JP5777330B2 - タービンブレード - Google Patents

Description

本発明は、タービンブレードに関する。

特に本発明のタービンブレードは、ガスタービンあるいは蒸気タービンのロータブレードおよび／またはガイドベーン（すなわちステータブレード）であってもよい。

単純さと簡潔さを得るために、以下タービンに関しては、ガスタービンのロータブレードとする。

ガスタービンのタービンロータブレードは、ブレード担持体の対応する座部に接続すべき蟻継部／モミの木形状部を備えた根元部を有するプラットフォームを備えていることで知られている。

プラットフォームの中央部分から翼形は延びており、圧力側と吸引側により成形されており、これらの圧力側と吸引側はタービンを通過する高温ガスと協働するように配置されている。

ブレード担持体上で組立てられると、タービンロータブレードは、そのプラットフォームが環状高温ガス通路の内側の境界を定めるように次々と隣接してすべて配置されている。

それにもかかわらず、これらのブレードは短所を多く有しており、以下に詳しく列挙する。

作動時に多量のパージ空気を二つの隣接したプラットフォーム間の間隙を通る高温ガス通路内に導入する必要があり、それ以上のパージ空気をタービンロータブレードを取り囲んでいるケーシングから導入する必要がある。高温ガス通路内に導入されるこのパージ空気によってガスタービンの効率は低下する。

さらに、翼形先端部とケーシングの間の間隙により漏洩量が通過し、さらにこの漏洩量によりガスタービンの効率が低下する。

ブレードは作動時に冷却空気が駆動される多数の内部冷却流路を備えているのが普通である。

この理由で、ブレードは冷却流路を形成している内部セラミックコアで鋳造することにより鋳造されるのが普通である。この鋳造技術は極めて高価であり、かつ時間を費やす。加えて、（セラミックコア内に形成された）流路は冷却点の見地から見て理想的な特徴を全て備えていないが、製造工程を単純かつ安価にするために最適化されている。

製造の制約のために、冷却流路は効率的な冷却を提供できず、作動時に過熱と困難な冷却が問題となることがある。

従って本発明の技術的課題は、従来技術の前記問題がなくなるブレードを提供することにある。

この技術的課題の範囲内において、本発明の態様は、高温ガス通路内に導入されるパージ空気が従来のブレードに関して必要とされる空気と比べて低減されるブレードを提供することであり、従って効率が増大する。

さらに、本発明の特に有利な実施例において、効率がさらに増すように、各翼形の先端部とそれを取囲んでいるケーシングの間の漏洩も減少する。

本発明の他の態様は、（例えば内側冷却流路あるいはフィンのような）各翼形の熱伝達促進体が相応する従来のブレードに必要とされる費用に比べて低い費用で、かつ時間的に効率的な方法で簡単に製造されるブレードを提供することである。

本発明の他の態様は、最適化された熱伝達促進体、すなわち製造の制約の代わりに所望の冷却効果によりその構造と形状が主に境界を定められる熱伝達促進体を製造することである。

これらのおよび別の態様を一緒に備えた技術的課題は、添付の請求項に従ったブレードを提供することにより本発明により達成される。

本発明の特に有利な実施例において、翼形の振動問題は減少する。

本発明の他の特徴と長所は、添付の図における制限していない実例により図示した、好ましいが独占的ではない本発明によるブレードの実施例の説明から明らかである。

本発明の第一実施例におけるブレードの概略正面図である。 図１の第一実施例におけるブレードの翼形部分の中央部での概略横断面図である。 多くのブレードが互いに隣接している状態における、図２に似た概略横断面図である。 本発明の第二の実施例におけるブレードの概略正面図である。 図４のブレードを底から見た概略図である。 図４のブレードに似ているが、異なる根元部を有するブレードを底から見た概略図である。 次々と隣接した図１の多数のブレードの概略正面図である。 シュラウドがない、本発明の他の実施例におけるブレードの概略正面図である。 隣接したブレードの翼形部分間の間隙の異なる実施例を示す図である。 隣接したブレードの翼形部分間の間隙の異なる実施例を示す図である。 隣接したブレードの翼形部分間の間隙の異なる実施例を示す図である。 隣接したブレードの翼形部分間のスペーサの特殊な実施例を示す図である。 封隙板を中間に備えた、図１のものとは異なるプラットフォームを備えたブレードを示す図である。

