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JP2008101601A - Cmcベーンインシュレータ及びベーン組立体 - Google Patents

Cmcベーンインシュレータ及びベーン組立体 Download PDF

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Abstract

【課題】CMC(セラミックマトリクス複合材)製ベーンの耐久性向上をはかる。
【解決手段】タービンロータ組立体用のベーン組立体は、ベーン支持体と、基部及び突出部を含み、基部が上面88及び底面90を有し、突出部が基部から延びて突出部の外面94を実質的に囲むように定められ位置付けられた少なくとも1つのチャネル102を有するインシュレータ84と、ベーンとを備え、突出部の正圧側面98から突出部の負圧側面96への高温ガス流を促進させるために突出部がベーンとノズル支持ストラットとの間にあるように、インシュレータがベーン支持体に結合される。
【選択図】図5

Description

本発明は、総括的にセラミックマトリクス複合材(CMC)ベーンの使用に関し、より詳細には、CMCベーンインシュレータ及びその使用方法に関する。
ギャップ又は継ぎ目によって、ガス又は蒸気タービンのガス流路から高温ガスが非冷却又は非保護ベーン構成要素内に漏出可能になる場合がある。かかるギャップを通るガス流の低減を可能にするために、少なくとも幾つかの公知のタービンは、これらのギャップをパージ空気とも呼ばれる圧縮機空気で加圧して、ベーンから高温ガス流路への積極的な流出を生じさせる。しかしながら、ベーンと金属支持構造との間の接合面にパージ空気を配向すると、望ましくないことに、ベーン上に大きな応力を発生させることがあり、これは長期にわたるとCMCベーンの耐用年数を短縮する可能性がある。
少なくとも幾つかのガス又は蒸気タービンは、金属タイプの材料よりも高い温度性能を有するセラミック材料を用いる。かかる非金属低熱膨張材料の1つの特定の種類は、セラミックマトリクス複合材(CMC)材料であり、これは、金属よりも耐熱温度が有意に高く、また必要な冷却要件を低くすることができ、言い換えれば、エンジン性能及び出力を増大させることができることになる。
米国特許第7,198,458号公報 米国特許第7,153,096号公報 米国特許第7,123,031号公報 米国特許第6,702,550号公報 米国特許第6,514,046号公報 米国特許第4,907,946号公報 米国特許出願公開第2007/0065285 A1号公報 米国特許出願公開第2006/0226290 A1号公報
しかしながら、CMC材料と支持金属構造との間の熱膨張係数には大きな差があるので、CMC材料にかなりの熱応力が生じる可能性があり、これは、CMC材料から作製されるベーンの寿命及び機能性に悪影響を与える恐れがある。
一態様において、タービンロータ組立体用のベーン組立体が提供される。ベーン組立体は、ベーン支持体と、基部及び突出部を有するインシュレータとを含み、該基部が上面及び底面を有し、突出部は、基部から延び、且つ突出部の外面を実質的に囲むように定められ位置付けられた少なくとも1つのチャネルを含む。組立体はまたベーンを含み、インシュレータは、突出部の正圧側面から突出部の負圧側面への高温ガス流を促進するために突出部がベーンとノズル支持ストラットとの間にあるようにベーン支持体に結合される。
別の態様において、ベーン組立体と共に使用するためのインシュレータが提供される。インシュレータは、上面及び底面を含む基部と、上面から延びる突出部とを含み、突出部は、突出部を実質的に囲む外面と、外面内に定められる少なくとも1つのチャネルとを含む。インシュレータはまた、外面に定められる少なくとも1つのリブを含む。少なくとも1つのリブは、少なくとも1つのチャネルのペアの間に位置付けられ、これによって高温ガスがベーン組立体の高圧側面からベーン組立体の低圧側面に配向されるのが促進される。
またここでは、ガス又は蒸気タービンを組み立てるための方法が開示される。この方法は、インシュレータを準備する段階と、インシュレータが高温ガスのベーン内への移動を防止するのを促進するように、及び運転中、高温ガスがベーンの高圧側面からベーンの低圧側面に配向されるようにベーン支持体とベーンとの間にインシュレータを位置付ける段階とを含む。
