JP4619135B2 - タービンブレードの冷却空気排出スロットに対する改善 - Google Patents

タービンブレードの冷却空気排出スロットに対する改善 Download PDF

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Description

本発明は、タービンブレードの全般的分野に関し、より詳細には、ターボ機械タービンのロータまたはステータブレードの後縁における、冷却空気排出スロットの形状に関する。
ターボ機械タービン(例えば、高圧タービン)は、各々ステータノズルおよびロータホイールから作られる複数のステージからなっている。タービンノズルは、タービンノズルを通過するガス流を再方向付けすべく構成された複数のステータブレードを有し、タービンのロータホイールは、複数の可動ブレードによって構成される。
このようなタービンのロータおよびステータブレードは、燃焼室から到来し、かつタービンを通過する非常に高い温度のガスにさらされる。これらの温度は、ガスに接触することとなるブレードが、損傷されることなく耐え得る温度よりもかなり高い値に達し、それによってブレードの寿命を低減する。
前記高温のガスがブレードに生じさせる損傷を低減するために、前記ブレードの温度を低減させるために、内部冷却回路をブレードに設けたシステムが存在する。そのような冷却回路を用いて、ブレード内に導入される冷却空気が、ブレードベースとブレード先端との間において、ブレードの表面に開口するスロットを経由して放出される前に、ブレード内に作られるキャビティによって形成される通路に沿って前記ブレードを通過する。
残念なことに、可動タービンブレードについて、ブレードベースに最も近いスロットは、適切に冷却されないことが、実際にわかっている。加えて、ステータタービンブレードについて、ブレードベースとブレード先端に最も近いスロットもまた、適切に冷却されない。実際、前記スロットの付近においては、ブレードの後縁部に、亀裂が形成されがちである。そのような亀裂は、特にその強度を減弱することによって、ブレードの寿命を危うくする。
図7は、可動タービンブレードにおいて、そのような亀裂があらわれた場合を示している。この図は、高圧タービンの可動ブレード100の断片的な斜視図である。ブレード100は、結合ゾーン108を介してブレードベース104にてプラットフォーム106に結合されている翼102を有している。ブレードの翼102は、軸方向に、前縁(図示せず)と後縁110との間に延びている。ブレード100を冷却するために、空気は、その後縁110において、ブレードの翼102内に開口している排出スロット112を経由して放出される前に、ブレードの内側に作られるキャビティ(図示せず)によって形成される通路をたどって前記ブレードを超えて移動する。
各排出スロット112は、特に、開口部(図示せず)が設けられる末端壁部114によって形成され、開口部は、それを通して冷却空気が流れるキャビティ内に開口する。各スロットは、末端壁部114からブレードの後縁110へ延びるセットバック壁部116、ならびにセットバック壁部116とブレードの翼102との間に延びる頂壁部118および底壁部120をさらに有している。
実際に、1つ以上の亀裂122(図には単一の亀裂が示されている)が、プラットフォーム106に最も近い排出スロット112a(以下においては、「底部」スロットと称する)のところに形成されることがわかっている。より正確には、亀裂122は、底部スロット112aのセットバック壁部116に形成され、ブレードの後縁110からスロットの末端壁部114へ向かって軸方向に拡がる。
そのような亀裂は、主として、底部スロット112aにおける応力の高集中から生じ、前記応力は、特に、前記底部スロットの底壁部120に起因する。そのような亀裂が、ブレードの翼全体102にわたって拡がり、それによって寿命を低減するかもしれないという危険がある。
ステータタービンブレードについては、ブレードベース近傍に配置されるプラットフォームに最も近い排出スロット、およびその先端にてブレードに結合される他のプラットフォームに最も近い排出スロット(以下において「頂部」スロットと称される)の両方において、同一の亀裂が発生する。
亀裂が発生するのを防止するために、米国特許第6062817号は、可動タービンブレードについて、プラットフォームに最も近い排出スロットの底壁部の一部を除去して、前記スロットのセットバック壁部の一部が、頂壁部とブレードのプラットフォームとの間で径方向に延びるようにすることを提案している。
