JP3671063B2 - ガスタービン・エンジンおよびその冷却装置の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、ガスタービン・エンジンの改良、特にガスタービン・エンジンのタービン・ブレードの冷却装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン・エンジン技術において公知のごとく、タービン・ブレード特に第一段タービンの冷却は、ブレード構造を元の状態に維持するためだけでなくタービンを最適温度レベルで運転して高エンジン性能を得るためにも非常に重要なことである。このような環境においては、必要以上の空気を使うことを避けて冷却空気を最大限に活用することがとても重要であり、それによりエンジン空気を推力または馬力を発生する以外の目的に用いることに伴う全ての不利益を減じることになる。ガスタービン・エンジンは第一段タービンを高温で運転することによって高効率で作動し、かつ将来のエンジンの傾向はタービン入口温度を上げてエンジン効率を向上させて燃費を減らすことにあるので、エンジン設計者はタービン入口温度を上げかつ同時に冷却空気の量を減らしまたは少なくとも最適化しなければならないと云う問題に直面している。
【０００３】
周知のごとく、冷却空気の使用を最適化する一つの方法は、各タービン・ブレードの根元に入る気流を制限するために計量装置を用いることである。一般にこれらの流量制限または計量装置は、ブレードの底部に溶接またはロウ付けされた別体の板金部品より成るものである。計量装置の一例はステータ・ブレードの根元にボルト止めされたもので、「Transpiration Cooled Turbine Blade with Metered Coolant Flow」と云う名称の１９７２年１２月１９日付でMoskowitz等に付与された米国特許第３，７０６，５０８号に例示されている。
【０００４】
「Turbine Cooling Arrangement」と云う名称の１９９０年５月２３日付でUlrich Radonsのために公開された英国特許出願第２２２５０６３Ａ号には、冷媒をロータ・ブレードの中に流すためのブレード基部へ取り付けられた挿入部材を開示している。他の特許で必ずしも計量手段を教示していないがタービン・ブレードへ冷媒を供給する手段に係るものとしては、ベーンの内部にバッフル・ブレードを用いる「Cooled Vane」と云う名称の１９７４年２月１２日付でGodfrey等に付与された米国特許第４，７６７，２６１号，ブレードの根元に冷媒を導くディフューザを画定する，分岐した壁部を含む「Cooling of Turbine Blades」と云う名称の１９７４年２月１２日付でJenkinsonに付与された米国特許第３，７９１，７５８号、冷媒をロータ・ブレードに導くバッフルを提供する「Seal Means for a Blade Attachmemt Slot of a Rotor Assembly」と云う名称の１９８６年１２月２日付でHsing等に付与された米国特許第４，６２６，１６９号がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来のガスタービン用計量装置はロウ付け、溶接等により固定されたものであり、もってコストを増大させかつガスタービンのブレード組立体の組立、分解性を悪化させるものであった。
【０００６】
この発明はこのような従来の技術に着目してなされたものであり、高い冷却効率を維持しつつ、ブレード組立体の組立，分解性を改良しかつコストを低減することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記の課題に鑑みてなされたもので、請求項１記載の発明は、一端に根元部を有する空冷タービン・ブレードと、該タービン・ブレードの内周側に有するタービン・ロータとを備えたガスタービン・エンジンにおいて、
前記タービン・ブレードは、前記根元部から軸方向に延びかつ前記タービン・ロータのディスクの外周部に形成された凹部内に保持された突起部を一体に有すると共に、前記凹部を介して前記タービン・ブレードに形成した内部冷却通路に冷却空気を導く冷却空気導入手段とを備え、
前記突起部は前記ディスク内に延びて前記凹部から前記内部冷却通路への冷却空気の流れを規制する計量板を構成し、突起部の長さによって前記計量板により計量される冷却空気量を選択的に変更可能に形成したことを特徴としている。
【０００８】
