JP2019500545A - タービンブレードのベース本体を製造するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ベース本体（３０）又はタービンロータブレードを製造するための方法であって、その周波数特性を必要な境界条件に特に容易に適応させることができる方法に関する。このために、凹所（５０）がブレード根元部分（３２）に形成され、及び／又は、ベース本体（３０）が十分な振動特性を有していない場合に対応する目標値を下回るように寸法を小さくする。このようにして、当該方法では、タービンロータブレードの振動特性を特に容易に且つ多様に調整することができる。その結果として、タービンロータブレードの製造における棄却率が低減される。

Description

本発明は、タービンロータブレードのベース本体を製造するための方法であって、仮想的な長手方向軸線に沿って順番にブレード根元部分とブレードプラットフォームとブレード翼とを具備するベース本体を準備するステップと、振動特性を表わすベース本体のパラメータの値を検出するステップと、検出された値と所定の目標範囲とを比較するステップと、検出された値が目標範囲から外れている場合にベース本体の質量を低減させるステップと、を少なくとも備えている方法に関する。また、本発明は、軸流式タービンのロータのためのロータブレードリングに関する。

ガスタービンの動作寿命を伸ばすために保護層を具備するタービンロータブレードが知られている。ＭＣｒＡｌＹ型の耐食層が、保護層として、鋳造されたタービンロータブレードに施されている場合がある。保護層は、動作中にガスタービンの高温ガスに曝されている表面領域に施されている。当該表面領域は、タービンロータブレードのブレード翼とブレード翼と共に一体形成されているプラットフォームとの両方を備えている。耐食層とは別に、遮熱コーティングが、タービンロータブレードのベース材料が高温ガスから受ける熱量を可能な限り最小限に抑えるために、上述の表面領域に施されている場合がある。耐食層及び遮熱コーティングを施すことによって、タービンロータブレードの振動挙動が変化する。

ガスタービンの動作の際に、タービンロータブレードが励振されることが知られている。タービンロータブレードが固定されているロータの回転によって励振される。また、タービンロータブレードのブレード翼に衝突する高温ガスが、タービンロータブレードのブレード翼の励振に寄与している。タービンロータブレードのブレード翼が、高温ガスの流れ方向で見るとタービン案内ベーンの下流において回転するので、ブレード翼が、ブレード翼における高温ガスの振動によって励振される。従って、タービンロータブレードそれぞれが、十分に高い共振周波数を有しているので、ロータの回転速度に起因する振動励起と高温ガスに起因する振動励起との両方の励起周波数によって、ブレード翼は、許容することができない大きさの振動が引き起こされる。従って、従来技術では、タービンロータブレードは、当該タービンロータブレードの共振周波数が定置式ガスタービンの励起周波数から外れるように設計されていた。タービンロータブレードの開発には、完成したタービンロータブレードは、予想されるロータの速度に関する要件を含む固有振動数に関する要件を全体的に満たすことが求められる。

従って、タービンロータブレードの製造プロセスにおいて、タービンロータブレードの振動特性について検査することが予測される。当該検査では、タービンブレードが、その根元部分において締め付けられ、機械的衝撃によって強制的に振動される。そのとき、タービンブレードの、特にブレード翼の振動応答が検出される。タービンロータブレードの振動応答が共振周波数についての所定の周波数値と適合しない場合には、当該タービンロータブレードは、廃棄されるか、又は当該タービンロータブレードが共振周波数についての要件を満たすように且つ最終的には動作に適するように、適切な計測によって処置される必要がある。振動特性に鑑みてガスタービンでの利用が意図されていないタービンロータブレードを、それにも関わらず利用するために検査を通過させるために、ブレード翼の先端に凹所を形成することによって、タービンロータブレードの質量を振動する自由端において低減させることが特許文献１から知られている。タービンロータブレードの質量を低減させることによって、振動特性に対して積極的に影響を与えることができる。タービンロータブレードの共振周波数は、質量を低減させることによって高い値に遷移する。

さらに、管状のダンパーをタービンロータブレードのブレードプラットフォームに挿入することが、特許文献２から知られている。当該ダンパーは、遠心力の影響を受けて僅かに押し出されるので、隣接するブレードのプラットフォームと接触し、これにより動作中におけるブレード間の振動が減衰される。

