JP2008128247A - トリフォリアル先端空洞翼形部 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンのタービンブレードを提供する。
【解決手段】本タービンブレード（１０）は、翼形部（１２）、プラットフォーム（１４）及び一体形ダブテール（１６）を含み、翼形部（１２）が、対向する前縁及び後縁（２４、２６）間で翼弦にわたって延びかつ根元（２８）から先端（３０）までスパンにわたって延びる対向する正圧及び負圧側面（２０、２２）を有し、先端（３０）が、それぞれ正圧及び負圧側面（２０、２２）に沿って先端フロア（４０）から延びる第１及び第２のリブ（３６、３８）を含み、第１及び第２のリブ（３６、３８）が、前縁及び後縁（２４、２６）において互いに接合されると共に翼幅方向に間隔を置いて配置されて、該第２のリブ（３８）に対してカウンタ輪郭として翼弦方向に延びて互いに隣接する三重先端ポケット（４８、５０、５２）を形成した三叉先端バッフル（４２、４４、４６）を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンエンジンのタービンブレードに関する。

ガスタービンエンジンでは、空気は、圧縮機内で加圧されかつ燃料と混合されて燃焼器内で燃焼ガスを生成する。様々なタービン段が、燃焼ガスからエネルギーを抽出して、エンジンに動力を供給しまた仕事を行う。

高圧タービン（ＨＰＴ）は、燃焼器のすぐ後方に続き、最も高温の燃焼ガスからエネルギーを抽出して１つの駆動シャフトを介して上流の圧縮機に動力を供給する。低圧タービン（ＬＰＴ）は、ＨＰＴの後方に続き、燃焼ガスから付加的なエネルギーを抽出して別の駆動シャフトに動力を供給する。ＬＰＴは、ターボファン航空機エンジン用途では上流のファンに動力を供給し、或いは船舶及び産業用途の場合には外部シャフトに動力を供給する。

エンジン効率及び燃料消費率（ＳＦＣ）は、最新のガスタービンエンジンでは主要な設計目標である。様々なタービンロータブレード及びその対応するノズルベーンは、その上での速度及び圧力分布を制御して空気力学的効率を最大にするようになった精密に構成した空気力学的表面を有している。

ブレード及びベーンの対応する翼形部は、対向する前縁及び後縁間で翼弦にわたって軸方向に延びるほぼ凹面形の正圧側面とほぼ凸面形の負圧側面とを有する。翼形部は、その幅が前縁から最大幅の領域まで急激に増大し、次にその幅が後縁まで徐々に減少する三日月形輪郭の半径方向断面を有する。

翼形部の円周方向又は翼幅方向に対向する側面はまた、スパンにわたって根元から先端まで半径方向に延びる。翼形部は一般的に、超合金金属の鋳造によって形成した薄い側壁を有しており、その全てが運転時に翼形部を効率的に冷却すると同時に効率を最大にするように特別に調整された様々な実施形態を有する内部冷却回路を備えている。

しかしながら、タービン翼形部の空気力学的設計は、その完全な列内の個々の翼形部の三次元３Ｄ構成及び運転時に翼形部間を流れる燃焼ガスの対応する複雑な流れストリームの観点から見て著しく複雑である。この設計の複雑さ及び環境に加わるのが、運転時に周囲の固定シュラウドの内側において高速度で回転するタービンブレードの半径方向外側先端周りの特有の流れ場である。

ブレード先端及びタービンシュラウド間の作動間隙又はギャップは、実施可能な限り小さくしてそれを通過する燃焼ガス流の漏洩を最少にすると同時にさらに、回転先端と固定シュラウドとの間での望ましくない摩擦がない状態でブレード及びシュラウドの熱膨張及び収縮を可能にするようにしなければならない。

運転時に、タービン列内のブレードは、翼形部負圧側面が対向する翼形部正圧側面に先行した状態で、支持ロータディスクを回転駆動する。翼形部は一般的に、ロータディスクの周辺部から半径方向に根元から先端まで捩れており、前縁はエンジン軸方向中心軸線に対して斜めに上流側に対面して、協働するノズルベーンの斜めの吐出スワール角度と整合している。

燃焼ガスは、ほぼ軸方向下流方向に流れ、円周方向又は接線方向成分が、１つの流れ方向で最初に翼形部前縁と接触し、次にその後縁上で異なる流れ方向に翼形部から離れる。

翼形部の正圧及び負圧側面は、それらの間の差圧を最大にしかつ高温燃焼ガスからのエネルギー抽出を最大にするような対応する異なる３Ｄ輪郭を有する。凹面形の正圧側面及び凸面形の負圧側面は、前縁及び後縁間並びに根元から先端まで対応して変化する異なる速度及び圧力分布をその上に生じる。しかしながら、必要な先端間隙内で翼形部先端を越えて漏洩する燃焼ガスは、たとえあったとしても殆ど有用な仕事を行わない。

