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
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Description
【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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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