(57)【要約】  タービンブレード（１０）の半径方向外側端部にスクィーラ先端（１２）を有し、スクィーラ先端（１２）は複数のアブレイダブルコーティング切削チップ（１８）を備えており、切削チップ（１８）はスクィーラ先端（１２）から半径方向にリングセグメント（２０）に向かって延在している、タービンブレード（１０）が開示されている。運転中、アブレイダブルコーティング切削チップ（１８）は、タービンブレード（１０）の半径方向外側に位置するタービンエンジンのリングセグメント（２０）上のアブレイダブルコーティング（２２）内に切り込んでもよい。複数のアブレイダブルコーティング切削チップ（１８）は、スクィーラ先端（１２）から少なくとも１つのアブレイダブルコーティング切削チップ（１８）の最も外側の先端（３０）まで延在している１つ又は複数の切削辺（２８）を含んでもよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
全体的に細長いブレード（３２）であって、前縁（３４）と、後縁（３６）と、第１の端部（１４）における先端（３８）と、前記ブレード（３２）を支持し前記ブレード（３２）をディスクに連結するために前記第１の端部（１４）のほぼ反対側に位置する第２の端部（４４）で前記ブレード（３２）に連結されている根元部（４２）と、を有しているブレード（３２）と、
前記第１の端部で前記先端（３８）に連結されているスクィーラ先端（１２）であって、該スクィーラ先端（１２）は、複数のアブレイダブルコーティング切削チップ（１８）を含んでいて、該切削チップ（１８）は、前記スクィーラ先端（１２）から、前記全体的に細長いブレード（３２）の半径方向外側に位置するリングセグメント（２０）に向かって半径方向に延在している、スクィーラ先端（１２）と、
を特徴とする、タービンブレード（１０）。
【請求項２】
前記複数のアブレイダブルコーティング切削チップ（１８）は、前記スクィーラ先端（１２）と前記リングセグメント（２０）との間の燃焼排ガス流（５０）に対してほぼ直交して延在している、アブレイダブルコーティング切削チップ（１８）の少なくとも２つの列（４６，４８）内に形成されていて、アブレイダブルコーティング切削チップ（１８）の第２の列（４８）は、アブレイダブルコーティング切削チップ（１８）の第１の列（４６）の下流に位置していて、前記燃焼排ガス流（５０）に直交して、アブレイダブルコーティング切削チップ（１８）の前記第１の列（４６）に対してずらされている、請求項１記載のタービンブレード（１０）。
【請求項３】
少なくとも１つの前記アブレイダブルコーティング切削チップ（１８）は、前記スクィーラ先端（１２）から前記少なくとも１つのアブレイダブルコーティング切削チップ（１８）の最も外側の先端（３０）まで延在している少なくとも１つの切削辺（５４）を有している、請求項１記載のタービンブレード（１０）。
【請求項４】
少なくとも１つの前記アブレイダブルコーティング切削チップ（１８）は、前記スクィーラ先端（１２）から前記少なくとも１つのアブレイダブルコーティング切削チップ（１８）の最も外側の先端（３０）まで延在している少なくとも３つの切削辺（５４）を有しており、第１の切削辺（５４）は、前記少なくとも１つのアブレイダブルコーティング切削チップ（１８）の上流側（５６）に位置しており、第２の切削辺（５８）は、前記少なくとも１つのアブレイダブルコーティング切削チップ（１８）の前記上流側（５６）と下流側（６２）との間の第１の交差部分（６０）で、前記スクィーラ先端（１２）から前記少なくとも１つのアブレイダブルコーティング切削チップ（１８）の前記最も外側の先端（３０）まで延在しており、第３の切削辺（６４）は、前記少なくとも１つのアブレイダブルコーティング切削チップ（１８）の前記上流側（５６）と前記下流側（６２）との間の第２の交差部分（６６）で、前記スクィーラ先端（１２）から前記少なくとも１つのアブレイダブルコーティング切削チップ（１８）の前記最も外側の先端（３０）まで延在しており、前記第２の交差部分（６６）は、第１の側（６８）の前記チップ（１８）の反対側にある、請求項３記載のタービンブレード（１０）。
【請求項５】
前記複数のアブレイダブルコーティング切削チップ（１８）のうち少なくとも１つはピラミッド形状を有している、請求項１記載のタービンブレード（１０）。
