JP5546732B2 - インピンジメント冷却式バケットシュラウド、該シュラウドが組み込まれたタービンロータ並びに冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば航空機エンジン、ガスタービン、蒸気タービンなどのタービン動翼に関する。具体的には、本発明はタービン動翼先端シュラウドの冷却に関する。非限定的な例として、ガスタービンを例にとって本発明及びその背景技術について説明する。

ガスタービンは概して圧縮空気を生ずる圧縮機セクションを備える。燃料を圧縮空気の一部と混合して１以上の燃焼器で燃焼させて、高温圧縮ガスを生じさせる。高温圧縮ガスはタービンセクションで膨張して回転軸の駆動力を発生する。タービンセクションは一般に複数の静翼列（ノズル）と動翼列（バケット）を交互に有する。各動翼は翼形部と根元部とを有し、根元部でロータに固定される。

動翼は燃焼器から排出される高温ガスに暴露されるので、有効な設計寿命サイクルを得るための冷却法が必要とされる。伝統的に、動翼の冷却は、圧縮機からの圧縮空気の一部を抽出してタービンセクションに送り、燃焼器をバイパスすることによって行われている。タービンセクションに導入された冷却空気は動翼の翼形部内に形成された通路を流れる。大概は、半径方向通路を設けて冷却空気を動翼先端から半径方向外側に排出する。

多くの回転翼形部では、動翼の半径方向外端で一体先端シュラウドを用いて、高温ガスが流れる通路の外面を形成する。翼形部の一部としてシュラウドを設けると、エンジンの性能が向上する。そのため、外面全体が先端シュラウドで覆われているのが望ましい。しかし、回転翼形部の一体シュラウドは、回転速度によって加わる機械力による高応力部である。かかる高応力と高温環境が相俟って、動翼の残りの部分の耐用年数を有効に全うするシュラウドの設計上の課題となる。この課題を解決するための２通りの方法は、応力を低減すること及び／又は温度を下げることである。

応力を低減するための一般的な方法は、張り出したシュラウドの一部を取り除く（シュラウドをスカラップ状に切り欠く）ことによって付加荷重を低減することである。ただし、先端シュラウドでカバーされる範囲を減らすと、エンジン性能には有害となる。追加又は代替手段として、動翼先端から排出される冷却空気をシュラウドの半径方向外面に流してフィルム冷却の手段を与える。
米国特許第５４８２４３５号明細書 米国特許第６７６１５３４号明細書 米国特許第４１２７３５８号明細書

本発明では、先端シュラウドの高応力領域（特に翼形部と先端シュラウドの間のフィレット部）の金属温度を下げるのに局在指向性インピンジメント冷却を利用して動翼先端シュラウドを一段と効率的に冷却することを提案する。本発明は、かかるインピンジメント冷却を用いた先端シュラウドの冷却法も提供する。

そこで、本発明は、タービン動翼であって、動翼をタービンロータに固定するための根元部と、根元部から長手方向に延在する翼形部と、翼形部を貫通し、冷却流体の流れを受け入れるための入口を有する１以上の翼形部冷却通路と、翼形部から外側に張り出して半径方向内面と半径方向外面を有するシュラウドと、翼形部冷却通路から冷却流体を排出するための１以上の出口孔を画成する壁と、１以上の出口孔と流体連通した１以上のシュラウド冷却室であって、出口孔が冷却室の標的壁面に向かって方向付けられていて標的壁面をインピンジメント域としてインピンジメント冷却するためのインピンジメント孔を画成する、１以上のシュラウド冷却室と、使用済みインピンジメント冷却流体を冷却室の外へ流すための１以上の出口開口とを備えるタービン動翼という実施形態を取り得る。

本発明は、タービン動翼列を有するタービンロータであって、該タービン動翼の１以上が、動翼をタービンロータに固定するための根元部と、根元部から長手方向に延在する翼形部と、翼形部を貫通し、冷却流体の流れを受け入れるための入口を有する１以上の翼形部冷却通路と、翼形部から外側に張り出して半径方向内面を有するシュラウドと、翼形部冷却通路から冷却流体を排出するための１以上の出口孔を画成する壁と、１以上の出口孔と流体連通した１以上のシュラウド冷却室であって、出口孔が冷却流体を標的インピンジメント域に向かって方向付けられていて標的インピンジメント域をインピンジメント冷却するためのインピンジメント孔を画成する、１以上のシュラウド冷却室と、使用済みインピンジメント冷却流体を冷却室の外へ流すための１以上の出口開口とを備える、タービンロータという実施形態も取り得る。

