JP4546760B2 - 一体化されたブリッジを備えたタービンブレード - Google Patents

Description

本発明は、一般にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、そのタービンブレード冷却に関する。

ガスタービンエンジンにおいて、空気が多段圧縮機内で圧縮され、燃料と混合されて燃焼器内で高温の燃焼ガスを発生する。ガスは、圧縮機を駆動する高圧タービン（ＨＰＴ）を通って排出され、典型的には低圧タービン（ＬＰＴ）が後続して、通常はエンジンの上流側端部においてファンを駆動することにより出力を発生する。このターボファン構成は、商用又は軍用航空機に動力を供給するのに使用される。

エンジン性能又はエンジン効率は、エネルギーを抽出するＨＰＴに対して排出される燃焼ガスの最高許容作動温度を上昇させることによって改善することができる。更に、超音速ビジネスジェット機における１つの例示的な商用用途及び長距離攻撃機などの例示的な軍事用途において、エンジンは、その航続時間及び距離を増大させるために継続的に開発されている。

タービン入口温度が上昇し、及び対応する航続時間が長くなるにつれて、高圧タービンロータブレードのような高温のエンジン部品を冷却する必要性が増すことになる。第１段ロータブレードは、燃焼器から最も高温の燃焼ガスを受けるので、現在では、高温での強度及び耐久性が増強された先端技術水準の超合金材料を用いて製造される。これらのブレードは、作動中の対応する熱負荷の差異に対して、ブレードの種々の部分を様々に冷却するために、無数の異なる冷却機能から構成することができる。

第１段タービンブレードのための現在知られている冷却構成は、今のところ好適なブレードの有効寿命を得るために最高許容タービン入力温度を制限している。その結果、超合金ブレードは、ガスタービンエンジン内の過酷な高温環境下でその強度及び寿命性能を最大にするために、典型的には一方向凝固材料又は単結晶材料として製造される。

ブレード内に見られる複雑な冷却構成は、典型的には１つ又はそれ以上のセラミックコアが利用される一般的な鋳造技術で製造されている。ブレード鋳造において好適な歩留りを達成して競争力のあるコストを維持するためには、従来の鋳造法の能力ではロータブレード内の冷却回路の複雑さが限定される。
米国特許第 5156526号明細書 米国特許第 5165852号明細書 米国特許第 5356265号明細書 米国特許第 5387085号明細書 米国特許第 5591007号明細書 米国特許第 5660524号明細書 米国特許第 5690472号明細書 米国特許第 5813835号明細書 米国特許第 5967752号明細書 米国特許第 6168381号明細書 米国特許第 6183198号明細書 米国特許第 6254334号明細書 米国特許第 6402470号明細書 米国特許第 6514042号明細書 米国特許第 6416284号明細書 米国特許第 5927946号明細書

従って、ガスタービンエンジン内における温度及び航続時間を更に高めるために、改善されたタービンロータブレードの冷却構成を提供することが望ましい。

タービンブレードは、ダブテールに一体的に結合された中空エーロフォイルを含む。このエーロフォイルは、エーロフォイル前縁の後方に流路を形成する有孔の第１のブリッジを含む。第２のブリッジは、第１のブリッジから後方へ離間して配置され、エーロフォイル後縁の手前でエーロフォイル正圧側壁から延びる。第３のブリッジは、正圧側壁及び第２のブリッジに結合された相対する端部を有し、前縁流路のための供給流路を第１のブリッジと共に形成し、ルーバ流路を第２のブリッジと共に形成する。該ルーバ流路は、第２のブリッジに沿って正圧側壁にある遠位端まで後方へ延びる。

次に、本発明の好ましい例示的な実施形態に従って添付図面を参照しながら、本発明をその更なる目的及び利点と共に以下により具体的に説明する。

図１には、ガスタービンエンジンにおける燃焼器の直ぐ下流にある高圧タービン内で使用するための例示的な第１段タービンロータブレード１０が示されている。このブレードは、航空機用ガスタービンエンジン構成、或いは非航空機用のガスタービンエンジン派生物で使用することができる。

