JP5390163B2 - ターボ機械用の冷却ブレード - Google Patents

Description

本発明は、特にガスタービンエンジンのターボ機械の分野に関し、その対象は、具体的には冷却上流案内翼要素ブレードである。

図７におけるフロントターボファン７０を有するターボジェットのようなガスタービンエンジンにおいて、流入空気は、燃料と混合されて燃焼チャンバにおいて燃焼される前に、コンプレッサにおいて圧縮される。チャンバ内で生成された高温ガスは、下流タービン又は複数のタービンを駆動し、その後排出される。様々なタービン段７２は、タービンに流入する際の適切な方向付けのためにガスを誘導する上流案内翼要素によって分離されている。ガスの温度のために、ブレード、特に高圧タービンの入口にて上流案内翼要素を形成して燃焼チャンバから直接ガスを受けるブレードは、非常に厳しい作動状態にさらされる。高温ガスと接触する壁面内に冷却手段が配列されている。冷却は、ブレードの壁の内面上の空気衝突による強制対流又はその他の方法によって実行される。

図１は、ブレードの空洞６内に収容された多数穿孔された内側長手方向スリーブ４を形成する管状の挿入物からの空気衝突によって冷却が行われる先行技術の上流案内翼要素を形成するブレード１を長手方向断面において示している。ブレード１のエアフォイルは、半径方向内側プラットフォーム３及び半径方向外側プラットフォーム２の２つのプラットフォーム間に半径方向に延在している。２つのプラットフォームは、駆動ガスの循環のために環状流れ５を画定している。流れは、ブレード１のエアフォイルによって円周方向にさらに分割される。２つのプラットフォーム及びエアフォイルは、単一鋳造部品を形成する。スリーブ４は、金属板を形成することによって製造されており、その外面から突出する小突起４１を備える。スエージ加工によって形成された小突起は、決定された高さからなり、スリーブの外面と空洞６の内面との間のスペーサを形成する。それらは、スリーブの端部間に配置される。この場合、それぞれ圧力側及び吸気側の各面上の各端部の近くに２つの小突起がある。図２は、エアフォイルの軸に平行な長手方向断面において、スリーブ上の突起４１の配置を示している。それらは、壁面上での空気流れの衝突とこのようにして配置された空間における空気の循環との双方を許容するために、エアフォイルの壁面からスリーブを遠ざける。外側プラットフォームにおける開口７は、例えばコンプレッサから引き込まれた冷却空気をともなってスリーブ４を供給する。

この空気の一部は、スリーブのオリフィス４２を通過し、衝突することによってブレードの壁面を冷却する。そして、この空気は、エアフォイルの後縁の壁面に沿って設けられる穿孔を介してガス流れの中に排出される下流に流れる。エアフォイルの壁の内面に、空洞内での空気循環と壁面との間の熱交換を促進する流れ妨害要素６１が設けられてもよいことに注目すべきである。スリーブ内で半径方向に循環する空気の残りは、タービンディスクやベアリング等の冷却されるべき他のターボ機械の部分の方に向けられた管８まで内側プラットフォーム３を横切って誘導される。

ブレードは、９、１０において、それぞれその外側プラットフォーム２及びその内側プラットフォーム３におけるエアフォイルの２つの長手方向端部に開口している。アセンブリ上で、前もって形成されているスリーブは、開口９を介してブレードの空洞６内にスライドされる。そして、スリーブは、開口９の壁面と接触する端部に沿った溶接又はろう付けによってブレードに固定される。スリーブの反対部分は、ブレードとスリーブとの相対的な動きを可能とするために、スライドを形成するブレードの内側開口１０内に案内される。これらの長手方向の動きは、ターボ機械の作動中の温度変化と、両方の部品が、それらが作られる材料の性質及びそれらが製造される方法の点で異なるという事実とに起因する。

