JP6431839B2 - タービンブレード封止構造体 - Google Patents
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Description
本発明は、全体的にタービンに関する。より詳細には、本発明は、セラミックマトリックス複合材部品のシャンク上のエンジェルウィング及びスカートのタービンブレード封止構造体に関する。
タービンブレード封止構造体、例えば、エンジェルウィング及びスカートは、付属ハードウェアの寿命を大幅に低下させてしまう高温ガスに付属ハードウェアが暴露されないようにすることによって、付属ハードウェアの寿命を向上させる。現在、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）ファンブレードは、高温ガスの取り込みが起こらない十分低い温度で作動するので、スカート又はエンジェルウィングを必要としない。効率の向上が所望される場合、より重量が軽く、より応答性の良いブレードが要求されるので、ＣＭＣブレードがシステム内のより過酷な、より高温の環境で使用される。
よって、エンジェルウィング及びスカート設計、ならびにセラミックマトリックス複合材部品用のエンジェルウィング及びスカートを作製する方法が求められている。
本開示の一例示的な実施形態では、セラミックマトリックス複合材部品用のタービンブレード封止構造体を提供する。タービンブレード封止構造体は、シャンクの頂部に当接し、シャンクの頂部全体に延在する１以上の頂部プライを備える。タービンブレード封止構造体は、シャンクの側部に当接し、シャンクの側部に沿って延在する１以上の側部プライを備える。１以上の頂部プライ及び１以上の側部プライが、セラミックマトリックス複合材部品のシャンク上にエンジェルウィング及びスカートを共に形成する。
本発明の原理を実施例として説明する添付の図面と併せて考察すると、本発明の他の特徴及び利点が、好適な実施形態の以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。
可能な限り、図面全体を通して同じ符号は同じ部材を指示する。
セラミックマトリックス複合材部品用のタービンブレード封止構造体を提供する。タービンブレード封止構造体は、シャンクの頂部に当接する１以上の頂部プライを備える。１以上の頂部プライが、シャンクの頂部全体に延在する。タービンブレード封止構造体は、シャンクの側部に当接する１以上の側部プライを備える。１以上の側部プライが、シャンクの側部に沿って延在する。１以上の頂部プライ及び１以上の側部プライが、セラミックマトリックス複合材部品のシャンク上にエンジェルウィング及びスカートを共に形成する。一実施形態では、頂部プライが、エンジェルウィングを形成することができ、側部プライが、スカートを形成してもよい。一般的に、エンジェルウィングは、タービンロータブレードの軸方向のシールを提供し、そのシールはノズルシールと重なることによってシールを形成する。エンジェルウィングは、ガスタービンのホイール空間内の流路からの高温ガスの取り込みを防止する。スカートは、半径方向のシールを提供し、長手方向軸からある角度で全体的に半径方向内側に延在する。スカートは、ホイール空間の空洞からブレードのシャンクを封止するように全体に構成されている。
本開示の実施形態の１つの利点として、より高温に耐えるエンジェルウィング及びスカートを含むタービン封止構造体を提供することが挙げられる。実施形態の別の利点として、金属製のものに比べて軽量化されたエンジェルウィング及びスカートが挙げられる。本開示の実施形態のさらに別の利点として、金属合金を使用する場合には不可能であるような、容易にエンジェルウィング及びスカートを設計することが可能である点が挙げられる。
図１は、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）部品１００の概略斜視図である。ＣＭＣ部品１００は、シャンク１０６に隣接するプラットフォーム１０４に取り付けられている翼形部１０２を含んでいてもよい。 シャンク１０６は、例えば図２を参照すると、頂部２３０及び側部２４０を含む。ＣＭＣ部品１００用のタービンブレード封止構造体１２０は、エンジェルウィング１０８及びスカート１１０を含む。エンジェルウィング１０８及びスカート１１０設計を独立して、結合して、かつ互換的に使用することができる。ＣＭＣ部品１００及びタービンブレード封止構造体１２０は、炭化ケイ素繊維補強セラミックマトリックス複合材、炭素繊維補強セラミックマトリックス複合材、アルミナ又はアルミナ−ケイ酸塩繊維補強酸化マトリックス複合材から製造し得る。エンジェルウィング１０８及びスカート１１０用の繊維構造体は、一方向性補強薄板、製織繊維構造体、編組繊維構造体及びそれらの組合せから構成される積層物であってもよい。
