JP6979751B2 - タービン構成要素 - Google Patents

Description

本発明は、タービン構成要素に関する。詳細には、本発明は、内側シュラウド及び外側シュラウドを有するタービン構成要素に関する。

タービンエンジン及び発電システムのタービン構成要素の高温高圧動作によって効率改善及び新規な構成による運転が可能になる。このような高温高圧で動作可能な材料を選択することは困難である。このような材料は、桁違いに費用がかかり、生産が難しく、製作が難しい場合がある。さらに、このような種々の材料は、他の厄介な問題をもたらす冷却機構の変更を必要とする場合がある。

一般に、より少ない材料を用いて同じ又は良好な動作を得ることが望ましい。より少ない材料を用いると重量が低減し、製造費用が安くなり、材料コストが安くなり、さらに他のいくつかの利点をもたらす。しかしながら、より少ない材料を用いることは、複雑な幾何学的要件を引き起こす場合、及び／又は応力等の従前では発生しなかった望ましくない力をもたらす場合がある。さらに、異なる材料を用いてより少ない材料を用いる場合、冷却機構に対して複雑な及び／又は費用のかかる変更が必要となる場合があり、これは他の厄介な問題をもたらす場合がある。

従って、高温高圧に耐えること、より少ない量／重量で用いること、望ましくない力をもたらすことなく動作すること、複雑な及び／又は費用のかかる冷却機構を使用することなく動作条件で用いることができる材料を生産する継続的なニーズがある。

従来に比べて１つ又はそれ以上の改善点を示すタービン構成要素が望ましいであろう。

１つの実施形態において、タービン構成要素は、外側シュラウドと、外側シュラウドの第１の部分の上に広がる第１のフック領域及び外側シュラウドの第２の部分の上に広がる第２のフック領域を有する内側シュラウドとを備える。第１のフック領域及び第１の部分は第１のフック間隙を定め、第２のフック領域及び第２の部分は第２のフック間隙を定める。第１の半径方向間隙が、第１のフック間隙の反対側の第１のフック領域と、外側シュラウドとの間に広がり、第２の半径方向間隙が、第２のフック間隙の反対側の第２のフック領域と、外側シュラウドとの間に広がる。第１のフック間隙、第２のフック間隙、第１の半径方向間隙、及び第２の半径方向間隙は、熱負荷の下で内側シュラウドが外側シュラウドから偏位できるように構成及び配置される。

別の実施形態において、タービン構成要素は、外側シュラウドと、外側シュラウドの第１の部分の上に広がる第１のフック領域及び外側シュラウドの第２の部分の上に広がる第２のフック領域を有する内側シュラウドとを備える。内側シュラウドは、２００Ｗ／ｍ・ｋ未満で１０Ｗ／ｍ・ｋよりも大きい熱伝導率のセラミックスマトリックス複合材料繊維を含む。

別の実施形態において、タービン構成要素は、外側シュラウドと、外側シュラウドの第１の部分の上に広がる第１のフック領域及び外側シュラウドの第２の部分の上に広がる第２のフック領域を有する内側シュラウドとを備える。第１のフック領域及び第１の部分は第１のフック間隙を定め、第２のフック領域及び第２の部分は第２のフック間隙を定め、第１のフック間隙及び第２のフック間隙は、熱負荷の下で内側シュラウドが外側シュラウドから偏位できるように構成及び配置される。内側シュラウドは、２００Ｗ／ｍ・ｋ未満で１０Ｗ／ｍ・ｋよりも大きい熱伝導率のセラミックスマトリックス複合材料繊維を含む。

本発明の他の特徴及び利点は、例証として本発明の原理を示す添付図面を参照しながら、以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。

本開示による内側シュラウド及び外側シュラウドを有する構成要素の実施形態の斜視図。

可能な限り、同じ要素を示すために図面全体を通じて同じ参照符号が使用される。

タービン構成要素が提供される。本開示の実施形態は、例えば、本明細書で開示する特徴部の１つ又はそれ以上を含んでいないコンセプトに比べると、より簡単に補修又は交換ができ、高温高圧に耐えることができ、少ない量／重量で用いることができ、望ましくない力を生じることなく動作でき、複雑な及び／又は費用のかかる冷却機構を使用することなく動作条件で用いることができ、及び／又は漏れを少なくするために機械的に負荷をかけることができ、結果的にエンジン作動効率を高めるようになっている。

