JP2012520413A - ブレードの基部に除塵孔を備えたタービン翼 - Google Patents

Abstract

本発明は、基部（５）によって担持されたプラットフォーム（６）上に装着されたブレード（２）を備えるターボエンジン用の冷却タービン翼であって、前記ブレードは、冷却空気の循環のためにブレード中に形成された１つ以上の空洞を有し、空洞（１１）は、後縁に沿って延び、基部（５）の下側部分内に位置する空気取り込み口（１２）と後縁の空洞（１１）を前記基部内に曲がり部（１３）を画定することによって接続する供給ダクト（１０）によって冷却空気が供給される冷却タービン翼において、ダクト（１０）は、空気取り込み口（１２）に対して略半径方向の軸上に、プラットフォーム（６）の下方に位置するベル形状のニッチ（１４）を含み、前記ニッチは、その上部においてプラットフォームを貫通して延びる除塵孔（１９）を介して開口し、基部（５）の足部において、ニッチを横方向に閉じるためにプラットフォーム（６）から略半径方向に延びる壁によって画定されることを特徴とする、冷却タービン翼に関する。

Description

本発明の分野はターボ機械の分野であり、詳細には、これらのターボ機械用の冷却タービン翼の分野である。

現代のターボ機械は、従来、組み立てられたモジュールの集合体の形態で製造される。これらは、まず、直列に配置され、空気入口内に引き込まれた空気を圧縮する１つ以上の圧縮器モジュールを備える。空気は、次いで燃焼室内に導かれ、そこで燃料と混合されて燃やされる。燃焼ガスは、１つ以上の圧縮器を駆動する１つ以上のタービンモジュールを通過する。ガスは、最終的に噴射管ノズル内に排出されて推進力を生み出すか、あるいは、フリータービン上に排出されて、伝動軸で回収される力を生み出す。

これらの現代のターボ機械は、燃焼室を離れるガスが高温であるために冷却されるが、これは、ターボ機械が作動しているときにタービン翼の金属を冷却するために、新鮮な空気の通気回路が設けられることを意味している。通気空気は、圧縮器段の出口側から抽気され、タービンに運ばれる。空気は、一般に、翼の根元部を介して入り、ブレードの厚さ内に切り込まれた空洞を介してこれらの翼を通過し、次いで、翼の壁または先端部内に設けられた穿孔部を通して排出される。空洞は、こうした空気を運び、金属を冷却するために、翼の根元部から先端部に延在するように翼の内側に長手方向に設けられる。一般に、複数の空洞が、流量を均等にし、金属を均一に冷却するために、翼の弦に沿って隣り合わせで配置される。

さまざまなタイプの塵（特に細砂）が、エンジンの作動に必要とされる空気と同時に空気取り込み口内に引き込まれ得る。塵のほとんどは、いかなる損傷も与えずにエンジンを通過するが、一部にはタービン翼の冷却回路に到達するものがあり、この冷却回路に到達した塵は、これらの回路内で蓄積する場合、空洞出口の排出オリフィスを塞ぎ、したがって翼の完全性を脅かすというリスクが存在する。このリスクが生じるのを防止するために、タービン翼には、冷却用の削孔およびベントに加えて、較正された除塵孔が備えられ、これらの除塵孔は、空洞の上部に位置し、塵を除去する役割を有している。

除塵孔は、空洞の各々に設けられる。孔の寸法設定は、塵のサイズに関係付けられる基準に従っており、そのため、翼の全体サイズとは無関係である。小型サイズの翼の場合、除塵孔を設けるには特に用心が必要であることが判明しており、冷却回路の熱パフォーマンスを支配する傾向があるため、回路の寸法設定において決定的な要素になり得る。

対処されなければならない問題は、サイズが非常に小さく、後縁を冷却する空洞の厚さが非常に薄い高圧（ＨＰ）タービン翼の場合、特に重大なものである。短弦の翼上に後縁空洞の除塵孔を設けると、他の部分を犠牲にしてこの１つの空洞のサイズに異常な増大をもたらす可能性がある。後縁空洞は、そのような場合、全弦長の２５％に相当することがある一方で、より大きい翼上では、たいてい１５から２０％相当にしかならない。これは、このタイプの除塵孔を有する小さいサイズの翼は、後縁空洞を介してこれらの翼を冷却するために、他の空洞を使用する冷却を犠牲にしてより多くの低温空気を必要とすることを意味している。したがって、冷却流量を低減し、故に満足のいく全体の熱パフォーマンスを維持できるように、後縁空洞の断面を縮小できることが重要である。この目的を達成するために対処されなければならない問題は、翼の先端部に除塵孔を設けることなく後縁空洞から塵を除去する方法を見出すことである。