ブレードは、共通プラットフォーム１６に共に結合された支持ダブテール１４からスパン外方に半径方向で延びる中空エーロフォイル１２を含む。ダブテールは、タービンロータディスク（図示せず）の周囲の対応するダブテールスロット内にブレードを装着するダブテールローブ又はタングを含む任意の従来構成とすることができる。ダブテールは、シャンクにより一体的なプラットフォームに結合される。

エーロフォイル１２は、凹状正圧側壁１８と、横方向又は周方向に相対する凸状負圧側壁２０とを含む。これらの２つの側壁は、軸方向又は翼弦方向に相対する前縁２２と後縁２４で互いに結合され、且つ間隔を置いて配置されている。エーロフォイルの各側壁と前縁並びに後縁は、内側根元２６から外側先端２８までスパンにわたって半径方向に延びる。ダブテールは、作動中にエーロフォイルの周囲を流れる燃焼ガスに対して半径方向内側の境界を形成するエーロフォイル根元に配置されるプラットフォームでエーロフォイルと一体的に結合される。

図２乃至図４は、図１に示すエーロフォイルにおける、それぞれ根元近傍、スパン中央又はピッチ区域、及びエーロフォイル先端近傍の３つの半径方向断面図を表す。例えば、図１及び図２に示すように、エーロフォイルは、前縁２２から後ろ又は後方に離間した有孔の第１のコールドブリッジ３０を更に含み、この第１のコールドブリッジ３０は、正圧側壁１８と負圧側壁２０とに一体的に結合される対向する横方向端部を有して、前縁の後方で半径方向スパンに延び且つ両側壁及び第１のブリッジの周囲部分によって横方向に境界付けられた前縁流路３２を形成する。

第１のブリッジは、衝突孔３４の列を含み、圧縮機（図示せず）から抽気される圧縮空気３６がこの衝突孔を通って送られてブレードを冷却する。空気は、最初にエーロフォイル前縁の内側又は裏側に衝突してこれを冷却し、次いで使用済みの衝突空気が、従来構成の２つの側壁に沿って外方に放射状に延びた複数列のシャワーヘッド孔及びギル孔３８を介して前縁流路３２から排出される。

エーロフォイルは更に、第１のブリッジ３０の後方で半径方向スパンに延び、且つ後方に離間して配置された無孔の第２のコールドブリッジ４０を含む。第２のブリッジ４０は、負圧側壁２０から一体的且つ翼弦方向後方に延び、後縁２４の前又は直前で正圧側壁１８と一体的に結合して、第２のブリッジと負圧側壁との間で横方向に第１の蛇行流路４２を形成する。

無孔の第３のコールドブリッジ４４が、第１のブリッジ３０と第２のブリッジ４０との間に半径方向スパンで延びて、相対する横方向端部において正圧側壁１８及び第２のブリッジ４０に一体的に結合されている。第３のブリッジ４４は、第１のブリッジ３０と共に、半径方向スパンに延びる供給流路４６を形成して、第１のブリッジの衝突孔を介して加圧空気３６を導き、エーロフォイル前縁の裏側を衝突冷却する。第３のブリッジ４４はまた、第２のブリッジ４０と共に、第２のブリッジに沿って正圧側壁１８にある遠位端まで軸方向後方に延びるギル又はルーバ流路４８を形成する。

このようにして、３つのコールドブリッジ３０、４０、４４は、作動中にエーロフォイルの冷却を向上させる新規の構成で一体化された対応する流路を形成する。図に示すエーロフォイルの種々の冷却流路は、エーロフォイル内面に沿って延びる種々の形状のタービュレータ（図示せず）を含み、従来の方式で熱伝達を高めるために必要に応じて冷却空気流を流動させることになる。しかしながら、一体化された３つのブリッジ構成により、限られた冷却空気の冷却効率が向上する。

図２に示すように、負圧側壁２０は、第２のブリッジ４０に隣接する供給流路４６と流体連通して配置されたフィルム冷却孔５０の列を含む。第３のブリッジ４４は、図示した半径方向平面において、供給流路４６の内側にアーチ状又は湾曲した凸形であり、これに対応して供給流路４６は、冷却空気３６を横方向に導きフィルム冷却孔５０から排出させるために、ほぼＣ字形に湾曲した凹形である。供給流路４６のこの特異な構成によって、供給流路４６を通して送られている流れが冷却を向上させるため負圧側壁２０に近接して導かれると共に、空気はまた、前縁の裏側を衝突冷却するために衝突孔３４を通じて排出される。

