JP6110684B2 - 輪郭成形内側リブを有するタービンバケット - Google Patents

Description

本出願、およびその結果として得られる特許は、一般にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、エーロフォイルを有するタービンバケットを備えるガスタービンエンジンに関し、そのエーロフォイルはその前縁の近傍に輪郭成形内側リブを有し、熱膨張によるその中の応力を減少させる。

周知のガスタービンエンジンは、一般的に、円周方向に離隔されているノズルおよびバケットの列を備える。タービンバケットは、一般的に、正圧側および負圧側を有し、プラットフォームから半径方向上方に延在するエーロフォイルを備える。中空のシャンク部が、プラットフォームから半径方向下方に延在することができ、ダブテールおよび同様のものを備えることができて、タービンホイールにタービンバケットを固定することができる。プラットフォームは、一般的に、ガス流路を通って流れる高温燃焼ガスに対して内側境界を画定する。

様々な型の冷却機構が、構成要素の寿命を増進するために、タービンバケットの構成要素を作動範囲内に維持するために使用されてきた。しかし、これらの冷却機構により、熱によって誘発される歪みにつながる可能性がある、温度差のある局在的な領域を助長することがある。例えば、エーロフォイルは、冷却媒体の通路のための内側冷却穴を備える複数の内側リブを有することがある。そのようなリブの１つは、エーロフォイルの前縁の近傍に配置されて、衝突冷却のために、内側冷却穴を介して冷却媒体を提供することができる。したがって、内側リブは冷却媒体によって非常に冷却され得るが、しかし、相対的に高温のエーロフォイル壁に結合されていることがある。そのような高い温度差は、内側リブ内で熱による歪みを生じさせることがある。この歪みは、内側冷却穴に関連する応力集中要因によって拡大することがあり、応力が構成要素の寿命に影響を与えるようになる可能性がある。温度差を制御する試みが成されてきたが、温度制御技術には、一般的に、追加の冷却流が必要であるが、それはエンジン効率を犠牲にする。

米国特許出願公開第２０１１／０２２３００４号公報

したがって、ガスタービンエンジンと共に使用するための改良されたタービンバケットが望まれている。そのようなタービンバケットは、製造コストおよび運転コストが過大にならず、かつ極度に冷却媒体を浪費せず、作動を効率的にし、構成要素の寿命を延長するように、その中の温度差によって生じる内側応力を制限することができるエーロフォイルを有することができることが好ましい。

したがって、本出願およびその結果として得られる特許は、タービンバケットの一例を提供する。タービンバケットは、プラットフォームと、プラットフォームから延在するエーロフォイルとを備えることができる。エーロフォイルが内側リブを備え、内側リブが、複数の穴スペースおよび複数の中間スペースに沿って配置されている複数の貫通穴を備えることができる。中間スペースが第１の深さを備えることができ、穴スペースが第２の深さを備えることができ、第１の深さが第２の深さよりも浅い。

本出願およびその結果として得られる特許は、冷却媒体が流れるタービンバケットの一例をさらに提供する。タービンバケットは、プラットフォームと、プラットフォームから延在するエーロフォイルとを備えることができる。エーロフォイルが、エーロフォイルの前縁近傍に配置されている内側リブを備えることができる。エーロフォイルは、複数の穴スペースおよび複数の中間スペースに沿って配置されている複数の貫通穴を有する内側リブを備えることができる。中間スペースが第１の深さを備え、穴スペースが第２の深さを備え、第１の深さが第２の深さよりも浅い。

本出願およびその結果として得られる特許は、冷却媒体が流れるタービンバケットの一例をさらに提供する。タービンバケットは、プラットフォームと、プラットフォームから延在するエーロフォイルとを備えることができる。エーロフォイルが、エーロフォイルの前縁近傍に配置されている内側リブを備えることができる。内側リブが複数の貫通穴を有することができる。内側リブが、また、貫通穴を有する複数の厚い穴スペース、および貫通穴のない複数の薄い中間スペースを備えることができる。

