JP6967837B2 - タービンロータブレード - Google Patents

Description

本明細書で開示される主題は、タービンシステムに関し、より詳細には、冷却の増強及び先端漏洩損失を低減したタービンロータブレードに関する。

ガスタービンエンジンでは、圧縮機で加圧された空気を用いて燃焼器において燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスの流れを発生させ、その結果、このような燃焼ガスが１又はそれ以上のタービンを通って下流側に流れ、この燃焼ガスからエネルギーを取り出すことができるようになる。一般的に、このようなタービンによれば、円周方向に間隔を置いて配置されたタービンロータブレードの列が、支持ロータディスクから半径方向外向きに延びている。各ブレードは通常、ロータディスクの対応するダブテールスロットにおけるブレードの組み付け及び分解を可能にするダブテールと、並びに該ダブテールから半径方向外向きに延びて且つエンジンを通る作動流体の流れと相互作用する翼形部と、を含む。

翼形部は、対応する前縁と後縁との間で軸方向に延び且つ根元と先端との間で半径方向に延びる略凹面状の正圧側面と、略凸面状の負圧側面とを有する。ブレード先端は、半径方向外側タービンシュラウドに近接して間隔を置いて配置され、タービンブレードの間を下流側に流れる燃焼ガスがブレード先端とタービンシュラウドとの間で漏洩するのを最小限にしていることは理解されるであろう。エンジン効率の改善は、漏洩が阻止されるように先端クリアランス又はギャップを最小限にすることにより得られるが、この手法は、ロータブレードとタービンシュラウドとの間の熱的及び機械的膨張及び収縮の差違により、並びに作動中のシュラウドに接する先端摩擦をもたらす望ましくない状況を回避する目的によりある程度までに制限される。

加えて、タービンブレードは、高温燃焼ガスに浸されるので、部品耐用寿命を確保するために効果的な冷却が必要とされる。通常、ブレード翼形部は中空であり、圧縮機と流れ連通して配置され、抽気された加圧空気の一部が翼形部の冷却用に受け取られるようにする。翼形部の冷却は、極めて複雑であり、様々な形態の内部冷却チャンネル及び特徴要素を用いて、並びに冷却空気を排出するために翼形部の外壁を貫通する冷却孔を用いて達成することができる。それでも尚、翼形部先端は、タービンシュラウドに直近の位置にあり、先端ギャップを通って流れる高温燃焼ガスにより加熱されるので、冷却するのが特に困難である。従って、ブレードの翼形部内部で送られる空気の一部は通常、冷却のため先端を通じて排出される。

ブレードの先端部分は、冷却空気が排出されるポケットを含むことが多いが、冷却空気は通常、ポケット壁の上部にわたって半径方向外向きに放出されるように送り込まれ、このため仕事／トルクの生成に寄与する高圧の冷却流を利用していない。

米国特許第７，６４１，４４６号明細書

本発明の１つの態様によれば、タービンロータブレードは、正圧先端壁、負圧先端壁、先端前縁、及び先端後縁を有する先端部分を含み、正圧先端壁と負圧先端壁が後縁先端厚さを定める。また、正圧先端壁及び負圧先端壁によって少なくとも部分的に定められるスクイーラキャビティを含み、該スクイーラキャビティが、先端後縁まで完全に延びて該先端後縁から外に出る開放流路を形成するトレンチを有する。更に、タービンロータブレードの根元部分から先端部分まで延びる負圧側壁及び正圧側壁を備え、負圧側壁及び正圧側壁が、後縁先端厚さよりも小さい後縁ブレード厚さを定める。

本発明の別の態様によれば、タービンシステムのタービンセクションは、複数のタービン段を形成する複数のタービンロータブレードを含み、複数のタービンロータブレードの各々は、前縁、後縁、負圧側壁及び正圧側壁を含み、負圧側壁及び正圧側壁が後縁ブレード厚さを定める。また、正圧先端壁、負圧先端壁、先端前縁及び先端後縁を有する複数のタービンロータブレードのうちの少なくとも１つのタービンロータブレードの先端部分を含み、先端後縁に近接した正圧先端壁及び負圧先端壁が後縁ブレード厚さを定め、該後縁先端厚さが、後縁ブレード厚さよりも大きい。

