(57)【要約】【課題】装着セグメントにおける応力を低減するシステムを提供すること。【解決手段】本開示の実施形態は、ブレードを具備するブレードセグメントと、ブレードに連結される装着セグメントとを備えるシステムを含む。また、装着セグメントは、第１の接触面及び第２の接触面を有し、それら第１の接触面及び第２の接触面は、ブレードセグメントの長手軸に対して凹面をなす。装着セグメントにおける応力を低減するために、装着セグメントはさらに、第１の接触面と第２の接触面とを連結する下側面を有し、その下側面は、ブレードセグメントの長手軸をまたいで凸面をなす。【選択図】図１
2014005824.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブレードセグメントを備えるシステムであって、
ブレードセグメントが、
ブレードと、
ブレードに連結され、少なくとも一部がロータのスロット内に挿入されて継手を形成するように構成されている装着セグメントと
を備えており、
装着セグメントが、
近位端及び遠位端を各々有する第１の接触面及び第２の接触面であって、近位端の各々はスロット内に挿入されるように構成されており、遠位端の各々は、継手の形成時にスロットの外にあるように構成されており、第１の接触面及び第２の接触面の各々の近位端は、ブレードセグメントの長手軸に対して外側に湾曲している第１の接触面及び第２の接触面と、
第１の接触面及び第２の接触面の各々の近位端に連結している下側面であって、ブレードから概して半径方向に離れるように突出している下側面と
を備えている、システム
【請求項２】
ブレードセグメントが複合材料から構成されている、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
複合材料がセラミックスマトリックス複合材料を含んでいる、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
下側面が凸状円弧面を含んでいる、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
下側面が、第１の角部及び第２の角部において、第１の接触面及び第２の接触面の各々の近位端にそれぞれ連結している、請求項１記載のシステム。
【請求項６】
スロットを有するロータを備える、請求項１記載のシステム。
【請求項７】
スロットが、第１のディスクポストと第２のディスクポストの間の間隔によって定められ、第１のディスクポスト及び第２のディスクポストの各々がロータの回転軸から半径方向外向きに延在しており、
スロットが、第１のディスクポストの第１の保持面及び第２のディスクポストの第２の保持面を有し、第１の保持面が第１の接触面の近位端に係合するように構成されており、第２の保持面が第２の接触面の近位端に係合するように構成されており、
ブレードセグメントの長手軸が、継手の形成時に、第１の保持面と第２の保持面とを連結する底面の中央領域と実質的に整列し、底面は中央領域をまたいで湾曲している、請求項６記載のシステム。
【請求項８】
底面は、ロータの回転軸に向かって湾曲している、請求項７記載のシステム。
【請求項９】
底面の第１の形状は、装着セグメントの下側面の第２の形状に実質的に一致している、請求項７記載のシステム。
【請求項１０】
装着セグメントは、複数の積層プライから形成されており、下側面の形状は、積層プライ同士の間の層間張力を低減するように構成されている、請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
ロータは、ディスクポストによってスロットから分離されている第２の追加的なスロットを備えており、ディスクポストは、第１の接触面の近位端と係合するように構成されている第１の保持面と、第２のブレードセグメントと係合するように構成されている第２の保持面とを備えており、第１の保持面と第２の保持面とは、ディスクポストの第２の長手軸をまたいで湾曲している上面によって連結されている、請求項６記載のシステム。
【請求項１２】
継手はダブテール継手である、請求項１記載のシステム。
【請求項１３】
下側面が、ブレードセグメントの長手軸をまたいで湾曲している、請求項１記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、ターボ機械のブレードに関する。より詳細には、本明細書で開示される主題は、ターボ機械の複合材料のブレードにおけるロータ接合部分の形状に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機やタービンなどのターボ機械は、軸又はロータの周りを回転してロータと流体との間でエネルギーを伝達するブレードを備えている。例えば、タービンエンジンは、推力を提供して、航空機、船舶、及び発電機に動力を供給する。ブレードは、通常、ロータによって支持され得る。例えば、ターボ機械のブレードは、ロータに取り付けられてもよいし、又は、ロータに装着されてもよい。ターボ機械の運転中、ブレードは、高速で回転するため、並びに／又は、高い運転温度のため、大きな応力を受ける可能性がある。残念なことに、大きな応力は、ブレードを劣化させてしまう可能性があり、状況によっては、機械的に損傷させてしまう可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／００７３３０４号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
