JP5767440B2 - ダクト部材をベースとしたタービンノズル - Google Patents

Description

本発明は、概してタービン技術に関する。より詳細には、本発明は、実質的に均一な壁厚を有するダクト部材を含み、タービンの従来の翼型ノズルに代わるノズルに関する。

現在のタービン開発の１つの目標は、金属部品の複合マトリックス材料（ＣＭＭ）部品との交換を評価することである。評価の間、通常はＣＭＭ部品が同様に構成された金属部品の１つの代わりをして、機械を検査する。しかしながら、１つの金属部品をＣＭＭ部品と交換して、両タイプの部品を有する機械を作動させることは、その材料が例えば、強度、弾性等の基本的に異なる物理的特性を有することから、場合によっては困難である。特に、一部の環境でのＣＭＭ部品の使用は、機械が故障する原因となる。もう１つの課題は、ＣＭＭ部品の適用性の評価には、時には機械の定位置にある部品の修正を必要とする可能性があることである。

ＣＭＭ部品による交換の評価が確認されている１つのタービン部品は、ガスタービンのロータバケットにガス流を案内するために使用されるタービンノズル又はベーンである。各々のノズルは、１セットのノズルがタービンのロータの周囲に配置されている場合に、ロータバケットに対して最適方向且つ最適圧力でガス流を案内するように構成された翼型又はブレード形状を有する。金属ノズルは作動させるために非常に特殊な物理的特性を有しており、１つの金属ノズルをＣＭＭノズルと交換することは機械故障の原因となる。従って、１セットの金属ノズルにおいて１つの金属ノズルと引き換えにＣＭＭノズルを使用した機械作動の有効な評価は、不可能に近い。もう１つの課題は、従来のノズルが一般的に容易にアクセスできないことであり、評価中に修正が行われがちになり、例えば、タービンの分解、更に場合によってはノズルの除去を必要とする可能性がある。

米国特許第７，３８７，７５８Ｂ２号

タービンの従来の翼型ノズルに代わるノズルを提供する。

本発明の第１態様は、タービンのノズルであって、ほぼ均一な壁厚を有するダクト部材からなるノズルを提供する。

本発明の第２態様は、回転軸と、回転軸から延在する複数のバケットと、複数のバケットに隣接して複数のバケットに流体流を案内するノズルセットであって、各々のノズルがほぼ均一な壁厚を有するダクト部材を含むノズルセットとからなるタービンを提供する。

従来のタービンの断面図である。 従来のノズルの一部分の斜視図である。 本発明の実施形態に従ったノズルの斜視図である。 本発明の実施形態に従ったノズルの斜視図である。 本発明の実施形態に従ったノズルセットの一部分の斜視図である。 図５のノズルセットの一部分の平面図である。

図面を参照すると、図１はタービン１２内の従来のノズルセット１０の一部分の断面図を示す。明らかなように、タービン１２は、様々な段でそこから延在する複数のバケット１６を有する回転軸１４を含むロータを備える（２セットを図示）。バケット１６は回転軸１４から半径方向に延在し、流体流１５の力を受けて、回転軸１４を回転するように作用する。ノズルセット１０は複数のバケット１６の各々の段の前に配置されて、適切な迎角と圧力で複数のバケットに流体流１５を案内する。図２に示すように、セット内の各々のノズル２０は翼型部材２２を含み、翼型部材２２はその半径方向内側及び半径方向外側端部でその他のロータ構造、即ち、半径方向外側シュラウド２４及び半径方向内側シュラウド２６に固定連結される。半径方向内側シュラウド２６におけるノズル２０の間の空間は、嵌合する翼型表面のために存在しないか、半径方向内側シュラウド２６の板部分によって形成されるかのどちらかである。半径方向外側シュラウド２４におけるノズル２０の間の空間は、半径方向外側シュラウド２４の板部分によって形成されることになる。

次に図３〜６を参照して、本発明の実施形態に従ったノズル１００について述べる。図３及び４に示すように、ノズル１００は、タービンのシュラウド２４、２６に取り付けられ、ほぼ均一な壁厚を有するダクト部材１０２を含む。ダクト部材１０２は、ダクト部材１０２の残りの部分に対する、少なくとも１つの曲線内側対向面１０４も含み得る。本明細書で述べるように、１セットのノズル１００は、タービン内で回転軸１４（図１）の周囲に設けられており、従来のノズル２０（図２）に取って代わるものである。曲線内側対向面１０４は、従来のノズル２０（図２）の翼型のように流体流１５（図３）（例えば、ガス又は蒸気）に対して実質的に同一方向集束を行うように成形、湾曲及び／又は寸法決めすることができる。図示の実施形態では、ダクト部材１０２は、流体流１５（図１）の制御を行うことができる２つの対向する曲線内側対向面１０４を含む。しかしながら、２つの対向する曲線面１０４は全ての場合において必要というわけではない。各々の内側曲線面１０４の湾曲は、２つ以上の曲線を有しても有していなくても良く、対向する内側面１０４に適合してもしなくても良い。

