JP6506512B2 - セクションピンを備えるタービンブレード - Google Patents

Description

本明細書に開示される内容はタービンブレードに関し、より具体的にはセクションピンを備えるタービンブレードに関する。

タービンブレードは、ガス・タービン・エンジンのタービンセクション内に設けられてもよい。タービンブレードは、軸方向に配置された複数のタービンセクションの段のうちの１つに、タービンブレードのアレイの一部として実装されてもよい。各アレイが燃焼ガスと空気力学的に相互作用すると、アレイはタービンセクションを通じて延在するロータの周りを回転して、圧縮機及び負荷を駆動するために使用可能なロータの対応する回転を生じる。

タービンブレードの固有振動数を調整するとき、ブレードの剛性を増加すること及び／又はブレードの質量を減少することによって振動数を増加させることができる（振動数を減少させるためにはこの逆）。しかしながら、剛性の増加は通常は質量の追加を伴うので、これらの調整つまみの競合する性質のため、調整は挑戦しがいのあるものとなるかも知れない。

米国特許第８４１９３６５号

本発明の一態様によれば、タービンブレードが提供され、これは、冷却剤がその中を通過可能な内部を画定するために接続された圧力及び負圧面と、第一及び第二架台アレイとを含み、第一及び第二架台アレイの各々は、圧力及び負圧面のうちの１つのそれぞれの内部面の半径方向外側部分にそれぞれ結合された架台を含む。第一架台アレイの架台は、第二架台アレイの架台から、それらの間にそれぞれ画定された間隙によって、分離している。

本発明の別の態様によれば、タービンブレードが提供され、これは、冷却剤がその中を通過可能な内部を画定するために接続された圧力及び負圧面と、第一及び第二架台アレイとを含み、第一及び第二架台アレイの各々は、圧力及び負圧面のうちの１つのそれぞれの内部面にそれぞれ結合された伸長架台と、圧力及び負圧面のうちの１つのそれぞれの内部面の半径方向外側部分にそれぞれ結合された架台とを含む。第一架台アレイの架台は、第二架台アレイの架台から、それらの間にそれぞれ画定された間隙によって、分離している。

本発明の更に別の態様によれば、タービンブレードを形成する方法が提供され、これは、間隙形成コア部分によって架台形成陥凹から分離された架台形成陥凹を有する長尺要素を含む空洞形成セラミックコアを作成するステップと、圧力及び負圧側が架台形成陥凹内に形成された架台を含むように、長尺要素のいずれかの側にタービンブレードの圧力及び負圧側を形成するステップと、間隙形成コア部分と類似の寸法を有する間隙によって圧力側架台が負圧側架台から分離されるように、タービンブレードの圧力及び負圧側を組み合わせるステップと、を含む。

これら及びその他の利点及び特徴は、図面と併せて以下の説明より明らかとなるだろう。

本発明として見なされる対象は、本明細書の末尾にある請求項において、具体的に指摘され、明確に権利請求される。本発明の上記及びその他の特徴並びに利点は、以下の添付図面と併せて後述の詳細な説明より明らかとなる。
タービンブレードの概略斜視図である。 実施形態による、区分されたピン・バンクを含むタービンブレードの後縁空洞の拡大斜視図である。 実施形態による、断面的なピン・バンクの架台の間に形成された間隙の概略図である。 実施形態による、断面的なピン・バンクの架台の間に形成されたスタガード間隙の概略図である。 実施形態による、断面的なピン・バンクの架台の間に形成された非平行間隙の概略図である。 実施形態による、セラミックコアの斜視図である。

詳細な説明は、図面を参照した一例として、利点及び特徴とともに、本発明の実施形態を説明する。

図１及び図２を参照すると、例えば仕事を生み出すために燃焼ガスが膨張するタービンセクション内にタービンブレード１０が実装されるガス・タービン・エンジン等で使用するための、タービンブレード１０が提供される。タービンブレード１０は、軸方向に配置された複数のタービンセクションの段のうちの１つのタービンブレードのアレイの一部として実装されてもよい。各アレイが燃焼ガスと空気力学的に相互作用すると、アレイはタービンセクションを通じて延在するロータの周りを回転する。アレイの回転は、圧縮機及び負荷の回転を駆動するために使用可能なロータの対応する回転を生じる。

タービンブレード１０は、互いに反対側に配置された、圧力面１１及び負圧面１２を含む。圧力面１１及び負圧面１２はいずれも、ロータの半径方向寸法に沿って延びる類似のわたりを有する。圧力面１１及び負圧面１２は、内部１５を画定するように、前縁１３及び後縁１４において互いに接続されてもよい。タービンブレード１０は、圧力面１１及び負圧面１２のわたりの部分に沿って内部１５を通じて延在する、バッフル１６（図２参照）を更に含んでもよい。バッフル１６は、それによって冷却材が内部１５を通じて配向及び通過させられることが可能な、通路１７又は空洞１８を画定する。後縁１４に近接する空洞１８は、本明細書において「後縁空洞」１８０と称される。

