(57)【要約】【課題】回転部品、回転部品を形成するための方法、及び回転部品を形成するための装置を提供すること。【解決手段】回転部品を形成する方法が提供される。回転部品を形成する方法は、外表面を有するロータ（１０１）を用意するステップを含む。円周方向表面特徴要素（１３１）は、ロータ（１０１）の外表面上に形成される。形成するステップは、ロータ（１０１）の外表面に金属材料を施工して、１以上の冷却通路（２１１）を画成するようにロータ（１０１）の外表面上に円周方向表面特徴要素（１３１）を積層するステップを含む。円周方向表面特徴要素（１３１）を有する回転部品、タービンシステム、及び回転部品を形成する装置も開示される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転部品を形成する方法であって、
外表面を有するロータ（１０１）を用意するステップと、
ロータ（１０１）の外表面上に円周方向表面特徴要素（１３１）を形成するステップと、
を含み、形成するステップが、ロータ（１０１）の外表面に金属材料を施工して、１以上の冷却通路（２１１）を画成するようにロータ（１０１）の外表面上に円周方向表面特徴要素（１３１）を積層するステップを含む、方法。
【請求項２】
形成するステップが、付加製造プロセスを用いて積層するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
付加製造プロセスが、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）、レーザ技術によるネットシェイプ（ＬＥＮＳ）、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）、熱溶解積層造形（ＦＤＭ）、又はこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
冷却通路（２１１）が、ロータ（１０１）を冷却するために配列及び配置された冷却流体（２１３）用の冷却流路を画成する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
冷却通路（２１１）が、ロータ（１０１）の外表面に沿ってＵ形、Ｓ形、螺旋形経路のうちの１以上を画成する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
冷却通路（２１１）が、円形、実質的に円形、卵形、楕円形、三角形、涙形、方形、矩形、多角形及びこれらの組合せからなる群から選択される断面幾何形状を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
円周方向表面特徴要素（１３１）を有するロータ（１０１）が更に、高温平衡プレス処理及び溶体化熱処理ののうちの１以上により処理される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
回転部品であって、該回転部品が、１以上の冷却通路を定めた円周方向表面特徴要素（１３１）を有するロータ（１０１）を備え、円周方向表面特徴要素（１３１）が、ロータ（１０１）の外表面上に形成され、１以上の冷却通路（２１１）を画成するように外表面から積層される特徴要素を含む、回転部品。
【請求項９】
冷却通路（２１１）が、ロータ（１０１）を冷却するために配列及び配置された冷却流体（２１３）用の冷却流路を画成する、請求項８に記載の回転部品。
【請求項１０】
冷却通路（２１１）が、ロータ（１０１）の外表面に沿ってＵ形又はＳ形経路のうちの１以上を画成する、請求項８に記載の回転部品。
【請求項１１】
冷却通路（２１１）が、円形、実質的に円形、卵形、楕円形、三角形、涙形、方形、矩形、多角形及びこれらの組合せからなる群から選択される断面幾何形状を含む、請求項８に記載の回転部品。
【請求項１２】
１以上の冷却通路が、ロータ（１０１）を冷却するのに十分な冷却流体（２１３）を受けるように配列及び配置される、請求項８に記載の回転部品。
【請求項１３】
請求項８に記載の回転部品を備えた蒸気タービンシステム（１００）であって、ロータ（１０１）が、ケーシング（２０１）内に回転可能に装着された蒸気タービンロータ（１０１）であり、
蒸気タービンシステム（１００）が更に、ロータ（１０１）とケーシング（２０１）との間のスペースによって画成され、蒸気の流れを受けるように配列及び配置された蒸気経路を備え、冷却通路が、蒸気タービンロータ（１０１）を冷却するように配列及び配置される、蒸気タービンシステム（１００）。
【請求項１４】
蒸気タービンロータ（１０１）が、蒸気タービンシステム（１００）の中圧セクション内にある、請求項１３に記載の蒸気タービンシステム（１００）。
【請求項１５】
