(57)【要約】【課題】１つまたは複数の上記の欠陥を受けないタービンシステムおよびアダプタを提供する。【解決手段】アダプタは、タービンロータのホイールポストの対応する幾何形状を受けるように配置された、第１の幾何形状を含むタービン取付け部と、非金属製タービンバケットの根元部の対応する幾何形状を受けるように配置された、第２の幾何形状を含むバケット取付け部とを備える。別のアダプタは、タービンロータの複数のホイールポストを受けるように配置されたタービン取付け部と、単一ダブテール構成の根元部を含む複数の非金属製タービンバケットを受けるように配置されたバケット取付け部とを備える。タービンシステムは、金属製バケットを受けるように構成されているタービンロータホイールと、タービンロータホイール上のホイールポストに固定されるアダプタと、アダプタに固定される非金属製バケットとを備える。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンロータ（１０５）のホイールポスト（１０７）の対応する幾何形状を受けるように配置された、第１の幾何形状を含むタービン取付け部（１０３）と、
非金属製タービンバケット（１１５）の根元部（１０８）の対応する幾何形状を受けるように配置された、第２の幾何形状を含むバケット取付け部（１０２）と
を備えるアダプタ（１０１）。
【請求項２】
前記第１の幾何形状を含む前記タービン取付け部（１０３）が、タービンロータ境界面を備える、請求項１に記載のアダプタ（１０１）。
【請求項３】
第２の幾何形状を含む前記バケット取付け部（１０２）が、バケット境界面を備える、請求項１に記載のアダプタ（１０１）。
【請求項４】
前記バケット取付け部（１０２）が、前記非金属製タービンバケット（１１５）の前記第２の幾何形状を受けるように配置され、前記第２の幾何形状が、スキュー角が０度のダブテールに対応する、請求項１に記載のアダプタ（１０１）。
【請求項５】
前記バケット取付け部（１０２）が、前記非金属製タービンバケット（１１５）の第２の幾何形状を受けるように配置され、前記第２の幾何形状が、スキュー角が０度でないダブテールに対応する、請求項１に記載のアダプタ（１０１）。
【請求項６】
前記バケット取付け部（１０２）が、前記非金属製タービンバケットの第２の幾何形状を受けるように配置され、前記第２の幾何形状が、湾曲したダブテールに対応する、請求項１に記載のアダプタ（１０１）。
【請求項７】
前記タービン取付け部（１０３）の中にホイールポスト係止タブ（１１１）を備える、請求項１に記載のアダプタ（１０１）。
【請求項８】
前記バケット取付け部（１０２）の中にダブテール係止タブ（１１２）を備える、請求項１に記載のアダプタ（１０１）。
【請求項９】
前記タービン取付け部（１０３）および前記バケット取付け部（１０２）の中に軸方向に保持するためのロックワイヤ（１１３）を備える、請求項１に記載のアダプタ（１０１）。
【請求項１０】
前記アダプタ（１０１）の少なくとも１つの対合側面上に摩耗結合部（１０４）を備える、請求項１に記載のアダプタ（１０１）。
【請求項１１】
前記アダプタ（１０１）の少なくとも１つの対合側面に亘って塗布される耐摩耗コーティングを備える、請求項１に記載のアダプタ（１０１）。
【請求項１２】
タービンロータ（１０５）の複数のホイールポスト（１０７）を受けるように配置されたタービン取付け部（１０３）と、
単一ダブテール構成の根元部（１０８）を含む複数の非金属製タービンバケット（１１５）を受けるように配置されたバケット取付け部（１０２）と
を備えるアダプタ（１０１）。
【請求項１３】
金属、セラミック、セラミックマトリックス複合材、金属間化合物、および金属マトリックス複合材から成る群から選択された材料を更に備える、請求項１２に記載のアダプタ（１０１）。
【請求項１４】
金属製バケットを受けるように構成されているタービンロータホイールと、
前記タービンロータホイール上の少なくとも１つのホイールポスト（１０７）に固定される少なくとも１つのアダプタ（１０１）と、
前記少なくとも１つのアダプタ（１０１）に固定される少なくとも１つの非金属製バケット（１１５）と
を備えるタービンシステム（１００）において、
前記少なくとも１つの非金属製バケット（１１５）が、セラミック、セラミックマトリックス複合材、金属間化合物、および金属マトリックス複合材から成る材料の群から選択される、タービンシステム（１００）。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのアダプタ（１０１）が、前記少なくとも１つの非金属製バケット（１１５）を前記タービンロータホイールから半径方向外側に配置する、請求項１４に記載のタービンシステム（１００）。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの非金属製バケット（１１５）が、短いシャンクのバケットを備える、請求項１５に記載のタービンシステム（１００）。
【請求項１７】
