JP2016211553A - タービンダブテールスロットヒートシールド - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンのタービンブレードの冷却に関し、冷却タービンブレードおよびブレードを取り付けるためのスロットに関する。【解決手段】ガスタービンエンジンのタービンブレード組立体１０は、ブレード翼根１８に結合された中空のエーロフォイル１６と、翼根１８の底面に接合された、または取り付けられたダブテールスロットヒートシールド４０と、翼根１８の半径方向内側の翼根端部を半径方向に貫通して延在する入口開口に通じる、ヒートシールド４０からのシールド出口９３とを備える。ヒートシールド４０は、ヒートシールド底部から上向きに延在する脚部を有する本体と、傾斜した上流開放端と、ヒートシールド底部よりも長い脚部の自由端とを有することができる。フランジは自由端に沿って配置され、底面に接合することができる。【選択図】図１

Description

本発明は一般に、ガスタービンエンジンのタービンブレードの冷却に関し、より詳細には、冷却タービンブレードおよびブレードを取り付けるためのスロットに関する。

ガスタービンエンジンのタービンのタービンブレード、特に、高圧タービンブレードはしばしば、エンジンの圧縮機からの加圧空気の一部分によって冷却される。各タービン段は、ブレードの半径方向外側の先端が、周囲のタービンシュラウドの内側に取り付けられた状態で、支持ロータディスクから半径方向外向きに延在する１列のタービンロータブレードを含む。典型的には、少なくとも第１段タービンのタービンロータブレードは、圧縮機からの加圧空気の抽気部分によって冷却される。ブレードは、タービンディスクの軸方向スリット内に滑り込ませて固定される翼根を含む。

ブレードは典型的には、圧縮機最終段から抽気された高圧圧縮機吐出空気（圧縮機吐出圧またはＣＤＰ（ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）空気としても知られる）の一部分を使用して冷却される。この空気は、中空ブレード内側の内部冷却流路を通って適切に送られ、前縁およびその後方のフィルム冷却孔、ならびに典型的には、エーロフォイル圧力側の後縁出口孔またはスロットの列も含む様々な列においてブレードを通って排出される。

ブレード冷却空気は集められて、エンジンの静止部分からブレードを支持する回転ディスクへ移動する。冷却空気はスロットを通って、ブレード翼根に入り、そこでブレードのエーロフォイル内の冷却通路を有する冷却回路を通じて分配される。

典型的なターボファン航空機エンジンは最初、低出力のアイドルモードで作動し、その後、離陸および上昇動作のため出力を増大する。所望の飛行高度で巡航に達すると、エンジンは、より低い、すなわち中間出力設定で運転される。エンジンはまた、航空機が高度を下げて滑走路に着陸するとき、より低い出力で運転され、その後、エンジンを再び高い出力で運転して、典型的には逆推力運転が使用される。出力が増大、または減少するエンジンの様々な過渡運転モードでは、タービンブレードの温度は、それぞれ上昇、下降する。

ディスクのスロット底部は、エンジン作動中はブレード冷却空気に曝されている。冷却空気はスロット底部の熱応答性を増大させ、ディスクのスロット底部と孔との間の大きな温度勾配を生じさせる。この勾配によって、エンジンの加速および減速時に、共に大きな熱応力が生じる。この大きな熱応力によって、ディスクの低サイクル疲労寿命が短くなる。

したがって、翼根取付スロットの底部の温度勾配を低減する設計となっているタービンブレード冷却を備えるガスタービンエンジンを提供することが望まれる。温度勾配によって生じる翼根取付スロットの底部の大きな熱応力を低減することがさらに望まれる。これらの熱応力を低減することによってディスクの低サイクル疲労寿命を延ばすこともまた望まれる。

米国特許第８３０７６６２号公報

ガスタービンエンジンのタービンブレード組立体は、ブレード翼根に一体に結合された中空のエーロフォイルと、翼根の底面に取り付けられたダブテールスロットヒートシールドと、翼根の半径方向内側の翼根端部を半径方向に貫通して延在する少なくとも１つの入口開口に通じる、ダブテールスロットヒートシールドからのシールド出口とを備える。ヒートシールドは底面に接合することができる。

ヒートシールドは、ヒートシールド底部と、ヒートシールド底部から上向きに、または半径方向外向きに延在する側面または脚部とを有する本体を含むことができる。ヒートシールドは、傾斜した前方または上流開放端、およびヒートシールド底部よりも長くすることができる脚部の自由端を有することができる。

