JP2010236548A - 熱絶縁を備えたタービン羽根組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン用の羽根組立体を提供する。
【解決手段】複数の隆起したリブ（６２）を持つスパー（６０）と、前記スパーの周りに装着された、複数の突出部分（７２）を持つスペーサ（７０）と、前記スペーサの周りに装着された外殻（８０）とを含む。前記スペーサ上の前記突出部分（７２）は前記スパー上の前記隆起したリブ（６２）を取り囲む。前記スペーサ上の前記突出部分は前記外殻の内面を前記スパーから離間させて、冷却空気の熱絶縁層が構成されるように作用する。
【選択図】図６

Description

本発明は、ガスタービン・エンジンに使用されるタービン羽根（又は動翼）に関するものである。

典型的なガスタービンでは、燃料と空気が燃焼器内で混合されて、点火される。その結果の高温燃焼ガスが、タービンの回転部分の外周に取り付けられた複数のタービン羽根へ差し向けられる。典型的なタービンでは、複数列のタービン羽根及び関連したノズルが設けられている。燃焼器からの高温燃焼ガスが第１組のタービン羽根から、第２組、第３組及び第４組のタービン羽根へとタービンの中を進むにつれて、ガスは冷却し始める。

米国特許第７１８２５７６号

しかしながら、第１及び第２組のタービン羽根は、それらが燃焼器から排出された高温燃焼ガスを受ける最初のタービン羽根であるので、非常に高い温度に曝される。このような非常に高い温度のガスはタービン羽根の構成要素の寿命を短くする虞がある。

一面では、本発明はタービン用の羽根組立体で具現化することができ、該羽根組立体は、その外部側面に沿って延在する複数の隆起したリブを持つスパー(spar)と、前記スパーの外部側面の周りに装着されたスペーサであって、前記スパーの前記複数の隆起したリブを取り囲む複数の突出部分を持つスペーサと、前記スペーサの周りに装着された外殻とを含む。

他の面では、本発明はタービン用の羽根組立体を作る方法で具現化することができ、該方法は、その外部側面に沿って延在する複数の隆起したリブを持つスパー上に、複数の突出部分を持つスペーサの該複数の突出部分が前記複数の隆起したリブを取り囲むように、前記スペーサを装着する段階と、前記スペーサの周りに外殻を装着する段階と、を含む。

図１は、典型的なガスタービンの第１組のノズル及びタービン羽根を例示する断面図である。 図２は、タービン羽根組立体の斜視図である。 図３は、タービン羽根組立体のスパーを例示する斜視図である。 図４は、タービン羽根組立体のスペーサを例示する斜視図である。 図５は、タービン羽根組立体の外殻を例示する斜視図である。 図６は、タービン羽根組立体の側面の断面図である。 図７は、タービン羽根組立体のスパーの横断面の上面図である。 図８は、別の実施形態のタービン羽根組立体のスパーの上面図である。 図９は、タービン羽根組立体のスパー、スペーサ及び外殻を例示する分解上面図である。 図１０は、タービン羽根組立体のスペーサ及び外殻を例示する上面図である。

図１に、典型的なガスタービンの第１組のノズル及び第１組のタービン羽根が例示されている。高温燃焼ガスが矢印２８の方向に組立体に入る。高温燃焼ガスは先ず一組のノズル羽根３４に突き当たる。これらのノズル羽根は、燃焼ガスが第１組のタービン羽根又は動翼４０へ向かって通過するとき、この高温燃焼ガスを特定の方向に差し向ける。図１はまた、タービン羽根４０の右側にノズル羽根３４を例示している。このノズル羽根は、第２組のタービン羽根へ燃焼ガスを差し向ける第２組のノズル羽根の一部である。典型的なタービンでは、図１に示されているタービン羽根４０の右側に追加の複数組のノズル及び羽根が存在し得る。

タービン羽根４０は回転部材５０に取り付けられ、回転部材５０自体はタービンの回転シャフトに取り付けられている。タービン羽根４０を通り過ぎる高温燃焼ガスは、取り付けられた回転部材５０及びシャフトに回転運動を与える。前に述べたように、高温燃焼ガスを受ける第１組のタービン羽根は非常に高い温度に曝され、これにより摩耗及び永久的な破損が生じる虞がある。