本発明は、さらに、ガスタービン翼形部に略垂直な平面に延在する略平面状の付属シュラウドを備えるガスタービン翼形部の冷却方法であって、ａ）翼形部内部に１以上の翼形部冷却通路を設け、ｂ）シュラウド内部に１以上の冷却室を設け、ｃ）１以上の翼形部冷却通路からの冷却空気を１以上のインピンジメント孔を通して１以上の冷却室の壁面に当て、ｄ）使用済みインピンジメント冷却空気を冷却室の１以上の出口開口から流すことを含んでなる冷却方法という実施形態も取り得る。

本発明の上記その他の目的及び利点は、現時点での本発明の好ましい例示的な実施形態に関する以下の詳細な説明を添付の図面と併せて参照することによって、理解を深めることができよう。

先端シュラウド上に流すため動翼先端に出口を有する冷却通路を備えた典型的な動翼の概略図を図１に示す。図１に概略を示す通り、各タービン動翼１０は翼形部１２と根元部１４とからなる。翼形部は前縁と後縁を有する。翼形部の両側に略凹面の正圧面と略凸面の負圧面が前縁から後縁まで延在する。図示した例では、動翼の根元部１４はシャンク１６とダブテール１８とからなり、ダブテール１８はロータの対応ダブテールと係合して動翼をロータに固定する。

図１及び図２に示すように、シュラウド２０は翼形部１２の先端に形成され、翼形部から外側に延びる。したがって、シュラウドは半径方向内面と半径方向外面を有し、タービンセクションを流れる高温圧縮ガスに暴露される。各シュラウドは、隣接動翼のシュラウドと接触して動翼振動を抑制する支承面２２，２４を有する。さらに、通例、各動翼列の周りからの高温ガスの漏れを防ぐため、１以上のバッフル２６がシュラウドから半径方向外側に延在している。従来のある種のバケット動翼構造では、複数の冷却空気通路が動翼内を動翼先端まで半径方向外側に貫通している。従来の別のバケット動翼構造では、サーペンタイン通路が翼形部内部に画成される。図２に示すように、半径方向冷却空気通路は、従前、排出孔２８を終端として冷却空気をシュラウドの半径方向外面に排出できるようにしていた。図２では９個の孔２８を図２に示すが、通路の数は加減できる。

従前の設計で用いられてきた冷却法は主に対流方式であり、部材の内部を冷却するためのチャネルフローに依拠するものであった。インピンジメント冷却は動翼で翼形部の前縁に広く用いられており、さほど一般的ではないが翼形部の凸面及び凹面の冷却、同じくさほど一般的ではないが後縁の冷却にも用いられている。本発明では、産業用ガスタービン又は航空機エンジン動翼の先端シュラウドの冷却のための新規設計を提案する。具体的には、先端シュラウドの高応力領域（特に翼形部と先端シュラウドの間のフィレット）の金属温度を低下させるため、局在指向性インピンジメント冷却を用いる。こうした作動温度の低下によって、部材の有効寿命を延ばすことができるし、或いは部品の耐用年数を損なわずに部材の作動する環境温度を高めることができる。

先端シュラウド内でインピンジメント冷却を生じさせる方法は数多く存在する。ある例示的な方法は、動翼の一体部材にインピンジメント孔を形成することである。これらの孔は部材に鋳造することもできるし、或いは鋳物を形成した後で各種の機械加工法で部材に形成することもできる。一体インピンジメントブリッジでの翼形部とシュラウドの間のフィレット部を標的としたインピンジメントの２通りの例を図３及び図４に示す。図３ではシュラウドの広い冷却室１４２へのインピンジメントを示し、図４では狭い流路の形態の冷却室２４２へのインピンジメントを示しており、この形態の冷却質２４２はインピンジメント域の下流で優れたチャネルフロー熱伝達をもたらす。ただし、その他のインピンジメント／流れ構成を設けることもできる。

図３の概略断面図を参照すると、例示的な実施形態では、翼形部１１２からの冷却空気と連通した、先端シュラウド１２０内のシールド室又は概ねシールドされた室１３０を、インピンジメント流の供給源として利用する。例示的な実施形態では、この内室１３０は加圧できるように十分にシールドされる。例えば、慣用法では、空気を例えばダブテール又はシャンク部近傍で動翼に取り込んで、シャンク部を通して翼形部１１２内部を先端シュラウド１２０に向けて流す。

