(57)【要約】【課題】  タービンブレード（１１）のフィレット半径を実質的に増加し、かつ大きいフィレット部（１８）と関連する質量部を減少させるとともにこの領域を適切に冷却する。【解決手段】  ガスタービンエンジンのブレード（１１）は、通過する空気流特性を改善するために比較的大きいフィレット部（１８）を有する。フィレット部（１８）は、衝突リブ（３５）とともにフィレットキャビティ（２４）を間に画成する薄い壁を有し、衝突リブ（３５）の衝突孔（２６）を通ってフィレット部（１８）の後方面（２７）に衝突するように冷却空気が提供される。衝突孔（２６）は、断面形状が径方向に対して実質的に横方向に細長くなっている。【選択図】  図４Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン部品であって、
前記部品を回転可能なディスクに取り付けるためのもみの木形状部と、
前記もみの木形状部に連結されるとともに前縁と後縁との間の第１の平面に沿って延在するプラットフォームと、
前記プラットフォームの第１の平面からこの第１の平面に実質的に直交する第２の平面に沿って延在するエアフォイルの前縁まで鋭角で延在するとともに内側壁面を有するフィレット部によって、前記プラットフォームに連結されたエアフォイルと、
前記フィレット部の内側壁面との間にフィレットキャビティを形成するように該フィレット部の内側壁面に隣接して配置されているとともに、複数の衝突孔が形成された衝突リブと、
冷却空気流を前記衝突リブの一方側に導いて、この冷却空気流を前記複数の衝突孔に通過させるとともに前記フィレット部の内側壁面に衝突させるように、前記もみの木形状部に形成された実質的に径方向に延びる供給空気通路と、を有することを特徴とするガスタービンエンジン部品。
【請求項２】
前記鋭角は、１０°〜６０°であることを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン部品。
【請求項３】
前記フィレット部の範囲は、該フィレット部が第１の平面と交差する第１の点と、該フィレット部が第２の平面と交差する第２の点と、の距離によって定められるとともに第１の平面に平行な面に沿って測定されたオフセット距離によって画定され、このオフセット距離は、０．０８０〜０．３７５インチであることを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン部品。
【請求項４】
前記供給空気通路は、前記衝突リブの後方側の供給空気キャビティと流体的に連通していることを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン部品。
【請求項５】
前記供給空気キャビティは、複数の衝突冷却通路を介して前縁キャビティと流体的に連通していることを特徴とする請求項４記載のガスタービンエンジン部品。
【請求項６】
前記供給空気通路は、前記複数の衝突孔に突き当たるようにこれらの衝突孔と実質的に径方向で整列していることを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン部品。
【請求項７】
前記複数の衝突孔は、実質的に細長い断面形状を有することを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン部品。
【請求項８】
前記細長い形状は、径方向に対して実質的に横向きに細長くなっていることを特徴とする請求項７記載のガスタービンエンジン部品。
【請求項９】
前記衝突冷却通路は、細長い断面形状を有することを特徴とする請求項５記載のガスタービンエンジン部品。
【請求項１０】
前記細長い形状は、実質的に径方向に細長くなっていることを特徴とする請求項９記載のガスタービンエンジン部品。
【請求項１１】
ガスタービンエンジン部品であって、
前縁を備えるエアフォイル、前縁キャビティ、衝突リブ、および冷媒供給キャビティを有し、前記冷媒供給キャビティは、冷媒供給通路を介して冷却空気の供給を受けているとともに前記衝突リブに形成された複数の衝突冷却通路を介して前記前縁キャビティと流体的に連通しており、
前記エアフォイルは、前記前縁の径方向内側端部に連結されたフィレット部を有し、該フィレット部は、前記プラットフォームに向かって径方向内側に延在するに従って前方に湾曲するように形成されており、
前記前縁キャビティおよび前記衝突リブは、前記フィレット部の近傍において径方向内側に延在するに従って前方に湾曲するように形成されており、前記衝突リブは、前記フィレット部に冷却空気の流れを衝突させるための複数の衝突孔を有することを特徴とするガスタービンエンジン部品
