JP4386891B2 - 傾斜スキーラ先端を有するタービンブレード - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジン用タービンブレードに関し、具体的には、このようなタービンブレードの先端の冷却及び先端漏洩流に関する。

空気が、ガスタービンエンジンの圧縮機内で加圧され、燃焼器内で燃料と混合されて高温燃焼ガスを発生し、その後このガスは、１つ又はそれ以上のタービンを通して下流方向に流れ、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ことは公知である。このようなタービンによると、円周方向に間隔を置いて配置された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る。各ブレードは、一般的にロータディスク内の対応するダブテールスロット内にブレードを組立てたり分解したりするのを可能にするダブテールとダブテールから半径方向外向きに延びる翼形部とを含む。

翼形部は、対応する前縁及び後縁間で軸方向に、また根元及び先端間で半径方向に延びるほぼ凹面形の正圧側面とほぼ凸面形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て、タービンブレード間で下流方向に流れる燃焼ガスのそれらの間での漏洩を最小にするようになっていることを理解されたい。エンジンの最大効率は、先端間隙すなわちギャップを最小にすることによって得られるが、望ましくない先端摩擦の可能性を少なくするために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差によって制限される。

タービンブレードは高温燃焼ガスを浴びせられるので、有効寿命を保証するために効果的な冷却が必要とされる。ブレード翼形部は、中空であり、かつ圧縮機と流体連通した状態で配置されて、翼形部を冷却するのに用いるために圧縮機から抽気した加圧空気の一部分を受けるようになっている。翼形部冷却は、非常に複雑であり、様々な形態の内部冷却チャネル及び特徴形状と翼形部の壁を貫通する冷却空気を吐出すための冷却孔とを用いて行うことができる。

翼形部先端は、該翼形部先端がタービンシュラウドと該タービンシュラウドとの間の先端ギャップを通って流れる高温燃焼ガスとに直ぐ隣接して設置されるので、冷却するのが特に難しい。従って、翼形部内部を流れる空気の一部分が、一般的に翼形部先端を冷却するためにその先端を通して吐出される。先端は、一般的に前縁と後縁との間で正圧及び負圧側面に沿って同一の広がりをもつように配置された連続する半径方向外向きの突出端縁リブを含み、この先端リブは、翼形部の周りの空気力学的輪郭に沿い、翼形部の空気力学的効率に大きく寄与することになる。

一般的に、先端リブは、対向する正圧及び負圧側面上方に間隔を置いて配置されて上端の開口先端空洞を形成する部分を有する。先端プレートすなわちフロアが、正圧及び負圧側面リブ間で延び、かつその中に冷却空気を閉じ込めるように翼形部の上端を囲む。さらに、先端を冷却しかつ先端空洞を満たすためにフロアを貫通して延びる先端孔が設けられる。

当技術分野では、特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４を含むタービンブレード先端の冷却に関する幾つかの例示的な特許が開示されていることが分かるであろう。これらの特許は、先端ギャップの流れ抵抗を増大させるために、正圧及び／又は負圧側面とのオフセットを含む様々なブレード先端構成を開示している。それにもかかわらず、全先端漏洩流をさらに減少させ、それによってタービン効率を向上させるために、先端領域付近の圧力分布の改善が、依然として求められている。
米国特許第５２６１７８９号 特開２０００−３４５８０４号 特開２０００−２９１４０４号 特開２０００−２９７６０３号

従って、上記に照らして、全先端漏洩流を減少させ、それによってタービンの効率を向上させるように先端領域付近の圧力分布を変更したタービンブレードを開発することが望ましいと思われる。先端領域における流れ特性及び圧力分布を改善するために、このようなタービンブレード先端においてその先端におけるリブに隣接する１つ又はそれ以上の再循環領域を作り出すこともまた望ましい。

