JP4070977B2 - ガスタービンエンジン用タービンブレード及び該タービンブレードを冷却する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、該エンジンに使用される内部冷却タービンロータブレードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンは、燃焼器に加圧空気を供給する圧縮機を備え、燃焼器において空気は燃料と混合され点火されて高温の燃焼ガスを発生する。このようなガスは、１つ又はそれ以上のタービンに向けて下流に流れ、タービンは、ガスからエネルギーを抽出して圧縮機に動力供給し、飛行中の航空機に動力供給するような有用な仕事を行う。典型的にはコアエンジンの前面にファンが配置されたターボファンエンジンでは、高圧タービンがコアエンジンの圧縮機を駆動する。低圧タービンが、ファンを駆動するために高圧タービンの下流側に配置されている。各タービン段は普通、固定タービンノズルを備え、それに続いてタービンロータがくる。
【０００３】
タービンロータは、エンジンの中心軸のまわりを回転するロータディスクの周囲に取り付けられたロータブレードの列を備える。各ロータブレードは典型的には、ブレードをロータディスクに取り付けるためのダブテールを有するシャンク部分と、燃焼器を出る高温ガスから有用な仕事を引き出すための翼形部とを備える。翼形部とシャンク部分との接合部に形成されるブレードプラットホームが、高温ガス流のための半径方向内側境界部を構成する。タービンノズルは通常、熱膨張を吸収するために、その周まわりにセグメント化されている。各ノズルセグメントは、タービンロータが仕事をすることができるような手法で高温ガス流をタービンロータに通すために、内側バンドと外側バンドとの間に配置された１つ又はそれ以上のノズル羽根を備える。
【０００４】
高圧タービン部品は、極めて高温の燃焼ガスに曝される。従って、タービンブレードとノズル羽根と内側及び外側バンドとは、通常は、ある設計限度内に温度を保つために内部冷却を採用する。例えば、タービンロータブレードの翼形部は通常、冷却空気を内部回路に通すことによって冷却される。冷却空気は通常、ブレードの根元部の通路から入り、翼形部の表面に形成されたフィルム冷却孔から排出され、それによって翼形部を高温ガスから保護する冷却空気の薄い層又はフィルムを生成する。公知のタービンブレード冷却回路はしばしば、蛇行通路を生成するように直列接続される複数の半径方向に配向した通路を備えており、それにより冷却媒体流路の長さを延ばして冷却効果を増大させる。
【０００５】
ディスクホイールスペースと通常呼ばれる、ロータディスクの前方及び後方の空間は、高温ガス流と流体連通している。従って、ロータディスクもまた、特にディスクのリムのところで、高温に曝される。ロータディスクの過熱を防ぐために、冷却空気を用いて、前方及び後方のディスクホイールスペースをパージし、それによって高温ガスの取り込みを制限する。
【特許文献１】
特開平０２−０１１８０１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような冷却用の冷却空気は通常、圧縮機から抽出される。抽出された空気は、それに対応する分だけエンジンサイクルに対して熱力学損失をもたらすので、冷却用に指向される空気の量を最小限に保つことが望ましい。しかしながら、増加した推力対重量比率を備える新型エンジン設計は、より高いタービン入口温度で作動する。高温になると、タービン全体の冷却が一層必要となり、ブレードプラットホームを冷却することも必要となる。従って、負担冷却流を増加させずに、ブレードプラットホームを含むタービンロータブレードを良好に冷却する必要性がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の必要性は、プラットホームと、プラットホームから半径方向に延びる翼形部とを備えるタービンブレードを提供する本発明によって満たされる。内部冷却回路が翼形部に形成されて、内部に冷却媒体が循環され、少なくとも部分的に内部冷却回路を通り抜けた冷却媒体をプラットホームに導く少なくとも１つの供給通路が、設けられる。
【０００８】
