JP6130714B2 - 遷移ピースを含む燃焼システムおよび鋳造超合金を使用した形成方法 - Google Patents
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Description
本発明は、一般にガスタービンに関し、より詳細には、これに限らないが、ガスタービンの燃焼室内の遷移ピースなど、高温ガス経路部分の材料に関する。
ガスタービンの燃焼システムは高温ガスを発生させる。高温ガスはタービンを駆動するのに使用可能である。次いで、タービンは圧縮機を駆動することができ、圧縮機は燃焼システムにおいて燃焼用の圧縮空気を提供する。さらに、タービンは使用可能な出力を生成し、出力は直接、電力消費機械または発電機に接続され得る。
ガスタービンの燃焼システムは、燃焼室の円形アレイとして構成することができる。燃焼室は圧縮機からの圧縮空気を収容し、燃料を圧縮空気に注入して燃焼反応を作り出し、タービン用の高温燃焼ガスを発生させるように配置される。燃焼室は一般に円筒形の形状であるが、他の形状の燃焼室も可能である。各燃焼室は、１つまたは複数の燃料ノズルと、燃焼ライナ内の燃焼ゾーンと、燃焼ライナを径方向に間隔をあけて包囲するフロースリーブと、燃焼室およびタービン間のガス遷移ダクトまたは遷移ピースを備える。
大型ガスタービン燃焼器の要素は伝統的に、これに限らないが、鍛造ニッケルベースの超合金などの超合金を使用して作製されてきた。タービンの設計は高温で操作するよう発達したため、鋳造超合金の超低サイクル疲労、酸化およびクリープ特性が望まれた。また、その後に複数の鋳造ピースが、これに限らないが、ろう付けまたは溶接といった冶金の接続手段によりタービン燃焼器の要素に接合された。しかし、接合位置はタービン燃焼器の要素の残りと一致する材料特性を有していなかったため、これに限らないが、ろう付けまたは溶接といったこれらの手段は望ましいものではなかった。従って、連結された鋳造ピースがタービン燃焼器の要素、ならびに連結された鋳造ピースをタービン燃焼器の要素に連結する手段と同様の材料特性を有する場合、連結された鋳造ピースを有するタービン燃焼器の要素の必要性が望まれる。
ガスタービン燃焼器の遷移ピースは、様々な材料から形成されてきており、例えばいくつかの遷移ピースは、ＧＴＤ−２２２（登録商標）（ＧＴＤ−２２２は、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙ、Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ、ＮＹの登録商標である）などのニッケル／コバルトベースの鋳造合金を用いて形成されてきた。これらの材料は、高温ガス経路部分を含むタービン燃焼器の要素において、これらに限らないが、鍛練用合金に対する低サイクル疲労（ＬＣＦ）耐性およびクリープ強度、製造可能性、機械加工性、溶接性および酸化耐性のうちの少なくとも１つといった、材料特性における改良を提供してきた。これらの改良は鍛練用合金材料特性に関して特に明らかである。しかし、いくつかの高温タービンの適用例では、強度など、材料特性の増加により、高温ガス経路部分の望ましい耐用期間の可能性がもたらされることになる。
薄い壁を有する大型の鋳造物を生成する従来の試みは、それほど成功してきたとは言い難い。従来の鋳造の試みにおいて、例えば、これに限らないが、溶融した材料が、より薄く形成された壁のために鋳型の中であまりにもすぐに冷えると、高温ガス経路部分に対する望ましい特性を有することができない製品が出来上がるかもしれないという問題が起こった。
従って、上述の不備により悩まされない遷移ピースを含む燃焼システムおよび遷移ピースを形成する方法が当技術分野で望まれている。