【請求項６】
前記複数のアブレイダブルコーティング切削チップ（１８）のうち少なくとも１つは前記スクィーラ先端（１２）から少なくとも１２５ミクロンの距離を延びている、請求項１記載のタービンブレード（１０）。
【請求項７】
前記複数のアブレイダブルコーティング切削チップ（１８）のうち少なくとも１つは前記スクィーラ先端（１２）から少なくとも２５０ミクロンの距離を延びている、請求項１記載のタービンブレード（１０）。
【請求項８】
前記複数のアブレイダブルコーティング切削チップ（１８）のうち少なくとも１つは前記スクィーラ先端（１２）から１０００ミクロンの距離まで延びている、請求項１記載のタービンブレード（１０）。
【請求項９】
前記複数のアブレイダブルコーティング切削チップ（１８）は前記スクィーラ先端（１２）の半径方向外側端部にぎざぎざ面を形成する、請求項１記載のタービンブレード（１０）。
【請求項１０】
前記複数のアブレイダブルコーティング切削チップ（１８）のうち少なくとも１つは複数の平坦面（７２）から形成されており、隣接する平坦面（７２）は交差して１つの切削辺（２８）を形成する、請求項１記載のタービンブレード（１０）。
【請求項１１】
前記複数のアブレイダブルコーティング切削チップ（１８）のうち少なくとも１つは、少なくとも４つの平坦面（７２）から形成されている、請求項１０記載のタービンブレード（１０）。
【請求項１２】
隣接するアブレイダブルコーティング切削チップ（１８）は、前記スクィーラ先端（１２）の外面（７４）で直線（７６）によって分離されている、請求項１０記載のタービンブレード（１０）。
【請求項１３】
前記複数のアブレイダブルコーティング切削チップ（１８）は、前記スクィーラ先端（１２）の外面（７４）において、第１の向き（７８）で位置する複数の直線（７６）と第２の向き（８０）で位置する複数の直線（７６）とによって複数の列に分けられており、前記第２の向き（８０）は前記第１の向き（７８）に対して直交している、請求項１０記載のタービンブレード（１０）。
【請求項１４】
前記第１の向き（７８）と前記第２の向き（８０）とは、燃焼排ガス流（５０）の方向に対して非平行かつ非直交である、請求項１３記載のタービンブレード（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
本発明の開発は、合衆国エネルギー省、高度水素タービン開発プログラム、契約番号ＤＥ−ＦＣ２６−０５ＮＴ４２６４４により部分的に支援されたものである。従って、合衆国政府は本発明において一定の権利を有することがある。
【０００２】
発明の分野
本発明は、一般にタービンブレードに関し、より詳細にはガスタービンエンジンにおけるタービンブレードの先端構造に関する。
【背景技術】
【０００３】
通常、ガスタービンエンジンは、空気を圧縮するための圧縮機と、圧縮空気を燃料と混合し混合物に点火するための燃焼器と、電力を発生するためのタービンブレードアセンブリとを有する。燃焼器はしばしば、華氏２５００度を超えることがある高温で作動する。典型的なタービン燃焼器構成では、タービンブレードアセンブリはこのような高温に曝される。従って、タービンブレードは、このような高温に耐え得る材料から製造されなければならない。加えて、タービンブレードは、ブレードの耐用寿命を延長し、過度に高い温度の結果として生じる故障の可能性を減じるために、冷却システムを含むことが多い。
【０００４】
典型的には、タービンブレードは、一方の端部における根元部分と、ブレードを形成する延在部分とから成っている。このブレードは、タービンブレードとは反対側の端部で根元部分に連結されたプラットフォームから外側に向かって延在している。ブレードは通常、根元部分と反対側の先端と、前縁と、後縁とから成っている。タービンブレードの先端は、タービンのガス流路におけるリングセグメントとブレードとの間の隙間を減じる先端シールを有することが多い。先端シールはスクィーラ先端とも呼ばれることがあり、タービン段の間の圧力損失を減じるためにブレードの先端にしばしば組み込まれている。これらの構造は、ブレード先端とリングセグメントとの間の隙間を最小にするように設計されている。それにもかかわらず、起動時、ブレード先端がリングセグメントに接触し、ブレード先端に摩耗を生じさせ、ブレードを損傷させることも多い。従って、タービンブレードを損傷させることなく始動状態に適応する必要性が生じている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