タービンブレード１０は、第一架台アレイ２０及び第二架台アレイ３０を更に含む。第一架台アレイ２０は、後縁空洞１８０内の圧力面１１の内部面１１１の少なくとも半径方向外側部分に結合された架台２１を含む。第二架台アレイ３０は、後縁空洞１８０内の負圧面１２の内部面１２１の少なくとも半径方向外側部分に結合された架台３１を含む。図２に示されるように、架台２１及び３１が、第一の複数の架台２１及び第二の複数の架台３１として提供されてもよいことは、理解されるべきである。明確さ及び簡潔さのため、架台２１及び３１が第一の複数の架台２１及び第二の複数の架台３１として提供されるケースが、以下に記載される。架台２１及び３１が必ずしも後縁空洞１８０内にのみ位置する必要がないことも、理解されるべきである。

内部面１１１の半径方向外側部分及び内部面１２１の半径方向外側部分は、わたりの半径方向外側部分Ｒ_OPSにおいて画定される。このため、実施形態によれば、第一の複数の架台２１及び第二の複数の架台３１は、少なくともわたりの半径方向外側部分Ｒ_OPSに設けられる（図６参照）。しかしながら、更なる実施形態によれば第一の複数の架台２１及び第二の複数の架台３１は、わたり全体に沿って設けられてもよい。

第一架台アレイ２０の第一の複数の架台２１の個別架台２２の各々は、第二架台アレイ３０の第二の複数の架台３１の対応する個別架台３２に対して位置的に対応してもよいが、これは必須ではない。つまり、代替実施形態によれば、個別架台２２は個別架台３２に対して一致しなくてもよい。加えて、個別架台２２の各々は、個別架台３２のうちの１つ以上から、間隙４０によって分離している。図２に示されるように、間隙４０は個別架台２２及び３２の少なくともいくつかの対に設けられるので、タービンブレード１０には複数の間隙４０が設けられる。

実施形態によれば、間隙４０は約０．０３インチ幅であってもよいが、ただしこれは必須ではなく、間隙４０がこれより広いか又は狭い、及び間隙４０のサイズが変動する実施形態も、存在する。より一般的には、間隙４０は、従来のセラミックコアの形状及びサイズ、及び従来の圧力及び負圧側の射出成形又は鋳造に起因する、製造公差の結果として、従来のタービンブレードにおいて通常見られるいずれの間隙よりも、大きい。

更なる実施形態によれば、タービンブレード１０の内部１５は、圧力面１１の内部面１１１と負圧面１２の内部面１２１との間の距離全体に沿って延在するピンを欠いていてもよいが、しかしこれは必須ではない（すなわち、タービンブレード１０は、「最長」ピンを含まないように構成されてもよい）。しかしながら、タービンブレード１０が最長ピンを含むとき、バッフル１６は、バッフル１６が圧力及び負圧面１１及び１２のわたりの相当な長さに沿って延在し、それによって通路１７、一般的には空洞１８、及び具体的には後縁空洞１８０の全体的な形状及びサイズを画定するという点において、このような最長ピンとは区別されてもよい。

図３から図５を参照して、様々な実施形態が以下に記載される。図３に示されるように、間隙４０の全て又は一部は、平均反り線５０が圧力及び負圧面１１及び１２のそれぞれの形状によって協同的に画定されているタービンブレード１０の平均反り線５０に沿って、画定されてもよい。或いは、図３には示されていないものの、間隙４０の全て又は一部が平均反り線５０の片側に画定されてもよいことも、理解されるべきである。図４に示されるように、間隙４０の全て又は一部は、平均反り線５０の両側に、又はこれに沿って、画定されてもよい。これらの実施形態において、隣接する間隙４０の全て又は一部は、平均反り線５０の対向する両側に画定されてもよい。或いは、間隙４０の全て又は一部の分布は、平均反り線５０のそれぞれの側に無作為に画定されてもよい。図３及び図４に示されるように、間隙４０の全て又は一部は、平均反り線５０と平行に画定されてもよい。或いは、図５に示されるように、間隙４０の全て又は一部は、平均反り線５０に対して横方向又は非平行に配向されてもよい。