図1は、例示的なガス又は蒸気タービン10の一部の概略断面図であり、インパルスロータ組立体12、及びバケット16をロータ組立体12に連結するのに用いられる複数の軸方向に間隔を置いたホイール14を含む。ロータ組立体12はまた、ドラムロータ組立体とすることができる点を理解されたい。一連のノズル18が、バケット16の隣接する列の間で列状に延びている。ノズル18は、バケット16と協働して段を形成し、タービン10を通って延びる、矢印15で示されたガス又は蒸気流路又は高温ガス流路の一部を定める。本明細書に記載される例示的な実施形態は、蒸気タービン又はガスタービンの関連において実施することができる点を理解されたい。従って、本明細書で記載される高温ガスは、蒸気タービンでは蒸気であり、ガスタービンでは高温ガス流である。
動作中、タービンのタイプに応じて、高圧高温ガス又は蒸気がタービン10の入口端部(図示せず)に入り、ロータ12の軸に平行なタービン10を通って移動する。高温ガス又は蒸気は、ノズル18の列に衝突し、バケット16に対して配向される。次に、高温ガス又は蒸気は、残りの段を通過して、バケット16及びロータ12を回転させる。
図2は、蒸気タービン10(図1に図示)と共に用いることができる例示的なタービンノズル組立体50の分解斜視図である。ノズル50は、セラミックマトリクス複合材料(CMC)から作製されたベーン52を含み、該ベーンは、外面55を有する半径方向外側バンド54と外面57を有する半径方向内側バンド56との間に延びる。各ベーン52は、負圧側壁58及び正圧側壁59を含む。負圧側壁58は、凸面状であり、ベーン52の負圧側面を定め、正圧側壁59は凹面状であり、ベーン52の正圧側面を定める。側壁58及び59は、ベーン52の前縁60と、軸方向に間隔を置いて配置された後縁62とで接合される。
負圧及び正圧側壁58及び59はそれぞれ、半径方向内側バンド56と半径方向外側バンド54との間のスパンで長手方向に延びる。ベーン根元64は、内側バンド56に隣接しているように定められ、ベーン先端部66は、外側バンド54に隣接しているように定められる。加えて、負圧及び正圧側壁58及び59はそれぞれ、ベーン52内に冷却キャビティ67を定める。
外側バンド54及び内側バンド56は各々、それぞれ貫通して延びる開口72及び76を含む。更に、外側バンド54は外側皿穴部分74を含み、内側バンド56は内側皿穴部分78を含む。外側皿穴部分74は、ベーン先端部66が皿穴部分74内に嵌合するようにベーン先端部66の外周に一致する大きさ及び形状にされる。同様に、内側皿穴部分78は、ベーン根元64が内側皿穴部分78内に嵌合するようにベーン根元64の外周に一致する大きさ及び形状にされる。タービンノズル50は、CMCベーン52を通って延びるノズル支持ストラット68を含む。ノズル支持ストラット68の半径方向内側端部80は、ベーン根元64から外側に延び、ノズル支持ストラット68の半径方向外側端部82は、ベーン先端部66から外側に延びる。
図3は、組み立てられた状態のタービンノズル50の正面概略図を示す。CMCベーン52は、外側バンド54と内側バンド56との間に位置付けされ、且つこれらに結合される。具体的には、CMCベーン52は、外側端部82を開口72内に挿入し、CMCベーン先端部66を外側皿穴部分74内に挿入することによって外側バンド54に結合される。同様に、CMCベーン52は、内側端部80を開口76内に挿入し、CMCベーン根元64を内側皿穴部分78内に挿入することによって内側バンド56に結合される。
図4は、領域Aに沿ったCMCベーン52と内側バンド56との間に生成される接合面を詳述する拡大概略図である。CMCベーン52と内側バンド56との間の接合面のみを図示し説明しているが、CMCベーン52と外側バンド54との間の接合面は実質的に同一である点を理解されたい。従って、以下の説明はまた、CMCベーン52と外側バンド54との間の接合面にも当てはまる。高温ガス流路15からCMCベーン52に向かって流れる加圧高温ガス110は点線で示され、一方、パージ空気112は実線で示される。