本発明の第１の例示的な実施形態では、翼形部と、翼形部をタービンシュラウドの内側で半径方向軸線に沿ってロータディスクに取付けるための一体形ダブテールとを含むものとしてガスタービンエンジン用タービンブレードを開示する。翼形部はさらに、前縁及び後縁において互いに接合され、ダブテールに隣接して配置された根元から先端プレートまで延びてその上に燃焼ガスを流すようになった第１及び第２の側壁と、前縁及び後縁間で先端プレートから外向きに延びる少なくとも１つの先端リブとを含む。先端リブは、該先端リブを通って縦方向に延びる軸線がタービンブレードの軸方向長さの少なくとも指定部分において半径方向軸線に対して角度をなすように配向される。縦方向軸線と半径方向軸線との間の角度は、指定部分にわたって実質的に同一にするか又は指定部分にわたって変化させることができる。

本発明の第２の例示的な実施形態では、翼形部と、翼形部をタービンシュラウドの内側で半径方向軸線に沿ってロータディスクに取付けるための一体形ダブテールとを含むものとしてガスタービンエンジン用タービンブレードを開示する。翼形部はさらに、前縁及び後縁において互いに接合され、ダブテールに隣接して配置された根元から先端プレートまで延びてその上に燃焼ガスを流すようになった第１及び第２の側壁と、前縁及び後縁間で先端プレートから外向きに延びる少なくとも１つの先端リブとを含む。先端リブは、タービンブレードの軸方向長さの少なくとも指定部分において翼形部とシュラウドとの間の燃焼ガスの漏洩流を減少させる燃焼ガスの第１の再循環領域が先端リブの末端部に隣接して形成されるように、半径方向軸線に対して配向される。

図全体を通して同一の参照符号が同じ要素を示す図面をここで詳細に参照すると、図１は、燃焼器（図示せず）から高温燃焼ガス１２を受けるように該燃焼器の直ぐ下流に取付けられた、ガスタービンエンジンの高圧タービン１０の一部分を示す。タービン１０は、軸方向中心軸線１４について軸対称であり、ロータディスク１６と、半径方向軸線１７に沿ってロータディスク１６から半径方向外向きに延びる複数の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１８（その１つを図示する）とを含む。環状のタービンシュラウド２０が、固定ステータケーシング（図示せず）に適当に結合されかつブレード１８を囲み、それらの間に比較的小さい間隙すなわちギャップを形成して、運転時にギャップを通る燃焼ガス１２の漏洩を制限するようにする。

各ブレード１８は、ロータディスク１６の周囲の対応するダブテールスロット内に取付けられるように構成された軸方向ダブテールのような任意の従来の形態を有することができるダブテール２２を含むのが好ましい。中空の翼形部２４は、ダブテール２２に一体形に結合され、ダブテール２２から半径方向すなわち縦方向に外向きに延びる。ブレード１８はまた、燃焼ガス１２の半径方向内側流路の一部分を形成するように翼形部２４とダブテール２２との接合部に配置された一体形のプラットホーム２６を含む。ブレード１８は、任意の従来の方法で形成することができ、一般的には一体形鋳造品であることが分かるであろう。

翼形部２４は、それぞれ対向する前縁３２及び後縁３４間で軸方向すなわち翼弦方向に延びる、ほぼ凹面形の第１の側面すなわち正圧側面２８と、円周方向すなわち横方向に対向するほぼ凸面形の第２の側面すなわち負圧側面３０とを含むのが好ましいことが分かるであろう。側壁２８及び３０はまた、プラットホーム２６における半径方向内側根元３６と半径方向外側先端３８との間で半径方向すなわち縦方向に延びる。さらに、第１及び第２の側壁２８及び３０は、翼形部２４の全縦方向すなわち半径方向スパン全体にわたって横方向すなわち円周方向に間隔を置いて配置されて、翼形部２４を冷却するために該翼形部２４を通して冷却空気４２を流す少なくとも１つの内部流れチャンバすなわちチャネル４０を形成する。冷却空気４２は、一般的に任意の従来の方法で圧縮機（図示せず）から抽気される。

翼形部２４の内側は、例えばその中に冷却空気効果を高めるるための様々なタービュレータを備えた蛇行流れチャネルを含む任意の構成を有することができ、冷却空気４２は、従来のフィルム冷却孔４４及び後縁吐出し孔４６のような様々な翼形部２４を貫通する孔を通して吐出される。

