(57)【要約】【課題】ガスタービンアセンブリ用のタービンシュラウドを提供する。【解決手段】ガスタービンアセンブリは、シュラウドを含み、シュラウドは、複数の相互連結シュラウドセグメント（１０）を含み、シュラウドセグメントの各１つは、第１の金属材料で形成された弓形ベース（１２）を含む。弓形ベース（１２）は、軸方向構成要素を有する環状部材（１４）とフランジを有する一対の直立リブ（１６、１８）とで構成され、弓形ベース（１２）はさらに、該弓形ベース（１２）の表面上に配置されてシュラウドセグメント（１０）の内径（すなわち、高温ガス経路側又は環境側）を形成する高温対応材料層（３０）を含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シュラウドを含み、
前記シュラウドが、複数の相互連結シュラウドセグメント（１０）を含み、
前記シュラウドセグメントの各１つが、第１の金属材料で形成され、かつ軸方向構成要素を有する環状部材（１４）とフランジ（２０、２２）を有する一対の直立リブ（１６、１８）とで構成された弓形ベース（１２）を含み、
前記弓形ベース（１２）が、該弓形ベース（１２）の第１の金属材料に結合されて前記シュラウドセグメント（１０）の内径を形成する第２の金属材料（３０）をさらに含む、
ガスタービン。
【請求項２】
前記第２の金属材料（３０）が、６００℃超の温度で安定であるように選択され、
前記第１の金属材料が、８００℃未満の温度で安定であるように選択される、
請求項１記載のガスタービン。
【請求項３】
前記第２の金属材料（３０）が、超合金である、請求項１又は請求項２記載のガスタービン。
【請求項４】
前記第１の金属材料が、ステンレス鋼で形成される、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のガスタービン。
【請求項５】
前記第２の金属材料（３０）が、前記第１の金属材料よりも高い融点を有する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のガスタービン。
【請求項６】
前記第２の金属材料（３０）が、約２インチよりも薄い厚さであり、
前記第１の金属材料が、約１インチ〜約１２インチの厚さである、
請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のガスタービン。
【請求項７】
タービンエンジン用のシュラウドを製造する方法であって、
一対の直立リブ（１６、１８）及びフランジ（２０、２２）を有しかつ第１の金属材料で形成されたリングを形成する段階と、
前記リングの表面に第２の金属材料（３０）を結合して内径を形成する段階と、を含む、
方法。
【請求項８】
前記第２の金属材料（３０）が、６００℃超の温度で安定であるように選択され、
前記第１の金属材料が、８００℃未満の温度で安定であるように選択される、
請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記第１の金属材料に前記第２の金属材料（３０）を結合する段階が、溶接肉盛プロセス、ストリップクラッディングプロセス、ろう付けプロセス又は固体ボンディングプロセスを含む、請求項７又は請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の金属材料（３０）が、前記第１の金属材料よりも高い融点を有するように選択される、請求項７乃至請求項９のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本開示は、ガスタービンシュラウドに関し、より具体的には、シュラウドの内径（すなわち、高温ガス経路側）に付加した第２の金属材料と、シュラウドの残りの部分を形成した第１の金属材料とを有する複数金属材料ガスタービンシュラウドに関する。第２の金属は、第１の金属材料に対して高温性能を与えるように選択される。シュラウドを形成する方法もまた、開示している。
【技術分野】
【０００２】
一般にガスタービンエンジンでは、軸流エンジン軸線の周りで円周方向にかつ例えばタービンブレードのような回転ブレード配列部材の周りで半径方向外側に、複数の固定シュラウドセグメントが組立てられて、ブレードを覆って半径方向外側流路境界の一部を形成する。加えて、シュラウドセグメントのアセンブリは、ノズル及び／又はエンジンフレームのような軸線方向隣接エンジン部材の軸線方向間でエンジン内に組立てられる。固定シュラウドは、燃焼ガスを最大効率で利用してガスタービンを回転させるように燃焼ガスをガス流路に閉じ込める。この流路の作動温度は、５００℃よりも高温にすることができる。内径を形成した表面を含むシュラウドは、高温ガス流路に露出される。
【０００３】
