(57)【要約】【課題】タービンバケットを提供する。【解決手段】本タービンバケット（２０）は、中空先端シュラウド（３６）を有するバケット翼形部（３４）を含み、中空先端シュラウドは、表Ｉにインチ単位で記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に合致する基準輪郭を有する中空コアを有し、コアの形状は、シュラウドの各表面の周りに分布した表Ｉ記載の複数の点で規定され、先端シュラウドの完全な中空部分は、表Ｉ記載の点により滑らかなシート表面を定めることによって構成することができる。【選択図】      図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空先端シュラウド（３６）を有するバケット翼形部（３４）を含む製造物品（２０）であって、
前記中空先端シュラウドが、表Ｉにインチ単位で記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に合致する基準輪郭を有する中空コアを有し、
前記コアの形状が、前記シュラウドの各表面の周りに分布した表Ｉ記載の複数の点で規定され、
前記先端シュラウドの完全な中空部分が、表Ｉ記載の点により滑らかなシート表面を定めることによって構成することができる、
製造物品。
【請求項２】
タービンの第２段の一部を形成するタービンバケットを定める、請求項１記載の製造物品。
【請求項３】
前記中空コア形状が、任意の中空コア表面位置に対して垂直な方向に±０．０４２インチ以内の包絡面内にある、請求項１記載の製造物品。
【請求項４】
前記Ｘ、Ｙ及びＺ距離が、拡大した又は縮小したバケット先端シュラウドを得るために、同一の定数又は数値の関数として拡大縮小可能である、請求項１記載の製造物品。
【請求項５】
デカルト座標系が、翼形部平均キャンバ線及び前縁翼形部表面の交点にあって低温ロータ中心線より３９．６００インチ上方に位置した点Ａにその原点を有し、
その正のＸ軸が、前記点Ａと前記翼形部平均キャンバ線及び後縁翼形部表面の交点にあって前記低温ロータ中心線より３９．６００インチ上方に位置した点Ｂとによって定まり、
その正のＸ−Ｚ平面が、前記点Ａ及び点Ｂと前記翼形部平均キャンバ線及び翼形部後縁表面の交点にあって前記低温ロータ中心線より４９．８６２インチ上方に位置した点Ｃとによって定まり、
そのＹ軸が、右手の法則の手法を使用して定まる、
請求項２記載の製造物品。
【請求項６】
前記中空コア形状が、任意の中空コア表面位置に対して垂直な方向に±０．０４２インチ以内の包絡面内にある、請求項５記載の製造物品。
【請求項７】
製造物品（１２）であって、
複数のバケット（２０）を有するタービンホイール（１７）を含み、
前記バケットの各々が、請求項１記載のような中空先端シュラウド（３６）を有するバケット翼形部（３４）を含む、
製造物品。
【請求項８】
ガスタービン（１２）を定め、
前記タービンホイールが、タービンの第２段を含む、
請求項７記載の製造物品。
【請求項９】
前記表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値が、デカルト座標系におけるものであり、
前記デカルト座標系が、翼形部平均キャンバ線及び前縁翼形部表面の交点にあって低温ロータ中心線より３９．６００インチ上方に位置した点Ａにその原点を有し、
その正のＸ軸が、前記点Ａと前記翼形部平均キャンバ線及び後縁翼形部表面の交点にあって前記低温ロータ中心線より３９．６００インチ上方に位置した点Ｂとによって定まり、
その正のＸ−Ｚ平面が、前記点Ａ及び点Ｂと前記翼形部平均キャンバ線及び翼形部後縁表面の交点にあって前記低温ロータ中心線より４９．８６２インチ上方に位置した点Ｃとによって定まり、
そのＹ軸が、右手の法則の手法を使用して定まる、
請求項８記載の製造物品。
【請求項１０】
前記Ｘ、Ｙ及びＺ距離が、拡大した又は縮小したバケット先端シュラウドを得るために、同一の定数又は数値の関数として拡大縮小可能である、請求項７記載の製造物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、翼形部と該翼形部によって支持された先端シュラウドとを有するタービンバケットに関する。より具体的には、本発明は、タービンバケットの翼形部によって支持された先端シュラウドの内部コア輪郭に関する。本発明は、特にガスタービンのためのものであるが、拡大又は縮小した設計の使用は、蒸気タービン又は航空機エンジンにも適用可能とすることができる。