図5は、CMCベーン52と内側バンド56との間に嵌合する例示的なインシュレータ84を示す斜視図である。インシュレータ84は、ラビリンスシールに類似する。更に、インシュレータ84は、ある材料から加工され、基部86、部材92、及び基部86と部材92とを通って延びる開口93を含む。例示的な実施形態において、インシュレータ84は、剛直で、非コンプライアントな酸化物分散強化型(ODS)合金であるPM2000材料から作製され、これは高温ガス110をCMCベーン52の周りに配向するのを促進し、高温ガス110の高温に耐えることができる。PM2000材料は、その温度特性が少量の冷却パージ空気しか必要としないようなものであるので、例示的な実施形態において用いられる。例示的な実施形態ではPM2000材料を用いているが、他の実施形態では、限定ではないがCMCなど、インシュレータ84が本明細書に記載するように機能することができるあらゆる材料を用いることができる点を理解されたい。基部86は、上面88及び底面90を含み、ノズル支持ストラット68とベーン支持接触面85との間に嵌合するような大きさにされる。部材92は、負圧側面96及び正圧側面98を有する外面94を含む。正圧側面98は正圧側壁59に対向し、負圧側面96は負圧側壁58に対向する。加えて、部材92はまた、開口93によって定められる内面100を含む。例示的な実施形態において、部材92は上面88から離れて延び、内面100は、部材92がCMCベーン52とノズル支持ストラット68との間に挿入可能になるようにノズル支持ストラット68を実質的に囲む。
例示的な実施形態において、外面94は、複数の実質的に平行な内蔵チャネル102と、複数の実質的に平行なリブ104とを含み、各チャネル102は、方形波プロファイルが定められるように対応する隣接リブ104のペアの間に位置付けられる。例示的な実施形態では実質的に平行なチャネル102を用いているが、他の実施形態では、限定ではないが、平行でないチャネル102など、インシュレータ84が本明細書で記載するように機能することができるチャネル102に対するあらゆる方向を用いることができる点を理解されたい。例示的な実施形態において、チャネル102及びリブ104は、実質的に矩形の断面積を有する。動作条件によっては、単一チャネル102が適正である場合がある。しかしながら、CMCベーン52への移動を促進する高温ガス流110が増大した動作条件中では、増大した高温ガス110流に対応するために追加のチャネル102が用いられる。チャネル102は、ベーン52の周囲で最少抵抗の流路を提供することによって、高温ガス110の半径方向流に対して効果的に抵抗するように設計される。
図6は、インシュレータ84の背面図であり、負圧側面96の一部を示す。例示的な実施形態において、負圧側面96は、基部86から上面88に延び且つチャネル102と流体連通する複数の通気チャネル106を含む。例示的な実施形態において、通気チャネル106は、実質的に矩形の断面積を有し、ほぼ直角にチャネル102と交差する。しかしながら、通気チャネル106は、該通気チャネル106が本明細書に記載するように機能することができるあらゆる断面積を有することができ、及び/又はあらゆる角度でチャネル102と交差することができる点を理解されたい。
基部86は、例示的な実施形態において楕円形を有するが、他の実施形態においては、基部86は非楕円形であってもよい点を理解されたい。部材92は、基部86から離れてある角度で延びることができ、チャネル102及びリブ104は、チャネル102及び通気チャネル106が本明細書に記載するように機能することができるあらゆる断面積を有することができる点も認識されたい。更に、リブ104は、CMCベーン52と共に低減された接触面積を定め、これによってCMCベーン52と内側バンド56との間の熱伝達の低減が可能になる点を理解されたい。
図7は、インシュレータ84を含む、CMCベーン52と内側バンド56との間の接合面の詳細の拡大概略図である。例示的な実施形態において、インシュレータ84は、内側バンド56とCMCベーン52との間に配置される。より具体的には、例示的な実施形態において、基部86は、上面88が内側バンド表面103と実質的に同一平面であるように内側皿穴部分78に位置付けられる。底面90は、内側バンド底面114に接して位置付けられ、例示的な実施形態においては、実質的に矩形形状のチャネル116を含む。チャネル116内に位置付けられたガスケット118は、底面90が内側バンド底面114に接して密封されるように内側バンド底面114に接触する。ガスケット118は、高温ガス110のCMCベーン52内への移動を防止するのを可能にする。