JP6514509B2 - バイマテリアル適応性冷却通路を備えるタービンコンポーネント - Google Patents

Description

本出願およびその結果として生じる特許は、概して、ガスタービンエンジンに関し、より具体的には、異なる融点を有する２つ以上の材料で充填されるバイマテリアル（ｂｉ−ｍａｔｅｒｉａｌ）適応性冷却通路を備え、それによって少なくとも１つの材料が、それを通して補助的冷却フローを提供するために、所定の温度の上方で解放され得るようになっているガスタービンエンジンに関する。

一般的に説明すると、ガスタービンは、支持ローターディスクから外向きに延在するバケットを備える多数の段を含む。それぞれのバケットは、エーロフォイルを含み、エーロフォイルの上を高温燃焼ガスが流れる。エーロフォイルは、燃焼ガスによって作り出される高温に耐えるように冷却されなければならない。不十分な冷却は、エーロフォイルの上に過度の応力および酸化を結果として生じさせる可能性があり、疲労および／または損傷につながる可能性がある。したがって、エーロフォイルは、一般的に中空であり、多数の冷却孔などにつながる１つまたは複数の内部冷却フロー回路を備えている。冷却空気は、冷却孔を通して吐出され、エーロフォイルの外側表面に膜冷却を提供する。他のタイプの高温ガス流路コンポーネント、および、他のタイプのタービンコンポーネントは、同様の方式で冷却することが可能である。

所与のコンポーネントが現場で作動される前に、多くのモデルおよびシミュレーションを実施することが可能であるが、コンポーネントまたはその任意の領域が到達し得る正確な温度は、コンポーネント特有の高温および低温の場所に起因して、大きく変化する可能性がある。具体的には、コンポーネントは、過熱によって悪影響を及ぼされ得る温度依存性の特性を有する可能性がある。結果として、多くのタービンコンポーネントは、コンポーネントの上に発達し得る局所的な高温スポットを補償するために過剰冷却され得る。しかし、そのような過度の過剰冷却は、全体的なガスタービンエンジン出力および効率にマイナスの影響を与える可能性がある。

したがって、エーロフォイル、および、他のタイプの高温ガス流路タービンコンポーネントに関する改善設計への要求が存在している。そのような改善設計は、最小化された量の補助的冷却空気によって、局所的な高温スポットに対処することが可能である。また、そのような改善設計は、全体的なガスタービン効率および出力を妥協することなく、コンポーネント寿命時間の拡張を促進することが可能である。

米国特許出願公開第２０１３／０１０４５１７号公報

したがって、本出願およびその結果として生じる特許は、ガスタービンエンジンの高温ガス流路の中で使用するためのタービンコンポーネントを提供する。タービンコンポーネントは、外側表面と、内部冷却回路と、内部冷却回路に連通し、外側表面を通って延在する適応性冷却通路と、適応性冷却通路の中に位置付けされている、２つ以上の材料を有する冷却プラグとを含むことが可能である。冷却プラグは、局所的な所定の温度に到達すると、それを通して冷却媒体を供給するように解放することが可能である。

本出願およびその結果として生じる特許は、高温ガス流路の中で動作するタービンコンポーネントを冷却する方法をさらに提供する。方法は、タービンコンポーネントの外側表面の中に適応性冷却通路を位置付けするステップと、適応性冷却通路の中にマルチマテリアル（ｍｕｌｔｉ−ｍａｔｅｒｉａｌ）冷却プラグを位置付けするステップと、マルチマテリアル冷却プラグの外側材料が所定の温度に到達または超過した場合に、マルチマテリアル冷却プラグを解放するステップと、少なくとも外側表面の局所的な部分を冷却するために、適応性冷却通路を通して冷却媒体を流すステップとを含むことが可能である。

