JP2017530290A - 別個のプラットフォーム支持システムを備えるモジュール式タービンブレード - Google Patents

Abstract

翼（２８）と、モジュール式プラットフォーム（１６）からディスクまで半径方向内方へ延びる１つまたは複数のクレビスアーム支持体（１４）によって支持された独立したモジュール式プラットフォーム（１６）とから形成された、ガスタービンエンジン（１２）において使用可能なモジュール式タービンブレードアセンブリ（１０）が開示されている。クレビスアーム支持体がモジュール式プラットフォームを支持してもよく、別個の鳩尾状アタッチメントは、ほぼ中空の翼を支持する。クレビスアーム支持体（１４）は、２つのアーム（２０，２２）の遠位端部（２６）にあるピン収容オリフィス（２４）からプラットフォーム（１６）への応力を低減するように設計された少なくとも２つのアーム（２０，２２）から形成されていてもよい。独立したアーム（２０，２２）は、支持体を介した遠心荷重によって生じる応力集中を最小化する。アーム（２０，２２）は、厚さおよび支持角度などを、互いに独立して変更してもよい。クレビスアーム支持体（１４）は、モジュール式タービンブレード（１０）用のモジュール式プラットフォームシステムの使用を可能にする。

Description

連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
本発明の開発は、アメリカ合衆国エネルギー省の最新タービン開発プログラム、契約番号DE-FC26-05NT42644によって一部補助されている。したがって、アメリカ合衆国政府は本発明における何らかの権利を有することがある。

発明の分野
本発明は、一般にタービン翼に関し、より詳細にはガスタービンエンジンにおけるタービン翼内の支持システムに関する。

一般的に、ガスタービンエンジンは、空気を圧縮するための圧縮機と、圧縮空気を燃料と混合し混合物に点火するための燃焼器と、動力を発生するためのタービンブレードアセンブリとを有する。燃焼器は、多くの場合、華氏２２４０度を超過し得る高温で作動する。典型的なタービン燃焼器構成は、タービンブレードアセンブリをこのような高温に曝す。その結果、タービンブレードは、このような高温に耐えることができる材料から形成されなければならない。加えて、タービンブレードは、多くの場合、ブレードの寿命を延長しかつ過剰な温度の結果としての故障の可能性を減じるために冷却システムを有している。

一般的に、タービンブレードは、一方の端部にプラットフォームを有する根元部と、根元部に接続されたプラットフォームから外方へ延びるブレードを形成する細長い部分とから形成されている。ブレードは、通常、根元セクションとは反対側の先端部と、前縁と、後縁とから成る。ほとんどのタービンブレードの内側面は、一般的に、冷却システムを形成する冷却チャネルの複雑な迷路を有している。タービン翼は、多くの場合、ロータへの取付けのために根元部から延びる複数の鳩尾状突出部を有する根元部を介して支持されている。支持および接続システムの複数の代替的な構成が利用されている。

翼と、モジュール式プラットフォームからディスクまで半径方向内方へ延びる１つまたは複数のクレビスアーム支持体によって支持された独立したモジュール式プラットフォームとから形成された、ガスタービンエンジンにおいて使用可能なモジュール式タービンブレードアセンブリが開示されている。クレビスアーム支持体がモジュール式プラットフォームを支持してもよいのに対し、別個の鳩尾状アタッチメントが、ほぼ中空の翼を支持する。クレビスアーム支持体は、２つのアーム、すなわち第１および第２のアームなどの（しかしながらこれに限定されない）、１つまたは複数のアームから形成されていてもよく、２つのアームは、２つのアームの遠位端部にある取付け装置における応力を低減するように独立して変更されてもよい。少なくとも１つの実施の形態では、取付け装置はピン収容オリフィスであってもよい。独立したアームは、ブレードの間に組み付けるように形成されていてもよく、クレビスアーム特徴に沿った応力を最小化するように設計されていてもよい。取付け位置において、１つまたは複数のピン収容オリフィスが、２つのアームの遠位端部に設けられていてもよい。

