JPH11324604A - リブ付タ―ビンブレ―ドチップ - Google Patents
リブ付タ―ビンブレ―ドチップInfo
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- JPH11324604A JPH11324604A JP10324814A JP32481498A JPH11324604A JP H11324604 A JPH11324604 A JP H11324604A JP 10324814 A JP10324814 A JP 10324814A JP 32481498 A JP32481498 A JP 32481498A JP H11324604 A JPH11324604 A JP H11324604A
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/14—Form or construction
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- F01D5/14—Form or construction
- F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2250/00—Geometry
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- F05D2250/18—Two-dimensional patterned
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Abstract
いて、冷却空気の一段と効果的な使用によりエンジン効
率を高め、タービンブレードの耐用寿命を延ばす構成の
提供。 【解決手段】ガスタービンエンジンタービンブレード1
0用のスクイーラチップ28は、翼形30を有するエー
ロフォイルチップキャップ29を含んでおり、その正圧
側32と負圧側34はチップキャップ29の翼弦方向に
離隔した前縁20と後縁22にて互いに結合している。
スクイーラチップ28は、前縁20と後縁22の間でチ
ップキャップ29から外側に延在した複数のスクイーラ
リブ36、及びスクイーラリブ36間の実質的に平行な
溝38をさらに含んでいる。スクイーラリブ36及び溝
は矩形断面を有していてもよいし、前縁リブ48をさら
に含んでいてもよい。
Description
ービンエンジンにおけるタービンロータブレードチップ
シールに関するものであり、具体的にはブレードの負圧
側と正圧側の間に延在するリブの付いたスクイーラチッ
プに関する。
ービンにおいて回転タービンブレードとそれらを取り囲
む静止シールもしくはシュラウドとの間の間隙を通して
の高温膨張燃焼ガスの漏洩に起因することはよく知られ
ている。効率低下を防止するためのかかる相対回転部材
間のシーリングの問題は、エンジンのタービンセクショ
ンにおいては高温及び過渡的遠心過重のため非常に困難
である。
ングを改善するための周知の方法の一つは、タービンブ
レードにスクイーラチップを設けることである。スクイ
ーラチップは、ブレード内部の冷却空気チャンバをふさ
ぐタービンブレード外側端のエンドキャップの周縁に外
側に突き出た比較的小さな高さの連続周縁端壁を含んで
いる。
ドロータとシュラウド間で熱膨張及び収縮速度に差が生
じ、ブレード先端(チップ)とシュラウドのこすれ(r
ubbing)を起こすおそれがある。ブレードに働く
遠心力並びにシュラウドに働く構造力によってそれらが
変形し、かかる変形によっても境界でこすれを生じるお
それがある。これはロータが急激に加速されるエンジン
加速時に殊に当てはまる。
の境界でのこすれはブレードチップの加熱を起こして、
ブレードチップ及びシュラウドに過度の摩耗及び損傷を
もたらす。そこでブレードチップを冷却することが望ま
しい。しかし、スクイーラ型ブレードチップの場合、上
記のような境界こすれで起こる加熱は、実際にはスクイ
ーラチップのエンドキャップと周縁端壁とで画定される
キャビティの存在によって高まる。従って、スクイーラ
型ブレードチップはシーリングの向上に利するものの、
実際には追加冷却を必要とする。スクイーラチップの冷
却は従来、冷却空気チャンバからキャビティへと通じる
チップキャップ内のチップ冷却孔によって施されてい
る。
比較的高コストであることから、ブレードチップ及び個
々のブレードの耐用寿命をできる限り長くするのが望ま
しい。この目的を達成するためブレードチップ冷却が慣
用されてきた。ブレードチップを冷却するための空気流
