JP2005180432A

JP2005180432A - 成形後縁部柱脚を備えた翼形部

Info

Publication number: JP2005180432A
Application number: JP2004360426A
Authority: JP
Inventors: Anthony Cherolis; アンソニー・チェロリス; Wieslaw A Chlus; ウィースロー・エー・クルス
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2003-12-17
Filing date: 2004-12-13
Publication date: 2005-07-07
Also published as: EP1548230B1; US7175386B2; US20050135922A1; CN1629450A; RU2004137038A; EP1548230A2; KR20050061304A; EP1548230B2; EP1548230A3

Abstract

【課題】応力集中を低減するガスタービンエンジン用タービンブレードを提供する。
【解決手段】本ブレードは、後縁部冷却チャンバを備え、圧力および吸引側面は一列に間隔を置いて配置された柱脚によって連結される。熱応力を最も多く受ける領域内の柱脚は楕円形に形成され、それによって熱応力はより大きな領域にわたって拡散する。したがって、応力集中が低減する。また、さまざまな寸法の円柱形柱脚を他の位置でも使用することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、後縁部冷却チャンバ内の対向する壁面を連結する柱脚が熱応力を受けるように設計された断面を有する、タービンブレード用翼形部に関する。

タービンブレードはガスタービンエンジン内で使用される。知られているように、タービンブレードは、普通、プラットフォーム上で延びる翼形部形状を有するプラットフォームを備える。翼形部は湾曲し、前縁部から後縁部まで延びている。さらに、翼形部には圧力側面および吸引側面がある。圧力側面は、運転中、吸引側面より熱くなる。

冷却チャネルが、冷却空気を循環させるように翼形部本体内に形成される。特に後縁部に隣接して使用される1つのタイプの冷却チャネルは、対向する吸引および圧力側壁面を連結する円柱形柱脚を有する開放チャンバである。冷却空気は、これらの柱脚の周りを、開放チャンバを通って流れる。通常、柱脚はほぼ等しい直径を有していた。

この従来技術では、円柱形柱脚は、時々、集中した熱誘発応力にさらされる。特に、圧力側面が吸引側面よりも熱いので、圧力側面により大きな熱膨張が生じる。これは、プラットフォーム付近には特に当てはまる。翼形部の圧力側面は吸引側面よりも大規模に膨張するので、集中応力が柱脚に加えられる。これは望ましいことではない。

本発明の開示した実施形態では、非円柱形柱脚は後縁部冷却チャンバの対向する壁面を連結する。より詳しくは、柱脚は、プラットフォームの平面にほぼ平行な方向により大きな寸法を有するよう形成される。このように寸法が大きくなることにより、より大きな長さにわたって応力集中を拡散する。その形状は楕円形であり、長径はプラットフォームにほぼ平行に測られたものであることが最も好ましい。この形状は、応力集中を低下させるより大きな半径を形成する。

本発明の他の特徴では、楕円形柱脚は選択した領域内でのみ使用される。特に、楕円形柱脚はプラットフォームに隣接して使用されることが好ましく、ここでは応力集中はより重大な関心事である。

他の領域に円柱形柱脚があることにより、本発明の翼形部の形成に係る製造上の複雑さが低減する。以下で説明するように、楕円形柱脚を形成するより円柱形柱脚を形成する方がいくらか簡単である。

別の広い態様では、柱脚は、柱脚列と交差する方向に異なる断面を有する、と言うことができる。好ましい一実施形態では、冷却チャンバの前縁部に隣接して第1のより小さい直径の円柱形柱脚があり、後縁部に隣接してより大きい直径の円柱形柱脚がある。楕円形柱脚は、2つの寸法の円柱形柱脚の中間に配置されていることが最も好ましい。この配置の目的を、以下でより詳細に説明する。

本発明の上記および他の特徴は、以下の説明および図面から最もよく理解することができる。

図1は、エンジンの中心線すなわち軸方向中心線軸12の周りに周方向に配置された、動力発生または推進のために使用されるガスタービンなどのガスタービンエンジン10を示す。エンジン10は、ファン14と、圧縮器16と、燃焼部18と、タービン11とを備える。当業界でよく知られているように、圧縮器16内で圧縮される空気は、燃焼部18内で燃焼させられかつタービン11で膨張する燃料と混合される。圧縮器内で圧縮される空気、およびタービン11内で膨張する燃料混合気は両方とも、ホットガス流と呼ぶことができる。タービン11は、膨張により回転して、圧縮器16およびファン14を駆動するローター13および15を備える。タービン11は、交互に並ぶロータリーブレード20および固定翼形部すなわちベーン19を備えている。図1は、図示する目的のみで、いくらか略図的な代表例であり、本発明を限定するものではなく、発電に使用されるガスタービンおよび航空機で使用することができる。

