(57)【要約】  本発明は例えばタービンブレード（２）またはロータディスク（５０）のようなガスタービンの部品（２，５０）に関する。面（３７，５８）上に開口したダクト（３４，６４）を直接取り囲んだ領域における、熱的および機械的に誘起される応力集中を減少することによって、相当する部品（２，５０）のサービス寿命を延長するために、少なくとも１つの溝状の凹部（４０，６６）が開口部の有効なゾーン近傍に設けられている。
2013503289.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を導入するために非構造面（３７，５８）上に開口した少なくとも１つの通路（３４，６４）を備えたガスタービンの部品（２，５０）において、
前記面（３７，５８）において前記通路（３４，６４）の開口部に近接し、隔離壁（４１，６１）を利用して開口部から離間された少なくとも１つの溝状の凹部（４０，６６）が形成され、前記通路（３４，６４）に起因して誘起される応力集中に関して、前記溝状の凹部が無い場合の応力集中と比較して効果的にこの応力集中を減少していることを特徴とするガスタービンの部品（２，５０）。
【請求項２】
前記隔離壁（４１，６１）は最小壁厚（ｔ）を有し、前記通路（３４，６４）は開口部直径（Ｄ）を有し、前記最小壁厚（ｔ）の前記直径（Ｄ）に対する比（ｔ／Ｄ）は０．０５〜０．３の間の範囲、好適に０．０５〜２の間の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンの部品（２，５０）。
【請求項３】
ガスタービンのためのロータディスク（５０）として設計され、該ロータブレードに関して周に沿って分散された複数の保持溝（５２）と、前記面（５８）を備えた壁と、を備えたガスタービンの部品であって、
少なくとも１つの溝状の凹部（６６）が、関連した前記面（５８）上に開口した少なくとも１つの前記通路（６４）に近接して配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービンの部品（２，５０）。
【請求項４】
少なくとも１つの前記通路（６４）はボアとして形成されていることを特徴とする請求項３に記載のロータディスク（５０）。
【請求項５】
前記ロータディスク（５０）の回転軸に直交した断面において、前記開口部の両側に配置された２つの凹部（６６）が形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載のロータディスク（５０）。
【請求項６】
前記凹部（６６）は関連した前記通路（６４）の開口部を取り囲んだ無端溝として形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載のロータディスク（５０）。
【請求項７】
前記無端溝は円形の態様で配列され、関連した前記通路（６４）と同心円状に配列されていることを特徴とする請求項６に記載のロータディスク（５０）。
【請求項８】
各々の前記通路（６４）は関連した前記保持溝（５２）の溝基部（５８）上に開口していることを特徴とする請求項３〜７のいずれか一項に記載のロータディスク（５０）。
【請求項９】
前記面上（３７）に開口した複数の通路（３４）を備えたタービンブレード（２）として設計され、前記面（３７）の周囲には高温ガスが流れ、少なくとも１つの前記通路（３４）は、応力集中を減少するために、前記面（３７）内の開口部に近接した少なくとも１つの溝状の凹部（４０）を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービンの部品（２，５０）。
【請求項１０】
前記凹部（４０）は関連した前記通路（３４）の開口部を取り囲んだ無端溝として形成されていることを特徴とする請求項９に記載のタービンブレード（２）。
【請求項１１】
前記無端溝は円形の態様で配列され、関連した前記通路（３４）と同心円状に配列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（２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平滑な、すなわち構造化されていない面の少なくとも１つの通路開口部を備えたガスタービン要素に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの一般的なタイプのガスタービンの部品は、先行技術から知られている。例えば、フィルム冷却孔としてタービンブレードの面上に開口した冷却空気開口部を備えたタービンブレードは、その周囲に高温ガスが流れ、これは導入部で参照されるようなガスタービンブレードとして理解されてもよい。また、ガスタービンのためのロータディスクは、空気の通路のために大部分は径方向に延びたボアが配置されており、本特許出願の概念の範囲でガスタービンの部品として理解される。また、タービンステータブレードキャリアは先行技術から知られており、その面上に開口した、後に冷却のために使用される冷却空気の通路のための通路を備えている。
【０００３】
そのようなガスタービンの部品の全てに共通することは、通路を直接取り囲んだ材料には特別な負荷がかかることである。タービンステータブレードおよびロータブレードの場合、特に熱および機械的負荷が発生する。ロータディスクも発生する遠心力のために特に機械的負荷を受ける。周期的な負荷も発生し得る。通路が存在するために応力を引き起こす負荷は、大抵の場合はボアによって発生し、通路を取り囲んだ周辺の面に近接してさらに増大される（応力集中）。負荷の原因に関係なく、負荷の増大は許容不可能なほど大きく、対応した部品のサービス寿命を限定する。
