(57)【要約】【課題】ブレードルート部２０の負荷能力を損なうことなく、圧力損失を減少させロータブレード１４を良好に冷却する。【解決手段】  ロータブレード１４のルート部２０は、前縁導管部４２、中央導管部４４、および後縁導管部４６を有し、冷却空気気流９１，９３，９５がルート部２０を通って、キャビティ内に流入する。各導管部４２、４４、４６は、中心線５８、７４、８８を有する。前縁導管部４２の吸気口４８は、中心線５８から広がっている前面５０、負圧面および正圧面と、中心線５８に向かって収束する後面５２と、を有する。中央導管部４４の吸気口６４は、中心線７４から広がっている負圧面、正圧面および前面７２と、中心線７４と平行な後面７０と、を有する。後縁導管部４６の吸気口７８は、後縁導管部４６の中心線８８から広がっている負圧面および正圧面と、中心線８８と平行な前面８２および後面８０を有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータブレードであって、
キャビティ、および１つまたは複数個の冷却用開口部を有する中空エアフォイルと、
上記エアフォイルに付随し、前縁導管部、少なくとも１つの中央導管部、および後縁導管部を有するルート部と、
を備え、
上記導管部が、上記ルート部から上記キャビティへの空気流を可能にし、各導管部が中心線を有し、
上記前縁導管部が、上記前縁導管部の上記中心線からそれぞれ広がっている前面、負圧面、および正圧面と、上記前縁導管部の上記中心線と概ね平行である後面と、を有する吸気口を含み、
上記の少なくとも１つの中央導管部のそれぞれが、上記中央導管部の上記中心線からそれぞれ広がっている負圧面および正圧面と、上記中央導管部の上記中心線と概ね平行である後面および前面と、を有する吸気口を含み、
上記後縁導管部が、上記後縁導管部の上記中心線からそれぞれ広がっている負圧面および正圧面と、上記後縁導管部の上記中心線と概ね平行である前面および後面と、を有する吸気口を含むことを特徴とするロータブレード。
【請求項２】
上記前縁導管部吸気口の上記負圧面および上記正圧面が、上記前面と比べ、異なった角度で広がってい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】
ロータブレードであって、
キャビティ、および１つまたは複数個の冷却用開口部を有する中空エアフォイルと、
上記エアフォイルに付随し、前縁導管部、少なくとも１つの中央導管部、および後縁導管部を有するルート部と、
を備え、
上記導管部が、上記ルート部から上記キャビティへの空気流を可能にし、各導管部が中心線を有し、
上記前縁導管部が、上記前縁導管部の上記中心線からそれぞれ広がっている後面、前面、負圧面および正圧面を有する吸気口を含み、
上記の少なくとも１つの中央導管部のそれぞれが、上記中央導管部の上記中心線から広がっている負圧面、正圧面および前面と、上記中央導管部の上記中心線と概ね平行である後面と、を有する吸気口を含み、
上記後縁導管部が、上記後縁導管部の上記中心線からそれぞれ広がっている負圧面および正圧面と、上記後縁導管部の上記中心線と概ね平行である前面と、を有する吸気口を含むことを特徴とするロータブレード。
【請求項４】
上記前縁導管部吸気口の上記負圧面および上記正圧面が、上記前縁導管部吸気口の上記前面と比べ、異なった角度で広がっていることを特徴とする請求項３に記載のロータブレード。
【請求項５】
上記の少なくとも１つの中央導管部吸気口の上記前面が、上記前縁導管部吸気口の上記後面と概ね平行であることを特徴とする請求項３に記載のロータブレード。
【請求項６】
ロータブレードであって、
キャビティ、および１つまたは複数個の冷却用開口部を有する中空エアフォイルと、
上記エアフォイルに付随し、前縁導管部、少なくとも１つの中央導管部、および後縁導管部を有するルート部と、
を備え、
上記導管部が、上記ルート部から上記キャビティへの空気流を可能にし、各導管部が中心線を有し、
上記前縁導管部が、上記前縁導管部の上記中心線からそれぞれ広がっている後面、前面、負圧面および正圧面を有する吸気口を含み、
上記の少なくとも１つの中央導管部のそれぞれが、上記中央導管部の上記中心線から広がっている負圧面、正圧面、前面および後面を有する吸気口を含み、
上記後縁導管部が、上記後縁導管部の上記中心線から広がっている負圧面、正圧面および前面と、上記後縁導管部の上記中心線と概ね平行である後面と、を有する吸気口を含むことを特徴とするロータブレード。
【請求項７】
上記前縁導管部吸気口および上記中央導管部吸気口の上記負圧面と上記正圧面が、上記前縁導管部吸気口および上記中央導管部吸気口の上記前面と比べて、異なった角度で広がってい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】
