(57)【要約】      （修正有）【課題】ターボ機械のための中空ブレードを提供する。【解決手段】ターボ機械の中空ブレード５０は、エーロフォイル部分を含む。エーロフォイル部分が、ある長さにわたって長手方向に延在している。エーロフォイル部分が、外部表面によって横方向に画定されている。エーロフォイル部分が、少なくとも１つの内部キャビティー５４、５５を有し、少なくとも１つの内部キャビティー５４、５５は、前記長さに沿って延在し、内部表面によって横方向に画定されている。エーロフォイル部分は、外部表面から内部表面へ延在するチャネル５６、５７のセットを有している。前記外部表面における前記チャネル５６、５７の開口部が、前記外部表面における等圧線を反映する湾曲した線に沿って整合されている。積層造形が、そのようなブレードにとって、とりわけ効果的であり、有利である。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械の中空ブレード（５０）であって、前記中空ブレード（５０）が、ある長さにわたって長手方向に延在しているエーロフォイル部分（１）を含み、前記エーロフォイル部分（１）が、外部表面によって横方向に画定されており、前記エーロフォイル部分（１）が、少なくとも１つの内部キャビティー（５４、５５）を有し、前記少なくとも１つの内部キャビティー（５４、５５）は、前記長さに沿って延在し、内部表面によって横方向に画定されており、前記エーロフォイル部分（１）は、前記外部表面から前記内部表面へ延在するチャネル（５６、５７）のセットを有しており、前記外部表面における前記チャネル（５６、５７）の開口部が、前記外部表面における等圧線を反映する湾曲した線に沿って整合されている、ターボ機械の中空ブレード。
【請求項２】
前記エーロフォイル部分（１）が、２つの内部キャビティー（５４、５５）を有し、前記２つの内部キャビティー（５４、５５）が、前記長さに沿って延在し、内部表面によって横方向に画定されており、前記エーロフォイル部分（１）が、前記外部表面から前記内部表面へ延在する２つの対応するチャネル（５６、５７）のセットを有しており、前記外部表面における前記チャネル（５６、５７）の開口部が、前記外部表面における等圧線を反映する２本の対応する湾曲した線に沿って整合されている、請求項１記載のターボ機械の中空ブレード。
【請求項３】
前記２本の線のうちの第１の線（５６）が、前記エーロフォイル部分（１）の圧力側にあり、前記２本の線のうちの第２の線（５７）が、前記エーロフォイル部分（１）の吸込み側にある、請求項２記載のターボ機械の中空ブレード。
【請求項４】
前記チャネル（５６、５７）のうちの少なくともいくつかが、真っ直ぐであり、かつ前記外部表面に対して傾斜しているか、または真っ直ぐであり、かつ前記外部表面に対して湾曲している、請求項１乃至３のいずれか１項記載のターボ機械の中空ブレード。
【請求項５】
前記チャネル（５７）が、前記ブレードの前縁領域（５８）で始まる、請求項１乃至４のいずれか１項記載のターボ機械の中空ブレード。
【請求項６】
前記チャネル（５６）が、前記ブレードの後縁領域（５９）で始まる、請求項１乃至５のいずれか１項記載のターボ機械の中空ブレード。
【請求項７】
前記チャネル（５６）が、前記外部表面から前記内部表面へ流体の流れを促進するように形状付けされている、請求項１乃至６のいずれか１項記載のターボ機械の中空ブレード。
【請求項８】
前記チャネル（５７）が、前記内部表面から前記外部表面へ流体の流れを促進するように形状付けされている、請求項１乃至７のいずれか１項記載のターボ機械の中空ブレード。
【請求項９】
蒸気タービンのステーターブレードとして配置されている、請求項１乃至８のいずれか１項記載のターボ機械の中空ブレード。
【請求項１０】
単一のピースである、請求項１乃至９のいずれか１項記載のターボ機械の中空ブレード。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項記載の複数の中空ブレードを含むターボ機械。
【請求項１２】
請求項１乃至１０のいずれか１項記載のターボ機械の中空ブレードを製造方法であって、前記エーロフォイル部分が、積層造形によって得られる、製造方法。
【請求項１３】
