JP5096122B2 - タービン動翼先端シュラウド上の磨耗を防止するためのシステム - Google Patents

Description

本出願は、総括的にはタービンエンジンにおけるタービン動翼の先端シュラウド上の磨耗を防止するためのシステムに関する。より具体的には、それに限定されないが、本出願は、隣接先端シュラウド間の接触面上に耐久性外面を統合するためのシステムに関する。

タービン動翼は一般に、翼形部と翼形部に取付けられた先端シュラウドとを含む。翼形部の外端縁部に取付けられた先端シュラウドは、翼形部表面に対して略垂直に延びる表面領域を形成する。先端シュラウドの表面積は、タービン排気ガスを翼形部上に保持する（すなわち、排気ガスが翼形動翼の端部を越えて滑り落ちることがないようにする）のを助けて、タービン排気ガスからのエネルギーのより多くの割合をタービンによって機械的エネルギーに変換することができるようにする。従って、先端シュラウドは、ガスタービンエンジンの性能を向上させる。好ましい先端シュラウド設計は、タービン動翼の翼形部の全外面が覆われるような大きな先端シュラウド表面積を必要とする。

タービン運転時に、先端シュラウドは一般に、隣接タービン動翼の先端シュラウドと相互作用する。つまり、取付けタービン動翼の位置合わせ及び好ましい先端シュラウド設計のために、先端シュラウドは一般に、先端シュラウドの各側面の先端シュラウドすなわち隣接先端シュラウドとその前縁及び後縁において接触するようになる。隣接タービン動翼の先端シュラウド間に形成される接触もまた、タービン排気ガスを翼形部上に保持する（すなわち、先端シュラウド間での大きな漏洩を防止する）のを助けて、タービン性能を高めるようにすることができる。しかしながら、運転中に隣接先端シュラウド間に、タービンの回転速度及び振動並びに接合部の状態変化が生じた場合に、隣接先端シュラウド間の接触と関連する物理的及び機械的応力が、極度に大きいものになる。

さらに、産業用ガスタービン及び航空機エンジンのタービン動翼は、高温環境内で作動する。一般に、タービン動翼が作動するタービン内の温度は、６００℃〜１５００℃である。さらに、タービン作動温度における変化の速度及び頻度により、高温通路構成部品に加わる熱応力が悪化する。その結果、タービン動翼及びタービン動翼に取付けられた先端シュラウド上に作用する熱応力は、極度に大きいものになる。

タービン動翼及びタービン動翼に取付けられた先端シュラウドは、ニッケル基超合金、コバルト基超合金、鉄基合金又は同様な材料で製作される。これらの材料は、最も必要な機能に対して費用効果がありかつ有効であることが実証されているが、極度に大きい機械的及び熱的応力が生じた場合には、隣接先端シュラウド間の接合領域（すなわち、先端シュラウドがそれに隣接する先端シュラウドの各々と接触する場所）は、早期に磨耗する傾向がある。その他のより硬質の／より耐久性の材料は、隣接先端シュラウド間の接触領域に発生する各種の磨耗に耐えることにおいて一層有効である。

従来型の方法及びシステムは、こうした磨耗を有効な方法で防止することにはこれ迄成功しなかった。例えば、火炎溶射皮膜が、試みられてきた。しかしながら、そのような皮膜は、余りにも薄すぎていかなる長期間の耐久性保護も得られないことが分かった。一般に接触領域において「溶接肉盛」を構成する特殊溶接もまた、試みられてきた。しかしながら、特殊溶接によっても、殆ど保護が得られないことが分かった。さらに、溶接肉盛は、この接触領域における作動応力がすでに極度に大きい場合に、この領域にさらに熱関連応力をもたらす。

その結果、隣接先端シュラウド間の接触部位における早期磨耗により、システム効率不良が継続的に生じる。例えば、早期磨耗は、１）タービンユニットに対する補修休止時間の増加、２）接触領域における早期磨耗に起因した、その他は健全な先端シュラウドの交換、３）関連した労務費及び部品費の増加を引き起こす可能性がある。

