JP2015135112A

JP2015135112A - タービン翼およびタービン翼の寿命を延長するための方法

Info

Publication number: JP2015135112A
Application number: JP2015004615A
Authority: JP
Inventors: ウィリアム・スコット・ゼミティス; William Scott Zemitis; アリエル・シーザー・プレペナ・ジャカラ; Caesar Prepena Jacala Ariel; ジェイソン・ダグラス・ハーズリンガー; Douglas Herzlinger Jason
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2015-01-14
Publication date: 2015-07-27
Also published as: CN104791019A; DE102015100116A1; CH709148A2; US20150204237A1

Abstract

【課題】ガスタービンのピン・バンク・アレイとして構成されたピンを有するタービン翼の機械的性能を向上させる。
【解決手段】ピン１３２が、冷却流路内１２８に配置され、腹側壁１２０に連結された第１の端部１３６と、背側壁１２２に連結された第２の端部１３８とを含む。最大曲率半径値を有する半径方向に定められるフィレットが、ピーク定常応力領域内で第１の端部１３６または第２の端部１３８のうちの少なくとも１つの周囲に沿って配置される。最大曲率半径値を有する軸方向に定められるフィレットが、ピーク振動応力領域内で第１の端部１３６または第２の端部１３８のうちの少なくとも１つの周囲に沿って配置される。軸方向に定められるフィレットの最大曲率半径値は、半径方向に定められるフィレットの最大曲率半径値よりも大きい。
【選択図】図５

Description

本発明は、広くはガスタービンのタービン翼に関する。より詳細には、本発明は、ピン・バンク・アレイとして構成されたピンを有するタービン翼およびタービン翼の機械的性能を向上させる方法に関する。

ガスタービンのタービン部は一般に、ロータ・シャフトに連結された複数のタービン翼の列または段を含む。静翼の第１の列は、タービン部への入口のところでタービン翼の第１の列の上流に配置され得る。一連の静翼の列はタービン部内で一連のタービン翼の列の間に配置される。これらの静翼とタービン翼の列をケーシングが取り囲んで、タービン部を貫通する高温ガス流路を画定している。運転においては、高温の燃焼ガスが、静翼の第１の列を越えてタービン部内に画定された高温ガス流路内に送られる。熱および／または運動エネルギーが静翼およびタービン翼を介して燃焼ガスから抽出され、それによってタービン翼が動きロータ・シャフトの回転がもたらされる。

高温ガス流路内の高温環境のせいで、一部のタービン翼は少なくとも部分的に中空にされ、その内部に内部冷却チャネルが画成される。この冷却チャネル内に圧縮された空気または蒸気などの冷媒を流して、タービン翼の熱的性能を向上させることができる。特定のタービン翼の設計では、複数のピンまたはピン・フィンが、冷却流路内で、一般にはタービン翼の後縁部分に近接して、タービン翼の腹側面と背側面の間に延在している。このようなピンは、伝熱効率を向上させ、タービン翼を構造的に支持し得る。

さまざまな要因、例えば回転力、腹側面と背側面での不均一な熱伸長、および前の静翼列から流れてくる燃焼ガスの圧力振動を原因とする振動力などにより、ピンの第１、第２の端部と腹側、背側の壁との連結点においてタービン翼にピーク定常応力およびピーク振動応力が生じる。従来のピン設計では、静止条件と振動条件の両方で剛性が均一にされるが、これはどちらの条件にとっても最適ではないかもしれない。したがって、ピンの改良およびタービン翼の全体的な機械的性能を向上させる方法は有益である。

米国特許出願公開第２０１２／０２３２９９１号

本発明の態様および利点は、以下に説明するが、あるいは説明から自明であるかまたは本発明の実施を通じて理解することができる。

本発明の一実施形態は、タービン翼である。タービン翼は、前縁部と、後縁部と、腹側壁と、背側壁とを含む。腹側壁と背側壁は、前縁部と後縁部との間に延在する。腹側壁と背側壁との間に冷却流路が画成される。冷却流路内にはピンが配置される。ピンは、腹側壁に連結された第１の端部と、背側壁に連結された第２の端部とを含む。半径方向に定められるフィレットが、第１の端部または第２の端部のうちの少なくとも１つの周囲に沿ってピーク定常応力領域内に配置される。半径方向に定められるフィレットは、最大曲率半径値を有する。軸方向に定められるフィレットが、第１の端部または第２の端部のうちの少なくとも１つの周囲に沿ってピーク振動応力領域内に配置される。軸方向に定められるフィレットは、半径方向に定められるフィレットの最大曲率半径値よりも大きい最大曲率半径値を有する。

本発明の別の実施形態は、ガスタービンである。ガスタービンは、圧縮機と、圧縮機の下流に配置された燃焼器と、複数の回転可能なタービン翼を有するタービンとを含む。タービン翼のうちの少なくとも１枚は、前縁部と、後縁部と、根元部分とチップ部分との間および前縁部と後縁部との間に半径方向に延在する腹側壁および背側壁と、を有するエアフォイルを含む。冷却流路が後縁部に近接して腹側壁と背側壁との間に画成される。タービン翼は、冷却流路内に配置されるピンを含む。ピンは、腹側壁に連結された第１の端部と、背側壁に連結された第２の端部とを含む。半径方向に定められるフィレットが、第１の端部または第２の端部のうちの少なくとも１つの周囲に沿ってピーク定常応力領域内に配置される。半径方向に定められるフィレットは、最大曲率半径値を有する。軸方向に定められるフィレットが、第１の端部または第２の端部のうちの少なくとも１つの周囲に沿ってピーク振動応力領域内に配置される。軸方向に定められるフィレットは、半径方向に定められるフィレットの最大曲率半径値よりも大きい最大曲率半径値を有する。