を向けるための孔を設けることは、例えばZelahy
の米国特許第4247254号に開示されているように
従来技術で知られており、Horvathの米国特許第
4540339号に開示されているようにスクイーラ型
ブレードチップに応用されている。
術者は、タービンブレードの耐用寿命を延ばしかつエン
ジンの作動コストを低減するため、一段と効率的なター
ビンブレードのチップ冷却方式を開発すべく絶えず努力
している。しかし、これを達成すべく使用される冷却空
気は全体としての燃費の点で不経済である。そこで、タ
ービンブレードチップの冷却を遂行するのに利用可能な
冷却空気を一段と効果的かつ効率的に使用することがタ
ービンブレードの耐用寿命を延ばすためだけでなく、エ
ンジンの効率を高めてエンジン作動コストを低減するた
めにも望ましい。従って、利用可能な冷却空気を一段と
効果的かつ効率的に使用することのできるスクイーラチ
ップ設計に対するニーズが存在し続けている。
ービンブレード用のスクイーラチップは、翼形を有する
エーロフォイルチップキャップで、当該チップキャップ
の翼弦方向に離隔した前縁と後縁にて正圧側と負圧側が
互いに結合したチップキャップを含んでいる。当該スク
イーラチップは、前縁と後縁の間で上記チップキャップ
から外側に延在した複数のスクイーラリブ、及びスクイ
ーラリブ間の実質的に平行な溝をさらに含んでいる。上
記スクイーラリブ及び溝は正圧側と負圧側の間で矩形断
面を有していてもよい。上記スクイーラリブは、負圧側
の後縁を含む部分に沿った後縁リブ及び/又は前縁の少
なくとも軸方向延長部の周りでカーブした前縁リブをさ
らに含んでいてもよい。上記スクイーラリブは、軸後部
方向に負圧側の前縁から正圧側の後縁に向かって傾斜し
ていてもよい。
ブを配設してもよく、各々の溝を横切る溝リブが1つず
つ配設されるように配置し得る。スクイーラチップはス
クイーラリブ間の溝にチップキャップを貫通した開口が
全くないように構成し得る。スクイーラチップは、スク
イーラリブに対してチップキャップの内側に位置する内
部冷却チャンバ部をもった中空エーロフォイル部を含ん
でいてもよい。中空エーロフォイル内に内部冷却リブ部
をチップキャップと一体に配設してもよい。
側壁と負圧側壁とがエーロフォイルの翼弦方向に離隔し
た前縁と後縁にて互いに結合しかつブレード根元からス
クイーラチップまで縦方向に延在するエーロフォイル外
壁をもつエーロフォイルを有するガスタービンエンジン
タービンブレードである。上記両側壁は前縁と後縁の間
互いに離隔していて、かつ1以上の冷却回路を画定する
複数の内部リブによって互いに結合している。スクイー
ラチップは、ブレードの正圧側壁及び負圧側壁と一致し
た正圧側及び負圧側をもつ翼形のエーロフォイルチップ
キャップを含んでいる。複数のスクイーラリブが前縁と
後縁の間でチップキャップから外側に延在していて、実
質的に平行な溝がスクイーラリブ間にある。
ーラチップキャビティに不経済な冷却空気を使用せず
に、従来のスクイーラチップよりも格段に低温でスクイ
ーラチップが作動することがある。本発明のもう一つの
有利な効果は、最小限のフィルム冷却しか必要とされ
ず、スクイーラチップキャップへの伝導によって冷却が
簡単なことである。正圧側から負圧側に向かう傾斜チッ
プリブの向きに沿っての翼先端漏洩流は、リブ方向に沿
っての正圧側と負圧側の圧力勾配が小さいために小さ
い。チップリブの向きに垂直な翼先端漏洩流も、従来の
スクイーラチップ設計における2つの制限要素に比べる
と多数のリブ制限を有するので低減する。正圧側から負
圧側に向かっての全体としての翼先端漏洩流は従来のス
クイーラチップ設計に比べて減少する。チップリブはエ
ーロフォイルと一体物として鋳造することができ、リブ
付チップの使用に対して従来のスクイーラチップと同様
にサービス補修が可能である。チップリブは、また、エ
ーロフォイルに容易にろう付できる単一物品としてチッ
プキャップと一体に鋳造することもできる。
な態様を特許請求の範囲に記載し、明示した。以下、添
付の図面を参照しながら、本発明をその目的及び有利な
効果と併せてさらに具体的に説明する。図1及び図3に
示したのは、ガスタービンエンジン用のタービンブレー
ド10の具体例である。ブレード10はエーロフォイル
12及び根元14を含んでおり、根元14はブレード1
0をエンジンのロータディスクに従来通り固定するのに
用いられる。エーロフォイル12は外壁15を有してお
り、その正圧側壁16と負圧側壁18は翼弦Cに関して
軸方向(すなわち翼弦方向)に離隔した上流の前縁20
と下流の後縁22に沿って互いに結合している。エーロ