軸方向に延在する真直ぐなフランジは、脚部のそれぞれの自由端に沿って配置することができ、フランジは底面に接合することができる。ヒートシールドは、ヒートシールドの傾斜した前方または上流開放端を有することができ、また、フランジおよび脚部の自由端は、ヒートシールド底部より長くすることができる。本体は丸くすることができる。ヒートシールド底部および／または脚部は丸くすることができる。

ガスタービンエンジンのタービンディスク組立体は、ハブから周縁部へ半径方向外向きに延在するウェブを含むディスクと、周縁部の複数のダブテールスロットと、複数のダブテールスロット内に取り外し可能に保持された複数の相補的なタービンブレードと、ダブテールスロットのスロット底部とを含むことができ、ダブテールスロットがディスク組立体の周縁部のディスクポスト間を周方向に延在し、タービンブレードのそれぞれが、ブレード翼根に一体に結合された中空のエーロフォイルを含み、ダブテールスロットヒートシールドが翼根の底面に取り付けられ、ダブテールスロットヒートシールドからのシールド出口が、翼根の半径方向内側の翼根端部を半径方向に貫通して延在する少なくとも１つの入口開口に通じる。

ガスタービンエンジンのタービンディスク組立体は、ヒートシールドのヒートシールド底部と、各スロット底部との間に隙間を含むことができる。ヒートシールド底部は、各スロット底部から半径方向に間隔を置いて配置することができ、ヒートシールドは、底面に接合することができる。

タービンブレード翼根に取り付けられ、タービンディスクのスロット内に配置されたタービンダブテールスロットヒートシールドを有する高圧タービンブレードの軸方向断面概略図である。 冷却空気が図１に示したタービンブレードおよび翼根を通って流れている様子を示す拡大軸方向断面概略図である。 図２に示したタービンブレード翼根およびタービンダブテールスロットヒートシールドの斜視図である。 図２に示したタービンブレード翼根に取り付けられたタービンダブテールスロットヒートシールドの斜視図である。 図４に示したタービンダブテールスロットヒートシールドの斜視図である。 図５に示したタービンダブテールスロットヒートシールドを半径方向内側に見た断面図である。 図５に示したタービンダブテールスロットヒートシールドを側方から見た断面図である。 図２に示したタービンダブテールスロットヒートシールドとスロット周りのディスクとの間の隙間を前方に見た後方断面図である。

図１には、長手方向または軸方向の中心軸線１２周りを囲む、例示的なガスタービンエンジンの高圧タービン（ＨＰＴ：ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｔｕｒｂｉｎｅ）セクション２２を概略的に示す。高圧タービンセクション２２は、外側バンド２１と内側バンド２３との間に適切に取り付けられたステータベーン３８の周方向の列を有するタービンノズル２０を含む。タービンノズル２０に続いて、第１段ＨＰロータディスク３０の周面または周縁部２４に取り外し可能に取り付けられた単列の例示的なタービンブレード１０がある。ロータディスク３０は、ハブ２８から周縁部２４へ半径方向外向きに延在するウェブ２５を含む。

図１〜３を参照すると、タービンブレード１０のそれぞれは、タービンブレード１０のプラットフォーム２７で、軸方向挿入のダブテール翼根１８に一体に結合された中空のエーロフォイル１６を含む。図２および４に示すように、ブレードダブテール翼根１８の好ましい実施形態は、横方向または周方向の両側に、ローブまたはタングの上方の対１９、およびローブまたはタングの下方の対２６を含む。図１〜４に示すように、タングは、ロータディスク３０の周縁部２４に形成された相補形の軸方向のダブテールスロット２９内に個々のブレードを支持して半径方向に保持するために、典型的なファーツリー形状をしている。

図３を参照すると、複数の入口開口５０が、ダブテール翼根１８の半径方向内側の翼根端部３５を半径方向に貫通して延在する。図１〜２に示すように、入口開口５０によって、タービンブレード冷却空気１１は、ダブテールスロット２９からエーロフォイル１６内の冷却空気回路５２に流入することができる。図１〜２を参照すると、この分野ではよく知られているように、環状流れインデューサ８４は、回転しているロータディスク３０内にタービンブレード冷却空気１１を注入する。流れインデューサ８４は典型的には、冷却空気１１を接線方向に加速し、調量し、かつ／または加圧し、回転している第１段ロータディスク３０のダブテールスロット２９内に冷却空気１１を注入する１列のベーン８６を含む。