本発明は、腹側壁と、背側壁と、これら壁の間に画成された冷却流路と、この冷却流路内に配置された少なくとも１つのピンとを有するタービン翼の機械的耐久性を向上させる方法も含む。ピンは、腹側壁に連結された第１の端部と、背側壁に連結された第２の端部とを含む。方法は、ピンの第１の端部と第２の端部のうちの少なくとも１つの周囲に沿って少なくとも１つのピーク定常応力領域を特定することと、半径方向に定められるフィレットを対応する周囲に沿ってピーク定常応力領域に近接して画定することとを含み、該半径方向に定められるフィレットは、最大曲率半径値を画定する点を、該対応する周囲に沿って有している。方法は、さらに、ピンの第１の端部と第２の端部のうちの少なくとも１つの周囲に沿って少なくとも１つのピーク振動応力領域を特定することを含む。方法は、軸方向に定められるフィレットを対応する周囲に沿ってピーク振動応力領域に近接して画定することも含み、該軸方向に定められるフィレットは、最大曲率半径値を画定する点を含み、軸方向に定められるフィレットの最大曲率半径値は、半径方向に定められるフィレットの最大曲率半径値よりも大きい。

当業者であれば、本明細書を読めば、そのような実施形態その他の特徴と態様をよりよく理解できる。

その最良の形態を含め本発明の完全かつ実施可能な程度の当業者に対する開示は、本明細書の以下の部分（添付の図面の参照を含む）に一層具体的に記載される。

本発明のさまざまな実施形態を組み込むことができる例示的ガスタービンの一例を示す図である。本発明のさまざまな実施形態を組み込むことができる例示的タービン翼の斜視図である。本発明の一実施形態による、図２の切断線３−３におけるタービン翼の上断面図である。本発明の一実施形態による、図２の切断線４−４におけるタービン翼の垂直断面図である。本発明の一実施形態による、冷却流路内に配置された例示的ピンを含む、図３に示すタービン翼の一部分の拡大上面図である。本開示の一実施形態による、冷却流路内に配置された図５に示す例示的ピンを含む、図２に示すタービン翼の一部分の拡大正面図である。本発明の一実施形態による、図５および図６に示すピンの一方の端部の垂直断面図である。本発明の少なくとも１つの実施形態による、図５および図６に示すピンの第１の端部の拡大垂直断面図である。本発明の少なくとも１つの実施形態による、図８に示すピンを含むタービン翼の一部分の拡大正面断面図である。本発明の少なくとも１つの実施形態による、図９に示すピンの第２の端部の拡大垂直断面図である。本発明の少なくとも１つの実施形態による、図２に示すタービン翼の一部分の拡大上断面図である。本発明の少なくとも１つの実施形態による、例示的ピンの第１または第２の端部の両方を表す、例示的ピンの拡大垂直断面図である。本発明の少なくとも１つの実施形態による、図１２に示すピンを含むタービン翼の一部分の拡大上断面図である。本発明の少なくとも１つの実施形態による、タービン翼の耐久性を向上させるための方法のブロック図である。

次に本発明の実施形態に詳細に言及していくが、そのうちの１つまたは複数の例は添付の図面に示されている。詳細な説明では、数字および文字の呼称を用いて図面中の特徴を参照する。図面および説明においては、本発明の類似のまたは同じ部分の呼称を統一して用いている。本明細書では、「第１の」、「第２の」、「第３の」という用語は、構成要素を互いに区別するのに交換可能に用いることがあるが、個々の構成要素の位置や重要性を意味するものではない。「上流」「下流」という用語は、流体流路における流体の流れに対する相対的な方向を指す。例えば、「上流」は、流体が流れてくる方向を指し、「下流」は、流体が流れていく方向を指す。「半径方向」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線に対して実質的に垂直な相対的な方向を指し、「軸方向」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線に対して実質的に平行かまたは同軸的に整合する相対的な方向を指す。

いずれの例も、本発明の限定としてではなく説明として提供するものである。実際、当業者には、本発明の範囲と精神から逸脱することなく本発明の変更形態および変形形態が可能であることは明らかである。例えば、一実施形態の一部として図示または記載された特徴を別の実施形態に用いてさらに別の実施形態を得ることができる。したがって、添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内にあるそのような変更形態および変形形態は、本発明の範囲内であるものとする。本発明の例示的な実施形態は、説明を目的として、一般には産業用または陸上用ガスタービンの文脈で説明するが、当業者であれば、本発明の実施形態は、航空機用ガスタービンや船舶用ガスタービンなどのあらゆるターボマシンに応用可能であり、特許請求の範囲で特に明言しない限りは産業用や陸上用ガスタービンには限定されないことを容易に理解する。

次に図面を参照すると（同じ数字は同じ構成要素を指す）、図１は、本発明のさまざまな実施形態を組み込むことができるガスタービン１０の一例を示す。図示のように、ガスタービン１０は、圧縮機部１２と、圧縮機部１２の下流に配置された１つまたは複数の燃焼器１６を有する燃焼部１４と、燃焼部１４の下流に配置されたタービン部１８とを含む。タービン部１８は一般に、ロータ・シャフト２２に連結された複数のタービン翼２０の列または段を含む。静翼２６の第１の列２４は、タービン部１８の入口のところでタービン翼２０の第１の列２８の上流に配置され得る。一連の静翼２６の列はタービン部１８内で一連のタービン翼２０の列の間に配置される。これらの静翼とタービン翼の列をケーシング３０が取り囲んで、タービン部１８を貫通する高温ガス流路を少なくとも部分的に画定する。

運転においては、空気などの作動流体３２が圧縮機部１２の圧縮機３６の入口３４から流入する。作動流体３２は圧縮機３６内を燃焼部１４へと流れながら継続的に圧縮されて、圧縮された作動流体３８を燃焼部１４に供給する。圧縮された作動流体３８は各燃焼器１６内で燃料と混合され、この混合物は燃焼されて高温高速の燃焼ガス４０を生成する。燃焼ガス４０は、各燃焼器１６から静翼２６の第１の列２４を越えてタービン部１８内に画定された高温ガス流路内に送られる。熱および／または運動エネルギーが燃焼ガス４０から静翼２６およびタービン翼２０を介して抽出され、それによってタービン翼が回転し、結果としてロータ・シャフト２２が回転する。

図２は、本発明のさまざまな実施形態を組み込むことができ、また、図１に示すタービン翼２０の代わりにタービン部１８に組み込まれ得る例示的タービン翼１００の斜視図である。図２に示すように、タービン翼１００は一般に、タービン翼１００の基部１０４から半径方向外向きに延在するエアフォイルまたは翼１０２を含む。基部１０４は、タービン翼１００をロータ・シャフト２２（図１）と連結するようにされ得る。例えば、基部１０４は、ロータ・シャフト２２に取り付けられたロータ・ディスク（図示せず）内に画成された相補的スロット（図示せず）と係合するのに適したダブテールまたは溝形状（図示せず）などの輪郭を有し得る。