当初請求された発明の範囲に相応するいくつかの実施形態が以下に簡潔に説明される。それらの実施形態は、請求された発明の範囲を限定することを意図しているのではなく、むしろ、これらの実施解体は、本発明の可能な態様を簡潔にまとめることだけを意図している。実際には、本発明は、以下に説明される実施形態と同様又は異なる様々な態様を包含している可能性がある。
【０００５】
第１の実施形態では、システムは、ブレードを有するブレードセグメントと、ブレードに連結されている装着セグメントとを備え、装着セグメントの少なくとも一部が、ロータのスロット内に挿入されて継手を形成するように構成されている。また、装着セグメントは、近位端及び遠位端を各々有する第１の接触面及び第２の接触面を有し、近位端の各々はスロット内に挿入されるように構成されており、遠位端の各々は、継手の形成時にスロットの外にあるように構成されている。装着セグメントはさらに、第１の接触面及び第２の接触面の各々の近位端に連結している下側面を有し、その下側面は、ブレードから概して半径方向に離れるように突出している。
【０００６】
第２の実施形態では、システムは、ブレードを有する複合材料ターボ機械ブレードセグメントと、ブレードに連結される装着セグメントとを備える。また、装着セグメントは、第１の接触面及び第２の接触面を有し、それら第１の接触面及び第２の接触面は、ターボ機械ブレードセグメントの長手軸に対して凹面をなす。装着セグメントはさらに、第１の接触面と第２の接触面とを連結する下側面を有し、その下側面は、ターボ機械ブレードセグメントの長手軸をまたいでブレードから離れるように湾曲している。
【０００７】
第３の実施形態では、システムは、ターボ機械ロータの周りで周方向に間隔の空けられた複数のスロットと、ターボ機械ロータの周りで周方向に間隔の空けられた複数のディスクポストとを備える。また、ディスクポストの各々は、複数のスロットのうちの第１のスロットを第２のスロットから分離し、また、ディスクポストの各々は、第１のスロット内で、第１のターボ機械ブレードセグメントの第１の部分と係合するように構成されている第１保持面及び第２のスロット内で、第２のターボ機械ブレードセグメントの第２の部分と係合するように構成されている第２保持面を有しており、第１の保持面及び第２の保持面は、ターボ機械ロータの回転軸から離れるように湾曲している上面によって連結されている。
【０００８】
本開示のこれらの及び他の特徴、態様、及び有利性は、以下の詳細な説明を添付の図面を参照しながら読むことで、より良く理解されることになる。図面において、同様の符号は、図面を通して同様の部品を表している。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】湾曲装着セグメント、蒸気タービン、及び排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）システムを備えており、かつ、ターボ機械ブレードセグメントを使用することができるガスタービンシステムを備えている複合サイクル発電システムの実施形態の概略図である。
【図２】図１の線２−２における軸線周りでの部分断面図であり、本開示の実施形態による、湾曲装着セグメントを備えており、周方向装着式ターボ機械ブレードセグメントを有するタービンのロータの実施形態を示す図である。
【図３】図２の線３−３における斜視図であり、本開示の実施形態による、湾曲装着セグメントを備えているターボ機械ブレードセグメントを示す図であり、また、湾曲装着セグメントを保持するように構成されたロータのスロットの部分的な斜視図である。
【図４】図３の線４−４における湾曲装着セグメントの部分断面図であり、本開示の実施形態による、層の構成を示す図である。
【図５】図２の線３−３における軸方向での部分断面図であり、本開示の実施形態による、ロータのスロット内に挿入された湾曲装着セグメントを備えているターボ機械ブレードセグメントを示す図である。
【図６】図２の線３−３における軸方向での部分断面図であり、本開示の実施形態による、ロータのスロット内に挿入された湾曲装着セグメントを備えているターボ機械ブレードセグメントを示す図である。
