(57)【要約】【課題】第１の段および後続の段の回転ブレードにおいて共振励起が生じないように向上した振動性能を有するガスタービンエンジンロータブレードを提供する。【解決手段】ガスタービンブレードであって、ブレード根元部２からブレード先端部３まで半径方向に延びた翼１を備え、翼は、ブレード根元部２における０％からブレード先端部３における１００％までの範囲のスパン（ｓ）を規定しており、翼は、前縁９から後縁１０まで軸方向に延びており、前縁９と、後縁１０とは、スパンに応じて、翼１の前縁９と後縁１０とを接続する直線の軸方向長さによって規定される軸方向翼弦長６を有する翼弦を限定している、ガスタービンブレードにおいて、翼弦長６は、少なくとも８０％スパンから１００％スパンまで増大している。【選択図】図３ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンブレードであって、ブレード根元部（２）からブレード先端部（３）まで半径方向に延びた翼（１）を備え、該翼は、前記ブレード根元部（２）における０％から前記ブレード先端部（３）における１００％までの範囲のスパン（ｓ）を規定しており、前記翼は、前縁（９）から後縁（１０）まで軸方向に延びており、前記前縁（９）と、前記後縁（１０）とは、前記スパン（ｓ）に応じて、前記翼（１）の前記前縁（９）と前記後縁（１０）とを接続する直線の軸方向長さによって規定される軸方向翼弦長（６）を有する翼弦を限定している、ガスタービンブレードにおいて、
前記翼弦長（６）は、少なくとも８０％スパンから１００％スパンまで増大していることを特徴とする、ガスタービンブレード。
【請求項２】
前記軸方向翼弦長（６）は、少なくとも７０％スパンから１００％スパンまで増大している、請求項１記載のガスタービンブレード。
【請求項３】
前記軸方向翼弦長（６）は、少なくとも５０％±１０％スパンから７０％±１０％スパンまでの範囲において最小となっている、請求項１または２記載のガスタービンブレード。
【請求項４】
前記軸方向翼弦長（６）は、５０％スパンから１００％スパンまで増大しており、５０％スパンにおいて最小となっている、請求項１記載のガスタービンブレード。
【請求項５】
前記前縁（９）と、前記後縁（１０）とは、前記翼（１）の負圧面（７）と、圧力面（１１）とを分離しており、前記負圧面および前記圧力面は、前記ブレード根元部（２）と前記ブレード先端部（３）との間に半径方向に、かつ前記前縁（９）と前記後縁（１０）との間に軸方向に延びている、前記軸方向および前記半径方向に対して直交する周方向に沿って見て互いに反対向きの前記翼（１）の面であり、前記前縁（９）と前記後縁（１０）とは、少なくとも１つのスパン領域において曲げられている、請求項１から４までのいずれか１項記載のガスタービンブレード。
【請求項６】
前記前縁（９）および前記後縁（１０）は、周方向で見て、前記翼（１）の前記負圧面（７）の側に向かって曲げられている、請求項５記載のガスタービンブレード。
【請求項７】
前記少なくとも１つのスパン領域は、５０％±１０％スパンと１００％スパンとの間にある、請求項５または６記載のガスタービンブレード。
【請求項８】
前記前縁（９）および前記後縁（１０）の曲げは、前記軸方向翼弦長（６）の５０％±５％の軸方向位置において０％から１００％スパンまで延びる前記翼（１）の前記圧力面（７）における表面上の線であるスタッキングライン（１２）の曲率に依存しており、該スタッキングライン（１２）は、５０％±１０％スパンと１００％スパンとの間のスパン領域において曲げられていて、前記スタッキングライン（１２）は、１００％スパンにおいて、半径方向に対して垂直な仮想平面（１３）に対して角度αを成しており、該角度αは、前記スタッキングラインと半径方向とによって規定される平面にあり、角度αについては
（１２．５°±２．５°）≦α≦（２５°±５°）
が当てはまる、請求項５から７までのいずれか１項記載のガスタービンブレード。
【請求項９】