以下に、ガスタービンのロータブレードに関して記載する。本発明の様々な実施例において、ブレードはガスタービンのガイドベーンであってもよく、あるいはさらに別の実施例においては、蒸気タービンもしくは異なる回転機械のロータブレードあるいはステータブレードであってもよい。

図１に関して、タービンブレード１はプラットフォーム２を具備し、このプラットフォームは、（図１には示していないが図５では２２で表示した）ブレード担持体に接続されるように配置された根元部３を備えている。

タービンブレード１のプラットフォーム２の反対側からは、翼形部分５，６が延びている。

翼形部分は各々、一つの作動面７，８を規定しており、この作動面は他の翼形部分に面している面である。

この点において、図２および３に関して、同じタービンブレード１の他の翼形部分５に面している翼形部分６の面８は、タービンブレード１の作動面である。すなわちタービンブレードがガスタービン内に組立てられた際に、かつ同じガスタービンが作動中に、高温ガス通路内に流れ込んでいる高温ガスと接触するように配置されている面である。

同じように、図２には翼形部分５の作動面７が示してあり、この作動面は同じタービンブレード１の他の翼形部分に面しており、かつ作動時に高温ガスと接触するように配置されている翼形部分５の面である。

多数のタービンブレード１が互いに接続していると、特に翼形部分５の作動面７は吸引側の境界を定め、翼形部分６の作動面８は境界を定められるべきエアフォイルの圧力側の境界を定める。

タービンブレード１はさらに各翼形部分５および６の端部に接続されたシュラウド１０を備えており、従って翼形部分５および６とシュラウド１０を備えたプラットフォーム２は閉鎖した流路１１の境界を定める。

作動面７，８に向かい合った、翼形部分５，６の面１４，１５は、翼形部分の内側面の境界を定めており、これらの内側面は、多数のタービンブレード１がブレード担持体上に組立てられている場合、隣接した二つの翼形部分により境界を定められている。すなわち、これらの内側面１４，１５は、ガスタービンが正常に作動している間は高温ガスと接触しない。

製造時にこれらの内側面１４および１５は、作業者と製造工具にとって直接手が届き作業し易く、従来の工具を使用してかつ限られたコストで、これらの内側面はきわめて単純でかつ速い方法で必要に応じて成形することができる。言い換えると、極めて複雑な伝熱促進体１７を備えたこれら内側面を成形することは従来のタービンブレードに比べると簡単でかつ安価である。

例えば伝熱促進体１７は、内側面１４および／または１５から延びている、熱交換を増大させるように配置されたリブ、ピンあるいはフィンである。

さらに、翼形部分５および／または６の内側面１４，１５は、多数のブレード１が次々とブレード担持体上に組立てられた場合、スペーサ１８が二つの隣接した翼形部分５，６の間に挿入されているように、スペーサ１８を備えていると好ましい。

図１０はスペーサ１８の好ましい実施例を示している。この実施例ではブレード部分５および６は共にスペーサ１８を有しており、これらのスペーサは互いにスライドするように接続している。

翼形部分５，６の少なくとも一つは、それを通して冷却空気を通過させるように配置された貫通孔２０を備えている。

図１および４はこれらの貫通孔を備えた翼形部分６だけを示しており、異なる実施例において翼形部分５，６は両者共、これらの貫通孔２０を備えているか、あるいは翼形部分５だけが貫通孔２０を備えていてもよいことがいずれにせよ明らかである。

さらに、別の実施例においてさえ、貫通孔２０はプラットフォーム２および／またはシュラウド１０に設けられていてもよい。

図３および５はブレード担持体２２上に組立てられた、他のブレード１に接続したブレード１を示している。

これらの図に示した通り、ブレード１の圧力側の境界を定めている作動面８を備えた翼形部分６は、異なる隣接したブレード１の吸引側の境界を定めている作動面７を備えた翼形部分５に接続している。すなわち、互いに接続した二つの異なる隣接したブレード１の二つの翼形部分５，６は翼形２４の境界を定めている。

