JP2008106743A - ガスタービンエンジンの構成要素 - Google Patents

Abstract

【課題】後縁の半径方向外側部分の冷却を向上させ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】先端フラグ経路６１は、該経路内の領域の伝熱を高める第１のペデスタル６２と、先端フラグ４８の半径方向内側に近接するいくつかの流量調整孔４６と置き換えられた第２のペデスタル６４と、を備える。第２のペデスタル６４は、第１のペデスタル６２よりも大きい直径を有する。これらの２種類のペデスタル６２，６４を配設することによって、従来では焼損および破損を受けていた領域における伝熱が改良される。
【選択図】図６Ａ

Description

本発明は、タービンブレードなどのタービン構成要素に関し、詳細には、ブレード後縁の半径方向外側部分に冷却空気を導く先端フラグ（ｆｌａｇ）が設けられ、このブレード後縁の半径方向外側部分の領域に設けられたペデスタルによって、特に課題とされる領域に追加的な冷却をもたらすタービン構成要素に関する。

ガスタービンエンジンは、周知のように、流路に沿って直列に取り付けられた複数のセクションを備える。ファンが、空気を圧縮機に導き、この圧縮機において、空気が圧縮される。圧縮された空気は、燃焼セクション内に送給される。燃焼セクションにおいて、圧縮空気が燃料と混合され、燃焼される。燃焼生成物は、下流に流れ、タービンロータを通過する。タービンロータは、この燃焼生成物によって駆動されて、ファンセクションおよび圧縮セクションを駆動する。通常、タービンは、複数のロータを備える。該ロータは、周方向に互いに離間したブレードを有し、該ブレードは、ロータから取外し可能である。加えて、タービンロータに隣接して、ステータベーンが配置される。

燃焼生成物が高温であるため、ロータブレードおよびベーンは高温に曝される。ブレードが受ける高温に対処する１つの方法として、ブレードのエアフォイル内に設けられた内部冷却通路を用いる方法が挙げられる。タービンブレードの設計には、冷却通路を最適化することが含まれる。１つの標準的な通路は、蛇行（サーペンタイン）通路である。蛇行通路を通流する冷却空気は、ブレードの内側プラットフォームから半径方向外側に導かれ、ブレードの外側先端に向かう。この空気は、ブレードの外側先端に達した後、プラットフォームに向かって流れて再び半径方向外側へと流れる。他の形式の冷却通路では、空気がエアフォイルの長さに沿って導かれて、後縁の開口に向かって外側に導かれる。この形式の冷却通路は、後縁の外板（スキン）冷却用開口に送給される空気量を調整する複数の流量調整開口と共に利用されることが多い。

先行技術では、後縁におけるエアフォイルの半径方向最外部の冷却に問題があることが分かっている。一例を挙げると、空気を後縁に送給する冷却通路は、後縁の半径方向外側部分に空気を到達させる前に、外板を冷却するように外側に向けて空気の多くを送っている。従って、半径方向外側の冷却は、半径方向内側の箇所に比べて効果的ではない。このような理由から、先行技術では、空気の一部を蛇行通路の半径方向外側部分から後縁の半径方向外側部分に導く、分割壁を備えた先端フラグによって、追加的な冷却空気を送給している。この空気により、追加的な冷却が当該領域にもたらされる。しかし、さらに追加的な冷却が必要である。この先端フラグを設ける考えに基づく１つの更なる改良は、先端フラグ経路に沿ってブレードの壁部にトリップストリップ（ｔｒｉｐ ｓｔｒｉｐ）を設けることである。トリップストリップにより、空気流に乱流が生じるため、冷却効果が高まる。しかし、このような場合でも、当該領域における外部コーティングの破損、焼損および酸化に関連する問題が生じてしまう。

本発明の開示された実施形態では、エアフォイルを有するタービン構成要素における後縁の半径方向最外部に付加的な冷却がもたらされる。原理的には、先端フラグを利用して、冷却空気を後縁の半径方向最外部に導く。この先端フラグは、先端フラグ経路に沿って伝熱ペデスタルの列を備えており、該ペデスタルにより、エアフォイルからさらなる熱を除去する追加的な伝熱表面が付与される。

