JP4571277B2

JP4571277B2 - インピンジメント冷却プラットホームを有するガスタービン動翼

Info

Publication number: JP4571277B2
Application number: JP2000209173A
Authority: JP
Inventors: ラファエロ・ドゥランド・ジョーンズ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-09-24
Filing date: 2000-07-11
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2020-07-11
Also published as: EP1087102A2; EP1087102B1; KR100592150B1; DE60045026D1; US6431833B2; ATE483098T1; EP1087102A3; US20010019696A1; KR20010029956A; JP2001090501A

Description

【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明はタービン動翼の冷却に関するものであり、具体的には、翼形部基部の動翼プラットホーム領域の冷却に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの第１段及び第２段動翼は高い温度及び応力を受け、殊に翼形部がその正圧側前方部分でプラットホームとつながる前縁フィレットで、低サイクル疲労寿命の問題を生じる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
航空機エンジンにおいては、動翼プラットホームはプラットホーム下方の空洞に導入される空気で冷却されるが、この構成は、とりわけ前縁フィレットに関しては、十分に満足できるものとはいえない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前縁フィレット下方の局所領域でプラットホームが効果的にインピンジメント冷却されるようにプラットホームの下面近傍に前端が配置された管を通して冷却空気を翼形部の正圧側前方部分の下方に導くことによって、上記の問題に対するユニークな解決策を提供するものである。
【０００５】
加えて、インピンジメント冷却管によって空洞内に導入された空気が空洞から逃れてプラットホームの上面に沿って翼形部の正圧側輪郭に沿って翼形部の後縁に向かって流れるように、プラットホーム自体にフィルム冷却孔が形成される。
【０００６】
本発明は、その広い態様において、翼形部と根元部とを有するタービン動翼であって、翼形部と根元部との境界に実質的に平坦なプラットホームを備えているとともに、根元部に１以上の穴と、その穴に装着された１以上のインピンジメント冷却管とを含み、インピンジメント冷却管が穴を通り越して出口がプラットホーム下面の目標領域に近接しているプラットホーム冷却構造を備えているタービン動翼に関する。
【０００７】
別の態様では、翼形部と根元部とを有し、翼形部が根元部の上方に延在するプラットホームとつながっているタービン動翼の前縁フィレット領域を冷却する方法であって、ａ）翼形部の下方に位置する根元部の凹部と連通した穴を、根元部のカバープレートの前縁側に設け、ｂ）インピンジメント冷却管の先端が上記穴を通り越してプラットホーム下面の目標領域に近接するように、インピンジメント冷却管を上記穴に挿入し、かつｃ）上インピンジメント冷却記管を通して流れる冷却空気によって上記目標領域がインピンジメント冷却されるように、上記インピンジメント冷却管を通して上記凹部に冷却空気を供給することを含んでなる方法に関する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１〜図３を参照すると、タービン動翼１０は、水平で実質的に平坦なプラットホーム１４から垂直に上方へと延びる翼形部１２を含んでいる。翼形部は前縁１５と後縁１７とを有する。プラットホーム１４の下方には、動翼の根元部のカバープレート２４の前縁側及び後縁側２０、２２から反対方向に延びる二対のいわゆる「エンジェルウィング」１６、１８がある。プラットホーム１４はカバープレート２４とつながっている。根元部の下方にはダブテールがあり、このダブテールで動翼をタービンホイール（好ましい実行形態では、ガスタービンの第１段又は第２段ホイール）に固定する。
【０００９】
冷却通路（図示せず）が翼形部を通る蛇行経路において半径方向外方及び内方に延在しており、該蛇行経路はダブテール内の供給通路２８及び戻り通路３０と連通した通路を根元部内に有している。しかし、翼形部内部冷却回路は本発明の一部を構成するものではなく、詳細は示していない。ここで重要なのは根元部の実質的に中空の空間つまり凹部３２であり、凹部３２は、ダブテール２６の上方しかもプラットホーム１４の下方にあって、カバープレートの側面２０、２２によってさらに画成されている。この凹部は概して翼形部の正圧側３４にあり、図３から分かる通り翼形部正圧側３４のプラットホーム１４の比較的大部分が中空空間つまり凹部３２の上にある。
【００１０】
傾斜した穴３６がカバープレート２４の前縁側２０に穿孔されていて、根元部の下端の外面から上方（つまり、実質的に半径方向）に延びて凹部３２へと通じている。穴３６は、斜めに向いているため、根元部壁３８の内面での出口形状は図２に示す通り楕円形をしている。インピンジメント冷却管４０は根元部の下から穴３６の中に押し込まれ、管の上端つまり先端４２の出口がプラットホーム下面近傍の、翼形部とプラットホームがつながった前縁フィレット４４に沿った目標領域に近接するように配置される。
【００１１】
管４０の下端は挿入度を制限するため符号４６で示す箇所でフレア形をしており、管が穴の中で組立方向と逆方向に滑るのを防ぐため管を符号４７で示す箇所でスポット溶接して所定位置に固定してもよい。好ましくは、管先端４２はプラットホームの下面から約０．５インチ以内にある。
【００１２】
カバープレート２４の下縁はホイール面に配置され穴３６を塞ぐので、二つ目の穴４８をカバープレート２４の前縁側２０から穿孔して、管４０の下端の真下で穴３６と交差するようにする。このようにして、ロータ又はホイールスペースパージ空気を穴３６を通して管４０に導入することができる。
【００１３】
さらに、多数のフィルム冷却孔５０が凹部３２からプラットホームの外面までプラットホームを貫通している。
【００１４】
上記の構成で、動翼下方のホイールスペースからのパージ空気は二つ目の穴４８に入って管４０を通して流れ、前縁フィレット４４の下方近傍でプラットホーム１４の下面に直接衝突する。プラットホーム１４の下面はこうして前縁フィレット領域でインピンジメント冷却され、応力が減少するとともに低サイクル疲労マージンが改善される。無論、この特定の領域での熱伝達の向上は、プラットホーム及び少なくとも部分的に翼形部自体にも引き継がれる。
【００１５】
本発明のもう一つの特徴は、上述のインピンジメント冷却とプラットホームの上面でのフィルム冷却との組合せにある。これは、中空空間３２の冷却空気がプラットホームの上面に抜け出るようにプラットホームに複数のフィルム冷却孔５０の配列することによって達成される。フィルム冷却孔５０は、冷却空気がガス流路空気と合流して翼形部の正圧側に沿って後縁１７へと流れる方向に向いている。フィルム冷却空気の流路は、隣の動翼のプラットホームの負圧側まで続くようにすることができ、システムの全体的効率が増大する。
【００１６】
熱伝達をさらに向上させるため、プラットホーム１４の下面に適当な粗面被膜を施して、熱伝達のための有効表面積を増大させてもよい。さらに、プラットホームの下面の目標場所での熱伝達を向上させるため、管４０と併せて１以上の追加インピンジメント冷却管を用いてもよい。
【００１７】
現時点で最も実用的で好ましいと思料される実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に、特許請求の範囲の技術的思想及び技術的範囲に属する様々な修正及び均等な構成を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の動翼の部分断面側面図。
【図２】図１には全体が図示されていない動翼の下部ダブテール部の（前側縁の）部分端面図。
【図３】本発明の動翼の平面図。

