JP2016513210A

JP2016513210A - タービンブレード

Info

Publication number: JP2016513210A
Application number: JP2015558074A
Authority: JP
Inventors: リーチン−パン
Original assignee: Siemens Westinghouse Power Corp
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2013-02-14
Filing date: 2014-02-11
Publication date: 2016-05-12
Anticipated expiration: 2034-02-11
Also published as: CN105164376A; US20140227103A1; RU2015134137A; WO2014126900A1; SA515360834B1; JP6513033B2; RU2665092C2; US8920124B2; EP2956628A1

Abstract

タービンブレード（１８）のチップ（１６）から径方向外側に延在する正圧側チップ壁（１２）と負圧側チップ壁（１４）とから成るスクィーラチップ（１０）を開示する。前記正圧側チップ壁（１２）および負圧側チップ壁（１４）はそれぞれ、タービンブレード（１８）の正圧側壁（２０）および負圧側壁に沿って配置することができる。正圧側チップ壁（２０）は、排出口（２８）を設けたフィルム冷却孔（２６）を有する面取り前縁部（４６）を備えることができる。軸方向延在チップ壁（３０）は、交線（３６）において互いに接合する少なくとも２つの直線状の外表面（３２，３４）によって形成されることにより、凹状の軸方向延在チップ壁（３０）を形成することができる。軸方向延在チップ壁（３０）は、冷却系（４０）を構成する内部空洞（３８）に向かって凸状の内表面（３３）を含むことができ、これが、径方向外側の端部を形成する。この冷却系（４０）は、軸方向延在チップ壁（３０）に１つまたは複数のフィルム冷却孔（４２）を、前記負圧側壁（２２）に近接する場所に有することができ、このような構成により、正圧側壁（２０）と負圧側壁（２２）とにおける冷却の向上を促進することができる。

Description

連邦政府支援の調査または開発に関する陳述
本発明の開発の一部は、米国エネルギー省の先進タービン開発プログラム（advanced turbine development program、契約番号：DE-FC26-05NT42644）の支援を受けたものである。よって、米国政府は本発明において所定の権利を享受することがある。

発明の技術分野
本発明は、一般的にはタービンブレードに関し、より具体的には、タービンブレード用の翼形部チップに関する。

背景技術
典型的にはガスタービンエンジンは、空気を圧縮するための圧縮機と、圧縮した当該空気と燃料とを混合して当該混合物に点火する燃焼器と、出力を生成するためのタービンブレードアセンブリとを含む。燃焼器はしばしば、華氏２，６００°を超える高温で動作することが多い。典型的なタービン燃焼器構成は、このような高温にタービンブレードアセンブリをさらすものとなっている。その結果、このような高温に耐えることができる材料からタービンブレードを作製しなければならなくなる。

典型的にはタービンブレードは、当該タービンブレードの一端に設けられる付け根部と、他端に設けられてブレードを形成する細長い部分とから構成され、この細長い部分は、当該付け根部に結合されたプラットフォームから外側に向かって延在している。ブレードは通常、前記付け根部とは反対側のチップと、前縁部と、後縁部とから構成される。タービンブレードのチップはしばしば、タービンのガス流路におけるリング弧部分とブレードとの間のギャップの大きさを低減することにより、チップ流の漏れを阻止して、タービンブレードにより生成されるトルク量を低減させるというチップ構成を有することが多い。このようなチップ構成はしばしば、スクィーラチップと称されることが多く、タービン段間の性能低下を小さくするのを支援するために、ブレードのチップに組み付けられることが多い。このような構成は、ブレードチップとリング弧部分との間の漏れを最小化するように構成されている。

本発明の概要
本発明では、径方向に延在する正圧側チップ壁と、径方向に延在する負圧側チップ壁とから構成されたスクィーラチップであって、当該正圧側チップ壁および負圧側チップ壁が、タービンブレードの、軸方向に延在するチップ壁から成るチップから径方向外側に延在しているスクィーラチップを開示する。前記径方向に延在する正圧側チップ壁および前記径方向に延在する負圧側チップ壁はそれぞれ、タービンブレードの正圧側壁および負圧側壁に沿って配置することができる。前記径方向に延在する正圧側チップ壁は、排出口を設けた１つまたは複数のフィルム冷却孔を有する面取り前縁部を含むことができる。軸方向延在チップ壁は、交線において互いに接合する少なくとも２つの直線状の外表面により形成されることにより、凹状の軸方向延在チップ壁を形成することができる。軸方向延在チップ壁は、冷却系を構成する内部空洞に向かって凸状の内表面を含むことができ、これが、径方向外側の端部を形成する。この冷却系は、軸方向延在チップ壁に１つまたは複数のフィルム冷却孔を、前記負圧側壁に近接する場所に有することができ、このような構成により、正圧側壁と負圧側壁とにおける冷却の向上を促進することができる。