図2はプラットフォーム22を有するブレード20を示す。知られているように、湾曲した翼形部24はプラットフォーム22から上向きに延びる。

図3に示すように、翼形部24は前縁部25および後縁部23を有する。圧力側面26は、吸引側面28よりも熱い流体に接触する。冷却通路35は、翼形部24の大部分を通る1つまたは複数の蛇行および直線冷却流路を提供するよう延びている。

開放冷却チャンバ30は、後縁部23に隣接して形成されている。壁面33は、通路35をチャンバ30から分離させる。チャンバ30内に示すように、柱脚34および36は、対向する圧力壁面26および吸引壁面28を連結する。別個の柱脚34および36(および柱脚32、図4参照)の他に、チャンバ30は比較的開放されており、冷却空気を流すのを可能にする。

図4に示すように、柱脚は翼形部の長さに沿って一列に間隔を置いて配置されている。領域38は、楕円形柱脚34を有して画定される。図示するように、楕円形柱脚34は特に、列の下側縁部の周りでかつプラットフォーム22に隣接して使用される。理解されるように、チャンバ30は柱脚32,34および36の周りにかつこれらを通って延びている。柱脚32および36は円柱形である。

通常、楕円形柱脚を形成するより円柱形柱脚を形成する方が、いくらか簡単である。したがって、最も必要な領域38に楕円形柱脚34を限定することにより、製造がいくらか簡単になる。特に、ブレード20は、通常はロストコア鋳造技術により鋳造される。この技術においては、コアは最初、柱脚32,34および36を形成する開口部を有する。このような開口部は、取り除かれるフラッシングを有する。円柱形開口部は、簡素な円柱形工具を開口部内に挿入することができるので洗浄するのが最も簡単である。楕円形開口部は、洗浄するのに、より多くの作業を必要とする。

図5から分かるように、楕円形柱脚34は短径(minor diameter)Yより大きな長径(major diameter)Xを有する。長径Xはプラットフォーム22にほぼ平行である。したがって、従来技術において、いくつかの問題を提起していた応力が、より大きな領域にわたって拡散し、したがって応力集中が低減される。1.25から1.75までの長径対短径比が望ましい。好ましい一実施形態では約1.5の比を有する。特に、1つの例示的な柱脚は0.090"の長径、および0.065"の短径を有する。短径の好ましい範囲は、0.040"から0.10"までであり、長径に関する対応する好ましい範囲は比範囲(0.05"から0.175"まで)によって設定される。

最も好ましい実施形態では、円柱形柱脚32、およびほぼ領域38上の残りの柱脚全ては、後縁部に隣接している円柱形柱脚36より小さな第1の直径を有する。前縁部に隣接する柱脚32は、プラットフォーム22に隣接していても熱応力に耐えることができ、それによって後縁部により近接して間隔を置いて配置された柱脚より長い傾向がある。図3から分かるように、排出側面26と吸引側面28との間のチャンバ30の幅が大きくなり、後縁部から前縁部に向かって変わっていく。したがって、比較的小さな直径の柱脚32は比較的長く、依然として応力に耐えることができる。後縁部に向かってさらに進んでいくと、短い方の柱脚は応力に耐えるのがより難しくなる。

直径に対する長さ(すなわちL/D)測定を、柱脚の長さまたはチャンバ壁面間距離、および柱脚の直径として規定することができる。このL/D比は、より小さな直径の柱脚34が熱応力に耐えることができる場合に画定を助けることができる。L/D比が1.5より大きい場合、柱脚は可撓性がより大きく、高い応力を生み出すよりむしろ熱勾配に適応する。この計算では、より小さい直径の柱脚32の名目上の径がDとして使用される。L/D比が1.5より小さい場合、楕円形状、またはより大きな直径の柱脚概念を考えることができる。

この理由から、より大きな直径の柱脚36が後縁部に隣接して配置される。柱脚32および36間の楕円形柱脚34は、円柱形柱脚36の直径にほぼ近い長径を有することが好ましく、一方、楕円形柱脚34は円柱形柱脚32の直径にほぼ近い短径を有する。より小さな直径の柱脚34の直径に対する、より大きな直径の柱脚36の範囲はまた、上で述べたように1.25から1.75までの好ましい比の範囲によって設定される。

