(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン（１０）用の翼形部（４２）であって、
前縁（４８）と、
後縁（５０）と、
先端プレート（５４）と、
翼形部根元と前記先端プレートの間の半径方向スパンで延びる第１側壁（４４）と、
前記前縁と前記後縁で前記第１側壁に接続し、かつ前記翼形部根元と前記先端プレートの間の半径方向スパンで延びる第２側壁（４６）と、
前記第１側壁に沿って前記先端プレートから半径方向外方に延びる第１先端壁（６２）と、
前記第２側壁に沿って前記先端プレートから半径方向外方に延び、かつ前記後縁で前記第１先端壁に接続する第２先端壁（６４）と、
前記翼形部前縁に沿って前記第１先端壁と前記第２先端壁の間に延びる切欠き（８０）と、
を含み、前記切欠き（８０）は、
前記第１及び第２先端壁（６２、６４）並びに先端プレート（５４）により形成される上端開放の先端空洞（７０）に入る空気流を前記第１先端壁（６２）に向けて流す、該第１先端壁から前記後縁に向け湾曲して延びる案内壁（２１０）を備え、該案内壁が前記切欠き（８０）の湾曲した入り口を形成している
ことを特徴とする翼形部（４２）。
【請求項２】
前記第２先端壁（６４）は、前記第２側壁（４６）から少なくとも部分的に内方にへこまされて、第１先端棚部（９０）を形成していることを特徴とする、請求項１に記載の翼形部（４２）。
【請求項３】
前記第１先端壁（６２）及び前記第２先端壁（６４）は、高さがほぼ等しいことを特徴とする、請求項１に記載の翼形部（４２）。
【請求項４】
前記第１先端壁（６２）は、前記先端プレート（５４）から第１の距離（６６）だけ延び、前記第２先端壁（６４）は、前記先端プレートから第２の距離（７４）だけ延びていることを特徴とする、請求項１に記載の翼形部（４２）。
【請求項５】
複数のロータブレード（４０、１２０、２００）を含むガスタービンエンジン（１０）であって、
前記ロータブレードの各々は、前縁（４８）、後縁（５０）、第１側壁（４４）、第２側壁（４６）、第１先端壁（６２）、第２先端壁（６４）、及び切欠き（８０）を含む翼形部（４２）を含んでおり、
前記翼形部第１及び第２側壁は、軸方向に前記前縁及び後縁で接続され、かつ翼根元から前記先端プレート（５４）まで半径方向に延びており、
前記第１先端壁は、前記第１側壁に沿って前記先端プレートから半径方向外方に延びており、
前記第２先端壁は、前記第２側壁に沿って前記先端プレートから半径方向外方に延びており、
前記切欠きは、前記第１先端壁と前記第２先端壁の間で前記翼形部前縁に沿って前記先端プレートから延びており、前記切欠き（８０）は、
前記第１及び第２先端壁（６２、６４）並びに先端プレート（５４）により形成される上端開放の先端空洞（７０）に入る空気流を前記第１先端壁（６２）に向けて流す、該第１先端壁から前記後縁に向け湾曲して延びる案内壁（２１０）を備え、該案内壁が前記切欠き（８０）の湾曲した入り口を形成している
ことを特徴とするガスタービンエンジン（１０）。
【請求項６】
前記ロータブレード翼形部第１側壁（４４）は凸面形であり、前記ロータブレード翼形部第２側壁（４６）は凹面形であることを特徴とする、請求項５に記載のガスタービンエンジン（１０）。
【請求項７】
前記第２先端壁（６４）は、前記第２側壁（４６）から少なくとも部分的に内方にへこまされて、第１先端棚部（９０）を形成していることを特徴とする、請求項５又は６に記載のガスタービンエンジン（１０）。
【請求項８】
前記第１先端壁（６２）及び前記第２先端壁（６４）は、高さがほぼ等しいことを特徴とする、請求項５乃至７のいずれか１項に記載のガスタービンエンジン（１０）。
【請求項９】
