JP7012844B2 - 先端トレンチ付きタービンブレード - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジン用のタービンブレード、特にタービンブレード先端に関する。

ガスタービンエンジンなどのターボ機械では、空気は、圧縮機セクションで加圧され、その後燃料と混合され、燃焼器セクションで燃焼されて高温の燃焼ガスを生成する。高温の燃焼ガスは、エンジンのタービンセクション内で膨張し、そこでエネルギーが抽出されて圧縮機セクションに力を供給し、発電機を回して電気を生成するなどの有用な仕事を生み出す。高温の燃焼ガスは、タービンセクション内の一連のタービン段を通過する。タービン段には、静止翼列、つまりベーンが続き、その後に回転翼列、つまりタービンブレードが続き、タービンブレードは、出力を提供するために高温の燃焼ガスからエネルギーを抽出する。

通常、タービンブレードは、一端の根元部と、根元部に連結されたプラットフォームから外向きに延びる翼形部を形成する細長い部分とから形成される。翼は、半径方向外側の先端にある先端部、前縁、および後縁で構成されている。タービンブレードの先端には、タービンのガス経路内のリングセグメントとブレード間の間隙のサイズを小さくして、先端の流れの漏れを防ぎ、タービンブレードによって生成されるトルクの量を減らす先端機能部がある。先端機能部は、スキーラ先端と呼ばれることが多く、タービン段間の圧力損失を低減するために、ブレードの先端部に組み込まれることが多い。これらの機能は、ブレード先端とリングセグメント間の漏れを最小限に抑えるように設計されている。

簡潔に言えば、本発明の態様は、漏れ流を低減するための改善されたブレード先端設計を備えたタービンブレードを提供する。

本発明の態様によれは、タービンブレードが提供される。ブレードは、前縁および後縁で接合された正圧側と負圧側によって形成された外壁を備えた翼を備える。ブレードは、第１の半径方向端部のブレード先端と、ブレードを支持し、ブレードをディスクに結合するための、第１の半径方向端部の反対側の第２の半径方向端部の根元部とを有する。ブレード先端は、翼の外壁に配置された先端キャップを備える。トレンチは、高温ガス経路流体に面する先端キャップの半径方向外側に形成される。トレンチは、トレンチフロアが先端キャップの半径方向外面に対して半径方向内側に位置するように、第１および第２トレンチ側面が横方向両側に位置するトレンチフロアによって形成される。トレンチは、前縁、またはその近位にあるトレンチ入口から後縁、またはその近位にあるトレンチ出口まで延在する。トレンチは、トレンチ入口からトレンチ出口への先端漏れ流を引き込むように構成されている。

本発明は、図を援用することによりさらに詳細に示される。図は特定の構成を示しており、本発明の範囲を限定するものではない。

既知のタイプのタービンブレードの斜視図である。 図１のＩＩ－ＩＩ断面に沿った断面図である。 本発明の一実施形態による、先端トレンチを備えたタービンブレードの半径方向上面図である。 図３のＩＶ－ＩＶ断面に沿った断面図である。 先端漏れ流を示す流線を示す、基線スキーラ先端構成を備えたタービンブレードの斜視図である。 先端の漏れ流を示す流線を示す、先端トレンチ構成を有するタービンブレードの斜視図である。 本発明の別の実施形態による、先端トレンチを備えたタービンブレードの半径方向上面図である。 先端トレンチと１つ以上のスキーラ先端壁との組み合わせを含む本発明の様々なさらなる実施形態を示す断面図である。 先端トレンチと１つ以上のスキーラ先端壁との組み合わせを含む本発明の様々なさらなる実施形態を示す断面図である。 先端トレンチと１つ以上のスキーラ先端壁との組み合わせを含む本発明の様々なさらなる実施形態を示す断面図である。

好ましい実施形態の以下の詳細な説明では、本明細書の一部を形成する添付の図面を参照し、本発明を実施できる特定の実施形態を限定ではなく例示として示す。他の実施形態を利用してもよく、本発明の精神および範囲から逸脱することなく変更を加えてもよいことを理解されたい。
本明細書の文脈において、用語「翼弦長」とは、前縁から後縁への翼キャンバー線に沿った距離を意味する。キャンバー線とは、翼の前縁から後縁に向かって正圧側と負圧側の間の中央に延びる仮想線を指す。ある場所が翼弦長のパーセンテージで表される場合、前縁から、ある場所から引いた垂線がキャンバー線と交差するある点までのキャンバー線に沿った距離が翼弦長のパーセントとして表されたものである。