しかしながら、高温ガス110はまた、CMCベーン52の底面120と上面88との間に定められる接合面を介して正圧側面98内に移動することができる。この接合面に沿った高温ガス110は、CMCベーン52と正圧側面98との間で正圧側面チャネル102内に移動することができる。高温ガス110は高圧下にあるので、正圧側面98からチャネル102を通って負圧側面96に向けて自然に流れる。更に、高温ガス110は、ラビリンスシール内とは違って、CMCベーン52の周囲をチャネル102を通って二方向で負圧側面96に流れることができる。高温ガス110は、負圧側面96上のチャネル102から通気チャネル106を通って抜けて、高温ガス流路15に入る。
高温ガス110をCMCベーン52の高圧側面98から負圧側面96に配向し、且つインシュレータ84にPM2000材料を用いることによって、例示的な実施形態は、パージ空気を最小限から全く用いることなくベーン52内への高温ガス110の漏出を制御することができる。更に、例示的な実施形態は、CMCベーン52内の温度勾配を低減し、内側バンド56を高温ガス110の直接衝突から保護することができる。
図8は、CMCベーン52と内側バンド56との間に位置付けられるような大きさにされたインシュレータ184の代替の実施形態の斜視図である。例示的な実施形態において、インシュレータ184は、ラビリンスシールに類似している。更に、例示的な実施形態において、インシュレータ184は、PM2000材料から作製され、上面188及び底面190を有する基部186を含む。例示的な実施形態において、インシュレータ184は、剛直で、非コンプライアントな酸化物分散強化型(ODS)合金であるPM2000材料から作製され、これは高温ガス110をCMCベーン52の周りに配向するのを促進し、高温ガス110の高温に耐えることができる。PM2000材料は、その温度特性が少量の冷却パージ空気しか必要としないようなものであるので、例示的な実施形態において用いられる。代替の実施形態ではPM2000材料を用いているが、他の実施形態では、限定ではないがCMCなど、インシュレータ184が本明細書に記載するように機能することができるあらゆる材料を用いることができる点を理解されたい。上面188は、CMCベーン先端部66又はCMCベーン根元64のいずれかを実質的に囲むインシュレータ皿穴192を含む。インシュレータ皿穴192は、インシュレータ皿穴192の底面196から底面190に延びる開口194を含む。開口194は、ノズル支持ストラット68を収容し且つ囲むような大きさにされる。
インシュレータ皿穴192はまた、複数の実質的に平行な内蔵チャネル200及び複数の実質的に平行なリブ202を含む側壁198を定める。例示的な実施形態は、実質的に平行なチャネル200を用いるが、他の実施形態では、限定ではないが、平行でないチャネル200など、インシュレータ184が本明細書に記載するように機能することができるチャネルに対するあらゆる方向を用いることができる点を理解されたい。各チャネル200は、対応する隣接リブ202のペア間に位置付けられ、これによって方形波プロファイルが定められる。チャネル200及びリブ202は、実質的に矩形の断面積を有する。側壁198は、正圧側壁59に対向する正圧側面204と、負圧側壁58に対向する負圧側面206とを含む。負圧側面206は、上面188から皿穴底面196に向かって延びる複数の実質的に矩形形状の通気チャネル208を含む。通気チャネル208は、チャネル200と流体連通する。例示的な実施形態において、通気チャネル208は、実質的に矩形の断面積を有し、ほぼ直角にチャネル200と交差する。しかしながら、通気チャネル208は、通気チャネル200が本明細書に記載するように機能することができる、あらゆる断面積を有することができ及び/又はあらゆる角度でチャネル200と交差することができる点を理解されたい。
チャネル200及びリブ202は、チャネル200及び通気チャネル208が本明細書に記載するように機能することができるあらゆる断面積を有することができる点も認識されたい。更に、リブ202は、CMCベーン52と共に低減された接触面積を定め、これによってCMCベーン52と内側バンド56との間の熱伝達の低減が可能になる点を認識されたい。