ガスタービンエンジン用のモジュール式タービンブレードは、前縁と、後縁と、正圧面と、負圧面と、翼の第１の端部における先端部とを有する、外壁から形成された全体として細長い中空の翼から形成されていてもよい。クレビスアーム支持体がモジュール式プラットフォームを支持してもよいのに対し、別個の鳩尾状アタッチメントが、ほぼ中空の翼を支持する。モジュール式タービンブレードは、モジュール式プラットフォームから半径方向内方へ延びるクレビスアーム支持体を介してディスクに取り付けられた１つまたは複数のモジュール式プラットフォームを有していてもよい。クレビスアーム支持体は、モジュール式プラットフォームの半径方向内方において互いに接触するようにモジュール式プラットフォームから延びる第１のアームおよび第２のアームから形成されていてもよい。横材は、第１および第２のアームの間に延びていてもよく、横材の半径方向内方でかつ第１および第２のアームの間にピン収容オリフィスなどの、しかしながらこれに限定されない取付け装置を形成しており、横材と、第１のアームと、第２のアームと、モジュール式プラットフォームとの間に空所を形成している。少なくとも１つの実施の形態では、第１のアーム、第２のアームおよび横材の内面は、平坦な内面であってもよい。

第１および第２のアームは、２つのアームの遠位端部にあるピン収容オリフィスにおける応力を低減してもよい。クレビスアーム支持体は、複数の形式で応力を低減してもよい。特に、第１および第２のアームは、互いに対して非直交かつ非平行であってもよい。第１のアームは、少なくとも１つのクレビスアーム支持体の長手方向軸線に対して、第２のアームとは異なる角度で配置されていてもよい。横材、第１のアームおよび第２のアームを形成する２つ以上の面の１つまたは複数の境目は丸みづけられていてもよい。別の実施の形態では、横材、第１のアームおよび第２のアームを形成する２つ以上の面の境目のそれぞれは丸みづけられていてもよい。第１のアームの厚さは第２のアームの厚さとは異なっていてもよい。第１のアームは、長さよりも大きな幅を備える横断面を有していてもよく、第２のアームは、長さよりも大きな幅を備える横断面を有していてもよい。全体として細長い中空の翼に最も近い第１および第２のアームの第１の端部は、横材における第１および第２のアームの第２の端部よりもさらに離れていてもよい。横材の遠位端部は、第１のアームと整列した第１の側から、第２のアームと整列した第２の側まで湾曲していてもよい。

組立て中、センターリンクは、プラットフォームにピン留めされてもよく、翼の周囲でかつ翼の間においてディスク内へ回転可能であってもよい。これは、据付け、およびピン、ピン収容オリフィスおよびディスク孔との整列を容易にする助けとなる。作動中、第１および第２のクレビスアームとピンとは、シーリングおよび振動減衰のために全体として細長い中空の翼の正圧面に対してモジュール式プラットフォームを負荷するようにピン収容オリフィスを通るピン軸線に沿って回転する能力を本質的に提供する。整備または組立て、またはそれら両方のために、モジュール式タービンブレードアセンブリは、ブレードがタービンエンジンにおける所定の位置に取り付けられたままプラットフォームを取り外すまたは交換する、またはその両方のオプションを可能にする構成を提供する。この特徴は、モジュール式タービンブレードアセンブリが、サービスインターバルの間にブレード全体を修理および交換することとは対照的に、より低コストの交換を提供するという点で極めて有益である。

モジュール式プラットフォームの利点は、主に単結晶翼のためであるオーバーハング特徴を最小化することによって翼の鋳造性を高めることができる点である。プラットフォームは、保証されるならば方向性凝固／非方向性凝固または単結晶などの、より困難でない鋳造法を利用することができる。

モジュール式タービンブレードアセンブリの別の利点は、ピンおよびクレビス孔配列が、孔内の応力を最小化しながら十分なピンおよびクレビスアーム軸受領域を達成するようにサイズ決めされる能力を提供するという点である。モジュール式タービンブレードアセンブリの構造は、ピンとクレビスアームにおける孔との間の精密な公差を形成するために、製造プロセス中に容易に制御することができる。

このクレビスアーム支持体のさらに別の利点は、クレビスアーム支持体が、少なくとも２つのアーム、すなわち第１および第２のアームから形成されていてもよい点であり、少なくとも２つのアームは、２つのアームの遠位端部にあるピン収容オリフィスにおける応力を低減するように独立して変更されてもよい。

クレビスアーム支持体の別の利点は、独立したアームが、支持体を介した遠心荷重によって生じる応力集中を最小化するという点である。

クレビスアーム支持体のさらに別の利点は、支持体が、従来の取付けに対して、クレビスアーム支持体の第１および第２のアームの使用によって質量の削減が可能になる点である。

