JP2007162686A - タービンエンジンの構成部品 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の設計上の問題に対処するエレメントを備えたガスタービンエンジンの構成部品を提供する。
【解決手段】タービンブレード１００は、プラットフォーム１３４と、取付部１７６と、冷却回路１０２，１０４，１０６を有するエアフォイル１０１と、アンダーカット１５０と、を備えており、冷却回路は、前縁１７０、本体１７２、および後縁１７４に対応するとともに、流体に乱流を生じさせるトリップストリップ１８０を備える。後縁１７４は、フェルール１８４によって形成されたアウトレット１８２と、ペデスタル１８６と、を備える。ブレード１００は、インレット１１０を有するとともに、インレットにおける冷媒の圧力損失を抑える冷却回路の低損失冷却空気インレットシステム１０８を備える。各インレット１１０は、空気の速度を低下させるフレア部分１１２と、最小領域１１６と、移行部１１４と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷却されるタービンブレードなどガスタービンエンジンのタービンエンジン構成部品に関する。

冷却される（被冷却）ガスタービンブレードは、ターボ機械に動力を供給するように使用される。これらの構成部品は、一定の圧縮プロセスで燃料と空気が混合、燃焼される燃焼器のすぐ下流の過酷な環境にさらされる。周知のように、タービンブレードは、高速で回転するシャフトにトルクを与えることによって動力を提供する。その結果、タービンブレードは、部品に加わる遠心力から受ける多くの機械的な応力要素を受ける。加えて、タービンブレードは、通常、コンプレッサから抽気された比較的低温の空気を用いて冷却される。この冷却方法は、必然的にタービンブレード内に温度勾配を生じさせ、それにより、構造内に熱機械的応力の付加的な要素が生じる。

従来のタービンブレード１０を図１に示す。図からわかるように、タービンブレードは、ブレード１０のエアフォイルの種々の部分を冷却する複数の冷却通路１２，１４，１６を備える。

上記のようなタービンブレードであっても、タービンブレードを改善する必要性が残されている。

本発明によれば、設計上のニーズに対応するとともに、特に、従来の設計における問題点を有する領域に対応する特定の構成要素を備えたガスタービンエンジン構成部品が提供される。

本発明によると、タービンエンジン構成部品は、概して、エアフォイルと、冷却流体用のインレットをそれぞれ備えたエアフォイル内における複数の冷却通路と、を備える。インレットは、流れの損失を低減するフレア状のベルマウスインレット部を有する。

本発明の被冷却タービンブレードの他の細部、それに伴う他の目的や利点は、以下の詳細な説明および添付の図面に示されているが、図面においては、類似の参照番号は類似の構成要素を示している。

本発明は、ガスタービンエンジンに使用される被冷却のタービンブレードなどの構成部品の新しい設計に関する。本発明の構成部品は、長期的に使用可能な独特の内部および外部幾何学形状を有するガスタービンエアフォイルを備える。タービンの構成部品は、タービンブレードの全体的な性能を向上させる独特の特徴を有する。

図２を参照すると、本発明によるタービンブレード１００が示されている。タービンブレード１００は、好ましくは３つの独立した冷却回路１０２，１０４，１０６を有するエアフォイル１０１を備えており、これらの冷却回路は、エアフォイルの前縁１７０、エアフォイル本体１７２、およびエアフォイル後縁領域１７４の各々のニーズに対応する。冷却回路１０２，１０４，１０６は、冷却回路内の熱伝達を向上させるように回路１０２，１０４，１０６を通流する冷却流体に乱流を生じさせる複数のトリップストリップ（ｔｒｉｐ ｓｔｒｉｐ）または他の手段１８０を備える。エアフォイル１０１の後縁１７４は、涙滴形状のフェルール１８４によって形成される複数のアウトレット１８２を有する。所望であれば、アウトレット１８２から冷却空気が流出する前に冷却空気を適切に整列（整流）させる複数のペデスタル１８６を備えてもよい。また、タービンブレード１００は、一体的に形成されたプラットフォーム１３４および一体的に形成された取付部１７６を有することが好ましい。