本発明及び従来技術と比較したその利点は、添付図面を参照して、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を読むことにより明らかになるであろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明とみなされる要旨は、明細書の冒頭部分において特に指摘され、明確に請求される。しかしながら、本発明は、添付の図面と関連して以下の説明を参照することによって最も良く理解されるであろう。
【００１０】
同一の参照符号が各図全体を通して同じ構成要素を表わす図面を参照すると、図１は、他の構造体のうちで、燃焼器１２と、高圧タービン１４と、低圧タービン１６とを備えるガスタービンエンジン１０の一部を示している。燃焼器１２は、内部に燃焼チャンバ１８が形成された、ほぼ環状の中空本体を有する。圧縮機（図示せず）が加圧空気を供給し、加圧空気は、燃焼を支持するために主として燃焼器１２に流れ、部分的に燃焼器１２のまわりに通され、そこで燃焼器ライナと更に下流のターボ機械の両方を冷却するのに使用される。燃料が、燃焼器１２の前端に導入され、従来の方法で空気と混合される。その結果生じる燃料と空気の混合物は、燃焼チャンバ１８に流入し、そこで点火されて高温燃焼ガスを発生させる。高温燃焼ガスは、燃焼器１２の下流に位置する高圧タービン１４に排出され、そこで膨張させられてエネルギーが抽出される。次いで高温ガスは、低圧タービン１６に流れ、そこでさらに膨張させられる。
【００１１】
高圧タービン１４は、タービンノズル２０と、タービンロータ２２とを備える。タービンノズル２０は、複数の円周方向に間隔を置いて配置された羽根２４（図１には１つのみ図示）を備え、これらの羽根２４は、多数の弧状外側バンドと弧状内側バンドとの間で支持される。羽根２４、外側バンド２６、及び内側バンド２８は、円周方向に隣接する複数のノズルセグメントに配列され、共同して完全な３６０度の組立体を形成する。各ノズルセグメントの外側バンド２６と内側バンド２８は、ノズル２０を通過して流れる高温ガス流のための外側半径方向流路境界部と内側半径方向流路境界部をそれぞれ構成する。羽根２４は、燃焼ガスをタービンロータ２２に最適に導くように構成されている。
【００１２】
タービンロータ２２は、エンジン２０の中心軸の周りを回転するロータディスク３２から半径方向外方に延び、円周方向に間隔を置いた複数のブレード３０（図１には１つのみ図示）を備える。複数の弧状シュラウド３４が円周方向に環状配列され、ロータブレード３０を密に取り囲み、それによって、タービンロータ２２を通過して流れる高温ガス流のための外側半径方向流路境界部を構成する。
【００１３】
例示的なタービンロータブレード３０が図２に示されており、該タービンブレード３０は、従来のダブテール３６を備え、該ダブテール３６は舌状部を含むどのような形状でもよく、この舌状部は、ロータディスク３２に設けられるダブテールスロットの対応形状の舌状部に係合して、作動中の回転に際してブレード３０をロータディスク３２に半径方向に保持する。ブレードシャンク３８はダブテール３６から半径方向上方に延び、該シャンク３８から横方向外方に突出して該シャンク３８を囲む中実プラットホーム４０で終わっている。隣接するブレード３０のプラットホーム４０は互いに当接して、高温ガス流のための半径方向内側境界部を形成する。
【００１４】
中空の翼形部４２が、プラットホーム４０から半径方向外方に、高温ガス流中まで延びている。翼形部４２は、前縁４８と後縁５０が互いに接合された凹状正圧側４４と凸状負圧側４６を有する。翼形部４２は、高温ガス流からエネルギーを抽出し、ロータディスク３２を回転させるのに適した形態をとることができる。ブレード３０は、ガスタービンエンジン１０の作動における高温での許容強度を有するニッケル基超合金のような、適当な超合金の一体鋳造品として形成することが好ましい。
【００１５】
さて図３及び図４を参照すると、ブレード３０は、前縁回路５２と、中間弦部分回路５４と、後縁回路５６とを備える内部冷却構成を有することが分かる。前縁回路５２には、翼形部４２の中に、第１、第２、第３及び第４の半径方向に延びるキャビティ５８、６０、６２、６４がそれぞれ形成されている。前縁回路５２はさらに、ダブテール３６とシャンク３８を貫通して形成された第１入口通路６６を備える。第１入口通路６６は、第１キャビティ５８と流体連通している。第１キャビティ５８と第２キャビティ６０は、内部に第１の複数の連絡穴７０が形成された第１リブ６８によって分離される。第３キャビティ６２（前縁４８に隣接して配置されている）は、第２リブ７２によって第２キャビティ６０から分離され、第４キャビティ６４は、第３リブ７４によって第３キャビティ６２から分離される。第２の複数の連絡穴７６が第２リブ７２に形成され、第３の複数の連絡穴７８が第３リブ７４に形成される。