【０００４】
したがって、クラックは通路の開口部領域を始点として導入部で参照された部品において成長し、クラックは監視されなければならず、臨界クラック長を越えたときに、部品の変化を引き起こす。
【０００５】
算出された所望のサービスライフに到達しないような過剰に低い回数の初期クラック応力周期のために、部品の生産の間に計算が実行されることも可能である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の目的は、サービス寿命が引き伸ばされた現実的なガスタービンの部品を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明が基礎とする目的は、請求項１の特徴に夜ガスタービンの部品によって達成される。
【０００８】
本発明は、垂直且つ平滑な面において通路の開口部に近接し、隔離壁を利用して開口部から離間された少なくとも１つの溝状の凹部が形成されたガスタービンの部品を提供しており、通路に起因して誘起される応力集中を、前記溝状の凹部が無い場合の応力集中と比較して効果的に減少している。本発明による、無端凹部として形成された溝を設けることによって、面上に開口した通路を直接取り囲んだセクションにおける応力集中は、そのような溝無しに設計されたものと比較して減少されている。応力集中を減少することによって、周期的負荷による材料疲労は変化し、したがって、疲労クラックの成長の危険性は減少される。実際にクラックが発生すると、それらの伝播は相応して低速化される。結果的に、本発明によるガスタービンの部品は延長された所望のサービス寿命を有する。
【０００９】
有利な発展形が従属請求項に開示されている。
【００１０】
第１発展形によれば、隔離壁は最小壁厚を有し、通路は開口部直径を有し、最小壁厚の直径に対する比は０．０５〜０．３の間の範囲、好適に０．０５〜２の間の範囲内にある。結果的に、一方では、開口部と緩和する溝状の凹部との間の距離は、友好性を損なうほど過剰に大きくないことが保証されている。他方では、隔離壁の完全性を満足している。
【００１１】
さらに有利な発展形によれば、ガスタービンの部品はガスタービンのためのロータディスクとして設計されている。ロータディスクは好適にタービンディスクとして設計されており、ロータブレードに関して周に沿って分散された複数の保持溝と、面を備えた壁と、を備え、少なくとも１つの溝状の凹部が、関連した面上に開口した少なくとも１つの通路に近接して配置されている。
【００１２】
代替の発展形によれば、ガスタービンの部品は、面上に開口した複数の通路を備えたタービンブレードとして設計され、面の周囲には高温ガスが流れ、少なくとも１つの通路は、応力集中を減少するために、面内の開口部に近接した少なくとも１つの溝状の凹部を備えている。
【００１３】
したがって、本発明による部品は一方ではロータディスクとしてふさわしく、その内部には冷却空気の通路のためのボアが設けられている。この場合、それらはタービンディスクとすることが可能であり、タービンロータが挿入される外周には対応した保持溝が形成されている。または、それらはコンプレッサディスクとすることが可能であり、コンプレッサエアの抽出のためのロータのコンップレッサ側セクションに挿入される。
【００１４】
他方では、本発明はタービンブレード内において特に有利に使用され、大抵は円筒形に形成された冷却空気放出開口部が面上に開口しており、その面の周囲には高温ガスが流れ得る。特に、タービンブレードのブレード翼のリーディングエッジに配列された冷却通路流出口は最も高い熱負荷に晒されるので、本発明による溝状の凹部の補助を伴ってクラックの進展から特にこれらを保護すること、およびすでに伸展したクラックの伝播速度を低下させることが賢明である。
【００１５】
冷媒を導くための少なくとも１つの通路が、ボアとして便宜上形成されている。
【００１６】
ロータディスクの有利な発展形は、ロータディスクの回転軸に直交した断面において、開口部の両側に配置された２つの凹部を備えている。言い換えると、ガスタービンのロータブレードが挿入される保持溝は壁を備え、一例を挙げると、この壁は溝基部壁を具備し、他の例を挙げると、この壁は互いに向かい合った２つの側面を具備し、これらの側面は波型であり且つロータディスクの外側エッジへと延びている。凹部の１つはいずれの場合でも溝基部壁から個々の側面までの遷移部において配置されている。
【００１７】
この場合、凹部はそれらの輪郭に関して任意とすることが可能である。好適に、輪郭は主に長方形であるが、側壁の間に丸められた角部を備えている。同様に、基部面への凹部の側壁の遷移部は丸められている。双方が切り欠き応力の減少および回避に寄与している。
【００１８】
代替の発展形によれば、溝状の凹部は関連した通路の開口部を取り囲んだ無端溝として形成されることが可能である。より好適には、無端溝は円形の態様で配列され、関連した通路と同心円状に配列されている。特に、２つ、場合によってはより多くの溝が関連した通路と同心円状に配列され、これらは異なった溝深さとすることも可能である。溝状の凹部が無端溝として形成された場合、これはロータディスク内およびタービンブレード内における使用に特に好適である。円形の無端溝の代わりに、これは自然に楕円形とすることも可能である。