前記第１先端壁（６２）は、前記先端プレート（５４）から第１の距離（６６）だけ延び、前記第２先端壁（６４）は、前記先端プレートから第２の距離（７４）だけ延びていることを特徴とする、請求項５乃至８のいずれか１項にに記載のガスタービンエンジン（１０）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本出願は、一般的にガスタービンエンジンのロータブレードに関し、より具体的には、ロータブレード先端温度を低下させるための方法及び装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
ガスタービンエンジンのロータブレードは、一般的に、前縁及び後縁、正圧側面、並びに負圧側面を有する翼形部を含む。正圧側面及び負圧側面は、翼形部前縁及び後縁で接続され、かつ翼形部根元と先端の間を半径方向スパンで延びる。翼形部先端と固定ステータ構成部品との間の燃焼ガスの漏洩を減少させるのを促進するために、翼形部は、翼形部先端から半径方向外方に延びる先端領域を含む。
【０００３】
翼形部先端領域は、翼形部前縁から後縁まで延びる第１先端壁、及び翼形部前縁からまた延びて翼形部後縁で第１先端壁に接続する第２先端壁を含む。先端領域は、ロータブレードがステータ構成部品と擦れ合う場合に翼形部に対する損傷を防止する。
【０００４】
運転中に、回転するロータブレードに衝突する燃焼ガスは、ブレード翼形部及び先端領域中に熱を伝達する。時の経過とともに、より高温での継続運転により、翼形部先端領域に熱疲労を生じる可能性がある。翼形部先端領域の作動温度を低下させるのを促進するために、少なくとも一部の既知のロータブレードは、より低温の燃焼ガスが先端領域を通って流れることができるように先端壁内にスロットを備える。
【０００５】
ロータブレード先端に対する熱疲労を最小にするのを促進するために、少なくとも一部の既知のロータブレードは、先端領域に隣接する棚部を含み、先端領域の作動温度を低下させるのに役立てる。棚部は、翼形部の正圧側面内に形成され、ロータブレードが回転するとき燃焼ガス流れを乱して、それによって冷却空気のフィルム層が翼形部の正圧側面に対して形成されることを可能にする。フィルム層は、より高温の燃焼ガスから翼を隔離する。
【特許文献１】
特開２０００−２９７６０３号公報
【０００６】
【発明の概要】
例示的な実施形態において、ガスタービンエンジン用のロータブレードは、タービンエンジンの空力的効率を犠牲にすることなく、ロータブレードの作動温度を低下させるのを促進する先端領域を含む。先端領域は、翼形部先端プレートから半径方向外方に延びる第１先端壁及び第２先端壁を含む。第１先端壁は、翼形部の前縁付近から翼形部の後縁まで延びる。第２先端壁はまた、翼形部前縁付近から延び、翼形部後縁で第１先端壁と接続し、上端開放の先端空洞を形成する。第２先端壁の少なくとも１部分がへこまされて先端棚部を形成する。切欠きが、先端プレートから延び、翼形部前縁において第1と第２先端壁の間に形成される。切欠きは先端空洞と流体連通している。
【０００７】
運転中に、ロータブレードが回転すると、各ロータブレード前縁近くのより高温の燃焼ガスは翼形部先端領域に移動する。先端壁が翼形部から延びているので、ロータブレードと固定構造構成部品との間に狭い間隙が形成され、そこを通しての燃焼ガスの漏洩を減少させるのに役立つ。固定構造構成部品とロータブレードとの間に擦れ合いが起こる場合、先端壁が構成部品と接触し翼形部は完全なままに保たれる。ロータブレードが回転すると、前縁近くのより低い温度の燃焼ガスが切欠きを通して流れ、より低温のガス温度を先端空洞中に生じる。ロータブレードの正圧側面上の燃焼ガスはまた、先端領域棚部を越えて流れ、冷却空気と混合する。その結果、切欠き及び棚部は、先端領域内のロータブレードの作動温度を低下させるのに役立つが、余分の冷却空気を消費することはなく、従ってタービン効率が向上する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、ファン組立体１２、高圧圧縮機１４、及び燃焼器１６を含むガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０はまた、高圧タービン１８、低圧タービン２０、及びブースタ２２を含む。ファン組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外方に延びるファンブレード２４の列を含む。エンジン１０は、吸気側２８および排気側３０を有する。
