JP2006342804A - 可変複合フィレットを備えたタービン翼形部 - Google Patents

Abstract

【課題】可変複合フィレットを備えたタービン翼形部を提供する。
【手段】タービン翼形部は、単一のプラットフォームを有する回転ブレードか又は一対のプラットフォームを有する固定ノズルとすることができる。翼形部本体は、前縁及び後縁（１４、１６）間で延びる正圧及び負圧側壁（２２、２４）を有する。翼形部本体とプラットフォームの少なくとも１つとの間に複合フィレットが配置される。複合フィレットは、第１の半径を有する凹面状の第１のフィレットと第２のより大きい半径を有する凹面状の第２のフィレットとを含む。第２のフィレットは、前縁（１４）から負圧側壁（２４）に沿って下流方向に延びて後縁（１６）の上流における位置で終端する。第２のフィレットはまた、前縁（１４）から正圧側壁（２２）に沿って下流方向に延びることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的にはガスタービン構成部品に関し、より具体的にはタービン翼形部に関する。

ガスタービンエンジンは、燃焼器に加圧空気を供給する圧縮機を含み、燃焼器において、加圧空気は燃料と混合されかつ点火されて高温の燃焼ガスを発生する。これらの燃焼ガスは、下流方向に１つ又はそれ以上のタービンに流れ、タービンが、燃焼ガスからエネルギーを取り出して、圧縮機を駆動しまた飛行中の航空機に動力を供給するなどの有用な仕事を行う。一般的にコアエンジンの前方に配置されたファンを含むターボファン式エンジンにおいては、高圧タービンがコアエンジンの圧縮機に動力を供給する。低圧タービンは、高圧タービンの下流に配置されてファンを駆動する。各タービン段は通常、それにタービンロータが後続する固定タービンノズルを含む。

タービンノズルは、円周方向に並んだノズルセグメントの列を含み、各ノズルセグメントは、プラットフォームを形成する内側及び外側バンドセグメント間に取り付けられて高温ガス流をタービンロータ内に流すようになった１つ又はそれ以上の固定翼形形状のベーンを含む。ベーンの各々は、前縁及び後縁で接合された正圧及び負圧側壁を含む。翼形部セクションは一般的に、幅広かつ鈍端の前縁を有し、前縁は、該前縁から凸面形状の負圧側面に移行する「高Ｃ（高湾曲：high curvature）」位置と呼ばれる高湾曲の領域を有する。

負圧側面の高Ｃ位置における熱応力は、作動状態下で高くなりすぎる場合がある。プラットフォーム領域におけるガスの流れ場は非常に複雑であり、高度な三次元である。ガス流がタービンブレードの前縁に近づくと、前縁とプラットフォームとの接合部において、その境界層内に半径方向の総圧力勾配が生じ、この総圧力勾配により、プラットフォーム近傍の正圧及び負圧側面上に一対の逆回転する馬蹄形渦が形成されることになる。正圧側面の馬蹄形渦は、隣接するブレード間でプラットフォーム上の圧力勾配に沿って進み、正圧側通路渦を形成する。負圧側面の馬蹄形渦は、負圧側面の表面に沿って進み、後縁に向かって上向きに移動して負圧側通路渦を形成する。正圧及び負圧側通路渦の両方は、上方スパン位置の負圧側後縁近傍で相互作用して、全圧損失を引き起こし、タービン効率を低下させる。馬蹄形渦及び通路渦はまた、より大きな乱流を生成して、プラットフォーム表面に対する加熱を増大させる。
米国特許第６，２８３，７１３号公報 米国特許第６，４１９，４４６号公報 米国特許第６，５１１，２９４号公報 米国特許公開第２００４／００８１５４８号公報

従って、翼形部本体と取付けプラットフォームとの間の接合部における応力を低下させたタービンノズルの必要性が存在する。本発明は、このような接合部における応力を低下させたタービンノズルの提供を目的の一つとする。

上述の必要性は本発明によって満たされ、本発明は、１つの態様によるとガスタービンエンジン用の翼形部を提供し、本翼形部は、内側プラットフォームを有するアーチ形の内側バンドと、内側プラットフォームから外向きに延び、かつその前縁と後縁と間で延びる対向する正圧及び負圧側壁を有する翼形部本体とを含む。翼形部は、内側複合フィレットを有し、内側複合フィレットは、翼形部と内側プラットフォームとの間に配置され、第１の半径を有し、かつ翼形部の周辺部の周りで延びる凹面状の第１の内側フィレットと、翼形部と内側プラットフォームとの間に配置された凹面状の第２の内側フィレットとを含む。第２の内側フィレットは、前縁から負圧側壁に沿って後方に延びて後縁の軸方向前方における位置で終端する。第２のフィレットは、第１の半径よりも大きい第２の半径を有する。