空洞内部のスリーブについての１つの具体的な実施形態は、本出願人名義のＥＰ１５０８６７０に記載されている。
欧州特許第１５０８６７０号明細書

ターボ機械の性能は、上流案内翼要素の形状の修正によって高められる。空気力学的に定義された上流案内翼要素のエアフォイルが、ねじられて、例えば、その長手方向軸まわりのねじれを有する輪郭を有し、前縁及び後縁が互いに平行でない場合、エアフォイルの空洞内のスリーブの取り付け及びそこからの取り外しという問題に直面する。エアフォイルの空洞の幾何ケーシング及び小突起を有するスリーブの外面の表現は、想定される実施形態によれば、干渉領域を示す。これらの領域の存在は、先行技術にしたがって空洞内部にスリーブを組み込むのを不可能にする。

したがって、本出願人は、この欠点の改善の目的を自身に設定した。

このため、本発明によれば、プラットフォーム及びエアフォイルを備えるターボ機械用の冷却ブレードであって、一端に第１の開口を有するとともに他端に第２の開口を有しエアフォイル及びプラットフォームに沿った空洞と、第１の開口内に第１の端部を有するとともに第２の開口内に第２の端部を有し空洞内に収容された管状のスリーブと、スリーブの外表面と空洞の壁面との間に空間を生成する、スリーブの第１の端部側上の第１のスペーサ及びスリーブの第２の端部側上の第２のスペーサとを備え、スリーブが第１の開口を介して空洞内に挿入されるようにブレードが配列され、第１のスペーサがスリーブに固定されており、第２のスペーサがエアフォイルに沿って空洞の壁面に固定されている、という事実が注目に値する。

本発明の解決策は、金属スリーブとエアフォイルの内面との両方の軽微な修正で、挿入物と空洞の壁面との間に大きな横方向の間隔を備えるのを可能とする。したがって、これは、空気力学的観点からエアフォイルの形状に関してより大きな選択自由度を与える。

この結果は、タービンの出力及び性能を高める、より大きな能力である。

より具体的には、第１のスペーサは、ブレードのコードと角度を形成する方向に配置されている。角度は、具体的にはゼロである。

好ましい実施形態によれば、スリーブは、金属板から形成されており、第１のスペーサは、金属板の変形によって得られた突起である。突起は、例えばドーム形である。

第１のスペーサは、有利には、第１の端部側上に置かれたスリーブの半分に配列されている。したがって、空間要件のために、第１のスペーサが空洞内に係合せずに、最大の横方向の移動能力を残す。

第２のスペーサは、個々の突起を形成している。それらは、コードに平行に整列しているのが好ましい。

変形例によれば、第２のスペーサは、ブレードのコードに平行な細長形状を有する。より具体的には、第２のスペーサは、連続的なレールを形成し、これにより、スリーブとスライドとの間に残ったままとされる空間を介したスリーブ内部からの空気漏れを制限するさらなるシール機能を実現する。

本発明の解決策は、エアフォイルの壁面の空気衝突による冷却のためにスリーブが穿孔されているとき、特有の意義を有する。

第１の開口は、ガス流の外側又はガス流の内側のいずれかにある。

本発明はまた、ユーザが第１の開口を介してその第２の端部からスリーブを挿入することによってスリーブを空洞内に配置する、ブレードの組み立て方法に関する。

本発明の限定されない実施形態が、添付された図面を参照しながら、より詳細に以下に説明される。

図３のエアフォイル輪郭２０の上流案内翼要素は、エアフォイルの根元部と先端部との間で曲率が異なる前縁２１及び後縁２８を示している。例えば長手方向準線２３、２４又は他の長手方向準線２６、２７もまた、それらの曲率の変化を示している。この輪郭によって定義された容積を有する管状の内側スリーブが、ケーシングの平行移動におけるケーシングの干渉なしで長手方向に動くことができないことが理解される。いかなる干渉も、移動不能に対応する。