本発明の更に別の態様によれば、ガスタービンエンジンは、圧縮機セクションと、燃焼セクションと、タービンセクションとを備える。タービンセクションは、複数のタービン段を形成する複数のタービンロータブレードを含み、該タービンロータブレードの各々が、前縁と、後縁と、負圧側壁と、正圧側壁と、を含み、負圧側壁及び正圧側壁が後縁ブレード厚さを定める。タービンセクションはまた、正圧先端壁及び負圧先端壁を有する、複数のタービンロータブレードのうちの少なくとも１つのタービンロータブレードの先端部分を含み、先端後縁に近接した正圧先端壁及び負圧先端壁が、後縁ブレード厚さよりも大きい後縁先端厚さを定める。

これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。

本発明とみなされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。

ガスタービンエンジンの概略図。 ガスタービンエンジンのタービンロータブレードの斜視図。 タービンロータブレードの後縁の斜視図。 タービンロータブレードの後縁の断面図。 本発明の別の態様を示したタービンロータブレードの後縁の斜視図。

この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。

図１を参照すると、本発明の例示的な１つの実施形態に従って構成されたガスタービンエンジン１０のようなタービンシステムが概略的に示されている。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機セクション１２と、缶アニュラ型アレイで配列された複数の燃焼器組立体とを含み、燃焼器組立体の１つが符号１４で示されている。燃焼器組立体は、燃料供給源（図示せず）から燃料を受け取り、圧縮機セクション１２から圧縮空気を受け取るよう構成される。燃料及び圧縮空気が燃焼室１８に入って点火し、高温高圧の燃焼生成物又は空気ストリームを形成し、これを用いてタービン２４を駆動する。タービン２４は、圧縮機／タービンシャフト３０（ロータとも呼ばれる）を通って圧縮機１２に動作可能に接続された複数の段２６〜２８を含む。

作動時には、空気は、圧縮機１２に流れて高圧ガスに圧縮される。高圧ガスは、燃焼器組立体１４に供給され、燃焼室１８において燃料（例えば、天然ガス、燃料油、プロセスガス及び／又は合成ガス（シンガス））と混合される。燃料／空気又は可燃性混合気が点火されて、高圧高温の燃焼ガスストリームが形成され、この燃焼ガスストリームがタービン２４に送られて、熱エネルギーから機械的回転エネルギーに変換される。

図１を引き続き参照しながら、次に図２、３及び５を参照すると、タービンロータブレード４０（「タービンバケット」、「タービンブレード翼形部」又は同様のものとも呼ばれる）の一部の斜視図が示される。タービンロータブレード４０は、タービン２４の何れかの段に配置することができることを理解されたい。１つの実施形態において、タービンロータブレード４０は、タービン２４の例示の第１の段（すなわち、段２６）内に配置される。３つの段のみが例示されているが、より多くの段又はより少ない段が存在してもよいことを理解されたい。何れの場合においても、タービンロータブレード４０は、根元部分４４から先端部分４６まで延びる主本体部分４２を含む。タービンロータブレード４０の主本体部分４２は、正圧側壁４８と負圧側壁５０とを含み、ここでタービンロータブレード４０の幾何形状は、タービンロータブレード４０にわたって流体が流れるときにタービン２４に回転力をもたらすように構成される。図示のように、負圧側壁５０は凹面形状であり、正圧側壁４８は凸面形状である。主本体部分４２は更に、前縁５２と後縁５４とを含む。以下の考察では、主としてガスタービンに焦点を当てているが、考察する概念は、ガスタービンエンジンに限定されず、タービンブレードを利用するあらゆる回転機械に適用することができる。

