JP2016160936A - タービンロータブレード - Google Patents

Abstract

【課題】先端部分の冷却を増強したタービンロータブレードを提供すること。【解決手段】タービンロータブレードは、正圧先端壁、負圧先端壁、先端前縁、及び先端後縁を有する先端部分を含む。タービンロータブレードはまた、正圧先端壁及び負圧先端壁によって少なくとも部分的に定められるスクイーラキャビティを含む。タービンロータブレードは更に、負圧先端壁によって定められ、スクイーラキャビティから高温ガス経路内に冷却空気を抽気してスクイーラキャビティ内の圧力を低減するよう構成された少なくとも１つの孔を含む。タービンロータブレードは更にまた、タービンロータブレードの根元部分から先端部分まで各々延びた負圧側壁及び正圧側壁を有する主本体を含む。【選択図】 図１

Description

本明細書で開示される主題は、タービンシステムに関し、より詳細には、先端部分の冷却を増強したタービンロータブレードに関する。

ガスタービンエンジンでは、圧縮機で加圧された空気を用いて燃焼器において燃料を燃焼させ、高温の燃焼ガスの流れを発生させ、その結果、このような燃焼ガスが１又はそれ以上のタービンを通って下流側に流れ、この燃焼ガスからエネルギーを取り出すことができるようになる。一般的に、このようなタービンによれば、円周方向に間隔を置いて配置されたタービンロータブレードの列が、支持ロータディスクから半径方向外向きに延びている。各ブレードは通常、ロータディスクの対応するダブテールスロットにおけるブレードの組み付け及び分解を可能にするダブテールと、並びに該ダブテールから半径方向外向きに延びて且つエンジンを通る作動流体の流れと相互作用する翼形部と、を含む。翼形部は、対応する前縁と後縁との間で軸方向に延び且つ根元と先端との間で半径方向に延びる略凹面状の正圧側面と、略凸面状の負圧側面とを有する。タービンブレードは、高温燃焼ガスに浸されるので、部品耐用寿命を確保するために効果的な冷却が必要とされる。通常、ブレード翼形部は中空であり、圧縮機と流れ連通して配置され、抽気された加圧空気の一部が翼形部の冷却用に受け取られるようにする。翼形部の冷却は、極めて複雑であり、様々な形態の内部冷却チャンネル及び特徴要素を用いて利用することができる。それでも尚、翼形部先端は、タービンシュラウドに直近の位置にあり、先端ギャップを通って流れる高温燃焼ガスにより加熱されるので、冷却するのが特に困難である。従って、ブレードの翼形部内部で送られる空気の一部は通常、冷却のため先端を通じて排出される。

ブレードの先端部分は、冷却空気が排出されるポケットを含むことが多い。領域における先端漏洩渦流を増強して漏洩流を低減するために、フィレット部が先端に含まれることが多い。これらのフィレットを冷却するには、高い供給圧力の冷却流が必要とされ、これによりシステム全体の効率が低下する。

米国特許第７，７０４，０４７号明細書

本発明の１つの態様によれば、タービンロータブレードは、正圧先端壁、負圧先端壁、先端前縁、及び先端後縁を有する先端部分を含む。タービンロータブレードはまた、正圧先端壁及び負圧先端壁によって少なくとも部分的に定められるスクイーラキャビティを含む。タービンロータブレードは更に、負圧先端壁によって定められ、スクイーラキャビティから高温ガス経路内に冷却空気を抽気してスクイーラキャビティ内の圧力を低減するよう構成された少なくとも１つの孔を含む。タービンロータブレードは更にまた、タービンロータブレードの根元部分から先端部分まで各々延びた負圧側壁及び正圧側壁を有する主本体を含む。