反対側の正圧側壁１８では、エーロフォイルは、第２のブリッジ４０の遠位端に隣接した半径方向に細長い出口スロット５２を含み、この出口スロットは、冷却空気の半径方向に連続的なフィルムを排出するためルーバ流路４８の排出端と流体連通して配置される。ルーバ流路４８の特定の利点は、低温の第２のブリッジ４０を正圧側壁１８の隣接する部分から隔てることであり、ルーバ流路を通って出口スロット５２から排出される冷却空気３６の軸方向流により正圧側壁裏側の冷却が行われることである。

ルーバ流路の軸方向前方部分は、ピン５４のメッシュパターンに冷却空気を供給するために半径方向スパンで開いて延びており、このピン５４は、互いに離間して配置され、相対する横方向端部において第２のブリッジ４０と出口スロット５２の前方の正圧側壁１８とに一体的に結合される。メッシュピン５４は、例えば円形又は四角形といった、どのような好適な形状であってもよく、低温の第２のブリッジ４０と高温の正圧側壁との間に局部的に曲がりくねった、又は蛇行した冷却通路を形成する。このようにして、冷却空気をメッシュピン５４間を通して軸方向に送出して共通の半径方向スロット５２から集合的に排出させて、エーロフォイルの薄い後縁部分を保護するために正圧側壁の後方部分に沿って連続的な半径方向フィルム冷却を行うことができる。

図１に示すように、供給流路４６は、ダブテール１４を貫通してブレード根元まで延びる第１の入口５６を含む。ルーバ流路４８は、第１の入口５６の後方でダブテールを貫通して延びる第２の入口５８を含み、これはルーバ流路の開放された前方端部に冷却空気３６を供給する。更に、第１の蛇行流路４２は、第２の入口の後方でダブテールを貫通して延びる第３の入口６０を含む。これらの３つのダブテール入口は、冷却空気の独立した部分を対応する冷却回路に供給する。

図１乃至図４に集合的に示すように、エーロフォイルはまた、好ましくは傾斜段状の第２の蛇行流路６２を含み、この第２の蛇行流路は、第２の入口５８から冷却空気を受けるルーバ流路（４８）の半径方向に開いた前方部分と流体連通して該ルーバ流路４８の外側又は上方に配置される。第２の蛇行流路は、エーロフォイルの半径方向又はスパン方向軸線に対して斜めに配置された対応する傾斜ブリッジによって形成される。

傾斜ブリッジを備えた第２の蛇行流路６２に空間をもたせるために、傾斜ブリッジは、エーロフォイル先端２８の半径方向スパンの下で好適に終端する第１の蛇行流路４２を越えて上方にある後方部分に配置される。図４は、傾斜ブリッジを備えた第２の蛇行流路６２を通るエーロフォイルの半径方向の断面であって、傾斜ブリッジの下方に置かれた第１の蛇行流路は隠れて見えない。

傾斜した第２の蛇行流路６２をブレード先端近傍に組み込む特定の利点は、エーロフォイル先端領域の冷却効率が付加されることである。より具体的には、図１に示す第１の蛇行流路４２は、好ましくは３つの流れ反転レッグと、これらの間の２つの対応する半径方向の分割ブリッジとからなる。更に、第２の蛇行流路６２は、好ましくは３つの流れ反転レッグと、これらの間の２つの対応する斜めの、又は傾斜した分割ブリッジとからなる。

このようにして、エーロフォイルの翼弦中央領域から後縁領域までの局部的な蛇行冷却は、根元から半径方向外方に向かって提供され、翼弦中央領域にあるエーロフォイルのスパン中央領域を越えて、後縁近傍のエーロフォイル先端まで移行して終端する。これに対応して傾斜段を備えた第２の蛇行流路６２は、第１の蛇行冷却回路を補うために、その上方で且つエーロフォイル先端の下方で蛇行冷却を提供する。

