JP3771596B2 - Turbine blade tip seal structure - Google Patents

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JP3771596B2 JP18377094A JP18377094A JP3771596B2 JP 3771596 B2 JP3771596 B2 JP 3771596B2 JP 18377094 A JP18377094 A JP 18377094A JP 18377094 A JP18377094 A JP 18377094A JP 3771596 B2 JP3771596 B2 JP 3771596B2
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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、ガスタービンエンジンの内部冷却型のタービンブレードに関し、特に、ブレードの先端シールとブレード冷却とに用いるブレード先端部の空気孔の目詰まりおよび汚損を防止する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンの技術分野においては、周知のように、エンジン性能を改善するために、エンジンの運転範領域の全範囲において、外側のエアシールとタービンブレード先端との間の隙間のクリアランスを最小限にするように多大な努力がなされてきた。この目的のために、ここ数年にわたり開発されたものは、能動型のクリアランス制御と受動型のクリアランス制御とがある。これらの発明および概念の多くは、ある程度の成功を収めたが、エンジンならびに航空機の性能に対する要求が高まることに伴い、問題は更に困難なものとなっている。また、これらの解決手段は、一部の航空機/エンジンの形式、つまり一般の商業用飛行機に対応したものであり、軍用航空機、特に戦闘用に設計されたものには適さない。
【0003】
例えば、単に商業目的で使用される航空機用に設計されたエンジンにおいては、能動型クリアランス制御がうまく機能することが既に立証されている。このような商業的成功をなし得た能動型クリアランス制御の一例は、例えば、1979年1月24日に特許された、本願と同一の出願人に係る米国特許第4,069,662号に示されている。この種の装置は、運転領域の所定の時間に、タービンロータに接近しているエンジンの外部ケースに空気を吹き付け、該外部ケースを縮小させるようにしたものであり、これによって外側のエアシールがタービンまたはコンプレッサのブレード先端に接近し、間隙が減少するようになっている。
【0004】
能動型のクリアランス制御の設計原理とは逆に、受動型のクリアランス制御では、目的とするクリアランスの制御を成し遂げるために、継続的な方法が用いられる。例えば、ある装置では、ロータブレードに接近した外部エンジンケースに冷却空気を連続して供給し、高温になりやすい外部ケースの膨張率を制限して、クリアランスを最小限に保つようにしている。要するに、能動型の制御には、入力に応答して、高温空気あるいは冷たい空気を供給したり、もしくは機械的手段を適用してクリアランスを制御する制御システムが必要である。受動型制御には、このような制御システムは必要なく、常に静的な状態となる。
【0005】
本発明は、受動型のクリアランス制御に関するものであり、タービンブレードの内部冷却に用いられる吐出空気を利用して、タービンブレードの先端と外側のエアシールとの間のクリアランスを効果的に制御する。本発明では、外側のエアシールとブレード先端との間の間隙において、その流れを最小限にするように空気力学的なシールを行う手段が開示されている。これによりブレードの高圧側から低圧側への流れが減少し、タービンの効率が向上する。タービンブレードの先端部、詳しくは翼部の圧力側表面と先端面との交点付近に形成された吐出孔は、外側のエアシールとブレード先端との間の間隙に向けて、冷却空気の噴流を吐出する。ある適用例では、交差する孔が用いられている。孔のひとつは、圧力側表面に隣接した内部冷却通路に連通し、もう一方の孔は、吸込側表面に隣接した内部冷却通路と連通する。これらの孔は、2つの孔から形成されるスロットより吐出する冷却空気の速度(運動量)と角度とに影響を与えるように、互いに交差している。
【0006】
空気冷却型タービンブレードの先端部の孔および交差した孔は、従来から公知である。例えば1985年9月10日に特許された米国特許第4,540,339号および1991年11月5日にに特許された米国特許第5,062,768号に、それぞれタービンブレードの先端に位置する交差孔が開示されている。そのひとつにおいては、吐出孔から出る流れによって、摺接する先端の側壁面を洗浄している。もう一方の例では、交差孔によって汚染や孔の目詰まりの可能性が減少する。これらの特許では、空気力学的なシールのためには、それらの孔を用いていないが、空気力学的シールのために先端に孔を設けた既知の装置もある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術に開示されているように、異物、特にブレード先端の摺接により発生する異物が、ブレード先端の吐出に移動し、ここから出る吐出流に悪影響を及ぼす懸念がある。近時は、ブレード先端が研磨性の材料によって被覆されており、ブレード先端の摺接によってこの研磨材から粒子が出てくるので、上記の問題はさらに深刻化している。つまり、吐出が閉塞されてしまう可能性が明らかに増しており、これにより冷却通路および吐出流による冷却効果に悪影響を及ぼすばかりでなく、ブレード先端のシール構造において、孔が塞がれることによってシール性能に悪影響をもたらし、ひいてはタービンの効率を下げてしまう。
