JP6110642B2 - 冷却タービンブレードおよびタービンブレードを冷却する方法 - Google Patents

Description

本明細書に開示された主題は、航空機エンジン、ガスタービンエンジン、水蒸気タービン等のタービン用のブレードに関する。より詳細には、本発明はタービンブレードのチップシュラウドの冷却に関する。

ガスタービンエンジンは、高温の圧縮ガスが膨張して回転軸動力を生成するタービン部を含む。タービン部は、しばしば、静翼（ノズル）および回転ブレード（バケット）の複数の交互列を含む。それぞれの回転ブレードは、エーロフォイルおよび回転ブレードをロータに取り付ける翼根部を含む。

場合によっては、組み立てられたとき、１組のブレードがブレードのエーロフォイル部を通る高温の圧縮ガスの通路を抑制するための外面を形成するように、それぞれのタービンブレードの径方向外側端部に一体型チップシュラウドが含まれている。一体型チップシュラウドを組み込むことによって、タービン部が高温の圧縮ガスから仕事を取り出す能力が高くなり、タービンエンジンの性能が向上するする傾向にある。しかしながら、回転エーロフォイルの一体型チップシュラウドは、それらにかかる機械的および空気力学的な力ならびに高温環境により、高い圧力を受ける。

タービンブレードの有用な設計寿命を改善するために、冷却方法が使用される。従来、ブレードの冷却は、圧縮機から圧縮作動流体（例えば、空気）の一部を取り出し、冷却流体を燃焼器部でさらなる熱に曝すことなくタービン部に直接送ることによって行われる。この冷却流体は、加圧された比較的低温の流体の供給源を形成し、タービンブレード内に形成された通路を通って容易に流れ、タービンブレードを冷却する。従って、冷却流体をブレードの翼根部からブレードの先端に径方向外向きに運び、そこで冷却流体が排出されるように、しばしば径方向通路が設けられている。

従って、当業者は、エーロフォイル後縁およびチップシュラウドの冷却が改善されたタービンブレードを求めている。

本発明の１つの態様によれば、冷却タービンブレードは、ブレードをタービンロータに固定するための翼根部と、翼根部から径方向軸に沿って延びるエーロフォイルと、エーロフォイルの径方向外側端部に配設されたチップシュラウドとを含む。チップシュラウドは、エーロフォイルから周方向に延び、それ自体の内部に中心プレナムおよび周辺プレナムを画成する。エーロフォイルは、エーロフォイルの後縁部分付近でエーロフォイルを通って径方向に延びる後部エーロフォイル冷却通路を画成する。エーロフォイルはまた、冷却流体の後部流を後部エーロフォイル冷却通路に供給するための後部冷却入口も画成する。エーロフォイルはまた、冷却流体の後部流を後部エーロフォイル冷却通路から周辺プレナムに排出するための少なくとも１つの後部冷却出口も画成する。チップシュラウドは、冷却流体の後部流を周辺プレナムから排出するための少なくとも１つの周辺プレナム孔を画成する。

本発明の別の態様によれば、エーロフォイルおよびエーロフォイルの先端から周方向に延びるチップシュラウドを有するタービンブレードを冷却する方法が提供される。この方法は、チップシュラウド内に中心プレナムおよび周辺プレナムを設けるステップと、冷却流体の供給を中心冷却流および周辺冷却流に分離するステップとを含む。周辺冷却流は、エーロフォイルの後縁部分から周辺冷却流に熱伝達するように、エーロフォイルの後縁部分付近でエーロフォイルを通って径方向に延びる後部エーロフォイル冷却通路を通って方向付けられる。中心冷却流は、中心部から中心冷却流に熱伝達するように、エーロフォイルの中心部を通って延びる１つまたは複数の中心エーロフォイル冷却通路を通って方向付けられる。後部エーロフォイル冷却通路から周辺プレナムへの周辺冷却流および中心冷却流は、１つまたは複数の中心エーロフォイル冷却通路から中心プレナムに方向付けられる。周辺冷却流は周辺プレナムから排出され、中心冷却流は中心プレナムから排出される。

