JP2005180439A - タービンブレードの振動数調整式ピンバンク - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、中空のガスタービンエンジンブレード（１０）の正圧及び負圧側壁間で延びるピンを提供する。
【解決手段】 中空の翼形部（１２）は、翼形部の前縁及び後縁（２０及び２２）に沿って接合した横方向に間隔をおいて配置された正圧及び負圧側壁（１６及び１８）を有する翼形部外壁（１５）を含む。翼形部内部の半径方向に延びる冷却空気供給チャネル（５８）は、正圧及び負圧側壁と一体でありかつ該正圧及び負圧側壁間で横方向に延びるピン（６８）のバンク（７０）を含む。ピンのバンクは、ブレード（１０）のエンジン強制駆動モードに関連する該ブレードの固有振動数が定常状態エンジン作動振動数から十分に離れて定常状態エンジン運転時における該ブレードの固有振動数共振を実質的に回避するように、調整される。ピンのバンクは、冷却空気チャネル内での該ピンの設置位置によって調整される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、冷却可能な中空のガスタービンエンジンブレードに関し、より具体的には、ブレードの正圧及び負圧側壁間で延びるピンに関する。

ガスタービンエンジンは、一般的に複数のステータベーンを有する固定タービンノズルをその上流に配置した状態で、ロータディスクの外周部に固定された冷却可能な中空のタービンブレードの列を使用する。燃焼ガスは、ステータベーン間及びタービンブレード間を流れて、ロータディスクを回転させるためのエネルギを取り出す。ガスタービン内の温度は、華氏２５００度を超える場合があり、タービンブレードの冷却は、ブレード寿命の点から極めて重要である。冷却しない場合、タービンブレードは急速に劣化することになる。タービンブレードに対する冷却は極めて望ましく、タービンブレード内の内部空洞の構造を工夫して冷却を強化するために、ブレード冷却分野の技術者によって多くの努力が投入されてきた。燃焼ガスは高温であるので、タービンのベーン及びブレードは、一般的にこの目的のために圧縮機から抽出した圧縮機空気の一部を使用して冷却される。圧縮機空気の何らかの部分を燃焼器での使用から流用すると、エンジンの全体効率が必然的に低下する。可能な限り少ない圧縮機抽出空気でベーン及びブレードを冷却することが望ましい。

典型的なタービンベーン及びブレードは、その上を燃焼ガスが流れる翼形部を含む。翼形部は、一般的に１つ又はそれ以上の直線状貫通チャネル及び蛇行冷却通路を含み、それらを通して圧縮機抽出空気からの冷却空気を流して翼形部を冷却する。翼形部は、冷却効果を強化するための様々なタービュレータをその中に含むことができ、また冷却空気は、翼形部の外面の周りに配置した様々なフィルム冷却孔を通って通路から吐出される。より高い冷却効果を得ようとして、最新のブレードは、多流路型冷却回路になってきた。

また、ブレード内部の蛇行冷却空気回路及びその他の通路を通して冷却空気を流すと、ブレードの前縁をインピンジメント冷却する前に、冷却空気が通路を通って移動するにつれて冷却空気の温度が高くなることも知られている。インピンジメントのためにブレードの根元を通して導入される冷却空気と前縁との間の温度差が小さいほど、ブレード前縁における熱応力がより低くなり、ブレードの寿命が高められる。このことは、冷却流がブレード翼形部を外側からフィルム冷却するために半径方向の前縁冷却孔から流出する前に冷却流によりブレード中間スパンのより多くの部分にわたってブレードを内部冷却することができることになるので、冷却流の効率的使用を可能にする。

公知のタービン翼形部冷却法は、蛇行冷却回路を形成する内部空洞の使用を含む。具体的には、蛇行通路、前縁インピンジメントブリッジ、乱流促進装置及びタービュレータ、フィルム孔、ピン並びに後縁孔又は正圧側壁ブリードスロットが、ブレード冷却のために使用される。
特開２００２−２０１９０４号公報 米国特許６，４６２，３０８号公報

中空のタービンブレードは、ブレードの固有振動数での共振を生じ易く、ブレード及びその設計を一部変更してエンジン運転時における過渡期間以外ではブレードの固有振動数で作動するのを回避することが知られている。可能な限り少ない冷却空気を使用しかつエンジン運転時における過渡期間以外ではブレードの固有振動数で作動するのを実質的に回避するようにタービンブレードを冷却することが望ましい。

