(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
あり溝（２２）と、
該あり溝に一体に結合されていて、前縁及び後縁（３２、３４）の間を延びると共に、縦方向には根元（３２）及び先端（３８）の間を延びる第１及び第２の側壁（２８、３０）を含み、該側壁が横方向に隔たって、当該エーロフォイルを通る冷却空気（４２）を通す為の流路（４０）を限定するようになっているエーロフォイル（２４）と
を有し、
前記先端（３８）は前記流路の上にある床（４８）、該床の上で前記第１の側壁（２８）から横方向にずれた第１のリブ（５０）、及び前記床の上で前記第２の側壁（３０）から横方向にずれた第２のリブ（５２）を含んでおり、
該リブには縦方向にテーパが付けられて各々のリブ（５０、５２）は断面が対称的であって前記先端の床（４８）から外向きに収斂し且つ前記側壁（２８、３０）からずれて前記流路（４０）の上で夫々の棚（５８、６０）を構成している、
ガスタービン機関の羽根（１８）。
【請求項２】
前記リブ（５０、５２）が横方向に隔たって、その間に先端溝孔（５４）を定めており、前記先端の床（４８）が、前記流路（４０）及び前記先端溝孔（５４）の間で流れを連通させる通抜けの複数個の孔（５６）を持っている請求項１記載のガスタービン機関の羽根。
【請求項３】
前記リブ（５０、５２）が前記第１及び第２の側壁（２８、３０）からずれていて、前記流路（４０）の上で夫々第１及び第２の棚（５８、６０）を構成しており、前記先端の床（４８）が、前記棚のところで、前記流路（４０）と流れが連通する通抜けの複数個の外側の孔（６２）を持っていて、前記リブの膜冷却を行う請求項２記載のガスタービン機関の羽根。
【請求項４】
前記リブ（５０、５２）が前記前縁（３２）に隣接して互いに結合され、前記棚（５８、６０）が前記前縁（３２）で互いに結合されて、それから遠ざかる向きに前記リブをずらしている請求項２記載のガスタービン機関の羽根。
【請求項５】
前記リブ（５０、５２）が全体として、前記前縁及び後縁（３２、３４）の間を延びる三日月形の空気力学的な輪郭を持っている請求項２記載のガスタービン機関の羽根。
【請求項６】
前記リブ（５０、５２）の輪郭が前記側壁（２８、３０）の輪郭と対応している請求項５記載のガスタービン機関の羽根。
【請求項７】
前記先端の溝孔（５４）が前記前縁及び後縁（３２、３４）の間で一定の幅を持ち、前記先端の棚（５８、６０）の幅が変化する請求項６記載のガスタービン機関の羽根。
【請求項８】
前記先端の溝孔（５４）が前記前縁及び後縁（３２、３４）の間で変化する幅を持ち、前記先端の棚（５８、６０）が一定の幅を持つ請求項６記載のガスタービン機関の羽根。
【請求項９】
前記先端の溝孔（５４）の深さが前記リブ（５０、５２）の高さと同じである請求項６記載のガスタービン機関の羽根。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
この発明は全体的にガスタービン機関、更に具体的に言えば、タービン羽根の冷却に関する。
【０００２】
ガスタービン機関では、空気が圧縮機で加圧され、燃焼器で燃料と混合されて高温燃焼ガスを発生し、このガスが下流側に１つ又は更に多くのタービンを通って流れ、これらのタービンがそれからエネルギを抽出する。タービンは、支持回転子円板から半径方向外向きに延びる１列の円周方向に隔たる回転羽根を持っている。各々の羽根は典型的にはあり溝を含み、このあり溝によって、羽根を回転子円板にある対応するあり溝孔に組込み、並びに分解することが出来る。エーロフォイルがあり溝から半径方向外向きに延びる。
【０００３】
エーロフォイルは、軸方向には対応する前縁及び後縁の間を延びると共に、半径方向には根元と先端の間を延びる全体的に凹の圧力側及び全体的に凸の吸込み側を持っている。羽根の先端は、タービン羽根の間を下流側に流れる燃焼ガスがその間から洩れるのを最小限に抑える為に、半径方向外側のタービン・シュラウドに対して密な間隔である。エンジンの最大効率は、この先端部分の隙間を最小限にすることによって得られるが、望ましくない先端擦れの惧れを少なくする為に、回転羽根とタービン・シュラウドの間の差異的な熱膨張及び収縮によって制限される。
【０００４】
