JP2007508486A - 中空タービンブレードの強化 - Google Patents

Abstract

ガスタービンエンジンのローターブレードを強化すること、またはブレードの固有振動数を増加させることの少なくとも一方のための装置および方法を提供する。ブレードはブレード内へ半径方向内側に延在するリセスを有する。補強要素は、リセス内のブレードの先端部においてより大きなブレード翼弦を許容するように選択された位置に設けられる。

Description

本発明の分野は、一般的にガスタービンエンジンに関し、特にそのタービンブレード等の中空ローターブレードに関する。

図１Ａに図示された中空のタービンブレード１０は、一般的に、エアフォイル状の胴体部１２を含み、該エアフォイル状胴体部１２は、先端部１４とローター部１６との間で半径方向に延在し、前縁１８と後縁２０との間で軸方向に延在する。タービンブレード１０は、たとえば「モミの木」状のアタッチメント（図示せず）によってローターディスク２２に取り付けられている。ポケットつまりリセス３０は、中実のブレード胴体部１２の先端部１４に設けられている。ブレードクリープ測定に用いるために、クリープピン３２を任意選択で設けてもよい。正確な測定が行えるように、クリープピン３２は先端部１４の近く、且つ、ポケットつまりリセス３０の最も幅の広い軸方向位置に、すなわち、ポケットの前縁側に向かって配置されており、これによって適切な測定ツールによるアクセスが容易となる。

ポケットつまりリセス３０が存在することにより、ブレード１０の曲げ剛性およびねじり剛性の両方が低下し、また、ブレード１０のさまざまな振動および曲げモードに悪影響を及ぼすエアフォイル状胴体部１２の慣性モーメントが減少する傾向がある。その結果、「二次モードベンディング（ｂｅｎｄｉｎｇ）」として知られる現象により、大きなブレード翼弦が曲がってしまう。これは、風に旗や帆がなびく現象と若干似ている。したがって、このタイプのブレードの後縁の屈曲の影響を最小限にするため、ブレード翼弦は通常、先端部１４の近くの領域２０’において短くなっている。基本的に、この問題は、二次モードベンディング（曲げ）の最も影響を受けやすいブレードの一部（つまり、領域２０’）を取り除くか、減少させることによって回避される。しかしながら、ブレード翼弦を狭くすることにより、短い翼弦を有するタービンブレードが得る燃焼ガス流からのパワーが少なくなるため、タービンの性能に悪影響が及んでしまう。したがって、中空ブレードの改良が望まれている。

本発明の目的は、ガスタービンエンジンの中空ブレードの改善を提供することである。

本発明の一態様によると、ガスタービンエンジンのローターブレードが提供され、該ローターブレードは、ルート端部から先端部に延在するエアフォイルを備え、ルート端部はエンジンにブレードを固定するための接続器具に取り付けられ、エアフォイルは、前縁と、後縁と、外周と、を有し、該外周は、それぞれ前縁から後縁まで延在する圧力側と負圧側によって画定される。さらに、該ローターブレードは、先端部からルート端部に向かって延在するエアフォイルに画定されたリセスを備え、該リセスは、エアフォイルの圧力側および負圧側に対応する第１および第２の側を有する。さらに、該ローターブレードは、リセス内に配置されるとともに、第１の側から第２の側まで延在する少なくとも1つの補強要素を備え、該要素は、使用時にリセス内の要素の位置によってブレードの後端の曲げを最小限に抑えるように適合されたリセス内の位置に配置される。

本発明の別の態様によれば、ガスタービンエンジンのローターブレードが提供される。該ローターブレードは、ルート端部から先端部に延在するエアフォイルを備え、ルート端部は、エンジンにブレードを固定するための接続器具に取り付けられ、エアフォイルは、前縁と、後縁と、外周と、を有し、該外周は、それぞれ前縁から後縁まで延在する圧力側と負圧側によって画定される。さらに、該ローターブレードは、先端部からルート端部に向かって延在するエアフォイルに画定されたリセスを備え、該リセスは、エアフォイルの圧力側および負圧側に対応する第１および第２の側を有する。リセスは、最も幅の広い部分を有し、該最も幅の広い部分は、第１の側と第２の側との間における最も幅の広い垂直距離を有する部分である。さらに、該ローターブレードは、リセス内に配置されるとともに、第１の側から第２の側まで延在する少なくとも１つの補強要素を備え、該要素は、前記最も幅の広い部分の後方でリセス内に配置される。

