JP2008064087A - ダスト孔ドーム式ブレード - Google Patents

Abstract

【課題】中空タービン翼形部を提供する。
【解決手段】本中空タービン翼形部（１２）は、対向する正圧及び負圧側壁（２０、２２）間における内部冷却回路（３２）の境界となる先端キャップ（４４）を含む。先端キャップ（４４）は、ダスト孔（４８）を囲む内部ドーム（５０）を含み、ドーム（５０）は、翼形部の対向する側壁（２０、２２）間で翼厚方向かつ対向する前縁及び後縁（２８、３０）間で翼弦方向の両方向に翼形部根元（２４）に向かって内向きに傾斜する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジン内のタービンブレードに関する。

ガスタービンエンジンでは、空気が圧縮機内で加圧されかつ燃焼器内で燃料と混合されて、高温燃焼ガスを発生し、燃焼器の下流に配置されたタービン段において高温燃焼ガスからエネルギーを取り出すようにする。高圧タービン（ＨＰＴ）は、１つの駆動シャフトを介して圧縮機に動力を供給し、また低圧タービン（ＬＰＴ）は、ターボファンエンジン用途では上流ファンに動力を供給し、或いは船舶及び産業用途では外部駆動シャフトに動力を供給する。

各タービン段は、タービンノズルを含み、タービンノズル内では、ステータベーンの列が、支持ロータディスクの周辺部に取付けられたタービンロータブレードの列を通して下流方向に高温燃焼ガスを導いて駆動シャフトに動力を供給する。タービンブレードは、根元から先端まで半径方向スパンにわたって延びかつ対向する前縁及び後縁間で軸方向に延びる翼形部を含む。

各翼形部は、ほぼ凹面形の正圧側壁と翼厚方向に間隔を置いて配置されて内部冷却回路を形成した円周方向に対向するほぼ凸面形の負圧側壁とを含む。冷却回路は一般的に、長手方向の仕切り壁又はリブによって分離された幾つかの半径方向チャネル又は通路を含む。

冷却回路には、圧縮機から抽気された加圧空気が供給され、この加圧空気は、運転中に各ブレードの支持ダブテール内の入口を介して送られて翼形部内を通って半径方向外向きに冷却空気を運ぶ。

翼形部内の個々の冷却通路は、翼形部の半径方向外側先端キャップで終端し、先端キャップは一般的に、内部冷却空気の一部分を吐出するための出口孔をその中に含む。翼形部は一般的に、正圧及び負圧側壁を貫通した様々なフィルム冷却孔の列、並びに翼形部から使用済み冷却空気をまとめて吐出して翼形部の熱保護を行う後縁出口又はスロットの列を含む。

内部冷却回路は、前縁と後縁間でまた対向する正圧及び負圧側壁に沿って翼形部の異なる部分を異なる方式で冷却するような様々な構成を有することができる。前縁及び後縁に沿って専用の冷却通路を設置し、それら専用冷却通路の間に異なる冷却通路を軸方向に設置することができる。

例えば、タービン翼形部は一般に、翼形部先端まで延びるアウトバウンド入口流路を有する１つ又はそれ以上の蛇行冷却回路を含み、アウトバウンド入口流路は次に、流れ屈曲部において方向を変えて、翼形部根元まで延びる半径方向インバウンド流路（半径方向内向き流路）となり、これがもう１つの流れ屈曲部において再び方向を変えて、３通路蛇行回路におけるもう１つの半径方向アウトバウンド流路（半径方向外向き流路）となる。

最新のタービンブレードは一般的に、鋳造法によって製造され、鋳造法は、ブレード内部に内部冷却回路の入り組んだ特徴形状部を形成するためのセラミック中子を必要とする。一般的に、翼形部内部の幾つかの半径方向流路の鋳造法及び構成により、流路の各々の上方に先端キャップの実質的に平坦な又は水平な内表面が形成される。

上述したように、先端キャップは、運転中に多くのフィルム冷却孔の列を通して空気を吐出すると共に、翼形部先端から外方に使用済み内部冷却空気の一部分を排出するための小さな出口孔を含むことができる。

しかしながら、冷却空気は、エンジンが運転される特定の環境に応じて、小さなダスト粒子を様々な量だけ含む可能性がある。例えば、ターボファン航空機エンジンは、世界の様々な場所を飛行する航空機に動力を供給するために使用することができ、それらの幾つかには、特に飛行場周辺で大気が大量のダストを含みがちな場所もある。

タービンブレードの小さな通路及び孔の内部におけるダストの堆積は、よく知られた問題であり、この問題は一般的に、タービンブレードの先端キャップ内に比較的大きなダスト孔を導入することによって改善される。ダスト孔の寸法は一般的に、翼形部側壁内に見られる一般フィルム冷却孔の寸法の約２倍であり、それに対応してダスト孔からの吐出流量が増大するが、大量の混入ダストを吐出流と共に運んでタービン翼形部から排出させる有意な特性を有する。