【図７】図２の線３−３における軸方向での部分断面図であり、本開示の実施形態による、ロータのスロット内に挿入された湾曲装着セグメントを備えているターボ機械ブレードセグメントを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示の１以上の具体的な実施形態を以下に説明する。それら実施形態を簡潔に説明することを目的として、実際の実施におけるすべての特徴を詳細に説明しない可能性がある。そのような実際の実施の進行においては、どんな技術的計画又は設計計画でも、実施ごとに変わる可能性のあるシステム上の制約及び事業上の制約への適合など、開発者の具体的な目的を達成するために、実施上の多くの具体的な決定がなされることになることは理解されるべきである。さらに、このような開発の努力は、複雑であって時間を必要とするかもしれないが、本開示の恩恵を有する通常の当業者にとっては、設計、組立、及び製造における通常の業務であろうことは理解されるべきである。
【００１１】
本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際に、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上であることを意味することが意図されている。用語「備える」、「含む」及び「有する」は、包含的であり、記載した構成要素以外のさらなる構成要素が存在し得ることを意味する。
【００１２】
前述のように、ターボ機械ブレードセグメント、より具体的には、ターボ機械ブレード装着セグメントは、ターボ機械の運転中に応力を受ける可能性があり、その応力は、ブレードセグメント及び／又は装着セグメントを劣化する可能性がある。具体的には、ロータが回転すると、装着セグメントは大きな圧縮荷重を受ける可能性があり、装着セグメントの最も細いネック領域の中心に大きな引張応力を生じさせる可能性がある。張力は、装着セグメントを亀裂又は分裂させる可能性がある。亀裂又は分裂は、装着セグメントを脆弱にする可能性があり、また、ほこりや水分の侵入口となるかもしれず、それらほこりや水分が装着セグメントをさらに脆弱にする可能性がある。したがって、現在、装着セグメントにおける張力を低減又は最小限とするように設計されたターボ機械ブレードセグメントを提供することが望ましいであろうことが認識されている。
【００１３】
前述のことを念頭におきつつ、開示された実施形態は、ターボ機械ブレードをターボ機械のロータに連結するための、湾曲されたターボ機械ブレード装着セグメントを備えている。具体的には、装着セグメントの底は、ブレードに対して外側に湾曲していてもよい（例えば、円弧形又はキノコ形）。装着セグメントの湾曲は、ターボ機械ブレードセグメントの荷重を支える能力を増大するように機能することができ、また、ブレードが引っ張られることで生じる荷重に対抗するように機能することができる。加えて、ある実施形態は、装着セグメントと係合するように構成されているスロット及び／又はディスクポストを備えるターボ機械ロータを具備する。スロット及び／又はディスクポストの１以上の面も、湾曲していてもよい（例えば、円弧形又はキノコ形）。その結果、装着セグメント、ターボ機械のロータ、及びターボ機械ブレードの受ける応力を低減することができ、それによって、装着セグメント、ロータ、及びターボ機械ブレードの耐用年数を延ばせる。本実施形態は、ロータに装着されたターボ機械ブレードセグメントを備えたターボ機械という状況において詳解されるが、同様の構成を備えるあらゆるシステムにも適用可能であることに注意されたい。例えば、本実施形態は、航空機、風力タービンなどにおけるプロペラにも適用可能である。
【００１４】
ここで図面を見ると、図１は、改良されたブレード装着システム（例えば、ダブテール継手）を備えている様々なターボ機械を有する複合サイクルシステム８の実施形態の概略的なブロック図である。具体的には、ターボ機械は、湾曲装着セグメント（例えば、ダブテール継手の第１の蟻継ぎ部）を備えたターボ機械ブレードセグメントを備え、その湾曲装着セグメントをロータのスロット又は凹部（例えば、ダブテール継手の第２の蟻継ぎ部）に連結することができる。図示するように、複合サイクルシステム８は、圧縮機１２と、燃料ノズル１６を具備する燃焼器１４と、タービン１８を備えるガスタービンシステム１０とを含んでいる。以下により詳細に説明するように、圧縮機１２は、圧縮空気を生成し、その圧縮空気を燃焼器１４に供給する。同様に、燃料ノズル１６は、天然ガス又は合成ガスなどの液体燃料及び／又は気体燃料を燃焼器１４へと導く。燃焼器１４は、圧縮空気と液体燃料及び／又は気体燃料とを混合して生成された燃料空気混合物を点火して燃焼し、次に、その結果生じた高温の圧縮燃焼ガス２０をタービン１８へと移す。
【００１５】
タービン１８では、高温の圧縮燃焼ガスは、連続するターボ機械ブレードセグメント２２を通過する。それらターボ機械ブレードセグメント２２はロータ２４に連結されている。図２に関連して以下により詳細に説明されるように、各ターボ機械ブレードセグメント２２は、それぞれの湾曲装着セグメントを介してロータ２４に連結されている（図２）。したがって、燃焼ガス２０がタービン１８においてターボ機械ブレードセグメント２２を通過するとき、ターボ機械ブレードセグメント２２は、ロータ２４を回転軸２６の周りに回転させる。最終的に、燃焼ガス２０は、排気出口２８（例えば、排気ダクト、排気筒、消音器など）を通ってタービン１８を出ていく。