図２〜図５で分かるように、ブレード先端３８は、第１及び第２の側壁２８及び３０の半径方向外端部上に一体形に配置された先端フロアすなわちプレート４８を含み、先端プレート４８が内部冷却チャネル４０を境界づけるのが好ましい。第１の先端壁すなわちリブ５０は、前縁３２及び後縁３４間で第１の（正圧）側壁２８に隣接して先端プレート４８から半径方向外向きに延びるのが好ましい。第２の先端壁すなわちリブ５２もまた、前縁３２及び後縁３４間で先端プレート４８から半径方向外向きに延び、第２の（負圧）側壁３０に隣接して第１の先端リブ５０から横方向に間隔を置いて配置されて、それらの先端リブ間に上端開口の先端チャネル５４を形成するのが好ましい。先端チャネル５４は、第１及び第２の先端リブ５０及び５２によって囲まれているものとして図示したが、特開２０００−２９７６０３号に開示されているような、先端チャネル５４を通して燃焼ガス１２を吐出すのを助けるための先端入口及び先端出口を含む先端チャネル５４も、本発明に矛盾しない。

図２〜図５に示すように、第１の先端リブ５０は、第１の側壁２８から陥凹して、先端３８の冷却を改善するために当技術分野で開示されているような先端プレート４８にほぼ平行な先端棚５６を形成するのが好ましい。先端リブが全体にわたって半径方向軸線１７にほぼ平行に配向されている前に示した先端リブ構成と対照的に、本発明は、好ましいことに、第１の先端リブ５０（図４を参照）を通って延びる縦方向軸線５８が、タービンブレード１８の軸方向長さの少なくとも指定部分６０において半径方向軸線１７に対して角度θで形成されることを提供する。

角度θは指定部分６０にわたって実質的に同一又は一定にすることができるが、角度θは、図４及び図５に示す角度θの変化によって明らかにするように指定部分６０にわたって変化するのが好ましい。具体的には、角度θは、それぞれ前縁３２及び後縁３４の両方において又はそれらに隣接して最小（およそ０°）になるのが好ましい。その後、角度θは、図４に示すように第１の先端リブ５０上の中間箇所６２に設置された最大角度まで徐々に増大するのが好ましい。中間箇所６２は、前縁３２から後縁３４までの距離のおよそ１／４〜３／４として特定した第１の先端リブ５０の指定部分６０の範囲内に位置するのが好ましい。角度θの変化する性質のため、角度が指定部分６０の範囲内で変化する時に、およそ０°〜７０°、より好ましくはおよそ２０°〜６５°、また最適にはおよそ４０°〜６０°の範囲内であるのが好ましい。

指定部分６０は、好ましくは翼形部２４を通る翼弦のおよそ５〜９５％にわたって延びる翼形部２４の軸方向長さであることが分かるであろう。指定部分６０は、翼形部２４を通る翼弦のおよそ７〜８０％にわたって延びるのがより好ましく、また翼形部２４を通る翼弦のおよそ１０〜７０％にわたって延びるのが最適であることが分かるであろう。

このように第１の先端リブ５０を配向することによって、第１の先端リブ５０の末端部６６に隣接して、燃焼ガス１２の第１の再循環領域６４が形成される。その場合、第１の再循環領域６４は、燃焼ガスの漏洩流（流れの矢印６８によって示す）を減少させ、実際には摩擦の危険性を生じることなくブレード先端３８とシュラウド２０との間のギャップ７０の大きさを縮小するように機能する。一般的に言えば、再循環領域６４は、角度θが増大するにつれてその大きさが増大することが理解されるであろう。

第１の先端リブ５０の高さと、先端棚５６の深さと、縦方向軸線５８及び半径方向軸線１７間の角度θとの間には関係が存在することがさらに分かるであろう。具体的には、角度θのタンジェントは、先端棚５６の深さを第１の先端リブ５０の高さによって除算したものにほぼ等しい。従って、角度θが大きくなればなるほど、所定の先端リブ高さの場合に先端棚５６のより大きい深さが必要となる。従って、先端棚深さに固有の限界値は、角度θに対する制約に置き換えられる。また、後で指摘するように再循環領域６４がギャップ７０の大きさを縮小するのに役立つので、第１の先端リブ５０の高さの変更を行うことが可能になることも分かるであろう。このことは、所定の先端棚深さの場合に、第１の先端リブ５０の高さを低くすることによって角度θを増大させることができ、それがまた第１の先端リブ５０とシュラウド２０との間の摩擦の危険性を低下させる利点を有することを意味する。