図面を参照すると、同一の参照文字は同一の要素を示す。図１は、タービンブレード１を示している。ブレード１は、ブレードプラットフォーム６から高温ガス経路流体の流れへと半径方向外向きに延びる略中空の翼１０を含む。根元部８は、プラットフォーム６から半径方向内側に延び、例えば、ブレード１をロータディスク（図示せず）に結合するための従来のモミの木形状を備えてもよい。翼１０は、キャンバー線２９を画定する前縁１８および後縁２０で互いに接合された略凹状の正圧側１４および略凸状の負圧側１６から形成される外壁１２を含む。翼１０は、半径方向内側端部の根元部８から半径方向外側端部の先端３０まで延び、高温ガス流からエネルギーを抽出してロータディスクを回転させるのに適した任意の構成を取り得る。

図２に示すように、中空翼１０の内部は、タービンブレード１の内部冷却システムを形成するために、正圧側１４の内面１４ａと負圧側１６の内面１６ａとの間に画定される少なくとも１つの内部空洞２８を含むことができる。内部冷却システムは、圧縮機セクション（図示せず）から迂回した空気などの冷却剤を受け取ることができ、これは、一般にブレード根元部８に設けられた冷却剤供給通路を介して内部空洞２８に入る。内部空洞２８内で、冷却剤は略半径方向に流れ、外部オリフィス１７、１９、３７、３８を介して高温ガス経路に放出される前に、正圧側１４および負圧側１６の内面１４ａ、１６ａから熱を吸収する。

特に高圧タービン段では、ブレード先端３０は、いわゆる「スキーラ先端部」として形成されてもよい。図１～図２を共に参照すると、ブレード先端３０は、外壁１２の半径方向外側端部で外壁１２を覆って配置された先端キャップ３２で形成することができる。先端キャップ３２は、内部空洞２８に面する半径方向内面３２ａと、高温ガス経路流体に曝される半径方向外面３２ｂとを含む。ブレード先端３０は、一対のスキーラ先端壁、すなわち、それぞれが先端キャップ３２から半径方向外向きに延在する正圧側スキーラ先端壁３４および負圧側スキーラ先端壁３６をさらに含む。正圧側および負圧側スキーラ先端壁３４および３６は、実質的にまたは完全に先端キャップ３２の周囲に沿って延びて、正圧側スキーラ先端壁３４の内面３４ａと負圧側スキーラ先端壁３６の内面３６ａとの間の先端空洞３５を画定する。正圧側スキーラ先端壁３４の外面３４ｂは、正圧側１４の外面１４ｂと連続し、一方、負圧側スキーラ先端壁３６の外面３６ｂは、負圧側１６の外面１６ｂと連続することができる。ブレード先端３０は、内部空洞２８を高温ガス経路流体にさらされるブレード先端３０の外面と流体的に接続する複数の冷却孔３７、３８をさらに含むことができる。図示の例では、冷却孔３７は、正圧側スキーラ先端壁３４を通り形成され、冷却孔３８は、先端キャップ３２を通り先端空洞３５に開口するよう形成される。追加または代替として、ブレード先端３０の他の場所に冷却穴を設けることができる。

