(57)【要約】      （修正有）【課題】ターボ機械のためのフィルム冷却されるタービンブレードに関する。【解決手段】タービンブレードの内部キャビティ２の境界を形成する外壁１を具備するタービンブレードであって、冷却流体４が内部キャビティ２内に配設され、貫通ダクト３が、外壁１内に形成され、冷却流体４が、外壁１の外面７に冷却フィルム５を形成し、貫通ダクト３を通じて、内部キャビティ２からタービンブレードの外側に流動して、貫通ダクト３が、タービンブレードの外縁に対して傾斜し、貫通ダクト３の入口１０の縁部分１４が他の縁部分に対して鋭角に上側面１２に形成され、剥離領域１６が貫通ダクト３内に形成され、剥離領域１６の反対側に位置する貫通ダクト３の下側面１３に向かい、冷却流体４の中心横断流れ１８を誘発し、渦中心２１同士の間における冷却流体の流れ１７の速度ベクトルが貫通ダクト３の下側面１３に向う一組の逆向きの渦２０を発生させるタービンブレード。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンブレードの内部キャビティ（２）の境界を形成する外壁（１）を具備する、ターボ機械のための前記タービンブレードであって、
冷却流体（４）が、前記タービンブレードをフィルム冷却するために前記内部キャビティ（２）内に配設されており、少なくとも１つの貫通ダクト（３）が、前記外壁（１）内に形成されており、前記冷却流体（４）が、前記外壁（１）の外面（７）に冷却フィルム（５）を形成するように、前記貫通ダクト（３）を通じて、前記内部キャビティ（２）から前記タービンブレードの外側に流動可能とされ、前記貫通ダクト（３）が、前記タービンブレードの外縁に対して傾斜している、前記タービンブレードにおいて、
前記貫通ダクト（３）の入口（１０）の縁部分（１４）が、前記入口（１０）の対向する縁部分より鋭角となるように、上側面（１２）に形成されており、これにより、冷却流体の流れ（１７）の剥離領域（１６）が前記貫通ダクト（３）内に形成されており、
前記剥離領域（１６）が、前記剥離領域（１６）の反対側に位置する前記貫通ダクト（３）の下側面（１３）に向かって方向付けられている、前記冷却流体（４）の中心横断流れ（１８）を誘発し、これにより、渦中心（２１）同士の間における前記冷却流体の流れ（１７）の速度ベクトルが前記貫通ダクト（３）の前記下側面（１３）に向かっている、一組の逆向きの渦（２０）を前記貫通ダクト内において発生させることを特徴とするタービンブレード。
【請求項２】
厚肉部分（２３）が、前記貫通ダクト（３）が配置されている前記外壁（１）の領域の内面（８）に設けられており、前記入口（１０）が形成されていると共に前記貫通ダクト（３）の軸線（２６）に対して傾斜されている上側前方面（２７）を有しており、これにより、前記貫通ダクト（３）の前記入口（１０）の前記縁部分（１４）が、前記入口（１０）の前記対向する縁部分（１５）より鋭角になるように、前記上側面（１２）に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のタービンブレード。
【請求項３】
前記厚肉部分（２３）の前記上側前方面（２７）が、前記外壁（１）の前記内面（８）に対して略直角な状態で、又は、前記タービンブレードの前記後縁に対して傾斜している状態で配置されていることを特徴とする請求項２に記載のタービンブレード。
【請求項４】
前記厚肉部分（２３）の厚さが、型成形の最中に常に発生する製造誤差の場合には、前記貫通ダクト（３）が前記厚肉部分（２３）内に静的に配置され、且つ、前記入口（１０）が前記厚肉部分（２３）の前記上側前方面（２７）によって形成される寸法とされることを特徴とする請求項２又は３に記載のタービンブレード。
【請求項５】
前記厚肉部分（２３）の前記上方前方面（２７）の逆向きに面している前記厚肉部分（２３）の後方面（２８）が、前記貫通ダクト（３）に対して略平行とされることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のタービンブレード。
【請求項６】