【００１６】
例示の実施形態では、圧縮機１２は圧縮機ブレード３０を備える。圧縮機１２における圧縮機ブレード３０も、例えば、本開示による湾曲装着セグメントを用いて、ロータ２４に連結されている。圧縮機ブレード３０は、前述のようにロータ２４がターボ機械ブレードセグメント２２によって回転するように駆動されるときに回転する。したがって、ターボ機械ブレードセグメント２２への高温の燃焼ガスによって発生される仕事の少なくとも一部は、圧縮機１２を駆動するように利用することができる。圧縮機ブレード３０が圧縮機１２において回転するとき、圧縮機ブレード３０は空気入口からの空気を圧縮して圧縮空気３２とし、その圧縮空気３２は、燃焼器１４、燃料ノズル１６及び複合サイクルシステム８の他の部分へと導かれる。そして、燃料ノズル１６は、圧縮空気と燃料とを混合し、適切な燃料空気混合物を生成する。燃料空気混合物は、燃焼器１４において燃焼し、燃焼ガス２０を生成し、タービン１８を駆動する。さらに、ロータ２４は第１の負荷３４に連結されていてもよく、第１の負荷３４はロータ２４の回転によって動力が与えられてもよい。例えば、第１の負荷３４は、発電設備や外部の機械的負荷など、複合サイクルシステム８の回転出力によって動力を発生することができる任意適切な装置であり得る。例えば、第１の負荷３４は、発電機、航空機のプロペラなどを含んでいてもよい。
【００１７】
システム８はさらに、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）システム３６を備えていてもよい。タービン１８からの加熱された排気３８は、ＨＲＳＧシステム３６に移送され、水を加熱し、蒸気タービン４２に動力を与えるために用いられる蒸気４０を生成する。ＨＲＳＧシステム３６は、蒸気タービン４２に動力を与えるために使われる蒸気４０を発生及び加熱するために、様々なエコノマイザ、凝縮器、蒸発器、ヒータなどを備えていてもよい。ＨＲＳＧシステム３６によって生成された蒸気４０は、蒸気タービン４２のタービンブレードを通過する。蒸気タービン４２のタービンブレードは、例えば、湾曲装着セグメントを備えているターボ機械ブレードセグメント２２であってもよい。蒸気４０が、蒸気タービン４２においてタービンブレードを通過するとき、蒸気タービン４２は駆動されて回転し、その回転は軸４４を回転させ、それによって第２の負荷４６に動力を与える。
【００１８】
以下の説明においては、例えば、回転軸２６に沿う軸方向４８、軸線２６から離れる半径方向５０及びタービン１８又は蒸気タービン３６の軸線２６の周りの周方向５２など、様々な方向又は軸線を参照することがある。また、前述のように、以下に説明される装着セグメント（例えば、ダブテール継手の第１の蟻継ぎ部）は、様々なターボ機械（例えば、圧縮機１２、ガスタービン１８、又は蒸気タービン３６）のいずれとも、又は、ブレードを用いる他の機械とも使用することができるが、以下の詳解は、タービン１８（例えば、ガスタービン）の状況において、湾曲装着セグメント（例えば、ダブテール継手の第１の蟻継ぎ部）を説明する。
【００１９】
図２は、図１の線２−２におけるタービン１８の軸線周りでの部分断面図である。具体的には、図２は、継手５４（例えば、ダブテール継手）によってロータ２４に連結されているターボ機械ブレードセグメント２２を具備するタービン１８の一つの段５３の実施形態を示す。前述のように、各ブレードセグメント２２は、タービンブレード５６及び装着セグメント５８を備えている。また、各ブレードセグメント２２には、長手軸７６がある。各装着継手５４は、各ブレードセグメント２２に配置されている第１の継手部６０（例えば、第１の蟻継ぎ部）と、ロータ２４に配置されている第２の継手部６２（例えば、第２の蟻継ぎ部）とを備える。例えば、第１の継手部６０はオス継手部であってもよいし、第２の継手部６２はメス継手部であってもよく、又は、それらは逆であってもよい。例示の実施形態において、第１の継手部６０は、オスである装着セグメント５８を備え、第２の継手部６２は、メスである凹部すなわちスロット６４を備える。
【００２０】
具体的には、装着セグメント５８の各々は、ロータ２４の外面６６に形成されており、かつ、ロータ２４の周りで周方向５２に間隔を空けられているスロット６４（例えば、軸方向のスロット）のうちの一つに一部が配置されている。例えば、複数のスロット６４は、ロータ２４を取り囲んでいてもよい。図示するように、各装着セグメント５８の第１の部分６８は、ロータ２４のスロット６４内に配置されており、一方、各装着セグメント５８の第２の部分７０は、半径方向５０において、ロータ２４の外面６６から外向きに延在しており、それぞれのタービンブレード５６に連結されている。したがって、装着セグメント５８の第２の部分７０は、スロット６４の外部に全体が配置されていてもよいし、スロット６４の内部に一部が配置されていてもよい。                                  各ターボ機械ブレードセグメント２２を組み込むために、各装着セグメント５８は、軸方向４８に沿って、それぞれのスロット６４内に挿入されてもよい。