図３から、接続した翼形部分５，６の間（すなわち、これら翼形部分により境界を定められた各翼形２４の内側）には空間２５が境界を定められていることがわかる。

空間２５の下側部分は二つの隣接したブレード１のプラットフォーム２により閉鎖されており、空間の上側部分は二つの隣接したブレード１のシュラウド１０により閉鎖されている。

プラットフォーム２はハウジングの封隙を容易にするために真直ぐな側方縁部を有しているのが好ましい（図２）。

異なる実施例（図１１）において、プラットフォーム２は湾曲した輪郭で成形された側方縁部を備えている。

同様にして、シュラウド１０はハウジングの封隙を容易にするために真直ぐな側方縁部を有している。

異なる実施例においてはシュラウド１０も湾曲した輪郭で成形された側方縁部を備えている。

プラットフォームとシュラウドの側方縁部が、上記引用されたタイプのいずれの組合せを備えていてもよいのはいずれにせよ明らかである（例えば真直ぐな側方縁部を備えたプラットフォームと湾曲した輪郭を備えたシュラウド、もしくはその逆の組合せも同様である）。

空間２５は空であっても、あるいは伝熱促進体（例えばリブおよび／またはピンおよび／またはフィン１７）および／またはスペーサ１８を収容していてもよい。

さらに、空間２５は区間２５の内側の圧縮された冷却空気を供給するために配置された管状インサート２７を収容してもよい。

特に管状インサート２７はプラットフォーム２の貫通孔２６を通過し、かつブレードの根元部３の領域２８において、空間２５の内側に一方の端部を有しており、空間２５の外側に反対側の端部を有している。

管状インサート２７は例えば円形あるいは楕円形のような異なる形状を有していてもよいが、それでも内側面１４および１５の内側輪郭に似た形状を有しているのが好ましい。

さらに、管状インサート２７は翼形部分５および６から隔てられており、かつ翼形部分５および６の内側面１４および１５に対して静止しているように配置されたスペーサ３０を備えていてもよい。

他の実施例において、管状インサート２７はスペーサ３０を備えていなくてもよく、スペーサ３０は翼形部分５および６の内側面１４および１５から延びていてもよい。この実施例において、スペーサ３０はスペーサ１８のための図１０に示したのと同じ構造を有していてもよい。

管状インサート２７は冷却空気を通過させるように配置された、多数の貫通孔３１を有しており、冷却空気がそこを通過して空間２５に入るのを制御する。

プラットフォーム２とシュラウド１０の隣接した縁部の間には、封隙部が設けられている。

図１に示した実施例におけるブレードに関しては、真直ぐな棒状の板３３のような従来の封隙部に似た封隙部が設けられており、これらの封隙部はプラットフォーム２とシュラウド１０の側方縁部に付された対面スロット３２内に挿入されている。

別の実施例（図１１）において、棒状の板３３はほぼＣ字状であり、かつ隣接したプラットフォーム２とシュラウド１０の湾曲した側方縁部に付された対面スロット３２に挿入されている。

さらに、ブレード１はガスタービンのシュラウド１０とケーシング３５の間の間隙高温ガスが通過するのを防止するための封隙部３４をシュラウド１０の所に備えている。

図３に示したように、翼形部分５および６は前縁部および後縁部において翼形部分の対面する縁部の間に間隙３８，３９の境界を定めているのが有利であり、これらの間隙を通って、管状インサートを経由して空間２５内に供給される圧縮空気が導入される。.

図７には翼形部分５および６の間の間隙３８のための第一の可能な形状が示してある。この形状において間隙３８はスリットの境界を定めている。

図８には翼形部分５および６の間の間隙３８のための第二の可能な形状が示してある。この形状において間隙３８の境界を定めている縁部は段付部分４０を備え、ある種の複雑な封隙部の境界を定めている。

図９には翼形部分５および６の間の間隙３８のための第三の可能な形状が示してある。
この形状において翼形部分５はバネ４１を有しており、このバネは空気を通過させるための貫通孔４１ａを備えており、バネ４１は翼形部分６に抗して静止している。

