(57)【要約】【課題】エーロフォイル内の圧力降下を最小限に抑制する冷却ロータブレードを提供する。【解決手段】ロータブレードの内部通路構造が、第１径方向通路４８と、第２径方向通路５０と、第１径方向通路と第２径方向通路とを分離するようにこれらの間に設けられたリブ５３と、リブ内に設けられた複数の横断孔５２と、複数のトリップストリップ５８と、を含む。複数のトリップストリップ５８は、上記正圧側壁および負圧側壁の一方あるいは双方の内部表面に取り付けられ、第１径方向通路内の冷却空気流方向６０に対して傾斜した角度αで第１径方向通路４８内に設けられるとともに、上記複数のトリップストリップ５８の各々がリブ５３に向けて集められるように、位置決められる。少なくとも一部の上記複数のトリップストリップ５８のリブ端部６２が一対の隣接する横断孔５２の間に設けられる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
根元部と、
負圧側壁と正圧側壁と前縁と後縁とベース部と先端部とによって区画されたキャビティを有した中空エーロフォイルと、
上記キャビティに設けられた内部通路構造であって、第１径方向通路と、第２径方向通路と、上記第１径方向通路と上記第２径方向通路とを分離するようにこれらの間に設けられたリブと、上記リブ内に設けられた複数の横断孔と、上記第１径方向通路内に設けられかつ上記正圧側壁および負圧側壁の一方あるいは双方の内部表面に取り付けられた複数のトリップストリップと、を含んだ内部通路構造と、
上記根元部内に設けられ、かつ、上記根元部を介して上記第１径方向通路内に空気流を流入するように動作可能なコンジットと、
を備え、かつ、
上記複数のトリップストリップは、上記第１径方向通路内の冷却空気流方向に対して傾斜した角度αで上記第１径方向通路内に設けられるとともに、上記複数のトリップストリップの各々がリブに向けて集められ、かつ、少なくとも一部の上記複数のトリップストリップのリブ端部が一対の隣接する横断孔の間に設けられるように位置決められることを特徴とするロータブレード。
【請求項２】
上記第２径方向通路は上記前縁に隣接することを特徴とする請求項１に記載のロータブレード。
【請求項３】
上記第２径方向通路がキャビティであることを特徴とする請求項２に記載のロータブレード。
【請求項４】
上記角度αが約４５°であることを特徴とする請求項１に記載のロータブレード。
【請求項５】
上記負圧側壁に比べ上記正圧側壁により接近したリブ内に上記横断孔が設けられることを特徴とする請求項１に記載のロータブレード。
【請求項６】
少なくとも一部の上記複数のトリップストリップが上記正圧側壁の内部表面に取り付けられることを特徴とする請求項５に記載のロータブレード。
【請求項７】
上記正圧側壁の正圧側壁内部表面である内部表面に取り付けられた、上記少なくとも一部の上記複数のトリップストリップのそれぞれのリブ端部が、一対の横断孔の間に径方向に設けられることを特徴とする請求項６に記載のロータブレード。
【請求項８】
上記横断孔は上記正圧側壁に比べ負圧側壁により接近したリブに設けられることを特徴とする請求項１に記載のロータブレード。
【請求項９】
上記複数のトリップストリップは上記負圧側壁の内部表面に取り付けられることを特徴とする請求項８に記載のロータブレード。
【請求項１０】
上記正圧側壁の正圧側壁内部表面である内部表面に取り付けられた、上記少なくとも一部の上記複数のトリップストリップのそれぞれのリブ端部が、一対の横断孔の間に径方向に設けられることを特徴とする請求項９に記載のロータブレード。
【請求項１１】
根元部と、
負圧側壁と正圧側壁と前縁と後縁とベース部と先端部とによって区画されたキャビティを有した中空エーロフォイルと、
上記キャビティに設けられた内部通路構造であって、第１径方向通路と、第２径方向通路と、上記第１径方向通路と上記第２径方向通路とを分離するようにこれらの間に設けられたリブと、上記リブ内に設けられた複数の横断孔と、上記第１径方向通路内に設けられかつ上記正圧側壁および負圧側壁の一方あるいは双方の内部表面に取り付けられた複数のトリップストリップと、を含んだ内部通路構造と、
上記根元部内に設けられ、かつ、上記根元部を介して上記第１径方向通路内に空気流を流入するように動作可能なコンジットと、
