JP2005133723A - ガスタービンロータブレードを冷却するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】翼形部やプラットホームでの高温の影響を少なくするためのガスタービン用のロータブレードを提供する。
【解決手段】本ロータブレード４０は、半径方向外側表面１４４及び半径方向内側表面１４２を備えたプラットホーム６２を含む。プラットホーム半径方向内側表面は、その中に形成されたアンダカット１４０及びパージスロット１６０を含む。パージスロットは、冷却空気を下流方向に流して、エンジン作動時にプラットホームの一部分を冷却するのを可能にする。翼形部６０が、プラットホーム半径方向外側表面から半径方向に延びる。シャンク６４が、プラットホーム半径方向内側表面から半径方向に延び、またダブテール６６が、シャンクから延びてロータブレードをガスタービンエンジン内に結合するようになっている。
【選択図】図２

Description

本出願は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンエンジンロータ組立体を冷却するための方法及び装置に関する。

少なくとも一部の公知のロータ組立体は、円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレードの少なくとも１つの列を含む。各ロータブレードは、前縁及び後縁において互いに接合された正圧側面及び負圧側面を備えた翼形部を含む。各翼形部は、ロータブレードプラットホームから半径方向外向きに延びる。各ロータブレードはまた、シャンクから半径方向内向きに延びたダブテールを含み、該シャンクは、プラットホームとダブテールとの間で延びている。ダブテールは、ロータ組立体内でロータブレードをロータディスクすなわちスプールに取付けるのに用いられる。公知のブレードは中空であり、内部冷却空洞の少なくとも一部が、翼形部、プラットホーム、シャンク及びダブテールによって形成されるようになっている。

作動時、ブレードの翼形部分が、ダブテール部分よりも高温に曝されるので、翼形部とプラットホームとの間及び／又はシャンクとプラットホームとの間の接合面において温度の不整合が生じる可能性がある。時の経過とともに、このような温度差及び熱歪みにより、ブレードプラットホームに対して大きな圧縮熱応力が生じることになる。さらに、一般的にブレードプラットホームが翼形部よりも大きい剛性を備えた状態で製作されている場合には、シャンク及びプラットホームに生じた応力に対応して翼形部が変位するので、このような熱歪みにより、翼形部にも熱変形が生じることになる。さらに、時の経過とともに、プラットホームの作動温度の上昇は、プラットホームの酸化、プラットホームの割れ及び／又はプラットホームのクリープ変形を引き起こす可能性があり、そのことによってロータブレードの有効寿命が短くなるおそれがある。

高温の影響を少なくするのを可能にするために、少なくとも一部の公知のロータブレード内部には、プラットホームの正圧側面及び／又は負圧側面のうちの少なくとも１つに陥凹スロットが形成されており、この陥凹スロットが、隣接する円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレードのプラットホーム後縁を冷却するのに用いる空気流を隣接するロータブレード間に形成されたシャンク空洞から流すのを可能にする。このようなスロットは確かに隣接するロータブレードプラットホーム後縁の作動温度を低下させるのを可能にするが、このようなスロットによって、該スロットを形成したロータブレード内に応力が生じるおそれがある。
特開２００２−２７６３０２号公報 特開２００１−２２１１９５号公報

１つの態様では、ガスタービンエンジン用のロータブレードを製作する方法を提供する。本方法は、翼形部、プラットホーム、シャンク及びダブテールを含み、シャンクがプラットホームとダブテールとの間で延び、プラットホームが翼形部とシャンクとの間で延び、またプラットホームが対向する側壁の対によって互いに接合された前縁側面及び後縁側面を含むようになっているロータブレードを準備する段階を含む。本方法はさらに、作動時にプラットホームの後縁側面を冷却するのを可能にするためにプラットホームの一部分内にアンダカットを形成する段階と、プラットホーム後縁側面に向かって下流方向に冷却空気を流すのを可能にするためにプラットホームの一部分内にパージスロットを形成する段階とを含む。