本発明の別の態様によれば、ガスタービンエンジンの中空ローターブレードの後縁部における二次モードベンディング（曲げ）を阻止する方法が提供される。中空ブレードは、その先端部に画定されたリセスを有し、該リセスは、ルート端部に向かってブレード内に延在する。上記方法は、所望のブレード形状を提供するステップと、ブレード形状の少なくともひとつの二次モードベンディング特性を決定するようにその形状を分析するステップと、ブレードのリセス内の選択された位置に補強要素を設けるステップと、を含み、前記選択された位置は、要素がブレードの後縁部分における二次モードベンディングを最小限にするように適合された位置である。

補強要素は、好ましくは、リセスを横切って延在し、両端部がブレードの胴体部の各側に固定される強化ピンからなる。

本発明は、ローターブレード、特に、タービンブレードを改善する簡単な方法と構造を有利に提供する。該タービンブレードは、後縁の二次モードベンディングを最小限に抑えるとともにブレード性能を最大にするために、前記先端部のブレード翼弦が最大となるように、ブレードの先端部に開口するリセスを有する。

本発明の性質を一般的に示したが、添付の図面を参照して、好ましい実施例を例として示す。

図２はガスタービンエンジン１００の一例を示し、該ガスタービンエンジン１００は、長手方向中央軸１１２を中心とした直列の流体連通関係において、ファンブレード１１４を有するファンと、低圧コンプレッサー１１６と、高圧コンプレッサー１１８と、燃焼器１２０と、高圧および低圧タービン１２２、１２４と、を含む。該高圧および低圧タービン１２２、１２４は、本発明の一実施例によるタービンブレードを備えており、以下に詳細に説明する。低圧タービン１２４は、第１のローターシャフト１２６により低圧コンプレッサー１１６およびファンブレード１１４に動作可能に接続され、高圧タービン１２２は、第２のローターシャフト１２８により高圧コンプレッサー１１８に動作可能に接続される。燃料噴射手段１３０は、エンジン１００に動力を供給するために燃焼器１２０に燃料を選択的に噴射するように設けられている。

環状ケーシング１３２は、低圧および高圧コンプレッサー１１６、１１８、燃焼器１２０および高圧および低圧タービン１２２、１２４を取り囲み、それらを通って軸方向に延在する主要空気流通路１３８を形成する。ナセル１３４は、ファンブレード１１４とケーシング１３２を取り囲み、バイパスダクト１３６を画定する。このようにして、主要流路１３８に流入する空気流の一部は、低圧および高圧コンプレッサー１１６、１１８によって圧縮され、燃焼器１２０における燃焼のために燃料噴出手段１３０によって噴出される燃料と混合される。燃焼器１２０から流出する燃焼ガスは、高圧および低圧タービン１２２、１２４を駆動し、その後、エンジン１００から排出される。ファンブレード１１４によって圧縮された空気流の一部は、バイパスダクト１３６を通って流れ、エンジン１００から排出される。図３Ａ〜図３Ｃは、図２において符号３で示された本発明の高圧タービン部１２２の詳細を図示する。符号１０で示された、本発明によるタービンブレードは、一般的に、エアフォイル状胴体部１２を含み、該エアフォイル状胴体部１２は、先端部１４とローター部つまりルート端部１６との間で半径方向に延在し、前縁１８と後縁２０との間で軸方向に延在する。エアフォイル胴体部１２は、前縁１８と後縁２０との間でそれぞれ延在する圧力側１７および負圧側１９を有する。タービンブレード１０は、例えば、ルート端部１６に隣接するブレードに設けられた「モミの木」状の取付装置（図示せず）によってローターディスク２２に取り付けられている。セグメント化されたシュラウドアセンブリ２６として通常形成されるガスタービンシュラウドにより、流路２８の半径方向外側の境界が構成される。流路２８は、図２の主要流路１３８の一部である。ブレード１０の先端部１４に開口部が画定され、これにより、先端部１４からルート端部１６に向かって中実のブレード胴体部１２内に半径方向内側に延在するリセス３０が形成される。リセス３０は、一般的に、ブレードの全高（すなわち、ルート端部１６と先端部１４との間の距離）の少なくとも２５％、さらに好ましくはブレード高さの約５０％から７５％までブレード内に延在してもよい。リセスは、圧力側１７および負圧側１９にそれぞれ対応する側１３，１５を有する。