現行実施法は、単一の金属材料、例えば高温対応（可能）超合金又は高温対応ステンレス鋼でシュラウド全体を製作することである。これは一般には最も実用的かつより複雑でない解決法と考えられるが、高温対応材料の使用は、全シュラウドがこの材料で形成されるので、コスト効率が悪い。他の解決法には、シュラウドの表面上に断熱層を被膜する方法が含まれるが、これもまた、シュラウドに大幅なコストを付加することになる。より複雑な設計は、シュラウドの冷却を増大させることを含む。しかしながら、シュラウドを冷却することは、タービンの効率に直接かつマイナスの影響を与える。さらに他の提案の解決法は、互いに機械的に取付けられたツーピースシュラウドの使用を含む。しかしながら、当業者には予想されるように、ツーピースの使用は、シュラウドがより多くの冷却空気を使用しかつ部品の数を増大させることになるので、タービン効率を低下させかつコストを悪化させる可能性がある。
【特許文献１】米国特許第５，７６２，４７２号明細書
【特許文献２】米国特許第６，７２６，４４８号明細書
【特許文献３】米国特許第７，０５２，２３５号明細書
【特許文献４】米国特許第７，１４７，４２９号明細書
【特許文献５】米国特許第７，１４７，４３２号明細書
【特許文献６】米国特許第７，１７４，７０４号明細書
【特許文献７】米国特許第７，１８６，０７８号明細書
【特許文献８】米国特許出願公開第２００７／００３１２４４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、当技術分野には、コスト効率が良くて、最大タービン効率をもたらし、かつ容易に現在の設計と統合することができることになるようなシュラウドの改良の必要性が依然として存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書に開示しているのは、ガスタービン用のシュラウドアセンブリ及びシュラウドアセンブリを製造する方法である。１つの実施形態では、ガスタービンは、シュラウドを含み、シュラウドは、複数の相互連結シュラウドセグメントを含み、シュラウドセグメントの各１つは、第１の金属材料で形成されかつ軸方向構成要素を有する環状部材とフランジを有する一対の直立リブとで構成された弓形ベースを含み、弓形ベースはさらに、該弓形ベースの第１の金属材料に結合されてシュラウドセグメントの内径を形成する第２の金属材料を含む。
【０００６】
別の実施形態では、ガスタービンは、シュラウドを含み、シュラウドは、複数の相互連結シュラウドセグメントを含み、シュラウドセグメントの各１つは、８００℃未満の温度で安定な第１の金属材料で形成されかつ軸方向構成要素を有する環状部材とフランジを有する一対の直立リブとで構成された弓形ベースと、第１の金属材料に結合されてシュラウドセグメントの内径を形成しかつ６００℃超の温度で安定な第２の金属材料とを含む。
【０００７】
タービンエンジン用のシュラウドを製造する方法は、一対の直立リブ及びフランジを有しかつ第１の金属材料で形成されたリングを形成する段階と、リングの表面に第２の金属材料を結合して内径を形成する段階とを含む。
【０００８】
上述の及びその他の特徴は、以下の詳細な説明及び提出の特許請求の範囲によって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に、同様の要素に同じ参照符号を付した図を参照する。
【００１０】
ここで図１及び図２を参照すると、ガスタービンで用いるシュラウドのシュラウドセグメント１０を示している。複数のセグメント１０は、シュラウドを形成し、その上にタービンブレードが取付けられたロータの円周方向にかつ該ロータと同心に配置される。一般に、シュラウドは、リングとして製作され、セグメント化され、次にセットとしてエンドユーザ用途に供される。本開示は、図示した特定のシュラウドセグメントに限定しようとするものではない。
【００１１】
各シュラウドセグメント１０は一般に、軸方向構成要素を有する環状平板状部材１４とそれぞれフランジ２０及び２２を有する一対の直立リブ１６及び１８とで構成された弓形ベース１２を含む。弓形ベース１２は、第１の金属材料で形成される。リブ１６、１８及びそれぞれのフランジ２０、２２は、シュラウドベース１２を支持するように並びに冷却通路及び例えばチャンバ２４のようなチャンバを形成するように作用する。フランジ２０、２２はまた、エンジンケーシング及び取付け構造体内部にシュラウドセグメントを取付ける働きをする。図２により明瞭に示すように、リブ１６、１８内には付加的冷却通路２６を配置することができ、また支持用ノッチ２８を含むようにすることができる。
【００１２】
シュラウドセグメント１０の内径を形成する第２の金属材料３０は、環状平板状部材１４の表面に一体形に取付けられ（すなわち、結合され）、かつ１つの実施形態では、高温対応材料すなわち６００℃超の温度で安定な材料で形成される。それと対照的に、弓形ベース１２は、低温対応材料すなわち８００℃超の温度で不安定になる材料で形成される。このようにして、一般にガスタービンの運転時に高温ガス流路に露出するシュラウドセグメントは、第２の金属材料３０の存在によってタービン運転時に用いる温度に耐えることができ、しかもこのようにすることにより、シュラウドを製作するのに用いる高温対応材料の量を減少させることができる。第１の金属材料、すなわち一般には高温対応材料よりも安価である低温対応材料は、シュラウドの実用性及び作動寿命を犠牲にすることなく用いることができる。これは、大きな商業的利点をもたらす。
