JP2000291404A - テーパ付先端リブを備えたタービン羽根 - Google Patents

テーパ付先端リブを備えたタービン羽根

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JP2000291404A JP11339109A JP33910999A JP2000291404A JP 2000291404 A JP2000291404 A JP 2000291404A JP 11339109 A JP11339109 A JP 11339109A JP 33910999 A JP33910999 A JP 33910999A JP 2000291404 A JP2000291404 A JP 2000291404A
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John Howard Starkweather
ジョン・ハワード・スタークウェザー
Antonio Caldas Gominho
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービン機関のタービン羽根の先端は比
較的高い温度及び熱応力で動作し、典型的には、エーロ
フォイル全体の寿命を決める場所である。従って、改良
された先端冷却を持つタービン羽根を提供することが望
ましい。 【解決手段】 ガスタービン機関の回転羽根（１８）が
あり溝（２２）及び一体のエーロフォイル（２４）を有
する。エーロフォイルは、前縁及び後縁（３２、３４）
の間を延びると共に、縦方向には根元（３６）及び先端
（３８）との間を延びる１対の側壁（２８、３０）を有
する。側壁は横方向に隔たって流路（４０）を形成し、
エーロフォイルの中に冷却空気を通す。先端は流路の上
に床（４８）を持ち、１対のリブ（５０、５２）は夫々
の側壁から横方向にずれている。リブは縦方向にテーパ
を付けて、その伝導による冷却作用を強めている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】この発明は全体的にガスタービン機関、
更に具体的に言えば、タービン羽根の冷却に関する。
【０００２】ガスタービン機関では、空気が圧縮機で加
圧され、燃焼器で燃料と混合されて高温燃焼ガスを発生
し、このガスが下流側に１つ又は更に多くのタービンを
通って流れ、これらのタービンがそれからエネルギを抽
出する。タービンは、支持回転子円板から半径方向外向
きに延びる１列の円周方向に隔たる回転羽根を持ってい
る。各々の羽根は典型的にはあり溝を含み、このあり溝
によって、羽根を回転子円板にある対応するあり溝孔に
組込み、並びに分解することが出来る。エーロフォイル
があり溝から半径方向外向きに延びる。
【０００３】エーロフォイルは、軸方向には対応する前
縁及び後縁の間を延びると共に、半径方向には根元と先
端の間を延びる全体的に凹の圧力側及び全体的に凸の吸
込み側を持っている。羽根の先端は、タービン羽根の間
を下流側に流れる燃焼ガスがその間から洩れるのを最小
限に抑える為に、半径方向外側のタービン・シュラウド
に対して密な間隔である。エンジンの最大効率は、この
先端部分の隙間を最小限にすることによって得られる
が、望ましくない先端擦れの惧れを少なくする為に、回
転羽根とタービン・シュラウドの間の差異的な熱膨張及
び収縮によって制限される。
【０００４】タービンの羽根は高温燃焼ガスの中に漬か
っているから、それらはその有効寿命を確実にする為
に、有効な冷却を必要とする。羽根のエーロフォイルは
中空であって、エーロフォイルの冷却に使う為に分流し
た加圧空気の一部分を受取る為に、圧縮機と流れが連通
するように配置されている。エーロフォイルの冷却は非
常に手が込んでいて、種々の形の内部冷却流路及び特徴
や、冷却空気を吐出する為にエーロフォイルの壁に設け
られた協働する孔を使って行うことが出来る。
【０００５】エーロフォイルの先端は、それがタービン
・シュラウドの直ぐ傍に配置されていて、高温燃焼ガス
がその間の先端隙間を通過する為に、冷却が特に困難で
ある。エーロフォイルの内側に通された空気の一部分
を、その冷却の為に先端から吐出するのが典型的であ
る。この先端は、典型的には、前縁及び後縁の間で圧力
側及び吸込み側に沿って同長に配置された半径方向外向
きに突出する縁リブを持っている。先端の床がリブの間
