JP2006348938A - タービンバケット先端キャップ - Google Patents

Abstract

【課題】タービンバケット（１０）内で使用するための先端キャップピース（１００）を提供する。
【解決手段】本先端キャップピース（１００）は、低温側面（６０）と該低温側面（６０）上に配置された多数のピン（１１０）とを含む。
【選択図】 図５

Description

本発明は、総括的にはタービンエンジンに関し、より具体的には、タービンブレード先端冷却に関する。

ガスタービンエンジンにおいては、空気が、圧縮機内で加圧され、燃焼器内で燃料と混合されかつ点火されて、高温の燃焼ガスを発生する。ガスはタービン段を通って流れ、タービン段が、ガスからエネルギーを抽出して圧縮機に動力を供給し、また有用な仕事を行うようにする。

タービン段は、支持ロータディスクから外向きに延びるタービンバケットの列を含む。各バケットは、その上を燃焼ガスが流れる翼形部を含む。この翼形部は、ほぼ中空であり、作動時に冷却媒体として使用するために圧縮機から抽気した空気が供給される。燃焼によって生じる高温に耐えるために、翼形部は冷却される必要がある。不十分な冷却は、翼形部上に過度の応力を生じさせる可能性があり、このことは、時の経過と共に疲労を招くか或いは疲労の原因となるおそれがある。現存する冷却構成には、空気冷却方式、開回路形冷却方式、閉回路形冷却方式及びフィルム冷却方式が含まれる。

高温ガス流に曝されるバケットの全領域は、冷却されなくてはならない。バケットの内部先端反転領域及び特に先端キャップは一般的に、熱伝達率の強化の観点で、三次元的な流れ反転及び擬似衝突により自然に増強された滑らかな内表面を使用している。フィルム冷却孔及び先端ブリード孔の使用は、これらの領域の冷却を高めることができるが、開回路形空気冷式却設計に限定される。内部対流冷却は、あらゆる設計における主要な冷却手段である。先端反転領域内における反転流により生じる二次流は、この二次流の半径方向内向き流れ運動により、上記の自然冷却の増強を低下させるように作用する可能性がある。

別の冷却方法は、反転領域内における主要な隣接壁（翼形部の正圧面及び負圧面の内側）上にタービュレータを配置して、全ての表面における熱伝達増強を行うことを含む。これらのタービュレータは、先端キャップ表面自体の上には配置されない。その他の設計は、反転通路内に反転羽根を使用して冷却流をさらに先端キャップ表面に向けるか、或いはコーナ部における低速度の流れを回避する。これらの反転羽根は、正圧側及び負圧側の内表面間の結合要素として配置され、この場合もまた先端キャップ表面上には配置されない。

従って、タービンバケット先端又は先端キャップの冷却を改善することへの願望がある。これらの改善は、閉回路形及び開回路形の先端に適用可能なものとすることができる。

従って、本出願は、タービンバケット内で使用するための先端キャップピースについて記載している。本先端キャップピースは、低温側面と該低温側面上に配置された多数のピンとを含むことができる。

ピンは、ニッケル基又はコバルト基合金のような材料で作ることができる。ピンの各々は、基部フィレットと細長い頂部とを含むことができる。ピンは、約２〜約４の高さ対直径比を有することができる。ピンは、約０．５ｍｍ（約０．０２インチ）〜約２．５ｍｍ（約０．１０インチ）の高さと、該高さの約２〜約４倍のフィレットを含む基部幅とを有することができる。

多数のピンは、千鳥状配列として配置することができる。ピンは、対角線に沿って互いに約２．５ｍｍ（約０．１インチ）離して配置することができる。ピンは、約４のピン間隔対直径比を有することができる。

低温側面は、何らのピンもない周辺領域を含むことができる。低温側面は、該低温側面上に配置されたリブを含むことができる。

本出願はさらに、タービンバケット内で使用するための先端キャップピースについて記載することができる。本先端キャップピースは、低温側面と該低温側面上に配置された多数のピンとを含むことができる。ピンは各々、基部フィレットと、細長い頂部と、約２〜約４の高さ対直径比とを含むことができる。