従がって、タービンブレード設計をさらに複雑にしているのは、露出したブレード先端であり、このブレード先端は、運転時にその上を越えて漏洩する燃焼ガス内に浸っており、運転期間にわたるタービンブレードの長い有効寿命を保証するために該ブレードを適切に冷却することを必要とする。

最新のタービンブレード設計では一般的に、前縁から後縁までの翼形部の正圧及び負圧側面の小さい半径方向延長部であるスキーラ先端リブを組み込んでいる。先端リブは一般的に、その断面が矩形であり、翼幅方向又は円周方向に間隔を置いて配置されて、一般的に中空の翼形部及びその中の内部冷却回路を囲む一体形先端フロアを有する翼形部頂部上に開いた先端空洞を形成する。

小さい先端リブは、先端摩擦の発生時に先端フロア及び内部冷却回路を望ましくない損傷から保護する犠牲材料を形成する。先端リブは、燃焼ガス流れ場の複雑さを増加させ、この燃焼ガス流れ場は、タービン効率、流れ漏洩及び先端冷却に影響を与える局所的二次流れ場を生じさせる。

燃焼ガスの主な流れ方向は、隣接するブレード間に形成された流路における軸方向下流方向である。軸方向流れストリームはまた、各翼形部の根元から先端まで半径方向に沿って変化する。また、これらの軸方向及び半径方向の流れ変化は、燃焼ガスが各翼形部の正圧及び負圧側面間で漏洩する翼形部先端上でさらに複合される。

従って、先行技術には、タービン効率、先端漏洩及び先端冷却を含む異なる問題及び性能上の考慮事項に対処するタービンブレード先端の様々な構成が多数存在する。これら３つの重要な考慮事項は、少なくとも部分的に相互依存しているが、翼形部先端における異なる正圧及び負圧側面上並びに前縁及び後縁間の複雑な３Ｄ流れ場は、その評価を極めて複雑にしている。

しかしながら、最新のコンピュータ流体力学（ＣＦＤ）は、ガスタービンエンジンにおける複雑な３Ｄ流れストリームを数学的に分析する能力を向上させかつそれによりタービンブレード設計における更なる改善を実現することができるメカニズムを提供する有力なソフトウェアを含む。
米国特許第３，６３５，５８５号公報 米国特許第３，７８１，１２９号公報 米国特許第４，０１０，５３１号公報 米国特許第４，１４２，８２４号公報 米国特許第４，３９０，３２０号公報 米国特許第４，４２４，００１号公報 米国特許第４，６０６，７０１号公報 米国特許第４，８９３，９８７号公報 米国特許第４，９４０，３８８号公報 米国特許第４，８９３，９８７号公報 米国特許第４，９９２，０２５号公報 米国特許第５，２６１，７８９号公報 米国特許第５，２８２，７２１号公報 米国特許第５，４７６，３６４号公報 米国特許第５，５０３，５２７号公報 米国特許第５，６６０，５２３号公報 米国特許第５，５６４，９０２号公報 米国特許第５，６６０，５２３号公報 米国特許第５，７２０，４３１号公報 米国特許第６，０３９，５３１号公報 米国特許第６，０５９，５３０号公報 米国特許第６，０８６，３２８号公報 米国特許第６，１６４，９１４号公報 米国特許第６，２２４，３３６号公報 米国特許第６，５２７，５１４号公報 米国特許第６，５５４，５７５号公報 米国特許第６，５９５，７４９号公報 米国特許第６，６７２，８２９号公報 米国特許第６，７９０，００５号公報 Mischo, B., "Flow Physics and Profiling of Recessed Blade Tips: Impact on Performance and Heat Load, " ASME GT2006-91074, May 8-11, 2006, pp: 1-11 U. S. Patent application No. 11/162433. "Turbine Airfoil with Curved Squealer Tip, "filed 09/09/2005, M. E. Stegemiller et al, [GE Docket 179740] U. S. Patent application No. 11/162434. "Turbine Airfoil Curved Squealer Tip with Tip Shelf, " filed 09/09/2005, M. E. Stegemiller et al, [GE Docket 187352] U. S. Patent Aplication No. 11/507,119; filed 08/21/2006, by K. S. Klasing et al, [Docket GE198052] U. S. Patent Aplication No. 11/507,116; filed 08/21/2006, by K. S. Klasing et al, [Docket GE198053] U. S. Patent Aplication No. 11/507,120; filed 08/21/2006, by K. S. Klasing et al, [Docket GE198072] U. S. Patent Aplication No. 11/507,121; filed 08/21/2006, by K. S. Klasing et al, [Docket GE198092] U. S. Patent Aplication No. 11/507,132; filed 08/21/2006, by K. S. Klasing et al, [Docket GE198093]