この場合、取り付け及び取り外しは、不可能となる。図３は、この問題を示している。すなわち、ブレードが前縁と後縁との湾曲が同一方向を有してなければ、スリーブは、空洞内にスライドすることができない。これは、前縁２１及び後縁２８の湾曲が反対になった図３の部品を用いた場合ではない。具体的には、取り付け／取り外しの好ましい方向を探すことは、以下のように定義される。各点において、前縁曲線に接線方向の直線と後縁曲線に接線方向の直線とが考えられる場合、好ましい方向は、図における接線Ｔ２、Ｔ３及び平均方向Ｄからわかるように、２つの接線方向の直線によって形成される角度を２等分する線ということになる。角度が変化することによってエアフォイルの高さにわたる２等分線から、この好ましい方向における平行移動は、この場合には許容されない又は非常に制限される。この変化は、曲線２１、２８の間、さらには一方では中間準線２３−２４及び他方では中間準線２６−２７の曲線間の湾曲方向の反転があるという事実から生じる。

スリーブのケーシングは、その表面上に突出する突起によって画定されている。これらの突起は、スペーサとしての機能を有し、十分に測定されたエアギャップを維持する必要があることから、それらのケーシングは、エアフォイルの壁の内面の幾何ケーシングに非常に近接している。したがって、曲率の変化は、それらの相対的な動きを防止するのを可能とする。

本発明の解決策は、スリーブとエアフォイルとの間のスペーサの配置を変更することにある。図４は、本発明に係るブレードを長手方向断面において示している。エアフォイル２０は、内側プラットフォーム２３と外側プラットフォーム２２との間に延在している。２つのプラットフォームは、駆動ガスが伝播する環状流れの境界である。エアフォイルの空洞２６内部のスリーブ２４は、その第１の端部２４３によって第１の開口２９の壁面に溶接又はろう付けされる。この開口２９は、外側プラットフォーム２２の壁面内に作られている。スリーブの他端部２４４は、内側プラットフォーム２３に作られた第２の開口３０内に係合されている。一端２４３でエアフォイルに固定されて他端２４４で自由であるために、２つの部品は、互いに独立して拡大することができる。

第１の端部２４３の側において、スリーブは、金属板の変形によって形成された突起を備える。これらの突起は、スリーブの壁面を空洞の壁面から間隔を置いて保持するスペーサを形成する。それらは、例えば、ブレードのコードの方向に平行に整列している。

スリーブは、図４において明確に見られるような他の突起を備えていない。

エアフォイル２０の壁の内面上に配列された突起２５は、スペーサを形成し、スリーブを空洞の壁面から離すように保持する。これらの突起は、第２の開口３０の近くに置かれている。それらは、鋳造によってブレードとともに作られる。好ましくは、それらは、冷却空気の循環のための空間がエアフォイルの根元部とその先端部との間で同じとなるように、突起２４１と同じ高さのスペーサを形成する。しかしながら、本発明の解決策は、スペーサの異なる配置を許容する。これらの突起は、ブレードのコードに平行とすることができる。有利には、それらは、細長形状である。

作動中において、冷却空気は、第１の端部２４３を介して、スリーブの管状チャネル内に吹き込まれる。この空気の一部は、穿孔２４２を介してスリーブを横切り、エアフォイル２０の壁面を冷却する薄い噴流に分けられる。そして、空気は、後縁の方に排出されるように、スリーブと壁面との間の空間内で循環する。空気の他の部分は、第２の端部を介して流れ、他の冷却回路の方に誘導される。

図５は、組み立て時の解決策の意義を示している。スリーブは、ブレードの第１の開口２９を介して第２の端部２４４から空洞２６内に挿入される。図において、スリーブの下位部に何ら横突起がないことから、ユーザは、ある程度の横方向の移動能力を有する。この能力は、突起２５によって画定される空間内に第２の端部が係合されるまで保たれる。これら突起は、第２の開口３０の近くに置かれている。ちょうどそのとき、第２の開口内の係合部の近くにスリーブがある。その動作は、実質的に完了する。

図６は、変形の実施形態を示している。第２の開口４１に近いエアフォイル４０の部分のみを示している。スリーブ３４は、その第２の端部３４４によってエアフォイルの第２の開口４１内に係合されている。突起は、好ましくは開口４１の面に平行に、周囲全体にわたって設けられているレール３５によって配置されている。その機能は、レールの一方の側から他方の側への空気の循環を制限するシケインを形成することである。この変形例の意義は、３４４におけるスリーブと開口４１のスライドにおけるエアフォイルの壁面との間で生じる空気漏れに由来する。具体的には、スリーブが自由にスライド内に、それらの寸法の相違の結果として摺動するのを防止しないために、空気漏れの原因である、ある程度の間隔が維持されなければならない。この空気の部分Ｆは、予定の方向Ｄから逸らされる。スリーブとエアフォイルとの間の空間におけるこの空気の動きは、冷却に寄与せずに失われているため好ましくない。したがって、そのようなシケインの配置は、スリーブ内部に空気を含むのに役立つ。