【請求項１２】
前記エアフォイルと前記フィレット部との両方が、各々の外側面に冷却空気の流れを導くための複数のフィルム冷却孔を有することを特徴とする請求項１１記載のガスタービンエンジン部品。
【請求項１３】
前記供給空気通路は、前記複数の衝突孔に突き当たるようにこれらの衝突孔と実質的に径方向で整列していることを特徴とする請求項１１記載のガスタービンエンジン部品。
【請求項１４】
前記複数の衝突孔は、実質的に細長い断面形状を有することを特徴とする請求項１１記載のガスタービンエンジン部品。
【請求項１５】
前記細長い形状は、径方向に対して実質的に横向きに細長くなっていることを特徴とする請求項１４記載のガスタービンエンジン部品。
【請求項１６】
前記衝突冷却通路は、細長い断面形状を有することを特徴とする請求項１５記載のガスタービンエンジン部品。
【請求項１７】
前記細長い衝突冷却通路は、実質的に径方向に細長くなっていることを特徴とする請求項１６記載のガスタービンエンジン部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にタービンブレードに関し、特に大きいフィレット部および関連する冷却機構を有するタービンブレードに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在のタービンブレードの設計形態では、ブレードと関連するプラットフォームとの間の遷移部における前縁フィレット部が小さいかまたは全く含まれない。このため、この領域において複数のガス通路渦が発達してエアフォイルの特定領域に高温ガスが捕捉され、これらの領域に極度の疲労が生じる。
【０００３】
この問題を軽減する方法の1つは、ガス通路渦を実質的に排除する十分な半径を有する大きいフィレット部を採用することである。一方、大きいフィレット部は、ブレードに金属すなわち質量を追加してしまう。流体領域におけるこのような熱的質量部の増加は、遠心荷重、熱応力疲労、およびクリープの点で悪影響を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、フィレット半径を実質的に増加するだけでなく、大きいフィレット部と関連する質量部を減少させるとともにこの領域を適切に冷却することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一形態では、質量部を減少させるように比較的大きいフィレット部の厚さが最小化されており、前縁の後方の衝突キャビティが径方向内向きでかつフィレット部の後方でその湾曲部に実質的に沿って前方に湾曲して延びている。
【０００６】
本発明の他の形態では、衝突キャビティは、フィレット部の冷却を改善するために径方向内側端部に向かって平たくかつ幅広となっている。
【０００７】
本発明のまた他の形態では、衝突キャビティは、一方の側において断面形状が細長い衝突孔を有する衝突リブによって画成されている。
【０００８】
本発明のさらに他の形態では、ブレードの前縁の近傍における衝突孔が径方向に細長い形状を有し、フィレット部の近傍における衝突孔が横方向に細長い形状を有する。
【０００９】
図面には好適実施例および他の実施例が示されているが、本発明の趣旨および範囲から逸脱しない範囲で種々の他の改良および他の構成を加えることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１Ａ，図１Ｂを参照すると、フィレット部を有さない（すなわち、ブレード部がプラットフォーム部と実質的に直交する角度で交差する）タービンブレードにわたる高温ガスの流れによって生じる渦構造の想像図が示されている。ここでは、層流のはく離が起こるために二次流れ渦が形成され、図示のようにエアフォイルの負圧面に高温ガスが捕捉されてこれらの領域に極度の疲労が生じるおそれがある。
【００１１】
図２には、上述したようにフィレット部が小さいか全く含まれないエアフォイルの周囲を通過するガスの流線の流体力学的コンピュータシミュレーションが示されている。ここでも、エアフォイルの熱負荷に影響を与えるおそれがある二次流れ渦の形跡がある。
【００１２】