上記の少なくとも１つの中央導管部吸気口の上記前面が、上記前縁導管部吸気口の上記後面と概ね平行であ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９】
上記後縁導管部吸気口の上記前面が、上記の少なくとも１つの中央導管部吸気口の上記前面と概ね平行であ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１０】
ロータブレードであって、
キャビティ、および１つまたは複数個の冷却用開口部を有する中空エアフォイルと、
上記エアフォイルに付随し、前縁導管部、少なくとも１つの中央導管部、および後縁導管部を有するルート部と、
を備え、
上記導管部が、上記ルート部から上記キャビティへの空気流を可能にし、各導管部が中心線を有し、
上記前縁導管部が、上記前縁導管部の上記中心線からそれぞれ広がっている後面、前面、負圧面および正圧面を有する吸気口を含み、
上記の少なくとも１つの中央導管部のそれぞれが、上記中央導管部の上記中心線から広がっている負圧面、正圧面および前面と、上記中央導管部の上記中心線と概ね平行である後面と、を有する吸気口を含み、
上記後縁導管部が、上記後縁導管部の上記中心線からそれぞれ広がっている後面、負圧面および正圧面と、上記後縁導管部の上記中心線と概ね平行である前面と、を有する吸気口を含むことを特徴とするロータブレード。
【請求項１１】
上記後縁導管部吸気口の上記負圧面および上記正圧面が、上記後縁導管部吸気口の上記後面と比べ、異なった角度で広がっていることを特徴とする請求項１０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、ガスタービンロータブレードに関し、特に冷却ガスタービンロータブレードに関する。
【背景技術】
【０００２】
軸流型タービンエンジン内のタービン部分には、ディスクおよび複数のロータブレードを備えるロータアッセンブリが含まれる。ディスクには、ブレードを受けるためのディスクの周囲に周方向に配置された複数の凹部が含まれる。各ブレードには、ルート部、中空エアフォイルおよびプラットフォームが含まれる。ルート部には、導管部が含まれ、そこから冷却空気がブレードに流入し、中空エアフォイル内のキャビティに送られる。ブレードルート部および凹部は、ブレードをディスクに固定するため互いに合致するような形状（例えば、モミの木形状）を有している。この結合幾何学形状により、各凹部の底面とブレードルート部の基部との間に予め定められたギャップが形成される。このギャップにより、冷却空気が凹部に流入し、ブレードルート部へと流れる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
空気流の圧力差により、冷却空気が、ロータブレードに流入し、ロータブレードから流出する。比較的高圧力の冷却空気は、通常コンプレッサ部から抽出される。その空気に与えられたエネルギーにより、必要な冷却が可能となるが、そのエネルギーは、もはやエンジン内に推力を作り出すためには利用できないため、エネルギーの損失となる。したがって、ロータブレード内に冷却を提供するために必要となるエネルギー量を最小限にすることが望ましい。
【０００４】
ロータブレードエアフォイル外部のガス経路の圧力は、ブレード運転時、前縁部で最も高い。多くのタービンの用途において、エアフォイルは通常、エアフォイルの前縁部でバックフローマージン（backflow margin）が制限される。「バックフローマージン」という用語は、内部圧力と外部圧力との比を意味する。高温ガスが、外部のガス経路からエアフォイルに流入しないように確実にするため、予測された内部および外部の圧力変動に対して特定の予め定められたバックフローマージンを維持することが必要である。したがって、エアフォイル内、特に空気流により前縁部の冷却を行う通路に関しては圧力損失を可能な限度まで最小限にすることが望ましい。
【０００５】
ベルマウス吸気口を有するブレードルート部内の導管部を用いる方法が周知である。ベルマウス吸気口とは、すなわち、前縁（前部）面、負圧面、正圧面および後縁（後部）面がフレア状に広がっている吸気口である。この方法の不利な点としては、ベルマウス吸気口により、負圧面と正圧面との間、つまり隣接する導管の間に延在するルート部の材料の大きさが減少することが挙げられる。運転中、ブレードルート部では、負圧面と正圧面との間に非常に負荷がかかる。負圧面と正圧面との間にあるルート部の材料の断面積が減少することにより、負荷に耐えるルート部の能力が低下してしまう。
【０００６】