前記エーロフォイル部分（１）の第１の端部（２、３）から始まり、前記エーロフォイル部分（１）の第２の端部（３、２）に終わるエーロフォイル部分（１）全体のための単一の積層造形プロセスを含む、請求項１２記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示されている主題の実施形態は、一般医、形状付けされたチャネルを備えたターボ機械ブレードを製造する方法、そのように製造されたターボ機械ブレード、およびそのようなブレードを使用するターボ機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンでは、その１つまたは複数の最終段において、蒸気の部分的な凝縮が生じる。
【０００３】
とりわけ、凝縮は、いわゆる「凝縮段」（通常は、タービンの最終段）のステーターブレードのエーロフォイル部分において生じる。
【０００４】
凝縮の結果として、液滴が発生する場合には、液滴は、静的なステーターブレードを通って、回転するローターブレードに衝突する。したがって、ローターブレードに対する損傷が生じる可能性がある。
【０００５】
液滴によって生じさせられる損傷を低減させるために、ローターブレードの回転速度が、低減されることが可能である。しかし、このようにして、タービンの効率も、低減される。
【０００６】
代替的に、ローターブレードにおける何らかの損傷を低減させるために、液滴が発生する前に、凝縮液を収集するための解決策が存在する。
【０００７】
これらの解決策のうち最も通常の解決策は、凝縮が生じそうな場所において中空ステーターブレードを使用すること、エーロフォイル表面から内部キャビティーへ延在する、ブレードのエーロフォイル部分を通る孔部またはスロットを設けること、および何らかの凝縮液が、エーロフォイル表面を通って内部キャビティーに進入するように、内部キャビティーから吸い込むことにある。このようにして、ステーターブレードのエーロフォイル表面における液滴は、発生せず、放出されることもない。
【０００８】
鋳造の高コストを回避しながら、合理的な精度でブレードを製作するために、これらの中空ブレードは、通常、２つの金属棒をフライス加工し、それらを一緒に溶接し、組み立てられた構成部品のミル仕上げをすることによって得られる。
【０００９】
ガスタービンでは、回転エレメントの重量を低減させるために、時として、中空ブレードが、ローターブレードのために使用される。
【００１０】
極めて精密な形状およびサイズを有する回転エレメントを得るために、これらの中空ブレードが、通常、鋳造によって、とりわけ「インベストメント鋳造」によって得られる。
【発明の概要】
【００１１】
したがって、「オイル＆ガス」の用途で使用されることとなるターボ機械のブレードを改善することが一般に求められてる。
【００１２】
改善点は、機能的な側面、例えば、エーロフォイル部分の形状およびサイズだけでなく、取付け、メンテナンス、および特に製造に関係し得る。
【００１３】
製造に関する限り、「オイル＆ガス」の分野において、特定の顧客に対して解決策が検討される（または少なくともカスタマイズされる）という理由もあり、少量生産が一般的であるということが考慮されなければならない。
【００１４】
一般には、精度が高く、生産コストが安いことが常に望ましい。
【００１５】
理想的には、高い性能を実現するために、ブレードの形状、サイズ、および（１つまたは複数の）材料は、その全体長さに沿って自由に選択可能であるべきである。
【００１６】
そのような全般的な要求では、とりわけ、蒸気タービンの中空ステーターブレードに対して次のことを考慮している：これらのブレードは、概して、多段蒸気タービンの１つまたは複数の最終段に位置付けられている；これらのブレードは、金属から作製されることが非常に多い。
【００１７】
本発明者らによってなされた重要な検討事項は、この製造方法が、製造されることとなるブレードの特定の構成によって良い影響をもたらし得るかということである。
【００１８】
本発明の第１の態様は、ターボ機械のための中空ブレードである。
【００１９】
その実施形態によれば、ターボ機械のための中空ブレードが、エーロフォイル部分を含む。エーロフォイル部分が、ある長さにわたって長手方向に延在している。エーロフォイル部分が、外部表面によって横方向に画定されている。エーロフォイル部分が、少なくとも１つの内部キャビティーを有し、少なくとも１つの内部キャビティーは、前記長さに沿って延在し、内部表面によって横方向に画定されている。エーロフォイル部分は、外部表面から内部表面へ延在するチャネルのセットを有している。前記外部表面における前記チャネルの開口部が、前記外部表面における等圧線を反映する湾曲した線に沿って整合されている。
