JP2017101662A

JP2017101662A - ホイール空間への略半径方向の冷却導管を備えるターボ機械ブレード

Info

Publication number: JP2017101662A
Application number: JP2016223390A
Authority: JP
Inventors: メルボーン・ジェームズ・メイヤーズ; James Myers Melbourne; カミロ・アンドレス・サンパイヨ; Andres Sampayo Camilo; シウジャーン・ジェームズ・チャン; James Zhang Xiuzhang
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-12-01
Filing date: 2016-11-16
Publication date: 2017-06-08
Also published as: CN106996313A; US10066488B2; US20170152752A1; EP3176373A1

Abstract

【課題】ターボ機械ブレードのシャンクに隣接しかつ後縁根元から半径方向内向きのホイール空間に対して冷却流体を送給し、後縁に非常に近い高応力領域の冷却を可能とし、応力及び低サイクル疲労の問題を低減させ得るターボ機械ブレードを提供する。
【解決手段】タービンブレードの内部に延びる冷却流体プレナム１３８を含む翼形部１２２と、翼形部の冷却流体プレナムから後縁１４８を貫通して延びる後縁冷却開口１４６とを含むターボ機械ブレード１２０が開示される。プラットフォーム１２６は、シャンク１２４に対して下流側に延びる後縁根元１６０を含み、翼形部をシャンクに結合することができる。少なくとも１つの冷却導管１７０Ａは、冷却流体プレナム及び後縁冷却開口のうちの少なくとも１つから半径方向内向きに、シャンクに隣接しかつ後縁根元から半径方向内向きのホイール空間１７２に対して冷却流体１４０を送給する。
【選択図】図５

Description

本開示は、一般に、ターボ機械ブレード冷却に関し、より具体的には、冷却流体を半径方向内向きに、シャンクに隣接しかつ後縁根元の半径方向内向きのホイール空間へ送給する略半径方向の冷却導管を有するターボ機械ブレードに関する。

典型的なターボ機械ブレードは、プラットフォームによってシャンクに結合された翼形部を含み、シャンクは、ターボ機械ブレードをターボ機械のケーシング又はロータのいずれかに取り付けるようになっている。翼形部の後縁は、ブレードのプラットフォームの後縁根元に結合し、ここでは２部品が、例えば溶接又は他の金属結合方法によって形成された略三角形の金属要素であるフィレットによって結合される。従来から、翼形部の後縁は、カバープレートと呼ばれるプラットフォームの後方部分に対して半径方向に整列している。しかしながら、特定の新型のターボ機械において、半径方向に整列しない構成でプラットフォームの後縁根元に交わる後縁を有する翼形部が提示されている。この構成はフィレット領域での応力を低減する。

また、新型のターボ機械は、従来のモデルよりも高温の下で作動するので、そのブレードの材料能力の低下につながる。温度が高くなると、低サイクル疲労（ＬＣＦ）等の様々な寿命問題につながる場合がある。そのため、フィレット領域は、作動温度が高い場合、低サイクル疲労に対する関心が高い区域に相当する。従来、冷却を必要とするターボ機械ブレードは、内部に冷却流体を送給するプレナムを有し、冷却流体を高温区域に供給するようになっている。例えば、プレナムに連通する軸方向に延びる冷却開口は、一般に、ブレードの翼形部の後縁に適用される。また、冷却開口は、プラットフォーム又はカバープレートを軸方向に貫通して設けられている。冷却開口を流れる冷却流体は、翼形部に対して下流に延びるプラットフォームのシャンク及び／又は後縁根元を冷却する。しかしながら、フィレット及びプラットフォーム真上の半径方向の最も内側の冷却孔の下の区域には、冷却開口が形成されていないので直接冷却することができなかった。