例えば、先端流れ漏洩を減少させること、又はタービン効率を向上させること、又は先端冷却を向上させること、又はこれらの要因を組合せることを個別に行うか或いは同時に行うかのいずれかによってタービンブレード先端設計を改善することが望ましい。

タービンブレードは、その対向する正圧及び負圧側面に沿って延びる第１及び第２の先端リブを有する翼形部を含む。先端リブは、翼形部の前縁及び後縁間で間隔を置いて配置されて、トリフォリアル先端空洞を形成する三叉先端バッフルを含む。

好ましくかつ例示的な実施形態により、本発明をその更なる目的及び利点と共に、添付図面と関連させて行った以下の詳細な記述においてより具体的に説明する。

図１は、ガスタービンエンジンのＨＰＴで使用する例示的な第１段タービンロータブレード１０を示す。ブレードは一般的に、一体形の単体構造組立体として翼形部１２、該翼形部の根元におけるプラットフォーム１４及び支持ダブテール１６を備えた状態で、超合金金属で鋳造される。

ダブテール１６は、図１に示す軸方向挿入式ダブテールのような、支持ロータディスク（図示せず）の周辺部における対応するダブテールスロット内にブレードを取付けるあらゆる従来型の形態を有することができる。ディスクは、互いに円周方向に間隔を置いて配置されてそれらの間にブレード間流路を形成した完全なブレード列を保持する。

運転時に、燃焼ガス１８は、エンジン（図示せず）の燃焼器内で発生され、対応するタービンブレード１０上を下流方向に送られ、タービンブレード１０は、燃焼ガスからエネルギーを抽出して支持ロータディスクに動力を供給するようになる。個々のプラットフォーム１４は、燃焼ガスに対する半径方向内側境界面を形成し、隣接プラットフォームに互いに隣接して完全なタービンブレード列を形成する。

図１及び図２に示す翼形部１２は、対向する前縁及び後縁２４、２６間で翼弦にわたって軸方向に延びる円周方向又は翼幅方向（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｌｙ）に対向する正圧及び負圧側面２０、２２を含み、翼形部根元２８からスパンにわたって半径方向に延びて半径方向外側先端キャップ又は先端３０で終端する。翼形部正圧側面２０は、前縁及び後縁間でほぼ凹面形であり、前縁及び後縁間でほぼ凸面形の翼形部負圧側面２２を補完する。

翼形部の正圧及び負圧側面２０、２２の外面は、運転時に燃焼ガスからのエネルギー抽出を最大にするような該ガスの対応する速度及び圧力分布をその上に生じるように従来通りに構成された典型的な三日月形状又は輪郭を有する。

翼形部１２は一般的に、中空でありかつ内部冷却回路３２を含み、内部冷却回路３２は、前縁の後方及び後縁の前方の対応する流路で終端する図示した２つの３経路蛇行回路のような構成を有することができる。冷却回路は、プラットフォーム及びダブテールを貫通して延び、ダブテールの底面内の対応する入口が、あらゆる従来通りの方式でエンジン（図示せず）の圧縮機から加圧冷却空気３４を受けるようになっている。

このようにして、ブレードは、内部冷却空気によって根元から先端までかつ前縁及び後縁間で内部冷却され、内部冷却空気は次に、従来型の寸法及び形状を有する様々なフィルム冷却孔の列の形態で薄い翼形部側壁を貫通して吐出することができる。

翼形部の前縁は一般的に、最も高温の流入燃焼ガスに曝されるので、あらゆる好適な方法でその専用の冷却が行われる。また、翼形部の薄い後縁領域は一般的に、使用済み冷却空気の一部分を吐出するための正圧側面後縁冷却スロットの列を有する。

上述のように、図１に先ず示すタービン翼形部１２は、燃焼ガス１８が前縁２４から後縁２６まで軸方向下流方向に流れる時にそれに対応して該燃焼ガスの速度及び圧力分布に影響を与える精密に構成した３Ｄ外輪郭を有する。ブレードは、支持ディスクの周辺部に取付けられかつ運転時に回転し、そのことにより、燃焼ガスが翼形部のスパンに沿って一般的に半径方向外向きに移動する該燃焼ガスの二次流れ場が生成される。

