(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
前縁（１８）および後縁（２０）にて結合される正圧側壁（１４）および負圧側壁（１６）によって形成された外壁（１２）を備える翼（１０）と、
第１半径方向端部におけるブレード先端部（３０）およびタービンブレード（１）を支持し、かつ前記タービンブレード（１）をディスクに連結するための前記第１半径方向端部と逆の第２半径方向端部における翼根元部（８）と、
を備えるタービンブレード（１）であって、
前記ブレード先端部（３０）が、
前記翼（１０）の前記外壁（１２）の上に配置された先端キャップ（３２）であって、正圧側縁（４４）および負圧側縁（４６）を備える先端キャップ（３２）と、
前記先端キャップ（３２）の前記負圧側縁（４６）に隣接する半径方向内側ステップによって形成されたノッチ（５０）であって、半径方向に延在するステップ壁（５２）および半径方向外側に面するランド（５４）によって画定されるノッチ（５０）と、
を備え、
前記ステップ壁（５２）は、前記先端キャップ（３２）の前記負圧側縁（４６）から前記ランド（５４）に半径方向内側に延在し、それによって前記ランド（５４）は、前記先端キャップ（３２）の半径方向外面（３２ｂ）に対して半径方向内側に位置し、
前記ノッチ（５０）は、前記前縁（１８）から前記後縁（２０）の方向に前記負圧側壁（１６）の少なくとも一部分に沿って延在し、
前記ノッチ（５０）が存在する部分は、前記先端キャップ（３２）から半径方向外側に延在するスキーラ先端壁を有しない、タービンブレード（１）。
【請求項２】
前記ランド（５４）は前縁（１８）の、または前記前縁（１８）近位の第１端部（５８）から、前記後縁（２０）の、または前記後縁（２０）近位の第２端部（６０）に延在し、前記ランド（５４）の横幅（Ｗ）は、前記第１端部（５８）から前記第２端部（６０）に向かって変化する、請求項１に記載のタービンブレード（１）。
【請求項３】
前記ランド（５４）の最小横幅は、前記第２端部（６０）に位置する、請求項２に記載のタービンブレード（１）。
【請求項４】
前記ランド（５４）の最大横幅は、前記第１端部（５８）および前記第２端部（６０）の間に位置する、請求項２または３に記載のタービンブレード（１）。
【請求項５】
前記ステップ壁（５２）は、前記ランド（５４）に直交する、請求項１に記載のタービンブレード（１）。
【請求項６】
前記ランド（５４）は、前記先端キャップ（３２）の前記半径方向外面（３２ｂ）と平行である、請求項５に記載のタービンブレード（１）。
【請求項７】
前記先端キャップ（３２）の前記正圧側縁（４４）に隣接する前記先端キャップ（３２）から半径方向外側に延在する正圧側スキーラ先端壁（３４）をさらに備える、請求項１に記載のタービンブレード（１）。
【請求項８】
前記正圧側スキーラ先端壁（３４）が横方向に対向する第１側面（３４ａ）および第２側面（３４ｂ）を備え、前記第１側面（３４ａ）および／または前記第２側面（３４ｂ）が半径方向軸（４０）に対して傾斜している、請求項７に記載のタービンブレード（１）。
【請求項９】
前記正圧側スキーラ先端壁（３４）の前記第１側面（３４ａ）および前記第２側面（３４ｂ）は、翼弦方向に沿って独立して変化するそれぞれの角度で配向され、前記第１側面（３４ａ）および前記半径方向軸（４０）の間の第１角度（α）の前記翼弦方向の変化は、前記第２側面（３４ｂ）および前記半径方向軸（４０）の間の第２角度（β）の前記翼弦方向の変化と異なる、請求項８に記載のタービンブレード（１）。
【請求項１０】
漏れ流制御を改善するためにタービンブレード（１）を整備する方法であって、前記タービンブレード（１）は、前縁（１８）および後縁（２０）にて結合される正圧側壁（１４）および負圧側壁（１６）によって形成された外壁（１２）を備える翼（１０）を備え、前記タービンブレード（１）は、さらに第１半径方向端部におけるブレード先端部（３０）および前記タービンブレード（１）を支持し、かつ前記タービンブレード（１）をディスクに連結するための前記第１半径方向端部と逆の第２半径方向端部における翼根元部（８）を備え、前記ブレード先端部（３０）が、前記外壁（１２）の上に配置された先端キャップ（３２）を備え、前記先端キャップ（３２）は、正圧側縁（４４）および負圧側縁（４６）を備え、