従来技術のロータブレードと比較して、少ないエネルギーで十分に冷却できるロータブレード、従来技術のロータブレードと比較して、ロータブレード内の圧力損失を減少させることにより、少ないエネルギーで冷却できるロータブレード、およびルート部内の付着荷重に十分に耐えることのできるロータブレードが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によると、中空エアフォイルおよびルート部を有するロータブレードが提供される。中空エアフォイルは、キャビティと、１つまたは複数個の冷却用開口部とを有する。ルート部は、エアフォイルに付随するとともに、１つの前縁導管部と、少なくとも１つの中央導管部と、１つの後縁導管部とを有する。これらの導管部により、冷却空気流がルート部を通って、キャビティ内に流入することが可能となる。各導管部は、中心線を有する。
前縁導管部の吸気口は、前面、負圧面、正圧面および後面を備え、前記前面、負圧面および正圧面は、前縁導管部の中心線から広がっている。各中央導管部の吸気口は、前面、負圧面、正圧面および後面を備え、前記負圧面および正圧面は、中央導管部の中心線から広がっている。後縁導管部の吸気口は、前面、負圧面、正圧面および後面を備え、前記負圧面および正圧面は、後縁導管部の中心線から広がっている。
【０００８】
本発明であるロータブレードの利点の１つとしては、本発明者らが承知している従来技術のブレードルート部の形態と比較して、ブレードルート部内の空気流の圧力損失を減少させることが挙げられる。
【０００９】
本発明の別の利点としては、ブレードルート部の負荷能力を損なうことなく、空気流の圧力損失の減少を達成することが挙げられる。ベルマウス吸気口を有する従来技術のルート導管部は、ルート導管部に流入する冷却空気の圧力損失を減少させたが、ブレードルート部の負荷能力を犠牲にしていた。本発明は、ブレードルート部の負荷能力に感知できるほどの悪影響を及ぼすことなく、有利な流量特性を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１を参照すると、ディスク１２および複数のロータブレード１４を有するガスタービンエンジン用ロータアッセンブリ１０が図示されている。ディスク１２は、ディスク１２の周囲に周方向に配列された複数の凹部１６を有し、かつ回転中心線１８を有する。各ブレード１４には、ルート部２０と、エアフォイル２２と、プラットフォーム２４とが含まれ、かつ半径方向中心線２５を有する。ルート部２０には、ディスク１２内の凹部１６の１つの形状と合致する幾何学的形状（例えば、モミの木形状）が設けられる。      
【００１１】
図２を参照すると、エアフォイル２２には、基部２８、先端部３０、前縁部３２、後縁部３４、正圧側壁３６（図１参照）、負圧側壁３８（図１参照）およびキャビティ４０が含まれる。図２では、前縁部３２と後縁部３４の間で切断したエアフォイル２２を図示している。正圧側壁３６および負圧側壁３８は、基部２８と先端部３０との間に延在し、前縁部３２および後縁部３４で互いに突き合わされている。
【００１２】
ルート部２０は、１つの前縁導管部４２と、少なくとも１つの中央導管部４４と、１つの後縁導管部４６とを有する。導管部４２、４４、４６により、空気流がルート部２０を通ってキャビティ４０に流入することが可能となる。各導管部４２、４４、４６は、中心線５８、７４、８８を有する。
【００１３】
図２〜図５を参照すると、前縁導管部４２の吸気口４８は、前面５０、後面５２、負圧面５４および正圧面５６を有する。前面５０、負圧面５４および正圧面５６は、前縁導管部４２の中心線５８からそれぞれ広がっている。いくつかの実施例において、前面５０は、負圧面５４および正圧面５６と比較して異なった角度で広がっている。好ましい実施例において、前面５０は、負圧面５４および正圧面５６と比べ、より大きい角度で広がっている。また、いくつかの実施例において、後面５２は、前縁導管部４２の中心線５８と概ね平行している（図３参照）。他の実施例で、後面５２は、ルート部２０の前縁端部６０に向かって収束している（図４参照）。図４において、後面５２は、前面５０と概ね平行しているように図示されている。
【００１４】
前縁導管部４２は、エアフォイル２２の前縁部３２に隣接して、キャビティ４０内に配置された、１つまたは複数個の前縁通路６２に連通している。前縁導管部４２により、冷却空気用の１つまたは複数個の前縁通路６２への主要経路が提供され、その結果、エアフォイル前縁部３２は、前縁導管部４２を通ってエアフォイル２２に流入する冷却空気により主に冷却される。
【００１５】