を延びていて、エーロフォイルの頂部を閉じ、冷却空気
をその中に閉じこめているが、この空気はエーロフォイ
ルを冷却するにつれて温度が上昇し、羽根の先端を冷却
する困難さを増す。
【０００６】先端リブは典型的にはその下側にあるエー
ロフォイルの側壁と同じ厚さであって、先端の他の部分
を損傷することなく、又は羽根の寿命に互って先端の冷
却の連続性を確実にする為に先端孔を詰まらせることな
く、シュラウドとの時たまの先端擦れに耐える犠牲材料
になる。
【０００７】先端リブは、スキーラー（squealer）先端
とも呼ばれるが、典型的には密実であって、比較的大き
な表面積を持ち、それが高温燃焼ガスによって加熱され
る。これらのリブが先端の床より上方に延びているか
ら、それらはエーロフォイル内側に通される空気による
冷却が限られている。典型的には、先端リブは、燃焼ガ
スの加熱を受ける大きな表面積、及びその冷却の為の比
較的小さい面積を持っている。
【０００８】従来のスキーラー先端は、高温燃焼ガスが
その上及び先端隙間の中を流れるとき、外側も内側のそ
の上縁も、燃焼ガスによって加熱される。スキーラー先
端の間に配置された先端孔が、その間に構成された先端
溝孔から高温燃焼ガスを連続的にパージするが、それで
も高温燃焼ガスがその中で循環するのを防ぐ効果はな
い。
【０００９】従って、羽根の先端は比較的高い温度及び
熱応力で動作し、典型的には、エーロフォイル全体の寿
命を決める場所である。
【００１０】従って、改良された先端冷却を持つガスタ
ービン機関のタービン羽根を提供することが望ましい。
【００１１】
【発明の簡単な要約】ガスタービン機関の回転羽根があ
り溝及び一体のエーロフォイルを有する。エーロフォイ
ルは、前縁及び後縁の間を延びると共に、縦方向には根
元及び先端の間を延びる１対の側壁を有する。側壁が横
方向に隔たって、エーロフォイルの中に冷却空気を通す
為の流路を構成する。先端は流路の上に床を持ち、１対
のリブが夫々の側壁から横方向にずれている。リブは、
その冷却伝導を高める為に縦方向にテーパが付けられて
いる。
【００１２】
【発明の詳しい説明】この発明の好ましい実施例並びに
その他の目的及び利点は、以下図面について詳しく説明
するところに具体的に述べられている。
【００１３】図１には、ガスタービン機関の高圧タービ
ン１０の一部分が示されており、このタービンは燃焼器
（図に示していない）の直ぐ下流側に装着されていて、
それから高温燃焼ガス１２を受取る。タービンは軸方向
中心線の軸線１４の周りに軸対称であって、回転子円板
１６を持ち、それから複数個の円周方向に隔たるタービ
ン回転羽根１８が半径方向外向きに延びている。環状タ
ービン・シュラウド２０が不動の固定子ケーシングに適
当に結合されていて、羽根を取囲んで、運転中に、燃焼
ガスがそこから洩れるのを制限する為に、その間の隙間
を比較的小さくしている。
【００１４】各々の羽根１８はあり溝２２を持ち、これ
は、回転子円板１６の周縁に設けられた対応するあり溝
孔に取付けられる形にした軸方向のあり溝のような任意
の普通の形を持っていてよい。中空エーロフォイル２４
があり溝に一体に結合され、それから半径方向又は縦方
向外向きに延びる。羽根は一体のプラットフォーム２６
をも持っており、これはエーロフォイルとあり溝の接続
点に配置されていて、燃焼ガス１２の半径方向内側流路
の一部分を定める。羽根は任意の普通の方法で形成する
ことが出来るが、典型的には一体の鋳物である。
【００１５】エーロフォイル２４が、軸方向又は弦方向
に向かい合った前縁及び後縁３２、３４の間を延びる全
体的に凹の第１の側壁又は圧力側壁２８、及び円周方向
又は横方向に向かい合った全体的に凸の第２の側壁又は
吸込み側壁３０を持っている。２つの側壁は、プラット
フォーム２６のところにある半径方向内側の根元３６及
び半径方向外側の先端３８の間で半径方向又は縦方向に
も延びている。
【００１６】先端３８が図２に平面図、そして図３に断
面図で示されており、この発明の実施例に従ってその冷
却を改善する為の形を持っている。最初に図３について
説明すると、エーロフォイルの第１及び第２の側壁は、
エーロフォイルの縦方向又は半径方向のスパン全体に互
って、横方向又は円周方向に隔たっていて、エーロフォ
イルを冷却する為にその中に冷却空気４２を通す為の少
なくとも１つの内部流路４０を構成している。エーロフ
