JP2011174463A - シールド冷却媒体供給通路を備えたタービンブレード - Google Patents

Abstract

【課題】タービンエンジン用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は、該タービンブレードを貫通して延びて該ブレードを冷却する主冷却媒体通路を含む。先端冷却媒体通路は、ブレードの基部に隣接した位置から該ブレードの先端まで冷却媒体を直接搬送して、該ブレードの先端に冷却流体を直接供給する。このことにより、ブレードの先端に到達した冷却媒体が、比較的低温度となり、従ってブレードの先端に設置された材料の効果的な冷却を行うことができることが保証される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シールド冷却媒体供給通路を備えたタービンブレードに関する。

タービンエンジンは、タービンの回転シャフトに取付けられたタービンブレードを使用する。タービンエンジンのタービンセクションを通って流れる高温燃焼ガスがタービンブレードに衝突し、それにより、ブレード及び取付けシャフトを回転させる。一般的に、タービンエンジンは、回転シャフト上に取付けられた複数のブレード列と複数の固定ブレード列とを含むことになる。回転及び固定ブレード列は、互いに交互に配置される。

回転タービンブレード列を通って流れた高温燃焼ガスは次に、後続の固定ブレード列に衝突する。固定ブレード列は、燃焼ガスが次の回転タービンブレード列に到達する前に、該燃焼ガスを配向し直す。

回転タービンブレード及び固定ブレードの両方は、極めて過酷な作動環境に曝される。ブレードは、高温度と高速度での極めて高温の燃焼ガスの通過とを受ける。タービンセクション内の回転及び非回転ブレードが過酷な作動環境に対処するのを助けるためには、ブレード自体の内部に冷却通路を形成するのが一般的である。冷却通路には、冷却媒体が、一般的に冷却加圧空気の形態で供給される。加圧空気は、ブレード内の冷却通路を通って移動してブレードを冷却するのを助け、また冷却媒体は通常次に、ブレードの外部表面上に形成された複数の冷却孔を通して該ブレードから流出する。

第１の態様では、本発明は、タービンで使用するブレードにおいて具現化することができ、本ブレードは、基部及び先端を有するブレード本体を含む。少なくとも１つの蛇行冷却媒体通路が、ブレード本体の内部に設置される。先端冷却媒体通路もまた、ブレード本体内に設置され、ここでは、先端冷却媒体通路は、本体の基部に隣接した位置から該本体の先端に隣接した位置まで直接延びる。

別の態様では、本発明は、タービンで使用するブレードを形成する方法において具現化することができる。本方法は、基部及び先端を有するブレード本体を形成するステップと、ブレード本体の内部に少なくとも１つの蛇行冷却媒体通路を形成するステップと、ブレード本体の内部に先端冷却媒体通路を、該先端冷却媒体通路が本体の基部に隣接した位置から該本体の先端に隣接した位置まで直接延びるように、形成するステップとを含む。

タービンブレードの斜視図。 タービンブレードの長手方向断面図。 図２に示すタービンブレードの横断面図。 別のタービンブレードの長手方向断面図。 図４に示すタービンブレードの横断面図。 タービンブレードの先端部分の横断面図。 タービンブレードの別の実施形態の先端部分の横断面図。 タービンブレードの別の実施形態の長手方向断面図。 タービンブレードの別の実施形態の長手方向断面図。

図１は、マウント２０上に配置された一般的なタービンブレードを示している。図１に示す実施形態は、タービンの回転タービンブレードを示すことを意図している。しかしながら、本発明は、固定タービンブレード（ステータベーン）に対して同様に適用可能である。

タービンブレード１０は、前縁１２、後縁１４及び先端１６を含む。複数の冷却孔が、ブレードの表面全体にわたって設置される。冷却孔は、ブレードの前縁１２に隣接して設置された冷却孔１７と、ブレードの後縁１４に隣接して設置された冷却孔１８と、ブレードの中央部分に沿って設置された冷却孔１５とを含むことができる。さらに、ブレードの先端部分に沿って冷却孔１９を設置することができる。図１に示した構成は、例示することのみを意図している。冷却孔のパターン及び配置は、タービンブレード設計毎に大幅に変更することができる。