この方法はまた、冷却流体の後部流を、後部冷却入口を通って後部エーロフォイル冷却通路に供給し、冷却流体を周辺プレナムから少なくとも１つの周辺プレナム孔を通って排出するステップも含む。

これらおよび他の利点および特徴は、図面と併せて以下の説明を読めば、より明らかになるであろう。

本発明とみなされる主題は、本明細書の結論の特許請求の範囲において、特に指摘され、明確に主張される。本発明の上述および他の特徴および利点は、添付の図面と併せて、以下の詳細な説明から明らかである。

例示的な冷却タービンブレードの図である。 例示的な冷却タービンブレードの上面図である。 本発明の例示的な実施形態の断面図である。 本発明の別の例示的な実施形態の断面図である。 第１の例示的な実施形態による図３の構造の平面図である。 第２の例示的な実施形態による図３の構造の平面図である。

詳細な説明では、図面を参照しながら例を使用して、本発明の実施形態を利点および特徴とともに説明する。

図１に示すように、タービンブレード１００はエーロフォイル１１２および翼根部１１４を含む。エーロフォイル１１２は、翼根部１１４からブレード先端１３０に径方向軸に沿って延びる。エーロフォイル１１２は、前縁部分１１６および後縁部分１１８を有し、前縁から後縁への距離はエーロフォイル翼弦長１１７を規定する。概して凹状の正圧面１２０および概して凸状の負圧面１２２が、エーロフォイル１１２の反対側で前縁と後縁との間を延びている。例示された実施例では、ブレード１００の翼根部１１４は、シャンク１２４およびロータ上の対応する蟻溝に係合する蟻継ぎ１２６を含み、タービンブレード１００をロータに固定することができる。

図１および２に示すように、チップシュラウド１２８はブレード先端１３０に配設され、すなわち、エーロフォイル１１２の径方向外側端部付近に配置されており、エーロフォイル１１２から周方向（すなわち、径方向軸に実質的に垂直な方向）に延びている。チップシュラウド１２８は、径方向内向きの面および径方向外向きの面を有し、両面とも、タービン部を通って流れる高温の圧縮ガスに曝される。それぞれのチップシュラウド１２８は、隣接するブレードの隣接するチップシュラウドの支承面に接触する支承面１３６、１３８を有する。１つまたは複数のバッフル１４０が、高温のガスがブレードの周りに漏れないように、チップシュラウド１２８から径方向外向きに延びている。

図１に示すように、１つまたは複数の中心エーロフォイル冷却通路１６０が、エーロフォイル１１２の中心部（例えば、エーロフォイルの中心からエーロフォイル翼弦長の約２５パーセント未満の距離まで）を通って延び、後部エーロフォイル冷却通路１６２が、エーロフォイル１１２の後縁部分を通って延びている。１つまたは複数の中心エーロフォイル冷却通路１６０および後部エーロフォイル冷却通路１６２は、圧縮された冷却流体（タービンブレードが設置されているエンジンの圧縮機部から流入する圧縮空気または別の流体を含むことができる）の流れをそれぞれ受ける翼根部１１４から、冷却流体の流れを冷却される場所もしくは廃棄または排出される場所に向かわせることができるブレード先端１３０に、径方向に延びている。例えば、図３および４に示すように、チップシュラウド１２８における局所的、方向性衝突冷却は、チップシュラウドの高い圧力を受ける領域の材料（例えば、金属またはセラミック）温度を下げるために使用される。より詳細には、チップシュラウド１２８は、冷却流体を所望の領域に供給し、チップシュラウド１２８の衝突冷却を可能にする内部中心冷却室１４２を含む。後部エーロフォイル冷却通路１６２は、エーロフォイル１１２の後縁部分の外形に一致するように構成された断面形状を有することができる。

本明細書に記載される径方向冷却通路、室、プレナムおよび冷却通路は、電気化学的穿孔など多くのプロセスを使用して形成することができる。電気化学的穿孔の１つのそのような形態は、成形管電解加工（ＳＴＥＭ）として知られており、タービンブレードの径方向冷却通路の場合など、形成される通路の深さ対直径比が比較的大きい場合に加工が可能である。ＳＴＥＭ穿孔は、絶縁外面コーティングを有する管状カソードを使用して、アノード溶解によって通路を形成する。ＳＴＥＭプロセスは、通路の長さに沿って直径が変化する通路を形成することができる。