一実施形態では、セラミックマトリックス複合材部品用のタービンブレード封止構造体を提供する。タービンブレード封止構造体は、シャンクの頂部に当接する１以上の頂部プライを備えていてもよい。１以上の頂部プライが、シャンクの頂部全体に延在することができる。タービンブレード封止構造体は、シャンクの側部に当接する１以上の側部プライを備えていてもよい。１以上の側部プライが、シャンクの側部に沿って延在することができる。１以上の頂部プライ及び１以上の側部プライが、セラミックマトリックス複合材部品のシャンク上にエンジェルウィング及びスカートを形成してもよい。例えば図２ａ〜図２ｄ、図３ａ〜図３ｄ、及び図４ａ〜図４ｄに示すように、タービンブレード封止構造体１２０は、シャンク１０６の頂部２３０に当接する１以上の頂部プライ２１０を備えていてもよい。１以上の頂部プライ２１０は、シャンク１０６の頂部２３０全体に延在することができる。タービンブレード封止構造体１２０は、シャンク１０６の側部２４０に当接する１以上の側部プライ２２０を備えていてもよい。１以上の側部プライ２２０が、シャンク１０６の側部２４０に沿って延在することができる。１以上の頂部プライ２１０及び１以上の側部プライ２２０が、セラミックマトリックス複合材部品１００のシャンク１０６上にエンジェルウィング１０８及びスカート１１０を形成してもよい。
一実施形態では、エンジェルウィング及びスカートを一緒に積層してシャンクに接着してもよい。例えば、図２ａ〜図２ｄに示すように、エンジェルウィング１０８及びスカート１１０を一緒に積層してシャンク１０６に接着してもよい。例えば、図２ａに示すように、複数の連続プライ２００をエンジェルウィング１０８及びスカート１１０の形成に使用し得る。例えば、図２ａに示すように、１以上の頂部プライ２１０及び１以上の側部プライ２２０は、連続プライ２００であってもよい。１以上の頂部プライ２１０及び１以上の側部プライ２２０は、協働して、シャンク１０６に対してエンジェルウィング１０８及びスカート１１０を形成する。図２ｂに示すように、１以上の頂部プライ２１０は、エンジェルウィング１０８を形成するために連続プライ２００及び終端プライ２０２を含んでいてもよい。スカート１１０を形成するための側部プライ２２０として、連続プライ２００又は終端プライ２０２を使用することができる。図２ｃに示すように、スペーサ２０４又は平坦な布製テープ、製織繊維構造体又はプレプレグを使用してエンジェルウィング１０８の一部分を形成してもよく、連続プライ２００を使用してスペーサ２０４の周りを包み込んでスカート１１０を形成してもよい。図２ｄに示すように、エンジェルウィング１０８を形成するために複数のプライからなる挿入パック２０６を使用してもよく、連続プライ２００を使用して挿入パック２０６の周りを包み込んでシャンク１０６に積層してもよい。連続プライ２００は、シャンク１０６の側部２４０及び頂部２３０に沿って延びて、挿入パック２０６の周りに一緒に織込まれる。エンジェルウィング１０８及びスカート１１０を形成するために、任意の数の連続プライ２００又は終端プライ２０２を使用することができる。
一実施形態では、エンジェルウィング及びスカートを形成するために、外装プライを使用することができる。例えば、図３ａ〜図３ｄに示すように、エンジェルウィング１０８及びスカート１１０を生成するために、外装プライ３００を使用することができる。頂部プライ２１０及び側部プライ２２０は、外装プライ３００を形成するものであってもよい。外装プライ３００は、シャンク１０６の頂部２３０及び側部２４０に隣接することができる。図３ａでは、第１の外装プライ３００をシャンク１０６の頂部２３０及び側部２４０に隣接して配置し、第２の外装プライ３００を第１の外装プライの上に配置して、ＣＭＣ部品１００のエンジェルウィング１０８及びスカート１１０を形成することができる。図３ｂでは、連続プライ２００としての頂部プライ２１０をシャンク１０６の頂部２３０上に配置してエンジェルウィング１０８の一部分を形成し、２つの連続プライ２００としての側部プライ２２０をシャンク１０６の側部２４０上に配置してスカート１１０及びエンジェルウィング１０８の残りの部分を形成してもよい。外装プライ３００を連続プライ２００に貼り合わせて、エンジェルウィング１０８及びスカート１１０の設計を完成することができる。スカート１１０に沿って追加の連続プライ２００を設けると、追加の補強を提供することができる。図３ｃに示すように、第１の連続プライ２００をシャンク１０６の頂部２３０上に配置して、エンジェルウィング１０８の一部分を形成してもよい。第２の連続プライ２００をシャンク１０６の側部２４０上に配置して、スカート１１０及びエンジェルウィング１０８の一部分を形成してもよい。２つの連続プライ２００を外装プライ３００で覆って、エンジェルウィング１０８及びスカート１１０の形成作業を仕上げてもよい。図３ｄに示すように、頂部プライ２１０としての第１の連続プライ２００を、シャンク１０６の頂部２３０に配置して、エンジェルウィング１０８の一部分を形成してもよい。頂部プライ２１０及び側部プライ２２０としての外装プライ３００を、連続プライ２００及びシャンク１０６の側部２４０に貼り合わせてもよい。第２の連続プライ２００を、エンジェルウィング１０８ではなく、外装プライ３００の上で、シャンク１０６の側部２４０に貼り合わせてスカート１１０を補強してもよい。