本開示の例示的な実施形態によれば、ガスタービン用の遷移ピースが提供される。遷移ピースは、流路およびエンクロージャを画定する本体を備え、この本体は、燃焼器からの燃焼生成物を収容する円形の入り口部、および燃焼器生成物をガスタービンの第１のステージノズル内に流す出口端を有する。遷移ピースは、円形の入り口部と、本体と、出口端とのワンピース型鋳造構造を備え、遷移ピースは、ニッケルベースの超合金から形成される。遷移ピースは、厚い遷移の壁厚対薄い遷移の壁厚の、厚さ対薄さの遷移比が、約１．１〜約２．５である。
本開示の別の例示的な実施形態によれば、ワンピース型鋳造遷移ピースを形成する方法が提供される。その方法は遷移ピースパターンを用意するステップを含む。その方法は遷移ピースパターンをスラリー材料に浸し、スラリー材料を形成するステップを含む。その方法はスラリー材料を燃やして遷移ピースシェルを生成するステップを含む。その方法は溶融金属を含む溶融材料を遷移ピースシェルに導入するステップを含む。その方法は溶融材料を凝固させ、ワンピース型鋳造遷移ピースを形成するステップを含み、ワンピース型鋳造遷移ピースは溶融材料から形成される。
本開示の別の例示的な実施形態によれば、燃焼システムが提供される。燃焼システムは、燃焼器および遷移ピースを備える。遷移ピースは、流路およびエンクロージャを画定する本体を備え、この本体は、燃焼器からの燃焼生成物を収容する円形の入り口部、および燃焼器生成物をガスタービンの第１のステージノズル内に流す出口端を有する。遷移ピースは、ワンピース型鋳造構造を備え、遷移ピースは、ニッケルベースの超合金から形成される。遷移ピースは、厚い遷移の壁厚対薄い遷移の壁厚の、厚さ対薄さの遷移比が、約１．１〜約２．５である。
本発明の他の特徴および利点は、例として本発明の原理を示す添付の図面と共に、以下の好ましい実施形態のより詳しい記載により明らかになるであろう。
可能な場合はいつでも、図面全体を通して、同じ要素を表すのに同じ参照番号が使用される。
従来技術の不備により悩まされない燃焼システムおよび遷移ピースが提供される。本開示の実施形態は燃焼検査間隔を延長するガスタービン遷移ピースを含む。
本開示の実施形態の別の利点は、望ましいおよび高められた機械的特性により鋳造可能であるワンピース型／一体型の遷移ピースである。
本開示の実施形態のさらなる別の利点は、ガスタービン燃焼システムにおいて要素の寿命をより長くすることが可能なワンピース型鋳造遷移ピースである。
本開示の実施形態の別の利点は、必要な機械加工を少なくし、他の鋳造後処理がなくなるため、遷移ピースを生成するコストおよび時間が少なくなることである。
本開示の実施形態のさらなる別の利点は、ワンピース型遷移ピース構造がタービン寿命を延長するために強度の向上を可能にすることである。
本開示の実施形態の別の利点は、従来の遷移ピースの要素または特徴部の溶接に明らかなより弱い接合をなくすことにより、一体鋳造によるワンピース型鋳造遷移ピースが遷移ピースの統一性を改善することである。
図１に描かれるガスタービンエンジン１２は、圧縮機１４、燃焼システム１６およびガスタービン１８を含む。圧縮機１４、燃焼システム１６およびガスタービン１８は、回転シャフト２４の少なくとも１つの周りに配置されている。大気はガスタービン１８に入って圧縮、加熱および排出されて、使用可能な出力３０を提供する。出力３０は、これに限らないが、発電機２０のような動力駆動の機械または関連する発電機に提供され得る。
圧縮機１４は燃焼システム１６に圧縮空気を提供する。燃料は燃料システム２２から燃焼システム１６に提供される。燃料は燃焼室４０において圧縮空気と混合され、燃焼ガスと熱エネルギーを発生させることが可能である。燃焼ガスは燃焼室４０からガスタービン１８へ流れる。燃焼ガスはディスク２８に搭載された円形列のタービンブレード２６を通して流れる。これらのディスク２８はそれぞれのシャフト２４と共に回転する。各シャフト２４の回転は圧縮機１４を回転させ、次いで、その回転が空気を圧縮して燃焼プロセスを供給する。また、シャフト２４の回転は、ガスタービン１８から発電機２０または他のシステムに出力３０を提供することが可能である。
