JP2016505754A - ターボ機械ブレード、対応するターボ機械、およびタービンブレードを製造する方法 - Google Patents

Abstract

ターボ機械のブレード（２０）は、翼形部（２１）を備えている。翼形部（２１）は、長手方向に延びている。翼形部は、外面によって横方向に画定される。翼形部は、３Ｄのねじれ形状を有しており、内部キャビティ（２４）を有している。ブレードは一体的な部品である。さらに、ブレードは、ロータまたはステータの列用に設計され、ロータまたはステータが、半径方向と軸線方向とを画定し、翼形部の外面が、前縁と後縁とを有し、前縁および／または後縁は、半径方向に移動しながら、軸線方向に前方または後方に偏移する。内部キャビティは、翼形部の長手方向の長さのほぼ全体に沿って延びている。このようなブレードには、付加製造が特に効果的かつ有利である。【選択図】図２

Description

本書に開示される主題の実施形態は、一般に、ターボ機械ブレードを製造する方法、そのように製造された一体成形の中空のブレード、およびこのようなブレードを使用するターボ機械に関する。

「オイル＆ガス」の分野では、ターボ機械ブレードに関して、常に改善された解決策が模索されている。

改善は、ブレードの翼形部の形状や大きさ等の機能面に関するだけでなく、取り付け、メンテナンス、および、特にブレードの製造にも関係し得る。

製造に関する限り、解決策は、特定のクライアントのために検討（または少なくともカスタマイズ）される場合もあるため、「オイル＆ガス」の分野では、少量生産が一般的であると考えられねばならない。

欧州特許出願公開第２５２２８１０号明細書

したがって、少なくとも製造上の観点から、ターボ機械のブレードを改善する一般的な必要性が存在する。

高性能でありながら、製造コストが低いことが理想的である。

本発明で重要な考慮事項は、製造されるブレードの特定の構成が、製造方法に良い影響を与えられることである。

本発明の第１の態様は、ターボ機械のブレードである。

この実施形態によれば、ターボ機械のブレードは、翼形部を備え、翼形部は長手方向に延び、この翼形部が、外面によって横方向に画定される。この翼形部は、３Ｄのねじれ形状を有し、かつ内部キャビティを有する。ブレードは、一体的な部品である。さらに、ブレードは、ロータまたはステータの列用に設計され、ロータまたはステータが、半径方向と軸線方向とを画定し、翼形部の外面が、前縁と後縁とを有し、前縁および／または後縁は、半径方向に移動しながら、軸線方向に前方または後方に偏移する。内部キャビティは、翼形部の長手方向の長さのほぼ全体に沿って延びている。

この場合、付加製造が、特に効果的かつ有利である。

本発明の第２の態様は、ターボ機械である。

この実施形態によれば、ターボ機械は、ターボ機械の段のロータまたはステータの列として配列された複数のブレードを含み、ブレードは、前述の特徴を有している。

本発明の第３の態様は、ターボ機械ブレードを製造する方法である。

この実施形態によれば、ターボ機械ブレードを一体的に製造する方法は、付加製造を用い、ターボ機械ブレードは、上述した特徴を有している。

ブレードの有利な技術的特徴、ターボ機械、および製造方法は、以下の詳細な説明に記載されている。

本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の実施形態を示し、明細書の記載と併せて、これらの実施形態を説明する。

ターボ機械の直線的な中空のブレードの側面図を、極めて概略的に示す図である。 ターボ機械の直線的なねじれた中空ブレードの側面図を、極めて概略的に示す図である。 本発明による、ターボ機械の第１の３Ｄ形状の中空ブレードの側面図を、極めて概略的に示す図である。 本発明による、ターボ機械の第２の３Ｄ形状の中空ブレードの側面図を、極めて概略的に示す図である。 本発明によるターボ機械のねじれた中空ブレードの、横方向の視点から見た立体図である。 異なる高さに１組の断面のみがあり、前縁および後縁が考慮されている、同一の立体図によって同一視点から、図５Ａのブレードを示す図である。 図５Ａのブレードの上面を示している。