図３に示す例では、空気は翼形部から先端シュラウド内の加圧室１３０へと流れる。空気は次いで１以上のインピンジメント孔１３２を通して加圧室から押し出され、先端シュラウド１２０内部の所望の箇所つまりインピンジメント域１３４に当てられる。図３は、翼形部からシュラウドへのフィレット部１３４が標的インピンジメント域である先端シュラウドインピンジメント冷却の実施形態を表す。しかし、インピンジメント孔はその他の先端シュラウド箇所のインピンジメント域に方向付けてもよい。自明であろうが、インピンジメントは、局所的領域に対してはチャネルフローよりも優れた熱伝達をもたらす。図３の実施形態は、冷却流体への熱伝達をさらに向上させるため、冷却室１４２内、例えばフィレット部にタービュレータをさらに備えている。例示的な実施形態では、プレナム１３０を加圧するため、インピンジメント孔の合計断面積は翼形部冷却流体通路よりも小さい。これは優れたインピンジメント熱伝達をもたらすが、必須ではない。インピンジメント孔の面積を翼形部冷却流体通路の面積よりも大きくしても、性能は低下するものの、依然としてインピンジメント作用を発揮させることが可能である。

インピンジメント後の空気は、インピンジメント域１３４から冷却室１４２を通って１以上の出口開口（例えば出口開口１３６，１３８）へと流れ、主ガス流と合流する。冷却空気は、室１３０から直接出口１４０へと排出してもよい。図３に実施形態では１以上のプレナム１３０を示したが、１以上の翼形部冷却流体通路をこのプレナムとして機能させることもできる。その場合、インピンジメント孔は翼形部冷却流体通路を起点として、冷却流体を外側の室へと導く。

次に図４の概略断面図を参照すると、例示的な実施形態では、先端シュラウド２２０内のシールド室又は概ねシールドされた室２３０を利用してインピンジメント冷却をインピンジメント孔２３２を通してインピンジメント域に向けるが、インピンジメント域は図３の実施形態よりも大きくすることができる。さらに、インピンジメント後の冷却空気は冷却室又は通路２４２を流れるが、インピンジメント域２３４の下流で優れたチャネルフロー熱伝達をもたらす。用途を終えた冷却空気は１以上の出口開口（例えば出口開口２３６）へと流れ、主ガス流と合流する。冷却空気は、室２３０から直接出口２４０へと排出してもよい。さらに、以上の実施形態のいずれにおいても、インピンジメント後の冷却空気は、膜孔を通してインピンジメントされる表面を通して排出することもできる。したがって、インピンジメント後の空気は冷却室を通して流す必要はない。

図３に示す構造の２通りの可能な平面図を、図５及び図６に概略的に示す。図５では、インピンジメントジェット１３２は、連通した冷却室１４２へと流れ込む。図６は、隣接室３４２同士が連通していない第２の可能な実施形態を示す。自明であろうが、任意の数の室１４２，２４２，３４２及びインピンジメント孔１３２，２３２を利用でき、室は互いに隔離されていてもよいし、或いは例えばインピンジメント域下流でチャネルフローを形成するため、必要又は所望に応じて連通してもよい。

先端シュラウド内でインピンジメント冷却を生じさせる別の方法を、図７及び図８に概略的に示す。この例示的な実施形態では、非一体型のインピンジメントプレート４４４，４４６，４４８，４５０を先端シュラウド４２０に接合する。これらのプレートは、インピンジメント孔４３２として機能する任意の数及びパターンの孔を有する。これに関して、孔は、最適な冷却設計が得られるように、インピンジメントプレート４４４，４４６，４４８，４５０に配列すればよい。図３及び図４の実施形態と同様に、先端シュラウド４２０内に室４３０が形成され、翼形部４１２から冷却空気が供給される。この室はインピンジメント空気の供給源としての機能するが、図７及び図８の実施形態では、インピンジメントプレート４４４，４４６，４４８，４５０を通して流れ、所望のインピンジメント域４３４のインピンジメント冷却を行う。この例示的な実施形態では、加圧室４３０は、翼形部冷却通路と直接流体連通した主プレナムと、インピンジメントプレート上に位置する補助プレナムとからなる。インピンジメント後の空気は、シュラウドを通って１以上の出口開口（図示せず）へと流れる。図７及び図８に示す実施形態では、別途製造されたインピンジメントプレートをシュラウド内部に配置することができるように、カバープレート４５２を動翼に接合してシュラウドの上面とする。ただし、その他の一体型及び非一体型インピンジメント設計も、本発明の実施形態として採用することもできる。例えば、図７及び図８に示す実施形態では２つのプレナムを設けているが、プレナムが１つしか又は全くないインピンジメントプレートを使用することもできる。インピンジメント孔を有する一体壁（例えば図３及び図４に示すもの）を、その代替として、非一体型インピンジメントプレートで置き換えることもできる。