後縁部に隣接する円柱形柱脚36は最も短いものの中にあり、したがって熱応力による損傷を最も受け易い。当業界の通常の技術者なら、柱脚34を楕円ではなく、円柱形で直径をより大きくすることにより利益が提供されることが分かる。しかし、柱脚34をより大きくかつ円柱形にした場合、柱脚を形成するのに適切なロスコアを形成するのが難しくなるのも事実である。柱脚間にはより小さな空間があり、機能するコアを形成するのが難しくなる可能性がある。この理由により、柱脚34を単に円柱形で、より大きくするのは望ましくない。

したがって本発明は、応力集中を低減する柱脚の独特の形状を提供し、ローターブレードの熱応力に耐える能力が向上する。

本発明の好ましい一実施形態を開示したが、当業界の通常の技術者なら一定の変更形態は本発明の範囲内にあることが分かるだろう。この理由から、特許請求の範囲を本発明の真の範囲および内容を決定するために検討すべきである。

本発明を組み込んだガスタービンエンジンの略図である。単一のタービンブレードを示す図である。本発明のタービンブレードに沿った断面図である。図3の断面の一部を通る図である。本発明の柱脚を示す図である。

符号の説明

10 ガスタービンエンジン
11 タービン
12 軸方向中心線軸
13 ローター
14 ファン
15 ローター
16 圧縮器
18 燃焼部
19 固定翼形部（ベーン）
20 ロータリーブレード
22 プラットフォーム
23 後縁部
24 湾曲した翼形部
25 前縁部
26 圧力側面
28 吸引側面
30 チャンバ
32 柱脚
33 壁面
34 柱脚
35 冷却通路
36 柱脚
38 領域