欧州特許出願公開第１９８５８０３号明細書 欧州特許出願公開第０５３７９２２号明細書

本発明の目的は、定置式ガスタービンの内部で利用するための要件を満たす共振周波数を有しているタービンロータブレードのベース本体を製造するための方法を提供することである。他の目的は、高温ガスによって発生する励振に対して特に堅牢とされるブレード翼を具備するロータブレードを提供することである。

当該方法に関する目的は、請求項１の特徴に従う方法によって達成されるが、優位な改良は、従属請求項に反映されている。当該ロータブレードリングに関する目的は、請求項６の特徴によって達成される。

本発明は、共振周波数を調整するための凹所がブレード翼に形成される必要はないという認識に基づく。また、特にタービンブレード又はその鋳造製のベース本体の振動特性に影響を及ぼすための計測が、ブレード根元部分又はいわゆるプラットフォーム下面において実施される。プラットフォーム下面は、この場合、タービンロータブレードのプラットフォームの側面又はプラットフォームの高温ガス面の反対側に位置するすなわちブレード根元部分に面しているベース本体の側面である。凹所を形成すること又は目標値を下回るように寸法を短縮することは、計測として設けられている。言うまでもなく、２つの計測が互いに組み合わせることができる。

２つの計測点の利点は、ブレード翼の構造的−機械的な一体性を変化させることもなければ、ブレード翼の空気力学的特性を損なうこともないことである。これにより、ブレードベース本体及び当該ブレードベース本体から最終的に製造されるタービンロータブレードの所定の耐用寿命及び性能を達成することができる。

結論として、本発明は、ブレードベース本体が、ブレード根元部分及び／又はプラットフォームの下面に、構造的−機械的機能を有しないように形状及び／又は寸法が選定された領域を有している。もともとの特性及び寸法に基づいて、ベース本体は、質量を低減させることによって、機能的特性を変化させることなく同時にベース本体の振動特性を変化させるために、犠牲領域（sacrificial region）とみなされる少なくとも１つの領域を備えている。質量を低減させるために、例えば凹所が、ブレード根元部分の平坦な側面に形成される。他の例では、タービンブレードの下方のプラットフォームに設けられているウエブの幅が低減される。

好ましくは、上述の計測が実施される領域は、動作の際に発生する関連する機械的負荷について要求されるベース本体の構造的−機械的一体性が著しく損なわれることなく、犠牲領域に位置している。結論として、タービンロータブレードの断面２次モーメント及び剛性は、如何なる場合においてもタービンブレードの耐用寿命を制限せず、変化されない。結論として、タービンロータブレードの所定の耐用寿命は、影響を受けない状態を維持する。

好ましくは、関連する１つ以上の領域が、ベース本体の上方において高温ガスが流れるベース本体の部位の外側に位置する。結論として、当該方法は、耐食層及び／又は遮熱コーティングをタービンロータブレードに施した後であっても適用可能とされる。

好ましくは、本発明における方法は、タービンブレードの製造プロセスの遅い段階に適用される。このことは、一般に鋳造プロセスによって製造されるベース本体が、既に振動特性を表わすパラメータの値を検出する前に目標の大きさに到達していることを意味する。これにより、完成間近のタービンロータブレードについての振動計測が確実に実施されるので、その結果として、ベース本体又はタービンロータブレードの振動特性を同様に変化させるさらなる製造ステップの少なくとも大部分を回避することができる。

より好ましくは、当該方法は、パラメータの検出された値を変化させる（平均的な）値によって本体のコーティングがその後に施されるコーティングの結果として予め決定可能である場合には、本体にコーティングを施す前であっても実施可能とされる。上述の計測は、本発明における方法を実施したにも関わらず振動特性及び振動値が関連する目標範囲に入らないようにベース本体を選択するために、製造プロセスの早い段階において既に実施可能とされる。このようにして、棄却についての支出が初期段階で回避可能とされる。

好ましくは、ブレードリングの幾つかのタービンロータブレードのみが、又はすべてのタービンロータブレードが、上述の方法に従って製造される。

本出願では、用語は、タービンロータブレードとタービンロータブレードのベース本体との間において区別される。この場合には、タービンロータブレードは、さらなる作業を必要とせずタービンのロータに固定されることを意図した、完成されたブレードを意味するものとして理解される。このこととの違いとして、タービンロータブレードのベース本体は、完成されたタービンロータブレードで終了する製造プロセスの依然として最中であるタービンロータブレードブランクを意味するものとして理解される。結論として、本発明は、利用可能なタービンロータブレードを製造するために必要とされる幾つかの製造ステップのみに関する。本明細書で述べる方法ステップは、利用可能なタービンロータブレードを製造するための最終の製造ステップとすることもできる。