ピンは、約０．５ｍｍ（約０．０２インチ）〜約２．５ｍｍ（約０．１０インチ）の高さと、該高さの約２〜約４倍のフィレットを含む基部幅とを有することができる。

ピンは、千鳥状配列として配置することができる。ピンの各々は、対角線に沿って互いに約２．５ｍｍ（約０．１インチ）離して配置することができる。ピンは、約４のピン間隔対直径比を有することができる。

本出願はさらに、タービンバケット内で使用するための先端キャップピースについて記載することができる。本先端キャップピースは、多数のピンと、これらのピンの範囲内に配置されたリブとを含むことができる。ピンの各々は、基部フィレットと細長い頂部とを含むことができる。ピンは、約２〜約４の高さ対直径比を有することができる。ピンは、約４のピン間隔対直径比を有する千鳥状配列として配置することができる。

本発明のこれらの及びその他の特徴は、図面及び特許請求の範囲に関連させて好ましい実施形態についての以下の詳細な説明を精査することにより、当業者には明らかになるであろう。

次に、幾つかの図全体を通して同じ参照符号が同様な部品を示している図面を参照すると、図１は、タービンバケット１０の実施例を示す。バケット１０は、超合金の単体鋳造品として形成するのが好ましい。タービンバケット１０は、従来型のダブテール１２を含む。ダブテール１２は、従来型のロータディスク（図示せず）に取り付けられる。ブレードシャンク１４が、ダブテール１２から上向きに延びてプラットフォーム１６で終端し、プラットフォーム１６は、シャンク１４から外向きに突出しかつ該シャンク１４を囲む。

中空の翼形部１８が、プラットフォーム１６から外向きに延びる。翼形部１８は、プラットフォーム１６との接合部に根元２０を有し、またその外端部に先端２２を有する。翼形部１８は、前縁２８及び後縁３０において互いに接合された凹面形正圧側壁２４と凸面形負圧側壁２６とを有する。しかしながら、翼形部１８は、高温ガス流からエネルギーを取り出してロータディスクを回転させるのに適したあらゆる形状を採ることができる。翼形部１８は、多数の後縁冷却孔３２と多数の前縁冷却孔３３とを含むことができる。先端キャップ３４は、翼形部１８の先端２２を閉鎖することができる。先端キャップ３４は、翼形部１８と一体形とするか、或いは別個に形成して翼形部１８に取り付けることができる。スキーラ先端３６は、先端キャップ３４から外向きに延びることができる。

図２は、本発明で使用する翼形部１８の側面断面図を示す。しかしながら、本発明においては、数多くの翼形部設計を使用することができる。図に示すように、翼形部１８は、多数の内部冷却通路４０を有する。翼形部１８は、空気冷却式、蒸気冷却式、開回路形又は閉回路形とすることができる。図３に示すように、冷却通路４０は、先端キャップ３４近くに設置された内部先端反転領域４２を含むことができる。内部通路４０には、タービュレータを設けることも或いは設けないこともできる。開回路形空気冷却式設計においては、内部先端反転領域４２付近にフィルム冷却孔及び先端流体孔を配置することができる。

図４及び図５は、本出願に記載しているような先端キャップピース１００の使用法を示す。この先端キャップピース１００は、先端キャップ３４付近で内部先端反転領域４２の１つの領域内に配置することができる。図に示すように、先端キャップピース１００は、高温ガスに曝される高温側面５０と低温側面６０とを含むことができる。典型的な先端キャップピース１００は、約２．５ｍｍ（約０．１インチ）の厚さで、約３ｃｍ（約１．２インチ）×約３．５ｃｍ（１．４インチ）の寸法とすることができるが、あらゆる所望の寸法及び形状を使用することができる。〔これらの寸法は、大出力タービンバケット用のものである。より小型のタービン用には、さらに小さい寸法を使用することになる。〕先端キャップピース１００は、先端キャップ３４内に嵌合し、溶接、ろう付け又はその他のタイプの従来通りの方法によって取り付けることができる。

