JP6573977B2 - エンドキャップを有するタービンブレード - Google Patents

Description

本発明は、タービンエンジンのタービンブレードの分野に関する。

本開示は、特に、ターボジェットエンジンの燃焼チャンバの流出部において、高圧タービンである場合に、有利な用途を見出している。

慣習的に、ブレードの先端部におけるクリアランスが、タービンエンジンのタービンのブレードと、内部で前記ロータが回転するリングの内側面との間に設けられており、このクリアランスにより、前記ロータが回転することができる。ロータの動き、および、ブレードの下方表面と上方表面との間の圧力差に起因して、漏洩流が、各ブレードの先端部と、リングの内側面との間のクリアランスにおいて生じる。これら流れ、および、これら流れが上方表面において形成する渦は、タービンエンジンの性能に直接影響する空力および空熱に関する多くの問題の原因である。

ブレードの先端部とリングの内側表面との間のクリアランスは、通常、これら流れを低減するように調整される。いずれにしろ、このクリアランスの低減により、ブレードとリングの内側表面との間の接触のリスクが増大し、ブレードの耐用年数をひどく制限している。さらに、この接触は、ブレ−ドの先端部の温度の上昇をも生じ、この温度上昇も、ブレードの耐用年数に影響する。

この欠点を補償するために、慣習的に、ブレードの上面においてスクイーラ先端部を設けることが知られている。この先端部により、ブレードとリングとの間の接触面を制限することが可能である。これらスクイーラ先端部は、通常、閉じた輪郭の境界を定めるリムによって画定され、この目的のために、リムは、ブレード端部において、上方表面と下方表面とに沿って、前縁から後縁に延びる。

具体的には、ブレードの空力および空熱に関する性能を最適化することが意図されたスクイーラ先端部の構成が提案されている。

たとえば、本出願人による国際公開第２００９／１１５７２８号パンフレットの特許出願が知られている。この出願により、ブレードの頂部にスクイーラ先端部を有するブレード先端部の構成の例が提案されている。このスクイーラ先端部は、ディフレクタを形成する壁部が内部に位置するキャビティを備えている。前記壁部は、スクイーラ先端部を画定するリムに接続されていない。

しかしながら、今日において従来技術で既知である解決策は、特に新世代のターボジェットエンジンに必要とされる性能に関して、不十分であることが示されている。

国際公開第２００９／１１５７２８号

本発明の全体の目的は、空力および空熱に関するタービンブレードの性能を向上させることである。

具体的には、本発明は、タービンの効率の増大を可能にするブレードの頂部のスクイーラ先端部の構造を提案する。

ここで、ターボジェットエンジンの場合、タービンの効率の増大は、ターボジェット自体の効率および固有の燃料消費に直接反映されることに留意されたい。このことは、提案の解決策が、ターボジェットエンジンの高圧タービンブレードの場合に有利な用途を見出すことに関する理由である。

具体的には、一態様によれば、本発明は、タービンエンジンのタービンブレードであって、上方表面と、下方表面と、前縁部および後縁部と、タービンブレードの頂部におけるスクイーラ先端部であって、前記スクイーラ先端部が、リムによって画定され、前記スクイーラ先端部を画定するリムから離間した内側リブを備えた、スクイーラ先端部とを備え、前記内側リブが、スクイーラ先端部の内側においてキャビティを規定するように形成され、このキャビティ内において漏洩流の通過が制限されており、上流側開口が前縁部においてリム内に形成されており、下流側開口が後縁部においてリム内に形成されていることを特徴とする、タービンエンジンのタービンブレードで構成される。