【0008】
本発明の目的は、ガスタービンエンジンに用いられる内部冷却された軸流タービンブレードの先端に位置する吐出孔の閉塞あるいは目詰まりを防ぐことにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るタービンブレードのシール構造は、ガスタービンエンジン用タービンロータにおける内部冷却型タービンブレードの先端シール構造において、
前記ガスタービンエンジンの作動媒体流体にさらされるとともに、先端面と、リーディングエッジと、トレイリングエッジと、圧力側表面とを有する翼部と、
前記翼部の外周に同心状に支持され、かつ前記先端面との間に間隙を形成する環状のシュラウドと、
前記翼部の内部に形成され、かつ冷却空気が導入される内部通路と、
前記圧力側表面に近接した位置で、翼部先端面まで延在するよう形成され、かつ圧力側表面側に傾いている所定の角度でもって前記内部通路から前記間隙へ向けて冷却空気の噴流を噴出させて、前記間隙をシールするとともに前記作動媒体流体が前記間隙に流入するのを防止するように前記間隙を遮断する吐出孔と、
前記吐出孔の詰まりを防止するために、前記圧力側表面と前記吐出孔とを連通させるように前記吐出孔の圧力側表面側のみに形成され、かつ前記吐出孔の幅と略等しい幅を有するキャビテイと、を備え、
前記吐出孔の圧力側表面側は前記キャビティを介して圧力側表面に開口し、かつ前記キャビティとは反対側の前記吐出孔の背部壁面は、前記所定の角度でもって翼部先端面まで延在していることを特徴としている。
【0011】
すなわち本発明の特徴は、上述のタービンブレードに、先端シールに用いられる吐出孔に隣接してキャビティを設け、吐出孔と、キャビティと、ブレード形状とが互いに所定の関係を保持するようにしたことにある。
【0012】
本発明の前述のおよび他の特徴は、後述の説明および添付の図面により更に明らかになる。
【0013】
尚、本願は、1988年8月24日に出願された米国特許出願第07/236,094号「ガスタービンエンジンのタービンのクリアランス制御(Clearance Control for the Turbine of Gas Turbine Engine)」に関連している。
【0014】
【実施例】
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明で明らかなように、本発明の目的は、空気冷却される軸流タービンブレードの先端シールおよびブレードの冷却に用いられる先端孔の詰まりを防ぐことである。先端孔には数多くの形状があるが、本発明の目的は、これらの孔の詰まりを防ぐことにあり、発明の範囲内であれば、ここに図示された孔の形状や位置によって限定されるものではない。
【0015】
当業者によって知られているように、多数のタービンブレードがタービンロータのディスクに支持されることによって軸流タービンが構成されており、ガスタービンエンジンの燃焼室で生成された高温ガスにより駆動されるようになっている。一般に、タービンにより抽出されたエネルギーは、エンジンのコンプレッサを駆動し、かつ推力を発生する。タービンは燃焼室に最も近く、初期のタービンの実用化で問題となったように、エンジンのすべての構成要素の中で最も高温となるので、タービンブレードを冷却する手段が従来から用いられている。タービンブレードの冷却は、周知であり、また本発明を理解するために必要である。最も多いタービンブレードの冷却機構は、一般的に、ブレード内部に縦通路を設けたものであり、シャワーヘッド冷却、フィルム冷却などに用いられる加圧された冷却空気が、その通路によって供給される。
【0016】
図1〜図3を参照して本発明の一実施例を説明する。符号10は、タービンブレードの一つを示している。タービンブレード10は、取付基部12、プラットフォーム部14および翼部16を有する。一般的に図示せぬコンプレッサから導入される高圧の空気は、取付基部12の底面部からブレード10の内部へ供給され、図示せぬシャワーヘッド冷却孔およびフィルム冷却孔として構成される多数の空気吐出孔を通して、ガス流路へ吐出される。本発明は、主として先端シールおよび冷却孔に関するものであるから、要部であるブレードの部分のみを説明する。その他の公知の構成は、1981年3月24日に特許された米国特許第4,257,737号「冷却ロータブレード(Cooled Rotor Blade)」および1988年6月28日に特許された米国特許第4,753,575号「入れ子形冷却チャネルを有する翼(Airfoil with Nested Cooling Channels)」が参照できる。両特許とも本願と同一出願人に係るものである。翼部16は、圧力側表面18と、リーディングエッジ20と、トレイリングエッジ22と、タービンの外周側に向かう先端面32と、上記圧力側表面18の反対の面となる吸込側表面24とで構成される。
【0017】