その他の実施例において、一つのバネの代わりに間にスリットを備えた複数のバネを有していてもよい。さらに、バネ４１は翼形部分６に接続され、かつ翼形部分５に抗して静止しているその端部を備えていてもよく、あるいは複数のバネ４１が設けられている場合、その一部は翼形部分５に接続され、その他残りは翼形部分６に接続されていてもよい。

間隙３９は間隙３８と同じ形状を有しており、あるいはさらに間隙３８に関してすでに説明した間隙に近い異なる形状を有していてもよい。

ブレード１の作用は説明しかつ図示したものから明白であり、かつほぼ以下のようである。

圧縮機からの空気と燃料の混合物を燃焼させることにより燃焼室で生じる高温ガスは、タービン内で膨張する。

特に、タービンにおいて案内ベーンにより駆動される高温ガスはロータブレード１を通過する。

ロータブレード１を通過する際、高温ガスはプラットフォーム２、翼形部分５および６ならびにシュラウド１０の間で境界を定められる流路１１を通過し、機械的動力をロータに伝達する。

流路１１を通過する間、導入されるパージ空気の量は減っているので、（類似の従来のブレードと比べると）空力学上の損失は小さい。

さらに、シュラウド１０のおかげで翼形２４の先端部での圧力側から吸引側への高温ガスの漏洩は皆無である。

したがってブレードの総効率は、類似の従来ブレードと比べると増大している。

さらに翼形部分５および６の内側面１４および１５の構造が特別なので、製造および新たな改造工程は作業者にとって直接手が入り作業可能であり（作業者はブレード１がブレード担持体２２に組立てられるときだけ作業性が悪い）、従来のブレードを製造するのと比べると製造に関して簡単で、速くかつ費用がかからない。

従って、熱交換量を増やすための熱伝達促進体１７（例えばリブおよび／またはピンおよび／またはフィン１７）を製造することは特に簡単である。

さらに、スペーサ１８および３０も簡単で、安価で迅速な方法で製造することができ、かつ例えば翼形部分を用いて一体で実現できるかあるいは分割して製造し、そこへ例えばろう付けあるいは溶接により接合してもよい。

従って、熱伝達促進体１７は製造の制約ではなく、所望の冷却効果に関連して最適化できる。すなわち、これにより冷却問題は類似の従来のブレードに比べてかなり低減される。

さらにシュラウドにより翼形の振動問題は低減される。

製造時に直接手が入り作業可能な内側面１４および１５により二つの部材で実現される翼形２４の特別な構造により、さらに翼形の振動を低減するために、ブレードの機械構造も最適化される。

本発明のさらに異なる実施例も可能である。

図４および４ａには三つの担持リブにより境界を定められた根元部３を備えた別の実施例が示してあり、図４ｃには担持リブ４２により境界を定められた根元部３を備えた別の実施例が示してある。

図６にはすでに説明したブレードに似たブレード１の実施例が示してあり、これに関して同じ参照符号を図６で使用して、同じかもしくは似た部材の境界を定めている。

特に図６のブレードは図１のブレードとほぼ同じ特徴を有しているが、シュラウド１０は備えていない。説明した特徴が互いに独立して設けられているのは当然である。このようにして考案された（ロータブレードおよび／またはガイドベーン（すなわちステータブレード）である）タービンブレードは、数多くの修正および変更を受入れる余地があり、すべて創意に富んだ構想の範囲内に入っており、さらに詳細はすべて技術的に同等な部材により置き換えることだできる。

実際に、使用される材料ならびに寸法は要求と従来技術に応じて自由に選定できる。

１ タービンブレード
２ プラットフォーム
３ 根元部
５ 翼形部分
６ 翼形部分
７ ５の作動面
８ ６の作動面
１０ シュラウド
１１ 流路
１４ ５の内側面
１５ ６の内側面
１７ 熱伝達促進体
１８ スペーサ
２０ 貫通孔
２２ ブレード担持体
２４ 翼形
２５ 空間
２６ 孔
２７ 管状インサート
２８ 根元部の領域
３０ スペーサ
３１ 調節された貫通孔
３２ スロット
３３ 板
３４ 封隙部
３５ ケーシング
３８ 前縁部における間隙
３９ 後縁部における間隙
４０ 段付部分
４１ バネ
４１ａ 貫通孔
４２ 担持リブ