前記タービンブレードは、前縁部と、後縁部と、第１の端部に設けられたチップと、当該ブレードに結合された、他の一端部にある付け根部とを有する、一般的には細長い翼形部から形成することができる。前記他の一端部は、一般的には前記第１の端部と反対側の端部であり、前記付け根部は、ブレードを支持して当該ブレードをディスクに結合するためのものである。前記タービンブレードは、前記前縁部から後縁部まで延在する正圧側壁と、当該前縁部から後縁部まで延在する負圧側壁であって、一般的には細長い当該翼形部の、当該正圧側壁とは反対側に配置された負圧側壁とから形成することも可能である。前記タービンブレードには、内部冷却系を構成する１つまたは複数の空洞を包含させることが可能である。

スクィーラチップは、前記第１の端部に配置することができる。このスクィーラチップは、径方向に延在する正圧側チップ壁、径方向に延在する負圧側チップ壁、および、当該正圧側チップ壁と負圧側チップ壁との間に軸方向に延在するチップ壁から形成することができ、当該正圧側チップ壁は、前記正圧側壁の外表面と面一である外表面を有し、当該負圧側チップ壁は、前記負圧側壁の外表面と面一である外表面を有する。上記の軸方向延在チップ壁は、交線において互いに接合する２つ以上の直線状の外表面から成り、当該２つ以上の直線状の外表面は、凹状の軸方向延在チップ壁を形成する。前記軸方向延在チップ壁を成す２つの直線状の外表面が互いに接合する前記交線は、前記径方向に延在する正圧側チップ壁の内表面と、前記軸方向延在チップ壁の第１の外表面との交線より径方向内側であって、かつ、前記径方向に延在する負圧側チップ壁の内表面と、前記軸方向延在チップ壁の第２の外表面との交線より径方向内側に配置することができる。

前記径方向に延在する正圧側チップ壁は、前記正圧側壁を成す一般的には細長い翼形部の外表面に対して鋭角に配置された面取り表面を含むことができる。前記径方向に延在する正圧側チップ壁の面取り表面は、前記径方向に延在する正圧側チップ壁の全長のうち一部にのみわたって延在するとした構成が可能である。前記径方向に延在する正圧側チップ壁は前縁部から延在して後縁部にて終了することが可能である。タービンブレードはまた、前記径方向に延在する正圧側チップ壁に設けられた１つまたは複数のフィルム冷却孔を有することが可能であり、当該フィルム冷却孔は、前記径方向に延在する正圧側チップ壁の外表面に設けられた出口と、前記内部冷却系を形成する空洞と当該フィルム冷却孔とを結合する入口とを有する。フィルム冷却孔の出口は、前記径方向に延在する正圧側チップ壁の面取り表面に設けることができる。

前記径方向に延在する負圧側チップ壁は、一般的に細長い前記翼形部の後縁部から前縁部に向かって延在して、当該前縁部にて終了することができ、当該径方向に延在する負圧側チップ壁と前記径方向に延在する正圧側チップ壁とを結合することができる。前記軸方向延在チップ壁の、前記径方向に延在する負圧側チップ壁と接する直線状の外表面に、１つまたは複数のフィルム冷却孔を設けることができる。このフィルム冷却孔は、前記軸方向延在チップ壁に設けられた出口と入口とを含むことができ、当該入口は、前記内部冷却系を形成する空洞と当該フィルム冷却孔とを結合するものである。前記軸方向延在チップ壁の、前記内部冷却系を成す空洞の径方向外側の境界面を成す内表面は、凸状表面を有し、前記凸状の表面のうち径方向に最外側のポイントは、前記正圧側壁と負圧側壁との交線に位置することができる。前記内部冷却系を成す空洞は、当該内部冷却系を正圧側と負圧側とに分割する、径方向に延在する中心領域リブを含むことができる。