【０００９】
運転中は、空気はファン組立体１２を通って流れ、加圧された空気が高圧圧縮機１４に供給される。高度に加圧された空気は、燃焼器１６に送られる。燃焼器１６からの空気流（図１には示さず）は、タービン１８及び２０を駆動し、またタービン２０はファン組立体１２を駆動する。
【００１０】
図２は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）のようなガスタービンエンジンに用いることができるロータブレード４０の部分斜視図である。１つの実施形態において、複数のロータブレード４０が、ガスタービンエンジン１０の高圧タービンロータブレード段（図示せず）を形成する。各ロータブレード４０は、中空の翼形部４２と、翼形部４２を既知の方法でロータディスク（図示せず）に取り付けるために用いられる一体のダブテール（図示せず）を含む。
【００１１】
翼形部４２は、第１側壁４４及び第２側壁４６を含む。第１側壁４４は、凸面形であり、翼形部４２の負圧側面を形成し、また第２側壁４６は、凹面形であり、翼形部４２の正圧側面を形成する。側壁４４及び４６は、翼形部４２の前縁４８と前縁４８から下流に位置する軸方向に間隔を置いて配置された後縁５０とにおいて結合される。
【００１２】
第１及び第２側壁４４及び４６は、それぞれ長手方向にすなわち半径方向外方に延びて、ダブテールに隣接して設置された翼根元（図示せず）から内部冷却チャンバ（図示せず）の半径方向外側の境界を形成する先端プレート５４までスパンで延びる。冷却チャンバは、側壁４４と４６の間で翼形部４２の内側に形成される。翼形部４２の内部冷却は当業界では周知である。１つの実施形態において、冷却チャンバは、圧縮機の抽出空気で冷却される曲がりくねった流路を含む。別の実施形態において、側壁４４及び４６は、側壁を貫通して延びる複数のフィルム冷却孔（図示せず）を含み、冷却チャンバの追加の冷却を促進する。さらに別の実施形態において、翼形部４２は、冷却空気を冷却チャンバから吐出するのに用いられる複数の後縁孔（図示せず）を含む。
【００１３】
翼形部４２の先端領域６０は、時としてスクイーラ先端として知られていて、翼形部４２と一体に形成された第１先端壁６２及び第２先端壁６４を含む。第１先端壁６２は、翼形部第１側壁４４に沿って翼形部前縁４８付近から翼形部後縁５０まで延びる。より具体的には、第１先端壁６２は、先端プレート５４から高さ６６だけ外端縁６５まで延びる。第１先端壁の高さ６６は、第１先端壁６２に沿ってほぼ一定である。
【００１４】
第２先端壁６４は、第２側壁４６に沿って翼形部前縁４８付近から延びて、翼形部後縁５０で第１先端壁６２に接続する。より具体的には、第２先端壁６４は、上端開放の先端空洞７０が、先端壁６２及び６４、並びに先端プレート５４で形成されるように、第１先端壁６２から横方向に間隔を置いて配置される。第２先端壁６４はまた、先端プレート５４から外端縁７２まで高さ７４だけ半径方向外方に向かって延びている。例示的な実施形態において、第２先端壁の高さ７４は、第１先端壁の高さ６６と等しい。もしくは、第２先端壁の高さ７４は、第１先端壁の高さ６６と等しくない。
【００１５】
切欠き８０が、翼形部前縁４８に沿って第１先端壁６２と第２先端壁６４の間に形成される。より具体的には、切欠き８０は、第１先端壁６２と第２先端壁６４の間に延びる幅８２を有し、また先端プレート５４により形成される切欠き８０の底部８６とそれぞれ第１及び第２先端壁外端縁６５及び７２の間で測定される高さ８４を有する。
【００１６】
