JP2011220337A - 半径方向冷却孔を有するタービンバケット - Google Patents

Abstract

【課題】半径方向冷却孔を有するタービンバケットを提供する。
【解決手段】ロータと相互接続可能であり、冷媒を内部に収容するように形成されたシャンクと、シャンクの半径方向外側部分に結合されたエーロフォイルブレードであって、実質的に半径方向に延びる冷却孔を内部に画定するように形成された本体を含み、冷却孔が、本体から熱を除去するためにシャンク内に収容された冷媒を単独で受容するように配設された、エーロフォイルブレードとを含み、この冷却孔は、本体の予め規定された半径方向位置で、実質的に非円形の断面形状を有するようにさらに画定される、タービンバケットが提供される。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示の主題は、半径方向冷却孔を有するタービンバケットに関する。

ガスタービンエンジンまたは蒸気タービンエンジンなど、タービンエンジンでは、比較的高温の流体がブレードと接触し、ブレードは、そうした流体から機械エネルギーを抽出し、それによって電力および／または電気の生成を促進するように構成されている。この工程は、所与の期間中なら非常に効率的であり得るが、長時間にわたると、高温流体が損傷を引き起こす傾向があり、こうした損傷によって、性能が劣化し、運転コストが増大することがある。

したがって、早期の不良を少なくとも防止または遅延させるために、ブレードを冷却することがしばしば必要であり、賢明である。こうした冷却は、比較的低温の圧縮空気を、冷却すべきブレードに搬送することによって実現することができる。特に、従来のガスタービンの多くでは、こうした圧縮空気は、冷却すべき各ブレードの底部から入り、半径方向に機械加工された１つまたは複数の円形流路を流れ、対流および伝導の組合せによってブレードを冷却する。

米国特許第７２０７７７５号公報

こうした従来のガスタービンでは、流体の温度が上昇するにつれて、ブレード中に流す冷却流の流量を増大させることが必要になる。このような流量の増大は、冷却孔の寸法を増大させることによって実現することができる。しかし、冷却孔の寸法を増大させると、各孔からブレードの外面までの壁厚が減少し、最終的には、ブレードの製造が困難となり、また、構造健全性（ｓｔｒｕｃｔｕａｌ ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）に問題が生じる。

本発明の一態様によれば、ロータと相互接続可能であり、冷媒を内部に収容するように形成されたシャンクと、シャンクの半径方向外側部分に結合されたエーロフォイルブレードであって、実質的に半径方向に延びる冷却孔を内部に画定するように形成された本体を含み、冷却孔が、本体から熱を除去するためにシャンク内に収容された冷媒を単独で受容するように配設された、エーロフォイルブレードとを含み、この冷却孔は、本体の予め規定された半径方向位置で、実質的に非円形の断面形状を有するようにさらに画定される、タービンバケットが提供される。

本発明の別の態様によれば、ロータと相互接続可能であり、冷媒を内部に収容するように形成されたシャンクと、シャンクの半径方向外側部分に結合されたエーロフォイルブレードであって、実質的に半径方向に延びる複数の冷却孔を内部に画定するように形成された本体を含み、冷却孔がそれぞれ、本体から熱を除去するためにシャンク内に収容された冷媒を単独かつ独立して受容するように配設された、エーロフォイルブレードとを含み、複数の冷却孔のサブセットの各冷却孔は、本体の予め規定された半径方向位置で、実質的に非円形の断面形状を有するようにさらに画定される、タービンバケットが提供される。

本発明のさらに別の態様によれば、ロータと相互接続可能であり、冷媒を内部に収容するように形成されたシャンクと、シャンクの半径方向外側部分に結合されたエーロフォイルブレードであって、反対側の前縁と後縁との間に延びる反対側の正圧面および負圧面を有する本体を含むエーロフォイルブレードとを含み、この本体は、実質的に半径方向に延びる冷却孔を内部に画定するように形成され、冷却孔は、本体から熱を除去するためにシャンク内に収容された冷媒を単独で受容するように配設され、この冷却孔は、正圧面および負圧面のプロファイルと実質的に平行なプロファイルを有する細長い側壁によってさらに画定される、タービンバケットが提供される。

上記ならびにその他の利点および特徴は、以下の説明を添付の図面と併せ考慮すれば、より明白となるであろう。

発明とみなされる本発明の主題は、本明細書の最後にある特許請求の範囲に具体的に示され、明確に特許請求されている。本発明の前述ならびにその他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を添付の図面と併せ考慮すれば明白である。