別の態様によれば、内側リブは、上方表面、下方表面、前縁部、および後縁部を備え、内側リブの下方表面が、ブレードの上方表面から、ほぼ一定の間隔で離間している。

追加の態様によれば、内側リブは、その前縁部において、上流側の延長部分を備えている。

追加の態様によれば、内側リブは、その後縁部において、下流側の延長部分を備えている。

追加の態様によれば、上流側の開口は、下方表面のリム内、かつ、上方表面の前縁部の端部の一部において形成されている。

別の態様によれば、下流側の開口は、下方表面においてのみ、リム内に形成されている。

追加の態様によれば、スクイーラ先端部は底部を備え、キャビティは、内側リブによって囲まれたスクイーラ先端部の底部の一部によって形成されている。

本発明の他の特徴、目標、および利点は、非限定的な例として与えられる添付図面を参照して、以下の詳細な説明を読むことによって明らかになる。

本発明の第１の実施形態に係るスクイーラ先端部が構築された、インペラのブレードの先端部の斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係るスクイーラ先端部が構築された、インペラのブレードの先端部の斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係るスクイーラ先端部が構築された、インペラのブレードの先端部の斜視図である。 本発明の第４の実施形態に係るスクイーラ先端部が構築された、インペラのブレードの先端部の斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係るブレードの上面図である。 本発明の第４の実施形態に係るブレードの上面図である。 本発明の第５の実施形態に係るブレードの上面図である。 本発明の第５の実施形態に係るブレードの上面図であり、ブレードの前縁部に対する漏洩流の流れの方向を特定している。 上方表面の構造を詳細に示す、第１の実施形態に係るブレードの上面図。 タービンの図であり、前記タービンの軸が示されている。 ブレードの上面図であり、前記ブレードの翼型中心線が示されている。 一実施態様に係るブレードの断面図である。

ターボジェットエンジンの高圧タービンのブレード１が、図１および以下に示されている。ターボジェットエンジンでは、タービンは、複数のブレード１が周状に設けられたディスクを備えている。このディスクおよびブレードは、燃焼チャンバの下流側に位置するリングの内側に配置されている。タービンブレードおよびリングは、リングとブレードとの間のクリアランスが制限されるような寸法になっている。

そのようなブレード１は、空力プロファイルを有し、また、凸状上方表面１１と凹状下方表面１２とを有している。これら凸状上方表面１１と凹状下方表面１２との両方は、一方側における、前縁部１３を形成する、丸まった上流側の縁部と、他方側における、後縁部１４との間に延びている。

その先端部において、リングの内側面に面することが意図されて、ブレード１は、リム２ａによって画定されたスクイーラ先端部２を有している。リム２ａは、上方表面１１および下方表面１２に沿って、前縁部１３から後縁部１４に延びることにより、前記スクイーラ先端部の底部２ｂの境界を成している。変形形態によれば、スクイーラ先端部２のリム２ａは、上方表面１１、下方表面１２、前縁部１３、または後縁部１４に沿ってリム２ａがその部分上で延びていないが、たとえばブレード１の先端部の内側に向かって入り込むことにより、上方表面１１、下方表面１２、前縁部１３、または後縁部１４から分離している、少なくとも１つの部分を備えている。実際、リム２ａは、ブレード１の先端部において、ブレード１の輪郭に沿うとともに、ブレード１の前記輪郭の一部となり得るか、輪郭の一部から離れ得るリブで構成されている。

上方表面１１は、ブレード１の前縁部１３の近位に位置している肘部１１０を備えている。上方表面１１は、肘部１１０によって分離された２つの部分、
前縁部１３と肘部１１０との間に位置する前縁部の端部分１１１と、
肘部１１０の後ろに位置し、前縁部の端部分１１１によって前縁部１３から分離した中心部分１１２と、
を備えている。

内側リブ３は、前記スクイーラ先端部２の内側に位置しており、前記内側リブ３は、リム２ａと同じ高さである。

図５および以下に示すように、この内側リブ３は、内側リブ３自体を取り囲み、こうして、スクイーラ先端部２の内側のキャビティ４を形成し、これにより、前記キャビティ４内の漏洩流５の通過を制限するようになっている。しかしながら、可能性のある変形形態によれば、内側リブ３は、その壁内に少なくとも１つの穴を備えることができる。キャビティ４内の漏洩流５の大部分の通過を制限している事実により、漏洩流５によってキャビティ４の加熱を制限しつつ、ブレード１の空熱に関する特性を向上させることが可能になる。キャビティ４の加熱を制限しているという事実により、ブレード１の先端部において、比較的低温のゾーンを形成することが可能になる。この低温のゾーンは、ブレードの先端部全体を冷却する役割を果たし、こうして、ブレードの耐用年数を増大させる。より正確には、漏洩流５の最もエネルギの高い部分のみが、内側リブ３に止められずにキャビティ４内に流れる。