加えて、図３及び図４に示されるように、個別伸長架台２２０、３２０は、圧力及び負圧面１１及び１２のそれぞれの内部面１１１、１２１に、それぞれ結合されてもよい。個別伸長架台２２０、３２０は、個別伸長架台２２０が内部面１１１から延在して対応する間隙４０によって内部面１２１から分離しており、その一方で個別伸長架台３２０は内部面１２１から延在して対応する間隙４０によって内部面１１１から分離しているという点において、個別架台２２及び３２とは区別される。

いずれの場合も、図３から図５の実施形態は単独で、或いは互いに様々な組み合わせにおいて、提供されてよい。一般的に、個別架台２２及び３２並びに間隙４０のサイズ、形状、及び配向は、タービンブレード１０の様々な設計留意点に従って提供される。例えば、タービンブレード１０の固有振動数を調整するとき、ブレードの剛性を増加すること及び／又はブレードの質量を減少することによって、振動数を増加させることができる（振動数を減少させるためにはこの逆）。しかしながら、剛性の増加は通常は質量の追加を伴うので、これらの調整効果の競合する性質のため、調整は挑戦しがいのあるものとなるかも知れない。つまり、質量に著しい影響を及ぼさずに剛性が影響を受けることが可能な場合、後縁運動を伴うブレードの振動数は変更可能である。これは、本明細書に記載される実施形態に従って達成されることが可能である。個別架台２２及び３２の間に間隙４０を設けることによって（すなわち、個別架台２２及び３２を分離することによって）、タービンブレード１０の圧力側は負圧側から切り離されることが可能であり、剛性を減少させることが可能である。しかしながら、個別架台２２及び３２を保持して間隙４０を比較的小さくすることによって、タービンブレード１０の質量は無視できる程度にしか影響を受けない。

本発明の更なる態様によれば、個別架台２２及び３２並びに間隙４０のサイズ、形状、及び配向は、タービンブレード１０の様々な具体的設計留意点に従って提供されてよい。例えば、圧力面１１又は負圧面１２上の比較的高温の領域のより効果的な冷却は、高温領域に近接する更に長い個別架台２２の提供によって達成されてもよく、こうしてその領域のフィン有効性を強化する。

図６を参照して、タービンブレード１０を形成する方法が、以下に記載される。方法は、後縁空洞１８０を形成するために使用可能なセラミックコア６０を作成するステップを含む。図６に示されるように、セラミックコア６０は、少なくともわたりの半径方向外側部分Ｒ_OPSに、ピン形成陥凹６２及び間隙形成コア部分６３を有する長尺要素６１を含む。間隙形成コア部分６３は、個別架台２１及び３１が互いに分離するように、架台形成陥凹６２の間に設けられる。長尺要素６１は後縁孔形成部分６４を更に含み、これはタービンブレード内に後縁孔６４０を形成するために使用される長尺要素６１の片側に沿って、配列される（図２参照）。

一旦セラミックコア６０が作成されると、方法は、圧力及び負圧側が架台形成陥凹６２内に形成される上述の個別架台２２及び３２を含むようにする、長尺要素６１の両側にタービンブレード１０の圧力及び負圧側の鋳造ステップ（又はその他類似の製造方法又はプロセス）と、間隙形成コア部分６３と類似の寸法を有する間隙４０によって圧力側個別架台２２が負圧側個別架台３２から分離するように、タービンブレード１０の圧力及び負圧側を組み合わせるステップとを、更に含む。

上述の方法は鋳造部品に関連するものの、これは必須ではないこと、並びにその他のタイプの部品にその他の製造方法又はプロセスが採用されてもよいことは、理解されるべきである。例えば、組み立て又は作成された部品に個別架台２２及び３２が形成されてもよい。このような部品は、バケット、ブレード、ノズル、又はその他いずれのガスタービン部品として提供されてもよい。

本明細書に記載されるように、セラミックコア６０の製造プロセスは、従来のプロセスと比較して簡素化されるだろう。本明細書に記載される実施形態によれば、セラミックコア６０は、間隙４０が直接的に形成されて保存されるように、作成される。これにより、コア歩留まりが改善されるだろう。

本発明は限られた数の実施形態のみに従って詳細に記載されてきたが、本発明がこのように開示された実施形態に限定されるものではないことは容易に理解されるべきである。むしろ本発明は、これまで記載されていない、しかし本発明の精神及び範囲に見合っている、変形例、変更例、代替例、及び同等構成をいくつでも組み込むように、修正されることが可能である。加えて、本発明の様々な実施形態が記載されてきたが、本発明の態様が記載される実施形態のうちの一部のみを含んでもよいことが、理解されるべきである。従って、本発明は、上記説明によって限定されると見なされるべきではなく、添付請求項の範囲によってのみ限定される。