さらに、第１の先端リブ５０の表面７４と先端棚５６との間に、その中に燃焼ガス１２の第２の再循環領域７６が形成されるのを促進するポケット７２が形成されることも分かるであろう。第１の先端リブ表面７４に沿って冷却フィルム８０を形成するための複数の冷却孔７８が好ましくは先端棚５６内部に設けられるので、ポケット７２及び第２の再循環領域７６は、第１の先端リブ５０（図１０Ａを参照）付近に冷却フィルム８０を維持するのを助ける。従って、燃焼ガス１２の流れは、第１の先端リブ５０及び冷却フィルム８０によって偏向され、ギャップ７０から押しのけられる。従って、この流れの偏向により、ギャップ７０を通る漏洩流に対する流れ抵抗が生じ、冷却フィルム８０を維持して第１の先端リブ５０をより良好に冷却する。

さらに、第１の先端リブ５０は、特開２０００−２９１４０４号に開示されているように、先端プレート４８に隣接して設置された第１の端部から末端部６６まで縦方向にテーパを付けて該第１の先端リブの冷却伝導性を高めるように変更することができることが理解されるであろう。第１の先端リブ５０の末端部６６はまた、第１の再循環領域６４が維持されさえすれば、Ｌｅｅに付与された米国特許第６０８６３２８号の教示に従ってそのような位置における熱応力を減少させるようにテーパを付けることができる。

図６に示すように、第１の先端リブ５０は、半径方向軸線１７に対して傾斜させることができ、また第２の先端リブ５２の縦方向軸線８２は、半径方向軸線１７にほぼ平行なままとすることができる。しかしながら、第２の先端リブ５２は、該第２の先端リブが少なくとも指定領域６０（図４及び図５を参照）の範囲内で前縁３２から後縁３４まで延びる時に、角度Φが縦方向軸線８２と半径方向軸線１７との間に存在するように、第１の先端リブ５０にほぼ平行になるように配向することが好ましい。このようにして、第１の先端リブ５０に関して説明した第１の再循環領域６４（図１０Ｂを参照）と同様な第３の再循環領域８４が、第２の先端リブ５２の末端部８６に形成されるのが好ましい。その場合、第３の再循環領域８４は、第１の再循環領域６４と同様にギャップ７０の流れ抵抗を増大させるのを助ける。さらに、第４の再循環領域８５が、一般的に第１の先端リブ５０と第２の先端リブ５２との間に位置した領域８７内に形成されることに注目されたい。高温燃焼ガス１２の再循環領域８７内に存在するので、先端プレート４８を貫通して１つ又はそれ以上の冷却孔８９を形成するのが好ましい。

その上、図７及び図８に示す別の実施形態は、第１の先端リブ５０を半径方向軸線１７にほぼ平行なままにした状態で、半径方向軸線１７に対して第２の先端リブ５２を傾斜させることができることを示す。この角度Φは、図７に示すように上流方向（本明細書ではプラス方向と呼ぶ）に鋭角をなすようにすることができ、或いは図８に示すように半径方向軸線１７に対して下流方向（本明細書ではマイナス方向と呼ぶ）に鋭角をなすようにすることができる。角度Φは、およそ＋６０°〜−６０°の範囲を有することになるのが好ましいことを理解されたい。さらに、図８からも分かるように、第２の先端リブ５２は、マイナス（下流）方向に傾斜される場合には、負圧側壁３０に対して陥凹して先端棚８８を形成することができる。

さらに別の構成は、それぞれ第１及び第２の先端リブ５０及び５２間に設置された、特開２００１−０９８９０４号（図９を参照）に記載したものと類似の第３の先端リブ９０を備えることを含む。第３の先端リブ９０は、該第３の先端リブを通る縦方向軸線９２が半径方向軸線１７にほぼ平行になっている
本発明の好ましい実施形態を示しかつ説明してきたが、当業者は、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、適当な変更によってタービンブレード及びその先端の更なる改造を行うことが可能である。具体的には、タービンブレードの前縁から後縁まで及び／又はタービンブレードの根元から先端までにねじりを与えた当技術分野における一部のタービンブレードに、先端漏洩流を減少させるための所望の再循環領域を形成するような適当な変更を加えて、本明細書中に示した先端リブ構成を利用することもできる。