正圧側壁４８及び負圧側壁５０は、タービンロータブレード４０の半径方向スパン全体にわたって円周方向に離間して配置されて、冷却のためタービンロータブレード４０を通って冷却空気を送る少なくとも１つの内部流れチャンバ又はチャンネルを定める。冷却空気は通常、何らかの従来の手法で圧縮機セクション１２から抽気される。タービン翼形部ブレード４０の内部は、例えば、冷却空気の有効性を向上させるため種々のタービュレータを備えた蛇行流れチャンネルを含む何れかの構成を有することができ、該冷却空気は、タービンロータブレード４０の先端部分４６に配置された、より詳細には先端部分４６と併せて以下で詳細に説明することになるスクイーラキャビティ８０に近接して配置された少なくとも１つのタービンロータブレード４０、通常は複数のタービンロータブレード４０を通って排出される。

先端部分４６は、正圧側壁４８及び負圧側壁５０の半径方向外側端部上に配置された先端プレート６０を含み、該先端プレート６０は、内部冷却キャビティを境界付ける。先端プレート６０は、タービンロータブレード４０と一体化することができ、或いは、所定位置に溶接することができる。正圧先端壁６２及び負圧先端壁６４は、先端プレート６０上に形成することができる。一般に、正圧先端壁６２は、先端プレート６０から半径方向外向きに延び、且つ先端前縁６８から先端後縁７０まで軸方向に延びる。一般に、正圧先端壁６２は、先端プレート６０に対して約９０°の角度を形成するが、これは変えることができる。正圧先端壁６２の経路は、正圧側壁４８の終端部に隣接又は近接している（すなわち、正圧側壁４８に沿って先端プレート６０の外周又はその近傍にある）。

同様に、負圧先端壁６４は一般に、先端プレート６０から半径方向外向きに延び、且つ先端前縁６８から先端後縁７０まで軸方向に延びる。負圧先端壁６４の経路は、負圧側壁５０の終端部に隣接又は近接している（すなわち、負圧側壁５０に沿って先端プレート６０の外周又はその近傍にある）。正圧先端壁６２及び／又は負圧先端壁６４の高さ及び幅は、タービン組立体全体の最良の性能及びサイズに応じて変わることができる。図示のように、正圧先端壁６２及び／又は負圧先端壁６４は、略矩形の形状とすることができるが、他の形状も実施可能である。

正圧先端壁６２及び負圧先端壁６４は、一般に、本明細書でスクイーラキャビティ８０として呼ばれるものを形成する。スクイーラキャビティ８０は、先端部分４６上又は内部に形成された半径方向内向きに延びる何れかの凹部又はキャビティを含むことができる。一般に、スクイーラキャビティ８０は、タービンロータブレード４０と同様の形状又は形態を有するが、他の形状も実施可能であり、通常は、正圧先端壁６２、負圧先端壁６４、及び本明細書で先端プレート６０として説明された内側半径方向フロアにより境界付けられる。

図３及び５において最もよく例示されるように、タービンロータブレード４０の先端部分４６は、先端後縁７０に近接して位置する少なくとも１つのウィングレット８２を含む。一部の実施形態において、少なくとも１つのウィングレット８２は、先端後縁７０の極限位置の直近に位置する。「少なくとも１つ」という表現は、少なくとも１つのウィングレット８２が１つの実施形態において先端後縁７０にて正圧先端壁６２の外向きに広がった領域であることに基づいて、該少なくとも１つのウィングレット８２を記述するのに利用される。別の実施形態において、少なくとも１つのウィングレット８２は、先端後縁７０にて負圧先端壁６４の外向きに広がった領域である。更に別の実施形態において、正圧先端壁６２及び負圧先端壁６４の両方が先端後縁７０にて外向きに広がって少なくとも１つのウィングレット８２を形成している。