タービン効率を向上させるため、および過渡的なエンジン動作中に先端３０がリングセグメント９０に対してこすられる場合に先端キャップ３２の下の翼内部冷却システムを保護するために、スキーラ先端壁３４、３６は、典型的には、ブレード先端の半径方向最外点と固定タービン構成要素との間の小さな半径方向先端間隙Ｇを維持するために、リングセグメント９０（図２参照）などのタービンブレードにおける犠牲的特徴部として設計されている。作動中、タービンブレード１の正圧側と負圧側との間の圧力差は、回転するブレード先端部３０と周囲の静止タービン構成要素（図示せず）との間の隙間を通って正圧側から負圧側への漏れ流Ｆ_Ｌを駆動し得る。漏れ流Ｆ_Ｌは、タービンローターの効率の低下につながる可能性がある。このような効率の低下には、主に２つの原因がある。１つ目は、先端漏れ流Ｆ_Ｌがブレードに作用しないため、生成される力が減少することである。２つ目は、先端漏れ流Ｆ_Ｌは、隙間を出る際に、ガス経路流体の主流Ｆ_Ｍ（一般に軸方向に沿っている）と混合し、渦構造Ｖ_Ｔ（図２参照）へと巻き込まれる場合があるということである。先端漏れ渦と呼ばれる渦構造Ｖ_Ｔにより、圧力損失が発生し、ローター効率がさらに低下する。ブレード先端部を１つまたは複数のスキーラ先端壁３４、３６を備えたスキーラとして構成すると、先端漏れ流に関連する問題のいくつかを軽減できる場合がある本発明の実施形態は、ブレード先端にトレンチを組み込んだ新規なブレード先端形状を提供することにより、先端漏れ損失をさらに改善することを目的としている。

本発明の第１の実施形態は、図３および図４に図示されており、ここでは、同様の参照番号は、同様の要素を示すものである。図１～図２に示す構成と同様に、図３～図４に示すタービンブレード１は、前縁１８および後縁２０で接合された、略凹状の正圧側１４および略凸状の負圧側１６によって形成される外壁１２を備える翼１０を備える。ブレード先端３０は、第１の半径方向端部にあり、ブレード根元部８は、第１の半径方向端部の反対側の第２の半径方向端部にあり、ブレード１を支持し、ブレード１をディスク（図示せず）に結合する。ブレード先端３０は、翼１０の外壁１２の上に配置された先端キャップ３２を含む。先端キャップ３２は、前縁１８から後縁２０まで延在し、正圧側１４と負圧側１６との間で横方向にさらに延在する。先端キャップ３２は、半径方向外面３２ｂを有し、これは、例示された実施形態では、本質的に平坦な表面であり、すなわち、一定の半径方向高さである。

本発明の態様によれば、トレンチ４０は、高温ガス経路流体に面する先端キャップ３２の半径方向外側に形成される。トレンチ４０は、横方向に対向する第１および第２トレンチ側面４４、４６（図４を参照）に面するトレンチフロア４２によって形成される。トレンチ側面４４、４６は、トレンチフロア４２から先端キャップ３２の半径方向外面３２ｂまで半径方向外向きに延びる。これにより、トレンチフロア４２は、先端キャップ３２の半径方向外面３２ｂに対して半径方向内側に配置される。トレンチ４０は、前縁１８またはその近くに配置されたトレンチ入口５２から、後縁２０またはその近くに配置されたトレンチ出口５４まで延びる。トレンチ４０は、トレンチ入口５２からトレンチ出口５４（図６参照）へ先端漏れ流を引き込むように幾何学的に構成されている。ここに示されている本発明の実施形態は、少なくとも上記の技術的効果を可能にする。

