(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に延在し円周方向に間隔をおかれている複数のダブテール・スロット（２４）を有するローター・ディスク（２２）であって、該スロット間にそれぞれディスク支柱（２６）が画定され、該支柱（２６）はそれぞれ半径方向外側頂部ランド（２６ａ）及び前記スロット（２４）の隣接するスロット間の内で頂部ランド（２６ａ）の下側に半径方向に間隔を置かれた複数のタング（２６ｂ）を有するようにしたローター・ディスク（２２）、
動翼（２８）を半径方向に保持するためのそれぞれのダブテール・スロット（２４）内に装着されたダブテール（２８ａ）と、円周方向に延在し前記ダブテール（２８ａ）と一体のプラットフォーム（２８ｂ）であって隣合うプラットフォーム（２８ｂ）が隣合って半径方向内側流路を画定するプラットフォーム（２８ｂ）と、その上を流れることのできる燃焼ガスからエネルギを抽出する前記プラットフォームと一体のエアフォイル（２８ｃ）とをそれぞれが有する複数のタービン動翼（２８）、
ディスク支柱頂部ランド（２６ａ）のそれぞれに固着され、プラットフォーム（２８ｂ）と前記ディスク支柱（２６）間の断熱を与える断熱皮膜、
を含み、
前記断熱被膜（３６）は、前記ディスク支柱（２６）の頂部にのみ配置され、更に、前記頂部ランド（２６ａ）の上全体に亙りスロットからスロットまで円周方向に、且つ、その前端から後端まで軸方向に延在しているタービン・ローター（２０）。
【請求項２】
前記皮膜（３６）が空気透過性である請求項１記載のローター。
【請求項３】
前記プラットフォーム（２８ｂ）が前記頂部ランド（２６ａ）の上方に半径方向に間隔を置かれて空所（３８）を画定し、該空所（３８）を通ってパージ空気（４０ａ）を流す手段が設けられ、前記皮膜（３６）が前記パージ空気（４０ａ）から前記ディスク支柱（２６）への対流熱伝達を減少する請求項１記載のローター。
【請求項４】
冷却空気（４０ｂ）を前記スロット（４２）へ流し、そして、前記動翼（２８）を冷却するために前記動翼（２８）の内部へ流し、且つ、前記皮膜（３６）の下の前記ディスク支柱（２６）を冷却するヒートシンクを提供する手段（４２）を更に含む請求項３記載のローター。
【請求項５】
前記動翼（２８）が前記ダブーテール（２８ａ）、前記プラットフォーム（２８ｂ）、前記エアフォイル（２８ｃ）の一片の集成体であり、且つ、前記プラットフォーム（２８ｂ）の隣合うものがその間の漏洩に対する流体シールを与えるために前記頂部ランド（２６ａ）の上方で互いに隣合う請求項４記載のローター。
【請求項６】
前記ディスク（２２）及び動翼（２８）が金属であり、前記皮膜（３６）が前記頂部ランド（２６ａ）の外側表面に接合された請求項５記載のローター。
【請求項７】
前記皮膜（３６）が０．６３５ｍｍ（２５ミル）の厚さである請求項５記載のローター。
【請求項８】
前記皮膜（３６）が１．７３W／ｍ℃（１ＢＴＵ／Ｈｒ−ｆｔ−°Ｆ）の熱伝導度を有する請求項５記載のローター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【従来の技術】
本願発明はガスタービン・エンジンに関し、更に具体的にはそのタービン・ローターに関する。
ガスタービン・エンジンは空気を圧縮して燃焼器へ流す圧縮機を含み、燃焼器で高温燃焼ガスを発生するために空気は燃料と混合され、点火される。圧縮機に動力を供給し、且つ有用な仕事をするために、エネルギを抽出する一つ又は複数のタービンを通って燃焼ガスが下流へ流れる。タービン段は、高温燃焼ガスが流れる静止タービン・ノズルと回転するタービン・ローターとを含む。燃焼ガスのかなりの高温からタービン構成要素を適当に冷却するため、ノズルの静翼及びローターの動翼は、それを通して圧縮機から抽出した空気の一部を流すために普通は中空である。
【０００２】
