JP5738996B2 - ガスタービンのためのタービンブレード - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンのためのタービンブレードであって、高温ガスが主ブレード部分の周囲を流れる主ブレード部分であって、高温ガスが共通する先縁部から後縁部に向かって流れる方向に延在している負圧側壁及び正圧側壁を備えている主ブレード部分を備えているタービンブレードにおいて、事前に主ブレード部分を冷却する冷却剤を吹き出すための少なくとも１つの開口部が、後縁部に配置されており、少なくとも１つの開口部が、冷却流路を介して、主ブレード部分内に配置されているキャビティに流通可能に接続されており、冷却流路の境界が、負圧側壁の内面と正圧側壁の内面とによって形成されており、絞り要素が、開口部から流出する冷却剤の量を設定するために設けられている、タービンブレードに関する。

例えば特許文献１は、冒頭で説明したタイプのタービンブレードと、このようなタービンブレードを製造するための中子とを開示している。既知のタービンブレードは、冷却された後縁部を有しており、後縁部では、冷却空気を吹き出すための複数の開口部が、挿置ウェブ（“ティアドロップ”としても知られている）を介して互いから離隔されている。共通するキャビティが、後縁部に配置されている開口部の上流に配置されている。キャビティ内には、３列の支柱のような脚柱（“ピンフィン”としても知られている）が設けられている。脚柱は、脚柱の通過する冷却空気の熱伝達を高めるために、及び、脚柱において圧力損失を高めるために設けられている。

特許文献１の図７は、このようなタービンブレードを製造するために必要な中子の斜視図を表わす。鋳造されたタービンブレードが製造された後であっても、中子によって占有されている空間は、中子に配置されている開口部が鋳造材料で充填された状態において、タービンブレード内のキャビティとして残されている。この点において、中子は、タービンブレードの内部の形状（negative reflection）を表わす。

特許文献１のピンフィンは、円筒状とされ、タービンブレードの主ブレード部分の互いに対向して配置されている負圧側壁及び正圧側壁の内面同士を接続している。

これに関連して、冷却空気が流れる際に通過する後縁部の近傍における最大圧力損失及び／又は最小断面積を適切に選択することによって、タービンブレードの後縁部から流出する冷却空気の量を設定することが知られている。しかしながら、この手段を実現するために、中子において、中子の後縁部に形成されている開口部が、依然として比較的薄肉の分離ウェブが開口部同士の間に残存しているような大きさになっている。しかしながら、中子を取り扱っている際に、この時点で中子が折損する場合があるので、この場合には、中子が不安定になる。

さらに、特許文献１は、冷却流路の方向転換領域に配置されていると共に下流領域において低損失で冷却空気を方向転換及び案内するように構成されている、冷却空気のためのＣ字状の案内要素を開示している。

さらに、特許文献２は、空冷式タービンブレードを開示している。主ブレード部分の中空に形成された（hollow-walled）負圧側面又は正圧側面を特に効率的に冷却するために、ピンが二重壁のキャビティ内に格子状に配置されている。特に、ピンはダイアモンド形状とされ、ピンの角部が丸められており、ピンの縁部が内方に窪んで湾曲している。従って、ピン同士の間には、流路網が空気を冷却するために形成されており、これら流路それぞれが、狭窄された入口の開口部と狭窄された出口の開口部を有しており、これら開口部同士の間には、ディフューザ及びノズル部分が設けられている。

部分が、効率的な冷却を実現するために、冷却空気を加減速するために利用されるように構成されている。

特許文献３は、内部冷却されるタービンブレードを開示している。タービンブレードの冷却流路は、その後縁部側において、Ｃ字状に鋳造されたフィンによってジグザグ状に構成されている。これにより、良好な冷却作用が実現される。さらに、製造のために必要な中子の剛性が高められる。

国際公報第２００３／０４２５０３号 欧州特許出願公開第１０９１０９２号明細書 米国特許第５７５２８０１号明細書

従って、本発明の目的は、ガスタービンのための冒頭で説明したタイプのタービンブレードであって、可能な限り最小の量の冷却剤を利用して効率的に且つ十分に冷却されるタービンブレードを提供することである。

