JP4675003B2

JP4675003B2 - タンデム冷却のタービンブレード

Info

Publication number: JP4675003B2
Application number: JP2001228812A
Authority: JP
Inventors: チン−パン・リー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-07-31
Filing date: 2001-07-30
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2021-07-30
Also published as: DE60118848D1; EP1178181A3; US6341939B1; JP2002129905A; EP1178181A2; DE60118848T2; EP1178181B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にはガスタービンエンジンに関し、より詳細には、タービンブレードの冷却に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンにおいて、空気は圧縮器で加圧され燃焼器で燃料と混合されて高温燃焼ガスを生成し、その高温燃焼ガスはタービン段を通って下流側に流れ、該タービン段は、高温燃焼ガスからエネルギを取り出し、圧縮器を駆動し、また典型的には航空機エンジンの用途において推進力を生成するファンを駆動する。各タービン段は、固定タービンノズルを含み、該ノズルは、外側及び内側のバンド間に半径方向に延びるステータ羽根の列を含み、該ステータ羽根は、支持ロータディスクから半径方向外方に延びる後流側のロータブレード列を通して燃焼ガスを導く。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
第一段のタービンノズルとブレードは、燃焼器から排出される最も高温の燃焼ガスに曝され、適正な寿命を保証する効果的な冷却を必要とする。羽根及びブレードは、それ故に、圧縮器から放出される加圧空気で内面冷却するための流路を形成する中空体である。羽根及びブレードは、典型的には、保護用フィルム状冷却空気の層を形成して該羽根及びブレードの翼形部上を流れる高温燃焼ガスに対する断熱を与えるために、正圧側面及び負圧側面を貫通して設けた複数列の傾斜状のフィルム冷却孔を含む。
【０００４】
タービン部品の冷却に用いられる空気は燃焼器を迂回するので、エンジン全体の効率はそれに対応するだけ低下する。したがって、エンジンの効率低下を最小にするために、圧縮器から分けて出される冷却空気の量を制限することが望ましい。
【０００５】
効率の高いガスタービンエンジンを開発する際には、燃焼ガス温度が高まるので、タービンに対する冷却の要求が更に増大する。例えば、各タービンブレードの根元部にプラットホームを一体的に設け、ここで燃焼ガスのための内側流路との境界部分の一部を定めるようにする。プラットホームは、典型的には無孔であり、その下部の対応する空所を流れる空気でプラットホームの下面から冷却される。
【０００６】
プラットホーム冷却をさらに高めるために、プラットホームには、高温燃焼ガスに直接曝されるプラットホーム外面をフィルム冷却するために、該プラットホームを貫通して延びるフィルム冷却孔を設け、該プラットホームの内面はその下部のプラットホーム空所内を循環する冷却空気で対流冷却されるようにすることもできる。
【０００７】
しかしながら、フィルム冷却は、その効果において限界があり、加えてロータブレードのプラットホームにフィルム冷却孔を導入することは、作動中に局部的に応力を高めそれに伴いロータブレードの寿命を縮めることにもなる、望ましくない応力集中を回避するようにすべきである。
【０００８】
したがって、改善したプラットホーム冷却を有するガスタービンエンジン用タービンブレードを提供することが望まれる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