本発明の目的は、従来技術の欠点の一部を有さず、特に、翼先端部に位置する後縁空洞の除塵孔を有さないタービン翼を提案することによって、これらの問題を解決することである。本発明の別の目的は、除塵空気を翼の冷却に寄与させることによって、除塵空気の使用を最適化することである。

この目的のために、本発明の１つの主題は、根元部によって支持されたプラットフォーム上に装着されたブレードを備えるターボ機械用の冷却タービン翼であって、前記ブレードは、冷却空気の循環のためにブレードに切り込まれた１つ以上の空洞を有し、後縁に沿って延びる空洞は、根元部の下側部分内に位置する空気入口を後縁空洞に接続し、前記根元部内に曲がり部を形成する供給ダクトによって冷却空気が供給される冷却タービン翼において、ダクトは、空気入口に対して略半径方向である軸に沿って、プラットフォームの下方に位置するベルの形状のニッチを含み、前記ニッチは、その上部において前記プラットフォームを通過する除塵孔を介して開口し、根元部の内側で、ニッチを横方向に閉じるためにプラットフォームから略半径方向に延びる壁によって画定されることを特徴とする、冷却タービン翼である。

このベル形状およびニッチが空気入口に面して配置されるということは、このニッチが、冷却空気と共に到着することがあり、翼の後縁冷却回路に入ると考えられる粒子を捕捉する粒子トラップとして作用することを可能にする。これらの粒子は、次いで、これらの粒子の予測されたサイズによって寸法設定された穿孔部を介して除去される。

１つの特定の実施形態では、タービン翼は、プラットフォームを通気するための少なくとも１つの通気穿孔部をさらに含み、通気穿孔部には供給ダクトから冷却空気が供給され、除塵孔は、プラットフォームの前記通気穿孔部に一致する。

そのため、次いで、翼を製造する際に伴われるいくつかの作業を低減する。

好ましくは、プラットフォームから半径方向に延びる前記ニッチの壁の少なくとも１つは、ダクトの壁の１つの連続部内に位置している。

さらにより好ましくは、前記ニッチは、ダクトの壁、および、冷却空気が前記ダクト内に流れる方向を横断して配置された畝部によって形成される。この形状は、鋳造による翼の生成に特に良好に適合されている。

本発明の代替の形態では、除塵孔は、プラットフォームの外面内に設けられ、上部から見たときに略三角形の形状を有するくぼみによって伸張される。この配置は、除塵孔を通過する空気がプラットフォームとブレードの間の接続部の冷却に寄与するようすることが可能なことを意味している。

好ましくは、くぼみは除塵孔上に配置された上部から延び、プラットフォームとブレードの間の接続部に向かって広くなる。

この代替の形態の特定一実施形態では、除塵孔の反対側の三角形の辺は、除塵孔の直径の１．５倍から３倍の間で変化する長さを有する。

有利には、除塵孔から延びる２つの辺は、前記穴の直径の６倍から１５倍の間の長さを有する。

好ましくは、くぼみの中央軸は、翼の後縁側上に位置するプラットフォームの縁部に対して略平行な方向で通る。さらにより好ましくは、くぼみはプラットフォームの前記縁部の方向から最高でも５°で分岐する。

特定の一実施形態では、中央部分内のくぼみは、プラットフォームの厚さＨ内に、除塵孔の方向にＨの値の５０％から８０％の間の深さｈにわたって埋め込まれる略傾斜平面の形態である。

好ましくは、前記傾斜平面は、プラットフォームの平面に対して３°から１０°の間の角度によって傾斜される。

本発明はまた、本明細書の上記で定義された少なくとも１つの翼を備えるターボ機械のタービンモジュールに関し、あるいは、そのようなタービンモジュールを備えるターボ機械に関する。