従って、翼形部内部におけるダストの堆積を減少させる利点を得るために、比較的少数のダスト孔において吐出流量を局所的に増加させるような妥協策が、先端キャップ領域において行われる。

しかしながら、多年にわたり世界中で広く商用に使用されてきた１つのタービンブレードにおける経験は、ブレード先端キャップ内のそのようなダスト孔の使用にも拘わらず、先端キャップの下方に依然としてダストが堆積し、やがてはダスト孔を介しての吐出流を遮断して、タービンブレードの寿命を短縮させることになる可能性があることを示している。

実用使用したタービンブレードのこれまでの経験及び実際の観察は、蛇行及び非蛇行流路の両方を含む内部流路の半径方向外端部におけるダストの堆積を示している。冷却空気中に混入した最初は微細なダスト粒子でも、運転中に堆積又は互いに凝集して、より大きな粒子又は塊を形成するようである。

遠心力は、運転中にこれらの粒子及び塊を半径方向外向きに移動させ、それらは先端キャップの内表面によって捕捉される。粒子及び塊は次に、先端キャップの内表面に付着する可能性がある。

或いは、塊の或るものは浮遊したままであって、エンジン停止時に、これらの浮遊した塊は幾つかのブレードの根元に向って落下し、エンジンが再び始動された時に、再び半径方向外向きに移動させられて、比較的大きなダスト孔そのものを完全に閉塞する可能性がある。個々のダスト孔が閉塞されると、冷却空気中に混入したダスト粒子は、先端キャップの下方に堆積して、流れの遮断をさらに増大させ、やがては個々の流路内の冷却流を完全に遮断するおそれがある。

従って、ダスト環境内でブレードの有効寿命を増大させるような改善型のダスト除去構成を有するタービンブレードを提供することが望まれる。

中空タービン翼形部は、対向する正圧及び負圧側壁間における内部冷却回路の境界となる先端キャップを含む。先端キャップは、ダスト孔を囲む内部ドームを含み、ドームは、翼形部の対向する側壁間で翼厚方向かつ対向する前縁及び後縁間で翼弦方向の両方向に翼形部根元に向かって内向きに傾斜する。

好ましくかつ例示的な実施形態により、添付図面に関連して行う以下の詳細な記述において、本発明並びにその更なる目的及び利点を一層具体的に説明する。

図１に示すのは、ガスタービンエンジンのＨＰＴの第１段で使用するように構成された例示的なタービンロータブレード１０である。ブレードは、翼形部１２、プラットフォーム１４及びダブテール１６を含み、これらは、ガスタービンエンジンの過酷な環境内で使用するために一般的には超合金金属の単体鋳造品として互いに一体形に接合される。

翼形部１２は、運転中にエンジンの燃焼器（図示せず）内で発生した高温燃焼ガス１８からエネルギーを取り出すような特殊な構成にされる。プラットフォーム１４は、エンジン内で燃焼ガスの半径方向内側境界を形成する。また、ダブテール１６は、支持タービンロータディスク（図示せず）の周辺部内に見られる対応するダブテールスロット内に全ブレードを取付けるための適当なタング又はローブを有するように構成される。

図１及び図２に示す翼形部１２は、中空であり、円周方向つまり翼厚方向（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｌｙ）に対向する正圧及び負圧側壁２０、２２を含み、これら側壁２０、２２は、プラットフォーム１４に対して一体形に接合された底部根元２４から対応するタービンシュラウド（図示せず）によってエンジン内で近接して囲まれた半径方向外側先端２６までスパンにわたって半径方向つまり長手方向に延びる。

正圧側壁２０は、ほぼ凹面形であり、また負圧側壁２２は、ほぼ凸面形であり、両側壁共に、対向する前縁及び後縁２８、３０間で翼弦にわたって軸方向つまり翼弦方向（ｌａｔｅｒａｌｌｙ）に延びる。

中空翼形部１２は、運転中に加圧冷却空気３４がそれを通って循環する内部冷却回路３２を含み、冷却空気３４は、運転中にエンジンの圧縮機（図示せず）から抽気され、そのダブテール１６の底面に設けられた対応する入口を通して個々のタービンブレードに送られる。

基本的なタービンブレード１０及びその内部の冷却回路３２は、運転中に高圧タービン内で高温燃焼ガス１８からエネルギーを取り出しながらブレードの内部で冷却空気３４を循環させて該ブレードを冷却するようなあらゆる従来型の構成及び作動を有することができる。