典型的なタービン・ローターはその周囲に軸方向差込みダブテール・スロットを有するローター・ディスクを含み、スロットは対応するディスク支柱を画定する。ダブテール・スロットはタービン動翼の対応する軸方向ダブテールを受入れ、動翼はディスク支柱により半径方向に保持される。動翼はそれぞれエアフォイル部分とダブテールとの間に一体のプラットフォームも含み、複数のプラットフォームは共同で隣合う動翼のエアフォイル間を軸方向に流れる燃焼ガスに対する半径方向内側流路境界を画定する。環状シュラウドがエアフォイルを囲み、燃焼ガスに対する半径方向外側流路境界を与える。従って、個々のエアフォイル及び一体のプラットフォームの半径方向外側の表面は高温燃焼ガスに直接曝され、それにより加熱される。運転中のタービン動翼の有効な有用寿命を確実にするために、それらは典型的には、高温で適当な強度を有する従来のコバルト或いはニッケル基超合金から作られる。更に、エアフォイル部分を従来のガス不透過性周囲皮膜で被覆して、動翼材料を高温燃焼ガスの悪影響から保護して、運転中の不所望の酸化からエアフォイル表面を保護することができる。燃焼ガスの高温に対して断熱を与えるために、エアフォイルは、ガス透過性断熱皮膜（ＴＢＣ：ｔｈｅｒｍａｌ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｃｏａｔｉｎｇ）で更に被覆することもできる。この方法で、高温燃焼ガスに直接曝されるエアフォイルを所望ならばＴＢＣ及び周囲皮膜を用いて高温ガスから更に保護することができる。
【０００３】
しかし、タービン・エアフォイル及び一体のプラットフォームはそれでもかなりの高温で動作し、エアフォイル自体の内部冷却及び隣接構成要素の適当な熱保護を必要とする。例えば、一体の動翼プラットフォームがローター・ディスクの上で直接の熱遮蔽となりローター・ディスクの燃焼ガスによる接触を防ぐようにして、タービン動翼をローター・ディスクに装着する。タービン・エアフォイルに流される冷却空気はタービン・ローター内のダブテール・スロットを通して供給され、冷却空気はダブテール・スロット領域のタービン・ローターを冷却するのにも効果がある。ディスク支柱と動翼のプラットフォームの下側にあるディスク支柱空所内に、その空所を通してパージ空気と言われる抽出された別のガスが流される。
【０００４】
それにもかかわらず、ローター・ディスク自体は個々のタービン動翼を通して半径方向内側に運ばれる熱からの伝導によって加熱される。それは、ディスク支柱空所内に流される比較的高温のパージ空気からの対流によっても加熱される。そして、それは更に、動翼のプラットフォームの下側からの放射によって加熱される。タービン・ディスクは運転中タービン動翼によって生じるかなりの遠心負荷を有する回転する構成要素であるから、それは高温で適切な強度を有していなければならない。普通の超合金が、その強度が高温で高められるためにローター・ディスクに用いられる。それにもかかわらず、ダブーテール・スロットを画定するディスク支柱と個々のタングは、高温で時間経過とともにクリープ変形を受け、ローター・ディスクの有用な寿命を減らす。
【０００５】
従って、より費用がかかる比較的高温に耐える超合金或いは構成要素のかなりの再設計を必要とすることなく、タービン・ローター・ディスクの強度を更に改善することが望まれる。一体に接合したプラットフォームを有する従来のタービン動翼が、シーリングの要請及びその構成要素が最小であるコスト的に効果的で、効率的な構造及び空気力学的な形状に発達してきた。従って、従来の設計に大きな影響を与えることなく、また、疲労及びクリープ強度を含むタービン強度に悪影響を与えることなく、高温運転用のタービン・ローターを更に改良することが望まれる。
【０００６】
【本願発明の概要】
タービン・ローターが、ダブテール・スロット間にそれぞれディスク支柱を画定するような複数のダブテール・スロットを有するローター・ディスクを含んでいる。各支柱は頂部ランド及びその下側に半径方向に間隔を置かれ隣接スロット間の内にある複数のタングを有する。動翼を半径方向に支持するために、それぞれダブテールを有する複数のタービン動翼がそれぞれのダブテール・スロット内に装着される。プラットフォームがダブテールと一体に結合され、円周方向に延在し、隣りのプラットフォームと隣合って半径方向内側流路を画定する。エアフォイルはプラットフォームと一体的にそれから延在し、その上を流れる燃焼ガスからエネルギを抽出する。プラットフォームとディスク支柱間の断熱を与えてディスク支柱温度を減少するために、断熱皮膜がディスク支柱頂部ランドのそれぞれに固着される。
【０００７】