前記方法は、
前記先端キャップ（３２）の前記負圧側縁（４６）に隣接する半径方向内側ステップを形成するようにノッチ（５０）を機械加工するステップであって、前記ノッチ（５０）は、半径方向に延在するステップ壁（５２）および半径方向外側に面するランド（５４）によって画定され、前記ステップ壁（５２）は、前記先端キャップ（３２）の前記負圧側縁（４６）から前記ランド（５４）に半径方向内側に延在し、それによって前記ランド（５４）は、前記先端キャップ（３２）の半径方向外面（３２ｂ）に対して半径方向内側に位置する、ステップを備え、
前記ノッチ（５０）は、前記前縁（１８）から前記後縁（２０）の方向に前記負圧側壁（１６）の少なくとも一部分に沿って延在し、
前記ノッチ（５０）が存在する部分は、前記先端キャップ（３２）から半径方向外側に延在するスキーラ先端壁を有しない、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジン用のタービンブレード、特にタービンブレード先端に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンなどのターボ機械では、空気は、圧縮機セクションで加圧され、その後燃料と混合され、燃焼器セクションで燃焼されて高温の燃焼ガスを生成する。高温の燃焼ガスは、エンジンのタービンセクション内で膨張し、そこでエネルギーが抽出されて圧縮機セクションに力を供給し、発電機を回して電気を生成するなどの有用な仕事を生み出す。高温の燃焼ガスは、タービンセクション内の一連のタービン段を通過する。タービン段には、静止翼列、つまりベーンが続き、その後に回転翼列、つまりタービンブレードが続き、タービンブレードは、出力を提供するために高温の燃焼ガスからエネルギーを抽出する。
【０００３】
通常、タービンブレードは、一端の根元部と、根元部に連結されたプラットフォームから外向きに延びる翼形部を形成する細長い部分とから形成される。翼は、半径方向外側の先端にある先端部、前縁、および後縁で構成されている。タービンブレードの先端には、タービンのガス経路内のリングセグメントとブレード間の間隙のサイズを小さくして、先端の流れの漏れを防ぎ、タービンブレードによって生成されるトルクの量を減らす先端機能部がある。先端機能部は、スキーラチップと呼ばれることが多く、タービン段間の圧力損失を低減するために、ブレードの先端部に組み込まれることが多い。これらの機能は、ブレード先端とリングセグメント間の漏れを最小限に抑えるように設計されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
簡潔に言えば、本発明の態様は、漏れ流を制御するための改善されたブレード先端設計を備えたタービンブレードを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様によれば、タービンブレードが提供される。タービンブレードは、前縁と後縁で接合された正圧側壁と負圧側壁によって形成された外壁を含む翼を含む。ブレードは、第１の半径方向端部にブレード先端と、ブレードを支持し、ブレードをディスクに結合するための、第１の半径方向端部の反対側の第２の半径方向端部にブレード根元部を備える。ブレード先端は、翼の外壁に配置された先端キャップを備える。先端キャップは、圧力側縁部と負圧側縁、および先端キャップの負圧側縁に隣接する半径方向内側のステップによって形成されたノッチを備える。ノッチは、半径方向に延在するステップ壁と半径方向外向きのランドによって形成される。ステップ壁は、先端キャップの負圧側縁から前記ランドまで半径方向内側に延び、それにより、ランドは、先端キャップの半径方向外側表面に対して半径方向内側に配置される。ノッチは、負圧側壁の少なくとも一部に沿って、前縁から後縁の方向に延びる。
