(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸流回転機器用のロータアセンブリ（10）であって、回転軸Arと、冷却空気源と、軸方向に貫通して延在する作動媒体ガスの流路（17）とを有し、更に；
周囲に円周状に延在するリム領域（14）を有するロータディスク（12）と；
複数の冷却可能なロータブレード（16）であって、各ロータブレードが、
前記ロータアセンブリ（10）から前記作動媒体ガス流路（17）内に径方向外向きに延在するエアフォイル部（18）と、
プラットフォーム部（20）であって、前記エアフォイル部（18）から隣接するロータブレード（16）のプラットフォーム部（20）の近傍まで横方向に延出し、前記リム領域（14）の一部から径方向に離隔してその間に前記冷却空気源と連通した冷却空気キャビティ（34）を形成し、更に前記隣接したプラットフォーム部（20）の少なくとも一部との間に延在する横方向領域を有し、動作状態に於いて前記冷却空気キャビティ（34）内の空気圧が外側の前記ロータブレード（16）の作動媒体ガスの圧力より大きくなるようになっている該プラットフォーム部（20）と、
前記ロータディスク（12）と係合するように前記プラットフォーム部（20）から径方向内向きに延在するルート部（22）とを有する該複数のロータブレード（16）と；
隣接するブレード対（16）の間に横方向に延在して前記冷却空気キャビティ（34）を第１領域（46）と第２領域（48）とに分割するシール部材（42）と；
隣接するロータブレード（16）間に延在し前記第２領域（48）を画定するダンパー（58）であって、前記隣接するブレードプラットフォーム部（20）の少なくとも一部から径方向内側に離隔され、隣接したプラットフォーム部（20）間の前記横方向領域を含む第３冷却空気領域（60）をその間に形成する該ダンパー（58）とを含み、
前記シール部材（42）が、該シール部材（42）を貫通して延在し前記第１領域（46）と前記第２領域（48）とを連通させる複数の冷却空気孔（52）を有し、
前記ダンパー（58）が、該ダンパー（58）を貫通して延在し前記第２領域（48）と前記第３領域（60）とを連通させる複数の冷却空気孔（74）を有し、
前記シール部材（42）を貫通して延在する前記孔（52）及び前記ダンパー（58）を貫通して延在する前記孔（74）によって、前記第３領域（60）が前記作動媒体ガスの該第３領域（60）への流入に抗するように加圧されることを特徴とするロータアセンブリ。
【請求項２】
前記ダンパー（58）を貫通して延在する前記冷却空気孔（74）の形状が、冷却空気が前記ブレードプラットフォーム部（20）の下側に衝当するように定められていることを特徴とする請求項１に記載のロータアセンブリ（10）。
【請求項３】
前記ダンパー（58）が、隣接するブレードプラットフォーム部（20）の下側と係合するシールプレート（62）を有し、前記ダンパー（58）の前記冷却空気孔（74）が前記シールプレート（62）を貫通して延在しており、冷却空気流を前記冷却空気孔（74）の間に導くように前記シールプレート（62）から内向きにリブ（64）が延出していることを特徴とする請求項１に記載のロータアセンブリ。
【請求項４】
前記シール部材（42）が動作状態に於いて該シール部材（42）に働く回転力に応答して撓み、前記ダンパー（58）と係合することができるよう前記ダンパー（58）に十分近接しており、前記シール部材（42）と前記リブ（64）との間の係合によって前記第２領域（48）が第１冷却空気チャンバー（68）と第２冷却空気チャンバー（72）とに分割されることを特徴とする請求項３に記載のロータアセンブリ。
【請求項５】
前記リブ（64）が前記シールプレート（62）上に翼弦方向に延在しており、前記シールプレート（62）を貫通して延在する前記冷却空気孔（74）の形状が、冷却空気が前記ブレードプラットフォーム部（20）の下側に衝当するように定められていることを特徴とする請求項４に記載のロータアセンブリ。
【請求項６】