本出願およびその結果として生じる特許は、ガスタービンエンジンの高温ガス流路の中で使用するための高温ガス流路コンポーネントをさらに提供する。エーロフォイルコンポーネントは、外側表面と、内部冷却回路と、内部冷却回路に連通し、外側表面を通って延在する冷却通路と、内部冷却回路に連通し、外側表面を通って延在する適応性冷却通路と、適応性冷却通路の中に位置付けされているバイマテリアル冷却プラグとを含むことが可能である。バイマテリアル冷却プラグは、より低い温度の外側材料、および、より高い温度の内側材料を含むことが可能である。バイマテリアル冷却プラグは、局所的な所定の温度に到達すると、それを通して冷却媒体を供給するように解放することが可能である。

これらの特徴および他の特徴、ならびに、本出願およびその結果として生じる特許の改善は、いくつかの図面および添付の特許請求の範囲を併用して、以下の詳細な説明を精査して読むと、当業者に明らかになることとなる。

圧縮機、燃焼器、およびタービンを示すガスタービンエンジンの概略ダイアグラムである。 タービンバケットなどの公知のタービンコンポーネントの例の斜視図である。 本明細書で説明され得るようなタービンコンポーネントの一部分の斜視図である。 本明細書で説明され得るような適応性冷却通路の中にバイマテリアル冷却孔プラグを備えている図３のタービンコンポーネントの一部分の側断面図である。 図４のバイマテリアル冷却孔プラグの断面図である。 バイマテリアル冷却孔プラグのより高い温度の内側材料が解放された状態の、図３のタービンコンポーネントの一部分の側断面図である。 本明細書で説明され得るようなバイマテリアル冷却孔プラグの代替的な実施形態の側断面図である。 本明細書で説明され得るようなバイマテリアル冷却孔プラグの代替的な実施形態の側断面図である。

ここで図面を参照すると、図面において、同様の参照数字は、いくつかの図を通して、同様のエレメントを参照しており、図１は、本明細書で使用され得るようなガスタービンエンジン１０の概略図を示している。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含むことが可能である。圧縮機１５は、流入する空気２０のフローを圧縮する。圧縮機１５は、圧縮された空気２０のフローを燃焼器２５へ送達する。燃焼器２５は、圧縮された空気２０のフローを加圧された燃料３０のフローと混合し、混合物を点火し、燃焼ガス３５のフローを生成させる。単一の燃焼器２５だけが示されているが、ガスタービンエンジン１０は、任意の数の燃焼器２５を含むことが可能である。そして、燃焼ガス３５のフローは、タービン４０に送達される。燃焼ガス３５のフローは、機械的な仕事を作り出すようにタービン４０を駆動する。タービン４０の中で作り出された機械的な仕事は、シャフト４５を介して、圧縮機１５、および、発電機などの外部負荷５０を駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、液体燃料、様々なタイプの合成ガス、ならびに／または、他のタイプの燃料およびそのブレンドを使用することが可能である。ガスタービンエンジン１０は、Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ、ＮｅｗＹｏｒｋのＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙなどによって提供されるいくつかの異なるガスタービンエンジンのうちの任意の１つとすることが可能である。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成を有することが可能であり、他のタイプのコンポーネントを使用することが可能である。また、本明細書では、他のタイプのガスタービンエンジンを使用することも可能である。また、本明細書では、複数のガスタービンエンジン、他のタイプのタービン、および他のタイプの発電機器を一緒に使用することも可能である。

図２は、タービン４０などの高温ガス流路５６の中で使用され得るタービンバケット５５の例を示している。一般的に説明すると、タービンバケット５５は、エーロフォイル６０と、シャンク部分６５と、エーロフォイル６０とシャンク部分６５との間に配設されているプラットフォーム７０とを含むことが可能である。エーロフォイル６０は、一般的に、プラットフォーム７０から半径方向上向きに延在しており、前縁部７２および後縁部７４を含む。また、エーロフォイル６０は、正圧側面７６を画定する凹形表面と、負圧側面７８を画定する反対側の凸形表面とを含むことが可能である。プラットフォーム７０は、実質的に水平方向に平面的とすることが可能である。シャンク部分６５は、プラットフォーム７０から半径方向下向きに延在することが可能であり、プラットフォーム７０が、一般的に、エーロフォイル６０とシャンク部分６５との間のインターフェースを画定するようになっている。シャンク部分６５は、その中にシャンクキャビティー８０を含むことが可能である。また、シャンク部分６５は、１つまたは複数のエンジェルウィング８２、および、ダブテールなどのルート構造部８４を含むことが可能である。ルート構造部８４は、タービンバケット５５をシャフト４５に固定するように構成させることが可能である。任意の数のタービンバケット５５を、シャフト４５の周りに円周方向に配置させることが可能である。また、本明細書では、他のコンポーネントおよび他の構成を使用することも可能である。