【背景技術】
【０００２】
タービン用のバケットは一般的に、翼形部、プラットフォーム、シャンク及びダブテールを含む。ダブテールは、タービンホイール内の相補形スロット内に固定される。翼形部は、一体形に形成された先端シュラウドを含むことが多い。言うまでもなく、翼形部及び先端シュラウドを含むバケットは、運転時にエンジン中心線の周りで回転可能であり、翼形部及び先端シュラウドは、高温ガス通路内に設置される。先端シュラウドは翼形部の先端に取付けられるので、先端シュラウドと翼形部先端との間の先端シュラウドフィレット領域内には大きな応力が発生する。それが中空であれ又は中実であれ、先端シュラウドは一般的に、翼形部の頂部の周りでシュラウドの質量分布がバランスするように設計される。中空シュラウドの利点は、重量を軽減したシュラウドを形成するが、依然として大きな構造的剛度を維持することである。これにより一般的に、翼形部対先端シュラウドフィレット内における応力が低下し、クリープ寿命が向上する。さらに、一部の先行技術による先端シュラウドは、翼形部スロートを被っておらず、その結果先端シュラウドを越える流れの漏洩により段効率に悪影響を生じる。
【特許文献１】米国特許第５９８０２０９号明細書
【特許文献２】米国特許第６４７１４８０号明細書
【特許文献３】米国特許第６７２２８５１号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の例示的な実施形態によると、製造物品を提供し、本製造物品は、中空先端シュラウドを有するバケット翼形部を含み、中空先端シュラウドは、表Ｉにインチ単位で記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に合致する基準輪郭を有する中空コアを有し、コアの形状は、シュラウドの各表面の周りに分布した表Ｉ記載の複数の点で規定され、先端シュラウドの完全な中空部分は、表Ｉ記載の点により滑らかなシート表面を定めることによって構成することができる。
【０００４】
本発明はまた、製造物品として具現化することができ、本製造物品は、中空先端シュラウドを有するバケット翼形部を含み、中空先端シュラウドは、デカルト座標系における表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に合致する基準輪郭を有する中空コアを有し、デカルト座標系は、翼形部平均キャンバ線及び前縁翼形部表面の交点にあって低温ロータ中心線より３９．６００インチ上方に位置した点Ａにその原点を有し、その正のＸ軸は、点Ａと翼形部平均キャンバ線及び後縁翼形部表面の交点にあって低温ロータ中心線より３９．６００インチ上方に位置した点Ｂとによって定まり、その正のＸ−Ｚ平面は、点Ａ及び点Ｂと翼形部平均キャンバ線及び翼形部後縁表面の交点にあって低温ロータ中心線より４９．８６２インチ上方に位置した点Ｃとによって定まり、そのＹ軸は、右手の法則の手法を使用して定まり、またＸ、Ｙ及びＺは、インチで表した距離であり、コアの形状は、シュラウドの各表面の周りに分布した表Ｉ記載の複数の点で規定され、先端シュラウドの完全な中空部分は、表Ｉ記載の点により滑らかなシート表面を定めることによって構成することができる。
【０００５】
本発明はさらに、製造物品として具現化することができ、本製造物品は、複数のバケットを有するタービンホイールを含み、バケットの各々は、翼形部と中空先端シュラウドとを含み、中空先端シュラウドは、表Ｉにインチ単位で記載したＸ、Ｙ及びＺのデカルト座標値に実質的に合致する基準輪郭を有する中空コアを有し、コアの形状は、シュラウドの各表面の周りに分布した表Ｉ記載の複数の点で規定され、先端シュラウドの完全な中空部分は、表Ｉ記載の点により滑らかなシート表面を定めることによって構成することができる。
【０００６】
本発明のこれらの及びその他の目的及び利点は、添付の図面と関連させて本発明の現時点で好ましい例示的な実施形態の以下のより詳細な説明を注意深く精査することによって、より完全に理解されかつ評価されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