ガスタービンエンジンタービンブレードは、翼弦方向に間隔をおいて配置されたその前縁及び後縁に沿って接合した横方向に間隔をおいて配置された正圧及び負圧側壁を有する翼形部外壁を備えた中空の翼形部を含む。翼形部内部の半径方向に延びる後縁冷却空気チャネルは、正圧及び負圧側壁と一体でありかつ該正圧及び負圧側壁間で横方向に延びるピンのバンクを含む。ピンは、熱伝達ピンとすることができる。ピンのバンクは、ブレードのエンジン強制駆動モードに関連する該ブレードの固有振動数が定常状態エンジン作動振動数から十分に離れて定常状態エンジン運転時における該ブレードの固有振動数共振を実質的に回避するように、調整される。ピンの数、寸法及び設置位置は、重量を最小にし、圧力損失を最小にし、さらにブレードを振動数調整するように最適化することができる。

ブレードの例示的な実施形態は、例えば節線によって示した２次ねじれモード２Ｔのようなエンジン駆動モードに関連する予測の又は所定の振動数に対して調整されたピンのバンクを含む。対話形反復法では、バンクの異なった構成についての所定の固有振動数は、ＡＮＳＹＳ解析コンピュータコードを使用することなどによって解析的に決定できる。この対話形反復法を使用して、ピンのバンクの最終構成を決定することができる。

本明細書に示した２Ｔ節線は、翼弦方向に後縁冷却空気チャネルを横切って通り、ピンは、節線の周りに半径方向に不均一に分布される。ピンは、節線の上方及び下方に不均一な数のピンを有することなどによって、節線の周りに半径方向に不均一に分布される。その実例では、バンクは全体で９つのピンを有し、ピンのうちの４つが節線の上方にあり、またピンのうちの５つが節線の下方にある。

添付の図面と関連してなされた以下の記載において、本発明の前述の態様及びその他の特徴を説明する。

図１に示すのは、軸方向流れ下流方向Ｆに流れる高温ガス流内で作動するように設計されたガスタービンエンジン用の例示的なタービンブレード１０である。ブレード１０は、根元１４から半径方向外向きに延びる中空の翼形部１２を含む。根元１４は、エンジン中心線１１の周りを囲むエンジンのロータディスク（図示せず）に対してブレード１０を固定するために使用される。図２の翼形部１２の断面図にさらに示すように、翼形部１２は外壁１５を含み、該外壁１５は、上流側の前縁２０と該前縁から翼弦方向に間隔をおいて配置された下流側の後縁２２とに沿って接合したそれぞれ幅方向すなわち横方向に間隔をおいて配置された正圧及び負圧側壁１６及び１８を有する。翼形部１２は、該翼形部のスパンＳに沿って半径方向内側基部２６から半径方向外側翼形部先端２８に至る翼形部１２のスパンの方向にエンジン中心線１１から離れるような半径方向２４において半径方向に延びる。翼形部先端２８は、スクィーラ先端として示されており、該スクィーラ先端は、外壁１５からの外向き延長部、すなわち外側先端壁３１から半径方向外向きにかつ該外側先端壁の周辺部周りで延びてその中にスクィーラ先端空洞３３を形成するスクィーラ壁２９を有する。中空の翼形部１２内部から外側先端壁３１を貫通してスクィーラ先端空洞３３まで延びる先端冷却孔５９を使用して、先端空洞を冷却する。半径方向内側基部２６は、ブレード１０の内側流れ境界面を形成しかつその下方に根元１４が延びる従来型のプラットフォーム３０の位置に定められる。

ブレード１０の作動中、燃焼ガス３２が、燃焼器（図示せず）によって発生され、外壁１５のそれぞれ翼形部正圧及び負圧側壁１６及び１８の両方の上を軸方向下流方向Ｆに流れる。本明細書に示す本発明の例示的な実施形態は、燃焼ガス３２による翼形部への熱負荷の分布に良好に適合するような翼形部１２の効果的な冷却を行うように設計される。図１〜図３に示すガスタービンブレード１０は例示的なものであり、本発明は、同様に冷却することができる類似の翼形部を有するタービンステータベーンに対しても同様に適用される。

図２を参照すると、外壁１５を有する中空の翼形部１２が断面で示されており、それぞれ正圧及び負圧側壁１６及び１８は、前縁及び後縁２０及び２２間で互いに円周方向すなわち横方向に間隔をおいて配置される。正圧及び負圧側壁１６及び１８は、内部で半径方向に延びる複数（本明細書では例示的な図において７つを示す）の横リブ３４によって互いに一体に結合されており、これら横リブ３４は、それぞれ正圧及び負圧側壁１６及び１８間で延びる第１から第７のリブ１〜７で示している。横リブ３４のそれぞれ第３から第７のリブ３〜７は、図３及び図４に示すように、単一の順向流（ｆｏｒｗａｒｄ ｆｌｏｗｉｎｇ）５流路型蛇行冷却回路３６を画成する。

