(57)【要約】【課題】タービンブレード及びそれを製造する方法を提供する。【解決手段】タービンブレード（１１０）を製造する方法（１００）は、ブレード先端シュラウド（１１２）と該ブレード先端シュラウドに結合された少なくとも１つのシール歯（１１４）とを備えた少なくとも１つのタービンブレードを鋳造する段階と、ブレード先端シュラウドの半径方向外側面（１１８）が少なくとも２つのほぼ平坦な表面を有するようにタービンブレードの少なくとも一部分（１１６）を除去する段階とを含む。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つのほぼ平坦な表面を有する半径方向外側面（１１８）を含むブレード先端シュラウド（１１２）と、
前記ブレード先端シュラウドに結合された少なくとも１つのシール歯（１１４）と、
を含むタービンロータブレード（５６）。
【請求項２】
前記ブレード先端シュラウド（１１２）が、ほぼＶ字形の断面輪郭（１２０）を有する、請求項１記載のタービンロータブレード（５６）。
【請求項３】
各ブレード先端シュラウド平坦表面が、前記ブレード先端シュラウド（１１２）の円周方向幅のほぼ半分にわたって延びる、請求項１記載のタービンロータブレード（５６）。
【請求項４】
２つのシール歯（８６）をさらに含み、各シール歯（１１４）が、少なくとも２つのほぼ平坦な表面を有する半径方向外側面（１１８）を含む、請求項１記載のタービンロータブレード（５６）。
【請求項５】
２つのシール歯（８６）をさらに含み、各シール歯（１１４）が、ほぼＶ字形の断面輪郭（１２０）を有する、請求項１記載のタービンロータブレード（５６）。
【請求項６】
前記タービンブレードが、チタンアルミナイド材料を含む、請求項１記載のタービンブレード（５６）。
【請求項７】
前記タービンブレードが、低圧タービン（２０）に結合される、請求項１記載のタービンロータブレード（５６）。
【請求項８】
低圧タービンロータ（４４）と、
前記低圧タービンロータに結合された複数の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレード（５６）と、
を含み、各前記ロータブレードが、
少なくとも２つのほぼ平坦な表面を有する半径方向外側面（１１８）を含むブレード先端シュラウド（１１２）と、
前記ブレード先端シュラウドに結合された少なくとも１つのシール歯（１１４）と、を含む、
ガスタービンエンジンロータ組立体（４０）。
【請求項９】
前記ブレード先端シュラウド（１１２）が、ほぼＶ字形の断面輪郭（１２０）を有する、請求項８記載のガスタービンエンジンロータ組立体（４０）。
【請求項１０】
各ブレード先端シュラウド平坦表面が、前記ブレード先端シュラウド（１１２）の円周方向幅のほぼ半分にわたって延びる、請求項８記載のガスタービンエンジンロータ組立体（４０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはタービン組立体に関し、より具体的にはガスタービンエンジンロータブレードを製造するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは一般的に、圧縮機、燃焼器及び少なくとも１つのタービンを含む。圧縮機は空気を加圧し、加圧空気は燃料と混合されて燃焼器に導かれる。混合気は次ぎに点火されて高温燃焼ガスを発生し、燃焼ガスはタービンに導かれ、タービンは、燃焼ガスからエネルギーを取り出して圧縮機に動力を供給すると同時に、飛行中の航空機を推進するか又は発電機などの負荷に動力を供給するような有用な仕事を行う。
【０００３】
タービンは、ロータ組立体及びステータ組立体を含む。ロータ組立体は、ディスクから半径方向外向きに延びる複数のロータブレードを含む。より具体的には、各ロータブレードは、ディスクに隣接するプラットフォームとブレード先端との間で半径方向に延びる。ロータ組立体を通る燃焼ガス流路は、ロータブレードプラットフォームによって半径方向内側を境界付けられ、またその各々が少なくとも１つのシール歯を含む複数のシュラウドによって半径方向外側を境界付けられる。
【０００４】
少なくとも１つの公知のガスタービンブレードは、ニッケル基合金を用いて製造されて、ほぼ湾曲した外側シュラウドを有するタービンブレードが形成される。例えば、タービンブレードは、最終外側シュラウド及びシール歯を形成するのに簡単な半径方向研削作業を用いて除去される付加的材料を備えた状態で鋳造される。より具体的には、ニッケル基合金は「寸法に合わせて」鋳造される、つまりタービンブレードは、最終タービンブレードを形成するのに大きな機械加工を必要としない。
【０００５】