タービンブレードに関連する目的は、請求項１の特徴に基づくタービンブレードによって達成され、請求項２〜６には、優位な解決手段が規定されている。

ガスタービンのためのタービンブレードは、高温ガスが主ブレード部分の周囲を流れる主ブレード部分であって、高温ガスが共通する先縁部から後縁部に向かって流れる方向に延在している負圧側壁及び正圧側壁を備えている主ブレード部分を備えており、事前に主ブレード部分を冷却する冷却剤を吹き出すための少なくとも１つの開口部が、後縁部に配置されており、少なくとも１つの開口部が、冷却流路を介して、主ブレード部分内に配置されているキャビティに流通可能に接続されており、冷却流路の境界が、負圧側壁の内面と正圧側壁の内面とによって形成されており、絞り要素が、開口部から流出する冷却剤の量を設定するために設けられており、絞り要素が、冷却流路の貫流方向において開口部の上流に、２つの突出部分を備えており、突出部分それぞれが、２つの内面の一方に配置されている。

言い換えれば、絞り要素が、内面に配置されていると共に流路の貫流方向に対して横方向に延在している突出部分を備えており、突出部分同士の間には、流路の貫流可能な最小流路断面が形成されている。貫流可能な最小流路断面を決定するためには、冷却流路の中立線それぞれと冷却流路内の２つの側面のうち一方の側面との間における最小垂直距離を決定する必要がある。

本発明は、タービンブレード内部の後縁部の開口部の上流に絞り要素を配置するという提案する構成を利用することによって、特に簡便に且つ正確に冷却剤の消費を設定することができるという認識に基づいている。この場合には、絞り要素が、互いに関連して位置決めされている２つの突出部分によって形成可能とされ、２つの突出部分のうち一方の突出部分が負圧側壁の内面に配置されており、他方の突出部分が正圧側壁の内面に配置されている。いずれの突出部分も、負圧側壁を正圧側壁に接続させていない。絞り要素の当該実施例は、鋳造プロセスによって製造されたタービンブレードにおいて特に優位である。周知のように、いわゆるロストワックス（lost casting core）が内部冷却システムを製造するために利用される鋳造プロセスによって、タービンブレードの大部分が製造されている。これら中子の大部分は、コアダイを補助するために製造されている。コアダイは、互いに向かって及び互いから離隔するように移動可能な２つの摺動要素を備えている。これら摺動要素は、共に押された場合に、鋳造すべきタービンブレードのキャビティの形状と同一の形状を具備するキャビティを囲む。中子を製造するために、中子の材料が摺動要素のキャビティ内部に導入される。中子は、中子の材料を乾燥させた後に、タービンブレードを製造するために利用可能となる。

本発明では、摺動要素が、製造すべきタービンブレードのプロトタイプにおいて、突出部分同士の間における最小絞り距離が理論上必要な距離より常に小さくなるように、製造すべきタービンブレード列の第１のプロトタイプを製造するように構成されている。その後に、このようにして製造されたタービンブレードの第１のプロトタイプにおいて、冷却剤の流量が計測される。任意であるが、初期段階において突出部分同士の間における距離が過剰に小さいので、絞り作用が過大となり、暫くの間、流量が過剰に小さくなる。流量計測の結果に従って、その後に摺動要素が修正される。タービンブレードの突出部分が僅かに修正され、その結果として、突出部分が共に押された場合に、突出部分同士の間における最小距離が大きくなる。そして、さらなる中子が突出部分と共に製造される。このことは、さらなるタービンブレードのプロトタイプを製造するために利用され、さらなるタービンブレードのプロトタイプの流量が再度決定され、所望の流量と比較される。決定された流量が所望の流量に一致する場合には、摺動要素の製造プロセスは終了する。従って、摺動要素は、適切なタービンブレードを連続して製造するために利用される中子が常に適切なタービンブレードと共に製造されるように形成されている。直近に決定された流量が所望の流量に一致しない場合には、前回のプロトタイプと比較して幾らか大きな最小距離を具備するさらなるタービンブレードのプロトタイプを製造するために、すべてのステップが再度実施される。

提案する解決策の顕著な利点は、２つの摺動要素それぞれが、例えば摺動部分に配置された突出部分を研削することによって、タービンブレード及び当該タービンブレードの冷却システムの基本構造を変更することなく、自身を機械加工可能なことである。この点において、摺動要素のうち一方の摺動要素のみを、又は、摺動要素の両方を、一の反復ステップの際に機械加工することができる。

また、当該方法は、一層多くの冷却空気が十分な冷却を実施するために必要とされる既存のロータブレードを修正する場合に適している。この場合には、ロータブレードの構造を極僅かに修正すれば良い。従って、鋳型の必要な変更に起因して、さらなる要件（qualification）が必要となることはない。

