JP2018507340A - ロータブレードを製造するための方法およびかかる方法により実現されるブレード - Google Patents

ロータブレードを製造するための方法およびかかる方法により実現されるブレード Download PDF

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Abstract

本発明は、固定領域(162)およびプラットフォーム(160)を有し、ブレード先端部(167)にて終端するブレード翼(166)がプラットフォーム(160)上に配置された、ガスタービン(100)用のロータブレード(120)を製造するための方法に関する。本方法の目的は、とりわけリソース節減的な製造様式でガスタービンの特に高い効率を促進することである。この目的を達成するために、本方法は、補強具(144)を製造するステップと、補強具(144)の少なくとも一部分の周囲にロータブレード(120)の第1の部分を鋳造するステップと、3Dプリンティング方法によりロータブレード(120)の第2の部分を作製するステップとを含む。

Description

本発明は、固定領域およびプラットフォームを有し、ブレード先端部にて終端するブレード翼がプラットフォーム上に配置された、ガスタービン用のロータブレードを製造するための方法に関する。さらに、本発明は、この種のロータブレードに関する。
上述のタイプのロータブレードは、高温ガス流のエネルギーを回転エネルギーへと変換するためにガスタービンにおいて使用される。これらのロータブレードは、典型的にはブレード翼を有し、ブレード翼は、冷却空気を運ぶための空洞によって貫通され、「プラットフォーム」上に固定される。プラットフォームの隣には、ガスタービンのロータまたはステータの上にタービンブレードを固定するための固定領域が存在する。
現行では、ガスタービン用のロータブレードは、単一の部片および単一の材料から鋳造によって製造される。これは、一般的には真空精密鋳造法により実施される。しかし、とりわけ質量流量を上昇させることによる現行のガスタービンの効率のさらなる改善の一環として、安定性の問題が、この方法により製造されたタービンブレードには生じる恐れがあることが判明している。さらに、冷却ダクトを製造するために使用される型は、一般的に再利用不可能である。
したがって、本発明の目的は、リソースの観点から特に経済的である製造との組合せで、ガスタービンの特に高い効率を可能にする、冒頭に述べられたタイプの方法およびロータブレードを特定することである。
本方法に関して、本発明によれば、この目的は、本方法が以下の方法ステップ、すなわち、
- 補強具を製造するステップと、
- 補強具の少なくとも一部の周囲にロータブレードの第1の部分を鋳造するステップと、
- 3Dプリンティング方法によりロータブレードの第2の部分を作製するステップと
を含むことにより達成される。
ロータブレードに関して、この目的は、ロータブレードが内部に配置された補強具を備えることにより達成される。
この場合に、本発明は、特に第4のタービンロータブレード段であるタービンロータブレード段の設計が、ガスタービンを通る質量流量を上昇させる場合に、製造工学の観点から限界に直面するという点を考慮することから出発している。すなわち、ロータブレードが、冒頭に述べた内部構造を有することと、能動的に冷却されることとが前提とされる設計の限界に関する考慮である。この場合に、流量範囲および回転速度から導出されるクリティカルパラメータおよび特徴の判定および評価から、特に第4のタービンロータブレード段の場合には、非常に狭い限界範囲内において約1mmでブレード翼の上方領域の構成要素壁部厚さを具現化することが必要となることが判明している。かかる大型構成要素の場合には、1mmの壁部厚さを実装することは一般的に困難である。この問題は、鋳造プロセスにおいてロータブレードを完全に製造するのではなく、3Dプリンティング方法によりそれらを製造することによって解決され得る。このプロセスでは、非常に複雑なジオメトリが、ブレードの内部にて製造され得る。問題は、構成要素の強度が、既知の3Dプリンティング方法によってより低く実現されるという点である。したがって、3Dプリンティングにより製造されたロータブレードの強度を上昇させるために、複合材料の使用が提案される。鉄骨鉄筋コンクリートと同様に、ベース材料内により高い強度の材料のステイを挿入することが意図される。この補強具は、初めに前記ステイと共に製造され、その後、ロータブレードのパーツが、補強具の周囲に鋳造され、最後に、特に例えば冷却空気ダクトなどのロータブレードのより細かなパーツが、3Dプリンティングにより作製される。
鉄骨鉄筋コンクリートと全く同じように、ステイは、主要負荷方向に配列されることが意図される。このことは、特にガスタービンの動作中に遠心力により印加される負荷に該当し、この負荷は、径方向に外方に、すなわちブレード先端部の方向に作用し、ブレード先端部に向かって継続的に増大する。したがって、補強具は、有利には少なくとも1つのステイを備えるべきであり、このステイは、ロータブレード先端部からプラットフォームまで延在し、したがって負荷方向へとブレード翼全体を貫通して延在する。これにより、発生する遠心力に対するブレード翼の安定化が達成される。
安定性は、補強具が有利にはロータブレード先端部から固定領域まで延在するステイを備える場合には、さらに改善される。これにより、ロータブレードルートにおける固定領域からブレード翼の先端部までのロータブレードの全体構造が、連続ステイによって安定化される。
本方法のさらなる有利な実施形態としては、補強具の周囲に鋳造される上述の第1の部分が、固定領域を備える。モミの木に類似するさね継ぎ構造を一般的に有する固定領域は、一般的には、あるとしても数個のみの冷却ダクトを備え、したがって複雑さの低いジオメトリを有する。また、したがって、特に再利用可能な型を使用して固定領域を製造することも可能となる。さらに、固定領域の鋳造により、前記領域が所要の強度を有し、補強具との良好な結合が得られることが確保される。
