JP4642819B2 - タービンブレード先端シュラウド - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはガスタービンに関し、より具体的には、先端シュラウドの全体質量を減少させるためのキャビティをその中に備えたタービンブレード先端シュラウドに関する。

ガスタービンブレードは、多くの場合、それに一体形先端シュラウドが取付けられた翼形部を含むことができる。先端シュラウドは、翼形部の外側端部に取付けられ、翼形部表面に対して実質的に垂直に広がる表面積を形成する。先端シュラウドの表面積は、タービン排気ガスからのエネルギーの大きな割合が機械的エネルギーに変換されて全体効率を高めるように、翼形部上にタービン排気ガスを保持するのを助ける。先端シュラウドはまた、空力ダンピング作用を行い、またシングリング（フレッティング）防止を行う。しかしながら、比較的高い温度環境と先端シュラウド上のオーバハング材料及び遠心荷重によって生じた曲げ応力とにより、その中でのクリープ（変形）の発生が助長される。これらの曲げ応力は、例えば「Ｚ字形ノッチ」として公知のシュラウドの領域及びその他の場所における局部的な高い応力集中を引き起こす可能性がある。
米国特許第６，１６４，９１６号公報 米国特許第６，４９１，４９８号公報 米国特許第６，８５１，９３１号公報 米国特許第７，００１，１４４号公報

従って、バケットが許容可能な性能及び製造容易性を有するのを保証しながら最大バケット寿命を最適化するように、クリープを減少させた改良型のタービンブレード先端シュラウドに対する要望がある。バケット全体の寿命は、タービンの全体効率及びコストを犠牲にすることなく改良されるべきである。

従って、本出願は、タービンブレード先端シュラウドを記述する。本先端シュラウドは、プラットフォームと、プラットフォーム内に配置された幾つかのＺ字形ノッチと、プラットフォーム上に配置された幾つかのシールレールと、プラットフォーム内にかつシールレールＺ字形ノッチに隣接して配置された幾つかのキャビティとを含むことができる。

シールレールは、正圧側シールレールと負圧側シールレールとを含むことができる。キャビティは、少なくとも１．７２ミリメートルの厚さを有することができ、Ｚ字形ノッチから少なくとも２．０ミリメートルに配置することができる。キャビティは、正圧側シールレールに隣接して配置された正圧側キャビティと負圧側シールレールに隣接して配置された負圧側キャビティとを含むことができる。Ｚ字形ノッチは、第１の側面Ｚ字形ノッチと第２の側面Ｚ字形ノッチとを含むことができる。正圧側キャビティ１６０は、約２２．３２ミリメートルの長さと、第１の側面Ｚ字形ノッチに隣接した約５．９７ミリメートルの幅と、第１の側面Ｚ字形ノッチの反対側における約３．４６ミリメートルの幅とを含むことができる。負圧側キャビティ１７０は、約２１．５ミリメートルの長さと、第２の側面Ｚ字形ノッチに隣接した約３．９７ミリメートルの幅と、第２の側面Ｚ字形ノッチの反対側における約３．０３ミリメートルの幅とを含むことができる。キャビティは、全体にわたって均一な深さを有することができる。先端シュラウドは、インベストメント鋳造法又は機械加工法により製造することができる。

本出願はさらに、タービンブレード先端シュラウドを記述する。本先端シュラウドは、プラットフォームと、プラットフォーム内に配置された幾つかのＺ字形ノッチと、プラットフォーム上に配置された幾つかのシールレールと、プラットフォーム内に、シールレールに隣接してかつＺ字形ノッチから少なくとも２．０ミリメートルに配置された幾つかのキャビティとを含むことができる。

シールレールは、正圧側シールレールと負圧側シールレールとを含むことができる。キャビティは、少なくとも１．７２ミリメートルの厚さを有することができる。キャビティは、正圧側シールレールに隣接して配置された正圧側キャビティと負圧側シールレールに隣接して配置された負圧側キャビティとを含むことができる。Ｚ字形ノッチは、第１の側面Ｚ字形ノッチと第２の側面Ｚ字形ノッチとを含むことができる。正圧側キャビティ１６０は、約２２．３２ミリメートルの長さと、第１の側面Ｚ字形ノッチに隣接した約５．９７ミリメートルの幅と、第１の側面Ｚ字形ノッチの反対側における約３．４６ミリメートルの幅とを含むことができる。負圧側キャビティ１７０は、約２１．５ミリメートルの長さと、第２の側面Ｚ字形ノッチに隣接した約３．９７ミリメートルの幅と、第２の側面Ｚ字形ノッチの反対側における約３．０３ミリメートルの幅とを含むことができる。キャビティは、全体にわたって均一な深さを有することができる。