図３は、ブレード１０の部分破断斜視図であり、図４は、順向流型蛇行冷却回路３６を通過する図２の冷却回路分割線４６に沿って平坦に展開した翼形部１２を示す。順向流型蛇行冷却回路３６は、冷却回路３６内の蛇行冷却流３５が翼弦方向前方流れ方向４５に順向流型蛇行冷却回路３６内を後縁２２から前縁２０に向かって前方に流れるように構成される。順向流型冷却回路３６は、根元１４を貫通しかつ冷却空気供給源３９と冷却流連通状態になった入口３７を含む。本明細書に示した冷却空気供給源３９は、根元１４を軸方向に貫通した冷却空気供給チャネル４１である。それに代えて、根元１４の底面４９を貫通して入口３７に向けて半径方向に翼形部に冷却空気を供給することは、よく知られている。入口３７は順向流型冷却回路の終端部４３の後方に配置して、蛇行冷却流３５が翼弦方向前方流れ方向４５に後縁２２から前縁２０に向かって前方に流れるようにする。

順向流型蛇行冷却回路３６は、それが５つの半径方向に延びる蛇行チャネル３８を有するので５流路型回路と呼ばれる。蛇行冷却回路３６は、翼弦方向に間隔をおいて配置されたリブ３４によって画成されかつ該リブ３４間に配置され、またそれらの横側面４７（図２に示す）に関しては正圧及び負圧側壁１６及び１８が境界となる。

順向流型蛇行冷却回路３６の第１のチャネル４２は、翼形部１２の基部２６を半径方向に貫通し、ブレード１０の根元１４を半径方向に貫通して、半径方向上向きに半径方向外側の第１の転向チャネル５０まで延びる。第１チャネル４２は、翼形部１２の根元１４の底面４９内の入口３７で始まる。順向流型蛇行冷却回路３６の最後の冷却チャネル４４は、外側先端壁３１の位置で終端し、そこで、先端冷却孔５９の１つ又はそれ以上を使用して、蛇行冷却回路を通気することができる。翼形部スクィーラ先端は、外側先端壁３１内の先端冷却孔５９によって冷却される。

本明細書に示した例示的な実施形態では、前縁冷却プレナム７２が、外壁１５の前縁２０と第１のリブ１との間に設置される。また、インピンジメント冷却孔としても機能する吐出開口７４が、第１のリブ１を貫通して前縁冷却空気供給チャネル５６から前縁冷却プレナム７２に延びるように配置される。前縁冷却空気供給チャネル５６は、根元１４を貫通しかつ冷却空気供給源３９と冷却流連通状態になった別の入口３７を含む。それに代えて、根元１４の底面４９を貫通して入口３７に向けて半径方向に翼形部に冷却空気を供給することは、よく知られている。

吐出開口７４は、前縁冷却空気供給チャネル５６から前縁冷却プレナム７２に冷却空気を供給し、冷却空気は、前縁冷却プレナム７２からフィルム冷却孔を通って流れる。フィルム冷却孔は、以下のうちの１つ又はそれ以上、すなわちそれぞれシャワヘッドフィルム冷却孔６１、正圧側壁フィルム冷却孔６３及び負圧側壁フィルム冷却孔６５のうちの１つ又はそれ以上を含む。

本明細書に示す例示的な実施形態では、後縁冷却空気供給チャネル５８は、根元１４を貫通しかつ冷却空気供給源３９と冷却流連通状態になった別の入口３７を含む。それに代えて、根元１４の底面４９を貫通して入口３７に向けて半径方向に翼形部に冷却空気を供給することは、よく知られている。後縁冷却空気供給チャネル５８は、後縁冷却スロット７６の形態の後縁開口を通して冷却空気を供給又は流して後縁２２を対流冷却する。

フィルム冷却孔は、外壁１５のそれぞれ正圧及び負圧側壁１６及び１８の両方を貫通して配置される。翼形部１２は、その両方とも当技術分野では翼形部を冷却するためのものとしてよく知られている傾斜タービュレータ６４及びピン６８のバンク７０のような翼形部の冷却を強化するためのその他の任意の従来型の機構を有することができる。ピンは、熱伝達ピンとすることができる。当技術分野ではよく知られている断熱皮膜ＴＢＣを使用して、翼形部１２の熱特性を改善することができる。ペデスタルとも呼ばれるピン６８は、一般的に円形断面を有するが、他の形状を有することもできる。