特定の実施形態では、図２に示すように、エアフォイル１０２は基部１０４のプラットフォーム部分１０６から半径方向外向きに延在する。エアフォイル１０２とプラットフォーム部分１０６が交差するところにエアフォイル１０２の根元部分１０８が画定されている。エアフォイル１０２の半径方向終端またはチップ部分１１０は、根元部分１０８に対し遠位である。エアフォイル１０２は、根元部分１０８とチップ部分１１０との間でタービン翼１００の前側部分または上流部分１１４に近接して延在する前縁部１１２を含む。前縁部１１２は、一般に、燃焼ガス４０が流れる方向Ｆに対面している。後縁部１１６が、根元部分１０８とチップ部分１１０との間でタービン翼１００の後側部分または下流部分１１８に近接して延在する。腹側壁１２０が、根元部分１０８とチップ部分１１０との間および前縁部１１２と後縁部１１６との間に半径方向に延在する。背側壁１２２が腹側壁１２０から離間している。背側壁１２２は、根元部分１０８とチップ部分１１０との間および前縁部１１２と後縁部１１６との間に半径方向に延在する。

図３は、本発明の一実施形態による、図２の切断線３−３におけるタービン翼１００の上断面図を提供する。図４は、本発明の一実施形態による、図２の切断線４−４におけるタービン翼の垂直断面図を提供する。特定の実施形態では、図３および図４に示すように、少なくとも１つの冷却流路１２４がエアフォイル１０２を部分的に貫通して延在する。図３に示すように、冷却流路１２４は、腹側壁１２０と背側壁１２２との間に少なくとも部分的に画成される。

運転においては、図４に示すように、圧縮された作動流体３８の一部などの冷媒が冷却流路１２４を通って送られて、エアフォイル１０２に伝導および／または対流冷却を提供する。特定の実施形態では、複数の冷却孔１２６が、冷却流路１２４からエアフォイル１０２を通って流体連通を提供する。例えば、図２、図３、および図４に示すように、冷却孔１２６は、前縁部１１２、腹側壁１２０、後縁部１１６、またはチップ部分１１０（図２および図４）のそれぞれに、またはいずれかに配置され得る。このように、冷却孔１２６を通じて冷媒を送ってエアフォイル１０２の外表面にフィルム冷却を提供して、タービン翼１００の全体的な耐久性を向上させることができる。

一実施形態では、図３および図４に示すように、冷却流路１２８が、腹側壁１２０と背側壁１２２との間で後縁部１１６に近接して画成される。１つまたは複数の冷却孔１３０が冷却流路１２８から流体連通を提供して、後縁部１１６に近接してエアフォイル１０２を局所的に冷却する。１つまたは複数のピン１３２またはピン・フィンが冷却流路１２８内に配置される。ピン１３２は、当業界では周知のように、冷却流路１２８を通してエアフォイル１０２の冷却効果を高めるピン・バンクまたはピン・アレイを形成し得る。

図５は、本発明の一実施形態による、冷却流路１２８内に配置された例示的ピン１３２を含む、図３に示すタービン翼１００の一部分の拡大上面図である。図６は、本発明の一実施形態による、冷却流路１２８内に配置された例示的ピン１３２（図５）を含む、図２の切断線６−６におけるタービン翼１００の一部分の拡大正面図である。

図５および図６に示すように、ピン１３２は、腹側壁１２０と背側壁１２２との間に延在する本体部１３４を含んでいる。本体部１３４は、腹側壁１２０に連結された第１の端部１３６と、背側壁１２２に連結された第２の端部１３８とを含む。ピン１３２は、鋳造、機械加工、もしくは３Ｄプリントによって、またはエアフォイル内のピンを形成する当業界で既知の任意の他の方法によって、現場で形成することができる。あるいは、ピン１３２は、溶接、蝋付け、または他の機械的な方法で腹側壁１２０と背側壁１２２に固定することができる。

運転において、タービン翼１００は定常応力と振動応力の両方に晒される。まず、定常応力は、一般には、腹側壁１２０と背側壁１２２での半径方向の不均一な熱伸長によるせん断力、および／またはタービン翼１００の回転から生じる遠心力の結果である。いずれの場合も、せん断力はピン１３２の第１および第２の端部１３６、１３８で半径方向の定常応力をもたらし、これがタービン翼１００の耐久性または機械的性能を制限することがある。定常応力は一般に、タービン翼１００の低サイクル疲労と関連がある。

図７は、図５および図６に示すピン１３２の一方の端部の垂直断面図である。図７は、ピン１３２の第１および第２の端部１３６、１３８両方を表すことができるものとする。図７に示すように、ピークまたは最大定常応力領域１４０は、一般には、第１および第２の端部１３６、１３８で、ピン１３２の半径方向内側部分１４２に近接してピン１３２の周囲に沿って、および／またはピン１３２の半径方向外側部分１４４で周囲に沿って存在する。図示のように、ピン１３２の半径方向内側部分１４２はエアフォイル１０２の根元部分１０８に向けて定められ、ピン１３２の半径方向外側部分１４４はエアフォイル１０２のチップ部分１１０に向けて定められている。

振動応力は、一般には、タービン翼１００への不均一または不安定な空気力の加重による、流れに誘導される振動の結果であり、典型的には慣性により生じる。例えば、不安定な空気力の加重は、上流の静翼２６の列から回転するタービン翼１００へと流れる燃焼ガス４０の速度および／または圧力の変化から生じて、結果としてエアフォイル１０２に低振幅の振動荷重がかかり得る。流れに誘導される振動は一般に、タービン翼１００の高サイクル疲労と関連がある。振動応力はどの方向にも向かい得る。しかしピーク振動応力は典型的には半径方向には向かわず、代わりにより大きい軸方向成分を有する傾向がある。換言すれば、ピーク振動応力は、ピン１３２の周囲に沿って６時と１２時の位置の間で１つまたは複数の点のところに生じる傾向がある。