【００２１】
図３は、図２の線３−３における分解斜視図であり、タービンブレード５６及び装着セグメント５８が単一のもの（例えば、一体に形成されているもの）であるターボ機械ブレードセグメント２２の実施形態を示す。また、図３には、装着セグメント５８とロータ２４のスロット６４との相対的な配置が描かれている。例えば、前述のように、装着セグメント５８は、ロータ２４のスロット６４に少なくとも一部挿入されるように構成されている。装着セグメント５８は、スロット６４に軸方向４８で挿入されるという状況で例示されて説明されているが、装着セグメント５８がロータ２４の周囲のスロット６４に半径方向５０で挿入されてもよいと考えられることに注意されたい。描写されるように、装着セグメント５８及びスロット６４は、ターボ機械ブレードセグメント２２及びロータ２４を互いに連結させることができる相補的な形状を有していてもよい。
【００２２】
例示の実施形態では、スロット６４は２つのディスクポスト７８の間に形成されている。ディスクポスト７８は、ロータ２４の周りで周方向５２に間隔を空けられており、半径方向５０において、ロータ２４から外向きに延在している。ロータ２４は、複数のスロット６４を定める複数のディスクポスト７８を備えていてもよく、それらディスクポスト７８は複数の装着セグメント５８と連結するように構成されていてもよい。そのため、特定のスロット６４又は特定のディスクポスト７８が、明確にするために説明され得るが、以下に説明される実施形態は、複数のスロット６４又は複数のディスクポスト７８のいずれにも適用可能である。
【００２３】
前述のことを念頭におきつつ、例示の実施形態において、スロット６４は、第１のディスクポスト８０及び第２のディスクポスト８２の間の間隔として形成されている。第１のディスクポスト８０は第１の保持面８４を有しており、また、第２のディスクポスト８２は第２の保持面８６を有しており、それら保持面は底面８８によって連結されている。保持面８４、８６は、装着セグメント５８がスロット６４内に保持されるように、装着セグメント５８の一部に当接するように構成されている。第１の保持面８４及び第２の保持面８６の具体的な構成は、以下においてより詳細に説明される。底面８８はスロット６４の内底の周囲に配置されていてもよいし、保持面８４、８６はスロット６４の内側の周囲に配置されていてもよい。また、第１の保持面８４は、第１のディスクポスト８０の上面９０に連結されていてもよく、第２の保持面８６は、第２のディスクポスト８２の上面９２に連結されていてもよい。底面８８は、第１の保持面８４及び第２の保持面８６と連続する面として描写されている（例えば、端又は角によって分けられていない）が、ディスクポスト８０、８２は、１つより多くの面によって連結されていてもよいことに注意されたい。
【００２４】
ディスクポスト７８は、継手５４が形成されたときに、装着セグメント５８の少なくとも一部と係合するように構成されていてもよい。つまり、ディスクポスト７８は、ターボ機械ブレードセグメント２２がタービン１８に組み込まれるときに、スロット６４内で装着セグメント５８の少なくとも一部を保持するように設計されてもよい。例えば、第１の保持面８４及び第２の保持面８６は、第１の上面９０及び第２の上面９２と共に、装着セグメント５８の一部に当接するように構成されていてもよい。具体的には、例示の実施形態において、第１の保持面８４及び第２の保持面８６は、装着セグメント５８の第１の接触面９４及び第２の接触面９６に当接するように構成されている。本明細書で定められるように、面は、端（例えば、角）によって輪郭の定められる表面として定義されている。さらに、本明細書で定められているように、接触面は、タービンが回転しているときに、表面の少なくとも一部がディスクポストに当接する表面である。また、各接触面９４、９６は、スロット６４の外にあるように構成されている遠位端９８と、スロット６４に挿入されるように構成されている近位端１００とを有している。本実施形態によれば、継手５４が形成されて（図２）、タービン１８が回転すると、第１の保持面８４は、第１の接触面９４の近位端１００と少なくとも当接することができる。同様に、第２の保持面８６は、第２の接触面９６の近位端１００と少なくとも当接することができる。また、上面９０は、第１の接触面９４の遠位端９８と少なくとも当接することができ、一方、上面９２は、第２の接触面９６の遠位端９８と少なくとも当接することができる。
【００２５】