キャビティ４は、ブレード冷却回路とは連通していない。キャビティ４は、実際、内側リブ３によって囲まれたスクイーラ先端部２の底部２ｂの一部である。このため、スクイーラ先端部２はただ、平坦である単一の底部２ｂを備えている。この底部２ｂの一部は、内側リブ３によって囲まれており、こうして、キャビティ４を形成している。したがって、キャビティ４の底部は、ブレード１上の、内側リブ３によって囲まれていない、スクイーラ先端部２の底部２ｂの残りの部分と同じ高さに位置している。

図１２に示すように、ブレード１は、スクイーラ先端部２の下の、ブレードの内側に位置するキャビティによって形成された内部の冷却回路６を備えており、漏洩流５よりも低温の空気の流れが、前記キャビティ内を循環する。この内部の冷却回路は、スクイーラ先端部２を冷却する役割を果たす。スクイーラ先端部２は、内部の冷却回路６から材料Ｍの厚さだけ分かれている。図１２に示すように、材料Ｍの厚さは、ブレード１の先端部全体にわたって一定である。

ブレードの先端部を可能な限り良好に冷却するために、材料Ｍの厚さは、可能な限り薄くしなければならない。さらに、ブレード１の回転によって生じる遠心力を低減するためには、前記ブレード１の、先端部における質量を低減することが好ましい。しかしながら、材料Ｍの最小厚さの値は、ブレード１が、タービンエンジンの作動中に達する極度の温度および圧力に耐えることができるようにするのに、必要である。このため、キャビティ４が、内側リブ３によって囲まれた、スクイーラ先端部２の底部２ｂの一部で形成されているという事実により、ブレード１の先端部の質量を低減し、スクイーラ先端部２全体を効率的に冷却することが可能になる。さらに、図１から図７の各々に示すように、内側リブ３は、空力学的形状を有している。すなわち、別の言い方をすると、内側リブ３はタービンブレードの形状を有している。このため、
ブレード１の上方表面１１に面して位置する凸状上方表面３１と、
ブレード１の下方表面１２に面して位置する凹状下方表面３２と、
内側リブ３の上流部分を形成する、ブレード１の前縁部１３に面して位置する前縁部３３と、
内側リブ３の下流部分を形成する、ブレード１の後縁部１４に面して位置する後縁部３４と、
を有している。

このため、内側リブ３の前縁部３３と下方表面３２とにわたって流れることによってキャビティ４内に流れ込む漏洩流５の最もエネルギの高い部分により、内側リブ３の上方表面３１に対して押圧され、こうして、より大きい負荷力の回復が可能になる。

変形形態では、この変形形態に係り、内側リブ３が、少なくとも内側リブ３の壁に穴を備え、この穴は、内側リブ３の前縁部３３に位置付けされていてはならず、またはそうでなければ、漏洩流５は、何の障害もなくキャビティ４内に流入することができる。このため、限定ではないが、好ましくは、内側リブ３は、その後縁部３４において穴を備えている。

内側リブ３の上方表面３１は、一定の間隔でブレード１の上方表面１１から離間しており、内側リブ３の下方表面３２も、一定の間隔でブレード１の下方表面から離間している。こうして、内側リブ３は、スクイーラ先端部２を画定するリム２ａの形状に類似の形状を有しており、キャビティ４は、スクイーラ先端部２の形状に類似の形状を有している。