タービンブレードは、一体の翼形部、プラットホーム、シャンク部及びダブテール部を含み、シャンク部内部の空気流路と直列に流れ連通する一対の孔が、プラットホームとシャンク部とを貫通してタンデム状に形成される。タンデム状の孔を通って排出される冷却空気は、同じ空気を用いて多数の、対流、衝突、及びフィルム冷却を行う。
【００１０】
【発明の実施の形態】
好ましい例示的な実施形態に従い、本発明を、上述以外の目的や利点とともに、添付図面に関連させて、以下の詳細な説明において具体的に説明する。
【００１１】
図１には、部分的に示したタービンのロータディスク１２の外周から半径方向外方に延びた例示的なタービンロータブレード１０を示す。タービンブレードは、ガスタービンエンジンの第1タービン段に使用する形状であり、ブレード列全体は、対応する高圧タービンノズル（図示せず）の直ぐ下流側に配置され、該ノズルは、タービンブレード上に高温燃焼ガス１４を指向させ、タービンブレードは高温燃焼ガスからエネルギを引き出してディスクを回転させ、圧縮器（図示せず）を駆動する。
【００１２】
圧縮器（図示せず）は、空気１６を加圧し、その一部を、内面冷却用に中空体としたタービンブレードに分流する。加圧空気は、高温燃焼ガス１４を発生させるためにほとんどが燃焼器（図示せず）で燃料と混合され、高温燃焼ガスは作動中にタービンブレード上を流れる。
【００１３】
各ブレード１０は、典型的には作動中の燃焼ガスの高温に耐えるような高強度合金の単体鋳物である。各ブレードは、翼形部１８、プラットホーム２０、シャンク部２２及びダブテール部２４を含み、これらは、どのような通常の一体構造のものでもよい。
【００１４】
翼形部１８は、半径方向スパン状に根元部１８ｃから先端部１８ｄまで、さらに軸方向に前後縁１８ｅ、ｆの間を延び、全体として凹状の正圧側面１８ａと反対側の全体として凸状の負圧側面１８ｂとを含む。
【００１５】
プラットホーム２０は、高温燃焼ガス１４のための内側境界部分の一部を定める半径方向外面２０ａ、及びそれと反対側の半径方向面２０ｂを含む。プラットホームの面は、相対する側縁２０ｃから周方向に、かつ、前後縁２０ｄ、ｅの間を軸方向に延びる。
【００１６】
図２に分かり易く示されたシャンク部２２は、プラットホームから支持用ダブテール部２４までの半径方向中間部材である。
【００１７】
図１に図示したダブテール部２４は、どのような従来の形状でもよく、典型的には、ロータディスクの外周に設けた軸方向挿入用のダブテール部長溝２６に係合するように軸方向に延びる一対ないしそれ以上の対の蛇行面状突起を含むものである。
【００１８】
図３に示すように、タービンブレードは、そのスパン方向に沿って半径方向又は縦方向に延びた流路２８を持つ中空体であり、該流路は、ダブテール部２４の底部に設けた流入口を有し、翼形部の先端部１８ｄで終端する。流路２８は、どのような通常の形状のものでもよく、典型的には、その外側を流れる高温燃焼ガスに翼形部が曝された時にその熱を取り除くため翼形部を内面から冷却する冷却空気１６を循環させる複数の蛇行流路を含むものである。
【００１９】
図１及び図２に示すように、翼形部は、燃焼ガス流に冷却空気を排出するための翼形部壁を貫通する種々の孔３０を含む。翼形部孔３０は、半径方向の列状に配設されて冷却空気の断熱フィルムを形成するフィルム冷却孔のような、通常の形状のものでよい。
【００２０】
プラットホーム２０は、図１に最初に示すように、翼形部とシャンク部との両方から、それらの間の対応する接合部において外周方向及び軸方向の両方に向けて横方向外方に延びる。図４にさらに詳細に示すように、シャンク部２２は、弧状の内側フィレット部３２においてプラットホームの内面に連なっており、翼形部は、弧状の外側フィレット部３４においてプラットホームの外面に連なっている。フィレット部は、プラットホームと翼形部間に空気力学的に滑らかな繋ぎ目を形成し、ブレードの回転作動中に生じる大きな遠心力負荷のもとでの応力集中を最小化する。
【００２１】
本発明によれば、一対の区分されたシャンク部孔３６及びプラットホーム孔３８が、シャンク部２２とプラットホーム２０とを貫通してタンデム状に配設される。
【００２２】