一実施形態では、プラットフォーム流路プライは、エンジェルウィングを形成するために、スカートプライと一緒に織込んでも或いは編込んでもよい。例えば、図４ａ〜図４ｄに示すように、プラットフォーム流路プライは、エンジェルウィング１０８を形成するためにスカートプライと一緒に織込んでも或いは編込んでもよい。頂部プライ２１０及び側部プライ２２０は、織込みプライ４００であってもよい。図４ａに示すように、頂部プライ２１０をシャンク１０６の頂部２３０に貼り合わせ、側部プライ２２０と一緒に織込んで織込みプライ４００を形成してもよい。織込みプライ４００を、シャンク１０６の頂部２３０及び側部２４０に貼り合わせて、スカート１１０及びエンジェルウィング１０８を形成してもよい。連続プライ２００としての第２の頂部プライ２１０を、シャンク１０６の頂部２３０上及びエンジェルウィング１０８上の織込みプライ４００としての第１の頂部プライ２１０に貼り合わせてもよい。図４ｂに示すように、織込みプライ４００は、エンジェルウィング１０８及びスカート１１０を形成するのに使用でき、追加の補強のために、追加の１以上の外側積層プライをスカート１１０に貼り合わせてもよい。図４ｃに示すように、頂部プライ２１０及び側部プライ２２０は、エンジェルウィング１０８を形成するために、マトリックス４０６によって取り囲まれる編込みプライ４０４であってもよい。図４ｄに示すように、エンジェルウィング１０８及びスカート１１０を形成するために、プライを一度織込んでマトリックス４０６で所定の位置に保持してもよい。
一実施形態では、エンジェルウィング及びスカートプライは、プライ配置の任意の組合せでシャンク１０６の平坦面又は側面に接着することができる。例えば、図５ａ〜図５ｄ及び図６ａ〜図６ｄに示すように、エンジェルウィング及びスカートプライは、図示のようにプライ配置の任意の組合せでシャンク１０６の平坦面又は側面に接着することができる。エンジェルウィング１０８及びスカート１１０組立体はそれ自体のダブテールを備えていてもよく、組立体は自己支持形となる。エンジェルウィング１０８及びスカート１１０組立体をシャンク１０６に接着するためにマトリックス４０６を使用してもよい。
一実施形態では、ピン及びステープルをエンジェルウィング及びスカート設計に組み込んでもよい。例えば、図７ａ〜図７ｃに示すように、ピンをエンジェルウィング１０８及びスカート１１０設計に組み込んでもよい。ピン７００は、小型ピンであってもよいし、或いは図７ｃに示すようにシャンク１０６の全長又は部分長に延在するピン７００であってもよい。 ピン７００は、図７ａに示すように、同一平面にあってもよいし、或いは図７ｂに示すように、シャンク１０６面の部分的な深さに押し込んでもよい。図８ａ〜図８ｃに示すように、ステープル８００をエンジェルウィング１０８及びスカート１１０設計に組み込んでもよい。ピン７００及びステープル８００は、金属、合金、炭素繊維又は炭素棒、セラミック、セラミック複合材又はそれらの組合せから作製できる。
一実施形態では、複数のエンジェルウィング１０８及びスカート１１０をディスク（図示せず）で保持する必要のある設計のＣＭＣ部品を製造することができる。例えば、図９ａ〜図９ｅに示すように、複数のエンジェルウィング１０８及びスカート１１０をディスク（図示せず）で保持する必要のある設計のＣＭＣ部品１００を製造することができる。既存の部品９００の既存のエンジェルウィング１０８の下方のシャンク１０６の側部に、追加のエンジェルウィング１０８及びスカート１１０を貼り合わせることができる。
一実施形態では、複数のエンジェルウィング及びスカートを必要とするが、それらをディスク（図示せず）で保持しなくてもよい設計のＣＭＣ部品を、シャンクの側部に複数のエンジェルウィング及びスカートを貼り合わせることによって製造することができる。例えば、図１０ａ〜図１０ｂに示すように、複数のエンジェルウィング及びスカートを必要とするが、それらをディスク（図示せず）で保持しなくてもよい設計のＣＭＣ部品１００を、シャンク１０６の側部に複数のエンジェルウィング１０８及びスカートを貼り合わせることによって製造することができる。