【０００６】
本発明の第２の態様によれば、タービンブレードを整備して漏れ流量制御を改善する方法が提供されるタービンブレードは、前縁と後縁で接合された正圧側壁と負圧側壁によって形成された外壁を含む翼を含む。ブレードは、第１の半径方向端部にブレード先端と、ブレードを支持し、ブレードをディスクに結合するための、第１の半径方向端部の反対側の第２の半径方向端部にブレード根元部を備える。ブレード先端は、翼の外壁に配置された先端キャップを備え、圧力側縁と負圧側縁を有するタービンブレードの整備方法は、先端キャップの負圧側縁に隣接する半径方向内側のステップによって形成されるノッチを機械加工するステップを備える。ノッチは、半径方向に延在するステップ壁と半径方向外向きのランドによって形成される。ステップ壁は、先端キャップの負圧側縁から前記ランドまで半径方向内側に延び、それにより、ランドは、先端キャップの半径方向外側表面に対して半径方向内側に配置される。ノッチは、負圧側壁の少なくとも一部に沿って、前縁から後縁の方向に延びる。
【０００７】
本発明は、図を援用することによりさらに詳細に示される。図は特定の構成を示しており、本発明の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】既知のタイプのスキーラ先端を備えたタービンブレードの斜視図である。
【図２】図１の断面ＩＩ−ＩＩに沿った概略断面図である。
【図３】負圧側ノッチを組み込んだ本発明の一実施形態によるブレード先端部を示す斜視図である。
【図４】図３の断面ＩＶ−ＩＶに沿った概略断面図である。
【図５】図３の断面Ｖ−Ｖに沿った概略断面図である。
【図６】図３の断面ＶＩ−ＶＩに沿った概略断面図である。
【図７】ベースラインスキーラチップ設計に関して、先端渦を減少させる負圧側ノッチによって形成される局所渦の効果を示す概略図である。
【図８】ベースラインスキーラチップ設計に関して、先端渦を減少させる負圧側ノッチによって形成される局所渦の効果を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
好ましい実施形態の以下の詳細な説明では、本明細書の一部を形成する添付の図面を参照し、本発明を実施できる特定の実施形態を限定ではなく例示として示す。他の実施形態を利用してもよく、本発明の精神および範囲から逸脱することなく変更を加えてもよいことを理解されたい。
【００１０】
図面を参照すると、同一の参照文字は同一の要素を示す。図１は、タービンブレード１を示している。ブレード１は、ブレードプラットフォーム６から高温ガス経路流体の流れへと半径方向外向きに延びる略中空の翼１０を含む。根元部８は、プラットフォーム６から半径方向内側に延び、例えば、ブレード１をロータディスク（図示せず）に結合するための従来のモミの木形状を備えてもよい。翼１０は、キャンバーライン２９を画定する前縁１８および後縁２０で互いに接合された略凹状の正圧側壁１４および略凸状の負圧側壁１６から形成される外壁１２を含む。翼１０は、半径方向内側端部の根元部８から半径方向外側端部の先端部３０まで延び、高温ガス流からエネルギーを抽出してロータディスクを回転させるのに適した任意の構成を取り得る。図２に示すように、中空翼１０の内部は、タービンブレード１の内部冷却システムを形成するために、正圧側壁１４の内面１４ａと負圧側壁１６の内面１６ａとの間に画定される少なくとも１つの内部空洞２８を含むことができる。内部冷却システムは、圧縮機セクション（図示せず）から迂回した空気などの冷却剤を受け取ることができ、これは、一般にブレード根元部８に設けられた冷却剤供給通路を介して内部空洞２８に入る。内部空洞２８内で、冷却剤は略半径方向に流れ、外部オリフィス１７、１９、３７、３８を介して高温ガス経路に放出される前に、正圧側壁１４および負圧側壁１６の内面１４ａ、１６ａから熱を吸収する。
