JP4854985B2 - 高いアスペクト比を有する空洞を備えるガスタービンブレード冷却回路 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械ガスタービンにおける冷却ブレードの一般的分野に関する。特に、本発明は、高いアスペクト比を有する冷却空洞を備えたブレードの冷却を改善することを追究する。

高圧タービンおよび低圧タービンなどのターボ機械ガスタービンの可動ブレードに、内部冷却回路を設けることは知られており、内部冷却回路は、ターボ機械が動作中に受ける極めて高い温度に、可動ブレードが損傷せずに耐えることを可能にする。例えば高圧タービンにおいて、燃焼室から来るガスの温度は、タービンの可動ブレードによって損傷せずに耐え得る温度より十分に高い値に達し、これは可動ブレードの寿命を制限する結果をもたらす。

内部冷却回路を用いて、一般的にブレードの根元によってブレードの内部に吹き込まれる空気は、ブレードの表面に開口しているオリフィスを通して噴射される前に、ブレードの内部に作られた空洞によって形成される経路に従ってブレードに沿って移動する。

それにもかかわらず、これらの冷却回路は、「長くて薄い」ブレード、すなわちブレードの径方向高さ（ブレードの根元と先端との間の距離）よりもかなり小さい厚さ（ブレードの圧力側面と吸気側面との間の最大距離）を示すブレードには、不適当である。

このようなブレードに関連する制約の一つは、ブレードを冷却するために利用可能な小さい空気流量である。これは、内部の空気流速度を増加させ、それによって熱交換係数を増大させるために、細い冷却空洞すなわち高いアスペクト比を有する冷却空洞を採用することが必要であることを意味する。このような修正は、ブレードを冷却するために十分ではないので、例えばスパイクタイプまたはブリッジタイプの流れ攪乱器を用いて、内部の流れを攪乱することも必要である。

それにもかかわらず、従来の攪乱器の使用は、このようなブレードの冷却空洞の細さのせいで不可能であった。特に冷却空洞におけるスパイクの存在は、冷却空洞を通過する空気の流れを過度に阻害し、クラック誘引の元になる機械的強度の減少につながる。ブリッジもまた、ブレードを鋳造するときに製造上の問題を引き起こす。

本発明の主要な目的は、ブレードが効果的に冷却されることを可能にしかつ製造し易い、ガスタービンブレードのための冷却空洞、特に「長くて薄い」タイプのブレードのための冷却空洞を提案することによって、このような欠点を軽減することである。

このために本発明は、ターボ機械ガスタービン用のブレードであって、ブレードは冷却回路を有し、冷却回路は、ブレードの根元と先端との間に径方向に延びる高いアスペクト比を有する少なくとも一つの冷却空洞と、その冷却空洞に冷却空気を供給するために空洞の径方向内側の端部に在る少なくとも一つの空気流入開口部とを備え、冷却空洞の壁の少なくとも一つは、前記空洞内の冷却空気の流れを攪乱して熱交換を増加させるように、複数のくぼみを備えていることを特徴とする、ガスタービン用のブレードを提供する。

冷却空洞が、横断面でその幅寸法の少なくとも３倍大きいキャンバ寸法または長さを示すときに、冷却空洞は、高いアスペクト比を有すると考えられる。

スパイクまたはブリッジタイプの従来の流れ攪乱器とは異なり、くぼみは、材料における複数の凹部によって構成されるパターンである。したがってこのようなくぼみは、内部の流れを妨げることなく、内部の流れが攪乱されることを可能にする。本発明のブレードの冷却回路はまた、より低いヘッド損失と小さい応力集中を有するブレードの効果的な冷却を得ることを可能にするので、より良好な機械的強度につながる。このようなブレードはまた、その冷却回路が、鋳造作業を実行することによって容易に取得できるので、製造がより簡単である。

冷却空洞の壁は、好都合にも、スパイクまたはブリッジタイプの追加物質によって構成される流れ攪乱器パターンを有していなくてもよい。冷却空洞の壁の少なくとも一つにおけるくぼみの存在は、冷却空洞の壁に沿って移動する空気の内部の流れを攪乱するのに十分である。

特に冷却回路は、ブレードの表面を通る空気の如何なる放出も含むことを必要としない。このような状況下で、冷却空洞内の空気流は、ブレードの先端を通って排出される。

本発明は、好ましくは、根元と先端との間で、０．０１から０．２５の範囲にあるブレードの厚さの径方向の高さに対する比率を有するブレードに適用される。

ブレードはまた、０．１５から０．６５の範囲にある、くぼみの深さの冷却空洞の幅に対する比率を示し得る。

冷却が一様であることを保証するために、くぼみは、ブレードの圧力側と吸気側との冷却空洞の壁に形成され得る。これらのくぼみは、ブレードの径方向軸に実質的に平行に整列できるか、あるいは前記軸に対して千鳥形の構成に配置できる。更にくぼみは、ブレードの一部分にだけ、例えばブレードの下方部分にだけ形成することもできる。