次に続く詳細な説明的記載の過程、および、単なる例示的および非限定的な例として与えられる本発明の一実施形態の過程において、また、添付された概略図を参照することにより、本発明はより良好に理解され、本発明のさらなる目的、詳細、特徴および利点はより明確に現れる。

ＨＰタービン翼の斜視図である。 従来技術に従って配置された後縁空洞の除塵孔を示す、ＨＰタービン翼の斜視図である。 後縁空洞を貫通する断面を備えた、従来技術によるＨＰタービン翼の斜視図である。 後縁空洞を貫通した断面を備えた、本発明の一実施形態による除塵孔を示すＨＰタービン翼の斜視図である。 本発明の同じ実施形態による除塵孔を示す、ＨＰタービン翼の後縁空洞の断面図である。 本発明による除塵孔の代替の形態を示す、タービン翼のプラットフォームの上方からの図である。 本発明による除塵孔の同じ代替形態の外側オリフィスの形状を示す、タービン翼のプラットフォームの断面図である。

ＨＰタービン翼１を示す図１を参照すると、ＨＰタービン翼１は、前縁３と後縁４の間に延び、翼の根元部５によって支持されたプラットフォーム６上に装着されたブレード２を備え、プラットフォーム６は、円形形状の混合半径１７によってブレード２に接続されている。後縁４にある翼１は、後縁空洞内で循環する冷却空気を排出するよう意図されたベント７を有する。図２は、後縁空洞のための除塵孔として作用する穿孔部８の従来技術における位置を示しており、穴８は、この空洞において翼の先端部上に配置されている。翼１はまた、ブレード２の吸引面側のプラットフォーム６上に穿孔部９も含み、ブレード５の根元部からの空気がその穿孔部を通過し、この穿孔部は、ブレード２とプラットフォーム６との間の接続部１７において翼１を冷却する機能を有する。図２に描かれた穿孔部９は、後縁４に配置され、後縁空洞の外気供給ダクトから抽気された空気が供給される。

図３および図４の各々は、冷却空気を後縁空洞１１に供給するダクト１０の領域内のタービン翼１の断面を示している。従来技術を表す図３では、ダクト１０は、翼の根元部５に位置する空気入口１２から空洞１１への入口まで通っており、空洞１１は、ほぼ一定であるか、あるいは、そこから引き出される冷却流を考慮するために極めて少しずつ低減する口径部を維持している。空洞１１は、根元部５の対称な平面内に位置する空気入口１２を、翼１の湾曲形状のためにこの平面からそれ自体ずれている後縁空洞１１と接続するため、従来、曲がり部１３を備えた形状を有している。

図４において、本発明によれば、ダクト１０は翼１の吸引面側から広くなり、プラットフォーム６の下方に配置されダクト１０によって供給されるニッチ１４を形成しており、ニッチ１４は、除塵孔として作用する穿孔部９を介して流れ内に開口している。このニッチ１４は、空気入口１２の軸にほぼ沿って位置しており、除塵孔１９上に中心が置かれ、除塵孔１９の両側に下がる横方向の壁を有してニッチを横方向に閉じるプラットフォーム６の下側壁によって屋根部分が形成された、ベル形状の空洞の形態である。除塵孔１９の直径は、ここまで到達し得るあらゆる塵を通過させるように寸法設定される。

ニッチ１４は、従来技術よりもブレード２の吸引面側から遠くで分岐してプラットフォーム６の下方に空間を形成する冷却ダクト１０の壁の分岐部によって、および、この空間を横方向に閉じるために、空気が循環する方向を横断して配置された畝部１６によって本質的に創出される。そのような形状は、実際には、翼の製造における鋳造が比較的容易である。

図５は、ダクト１０を通る空気の循環および翼１の後縁４の冷却回路に入る塵１５の粒子が通る経路の断面図である。

ニッチ１４は、プラットフォーム６の下方に創出され、空気入口オリフィス１２に位置合わせされる必要があるため、除塵孔１９（図４）は、従来技術（図３）における冷却穿孔部９より、混合半径１７から遠くの距離に位置決めされていることが、図３および４から見ることができる。従来技術の冷却穿孔部９は、この半径１７がプラットフォーム６と交わる地点で開口していたが、除塵孔１９はこの地点から幾分離れて設定されている。除塵孔１９が穿孔部９の場所になる場合、この混合領域の冷却がより低下するという結果になり得る。