図9は、インシュレータ184を含む、CMCベーン52と内側バンド56との間に定められる接合面の拡大部分概略断面図である。例示的な実施形態において、インシュレータ184は、内側皿穴部分78内に位置付けられ、CMCベーン52は、インシュレータ184内に位置付けられる。より具体的には、例示的な実施形態において、基部186は、上面188が内側バンド表面210と実質的に同一平面であるように内側皿穴部分78に位置付けられる。CMCベーン52の下側部分は、インシュレータ皿穴192内に延び、CMCベーン52の上側部分は高温ガス流路15内に延びる。更にCMCベーン52は、接合面212がCMCベーン52とリブ202との間に定められるようにインシュレータ皿穴192内に配置される。この接合面に沿った高温ガス110は、CMCベーン52とリブ202との間で正圧側面チャネル200内に移動することができる。高温ガス110は高圧下にあるので、正圧側面204からチャネル200を通って負圧側面206に自然に流れる。更に、高温ガス110は、ラビリンスシール内とは違って、正圧側面204からチャネル200を通って二方向で負圧側面206に流れることができる。高温ガス110は、負圧側面206上のチャネル200から通気チャネル208を通って抜けて、高温ガス流路15に入る。
高温ガス110をCMCベーン52の高圧側面204から負圧側面206に配向し、且つインシュレータ184にPM2000材料を用いることによって、例示的な実施形態は、パージ空気を最小限から全く用いることなくベーン52内への高温ガス110の漏出を制御することができる。更に例示的な実施形態は、CMCベーン52内の温度勾配を低減し、内側バンド56を高温ガス110の直接衝突から保護することができる。
各実施形態において、上述のインシュレータは、CMCベーン52にわたる熱平衡を可能にし、温度勾配を最小限にすることを可能にし、且つCMCベーン52の耐久性を改善することを可能にする。より具体的には、各実施形態において、インシュレータは、高圧高温ガス110をCMCベーン52の高圧側面からCMCベーン52の低圧側面に向いて配向することによって、高温ガスの移動を制御することが可能となる。その結果、タービン運転は、パージ空気の使用を少量にすることが可能となり、CMCベーン応力が低減される。従って、ガス又は蒸気タービン性能及び構成要素の耐用年数は各々、コスト効率が良く信頼性のある手段において向上させることができる。本明細書に記載される実施形態はまた、固定ベーンと共に用いてもよい点を理解されたい。
インシュレータの例示的な実施形態が上記で詳細に説明された。インシュレータは、本明細書に記載の特定のガス又は蒸気タービンの実施形態と共に用いることに限定されず、インシュレータは、本明細書に記載の他のインシュレータ構成要素から独立して且つ別個に使用することができる。更に本発明は、上記で詳細に説明されたインシュレータの実施形態に限定されるものではない。むしろ、インシュレータの実施形態の他の変形形態は、請求項の精神及び範囲内で使用することができる。
本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば、本発明を請求項の精神及び範囲内で修正して実施することができることを認識するであろう。
例示的なガス又は蒸気タービンの一部の概略断面図。 図1に示すガス又は蒸気タービンと共に用いることができる例示的なタービンノズル組立体の分解斜視図。 図2に示す、セラミックマトリクス複合材料から作製されたベーンを含むように完全に組み立てられたタービンノズル組立体の正面概略図。 領域Aに沿った図3のCMCベーンの一部の拡大概略図。 図3及び図4に示すタービンノズル組立体と共に用いることができる例示的なインシュレータを示す斜視図。 図5に示すインシュレータの部分負圧側面図。 図5に示すインシュレータを含む、図3に示す領域AのCMCベーンと金属支持ストラットとの間の例示的な接合面の拡大概略図。 図4に示すCMCベーンと金属支持ストラットとの間に位置決めすることができるインシュレータの別の実施形態の斜視図。 図8に示すインシュレータを含む、図3に示す領域AのCMCベーンと金属支持ストラットとの間の別の例示的な接合面の拡大概略図。
符号の説明
10 ガス又は蒸気タービン
12 ロータ組立体
14 ホイール
15 高温ガス流路
16 バケット
18 ノズル
50 タービンノズル組立体
52 セラミックマトリクス複合材(CMC)ベーン
54 外側バンド
55 外面
56 内側バンド
57 外面
58 負圧側壁
59 正圧側壁
60 前縁
62 後縁