蒸気タービンロータ（１０１）が、蒸気タービンシステム（１００）の高圧セクション内にある、請求項１３に記載の蒸気タービンシステム（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に、回転部品の冷却に関し、より具体的には、タービンシステムにおけるロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンは、蒸気の流れから仕事を抽出して出力を生成する。典型的な蒸気タービンは、幾つかのホイールに関連するロータを含むことができる。ホイールは、ロータの長さに沿って互いから離間して配置され、一連のタービン段を画成することができる。タービン段は、タービンの入口から出口までの流路条を移動する蒸気から有用な仕事を効率的な方法で抽出するよう設計されている。蒸気が流路に沿って移動すると、蒸気によりホイールがロータを駆動する。蒸気は、漸次的に膨張することができ、蒸気の温度及び圧力は、漸次的に減少することができる。次いで、蒸気は、再利用又は他の目的でタービンの出口から排出することができる。高温の蒸気は、抽出に利用可能な全体エネルギーを増大させるので、より高温の蒸気タービンは、より大きな出力を生成することができる。
【０００３】
一般的に述べると、典型的な蒸気タービンは、高圧セクション、中圧セクション、及び低圧セクションを含むことができる。これらセクションは、各セクションが幾つかの段を含む状態で直列に配列することができる。セクション内では、蒸気から仕事を抽出して、ロータを駆動する。高圧及び中圧セクションは、全体の蒸気タービン出力を増大させるよう比較的高温で作動することができる。
【０００４】
最新の複合サイクル発電プラントは、ピーク効率で作動するためにより高い蒸気温度に頼っている。しかしながら、高い蒸気温度への暴露は、ロータ寿命を短くする。既知の設計上の解決手法は、バケット及びロータの材料及び／又は幾何形状、蒸気タービン動作温度及び／又は圧力、及び／又は蒸気流路の外部の配管上の解決策に焦点を当てている。例えば、１つの解決策は、より良好でより温度耐性の高いロータ材料を用いることである。しかしながら、このような材料及び既知のプロセスの使用は、高価で、不適切に複雑であることが多い。加えて、タービン内の動作温度及び圧力の制限は、熱力学的設計スペースを制限し、結果としてタービン性能の低下を招く可能性がある。
【０００５】
複合サイクル効率を高めるために、より高い入口温度及び再熱蒸気温度が提案されるので、ロータ自体の流体冷却によるようなロータ冷却により注意を払わなければならない。一体式又は溶接ロータにおけるロータ冷却に対する１つの障害は、冷却剤の通過のために長い軸方向孔を生成するのが困難なことである。この方法を用いたロータ冷却をもたらすために、円周方向に配向された軸方向に向いた冷却孔がロータ周りに必要とされる。孔の配向により、これらの孔の機械加工が極めて困難になる。更に、孔は、極めて長く且つ薄く、長さ−直径の比は、従来の機械加工に好ましい比よりも遙かに大きい。
【０００６】
より高い蒸気温度に対処するための１つの既知の試みは、ロータの幾何形状及び材料を変更して、外部からの冷却を設けることなく長期作動に耐え得るロータを形成することである。しかしながら、このような幾何形状は、一般にコスト高であり、段効率を低下させ、及び／又は十分な冷却方式を用いる設計よりも高コストでより高い能力の材料を必要とする。１つの既知の冷却方式は、冷却蒸気流を供給する蒸気流路を通じて配設されるパイプを使用する。例えば、このようなパイプは、第１の再熱複流タブ段内に配置することができる。しかしながら、このようなパイプは、主蒸気流内に閉塞をもたらし、システムに複雑さを付加する。
【０００７】
ロータ冷却構成についての別の既知の試みは、蒸気タービンの固定部品に画成された外側プレナムを通じて冷却流体を送ること、及び外側プレナムから固定部品の翼形部に画成された通路を通じて冷却流体を送ることを含む。冷却流体は、翼形部通路から固定部品の内側プレナムを通って排出されて、隣接する回転部品の冷却を可能にする。この方法は、ケーシングを通じて冷却流体を供給することを含み、タービン効率の漏洩及び／又は損失を生じる可能性があるより複雑な構成となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第８，８９９，９０９号明細書
【発明の概要】
【０００９】
一実施形態では、回転部品を形成する方法は、外表面を有するロータを用意するステップを含む。円周方向表面特徴要素は、ロータの外表面上に形成される。形成するステップが、ロータの外表面に金属材料を施工して、１以上の冷却通路を画成するようにロータの外表面上に円周方向表面特徴要素を積層するステップを含む。
【００１０】
別の実施形態では、回転部品は、１以上の冷却通路を定めた円周方向表面特徴要素を有するロータを含む。円周方向表面特徴要素は、ロータの外表面上に形成され、１以上の冷却通路を画成するように外表面から積層される特徴要素を含む。
【００１１】