Claims

翼形部（１２）と根元部とを有するタービン動翼（１０）であって、
翼形部と根元部との境界に平坦なプラットホーム（１４）を備えているとともに、
根元部に１以上の穴（３６）と、その１以上の穴（３６）に装着された１以上のインピンジメント冷却管（４０）とを含み、インピンジメント冷却管（４０）の先端（４２）が穴（３６）を通り越してその先端（４２）の出口がプラットホーム下面の目標領域に近接していてインピンジメント冷却管（４０）の先端（４２）の出口から出る冷却空気が上記目標領域に直接衝突するプラットホーム冷却構造
を備えているタービン動翼。
前記目標領域がプラットホーム（１４）下方の凹部（３２）内にあって、翼形部の前縁フィレットに近接している、請求項１記載のタービン動翼。
プラットホーム（１４）に、前記凹部（３２）と連通した複数のフィルム冷却孔（５０）が設けられている、請求項２記載のタービン動翼。
前記複数のフィルム冷却孔（５０）が、翼形部の前縁（１５）よりも翼形部の後縁（１７）に近い位置にある、請求項３記載のタービン動翼。
プラットホームの下面が粗面被膜材で被覆されている、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のタービン動翼。
前記インピンジメント冷却管（４０）の下端（４６）が、前記穴（３６）への挿入を制限するためにフレア形をしている、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のタービン動翼。
翼形部（１２）と根元部とを有し、翼形部が根元部の上方に延在するプラットホーム（１４）とつながっているタービン動翼（１０）の前縁フィレット領域を冷却する方法であって、
ａ）翼形部の下方に位置する根元部の凹部（３２）と連通した穴（３６）を、根元部のカバープレート（２４）の前縁側に設け、
ｂ）インピンジメント冷却管（４０）の先端（４２）が上記穴（３６）を通り越してその先端（４２）の出口がプラットホーム下面の目標領域に近接するように、インピンジメント冷却管（４０）を上記穴（３６）に挿入し、かつ
ｃ）上記インピンジメント冷却管（４０）の先端（４２）の出口から出る冷却空気によって上記目標領域がインピンジメント冷却されるように、上記インピンジメント冷却管（４０）を通して上記凹部（３２）に冷却空気を供給する
ことを含んでなる方法。
前記目標領域が前記凹部（３２）内における、翼形部の前縁フィレットの直下の領域である、請求項７記載の方法。
前記凹部（３２）から冷却空気が逃散できるフィルム冷却孔（５０）を設けることを含む、請求項７又は請求項８記載の方法。
前記フィルム冷却孔（５０）がプラットホーム（１４）に設けられる、請求項７乃至請求項９のいずれか１項に記載の方法。