JP6567072B2 - 漏れ流調整装置を備えるシュラウド付きタービン翼 - Google Patents

Description

本発明は、一般にタービン翼に関し、より詳細には、シュラウド付きタービン翼上の外側シュラウドにおける流れ調整装置に関する。

通常、ガスタービンエンジンは、空気を圧縮するための圧縮機と、圧縮空気を燃料と混合し、混合物に点火するための燃焼器と、動力を発生するためのタービンブレードアセンブリとを有する。燃焼器はしばしば、華氏２５００度を超過し得る高温で作動する。典型的なタービン燃焼器構成は、タービンブレードアセンブリをこのような高温に曝す。その結果、タービンブレードは、このような高温に耐えることができる材料から形成されなければならない。

タービンブレードは、一方の端部における根元部と、タービンブレードの反対側の端部において根元部に接続されたプラットフォームから外方へ延びたブレードを形成した細長い部分とから形成されている。ブレードは、通常、根元セクションとは反対側の先端部と、前縁と、後縁とから成る。タービンブレードの先端部は、多くの場合、タービンブレードによって発生するトルクの大きさを減少させる先端流漏れを防止するために、タービンのガス流路内のリングセグメントとブレードとの間の間隙のサイズを減じるための先端部構造を有する。幾つかのタービンブレードは、先端部に取り付けられた、図１に示すような外側シュラウドを有する。図２に示すような先端部漏れ損失は、仕事抽出の機会がほとんど失われ、空力的な二次的損失にも寄与する。先端部通過漏れを低減するために、シュラウド付きブレードは、一般的に、走行する先端部間隙のための周方向ナイフエッジを有する。シュラウド付きタービン段における主な損失メカニズムのうちの１つは、キャビティ損失、特に、図２に示すようにキャビティから主ガス路内への先端部シュラウド漏れ流の再進入による混合損失である。先端部通過漏れ流はロータブレードによって変向されず、ひいては、比較的高いスワール速度を備える、主ガス流との角度ミスマッチにおける、シュラウドキャビティを残す。流れ角度および速度におけるこのミスマッチの結果、空力的な混合損失が生じる。

漏れ流を主高温ガス流と整列するように方向付けるべく構成された漏れ流調整装置を備えるシュラウド付きタービン翼が開示されている。漏れ流調整装置は、翼の先端部における外側シュラウドの外側シュラウドベースの半径方向外面に配置されていてもよい。漏れ流調整装置は、外側シュラウドベースの半径方向外面よりもさらに半径方向内方に配置された半径方向外面を有していてもよく、これにより、漏れ流を方向転換するように機能する、半径方向外方へ延びる壁面を形成している。少なくとも１つの実施の形態では、主高温ガス流と整列するように漏れ流を方向転換することによってタービンエンジンの効率を高めて、主ガス流への再導入時の空力的損失を減じるために、半径方向外方へ延びる壁面は、シュラウド付きタービン翼の正圧面と整列していてもよい。

少なくとも１つの実施の形態では、タービン翼は、全体として細長い翼から形成されていてもよく、翼は、前縁と、後縁と、正圧面と、正圧面とは反対側の負圧面と、第１の端部における先端部と、翼を支持しかつ翼をディスクに接続するために第１の端部とは略反対側の第２の端部において翼に接続された根元部と、を有している。タービン翼は、全体として細長い翼の先端部に結合された１つまたは複数の外側シュラウドを有していてもよい。外側シュラウドは、ほぼ正圧面から負圧面に向かう方向へ延びていてもよく、タービンエンジンにおいて周方向に延びている。外側シュラウドは、少なくとも部分的に、全体として細長い翼の先端部に結合された外側シュラウドベースと、外側シュラウドベースから半径方向外方へ延びる外側シュラウドボディとによって形成されていてもよい。外側シュラウドベースは、外側シュラウドボディの上流に延びる上流セクションと、外側シュラウドボディの下流に延びる下流セクションとを有していてもよい。