タービンブレードの半径方向外側端部にスクィーラ先端を有したタービンブレードが開示されていて、このスクィーラ先端は複数のアブレイダブルコーティング切削チップを備えていて、この切削チップはスクィーラ先端から半径方向にリングセグメントに向かって延在している。運転中、アブレイダブル（abradable：削れやすい）コーティング切削チップは、タービンブレードの半径方向外側に位置するタービンエンジンのリングセグメント上のアブレイダブルコーティング内に切り込んでよい。複数のアブレイダブルコーティング切削チップは、スクィーラ先端からアブレイダブルコーティング切削チップの最も外側の先端まで延在している１つ又は複数の切削辺を含んでもよい。隣接するアブレイダブルコーティング内へと切り込むことにより、アブレイダブルコーティング切削チップは、効果を失うことなくタービンエンジンの継続運転を可能にする。
【０００６】
タービンブレードは、全体的に細長いブレードから形成されていて良く、このブレードは、前縁と、後縁と、第１の端部における先端と、当該ブレードを支持し当該ブレードをディスクに連結するために第１の端部のほぼ反対側に位置する第２の端部で当該ブレードに連結されている根元部とを有している。ブレードは、第１の端部の先端に連結されたスクィーラ先端も含んでもよい。スクィーラ先端は、複数のアブレイダブルコーティング切削チップを含んでもよく、この切削チップは、スクィーラ先端から、全体的に細長いブレードの半径方向外側に位置するリングセグメントに向かって半径方向に延在している。複数のアブレイダブルコーティング切削チップは、スクィーラ先端とリングセグメントとの間の燃焼排ガス流に対してほぼ直交して延在している、アブレイダブルコーティング切削チップの少なくとも２つの列内に形成されてもよい。アブレイダブルコーティング切削チップの第２の列は、アブレイダブルコーティング切削チップの第１の列の下流に位置していて良く、燃焼排ガス流に直交して、アブレイダブルコーティング切削チップの第１の列に対してずらされてもよい。
【０００７】
少なくとも１つの実施形態では、１つ又は複数のアブレイダブルコーティング切削チップは、スクィーラ先端からアブレイダブルコーティング切削チップの最も外側の先端まで延在している少なくとも１つの切削辺を有していてよい。別の実施形態では、１つ又は複数のアブレイダブルコーティング切削チップは、スクィーラ先端から少なくとも１つのアブレイダブルコーティング切削チップの最も外側の先端まで延在している少なくとも３つの切削辺を有してもよい。第１の切削辺は、アブレイダブルコーティング切削チップの上流側に位置してもよい。第２の切削辺は、アブレイダブルコーティング切削チップの上流側と下流側との間の第１の交差部分で、スクィーラ先端からアブレイダブルコーティング切削チップの最も外側の先端まで延在してもよい。第３の切削辺は、アブレイダブルコーティング切削チップの上流側と下流側との間の第２の交差部分で、スクィーラ先端からアブレイダブルコーティング切削チップの最も外側の先端まで延在してもよい。第２の交差部分は、第１の側のチップの反対の側であってもよい。
【０００８】
少なくとも１つの実施形態では、複数のアブレイダブルコーティング切削チップのうちの１つ又は複数がピラミッド形状を有していてもよい。別の実施形態では、複数のアブレイダブルコーティング切削チップがそれぞれピラミッド形状を有していてもよい。複数のアブレイダブルコーティング切削チップのうち少なくとも１つはスクィーラ先端から少なくとも１２５ミクロンの距離を延びていてもよい。別の実施形態では、複数のアブレイダブルコーティング切削チップのうち少なくとも１つはスクィーラ先端から少なくとも２５０ミクロンの距離を延びていてもよい。さらに別の実施形態では、複数のアブレイダブルコーティング切削チップのうち少なくとも１つはスクィーラ先端から１０００ミクロンの距離を延びていてもよい。１０００ミクロンは１ミリである。さらに別の実施形態では、複数のアブレイダブルコーティング切削チップはスクィーラ先端から少なくとも１２５ミクロンかつ１０２５ミクロン未満の距離を延びていてもよい。複数のアブレイダブルコーティング切削チップはスクィーラ先端の半径方向外側端部にぎざぎざ面を形成してもよい。
