JP5101800B2 - ハイブリッド型バケット及び関連するポケット設計の方法 - 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、ハイブリッド型又は複合型ブレードにおける充填材料の付着に関する。

蒸気タービンブレードは、高い遠心荷重及び振動応力を受ける環境内で作動する。振動応力は、ブレード固有振動数が共振状態になった場合に、増大する。ブレードが共振状態で振動する時の振動応力の大きさは、システム内に存在する減衰性（減衰のより小さいか又はより大きいかの度合は、材料と空力的及び機械的要素によって得られる）の大きさと振動刺激レベルとに比例する。

同時に、遠心荷重は、運転速度と、ブレードの質量と、その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すると、より低い半径方向高さにおいて物理的面積すなわち断面積を増加させて、所定の材料の許容応力を超えないで、ブレード上の質量を担持することができるようにしなければならない。このより低いスパンにおいてブレードの断面積を増加させることは、根元部での過度の流れの閉塞、従って性能低下の一因になる。ブレードの重量もまた、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になる。

幾つかの先行米国特許が、金属ブレードの翼形部にポリマー（又は、ポリマー／金属、ガラス又はセラミックス混合物）充填材料で充填した１つ又はそれ以上のポケットが形成されたいわゆる「ハイブリッド型」ブレード設計に関連している。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、特許文献４、特許文献５、特許文献６、第特許文献７及び特許文献８が含まれる。さらに、特許文献９を参照されたい。この分野でこれまでの研究によって解決されなかった１つの領域は、ブレードの翼形部に形成したポケット又は複数のポケット内での充填材料のより信頼性がある付着を達成するという問題である。

より具体的には、バケット表面への蒸気流の大きな入射角は、ブレードの翼形部に形成したポケットからの流延ポリマー充填材料の離層を引き起こす。言いかえれば、バケット表面への蒸気流の大きな入射角は、ポケット表面から充填材料を「持ち上げる」傾向がある流れのより高い危険性に曝す。
米国特許第６２８７０８０号 特開平１０−０５４２０４号 米国特許第６０４２３３８号 特開平１１−２８７１９７号 米国特許第６０３３１８６号 特開平１１−２８０４０３号 米国特許第５９３１６４１号 特開平０９−３０３１０４号 特開２００４−３１６６５７号

本発明は、特に入射角が大きい蒸気流れ場での接合面における充填材の付着を改善するために、ブレードの翼形部内に形成したポケットの１つ又はそれ以上の縁部に沿った縁部幾何学形状を提案する。この発明は、例えば米国特許第５９３１６４１号に開示されているようなハイブリッド型ブレードの概念を利用するが、その概念を広げて、充填材料の付着を改善するためにブレードの翼形部内部でのポケット形状を最適化することを含むようにする。

例示的な実施形態では、ポケットの周辺区域、好ましくはブレードの前縁に沿って延びるポケットの周辺縁部には、「アンダカット」が形成される。このアンダカットは、大きな入射角蒸気流がポケットからポリマー（又は、ポリマー／金属混合物）充填材を「持ち上げよう」とすることを許さないという目的に役立つ。従って、アンダカットは、流入蒸気流に対して最大入射角になった、充填材／バケット接合面のその部分を遮蔽する。しかしながら、アンダカットはさらに、ポケット又は複数のポケットの後縁又は全ての縁部さえも含むように拡張することができる。

従って、そ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に関し、本蒸気タービンロータホイールは、該ホイールの円周方向周辺部の周りに固定された複数のブレードを含み、各ブレードは、シャンク部と翼形部とを含み、翼形部は、充填材料で充填された少なくとも１つのポケットを有し、ブレードの前縁に隣接するポケットの少なくとも１つの縁部には、アンダカットが形成されている。

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、その円周方向周辺部の周りに固定されたブレードの列を含み、各ブレードには、充填材料で充填された１つ又はそれ以上のポケットが形成され、翼形部の前縁に隣接するポケットの少なくとも縁部には、ブレードへの充填材料の付着を増強するための手段が組込まれている。

さらに別の態様では、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、シャンク部と翼形部とを含み、翼形部は、充填材料で充填された少なくとも１つのポケットを有し、該ブレードの前縁に隣接するポケットの少なくとも１つの縁部には、アンダカットが形成されている。

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を参照すると、蒸気タービンブレード１０が、半製品の形態で示されている。ブレード１０は、シャンク部１２と翼形部１４とを含む。翼形部は、鋼又はチタンで造られるのが好ましいが、他の適当な材料には、アルミニウム、コバルト又はニッケルが含まれる。リブ１６、１８は、翼形部と一体形に鋳造されて個別のポケット２０、２２及び２４を形成する。しかしながら、リブは、翼形部の側縁２６、２８と同一面には延びていないことが分かるであろう。リブ高さは、実際には、特定の用途によって変えることができる。例えば米国特許第６２８７０８０号及び第５９３１６４１号に記載されているようなポリマー系（又は、ポリマー／金属、ガラス又はセラミックス混合物）充填材料３０は、図２に示すように、翼形部の正圧側面全体にわたって所定位置に流延され、ポケット２０、２２及び２４を充填し、リブを覆い、それによってバケットの正圧側面上に滑らかな面を形成する。