タービン翼は、外側シュラウドボディの下流に延びる下流セクションに配置された下流漏れ流調整装置を有していてもよい。下流漏れ流調整装置の半径方向外面は、外側シュラウドベースの下流セクションの半径方向外面よりもさらに半径方向内方に配置されていてもよい。下流漏れ流調整装置の半径方向外面と、外側シュラウドベースの下流セクションの半径方向外面との間の交差部は、全体として細長い翼が配置されるように構成されているタービンエンジンの長手方向軸線に対して非平行かつ非直交であってもよい。下流漏れ流調整装置は、外側シュラウドボディから外側シュラウドベースの下流エッジまで延びていてもよい。

下流漏れ流調整装置の半径方向外面と、外側シュラウドベースの下流セクションの半径方向外面との間の交差部は、全体として細長い翼と外側シュラウドとの交差部において全体として細長い翼の正圧面とほぼ整列していてもよい。少なくとも１つの実施の形態では、下流漏れ流調整装置の半径方向外面と、外側シュラウドベースの下流セクションの半径方向外面との間の交差部は、半径方向外方へ延びる壁面から形成されていてもよい。半径方向外方へ延びる壁面は、外側シュラウドベースの下流セクションの半径方向外面との交差部に斜面を有していてもよく、下流漏れ流調整装置の半径方向外面との交差部に斜面を有していてもよい。下流漏れ流調整装置の半径方向外面は、遠位エッジが、下流漏れ流調整装置と外側シュラウドベースの下流セクションの半径方向外面との間の半径方向外方へ延びる壁面における近位エッジよりも、半径方向でさらに外方に配置されるように、傾斜していてもよい。

タービン翼は、下流漏れ流調整装置の半径方向外面から半径方向外方へ延びる１つまたは複数の補強レールを有していてもよい。少なくとも１つの補強レールの半径方向外側の遠位端部は、外側シュラウドベースの下流セクションの半径方向外面よりもさらに半径方向内方に配置されていてもよい。補強レールの半径方向外側の遠位端部は、線形の面であるかまたは別の構成を有していてもよい。補強レールは、外側シュラウドボディから外側シュラウドベースの下流エッジまで延びていてもよい。

タービン翼は、外側シュラウドボディの上流に延びる上流セクションの半径方向外面に配置された上流漏れ流調整装置を有していてもよい。上流漏れ流調整装置は、下流漏れ流調整装置について本明細書で説明された構成のいずれかまたは全てにおいて構成されていてもよい。代替的に、上流漏れ流調整装置は、その他の構成を有していてもよい。

漏れ流調整装置の利点は、漏れ流調整装置がシュラウドキャビティ内の仕事抽出を促進するということである。

漏れ流調整装置の別の利点は、漏れ流調整装置が、先端部通過漏れ流を、主流と一致するように整合させることである。これにより、仕事が抽出され、漏れ流は、主ガス路内への再導入時に、結果的に空力損失が減じられるように調整される。

漏れ流調整装置のさらに別の利点は、漏れ流調整装置が外側シュラウドの重量を減少させ、その結果、翼応力の減少およびシュラウド荷重を支持するために必要とされる翼セクションの減少を生じ、その結果、空力プロフィル損失を減少させ、これにより、翼の空力効率を高める、ということである。翼応力の減少は、ブレードクリープ抵抗をも増大させる。

シュラウドボディの質量減少の別の利点は、ナイフエッジシールの接触が高まるということである。

漏れ流調整装置のさらに別の利点は、漏れ流調整装置が、漏れ流調整装置によるシュラウドカールリスクの増大を軽減するために、１つまたは複数の補強レールを有していてもよいということである。