本発明の別の態様によれば、タービンシステムのタービンセクションは、複数のタービン段を形成する複数のタービンロータブレードを備え、各複数のタービンロータブレードが、前縁、後縁、負圧側壁及び正圧側壁を含む。タービンセクションはまた、正圧先端壁、負圧先端壁、先端前縁、及び先端後縁を有する、複数のタービンロータブレードのうちの少なくとも１つのタービンロータブレードの先端部分を備える。タービンセクションは更に、正圧先端壁及び負圧先端壁によって少なくとも部分的に定められるスクイーラキャビティを備える。タービンセクションは更にまた、負圧先端壁によって定められた少なくとも１つの孔を備え、該少なくとも１つの孔が、スクイーラキャビティから高温ガス経路内に冷却空気を抽気して、スクイーラキャビティ内の圧力を低減するよう構成される。

本発明の更に別の態様によれば、ガスタービンエンジンは、圧縮機セクションと、燃焼セクションと、タービンセクションとを備える。タービンセクションは、正圧先端壁、負圧先端壁、先端前縁、及び先端後縁を有する先端部分を含む。タービンセクションはまた、正圧先端壁及び負圧先端壁によって少なくとも部分的に定められるスクイーラキャビティを含む。タービンセクションは更に、負圧先端壁によって定められ且つ先端前縁に近接して配置された複数の孔を含み、該複数の孔が、スクイーラキャビティから高温ガス経路内に冷却空気を抽気して、スクイーラキャビティ内の圧力を低減するよう構成される。

これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。

本発明とみなされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。

ガスタービンエンジンの概略図。 本発明の１つの態様によるガスタービンエンジンのタービンロータブレードの斜視図。 本発明の別の態様よるタービンロータブレードの斜視図。 本発明の別の態様よるタービンロータブレードの斜視図。 複数の孔を例示した、図４のセクションＶの拡大図。 本発明の別の態様よるタービンロータブレードの斜視図。 負圧先端壁の輪郭形成領域を示したタービンロータブレードの斜視図。

この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。

図１を参照すると、本発明の例示的な１つの実施形態に従って構成されたガスタービンエンジン１０のようなタービンシステムが概略的に示されている。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機セクション１２と、缶アニュラ型アレイで配列された複数の燃焼器組立体とを含み、燃焼器組立体の１つが符号１４で示されている。燃焼器組立体は、燃料供給源（図示せず）から燃料を受け取り、圧縮機セクション１２から圧縮空気を受け取るよう構成される。燃料及び圧縮空気が燃焼室１８に入って点火し、高温高圧の燃焼生成物又は空気ストリームを形成し、これを用いてタービン２４を駆動する。タービン２４は、圧縮機／タービンシャフト３０（ロータとも呼ばれる）を通って圧縮機１２に動作可能に接続された複数の段２６〜２８を含む。

作動時には、空気は、圧縮機１２に流れて、高圧ガスに圧縮される。高圧ガスは、燃焼器組立体１４に供給され、燃焼室１８において燃料（例えば、天然ガス、燃料油、プロセスガス、及び／又は合成ガス（シンガス））と混合される。燃料／空気又は可燃性混合気が点火されて、高圧高温の燃焼ガスストリームが形成され、この燃焼ガスストリームがタービン２４に送られ、熱エネルギーから機械的回転エネルギーに変換される。

図１を引き続き参照しながら、次に図２を参照すると、タービンロータブレード４０（「タービンバケット」、「タービンブレード翼形部」又は同様のものとも呼ばれる）の一部の斜視図が示される。タービンロータブレード４０は、タービン２４の何れかの段に配置することができることを理解されたい。１つの実施形態において、タービンロータブレード４０は、タービン２４の例示の第１の段（すなわち、段２６）内に配置される。３つの段のみが例示されているが、より多くの段又はより少ない段が存在することができることを理解されたい。何れの場合においても、タービンロータブレード４０は、根元部分（図示せず）から先端部分４６まで延びる主本体部分４２を含む。タービンロータブレード４０の主本体部分４２は、正圧側壁４８と負圧側壁５０とを含み、ここでタービンロータブレード４０の幾何形状は、タービンロータブレード４０にわたって流体が流れるときにタービン２４に回転力をもたらすように構成される。図示のように、負圧側壁５０は凹面形状であり、正圧側壁４８は凸面形状である。主本体部分４２は更に、前縁５２と後縁５４とを含む。以下の考察では、主としてガスタービンに焦点を当てているが、考察する概念は、ガスタービンエンジンに限定されず、タービンブレードを利用する何らかの回転機械に適用することができる。