図５で最も分かり易く図示するように、各々のダクト部材１０２は、それぞれ１対の対向する半径方向内側及び外側の（回転軸１４（図１）に対する）弓形面１０６、１０８も含む。対向する弓形面１０６、１０８に沿った面１０４を含むダクト部材１０２は、流体流１１５（図３）が制御されて通過する一体の多角形通路を形成する。ノズル１００は、バケット１６（図１）上で適切な迎角を形成するように流体流１１５に対する回転要素を形成することができ、圧縮又は拡散を行うことができる。図３及び４において図示するように、ノズル１００は圧縮を行い、多角形通路の上流端部１１６が多角形通路の下流端部１１８よりも（面積的に）大きくなっているという点において流体流１１５の加圧を助ける。容易に理解できるように、端部１１６が下流になるように反対方向にノズル１００を配置すると、流体流１１５の拡散を行うことになる。

ノズル１００は、複合マトリックス材料（ＣＭＭ）又はモノリシック金属成分等の様々な異なる材料を含んでも良く、それぞれが製造原価を削減する。ＣＭＭ材料としては、これらに限定されないが、セラミックマトリックス複合材料、金属マトリックス複合材料及び有機マトリックス複合材料を挙げることができる。モノリシック金属成分としては、これらに限定されないが、金属薄板、インゴットから形成された鍛造物、注入された金属から形成された鋳造物、粉末金属成分から形成された鍛造物、或いはロッド又は棒材から形成された直接的な機械材料を挙げることができる。代替実施形態では、各々のノズル１００は従来の鋳造技術を用いて形成しても良い。更に、ノズル１００はモノリシック材料又は複合材料から作ることができる。ノズルは固体として組み立てても良く、各種形状から最終形状を組み立てて最終的なノズルを形成しても良い。ノズル１００の形状は、組立プロセス中に複合繊維巻を支持して、製造サイクル中に既製テープ及び複合積層板を使用する必要性を減少させることができる。ほぼ均一な壁厚は、高度な非破壊評価と、薄板材料又は繊維巻を用いることで製造の容易さとを支える。

再び図５を参照すると、例えば、多段タービンの第２又は最終段において、ノズルセットの一部分が、回転軸１４（図１）の周囲でバケット１６（図１）に隣接して配置されるように示される。各々のダクト部材１００は、１対の対向する弓形面１０６、１０８によって固定子構造（例えば、半径方向外側シュラウド２４及び半径方向内側シュラウド２６（図１））に取り付けられる。図３〜５を参照すると、各々のノズル、例えば１００Ａは、１対の対向する外側対向面１２０、１２２を含み、隣接するダクト部材１００Ｂ、１００Ｃの外側対向面と嵌合する。ノズル１００Ａ及び１００Ｂの間の界面に関して図５に示すように、面１２０及び１２２は、第１の外側対向曲線面１２０と、異なって湾曲している、対向する第２の外側対向曲線面１２２とである。この場合、面１２０、１２２は同じようには湾曲していないが、干渉せずに嵌合することができるように十分に平行である。代替実施形態では、ノズル１００Ａ及び１００Ｃの間の界面に関して示すように、第１ダクト部材１００Ａの第１の外側対向曲線面１２０と、隣接する第２ダクト部材１００Ｃの対向する第２の外側対向曲線面１２２とを嵌合させるために、界面部材１４０を設けても良い。界面部材１４０としては、例えば、各々のノズル１００Ａ、１００Ｃの適切な位置決めを可能にするブラケット、又は面１２０、１２２を嵌合するために特別に成形されたブロック材料を挙げることができる。代替実施形態では、図６の平面図で示すように、隣接するダクト部材１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃの間の隙間１５２を覆うためにキャップ１５０を設けても良い。キャップ１５０は、ノズルの上流１１６及び／又は下流面１１８に設けても良い。界面部材１４０及びキャップ（単数又は複数）１５０は、ダクト部材１０２と同じ材料、又はその他の適切な材料から作ることができる。

ノズル１００はＣＭＭ等の金属以外の材料から作ることができるので、１つのノズル１００ＡをＣＭＭから全体的に作ることができるのに対して、その他のノズル１００Ｂ、１００ＣはＣＭＭ以外の材料、例えば金属から全体的に作られる。従って、物理的特性が通常の金属翼型ノズル２０（図２）ほど相違しないので、機械故障にあまり注意を払わずに検査を実行することができる。ノズル１００は、多数の材料、例えば、ＣＭＭ弓形面１０６、１０８及び金属面１２０、１２２を含んで構成しても良い。ノズル１００は、従来技術分野に入れられるべき金属等の既知の許容材料から作られたタイプのノズル１００や、ＣＭＭ等の異なる材料から作られたノズルによる交換ノズルにすることもできる。この方法では、多くの変更を行わずに技術改善を実行することができる。ノズル１００は更に、破壊する必要がないので簡単に検査することができ、より意義深い非破壊検査技法を実行することができ、より開放的である（タービンを分解する必要がない）ので容易に修正することができる。