これらの実施の形態およびその他の実施の形態を、以下でより詳細に説明する。

明細書の一部に組み込まれ明細書の一部を形成する添付の図面は、ここに開示された本発明の実施の形態を例示し、詳細な説明と共に本発明の原理を開示する。

外側シュラウドを備える従来のタービン翼の透視図である。 漏れ流および主ガス流とともに示した従来のタービン翼の透視図である。 少なくとも１つの漏れ流調整装置を備えるシュラウド付きタービン翼を有する、ガスタービンエンジンの透視図である。 図３のガスタービンエンジン内で使用可能な、下流漏れ流調整装置を有する、シュラウド付きタービン翼の、ほぼ上流方向および半径方向内方を見た透視図である。 図４内の切断線５−５に沿った、図４のシュラウド付きタービン翼の断面図である。 図３のガスタービンエンジン内で使用可能な、下流漏れ流調整装置を有する、シュラウド付きタービン翼の別の実施の形態の、ほぼ上流方向および半径方向内方を見た透視図である。 図６内の切断線７−７に沿った、図６のシュラウド付きタービン翼の断面図である。 少なくとも１つの漏れ流調整装置を備えるシュラウド付き翼の周囲の高温燃焼ガスの流れの概略図である。 図３のガスタービンエンジン内で使用可能な、上流漏れ流調整装置を有する、シュラウド付きタービン翼の別の実施の形態の、ほぼ上流方向および半径方向内方を見た透視図である。 図９および図１１内の切断線１０−１０に沿った、図９のシュラウド付きタービン翼の断面図である。 図３のガスタービンエンジン内で使用可能な、下流漏れ流調整装置および上流漏れ流調整装置を有する、シュラウド付きタービン翼の別の実施の形態の、ほぼ上流方向および半径方向内方を見た透視図である。

図３〜図１１に示すように、漏れ流１４を主高温ガス流１６と整列するように方向付けるべく構成された漏れ流調整装置１２を備えるシュラウド付きタービン翼１０が開示されている。漏れ流調整装置１２は、翼１０の先端部２４における外側シュラウド２２の外側シュラウドベース２０の半径方向外面１８に配置されていてもよい。漏れ流調整装置１２は、外側シュラウドベース２０の半径方向外面１８よりもさらに半径方向内方に配置された半径方向外面２８を有していてもよく、これにより、漏れ流１４を方向転換するように機能する、半径方向外方へ延びる壁面３０を形成している。少なくとも１つの実施の形態では、主高温ガス流１６と整列するように漏れ流を方向転換することによってタービンエンジン６４の効率を高めて、主ガス流１６への再導入時の空力的損失を減じるために、半径方向外方へ延びる壁面３０は、シュラウド付きタービン翼１０の正圧面３２と整列していてもよい。

少なくとも１つの実施の形態では、図３に示すように、タービン翼１０は、全体として細長い（generally elongated）翼３２から形成されていてもよく、翼３２は、前縁３４と、後縁３６と、正圧面（pressure side）３８と、正圧面３８とは反対側の負圧面（suction side）４０と、第１の端部４４における先端部２４と、翼１０を支持しかつ翼１０をディスクに接続するために第１の端部４４とは略反対側の第２の端部４８において翼１０に接続された根元部４６とを有する。タービン翼１０は、全体として細長い翼３２の先端部２４に結合された１つまたは複数の外側シュラウド２２を有していてもよい。外側のシュラウド２２は、ほぼ正圧面３８から負圧面４０に向かう方向へ延びていてもよく、タービンエンジン６４内で周方向に延びていてもよい。外側シュラウド２２は、少なくとも部分的に、全体として細長い翼３２の先端部２４に結合された外側シュラウドベース２０と、外側シュラウドベース２０から半径方向外方へ延びる外側シュラウドボディ５０とによって形成されていてもよい。外側シュラウドベース２０は、外側シュラウドボディ５０の上流に延びる上流セクション５２と、外側シュラウドボディ５０の下流に延びる下流セクション５４とを有していてもよい。

図４〜図７および図１１に示すように、タービン翼１０は、外側シュラウドボディ５０の下流に延びる下流セクション５４に配置された下流漏れ流調整装置５８を有していてもよい。下流漏れ流調整装置５８の半径方向外面５６は、外側シュラウドベース２０の下流セクション５４の半径方向外面６０よりもさらに半径方向内方に配置されていてもよい。少なくとも１つの実施の形態では、下流漏れ流調整装置５８は、翼３２の正圧面３８における外側シュラウド２２に配置されてもよい。下流漏れ流調整装置５８の半径方向外面５６と外側シュラウドベース２０の下流セクション５４の半径方向外面６０との間の交差部６８は、全体として細長い翼３２が配置されるように構成されているタービンエンジン６４の長手方向軸線６２に対して非平行かつ非直交であってもよい。下流漏れ流調整装置５８は、外側シュラウドボディ５０から外側シュラウドベース２０の下流エッジ６６まで延びていてもよい。下流漏れ流調整装置５８の半径方向外面５６と外側シュラウドベース２０の下流セクション５４の半径方向外面６０との間の交差部６８は、全体として細長い翼３２と外側シュラウド２２との交差部７０において、全体として細長い翼３２の側４２の半径方向外方に延びる壁面３０とほぼ整列していてもよい。特に、下流漏れ流調整装置５８は、ブレード後縁流れ角度１２０と整列していてもよい。下流漏れ流調整装置５８の半径方向外面５６と外側シュラウドベース２０の下流セクション５４の半径方向外面６０との間の交差部６８は、半径方向外方へ延びる壁面３０から形成されていてもよい。少なくとも１つの実施の形態では、半径方向外方へ延びる壁面３０は、外側シュラウドベース２０の下流セクション５４の半径方向外面６０との交差部に斜面７２を有していてもよく、下流漏れ流調整装置５８の半径方向外面５６との交差部に斜面７４を有している。