さらに、翼形部の正圧側面２０上における燃焼ガスの相対圧力は、翼形部の負圧側面に沿った圧力よりも高く、また運転時におけるブレードの対応する回転に伴って、燃焼ガスが運転時に露出翼形部先端に向かって半径方向上方にかつ該露出翼形部先端を越えて流れる時に該燃焼ガスの流れ場内に更なる二次的又は三次的影響を生じさせる。

上述したタービンロータブレードは、その構成及び作動を従来型のものとすることができ、例えばＨＰＴの第１段を含むガスタービンエンジンで使用することができる。従来型のブレードは次に、翼形部先端３０を以下に述べるように変更して、それぞれ翼形部正圧及び負圧側面又は側壁２０、２２の半径方向一体形延長部でありかつその輪郭又は曲面がそれら側面又は側壁と一致した第１及び第２のスキーラ先端リブ３６、３８を含むようにすることができる。

第１の又は正圧側面リブ３６は、翼形部の凹面形正圧側面２０の形状又は輪郭と翼弦方向に一致し、またそれに対応して第２の又は負圧側面リブ３８は、その翼弦方向輪郭が翼形部の凸面形負圧側面２２と一致している。

図１〜図３に示すように、翼形部はまた、対向する側面２０、２２を橋絡して内部冷却回路３２を囲む先端フロア４０を含む。先端フロアは、一般的には無孔であるが、あらゆる従来型の方式で内部冷却回路から使用済み空気の幾らかを吐出するための小さい冷却孔又はダスト孔（図示せず）を有することができる。

２つのリブ３６、３８は、翼形部の対向する正圧及び負圧側面表面を形成した該翼形部の対応する側壁の連続部又は延長部として共通の先端フロア４０から半径方向外向きに延びる。２つのリブ３６、３８は、翼形部の対向する前縁及び後縁２４、２６において互いに一体形に接合され、翼形部の空気力学的正圧及び負圧側面の完全な周辺延長部を形成する。

前縁及び後縁の間で、２つのリブ３６、３８は、翼幅方向又は円周方向に間隔を置いて配置されて、先端フロア４０上方に露出したトリフォリアル（triforial）又は三開口（three-opening）先端空洞を形成した三叉（trifurcate）又はスリーフォーク先端バッフルを含む。三叉バッフルは、前縁及び後縁間で軸方向又は翼弦方向に延びる３つのバッフル脚部４２、４４、４６を含み、またトリフォリアル先端空洞は、３つの脚部及び２つのスキーラリブによって形成された３つの対応する先端空洞又はポケット４８、５０、５２を含む。

先端バッフルは、凸面形の第２のリブ３８に対してカウンタ輪郭（counter profile）又は外形（contour）として翼形部先端全体を３つの空洞セクションに分割するように特別に構成されて、３つの対応するポケット４８、５０、５２が、互いに側方に（laterally）重なり合うか又は隣接して翼形部先端のシール性能を向上させるようにする。

図２には、翼形部１２を典型的な三日月形輪郭を有するものとして半径方向断面で示しており、翼形部は、その翼幅方向の幅Ｗが前縁２４から後方に凸面形負圧側面２２のハンプ（隆起部分）５４における最大幅まで増大している。翼形部はその後、前縁から後縁２４、２６まで２つのリブ３６、３８に沿った様々な領域における変化する速度及び圧力分布により空気力学的性能を最大にする必要に応じて、ハンプから後縁２６まで後方に収束する。

翼形部の正圧側面２０は、その前方部分に沿って最も凹面形になっており、ハンプ領域を含むその前方部分の周りで最も凸面形になっている翼形部負圧側面２２を空気力学的に補完する。翼形部は、ハンプから後方に共通の後縁まで収束し、正圧及び負圧側面の後方部分は、より小さい曲面（曲率）を有し、薄い後縁の近傍でほぼ直線状の翼弦輪郭に近くなる。

三重脚部先端バッフルは、周囲のスキーラリブ３６、３８間で先端空洞を３つの異なる開口部に分割するために使用され、開口部は、リブの正圧及び負圧側面の周りの様々な領域と異なった状態で協働する。具体的には、３つの脚部４２、４４、４６は、それら脚部の対応する中央配置端部の共通の一体形接合部から側方外向きに放射状に延びる。

共通接合部は、２つのリブ３６、３８間でそのほぼ中間部に間隔を置いた状態で翼形部先端の最大幅の領域内に設置される。また、３つの脚部は、２つのリブ３６、３８の好適な位置に一体形に接合された対応する両端部を有する。