【００１９】
全体として、サービス寿命を延ばすガスタービンの部品である本発明の使用が開示されている。サービス寿命の延長は、そこに配列された通路によって、この領域に関して許容不可能な高い応力集中を有するガスタービンの部品のそれらの領域における応力を減少することに基づいて達成されている。さらに、応力の減少の結果として、成長したクラックが部品内において低頻度の成長となるので、この部品を備えたガスタービンの動作の危険性は最小化される。
【００２０】
本発明のさらなる例は図に示された例示的な実施形態にも続いて実行される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】タービンブレードの側面を示した図である。
【図２】図１のタービンブレードのブレード翼の断面を示した図である。
【図３】ガスタービンのロータディスクの詳細を示した斜視図である。
【図４】図３の詳細図の別の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
全図において、類似した部品には同一の符号が付されている。
【００２３】
図１によるタービンブレード２は、ここでは追加的には図示されていないガスタービンのためのステータブレードとして設計されている。このステータブレードは基部セクション４と先端部セクション６とを具備し、先端部セクションは関連したプラットフォーム８および１０ならびにこれらの間で長手方向Ｌにおいて延びたブレード翼１２を備えている。空力的に湾曲されたブレード翼１２はリーディングエッジ１４とトレイリングエッジ１６とを備え、これらもまた基本的に長手方向Ｌにおいて延びており、これらの間には側壁１８が形成されている。タービンブレードは基部セクション４を介してタービンの内部ケーシングに固定されており、関連したプラットフォーム８はガスタービン内の高温ガスの流れ通路を画定した壁要素を形成している。タービンシャフトの反対側に位置した先端側プラットフォーム１０は、高温ガスを流すためのさらなる限定を形成している。その代わりに、タービンブレード２はロータブレードとして設計され、ブレード基部としても言及される基部側プラットフォーム８を介して、類似の方法においてタービンシャフトのロータディスクに締結されるように設計されることも可能である。
【００２４】
基部セクション４の下端部に配置された複数の流入開口部２０を通じて、冷媒Ｋがブレード内部に導入される。冷媒Ｋの供給は先端側プラットフォーム１０を介して実行されるという概念も知られている。冷媒Ｋは通常は冷却空気である。冷媒Ｋが流入開口部２０に隣接した１つまたは複数の冷媒通路２２を通じてタービンブレード２の内部に流れた後、冷媒は複数の流出開口部２４において、冷媒通路２２に連通し且つフィルム冷却孔としても参照されるブレード翼１２の領域内に放出される。ブレード翼１２の異なったセクションは、この場合多様な熱負荷および機械的負荷に関するならびにブレード内部の個々の空間要求に関するフィルム冷却孔の配列およびデザインについて極めて異なった需要を形成している。
【００２５】
特に、比較的鋭く湾曲したリーディングエッジ領域２８はブレード翼のリーディングエッジに直接隣接しており、比較的高負荷のために冷却効果を必要とする。
【００２６】
図２は図１の交差線ＩＩ−ＩＩによる断面におけるブレード翼１２の輪郭の前部領域を示しており、リーディングエッジ１４を具備したリーディングエッジ領域２８と、隣接した圧力サイド３０および吸引サイド３２と、を伴っている。小さい断面の流出通路３４は、タービンブレード２の長手方向Ｌにおいて原則的に延びた冷媒通を２２から分岐しており、リーディングエッジ１４から離れている。流出通路はブレード壁３６を貫通し、リーディングエッジ領域２８において流出開口部２４またはフィルム冷却孔が開口している。冷媒Ｋが流出通路３４を通じて流れる結果、ブレード壁の隣接した領域の対流冷却が達成されている。ブレード翼１２の面３７上のフィルム冷却の効果は流出開口部２４から放出された冷却空気に起因しており、ブレード内部の対流冷却に向けて貢献している。この場合、面に沿って冷却空気が比較的低速で流れる結果として、エアクッションまたは保護フィルムがブレード壁３６の面３７上に実質的に形成され、エアクッションまたは保護フィルムはブレード面３７が高速の高温ガスと直接接触することを防止している。
【００２７】
先行技術において、急速なクラック伝播は特に流出通路の高温ガスサイド端部において発生しており、最悪の場合にはブレード翼１２の完全な状態を低下させ、前タービンブレード２のサービスライフを短縮させる。そのような不具合を回避するために、明確化の理由から図１には示されていない少なくとも１つの溝状の凹部４０（図２）が、流出通路３４の開口部を直接取り囲んだ材料への応力集中を減少するために、少なくとも流出開口部３４のリーディングエッジ１４上に設けられている。
【００２８】