本発明について、添付図面に基づいて説明するが、同一の参照符号で示される同一の構成部材は同様に機能する。

本発明における、タービンロータブレードのベース本体を製造するための方法の様々な製造ステップを有するフロー図である。 さらなる製造ステップを有するフロー図である。 タービンロータブレードのベース本体の下面の斜視図である。

図１は、本発明における方法１０を表わす。タービンロータブレードのベース本体３０（図３参照）を製造するための方法１０では、第１の製造ステップ１２において、タービンロータブレードのベース本体３０が準備される。ベース本体３０は、仮想的な長手方向軸線３１に沿って順番に、ブレード根元部分３２とプラットフォーム３４とブレード翼３６とを備えている。

平坦な端面３８が垂直とみなされる場合に、ブレード根元部分３２の輪郭が、樅木状とされ、いわゆるブレード頸部４０を介してプラットフォーム３４の下面４２を横断している。下面４２の反対側には、プラットフォーム３４は、高温ガス面４４を有しており、ブレード翼３６が、高温ガス面４４に一体的に隣接している。ブレード翼３６は、液滴状の形状に形成されており、正圧面４６及び負圧面４８を形成するように空気力学的に湾曲されている。

ブレード根元部分３２は、アキシアル方向において互いに反対向きに配置されている２つの平坦な端面３８の間における長さＬに亘って延在している。

第２の製造ステップ１４では、ベース本体３０の少なくとも１つのパラメータの変数が検出される。少なくとも１つのパラメータは、ベース本体の振動特性を表わしている。通常、共振周波数と振動モードとは一般的な方法によって検出される。

第３の製造ステップ１６では、１つ以上の検出された値が目標範囲（関連する目標範囲）と比較される。検出された値が関連する目標範囲から外れている場合に、本発明では、第４の製造ステップとして、ブレード根元部分３２及び／又はプラットフォーム３６の下面４２において、振動の変化が計測される。当該計測は、１つ以上の凹所５０の形成、並びに／又は、例えば凹所５０に配置されている特定の形体の長さ、幅、及び高さのような従前の寸法の低減とされる。例えばブレード根元部分３２の長さＬは数百ミリメートル短縮されるので、長さＬについての目標値より小さい大きさとされる。ベース本体３０の質量が、特にこのために設けられている領域４９において低減される。結論として、タービンロータブレードの重量及び場合によっては圧力が作用する表面が、遠心力の影響によって変化する。このことは、タービンロータブレードの振動特性に好ましい影響を有している。

疑念がある場合には、一連の第２の製造ステップ１４、第３の製造ステップ１６、及び第４の製造ステップ１８は、ベース本体３０の適合性を検査するために繰り返し実施される。調査されたタービンロータブレードは、振動特性に関する要件を満たしている場合に限り、さらなる製造プロセスに移行する。

また、ベース本体３０又はタービンロータブレードは、保護層である本体若しくはブレード、又は保護層を具備する本体若しくはブレードとされる。この場合には、好ましくは、保護層はＭＣｒＡｌＹ型の耐食層とされる。代替的には、２つ以上の耐食層が設けられている。耐食層は、接着コーティングとしてのＭＣｒＡｌＹ型の層と、接着コーティングの外面に塗布されているセラミック製遮熱コーティング（ＴＢＣ）とを備えている。保護層を、特に耐食層を塗布することによって、ベース本体３０の質量がさらに増加する。質量の増加に伴う共振周波数の変化は、ブレード根元部分３２又はプラットフォーム３４の下面に凹所５０を形成することによって相殺可能とされる。この場合には、凹所は、タービンロータブレードが共振周波数についての要件を満たすのに十分な数量且つ十分な深さで形成されることに留意すべきである。この場合には、共振周波数は、本発明における方法を実施するにも拘らず、当該要件を満たすのに十分大きく影響されない。この場合には、ベース本体３０は、商業的な利用には適していない。