本発明の利点は、前記軸方向延在チップ壁の凸状の内表面により、正圧側壁と負圧側壁とに隣接する、高い温度の高温ガス路にさらされるチップターン部における冷却を改善できることである。

本発明はまた、スクィーラチップを成す上述の凹状の外表面が、チップ外側の深い空洞となり、この空洞が、静圧回復およびチップ漏れ流の低減を実現するように機能するという利点も奏する。

以下、上記実施形態および他の実施形態について詳細に説明する。

本願明細書の一部を構成する添付図面に本発明の複数の実施形態を示しており、当該図面は、発明の詳細な説明と共に、本発明の基本的思想を開示するものである。

スクィーラチップを備えたタービンブレードの斜視図である。図１に示したタービンブレードの前縁部に設けられたスクィーラチップの一部の細部を示す斜視図である。図１に示すスクィーラチップの上面図である。図１の線４−４にて切断したタービンブレードチップの断面図である。図４に示した冷却系の概略図である。図４の線６−６にて切断したスクィーラチップの断面の一部を示す図である。他の１つの実施形態のスクィーラチップの、図４の線７−７にて切断した断面の一部を示す図である。さらに他の１つの実施形態のスクィーラチップの、図４の線８−８にて切断した断面の一部を示す図である。さらに他の１つの実施形態のスクィーラチップの、図４の線９−９にて切断した断面の一部を示す図である。

本発明の詳細な説明
本発明では、図１−９に示しているように、径方向に延在する正圧側チップ壁１２と、径方向に延在する負圧側チップ壁１４とから構成されたスクィーラチップ１０を開示しており、当該正圧側チップ壁１２および負圧側チップ壁１４は、タービンブレード１８の、軸方向に延在するチップ壁３０から成るチップ１６から径方向外側に延在している。前記径方向に延在する正圧側チップ壁１２および前記径方向に延在する負圧側チップ壁１４はそれぞれ、タービンブレード１８の正圧側壁２０および負圧側壁２２に沿って配置することができる。前記径方向に延在する正圧側チップ壁１２は、排出口２８を設けた１つまたは複数のフィルム冷却孔２６を有する面取り前縁部２４を含むことができる。軸方向延在チップ壁３０は、交線３６において互いに接合する少なくとも２つの直線状の外表面３２，３４によって形成されることにより、凹状の軸方向延在チップ壁を形成することができる。軸方向延在チップ壁３０は、冷却系４０を構成する内部空洞３８に向かって凸状の内表面３３を含むことができ、これが、径方向外側の端部を形成する。この冷却系３８は、軸方向延在チップ壁３０に１つまたは複数のフィルム冷却孔４２を、前記負圧側壁２２に近接する場所に有することができ、このような構成により、正圧側壁２０と負圧側壁２２とにおける冷却の向上を促進することができる。

図１に示しているように、タービンブレード１８は、前縁部４６と後縁部４８とを有する、一般的に細長い翼形部４４から成ることができる。この一般的に細長い翼形部４４は、第１の端部５０にチップ１６を有し、かつ、第２の端部５４に、ブレード４４に結合された付け根部５２を有する。前記第２の端部５４は、一般的には第１の端部５０と反対側の端部であり、前記付け根部５２は、ブレード４４を支持して当該ブレード４４をディスクに結合するためのものである。図４〜９に示したような内部冷却系４０は、前記一般的に細長い翼形部４４内部に設けられた少なくとも１つの空洞３８から形成することができる。この内部冷却系４０は、図５に示した構成とすることができ、または、動作中のガスタービンエンジンにて使用されるときにタービンブレード１８を冷却するのに適した任意の構成とすることもできる。タービンブレード１８と、これに関連する上述の部品とは、関連分野において既に公知である任意の適切な材料から成ることができ、または、将来発見または特定される任意の適切な材料から成ることも可能である。

図１に示しているように、タービンブレード１８は、前記前縁部４６から後縁部４８まで延在する正圧側壁２０と、当該前縁部４６から後縁部４８まで延在する負圧側壁２２とを含むことも可能であり、当該負圧側壁２２は、前記一般的に細長い翼形部４４の、当該正圧側壁２０とは反対側に配置されており、前記空洞３８は前記内部冷却系４０を構成する。