これらの実施の形態およびその他の実施の形態を、以下でより詳細に説明する。

明細書の一部に組み込まれ明細書の一部を形成する添付の図面は、ここに開示される本発明の実施の形態を例示し、詳細な説明と共に本発明の原理を開示する。

本発明による特徴を有するモジュール式タービンブレードの透視図である。 モジュール式タービンブレードのクレビスアーム支持体の透視図である。 モジュール式タービンブレードのクレビスアーム支持体の透視図である。

図１〜図３に示すように、翼２８と、モジュール式プラットフォーム１６からディスクまで半径方向内方へ延びる１つまたは複数のクレビスアーム支持体１４によって支持された独立したモジュール式プラットフォーム１６とから形成された、ガスタービンエンジン１２において使用可能なモジュール式タービンブレードアセンブリ１０が開示されている。クレビスアーム支持体１４がモジュール式プラットフォーム１６を支持してもよいのに対し、別個の鳩尾状アタッチメントが、ほぼ中空の翼２８を支持する。クレビスアーム支持体１４は、２つのアーム、すなわち第１のアーム２０および第２のアーム２２などの（しかしながらこれに限定されない）、１つまたは複数のアームから形成されていてもよく、１つまたは複数のアームは、２つのアーム２０，２２の遠位端部２６にある取付け装置２４における応力を低減するように独立して変更されてもよい。独立したアーム２０，２２は、ブレード２８の間に組み付けるように形成されていてもよく、クレビスアーム２０，２２特徴に沿った応力を最小化するように設計されていてもよい。独立したアーム２０，２２は、支持体１４を介した遠心荷重によって生じる応力集中を最小化する。アーム２０，２２は、厚さおよび支持角度などの要素を変更することによって、互いに独立して変更されてもよい。翼２８がモジュール式プラットフォーム１６とは別個にディスクに取り付けられた状態で、翼２８を取り外すことなくモジュール式プラットフォーム１６が取り外されて交換されてもよい。

少なくとも１つの実施の形態では、図１に示すように、モジュール式タービンブレード１０は、前縁３２と、後縁３４と、正圧面（pressure side）３６と、負圧面（suction side）３８と、翼２８の第１の端部４２における先端部４０とを有する、外壁３０から形成された全体として細長い（generally elongated）中空の翼２８から形成されていてもよい。クレビスアーム支持体１４がモジュール式プラットフォーム１６を支持してもよいのに対し、別個の鳩尾状アタッチメントが、ほぼ中空の翼２８を支持する。モジュール式プラットフォーム１６は、第１の端部４２とは反対側の第２の端部４６に配置されていてもよく、図１〜図３に示すように、モジュール式プラットフォーム１６から半径方向内方へ延びる１つまたは複数のクレビスアーム支持体１４によって支持されていてもよい。少なくとも１つの実施の形態では、図２に示すように、各クレビスアーム支持体１４は、少なくとも１つの実施の形態ではピン収容オリフィス２４であってもよい取付け装置２４を支持するようにサイズ決めされた第１のアーム２０を有していてもよい。第１のアーム２０は、I形鋼輪郭などの、しかしながらこれに限定されないあらゆる適切な構成から形成されていてもよい。ピン収容オリフィス２４は、管状などの、しかしながらこれに限定されないあらゆる適切なサイズおよび構成を有していてもよい。

少なくとも１つの実施の形態では、図３に示すように、モジュール式タービンブレード１０は、モジュール式プラットフォーム１６ごとに２つのクレビスアーム支持体１４を有していてもよい。クレビスアーム支持体１４は、モジュール式プラットフォーム１６の半径方向内方において互いに接触するようにモジュール式プラットフォーム１６から延びる第１のアーム２０および第２のアーム２２から形成されていてもよい。クレビスアーム支持体１４は、モジュール式プラットフォーム１６を十分に支持し、かつ高温、振動およびその他の要素に耐えることができる、あらゆる適切な材料から形成されていてもよい。横材４８は、第１および第２のアーム２０，２２の間に延びていてもよく、横材４８の半径方向内方でかつ第１および第２のアーム２０，２２の間にピン収容オリフィス２４を形成しており、横材４８と、第１のアーム２０と、第２のアーム２２と、モジュール式プラットフォーム１６との間に空所５２を形成している。第１のアーム２０、第２のアーム２２および横材４８の内面５８は、平坦な内面５８であってもよい。少なくとも１つの実施の形態では、全体として細長い中空の翼２８に最も近い第１および第２のアーム２０，２２の第１の端部７６は、横材４８における第１および第２のアーム２０，２２の第２の端部７８よりもさらに離れていてもよい。横材４８の遠位端部８０は、第１のアーム２０と整列した第１の側８０から、第２のアーム２２と整列した第２の側８２まで湾曲していてもよい。