前記シール部材（42）が、前縁（98）と、後縁（102）と、各々前記前縁（98）から前記後縁（102）まで延在する負圧サイド（104）及び正圧サイド（106）とを有し、前記シール部材（42）は、前記負圧サイド（104）より前記正圧サイド（106）の近傍に於いてより多くの前記冷却空気孔（52）を有しており、
前記ダンパー（58）の前記シールプレート（62）が、前縁（86）と、後縁（88）と、各々前記前縁（86）から前記後縁（88）まで延在する負圧サイド（94）及び正圧サイド（92）とを有し、前記シールプレート（62）は、前記負圧サイド（94）より前記正圧サイド（92）の近傍に於いてより多くの前記冷却空気孔（74）を有していることを特徴とする請求項５に記載のロータアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、高温の回転機器で用いられるタイプの冷却可能なロータブレード（rotor blade）に関する。より詳細には、そのような構造体にダンピングを与えるとともに、ロータブレードの重要な位置に冷却流体を供給するための構造に関する。
本発明の思想は、ガスタービンエンジン産業に於いて、ガスタービンエンジンのタービン部で使用するべく発展してきたものであるが、他の回転構造体に対しても適用可能である。
背景技術
軸流タービンで用いられるタイプのロータアセンブリは、ロータディスクと、このディスクから径方向外向きに延在する複数のロータブレードを含む。このような構造では、作動媒体ガスの流路は、軸方向にロータアセンブリを通って延在し、ロータアセンブリのロータブレード間を通っている。
各ロータブレードは、ロータアセンブリから径方向外向きに作動媒体流路内へと延在するエアフォイル部を有する。このエアフォイル部によってブレードは作動媒体ガスからエネルギーを引き出すことができ、ロータアセンブリは回転軸を中心として回転することができる。ロータブレードはルート部を有しており、それによってロータディスク内の対応するスロットに係合することができる。また、プラットフォーム部がルート部とエアフォイル部との間に於いて、ブレードから横方向に延出し、作動媒体ガス流路の内側境界を形成している。
作動媒体ガスによってロータアセンブリが回転軸について回転するとき、ガスはロータブレードと相互作用し、ロータブレード上の空力学的負荷にばらつきが生じる。この負荷のばらつきによりロータブレードに振動が引き起こされる。このような振動は、特に大きさが増大する場合、ロータブレードに応力を発生させ、ロータブレードの疲労寿命に悪影響を与える。
ロータブレードをダンピングするとともに隣接するロータブレード間のキャビティをシールする構造の一例が、Schwarzmannらに付与された“Blade to Blade Vibration Damper"というタイトルの米国特許第4,455,122号明細書に開示されている。この構造では、隣接するブレードプラットフォームは軸長さの少なくとも一部に渡ってギャップ領域によって分離されている。ダンパーは隣接するブレードプラットフォーム部の下側に対して接するように設けられ、シールはダンパーの十分近くに間隔を置いて配置され、遠心力がかかったときダンパーと係合してダンパーによるロータブレードのダンピング効果を高めるようになっている。またダンパーは、冷却空気が隣接するプラットフォーム部間のギャップ領域を通過するのを阻止する働きもする。他の構成が、Matsukiらに付与された“Apparatus for Maintaining Rotor Disk of Gas Turbine Engine at a Low Temperature"というタイトルの米国特許第3,318,573号、Karstensenらに付与された“Turbine Blade Seal Arrangement"というタイトルの米国特許第3,709,631号、Hendleyに付与された“Turbine Blade Platform Sealing and Vibration Damping Apparatus"というタイトルの米国特許第4,872,812号明細書に開示されている。