を備え、かつ、
上記複数のトリップストリップは、上記第１径方向通路内の冷却空気流方向に対して傾斜した角度αで上記第１径方向通路内に設けられるとともに、上記複数のトリップストリップの各々がリブに向けて集められ、かつ、大部分の上記複数のトリップストリップのリブ端部が一対の隣接する横断孔の間に設けられるように位置決められることを特徴とするロータブレード。
【請求項１２】
上記第１径方向通路は上記前縁に隣接することを特徴とする請求項１１に記載のロータブレード。
【請求項１３】
根元部と、
負圧側壁と正圧側壁と前縁と後縁とベース部と先端部とによって区画されたキャビティを有した中空エーロフォイルと、
上記キャビティに設けられた内部通路構造であって、第１径方向通路と、第２径方向通路と、上記第１径方向通路と上記第２径方向通路とを分離するようにこれらの間に設けられたリブと、上記リブ内に設けられた複数の横断孔と、上記第１径方向通路内に設けられかつ上記正圧側壁の内部表面に取り付けられた複数のトリップストリップと、を含んだ内部通路構造と、
上記根元部内に設けられ、かつ、上記根元部を介して上記第１径方向通路内に空気流を流入するように動作可能なコンジットと、
を備え、かつ、
上記複数のトリップストリップは、上記第１径方向通路内の冷却空気流方向に対して傾斜した角度αで上記第１径方向通路内に設けられるとともに、上記複数のトリップストリップの各々がリブに向けて集められ、かつ、大部分の上記複数のトリップストリップのリブ端部が一対の隣接する横断孔の間に設けられるように位置決められることを特徴とするロータブレード。
【請求項１４】
上記第２径方向通路は上記前縁に隣接することを特徴とする請求項１３に記載のロータブレード。
【請求項１５】
上記負圧側壁に比べ上記正圧側壁により接近したリブ内に上記横断孔が設けられることを特徴とする請求項１４に記載のロータブレード。
【請求項１６】
全ての上記複数のトリップストリップのリブ端部が一対の横断孔の間に設けられることを特徴とする請求項１５に記載のロータブレード。
【請求項１７】
根元部と、
負圧側壁と正圧側壁と前縁と後縁とベース部と先端部とによって区画されたキャビティを有した中空エーロフォイルと、
上記キャビティに設けられた内部通路構造であって、第１径方向通路と、第２径方向通路と、上記第１径方向通路と上記第２径方向通路とを分離するようにこれらの間に設けられたリブと、上記リブ内に設けられた複数の横断孔と、上記第１径方向通路内に設けられかつ上記負圧側壁の内部表面に取り付けられた複数のトリップストリップと、を含んだ内部通路構造と、
上記根元部内に設けられ、かつ、上記根元部を介して上記第１径方向通路内に空気流を流入するように動作可能なコンジットと、
を備え、かつ、
上記複数のトリップストリップは、上記第１径方向通路内の冷却空気流方向に対して傾斜した角度αで上記第１径方向通路内に設けられるとともに、上記複数のトリップストリップの各々がリブに向けて集められ、かつ、大部分の上記複数のトリップストリップのリブ端部が一対の隣接する横断孔の間に設けられるように位置決められることを特徴とするロータブレード。
【請求項１８】
上記第２径方向通路は上記前縁に隣接することを特徴とする請求項１７に記載のロータブレード。
【請求項１９】
上記正圧側壁に比べ上記負圧側壁により接近したリブ内に上記横断孔が設けられることを特徴とする請求項１８に記載のロータブレード。
【請求項２０】
全ての上記複数のトリップストリップのリブ端部が一対の横断孔の間に設けられることを特徴とする請求項１９に記載のロータブレード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般にガスタービンロータブレードに関し、具体的には冷却ガスタービンロータブレードに関する。
【背景技術】
【０００２】
軸流タービンエンジン内のタービン区間は、回転ディスクと、このディスク上に周方向に配設された多数のロータブレードと、を備えたロータアセンブリを含む。ロータブレードは、上記エンジンを通過するガス経路内に位置するエーロフォイルを備える。ガス経路内の温度は、エーロフォイルの耐久性にしばしば悪影響を及ぼすため、エーロフォイル内に冷却空気を通過させることによりエーロフォイルを冷却することが知られている。この冷却空気はエーロフォイル材料の温度の低下、ひいてはエーロフォイルの耐久性の向上を助長する。