本発明の他の特徴では、流量調整孔を通る空気流によって冷却されるエアフォイルの領域における半径方向最外部が改良される。具体的には、先端フラグの半径方向内側に近接するいくつかの流量調整孔が、ペデスタル列と置き換えられる。該ペデスタル列により、当該領域から熱を除去する追加的な伝熱表面が付与される。

本発明の上記の目的および他の目的は、以下の詳細な説明および添付の図面から、詳細に理解することができる。

図１は、ガスタービンエンジン１０、例えば、エンジン中心線、すなわち軸方向中心軸１２を中心として周方向に配置された発電または推進に用いられるガスタービンエンジンを示している。このエンジン１０は、ファン１１、圧縮機１３、燃焼セクション１４およびタービン１５を備える。当技術分野において周知のように、圧縮機内で圧縮された空気は、燃料と混合され、燃焼セクション１４内で燃焼され、タービン１５内で膨張する。圧縮機内で圧縮された空気およびタービン１５内で膨張した燃料混合物は、高温ガス流と呼ばれる。タービン１５は、ロータを備えており、該ロータは、膨張に応じて回転して、圧縮機およびファンを駆動させる。タービン１５は、回転するロータブレード３０および静止したエアフォイルつまりステータベーンが交互に並んだ列を備える。図１は、例示を目的とした概略的な図であり、発電および航空機に用いられるガスタービンに適用される本発明を制限するものではない。

図２は、エアフォイル３１およびプラットフォーム３８を有するタービンブレード３０を示している。プラットフォーム３８は、タービンブレード３０をタービンロータに取り付けるのに用いられる。周知のように、エアフォイル３１は、前縁３２から後縁３４まで延びている。後縁には、外板（スキン）冷却用開口３６が設けられ、冷却空気は、該開口を通って外側に導かれて後縁を冷却する。

図３に示されるように、エアフォイル３１は、壁部２９と壁部２７との間で湾曲した形状を有する。周知のように、該壁部により、実質的に中空の空間が画定され、該中空空間内に、内部冷却通路（通路４０，４２など）が形成される。一般的に、この中空空間は、ロストワックス精密鋳造工程中にセラミックコアによって形成される。

図４を参照すると、通路４０，４２，４３により付与された蛇行（サーペンタイン）通路が配設されている。空気は、プラットフォーム３８から通路４０を通って半径方向外側に流れ、通路４２を通って半径方向内側へと戻り、次いで、通路４３を通って再び半径方向外側へと流れてエアフォイル３１から流出する。図示されるように、エアフォイルの半径方向外側先端の付近において、直通通路４４と蛇行通路４０とを隔てる分割壁４７から先端フラグ（ｆｌａｇ）リブ４８が延びている。この先端フラグリブ４８により、通路４０からの空気の一部が先端フラグ経路５０を通って後縁３４へと外側に案内される。これにより、後縁の半径方向外側部分が追加的に冷却される。図示されるように、先端フラグリブ４８の半径方向内側では、空気は、直通通路４４により複数の流量調整孔４６を通って外板冷却用開口３６に導かれる。

図５は、先端フラグおよび通路のさらに他の特徴を示している。図示のように、先端フラグ経路５０に、トリップストリップ（ｔｒｉｐ ｓｔｒｉｐ）５２を配設してもよい。トリップストリップ５２は、壁部２７，２９の内面に形成されるが、壁部内の空間を横切って延びていない。トリップストリップは、冷却空気流れに乱流を生じさせて、伝熱を向上させるように、設計される。しかし、前述したように、これらの先行技術の構造では、後縁の半径方向外側部分における冷却は不十分である。また、トリップストリップは、セラミックコアの薄さおよび脆弱性に伴う製造上の問題によって、ペデスタルのように後縁により近接させて配設することができない。なお、本発明および先行技術の問題をタービンブレードに関して説明しているが、他のエアフォイルまたはガスタービン構成要素であっても、本発明から利得を得ることができる。特に、本発明は、ステータベーンにも適用される。