別の実施形態では、回転部品を形成する装置は付加製造セルを有する。付加製造セルは、ロータの表面に金属粉体を供給するように配列及び配置された金属粉体源と、ロータの表面上で金属粉体を加熱してロータの表面上に金属層を形成するよう配列及び配置された集束エネルギー源とを含む。付加製造セルは、ロータの軸線に沿って移動可能であり、金属層を順次的に堆積して、ロータ上に冷却通路を有する円周方向表面特徴要素を形成するよう配列及び配置される。
【００１２】
本発明の他の特徴及び利点は、例証として本発明の原理を示す添付図面を参照しながら、以下のより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】
【００１３】
【図１】本開示による蒸気タービンシステムの１つの実施例の概略図。
【図２】本開示の一実施形態による、蒸気タービンシステムの中圧セクションの拡大部を示す図。
【図３】本開示の別の実施形態による、蒸気タービンシステムの中圧セクションの拡大部を示す図。
【図４】本開示の一実施形態による、物品を製造する方法のプロセス図。
【図５】本開示の一実施形態による、円周方向表面特徴要素を有するロータの部分断面図。
【図６】本開示の一実施形態による、冷却通路を有する円周方向表面特徴要素の部分断面図。
【図７】本開示の一実施形態による、冷却通路を有する円周方向表面特徴要素の部分断面図。
【図８】本開示の一実施形態による、シール領域への注入点での蒸気タービンシステムの中圧セクションの拡大部を示す図。
【図９】本開示の一実施形態による、蒸気流経路内への注入点を有する蒸気タービンシステムの中圧セクションの拡大部を示す図。
【図１０】本開示の一実施形態による、付加製造システムを示す図。
【図１１】本開示の一実施形態による、付加製造システムを用いて円周方向表面特徴要素を形成する方法の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
可能な限り、図面全体を通じて同じ要素を示すために同じ参照符号が使用される。
【００１５】
冷却通路を有する回転物品及び冷却通路を有する回転物品の形成方法が提供される。本開示の実施形態は、例えば、本明細書で開示される特徴要素の１以上を含まない概念と比べて、例えば、一体式タービンロータにおける軸方向冷却通路を可能にする。加えて、蒸気タービンシステムは、本開示によれば、溶接式タービンロータにおける冷却通路を可能にする。ロータ冷却通路は、冷却式ロータを可能にし、これにより現行よりも高い温度で動作するタービンにおいて現在の低コストのタービン材料の使用が可能となる。更に、冷却式ロータは、より高い蒸気温度に耐え、複合サイクル効率の向上及び最新のガスタービンの高い排気温度の良好な利用を可能にする。更に又、本開示による方法は、これまで実施可能ではなかった冷却通路の幾何形状の形成を可能にする。このような幾何形状の融通性は、目標とする冷却を可能にし、使用される冷却流の全体量を低減することができる。
【００１６】
本発明の種々の実施形態の要素を導入する際に、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、要素の１つ以上が存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。
【００１７】
出力を生成するのに使用されるシステムは、限定ではないが、発電用に使用される蒸気タービン又は陸上用航空機転用エンジンなど、蒸気タービン、ガスタービン、及び他のタービン組立体を含む。特定の用途において、ターボ機械（例えば、タービン、圧縮機、及びポンプ）及び他の機械を含む発電システムは、厳しい摩耗条件に晒される物品を含むことができる。例えば、回転物品は、蒸気タービンロータ又はホイール、或いはガスタービンロータ又はホイールなどの特定の発電システム部品を含むことができ、高熱環境及び高回転環境で作動することができる。
【００１８】
図１は、本開示による、蒸気タービンシステム１００の１つの実施例を概略的に示している。蒸気タービンシステム１００は、回転軸１０３の周りに回転可能に装着されるタービンロータ１０１を含む。蒸気タービンシステム１００は、高圧（ＨＰ）セクション１０５、中圧（ＩＰ）セクション１０７、及び低圧（ＬＰ）セクション１０９を含み、各々がロータ１０１上に装着される。図１は、ＨＰセクション１０５、ＩＰセクション１０７、及びＬＰセクション１０９の１つの構成を示しているが、本開示はこれに限定されず、ＨＰセクション１０５、ＩＰセクション１０７、及び／又はＬＰセクション１０９の好適な構成を利用することができる。ＨＰセクション１０５、ＩＰセクション１０７、及びＬＰセクション１０９の各々は、ブレード又はバケット（図１には図示せず）を含み、これらは、ＨＰセクション１０５、ＩＰセクション１０７、及びＬＰセクション１０９の各々においてロータ１０１上に円周方向に装着される。ブレード又はバケットは、それぞれのセクション（例えば、図２を参照）に送給される蒸気によって駆動され、ここで蒸気により生じるブレード又はバケットの回転は、機械的仕事を生成する。タービンシステム１００において生成される機械的仕事は、ロータ１０１を介して発電機などの外部負荷１０４を駆動する。図１に示すように、高圧蒸気が高圧蒸気入口１１１を介して送給される。一実施形態では、ＨＰセクション１０５は、約１２５ｂａｒ〜約２００ｂａｒの圧力且つ約５６５°Ｃ〜約６１０°Ｃの温度で蒸気を受け取る。