装着セグメント５８は、第１の接触面９４及び第２の接触面９６を概して連結する下側面１０２をさらに有していてもよい。下側面１０２は、第１の接触面９４及び第２の接触面９６から、角１０４によって分けられていてもよい。具体的には、角１０４の各々は、２つの面が合流する、角のある部分であってもよく、より具体的には、角１０４の各々は、内向き湾曲された面（例えば、第１の又は第２の接触面９６）から外向きに湾曲された面（例えば、下側面１０２）への移行部であってもよい。例示の実施形態では、下側面１０２は、装着セグメント５８の底において、葉状又はＵ字形の突出部を作り出すように湾曲している。同様に、底面８８及び上面９０、９２は、湾曲していてもよい。ブレードの歪み（例えば、層間張力（ＩＬＴ）に起因するもの）を低減するために、ターボ機械ブレードセグメント２２の構造、さらにはディスクポスト７８を強固にするように湾曲していない装着セグメント（例えば、角のある、及び／又は平らな装着セグメント）と比較したときに、湾曲された面は、装着セグメント５８の荷重を支える能力を高めることができる。実際、以下にさらに詳細に説明されるように、上記の列挙した面のいずれも、ブレードの歪みを低減するために、様々な弧度を持つように変形されてもよい。
【００２６】
前述のように、ターボ機械ブレードセグメント２２は、応力を受ける可能性がある。これらの応力は、タービン１８（図１）の運転中に、装着セグメント５８における亀裂の可能性又は亀裂の規模を増加する可能性がある。概して、金属のターボ機械ブレードセグメント２２は、半径方向５０（例えば、半径方向上向き）において応力を受ける。対照的に、複合材料のターボ機械ブレード２２は、ＩＬＴなど、異なる種類の応力をより受けやすい。実際、ＩＬＴは、複合材料のブレードに対して特に悪影響をもたらす可能性があり、それについては以下により詳細に説明する。しかしながら、セラミックスマトリックス複合材料（ＣＭＣ）のターボ機械ブレードセグメント２２などの、複合材料の装着セグメント５８を備える複合材料のターボ機械ブレードセグメント２２は、エンジンにおける場合など、高温ガスの通路内に位置される構成部品内での使用に対して有利であり得るが、それは、複合材料のターボ機械ブレードセグメント２２が、ガスタービンの高温ガスの通路内に冷却空気を入れなくても機能することができるためである。したがって、装着セグメント５８は、１以上の積層プライの複合材料アセンブリであってもよい。
【００２７】
図４は、図３の線４−４における装着セグメント５８の部分断面図であり、装着セグメント５８の大部分を形成する積層プライ１０８の複合材料アセンブリ１０６の実施形態を示す。ある実施形態においては、図示されるように、積層プライ１０８は、半径方向５０において、装着セグメント５８の近位端１００から遠位端９８（図３）へと延在していてもよい。さらに、積層プライ１０８は、互いに対して実質的に平行に配向されていてもよく、以下に説明されるように、母材内に配置された複数の繊維１４を含んでいてもよい。
【００２８】
積層プライ１０８は、装着セグメント５８の内部において、又は、装着セグメント５８同士の間で、均一又は不均一であり得る特性（例えば、形状及び／又は材料組成）を有していてもよい。例えば、装着セグメント５８の応力又は圧縮荷重は、半径方向５０、軸方向４８、又は周方向５２において均一でない可能性があり、そのため、積層プライ１０８の特性は、装着セグメント５８の内部において変わるように設計されてもよい。
【００２９】
ある実施形態では、積層プライ１０８の材料組成は、装着セグメント５８が大きな機械応力又は熱応力に耐えるように設計されていてもよい。例えば、積層プライ１０８は、セラミック、金属、高分子化合物、繊維ガラス、エポキシ樹脂、他の適切な材料、又は、それらの組合せから構成されていてもよい。ある実施形態では、積層プライ１０８はセラミックスマトリックス複合材料であってもよい。例えば、材料組成は、隣接する積層プライ１０８の間でセラミックと金属とで交互に代わっていてもよい。他の実施形態では、前述のように、積層プライ１０８は、複数の繊維１１４（例えば、炭化ケイ素繊維）が母材材料内に配置されたＣＭＣ材料であってもよい。母材材料は、繊維１１４を構成するのに使用される材料と同じであってもよく、繊維１１４を構成するのに使用される材料の成分（例えば、ケイ素／炭化ケイ素）の１つもしくは複数を含んでいてもよく、又は、繊維１１４と異なっていてもよい。また、積層プライ１０８がこのような繊維１１４を含む場合の実施形態において、繊維１１４は任意の相対配向であってもよい。例えば、例示のように、第１組の繊維１１６は第１の配向である一方で、第２組の繊維１１８は第２の配向である。実際には、第１の配向及び第２の配向は、任意の配置形態を取ることができ、互いに対して任意の配置関係を取ることができる。したがって、第１組の繊維１１６及び第２組の繊維１１８は、互いに実質的に平行となる配向であってもよく、互いに交差する配向（例えば、合流する、分岐する、直交する、又は同様の関係）であってもよく、又は、弓形、円形、もしくは半円形の態様の配向とされていてもよい。ある実施形態においては、繊維１１４は、運転中の装着セグメント５８のせん断、歪み、及び張力に耐える能力を増大するように、半径方向５０において、装着セグメント５８内で実質的に整列されることが望ましい可能性がある。
【００３０】