米国特許第８８２７６４７号明細書

本開示の第１の態様は、ターボ機械ブレードを提供し、ターボ機械ブレードは、内部に延びる冷却流体プレナムを含む翼形部と；翼形部の冷却流体プレナムから後縁を貫通して延びる後縁冷却開口と；シャンクに対して下流側に延びる後縁根元を含み、翼形部をシャンクに結合するためのプラットフォームと；冷却流体プレナム及び後縁冷却開口のうちの少なくとも１つから半径方向内向きに、シャンクに隣接しかつ後縁根元から半径方向内向きのホイール空間に対して冷却流体を送給する少なくとも１つの冷却導管と、を含む。

本開示の第２の態様は、ターボ機械を提供し、ターボ機械は複数のターボ機械ブレードを含むロータを備え、各ターボ機械ブレードは、内部に延びる冷却流体プレナムを含む翼形部と；翼形部の冷却流体プレナムから後縁を貫通して延びる後縁冷却開口と；シャンクに対して下流側に延びる後縁根元を含み、翼形部をシャンクに結合するためのプラットフォームと；冷却流体プレナム及び後縁冷却開口のうちの少なくとも１つから半径方向内向きに、シャンクに隣接しかつ後縁根元から半径方向内向きのホイール空間に対して冷却流体を送給する少なくとも１つの冷却導管と、を含む。

本開示の例示した態様は、本明細書に記載した問題点及び／又は記載していないその他の問題点を解決するように構成されている。

本開示のこれらの及び他の特徴は、本開示の様々な実施形態を描いた添付図面を参照しながら、本開示の様々な態様の以下の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。

例示的な燃焼タービンエンジンの概略図。図１の燃焼タービンエンジンに使用することができる３段ノズルを備えた例示的なガスタービン組立体の断面図。本開示の実施形態による半径方向に配向された冷却導管を含むターボ機械ブレードの斜視図。本開示の実施形態によるターボ機械ブレードのフィレット領域及び半径方向に配向された冷却導管の拡大透視図。本開示の実施形態によるターボ機械ブレードのフィレット領域の詳細透視図。

本開示の図面は、必ずしも縮尺通りではない点に留意されたい。当該図面は、本開示の典型的な態様のみを描くことを意図しており、従って、本開示の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面では、同じ参照符号は、複数の図面にわたり同じ要素を示している。

前述のように、本開示は、タービンブレードの後縁根元セクションの下で半径方向に配向された冷却導管を提供する。

図１は、例示的なガスタービンシステム１００の形態のターボ機械を示す概略図である。システム１００は、圧縮機１０２及び燃焼器１０４を含む。燃焼器１０４は、燃焼領域１０５及び燃料ノズル組立体１０６を含む。また、システム１００は、タービン１０８及び共通の圧縮機／タービンシャフト１１０（ロータ１１０と呼ぶ場合もある）を含む。１つの実施形態において、システム１００は、米国ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｍｐａｎｙから市販されているＳ１Ｂテックパッケージを備えた７Ｆモデルエンジンである。本開示の実施形態は、特定のガスタービンエンジンに限定されるものではなく、例えば、ＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｍｐａｎｙの７ＦＡ及び９ＦＡエンジンモデルを含む他のエンジンに組み込むことができる。さらに、本開示の教示は、ガスタービンに限定されず、蒸気タービン、ジェットエンジン、圧縮機等の種々のターボ機械に適用することができる。本明細書で使用される用語「軸方向」、「半径方向」、及び「円周方向」は、参照構造としてのロータ１１０に関連して使用される。

作動時、空気は圧縮機１０２を通過し、圧縮された空気が燃焼器１０４に供給される。詳細には、圧縮空気は、燃焼器１０４と一体になった燃料ノズル組立体１０６に供給される。組立体１０６は、燃焼領域１０５に流れ連通する。また、燃料ノズル組立体１０６は燃料供給源（図１には示されていない）と流れ連通して燃料及び空気を燃焼領域１０５に送る。燃焼器１０４は燃料に着火して燃焼させる。燃焼器１０４はタービン１０８と流れ連通し、ガス流熱エネルギは機械的な回転エネルギに変換される。タービン１０８は、ロータ１１０に回転可能に結合してこれを駆動する。また、圧縮機１０２は、シャフト１１０に回転可能に結合する。例示的な実施形態において、複数の燃焼器１０４及び燃料ノズル組立体１０６が設けられている。