【００１９】
図１に示すように、蒸気は、高圧蒸気出口１１３にてＨＰセクション１０５から排出されて再熱器１１５に送給され、ここで蒸気に熱が加えられる。蒸気は、再熱器１１５から中圧蒸気入口１１７を介してＩＰセクション１０７に送給される。一実施形態では、ＩＰセクション１０７は、約３０ｂａｒ〜約６０ｂａｒの圧力且つ約５６５°Ｃ〜約６１０°Ｃの温度で蒸気を受け取る。
【００２０】
図１に示すように、蒸気は、中圧蒸気出口１１９にてＩＰセクション１０７から排出され、低圧蒸気入口１２１を介してＬＰセクション１０９に送給される。一実施形態では、ＩＰセクション１０７は、約３ｂａｒ〜約９ｂａｒの圧力且つ約２４０°Ｃ〜約３５０°Ｃの温度で蒸気を受け取る。次いで、蒸気は、低圧出口１２３を介してＬＰセクション１０９から排出される。
【００２１】
ＨＰセクション１０５、ＩＰセクション１０７、及びＬＰセクション１０９の各々は、カップリング１２５を介してロータ１０１に沿って接続される。カップリング１２５は、ボルト締め継手のような機械的カップリングとすることができ、又は溶接継手とすることができる。一実施形態では、カップリング１２５は、再構成、サービス又は保守整備のためＨＰセクション１０５、ＩＰセクション１０７、及び／又はＬＰセクション１０９の取り外しを可能にする。
【００２２】
図１に示す実施形態では、ＩＰセクション１０７は、ロータ１０１上に形成される円周方向表面特徴要素１３１を含む。円周方向表面特徴要素１３１は、一実施形態では、冷却流体を搬送可能な１以上の冷却通路２１１を含む。円周方向表面特徴要素は、ロータ表面の外周にわたって存在し、ロータ１０１の長さの少なくとも一部に沿って延在する。円周方向表面特徴要素１３１の配置は、通路を通過する冷却流体が、例えば、下流側からの蒸気（例えば、ＩＰセクション１０７内又はＬＰセクションからの低温の蒸気）又は再熱前のＨＰセクション１０５の出口からの蒸気とすることができるようなものである。
【００２３】
図２は、ＩＰセクション１０７の拡大部分を示している。ＩＰセクションは、ロータ１０１を囲むケーシング２０１を含む。ベーン２０３は、ケーシング２０１内に装着され、蒸気流経路２０５において蒸気を受け取り、該蒸気をバケット２０７上に配向する。バケット２０７は、ロータ１０１に装着され、蒸気流経路２０５に沿って蒸気によって駆動されたときにロータ１０１を回転させる。シール２０８は、ケーシング２０１内に装着され、蒸気流経路２０５からの蒸気の漏洩を阻止又は実質的に阻止するシール構成をもたらす。加えて、シール２０８は、蒸気流経路２０５を有するＩＰセクション１０７の領域を排気通路２１０から分離する。排気通路２１０は、もしあれば、シール２０８を通る漏洩蒸気の排出を可能にするよう配列される。ロータ１０１は更に、円周方向表面特徴要素１３１を含む。円周方向表面特徴要素１３１は、ロータ１０１の長さの一部に沿って円周方向表面特徴要素１３１内に配置される冷却通路２１１を含む。円周方向表面特徴要素１３１は、シール２０８の前でロータ１０１の一部から延在し、排気通路２１０と流体連通して冷却通路２１１と共に配列及び配置される。円周方向表面特徴要素１３１は、２つのバケット２０７を含む距離だけロータ１０１の表面に沿って反対方向に延在する。円周方向表面特徴要素１３１は、２つのバケット２０７にわたる距離だけ延在するように図示されているが、円周方向表面特徴要素１３１の長さは、所望のロータ１０１の冷却量に応じて変わることができる。バケット２０７を通過するためには、円周方向表面特徴要素１３１は、バケット通路２１２と整列するよう冷却通路２１１と共に配列及び配置される。バケット通路２１２は、冷却流体２１３の流れを許容するようバケット２０７に機械加工又は他の方法で形成された開口又は通路である。一実施形態では、冷却流体２１３は、排気通路２１０内に送給される。冷却流体２１３は、高圧蒸気出口１１３（図１を参照）から引き出された蒸気を含むことができる。冷却流体２１３は、円周方向表面特徴要素１３１に送給されて、冷却通路２１１内に配向され、該冷却流体２１３は、ロータ１０１を冷却し、蒸気流経路２０５内に排出される。ＨＰセクション１０５の蒸気出口１１３からの蒸気は、蒸気流経路２０５内の蒸気よりも低温で高圧であり、ロータ１０１の冷却と、冷却後の蒸気流経路２０５内への蒸気の排出とを可能にする。更に、図２に示す構成は、ＩＰセクション１０７の場合であるが、ＨＰセクション１０５のようなタービンシステム１００の他のセクションもまた、ロータ１０１上に円周方向表面特徴要素１３１を含むことができる。
【００２４】