本発明の別の態様によると、タービンノズルセグメントは、外側プラットフォームを有するアーチ形の外側バンドと、内側プラットフォームを有するアーチ形の内側バンドと、内側及び外側バンド間に配置され、その前縁及び後縁間で延びる対向する正圧及び負圧側壁を有する翼形部とを含む。翼形部は、外側複合フィレットを有し、外側複合フィレットは、翼形部と外側プラットフォームとの間に配置され、かつ第１の半径を有する凹面状の第１の外側フィレットと、翼形部と外側プラットフォームとの間に配置され、前縁から負圧側壁に沿って下流方向に延びて後縁の上流における位置で終端した凹面状の第２の外側フィレットとを含む。第２の外側フィレットは、第１の半径よりも大きい第２の半径を有する。

本発明は、添付図面の図と関連してなされた以下の説明を参照することによって最もよく理解することができる。

様々な図全体を通して同一の参照符号が同じ要素を示している図面を参照すると、図１〜図３は、本発明により構成した例示的な高圧タービン（ＨＰＴ）ノズルセグメント１０を示す。複数のこのようなノズルセグメント１０は、円周方向に並んだ方式で組立てられてＨＰＴノズルを形成する。ノズルセグメント１０は、１つ又はそれ以上の中空で翼形形状の内部冷却型ベーン１２を含み、ベーン１２の各々は、それぞれ前縁１４と、後縁１６と、根元１８と、先端２０と、間隔を置いて配置された正圧及び負圧側壁２２及び２４とを有する。外側プラットフォーム２８を有するアーチ形の外側バンド２６は、ベーン１２の先端２０に取り付けられる。内側プラットフォーム３２を有するアーチ形の内側バンド３０は、ベーン１２の根元１８に取り付けられる。外側及び内側バンド２６及び３０は、ノズルセグメント１０を通る主ガス流路のそれぞれ外側及び内側半径方向境界面を定める。

ノズルセグメント１０は一般的に、公知のニッケル又はコバルト基「超合金」のような耐熱金属合金で形成される。ノズルセグメントは、単一ユニットとして鋳造するか或いは個々の構成部品又は部分組立品から組立てることができる。例えば、１、２、３及び４部品構成は、内側及び外側バンド３０及び２６間に配置された２つのベーン１２を有する「ダブレット」を組立てる全て公知の方法である。

図２は、ベーン１２の翼形部セクションを示す、図１の線２−２に沿って取った断面図である。各ベーン１２の負圧側壁２４は、前縁１４から後方に延び、該負圧側壁２４のそれぞれ比較的低湾曲の前方及び後方部分３６及び３８間に移行部を形成する高湾曲すなわち「高Ｃ」位置を有する。

最小の流れ断面積を定めるスロート部は、ベーン１２の正圧側壁の後方部分４２と隣接するベーン１２の負圧側壁２４の後方部分３８との間に形成される。スロート部４０の面積は、ノズルセグメント１２の空気力学的性能に影響を与える重要寸法である。従って、スロート部４０の実面積は、意図した設計値に可能な限り近づけて維持することが望ましい。

図３に示すように、外側複合フィレット４４は、外側プラットフォーム２８とベーン１２との間に配置される。外側複合フィレット４４は一般的に、より大きな鋳造品の単一の単体構造部分として形成されることになるが、説明の目的上、外側複合フィレットは、本明細書では第１の外側フィレット４６と第２の外側フィレット４８とを含むものとして説明する。凹面状の第１の外側フィレット４６は、ベーン１２と該ベーン１２の先端２０における外側流路面とに跨る。この第１の外側フィレット４６は、ベーン１２の全周辺部の周りで延びる。第１の外側フィレット４６は、単純な円形断面輪郭を有することができる。一般的には、第１の外側フィレット４６の半径は、約３．１７５ｍｍ（０．１２５インチ）となることになる。

図３〜図６を参照すると、第２の外側フィレット４８は、第１の外側フィレット４６の僅かに半径方向内側に配置され、半径方向において第１の外側フィレット４６に重なる。第２の外側フィレット４８は、前縁１４の周りでかつ正圧側壁に沿って延び、次にその幅が後方方向に次第に減少し、下流側の正圧側壁中間翼弦領域に向かって第１の外側フィレット４６に融合する。負圧側壁２４では、第２の外側フィレット４８の（従って、外側複合フィレット４４の）最大フィレット幅及び半径は、高Ｃ位置３４に位置決めされてその位置における応力を低下させるのが好ましい。後方に向かうにつれて、フィレット幅は、スロート部の位置の上流で第１の外側フィレット４６内に融合するように次第に減少して、意図したスロート部の流れ面積を維持する。従って、ベーン先端部２０における前縁１４は、外側複合フィレット４４を備えていない先行技術のベーンと比較して大きなフィレット半径により拡大される。

