JP2008138665A - タービンブレード並びにタービンブレード冷却システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンブレード並びにタービンブレード冷却システム及び方法を提供する。
【解決手段】改良型の先端冷却を備えたタービンブレードは、先端キャップ５０と先端キャップから外向きに延びる先端壁５２とを有する翼形部を含む。先端壁の陥凹部分５４は、先端シェルフ６０を形成する。少なくとも１つの先端シェルフ孔６４が、内部冷却回路と流れ連通状態で先端シェルフを貫通して延びる。少なくとも１つの先端壁開口７０が、内部冷却回路と流れ連通状態で先端シェルフの半径方向外側の先端壁の陥凹部分を貫通して延びる。陥凹先端壁部分は、より幅広の基部から最小厚さまでテーパさせることができる。冷却方法では、先端壁開口を通して送られる冷却空気は、先端シェルフ孔を通して送られる冷却空気が高温燃焼ガスストリームと合流しかつ混合する場所の下流で高温ガスストリームと合流しかつ混合して、ブレード先端の対流冷却を高める。
【選択図】図２

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、改良型の先端冷却を有するガスタービンエンジンのロータブレードに関する。

一般に、ガスタービンエンジンは、燃焼器の下流に配置されて燃焼ガスからエネルギーを取り出すようになった１つ又はそれ以上のタービンブレード列を含む。ステータシュラウドは、ロータブレード先端の半径方向外側に配置される。ブレード先端とステータシュラウドとの間には比較的小さな間隙が設けられて、運転時にブレード先端を越える燃焼ガスの漏れを減少させる。ブレード先端とステータシュラウドとの間の間隙は、それにも拘わらず運転時にブレード先端摩擦の発生を最小にするように適切にしなければならない。ロータブレードの各々は、従来から知られている正圧及び負圧側面を含み、これら側面は、燃焼ガスからエネルギーを取り出すような選択的に空気力学的な輪郭にされる。

従来から、ブレード先端を含むブレードは、ガスタービン圧縮機から中空タービンブレードを通して加圧空気の一部分を送ることによって冷却される。その時、ブレードを冷却するために分岐させた加圧空気は、燃焼器内での燃焼には利用できず、エンジン効率を低下させる。

従来技術のブレード先端は、酸化及び熱疲労によってブレード先端破損のような高温燃焼ガスの損傷作用を特に受け易い。ブレード先端の侵食は、ブレードの空気力学的性能効率に悪影響を与える。また、先端間隙の増大は、効率の低下をもたらす。

ブレード冷却構成は、ブレード正圧及び負圧側壁を貫通して延びてブレードの内部から外表面に冷却空気を送って該外表面に対して従来型のフィルム冷却を行うようになったフィルム冷却開口を含むことができる。

公知のブレード設計は、翼形部の第１の側面に沿って延びる先端シェルフを含み、それに関しては、例えば米国特許第５，２６１，７８９号を参照されたい。複数のほぼ半径方向に延びる冷却孔は、内部流れチャネルと流れ連通状態で先端シェルフを貫通して配置されて、ブレード先端に向けて冷却空気を送る。

これ迄公知の設計では、先端冷却の改善は行うが、タービンブレード先端は、熱疲労による割れ発生を受け易い状態のままである。
米国特許第５，２６１，７８９号公報 米国特許第６，９９１，４３０ Ｂ２号公報 米国特許第６，６５２，２３５ Ｂ１号公報

従って、ブレード先端冷却における改善を行って運転性能を向上させかつ熱疲労を低下させることによって有効寿命を延長することが望ましい。

上記の１つ又は複数の要望は、タービンブレードを提供する例示的な実施形態によって満たすことができ、本タービンブレードは、正圧及び負圧側面並びに前縁及び後縁を備えた翼形部を有する。先端キャップは、翼形部の正圧及び負圧側面間でかつ前縁及び後縁間で延びて少なくとも部分的に内部冷却回路の境界となる。先端壁は、先端キャップからほぼ半径方向外向きにかつ該先端キャップの周りで連続して延びる。先端壁は、正圧側面から内寄りに位置して外側壁との間に先端シェルフを形成した陥凹部分を含む。本例示的なブレードは、翼形部内で延びる内部冷却回路と流れ連通状態で先端シェルフを貫通して延びる複数の先端シェルフ孔を含む。少なくとも１つの先端壁開口が、内部冷却回路と流れ連通状態で先端シェルフの半径方向外側の陥凹部分を貫通して延びる。