更に別の実施例が、Mitchellに付与された“Blade Shank Cooling Arrangement"というタイトルの米国特許第3,834,831号明細書に開示されている。この特許では、隣接するロータブレード間のキャビティはプラットフォーム間に配置することのできる複数の円筒形状バッファ部材44によってシールされており、ブレードが互いに向かって移動するのが防止されるとともに、それらを通って冷却流体が抜け出ることが可能となっている。
上記のような技術はあるのだが、ユナイテッド・テクノロジーズ・コーポレイションの指導の下で働く科学者や技術者によって、ガスタービンエンジンの隣接するロータブレード間の重要な位置に冷却空気を供給するための効果的な冷却技術の開発が行われた。
発明の開示
本発明の説明は、部分的に、米国特許第4,455,122号明細書に開示されているようなタイプのロータアセンブリ（ロータブレード対のプラットフォーム部の下側に位置するシーリングダンパーの内側にシールを有する）に於ける次のような認識に基づいてなされる。即ち、ロータブレード間のギャップ領域に供給される冷却空気は、シール周り及びダンパー周りの漏洩比の関数となる。また、ギャップ領域とブレードの上流側の作動媒体流路との間の圧力差よりも、ブレードの下流側に於ける圧力差の方が大幅に大きい。この圧力差の違いによって、流れは後縁領域に於いてギャップ領域から流出し、入れ代わりに高温ガスが作動媒体流路からギャップ領域へと引き込まれる。これらの高温ガスは、プラットフォーム部の熱疲労寿命に悪影響を与える。従って、プラットフォームのギャップ領域に予め定まった方法で加圧された冷却空気を積極的に供給する必要がある。
本発明によると、軸流回転機器用のロータアセンブリであって、回転軸Arと、冷却空気源と、軸方向に貫通して延在する作動媒体ガスの流路とを有し、更に、周囲に円周状に延在するリム領域を有するロータディスクと；複数の冷却可能なロータブレードであって、各ロータブレードが、前記ロータアセンブリから前記作動媒体ガス流路内に径方向外向きに延在するエアフォイル部と、プラットフォーム部であって、前記エアフォイル部から隣接するロータブレードのプラットフォーム部の近傍まで横方向に延出し、前記リム領域の一部から径方向に離隔してその間に前記冷却空気源と連通した冷却空気キャビティを形成し、更に前記隣接したプラットフォーム部の少なくとも一部との間に延在する横方向領域を有し、動作状態に於いて前記冷却空気キャビティ内の空気圧が外側の前記ロータブレードの作動媒体ガスの圧力より大きくなるようになっている該プラットフォーム部と、前記ロータディスクと係合するように前記プラットフォーム部から径方向内向きに延在するルート部とを有する該複数のロータブレードと；隣接するブレード対の間に横方向に延在して前記冷却空気キャビティを第１領域と第２領域とに分割するシール部材と；隣接するロータブレード間に延在し前記第２領域を画定するダンパーであって、前記隣接するブレードプラットフォーム部の少なくとも一部から径方向内側に離隔され、隣接したプラットフォーム部間の前記横方向領域を含む第３冷却空気領域をその間に形成する該ダンパーとを含み、前記シール部材が、該シール部材を貫通して延在し前記第１領域と前記第２領域とを連通させる複数の冷却空気孔を有し、前記ダンパーが、該ダンパーを貫通して延在し前記第２領域と前記第３領域とを連通させる複数の冷却空気孔を有し、前記シール部材を貫通して延在する前記孔及び前記ダンパーを貫通して延在する前記孔によって、前記第３領域が前記作動媒体ガスの該第３領域への流入に抗するように加圧されることを特徴とするロータアセンブリが提供される。
本発明による改善された実施態様の一つでは、ブレードダンパーに設けられる冷却空気孔の形状は、隣接するエアフォイルのプラットフォーム部に冷却空気が衝当するように定められる。
別の実施態様では、翼弦方向に延在するリブがダンパーに設けられる。このリブは、ダンパーから径方向内向きに延出し、動作状態に於いてシール部材と係合し、供給加圧領域を少なくとも２つの冷却空気チャンバーに分割する。これらのチャンバーは異なる量の冷却空気を受容し、ブレードプラットフォーム間のギャップ領域に供給する。