例えば、図１及び図２に示す例示的な冷却回路３２は、スパンにわたって根元２４から先端２６まで延びる複数の長手方向つまり半径方向流れ空洞又は流路１〜８を有する。第４の流路４はさらに、ダブテールの底面における対応する入口までプラットフォーム１４及びダブテール１６を貫通して内向きに延びる。同様に第５の流路５は、ダブテールの底面まで内向きに延びて、第２の入口を形成する。また、第８の流路８もまた、ダブテールの底面まで延びて、第３の入口を形成する。それら３つの入口は、運転中に冷却空気３４の対応する部分を受けて、幾つかの冷却流路１〜８内で循環させるようにする。

冷却回路３２及びその半径方向流路は、対向する正圧及び負圧側壁２０、２２と一体形に接合又は鋳造された複数の対応するリブ又は仕切り壁３６間に形成される。仕切り壁は、互いに翼弦にわたってエンジンの軸方向に分離して又は間隔を置いて配置されて、２つの側壁の対応する部分と共に、図１に示すように断面構成が変化する個々の流れチャネルの周辺部又は境界を形成する。

第１の流路１は、前縁の直ぐ背後に設置され、流れ断面積が比較的小さい。流路２〜４は、翼形部の厚さ（ｗｉｄｔｈ）が増大するにつれて、下流方向にその厚さが増大し、また流路４〜８は、翼形部の厚さが薄い後縁３０に向かって先細になるにつれて、厚さが減少する。

上述したように、冷却回路３２は、あらゆる従来型の構成を有することができ、また一般的には、図１に示すように翼形部の正圧及び負圧側壁を斜めに貫通した様々なフィルム冷却孔３８の列を含む。インピンジメント孔４０は一般的に、前縁の裏側をインピンジメント冷却するように第２の仕切り壁内で軸方向に延びる。また、後縁孔又はスロット４２の列が、薄い翼形部後縁を貫通して冷却空気を吐出する。

フィルム冷却孔及びインピンジメント孔は一般的に、それらを通しての冷却空気の吐出を制御又は調量するために比較的小さい。これらの孔の公称直径は、例えば約１０〜１５ミル（０．２５〜０．３８ｍｍ）とすることができる。このようにして、ダブテール底面内の冷却回路の入口を通して受ける限られた冷却空気の分配量は、例示的な８つの流路の各々によって正確に分配し、かつ翼形部自体を貫通した対応する吐出孔から正確に分配することができる。

図１及び図２に示す例示的翼形部におけるもう１つの従来型の特徴形状部は、対向する側壁２０、２２を翼形部先端２６において翼厚方向に橋絡して、内部冷却回路３２に対する外側境界を形成する比較的薄い先端キャップ４４である。先端キャップ４４は一般的に、翼形部先端２６自体から半径方向内向きに凹設されて、先端キャップ４４の外表面から長手方向外向きに面する露出した外部先端空洞又はウエル４６を形成する。翼形部先端２６は、対応する側壁の小さな一体形延長部によって形成され、これらの側壁延長部は、先端ウエル４６の翼弦方向の境界となりかつ運転中に翼形部先端が周囲のタービンシュラウドと偶然摩擦した場合における犠牲材料を提供するスキーラ先端又はリブを形成する。

その他の点では従来通りである図２に示すタービンロータブレードは、図３の拡大図に示すようにその先端領域において変更されて、内部冷却回路３２の対応する部分と流れ連通状態で配置された協働するダスト排出孔４８及び内部天井ドーム又はファンネル５０を含み、運転中に冷却空気３４内に混入したダストを効率的に排出しかつ先端キャップ４４の内表面に沿ったダストの内部堆積を減少させるか又は除去する。

個々のダスト孔４８は、比較的大きく、一般的に図１に示すフィルム冷却孔３８の流れ直径の約２倍である。例えば、ダスト孔４８は一般的に、翼形部内部のダスト孔入口から先端ウエル内部のダスト孔出口まで、約２０〜３０ミル（０．５〜０．７６ｍｍ）の流れ直径を有する円筒状又は管状の孔である。このようにして、大きなダスト孔自体は、その中にダスト粒子を堆積させるいかなる付加的な障害物も有しない。

図４〜図６は、内部冷却回路の対応する流路の境界となる内部天井ドーム５０の３つの形態をそれと協働するダスト孔４８と共に示している。さらに、図３に示す第７の流路７はまた、図３及び図４に示す第２の流路２の遠位端部に見られるのと同様な対応するダスト孔４８及び協働する内部ドーム５０を含むことができる。

図３に示す先端キャップ４４は、タービンブレードの重量を軽減するために比較的薄いので、従来型のブレードでは、先端キャップ４４は一般的に比較的平坦な外表面及び内表面を有するように鋳造される。内表面は一般的に、翼形部側壁及び対応する仕切り壁を比較的小さいフィレットで接合し、従って特定の運転環境においてダストの堆積を促進する局所的よどみ領域と水平な凸条部又はランドとを形成する。