それにもかかわらず、その解決方法は不充分である。実際、該特許のブレードの底部スロットは、依然としてその底壁部に鋭い縁部を有している。結果としての厚みにおける急激な変化は、前記スロットを経由して排出される冷却空気が適切に流れるのを妨げる。このように、排出される空気は、プラットフォームとブレードベースとの間の結合ゾーンをもはや冷却することはできず、それゆえブレードの寿命に特に不利益な亀裂が、該ゾーンに発生する。
米国特許第6062817号明細書
したがって、本発明は、亀裂の形成を回避し、かつプラットフォームとブレードとの間の結合ゾーンを冷却することの両方に役立つ形状からなる、プラットフォームに最も近いスロットを有するタービンブレードを提案することによって、そのような欠点を軽減しようと目的としている。
このために、本発明は、径方向にブレードベースからブレード先端部へ延び、かつ軸方向に前縁から後縁へ延びる翼と、底部結合ゾーンによってブレードのベースに結合された少なくとも一つの底部プラットフォームと、径方向にブレード先端部からブレードベースへ延びる少なくとも一つのキャビティ、キャビティの径方向端部における少なくとも一つの空気入口開口部、およびブレードの後縁に沿って配設された複数の排出スロットからなる冷却回路とを有しており、前記ブレードは、ブレードベースの付近に配置された底部排出スロットを有し、底部排出スロットは、キャビティ内に開口する開口部が設けられた末端壁部と、セットバック壁部と、ブレードベースの近傍に配置された底壁部と、セットバック壁部と底壁部との間に形成された底縁部と、底壁部と底部結合ゾーンとの間に形成された底肩部とを含む、ターボ機械のタービンブレードであって、底部排出スロットの底縁部および底部排出スロットの底肩部の両方が、それぞれ実質的に丸められた形状の横断面を有し、それによって前記スロットの開口部と底部結合ゾーンとの間のいかなる突出する角度(protruding angle)をも回避することを特徴とする、ターボ機械のタービンブレードを提供する。
このようにして、底部排出スロットの底縁部および底部排出スロットの底肩部の横断面の丸められた形状は、前記スロットのセットバック壁部に亀裂が形成されるのを防止する。さらにまた、前記丸められた形状は、前記ゾーンを冷却するために、プラットフォームとブレードベースとの間の底部結合ゾーンに空気冷却フィルムが生成されることに導く。それゆえ、該結合ゾーンにおける温度が低下する。
ステータノズルブレードに適用可能な、本発明の特別な提案によれば、ブレードは、頂部結合ゾーンによってブレードの先端部に結合された頂部プラットフォームをさらに含み、冷却回路は、ブレード先端部付近に配置された頂部排出スロットをさらに含み、かつキャビティ内に開口する開口部が設けられた末端壁部と、セットバック壁部と、ブレード先端部の近傍に配置された頂壁部と、セットバック壁部と頂壁部との間に形成された頂縁部と、頂壁部と頂部結合ゾーンとの間に形成された頂肩部とを有するブレードであって、頂部排出スロットの頂縁部および頂部排出スロットの頂肩部は、それぞれ実質的に丸められた形状の横断面を有し、それによって前記スロットの開口部と頂部結合ゾーンとの間のいかなる突出する角度をも回避することを特徴とする。
好ましくは、縁部および肩部の横断面の丸められた形状は、各々軸方向に、排出スロットの開口部から、排出スロットの前記開口部とブレードの後縁との間で軸方向に延びる出口平面へと延びる。
都合の良いことに、底縁部および底肩部の横断面の丸められた形状は、各々排出スロットの開口部から、出口平面へと増大する曲率半径を有する。この場合において、前記曲率半径は、排出スロットのセットバック壁部が、結合ゾーンと一致するようにすることが好ましい。
可動ブレードについて、底部排出スロットのセットバック壁部は、ブレード先端に向かって傾斜していても良く、底部排出スロットの末端壁部における開口部は、本質的に、底部結合ゾーン内に形成されていても良い。
本発明は、上述されたようなブレードを得るためのコアをさらに提供し、前記コアは、ブレードの冷却キャビティのために空間を確保すべく構成された主部を含み、主部には、ブレードの冷却回路の排出スロットのために対応する数の空間を確保すべく構成された、複数の終端平坦舌部が設けられ、前記コアは、該コアの主部が、底部スロットのために確保された空間に底部平坦舌部をさらに含むことを特徴とする。
