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