本出願およびその結果として得られる特許のこれら、ならびに他の特徴および改良は、複数の図面および添付の特許請求の範囲と併せて以下の詳細な説明を読めば、当業者には明らかになるであろう。

圧縮機、燃焼器およびタービンを有するガスタービンエンジンの概略図である。 周知のタービンバケットの斜視図である。 内側リブの切欠き図を有する、本明細書で説明することができるタービンバケットのエーロフォイルの側面平面図である。 図３のエーロフォイルの上面断面図である。 図３のエーロフォイルと共に使用するための輪郭成形内側リブの部分の断面図である。 図３のエーロフォイルと共に使用するための輪郭成形内側リブの部分の斜視図である。 図６の輪郭成形内側リブの部分の部分断面図である。

次に図面を参照すると、複数の図面全体で、同じ符号は同じ要素を指し、図１は、本明細書で使用され得るガスタービンエンジン１０の概略図を示す。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を備えることができる。圧縮機１５は、流入する空気２０の流れを圧縮する。圧縮機１５は、圧縮済み空気２０の流れを燃焼器２５に搬送する。燃焼器２５は、圧縮済み空気２０の流れを圧縮済み燃料３０の流れと混合し、その混合物に点火して、燃焼ガス３５の流れを生成する。単一の燃焼器２５だけが図示されているが、ガスタービンエンジン１０は、任意の数の燃焼器２５を備えることができる。燃焼ガス３５の流れは、次いでタービン４０に搬送される。燃焼ガス３５の流れがタービン４０を駆動して、機械的仕事を生成するようになる。タービン４０内で生成された機械的仕事は、軸４５を介して圧縮機１５および電気的発電機などの外部負荷５０を駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、様々な種類の合成ガス、および／または他の種類の燃料を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、ニューヨーク州、スケネクタディ（Ｓｈｅｎｅｃｔａｄｙ）のゼネラルエレクトリック社（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙ）によって提供される複数の様々なガスタービンエンジンの任意の１つであってよく、７シリーズまたは９シリーズなど、高荷重に耐えるガスタービンエンジンなどが含まれるが、それらに限定するわけではない。ガスタービンエンジン１０は、様々な構成を有することができ、他の型の構成要素を使用することができる。他の型のガスタービンエンジンもまた、本明細書で使用可能である。複数のガスタービンエンジン、他の型のタービン、および他の型の動力生成装置もまた、本明細書で一緒に使用することが可能である。

図２は、タービン４０と共に使用できるタービンバケット５５の一例を示す。一般的に説明すると、タービンバケット５５は、エーロフォイル６０、シャンク部６５、およびエーロフォイル６０とシャンク部６５との間に配置されているプラットフォーム７０を備える。エーロフォイル６０は、一般的に、プラットフォーム７０から半径方向上方に延在し、前縁７２および後縁７４を含む。エーロフォイル６０は、また、正圧側７６を画定する凹状壁および負圧側７８を画定する凸状壁を含むことができる。プラットフォーム７０は実質的に水平であり、平面であることができる。さらに、プラットフォーム７０は、上面８０、正圧面８２、負圧面８４、前面８６および後面８８を含むことができる。プラットフォーム７０の上面８０は、高温燃焼ガス３５の流れに露出される可能性がある。シャンク部６５は、プラットフォーム７０から半径方向下方に延在することができ、プラットフォーム７０が、全体的に、エーロフォイル６０とシャンク部６５との間の境界面を画定するようになる。シャンク部６５は、その中にシャンク部キャビティ９０を含むことができる。シャンク部６５は、また、１つまたは複数のエンジェルウィング９２、およびダブテールなど翼根部構造体９４を含むことができる。翼根部構造体９４は、タービンバケット５５を軸４５に固定するように構成され得る。他の構成要素および他の構成を本明細書で使用することが可能である。