このようにして、三重脚部は、三重先端ポケットを形成する。また、それに対応して、三重ポケット４８、５０、５２は、第１及び第２のリブ３６、３８間での翼幅方向並びに前縁及び後縁２４、２６間での翼弦方向の両方向に共通接合部から放射状に又は側方外向きに延びる。

図４に半径方向断面で示すように、翼形部先端３０は、関連部品として示した従来型のタービンシュラウド５６の内部に好適に取付けられて、該タービンシュラウド５６との間に比較的小さい半径方向間隙又はギャップを形成する。燃焼ガス１８は、運転時に翼形部の正圧側面２０上を越えて半径方向間隙を通って漏洩し、翼形部のより低圧の負圧側面２２上に放出される。

バッフル脚部の各々は、矩形翼幅方向断面を有し、先端フロアから垂直方向に延びる。第１及び第２のリブ３６、３８並びに先端バッフルは、先端フロア４０から共通の高さ又はスパンで延びて周囲のタービンシュラウド５６の内面との間にほぼ一定の半径方向ギャップを形成する。従って、図１、図３及び図４に示す翼形部先端の半径方向外面は、周囲のシュラウドとの間での緊密なシール適合を構成するように互いに同一平面になっている。

図３は、三叉先端バッフルの好ましい構成とその正圧及び負圧側面に沿った翼形部先端の分割を示している。第１の２つの前方脚部４２、４４は、先端バッフルのヘッド又はＹ部分を形成しかつ翼形部前縁の近傍で開始する。後方の第３の脚部４６は、先端バッフルのベース又はステムを形成しかつ後縁近傍で終端する。

より具体的には、第１の脚部４２の遠位端部は、前縁２４における２つのリブ３６、３８の共通接合部の近傍で２つのリブ３６、３８に接合する。

第２の脚部４４は、翼弦方向に前縁２４とハンプ５４との間でそれらの間に好適な中間間隔を有した状態で翼形部の負圧側面に沿って開始する。第２の脚部４４の遠位端部は、ハンプ５４の近傍で第２のリブ３８に接合して第１脚部４２と共に第１のポケット４８を形成し、また第１のポケットは第２のリブ３８から後方に収束するのが好ましい。

第３の脚部４６は、翼弦方向にハンプ５４の後方かつ後縁２６の前方においてそれらの間の好適な中間間隔で負圧側面に沿って終端するのが好ましい。第３の脚部４６の遠位端部は、第２のリブ３８に一体形に接合してその両側に第１リブ３６と共に第２の先端ポケット５０を形成しかつ第２のリブ３８と共に第３の先端ポケット５２を形成する。第２のポケット５０は、その後方端部まで後方に収束し、また第３のポケット５２は、その後方端部まで後方に収束する。

第３の脚部４６は、ハンプ５４及び後延２６間のほぼ中央部で第２のリブ３８と一体形で終端するので、第２のポケット５０は、その終端接合部から後方に、またその接合部で終端する第３のポケット５２から後方に連続する。

第１のポケット４８は、第２のリブ３８から互いに収束して第３の脚部４６に接合した第１及び第２の脚部４２、４４によって側方に境界付けられてする。第２のポケット５０は、第１のリブ３６並びに同延の第１及び第３の脚部４２、４６によって側方に境界付けられる。また、第３のポケット５２は、第２のリブ３８並びに同延の第２及び第３の脚部４４、４６によって側方に境界付けられる。

翼形部１２は、凹面形正圧側面２０及び対向する凸面形負圧側面２２を有するので、同延の第１及び第３の脚部４２、４６は、全体として第２のポケット５０及び正圧側面２０に向かって凹面形でありかつ凹面形の第１のリブ３６と同じ凹面形翼弦方向輪郭で該第１のリブ３６に対面している。しかしながら、同延の第２及び第３の脚部４４、４６は、第２のリブ３８に対する対向又はカウンタ凹面形翼弦方向輪郭の凸面形の第２のリブ３８に対面している。

共通の第３の脚部４６は、分割Ｙ字構成で第１及び第２の脚部４２、４４の両方に接合し、第２のポケット５０に向かって凹面形でありかつ第１リブ３６の凸面形内面に対面し、また対向する第３のポケット５２に向かって凸面形でありかつその輪郭アーチ形がハンプ領域における輪郭よりも著しく小さい第２のリブ３８に対面している。

先端バッフルの三叉分割構成のために、２つの脚部４２、４６の凹面形外面は、第２のポケット５０を境界付ける第１リブ３６の凸面形内面に対面している。また、２つの脚部４４、４６の凹面形外面は、第３のポケット５２を境界付ける第２のリブ３８の凹面形内面に対面している。