少なくとも１つの実施の形態では、図５および図７に示すように、下流漏れ流調整装置５８の半径方向外面５６は、遠位エッジ７６が、下流漏れ流調整装置５８と外側シュラウドベース２０の下流セクション５４の半径方向外面６０との間の、半径方向外方へ延びる壁面３０における近位エッジ７８よりも、半径方向でさらに外方に配置されるように、傾斜していてもよい。下流漏れ流調整装置５８の半径方向外面５６は、あらゆる適切な角度で配置されてよい。

図６、図７および図１１に示すように、タービン翼１０は、下流漏れ流調整装置５８の半径方向外面５６から半径方向外方へ延びる１つまたは複数の補強レール８０を有していてもよい。補強レール８０は、下流漏れ流調整装置５８によるシュラウドカールリスクの増大を軽減することができる。少なくとも１つの補強レール８０の半径方向外側の遠位端部８２は、外側シュラウドベース２０の下流セクション５４の半径方向外面６０よりもさらに半径方向内方に配置されてもよい。少なくとも１つの実施の形態では、補強レール８０の半径方向外側の遠位端部８２は、線形の面である。補強レール８０は、外側シュラウドボディ５０から外側シュラウドベース２０の下流エッジ６６まで延びていてもよいし、またはより短くてもよい。

図９〜図１１に示すように、タービン翼１０は、上流漏れ流調整装置９０を有していてもよい。上流漏れ流調整装置９０は、下流漏れ流調整装置５８とともにまたは下流漏れ流調整装置５８の代わりに、翼１０に設けられていてもよい。上流漏れ流調整装置９０は、下流漏れ流調整装置５８と同様に構成されていてもよいし、または別の構成を有していてもよい。例えば、タービン翼１０は、外側シュラウドボディ５０の上流に延びる上流セクション５２に配置された上流漏れ流調整装置９０を有していてもよい。上流漏れ流調整装置９０の半径方向外面９４は、外側シュラウドベース２０の上流セクション５２の半径方向外面９２よりもさらに半径方向内方に配置されていてもよい。少なくとも１つの実施の形態では、上流漏れ流調整装置９０は、翼３２の正圧面３８における外側シュラウド２２に配置されてもよい。上流漏れ流調整装置９０の半径方向外面９４と外側シュラウドベース２０の上流セクション５２の半径方向外面９２との間の交差部９６は、全体として細長い翼３２が配置されるように構成されているタービンエンジン６４の長手方向軸線６２に対して非平行かつ非直交であってもよい。上流漏れ流調整装置９０は、外側シュラウドボディ５０から外側シュラウドベース２０の上流エッジ９８まで延びていてもよい。

上流漏れ流調整装置９０の半径方向外面９４と外側シュラウドベース２０の上流セクション５２の半径方向外面９２との間の交差部９６は、全体として細長い翼３２と外側シュラウド２０との交差部７０において全体として細長い翼３２の正圧面４２とほぼ整列していてもよい。特に、上流漏れ流調整装置９０の半径方向外方へ延びる壁面１００は、ブレード後縁流れ角度１２０と整列していてもよい。上流漏れ流調整装置９０の半径方向外面９４と外側シュラウドベース２０の上流セクション５２の半径方向外面９２との間の交差部９６は、半径方向外方へ延びる壁面１００から形成されていてもよい。少なくとも１つの実施の形態では、半径方向外方へ延びる壁面１００は、外側シュラウドベース２０の上流セクション５２の半径方向外面９２との交差部に斜面１０２を有していてもよく、上流漏れ流調整装置９０の半径方向外面９４との交差部に斜面１０４を有していてもよい。