正圧側壁４８及び負圧側壁５０は、タービンロータブレード４０の半径方向スパン全体にわたって円周方向に離間して配置されて、冷却のためタービンロータブレード４０を通って冷却空気を送る少なくとも１つの内部流れチャンバ又はチャンネルを定める。冷却空気は通常、何らかの従来の手法で圧縮機セクション１２から抽気される。タービン翼形部ブレード４０の内部は、例えば、冷却空気の有効性を向上させるため種々のタービュレータを備えた蛇行流れチャンネルを含む何れかの構成を有することができ、該冷却空気は、タービンロータブレード４０の先端部分４６に配置され、より詳細には先端部分４６と併せて以下で説明するスクイーラキャビティ８０に近接して配置された少なくとも１つのタービンロータブレード４０、通常は複数のタービンロータブレード４０を通って排出される。

先端部分４６は、正圧側壁４８及び負圧側壁５０の半径方向外側端部上に配置された先端プレート６０を含み、該先端プレート６０は、内部冷却キャビティを境界付ける。先端プレート６０は、タービンロータブレード４０と一体化することができ、或いは、所定位置に溶接することができる。正圧先端壁６２及び負圧先端壁６４は、先端プレート６０上に形成することができる。一般に、正圧先端壁６２は、先端プレート６０から半径方向外向きに延び、且つ先端前縁６８から先端後縁７０まで軸方向に延びる。一般に、正圧先端壁６２及び負圧先端壁６４は、先端プレート６０に対して約９０°の角度を形成するが、これは変えることができる。例えば、正圧先端壁６２及び／又は負圧先端壁６４間の角度関係は、図７に示される負圧面上の先端ウィングレット又は先端フィレット８２の場合のように、９０°以外の角度で先端プレート６０から角度を付けることができる。例示の実施形態において、負圧先端壁６４は、輪郭形成膨出部に基づいて角度が直角でないように膨出している。翼形部の負圧側面上に示されているが、代替として又は組み合わせて、正圧先端壁６２が９０°以外の角度で配向されるようにする特徴要素を含むことができる点は、理解されたい。正圧先端壁６２及び負圧先端壁６４の正確な構成に関係なく、正圧先端壁６２の経路は、正圧側壁４８の終端部に隣接又は近接している（すなわち、正圧側壁４８に沿って先端プレート６０の外周又はその近傍にある）。

同様に、負圧先端壁６４は一般に、先端プレート６０から半径方向外向きに延び、且つ先端前縁６８から先端後縁７０まで軸方向に延びる。しかしながら、図３に示すように、負圧先端壁６４は、先端前縁６８から先端後縁７０まで部分的にのみ延びることができる。負圧先端壁６４の経路は、負圧側壁５０の終端部に隣接又は近接している（すなわち、負圧側壁５０に沿って先端プレート６０の外周又はその近傍にある）。正圧先端壁６２及び／又は負圧先端壁６４の高さ及び幅は、タービン組立体全体の最良の性能及びサイズに応じて変わることができる。図示のように、正圧先端壁６２及び／又は負圧先端壁６４は、断面形状が略矩形とすることができるが、他の形状も実施可能である。

正圧先端壁６２及び負圧先端壁６４は、一般に、本明細書でスクイーラキャビティ８０として呼ばれるものを形成する。スクイーラキャビティ８０は、先端部分４６内に形成された半径方向内向きに延びる何れかの凹部又はキャビティを含むことができる。一般に、スクイーラキャビティ８０は、タービンロータブレード４０と同様の形状又は形態を有するが、他の形状も実施可能であり、通常は、正圧先端壁６２、負圧先端壁６４、及び本明細書で先端プレート６０として説明された内側半径方向フロアにより境界付けられる。