第１のポケット４８は、前縁２４のすぐ近傍に設置されるので、２つの分割脚部４２、４４の内面は、互いに向って内向きに対面しかつ凸面形であり、また第２のリブ３８の凹面形内面と協働してこの前方ポケット４８を対称Ｙ字フォーク構成として境界付ける。また、分割前方脚部４２、４４は、収束する流れチャネル内で流入燃焼ガス流を３つの脚部の共通接合部に向かって導く。

図３に示すように、先端ポケット４８、５０、５２の少なくとも１つ、好ましくは３つ全ては、先端フロア４０から後方にかつ外向きに傾斜したランプ（傾斜面）５８を含む。第１のポケット４８は、第１及び第２の脚部４２、４４間に第３の脚部４６との接合部で終端する第１のランプ５８を含む。

第２のポケット５０は、第１及び第２のリブ３６、３８間に後縁２６との接合部の近傍で終端する第２のランプ５８を含む。また、第３のポケット５２は、第３の脚部４６と第２のリブ３８との間に第２のリブ３８との接合部で終端する第３のランプ５８を含む。

図４は、それに対応して各先端ポケットの後方端部に設置されかつ翼形部先端の共通先端フロアから半径方向外側端部までの空気力学的に滑らかな移行部を形成する３つのランプ５８のうちの２つを示している。

各ランプ５８は、性能を最大にするために特定の流れ場が必要となるので直線の又は湾曲した構成を有することができる。ランプは、それとの間で凹面形の滑らかな連続面で先端フロアに接合しかつ凸面形の滑らかな連続面で翼形部先端に接合するのが好ましい。また、それらの間では、ランプは、直線状にすることができ、或いはその対向する凹面形及び凸面形部分間に変曲領域を有することができる。

背景技術の項において上述したように、タービンブレードの３Ｄ構成は、極めて複雑であり、タービン翼形部は、運転時に翼形部前縁の周りで分割された燃焼ガス１８の高度に複雑な３Ｄ流れ場内で作動する。

図３は、翼形部先端の空気力学的輪郭の周りでの分割ガス流の例示的なストリームラインを示している。図３に示す例示的な実施形態についてＣＦＤ分析を行って、該ＣＦＤ分析により、その中に三叉先端バッフルを持たない単一の先端空洞を有する標準設計と比較して性能が向上することが確認された。

特別の設計として上記開示の先端バッフルの導入を使用して、タービン効率を向上させると共に先端−シュラウド間隙を通しての翼形部先端を越える燃焼ガスの漏洩を低減させるようにすることができる。

タービン効率は、根元から先端まで並びに前縁及び後縁間で翼形部の正圧及び負圧側面上に作用する燃焼ガスの差圧によりエネルギーを抽出する翼形部表面の能力に基づいている。先端バッフルの導入により、付加的表面領域が形成され、この付加的表面領域に対して先端流がブレード上での付加的な仕事を行うことができる。先端バッフルはまた、２つのスキーラ先端リブ３６、３８それ自体と同様に付加的シールを形成して、先端流漏洩を減少させるようにする。

先端漏洩は、例えば図３に示す翼形部先端の３Ｄ構成の観点で軸方向及び円周方向成分の両方を含む。燃焼ガス１８は、上流側タービンノズル（図示せず）からの斜めの入口角度のために、軸方向及び円周方向の両方においてその前縁２４の周りの翼形部と接触する。

第１の先端ポケット４８は、第２のリブ３８の前方部分上の流入流れストリームラインを捕捉しかつこの捕捉したガスを２つの脚部４２、４４間で後方に絞り込むように流す。この絞り込むように流されたガスは、第１のポケットを加圧する二次流れ場を生じ、第１の脚部４２に沿って空気力学的流れ障壁を形成する。

同様に、第３の先端ポケット５２は、ハンプの前方におけるその前方部分に沿った流入流れを捕捉しかつこの捕捉した漏洩流を後方に絞り込むように流して、第３の先端ポケット５２を加圧しかつ第３の脚部４６に沿って連続する空気力学的流れ障壁を形成する。

このように加圧した第１及び第３のポケット４８、５２は、正圧側面からその上を越える漏洩流を減少させ、また先端バッフル自体により付加的エネルギーを抽出することによってタービン効率を高める。

それに対応して、燃焼ガスはまた、第１のリブ３８を越えて第２の先端ポケット内に漏洩しかつその中で後方方向に絞り込まれるように流れる。両方のポケット５０、５２の後方端部からの漏洩ガスは次に、負圧側面の第２のリブ３８の後方部分を越えて下流方向に放出されることになる。