クリープピン３２は、ブレード１０のクリープ伸びの測定に用いるためにリセス３０に任意選択で設けられてもよい。クリープピン３２は、半径方向位置では先端部１４付近に、かつ軸方向ではリセス３０の最も幅の広い部分において配置されており、これによって、クリープ測定が容易になる。（リセス内の他の場所にクリープピンが配置されていると、測定のためにピンにアクセスすることができなくなり、その目的を果たせなくなる。）リセス３０の最も広い部分は、エアフォイルの最も広い部分に相当するとともに、翼弦のセンターライン４０の前方に位置する。翼弦のセンターライン４０は前縁１８と後縁２０との中間に位置する。

本発明によれば、補強要素、この場合、強化ピン３４は、該ピンによりブレード１０の後縁の二次モードベンディング（曲げ）が最小限となるように選択されたブレードの所定の位置において、ブレード１０のリセス３０に設けられる。この要素により、中空のブレードの形状に対して剛性が付与されるとともに、負荷のかかっていない形状にブレードが維持され、これにより、二次モードベンディングを引き起こす運転上の力に抵抗する。しかしながら、この目的を達成するためには、この要素の配置が重要となる。

次に、図３Ｂ〜図３Ｃを参照すると、強化ピン３４は、好ましくはリセスの上方かつ後部に配置され（この部分は、二次モードベンディングの影響を受けやすいブレードの部分であるため）、ブレード１０のリセス３０の内側の側１３から側１５までリセス３０を横切って延在する。説明のために、図３Ｃに示されたように、リセス３０を、翼弦センターライン４０の両側の２つと、ポケット中線４２の両側の２つと、からなる4つの象限に分割する。長さＬは、リセス３０の開口部の軸方向の長さである。深さＤは、リセス３０の開口部が画定された先端部１４からリセス３０の底部の最も深い点ｄまでを測定した深さである。最も深い点ｄは、必ずしもリセス３０の底部の中央にある必要はなく、リセス３０の形状によって異なる。中線４２は、先端部１４と最も深い点ｄとの中間点であって、これによりリセスが二等分される。上述したように、深さＤは、ブレード１０の高さの少なくとも２５％、好ましくはブレード１０の高さの約５０％、および７５％と同程度、もしくはそれ以上であってもよい。

上述したように、リセス３０内の強化ピン３４の位置は、その後縁に隣接するエアフォイルの二次モード縁部ベンディングを最小限に抑えるように決定され、そのため、ブレードに対するピン３４の正確な位置は、エアフォイル胴体部１２の特定の形状およびリセス３０の形状によって影響を受ける。再び図１Ａを参照すると、二次モードベンディングの影響を最も受けやすい領域は、ブレードの領域２０’およびそれに隣接した部分であり、その理由としては、ブレードが最もたわみやすく、エアフォイル翼弦の最も薄い部分であり、かつルート端部１６に隣接したプラットフォームに対するエアフォイルの接続部分から離れているためである。したがって、再び図３Ｃを参照すると、曲げ、特に、二次モードベンディング（曲げ）の影響を最も受けやすい領域は、象限３８であり、したがって、この領域が、本発明によるピン３４の配置によって最も利益を受ける。上述の教示から考えると、象限３８は二次モードベンディングの影響を最も受けやすいブレードの領域に概ね相当することは理解されるであろう。

したがって、ピン３４は象限３８に配置される。強化ピン３４がブレード１０のリセス３０内にそのように設けられると、後縁の二次モードベンディングが効果的に最小限に抑えられる。したがって、上述した従来例のように、曲げを制御するように先端部におけるブレードの翼弦を必ずしも短くする必要はなくなる。よって、図１Ａに示されたように後縁２０を削除する必要はなくなり、むしろ相対的により直線的に延在させてもよく、これにより、先端部において翼弦が相対的に大きくなるように設計者により設計され得る。また、図１Ｂと図３Ｂとの比較から分かるように、リセスつまりポケット３０をより大きくすることも可能となる。より大きな翼弦を有するタービンブレード１０により、同じエンジン運転条件下でブレードを流れる燃焼ガスからより多くのパワーを得ることができるため、エンジン性能が向上する。また、強化ピン３４を加えることにより、以下にさらに記述するように、タービンの全空力学的特性の改善に望ましいブレード１０の固有振動数が増す。

