JP2016505102A - 堅牢なタービンブレード - Google Patents
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Abstract
先端摩擦事象中のタービンブレードに対する損傷を最小限にし、更なる先端減肉を抑制し、タービンブレード（２４）の弾性を改善する堅牢なタービンブレード設計が提供される。これは、陥凹先端（２８）又は突出先端（９８）などの種々のブレード先端（１２）設計によって達成することができる。また、アブレイダブル層又はアブレッシブ層を有する環境障壁コーティング（ＥＢＣ）（２２）を備えたブレード先端又はシュラウド、或いは両方を設けることにより達成できる。【選択図】 図１
Description
本発明は、全体的にタービンに関する。より具体的には、本発明は、機械的完全性又は性能を損なうことなくブレード先端とシュラウドとの間の摩擦に耐える堅牢なタービンブレードに関する。
タービン組立体は通常、燃料の燃焼によって生成される高温の加圧ガスを膨張させることにより回転シャフト出力を発生させる。ガスタービンバケット又はブレードは一般に、流路ガスの熱及び運動エネルギーをロータの機械的回転に転換するよう設計された翼形部形状を有する。
タービンの性能及び効率は、回転ブレードの先端と固定シュラウドとの間のスペースを縮小して、他の場合にはブレードをバイパスすることになる空気流がブレードの上部を越えて又はその周囲から流れるのを制限することにより向上させることができる。例えば、ブレードは、エンジン作動中に先端がシュラウドに近接して一致するように構成することができる。
タービンブレードは、ニッケル基超合金及びセラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）を含む幾つかの材料から作ることができる。ＣＭＣは、温度性能が高く軽量であることに起因して、タービン用途においてニッケル基超合金に代わる魅力的な代替手段である。
ＣＭＣタービンブレードを設計する際には、効率的な先端クリアランスを生成し維持することが極めて重要である。ＣＭＣは金属超合金と比べて本来的に破断歪みが小さく損傷許容性が低いことにより、タービンブレード先端の摩擦事象の際のブレードの耐久性に関する問題が生じる。ガス燃焼環境においてＣＭＣ減肉又はシリカ生成の揮発はまた、緊密な先端クリアランスを保持しようとする際の課題となる可能性がある。
先端摩擦事象の際には、半径方向クリアランスが干渉状態になり、翼形部先端が固定シュラウドハードウェアに衝突し、ブレードに大きな接線方向の力をもたらす。この力は、翼形部及びシャンクに相当な曲げモーメントを誘起し、その結果、部品に過荷重を加え、恒久的な構造損傷を引き起こす可能性がある。エンジンの構造クリアランス及びシュラウドクリアランス制御システムの不確定要因に起因して、設計堅牢性の最良事例では、機械的完全性又は性能を損なうことなくブレード先端とシュラウドとの間の摩擦に耐えるタービンブレードが要求される。
上記の課題を克服するＣＭＣブレードが当該技術分野において望ましい。
本発明は、先端摩擦事象中のタービンブレードに対する損傷を最小限にし、更なる先端減肉を抑制し、タービンブレードの弾性を改善する堅牢なタービンブレード設計を提供する。これは、陥凹先端又は突出先端などの種々のブレード先端設計によって達成することができる。また、アブレイダブル層又はアブレッシブ層を有する環境障壁コーティング（ＥＢＣ）を備えたブレード先端又はシュラウド、或いは両方を設けることにより達成できる。
本発明の１つの実施形態によれば、ブレードは、陥凹又は突出構成を有する先端を含むことができる。