次に図面の図、特に図１を参照すると、複数のタービン段を含むガスタービン１２のその全体を参照符号１０で指定した高温ガス通路を示している。図には、３つの段を示している。例えば、第１段は、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズル１４及びバケット１６を含む。ノズルは、互いに円周方向に間隔を置いて配置されかつロータの軸線の周りに固定される。言うまでもなく、第１段バケット１６は、タービンロータホイール１７上に取付けられる。タービン１２の第２段もまた図示しており、第２段は、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズル１８と、ロータ上に取付けられた複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケット２０とを含む。第３段もまた図示しており、第３段は、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズル２２とロータ１７上に取付けられたバケット２４とを含む。ノズル及びバケットはタービン１２の高温ガス通路１０内に位置しており、該高温ガス通路１０を通る高温ガスの流れの方向を矢印２６で示しているのが分かるであろう。
【０００８】
第２段の各バケット２０には、プラットフォーム３０、シャンク３２及びダブテール３４（図３）が設けられ、該ダブテールは、ロータ１７の一部を形成するロータホイール上の相補形状の嵌合用ダブテール（図示せず）と連結するためのものである。第２段バケット２０の各々はまた、プラットフォームから翼形部先端まで翼形部に沿ったあらゆる断面においても翼形部輪郭を有する翼形部３４（図２）を含む。
【０００９】
第２段バケットの各々には、その全体を参照符号３６で指示した先端シュラウドが設けられる。先端シュラウドは、翼形部３４と一体形に形成されるのが好ましく、各先端シュラウド３６は、円周方向に対向する端部において、隣接するバケットの隣接する先端シュラウドと係合して、第２段バケットの軸方向位置において高温ガス通路を囲むほぼ環状のリングつまりシュラウドを形成する。各第２段バケット２０の先端シュラウド３６は、その半径方向外表面に沿った第１及び第２のシールレールつまり前方及び後方シールレール４２、４４を含み、これらのシールレール４２、４４は、先端シュラウドの周りにほぼ連続的なシールリングを形成してタービンケーシングに固定されたシュラウド４６（図１）との間を密封するようにする。この点に関して、例示的な実施形態では、前方シールレール４２は、隣接するバケット上の対応するシールレールと接触しないが、後方シールレール４４は、隣接するバケット上の対応するシールレールと実際に接触する。
【００１０】
タービンブレードは、熱的及び機械的負荷による厳しい環境内で作動する。さらに、先端シュラウドを有するブレードは、付加的な解決すべき問題を有する。先端シュラウドは、ブレードの最外側範囲に位置し（図１参照）、従って回転速度による高い機械的負荷を受ける。従って、スカラップのないシュラウドをブレードに取付けることは困難である。これを解決するには、ブレードの重量が或る最大値を超えないようにすることが必要である。これらの制約条件から、中空のタービンシュラウドの利点が明らかになる。
【００１１】
本発明のコア設計がその中に存在する包絡面又はボリュームを定めるためには、空間内における固有の点の組又は軌跡が存在する。コア設計がその中に存在する包絡面又はボリュームを定める軌跡は、図６及び図７に示すように設定した座標系原点に対するＸ、Ｙ及びＺ座標値を有する７８９個の点の組を含む。より具体的には、この座標系は、翼形部に対して設定されて、点Ａ、点Ｂ及び点Ｃによって完全に定まる。点Ａ及び点Ｂは両方共に、低温ロータ中心線より３９．６００インチ上方に位置する。点Ａは、翼形部平均キャンバ線及び前縁翼形部表面の交点にある。点Ｂは、翼形部平均キャンバ線及び後縁翼形部表面の交点にある。点Ｃは、低温ロータ中心線より４９．８６２インチ上方に位置しかつ翼形部平均キャンバ線及び後縁翼形部表面の交点にある。座標系原点は、点Ａに位置する。点Ａ及び点Ｂは、正のＸ軸を定める。点Ａ、点Ｂ及び点Ｃは、正のＸ−Ｚ平面を定める。次にＹ軸は、右手の法則の手法を使用して定められる。
【００１２】
下記の表Ｉに記載したＸ、Ｙ及びＺ値のデカルト座標系は、先端シュラウドの完全な中空部分を定める。より具体的には、コアの形状は、シュラウドの各表面の周りに分布した表Ｉ記載の複数の点で規定され、先端シュラウドの完全な中空部分は、表Ｉ記載の点により滑らかなシート表面を定めることによって構成することができる。Ｘ、Ｙ及びＺ座標の座標値は、表Ｉにインチ単位で記載しているが、それらの値が適切に変換される場合にはその他の寸法単位を使用することができる。