このタービン構成部品は、当分野で周知の適切な金属材料から形成され得る。

従来のタービンブレードにおける冷却通路の空気インレットシステムに関して言えば、回転しているガスタービンブレードに冷却空気を導入する通常の方法では、圧力損失が生じ、部品を適切に冷却する冷却空気の能力が制限される。通常、冷却空気は、ブレード取付部の下方に位置するディスクのスロットからタービンブレード内に流入する。スロットのインレットは、通常、エッジが鋭くなっている。これにより、流れがエッジから分離し、インレットから離れた下流側の表面に再付着する。このような動きにより、部品内に流入する流れに圧力損失が生じてしまう。さらに、冷却空気インレットとエアフォイルのルート部における冷却通路とを接続するように、チャンネルがエアフォイル取付部を通って延びている。通常、これらのチャンネルは、底部のルート部のセレーション（鋸歯状部分）により境界が付けられた領域に亘る最小の領域を形成するように狭められている。この領域の下流においては、一般に冷却通路は、タービンブレードから物質が除去されるように急激に拡張している。この拡張は、さらなる流れの分離作用によって付加的な圧力損失を促進する。

これらの問題を回避するため、本発明のタービンブレード１００は、冷却回路１０２，１０４，１０６の各々のための低損失冷却空気インレットシステム１０８を好ましく備える。各々の低損失冷却空気インレットシステム１０８は、インレットにおける冷媒の圧力損失を抑える。図３および図４に示されているように、低損失冷却空気インレットシステム１０８は、複数のインレット１１０を有する。各インレット１１０は、流れをインレット内へ案内するフレア状部分１１２を有する。加えて、各インレット１１０は、最小領域１１６の下流の領域において、冷却空気をより効率的に拡散させる滑らかな移行部１１４を備える。この構成に対する流れおよび圧力損失テストでは、従来のインレット形態に勝る改善が示された。好ましい実施態様においては、インレットを拡大ことによって、いわゆる「ベルマウス（ラッパ口）」効果をもたらすように２５°のフレア角を用いている。しかし、角度および増加されたインレット領域の他の組み合わせでも、同様の効果をもたらすことができる。フレア角の有効な範囲は１０°〜３５°である。このフレアの主要な目的は、冷却通路の入口において空気の速度を低下させることである。上記目的は、フレア角を大きくして、インレットをより大きくすることによって促進される。流れをあまり急速にインレットに向ける必要がなく、かつ急速に加速させる必要がないため、流れがインレットのエッジから分離しにくくなり、インレット損失が減少する。付与される領域の合計量の限界は、ブレード底部の幅である。フレア状領域のインレットをブレード底部より大きくすることはできない。フレア状領域は、より制御された態様で最小領域への流れを加速させる。非常に急峻なフレア角が使用された場合には、最小領域への流れを迅速に加速する必要がある。この点において、収縮率が急激に変化する場合には、分離する傾向がある。要点は、領域に亘る流れを漸進的に変化させることである。別の実施例として、ベルマウス表面１１２を形成するように、半径、または半径の組み合わせを使用してもよい。

図５を参照すると、タービンブレード１００は、好ましくは冷却空気回路１０４の蛇行先端ターン部１２２内に配置されたダートファンネル（漏斗）１２０を有する。ファンネル１２０の目的は、ブレード１００からダート（塵や埃）を除去すること、かつブレード１００の先端部１２４におけるダートなどの物質の堆積を低減または排除することである。図５では、ダートファンネル１２０が図示されている。先端ターン部表面１２６は、先端ダートパージ孔１２８に向かう粒子の移動を促進するように、先端１２４に対して角度β（例えば、約１５°）を有して傾斜しており、パージ孔１２８を介して粒子がブレード１００から排出される。これらの望ましくない物質に対して、時間の経過とともに該物質が堆積するブレード１００の先端部１２４に向って遠心作用が働く。傾斜を有する表面１２６は１つの可能性のある実施態様を示しているに過ぎず、同等の効果をもたらすように、他の角度や構造を有する表面を用いてもよい。

次に図６および図７を参照すると、タービンブレード１００は、傾斜付きエッジ１３０をさらに有する。従来のタービンブレードは、１つのプラットフォームから他のプラットフォームへ面一で遷移し、平坦な流路表面を提供するプラットフォームエッジを有する。しかし、製造公差により、最終的なアッセンブリにおけるプラットフォームの表面がずれてしまうことがある。これらの公差は、部品の製造に必要な鋳造および機械加工プロセスの両方で生じ得る。プラットフォーム表面のずれは、高温のガス流路の流れに昇り段差（ステップアップ）または滝のような下り段差（ステップダウン）をもたらす場合がある。昇り段差では、高温ガスが特徴部に衝突して、伝熱率がかなり高いレベルまで上昇するため、伝熱性能の観点から、この昇り段差は特に有害となり得る。加えて、この段差により、流れが妨害され、乱流が増し、妨害部分の下流における伝熱率が上昇する。流路が下り段差の場合には、性能に対する害は少ない。