本発明は、上述において規定されたような複数の可動ブレードを有するターボ機械の高圧タービンをさらに提供するとともに、上述において規定されたような複数のステータブレードを有するターボ機械ノズルをさらに提供する。
本発明の他の特徴および利点は、非限定的な実施の形態を示す添付図面を参照して、以下の説明において明らかになる。
図1は、ターボ機械の高圧タービンの可動ブレード10を斜視図で示している。ブレード10は、もみの木形の基部12を介して可動タービンホイール(図示せず)に固定されている。
ブレード10は、ブレードベース16とブレード先端18との間に径方向に、かつ前縁20と後縁22との間に軸方向に延びる、翼14の形態をとることとなる。それゆえ、ブレードの翼14は、ブレードの凹状面14aおよび凸状面14bを画定する。
ブレード10の基部12は、壁部を画定する底部プラットフォーム24においてブレードベース16に結合し、該壁部に沿って、燃焼ガスの流れがタービンを流れて通る。プラットフォーム24は、底部結合ゾーン26によってブレードベース16に結合されている。
タービンを流れて通る非常に高い温度の燃焼ガスにさらされるブレードは、冷却される必要がある。このために、そして知られているやり方で、ブレード10は、1つ以上の内部冷却回路を有している。
各冷却回路は、ブレードベース16とブレード先端18との間に径方向に延びる少なくとも1つのキャビティ28からなる。キャビティには、空気入口開口部(図示せず)によって径方向端部において冷却空気が供給される。概して、前記空気入口開口部は、ブレード10の基部12に設けられる。
冷却回路のキャビティ28内に流れる冷却空気を排出するために、複数のスロットが、ブレードベース16とブレード先端18との間に、後縁22の長さに沿って分配される。前記排出スロット30は、キャビティ28内に開口し、かつその後縁22において、ブレードの凹状面14aに広がっている。
より詳細には、図2ならびに図3A、図3B、および図3Cに示されているように、ブレード10は、ブレードベース16の付近に配置される底部排出スロットを有する。全ての排出スロット30のうちで、この底部スロット30aは、底部プラットフォーム24に最も近いスロットである。
底部排出スロット30aは、セットバック壁部(あるいはセットバック)32、底壁部(あるいはステップ)34、および末端壁部36からなり、前記末端壁部には、冷却回路キャビティ28内に開口する開口部38が設けられている。
「底」壁部という用語は、ブレードベース16の近傍に配置されている壁部を記述するために用いられている。セットバック壁部32は、底壁部34からブレード先端18へ向かって径方向に、そして末端壁部36からブレードの後縁22へ軸方向に延びている。さらにまた、底壁部34は、セットバック壁部32から底部結合ゾーン26へ延びる。
底部排出スロット30aの特別な形状は、開口部38を通して冷却回路キャビティから到来し、それによってブレードの後縁22を冷却する空気に向けられており、該縁部はブレードの最も薄い部分であるため、高い燃焼ガス温度に最もさらされる。
本発明によれば、排出スロット30aの底縁部40および底部排出スロット30aの底肩部42の両方が、実質的に丸められた形状の横断面を有しており、それによってスロット30aの開口部38と底部結合ゾーン26との間のいかなる突出する角度をも回避している。このことは、底部排出スロット30aのセットバック壁部32における亀裂の形成を防止する。
本発明の特定の特徴によれば、底縁部40および底肩部42の横断面の丸められた形状は、各々底部排出スロット30aの開口部38から、排出スロットの開口部とブレードの後縁22との間で軸方向に延びる出口平面Pへ軸方向に延びている。
出口平面Pは、図2に示される軸X、Y、およびZによって形成される座標系に対して画定されても良い。前記座標系に関連して、出口平面Pは、平面XYに対して平行である。
本発明の他の特定の特徴によれば、底縁部40および底肩部42の横断面の丸められた形状は、それぞれ底部排出スロット30aの開口部38から出口平面Pに向かうにつれて増大する曲率半径を有している。
この特徴は、特に、図3A、図3B、および図3Cに示されており、該図は、底縁部40および底肩部42の曲率半径が、開口部38から離れるにつれて次第に増大していることを明確に示している。このように、底部スロット30aの開口部38に最も近い断面である図3Aにおいて、前記曲率半径は、出口平面Pにおける断面を示す図3Cの曲率半径よりも小さい。