図３及び図４は別の公知のハイブリッド型ブレード構造を示しており、ブレード３４には、該ブレードの翼形部４２の正圧側面に沿って複数の個別のポケット３６、３８、４０等が形成されている。この構成では、充填材料４４（図４）は、該充填材料が周囲の翼形部表面と同一面になった状態で、各ポケット内に個別に流延される。その結果、各個別のポケットの外形は目に見える。図４はまた、翼形部の外部表面との接合面において半径方向外向きに（隣接する翼形部表面に対して斜角で）湾曲した側部表面５０、５２及び５４を備えたポケット４６、４８を形成する従来型の方法を示している。

近年、翼形部の金属表面に対して充填材料３０又は４４を接合するための利用可能な選択技術には、それに限定されないが、自己接着、充填材料３０又は４４と翼形部の金属表面との間の接着、接着剤接合（接着フィルム又はペースト）及び融着が含まれる。しかしながら、上に説明したように、これらの付着法は、大きな入射角の蒸気流に曝される充填材−ブレード接合面のその部分に沿った充填材の離層を防ぐのには十分ではない場合がある。本発明の例示的な実施形態によると、また図５及び図６を参照すると、充填材の付着は、ポケットの縁部の幾らか又は全てに沿ってアンダカットを組込むことによって増強される。最初に図５を参照すると、ブレード５８には、該ブレードの翼形部の正圧側面６６上に３つのポリマー充填のポケット６０、６２及び６４が形成される。充填材料６８は、該充填材料が周囲の翼形部表面と同一平面をなすように所定位置に流延されたものとして示されている。図６に示すように、従来の方法によると、ポケット６４には、バケットの後縁７２に最も近接した縁部７０が形成され、縁部７０は、翼形部の外部表面と滑らかに接合している。しかしながら、ここでは、図７で最も良く分かるように、前縁７６に最も近接したポケット縁部７４には、隣接する翼形部表面との接合面において鋭角αを形成したアンダカット７８が形成される。アンダカット自体は、前縁近くの翼形部の厚さに応じてより小さい又はより大きい半径Ｒで形成することができ、また半径Ｒは、アンダカット幾何学形状による集中応力を低減するような方法でポケットの後壁８０内にゆるやかに連続する。充填材料の施工の方法及び組成は、現行の実施方法によるものとすることができることが分かるであろう。

さらに、ポケットの全体構成は必要に応じて変えることができることが分かり、また、ここでの本発明は、１つ又はそれ以上のポケットの周辺縁部に沿って、特に充填材料がバケットの正圧側面上の隣接する外部表面と接合する、バケットの前縁に最も近接した（又は、に隣接する）縁部に沿って、アンダカットを組込むことに主として関連することも分かるであろう。しかしながら、アンダカットは、バケットの後縁に最も近接した（又は、に隣接する）ポケット縁部を含むように、或いは１つ又はそれ以上のポケットの全ての縁部さえも含むように拡張することができる。上述したように、アンダカットを組込むことにより、蒸気流が、最も損傷を受け易い位置において、すなわち翼形部の前縁に沿ってポケット充填材料の離層を引き起こすのを防止する。

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した参照符号は本発明の範囲を狭めるのではなくそれらを容易に理解するためのものであることを理解されたい。

ブレードの翼形部における充填されていないポケット構成を示す半製品のブレードの斜視図。 ポケット全体にわたって充填材料が充填された後の、図１と同様のブレードの斜視図。 ブレードの翼形部に沿った多数の充填ポケットを示す別のハイブリッド型ブレードの部分平面図。 図３に示したブレードの断面図。 本発明の例示的な実施形態により製作したハイブリッド型ブレードの正面図。 図５における線６−６に沿って取った断面図。 図６から取った拡大詳細図。

符号の説明

１２ シャンク部
１４ 翼形部
５８ ブレード
６０、６２、６４ ポケット
６６ 正圧側面
６８ 充填材料
７０ 後縁に最も近接したポケット縁部
７２ 後縁
７４ 前縁に最も近接したポケット縁部
７６ 前縁
７８ アンダカット
８０ ポケットの後壁

Claims (7)

1. シャンク部（１２）と翼形部（１４）とを含む金属製蒸気タービンブレード（５８）であって、
   前記翼形部（１４）が、非金属材料を含む充填材料（６８）で充填された少なくとも１つのポケットを有し、
   前記充填材料（６８）が周囲の翼形部表面と同一平面をなすように流延されていて、
   前縁（７６）に隣接する前記ポケットの少なくとも１つの縁部（７４）には、隣接する翼形部表面との接合面において鋭角αをなすアンダカット（７８）が形成されている、
   金属製蒸気タービンブレード（５８）。
2. 前記アンダカット（７８）が、該ブレードの後縁（７２）に隣接する前記ポケットの第２の縁部（７０）に沿って形成されている、請求項１記載の金属製蒸気タービンブレード。
3. 前記アンダカット（７８）が、前記ポケットの周辺縁部全体に沿って形成されている、請求項１記載の金属製蒸気タービンブレード。
4. 前記充填材料（６８）がポリマー系材料を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の金属製蒸気タービンブレード。
5. 前記充填材料（６８）が、ポリマーと金属、ガラス又はセラミックスとの混合物を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の金属製蒸気タービンブレード。
6. 前記少なくとも１つのポケット（６４）が、前記翼形部の正圧側面上に形成されている、請求項１記載の金属製蒸気タービンブレード。
7. 円周方向周辺部の周りに固定された複数のブレードを含む蒸気タービンロータホイールであって、各々のブレードが請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の金属製蒸気タービンブレードである、蒸気タービンロータホイール。
   

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