図５Ａ、図５Ｂ、および図５Ｃは、図の見易さのために、ブレードの内部キャビティを示していないことに留意すべきである。

例示的な実施形態の以下の説明は、添付の図面を参照する。異なる図面における同一の参照番号は、同一または類似の要素を特定する。以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。その代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。

本明細書中で「一実施形態」または「実施形態」と呼ぶのは、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、開示された主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書中の様々な箇所で使われる「一実施形態において」または「実施形態において」という表現は、必ずしも同じ実施形態を指すわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つ以上の実施形態において、任意の適当な方法で組み合わせることができる。

図１に、翼形部１１と、翼形部１１の第１の端部に隣接する（小さい）シュラウド部１２と、翼形部１１の第２の端部に隣接する（小さい）根元部１３とを備える、ターボ機械ブレード１０が示されており、キャビティ１４は、翼形部１１の内部にあって翼形部１１のほぼ全長に沿って延び、キャビティ１４は完全に閉じられている。

図２に、ターボ機械のブレード２０が示されている。このようなブレードは、妥当なコストで製造することが特に困難である。本発明を説明するために、本実施形態が以下で用いられる。

一般的に、本発明によるターボ機械のブレード２０は、翼形部２１を備えている。翼形部２１は、（例えば、根元部２３に隣接する第１の端部から、シュラウド部２２に隣接する第２の端部に）長手方向に延びている。翼形部２１は、外面（「翼形部表面」とも呼ばれる）によって横方向に画定される。翼形部２１は、３Ｄ形状であって内部キャビティ２４を有し、ブレードは一体的な部品である。

一般に、「３Ｄ形状」とは、円筒対称性を有しない形状を意味する。より具体的には、本事例において、下側の平面形状から上側の平面形状へと延びる立体形状であって、下側の平面形状から上側の平面形状への立体形状の展開が、直線的ではないものを意味する。

図２の実施形態の「３Ｄ形状」とは、翼形部２１が「ねじれて」いることによる。

図２の実施形態で、キャビティ２４は、翼形部２１の内部にあって翼形部２１のほぼ全長に沿って延びており、キャビティ２４は完全に閉じられている。さらに一般的には、本発明によれば、翼形部の内部キャビティは、翼形部の全長の少なくとも４０％〜１００％に沿って、長手方向に延びていることが好ましい。

内部キャビティ２４は、翼形部２１の立体形状と（極めて）類似した立体形状を有している。したがって、本実施形態では、キャビティ２４もまた「ねじれて」いる。

翼形部および内部キャビティの「ねじれて」いるという特徴は、図２に概略的にのみ示されている。

図２の実施形態で、ブレード２０は、さらに、根元部２３および／またはシュラウド部２２を備えている。

本発明によれば、図２の実施形態に関しては、翼形部および／または翼形部の内部キャビティがねじれていてもよい。

最も一般的な事例で、３Ｄ形状のねじれた翼形部は、一般的に、結果として得られる翼形部の前縁および後縁を画定する２本のガイド曲線に沿って、翼形部を移動させて調整することによって生成された、湾曲した面である。ガイド曲線の作用で、翼形部の生成は、翼長方向に沿って回転させ調整して、非常に複雑な３次元（３Ｄ）形状を生じるが、滑らかな空気力学的表面の連続性および接触要件を維持することができる。

本発明によれば、ターボ機械ブレードは一般的に、ロータまたはステータの列用に設計されている。ロータまたはステータは、半径方向と軸線方向とを画定し、翼形部の外面は、前縁および後縁の両方を有する。

本発明によれば、前縁は、半径方向に移動させながら、軸線方向に後方へ偏移させることができる（図４を参照）。

本発明によれば、前縁は、半径方向に移動させながら、軸線方向に前方へ偏移させることができる（図３を参照）。

本発明によれば、後縁は、半径方向に移動させながら、軸線方向に後方へ偏移させることができる（図４を参照）。

本発明によれば、後縁は、半径方向に移動させながら、軸線方向に前方へ偏移させることができる（図３を参照）。

したがって、前縁または後縁が偏移しないものを含む、多くの可能性が存在する。

「前方」および「後方」という語は、ターボ機械が運転状態にあるときの、翼形部の周囲の流体の流れの方向を指し、図３および図４では、流れの方向が、「Ｆ」と記した矢印により示されている。