前記タービンシステム（１００）の流路が依然として変化しない、請求項１６に記載のタービンシステム（１００）。
【請求項１８】
前記金属製バケットがクリスマスツリー型根元部を更に備える、請求項１７に記載のタービンシステム（１００）。
【請求項１９】
前記少なくとも１つのアダプタ（１０１）が、前記タービンシステム（１００）の冷却空気流を減少させる、請求項１７に記載のタービンシステム（１００）。
【請求項２０】
前記少なくとも１つのアダプタ（１０１）が、前記少なくとも１つの非金属製バケット（１１５）に加えられる曲げモーメントに耐える、請求項１７に記載のタービンシステム（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンシステムおよびアダプタに関する。より具体的には、本発明は、アダプタを用いてバケットを固定するタービンシステム、およびバケットをタービンシステムに固定するためのアダプタに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンシステムは、ロータホイールから半径方向外側に延在するバケットを含む。バケットは、一般的に、根元部、略平坦なプラットフォーム、およびエーロフォイル部を含む。タービンシステムの効率を向上させるために、上昇した作動温度、および上昇した作動温度に耐えることができる材料が絶えず求められている。材料が進歩するにつれて、バケットの構築および／または構成を変えることが可能である。
【０００３】
材料の進歩の１つには、セラミック、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ：ｃｅｒａｍｉｃ  ｍａｔｒｉｘ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、または金属マトリックス複合材（ＭＭＣ：ｍｅｔａｌ  ｍａｔｒｉｘ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）のバケットなど、非金属製バケットの発展が含まれ、それらは金属および／または合金製バケットに比較して、向上した温度能力を有する。非金属製バケットの向上した温度能力は、既存のタービンシステムの効率を向上させるであろうが、非金属製バケットは、既存の金属および／または合金製バケットとは異なる根元部を有することが多い。例えば、非金属製バケットは、ダブテール形状の根元部を含むことが多いが、一方、それらが取って代わる金属および／または合金製バケットは、従来のクリスマスツリー型根元部を含むことが多い。
【０００４】
多くの既存のタービンシステムは、非金属製バケットのダブテール形状根元部ではなく、金属および／または合金製バケットの従来のクリスマスツリー型根元部を受けるように構成されているホイールまたはロータを有する。そのため、多くの現在のタービンシステムは、過度の費用をかけず、かつ複雑さを追加せずに、既存の金属および／または合金製バケットを非金属製バケットに直接現場で交換することができない。更に、非金属製バケットの熱膨張は、金属および／または合金製バケットの熱膨張と異なる。非金属製バケットを金属および／または合金製バケットを受けるように構成されているロータホイールに取り付けることは、材料が異なる比率で膨張することによって、ロータホイールに取り付けられたバケットに損傷をもたらすので、金属および／またはセラミックにそれらの境界面で損傷を引き起こす可能性がある。
【０００５】
１つまたは複数の上記の欠陥を受けないタービンシステムおよびアダプタが、当分野で所望されることであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２００５１９２４号明細書
【発明の概要】
【０００７】
例示的な実施形態では、アダプタは、タービンロータのホイールポストの対応する幾何形状を受けるように配置された、第１の幾何形状を含むタービン取付け部と、非金属製タービンバケットの根元部の対応する幾何形状を受けるように配置された、第２の幾何形状を含むバケット取付け部とを備える。
【０００８】
別の例示的な実施形態では、アダプタは、タービンロータの複数のホイールポストを受けるように配置されたタービン取付け部と、単一ダブテール構成の根元部を含む複数の非金属製タービンバケットを受けるように配置されたバケット取付け部とを備える。
【０００９】
別の例示的な実施形態では、タービンシステムは、金属製バケットを受けるように構成されているタービンロータホイールと、タービンロータホイール上の少なくとも１つのホイールポストに固定される少なくとも１つのアダプタと、少なくとも１つのアダプタに固定される少なくとも１つの非金属製バケットとを備える。少なくとも１つの非金属製バケットが、セラミック、セラミックマトリックス複合材、金属間化合物、および金属マトリックス複合材から成る材料の群から選択される。
【００１０】