図６及び図７に示すように、先端キャップピース１００は、低温側面６０上に配置された多数の先端キャップピン１１０を含むことができる。これらのピン１１０は、ニッケル基又はコバルト基の耐熱高強度合金のような材料で作られるのが好ましい。各ピン１１０は、基部フィレット１２０と頂部１３０とを含むことができる。頂部１３０には、丸みを付けることができる。ピン１１０は、様々な断面形状のものとすることができるが、円形又は長円形が好ましい。ピン１１０は、約２〜約４の高さ対直径比を有するのが好ましい。例えば、ピン１１０は、頂部１３０において約０．９ｍｍ（約０．０３５インチ）の断面直径を有し、また約１．７５ｍｍ（約０．０７０インチ）の高さを有することができる。ピンの高さは、約０．５ｍｍ（約０．０２インチ）〜約２．５ｍｍ（約０．１０インチ）又はそれ以上の範囲とすることができ、これに対応したフィレット１２０を含む基部幅は、高さの約２倍〜約４倍の寸法、つまり約１．０１６〜約２．０３２ｍｍ（約０．０４０〜約０．０８インチ）の寸法を有する。

ピン１１０は、（１）増強表面を含む先端キャップピース１００を別個に形成し、その後先端キャップピース１００及び先端キャップ３４の両方の低温側面６０が１つのものとして整列するように溶接、ろう付け又は接合することによって、或いは（２）バケット鋳造品内に増強表面を一体形に鋳造することによって作製することができる。別個のピース及び鋳造先端の開口部分については、表面は、鋳造するか、ＥＤＭ（放電加工）のような方法によって機械加工するか、又はＣＮＣによって従来通りにフライス加工することができる。本出願では、その他の作製方法も使用することができる。

ピン１１０は、図に示すような千鳥状配列（アレイ）又はあらゆる所望の構成として配置することができる。例えば、ピン１１０の頂部１３０は、対角線に沿って互いに約２．５ｍｍ（約０．１０インチ）で間隔を置いて配置することができる。有効なピン間隔対直径比は、約４とすることができる。ピン１１０の寸法及び位置は、変えることができる。より多くのピン１１０を加えることによってピン１１０間の間隔を減少させることは、実際には全熱流束強化を低下させることになる。ピン１１０の間隔をより狭くすることは、個々の伴流領域の形成及び強度を低下させ、それに伴う熱伝達の利点を減少させることになる。

図６に示すように、ピン１１０は、先端キャップピース１００の中央部（或いは、先端キャップ３４が所定の位置にある状態での完成した先端反転領域４２の中央部）付近に、従って周辺領域１４０を残して配置することができる。ピンを配置する全面積は減少するが、ピンを備えた領域と同じ領域付近に及びピンを備えた領域に隣接して熱流束強化が維持される。ピン１１０がない周辺領域１４０（鋳造品の一部である）は、先端キャップピース１００を先端キャップ３４内に溶接又はろう付けすることができるように使用することができる。

図８は、先端キャップピース１００の別の実施形態を示す。この実施形態では、ピン１１０の範囲内にリブ１５０を配置することができる。リブ１５０は、先端キャップピース１００に付加的な機械的強度を与える働きをする。リブ１５０は、あらゆる所望の形状を採ることができる。１つよりも多いリブ１５０を使用することができる。リブ１５０は、バケット翼弦方向に延びることができる。リブ１５０は、先端キャップピース１００の低温側面６０内に一体形に形成することができる。