【００１１】
特に高圧タービン段では、ブレード先端部３０は、いわゆる「スキーラ先端部」として形成されてもよい。図１〜図２に示すように、ブレード先端部３０は、外壁１２の半径方向外側端部で外壁１２上に配置される先端キャップ３２と、一対のスキーラ先端壁、すなわち、それぞれ先端キャップ３２から半径方向外向きに延びる正圧側スキーラ先端壁３４と、負圧側スキーラ先端壁３６から形成され得る。正圧側および負圧側スキーラ先端壁３４および３６は、実質的にまたは完全に先端キャップ３２の周囲に沿って延びて、正圧側スキーラ先端壁３４の内面３４ａと負圧側スキーラ先端壁３６の内面３６ａとの間の先端空洞３５を画定する。正圧側スキーラ先端壁３４の外面３４ｂは、正圧側壁１４の外面１４ｂと位置合わせすることができ、一方、負圧側スキーラ先端壁３６の外面３６ｂは、負圧側壁１６の外面１６ｂと位置合わせすることができる。ブレード先端部３０は、内部空洞２８を高温ガス経路流体にさらされるブレード先端部３０の外面と流体的に接続する複数の冷却孔３７、３８をさらに含むことができる。図示の例では、冷却孔３７は、正圧側スキーラ先端壁３４を通り形成され、冷却孔３８は、先端キャップ３２を通り先端空洞３５に開口するよう形成される。追加または代替として、ブレード先端部３０の他の場所に冷却穴を設けることができる。
【００１２】
作動中、タービンブレード１の正圧側と負圧側との間の圧力差は、回転するブレード先端部３０と周囲の静止タービン構成要素（図示せず）との間の隙間を通って正圧側から負圧側への漏れ流ＦＬを駆動し得る。漏れ流ＦＬは、タービンローターの効率の低下につながる可能性がある。このような効率の低下には、主に２つの原因がある。１つ目は、先端漏れ流ＦＬがブレードに作用しないため、生成される力が減少することである。２つ目は、先端漏れ流ＦＬは、隙間を出る際に、ガス経路流体の主流ＦＭ（一般に軸方向に沿っている）と混合し、渦構造ＶＴ（図２参照）へと巻き込まれる場合があるということである。先端漏れ渦と呼ばれる渦構造ＶＴにより、圧力損失が発生し、ローター効率がさらに低下する。ブレード先端部を１つまたは複数のスキーラ先端壁３４、３６を備えたスキーラとして構成すると、先端漏れ流に関連する問題のいくつかを軽減できる場合がある。典型的には、スキーラ先端壁３４、３６は、図２に示されるように、長方形の断面を有する。ここで、スキーラ先端壁の横方向に対向する側面は、本質的に互いに平行である。本発明の実施形態は、負圧側ノッチを組み込んだ新規なブレード先端形状を提供することにより、先端漏れ損失をさらに改善することを目的としている。
【００１３】
図３〜図６は、本発明の例示的な実施形態を示している。図示のように、タービンブレード１のブレード先端部３０は、翼外壁１２上に配置される先端キャップ３２を含み、前縁１８から後縁２０まで翼弦方向に延び、先端キャップ３２の正圧側縁４４から負圧側縁４６まで横方向に延びる。先端キャップは、翼内部冷却空洞２８に面する半径方向内側表面３２ａを有し、高温ガス経路に面する半径方向外側表面３２ｂを有する。図１〜図２に示す構成とは対照的に、本発明の図示の実施形態（図４〜図６に最もよく見られる）は、先端キャップ３２の負圧側縁４６に隣接する半径方向内向きステップによって形成されるノッチ５０を含む。ノッチ５０は、半径方向に伸びるステップ壁５２と半径方向外向きの棚部またはランド５４によって形成される。ステップ壁５２は、先端キャップ３２の負圧側縁４６から半径方向内側に延び、ランド５４で終端する。それにより、ランド５４は、先端キャップ３２の半径方向外側表面３２ｂに対して半径方向内側に配置される。ノッチ５０は、負圧側壁１６の少なくとも一部に沿って、前縁１８から後縁２０の方向に延びている。ノッチ５０は、前縁１８またはその近くの第１端部５８から後縁２０またはその近くの第２端部６０まで延びることができる。図示の実施形態では、図３に示すように、ノッチ５０は、負圧側壁１６の翼弦方向の範囲の大部分にわたって延びている。他の実施形態では、ノッチ５０は、負圧側壁１６のより小さなまたはより大きな翼弦方向の範囲を覆うか、または前縁１８から後縁２０までずっと延びていてもよい。