中空のタービンブレード１０は、ブレードの固有振動数での共振を生じ易く、従って、ピン６８を調整して、定常状態エンジン運転状態の間にはブレードの固有振動数で作動するのを回避する。定常状態エンジン運転には、離陸、着陸、及び特に巡航状態又はエンジン運転時における過渡期間以外の運転状態が含まれる。さらに、ピン６８の数、寸法及び形状を最適化又はさらに調整して、エンジン運転時における過渡期間以外ではブレードの固有振動数での作動を実質的に回避しながら、可能な限り少ない冷却空気でタービンブレード１０を冷却することが望ましい。

ピン６８のバンク７０は、ブレード１０のエンジン強制駆動モードに関連する該ブレード１０の固有振動数が定常状態エンジン作動振動数から十分に離れて定常状態エンジン運転時における該ブレード１０の固有振動数共振を実質的に回避するように、調整される。ピン６８のバンク７０は、冷却空気供給チャネル５８内でのピン６８の設置位置によって調整される。ピン６８のバンク７０はさらに、設置位置に加えて、ピン６８の数及び寸法によっても調整される。また、ピン６８の数、寸法、さらに設置位置は、重量を最小にし、冷却空気供給チャネル５８内での冷却圧力損失を最小にし、さらにブレード１０を振動数調整するように最適化することができる。調整したピン６８のバンク７０は、既存の設計に対して付加的な固有振動数マージンを与えるように調整することができる。

振動数調整したピン６８のバンク７０は、本明細書では、後縁冷却空気供給チャネル５８内に示されているが、タービンブレードの中空の翼形部内部での異なるチャネルを含む多くの場所で使用することができる。振動数応答のためにまた重量を最小にし、冷却空気供給チャネル５８内での冷却圧力損失を最小にし、さらにブレード１０を振動数調整するためにピン６８の数、寸法、さらに設置位置を最適化することに対しても同じことが当てはまる。

本明細書に示したブレード１０の例示的な実施形態は、例えば図３に２Ｔ節線６０によって示した２次ねじれモード２Ｔのような、ブレード１０の予測の又は所定の固有振動数を使用して調整したピン６８のバンク７０を有する。ブレード１０の所定の固有振動数及び関連するエンジン駆動モードは、解析的に決定された。より具体的には、この所定の固有振動数は、ＡＮＳＹＳ解析コンピュータコードを使用して解析的に決定された。ピン６８のバンク７０の最終構成を決定するために対話形反復法を使用した。バンク７０の最適化振動数調整した構成又は設計に到達するために、ピン６８の様々な構成を解析した。ブレード１０の所定の固有振動数はまた、実験的方法を使用して、さらに実験的方法とＡＮＳＹＳ解析コンピュータコード使用のような解析的方法との組合せを使用して決定することができる。

ピン６８のバンク７０は、図３に２Ｔ節線６０によって示した２次ねじれモード２Ｔに関連する固有振動数を回避するように設計された。この節線６０は、翼弦方向に後縁冷却空気供給チャネル５８を横切って通り、ピン６８は、節線６０の周りに半径方向に不均一に分布される。本明細書に示すブレード１０の例示的な実施形態は、２次ねじれモード２Ｔを回避するように振動数調整され、ピン６８は、節線６０の周りに半径方向に不均一に分布される。振動数調整したバンク７０の、より具体的な実施形態は、節線６０の上方及び下方に不均一な数のピン６８を含む。このことは、全体で９つのピン６８を有し、そのピン６８のうちの４つが節線６０の上方にあり、またピン６８のうちの５つが節線の下方にあるバンク７０によって図３及び図４に示されている。

設計方法の中でも、本明細書に示した振動数調整したピン６８のバンク７０の設計は、ピン６８の不均一な半径方向分布である。この実施形態は、それぞれ不均一な第１及び第２の半径方向間隔８４及び８６を有する第１及び第２の半径方向に隣接したピン６８の対８０及び８２の少なくとも１つの組を含む。本明細書に示した振動数調整したピン６８のバンク７０の別の実施形態は、ピン６８の不均一な軸方向分布を有する。この実施形態は、それぞれ不均一な第１及び第２の軸方向間隔９４及び９６を有する第１及び第２の軸方向に隣接したピン６８の対９０及び９２の少なくとも１つの組を含む。本明細書に示した振動数調整したピン６８のバンク７０のさらに別の実施形態は、ピン６８の不均一な軸方向及び半径方向分布を有する。

本明細書では本発明の好ましくかつ例示的な実施形態であると考えられるものを説明してきたが、本発明の他の変更が、本明細書の教示から当業者には明らかになる筈である。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。