例示的な実施形態では、例示的なタービンブレードの少なくとも先端領域を冷却する方法を提供する。本例示的な方法は、少なくとも１つの先端シェルフ孔を通して内部冷却回路から冷却空気を送る段階と、少なくとも１つの先端壁開口を通して内部冷却回路から冷却空気を送る段階とを含む。先端壁開口を通して送られる冷却空気は、少なくとも１つのフィルム冷却先端シェルフ孔を通して送られる冷却空気が高温燃焼ガスストリームと合流しかつ混合する場所の下流で、該高温燃焼ガスストリームと合流しかつ混合する。

例示的な実施形態では、例示的なタービンブレードの少なくとも先端を冷却するためのシステムを提供する。タービンブレードは、正圧側面から内寄りに位置しかつ外側壁との間に先端シェルフを形成した陥凹部分を有する先端壁を含む。本例示的なシステムは、翼形部内で延びる内部冷却回路と、内部冷却回路と流れ連通状態で先端シェルフを貫通して延びる少なくとも１つの先端シェルフ孔と、内部冷却回路と流れ連通状態で陥凹先端壁部分を貫通して延びる少なくとも１つの先端壁開口とを含む。

本発明として見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。しかしながら、本発明は、添付図面の図と共に以下の説明を参照することによって最も良く理解することができるであろう。

様々な図全体を通して同一の参照番号が同様の要素を示す図面を参照すると、図１は、例えば航空機に動力を供給するのに使用するガスタービンエンジンの例示的な高圧タービンロータブレード段１０の概略図を示す。タービン段１０は、従来型の環状ステータシュラウド１４を含む。この例示的な実施形態による複数のタービンロータブレード１６は、従来通りにロータディスク（図示せず）に結合される。タービン段１０は、燃焼ガス２０を生成する従来型の燃焼器（図示せず）の下流に配置され、燃焼ガスはタービンブレード１６間を流れ、該ブレード１６によって燃焼ガスからエネルギーが抽出されて、従来からよく知られているようにロータディスクを回転させるようにする。

タービンブレード１６の各々は、ステータシュラウド１４に隣接して配置された半径方向外側先端２４を有するほぼ中空の翼形部２２を含み、ステータシュラウド１４は、翼形部先端２４との間に、該翼形部先端２４を越える燃焼ガス２０の漏れを減少させるほど従来通りに小さい先端間隙Ｃを形成する。翼形部２２はまた、それから従来型の軸方向挿入式ダブテール２８が延びる根元２６を含み、このダブテール２８は、ロータディスクの外周部の相補形ダブテール溝内に配置されて、ロータディスクにブレード１６を取付けるようになる。ブレード１６はまた、翼形部２２とダブテール２８との間の接合部に該ブレード１６と一体形に形成された従来型のプラットフォーム３０を含み、プラットフォーム３０は、隣接する翼形部間を流れる燃焼ガス２０のために半径方向内側流路境界を形成する。

翼形部２２は、横方向に対向する第１及び第２の側面３２、３４を備えた連続した外側壁３１を含む。第１の側面３２は、ほぼ外向きに凹面形であり、従来から正圧側面として知られている。第２の側面３４は、ほぼ外向きに凸面形であり、従来から負圧側面として知られている。第１及び第２の側面３２、３４は、それぞれ軸方向に間隔を置いて配置されかつ半径方向に延びる前縁及び後縁３６、３８において互いに接合される。第１及び第２の側面３２、３４は、翼形部根元２６から先端２４までかつ前縁及び後縁３６、３８間で延び、また横方向に間隔を置いて配置されて、翼形部２２を冷却するために該翼形部２２を通して冷却空気４２を送る内部冷却回路４０をその中に形成する。内部冷却回路は、音響工学原理を用いて選択した様々な構成のいずれかを含むことができる。冷却空気４２は、ガスタービンエンジンの圧縮機（図示せず）から供給され、従来と同様にロータディスク及びダブテール２８を通して翼形部２２内に送られる。