図３は、図２に示す構成を有するＩＰセクション１０７の拡大部分を示す。円周方向表面特徴要素１３１は、ロータ１０１の長さの一部に沿って該円周方向表面特徴要素１３１内に配置された冷却通路２１１を含む。図３に示す実施形態では、下流側蒸気ロータ段３０１から引き出された蒸気としての冷却流体２１３は、円周方向表面特徴要素１３１に送給されて冷却通路２１１内に配向され、ここで冷却流体２１３がロータ１０１を冷却して、シール２０８を超えて排気通路２１０内に排出される。ＩＰセクション１０７の下流側ロータ段３０１からの蒸気は、蒸気流経路２０５内の蒸気よりも低温低圧であり、ロータ１０１の冷却と、冷却後の蒸気の低圧排気通路２１０内への排出とを可能にする。
【００２５】
上述のように、冷却流体２１３としての蒸気は、蒸気タービンシステムの他のセクションから（例えば、ＨＰセクション１０５又はＬＰセクション１０９から）（例えば、図２を参照）引き出すことができる。代替として、冷却流体２１３は、内部で同じセクション（例えば、ＩＰセクション１０７内）（例えば、図３を参照）から引き出すことができる。冷却流体が他のセクションから又は蒸気タービンシステム１００の外部の別の供給源から引き出される実施形態では、導管又は他の流体搬送装置は、例えば、ケーシング２０１内の開口を通過することによって、冷却流体２１３（特定の実施形態では蒸気）を排気通路２１０に供給するよう配列される。別の実施形態では、円周方向表面特徴要素１３１は、外側ケーシング２０１に延在して、該ケーシング２０１の外部の冷却流体入口に流体接続することができる。一実施形態では、円周方向表面特徴要素１３１は、ロータに沿ってカップリング１２５を通過してＨＰセクション１０５内に延在し、ここで冷却流体２１３としての蒸気は、ＩＰセクション１０７内に引き出され、ロータ１０１を冷却することができる。
【００２６】
図４は、円周方向表面特徴要素１３１が配置されたロータ１０１の部分断面図を示す。円周方向表面特徴要素１３１は、冷却通路２１１を含む。図４は、冷却通路２１１を断面幾何形状が半円であるように示しているが、本開示はこれに限定されない。好適な断面幾何形状は、円形、実質的に円形、卵形、楕円形、三角形、涙形、方形、矩形、多角形、又はこれらの組合せ、もしくはロータ１０１の所望の冷却をもたらす他の断面幾何形状を含む。加えて、冷却通路２１１は、ロータ１０１の周囲に沿って等間隔に配置されて図示されるが、本開示はこれに限定されない。冷却通路が規則的又は不規則な間隔で千鳥配列にされ、及び／又は回転軸１０３に対して平行、垂直、又は他の角度で配列された、冷却通路の他の構成を利用することができる。
【００２７】
図５〜図び７は、冷却通路２１１を含む、円周方向表面特徴要素１３１の代替の実施形態を示す。図５に示す実施形態では、冷却通路２１１は、Ｕ形の蛇行通路を形成する。図５のパターンは、直線的に延在する冷却通路２１１と比べて少ない数の入口及び出口をもたらし、また、冷却通路２１１を通じて配向される冷却流体のより効率的な使用を可能にする。図６に示す実施形態では、冷却通路は、別の線形経路に沿ってＵ形を形成する。この構成により、ロータ１０１に沿った特定の軸方向位置において集中的冷却が可能になる。図７に示す実施形態では、冷却通路は、ロータ１０１の表面を横断する経路に沿って螺旋状の冷却パターンを形成する。この構成により、ロータ１０１の表面上で螺旋経路に沿った冷却が可能となる。
【００２８】
図８は、図２に示され且つ図２に関して説明した構成を有するＩＰセクション１０７の拡大部分を示す。この実施形態では、ノズル２０３のシール８０３内の円周方向表面特徴要素１３１に開口８０１が設けられる。このような開口配置により、冷却流体２１３のシール８０３内への排出が可能となり、ここでシール８０３内への冷却流体のパージが最小になり、又は排除され、或いはシールを通過する蒸気の漏洩が阻止される。一実施形態では、漏洩の阻止により、タービンに対して幾らかの性能効率をもたらす。
【００２９】
図９は、図２に示され且つ図２に関して記載された構成を有するＩＰセクション１０７の拡大部分を示す。この実施形態では、ノズル２０３のシール８０３内の円周方向表面特徴要素１３１に開口８０１が設けられる。このような開口配置により、冷却流体２１３の蒸気流経路２０５内への円周方向又は代替の角度での排出が可能となる。一実施形態では、冷却流体２１３は、再入時の混合損失を最小限にするために蒸気流経路に対してある角度で注入される。図９に示す別の実施形態では、バケット通路２１２は、縁部の面取りによって、又は端面のような個々のバケットダブテール表面にチャネルを形成することにより形成される。この実施形態では、冷却流は、バケット２０７のダブテール根元に対応する経路に沿って送られ、ロータ１０１の追加冷却を可能にする。
【００３０】