タービンバケット５５は、１つまたは複数の冷却回路８６を含むことが可能であり、冷却回路８６は、圧縮機１５または別の供給源から、空気などの冷却媒体８８を流すために、タービンバケット５５を通って延在している。また、本明細書では、蒸気および他のタイプの冷却媒体８８を使用することも可能である。冷却回路８６および冷却媒体８８は、少なくとも、エーロフォイル６０、シャンク部分６５、およびプラットフォーム７０の一部分を通って、任意の順序、方向、またはルートで循環することが可能である。本明細書では、多くの異なるタイプの冷却回路および冷却媒体を、任意の配向で使用することが可能である。冷却回路８６は、エーロフォイル６０または他の場所の周りの膜冷却のために、多数の冷却孔９０または他のタイプの冷却通路につながることが可能である。他のタイプの冷却方法を使用することが可能である。また、本明細書では、他のコンポーネントおよび他の構成を使用することも可能である。

図３は、本明細書で説明され得るようなタービンコンポーネント１００の一部分の例を示している。この例では、タービンコンポーネント１００は、エーロフォイル１１０、および、より具体的には、その側壁部とすることが可能である。エーロフォイル１１０は、ブレードまたはベーンなどの一部とすることが可能である。また、タービンコンポーネント１００は、シャンク、プラットフォーム、または、任意のタイプの高温ガス流路コンポーネントを含む任意のタイプの空気冷却式のコンポーネントとすることが可能である。本明細書では、他のタイプのコンポーネントおよび他の構成を使用することが可能である。

上記に説明されているものと同様に、エーロフォイル１１０は、前縁部１２０および後縁部１３０を含むことが可能である。同様に、エーロフォイル１１０は、正圧側面１４０および負圧側面１５０を含むことが可能である。また、エーロフォイル１１０は、その中に１つまたは複数の内部冷却回路１６０を含むことが可能である。冷却回路１６０は、多数の冷却孔１７５などの多数の冷却通路１７０につながることが可能である。冷却孔１７５は、エーロフォイル１１０の外側表面１８０または他の場所を通って延在することが可能である。冷却回路１６０および冷却孔１７５は、エーロフォイル１１０およびそのコンポーネントを、その中の冷却媒体１９０で冷やす役割を果たす。本明細書では、空気、蒸気などの任意のタイプの冷却媒体１９０は、任意の供給源から使用することが可能である。冷却孔１７５は、任意のサイズ、形状、または構成を有することが可能である。本明細書では、任意の数の冷却孔１７５を使用することが可能である。本明細書では、他のタイプの冷却通路１７０を使用することが可能である。本明細書では、他のコンポーネントおよび他の構成を使用することが可能である。

また、図４に示されているように、エーロフォイル１１０は、多数の適応性冷却通路２００を含むことが可能である。この例では、適応性冷却通路２００は、多数の適応性冷却孔２１０の形態とすることが可能である。適応性冷却孔２１０が、冷却孔１７５と同様の様式で、外側表面１８０を通って延在することが可能である。また、適応性冷却孔２１０は、冷却回路１６０のうちの１つまたは複数に連通することが可能である。適応性冷却孔２１０は、バイマテリアル冷却プラグ２２０で充填することが可能である。図４および図５に示されているように、バイマテリアル冷却プラグ２２０は、異なる融点を有する２つ以上の材料を含み、冷却孔２１０を充填およびプラグすることが可能である。バイマテリアル冷却プラグ２２０は２つの異なる金属を使用することが可能であるが、本明細書では、任意の２つの異なる材料を使用することが可能である。そのうえ、本明細書では、２つ以上の材料は、それらのそれぞれの特性を維持し、すなわち、合金などは生成されない。むしろ、合金は、本明細書で使用される２つ以上の材料のうちの１つまたは複数とすることが可能である。