前記スタッキングライン（１２）は、０％スパンと５０％±１０％スパンとの間において直線的である、請求項８記載のガスタービンブレード。
【請求項１０】
前記スタッキングライン（１２）は、１つの半径によって規定された前記スパン領域内の曲率を有する、請求項８または９記載のガスタービンブレード。
【請求項１１】
前記ブレードは、前記翼（１）の内部に冷却通路を有する、能動的に冷却される回転するタービンブレードである、請求項１から１０までのいずれか１項記載のタービンブレード。
【請求項１２】
前記ブレードは、５％±５％スパンにおいて１．６〜２．１の、スパン対軸方向翼弦長のアスペクト比を有する、請求項１から１１までのいずれか１項記載のガスタービンブレード。
【請求項１３】
前記ブレードは、ターボ機械のロータブレードまたはガイドベーンとしての使用に適している、請求項１から１２までのいずれか１項記載のガスタービンブレード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンブレードであって、ブレード根元部からブレード先端部まで半径方向に延びた翼を備え、翼は、ブレード根元部における０％からブレード先端部における１００％までの範囲のスパンを規定しており、翼は、前縁から後縁まで軸方向に延びており、前縁と、後縁とは、スパンに応じて、翼の前縁と後縁とを接続する直線の軸方向長さによって規定される軸方向翼弦長を有する翼弦を限定している、ガスタービンブレードに関する。概して、本発明によるガスタービンブレードは、ガスタービンに限定されず、ターボ機械のロータブレードまたはガイドベーンは法的に本発明に含まれる。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンにおけるロータブレードの設計は、ガスタービンエンジンを通過するガス流が特にガスタービン配列の少なくとも１つのタービンのブレードと相互作用する効率に関して、極めて重要である。
【０００３】
回転するガスタービンブレードは、運転中に回転するブレードに作用する高い機械的および熱的応力を考慮した多くの材料基準および設計基準を満たさなければならない。回転するブレードに作用する大きな遠心力およびブレードが耐えなければならない大きな熱的負荷により、ブレードの設計における主な作業は、運転中にブレード振動を回避する大きな剛性と、回転するブレードの翼内部に冷却通路を提供することによる、負荷容量を高めるための能動的冷却の可能性とを組み合わせることである。前記要求を考慮し、タービンの空力効率を高めるために最適な翼形状が常に模索されている。
【０００４】
回転するブレードは、複数の列で配置されており、これらの列は、軸方向で見て、固定ベーンの列と交互に位置している。固定ベーンの１つの列と、下流方向で直ちに続く回転ブレードの１つの列とを含む各対の列は、いわゆる段を形成している。タービンの全ての段は、固定ベーンの第１の列に続く回転ブレードの第１の列を含んだ、タービンの入口開口における第１の段から始まって、順に番号づけられている。
【０００５】
ガスタービンの通常運転は、例えば第１の段の固定ベーンが、下流方向に続く回転ブレードに不利に作用する振動の励起源であることを示す。したがって、タービン開発の課題は、第１の段におけるベーンの下流に配置された回転ブレードへの振動伝達および励起を低減および／または回避するために、このような励起源を減じおよび／または切断機構の可能性を高めることである。
【０００６】
明白な介入は、励起源自体を変更することを意味するが、第１の段におけるベーンの変更は、高価であると考えられ、多大な開発作業を生ぜしめる。ブレードの半径方向長さ、すなわちブレード根元部からブレード先端部まで延びた翼のスパンを変更するという提案は、タービンを貫く環状流路に影響をもたらし、これは、開発スケジュールに多大な影響を生じることとなり、それを考慮すると好ましくない。ブレード先端部の領域における翼の前縁と後縁とを接続する直線に関する、先端翼弦の軸方向翼弦長を減じることによって回転ブレードの先端部質量を減じるという別のアプローチは、空力的な欠点を生じ、さらに、回転ブレードの共振挙動の所望の周波数シフトは達成されなかった。最後に、ヤング係数の可能な変化を考慮してブレード材料を変更することが考えられたが、この概念は、従来の鋳造されかつ指向的に固化された材料に関連する低サイクル疲労限界のため、断念された。