冷却空洞のくぼみは、実質的に球形または円錐形であり得る。

本発明の他の特徴と利点は、限定的でない特徴を有する実施形態を示す添付図面を参照して行われる以下の説明から明らかになる。

径方向軸ＸＸ’を有しかつ図１および図２に示されたブレード１０は、ターボ機械の高圧タービンの可動ブレードである。当然ながら本発明は、ターボ機械の他のブレード、例えばターボ機械の低圧タービンのブレードにも適用可能である。

ブレード１０は、ブレードの根元１２とブレードの先端１４との間に径方向に延びる翼（ａｉｒｆｏｉｌ）表面（またはブレードそのもの）を備える。ブレードの根元１２は、高圧タービンのロータのディスク１６に取り付けるためのものである。図１に示すようにブレードの先端１４は、高圧タービンのケーシング（図示せず）に取り付けられた磨耗可能な被覆１９に面して配置されたシーリングワイパー１７を有することができる。

翼表面は、４箇所の異なるゾーン、すなわちターボ機械の燃焼室から来る高温ガスの流れに面して配置される前縁１８と、前縁１８から離れた後縁２０と、圧力側面２２と、吸気側面２４とを呈し、これらの側面２２、２４は、前縁１８と後縁２０とを相互接続している。

ブレード１０は、冷却回路を備え、この冷却回路は、ブレードの根元１２と先端１４との間に径方向に延びる高いアスペクト比の少なくとも一つの冷却空洞２６と、冷却空洞に冷却空気を供給するために、冷却空洞２６の径方向内側の端部に（すなわちブレードの根元１２に）在る少なくとも一つの空気流入開口部２８とを有する。

空洞の「高いアスペクト比」という用語は、空洞が、横断面で、その空洞の幅寸法ｌ１の少なくとも３倍、好ましくは５倍大きいキャンバ寸法の長さＬ１を示すことを意味するように使用される。空洞２６のこの特徴は、図２においてより詳細に見ることができる。

図２に示すように冷却空洞２６は、ブレードの圧力側２２の圧力側壁２６ａと、ブレードの吸気側２４の吸気側壁２６ｂとによって画定される。これらの壁２６ａ、２６ｂは、空洞２６の二つの軸方向端部でつながっており、これら壁間の距離は、空洞の幅ｌ１を呈する。

図１および図２に示すブレード１０の冷却回路は、ブレードの前縁１８から後縁２０に軸方向に延びる単一の空洞２６を有している。それにもかかわらず、各々が高いアスペクト比の複数の冷却空洞を有するブレードを考案することは可能である。

本発明では、ブレード１０の冷却空洞２６の壁２６ａ、２６ｂの少なくとも一つは、空洞内への冷却空気の流れを攪乱して熱交換を増加させるように、複数のくぼみ３０を備えている。これらのくぼみ３０（または凹部）は、除去された材料の流れ攪乱パターンであり、すなわち、これらのくぼみは、如何なる材料も追加されることを必要としない。

図２の例では、空洞２６の両方の壁２６ａ、２６ｂは、くぼみ３０を備えている。それにもかかわらず、くぼみがこれらの壁の一方にだけ形成されることも可能である。

本発明の特に有利な特徴によれば、冷却空洞２６の壁２６ａ、２６ｂは、追加される材料で作られる如何なる流れ攪乱パターンも有していない。例えば、空洞２６の壁２６ａ、２６ｂは、スパイクまたはブリッジタイプの如何なる流れ攪乱器も含まない。ブレード１０を効果的に冷却するために、くぼみ３０の存在だけで十分である。

本発明のもう一つの有利な特徴によれば、ブレード冷却回路は、ブレード１０の面を通る（すなわち、ブレードの圧力側面２２または吸気側面２４または、実際に前縁１８または後縁２０を通る）如何なる空気も放出しない。

この構成では、冷却回路の空洞を流れる冷却空気の全ては、ブレード先端１４を通って、例えばシーリングワイパー１７付近で排出される。更に、もし冷却回路が複数の高いアスペクト比の空洞を有していれば、これら空洞は、好ましくは互いに独立しており、各空洞は、ブレードの根元１２から個別に空気を供給され、各空洞に流入する空気の全ては、ブレード先端１４から排出される。

本発明は、好ましくは、図１に示すような「長くて薄い」ブレード１０、すなわちブレードの根元１２と先端１４との間で０．０１から０．２５の範囲にある、厚さｌ２（図２に示すようなブレードの圧力側面２２と吸気側面２４との間の最大距離（最大横断面としても知られる））のその径方向の高さｈ（図１）に対する比率を示すブレード１０に適用される。