図２及び図３により具体的に示すように、翼形部２２は、好ましい実施形態による改良型の先端２４を含む。より具体的には、先端２４は、翼形部第１及び第２の側面３２、３４間でかつ前縁及び後縁３６、３８間で延びて、内部冷却回路４０に対する上部境界を形成するようになった先端キャップ５０を含む。

先端２４はさらに、第１及び第２の側面３２、３４に沿って先端キャップ５０から半径方向外向きにかつ該先端キャップ５０の周り全体で延びる連続した先端壁５２を含む。先端壁５２及び先端キャップ５０は、翼形部と一体形に形成又は鋳造することができ、或いは翼形部に対する支持連結体としてロウ付け又は溶接又はその他の方法で取付けることができる。

さらに、特に図２及び図３を参照すると、陥凹先端壁部分５４は、外側壁３１の第１の（正圧）側面３２から内寄りに陥凹して、該陥凹先端壁部分５４と該外側壁３１の第１の側面との間に先端シェルフ６０を形成する。この例示的な実施形態では、複数のフィルム冷却先端シェルフ孔６４が、内部冷却回路４０と流れ連通した状態で先端シェルフ６０を貫通して延びる。この例示的な実施形態では、先端シェルフ孔６４は、陥凹先端壁部分５４と先端シェルフ６０との間の接合部６６から間隔をおいて配置される。この例示的な実施形態では、ブレード１６は、１８〜２３個の先端シェルフ孔６４を含む。この例示的な実施形態では、各先端シェルフ孔６４は、約１４〜１８ミル（０．３６〜０．４６ミリメートル）の範囲内の直径を有する。シェルフ孔は、特定の用途に応じてあらゆる好適な数におけるいずれかとして存在することができる。

この例示的な実施形態では、陥凹先端壁部分５４は、内部冷却回路４０と流れ連通状態で該陥凹先端壁部分５４を貫通して延びる複数の先端壁開口７０を含む。この例示的な実施形態では、先端壁開口７０は、図２で最もよく分かるように、先端シェルフ孔６４と千鳥状配置の関係で配置される。本開示では、「千鳥状配置の」というのは、先端壁開口７０が先端シェルフ孔６４と軸方向にオフセットしている場合を意味する。別の例示的な実施形態では、先端壁開口７０は、先端シェルフ孔６４と整列配置の関係で配置される。本開示では、「整列配置の」というのは、先端壁開口７０が実質的に軸方向に整列していることを意味する。さらに別の例示的な実施形態では、先端壁開口７０は、先端シェルフ孔６４と独立配置の関係で配置される。さらに別の実施形態では、先端壁開口７０及び先端シェルフ孔６４は、所望の冷却効果を達成するために所定の相対配置の関係で配置される。

この例示的な実施形態では、先端壁開口７０の数は、先端シェルフ孔６４の数とほぼ同じにすることができる。別の実施形態では、先端壁開口７０は、先端シェルフ孔６４よりも多くすることができる。さらに別の例示的な実施形態では、先端壁開口７０は、特定の用途及び所望の冷却作用に応じて、先端シェルフ孔６４よりも少なくすることができる。この例示的なタービンブレードは、千鳥状配置の関係で配置された１８個の先端シェルフ孔と１７個の先端壁開口とを含むことができる。