ォイルの内部は、例えば、冷却空気の効果を高める為の
種々の乱流部材を内部に設けた蛇行流路を含めた任意の
普通の形を持っていてよく、冷却空気が、図１に示すよ
うに、普通の膜冷却孔４４及び後縁吐出孔４６のような
エーロフォイルを通抜ける種々の孔から吐出される。
【００１７】エーロフォイルの後縁領域は、後縁冷却孔
４６から、並びに希望によっては先端にある別の吐出孔
から吐出する内部冷却回路により、任意の普通の方法で
冷却することが出来る。
【００１８】図３に更に詳しく示すように、羽根の先端
３８は、流路４０の半径方向の上側に床４８を持ってい
て、その上側の囲みとなっている。先端は、先端の床に
一体に結合されていて、それから半径方向外向きに延び
る１対の第１及び第２のリブ５０、５２をも持ち、それ
を取囲むシュラウド２０と共にラビリンス封じを形成し
て、時たまそれに擦れることがあるので、スキーラー先
端とも呼ばれる。
【００１９】第１のリブ５０が第１の側壁２８から横方
向にずれており、これに対応して、第２のリブ５２が第
２の側壁３０から同じく横方向にずれて、両方のリブが
先端の床の真上に位置ぎめされて、内側に通される冷却
空気４２による熱伝導及び冷却を改善する。
【００２０】両方のリブ５０、５２を先端の床及び流路
４０の真上に配置したことは、リブからの伝導による熱
伝達率を高め、高温燃焼ガスの環境内で運転されるとき
でも、その温度を実質的に下げる。更に、リブ５０、５
２は、先端の床に於ける伝導による熱伝達面積を増加す
る為に、縦方向又は半径方向にテーパが付けられてい
る。
【００２１】好ましい実施例では、各々のリブは、先端
の床４８から外向きに収斂し、減少する幅Ａを持ち、こ
れは先端の床で最大であり、リブ５０、５２の半径方向
の１番外側の端で最小である。各々のリブは、断面が対
称的であって、向かい合う半径方向に真っ直ぐな側壁を
持ち、それらがその間の平坦なランドで一緒になること
が好ましい。
【００２２】図２及び３に示すように、リブが横方向に
隔たって、その間に先端流路又は溝孔５４を定め、先端
の床は、流路４０と先端溝孔５４の間で流れを連通させ
る通抜けの複数個の内側先端孔５６を持っている。リブ
がエーロフォイルの側壁２８、３０から横方向にずれて
いるから、先端溝孔の横方向の幅Ｂは、リブが対応する
側壁の真上に配置された場合よりも一層狭くなる。この
一層狭い先端溝孔５４により、冷却空気４２を内側先端
孔５６から吐出して、燃焼ガス１２が夫々のリブ５０、
５２の内側の面を加熱することを更に有効に防ぐことが
出来る。
【００２３】更に具体的に言うと、リブが対応する側壁
から横方向にずれて、夫々第１及び第２の棚５８、６０
を構成し、これらが夫々の側壁から内向きに延びると共
に、その下側にある流路４０の真上にある先端の床４８
の外側部分になっている。更に先端の床４８が、夫々の
棚５８、６０を通抜ける夫々複数個の外側先端孔６２を
持っている。外側先端孔６２は流路４０と流れが連通す
るように配置されていて、夫々のリブ５０、５２の対応
する側の膜冷却の為に、それを介して冷却空気を通す。
外側先端孔は、夫々の側壁よりも、夫々の先端リブに対
する間隔がもっと接近していて、運転中、対応するリブ
を保護する。
【００２４】図２に示すように、リブがエーロフォイル
の後縁３４で一緒になり、対応する棚も、後縁の相対的
な薄さで見れば判るように、そこで合流する。リブは、
前縁３２の近くでも一緒になり、対応する棚５８、６０
が前縁で一緒になって、リブを後縁の方に、それから遠
ざかる向きにずらすことが好ましい。こうすると、リブ
及び対応する棚がエーロフォイルの前縁の周りを包込
み、前縁から実質的に後縁まで、その冷却作用を強める
と共に、これに対応して高温燃焼ガスからの熱入力に曝
されるリブの表面積を減らす。
【００２５】更に、リブは全体として、図２に示すよう
に、連続的な三日月形の空気力学的な輪郭を持ち、これ
が前縁及び後縁３２、３４の間を延びている。図２に示
す実施例では、リブの周縁の輪郭は、全体的に夫々凹及
び凸である対応する側壁２８、３０の輪郭と対応する。
先端溝孔５４の幅Ｂがその深さに沿って変化するが、溝
孔の幅Ｂが前縁及び後縁の間で略一定であって、先端の
棚５８、６０の横幅が変化して、リブ５０、５２をそれ
に対応して位置ぎめすることが好ましい。こうして、先
端溝孔５４の幅をそれに対応して狭くすると共に、内側