図１に示すように、エーロフォイルは更に、薄いスクイーラ先端又はリブを形成する、正圧側壁及び負圧側壁の周囲拡大部の陥凹フロアによって形成される陥凹又は中空先端キャップ６４を含む。先端キャップ６４は、共通の第２の蛇行流路６２を介して前縁流路３２、供給流路４６、及びルーバ流路４８と流体連通して半径方向に貫通して配置された複数のフロア孔６６を有する。

このように、これらの冷却回路には、従来のフィルム冷却孔に加えて、エーロフォイルの正圧側壁及び負圧側壁を貫通して従来のフィルム冷却孔と共に用いることができる追加の出口が設けられる。使用済み冷却空気は、複数の流路から排出され、冷却を向上させるため他の従来方法で先端キャップ６４に供給される。

図１に示すエーロフォイルの後縁領域の冷却は、好ましくは２つの形態の排出孔によって行われる。外側後縁スロット６８の列が、第１の蛇行流路４２の最後のレッグと流体連通して配置される。後縁スロット６８は、正圧側壁１８を斜めに貫通して、実質的に後縁２４の手前又は直前の正圧側壁で終端している。これにより、エーロフォイルの空気力学的効率を増大させるために、従来方式で後縁２４を極めて薄くすることが可能になる。

しかしながら、外側後縁スロット６８は、好ましくはエーロフォイル根元の直ぐ上からエーロフォイル先端の直ぐ下まで後縁の大部分にわたって配置され、一方、短い列の内側後縁孔７０は、第１の蛇行流路４２の最後のレッグの下方部分と流体連通して配置される。図１に示す３つの例示的な内側後縁孔７０は、図２に示すように正圧側壁１８と負圧側壁２０との間で翼弦方向に延び、エーロフォイルの２つの相対する側壁の間でほぼ平行に後縁２４を貫通して終端する。

ブレード根元近傍の後縁２４は、貫通して延びる後縁孔７０を収容するのに好適な厚さであり、これに対応してプラットフォーム１６との結合部においてエーロフォイルの強度が増大する。しかしながら、エーロフォイルは、後縁孔７０の上方ではより薄く作られており、正圧側後縁冷却スロット６８の使用に移行する。

後縁出口に供給される空気は、３つのレッグを備えた蛇行流路４２の最後のレッグから得られるので、空気は蛇行流路の最初のレッグを通過する間に加熱されている。従って、図１に示すように、第１の蛇行流路４２の前方レッグ内に補給孔７２を含み、第３の入口６０からの空気の一部分を第１の蛇行流路４２の最後のレッグに直接バイパスさせるのが望ましい。このようにして、比較的冷たい空気を蛇行流路の最後のレッグに直接供給して使用済み空気と混合し、要求通りに後縁冷却性能を向上させることができる。

図１において、傾斜段を備えた蛇行流路６２は、先端キャップ６４の直ぐ下に配置されている。図５に示す別の構成においては、エーロフォイルは、先端キャップから半径方向内方に離間して配置され、且つほぼ平行に後縁２４まで後方へ延びる軸方向外側ブリッジ７４を追加的に含むことができる。外側ブリッジ７４は先端流路７６を形成し、該先端流路７６は第２の蛇行流路６２と流体連通して配置されており、先端流路の後方端部に形成され、好ましくは後縁スロット６８と同様に後縁のエーロフォイル正圧側手前で終端する排出孔を通じて空気が排出される。

このように、エーロフォイル先端は、第２の蛇行流路から排出される使用済み空気により先端フロア専用の裏側冷却を提供する軸方向先端流路７６を導入することにより更に冷却される。

３つのコールドブリッジ３０、４０、４４を組み込むことは、効率の向上をもたらす二重壁冷却を提供する冷却回路３２、４２、４６、４８を組み込むことに相当する。また、これらのコールドブリッジ構成は、流路又は空洞において対応するセラミックコアを使用する従来のエーロフォイル鋳造が可能である。前縁流路及び対応する後縁流路は、１個のコア又は２個の別個の単純コアで形成することができる。前縁流路と後縁流路の間の中間流路又は回路は、独立したコアで形成することができる。次いで、これらの２つ又は３つのコアは、従来のロストワックス鋳造において互いに組み立てることができる。