１つまたは複数個の中央導管部４４には、負圧面６６、正圧面６８、後面７０および前面７２を有する吸気口６４が含まれる。負圧面６６および正圧面６８は、中央導管部４４の中心線７４からそれぞれ広がっている。いくつかの実施例において、後面７０および前面７２は、中央導管部４４の中心線７４に概ね平行している（図３参照）。他の実施例では、前面７２は、ルート部２０の前縁端部６０の方へ広がっている（図４参照）。図４では、中央導管部４４の前面７２は、前縁導管部４２の後面５２と概ね平行して図示されている。
【００１６】
１つまたは複数個の中央導管部４４は、キャビティ４０内に配置された１つまたは複数個の中央通路７６に連通している。中央導管部４４により、冷却空気用の中央通路７６への主要経路が提供され、その結果、エアフォイル２２の中央部領域は、中央導管部４４を通ってエアフォイル２２に流入する冷却空気により主に冷却される。
【００１７】
後縁導管部４６には、後面８０、前面８２、負圧面８４および正圧面８６を有する吸入口７８が含まれる。負圧面８４および正圧面８６は、後縁導管部４６の中心線８８からそれぞれ広がっている。いくつかの実施例において、後面８０および前面８２は、後縁導管部４６の中心線８８と概ね平行している（例えば、図３および図４）。また、いくつかの実施例では（例えば、図５）、後面８０は、後縁導管部４６の中心線８８から広がっている。
【００１８】
キャビティ４０内に配置され、かつエアフォイル２２の後縁部３４に隣接する１つまたは複数個の通路９０に、後縁導管部４６は連通している。後縁導管部４６により、冷却用通路９０への主要経路が提供される。その結果、後縁部３４は、後縁導管部４６を通ってエアフォイル２２に流入する冷却空気により主に冷却される。
【００１９】
図４を参照すると、本発明の運転中、ロータブレードルート部２０は、ディスク１２内に配置された凹部１６内に収容される。冷却空気９１は、ブレードルート部２０と凹部１６の底面９４の間のギャップ９２に流入し、ブレード１４の半径方向中心線２５に対して概ね垂直方向に移動する。冷却空気９１は、まずルート部２０の前縁端部６０に、その後前縁導管部４２に接触する。前縁導管部４２の前面５０により、冷却空気の前縁導管部４２への移動が容易になり、それにより、例えば９０°の曲がり角に付随する圧力損失と比較して、冷却空気流の曲がりに伴う圧力損失が減少する。拡張している負圧面５４および正圧面５６により、吸気口４８が広がり、これらの面の側からの冷却空気の流入が容易になる。
【００２０】
前縁導管部４２を過ぎた冷却空気９３は、１つまたは複数個の中央導管部４４に接触する。拡張している負圧面６６および正圧面６８により、吸気口６４が広がり、これらの面の側からの冷却空気流の流入が容易になるとともに、これらの面の側から吸気口４６に向かう冷却空気流の圧力損失が減少する。拡張している前面７２を備える中央導管部の吸気口６４を含む実施例においては、前述のように、吸気口６４の前面７２により、中央導管部４４への冷却空気流の移動が容易になる。前面７２の両方の実施例では、前縁導管部４２と中央導管部４４との間に配置されたルート部９６の断面積は減少しない。したがって、前縁導管部の吸気口４８および中央導管部の吸気口６４が互いにフレア状に広がっている場合のように、ブレードルート部の負荷能力に悪影響が及ぶことはない。
【００２１】
中央導管部４４を過ぎた冷却空気９５は、後縁導管部の吸気口７８に接触する。拡張している負圧面８４および正圧面８６により、吸気口が広がり、これらの面の側からの冷却空気流の流入が容易になるとともに、これらの面の側から吸気口７８に向かう冷却空気流の圧力損失が減少する。拡張している前面８２を備える後縁導管部の吸気口７８を含む実施例においては、前述のように、吸気口の前面８２により、後縁導管部４６への冷却空気流の移動が容易になる。前面８２の両方の実施例では、中央導管部４４と後縁導管部４６との間に延在するルート部９８の断面積は減少しない。したがって、中央導管部の吸気口６４および後縁導管部の吸気口７８が互いにフレア状に広がっている場合のように、ブレードルート部の負荷能力に悪影響が及ぶことはない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ロータアッセンブリ部の斜視図。
【図２】ロータブレードの断面図。
【図３】ルート導管部の実施例を図示しているロータブレードルート部の底面図。
【図４】ルート導管部の実施例を図示しているディスク凹部に取り付けられたロータブレードの断面図。
【図５】ルート導管部の他の実施例を図示しているロータブレードルート部の底面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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