【００１６】
第１キャビティ５８は、第１入口通路６６を通じて冷却媒体（通常は圧縮機から抽出される比較的冷たい加圧空気の一部）を受け入れ、冷却媒体は第１キャビティ５８を通って半径方向外方に移動する。図３に最も良く示されるように、冷却媒体は第１連絡穴を通って第２キャビティ６０に入り、正圧側翼型壁８０の内面に衝突して冷却する。次いで、冷却媒体は、第２連絡穴７６から第３キャビティ６２へ通る。第３キャビティ６２の冷却媒体の一部は、第３連絡穴７８から第４キャビティ６４へ通り、残りの冷却媒体は、第３キャビティ６２と流体連通する多くのフィルム冷却孔８２を通って、第３キャビティ６２と翼形部４２から流出する。第４キャビティ６４の冷却媒体は、第４キャビティ６４と流体連通する付加的なフィルム冷却孔８４を通って、翼形部４２から流出する。
【００１７】
中間弦部分回路５４は、第５、第６、第７の半径方向に延びるキャビティ８６、８８、９０を備え、これらのキャビティは蛇行配列で直列に流体連結されている。第５キャビティ８６は、ダブテール３６とシャンク３８を貫いて形成された第２入口通路９２から冷却媒体を受け入れる。冷却媒体は、第５キャビティ８６を通って半径方向外方に移動し、外側転向部９４のところで第６キャビティ８８へ通り、次いで第６キャビティ８８を通って半径方向内方に流れる。そこから、冷却媒体の一部は、内側転向部９６のところで第７キャビティ９０へ通り、再び半径方向外方に流れる。第７キャビティ９０の冷却媒体は、第２キャビティ６０と第７キャビティ９０を分離する第４リブ１００に形成された、第４の複数の連絡穴９８から第２キャビティ６０へ通る。第４連絡穴９８を通過する冷却媒体はまた、正圧側翼形壁８０の内面に衝突して付加的に冷却する。
【００１８】
後縁回路５６は、ダブテール３６とシャンク３８を貫通して形成された第３入口通路１０４から冷却媒体を受け入れる第８の半径方向に延びたキャビティ１０２を備える。この冷却媒体は、第８キャビティ１０２を通って半径方向外方に移動し、第８キャビティ１０２から後縁５０に延びた後縁スロット１０６を通って翼形部４２から流出する。
【００１９】
ここまで説明したように、ブレードの内部冷却構成は、本発明の開示を容易にする一例として用いられている。しかしながら、本発明の技術思想が、上述の３つの冷却回路５２、５４、５６を有するタービンブレードに限定されるものではないことが、次の説明から明らかになるであろう。実際、本発明は、広範な冷却構成に適用できる。
【００２０】
また図５を参照すると、本発明がプラットホーム４０と共に翼形部４２を冷却することが分かる。具体的には、冷却媒体は、中間弦部分回路５４の内側転向部９６からブレードシャンク３８に形成された対応する外部出口１１２に延びる２つの供給路１１０を介して、プラットホーム４０の下面１０８に供給される。従って、第６キャビティ８８から第７キャビティ９０へ通る冷却媒体の一部は、供給路１１０を通ってプラットホームの下面１０８にそらされ、これによりプラットホーム４０を冷却する。ここで用いられるように、プラットホーム４０の下面１０８は、プラットホームの半径方向内面を意味する。供給路１１０は、冷却媒体をプラットホーム下面１０８に差し向けるように配向される。供給路は好適には、半径方向外方に僅かに角度が付けられるようにブレードシャンク３８を貫通してブレードシャンク３８に形成され、これにより冷却媒体をプラットホーム下面１０８に衝突させる。
【００２１】
２つの供給路１１０は、冷却媒体をプラットホーム４０の両側に供給するように、中間弦部分回路５４のそれぞれの側からほぼ横方向に延びる。図面ではブレード３０の各々の側に一つの供給路１１０しか示されていないが、各々の側に多数の供給路を有する構成も可能であることに留意すべきである。さらに、供給路１１０は、中間弦部分回路５４の内側転向部９６から冷却媒体を反らせることに限定されない。或いは、供給路は、前縁回路５２と後縁回路５６のキャビティを含む、ブレード３０の他のキャビティに連結することもできる。
【００２２】