図３および図４では、図１および図２と同様の符号が用いられている。また、３５および４５は前縁、３６および４６は後縁である。

図３および図４の実施形態で、翼形部の内部キャビティは、翼形部の立体形状と（極めて）類似した立体形状を有している。したがって、「前方および／または後方に偏移する」特性は、翼形部の立体形状だけでなく、翼形部の内部キャビティの立体形状にも適用される。

図２、図３、および図４の実施形態で、内部キャビティは、非常に短い部分、すなわち材料の層を除いて、根元およびシュラウドに隣接し、翼形部の端部で内部キャビティを閉じている、翼形部の長手方向の長さのほぼ全体に沿って延びている。

本発明によれば、「前方および／または後方に偏移する」特性、および「ねじれ」特性のうちの１つ以上を、組み合わせることも可能であることに留意すべきである。

本発明の具体的な実施形態によると、翼形部は、外面から、翼形部の内部キャビティの少なくとも１つへと延びる、１つ以上のチャネルを有していてもよく、これらのチャネルは、通常は穴やスロットである。

本発明の具体的な実施形態によれば、翼形部の少なくとも１つの内部キャビティは、ブレードの根元部および／またはシュラウド部の中に延びることができ、すなわち、他の内部／外部キャビティと連通することができる。

以下でより明らかなように、本発明によるブレードの実際の製造方法が付加製造に基づいていることから、翼形部の内部キャビティが完全に閉じられている場合は、付加工程が完了した後にキャビティ内に残存する粉末を排出するために、少なくとも２つの穴（微小であっても）が、各内部キャビティに関連付けられる。

図５Ａ、図５Ｂ、および図５Ｃの実施形態のブレード５０は、翼形部５１のみからなる。基準５２は、シュラウド部に隣接する、翼形部５１の第１の端部に相当する。基準５３は、根元部に隣接する、翼形部５１の第２の端部に相当する。翼形部５１の立体形状は、（端部５３にある）下側の平面形状５７１３から、（端部５２にある）上側の平面形状５７１へと延びている。

図５Ａおよび図５Ｂに、複数の中間の平面形状５７２ ５７３、５７４、５７５、５７６、５７７、５７８、５７９、５７１０、５７１１、５７１２が、翼形部５１の断面に応じて、異なる高さで示されている。また、図５Ｂ、図５Ｃに、前縁５８と後縁５９とが示されている。

これらの図から、偏移と、平面形状の回転との両方を見ることができる。また、平面形状は、翼形部の下端から翼形部の上端へと移動するにつれて、形状が変化している。

図５Ａ、図５Ｂ、および図５Ｃに、翼形部の内部キャビティは図示されていないが、図２の内部キャビティに概念的に類似しており、それは、翼形部の立体形状と幾何学的に類似の立体形状を有している。

付加製造の使用により、厚さを非常に小さくしてもよいことに留意すべきである。例えば、ブレードの最大厚さは、１０ｍｍ未満であってもよく（例えば図５Ｃを参照）、後縁の厚さが２ｍｍ未満であってもよく（例えば図５Ｃを参照）、内部キャビティに隣接する壁の厚さは、２ｍｍ未満、かつ１ｍｍ未満であってもよい。

すでに述べたように、上述のように定義されたブレードは、「オイル＆ガス」の用途用に、ターボ機械、特に、ターボ機械の段のロータまたはステータの列で使用されるために設計および製造される。最も典型的な用途は、蒸気タービン用、さらに具体的には、静翼としての用途である。蒸気タービンの静翼の場合、１つまたは複数の内部キャビティは、通常は、凝縮流体を吸引するか、または熱い流体を吐出するために用いられる。蒸気タービンの動翼の場合、１つまたは複数の内部キャビティは、通常は、ブレードの軽量化のために用いられる。ガスタービンアセンブリ（タービンアセンブリのタービンセクション）の静翼の場合、１つまたは複数の内部キャビティは、通常は、ブレードを冷却するために用いられる。ガスタービンアセンブリ（タービンアセンブリのタービンセクション）の動翼の場合、１つまたは複数の内部キャビティは、通常は、ブレードを冷却および軽量化するために用いられる。異なる内部キャビティを通じて、異なる機能を１つのブレードに統合することができる。