好適及び例示的実施例に従って本願発明及び他の目的及び利点は添付の図面と共により具体的に記載されている。
【０００８】
【好適実施例の説明】
図１は航空機ガスタービン・エンジンの高圧タービンの例示的実施例である。このタービンは、縦軸即ち軸方向中心軸１６の周りに互いに円周方向に間隔をおいて配置された複数の従来の静翼１４を有する環状タービン・ノズル１２を含む。ノズル１２は従来の燃焼器（図示せず）の直ぐ下流に配置されて、そこから高温燃焼ガス１８を受ける。
【０００９】
タービン・ノズル１２の直ぐ下流に本願発明の例示的実施例によるタービン・ローター２０が配置される。タービン・ローター２０は中心軸１６の周りにノズル１２と同軸に配置されたローター・ディスク２２を含む。ディスク２２は軸方向に延在し円周方向に離隔された複数のダブテール・スロット２４を有し、更に、ダブテール・スロット２４は図２の端面図に示されている。
【００１０】
隣接するダブテール・スロット２４はその間にそれぞれ半径方向に延在するディスク支柱２６を画定する。各支柱２６は半径方向外側頂部ランド２６ａ有し、ランド２６ａは溝から溝まで円周方向に延在し、且つ、ディスク２２の前端から後端まで軸方向全体に延在している。各ディスク支柱２６は両側に延在する複数の支持タング２６ｂを有し、支持タング２６ｂはランド２６ａから下で半径方向に隔てられていて隣接するダブテール・スロット２４内にある。
【００１１】
ローター２０はまた複数のタービン動翼２８を含み、各動翼は動翼２８を半径方向に支持するために、ダブテール・スロット２４ａのそれぞれの一つのスロットに装着される軸方向差込みダブーテール２８ａを有する。図１に示すように、環状前部動翼リテーナ３０がディスク２２の前面及びダブーテール２８ａに従来のバヨネット固定機構で適当に強固に装着され、そしてダブーテールをディスク２２内に軸方向に保持するために、従来の環状後部動翼リテーナ３２がディスク２２とダブーテール２８ａの後面間に結合される。
【００１２】
更に、動翼２８はそれぞれダブーテール２８ａと一体に配置されたプラットフォーム２８ｂを含み、プラットフォーム２８ｂは円周方向両側に延在して隣り合うプラットフォーム２８ｂと隣接して、その間に図２に示すように比較的狭い間隙を形成する。円周方向に隣接するプラットフォーム２８ｂは共同で半径方向内側流路或いは境界を画定し、その境界の上を運転中に燃焼ガス１８が流れる。動翼２８はまたエアフォイル２８ｃを含み、エアフォイル２８ｃはその上を流れる燃焼ガス１８からエネルギを引出すためにプラットフォーム２８ｂと一体に配置されている。
【００１３】
動翼２８はそれぞれダブーテール２８ａ、プラットフォーム２８ｂ、エアフォイル２８ｃからなる一片の集成体であるのが好ましく、隣合うプラットフォーム２８ｂは頂部ランド２６ａの上で互いに隣接してその間に比較的狭い間隙を提供する。従来のスプライン・ダンパ・シール３３がそのプラットフォーム間の間隙の所で隣接するプラットフォーム２８ｂを跨いで漏洩をシールし、且つ、摩擦制動を与える。
【００１４】
図１に示すように、燃焼ガス１８に対する半径方向外側流路或いは境界を画定するために、従来の環状シュラウド３４がエアフォイル２８ｃの半径方向外方に配置され、タービン・ノズル１２と結合している。
ダブーテール２８ａ及びダブテール支持ディスク支柱２６を適切な形状として、タービン・ディスク２２及びタービン動翼２８は従来の任意の形にすることができる。運転中、回転する動翼２８は遠心力を生じ、これはダブーテール２８ａにより隣接のディスク支柱２６に伝達され、それから、環状ローター・ディスク２２の他の部分に伝達される。従って、ローター・ディスク２２、特に、ディスク支柱２６は運転中にかなりの遠心荷重と対応する遠心応力を受ける。遠心荷重をディスク支柱２６に伝達するためにディスク支柱２６の個々のタング２６ｂは、ダブテール２８ａの相補的なタングと係合するので、従って、タング２６ｂも運転中に高応力を受ける。
【００１５】