冷却空気１１は、ダブテールスロット２９に流入して、翼根端部３５を通り、次いで、エーロフォイル１６の冷却空気回路５２の冷却流路７０を半径方向外向きに通って流れる。次いで、冷却空気１１は、従来の態様で、ブレードエーロフォイルの圧力側および負圧側の出口孔の列を通って排出される。さらに図３を参照すると、スロット底部６０とダブテールスロット２９は、ロータディスク３０の周縁部２４のディスクポスト６２間を周方向に延在する。ダブテールスロット２９は、ダブテールスロット入口３２とダブテールスロット後端３６との間を軸方向に延在する。図１および２に示すように、ダブテール翼根１８は、ロータディスク３０に取り付けられた前方保持板４６および後方保持板４８によって、ダブテールスロット２９内に軸方向に保持される。

図１〜３を参照すると、ダブテールスロット冷却空気チャンバまたはマニホールド４４は、ダブテール翼根１８の翼根端部３５と、ロータディスク３０の周縁部２４のダブテールスロット２９のスロット底部６０との間を半径方向に配置される。ダブテール翼根１８の翼根端部３５は、ダブテールスロット冷却空気チャンバまたはマニホールド４４の上面３９または半径方向外側の境界を画定する。ダブテール翼根１８の翼根端部３５は、ダブテールスロット２９に沿う周縁部２４の軸方向に延在する幅Ｗより長く、スロット底部６０より軸方向に長い。周縁部２４の軸方向前方端４５の切欠またはカットバック４２によって、スロット底部６０より軸方向に長いダブテール翼根１８の翼根端部３５が収まる。

図１〜３を参照すると、ダブテールスロットヒートシールド４０はダブテール翼根１８の底面３７に取り付けられ、ダブテールスロット冷却空気チャンバまたはマニホールド４４内に配置される。ヒートシールド４０は、ろう付けまたは溶接などによって底面３７に接合することができる。ヒートシールド４０は、スロット底部６０を冷却空気１１から遮蔽するように設計される。ヒートシールド４０は、冷却空気１１がスロット底部６０の熱応答性に実質的に影響を与える可能性を減らし、周縁部から孔までの温度勾配を低減すると共に熱応力を低減するように設計される。

図４〜７を参照すると、本明細書で説明するダブテールスロットヒートシールド４０の例示的な実施形態は、丸くしたヒートシールド底部９０を含む丸くした本体８８を有することが好ましい。側面または脚部９２は、ヒートシールド底部９０から半径方向外向きに、または上向きに延在する。脚部は、図４、５、および８に示すように丸くすることができる。軸方向に延在する真直ぐなフランジ９６は、脚部９２のそれぞれの自由端９８に沿って配置される。フランジ９６は、ダブテール翼根１８の底面３７に、ろう付けなどによって取り付けられる、または接合される。ヒートシールド底部９０は、スロット底部６０が冷却空気１１に直接曝されることを防ぐのに役立つように、スロット底部６０から半径方向に間隔を置いて配置することができる。

ヒートシールド４０の前方または上流開放端１００は、上流端１００の斜面１０２によって示される斜めの、または傾斜した上流となっている。上流端１００は斜めになっている、または傾斜しており、その結果、フランジ９６および脚部９２の自由端９８は、ヒートシールド４０のヒートシールド底部９０よりも長い。ヒートシールド４０の斜めの、または傾斜した上流端１００は、冷却空気１１をヒートシールド４０の本体８８の中空内部８９の中に導くのに役立つ。冷却空気１１は、フランジ９６と脚部９２の自由端９８との間のシールド出口９３を通り、さらに複数の入口開口５０を通って中空内部８９を出る。冷却空気１１は、ロータディスク３０の周縁部２４に沿って配置されたスロット底部６０とは最小限の接触しかせずに、ダブテールスロット、およびダブテール翼根１８の内側の翼根端部３５を通って流れる。

図８には、スロット底部６０が冷却空気１１に直接曝されるのを防ぐことに役立つ、少なくともヒートシールド４０のヒートシールド底部９０とスロット底部６０との間の隙間Ｃが示されている。ヒートシールド、翼根、およびスロットのいくつかの実施形態における隙間Ｃは、ヒートシールドおよびスロットの実質的な部分に沿って約０．０４インチとすることができる。ヒートシールド底部９０および脚部９２を含む本体８８は、ダブテール翼根１８の翼根端部３５とディスク３０の周縁部２４のダブテールスロット２９のスロット底部６０との間のスロット冷却空気チャンバまたはマニホールド４４に沿って周縁部２４に本体がぴったりと合うようにするために、丸くすることができる。

本発明の好ましく、かつ例示的な実施形態であると考えられるものを本明細書で説明してきたが、本明細書での教示から当業者には本発明の他の修正が明らかになるはずであり、したがって、すべてのそのような修正は本発明の真の精神および範囲内にあるものとして添付の特許請求の範囲で保護されることが望まれる。したがって、特許によって保護されるように望むものは、以下の特許請求の範囲で定義され差別化される発明である。