別の態様では、ガスタービン用のロータブレードを提供する。本ロータブレードは、プラットホーム、翼形部、シャンク及びダブテールを含む。プラットホームは、半径方向外側表面及び半径方向内側表面を含む。プラットホーム半径方向内側表面は、その中に形成されたアンダカット及びパージスロットを含む。パージスロットは、該パージスロットから下流方向に冷却空気を流すようになっている。アンダカットは、エンジン作動時にプラットホームの一部分を冷却するのを可能にする。翼形部は、プラットホーム半径方向外側表面から半径方向に延びる。シャンクは、プラットホーム半径方向内側表面から半径方向に延び、またダブテールは、シャンクから延びてロータブレードをガスタービンエンジン内に結合するようになっている。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジン用のロータ組立体を提供する。本ロータ組立体は、ロータシャフトと該ロータシャフトに結合された複数の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレードとを含む。ロータブレードの各々は、翼形部、プラットホーム、シャンク及びダブテールを含む。翼形部は、プラットホームから半径方向外向きに延び、またプラットホームは、半径方向外側表面及び半径方向内側表面を含む。シャンクは、プラットホームから半径方向内向きに延び、またダブテールは、シャンクから延びて各ロータブレードをロータシャフトに結合するようになっている。ロータブレードの少なくとも第１のブレードは、第１のロータブレードプラットホームの一部分内に形成されたアンダカット及びパージスロットを含む。アンダカットは、プラットホームを冷却するのを可能にし、またパージスロットは、シャンクを越えて下流方向に空気を流すのを可能にする。

図１は、発電機１６に結合された例示的なガスタービンエンジン１０の概略図である。この例示的な実施形態では、ガスタービンシステム１０は、単一の一体構造ロータすなわちシャフト１８の形態で配置された圧縮機１２、タービン１４及び発電機１６を含む。別の実施形態では、シャフト１８は、複数のシャフトセグメントに分割され、各シャフトセグメントが、隣接するセグメントに結合されてシャフト１８を形成する。圧縮機１２は、加圧空気を燃焼器２０に供給し、燃焼器２０において、空気はストリーム２２により供給された燃料と混合される。１つの実施形態では、エンジン１０は、サウスカロライナ州グリーンビル所在のゼネラル・エレクトリック社から市販されている６ＦＡ＋ｅ型ガスタービンエンジンである。

作動中、空気は圧縮機１２を通って流れ、加圧空気が燃焼器２０に供給される。燃焼器２０からの燃焼ガス２８は、タービン１４を回転させる。タービン１４は、シャフト１８、圧縮機１２及び発電機１６を縦方向軸線３０の周りで回転させる。

図２及び図３は各々、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）に用いることができる例示的なロータブレード４０の斜視図である。また、これらは、ブレード４０の両側から見たものである。図４は、ロータブレード４０の一部の側面図であり、また図５は、線５−５に沿って取ったロータブレード４０の一部の断面図である。ブレード４０がタービン１４（図１に示す）のようなロータ組立体内に結合されるとき、各ロータブレード４０は、シャフト１８（図１に示す）のようなロータシャフトに回転可能に結合されたロータディスク（図示せず）に結合される。別の実施形態では、ブレード４０は、ロータスプール（図示せず）内に取付けられる。この例示的な実施形態では、ブレード４０は、同一であり、各々がロータディスクから半径方向外向きに延びかつ翼形部６０、プラットホーム６２、シャンク６４及びダブテール６６を含む。この例示的な実施形態では、翼形部６０、プラットホーム６２、シャンク６４及びダブテール６６は、ひとまとめにしてバケットとして知られている。

各翼形部６０は、第１の側壁７０及び第２の側壁７２を含む。第１の側壁７０は凸面形であり、翼形部６０の負圧側面を形成し、また第２の側壁７２は凹面形であり、翼形部６０の正圧側面を形成する。側壁７０及び７２は、翼形部６０の前縁７４及び軸方向に間隔を置いて配置された後縁７６において互いに接合される。より具体的には、翼形部後縁７６は、翼形部前縁７４から翼弦方向にかつ下流方向に間隔を置いて配置される。

