JP6240388B2 - 中空ｃｍｃバケット用の薄肉強化格子構造体 - Google Patents

Description

本発明は、全体的に、タービンバケットに関し、より詳細には、剛性及び振動特性を改善する働きをする内部強化格子構造を含むタービンバケットに関する。

ガスタービンエンジンにおいて、空気は、圧縮機において加圧され、燃焼器において燃料と混合されて高温の燃焼ガスを発生する。タービン段においてガスからエネルギーが抽出され、圧縮機に動力を駆動し、外部仕事を実行する。

各タービン段は、ノズルベーンの列を有する固定タービンノズルを含み、該ノズルベーンは、燃焼ガスを対応するタービンロータブレード又はバケットの列に放出する。各ブレードは、半径方向内側流路境界を画成する一体形プラットフォームからスパンで半径方向外向きに延在する翼形部を含む。プラットフォームは、支持ロータディスクの外周に形成されたダブテールスロットに装着される対応するローブを有する支持ダブテールに一体的に接合される。

タービブレードは通常、作動中に流れる燃焼ガスとは異なる熱負荷に接した翼形部の異なる部分を冷却するよう特定的に構成された内部冷却回路を備える中空体である。

タービン翼形部は、ほぼ凹面状の正圧側面と、円周方向で対向するほぼ凸面状の負圧側面とを含み、これらは、プラットフォームの根元から半径方向外側先端までスパンで半径方向に延在して、且つ対向する前縁及び後縁間に翼弦で軸方向に延在する。翼形部は、前縁から翼形部の最大幅又はハンプ領域まで後方に向けて厚みが急激に増大し、次いで漸次的に先細となった典型的な半径方向に三日月形の輪郭又は断面を有し、また、翼形部の相対的に薄い後縁まで幅が減少している。

典型的なＣＭＣ（セラミックマトリクス複合材）ブレードの構成において、プライがブレードの片側（負圧側面又は正圧側面）から工具表面上にレイアップされる。次のレイアッププロセスに進むと、プライはブレード翼形部の中間点又は中心に到達する。この時点で、マンドレルを工具に挿入し、マンドレル材料が溶出した中空キャビティが形成される。このマンドレルは、垂直方向で「根元から先端」までの薄肉特徴部を形成するプライラップを含有する。マンドレルは、例えば、純スズ又はスズ合金を含む様々な異なる材料から作ることができ、或いは、シリコン／ホウ素から作られた吸収性マンドレルを用いることができる。マンドレルを工具内に載置した後、ブレードレイアッププロセスは、引き続きブレードに進む。

現行の製造プロセスにおいて、ブレードは、非キャンバー状となり、或いは、湾曲した翼形部形状が失われる傾向がある。加えて、既存のバケットは、剛性及び振動特性を改善することが有益となるであろう。

米国特許第７６７４０９３号明細書

例示的な実施形態では、セラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）タービンブレードを製造するためのマンドレルアセンブリは、正圧側面及び負圧側面を含む先端セクションと、正圧側面及び負圧側面を含む根元セクションとを含む。複数のＣＭＣプライが、先端セクションと根元セクションの間で一方の側面から他方の側面までレイアップされる。

別の例示的な実施形態では、タービンバケットは、セラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）プライがマンドレルの部品間に配置された複数部品のマンドレルを用いて組み立てられる。タービンバケットは、翼形部形状に形成された正圧側面及び負圧側面を含む。正圧側面及び負圧側面が離間して配置されて中空の中央セクションを画成する。ＣＭＣプライは、中空の中央セクション内に内部強化格子構造を画成する
さらに別の例示的な実施形態では、タービンバケットを構成する方法は、（ａ）正圧側面及び負圧側面を有する少なくとも１つの先端セクションと、正圧側面及び負圧側面を有する根元セクションと、先端セクションと根元セクションとの間でレイアップされた複数のセラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）プライとを含む、マンドレルを組み立てるステップと、（ｂ）マンドレルを正圧側面及び負圧側面上にＣＭＣ層で覆い、正圧側面を負圧側面に固定するステップと、（ｃ）マンドレルを取り除くステップとを含む。

現行のＣＭＣバケット分割型構造の図。 ＣＭＣプライを含む例示的なマンドレルアセンブリの図。 ＣＭＣプライの平面図。 接続及び位置合わせ構造の拡大図。 図２〜４に示すマンドレルアセンブリで製造された中空ＣＭＣブレードの図。

図１は、現行のＣＭＣバケット分割型構成を示している。マンドレル１２は、前縁セクション１４と後縁セクション１６とを含み、これらは共にボルト留めされる。マンドレル１２は通常、スズから作られる。マンドレルは、正圧側面上でＣＭＣ層で覆われてバケットの正圧側面１８を形成し、負圧側面上で対応するＣＭＣ層で覆われてバケットの負圧側面２０を形成する。正圧側面１８及び負圧側面２０は共に固定され、マンドレル１２は、通常は溶融プロセスにより取り出される。