複合材料の装着セグメント５８は、少なくとも、先に説明した理由によって有利であり得る一方で、複合材料の引張強度を超える層間応力を受ける可能性がある。具体的には、複合材料のタービンブレードセグメント２２が回転するとき、複合材料の装着セグメント５８は、装着セグメント５８の最小ネック領域１１０において大きなＩＬＴを受ける可能性がある。より具体的には、歪みが、矢印１１２によって示される方向において発生する可能性がある。ＩＬＴは、積層プライ１０８を横方向に（例えば、周方向５２に）分裂させる、又は、層を裂いてしまう可能性がある。積層プライ１０８が分裂すると、装着セグメント５８に前からあった亀裂を作り出すか、又は、悪化させてしまう可能性がある。さらに、装着セグメント５８は、接触面９４、９６の一部１１７に沿って大きな半径方向の荷重を受ける可能性があり、その荷重は積層プライ１１４を破断する可能性がある。これらの問題に対処するために、開示された実施形態は、湾曲装着セグメント５８及びディスクポスト７８で弧度に変化を持たせており、そのような弧度の変化は、構造を強固にし、かつ、装着セグメント５８の歪みを低減するように機能することができ、そのため、ターボ機械ブレードセグメント２２の応力を低減する。
【００３１】
図５は、ターボ機械ブレードセグメント２２及びスロット６４の、図２の線３−３における軸方向での部分断面図であり、装着セグメント５８及びディスクポスト７８の実施形態を示す。例示の実施形態では、装着セグメント５８の第１の接触面９４及び第２の接触面９６は、ターボ機械ブレードセグメント２２の長手軸７６に対して内向きに湾曲している。したがって、例示の実施形態においては、第１の接触面９４及び第２の接触面９６は、長手軸７６に対して凹面をなす。実際には、本明細書で定義されるように、装着セグメント５８に関して、凹面をなすとは、ターボ機械ブレードセグメント２２に向かって湾曲しているとして定義され、凸面をなすとは、ターボ機械ブレードセグメント２２から離れるように湾曲しているとして定義される。したがって、継手５４が形成されたときに第１の接触面９４及び第２の接触面９６に当接するように構成されていてもよい第１の保持面８４及び第２の保持面８６も、ターボ機械ブレードセグメント２２に対して窪んでいてもよい。さらに、第１の保持面８４は、第１のディスクポスト８０の長手軸１２０から離れるように、すなわち出っ張るように湾曲していてもよい。同様に、第２の保持面８６は、第２のディスクポスト８２の長手軸１２２から離れるように湾曲していてもよい。
【００３２】
例示の実施形態では、接触面９４、９６の各々は、その遠位端９８から近位端１００へと湾曲している。したがって、上面９０、９２も、第１の接触面９４及び第２の接触面９６とそれぞれ係合するように湾曲している。具体的には、上面９０、９２の各々は、ロータ２４の回転軸２６から離れるように湾曲していてもよい。別の言い方をすると、上面９０、９２は、それぞれ長手軸１２０、１２２をまたいで湾曲していてもよい。長手軸１２０、１２２は、継手５４が形成されたときに、ターボ機械ブレードセグメント５８の長手軸７６と実質的に平行であってもよい。つまり、長手軸１２０、１２２は、長手軸７６から、ある程度の距離までずれていてもよい。他の実施形態では、長手軸１２０、１２２は、平行でなくてもよい。例示の実施形態では、上面９０、９２は円弧面１２４として湾曲している。一実施形態では、第１のディスクポスト８０及び第２のディスクポスト８２の頂部（例えば、回転軸２６から最も遠い部分）が、長手軸１２０、１２２と実質的に整列するように、円弧面１２４は湾曲している。さらに、弧度は、ある実施形態については変化してもよい。例えば、各円弧面１２４は、４分の１、３分の１、２分の１、３分の２、又は、４分の３の円であってもよい。各円弧面１２４は、約０度より大きく約２７０度より小さい円弧角を有していてもよい。非限定的な例により、各円弧面１２４は、約３０度と約２４０度との間、約６０度と約２１０度との間、約９０度と約１８０度との間、又は、約１２０度と約１５０度との間の円弧角を有していてもよい。
【００３３】
例示の実施形態では、装着セグメント５８の下側面１０２も湾曲している。具体的には、下側面１０２は、ターボ機械ブレードセグメント２２から半径方向に離れるように湾曲している。より具体的には、下側面１０２は、角１０４同士の間で湾曲して、凸状円弧面１２６を作り出している。また、凸状円弧面１２６は、ロータ２４の回転軸２６に対して凹面をなす。前述のように、円弧面１２６は、装着セグメント５８の最も底の部分（例えば、ブレード５６から最も遠い部分）が長手軸７６と実質的に整列するように湾曲している。円弧面１２６は、円弧面１２４と同じ弧度又は異なる弧度であってもよい。つまり、円弧面１２６は、約０度より大きく約２７０度より小さい円弧角を有していてもよい。非限定的な例により、円弧面１２６は、約３０度と約２４０度との間、約６０度と約２１０度との間、約９０度と約１８０度との間、又は、約１２０度と約１５０度との間の円弧角を有していてもよい。
【００３４】
前述のように、上面９０、９２及び下側面１０２の湾曲は、継手５４が形成されたときに、ターボ機械ブレードセグメント２２の構造を強固にするのが望ましいかもしれない。具体的には、湾曲は、ブレードセグメント２２の荷重を支える能力を増大し、運転中に、ＩＬＴに対抗、又は、ＩＬＴを低減することができる。さらに、弧度は、荷重を支える能力に関係されていてもよい。例えば、９０度と２７０度との間、又は、１００度と２００度との間の円弧角は、荷重を支える能力にとって最適であり得る。