図2および図3に示されるように、ブレード10の先端には、リーディングエッジ20からトレイリングエッジ22に亙る翼弦方向に沿って、複数の離間した孔つまりスロット30が開口形成されている。従来は、これらの孔は、内部冷却通路52からブレード先端に向けて延び、かつ終端が先端面32において面一状態で開口していた。本発明においては、所定の限界寸法および制約の下で、キャビティ36が孔30に隣接して先端面32に形成されている。すべてのキャビティ36の構成ならびに該キャビティ36の孔30に対する基準は一定なので、便宜上、孔30およびキャビティ36のひとつを例に説明する。
【0018】
図3に示されるように、キャビティ36は、圧力側表面18のエッジから吸込側表面26に向かって形成され、かつ孔30の背部壁面40まで達している。リーディングエッジ20からトレイリングエッジ22に向かう方向については、各キャビティ36は、孔30のほぼ全幅にわたって延在する。キャビティ36の形成には、さらに他の制約がある。その一つとして、孔30からの吐出空気流つまり噴流42が考慮されなければならない。空気噴流42を通る横方向の面から見たときに、間隙48と圧力側表面18の延長線とにより規定される境界内に外側のエッジ44が含まれるように、孔30が配置される。なお、空気噴流42を直線状に図示してあるが、実際には、噴出した空気は外側エアシール50にぶつかる。キャビティ36の深さ(参照文字Aで示す)は、これに限定されるものではないが、望ましくは、スロット30の厚さ(参照文字Bで示す)の少なくとも75%である。
【0019】
孔30の背部壁面40が放射状に延びてブレード先端面32に達していることは、重要である。タービンの効率を増大し、かつエンジン性能を最大限に発揮するために、背部壁面40と先端面32との間の角度(参照文字Cで示す)は、空気力学的シールを最大にするように選択される。
【0020】
上記の角度Cは、エンジン性能を最大限に発揮するように設計されるのであるが、本発明の利点として、この最適な角度Cが、キャビティ36を具備しない従来のものよりも大きな角度となる。重要なことは、トレイリングエッジ22側においては、孔30と内部冷却通路52との交差、つまり両者間の連通を確保するために必然的に角度Cが大きくなってしまうのであるが、本発明のように最適な角度Cが大きく得られることにより、トレイリングエッジ22側の部分で一層優れた性能が得られるということである。内部冷却通路52は加圧冷却空気源となるものであるが、トレイリングエッジ22側の部分における圧力側表面18から内部冷却通路52までの距離の許容限界が、緩和される。
【0021】
本発明の各孔30に関して最適な角度Cが一層高くなる理由は、以下の説明で理解できるであろう。第一に、空気噴流42の圧力面が、高い静圧を有する翼部16の圧力側表面18に露出しているので、翼表面の付加的な空気の流れが噴流42によって引き込まれ、かつ加速される。この空気は、より大きな角度においても、互いに良好に合流し、従って、最適角度が一層大きな角度となることが許容される。
【0022】
第二に、図4に示したようなキャビティ36′は、上述した効果を増大させ、この結果、最適な角度Cが更に大きくなる。この場合でも、空気は十分良好に合流する。但し、図4の場合には、付加的に流れる空気が、噴流の空気よりも高温なガス流路の空気となるので、面56’の耐熱性の点で制約を受ける。
【0023】
第三に、ブレード10が外側エアシール50(図3参照)と摺接することにより材料の細いばり(flash)が発生し、ブレード10を覆うようになる。ここで、本発明によれば、この「ばり」が噴流42を閉塞してしまう代わりに、噴流42の実質的な角度Cを、より低い効果的な角度に向けるように作用し、一層最適角度Cに近づけることができる。
【0024】
本発明においては、一層の性能向上のために、孔30に対する面56の角度を、図4に示す面56′のように増加させてもよい。この図4の実施例において、各部の寸法は、上述した実施例と同様にすればよい。但し、キャビティ36’の深さは、キャビティ36’と孔30との交点Dを通って先端面32と平行な面までの深さでもって測定される。つまり、図4に矢印Eで示すものがキャビティ36′の深さとなる。なお、図4において図3と同一の符号は同一の要素を示す。
【0025】
キャビティ36(図3)および36’(図4)は、一般的な孔あけ作業に用いられる適宜な放電加工機(EDM)により形成される。これらのキャビティの所定の寸法および形状を得るために、EDMマシンの電極棒は、キャビティに対応した形状に周知の方法で形成されている。近時の設計では、孔30として、図示したようなスロットが通常用いられており、「孔」という語と、「スロット」という語は、同義である。しかしながら、従来の設計では、所望の性能結果を得るためには、スロットは、約0.050インチの長さと0.012インチの幅を有する小さなものであるにも拘わらず、圧力側表面18に非常に近接した位置で先端面32を完全に貫くことが必要とされる。これは、製造上困難であり、それゆえ製造上の問題を引き起こす。本発明によればこの問題を緩和し得る。
【0026】
本発明によれば、次のような利点を有する。
【0027】
1.ブレード10先端の摺接時にこすりつけられる材料によって、ブレード10先端の孔30が目詰まりする可能性を最小限にする。これにより、孔30によるシール作用および冷却作用が保持される。
【0028】
2.翼部16の圧力側表面18に対する孔30の位置の誤差が性能に及ぼす悪影響を鈍らせることにより、先端の孔30の生産性が改善される。
【0029】
3.角度C(図3)がスペース的な制限で大きくなってしまう部分において、ブレード10先端のシール性能が改善される。