【０００３】
従来の冷却ロータブレードは、多くの場合、前縁に隣接した第１径方向通路と、第２径方向通路と、上記通路を分離するように上記通路間に配設されたリブと、を備えた内部通路構造を用いる。複数の横断孔がリブ内に配設され、通常、前縁に沿ったエーロフォイル壁に直交するように配設される。リブでの圧力差により、第２径方向通路内に移動する冷却空気の一部は横断孔を通過し、前縁壁に衝突する。横断孔を通過する冷却空気は、第２径方向通路内の冷却空気流の方向に直交する方向に通常移動する。従って、公知の従来構造では、冷却空気は主に静圧によって横断孔内に流され、動圧の影響をほとんど、あるいは全く受けることがない。インピンジメント冷却は効果的で望ましいものであるが、従来技術ではリブでの大幅な圧力降下という犠牲があった。
【０００４】
外部のガス経路圧力は、ブレードの運転中には前縁領域で最も高い。多くのタービン用途には、エーロフォイルのバックフローマージン（Backflow margin）が前縁において制限される。「バックフローマージン」は内部圧力と外部圧力との比を意味する。上記ガス経路から望ましくない高温のガス流がエーロフォイル内に流入しないように、予測された内部圧力と外部圧力との格差を考慮に入れて、予め設定された特殊なバックフローマージンを保持することが知られている。従って、可能な範囲でエーロフォイル内の圧力降下を最小限に抑制することは望ましい。
【０００５】
また、インピンジメント冷却に加えて、冷却空気とエーロフォイルとの間の伝熱を促進するためにキャビティ通路内にトリップストリップを使用することが知られている。トリップストリップは、上記の流れが乱流となるようにすることで伝熱を促進する。乱流を特徴とする境界層内の伝熱は、一般的に、層流を特徴とする境界層内の伝熱よりも高い。乱流を発生させることに加えて、トリップストリップは伝熱が行われる表面積を増大する。
【０００６】
横断孔に隣接した通路（すなわち、第２径方向通路）内にトリップストリップを設けることは公知である。我々が認識している従来技術においては、トリップストリップと横断孔との間に特別な位置的関係はない。実際には、多くの場合、トリップストリップは、横断孔を通過する冷却空気流を妨げる位置に配置されている。
【０００７】
従って、エーロフォイルの所望の冷却を促進し、ひいてはブレードの耐久性を向上する内部通路構造を備えたエーロフォイルが必要とされている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、根元部と、中空エーロフォイルと、この根元部内に設けられたコンジットと、を含んだロータブレードが提供される。中空エーロフォイルは、負圧側壁と正圧側壁と前縁と後縁とベース部と先端部とによって区画されたキャビティを有する。内部通路構造がキャビティに設けられる。上記構造は、第１径方向通路と、第２径方向通路と、第１径方向通路と第２径方向通路とを分離するようにこれらの間に設けられたリブと、リブ内に設けられた複数の横断孔と、上記第２径方向通路内に設けられた複数のトリップストリップと、を含む。複数のトリップストリップは、上記の正圧側壁および負圧側壁の一方あるいは双方の内部表面に取り付けられる。トリップストリップは、第１径方向通路内の冷却空気流方向に対して傾斜した角度αで第１径方向通路内に設けられるとともに、上記複数のトリップストリップの各々がリブに向けて集められるように、位置決められる。少なくとも一部の上記複数のトリップストリップのリブ端部が一対の隣接する横断孔の間に設けられる。コンジットは、根元部を介して上記第１径方向通路内に空気流を流入するように動作可能である。
【０００９】
本発明のロータブレードとこれを用いる方法の１つの利点は、エーロフォイル内の空気流による圧力損失が、インピンジメント冷却を行う従来のエーロフォイルの場合に比べて減少することである。
【００１０】