本発明の他の特徴および利点が、実施例によって本発明の原理を図示する添付の図面と併せて考察されるならば、好ましい実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】本開示の実施形態による、タービンシステム用アダプタの組立図である。
【図１Ｂ】本開示の代替実施形態による、タービンシステム用アダプタの組立図である。
【図２】本開示の実施形態による、タービンシステムに取り付けられた複数のバケットおよびアダプタの正面図である。
【図３】本開示の代替実施形態による、タービンシステムに取り付けられた複数のバケットおよびアダプタの正面図である。
【図４】本開示の実施形態による、改造されたタービンシステムの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
可能な場合はいつでも、同じ参照符号は、図面全体を通して同じ部品を示すために使用される。
【００１３】
タービンシステムおよびアダプタが提供される。本開示の実施形態は、本明細書に開示する１つまたは複数の特徴を使用しないシステムおよび物品と比較すると、システムの温度能力を向上させ、効率を高め、費用を減少させ、疲れ破損を低減し、冷却流を低減し、金属製バケット用に構成されたタービンロータ上に非金属製バケットを使用すること、またはその組合せを使用することを提供する。本明細書で使用される場合、非金属製バケットには、セラミック製バケット、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）製バケット、または金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）製バケット、および金属間化合物から作製されたバケットが含まれる。
【００１４】
図１Ａおよび図１Ｂを参照すると、一実施形態では、タービンシステム１００が、少なくともアダプタ１０１、タービンロータ１０５、および非金属製タービンバケット１１５を備える。アダプタ１０１は、タービンロータ１０５のホイールポスト１０７の対応する幾何形状を受けるように配置された第１の幾何形状を含む１つまたは複数のタービン取付け部１０３、および非金属製タービンバケット１１５の根元部１０８の対応する幾何形状を受けるように配置された第２の幾何形状を含む１つまたは複数のバケット取付け部１０２を備える。タービン取付け部１０３を１つまたは複数のホイールポスト１０７の上にタービンロータ１０５の中に摺動させることによって、アダプタ１０１をタービンロータ１０５に結合する。非金属製タービンバケット１１５の根元部１０８をバケット取付け部１０２内に挿入することによって、非金属製タービンバケット１１５をアダプタ１０１に結合する。
【００１５】
図１Ａおよび図２を参照すると、一実施形態では、単一ブレードアダプタ２０１が、１つのタービン取付け部１０３、および１つのバケット取付け部１０２を備える。図１Ｂおよび図３を参照すると、一実施形態では、複合ブレードアダプタ３０１が、複数のホイールポスト１０７の上にタービンロータ１０５の中に摺動するための複数のタービン取付け部１０３を備え、各複合ブレードアダプタ３０１は、複数の非金属製タービンバケット１１５を受けるための複数のバケット取付け部１０２を備える。
【００１６】
ホイールポスト１０７は、タービンロータ１０５の受取部分１０６の構成に対応する。タービンロータ１０５の受取部分１０６は、限定されないが、単一タング、複合タング、従来のクリスマスツリー型、またはその組合せなど、任意の適切な構成を含む。タービン取付け部１０３の第１の幾何形状は、ホイールポスト１０７間の受取部分１０６内ではなく、１つまたは複数のホイールポスト１０７の上にタービンロータ１０５の中に摺動するための任意の適切な構成を含む。アダプタ１０１が１つまたは複数のホイールポスト１０７の上にタービンロータ１０５の中に摺動するように構成することによって、タービンロータ１０５の受取部分１０６内部に挿入される物品と比較して、アダプタ１０１の面積を増加させる。アダプタ１０１の増加した面積によって、曲げモーメントが非金属製タービンバケット１１５に加えられるとき、アダプタ１０１の曲げ応力を減少させる。アダプタ１０１の曲げの減少は、別の呼び方では、曲げモーメントに対する抵抗と呼ばれる。
【００１７】
非金属製タービンバケット１１５は、根元部１０８、プラットフォーム１０９およびエーロフォイル部１１０を備える。非金属製タービンバケット１１５の根元部１０８は、限定されないが、単一タングのダブテール、複合タング（２つ以上）のダブテール、スキュー角があるダブテール、スキュー角がないダブテール、またはその組合せなど、任意の適切な構成を含む。アダプタ１０１のバケット取付け部１０２は、非金属製タービンバケット１１５の根元部１０８を受けるための任意の適切な構成を含む。非金属製タービンバケット１１５の根元部１０８を受けるための適切な構成は、限定されないが、スキュー角が０度のダブテール、スキュー角が０度でないダブテール、湾曲したダブテール、またはその組合せを含む。非金属製タービンバケット１１５の根元部１０８が、バケット取付け部１０２の中に摺動され、非金属製タービンバケット１１５をアダプタ１０１に対する半径方向の移動に対して固定する。