この場合には、２つの突出部分が、冷却流路の貫流方向において互いに対してオフセットされて配置されている。このようなオフセット配置によって、正圧側壁の内面と負圧側壁の内面との間における垂直距離をさらに小さくすることができるので、主ブレード部分の特に狭窄された後縁部領域を形成することができる。これにより、主ブレード部分の周囲を流れる高温ガスの空気力学的損失が低減される。

概して、本発明によって、タービンブレードの製造の際における不良率を低減することができるので、ロータブレードについての製造コスト及び製造時間を著しく改善することができる。

優位には、正圧側壁の内面に配置されている突出部分が、負圧側壁の内面に配置されている突出部分の下流に配置されている。このような構成によって、流路内において、冷却剤を強制的に勢いを増して負圧側壁の内面を通過させて流すことができる。これにより、特にいわゆるカットバックされた後縁部分（cut-back trailing edge）の場合には、負圧側の後縁部分の保護されていない端部においてフィルム冷却の領域を延長することができるので、延長された領域において摩耗現象が減少し、タービンブレードの耐用寿命が延長される。

好ましくは、複数の開口部が後縁部分に配設されており、冷却流路が複数の開口部をキャビティに接続している。

突出部分がフィンの形態をしている場合には、主ブレード部分の両側壁の内面の角状の輪郭の影響によって、動作中に冷却剤の流れが乱流になる。乱流は、第一に絞り作用に貢献し、第二に冷却剤が乱流状態になることに起因する熱輸送の増大に貢献する。

本発明におけるタービンブレードの内部は、（両側壁について）共通の後縁部分を有しているタービンブレードに、及び、いわゆるカットバックされた後縁部分を有しているタービンブレードに利用可能とされる。

本発明のさらなる優位な実施例については、添付図面を参照して以下に詳述する。

タービンロータブレードの斜視図である。 従来技術として知られているタービンロータブレードの先端部領域の断面図である。 本発明におけるタービンブレードの第１の実施例の先縁部領域の断面図である。 本発明におけるタービンブレードの第２の実施例の先縁部領域の断面図である。

全図面において、同一の形体には同一の参照符号が付されていることに留意すべきである。

図１は、本発明におけるガスタービンブレード１０の斜視図である。図１に表わすように、ガスタービンブレード１０はロータブレードの形態をしている。また、本発明は、ガスタービンの案内羽根（図示しない）内で利用可能とされる。ガスタービンブレード１０は、モミの木状の断面を具備したブレード根元部分１２と、ブレード根元部分１２上に配置されているプラットフォーム１４とを備えている。空気力学を考慮して湾曲された主ブレード部分１６が、プラットフォーム１４に隣接しており、先縁部１８と後縁部２０とを備えている。いわゆる“シャワーヘッド（shower head）”のように配置されている冷却用開口部が先縁部１８に設けられており、内部で流れている冷却剤を、好ましくは冷却用空気を冷却用開口部から噴出させることができる。図１に表わすように、主ブレード部分１６は、後方の負圧側壁２２と前方の正圧側壁２４とを備えている。挿置ウェブ３０を介して互いから隔離されている多数の開口部２８が、後縁部２０に沿って設けられている。この場合には、後縁部２０は、いわゆるカットバックされた後縁部の形態をしているので、開口部２８は、後縁部２０の中心より正圧側に多く配置されている。

図２は、主ブレード部分１６の先縁部１８から後縁部２０に至るまで延在している中心線とブレード根元部分１２からブレード部分１６の先端部１８に向かって延在しているタービンブレードの長手方向とを含む平面に沿った長手方向断面における、従来技術に基づくタービンブレードの内部を表わす。

図２に表わすように、後縁部２０の開口部２８が右側に配置されており、挿置ウェブ３０が開口部２８同士の間に配置されている。挿置ウェブ３０は、動作中に先縁部１８から後縁部２０に至るまで主ブレード部分１６の周囲を流れる、高温ガスの流れに対して略平行に延在している。図２の左側に表わすように、格子状に配置されている多数の支柱又は脚柱３２が設けられている。この場合には、脚柱３２及びウェブ３０の両方が、負圧側壁２２の内面３４から正圧側壁２４の内面（図２には図示しない）に至るまで延在している。結論として、脚柱３２は、タービンブレード１０のキャビティ３８内に配置されており、キャビティ３８の横方向における境界が、負圧側面２２及び正圧側壁２４によって形成されている。