タービンバケットの平面図である。 図１のタービンバケットの概略断面図である。 実施形態によるタービュレータの断面図である。 実施形態によるタービュレータの断面図である。 実施形態によるタービュレータの断面図である。 図３のタービュレータの平面図である。 図４のタービュレータの平面図である。 図５のタービュレータの平面図である。

図面を参照しながら、詳細な説明により、本発明の実施形態をその利点および特徴と併せて例によって説明する。

図１を参照すると、シャンク２０およびエーロフォイルブレード４０を含むタービンバケット１０が設けられている。シャンク２０は、ガスタービンエンジンなどのタービンエンジンのロータと相互接続可能であり、ロータの周りで回転可能であり、また、キャビティまたは複数の流路２２が内部に画定されるように形成されたシャンク本体２１を含む。キャビティはシャンク本体２１内に鋳込むことができ、複数の流路２２は機械加工することができる。キャビティおよび複数の流路２２の両方を使用することができるが、分かりやすく、明確にするために、以下では、シャンク本体２１は、複数の流路２２だけが画定されるように形成されているものとして説明する。複数の流路２２は、圧縮機から抽出された圧縮空気などの冷媒を収容することができる。

シャンク本体２１は、モミの木形に形成することができ、そのため、ロータのダブテールシールアセンブリ内に取り付ける際に、シャンク２０をロータに対して定位置に固定することができる。その位置では、複数の流路２２のそれぞれは、例えば、タービンバケット１０の半径方向内側端部から流れる冷媒の供給と流体連通可能である。

エーロフォイルブレード４０は、シャンク２０の半径方向外側部分にあるプラットフォーム２３に結合させることができ、実質的に半径方向に延びる冷却孔４２が内部に画定されるように形成されたエーロフォイル本体４１を含むことができる。冷却孔４２は、例えば、電解加工法（ＥＣＭ）によって機械加工することができ、シャンク２０内に収容された冷媒を単独で受容するように配設される。すなわち、冷却孔４２は、他のいかなる冷却孔または冷却回路とも連通しておらず、したがって、シャンク２０以外の他のいかなるソースからも冷媒を受容することはない。

冷媒は、流体圧力および／または遠心力によって、冷却孔４２の長さに沿って半径方向に流れる。冷媒が流れると、エーロフォイル本体４１と冷媒との間で熱伝達が生じる。特に、冷媒によって、エーロフォイル本体４１から熱が除去され、さらに、エーロフォイル本体４１の固体部分４３内でも伝導性の熱伝達が生じる傾向がある。伝導性の熱伝達は、エーロフォイル本体４１を、比較的高温の温度条件に耐えることが可能な金属および／または金属合金などの金属材料で形成することによって促進することができる。全体の熱伝達によって、エーロフォイルブレード４０の温度は、熱伝達がない場合に、エーロフォイルブレード４０が、例えば、ガスタービンエンジン中を流れる比較的高温の流体と接触した結果達することになるであろう温度よりも低減する。

図２を参照すると、エーロフォイル本体４１は、プラットフォーム２３から半径方向に延ばすことができ、前縁４６と後縁４７との間で延び、協働して反り曲線４８を画定する、反対側の正圧面４４および負圧面４５を含むことができる。反り曲線４８は、長軸５０と、長軸５０に対して垂直な短軸５１とを画定する。

冷却孔４２は、エーロフォイル本体４１の予め規定された１つまたは複数の任意の半径方向位置で、実質的に非円形の断面形状６０を有するものとして画定することができる。この非円形形状６０により、冷却孔４２の周辺長が増大し、断面積がより広くなり、壁７０の壁厚を、製造の容易性および構造健全性を維持するのに必要となる壁厚を越えて犠牲にすることなく、より優れた熱伝達が可能となる。

冷却孔４２を非円形とする場合、冷却孔４２は、それだけに限られるものではないが、楕円形、またはそれ以外の細長形状を含めて様々な代替形状を有することができる。冷却孔４２は、円形または角形、規則的または不規則でもよい。冷却孔４２は、予め規定された軸を中心に対称形でも、予め規定された任意の軸を中心に非対称形でもよい。冷却孔４２は、壁７０が、製造の容易性および構造健全性を維持するのに必要となる壁厚と等しい、またはそれよりも大きい壁厚で延在するように、正圧面４４および負圧面４５の局所的なプロファイルを模したプロファイルを有する細長い側壁７１で画定することができる。同様に、冷却孔４２は、エーロフォイル本体４１の円周方向よりも軸方向に長くすることができ、かつ／または、反り曲線４８に対して１未満、または１より大きい（１は含まず）縦横比を有することができる。