図３に示すように、先端壁開口７０の各々は、中心線７２と関連付けられる。この例示的な実施形態では、各中心線は、ほぼ半径方向に延びる線に対して鋭角角度Ａである傾斜角度で配向される。この例示的な実施形態では、角度Ａは、約１５〜約３０度である。この例示的な実施形態では、各中心線７２は、ほぼ同一角度Ａで傾斜している。他の例示的な実施形態では、各中心線は、特定の用途に応じてあらゆる他の中心線とほぼ同一の角度又はあらゆる他の中心線とは異なる角度で傾斜させることができる。

この例示的な実施形態では、先端壁開口は、該先端壁開口７０の出口７６が全体として図示するような単一列として配列されるように配置される。他の例示的な実施形態では、出口７６は、１つよりも多い列として配置することができる。

この例示的な実施形態では、出口７６は、半径方向に延びる主軸を有するほぼ楕円形状とすることができる。図３に示すように、先端壁開口７０の寸法及び位置は、陥凹先端壁部分５４の外側面９２に沿って、矢印Ｄで示す渦流の形成を促進して該外側面９２の冷却を改善する。

この例示的な実施形態では、先端壁５２は、実質的に平面の頂面８２を含む。運転時に、頂面８２は、ステータシュラウド１４に対して摩擦する可能性がある。この例示的な実施形態では、先端壁開口７０は、半径方向に頂面８２から約２０〜３０ミル（０．５１〜０．７６ミリメートル）に配置される。例示的な実施形態では、先端壁開口７０は先端壁の頂面８２を貫通してではなく陥凹先端壁部分５４を貫通して延びるので、開口７０は、ステータシュラウド１４とのブレード先端の摩擦により塞がれることはない。

図３の断面図に示すように、この例示的な実施形態では、少なくとも陥凹先端壁部分５４内における先端壁５２は、基部８６における最大壁厚さから該基部８６から半径方向に配置された最小壁厚さまでその長さに沿ってテーパしている。この例示的な実施形態では、最小壁厚さは、陥凹先端壁部分５４の半径方向最外側領域８８位置にある。別の例示的な実施形態では、最小壁厚さは、半径方向最外側領域８８から半径方向に位置する。テーパの程度は、少なくとも部分的に、陥凹先端壁部分５４の外側面９２上の第１の半径９０と陥凹先端壁部分５４の内側面９６上の第２の半径９４との関数とすることができる。少なくとも陥凹先端壁部分５４をテーパさせることにより、先端壁開口７０の周りの領域の構造的一体性が高められる。さらに、このテーパさせることは、先端領域内における高温ガスの流れに影響を与えることによって先端冷却を高め、またより低温の基部からより高温の先端までの熱伝導性を改善する。

ブレード先端２４を冷却する例示的な方法は、圧縮機から冷却回路４０内に冷却空気４２を受ける段階を含む。冷却空気４２は、内部冷却回路から少なくとも１つの先端シェルフ孔６４を通して送られる。この例示的な実施形態では、先端シェルフ６０は、それを通して冷却空気を送る複数の先端シェルフ孔６４を含む。内部冷却回路４０からの冷却空気はまた、陥凹先端壁部分５４を貫通して延びる少なくとも１つの先端壁開口７０を通して送られる。この例示的な実施形態では、先端壁の陥凹部分は、それを通して冷却空気を送る複数の先端壁開口７０を含む。

この例示的な実施形態では、少なくとも１つの先端シェルフ孔６４及び少なくとも１つの先端壁開口７０は、先端壁開口を通して送られる冷却空気が、少なくとも１つの先端シェルフ孔を通して送られる冷却空気が高温燃焼ガスストリームと合流しかつ混合する場所の下流で該高温燃焼ガスストリームと合流しかつ混合するように配置される。

例示的な実施形態では、タービンブレード１６を冷却するためのシステムを提供する。本例示的なシステムは、圧縮機（図示せず）から冷却空気を受ける内部冷却回路４０を翼形部２２内に含む。本例示的なシステムはまた、先端シェルフ６０を貫通して延びて燃焼器（図示せず）からの燃焼ガスストリームに向けて冷却空気を送るようになった少なくとも１つの先端シェルフ孔６４を含む。本例示的なシステムはまた、少なくとも１つの先端シェルフ孔を通して送られる冷却空気が燃焼ガスと合流しかつ混合する場所の下流で燃焼ガスストリームに向けて冷却空気を送るようになった少なくとも１つの先端壁開口７０を含む。