しかしながら、例えばチタンアルミナイド材料のような異なる材料を用いてガスタービンブレードを製造する場合には、実質的に湾曲したシュラウド及び少なくとも１つのシール歯を含むタービンブレードを鋳造することは、「鋳放し」の表面を全く持たないタービンブレードを形成することになる。より具体的には、チタンアルミナイドを用いてタービンブレードを鋳造することにより、図１及び図２に示すように最終機械加工形状に対して大量の過剰材料を持つタービンブレードが形成される。従って、過剰材料を除去して図３に示すような湾曲した外側シュラウド及びシール歯を有する最終タービンブレードを形成するためには、少なくとも２つの機械加工作業が必要となる。従って、ニッケル基合金以外の材料を用いて湾曲した外側シュラウドを有するガスタービンブレードを製造することは、タービンブレードの製造コストを高めることを助長し、それによって顧客向けのブレード価格が上昇することになる。
【特許文献１】米国特許第３，５２７，５４４号公報
【特許文献２】米国特許第６，２５４，３４５−Ｂ１号公報
【特許文献３】米国特許第６，４６４，４６０−Ｂ２号公報
【特許文献４】米国特許第６，８９０，１５０−Ｂ２号公報
【特許文献５】米国特許第６，８９２，９３１−Ｂ２号公報
【特許文献６】米国特許第６，８９３，２１６−Ｂ２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来技術の課題を解決することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１つの態様では、ガスタービンエンジン用のタービンブレードを製造する方法を提供する。ガスタービンエンジンは、複数のタービンブレードを備えたタービンを含む。本方法は、ブレード先端シュラウドと該ブレード先端シュラウドに結合された少なくとも１つのシール歯とを備えた少なくとも１つのタービンブレードを鋳造する段階と、ブレード先端シュラウドの半径方向外側面が少なくとも２つのほぼ平坦な表面を有するようにタービンブレードの少なくとも一部分を除去する段階とを含む。
【０００８】
別の態様では、タービンロータブレードを提供する。本タービンロータブレードは、少なくとも２つのほぼ平坦な表面を備えた半径方向外側面を有するブレード先端シュラウドと、ブレード先端シュラウドに結合された少なくとも１つのシール歯とを含む。
【０００９】
さらに別の態様では、ガスタービンエンジンロータ組立体を提供する。本ロータ組立体は、低圧タービンロータと、該低圧タービンロータに結合された複数の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレードとを含む。各ロータブレードは、少なくとも２つのほぼ平坦な表面を備えた半径方向外側面を有するブレード先端シュラウドと、ブレード先端シュラウドに結合された少なくとも１つのシール歯とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図４は、ファン組立体１２、高圧圧縮機１４及び燃焼器１６を含むガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０はさらに、高圧タービン１８、低圧タービン２０及びブースタ２２を含む。ファン組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外向きに延びるファンブレード２４の列を含む。エンジン１０は、吸気側２８及び排気側３０を有する。１つの実施形態では、ガスタービンエンジンは、オハイオ州シンシナチ所在のＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＧＥ９０型である。別の実施形態では、エンジン１０は、低圧圧縮機を含む。ファン組立体１２、ブースタ２２及び低圧タービン２０は、第１のロータシャフト３１によって結合され、また高圧圧縮機１４及び高圧タービン１８は、第２のロータシャフト３２によって結合される。
【００１１】
作動中、空気はファン組立体１２を通って流れ、加圧された空気がブースタ２２を通って高圧圧縮機１４に供給される。高度に加圧された空気が、燃焼器１６に供給される。燃焼器１６からの高温の燃焼生成物（図１には図示せず）はタービン１８及び２０を駆動し、タービン２０は、シャフト３１によってファン組立体１２及びブースタ２２を駆動する。エンジン１０は、設計作動条件と非設計作動条件との間の作動条件の範囲で作動可能である。
【００１２】
図５は、ガスタービンエンジン１０で使用することができる、ステータ４２を含むタービンロータ組立体４０の部分切取断面図である。この例示的な実施形態では、タービンロータ組立体４０は、ガスタービンエンジン１０における低圧タービンとして用いることができる。この例示的な実施形態では、ロータ組立体４０は、継手４６によって軸方向中心軸線（図示せず）の周りで互いに同軸に接合された複数のロータ４４を含む。各ロータ４４は、１つ又はそれ以上のブリスク４８によって形成され、各ブリスク４８は、環状の半径方向外側リム５０と、半径方向内側ハブ５２と、リム５０及びハブ５２間で半径方向に延びる一体形ウェブ５４とを含む。各ブリスク４８はまた、外側リム５０から半径方向外向きに延びる複数のブレード５６を含む。１つの実施形態では、ブレード５６は、それぞれのリム５０と一体形に接合される。別の実施形態では、また少なくとも１つの段について、各ロータブレード５６は、それぞれのリム５０の相補形スロット（図示せず）内に取付けるブレードダブテール（図示せず）を使用する公知の方法で、それぞれのリム５０に対して着脱可能に接合することができる。