【０００７】
特にタービンの第１段内に配置された回転ブレードの振動挙動、およびタービン空力効率への所望の影響を有する全てのアプローチは、複雑な問題を生じる。回転ブレードの翼の改良された形状を設計するときの大きな質量再分配も困難であると考えられる。なぜならば、特に、前段の回転ブレードは、能動的に冷却される構成部材であって、冷却用の複数の冷却水路を有する中空体であるからである。回転ブレードの薄い金属壁は、目標寿命を達するために強く冷却されなければならない。回転ブレードのシャンク長さを増大するという態様も、回転ブレード自体の振動特性に影響すると考えられたが、この態様は、好ましいとは考えられなかった。なぜならば、ロータボアを介した冷却空気供給が提供されるもみの木状領域におけるロータ制限を生じることになり、ロータアウトラインも調節されなければならなくなるからである。
【０００８】
米国特許第５５２５０３８号明細書は、先端部間隙を通る先端部漏れを減じるように最適化されたガスタービンエンジン用のロータブレードを開示している。ロータブレードは、ロータブレードの負圧面の前縁から後縁まで延びる先端部領域に形成された著しく曲げられた面を提供している。ロータブレードの翼のスパンに沿った輪郭横断面は著しく変化しているわけではなく、少なくとも、ロータブレードの全スパンに沿った翼の軸方向翼弦長は不変のままである。
【０００９】
軸方向翼弦長は、タービンに取り付けられたときの、タービン軸線に対して平行な線へのブレードの投影図の長さとして規定される。これは、例えば、デヴィッド・ゴードン・ウィルソン著「高効率ターボ機械およびガスタービンの設計（The Design of High-Efficiency Turbomachinery and Gas Turbines）」、第４８７頁〜第４９２頁、MIT Press出版、ケンブリッジ、マサチューセッツ州、１９８４年、第５版１９９１に示されている。特に第４８７頁の第２図を参照されたい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５５２５０３８号明細書
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】デヴィッド・ゴードン・ウィルソン著「高効率ターボ機械およびガスタービンの設計（The Design of High-Efficiency Turbomachinery and Gas Turbines）」、第４８７頁〜第４９２頁、MIT Press出版、ケンブリッジ、マサチューセッツ州、１９８４年、第５版１９９１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の課題は、ロータ根元部からロータ先端部まで半径方向に延びた翼を備え、翼は、ブレード根元部における０％からブレード先端部における１００％までの範囲のスパンを規定しており、翼は、前縁から後縁まで軸方向に延びており、前縁と、後縁とは、スパンに応じて、翼の前縁と後縁とを接続する直線の軸方向長さによって規定される軸方向翼弦長を有する翼弦を限定している、ガスタービンエンジンロータブレードであって、第１の段および後続の段の回転ブレードにおいて共振励起が生じないように向上した振動挙動を有するガスタービンエンジンロータ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】
【００１３】
前記課題は、独立請求項１の特徴によって達成される。本発明は、有利には、従属請求項、および特に好適な実施の形態に関する以下の説明に開示された特徴によって変更することができる。
【００１４】