本発明の概念の様々な変形例によれば、トレンチ入口５２は、前縁、または前縁１８の後方で、負圧側１６または正圧側１４に配置することができる。トレンチ出口５４は、後縁２０に、または後縁２０の前方で、負圧側１６または正圧側１４に配置することができる。例えば、トレンチ入口５２は翼１０の翼弦長０％～３０％の位置に配置することができ、トレンチ出口５４は翼１０の翼弦長６０％～１００％の位置に配置することができる。特に、トレンチ入口５２は、翼１０の翼弦長の５％～２０％の間の位置で正圧側１４または負圧側１４に配置することができる。トレンチ出口５４は、翼１０の翼弦長の６５％～９５％の間の位置で、正圧側１４または負圧側１４に配置することができる。示されている実施形態では、トレンチ入口５２とトレンチ出口５４の両方が負圧側１４に配置されている。図示の実施形態では、トレンチ４０は、トレンチ入口５２からトレンチ出口５４まで延びる際に、一定の横幅Ｗ（すなわち、トレンチ側面４４、４６間の垂直距離）を有する。トレンチ４０の横幅Ｗは、ブレード先端３０における翼１０の最大横幅Ｗ_Ａの５０％以下、つまり、正圧側１４と負圧側１６の間の最大垂直距離であってよい。他の実施形態（図示せず）では、トレンチ４０は、例えば、ディフューザまたはノズルとして形成されるように、トレンチ入口５２からトレンチ出口５４まで延びる際に、横方向の幅が変化してもよい。この場合、トレンチ４０は、ブレード先端３０における翼１０の最大横幅Ｗ_Ａの５０％以下の最大横幅を有することができる。本実施形態では、図３に示すように、トレンチ４０は、負圧側１６に配置された入口５２および出口５４の両方を有し、トレンチ４０は、翼１０の翼弦長の４０％～７０％で正圧側１４に最大に近接する（すなわち、最小距離Ｑ）。図４を参照すると、トレンチ４０は、先端キャップ３２の半径方向外面３２ｂとトレンチフロア４２との間の半径方向距離として定義される半径方向深さＤを有する。トレンチ４０は、トレンチ入口５２からトレンチ出口５４まで一定または可変の半径方向深さＤを有することができる。どちらの場合でも、トレンチ４０の最大半径方向深さは、ブレード先端３０の半径方向最外点と周囲の固定タービン部品９０との間の半径方向隙間Ｇの１倍から７倍の間にあるように構成できる。

トレンチ４０の上述した特徴は、単独および組み合わせで、トレンチ内の漏れ流を引き込み、それを後縁へリダイレクトすることによって、翼の正圧側から負圧側へ先端漏れを大幅に低減することができる。以上の効果を図５～図６を参照して説明する。図５は、ベースラインのスキーラ先端構成を有するブレード先端の先端漏れ流を示す流線８２を示す。図６は、本発明の態様による、先端トレンチを有するブレード先端の先端漏れ流を示す流線８４を示す。図６から分かるように、トレンチ４０によって形成された空洞は、先端漏れ流８４を引き込む局所渦を誘発し、大部分の先端漏れ流８４が負圧側にあふれるのを阻止する。特に、トレンチ４０は、ブレード先端の正圧側の近くで、空洞を介して小さく緊密に結合した渦構造を誘発することができる。この小さく緊密に拘束された渦は、先端漏れ流を引き込み、それを後縁２０にリダイレクトする。これにより、バルク通路流（軸流）とのさらなる相互作用が減少する。先端漏れ流とバルク通路流の間の相互作用が最小限に抑えられることで、混合によるエントロピー生成が減少し、全体的な損失が減少する。ブレード先端を通る先端漏れ流を低減することにより、トレンチは出力を増加することができる。

図３に示された実施形態では、トレンチ４０は、直線形状に沿ってトレンチ入口５２からトレンチ出口５４まで延在する。別の実施形態では、図７に示すように、トレンチ４０は、湾曲した形状に沿ってトレンチ入口５２からトレンチ出口５４まで延在することができる。さらなる変形（図示せず）では、トレンチ４０の形状は、翼１０のキャンバー線２９に実質的に平行であってもよい。