図２は、蛇行冷却通路を備えた一般的なタービンブレードの長手方向断面を示している。図２に示すように、蛇行冷却通路は、ブレードの基部上に設置された４つの冷却入口を通して冷却媒体の流れを受ける。４つの冷却入口には、第１の入口３２、第２の入口３４、第３の入口３６及び第４の入口３８が含まれる。この実施形態は、４つの冷却媒体入口を含んでいるが、蛇行冷却通路を備えたブレードの他の実施形態は、異なる数の入口を有することができる。

図１に示すように、ブレード１０が、関連するマウント２０上に取付けられると、ブレード本体における第１、第２、第３及び第４の入口３２、３４、３６及び３８は、マウント２０上に設置された対応する冷却媒体出口と整列する。これにより、冷却媒体の流れをマウント２０からブレード本体の内部内に移動させることが可能になる。

図２に示すタービンブレードでは、ブレードの本体全体にわたって冷却媒体の流れを循環させるために、２つの蛇行冷却通路が形成される。第１の蛇行冷却媒体通路は、ブレード本体の前部又は前方部分に設置される。第１の蛇行冷却通路は、第１の入口３２及び第２の入口３４を通して冷却媒体の流れを受ける。第１及び第２の入口３２／３４を通って流入した冷却媒体は次に、第１の集積チャンバ４０内に受けられる。冷却媒体は次に、第１の上向きに延びる通路５２に沿ってブレードの先端部分に向けて流れる。ブレードの頂部において、冷却媒体流は、１８０°方向転換しかつ第２の下向きに延びる通路５４を通って下向きに流れる。第２の下向き通路５４の底部において、冷却媒体は再び、１８０°方向転換しかつ第３の上向きに延びる通路５６を通ってブレードの上方に戻るように移動し始める。第３の上向き通路５６内の冷却媒体は次に、第３及び第４の通路間に形成された複数のクロスオーバ孔６０を通って第４の上向きに延びる通路５８内に向けて横断することができる。

第４の上向きに延びる通路５８内に位置した冷却媒体は次に、ブレード本体の前縁１２に隣接して設置された複数の冷却孔を通って流出することができる。さらに、第１、第２、第３及び第４の通路内の冷却媒体は、ブレード本体の中央部分に沿って形成された冷却孔を通ってブレードの側面表面から流出することができる。さらに、通路からの冷却媒体はまた、ブレードの先端に沿って設置された冷却媒体出口を通って流出することができる。

第２の蛇行冷却媒体通路が、ブレードの後方半部分に沿って形成されており、かつ第２の蛇行冷却通路は、第３の入口３６及び第４の入口３８から冷却媒体を受ける。第３及び第４の入口を通って流入した冷却流体は、受入れチャンバ４２内に受けられる。冷却媒体は次に、第１の上向きに延びる通路６２を通ってブレードの先端に向けて流れる。先端の近くで、冷却媒体流は、１８０°方向転換しかつ第２の冷却通路６４を通って下向きに移動し始める。第２の通路６４内の冷却媒体は、その通路の底部に到達し、次いで１８０°方向転換しかつ第３の上向きに延びる冷却媒体通路６６に沿って上向きに上昇し始める。第１の蛇行通路の場合と同様に、冷却媒体は、ブレードの表面上に形成された冷却孔を通して第１、第２及び第３の通路から流出することができる。さらに、冷却媒体は一般的に、ブレードの後縁に隣接して設置された冷却孔を通して第３の冷却媒体通路６６から流出することになる。さらに、冷却媒体は、ブレードの先端に沿って設置された冷却媒体孔を通って第１の通路６２、第２の通路６４又は第３の通路６６の１つ又はそれ以上から流出することができる。