先端後縁７０及び場合によってはブレードの主本体部分４２の後縁５４を含めて、後縁に沿った厚さの局所的増大が設けられる。厚さの増大は漸次的であり、タービンロータブレード４０の半径方向外向きの方向で拡大する。この増大は、直線的に又は高次の曲線を描いて形成することができる（図４）。用語「局所的増大」とは、ブレードの少なくとも約８０％の半径方向長さにある後縁の半径方向の地点からの半径方向位置での後縁の厚肉化を指す。換言すると、後縁の厚肉化は、ブレードの根元から離れて後縁長さの少なくとも約８０％にあるブレードの半径方向長さにて起こり始める。後縁の厚さの増大は、半径方向長さの約８０％から、後縁の半径方向長さの約１００％に相当する最外位置で起こることができる。別の実施形態において、厚肉化は、後縁の半径方向長さの約９５％から１００％で生じる。ブレードの後縁の半径方向長さ全体は、後縁の最初の拡大の前では全領域にて一定の幅を有する。上記で提供された実施例と併せて例示されるように、後縁の厚さは、根元部分から後縁の半径方向長さの約８０％又は約９０％まで一定のままである。上記で提供された実施形態は、単に実施例に過ぎず、最初の拡大位置は、用途に応じて変えることができる。

後縁の拡大領域のスクイーラキャビティ８０の一部であるトレンチ８４について、その利点を以下で詳細に説明する。少なくとも１つのウィングレット８２を含めることにより、追加の利点が得られる。外向きに広がった領域に関する１つの利点は、特に負圧先端壁６４に関連する実施形態では、先端領域の漏洩が低減され、これによりタービンセクション２４の効率が改善されることである。このことは、タービンロータブレード４０の先端部分４６に近接して当該領域での流れを抑制する傾向のある先端漏洩渦流の減衰に起因している。少なくとも１つのウィングレット８２に関連する別の利点は、先端後縁７０の更なる厚肉化に関するものである。この先端後縁７０の厚肉化の増強は更に、スクイーラキャビティ８０の一部であるトレンチ８４を収容する。

トレンチ８４は、凹部、溝、ノッチ、トレンチ、又はスクイーラキャビティ８０の後端に位置する同様の形態を含み、先端部分４６の先端後縁７０まで完全に延びており、これにより先端後縁７０から出てタービンセクション２４の主流路内に直接開いた冷却流用の流路を形成する。トレンチ８４は、複数の異なる形状、サイズ、配列、及び構造を含むことができる。例えば、図２に示すように、トレンチ８４は、実質的に線形の経路に沿って延びることができる。一般に、トレンチ８４の長手方向軸線は、ほぼ下流側方向に整列されている。一部の実施形態において、トレンチ８４は、本質的に僅かに弓形である。トレンチ８４が負圧先端壁６４よりも正圧先端壁６２に近接した位置にあることは企図される。トレンチ８４の外部に流れる冷却空気は一般に、負圧先端壁６４に向かって移動するので、この構造により、放出される冷却空気がより大きな先端面にわたって流れ、これにより後縁トレンチ７２が負圧先端壁６４により近接した位置にある場合よりも優れた冷却効果をもたらすことができるようになる。しかしながら、トレンチ８４は正圧先端壁６２よりも負圧先端壁６４に近接した位置にあることも企図される。加えて、トレンチ８４は、どこに配置された場合でも、湾曲、線形、ジグザグ、又は蛇行経路を有することができる。一部の実施形態において、トレンチ８４は、ボンドコート、又は他のタイプの高温コーティングのようなコーティングを施すことができる。一部の実施形態において、コーティングは、アルマイドコーティングのような高アルミニウム含有量の防蝕剤とすることができる。トレンチ８４の内部は隣接する部品に対する摩擦から比較的保護されているので、この部位に対してアルマイドコーティングが好適である。アルマイドコーティングは、腐食に対して極めて効果的であるが、すぐに摩耗する傾向があり、従って、通常はタービンブレードのブレード先端領域には使用されない。トレンチ８４は、この部位での使用に対して費用効果の高い有利な状況を提供する。

トレンチ８４の断面形状は、本質的に略半楕円形とすることができる。或いは、図示していないが、トレンチ８４の断面形状は、矩形、半円、三角形、台形、Ｖ字形、Ｕ字形、及び他の同様の形状、並びにこれらの形状とフィレット半径の他の組み合わせとすることができる。正圧先端壁６２の上部、負圧先端壁６４及びトレンチ８４の半径方向に整列した壁の間に形成される縁部は、鋭利（すなわち、９０度のコーナー）であり、又は場合によっては本質的により丸みのあるものとすることができる。