上述のように、１つの実施形態において、タービンロータブレード４０の先端部分４６は、図７に示すように、負圧先端壁６４に沿って配置されたウィングレット又はフィレット領域８２を含む。フィレット領域８２は、負圧先端壁６４の長さに沿った何れかの箇所に配置することができる。少なくとも１つのフィレット領域８２は、複数の利点を提供する。１又は複数の外向き拡大領域に伴う１つの利点として、先端領域の漏洩が低減され、これによりタービンセクション２４の効率が改善される。これは、タービンロータブレード４０の先端部分４６での流れを阻止する傾向がある、この領域に近接した先端漏洩の渦流が減衰することに起因する。

先端部分４６を効率的に冷却するために、冷却空気が主本体部分４２を通って送られ、複数の出口孔５６を通じてスクイーラキャビティ８０内に放出される。スクイーラキャビティ８０内の圧力を低減し、これによりスクイーラキャビティ８０に冷却空気を効率的に提供するのに必要な供給圧力を低下させるために、少なくとも１つの孔９０、但し通常は複数の孔９０が含められる。複数の孔９０は、負圧先端壁６４によって定められ、負圧先端壁６４を貫通する通気口を形成する。複数の孔９０は、スクイーラキャビティから高温ガス経路内に冷却空気を抽気して、スクイーラキャビティ８０内の圧力を低減するよう構成される。

図２及び３の例示の実施形態において、複数の孔９０は、負圧先端壁６４の先端前縁６８に近接して配置される。詳細には、複数の孔９０は、先端後縁７０よりも先端前縁６８に近接して配置される。このような位置付けは、先端前縁６８付近に存在するより高い圧力に基づいて有利である。先端前縁６８付近のより高い圧力は、前縁６８に近接した孔（主本体４２における）を通る必要な冷却流を維持することへの課題を提示する。バケットの根元での所与の供給圧力に対して、この領域におけるキャビティ圧力（すなわち、シンク圧力）を低減することが望ましく、これにより前縁付近の翼形部の全体の冷却が確保される。しかしながら、複数の孔９０を先端前縁６８の近傍に位置付けることに加えて、又は代替として、複数の孔９０は、図４〜６に示すように負圧先端壁６４の中間点付近に、或いは、負圧先端壁６４の先端後縁７０に近接して配置してもよい。

複数の孔９０は、何れかの好適な幾何形状から形成することができる。例えば、図２、３及び６に示すように方形又は矩形、並びに図４及び５に示すように円形を利用することができる。例示し上記で説明した幾何形状は、利用できる形状を限定するものではないことを理解されたい。例えば、楕円形を利用してもよい。孔の正確な形状に関係なく、孔の断面形状は、孔の長さ全体にわたって一定のままとすることができ、或いは、長さに応じて変化することができることは企図される。加えて、図示のように、複数の孔９０は、冷却空気が孔を通って高温ガス経路内に放出する傾向を強化するような角度で負圧先端壁６４を貫通して延びることができる。孔９０の角度付けは、孔から出る冷却空気が翼形部の負圧面にわたって流れる高温ガスと円滑に混合するように孔９０を整列させることを意味する。

複数の孔９０は、図２、３及び６に示されるように、単一の列で、或いは、図４及び５に示されるように複数の列で配列することができる。複数の孔９０の正確な幾何形状又は負圧先端壁６４を貫通する孔の配列に関係なく、作動時には、複数の孔９０は、主本体部分４２から受け取ったスクイーラキャビティ８０の冷却空気を高温ガス経路内に抽気して、スクイーラキャビティ８０内の圧力を低減するよう構成される。抽気は、負圧先端壁６４を通じて行われる。

