JP4792243B2 - ハイブリッド型タービンブレード及び関連する方法 - Google Patents

Description

本発明は、総括的には蒸気タービンバケット（又はブレード）に関し、より具体的にはブレードの翼形部の異なる選択領域で異なる所定の温度性能を示すように設計した複合ブレードに関する。

タービンバケット又はブレードでは、遠心荷重は、運転速度とブレードの質量と該質量が位置するエンジン中心線からの半径との関数である。ブレードの質量が増加したときに、所定の材料の許容応力を超えずに質量を支持するのを可能にするために、より低い半径方向高さ位置において物理的面積すなわち断面積を増加させなければならない。このようにより低いスパン位置においてブレードの断面積を増加させることは、根元部における過度な流れの妨害、従って性能の低下の一因となる。ブレードの重量は、より高いディスク応力、従って信頼性低下の可能性の一因となる。

幾つかの先行する米国特許が、翼形部を金属及びポリマー充填材料の組合せとして構成することによって翼形部の重量を軽減させた、いわゆる「ハイブリッド型」ブレード設計に関連している。具体的には、翼形部外形を変えないような方法で、１つ又はそれ以上のポケットを翼形部内に形成し、それらポケットをポリマー充填材料で充填している。これらの先行特許には、特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４が含まれる。また、特許文献５を参照されたい。この特許文献５には、ポケットの形状を変えてそれぞれのグループのブレードの減衰特性を変化させたハイブリッド型ブレードが開示されている。

しかしながら、ハイブリッド型蒸気タービンブレードの使用に関する別の問題は、使用中にそのようなブレードが受ける温度に応じたコストに関連する。例えば、複流蒸気タービンでは、部分負荷及び全速状態時に、最終段ブレード先端領域の大きなウィンデージ加熱が存在する。ブレード後方のフード領域は、復水器への排気流を冷却するための水噴射システムを有する。しかしながら、水噴射システムの作動時においてさえ、冷却流はブレード先端近くの加熱領域には移動せず、従ってブレード先端の冷却は最小になる。正常運転時にはブレード温度は約１５０°Ｆ（６６°Ｃ）に達するだけであるのに、このような状態の間におけるブレード先端は、４００°Ｆ（２０４°Ｃ）を超えた状態に達する。従って、ハイブリッド型バケット用途として考えられる殆どの最新のポリマー（ウレタン及び／又はゴム）は、３００°Ｆ以下での使用に制限される。幾つかの使用可能な高温（耐熱）ポリマーが存在するが、それらのコストは、低温ポリマーのコストの５倍にもなる可能性がある。
特開平１０−０５４２０４号公報 米国特許第６０４２３３８号公報 米国特許第５９３１６４１号公報 特開平０９−３０３１０４号公報 特開２００４−３１６６５７号公報

本発明は、必要な温度性能に応じて単一のブレード又はバケット内において複数の充填材料を用いることを含むように、ハイブリッド型ブレードの概念を拡大する。一般的には、より高温（より高い耐熱）材料は、半径方向最外側ポケット内で使用されることになる。従って、より高価でかつより高温性能の材料は、翼形部先端の限られた領域でのみ使用するように選択することができ、一方、より安価な材料は、その他の領域、例えば翼形部の半径方向内側又は低位置セクションに選択することができる。この配置に対するコストの利点は、ブレードの半径方向外側部分においては必要な充填材料の体積がより小さくなるという事実によってさらに高められる。

本発明のより広い態様では、本発明は、蒸気タービンロータホイール上に組立てるブレードを製造する方法に関し、本方法は、翼形部に複数のポケットを形成する段階と、必要な温度性能に応じて選択した１つ以上の充填材料でポケットを充填する段階とを含む。

別の態様では、本発明は、タービンブレードに関し、本タービンブレードは、複数のポケットが形成された翼形部を有し、複数のポケットが、必要な温度性能に応じて選択したそれぞれ異なる充填材料で充填される。

さらに別の態様では、本発明は、蒸気タービンロータホイールに関し、本蒸気タービンロータホイールは、ホイールの円周方向外周部の周りに固定されたブレードの列を含み、各ブレードは、必要な温度性能に応じて選択したそれぞれ異なる充填材料で充填された複数のポケットを有する。