トレンチ８４の深さは、先端後縁７０に向けて延びるにつれて実質的に一定とすることができる。本明細書で使用される場合、トレンチ８４の深さは、その経路上の所与の位置にてトレンチ８４の最大半径方向高さを指すことを意図している点に留意されたい。従って、半楕円形状の場合、トレンチ８４の深さは、その楕円形状の内方頂部に存在する。他の実施形態では、トレンチ８４の深さは、トレンチ８４の上流側の発生位置に対してより浅く又はより深くなるように変化することができる。同様に、トレンチ８４の幅は、レンチ８４の長さ全体に沿って一定又は変化することができる。

トレンチ８４の厳密な構造に関係なく、局所的に厚肉化された先端後縁７０及び少なくとも１つのウィングレット８２は、先端後縁７０でのトレンチ８４の拡大を容易にする。詳細には、先端後縁７０において正圧先端壁６２及び負圧先端壁６４の外側部分の間にスペースが定められ、後縁先端厚さと呼ばれる。同様に、主本体部分４２の後縁５４において正圧側壁４８及び負圧側壁５０の外側部分の間にスペースが定められ、後縁ブレード厚さと呼ばれる。後縁先端厚さは、後縁ブレード厚さよりも大きい。換言すると、タービンロータブレード４０全体の後縁領域の局所的厚肉化である。１つの実施形態において、後縁先端厚さは、後縁ブレード厚さの約１．１倍〜約３．０倍である。別の実施形態において、後縁先端厚さは、後縁ブレード厚さの約１．５倍〜約２．５倍である。更に別の実施形態において、後縁先端厚さは、後縁ブレード厚さの約１．９５倍〜約２．０５倍である。前出の実施例は、後縁先端厚さが後縁ブレード厚さよりも大きいことの単なる例証に過ぎない。ブレードの先端での厚さの局所的増大は、先端後縁部分に更なる局所的質量を付加する。この先端での質量の付加は、好ましい方向でのブレードの周波数を変化させ、ブレードの空力的要件への適合を支援する。厚さの局所的増大は、先端の後縁部分での局所的質量追加を目的としている。ブレードの先端は、位置の運動エネルギーが高いことに起因して、質量及び剛性の変化の影響を極めて受け易く、これらの変化により、翼形部のモード形及び周波数が変化することになる。これらモード形及び周波数の変化は、空力的伝達機構を排除し設計要件に適合するブレードの利点に利用される。

上述のように、スクイーラキャビティ８０は、冷却流を排出するための複数の出口孔５６を含む。複数の出口孔５６はまた、トレンチ８４内に存在し、スクイーラキャビティ８０のトレンチ８４の領域に冷却空気を供給して、対流により熱を除去して作動流体の過酷な温度から部品を離隔することにより、先端部分４６の周囲の表面を低温に保持するようにする。より詳細には、冷媒は、先端後縁７０に近接した先端部分４６をより良好に冷却することができる。図示のように、トレンチ冷却アパーチャは、トレンチ８４を貫通して規則的に離間して配置され、トレンチ８４のフロア上、すなわち、トレンチ８４の最深部付近に位置付けることができる。