【０００９】
別の実施形態では、複数のアブレイダブルコーティング切削チップのうち少なくとも１つは複数の平坦面から形成されており、隣接する平坦面は交差して１つの切削辺を形成する。複数のアブレイダブルコーティング切削チップのうち少なくとも１つは、少なくとも４つの平坦面から形成されていてもよい。隣接するアブレイダブルコーティング切削チップは、スクィーラ先端の外面で直線によって分離されていてもよい。複数のアブレイダブルコーティング切削チップは、スクィーラ先端の外面において、第１の向きで位置する複数の直線と第２の向きで位置する複数の直線とによって複数の列に分けられていてもよい。第２の向きは第１の向きに対して直交していてもよい。第１の向きと第２の向きとは、燃焼排ガス流の方向に対して非平行かつ非直交であってもよい。
【００１０】
本発明の利点は、静止した構成部品上のアブレイダブル材料を刻む又は切り込むブレード先端の能力を向上させることにより、クリアランス（隙間）コントロールが改善されてエンジン効率及び出力が向上する点にある。
【００１１】
本発明の別の利点は、アブレイダブルコーティング切削チップが、リングセグメントの半径方向内側面上のアブレイダブルコーティングに切り込み、タービンブレードから延在するアブレイダブルコーティング切削チップに対応する外形（プロファイル）を形成することである。
【００１２】
本発明によるさらに別の利点は、タービンブレードの外形が、リングセグメントにおいてスイープされた外形に正確に対応するので、クリアランスコントロールが改善されることである。
【００１３】
これらの実施形態及びその他の実施形態を以下でさらに詳細に説明する。
【００１４】
明細書に組み込まれ、明細書の一部を形成する添付の図面は、ここに開示される発明の実施の形態を例示し、詳細な説明と共に発明の原理を開示する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る特徴を備えたタービンブレードを示す斜視図である。
【図２】半径方向外側に位置するリングセグメントに隣接しているタービンブレード先端の詳細な断面図であって、アブレイダブルコーティング切削チップの縮尺が拡大されていて見えるようになっている。
【図３】アブレイダブルコーティング切削チップを有したタービンブレードの先端の一部を示した詳細な平面図である。
【図４】図３に示したアブレイダブルコーティング切削チップを有するタービンブレードの先端の一部を示す詳細な側面図である。
【図５】別の実施形態のアブレイダブルコーティング切削チップを有するタービンブレードの先端の一部を示す詳細な平面図である。
【図６】図５に示したアブレイダブルコーティング切削チップを有するタービンブレードの先端の一部を示す詳細な側面図である。
【図７】材料ストリップに接触するタービンブレードのテスト結果を示す写真である。上の材料ストリップは、平らな金属タービンブレード先端によって打ち付けられたものであり、中央の材料ストリップは、高さ約１２５ミクロンのアブレイダブルコーティング切削チップを有するタービンブレード先端によって打ち付けられたものであり、下の材料ストリップは、高さ約２５０ミクロンのアブレイダブルコーティング切削チップを有するタービンブレード先端によって打ち付けられたものである。
【図８】アブレイダブルコーティング切削チップを有したタービンブレードの先端の一部を示した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１〜図８に示すように、タービンブレード１０の半径方向外側端部１４にスクィーラ先端１２を有したタービンブレード１０が開示されている。このスクィーラ先端１２は複数のアブレイダブルコーティング切削チップ１８を備えており、この切削チップ１８はスクィーラ先端１２から半径方向にリングセグメント２０に向かって延在している。運転中、アブレイダブルコーティング切削チップ１８は、図２に示すように、タービンブレード１０の半径方向外側に位置するタービンエンジンのリングセグメント２０上のアブレイダブルコーティング２２内に切り込んでもよい。複数のアブレイダブルコーティング切削チップ１８は、スクィーラ先端１２からアブレイダブルコーティング切削チップ１８の最も外側の先端３０まで延在している１つ又は複数の切削辺２８を含んでいてもよい。隣接するアブレイダブルコーティング２２内へと切り込むことにより、アブレイダブルコーティング切削チップ１８は、効果を失うことなくタービンエンジンの継続運転を可能にする。