タービンの羽根は高温燃焼ガスの中に漬かっているから、それらはその有効寿命を確実にする為に、有効な冷却を必要とする。羽根のエーロフォイルは中空であって、エーロフォイルの冷却に使う為に分流した加圧空気の一部分を受取る為に、圧縮機と流れが連通するように配置されている。エーロフォイルの冷却は非常に手が込んでいて、種々の形の内部冷却流路及び特徴や、冷却空気を吐出する為にエーロフォイルの壁に設けられた協働する孔を使って行うことが出来る。
【０００５】
エーロフォイルの先端は、それがタービン・シュラウドの直ぐ傍に配置されていて、高温燃焼ガスがその間の先端隙間を通過する為に、冷却が特に困難である。エーロフォイルの内側に通された空気の一部分を、その冷却の為に先端から吐出するのが典型的である。この先端は、典型的には、前縁及び後縁の間で圧力側及び吸込み側に沿って同長に配置された半径方向外向きに突出する縁リブを持っている。先端の床がリブの間を延びていて、エーロフォイルの頂部を閉じ、冷却空気をその中に閉じこめているが、この空気はエーロフォイルを冷却するにつれて温度が上昇し、羽根の先端を冷却する困難さを増す。
【０００６】
先端リブは典型的にはその下側にあるエーロフォイルの側壁と同じ厚さであって、先端の他の部分を損傷することなく、又は羽根の寿命に互って先端の冷却の連続性を確実にする為に先端孔を詰まらせることなく、シュラウドとの時たまの先端擦れに耐える犠牲材料になる。
【０００７】
先端リブは、スキーラー（squealer）先端とも呼ばれるが、典型的には密実であって、比較的大きな表面積を持ち、それが高温燃焼ガスによって加熱される。これらのリブが先端の床より上方に延びているから、それらはエーロフォイル内側に通される空気による冷却が限られている。典型的には、先端リブは、燃焼ガスの加熱を受ける大きな表面積、及びその冷却の為の比較的小さい面積を持っている。
【０００８】
従来のスキーラー先端は、高温燃焼ガスがその上及び先端隙間の中を流れるとき、外側も内側のその上縁も、燃焼ガスによって加熱される。スキーラー先端の間に配置された先端孔が、その間に構成された先端溝孔から高温燃焼ガスを連続的にパージするが、それでも高温燃焼ガスがその中で循環するのを防ぐ効果はない。
【０００９】
従って、羽根の先端は比較的高い温度及び熱応力で動作し、典型的には、エーロフォイル全体の寿命を決める場所である。
【００１０】
従って、改良された先端冷却を持つガスタービン機関のタービン羽根を提供することが望ましい。
【００１１】
【発明の簡単な要約】
ガスタービン機関の回転羽根があり溝及び一体のエーロフォイルを有する。エーロフォイルは、前縁及び後縁の間を延びると共に、縦方向には根元及び先端の間を延びる１対の側壁を有する。側壁が横方向に隔たって、エーロフォイルの中に冷却空気を通す為の流路を構成する。先端は流路の上に床を持ち、１対のリブが夫々の側壁から横方向にずれている。リブは、その冷却伝導を高める為に縦方向にテーパが付けられている。
【００１２】
【発明の詳しい説明】
この発明の好ましい実施例並びにその他の目的及び利点は、以下図面について詳しく説明するところに具体的に述べられている。
【００１３】
図１には、ガスタービン機関の高圧タービン１０の一部分が示されており、このタービンは燃焼器（図に示していない）の直ぐ下流側に装着されていて、それから高温燃焼ガス１２を受取る。タービンは軸方向中心線の軸線１４の周りに軸対称であって、回転子円板１６を持ち、それから複数個の円周方向に隔たるタービン回転羽根１８が半径方向外向きに延びている。環状タービン・シュラウド２０が不動の固定子ケーシングに適当に結合されていて、羽根を取囲んで、運転中に、燃焼ガスがそこから洩れるのを制限する為に、その間の隙間を比較的小さくしている。
【００１４】
各々の羽根１８はあり溝２２を持ち、これは、回転子円板１６の周縁に設けられた対応するあり溝孔に取付けられる形にした軸方向のあり溝のような任意の普通の形を持っていてよい。中空エーロフォイル２４があり溝に一体に結合され、それから半径方向又は縦方向外向きに延びる。羽根は一体のプラットフォーム２６をも持っており、これはエーロフォイルとあり溝の接続点に配置されていて、燃焼ガス１２の半径方向内側流路の一部分を定める。羽根は任意の普通の方法で形成することが出来るが、典型的には一体の鋳物である。
【００１５】
エーロフォイル２４が、軸方向又は弦方向に向かい合った前縁及び後縁３２、３４の間を延びる全体的に凹の第１の側壁又は圧力側壁２８、及び円周方向又は横方向に向かい合った全体的に凸の第２の側壁又は吸込み側壁３０を持っている。２つの側壁は、プラットフォーム２６のところにある半径方向内側の根元３６及び半径方向外側の先端３８の間で半径方向又は縦方向にも延びている。
