JP4138297B2 - 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】
同様に、ノズル羽根とバンドを冷却するために、種々の通常の構造体がある。最も一般的な冷却の形式は、衝突冷却とフィルム冷却とを備えるものである。羽根翼形部には、衝突冷却のために、１つ又はそれ以上の孔空き中空体インサートが、その内部に適当に取り付けられている。冷却空気は、該インサートに流され、次いで翼形部の内面に衝突して内面の衝突冷却を行う。フィルム冷却は、羽根翼形部に形成されたフィルム冷却孔を通して冷却空気を流し、羽根の外面上に冷却空気の薄い層を生成することにより行なわれる。
【０００６】
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
【特許文献２】
特開２００１−１６６４０１公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような各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部品を良好に冷却する必要性がある。
【０００８】
【発明を解決するための手段】
上述の必要性は、内部に形成される内部キャビティを有するプラットホームと該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、冷却媒体を内部プラットホームキャビティに反らせるために少なくとも１つの供給通路が、内部冷却回路と内部プラットホームキャビティの間に延びている。
【０００９】
本発明及び従来技術を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。
【００１０】
【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。
【００１１】
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。
【００１２】
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に最適に指向させるように構成されている。
【００１３】
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。
【００１４】
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を囲むプラットホーム４０で終わっている。プラットホーム４０は、前方エンゼルウイング３９と後方エンゼルウイング４１とを備える。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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
また図５及び図６を参照すると、本発明は、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、プラットホーム４０は、内部冷却キャビティ１０８を内部に構成するために中空である。プラットホームキャビティ１０８は、プラットホーム４０の実質上全軸長（即ち前方エンゼルウイング３９から後方エンゼルウイング４１まで）及びプラットホーム４０の実質上全円周幅にわたって延びている。冷却媒体は、プラットホームキャビティ１０８と中間弦部分回路５４の内側転向部９６の間に延びる２つの供給通路１１０を介して、プラットホームキャビティ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に通る冷却媒体の一部は、供給通路１１０を通ってプラットホームキャビティ１０８に反らされる。２つの供給通路１１０は、プラットホームキャビティ１０８の両側に冷却媒体を供給するために、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ている。
【００２２】
ブレード３０の他の実施形態を、図７及び図８に示す。この場合には、供給通路１１０が、プラットホームキャビティ１０８と第５キャビティ８６の間に延びている。通路１１０は、第２入口通路９２との交叉部またはその近傍で第５キャビティ８６と連結しており、その交叉部が中間弦部分回路５４の入口にもなっている。従って、第５キャビティ８６に入る冷却媒体の一部は、供給通路１１０を通ってプラットホームキャビティ１０８に反らされる。この配置は、前述の図５及び図６の実施形態とは異なり、この配置では、翼形部４２を冷却するために既に使用された冷却媒体ではなく、新しい冷却媒体がプラットホームキャビティ１０８に供給されることになる。第１の実施形態に示すように、２つの供給通路１１０は、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て、冷却媒体をプラットホームキャビティ１０８の両側に供給する。他の可能な実施形態は、前縁回路５２及び／又は後縁回路５６から冷却媒体が供給される供給通路を備える。
【００２３】
複数の個別の出口孔１１２が、冷却媒体をプラットホームキャビティ１０８から前方及び後方へ排出するために、プラットホームエンゼルウイング３９と４１のそれぞれの末端部に形成される。従って、冷却媒体が、供給通路１１０でプラットホームキャビティ１０８に入り、プラットホームキャビティ１０８を通って前方と後方とに流され、該出口孔１１２を介してプラットホーム４０から排出されて、プラットホーム４０を冷却する。出口孔１１２は、ロータディスク３２の回転方向から離れる方向に斜行しているのが好ましい。このようすれば、出口孔１１２から排出される冷却媒体流は、タービンロータ２２に、何らかの運動量を付加するようになる。加えて、フィルム冷却孔１１３が、プラットホーム４０の半径方向外面（即ち、高温ガス流に曝されるプラットホーム面）に形成される。フィルム冷却孔１１３は一般に、フィルム冷却が必要なプラットホーム４０上に配置され、該冷却孔１１３を通ってプラットホームキャビティ１０８から送られる冷却媒体が、プラットホーム外面上に薄い冷却フィルムを形成するように、プラットホーム外面に対して傾斜している。特定の用途についての要求によっては、ブレード３０は、（図に示すように）出口孔１１２とフィルム冷却孔１１３の両方、出口孔１１２のみ、又はフィルム冷却孔１１３のみを備えることもできることに留意すべきである。
【００２４】