図２は、図１のガスタービンシステム１００に用いることができることができる３段ノズルを備えた例示的なタービン組立体１０８の断面図である。タービン組立体１０８は、ベーン部分組立体１１２を含む。ベーン部分組立体１１２は、半径方向外側プラットフォーム１１４及び半径方向内側プラットフォーム１１６によってタービン組立体１０８の中に保持される。また、タービン組立体１０８は回転ブレード１１９を含み、回転ブレード１１９は、シャンク１２４によってロータ１１０に保持された翼形部１２２を含むことができる。本開示の教示は、ベーン／ノズル又は回転ブレードに適用でき、ベーン部分組立体１１２及び回転ブレード１１９は、総称して「ターボ機械ブレード」と呼ぶことにする。

図３は、本開示の実施形態による例示的なターボ機械ブレード１２０（本明細書では回転ブレードとして示される）の斜視図である。ターボ機械ブレード１２０は、翼形部１２２及びシャンク１２４を含むことができる。プラットフォーム１２６は、翼形部１２２をシャンク１２４に結合する。シャンク１２４は、一対の対向するカバープレート１３０、１３２を含むことができる。高温ガス経路（ＨＧＰ）で示すように、カバープレート１３０は、ＨＧＰに面する上流側のカバープレートであり、カバープレート１３２は、ＨＧＰから見て外方を向いた下流側のカバープレートである。１又は２以上のエンゼルウイング１３４は、カバープレート１３０、１３２の各々から延びることができる。ターボ機械ブレード１２０をどのように使用するかに応じて、ターボ機械のロータ１１０（図１−２）又はケーシングのいずれかへの種々の結合形態を適用することができる。ブレードが回転ブレードである図３において、ターボ機械ブレード１２０をロータホイール（図示せず）に結合するために結合ツリー（ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｔｒｅｅ）１３６を設けることができる。図示のように、翼形部１２２は、内部に延びる冷却流体プレナム１３８を含み、冷却流体プレナム１３８は、冷却流体１４０（矢印）をブレード１２０の各部分に運ぶ。冷却流体１４０は、現在公知の又は将来開発される何らかの様式で提供することができ、所望の冷却量及び使用するターボ機械のタイプに応じて、例えば圧縮機１０２の流れ又は排出流れ等から引き出される。図示の実施例において、冷却流体プレナム１３８は、翼形部１２２の内部の大部分を取り囲む。しかしながら、冷却流体プレナム１３８は、限定されるものではないが、翼形部の中の蛇行経路、複数チャンバといった種々の形態を取り得ることが理解できる。また、翼形部１２２は、随意的にインピンジメントスリーブ等の冷却流体１４０を分配するための種々の異なる構造体（明示しないが）を含み得ることが理解できる。また、翼形部１２０は、翼形部１２２の冷却流体プレナム１３８から後縁１４８を貫通する複数の後縁冷却開口１４６を含む。１つの実施形態において、図示のように、複数の後縁冷却開口１４６は、翼形部１２２の後縁１４８に沿って半径方向に離間する。全ての場合において、均等な半径方向の間隔は必須ではない。冷却流体１４０は、半径方向外向きに流れた後に後縁冷却開口１４６を通って軸方向に流れて翼形部１２２を冷却する。図４−５には半径方向で最も内側の後縁冷却開口１５０が示されており、後縁冷却開口１５０はロータ１１０（図１及び２）に対して最も内側として言及される。