有利には、上述の実施形態は、先端漏洩渦流を減衰させて、先端漏洩流を低減し、これによりタービンシステムの全体効率に直接的に影響を及ぼす損失を低減する。負圧側スクイーラ壁上の孔９０を通じてスクイーラポケットの冷却空気を高温ガス側に抽気することにより、より低圧の負圧側主流と空力的に接触したときにキャビティ内の圧力低減が達成され、これによりバケット先端冷却回路に対して比較的低い供給圧を維持する上で助けとなる。換言すると、このことは、冷却流供給源に対する逆流マージンを改善するのに役立つ。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されるとみなすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
タービンロータブレードであって、正圧先端壁、負圧先端壁、先端前縁、及び先端後縁を有する先端部分と、上記正圧先端壁及び上記負圧先端壁によって少なくとも部分的に定められるスクイーラキャビティと、上記負圧先端壁によって定められ、上記スクイーラキャビティから高温ガス経路内に冷却空気を抽気して、上記スクイーラキャビティ内の圧力を低減するよう構成された少なくとも１つの孔と、上記タービンロータブレードの根元部分から上記先端部分まで各々延びた負圧側壁及び正圧側壁を有する主本体と、を備える、タービンロータブレード。
［実施態様２］
上記少なくとも１つの孔が、上記先端前縁に近接して配置される、実施態様１に記載のタービンロータブレード。
［実施態様３］
上記少なくとも１つの孔が複数の孔を含む、実施態様１に記載のタービンロータブレード。
［実施態様４］
上記少なくとも１つの孔が、複数の列で配列される、実施態様３に記載のタービンロータブレード。
［実施態様５］
上記少なくとも１つの孔が、単一の列で配列される、実施態様３に記載のタービンロータブレード。
［実施態様６］
上記少なくとも１つの孔が、円形、方形、矩形、及び楕円形からなる群から選択された幾何形状を含む、実施態様１に記載のタービンロータブレード。
［実施態様７］
上記負圧先端壁及び上記正圧先端壁が各々、上記先端後縁まで完全に延びる、実施態様１に記載のタービンロータブレード。
［実施態様８］
上記負圧先端壁が、上記先端後縁に向かって部分的に延びる、実施態様１に記載のタービンロータブレード。
［実施態様９］
上記主本体から上記先端部分を分離する先端プレートを更に備える、実施態様１に記載のタービンロータブレード。
［実施態様１０］
冷却流が、上記主本体を通って送られて上記スクイーラキャビティ内に放出された後、上記負圧先端壁の少なくとも１つの孔を通って部分的に放出される、実施態様１に記載のタービンロータブレード。
［実施態様１１］
タービンシステムのタービンセクションであって、複数のタービン段を形成し、前縁、後縁、負圧側壁及び正圧側壁を各々が含む複数のタービンロータブレードと、正圧先端壁、負圧先端壁、先端前縁、及び先端後縁を有する、上記複数のタービンロータブレードのうちの少なくとも１つのタービンロータブレードの先端部分と、上記正圧先端壁及び上記負圧先端壁によって少なくとも部分的に定められるスクイーラキャビティと、上記負圧先端壁によって定められ、上記スクイーラキャビティから高温ガス経路内に冷却空気を抽気して、上記スクイーラキャビティ内の圧力を低減するよう構成された少なくとも１つの孔と、を備える、タービンシステムのタービンセクション。
［実施態様１２］
上記少なくとも１つの孔が、上記先端前縁に近接して配置される、実施態様１１に記載のタービンセクション。
［実施態様１３］
上記少なくとも１つの孔が複数の孔を含む、実施態様１１に記載のタービンセクション。
［実施態様１４］
上記少なくとも１つの孔が、複数の列で配列される、実施態様１３に記載のタービンセクション。
［実施態様１５］
上記少なくとも１つの孔が、単一の列で配列される、実施態様１３に記載のタービンセクション。
［実施態様１６］
上記少なくとも１つの孔が、円形、方形、矩形、及び楕円形からなる群から選択された幾何形状を含む、実施態様１１に記載のタービンセクション。
［実施態様１７］
上記負圧先端壁及び上記正圧先端壁が各々、上記先端後縁まで完全に延びる、実施態様１１に記載のタービンセクション。
［実施態様１８］
上記負圧先端壁が、上記先端後縁に向かって部分的に延びる、実施態様１１に記載のタービンセクション。
［実施態様１９］
上記主本体から上記先端部分を分離する先端プレートを更に備える、実施態様１１に記載のタービンセクション。
［実施態様２０］
圧縮機セクションと、燃焼セクションと、タービンセクションとを備えたガスタービンエンジンであって、上記タービンセクションが、正圧先端壁、負圧先端壁、先端前縁、及び先端後縁を有する先端部分と、上記正圧先端壁及び上記負圧先端壁によって少なくとも部分的に定められるスクイーラキャビティと、上記負圧先端壁によって定められ且つ上記先端前縁に近接して配置され、上記スクイーラキャビティから高温ガス経路内に冷却空気を抽気して、上記スクイーラキャビティ内の圧力を低減するよう構成された複数の孔と、を含む、ガスタービンエンジン。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 圧縮機セクション
１４ 燃焼器組立体
１８ 燃焼室
２４ タービン
２６-２８ 複数の段
３０ 圧縮機／タービンシャフト
４０ ロータブレード
４２ 主本体部分
４６ 先端部分
４８ 正圧側壁
５０ 負圧側壁
５２ 前縁
５４ 後縁
５６ 複数の出口孔
６０ 先端プレート
６２ 正圧先端壁
６４ 負圧先端壁
６８ 前縁
７０ 後縁
８０ スクイーラキャビティ
８２ 先端フィレット
９０ 複数の孔