本発明によれば、少なくとも８０％スパンから１００％スパンまでのスパン領域において軸方向翼弦長を増大することによって、回転ブレードの翼の空力特性の低下なしに、回転ブレードの共振挙動への著しい影響を加えることができることが認識された。軸方向翼弦長の増大は、回転ブレードの機械的特性、特に固有振動数に影響する翼先端部の領域における質量の増大と直接的に組み合わされる。
【００１５】
本発明の好適な実施の形態では、ガスタービンブレードの翼の軸方向翼弦長は、少なくとも７０％スパンから１００％スパンまで連続的に増大している。有利には、スパンの増大に伴う軸方向翼弦長の増大は、軸方向翼弦長の５０％±５％の軸方向位置において０％から１００％スパンまで延びる、翼の圧力面における表面におけるラインであるいわゆるスタッキングラインに関して多かれ少なかれ対称的である。
【００１６】
本発明のガスタービンブレードは、その軸方向翼弦長に関して、少なくとも５０％±１０％から７０％±１０％スパンまでの範囲において最小となっており、すなわち、０％スパンから５０％±１０％スパンまでのガスタービンの翼は、０％スパンから５０％±１０％スパンまで減少する軸方向翼弦長を提供する従来の形状を備えて形成されている。先端部に向かって翼弦長は再び増大している。
【００１７】
本発明のガスタービンブレードの最適な実施の形態は、５０％スパンから１００％スパンまで増大する軸方向翼弦長を有しており、５０％スパンにおいて最小の軸方向翼弦長を有する。
【００１８】
翼の調整された中間領域から翼先端部、すなわち１００％スパンまでの範囲における軸方向翼弦長の軸方向増大は、翼の調整された中間領域における軸方向翼弦長の５％±５％から１５％±１０％までの範囲である。
【００１９】
タービンブレードの翼の半径方向上側部分に沿った軸方向翼弦長の増大の結果、タービンブレードの固有振動数に対する影響を加えることができ、これにより、共振励起をできるだけ小さくするかまたは排除することさえできるような大きさだけ、固有振動数を変化させることができる。
【００２０】
第１の段における固定ベーンによって生ぜしめられる励起周波数に対する、ガスタービンブレードの固有振動数の差を増大するために、翼の半径方向上側領域において前縁および後縁を付加的に曲げることがさらに提案される。好適には、前縁および後縁の曲げは、既に前で説明したスタッキングラインの曲率に依存し、スタッキングラインは、軸方向翼弦長の５０％±５％の軸方向位置において０％から１００％スパンまで延びた翼の圧力面の表面上のラインである。スタッキングラインは、５０％±１０％スパンから１００％スパンまでのスパン領域において曲がっており、スタッキングラインは、１００％スパンにおいて、半径方向に対して直交する仮想平面に対して角度αを成しており、角度αは、スタッキングラインと半径方向とによって規定された平面内に位置しており、角度αについて、１２．５°±２．５°≦α≦２５°±５°が当てはまる。
【００２１】
完全性のために、スタッキングラインは、５％±５％スパンから５０％±１０％スパンまで直線に保つことができることが言及されるべきである。
【００２２】
好適には、スタッキングラインは、１つの半径によって規定された、５０％±１０％スパンから１００％スパンまでのスパン領域における曲率を有する。
【００２３】
別の好適な実施の形態では、回転ブレードは、５％±５％スパンにおいて１．６〜２．１の、スパン対軸方向翼弦長に関するアスペクト比を有する。前縁および後縁に沿って異なるスパン寸法を有するブレードの場合、前記アスペクト比は、後縁に沿ったスパン寸法に関する。
【００２４】
引き続き図面に関連した典型的な実施の形態に基づいて発明をさらに詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】左側において、例えばガスタービンの前段におけるベーンおよびブレードの共振周波数挙動を示す図である。
【図２】本発明のタービンブレードの改良された実施の形態を示す３つの側面図である。
【図３ａ】本発明のタービンブレードの透視図である。