冷却孔４２は、局所的に実質的に非円形とすることができ、冷却孔４２の半径方向長さの一部分に沿って実質的に非円形に延ばすことも、または、冷却孔４２の半径方向全長に沿って実質的に非円形に延ばすこともできる。このように、冷却孔４２を実質的に非円形にすることによって、エーロフォイル本体４１長さの一部分だけで熱伝達の増大を促進することも、またはエーロフォイル本体４１の全長に沿った部分で熱伝達の増大を促進することもできる。

図３〜５、および６〜８を参照すると、タービンバケット１０は、冷却孔４２内に配置されたタービュレータ８０をさらに含むことができる。タービュレータ８０、より一般的には、冷却孔４２のタービュレータ８０が配置されたタービュレート区画は、エーロフォイル本体４１内の熱伝達を増大させる働きをすることができる。タービュレート作用は、冷却孔４２中の冷媒の流れを妨害する働きをし、その結果、熱伝達係数が局所的に増大した境界再開層（ｂｏｕｎｄａｒｙ ｒｅｓｔａｒｔ ｌａｙｅｒ）が生じる。こうしたタービュレート作用は、孔の全周に沿って生じさせることも、または部分的な区画で生じさせることもでき、エーロフォイル本体４１の部品寿命を長期化させることができ、また、必要となる冷却流量を低減させることが可能となる。タービュレータ８０は、電解加工法（ＥＣＭ）などの様々な工程によって形成することができる。

タービュレータ８０は、冷却孔４２内の単一の構成要素としても、または複数個あってもよい。タービュレータ８０が複数個ある場合、一連のタービュレータ８０は、冷却孔４２の長さに沿って、半径方向に配列することができる。

図３および６に示すように、タービュレータ８０は、予め規定された任意の軸を中心に対称形とすることができる。この場合、タービュレータ８０は、タービュレータ８０が冷却孔４２の全周周りに延在する第１の構成８１で設けることができる。タービュレータ８０は、図４および７に示すように、軸方向（すなわちＡ方向）を中心に対称形でもよく、この場合、タービュレータ８０は第２の構成８２で設けることができる。タービュレータ８０は、図５および８に示すように、円周方向（すなわちＢ方向）を中心に対称形でもよく、この場合、タービュレータ８０は第３の構成８３で設けることができる。さらに、タービュレータ８０は非対称かつ／または不規則でもよい。

図１および２に戻ると、エーロフォイル本体４１は、実質的に半径方向に延びる複数の冷却孔４２が画定されるように形成することができる。その場合、各冷却孔４２は、エーロフォイル本体４１から熱を除去するためにシャンク２０内に収容された冷媒を単独かつ独立して受容するように配設される。上述のように、複数の冷却孔４２が画定される場合、冷却孔４２は互いに独立し、流体連通していない。

複数の冷却孔４２が存在する場合、全ての孔、またはサブセットだけが、実質的に非円形の断面形状を有するようにさらに画定することができる。このサブセットには、１つまたは複数の冷却孔４２を含めることができる。このサブセットの冷却孔４２のうち少なくとも１つの内部に、１つまたは複数のタービュレータ８０を配置することができる。この場合、冷却孔４２内の各タービュレータ８０の位置は、別の冷却孔４２内の別のタービュレータ８０の位置に依存するか、またはそれとは無関係である。

複数の冷却孔４２は、設計上の考慮事項に依存して、群９０、９１、および９２などの１つ、２つ、またはそれ以上の群として配置することができる。その場合、各群には、１つまたは複数の冷却孔４２を含めることができる。これらのうちで、ゼロ、１つまたは複数の冷却孔４２を、予め規定された半径方向位置で、実質的に非円形の断面形状を有するように画定することができる。この場合も、このサブセットの冷却孔４２のうち少なくとも１つの内部に、１つまたは複数のタービュレータ８０を配置することができる。この場合、冷却孔４２内の各タービュレータ８０の位置は、別の冷却孔４２内の別のタービュレータ８０の位置に依存するか、またはそれとは無関係である。