請求項２の発明は、前記ディスクは一対の対向する側壁および前記凹部を画定する底壁を有する一方、前記突起部は前記底壁よりも少し短めにかつ該一対の側壁に向かって延出していることを特徴としている。
【０００９】
請求項３の発明は、前記凹部がモミの木形状に形成されたことを特徴としている。
【００１０】
請求項４の発明は、前記冷却空気導入手段を、冷却空気を前記凹部に導く接線型インジェクタで構成したことを特徴としている。
【００１１】
請求項５の発明は、周方向に間隔を置いて並べられている複数の空冷タービン・ブレードを有し、該各タービン・ブレードは根元部を有すると共に該根元部から延びかつ前記ディスクの外周部に形成された凹部内に保持された突起部一体に有し、かつ前記凹部の各々の間の空間は前記凹部の該側壁及び底壁を画定し、前記空冷タービン・ブレードの各々の前記突起部は前記凹部の各々の該底壁から離隔して前記凹部に延出していると共に、前記ブレードの各々の前記突起部の巾は前記凹部の各々の該対向する壁の巾と同じ広がりを有し、前記突起部は冷却空気を受け入れる囲まれた室を画定していると共に、前記突起部の各々は前記ディスクの底壁とともに前記空冷タービン・ブレードの各々の前記冷却通路への前記室の各々中の流れを計量する為の計量板を画定していることを特徴としている。
【００１２】
請求項６の発明は、前記冷却通路と計量板を画定するための前記ディスクの凹部に嵌合して広がった突起部を有するタービン・ブレードを鋳造する工程と、
該タービン・ブレードを前記タービン・ロータ・ディスクの該凹部に組み込む工程と、
前記計量板の計量開口を介して前記凹部内に冷却空気を流す工程と、
前記ブレードを前記凹部から取り外して前記計量板を調節すべく前記突起部を機械加工する工程とを備えたことを特徴としている。
【００１３】
【作用】
この発明によれば、タービン・ブレードの根元部に一体形成され軸方向に延びかつロータ・ディスクの外周部に形成された凹部内に保持された突起部が、冷却空気の計量板を構成し、もって高い冷却効率を維持しつつ、タービン・ブレード組立体の組立，分解性を改良しかつコストを低減する。
【００１４】
また、冷却空気の一層の有効化を計り冷媒を計量するために従来必要だった別体の部品を不要とすることができる。しかも、これはタービン・ブレードの鋳造性における重要な改良、ロウ付けまたは溶接作業を省くことによる形および組立の容易性、および部品の管理が容易になる。さらに、これはコストを低減すると云う点も有するが、若干重量を増加させる欠点をも有する。
【００１５】
しかしながら、本発明は鋳物膜（cast film）冷却、高効率タービン・ブレード構造に用いることにより、明らかな利点を示す。
【００１６】
回転機械の冷却空気をタービン・ブレードの根元に送る接線型インジェクタ（tangential onboard injectors）（ＴＯＢＩとして公知）の圧力は、ブレードの要求流出量とエアフォイル根元部の前縁岐点圧により決定される。これは、一般に、ブレードの残りの部分に必要より高い圧力の空気を供給する。それ故、本体膜冷却（main body film cooling）および後縁流量制限構造（例えば、クロスオーバおよび膜穴）の許容できる流量レベルを保つためには、これらの穴を比較的小さい寸法にしなければならない。計量弁（metering valve）を用いてこれらの場所のこの圧力を低減することにより、この流量制限構造は流量を増加することなしに大きくできる。穴の寸法を増大することが可能となる利点はタービン・ブレードの鋳造性と膜有効性を大きくすることになる。
【００１７】
本発明を用いたブレードの実際の試験においては、本発明の計量板が後縁クロスオーバ穴の寸法を公知の構造より約３０％増加させた。さらに、この構造は追加の膜冷却穴を加えることを可能にした。試験に供されたこの構造においては、膜冷却穴の各列に３個の別の膜冷却穴が加えられた。
【００１８】
【実施例】
以下本発明に係るガスタービンの好適な一実施例を図１〜図３を参照して詳述する。
【００１９】
本発明はその好適な一実施例がガスタービンの第一段タービンに用いられるように記載されているが、本発明が他の種々のロータに用いられ得ることは当業者にとって周知のところである。しかしながら、本発明は計量板（meter plate）とタービン・ブレードの組み合わせであり、ディスクのライブ・リム域（ｌive ｒim area）とともに計量域（metering area）を画定する。ここで、計量板はブレードの鋳物と一体的に鋳造されている。
【００２０】