従って、図３に示す先端キャップ４４の内表面は、その上にダストが堆積する可能性のある水平なランド又は凸条部を排除すると同時に、さらに混入したダストを対応するダスト孔４８に滑らかに漏斗状に集めて翼形部から除去するほぼ凹状の天井ドーム５０を対応する流路の上方に含むように選択的に変更される。

各内部ドーム５０は、対応するダスト孔４８を完全に囲み、また対向する側壁２０、２２間で翼厚方向かつ対向する前縁及び後縁２８及び３０間で翼弦方向の両方向にダスト孔から翼形部根元に向かって長手方向又は半径方向内向きに傾斜している。図３は、翼形部翼弦に沿った例示的な構成を示しており、図４〜図６は、対向する側壁間の翼厚方向のドーム構成を示している。

図３〜図６に示す幾つかのドーム５０は、内向きにほぼ凹状であり、翼形部根元に対する高さつまりスパンが、その中の中央ダスト孔４８から翼厚方向に対向する正圧及び負圧側壁２０、２２に向ってまた翼弦方向に対向する前縁及び後縁並びに個々の流路の境界となる対応する仕切り壁に向って、翼弦方向外向きに減少する。

従って、各ドーム５０は、対向する側壁と流路の境界となる仕切り壁とによって形成された周縁部を有し、逆ファンネルの全体的形態においてその周縁部からダスト孔４８がその中に配置されたドームの内側又は中央最大頂点までその高さが増大する。このようにして、冷却空気がその圧力駆動力並びにブレード自体の回転による遠心力によって様々な流路を通して送られるので、混入ダストは、ドームファンネル５０によって強制的に半径方向外向きに押されて該ドームファンネル５０の中央ダスト孔を通して排出され、たとえ幾らかあるとしても、ダスト堆積が最少になる。

従って、各ダストファンネルドーム５０は、その排出ダスト孔４８に比して比較的大きく、該ダストファンネルドーム５０が境界となる１つ又はそれ以上の半径方向流路と寸法、周長及び面積が同一の広がりを有する。従って、各ドームは、比較的大きく、流路の境界となる対向する側壁及び対向する仕切り壁と一致する。従って、その中央ダスト孔４８を含む各ドーム５０の表面積は、対応するドームが境界となる下方にある１つ又はそれ以上の流路の全流れ面積に等しい。

各ドームは、適切に内向き方向に傾斜させて、側壁及び仕切り壁と滑らかに融合し、中央ダスト孔から遠隔のこれらの接合部においてあらゆる水平な凸条部又はランドを排除して、そこでのダスト堆積を防止又は減少させる。

翼厚方向及び翼弦方向における個々のドームの曲率又は傾斜は、流路自体の具体的な寸法及び構成に従って選択することができる。例えば、図４〜図６に示す３つの実施形態におけるドーム５０の翼厚方向の傾斜は、ダスト孔から比較的小さな融合フィレットを有する境界となる側壁及び仕切り壁までのほぼ直線的な傾斜とほぼ同様である。

図３に示すドームの翼弦方向の傾斜又は構成については、流路３、４及び流路５、６の対応するドームは、ダスト孔から境界となる仕切り壁における比較的小さいフィレットまでの比較的直線的な傾斜とほぼ同様である。

比較的狭い流路２、７のドームの翼弦方向の構成は、弓形又は半円形とすることができる。また、図３に示す例示的な実施形態には、４つのドームを示しているが、特定のブレード設計に応じて、またその付加的な耐ダスト性に対する必要性に応じて、４つのドームのいずれか１つ又はそれ以上を使用することができる。

図３〜図６においては、内部ドーム５０は、そうでなければ薄い先端キャップ４４の厚さを、中央ダスト孔から外向きに該先端キャップと側壁及び仕切り壁との接合部まで局所的に増大させることによって形成されることに注目されたい。この付加的厚さは、従来型の方法で容易に鋳造することができるが、それに対応して、運転中にタービンロータディスクによって支持されなくてはならないタービンブレードの重量及びそれに対応した遠心荷重を増大させる。従って、内部ドーム５０は、重量増加にも拘わらずその流路からのダスト除去を高めることによる一層大きな利益を得ることになる比較的大きな流路として導入すべきである。

内部ドーム５０は、内向きにほぼ凹状であり、また所望の対応する流路の半径方向外側遠位端部の境界となるので、それら内部ドーム５０は、最初に図１に示したような個々のタービンブレードの特定の構成及び湾曲に応じて、また内部冷却回路の半径方向流路の対応する数及び構成に応じて、様々な構成を有することができる。図１は、８つの例示的な流路１〜８を示しているが、その他のタービンブレード設計では、より少い数の又はより多い数の流路を使用することができ、これによって次に最も効率的な内部ドームの特定の形状を決定することができる。