【００１４】
従来の技術とは反対に、ノッチ５０（半径方向外側スキーラ先端壁とは反対に半径方向内側のステップを有する）は、先端漏れ流を制限し、それによりローター効率を改善することがわかった。ＣＦＤ解析により、ノッチ５０が実際に、従来のスキーラ構成を含む従来の先端部設計と比較して、先端部の渦強度を大幅に低下させることが明らかになった。図７および図８は、図示された負圧側ノッチを備えたブレード先端部とベースラインスキーラ先端部を備えたブレード先端部（図２の構成と同様）のそれぞれの空力効果を示す概略図である。図７に示されるように、ノッチ５０によって形成される空洞は、漏れ流れＦＬを最小化するために負圧側に障壁を形成する局所渦ＶＮを誘発する。ノッチ５０によって作成された渦ＶＮは、先端渦ＶＴよりも弱く、先端渦ＶＴと反対方向に回転するため、下流で相互作用する際に先端渦ＶＴがさらに弱まることがわかった。ノッチ５０によって生成される局所渦ＶＮは、漏れ流ＦＬをタービンケーシングに向け直し、通過流とのさらなる相互作用を減らし、漏れ流と通過流の混合によるエントロピー生成を減少する。図７（ノッチ付き）および図８（ベースラインスキーラ設計）に示す先端漏れ流ＦＬの比較は、負圧側ノッチ５０が形状の拡大により流れが遅くなり、ベースラインスキーラ設計と比較して、先端渦ＶＴが弱く、先端漏れ流ＦＬの質量流量が小さくなることを示している。上記の結果は、グレースケールで再現された図７および図８の凡例に概略的に示される。先端漏れ流を減らすと、高温ガスから抽出される出力が増加し、ローターの効率が向上する。
【００１５】
本発明の負圧側ノッチは、いくつかの実施形態で構成されてもよい。一実施形態では、図３〜図６に示すように、ランド５４の横幅Ｗは、第１端部５８から第２端部６０まで連続的に変化してもよい。好ましくは、ノッチ５０は、ランド５４の横幅Ｗが第１端部５８と第２端部６０の間の位置で最大になるように設計されてもよい。ランド５４の最大幅の位置は、例えば、ノッチの第１端部５８と正圧側と負圧側との間のピーク圧力勾配の位置の１０％翼弦軸下流との間のどこにあってもよい。前記位置から、ランド５４の横幅は、端部５８、６０に向かって先細りになり、第２端部６０で最小になる。ノッチ５０の上記の形状の利点は、ノッチ５０の内側で作成された渦が先端渦を引き上げ、エントロピーの生成を減らし、混合損失を減らし、翼面のより多くの部分が仕事を生み出すことである。ノッチ５０は、ランド幅の異なる変化を伴う他の形状に最適化できることが理解されよう。さらに他の実施形態では、ノッチ５０は、ランドの横幅が第１端部５８から第２端部６０まで一定であるように形成され得る、すなわち、ランドは本質的に長方形でとすることができる。
【００１６】
示された例では、ノッチ５０のステップ壁５２は、半径方向軸４０に平行であり、ランド５４に直交している。それにより、ランド５４は、先端キャップ３２の半径方向外側表面３２ｂに平行である。様々な他の実施形態では、ステップ壁５２は、半径方向軸４０に対して非平行であってもよく、および／またはランド５４に対して非直交であってもよい。一実施形態では、ステップ壁５２の半径方向の高さは、翼幅の１．５％から４％の範囲であり得る。しかし、上記の実施形態は非限定的である。例えば、特定の用途では、ステップ壁５２の半径方向の高さは、翼幅の０．５％から１０％の範囲に収まる場合がある。
【００１７】