【００３５】
ある実施形態においては、底面８８も、ロータ２４の回転軸２６に向かって内向きに湾曲するように、湾曲していてもよい。実際には、底面８８の形状が下側面１０２の形状と実質的に一致し、それらの面の間の何らかの動きを可能にする一方で、実質的に均一に嵌まり合うようにもすることが望ましいかもしれない。したがって、例示の実施形態では、底面８８は、凸状円弧面１２６の形状と実質的に一致する形状１２８を有している。さらに、例示の実施形態では、スロット６４は、継手５４が形成されるときにキャビティ１３０が底面８８と下側面１０２との間に配置され得るように、装着セグメント５８の差し込み部よりも深くなっている。一実施形態においては、キャビティ１３０は、冷却空気（例えば、圧縮空気）を入れ、ターボ機械ブレードセグメント２２を冷却することができるように構成されていてもよい。しかしながら、ある実施形態では、スロット６４及び装着セグメント５８は、キャビティ１３０が最小となるように、又は、下側面１０２が底面８８に当接するように構成されていてもよい。
【００３６】
図６は、ターボ機械ブレードセグメント２２及びスロット６４の、図２の線３−３における軸方向での部分断面図であり、装着セグメント５８及びディスクポスト７８の実施形態を示す。例示の実施形態において、下側面１０２及び底面８８は、図４に関連して説明したように、それぞれ、凸状円弧面１２６、１２８として設計されていてもよい。しかしながら、上面９０、９２は、それぞれ長手軸１２０、１２２をまたいで実質的に平坦であってもよい。したがって、第１の接触面９４の遠位端９８及び第２の接触面９６の遠位端９８も、それぞれ、平坦な上面９０、９２と係合するように平坦であってもよい。
【００３７】
図７は、ターボ機械ブレードセグメント２２及びスロット６４の、図２の線３−３内における軸方向での部分断面図であり、装着セグメント５８及びディスクポスト７８の実施形態を示す。例示の実施形態では、下側面１０２は、概して、ターボ機械ブレードセグメント２２から半径方向に離れるように突出していてもよい。つまり、下側面１０２の少なくとも一部は、ターボ機械ブレードセグメント２２に対して外向きに湾曲していてもよく、下側面の一部は、平坦であってもよいし、又は、ターボ機械ブレードセグメント２２に対して離れるように傾斜していてもよい。ある実施形態では、下側面１０２は、長手軸７６をまたいで、湾曲していてもよいし、又は、出っ張っていてもよい。例えば、下側面１０２は、下側面１０２の０超乃至１００％、１０超乃至９０％、２０超乃至８０％、３０超乃至７０％、又は４０超乃至６０％において湾曲していてもよい。また、例示の実施形態では、上面９０、９２は、上面９０、９２の各々の少なくとも一部が回転軸２６に対して半径方向に外向きに突出するように、概して湾曲していてもよい。具体的には、上面９０、９２は、それぞれ長手軸１２０、１２２をまたいで湾曲している。さらに、上面９０、９２は、それぞれの面の０超乃至１００％、１０超乃至９０％、２０超乃至８０％、３０超乃至７０％、又は４０超乃至６０％において湾曲していてもよい。
【００３８】
底面８８は、概して、ターボ機械ブレードセグメント２２から半径方向に外向きに突出するように設計されていてもよい。下側面１０２も同様に、底面８８の少なくとも一部が回転軸２６に向かって湾曲していてもよく、下側面の一部は平坦であってもよいし、又は、回転軸２６に対して離れるように傾斜していてもよい。ある実施形態においては、底面８８は、継手５４が形成されたときに、長手軸７６をまたいで、湾曲していてもよいし、又は、出っ張っていてもよい。また、長手軸は、継手５４が形成されたときに、底面８８の中央領域１２０と実質的に整列してもよい。ある実施形態においては、底面８８は、中央領域１２０をまたいで湾曲していてもよい。さらに、底面８８は、底面８８の０超乃至１００％、１０超乃至９０％、２０超乃至８０％、３０超乃至７０％、又は４０超乃至６０％において湾曲していてもよい。
【００３９】
この記載した説明は、最良な形態を含め、本発明を開示するために、また、何らかの装置又はシステムの製作及び使用、並びに、取り入れられた何らかの方法の実施を含めて、当業者が本発明を実施することができるように、例を用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者の思いつく他の例を含むことがある。そのようは他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を備える場合、又は、特許請求の範囲の文言と非実質的に異なる同等の構造的要素を備える場合には、特許請求の範囲内にあると意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
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