前記厚肉部分（２３）が、前記タービンブレードの冷却リブとされることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載のタービンブレード。
【請求項７】
前記厚肉部分（２３）が、前記タービンブレードの正圧面から負圧面に至るまで延在している支持ウェブ（２４）とされることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載のタービンブレード。
【請求項８】
前記厚肉部分（２３）が、前記タービンブレードの前記内部キャビティ（２）内で移動可能とされる可動本体とされ、
前記可動本体によって、前記冷却流体（４）の流速が、前記タービンブレードを冷却するために高められ、その結果として、前記内部キャビティ（２）内における前記冷却流体（４）による対流が高められることを特徴とする請求項２〜７のいずれか一項に記載のタービンブレード。
【請求項９】
前記貫通ダクト（３）が配置されている前記外壁（１）の領域の内面（８）が、前記外面（７）に対して略平行に配置されており、
ビード（２２）が、前記下側面（１３）において、前記貫通ダクト（３）の前記入口（１０）の前記対向する縁部分（１５）に一体に形成されており、これにより、前記対向する縁部分（１５）が、前記入口（１０）の前記縁部分（１４）に対して鈍角に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のタービンブレード。
【請求項１０】
間隙（２５）が、前記貫通ダクト（３）が配置されている前記外壁（１）の領域の内面（８）に設けられており、前記入口（１０）が形成されていると共に前記貫通ダクト（３）の軸線（２６）に対して傾斜されている下側後方面（３０）を有しており、これにより、前記貫通ダクト（３）の前記入口（１０）の前記縁部分（１４）が、前記入口（１０）の前記対向する縁部分（１５）より鋭角に形成されるように、前記上側面（１２）に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のタービンブレード。
【請求項１１】
前記間隙（２５）の後方面（３０）が、前記外壁（１）の前記内面（８）に対して略直角な状態で、又は、前記タービンブレードの前記後縁に対して傾斜されている状態で配置されていることを特徴とする請求項１０に記載のタービンブレード。
【請求項１２】
前記間隙（２５）が、前記間隙（２５）の入口縁部（３１）において丸められた形状とされ、これにより、前記冷却流体（４）が、剥離せず、前記間隙（２５）内に流入することができることを特徴とする請求項１０又は１１に記載のタービンブレード。
【請求項１３】
前記間隙（２５）が、前記貫通ダクト（３）が連通している溝とされることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか一項に記載のタービンブレード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ機械のためのフィルム冷却されるタービンブレードに関する。
【背景技術】
【０００２】
特にガスタービンのようなターボ機械は、事前にコンプレッサ内で圧縮されると共に燃焼室内で加熱された高温ガスを膨張させることによって機能する、タービンを有している。高温ガスの高質量流のために、ひいてはガスタービンの高出力範囲のために、タービンは、軸流式の構成で設計されており、貫流方向において前後に配設された複数のブレードリングによって形成されている。ブレードリングは、可動式ブレードとブレードリングの周囲に配置された案内ブレードとを有している。可動式ブレードは、ガスタービンのロータに固定されており、案内ブレードは、ガスタービンのケーシングに固定されている。
【０００３】
高温ガスがタービン内に入る際の入口温度が高ければ高い程、ガスタービンの熱力学的効率は高くなる。対照的に、タービンブレードの熱負荷負担能力（thermal load-bearing capacity）が制限される。従って、熱負荷が最大限高くなっても、ガスタービンの運転について十分な機械的強度を有しているタービンブレードを提供することが望ましい。この目的を達成するために、タービンブレードについて適切な材料及び材料の組み合わせが利用されるが、従来技術に基づくのでは、ガスタービンの熱効率を高める可能性のみを損ない不適切である。許容可能なタービン入口温度をさらに高めるために、ガスタービンの運転中にタービンブレードを冷却することによって、その結果として、タービンブレード自体が、高温ガスに起因する熱負荷のために冷却されない場合より低い熱負荷に曝されることが知られている。