そのような内部のリブ３により、前記内側リブ３に対して押圧される漏洩流５の負荷力の一部を回復することが可能になる。より正確には、漏洩流５は、内側リブ３の前縁部３３において２つの別々の流れ５１と５２とに別れ（図５から図７）、第１の流れ５１がリブ１の上方表面１１と内側リブ３の上方表面３１との間を流れ、第２の流れ５２がブレード１の下方表面１２と内側リブ３の下方表面３２との間を流れる。これら流れが通過する間、第１の流れ５１は、ブレード１の上方表面１１に沿ってリム２ａに対して押圧し、第２の流れ５２は、内側リブ３の下方表面３１に対して押圧し、こうして、負荷力の回復が可能になる。この漏洩流５の負荷力の回復により、ブレード１の空力学的性能を向上させることが可能になる。

図５に示すように、漏洩流５は、前縁部１３に対する接線Δ１３にほぼ垂直な方向である。

変形実施形態によれば、図３から図７に見ることができるように、内側リブ３は、内側リブ３の前縁部３３に位置する上流側の延長部分３３１、または、内側リブ３の後縁部３４に位置する下流側の延長部分３４１を備えることができる。上流側の延長部分３３１は、内側リブ３の前縁部３３に接続された第１の端部と、ブレード１の前縁部１３に面して位置する第２の端部と、を備えている。同様に、下流側の延長部分３４１は、内側リブ３の後縁部３４に接続された第１の端部と、ブレード１の後縁部１４に面して位置する第２の端部と、を備えている。

上流側の延長部分３３１および下流側の延長部分３４１は、キャビティ４の境界の規定に関わらない内側リブ３の部分である。有利な一変形形態によれば、上流側の延長部分３３１および下流側の延長部分３４１の幅は、上方表面３１、下方表面３２、前縁部３３、および後縁部３４における内側リブ３の幅にほぼ等しい。上流側の延長部分３３１と下流側の延長部分３４１とは、これら上流側の延長部分３３１と下流側の延長部分３４１とをブレード１の前縁部１３と後縁部１４とに近付けることにより、内側リブ３の上流側部分と下流側部分とを連続して延長している。

内側リブ３が上流側の延長部分３３１を備えている場合、漏洩流５は、ブレード１の前縁部１３に面して位置する上流側の延長部分３３１の端部において、２つの別個の流れ５１と５２とに分けられる。

上流側の延長部分３３１および下流側の延長部分３４１により、内側リブ３の表面積を増大させることが可能になる。この内側リブ３の表面積にわたって、第２の流れ５２のスクイーラ先端部２内の通過の間、第２の流れ５２が押圧する。

追加の実施形態によれば、内側リブ３は、上流側の延長部分３３１と下流側の延長部分３４１とを同時に備えることができる。したがって、上流側の延長部分３３１または下流側の延長部分３４１により、より大きい負荷力を回復することにより、ブレード１の空力学的性能を向上させることが可能になる。

別の変形実施形態によれば、図２、図４、図６、および図７に見ることができるように、スクイーラ先端部２の境界を規定するブレード１の先端部のリム２ａは、前縁部１３に位置する上流側開口１３１と、後縁部１４に位置する下流側開口１４１とを備えている。こうして提供される本実施形態は、上流側開口１３１および下流側開口１４１を備えているが、追加の変形形態によれば、リム２ａは、下流側開口１４１なしで上流側開口１３１のみを備えることができ、または、上流側開口１３１なしで下流側開口１４１のみを備えることができる。

上流側開口１３１により、一方では、ブレード１の回転速度を考慮すると重要である、ブレード１の質量をブレード１の先端部において制限することが可能になり、他方では、ブレード１による負荷力の回復量を増大させるように、制御された方式で、スクイーラ先端部に入る漏洩流５の量を増大させることが可能になる。好ましくは、上流側開口１３１は、主に、ブレード１の下方表面１１に位置するリム２ａの一部に形成されている。より好ましくは、上流側開口１３１は、上方表面１１の前縁部１１１の端部分に位置するリム２ａ上に形成されている。