具体的には、バイマテリアル冷却プラグ２２０は、より低い温度の外側材料２３０、および、より高い温度の内側材料２４０を含むことが可能である。「より低い」および「より高い」の用語は、互いに対して相対的な意味で使用されている。本明細書では、任意の溶融温度または解放温度の材料を使用することが可能である。より低い温度の外側材料２３０は、低い温度のろう付け材料などとすることが可能である。例として、より低い温度の外側材料２３０は、ガラスと同様の様式で、軟化および溶融し、灰に変わり、もしくは、そうでなければ酸化し、および／または、所定の低い温度２５０で体積的に変化することが可能である。この例では、所定の低い温度は、華氏約９００〜約１９００度（摂氏約４８２〜約１０３８度）とすることが可能である。本明細書では、他の所定の温度を使用することが可能である。より低い温度の外側材料２３０の例は、ＡＭＳ４７６４、および、他のタイプの銅ベースのろう付け充填剤を含むことが可能である。そのような材料は、華氏約１６００〜約１７００度の（摂氏約８７１〜約９２７度）の固相線−液相線温度をおおよそ有することが可能である。本明細書では、他のタイプの材料を使用することが可能である。

より高い温度の内側材料２４０は、所定の高い温度２６０を含むことが可能である。この例では、所定の高い温度は、華氏約１９０１〜約２４００度（摂氏約１０３８〜約１３１６度）とすることが可能である。本明細書では、他の所定の高い温度２６０を使用することが可能である。より高い温度の内側材料２４０は、高い温度のろう付け材料などとすることが可能である。より高い温度の内側材料２４０の例は、ＡＭＳ４７７９、および、他のタイプのニッケル合金ベースのろう付け充填剤を含むことが可能である。そのような材料は、華氏約１８００〜約１９００度（摂氏約９８２〜約１０３８度）の固相線−液相線温度をおおよそ有することが可能である（メルトアウト（ｍｅｌｔ ｏｕｔ）は、これらの温度を超える可能性があるが）。本明細書では、他のタイプの材料を使用することが可能である。

使用時に、冷却孔１７０、２１０は、ドリルで孔を開けられるか、またはそうでなければ、タービンコンポーネント１００の中へ挿入され得る。タービンコンポーネント１００は、従来の遮熱コーティングなどでコーティングすることが可能である。適応性冷却孔２１０は、バイマテリアル冷却プラグ２２０で充填することが可能である。具体的には、バイマテリアル冷却プラグ２２０のより低い温度の外側材料２３０は、その中により高い温度の内側材料２４０を備えた状態で、冷却孔２１０に接合することが可能である。

タービンコンポーネント１００の任意の領域の表面温度が、例えば、高温スポットから、設計温度に到達または超過する場合には、バイマテリアル冷却プラグ２２０のより低い温度の外側材料２３０は、所定の低い温度２５０に到達または超過した時点で、溶融し、燃焼し、または、そうでなければ解放することが可能である。より低い温度の外側材料２３０の完全性が損なわれると、タービンコンポーネント１００の中の高い圧力が、残りのより高い温度の内側材料２４０を冷却孔２１０から押し出すことが可能である。したがって、バイマテリアル冷却プラグ２２０の除去は、適応性冷却孔２１０を開放し、そのような冷却フローを必要とする領域に冷却機構を提供する。図５は、バイマテリアル冷却プラグ２２０が解放されたときの適応性冷却孔２１０を示している。より低い温度の外側材料２３０の薄い層だけが残り得る。バイマテリアル冷却プラグ２２０が解放されたときには、冷却媒体１９０の補助的体積１９５が使用され、コンポーネント１００を冷却することが可能である。そのような冷却媒体１９０の補助的体積１９５は、破砕および酸化、または他の有害な高温効果などの、局所的な問題を緩和することが可能である。