底縁部40と底肩部42の曲率半径は、異なる方法で変化しても良い。実際には、前記曲率半径は、開口部38から離れるにつれて、一定に維持しまたは減少しても良い。
さらにまた、底部スロット30aの開口部38から離れていくと、底壁部34の(翼を横切る)幅は、図3Cに示される断面図(すなわち出口平面P)において完全に消失するように減少する。
本発明のさらに他の特定の特徴によれば、図3Cにも示されているように、出口平面Pにおいて、底縁部40および底肩部42の丸められた形状の曲率半径は、底部スロット30aのセットバック壁部32が底部結合ゾーン26と一致するようにしている。
加えて、底縁部40および底肩部42の丸められた形状の曲率半径も、出口平面Pにおいて互いに一致する。このことは、底部スロットの底壁部34の(翼を横切る)幅が、出口平面Pにおいて消失するという事実から生じる。
それゆえ、冷却回路のキャビティ28から出てきて、そして前記キャビティを通して排出される空気をガイドするための空気ガイド機能の一部を保持することが可能である。
このように、結合ゾーン26の凹状面14aに冷却フィルムが作成されるように、底部スロット30aの厚みにおける、および結合ゾーン26の厚みにおける全ての鋭い不連続性が、除去される。それゆえ、底部スロット30aの開口部38から来る冷却空気は、結合ゾーン26を「吹き流れ」、結合ゾーン26の温度を低減させる。
底部排出スロットの特別な形状は、図1に示されるブレードのような可動タービンブレードと、図4に示されるブレードのようなステータノズルブレードとの両方に適用され得る。
それゆえ、図4は、ターボ機械の高圧タービンのステータノズルブレード50を示している。図1における参照符号と同一である図4における参照符号は、図1において記述された要素と同一の要素を指している。
図1を参照して記述されたロータブレードと比較すれば、前記ステータブレード50は、2つのプラットフォームの間に、すなわち、底部プラットフォーム52と頂部プラットフォーム54との間に装備される。頂部プラットフォーム54は、頂部結合ゾーン56によってブレードの先端18に結合されるのに対して、底部プラットフォーム52は、底部結合ゾーン58によってブレードベース16に結合される。
図1におけるステータブレードについては、ステータブレード50のための冷却回路は、複数の排出スロット30を有しており、それらのうちの1つは、冷却キャビティ28内に開口する底部スロット30aであり、ブレードベース16の付近に配置されかつブレードの凹状面14aにおいて開口する。前記底部排出スロット30aの特徴は、図1における可動ブレードの特徴と同一である。
さらにまた、ステータブレード50の冷却回路も、冷却キャビティ28内にも開口しかつブレード先端18の付近に配置される頂部排出スロット30bをさらに有している。前記頂部スロット30bは、ブレード50の凹状面14aに開口している。
図5に示されるように、前記頂部スロット30bは、冷却キャビティ28内に開口している開口部62が設けられた末端壁部60と、セットバック壁部64と、ブレード先端18の近傍に配置される頂壁部66とからなっている。「頂」壁部66という用語は、ブレード先端18の近傍に位置する壁部を指すために用いられている。
セットバック壁部64と頂壁部66によって形成されるような頂縁部70、および頂壁部66と頂部結合ゾーン56によって形成されるような頂肩部72は、このようにして前記スロット30bについて規定される。
本発明によれば、頂部排出スロット30bの頂縁部70および頂部排出スロット30bの頂肩部72の両方は、それぞれ実質的に丸められた形状の横断面を有し、それによってスロット30bの開口部62と頂部結合ゾーン56の間のいかなる突出する角度も回避する。
対称性によって、図1、図2、図3A、図3B、および図3Cを参照して上述されたような、ブレードの底部スロットの特定の特徴は、前記ステータブレード50の頂部スロット30bにも適用する。
概して、本発明のロータブレード10とステータブレード50は、鋳造によって直接的に得られる。
このために、ブレードは、セラミックのコアを収容する型の中に金属を流し込むことによって作られ、前記コアは、特に、ブレードの冷却回路(すなわち、キャビティ28ならびに各排出スロット30、30a、および30b)のための空間を確保するために役立つ。一旦、型の中に金属が流し込まれると、ブレードは冷却され、セラミックコアは引き抜かれる。