本発明に記載のブレード設計は、通常は液体と気体との組み合わせである多相流体に接触する、（蒸気タービン、ガスタービン、圧縮機、ポンプ等の）ターボ機械の（静的または移動）相分離装置として用いることができる。

穴またはスロットは、凝縮流体の吸引、あるいは、流体、通常は高温の流体の吐出に用いることが可能であることに留意すべきである。

ブレード（が１つ以上である場合）の内部キャビティは複数でもよく、（ブレードの軽量化、ブレードの冷却、ブレードの加熱、流体の吸引、流体の吐出等の）同様の機能または異なる機能を有していてもよいことに留意すべきである。

上記で定義したような（すなわち中空で、特に長手方向の内部キャビティを有し、３Ｄ形状で、特に「ねじれた」および／または「偏移させた」）ブレードは、標準的な製造方法を用いて、少なくとも妥当なコストで、妥当な品質を有するように製造されることは、（不可能ではないとしても）非常に困難である。

本発明による、中空で３Ｄ形状のターボ機械ブレードを一体的に製造する方法には、付加製造を用いる。特に、内部キャビティが完全に閉じられているか、またはほぼ完全に閉じられている場合であっても、少なくともその中空で３Ｄ形状の翼形部には、単一の付加製造工程が用いられる。

好ましくは、ブレードが、翼形部一体型の（すなわち、一体的な）根元部および／またはシュラウド部を備えている場合は、ブレード全体に単一の付加製造工程が用いられる。

ブレードの外面への何らかの処理は別として、他の製造工程は必要ない。

すでに述べたように、本発明によれば、ターボ機械ブレードは一般的に、ロータまたはステータの列用に設計されており、ロータまたはステータは、半径方向と軸線方向とを画定している。

付加製造は、少なくとも部分的に半径方向に従って進めることができる。

付加製造は、半径方向に対して、少なくとも部分的に傾斜して進めることができる。

いずれの場合も、付加製造は、通常は、半径方向に対して、一定の角度に従って進行する。

付加製造には、１つまたは複数の粒状材料を使用することができ、特に、粒状材料、あるいは、粒状材料の１つ、または粒状材料のそれぞれは、通常は金属である。

このような製造方法は、本発明によるブレードを製造するのに特に有利であり、特に、図１、２、３、４、５Ａ、５Ｂ、および５Ｃのブレードと同一または類似のキャビティ、および／または突起を有するブレードを製造するのに特に有利である。

付加製造は、特に蒸気タービンの静翼では、ターボ機械ブレードに使用される従来の技術に対して、多くの利点を有している。ブレードの内部形状のみならず、ブレードの外部形状（特にその１つまたは複数の内部キャビティ）に対しても設計自由度を広くできる点、形状を細部まで実現できる点（これには、小さいブレードの製造が含まれる）、ブレードに（例えば、材料が、ブレードの様々な特定の点の機械的および／または化学的要件に応じて、ブレードの長さまたは高さに沿って変化することができる）傾斜材料を実現できる点、製造工程の単純化や製造コストの低廉化を可能にする点である。

製造に関する限り、解決策が、特定のクライアントのために検討（または少なくともカスタマイズ）されるため、「オイル＆ガス」の分野では、少量生産が一般的であると考えられねばならない。一般的には、高精度で、かつ製造コストが低いものが常に望まれている。

１０ ブレード
１１ 翼形部
１２ シュラウド部
１３ 根元部
１４ キャビティ
２０ ブレード
２１ 翼形部
２２ シュラウド部
２３ 根元部
２４ 内部キャビティ、キャビティ
３０ ブレード
３１ 翼形部
３２ シュラウド部
３３ 根元部
３４ キャビティ
３５ 前縁
３６ 後縁
４０ ブレード
４１ 翼形部
４２ シュラウド部
４３ 根元部
４４ キャビティ
４５ 前縁
４６ 後縁
５０ ブレード
５１ 翼形部
５２ 基準（端部）
５３ 基準（端部）
５７１ 上側の平面形状
５７２、５７３、５７４、５７５、５７６、５７７、５７８、５７９、５７１０、５７１１、５７１２ 中間の平面形状
５７１３ 下側の平面形状
５８ 前縁
５９ 後縁
Ｆ 流れの方向