従って、隣接先端シュラウド間の早期磨耗に対して保護を与える改良型のシステムに対する必要性が存在する。

従って、本出願は、タービンエンジンにおける、タービン動翼の先端シュラウド上の磨耗を防止するためのシステムについて開示する。本システムは、先端シュラウドの接触面内に形成されたポケットと、ポケット内に嵌合しかつ耐久性外面を有するプラグとを含む。幾つかの実施形態では、耐久性外面は、コバルト基表面硬化粉末を含むことができる。

ポケットは、接触面から機械加工することができ、またプラグは、ポケット内にぴったり嵌合する所定の寸法のプラグを含むことができる。幾つかの実施形態では、耐久性外面は、プラグをポケット内に嵌合した後に、接触面と実質的に同一平面になることができる。他の実施形態では、耐久性外面は、プラグをポケット内に嵌合した後に、接触面から僅かに隆起した状態を維持することができる。

幾つかの実施形態では、先端シュラウドは、タービンの運転時に接触面において隣接先端シュラウドと接触状態になることができる。接触面は、近似「Ｚ」字輪郭を有するＺ字形接合面を含むことができる。先端シュラウドはさらに、先端シュラウドの上面の中央にリッジ部を形成した切歯を含むことができる。Ｚ字形接合面は、近似「Ｚ」字輪郭の中央脚部に対応した中央接触面を含み、中央接触面は、切歯の断面形状に実質的に対応した略矩形形状を有することができる。ポケットの高さは、上方接触面又は下方接触面のいずれかにおける先端シュラウドの厚さに近似したものとすることができる。

幾つかの実施形態では、ポケットは、下方内面を貫通して開口した状態にすることができる。プラグは、ポケット内にロウ付けすることができる。他の実施形態では、プラグの耐久性外面は、隣接先端シュラウドの第２のプラグの第２の耐久性外面と対向することができる。

本出願はまた、タービンエンジンにおける、タービン動翼の先端シュラウド上の磨耗を防止するためのシステムについて開示し、本システムは、先端シュラウドの接触面に取付けられたプレートを含むことができる。プレートは、耐久性外面を含むことができる。幾つかの実施形態では、耐久性外面は、コバルト基表面硬化粉末を含む。

先端シュラウドは、タービンの運転時に接触面において隣接先端シュラウドと接触状態になることができる。幾つかの実施形態では、接触面は、近似「Ｚ」字輪郭を有するＺ字形接合面を含むことができる。先端シュラウドはさらに、先端シュラウドの上面の中央にリッジ部を形成した切歯を含むことができる。Ｚ字形接合面は、近似「Ｚ」字輪郭の中央脚部に対応した中央接触面を含み、中央接触面は、切歯の近似断面形状に対応した略矩形形状を有することができる。幾つかの実施形態では、プレートは、略矩形としかつ中央接触面の略全てを覆うことができる。

本システムはさらに、プレート及び接触面内にドエルを挿入するためのドエル開口部を含むことができる。プレートの耐久性外面は、隣接先端シュラウドの第２のプレートの第２の耐久性外面と対向することができる。幾つかの実施形態では、プレートは、接触面に当接させてプレートを取付けた時に、接触面の端縁部と係合するリップ部を含むことができる。本出願のこれらの及びその他の特徴は、図面及び特許精求の範囲と関連させて行ったものとしての以下の好ましい実施形態の詳細な説明を精査することにより明らかになるであろう。

次に、幾つかの図全体を通して様々な参照符号で同様の部品を表わしている図を参照すると、図１は、タービンロータ（図示せず）上に組立てられたタービン動翼１００の平面図を示している。タービン動翼１０２は、タービン動翼１０４に隣接することができる。この平面図から分かるように、各タービン動翼１００は、先端シュラウド１０６を有することができる。タービン動翼１０４の先端シュラウド１０６の前縁は、タービン動翼１０２の先端シュラウド１０６の後縁と接触する又は後縁に近接近させることができる。この接触領域は、接触面又はＺ字形接合面１０８と呼ぶことができる。図１を見ると分かるように、Ｚ字形接合面１０８は、先端シュラウド１０６の２つの端縁部間で概略「Ｚ」字輪郭を形成することができる。タービン動翼１００及び先端シュラウド１０６の使用は単なる例示にすぎないこと、また他の異なる構成のタービン動翼及び先端シュラウドを最新の用途の別の実施形態で使用することができることは当業者には分かるであろう。さらに、「Ｚ」字形接合面の使用は、単なる例示にすぎない。