特に高温ガスが周囲を流れることが可能な面３７上に開口したそれらの流出通路３４において、本発明による溝状の凹部４０が、面３７上に開口した流出通路３４に同心円状に配置された無端溝としてこの場合において形成されている。隔離壁４１は最小壁圧ｔを有し、溝状の凹部４０と流出通路２３との間に存在している。所望の応力減少を達成するために、最小壁圧ｔは流出通路３４の直径Ｄの０．０５倍よりも薄くならず、且つその直径Ｄの３倍よりも厚くならないべきである。例えば、最小壁圧は直径Ｄの０．５倍、１倍または１．５倍でもよい。本発明の変化形によれば、２つの同心の無端溝はいずれの場合でも流出通路３４の周囲に、例えば例示的に示された符号４２の通路のように配置されることも可能である。
【００２９】
図３および４はさらなるガスタービン要素としての各々の場合のロータディスク５０の斜視図の詳細を図式的に示している。タービンディスクとしてのロータディスク５０は知られた態様によって設けられており、ロータディスクは周に沿ってロータディスク５０の生成面５４上に均一の距離で分散された複数の保持溝５２を備えている。保持溝５２は径方向外向きに開口しており、追加的にロータディスク５０の端面に設けられた開口部を備えている。保持溝５２の断面セクションにおいて見られる端面の輪郭は、この場合原則的にクリスマスツリー形状に相当しているが、他の形状も知られており、使用されることが可能である。ガスタービンのタービンのロータブレードは保持溝５２内に挿入されることが可能であり、対応したロータブレードは保持溝５２の輪郭に一致するように形成されたブレード根を備えている。
【００３０】
したがって、保持溝５２は面を備えた壁を備えている。面は溝基部サイド面５８と、保持溝の側面に配置され且つ無遷移の態様で溝基部面５８の側方に隣接した２つの側面６０，６２と、に分割されている。一般に保持溝５２内に挿入されたタービンブレードはガスタービン内において動作中に冷却されなければならないので、冷却空気がブレード根を介してこれらに供給される。冷却空位の供給のために、ロータディスク５０内に保持溝５２の溝基部面６８上に開口した通路６４が形成されている。保持溝５２内に挿入されたロータブレードは、通路６４を通じて供給された冷却空気がロータブレード内に入ることを可能にするために、溝基部面５８に向かい合って配置された面への冷却空気のための流入開口部を備えている。ブレード翼の冷却および／またはロータブレードの一部であるプラットフォームの冷却は、知られた態様においてロータブレード内で実行されるが、本発明には関連していない。
【００３１】
通路６４の開口部の周囲に向けられた応力集中を減少するために、溝状の凹部６６が溝基部５８と側面６０，６２との間の２つの遷移部に配置されている。凹部６６はこの場合、ロータディスク５０の回転軸に直交した断面においてこれらが開口部の両側に配置されるように位置している。したがって、２つの凹部６６はロータディスクの周方向から見て開口部の両側に位置している。
【００３２】
特に図４において明確に見られているように、隔離壁６１は溝状の凹部６６と通路６６の開口部との間に位置している。隔離壁は好適に通路６４の開口部の直径Ｄの０．０５〜２倍の間の最小壁厚ｔを有している。例えば、最小壁圧は直径Ｄの１倍である。
【００３３】
この結果、通路６４の存在のために増大した応力集中は面近傍の材料の領域において減少され、ガスタービンの動作中に周期的に変化する負荷に起因した材料疲労を減少させ、したがって、疲労クラックの伸展の危険性を減少している。
【００３４】
全体として、本発明は例えばガスタービンのためのタービンブレード２またはロータディスク５０のようなガスタービン要素２，５０を開示しており、その要素には少なくとも１つの溝状の凹部４０，６６が開口部の効果的なゾーンに設けられており、面３７,５８上に開口した通路３４，６４の周囲に向かう熱的または機械的に誘起される応力集中を減少することによって、対応した要素２，５０のサービス寿命を延ばしている。
【符号の説明】
【００３５】
２  ・・・タービンブレード、      ４  ・・・基部セクション、      ６  ・・・先端部セクション、      ８，１０  ・・・プラットフォーム、      １２  ・・・ブレード翼、      １４  ・・・リーディングエッジ、      １６  ・・・トレイリングエッジ、      １８  ・・・側壁、      ２０  ・・・流入開口部、      ２２  ・・・冷媒通路、      ２４  ・・・流出開口部、      ２８  ・・・リーディングエッジ領域、      ３０  ・・・圧力サイド、      ３２  ・・・吸引サイド、      ３４  ・・・流出通路、      ３６  ・・・ブレード壁、      ３７  ・・・ブレード面、      ４０，６６  ・・・溝状の凹部、      ４１  ・・・隔離壁、      ５０  ・・・ロータディスク、      ５２  ・・・保持溝、      ５８  ・・・溝基部サイド面、      ６１  ・・・隔離壁
【図１】
2013503289.tif 000003
【図２】
2013503289.tif 000004
【図３】
2013503289.tif 000005
【図４】
2013503289.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成24年2月28日(2012.2.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を導入するために非構造面（３７，５８）上に開口した少なくとも１つの通路（３４，６４）を備えたガスタービンの部品（２，５０）において、