【００１７】
タービンブレード１０は任意の適切な構成から形成されていてもよい。例えば、少なくとも１つの実施形態では、タービンブレード１０は全体的に細長いブレード３２から形成されていて良く、このブレード３２は、前縁３４と、後縁３６と、第１の端部１４における先端３８と、ブレード３２を支持しブレード３２をディスクに連結するために第１の端部１４のほぼ反対側に位置する第２の端部４４でブレード３２に連結されている根元部４２と、を有している。タービンブレード１０は、第１の端部１４の先端３８に連結されたスクィーラ先端１２を含んでいてもよい。スクィーラ先端１２は、複数のアブレイダブルコーティング切削チップ１８を含んでいて良く、この切削チップ１８は、スクィーラ先端１２から、全体的に細長いブレード３２の半径方向外側に位置する１つ又は複数のリングセグメント２０に向かって半径方向に延在している。
【００１８】
少なくとも１つの実施形態では、アブレイダブルコーティング切削チップ１８は、スクィーラ先端１２とリングセグメント２０との間の燃焼排ガス流５０に対してほぼ直交して延在している、アブレイダブルコーティング切削チップ１８の少なくとも２つの列４６，４８内に形成されてもよい。アブレイダブルコーティング切削チップ１８の第２の列４８は、アブレイダブルコーティング切削チップ１８の第１の列４６の下流に位置していて良く、燃焼排ガス５０の流れに直交して、アブレイダブルコーティング切削チップ１８の第１の列４６に対してずらされていてもよい。
【００１９】
図１〜図６及び図８に示したように、１つ又は複数のアブレイダブルコーティング切削チップ１８は、スクィーラ先端１２からアブレイダブルコーティング切削チップ１８の最も外側の先端３０まで延在している１つ又は複数の切削辺２８を有していてもよい。図５及び図８に示したように、少なくとも１つの実施形態では、１つ又は複数のアブレイダブルコーティング切削チップ１８は、スクィーラ先端１２からアブレイダブルコーティング切削チップ１８の最も外側の先端３０まで延在している少なくとも３つの切削辺２８を有していてもよい。第１の切削辺５４は、アブレイダブルコーティング切削チップ１８の上流側５６に位置していてもよい。第２の切削辺５８は、アブレイダブルコーティング切削チップ１８の上流側５６と下流側６２との間の第１の交差部分６０で、スクィーラ先端１２からアブレイダブルコーティング切削チップ１８の最も外側の先端３０まで延在していてもよい。第３の切削辺６４は、アブレイダブルコーティング切削チップ１８の上流側５６と下流側６２との間の第２の交差部分６６で、スクィーラ先端１２からアブレイダブルコーティング切削チップ１８の最も外側の先端３０まで延在していてもよい。第２の交差部分６６は、第１の交差部分６０を有する第１の側６８の、アブレイダブルコーティング切削チップ１８の反対側であってもよい。
【００２０】
図３、図５及び図８に示すように、少なくとも１つの実施形態では、１つ又は複数のアブレイダブルコーティング切削チップ１８は、スクィーラ先端１２に結合された広い底部７０と反対側の半径方向最も外側の端部における先端３０とを有したピラミッド形状を有していてもよい。別の実施形態では、複数のアブレイダブルコーティング切削チップ１８がそれぞれピラミッド形状を有していてもよい。１つ又は複数のアブレイダブルコーティング切削チップ１８が複数の平坦面７２から形成されていてもよく、この場合、隣接する平坦面７２は交差して１つの切削辺２８を形成する。１つの実施形態では、アブレイダブルコーティング切削チップ１８はピラミッド形状に形成されていて、１つ又は複数のアブレイダブルコーティング切削チップ１８は少なくとも４つの平坦面７２から成っていてもよい。このような実施形態では、４つの平坦面７２はそれぞれ切削辺２８によって分離されていて良く、全部で４つの切削辺２８が生じる。別の実施形態では、アブレイダブルコーティング切削チップ１８は、４つ以上の平坦面を、又は４つ未満の平坦面を含んでいて良く、同様に４つ以上又は未満の切削辺２８を含んでいてもよい。