別の実施形態において、切欠き８０は、先端プレート５４からは延びておらず、代わりにそれぞれ第１及び第２先端壁外端縁６５及び７２から先端プレート５４に向けて切欠き高さ８４より小さい距離（図示せず）だけ延びており、従って、切欠き底部８６は、先端プレート５４から或る距離（図示せず）のところにある。さらに別の実施形態において、第２先端壁６４は、翼形部後縁５０で第１先端壁６２に接続されず、翼形部後縁５０において開口（図示せず）が第１先端壁６２と第２先端壁６４の間に形成される。
【００１７】
切欠き８０は、上端開放の先端空洞７０と流体連通しており、より低温の燃焼ガスが低温加熱の目的のために空洞７０に入ることが可能になる。１つの実施形態において、切欠き８０はまた、上端開放の先端空洞７０に入る流れを第２先端壁６４に向けて流すのに用いられる案内壁（図２には示さず）を含む。より具体的には、案内壁は、切欠き８０から翼形部後縁５０に向けて延びている。
【００１８】
第２先端壁６４は、少なくとも部分的に翼形部第２側壁４６から凹まされる。より具体的には、第２先端壁６４は、翼形部第２側壁４６から第１先端壁６２の方向にへこまされて、全体的に翼形部前縁４８と後縁５０の間で延びる半径方向外方に面する第１先端棚部９０を形成する。より具体的には、棚部９０は、前端縁９４及び後端縁９６を含む。前端縁９４及び後端縁９６はそれぞれ先細になっており、第２側壁４６と同一平面になる。棚部前端縁９４は、距離９８だけ翼形部前縁４８の下流に位置し、また棚部後端縁９６は、距離１００だけ翼形部後縁５０の上流に位置する。
【００１９】
凹まされた第２先端壁６４と棚部９０は、その間にほぼL字形のトラフ１０２を形成する。例示的な実施形態においては、先端プレート５４は、全体的に無孔であり、先端棚部９０における先端プレート５４を貫通して延びる複数の孔１０６を含むのみである。孔１０６は、棚部９０に沿って軸方向に間隔を置いて配置され、トラフ１０２と翼形部の内部冷却チャンバとの間を流体連通している。１つの実施形態において、先端領域６０及び翼形部４２は、断熱コーティングで被覆される。
【００２０】
運転中、スクイーラ先端壁６２及び６４は、通常の固定ステータシュラウド（図示せず）の直近に配置され、その間に狭い間隙（図示せず）を形成して、それを通しての燃焼ガスの漏洩を減少させるのを促進する。先端壁６２及び６４は、翼形部４２から半径方向外方に延びている。従って、ロータブレード４０とステータシュラウドの間に擦り合いが起こる場合、先端壁６２及び６４のみがシュラウドに接触し、翼形部４２は完全なままに保たれる。
【００２１】
燃焼ガスは、タービン流路を通って流れる放物線状の形態を呈するので、タービンブレード先端領域の前縁４８近くの燃焼ガスは、タービンブレード先端領域の後縁５０近くのガスより低温状態にある。より冷たい燃焼ガスが切欠き８０中に流れ込むので、先端領域６０の熱負荷は減少する。より具体的には、切欠き８０中に流れ込む燃焼ガスは、ロータブレード正圧側面４６から先端間隙を通してロータブレード負圧側面４４に漏れるガスに比べて、より高圧かつ低い温度の状態にある。その結果、切欠き８０は、先端領域６０内の作動温度を低下させるのに役立つ。
【００２２】
さらに、燃焼ガスが翼形部第１先端棚部９０を越えて流れるとき、トラフ１０２によりもたらされる翼形部正圧側面４６中の不連続部分が、燃焼ガスを翼形部第２側壁４６から剥離させるので、その熱伝達の低下を促進する。その上に、トラフ１０２は、冷却空気が蓄積して側壁４６に対するフィルムを形成する領域をもたらす。第１先端棚部孔１０６は、翼形部内部冷却チャンバから冷却空気を吐出して、先端領域６０上にフィルム冷却層を形成する。ブレードが回転するために、ブレードのピッチ線（図示せず）近くの前縁４８におけるロータブレード４０の外側の燃焼ガスは、第２側壁４６に沿って後縁５０近くの翼形部先端領域６０に向かって半径方向の流れになって移動するので、前縁先端作動温度は、後縁先端作動温度より低くなる。第１先端棚部９０は、移動する半径方向の流れの中で後ろ向きの段部として機能して、側壁４６に対して蓄積された冷却空気のフィルムを遮蔽する。その結果、棚部９０は、フィルムの冷却効率を向上させ側壁４６の作動温度を低下させるのに役立つ。