【０００４】
タービンブレードの温度を低く維持するために、ブレードは、例えばフィルム冷却によって冷却される。この目的を達成するために、ブレードの表面には、複数の冷却空気用開口部が設けられており、冷却空気は、冷却空気用開口部を通じて、ブレード内部からタービンブレードの表面に輸送される。冷却空気が冷却空気用開口部を通過した後に、冷却空気が層状の形態でタービンブレードの表面に沿って流れるので、タービンブレードの表面を高温ガスから隔離することができる。さらに、層状の冷却空気が、障壁として機能するので、高温ガスがタービンブレードの表面に輸送されることが抑止される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、フィルム冷却によって効率的に冷却可能とされるターボ機械のためのタービンブレードを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明におけるターボ機械のためのタービンブレードは、タービンブレードの内部キャビティの境界を形成する外壁を具備する、ターボ機械のためのタービンブレードであって、冷却流体が、タービンブレードをフィルム冷却するために内部キャビティ内に配設されており、少なくとも１つの貫通ダクトが、外壁内に形成されており、冷却流体が、外壁の外面に冷却フィルムを形成するように、貫通ダクトを通じて、内部キャビティからタービンブレードの外側に流動可能とされ、貫通ダクトが、タービンブレードの外縁に対して傾斜している、タービンブレードにおいて、貫通ダクトの入口の縁部分が、入口の対向する縁部分より鋭角となるように、上側面に形成されており、これにより、冷却流体の流れの剥離領域が貫通ダクト内に形成されており、剥離領域が、剥離領域の反対側に位置する貫通ダクトの下側面に向かって方向付けられている、冷却流体の中心横断流れを誘発し、これにより、渦中心同士の間における冷却流体の流れの速度ベクトルが貫通ダクトの下側面に向かっている、一組の逆向きの渦を貫通ダクト内において発生させるタービンブレードである。
【０００７】
ターボ機械の燃焼室からの高温ガスが、タービンブレードの外側において、貫通ダクトから流出する冷却流体の噴流に衝突した場合に、高温ガスの流れが冷却流体の噴流の周囲において分散され、噴流の境界における高温ガスのドラッグ効果の結果として、２つの渦の腕を有する出口側の渦（chimney vortex）が形成される。２つの渦の腕それぞれが、渦によって形成されており、２つの渦の腕の内面における高温ガスの速度ベクトルは、外壁から離隔するように向いている。これにより、高温ガスがタービンブレードの外側に向かって輸送される。出口側の渦の２つの渦の腕は、一組の逆向きの冷却流体の渦の、それぞれが互いに重なっていると共に逆向きに方向付けられた渦の回転方向を有している。従って、出口側の渦は弱められ、タービンブレードの外側に輸送される高温ガスが低減され、その結果として、フィルム冷却が一層効率的になる。従って、タービンブレードを冷却するために必要な冷却流体の量は、従来技術に基づくタービンブレードを冷却するために必要であろう冷却流体の量より少ない。このことは、ターボ機械の一層高い効率によって実現される。さらに、タービンブレード内における貫通ダクトの選択すべき配置密度を比較的低くすることができる。その結果として、全体として、本発明におけるタービンブレードのために必要とされる貫通ダクトの数量を一層低減すると共に、本発明におけるタービンブレードの構造上の脆弱性を一層低下させることができる。
【０００８】