一実施形態では、スカートをシャンクに積層してもよく、Ｌ字形又はＣ字形ブラケットをシャンクに積層することによってスカートを形成してもよい。図１１ａは、本開示のＣＭＣ部品１００を示す図１の切断横断面図である。例えば、図１１ａに示すように、スカート１１０をシャンク１０６に積層してもよい。例えば、図１２ａ〜図１２ｄ及び図１３ａ〜図１３ｄに示すように、Ｌ字形又はＣ字形ブラケットをシャンク１０６に積層することによってスカートを形成してもよい。図１２ａ〜図１２ｄは、スカートを貼り合わせるために使用し得るＬ字形スカート１１０及び複数の異なる配向を示す。図１３ａ〜図１３ｄは、スカート１１０を貼り合わせるために使用し得るＣ字形スカート１１０及び複数の異なる配向を示す。
一実施形態では、スカートは、シャンクプライを延長してスカートの形状に曲げたものを用いて形成することができる。例えば、図１４ａ〜図１４ｄに示すように、スカート１１０は、シャンク１０６のプライを延長してスカート１１０の形状に曲げたものを用いて形成することができる。
一実施形態では、上述の方法の組合せを使用して、スカートを形成することができる。例えば、図１５ａ〜図１５ｂに示すように、上述の方法の組合せを使用して、スカート１１０を形成することができる。
一実施形態では、エンジェルウィング及びスカートは、シャンクの後方面に設けなくてもよい。例えば、ＣＭＣ部品１００の側面図である図１６ａに示すように、エンジェルウィング１０８及びスカート１１０は、シャンク１０６の面１６００に設けなくてもよい。
一実施形態では、エンジェルウィング及びスカートは、前方及び後方リテーナのようなロータ組立体ハードウェアに組み込んでもよい。例えば、図１７ａ〜図１７ｄに示すように、エンジェルウィング１０８及びスカート１１０を前方及び後方リテーナなどのロータ組立体ハードウェアに組み込んでもよい。参考のため、ディスク１７０２も図示してある。さらに、図１７ｂに示すように、遮熱コーティング（ＴＢＣ）又は耐環境コーティング（ＥＢＣ）のようなコーティング１７００を、エンジェルウィング１０８及び高温ガスに暴露される部分に施工してもよい。
一実施形態では、エンジェルウィング及びスカートは、シャンクの支持には使用されないダブテールを使用して、ディスクで保持することができる。例えば、図１８に示すように、シャンクの支持には使用されず、シャンクに取り付けられてもいないダブテール１８００を使用して、エンジェルウィング１０８及びスカート１１０をディスク１７０２で保持することができる。一実施形態では、エンジェルウィング１０８及びスカート１１０は、シャンクと摩擦接触することもある。この実施形態では、エンジェルウィング１０８及びスカート１１０は、ＣＭＣ部品１００から別々に作製される。
一実施形態では、セラミックマトリックス複合材部品用のエンジェルウィングを形成する方法を提供する。本方法は、部品のシャンクを用意するステップを含んでいてもよい。本方法は、シャンクから翼形部に移行するシャンクの上面、又はシャンク翼形部移行点に、１以上の複合材層を貼り合わせるステップを含んでいてもよい。本方法は、シャンクの側部（前側又は後側）に１以上の複合材層を貼り合わせるステップを含んでいてもよい。複合材層は、部品のシャンク上にエンジェルウィングを形成することができる。
一実施形態では、セラミックマトリックス複合材用のスカートを形成する方法を提供する。本方法は、部品のシャンクを用意するステップを含んでいてもよい。本方法は、シャンクの前方側又は後方側に１以上の複合材層を貼り合わせるステップを含んでいてもよい。複合材層は、部品のシャンク上にスカートを形成することができる。
本発明を好適な実施形態を参照して説明したが、本発明の範囲から逸脱せずに、様々な変形形態が作製可能であり、均等物が本発明の要素の代わりになり得ることを当業者は理解するであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱せずに、本発明の教示に特定の状況又は材料を適合させる多くの修正形態が作製可能である。したがって、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示される特定の実施形態に限定されず、本発明は、添付の特許請求の範囲内にあるすべての実施形態を含むと意図するものである。
１００ セラミックマトリックス複合材部品
１０２ 翼形部
１０４ プラットフォーム
１０６ シャンク
１０８ エンジェルウィング
１１０ スカート
１２０ タービンブレード封止構造体
２００ 連続プライ
２０２ 終端プライ
２０４ スペーサ
２０６ 挿入パック
２１０ 頂部プライ
２２０ 側部プライ
２３０ 頂部
２４０ 側部
３００ 外装プライ
４００ 織込みプライ
４０４ 編込みプライ
４０６ マトリックス
７００ ピン
８００ ステープル
９００ 既存の部品
１６００ シャンク１０６の面
１７０２ ディスク
１８００ ダブテール
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Claims (17)
- セラミックマトリックス複合材部品（１００）用のタービンブレード封止構造体（１２０）であって、