本発明によれば、プラットフォーム１３４の各々は、傾斜付きプラットフォームエッジ１３０を備える。したがって、傾斜付きプラットフォームエッジ１３０の目的は、流路に昇り段差が生じないようにタービンブレード１００の設計にマージンを提供することである。隣接する２つのタービンブレード１００の隣接する２つのプラットフォーム１３４の間におけるプラットフォームのギャップ１３２を流れが横断する部分に、傾斜付きプラットフォームエッジ１３０を用いることができる。傾斜付きプラットフォームエッジ１３０は、プラットフォーム１３４のエッジに沿った任意の部分に配設することができるが、代表的な場所は、プラットフォーム１３４の前部１３６および後部１３８である。プラットフォーム１３４の下面または上面に傾斜付きプラットフォームエッジ１３０を設けてもよい。傾斜付きエッジ１３０は、流路に沿って所望の長さＬを有する。

さらにまた、タービンブレード１００は、ブレードの後縁１７４の下方で延びている成形されたスロットアンダーカット１５０を備えていてもよい（図８参照）。従来のブレードは、切り込まれていない（アンダーカットがない）もの、完全に切り込まれたもの（エアフォイル後縁の下方に取付機構がない）、および単純な丸み付きスロットを備えたアンダーカットを有するものを含んでいる。本発明の成形スロットアンダーカット１５０の目的は、スロットの底部における工学的な半径をベースとした最適なスロットアンダーカット形態を付与することである。スロットの外形状の工学は、最低レベルの集中応力まで構造設計を最適化するように示されている。そのような工学スロットの外形状の一例を図８に示す。図示されているように、区別された２つの半径Ｒ１、Ｒ２は、スロット周りの応力の場および集中係数を制御することによって局所応力の場を最適化するように、スロット１５６の底部に用いられている。最適化パラメータは、全体的なＰ／Ａ応力、曲げ応力、部品内の温度分布（すなわち熱的に誘導される応力）を含む変量および他の変量の関数である。これらの変量は用途によって異なるため、最適化パラメータも異なる。Ｒ２は、スロット１５０の最低部を形成し、Ｒ１は、スロット１５０の最低部に隣接する領域を形成する。通常、Ｒ１はＲ２より大きい。例えば、Ｒ１を０．０９０インチとし、Ｒ２を０．０４０インチとしてもよい。

以上、タービンブレードに関して本発明を説明してきたが、ここで述べた種々の特徴は、個別に、また集合的に他のタービンエンジンの構成部品に用いることができる。

従来技術のタービンブレードを示す図。 本発明によるタービンブレードを示す図。 図２のタービンブレードに使用される低損失冷却空気インレットを示す図。 図３の４−４線に沿った断面図。 図２のタービンブレードのエアフォイルの先端に配置されたダートファンネルを示す図。 図２のタービンブレードに用いられる傾斜付きプラットフォームエッジを示す図。 図６の７−７線に沿った断面図。 図２のタービンブレードに用いられる成形スロット後縁アンダーカットを示す図。

Claims (24)