【００２３】
図３は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）のようなガスタービンエンジンに用いることができるロータブレード１２０の別の実施形態の断面図である。ロータブレード１２０は、図２に示すロータブレード４０とほぼ類似しており、ロータブレード４０の構成部品と同一であるロータブレード１２０中の構成部品は、図２で用いた同じ参照符号を用いて図３で特定されている。従って、ロータブレード１２０は、翼形部４２（図２に示す）、それぞれ前縁４８と後縁５０の間に延びる側壁４４及び４６（図２に示す）、並びに切欠き８０を含む。さらに、ロータブレード１２０は、第２先端壁６４及び第１先端棚部９０を含む。その上に、ロータブレード１２０は第１先端壁１２２を含む。切欠き８０は、それぞれ第１先端壁１２２と第２先端壁６４との間に形成される。
【００２４】
第１先端壁１２２は、第１側壁４４に沿って翼形部前縁４８付近から延びて、翼形部後縁５０で第２先端壁６４に接続する。より具体的には、第１先端壁１２２は、第２先端壁６４から横方向に間隔を置いて配置されて、上端開放の先端空洞７０を形成する。第１先端壁１２２はまた、先端プレート５４から外端縁１２６まで半径方向外方に或る高さ（図示せず）だけ延びる。例示的な実施形態において、第１先端壁の高さは、第２先端壁の高さ７４に等しい。もしくは、第１先端壁の高さは、第２先端壁の高さ７４に等しくない。
【００２５】
第１先端壁１２２は、翼形部第１側壁４４から少なくとも部分的に凹まされる。より具体的には、第１先端壁１２２は、翼形部第１側壁４４から第２先端壁６４の方向にへこまされて、全体的に翼形部前縁４８と後縁５０の間で延びる半径方向外方に面する第２先端棚部１３０を形成する。より具体的には、棚部１３０は、前端縁１３４及び後端縁１３６を含む。前端縁１３４及び後端縁１３６は、それぞれ先細になっており、第１側壁４４と同じ平面になる。棚部前端縁１３４は、距離１３８だけ翼形部前縁４８の下流に位置し、また棚部後端縁１３６は、距離１４０だけ翼形部後縁５０の上流に位置する。
【００２６】
凹まされた第１先端壁１２２と第２先端棚部１３０は、その間にほぼＬ字形のトラフ１４４を形成する。例示的な実施形態においては、先端プレート５４は、全体的に無孔であり、第１先端棚部９０における先端プレート５４を貫通して延びる複数の孔１０６を、また第２先端棚部１３０における先端プレート５４を貫通して延びる複数の孔１４６を含む。孔１４６は、第２先端棚部１３０に沿って軸方向に間隔を置いて配置され、トラフ１４４と翼形部内部冷却チャンバの間を流体連通している。１つの実施形態において、先端領域６０及び翼形部４２は、断熱コーティングで被覆される。
【００２７】
運転中は、スクイーラ先端壁１２２及び６４は、通常の固定ステータシュラウド（図示せず）の直近に配置され、その間に狭い間隙（図示せず）を形成して、それを通しての燃焼ガスの漏洩を減少させるのを促進する。先端壁１２２は、上述の先端壁６２と同様に機能し、翼形部４２から半径方向外方に延びる。従って、ロータブレード４０とステータシュラウドの間に擦り合いが起こる場合、先端壁１２２及び６４のみがシュラウドと接触し、翼形部４２は完全なままに保たれる。
【００２８】
さらに、ロータブレード４０が回転して燃焼ガスが翼形部先端棚部９０及び１３０を越えて流れるとき、トラフ１０２及び１４４によりそれぞれもたらされる翼形部正圧側面４６及び翼形部負圧側面４４それぞれの不連続部分が、燃焼ガスを翼形部側壁４６及び４４それぞれから剥離させるので、その熱伝達の低下を促進する。トラフ１４４は、トラフ１０２と同様に機能して、フィルム冷却循環を促進する。