好ましくは、貫通ダクトが配置されている外壁の領域の内面には、入口が形成されている上側前方面を有している厚肉部分が設けられており、当該前方面は、貫通ダクトの入口の縁部分が当該入口の対向する縁部分より鋭角に形成された縁部としてその上側において構成されているように、貫通ダクトの軸線に対して傾斜している。好ましくは、厚肉部分の前方面は、外壁の内面に対して略直角な状態で、又は、タービンブレードの後縁に対して傾斜している状態で配置されている。厚肉部分の傾斜した前方面において、特に鋭角に形成された縁部分が貫通ダクトの上側に設けられている。その結果として、優位には、一組の逆向きの渦が顕著に形成されている。
【０００９】
好ましくは、厚肉部分の厚さが、型成形の最中に常に発生する製造誤差の場合には、貫通ダクトが厚肉部分内に静的に配置され、且つ、入口が厚肉部分の上側前方面によって形成される寸法とされる。好ましくは、厚肉部分の上方前方面の逆向きに面している厚肉部分の後方面が、貫通ダクトに対して略平行とされる。好ましくは、厚肉部分が、タービンブレードの冷却リブとされる。冷却リブが設けられていることによって、タービンブレードの内面の面積が大きくなるので、その結果として、優位には、タービンブレードは、冷却流体の対流によって内側から効率的に冷却される。代替的には、厚肉部分が、タービンブレードの正圧面から負圧面に至るまで延在している支持ウェブとされることが望ましい。優位には、タービンブレードの強度は、支持ウェブによって高められている。タービンブレードの冷却ダクトそれぞれが、支持ウェブによってタービンブレード内部に形成されている。
【００１０】
好ましくは、厚肉部分がタービンブレードの内部キャビティの中で移動可能とされる可動本体とされる。内部キャビティ内における冷却流体の流速は、可動本体によって、タービンブレードを冷却するために大きくすることができる。その結果として、内部キャビティ内における冷却流体による対流が高められる。これにより、同様に優位には、タービンブレードは、内側から効率的に冷却可能とされる。
【００１１】
代替的には、貫通ダクトが配置されている外壁の領域の内面は外面に対して略平行に配置されており、貫通ダクトの入口の縁部分が入口の対向する縁部分より鈍角に形成されるように、その下側においてビードが貫通ダクトの入口の縁部分に一体に形成されていることが望ましい。タービンブレードのこのような形状は、容易に型成形することができる。タービンブレードの型成形中に製造誤差が発生してしまった場合には、ビードの最遠位の位置を初期段階から正確に予測することができない。この場合には、ビードの位置は、Ｘ線法を利用することによって、その後に決定することができる。この決定された位置に基づいて、貫通ダクトは、例えばドリル加工によってタービンブレードの外側から、ビートに対して正しい位置に製造される。
【００１２】
好ましくは、貫通ダクトが配置されている外壁の領域の内面には、入口が形成されている下側後方面を有している間隙が設けられており、下側後方面は、貫通ダクトの入口の縁部分が当該入口の対向する縁部分より鋭角の縁部としてその上側において構成されているように、貫通ダクトの軸線に対して傾斜している。間隙が形成されていることによって、タービンブレードを製造するための材料についての要求を低くすることができる。好ましくは、間隙の後方面は、外壁の内面に対して略直角な状態で、又は、タービンブレードの後縁に対して傾斜している状態で配置されている。優位には、傾斜した後方面は、貫通ダクトの上側において特に鋭角に形成されている縁部分を形成している。好ましくは、間隙は、冷却流体が剥離せず間隙内に流入するように、入口の縁部分において丸められた形状とされる。
【００１３】
本発明におけるタービンブレードの形状は、型成形プロセスに適しており、その結果として、アダプタを一切必要とせず、タービンブレードを型成形可能である。好ましくは、貫通ダクトは、特にレーザドリル加工やエロージョン加工のような穿孔加工によって製造可能とされる。通常、穿孔加工はタービンブレードの外側から実施される。
【００１４】
好ましくは、間隙は、複数の貫通ダクトが連通している溝とされる。この場合には、優位には、穿孔加工の際に、縁部分を形成すると同時に溝を発見することが一層容易になる。
【００１５】
本発明におけるタービンブレードの好ましい実施例については、添付の概略的な図面を用いて以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】貫通ダクト及び厚肉部分を具備するタービンブレードの外壁の詳細な長手方向断面図である。