【0030】
4.孔30を塞ぐという問題を発生する研磨材によってブレード10先端面が被覆された時に、先端の孔形状を、よりシールに適合したものとする。
【0031】
なお、本発明は上述した実施例に限定されることなく種々の変更が可能である。
【0032】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、冷却ならびに先端シールのために冷却空気を噴出する吐出に隣接して、翼部の圧力側表面に至るキャビティを設けたので、ブレード先端の摺接による吐出の目詰まりが確実に防止されるとともに、冷却空気が圧力側表面へ向けて噴出するようになり、シール性が向上する。また、吐出の角度を大きくすることが可能となり、翼部の厚さが薄くなるトレイリングエッジ側での性能が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るガスタービンエンジンのタービンブレードの斜視図。
【図2】図1に図示されたブレードの先端の平面図。
【図3】図2の線3−3に沿った部分断面図。
【図4】本発明の別の実施例を図示した部分断面図。
【図5】タ−ビン全体の平面図。
【符号の説明】
10…タービンブレード
12…取付基部
14…プラットフォーム部
16…翼部
18…圧力側表面
20…リーディングエッジ
22…トレイリングエッジ
24…吸込側表面
30…孔
32…先端面
36…キャビティ
36’…キャビティ
40…背部壁面
42…噴流
50…外側エアシール
52…内部冷却通路
56’…面
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an internally cooled turbine blade of a gas turbine engine, and more particularly to a technique for preventing clogging and fouling of air holes at a blade tip used for blade tip sealing and blade cooling.
[0002]
[Prior art]
As is well known in the art of gas turbine engines, to improve engine performance, the clearance of the gap between the outer air seal and the turbine blade tip is minimized throughout the engine operating range. A great deal of effort has been made. For this purpose, what has been developed over the last few years is active clearance control and passive clearance control. Many of these inventions and concepts have met with some success, but the problem has become more difficult with increasing demands on engine and aircraft performance. These solutions are also compatible with some aircraft / engine types, i.e. general commercial airplanes, and are not suitable for military aircraft, especially those designed for combat.
[0003]
For example, it has already been demonstrated that active clearance control works well in engines designed for aircraft used solely for commercial purposes. An example of active clearance control that has made such commercial success is shown, for example, in US Pat. No. 4,069,662, filed Jan. 24, 1979, to the same applicant as the present application. Has been. This type of device blows air to the outer case of the engine that is approaching the turbine rotor at a predetermined time in the operating region so as to reduce the outer case, so that the outer air seal is connected to the turbine. Alternatively, the gap is reduced by approaching the blade tip of the compressor.