そのような上流側開口１３１により、前記上流側開口１３１を通って流入する漏洩流５を、ブレード１の下方表面１２と内側リブ３の下方表面３２との間のキャビティと、ブレード１の上方表面１１と内側リブ３の上方表面３１との間のキャビティとの両方において、通流させることが可能になる。そのような上流側開口１３１により、前記上流側開口１３１を通って流入する漏洩流５が、ブレード１の下方表面１２と内側リブ３の下方表面３２との間のキャビティ内に主に通流される。こうして、漏洩流５がより強くリブ３の下方表面３２を押圧するように第２の流れ５２の流量を増大させるとともに、やはり、漏洩流５がより強くブレード１の上方表面１１を押圧するように第１の流れ５１の流量を増大させることで、そのような上流側開口１３１により、負荷力の回復量を増大させることが可能になる。

好ましくは、上流側開口１３１がブレード１の下方表面１２のリム２ａ内、かつ、前縁部１１１の端部分に形成されるが、この理由は、ブレード１の前縁部１３に対する漏洩流５の入射角を考慮すると、
ブレード１の上方表面１１の前縁部１１１の端部分上のリム２ａにおいてのみ形成された上流側開口１３１が、漏洩流５をブレード１の上方表面１１と内側リブ３の上方表面３１との間のキャビティ内に通流させるのみであり、
下方表面１２のリム２ａにおいてのみ形成された上流側開口が、漏洩流５をブレード１の下方表面１２と内側リブ３の下方表面３２との間のキャビティ内にのみ通流させる
ためである。

下流側開口１４１により、一方では、上流側開口１３１と同様の方式で、ブレード１の質量をブレード１の先端部において制限し、他方では、後縁部１４により、漏洩流５の排出を容易にすることが可能になる。こうして、漏洩流５の適切な排出により、漏洩流５のスクイーラ先端部２における停滞に起因するスクイーラ先端部２の加熱を制限することが可能になる。好ましくは、下流側開口１４１は、ブレード１の上方表面１１または下方表面１２上のリム２ａにのみ形成されている。可能性のある好ましい実施形態では、下流側開口１４１は、ブレード１の下方表面１２上のリム２ａにのみ形成されている。そのような開口により、漏洩流５の最適な排出が可能になり、ブレード１の先端部と、回転するブレード１が置かれるリングの内側面との間の許容可能なクリアランスを維持することができる。

さらなる変形形態によれば、図４、図６、および図７に見ることができるように、内側リブ３は、上流側の延長部分３３１または下流側の延長部分３４１を備え、スクイーラ先端部２を画定するリム２ａは、上流側開口１３１または下流側開口１４１を備えている。当然、内側リブ３が上流側の延長部分３３１および下流側の延長部分３４１を備えるようにすることが可能であり、リム２ａが上流側開口１３１および下流側開口１４１を備えるようにすることが可能である。リム２ａが上流側開口１３１および下流側開口１４１を備えた変形形態は、ブレード１の空力と空熱との性能の間の折衷に有利であり、この理由は、これにより、一方では、ブレード１の質量の制限をより大きくすることができ、他方では、依然としてブレード１の先端部の加熱を制限しつつ、より多くの負荷力を回復するように、スクイーラ先端部２内の漏洩流５のよりよい循環が可能であるためである。

有利には、ブレード１の前縁部１３と内側リブ３の前縁部３３との間の距離が、ブレードの軸方向の弦の１％から２５％に含まれる。軸方向の弦は、タービンのＹ軸上のブレード１の弦の投影である。タービンのＹ軸は図１０に示されている。内側リブ３が上流側の延長部分３３１を備えている場合、ブレード１の前縁部１３と上流側の延長部分３３１の端部との間の距離は、ブレードの軸方向の弦の１％から２５％に含まれている。

さらに、好ましくは、ブレード１の後縁部１４と内側リブ３の後縁部３４との間の距離が、ブレードの軸方向の弦の１％から２５％に含まれている。内側リブ３が下流側の延長部分３４１を備えている場合、ブレード１の後縁部１４と下流側の延長部分３４１の端部との間の距離は、ブレードの軸方向の弦の１％から２５％に含まれている。

