JP2005220909A - 微細回路付きプラットフォームを備えたガスタービンエンジン部品 - Google Patents

Abstract

【課題】プラットフォーム部分２０において金属温度勾配を大幅に低減でき、熱的な疲労寿命を伸ばすことができるタービンエンジン部品を実現する。
【解決手段】高圧タービンブレード等のガスタービンエンジン部品は、エーロフォイル部１４と、プラットフォーム２０と、プラットフォーム内部の微細回路５０，８０と、を備える。微細回路は、上記エーロフォイル部１４の正圧面３２とプラットフォーム後縁とに隣接した少なくとも１つのプラットフォームエッジを冷却する。微細回路は、エーロフォイル負圧面３０上に第１微細回路５０を備え、エーロフォイル正圧面３２上に第２微細回路８０を備える。プラットフォーム２０内部の微細回路５０，８０によって、高い対流効率、増大したフィルム範囲、および高い冷却効果が達成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、タービンエンジン部品のプラットフォームを冷却する微細回路を備えたタービンエンジン部品の改良に関する。

タービンブレードエーロフォイル部分の現行の構成は、プラットフォーム、特にそのエッジ、の負荷を緩和することを目的にした冷却を採用していない。結果として、プラットフォームのエッジでは深刻な酸化や腐食が生ずる。これらの酸化や腐食は、クラッキング（亀裂）を引き起こし、構造的にタービンブレードに影響を及ぼすことがある。プラットフォームのクラックは、エーロフォイルのフィレットに向かって伝播し、上記エーロフォイルやプラットフォームにある他の高応力集中部位から発生した他のクラックと結合する。酸化や腐食に対処するために隣接したプラットフォームの間の流路面積を拡大しても、付随的に発生する漏洩空気がエンジンの所期の性能に悪影響を及ぼすだけである。

エーロフォイルの設計を変更せずに上記制限を解消する１つの方法として、より多くの冷却流を導入して、これにより、全体的なエンジン性能に影響を与えることが挙げられる。この構造は許容できるものではないため、新規な構造設計が求められている。理想的には、この新規な構造は冷却用の冷媒流を増大させるべきではない。

本発明の目的は、高い対流効率、増大したフィルム範囲、および高い冷却効果を達成する新規な構造設計を備えたタービンエンジン部品を実現することである。

本発明のもう１つの目的は、プラットフォーム部分において金属温度勾配を大幅に低減でき、熱的な疲労寿命を伸ばすことができるタービンエンジン部品を実現することである。

上述の目的は、本発明のタービンエンジン部品によって達成される。

本発明によれば、タービンエンジン部品は、正圧面と負圧面とを備えたエーロフォイル部と、上記エーロフォイル部の根元部に隣接しかつ前縁と後縁とを備えたプラットフォームと、上記プラットフォーム内部に設けられ、かつエーロフォイル部の上記正圧面と上記後縁とに隣接した、少なくとも１つのプラットフォームエッジを冷却する手段と、を含む。

本発明の微細回路プラットフォームに付随する他の目的、利点、その他の詳細は、以下の詳細な説明や添付図面（同等の参照符号が同等の要素を表す）に開示されている。

図１は、ガスタービンエンジンに用いられるタービンブレード１０を示す。タービンブレード１０は、上記ブレードをディスク等の回転部材に接続するモミの木（fir tree）１２と、根元部１６と先端部１８とを備えたエーロフォイル部１４と、下面２２と上面２４とを備えたプラットフォーム２０と、を有する。エーロフォイル部１４は、前縁２６と、後縁２８と、負圧面３０と、正圧面３２と、を備える。プラットフォーム２０は、前縁つまり前方リム３４と、後縁つまり後方リム３６と、負圧側エッジ３８と、正圧側エッジ４０と、を備える。また、タービンブレード１０は、プラットフォーム２０の下面２２の近傍にポケット４２を備える。図１は１つのポケット４２のみを示しているが、タービンブレード１０のもう一方の側には対応するポケットが存在する。運転中には、これらのポケット４２は高圧圧縮機等のエンジン部分から流れ込む冷却空気を通常収容する。