スクィーラチップ１０は前記第１の端部５０に配置することが可能であり、また、正圧側壁２０の外表面５８と面一である外表面５６を有する、径方向に延在する正圧側チップ壁１２から、当該スクィーラチップ１０を形成することができる。この径方向延在正圧側チップ壁１２と、径方向延在負圧側チップ壁１４とは、任意の適切な高さおよび幅を有することができる。少なくとも１つの実施形態では、図６−９に示しているように、前記径方向延在正圧側チップ壁１２、または、径方向延在負圧側チップ壁１４、または双方は、約２：１から１：２までの間の高さ幅比を有することができ、少なくとも１つの実施形態では、当該高さ幅比を約１：１とすることができる。スクィーラチップ１０はまた、負圧側壁２２の外表面６２と面一である外表面６０を有する、径方向に延在する負圧側チップ壁１４も有することができる。前記軸方向延在チップ壁３０は、正圧側チップ壁１２と負圧側チップ壁１４との間に延在することができる。軸方向延在チップ壁３０は、交線３６において互いに接合する少なくとも２つの直線状の外表面３２，３４により形成されることにより、凹状の軸方向延在チップ壁３０を形成することができる。前記軸方向延在チップ壁３０を成す２つの直線状の外表面３２，３４が互いに接合する前記交線３６は、前記径方向に延在する正圧側チップ壁１２の内表面６６と、前記軸方向延在チップ壁３０の第１の外表面６８との交線６４より径方向内側であって、かつ、前記径方向に延在する負圧側チップ壁１４の内表面７２と、前記軸方向延在チップ壁３０の第２の外表面７４との交線７０より径方向内側に配置することができる。

図１−３，８および９に示しているように、前記径方向に延在する正圧側チップ壁１２は、前記正圧側壁２０を成す前記一般的には細長い翼形部４４の外表面５８に対して鋭角に配置された面取り表面７６を含むことができる。前記径方向に延在する正圧側チップ壁１２の面取り表面７６は、前記径方向に延在する正圧側チップ壁１２の全長のうち一部にのみわたって延在するとした構成が可能である。他の実施形態では、前記径方向に延在する正圧側チップ壁１２の面取り表面７６は、前記径方向に延在する正圧側チップ壁１２の全長にわたって延在するとした構成が可能である。前記径方向に延在する正圧側チップ壁１２は前縁部４６から延在して後縁部４８にて終了することが可能である。前記径方向に延在する負圧側チップ壁１４は、前記一般的に細長い前記翼形部４４の後縁部４８から前縁部４６に向かって延在して、当該前縁部４６にて終了することができ、当該径方向に延在する負圧側チップ壁１４と前記径方向に延在する正圧側チップ壁１２とを結合することができる。

図１−３，８および９に示しているように、前記径方向に延在する正圧側チップ壁１２には、１つまたは複数のフィルム冷却孔２６を設けることが可能であり、当該フィルム冷却孔２６は、前記径方向に延在する正圧側チップ壁１２の外表面５６に設けられた出口２８と、前記内部冷却系４０を形成する空洞３８と当該フィルム冷却孔２６とを結合する入口８２とを有する。フィルム冷却孔２６の出口２８は、前記径方向に延在する正圧側チップ壁１２の面取り表面７６に設けることができる。径方向延在正圧側チップ壁１２に設けられた前記フィルム冷却孔２６は、当該径方向延在正圧側チップ壁１２の外表面５６に対して鋭角に延在することができる。さらに、前記フィルム冷却孔２６は、径方向延在正圧側チップ壁１２の面取り表面７６に対して鋭角に、当該径方向延在正圧側チップ壁１２内部にまで延在することができる。他の１つの実施形態では、前記フィルム冷却孔２６は、径方向延在正圧側チップ壁１２の面取り表面７６に対して一般的には直交して、当該径方向延在正圧側チップ壁１２内部にまで延在することができる。