シャンク部孔３６は、シャンク部内側に流路２８と通じる流入口３６ａを、さらにはシャンク部外側にシャンク部を貫いて冷却空気１６の噴流を排出する排出口３６ｂを含む。
【００２３】
協働するプラットホーム孔３８は、シャンク部排出口に整列して、プラットホームの下部でその内面２０ｂに配設された流入口３８ａを含む。また、プラットホーム孔は、プラットホームの上部で、その外面２０ａ上に配設された排出口３８ｂを含む。
【００２４】
タンデム状のシャンク部孔３６及びプラットホーム孔３８は、プラットホーム外面２０ａ上の高温燃焼ガスによって生じるプラットホーム２０の必要な冷却をするために、対をなして協働する。初めに、シャンク部孔３６は、内側流路２８からの冷却空気の一部を受けとり、この冷却空気はシャンク部孔排出口３６ｂからプラットホーム孔の流入口３８ａに向けて排出される。シャンク部孔３６は、プラットホーム下部の空所４０によってプラットホーム内面から離されており、この空所に通常の方法で追加的な冷却空気を通すことができる。これと対応して、プラットホーム孔３８は、シャンク部２２の上方に間隔をおいて位置し、空所４０を渡った後の、すなわち横切った後の協働するシャンク部孔からの冷却空気を受け取る。
【００２５】
図４に示す好ましい実施形態では、タンデム状の孔３６、３８は、別々にシャンク部とプラットホームを通って直列状に延び、シャンク部内の流路２８に、流れ連通する。タンデム状の孔は、空所４０を渡すように、且つシャンク部孔３６からの冷却空気が協働するプラットホーム孔３８の内部及び外部の両方に分布され、プラットホーム孔の流入口のまわりでプラットホーム内面に対して衝突するように、直列状態で傾斜させることが好ましい。
【００２６】
シャンク部孔は、冷却空気の局部的噴流を協働するプラットホーム孔に向けて放出し、孔内側へ供給するとともに、孔周辺でも局部的に衝突冷却を達成する。このようにして、流路２８から受けた冷却空気は、最初にシャンク部孔３６内側での対流冷却に使用され、次いでプラットホーム下側での衝突冷却に、さらにプラットホーム孔３８内側での対流冷却に使用され、続いて傾斜したプラットホーム孔から排出されて冷却空気のフィルムを形成し、同じ空気を更に追加的に使用することにより、相乗的な一連の冷却を行う。このように、燃焼流路に再合流する前に、同じ空気がその冷却効果を最大化するように何回も使われる。
【００２７】
図４及び図５に示すように、タンデム状の孔３６、３８は、部分的に、対応するプラットホームの側縁２０ｃに向くようにプラットホームを通して外方へ傾斜させ、さらに部分的にプラットホーム後縁２０ｅに向くように、後方すなわち下流方向へ傾斜させる、という複合傾斜状態とすることが好ましい。このようにして、プラットホーム孔３８から排出される冷却空気は、そこから下流方向に冷却空気フィルムを形成し、プラットホームの外面を保護する。
【００２８】
さらに、図４に示すシャンク部孔３６は、二つのタンデム状の孔３６、３８が内側フィレット部３２において半径方向及び周方向に離され、しかも該内側フィレット部を横切ってプラットホームとシャンク部とが流路から排出された空気により接続されるように、直列の流れ連通状態に整列していることが好ましい。このようにすれば、シャンク部孔３６から排出された空気噴流は、協働する空所４０内で部分的に拡がって対応するプラットホーム孔３８まわりでプラットホームの下側に対して衝突冷却を行い、噴流の中央部はプラットホーム孔３８を通って噴射され、プラットホーム孔３８を通過することになる。
【００２９】
タンデム状の孔３６、３８は、少なくともシャンク部孔３６から噴出される空気の少なくとも一部が協働するプラットホーム孔３８に直線的に流れる流路を形成するために、それぞれが互いに直線的で傾斜した線上に整列し同軸配置されることが好ましい。
【００３０】
図４の左側に示した一つの実施形態では、タンデム状の孔３６、３８は、実質的に同じ直径を持つ。特に、プラットホーム孔の流入口３８ａは、寸法がシャンク孔の排出口３６ｂと実質的に同じ大きさであり、噴流の一部がプラットホーム孔のまわりでプラットホームの下側に衝突する状態で、シャンク部孔の排出口３６ｂからの冷却空気噴流を受ける。
【００３１】