【００１３】
ロータブレード５６は、空気のような原動流体すなわち作動流体と協働するように構成される。この例示的な実施形態では、ロータ組立体４０は、原動流体空気を後続段に適切に配向するように構成されたロータブレード５６を有する低圧タービン２０（図４に示す）のようなタービンである。ロータリム５０の外側面５８は、空気が段から段に流れるようにタービンの半径方向内側流路面を形成する。
【００１４】
ブレード５６は、軸方向中心軸線の周りで特定の最高設計回転速度まで回転し、回転構成部品内に遠心荷重を発生させる。回転ブレード５６によって発生した遠心力は、各ロータブレード５６の直ぐ下のリム５０の部分によって支えられる。ロータ組立体４０及びブレード５６の回転により、空気からエネルギーが取り出され、このエネルギーが、タービン２０を回転させかつ低圧圧縮機１２（図１に示す）を駆動するための動力を与える。半径方向内側流路は、円周方向には隣接するロータブレード５６によって境界付けられ、また半径方向にはシュラウド８０によって境界付けられる。
【００１５】
ロータブレード５６は各々、前縁６０と、後縁６２と、前縁６０及び後縁６２間で延びる翼形部６４とを含む。各翼形部６４は、負圧側面７６と円周方向に対向する正圧側面７８とを含む。負圧及び正圧側面７６及び７８はそれぞれ、軸方向に間隔を置いて配置されたそれぞれ前縁及び後縁６０及び６２間で延びかつロータブレード先端シュラウドとロータブレード根元８２との間の半径方向スパンにわたって延びる。ブレード翼弦は、それぞれロータブレード後縁及び前縁６２及び６０間で測定される。この例示的な実施形態では、ロータブレード５６は、ステータシュラウド８８に隣接しかつステータシュラウド８８及びロータブレード先端シュラウド８０によって形成された空洞８９内で回転するロータシール歯８６を含む。
【００１６】
図６は、それに限定されないが、図４に示すガスタービン１０のようなガスタービンエンジンで使用することができるガスタービンロータブレード１１０を製造する例示的な方法１００を示すフローチャートである。この例示的な実施形態では、方法１００は、ブレード先端シュラウド１１２と該ブレード先端シュラウド１１２に結合された少なくとも１つのシール歯１１４とを備えた少なくとも１つのタービンブレード１１０を鋳造する段階１０２と、ブレード先端シュラウド１１２の半径方向外側面１１８がほぼＶ字形の断面輪郭１２０を有するようにタービンブレード１１０の少なくとも一部分１１６を除去する段階１０４とを含む。
【００１７】
図７は、初期製造段階時におけるガスタービンブレード１１０の側面図である。図８は、後続する製造段階を行った後の、図７に示すガスタービンブレード１１０の斜視図である。図９は、図８に示すガスタービンブレード１１０の側面図である。図１０は、図９に示すガスタービンブレード１１０の断面図である。この例示的な実施形態では、タービンブレード１１０は、図４に示す低圧タービン２０のような低圧タービンに結合された低圧タービンロータブレードである。別の実施形態では、方法１００は、図４に示すガスタービンエンジン１０内部で使用するあらゆるタービンブレードを製造するのに用いることができる。
【００１８】
この例示的な実施形態では、ガスタービンブレード１１０は、金属材料を用いて鋳造される。この例示的な実施形態では、ガスタービンブレード１１０は、例えばチタンアルミナイド材料を用いて鋳造される。この例示的な実施形態では、タービンブレード１１０は、「オーバサイズに鋳造」される、つまりタービンブレード１１０は、最終ブレード１１０を形成するために除去しなければならない部分１１６を含む。
【００１９】
この例示的な実施形態では、タービンブレード１１０を鋳造した後、過剰部分１１６は、放電加工（ＥＤＭ）装置１２２を用いて除去される。より具体的には、ＥＤＭ装置１２２は、ブレード先端シュラウド１１２及び少なくとも１つのシール歯１１４が形成されかつブレード先端シュラウド１１２の半径方向外側面１１８がほぼＶ字形の断面輪郭１２０を有するように、過剰部分１１６を除去するように構成される。
【００２０】
より具体的には、ブレード先端シュラウド１１２は、ブレード先端シュラウド外側面１１８が、頂部１３４で互いに結合された第１の非アーチ形部分１３０すなわち平坦面と第２の非アーチ形部分１３２すなわち平坦面とを含むように形成されて、外側面１１８はほぼＶ字形の断面輪郭１２０を有するようになる。この例示的な実施形態では、タービンブレード１１０について、第１及び第２の部分１３０及び１３２は単体構造に形成される。より具体的には、ＥＤＭ装置１２２を用いて、外側面１１８がほぼＶ字形の断面輪郭を有するように部分１１６を除去する。
【００２１】
さらに、各シール歯１１４は、その頂部１４４で互いに結合された第１の非アーチ形部分すなわち平坦面と第２の非アーチ形部分１４２すなわち平坦面とを含み、各シール歯１１４が、ほぼＶ字形の断面輪郭１２０を有するようになる。この例示的な実施形態では、タービンブレード１１０について、第１及び第２の部分１４０及び１４２は単体構造に形成される。より具体的には、ＥＤＭ装置１２２を用いて、各シール歯１１４がほぼＶ字形の断面輪郭１２０を有するように部分１１６を除去する。