図３には、このタービンブレードの横断面図を示している。この図に示すように、ブレードの中央部分に沿った冷却媒体孔１５は、冷却媒体が、例えば第１の蛇行冷却媒体通路の第２の下向きに延びる冷却媒体通路５４から流出するのを可能にすることができる。同様に、冷却媒体は、第１の蛇行通路の第４の冷却媒体通路５８を通してブレードの前縁に隣接して設置された冷却媒体孔１７から流出することができる。

図２及び図３に示すようなタービンブレードの場合には、ブレードの先端に到達した冷却媒体は一般的に、既に第１及び第２の蛇行冷却媒体通路の上向き及び下向きに延びる通路の１つ又はそれ以上を通って流れている。その結果、冷却媒体がブレードの先端に到達する時までに、冷却媒体は、既に極めて高温度に加熱されている可能性がある。このことは、ブレードの先端における材料を冷却することを一層困難にする。一部の設計では、冷却媒体は、該冷却媒体が蛇行冷却媒体通路の複数径路を既に流れ終わってしまうまで、ブレードの先端に到達しないことになっている。その結果、ブレードの先端における冷却が損なわれ、かつ材料は、望ましいものよりも高くなった温度を維持する傾向になる。

同様に、タービンエンジンのステータブレードついても、同じ欠点が存在する可能性がある。一部の実施例では、ステータベーンにもまた、蛇行冷却通路を組入れている。また、これらの実施例では、冷却媒体は、ステータベーンの特定の部分に到達する前に、該ステータベーンの長さに沿って１つ以上の径路を通ることになり、このことは、ステータベーンのそれらの特定の部分を望ましい状態よりも高温状態にするおそれがある。

図４及び図５は、タービンブレード内に冷却媒体通路を配置する別の方法を示している。図４及び図５に示す実施形態では、分離した冷却媒体通路が、タービンブレードの基部から該タービンブレードの先端に冷却媒体を直接供給するのに専用のものとなっている。この専用通路を通って先端に到達した冷却媒体は、該先端に到達する前に複数の蛇行冷却媒体通路を通って流れていないことになる。さらに、分離冷却媒体通路を通って移動する冷却媒体は、ブレードの高温周囲部分から部分的に遮蔽される。それらの要因の結果として、先端で受けた冷却媒体の温度は、冷却媒体が最初に非遮蔽蛇行通路を通る複数径路を流れた場合よりも大幅に低くなる。このことにより、先端における材料をより効率的に冷却することが可能になる。

図４及び図５に示すように、第１及び第２の蛇行通路は、依然として存在している。第１の蛇行通路は、第１の入口１１０及び第２の入口１１２から冷却媒体の流れを受ける。冷却媒体は、第１の受入れチャンバ１２０内に流入し、次に第１の蛇行冷却媒体通路を構成した付加的通路に流入する。この付加的通路は、第１の上向きに延びる通路１２２と、第２の下向きに延びる通路１２４と、複数のクロスオーバ孔１３０によって結合された２つの上向きに延びる通路１２６及び１２８とを含む。図２及び図３に関して説明した実施形態の場合と同様に、冷却媒体は、タービンブレードの表面上に設置された冷却媒体孔を通してこれらの通路の何れか１つ又はそれ以上から流出することができる。

同様に図４に示すように、第２の蛇行冷却通路は、第３の入口１１４及び第４の入口１１５から冷却媒体の流れを受ける。この冷却媒体は、チャンバ１２２内に受けられかつ冷却媒体は次に、第１の上向きに延びる通路１３２内に移動する。冷却媒体は、第２の下向きに延びる通路１４４に向かって流れ、次に第３の上向きに延びる通路１４６内に流入する。

この設計では、第１及び第２の蛇行通路内の冷却媒体は、ブレードの先端における冷却孔を除いてブレード本体の全ての部分上に配置された冷却孔に供給される。それよりも、完全に分離した先端冷却媒体通路１４０は、ブレード本体のほぼ中心部に設置される。先端冷却媒体通路１４０には、ブレードの基部上に設置された第５の冷却入口１１３を通して冷却媒体が供給される。冷却媒体は、第５の入口１１３から先端冷却媒体通路１４０を通ってブレードの先端に直接流れる。