上述のコールドブリッジ構成を組み込むことにより、製造コストを抑えるのに相応しい鋳造歩留りが得られることになる。第２のコールドブリッジ４０は、ほぼキャンバーラインに沿ってエーロフォイルの中心に配置され、作動中に低いバルク温度を有する強力な中央支持体を与える。前縁は、対応する性能利点を有する従来の構成の第１のコールドブリッジ３０を用いる。

第３のコールドブリッジ４４は、第１及び第２のコールドブリッジ３０、４０によって形成される冷却回路を組み込み、且つ負圧側壁の冷却を高めるために好ましい凸形状を有する。これに対し、ルーバ流路４８のメッシュピン５４は、作動中に加わる比較的高い熱負荷に抗して相対する正圧側壁の冷却を局部的に増強する。

ピン５４のバンク又は列は、横断する空気ジェットの相互作用に起因して、ピンの周りに排出される冷却空気内に高度な乱流を生成する。更に、ピン自体も、高温の正圧側壁から比較的低温の第２のブリッジ４０に熱を伝達して、高効率の熱交換器を形成する。ルーバ流路のメッシュピンの共通出口スロット５２は、そのスパン限度内で半径方向全体を覆うフィルム冷却空気を供給し、これに対応して、出口スロットの下流側から後縁に向けてより高い冷却フィルム効率をもたらす。

傾斜した３つの経路を備えた蛇行流路６２は、複数のターン部で該流路を流れる冷却空気の強い乱流を生じさせ、エーロフォイルの外側スパンを効率的に冷却して、エーロフォイルの外側の高温燃焼ガスの半径方向移動によるエーロフォイルの過熱を防止する。

後縁は、好ましくは２つのタイプの後縁出口６８、７０により提供される二重冷却構成を含み、後縁自体を分割する中央孔７０を備えた根元近傍の後縁の強度を維持し、中央孔の上方にある正圧側出口スロット６８は、後縁の大部分にわたる空気力学的利点を維持する。

図１及び図５に示す２つの実施形態において示される第２の蛇行流路６２の斜めの又は傾斜したブリッジの特定の利点は、ストライプモードの側壁パネル振動及びより高次の複雑なパネル振動モードを低減又は防止するために、これらのブリッジによって追加的な構造的剛性が得られることである。更に、図５の実施形態においては、追加的な水平方向の外側ブリッジ７４を導入することにより、エーロフォイル先端領域の剛性が更に増大し、これらのモードの振動応答性が低減される。

本発明の好ましく例示的なものとみなされる実施形態について本明細書で説明してきた。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

多数のブリッジと冷却流路とを有する例示的な高圧タービンロータブレードの軸方向断面図。 図１の線２−２に沿ったブレードエーロフォイルの根元近傍における半径方向断面図。 図１の線３−３に沿ったブレードエーロフォイルのピッチ又はスパン中央近傍における半径方向断面図。 図１の線４−４に沿ったブレードエーロフォイルのブレード先端近傍における半径方向断面図。 図１に示したのとは別の実施形態によるエーロフォイルの半径方向外側先端領域の断面図。

符号の説明

１０ タービンロータブレード
１２ 中空エーロフォイル
１４ ダブテール
２２ 前縁
２４ 後縁
３０ 第１のコールドブリッジ
３２ 前縁流路
４０ 第２のコールドブリッジ
４６ 供給流路
４８ ルーバ流路

Claims (8)