本明細書において「第１」、「第２」などの用語は、順序、数量、又は重要性を意味するものではなく、ある要素を別のものから区別するために用いられており、本明細書において単数形（「ａ」及び「ａｎ」）で記載したものであっても、数量の限定を意味するものではなく、参照されたものが少なくとも１つ存在することを意味するものである。数量に用いられる「約」という修飾語は、記載の数値を含み、文脈ごとに定まる意味を持つ（例えば、特定の数量の測定に付随する誤差の範囲を含む）。本明細書で用いる「（ｓ）」という接尾辞は、それを付した語の単数形と複数形を包含することによって、その用語のものが１つ以上存在することを意味する（例えば、ｍｅｔａｌ（ｓ）は１種以上の金属を包含する）。

本明細書において様々な実施形態を説明しているが、要素の様々な組み合わせ、変形又は改良を行うことができ、またそれらが本発明の技術的範囲に含まれることは、明細書から当業者に理解されるであろう。更に、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるため、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱せずに数多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲の技術的範囲に含まれる全ての実施形態を含むことを意図するものである。

１０ 従来のノズルセット
１２ タービン
１４ 回転軸
１５ 流体流
１６ バケット
２０ ノズル
２２ 翼型部材
２４ 外側シュラウド
２６ 内側シュラウド
１０２ ダクト部材
１０４ 対向面
１０６、１０８ 対向する弓形面
１１５ 流体流
１１６ 上流端部
１１８ 下流端部
１２０、１２２ 曲線面
１４０ 界面部材
１５０ キャップ
１５２ 隙間

Claims (7)

1. タービン（１２）のノズル（２０）であって、
   前記タービン（１２）のシュラウドに連結され、ほぼ均一な壁厚を有する一組の離間した壁を備えるダクト部材（１０２）を含み、
   前記一組の離間した壁は、隣接するダクト部材から離れ且つ前記タービンの軸（１４）周りで周方向に配置され、
   前記ノズルは、さらに、前記一組の離間した壁の一方の外側面に配置され且つ隣接するダクト部材の一方の外側面に接続するように配置された、一対の対向する外側面を備える界面部材（１４０）を含み、該界面部材の前記一対の対向する外側面は、各々、前記一組の離間した壁の該一方の外側面および前記隣接するダクト部材の前記一方の外側面に嵌合し、
   前記一組の離間した壁の内側対向面（１０４、１０４）は、隣接するダクト部材の内側対向面（１０４、１０４）と共に翼形を形成し、且つ、前記ダクト部材（１０２）を通る多角形通路を形成し、
   前記多角形通路は、上流端部（１１６）及び下流端部（１１８）を含み、
   前記多角形通路の前記上流端部（１１６）が、前記多角形通路の前記下流端部（１１８）よりも大きい
   ことを特徴とする、ノズル（２０）。
2. 前記ダクト部材（１０２）はモノリシック金属成分を含む、請求項１に記載のノズル。
3. 前記ダクト部材（１０２）は複合マトリックス材料を含む、請求項１に記載のノズル。
4. 回転軸（１４）と、
   前記回転軸（１４）から延在する複数のバケット（１６）と、
   前記複数のバケット（１６）に隣接して前記複数のバケット（１６）に流体流（１１５）（１５）を案内するノズル（２０）セットと
   を含み、
   各々のノズル（２０）が、ほぼ均一な壁厚を有する一組の離間した壁を備えるダクト部材（１０２）を含み、
   前記一組の離間した壁は、隣接するダクト部材から離れ且つ前記回転軸（１４）周りで周方向に配置され、
   前記ノズルは、さらに、前記一組の離間した壁の一方の外側面に配置され且つ隣接するダクト部材の一方の外側面に接続するように配置された、一対の対向する外側面を備える界面部材（１４０）を含み、該界面部材の該一対の対向する外側面は、各々、前記一組の離間した壁の前記一方の外側面および前記隣接するダクト部材の前記一方の外側面に嵌合し、
   前記一組の離間した壁の内側対向面（１０４、１０４）は、隣接するダクト部材の内側対向面（１０４、１０４）と共に翼形を形成し、且つ、前記ダクト部材（１０２）を通る多角形通路を形成する
   ことを特徴とする、タービン（１２）。
5. 少なくとも１つのダクト部材（１０２）はモノリシック金属成分を含む、請求項４に記載のタービン。
6. 少なくとも１つのダクト部材（１０２）は複合マトリックス材料（ＣＭＭ）から全体的に作られる、請求項４に記載のタービン。
7. 各々のダクト部材（１０２）は、下流端部（１１８）よりも大きな上流端部（１１６）を有する多角形通路を含む、請求項４乃至６のいずれか１項に記載のタービン。
   

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