図２を参照すると、本発明は、剛性及び振動特性を改善するために内部強化格子構造を備える中空ＣＭＣバケットを提供する。図２に示すマンドレルアセンブリ３０は、正圧側面及び負圧側面を有する先端セクション３２と、同様に正圧側面及び負圧側面を有する根元セクション３４とを含む。先端セクション３２と根元セクション３４の間に、１以上の中間セクション３６を配置することができる。好ましい構成において、先端セクション３２は、後縁部４０に接続された前縁部３８を含む。同様に、根元セクション３４は、前縁部４２及び後縁部４４を含み、中間セクション３６は、前縁部４６及び後縁部４８を含む。これらの部品の各々は、外壁５０を備え、キャビティを画成するようになる。組み立て時には、ＣＭＣ層でマンドレルを覆った後、外壁５０によって画成されるキャビティがバケット内に中空セクションを形成する。

図２〜４を参照すると、マンドレルセクションは、アライメントタブ（本明細書では「コネクタ」又は単に「タブ」ともいう。）５２及びアライメントスロット（本明細書では「コネクタ受部」又は単に「スロット」ともいう。）５４により互いに接続される。マンドレルの組み立ての前に、複数のＣＭＣプライが（複数位置で）レイアップされ、種々のマンドレルセクション３２、３４、３６の間に配置される。図３に示すように、ＣＭＣプライ５６は、ＣＭＣプライ５６が間に配置される先端セクション及び根元セクションのそれぞれの部品の断面に相当する形状にされる。ＣＭＣプライ５６は、そこを通って位置合わせタブ５２のそれぞれがタブスロット５４と係合して配置される位置合わせ開口５８を含む。例示的な構成において、バケット組み付け後、マンドレルセクション３２、３４、３６は、溶出段階で取り除かれ、ここでマンドレルセクションは、ＣＭＣプライ５６内の位置合わせ開口５８を通って溶融する。

位置合わせタブ５２は、マンドレル部品の底部に位置する矩形形状として図示されている。位置合わせタブ５２は、その下方で一連のマンドレルを共に相互連結し、これらの間には所定位置に挿入できるように同じ開口を有する「プライの挟装物」がある。限定ではないが、三角形、方形、十字形、Ｔ字形、及び他の幾何形状のような、位置合わせタブ５２及びタブスロット５４の他の形状も好適とすることができる。フィリップスクロス（雌ボス）を用いてマンドレルを所定位置にロックすることができる。

図５を参照すると、溶出プロセス後、ＣＭＣ薄肉強化格子構造体６０が作製され、ＣＭＣ層から形成された中空翼形部６２に対して剛性付加及び振動の改善をもたらす。バケットは依然として軽量であり、複数の開口を有し、これにより内部キャビティ内部のガス流及び加圧が可能になる。この壁構造体は、中空バケット内の高応力区域に応じて配列及び位置付けるのが好ましい。

タービンバケットを構成する方法では、正圧側面及び負圧側面を有する少なくとも１つの先端セクション３２と、正圧側面及び負圧側面を有する根元セクション３４と、先端セクション３２と根元セクション３４の間で一方の側面から他方の側面までレイアップされたＣＭＣプライ５６とを含む、マンドレル３０が組み立てられる。マンドレル３０は、正圧側面及び負圧側面上にＣＭＣ層で覆われ、正圧側面及び負圧側面が互いに固定される。続いて、マンドレルセクション３２、３４が取り除かれ、ＣＭＣ層とＣＭＣ強化構造がタービンバケットを画成する。

格子構造体は、製造プロセス中にブレードが非キャンバー状になるのを阻止する役割を果たす。加えて、ＣＭＣプライによりさらに強化されると同時に、翼形部における高応力区域での振動品質が改善される。強化構造体はまた、軽量構造を維持しながらタービンバケットの剛性を向上させる。

現時点で最も実用的且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、逆に請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。

１２ マンドレル
１４ 前縁セクション
１６ 後縁セクション
１８ 正圧側面
２０ 負圧側面
３０ マンドレルアセンブリ
３２ 先端セクション
３４ 根元セクション
３６ 中間セクション
３８ 前縁部
４０ 後縁部
４２ 前縁部
４４ 後縁部
４６ 前縁部
４８ 後縁部
５０ 外壁
５２ 位置合わせタブ
５４ 位置合わせスロット
５６ ＣＭＣプライ
５８ 位置合わせ開口
６０ 格子構造体
６２ 中空翼形部

Claims (17)