前記面（３７，５８）において前記通路（３４，６４）の開口部に近接し、隔離壁（４１，６１）を利用して開口部から離間された少なくとも１つの溝状の凹部（４０，６６）が形成され、前記通路（３４，６４）に起因して誘起される応力集中に関して、前記溝状の凹部が無い場合の応力集中と比較して効果的にこの応力集中を減少しており、
前記隔離壁（４１，６１）は最小壁厚（ｔ）を有し、前記通路（３４，６４）は開口部直径（Ｄ）を有し、前記最小壁厚（ｔ）の前記直径（Ｄ）に対する比（ｔ／Ｄ）は０．０５〜０．３の間の範囲、好適に０．０５〜２の間の範囲内にあることを特徴とするガスタービンの部品（２，５０）。
【請求項２】
ガスタービンのためのロータディスク（５０）として設計され、該ロータブレードに関して周に沿って分散された複数の保持溝（５２）と、前記面（５８）を備えた壁と、を備えたガスタービンの部品であって、
少なくとも１つの溝状の凹部（６６）が、関連した前記面（５８）上に開口した少なくとも１つの前記通路（６４）に近接して配置されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンの部品（２，５０）。
【請求項３】
少なくとも１つの前記通路（６４）はボアとして形成されていることを特徴とする請求項２に記載のロータディスク（５０）。
【請求項４】
前記ロータディスク（５０）の回転軸に直交した断面において、前記開口部の両側に配置された２つの凹部（６６）が形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載のロータディスク（５０）。
【請求項５】
前記凹部（６６）は関連した前記通路（６４）の開口部を取り囲んだ無端溝として形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載のロータディスク（５０）。
【請求項６】
前記無端溝は円形の態様で配列され、関連した前記通路（６４）と同心円状に配列されていることを特徴とする請求項５に記載のロータディスク（５０）。
【請求項７】
各々の前記通路（６４）は関連した前記保持溝（５２）の溝基部（５８）上に開口していることを特徴とする請求項２〜６のいずれか一項に記載のロータディスク（５０）。
【請求項８】
前記面上（３７）に開口した複数の通路（３４）を備えたタービンブレード（２）として設計され、前記面（３７）の周囲には高温ガスが流れ、少なくとも１つの前記通路（３４）は、応力集中を減少するために、前記面（３７）内の開口部に近接した少なくとも１つの溝状の凹部（４０）を備えていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンの部品（２，５０）。
【請求項９】
前記凹部（４０）は関連した前記通路（３４）の開口部を取り囲んだ無端溝として形成されていることを特徴とする請求項８に記載のタービンブレード（２）。
【請求項１０】
前記無端溝は円形の態様で配列され、関連した前記通路（３４）と同心円状に配列されていることを特徴とする請求項９に記載のタービンブレード（２）。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平滑な、すなわち構造化されていない面の少なくとも１つの通路開口部を備えたガスタービン要素に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの一般的なタイプのガスタービンの部品は、先行技術から知られている。例えば、フィルム冷却孔としてタービンブレードの面上に開口した冷却空気開口部を備えたタービンブレードは、その周囲に高温ガスが流れ、これは導入部で参照されるようなガスタービンブレードとして理解されてもよい。また、ガスタービンのためのロータディスクは、空気の通路のために大部分は径方向に延びたボアが配置されており、本特許出願の概念の範囲でガスタービンの部品として理解される。また、タービンステータブレードキャリアは先行技術から知られており、その面上に開口した、後に冷却のために使用される冷却空気の通路のための通路を備えている。
【０００３】
そのようなガスタービンの部品の全てに共通することは、通路を直接取り囲んだ材料には特別な負荷がかかることである。タービンステータブレードおよびロータブレードの場合、特に熱および機械的負荷が発生する。ロータディスクも発生する遠心力のために特に機械的負荷を受ける。周期的な負荷も発生し得る。通路が存在するために応力を引き起こす負荷は、大抵の場合はボアによって発生し、通路を取り囲んだ周辺の面に近接してさらに増大される（応力集中）。負荷の原因に関係なく、負荷の増大は許容不可能なほど大きく、対応した部品のサービス寿命を限定する。
【０００４】
したがって、クラックは通路の開口部領域を始点として導入部で参照された部品において成長し、クラックは監視されなければならず、臨界クラック長を越えたときに、部品の変化を引き起こす。
【０００５】
算出された所望のサービスライフに到達しないような過剰に低い回数の初期クラック応力周期のために、部品の生産の間に計算が実行されることも可能である。
【０００６】