スクィーラチップ１０はさらに、軸方向延在チップ壁３０の、前記径方向延在負圧側チップ壁１４に接する直線状の外表面３４に設けられた、１つまたは複数のフィルム冷却孔４２を有することも可能である。このフィルム冷却孔４２は、前記軸方向延在チップ壁３０に設けられた出口８６と入口８８とを含むことができ、当該入口８８は、前記内部冷却系４０を形成する空洞３８と当該フィルム冷却孔４２とを結合するものである。

前記軸方向延在チップ壁３０の、前記内部冷却系４０を成す空洞３８の径方向外側の境界面を成す内表面３３は、凸状の表面を有し、当該凸状の表面３３のうち径方向に最外側のポイント９０，９２は、前記正圧側壁２０との交線９４および負圧側壁２２との交線９６に位置することができる。内部冷却系４０を形成する空洞３８は、図６，７および９に示したような、径方向に延在する中心領域リブ９８を有することができ、この中心領域リブ９８は、当該内部冷却系４０を正圧側１００と負圧側１０２とに分割するものである。

使用時には、冷却液が内部冷却系４０内に流される。この冷却液は内部冷却系４０内を通流することができ、タービンブレード１８を構成する材料の温度を当該冷却液が低下させるにつれて、当該冷却液の温度は上昇していくことができる。この冷却液は、正圧側壁２０および負圧側壁２２との交線９４，９６に位置する、前記凸状の表面３３の径方向に最外側のポイント９０，９２内に流れ込むことができ、その際には、タービンブレード１８のチップ１６に設けられたフィルム冷却孔２６および４２を介して、冷却系４０内から当該冷却液の少なくとも一部を排出することができる。冷却液は対流によって前記チップ１６を冷却することができ、フィルム冷却孔２６および４２を介して排出されることによりスクィーラチップ１０の各面を冷却することができる。径方向延在正圧側チップ壁１２近傍を通って流れる高温ガスはチップ外側空洞１０４内に流入し、これにより、静圧回復およびチップ漏れ流の低減が実現される。

上記記載は、本発明の実施形態を図示および説明するためのものであり、当業者であれば、これらの実施形態の変更および調整は可能であり、また、その変更および調整は、本発明の範囲または思想を逸脱することなく行うことができる。