64 CMCベーン根元
66 CMCベーン先端部
67 冷却キャビティ
68 ノズル支持ストラット
72 開口
74 外側皿穴部分
76 開口
78 内側皿穴部分
80 内側端部
82 外側端部
84 インシュレータ
85 接触面
86 基部
88 上面
90 底面
92 部材
93 開口
94 外面
96 負圧側面
98 正圧側面
100 内面
102 チャネル
103 内側バンド表面
104 リブ
106 通気チャネル
110 高温ガス
112 パージ空気
114 内側バンド底面
116 チャネル
118 ガスケット
120 底面
184 インシュレータ
186 基部
188 上面
190 底面
192 インシュレータ皿穴
194 開口
196 底面
198 側壁
200 チャネル
202 リブ
204 正圧側面
206 負圧側面
208 通気チャネル
210 内側バンド表面
212 接合面

Claims (10)

  1. タービンロータ組立体(12)用のベーン組立体であって、
    ベーン支持体と、
    基部と突出部とを含み、前記基部が上面(88)及び底面(90)を有し、前記突出部が前記基部から延びて前記突出部の外面(94)を実質的に囲むように定められ且つ位置付けられた少なくとも1つのチャネル(102)を有するインシュレータ(84)と、
    ベーン(52)と、
    を備え、
    前記突出部の正圧側面(98、204)から前記突出部の負圧側面(96、206)への高温ガス流を促進するために前記突出部が前記ベーンとノズル支持ストラット(68)との間にあるように、前記インシュレータが前記ベーン支持体に結合される、
    ことを特徴とするベーン組立体。
  2. 前記突出部の負圧側面(96、206)に定められる少なくとも1つの通気チャネル(106、208)を更に備え、前記少なくとも1つの通気チャネルが、前記インシュレータ(84、184)の少なくとも1つのチャネルと流体連通して、高温ガス(110)を高温ガス流路(15)に配向するのを促進する、
    ことを特徴とする請求項1に記載のベーン組立体。
  3. 前記基部底面(90)には底部チャネルが定められる、
    ことを特徴とする請求項1に記載のベーン組立体。
  4. 前記底面(90)を前記ベーン支持体に密封するのを促進するために前記底部チャネルに位置付けられたシール部材(92)を更に備える、
    ことを特徴とする請求項2に記載のベーン組立体。
  5. 前記インシュレータ(84、184)が前記ベーン(52)を実質的に囲み、前記突出部が、前記ベーンと前記ノズル支持ストラット(68)との間に位置付けられる、
    ことを特徴とする請求項1に記載のベーン組立体。
  6. 前記インシュレータ(84、184)が前記ベーン(52)を実質的に囲み、前記突出部が、前記ベーン支持体と前記ベーンとの間に位置付けられる、
    ことを特徴とする請求項1に記載のベーン組立体。
  7. 前記ベーン(52)の上方部分が高温ガス流路(15)内に位置付けられ、前記ベーンの下方部分が、前記ベーン支持体内に位置付けられる、
    ことを特徴とする請求項1に記載のベーン組立体。
  8. 前記上面(88)が、前記ベーン支持体の表面と実質的に同一平面である、
    ことを特徴とする請求項1に記載のベーン組立体。
  9. ベーン組立体と共に使用するためのインシュレータ(84、184)であって、
    上面(88)及び底面(90)を有する基部と、
    前記上面から延びる突出部であって、前記突出部を実質的に囲む外面(94)と、前記外面内に定められる少なくとも1つのチャネル(102)とを含む突出部と、
    前記外面内に定められた少なくとも1つのリブと、
    を備え、
    前記少なくとも1つのリブは、高温ガス(110)が前記ベーン組立体の高圧側面(98、204)から前記ベーン組立体の低圧側面に配向されるのが促進されるように前記少なくとも1つのチャネルのペア間に位置付けられる、
    ことを特徴とするインシュレータ。
  10. 前記少なくとも1つのチャネル(102)のペアと前記少なくとも1つのリブ(104)とが、方形波プロファイルを定める、
    ことを特徴とする請求項9に記載のインシュレータ(84、184)。
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