1. ＣＭＣタービンブレードを製造するためのマンドレルアセンブリであって、
   正圧側面及び負圧側面を含む先端セクションと、
   正圧側面及び負圧側面を含む根元セクションと、
   マンドレルアセンブリの断面全体に一方の側面から他方の側面までレイアップされ、先端セクションと根元セクションの間に配置されて先端セクションと根元セクションとを隔てる複数のセラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）プライであって、ＣＭＣタービンブレード内に強化格子構造を画成する複数のＣＭＣプライと
   を備え、マンドレルアセンブリが、ＣＭＣプライ以外は、ＣＭＣプライを残して溶融させることのできる材料で構成されている、マンドレルアセンブリ。
2. 先端セクションが後縁部に接続された前縁部を含み、根元セクションが後縁部に接続された前縁部を含む、請求項１記載のマンドレルアセンブリ。
3. 前縁部及び後縁部の各々が、キャビティを画成する外壁を含む、請求項２記載のマンドレルアセンブリ。
4. 先端セクション及び根元セクションの前縁部と先端セクション及び根元セクションの後縁部との間にレイアップされた複数のＣＭＣプライを備える、請求項２記載のマンドレルアセンブリ。
5. ＣＭＣプライの各々が、その間にＣＭＣプライが配置されるそれぞれの先端セクション及び根元セクションの断面に相当する形状にされる、請求項４記載のマンドレルアセンブリ。
6. 先端セクションの前縁部及び根元セクションの前縁部の一方が、先端セクションの前縁部及び根元セクションの前縁部の他方に面する端部上にコネクタを含み、先端セクションの前縁部及び根元セクションの前縁部の他方が、先端セクションの前縁部及び根元セクションの前縁部の一方に面する端部上にコネクタ受け部を含み、先端セクションの後縁部及び根元セクションの後縁部の一方が、先端セクションの後縁部及び根元セクションの後縁部の他方に面する端部上にコネクタを含み、先端セクションの後縁部及び根元セクションの後縁部の他方が、先端セクションの後縁部及び根元セクションの後縁部の一方に面する端部上にコネクタ受け部を含み、複数のＣＭＣプライが各々、コネクタのそれぞれがコネクタ受け部と係合して配置される位置合わせ開口を含む、請求項２記載のマンドレルアセンブリ。
7. 先端セクション及び根元セクションの一方が、先端セクション及び根元セクションの他方に面する端部上にコネクタを含み、先端セクション及び根元セクションの他方が、先端セクション及び根元セクションの一方に面する端部上にコネクタ受け部を含み、複数のＣＭＣプライが、コネクタがコネクタ受け部と係合して配置される位置合わせ開口を含む、請求項１記載のマンドレルアセンブリ。
8. 正圧側面及び負圧側面を含む中間セクションをさらに備え、該中間セクションが、先端セクションと根元セクションとの間に配置される、請求項１記載のマンドレルアセンブリ。
9. 先端セクション及び根元セクションが各々、位置合わせタブ及びタブ受け部を用いて互いに相互連結する複数の部品を含み、ＣＭＣプライが、位置合わせタブが配置される位置合わせ開口を含む、請求項１記載のマンドレルアセンブリ。
10. ＣＭＣプライを残して溶融させることのできる材料で構成された複数部品マンドレルを、該マンドレルの断面に相当する形状のセラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）プライであってマンドレルの部品の間に配置されてそれらの部品を隔てるＣＭＣプライと共に用いて組み立てられたタービンバケットであって、該タービンバケットが、翼形部形状に形成された正圧側面及び負圧側面を含み、該正圧側面及び負圧側面が離間して配置されて中空の中央セクションを画成し、ＣＭＣプライが、前記マンドレルの部品に対応するタービンバケットの部品の間かつ中空の中央セクション内に内部強化格子構造を画成する、タービンバケット。
11. ＣＭＣプライが、バケットに対する高応力に応じて位置付けられる、請求項１０記載のタービンバケット。
12. タービンバケットを構成する方法であって、
    （ａ）正圧側面及び負圧側面を有する少なくとも１つの先端セクションと、正圧側面及び負圧側面を有する根元セクションと、マンドレルアセンブリの断面全体に一方の側面から他方の側面までレイアップされ、先端セクションと根元セクションの間に配置されて先端セクションと根元セクションとを隔てる複数のセラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）プライとを含む、マンドレルを、ＣＭＣプライ以外は、ＣＭＣプライを残して溶融させることのできる材料で、組み立てるステップと、
    （ｂ）マンドレルを正圧側面及び負圧側面上にＣＭＣ層で覆い、正圧側面を負圧側面に固定するステップと、
    （ｃ）複数のＣＭＣプライがＣＭＣタービンブレード内に強化格子構造を画成するようにマンドレルを溶融により取り除くステップと
    を含む、方法。
13. ステップ（ａ）が、タブ及びスロットによりマンドレルの先端セクションをマンドレルの根元セクションに接続し、ＣＭＣプライ内の位置合わせ開口を用いてＣＭＣプライを該位置合わせ開口を通って延在するタブで固定することによって実施される、請求項１２記載の方法。
14. ステップ（ｃ）が、位置合わせ開口を通じてマンドレルを溶融することにより実施される、請求項１３記載の方法。
15. ステップ（ｂ）が、ＣＭＣ層を翼形部形状に形成することにより実施される、請求項１２記載の方法。
16. ステップ（ａ）が、バケットの高応力区域に応じてＣＭＣプライが位置付けられるように実施される、請求項１２記載の方法。
17. マンドレルの先端セクション及び根元セクションが内部キャビティを含み、ステップ（ｂ）が、タービンバケットがＣＭＣプライにより強化された内壁により分離された中空キャビティを含むように実施される、請求項１２記載の方法。