Claims

前縁部（４６）と、後縁部（４８）と、第１の端部（５０）に設けられたチップ（１６）と、付け根部（５２）とを有する、一般的に細長い翼形部（４４）、および、
前記第１の端部（５０）に設けられたスクィーラチップ（１０）
を有するタービンブレード（１８）であって、
前記付け根部（５２）は、前記翼形部（４４）を支持して当該翼形部（４４）をディスクに結合するために、一般的には前記第１の端部（５０）とは反対側にある端部（５４）において、前記翼形部（４４）に結合されており、
前記一般的に細長い翼形部（４４）はさらに、
前記前縁部（４６）から前記後縁部（４８）まで延在する正圧側壁（２０）と、
前記一般的に細長い翼形部（４４）の、前記正圧側壁（２０）とは反対側に配置された、前記前縁部（４６）から前記後縁部（４８）まで延在する負圧側壁（２２）と、
内部冷却系（４０）を形成する少なくとも１つの空洞と
を有しており、
前記スクィーラチップ（１０）は、
径方向に延在する正圧側チップ壁（１２）、
径方向に延在する負圧側チップ壁（１４）、および、
当該正圧側チップ壁（１２）と当該負圧側チップ壁（１４）との間に軸方向に延在するチップ壁（３０）
から形成されており、
前記正圧側チップ壁（１２）は、前記正圧側壁（２０）の外表面（５８）と面一である外表面（５６）を有し、
前記負圧側チップ壁（１４）は、前記負圧側壁（２２）の外表面（６２）と面一である外表面（６０）を有し、
前記軸方向に延在するチップ壁（３０）は、交線（３６）において互いに接合する少なくとも２つの直線状の外表面（３２，３４）から形成され、軸方向に延在する凹状のチップ壁（３０）を成す
ことを特徴とするタービンブレード（１８）。
前記軸方向に延在するチップ壁（３０）を成す前記２つの直線状の外表面（３２，３４）が互いに接合する前記交線（３６）は、前記径方向に延在する正圧側チップ壁（１２）の内表面（６６）と、当該軸方向に延在するチップ壁（３０）の第１の外表面（６８）との交線（６４）より径方向内側に位置し
、かつ、前記径方向に延在する負圧側チップ壁（１４）の内表面（７２）と、当該軸方向に延在するチップ壁（３０）の第２の外表面（７４）との交線（７０）より径方向内側に位置している、
請求項１記載のタービンブレード（１８）。
前記径方向に延在する正圧側チップ壁（１２）は、前記正圧側壁（２０）を成す前記一般的に細長い翼形部（４４）の外表面（５８）に対して鋭角に配置された面取り表面（７６）を含む、
請求項１記載のタービンブレード（１８）。
前記径方向に延在する正圧側チップ壁（１２）の面取り表面（７６）は、前記径方向に延在する正圧側チップ壁（１２）の全長のうち一部にのみわたって延在する、
請求項３記載のタービンブレード（１８）。
前記径方向に延在する正圧側チップ壁（１２）は、前記前縁部（４６）から延在して前記後縁部（４８）にて終了する、
請求項３記載のタービンブレード（１８）。
前記タービンブレード（１８）はさらに、前記径方向に延在する正圧側チップ壁（１２）に設けられた少なくとも１つのフィルム冷却孔（２６）も有し、
前記少なくとも１つのフィルム冷却孔（２６）は、
前記径方向に延在する正圧側チップ壁（１２）の外表面（５６）に存在する出口（２８）、および、
前記内部冷却系（４０）を形成する前記少なくとも１つの空洞（３８）と、当該少なくとも１つのフィルム冷却孔（２６）とを結合する入口（８２）
を有する、
請求項３記載のタービンブレード（１８）。
前記少なくとも１つのフィルム冷却孔（２６）の出口（２８）は、前記径方向に延在する正圧側チップ壁（１２）の前記面取り表面（７６）に設けられている、
請求項６記載のタービンブレード（１８）。
前記タービンブレード（１８）はさらに、前記径方向に延在する正圧側チップ壁（１２）に設けられた少なくとも１つのフィルム冷却孔（２６）も有し、
前記少なくとも１つのフィルム冷却孔（２６）は、
前記径方向に延在する正圧側チップ壁（１２）の外表面（５６）に存在する出口（２８）、および、
前記内部冷却系（４０）を形成する前記少なくとも１つの空洞（３８）と、当該少なくとも１つのフィルム冷却孔（２６）とを結合する入口（８２）
を有する、
請求項１記載のタービンブレード（１８）。
前記径方向に延在する負圧側チップ壁（１４）は、前記一般的に細長い前記翼形部（４４）の後縁部（４８）から前縁部（４６）に向かって延在して、当該前縁部（４６）にて終了し、
前記径方向に延在する負圧側チップ壁（１４）と前記径方向に延在する正圧側チップ壁（１２）とは結合されている、
請求項１記載のタービンブレード（１８）。
前記タービンブレード（１８）はさらに、
前記前記軸方向に延在するチップ壁（３０）の、前記径方向に延在する負圧側チップ壁（１４）に接する直線状の外表面（３４）に設けられた、少なくとも１つのフィルム冷却孔（４２）
を有し、
前記少なくとも１つのフィルム冷却孔（４２）は、
前記軸方向に延在するチップ壁（３０）に設けられた出口（８６）、および、
前記内部冷却系（４０）を形成する前記少なくとも１つの空洞（３８）と、当該少なくとも１つのフィルム冷却孔（４２）とを結合する入口（８８）
を有する、
請求項１記載のタービンブレード（１８）。
前記軸方向に延在するチップ壁（３０）の、前記内部冷却系（４０）を形成する前記少なくとも１つの空洞（３８）の径方向外側の境界面を成す内表面（３３）は、凸状の表面を有し、
前記凸状の表面（３３）のうち径方向に最外側のポイント（９０，９２）は、当該凸状の表面（３３）と前記正圧側壁（２０）との交線（９４）、および、当該凸状の表面（３３）と前記負圧側壁（２２）との交線（９６）に位置する、
請求項１記載のタービンブレード（１８）。
前記内部冷却系（４０）を形成する前記少なくとも１つの空洞（３８）は、径方向に延在する中心領域リブ（９８）を含み、
前記中心領域リブ（９８）は、前記内部冷却系（４０）を正圧側（１００）と負圧側（１０４）とに分割する、
請求項１記載のタービンブレード（１８）。