したがって、例えば知られていることは、それらの部品を通じて斜めに延びた通路の補助を備えたタービンブレードは、冷却空気を外側に導き、そこに保護フィルムを形成している。例えば特許文献１によれば、特に良好な保護効果を達成するために、冷却空気のための拡張凹部が高温ガス側の通路端部に設けられている。冷却効果を改良するための類似の手段が特許文献２から知られており、それによれば、通路端部は高温ガス側において波形とされた面上に開口している。また、知られた発展形においては、開口部領域において熱機械応力によってクラックが成長し得る上述の危険性が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】英国特許出願公開第２  ４３８  ８６１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第５，６５３，１１０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の目的は、サービス寿命が引き伸ばされた現実的なガスタービンの部品を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明が基礎とする目的は、請求項１の特徴に夜ガスタービンの部品によって達成される。
【００１０】
本発明は、垂直且つ平滑な面において通路の開口部に近接し、隔離壁を利用して開口部から離間された少なくとも１つの溝状の凹部が形成されたガスタービンの部品を提供しており、通路に起因して誘起される応力集中を、前記溝状の凹部が無い場合の応力集中と比較して効果的に減少している。本発明による、無端凹部として形成された溝を設けることによって、面上に開口した通路を直接取り囲んだセクションにおける応力集中は、そのような溝無しに設計されたものと比較して減少されている。応力集中を減少することによって、周期的負荷による材料疲労は変化し、したがって、疲労クラックの成長の危険性は減少される。実際にクラックが発生すると、それらの伝播は相応して低速化される。結果的に、本発明によるガスタービンの部品は延長された所望のサービス寿命を有する。
【００１１】
さらに、隔離壁は最小壁厚を有し、通路は開口部直径を有し、最小壁厚の直径に対する比は０．０５〜０．３の間の範囲、好適に０．０５〜２の間の範囲内にある。結果的に、一方では、開口部と緩和する溝状の凹部との間の距離は、友好性を損なうほど過剰に大きくないことが保証されている。他方では、隔離壁の完全性を満足している。
【００１２】
有利な発展形が従属請求項に開示されている。
【００１３】
さらに有利な発展形によれば、ガスタービンの部品はガスタービンのためのロータディスクとして設計されている。ロータディスクは好適にタービンディスクとして設計されており、ロータブレードに関して周に沿って分散された複数の保持溝と、面を備えた壁と、を備え、少なくとも１つの溝状の凹部が、関連した面上に開口した少なくとも１つの通路に近接して配置されている。
【００１４】
代替の発展形によれば、ガスタービンの部品は、面上に開口した複数の通路を備えたタービンブレードとして設計され、面の周囲には高温ガスが流れ、少なくとも１つの通路は、応力集中を減少するために、面内の開口部に近接した少なくとも１つの溝状の凹部を備えている。
【００１５】
したがって、本発明による部品は一方ではロータディスクとしてふさわしく、その内部には冷却空気の通路のためのボアが設けられている。この場合、それらはタービンディスクとすることが可能であり、タービンロータが挿入される外周には対応した保持溝が形成されている。または、それらはコンプレッサディスクとすることが可能であり、コンプレッサエアの抽出のためのロータのコンップレッサ側セクションに挿入される。
【００１６】
他方では、本発明はタービンブレード内において特に有利に使用され、大抵は円筒形に形成された冷却空気放出開口部が面上に開口しており、その面の周囲には高温ガスが流れ得る。特に、タービンブレードのブレード翼のリーディングエッジに配列された冷却通路流出口は最も高い熱負荷に晒されるので、本発明による溝状の凹部の補助を伴ってクラックの進展から特にこれらを保護すること、およびすでに伸展したクラックの伝播速度を低下させることが賢明である。
【００１７】
冷媒を導くための少なくとも１つの通路が、ボアとして便宜上形成されている。
【００１８】
ロータディスクの有利な発展形は、ロータディスクの回転軸に直交した断面において、開口部の両側に配置された２つの凹部を備えている。言い換えると、ガスタービンのロータブレードが挿入される保持溝は壁を備え、一例を挙げると、この壁は溝基部壁を具備し、他の例を挙げると、この壁は互いに向かい合った２つの側面を具備し、これらの側面は波型であり且つロータディスクの外側エッジへと延びている。凹部の１つはいずれの場合でも溝基部壁から個々の側面までの遷移部において配置されている。
【００１９】
この場合、凹部はそれらの輪郭に関して任意とすることが可能である。好適に、輪郭は主に長方形であるが、側壁の間に丸められた角部を備えている。同様に、基部面への凹部の側壁の遷移部は丸められている。双方が切り欠き応力の減少および回避に寄与している。
【００２０】
代替の発展形によれば、溝状の凹部は関連した通路の開口部を取り囲んだ無端溝として形成されることが可能である。より好適には、無端溝は円形の態様で配列され、関連した通路と同心円状に配列されている。特に、２つ、場合によってはより多くの溝が関連した通路と同心円状に配列され、これらは異なった溝深さとすることも可能である。溝状の凹部が無端溝として形成された場合、これはロータディスク内およびタービンブレード内における使用に特に好適である。円形の無端溝の代わりに、これは自然に楕円形とすることも可能である。