本発明を限られた数の実施形態のみ参照しながら説明してきたが、本発明は、かかる開示の実施形態のみに限定されるものではないことが容易に理解されよう。そうではなく、本発明は、本明細書には記載されていないが、本発明の趣旨および範囲と等価の任意の数の変形、変更、置換え、または均等な配置を組み込むように改変することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は、記載の実施形態のうち幾つかしか含まない場合もあることを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されるものとみなすべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

１０ タービンバケット
２０ シャンク
２１ シャンク本体
２２ 流路
２３ プラットフォーム
４０ エーロフォイルブレード
４１ エーロフォイル本体
４２ 冷却孔
４３ 固体部分
４４ 正圧面
４５ 負圧面
４６ 前縁
４７ 後縁
４８ 反り曲線
５０ 長軸
５１ 短軸
６０ 非円形の断面形状
７０ 壁
７１ 側壁
８０ タービュレータ
８１ 第１の構成
８２ 第２の構成
８３ 第３の構成
９０、９１、９２ 群

Claims (10)

1. ロータと相互接続可能であり、冷媒を内部に収容するように形成されたシャンク（２０）と、
   前記シャンク（２０）の半径方向外側部分に結合されたエーロフォイルブレード（４０）であって、実質的に半径方向に延びる冷却孔（４２）を内部に画定するように形成された本体（４１）を含み、前記冷却孔（４２）が、前記本体（４１）から熱を除去するために前記シャンク（２０）内に収容された前記冷媒を単独で受容するように配設された、エーロフォイルブレード（４０）と
   を備え、
   前記冷却孔（４２）が、前記本体（４１）の予め規定された半径方向位置で、実質的に非円形の断面形状（６０）を有するようにさらに画定される、タービンバケット（１０）。
2. 前記シャンク（２０）が、機械加工された冷却流路が内部を貫通して延びるシャンク本体（２１）を備える、請求項１記載のタービンバケット（１０）。
3. 前記シャンク（２０）が、キャビティが内部に画定されたシャンク本体（２１）を備える、請求項１記載のタービンバケット（１０）。
4. 前記冷却孔（４２）が、ある次元において別の次元よりも長い、請求項１記載のタービンバケット（１０）。
5. 前記冷却孔（４２）が、前記冷却孔の半径方向長さの一部分に沿って実質的に非円形に延びる、請求項１記載のタービンバケット（１０）。
6. 前記冷却孔（４２）が、予め規定された軸を中心に対称形、および非対称形の一方である、請求項１記載のタービンバケット（１０）。
7. 前記冷却孔（４２）が、予め規定された軸を中心に非対称形である、請求項１記載のタービンバケット（１０）。
8. 前記冷却孔内に配置されたタービュレータ（８０）をさらに備える、請求項１記載のタービンバケット（１０）。
9. ロータと相互接続可能であり、冷媒を内部に収容するように形成されたシャンク（２０）と、
   前記シャンク（２０）の半径方向外側部分に結合されたエーロフォイルブレード（４０）であって、実質的に半径方向に延びる複数の冷却孔（４２）を内部に画定するように形成された本体（４１）を含み、前記冷却孔（４２）がそれぞれ、前記本体（４１）から熱を除去するために前記シャンク（２０）内に収容された前記冷媒を単独かつ独立して受容するように配設された、エーロフォイルブレード（４０）と
   を備え、
   前記複数の冷却孔（４２）のサブセットの各冷却孔（４２）が、前記本体（４１）の予め規定された半径方向位置で、実質的に非円形の断面形状（６０）を有するようにさらに画定される、タービンバケット（１０）。
10. ロータと相互接続可能であり、冷媒を内部に収容するように形成されたシャンク（２０）と、
    前記シャンク（２０）の半径方向外側部分に結合されたエーロフォイルブレード（４０）であって、反対側の前縁（４６）と後縁（４７）との間に延びる反対側の正圧面（４４）および負圧面（４５）を有する本体（４１）を含むエーロフォイルブレード（４０）と
    を備え、
    前記本体が、実質的に半径方向に延びる冷却孔（４２）を内部に画定するように形成され、前記冷却孔（４２）が、前記本体（４１）から熱を除去するために前記シャンク（２０）内に収容された前記冷媒を単独で受容するように配設され、
    前記冷却孔（４２）が、前記正圧面（４４）および前記負圧面（４５）のプロファイルと実質的に平行なプロファイルを有する細長い側壁（７１）によってさらに画定される、タービンバケット（１０）。