図４の右側に示した他の実施形態では、プラットホーム孔３８の直径は、協働するシャンク部孔３６のものより大きい。この実施例において、プラットホーム孔の流入口は、シャンク部孔の排出口の大きさより適当に大きくされている。直径を大きくしたプラットホーム孔の付加的な利点は、これと協働する小径のシャンク部孔３６から排出される冷却空気噴流の拡散が大きくなり、そのことにより大径のプラットホームからの空気の排出速度が低減され、それに対応する分だけ吹き飛ばし率が低くなるのでプラットホーム上面でのフィルム冷却が可能になる。
【００３２】
両実施例では、シャンク部孔とプラットホーム孔各々の直径は、実質的に同じ大きさか、或は夫々の流入口から排出口終端までを一定となるようにする。
【００３３】
図１、図２及び図５に示すように、プラットホーム２０は、翼形部正圧側面１８ａのような翼形部の少なくとも一方の側面に沿ってプラットホーム外面に列状に終端するように配設された複数のタンデム状の孔３６、３８を含むのが好ましい。タンデム状の孔は、冷却をより効果的にするようにプラットホームを横切り、プラットホームの前縁と後縁との間に軸方向に間隔を置いて配設される。
【００３４】
図４及び図５に示すように、タンデム状の孔３６、３８の他の列を、翼形部の反対側の負圧側面に沿って、好ましくはその前縁付近に形成し、プラットホームのこの領域を冷却することができる。
【００３５】
上述したタンデム状の孔３６、３８は、プラットホームの冷却を高めるために同じ空気を複数回使用するものである、さらに、タンデム状の孔は、内側フィレット部３２から内方に離れて配設されており、プラットホームと翼形部の接合部に応力集中をもたらさない。
【００３６】
タンデム状の孔は、図２、図５に示す補助フィルム冷却孔４２と協働するように使用することができ、補助フィルム冷却孔４２はプラットホームを貫通して後方に傾斜していることが好ましく、さらに衝突冷却に使用された冷却空気をプラットホームの下側から受けるように、プラットホーム孔３８の一つの後方に配置することが好ましい。このようにすれば、タンデム状のシャンク部孔と協働することなく、補助的なフィルム冷却孔４２に、隣接するシャンク部孔３６から排出される冷却空気を供給することができる。また数個のシャンク部孔３６から排出される空気は、プラットホームの何れか一つの孔３８又は補助孔４２を通して排出される前にプラットホームの下面をフィルム冷却する。
【００３７】
図５に示すように、プラットホーム孔と補助孔３８、４２とを正圧側面のような翼形部の片側に沿って列状に配設し、この領域をカバーする冷却空気を最大化することが好ましい。
【００３８】
上述したタンデム状の孔は、利用可能な空気の効率的使用によりブレードのプラットホームの冷却を改善する上で、それ単独で重要な利点をもって使うことができる。更には、追加的冷却を与えるためフィルム冷却補助孔を追加的に使用できる。
【００３９】
図式的に図４で示すように、好ましい同軸的整列状態にあるタンデム状の孔３６、３８は、通常の手段でプラットホームの外面からシャンク部を貫通して内側に連続してドリル加工することにより容易に形成することができる。レーザドリル又は放電加工と同様の穴あけ方法が、プラットホームとシャンク部の両者を貫通して共通の直径をもった穴あけに利用できる。
【００４０】
別の手法として、図４の右部に示す大径のプラットホーム孔については、二段階のドリル工程を用いることができ、最初にプラットホームとシャンク部との両方を通して共通の直径を有する小径のシャンク部孔３６をドリル加工し、次に協働するプラットホーム孔３８のみについて、直径を拡張する第二のドリル作業を行う。或いは、最初にシャンク部孔のドリル加工をしないで大径のプラットホーム孔３８のみの単独のドリル加工を行い、次に前もってあけられたプラットホーム孔を通じて小径のシャンク部孔３６のドリル加工をすることもできる。
【００４１】
タンデム状の孔は、一般に円筒形状に形成できるが、どのような形状の孔であっても利点があれば使うことができる。タンデム状の孔は、高温タービンの用途で求められるタービンブレードプラットホームの冷却に有利に利用することができる。
【００４２】