タービン動翼１００はまた、切歯１１０を有することができる。切歯１１０は、先端シュラウド１０６の各々の外面（すなわち、上面）にわたって縦方向に延びることができる。切歯１１０は、先端シュラウド１１０の中央にリッジ部又は刃形突出部を形成することができる。運転中に、切歯１１０を使用して、タービンケーシングに固定した固定シュラウドに取付けた軟金属の領域との間にラビリンスシールを形成することができる。

タービンが非作動「低温」状態にある時、隣接先端シュラウド１０６の端縁部間のＺ字形接合面１０８には、狭い空間が存在することになる。タービンが高温状態で作動している時、タービン動翼金属の膨脹により、ギャップが狭くなって、隣接先端シュラウド１０６の端縁部が互いに接触するようになる。タービンの高回転速度及びそれに関連する振動を含むその他の運転状態では、タービン運転時にＺ字形接合面１０８におけるギャップが維持されている場合であっても、隣接する先端シュラウド１０６間に付加的接触を引き起こす可能性がある。２つの先端シュラウド１０６間のＺ字形接合面１０８で発生する接触は、「Ｚ」字の中央脚部すなわち切歯１１０と交差する脚部において最も激しく発生することになる。その理由は、「Ｚ」字のその他の脚部と比較して、この脚部が中央に位置していること及び脚部の表面積が大きいとにある。

図２は、本出願の例示的な実施形態による接触表面又は面２００を示している。本明細書に示した例示的な実施形態は、先端シュラウド１０６間の「Ｚ」字形接合面に関連して説明しているので、接触面２００もまた、Ｚ字形接合面１０８と呼ぶことができ、従って、３つのセクションを含むことができる。セクションの各々は、「Ｚ」字の脚部の１つに対応することができる。従って、「Ｚ」字形接合面の上方脚部に対応することができる上方接触面２０２は、その形状を略矩形とすることができかつその輪郭を比較的短いものとすることができる。「Ｚ」字形接合面の下方脚部に対応することができる下方接触面２０４もはた、同様にその形状を略矩形とすることができかつその輪郭を比較的短いものとすることができる。中央接触面２０６もまた、Ｚ字形接合面の中央脚部に対応することができる。中央接触面２０６もまた、その形状を略矩形とすることができる。切歯１１０のために、中央接触面２０６は、上方接触面２０２及び下方接触面２０４と比較するとその背丈が比較的高いものとなる可能性がある。中央接触面２０６の内側面２０８において、中央接触面２０６は、下方接触面２０４に向かって湾曲させ、そうすることによって２つの面間に移行半径部を形成することができる。

図２はさらに、プラグ２１１を示している。プラグ２１１は、中央接触面２０６から機械加工されたポケット２１２内にぴったり嵌合する所定の寸法の予備成形プラグとすることができる。プラグ２１１は、プラグ２１１をポケット２１２内に嵌合した後に中央接触面２０６と実質的に同一平面になった耐久性のある外面２１４を有することができる。耐久性外面２１４の材料は、コバルト基表面硬化粉末又はその他の同様な材料からなるものとすることができる。幾つかの実施形態では、耐久性外面２１４の材料は、多い割合のコバルト基表面硬化粉末及び少ない割合のロウ付け粉末からなるものとすることができる。そのような材料は、２つの隣接先端シュラウド１０６間の接触領域に関連する物理的及び熱的応力に有効に耐えることができる。プラグ２１１は、その全体が耐久性外面２１４の材料からなるものとすることができる。別の実施形態では、プラグ２１１の残りの部分が耐久性外面２１４の材料とは異なる材料からなるように費用効果があるものにすることができる。