ローター・ディスク２２は燃焼ガス１８の加熱効果により高温で運転するので、有用な寿命を得るために、高温で許容される強度をもたらす適当な金属で形成しなければならない。例えば、ディスク２２は高温強度を有する従来のコバルト或いはニッケル基超合金で形成することができる。例示の実施例では、ディスク支柱２６を含むローター・ディスク２２の周囲は約６５０℃より高い定常状態温度を達成することがあり、したがって、その材料はそのような高温で、クリープ強さを含め適当な高強度の能力を有していなければならない。ディスク２２の有用な寿命を限定することになるであろう全体的な支柱の成長及び局所的なタングの屈折の形式の過剰クリープを防ぐのに、適当なクリープ強さが要求される。
【００１６】
図１及び２に示す本願発明の一実施例によれば、断熱皮膜（ＴＢＣ）３６、或いは断熱材、がプラットフォーム２８ｂの下側とディスク支柱２６の頂部との間に熱遮蔽或いは断熱をもたらすために、ディスク支柱頂部ランド２６ａのそれぞれに適当に強固に接合される。好適実施例では、ディスク２２及び動翼２８は共に従来のニッケル或いはコバルト基超合金であり、皮膜３６はプラズマ溶射を含む従来の方法を用いて、頂部ランド２６ａの外側表面に適当に接合される。例示の皮膜はイットリア安定化ジルコニアである。それは、例えば約２５ミルまでの適当な厚さの比較的薄い膜にプラズマ溶着することができる。そして、それは、例えば、約１ＢＴＵ／Ｈｒ−ｆｔ−°Ｆの熱伝導度をもたらす。効果的な断熱をもたらす断熱皮膜は空気或いはガス透過性、即ち、多孔性である。これは従来の空気及びガス不透過の周囲皮膜で、それが付着される元の即ち基材の酸化を防ぐためのものとは対照的である。
【００１７】
タービン・ディスク２２のような高い応力がかかる金属構成要素に付加される皮膜はいずれも運転中に亀裂が生じることがあり、且つ、下側の基材に対する亀裂開始点となることがあるので、好ましくは、そのような皮膜は比較的低い引張り応力領域或いは圧縮応力領域にのみ用いるのが望ましい。
断熱皮膜は普通は砕けやすく、且つ、ローター・ディスク２２の母材金属の延性よりもかなり低い。従って、それらが熱衝撃或いは高引張り応力を受ける領域に付加されると、それらに亀裂が生じ、それにより、基材の疲労強度を望ましくなく低下させることになる。
【００１８】
本願発明の好適実施例によれば、運転中に比較的低い応力を受けるローター・ディスク２２のディスク支柱２６の頂上の頂部ランド２６ａにのみ皮膜３６が付加或いは付着され、これにより、タービン・ローター２０自体の疲労寿命の劣化を減少させる。図２及び３に示すように、皮膜３６は好ましくはスロットからスロットまで円周方向に、ディスク２２の前部及び後部端の間を軸方向に、頂部ランド２６ａを全体を覆って延在する。ダブーテール２８ａの上の動翼のシャンクは隣接ディスク支柱２６間のダブテール・スロット２４を占めるので、半径方向上方に面するローター・ディスク２２の露出される全外側表面が皮膜３６によって被覆されるのが好ましい。
【００１９】
図２に示すように、動翼のプラットフォーム２８ｂは燃焼ガス１８とローター・ディスク２２との間に直接の遮蔽をもたらすが、プラットフォーム２８ｂ自体は高温に加熱され、ディスク２２に向って半径方向内側に熱を放射する。ディスク支柱２６の頂部に付着された断熱皮膜３６はこれによりプラットフォーム２８ｂからの放射に対して効果的な絶縁をもたらし、ディスク支柱２６に入る熱を減少する。
【００２０】
図２に示す好適実施例では、プラットフォーム２８ｂは頂部ランド２６ａの上で半径方向に離隔していてその間にそれぞれディスク支柱空所３８を画定する。そして、図１に示すように、運転中にパージ空気４０ａを空所３８を通して流す従来の手段が設けられる。パージ空気４０ａはエンジンの圧縮機（図示せず）から抽出した空気の一部とし、前部動翼のリテーナ３０の外面に沿って流すようにしてもよい。パージ空気４０ａはプラットフォーム２８ｂの下の動翼２８の前端から軸方向に入り、ディスク支柱空所３８を通して流れる。前部動翼リテーナ３０は運転中回転するから、それは圧縮機抽出空気を加熱し、次にディスク支柱空所３８を通して流れるパージ空気４０ａを加熱する。従って、パージ空気は好ましくない対流熱伝達をディスク支柱２６へもたらすが、これは間に挿入された皮膜３６によってかなり減少される。
【００２１】