Claims

プラットフォーム、および前記プラットフォームの外側に延びると共に、前縁部および後縁部を備える湾曲部、および互いに間隔を置いて配置され、前記前縁部および後縁部を連結する圧力壁面および吸引壁面を有する翼形部と、
前記吸引壁面と前記圧力壁面との間でかつ前記後縁部に隣接して形成されると共に、冷却チャンバ内で柱脚によって連結された前記吸引壁面および前記圧力壁面と共にほぼ開放された冷却チャンバであって、前記柱脚の少なくともいくつかは非円柱形である冷却チャンバと、を備えることを特徴とするタービンブレード。
前記非円柱形柱脚が、前記プラットフォームの上面に垂直な寸法より大きな、前記プラットフォームの上面にほぼ平行な平面寸法を有することを特徴とする請求項1に記載のブレード。
前記非円柱形柱脚がほぼ楕円形であることを特徴とする請求項2に記載のブレード。
冷却チャネルが、前記冷却チャンバから間隔を置いて、前記前縁部に向かって形成されていることを特徴とする請求項3に記載のブレード。
前記楕円形柱脚の長径の短径に対する比が1.25から1.75の間にあることを特徴とする請求項3に記載のブレード。
前記圧力壁面と前記吸引壁面とを連結する前記柱脚の列があり、前記柱脚のうちのいくつかは円柱形であり、その他の前記柱脚は非円柱形であることを特徴とする請求項1に記載のブレード。
前記非円柱形柱脚が、熱応力をより多く受ける領域内で前記プラットフォームに隣接して配置されることを特徴とする請求項6に記載のブレード。
前記柱脚のいくつかが円柱形であり、さまざまな直径の円柱形柱脚が存在することを特徴とする請求項1に記載のブレード。
前記冷却チャンバの前縁部側により小さな直径の円柱形柱脚があり、前記後縁部に向かって間隔を置いてより大きな直径の円柱形柱脚があることを特徴とする請求項8に記載のブレード。
前記より大きな直径の円柱形柱脚の直径の、前記より小さい直径の円柱形柱脚の直径に対する比が1.25から1.75の間の範囲にあることを特徴とする請求項9に記載のブレード。
前記柱脚は前記吸引壁面と前記圧力壁面との間で画定された長さを有し、前記柱脚の直径に対する長さの比は1.5より小さく、前記柱脚は、前記より大きな直径の柱脚および前記非円柱形柱脚のいずれか1つとされることを特徴とする請求項9に記載のブレード。
ファンと、
圧縮器と、
燃焼部と、
ローターブレードを有するタービンであって、前記各ローターブレードはプラットフォームおよび前記プラットフォームの外側に延びる翼形部を有し、前記翼形部は前縁部および後縁部を備える湾曲部、および互いに間隔を置いて配置され、前記前縁部および前記後縁部を連結する圧力壁面および吸引壁面を有し、冷却チャンバが前記吸引壁面と前記圧力壁面との間でかつ前記後縁部に隣接して形成されると共に、前記冷却チャンバ内で柱脚によって連結される前記吸引壁面および前記圧力壁面と共にほぼ開放され、さまざまな断面形状の柱脚が存在するタービンと、を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。
前記プラットフォームの上面に垂直な寸法よりも大きな、前記プラットフォームの上面にほぼ平行な平面寸法を有する非円柱形柱脚が存在することを特徴とする請求項12に記載のガスタービンエンジン。
前記非円柱形柱脚は、おおむね楕円形であることを特徴とする請求項13に記載のガスタービンエンジン。
冷却チャネルが、前記冷却チャンバから間隔を置いて配置され、前記前縁部に向かって形成されていることを特徴とする請求項14に記載のガスタービンエンジン。
前記楕円形柱脚の長径の短径に対する比が1.25から1.75の間にあることを特徴とする請求項14に記載のガスタービンエンジン。
前記圧力壁面と前記吸引壁面とを連結する前記柱脚の列が存在し、前記柱脚のいくつかは円柱形であり、その他の前記柱脚は非円柱形であることを特徴とする請求項12に記載のガスタービンエンジン。
前記非円柱形柱脚は、熱応力をより多く受ける領域内で前記プラットフォームに隣接して配置されていることを特徴とする請求項17に記載のガスタービンエンジン。
前記柱脚のうちのいくつかは円柱形であり、さまざまな直径の円柱形柱脚が存在することを特徴とする請求項18に記載のガスタービンエンジン。
前記冷却チャンバの前縁部側には、より小さな直径の円柱形柱脚があり、前記後縁部に向かって間隔を置いて配置された、より直径の大きな柱脚が存在することを特徴とする請求項19に記載のガスタービンエンジン。
前記より大きい直径の円柱形柱脚の直径の、前記より小さな直径の円柱形柱脚の直径に対する比は1.25から1.75の間の範囲にあることを特徴とする請求項20に記載のガスタービンエンジン。
前記柱脚は前記吸引壁面と前記圧力壁面との間で画定された長さを有し、柱脚の直径に対する長さの比が1.5より小さい場合、前記柱脚はより大きい直径の柱脚および前記非円柱形柱脚のいずれか1つとされることを特徴とする請求項18に記載のブレード。
プラットフォーム、および前記プラットフォームの外側に延びると共に、前縁部および後縁部を備える湾曲部、および互いに間隔を置いて配置され、前記前縁部および前記後縁部を連結する圧力壁面および吸引壁面を有する翼形部と、
前記吸引壁面と前記圧力壁面との間でかつ前記後縁部に隣接して形成されると共に、冷却チャンバ内で柱脚によって連結された前記吸引壁面および前記圧力壁面と共にほぼ開放された冷却チャンバであって、さまざまな断面形状の柱脚が存在する冷却チャンバと、を備えることを特徴とするタービンブレード。
前記さまざまな断面形状の柱脚のいくつかが円柱形であり、その他が非円柱形であることを特徴とする請求項23に記載のブレード。
前記円柱形柱脚がさまざまな直径の柱脚を含むことを特徴とする請求項24に記載のブレード。
より小さい直径の柱脚が、前記前縁部に向かってより間隔を置いて前記冷却チャンバ内に配置され、より大きい直径の柱脚が、前記後縁部に向かってより間隔を置いて前記冷却チャンバ内に形成され、前記小さな直径の柱脚と前記大きな直径の柱脚との間に前記非円柱形柱脚が存在することを特徴とする請求項25に記載のブレード。
前記より大きな直径の円柱形柱脚の直径の、前記より小さな直径の円柱形柱脚の直径に対する比が1.25から1.75の間の範囲にあることを特徴とする請求項26に記載のブレード。
前記非円柱形柱脚はほぼ楕円形であり、長径および短径を有し、前記より小さな直径の柱脚は前記楕円形柱脚の前記短径にほぼ等しい直径を有し、前記より大きな直径の円柱形柱脚は前記楕円形柱脚の前記長径とほぼ同等である直径を有することを特徴とする請求項24に記載のブレード。
前記長径の前記短径に対する比は1.25から1.75の間の範囲にあることを特徴とする請求項28に記載のブレード。
より小さな直径の柱脚が、前記前縁部に向かってより間隔を置いて前記冷却チャンバ内に配置され、より大きな直径の柱脚が、前記後縁部に向かってより間隔を置いて配置された前記冷却チャンバ内に形成されていることを特徴とする請求項23に記載のブレード。
前記より大きな直径の、前記より小さな直径に対する比は1.25から1.75の間にあることを特徴とする請求項30に記載のブレード。
前記柱脚は前記吸引壁面と前記圧力壁面との間で画定された長さを有し、前記柱脚の直径に対する長さの比が1.5より小さい場合、前記柱脚は前記より大きな直径の柱脚および前記非円柱形柱脚のいずれか1つとされることを特徴とする請求項30に記載のブレード。