先端孔５６から吐出される冷却空気でより効果的に埋め
られるようにして、先端溝孔の中での燃焼ガスの循環を
防止するか、又は制限することが出来る。
【００２６】図４は、この発明の別の実施例を示してお
り、先端溝孔５４は、前縁及び後縁３２、３４の間で変
化する幅Ｂを持ち、対応する先端の棚５８、６０は略一
定の幅を持っていて、リブの外側の輪郭が実質的に凹の
第１の側壁２８及び凸の第２の側壁３０の外側の空気力
学的な輪郭と釣合うようになっている。こうすると、先
端のずれたリブ５０、５２の周りでも、エーロフォイル
２４が高温燃焼ガスからエネルギを抽出する能力が実質
的に保たれる。
【００２７】しかし、先端リブ５０、５２の空気力学的
な性能を高めたこと自体は、変化する幅を持つ先端溝孔
５４という犠牲を払ってのことであって、これによっ
て、内側先端孔５６から吐出される冷却空気の量に応じ
て、その中での高温燃焼ガスの循環を許すことがある。
図２の実施例の狭い先端溝孔５４は、先端溝孔の中での
高温燃焼ガスの循環をより効果的に防止するが、それに
伴って、先端の棚が一層大きくなると共に、先端リブの
空気力学的な輪郭が縮小する為に、空気力学的な効率の
変化を持つ。
【００２８】側壁の空気力学的な輪郭に合わせると共
に、略一定の先端溝孔にする為に、先端リブの幅を変え
ることが出来るが、このように先端リブの幅を増加する
ことは、その熱質量が増加し、それに対応してこの発明
によっても有効な冷却を施すことが困難になるので、望
ましくない。
【００２９】図３に示した幅の狭い先端溝孔の特定の利
点は、境界となるリブ５０、５２の間の容積が減少し、
内側先端孔５６から受取った冷却空気をより有効に集め
て分配すると共に、その中での高温燃焼ガスの循環に対
する障壁となることである。図３に示す実施例では、先
端溝孔５４は対応するリブ５０、５２の高さと同じ深さ
である。
【００３０】この代わりに、先端溝孔５４の深さは、２
つのリブの間にある先端の床の厚さを増加することによ
り、更に浅くすることが出来る。こうすると、エーロフ
ォイル内側からの熱伝導による冷却の為にその間に利用
し得る熱質量を増加しながら、２つのリブの内側の表面
積が更に減少する。
【００３１】図３に示した狭い溝孔を持つ羽根の先端の
解析によると、対応するエーロフォイルの側壁の真上か
ら外向きに延びる従来のスキーラー先端に比べて、個別
の先端リブの最高温度及びバルク温度の両方が大幅に低
下することが判った。更にこの解析では、運転中、そこ
に生ずる温度勾配の対応する低下の為に、先端リブに熱
によって誘起される応力が大幅に低下することも判っ
た。
【００３２】図３に示した２つのリブを持つ羽根の先端
は、周囲のシュラウド２０に対して有効なラビリンス封
じを保つと共に、それに伴って容積の小さい先端溝孔５
４から吐出される冷却空気をより有効に利用する。
【００３３】先端リブは、後縁の直ぐ前、圧力側び吸込
み側の両方の側壁の周り及び前縁で、エーロフォイルの
周縁の大部分に沿って横方向にずれている。これによっ
て、先端リブの大部分は、先端の床並びにその下にある
流路の真上に位置ぎめされ、熱伝導によるその冷却を改
善する。外側先端孔６２は、対応する先端の棚によって
得られる利用し得る空間の中に配置して、夫々の先端リ
ブを膜冷却によって更に冷却することが出来る。
【００３４】従って、特許に得ようとするのは、特許請
求の範囲に定めたこの発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例による先端を持ち、それを取
巻くシュラウド内で回転子円板に装着された一例のガス
タービン機関のタービン回転羽根の一部分を断面で示し
た等角図。
【図２】図１に示した羽根先端を線２−２から見た平面
図。
【図３】タービン・シュラウドの中に半径方向に配置さ
れた、図２に示す羽根先端を線３−３で切った側面断面
図。
【図４】この発明の別の実施例による羽根先端の等角
図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゲリー・チャールズ・リオッタ アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、ビ ヴァリー、クラーク・アヴェニュー、１番 (72)発明者 ジョン・ハワード・スタークウェザー アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、サブリン・ドライブ、5945番 (72)発明者 アントニオ・カルダス・ゴミンホ アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、ア ンドヴァー、ダンフォース・サークル、６ 番