図６Ａは、本発明のタービンブレード６０を示している。先端フラグ４８により、空気が先端フラグ経路６１に導かれる。しかし、この経路６１には、ペデスタルの列６２が配設されている。図６Ｂに示されるように、ペデスタル６２は、壁部２７，２９間においてエアフォイルを完全に横切って延びている。これらのペデスタルは、より多くの熱を冷却空気流に伝達して、前述した問題に対して良好に対処するように機能する。加えて、先端フラグ４８の半径方向内側に近接するいくつかの流量調整孔４６の代わりに、第２のペデスタルの列６４が配設される。該ペデスタル列６４により、当該領域から熱がさらに除去されるとともに、より堅牢なセラミックコアも製作可能となる。

図６Ａから分かるように、ペデスタル列６４におけるペデスタルは、ペデスタル６２よりも大きい直径を有する。

後縁の半径方向外側部分にペデスタルを設けることによって、特定領域の伝熱が向上するため、冷却が著しく向上する。前記のペデスタルを設けることによって、先行技術の焼損および破損などの問題に対処することができる。

本発明の好ましい実施形態について開示したが、当業者であれば、いくつかの修正が本発明の範囲内においてなされることを理解されるであろう。この理由から、本発明の真の範囲および内容を決定するために、特許請求の範囲を検討されたい。

従来のガスタービンエンジンの概略図。 従来のタービンブレードを示す図。 従来のタービンブレードの一部であるエアフォイルの上面図。 従来のタービンブレードにおける内部冷却通路を示す図。 従来のタービンブレードにおける内部冷却通路のさらに他の特徴を示す図。 本発明の冷却通路を示す図。 例示的なペデスタルの列を示す図。

Claims (11)