【００２０】
この場合に、積層造形が、とりわけ効果的であり、有利である。
【００２１】
本発明の第２の態様は、ターボ機械である。
【００２２】
その実施形態によれば、ターボ機械が、複数の中空ブレードを含む。ターボ機械のための中空ブレードのそれぞれが、エーロフォイル部分を含む。エーロフォイル部分が、ある長さにわたって長手方向に延在している。エーロフォイル部分が、外部表面によって横方向に画定されている。エーロフォイル部分が、少なくとも１つの内部キャビティーを有し、少なくとも１つの内部キャビティーが、前記長さに沿って延在し、内部表面によって横方向に画定されている。エーロフォイル部分が、外部表面から内部表面へ延在するチャネルのセットを有している。前記外部表面における前記チャネルの開口部が、前記外部表面における等圧線を反映する湾曲した線に沿って整合されている。
【００２３】
本発明の第３の態様は、ターボ機械の中空ブレードを製造する方法である。
【００２４】
その実施形態によれば、ターボ機械の中空ブレードを製造する方法は、エーロフォイル部分を含み、エーロフォイル部分が、ある長さにわたって長手方向に延在している。エーロフォイル部分が、外部表面によって横方向に画定されている。エーロフォイル部分が、少なくとも１つの内部キャビティーを有し、少なくとも１つの内部キャビティーが、前記長さに沿って延在し、内部表面によって横方向に画定されている。エーロフォイル部分が、外部表面から内部表面へ延在するチャネルのセットを有している。前記外部表面における前記チャネルの開口部が、前記外部表面における等圧線を反映する湾曲した線に沿って整合されている。エーロフォイル部分が、積層造形によって得られる。
【００２５】
ブレード、ターボ機械、および製造方法の有利な技術的特徴が、詳細な説明の中で提示されている。
【００２６】
本明細書に組み込まれており、本明細書の一部を構成している添付の図面は、本発明の実施形態を示し、説明とともにこれらの実施形態を説明している。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明によるブレードの第１の実施形態のエーロフォイル部分の横断断面図である。
【図２】本発明によるブレードの第２の実施形態のエーロフォイル部分の横断断面図である。
【図３】本発明によるブレードの第３の実施形態のエーロフォイル部分の長さの第１の三次元図であり、第３の実施形態が、第１および第２の実施形態の特徴を組み合わせていることを示す図である。
【図４】図３の実施形態のエーロフォイル部分の長さの第２の三次元図であり、長さは、部分的に断面が表されている。
【図５】本発明によるブレードの第４の実施形態のエーロフォイル部分の横断断面図である。
【図６Ａ】図５の実施形態のエーロフォイル部分の第１の側面図である。
【図６Ｂ】図５の実施形態のエーロフォイル部分の第２の側面図である。
【図７】本発明によるブレードの第５の実施形態のエーロフォイル部分の横断断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
例示的な実施形態の以下の説明は、添付の図面を参照する。異なる図面の中の同一の参照数字は、同一または類似のエレメントを特定している。以下の詳細な説明は、本発明を限定していない。その代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって画定されている。
【００２９】
明細書全体を通じて、「一実施形態」または「１つの実施形態」と言及することは、実施形態に関連して説明されている特定の特徴、構造、または特性が、開示されている主題の少なくとも一実施形態の中に含まれているということを意味している。したがって、本明細書全体を通じて様々な場所にある「一実施形態では」または「１つの実施形態では」の言い回しの出現は、必ずしも、同一の実施形態を参照しているのではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態の中で、任意の適切な方式で、組み合わせられることが可能である。