タービンバケット５５は、圧縮機１５から、または他の供給源から、空気などの冷却媒体９６を流すために、タービンバケット５５を通って延在する１つまたは複数の冷却回路９５を含むことができる。冷却回路９５および冷却媒体９６は、エーロフォイル６０、シャンク部６５およびプラットフォーム７０の少なくとも部分を任意の順番、方向または流路で通って循環することができる。多くの様々な型の冷却回路９５および冷却媒体９６を本明細書で使用することができる。具体的には、衝突冷却または他の型の冷却技術を本明細書で使用することができる。他の構成要素および構成を本明細書で使用することが可能である。

図３〜７は、本明細書で説明することができるタービンバケット１００の一例を示す。タービンバケット１００は、上述のエーロフォイルに類似しているエーロフォイル１１０を含むことができる。具体的には、エーロフォイル１１０は、プラットフォームから半径方向上方に延在することができ、前縁１２０および後縁１３０を含むことができる。エーロフォイル１１０は、また、正圧側１４０および負圧側１５０を含むことができる。他の構成要素および構成を本明細書で使用することが可能である。

タービンバケット１００のエーロフォイル１１０は、１つまたは複数の輪郭成形内側リブ１６０をその中に含むことができる。具体的には、内側リブ１６０は、エーロフォイル１１０の前縁面１８０近傍に配置されている前縁リブ１７０であってよい。他の配置もまた本明細書で使用することができる。内側リブ１６０は、内側リブ１６０を通って延在する複数の貫通穴１９０を含むことができる。本明細書で、任意の数の貫通穴１９０を任意の大きさ、形状または方向で使用することができる。貫通穴１９０は、内側リブ１６０の一方の側に沿って延在することができ、反対側に向かって内側リブ１６０の全部または一部を通って、延在することができる。貫通穴１９０は、冷却媒体１９５が流通するように、複数の冷却キャビティ１８５と連通することができる。

内側リブ１６０は、細長いプレート２１０の形態であってよい。貫通穴１９０は、細長いプレート２１０に沿って中間スペース２２０によって、互いから離隔され得る。中間スペース２２０は、数、大きさ、形状および構成の点で異なることができる。さらに、貫通穴１９０は、プレート２１０上に、穴スペース２３０内に配置され得る。さらに、穴スペース２３０は、数、大きさ、形状および構成の点で異なることができる。中間スペース２２０は第１の深さ２４０を有し、一方、穴スペース２３０は第２の深さ２５０を有することができる。第１の深さ２４０および第２の深さ２５０は、細長いプレート２１０の長さに沿って変化することがある。第１の深さ２４０は第２の深さ２５０よりも浅く、すなわち、貫通穴１９０のない中間スペース２２０は、細長いプレート２１０に沿って貫通穴１９０のある穴スペース２３０よりも材料が少ない。他の構成要素および他の構成を本明細書で使用することが可能である。

より薄い、または貫通穴１９０のある穴スペース２３０よりも材料が少ない、貫通穴１９０のない中間スペース２２０を備えることによって、輪郭成形内側リブ１６０は、中間スペース２２０内の歪みを増加させ、したがって、穴スペース２３０内の歪みを減少させることができる。穴スペース２３０内の歪みを減少させることによって、貫通穴１９０近傍のピーク応力を減少させることができて、その結果、構成要素の寿命を改良することができる。改良された構成要素の寿命により、全体的な整備維持費用を削減することができ、冷却流を増加させる要求のために全体的な効率が減少することがない。したがって、熱的な段階的変動によって引き起こされる歪みを減少させることができる。さらに、中間スペース２２０には、一般的に、貫通穴１９０に関連する応力集中係数（「Ｋ_T」）がない。具体的には、中間スペース２２０内の厚さおよび剛性を減少させることによって、歪みを中間スペース２２０内に集中させることができる。