図７に示すように、ピークまたは最大振動応力領域１４６は、一般には、第１および第２の端部１３６、１３８で、ピン１３２の前側部分１４８に近接してもしくはその方向にピン１３２の周囲に沿っておよび／またはピン１３２の後側部分１５０で周囲に沿って存在する。図示のように、ピン１３２の前側部分１４８はエアフォイル１０２の前縁部１１２に向けて定められ、ピン１３２の後側部分１５０は概ねエアフォイル１０２の後縁部１１６に向けて定められている。多くの例では、図７に示すように、ピークまたは最大定常応力領域１４０とピークまたは最大振動応力領域１４６は、第１および第２の端部１３６、１３８で、ピンの周囲に沿って整合していない。例えば、特定の例では、ピークまたは最大定常応力領域１４０とピークまたは最大振動応力部分１４６の向きは、互いに実質的に垂直にまたは直交して配置され得る。

タービン翼を設計する従来の方法には、一定または均一の直径を有するピン１３２を使用することと、ピークまたは最大振動応力１４６に対処するために、第１および／または第２の端部１３６、１３８でピン１３２の周囲の周りに均一の半径を有する単一のフィレット１５２を付加することとが含まれる。他の方法では、特にピークまたは最大振動応力１４６に対処するために、不均一な半径を有する単一のフィレットが、一定または均一の直径を有するピン１３２の第１および／または第２の端部１３６、１３８で周囲の周りに形成される。これらの方法は、より広域に荷重を分布させる比較的大きいフィレットを用いる。加重がピンの剛性に主導される定常条件とは違って、振動荷重は基本的には一定である。したがって、従来の設計方法では、ピンの直径およびフィレット１５２を寸法決めする際の主な関心事は、連結部の機械的完全性を維持しながら荷重を広範に分布させて、ピークまたは最大振動応力１４６を低下させ、そうして高サイクル疲労設計を最適化することである。その結果、フィレット１５２は、第１および／または第２の端部１３６、１３８でピン１３２の周囲の周りに理想的な可撓性を提供できず、ピークまたは最大定常応力１４０は最適化されない可能性がある。したがって、低サイクル疲労は最適化されない可能性があり、タービン翼１００の寿命に影響が及ぶ可能性がある。

図８は、本発明のさまざまな実施形態による、ピン１３２の第１の端部１３６の拡大垂直断面図である。図９は、本発明のさまざまな実施形態による、図８に示すピン１３２を含むタービン翼１００の一部分の拡大正面断面図である。図１０は、本発明のさまざまな実施形態による、ピン１３２の第２の端部１３８の拡大垂直断面図である。一実施形態では、図８に示すように、ピークまたは最大定常応力部分または領域１４０が、ピン１３２の第１の端部１３６の周囲に沿ってピンの半径方向内側部分１４２および／または半径方向外側部分１４４に近接して特定される。

加えてまたは代わりに、図１０に示すように、ピークまたは最大定常応力領域１４０は、ピン１３２の第２の端部１３８の周囲に沿ってピン１３２の半径方向内側部分１４２および半径方向外側部分１４４に近接して特定される。特定の実施形態では、図８、図９、および図１０に示すように、少なくとも１つの半径方向に定められるフィレット１５４が、第１の端部１３６（図８および図９）、および／または第２の端部１３８（図９および図１０）の周囲に沿って配置され、各半径方向に定められるフィレット１５４は別々に特定のピークまたは最大定常応力領域１４０に近接して配置されている。

一実施形態では、図８および図９に示すように、半径方向に定められるフィレット１５４は、第１の端部１３６からタービン翼１００のチップ部分１１０に向けて延在するかまたは定められている。一実施形態では、半径方向に定められるフィレット１５４は、第１の端部１３６からタービン翼１００の根元部分１０８に向けて延在するかまたは定められている。一実施形態では、図９および図１０に示すように、半径方向に定められるフィレット１５４は、第２の端部１３８からタービン翼１００のチップ部分１１０に向けて延在するかまたは定められている。一実施形態では、半径方向に定められるフィレット１５４は、第２の端部１３８からタービン翼１００の根元部分１０８に向けて延在するかまたは定められている。

一実施形態では、図８および図９に示すように、一対の半径方向に定められるフィレット１５４が第１の端部１３６の周囲に沿って配置され、その結果各半径方向に定められるフィレット１５４は対向するピークまたは最大定常応力領域１４０に近接している。例えば、一方の半径方向に定められるフィレット１５４はチップ部分１１０に向けて延在するかまたは定められており、他方の半径方向に定められるフィレット１５４は根元部分１０８に向けて延在するかまたは定められている。

一実施形態では、図９および図１０に示すように、一対の半径方向に定められるフィレット１５４が第２の端部１３８の周囲に沿って配置され、その結果各半径方向に定められるフィレット１５４は対向するピークまたは最大定常応力領域１４０に近接している。例えば、一方の半径方向に定められるフィレット１５４はチップ部分１１０に向けて延在するかまたは定められており、他方の半径方向に定められるフィレット１５４は根元部分１０８に向けて延在するかまたは定められている。

図９は、ピン１３２の第１の端部１３６の周囲の周りの二か所で腹側壁１２０に対し実質的に垂直であって、また、ピン１３２の第２の端部１３８の周囲の周りの二か所で背側壁１２２に対し実質的に垂直である方向の４つの別個の半径方向に定められるフィレット１５４の輪郭１５６を示す。一実施形態では、各半径方向に定められるフィレット１５４の輪郭１５６は概ね凹型である。各半径方向に定められるフィレット１５４の輪郭１５６は、対応するピークまたは最大定常応力領域１４０内で対応する第１の端部１３６または第２の端部１３８の周囲に沿う任意の点で単一の曲率半径値を有する単純曲線によって記載され得る。半径方向に定められるフィレット１５４の他の輪郭は、限定ではないが複合曲線や楕円状曲線を含め、本発明によって包含され得るものとする。

一実施形態では、図８に示すように、点１５８が、半径方向に定められるフィレット１５４が存在する各ピークまたは最大定常応力領域１４０内で第１の端部１３６の周囲および／または第２の端部１３８の周囲に沿って画定される。点１５８は、対応する半径方向に定められるフィレット１５４の極大曲率半径値に相当する。例えば、点１５８で画定された極大曲率半径値は、対応するピークまたは最大定常応力領域１４０内の対応する第１または第２の端部１３６、１３８の周囲に沿って点１５８に隣接する他のどの点の半径よりも大きい。