上記またはその他の本発明の目的、特徴、利点は、詳細な説明に記載されかつ添付の図面に示された最良の形態に照らせば明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、ディスク１２と複数のロータブレード１４とを備えた、ガスタービンエンジンのロータブレードアセンブリ１０を示す。ディスク１２は、該ディスク１２回りに周方向に配設された複数のリセス１６と、該ディスク１２が回転する回転中心線１８と、を含む。各ブレード１４は根元部２０、エーロフォイル２２、プラットフォーム２４と、径方向中心線２５とを含む。根元部２０は、上記ディスク１２のリセス１６内の一つに結合する形状（例えば、もみの木構造）を有している。図２から分かるように、根元部２０はさらにコンジット２６を有し、このコンジット２６を介して、冷却空気は根元部２０に流入しエーロフォイル２２内を通過する。
【００１２】
図２および図４を参照すると、エーロフォイル２２はベース部２８と、先端部３０と、前縁３２と、後縁３４と、正圧側壁３６（図１および図３を参照）と、負圧側壁３８と、内部経路構造４０とを含む。図２は、前縁３２と後縁３４との間に区分されたエーロフォイル２２を概略的に示す。正圧側壁３６と負圧側壁３８とは、ベース部２８と先端部３０との間に延び、前縁３２と後縁３４とに接触する。
【００１３】
上記内部通路構造は、根元部２０からエーロフォイル２２内に延びる第１コンジット４２と第２コンジット４４と第３コンジット４６とを含む。使用されるコンジットの数がより多い場合や少ない場合もあろう。第１コンジット４２は第１径方向通路４８に連通している。この第１径方向通路４８の前方には、第２径方向通路５０が設けられ、前縁３２に隣接し、複数の横断孔５２によって第１径方向通路４８に接続されている。横断孔５２は、第１径方向通路４８と第２径方向通路５０との間に延在し、かつ、これらの通路を分離するリブ５３内に設けられる。第２径方向通路５０は、前縁３２に沿って設けられた複数の冷却孔５４によってエーロフォイル２２の外部に接続されている。幾つかの態様においては、第２径方向通路５０は１つもしくは複数のキャビティを備える。他の態様においては、第２径方向通路５０は、第１コンジット４２に直接連通している。第１径方向通路４８の径方向外側端部（すなわち、第１コンジット４２の反対に位置する第１径方向通路４８の端部）には、第１径方向通路４８が、軸方向に延びた通路５６に接続されており、この通路５６はエーロフォイル２２の先端部３０に隣接したエーロフォイル２２の後縁３４に向かって延びている。
【００１４】
第１径方向通路４８は、正圧側壁３６および負圧側壁３８の一方または双方の内部表面に取り付けられた複数のトリップストリップ５８を含む。このトリップストリップ５８は、上記通路４８内の冷却空気流方向６０に対し傾斜した角度α、すなわち、この空気流方向６０に対し直交する角度と平行となる角度との間の角度、で上記通路４８内に設けられる。望ましくは、トリップストリップ５８は空気流方向６０に対し約４５°の角度に配置される。空気流方向６０に向かって観察したときにトリップストリップ５８が横断孔５２で構成されたリブ５３に向かって集まるように、それぞれのトリップストリップ５８が上記通路４８内に配置される。それぞれのトリップストリップ５８は、リブ５３に隣接して設けられた端部６２（すなわち、「リブ端部」）を有する。少なくとも一部のトリップストリップ５８が、一対の横断孔５２の間に、望ましくは一対の横断孔５２のほぼ中間に、径方向に配置されたリブ端部６２を有する。好適な態様においては、大部分のトリップストリップ５８が一対の横断孔５２の間に径方向に設けられたリブ端部６２を有する。
【００１５】
図３を参照すると、幾つかの用途においては、横断孔５２は、正圧側壁３６あるいは負圧側壁３８の一方により接近して設けられる。上記通路４８内に冷却空気に作用する回転力を利用するように、例えば、横断孔５２を正圧側壁３６よりに配置してもよい。あるいは、横断孔５２によって生ずるインピンジメント冷却の位置を移動させるように、この横断孔５２を移動させることも望ましいであろう。いずれの場合でも、これらの用途においては、上述のトリップストリップ５８は、横断孔５２が配置される上記壁３６，３８の内部に取り付けられてもよい。これらの用途の好適な態様においては、（横断孔５２が配置される上記壁３６，３８に取り付けられた）ほぼ全てのトリップストリップ５８が、一対の横断孔５２の間に径方向に配置されたリブ端部６２を有する。