図２〜図４を参照すると、プラットフォーム２０の内部に、かつエーロフォイル１４の負圧面３０とプラットフォーム後縁３６との間に、第１微細回路５０が設けられている。上記微細回路５０はＬ字形であるが、必要に応じてその他の適宜な構造をなし得る。上記微細回路５０は、負圧面３０と負圧側エッジ３８との間に延びた第１脚部と、後縁３６に平行かつ後縁３６に沿って延びた第２脚部と、を備える。

上記微細回路５０には、プラットフォーム２０の下面２２に配置され、ポケット４２からの冷却空気（エンジンブリード空気）を収容する入口５６が設けられる。また、上記微細回路５０には、プラットフォーム２０の上面２４に配置され、後縁３６に向かって冷却空気を送る出口５８が設けられる。好ましくは、入口５６と出口５８とは、それぞれスロット形状をなす。好ましくは、入口５６は、前方リム３４から、前方リム３４から後方リム３６までのプラットフォーム２０幅の６０〜７０％に相当する距離の所に配置される。

冷却流体経路６０が、上記入口５６から上記出口５８まで延び、距離Ｄを有する。本発明の好適な態様おいては、冷却流体経路６０の高さＨは１５〜２５mil（約０．３８〜約０．６４ｍｍ）である。本発明の好適な態様においては、Ｈ：Ｄの比率は１もしくは１よりも大きくすべきである。このＨ：Ｄの比率が１よりも小さくなると、冷却に用いられた特徴による効果が減少する。

冷却効果を高めることに関して、上記微細回路５０の内部やプラットフォーム２０の内部に、複数のペデスタル（支柱）６２が備え付けられる。冷却効果を高める乱流をより多く発生させるために、ペデスタル６２は好ましくは千鳥状に配列される。

出口５８においては、圧力を、この領域のタービンエンジン部品の吸入圧力（sink pressure）よりも少なくとも３％より大きく、好ましくは少なくとも５％より大きくすべきである。

図２、図５、および図６を参照すると、プラットフォーム２０の内部に第２微細回路が形成されている。第２微細回路８０は、エーロフォイル部１４の正圧面３２と、プラットフォーム２０の正圧側エッジ４０との間に配置される。第２微細回路８０は、プラットフォーム２０の下面２２に入口８２を備え、プラットフォーム２０の上面２４に出口８４を備える。入口８２と出口８４との双方とも、好ましくはスロット形状をなす。

好ましくは、入口８２は、前方リム３４から、前方リム３４から後方リム３６までのプラットフォーム２０の幅の３３〜５０％に相当する距離の所に配置される。上記微細回路８０は、上記入口８２から上記出口８４までの距離Ｄだけ延びた冷却流体経路８６を有する。この流体経路８６の内部には、ハードウェアにかかる負荷を抑制する手段（ハードウェア負荷抑制手段）８８があり、この負荷抑制手段８８は、上記流体経路８６の側壁９０，９２から離間した細長い島のような構成をなす。好ましくは、負荷抑制手段８８は、上記距離Ｄの５０〜６０％に相当する距離だけ入口８２から離れて配置された前縁９４を備える。負荷抑制手段８８の厚さは、上記流体経路８６の幅Ｗの約４０％となるべきである。この負荷抑制手段８８は適宜な長さを有する。

プラットフォーム２０上の上記エッジ４０近傍の領域に、特に、クラッキングが発生し得るフィレット２３の領域に、冷却空気が送られるように、上記出口８４が配設されることが好ましい。本発明の好適な態様においては、上記流体経路８６の高さＨは１５〜２５mil（約０．３８〜約０．６４ｍｍ）の範囲である。前述したように、Ｈ：Ｄの比率を１もしくは１よりも大きくすべきである。さらに、出口８４の圧力を、出口領域８４の吸入圧力よりも少なくとも３％より大きく、好ましくは少なくとも５％より大きくすべきである。

本発明の上記目的を達成するためには、入口５６および入口８２の双方における圧力を、最大の圧力点を有するエンジン圧縮機ステーション（station）における圧力（Ｐ３）の５５〜６５％にすることが好ましい。また、本発明の微細回路５０，８０を用いて、出口５８の圧力を圧力Ｐ３の３０〜４０％に、出口８４の圧力を圧力Ｐ３の４５〜５５％にしてもよいことが判明している。また、４０〜５０％の対流効率が達成されることが判明しており、この値は、本発明の微細回路を備えていない他の設計によって達成される１０〜１５％の対流効率に比べて遥かに高い。