【００２９】
図４は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）のようなガスタービンエンジンに用いることができるロータブレード２００の別の実施形態の部分斜視図である。ロータブレード２００は、図２に示すロータブレード４０とほぼ類似しており、ロータブレード４０の構成部品と同一であるロータブレード２００中の構成部品は、図２で用いた同じ参照符号を用いて図４で特定されている。従って、ロータブレード２００は、翼形部４２、それぞれ前縁４８と後縁５０の間に延びる側壁４４及び４６、並びに切欠き８０を含む。さらに、ロータブレード２００は、第１先端壁６２、切欠き８０、及び第２先端壁２０２を含む。切欠き８０は、それぞれ第１先端壁６２と第２先端壁２０２の間に形成される。
【００３０】
第２先端壁２０２は、翼形部第２側壁４６に沿って翼形部前縁４８付近から翼形部後縁５０まで延びる。より具体的には、第２先端壁２０２は、先端プレート５４から外端縁２０４まで或る高さ（図示せず）だけ延びる。第２先端壁の高さは、第２先端壁２０２に沿ってほぼ一定である。第２先端壁２０２は、第１先端壁６２から横方向に間隔を置いて配置されて、上端開放の先端空洞７０を形成する。例示的な実施形態において、第２先端壁の高さは、第１先端壁の高さ６６に等しい。もしくは、第２先端壁の高さは、第１先端壁の高さ６６に等しくしない。
【００３１】
切欠き８０は、第１先端壁６２から翼形部後縁に向けて延びる案内壁２１０を含む。より具体的には、案内壁２１０は、第１先端壁６２から湾曲して延びて切欠き８０のための湾曲した入口２１２を形成する。案内壁２１０は、上端開放の先端空洞７０に入る空気流を第１先端壁６２に向けて流すように選ばれた長さ２１４を有する。
【００３２】
上述のロータブレードは、対費用効果が良くかつ非常に信頼性がある。ロータブレードは、第１及び第２先端壁の前縁の間に形成された前縁切欠きを含む。先端壁は、ロータブレードの後縁で接続されて先端空洞を形成する。例示的な実施形態において、先端壁の１つは、へこまされて先端棚部を形成する。運転中に、ロータブレードが回転すると、先端壁は、ロータブレードが固定構造部材と擦り合うのを防止する。燃焼ガスがロータブレードを越えて流れるとき、ロータブレード切欠きは、冷却空気の所要量を増大させたり、ロータブレードの空力的効率を犠牲にしたりすることなく、先端空洞の加熱を低減するのに役立つ。さらに、先端棚部は、翼形部を越えて流れる燃焼ガスを乱し、冷却層が棚部に対して形成されるのを促進する。その結果、ロータブレード内部のより低温の作動温度により、対費用効果が良くかつ信頼性のある方法でロータブレードの有効寿命を延ばすことができる。
【００３３】
本発明を、様々な特定の実施形態について説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変形形態で実施可能であることは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ガスタービンエンジンの概略図。
【図２】  図１に示すガスタービンエンジンに用いることができるロータブレードの部分斜視図。
【図３】  図２に示すロータブレードの別の実施形態の断面図。
【図４】  図１に示すガスタービンエンジンに用いることができるロータブレードのさらに別の実施形態の部分斜視図。
【符号の説明】
４２  翼形部
４４  第１側壁
４６  第２側壁
４８  前縁
５０  後縁
５４  先端プレート
６０  先端領域
６２  第１先端壁
６４  第２先端壁
７０  上端開放の先端空洞
８０  切欠き
９０  先端棚部
１０２  トラフ
１０６  孔
【図１】
0004108336.tif 000002
【図２】
0004108336.tif 000003
【図３】
0004108336.tif 000004
【図４】
0004108336.tif 000005