JP4641766B2 - ガスタービンエンジンのロータ組立体を冷却するための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンエンジンのロータ組立体を組立てるための方法及び装置に関する。

少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、空気を加圧するための圧縮機を含み、加圧された空気は、燃料と混合されて燃焼器に流され、燃焼器において、混合気は燃焼室内で点火されて高温の燃焼ガスを発生する。高温燃焼ガスは、下流方向にタービンに流され、タービンが燃焼ガスからエネルギーを取出して圧縮機を駆動すると共に、飛行中の航空機を推進するか又は発電機のような負荷を駆動するような有用な仕事を行う。

公知の圧縮機は、少なくとも１列の円周方向に間隔をおいて配置されたロータブレードを有するロータ組立体を含む。各ロータブレードは、前縁及び後縁において互いに接合された正圧側面と負圧側面とを有する翼形部を含む。各翼形部は、ロータブレードプラットフォームから半径方向外向きに延びる。各ロータブレードはさらに、プラットフォームに結合されたシャンクから半径方向内向きに延びるダブテールを含む。ダブテールは、ロータ組立体内のロータブレードをロータディスク又はスプールに取付けるために使用される。公知のシャンクは、中空であり、凸状の側壁と凹状の側壁とを含む。

作動時、高い温度及び応力に連続的に曝されるので、少なくとも一部の公知のロータブレードは、低サイクル疲労を生じるおそれがある。より具体的には、少なくとも一部の公知のロータブレードは、プラットフォームの正圧側面に沿って及び／又はプラットフォームと翼形部との間で延びるフィレット半径において、低サイクル疲労及び／又はクリープを生じやすくなる。

高温の影響を低減するために、少なくとも一部の公知のロータブレードは、シャンク内に形成された冷却孔を含む。より具体的には、少なくとも一部の公知のシャンク内においては、冷却孔が凹状側壁を貫通して延びて、インピンジメント冷却空気をプラットフォームに供給するようになっている。別の公知のシャンクでは、冷却孔は、シャンクの凸状側壁を貫通して延びる。しかしながら、公知のロータブレード内においては、そのような冷却孔は、ロータブレードに対して限られた冷却しか提供することができない。
特開２００２−２７６３０２号公報

１つの態様では、ガスタービンエンジン用のロータ組立体を製作する方法を提供する。本方法は、各々が、翼形部と、ダブテールと、シャンクと、プラットフォームとを含み、該プラットフォームがシャンクと翼形部との間で延び、また該ダブテールがシャンクから内向きに延びた複数のロータブレードを準備する段階と、ロータブレードに冷却空気を供給して該ロータブレードの一部をインピンジメント冷却しかつ冷却空気をロータブレードに流して該ロータブレードの下流側に画成された空洞をパージするように冷却空気をロータブレードに供給する冷却回路をシャンクの一部内に形成する段階とを含む。

別の態様では、ガスタービンエンジン用のロータブレードを提供する。本ロータブレードは、プラットフォームと、翼形部と、シャンクと、ダブテールと、冷却回路とを含む。翼形部は、プラットフォームから半径方向外向きに延び、またシャンクは、プラットフォームから半径方向内向きに延びる。ダブテールは、シャンクから延びる。冷却回路は、冷却空気を供給してロータブレードの少なくとも一部をインピンジメント冷却しかつパージ空気をガスタービンエンジン内部に画成された空洞内に向けてロータブレードの下流側に流すように、シャンクの一部を貫通して延びる。

さらに別の態様では、ロータ組立体を含むガスタービンエンジンを提供する。ロータ組立体は、ロータディスクに結合された複数のロータブレードを含む。複数のロータブレードの各々は、翼形部と、ダブテールと、シャンクと、プラットフォームとを含む。プラットフォームは、シャンクと翼形部との間で延びる。ダブテールは、シャンクから内向きに延びる。複数のロータブレードの少なくとも１つはさらに、冷却空気を供給して該ロータブレードの一部をインピンジメント冷却しかつパージ空気をプラットフォームの下流側に供給するようにシャンクを貫通して延びる冷却回路を含む。

図１は、ファン組立体１２、高圧圧縮機１４及び燃焼器１６を含むガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０はさらに、高圧タービン１８、低圧タービン２０及びブースタ２２を含む。ファン組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外向きに延びるファンブレード２４の列を含む。エンジン１０は、吸気側２８と排気側３０とを有する。１つの実施形態では、ガスタービンエンジンは、オハイオ州シンシナチ所在のゼネラル・エレクトリック社から入手可能なＧＥ９０型である。別の実施形態では、エンジン１０は、低圧圧縮機を含む。ファン組立体１２とタービン２０とは、第１のロータシャフト３１によって連結され、また圧縮機１４とタービン１８とは、第２のロータシャフト３２によって連結される。

作動中、空気がファン組立体１２を通って流れ、加圧された空気がブースタ２２を介して高圧圧縮機１４に供給される。高度に加圧された空気は、燃焼器１６に送られる。燃焼器１６からの空気流（図１には図示せず）は、タービン１８及び２０を駆動し、タービン２０がシャフト３１によってファン組立体１２を駆動する。