図２は、タービン羽根組立体のより詳細な図を表す。タービン羽根４０は基部部分４７に取り付けられている。基部部分４７はタービンの回転輪に取り付けられように構成されている。図１に示されているタービン羽根組立体は、図１に示されている回転部材５０に取り付けられる。

タービン羽根４０は前縁４２、側縁４４及び後縁４６を含む。タービン羽根４０は、基部部分４７に取り付けられた基板４５上に装着されるか又は基板４５を通って突き出す。

実施形態によっては、タービン羽根の冷却に役立てるために、タービン羽根に冷却空気が供給され、その冷却空気は基部４７を通ってタービン羽根４０の内部に入る。冷却空気はタービン羽根４０の内部通路を洗い流し、次いで後縁４６に配置された複数の孔８６を通って流出する。

図２に示されているタービン羽根組立体の実際の羽根部分４０は、複数の部分で構成される。それらの複数の部分は図３〜図５に例示されている。タービン羽根は、リブ付きのスパー、スパーの周りに装着されたスペーサ、及び外殻を含む。

図３に示されているように、タービン羽根のスパー６０は基部カバー４５を通って上向きに延在する。キャップ部分４３がスパー６０の頂部上に形成され又は頂部に取り付けられる。複数の隆起したリブ６２がスパー６０の外部側面の周りに延在する。更に、実施形態によっては、冷却孔６４がスパー６０の外部側面に設けられる。冷却孔については後でより詳しく説明する。

タービン羽根組立体はまた、図４に例示されているように、スペーサ７０を含む。スペーサ７０は薄い金属板で作られ、図３に示されたリブ付きスパー６０の外面と大体同様な形状を持つ。スペーサは、スペーサ７０の側面から伸び出す複数の突出部分７２を含む。更に、スペーサを通る複数の冷却孔７４も形成することができる。

スペーサ７０上の突出部分７２は、該突出部分がスパー６０のリブ６２の外面を取り囲むことができるような形状及び大きさを持つ。スペーサ７０上の突出部分７２の幅及び高さは、スパー６０上の隆起したリブ６２の幅及び高さよりも大きい。この特徴については後でより詳しく説明する。

タービン羽根組立体は更に、図５に例示されているように外殻８０を含む。外殻は上縁８２及び下縁８４を含む。実施形態によっては、外殻の様々な場所に複数の開口８６を形成することができる。実施形態によっては、開口は外殻８０の後縁に沿ってのみ形成することができる。代替実施形態では、外殻に沿った他の場所に複数の開口を形成することも可能である。

タービン羽根組立体を組み立てるため、最初にスペーサ７０が外殻８０に取り付けられる。次いで、スペーサと外殻との組合せは、スペーサ７０の突出部分７２がスパー６０の隆起したリブ６２を取り囲むように、スパー６０に装着される。スペーサの上縁７６及び外殻８０はスパー６０上のキャップ４３の下に配置される。

図６は、組み立て後のタービン羽根組立体の側面を例示する断面図である。図示のように、薄いスペーサ７２がスパー６０の外部側面の周りに装着される。スペーサ７０の突出部分７２がスパー６０上の隆起したリブ６２の周りに延在する。スペーサの上縁がキャップ４３の下面に突合せ接触する。更に、外殻８０がスパー６０及びスペーサ７０の両方の外面の周りに延在する。外殻８０の上縁８２がまた、キャップ４３の下面に突合せ接触する。更に、外殻８０の下縁８４が基板４５内の開口を通って下へ延在する。

スペーサ７０は、確実に外殻８０の内面をスパー６０の外面から離間させる。その結果、冷却空気がスパーの外面と外殻８０の内面との間のこの空隙を通って循環することができる。スペーサ７０の突出部分７２により、換言すると、それらがスパーの側面から突き出ている距離により、隆起したリブ６２の外面と外殻８０の内面との間に空隙が確実に維持される。

スペーサ７０は外殻とスパーとの間の空隙を維持するように作用する。しかしながら、タービン羽根が異常に高い回転速度で回転するとき、典型的には、スペーサが受ける遠心力により、スペーサの変形及び／又は変位が生じる可能性がある。更に、外殻に突き当たる燃焼ガスの力により、スペーサ７０の変形が引き起こされる可能性もある。スパー上のリブ６２は、スペーサ７０の突出部７２の中に挿入されていることにより、スペーサ７０及び取り付けられた外殻がこれらの力に起因して変位又は変形するのを防止するのに役立つ。