【図２】貫通ダクト及び厚肉部分を具備するタービンブレードの外壁の詳細な長手方向断面図である。
【図３】貫通ダクト及び支持ウェブを具備するタービンブレードの外壁の詳細な長手方向断面図である。
【図４】貫通ダクト及びビードを具備するタービンブレードの外壁の詳細な長手方向断面図である。
【図５】貫通ダクト及び間隙を具備するタービンブレードの外壁の詳細な長手方向断面図である。
【図６】貫通ダクト及び間隙を具備するタービンブレードの外壁の詳細な長手方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１〜図６は、ターボ機械のタービンブレードの外壁１の一部分を表わす。外壁１は、内部キャビティ２の境界を形成しており、外面７及び内面８を有している。ターボ機械が動作している場合には、外面７に対して平行な高温ガスの主流れ方向９がタービンブレードの後縁（図示しない）に向かって方向づけられている状態において、高温ガスの流れ３４が外面７上に発生する。円状の断面１９を具備する貫通ダクト３は、外壁１の内部に向かって導かれており、内側から外側に向かう貫流方向においてタービンブレードの後縁に対して傾斜しており、外面７と共に鋭角の傾斜角度６を形成している。
【００１８】
図１〜図６に表わす貫通ダクト３は、その内側に入口１０を有しており、その外側に出口１１を有している。さらに、貫通ダクト３は、軸線２６と上側流れ面１２と下側流れ面１３とを有している。貫通ダクト３の入口１０は、上側流れ面１２に上側縁部分１４を有しており、下側流れ面１３に下側縁部分１５を有している。ターボ機械が動作している場合には、内部キャビティ２は冷却流体４を収容しており、冷却流体４は入口１０を介して貫通ダクト３内に流入し、出口１１を介して再び貫通ダクト３から流出する。傾斜角度６は鋭角に選択されるので、冷却流体４が、貫通ダクト３から流出した後に、外面７に冷却フィルム５を形成する。
【００１９】
図１は、厚肉部分２３を具備するタービンブレードの実施例を表わす。厚肉部分２３は、貫通ダクト３が配置されている外壁１の領域において内側に配置されている。厚肉部分２３は、貫通ダクト３に対して平行に延在している厚肉部分の下側後方面２８と、入口１０が配置されている厚肉部分の上側前方面２７とを有している。厚肉部分の上側前方面２７は、外壁１の内面８に対して略直角に配置されており、上側縁部分１４は、下側縁部分１５より鋭角な縁部分とされる。
【００２０】
タービンブレードにおける流動状態について、図１を参照して以下に説明する。下側縁部分１５は、冷却流体の流れ１７が剥離しないように下側縁部分１５に追従することができるように、鈍角に形成されている。上側縁部分１４は、冷却流体の流れ１７が上側縁部分１４に追従することができないように、鋭角に形成されている。これにより、冷却流体の流れ１７の剥離領域１６が、貫通ダクト３内において上側流れ面１２に形成されている。剥離領域１６は、貫通ダクト３内において、上側流れ面１２から下側流れ面１３に方向づけられている中心横断流れ１８を誘発させる。中心横断流れ１８は、貫通ダクト３内において、渦中心２１を具備する一組の逆向きの渦２０を発生させる。このとき、２つの渦中心２１の間における速度ベクトルは、貫通ダクト３の下側流れ面１３に向いている。
【００２１】
図１から明らかなように、渦中心２１同士の間における冷却流体の流れ１７の速度ベクトルは、貫通ダクト３から流出した直後には、外壁１に向かって方向づけられている。高温ガスの流れ３４は、一組の逆向きの渦２０を有している新たな冷却空気の噴流の周囲に流れるので、その結果として、高温ガスによって、出口側の渦３３が形成される。出口側の渦３３は、一組の逆向きの渦２０の両側に位置している２つの渦の腕を有している。渦の腕それぞれが、渦によって形成されており、渦の腕の渦中心２１同士の間における高温ガスの流れ３４の速度ベクトルが、外壁１に向かって方向づけられている。これにより、高温ガスが外壁１の外面７上に輸送される。渦の腕は、貫通ダクト３から流出した直後に、一組の逆向きの渦２０の、それぞれが互いに重なっていると共に逆向きに方向付けられた渦の回転方向を有している。従って、出口側の渦３３が弱められ、外壁１の外面７上に輸送される高温ガスが低減されるので、その結果として、タービンブレードの外壁１への熱伝導が解消される。
