JP2005337257A - ロータブレード - Google Patents

Abstract

【課題】ロータブレード前縁に沿って、一様なインピンジメント冷却を促進する。
【解決手段】中空エーロフォイルと根元部とを含んだロータブレードが提供される。内部通路構造がロータブレードキャビティに設けられる。上記構造は、第１径方向通路と、第２径方向通路と、第１径方向通路と第２径方向通路とを分離するようにこれらの間に設けられたリブ５３と、を含む。複数の横断孔５２はリブ内に設けられる。一部の上記複数の横断孔５２が、リブ内に延びた長さ７０と高さ７４と幅７２とを有した長円形をなす。それぞれの長円形の横断孔５２の高さ７４は、幅７２よりも大きい。幾つかの態様においては、長円形の横断孔５２は高さ方向にリブ５３に沿って配列される。根元部は、この根元部から第１径方向通路内に空気流を流入するように動作可能なコンジットを有する。
【選択図】図４

Description

本発明は一般にガスタービンロータブレードに関し、具体的には冷却ガスタービンロータブレードに関する。

軸流タービンエンジン内のタービン区間は、回転ディスクと、このディスク上に周方向に配設された多数のロータブレードと、を備えたロータアセンブリを含む。ロータブレードは、上記エンジンを通過するガス経路内に位置するエーロフォイルを備える。ガス経路内の温度は、エーロフォイルの耐久性にしばしば悪影響を及ぼすため、エーロフォイル内に冷却空気を通過させることによりエーロフォイルを冷却することが知られている。この冷却空気はエーロフォイル材料の温度の低下、ひいてはエーロフォイルの耐久性の向上を助長する。

従来の冷却ロータブレードは、多くの場合、前縁に隣接した第１径方向通路と、第２径方向通路と、上記通路を分離するように上記通路間に配設されたリブと、を備えた内部通路構造を用いる。複数の横断孔がリブ内に配設され、通常、前縁に沿ったエーロフォイル壁に直交するように配設される。リブでの圧力差により、第２径方向通路内に移動する冷却空気の一部は横断孔を通過し、前縁壁に衝突する。

従来の前縁インピンジメント構造には、リブに沿って一様に離間した円形の横断孔が、通常用いられる。各円形の横断孔から流出するインピンジメント冷却空気は、比較的高い伝熱領域（たとえ小さくても）を形成する。これらの円形横断孔は、集合して、比較的伝熱性能が低いより大きな領域によって分離された伝熱性能が高い一列の離散的な領域を形成する。伝熱性能の変動は、前縁壁内に、望ましくない疲労、損傷（distress）、酸化などの可能性を増大させる。

従って、特に上記ブレード前縁に沿って、一様なインピンジメント冷却を促進する改良インピンジメント冷却構造を有したエーロフォイルが必要とされている。

本発明によれば、中空エーロフォイルと根元部とを含んだロータブレードが提供される。中空エーロフォイルは、負圧側壁と正圧側壁と前縁と後縁とベース部と先端部とによって区画されたキャビティを有する。内部通路構造がキャビティに設けられる。上記構造は、第１径方向通路と、第２径方向通路と、第１径方向通路と第２径方向通路とを分離するようにこれらの間に設けられたリブと、を含む。複数の横断孔はリブ内に設けられる。一部の上記複数の横断孔が、リブ内に延びた長さと高さと幅とを有した長円形をなす。それぞれの長円形の横断孔の上記高さは、上記幅よりも大きい。幾つかの態様においては、長円形の横断孔は高さ方向にリブに沿って配列される。根元部は、この根元部を介して第１径方向通路内に空気流を流入するように動作可能なコンジットを有する。

本発明のロータブレードとこれを用いる方法の１つの利点は、エーロフォイル内の空気流による圧力損失が、インピンジメント冷却を行う従来のエーロフォイルの場合に比べて減少することである。

上記またはその他の本発明の目的、特徴、利点は、詳細な説明に記載されかつ添付の図面に示された最良の形態に照らせば明らかとなろう。

図１は、ディスク１２と複数のロータブレード１４とを備えた、ガスタービンエンジンのロータブレードアセンブリ１０を示す。ディスク１２は、該ディスク１２回りに周方向に配設された複数のリセス１６と、該ディスク１２が回転する回転中心線１８と、を含む。各ブレード１４は根元部２０、エーロフォイル２２、プラットフォーム２４と、径方向中心線２５とを含む。根元部２０は、上記ディスク１２のリセス１６内の一つに結合する形状（例えば、もみの木構造）を有している。図２から分かるように、根元部２０はさらにコンジット２６を有し、このコンジット２６を介して、冷却空気は根元部２０に流入しエーロフォイル２２内を通過する。