【００２１】
隣接するアブレイダブルコーティング切削チップ１８は、スクィーラ先端１２の外面７４で直線７６によって分離されていてもよい。少なくとも１つの実施形態では、アブレイダブルコーティング切削チップ１８は、スクィーラ先端１２の外面７４において、第１の向き７８で位置する複数の直線７６と第２の向き８０で位置する複数の直線７６とによって複数の列に分けられている。この場合、第２の向き８０は第１の向き７８に対して直交している。第１の向き７８と第２の向き８０とは、燃焼排ガス流５０の方向に対して非平行かつ非直交であってもよい。
【００２２】
少なくとも１つの実施形態では、アブレイダブルコーティング切削チップ１８はスクィーラ先端１２から約５ミルの距離を延びている。約５ミルは約１２５ミクロンである。別の実施形態では、アブレイダブルコーティング切削チップ１８はスクィーラ先端１２から約１０ミルの距離を延びていてよい。約１０ミルは約２５０ミクロンである。さらに別の実施形態では、複数のアブレイダブルコーティング切削チップのうち少なくとも１つはスクィーラ先端１２から１０００ミクロンの距離を延びていてよい。１０００ミクロンは１ミリである。別の実施形態では、アブレイダブルコーティング切削チップ１８はスクィーラ先端１２から少なくとも１２５ミクロンかつ１０２５ミクロン未満の距離を延びていてもよい。少なくとも１つの実施形態では、アブレイダブルコーティング切削チップ１８はスクィーラ先端１２の半径方向外側端部にぎざぎざ面を形成する。
【００２３】
アブレイダブルコーティング切削チップ１８は、ほぼ縦長のブレード３２の先端３８にアブレイダブルコーティング切削チップ１８を機械加工することにより形成されてもよい。特に、アブレイダブルコーティング切削チップ１８の機械加工は、研削又はフライス加工により形成されてもよい。研削又はフライス加工は、ピラミッド形のアブレイダブルコーティング切削チップ１８のパターンを製造することができる。
【００２４】
使用中、タービンブレード１０は回転しているロータアッセンブリに連結されていて、リングセグメント２０はタービンブレード１０の半径方向外側の境界を形成する。燃焼排ガス流がタービンブレード１０を通過するとき、タービンブレード１０とリングセグメントとは加熱され熱膨張する。定常運転状態に達する前の起動プロセス中は、タービンブレード１０が回転しているときタービンブレード１０はリングセグメント２０に接してもよい。アブレイダブルコーティング切削チップ１８は、リングセグメント２０の半径方向内側面上のアブレイダブルコーティングに切り込み、タービンブレード１０から延在するアブレイダブルコーティング切削チップ１８に対応する外形を形成する。このようにして、タービンブレード１０の外形は、リングセグメント２０においてスイープされた外形に正確に対応するので、クリアランスコントロールは改善される。静止した構成部品上のアブレイダブル材料を刻む又は切り込むブレード先端の能力が向上することにより、改善されたクリアランスコントロールが、エンジン効率及び出力を向上させる。
【００２５】
上記説明は、本発明を例示、説明及び記述するという目的で提供されている。これらの実施の形態に対する変更及び適応は、当業者に明らかになるであろうし、本発明の範囲又は思想から逸脱することなく成し得るものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2016530421.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2016530421.tif 000008
【図７】
2016530421.tif 000009
【図８】
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【国際調査報告】
2016530421.tif 000011
2016530421.tif 000012
2016530421.tif 000013