通路の長さに沿った変化に加えて、ＳＴＥＭ穿孔は、断面が円形でない通路を形成することもできる。例えば冷却通路の開始部は、電極を、電極の周りに隙間が均等に分布した円形通路を形成する状態で、タービンブレードに径方向に移動することによって穿孔することができる。その後、電極を、電極の長手方向軸を横切る方向に（すなわち、通路の壁の一方の側に向かって）動かすことができる。次いで、通路の壁面のその側からさらに材料を除去し、従って偏心した断面を有する通路を形成する。プロセスは、所望の断面を有する通路を形成するように、様々な方向で繰り返すことができる。

図５に示すように、内部中心冷却室１４２は、チップシュラウド１２８によって画成された中心プレナム１４４および周辺プレナム１４６を含む。中心エーロフォイル冷却流体通路１６０は、エーロフォイル１１２を通ってチップシュラウド１２８に径方向に延び、中心プレナム１４４と交差する。後部エーロフォイル冷却通路１６２がブレードの後縁の付近に配置され、この後部冷却通路１６２は、中心プレナム１４４ではなく周辺プレナム１４６と交差する。この例示的な実施形態では、後部エーロフォイル冷却通路１６２を通過した冷却流体は、中心プレナム１４４ではなく周辺プレナム１４６を加圧する。図示された実施形態では、周辺プレナム１４６を加圧した冷却空気を、１つまたは複数の周辺プレナム孔１５６を通って排出することができる。しかし、代替実施形態では、中心プレナムおよびと周辺プレナムとの間に、流体連通を設けることができることに留意されたい。そのような代替実施形態では、中心プレナム１４４から主ガス流に排出することによって、周辺プレナム１４６から、例えば周辺プレナム孔１５６を通って主ガス流に排出する必要を低減し、または排除することができる。

図５に示すように、後部エーロフォイル冷却通路１６２は円形の断面形状を有する。しかし、後部エーロフォイル冷却通路は、エーロフォイルの外部形状に、より密接に一致する断面形状を有することもでき、それにより、エーロフォイルの後縁に比較的密接して配置され、冷却流体の流れの所望の量および／または速度に対応する所望の断面積を形成しながら、最小壁厚要件を満たすことを理解されたい。例えば、図６に示すように、後部エーロフォイル冷却通路１６２の例示的な断面形状は、エーロフォイルの１つの外面に実質的に平行な第１の壁面およびエーロフォイルの別の外面に実質的に平行な第２の壁面を含む。従って、後部エーロフォイル冷却通路１６２は、エーロフォイルの後縁の冷却を向上しながら、最小壁厚要件を満たすように構成されている。

結果として、後部エーロフォイル冷却通路１６２は、本実施形態では、エーロフォイルの後縁付近（例えば、エーロフォイルの後縁からエーロフォイル翼弦長の約２５パーセント未満の距離まで）に配置することができ、それにより、材料の動作温度を下げ、クリープ性能を改良する。中心プレナム１４４ではなく周辺プレナム１４６を加圧することによって、後部エーロフォイル冷却通路１６２の配置は、周辺プレナム１４６内の後部エーロフォイル冷却通路１６２のより高温の流体を中心プレナム１４４から効果的に隔離し、次いでより高温の流体を、より冷却の必要が低く、および／またはより高い負荷能力を有するチップシュラウドの領域に送り込むことができ、中心プレナム１４４内の冷却流体をより低温にし、より冷却の必要が高く、および／またはより低い負荷能力を有するチップシュラウドの領域に適用することができる。チップシュラウド構造の動作温度の最終的な低下によって、有用な部品の寿命が増加し、および／または同じ部品が、有用な寿命を損なうことなく、より高温の環境で動作することができるようになる。