【００１３】
１つの実施形態では、第２の金属材料は、６００℃超の温度で安定であるように選択され、また第１の金属材料は、８００℃未満の温度で安定であるように選択される。他の実施形態では、第２の金属材料は、第１の金属材料よりも高い溶融温度を有するように選択される。一般に、高温で安定な材料は、低温で安定な材料よりも高価であることが分かっている。
【００１４】
好適な第２の金属材料は、ガスタービンエンジンの高温ガス作動流路で生じる高温に耐えることができるような高温対応材料である。例示的な材料には、それに限定されないが、超合金が含まれる。好適な超合金は一般に、ニッケル基、鉄基又はコバルト基合金であり、その場合に、超合金中のニッケル、鉄又はコバルトの量は、重量で唯一最大の元素である。実例のニッケル基超合金は、少なくともニッケル（Ｎｉ）と、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオビウム（Ｎｂ）、レニウム（Ｒｅ）、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）及び鉄（Ｆｅ）からなるグループからの少なくとも１つの成分とを含む。ニッケル基合金の実施例は、Ｈａｙｎｅｓ（登録商標）、Ｈａｓｔｅｌｏｙ（登録商標）、Ｉｎｃｏｌｏｙ（登録商標）、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、Ｎｉｍｏｎｉｃ（登録商標）、Ｒｅｎｅ（登録商標）（例えば、Ｒｅｎｅ（登録商標）８０、Ｒｅｎｅ（登録商標）９５、Ｒｅｎｅ（登録商標）１４２及びＲｅｎｅ（登録商標）Ｎ５合金）及びＵｄｉｍｅｔ（登録商標）の商品名で指定され、一方向凝固及び単結晶超合金を含む。実例のコバルト基超合金は、Ｃｏと、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ及びＦｅからなるグループからの少なくとも１つの成分とを含む。コバルト基超合金の実施例は、Ｈａｙｎｅｓ（登録商標）、Ｎｏｚｚａｌｏｙ（登録商標）、Ｓｔｅｌｌｉｔｅ（登録商標）及びＵｌｔｉｍｅｔ（登録商標）材料の商品名で指定される。実例の鉄基超合金は、Ｆｅと、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ及びマンガン（Ｍｎ）からなるグループからの少なくとも１つの成分とを含む。鉄基超合金の実施例は、Ｈａｙｎｅｓ（登録商標）、Ｉｎｃｏｌｏｙ（登録商標）、Ｎｉｔｒｏｎｉｃ（登録商標）の商品名で指定される。第２の金属材料を形成するのに好適な他の材料には、Ｈａｙｎｅｓ（登録商標）ＨＲ−１２０（商標）合金、Ｈａｙｎｅｓ（登録商標）５５６（商標）合金、Ｈａｙｎｅｓ（登録商標）２３０（登録商標）合金、Ｈａｙｎｅｓ（登録商標）１８８（登録商標）合金、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）Ｘ合金又はＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７３８（商標）合金が含まれる。
【００１５】
弓形ベース１２を形成するのに好適な材料には、ＡＩＳＩ３０４ステンレス鋼、３１０ステンレス鋼、ＡＩＳＩ３４７ステンレス鋼、ＡＩＳＩ４１０ステンレス鋼のようなステンレス鋼、又はＨａｙｎｅｓ（登録商標）ＨＲ−１２０（登録商標）合金のような超合金が含まれる。高温層すなわち環境側を形成するのに好適な他の材料には、Ｈａｙｎｅｓ（登録商標）ＨＲ−１２０（商標）合金、Ｈａｙｎｅｓ（登録商標）５５６（商標）合金、Ｈａｙｎｅｓ（登録商標）２３０（登録商標）合金、Ｈａｙｎｅｓ（登録商標）１８８（登録商標）合金、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）Ｘ合金又はＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７３８（商標）合金が含まれる。
【００１６】
ベース１２の好適な厚さは、特定の用途及び段に応じて変化することになる。例えば、第１の金属材料は、厚さを測定する場所に応じて約１インチ〜約１２インチの厚さとすることができるのに対して、高温ガス経路側（すなわち、環境側）上に形成された第２の金属材料は、幾つかの実施形態では約２インチよりも薄い厚さ、他の実施形態では約１インチの厚さ、またさらに他の実施形態では約０．７５インチよりも薄い厚さとすることができる。
【００１７】