ここで、本発明の好ましい例示的な実施例と考えられるものについて述べたが、ここから得られる本発明の他の変形は当業者にとって明らかであり、それ故、本発明の技術思想及び技術的範囲に含まれるあらゆる変形が添付した特許請求範囲で保護されることを望むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】部分的に示す支持用ロータディスクの外周に取り付けられた例示的なガスタービンエンジンのタービンロータブレードの一部を断面で示す斜視図。
【図２】本発明の好ましい実施例に基づくタンデム状の冷却孔を示すためプラットホームを断面とした図１のタービンブレードの側面図。
【図３】図２に示す線３−３に沿うタービンブレードの半径方向断面図。
【図４】ブレードシャンク部とプラットホームに跨って連続的に延びる典型的な一対のタンデム状の孔を含む図３に示すタービンブレードの部分拡大断面図。
【図５】図２に示す線５−５に沿うタービンブレードの部分断面平面図。
【符号の説明】
１６冷却空気
１８翼形部
１８ａ正圧測面
１８ｂ負圧測面
１８ｃ根元部
１８ｄ先端部
２０プラットホーム
２２シャンク部
２４ダブテール部
２８流路
３６シャンク部孔
３８プラットホーム孔

Claims

冷却空気（１６）を流す縦方向流路（２８）が内部に形成された一体の翼形部（１８）、シャンク部（２２）及びダブテール部（２４）と、
前記翼形部と前記シャンク部との接合点から横方向外向きに延びるプラットホーム（２０）と、
前記流路から前記シャンク部を貫通して延び前記プラットホームから離れて位置するシャンク部孔（３６）と、
前記プラットホームを貫通して延びるプラットホーム孔（３８）と、
を含み、
前記一対のシャンク部孔及びプラットホーム孔（３６、３８）は、前記プラットホームと前記シャンク部とを別々に貫通して延びて前記シャンク部内の空気流路（２８）と流れ連通状態にあり、
前記シャンク部孔（３６）は、それに対応するプラットホーム孔（３８）から離れており、
前記シャンク部孔（３６）は、前記シャンク部（２２）の内側に流入口（３６ａ）を、前記シャンク部の外側に排出口（３６ｂ）を含み、前記プラットホーム孔（３８）は、前記プラットホーム（２０）の下側に前記シャンク部孔の排出口（３６ｂ）に整列した流入口（３８ａ）を、前記プラットホーム上側に排出口（３８ｂ）を含み、
前記シャンク部孔及びプラットホーム孔（３６、３８）が、直線上に整列し同軸に整列している
ことを特徴とするタービンブレード（１０）。
前記シャンク部孔（３６）から前記プラットホーム孔（３８）への前記冷却空気が、前記プラットホーム孔（３８）の内側及び外側の両方に分布されて前記プラットホームに衝突するように、前記シャンク部孔及びプラットホーム孔（３６、３８）を傾斜させて前記シャンク部と前記プラットホームとに貫通形成することを特徴とする請求項１又は２に記載のブレード。
前記プラットホーム（２０）は、相対する側縁（２０ｃ）と前縁及び後縁（２０ｄ、ｅ）とを含み、前記シャンク部孔及びプラットホーム孔（３６、３８）が前記プラットホーム後縁に向かって後外方に傾斜させられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のブレード。
前記シャンク部（２２）が、フィレット部（３２）において前記プラットホーム（２０）に接合され、前記シャンク部孔（３６）が前記フィレット部より内側で終端することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のブレード。
前記シャンク部孔及びプラットホーム孔（３６、３８）が実質的に等しい直径を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のブレード
前記シャンク部（２２）はフィレット部（３２）において前記プラットホーム（２０）に接合され、前記シャンク部孔及びプラットホーム孔は、前記フィレット部において互いに離されており、前記フィレット部を横切って前記プラットホームと前記シャンク部とを前記流路からの空気により接続するように整列していることを特徴とする請求項１に記載のブレード。