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 あり溝（２２）と、該あり溝に一体に結
    合されていて、前縁及び後縁（３２、３４）の間を延び
    ると共に、縦方向には根元（３２）及び先端（３８）の
    間を延びる第１及び第２の側壁（２８、３０）を含み、
    該側壁が横方向に隔たって、当該エーロフォイルを通る
    冷却空気（４２）を通す為の流路（４０）を限定するよ
    うになっているエーロフォイル（２４）とを有し、前記
    先端（３８）は前記流路の上にある床（４８）、該床の
    上で前記第１の側壁（２８）から横方向にずれた第１の
    リブ（５０）、及び前記床の上で前記第２の側壁（３
    ０）から横方向にずれた第２のリブ（５２）を含んでお
    り、該リブには縦方向にテーパが付けられているガスタ
    ービン機関の羽根（１８）。
  2. 【請求項２】 各々のリブ（５０、５２）が前記先端の
    床（４８）から外向きに収斂する請求項１記載のガスタ
    ービン機関の羽根。
  3. 【請求項３】 前記リブ（５０、５２）が横方向に隔た
    って、その間に先端溝孔（５４）を定めており、前記先
    端の床（４８）が、前記流路（４０）及び前記先端溝孔
    （５４）の間で流れを連通させる通抜けの複数個の孔
    （５６）を持っている請求項２記載のガスタービン機関
    の羽根。
  4. 【請求項４】 前記リブ（５０、５２）が前記第１及び
    第２の側壁（２８、３０）からずれていて、前記流路
    （４０）の上で夫々第１及び第２の棚（５８、６０）を
    構成しており、前記先端の床（４８）が、前記棚のとこ
    ろで、前記流路（４０）と流れが連通する通抜けの複数
    個の外側の孔（６２）を持っていて、前記リブの膜冷却
    を行う請求項３記載のガスタービン機関の羽根。
  5. 【請求項５】 前記リブ（５０、５２）が前記前縁（３
    ２）に隣接して互いに結合され、前記棚（５８、６０）
    が前記前縁（３２）で互いに結合されて、それから遠ざ
    かる向きに前記リブをずらしている請求項３記載のガス
    タービン機関の羽根。
  6. 【請求項６】 前記リブ（５０、５２）が全体として、
    前記前縁及び後縁（３２、３４）の間を延びる三日月形
    の空気力学的な輪郭を持っている請求項３記載のガスタ
    ービン機関の羽根。
  7. 【請求項７】 前記リブ（５０、５２）の輪郭が前記側
    壁（２８、３０）の輪郭と対応している請求項６記載の
    ガスタービン機関の羽根。
  8. 【請求項８】 前記先端の溝孔（５４）が前記前縁及び
    後縁（３２、３４）の間で略一定の幅を持ち、前記先端
    の棚（５８、６０）の幅が変化する請求項７記載のガス
    タービン機関の羽根。
  9. 【請求項９】 前記先端の溝孔（５４）が前記前縁及び
    後縁（３２、３４）の間で変化する幅を持ち、前記先端
    の棚（５８、６０）が略一定の幅を持つ請求項７記載の
    ガスタービン機関の羽根。
  10. 【請求項１０】 前記先端の溝孔（５４）の深さが前記
    リブ（５０、５２）の高さと同じである請求項７記載の
    ガスタービン機関の羽根。
JP33910999A 1998-12-21 1999-11-30 テーパ付先端リブを備えたタービン羽根 Expired - Fee Related JP4463916B2 (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US09/217659 1998-12-21
US09/217,659 US6190129B1 (en) 1998-12-21 1998-12-21 Tapered tip-rib turbine blade

Publications (3)

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