第１及び第２の側壁７０及び７２は、それぞれプラットホーム６２に隣接して位置したブレード根元７８から翼形部先端８０までスパンにわたって長手方向すなわち半径方向外向きに延びる。翼形部先端８０は、ブレード４０内に形成された内部冷却チャンバ（図示せず）の半径方向外側境界を定める。より具体的には、内部冷却チャンバは、側壁７０及び７２間で翼形部６０内部に境界付けられ、プラットホーム６２を貫通し、シャンク６４を通ってダブテール６６内に延びる。

プラットホーム６２は、翼形部６０とシャンク６４との間で延びるので、各翼形部６０が各それぞれのプラットホーム６２から半径方向外向きに延びるようになる。シャンク６４は、プラットホーム６２から半径方向内向きにダブテール６６まで延び、またダブテール６６は、シャンク６４から半径方向内向きに延びて、ロータブレード４０及び４４をロータディスクに固定するのを可能にする。プラットホーム６２はまた、正圧側端縁９４及び対向する負圧側端縁９６で互いに接合された上流側面すなわちスカート９０及び下流側面すなわちスカート９２を含む。

シャンク６４は、該シャンク６４の上流側壁１２４及び下流側壁１２６において互いに接合されたほぼ凹状の側壁１２０及びほぼ凸状の側壁１２２を含む。従って、シャンク側壁１２０は、それぞれ上流側壁１２４及び下流側壁１２６に対して凹設されているので、バケット４０がロータ組立体内に結合されたとき、隣接するロータブレードシャンク６４間にシャンク空洞１２８が形成される。

この例示的な実施形態では、前方エンゼルウィング１３０及び後方エンゼルウィング１３２が各々、それぞれのシャンク側面９０及び９２から外向きに延びて、ロータ組立体内に形成された前方及び後方エンゼルウィングバッファ空洞（図示せず）をシールするのを可能にする。さらに、前方カバープレート１３４がまた、シャンク側面１２４から外向きに延びて、バケット４０とロータディスクとの間をシールするのを可能にする。より具体的には、カバープレート１３４は、ダブテール６６と前方エンゼルウィング１３０との間でシャンク６４から外向きに延びる。

この例示的な実施形態では、プラットホームアンダカットすなわち後縁陥凹部分１４０が、プラットホーム６２内に形成される。具体的には、プラットホームアンダカット１４０は、プラットホーム半径方向内側表面１４２とプラットホーム外側表面１４４との間でプラットホーム６２内に形成される。より具体的には、プラットホームアンダカット１４０は、プラットホーム正圧側端縁９４とプラットホーム下流スカート９２との間に形成された接合面１５０においてプラットホーム下流スカート９２内に形成される。従って、隣接するロータブレード４０がロータ組立体内に結合されたとき、アンダカット１４０は、プラットホーム６２の後縁冷却を改善するのを可能にして、ブレード４０の低サイクル疲労寿命が改善されるようになる。

プラットホーム６２はさらに、陥凹部分すなわちパージスロット１６０を含む。より具体的には、スロット１６０は、シャンク上流及び下流側壁１２４及び１２６間でプラットホーム負圧側端縁９６に沿ってプラットホーム半径方向内側表面１４２内に形成されるだけである。さらに、各ロータブレード４０がロータ組立体内に結合されたとき、その中にダンパピン１６８を受け入れるためのチャネル１６６が、スロット１６０に隣接して形成される。

後でより詳細に説明するように、パージスロット１６０は、シャンク空洞１２８から冷却空気を流すのを可能にして、円周方向に隣接するロータブレード４０上に形成されたアンダカット１４０に供給される冷却空気の量を増大させるのを可能にする。

ブレード４０に対するスロット１６０の全体的な大きさ、形状及び位置は、プラットホームアンダカット１４０への適当な冷却流量を保証するのに必要な流量要件に応じて変化する。基準線Ｗ及び下流スカート９２の後方表面１７０に対するパージスロット１６０の相対位置は、実験により決定される。より具体的には、この例示的な実施形態では、パージスロット１６０は、基準線Ｗから後方に距離Ｄ_１かつスカート表面１７０から上流側に距離Ｄ_２に位置する。この例示的な実施形態では、距離Ｄ_１はおよそ１９．４mm（０．７６５インチ）であり、また距離Ｄ_２はおよそ１２．２mm（０．４８インチ）である。