【００１３】
表Ｉの値は、シュラウドコアの輪郭を決定するために生成され、かつ小数点以下３桁まで示されている。これらの点は、シュラウドコアの基準低温つまり室温の形状を表している。稼動中にバケットが加熱されるにつれて、機械的負荷及び温度により、Ｘ、Ｙ及びＺ’値に変化を引き起こすことになる。従って、表Ｉに記載した輪郭用の値は、不作動時つまり高温でない周囲条件における値を表している。
【００１４】
実際のシュラウドコアの輪郭には、考慮しなければならない一般的製造及び被膜公差が存在する。従って、あらゆる被膜厚さを含む±一般的製造公差、すなわち±値は、下記の表Ｉに記載したＸ及びＹ値に加算されることが分かるであろう。従って、シュラウドコア輪郭に沿った任意の表面位置に対して垂直な方向における±０．０４２インチの距離は、この特定のバケット先端シュラウド設計及びタービンについてのシュラウドコア輪郭包絡面、すなわち基準低温つまり室温における実際のシュラウドコア表面上の測定点と同一温度における下記の表に記載したこれらの点の理想位置との間の変異を定める。バケットシュラウドコア設計は、この変異の幅に対して安定した状態を保ち、機械的機能を損なうことがない。
【００１５】
【表１】
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上記の表Ｉに開示したシュラウドコアは、他の同様なタービン設計において使用するために幾何形状的に拡大又は縮小することができることも分かるであろう。従って、表Ｉに記載した座標値は、シュラウドコア輪郭形状を変えない状態に保持するようにして拡大又は縮小することができる。表Ｉにおける座標値の拡大又は縮小バージョンは、Ｘ、Ｙ及びＺ座標値を定数によって乗算又は除算した状態での表ＩのＸ、Ｙ及びＺ座標値によって表されることになる。
【００１６】
本開示における重要な用語は、輪郭である。輪郭というのは、シュラウドコア表面上の測定点と表Ｉに記載した理想位置との間の変異の幅である。製造したブレード上の実際の輪郭は、表Ｉにおける輪郭とは異なることになるが、本設計はこの変異に対して安定しており、このことは、機械的機能が損なわれないことを意味している。上述したように、本明細書では、±０．０４２インチの輪郭公差を使用している。
【００１７】
中空タービンシュラウドは、高性能タービンバケットを形成するのに有利である。この特殊な点の組は、７ＦＡ＋ｅ第２段バケットに使用するためのシュラウドコアを定め、また特に所定のシュラウド先端外部輪郭と組合せた時に、壁厚さ分布、機械的荷重伝達及び熱伝達分布を最適化する。
【００１８】
現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の例示的な実施形態による所定のシュラウドコア輪郭を有する第２段タービンバケット先端シュラウドを有するタービンセクションの概略図。
【図２】完全な先端シュラウドを備えたタービンブレードを示す図。
【図３】図２に示す切断面に沿ってシュラウドの頂部部分を除去して内部空洞形状を露わにした状態の図２のブレードを示す図。
【図４】図２のシュラウドの平面図。
【図５】今度は図４に示す切断面に沿って切断したシュラウドの別の内部図。
【図６】表Ｉに記載した点の座標値を決めるために使用した座標系を決定するのに用いた点を示すタービン翼形部の概略斜視図。
【図７】これもまた表Ｉに記載した点の座標値を決めるために使用した座標系を同様に示す斜視図。
【符号の説明】
【００２０】
１０  高温ガス通路
１２  ガスタービン
１４  第１段ノズル
１６  第１段バケット
１７  タービンロータホイール
１８  第２段ノズル
２０  第２段バケット
２２  第３段ノズル
２４  第３段バケット
２６  矢印
３０  プラットフォーム
３２  シャンク
３４  翼形部
３４  ダブテール
３６  先端シュラウド
４２  前方シールレール
４４  後方シールレール
４６  シュラウド
【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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