上記の先端トレンチ構成は、従来のスキーラ構成の代替として使用することができる。先端漏れ流の大部分を引き込むことにより、先端トレンチ構成は、ブレード先端と固定リングセグメントとの間の半径方向のクリアランス（先端間隙）が大きくなる可能性があり、これにより、スキーラ先端壁などの犠牲的特徴部の必要がなくなる可能性がある。さらに他の実施形態では、先端トレンチ構成は、他の先端漏れ軽減方法とともに使用することができる。そのような例の１つは、先端キャップから半径方向外側に延びる１つ以上のスキーラ先端壁と組み合わせて先端トレンチを使用することである。例えば、図８に示すように、先端トレンチ構成は、先端キャップ３２から半径方向外向きに延びる正圧側スキーラ先端壁３４のみと併せて使用されてもよい。正圧側スキーラ先端壁３４は、前縁１８と後縁２０との間で全体的または部分的に延在してもよく、正圧側スキーラ先端壁３４の前面３４ｂが翼の正圧側１４の外面１４ａと連続するように正圧側１４と面一に配置されてもよい。異なる変形例では、スキーラ先端壁３４は、トレンチ４０と正圧側１４との間に配置されてもよい（すなわち、正圧側１４と同一平面ではない）。別の実施形態では、図９に示すように、先端トレンチ構成は、先端キャップ３２から半径方向外向きに延びる負圧側スキーラ先端壁３６のみと組み合わせて使用されてもよい。負圧側スキーラ先端壁３６は、前縁１８と後縁２０との間で全体的または部分的に延在し、負圧側スキーラ先端壁３６の後面３６ｂが翼の負圧側１６の外面１６ａと連続するように負圧側１６と面一に配置されてもよい。異なる変形例では、スキーラ先端壁３６は、トレンチ４０と負圧側１６との間に配置されてもよい（すなわち、負圧側１６と同一平面ではない）。別の実施形態では、図１０に示すように、先端トレンチ構成は、それぞれが先端キャップ３２から半径方向外向きに延びる正圧側スキーラ先端壁３４および負圧側スキーラ先端壁３６と併せて使用することができる。正圧側スキーラ先端壁３４と負圧側スキーラ先端壁３６は、それぞれ前縁１８と後縁２０の間で全体的または部分的に延在し、それぞれ正圧側１４および負圧側１６と面一に配置される（図１０に示すように）か、または、それぞれ、トレンチ４０と正圧側１４との間、またはトレンチと負圧側１６との間に配置される。図８～図１０には示していないが、上記の各シナリオでは、スキーラ先端壁３４、３６の一方または両方を半径方向に対して傾斜させて、先端漏れ流をさらに制御することができる。

さらなる実施形態では、さらに他の先端損失軽減方法を、上に示した先端トレンチ構成と併せて使用することができる。例として、翼の負圧側にノッチを採用することが挙げられる。前述のタイプの負圧側のノッチは、２０１７年８月１６日に本出願人によって提出された欧州特許出願第１７１８６３４２．６号に記載されており、その内容は参照により全体が本明細書に組み込まれる。１つ以上の上記の先端損失軽減方法（スキーラ先端壁、負圧側ノッチなど）を現在開示されている先端トレンチと組み合わせて、先端漏れ流をさらに制御する実施形態も考えられる。

図示していないが、ブレード先端は、翼の内部冷却システムからの高温ガス経路に冷却剤を排出する冷却孔を含むことができる。冷却孔の出口は、たとえば、トレンチフロア、先端キャップの半径方向外面、または１つ以上のスキーラ先端壁に配置することができる。一般化されたブレード先端形状は、先端漏れ流路を制御することにより、冷却剤トの流れを有効活用することができる。先端形状と冷却孔の位置を同時に最適化すると、流路の変化を利用してブレード先端を冷却できるため、冷却剤の流れを減らし、エンジン効率を向上させ、コンポーネントの寿命を延ばすことができる。

一の実施形態では、ブレード先端は、例えば、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）のような、付加製造（ＡＭ）法により形成することができる。例示的な実施形態では、ブレード先端は、鋳造タービンブレードの上部への層ごとの材料堆積を含むＡＭ法によって形成することができる。別の実施形態では、ブレード先端は、例えばＡＭ法により製造品として別個に製造され、その後、例えばろう付けにより鋳造タービンブレードの上部に取り付けられてもよい。さらに別の実施形態では、例えば鋳造によって、またはＡＭ法によって、ブレード先端を含むタービンブレード全体をモノリシック構成要素として形成することが可能である。なお、上記の方法は一例であり、ここで例示する本発明の概念は製造方法に限定されるものではない。

特定の実施形態を詳細に説明したが、当業者は、本開示の全体的な教示に照らして、これらの詳細に対する様々な修正および代替案を開発できることを理解するであろう。したがって、開示された特定の構成は、例示のみを意図しており、添付の特許請求の範囲およびそのあらゆる同等物の全範囲が与えられる本発明の範囲を限定するものではない。