第１および第２のアーム２０，２２は、２つのアーム２０，２２の遠位端部２６にあるピン収容オリフィス２４における応力を低減してもよい。クレビスアーム支持体１４は、複数の形式で応力を低減してもよい。少なくとも１つの実施の形態では、横材４８、第１のアーム２０および第２のアーム２２を形成する２つ以上の面５６の１つまたは複数の境目５４は、丸みづけられている。別の実施の形態では、横材４８、第１のアーム２０および第２のアーム２２を形成する２つ以上の面５６の境目５４のそれぞれが丸みづけられている。

第１および第２のアーム２０，２２は、２つのアーム２０，２２の遠位端部２６にあるピン収容オリフィス２４における応力をその他の形式で低減してもよい。特に、第１のアーム２０の厚さ６０は、第２のアーム２２の厚さ６２とは異なっていてもよい。第１および第２のアーム２０および２２の長さは、応力を低減しかつピン収容オリフィス２４の適切な配置を可能にするために変化させられてもよい。第１のアーム２０は、長さ６６よりも大きな幅６４を備える横断面を有していてもよく、第２のアーム２２は、長さ７０よりも大きな幅６８を備える横断面を有していてもよい。第１および第２のアーム２０，２２は、互いに対して非直交および非平行であってもよい。特に、第１のアーム２０は、長手方向軸線７４に対する第２のアーム２２の角度８４とは異なる、クレビスアーム支持体１４の長手方向軸線７４に対する角度７２で配置されていてもよい。

モジュール式プラットフォーム１６は、半径方向内方へ延びるセンターリンク９０を有していてもよい。センターリンク９０は、１つまたは複数のピン収容オリフィス２４を有していてもよく、そのうちの１つは、遠位端部２６の近くに配置されていてもよい。センターリンク９０は、第１および第２のアーム２０，２２の間に配置されていてもよい。センターリンク９０は、ピボット接続を介してモジュール式プラットフォーム１６に接続されていてもよい。センターリンク９０は、センターリンク９０における孔を通って延びかつアーム９４，９６における孔９８，１００を介してアーム９４，９６に取り付けられたピン９２から形成されたピボット接続を介して、モジュール式プラットフォーム１６に取り付けられていてもよい。ピン９２は、据付けおよび取外しの間にセンターリンク９０がブレード２８を中心に回動することを可能にし、僅かなプラットフォーム周方向差異を可能にする。センターリンク９０は、遠心荷重からのモジュール式プラットフォーム１６の中心の組立ておよび支持のために使用されてもよい。センターリンク９０は、第１および第２のクレビスアーム２０，２２の間のプラットフォームたわみを最小化することを補助してもよく、これにより、センターリンク９０が翼輪郭に合致することを可能にする。なぜならば、モジュール式プラットフォーム１６の中心はブレード弦中間の近くにあり、これは、クレビスアクセスを制限するからである。

組立て中、センターリンク９０がプラットフォームにピン留めされ、翼２８の周囲でかつ翼２８の間でディスク内へ回転可能であってもよい。これは、ピン、ピン収容オリフィス２４およびディスク孔との据付けおよび整列を容易にする助けとなる。作動中、第１および第２のクレビスアーム２０，２２とピンとは、シーリングおよび振動減衰のために全体として細長い中空の翼２８の正圧面３６に対してモジュール式プラットフォーム１６を負荷するようにピン収容オリフィス２４を通るピン軸線に沿って回転する能力を本質的に提供する。整備または組立て、またはそれら両方のために、モジュール式タービンブレードアセンブリ１０は、ブレードがタービンエンジン内の所定の位置に取り付けられたままプラットフォームを取り外すまたは交換する、またはその両方のオプションを可能にする構成を提供する。この特徴は、モジュール式タービンブレードアセンブリ１０が、サービスインターバルの間にブレード全体を修理および交換する場合とは対照的に、より低コストの交換を提供するという点で極めて有益である。