３つのポケット４８、５０、５２をその後方方向に収束させることによって、その内部の二次流れが加速されかつ翼形部先端をさらに加圧することになる。３つのポケット４８、５０、５２の後方端部に３つのランプ５８を導入して、二次流れをさらに加速しかつ翼形部先端をさらに加圧することができる。

従って、特別に構成しかつ設置した先端バッフルにより、燃焼ガスが運転時に翼形部先端上を越えて流れる時に該燃焼ガスの軸方向及び円周方向漏洩の両方を減少させると同時にそれに応じてタービン効率を向上させる簡単なメカニズムが得られる。

さらに、先端バッフルの導入は、翼形部が後縁に向かってテーパ状に薄くなっている該翼形部の翼弦に沿って先端漏洩をより後方に偏らせ、それにより、その漏洩自体に起因した効率の低下を低減する。

この図３及び図４に示す好ましい実施形態では、第３の脚部４６は、翼形部の対向する側面間の翼幅方向中央部の近傍に配置されて２つのポケット５０、５２の局所的幅を最大にするようになっている。ポケットの幅が小さすぎる場合には、漏洩ガスは、その中に有意な局所的流れ場を生成せずに単に第２のポケット５０から溢れ出るだけとなり、従ってバッフルによる性能向上が制限されることになる。

こういう理由で、バッフルは、３つの脚部のみを含みかつ図３に示す翼形部の薄い後縁の上流側で好適に終端して、３つの先端ポケットのみを形成すると共に２つの後方ポケット５０、５２の好適な最小幅を維持してトリフォリアル先端の性能上の利点を最大にするようにするのが好ましい。

この図１〜図４に示すタービンブレードの例示的な実施形態では、第２のスキーラリブ３８及びバッフル脚部４２、４４、４６の両方は、共通先端フロア４０から半径方向外向きに延びる同様な矩形の翼幅方向セクションを有し、それらは、約２０〜２５ミル（０.５〜０.６ミリメートル）の幅とすることができる。しかしながら、第１のスキーラリブ３６は、翼形部の正圧側面２０に沿ってアーチ形フレア６０を含み、このアーチ形フレア６０は、タービンブレードの別の改良として流れ漏洩をさらに減少させることができる。

リブ及びポケットの高さは、約４０ミル（１．０ミリメートル）とすることができる。また、正圧及び負圧側面を翼幅方向に橋絡する２つのポケット５０、５２の最小幅は、約３０ミル（０．７６ミリメートル）とすることができる。

上記に開示したタービンブレードにおける比較的簡単な三叉先端バッフルの導入は、ブレード自体に対する変更を殆ど必要とせず、ブレードの重量のごく僅かな増加が生じるのみである。しかしながら、この簡単な先端バッフルを使用して、完全なタービンブレード列におけるタービン効率を著しく向上させると同時に、翼形部先端上を越えるガス流漏洩を大幅に低減することもできる。

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り、従って、全てのそのような変更は本発明の技術思想及び技術的範囲内に属するものとして特許請求の範囲で保護されることを切望する。

従って、本特許によって保護されることを望むものは、提出した特許請求の範囲に記載しかつ特定した発明である。

例示的なタービンロータブレードの部分断面斜視図。 図１に示しかつ線２−２に沿って取った翼形部の半径方向断面図。 図１に示す翼形部先端の拡大斜視図。 図１に示しかつ線４−４に沿って取った翼形部先端の半径方向横断面図。

符号の説明

１０ ロータブレード
１２ 翼形部
１４ プラットフォーム
１６ ダブテール
１８ 燃焼ガス
２０ 正圧側面
２２ 負圧側面
２４ 前縁
２６ 後縁
２８ 根元
３０ 先端
３２ 冷却回路
３４ 冷却空気
３６ 第１の先端リブ
３８ 第２の先端リブ
４０ 先端フロア
４２ 第１のバッフル脚部
４４ 第２のバッフル脚部
４６ 第３のバッフル脚部
４８ 第１の先端ポケット
５０ 第２の先端ポケット
５２ 第３の先端ポケット
５４ ハンプ
５６ タービンシュラウド
５８ ランプ
６０ フレア

Claims (10)