フォイル12は、エーロフォイル12のスパン方向の縦
軸(すなわち半径方向軸)24に沿って半径方向内側の
基部26から半径方向外側のスクイーラチップ28まで
縦方向に延在し、エーロフォイルのスパンSをなす。
フォイルチップキャップ29を有しており、それぞれ正
圧側壁16と負圧側壁18に一致する正圧側32と負圧
側34はチップキャップの翼弦方向に離隔した前縁20
と後縁22にて互いに結合している。複数のスクイーラ
リブ36が前縁20と後縁22の間でチップキャップ2
9から外側に延在しており、スクイーラリブ間に実質的
に平行な溝38が配設されている。
くは、正圧側32と負圧側34の間で矩形断面40を有
する。スクイーラリブ36は、好ましくは、負圧側34
の後縁22を含む部分44に沿って後縁リブ42を含
む。加えて或いはその代わりに、スクイーラリブ36
は、好ましくは、前縁20の少なくとも軸方向延長部5
0の周りでカーブした前縁リブ48を含む。スクイーラ
リブ36は、好ましくは、軸後部方向46に負圧側34
の前縁20から正圧側32の後縁22に向かって傾斜す
る。エンジン作動中、同一軸方向位置では負圧側34よ
りも正圧側32で圧力が高く、前縁20から後縁22に
向かって圧力が減少するという表面静圧分布がエーロフ
ォイル12に存在する。正圧側32から負圧側34に向
かっての翼先端漏洩流があるとすれば、上述の配向をも
つスクイーラリブ36に沿った溝を通じて導かれる。ス
クイーラリブ36に沿った溝38を通しての圧力勾配は
上述の圧力分布の特性のため最小限となる。そのため翼
先端漏洩流が減少する。
を示すもので、溝リブ60がスクイーラリブ36間にそ
れと垂直に溝を横切るように配設されている。スクイー
ラチップ28は好ましくは各々の溝38を横切って配設
される溝リブが1つだけとなるような配列の溝リブ38
を有するが、各々の溝に2以上の溝リブを配設してもよ
い。スクイーラチップは、冷却空気を節約するため、ス
クイーラリブ36間の溝38にチップキャップ29を貫
通した開口が全くないように構成し得る。溝リブは圧力
側32から負圧側34への翼先端漏洩流をさらにブロッ
クするように設計され、好ましくは、チップキャップ2
9を通しての伝導冷却のための有効な手段を与えるため
にも翼弦Cに沿うようにチップキャップの中央に位置す
る。
ル12の内側流れ境界を形成する従来のプラットホーム
31にて画定され、その下に根元14が延びている。ブ
レード10の作動時には、燃焼器(図示せず)で燃焼ガ
スが発生して、エーロフォイル側壁16及び18上を下
流に流れる。エーロフォイル12の冷却は、スクイーラ
リブ36に対してチップキャップ29の内側に位置する
エーロフォイル内部の冷却チャンバ部74をもった中空
エーロフォイル部によって提供される。
実施形態であり、中空エーロフォイル12内の冷却チャ
ンバ76は、米国特許第5660524号、同第559
1007号及び米国特許出願第08/971305号
(特願平10−324815に対応)等の技術文献にみ
られるような少なくとも1つの冷却回路80を含んでい
る。正圧側壁16及び負圧側壁18は前縁20と後縁2
2の間で周方向(すなわち横方向)に互いに離隔してい
て複数の内部リブ90で一体としてつながっており、内
部リブ90は、外側段蛇行部92a及び内側段蛇行部9
4aをそれぞれ有する外側冷却回路92及び内側冷却回
路94として示す少なくとも独立した複数の冷却通路を
画定する。
12内に配設されかつチップキャップ29と一体の内部
冷却リブ部98を含んでいる。これは、熱伝導及び対流
によってチップキャップ29及びスクイーラリブ36及
び溝リブ60を冷却するのにさらに役立つ。内側入口流
路140aと外側入口流路140bは、従来通り冷却空
気142を受け入れるため、根元14内部のエーロフォ
イル基部26下方の共通平面で始まる。冷却空気142
はこうして一段と効率的に利用され、圧縮機から抽気さ
れる冷却空気の量が減って、ガスタービンエンジンの全
体的作動効率が上昇する。
リブ171と外壁15の前縁20との間に形成される。
後縁冷却プレナム172は最後部のスパンリブ175と
外壁15の後縁22との間に形成される。最前部スパン
リブ171内の冷却空気排出口174は冷却空気を外側
入口流路140aから前縁冷却プレナム170に供給
し、そこから従来の前縁シャワーヘッド冷却孔144を
通して冷却吸気が流出する。最後部スパンリブ175内
の冷却空気排出口174は冷却空気を内側出口流路14
1から後縁冷却プレナム172に供給し、そこから従来
の後縁冷却孔146を通して冷却空気が流出する。これ
は前縁20及び後縁22を冷却するために用いられる。