上記説明は、本発明を例示、説明および記述するという目的で提供されている。これらの実施の形態に対する変更および適応は、当業者に明らかになるであろうし、本発明の範囲または思想から逸脱することなく成し得るものである。

Claims (12)

1. ガスタービンエンジン（１２）のモジュール式タービンブレード（１０）であって、
   前縁（３２）と、後縁（３４）と、正圧面（３６）と、負圧面（３８）と、翼（２８）の第１の端部における先端部（４０）とを有する、外壁（３０）から形成され全体として細長い中空の翼（２８）と、
   モジュール式プラットフォーム（１６）であって、該モジュール式プラットフォーム（１６）から半径方向内方へ延びる少なくとも１つのクレビスアーム支持体（１４）を介してディスクに取り付けられており、前記少なくとも１つのクレビスアーム支持体（１４）は、前記モジュール式プラットフォーム（１６）の半径方向内方において互いに接触するように前記モジュール式プラットフォーム（１６）から延びる第１のアーム（２０）および第２のアーム（２２）から形成されており、前記第１のアーム（２０）と前記第２のアーム（２２）との間に横材（４８）が延びており、該横材（４８）は、該横材（４８）の半径方向内方でかつ前記第１のアーム（２０）および前記第２のアーム（２２）の間に取付け装置（２４）を形成しており、かつ前記横材（４８）と、前記第１のアーム（２０）と、前記第２のアーム（２２）と、前記モジュール式プラットフォーム（１６）との間に空所を形成している、モジュール式プラットフォーム（１６）と、
   を備えることを特徴とするモジュール式タービンブレード（１０）。
2. 前記取付け装置（２４）は、ピン収容オリフィス（２４）であることを特徴とする、請求項１記載のモジュール式タービンブレード（１０）。
3. 前記横材（４８）、前記第１のアーム（２０）および前記第２のアーム（２２）を形成する２つ以上の面（５６）の少なくとも１つの境目が丸みづけられていることを特徴とする、請求項１記載のモジュール式タービンブレード（１０）。
4. 前記第１のアーム（２０）、前記第２のアーム（２２）および前記横材（４８）の内面は、平坦な内面であることを特徴とする、請求項１記載のモジュール式タービンブレード（１０）。
5. 前記第１のアーム（２０）の厚さは、前記第２のアーム（２２）の厚さとは異なることを特徴とする、請求項１記載のモジュール式タービンブレード（１０）。
6. 前記第１のアーム（２０）は、長さ（６６）よりも大きな幅（６４）を備える横断面を有し、前記第２のアーム（２２）は、長さ（７０）よりも大きな幅（６８）を備える横断面を有することを特徴とする、請求項１記載のモジュール式タービンブレード（１０）。
7. 前記第１のアーム（２０）および前記第２のアーム（２２）は、互いに対して非直交かつ非平行であることを特徴とする、請求項１記載のモジュール式タービンブレード（１０）。
8. 前記第１のアーム（２０）は、前記少なくとも１つのクレビスアーム支持体（１４）の長手方向軸線（７４）に対して、前記第２のアーム（２２）とは異なる角度（７２）で配置されていることを特徴とする、請求項７記載のモジュール式タービンブレード（１０）。
9. 前記全体として細長い中空の翼（２８）に最も近い前記第１のアーム（２０）および前記第２のアーム（２２）の第１の端部（７６）は、前記横材（４８）における前記第１のアーム（２０）および前記第２のアーム（２２）の第２の端部よりもさらに離れていることを特徴とする、請求項１記載のモジュール式タービンブレード（１０）。
10. 前記横材（４８）の遠位端部は、前記第１のアーム（２０）と整列した第１の側（８０）から前記第２のアーム（２２）と整列した第２の側（８２）まで湾曲していることを特徴とする、請求項１記載のモジュール式タービンブレード（１０）。
11. センターリンク（９０）が前記モジュール式プラットフォーム（１６）から半径方向に延びかつ前記第１のアーム（２０）と前記第２のアーム（２２）との間に配置されていることをさらに特徴とする、請求項１記載のモジュール式タービンブレード（１０）。
12. 前記センターリンク（９０）はピボット接続を介して前記モジュール式プラットフォーム（１６）に接続されていることを特徴とする、請求項１１記載のモジュール式タービンブレード（１０）。

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