本発明の例示的な実施形態による先端を有する、周囲のシュラウド内部でロータディスクに取付けられた例示的なガスタービンエンジンロータブレードの部分断面斜視図。 例示的な実施形態による一対の空気力学的先端リブを有する、図１に示したブレード先端の斜視図。 図１及び図２に示したブレード先端の平面図。 線４−４にほぼ沿って取りかつブレード先端リブを通る縦方向軸線と半径方向軸線との間の最大角度を示す、タービンシュラウド内部での図３に示したブレード先端の側面断面図。 線５−５にほほ沿って取りかつブレード先端リブを通る縦方向軸線と半径方向軸線との間の最小角度を示す、タービンシュラウド内部での図３に示したブレード先端の側面断面図。 翼形部の正圧側面においてブレード先端リブを通る縦方向軸線が半径方向軸線に対して鋭角を形成しかつ翼形部の負圧側面におけるブレード先端リブが半径方向軸線にほぼ平行である、図４及び図５に示したのと同様な別のブレード先端の側面断面図。 翼形部の負圧側面においてブレード先端リブを通る縦方向軸線が半径方向軸線に対して上流方向に鋭角を形成しかつ翼形部の正圧側面におけるブレード先端リブが半径方向軸線にほぼ平行である、図４及び図５に示したのと同様な第２の別のブレード先端の側面断面図。 翼形部の負圧側面においてブレード先端リブを通る縦方向軸線が半径方向軸線に対して下流方向に鋭角を形成しかつ翼形部の正圧側面におけるブレード先端リブが半径方向軸線にほぼ平行である、図４及び図５に示したのと同様な第３の別のブレード先端の側面断面図。 第３の中間ブレード先端リブが、翼形部の正圧及び負圧側面に隣接して設置されたブレード先端リブ間に配置された、図４及び図５に示したのと同様な第３の別のブレード先端の側面断面図。 正圧側面ブレード先端リブに隣接しまたそのようなリブとタービンシュラウドとの間のギャップを通る燃焼ガスの流れを示す、タービンシュラウド内部での図４に示したブレード先端の拡大部分断面図。 負圧側面ブレード先端リブに隣接し、正圧及び負圧側面ブレード先端リブ間の領域に隣接し、またそのようなリブとタービンシュラウドとの間のギャップを通る燃焼ガスの流れを示す、タービンシュラウド内部での図４に示したブレード先端の拡大部分断面図。

符号の説明

１０ 高圧タービン
１２ 高温燃焼ガス
１４ 軸方向中心軸線
１６ ロータディスク
１７ 半径方向軸線
１８ タービンブレード
２０ タービンシュラウド
２２ ダブテール
２４ 翼形部
２６ プラットホーム
２８ 正圧側壁
３０ 負圧側壁
３２ 翼形部前縁
３４ 翼形部後縁
３６ 翼形部根元
３８ ブレード先端
４０ 冷却チャネル
４２ 冷却空気
４４ フィルム冷却孔
４６ 後縁吐出孔
４８ 先端プレート
５０、５２ 先端リブ
５４ 先端チャネル
５６、８８ 先端棚
５８、８２ 縦方向軸線

Claims (10)