[0004]
Contrary to the design principles of active clearance control, passive clearance control uses a continuous method to achieve the desired clearance control. For example, in a certain apparatus, cooling air is continuously supplied to an external engine case close to the rotor blade, and the expansion rate of the external case that tends to become high temperature is limited to keep the clearance to a minimum. In short, active control requires a control system that controls the clearance by supplying hot or cold air or applying mechanical means in response to an input. Passive control does not require such a control system and is always in a static state.
[0005]
The present invention relates to a passive clearance control, and effectively controls a clearance between a tip of a turbine blade and an outer air seal by using discharge air used for internal cooling of the turbine blade. The present invention discloses a means for providing an aerodynamic seal to minimize the flow in the gap between the outer air seal and the blade tip. This reduces the flow of blades from the high pressure side to the low pressure side, improving the efficiency of the turbine. A discharge hole formed near the intersection of the tip of the turbine blade, specifically the pressure side surface of the blade and the tip, discharges a jet of cooling air toward the gap between the outer air seal and the blade tip. To do. In some applications, intersecting holes are used. One of the holes communicates with an internal cooling passage adjacent to the pressure side surface, and the other hole communicates with an internal cooling passage adjacent to the suction side surface. These holes intersect each other so as to affect the speed (momentum) and angle of the cooling air discharged from the slot formed by the two holes.
[0006]
The hole at the tip of the air-cooled turbine blade and the intersecting hole are conventionally known. For example, U.S. Pat. No. 4,540,339, filed on Sep. 10, 1985, and U.S. Pat. No. 5,062,768, issued on Nov. 5, 1991, respectively, are located at the tip of the turbine blade. An intersecting hole is disclosed. In one of them, the side wall surface at the tip in sliding contact is washed by the flow coming out of the discharge hole. In another example, the cross holes reduce the possibility of contamination and clogging of the holes. In these patents, these holes are not used for aerodynamic sealing, but there are known devices that have holes at the tip for aerodynamic sealing.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As disclosed in the prior art, there is a concern that foreign matters, particularly foreign matters generated by sliding contact with the blade tip, move to the discharge hole at the blade tip and adversely affect the discharge flow coming out of the discharge hole . Recently, the blade tip is covered with an abrasive material, and particles come out of the abrasive by sliding contact with the blade tip. Therefore, the above problem becomes more serious. In other words, the possibility of clogging the discharge hole is clearly increased, which not only adversely affects the cooling effect of the cooling passage and the discharge flow, but also due to the clogging of the hole in the blade tip seal structure. It adversely affects the sealing performance and, in turn, reduces the efficiency of the turbine.
[0008]
An object of the present invention is to prevent clogging or clogging of a discharge hole located at the tip of an internally cooled axial flow turbine blade used in a gas turbine engine.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The sealing structure of the turbine blade according to the present invention is a tip sealing structure of an internally cooled turbine blade in a turbine rotor for a gas turbine engine.
A wing that is exposed to the working fluid of the gas turbine engine and has a tip surface, a leading edge, a trailing edge, and a pressure side surface;
An annular shroud supported concentrically on the outer periphery of the wing and forming a gap with the tip surface;
An internal passage formed inside the wing and into which cooling air is introduced;
A jet of cooling air is formed from the internal passage toward the gap at a predetermined angle that is formed to extend to the blade tip surface at a position close to the pressure side surface and is inclined toward the pressure side surface. A discharge hole that seals the gap and blocks the gap to prevent the working medium fluid from flowing into the gap;
In order to prevent clogging of the discharge hole, the pressure side surface is formed only on the pressure side surface side of the discharge hole so as to communicate with the discharge hole, and has a width substantially equal to the width of the discharge hole. With cavities,
The pressure-side surface side of the discharge hole opens to the pressure-side surface through the cavity, and the back wall surface of the discharge hole on the side opposite to the cavity extends to the blade tip surface at the predetermined angle. It is characterized by that.
[0011]
That is, a feature of the present invention is that the above-described turbine blade is provided with a cavity adjacent to the discharge hole used for the tip seal, and the discharge hole, the cavity, and the blade shape maintain a predetermined relationship with each other. It is in.
[0012]
The foregoing and other features of the present invention will become more apparent from the following description and accompanying drawings.
[0013]
The present application is related to US Patent Application No. 07 / 236,094 “Clearance Control for the Turbine of Gas Turbine Engine” filed on August 24, 1988. Yes.