一実施形態では、図８に示すように、点１５８は、第１の端部１３６でタービン翼１００のチップ部分１１０に実質的に向けてまたはその方向に定められて、その特定のピークまたは最大定常応力領域１４０のピークまたは最大定常応力に特に対処し、ピン１３２の第１の端部１３６での低サイクル疲労を改善または低減する。一実施形態では、図８に示すように、点１５８は、タービン翼１００の根元部分１０８に実質的に向けてまたはその方向に定められて、その特定のピークまたは最大定常応力領域１４０のピークまたは最大定常応力に特に対処し、ピン１３２の第１の端部１３６での低サイクル疲労を改善または低減する。

一実施形態では、図１０に示すように、点１５８は、第２の端部１３８でタービン翼１００のチップ部分１１０に実質的に向けてまたはその方向に定められて、その特定のピークまたは最大定常応力領域のピークまたは最大定常応力に特に対処し、そうしてピン１３２の第２の端部１３８での低サイクル疲労を改善または低減する。一実施形態では、図１０に示すように、点１５８は、第２の端部１３８でタービン翼１００の根元部分１０８に実質的に向けてまたはその方向に定められて、その特定のピークまたは最大定常応力領域１４０のピークまたは最大定常応力に特に対処し、そうしてピン１３２の第２の端部１３８での低サイクル疲労を改善または低減する。

一実施形態では、１つまたは複数の半径方向に定められるフィレット１５４は、最適な可撓性を提供すると同時に、腹側壁１２０とピン１３２の第１の端部１３６の半径方向外側部分１４４および／または半径方向内側部分１４２との間の対応する連結部、および／または背側壁１２２とピン１３２の第２の端部１３８の半径方向外側部分１４４および／または半径方向内側部分１４２との間の対応する連結部での構造的完全性を提供することによって、特定のまたは対応するピークまたは最大定常応力領域１４０内のせん断力を低下させるような寸法および／または形状にされる。

図１１は、本発明のさまざまな実施形態による、図２に示すタービン翼１００の一部分の拡大上断面図である。一実施形態では、図８に示すように、ピークまたは最大振動応力部分または領域１４６が、ピン１３２の第１の端部１３６の周囲に沿ってピン１３２の前側部分１４８および／または後側部分１５０に近接して特定される。

加えてまたは代わりに、図１０に示すように、ピークまたは最大振動応力領域１４６は、ピン１３２の第２の端部１３８の周囲に沿ってピン１３２の前側部分１４８および／または後側部分１５０に近接して特定される。特定の実施形態では、図８、図１０、および図１１に示すように、少なくとも１つの軸方向に定められるフィレット１６０が、第１の端部１３６（図８および図１１）、および／または第２の端部１３８（図１０および図１１）の周囲に沿って配置され、各軸方向に定められるフィレット１６０は別々の特定のピークまたは最大振動応力領域１４６に近接して配置されている。

一実施形態では、図８および図１１に示すように、軸方向に定められるフィレット１６０は、第１の端部１３６からタービン翼１００の前縁部１１２に向けて延在するかまたは定められている。一実施形態では、軸方向に定められるフィレット１６０は、第１の端部１３６からタービン翼１００の後縁部１１６に向けて延在するかまたは定められている。一実施形態では、図１０および図１１に示すように、軸方向に定められるフィレット１６０は、第２の端部１３８からタービン翼１００の前縁部１１２に向けて延在するかまたは定められている。一実施形態では、軸方向に定められるフィレット１６０は、第２の端部１３８からタービン翼１００の後縁部１１６に向けて延在するかまたは定められている。

一実施形態では、図８および図１１に示すように、一対の軸方向に定められるフィレット１６０が第１の端部１３６の周囲に沿って配置され、その結果各軸方向に定められるフィレット１６０は対向するピークまたは最大振動応力領域１４６に近接している。例えば、一方の軸方向に定められるフィレット１６０は前縁部１１２に向けて延在するかまたは定められており、他方の軸方向に定められるフィレット１６０は後縁部１１６に向けて延在するかまたは定められている。

一実施形態では、図１０および図１１に示すように、一対の軸方向に定められるフィレット１６０が第２の端部１３８の周囲に沿って配置され、その結果各軸方向に定められるフィレット１６０は対向するピークまたは最大振動応力領域１４６に近接している。例えば、一方の軸方向に定められるフィレット１６０は前縁部１１２に向けて延在するかまたは定められており、他方の軸方向に定められるフィレット１６０は後縁部１１６に向けて延在するかまたは定められている。

図１１は、ピン１３２の第１の端部１３６の周囲の周りの二か所で腹側壁１２０に対し実質的に垂直であって、また、ピン１３２の第２の端部１３８の周囲の周りの二か所で背側壁１２２に対し実質的に垂直である方向の４つの別個の軸方向に定められるフィレット１６０の輪郭１６２を示す。一実施形態では、各軸方向に定められるフィレット１６０の輪郭１６２は概ね凹型である。各軸方向に定められるフィレット１６０の輪郭１６２は、対応するピークまたは最大振動応力領域１４６内の対応する第１の端部１３６および／または第２の端部１３８の周囲に沿う任意の点で単一の曲率半径値を有する単純曲線によって記載され得る。軸方向に定められるフィレット１６０の他の輪郭は、限定ではないが複合曲線や楕円状曲線を含め、本発明によって包含され得るものとする。

一実施形態では、図８に示すように、点１６４が、軸方向に定められるフィレット１６０が存在する各ピークまたは最大振動応力領域１４６内で第１の端部１３６の周囲および／または第２の端部１３８の周囲に沿って画定される。点１６４は、対応する軸方向に定められるフィレット１６０の極大曲率半径値に相当する。例えば、点１６４で画定された極大曲率半径値は、対応するピークまたは最大振動応力領域１４６内で対応する第１または第２の端部１３６、１３８の周囲に沿って点１６４に隣接する他のどの点の半径よりも大きい。