【００１６】
先端３８が図２に平面図、そして図３に断面図で示されており、この発明の実施例に従ってその冷却を改善する為の形を持っている。最初に図３について説明すると、エーロフォイルの第１及び第２の側壁は、エーロフォイルの縦方向又は半径方向のスパン全体に互って、横方向又は円周方向に隔たっていて、エーロフォイルを冷却する為にその中に冷却空気４２を通す為の少なくとも１つの内部流路４０を構成している。エーロフォイルの内部は、例えば、冷却空気の効果を高める為の種々の乱流部材を内部に設けた蛇行流路を含めた任意の普通の形を持っていてよく、冷却空気が、図１に示すように、普通の膜冷却孔４４及び後縁吐出孔４６のようなエーロフォイルを通抜ける種々の孔から吐出される。
【００１７】
エーロフォイルの後縁領域は、後縁冷却孔４６から、並びに希望によっては先端にある別の吐出孔から吐出する内部冷却回路により、任意の普通の方法で冷却することが出来る。
【００１８】
図３に更に詳しく示すように、羽根の先端３８は、流路４０の半径方向の上側に床４８を持っていて、その上側の囲みとなっている。先端は、先端の床に一体に結合されていて、それから半径方向外向きに延びる１対の第１及び第２のリブ５０、５２をも持ち、それを取囲むシュラウド２０と共にラビリンス封じを形成して、時たまそれに擦れることがあるので、スキーラー先端とも呼ばれる。
【００１９】
第１のリブ５０が第１の側壁２８から横方向にずれており、これに対応して、第２のリブ５２が第２の側壁３０から同じく横方向にずれて、両方のリブが先端の床の真上に位置ぎめされて、内側に通される冷却空気４２による熱伝導及び冷却を改善する。
【００２０】
両方のリブ５０、５２を先端の床及び流路４０の真上に配置したことは、リブからの伝導による熱伝達率を高め、高温燃焼ガスの環境内で運転されるときでも、その温度を実質的に下げる。更に、リブ５０、５２は、先端の床に於ける伝導による熱伝達面積を増加する為に、縦方向又は半径方向にテーパが付けられている。
【００２１】
好ましい実施例では、各々のリブは、先端の床４８から外向きに収斂し、減少する幅Ａを持ち、これは先端の床で最大であり、リブ５０、５２の半径方向の１番外側の端で最小である。各々のリブは、断面が対称的であって、向かい合う半径方向に真っ直ぐな側壁を持ち、それらがその間の平坦なランドで一緒になることが好ましい。
【００２２】
図２及び３に示すように、リブが横方向に隔たって、その間に先端流路又は溝孔５４を定め、先端の床は、流路４０と先端溝孔５４の間で流れを連通させる通抜けの複数個の内側先端孔５６を持っている。リブがエーロフォイルの側壁２８、３０から横方向にずれているから、先端溝孔の横方向の幅Ｂは、リブが対応する側壁の真上に配置された場合よりも一層狭くなる。この一層狭い先端溝孔５４により、冷却空気４２を内側先端孔５６から吐出して、燃焼ガス１２が夫々のリブ５０、５２の内側の面を加熱することを更に有効に防ぐことが出来る。
【００２３】
更に具体的に言うと、リブが対応する側壁から横方向にずれて、夫々第１及び第２の棚５８、６０を構成し、これらが夫々の側壁から内向きに延びると共に、その下側にある流路４０の真上にある先端の床４８の外側部分になっている。更に先端の床４８が、夫々の棚５８、６０を通抜ける夫々複数個の外側先端孔６２を持っている。外側先端孔６２は流路４０と流れが連通するように配置されていて、夫々のリブ５０、５２の対応する側の膜冷却の為に、それを介して冷却空気を通す。外側先端孔は、夫々の側壁よりも、夫々の先端リブに対する間隔がもっと接近していて、運転中、対応するリブを保護する。
【００２４】
図２に示すように、リブがエーロフォイルの後縁３４で一緒になり、対応する棚も、後縁の相対的な薄さで見れば判るように、そこで合流する。リブは、前縁３２の近くでも一緒になり、対応する棚５８、６０が前縁で一緒になって、リブを後縁の方に、それから遠ざかる向きにずらすことが好ましい。こうすると、リブ及び対応する棚がエーロフォイルの前縁の周りを包込み、前縁から実質的に後縁まで、その冷却作用を強めると共に、これに対応して高温燃焼ガスからの熱入力に曝されるリブの表面積を減らす。
【００２５】