外殻８０とスパー６０との間に空隙が維持される結果、外殻８０とスパー６０との間にかなりの温度差が生じる。換言すると、動作中、タービン羽根組立体のスパーは、外殻８０が受ける温度ほどの高い温度に曝されない。これにより、スパー材料自体が高温燃焼ガスに直接曝される場合に必要とされるような高価な材料よりも安価な材料でスパーを形成することが可能になる。スパーが受ける温度を低くすることは、タービン羽根組立体の寿命を引き延ばし且つ周期的な保守点検間隔を長くするのに役立つ。

スペーサ及び外殻がスパーに対して僅かに動くことが許容されているので、このことは、個別の部品の加熱及び膨張によって生じ得る何らかの応力を低減するのに役立つ。

更に、上述のようにタービン羽根を形成すると、羽根組立体の重量を軽くすることができる。換言すると、上述のような羽根が中実な羽根と同じ寸法を持つ場合、上述のような羽根は空隙があるので一層軽くなる。この重量軽減は、多様な面で有利であると思われる。第１に、重量軽減によって、タービン羽根を保持し支持する回転部品にかかる遠心荷重が低減される。また、重量軽減によって、タービン組立体の全体の回転質量が低減される。

その上、タービン羽根が上述のように構成されているとき、タービン羽根の外面にかなりの摩耗が生じ始めたとき、単に外殻のみを交換することが可能である。その下に位置するタービン羽根部品は交換する必要はなく、外殻のみ交換すればよい。これは、タービンの維持経費を低減するのに役立つ。

実施形態によっては、冷却空気を意図的にスパーの内部から、スペーサを通り、次いで外殻を通って外へと循環させることができる。この冷却空気の流れは、タービン羽根組立体を充分低い温度に保つのに役立つ。スパーを低い温度に保つのに加えて、このように循環する冷却空気はスペーサ及び外殻を冷却するのにも役立つであろう。

図７は、タービン羽根組立体の一実施形態のスパーの横断面の上面図である。図示されているように、複数の主冷却通路６６がスパーの高さにわたって延在する。別の複数の冷却通路６８が主冷却通路６６から外へスパー６０の外部側面まで延在する。冷却通路６８の出口は、図３に例示されているように、スパーの側面に冷却空気孔６４を形成する。

スパーの中を循環してスパーを出て行く空気は、スパー自体を冷却するように作用する。更に、スパーを出た冷却空気は、スペーサ７０に形成された開口７４を通り抜けることができる。スペーサの開口７４を通り抜けた冷却空気は次いで、外殻８０の内面にわたって流れて、外殻８０を冷却するのに役立つ。次いで、冷却空気は、外殻に設けた複数の開口８６を通って外殻８０を出ることができる。前に述べたように、外殻８０の開口８６は、外殻上の多数の異なる位置に設けることが可能である。

実施形態によっては、冷却空気はタービン羽根組立体の基部から外殻とスパーとの間に形成された空隙の中へ上向きに差し向けることができる。これは冷却空気供給の唯一の形態とすることができ、或いは、冷却空気を基部からスパーと外殻との間に形成された空隙の中へ上向きに差し向けると共に、前に述べたようにスパー自体の中の冷却通路を通るように供給することができる。

図３に例示された実施形態では、隆起したリブ６２はスパー６０の側面の周りを一巡するように延在する。図８に例示された別の実施形態では、隆起したリブはスパーの側面にのみ延在させることができる。図８に示されているように、第１の隆起したリブ６２ａがスパー６０の第１の側面に沿って延び、他方、第２の隆起したリブ６２ｂがスパー６０の第２の側面に沿って延びる。図８に例示されたような実施形態では、スペーサ及び外殻８０は前縁及び／又は後縁でスパーに直接突合せ接触させてもよい。

スペーサ及び外殻は多数の異なるやり方で取り付けることが可能である。実施形態によっては、スペーサ及び外殻は、スパーの外面に沿って一緒に取り付けられる２つ以上の異なる部分に分けて設けることができる。