各先端シェルフ孔６４は、陥凹先端壁部分５４と翼形部２２の外側壁３１の正圧側面３２との間に形成された先端シェルフ６０を貫通して延びる。各先端壁開口７０は、先端シェルフ６０から半径方向に間隔をおいて配置された陥凹先端壁部分５４を貫通して延びる。

本例示的な冷却システムでは、先端シェルフ孔６４及び先端壁開口７０は、様々な他の冷却孔と協働してブレード１６の有効寿命を改善する。図１〜図２を参照すると、この例示的な実施形態では、外側壁３１は、該外側壁３１に沿った前縁シャワーヘッド冷却孔１０２及び冷却孔１０４を通して冷却空気を流すことによってフィルム冷却される。１つ又はそれ以上の冷却孔１０６は、第１の（正圧）側面３２を貫通させて先端シェルフ６０に近接して配置することができる。この例示的な実施形態では、複数の間隔をおいて配置した先端キャップ供給孔１０８は、冷却回路４０と流れ連通状態で先端キャップ５０を貫通してほぼ半径方向に延びて、先端２４と先端壁５２の内側面９６とを冷却するようになる。

従って、本明細書に開示したタービンブレード、冷却システム及び方法は、ブレード先端の疲労を破損しかつその他の所望の作用を行うことによって性能の改善をもたらす。

以上に記載した説明は、実施例を使用して、最良の形態を含む本発明を開示し、また当業者が本発明を作製しかつ使用するのを可能にしている。本発明の特許性のある技術的範囲は、特許請求の範囲に記載しており、当業者が想起する他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言的表現と異ならない構造的要素を有する場合或いはそれらが特許請求の範囲の文言的表現と実質的には異なるものではない構造的要素を有する場合には、特許請求の範囲の技術的範囲に含まれることを意図している。

例示的なタービンブレードを示す、ガスタービンロータブレード段の部分破断斜視図。 先端壁及び先端シェルフ並びに例示的なフィルム冷却先端壁開口及び先端シェルフ孔を示す、図１に示すタービンブレードの一部分の拡大破断斜視図。 図２の線３−３で取った断面図。

符号の説明

１０ タービンロータブレード段
１４ ステータシュラウド
１６ ロータブレード
２０ 燃焼ガス
２２ 翼形部
２４ 先端
２６ 根元
２８ ダブテール
３０ プラットフォーム
３１ 外側壁
３２ 第１の側面（正圧）
３４ 第２の側面（負圧）
３６ 前縁
３８ 後縁
４０ 冷却回路
４２ 冷却空気
５０ 先端キャップ
５２ 先端壁
５４ 陥凹部分
６０ 先端シェルフ
６４ 先端シェルフ孔
６６ 接合部
７０ 先端壁開口
７２ 中心軸線
７６ 出口
８２ 平坦頂面
８６ 基部
８８ 半径方向最外側領域
９０ 第１の半径（外側面）
９２ 外側面
９４ 第２の半径（内側面）
９６ 内側面
１０２ 冷却孔
１０４ 冷却孔
１０６ 冷却孔
１０８ 先端キャップ供給孔
Ｃ 先端間隙
角度Ａ 中心線傾斜についての鋭角
矢印Ｄ 渦流の図示
距離Ｅ 平坦頂面からの先端壁開口の半径方向距離

Claims (10)