タービンブレード１０がガスタービンに利用されている場合には、例えば冷却空気４０や冷却蒸気のような冷却剤が、動作中に、キャビティ３８を通じて流れる。図２には図示しないタービンブレード１０の一部分は、その内部において、脚柱３２の領域が略一様な冷却空気４０の流入流れに曝されるように構成されている。矢印４０は、格子状に配置されている脚柱３２に作用する一様な流入流れを表わす。冷却空気４０は、運転中において、脚柱３２それぞれに衝突し、冷却空気４０の流れの主方向が実質的に変化しないままの状態で脚柱３２によって偏向される。これにより、冷却空気４０中に乱流が発生する。従って、高温ガスによって負圧側壁２２及び正圧側壁２４に伝導される熱が、脚柱３２にさらに伝導し、脚柱３２に衝突する冷却空気４０が、熱を吸収し放散させる。冷却空気４０が脚柱３２の領域を貫流すると、冷却空気４０は、キャビティ３８を開口部２８に接続している流路４１に流入する。冷却空気４０が流路４１を通じて流れると、冷却空気４０は、開口部２８を通じてタービンブレード１０から流出し、主ブレード部分１６の周囲を流れる高温ガスと合流する。

当該実施例では、開口部２８から流出する冷却剤の量を設定するために、突出部分４２，４４（図３及び図４参照）が、負圧側壁２２及び正圧側壁２４の内面３４，３６に形成されている。２つの突出部分４２，４４のうち一方の突出部分４２が、負圧側壁２２の内面３４又はその一部分に形成されており、他方の突出部分４４が、正圧側壁２４の内面３６又はその一部分に形成されている。内面３４，３６が、キャビティ３８及び冷却流路４６の境界を形成しており、冷却流路４６は、キャビティ３８を開口部２８に接続している。この点において、キャビティ３８と冷却流路４６とを一体化することができる。本発明では、内面３４と内面４６との距離は、２つの突出部分４２，４４の領域において最小とされる。この点において、図３は、タービンブレード１０の後縁部２０を通過する断面に関連するが、図３に表わすように、冷却流路４６の中立線４７は、内面３４からの垂直距離と内面３６からの垂直距離とが常に同一であるように形成されている。絞り要素を形成している最小距離Ａが、２つの突出部分４２，４４の間に位置しているので、２つの突出部分４２，４４は互いに関連性を有している。

突出部分４２，４４は、脚柱３２にもウェブ３０にも置き換えることができない。

図３に表わすように、突出部分４２，４４は、冷却流路４６の高さ全体に亘ってブレードの長手方向に沿って（紙面に対して垂直に）延在している。図３に表わす断面のように、突出部分４２，４４の外形は、後縁部２０の開口部２８に向かう冷却剤の流れ方向において冷却流路４６の輪郭が連続的であり且つ縁部を有しないように形成されている。当該実施例では、冷却流路４６は収束している。代替的には、図４に表わすように、突出部分もフィンの形態とされる。

図４に表わすように、突出部分４２，４４それぞれの外形はフィン状の形態とされ、その高さはそれぞれ高さＨ_１及びＨ_２である。

本発明におけるタービンブレードの第１のプロトタイプを製造する際には、高さＨ_１及び高さＨ_２が比較的大きいので、所望の消費又は所定の消費を下回るように冷却剤の消費を決定することができる。コアダイすなわち対応する摺動要素を改良することによって、以前に製造されたプロトタイプより僅かに多くの冷却剤を常に消費するようにフィンの高さＨ_１，Ｈ_２を小さくしたことに起因して、さらなるプロトタイプを連続的に製造することができる。この場合には、反復それぞれが、所定のフィンの高さＨ_１，Ｈ_２を具備するタービンブレードを製造することと、対応するタービンブレードのプロトタイプの冷却剤の消費を決定することとを含んでいる。所望の量又は所定の量に対応する冷却剤が消費されるとすぐに、摺動要素の製造が完了するので、その後利用可能となるコアダイは、鋳物中子と、ひいてはある程度増加した所望の冷却剤を消費するタービンブレードとを製造するために利用可能となり、これにより不良品の発生率を著しく低減することができる。

事実上、提案する構成は、反復が終了した後に、一連のタービンブレード１０のために正確に製造されたコアダイを提供するために、ダイ製造の際に単純且つ費用効率が高い試験段階を実施可能とするタービンブレード１０を提供する。