図２に示されるように、燃焼室４０は圧縮空気入り口ダクト、フロースリーブ４２、および遷移ピース４４または燃焼空気をガスタービン１８に向かわせる燃焼ガス排気ダクトを備える（図１を参照）。フロースリーブ４２は燃焼ライナ４６を収容し、次いで、燃焼ライナ４６は燃焼ゾーン５０を画定する。
燃焼ケーシング４８は、図２に示すように、燃焼室４０をガスタービンエンジン１２のハウジング３２へ取り付ける。燃焼ライナ４６はフロースリーブ４２内で同軸に取り付けられる。燃焼ライナ４６およびフロースリーブ４２は両方とも燃焼ケーシング４８内で同軸に取り付けられる。フロースリーブ４２はこれに限らないが、取付けブラケット等の任意の適切な手段により燃焼ケーシング４８に取り付けられる。
燃焼ライナ４６は、燃焼ノズルに概して並んだ入り口端を備える。燃焼ライナ４６はまた排気端を画定する。排気端は燃焼ゾーン５０から第１のステージノズル６４までの燃焼ガスの流路を画定する遷移ピース４４に結合されている。
図３、図４および図５に描かれている遷移ピース４４は流路７２を画定し、燃焼室４０からの燃焼生成物を収容する、概して円形の入り口部６０と、燃焼器生成物を第１のステージノズル６４に流す、概して直線の出口端６２とを有する本体６８を含む。本体６８は入り口部６０と出口端６２の間のエンクロージャ７０（図４および図５を参照）を画定し、エンクロージャ７０は入り口部６０および出口端６２の間の燃焼生成物の流れを制限する。
遷移ピース４４はワンピース型または一体型の構成における鋳造プロセスを介して形成可能である。本明細書で使用される「ワンピース型」または「一体型」構成という用語は、知られている遷移ピース構成において明らかなように、これに限らないが、ろう付けまたは溶接など、要素内の機械的または冶金の接続を含まない要素を含む。言い換えると、遷移ピース４４は２つ以上の要素または部品から編成されず、単一の部品として形成される。代替の実施形態では、遷移ピース４４は、遷移ピース４４が形成された後、ワンピース型構造に溶接される追加の部品またはピースを含む。
一実施形態では、遷移ピース４４はニッケルベースの超合金材料、コバルトベースの超合金材料、およびそれらの組合せから形成される。超合金材料は、所望のガスタービン操作状況において、操作のための十分な材料特性を提供する必要がある。これらの材料特性は、これに限らないが、高い低サイクル疲労（ＬＣＦ）、鍛練用合金に対する高い耐性およびクリープ強度、高い製造可能性、改善された機械加工性、高い溶接性および高い酸化耐性等を含む。そのような材料特性を提供するニッケルベースの超合金は、ＵＤＩＭＥＴ（登録商標）合金５００である。ＵＤＩＭＥＴ（登録商標）は、Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｎｅｗ Ｈａｒｔｆｏｒｄ、ＮＹの登録商標である。この合金は、単に所望の材料特性を提供する材料の例である。ＵＤＩＭＥＴ（登録商標）合金５００の組成が表１に示されている。
図４に示すように、ワンピース型または一体型の遷移ピース４４は、厚い遷移８０および薄い遷移８２を含む。厚い遷移８０は所望のテーパを提供するため遷移ピース４４を鋳造する鋳型の方向の変化がある領域で発生する。遷移ピース４４は壁の長さに沿って変化する壁の厚さ８４を含む。薄い遷移８２の壁の厚さ８４は、約２．５４ミリメートル（０．１００インチ）〜約５．０８ミリメートル（０．２５０インチ）、または代替に２．７５ミリメートル（０．１０８インチ）〜約４．７５ミリメートル（０．１８７インチ）、または代替に約３．０ミリメートル（０．１１８インチ）〜約４．０ミリメートル（０．１５７インチ）である。厚い遷移８０の壁の厚さ８４は薄い遷移８２より大きく、概して、薄い遷移８２の壁の厚さ８４の約１．１〜約２．５倍大きい。