シュラウドセグメントを製造する場合に、シュラウドリングが最初に、密閉鍛造、シームレスリング鍛造、これらの変形形態及び同様のものなどによって第１の金属材料のリング又は個々のリングセグメントを鍛造することによって形成される。それに代えて、シュラウドリング又はシュラウドセグメントは、砂型鋳造、インベストメント鋳造、遠心鋳造、加工及び同様のものによって形成することができる。シュラウドリングを形成する特定の方法は、限定されるものではない。リングが形成されると、第２の金属材料が、リングの内径に固定取付けされる。高温対応材料の取付けは、あらゆる手段によるものとすることができ、溶接肉盛、ストリップクラッディング、ろう付け、固体ボンディング及び同様のもののような方法を含む。第２の金属は、第１の金属材料に対して一体形とされる。第２の金属が取付けられると、リングは、セグメントに切断され、セットとしてエンドユーザに提供される。
【００１８】
以下の実施例は、本方法をさらに例示するために示すものであり、本発明の技術的範囲を限定しようとするものではない。
【００１９】
実施例
この実施例では、リングは、ＡＩＳＩ３１０ステンレス鋼（すなわち、第１の金属材料）で鍛造され、それに対してＨａｙｎｅｓ（登録商標）５５６（登録商標）（すなわち、第２の金属材料）の層が鍛造リングの内径上の溶接肉盛プロセスによって堆積された。リング直径は最終的に調整され、リングは、帯鋸でセグメントに切断された。
【００２０】
本明細書に開示した範囲は、包括的でありかつ組合せ可能である（例えば、「最大約２５重量％又はより詳細には約５重量％〜約２０重量％」の範囲は、「約５重量％から約２５重量％」の範囲のエンドポイント及び全中間値、その他を含む）。「組合せ」は、配合物、混合物、合金、反応生成物及び同様のものを含む。さらに、本明細書での「第１の」、「第２の」及び同様のもののような用語は、何らの順序、数量又は重要度を意味するものではなく、むしろ１つの要素を他の要素から区別するために用いられ、また本明細書における「数詞のない」用語は、数量の限定を意味するものではなく、むしろ記載したアイテムの少なくとも１つが存在することを意味する。数量に関連して用いる修飾語「約」は、そこに述べた数値を含み、前後関係で決まる意味を有する（例えば、特定の数量の測定に関連する誤差の程度を含む）。本明細書で用いる場合に「１つ又は複数を意味する数詞」は、この数詞が修飾する用語の要素の単数及び複数の両方を含むことを意図しており、それによってその用語の要素の１つ又はそれ以上を含む（例えば、１つ又は複数の着色剤は、１つ又はそれ以上の着色剤を含む）。本明細書全体にわたって「１つの実施形態」、「別の実施形態」、「実施形態」及びその他を参照するという表現は、その実施形態に関連して記載した特定の要素（例えば、特徴、構造及び／又は特性）が、本明細書に記載した少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味し、他の実施形態内に存在してもよいしまた存在しなくてもよい。加えて、説明した要素は、様々な実施形態においてあらゆる好適な手法で組合せることができることを理解されたい。
【００２１】
全ての引用した特許、特許出願及びその他の引用文献は、その全体を参考文献として本明細書に組み入れている。しかしながら、本出願中の用語が組み入れた参考文献中の用語と相反するか又は矛盾する場合には、本出願による用語は、組み入れた参考文献による矛盾した用語に優先する。
【００２２】
好ましい実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱せずに本発明の要素に対して様々な変更を加えることができまた本発明の要素を均等物で置き換えることができることが、当業者には解るであろう。加えて、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱せずに、特定の状況及び物的要件を本発明の教示に適合させ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考えられる最良の形態として開示した特定実施形態に限定されるものではなく、また本発明は特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本開示の実施形態による例示的なシュラウドセグメントの断面図。
【図２】シュラウドセグメントの斜視図。
【符号の説明】
【００２４】
１０  シュラウドセグメント
１２  弓形ベース（第１の金属材料）
１４  環状平板状部材
１６  直立リブ
１８  直立リブ
２０  フランジ
２２  フランジ
２４  チャンバ
２６  冷却通路
２８  冷却通路
３０  第２の金属材料
【図１】
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【図２】
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