本発明については、この発明をガスタービン・エンジン（部分のみ図示）の第一段タービン部に適用したものを示す図１を参照して最も良く理解できるであろう。
【００２１】
該ガスタービン・エンジンの詳細は、本発明の理解に必要ないので、便宜と簡易を優先して本発明を説明するのに必要なエンジンの部分のみを記載する。またガスタービン・エンジンのさらに細部に関しては、「Clearance Control for Gas Tarbine Engine」と云う名称の１９７８年１月２４日付でRedinger, Jr.,等に付与された米国特許第４，０６９，６６２号、または本願の譲受人でもあるPratt & Whitney Division of United Technologies Corporationによって製造されたＦ１００，ＪＴ９Ｄ，ＰＷ２０００およびＰＷ４０００に開示されている。
【００２２】
空気の一部はコンプレッサ部（図示せず）から流出し、最終的に図１の矢印Ａで示されたごとく接線型インジェクタ（Tangential Onboard Injectors）１２を介して番号１０で示されたタービン・ロータに送られる。
【００２３】
タービン・ロータ１０は、図１及び図２に示すように円周方向に間隔をおいて並べた多数のタービン・ブレード１６を適切に支持するディスク１４を有する。各タービン・ブレード１６の根元部１８は、ディスク１４の外周部またはライブ・リム域３８に形成された凹部またはブローチに取り付けられている。この設計においては、該ブローチはモミの木形状によって形成されている。この形状は、複数のタービン・ブレード１６をディスク１４に支持させるのに公知のものである。
【００２４】
タービン・ロータ１０は、エンジン・シャフトに回転自在に支持されており、図中２２によって示された燃焼器に支持された第一ステータ部２０に隣接して設けられている。公知のごとく、燃焼器２２から排出される燃焼空気は、ステータ部２０のベーンを介しかつタービン・ブレード１６を介して流れる。ここで、仕事が引き出されてコンプレッサを作動させる。前述から明らかなように、タービン・ブレード１６を介して流れる燃料ガスは非常に高温であるため、タービン・ロータ１０の冷却を要する。
【００２５】
図２に示されたように、タービン・ブレード１６は、根元部１８と先端部２８とを有するエアフォイル部２６と、前縁部３０、後縁部３２、加圧側３４および減圧側（図示せず）より構成されている。該減圧側は、前縁３０と後縁３２の間に延びる圧力面の裏側に位置している。冷媒はディスク１４の外周部のライブ・リム域３８および根元部１８に導入され、ブレード内部を適切な方法で流れて、複数のフィルム・クーリング（film cooling）穴３６またはシャワー・へッド（shower head）穴３７を介してタービン・ブレード１６内部から排出される。タービン・ブレード１４の冷却部は公知であり、例えば１９８９年４月１１日付でKenneth B.Hallに付与された米国特許第４，８２０，１２３号に記載されている。
【００２６】
また図１および２で示したように、計量板４０は、ブレード１６の根元部１８に一体的に鋳造された垂下部材（突起部）４２で構成され、かつディスク１４の上面４４へ向かってライブ・リム域３８の中へ延びている。該垂下部材４２の底部縁４６は、上面４４から少し離れた状態に延びて、両者により計量（metering）域４８を画定する。図３において示したように、垂下部材４２は、ディスク１４に形成されたブローチを画定する壁５０と５２の間に延びている。
【００２７】
垂下部材４２の鋳造後に、その寸法を最終的に調整し得ることは、前述より明らかである。よって、垂下部材４２は大きめに鋳造され、タービン・ブレード１６の仕上げ機械加工の際に所望の寸法に機械加工される。これにより、計量寸法を所望の面積に調整し、各タービン・ブレード１６のための冷媒の所望の圧力および流れが確保される。上述のごとく、寸法の調整を可能とすることにより、所望の冷却を行うに必要な冷媒の必要量のみが用いられることは明らかである。それ故各タービン・ブレード１６は、不必要な冷媒が用いられないように、同様に調整される。
【００２８】
タービン・ブレード１６の内部冷却通路への冷却空気の所望量を計量するための計量板４０（metering plate）を調節する方法は、大きめの突起部を有するブレードを組み立てて、組立体の流れ試験を行うことである。タービン・ブレード１６を外して、所望量の冷却空気を計量する所望の計量域を得るように該大きめの突起部を機械加工する。修正量が所望の値に調整されるまでこの操作が繰り返される。
【００２９】