【００３０】
本発明の背後にある基本的思想を理解するために、実施形態の図５および図６を参照することが可能である。
【００３１】
図５および図６のブレード５０は、ターボ機械のためのものであり、ターボ機械の運転中、（図５に示されている）外部流体流れによって取り囲まれ、外部流体流れは、エーロフォイル１の両側で、すなわち（図５に示されている）「吸込み側」および「圧力側」で、エーロフォイル１の前縁５８から、エーロフォイルの後縁５９へ移動する。
【００３２】
図５および図６のブレード５０は、それが少なくとも１つの内部キャビティーを有するという意味において、中空である。このブレードは、２つの内部キャビティー５４および５５を有しており、これらのキャビティーの形状のそれぞれは、ブレードのエーロフォイルの形状とは異なっている。このブレードは、ある長さにわたって長手方向に延在するエーロフォイル部分１を含み、第１の端部領域２および第２の端部領域３（図６参照）を有している。エーロフォイル部分１は、外部表面（「エーロフォイル表面」とも称される）によって、横方向に画定されている。
【００３３】
１つまたは複数の内部キャビティー５４および５５が、部分的にまたは全体的に、前記長さに沿って延在しており、内部表面によって、横方向に画定されている。図５および図６の実施形態では、エーロフォイル部分１は、２セットのチャネル（圧力側におけるキャビティー５４のための第１のセット５６、および吸込み側におけるキャビティー５５のための第２のセット５７）を有している。これらのチャネルのそれぞれは、エーロフォイルの外部表面から、内部キャビティーの内部表面へ延在している。これらのチャネルは、真っ直ぐであり、エーロフォイルの外部表面に対して傾斜しており（すなわち、接平面に対して垂直でない）、または湾曲している。図５および図６の実施形態では、それらは、両方とも真っ直ぐであり、かつ傾斜している。
【００３４】
チャネルの配置、形状、配向、傾斜は、エーロフォイル部分の吸込み側またはエーロフォイル部分の圧力側における流れの方向を考慮しており、それは、エーロフォイル部分の外部形状に強く依存している。図５および図６の実施形態では、セット５６のチャネルの中の流れは、内向きであり、セット５７のチャネルの中の流れは、外向きである。
【００３５】
たとえ１つだけのチャネルが、流体を吸い込むまたは排出する機能を実施することが可能であるとしても、本発明の典型的な実施形態は、複数のチャネルを使用することとなるということが明らかである。複数のチャネルが、外部表面と内部表面との間に延在しており、異なるように形状付けされ、および／またはサイズ決めされ、および／または配向されることが可能である。
【００３６】
蒸気タービンブレードのエーロフォイル表面から凝縮液を吸い込むために使用されるチャネルは、典型的に、孔部であり、またはより一層典型的には、スロットである。
【００３７】
チャネルは、不均一な断面（これは、図には示されていない）を有することが可能である。
【００３８】
図１の実施形態１０では、１つだけの内部キャビティー４が存在している。チャネル６は、傾斜しており、横方向に変位させられた内部キャビティー４に通じている。キャビティー４は、凝縮液を吸い込むために使用され、チャネル６は、エーロフォイル部分１の外部表面から、チャネル６に沿って、内部キャビティー４の中への流体の移動を促進するように傾斜している（機械の運転中のエーロフォイル部分の周りの流体流れも考慮している）。この実施形態では、チャネル６は、（図３の右側に示されているように）２つの列に配置された複数の長いスロットに対応しており、それに応じて、１つの短い導管が、図１に示されている。チャンバー４の形状、およびチャネル６の配置によって、吸い込み領域を、ブレード１０のエーロフォイル部分１の後縁の非常に近くに位置付けることが可能になる。
【００３９】
図２の実施形態２０では、１つだけの内部キャビティー５が存在している。チャネル７は、傾斜しており、横方向に変位させられた内部キャビティー５に通じている。キャビティー５は、流体（典型的には、高温流体）を排出するために使用され、チャネル７は、内部キャビティー５から、チャネル７に沿って、エーロフォイル部分１の外部表面への流体の移動を促進するように傾斜している（機械の運転中のエーロフォイル部分の周りの流体流れも考慮している）。この実施形態では、チャネル７は、（図３の左側に示されているように）１つの列に配置された複数の短いスロットに対応しており、それに応じて、１つの短い導管が、図２に示されている。チャンバー５の形状、およびチャネル７の配置によって、排出領域を、ブレード２０のエーロフォイル部分１の前縁の非常に近くに位置付けることが可能になる。