一実施形態では、図８に示すように、点１６４は、第１の端部１３６でタービン翼１００の前縁部１１２に実質的に向けてまたはその方向に定められて、その特定のピークまたは最大振動応力領域１４６のピークまたは最大振動応力に対処する。一実施形態では、図８に示すように、点１６４は、第１の端部１３６でタービン翼１００の後縁部１１６に実質的に向けてまたはその方向に定められて、その特定のピークまたは最大振動応力領域１４６のピークまたは最大振動応力に対処する。

一実施形態では、図１０に示すように、点１６４は、第２の端部１３８でタービン翼１００の前縁部１１２に実質的に向けてまたはその方向に定められて、その特定のピークまたは最大振動応力領域１４６のピークまたは最大振動応力に対処する。一実施形態では、図１０に示すように、点１６４は、第２の端部１３８でタービン翼１００の後縁部１１６に実質的に向けてまたはその方向に定められて、その特定のピークまたは最大振動応力領域１４６のピークまたは最大振動応力に対処する。

軸方向に定められる１つまたは複数のフィレット１６０は、腹側壁１２０と、ピン１３２の第１の端部１３６および／または第２の端部１３８の前側部分１４８との連結部の可撓性を低減／除去するかまたは剛性化するように寸法決めされ、それによって高サイクル疲労を低減または最適化し、そうしてタービン翼の寿命を延長または改良する。例えば、特定の実施形態では、ピークまたは最大振動応力領域１４６内で点１６４によって画定された最大曲率半径値は、ピークまたは最大定常応力領域１４０内で点１６２によって画定された最大曲率半径値よりも大きい。

さまざまな実施形態において、図８および図１０に示すように、移行ブレンド部またはフィレット１６５が、半径方向に定められるフィレット１５４と軸方向に定められるフィレット１６０との間に延在する。移行ブレンド部またはフィレット１６５の輪郭は、対応するピークまたは最大定常応力領域１４０内で対応する第１の端部１３６または第２の端部１３８の周囲に沿う任意の点で単一の曲率半径値を有する単純曲線によって記載され得る。移行ブレンド部またはフィレット１６５の他の輪郭は、限定ではないが複合曲線や楕円状曲線を含め、本発明によって包含され得るものとする。

図１２は、本発明の一実施形態による、ピン１３２の第１または第２の端部１３６、１３８いずれかの拡大垂直断面図である。図１３は、一実施形態による、図１２に示すピン１３２を含むタービン翼１００の一部分の拡大上断面図である。図１２および図１３に示すように、ピン１３２は、ピークまたは最大定常応力領域１４０において丸みのないまたは非筒型の形状または輪郭を有し得る。特定の実施形態では、その断面半径方向幅は、ピン１３２の断面軸方向幅１６８よりも小さい。その結果、丸みのないまたは非筒型の形状は、半径方向に定められるフィレット１５４とともに、ピン１３２の断面半径方向幅１６６を第１の端部１３６と第２の端部１３８の片方または両方で削減することによって、低サイクル疲労を低減または改善する働きをして、ピークまたは最大定常応力領域１４０内の剛性を軟化または低減し得る。

ピークまたは最大定常応力領域１４０のピークまたは最大振動応力領域１４６に対する不整合を利用することによって、半径方向に定められるフィレット１５４および軸方向に定められるフィレット１６０の寸法、形状、または輪郭、および／またはピン１３２の形状が最適化されて、ピークまたは最大振動応力１４６から生じる高サイクル疲労を低減および／または改善するのに十分な剛性を提供するのと同時に低サイクル疲労を低減および／または改善する最適化可撓性および構造的完全性が許容され得る。その結果、全体的なタービン翼の寿命／機械的性能は単一半径のフィレットと比較して改善される。

本明細書に記載し、図８〜図１３に示したさまざまな実施形態は、タービン翼１００の耐久性を向上させるための方法２００を提供し、それによって、高サイクル疲労と低サイクル疲労の両方が、ピークまたは最大定常応力部分１４０とピークまたは最大振動応力部分１４６の向きの不整合を利用することによって同時に最適化されて、タービン翼１００の全体的な耐久性または機械的性能が向上および／または改善される。図１４は、本発明の一実施形態による方法２００のブロック図を提供する。

ステップ２０２では、図１４に示すように、方法２００は、ピン１３２の第１の端部１３６と第２の端部１３８のうちの少なくとも１つの周囲に沿って少なくとも１つのピーク定常応力領域１４０を特定することを含む。一実施形態では、ピークまたは最大定常応力領域１４０は、タービン翼の有限要素解析を実施することができる手計算、コンピュータが実行する計算、および／またはコンピュータが実行するアルゴリズムのうちの少なくとも１つによって特定される。

ステップ２０４では、方法２００は、半径方向に定められるフィレット１５４を、対応する周囲に沿って１つまたは複数のピーク定常応力領域１４０に近接して画定することを含む。半径方向に定められるフィレット１５４は、対応する周囲に沿って最大曲率半径値を画定する点１５８を含む。半径方向に定められるフィレットは、単純曲線によって、または複合曲線によって画定され得る。

ステップ２０６では、方法２００は、ピン１３２の第１の端部１３６と第２の端部１３８のうちの少なくとも１つの周囲に沿って少なくとも１つのピーク振動応力領域１４６を特定することを含む。一実施形態では、ピークまたは最大振動応力領域１４６は、タービン翼の有限要素解析を実施することができる手計算、コンピュータが実行する計算、および／またはコンピュータが実行するアルゴリズムのうちの少なくとも１つによって特定される。

ステップ２０８では、方法は、さらに、軸方向に定められるフィレット１６０を、対応する周囲に沿って対応するピーク振動応力領域１４６に近接して画定することを含む。軸方向に定められるフィレット１６０は、最大曲率半径値を画定する点１６４を含む。軸方向に定められるフィレット１６０の最大曲率半径値は、半径方向に定められるフィレット１５４の最大曲率半径値よりも大きい。