図１は、タービン構成要素１００の実施形態を示し、例えば、発電システム、タービンエンジン、又はその両方に使用することができる。タービン構成要素１００は、外側シュラウド１０１と、外側シュラウド１０１の第１の部分１０９に広がる第１のフック領域１０５及び外側シュラウド１０１の第２の部分１１１に広がる第２のフック領域１０７とを有する内側シュラウド１０３を有する。第１のフック領域１０５及び第１の部分１０９は、第１のフック間隙１１３を定め、第２のフック領域１０７及び第２の部分１１１は、第２のフック間隙１１５を定める。第１の半径方向間隙１１４は、第１のフック間隙１１３の反対側の第１のフック領域１０５と外側シュラウド１０１との間に延び、第２の半径方向間隙１１６は、第２のフック間隙１１５の反対側の第２のフック領域１０７と外側シュラウド１０１との間に延びる。

第１のフック間隙１１３、第２のフック間隙１１５、第１の半径方向間隙１１４、及び第２の半径方向間隙１１６は、熱負荷の下で内側シュラウド１０３が外側シュラウド１０１から偏位することができるように構成されて配置されている。

第１のフック間隙１１３、第２のフック間隙１１５、第１の半径方向間隙１１４、及び第２の半径方向間隙１１６は、タービン構成要素１００の運用時の応力を低減又はなくすように偏位可能な任意の幾何学的形状である。例えば、１つの実施形態において、適切な幾何学的形状は、内側シュラウド１０３の上に広がる立方形状の溝である。用語「フック」が用いられており、図１は、第１の湾曲部１０２、該第１の湾曲部１０２に隣接した第１の平面部１０４、該第１の平面部１０４に隣接した第２の湾曲部１０６、及び該第２の湾曲部１０６に隣接した第２の平面部１０８を示し、第２の平面部１０８は内側シュラウド及び高温ガス経路１１９に対して実質的に平行であるが、角度、アーチ形、カール形、曲線形、及び少なくとも３つの別の平面に広がる他の構成は、用語「フック」の範囲にあると見なされることを理解されたい。他の適切な幾何学的形状としては、限定されるものではないが、直方体、スロット、円筒の一部（例えば、半円筒）、平坦な又は略平坦な境界接続端部（ｂｏｒｄｅｒ ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｅｎｄｓ）を備えたアーチ形、又は偏位を可能にする任意の他の幾何学的形状を挙げることができる。

第１のフック領域１０５、第１の半径方向間隙１１４、及び第１の部分１０９は、後縁１２９に比べると前縁１２７に近接する。第２のフック領域１０７、第２の半径方向間隙１１６、及び第２の部分１１１は、前縁１２７に比べると後縁１２９に近接する。第１のフック領域１０５及び第２のフック領域１０７は、内側シュラウド１０３を外側シュラウド１０１に調整可能に固定する。１つの実施形態において、内側シュラウド１０３及び外側シュラウド１０１は、ボルト締めではなく、外側シュラウド１０１の第１の部分１０９に広がる第１のフック領域１０５及び外側シュラウド１０１の第２の部分１１１に広がる第２のフック領域１０７を利用して一緒に固定することができる。外側シュラウド１０１及び内側シュラウド１０３、並びに実施形態における複数の内側シュラウド１０３を備えた追加の内側シュラウドをさらにしっかり固定するために、任意の他の適切な力−付与機構を利用することができる。

１つの実施形態において、選択材料と併せて、外側シュラウド１０１及び内側シュラウド１０３の構成は、内側シュラウド１０３を外側シュラウド１０１から選択的に取り外すこと、補修すること、及び／又は交換することを可能にする。例えば、１つの実施形態において、内側シュラウド１０３及び外側シュラウド１０１は、タービン構成要素１００の適切な動作条件下では結合しない。本明細書で用いる場合、用語「結合（ｂｉｎｄ）」は、例えば、第２の平面部１０８の上での外側シュラウド１０１の局所的な降伏又は変形を呼ぶ。適切な動作条件は、限定されるものではないが、約１２００°Ｆから３２００°Ｆ以上（約６５０°Ｃから１７６０°Ｃ以上）である。

内側シュラウド１０３及び外側シュラウド１０１は、発電システム、タービンエンジン、又はタービン構成要素１００を利用する任意の他のシステムの動作条件で使用することができる任意の材料を含むことができる。１つの実施形態において、外側シュラウド１０１はニッケルベース合金、又はステンレス鋼等の金属又は金属材料を含む。１つの実施形態において、内側シュラウド１０３は、セラミックスマトリックス複合材料を含む。本明細書で用いる場合、用語「セラミックスマトリックス複合材料」は、限定されるものではないが、炭素繊維強化炭素（Ｃ／Ｃ）、炭素繊維強化炭化ケイ素（Ｃ／ＳｉＣ）、炭化ケイ素繊維強化炭化ケイ素（ＳｉＣ／ＳｉＣ）、及び炭化ケイ素繊維強化酸化物マトリックス複合材料を含む。１つの実施形態において、セラミックスマトリックス複合材料は、モノリシックセラミック構造に比べて、高い伸び率、破壊靱性、熱衝撃、動荷重性能、及び異方特性を有する。１つの適切なセラミックスマトリックス複合材料は、Ｓｉ−Ｃ繊維及びＳｉＣ−マトリックスを含み、例えば、セラミックスマトリックス複合材料のＳｉ−Ｃ繊維の体積濃度は、少なくとも約２０％、例えば、少なくとも約２３％、少なくとも約２８％、少なくとも約３０％、約２３％から約３２％の間、又は任意の適切な組み合わせ、部分的組み合わせ、範囲、又はその中の部分的範囲である。