15の片側又は両側の複数の下流傾斜フィルム冷却孔1
48を含んでいてもよい。エーロフォイル12は、その
他にも、当技術分野で周知のタービュレータもしくはピ
ン(図示せず)等のエーロフォイルの冷却を促進するた
めの慣用手段を有していてもよい。
る実施形態について記載してきたが、本発明についての
その他様々な修正は本明細書の教示内容から当業者には
自明であり、添付の特許請求の範囲においてかかる修正
のすべてが本発明の真の技術的思想及び技術的範囲に属
するものとして保護されることを望むものである。そこ
で米国特許で保護されることを望むのは特許請求の範囲
に記載され明示された事項である。
プキャップを有するガスタービンエンジンブレードエー
ロフォイルの外側部分の透視図。
ャップを有するガスタービンエンジンブレードエーロフ
ォイルの外側部分の透視図。
マルジョンの3−3線に沿っての断面図。
Claims (10)
- 【請求項1】 翼形(30)を有するエーロフォイルチ
ップキャップ(29)で、チップキャップ(29)の翼
弦方向に離隔した前縁(20)と後縁(22)にて互い
に結合した正圧側(32)と負圧側(34)を含むチッ
プキャップ(29)、 前縁(20)と後縁(22)の間でチップキャップ(2
9)から外側に延在する複数のスクイーラリブ(3
6)、及びスクイーラリブ(36)間の実質的に平行な
溝(38)を含んでなる、ガスタービンエンジンタービ
ンブレード(10)用スクイーラチップ(28)。 - 【請求項2】 スクイーラリブ(36)及び溝が正圧側
(32)と負圧側(34)の間で矩形断面(40)を有
する、請求項1記載のスクイーラチップ(28)。 - 【請求項3】 スクイーラリブ(36)が、負圧側の後
縁(22)を含む部分に沿って後縁リブ(42)を含ん
でいる、請求項1記載のスクイーラチップ(28)。 - 【請求項4】 スクイーラリブ(36)が、前縁(2
0)の少なくとも軸方向延長部の周りでカーブした前縁
リブ(48)を含んでいる、請求項3記載のスクイーラ
チップ(28)。 - 【請求項5】 スクイーラリブ(36)が、軸後部方向
(46)に負圧側の前縁(20)から正圧側の後縁(2
2)に向かって傾斜している、請求項1記載のスクイー
ラチップ(28)。 - 【請求項6】 スクイーラリブ(36)間に溝を横切っ
て配設された溝リブ(60)をさらに含んでなる、請求
項1記載のスクイーラチップ(28)。 - 【請求項7】 正圧側壁(16)と負圧側壁(18)と
がエーロフォイル(12)の翼弦方向に離隔した前縁
(20)と後縁(22)にて互いに結合しかつブレード
根元(14)からスクイーラチップ(28)まで縦方向
に延在するエーロフォイル外壁(15)をもつエーロフ
ォイル(12)を含んでなるガスタービンエンジンター
ビンブレード(10)であって、 側壁(16,18)は前縁(20)と後縁(22)の間
互いに離隔していて、かつ1以上の冷却回路(80)を
画定する複数の内部リブ(90)によって互いに結合し
ており、 スクイーラチップ(28)は、上記正圧側壁(16)及
び負圧側壁(18)と一致した正圧側(32)及び負圧
側(32、34)をもつ翼形(30)のエーロフォイル
チップキャップ(29)、前縁(20)と後縁(22)
の間でチップキャップ(29)から外側に延在する複数
のスクイーラリブ(36)をもつ翼形(30)のエーロ
フォイルチップキャップ(29)、並びにスクイーラリ
ブ(36)間の実質的に平行な溝(38)を含んでい
る、ガスタービンエンジンタービンブレード(10)。 - 【請求項8】 スクイーラリブ(36)が、負圧側の後
縁(22)を含む部分に沿った後縁リブ(42)及び前
縁(20)の少なくとも軸方向延長部の周りでカーブし
た前縁リブ(48)を含んでいて、スクイーラリブ(3
6)が軸後部方向(46)に負圧側の前縁(20)から
正圧側の後縁(22)に向かって傾斜している、請求項
7記載のブレード。 - 【請求項9】 スクイーラリブ(36)及び溝が正圧側
(32)と負圧側(34)の間で矩形断面(40)を有
する、請求項8記載のブレード。 - 【請求項10】 スクイーラリブ(36)間に溝(3
8)を横切って配設された溝リブをさらに含んでなる、
請求項8記載のブレード。
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EP (1) | EP0916811B1 (ja) |
JP (1) | JP3844324B2 (ja) |
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