一実施形態では、方法２００は、さらに、第１の端部１３６または第２の端部１３８のうちの１つで対向するピーク定常応力領域１４０に近接して配置される一対の半径方向に定められるフィレット１５４を画定することを含み得る。一実施形態では、方法は、第１の端部１３６または第２の端部１３８のうちの１つで対向するピーク振動応力領域１４６に近接して配置される一対の軸方向に定められるフィレット１６０を画定することを含み得る。別の実施形態では、方法２００は、第１の端部１３６と第２の端部１３８のうちの少なくとも１つに沿ってピン１３２を成形して断面半径方向幅１６６および断面軸方向幅１６８を設けることを含み、ここで断面半径方向幅１６６は断面軸方向幅１６８よりも小さい。

本明細書に記載し、図８〜図１４に示したさまざまな実施形態は、従来のタービン翼およびタービン翼の寿命を延長するための方法よりも優位な１つまたは複数の技術的利点を提供する。例えば、ピン・バンクまたはピン・アレイのピンは、低サイクル疲労と高サイクル疲労のいずれかまたは両方により、しばしば寿命を制限する場所である。従来のピン・バンク・アレイのピン設計では、静止（定常時）条件と振動条件の両方で剛性を均一にするが、これはどちらの条件にとっても最適ではないかもしれない。ピーク定常応力領域とピーク振動応力領域との不整合の知識を利用することで、より最適なピン設計が得られる。したがって、ピンの第１および第２の端部でのタービン翼設計を最適化することで、タービン翼の寿命を向上させることができ、疲労故障の回避または延期によって、この部分を長期間にわたり安全に運転することが可能になる。

ここに記載した明細書では、最良の形態も含め本発明を開示するために、また、あらゆるデバイスやシステムを作成しあらゆる組み込まれた方法を実施することを含めあらゆる当業者が本発明を実施することを可能にするために、諸例を用いている。本発明の特許可能な範囲は、請求項により定義され、当業者が想到する他の例も含み得る。そのような他の例は、それらが請求項の文言と異ならない構造的要素を含むか、あるいは請求項の文言との非実質的な差異を有する等価な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあるものと意図される。

１０ガスタービン
１２圧縮機部
１４燃焼部
１６燃焼器
１８タービン部
２０タービン翼
２２ロータ・シャフト
２４第１の列
２６静翼
２８第１の列
３０ケーシング
３２作動流体
３４入口
３６圧縮機
３８圧縮された作動流体
４０燃焼ガス
４１〜９９使用せず
１００タービン翼
１０２エアフォイル／翼
１０４基部
１０６プラットフォーム部分
１０８根元部分
１１０半径方向終端／チップ部分
１１２前縁部
１１４前側／上流部分
１１６後縁部
１１８後側／下流部分
１２０腹側壁
１２２背側壁
１２４冷却流路
１２６冷却孔
１２８冷却流路
１３０冷却孔
１３２ピン／ピン・フィン
１３４本体部
１３６第１の端部
１３８第２の端部
１４０ピーク／最大定常応力領域
１４２半径方向内側部分
１４４半径方向外側部分
１４６ピーク／最大振動応力領域
１４８前側部分
１５０後側部分
１５２フィレット
１５４半径方向に定められるフィレット
１５６輪郭
１５８点
１６０軸方向に定められるフィレット
１６２輪郭
１６４点
１６５ブレンド部／移行フィレット
１６６断面半径方向幅
１６７〜１９９使用せず
２００方法
２０２ステップ
２０４ステップ
２０６ステップ
２０８ステップ