シャンク（１０６）の頂部（２３０）に当接し、前記シャンク（１０６）の頂部（２３０）全体に延在する１以上の頂部プライ（２１０）と、
前記シャンク（１０６）の側部（２４０）に当接し、前記シャンク（１０６）の側部（２４０）に沿って延在する１以上の側部プライ（２２０）と、
積層物と
を備え、
前記１以上の頂部プライ（２１０）及び前記１以上の側部プライ（２２０）が、前記セラミックマトリックス複合材部品（１００）のシャンク（１０６）上にエンジェルウィング（１０８）を形成し、前記１以上の側部プライ（２２０）及び前記積層物が、前記シャンク（１０６）上にスカート（１１０）を形成し、該積層物が前記エンジェルウィングには配設されていない、タービンブレード封止構造体（１２０）。
- 前記１以上の頂部プライ（２１０）が、連続プライ（２００）である、請求項１に記載のタービンブレード封止構造体（１２０）。
- 前記１以上の頂部プライ（２１０）が、終端プライ（２０２）である、請求項１に記載のタービンブレード封止構造体（１２０）。
- 前記１以上の頂部プライ（２１０）が、織込まれている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のタービンブレード封止構造体（１２０）。
- 前記１以上の頂部プライ（２１０）が、編込まれている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のタービンブレード封止構造体（１２０）。
- 前記１以上の頂部プライ（２１０）を取り囲むマトリックス（４０６）を更に備える、請求項５に記載のタービンブレード封止構造体（１２０）。
- 前記１以上の頂部プライ（２１０）が、炭化ケイ素繊維補強セラミックマトリックス複合材、炭素繊維補強セラミックマトリックス複合材、アルミナ又はアルミナ−ケイ酸塩繊維補強酸化マトリックス複合材、又はそれらの組合せからなる群から選択される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のタービンブレード封止構造体（１２０）。
- 前記１以上の側部プライ（２２０）が、連続プライ（２００）である、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のタービンブレード封止構造体（１２０）。
- 前記１以上の頂部プライ（２１０）及び前記１以上の側部プライ（２２０）が、外装プライ（３００）である、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のタービンブレード封止構造体（１２０）。
- 前記１以上の側部プライ（２２０）が、終端プライ（２０２）である、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のタービンブレード封止構造体（１２０）。
- 前記１以上の側部プライ（２２０）が、織込まれている、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のタービンブレード封止構造体（１２０）。
- 前記１以上の側部プライ（２２０）が、編込まれている、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のタービンブレード封止構造体（１２０）。
- 前記１以上の側部プライ（２２０）を取り囲むマトリックス（４０６）を更に備える、請求項１２に記載のタービンブレード封止構造体（１２０）。
- 前記１以上の側部プライ（２２０）が、炭化ケイ素繊維補強セラミックマトリックス複合材、炭素繊維補強セラミックマトリックス複合材、アルミナ又はアルミナ−ケイ酸塩繊維補強酸化マトリックス複合材、又はそれらの組合せからなる群から選択される、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のタービンブレード封止構造体（１２０）。
- 前記１以上の頂部プライ（２１０）と前記１以上の側部プライ（２２０）との間にスペーサ（２０４）を更に備える、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載のタービンブレード封止構造体（１２０）。
- 前記１以上の頂部プライ（２１０）と前記１以上の側部プライ（２２０）との間に複数のプライからなる挿入パック（２０６）を更に備える、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載のタービンブレード封止構造体（１２０）。
- ピン（７００）又はステープル（８００）を更に備える、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のタービンブレード封止構造体（１２０）。
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