パージスロット１６０の相対的な大きさ及び形状もまた、後縁アンダカット１４０への冷却空気流量を最適化するのを可能にするように実験により決定される。この例示的な実施形態では、パージスロット１６０は、ほぼ楕円形状の断面積を有しており、かつパージスロット１６０が幅Ｗ_１を有するように所定の曲率半径Ｒ_１を有する状態で形成される。別の実施形態では、パージスロット１６０は、非楕円形状の断面積を有する。より具体的には、この例示的な実施形態では、パージスロット５２の曲率半径Ｒ_１は、およそ３．７mm（０．１４５インチ）に等しく、またパージスロット幅Ｗ_１は、およそ６．７mm（０．２６５インチ）に等しい。

さらに、パージスロット１６０は、ブレード４０がロータ組立体内に結合されたとき適当な冷却空気量がダンパピン１６８を越えて流れることを保証するのを可能にする、プラットホーム側面９４に対して測定した深さＤ_３を有する状態で形成される。この例示的な実施形態では、深さＤ_３は、およそ０．１６９インチに等しい。本技術分野では公知なように、ダンパピン１６８をチャネル１６６内に挿入して、隣接するロータブレード４０を互いに結合するのを可能にする。より具体的には、ダンパピン１６８が溝１６６内に挿入されたとき、パージスロット１６０は、流れギャップ１８０がスロット１６０とダンパピン１６８との間に形成されるようになる。１つの実施形態では、隙間１８０は、冷却空気がパージスロット１６０に流入しかつダンパピン１６８の周りを流れることが可能になるような、少なくともおよそ０．０５１インチに等しい幅である幅Ｗ_５を有する。

作動時に、ホイールスペース冷却流は、第1のロータブレードシャンク空洞１２８に流入し、ダンパピン１６６の周りを流れ、パージスロット１６０から吐出されて、アンダカット１４０への冷却流量を増大させるのを可能にし、それによってプラットホーム６２の作動温度を低下させ、さらにブレード４０に生じる熱応力も減少させるのを可能にする。加えて、冷却を強化することによって、さらにブレード４０の耐疲労性能を増大させることが可能になる。

さらに、パージスロット１６０及びアンダカット１４０の組合せにより、プラットホーム６２内又はプラットホーム６２と翼形部６０との間での割れ発生を防止することが可能になる。従って、隣接するロータブレード４０がロータ組立体内に結合されたとき、アンダカット１４０及びパージスロット１６０の組合せにより、プラットホーム６２の後縁冷却を改善することが可能になり、ブレード４０の低サイクル疲労寿命が改善されるようになる。さらに、アンダカット１４０はブレード４０の荷重経路を貫いて延びているので、プラットホーム下流スカート９２に生じる機械的応力もまた減少させることが可能になり、従ってロータブレード４０の有効寿命を延ばすことが可能になる。

上記のロータブレードは、ロータブレードプラットホームの作動温度を低下させるのを可能にするように冷却空気を供給する、費用効果がありかつ高い信頼性がある方法を提供する。より具体的には、パージスロットは、適当な冷却空気流量が後縁プラットホームアンダカットに流れることを保証するのを可能にするので、プラットホームの作動温度を低下させることが可能になる。従って、プラットホームの酸化、プラットホームの割れ及びプラットホームのクリープ変形も減少させることが可能になる。その結果、プラットホームパージスロットは、費用効果がありかつ信頼性がある方法でロータ組立体の有効寿命を延ばし、かつガスタービンエンジンの作動効率を改善することを可能にする。

以上、ロータブレード及びロータ組立体の例示的な実施形態を詳細に説明している。ロータブレードは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるのではなく、むしろ、各ロータブレードの構成部品は、本明細書に記載した他の構成部品から独立してかつ別個に使用することができる。例えば、各ロータブレード構成部品はまた、他のロータブレードと組み合わせて用いることもでき、また本明細書に記載したようなロータブレード４０のみによる実施に限定されるものではない。もっと適切に言えば、本発明は、他の多くのブレード冷却構成に関連して実施しかつ利用することができる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施可能であることは、当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