図３は、第２及び第７の流路２、７のダスト孔４８が、それぞれそれらの流路と半径方向つまり長手方向に整列している幾つかの構成を示している。これと対照的に、流路３〜６のダスト孔４８は、それら４つの流路のいずれとも半径方向つまり長手方向に整列していない。

それに対応して、ダスト孔４８は、図３に示すように、対応する第２及び第７の流路２、７の真上の中央に置くことができるが、対応する流路３〜６の上方の中央に置くことはできない。

個々のドーム５０は三次元内表面を有するので、それらドーム５０は、少なくとも対向する側壁間の翼厚方向及び仕切り壁間の軸方向つまり翼弦方向において、並びにその３６０度の周縁部周りのあらゆる部分において、異なる曲率又は構成の恩恵を受けることができる。例えば、図３に示す第２及び第７の流路２、７のダスト孔４８は、それぞれそれらの流路の上方で整列させる、つまり翼弦方向中央に置くことができる。

それに対応して、ダスト孔４８は、図３の実施形態並びに図７及び図８に示したその付加的な実施形態に示す４つの流路３〜６の上方で翼弦方向にオフセットさせることができる。

さらに、個々のダスト孔４８はまた、図５に示す第３の流路３のようないずれか１つの流路の上方で、対向する正圧及び負圧側壁間で翼厚方向の中央に置くこともできる。

それに代えて、ダスト孔４８は、付加的な実施形態として図４に示す流路２、図６に示す流路５、並びに図１０及び図１１に示す流路４及び３のようないずれ１つの流路の上方で、正圧及び負圧側壁間で翼厚方向にオフセットさせることができる。

内部ドーム及び協働するダスト孔のこれらの異なる構成は、個々の流路の異なる構成及びそれらが作動する異なる遠心力環境により、異なる利点を有する。

例えば、図１及び図２に示す第１及び第２の流路１、２は、比較的狭く、また前縁の裏側にインピンジメント冷却を行うように構成される。３つの流路２〜４は、３通路蛇行回路を形成しており、流路４は、冷却空気をブレード前縁に向けて軸方向前方に送る第１の入口を形成するようにダブテールを貫通して延びる。

流路５〜７は、もう１つの３通路蛇行回路を形成しており、流路５は、冷却空気を後縁に向けて後方に送るためのダブテール１６を貫通した第２の入口を形成する。また、第８の流路８は、後縁スロット４２を通して専ら後縁の冷却を行い、ダブテール１６を貫通した第３の入口によって冷却空気供給される。

図１に示す個々の流路１〜７は、翼弦方向に沿ってその幅が比較的狭いが、翼形部の厚さが正圧及び負圧側壁間の***領域におけるその最大値まで増大するにつれて、翼厚方向の幅が増大する。

図３に示す２つの蛇行回路４−３−２及び５−６−７は、対応する半径方向アウトバウンド入口流路４、５を含み、これに次に半径方向インバウンド流路３、６が続き、そしてさらに次に対応するアウトバウンド及び最終流路２、７が続く。

最初に図３に示したように、アウトバウンド入口流路４は、先端キャップ４４及び対応する内部ドーム５０の内表面の手前で終端する中断又は短縮仕切り壁３６によって形成された外側流れ転換又は屈曲部５２を通して、隣のインバウンド流路３に結合される。同様に、アウトバウンド入口流路５は、対応する中断仕切り壁３６によって形成されたもう１つの外側流れ屈曲部５２において、隣のインバウンド流路６に結合される。

また、図２は、第２及び第３の流路２、３間並びに第６及び第７の流路６、７間の仕切り壁をそれらの半径方向内端部において中断して、２つの３通路蛇行回路の最終の２つの流路間に対応する内側流れ屈曲部を形成することを示している。

従って、図３に示す２つの形態の蛇行流路４−３−２及び５−６−７では、それぞれ共通の内部ドーム５０が、２つの蛇行回路の最初の２つの流路４−３及び５−６を橋絡し、対応するダスト孔４８が、対応する流れ屈曲部５２と流れ連通状態で配置される。

従って、単一の内部ドーム５０が、２つの流れ屈曲部５２の各々を橋絡することができ、各回路内の単一のダスト孔４８が、各蛇行回路の最初の２つの流路間の中断仕切り壁３６とほぼ同じ翼弦方向位置において長手方向に整列する。それに対応して、共通のドーム５０は、２つの蛇行回路のアウトバウンド及びインバウンド流路４−３及び５−６の両方の上方で、高さつまりスパンが翼弦方向に沿ってほぼ対称的状態で減少する。

この構成では、アウトバウンド入口流路４、５内のアウトバウンド空気は、対応する内部ドーム５０に沿って滑らかに移動して、ドーム頂点におけるダスト孔４８を通して混入ダストを排出する。軽量ダストは、隣のインバウンド流路を通って滑らかに移動し続け、隣のアウトバウンド流路を通して除去することができる。