本発明の１つの実施形態によれば、ブレードは、ＣＭＣ製で且つＥＢＣを含むことができる。シュラウドは、ＣＭＣ製で且つＥＢＣを含むことができ、或いは、金属製で熱障壁コーティング（ＴＢＣ）又は他の同様のセラミックコーティングを含むことができる。本発明の種々の実施形態において、ブレード先端又はシュラウド、或いはブレード先端及びシュラウド両方のＥＢＣは、アブレイダブル又はアブレッシブ層を含むことができる。
本発明の他の特徴及び利点は、例証として本発明の原理を示す添付図面を参照しながら、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかになるであろう。
可能な限り、図面全体を通じて同じ要素を示すために同じ参照符号が使用される。
本発明は、先端摩擦事象の間のタービンブレードに対する損傷を最小限にし、更なる先端減肉を防いでタービンブレードの弾性を改善する堅牢なタービンブレードを提供する。これは、陥凹先端又は突出先端など、様々なブレード先端設計によって達成することができる。また、アブレイダブル又はアブレッシブ層を有するＥＢＣを備えたブレード先端又はシュラウド、もしくはその両方を設けることにより達成することができる。
ブレード先端は、ＣＭＣ材料から作ることができ、アブレイダブル又はアブレッシブ層を有するＥＢＣを含むことができる。陥凹及び突出先端を含む種々の先端幾何形状、及びアブレイダブル又はアブレッシブコーティングにより、先端摩擦事象中のブレードにおける接触荷重を低減し、シュラウドに対して摩擦する可能性がある先端区域を低減することにより、タービンブレードの他の重要区域に対しての可能性のある損傷を最小限にする一助となる。
本発明によれば、前縁及び後縁、並びにブレード先端及び対向する根元端部を有するブレードは更に、例えば、陥凹先端又は突出先端を含むことができる。図１は、本発明によるブレード先端１０の図である。ブレード先端１０は、陥凹部又は突出部１２を有することができる。
ブレード先端が陥凹構成を有するときには、先端の側壁は先端に凹部を形成することができる。本発明の１つの実施形態によれば、凹部は、ブレード先端の長さに沿って開放チャネルを形成することができる。陥凹部は、何らかの半径又は深さを有することができる。例えば、陥凹部は、約０．０１８インチ〜約０．０４０インチの半径及び約０．０４０インチ〜約０．０５０インチの深さを有することができる。
ブレード先端が突出構成を有するときには、先端の縁部は、厚み方向で先端中心に向かって隆起部を形成する。本発明の別の実施形態によれば、突出部は、ブレード先端の幅に沿ってリッジを形成することができる。突出部は、何らかの半径又は深さを有することができる。例えば、突出部は、約０．６０インチ〜約０．８０インチの半径及び約０．２０インチ〜約０．６０インチの深さを有することができる。
図２は、本発明の実施形態による陥凹構成を有するブレード先端の斜視図である。ブレード先端２０は、ＥＢＣ２２を含み、該ＥＢＣ２２は、アブレイダブル又はアブレッシブ層と、下にあるＣＭＣ基材２４とを含むことができる。図２に示すように、ＥＢＣ２２及びＣＭＣ基材２４の縁部２６は、湾曲形状を有し、湾曲又は丸みのある陥凹部２８を形成することができる。
図３〜８は、本発明の種々の実施形態による陥凹先端部を有するブレード先端の断面図である。図３に示すように、ＥＢＣ２２及びＣＭＣ基材２４の縁部２６は、湾曲形状を有し、平坦なベースと湾曲又は丸みのある縁部とを有する陥凹部２８を形成することができる。加えて、図４に示すように、ＥＢＣ２２及びＣＭＣ基材２４の縁部２６は、湾曲形状を有し、平坦なベースと直線状の縁部とを有する陥凹部２８を形成することができる。図５に示すような本発明の別の実施形態によれば、ＥＢＣ２２及びＣＭＣ基材２４の縁部２６は、直線状の形状を有し、湾曲又は丸みのある陥凹部２８を形成することができる。