本発明によれば、後部エーロフォイル冷却通路から、もしくは、１つまたは複数の中心エーロフォイル冷却通路から１つまたは複数の衝突穴を通る冷却流体を、目標の面に対して１つまたは複数の衝突冷却流体の流れを形成するように方向付けることによって、チップシュラウド内で衝突冷却を引き起こすことができる。１つまたは複数の衝突穴は、ブレードの一体型部品として形成することができ、部品に注型することができ、または鋳物が形成された後、機械加工によって形成することができる。一体型衝突ブリッジにおいてエーロフォイルからシュラウド隅肉部までを目標とする衝突冷却の例が、図３および４に示されている。図３は、大部分が開いている冷却室１４２内に向かう衝突冷却を示す。図４は、狭い経路の形状を有する冷却室１４２内への衝突冷却を示す。図４の狭い経路によって冷却流体の速度が増加し、それにより、衝突領域の下流への熱伝達が向上する。しかし、他の衝突／流れの構成を使用することもできることを理解されたい。

図３の概略的な断面図を参照すると、例示的な実施形態では、中心プレナム１４４は、チップシュラウド１２８内部に収容され画成された、密封またはほぼ密封された室を含む。中心プレナム１４４は、エーロフォイル１１２内の１つまたは複数の中心エーロフォイル冷却通路１６０から加圧された冷却流体を受け、加圧された衝突冷却流体の流れを提供する。例示的な実施形態では、この中心プレナム１４４は、中心プレナム１４４を１つまたは複数の中心エーロフォイル冷却通路１６０によって加圧することができるように、十分に密封されている（すなわち、通気が十分に制限される）。従って、簡便な方法で、例えば蟻継ぎまたはシャンク領域の付近で流体がブレードに入り、シャンクを通り、エーロフォイル１１２内でエーロフォイル１１２に沿って、チップシュラウド１２８に向かって流れる。

図３に図示された例では、流体はエーロフォイルから、チップシュラウド１２８内部の加圧された中心プレナム１４４に流れる。次いで、流体は、少なくとも１つの衝突穴１５０を通って加圧された室から送り出され、チップシュラウド１２８内部の所望の位置（すなわち、後部の目標面またはチップシュラウドの壁面などの衝突領域１５２）に方向付けられる。図３は、エーロフォイルからシュラウド隅肉部までが目標衝突領域である、チップシュラウド衝突冷却の実施形態を示す。しかし、衝突穴は、他のチップシュラウドの位置で衝突領域に方向付けることができる。理解されるように衝突冷却は、経路を流れる、より広範な流れと比較すると、局所的な領域に熱伝達の一形態をもたらす。図３の実施形態はさらに、冷却流体への熱伝達をさらに高めるように、冷却室１４２内（例えば、隅肉領域）に攪拌器を設ける。例示的な実施形態では、衝突穴の総断面積が、１つまたは複数の中心エーロフォイル冷却通路１６０より小さい。その結果、中心プレナム１４４が加圧される。これにより優れた衝突熱伝達が提供されるが、必ずしも必要ではない。衝突穴の総断面積を、１つまたは複数の中心エーロフォイル冷却通路領域より大きくし、性能は低下するが衝突を依然として機能させることは可能である。

衝突後の流体は、冷却室１４２を通って、衝突領域１５２から、１つまたは複数の周辺プレナム孔１５６、１５８および主ガス流に流れる。冷却流体はまた、周辺プレナム孔１５６で、冷却室１４２から直接流出することができる。図３の実施形態では、少なくとも１つの冷却室１４２が図示されているが、エーロフォイル冷媒通路をこのプレナムとして働かせることも可能であることを理解されたい。エーロフォイル冷媒通路から衝突穴がはじまり、冷媒がタービンブレードの外部の室に方向付けられる。

ここで図４の概略的な断面図を参照すると、別の例示的な実施形態では、チップシュラウド１２８内部に収容され画成された、密封またはほぼ密封された中心プレナム１４４が使用され、衝突穴１５０を通る衝突冷却が図３の実施形態より大きい衝突領域１５２に向けられるようになっている。さらに、衝突後の冷却流体は冷却室１４２を通って流れるようにされ、衝突領域１５２の下流で経路流により熱伝達される。次いで、排出された冷却流体は１つまたは複数の周辺プレナム孔１５６および主ガス流に流れる。冷却流体はまた、周辺プレナム孔１５６で、冷却室１４２から直接流出することができる。さらに、上記の実施形態のいずれにおいても、衝突後の冷却流体は、フィルム孔を通って衝突する面を通って流出することもできる。従って、流体は衝突後に冷却室を通って流れる必要がない。