図6は、図1における可動ブレード10の冷却回路のための空間を確保するためのセラミックコア80を示している。図6は、前記コアを、ブレードの凸状側から見るように示している。
コア80は、ブレードの冷却キャビティのための空間を確保すべく構成された主部82を有している。前記主部82には、ブレードの冷却回路の排出スロットのために対応する数の空間を確保すべく構成された、複数の終端平坦舌部(またはフィンガ)84が設けられている。
鋳造においてブレードの底部排出スロットの底縁部および底肩部の横断面の丸められた形状を得るために、セラミックコア80は、底部スロットのために確保された空間に底部平坦舌部84aを有し、前記平坦舌部は、前記丸められた形状に対して相補的な形状からなる。
さらに詳細には、底部平坦舌部84aは、底部スロットのセットバック壁部に対して相補的な形状の第1の面86と、前記スロットの底壁部に対して相補的な形状の第2の面88と、および末端壁部に対して相補的な形状の第3の面90とを有する。
このように、第1の面86と第2の面88の間に形成される底面92は、実質的に丸められた横断面を有する。さらにまた、第2の面88と、底部プラットフォームにおけるブレードの底部結合ゾーンに対して相補的な形状の面(図示せず)との間に形成される底肩部94も、実質的に丸められた横断面を有する。
このようにして、一連のブレードの底部排出スロットの底縁部と底肩部の横断面に関して、同一の丸められた形状を再現することができる。
もちろん、図4および図5を参照して説明されたブレードのようなステータブレードと共に、そのようなブレードのためのセラミックコアも、頂部排出スロットのために確保された空間における、頂縁部と頂肩部の横断面の丸められた形状を再現することを可能とする、頂部平坦舌部を有する。
可動ブレードに適用された本発明の他の特定の特徴によれば、底部排出スロット30aのセットバック壁部32は、ブレード先端に向かって傾斜している。特に、図1に示されている、前記傾斜(例えば、10°から30°の程度)も、プラットフォーム24とブレードベース16との間の結合ゾーン26における冷却の増大を可能とさせる。
さらにまた、依然として結合ゾーン26における冷却を改善するために、そのような可動ブレード10の底部排出スロット30aにおける開口部38が、プラットフォーム24とブレードベース16との間の結合ゾーン26に本質的に形成されることが好ましい。
本発明の可動タービンブレードの斜視図である。 図1におけるブレードの底部空気排出スロットの断片的な斜視図である。 図2のIIIA線における断面図である。 図2のIIIB線における断面図である。 図2のIIIC線における断面図である。 本発明のステータタービンブレードの斜視図である。 図4におけるブレードの頂部空気排出スロットの断片的な斜視図である。 図1におけるブレードを得るためのコアの断片的な斜視図である。 従来技術の可動タービンブレードの断片的な斜視図である。
符号の説明
10 可動ブレード
12 基部
14 翼
14a 凹状面
14b 凸状面
16 ブレードベース
18 ブレード先端
20 前縁
22 後縁
24、52 底部プラットフォーム
26、58 底部結合ゾーン
28 キャビティ
30 排出スロット
30a 底部排出スロット
32、64 セットバック壁部
34 底壁部
36、60 末端壁部
38、62 開口部
40 底縁部
42 底肩部
50 ステータブレード
54 頂部プラットフォーム
56 頂部結合ゾーン
66 頂壁部
70 頂縁部
72 頂肩部
80 セラミックコア
82 主部
84 底部平坦舌部
86 第1の面
88 第2の面
90 第3の面

Claims (12)

  1. ターボ機械のタービンブレード(10、50)であって、
    径方向にブレードベース(16)からブレード先端部(18)へ延び、かつ軸方向に前縁(20)から後縁(22)へ延びる翼(14)と、
    底部結合ゾーン(26、52)によってブレードベース(16)に結合された少なくとも一つの底部プラットフォーム(24、52)と、
    径方向にブレード先端部(18)からブレードベース(16)へ延びる少なくとも一つのキャビティ(28)、キャビティの径方向端部における少なくとも一つの空気入口開口部、およびの後縁(22)に沿って配設された複数の排出スロット(30、30a、30b)からなる冷却回路とを有し、