Claims

タービン翼（２０）であって、
前縁部（１１２）と、後縁部（１１６）と、前記前縁部（１１２）と前記後縁部（１１６）との間に延在する腹側壁（１２０）および背側壁（１２２）と、前記腹側壁（１２０）と前記背側壁（１２２）との間に画成される冷却流路（１２４、１２８）と、
前記冷却流路（１２４、１２８）内に配置されるピン（１３２）であって、前記腹側壁（１２０）に連結される第１の端部（１３６）と、前記背側壁（１２２）に連結される第２の端部（１３８）とを含むピン（１３２）と、
ピーク定常応力領域（１４０）内で前記第１の端部（１３６）または前記第２の端部（１３８）のうちの少なくとも１つの周囲に沿って半径方向に定められるフィレット（１５４）であって、最大曲率半径を有する半径方向に定められるフィレット（１５４）と、
ピーク振動応力領域（１４６）内で前記第１の端部（１３６）または前記第２の端部（１３８）のうちの少なくとも１つの周囲に沿って軸方向に定められるフィレット（１６０）であって、前記半径方向に定められるフィレット（１５４）の前記最大曲率半径値よりも大きい最大曲率半径値を有する軸方向に定められるフィレット（１６０）と
を含む、タービン翼（２０）。
前記半径方向に定められるフィレット（１５４）は、前記タービン翼（２０）のチップ部分（１１０）に向けて延在している、請求項１に記載のタービン翼（２０）。
前記半径方向に定められるフィレット（１５４）は、前記タービン翼（２０）の根元部分（１０８）に向けて延在している、請求項１に記載のタービン翼（２０）。
前記軸方向に定められるフィレット（１６０）は、前記タービン翼（２０）の前記前縁部（１１２）に向けて延在している、請求項１に記載のタービン翼（２０）。
前記軸方向に定められるフィレット（１６０）は、前記タービン翼（２０）の前記後縁部（１１６）に向けて延在している、請求項１に記載のタービン翼（２０）。
前記タービン翼（２０）は、前記第１または第２の端部（１３６、１３８）の前記周囲に沿って配置される一対の前記半径方向に定められるフィレット（１５４）を含み、各半径方向に定められるフィレット（１５４）は対向するピーク定常応力領域（１４０）に近接している、請求項１に記載のタービン翼（２０）。
前記タービン翼（２０）は、前記第１または第２の端部（１３６、１３８）の前記周囲に沿って配置される一対の前記軸方向に定められるフィレット（１６０）を含み、各軸方向に定められるフィレット（１６０）は対向するピーク振動応力領域（１４６）に近接している、請求項１に記載のタービン翼（２０）。
前記ピン（１３２）は、前記第１の端部（１３６）と前記第２の端部（１３８）のそれぞれで断面半径方向幅（１６６）および断面軸方向幅（１６８）を有し、前記第１の端部（１３６）と前記第２の端部（１３８）のうちの少なくとも１つの前記断面半径方向幅（１６６）は、前記断面軸方向幅（１６８）よりも小さい、請求項１に記載のタービン翼（２０）。
ガスタービン（１０）であって、
圧縮機と、
前記圧縮機の下流にある燃焼器と、
複数の回転可能なタービン翼（２０）を有するタービンであって、前記タービン翼（２０）のうち少なくとも１枚は、
前縁部（１１２）と、後縁部（１１６）と、根元部分（１０８）とチップ部分（１１０）との間および前記前縁部（１１２）と前記後縁部（１１６）との間に半径方向に延在する腹側壁（１２０）および背側壁（１２２）と、前記腹側壁（１２０）と前記背側壁（１２２）との間で前記後縁部（１１６）に近接して画成される冷却流路とを有するエアフォイル（１０２）と、
前記冷却流路（１２４、１２８）内に配置されるピン（１３２）であって、前記腹側壁（１２０）に連結される第１の端部（１３６）と、前記背側壁（１２２）に連結される第２の端部（１３８）とを含むピン（１３２）と、
ピーク定常応力領域（１４０）内で前記第１の端部（１３６）または前記第２の端部（１３８）のうちの少なくとも１つの周囲に沿って半径方向に定められるフィレット（１５４）であって、最大曲率半径を有する半径方向に定められるフィレット（１５４）と、
ピーク振動応力領域（１４６）内で前記第１の端部（１３６）または前記第２の端部（１３８）のうちの少なくとも１つの周囲に沿って軸方向に定められるフィレット（１６０）であって、前記半径方向に定められるフィレット（１５４）の前記最大曲率半径値よりも大きい最大曲率半径値を有する軸方向に定められるフィレット（１６０）を含むタービン（１８）と
を含むガスタービン（１０）。
前記半径方向に定められるフィレット（１５４）は、前記タービン翼（２０）のチップ部分（１１０）に向けて延在している、請求項９に記載のガスタービン（１０）。
前記半径方向に定められるフィレット（１５４）は、前記タービン翼（２０）の根元部分（１０８）に向けて延在している、請求項９に記載のガスタービン（１０）。
前記軸方向に定められるフィレット（１６０）は、前記タービン翼（２０）の前記前縁部（１１２）に向けて延在している、請求項９に記載のガスタービン（１０）。
前記軸方向に定められるフィレット（１６０）は、前記タービン翼（２０）の前記後縁部（１１６）に向けて延在している、請求項９に記載のガスタービン（１０）。
前記タービン翼（２０）は、前記第１または第２の端部（１３６、１３８）の前記周囲に沿って配置される一対の前記半径方向に定められるフィレット（１５４）を含み、各半径方向に定められるフィレット（１５４）は対向するピーク定常応力領域（１４０）に近接している、請求項９に記載のガスタービン（１０）。
前記タービン翼（２０）は、前記第１または第２の端部（１３６、１３８）の前記周囲に沿って配置される一対の前記軸方向に定められるフィレット（１６０）を含み、各軸方向に定められるフィレット（１６０）は対向するピーク振動応力領域（１４６）に近接している、請求項９に記載のガスタービン（１０）。
前記ピン（１３２）は、前記第１の端部（１３６）と前記第２の端部（１３８）のそれぞれで断面半径方向幅（１６６）および断面軸方向幅（１６８）を有し、前記第１の端部（１３６）と前記第２の端部（１３８）のうちの少なくとも１つの前記断面半径方向幅（１６６）は、前記断面軸方向幅（１６８）よりも小さい、請求項９に記載のガスタービン（１０）。
腹側壁（１２０）と、背側壁（１２２）と、それら壁の間に画成される冷却流路（１２４、１２８）と、前記冷却流路（１２４、１２８）内に配置される少なくとも１つのピン（１３２）であって、前記腹側壁（１２０）に連結される端部（１３６）と前記背側壁（１２２）に連結される反対側の端部（１３８）とを有するピン（１３２）とを有するタービン翼（２０）の機械的耐久性を向上させる方法（２００）であって、
前記ピン（１３２）の前記第１の端部（１３６）と前記第２の端部（１３８）のうちの少なくとも１つの周囲に沿って少なくとも１つのピーク定常応力領域（１４０）を特定すること（２０２）と、
前記対応する周囲に沿って前記ピーク定常応力領域（１４０）に近接して半径方向に定められるフィレット（１５４）を画定すること（２０４）であって、前記半径方向に定められるフィレット（１５４）は最大曲率半径値を画定する点を前記対応する周囲に沿って有している、半径方向に定められるフィレット（１５４）を画定すること（２０４）と、
前記ピン（１３２）の前記第１の端部（１３６）と前記第２の端部（１３８）のうちの少なくとも１つの周囲に沿って少なくとも１つのピーク振動応力領域（１４６）を特定すること（２０６）と、
軸方向に定められるフィレット（１６０）を、前記対応する周囲に沿って前記ピーク振動応力領域（１４６）に近接して画定すること（２０８）であって、前記軸方向に定められるフィレット（１６０）は、最大曲率半径値を画定する点を含み、前記軸方向に定められるフィレット（１６０）の前記最大曲率半径値は、前記半径方向に定められるフィレット（１５４）の前記最大曲率半径値よりも大きい、軸方向に定められるフィレット（１６０）を画定すること（２０８）と
を含む方法（２００）。
前記半径方向に定められるフィレット（１５４）を画定するステップ（２０４）は、前記第１の端部（１３６）または前記第２の端部（１３８）のうちの１つで対向するピーク定常応力領域（１４０）に近接して配置される一対の半径方向に定められるフィレット（１５４）を画定することを含む、請求項１７に記載の方法（２００）。
前記軸方向に定められるフィレット（１６０）を画定するステップ（２０８）は、前記第１の端部（１３６）または前記第２の端部（１３８）のうちの１つで対向するピーク振動応力領域（１４６）に近接して配置される一対の軸方向に定められるフィレット（１６０）を画定することを含む、請求項１７に記載の方法（２００）。
さらに、前記第１の端部（１３６）と前記第２の端部（１３８）のうちの少なくとも１つに沿って前記ピン（１３２）を成形して断面半径方向幅（１６６）および断面軸方向幅（１６８）を設けることを含み、前記断面半径方向幅（１６６）は前記断面軸方向幅（１６８）よりも小さい、請求項１７に記載の方法（２００）。