本出願のこれらの及びその他の特徴は、図面及び幾つかの特許請求項と併せて以下の詳細な説明を精査することにより当業者には明かになるであろう。

次に図面を参照すると、図面では、幾つかの図を通して同じ参照符号が同様の要素を示しており、図１は、幾つかの公知のタービンブレード１０を示す。図示するように、タービンブレード１０は、運転速度で回転するようにタービンディスク２０上に取付けられる。各タービンブレード１０は、ディスク２０に取付けられた根元セクション３０を含むことができる。各ブレード１０はさらに、プラットフォームセクション４０と翼形部セクション５０とを含む。翼形部セクション５０の頂部上に配置されているのは、先端シュラウド６０である。先端シュラウド６０は、主として翼形部５０に対して垂直に配置される。先端シュラウド６０は、その上に幾つかのシールレール８０が配置されたプラットフォーム７０を含む。シールレール８０は一般的に、先端シュラウド６０の長さにわたって延びる。先端シュラウド６０の側面（翼形部５０の両側の）は、その中に配置された「Ｚ」字形ノッチ９０を有することができる。名前が暗示するように、Ｚ字形ノッチ９０は、主として「Ｚ」字形の形状になっている。Ｚ字形ノッチ９０は、種々なブレード１０を相互結合するのを可能にする。

図２及び図３は、本明細書に記述した先端シュラウド１００を示す。上記の先端シュラウド６０と同様に、先端シュラウド１００は、プラットフォーム１１０と、その上に配置された一対のシールレール、すなわち正圧側シールレール１２０及び負圧側シールレール１３０と、一対のＺ字形ノッチ、すなわち第１の側面Ｚ字形ノッチ１４０及び第２の側面Ｚ字形ノッチ１５０とを含む。正圧側シールレール１２０は、ｙ?ｚ平面から約８．５１ミリメートルとすることができる。負圧側シールレール１３０は、ｙ?ｚ平面から約７．７５ミリメートルとすることができる。先端シュラウド１００は、シールレール１２０、１３０の間で約１６．６４ミリメートルの距離を有することができる。本明細書では、その他の構造、形状、距離及び寸法を使用することができる。

先端シュラウド１００はさらに、幾つかの正圧側キャビティ１６０と負圧側キャビティ１７０とを含む。キャビティ１６０、１７０は、シールレール１２０、１３０に隣接してプラットフォーム１１０内に配置される。キャビティ１６０、１７０は、プラットフォーム１１０内での約１．７２ミリメートルの最小厚さとＺ字形ノッチ１４０、１５０と隣接した約２．０ミリメートルの最小壁厚さとを有することができる。正圧側キャビティ１６０は、約２２．３２ミリメートルの長さと、第１の側面Ｚ字形ノッチ１４０に隣接した約５．９７ミリメートルの幅と、Ｚ字形ノッチ１４０の反対側における約３．４６ミリメートルの幅とを有することができる。負圧側キャビティ１７０は、約２１．５ミリメートルの長さと、第２の側面Ｚ字形ノッチ１５０に隣接した約３．９７ミリメートルの幅と、Ｚ字形ノッチ１５０の反対側における約３．０３ミリメートルの幅とを有することができる。キャビティ１６０、１７０は、全体にわたっておおむね均一な深さを有することができる。

キャビティ１６０、１７０の配置、寸法及び形状は、必要に応じて変化させることができる。本明細書に記載した寸法は、ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙによって販売されているＧ４ ＨＳＰＴ（高速パワータービン）第１段タービンバケットで使用することができる。全体としての先端シュラウド１００とその中のキャビティ１６０、１７０とは、インベストメント鋳造法によって又は同様の製造法によって作ることができる。例えば、過剰な材料をえぐり取るような機械加工法もまた、使用することができる。