１ タービンブレード
６ ブレードプラットフォーム
８ ブレード根元部
１０ 翼
１２ 外壁
１４ 正圧側
１６ 負圧側
１７ 外部オリフィス
１８ 前縁
１９ 外部オリフィス
２０ 後縁
２８ 内部空洞
２９ キャンバー線
３０ ブレード先端
３２ａ 半径方向内面
３２ｂ 半径方向外面
３２ 先端キャップ
３４ 正圧側スキーラ先端壁
３５ 先端空洞
３６ 負圧側スキーラ先端壁
３７ 外部オリフィス
３８ 外部オリフィス
４０ トレンチ
４２ トレンチフロア
４４ 第１トレンチ側面
４６ 第２トレンチ側面
５２ トレンチ入口
５４ トレンチ出口
６０ 翼弦長
９０ 固定タービン部品

Claims (9)

1. 前縁（１８）および後縁（２０）で接合される正圧側（１４）および負圧側（１６）によって形成された外壁（１２）を備える翼（１０）と、
   第１の半径方向端部におけるブレード先端（３０）、およびタービンブレード（１）を支持しかつ前記タービンブレード（１）をディスクに結合するための、前記第１の半径方向端部の反対側の第２の半径方向端部における翼根元部と、
   を備えるタービンブレード（１）であって、
   前記ブレード先端（３０）が、前記翼（１０）の前記外壁（１２）上に配置された先端キャップ（３２）を備え、
   トレンチ（４０）が高温ガス経路流体に面する前記先端キャップ（３２）の半径方向外側に形成され、前記トレンチ（４０）は、横方向の両側が第１および第２トレンチ側面（４４，４６）に隣接するトレンチフロア（４２）によって形成されて、前記トレンチフロア（４２）は、前記先端キャップ（３２）の半径方向外面（３２ｂ）に対して半径方向内側に配置され、
   前記トレンチ（４０）は、前記前縁（１８）に、または前記前縁（１８）の近くに配置されたトレンチ入口（５２）から、前記後縁（２０）に、または前記後縁（２０）の近くに配置されたトレンチ出口（５４）まで延在し、前記トレンチ（４０）は、前記トレンチ入口（５２）から前記トレンチ出口（５４）に先端漏れ流を引き込むよう構成され、
   前記トレンチ入口（５２）および前記トレンチ出口（５４）の両方が前記負圧側（１６）に配置されている、タービンブレード（１）。
2. 前記トレンチ入口（５２）が前記翼（１０）の翼弦長の０％～３０％の間の位置に配置され、および
   前記トレンチ出口（５４）が前記翼（１０）の翼弦長の６０～１００％の間の位置に配置されている、請求項１に記載のタービンブレード（１）。
3. 前記トレンチ（４０）が前記翼（１０）の翼弦長の４０％～７０％にて前記正圧側（１４）に最大に近接する、請求項１または２に記載のタービンブレード（１）。
4. 前記トレンチ（４０）が前記トレンチ入口（５２）から前記トレンチ出口（５４）まで一定の、または可変の横幅（Ｗ）を有し、前記トレンチ（４０）の最大横幅（Ｗ）が前記ブレード先端（３０）における前記翼（１０）の最大横幅（Ｗ_Ａ）の５０％以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載のタービンブレード（１）。
5. 前記トレンチ（４０）が前記トレンチ入口（５２）から前記トレンチ出口（５４）まで一定または可変の半径方向深さ（Ｄ）を有し、前記トレンチ（４０）の最大半径方向深さ（Ｄ）は、前記ブレード先端（３０）の半径方向最外点および固定タービン部品（９０）の間の半径方向間隔（Ｇ）の１倍～７倍の間である、請求項１～４のいずれか一項に記載のタービンブレード（１）。
6. 前記トレンチ（４０）が前記トレンチ入口（５２）から前記トレンチ出口（５４）まで直線プロファイルに沿って延在する、請求項１～５のいずれか一項に記載のタービンブレード（１）。
7. 前記トレンチ（４０）が前記トレンチ入口（５２）から前記トレンチ出口（５４）まで湾曲したプロファイルに沿って延在する、請求項１～５のいずれか一項に記載のタービンブレード（１）。
8. 先端キャップ（３２）の前記半径方向外面（３２ｂ）が一定の半径方向高さである、請求項１～７のいずれか一項に記載のタービンブレード（１）。
9. 前記先端キャップ（３２）から半径方向外向きに延在する１または複数のスキーラ先端壁（３４，３６）をさらに備える、請求項１～８のいずれか一項に記載のタービンブレード（１）。

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