これに対処し、混合半径１７を冷却するための穿孔部を１つだけ維持するために、図６は、除塵孔１９が中に開口するプラットフォーム６を用いた、翼１の底部に対する代替策を示している。この穴は、プラットフォームの外側（エンジンの回転の軸から最も遠い側を意味する）の厚さ内に設けられ、上から見たとき、略三角形の形状であるくぼみ２０によって伸張される。対応する三角形は、除塵孔１９上に配置された頂点から延び、プラットフォーム６とブレード２の間の接続部１７に向かって広くなっている。好ましい実施形態では、除塵孔１９の反対側の辺は、除塵孔１９の直径の１．５倍から３倍の間で変化する長さを有し、他の２つの辺は同じ直径の長さの６倍から１５倍の間である。

図７は、翼の後縁側に位置するプラットフォームの縁部に略平行な、図６に示されたＡ−Ａの方向の断面のくぼみ２０の図を示している。除塵孔１９は、上記で示されたように、プラットフォーム６の全厚さＨを貫通し、その中央部分内では、くぼみ２０は、この厚さＨに埋め込まれた傾斜平面の形態を有している。これは、Ｈの値の５０％から８０％の間の深さのところで除塵孔１９と交わり、３°から１０°で変化可能な角度でプラットフォームの平面に対して傾斜される。断面Ａ−Ａに対して横方向に、くぼみ２０は、三角形の２つの長辺に沿ってプラットフォーム６の平面に接続するＵ字またはＶ字の形状を有する。

くぼみ２０を構成する三角形の中央軸はガスの流れの流線方向に位置し、そのため、プラスまたはマイナス５°で、翼の後縁側上に位置するプラットフォームの縁部の方向から分岐することができる。

本発明による翼１の後縁４の冷却が、次に説明される。

冷却空気は翼１の根元部５に到達し、後縁４を冷却するために入口ダクト１２を介して空洞１１の供給回路に入る。ダクト１５の粒子がこの空気と混合され、これらの粒子は、冷却オリフィスを塞ぎ、翼の特定部分の冷却を妨害することを防止するために排除される必要がある。

空気は、圧力下で翼１の内側に入り、粒子１５を空気と共に運ぶ。これらの粒子は、翼が回転し、それによって遠心力が発生するために、冷却ダクト１０内に半径方向にシフトし、この目的で空気入口１２に面して配置されているニッチ１４に向かって移動する。従来技術とは異なり、これらの粒子は、ダクト１０の曲がり部１３に沿って動かず、一時的にプラットフォーム６の下方に留まって、ニッチ１４の横方向壁によって捕捉される。これらの粒子は、このニッチの屋根部の下方に蓄積し、したがって、除塵孔として作用する穿孔部１９に面して配置していることになる。粒子１５は、次いで、除塵孔１９を通過する空気の流れ内で一緒に運ばれ、エンジンガス流内に押し出される。除塵は穿孔部１９で実施されることから、この機能を実施するために、翼１の空洞１１の先端部内に穴をあける必要はなく、このことは次いで、すでに示されたように、従来技術では実施するのに非常に用心しなければならなかった穴あけ作業を回避する。図６および図７で示された代替の形態では、除塵孔１９を貫通する冷却空気は、それが離れるときに、プラットフォーム６の領域内でくぼみ２０によって方向を変えられ、このプラットフォームに対して略平行な方向をとる。さらに、混合半径１７に向かって空気を運ぶエンジン流内に流れるガスによって、空気はプラットフォームの表面に対して堅く保持される。除塵孔１９を通過し、その結果、この除塵機能を実施するために翼冷却回路から向きを変えられた空気は、したがって、依然としてこの翼の冷却に使用されるが、このときはその根元部を冷却する。

除塵孔１９の直径は、塵の粒子を通過させることを可能にするように寸法設定されているために従来技術の穿孔部９の直径より大きいという理由から、除塵孔１９を通過する空気流量は、穿孔部９を通過していた冷却流量より大きくなる。その結果、第１にこの空気流量がより大きいということ、第２にくぼみ２０が三角形状であるということから、除塵孔１９を離れる空気は、特定の長さにわたって混合半径１７上をスィープする。したがって、その熱効率は、従来技術で見出されるプラットフォーム内の３つの穿孔部９のものに類似しており、これらの穴を省くことが可能である。したがって、この代替の形態で達成される改良は、３つの孔をあける作業が回避され、後縁空洞を通過する冷却空気の流量が全体的に低減され得るという点で、２倍の効果がある。これは、実際には除塵空気が、除塵孔８によって従来的に実施される機能、および、ブレードプラットフォーム接続部１７を冷却するために冷却穿孔部９によって実施される機能を実施するためである。