したがって、バイマテリアル冷却プラグ２２０は、タービンコンポーネント１００の局所的な表面温度が、高温スポットが発生するなどの設計温度を超えるときに、追加の冷却を可能にする。同様に、バイマテリアル冷却プラグ２２０は、全体的な設計フェイルセーフとしての機能を果たすことが可能である。バイマテリアル冷却プラグ２２０は、予測モデルまたはシミュレーションに頼ることとは反対に、必要とされる場所に正確に追加の冷却を提供することが可能である。それどころか、この冷却戦略は、ガスタービンエンジン１０および特定のタービンコンポーネント１００の実際の動作条件に適合する。そのようなことを考えると、全体的なエンジン試験を低減させることが可能である。局所的な温度が、冷却空気が必要とされる点に到達するときのみ、バイマテリアル冷却プラグ２２０が開放され得るので、バイマテリアル冷却プラグ２２０は、受動的に適応性または「自己回復的な」熱的設計を提供する。予測される高温スポットが実際に高温である場合には、バイマテリアル冷却プラグ２２０は開放することが可能である。そうでない場合には、バイマテリアル冷却プラグ２２０は閉じたままであることが可能である。そのようなことを考えると、より低い冷却フローが、より低いコンポーネントリスクおよび／または故障を伴って、より高い燃焼温度において提供され得る。したがって、冷却フローの全体量を減少させることが可能である。そのうえ、そのような単一の材料プラグは、その中央にピンホールリークを形成しようとし、それを通る所望の量の冷却フローを防止するようになっているという点において、バイマテリアル冷却プラグ２２０は、単一の材料プラグに対して利益を有することが可能である。

図７は、本明細書で説明され得るようなバイマテリアル冷却プラグ２７０の代替的な実施形態を示している。この例では、より高い温度の内側材料２４０を取り囲むより低い温度の外側材料２３０の代わりに、それぞれの材料２３０、２４０は、代わりに、渦巻き状の構成２８０となるように巻かれている。より低い温度の外側材料２３０は、再び、冷却孔２１０に接合することが可能であり、所定の低い温度２５０に到達または超過すると、溶融するか、または、そうでなければ、消散もしくは解放することが可能である。また、より低い温度の外側材料２３０は、より高い温度の内側材料２４０の中に延在し、内部の高い圧力に関して、より高い温度の内側材料２４０の除去を促進するようになっている。本明細書では、他のコンポーネントおよび他の構成を使用することが可能である。

また、適応性冷却通路２００は、冷却媒体１９０の使用の最小化を可能にする。具体的には、適応性冷却通路２００は、タービンコンポーネント１００またはその領域が、所定の低い温度に到達するときだけ、冷却媒体１９０の補助的体積１９５のために開放され得る。そうであるので、適応性冷却通路２００は、設計時間の低減、および、現場での変化の減少につながることが可能である。また、タービンコンポーネント１００の全体的な寿命時間も増加するはずである。具体的には、コンポーネント１００が動作することが可能である期間の数を、増加させることが可能である。同様に、必要とされる適応性冷却通路２００だけが、冷却媒体１９０の補助的体積１９５のために開放され得るという点において、冷却媒体１９０の量を低減させることが可能である。そのうえ、過熱の心配がないものとして、新しい冷却戦略を用いることが可能である。

図８は、本明細書で説明され得るようなバイマテリアル冷却プラグ２９０の代替的な実施形態を示している。この例では、より高い温度の内側材料２４０を取り囲むより低い温度の外側材料２３０の代わりに、それぞれの材料２３０、２４０の位置を逆にすることが可能である。そのようなことを考えると、バイマテリアル冷却プラグ２９０は、より低い温度の内側材料３１０を取り囲む、より高い温度の外側材料３００を有することが可能である。より低い温度の内側材料３１０は、所定の低い温度２５０に到達または超過すると、溶融するか、または、そうでなければ、消散もしくは解放することが可能である。したがって、より低い温度の内側材料３１０の喪失は、局所的な温度および他のパラメーターに基づいて、可変の直径冷却孔を生成させることが可能である。本明細書では、冷却孔の直径は、変化することが可能である。したがって、バイマテリアル冷却プラグ２９０は、原位置での維持可能性（ｉｎ−ｓｉｔｕ ｔｅｎａｂｉｌｉｔｙ）の増加（すなわち、内側の低温溶融）を提供し、プラグの完全な除去（すなわち、外側の低温溶融）を提供する。本明細書では、他のコンポーネントおよび他の構成を使用することが可能である。