上述したように、ポケット２１２は、中央接触面２０６の表面内に機械加工することができる。図示するように、ポケット２１２の寸法は、中央接触面の表面積の約２５％とすることができるが、この割合は、用途に応じて大幅に増大又は減少させることができる。図２を見ると、ポケット２１２は、中央接触面２０６の下方／外側四部区間内に配置することができる。別の実施形態では、ポケット２１２は、中央接触面２０６の他の領域に配置することができるが、下方／外側四分区間内における配置により、耐久性外面２１４が隣接先端シュラウド１０６間で発生する大量の接触磨耗を緩和するのを可能にすることができる。幾つかの別の実施形態では、ポケット２１２は、移行半径部２１０に向かってさらに延びることができる。その他の別の実施形態では、ポケットはまた、切歯１１０の上方端縁部に向かって上向きに延びることができる。幾つかの実施形態では、また図２に示すように、ポケット２１２の高さは、上方接触面２０２及び下方接触面２０４に沿った先端シュラウド１０６の厚さに近似したものとすることができる。

ポケット２１２はまた、ポケットの内面の別の内面を貫通して開口状態に（すなわち、アクセス可能に）することができる。例えば、図示するように、ポケット２１２の下面は、機械加工工程時に機械加工して取去られており、従って、開口状態である。この設計は、ポケット２１２の機械加工工程を一層効率的にする。

幾つかの別の実施形態では、プラグ２１１の耐久性外面２１４は、プラグ２１１をポケット２１２内に取付けた後に中央接触面２０６の表面から僅かに隆起した状態を維持することができる。耐久性外面２１４の僅かに隆起した状態により、耐久性外面２１４が、隣接先端シュラウド１０６間で発生する物理的接触磨耗のより大きな割合を緩和するのを可能にすることができ、従って、それにより、先端シュラウドの他の未強化接触面２００を一層良好に保護することができる。

製作工程中に、プラグ２１１は、ロウ付け法を含むことができる従来通りの方法によってポケット２１２内に嵌合しかつ所定の位置に固定することができる。タービン動翼１００は一般に、取付ける前に最終熱処理を必要とするので、取付けるためにロウ付け法を用いることは、ロウ付け法が付加的な工程段階を全く必要としないように熱処理と関連して行うことできるので、効率的なものとなることになる。プラグ２１１は、隣接先端シュラウド１０６の各々（すなわち、先端シュラウド１０６の各々の前縁及び後縁）内に取付けて、一旦取付けられると、プラグ２１１がＺ字形接合面１０８にわたって互いに対向するようにすることができる。この方法では、運転時に、隣接先端シュラウド１０６のプラグ２１１は、本質的に互いとのみしか接触しないことになる。従って、一旦取付けられると、隣接先端シュラウド１０６の耐久性外面２１４は、隣接タービンシュラウド１０２間で発生する接触磨耗の多くを緩和し、従って先端シュラウド１０６のその他の（耐久性が殆どない）接触面を保護することができる。

本出願の特定の実施形態では、プラグ２１１は、一定量の作動磨耗が発生した後に取外して新しいプラグ２１１と交換することができる。この方法で、タービン動翼１００及び先端シュラウド１０６の有効寿命を延長することができる。具体的には、その他は健全なタービン動翼１００又は先端シュラウドは、先端シュラウド１０６の接触面２００上の集中磨耗の故の交換を必要としないものとすることができる。さらに、プラグ２１１は、その接触面２００上にそのような集中磨耗を受けたその他は健全なタービン動翼１００内に取付けることができる。この方法で、タービン動翼１００の稼働寿命を延長することができる。

運転時に、プラグ２１１は、ポケット２１２の設計（すなわち、ポケットの設計により、タービンの極度に大きい回転速度と関連する物理的応力を効率的に処理することができる）によって、所定の位置に有効に保持することができる。より具体的には、図２に示すように、ポケットの設計及びタービンロータの回転方向により、プラグ２１１をポケット２１２の内壁に当接させてしっかりと保持するようにすることができる。従って、タービン運転時にプラグ２１１上に作用する回転力は、プラグを取外すように作用するのではなく、プラグをポケット２１２の内面に当接させてぴったりと保持するように作用する。ロウ付け接合又はその他の取付け方法を使用して、プラグ２１１を所定の位置に十分にかつ効果的に保持することができる。