従って、キャビティ１６０、１７０を使用することにより、先端シュラウド１００の全体質量を減少させ、幾つかのブレード１０間における接触領域の自由度が得られる。キャビティ１６０、１７０は、Ｚ字形ノッチ１４０、１５０のような制約箇所における応力を最小化するようにプラットフォーム１１０の領域内に配置することができる。Ｚ字形ノッチ１４０、１５０の近くで得られる応力の低減により、全体としてのバケット１０のクリープ寿命が改善される。キャビティ１６０、１７０の設計は、バケット１０が許容可能な性能及び製造容易性を有するのを保証しながら最大の寿命の利点を得るように最適化することができる。

キャビティ１６０、１７０は、翼形５０に垂直にオーバハングした領域内に配置して先端シュラウド１００の質量を減少させ、それによってシュラウド１００が適切なシール特性及び空力特性を維持しながら曲げ応力を低下させる。さらに、キャビティ１６０、１７０を使用するその他の利益は、バケット境界部における接触面がより柔軟性を有するようになり、２つのバケット１０間の負荷がより均一に分布するようになることである。

前述の説明は本出願の好ましい実施形態のみに関連していること、また特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、当業者が本発明において数多くの変更及び修正を加えることができることは明らかであろう。

その上に先端シュラウドを備えた公知のタービンブレードの斜視図。 本明細書に記述した先端シュラウドの平面斜視図。 図２の先端シュラウドの側面斜視図。

符号の説明

１０ タービンブレード
２０ タービンディスク
３０ 根元セクション
４０ プラットフォームセクション
５０ 翼形部セクション
６０ 先端シュラウド
７０ プラットフォーム
８０ シールレール
９０ Ｚ字形ノッチ
１００ 先端シュラウド
１１０ プラットフォーム
１２０ 正圧側シールレール
１３０ 負圧側シールレール
１４０ 第１の側面Ｚ字形ノッチ
１５０ 第２の側面Ｚ字形ノッチ
１６０ 正圧側キャビティ
１７０ 負圧側キャビティ

Claims (8)

1. その中に複数のＺ字形ノッチ（１４０、１５０）を有するプラットフォーム（１１０）と、
   前記プラットフォーム（１１０）上に配置された正圧側及び負圧側シールレール（１２０、１３０）と、
   前記プラットフォーム（１１０）内にかつ前記正圧側及び負圧側シールレール（１２０、１３０）に隣接して配置される複数のキャビティ（１６０、１７０）であって、前記複数のＺ字形ノッチ（１４０、１５０）に開口する第１の端部と前記プラットフォームにより閉鎖される第２の端部とを備える複数のキャビティ（１６０、１７０）と、
   を含むタービンブレード先端シュラウド（１００）。
2. 前記複数のキャビティ（１６０、１７０）が、少なくとも１．７２ミリメートルの厚さを含む、請求項１記載のタービンブレード先端シュラウド（１００）。
3. 前記複数のキャビティ（１６０、１７０）が、前記複数のＺ字形ノッチ（１４０、１５０）から少なくとも２．０ミリメートルに配置される、請求項１記載のタービンブレード先端シュラウド（１００）。
4. 前記複数のキャビティ（１６０、１７０）が、前記正圧側シールレール（１２０）に隣接して配置された正圧側キャビティ（１６０）と前記負圧側シールレール（１３０）に隣接して配置された負圧側キャビティ（１７０）とを含む、請求項１記載のタービンブレード先端シュラウド（１００）。
5. 前記複数のＺ字形ノッチ（１４０、１５０）が、第１の側面Ｚ字形ノッチ（１４０）と第２の側面Ｚ字形ノッチ（１５０）とを含む、請求項４記載のタービンブレード先端シュラウド（１００）。
6. 前記正圧側キャビティ（１６０）が、２２．３２ミリメートルの長さと、前記第１の側面Ｚ字形ノッチ（１４０）に隣接した５．９７ミリメートルの幅と、前記第１の側面Ｚ字形ノッチ（１４０）の反対側における３．４６ミリメートルの幅とを含む、請求項５記載のタービンブレード先端シュラウド（１００）。
7. 前記負圧側キャビティ（１７０）が、２１．５ミリメートルの長さと、前記第２の側面Ｚ字形ノッチ（１５０）に隣接した３．９７ミリメートルの幅と、前記第２の側面Ｚ字形ノッチ（１５０）の反対側における３．０３ミリメートルの幅とを含む、請求項５記載のタービンブレード先端シュラウド（１００）。
8. 前記複数のキャビティ（１６０、１７０）が、全体にわたって均一な深さを含む、請求項１記載のタービンブレード先端シュラウド（１００）。