本発明に付随した別の利点は、上記エッジ３６，３８における金属温度を大幅に減少すること、つまり、酸化に耐える寿命を少なくとも２倍だけ伸ばしかつプラットフォームエッジでの負荷を除去することが可能となることである。

好適な態様においては、上記微細回路５０，８０は、各々の微細回路入口５６，８２から各々の微細回路出口５８，８４までの圧力を効果的に減少する定量調節部を備える。微細回路５０内のペデスタル６２は、効果的に一定の冷媒流量を維持するように配置されるのが好ましく、この冷媒流量は、好ましくはステーション２．５の位置においてエンジン空気流量の０．１５〜０．３５％となる。上記微細回路５０の設計により、微細回路冷却対流効率を高め、金属温度勾配を低減し、熱的な疲労寿命を伸ばすことが可能となる。また、上記微細回路５０，８０は冷媒の熱交換（heat pick-up）を向上させる。これにより、冷媒温度が上昇し、対流効率が向上することとなる。

広範囲の冷却フィルムの実現に関しては、スロット出口５８，８４が有益である。これにより、プラットフォームエッジ３６，３８を酸化と腐食とから保護することができる。

タービンブレードとの関連において本発明を説明したが、プラットフォームの冷却が必要な他のガスタービンエンジン部品にも本発明の微細回路冷却技術を使用してもよい。

本発明に従えば、上述した目的、手段、利点を充足する微細回路プラットフォームが実現することが明らかであろう。上記の特定の態様との関連おいて本発明を説明したが、当業者であれば、本明細書を参照することによって他の代替、改良、変更を想到することができよう。従って、これらの代替、改良、変更は添付の特許請求の範囲に属するものである。

ガスタービンエンジン用のタービンブレードを示した図。 本発明の微細回路を示す断面部分を付したタービンブレードプラットフォーム部分の平面図。 負圧側の微細回路入口を示す図２のプラットフォーム部分の断面図。 図２の線４−４に沿って切り取った断面図。 正圧側の微細回路入口を示す図２のプラットフォーム部分の断面図。 図２の線６−６に沿って切り取った断面図

符号の説明

１４…エーロフォイル部
２０…プラットフォーム
２８…エーロフォイル部の後縁
３０…エーロフォイル部の負圧面
３２…エーロフォイル部の正圧面
３８…プラットフォームの負圧側エッジ
４０…プラットフォームの正圧側エッジ
５０…第１微細回路
５６…第１微細回路の入口
５８…第１微細回路の出口
６０…冷却流体経路
６２…ペデスタル
８０…第２微細回路
８２…第２微細回路の入口
８４…第２微細回路の出口
８６…冷却流体経路
８８…負荷抑制手段
９４…前縁

Claims (20)