[0014]
【Example】
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. As will be apparent from the following description, an object of the present invention is to prevent clogging of a tip seal of an axial-flow turbine blade that is air-cooled and a tip hole used for cooling the blade. Although the tip hole has many shapes, an object of the present invention is to prevent clogging of these holes, and is limited by the shape and position of the hole shown here within the scope of the invention. It is not a thing.
[0015]
As known by those skilled in the art, an axial turbine is constructed by supporting a number of turbine blades on a turbine rotor disk and is driven by hot gases generated in the combustion chamber of a gas turbine engine. It is like that. In general, the energy extracted by the turbine drives the compressor of the engine and generates thrust. Since the turbine is closest to the combustion chamber and is the hottest of all the engine components, as has been a problem in the early commercialization of turbines, means to cool the turbine blades are conventionally used . Turbine blade cooling is well known and necessary to understand the present invention. The most cooling mechanism for turbine blades is generally provided with a longitudinal passage inside the blade, and pressurized cooling air used for shower head cooling, film cooling, and the like is supplied by the passage.
[0016]
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Reference numeral 10 denotes one of the turbine blades. The turbine blade 10 has a mounting base 12, a platform part 14, and a wing part 16. In general, high-pressure air introduced from a compressor (not shown) is supplied from the bottom surface of the mounting base 12 to the inside of the blade 10, and a large number of air discharges configured as shower head cooling holes and film cooling holes (not shown). It is discharged to the gas flow path through the hole. Since the present invention mainly relates to the tip seal and the cooling hole, only the blade part which is the main part will be described. Other known arrangements are disclosed in US Pat. No. 4,257,737, “Cooled Rotor Blade”, patented on March 24, 1981, and US Pat. No. 4,753,575 “Airfoil with Nested Cooling Channels”. Both patents belong to the same applicant as the present application. The wing portion 16 includes a pressure side surface 18, a leading edge 20, a trailing edge 22, a tip surface 32 that faces the outer peripheral side of the turbine, and a suction side surface 24 that is a surface opposite to the pressure side surface 18. Composed.
[0017]
As shown in FIGS. 2 and 3, a plurality of spaced holes or slots 30 are formed at the tip of the blade 10 along the chord direction from the leading edge 20 to the trailing edge 22. Conventionally, these holes extend from the internal cooling passage 52 toward the tip of the blade, and the terminal ends open in a flush state on the tip surface 32. In the present invention, a cavity 36 is formed in the tip surface 32 adjacent to the hole 30 under predetermined critical dimensions and constraints. Since the configuration of all the cavities 36 and the reference for the holes 30 of the cavities 36 are constant, for convenience, one of the holes 30 and the cavities 36 will be described as an example.
[0018]
As shown in FIG. 3, the cavity 36 is formed from the edge of the pressure side surface 18 toward the suction side surface 26 and reaches the back wall surface 40 of the hole 30. In the direction from the leading edge 20 toward the trailing edge 22, each cavity 36 extends over substantially the entire width of the hole 30. There are other restrictions on the formation of the cavity 36. As one of them, the discharge air flow from the hole 30, that is, the jet flow 42 must be considered. The holes 30 are arranged such that the outer edge 44 is included within the boundary defined by the gap 48 and the extension of the pressure side surface 18 when viewed from a lateral plane through the air jet 42. In addition, although the air jet 42 is illustrated in a straight line, in reality, the jetted air hits the outer air seal 50. The depth of cavity 36 (indicated by reference letter A) is preferably, but not limited to, at least 75% of the thickness of slot 30 (indicated by reference letter B).
[0019]
It is important that the back wall surface 40 of the hole 30 extends radially and reaches the blade tip surface 32. In order to increase turbine efficiency and maximize engine performance, the angle between the back wall 40 and the tip surface 32 (indicated by the letter C) should maximize the aerodynamic seal. Selected.
[0020]
The angle C is designed to maximize the engine performance. As an advantage of the present invention, the optimum angle C is larger than the conventional angle without the cavity 36. . What is important is that on the trailing edge 22 side, the angle C inevitably increases in order to ensure the intersection of the hole 30 and the internal cooling passage 52, that is, the communication between the two. As described above, by obtaining a large optimum angle C, it is possible to obtain more excellent performance at the trailing edge 22 side. The internal cooling passage 52 is a source of pressurized cooling air, but the allowable limit of the distance from the pressure side surface 18 to the internal cooling passage 52 in the portion on the trailing edge 22 side is relaxed.