図３は、プレート３００を含む本出願の別の実施形態を示している。プレート３００は、先端シュラウド１０６の中央接触面２０６に取付けられかつ中央接触面を実質的に覆うような所定の寸法の薄い予備成形プレートとすることができる。別の実施形態では、プレート３００は、プレートが中央接触面２０６の実質的に全体よりも少ない部分を覆うような寸法にすることができる。プレート３００の外面（すなわち、一旦取付けられると、隣接先端シュラウド１０６の接触面２００に対向することになる表面）において、プレート３００は、耐久性外面３０２を含むことができる。耐久性外面３０２の材料は、コバルト基表面硬化粉末又はその他の同様な材料からなるものとすることができる。幾つかの実施形態では、耐久性外面３０２の材料は、多い割合のコバルト基表面硬化粉末及び少ない割合のロウ付け粉末からなるものとすることができる。そのような材料は、２つの隣接先端シュラウド１０６間の接触領域に関連する物理的及び熱的応力に有効に耐えることができる。プレート３００は、その全体が耐久性外面３０２の材料からなるものとすることができる。別の実施形態では、プレート３００の残りの部分が耐久性外面３０２の材料とは異なる材料からなるように費用効果があるものにすることができる。

製作工程中に、プレート３００の平坦な内面（これは、図３では見ることができない）は、ロウ付け法を含むことができる従来通りの方法によって中央接触面２０６の平坦な表面に取付けることができる。上述したように、タービン動翼１００は一般に、取付ける前に最終熱処理を必要とするので、取付けるためにロウ付け法を用いることは、ロウ付け法が付加的な工程段階を全く必要としないように熱処理と関連して行うことできるので、効率的なものとなることになる。プレート３００は、隣接先端シュラウド１０６の各々（すなわち、先端シュラウド１０６の各々の前縁及び後縁）内に取付けて、一旦取付けられると、プレート３００がＺ字形接合面１０８にわたって互いに対向するようにすることができる。この方法では、運転時に、隣接先端シュラウド１０６のプレート３００は、本質的に互いとのみしか接触しないことになる。従って、一旦取付けられると、隣接先端シュラウド１０６のプレート３００は、隣接タービンシュラウド１０６間で発生する接触磨耗の多くを緩和し、従って先端シュラウド１０６のその他の（耐久性が殆どない）接触面を保護することができる。

本出願の特定の実施形態では、耐久性表面プレート３００は、一定量の作動磨耗が発生した後に取外して新しいプレート３００と交換することができる。この方法で、タービン動翼１００及び先端シュラウド１０６の有効寿命を延長することができる。言い換えれば、その他は健全なタービン動翼１００又は先端シュラウドは、先端シュラウド１０６の接触面２００上の集中磨耗の故の交換を必要としないものとすることができる。さらに、プレート３００は、その接触面２００上にそのような集中磨耗を受けたその他は健全なタービン動翼１００内に取付けることができる。この方法で、タービン動翼１００の稼働寿命を延長することができる。

運転時に、プレート３００は、プレート３００の平坦な内面と先端シュラウド１０６の中央接触面２０６との間のロウ付け（又は、同様な形式の）シールによって所定の位置に保持することができる。しかしながら、幾つかの場合には、２つの平坦な表面間のロウ付けシールを強化するのが有利である場合がある。このような場合には、図４に示すように、中央接触面２０６及びプレート３００を貫通して（又は、その内部にかつ完全には貫通せずに）ドエル開口部を、中央接触面２０６に対してプレート３００を取付けた時に２つの開口部が整列するように製作することができる。こうして、次にドエル開口部４０２内にドエル（図示せず）を挿入しかつロウ付けのような従来通りの方法によりその内部に取付けることができる。この方法で、プレート３００と先端シュラウド１０６の中央接触面２０６との間の接合を高めることができ、タービンの極度に大きい回転速度と関連する物理的応力に一層良好に耐えることができるようにする。