一実施形態では、図１０に示すように、円周方向表面特徴要素１３１は、付加製造システム１０００を用いて形成される。付加製造システム１０００は、ロータ１０１を受けるように構成された付加製造セル１００１を含む。付加製造セル１００１は、横方向１００３に移動可能であり、ロータ１０１は、付加製造セル１００１内に回転可能に装着されて、回転運動１００５を可能にする。付加製造セル１００１は、ロータ１０１の表面上で付加製造法を実行するよう構成された機器を含む。例えば、付加製造法は、ロータ１０１の表面上で冷却通路２１１を有する円周方向表面特徴要素１３１を形成するステップを含むことができる。好適な付加製造法は、限定ではないが、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）、レーザ技術によるネットシェイプ（ＬＥＮＳ）、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）、熱溶解積層造形（ＦＤＭ）、又はこれらの組合せのような当業者に周知のプロセスを含む。付加製造セル１００１は、開放されて付加製造セル１００１内でのロータ１０１の位置決め及び機器のサービスを可能にするセルスプリットライン１００７を含む。加えて、付加製造セル１００１は、ブラシシールのようなシール１００９を含み、円周方向表面特徴要素１３１用の材料の堆積にとって所望の大気を付加製造セル１００１内に維持するのを助ける。
【００３１】
図１１に例示するように、一実施形態では、本方法は、円周方向表面特徴要素１３１を形成するための付加製造プロセスである。本開示は、図１１に示す特定の構成に限定されず、付加製造により円周方向表面特徴要素１３１を形成するために他の好適な構成を利用することができる点に留意されたい。図１１に示すプロセスは、金属粉体源１１０３からロータ１０１の表面に金属粉体１１０１を用意するステップを含む。次いで、金属粉体１１０１は、集束エネルギー源１１０７からレーザなどの集束エネルギービーム１１０５を用いて加熱される。金属粉体１１０１の加熱は、初期層１１０９を形成するのに金属粉体１１０１の少なくとも一部を接合するのに十分な温度まで行われ、システム１０００は、その後、積層方向１１１１でレイアップする追加層を形成して、冷却通路２１１を積層方向１１１１に形成させた円周方向表面特徴要素１３１を形成する。本方法は、積層方向１１１１で追加層１１０９を順次に形成して、冷却通路２１１を有する円周方向表面特徴要素１３１を形成するステップを繰り返すステップを含む。層１１０９が積層されると、ロータ１０１が回転され、プロセスが繰り返される。上記のプロセスは、特定の順序の積層に関して説明したが、後続の層を施工する前にロータ１０１の表面にわたって均一な蓄積層１１０９のように、他の順序配列を利用してもよい。
【００３２】
一実施形態では、金属粉体１１０１の加熱は、限定ではないが、金属粉体１１０１の溶融、金属粉体１１０１の少なくとも一部の焼結、金属粉体１１０１の少なくとも一部の溶接、又はこれらの組合せを含む。例えば、別の実施形態では、金属粉体を接合するのに十分な温度までの金属粉体１１０１の加熱は、金属粉体１１０１に向けて集束エネルギー源を制御可能に配向することを含む。好適な集束エネルギー源は、限定ではないが、レーザ装置、電子ビーム装置、又はこれらの組合せを含む。レーザ装置は、限定ではないが、ファイバーレーザ、ＣＯ2レーザ、又はＮＤ−ＹＡＧレーザなど、金属粉体１１０１を溶融及び／又は溶接するための出力範囲及び移動速度で動作する何らかのレーザ装置を含む。
【００３３】
集束エネルギー源１１０７に好適な出力範囲は、限定ではないが、１２５〜５００ワット、１５０〜５００ワット、１５０〜４００ワット、或いはこれらの組合せ、部分的組合せ、範囲又は部分範囲を含む。加えて、移動速度は、限定ではないが、４００〜１２００ｍｍ／ｓｅｃ、５００〜１２００ｍｍ／ｓｅｃ、５００〜１０００ｍｍ／ｓｅｃ、或いはこれらの組合せ、部分的組合せ、範囲、又は部分範囲を含む。例えば、一実施形態では、集束エネルギー源１１０７は、１〜３等高パスに対して４００〜１２００ｍｍ／ｓｅｃの移動速度において１２５〜５００ワットの出力範囲で動作する。別の実施形態では、集束エネルギー源１１０７は、約０．０８ｍｍ〜０．２ｍｍのハッチ間隔を含む。
【００３４】
集束エネルギー源１１０７のパラメータは、円周方向表面特徴要素１３１を形成するのに使用される金属粉体１１０１の材料及び／又は配向に依存する。一実施形態では、出力及び／又は移動速度は、金属粉体１１０１における材料の溶融温度に基づいて調整される。例えば、出力及び／又は移動速度は、比較的高い溶融温度を有する材料に対して増大することができる。金属粉体１１０１に好適な材料は、限定ではないが、金属、金属合金、超合金、鋼鉄、ステンレス鋼、工具鋼、ニッケル、コバルト、クロム、チタン、アルミニウム又はこれらの組合せなど、付加製造によって接合可能な材料を含む。
【００３５】