１０ ガスタービンエンジンのタービンブレード組立体／タービンブレード
１１ 冷却空気
１２ 中心軸線
１６ 中空のエーロフォイル
１８ ブレード翼根／翼根／ダブテール翼根
１９ ローブまたはタングの上方の対
２０ タービンノズル
２１ 外側バンド
２２ ガスタービンエンジンの高圧タービンセクション
２３ 内側バンド
２４ 周縁部
２５ ウェブ
２６ ローブまたはタングの下方の対
２７ プラットフォーム
２８ ハブ
２９ ダブテールスロット
３０ ガスタービンエンジンのタービンディスク組立体／ロータディスク／ディスク
３２ スロット入口
３５ 内側の翼根端部
３６ 後端
３７ 底面
３８ ステータベーン
３９ 上面
４０ ダブテールスロットヒートシールド
４２ 切欠またはカットバック
４４ 冷却空気チャンバまたはマニホールド
４５ 前方端
４６ 前方保持板
４８ 後方保持板
５０ 入口開口
５２ 冷却空気回路
６０ スロット底部
６２ ディスクポスト
７０ 冷却流路
８４ 流れインデューサ
８６ ベーンの列
８８ 本体
８９ 中空内部
９０ ヒートシールド底部
９２ 側面または脚部
９３ シールド出口
９６ フランジ
９８ 自由端
１００ 上流端
１０２ 斜面
Ｃ 隙間
Ｗ 幅

Claims (10)

1. ブレード翼根（１８）に一体に結合された中空のエーロフォイル（１６）と、
   前記翼根（１８）の底面（３７）に取り付けられたダブテールスロットヒートシールド（４０）と、
   前記翼根（１８）の半径方向内側の翼根端部（３５）を半径方向に貫通して延在する少なくとも１つの入口開口（５０）に通じる、前記ダブテールスロットヒートシールド（４０）からのシールド出口（９３）とを備える、ガスタービンエンジンのタービンブレード組立体（１０）。
2. 前記ヒートシールド（４０）が前記底面（３７）に接合された、請求項１記載の組立体。
3. 前記ヒートシールド（４０）が、ヒートシールド底部（９０）と、前記ヒートシールド底部（９０）から上向きに、または半径方向外向きに延在する側面または脚部（９２）とを有する本体（８８）を含む、請求項２記載の組立体。
4. 前記ヒートシールド（４０）の傾斜した前方または上流開放端（１００）、および前記ヒートシールド底部（９０）よりも長い前記脚部（９２）の自由端（９８）をさらに備える、請求項３記載の組立体。
5. 前記脚部（９２）のそれぞれの自由端（９８）に沿って配置された軸方向に延在する真直ぐなフランジ（９６）であって、前記底面（３７）に接合されたフランジ（９６）をさらに備える、請求項３記載の組立体。
6. 前記ヒートシールド（４０）の傾斜した前方または上流開放端（１００）をさらに備え、前記フランジ（９６）および前記脚部（９２）の前記自由端（９８）が前記ヒートシールド底部（９０）よりも長い、請求項５記載の組立体。
7. 前記本体（８８）が丸くなっている、請求項６記載の組立体。
8. 前記ヒートシールド底部（９０）および／または前記脚部（９２）が丸くなっている、請求項７記載の組立体。
9. ハブ（２８）から周縁部（２４）へ半径方向外向きに延在するウェブ（２５）を含むディスク（３０）と、
   前記周縁部（２４）の複数のダブテールスロット（２９）と
   前記複数のダブテールスロット（２９）内に取り外し可能に保持された複数の相補的なタービンブレード（１０）と、
   前記ダブテールスロット（２９）のスロット底部（６０）とを備える、ガスタービンエンジンのタービンディスク組立体（３０）であって、
   前記ダブテールスロット（２９）が前記ディスク（３０）の前記周縁部（２４）のディスクポスト（６２）間を周方向に延在し、
   前記タービンブレード（１０）のそれぞれが、ブレード翼根（１８）に一体に結合された中空のエーロフォイル（１６）を含み、ダブテールスロットヒートシールド（４０）が前記翼根（１８）の底面（３７）に取り付けられ、前記ダブテールスロットヒートシールド（４０）からのシールド出口（９３）が、前記翼根（１８）の半径方向内側の翼根端部（３５）を半径方向に貫通して延在する少なくとも１つの入口開口（５０）に通じる、タービンディスク組立体（３０）。
10. 前記ヒートシールド（４０）が前記底面（３７）に接合された、請求項９記載の組立体。