図４の拡大透視図及び図５の拡大詳細透視図に最良に示されるように、プラットフォーム１２６は、ブレードスラッシュ面とも呼ばれる、シャンク１２４に対して下流側に延びる後縁根元１６０を含む。実施例において、翼形部１２２は、後方カバープレート１３２から下流側の箇所で後縁根元１６０と交わり、後方カバープレート１３２は、形部１２２の後縁１４８と半径方向で整列しない。ここで、後縁根元１６０を翼形部１２２に接続するフィレット１６２は、翼形部及び後方カバープレート１３２が半径方向に整列する場合、ブレードに比べて高い応力を受ける。「フィレット」１６２は、翼形部１２２とプラットフォーム１２６との間に付加される２つの部材を結合するための追加的な材料の何らかの様態、例えば溶接フィレットを含むことができる。半径方向で最も内側の後縁冷却開口１５０は、従来からフィレット１６２を冷却するためにより多くの冷却流体１４０が望まれるので、他の後縁冷却開口１４６に比べて僅かに大きな半径方向範囲を有するように示されている。しかしながら、全ての開口１４６、１５０は、同じ寸法とすることができる。

従来の構成と比較して、後縁根元１６０に加えてフィレット１６２の冷却を行うために、少なくとも１つの冷却導管１７０は、冷却流体プレナム１３８及び／又は後縁冷却開口１５０から半径方向内向きに（ロータ１１０の軸線に対して）、シャンク１２４に隣接しかつ後縁根元１６０から半径方向内向きのホイール空間１７２に対して冷却流体１４０を送給する。図４に示す実施形態において、３つの冷却導管１７０Ａ、１７０Ｂ、１７０Ｃが設けられている。図４において、１つの冷却導管１７０Ａは冷却流体プレナム１３８から延び、２つの冷却導管１７０Ｂ、１７０Ｃは後縁冷却開口１５０から延びる。後縁冷却開口１５０（半径方向で最も内側）は、冷却流体１４０が開口１５０を通って翼形部１２２から流出する以外に方法がないどこかの箇所で始まると見なすことができる。他の実施形態において、図５に示すように、２つの冷却導管１７０Ａ、１７０Ｄは、冷却流体プレナム１３８から延び、２つの冷却導管１７０Ｂ、１７０Ｃは後縁冷却開口１５０から延びる。冷却導管１７０の２つの構成例が示されているが、冷却流体プレナム１３８及び／又は後縁冷却開口１５０からの任意の数及び構成の冷却導管を利用できることを強調しておく。いずれの場合においても、少なくとも１つの冷却導管、例えば１７０Ｂ、１７０Ｃは、後縁根元１６０を貫通して延び、それぞれ改善された冷却を可能にする。各冷却導管１７０は、例えば、回転ビット孔加工、高速孔放電加工（ＥＤＭ）等の現在公知の又は将来開発される方法でもって、プラットフォーム１２６を貫通して形成することができる。冷却流体プレナム１３８及び／又は後縁冷却開口１５０の各々は、それぞれの冷却導管１７０がその上に「着地」するのに、すなわちその半径方向範囲に有意に割り込むことなくそれぞれの区域に開口するのに十分な円周方向寸法（概して紙面の内外への）を有する。プレナム１３８及び開口１５０の円周方向寸法は種々のターボ機械によって変わるので、冷却導管１７０の直径も同様に変わる、特定のブレードの中の冷却導管１７０は同じサイズとすることができるが、その必要はない。

本明細書で使用される場合、冷却導管１７０は、プラットフォーム１２６等の中で概して半径方向に延びるので「半径方向に配向される」と説明される。例えば、各冷却導管１７０は、半径方向に対して（ロータ１１０の軸線（図１−２）に対する）約０°から約４５°の間の角度で延びることができ、「約」は＋／−０．５°を指す。１つの実施形態において、この角度は約３０°とすることができる。冷却導管１７０は、ほぼ真っ直ぐに示されているが、ある程度湾曲することができる。加えて、１又は２以上の冷却導管１７０は、互いに平行とすることができ（例えば、導管１７０Ｂ、１７０Ｃ）、又は１又は２以上もしくは全ては、非平行とすることができる（例えば、導管１７０Ａ、１７０Ｂ）。