【００４０】
図３および図４の実施形態３０では、図１および図２の実施形態１０および２０の両方の技術的特徴が組み合わせられており、すなわち、ブレードのエーロフォイル部分の中への流体の吸い込みが存在し、かつブレードのエーロフォイル部分からの流体の排出が存在する。吸い込みと排出の両方が、エーロフォイルの圧力側に生じている。対照的に、図５の実施形態では、吸い込みは、圧力側に生じているが、一方、排出は、吸込み側に生じている。図５の実施形態の変形例により、両方の側面からの吸い込み（すなわち、２つの対応するチャネルのセット）、および両方の側面での排出（すなわち、２つの対応するチャネルのセット）が実現し得ることを留意すべきである。
【００４１】
チャネルは、ブレードの軸線に垂直な平面に存在することが可能である。
【００４２】
代替的に、チャネルは、ブレードの軸線に垂直な複数の平面を横切って延在することが可能である。これは、図４のチャネル６および７の場合である。
【００４３】
内部キャビティーの機能に応じて、有利には、チャネルは、ブレードの前縁領域（例えば、図２参照）、またはブレードの後縁領域（例えば、図１参照）で始まることが可能である。
【００４４】
内部キャビティーの機能に応じて、チャネルは、前記外部表面から前記内部表面へ（例えば、図１参照）、または前記内部表面から前記外部表面へ（例えば、図２参照）、流体の流れを促進するように形状付けされることが可能である。
【００４５】
図５および図６の実施形態では、チャネルのセット５６が、外部表面（圧力側）と内部表面（キャビティー５４）との間に延在している。外部表面におけるチャネル５６の開口部は、湾曲した線（図６Ｂ参照）に沿って整合されている。このように、それらは、おおよそ、外部流れに起因するエーロフォイル表面における等圧線を反映している。チャネル５７に関しても同様である。
【００４６】
図３および図４の実施形態では、チャネルのセット６が、エーロフォイルの外部表面と内部表面（キャビティー）との間に延在している。外部表面におけるチャネル６の開口部は、２本の別個の離れた（たとえ、互いに近くにあるとしても）線（図３の右側参照）に沿って整合されている。対照的に、外部表面におけるチャネル７の開口部は、１つだけの線（図３の左側参照）に沿って整合されている。
【００４７】
明確化のために、キャビティーが崩壊するのを回避するために、キャビティー４およびキャビティー５は、内部補強部材（例えば、図４に示されているような短い円筒の形状である）を含むことが可能であるということは特筆すべきである。
【００４８】
図７の実施形態７０は、複数の内部キャビティー７１、７２、７３、７４を含む。キャビティー７４は、ブレードの後縁の範囲に位置付けられており、ブレードのエーロフォイル部分の外部表面に接続されていない。それらは、例えば、エーロフォイルの後縁の温度を制御するために使用されることが可能である。キャビティー７１、７２、および７３は、すべて、流体（例えば、高温流体）を排出するために使用されている。キャビティー７１は、キャビティー７２および７３から分離されており、異なるように配向されている複数のチャネル７５から排出する。キャビティー７２および７３は、互いに連通しており、キャビティー７３だけが、同様に配向されている複数のチャネル７６から排出する。このように、キャビティー７１、ならびに、キャビティー７２および７３は、異なる圧力および／または温度であることが可能である。図７の実施形態７０は、非常に多数の変形例を有することが可能であるということが明らかである。
【００４９】
上述の解決策は、とりわけ、「オイル＆ガス」の用途のためのターボ機械に使用される蒸気タービンのステーターブレードに対して効果的である。この場合に、ブレードは、単一ピースの金属材料から作製されることが好ましい。
【００５０】
より概括的には、本発明によるブレード設計は、多相流体（典型的には、液体と気体の組合せ）に接触することとなるターボ機械（例えば、タービン、圧縮機、ポンプ）のための（定置式のまたは移動式の）相分離器デバイスとして使用されることが可能である。