冷却を高め、プラットホーム４０の冷却用の冷却媒体流量を削減するために、対流冷却向上のための構成を、プラットホームキャビティ１０８に設けることができる。例えば、図５は、プラットホームキャビティ１０８に配置され、通常ピンバンクと呼ばれる半径方向に延びるピン１１４の列を示している。ピン１１４は、プラットホームキャビティ１０８全体に軸線方向及び横方向に間隔をもって配置され、各ピン１１４は、プラットホーム４０の半径方向外側壁１１６から半径方向内側壁１１８へ延びる。乱流形成部あるいはそれに類するような他の対流冷却向上構成を、ピンバンクに代えて使用することができるが、ピン１１４は、プラットホーム壁１１６とプラットホーム壁１１８の間に延びることで中空プラットホーム４０に構造的な支持を与えていることに留意されたい。
【００２５】
本発明には、プラットホーム４０の冷却に加え、他の利点がある。図９で分かるように、冷却媒体は、一連の冷却媒体噴流の形で、前方のエンゼルウイング３９の出口孔１１２を通ってプラットホーム４０から排出される。前方のエンゼルウイング３９は、タービンノズル２０の内側バンド２８と半径方向に整合しているので、冷却媒体噴流は内側バンド２８に衝突する。このようにして、従来冷却について困難な領域であった内側バンド２８後端部の積極的な衝突冷却が達成される。同様に、後方のエンゼルウイング４１の出口孔１１２を通ってプラットホーム４０から排出される冷却媒体噴流は、第２段又は低圧タービンノズル内側バンド１２０の衝突冷却を提供する。加えて、タービンロータ２２前方と後方の両方の冷却媒体噴流は、高温ガスが前方ディスクホイールスペース１２２と後方ディスクホイールスペース１２４に取り込まれるのを阻止又は少なくとも減少させる遮蔽あるいは「噴流ダム」として作用する。最後に、前方ディスクホイールスペース１２２と後方ディスクホイールスペース１２４への冷却媒体の排出は、それらのスペースのパージを補い、それによって、さもなくはパージ目的のために必要とされるはずの空気量を削減する。
【００２６】
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。冷却構成は同じ冷却媒体を使用して、翼形部４２の一部を冷却し、プラットホーム４０を冷却し、隣接するノズル内側バンド２８及び１２０を冷却し、また前方及び後方ディスクホイールスペース１２２、１２４への高温ガスの取り込みを最少にする。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点をもたらす。
【００２７】
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。
【図６】 図３の線６−６に沿って見たタービンブレードの断面図。
【図７】 翼形部の別の実施形態におけるタービンブレードの断面図。
【図８】 図７の線８−８に沿って見たタービンブレードの断面図。
【図９】 本発明のタービンブレードと隣接する構造を示すガスタービンエンジンの拡大断面図。
【符号の説明】
１０ ガスタービンエンジン
１２ 燃焼器
１４ 高圧タービン
１６ 低圧タービン
１８ 燃焼チャンバ
２０ タービンノズル
２２ タービンロータ
２４ 羽根
２６ 外側バンド
２８ 内側バンド
３０ タービンブレード
３２ ロータディスク
３４ シュラウド

Claims (7)

1. タービンロータディスク（３２）に取り付けられてタービンエンジン（１０）に用いられるタービンブレード（３０）であって、
   内部に形成された内部キャビティ（１０８）を有する中空のプラットホーム（４０）と、
   該プラットホーム（４０）から半径方向に延びる翼形部（４２）と、
   該翼形部（４２）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、
   該内部冷却回路（５４）と前記内部キャビティ（１０８）との間に延びる少なくとも1つの供給通路（１１０）と、を備え、
   前記内部冷却通路（５４）は、２つの半径方向に延びるキャビティ（８８、９０）が転向部（９６）で接続される状態の蛇行配置で直列に流体連結された、複数の半径方向に延びるキャビティ（８８、９０、９２）を備え、
   前記供給通路（１１０）が、前記転向部（９６）と前記内部キャビティ（１０８）との間に延びており、
   前記タービンエンジン内において前記タービンブレードの軸方向前方には第１のタービンノズル（２０）が、軸方向後方には第２のタービンノズルが設けられており、
   前記プラットホームは、前記タービンノズルの軸方向前方及び後方に延びる前方及び後方エンゼルウイング（３９、４１）を備え、
   前記内部キャビティ（１０８）は、前方エンゼルウイング（３９）から後方エンゼルウイング（４１）まで延びており、
   前記前方及び後方エンゼルウイングには、それぞれ、複数の出口孔（１１２）からなる出口孔の第１及び第２グループが設けられ、
   前記前方エンゼルウイングは、前記第１グループの出口孔（１１２）からの冷却媒体噴流が前記第１のタービンノズル（２０）の内側バンド（２８）に衝突するように該内側バンド（２８）と半径方向に整合し、前記後方エンゼルウイング（４１）は、前記第２グループの出口孔（１１２）からの冷却媒体噴流が前記第２のタービンノズルの内側バンド（１２０）に衝突するように該内側バンド（１２０）と整合する
   ことを特徴とするタービンブレード（３０）。
2. 前記プラットホーム（４０）が半径方向外面を有し、前記内部キャビティ（１０８）から排出される冷却媒体の出口となるフィルム冷却孔（１１３）が前記半径方向外面に形成され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）。
3. 前記内部キャビティ（１０８）に配置された複数の対流冷却向上構成（１１４）をさらに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）。
4. 前記対流冷却向上構成（１１４）が、前記プラットホーム（４０）の半径方向外側壁（１１６）から前記プラットホーム（４０）の半径方向内側壁（１１８）へ延びるピン（１１４）を含むことを特徴とする、請求項３に記載のタービンブレード（３０）。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のタービンブレード（３０）であって、前記ロータディスク（３２）に前記タービンブレード（３０）を取り付けるためのダブテール（３６）と、該ダブテール（３６）から延びるシャンク（３８）とを備え、前記プラットホーム（４０）は該シャンク（３８）に結合されていることを特徴とするタービンブレード（３０）。
6. 前記複数の出口孔（１１２）は、前記ロータディスク（３２）の回転方向から離れる方向に傾斜していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のタービンブレード。
7. 請求項１乃至６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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