図５に示すように、先端冷却媒体通路１４０は、第１及び第２の蛇行冷却媒体通路の第１の上向きに延びる通路１２２、１４２間に設置することができる。このことは、図２及び図３に示した実施形態と比較して、第１の上向きに延びる通路１２２、１４２の壁の形状を僅かに修正することによって達成することができる。このように先端冷却媒体通路１４０を形成すると、そのことはまた、先端冷却媒体通路１４０の側面が部分的に周囲の蛇行通路内の冷却媒体によって囲まれるので、該先端冷却媒体通路１４０内の冷却媒体をブレード本体の高温材料から遮蔽する働きをする。

図６及び図７は、分離先端冷却媒体通路を備えたブレードの先端部分の異なる２つの実施形態を示している。図６に示す実施形態では、先端冷却媒体リザーバ１６０が、ブレード本体の先端の後方半部分上に形成される。先端冷却媒体リザーバ１６０は、先端冷却媒体通路１４０から冷却媒体を受ける。冷却媒体は次に、ブレードの後方半部分に沿って形成された複数の先端冷却孔１９を通して排出される。

図７は、別の実施形態を示しており、しかしながら、この実施形態では、先端冷却媒体リザーバ１６０も同様に、先端冷却媒体通路１４０を通して受けた冷却媒体をブレードの先端の全体長さに沿って形成された先端冷却孔１９に供給する。

別の実施形態では、先端冷却媒体リザーバ１６０は、ブレードの前縁及び後縁の付加部分に沿って設置された先端冷却孔とブレード本体の低圧側面上に設置された冷却媒体孔とに冷却媒体を供給することができる。

さらに別の実施形態では、先端冷却媒体リザーバ１６０内の冷却媒体は、ブレードの前縁及び後縁に沿って設置された蛇行通路の最終部分内に下向きに供給することができる。例えば、また図４及び図５を参照すると、先端冷却媒体リザーバ１６０内の冷却媒体は、前縁における第２の上向きに延びる通路１２８内に及び／又は後縁における第２の上向きに延びる通路１４６内に下向きに供給することができる。これらの通路１２８／１４６は一般に、冷却媒体が蛇行通路の複数の径路を通って流れた後に該冷却媒体を受けるのみであるので、上述のように作動させることは、より低い温度を有する冷却媒体をこれらブレード本体の部分に供給するのを助けることになる。

図４及び図５に示した実施形態では、先端冷却媒体通路１４０は、ブレード本体の基部に設置された第５の入口１１３を通して冷却媒体の流れを受けていた。この実施形態では、ブレード本体を保持する基部がブレード本体内の新規な第５の冷却媒体入口に冷却媒体を供給することができるようにする該基部に対する修正を必要とする可能性がある。この実施形態は、基部から受けた冷却媒体がブレード本体の先端に直接搬送されることが保証されるという理由による利点を有することができるが、このことはまた、ブレード本体を保持した基部に対する修正を必要とする可能性がある。

図８は、先端冷却媒体通路を備えているが、ブレード本体を保持した基部に対して如何なる修正も必要としないブレード本体の実施形態を示している。この実施形態では、第１の蛇行冷却通路は依然として、第１の冷却媒体入口３２及び第２の冷却媒体入口３４から冷却媒体を受けることになる。しかしながら、第１及び第２の冷却媒体入口から受けた冷却媒体は次に、ブレード本体の前方半部分に沿って形成された第１の蛇行通路並びに先端冷却媒体通路１４０の両方内に供給されることになる。従って、第５の冷却媒体入口を含むように基部を修正する必要がないことになる。

図９は、基部の修正を必要とすることがないタービンブレードの別の実施形態を示している。この実施形態では、先端冷却媒体通路１４０は、第２の冷却媒体入口３４に直接連結される。従って、この場合には、第１の蛇行冷却回路は、第１の冷却媒体入口３２からのみ冷却媒体を供給されることになる。