本開示の実施形態は、ホイール空間１７２への半径方向内向き方向の冷却流体１４０の流れをもたらすので（図５の矢印を参照）、従来の構成に比較してフィレット１６２及び／又は後縁根元１６０の改善された冷却が可能になる。結果的に、冷却導管１７０によって後縁１４８に非常に近い高応力領域の冷却が可能になり、応力及び低サイクル疲労の問題が低減し、冷却流れが軽減されて全体的なターボ機械の性能が高くなる。さらに、冷却導管１７０によって、既存のブレード鋳造を変更することなく更なる冷却が可能になる。

本明細書で使用される用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本開示を限定するものではない。本明細書で使用される単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り、複数形態も含む。更に、本明細書内で使用する場合に、「含む」及び／又は「備える」という用語は、そこに述べた特徴部、完全体、ステップ、動作、要素及び／又は構成部品の存在を明示しているが、１つ又はそれ以上の特徴部、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことは理解されるであろう。

以下の請求項における全ての手段又はステッププラス機能要素の対応する構造物、材料、作用、及びその均等物は、明確に特許請求された他の特許請求の要素と組合せて機能を実行するあらゆる構造、材料又作用を含むことを意図している。本開示の記載は例示及び説明の目的で示してきたが、本開示を開示の形態のみを包含するものとすること或いはその形態に限定することを意図するものではない。本開示の技術的範囲及び技術思想から逸脱せずに多くの修正及び変更を行えることは、当業者には明らかであろう。本実施形態は、本開示の原理及び実施可能な用途を最も良く説明するようにまた企図される特定の用途に適するような様々な修正を含む様々な実施形態の開示を当業者が理解するのを可能にするように、選択しかつ説明してきた。

１００ガスタービンシステム
１０２圧縮機
１０４燃焼器
１０５燃焼領域
１０６燃料ノズル組立体
１０８タービン組立体
１１０ロータ
１１２ベーン部分組立体
１１４外側プラットフォーム
１１６内側プラットフォーム
１１９ブレード
１２０ターボ機械ブレード
１２２翼形部
１２４シャンク
１２６プラットフォーム
１３０カバープレート
１３２プレート
１３４エンゼルウイング
１３６結合ツリー
１３８冷却流体プレナム
１４０冷却流体
１４６後縁冷却開口
１４８後縁
１５０最も内側の後縁冷却開口
１６０後縁根元
１６２フィレット
１７０冷却導管
１７２ホイール空間
１７０Ａ冷却導管
１７０Ｂ冷却導管
１７０Ｃ冷却導管
１７０Ｄ冷却導管