【００２１】
全体として、サービス寿命を延ばすガスタービンの部品である本発明の使用が開示されている。サービス寿命の延長は、そこに配列された通路によって、この領域に関して許容不可能な高い応力集中を有するガスタービンの部品のそれらの領域における応力を減少することに基づいて達成されている。さらに、応力の減少の結果として、成長したクラックが部品内において低頻度の成長となるので、この部品を備えたガスタービンの動作の危険性は最小化される。
【００２２】
本発明のさらなる例は、図に示された例示的な実施形態にも続いて実行される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】タービンブレードの側面を示した図である。
【図２】図１のタービンブレードのブレード翼の断面を示した図である。
【図３】ガスタービンのロータディスクの詳細を示した斜視図である。
【図４】図３の詳細図の別の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
全図において、類似した部品には同一の符号が付されている。
【００２５】
図１によるタービンブレード２は、ここでは追加的には図示されていないガスタービンのためのステータブレードとして設計されている。このステータブレードは基部セクション４と先端部セクション６とを具備し、先端部セクションは関連したプラットフォーム８および１０ならびにこれらの間で長手方向Ｌにおいて延びたブレード翼１２を備えている。空力的に湾曲されたブレード翼１２はリーディングエッジ１４とトレイリングエッジ１６とを備え、これらもまた基本的に長手方向Ｌにおいて延びており、これらの間には側壁１８が形成されている。タービンブレードは基部セクション４を介してタービンの内部ケーシングに固定されており、関連したプラットフォーム８はガスタービン内の高温ガスの流れ通路を画定した壁要素を形成している。タービンシャフトの反対側に位置した先端側プラットフォーム１０は、高温ガスを流すためのさらなる限定を形成している。その代わりに、タービンブレード２はロータブレードとして設計され、ブレード基部としても言及される基部側プラットフォーム８を介して、類似の方法においてタービンシャフトのロータディスクに締結されるように設計されることも可能である。
【００２６】
基部セクション４の下端部に配置された複数の流入開口部２０を通じて、冷媒Ｋがブレード内部に導入される。冷媒Ｋの供給は先端側プラットフォーム１０を介して実行されるという概念も知られている。冷媒Ｋは通常は冷却空気である。冷媒Ｋが流入開口部２０に隣接した１つまたは複数の冷媒通路２２を通じてタービンブレード２の内部に流れた後、冷媒は複数の流出開口部２４において、冷媒通路２２に連通し且つフィルム冷却孔としても参照されるブレード翼１２の領域内に放出される。ブレード翼１２の異なったセクションは、この場合多様な熱負荷および機械的負荷に関するならびにブレード内部の個々の空間要求に関するフィルム冷却孔の配列およびデザインについて極めて異なった需要を形成している。
【００２７】
特に、比較的鋭く湾曲したリーディングエッジ領域２８はブレード翼のリーディングエッジに直接隣接しており、比較的高負荷のために冷却効果を必要とする。
【００２８】
図２は図１の交差線ＩＩ−ＩＩによる断面におけるブレード翼１２の輪郭の前部領域を示しており、リーディングエッジ１４を具備したリーディングエッジ領域２８と、隣接した圧力サイド３０および吸引サイド３２と、を伴っている。小さい断面の流出通路３４は、タービンブレード２の長手方向Ｌにおいて原則的に延びた冷媒通を２２から分岐しており、リーディングエッジ１４から離れている。流出通路はブレード壁３６を貫通し、リーディングエッジ領域２８において流出開口部２４またはフィルム冷却孔が開口している。冷媒Ｋが流出通路３４を通じて流れる結果、ブレード壁の隣接した領域の対流冷却が達成されている。ブレード翼１２の面３７上のフィルム冷却の効果は流出開口部２４から放出された冷却空気に起因しており、ブレード内部の対流冷却に向けて貢献している。この場合、面に沿って冷却空気が比較的低速で流れる結果として、エアクッションまたは保護フィルムがブレード壁３６の面３７上に実質的に形成され、エアクッションまたは保護フィルムはブレード面３７が高速の高温ガスと直接接触することを防止している。
【００２９】
先行技術において、急速なクラック伝播は特に流出通路の高温ガスサイド端部において発生しており、最悪の場合にはブレード翼１２の完全な状態を低下させ、前タービンブレード２のサービスライフを短縮させる。そのような不具合を回避するために、明確化の理由から図１には示されていない少なくとも１つの溝状の凹部４０（図２）が、流出通路３４の開口部を直接取り囲んだ材料への応力集中を減少するために、少なくとも流出開口部３４のリーディングエッジ１４上に設けられている。
【００３０】
特に高温ガスが周囲を流れることが可能な面３７上に開口したそれらの流出通路３４において、本発明による溝状の凹部４０が、面３７上に開口した流出通路３４に同心円状に配置された無端溝としてこの場合において形成されている。隔離壁４１は最小壁圧ｔを有し、溝状の凹部４０と流出通路２３との間に存在している。所望の応力減少を達成するために、最小壁圧ｔは流出通路３４の直径Ｄの０．０５倍よりも薄くならず、且つその直径Ｄの３倍よりも厚くならないべきである。例えば、最小壁圧は直径Ｄの０．５倍、１倍または１．５倍でもよい。本発明の変化形によれば、２つの同心の無端溝はいずれの場合でも流出通路３４の周囲に、例えば例示的に示された符号４２の通路のように配置されることも可能である。