内側シュラウド１０３の材料は、タービン構成要素１００に関する熱伝導率の選択範囲を可能にするように選択される。１つの実施形態において、内側シュラウド１０３及び／又は内側シュラウド１０３の材料の熱伝導率は、２００Ｗ／ｍ・ｋ未満、１５０Ｗ／ｍ・ｋ未満、１４０Ｗ／ｍ・ｋ未満、１３０Ｗ／ｍ・ｋ未満、又は任意の適切な組み合わせ、部分的組み合わせ、範囲、又はその中の部分的範囲である。追加的に又は代替的に、１つの実施形態において、内側シュラウド１０３及び／又は内側シュラウド１０３の材料の熱伝導率は、１０Ｗ／ｍ・ｋより大きく５０Ｗ／ｍ・ｋ未満、１００Ｗ／ｍ・ｋより大きく１１０Ｗ／ｍ・ｋ未満、又は任意の適切な組み合わせ、部分的組み合わせ、範囲、又はその中の部分的範囲である。１つの実施形態において、熱伝導率は１２０Ｗ／ｍ・ｋである。

内側シュラウド１０３及び／又は外側シュラウド１０１は、熱負荷の下で偏位に悪影響を与えない任意の他の適切な特徴部を含む。例えば、１つの実施形態において、外側シュラウド１０１は、流体（例えば、空気又は圧縮空気）が流れることが可能な内部空洞１１７を有する。内部空洞１１７は、例えば、タービン構成要素１００の円周面上のスプラインシール、並びに前縁１２７及び／又は後縁１２９上のコンプライアントシールによってシールすることができる。１つの実施形態において、内部空洞１１７は、例えば、動作圧力及び／又は外側シュラウド１０１に対する内側シュラウド１０３の遠位部の端から端までを横切る高温ガス経路１１９の圧力まで、又はその圧力以上に加圧される。１つの実施形態において、横方向間隙１２１は、内側シュラウド１０３と外側シュラウド１０１との間を第１のフック領域１０５から第２のフック領域１０７まで平行に、実質的に平行に、又は接線方向に延び、内側シュラウド１０３から外側シュラウド１０１への熱伝達を可能にする。別の実施形態において、インピンジメントプレート１２３は、内側シュラウド１０３と外側シュラウド１０１との間に配置される。インピンジメントプレート１２３は、内側シュラウド１０３と同一の、類似の、又はこれとは異なる材料を含み、熱を内部空洞１１７に伝達することで冷却機能をもたらす。

内側シュラウド１０３は、高温ガス経路１１９の内部の高温ガスに接触するように配置されることでもたらされる温度及び圧力等の動作パラメータに対応する任意の適切な特徴部を含む。例えば、１つの実施形態において、内側シュラウド１０３は、高温ガス経路１１９の高温ガスと接触するように配置された内側シュラウド１０３の一部又は全ての表面上に設けられた環境障壁コーティング１２５を含む。環境障壁コーティング１２５は、高温ガス経路１１９で動作可能な任意の適切なコーティングである。１つの実施形態において、翼端間隙に対応するために、高温ガス経路１１９の中の内側シュラウド１０３上には摩耗性摩擦コーティング（図示せず）が設けられている。環境障壁コーティング１２５及び／又は摩耗性摩擦コーティングの材料としては、限定されるものではないが、バリウムストロンチウムアルミナ珪酸塩、ムライト、イットリア安定化ジルコニア、イットリアモノシリケート及びジシリケート、イッテルビウムモノシリケート及びジシリケート、及びこれらを組み合わせたものを挙げることができる。

本発明は、１つ又はそれ以上の実施形態を参照して説明されているが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変形を行うこと及びその要素の均等物を提起できることを理解できるはずである。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように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に企図される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、また本発明は、添付の特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含することを意図している。

１００ タービン構成要素
１０１ 外側シュラウド
１０２ 第１の湾曲部
１０３ 内側シュラウド
１０４ 第１の平面部
１０５ 第１のフック領域
１０６ 第２の湾曲部
１０７ 第２のフック領域
１０８ 第２の平面部
１０９ 第１の部分
１１１ 第２の部分
１１３ 第１のフック間隙
１１４ 第１の半径方向間隙
１１５ 第２のフック間隙
１１６ 第２の半径方向間隙
１１７ 内部空洞
１１９ 高温ガス経路
１２１ 横方向間隙
１２３ インピンジメントプレート
１２５ 環境障壁コーティング
１２７ 前縁
１２９ 後縁