Claims (10)

1. タービンロータブレード（４０）であって、
   正圧先端壁（６２）、負圧先端壁（６４）、先端前縁（６８）、及び先端後縁（７０）を有する先端部分（４６）と、
   前記正圧先端壁及び前記負圧先端壁によって少なくとも部分的に定められるスクイーラキャビティ（８０）と、
   前記負圧先端壁によって定められ、前記スクイーラキャビティから高温ガス経路内に冷却空気を抽気して、前記スクイーラキャビティ内の圧力を低減するよう構成された少なくとも１つの孔（９０）と、
   前記タービンロータブレードの根元部分から前記先端部分まで各々延びた負圧側壁（５０）及び正圧側壁（４８）を有する主本体（４２）と、
   を備える、タービンロータブレード（４０）。
2. 前記少なくとも１つの孔（９０）が、前記先端前縁（６８）に近接して配置される、請求項１に記載のタービンロータブレード（４０）。
3. 前記少なくとも１つの孔（９０）が複数の孔を含む、請求項１に記載のタービンロータブレード（４０）。
4. 前記少なくとも１つの孔（９０）が、複数の列で配列される、請求項３に記載のタービンロータブレード（４０）。
5. 前記少なくとも１つの孔（９０）が、単一の列で配列される、請求項３に記載のタービンロータブレード（４０）。
6. 前記少なくとも１つの孔（９０）が、円形、方形、矩形、及び楕円形からなる群から選択された幾何形状を含む、請求項１に記載のタービンロータブレード（４０）。
7. 前記負圧先端壁（６４）及び前記正圧先端壁（６２）が各々、前記先端後縁（７０）まで完全に延びる、請求項１に記載のタービンロータブレード（４０）。
8. 前記負圧先端壁（６４）が、前記先端後縁（７０）に向かって部分的に延びる、請求項１に記載のタービンロータブレード（４０）。
9. 前記主本体（４２）から前記先端部分（４６）を分離する先端プレート（６０）を更に備える、請求項１に記載のタービンロータブレード（４０）。
10. タービンシステム（１０）のタービンセクション（２４）であって、
    複数のタービン段（２６〜２８）を形成し、前縁（５２）、後縁（５４）、負圧側壁（５０）及び正圧側壁（４８）を各々が含む複数のタービンロータブレード（４０）と、
    正圧先端壁（６２）、負圧先端壁（６４）、先端前縁（６８）、及び先端後縁（７０）を有する、前記複数のタービンロータブレード（４０）のうちの少なくとも１つのタービンロータブレード（４０）の先端部分（４６）と、
    前記正圧先端壁及び前記負圧先端壁によって少なくとも部分的に定められるスクイーラキャビティ（８０）と、
    前記負圧先端壁によって定められ、前記スクイーラキャビティから高温ガス経路内に冷却空気を抽気して、前記スクイーラキャビティ内の圧力を低減するよう構成された少なくとも１つの孔（９０）と、
    を備える、タービンシステム（１０）のタービンセクション（２４）。