上述の問題に対処するために、十分な半径を有する前縁フィレット部を含むようにエアフォイルを改良した。例えば、現在のブレード設計形態では、０．０８０インチ（約２．０３２ｍｍ）以下の半径すなわちオフセットの前縁フィレット部をブレードプラットフォームに使用している。フィレット部寸法が拡大された本発明の設計によると、径方向翼幅の全体寸法の４分の１の大きさまたは約３／８インチ（約９．５２５ｍｍ）以上とすることができるフィレット部が提供される。この改良例は、エアフォイルの流れ特性を改善し、かつフィレット領域における温度を実質的に減少させることが分かった。例えば、図３Ａでは、フィレット部を有さないエアフォイル（下）および大きいフィレット部を有するエアフォイル（上）の両方について、温度をＡ，Ｂ，Ｃの３階調で色分けして示している。これらのエアフォイルでは、比較的低温の範囲は下部における比較的濃い色Ａによって示され、比較的高温の範囲は頂部における比較的薄い色Ｃで示されている。図から分かるように、（フィレット部を有する）改良されたエアフォイルを通過するガス温度は、フィレット部を有さないエアフォイルよりも比較的低温領域Ａの部分が実質的に多い。これは、フィレット部が端壁渦を抑制するためである。
【００１３】
同様に、図３Ｂでは、（左側の）フィレット部を有さないエアフォイルと（右側の）フィレット部を有するエアフォイルとの間の断熱壁温度の比較が示されている。いずれの場合にも、比較的濃い部分Ｄは比較的低温の範囲を示し、比較的薄い部分Ｅは比較的高温の範囲を示す。ここでも、フィレット部を有するエアフォイルの断熱壁温度がフィレット部を有さないエアフォイルよりも実質的に減少していることが分かる。
【００１４】
比較的大きいフィレット部を用いることで、上述した二次流れ渦の問題に対処することに成功しているが、このような大きいフィレット部を用いることでエアフォイルの設計および使用に関連する他の問題が生じうる。一般に、比較的大きいフィレット部の採用は、エアフォイルに含まれる金属量を増加させることが理解されよう。フィレット領域におけるこのような実質的な質量増加は、遠心荷重、熱応力、疲労、およびクリープに関して悪影響を与えうる。従って、本発明は、比較的大きいフィレット部を有するブレードの質量を減少させるとともに、比較的大きいフィレット部の前縁の冷却に効果的であると知られる種々の冷却機構を提供することによってこの問題に対処する。
【００１５】
続いて、図４Ａ，図４Ｂには、タービンブレード１１の正面図および側面図がそれぞれ示されており、このタービンブレード１１は、ディスクなどの回転部材にブレード１１を連結するもみの木形状部１２、エアフォイル部１３、および平面ｘ−ｘを定める前縁１５と後縁２０とを備えるプラットフォーム１４を有する。エアフォイル部１３は、正圧面（すなわち凹面）および負圧面（すなわち凸面）、平面ｘ−ｘに対して実質的に直交する平面Ｙ1−Ｙ1を定める前縁１６、および後縁１７を有する。前縁１６がプラットフォーム１４に遷移してこれに連結される箇所において、図示のようにプラットフォーム１４上の点２５から前縁１６上の点３０まで延在する比較的大きい直径のフィレット部１８が設けられる。距離Ｄは、平面Ｙ1−Ｙ1と平面Ｙ1−Ｙ1に平行な平面Ｙ2−Ｙ2とのオフセットを定めるとともに点２５を通る。点２５，３０の間に延在してフィレット角θを形成する線Ｆ−Ｆがフィレット部１８の範囲を定める。本発明によると、比較的大きいフィレット部１８は、パラメータＤとθによって定められ、オフセットＤは０．０８０〜０．３７５インチ（約２．０３２〜９．５２５ｍｍ）であり、フィレット角θは１０°〜６０°である。この比較的大きいフィレット部によって、上述した端壁渦の問題が解消される。
【００１６】
このような種類のブレードで一般的なように、前縁壁の後方に前縁キャビティ１９が設けられており、これに平行して冷媒供給キャビティ２１が設けられる。冷媒供給キャビティ２１は、もみの木形状部１２を通る一対の径方向通路２２Ａ，２２Ｂを上向きに流れる冷却空気供給源から供給を受ける。冷媒供給キャビティ２１は、複数の衝突冷却通路２３を介して前縁キャビティ１９と流体的に連通している。これらの衝突冷却通路２３は、鋳造プロセスにおいて小さいセラミック製コアロッドを挿入することによって最終的に衝突リブ３５となるリブに形成され、上記のセラミック製コアロッドは、衝突冷却通路２３が残るように後で取り除かれる。従って、冷却空気は、径方向通路２２Ａ，２２Ｂを通って冷媒供給キャビティ２１に流入する。冷却空気は、続いて、衝突冷却通路２３を通って前縁キャビティ１９に流入し、ここでフィルム冷却孔を通ってブレードの外部に放出される前に前縁の内側面に衝突する。本発明の一形態では、前縁キャビティ１９が、フィレット部１８のすぐ後方の拡大されたフィレットキャビティ２４内へとプラットフォーム１４に向かって下向きに延びている。冷媒供給キャビティ２１は、衝突リブ３５の下部に形成された衝突孔２６を介してフィレットキャビティ２４と流体的に連通している。