【図３ｂ】鉛直方向で重ね合わされた翼横断面の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
典型的な実施の形態の詳細な説明
図１は、左側において、ガスタービンの第１の段におけるベーンおよびブレードの共振周波数挙動を示す図である。グラフの横軸にはエンジン速度を表す値が示されている。グラフの縦軸には振動周波数が示されている。点線で囲まれた部分Ｂは、ガスタービンのブレードの共振励起が生じ得る、エンジン速度に依存した励起の発生領域を示している。
【００２７】
図１の右側には、ガスタービンのロータブレードの３つの異なる実施の形態ａ）、ｂ）、ｃ）が示されている。それぞれ上側の図は、ロータブレードの側面図を示しており、対応する下側の図は、ブレードを前方からの透視図で示している。
【００２８】
ａ）のケースは、ガスタービンにおいて一般的に使用されるロータブレードを示しており、従来技術を表している。一般的なロータブレードは、ブレード根元部２からブレード先端部３まで半径方向に延びる翼１を有する。ブレード根元部２は、シュラウド４と、ロータ配列内への固定のためのもみの木状ブレードフット５とを含む。ケースａ）における上側の図から分かるように、一般的に公知のロータブレードは、０％スパンから１００％スパンまでの全スパンに沿って減少する軸方向の翼弦長６を備える翼を有している。ケースａ）に示されたロータブレードは、図１の左側に示されたグラフに点線で囲まれた領域Ｂによって表された励起周波数と重なる固有振動数を有している。これは、大きな振動衝撃により、寿命を短縮する。
【００２９】
ケースｂ）には、５０％スパンから１００％スパンまでのスパン領域ｓにおいて軸方向翼弦長６が増大している翼１を有する、本発明の改良されたロータブレードが示されている。ケースｂ）の上側の側面図から分かるように、翼１は、５０％スパンの範囲において最小の軸方向翼弦長６を有している。軸方向翼弦長６の増大は、ケースｂ）の下側の正面図からも分かる。
【００３０】
本発明の構成は、改良された翼の固有振動数がケースａ）の一般的に公知のブレードよりも低下させられることに寄与する。ケースｂ）での翼の先端範囲における質量の増大により、固有振動数は低下し、これは、図１の左側の図に示された状況の場合に、ケースｂ）のブレードの共振周波数と、点線で囲まれた領域Ｂによって示された励起周波数範囲との重なり合いはほとんど存在しないことを意味する。したがって、ケースｂ）に示された改良されたブレードは、振動励起に対して明らかに頑丈な大幅に高められた振動挙動を提供する。これは、空力挙動の有効な向上につながり、ブレードの寿命を明らかに延長させる。
【００３１】
図１の右側に示されたケースｃ）は、ロータブレードを示しており、このロータブレードは、ケースｃ）の上側の図から分かる、ケースｂ）において説明したような軸方向翼弦長の増大を有するが、それに加えて、周方向で見て翼１の負圧面７に向かう方向への翼１の曲がりを有する。翼１の曲がりは、ケースｃ）の下側の図から分かるように好適には５０％スパンから１００％スパンまでのスパン領域に限定されている。前述した翼１の付加的な曲がりは、以下でより詳細に説明するように、図１の左側の図に示されたロータブレードの向上した周波数挙動につながる。ケースｃ）に示されたロータブレードの固有振動数は、ケースｂ）に示された翼よりも明らかに低い、大幅に低下した固有振動数を提供する。これは、図１の点線で囲まれた領域Ｂによって特徴付けられる励起周波数に関して、顕著な周波数分離につながる。
【００３２】
図２ａ）、ｂ）、ｃ）は、図１のケースｃ）において簡単に紹介した本発明のロータブレードの３つの側面図を示している。図２ａ）は本発明により形成されたロータブレードの正面図を、図２ｂ）は側面図を、図２ｃ）は後面図を示している。
【００３３】