【００１６】
上述したトリップストリップの配置の利点は、トリップストリップ５８が２つの機能を実現することである。第１に、トリップストリップ５８は、上記通路４８内を通過する冷却空気流内に所望の境界層条件を発生させ、かつ、さらに表面積を付与することにより、伝熱機能を達成する。第２に、トリップストリップ５８を横断孔５２に対して配置することにより、トリップストリップ５８は横断孔５２に向けて冷却空気流の一部を案内する旋回ベーンとしての機能を実現し得る。これにより、横断孔５２を通過する冷却空気は、従来技術では通常９０°である角度より小さな角度で旋回する。なお、好適な実施例においては、上記４５°方向のトリップストリップ５８により、冷却空気流が約４５°の角度で横断孔５２に流入することが可能になる。これにより、横断孔５２内に冷却空気流を推進する圧力による力が静的圧力成分と動的圧力成分とを有し、リブでの圧力降下が上述の従来技術の構造で生ずるであろう圧力降下より減少する。上記の圧力降下が減少することにより、エーロフォイル２２の前縁３２において所望の大きな値のバックフローマージン得ることが可能となる。
【００１７】
図２を参照すると、第２コンジット４４が、第１・第２径方向通路４８，５０の直ぐ後方にかつエーロフォイル２２の中間領域に配置されたサーペンタイン通路６４に連通している。このサーペンタイン通路６４は、例えば３，５，といったように、１より大きな奇数の数となる径方向セグメント６６を有する。奇数となる径方向セグメント６６はサーペンタイン通路６４の最後の径方向セグメントが上記軸方向に延びた通路５６付近で終了することを保証する。代替的に、上述のサーペンタイン通路６４以外の通路構造を、上記中間領域に使用してもよい。
【００１８】
第３コンジット４６は、サーペンタイン通路６４とエーロフォイル２２の後縁３４との間に設けられた１つもしくは複数の通路６８に連通している。
【００１９】
本発明の作動においては、ロータブレードエーロフォイル２２はタービンエンジンのコアガス経路内に設けられる。エーロフォイル２２は、このエーロフォイル２２のそばを通過する高温のコアガスに晒される。上記コアガスよりも温度が大幅に低い冷却空気が、根元部２０に設けられた上記コンジット４２，４４，４６を介してエーロフォイル２２内に供給される。
【００２０】
第１コンジット４２内を移動する冷却空気は、第１径方向通路４８内に直に流入し、エーロフォイル２２の先端部３０付近の上記軸方向に延びた通路５６内に実質的に流入する。第１径方向通路４８内に移動する冷却空気の一部が、この通路４８内に設けられたトリップストリップ５８に直面する。リブ５３に向かって集まる上記トリップストリップ５８は冷却空気流の一部をリブ５３に向けて案内する。横断孔５２に対するトリップストリップ５８は、リブ５３に向けて案内された冷却空気流の一部がまた横断孔５２に向けて案内されるように位置決められる。この冷却空気流の一部は横断孔５２を介して、第２径方向通路５０内に移動する。上記冷却空気は、前縁３２と第２径方向通路５０の径方向端部との間に設けられた冷却孔５４を介して第２径方向通路５０から実質的に流出する。
【００２１】
本発明の詳細な態様に関連して本発明を示し、説明してきたが、当業者であれば、本発明の趣旨および内容から逸脱することなく、形式的にあるいは具体的に本発明の様々な変更を想到し得よう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ロータアセンブリセクションを概略的に示す斜視図。
【図２】ある態様の内部通路構造を備えたロータブレードを概略的に示す断面図。
【図３】径方向平面に沿って破断されたエーロフォイルの一部を概略的に示す断面図。
【図４】ある態様の内部通路構造を備えたロータブレードの一部を概略的に示す断面図。
【符号の説明】
【００２３】
３２…前縁
４８…第１径方向通路
５０…第２径方向通路
５２…横断孔
５３…リブ
５４…冷却孔
５８…トリップストリップ
６０…冷却空気流方向
６２…リブ端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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