同じことが、タービンダクト内の高温ガスから固定領域を密封するプラットフォームにも当てはまる。このプラットフォームもまた、再利用可能な型を使用して鋳造することが可能であり、結果として特に高い強度を有する。したがって、鋳造される第1の部分は、有利にはプラットフォームを備える。
本方法のさらに有利な一実施形態としては、ロータブレードの鋳造される第1の部分は、ブレード翼の1つの領域に補強具のステイの少なくとも一部のためのシースを備える。換言すれば、中実材料のシースが、ブレード翼のこの領域において補強具の周囲に鋳造される。このシースは、例えば所定の厚さにて各ステイの周囲に鋳造され得る。これにより、3Dプリンティング用の下地として機能する補強具を有する複合構造体が製造される。
補強具は、鋼から製造されると有利である。この文脈において、特に例えば周囲材料と比べて適切な高さの引張強度および高い弾性率を有する高強度鋼または高強度合金などの、現行で使用されるブレード材料が適する。かかる材料の強度の高さにより、これらの材料は、動作中に発生する遠心力の吸収に、およびロータブレードの安定化にとって特に適したものとなる。さらに、かかる材料は、高い融点を有し、したがってブレードルートまたはシースの鋳造プロセスの最中に安定的に留まる。
3Dプリンティング方法により作製される第2のロータブレード部分は、有利にはブレード翼の1つの領域を備える。正確には、この領域は、例えば冷却ダクトなどの複雑な構造体が製造されなければならない領域であり、これらの複雑な構造体は、3Dプリンティングにより特に簡単かつ柔軟な様式で形状設定され得る。
これらの冷却ダクトは、第2の部分の作製中にブレード翼の前述の領域に配置される場合には有利となる。
本方法の有利な一実施形態では、選択的レーザ融着が、3Dプリンティング方法として利用される。選択的レーザ融着では、加工されることとなる材料が、ロータブレードの予め鋳造された部分に対して薄層状に粉末形態で適用される。粉末材料は、レーザ放射により局所的に完全に再溶融され、固化後に固体材料層を形成する。次いで、ロータブレードは、単層厚さの量だけ下げられ、粉末が再度適用される。このサイクルは、全ての層が再溶融されるまで反復される。ガスタービン用のロータブレードが、ここまでに述べた方法のいずれかにより製造されることが有利である。
ガスタービンは、この種のロータブレードを備えることが有利である。
本発明により達成される利点は、特に、3Dプリンティング材料の脆性が複合材料の使用により補償される点と、かかる方法がタービンブレードの製造のために使用され得る点とにある。この方法により、ブレード翼の壁部厚さをより薄くすることが可能となり、またより長いロータブレードを製造することが可能となり、したがってガスタービンの効率および出力が改善される。
図面を用いて、本発明の例示の実施形態がさらに詳細に説明される。
ガスタービンの部分長手方向断面図である。 ロータブレード用の補強具を示す図である。 鋳造ブレードルートを有する補強具の断面図である。 鋳造ブレードルートを有する補強具および補強具の部分シースを示す図である。 ロータブレードの断面図である。
全ての図面において、同一のパーツは、同一の参照符号を有する。
図1は、部分長手方向断面図においてガスタービン100を示す。タービンは、流体流(液体またはガス)の内部エネルギー(エンタルピー)を回転エネルギーへとおよび最終的には機械駆動エネルギーへと変換する連続流マシンである。
内部において、ガスタービン100は、ロータ103を有し、ロータ103は、回転軸102(軸方向)を中心として回転するように取り付けられ、またタービンロータとも呼ばれる。ロータ103に沿って順に、吸気ケーシング104、圧縮機105、複数の同軸配置されたバーナ107を有するトロイダル燃焼チャンバ110、具体的には環状燃焼チャンバ106、タービン108、および排気ケーシング109が配置される。
環状燃焼チャンバ106は、環状高温ガスダクト111と連通する。そこには、例えば直列配置された4つのタービン段112により、タービン108が形成される。各タービン段112は、2つのブレードリングにより形成される。作用媒体113の流れ方向に見たとき、高温ガスダクト111内において、ガイドブレード列115の後にはロータブレード120により形成された列125が続く。ブレード120、130は、航空機翼と同様の若干湾曲したプロファイルを有する。
この場合に、ガイドブレード130は、ステータ143上に固定されるが、列125のロータブレード120は、タービンディスク133によりロータ103上に取り付けられる。したがって、ロータブレード120は、ロータまたはタービンホイール103の構成要素パーツを形成する。発電機または機械(図示せず)が、ロータ103に結合される。
ガスタービン100の動作中に、空気135は、吸気ケーシング104を経由して圧縮機105内に引き込まれ圧縮される。圧縮機105のタービン端部に供給される圧縮空気は、バーナ107に送られ、そこで燃料と混合される。次いで、その混合物は、燃焼チャンバ110内で燃焼されて、作用媒体113を形成する。燃焼チャンバから、作用媒体113は、高温ガスダクト111に沿って流れ、ガイドブレード130およびロータブレード120を通過する。
流体流の内部エネルギーの一部は、タービンブレード120、130の可能な限り渦のない層流によって奪われ、このエネルギーは、タービン108のロータブレード120へと移送される。次いで、これがロータ103に対して回転を与え、その結果としてまず圧縮機105が駆動される。この有用なパワーが機械(図示せず)に出力される。