図６に示すような本発明の別の実施形態において、ＥＢＣ２２及びＣＭＣ基材２４は、直線状の形状の１つの縁部２６を有し、平坦なベースと湾曲縁部とを有する陥凹部２８を形成することができる。図７に示すような本発明の別の実施形態において、ＥＢＣ２２及びＣＭＣ基材２４の縁部２６は、直線状の形状を有し、平坦なベース及び直線状の縁部を備えた陥凹部２８を形成することができる。図８に示すような本発明の別の実施形態において、ＥＢＣ２２及びＣＭＣ基材２４は、直線状の形状の１つの縁部２６を有し、平坦なベース及び直線状の縁部を備えた陥凹部２８を形成することができる。
ＥＢＣ接合に加えて、陥凹構成は、アブレイダブル材料の保持を助けて摩擦事象中にコーティングの完全遊離を防ぐ機械的保持部を形成することができる。加えて、陥凹部は、高い先端摩擦力を受けて変形又は部分的に破砕して、ＣＭＣブレードの高荷重を受けた残りの区域に対する衝撃を低減することができる。突出構成は、先端において狭面積を可能にし、結果として、ブレードに係る圧力生成を小さくすることにより先端摩擦力を低減することができ、また、より大きな半径に起因したより良好なＥＢＣ化学的接着を可能にすることができる。
図９は、本発明の別の実施形態による突出構成を有するブレード先端の斜視図である。ブレード先端９０は、ＥＢＣ９２を含み、該ＥＢＣは、アブレイダブル又はアブレッシブ層と、下にあるＣＭＣ基材９４とを含むことができる。図９に示すように、ＥＢＣ９２及びＣＭＣ基材９４の縁部９６は、湾曲形状を有し、湾曲又は丸みのある縁部を有する突出部９８を形成することができる。
図１０及び１１は、本発明の種々の実施形態による突出先端を有するブレード先端の断面図である。図８に示すように、ＥＢＣ９２及びＣＭＣ基材９４の縁部９６は、湾曲形状を有し、平坦な上部を有する突出部９８を形成することができる。図１１に示すような本発明の別の実施形態において、ＥＢＣ９２及びＣＭＣ基材９４の縁部９６は、直線状の形状を有し、平坦な上部を有する突出部９８を形成することができる。
ＥＢＣ及びＣＭＣ基材は、図２〜１１に示すのと同様の断面輪郭を有することができ、或いは、異なる断面輪郭を有することができる。例えば、ＥＢＣは、湾曲形状を有し、平坦なベースと湾曲又は丸みのある縁部とを有する陥凹部を形成する縁部を有することができるが、ＣＭＣ基材は、湾曲形状を有し且つ湾曲又は丸みのある陥凹部を有する縁部を有することができる。
本発明の１つの実施形態によれば、ブレード先端は、パターン形成されたアブレイダブル又はアブレッシブ層を有するＥＢＣでコーティングすることができる。例えば、パターンは、限定ではないが、平坦リッジ、丸みのあるリッジ、単点又は複数点先端など、シュラウド流路に従うリッジの形状にすることができるリッジを含むことができる。
図１２は、本発明の１つの実施形態による、陥凹構成及びパターン形成されたアブレイダブル又はアブレッシブ層２１を有するブレード先端２０の斜視図である。例えば、パターン形成されたアブレイダブル又はアブレッシブ層２１は、ＥＢＣ２２の最上層とすることができる。図１３は、本発明の１つの実施形態による、突出構成及びパターン形成されたアブレイダブル又はアブレッシブ層９１を有するブレード先端９０の斜視図である。例えば、パターン形成されたアブレイダブル又はアブレッシブ層９１は、ＥＢＣ９２の最上層とすることができる。
陥凹又は突出ＣＭＣ先端を形成するために、コア翼形部構造ＳｉＣパイルは、超音波加工のような又はＣＭＣ成形プロセス中に実施される非従来的な機械加工法により定めることができる翼形部の先端を通って延びることができる。