先述のものは、本出願およびその結果として生じる特許の特定の実施形態のみに関するということが明らかであるはずである。本明細書では、以下の特許請求の範囲およびその均等物によって規定されているような、本発明の全体的な趣旨および範囲から逸脱することなく、当業者によって、多数の変形および修正を行うことが可能である。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気
２５ 燃焼器
３０ 燃料
３５ 燃焼ガス
４０ タービン
４５ シャフト
５０ 負荷
５５ バケット
５６ 高温ガス流路
６０ エーロフォイル
６５ シャンク
７０ プラットフォーム
７２ 前縁部
７４ 後縁部
７６ 正圧側面
７８ 負圧側面
８０ シャンクキャビティー
８２ ウィング
８４ ルート構造部
８６ 冷却回路
８８ 冷却媒体
９０ 冷却孔
１００ タービンコンポーネント
１１０ エーロフォイル
１２０ 前縁部
１３０ 後縁部
１４０ 正圧側面
１５０ 負圧側面
１６０ 冷却回路
１７０ 冷却孔
１７５ 冷却通路
１８０ 外側表面
１９０ 冷却媒体
１９５ 補助的冷却体積
２００ 適応性冷却通路
２１０ 受動的な冷却孔
２２０ バイマテリアル冷却プラグ
２３０ より低い温度の内側材料
２４０ より高い温度の外側材料
２５０ 所定の低い温度
２６０ 所定の高い温度
２７０ バイマテリアル冷却プラグ
２８０ 渦巻き状の構成
２９０ バイマテリアル冷却プラグ
３００ より高い温度の外側材料
３１０ より低い温度の内側材料

Claims (6)

1. ガスタービンエンジンの高温ガス流路の中で使用するためのタービンコンポーネントであって、
   外側表面と、
   内部冷却回路と、
   前記内部冷却回路に連通し、前記外側表面を通って延在する適応性冷却通路と、
   前記適応性冷却通路の中に位置付けされている冷却プラグと
   を含み、
   前記冷却プラグは、第１及び第２の材料を含み、前記第１の材料が前記第２の材料よりも低い所定の溶融温度を有し、前記第１及び第２の材料が、渦巻き状の構成を有している、タービンコンポーネント。
2. 前記第１の材料が、前記第２の材料を取り囲む、請求項１に記載のタービンコンポーネント。
3. 前記タービンコンポーネントが、エーロフォイルを含む、請求項１または２に記載のタービンコンポーネント。
4. 前記適応性冷却通路が、前記エーロフォイルの外側表面に配置された複数の適応性冷却通路を含み、前記冷却プラグが、複数の冷却プラグを含み、
   前記内部冷却回路に連通し、前記外側表面を通って延在する、複数の冷却孔をさらに含む、請求項３に記載のタービンコンポーネント。
5. 高温ガス流路の中で動作するタービンコンポーネントを冷却する方法であって、
   前記タービンコンポーネントの外側表面と内部冷却回路を介して流体連通する適応性冷却通路を位置付けするステップと、
   前記適応性冷却通路の中にマルチマテリアル冷却プラグを位置付けするステップであって、前記マルチマテリアル冷却プラグは、第１及び第２の材料を含み、前記第１の材料が前記第２の材料よりも低い所定の溶融温度を有し、前記第１及び第２の材料が、渦巻き状の構成を有している、前記ステップと、
   前記マルチマテリアル冷却プラグの外側材料が所定の温度に到達または超過した場合に、前記マルチマテリアル冷却プラグを解放するステップと、
   前記外側表面の局所的な部分を冷却するために、前記適応性冷却通路を通して冷却媒体を流すステップと
   を含む、方法。
6. 前記第１の材料が、前記第２の材料を取り囲む、請求項５に記載の方法。