1. 翼形部（２４）と、前記翼形部（２４）をタービンシュラウド（２０）の内側で半径方向軸線（１７）に沿ってロータディスク（１６）に取付けるための一体形ダブテール（２２）とを含むガスタービンエンジン用タービンブレード（１８）であって、前記翼形部（２４）が、
   （ａ）前縁（３２）及び後縁（３４）において互いに接合され、前記ダブテール（２２）に隣接して配置された根元（３６）から先端プレート（４８）まで延びてその上に燃焼ガス（１２）を流すようになった第１及び第２の側壁（２８、３０）と、
   （ｂ）前記前縁及び後縁（３２、３４）間で前記先端プレート（４８）から外向きに延びる少なくとも１つの先端リブ（５０／５２）と、を含み、
   前記先端リブ（５０／５２）が、該先端リブを通って縦方向に延びる軸線（５８／８２）が前記半径方向軸線（１７）に対して前記タービンブレード（１８）の軸方向長さの少なくとも指定部分（６０）において変化する角度（θ／Φ）を有するように配向されている、
   タービンブレード（１８）。
2. 前記縦方向軸線（５８／８２）と半径方向軸線（１７）との間の角度（θ／Φ）が０°〜７０°の範囲内にある、請求項１記載のタービンブレード（１８）。
3. 前記縦方向軸線（５８／８２）と半径方向軸線（１７）との間の角度（θ／Φ）が２０°〜６５°の範囲内にある、請求項１記載のタービンブレード（１８）。
4. 前記縦方向軸線（５８／８２）と半径方向軸線（１７）との間の角度（θ／Φ）が４０°〜６０°の範囲内にある、請求項１記載のタービンブレード（１８）。
5. 前記第１の側壁（２８）に隣接して設置された第１の先端リブ（５０）と前記第２の側壁（３０）に隣接して設置された第２の先端リブ（５２）とをさらに含み、前記第１の先端リブ（５０）が、該第１の先端リブを通って縦方向に延びる軸線（５８）が前記半径方向軸線（１７）に対して前記タービンブレード（１８）の軸方向長さの少なくとも指定部分（６０）において変化する角度（θ）を有するように配向されている、請求項１記載のタービンブレード（１８）。
6. 前記第１の側壁（２８）に隣接して設置された第１の先端リブ（５０）と前記第２の側壁（３０）に隣接して設置された第２の先端リブ（５２）とをさらに含み、前記第２の先端リブ（５２）が、該第２の先端リブを通って縦方向に延びる軸線（８２）が前記半径方向軸線（１７）に対して前記タービンブレード（１８）の軸方向長さの少なくとも指定部分（６０）において変化する角度（Φ）を有するように配向されている、請求項１記載のタービンブレード（１８）。
7. 前記先端リブ（５０／５２）が、前記タービンブレード（１８）の軸方向長さの少なくとも指定部分（６０）において前記翼形部（２４）と前記シュラウド（２０）との間の燃焼ガス（１２）の漏洩流を減少させる燃焼ガス（１２）の第１の再循環領域（６４／８４）が前記先端リブ（５０／５２）の末端部（６６／８６）に隣接して形成されるように、前記半径方向軸線（１７）に対して配向されている、請求項１記載のタービンブレード（１８）。
8. 前記先端リブ（５０）がさらに、該先端リブ（５０）に隣接して先端棚（５６）を形成するように前記第１の側壁（２８）に対して陥凹し、前記第１の先端リブ（５０）と前記先端棚（５６）との間の接合部が、前記先端リブ（５０）に沿って冷却フィルム（８０）を維持するのを助ける燃焼ガス（１２）の第２の再循環領域（７６）がその中に形成されるように半径を付けられている、請求項５記載のタービンブレード（１８）。
9. 前記第１の側壁（２８）に隣接して設置された第１の先端リブ（５０）と前記第２の側壁（３０）に隣接して設置された第２の先端リブ（５２）とをさらに含み、燃焼ガス（１２）の第１の再循環領域（６４）が前記第１の先端リブ（５０）の末端部（６６）に隣接して形成され、また燃焼ガス（１２）の第２の再循環領域（８４）が前記第２の先端リブ（５２）の末端部（８６）に隣接して形成され、前記第１及び第２の先端リブ（５０、５２）が、前記第１及び第２の再循環領域（６４、８４）が前記タービンブレード（１８）の軸方向長さの少なくとも指定部分（６０）において前記翼形部（２４）と前記シュラウド（２０）との間の燃焼ガス（１２）の漏洩流を減少させるように機能するように、前記半径方向軸線（１７）に対して配向されている、請求項７記載のタービンブレード（１８）。
10. 前記第１の先端リブ（５０）と前記先端プレート（４８）との間の第１の接合部及び前記第２の先端リブ（５２）と前記先端プレート（４８）との間の第２の接合部が、燃焼ガス（１２）の第３の再循環領域（８５）が前記第１及び第２の先端リブ（５０、５２）間に形成されるように半径を付けられている、請求項９記載のタービンブレード（１８）。

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