特定の先端構成は、他の構成に優る製造上の利点を提供することができる。例えば、湾曲形状を有し且つ湾曲又は丸みのある陥凹部を形成するＥＢＣ２２及びＣＭＣ基材２４の縁部２６を備えた図２に示す陥凹先端構成は、図７又は８の陥凹部のような、直線状の縁部２２を有する構成よりも製造をより簡素にすることができる。加えて、特定の構成は、機械的利点を提供する。例えば、図９に示す突出先端構成は、ＣＭＣ基材９４へのＥＢＣ９２の良好なコーティング密着性を可能にすることができる。
上記で検討したように、本発明の実施形態によれば、ブレードは、ＣＭＣ製であり、ＥＢＣを含むことができる。ブレードを囲むシュラウドは、ＣＭＣ製でＥＢＣを含むことができ、或いは、金属製で熱障壁コーティング（ＴＢＣ）又は他の同様のセラミックコーティングを含むことができる。
種々のタイプのＣＭＣ材料を用いて、本発明のブレード又はシュラウドを形成することができる。例えば、シリコン含有マトリクス及び強化材料を有するＣＭＣ材料は、限定ではないが、炭化ケイ素、窒化ケイ素、及びこれらの混合物を含む。
ＣＭＣにＥＢＣコーティングを施工し、高温のエンジンセクションの過酷な環境から保護し、耐減肉性を向上させることができる。ＥＢＣは、高温燃焼環境において、シリコン含有ＣＭＣ及びモノリシックセラミックスを急速に酸化させる可能性がある腐食性ガスに対する高密度気密シールを提供することができる。加えて、酸化ケイ素は、高温蒸気において安定ではないが、揮発性（ガス状）シリコン水酸化物化学種に転化される。従って、ＥＢＣは、このような酸化及び揮発プロセスに起因したセラミック構成要素の寸法変化の阻止を助けることができる。
本発明の１つの実施形態によれば、環境障壁コーティング材料は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、及び複合材料などのシリコン系高温基材に一般に使用されるものを含むことができる。これらの材料は、基材と一致又はほぼ一致した熱膨張係数を有する。典型的には、ボンドコート及び少なくとも１つの耐火性酸化層を含む基材へのＥＢＣ材料の接着を良好にするには複数の層が必要とされる。ボンドコートは、ガス状副生成物の発生無しで酸素を利用する、元素シリコン、シリコン合金、及び金属シリサイドなどの材料を含むことができる。バリウム・ストロンチウム・アルミノケイ酸塩（ＢＳＡＳ）、ムライト、希土類ジシリケート（例えば、イッテルビウムジシリケート）、希土類モノシリケート（例えば、イッテルビウムモノシリケート）、及びこれらの混合物を含む、当該技術分野において説明される典型的なＥＢＣ耐火酸化層は、長期にわたって基材に接着された状態のままとなる堅牢なブレード先端の１又はそれ以上の層を構成するのに最良の選択肢であろう。しかしながら、基材材料の熱膨張係数と一致又はほぼ一致した熱膨張係数を有する、他の何れかの酸化物、金属炭化物、金属ホウ化物、又は金属窒化物を用いることもできる。ＥＢＣ材料の選択は、堅牢なブレード先端の設計に応じて変えることができる。
本発明の種々の実施形態において、ブレード先端又はシュラウドのＥＢＣ、或いはブレード先端とシュラウドの両方のＥＢＣは、先端摩擦事象中のブレード先端摩耗を低減するためにアブレイダブル又はアブレッシブ層を含むことができる。本発明の１つの実施形態によれば、アブレイダブル又はアブレッシブ層は、ＥＢＣの最上層とすることができる。
アブレイダブル層は、より硬質、より高密度、又はより高重量の面に接して擦れたときに摩耗する。詳細には、アブレイダブル層は、柔軟な低剛性の材料を提供し、摩擦中にこれが降伏又は破砕されて、残りのブレード構造に加わる力が小さくなる。何らかの摩耗又は破砕されたアブレイダブル材料は、下にあるＥＢＣコーティング及びＣＭＣ基材と置き換わり、更なる漏損又は先端減肉を阻止するようになる。対照的に、アブレッシブ層は、アブレイダブル層の摩耗を引き起こすより硬質、より高密度、又はより高重量のＥＢＣ材料を含むことができる。アブレッシブ層は、シュラウド材料が降伏するより高剛性の材料を提供し、これによりブレード先端に対する摩耗量を低減することができる。