図３に示す構造の２つの考えられる上面図が図５および６に概略的に示されている。図５では、衝突穴１５０が連結された冷却室１４２に通っている。図６は、隣接する冷却室１４２が連結されていない、第２の考えられる実施形態を示す。理解されるように、任意の数の室１４２および衝突穴１５０を使用することができ、室は、例えば衝突領域の下流に経路流を供給するように、必要または所望に応じて隔離し、または連結することができる。

以上、限られた数の実施形態に関連して本発明を詳細に説明したが、本発明は開示された実施形態に制限されるものではないことが容易に理解されよう。むしろ、本発明は、上記では説明されていないが本発明の趣旨および範囲に対応する、任意の数の変形、改変、置換または均等な構成を組み込むように修正することができる。また、本発明の様々な実施形態を説明したが、本発明の態様は説明された実施形態のうち一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は上記の説明によって限定されるとみなされるものではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

１００ タービンブレード
１１２ エーロフォイル
１１４ 翼根部
１１６ 前縁部分
１１８ 後縁部分
１２０ 凹状正圧面
１２４ シャンク
１２６ 蟻継ぎ
１２８ チップシュラウド
１３０ ブレード先端
１３６ 支承面
１３８ 支承面
１４０ バッフル
１４２ 内部中心冷却室
１４４ 中心プレナム
１４６ 周辺プレナム
１５０ 衝突穴
１５２ 衝突領域
１５６ 周辺プレナム孔
１５８ 周辺プレナム孔
１６０ 中心エーロフォイル冷却通路
１６２ 後部エーロフォイル冷却通路

Claims (12)