ガスタービン100の動作中に、高温作用媒体113にさらされる構成要素は、熱負荷を被る。環状燃焼チャンバ106をライニングする熱シールドブロックから離れた位置で、作用媒体113の流れ方向において見たときの第1のタービン段112のガイドブレード130およびロータブレード120は、最も高い熱負荷を被る。この高負荷のために、極度の負荷に耐え得る材料が必要となる。したがって、タービンブレード120、130は、チタン合金、ニッケル超合金、またはタングステン-モリブデン合金から製造される。ブレードは、耐腐食コーティング(MCrAlX、M=Fe、Co、Ni、希土類)および耐熱コーティング(断熱層、例えばZrO2、Y2O4-ZrO2)によって保護されて、温度および点食などの腐食に対するより高い耐性を確保する。熱シールドコーティングは、遮熱コーティングまたは略してTBCとも呼ばれる。熱に対するより高い耐性をブレードに与えるためのさらなる手段は、高性能冷却ダクトシステムにある。この技術は、ガイドブレード130およびロータブレード120の両方において使用される。
各ガイドブレード130は、タービン108の内方ケーシング138に対面するガイドブレードルート(ここには図示せず)と、ガイドブレードルートの対向側に位置するガイドブレードヘッドとを有する。ガイドブレードヘッドは、ロータ103に対面し、ステータ143のシーリングリング140に固定される。この構成では、各シーリングリング140は、ロータ103のシャフトを囲む。各ロータブレード120は、同様に、以下の図面に示すようにこの種のロータブレードルートを有するが、ロータブレード先端部にて終端する。
図2は、この種のロータブレード120用の補強具144を示す。補強具144は、上方横ステイ146を有する。計4つの長手方向ステイ148、150が相互に等間隔をおいて上方横ステイ146から下方に向かい、放射状パターンで相互から若干離れて延在する。2つの中央長手方向ステイ148は、外方長手方向ステイ150よりも幾分か長い。中央長手方向ステイ148同士は、同等の長さであり、下方横ステイ152によりそれらの端部にて連結される。同様に同等の長さをそれぞれ有する外方長手方向ステイ150の端部において、前記ステイは、さらなる横ステイ154により相互におよび中央長手方向ステイ150に連結される。さらなる横ステイ154と上方横ステイ146との間において、全ての長手方向ステイ148、150は、一定間隔をおいて配置された中央横ステイ156によって相互に連結される。
図2に示す長手方向ステイ148、150および横ステイ146、152、154、156のこの構成は、例示に過ぎない。さらなる代替的な実施形態では、当然ながら、発生する力に合致するステイの個数、配向、および分布を選択することが可能である。
したがって、長手方向ステイ148、150および横ステイ146、152、154、156は、安定的な補強具144を形成し、この補強具144は、ロータブレード120の内部に配置され得る。ロータブレード120を製造するためのプロセスは、以下の図面を参照として説明される。初めに、補強具144が既述のように製造される。補強具144は、高強度鋼合金から構成され、図3Aおよび図3Bに示す鋳造プロセスにおいて安定的な状態に留まる。
この方法の第1の例示の実施形態では、図3Aに示すように、ロータブレードルート158のみが鋳造される。このルートは、高温ガスダクト111内の高温ガスからロータ103の内方領域を密封するプラットフォーム160を備え、両側部に舌部を有する固定領域162を備え、この舌部は、ロータ側とのさね継ぎのために形成される。示すように、横ステイ154は、ここではプラットフォーム160内に位置する。中央長手方向ステイ148の横ステイ154を越えて下方に延在する領域と、下方横ステイ152とが、固定領域162内に位置する。
この方法の第2の例示の実施形態では、各長手方向ステイ150、152のためのシース164が、図3Bに示すようにロータブレードルート158に加えて鋳造される。これらのシースは、軸として長手方向ステイ150、152を有する例えば円筒状設計のものであることが可能である。例示の両実施形態において、比較的単純で再利用可能な型が鋳造において使用可能である。
最後に、図4は、仕上げられたロータブレード120を示す。ロータブレード120の本体の残りの部分は、図3Aおよび図3Bに示す構成要素から開始して選択的レーザ融着により製造されている。この方法で製造された部分は、具体的にはブレード翼166を備え、補強具144の上方横ステイ146が、ロータブレード先端部167の領域内に配置される。
ブレード翼166は、比較的複雑なジオメトリを有し、そのプロファイルは、航空機翼のプロファイルに類似する。ブレード翼166は、丸みプロファイルノーズ168およびプロファイル後方エッジ170を有する。プロファイルノーズ168とプロファイル後方エッジ170との間には、ロータブレード120の凹状圧力側壁部および凸状吸引側壁部が延在する。複数の冷却空気ダクト(特に図示せず)が、圧力側壁部と吸引側壁部との間において内部に導入される。
既述の複雑なジオメトリは、部分的に鋳造されたロータブレード120から開始して、3Dプリンティングにより特に簡単に作製され得る。3Dプリンティングにより製造された材料の構造的脆性は、補強具144により補償される。
100 ガスタービン
102 回転軸
103 ロータ
104 吸気ケーシング
105 圧縮機
106 環状燃焼チャンバ
107 バーナ
108 タービン
109 排気ケーシング
110 トロイダル燃焼チャンバ
111 環状高温ガスダクト
112 タービン段
113 作用媒体
115 ガイドブレード列
120 ロータブレード
125 列
130 ガイドブレード
133 タービンディスク
135 空気
138 内方ケーシング
140 シーリングリング
143 ステータ
144 補強具
146 上方横ステイ
148 長手方向ステイ
150 長手方向ステイ
152 下方横ステイ
154 横ステイ
156 中央横ステイ
158 ロータブレードルート
160 プラットフォーム
162 固定領域
164 シース
166 ブレード翼
167 ロータブレード先端部
168 丸みプロファイルノーズ
170 プロファイル後方エッジ