本発明の１つの実施形態によれば、ブレード先端は、アブレイダブル層を有するＥＢＣを含むことができる。シュラウドは、ブレード先端のアブレイダブル層よりも硬質、高密度、又は高重量のアブレッシブ層を有するＥＢＣ又は金属コーティングを含むことができ、その結果、ブレード先端がエンジン作動中にシュラウドと擦れたときに、アブレイダブル層はブレード先端から摩滅し、これによりブレードに対する損傷を防ぐようにする。
本発明の別の実施形態によれば、シュラウドは、アブレイダブル層を有するＥＢＣ又は金属コーティングを含むことができる。ブレード先端は、ブレード先端のアブレイダブル層よりも硬質、高密度、又は高重量のアブレッシブ層を有するＥＢＣを含むことができ、その結果、ブレード先端がエンジン作動中にシュラウドと擦れたときに、アブレイダブル層はシュラウドから摩滅し、これによりブレードに対する損傷を防ぐようにする。
ＥＢＣ及びそのアブレイダブル又はアブレッシブ層は、様々な幾何形状で施工することができる。例えば、ＥＢＣ及びアブレイダブル又はアブレッシブ層は、平坦、湾曲、リッジ状、円錐状、及び局所的な隆起部を有して、低先端摩擦力の効果を改善することができる。
ＥＢＣは、限定ではないが、プラズマ溶射及び化学蒸着及び電子ビーム物理蒸着などの蒸着法を含む、標準的な工業コーティングプロセスを用いて施行することができる。加えて、ＥＢＣは、３Ｄプリンティングと同様にＥＢＣ粉体が層状に敷設されるレーザ付加プロセスにより施工することができる。この方法によって、アブレイダブル又はアブレッシブ層のＥＢＣ粉体及び／又は密度を変えることができる。
本発明により、タービンブレードにＣＭＣを使用できるようになり、これは、より高いタービン入口温度性能を可能にし、効率が高くなる。ＣＭＣタービンブレードはまた、エンジン重量の軽減を可能にする。
好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことができ且つ本発明の要素を均等物で置き換えることができる点は理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、また本発明は、提出した請求項の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含することになるものとする。
１０ ブレード先端
１２ 突出部
２０ ブレード先端
２２ 環境障壁コーティング（ＥＢＣ）
２４ ＣＭＣ基材
２６ 縁部
２８ 陥凹先端
１２ 突出部
２０ ブレード先端
２２ 環境障壁コーティング（ＥＢＣ）
２４ ＣＭＣ基材
２６ 縁部
２８ 陥凹先端
Claims (21)
- 前縁と、後縁と、ブレード先端（１０）と、対向する根元端部とを有するセラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）のタービンブレードを備えた堅牢なタービンブレードであって、
前記セラミックタービンブレードが、前記前縁と前記後縁との間の少なくとも１つの寸法で湾曲しており、前記ブレード先端が、陥凹先端及び突出先端の一方を有し、アブレイダブル層及びアブレッシブ層の一方が、前記ブレード先端上に配置され且つ陥凹又は突出のうちの少なくとも一方である、堅牢なタービンブレード。 - 前記ブレード先端が陥凹であり、前記アブレイダブル層及びアブレッシブ層の一方が陥凹である、請求項１に記載の堅牢なタービンブレード。
- 前記陥凹のブレード先端が、隆起した縁部間に配置されたチャネル（２８）を定める、請求項２に記載の堅牢なタービンブレード。
- 前記アブレイダブル層及びアブレッシブ層の一方が更に、前記ブレード先端の隆起縁部間に直線状のベース又は湾曲したベースの一方を含む、請求項３に記載の堅牢なタービンブレード。