更に、リブは全体として、図２に示すように、連続的な三日月形の空気力学的な輪郭を持ち、これが前縁及び後縁３２、３４の間を延びている。図２に示す実施例では、リブの周縁の輪郭は、全体的に夫々凹及び凸である対応する側壁２８、３０の輪郭と対応する。先端溝孔５４の幅Ｂがその深さに沿って変化するが、溝孔の幅Ｂが前縁及び後縁の間で略一定であって、先端の棚５８、６０の横幅が変化して、リブ５０、５２をそれに対応して位置ぎめすることが好ましい。こうして、先端溝孔５４の幅をそれに対応して狭くすると共に、内側先端孔５６から吐出される冷却空気でより効果的に埋められるようにして、先端溝孔の中での燃焼ガスの循環を防止するか、又は制限することが出来る。
【００２６】
図４は、この発明の別の実施例を示しており、先端溝孔５４は、前縁及び後縁３２、３４の間で変化する幅Ｂを持ち、対応する先端の棚５８、６０は略一定の幅を持っていて、リブの外側の輪郭が実質的に凹の第１の側壁２８及び凸の第２の側壁３０の外側の空気力学的な輪郭と釣合うようになっている。こうすると、先端のずれたリブ５０、５２の周りでも、エーロフォイル２４が高温燃焼ガスからエネルギを抽出する能力が実質的に保たれる。
【００２７】
しかし、先端リブ５０、５２の空気力学的な性能を高めたこと自体は、変化する幅を持つ先端溝孔５４という犠牲を払ってのことであって、これによって、内側先端孔５６から吐出される冷却空気の量に応じて、その中での高温燃焼ガスの循環を許すことがある。図２の実施例の狭い先端溝孔５４は、先端溝孔の中での高温燃焼ガスの循環をより効果的に防止するが、それに伴って、先端の棚が一層大きくなると共に、先端リブの空気力学的な輪郭が縮小する為に、空気力学的な効率の変化を持つ。
【００２８】
側壁の空気力学的な輪郭に合わせると共に、略一定の先端溝孔にする為に、先端リブの幅を変えることが出来るが、このように先端リブの幅を増加することは、その熱質量が増加し、それに対応してこの発明によっても有効な冷却を施すことが困難になるので、望ましくない。
【００２９】
図３に示した幅の狭い先端溝孔の特定の利点は、境界となるリブ５０、５２の間の容積が減少し、内側先端孔５６から受取った冷却空気をより有効に集めて分配すると共に、その中での高温燃焼ガスの循環に対する障壁となることである。図３に示す実施例では、先端溝孔５４は対応するリブ５０、５２の高さと同じ深さである。
【００３０】
この代わりに、先端溝孔５４の深さは、２つのリブの間にある先端の床の厚さを増加することにより、更に浅くすることが出来る。こうすると、エーロフォイル内側からの熱伝導による冷却の為にその間に利用し得る熱質量を増加しながら、２つのリブの内側の表面積が更に減少する。
【００３１】
図３に示した狭い溝孔を持つ羽根の先端の解析によると、対応するエーロフォイルの側壁の真上から外向きに延びる従来のスキーラー先端に比べて、個別の先端リブの最高温度及びバルク温度の両方が大幅に低下することが判った。更にこの解析では、運転中、そこに生ずる温度勾配の対応する低下の為に、先端リブに熱によって誘起される応力が大幅に低下することも判った。
【００３２】
図３に示した２つのリブを持つ羽根の先端は、周囲のシュラウド２０に対して有効なラビリンス封じを保つと共に、それに伴って容積の小さい先端溝孔５４から吐出される冷却空気をより有効に利用する。
【００３３】
先端リブは、後縁の直ぐ前、圧力側び吸込み側の両方の側壁の周り及び前縁で、エーロフォイルの周縁の大部分に沿って横方向にずれている。これによって、先端リブの大部分は、先端の床並びにその下にある流路の真上に位置ぎめされ、熱伝導によるその冷却を改善する。外側先端孔６２は、対応する先端の棚によって得られる利用し得る空間の中に配置して、夫々の先端リブを膜冷却によって更に冷却することが出来る。
【００３４】
従って、特許に得ようとするのは、特許請求の範囲に定めたこの発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例による先端を持ち、それを取巻くシュラウド内で回転子円板に装着された一例のガスタービン機関のタービン回転羽根の一部分を断面で示した等角図。
【図２】図１に示した羽根先端を線２−２から見た平面図。
【図３】タービン・シュラウドの中に半径方向に配置された、図２に示す羽根先端を線３−３で切った側面断面図。
【図４】この発明の別の実施例による羽根先端の等角図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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