少なくとも１つの実施の形態では、図１０に示すように、上流漏れ流調整装置９０の半径方向外面９４は、遠位エッジ１０６が、上流漏れ流調整装置９０と外側シュラウドベース２０の上流セクション５２の半径方向外面９２との間の、半径方向外方へ延びる壁面１００における近位エッジ１０８よりも、半径方向でさらに外方に配置されるように、傾斜していてもよい。上流漏れ流調整装置９０の半径方向外面９４は、あらゆる適切な角度で配置されてよい。

タービン翼１０は、上流漏れ流調整装置５２の半径方向外面９２から半径方向外方へ延びる１つまたは複数の補強レール１１６を有していてもよい。補強レール１１６は、上流漏れ流調整装置５２によるシュラウドカールリスクの増大を軽減することができる。補強レール１１６の半径方向外側の遠位端部１１０は、外側シュラウドベース２０の上流セクション５２の半径方向外面９２よりもさらに半径方向内方に配置されていてもよい。少なくとも１つの実施の形態では、補強レール１１６の半径方向外側の遠位端部１１０は、線形の面であってもよい。補強レール１１６は、外側シュラウドボディ５０から外側シュラウドベース２０の上流エッジ９８まで延びていてもよいし、またはより短くてもよい。

外側シュラウド２２は、外側シュラウドボディ５０の半径方向外側端部１１４から半径方向外方へ延びるナイフエッジシール１１２を有していてもよい。少なくとも１つの実施の形態では、ナイフエッジシール１１２は、略周方向で対称的であってもよく、これにより、タービンエンジンに据え付けられたときに有効なシールを形成する。

使用中、図８に示すように、主流１６内の高温ガスは、外側シュラウド２２を通過し、漏れ流１４を形成し得る。漏れ流１４は、下流漏れ流調整装置５８に衝突し、シュラウド付きタービン翼１０の下流の主高温ガス流１６の方向に流れるように方向転換される。少なくとも１つの実施の形態では、漏れ流１４は、下流漏れ流調整装置５８の半径方向外方へ延びる壁面３０に衝突し、方向転換される。周方向では、下流漏れ流調整装置５８の半径方向外面５６は斜面として配置されていてもよく、この斜面は、外側シュラウド２２において局所的に流れ断面積を増大させ、これにより、流れの速度が低下し、圧力が上昇し、その結果、仕事抽出を促進するための外側シュラウド２２上に合成圧力面を生じる。

別の実施の形態では、翼先端部２４の半径方向外方および外側シュラウドボディ５０の上流の主流１６の部分は、上流漏れ流調整装置９０に衝突し、主流の部分が外側シュラウドボディ５０の下流の漏れ流１４になる前に、主高温ガス流１６の方向へ流れるように方向転換されてもよい。周方向では、上流漏れ流調整装置９０の半径方向外面９２は斜面として配置されていてもよく、この斜面は、外側シュラウド２２において局所的に流れ断面積を増大させ、これにより、流れの速度が低下し、圧力が上昇し、その結果、仕事抽出を促進するための外側シュラウド２２上に合成圧力面を生じる。

上記説明は、本発明を例示、説明および記述するという目的で提供されている。これらの実施の形態に対する変更および適応は、当業者に明らかになるであろうし、本発明の範囲または思想から逸脱することなく成し得るものである。

Claims (8)