１０ タービンブレード
１１ 圧力面
１１１ 内部面
１２ 負圧面
１２１ 内部面
１３ 前縁
１４ 後縁
１５ 内部
１６ バッフル
１７ 通路
１８ 空洞
１８０ 後縁空洞
２０ 第一架台アレイ
２１ 架台（第一の複数の架台）
２２ 個別架台
２２０ 個別伸長架台
３０ 第二架台アレイ
３１ 架台（第二の複数の架台）
３２ 個別架台
３２０ 個別伸長架台
４０ 間隙
５０ 平均反り線

Claims (10)

1. タービンブレードにおいて、
   冷却剤がその中を通過可能な内部を画定するために接続された圧力及び負圧面と、
   第一及び第二架台アレイであって、その各々が、前記圧力及び負圧面のうちの１つのそれぞれの内部面の半径方向外側部分にそれぞれ結合された架台を含む、第一及び第二架台アレイと、
   を備え、
   前記第一架台アレイの架台は、前記第二架台アレイの架台から、それらの間にそれぞれ画定された間隙によって分離しており、
   前記間隙は、
   前記タービンブレードの反り線の片側に、又は、
   前記タービンブレードの反り線の両側に、若しくはこれに沿って、
   それぞれ画定された、
   タービンブレード。
2. 前記第一架台アレイの架台は、前記タービンブレードの全わたりに沿った前記圧力面の前記内部面の部分にそれぞれ結合されており、
   前記第二架台アレイの架台は、前記タービンブレードの全わたりに沿った前記負圧面の前記内部面の部分にそれぞれ結合されている、
   請求項１に記載のタービンブレード。
3. 前記間隙は、約０．０３インチ幅である、請求項１又は２に記載のタービンブレード。
4. 前記間隙は、前記タービンブレードの反り線の両側にそれぞれ画定され、
   
   隣り合う間隙は、前記反り線の対向する側にそれぞれ画定された、
   請求項１から３のいずれかに記載のタービンブレード。
5. 前記間隙は、前記タービンブレードの反り線の両側に、若しくはこれに沿ってそれぞれ画定され、
   前記反り線の各側にそれぞれ画定された間隔の分布が無作為である、
   請求項１から３のいずれかに記載のタービンブレード。
6. タービンブレードにおいて、
   冷却剤がその中を通過可能な内部を画定するために接続された圧力及び負圧面と、
   第一及び第二架台アレイと、
   を備え、
   前記第一及び第二架台アレイの各々は、
   前記圧力及び負圧面のうちの１つのそれぞれの内部面にそれぞれ結合された伸長架台と、
   前記圧力及び負圧面のうちの１つのそれぞれの内部面の半径方向外側部分にそれぞれ結合された架台と、
   を含み、
   前記第一架台アレイの架台は、前記第二架台アレイの架台から、それらの間にそれぞれ画定された間隙によって、分離しており、
   前記間隙は、
   前記タービンブレードの反り線の片側に、又は、
   前記タービンブレードの反り線の両側に、若しくはこれに沿って、
   それぞれ画定された、
   タービンブレード。
7. 前記第一架台アレイの架台は、前記タービンブレードの全わたりに沿った前記圧力面の前記内部面の部分にそれぞれ結合されており、
   前記第二架台アレイの架台は、前記タービンブレードの全わたりに沿った前記負圧面の前記内部面の部分にそれぞれ結合されている、
   請求項６に記載のタービンブレード。
8. 前記間隙は、前記タービンブレードの反り線の両側にそれぞれ画定され、
   隣り合う間隙は、前記反り線の対向する側にそれぞれ画定された、
   請求項７に記載のタービンブレード。
9. 前記間隙は、前記タービンブレードの反り線の両側に、若しくはこれに沿ってそれぞれ画定され、
   前記反り線の各側にそれぞれ画定された間隔の分布が無作為である、
   請求項７に記載のタービンブレード。
10. タービンブレードを形成する方法において、
    間隙形成コア部分によって架台形成陥凹から分離された架台形成陥凹を有する長尺要素を含む空洞形成セラミックコアを作成するステップと、
    圧力及び負圧側が前記架台形成陥凹内に形成された架台を含むように、前記長尺要素のいずれかの側に前記タービンブレードの前記圧力及び負圧側を形成するステップと、
    前記間隙形成コア部分と類似の寸法を有する間隙によって前記圧力側架台が前記負圧側架台から分離されるように、前記タービンブレードの前記圧力及び負圧側を組み合わせるステップと、
    を備え、
    前記間隙は、
    前記タービンブレードの反り線の片側に、又は、
    前記タービンブレードの反り線の両側に、若しくはこれに沿って、
    それぞれ画定された、
    方法。