1. 半径方向内側部分から半径方向外側部分に延びるとともに、互いに離間した正圧壁および負圧壁を有するエアフォイルであって、前記壁間において概ね中空であり、かつ前縁から後縁に延びるエアフォイルと、
   前記エアフォイル内に形成された内部冷却通路と、
   を備えるガスタービンエンジンの構成要素であって、
   前記内部冷却通路が、
   前記エアフォイルの前記半径方向内側部分から前記半径方向外側部分に向かって冷却空気を導くとともに、複数の流量調整開口を通して前記エアフォイルの前記後縁に設けられた外板冷却用開口に冷却空気を導く直通冷却通路と、
   前記直通冷却通路から前記前縁に向かって配置されるとともに、冷却空気を前記エアフォイルの前記半径方向外側部分に向かって半径方向外側に導き、次いで半径方向内側に導き、再び半径方向外側へと導く蛇行冷却通路と、
   を含み、
   前記直通冷却通路は、分割壁によって前記蛇行冷却通路の一部から分離され、
   前記分割壁は、前記後縁に向かって延びる先端フラグを半径方向外側の位置に有し、
   前記先端フラグは、前記蛇行冷却通路内の冷却空気の一部を、先端フラグ経路に沿って前記後縁に向かって選択的に通流させ、
   前記先端フラグ経路に沿って流れる冷却空気に熱を導くために、前記先端フラグ経路において前記正圧壁と前記負圧壁との間に第１のペデスタル列が延びていることを特徴とするガスタービンエンジンの構成要素。
2. 前記第１のペデスタル列におけるペデスタルが、前記先端フラグに沿った前記分割壁の位置から前記後縁に隣接する位置に亘って配設され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の構成要素。
3. 前記直通冷却通路の前記流量調整孔が、前記先端フラグの半径方向内側の位置で終端しており、
   第２のペデスタル列が、前記先端フラグの半径方向内側でかつ前記正圧壁と前記負圧壁との間に延びており、これにより、前記直通冷却通路内の冷却空気が、前記後縁の前記外板冷却用開口から流出する前に、前記第２のペデスタル列を通過す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の構成要素。
4. 前記第２のペデスタル列におけるペデスタルが、前記第１のペデスタル列における前記ペデスタルの直径よりも大きい直径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の構成要素。
5. 前記ガスタービンエンジンの構成要素が、タービンブレードであ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の構成要素。
6. 半径方向内側部分から半径方向外側部分に延びるとともに、互いに離間した壁部を有するエアフォイルであって、前記壁部間において概ね中空であり、かつ前縁から後縁に延びるエアフォイルと、
   前記エアフォイル内に形成された内部冷却通路と、
   を備えるガスタービンエンジンの構成要素であって、
   前記内部冷却通路が、
   前記エアフォイルの前記半径方向内側部分から前記半径方向外側部分に向かって冷却空気を導くとともに、複数の流量調整開口を通して前記エアフォイルの前記後縁に設けられた外板冷却用開口に冷却空気を導く直通冷却通路と、
   前記直通冷却通路から前記前縁に向かって配置されるとともに、冷却空気を前記エアフォイルの前記半径方向外側部分に向かって半径方向外側に導き、次いで半径方向内側に導き、再び半径方向外側へと導く蛇行冷却通路と、
   を含み、
   前記直通冷却通路は、分割壁によって前記蛇行冷却通路の一部から分離され、
   前記分割壁は、前記後縁に向かって延びる先端フラグを半径方向外側の位置に有し、
   前記先端フラグは、前記蛇行冷却通路内の冷却空気の一部を、先端フラグ経路に沿って前記後縁に向かって選択的に通流させ、
   前記直通冷却通路の前記流量調整孔が、前記先端フラグの半径方向内側の位置で終端しており、
   前記先端フラグの半径方向内側でかつ前記壁部間において、ペデスタル列が配設され、これにより、前記直通冷却通路内の冷却空気が、前記後縁の前記外板冷却用開口から流出する前に、前記ペデスタル列を通過することを特徴とするガスタービンエンジンの構成要素。
7. 前記ガスタービンエンジンの構成要素が、タービンブレードであることを特徴とする請求項６に記載のガスタービンエンジンの構成要素。
8. 半径方向内側部分から半径方向外側部分に延びるとともに、互いに離間した壁部を有するエアフォイルであって、前記壁部間において概ね中空であり、かつ前縁から後縁に延びるエアフォイルと、
   前記エアフォイル内に形成された内部冷却通路と、
   を備えるガスタービンエンジンの構成要素であって、
   前記内部冷却通路が、
   前記エアフォイルの前記半径方向内側部分から前記半径方向外側部分に向かって冷却空気を導くとともに、複数の流量調整開口を通して前記エアフォイルの前記後縁に設けられた外板冷却用開口に冷却空気を導く直通冷却通路と、
   前記直通冷却通路から前記前縁に向かって配置されるとともに、冷却空気を前記エアフォイルの前記半径方向外側部分に向かって半径方向外側に導き、次いで半径方向内側に導き、再び半径方向外側へと導く蛇行冷却通路と、
   を含み、
   前記直通冷却通路は、分割壁によって前記蛇行冷却通路の一部から分離され、
   前記分割壁は、前記後縁に向かって延びる先端フラグを半径方向外側の位置に有し、
   前記先端フラグは、前記蛇行冷却通路内の冷却空気の一部を、先端フラグ経路に沿って前記後縁に向かって選択的に通流させ、
   前記先端フラグ経路に沿って流れる冷却空気に熱を導くために、前記先端フラグ経路において前記壁部間に延びる第１のペデスタル列が配設され、
   前記直通冷却通路の前記流量調整孔が、前記先端フラグの半径方向内側の位置で終端しており、
   前記先端フラグの半径方向内側において前記壁部間に延びる第２のペデスタル列が配設され、これにより、前記直通冷却通路内の冷却空気が、前記後縁の前記外板冷却用開口から流出する前に、前記ペデスタル列を通過することを特徴とするガスタービンエンジンの構成要素。
9. 前記第１のペデスタル列におけるペデスタルが、前記先端フラグに沿った前記分割壁の位置から前記後縁に隣接する位置に亘って配設されることを特徴とする請求項８に記載のガスタービンエンジンの構成要素。
10. 前記第２のペデスタル列におけるペデスタルが、前記第１のペデスタル列における前記ペデスタルの直径よりも大きい直径を有することを特徴とする請求項８に記載のガスタービンエンジンの構成要素。
11. 前記ガスタービンエンジン構成要素が、タービンブレードであることを特徴とする請求項８に記載のガスタービンエンジン構成要素。

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