第１の部分、第２の部分、および第１の部分と第２の部分との間で画定されるトレンチを有する遮熱コーティング、第１の表面およびトレンチと流体連通状態で結合されたチャネルであって、第１の側壁および第１の側壁に対向する第２の側壁を含み、それにより、第１および第２の側壁が、ある角度で第１の表面からトレンチに向かって延在する、チャネル、および、第２の表面に結合され、第１の部分に結合した第１の端部および第２の端部であって、トレンチ内に延在し、第２の部分から離間する、第２の端部を有するカバー、のうちの少なくとも１つを含む。
本明細書で述べる例示的な実施形態は、タービンエーロフォイルの圧力側および／または吸引側などの加熱表面に沿って冷却媒体を方向付けることを容易にする。本明細書で述べる実施形態は、エーロフォイル表面に沿って媒体の流れを方向付ける予備焼結プリフォームなどのカバーを使用して、熱伝達効率を高める。さらに、本明細書で述べる実施形態は、タービンに関連する運転および維持コストを低減させながら、タービン効率ならびに／または出力および／または温度能力の増加を容易にする。なおさらに、本明細書で述べる実施形態は、コンポーネント寿命および部品の改修を高める。カバーは、媒体の流れを改善し、ディフューザ穴／チャネルがトレンチの下部になることを可能にすることによってマルチインターバル能力を提供する。
タービンコンポーネントおよびタービンコンポーネントを組立てるための方法の例示的な実施形態が詳細に上述される。方法およびシステムは、本明細書で述べる特定の実施形態に限定されるのではなく、むしろ、システムのコンポーネントおよび／または方法のステップは、本明細書で述べる他のコンポーネントおよび／またはステップと独立してかつ別々に利用されることができる。たとえば、方法はまた、他の製造システムおよび方法と組合せて使用されることができ、本明細書で述べるシステムおよび方法だけを用いて実施することに限定されない。むしろ、例示的な実施形態は、多くの他の熱アプリケーションに関連して実装され利用されうる。
本発明の種々の実施形態の特定の特徴が、いくつかの図面で示され、他の図面で示されない場合があるが、これは便宜のために過ぎない。本発明の原理によれば、図面の任意の特徴が、任意の他の図面の任意の特徴と組合せて参照および／または特許請求されることができる。
この書面による説明は、最良モードを含む本発明を開示するために、また同様に、任意のデバイスまたはシステムを作り使用すること、および、組込まれる任意の方法を実施することを含む、本発明を当業者が実施することを可能にするために例を使用する。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が思い付く他の例を含むことができる。こうした他の例は、特許請求の範囲の逐語的言語と異ならない構造的要素を有する場合、または、特許請求の範囲の逐語的言語と非実質的相違を有する等価な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図される。
１０ タービンコンポーネント
１２ シャンク部分分
１４ エーロフォイル
１６ 平坦プラットフォーム
１８ 側面
２０ 中空キャビティ
２２ エンジェルウィング
２４ 軸方向軸
２６ 半径方向軸
２８ エーロフォイルベース
３０ エーロフォイル先端
３２ 圧力側
３４ 吸引側
３６ 前縁
３８ 後縁
４０ 冷却回路
４２ 媒体
４４ チャネル
４６ 供給通路
４８ 基材
５０ 第１のまたは内側の表面
５２ 第２のまたは外側の表面
５４ 遮熱コーティング
５６ トレンチ
５８ チャネル
６０ 半径方向長さ
６２ カバー
６４ ボンド層
６６ 遮熱層
６８ 第１の部分
７０ 第２の部分
７２ 真直ぐの端部
７４ 第１の角度
７８ 角度のある端部
８０ 第２の角度
８２ 下部表面
８４ 締結具
８６ 第１の端部
８８ 真直ぐの表面
９０ 第２の端部
９２ 角度のある表面
９４ 第３の角度
９６ 端部
９８ 表面
１００ 第４の角度
１０２ 調量部分
１０４ 拡散部分
１０６ 側壁
１０７ マスク
１０８ カバー
１１０ 第１の端部