さらに、図４に示すように、厚い遷移８０および薄い遷移８２間の距離すなわち長さは、８６と符号付けされた線により示される。遷移ピース４４の直径は、７４と符号付けされた線により示される。ワンピース型鋳造遷移ピース４４はテーパ比を使用して形成される。テーパ比は、遷移ピース４４の厚さ対薄さの遷移比の、長さ対直径の比に対する関数として計算される。厚さ対薄さの遷移比は、厚い遷移８０の壁厚８４の、薄い遷移８２の壁厚８４に対する比である。厚さ対薄さの遷移比は、約１．１〜約２．５、または代替に約１．３〜約２．２、または代替に約１．４〜約２．０である。長さ対直径比は、遷移ピース４４の直径７４に対する厚い遷移８０および薄い遷移８２間の距離すなわち長さ８６を使用する。長さ対直径比は、約０．１〜約０．９、または代替に約０．３〜約０．８、または代替に約０．５〜約０．７である。温度制御された鋳造プロセスにより、テーパ比が約１．１〜約２．５／０．１〜０．９であるワンピース型鋳造遷移ピース４４が提供される。
さらに、図２および図３に示すように、遷移ピース４４は、遷移ピース４４に予め溶接または別の形で接続されたガスタービン要素ハードウェアまたはピースを含む。これらの要素ハードウェアまたはピースは、遷移ピース４４と一体に鋳造可能である。よって、要素ハードウェアは、これに限らないが、ろう付けまたは溶接等の要素内の機械的または冶金の接続により、その様な要素ハードウェアがタービン燃焼器要素に接合される必要なしに、遷移ピース４４と共に一体に形成される複数の鋳造ピースを備える。従って、遷移ピース４４は、材料特性が残りの遷移ピース４４と異なる、遷移ピース４４と要素ハードウェア／ピース間の配置を含まない。遷移ピース４４は一体鋳造と接続されたハードウェアピースを有する一体型品目として形成され、そこでこれらの接続されたハードウェアピースは遷移ピース４４と同じ材料特性と、接続された鋳造ピースが遷移ピース４４に取り付けられる地点での同じ材料特性とを有する。
遷移ピース４４の要素ハードウェア／ピースは、概して管状体６８内の希釈穴、取付けコネクタ６６、円形の入り口部６０および直線的な出口端６２を備えていてもよい。これらの要素ハードウェア／ピースは遷移ピース４４と共に鋳造され、所望の最終形状に非常に近い形式で鋳造される。これらの他の要素は、最初の鋳造後に後の加工がほとんどまたは全く必要ない「ほぼ最終形状の要素」として知られている。従って、これらの他の要素をほぼ最終または最終的な形状に形成することにより、後の鋳造プロセスがほとんど必要ない。よって、遷移ピース４４の生産量が高まることとなる。
遷移ピース４４の材料は高いＬＣＦ、高い耐性およびクリープ強度、改善された製造可能性、より良い機械加工性、高い溶接性および望ましい酸化耐性を提供する。また、他の鋳造ニッケルベースのガンマプライム強化合金は、ＵＤＩＭＥＴ（登録商標）合金５００の強度特性に一致またはそれを超える強度特性を一般に有する実行可能な候補である。本明細書における「強度特性」は少なくともＬＣＦ耐性、クリープ強度、降伏強度および最大抗張力を含み、それらはそれぞれ良く知られた試験を使用して決定可能である。