1. 根元（２６）から先端（２８）までスパンで延び、翼弦方向に相対する前縁（２２）と後縁（２４）とにおいて互いに結合された、凹状の正圧側壁（１８）と、横方向に相対する凸状側壁（２０）とを含む中空エーロフォイル（１２）と、
   前記根元において前記エーロフォイルに一体的に結合されたダブテール（１４）と、
   を備えるタービンブレード（１０）であって、
   前記エーロフォイルが更に、前記前縁の後方に離間して配置され、且つ前記正圧及び負圧側壁（１８、２０）に一体的に結合されて両側壁間に前縁流路（３２）を形成する有孔の第１のブリッジ（３０）を含み、
   前記エーロフォイルが更に、前記第１のブリッジの後方に離間して配置され、前記負圧側壁（２０）の翼弦方向後部から一体的に延びて前記後縁（２４）の前方で前記正圧側壁（１８）と一体的に結合されて、前記正圧側壁に隣接する第１の蛇行流路（４２）を形成する無孔の第２のコールドブリッジ（４０）を含み、
   前記エーロフォイルが更に、前記第１及び第２のブリッジ（３０、４０）の間に配置され、相対する両端部において前記正圧側壁（１８）と前記第２のブリッジ（４０）とに凸状輪郭で一体的に結合されて、前記第１のブリッジを通って空気（３６）を送るための凹状の供給流路（４６）を前記第１のブリッジ（３０）と共に形成し、且つ軸方向後方へ前記正圧側壁（１８）にある遠位端まで延びるルーバ流路（４８）を前記第２のブリッジ（４０）と共に形成する無孔の第３のブリッジ（４４）を更に含み、
   前記タービンブレード（１０）は更に、
   前記前縁流路（３２）と供給流路（４６）とルーバ流路（４８）とに流体連通して配置された複数のフロア貫通孔（６６）を有する陥凹先端キャップ（６４）と、
   前記ルーバ流路（４８）の上方でこれと流体連通して配置された傾斜段状の第２の蛇行流路（６２）と、
   前記第２の蛇行流路（６２）と流体連通して配置された先端流路（７６）を形成して、前記後縁（２４）における対応する排出孔を介して空気を排出させるために、前記先端キャップ（６４）から内方に離間して配置された外側ブリッジ（７４）と、
   前記第１の蛇行流路（４２）と流体連通して配置され、且つ前記後縁の前方の前記エーロフォイル正圧側壁（１８）上で終端している外側後縁スロット（６８）の列と、
   前記第１の蛇行流路（４２）と流体連通して配置され、且つ前記正圧側壁（１８）と負圧側壁（２０）との間で翼弦方向に延び、前記後縁を貫通して終端する内側後縁孔（７０）の列と
   を含むことを特徴とするタービンブレード（１０）。
2. 前記正圧側壁（１８）が、前記第２のブリッジ（４０）の前記遠位端に隣接し、前記ルーバ流路（４８）と流体連通して配置された細長い出口スロット（５２）を含むことを特徴とする請求項１に記載のブレード。
3. 前記供給流路（４６）が、前記ダブテール（１４）を貫通して延びる第１の入口（５６）を含み、前記ルーバ流路（４８）が、前記第１の入口の後方で前記ダブテールを貫通して延びる第２の入口（５８）を含み、前記第１の蛇行流路（４２）が前記第２の入口の後方で前記ダブテールを貫通して延びる第３の入口（６０）を含むことを特徴とする請求項２に記載のブレード。
4. 前記負圧側壁（２０）が、前記第２のブリッジ（４０）に隣接する前記供給流路（４６）と流体連通して配置されたフィルム冷却孔（５０）の列を含み、前記第３のブリッジ（４４）が、前記空気を前記フィルム冷却孔（５０）へ導くために前記供給流路（４６）の内部で凸状であることを特徴とする請求項１に記載のブレード。
5. 前記ルーバ流路（４８）が、前記正圧側壁を局部的に蛇行メッシュ冷却するために、互いに離間して配置され、相対する両端部において前記第２のブリッジ（４０）と前記出口スロット（５２）の前方の前記正圧側壁（１８）とに一体的に結合されたメッシュパターンのピン（５４）を含むことを特徴とする請求項４に記載のブレード。
6. 前記第２の蛇行流路（６２）前記第１の蛇行流路（４２）の上方の後方部分に配置されたことを特徴とする請求項１に記載のブレード。
7. 前記第１の蛇行流路（４２）が３つの流れ反転用レッグからなり、且つ前記第２の蛇行流路（６２）が３つの流れ反転用レッグからなり、
   前記第１の蛇行流路（４２）が、前記第３の入口（６０）と流体連通して配置された補給孔（７２）をその最後のレッグ内に含むことを特徴とする請求項１に記載のブレード。
8. 燃焼器と、該燃焼器の下流にある高圧タービンと、該高圧タービン内に設けられた請求項１乃至７のいずれか１項に記載のブレードとを有することを特徴とするガスタービンエンジン。

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