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、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、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。例えば、特に先端シュラウドの冷却について説明したが、本明細書で開示する技術は動翼の先端に位置しないシュラウドでも使用できる。これに関して、ある種の動翼は翼形部の略半分の長さのシュラウドを有しているが、これに上述のインピンジメント冷却を組み込むことができる。

先端シュラウドを備えた従来のタービン動翼の概略斜視図。 従来の先端シュラウドの概略平面図であり、スカラップ状のシュラウドを示す。 本発明の例示的な実施形態の概略断面図。 本発明の別の例示的な実施形態の概略断面図。 第１の例示的な実施形態に係る図３の構造の概略平面図。 第２の例示的な実施形態に係る図３の構造の概略平面図。 本発明の別の例示的な実施形態の概略平面図。 図７の矢視８−８断面図。

符号の説明

１０ タービン動翼
１２，４１２ 翼形部
１４ 根元部
１６ シャンク
１８ ダブテール
２０，４２０ シュラウド
２２，２４ 支承面
２６ バッフル
２８ 排出孔
１１２ 翼形部
１２０，２２０ 先端シュラウド
１３０，２３０，４３０ 加圧室
１３２，２３２，４３２ インピンジメント孔
１３４、２３４，４３４ インピンジメント域
１３６，１３８，２３６ 出口開口
１４０，２４０ 冷却空気出口
１４２，２４２，３４２ 冷却室
４４４，４４６，４４８，４５０ インピンジメントプレート
４５２ カバープレート

Claims (7)

1. タービン動翼であって、当該タービン動翼が、
   動翼をタービンロータに固定するための根元部（１４）と、
   根元部から長手方向に延在する翼形部（１２，２１２，４１２）と、
   翼形部を貫通し、冷却流体の流れを受け入れるための入口を有する１以上の翼形部冷却通路と、
   翼形部から外側に張り出して半径方向内面と半径方向外面を有するシュラウド（２０，１２０，２２０，４２０）であって、隣接動翼のシュラウドと係合する支承面（２２，２４）を有するシュラウド（２０，１２０，２２０，４２０）と、
   翼形部冷却通路から冷却流体を排出するための１以上の出口孔を画成する壁と、
   １以上の出口孔と流体連通した１以上のシュラウド冷却室（１４２，２４２，３４２）であって、出口孔が冷却室の標的壁面（１３４，２３４，４３４）に向かって方向付けられていて標的壁面をインピンジメント域としてインピンジメント冷却するためのインピンジメント孔（１３２，２３２，４３２）として機能する、１以上のシュラウド冷却室（１４２，２４２，３４２）と、
   使用済みインピンジメント冷却流体を冷却室の外へ流すための１以上の出口開口（１４０，２３６，２４０）と、
   翼形部冷却通路と流体連通して該冷却通路から冷却流体を受け入れる１以上のプレナム（１３０，２３０，４３０）と
   を備えており、前記１以上の出口孔を画成する壁がプレナムの壁である、タービン動翼。
2. 前記標的壁面が、翼形部とシュラウドの間のフィレットの内壁面（１３４，２３４）である、請求項１記載のタービン動翼。
3. １以上の出口開口（１３６，２３６）が支承面近傍に設けられている、請求項１記載のタービン動翼。
4. 前記プレナムが主プレナムと補助プレナムとからなり、補助プレナムが、複数のインピンジメント孔が画成されたインピンジメントプレートを介して冷却室と流体連通している、請求項１記載のタービン動翼。
5. タービン動翼列を有するタービンロータであって、タービン動翼の１以上が請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のタービン動翼からなる、タービンロータ。
6. ガスタービン翼形部に略垂直な平面に延在する略平面状の付属シュラウドを備えるガスタービン翼形部の冷却方法であって、
   ａ）翼形部内部に１以上の翼形部冷却通路を設け、
   ｂ）隣接動翼のシュラウドと係合する支承面（２２，２４）を有するシュラウド内部に１以上の冷却室（１４２，２４２，３４２）を設け、
   ｃ）１以上の翼形部冷却通路からの冷却空気を１以上のインピンジメント孔（１３２，２３２，４３２）を通して１以上の冷却室の壁面に当て、
   ｄ）使用済みインピンジメント冷却空気を冷却室の１以上の出口開口（１３６，１３８、１４０，２３６，２４０）から流す
   ことを含んでおり、１以上のプレナム（１３０，２３０，４３０）がシュラウド内部に設けられ、冷却空気が１以上の翼形部冷却通路から１以上のプレナムに供給され、インピンジメント孔が１以上のプレナムの壁に画成される、冷却方法。
7. 段階ｄ）が、シュラウドの外端（１３６，２３６）で開口する１以上の冷却空気排出孔をシュラウドに設けることによって実施される、請求項６記載の方法。
   

Images