本発明の主な利点は、ロータブレード間のギャップ領域に隣接するプラットフォーム部を積極的に冷却すること、及びダンパーとシール部材を冷却空気をロータブレードのプラットフォーム部へと導くための導管として用いることにより、ロータブレードの熱疲労寿命が改善されることである。別の利点は、冷却空気をキャビティに集めること、及び冷却空気領域間に冷却空気を量を調整して供給して隣接するロータブレード間のギャップ領域を積極的に冷却することにより、所与の冷却レベルに対するエンジン効率が改善されることである。更に別の利点は、冷却効率が改善されることであるが、これはシーリングダンパーを用いてギャップ領域に２つの冷却空気チャンバーから冷却空気を積極的に供給することによる。
他の特徴及び利点は、本発明の実施例を示す添付の図面、詳細な説明、及び請求の範囲から明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は、ロータディスクと複数のロータブレードを有するガスタービンエンジンのロータアセンブリの断面図である。
第２図は、第１図のライン２−２に沿ってとった第１図のロータアセンブリの一部の断面図である。
第３図は、第２図のダンパー及びシールを示す分解組立斜視図である。
発明の実施の形態
第１図は、例えばガスタービンエンジンのような軸流回転機器用のロータアセンブリ10を一部は完全に一部は断面として示す側面図である。このロータアセンブリは回転軸Arを有する。このロータアセンブリは、リム領域14を有するロータディスク12を含んでいる。複数のロータブレード（単一のロータブレード16によって代表している）が、ロータディスクのリム領域から外向きに延在する。作動媒体ガス17の流路はロータブレードを通過して軸方向に延在する。
ロータブレード16は、エアフォイル部18、プラットフォーム部20、及びルート部22を含んでいる。前記したリム領域14には複数のブレード取付けスロット（ブレード取付けスロット24によって代表している）が設けられている。各ブレード取付けスロットは隣接するブレード取付けスロットから周方向に間隔を置いて配置され、対応するロータブレードのルート部を受容するようになっている。
前側サイドプレート26と後側サイドプレート28がロータブレードに関して軸方向に配置されており、ロータブレードをロータディスクに固定している。これらのサイドプレートをロータディスクに軸方向に固定する手段（リベット30によって代表している）によって、前側サイドプレートは軸方向下流に向けてロータディスクに向けて付勢され、後側サイドプレートは、軸方向上流に向けてロータディスクに押しつけられる。
ロータブレードのルート部22には、延長されたネック部分32が含まれており、それによってロータブレードはディスクの上方、作動媒体ガスの流路へと持ち上げられている。隣接するロータブレードのルート部は周方向に離隔され、間に冷却空気キャビティ34が形成される。
通常ロータブレードは冷却され、第２図に通路35として示されているような通路を有している。通路35は、冷却空気がブレードを通って流れるように、ブレード内部に於いてルート部22からエアフォイル部18へと延在する。冷却空気源（例えば、ディスク内の導管または孔36）によってロータブレードのルート部に冷却空気が供給される。冷却空気の一部は、ブレードのルート部と対応するディスクスロットの間の境界部を通ってキャビティ34へと径方向と軸方向の両方向に漏洩する。
第２図は、第１図に示したロータアセンブリの一部の断面図であり、第１図のライン２−２に沿ってとられたものである。リム表面38は、隣接するロータブレード16a、16bのルート部22の間に延在している。外向きに向いたリム表面38は、キャビティ34の境界をなしている。
各エアフォイルのプラットフォーム部20は、エアフォイル部18から横方向に延出し、ルート部22から隣接するロータブレードのプラットフォーム部の近くまで延出して、ギャップ領域Ｇを間に形成している。プラットフォーム部はリム表面38から径方向に離隔しており、ルート部のネック部分32とともに冷却空気キャビティ34を画定している。流路40によって代表されている漏れ経路が、ルート部とロータディスクとの境界部を通って伸びており、冷却空気供給管36と冷却空気キャビティ34を連通させている。