図６に示すように、ワンピース型鋳造遷移ピース４４を形成する方法６００は、一実施形態において、遷移ピースパターンを用意するステップ６０１（図３を参照）を含んでいてもよい。方法６００は、遷移ピースパターンをスラリー材料に浸すステップ６０３から、スラリー材料を形成するステップ６０５を含む。方法６００は、スラリー材料を燃やして遷移ピースシェルを作製するステップ６０７を含む。方法６００は、遷移ピースシェルに溶融金属を充てんするステップ６０９を含む。方法６００は、溶融金属を凝固させてワンピース型鋳造遷移ピース４４を形成するステップ６１１（図３を参照）を含む。方法６００は、形成されたワンピース型鋳造遷移を暴露するように遷移ピースシェルを取り除くステップ６１３を含む。一実施形態において、温度制御された鋳造プロセスが使用される。そのような温度制御された鋳造プロセスの１つは、Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｃａｓｔｐａｒｔｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＰＣＣ）ｏｆ Ｐｏｒｔｌａｎｄ、Ｏｒｅｇｏｎで使用可能な「熱制御された凝固化」（ＴＣＳ）である。
一実施形態において、遷移ピースパターンは、ろう、発泡体、それらの組合せ、または所望の遷移ピース形状を形成するのに使用可能な他の適切な材料を備える。一実施形態において、遷移ピースシェルを形成するのに使用されるスラリー材料は、セラミックまたは他の適切な材料である。一実施形態において、溶融材料は、ニッケルベースの超合金であり、例えば、これに限らないが、ＵＤＩＭＥＴ（登録商標）合金５００である。別の実施形態では、遷移ピース４４は、厚さ対薄さの遷移比の、長さ対直径比に対するテーパ比、約１．１〜約２．５／約０．１〜約０．９を含む。
本発明は好ましい実施形態に照らして記載されたが、当業者には、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な変更が可能であり、それらの要素は均等物と代替可能であることが理解されるであろう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、本発明の教示の特定の状況または材料を適合させるのに多くの修正が行われてもよい。従って、本発明は本発明を実行するのに熟考された最良の形態として開示された特定の実施形態に制限されず、本発明は添付の特許請求の範囲の範囲内の全ての実施形態を含むであろうことを目的とする。
１２ ガスタービンエンジン
１４ 圧縮機
１６ 燃焼システム
１８ ガスタービン
２０ 発電機
２２ 燃料システム
２４ 回転シャフト
２６ タービン刃
２８ 回転ディスク
３０ 出力
３２ ハウジング
４０ 燃焼室（燃焼器）
４２ フロースリーブ
４４ 遷移ピースまたは燃焼ガス排気ダクト
４６ 燃焼ライナ
４８ 燃焼ケーシング
５０ 燃焼ゾーン
６０ 円形の入り口部（前方フレーム）
６２ 直線の出口端（後方フレーム）
６４ ノズルへ
６６ 取付けコネクタ
６８ 管体の遷移ピース
７０ 入り口および出口端により画定されるエンクロージャ
７２ 流路
７４ 入り口直径
７６ 厚い部分および薄い部分間の全体の軸方向の長さ
８０ 厚い遷移（部分）
８２ 薄い遷移
８４ 壁の厚さ
８６ （厚い遷移および薄い遷移間の）長さ
６００ 遷移ピースの作製方法
６０１ 用意する
６０３ 浸す
６０５ 形成する
６０７ 燃やす
６０９ 導入する
６１１ 凝固させる
６１３ 適宜除去する
１４ 圧縮機
１６ 燃焼システム
１８ ガスタービン
２０ 発電機
２２ 燃料システム
２４ 回転シャフト
２６ タービン刃
２８ 回転ディスク
３０ 出力
３２ ハウジング
４０ 燃焼室（燃焼器）
４２ フロースリーブ
４４ 遷移ピースまたは燃焼ガス排気ダクト
４６ 燃焼ライナ
４８ 燃焼ケーシング
５０ 燃焼ゾーン
６０ 円形の入り口部（前方フレーム）
６２ 直線の出口端（後方フレーム）
６４ ノズルへ
６６ 取付けコネクタ
６８ 管体の遷移ピース
７０ 入り口および出口端により画定されるエンクロージャ
７２ 流路
７４ 入り口直径