【００１８】
一実施形態では、非金属製タービンバケット１１５の根元部１０８は、タービンロータ１０５の受取部分１０６と異なる。アダプタ１０１は、根元部１０８が受取部分１０６と異なる場合、非金属製タービンバケット１１５をタービンロータ１０５に取り付けることを可能にする。例えば、一実施形態では、アダプタ１０１のタービン取付け部１０３は、従来のクリスマスツリー型構成を有する受取部分１０６の間の１つまたは複数のホイールポスト１０７の上にタービンロータ１０５の中に摺動するように構成される。別の実施形態では、アダプタ１０１のバケット取付け部１０２は、単一タングのダブテール構成を有する非金属製タービンバケット１１５を受けるように構成され、したがって、単一タングのダブテールを従来のクリスマスツリー型構成に取り付けることができる。
【００１９】
一実施形態では、アダプタ１０１は、タービン取付け部１０３の中にタービンロータ境界面、およびバケット取付け部１０２の中にバケット境界面を備える。タービンロータ境界面は、タービン取付け部１０３の中の疲れ損傷および／または熱結合を低減し、または除去するために任意の適切な構成物を含む。タービンロータ境界面のための適切な構成物は、限定されないが、金属、合金または任意のその組合せなど、ロータホイール材料の熱膨張係数に適合する熱膨張係数を有する材料を含む。バケット境界面は、バケット取付け部１０２の中の疲れ損傷および／または熱結合を低減し、または除去するために任意の適切な構成物を含む。バケット境界面のための適切な構成物は、限定されないが、セラミック、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣｓ）、金属、合金またはその組合せなど、バケット材料の熱膨張係数に適合する熱膨張係数を有する材料を含む。疲れ損傷は、温度が上昇するにつれて、互いの上に圧力を加える、異なる熱膨張値を有する材料から生じる。別の実施形態では、トライボロジー特性の材料が、タービンロータ境界面、バケット境界面、および／または接触している隣接するアダプタ間の対合面に、摩耗を最小にするために配置される。
【００２０】
各アダプタ１０１は、ホイールポスト係止タブ１１１およびダブテール係止タブ１１２を備えることができる。一実施形態では、ロックワイヤ１１３をホイールポスト係止タブ１１１の中に挿入することによって、タービン取付け部１０３をホイールポスト１０７に保持する。ホイールポスト係止タブ１１１内のロックワイヤ１１３は、アダプタ１０１がタービンロータ１０５に対して軸方向に移動することを低減し、または除去する。別の実施形態では、ロックワイヤ１１３をダブテール係止タブ１１２の中に挿入することによって、非金属製タービンバケット１１５の根元部１０８をバケット取付け部１０２内に保持する。ダブテール係止タブ１１２内のロックワイヤ１１３は、非金属製タービンバケット１１５がアダプタ１０１に対して軸方向に移動することを低減し、または除去する。
【００２１】
図２および図３を参照すると、一実施形態では、複数の単一ブレードアダプタ２０１、および／または複合ブレードアダプタ３０１が、複数のホイールポスト１０７の上にタービンロータ１０５の中に摺動されて、タービンロータ１０５の周りにアダプタ１０１のセグメント化されたリングを形成する。別の実施形態では、セグメント化されたリング内のアダプタ１０１は、アダプタ１０１の摩耗面１１４上に摩耗結合部１０４を含む。摩耗面１１４は、セグメント化されたリング内の別の１つのアダプタ１０１に接触し、または接触するようになるアダプタ１０１の任意の面である。摩耗結合部１０４は、セグメント化されたリング内のアダプタ１０１の摩耗面１１４間の移動および／または摩擦を低減し、または除去する。別の実施形態では、摩耗挿入部は、非金属製タービンバケット１１５とアダプタ１０１との間の摩擦を低減するように配置されている。
【００２２】
一実施形態では、アダプタ１０１の摩耗面１１４は、互いに接触して、バケット取付け部１０２の圧力面１１６で曲げ負荷の反作用を許容する。別の実施形態では、互いに接触するように設計されている、アダプタ１０１の摩耗面１１４全体にカジリ防止処理が塗布される。カジリ防止処理によって、摩耗面１１４間の付着摩擦および／または過度の摩擦を低減し、または除去し、アダプタ１０１および／または非金属製タービンバケット１１５への損傷を低減し、または除去する。別の実施形態では、アダプタ１０１は、摩耗面１１４間の摩擦からアダプタ１０１への損傷を低減し、または除去するように配向された繊維を含む複合物である。繊維の配向は、限定されないが、半径方向、円周方向、またはその組合せなど、摩擦を低減するための任意の適切な配向である。
【００２３】