しかし、クリープピン３２は、ポケット３０内で相対的に前方に位置しており、二次モードベンディングが主に問題となる領域から離れて位置しているので、二次モードベンディングを軽減する効果はより低いことを当業者であればすぐに理解されるであろう。しかし、有利なことには、強化ピン３４は、二次モードベンディングなどの曲げを減少、理想的には完全に防ぐように配置される。

ブレード１０は、単一のブレード部を形成するように鋳造法によって製造されることが好ましく、高速かつ高温の条件下での信頼性が高い運転が促進されるため、ピン３４をブレードと一体的に設けることが好ましい。

本発明による２つ以上の補強要素を用いてもよく、付加的な重量を最小限に抑えながら、ブレードの固有振動数を増加させるように有利に用いられ得ることが本発明者により分かっている。リセス３０の任意の位置に補強部材を加えることは、通常ブレード１０の固有振動数および曲げ強度に影響するが、第二のまたはそれ以上の補強要素を加える効果は、ブレードの設計に応じた所定位置において最大となる。したがって、補強要素の数および第一の補強要素の位置が決定されると、その後に続く要素の各々の位置は、好ましくは、ブレードの固有振動数を最大限まで増大させるように選択される。また、好ましくは、そのような付加的な要素も象限３８に配置されることが発明者により意図されている。

図４においては、本発明の別の実施例が図示されており、ブレード１０’は、図３Ａおよび図３Ｂにおけるブレード１０と同様であって、同じ符号で同様の部品や特徴部を示しているため、ここでは重複して説明しない。図３Ａおよび図３Ｂの実施例と対比させて参照すると、リセス３０’は、（従来技術と比べて）相対的により大きな開口部を先端部１４に有する。第２の補強要素（この場合、ピン４２と同様のピン４４）が追加される。第２の強化ピン４４を追加することにより所定のレベル以上にブレード１０’の固有振動数が有利に増大して、ブレード１０の性能が向上するように、第２の強化ピン４４の位置が選択されることが望ましい。

さらに、所望のようにブレード１０’の曲げ強度をさらに増加させるとともに、固有振動数を増大させるために、さらなる補強要素をブレード１０’のリセス３０’に追加してもよい。これらの問題の一方、またはこれらの問題の両方を一緒に解決するために、1つまたは複数の要素を設けてもよい。

本発明の好ましい実施例を説明する例としてタービンブレードを用いてきたが、この方法を他の中空ローターブレードに適用してもよい。本発明の一例として強化ピンを用いてきたが、前述の強化ピンと同様の結果を実質的に実現する他の構造の要素（例えば、ピンの形状を備えていない、非円形の断面形状を有する要素）を用いてもよい。円筒形状は、要素の重量を減少し、鋳造を容易にするため好ましい。短いカウルナセルを有するターボファンガスタービンエンジンを、本発明の環境を説明する例として用いているが、他の型式のガスタービンエンジンであっても本発明によるローターブレードの使用に適している。当業者であればガスタービン分野以外の他の用途が明らかであろう。

したがって、本発明の上述した実施例に対する修正および改善が、当業者に明らかとなるであろう。上記説明は、限定的なものではなく、むしろ例示を目的とするものである。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定されることを意図している。

図１Ａは、ガスタービンエンジンのタービン部の断面図であって、先端部に開口したリセスを有する従来の中空タービンブレードを示す。 図１Ｂは、図１Ａのタービンブレードのブレード先端部の上面図である。 図２は、本発明の一実施例を取り入れたガスタービンエンジンの概略断面図である。 図３Ａは、図２において符号３で示されたガスタービンエンジンのタービン部の細部を示す断面図である。 図３Ｂは、図３Ａに図示されたタービンブレードの先端部の上面図である。 図３Ｃは、図３Ａのブレードに画定されたリセスの概略図であって、４つの象限を示す。 図４は、本発明の別の実施例によるタービン部を示す図３Ａと同様の断面図である。