有利には、上述の実施形態は、先端漏洩流を低減し、先端漏洩渦流を減衰させ、これによりタービンシステムの全体効率に直接影響を及ぼす損失を低減する。先端部分４６における後縁の厚さの増大とウィングレット８２と組み合わせることにより、スクイーラキャビティ８０にてトレンチ８４のより大きな幅が可能となる。スクイーラキャビティ８０の半径方向外向き部分から冷却流を排出することが必要な閉鎖スクイーラキャビティとは対照的に、より幅広のトレンチにより、直近の先端後縁７０にあるトレンチ開口から冷却流を排出させるスペースをより幅広にすることができる。先端部分に近接した後縁厚さのみを増大させることにより、幅広のトレンチを収容することによる空力上の利点が得られる。詳細には、トレンチ８４は、冷却流が後縁に向かって流れるときにトレンチ壁に沿った円周方向の力を加えるように、冷却流を良好に利用して仕事を取り出す。冷却流をスクイーラキャビティから容易に排出することにより冷却流を廃棄するのではなく、冷却流はブレードの回転を助ける。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されるとみなすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 圧縮機セクション
１４ 燃焼器組立体
１８ 燃焼室
２４ タービン
４０ タービンロータブレード
４２ 主本体部分
４４ 根元部分
４６ 先端部分
４８ 正圧側壁
５０ 負圧側壁
５２ 前縁
５４ 後縁
５６ 出口孔
６０ 先端プレート
６２ 正圧先端壁
６４ 負圧先端壁
６８ 先端前縁
７０ 先端後縁
８０ スクイーラキャビティ
８２ 少なくとも１つのウィングレット
８４ トレンチ

Claims (9)

1. タービンロータブレード（４０）であって、当該タービンロータブレード（４０）が、
   正圧先端壁（６２）、負圧先端壁（６４）、先端前縁（６８）及び先端後縁（７０）を有し、前記正圧先端壁と前記負圧先端壁が後縁先端厚さを定める、先端部分（４６）と、
   前記正圧先端壁及び前記負圧先端壁によって少なくとも部分的に定められ、前記先端後縁まで完全に延びて該先端後縁から外に出る開放流路を形成するトレンチ（８４）を含む、スクイーラキャビティ（８０）と、
   前記タービンロータブレードの根元部分（４４）から前記先端部分まで延びる負圧側壁（５０）及び正圧側壁（４８）と
   を備えており、
   前記負圧側壁及び正圧側壁が後縁ブレード厚さを定め、前記後縁先端厚さが前記後縁ブレード厚さよりも大きく、
   前記先端部分が、前記先端後縁にて正圧先端壁の外向きに広がった領域及び先端後縁にて負圧先端壁の外向きに広がった領域の一方又は両方である少なくとも１つのウィングレット（８２）を含んでおり、前記トレンチ（８４）が負圧先端壁（６４）よりも正圧先端壁（６２）に近接した位置にある、タービンロータブレード（４０）。
2. 前記タービンロータブレードの後縁の全体の厚さが、根元部分から、前記タービンロータブレードの後縁での全体の長さの少なくとも８０％である前記タービンロータブレードの半径方向長さまで一定であり、前記後縁の厚さは、前記タービンロータブレードの後縁での全体の長さの少なくとも８０％の半径方向長さから前記後縁の外側先端位置まで漸次的に増大している、請求項１に記載のタービンロータブレード（４０）。
3. 前記後縁先端厚さが、後縁ブレード厚さの１．１〜３．０倍である、請求項１又は請求項２に記載のタービンロータブレード（４０）。
4. 前記後縁先端厚さが、後縁ブレード厚さの１．５〜２．５倍である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のタービンロータブレード（４０）。
5. 前記後縁先端厚さが、後縁ブレード厚さの１．９５〜２．０５倍である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のタービンロータブレード（４０）。
6. 前記トレンチの長さ全体に沿って一定のトレンチ深さを含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のタービンロータブレード（４０）。
7. 前記スクイーラキャビティ（８０）が、冷却流を排出するよう構成された複数の出口孔（５６）を有する、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のタービンロータブレード（４０）。
8. 前記複数の出口孔（５６）が、前記トレンチ（８４）を通して規則的に離間して配置され、かつ前記トレンチ（８４）の最深部付近に配置されている、請求項７に記載のタービンロータブレード（４０）。
9. ガスタービンエンジンであって、当該ガスタービンエンジンが、
   圧縮機セクション（１２）と、
   燃焼セクション（１４）と、
   タービンセクション（２４）と、
   を備えており、前記タービンセクションが、
   複数のタービン段を形成する複数のタービンロータブレード（４０）であって、各々が請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のタービンロータブレード（４０）である、複数のタービンロータブレード（４０）を含む、ガスタービンエンジン。

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