別の実施形態では、先端冷却媒体通路１４０はまた、第３及び第４の冷却媒体入口３６、３８の両方によって冷却媒体を供給することができる。それに代えて、先端冷却媒体通路１４０は、第３の冷却媒体入口３６によって供給することができ、また第４の冷却媒体入口３８は、ブレードの後方半部分に配置された第２の蛇行冷却通路のみに冷却媒体を供給するように使用することができる。言うまでもなく、その他の様々な組合せも実用可能であると言える。

上述のように、ブレードの基部から先端に直接至る分離先端冷却媒体通路を設けることにより、先端で受ける冷却媒体が比較的低温度になっていて該冷却媒体がブレードの先端における材料の効果的な冷却を行うことができるようになることが保証される。

さらに、先端冷却媒体通路１４０がブレードの厚さのほぼ中心部で上方に延びかつ先端冷却媒体通路１４０が蛇行冷却通路間に挟まれている図５に示すような構造体の場合には、図３に示した実施形態と比較してブレードにわたる熱勾配がそれほどではなくなる傾向がある。先端冷却媒体通路１４０は、ブレード本体の側面からの直接的熱伝達から部分的に遮蔽される。ブレードの厚さにわたるより小さい熱勾配もまた、タービンブレードの信頼性及び寿命を高めるのを助けることができる。

上述のように、ブレードの基部に隣接した位置からブレードの先端に直接至る専用先端冷却媒体通路を設けることは、回転タービンブレード及び非回転（ステータ）ブレードの両方について行うことができる。専用先端冷却媒体通路によって得られる利点は、どの形式のブレードに対しても同様に適用可能である。

上記の実施形態では、先端冷却媒体通路は主として、ブレードの厚さの中心部に設置される。さらに、先端冷却媒体通路は、ブレードの前縁及び後縁間のほぼ中間点であるブレード本体の部分に設置されている。別の実施形態では、先端冷却媒体通路は、その他の位置に設置することができる。図３〜図７に示した実施形態は、先端冷却媒体通路の位置に関して単に例示することを意図しているものであり、また先端冷却媒体通路の位置に関して限定することを意図するものではない。

さらに、上記した説明は、４つの冷却媒体入口を含むブレード本体について記述している。別の実施形態では、ブレード本体は、単一の冷却媒体入口のみを含むことができ、或いはあらゆる数の冷却媒体入口を含むことができる。本発明を具現化すると共に専用先端冷却通路を含むタービンブレードは、ブレード本体の基部に設置された１つ又は複数のいずれかの冷却媒体入口からの冷却媒体を利用することができる。

また、前述の説明では、ブレードの主冷却媒体通路は、蛇行通路になっている。しかしながら、本発明は、他の形式の主冷却媒体通路を有するブレードに対して同等に適用可能である。例えば、本発明は、周辺冷却式になったブレードに対して同様に適用可能である。

周辺冷却式ブレードでは、一般的に、ブレードの基部から該ブレードの先端まで上方に延びる複数の冷却媒体通路が配置される。冷却媒体通路は基本的に、ブレードの全体高さにわたって上向きに真っ直ぐ延びる。その結果、あらゆる冷却媒体がブレードの先端に到達する時までに、冷却媒体は、ブレードを上方に通過する間に既に加熱されている。

周辺冷却式ブレード内に分離先端冷却媒体通路を設けかつブレードの高さを上方に通過する間に該先端冷却媒体通路を熱的に遮蔽した場合には、先端冷却媒体通路を通って先端に到達する冷却媒体は、通常の冷却媒体通路を通って先端に到達する冷却媒体よりも大幅に低温になることになる。従って、周辺冷却式ブレードを備えたブレードもまた、分離先端冷却媒体通路により利点を得ることができる。

現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明が開示した実施形態に限定されるべきものではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