1. 翼形部（１２）、プラットフォーム（１４）及び一体形ダブテール（１６）を含み、
   前記翼形部（１２）が、対向する前縁及び後縁（２４、２６）間で翼弦にわたって延びかつ根元（２８）から先端（３０）までスパンにわたって延びる対向する正圧及び負圧側面（２０、２２）を有し、
   前記先端（３０）が、それぞれ前記正圧及び負圧側面（２０、２２）に沿って先端フロア（４０）から延びる第１及び第２のリブ（３６、３８）を含み、
   前記第１及び第２のリブ（３６、３８）が、前記前縁及び後縁（２４、２６）において互いに接合されると共に翼幅方向に間隔を置いて配置されて、該第２のリブ（３８）に対してカウンタ輪郭として翼弦方向に延びて互いに隣接する三重先端ポケット（４８、５０、５２）を形成した三叉先端バッフル（４２、４４、４６）を含む、
   タービンブレード（１０）。
2. 前記先端バッフル（４２）が、共通接合部から外向きに放射状に延びて、前記第１及び第２のリブ（３６、３８）間での翼幅方向並びに前記前縁及び後縁（２４、２６）間での翼弦方向の両方向に該共通接合部から側方外向きに放射状に延びる第１、第２及び第３の先端ポケット（４８、５０、５２）を形成した第１、第２及び第３の脚部（４２、４４、４６）を含む、請求項１記載のブレード。
3. 前記翼形部（１２）が、その幅が前記前縁（２４）から後方に前記負圧側面（２２）のハンプ（５４）における最大幅まで増大し、その後前記後縁（２６）まで収束し、
   前記第１の脚部（４２）が、前記前縁（２４）の近傍で前記リブの１つに接合し、
   前記第２の脚部（４４）が、前記前縁（２４）の後方かつ前記ハンプ（５４）の前方において前記第２のリブ（３８）に接合して前記第１の脚部（４２）と共に前記第１のポケット（４８）を形成し、
   前記第３の脚部（４６）が、前記ハンプ（５４）の後方かつ前記後縁（２６）の前方において前記第２のリブ（３８）に接合して、該第３の脚部（４６）の両側に前記第１のリブ（３６）と共に前記第２のポケット（５０）形成しかつ前記第２のリブ（３８）と共に前記第３のポケット（５２）を形成する、
   請求項２記載のブレード。
4. 前記第１のポケット（４８）が、前記第２のリブ（３８）から互いに収束して前記第３の脚部（４６）に接合した前記第１及び第２の脚部（４２、４４）によって境界付けられ、
   前記第２のポケット（５０）が、前記第１のリブ（３６）並びに前記第１及び第３の脚部（４２、４６）によって境界付けられ、
   前記第３のポケット（５２）が、前記第２のリブ（３８）並びに前記第２及び第３の脚部（４４、４６）によって境界付けられる、
   請求項３記載のブレード。
5. 前記第１の脚部（４２）が、前記第２のポケット（５０）に向かって凹面形でありかつ前記第１のリブ（３６）の凸面形内側面に対面し、また前記第２の脚部（４４）が、前記第３のポケット（５２）に向かって凹面形でありかつ前記第２のリブ（３８）の凹面形内側面に対面している、請求項４記載のブレード。
6. 前記第３の脚部（４６）が、前記第２のポケット（５０）に向かって凹面形でありかつ前記第１のリブ（３６）の凸面形内側面に対面し、また前記第３の脚部（４６）が、前記第３のポケット（５２）に向かって凸面形でありかつ前記第２のリブ（３８）に対面している、請求項５記載のブレード。
7. 前記第１及び第２のリブ（３６、３８）並びに先端バッフル（４２、４４、４６）が、前記先端フロア（４０）から共通高さで延び、
   前記第１のリブ（３６）が、前記翼形部正圧側面（２０）に沿ってアーチ形フレア（６０）を含む、
   請求項６記載のブレード。
8. 前記第１の脚部（４２）が、前記第１及び第２のリブ（３６、３８）の接合部において前記前縁（２４）で始まる、請求項６記載のブレード。
9. 前記第２のポケット（５０）が、その後方端部まで後方に収束し、また前記第３のポケット（５２）が、その後方端部まで後方に収束し、
   前記第３の脚部（４６）が、前記第２のリブ（３８）と一体形に終端し、また前記第２のポケット（５０）が、該一体形終端部から後方にかつ前記第３のポケット（５２）から後方に連続している、
   請求項６記載のブレード。
10. 前記第１のポケット（４８）が、前記第１及び第２の脚部（４２、４４）間に位置しかつ前記第３の脚部（４６）で終端するランプ（５８）を含み、
    前記第２のポケット（５０）が、前記第１及び第２のリブ（３６、３８）間に位置しかつ前記後縁（２６）の近傍で終端するランプ（５８）を含み、
    前記第３のポケット（５２）が、前記第３の脚部（４６）及び第２のリブ（３８）間に位置しかつ前記第２のリブ（３８）で終端するランプ（５８）を含む、
    請求項６記載のブレード。

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