該計量板４０のこの一体型構成のもう１つの利点は、タービン・ブレード１６全体の鋳造費用を増大することがないことである。それ故、本発明は低価格であるばかりでなく、タービン・ブレードと一体化していない従来の計量板が有していたすべての問題を解決することができる。
【００３０】
この発明はその詳細な実施例に関して図示しかつ記載されているが、請求範囲に記載された発明の主旨から逸脱することなく、形状および詳細における種々の変更が行われ得ることは当業者にとって認識かつ理解できるであろう。
【００３１】
【発明の効果】
この発明によれば、タービン・ブレードの根元部に一体に形成されて軸方向に延びかつロータ・ディスクの外周部に有する凹部内に保持された突起部が冷却空気の計量板を構成したので、高い冷却効率を維持しつつタービン・ブレード組立体の組立，分解性を改良しかつコストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を用いたガスタービンのタービン部の部分断面図である。
【図２】本発明の詳細を示すタービン・ブレードの拡大正面図である。
【図３】図２の線３−３に沿った部分断面図である。
【符号の説明】
１０…タービン・ロータ
１２…接線型インジェクタ
１４…ディスク
１６…タービン・ブレード
１８…根元部
２０…第一ステータ部
２２…燃焼器
４０…計量板
４２…垂下部材
４８…計量域

Claims (6)

1. 一端に根元部を有する空冷タービン・ブレードと、該タービン・ブレードの内周側に位置するタービン・ロータとを備えたガスタービン・エンジンにおいて、
   前記タービン・ブレードは、該タービン・ブレードと一体に鋳造された突起部と内部冷却通路とを有し、前記突起部は、前記根元部から軸方向に延びかつ前記タービン・ロータのディスクの外周部に形成された凹部内に保持されており、
   冷却空気導入手段を有し、該冷却空気導入手段は、前記凹部を介して前記タービン・ブレード内の内部冷却通路に冷却空気を導いており、
   前記突起部は前記ディスク内に延びて前記凹部から前記内部冷却通路への冷却空気の流れを規制する計量板を構成し、突起部の長さによって前記計量板により計量される冷却空気量を選択的に変更可能に形成したことを特徴とするガスタービン・エンジン。
2. 前記ディスクは前記凹部を画定する一対の対向する側壁および底壁を有する一方、前記突起部は前記底壁よりも少し短めにかつ該一対の側壁に向かって延出していることを特徴とする請求項１記載のガスタービン・エンジン。
3. 前記凹部はモミの木形状に形成されたことを特徴とする請求項１記載のガスタービン・エンジン。
4. 前記冷却空気導入手段を、冷却空気を前記凹部に導く接線型インジェクタによって構成したことを特徴とする請求項１記載のガスタービン・エンジン。
5. 周方向に間隔を置いて並べられている複数の空冷タービン・ブレードを有し、該各タービン・ブレードは根元部を有すると共に該根元部から延びかつ前記ディスクの外周部に形成された凹部内に保持された突起部と一体に鋳造されており、かつ前記凹部の各々の間の空間は前記凹部の側壁及び底壁を画定し、前記空冷タービン・ブレードの各々の前記突起部は前記凹部の各々の底壁から離隔して前記凹部に延出していると共に、前記ブレードの各々の前記突起部の巾は前記凹部の各々の対向する壁の巾と同じ広がりを有し、前記突起部は冷却空気を受け入れる囲まれた室を画定していると共に、前記突起部の各々は前記ディスクの底壁とともに前記空冷タービン・ブレードの各々の前記内部冷却通路への前記室の各々中の流れを計量する為の計量板を画定していることを特徴とする請求項４記載のガスタービン・エンジン。
6. ガスタービンエンジン用の空冷タービンブレードの内部冷却通路への冷却空気流れを制御する手段を有するガスタービン・エンジンの冷却装置の製造方法であって、
   前記内部冷却通路と、計量板を画定するようにタービンロータのディスクの凹部に嵌合する大きめに設けられた突起部と、を有するタービン・ブレードを鋳造する工程と、
   前記タービン・ブレードを前記ディスクの凹部に組み込む工程と、
   前記計量板の計量開口を介して前記凹部内に冷却空気を流す工程と、
   前記タービン・ブレードを前記凹部から取り外して、前記タービン・ブレード内に所望の量の冷却空気が流れるように前記計量板を調節すべく前記突起部を機械加工する工程と、
   から構成したことを特徴とするガスタービン・エンジンの冷却装置の製造方法。

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