別の実施形態では、出力及び／又は移動速度は、接合される金属粉体層の数及び／又は金属粉体層の各々の厚さに基づいて調整される。例えば、出力及び／又は移動速度は、金属粉体１１０１の単一の層及び／又は比較的小さな厚みを有する金属粉体１１０１の層を接合するのに使用される出力及び／又は移動速度と比べて、金属粉体１１０１の複数の層及び／又は大きな厚みを有する金属粉体１１０１の層を接合するために増大させることができる。初期層１１０９及び追加層の各々は、２０〜１００μｍ（０．０００８〜０．００４インチ）、２０〜８０μｍ（０．０００８〜０．００３２インチ）、４０〜６０μｍ（０．００１６〜０．００２４インチ）の範囲、又はこれらの組合せ、部分的組合せ、範囲もしくは部分範囲の厚さを含む。初期層１１０９の厚さは、追加層２０５の各々の厚さと等しいか又は異なり、追加層の各々に対して維持されるか又は変化する。初期層１１０９及び追加層の各々の厚さに基づいて、円周方向表面特徴要素１３１の厚さは、約２ｍｍ〜約６．５ｍｍ、又は約３ｍｍ〜約５ｍｍ、又は約３．５ｍｍ〜約４．５ｍｍの厚さなど、好適な厚さを含む。加えて、円周方向表面特徴要素１３１は、約１ｍｍ〜約４ｍｍ、又は約２ｍｍ〜約３ｍｍ、又は約１．５ｍｍ〜約２．５ｍｍの平均直径を含む、好適な直径を含むことができる。
【００３６】
一実施形態では、本方法は更に、円周方向表面特徴要素１３１を有するロータ１０１を処理するステップを含むことができる。好適な処理ステップは、限定ではないが、ロータ１０１及び円周方向表面特徴要素１３１を高温平衡プレス（ＨＩＰ）処理するステップ、ロータ１０１及び円周方向表面特徴要素１３１を固溶化（溶体化）熱処理するステップ、又はこれらの組合せを含む。ＨＩＰ処理は、ロータ１０１及び円周方向表面特徴要素１３１を形成した後、ロータ１０１及び円周方向表面特徴要素１３１を更にコンソリデーションするのに十分な高温高圧でロータ１０１及び円周方向表面特徴要素１３１をプレスするステップを含む。例えば、別の実施形態では、ロータ１０１及び円周方向表面特徴要素１３１は、１１４９°Ｃ〜１２６０°Ｃ（２１００°Ｆ〜２３００°Ｆ）の高温及び６８．９５ＭＰａ〜１３７．９ＭＰａ（１０，０００ＰＳＩ〜２０，０００ＰＳＩ）の高圧で３〜５時間ＨＩＤ処理を施す。ＨＩＤ処理は更に、ロータ１０１及び円周方向表面特徴要素１３１をコンソリデーションして、密度を例えば、約９８％〜約９９％から、約９９．５％〜約９９．８％まで増大させる。溶体化は、ロータ１０１及び円周方向表面特徴要素１３１の形成及び／又はロータ１０１及び円周方向表面特徴要素１３１のＨＩＰ処理後、ロータ１０１及び円周方向表面特徴要素１３１を１０９３°Ｃ〜１２０５°Ｃ（２０００°Ｆ〜２２００°Ｆ）の高温で１〜２時間真空中で処理するステップを含む。高温は、物品２００内に凝離した合金化元素を分散させるのに十分な何らかの温度を含む。ＨＩＰ処理温度及び熱処理温度は、粉体の組成及び要求特性に高度に依存することは、当業者であれば理解されるであろう。
【００３７】
１以上の実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことができ且つ本発明の要素を均等物で置き換えることができる点は、当業者であれば理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、また本発明は、提出した請求項の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含するものとする。加えて、詳細な説明で示された全ての数値は、正確な値と近似値との両方が明示されるものと解釈すべきである。
【００３８】
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
回転部品を形成する方法であって、
外表面を有するロータを用意するステップと、
ロータの外表面上に円周方向表面特徴要素を形成するステップと、
を含み、形成するステップが、ロータの外表面に金属材料を施工して、１以上の冷却通路を画成するようにロータの外表面上に円周方向表面特徴要素を積層するステップを含む、方法。
［実施態様２］
形成するステップが、付加製造プロセスを用いて積層するステップを含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様３］
付加製造プロセスが、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）、レーザ技術によるネットシェイプ（ＬＥＮＳ）、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）、熱溶解積層造形（ＦＤＭ）、又はこれらの組合せからなる群から選択される、実施態様１に記載の方法。
［実施態様４］
冷却通路が、ロータを冷却するために配列及び配置された冷却流体用の冷却流路を画成する、実施態様１に記載の方法。
［実施態様５］
冷却通路が、ロータの外表面に沿ってＵ形、Ｓ形、螺旋形経路のうちの１以上を画成する、実施態様１に記載の方法。
［実施態様６］
冷却通路が、円形、実質的に円形、卵形、楕円形、三角形、涙形、方形、矩形、多角形及びこれらの組合せからなる群から選択される断面幾何形状を含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様７］