ダストの重量又は密度は、個々のドームの詳細な設計及びドーム内における対応するダスト孔の配置において重要な因子である。各タービンブレードを通って送られる冷却空気は、圧縮機内で加圧され、翼形部内外の差圧による対応する流速で個々の翼形部内を通って流される。

さらに、個々のタービンブレードは、運転中に回転して、空気中の混入ダスト粒子に作用する遠心力を生じる。

ダストに作用する遠心荷重がダストを移動させる空気力学的又は圧力荷重よりも大きい場合には、ダストは、遠心力によって先端キャップの下面に移動させられることになる。

しかしながら、ダストに作用する空気力学的荷重が遠心荷重よりも大きい場合には、ダストは、空気流内に同伴（混入）され続けて、翼形部内のインバウンド流路を通して運ばれることになる。

従って、個々のドームの三次元構成及びドーム内でのダスト孔４８の内側又は中央相対的配置は、流路の特定の構成及び様々な寸法のダストに作用する様々な駆動力に合わせて最適化することができる。

図３は、２つの蛇行回路の最初の２つの流路を橋絡する２つの共通ドーム５０内における翼弦方向中央のダスト孔位置を示している。

図７は、図３の実施形態の局部的な変更形態を示しており、この実施形態では、ダスト孔４８は、２つの蛇行回路のアウトバウンド入口流路４及び５の上方で長手方向に整列するか又は翼弦方向に中央に置かれる。これに対応して、ドーム５０は、非対称であるか又はスキューしており、中断仕切り壁３６並びに２つの蛇行流路のそれぞれ第２のインバウンド流路３及び６の上方で傾斜している。

このようにして、先端キャップ及び対応するドーム５０は、第２のインバウンド流路３及び６の上方においては比較的厚くて孔がなく、また入口流路４及び５の上方では比較的薄い。従って、混入ダストは、対応するダスト孔４８を通して直ちに除去することができ、ダストが隣のインバウンド流路に流入する時に、傾斜したドームにより、ダストの更なる同伴が妨げられる。

図８は、図７の実施形態とは逆の変更形態を示しており、この実施形態では、対応するダスト孔４８が、２つの蛇行回路の対応する第２のつまりインバウンド流路３、６の上方で長手方向に整列しかつ翼弦方向に中央に置かれる。対応するドーム５０はこの場合もまた、非対称であるが、図７に示すドームとは逆になっており、中断仕切り壁３６及び対応するアウトバウンド入口流路４、５の上方で内向きに傾斜している。先端キャップ４４及び内部ドームは、２つの蛇行回路の第２のインバウンド流路３、６においては対応して比較的薄いが、アウトバウンド入口流路４、５の上方では比較的厚い。

このようにして、内部ドームは、入口流路４、５の上方には孔がなく、隣のインバウンド流路３、６まで高さが滑らかに増大し、インバウンド流路３、６の上方には、運転中にダストを除去する対応するダスト孔４８が設置される。

図９は、２つの蛇行回路上方のドームのさらに別の実施形態を示しており、この実施形態では、先端キャップ４４は、対向する側壁間で半径方向内向きに延びまた２つの蛇行回路の各々の中断仕切り壁３６の上方に垂下しかつ該中断仕切り壁３６から間隔を置いて配置された一体形のダム又は凸条部５４を含む。

２つの凸条部５４は、流れ屈曲部５２の中央で対応する中断仕切り壁３６と翼弦方向にほぼ整列して、対応するアウトバウンド入口流路４及び５の上方に配置された第１の内部ドーム５０と対応する隣のインバウンド流路３及び６の上方に配置された第２の内部ドーム５０とを備えた二重ドーム構成を形成する。２つのドーム５０の各々は、内向きにほぼ凹状であり、その中央に置かれた対応する単一のダスト孔４８を有する。

各凸条部５４は、翼弦方向に沿って半径方向内向きに凸状であるのが好ましく、また第１及び第２のドーム５０は、内向きに凹状であり、それらの間の共通凸条部５４の対向する前方及び後方側面において翼弦方向にほぼ対称であるのが好ましい。

２つの蛇行回路の２つの入口流路３、４及び５、６の上方に見られる対応する２つの大きなダスト孔４８を有する二重ドーム構成は、それに対応してそれら入口流路に対する流れ要求量を増大させるが、それらは、２つの回路の対応する外側流れ屈曲部５２内における混入ダストの除去を増大させる付加的なメカニズムを提供する。

上記の混入ダストに作用する空気力学的又は慣性力及び遠心力が判ると、凸条部５４を導入することによって、空気の速度を局所的に低下させて、２つのダスト孔におけるダスト除去を改善することができる。