1. 冷却タービンブレードをタービンロータに固定するための翼根部と、
   前記翼根部から径方向軸に沿って延び、エーロフォイルの後縁部分付近でエーロフォイルを通って径方向に延びる後部エーロフォイル冷却通路を画成するエーロフォイルと、
   前記エーロフォイルの径方向外側端部に配設され、前記エーロフォイルから周方向に延び、チップシュラウド内部に中心プレナムおよび周辺プレナムを画成するチップシュラウドと、
   エーロフォイルにより画成される複数の中心エーロフォイル冷却通路であって、前記エーロフォイルの中心部を通って径方向に延びる複数の中心エーロフォイル冷却通路と、
   を備え、
   前記後部エーロフォイル冷却通路は、エーロフォイルの後縁からエーロフォイル翼弦長の２５パーセント未満の距離までに位置づけられ、
   前記複数の中心エーロフォイル冷却通路は、エーロフォイルの中心からエーロフォイル翼弦長の２５パーセント未満の距離までに位置づけられ、
   前記複数の中心エーロフォイル冷却通路は、前記翼根部からの冷却流体の中心流を前記中心プレナムに排出し、
   前記後部エーロフォイル冷却通路は、前記翼根部からの冷却流体の後部流を前記周辺プレナムに排出し、
   前記後部流の総量は、前記後部エーロフォイル冷却通路を通り、前記周辺プレナムに流れ、
   前記チップシュラウドは、前記周辺プレナムからの冷却流体の前記後部流を排出するための少なくとも１つの周辺プレナム孔を画成する、冷却タービンブレード。
2. 前記中心プレナムに排出される前記中心流は、前記周辺プレナムに排出される前記後部流よりも低温である、請求項１に記載の冷却タービンブレード。
3. 前記中心プレナムで、衝突冷却が行われる、請求項１または２に記載の冷却タービンブレード。
4. 前記周辺プレナムが、前記中心プレナムに設けられた複数の衝突穴から送り出された流体が衝突する衝突領域を備える、請求項１記載の冷却タービンブレード。
5. 前記後部エーロフォイル冷却通路が円形の断面形状を有する、請求項１乃至４のいずれかに記載の冷却タービンブレード。
6. 前記後部エーロフォイル冷却通路が、前記エーロフォイルの前記後縁部分の外形に一致するように構成された断面形状を有する、請求項１乃至５のいずれかに記載の冷却タービンブレード。
7. 前記複数の中心冷却通路の総断面積が、前記中心プレナムの前記衝突穴の総断面積より大きい、請求項４記載の冷却タービンブレード。
8. 前記チップシュラウドが、別の冷却タービンブレードの別のチップシュラウドと係合するための支承面を有する、請求項１乃至７のいずれかに記載の冷却タービンブレード。
9. 前記少なくとも１つの周辺プレナム孔が前記支承面に隣接して配設されている、請求項９に記載の冷却タービンブレード。
10. エーロフォイルおよび前記エーロフォイルの先端から周方向に延びるチップシュラウドを有するタービンブレードを冷却する方法であって、
    ａ）前記チップシュラウド内に中心プレナムおよび周辺プレナムを設けるステップと、
    ｂ）冷却流体の供給を中心冷却流および周辺冷却流に分離するステップと、
    ｃ）前記周辺冷却流を、前記エーロフォイルの後縁部分から前記周辺冷却流に熱伝達するように、前記エーロフォイルの前記後縁部分付近で前記エーロフォイルを通って径方向に延びる後部エーロフォイル冷却通路を通って方向付けるステップであって、前記後部エーロフォイル冷却通路は、エーロフォイルの後縁からエーロフォイル翼弦長の２５パーセント未満の距離までに位置づけられる、前記ステップと、
    ｄ）前記中心冷却流を、中心部から前記中心冷却流に熱伝達するように、前記エーロフォイルの前記中心部を通って延びる複数の中心エーロフォイル冷却通路を通って方向付けるステップであって、前記複数の中心エーロフォイル冷却通路は、エーロフォイルの中心からエーロフォイル翼弦長の２５パーセント未満の距離までに位置づけられる、前記ステップと、
    ｅ）前記周辺冷却流を前記後部エーロフォイル冷却通路から前記周辺プレナムに方向付けるステップと、
    ｆ）前記中心冷却流を前記１つまたは複数の中心エーロフォイル冷却通路から前記中心プレナムに方向付けるステップと、
    ｇ）前記中心冷却流を前記周辺冷却流から隔離するために前記周辺プレナムを前記後部エーロフォイル冷却通路からの前記周辺冷却流で加圧するステップと、
    ｈ）前記周辺冷却流を前記周辺プレナムから排出するステップと、
    ｉ）前記中心冷却流を前記中心プレナムから排出するステップとを含む方法。
11. 前記中心冷却流の少なくとも一部分を、少なくとも１つの衝突穴を通って目標面に向かって方向付けるステップをさらに含む、請求項１０記載の方法。
12. 冷却タービンブレードをタービンロータに固定するための翼根部と、
    前記翼根部から径方向軸に沿って延び、エーロフォイルの後縁部分付近でエーロフォイルを通って径方向に延びる後部エーロフォイル冷却通路を画成するエーロフォイルと、
    エーロフォイルにより画成される複数の中心エーロフォイル冷却通路であって、前記エーロフォイルの中心部を通って径方向に延びる複数の中心エーロフォイル冷却通路と、
    前記エーロフォイルの径方向外側端部に配設され、前記エーロフォイルから周方向に延び、チップシュラウド内部に中心プレナムおよび周辺プレナムを画成するチップシュラウドとを備え、
    前記後部エーロフォイル冷却通路は、エーロフォイルの後縁からエーロフォイル翼弦長の２５パーセント未満の距離までに位置づけられ、
    前記複数の中心エーロフォイル冷却通路は、エーロフォイルの中心からエーロフォイル翼弦長の２５パーセント未満の距離までに位置づけられ、
    前記複数の中心エーロフォイル冷却通路は、前記翼根部からの冷却流体の中心流を前記中心プレナムに排出し、
    前記後部エーロフォイル冷却通路は、前記翼根部からの冷却流体の後部流を前記周辺プレナムに排出し、
    前記後部流の総量は、前記後部エーロフォイル冷却通路を通り、前記周辺プレナムに流れ、
    前記中心プレナムが前記周辺プレナムと流体連通している、冷却タービンブレード。