Claims (13)

1. 翼形部（２１、３１、４１、５１）を備えるターボ機械のブレード（２０、３０、４０、５０）であって、前記翼形部（２１、３１、４１、５１）が、長手方向に延び、前記翼形部（２１、３１、４１、５１）が、外面によって横方向に画定され、前記翼形部（２１、３１、４１、５１）が、３Ｄのねじれ形状を有し、かつ内部キャビティ（２４、３４、４４）を有し、前記ブレード（２０、３０、４０、５０）が一体的な部品であり、
   前記ブレード（２０、３０、４０、５０）が、ロータまたはステータの列用に設計され、前記ロータまたは前記ステータが、半径方向と軸線方向とを画定し、前記翼形部（２１、３１、４１、５１）の前記外面が、前縁（３５、４５、５８）と後縁（３６、４６、５９）とを有し、前記前縁（３５、４５、５８）および／または前記後縁（３６、４６、５９）が、前記半径方向に移動しながら、前記軸線方向に前方または後方に偏移し、前記内部キャビティ（２４、３４、４４）が、前記翼形部（２１、３１、４１、５１）の前記長手方向の長さのほぼ全体に沿って延びている、ターボ機械のブレード（２０、３０、４０、５０）。
2. 前記キャビティ（２４、３４、４４）が、３Ｄのねじれ形状、かつ／または偏移させた形状を有している、請求項１に記載のターボ機械ブレード（２０、３０、４０、５０）。
3. 前記半径方向に移動しながら前記軸線方向に、前記前縁（３５、４５、５８）が後方に偏移し、前記後縁（３６、４６、５９）が後方に偏移する、請求項１または２に記載のターボ機械ブレード（２０、３０、４０、５０）。
4. 前記半径方向に移動しながら前記軸線方向に、前記前縁（３５、４５、５８）が前方に偏移し、前記後縁（３６、４６、５９）が前方に偏移する、請求項１または２に記載のターボ機械ブレード（２０、３０、４０、５０）。
5. 前記翼形部（２１、３１、４１、５１）に隣接する根元部（２３、３３、４３）および／またはシュラウド部（２２、３２、４２）を統合して、前記キャビティ（２４、３４、４４）が完全に閉じられる、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のターボ機械ブレード（２０、３０、４０、５０）。
6. １０ｍｍ未満の厚さを有する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のターボ機械ブレード（２０、３０、４０、５０）。
7. ２ｍｍ未満の前記後縁（３６、４６、５９）の厚さを有する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のターボ機械ブレード（２０、３０、４０、５０）。
8. ２ｍｍ未満、好ましくは１ｍｍ未満の壁厚を有する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のターボ機械ブレード（２０、３０、４０、５０）。
9. ターボ機械の段の前記ロータまたは前記ステータの列として配列された、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の、複数の前記ブレード（２０、３０、４０、５０）を備えるターボ機械。
10. 付加製造を用いて、ターボ機械ブレード（２０、３０、４０、５０）を一体的に製造する方法であって、前記ターボ機械ブレード（２０、３０、４０、５０）が、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のものである、方法。
11. 前記ブレード（２０、３０、４０、５０）が、前記ロータまたは前記ステータ用に設計され、前記ロータまたは前記ステータが、前記半径方向および前記軸線方向を画定し、前記付加製造が、少なくとも部分的に、前記半径方向に従って進行する、請求項１０に記載の製造方法。
12. 前記付加製造が、１つまたは複数の粒状金属材料を結着させることを含む、請求項１０または１１に記載の製造方法。
13. 少なくとも前記翼形部（２１、３１、４１、５１）のための単一の付加製造工程からなり、その他の製造工程を除く、請求項１０、１１、または１２に記載の製造方法。