タービンブレード内部の混入ダストに作用するさらに別の力は、それら自体が運転中にブレードと共に回転する対応するアウトバウンド及びインバウンド流路内における冷却空気の半径方向流により生じるコリオリの力である。コリオリの力は、従来から知られており、アウトバウンド及びインバウンド流路内における空気流の半径方向ベクトルとブレード自体の翼厚方向回転ベクトルとのベクトルクロス乗積によって表される。従って、コリオリの力は、混入ダストに対して方向性を有することになる。

図１０及び図１１は、図１０のアウトバウンド流路４及び図１１のインバウンド流路３内におけるコリオリの力Ｆの異なる方向を実線矢印で概略的に示している。コリオリの力は、冷却空気内に翼形部の半径方向に対して垂直方向の二次流れ場を形成する。また、コリオリの力は、上述しようにこれもまたダストに作用する空気力学的力及び遠心力と必然的に組合わされる。

図１０に示すアウトバウンド流路４内では、空気及びダストは、半径方向外向きに運ばれるが、他方、図１１に示すインバウンド流路３内では、空気及びダストは、半径方向内向きに運ばれる。

従って、図１０に示すダスト孔４８は、アウトバウンド流路４の境界となる内部ドーム５０において負圧側壁２２に対してよりも正圧側壁２０に対して近接して翼厚方向にオフセットして、コリオリの力Ｆの方向を補完しかつ孔からのダスト除去を改善するのが好ましい。アウトバウンド流路５は、アウトバウンド流路４と同様であるので、対応するドーム及びダスト孔４８の位置は、図９及び図１０に示したものと同様にすることができる。

反対に、図１１に示すインバウンド流路３の上方に配置された内部ドーム５０内のダスト孔４８は、正圧側壁２０に対してよりも負圧側壁２２に対して近接して翼厚方向にオフセットして、この流路内におけるコリオリの力Ｆの対向する方向を補完し、オフセットしたダスト孔４８を通しての混入ダスト粒子の除去を促進するのが好ましい。第２の蛇行回路のインバウンド流路６は、図９及び図１１に示すインバウンド流路３と対応しているので、流路６の上方でのドーム及びダスト孔４８の構成は、図１１に示したものと同一にすることができる。

図８は、さらに別の実施形態を示しており、この実施形態では、内部ドーム５０は、第１及び第２の流路１、２の上方に共通なものとして設けることができ、それに対応して、ダスト孔４８がそれを貫通して延びる外部ドーム５６によって補完することができる。この構成では、この領域において先端キャップ４４の厚さをほぼ一定に維持しかつ先端重量を軽減すために、内部ドーム５０はほぼ凹状であり、また外部ドーム５６はほぼ凸状である。外部ドーム５６は、露出した先端ウエル４６内に僅かに突出する。

内部及び外部ドーム５０、５６は、２つの隣接する流路１、２を翼弦方向に橋絡し、共通のダスト孔４８は、それを貫通してインピンジメント孔４０の列が見られる対応する仕切り壁３６の上方で整列するか又は翼弦方向に中央に置かれるのが好ましい。第２の流路２は、前方蛇行回路の最終流路であり、また前縁流路１に冷却空気給気するので、その半径方向外端部における共通ドーム５０は、この冷却流内に混入したダストの除去を保証する。

内部ドーム５０及びその中の対応するダスト孔４８を単に導入することにより、あらゆる水平な又は浅い凸条部又はランドと、先端キャップの内表面が対向する正圧及び負圧側壁並びに幾つかの流路を形成する対応する仕切り壁に結合する流れよどみ領域とを、容易に排除することができる。従って、ダスト堆積部位が排除され、また内部ドームの曲率は、運転中に冷却空気及び混入ダストに作用する幾つかの力を受ける異なった構成のアウトバウンド及びインバウンドの両流路からのダスト除去を最大にするように選択することができる。

上に開示した三次元ドーム５０は、従来通りの鋳造方法を使用して個々のタービンブレード内に容易に製作することができ、或いは必要に応じて他の方式でタービンブレード内に製作することができる。

本明細書では、本発明の好ましくかつ例示的な実施形態であると考えられるものについて説明してきたが、本発明のその他の変更が、本明細書の教示から当業者には明らかになる筈であり、従って、全てのそのような変更は本発明の技術思想及び技術的範囲内に属するものとして、特許請求の範囲で保護されることが望まれる。

従って、本特許で保護されることを望むものは、提出した特許請求の範囲に記載しかつ特定した発明である。

ガスタービンエンジンのＨＰＴ内の第１段用の例示的なタービンロータブレードの斜視図。 ほぼ線２−２に沿って取った、図１に示すタービンブレードの側面断面図。 内部ドーム及び協働するダスト孔の様々な形態を示す、図２に示す翼形部の先端領域の半径方向拡大断面図。 線４−４に沿って取った、図３に示す翼形部先端の半径方向断面図。 線５−５に沿って取った、図３に示す翼形部先端の半径方向断面図。 線６−６に沿って取った、図３に示す翼形部先端の半径方向断面図。 別の実施形態による、図３と同様な翼形部の半径方向拡大断面図。 別の実施形態による、図３と同様な翼形部の半径方向拡大断面図。 別の実施形態による、図３と同様な翼形部の半径方向拡大断面図。 線１０−１０に沿って取った、図９に示す翼形部先端の半径方向断面図。 線１１−１１に沿って取った、図９に示す翼形部先端の半径方向断面図。