本発明のもう一つの有利な特徴によれば、ブレード１０は、０．１５から０．６５の範囲にある、くぼみ３０の深さＰ（図５および図６）の冷却空洞２６の幅ｌ１（図２）に対する比率を示す。

ブレード１０の冷却空洞２６のくぼみ３０は、ブレードの径方向軸ＸＸ’に対して千鳥形構成に配置できる（図１および図３）。代替として冷却空洞２６のくぼみ３０は、ブレードの径方向軸ＸＸ’に実質的に平行に整列配置できる（図４）。

更にまた図１に示すように、冷却空洞２６のくぼみ３０は、ブレード１０の底部にだけ、例えばその根元２０とその先端１４との間の、ブレードの全径方向高さｈの約３０％を表す径方向高さに形成できる。当然ながら、くぼみは、ブレードの径方向高さの全てにわたって、または他のある部分にわたって形成することもできる。

冷却空洞２６のくぼみ３０は、実質的に球形（図５）または実質的に円錐形（図６）の形状であることも可能である。それらの断面に関して正方形、円筒形、水滴形などといった他の如何なる形状を考案することもできる。

同様にサイズ、深さＰ、および二つの隣接くぼみ３０間の間隔は、得ることが望まれる撹乱の程度に応じて変化できる。

本発明のタービンブレードの縦断面図である。 図１のブレードの横断面図である。 本発明のブレード冷却回路のくぼみの異なる配置を示す図である。 本発明のブレード冷却回路のくぼみの異なる配置を示す図である。 本発明のブレードの冷却回路のためのくぼみの異なる形状を示す横断面図である。 本発明のブレードの冷却回路のためのくぼみの異なる形状を示す横断面図である。

符号の説明

１０ ブレード
１２ 根元
１４ 先端
１７ シーリングワイパー
１８ 前縁
１９ 被覆
２０ 後縁
２２ 圧力側面
２４ 吸気側面
２６ 冷却空洞
２６ａ、２６ｂ 空洞の壁
２８ 空気流入開口部
３０ くぼみ

Claims (10)

1. ターボ機械ガスタービン用のブレード（１０）であって、該ブレードが、冷却回路を有し、該冷却回路が、ブレードの根元（１２）と先端（１４）との間に径方向に延びる少なくとも一つの冷却空洞（２６）を備え、該冷却空洞（２６）が、横断面において前記冷却空洞の幅より少なくとも３倍大きいキャンバ長さを有し、したがって高いアスペクト比を有し、前記冷却回路がさらに、冷却空洞に冷却空気を供給するために冷却空洞の径方向内側の端部に在る少なくとも一つの空気流入開口部（２８）を備え、冷却空洞（２６）の壁（２６ａ、２６ｂ）の少なくとも一つが、前記冷却空洞内の冷却空気の流れを攪乱して熱交換を増加させるように、ブレードの径方向高さの第１の部分に複数のくぼみ（３０）を備え、前記壁が、ブレードの径方向高さの第１の部分とは異なる第２の部分には前記くぼみを備えず、ブレードの径方向高さの第２の部分が、ブレードの先端から径方向内側に測定して、ブレートの高さの７０パーセント以上に沿って延びることを特徴とする、ブレード。
2. 冷却空洞（２６）の壁が、追加される材料からなる如何なる流れ攪乱パターンも有していない、請求項１に記載のブレード。
3. 冷却回路が、ブレード（１０）の面（１８、２０、２２、２４）を通して如何なる空気も噴射しない、請求項１または２に記載のブレード。
4. ブレード（１０）が、根元（１２）と先端（１４）との間で、０．０１から０．２５の範囲にあるブレードの厚さ（ｌ２）のブレードの径方向の高さ（ｈ）に対する比率を示す、請求項１から３のいずれか一項に記載のブレード。
5. ブレード（１０）が、０．１５から０．６５の範囲にあるくぼみ（３０）の深さ（Ｐ）の冷却空洞（２６）の幅（ｌ１）に対する比率を示す、請求項１から４のいずれか一項に記載のブレード。
6. 冷却空洞（２６）のくぼみ（３０）が、ブレードの径方向軸（ＸＸ’）に実質的に平行に整列している、請求項１から５のいずれか一項に記載のブレード。
7. 冷却空洞（２６）のくぼみ（３０）が、ブレードの径方向軸（ＸＸ’）に対して千鳥形構成に配置されている、請求項１から５のいずれか一項に記載のブレード。
8. くぼみ（３０）が、ブレードの圧力側（２２）および吸込み側（２４）の冷却空洞（２６）の壁（２６ａ、２６ｂ）に形成される、請求項１から７のいずれか一項に記載のブレード。
9. 冷却空洞（２６）のくぼみ（３０）が、実質的に球形である、請求項１から８のいずれか一項に記載のブレード。
10. 冷却空洞（２６）のくぼみ（３０）が、実質的に円錐形である、請求項１から８のいずれか一項に記載のブレード。

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