【００２２】
厚肉部分の上側前方面２７が、タービンブレードの後縁に対して傾斜しており、この場合には、上側縁部分１４が、図１の上側縁部分より鋭角に形成されていることも想定される。
【００２３】
図２は、図１の厚肉部分２３を表わす。厚肉部分２３は、それぞれが破線で示される２つの顕著な製造誤差を有している。第１の製造誤差が存在する場合には、厚肉部分２３が外壁１に対して平行にオフセットされており、第２の製造誤差が存在する場合には、厚肉部分２３が上側前方面２７に対して平行にオフセットされている。第１の製造誤差及び第２の製造誤差の両方が存在する場合には、貫通ダクト３が厚肉部分２３内に配置されており、入口１０が厚肉部分２３の上側前方面２７に配置されている。
【００２４】
図３に表わすタービンブレードの実施例は、タービンブレードの正圧面から負圧面に延在している支持ウェブ２４を有している。貫通ダクト３は、部分的に支持ウェブ２４内に延在しており、入口１０は、支持ウェブ２４の上側前方面３５に配置されている。
【００２５】
図４から明らかなように、ビード２２は、下側縁部分１５に直接隣接している外壁１の内面８に一体に形成されており、その結果として、下側縁部分１５が鈍角に形成されている。ビード２２は、内方に方向づけられている側面において凸状の領域を有している。凸状の領域は、下側縁部分１５に至るまで及び／又は貫通ダクト３内部に延在していることが想定される。この場合には、剥離領域が貫通ダクト３の下側流れ面１３において特に効率的に解消される。ビード２２の断面が矩形状とされることが想定される。さらに、ビード２２が冷却リブとしても構成されていることが想定される。
【００２６】
図５及び図６に表わす実施例では、上側前方面２９及び下側後方面３０を具備する帽子形状の間隙２５が、外壁１に形成されている。入口１０が、下側後方面３０に形成されている。間隙２５は、冷却流体の流れ１７が間隙２５に流入した場合において冷却流体の流れ１７の剥離を回避するために、丸められた形状をした入口縁部分３１を有している。図５に表わす実施例とは対照的に、図６に表わす実施例の間隙２５は、タービンブレードの後縁に対して傾斜しており、上側縁部分１４は、特に鋭角に形成されている。さらに、間隙２５が、複数の貫通ダクト３が連通している溝として構成されていることが想定される。
【００２７】
本発明について、好ましい例示的な実施例によって詳述したが、本発明は、開示された実施例に限定される訳ではなく、当業者であれば、開示された実施例から他の変化を想到する場合があり、このような変化も、本発明の保護範囲内にある。
【符号の説明】
【００２８】
１  （タービンブレードの）外壁
２  内部キャビティ
３  貫通ダクト
４  冷却流体
５  冷却フィルム
６  傾斜角度
７  外面
８  内面
９  高温ガスの主流れ方向
１０  入口
１１  出口
１２  上側流れ面
１３  下側流れ面
１４  上側縁部分
１５  下側縁部分
１６  剥離領域
１７  冷却流体の流れ
１８  中心横断流れ
１９  円状の断面
２０  渦
２１  渦中心
２２  ビード
２３  肉厚部分
２４  支持ウェブ
２５  間隙
２７  （肉厚部分２３の）上側前方面
２８  （肉厚部分２３の）下側後方面
２９  （間隙２５の）上側前方面
３０  （間隙２５の）下側後方面
３１  （間隙２５の）入口縁部分
３３  出口側の渦
３４  高温ガスの流れ
【図１】
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【図２】
2014148938.tif 000004
【図３】
2014148938.tif 000005
【図４】
2014148938.tif 000006
【図５】
2014148938.tif 000007
【図６】
2014148938.tif 000008
【外国語明細書】
2014148938000001.pdf