[0021]
The reason why the optimum angle C is higher for each hole 30 of the present invention will be understood in the following description. First, since the pressure surface of the air jet 42 is exposed to the pressure side surface 18 of the wing 16 having a high static pressure, additional air flow on the wing surface is drawn by the jet 42 and accelerated. Is done. The air merges well with each other even at larger angles, thus allowing the optimum angle to be larger.
[0022]
Secondly, the cavity 36 'as shown in FIG. 4 increases the above-described effect, resulting in an even greater optimum angle C. Even in this case, the air merges sufficiently well. However, in the case of FIG. 4, since the additionally flowing air becomes air in the gas flow path having a temperature higher than that of the jet air, there is a restriction in terms of heat resistance of the surface 56 ′.
[0023]
Third, when the blade 10 is in sliding contact with the outer air seal 50 (see FIG. 3), a thin flash of material is generated and the blade 10 is covered. Here, according to the present invention, instead of this “burr” blocking the jet 42, the substantial angle C of the jet 42 is acted to be directed to a lower effective angle, and a more optimal angle is obtained. C can be approached.
[0024]
In the present invention, the angle of the surface 56 with respect to the hole 30 may be increased as in the surface 56 'shown in FIG. In the embodiment of FIG. 4, the dimensions of each part may be the same as in the above-described embodiment. However, the depth of the cavity 36 ′ is measured by the depth from the intersection D between the cavity 36 ′ and the hole 30 to the plane parallel to the tip surface 32. That is, the depth indicated by the arrow E in FIG. 4 is the depth of the cavity 36 '. In FIG. 4, the same reference numerals as those in FIG. 3 denote the same elements.
[0025]
The cavities 36 (FIG. 3) and 36 ′ (FIG. 4) are formed by an appropriate electric discharge machine (EDM) used for general drilling operations. In order to obtain the predetermined dimensions and shapes of these cavities, the electrode bars of the EDM machine are formed in a well-known manner into shapes corresponding to the cavities. In recent designs, a slot as shown is usually used as the hole 30, and the terms “hole” and “slot” are synonymous. However, in conventional designs, in order to obtain the desired performance results, the slot is small on the pressure side surface 18 despite being about 0.050 inches long and 0.012 inches wide. It is necessary to penetrate the tip surface 32 completely in a very close position. This is difficult to manufacture and therefore causes manufacturing problems. The present invention can alleviate this problem.
[0026]
The present invention has the following advantages.
[0027]
1. The material that is rubbed during sliding contact with the tip of the blade 10 minimizes the possibility of clogging the hole 30 at the tip of the blade 10. Thereby, the sealing action and cooling action by the hole 30 are maintained.
[0028]
2. By reducing the adverse effect of the position of the hole 30 on the pressure side surface 18 of the wing 16 on the performance, the productivity of the hole 30 at the tip is improved.
[0029]
3. In a portion where the angle C (FIG. 3) becomes large due to space limitations, the sealing performance of the blade 10 tip is improved.
[0030]
4). When the tip surface of the blade 10 is covered with an abrasive that causes a problem of blocking the hole 30, the shape of the hole at the tip is made more suitable for the seal.
[0031]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made.
[0032]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the present invention, the cavity leading to the pressure side surface of the blade is provided adjacent to the discharge hole for ejecting cooling air for cooling and tip sealing. Clogging of the discharge hole due to the sliding contact is reliably prevented, and cooling air is ejected toward the pressure side surface, thereby improving the sealing performance. Further, the angle of the discharge hole can be increased, and the performance on the trailing edge side where the thickness of the wing portion is reduced is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a turbine blade of a gas turbine engine according to the present invention.
FIG. 2 is a plan view of a tip of a blade illustrated in FIG.
3 is a partial cross-sectional view taken along line 3-3 in FIG.