１１２ 第１の真直ぐの表面
１１４ 第２の端部
１１６ 第２の真直ぐの表面
１１８ 本体
１２０ カバー
１２１ 第１の端部
１２２ 第１の真直ぐの表面
１２４ 第２の端部
１２６ 第２の真直ぐの表面
１２８ 本体
１３０ カバー
１３２ 第１の端部
１３４ 第１の真直ぐの表面
１３８ 第２の端部
１４０ 第２の真直ぐの表面
１４２ 本体
１４４ カバー
１４６ 凹所
１４８ 第１の端部
１５０ 真直ぐの表面
１５２ 第２の端部
１５４ 角度のある表面
１５６ カバー
１５８ 非ディフューザ形状
１６０ 第１の部分
１６２ 第２の部分
１６４ 部材
１６６ レイアウト
１６８ 空間
１７０ 第１の端部
１７２ 第２の端部
１７４ 本体
１０００ 方法
１００２ 基材の第１の表面および第２の表面を通して角度のあるチャネルを形成すること
１００４ 第１端部および第２の端部を備えるカバーを形成すること
１００６ カバーを第１の表面に結合すること
１００８ 角度のあるチャネルを越えてカバーを延在させること
１０１０ 第２の端部を角度のあるチャネルに整列させること
１０１２ 角度のあるチャネルを被覆するために、第１の表面およびカバーにマスクを塗布すること
１０１４ 遮熱コーティングを第１の表面に塗布すること
１０１６ マスクを除去すること
１０１８ 遮熱コーティングを通りかつ角度のあるチャネルと流体連通状態で、トレンチを形成すること
１２ シャンク部分分
１４ エーロフォイル
１６ 平坦プラットフォーム
１８ 側面
２０ 中空キャビティ
２２ エンジェルウィング
２４ 軸方向軸
２６ 半径方向軸
２８ エーロフォイルベース
３０ エーロフォイル先端
３２ 圧力側
３４ 吸引側
３６ 前縁
３８ 後縁
４０ 冷却回路
４２ 媒体
４４ チャネル
４６ 供給通路
４８ 基材
５０ 第１のまたは内側の表面
５２ 第２のまたは外側の表面
５４ 遮熱コーティング
５６ トレンチ
５８ チャネル
６０ 半径方向長さ
６２ カバー
６４ ボンド層
６６ 遮熱層
６８ 第１の部分
７０ 第２の部分
７２ 真直ぐの端部
７４ 第１の角度
７８ 角度のある端部
８０ 第２の角度
８２ 下部表面
８４ 締結具
８６ 第１の端部
８８ 真直ぐの表面
９０ 第２の端部
９２ 角度のある表面
９４ 第３の角度
９６ 端部
９８ 表面
１００ 第４の角度
１０２ 調量部分
１０４ 拡散部分
１０６ 側壁
１０７ マスク
１０８ カバー
１１０ 第１の端部
１１２ 第１の真直ぐの表面
１１４ 第２の端部
１１６ 第２の真直ぐの表面
１１８ 本体
１２０ カバー
１２１ 第１の端部
１２２ 第１の真直ぐの表面
１２４ 第２の端部
１２６ 第２の真直ぐの表面
１２８ 本体
１３０ カバー
１３２ 第１の端部
１３４ 第１の真直ぐの表面
１３８ 第２の端部
１４０ 第２の真直ぐの表面
１４２ 本体
１４４ カバー
１４６ 凹所
１４８ 第１の端部
１５０ 真直ぐの表面
１５２ 第２の端部
１５４ 角度のある表面
１５６ カバー
１５８ 非ディフューザ形状
１６０ 第１の部分
１６２ 第２の部分
１６４ 部材
１６６ レイアウト
１６８ 空間
１７０ 第１の端部
１７２ 第２の端部
１７４ 本体
１０００ 方法
１００２ 基材の第１の表面および第２の表面を通して角度のあるチャネルを形成すること
１００４ 第１端部および第２の端部を備えるカバーを形成すること
１００６ カバーを第１の表面に結合すること
１００８ 角度のあるチャネルを越えてカバーを延在させること
１０１０ 第２の端部を角度のあるチャネルに整列させること
１０１２ 角度のあるチャネルを被覆するために、第１の表面およびカバーにマスクを塗布すること
１０１４ 遮熱コーティングを第１の表面に塗布すること
１０１６ マスクを除去すること
１０１８ 遮熱コーティングを通りかつ角度のあるチャネルと流体連通状態で、トレンチを形成すること
Claims (20)
- タービンコンポーネントであって、
第１の表面および第２の表面を備えるエーロフォイルと、
前記第２の表面に結合され、第１の部分、第２の部分、および前記第１の部分と前記第２の部分との間で画定されるトレンチを備える遮熱コーティングと、