図４を参照すると、一実施形態では、アダプタ１０１が、タービンロータ１０５の周りに配置されるように構成された単一の部品として構築された完全なフープ状セグメント４０１を備える。完全なフープ状セグメント４０１の内側面４０２上のタービン取付け部１０３は、複数のホイールポスト１０７の上にタービンロータ１０５の中に摺動される。完全なフープ状セグメント４０１の外側面４０３は、複数の非金属製タービンバケット１１５を固定するためのバケット取付け部１０２を提供する。完全なフープ状セグメント４０１は、バケット取付け部１０２に対して受取部分１０６の任意の適切な改造を可能にする。適切な改造には、限定されないが、軸方向から円周方向に、軸方向から湾曲して、まっすぐな軸方向から傾いた軸方向に、傾いた軸方向からまっすぐな軸方向に、またはその任意の組合せが含まれる。
【００２４】
図１Ａ〜図４を参照すると、一実施形態では、タービンシステム１００は、少なくとも１つのホイールポスト１０７の上にタービンロータ１０５の中に少なくとも１つのアダプタ１０１を摺動させるステップと、次いで、アダプタ１０１のバケット取付け部１０２の中に少なくとも１つの非金属製タービンバケット１１５を挿入するステップとを含む。一実施形態では、タービンシステム１００は、少なくとも１つのアダプタ１０１のバケット取付け部１０２の中に少なくとも１つの非金属製タービンバケット１１５を挿入するステップと、次いで、少なくとも１つのホイールポスト１０７の上にタービンロータ１０５の中に少なくとも１つのアダプタ１０１を摺動させるステップとを含む。アダプタ１０１は、受取部分１０６と比較すると、タービンロータ１０５から半径方向外側に非金属製タービンバケット１１５を配置する。非金属製タービンバケット１１５上のシャンクを低減することによって、交換されるエーロフォイル部１１０に類似し、または概ね類似するエーロフォイル部１１０の長さを維持する。エーロフォイル部１１０の長さを維持することによって、交換されるエーロフォイル部１１０の流路と比較して、タービンシステム１００を通る類似の、または概ね類似の流路を維持する。
【００２５】
一実施形態では、アダプタ１０１は、タービンバケット１１５への冷却空気流を低減し、または除去する。別の実施形態では、金属構成物を有する最初のタービンバケット１１５は、非金属製構成物を有するタービンバケット１１５に交換される。非金属製構成物は、金属製構成物と比較して向上した温度能力を有し、それによって、タービンシステム１００の作動温度でタービンバケット１１５の中に冷却空気流を低減し、または除去することを可能にする。本明細書で使用される場合、温度能力とは、材料が作動する所与の作動状況が原因で、機械特性が容認可能に減少するにもかかわらず、現在の、または上昇する温度で材料が作動できることを指す。
【００２６】
別の実施形態では、アダプタ１０１およびタービンバケット１１５は、更に作動温度能力を向上するために、冷却チャネルを備える。一実施形態では、冷却チャネルによって提供される冷却流は、既存の金属製バケットの冷却流に類似し、または概ね類似するが、しかし既存の金属製バケットの冷却流よりも少ないことが好ましい。非金属製バケットは、冷却流の減少にもかかわらず、向上した温度能力を提供し、増加した冷却空気を他の目的のために提供する。
【００２７】
本発明は、好ましい実施形態を参照して説明してきたが、当業者なら、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、均等物がその要素に代替可能であることを理解するであろう。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または材料を適合させるように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最良の形態であると考察される、開示する特定の実施形態に限定するとは意図されず、しかし、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ものと意図される。
【符号の説明】
【００２８】
１００  タービンシステム
１０１  アダプタ
１０２  バケット取付け部
１０３  タービン取付け部
１０４  摩耗結合部
１０５  タービンロータ
１０６  受取部分
１０７  ホイールポスト
１０８  根元部
１０９  プラットフォーム
１１０  エーロフォイル部
１１１  ホイールポスト係止タブ
１１２  ダブテール係止タブ
１１３  ロックワイヤ
１１４  摩耗面
１１５  非金属製タービンバケット、タービンバケット
１１６  圧力面
２０１  単一ブレードアダプタ
３０１  複合ブレードアダプタ
４０１  完全なフープ状セグメント
４０２  内側面
４０３  外側面
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2015040567.tif 000004
【図２】
2015040567.tif 000005
【図３】
2015040567.tif 000006
【図４】
2015040567.tif 000007