図５に示すような他の実施形態では、「Ｌ」字のような形状になったプレート５００を使用することができる。プレート５００は、プレート３００と同様なものとすることができるが、リップ部５０２を有することができる。図示するように、リップ部５０２は、中央接触面２０６に機械加工された溝５０４内に嵌合させることができるか、又は中央接触面２０６の下方端縁部の周りに巻き付けることができる。この方法で、リップ部５０２は、中央接触面２０６の端縁部と係合させることができる。さらに、取付ける時に、リップ部５０２は、リップ部５０２がタービンの回転によってプレート５００に加わる外力に対抗するように配向して、リップ部５０２がプレート５００を中央接触面２０６に固定するのを助けることができるようにすることができる。つまり、例えば、タービン運転時にプレート５００上に作用する回転力は、溝５０４に当接してリップ部５０２を保持するように作用させて、それにより、プレート５００が外れた状態になるのを防止するのを助けることができる。従って、ロウ付け接合又はその他の取付け方法を使用して、プレート５００を中央接触面２０６に当接させて十分にかつ効果的に保持することができる。

以上の説明は本出願に開示した実施形態のみに関するものであること、及び特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本出願の技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに本明細書において数多くの変更及び改良を行うことができることは当然明らかであろう。具体的には、本出願の別の実施形態は、本明細書で説明した例示的な先端シュラウドと同様に異なる設計の先端シュラウドで使用することができることは当業者には分かるであろう。

ロータ上に取付けられたタービン動翼の先端シュラウドの平面図。 本出願の例示的な実施形態による、耐久性外面を有するプラグとポケットとを示す図。 本出願の例示的な実施形態による、先端シュラウド上に取付けられた耐久性外面を有するプレートを示す図。 本出願の例示的な実施形態による、プレート及び先端シュラウドを貫通するドエル開口部を示す図。 本出願の例示的な実施形態による、先端シュラウド上に取付けられたリップ部を備えた耐久性外面を有するプレートを示す図。

符号の説明

１００ タービン動翼
１０２ タービン動翼
１０４ タービン動翼
１０６ 先端シュラウド
１０８ Ｚ字形接合面
１１０ 切歯
２００ 接触面
２０２ 上方接触面
２０４ 下方接触面
２０６ 中央接触面
２０８ 内側面
２１０ 移行半径部
２１１ プラグ
２１２ ポケット
２１４ 耐久性外面
３００ プレート
３０２ 耐久性外面
４０２ ドエル開口部
５００ プレート
５０２ リップ部
５０４ 溝

Claims (6)

1. タービンエンジンにおける、タービン動翼（１００）の先端シュラウド（１０６）上の磨耗を防止するためのシステムであって、
   先端シュラウド（１０６）の接触面（２００）内に形成されたポケット（２１２）と、
   ポケット（２１２）内に嵌合しかつ耐久性外面（２１４）を有するプラグ（２１１）と
   を含み、
   耐久性外面（２１４）が、コバルト基表面硬化粉末を含み、
   先端シュラウド（１０６）が、タービンの運転時に接触面（２００）において隣接先端シュラウド（１０６）と接触状態になり、
   接触面（２００）が、近似「Ｚ」字輪郭を有するＺ字形接合面（１０８）を含み、
   先端シュラウド（１０６）が、先端シュラウド（１０６）の上面の中央にリッジ部を形成した切歯（１１０）を含み、
   Ｚ字形接合面（１０８）が、近似「Ｚ」字輪郭の中央脚部に対応した中央接触面（２０６）を含み、
   中央接触面（２０６）が、切歯（１１０）の断面形状に実質的に対応した略矩形形状を有し、
   ポケット（２１２）が、先端シュラウド（１０６）の下方内面を貫通してアクセス可能である、
   システム。
2. ポケット（２１２）が、接触面（２００）から機械加工され、
   プラグ（２１１）が、ポケット（２１２）内にぴったり嵌合する所定の寸法のプラグを含む、
   請求項１記載のシステム。
3. 耐久性外面（２１４）が、プラグ（２１１）をポケット（２１２）内に嵌合した後に、接触面（２００）と実質的に同一平面である、請求項１記載のシステム。
4. 耐久性外面（２１４）が、プラグ（２１１）をポケット（２１２）内に嵌合した後に、接触面（２００）から僅かに隆起した状態を維持する、請求項１記載のシステム。
5. プラグ（２１１）が、ポケット（２１２）内にロウ付けされる、請求項１記載のシステム。
6. プラグ（２１１）の耐久性外面（２１４）が、隣接先端シュラウド（１０６）の第２のプラグ（２１１）の第２の耐久性外面（２１４）と対向する、請求項１記載のシステム。
   

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