プレート状のシール部材42が隣接するロータブレード間のギャップＳに渡って軸方向に延在しており、冷却空気キャビティ34を第１冷却空気領域46と第２冷却空気領域48に分割している。複数の冷却空気孔52が径方向にシール部材を貫通して延在し、第１冷却空気領域46と第２冷却空気領域48とを連通させている。シール部材は、フレキシブルなシート状金属構造から形成される。この材料の厚さは、所与の隣接するロータブレード間の間隔Ｓに対し、動作状態に於ける回転力に応答してシール部材が径方向に撓むことができるように定めらる。
各ロータブレードのルート部にはプラットフォーム部20から径方向内側に離隔して第１突出部54が設けられており、その間に第２領域48が形成されている。また、第２突出部56が第１突出部から径方向内側に離隔して設けられており、その間に空隙が形成されてプレート状のシール部材42の径方向位置が拘束されるようになっている。
ダンパー58が、隣接するプラットフォーム部に係合するように、第２領域48に渡って延在している。このダンパーは、第２領域48に対し外側シールとなるとともに、各プラットフォーム部20の一部から径方向内側に離隔して間に第３冷却空気領域60が形成されるように配置されている。第３冷却空気領域は、プラットフォーム部の離隔された部分の間のギャップ領域Ｇを含むように延在している。
ダンパー58は、シールプレート62と、例えば翼弦方向に延在するリブ64のような少なくとも一つのリブを含む。また、このダンパーは少なくとも一つの横方向に延在するリブ66を含む。別の２つの横方向リブ66b、66cは第２図では断面が示されており、第３図にも示されている。これらのリブはダンパーを強化するべく径方向に延出している。別の構造では、横方向に延在するリブ66cによって第２領域を前方に位置する冷却空気チャンバーと後方に位置する冷却空気チャンバーに分割することもできる。
図示されている実施例では、翼弦方向に延在するリブ64によって第２冷却空気領域48は第１冷却空気チャンバー68と第２冷却空気チャンバー72に分割されている。複数の冷却空気孔74によって、第１冷却空気チャンバー68と第２冷却空気チャンバー72はロータアセンブリの第３冷却空気領域60に連通している。冷却空気孔74の形状は、冷却空気流がプラットフォームの下側へ向かって導かれ、そこに衝当するように定められている。このため、冷却空気孔74は“衝当”冷却空気孔（“impingement"cooling air holes）と呼ばれる。
ロータブレードの各プラットフォーム部20は、プラットフォーム部を貫通する複数の冷却空気孔75を有しており、それによって第３冷却空気領域60はプラットフォーム部の表面と連通している。これらの冷却空気孔は、ロータブレードのエアフォイル部の近くのプラットフォーム部表面を貫通して延在している。
第１図に示されているように、各エアフォイル部は前縁76と後縁78とを有する。エアフォイル部は前縁から後縁までエアフォイルの一方の側に延在する正圧面82と、前縁から後縁までエアフォイルの他方の側に延在する負圧面84とを有する。正圧面と負圧面は、エアフォイルに対し空力学的面を提供するとともに、シール部材42及びダンパー58の構成について説明するときの基準にもなる。隣接するロータブレード16a、16bは、それぞれ面82a、84a、82b、84bを有する。
第３図は、第１図及び第２図に示したシール部材42とダンパー58を表した分解組立斜視図である。ダンパーは前縁86と後縁88とを有する。第１サイド92は一方のロータブレード16bの正圧面82bに極めて近接しており、第２サイド94は隣接するロータブレード16aの負圧面84aに極めて近接して延在している。図示されているように、より多くの衝当冷却孔74が、負圧面に近接したダンパーより、正圧面に近接したダンパーを通って延在している。