円周方向表面特徴要素を有するロータが更に、高温平衡プレス処理及び溶体化熱処理ののうちの１以上により処理される、実施態様１に記載の方法。
［実施態様８］
回転部品であって、該回転部品が、１以上の冷却通路を定めた円周方向表面特徴要素を有するロータを備え、円周方向表面特徴要素が、ロータの外表面上に形成され、１以上の冷却通路を画成するように外表面から積層される特徴要素を含む、回転部品。
［実施態様９］
冷却通路が、ロータを冷却するために配列及び配置された冷却流体用の冷却流路を画成する、実施態様８に記載の回転部品。
［実施態様１０］
冷却通路が、ロータの外表面に沿ってＵ形又はＳ形経路のうちの１以上を画成する、実施態様８に記載の回転部品。
［実施態様１１］
冷却通路が、円形、実質的に円形、卵形、楕円形、三角形、涙形、方形、矩形、多角形及びこれらの組合せからなる群から選択される断面幾何形状を含む、実施態様８に記載の回転部品。
［実施態様１２］
１以上の冷却通路が、ロータを冷却するのに十分な冷却流体を受けるように配列及び配置される、実施態様８に記載の回転部品。
［実施態様１３］
実施態様８に記載の回転部品を備えた蒸気タービンシステムであって、ロータが、ケーシング内に回転可能に装着された蒸気タービンロータであり、
蒸気タービンシステムが更に、ロータとケーシングとの間のスペースによって画成され、蒸気の流れを受けるように配列及び配置された蒸気経路を備え、冷却通路が、蒸気タービンロータを冷却するように配列及び配置される、蒸気タービンシステム。
［実施態様１４］
蒸気タービンロータが、蒸気タービンシステムの中圧セクション内にある、実施態様１３に記載の蒸気タービンシステム。
［実施態様１５］
蒸気タービンロータが、蒸気タービンシステムの高圧セクション内にある、実施態様１３に記載の蒸気タービンシステム。
［実施態様１６］
蒸気経路の外部に配置され、冷却通路と流体連通した排気通路を更に備える、実施態様１３に記載の蒸気タービンシステム。
［実施態様１７］
蒸気タービンロータが、そこに装着された複数のバケットを含み、該複数のバケットのうちの少なくとも一部が、冷却通路から貫通して通る冷却流体の流れを可能にするバケット通路を有する、実施態様１３に記載の蒸気タービンシステム。
［実施態様１８］
付加製造セルを備えた回転部品を形成する装置であって、付加製造セルが、
ロータの表面に金属粉体を供給するように配列及び配置された金属粉体源と、
ロータの表面上で金属粉体を加熱してロータの表面上に金属層を形成するよう配列及び配置された集束エネルギー源と、
を含み、付加製造セルが、ロータの軸線に沿って移動可能であり、金属層を順次的に堆積して、ロータ上に冷却通路を有する円周方向表面特徴要素を形成するよう配列及び配置される、装置。
［実施態様１９］
付加製造セルが、ロータを受けるように構成され、該ロータが蒸気タービンロータである、実施態様１８に記載の装置。
［実施態様２０］
金属粉体源及び集束エネルギー源が、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）、レーザ技術によるネットシェイプ（ＬＥＮＳ）、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）、熱溶解積層造形（ＦＤＭ）、又はこれらの組合せからなる群から選択されるプロセスを実施するよう配列及び配置される、実施態様１８に記載の装置。
【符号の説明】
【００３９】
１００  蒸気タービンシステム
１０１  タービンロータ
１０３  回転軸
１０４  外部負荷
１０５  ＨＰセクション
１０７  ＩＰセクション
１０９  ＬＰセクション
１１１  高圧蒸気入口
１１３  高圧蒸気出口
１１５  再熱器
１１７  中圧蒸気入口
１１９  中圧蒸気出口
１２１  低圧蒸気入口
１２３  低圧出口
１２５  カップリング
１３１  円周方向表面特徴要素
２００  物品
２０１  ケーシング
２０３  ベーン
２０３  ノズル
２０５  蒸気流経路
２０７  バケット
２０８  シール
２１０  排気通路
２１１  冷却通路
２１２  バケット通路
２１３  冷却流体
３０１  下流側蒸気ロータ段
８０１  開口
８０３  シール
１０００  付加製造システム
１００１  付加製造セル
１００３  横方向
１００５  回転運動
１００７  セルスプリットライン
１００９  シール
１１０１  金属粉体
１１０３  金属粉体源
１１０５  集束エネルギービーム
１１０７  集束エネルギー源
１１０９  初期層
１１１１  積層方向
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【外国語明細書】
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