Claims (16)

1. プラットフォーム（２）とブレード担持体（２２）に接続されるように配置された少なくとも一つの根元部（３）を備えたブレード（１）において、
   前記プラットフォーム（２）の反対の周方向の側から、翼形部分（５，６）が延びており、
   一方の作動面（７，８）の境界を定めている前記翼形部分が各々他方の翼形部分（６，５）に面している面であり、
   前記翼形部分（５，６）の一つの作動面（７，８）が、吸引側の境界を定めており、翼形部分の他方の作動面が圧力側の境界を定めており、組立てられた場合、互いに接続された２つの異なる隣接するブレード（１）の２つの翼形部分（５）および（６）が翼形（２４）を形成し、
   前記翼形部分（５，６）の少なくとも一つの内側面（１４，１５）が、多数のブレード（１）がブレード担持体（２２）上に組立てられた場合、スペーサ（１８，３０）が二つの隣接した翼形部分（５，６）の間に挿入されているように、スペーサ（１８，３０）を備えていることを特徴とするブレード（１）。
2. 前記ブレード（１）は、前記翼形部分（５，６）を有し、該翼形部分（５，６）はスペーサ（１８）を備え、該スペーサ（１８）はスライドするようにして互いに接続されていることを特徴とする請求項１記載のブレード（１）。
3. 前記根元部（３）は、３つの担持リブ（４２）により画定されることを特徴とする請求項１又は２記載のブレード（１）。
4. 前記翼形部分（５，６）の両方の端部に接続されたシュラウド（１０）を備えており、
   翼形部分（５，６）を備えたプラットフォーム（２）とシュラウド（１０）が閉鎖した流路（１１）の境界を定めていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のブレード（１）。
5. 作動面（７，８）に向かい合う各翼形部分（５，６）の面が、多数のブレード（１）が翼形（２４）の内側面（１４，１５）の境界を定めており、ブレード担持体（２２）上に組立てられた場合、この内側面が二つの隣接した翼形部分（５，６）により境界を定められていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のブレード（１）。
6. 翼形部分（５，６）の少なくとも一つの内側面（１４，１５）が、熱交換を増大させるように配置された熱伝達促進体（１７）を有していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のブレード（１）。
7. 翼形部分（５，６）の少なくとも一つおよび／またはプラットフォーム（２）および／またはシュラウド（１０）が、それを通して冷却空気を通過させるように配置された貫通孔（２０）を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のブレード（１）。
8. 他のブレード（１）に隣接したブレード担持体（２２）上に組立てられており、ブレード（１）の圧力側の境界を定めている作動面を備えた翼形部分（６）が、隣接したブレード（１）の吸引側の境界を定めている作動面を備えた翼形部分（６）に接続していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のブレード（１）。
9. 隣接した翼形部分（５，６）の間に、空間（２５）が境界を定められていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載のブレード（１）。
10. 空間（２５）の内側の圧縮された冷却空気を供給するために配置された管状インサート（２７）を備えていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載のブレード（１）。
11. 管状インサート（２７）が、ブレード（１）の根元部（３）の領域（２８）において、空間（２５）の内側に一方の端部を有しており、空間（２５）の外側に反対側の端部を有していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載のブレード（１）。
12. 管状インサート（２７）が、翼形部分（５，６）から隔てられ、該管状インサート（２７）が翼形部分（５，６）の内側面（１４，１５）に対して支えられるように配置されたスペーサ（３０）を備えるか、スペーサ（３０）が翼形部分（５，６）の内側面（１４，１５）から延びていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載のブレード（１）。
13. 管状インサート（２７）が、冷却空気が空間（２５）に入るのを制御するように配置された、多数の調節された貫通孔（３１）を有していることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一つに記載のブレード（１）。
14. プラットフォーム（２）が管状インサートを通過させるための孔（２６）を有していることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載のブレード（１）。
15. 封隙部（３２，３３）を備えており、これらの封隙部がプラットフォーム（２）の側方縁部および／またはシュラウド（１０）の側方縁部に設けられていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一つに記載のブレード（１）。
16. シュラウド（１０）に封隙部（３４）を備えていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一つに記載のブレード（１）。

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