本発明は、２つの特定の実施形態と併せて説明されてきたが、これらの実施形態に制限されることは全くなく、本発明は、説明された手段のすべての技術的均等物およびその組合せを含み、この場合、これらが本発明の範囲内に入ることは極めて明確である。

Claims (14)

1. 根元部（５）によって支持されたプラットフォーム（６）上に装着されたブレード（２）を備えるターボ機械用の冷却タービン翼であって、前記ブレードが、冷却空気の循環のためにブレード内に切り込まれた１つ以上の空洞を有し、後縁（４）に沿って延びる空洞（１１）が、根元部（５）の下側部分内に位置する空気入口（１２）を後縁空洞（１１）に接続し、前記根元部内に曲がり部（１３）を形成する、供給ダクト（１０）によって冷却空気が供給される冷却タービン翼において、ダクト（１０）は、空気入口（１２）に対して略半径方向にある軸に沿って、プラットフォーム（６）の下方に位置するベルの形状のニッチ（１４）を含み、前記ニッチが、その上部において前記プラットフォームを通過する除塵孔（１９）を介して開口し、根元部（５）の内側で、ニッチを横方向に閉じるためにプラットフォーム（６）から略半径方向に延びる壁によって画定されることを特徴とする、タービン翼。
2. 供給ダクト（１０）から冷却空気が供給されるプラットフォーム（６）に通気するための少なくとも１つの通気穿孔部（９）をさらに含み、タービン翼においては、除塵孔（１９）が、プラットフォーム（６）の前記通気穿孔部（９）に一致する、請求項１に記載のタービン翼。
3. プラットフォーム（６）から半径方向に延びる前記ニッチ（１４）の壁の少なくとも１つが、ダクト（１０）の壁の１つの連続部内に位置する、請求項１および２のいずれか一項に記載のタービン翼。
4. 前記ニッチ（１４）が、ダクト（１０）の壁によって、および、冷却空気が前記ダクト内で流れる方向を横断して配置された畝部（１６）によって形成される、請求項３に記載のタービン翼。
5. 除塵孔（１９）が、プラットフォーム（６）の外面内に設けられ、上から見たときに略三角形の形状を有するくぼみ（２０）によって伸張される、請求項１から４の一項に記載のタービン翼。
6. くぼみ（２０）が、除塵孔（１９）上に配置された頂点部から延び、プラットフォーム（６）とブレード（２）の間の接続部（１７）に向かって広くなっている、請求項５に記載のタービン翼。
7. 除塵孔（１９）の反対側の三角形の辺が、除塵孔（１９）の直径の１．５倍から３倍の間で変化する長さを有する、請求項６に記載のタービン翼。
8. 除塵孔（１９）から延びる２つの辺が、前記穴の直径の６倍から１５倍の間の長さを有する、請求項６および７のいずれか一項に記載のタービン翼。
9. くぼみ（２０）の中央軸が、翼（１）の後縁（４）側に位置するプラットフォーム（６）の縁部に対して略平行な方向に通る、請求項５から８のいずれか一項に記載のタービン翼。
10. くぼみ（２０）の中央軸が、プラットフォーム（６）の前記縁部の方向から最高でも５°で分岐する、請求項９に記載のタービン翼。
11. くぼみ（２０）の中央部分が、プラットフォーム（６）の厚さＨ内において除塵孔の方向にＨの値の５０％から８０％の間の深さｈにわたって下降する略傾斜平面の形態である、請求項５から１０のいずれか一項に記載のタービン翼。
12. 前記傾斜平面が、プラットフォームの平面に対して３°から１０°の間の角度によって傾斜される、請求項１１に記載のタービン翼。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の翼（１）を少なくとも１つ備える、ターボ機械のタービンモジュール。
14. 請求項１３に記載のタービンモジュールを備える、ターボ機械。

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