図２〜図４を参照すると、エーロフォイル２２はベース部２８と、先端部３０と、前縁３２と、後縁３４と、正圧側壁３６（図１を参照）と、負圧側壁３８（図１を参照）と、内部経路構造４０とを含む。図２は、前縁３２と後縁３４との間に区分されたエーロフォイル２２を概略的に示す。正圧側壁３６と負圧側壁３８とは、ベース部２８と先端部３０との間に延び、前縁３２と後縁３４とに接触する。

上記内部通路構造は、根元部２０からエーロフォイル２２内に延びる第１コンジット４２と第２コンジット４４と第３コンジット４６とを含む。使用されるコンジットの数がより多い場合や少ない場合もあろう。第１コンジット４２は第１径方向通路４８に連通している。この第１径方向通路４８の前方には、第２径方向通路５０が設けられ、前縁３２に隣接し、複数の横断孔５２によって第１径方向通路４８に接続されている。横断孔５２は、第１径方向通路４８と第２径方向通路５０との間に延在し、かつ、これらの通路を分離するリブ５３内に設けられる。第２径方向通路５０は、前縁３２に沿って設けられた複数の冷却孔５４によってエーロフォイル２２の外部に接続されている。幾つかの態様においては、第２径方向通路５０は１つもしくは複数のキャビティを備える。他の態様においては、第２径方向通路５０は、第１コンジット４２に直接連通している。第１径方向通路４８の径方向外側端部（すなわち、第１コンジット４２の反対に位置する第１径方向通路４８の端部）には、第１径方向通路４８が、軸方向に延びた通路５６に接続されており、この通路５６はエーロフォイル２２の先端部３０に隣接したエーロフォイル２２の後縁３４に向かって延びている。

リブ５３に設けられた横断孔５２の一部は、それぞれ長さ７０、幅７２、高さ７４を有した長円形をなす。好適な態様においては、ほぼ全ての横断孔５２が長円形をなす。それぞれの横断孔５２の長さ７０はリブ５３内に延びる。高さ７４と幅７２は、実質的に互いに、また、長さ７０に対しても直交する。それぞれの長円形の横断孔５２の高さ７４は幅７２よりも大きい。好適な態様においては、高さ７４の大きさは、幅７２の大きさの約２倍である。高さ７４の長円形の横断孔５２が実質的に同一直線上に配置されるように、長円形の横断孔５２はリブ５３に沿って高さ方向に配列される。図３および図４の態様においては、長円形の横断孔５２が、一定の幅７２と円形端部を有するものとして示されている。長円形の横断孔５２はこの態様に限定されるわけではない。

リブ５３は前縁壁７８の内部表面から距離“Ｌ”だけ隔てられている。長円形の横断孔５２は、水力直径“Ｄ”を有するものとして表されてもよい。好適な態様においては、前縁壁７８からリブ５３までの間隔および長円形の横断孔５３の寸法は、Ｌ／Ｄの比が平均してほぼ２．８〜３．０の範囲に入るように定められる。我々の経験では、Ｌ／Ｄをほぼこの範囲にすることにより所望のインピンジメント冷却が実現される。

第１径方向通路４８は、正圧側壁３６および負圧側壁３８の一方または双方の内部表面に取り付けられた複数のトリップストリップ５８を含む。このトリップストリップ５８は、上記通路４８内の冷却空気流方向６０に対し傾斜した角度α、すなわち、この空気流方向６０に対し直交する角度と平行となる角度との間の角度、で上記通路４８内に設けられる。望ましくは、トリップストリップ５８は空気流方向６０に対し約４５°の角度に配置される。空気流方向６０に向かって観察したときにトリップストリップ５８が横断孔５２で構成されたリブ５３に向かって集まるように、それぞれのトリップストリップ５８が上記通路４８内に配置される。それぞれのトリップストリップ５８は、リブ５３に隣接して設けられた端部（すなわち、「リブ端部」）を有する。少なくとも一部のトリップストリップ５８が、一対の横断孔５２の間に、望ましくは一対の横断孔５２のほぼ中間に、径方向に配置されたリブ端部を有する。

図２を参照すると、第２コンジット４４が、第１・第２径方向通路４８，５０の直ぐ後方にかつエーロフォイル２２の中間領域に配置されたサーペンタイン通路６４に連通している。このサーペンタイン通路６４は、例えば３，５，といったように、１より大きな奇数の数となる径方向セグメント６６を有する。奇数となる径方向セグメント６６はサーペンタイン通路６４の最後の径方向セグメントが上記軸方向に延びた通路５６付近で終了することを保証する。代替的に、上述のサーペンタイン通路６４以外の通路構造を、上記中間領域に使用してもよい。

第３コンジット４６は、サーペンタイン通路６４とエーロフォイル２２の後縁３４との間に設けられた１つもしくは複数の通路６８に連通している。

本発明の作動においては、ロータブレードエーロフォイル２２はタービンエンジンのコアガス経路内に設けられる。エーロフォイル２２は、このエーロフォイル２２のそばを通過する高温のコアガスに晒される。上記コアガスよりも温度が大幅に低い冷却空気が、根元部２０に設けられた上記コンジット４２，４４，４６を介してエーロフォイル２２内に供給される。