タービン動翼２８は一片の金属構造であるので、それを通して半径方向内側への熱伝導は、ディスク支柱２６を通してタービン・ディスク２２へ熱を伝える。従って、冷却空気４０ｂをダブテール・スロット２４に通して、次に動翼２８の内側に流して、特に個々の動翼２８を冷却する適当な手段、及び、過渡運転期間と同様に定常状態運転期間に皮膜３６の効果的な性能を確実にするためにディスク支柱２６を皮膜３６の半径方向内側で冷却するヒートシンクとなる手段も設けられる。
【００２２】
具体的には図１及び２に示すように、動翼２８はそれぞれ、内部に従来の形状でよい冷却路４２を含む。冷却路４２はそれの冷却空気入力口となるダブテール２８ａの底から延在する通路を含み、通路はダブテール２８ａ、プラットフォーム２８ｂ及び個々のエアフォイル２８ｃを貫通して上方に延在する。冷却空気４０ｂは圧縮機から適当に抽出され、環状前部動翼リテーナ３０の内部に流され、リテーナとローター・ディスク２２との間を半径方向上方へ流れる。冷却空気４０ｂはバヨネット取付け具の間を適当に流され、ダブテール・スロット２４の底の前端から軸方向へ入る。そこから個々のダブテール２８ｃの底へ入り、その効果的な冷却をもたらすために半径方向上方へ向ってエアフォイル２８ｃへ流れこむ。
【００２３】
図２に示すように、冷却空気４０ｂは個々のディスク支柱２６の両側のダブテール・スロット２４に入る。従って、この冷却空気４０ｂは個々のディスク支柱２６の底から熱を取去るための効果的なヒートシンクを提供する。このようにして、過渡運転期間も定常状態運転期間も共に、運転期間にディスク支柱２６の温度を下げるために、ディスク支柱２６の頂部の皮膜３６は冷却空気４０ｂによって提供されるヒートシンクと一緒に働く。ディスク支柱２６の定常状態運転温度を下げるのを確実にするため、皮膜３６はディスク支柱２６への熱の入力を制限し、冷却空気４０ｂは熱をディスク支柱２６から除去するのに有効である。皮膜３６がない場合に有するであろう温度よりも低い温度でディスク支柱２６をこのように動作させることにより、クリープ強度及び従ってタービン・ディスク２２のクリープ寿命を従って増加させる。
【００２４】
ディスク支柱２６の頂部の皮膜の特定の且つ限定した使用は、燃焼ガス１８によって加熱される動翼のプラットフォーム２８ｂ及びエアフォイル２８ｃの厳しい熱環境からタービン・ディスク２２を更に保護するために効果的な熱遮蔽をもたらす。過渡運転期間も定常状態運転期間も共に、タービン・ディスク２２のクリープ寿命を改良するディスク支柱金属温度のかなりの減少がなされた。
【００２５】
代わりに、効率改善のためにタービン１０を更に高温で動作させることができるが、比較的費用が嵩みより高温に耐えるディスク材料に費用のかかる変更をすることがない。皮膜３６は比較的薄い被覆、対応して低重量、低容積、並びに低コストでディスク支柱２６の頂部にだけ選択的に付着される。それは従来のタービンの設計と調和し、且つ、追加の構成要素或いは大きな再設計を必要としない。皮膜はディスク支柱２６の低ストレス領域に付加されるので、タービン・ディスク２２の疲労寿命は皮膜３６の脆い性質によって著しく悪化することはない。
【００２６】
本発明の好適且つ典型的実施例と考えられるものについて説明したが、本発明の他の改変はここに教示したことから当業者に明らかであり、従って、そのような改変は全て本発明の思想及び範囲に在るものとして、特許請求の範囲で保証されることを要望する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ローター・ディスクに装着されたタービン動翼のダブテールを含む本発明の例示的実施例による、例示的高圧タービン・ローターの部分断面軸方向立面図。
【図２】ローター・ディスクに装着された図１に示す隣合うタービン動翼を線２−２に沿って取り、後部側を見る半径方向端面図。
【図３】線３−３に沿って取った図２に示すローター・ディスク上の動翼の一部分を通る一部断面上面図。
【符号の説明】
１０：高圧タービン
１２：環状タービン・ノズル
１８：高温燃焼ガス
２０：タービン・ローター
２４：ダブテール・スロット
２６：ディスク支柱
２６ａ：頂部ランド
２６ｂ：タング
２８ａ：ダブテール
２８ｂ：プラットフォーム
２８ｃ：エアフォイル
３６：断熱皮膜
【図１】
0004162281.tif 000002
【図２】
0004162281.tif 000003
【図３】
0004162281.tif 000004