図２は、ガスタービンエンジン１０に使用することができる例示的なロータ組立体５０の一部分の拡大断面図である。図３は、ロータ組立体５０に使用することができる例示的なロータブレード５２の一部分の、正圧側面５４から見た拡大斜視図である。図４は、その負圧側面５６から見たロータブレード５２の斜視図である。ロータブレード５２は、ロータディスク５８から半径方向外向きに延び、各ロータブレードは、翼形部６０と、プラットフォーム６２と、シャンク６４と、ダブテール６６とを含む。別の実施形態では、ロータブレード５２は、ロータスプール（図示せず）内に取付けられる。

各翼形部６０は、第１の側壁７０と第２の側壁７２とを含む。第１の側壁７０は、凸状であって翼形部６０の負圧側面を形成し、また第２の側壁７２は、凹状であって翼形部６０の正圧側面を形成する。側壁７０及び７２は、翼形部６０の前縁７４及び該前縁から軸方向に間隔をおいた後縁７６において結合される。より具体的には、翼形部後縁７６は、翼形部前縁７４から翼弦方向かつ下流方向に間隔をおいて配置される。

第１及び第２の側壁７０及び７２は、それぞれプラットフォーム６２に隣接して位置するブレード根元７８から翼形部先端８０まで長手方向すなわち半径方向外向きにスパンにわたって延びる。翼形部先端８０は、内部冷却チャンバ８２の半径方向外側の境界を形成する。冷却チャンバ８２は、側壁７０及び７２間で翼形部６０内に境界付けられ、プラットフォーム６２及びシャンク６４を貫通してダブテール６６内に延びる。より具体的には、翼形部６０は、内表面８３と外表面８４とを含み、冷却チャンバ８２は、翼形部内表面８３によって画成される。

プラットフォーム６２は、翼形部６０とシャンク６４との間で延び、各翼形部６０が、各それぞれのプラットフォーム６２から半径方向外向きに延びるようになる。シャンク６４は、プラットフォーム６２からダブテール６６まで半径方向内向きに延びる。ダブテール６６は、シャンク６４から半径方向内向きに延びて、ロータブレード５２をロータディスク５８に固定するのを可能にする。

プラットフォーム６２は、上流側面又はスカート９０と下流側面又はスカート９２とを含み、これらスカートは、正圧側縁部９４及びその反対側の負圧側縁部９６によって結合される。プラットフォーム６２はまた、各々がそれぞれのスカート９０及び９２から外向きに延びる前方エンゼル翼１００と後方エンゼル翼１０２とを含む。スカート９０及び９２は、前方及び後方エンゼル翼バッファ空洞１０８及び１１０を密封するのを可能にする。

シャンク６４は、ロータブレード５２の上流側壁１２４及び下流側壁１２６において互いに接合されたほぼ凹状の側壁１２０とほぼ凸状の側壁１２２とを含む。以下に一層詳細に述べるように、ロータブレード５２を冷却するための冷却空気を供給するために、冷却回路１３０がシャンク６４に組合される。具体的には、冷却回路１３０は、シャンク凹状側壁１２０内に形成された第１の冷却孔１３２と、シャンク凸状側壁１２２内に形成された第２の冷却孔１３４とを含む。より具体的には、第１の冷却孔１３２は、シャンク凹状側壁１２０を貫通して延び、かつ冷却チャンバ８２と流れ連通するように延びている。

冷却回路の第２の冷却孔１３４は、該孔が側壁１２２とプラットフォーム下流スカート９２との間で延びるように、少なくとも部分的にシャンク凸状側壁１２２を貫通して延びる。従って、孔１３４の吐出側（図示せず）は、プラットフォーム６２とダブテール６６との間、より具体的には後方エンゼル翼１０２とダブテール６６との間に位置する。

エンジンの作動時、ダブテール６６を通してブレード５２に供給された冷却空気の少なくとも一部が、凹状側壁孔１３２を通して外向きに吐出される。より具体的には、孔１３２は、該孔を通して吐出された空気がプラットフォーム６２に向けて導かれてプラットフォーム正圧側縁部９４に沿って該プラットフォーム６２をインピンジメント冷却するように、配向される。具体的には、冷却孔１３２から吐出された空気は、プラットフォーム正圧側縁部９４の下面１５０に衝突する。エンジン作動時、ロータブレード正圧側面５４は、一般的にロータブレード負圧側面５６よりも高い温度に曝される。冷却孔１３２は、作動時にプラットフォーム６２の作動温度を低下させるのを可能にする。

孔１３４から吐出される空気流もまた、冷却孔１３４を通して後方エンゼル翼１０２に向けて流される。より具体的には、冷却孔１３４から吐出された空気は、後方エンゼル翼バッファ空洞１１０をパージするのを可能にする。空洞１１０の十分なパージを維持することにより、後方エンゼル翼１０２の作動温度を低下させかつクリープ量を減少させることが可能になる。孔１３４を通る空気流の大部分は、孔１３２から吐出された空気流である。冷却孔１３２がない場合には、孔１３４は主として前方ホイールスペース空洞１０９からの二次空気流のみを受け、従って空洞１１０は、少ないパージ流を受けることになる。従って、凹状シャンク冷却孔１３２と凸状シャンク冷却孔１３４との組合せにより、空洞１１０に対する十分な冷却空気が得られて、少なくとも一部の公知のロータブレード内で発生するおそれがある流路吸込み（ｆｌｏｗｐａｔｈ ｉｎｇｅｓｔｉｏｎ）を減少させることが可能になる。