1. エアフォイルと、
   前記エアフォイル内における複数の冷却通路と、
   を備え、
   前記冷却通路の各々は、冷却流体用のインレットを備え、
   前記インレットは、フレア状のベルマウスインレットを備えるタービンエンジンの構成部品。
2. 前記インレットは、最小領域と、該最小領域の下流に位置する滑らかな移行領域と、をさらに備え、
   前記フレア状ベルマウスインレットは、前記インレットの対向する２つの表面に沿って延びる一対のフレア状壁部を備えることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン構成部品。
3. 前記冷却通路は、前記エアフォイルの前縁部を冷却する第１の冷却通路と、前記エアフォイルの主要本体部を冷却する第２の冷却通路と、前記エアフォイルの後縁部を冷却する第３の冷却通路と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン構成部品。
4. 前記第２の冷却通路は、蛇行先端ターン部と、該蛇行先端ターン部に配設されたダートファンネルと、を備えることを特徴とする請求項３に記載のタービンエンジン構成部品。
5. 前記第２の冷却通路は、先端ダートパージ孔を有し、
   前記蛇行先端ターン部は、前記先端ダートパージ孔に向かう粒子の移動を促進するように角度を備えた表面を有することを特徴とする請求項４に記載のタービンエンジン構成部品。
6. 前記蛇行先端ターン部の表面は、１５°の角度を有することを特徴とする請求項５に記載のタービンエンジン構成部品。
7. プラットフォームをさらに備え、該プラットフォームが、流路の昇り段差を回避する少なくとも１つの傾斜付きエッジを有することを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン構成部品。
8. 前記少なくとも１つの傾斜付きエッジは、隣接するタービン構成部品の隣接するプラットフォームのプラットフォームギャップを流れが横断する部分に配設されることを特徴とする請求項７に記載のタービンエンジン構成部品。
9. 複数の傾斜付きエッジをさらに備え、前記傾斜付きエッジの１つが、前記プラットフォームの前部に配設され、前記傾斜付きエッジの他の１つが、前記プラットフォームの後部に配設されることを特徴とする請求項８に記載のタービンエンジン構成部品。
10. 後縁と、該後縁の部分の下方で延びるアンダーカットと、を有する前記エアフォイルをさらに備える請求項１に記載のタービンエンジン構成部品。
11. プラットフォームをさらに備え、前記アンダーカットが、前記プラットフォームの下方に配設されることを特徴とする請求項１０に記載のタービンエンジン構成部品。
12. 前記アンダーカットがスロット形状であることを特徴とする請求項１１に記載のタービンエンジン構成部品。
13. 前記アンダーカットは、第１の部分において使用される第１の半径と、第２の部分において使用される第２の半径と、を有する外形状を備え、
    前記第２の半径は、前記外形状の最低部を形成し、前記第２の半径は、前記最低部に隣接する領域を形成することを特徴とする請求項１１に記載のタービンエンジン構成部品。
14. 前記第１の半径は前記第２の半径より大きいことを特徴とする請求項１３に記載のタービンエンジン構成部品。
15. 前記構成部品がタービンブレードを含むことを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン構成部品。
16. エアフォイルと、
    前記エアフォイル内における複数の冷却通路であって、複数の冷却通路の１つが蛇行先端ターン部を有する複数の冷却通路と、
    前記蛇行先端ターン部に配設されたダートファンネルと、
    を備えるタービンエンジンの構成部品。
17. 前記１つの冷却通路は、先端ダートパージ孔を有し、
    前記蛇行先端ターン部は、前記先端ダートパージ孔に向かう粒子の移動を促進するように角度を有する表面を備えることを特徴とする請求項１６に記載のタービンエンジン構成部品。
18. プラットフォームと、
    前記プラットフォームから延びるエアフォイルと、
    を備え、
    前記プラットフォームが、流路の昇り段差を回避する少なくとも１つの傾斜付きエッジ手段を備えるタービンエンジンの構成部品。
19. 前記少なくとも１つの傾斜付きエッジ手段は、隣接するタービン構成部品の隣接するプラットフォームのプラットフォームギャップを流れが横断する部分に配設されることを特徴とする請求項１８に記載のタービンエンジン構成部品。
20. 前記傾斜付きエッジ手段は、複数の傾斜付きエッジを備え、
    前記傾斜付きエッジの１つが、前記プラットフォームの前部に配設され、前記傾斜付きエッジの他の１つが、前記プラットフォームの後部に配設されることを特徴とする請求項１８に記載のタービンエンジン構成部品。
21. 後縁を有するエアフォイルと、
    前記後縁の一部分の下方で延びるアンダーカットと、
    を備えるタービンエンジンの構成部品。
22. プラットフォームをさらに備え、前記アンダーカットが、前記プラットフォームの下方に配設されることを特徴とする請求項２１に記載のタービンエンジン構成部品。
23. 前記アンダーカットがスロット形状であることを特徴とする請求項２２に記載のタービンエンジン構成部品。
24. 前記アンダーカットは、第１の部分において使用される第１の半径と、第２の部分において使用される第２の半径と、を有する外形状を備え、
    前記第２の半径は、前記外形状の最低部を形成し、前記第２の半径は、前記最低部に隣接する領域を形成し、
    前記第１の半径が前記第２の半径より大きいことを特徴とする請求項２２に記載のタービンエンジン構成部品。

Images