Claims (13)

  1. 固定領域(162)およびプラットフォーム(160)を有し、ブレード先端部(167)にて終端するブレード翼(166)が前記プラットフォーム(160)上に配置された、ガスタービン(100)用のロータブレード(120)を製造するための方法であって、
    - 補強具(144)を製造するステップと、
    - 前記補強具(144)の少なくとも一部の周囲に前記ロータブレード(120)の第1の部分を鋳造するステップと、
    - 3Dプリンティング方法により前記ロータブレード(120)の第2の部分を作製するステップと
    を含む、方法。
  2. 前記補強具(144)は、ステイ(148、150)を備え、前記ステイ(148、150)は、前記ロータブレード先端部(167)の領域から前記プラットフォーム(160)まで延在する、請求項1に記載の方法。
  3. 前記補強具は、ステイ(148)を備え、前記ステイ(148)は、前記ロータブレード先端部(167)の前記領域から前記固定領域(162)まで延在する、請求項2に記載の方法。
  4. 前記第1の部分は、前記固定領域(162)を備える、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記第1の部分は、前記プラットフォーム(160)を備える、請求項4に記載の方法。
  6. 前記第1の部分は、前記ブレード翼(166)の1つの領域に、前記補強具(144)の前記ステイ(148、150)の少なくとも一部のためのシース(164)を備える、請求項4または5に記載の方法。
  7. 前記補強具(144)は、鋼から製造される、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記第2の部分は、前記ブレード翼(166)の1つの領域を備える、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 冷却ダクトが、前記第2の部分を作製する前記ステップの最中に前記ブレード翼(166)の前記領域に配置される、請求項8に記載の方法。
  10. 選択的レーザ融着が、前記3Dプリンティング方法として利用される、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
  11. 請求項1から10のいずれか一項に記載の方法により製造される、ガスタービン(100)用のロータブレード(120)。
  12. 内部に配置された補強具(144)を備える、ガスタービン(100)用のロータブレード(120)。
  13. 請求項11または12に記載のロータブレード(120)を有するガスタービン(100)。
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