さらに、本発明におけるタービンブレード１０を鋳造するために必要な鋳物中子においては、取り扱い中に折損する頻度を、従来技術に基づく鋳物中子より小さくすることができる。

言うまでもなく、絞り要素が、２つの突出部分４２，４４ではなく、単一の突出部分４４（又は４２）を備えている場合がある。この場合には、流量を決定する最小距離が、単一の突出部分４４（又は４２）と当該単一の突出部分に対向する負圧側壁２２（又は正圧側壁２４）の内面３４（又は３６）との間に形成されている。この場合には、対向する内面３４又は３６が、最小距離の領域において平坦に構成されている。

概して、本発明は、タービンブレードを鋳造する際に後縁部２０から流出する冷却剤４０の量が、比較的単純且つ正確に即時決定される上に、冷却剤の消費を設定するという観点において鋳造されたタービンブレード１０を再加工する必要が無い、タービンブレード１０を特定する。このことを実現するために、本発明では、突出部分４２，４４が、負圧側壁２２及び正圧側壁２４の内面３４，３６に形成されており、流出する冷却剤の量を設定するために利用される絞り要素が、突出部分４２，４４同士の間に配置されている。このような構成によって、大量のタービンブレード１０を所望の精度で鋳造するために必要な鋳物中子を常に製造可能とするコアダイが簡便に製造可能となる。

１０ ガスタービンブレード
１２ ブレード根元部分
１４ プラットフォーム
１６ 主ブレード部分
１８ 先縁部
２０ 後縁部
２２ 負圧側壁
２４ 正圧側壁
２８ 開口部
３０ 挿置ウェブ
３２ 脚柱（支柱）
３４ （負圧側面２２の）内面
３６ （正圧側面２４の）内面
３８ キャビティ
４０ 冷却空気
４１ 流路
４２ 突出部分
４４ 突出部分
４６ 冷却流路
４７ 中立線

Claims (6)

1. ガスタービンのためのタービンブレード（１０）であって、
   高温ガスが主ブレード部分（１６）の周囲を流れる前記主ブレード部分（１６）であって、高温ガスが共通する先縁部（１８）から後縁部（２０）に向かって流れる方向に延在している負圧側壁（２２）及び正圧側壁（２４）を備えている前記主ブレード部分（１６）を備えている前記タービンブレード（１０）において、
   事前に前記主ブレード部分（１６）を冷却する冷却剤（４０）を吹き出すための少なくとも１つの開口部（２８）が、前記後縁部（２０）に配置されており、少なくとも１つの前記開口部（２８）が、冷却流路（４６）を介して、前記主ブレード部分（１６）内に配置されているキャビティ（３８）に流通可能に接続されており、
   前記冷却流路（４６）の境界が、前記負圧側壁（２２）の内面（３４）と前記正圧側壁（２４）の内面（３６）とによって形成されており、絞り要素が、前記開口部（２８）から流出する冷却剤の量を設定するために設けられており、
   前記絞り要素が、前記冷却流路（４６）の貫流方向において前記開口部（２８）の上流に、２つの突出部分（４２，４４）を備えており、
   ２つの前記突出部分（４２，４４）が、前記冷却流路（４６）の貫流方向において、互いに対してオフセットされて配置されており、
   前記突出部分（４２，４４）同士の間には、前記冷却流路（４６）の貫流可能な最小流路断面が形成されており、
   ２つの前記突出部分（４２，４４）それぞれが、２つの前記内面（３４，３６）のうち一方の内面に配置されていると共に、絞り要素として共に機能していることを特徴とするタービンブレード（１０）。
2. 前記正圧側壁（２４）の前記内面（３６）に配置されている前記突出部分（４２，４４）が、前記負圧側壁（２２）の前記内面（３４）に配置されている前記突出部分（４２，４４）の下流に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のタービンブレード（１０）。
3. 複数の前記開口部（２８）が、前記後縁部（２０）に配置されており、
   前記冷却流路（４６）が、複数の前記開口部（２８）を前記キャビティ（３８）に集合的に接続していることを特徴とする請求項１又は２に記載のタービンブレード（１０）。
4. 前記突出部分（４２，４４）が、フィンの形態をしていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のタービンブレード（１０）。
5. 前記冷却流路（４６）が、収束しており、
   ２つの前記突出部分（４２，４４）が、段差及び角部を有しない輪郭で前記内面（３４，３６）に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のタービンブレード（１０）。
6. 前記開口部（２８）が、前記正圧側壁（２４）に設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のタービンブレード（１０）。

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