上述のことは、本出願およびその結果として得られる特許の特定の実施形態にのみ関連することは明らかであるはずである。当業者なら、以下の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される本発明の全体的な精神および範囲から逸脱することなしに多数の変更および修正を加えることができる。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気
２５ 燃焼器
３０ 燃料
３５ 燃焼ガス
４０ タービン
４５ 軸
５０ 負荷
５５ タービンバケット
６０ エーロフォイル
６５ シャンク部
７０ プラットフォーム
７２ 前縁
７４ 後縁
７６ 正圧側
７８ 負圧側
８０ 上面
８２ 正圧面
８４ 負圧面
８６ 前方面
８８ 後方面
９０ シャンク部キャビティ
９２ エンジェルウィング
９４ 翼根部
９５ 冷却回路
９６ 冷却媒体
１００ タービンバケット
１１０ エーロフォイル
１２０ 前縁
１３０ 後縁
１４０ 正圧側
１５０ 負圧側
１６０ 内側リブ
１７０ 前縁リブ
１８０ 前縁面
１８５ 冷却キャビティ
１９０ 貫通穴
１９５ 冷却媒体
２１０ 細長いプレート
２２０ 中間スペース
２３０ 穴スペース
２４０ 第１の深さ
２５０ 第２の深さ

Claims (8)

1. プラットフォームと、
   前記プラットフォームから延在するエーロフォイルと、
   を備え、
   前記エーロフォイルが内側リブを備え、
   前記内側リブが、複数の穴スペースおよび複数の中間スペースに沿って配置されている複数の貫通穴を備え、
   前記複数の中間スペースが前記内側リブの全幅に渡る第１の厚さを備え、
   前記複数の穴スペースが前記内側リブの全幅に渡る第２の厚さを備え、
   前記第１の厚さが前記第２の厚さよりも小さく、
   前記内側リブの幅が、前記複数の貫通穴の軸に対して垂直な方向で規定される、
   タービンバケット。
2. 冷却媒体が流れるタービンバケットであって、
   プラットフォームと、
   前記プラットフォームから延在するエーロフォイルと、
   を備え、
   前記エーロフォイルが、前記エーロフォイルの前縁近傍に配置されている内側リブを備え、
   前記内側リブが、複数の穴スペースおよび複数の中間スペースに沿って配置されている複数の貫通穴を備え、
   前記複数の中間スペースが前記内側リブの全幅に渡る第１の厚さを備え、
   前記複数の穴スペースが前記内側リブの全幅に渡る第２の厚さを備え、
   前記第１の厚さが前記第２の厚さよりも小さく、
   前記内側リブの幅が、前記複数の貫通穴の軸に対して垂直な方向で規定される、
   タービンバケット。
3. 前記第１の厚さが第１の量の材料を含み、
   前記第２の厚さが第２の量の材料を含み、
   前記第１の量の材料が前記第２の量の材料よりも少ない、
   請求項１または２に記載のタービンバケット。
4. 冷却媒体が流れるタービンバケットであって、
   プラットフォームと、
   前記プラットフォームから延在するエーロフォイルと、
   を備え、
   前記エーロフォイルが、前記エーロフォイルの前縁近傍に配置されている内側リブを備え、
   前記内側リブが複数の貫通穴を有し、
   前記内側リブが、穴スペースを通る複数の貫通穴を有する複数の厚い穴スペース、および複数の貫通穴のない複数の薄い中間スペースを備え、
   前記穴スペースが、前記内側リブの全幅に渡って前記中間スペースよりも厚く、
   前記内側リブの幅が、前記複数の貫通穴の軸に対して垂直な方向で規定される、
   タービンバケット。
5. 前記エーロフォイルが前縁を備える、請求項１乃至４のいずれかに記載のタービンバケット。
6. 前記内側リブが前縁内側リブを備える、請求項１乃至５のいずれかに記載のタービンバケット。
7. 前記エーロフォイルが前縁面を備え、前期内側リブが前縁面に隣接して配置されている、請求項１乃至６のいずれかに記載のタービンバケット。
8. 前記内側リブが細長いプレートを備える、請求項１乃至７のいずれかに記載のタービンバケット。