1. 根元（２６）から半径方向外向きに延びかつその前縁（３６）から後縁（３８）まで横方向に延びる正圧及び負圧側面（３２、３４）を備えた外側壁（３１）を含む翼形部（２２）と、
   前記正圧及び負圧側面間でかつ前記前縁及び後縁間で延びる先端キャップ（５０）と、
   前記先端キャップから外向きに延びかつ前記外側壁の正圧側面から内寄りに陥凹して該外側壁との間に先端シェルフ（６０）を形成した陥凹部分（５４）を含む先端壁（５２）と、
   前記翼形部内で延びかつ部分的に前記先端キャップが境界となった内部冷却回路（４０）と、
   前記内部冷却回路と流れ連通状態で前記先端シェルフを貫通して延びる少なくとも１つの先端シェルフ孔（６４）と、
   前記内部冷却回路と流れ連通状態で前記先端シェルフの半径方向外側の前記陥凹部分を貫通して延びる少なくとも１つの先端壁開口（７０）と、
   を含むことを特徴とするタービンブレード（１６）。
2. 前記内部冷却回路と流れ連通状態で前記先端シェルフの半径方向外側の前記陥凹先端壁部分を貫通して延びる複数の先端壁開口（７０）を有する、請求項１記載のタービンブレード。
3. 前記少なくとも１つの先端壁開口が、中心線（７２）と関連付けられ、前記中心線が、ほぼ半径方向に延びる線に対して鋭角で配向される、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のタービンブレード。
4. 前記陥凹先端壁部分が、その基部（８６）における最大壁厚さから該基部から半径方向に配置された位置における最小壁厚さまでテーパしている、請求項１、請求項２又は請求項３のいずれか１項記載のタービンブレード。
5. 前記複数の先端壁開口の各々が、前記複数の先端シェルフ孔の各々とほぼ千鳥状配置の関係で配置される、請求項２、請求項３又は請求項４のいずれか１項記載のタービンブレード。
6. 翼形部外側壁の正圧側面（３２）から内寄りに陥凹した先端壁（５２）の陥凹先端壁部分（５４）と前記翼形部外側壁（３１）との間に形成された先端シェルフ（６０）を貫通して延びる少なくとも１つの先端シェルフ孔を通して、翼形部の内部冷却回路（４０）から冷却空気を送る段階と、
   前記陥凹先端壁部分を貫通して延びる少なくとも１つの先端壁開口（７０）を通して、前記内部冷却回路から冷却空気を送る段階と、を含み、
   前記少なくとも１つの先端壁開口を通して送られる冷却空気が、前記少なくとも１つの先端シェルフ孔を通して送られる冷却空気が高温燃焼ガスストリーム（２０）と合流しかつ混合する場所の下流で、該高温燃焼ガスストリームと合流しかつ混合する、
   ことを特徴とする冷却方法。
7. 前記高温燃焼ガスストリーム内に対流冷却渦効果を形成させて、前記少なくとも１つの先端シェルフ孔及び少なくとも１つの先端壁開口からの冷却空気が該高温燃焼ガスストリームと合流しかつ混合した後に、該ガスストリームの少なくとも一部分を先端領域内で再循環させるようにする段階をさらに含む、請求項６記載の方法。
8. 翼形部（２２）の内部冷却回路（４０）と、
   前記内部冷却回路と流れ連通状態で、先端キャップ（５０）から外向きに延びる先端壁（５２）の陥凹部分（５４）と前記翼形部の外側壁との間に形成された先端シェルフ（６０）を貫通して延びる少なくとも１つの先端シェルフ孔（６４）と、
   前記内部冷却回路と流れ連通状態で前記陥凹先端壁部分を貫通して延びる少なくとも１つの先端壁開口（７０）と、
   を含むことを特徴とする冷却システム。
9. 前記内部冷却回路と流れ連通状態で前記先端シェルフを貫通して延びる複数の先端シェルフ孔（６４）と、
   前記内部冷却回路と流れ連通状態で前記陥凹先端壁部分を貫通して延びる複数の先端壁開口（７０）と、
   をさらに含む、請求項８記載のシステム。
10. 前記先端壁開口が、前記先端シェルフ孔の回路に対して千鳥状配置の関係で配置される、請求項９記載のシステム。

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