【００２２】
本明細書で説明した方法により、タービンブレードのシール歯及びシュラウド非流路表面の形状を改良して、ワイヤカット式ＥＤＭ装置を用いてガスタービンブレードを製造することができるようにすることが可能になる。より具体的には、公知のＥＤＭ機械は、タービンブレードの湾曲した表面を円周方向に形成することができない。従って、本明細書で説明したタービンブレードは、公知のタービンブレードのシュラウド及びシール歯の湾曲した形状を含まないようにし、もっと正確に言えば、外側シュラウドのアーチ形の又は湾曲した半径方向外側面をその各々がシュラウドの円周方向幅の半分にわたって延びる２つの平坦な表面によって置き換える。２つの平坦な表面によって形成した半径方向外側面を有する外側シュラウドを含むタービンブレードを製造することにより、シール歯及びステータシュラウド間の漏れを減少させることが可能になる。さらに、この例示的な実施形態は、その各々が２つのほぼ平坦な表面を有する外側シュラウド及びシール歯を示しているが、この例示的なタービンブレードは、外側シュラウド及びシール歯の半径方向外側面を形成する３つ又はそれ以上の平坦な表面を含むことができることを理解されたい。
【００２３】
従って、本明細書で説明した方法及び装置は、ＬＰＴブレードをＴｉＡｌ材料で製造するのに必要な機械加工量を減少させ、それによってタービンブレードを製造するためのコスト及びサイクル時間を低減することを可能にする。さらに、本明細書で説明したタービンブレードを製造するためのコスト及びサイクル時間を低減することはさらに、ガスタービンエンジンの全重量を軽減することも可能にする。
【００２４】
上述した方法及び装置は、コスト効果がありかつ高い信頼性がある。本明細書で説明したタービンブレードは、その各々がガスタービンエンジンを製造する時間及び製造コストを低減するのを可能にするような少なくとも２つのほぼ平坦な表面を備えた半径方向外側面及び少なくとも１つのシール歯を含む。
【００２５】
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、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の改良で実施することができることは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】初期製造時における公知のガスタービンブレードの側面図。
【図２】初期製造時における図１に示す公知のガスタービンブレードの断面図。
【図３】機械加工が完了した後の図１及び図２に示す公知のガスタービンブレードの断面図。
【図４】例示的なガスタービンエンジンの断面図。
【図５】図４に示すガスタービンエンジンで使用することができるロータ組立体及びステータ組立体の部分切取断面図。
【図６】図４に示すガスタービンエンジンで使用することができる例示的なタービンブレードを製造する方法を示す図。
【図７】初期製造段階時における、図４に示すガスタービンエンジンで使用することができる例示的なガスタービンブレードの側面図。
【図８】後続する製造段階を行った後の、図７に示す例示的なガスタービンブレードの斜視図。
【図９】図８に示すガスタービンブレードの側面図。
【図１０】図９に示すガスタービンブレードの断面図。
【符号の説明】
【００２７】
１０  ガスタービンエンジン
１２  ファン組立体
１４  高圧圧縮機
１６  燃焼器
１８  高圧タービン
２０  低圧タービン
２２  ブースタ
２４  ファンブレード
２６  ロータディスク
２８  吸気側
３０  排気側
３１  第１のロータシャフト
３２  第２のロータシャフト
４０  ロータ組立体
４２  ステータ
４４  ロータ
４６  継手
４８  ブリスク
５０  リム
５２  内側ハブ
５４  一体形ウェブ
５６  ロータブレード
５８  外側面
６０  前縁
６２  後縁
６４  翼形部
７６  負圧側面
７８  正圧側面
８０  ロータブレード先端シュラウド
８２  ロータブレード根元
８６  ロータシール歯
８８  ステータシュラウド
８９  空洞
１００  方法
１０２  鋳造する段階
１０４  除去する段階
１１０  ガスタービンブレード
１１２  ブレード先端シュラウド
１１４  シール歯
１１６  一部分
１１８  外側面
１２０  断面輪郭
１２２  放電加工（ＥＤＭ）装置
１３０  非アーチ形部分
１３２  非アーチ形部分
１３４  頂部
１４０  非アーチ形部分
１４２  非アーチ形部分
１４４  頂部
【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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【図８】
2006348937.tif 000010
【図９】
2006348937.tif 000011
【図１０】
2006348937.tif 000012
【外国語明細書】
2006348937000001.pdf