７６ 厚い部分および薄い部分間の全体の軸方向の長さ
８０ 厚い遷移（部分）
８２ 薄い遷移
８４ 壁の厚さ
８６ （厚い遷移および薄い遷移間の）長さ
６００ 遷移ピースの作製方法
６０１ 用意する
６０３ 浸す
６０５ 形成する
６０７ 燃やす
６０９ 導入する
６１１ 凝固させる
６１３ 適宜除去する
Claims (6)
- ガスタービン（１８）用の遷移ピース（４４）であって、
流路（７２）およびエンクロージャを画定する本体（６８）を備え、前記本体（６８）は、燃焼器（４０）からの燃焼生成物を収容する円形の入り口部（６０）、および前記燃焼器（４０）生成物を前記ガスタービン（１８）の第１のステージノズル内に流す出口端（６２）を有し、
前記遷移ピース（４４）は、前記円形の入り口部（６０）と、前記本体（６８）と、前記出口端（６２）とのワンピース型鋳造構造を備え、前記遷移ピース（４４）は、ニッケルベースの超合金から形成され、
前記遷移ピース（４４）は、厚い遷移（８０）の壁厚（８４）対薄い遷移（８２）の壁厚（８４）の、厚さ対薄さの遷移比が、１．１〜２．５であり、
前記遷移ピース（４４）は、前記厚い遷移（８０）から前記薄い遷移（８２）間の長さの、入り口部（６０）の直径（７４）に対する長さ対直径の比が、０．１〜０．９である、
遷移ピース（４４）。 - ワンピース型鋳造遷移ピース（４４）を形成する方法（６００）であって、
遷移ピースパターンを用意するステップ（６０１）と、
前記遷移ピースパターンをスラリー材料に浸し（６０３）、前記スラリー材料を形成するステップと、
前記スラリー材料を燃やして遷移ピースシェルを生成するステップ（６０７）と、
溶融金属を含む溶融材料を前記遷移ピースシェルに導入するステップ（６０９）と、
前記溶融材料を凝固させ、円形の入り口部を有する前記ワンピース型鋳造遷移ピース（４４）を形成するステップ（６１１）と
を含み、
前記遷移ピース（４４）は、厚い遷移（８０）の壁厚（８４）対薄い遷移（８２）の壁厚（８４）の、厚さ対薄さの遷移比が、１．１〜２．５であり、
前記遷移ピース（４４）は、前記厚い遷移（８０）から前記薄い遷移（８２）間の長さの、入り口部（６０）の直径（７４）に対する長さ対直径の比が、０．１〜０．９である、
方法（６００）。 - 前記溶融金属が、ニッケルベースの超合金、コバルトベースの超合金、およびそれらの組合せを含む、請求項２記載の方法（６００）。
- 前記遷移ピース（４４）が、厚い遷移（８０）の壁厚（８４）対薄い遷移（８２）の壁厚（８４）の、厚さ対薄さの遷移比を含む、請求項２または３記載の方法（６００）。
- 前記遷移ピース（４４）が、厚さ対薄さの遷移比の、長さ対直径比に対するテーパ比が、１．１〜２．５／０．１〜０．９である、請求項２乃至４のいずれかに記載の方法。
- 燃焼システム（１６）であって、
燃焼器（４０）と、 遷移ピース（４４）とを備え、前記遷移ピースは、
流路（７２）およびエンクロージャ（７０）を画定する本体（６８）を備え、前記本体（６８）は、前記燃焼器（４０）からの燃焼生成物を収容する円形の入り口部（６０）、および前記燃焼器生成物をガスタービン（１８）の第１のステージノズル内に流す出口端（６２）を有し、
前記遷移ピース（４４）は、ワンピース型鋳造構造を備え、前記遷移ピース（４４）は、ニッケルベースの超合金から形成され、
前記遷移ピース（４４）は、厚い遷移（８０）の壁厚（８４）対薄い遷移（８２）の壁厚（８４）の、厚さ対薄さの遷移比が、１．１〜２．５であり、
前記遷移ピース（４４）は、前記厚い遷移（８０）から前記薄い遷移（８２）間の長さの、入り口部（６０）の直径（７４）に対する長さ対直径の比が、０．１〜０．９である、
燃焼システム（１６）。
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