プラットホーム下面１０８を冷却した後、供給路１１０から排出される冷却媒体は、後方ディスクホイールスペース（すなわち、ロータディスク３２の後方スペース）に流れ込む。この空気流は、このスペースのパージを補い、これにより、この目的のために必要とされるパージ空気の量を削減する。さらに、プラットホーム４０は、下面１０８からプラットホームの半径方向外面（すなわち、高温ガス流に面するプラットホーム面）に延びる複数のフィルム冷却孔１１４を備える。フィルム冷却孔１１４は一般的に、フィルム冷却を必要とするプラットホーム４０上の位置に配置され、供給通路１１０から排出される冷却媒体の一部が穴１１４を通過して外側プラットホーム表面上に薄い冷却フィルムを形成するように、外側プラットホーム表面に対して傾斜している。
【００２３】
以上、ブレードプラットホーム４０の冷却を含む内部冷却構成を有するタービンブレード３０について説明した。冷却構成は、翼形部４２の一部を冷却するのとプラットホーム４０を冷却するのとに同じ冷却媒体を使用する。従って、本発明は、エンジン１０を冷却するのに要する冷却媒体の全体量を削減することによって、タービンサイクルの効率性に利益をもたらす。
【００２４】
本発明の特定の実施形態を説明したが、特許請求の範囲に記載する本発明の技術思想と技術的範囲を逸脱することなく、本発明に対して種々の修正をなし得ることは、当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のタービンブレードを有するガスタービンエンジンの部分断面図。
【図２】 本発明の冷却構成を有するタービンブレードの斜視図。
【図３】 翼形部を切断した図２のタービンブレードの断面図。
【図４】 図３の線４−４に沿って見たタービンブレードの断面図。
【図５】 図３の線５−５に沿って見たタービンブレードの断面図。
【符号の説明】
３０ タービンブレード
３６ ダブテール
３８ シャンク
４０ プラットホーム
４２ 翼形部
４４ 凹状正圧側
４６ 凸状負圧側
４８ 前縁
５０ 後縁
５４ 内部冷却回路
８２ 翼形部のフィルム冷却孔
１１４ プラットホームのフィルム冷却孔

Claims (4)

1. タービンロータディスク（ 32 ）を備えるガスタービンエンジンに使用されるタービンブレードであって、
   前記ロータディスクに前記タービンブレードを取り付けるためのダブテール（ 36 ）と、
   前記ダブテールから延びるシャンク（ 38 ）と、
   前記シャンクに結合された中実のプラットホーム（40）と、
   前記プラットホームから半径方向に延び、複数のフィルム冷却孔（ 82 ）を備える翼形部（42）と、
   該翼形部に形成され、該翼形部を通って冷却媒体を循環させるための内部冷却回路（54）と、
   少なくとも部分的に前記内部冷却回路を通り抜けた冷却媒体を前記プラットホーム上に導くための少なくとも２つの供給通路（ 110 ）と、
   を備え、
   前記内部冷却回路は、複数の半径方向に延びるキャビティ（ 88, 90, 92 ）を備え、
   前記キャビティは、２つの半径方向に延びるキャビティが転向部（ 96 ）で互いに接続された状態の蛇行配置で直列に流体連結され、
   前記２つの供給通路（ 110 ）は、前記転向部から前記プラットホーム（ 40 ）上に一部の冷却媒体を反らせるように配列され且つ前記プラットホームの両側に冷却媒体を供給するように前記転向部から互いに横方向に延びており、
   前記２つの供給通路は、半径方向外方に向けて角度が付けられて前記シャンクを貫通して該シャンク（ 38 ）に形成され、冷却媒体を前記中実のプラットホームの下面（ 108 ）に指し向けるように配向されている
   ことを特徴とするタービンブレード（ 30 ）。
2. プラットホーム４０は、下面１０８からプラットホームの半径方向外面に延びる複数のフィルム冷却孔１１４を備えることを特徴とする、請求項１に記載のタービンブレード（３０）。
3. 前記フィルム冷却孔（ 114 ）は、前記プラットホーム（ 40 ）の半径方向外面に対して傾斜していることを特徴とする、請求項１に記載のタービンブレード（３０）。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のタービンブレードを備えるガスタービンエンジン。

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