    前記タービンブレードが、ブレードベース(16)の付近に配置された底部排出スロット(30a)を有し、前記底部排出スロット(30a)が、
    キャビティ(28)内に開口する開口部(38)が設けられた末端壁部(36)と、
    セットバック壁部(32)と、
    ブレードベース(16)の近傍に配置された底壁部(34)と、
    セットバック壁部(32)と底壁部(34)との間に形成された底縁部(40)と、
    底壁部(34)と底部結合ゾーン(26、58)との間に形成された底肩部(42)とを含み、
    底部排出スロット(30a)の底縁部(40)および底部排出スロット(30a)の底肩部(42)の両方が、それぞれ実質的に丸められた形状の横断面を有し、それによって前記底部排出スロット(30a)の開口部(38)と底部結合ゾーン(26、58)との間のいかなる突出する角度をも回避することを特徴とする、ターボ機械のタービンブレード。
  2. 頂部結合ゾーン(56)によってブレード先端部(16)に結合された頂部プラットフォーム(54)をさらに含み、冷却回路は、ブレード先端部付近に配置された頂部排出スロット(30b)をさらに含み、かつ
    キャビティ(28)内に開口する開口部(62)が設けられた末端壁部(60)と、
    セットバック壁部(64)と、
    ブレード先端部の近傍に配置された頂壁部(66)と、
    セットバック壁部(64)と頂壁部(66)の間に形成された頂縁部(70)と、
    頂壁部(66)と頂部結合ゾーン(56)との間に形成された頂肩部(72)とを有し、
    頂部排出スロット(30b)の頂縁部(70)および頂部排出スロット(30b)の頂肩部(72)が、それぞれ実質的に丸められた形状の横断面を有し、それによって前記頂部排出スロット(30b)の開口部(62)と頂部結合ゾーン(70)との間のいかなる突出する角度をも回避することを特徴とする、請求項1に記載のブレード(50)。
  3. 縁部(40、70)および肩部(42、72)の横断面の丸められた形状が、各々軸方向に、排出スロット(30a、30b)の開口部(38、62)と翼の後縁(22)との間で出口平面(P)へと延びることを特徴とする、請求項1または2に記載のブレード。
  4. 部(40、70)および肩部(42、72)の横断面の丸められた形状が、各々排出スロット(30a、30b)の開口部(38、62)から、出口平面(P)へと増大する曲率半径を有することを特徴とする、請求項3に記載のブレード。
  5. 出口平面(P)において、縁部(40、70)および肩部(42、72)の横断面の丸められた形状の曲率半径は、排出スロット(30a、30b)のセットバック壁部(32、64)が、結合ゾーン(26、58、70)と一致するようにすることを特徴とする、請求項4に記載のブレード。
  6. ターボ機械の高圧タービンにおける可動ブレード(10)からなることを特徴とする、請求項1に記載のブレード。
  7. 底部排出スロット(30a)のセットバック壁部(32)が、ブレード先端(18)に向かって傾斜していることを特徴とする、請求項6に記載のブレード。
  8. 底部排出スロット(30a)の末端壁部(36)における開口部(38)は、本質的に、底部結合ゾーン(26)に形成されることを特徴とする、請求項6または7に記載のブレード。
  9. ターボ機械の高圧タービンのステータノズルブレード(50)からなることを特徴とする、請求項2に記載のブレード。
  10. ブレードの冷却キャビティのために空間を確保すべく構成された主部(82)を含み、前記主部(82)には、ブレードの冷却回路の排出スロットのために対応する数の空間を確保すべく構成された複数の終端平坦舌部(84)が設けられている、請求項1から9のいずれか一項に記載のブレードを得るためのコアであって、コアの主部(82)が、底部排出スロットのために確保された空間に底部平坦舌部(84a)をさらに含み、前記平坦舌部の形状は前記底部排出スロットに対して相補的であることを特徴とするコア。
  11. 請求項6から8のいずれか一項に記載の、複数の可動ブレード(10)を有することを特徴とする、ターボ機械の高圧タービン。
  12. 請求項に記載の複数のブレードを有することを特徴とする、ターボ機械ノズル。
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