Claims (11)

1. ガスタービンエンジンのローターブレードであって、前記ローターブレードは、
   ルート端部から先端部に延在するエアフォイルであって、前記ルート端部が、前記エンジンに前記ブレードを固定する接続器具に取り付けられ、前記エアフォイルが、前縁、後縁および外周を有し、前記外周が、前記前縁から前記後縁までそれぞれ延在する圧力側および負圧側により画定されるエアフォイルと、
   前記先端部から前記ルート端部に向かって延在する前記エアフォイルに画定されたリセスであって、前記リセスが、前記エアフォイルの前記圧力側および前記負圧側に対応する第１の側および第２の側を有するリセスと、
   前記リセス内に配置されるとともに、前記第１側から前記第２側まで延在する少なくとも1つの補強要素であって、使用時に前記リセス内の前記要素の位置によって前記ブレードの後縁の曲げを最小限に抑えるように適合された所定の位置において前記リセス内に配置される補強要素と、
   を備えるローターブレード。
2. 前記補強要素が、強化ピンからなることを特徴とする請求項１に記載のローターブレード。
3. 前記リセスが、前記先端部と前記ルート端部との間の距離の少なくとも５０％まで前記エアフォイル内に延在することを特徴とする請求項１に記載のローターブレード。
4. 前記リセスの第１側および第２側が、リセス前縁側からリセス後縁側まで延在し、前記要素が、前記リセス前縁側よりも前記リセス後縁側の近くに位置することを特徴とする請求項１に記載のローターブレード。
5. 前記第１側から前記第２側まで前記リセスを横切って延在する少なくとも第２の要素を備えることを特徴とする請求項１に記載のローターブレード。
6. 前記第２のピンが、前記ブレードの固有振動数を増大させるように前記リセス内に選択的に配置されることを特徴とする請求項１３に記載のローターブレード。
7. ガスタービンエンジンのローターブレードであって、前記ローターブレードは、
   ルート端部から先端部に延在するエアフォイルであって、前記ルート端部が、前記エンジンに前記ブレードを固定する接続器具に取り付けられ、前記エアフォイルが、前縁、後縁および外周を有し、前記外周が、前記前縁から前記後縁までそれぞれ延在する圧力側および負圧側により画定されるエアフォイルと、
   前記先端部から前記ルート端部に向かって延在する前記エアフォイル内に画定されたリセスであって、前記リセスが、前記エアフォイルの前記圧力側および前記負圧側に対応する第１の側および第２の側を有し、前記リセスが、最も幅の広い部分を有し、前記最も幅の広い部分が、前記第１側と前記第２側との間における最も幅の広い垂直距離を有する部分であるリセスと、
   前記リセス内に配置されるとともに、前記第１側から前記第２側まで延在する少なくとも１つの補強要素であって、前記最も幅の広い部分の後方で前記リセス内に配置される補強要素と、
   を備えるローターブレード。
8. ガスタービンエンジンの中空ローターブレードの後縁部分における二次モードベンディングを阻止する方法であって、前記中空ブレードは、前記ブレードの先端部に画定されたリセスを有し、前記リセスは、ルート端部に向かって前記ブレード内に延在し、
   前記方法は、
   所望のブレード形状を提供するステップと、
   前記ブレード形状の少なくとも１つの二次モードベンディング特性を決定するように前記形状を分析するステップと、
   前記ブレードの選択された位置において前記ブレードの前記リセス内に補強要素を設けるステップと、
   を含み、
   前記要素によって前記ブレードの前記後縁部分における二次モードベンディングが最小限になるように、前記選択された位置が適合されることを特徴とする二次モードベンディング阻止方法。
9. 前記補強要素が、前記リセスを横切って延在する強化ピンからなることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記選択された位置が、ブレード前縁よりもブレード後縁に近く、前記選択された位置が、前記ルート端部よりも前記ブレード先端部の近くに位置することを特徴とする請求項８に記載の方法。
11. 前記リセス内に少なくとも第２の要素を設けるステップをさらに含み、前記第２の要素が、前記リセスを横切って延在し、前記第２の要素が、第２の選択された位置に設けられ、前記第２の選択された位置が、前記ブレードの固有振動数を増大させるように適合されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
    

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