【００５１】
孔部またはスロットは、凝縮液を吸い込むために使用されることが可能であり、代替的に、流体（典型的には、高温流体）を排出するために使用されることが可能であるということを留意すべきである。内部キャビティーは、１つより多いことが可能であり、同じ機能または異なる機能（ブレードを軽量化する、ブレードを冷却する、ブレードを加熱する、流体を吸い込む、流体を排出する）を有することが可能であるということを留意すべきである。
【００５２】
本発明によるブレードの現実的な製造方法は、積層造形に基づく。この場合に、完全に閉じた内部キャビティーが存在する場合には、（たとえ非常に小さくても）少なくとも２つの孔部が、積層プロセスが完了した後にキャビティーの中に残っている粉末を吐き出させるために、キャビティーに関連付けられている。
【００５３】
例えば、図５および図６の実施形態を考慮すると、ブレードのエーロフォイル部分１が、積層造形によって得られる。
【００５４】
積層造形は、エーロフォイル部分１の第１の端部２または３から始まり、エーロフォイル部分１の第２の端部３または２で終わることが好ましい。
【００５５】
例えば、図５および図６の実施形態を考慮すると、積層造形は、ブレードの軸線に対して垂直方向に進行する。代替的に、積層造形は、ブレードの軸線に対して傾斜して、好ましくは、ブレードの軸線に対して固定された所定の角度にしたがって、進行することが可能である。
【００５６】
ブレードの製造は、少なくともエーロフォイル部分全体のために、単一の積層造形プロセスを含むことが好ましい。
【００５７】
積層造形は、強力で柔軟性のある技術である。このように、単一の粒状材料、または複数の粒状材料を結び付けることが可能である。典型的には、「オイル＆ガス」の用途のためのターボ機械に使用される蒸気タービンのステーターブレードに使用される材料は、金属製である。
【００５８】
積層造形は、ターボ機械のブレード、とりわけ、蒸気タービンのステーターブレードに使用される従来の技術に対して、多くの利点を有する。その理由は、積層造形によって、ブレードの外部形状、およびブレードの内部形状（とりわけ、その１つまたは複数の内部キャビティー）に関して多大な設計柔軟性が可能になるからであり、また、積層造形によって、非常に小さい形状の詳細部（これは、小さいブレードの製作を含む）を実現することが可能になるからであり、また、積層造形によって、ブレードの中に傾斜材料を実現することが可能になるからであり（例えば、材料は、ブレードの様々な特定の点の機械的なおよび／または化学的な要件にしたがって、ブレードの長さまたは高さに沿って変化することが可能である）、また、積層造形によって、より簡単な製造プロセス、およびより低い製造コストが可能になるからである。
【００５９】
製造に関する限り、「オイル＆ガス」の分野において、特定の顧客に対して解決策が検討される（または少なくともカスタマイズされる）という理由もあり、少量生産が一般的であるということが考慮されなければならない。一般には、精度が高く、生産コストが安いことが常に望ましい。
【符号の説明】
【００６０】
１  エーロフォイル部分
２  第１の端部領域
３  第２の端部領域
４  内部キャビティー、チャンバー
５  内部キャビティー、チャンバー
６  チャネル
７  チャネル
１０  実施形態、ブレード
２０  実施形態、ブレード
３０  実施形態
５０  ブレード
５４  内部キャビティー
５５  内部キャビティー
５６  チャネル
５７  チャネル
５８  前縁
５９  後縁
７０  実施形態
７１  内部キャビティー
７２  内部キャビティー
７３  内部キャビティー
７４  内部キャビティー
７５  チャネル
７６  チャネル
【図１】
2014139431.tif 000003
【図２】
2014139431.tif 000004
【図３】
2014139431.tif 000005
【図４】
2014139431.tif 000006
【図５】
2014139431.tif 000007
【図６Ａ】
2014139431.tif 000008
【図６Ｂ】
2014139431.tif 000009
【図７】
2014139431.tif 000010
【外国語明細書】
2014139431000001.pdf