例示的なガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すガスタービンエンジンに用いることができる例示的なロータブレードの斜視図。 ロータブレードの反対側端部から見た、図２に示すロータブレードの斜視図。 図３に示すロータブレードの一部の側面図。 線５−５に沿って取った、図４に示すロータブレードの一部の断面図。

符号の説明

４０ ロータブレード
６０ 翼形部
６２ プラットホーム
６４ シャンク
６６ ダブテール
７０ 翼形部負圧側面
７２ 翼形部正圧側面
７４ 翼形部前縁
７６ 翼形部後縁
７８ ブレード根元
８０ 翼形部先端
９０ プラットホーム上流側面
９２ プラットホーム下流側面
９４ プラットホーム正圧側端縁
９６ プラットホーム負圧側端縁
１２０ シャンク凹状側壁
１２２ シャンク凸状側壁
１２４ シャンク上流側壁
１２６ シャンク下流側壁
１２８ シャンク空洞
１３０ 前方エンゼルウィング
１３２ 後方エンゼルウィング
１３４ 前方カバープレート
１４０ アンダカット
１４２ プラットホーム半径方向内側表面
１４４ プラットホーム半径方向外側表面
１６０ パージスロット

Claims (10)

1. ガスタービン（１０）用のロータブレード（４０）であって、
   半径方向外側表面（１４４）及び半径方向内側表面（１４２）を含むプラットホーム（６２）を含み、
   前記プラットホーム半径方向内側表面が、その中に形成されたアンダカット（１４０）及びパージスロット（１６０）を含み、前記パージスロットが、該パージスロットから下流方向に冷却空気を流すようになっており、前記アンダカットが、エンジン作動時に前記プラットホームの一部分を冷却するのを可能にし、
   翼形部（６０）が、前記プラットホーム半径方向外側表面から半径方向に延び、
   シャンク（６４）が、前記プラットホーム半径方向内側表面から半径方向に延び、
   ダブテール（６６）が、前記シャンクから延びて該ロータブレードをガスタービンエンジン内に結合するようになっている、
   ロータブレード（４０）。
2. 前記パージスロット（１６０）が、ほぼ楕円形断面輪郭を有する状態で形成されている、請求項１記載のロータブレード（４０）。
3. 前記パージスロット（１６０）が、曲率半径（Ｒ_１）を有する状態で形成されている、請求項１記載のロータブレード（４０）。
4. 前記プラットホーム（６２）が、対向する側壁（９４及び９６）の対によって互いに接合された前縁側面（９０）及び後縁側面（９２）をさらに含み、前記パージスロット（１６０）が、前記プラットホーム前縁及び後縁側面間のプラットホーム側壁の少なくとも１つ内に形成されている、請求項１記載のロータブレード（４０）。
5. 前記プラットホーム（６２）が、負圧側面（９６）及び正圧側面（９４）をさらに含み、前記パージスロット（１６０）が、前記プラットホーム負圧側面の一部分内に形成されている、請求項１記載のロータブレード（４０）。
6. 前記プラットホーム（６２）が、負圧側面（９６）及び正圧側面（９４）をさらに含み、前記プラットホームアンダカット（１４０）が、前記プラットホーム正圧側面の一部分内に形成されている、請求項１記載のロータブレード（４０）。
7. 前記プラットホームパージスロット（１６０）が、円周方向に間隔を置いて配置された前記ロータブレードの対間に形成されたシャンク空洞（１２８）から下流方向に冷却空気を流すように構成されている、請求項１記載のロータブレード（４０）。
8. 前記ロータブレードが、複数の別のロータブレードを含むロータ組立体（１４）内に結合されるように構成され、前記プラットホームパージスロット（１６０）が、前記別の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレードの少なくとも１つ内に形成されたアンダカット（１４０）に向かって下流方向に冷却空気を流すように構成されている、請求項１記載のロータブレード（４０）。
9. 前記プラットホームパージスロット（１６０）が、前記プラットホーム半径方向内側表面（１４２）内に形成されている、請求項１記載のロータブレード（４０）。
10. 前記プラットホームアンダカット（１４０）が、前記プラットホーム半径方向内側及び外側表面（１４２、１４４）間に形成されている、請求項１記載のロータブレード（４０）。

Images