冷却空気を分配する内側スリーブとともに、先行技術の冷却上流案内翼要素ブレードを長手方向断面において示している。 スリーブ上に配列されたスペーサを示す図１のブレードの長手方向断面図である。 複雑な形態のブレード輪郭の一例である。 本発明に係るブレードの長手方向断面図である。 スリーブがエアフォイルの空洞内に挿入されるブレードの組み立て工程を示している。 エアフォイルの第２の開口の側にあるスペーサの変形の実施形態を示している。 本発明に係るブレードを組み込むことが可能なエンジンを示している。

符号の説明

１ ブレード
２、２２ 外側プラットフォーム
３、２３ 内側プラットフォーム
４、２４、３４ スリーブ
５ 環状流れ
６、２６ 空洞
７、９、１０ 開口
８ 管
２０、４０ エアフォイル
２１ 前縁
２３、２４、２６、２７ 長手方向準線
２５、４１、２４１ 突起
２８ 後縁
２９ 第１の開口
３０、４１ 第２の開口
３５ レール
４２ オリフィス
６１ 流れ妨害要素
７０ フロントターボファン
７２ タービン段
２４２ 穿孔
２４３ 第１の端部
２４４、３４４ 第２の端部
Ｄ 平均方向
Ｆ 空気の部分
Ｔ２、Ｔ３ 接線

Claims (11)

1. プラットフォーム及びエアフォイルを備えるターボ機械用の冷却ブレードであって、一端に第１の開口を有するとともに他端に第２の開口を有しエアフォイル及びプラットフォームに沿った空洞と、第１の開口内に第１の端部を有するとともに第２の開口内に第２の端部を有し空洞内に収容された管状のスリーブと、スリーブの外表面と空洞の壁面との間に空間を生成する、スリーブの第１の端部側上の第１のスペーサ及びスリーブの第２の端部側上の第２のスペーサとを備え、スリーブが第１の開口を介して空洞内に挿入されるようにブレードが配列され、第１のスペーサ（２４１）が、スリーブ（２４）に固定されており、第２のスペーサ（２５、３５）が、エアフォイル（２０、４０）に沿って空洞（２６）の壁面（２０、４０）に固定され、
   第２のスペーサ（２５）が、個々の突起を形成し、前記突起が、ブレードのコードに沿って整列され、かつ
   第２のスペーサ（３５）が、ブレードのコードに沿って延在する細長形状を有し、連続的なレールを形成している、ブレード。
2. 第１のスペーサ（２４１）が、ブレードのコードの方向に平行に整列されている、請求項１に記載のブレード。
3. スリーブ（２４、３４）が、金属板から形成されており、第１のスペーサ（２４１）が、金属板の変形によって得られた突起である、請求項１又は２に記載のブレード。
4. 突起が、ドーム形である、請求項３に記載のブレード。
5. 第１のスペーサが、スリーブの径方向外方半分の領域に配列されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のブレード。
6. スリーブが、エアフォイルの壁面の空気衝突による冷却のために穿孔されている、請求項１から５のいずれか一項に記載のブレード。
7. 第１の開口（２９）が、燃焼ガス流路の外側にある、請求項１から６のいずれか一項に記載のブレード。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のブレードの組み立て方法であって、ユーザが第１の開口を介してその第２の端部からスリーブを挿入することによってスリーブを空洞内に配置する、方法。
9. 請求項１から７のいずれか一項に記載のブレードを備えるターボ機械の上流案内翼要素。
10. 請求項９に記載の上流案内翼要素を備える、タービン。
11. 請求項１から７のいずれか一項に記載のブレードを少なくとも１つ備える、ターボ機械。

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