図９に示されているように、スペーサは、スパー６０の外面の周りに相互に接合される第１の半部７０ａ及び第２の半部７０ｂを含むことができる。その上、外殻も、スペーサ７０の外面の周りに相互に接合される２つの異なる部分８０ａ及び８０ｂで形成することができる。外殻及び／又はスペーサの端部同士は任意の適当な態様で取り付けることが可能である。

図１０は、スペーサ及び外殻を形成する２つの部分の端部が羽根組立体の側縁に沿って相互に接合される別の実施形態を例示する。

他の実施形態では、スペーサ及び外殻は３つ以上の部分で形成することが可能であり、これらの部分の端部は羽根組立体の外面に沿った任意の場所で相互に接合することが可能である。また別の実施形態では、スペーサは、各々の条片をスパー上の複数のリブの１つの上にそれぞれ設置することにより、複数の条片で形成することが可能である。

本発明を最も実用的で好ましい実施形態であると現時点で考えられるものについて説明したが、本発明は開示した実施形態に制限されず、それよりもむしろ、特許請求の範囲に記載の精神及び範囲内に含まれる様々な修正及び等価な構成を包含するものであることを理解されたい。

２８ 空気流
３０ 静止羽根取付け部
３４ ノズル羽根
３６ 静止羽根前縁
３８ タービン外被
４０ タービン羽根
４２ 前縁
４３ キャップ部分
４４ 側縁
４５ 基板
４６ 後縁
４７ 基部部分
４８ 開口
５０ 回転部材
６０ スパー
６２ 隆起したリブ
６２ａ 第１の隆起したリブ
６２ｂ 第２の隆起したリブ
６４ 冷却孔
６６ 冷却通路
６８ 冷却通路
７０ スペーサ
７０ａ スペーサの第１の半部
７０ｂ スペーサの第２の半部
７２ 突出部分
７４ 冷却孔
７６ スペーサの上縁
７８ スペーサの下縁
８０ 外殻
８０ａ 外殻の第１の半部
８０ｂ 外殻の第２の半部
８２ 外殻の上縁
８４ 外殻の下縁
８６ 孔

Claims (10)

1. その外部側面に沿って延在する複数の隆起したリブを持つスパーと、
   前記スパーの前記外部側面の周りに装着されたスペーサであって、前記スパーの前記複数の隆起したリブを取り囲む複数の突出部分を持つスペーサと、
   前記スペーサの周りに装着された外殻と、
   有するタービン用の羽根組立体。
2. 前記スパーの頂部の上に装着されたキャップを更に有している、請求項１記載の羽根組立体。
3. 前記外殻の上縁が前記キャップの下側に突合せ接触している、請求項２記載の羽根組立体。
4. 前記羽根組立体は更に、タービンの回転シャフトに結合されるように構成された基部を有しており、該基部に前記スパーが装着されている、請求項１記載の羽根組立体。
5. 前記基部は、前記スパーが通り抜ける開口を持つ基部カバーを持っており、また前記外殻の下縁が前記基部カバーの前記開口内に装着され且つ前記開口を通って延在している、請求項４記載の羽根組立体。
6. 前記スペーサの前記突出部分の幅が前記スパーの前記隆起したリブの幅よりも大きい、請求項１記載の羽根組立体。
7. 前記スペーサは確実に前記外殻の内面を前記スパーの外面から離間させている、請求項１記載の羽根組立体。
8. 請求項７記載の羽根組立体。
   前記スペーサは確実に前記外殻の内面を前記スパーの前記隆起したリブの外側端から離間させている、請求項７記載の羽根組立体。
9. 前記スパーは、該スパーの高さに沿って延在する少なくとも１つの冷却空気通路と、前記少なくとも１つの冷却空気通路から、前記スパーの外部側面上に形成された流出冷却孔まで延在する少なくとも１つの流出冷却通路と、を含んでいる、請求項１記載の羽根組立体。
10. 前記スペーサに複数のスペーサ開口が形成されていて、当該複数のスペーサ開口は、前記スパーの前記少なくとも１つの流出冷却通路を出て行く冷却空気が前記スペーサの当該前記スペーサ開口を通り抜けて前記外殻の内面に突き当たるように形成されている、請求項９記載の羽根組立体。。

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