Claims (12)

1. タービンエンジンのタービン構成要素であって、
   内部空洞（１１７）を含む外側シュラウド（１０１）と、
   前記外側シュラウド（１０１）の第１の部分（１０９）に配置される第１のフック領域（１０５）及び前記外側シュラウド（１０１）の第２の部分（１１１）に配置される第２のフック領域（１０７）を有する内側シュラウド（１０３）と、
   前記内側シュラウドと前記外側シュラウドとの間に配置され、熱を前記内部空洞（１１７）に伝達するインピンジメントプレートと、
   を備えるタービン構成要素（１００）であって、
   前記第１の部分（１０９）が、前記外側シュラウド（１０１）の前縁（１２７）に配置され、
   前記第２の部分（１１１）が、前記外側シュラウド（１０１）の後縁（１２９）に配置され、
   前記内側シュラウド（１０３）と前記インピンジメントプレートとの間に横方向間隙（１２１）が形成され、
   前記横方向間隙（１２１）は、前記第１のフック領域（１０５）から前記第２のフック領域（１０７）まで延び、
   前記第１のフック領域（１０５）及び前記第１の部分（１０９）は第１のフック間隙（１１３）を定め、前記第２のフック領域（１０７）及び前記第２の部分（１１１）は第２のフック間隙（１１５）を定め、
   第１の半径方向間隙（１１４）が、前記第１のフック間隙（１１３）の反対側の前記第１のフック領域（１０５）と、前記外側シュラウド（１０１）との間に広がり、第２の半径方向間隙（１１６）が、前記第２のフック間隙（１１５）の反対側の前記第２のフック領域（１０７）と、前記外側シュラウド（１０１）との間に広がり、
   前記第１のフック間隙（１１３）、前記第２のフック間隙（１１５）、前記第１の半径方向間隙（１１４）、及び前記第２の半径方向間隙（１１６）は、熱負荷の下で前記内側シュラウド（１０３）が前記外側シュラウド（１０１）から偏位できるように構成及び配置され、
   前記内側シュラウド（１０３）が、前記タービンエンジンの高温ガス経路（１１９）の内部の高温ガスに接触するように配置され、
   前記第１のフック領域（１０５）は、第１の湾曲部（１０２）と、前記第１の湾曲部（１０２）に隣接した第１の平面部（１０４）と、前記第１の平面部（１０４）に隣接し、前記第１の湾曲部（１０２）よりも半径方向外側に配置された第２の湾曲部（１０６）と、前記第２の湾曲部（１０６）に隣接し、前記第１の平面部（１０４）よりも半径方向外側に配置された第２の平面部（１０８）とを備え、
   前記内部空洞（１１７）が、前記前縁（１２７）から前記後縁（１２９）に延びる軸方向において、前記外側シュラウド（１０１）の幅の三分の一よりも狭い幅を持ち、前記第２の平面部（１０８）よりも半径方向内側に半径方向に延びる部分を有し、
   前記内部空洞（１１７）が、前記前縁（１２７）にも前記後縁（１２９）にも流体出口を有していない、タービン構成要素。
2. 前記内側シュラウドは、セラミックスマトリックス複合材料を含む、請求項１に記載のタービン構成要素。
3. 前記セラミックスマトリックス複合材料は、Ｓｉ−Ｃ繊維及びＳｉＣ−マトリックスを含む、請求項２に記載のタービン構成要素。
4. 前記セラミックスマトリックス複合材料のＳｉ−Ｃ繊維の体積濃度は少なくとも２０％である、請求項３に記載のタービン構成要素。
5. 前記外側シュラウドは、金属又は金属材料を含む、請求項１乃至４のいずれかに記載のタービン構成要素。
6. 前記内側シュラウドの熱伝導率は、２００Ｗ／ｍ・ｋ未満である、請求項１乃至５のいずれかに記載のタービン構成要素。
7. 前記内側シュラウドの熱伝導率は、１０Ｗ／ｍ・ｋよりも大きい、請求項１乃至６のいずれかに記載のタービン構成要素。
8. 前記内側シュラウドの熱伝導率は、約１２０Ｗ／ｍ・ｋである、請求項１乃至７のいずれかに記載のタービン構成要素。
9. 前記インピンジメントプレートは、金属を含む、請求項１乃至８のいずれかに記載のタービン構成要素。
10. 前記内側シュラウドの少なくとも一部の面に設けられた環境障壁コーティングを備える、請求項１乃至９のいずれかに記載のタービン構成要素。
11. 前記環境障壁コーティングは、摩耗摩擦コーティングである、請求項１０に記載のタービン構成要素。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載のタービン構成要素を備える、発電システム。

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