シール部材42も前縁98、後縁102、負圧サイド104、正圧サイド106を有している。シールを貫通する孔52は、ダンパーに設けられた孔に径方向に極めて近接して配置される。ある場合には、位置合わせして、第１冷却空気領域46と第３冷却空気領域60が部分的に照準線上に位置するようにすることもできる。
第１図に示したロータアセンブリ10は、動作中、回転軸Arを中心として高速で回転する。ダンパー58とシール部材42に働く回転力によって、これらの部材は外向きにロータアセンブリ10へと付勢される。ダンパーはブレードプラットフォーム部20の下側に強く押しつけられ、シール部材42は外向きに撓んでダンパーのリブ64に押しつけられる。シール部材とダンパーとの間、及びダンパーとブレードプラットフォームとの間に働く摩擦力によって、ロータアセンブリに摩擦ダンピング（coulomb damping）が働く。このダンピング作用によってロータブレードの振動エネルギーが消散され、そのような振動がエアフォイルの疲労寿命に与えていた悪影響が低減される。翼弦方向に延在するリブ64と横方向に延在するリブ66a、66b、66cは、望ましくない方向にダンパーが撓まないよう強化する働きをする。このような撓みを防ぐことにより、ダンパーがロータブレードのプラットフォーム部から離隔して、プラットフォーム部を通って延在する冷却空気孔75が妨げられないよう確保される。
冷却空気は、導管36を介してロータブレード16の内部へと流れ、作動媒体流路17へと放出される。冷却空気のフィルム冷却作用により、特にエアフォイルの重要領域において、エアフォイルへの熱の伝達が阻止されるとともに、エアフォイルから熱が運び去られる。また、冷却空気は漏れ経路40を通って第１冷却空気領域46へも流れる。この冷却空気はシール部材42の量調整用孔52を介して冷却空気領域46から放出され、第２冷却空気領域48へと流れる。この冷却空気は第１冷却空気チャンバー68と第２冷却空気チャンバー72に分けられる。冷却空気はこれらのチャンバー68、72から衝当孔74を介してエアフォイルのプラットフォーム部へと放出され、冷却プロセスに関連する対流熱伝達係数を向上する。このように冷却空気を効果的に使用することにより、プラットフォーム部を所与のレベルに冷却するのに必要な冷却空気量が少なくなり、冷却空気の使用がエンジン効率に与える悪影響を低減することができる。
冷却空気孔74の形状及び位置は、プラットフォーム部20の重要領域が冷却されるように定められている。冷却空気の体積は、ブレードの後縁78付近の第３冷却空気領域60と作動媒体流路17の間の大きな圧力差によって、ロータアセンブリの前縁領域付近の第３領域から大量の冷却空気が引き抜かれることがないようになっている。更に、第３領域の前縁部分には積極的に冷却空気が供給される。その結果、作動媒体流路から高温の作動媒体ガスが、隣接するブレードプラットフォーム部20間のギャップ領域Ｇに入るのを防ぐことができる。これによって、エアフォイルのこれらの部分が過度に高温になるのが防がれ、クラックの発生その他の熱に関連してエアフォイルのプラットフォーム部に生じる損傷が防がれる。
更に、第２冷却空気領域を第１チャンバー68と第２チャンバー72に分割することによって、隣接するブレードのプラットフォーム部20に供給される冷却空気をフレキシブルに割り当てることが可能となっている。理解されるように、エンジンと共にある程度使用された後に調整を行うことも容易である。例えば、使用することによって、冷却空気の割り当てを変更したり、冷却空気の体積を増加または減少させたりした方がよいことがわかることもある。これは、シール部材とダンパーの両方、或いはシール部材またはダンパーに単独で僅かな変更を加えることによって簡単になされる。
【図１】
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【図３】
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【図２】
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