第１コンジット４２内を移動する冷却空気は、第１径方向通路４８内に直に流入し、エーロフォイル２２の先端部３０付近の上記軸方向に延びた通路５６内に実質的に流入する。第１径方向通路４８内に移動する冷却空気の一部が、この通路４８内に設けられたトリップストリップ５８に直面する。リブ５３に向かって集まる上記トリップストリップ５８は冷却空気流の一部をリブ５３に向けて案内する。横断孔５２に対するトリップストリップ５８は、リブ５３に向けて案内された冷却空気流の一部がまた横断孔５２に向けて案内されるように位置決められる。この冷却空気流の一部は横断孔５２を介して、第２径方向通路５０内に移動する。上記冷却空気は、前縁３２に設けられた冷却孔５２を介して第２径方向通路５０に実質的に流出し、上記前縁壁の内部表面に衝突する。

上述したように、従来の円形横断孔は、比較的伝熱性能が低いより大きな領域によって分離された伝熱性能が高い一列の離散的な領域を一般に形成する。本発明の長円形の横断孔５２により、上述の従来技術の場合に比べ、前縁に３２に沿った径方向の伝熱プロファイルがより一様なものとなる。所望の比較的に伝熱性能が高い領域は拡大し、望ましいものではない比較的に伝熱性能が低い領域は減少する。さらに、比較的に伝熱性能が低い領域内の伝熱性能も、上記長円形の横断孔５２から径方向外側に注がれる冷却空気によって向上すると思われる。

本発明の詳細な態様に関連して本発明を示し、説明してきたが、当業者であれば、本発明の趣旨および内容から逸脱することなく、形式的にあるいは具体的に本発明の様々な変更を想到し得よう。

ロータアセンブリセクションを概略的に示す斜視図。 ある態様の内部通路構造を備えたロータブレードを概略的に示す断面図。 ある態様の内部通路構造を有したロータブレードの一部を概略的に示す断面図。 長円形の横断孔が設けられたリブを概略的に示す部分断面図。

符号の説明

５２…横断孔
５３…リブ
５４…冷却孔
７０…長さ
７２…幅
７４…高さ

Claims (9)

1. 負圧側壁と正圧側壁と前縁と後縁とベース部と先端部とによって区画されたキャビティを有した中空エーロフォイルと、
   上記キャビティに設けられた内部通路構造であって、第１径方向通路と、第２径方向通路と、上記第１径方向通路と上記第２径方向通路とを分離するようにこれらの間に設けられたリブと、上記リブ内に設けられた複数の横断孔と、を含んだ内部通路構造と、
   上記第１径方向通路内に空気流を流入するように動作可能なコンジットを有した根元部と、
   を備え、かつ、
   一部の上記複数の横断孔が、上記リブ内に延びた長さと高さと幅とを有する長円形をなし、
   それぞれの長円形の横断孔の上記高さは上記幅よりも大きいことを特徴とするロータブレード。
2. ほぼ全ての上記横断孔が長円形をなすことを特徴とする請求項１に記載のロータブレード。
3. それぞれの横断孔の上記高さは、該横断孔の上記幅の約２倍の大きさであることを特徴とする請求項２に記載のロータブレード。
4. 上記長円形の横断孔が上記リブに沿って高さ方向に配列されることを特徴とする請求項１に記載のロータブレード。
5. 上記第２径方向通路は上記前縁に隣接することを特徴とする請求項４に記載のロータブレード。
6. 負圧側壁と正圧側壁と前縁と後縁とベース部と先端部とによって区画されたキャビティを有した中空エーロフォイルと、
   上記キャビティに設けられた内部通路構造であって、第１径方向通路と、第２径方向通路と、上記第１径方向通路と上記第２径方向通路とを分離するようにこれらの間に設けられたリブと、上記リブ内に設けられた複数の横断孔と、を含んだ内部通路構造と、
   上記第１径方向通路内に空気流を流入するように動作可能なコンジットを有した根元部と、
   を備え、かつ、
   一部の上記複数の横断孔が、上記リブ内に延びた長さと高さと幅とを有する長円形をなし、
   それぞれの長円形の横断孔の上記高さは上記幅よりも大きく、
   上記リブは上記前縁から距離Ｌだけ隔てられ、
   上記長円形の横断孔は水力直径Ｄを有し、
   Ｌ／Ｄの比が平均して約２．８〜３．０の範囲に入ることを特徴とするロータブレード。
7. ほぼ全ての上記横断孔が長円形をなすことを特徴とする請求項６に記載のロータブレード。
8. それぞれの横断孔の上記高さは、該横断孔の上記幅の約２倍の大きさであることを特徴とする請求項７に記載のロータブレード。
9. 上記長円形の横断孔が上記リブに沿って高さ方向に配列されることを特徴とする請求項６に記載のロータブレード。

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