上述の負圧側ノッチの実施形態は、ブレード先端部の「スキーラ」構成を部分的または完全に置き換えることができる。図示の実施形態では、負圧側ノッチ５０は、負圧側スキーラ先端壁３６の一部を置換する（図３を参照）。図３〜図６に示されるように、ブレード先端部３０は、正圧側スキーラ先端壁３４の任意の特徴を備えることができ、これは、負圧側ノッチ５０と組み合わせて、漏れ流制御のさらなる改善をもたらす。正圧側スキーラ先端壁３４は、先端キャップ３２の正圧側縁４４に隣接する先端キャップ３２から半径方向外側に延びている。正圧側スキーラの先端壁３４は、前縁１８から後縁２０の方向に、少なくともその一部に沿って延びる正圧側壁１４と位置合わせすることができる。
【００１８】
正圧側スキーラ先端壁３４は、横方向に対向する第１および第２側面３４ａおよび３４ｂをそれぞれ含む。１つの変形例では、第１側面３４ａおよび／または第２側面３４ｂが半径方向軸４０に対して傾斜するように、スキーラ先端壁３４の形状を構成することができる。この例では、図４〜図６の翼弦方向に間隔を空けた断面図に描かれているように、正圧側スキーラ先端壁３４の第１側面３４ａおよび第２側面３４ｂは、翼弦方向に沿って独立して変化するそれぞれの角度に向けられており、第１側面３４ａと半径方向軸４０との間の第１の角度αの翼弦方向の変化は、第２側面３４ｂと半径方向軸４０との間の第２の角度βの翼弦方向の変化とは異なっている。結果として、内側面３４ａと外側面３４ｂとの間の角度は、翼弦方向で変化する。可変傾斜スキーラ形状を最適化して、たとえば、高い先端漏れ流が特定された領域でより大きな傾斜角を提供できる。
【００１９】
図示の例では、第１および第２側面３４ａ、３４ｂの翼弦方向に変化する傾斜は、正圧側スキーラ先端壁３４の軸方向長さ全体（前縁から後縁まで）に沿って提供される。他の実施形態では、第１および第２側面３４ａ、３４ｂのこのような可変傾斜は、正圧側スキーラ先端壁３４の軸方向長さに沿って部分的に延びる指定部分に対してのみ提供され得る。さらに他の実施形態では、正圧側スキーラ先端壁３４は、例えば、翼弦方向に沿って可変または一定の傾斜で、互いに平行な側面３４ａ、３４ｂを有する長方形の形状を有する、異なる形状を有してもよい。
【００２０】
図示されていないが、ブレード先端部３０は、翼内の内部冷却システムと流体連通する、負圧側ノッチ５０および／またはスキーラ先端壁３４に設けられた冷却孔またはチャネルも含むことができる。図示されたブレード先端部の形状は、先端漏れ流の軌跡を制御することにより、冷却流を効率的に使用できる。先端部形状と冷却穴／チャンネル位置を同時に最適化することにより、ブレード先端部を冷却するための先端流の軌跡の変更を利用でき、冷却流の削減、エンジン効率の向上、コンポーネントの寿命の延長が可能になる。
【００２１】
本発明の態様はまた、上述のように負圧側ノッチを機械加工することを含む、漏れ流制御を改善するためにブレードを整備する方法を対象とすることができる。
【００２２】
特定の実施形態を詳細に説明したが、当業者は、本開示の全体的な教示に照らして、これらの詳細に対する様々な修正および代替案を開発できることを理解するであろう。したがって、開示された特定の構成は、例示のみを意図しており、添付の特許請求の範囲およびそのあらゆる同等物の全範囲が与えられる本発明の範囲を限定するものではない。
【符号の説明】
【００２３】
１  タービンブレード
６  プラットフォーム
８  根元部
１２  外壁
１４  正圧側壁
１６  負圧側壁
１７，１９  外部オリフィス
１８  前縁
２０  後縁
２８  内部空洞
３０  ブレード先端部
３２  先端キャップ
３２ｂ  半径方向外側表面
３２ａ  半径方向内側表面
３４  正圧側スキーラ先端壁
３５  先端空洞
３６  負圧側スキーラ先端壁
３７,３８  外部オリフィス
３８  外部オリフィス
４０  半径方向軸
４４  正圧側縁
４６  負圧側縁
５０  負圧側ノッチ
５２  ステップ壁
５４  ランド
５８  第１端部
６０  第２端部
【図１】
0006940685.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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