振動数調整したピンのバンクを有するガスタービンエンジンタービンブレードの斜視図。 図１に示す翼形部の線２−２を通る翼形部中間スパン断面を示す概略断面図。 図１に示すブレードの部分破断斜視図。 その中の冷却回路を通過する図２の分割線に沿って平坦に展開した、図１に示す例示的なタービン翼形部の断面図。

符号の説明

１２ 翼形部
１４ 根元
１５ 外壁
１６ 正圧側壁
１８ 負圧側壁
２０ 前縁
２２ 後縁
２８ 翼形部先端
３０ プラットフォーム
３６ 蛇行冷却回路
３７ 入口
３８ 蛇行チャネル
５６ 前縁冷却空気供給チャネル
５８ 冷却空気供給チャネル
６０ ２Ｔ節線
６３ フィルム冷却孔
６８ ピン
７０ バンク
７２ 前縁冷却プレナム
７４ 吐出開口
７６ 後縁開口

Claims (11)

1. ガスタービンエンジンタービンブレード（１０）であって、
   ブレード根元（１４）から半径方向外側翼形部先端（２８）まで半径方向に延び、翼弦方向に間隔をおいて配置された該翼形部（１２）の前縁及び後縁（２０及び２２）に沿って接合した横方向に間隔をおいて配置された正圧及び負圧側壁（１６及び１８）を有する翼形部外壁（１５）を含む、中空の翼形部（１２）と、
   前記翼形部（１２）内部に設けられた半径方向に延びる冷却空気供給チャネル（５８）と、
   前記半径方向に延びる冷却空気チャネル内で前記正圧及び負圧側壁（１６及び１８）と一体でありかつ該正圧及び負圧側壁間で横方向に延びるピン（６８）のバンク（７０）と、
   を含み、
   前記ピン（６８）のバンク（７０）は、該ブレード（１０）のエンジン強制駆動モードに関連する該ブレード（１０）の固有振動数が定常状態エンジン作動振動数から十分に離れて定常状態エンジン運転時における該ブレード（１０）の固有振動数共振を実質的に回避するように、調整されている、
   ブレード。
2. 重量を最小にし、圧力損失を最小にしかつ該ブレード（１０）を振動数調整するように最適化された、前記ピン（６８）の数、寸法及び設置位置をさらに含む、請求項１記載のブレード。
3. 前記ピン（６８）のバンク（７０）が、所定の固有振動数を使用して調整されている、請求項１記載のブレード。
4. 前記所定の固有振動数が、解析的に決定されている、請求項３記載のブレード。
5. 前記ピン（６８）の不均一な半径方向分布又は前記ピン（６８）の不均一な軸方向分布又は前記ピン（６８）の不均一な半径方向及び軸方向分布をさらに含む、請求項１記載のブレード。
6. 該ブレード（１０）のエンジン強制駆動モードが、２次ねじれモード（２Ｔ）である、請求項１記載のブレード。
7. 該ブレード（１０）のエンジン強制駆動モードに関連する節線（６０）をさらに含み、
   前記節線（６０）が、翼弦方向に前記冷却空気供給チャネル（５８）を横切って通り、
   前記ピン（６８）が、前記節線（６０）の周りに半径方向に不均一に分布されている、
   請求項１記載のブレード。
8. 前記節線（６０）の上方及び下方の不均一な数のピン（６８）又は前記節線（６０）の上方及び下方に不均一に半径方向に間隔をおいて配置されたピン（６８）又は前記節線（６０）の上方及び下方の不均一な数のかつ該節線（６０）の上方及び下方に不均一に半径方向に間隔をおいて配置されたピン（６８）をさらに含む、請求項７記載のブレード。
9. 前記冷却空気供給チャネル（５８）が後縁冷却空気供給チャネル（５８）であり、
   該ブレードが、前記冷却空気供給チャネル（５８）から前記後縁（２２）を貫通して導く後縁開口（７６）をさらに含む、
   請求項１記載のブレード。
10. 前記ブレード（１０）のエンジン強制駆動モードが２次ねじれモード（２Ｔ）であり、
    該ブレードが、前記節線（６０）の上方及び下方の不均一な数のピン（６８）をさらに含み、
    前記ピン（６８）が、前記節線（６０）の上方及び下方に不均一に半径方向に間隔をおいて配置されている、
    請求項７記載のブレード。
11. 前記ピン（６８）が全体で９つあり、前記ピン（６８）のうちの４つが前記節線（６０）の上方にあり、また前記ピン（６８）のうちの５つが前記節線の下方にある、請求項１０記載のブレード。

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