次に、末尾に特定した図面に関連させて本発明を詳細に説明する。

図１は、複流低圧タービン１０の概略図であり、複流低圧タービン１０は、タービンケーシング１２と、ロータ１４と、符号１６、１８で示した２つのタービンセクションの形態になった複数のホイールとを含む。破線で囲んだ領域２０、２２は、部分負荷状態時に最もウィンデージ加熱を受けることを示した、最終段ブレードの半径方向最外側領域を表す。従って、本発明の例示的な実施形態によると、ブレードの半径方向外側ポケット内により高温充填材料（少なくとも２０４°Ｃ（４００°Ｆ）の性能）を使用する。例えば、図２は、シャンク部２６と翼形部２８とを含むブレード２４を示す。半径方向内側及び外側ポケット３０、３２が、比較的幅広のウェブ又はリブ３４とスパン中央ダンパ３６とによって分離された状態で、翼形部２８の正圧側面上に形成される。ここに示した実施例では、高温充填材料３８はポケット３２を充填するために使用され、低温充填材料４０はポケット３０を充填するために使用されることになる。幾つかの段は、翼形部の外側１０〜１５パーセントにのみ高温充填材料を必要とすることになるが、いかなる場合にも、この決定は、特定のタービン設計でのテストデータに基づいて行うことができる。このことは、２つ以上のポリマー材料を同様に多くのポケット内で最も高温材料から最も低温材料まで連続的に使用することにもなる。

図３は、タービンロータホイール４２上に取付けられたブレード２４の列を概略的に示し、ブレード２４は、ここで記載したような複数の充填材料３８、４０を利用している。

充填材料３８、４０は、公知のウレタン、ゴム化合物、或いは異なる温度性能を有するガラス又はセラミックスのような他の材料とのポリマー混合物を含むことができる。充填材料を翼形部２８の金属表面に接合するための選択には、それに限定されないが、自己固着、充填材料３８、４０と翼形部２８の金属表面との間の固着、接着剤接合（接着フィルム又はペースト）及び溶融接合が含まれる。

異なる充填材料を使用することにより、低コストで、ハイブリッド型バケットの温度性能の改良が可能になる。使用する各材料は、充填材料の温度特性と任意の所定の段におけるブレードの温度性能要件とに基づいて、バケット上の特定の部位に系統的に配置されることになる。より高価かつ高温材料をバケット上の限られた部位に使用することにより、ハイブリッド型ブレードの設計に、特に高いウィンデージ状態を受けるそれらのブレードにおいてより大きな自由度を与えることになる。

現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

複流低圧タービンの概略図。 本発明の例示的な実施形態による部分的に完成したハイブリッド型ブレードの斜視図。 その上に複数のタービンブレードが取付けられたタービンホイールの概略側面図。

符号の説明

１０ 複流低圧タービン
２４ ブレード
２６ シャンク部
２８ 翼形部
３０ 半径方向内側ポケット
３２ 半径方向外側ポケット
３４ ウェブ又はリブ
３６ スパン中央ダンパ
３８、４０ 充填材料
４２ ロータホイール

Claims (6)

1. 蒸気タービンロータホイール（４２）上に組立てるブレード（２４）を製造する方法であって、当該方法が、
   翼形部（２８）に複数のポケット（３０、３２）を形成する段階と、
   必要な温度性能に応じて選択した１つ以上の充填材料（４０、３８）で前記ポケットを充填する段階と、
   を含んでおり、前記複数のポケットが、半径方向外側ポケット（３２）と半径方向内側ポケット（３０）とを含み、前記半径方向外側ポケット（３２）内の充填材料（３８）の温度性能が、前記半径方向内側ポケット（３０）内の充填材料（４０）の温度性能よりも高い、方法。
2. 前記より高い温度性能が少なくとも２０４°Ｃ（４００°Ｆ）の性能である、請求項１記載の方法。
3. 前記充填材料（３８、４０）がポリマーを含む、請求項１記載の方法。
4. 前記充填材料（３８、４０）がウレタンポリマーを含む、請求項１記載の方法。
5. 複数のポケット（３０、３２）が形成された翼形部（２８）を有し、前記複数のポケット（３０、３２）が、必要な温度性能に応じて選択したそれぞれ異なる充填材料（４０、３８）で充填されている、タービンブレード（２４）であって、前記複数のポケット（３０、３２）が、半径方向外側ポケット（３２）と半径方向内側ポケット（３０）とを含み、前記半径方向外側ポケット（３２）内の充填材料（３８）の温度性能が、前記半径方向内側ポケット（３０）内の充填材料（４０）の温度性能よりも高い、タービンブレード。
6. 前記ポリマー充填材料がウレタンポリマーを含む、請求項５記載のタービンブレード。
   

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