前記第１の表面および前記トレンチに流体連通状態で結合されるチャネルであって、第１の側壁および前記第１の側壁に対向する第２の側壁を備え、前記第１および第２の側壁は、ある角度で前記第１表面から前記トレンチに向かって延在する、チャネルと、
前記第２の表面に結合され、前記第１の部分に結合される第１の端部および前記トレンチ内に延在しかつ前記第２の部分から離間する第２の端部を備えるカバーとを備えるタービンコンポーネント。 - 前記第１の部分は真直ぐの端部を備え、前記第２の部分は角度のある端部を備える請求項１記載のタービンコンポーネント。
- 前記第１の部分は真直ぐの端部を備え、前記第２の部分は、前記第２の側壁に実質的に整列される角度のある端部を備える請求項１記載のタービンコンポーネント。
- 前記角度のある端部と前記第２の側壁の角度は約９０°未満である請求項３記載のタービンコンポーネント。
- 前記第１の端部は真直ぐの表面を備え、前記第２の端部は角度のある表面を備える請求項１記載のタービンコンポーネント。
- 前記第２の端部は、前記第１の側壁に実質的に整列される角度のある表面を備える請求項１記載のタービンコンポーネント。
- 前記カバーは、前記第１の端部から前記第２の端部まで実質的に均一な厚さを備える請求項１記載のタービンコンポーネント。
- 前記カバーは、前記第１の端部から前記第２の端部まで不均一な厚さを備える請求項１記載のタービンコンポーネント。
- 前記第２の端部は、実質的に真直ぐである請求項１記載のタービンコンポーネント。
- 前記カバーは予備焼結プリフォームを備える請求項１記載のタービンコンポーネント。
- 前記第２の表面および前記カバーに結合されるろう付け締結具をさらに備える請求項１記載のタービンコンポーネント。
- エーロフォイルに結合され、角度のあるチャネルから前記エーロフォイルに沿って媒体流を方向付けるためにトレンチ内に配置されるカバーであって、
前記エーロフォイルに結合される第１の端部と、
前記第１の端部に結合され、前記トレンチ内に延在するように構成される第２の端部であって、前記角度のあるチャネルに整列される角度のある表面を備える、第２の端部と、ならびに
前記第１および第２の端部ならびに前記エーロフォイルに結合されるろう付け締結具とを備えるカバー。 - 前記第１および第２の端部は、予備焼結プリフォームを備える請求項１２記載のカバー。
- 前記カバーは複数の柱部材を備える請求項１２記載のカバー。
- タービンコンポーネントを製造する方法であって、
基材の第１の表面および第２の表面の少なくとも一方の表面を通して角度のあるチャネルを形成すること、
第１の端部および第２の端部を備えるカバーを形成すること、
前記カバーを前記第１の表面に結合させること、
前記角度のあるチャネルを越えて前記カバーを延在させ、前記第２の端部を前記角度のあるチャネルに整列させること、
前記角度のあるチャネルを覆うために、前記第１の表面および前記カバーにマスクを塗布すること、
遮熱コーティングを前記第１の表面に塗布すること、ならびに
前記遮熱コーティングを通して、かつ、前記角度のあるチャネルと流体連通状態でトレンチを形成することを含む方法。 - 前記トレンチを形成することは、前記遮熱コーティングの第１の部分および前記第１の部分から離間した前記遮熱コーティングの第２の部分を形成することを含む請求項１５記載の方法。
- 角度のある表面を前記第２の部分に入るように形成することをさらに含む請求項１６記載の方法。
- 前記カバーを形成することは、真直ぐの表面を前記第１の端部に入るよう、また、角度のある表面を前記第２の端部に入るように形成することを含む請求項１５記載の方法。
- 前記カバーを前記第１の表面に結合させることは、前記カバーを前記第１の表面にろう付けすることを含む請求項１５記載の方法。
- 前記角度のあるチャネルを露出させるために、前記マスクを除去することをさらに含む請求項１５記載の方法。
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