図２ｂ）では、タービンにおけるガス流の流れ方向８は左から右へ方向付けられると仮定されているので、図の左側縁部が翼１の前縁９を、右側の縁部が後縁１０を表している。図２ｂ）の翼１の負圧面７が手前を向いている。ブレードは、ブレード根元部（図示せず）における０％スパンからブレード先端部３に相当する１００％スパンまで延びるスパンｓと称される半径方向延びを有している。軸方向翼弦長６は全スパンｓに沿って変化しているが、本発明によれば、中間範囲スパン、好適には５０％スパンから１００％スパンまで増大している。軸方向翼弦長６の増大は必然的にブレード先端領域における質量の増大につながり、これは、ロータブレードの共振周波数に著しく影響する。
【００３４】
中間範囲スパン領域から１００％スパンまでの軸方向翼弦長６の増大量は、翼１の５０％スパンにおける軸方向翼弦長６に対して約５％±５％から１５％±１０％である。この増大は、図２ｂ）に鉛直方向の点線で示されている。
【００３５】
図２ａ）の正面図から分かるように、前縁９は、５０％スパンと１００％スパンとの間のスパン範囲においては正面図で見ることができない後縁１０と同様に曲げられている。この曲げは、ロータブレードの翼１の負圧面７に向かっている。前縁９および後縁１０の曲げは、いわゆるスタッキングラインの曲率によって規定されており、スタッキングラインとは、軸方向翼弦長６の５０±５％の軸方向位置における０％から１００％スパンまで延びる翼１の圧力面１１における表面上のラインをいう。５０％から１００％スパンのスパン領域におけるスタッキングラインの曲率は、好適には、１つの半径ｒによって規定されており、これは図３ａにより明らかに示されている。
【００３６】
図３ａは、本発明の翼１の圧力面１１の透視図を示しており、５０％から１００％スパンまでのスパン範囲における軸方向翼弦長６の増大と、５０％から１００％スパンまでのスパン領域における前縁９および後縁１０の曲げとを示している。前縁９および後縁１０の曲げは、図３ａに示されたスタッキングライン１２の曲率に依存し、スタッキングライン１２とは、軸方向翼弦長６の５０％±５％の軸方向位置において０％から１００％スパンまで延びた圧力面１１の表面上のラインである。スタッキングライン１２は、０％から５０％±１０％スパンまではほぼ直線であり、５０％±１０％スパンから１００％スパンまでのスパン領域において曲がっており、スタッキングライン１２は、１００％スパンにおいて、半径方向に対して直交する仮想平面１３に対して角度αを成しており、角度αは、スタッキングラインと半径方向とによって規定された平面内に位置しており、角度αは１２．５°±２．５°〜２５°±５°である。上側スパン領域におけるスタッキングラインの曲率は、好適には１つの半径によって規定される。他の好適な実施の形態では、スタッキングラインは、加えて、上側スパン領域に沿って少なくとも１つの直線的部分を提供することができる。
【００３７】
図３ｂは、図３ａにローマ数字Ｉ〜ＶＩＩＩによって示された複数の異なるスパン領域における、翼１の複数の異なる輪郭横断面の鉛直方向投影を示している。輪郭横断面Ｉは０％スパンにおける輪郭横断面に相当し、輪郭横断面ＶＩＩＩは１００％スパンにおける輪郭横断面に相当する。半径方向での鉛直方向投影は、５０％スパンから１００％までのスパン領域における、すなわち輪郭横断面ＶからＶＩＩＩにおける輪郭横断面の著しい幾何学的ずれを示している。幾何学的ずれは、周方向で見て翼１の負圧面７に向かってのずれと、さらに５０％スパンから１００％スパンまでの軸方向翼弦長６の増大とによって生じている。
【符号の説明】
【００３８】
１  翼
２  ブレード根元部
３  ブレード先端部
４  シュラウド
５  ブレードフット
６  軸方向翼弦長
７  負圧面
８  流れ方向
９  前縁
１０  後縁
１１  圧力面
１２  スタッキングライン
１３  平面
ｓ  スパン
Ｂ  共振励起範囲
【図１】
2015183691.tif 000003
【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【外国語明細書】
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