【００１７】
動作時には、冷却空気が径方向通路２２Ａ，２２Ｂに導かれ、ここから衝突リブ３５の後方の供給キャビティ２１に流入し、続いて、冷却空気の一部が衝突冷却通路２３を通ってブレードの前縁１６を冷却するとともに、冷却空気の一部が衝突孔２６を通ってフィレット部１８の内側面２７に衝突してからフィレット部１８に形成されたフィルム冷却孔を通って流れる。
【００１８】
本発明のいくつかの特徴を検討すると、径方向通路２２Ａが、衝突リブ３５の下部の衝突孔２６と径方向で整列しており、径方向通路２２Ａを通過する冷却空気が、衝突キャビティ２４につながる衝突孔２６に直接衝突するとともに衝突キャビティ２４においてフィレット部の内側壁２７に衝突することで、フィレット部１８の内側壁２７が効果的に冷却されていることが分かる。
【００１９】
冷却機能を高める他の特徴は、フィレットキャビティ２４が、図４Ａに示すように径方向内側端部２８に向かって幅広となっており、かつ図４Ｂに示すように径方向内側端部に向かって平たくなっていることである。つまり、フィレットキャビティ２４が内側端部２８に接近すると、衝突リブ３５とフィレット部の内側壁２７との距離が減少し、衝突孔２６が内側壁２７のより近くに配置される。フィレットキャビティ２４を出来る限り幅広とすることで、比較的大きいフィレット部１８のさらに幅広の領域を衝突冷却することができるとともに、比較的大きいフィレット部１８からさらに多くの金属を取り除くことができる。これにより、ブレードおよび取付部における質量部、応力、およびクリープによる損傷が減少する。
【００２０】
本発明の他の特徴が図４Ｃに示されており、衝突リブ３５の径方向外側部における衝突冷却通路２３が実質的に径方向で細長い形状を有している。しかし、衝突リブの径方向内側部では、図示のように衝突孔２６が横方向に細長い形状を有し、比較的大きいフィレット部１８の全幅をより効果的に冷却するようになっている。
【００２１】
衝突冷却通路２３および衝突孔２６の細長い形状は、楕円やトラック形状などの一般的な長円形とすることができる。フィレットキャビティ２４をどの程度薄くかつ幅広に形成できるかを制限する要因は、コアによる鋳造プロセスの寸法的な制約である。コアの特徴部では最小限のコーナ半径および抜け勾配が要求され、これにより、フィレットキャビティ２４の所定の幅に対する最小厚さが規定される。
【００２２】
本発明は、特に図示の好適実施例および他の実施例を参照して開示および説明したが、当業者であれば分かるように、請求項によって定められる本発明の趣旨および範囲から逸脱しない範囲で種々の変更を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】従来技術に係るタービンブレードの渦流モデルの概略説明図である。
【図１Ｂ】従来技術に係るタービンブレードの渦流モデルの概略説明図である。
【図２】従来技術に係るタービンブレードの周囲の流線を示す平面図である。
【図３Ａ】比較的大きいフィレット部を有するブレードと比較的小さいフィレット部を有するブレードとの間におけるガス温度の比較を示す説明図である。
【図３Ｂ】比較的大きいフィレット部を有するブレードと比較的小さいフィレット部を有するブレードとの間における断熱壁温度の比較を示す説明図である。
【図４Ａ】本発明に係る比較的大きいフィレット部を有するブレードの切り欠き説明図である。
【図４Ｂ】本発明に係る比較的大きいフィレット部を有するブレードの切り欠き説明図である。
【図４Ｃ】図４ＢのＣ−Ｃ線に沿った断面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１１…タービンブレード
１２…もみの木形状部
１３…エアフォイル
１４…プラットフォーム
１５…プラットフォーム前縁
１６…エアフォイル前縁
１７…エアフォイル後縁
１８…フィレット部
１９…前縁キャビティ
２１…冷媒供給キャビティ
２２Ａ，２２Ｂ…径方向通路
２３…衝突冷却通路
２４…フィレットキャビティ
２５，３０…点
２６…衝突孔
２７…フィレット部の内側壁
２８…フィレットキャビティ内側端部
３５…衝突リブ  
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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