Claims

内部に延びる冷却流体プレナム（１３８）を含む翼形部（１２２）と、
前記翼形部（１２２）の前記冷却流体プレナム（１３８）から後縁（１４８）を貫通して延びる後縁冷却開口（１４６）と、
シャンク（１２４）に対して下流側に延びる後縁根元（１６０）を含み、前記翼形部（１２２）を前記シャンク（１２４）に結合するためのプラットフォーム（１２６）と、
前記冷却流体プレナム（１３８）及び前記後縁冷却開口（１４６）のうちの少なくとも１つから半径方向内向きに、前記シャンク（１２４）に隣接しかつ前記後縁根元（１６０）から半径方向内向きのホイール空間（１７２）に対して冷却流体（１４０）を送給する少なくとも１つの冷却導管（１７０、１７０Ａ）と、
を備える、ターボ機械ブレード（１２０）。
前記少なくとも１つの冷却導管（１７０、１７０Ａ）は、少なくとも２つの冷却導管（１７０Ａ、１７０Ｂ、１７０Ｃ）を含み、前記少なくとも２つの冷却導管（１７０Ａ、１７０Ｂ、１７０Ｃ）のうちの少なくとも１つは、前記冷却流体プレナム（１３８）から延び、前記少なくとも２つの冷却導管（１７０Ａ、１７０Ｂ、１７０Ｃ）のうちの少なくとも１つは、前記後縁冷却開口（１４６）から延びる、請求項１に記載のターボ機械ブレード（１２０）。
前記少なくとも１つの冷却導管（１７０、１７０Ａ）は、前記冷却流体プレナム（１３８）から延び、前記２つ冷却導管（１７０Ａ、１７０Ｂ、１７０Ｃ）は、前記後縁冷却開口（１４６）から延びる、請求項２に記載のターボ機械ブレード（１２０）。
前記冷却導管（１７０、１７０Ａ）の各々は、半径方向に対して約０°から約４５°の間の角度で延びる、請求項１に記載のターボ機械ブレード（１２０）。
前記翼形部（１２２）は、フィレット（１６２）によって前記後縁根元（１６０）に結合され、前記少なくとも１つの冷却導管（１７０、１７０Ａ）は、前記後縁根元（１６０）を貫通して延びる、請求項１に記載のターボ機械ブレード（１２０）。
前記後縁冷却開口（１４６）は、前記翼形部（１２２）の前記後縁（１４８）に沿って半径方向に離間した複数の後縁冷却開口（１４６）の半径方向で最も内側の冷却開口（１５０）である、請求項１に記載のターボ機械ブレード（１２０）。
複数のターボ機械ブレード（１２０）を含むロータ（１１０）を備えるターボ機械であって、前記ターボ機械ブレード（１２０）の各々は、
内部に延びる冷却流体プレナム（１３８）を含む翼形部（１２２）と、
前記翼形部（１２２）の前記冷却流体プレナム（１３８）から後縁（１４８）を貫通して延びる後縁冷却開口（１４６）と、
シャンク（１２４）に対して下流側に延びる後縁根元（１６０）を含み、前記翼形部（１２２）を前記シャンク（１２４）に結合するためのプラットフォーム（１２６）と、
前記冷却流体プレナム（１３８）及び前記後縁冷却開口（１４６）のうちの少なくとも１つから半径方向内向きに、前記シャンク（１２４）に隣接しかつ前記後縁根元（１６０）から半径方向内向きのホイール空間（１７２）に対して冷却流体（１４０）を送給する少なくとも１つの冷却導管（１７０、１７０Ａ）と、
を含む、ターボ機械。
前記少なくとも１つの冷却導管（１７０、１７０Ａ）は、少なくとも２つの冷却導管（１７０Ａ、１７０Ｂ、１７０Ｃ）を含み、前記少なくとも２つの冷却導管（１７０Ａ、１７０Ｂ、１７０Ｃ）のうちの少なくとも１つは、前記冷却流体プレナム（１３８）から延び、前記少なくとも２つの冷却導管（１７０Ａ、１７０Ｂ、１７０Ｃ）のうちの少なくとも１つは、前記後縁冷却開口（１４６）から延びる、請求項７に記載のターボ機械。
前記少なくとも１つの冷却導管（１７０、１７０Ａ）は、前記冷却流体プレナム（１３８）から延び、前記２つ冷却導管（１７０Ａ、１７０Ｂ、１７０Ｃ）は、前記後縁冷却開口（１４６）から延びる、請求項８に記載のターボ機械。
前記冷却導管（１７０、１７０Ａ）の各々は、半径方向に対して約０°から約４５°の間の角度で延びる、請求項８に記載のターボ機械。
前記翼形部（１２２）は、フィレット（１６２）によって前記後縁根元（１６０）に結合され、前記少なくとも１つの冷却導管（１７０、１７０Ａ）は、前記後縁根元（１６０）を貫通して延びる、請求項７に記載のターボ機械。
前記後縁冷却開口（１４６）は、前記翼形部（１２２）の前記後縁（１４８）に沿って半径方向に離間した複数の後縁冷却開口（１４６）の半径方向で最も内側の冷却開口（１５０）である、請求項７に記載のターボ機械。