【００３１】
図３および４はさらなるガスタービン要素としての各々の場合のロータディスク５０の斜視図の詳細を図式的に示している。タービンディスクとしてのロータディスク５０は知られた態様によって設けられており、ロータディスクは周に沿ってロータディスク５０の生成面５４上に均一の距離で分散された複数の保持溝５２を備えている。保持溝５２は径方向外向きに開口しており、追加的にロータディスク５０の端面に設けられた開口部を備えている。保持溝５２の断面セクションにおいて見られる端面の輪郭は、この場合原則的にクリスマスツリー形状に相当しているが、他の形状も知られており、使用されることが可能である。ガスタービンのタービンのロータブレードは保持溝５２内に挿入されることが可能であり、対応したロータブレードは保持溝５２の輪郭に一致するように形成されたブレード根を備えている。
【００３２】
したがって、保持溝５２は面を備えた壁を備えている。面は溝基部サイド面５８と、保持溝の側面に配置され且つ無遷移の態様で溝基部面５８の側方に隣接した２つの側面６０，６２と、に分割されている。一般に保持溝５２内に挿入されたタービンブレードはガスタービン内において動作中に冷却されなければならないので、冷却空気がブレード根を介してこれらに供給される。冷却空位の供給のために、ロータディスク５０内に保持溝５２の溝基部面６８上に開口した通路６４が形成されている。保持溝５２内に挿入されたロータブレードは、通路６４を通じて供給された冷却空気がロータブレード内に入ることを可能にするために、溝基部面５８に向かい合って配置された面への冷却空気のための流入開口部を備えている。ブレード翼の冷却および／またはロータブレードの一部であるプラットフォームの冷却は、知られた態様においてロータブレード内で実行されるが、本発明には関連していない。
【００３３】
通路６４の開口部の周囲に向けられた応力集中を減少するために、溝状の凹部６６が溝基部５８と側面６０，６２との間の２つの遷移部に配置されている。凹部６６はこの場合、ロータディスク５０の回転軸に直交した断面においてこれらが開口部の両側に配置されるように位置している。したがって、２つの凹部６６はロータディスクの周方向から見て開口部の両側に位置している。
【００３４】
特に図４において明確に見られているように、隔離壁６１は溝状の凹部６６と通路６６の開口部との間に位置している。隔離壁は好適に通路６４の開口部の直径Ｄの０．０５〜２倍の間の最小壁厚ｔを有している。例えば、最小壁圧は直径Ｄの１倍である。
【００３５】
この結果、通路６４の存在のために増大した応力集中は面近傍の材料の領域において減少され、ガスタービンの動作中に周期的に変化する負荷に起因した材料疲労を減少させ、したがって、疲労クラックの伸展の危険性を減少している。
【００３６】
全体として、本発明は例えばガスタービンのためのタービンブレード２またはロータディスク５０のようなガスタービン要素２，５０を開示しており、その要素には少なくとも１つの溝状の凹部４０，６６が開口部の効果的なゾーンに設けられており、面３７,５８上に開口した通路３４，６４の周囲に向かう熱的または機械的に誘起される応力集中を減少することによって、対応した要素２，５０のサービス寿命を延ばしている。
【符号の説明】
【００３７】
２  ・・・タービンブレード、      ４  ・・・基部セクション、      ６  ・・・先端部セクション、      ８，１０  ・・・プラットフォーム、      １２  ・・・ブレード翼、      １４  ・・・リーディングエッジ、      １６  ・・・トレイリングエッジ、      １８  ・・・側壁、      ２０  ・・・流入開口部、      ２２  ・・・冷媒通路、      ２４  ・・・流出開口部、      ２８  ・・・リーディングエッジ領域、      ３０  ・・・圧力サイド、      ３２  ・・・吸引サイド、      ３４  ・・・流出通路、      ３６  ・・・ブレード壁、      ３７  ・・・ブレード面、      ４０，６６  ・・・溝状の凹部、      ４１  ・・・隔離壁、      ５０  ・・・ロータディスク、      ５２  ・・・保持溝、      ５８  ・・・溝基部サイド面、      ６１  ・・・隔離壁
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2013503289.tif 000007
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2013503289.tif 000008
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2013503289.tif 000009
【国際調査報告】
2013503289.tif 000010
2013503289.tif 000011
2013503289.tif 000012
2013503289.tif 000013