1. タービン翼（１０）であって、
   前縁（３４）と、後縁（３６）と、正圧面（３８）と、該正圧面（３８）と反対側の負圧面（４０）と、第１の端部（４４）における先端部（２４）と、翼（３２）を支持しかつ該翼（３２）をディスクに結合するために前記第１の端部（４４）と略反対側の第２の端部（４８）において前記翼（３２）に結合された根元部（４６）とを有する、全体として細長い翼（３２）と、
   前記全体として細長い翼（３２）の前記先端部（２４）に結合された少なくとも１つの外側シュラウド（２２）と、を備え、
   前記少なくとも１つの外側シュラウド（２２）は、ほぼ前記正圧面（３８）から前記負圧面（４０）に向かう方向に延びておりかつタービンエンジン内で周方向に延びており、
   前記少なくとも１つの外側シュラウド（２２）は、少なくとも部分的に、前記全体として細長い翼（３２）の前記先端部（２４）に結合された外側シュラウドベース（２０）と、該外側シュラウドベース（２０）から半径方向外方へ延びる外側シュラウドボディ（５０）とによって形成されており、
   前記外側シュラウドベース（２０）は、前記外側シュラウドボディ（５０）の上流に延びる上流セクション（５２）と、前記外側シュラウドボディ（５０）の下流に延びる下流セクション（５４）とを有し、
   前記外側シュラウドボディ（５０）の下流に延びる前記下流セクション（５４）に配置された下流漏れ流調整装置（５８）を備え、
   前記下流漏れ流調整装置（５８）の半径方向外面（５６）は、前記外側シュラウドベース（２０）の前記下流セクション（５４）の半径方向外面（６０）よりもさらに半径方向内方に配置されており、
   前記下流漏れ流調整装置（５８）の前記半径方向外面（５６）と前記外側シュラウドベース（２０）の前記下流セクション（５４）の前記半径方向外面（６０）との間の交差部（６８）は、前記全体として細長い翼（３２）が配置されるように構成されているタービンエンジンの長手方向軸線（６２）に対して非平行かつ非直交であり、
   前記下流漏れ流調整装置（５８）の前記半径方向外面（５６）と前記外側シュラウドベース（２０）の前記下流セクション（５４）の前記半径方向外面（６０）との間の前記交差部（６８）は、半径方向外方へ延びる壁面（３０）から形成されており、
   前記下流漏れ流調整装置（５８）の前記半径方向外面（５６）は、遠位エッジ（７６）が、前記下流漏れ流調整装置（５８）と前記外側シュラウドベース（２０）の前記下流セクション（５４）の前記半径方向外面（６０）との間の、半径方向外方へ延びる壁面（３０）における近位エッジ（７８）よりも、半径方向でさらに外方に配置されるように、傾斜している
   ことを特徴とする、タービン翼（１０）。
2. 前記下流漏れ流調整装置（５８）は、前記外側シュラウドボディ（５０）から前記外側シュラウドベース（２０）の下流エッジ（８４）まで延びていることを特徴とする、請求項１記載のタービン翼（１０）。
3. 前記下流漏れ流調整装置（５８）の半径方向外面（５６）と前記外側シュラウドベース（２０）の前記下流セクション（５４）の前記半径方向外面（６０）との間の前記交差部（６８）は、前記全体として細長い翼（３２）と前記少なくとも１つの外側シュラウド（２２）との交差部（７０）において前記全体として細長い翼（３２）の前記正圧面（３８）とほぼ整列していることを特徴とする、請求項１または２記載のタービン翼（１０）。
4. 前記半径方向外方へ延びる壁面（３０）は、前記外側シュラウドベース（２０）の前記下流セクション（５４）の前記半径方向外面（６０）との交差部に斜面（７２）を有し、前記下流漏れ流調整装置（５８）の前記半径方向外面（５６）との交差部（６８）に斜面（７４）を有することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載のタービン翼（１０）。
5. 前記下流漏れ流調整装置（５８）の前記半径方向外面（５６）から半径方向外方へ延びる少なくとも１つの補強レール（８０）をさらに備えることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載のタービン翼（１０）。
6. 前記少なくとも１つの補強レール（８０）の半径方向外側の遠位端部（８２）は、前記外側シュラウドベース（２０）の前記下流セクション（５４）の前記半径方向外面（６０）よりもさらに半径方向内方に配置されていることを特徴とする、請求項５記載のタービン翼（１０）。
7. 前記少なくとも１つの補強レール（８０）の前記半径方向外側の遠位端部（８２）は、線形の面であることを特徴とする、請求項６記載のタービン翼（１０）。
8. 前記少なくとも１つの補強レール（８０）は、前記外側シュラウドボディ（５０）から前記外側シュラウドベース（２０）の下流エッジ（８４）まで延びていることを特徴とする、請求項６記載のタービン翼（１０）。

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