符号の説明

１〜８ 流路
１０ ロータブレード
１２ 翼形部
１４ プラットフォーム
１６ ダブテール
１８ 燃焼ガス
２０ 正圧側壁
２２ 負圧側壁
２４ 根元
２６ 先端
２８ 前縁
３０ 後縁
３２ 冷却回路
３４ 冷却空気
３６ 仕切り壁
３８ フィルム冷却孔
４０ インピンジメント孔
４２ 後縁スロット
４４ 先端キャップ
４６ 先端ウエル
４８ ダスト孔
５０ 内部ドーム
５２ 流れ屈曲部
５４ 凸条部
５６ 外部ドーム

Claims (10)

1. 根元（２４）から先端（２６）までスパンにわたって長手方向に延びかつ前縁及び後縁（２８、３０）間で翼弦にわたって翼弦方向に延びる対向する正圧及び負圧側壁（２０、２２）を備えた翼形部（１２）を含み、
   前記側壁（２０、２２）が、翼厚方向に間隔を置いて配置されて、対応する仕切り壁（３６）によって翼弦方向に分離された複数の長手方向流路（１〜８）を有する内部冷却回路（３２）を形成し、
   前記翼形部（１２）が、前記翼形部先端（２６）から内向きに凹設されて露出先端ウエル（４６）を形成し、かつ前記冷却回路（３２）から前記ウエル（４６）まで流れ連通して延びるダスト孔（４８）を囲んだ内部ドーム（５０）を有する先端キャップ（４４）をさらに含み、
   前記ドーム（５０）が、前記側壁（２０、２２）間で翼厚方向かつ前記前縁及び後縁（２８、３０）間で翼弦方向の両方向に内向きに傾斜し、また前記流路の少なくとも１つと同一の広がりを有する、
   タービンブレード（１０）。
2. 前記ドーム（５０）が、前記側壁（２０、２２）におけるドーム（５０）の周縁部から前記ダスト孔（４８）を中に含む内側頂点まで該ドーム（５０）の高さが増大する、請求項１記載のブレード。
3. 前記ダスト孔（４８）が、前記流路（２、７）の１つの上方で翼弦方向の中央に置かれる、請求項２記載のブレード。
4. 前記ダスト孔（４８）が、前記流路の１つ（３）の上方で翼厚方向の中央に置かれる、請求項２記載のブレード。
5. 前記ダスト孔（４８）が、前記流路（３〜６）の１つの上方で翼弦方向にオフセットされる、請求項２記載のブレード。
6. 前記ダスト孔（４８）が、前記流路（２、３、４、７）の１つの上方で翼厚方向にオフセットされる、請求項２記載のブレード。
7. 前記冷却回路（３２）が、アウトバウンド流路（４、５）を含み、
   前記ダスト孔（４８）が、前記負圧側壁（２２）よりも前記正圧側壁（２０）に近接するように翼厚方向にオフセットされる、
   請求項２記載のブレード。
8. 前記冷却回路（３２）が、インバウンド流路（３、６）を含み、
   前記ダスト孔（４８）が、前記正圧側壁（２０）よりも前記負圧側壁（２２）に近接するように翼厚方向にオフセットされる、
   請求項２記載のブレード。
9. 前記冷却回路（３２）が、それらの間の中断仕切り壁（３６）により流れ屈曲部（５２）が形成された蛇行形態で配置された複数のアウトバウンド及びインバウンド流路（２〜４）、（５〜７）を含み、
   単一のドーム（５０）が、前記流れ屈曲部（５２）を橋絡し、
   前記ダスト孔（４８）が、前記流れ屈曲部（５２）と流れ連通状態で配置される、
   請求項２記載のブレード。
10. 前記冷却回路（３２）が、それらの間の中断仕切り壁（３６）により流れ屈曲部（５２）が形成された蛇行形態で配置された複数のアウトバウンド及びインバウンド流路（２〜４）、（５〜７）を含み、
    前記先端キャップ（４４）が、前記中断仕切り壁（３６）の上方で垂下して前記アウトバウンド流路（４、５）の上方に配置された第１の内部ドーム（５０）と前記インバウンド流路（３、６）の上方に配置された第２の内部ドーム（５０）とを形成した凸条部（５４）をさらに含み、
    各ドームが、対応するダスト孔（４８）を有する、
    請求項２記載ブレード。

Images