FIG. 4 is a partial cross-sectional view illustrating another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a plan view of the entire turbine.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Turbine blade 12 ... Mounting base 14 ... Platform part 16 ... Blade | wing part 18 ... Pressure side surface 20 ... Leading edge 22 ... Trailing edge 24 ... Suction side surface 30 ... Hole 32 ... Tip surface 36 ... Cavity 36 '... Cavity 40 ... back wall 42 ... jet 50 ... outer air seal 52 ... internal cooling passage 56 '... surface

Claims (7)

ガスタービンエンジン用タービンロータにおける内部冷却型タービンブレードの先端シール構造において、
前記ガスタービンエンジンの作動媒体流体にさらされるとともに、先端面と、リーディングエッジと、トレイリングエッジと、圧力側表面とを有する翼部と、
前記翼部の外周に同心状に支持され、かつ前記先端面との間に間隙を形成する環状のシュラウドと、
前記翼部の内部に形成され、かつ冷却空気が導入される内部通路と、
前記圧力側表面に近接した位置で、翼部先端面まで延在するよう形成され、かつ圧力側表面側に傾いている所定の角度でもって前記内部通路から前記間隙へ向けて冷却空気の噴流を噴出させて、前記間隙をシールするとともに前記作動媒体流体が前記間隙に流入するのを防止するように前記間隙を遮断する吐出と、
前記吐出の詰まりを防止するために、前記圧力側表面と前記吐出とを連通させるように前記吐出の圧力側表面側のみに形成され、かつ前記吐出の幅と略等しい幅を有するキャビテイと、を備え、
前記吐出の圧力側表面側は前記キャビティを介して圧力側表面に開口し、かつ前記キャビティとは反対側の前記吐出の背部壁面は、前記所定の角度でもって翼部先端面まで延在していることを特徴とするタービンブレードの先端シール構造。
In a tip seal structure of an internally cooled turbine blade in a turbine rotor for a gas turbine engine,
A wing that is exposed to the working fluid of the gas turbine engine and has a tip surface, a leading edge, a trailing edge, and a pressure side surface;
An annular shroud supported concentrically on the outer periphery of the wing and forming a gap with the tip surface;
An internal passage formed inside the wing and into which cooling air is introduced;
A jet of cooling air is directed from the internal passage toward the gap at a predetermined angle that is formed to extend to the blade tip surface at a position close to the pressure side surface and is inclined toward the pressure side surface. A discharge hole that seals the gap and blocks the gap so as to prevent the working medium fluid from flowing into the gap;
To prevent clogging of the discharge hole, the formed only on the pressure side surface of the discharge hole and the discharge hole and the pressure side surface so as to communicate, and has a width substantially equal to the width of the discharge hole With cavities,
The pressure-side surface side of the discharge hole opens to the pressure-side surface through the cavity, and the back wall surface of the discharge hole on the side opposite to the cavity extends to the blade tip surface at the predetermined angle. A tip sealing structure for a turbine blade, characterized in that
前記タービンロータは、円周方向に適宜な間隔をもって配置された複数個の翼部を有し、前記シュラウドは、前記翼部の先端面との間に環状の間隙を構成することを特徴とする請求項1記載の先端シール構造。  The turbine rotor has a plurality of blade portions arranged at appropriate intervals in the circumferential direction, and the shroud forms an annular gap between the tip surface of the blade portions. The tip seal structure according to claim 1. 前記リーディングエッジから前記トレイリングエッジへ延在する前記圧力側表面に沿って互いに離間した状態に複数個のキャビティが配置されていることを特徴とする請求項1記載の先端シール構造。  The tip seal structure according to claim 1, wherein a plurality of cavities are arranged in a state of being separated from each other along the pressure side surface extending from the leading edge to the trailing edge. 前記キャビティが、前記圧力側表面に隣接する深い部分を有するとともに、前記吐出に隣接する浅い部分を有することを特徴とする請求項3記載の先端シール構造。The tip seal structure according to claim 3, wherein the cavity has a deep portion adjacent to the pressure side surface and a shallow portion adjacent to the discharge hole . 前記吐出はスロットであることを特徴とする請求項1記載の先端シール構造。The tip seal structure according to claim 1, wherein the discharge hole is a slot. 前記キャビティの深さは、前記スロットの厚さの少なくとも75パーセントにほぼ相当することを特徴とする請求項5記載の先端シール構造。  The tip seal structure of claim 5, wherein the depth of the cavity substantially corresponds to at least 75 percent of the thickness of the slot. 前記吐出がスロットであるとともに、前記キャビティと前記スロットとが交差する交点付近で測定したキャビティの深さが、前記スロットの少なくとも75パーセントにほぼ相当することを特徴とする請求項4記載の先端シール構造。5. The tip according to claim 4, wherein the discharge hole is a slot, and a cavity depth measured near an intersection where the cavity and the slot intersect substantially corresponds to at least 75 percent of the slot. Seal structure.
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