1. 正圧面と負圧面とを有したエーロフォイル部と、
   上記エーロフォイル部の根元部近傍にあって、かつ、前縁と後縁とを有したプラットフォームと、
   上記エーロフォイル部の上記正圧面と上記後縁とに隣接した少なくとも１つのプラットフォームエッジを冷却する、上記プラットフォーム内の冷却手段と、
   を備えたガスタービンエンジン部品。
2. 上記プラットフォーム冷却手段は上記負圧面に隣接した上記プラットフォーム内に第１の微細回路を含むことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン部品。
3. 上記第１の微細回路は、上記負圧面上に延びた第１脚部と上記プラットフォーム後縁に対し平行な方向で延びた第２脚部とを備えることによってＬ字形をなし、かつ、上記プラットフォームの下面に入口を有し、上記プラットフォームの上面に出口を有することを特徴とする請求項２に記載のガスタービンエンジン部品。
4. 上記入口から上記出口まで延びた流体経路と、
   該流体経路内に設けられ、かつ、該流体経路内に乱流を発生させる複数のペデスタルと、
   をさらに備えた請求項３に記載のガスタービンエンジン部品。
5. 上記ペデスタルは千鳥状に配列し、かつ、
   上記経路は、上記入口から上記出口までの距離Ｄだけ延び、高さＨを有し、かつ、
   上記ＨとＤとの比率（Ｈ：Ｄ）が１より大きいことを特徴とする請求項４に記載のガスタービンエンジン部品。
6. 上記第１の微細回路は、最大圧力点であるエンジン圧縮機ステーションにおける圧力（Ｐ３）の５５〜６５％となる入口圧力を有し、かつ、上記圧力Ｐ３の３０〜４０％となる出口圧力を有することを特徴とする請求項３に記載のガスタービンエンジン部品。
7. 上記第１の微細回路は、出口近傍の吸入圧力よりも少なくとも３％より大きい出口圧力を有することを特徴とする請求項３に記載のガスタービンエンジン部品。
8. 上記第１の微細回路は、出口近傍の吸入圧力よりも少なくともより５％大きい出口圧力を有することを特徴とする請求項３に記載のガスタービンエンジン部品。
9. 上記冷却手段は、上記プラットフォーム内部に設けられ、かつ、上記エーロフォイル部の正圧面と上記プラットフォームのエッジとの間に延びた第２の微細回路を備えることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン部品。
10. 上記第２の微細回路は、上記プラットフォームの下面に設けられた入口と、上記プラットフォームの上面に設けられた出口と、上記入口から上記出口まで延びた流体経路とを、有し、かつ、
    上記第２の微細回路の上記出口は、上記エーロフォイル部の後縁近傍に配置され、かつ、上記プラットフォームと上記後縁との間のフィレットに冷却空気を導入することを特徴とする請求項９に記載のガスタービンエンジン部品。
11. 上記第２の微細回路は、最大圧力点であるエンジン圧縮機ステーションにおける圧力（Ｐ３）の５５〜６５％となる入口圧力を有し、かつ、上記圧力Ｐ３の４５〜５５％となる出口圧力を有することを特徴とする請求項１０に記載のガスタービンエンジン部品。
12. 上記第２の微細回路は、出口近傍の吸入圧力よりも少なくとも３％より大きい出口圧力を有することを特徴とする請求項１０に記載のガスタービンエンジン部品。
13. 上記第２の微細回路は、出口近傍の吸入圧力よりも少なくともより５％大きい出口圧力を有することを特徴とする請求項１０に記載のガスタービンエンジン部品。
14. 上記第２の微細回路は、上記経路内部にかつ上記入口と上記出口との間に、ハードウェア負荷抑制手段を有し、
    上記ハードウェア負荷抑制手段は、上記経路の側壁から離間し、かつ、上記経路の距離の５０〜６０％に相当する距離だけ上記入口から離れて配置された前縁を有することを特徴とする請求項１０に記載のガスタービンエンジン部品。
15. 正圧面と負圧面とを有したエーロフォイル部と、
    上記エーロフォイル部の根元部近傍に設けられたプラットフォームと、
    上記エーロフォイル部の上記正圧面と上記プラットフォームの上記正圧側エッジとの間に配置され、かつ、冷却流体を流す、上記プラットフォーム内の第１の微細回路と、
    上記エーロフォイル部の上記負圧面と上記プラットフォームの後方リムとの間に配置され、かつ、冷却流体を流す、上記プラットフォーム内の第２の微細回路と、
    を備えたガスタービンエンジン用タービンブレード。
16. 上記第１，第２の微細回路の各々は、上記プラットフォームの下面に配置された、冷却流体を収容する入口を有し、かつ、
    上記第１，第２の微細回路の各々は、上記プラットフォームの上面に冷却流体を排出するスロット出口を有することを特徴とする請求項１５に記載のガスタービンエンジン用タービンブレード。
17. 上記第１の微細回路の上記スロット出口は、上記プラットフォームの後縁に冷却流体を排出し、かつ、
    上記第２の微細回路の上記スロット出口は、上記エーロフォイル部の後縁部分に冷却流体を排出することを請求項１６に記載のガスタービンエンジン用タービンブレード。
18. 上記第１の微細回路は、上記入口から上記スロット出口まで延びた経路内に乱流生成手段を有することを特徴とする請求項１６に記載のガスタービンエンジン用タービンブレード。
19. 上記乱流生成手段は、上記経路内に千鳥状に配列された複数のペデスタルを備え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用タービンブレード。
20. 上記第２の微細回路は、上記入口から上記スロット出口まで延びた流体経路を有し、かつ、
    上記流体経路には、ハードウェア負荷抑制手段が配置されていることを特徴とする請求項１６に記載のガスタービンエンジン用タービンブレード。

Images