上記のロータブレード冷却回路は、プラットフォームの正圧側面に冷却空気を供給すると共に、後方エンゼル翼バッファ空洞にパージ空気も供給する、費用効果がありかつ高い信頼性がある方法を提供する。このようにして、プラットフォーム正圧側面及び後方エンゼル翼の作動温度を低下させることが可能になる。従って、エンジン作動時における後方エンゼル翼のクリープ量も減少させることが可能になる。その結果、ロータブレード冷却回路により、費用効果がありかつ信頼性がある方法でロータ組立体の有効寿命を延ばしかつガスタービンエンジンの作動効率を改善することが可能になる。

以上、ロータブレード及びロータ組立体の例示的な実施形態を詳細に説明している。ロータ組立体は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ各組立体の構成要素は、本明細書に記載したその他の構成要素とは独立してまた別個に利用することができる。ロータ組立体の各構成要素はまた、ロータ組立体のその他の構成要素と組合せて使用することもできる。例えば、本明細書では本発明をブレード５２に関連させて説明したが、本発明は、ブレード５２における実施に限定されるものではなく、他の多くのブレード構成に関して実施しまた利用することができる。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更形態で実施できることは、当業者には明らかであろう。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。

ガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すガスタービンエンジンに使用することができる例示的なロータ組立体の一部分の拡大断面図。 図２に示すロータ組立体に使用することができるロータブレードの一部分の、その正圧側面から見た拡大斜視図。 図３に示すロータブレードの、その負圧側面から見た斜視図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
５２ ロータブレード
５４ ロータブレード正圧側面
５６ ロータブレード負圧側面
６０ 翼形部
６２ プラットフォーム
６４ シャンク
６６ ダブテール
７４ 翼形部前縁
７６ 翼形部後縁
７８ ブレード根元
８０ 翼形部先端
８２ 冷却チャンバ
９０ 上流スカート
９２ 下流スカート
９４ プラットフォーム正圧側縁部
９６ プラットフォーム負圧側縁部
１００ 前方エンゼル翼
１０２ 後方エンゼル翼
１２０ シャンク凹状側壁
１２２ シャンク凸状側壁
１２４ ロータブレード上流側壁
１２６ ロータブレード下流側壁
１３０ 冷却回路
１３２ 第１の冷却孔
１３４ 第２の冷却孔

Claims (2)

1. ロータディスク（２６）に結合された複数のロータブレード（５２）を有するロータ組立体（２２）を含むガスタービンエンジン（１０）であって、
   前記複数のロータブレードの各々が、
   凸状の負圧側壁（７０）及び凹状の正圧側壁（７２）を備える翼形部（６０）と、
   ダブテール（６６）と、
   上流側壁（１２４）と下流側壁（１２６）とによって接合された前記負圧側壁（７０）側の第１側壁（１２０）と前記正圧側壁（７２）側の第２側壁（１２２）と備えるシャンク（６４）と、
   下流に延びる後方エンゼル翼（１００）を備え、前記シャンクと前記翼形部との間で延びるプラットフォーム（６２）と
   を含み、
   前記ダブテールが前記シャンクから内向きに延び、
   前記複数のロータブレードの少なくとも１つが、冷却空気を供給して該ロータブレードの一部をインピンジメント冷却しかつパージ空気を前記プラットフォームの下流側に供給するように前記シャンクを貫通して延びる冷却回路（１３０）をさらに含み、
   前記ガスタービンエンジン（１０）は、さらに、前記複数のロータブレード（５２）の下流側に位置するバッファ空洞（１１０）を含み、
   前記プラットフォーム（６２）の各々が、前記バッファ空洞の一部を形成するようになっており、
   前記冷却回路（１３０）が、第１の孔（１３２）を含み、
   前記第１の孔（１３２）は、前記冷却回路（１３０）と流れ連通し、冷却空気を導いて前記プラットフォームの一部をインピンジメント冷却するように前記第１側壁（１２０）を貫通して延び、
   前記第２側壁（１２２）には、第２の孔（１３４）が設けられ、該第２の孔は、該第２の孔から前記バッファ空洞（１１０）内に冷却流を導くように、前記後方エンゼル翼（１０２）と前記ダブテール（６６）との間に位置する吐出側まで前記第２側壁（１２２）を貫通して延びている、
   ガスタービンエンジン（１０）。
2. 前記プラットフォームは、下流側スカート（９０）と、上流側スカート（９２）と、該上流側スカート（９２）から上流に延びる前方エンゼル翼（１００）を更に含み、
   前記後方エンゼル翼は、前記下流側スカートから延びており、
   前記下流側スカート（９０）は、前記バッファ空洞（１１０）を密封することを特徴とする、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１０）。

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