使用時には、約２〜４の小さい高さ対直径比により、ピン１１０及び基部フィレット１２０の表面積の大部分つまり約９０％〜約７０％を熱伝達濡れ面積として有効なものにすることができる。内部先端反転領域４２上にピン１１０を配置することにより、衝突及びクロスフロー対流の組合せが可能になる。この組合せは、その局所レベルにおいてまたアレイとしての相互作用として流れ混合及び乱流を発生させる。流れと表面の相互作用は、そうでなければ熱伝達を低下させることになった二次流を崩壊させる働きをする。さらに、ピン１１０の頂部１３０は、先端キャップ３４の低温側面６０上での熱伝達にさらに影響を与えることができる有効な剪断流及び乱流を形成する。その結果は、同一の反転ジオメトリにおいて滑らかな表面の熱流束と比べて、２．２５倍の冷却熱流束増強を得ることができることを示している。増強していない表面と比べて、７０％を超える隣接する溶接領域の熱伝達率強化を実現することができる。これらの増強に関連して、一般的に何らの圧力損失悪化条件も生じない。

一般的に、増強した表面の熱伝達率は、滑らかな表面の結果と比べて、約２倍又はそれ以上高くなる。約２倍の熱伝達の増強は、図６に示すようなピン１１０の限られた範囲の配置によっても依然として達成される。

以上の説明は本発明の好ましい実施形態のみに関するものであること、並びに特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の全体的技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく本出願において多くの変更及び改良を加えることができることを理解されたい。

本出願で使用するタービンバケットの斜視図。 本出願で使用するタービンバケットの側面断面図。 図２のタービンバケット内の内部チャンネルの側面断面図。 先端キャップピースを備えたタービンバケットの平面図。 本出願に記載した先端キャップピースの平面図。 本出願で使用するピン配列の平面図。 図６のピン配列の側面断面図。 中央リブを備えたピン配列の別の実施形態を示す図。

符号の説明

１０ タービンバケット
１２ ダブテール
１４ ブレードシャンク
１６ プラットフォーム
１８ 翼形部
２０ 根元
２２ 先端
２４ 凹面形正圧側壁
２６ 凸面形負圧側壁
２８ 前縁
３０ 後縁
３２ 後縁冷却孔
３３ 前縁冷却孔
３４ 先端キャップ
３６ スキーラ先端
４０ 内部冷却通路
４２ 内部先端反転領域
５０ 高温側面
６０ 低温側面
１００ 先端キャップピース
１１０ 先端キャップピン
１２０ 基部フィレット
１３０ 頂部
１４０ 周辺領域
１５０ リブ

Claims (10)

1. タービンバケット（１０）内で使用するための先端キャップピース（１００）であって、
   低温側面（６０）と、
   前記低温側面（６０）上に配置された複数のピン（１１０）と、
   を含む先端キャップピース（１００）。
2. 前記複数のピン（１１０）の各々が、基部フィレット（１２０）と細長い頂部（１３０）とを含む、請求項１記載の先端キャップピース（１００）。
3. 前記複数のピン（１１０）が、ニッケル基又はコバルト基合金を含む、請求項１記載の先端キャップピース（１００）。
4. 前記複数のピン（１１０）は、２〜４の高さ対直径比を有する、請求項１記載の先端キャップピース（１００）。
5. 複数のピン（１１０）の各々が、０．５ｍｍ〜２．５ｍｍの高さを有し、該高さの２〜４倍の幅を有する、請求項１記載の先端キャップピース（１００）。
6. 前記複数のピン（１１０）が、千鳥状配列を含む、請求項１記載の先端キャップピース（１００）。
7. 前記複数のピン（１１０）の各々が、対角線に沿って互いに略２．５ｍｍ離れた位置にある、請求項１記載の先端キャップピース（１００）。
8. 複数のピン（１１０）のピン間隔対直径比が略４である、請求項１記載の先端キャップピース（１００）。
9. 前記低温側面（６０）が、前記複数のピン（１１０）がない周辺領域（１４０）を含む、請求項１記載の先端キャップピース（１００）。
10. 前記低温側面（６０）が、該低温側面上に配置されたリブ（１５０）を含む、請求項１記載の先端キャップピース（１００）。

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