１０ タービンブレード
１２ 前縁
１４ 後縁
１６ 先端
１５、１７、１９ 冷却孔
２０ マウント
３２ 第１の入口
３４ 第２の入口
３６ 第３の入口
３８ 第４の入口
４０ 第１の集積チャンバ
４２ 受入れチャンバ
５２、６２、１２２、１４２ 第１の上向きに延びる通路
５４、１２４、１４４ 第２の下向きに延びる通路
５６、１４６ 第３の上向きに延びる通路
５８ 第４の上向きに延びる通路
６０、１３０ クロスオーバ孔
６２、６４ 第２の冷却通路
６６ 第３の上向き冷却通路
１１０ 第１の入口
１１２ 第２の入口
１１３ 第５の入口
１１４ 第３の入口
１１５ 第４の入口
１２０ 第１の受入れチャンバ
１２２ チャンバ
１２６、１２８ 上向きに延びる通路
１４０ 先端冷却媒体通路
１６０ 先端冷却媒体リザーバ

Claims (10)

1. タービンで使用するブレードであって、
   基部及び先端を有するブレード本体と、
   前記ブレード本体の内部に設置された少なくとも１つの主冷却媒体通路と、
   前記ブレード本体内に設置された先端冷却媒体通路と
   を含んでいて、前記先端冷却媒体通路が、前記本体の基部に隣接した位置から該本体の先端に隣接した位置まで直接延びる、ブレード。
2. 前記先端冷却媒体通路が断熱材で被覆される、請求項１記載のブレード。
3. 前記本体の先端に設置された先端冷却媒体リザーバをさらに含み、前記先端冷却媒体通路が、前記先端冷却媒体リザーバ内に開口する、請求項１記載のブレード。
4. 前記先端に隣接して前記ブレードの表面上に設置された複数の先端冷却媒体孔をさらに含んでいて、前記先端冷却媒体孔の各々が、前記先端冷却媒体リザーバと連通して、該先端冷却媒体リザーバ内の冷却媒体が該先端冷却媒体孔を通って前記本体から流出することができる、請求項３記載のブレード。
5. 前記本体が高さ、幅及び厚さを有し、前記先端冷却媒体通路が、前記高さの方向に延び、前記先端冷却媒体通路の長手方向軸線が、前記本体の厚さのほぼ中央部に位置する、請求項１記載のブレード。
6. 前記先端冷却媒体通路が、前記本体のほぼ最も厚い部分に沿って設置される、請求項５記載のブレード。
7. 前記少なくとも１つの主冷却媒体通路が第１及び第２の主冷却媒体通路を含み、前記第１の主冷却媒体通路が、前記本体の前縁部分に沿って設置され、前記第２の主冷却媒体通路が、前記本体の後縁部分に沿って設置され、前記先端冷却媒体通路が、前記第１及び第２の主冷却媒体通路間に設置される、請求項１記載のブレード。
8. 前記本体の基部に設置された冷却媒体入口をさらに含み、前記冷却媒体入口が、前記本体を保持した取付け部分から冷却媒体を受け、前記冷却媒体入口を通して受けた冷却媒体が、前記少なくとも１つの主冷却媒体通路及び先端冷却媒体通路の両方に供給される、請求項１記載のブレード。
9. 前記本体の基部に設置された第１及び第２の冷却媒体入口をさらに含み、前記第１及び第２の冷却媒体入口が両方とも、前記本体を保持した取付け部分から冷却媒体を受け、前記第１の冷却媒体入口を通して受けた冷却媒体が、前記少なくとも１つの主冷却媒体通路内に供給され、前記第２の冷却媒体入口を通して受けた冷却媒体が、前記先端冷却媒体通路内に供給される、請求項１記載のブレード。
10. 前記本体の基部に設置された第１及び第２の冷却媒体入口をさらに含み、前記第１及び第２の冷却媒体入口が両方とも、前記本体を保持した取付け部分から冷却媒体を受け、前記第１及び第２の冷却媒体入口を通して受けた冷却媒体が、前記少なくとも１つの主冷却媒体通路及び先端冷却媒体通路の両方内に供給される、請求項１記載のブレード。