- 前記アブレイダブル層及びアブレッシブ層の一方が更に、湾曲した隆起縁部又は直線状の隆起縁部の一方を含む、請求項４に記載の堅牢なタービンブレード。
- 前記アブレイダブル層の隆起縁部が、先端摩擦力を低減する、請求項４に記載の堅牢なタービンブレード。
- 前記ブレード先端の陥凹構成並びに前記アブレイダブル層及びアブレッシブ層の一方が機械的保持部を形成して、前記アブレイダブル層及びアブレッシブ層の一方を保持し、摩擦事象中に前記アブレイダブル層及びアブレッシブ層の一方の完全遊離を防ぐようにする、請求項４に記載の堅牢なタービンブレード。
- 前記ＣＭＣタービンブレード先端が突出層であり、前記アブレイダブル層及びアブレッシブ層の一方である、請求項１に記載の堅牢なタービンブレード。
- 前記ＣＭＣタービンブレード先端が湾曲形状を有し、前記アブレイダブル層及びアブレッシブ層の一方が湾曲形状を有する、請求項８に記載の堅牢なタービンブレード。
- 前記ブレード先端並びに前記アブレイダブル層及びアブレッシブ層の一方が各々、平坦な上部及び湾曲上部の少なくとも一方を有する、請求項９に記載の堅牢なタービンブレード。
- 前記ＣＭＣタービンブレード先端と前記アブレイダブル層及びアブレッシブ層の一方との間に配置された環境障壁コーティングを更に備える、請求項１に記載の堅牢なタービンブレード。
- 前記アブレイダブル層及びアブレッシブ層の一方がパターンを有する、請求項１に記載の堅牢なタービンブレード。
- 前記パターンが、成形リッジ、平坦リッジ、丸みのあるリッジ、単点又は複数点先端、円錐状、及び局所的な隆起部のうちの１つである、請求項１２に記載の堅牢なタービンブレード。
- 堅牢なタービンブレードであって、
アブレイダブル又はアブレッシブ層のうちの一方を備えて機械的保持を増大させるような幾何形状にされたブレード先端を有するセラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）のタービンブレードを備え、前記ブレード先端並びに前記アブレイダブル又はアブレッシブ層の一方が共に、平坦な形状、突出した形状、又は陥凹の形状のうちの１つである、堅牢なタービンブレード。 - 前記アブレイダブル又はアブレッシブ層のうちの一方が、環境コーティングで、又は該環境コーティングとは独立して形成される、請求項１４に記載の堅牢なタービンブレード。
- 前記ブレード先端が更に縁部を含む、請求項１４に記載の堅牢なタービンブレード。
- 前記アブレイダブル層及びアブレッシブ層の一方が縁部を有する、請求項１５に記載の堅牢なタービンブレード。
- 前記縁部が湾曲又は平坦のうちの一方である、請求項１６に記載の堅牢なタービンブレード。
- 前記ブレード先端並びに前記アブレイダブル層及びアブレッシブ層の一方が、湾曲又は鋭利なコーナの一方を有する陥凹である、請求項１７に記載の堅牢なタービンブレード。
- 堅牢なタービンブレードであって、前縁と、後縁と、ブレード先端と、対向する根元端部とを有するセラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）のタービンブレードを備え、前記ブレード先端が実質的に平坦であり、前記アブレイダブル層及びアブレッシブ層の一方が前記ブレード先端上に配置され、前記アブレイダブル層及びアブレッシブ層の一方が実質的に平坦である、堅牢なタービンブレード。
- 前記ＣＭＣブレード先端と、前記アブレイダブル層及びアブレッシブ層の一方との間に配置された環境障壁コーティングを更に備える、請求項２０に記載の堅牢なタービンブレード。
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