有利な変形形態によれば、ブレード１の上方表面１１と内側リブ３の上方表面３１との間の空間は、ブレードの最大厚さＥの１％から３０％の間、好ましくは、１５％から３０％の間に含まれている。そのような空間により、スクイーラ先端部に流入する漏洩流５の最大部分が、ブレード１の上方表面１１と内側リブ３の上方表面３１との間に残っていることを確実にすることが可能になる。リブの最大厚さＥは、ブレード１の下方表面１２と上方表面１１との間の最大の距離であり、前記最大の距離Ｅは、図１１に示されているように、ブレードの翼型中心線Ｓに対して垂直に測定される。翼型中心線Ｓは、ブレード１の下方表面１２と上方表面１１とから等しい距離にあるすべてのポイントからなる。

好ましい変形形態によれば、ブレード１の下方表面１２と内側リブ３の下方表面３２との間の空間は、ブレードの最大厚さＥの１％から３０％の間、好ましくは、１５％から３０％の間に含まれている。そのような空間により、スクイーラ先端部に流入する漏洩流５の最大部分が、ブレード１の下方表面１２と内側リブ３の下方表面３２との間に残っていることを確実にすることが可能になる。

有利な変形形態によれば、キャビティ４の表面は、スクイーラ先端部２の総表面積の１５％から４０％の間、好ましくは、スクイーラ先端部２の総表面積の２０％から３０％の間、さらにより好ましくは、スクイーラ先端部２の総表面積の２５％に含まれる。この特徴により、スクイーラ先端部の内部の漏洩流５の良好な循環を確実にし、スクイーラ先端部２の表面積の大部分の加熱を制限することが可能になる。

Claims (10)

1. タービンエンジンのタービンブレード（１）であって、上方表面（１１）と、下方表面（１２）と、前縁部（１３）と、後縁部（１４）と、タービンブレードの頂部におけるスクイーラ先端部（２）であって、前記スクイーラ先端部（２）が、リム（２ａ）によって画定され、前記スクイーラ先端部（２）を画定するリム（２ａ）から離間した内側リブ（３）を備えた、スクイーラ先端部（２）とを備え、前記内側リブ（３）が、スクイーラ先端部の内側においてキャビティ（４）を規定するように形成され、このキャビティ内において漏洩流（５）の通過が制限されており、スクイーラ先端部（２）が底部（２ｂ）を備えており、キャビティ（４）が、内側リブ（３）によって囲まれたスクイーラ先端部（２）の底部（２ｂ）の一部によって形成されていることを特徴とする、タービンエンジンのタービンブレード（１）。
2. 内側リブ（３）が、上方表面（３１）、下方表面（３２）、前縁部（３３）、および後縁部（３４）を備え、内側リブ（３）の前縁部（３２）が、ブレードの下方表面（１２）からほぼ一定の間隔で離間しており、内側リブ（３）の上方表面（３１）が、ブレード（１）の上方表面（１１）からほぼ一定の間隔で離間していることを特徴とする、請求項１に記載のブレード。
3. 内側リブ（３）が、その前縁部（３３）において、上流側の延長部分（３３１）を備えていることを特徴とする、請求項２に記載のブレード。
4. 内側リブ（３）が、その後縁部（３４）において、下流側の延長部分（３４１）を備えていることを特徴とする、請求項２または請求項３に記載のブレード。
5. 上流側開口（１３１）が、前縁部（１３）においてリム（２ａ）に形成されていることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のブレード。
6. 上流側開口（１３１）が、下方表面（１２）のリム（２ａ）、かつ、上方表面（１１）の前縁部（１１１）の端部分に形成されていることを特徴とする、請求項５に記載のブレード。
7. 下流側開口（１４１）が、後縁部（１４）においてリム（２ａ）に形成されていることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のブレード。
8. 下流側開口（１４１）が、下方表面（１２）のみのリム（２ａ）に形成されていることを特徴とする、請求項７に記載のブレード。
9. 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のブレード（１）を備えていることを特徴とするタービンディスク。
10. 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のブレード（１）を備えていることを特徴とする、ターボジェットエンジンの高圧タービン。

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