ベース本体３０のコーティングは、第２の製造ステップ１４が初めて実施される前にすなわち第４の製造ステップ１８が最後に実施された後に行われる。

ブレード根元部分３２の端面に凹所５０を配置させることによって、共振周波数の振動数シフトが生じる。凹所５０は、任意の所望の形状とすることができる。

図２は、製造方法のさらなる典型的な実施例についての第２のフロー図である。さらなる典型的な実施例では、製造プロセスは、上述のステップ１２，１４，１６，１８を備えていると共に、ステップ間で実施される場合がある製造ステップ１３，１９によって補足されている。一方、このことは、ベース本体３０を少なくとも最大の大きさで製造するための製造ステップ１３を補足するという効果を有している。言い換えれば、製造ステップ１３において、鋳造の許容誤差によって影響を受けるベース本体３０の寸法が、同様に許容誤差によって部分的に影響を受ける計画目標値になる。

製造ステップ１９では、被覆されていないベース本体３０に、浸食及び／又は遮熱コーティングが施される。

要するに、本発明は、必要な境界条件に対して周波数特性を特に容易に適応させることができるタービンロータブレード又はそのベース本体３０を製造するための方法を提案する。このために、凹所５０がブレード根元部分３２に形成されており、及び／又は、ベース本体３０の振動特性が不十分である場合に対応する目標値より寸法を小さくすることが提案されている。このことは、特に容易且つ変更し易い方法でタービンロータブレードの振動特性を設定することができる方法を提供する。結果として、タービンロータブレードの製造における棄却率が低減される。

１０ 方法
１２ 第１の製造ステップ
１４ 第２の製造ステップ
１６ 第３の製造ステップ
１８ 第４の製造ステップ
３０ ベース本体
３２ ブレード根元部分
３４ プラットフォーム
３６ ブレード翼
３８ 端面
４０ ブレード頸部
４２ 下面
４４ 高圧ガス面
４６ 正圧面
４８ 負圧面
４９ 領域
５０ 凹所

Claims (6)

1. ベース本体（３０）又はタービンロータブレード（４０）を製造するための方法（１０，２０）であって、
   ａ）長手方向軸線（３１）に沿って順番にブレード根元部分（３２）とブレードプラットフォーム（３４）とブレード翼（３６）とを備えている、ベース本体（３０）を準備するステップと、
   ｂ）前記ベース本体（３０）の少なくとも１つのパラメータの値を検出するステップであって、前記少なくとも１つのパラメータが、前記ベース本体（３０）の振動特性を表わしている、前記ステップと、
   ｃ）検出された前記パラメータの値を所定の目標範囲と比較するステップと、
   ｄ）検出された前記パラメータの値が前記目標範囲から外れている場合に、前記ベース本体（３０）の質量を低減させるステップと、
   を備えている方法（１０，２０）において、
   前記ベース本体（３０）の質量が、少なくとも１つの凹所（５０）を形成することによって、及び／又は、対応する目標値を下回るように寸法を小さくすることによって、前記ブレード根元部分（３２）及び／又は前記ブレードプラットフォーム（３４）において低減されることを特徴とする方法（１０，２０）。
2. 前記ブレード根元部分（３２）及び／又はブレードプラットフォーム（３４）が、前記凹所（５０）を形成することができる領域又は前記寸法を小さくすることができる領域（４９）を備えており、これにより、前記タービンロータブレードの断面２次モーメントひいては剛性が変化することを特徴とする請求項１に記載の方法（１０，２０）。
3. 関連する１つ以上の領域（４９）が、高温ガスが流れる前記ベース本体（３０）の領域の外側に位置していることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法（１０，２０）。
4. 前記ステップｂ）を実施する前に、前記ベース本体（３０）の寸法のうち少なくとも大部分が、前記寸法の目標の大きさになっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法（１０，２０）。
5. 前記ステップｂ）を実施する前又は前記ステップｄ）を実施した後に、耐食層及び／又は遮熱コーティングが、保護層として前記ベース本体（３０）に施されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法（１０，２０）。
6. 軸流式タービンのロータのためのロータタービンリングにおいて、
   前記ロータタービンリングが、複数のタービンロータブレードを備えており、
   前記ベース本体（３０）が、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法（１０，２０）によって製造されていることを特徴とするロータタービンリング。

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