図５及び図６に示すように、内側プラットフォーム３２とベーン１２との間に、第１の内側フィレット５２及び第２の内側フィレット５４を含む任意の内側複合フィレット５０を配置することができる。内側複合フィレット５０は一般的に、より大きな鋳造品の単一の単体構造部分として形成されることになるが、説明の目的上、内側複合フィレットは、本明細書では第１の内側フィレット５２と第２の内側フィレット５４とを含むものとして説明する。凹面状の第１の内側フィレット５２は、ベーン１２と該ベーン１２の根元１８における内側流路面とに跨る。この第１の内側フィレット５２はベーン１２の全周辺部の周りで延びる。第１の内側フィレット５２は、単純な円形断面輪郭を有することができる。一般的には、第１の内側フィレット５２の半径は、約３．１７５ｍｍ（０．１２５インチ）となることになる。

第２の内側フィレット５４は、第１の内側フィレット５２の僅かに半径方向外側に配置され、半径方向において、第１の内側フィレット５２とオーバーラップ（重複）する。負圧側壁２４では、第２の内側フィレット５４の（従って、内側複合フィレット５０の）最大フィレット幅及び半径は、高Ｃ位置３４に位置決めされてその位置における応力を低下させるのが好ましい。後方に向かうにつれて、フィレット幅は、スロート部の位置の上流で第１の内側フィレット５２内に融合するように次第に減少する。従って、ベーン根元１８における前縁１４は、内側複合フィレット５０を備えていない先行技術のベーンと比較して大きなフィレット半径により拡大される。

第２の内側フィレット５４はまた、前縁１４の周りで延び、正圧側壁２２に沿って進み、次にその幅が後方方向に次第に減少し、下流側の正圧側壁中間翼弦領域に向かって第１の内側フィレット５２に融合する。

図７、図８及び図９は、外側複合フィレット４４’を除き、ノズルセグメント１０と実質的に同じ別のノズルセグメント１０’を示す。このノズルセグメント１０’は、１つ又はそれ以上の中空で翼形形状の内部冷却型ベーン１２’を含み、ベーン１２’の各々は、それぞれ前縁１４’と、後縁１６’と、根元１８’と、先端２０’と、間隔を置いて配置された正圧及び負圧側壁２２’及び２４’とを有する。外側プラットフォーム２８’を有するアーチ形の外側バンド２６’は、ベーン１２’の先端２０’に取り付けられる。外側及び内側プラットフォーム２８’及び３２’は、ノズルセグメント１０’を通る主ガス流路のそれぞれ外側及び内側半径方向境界面が定める。

外側複合フィレット４４’は、外側プラットフォーム２８’とベーン１２’との間に配置された第１の外側フィレット４６’と第２の外側フィレット４８’とを含む。外側複合フィレット４４’は、上述の外側複合フィレット４４の形状及び寸法にほぼ類似した形状及び寸法を有するが、この外側複合フィレット４４’は正圧側壁２２’内には延びていない。

上述のノズルセグメント１０は、上述の可変複合フィレットがない先行技術のノズルと比較して数多くの製造上及び作動上の利点をもたらす。より大きなフィレット半径により、ベーン１２と内側及び外側プラットフォーム３２及び２８との間の接合部における断面積が増大し、従って応力が低下する。このことはまた、鋳造しようとする最小形状部の寸法を増大させることによってその鋳造性を向上させる。内側及び外側プラットフォーム３２及び２８に隣接するベーン前縁１４におけるより大きなフィレットは、境界層流れを加速して馬蹄形渦の強度を低下させ、従ってノズルセグメント１０の効率を高めることになる。より大きな前縁ノーズ部は更に、フィレット領域におけるウェット高温表面積を減少させ、前縁の表面熱伝達率をより低下させ、また、乱流の発生をより少なくし且つプラットフォームの表面熱伝達率をより低下させるより小さな馬蹄形渦を形成する。

以上、ガスタービンエンジン用のタービン翼形部について説明した。本発明の特定の実施形態について説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、本発明に対する様々な改良を加えることができることは当業者には明らかであろう。例えば、可変複合フィレットはまた、上述のベーン１２に類似した翼形部と上述の内側プラットフォーム３２に類似した高温ガス流路の一部分を定めるプラットフォームとを有する公知のタイプの回転タービンブレード（図示せず）に対して実施することもできる。従って、本発明の好ましい実施形態の前述の説明及び本発明を実施するための最良の形態は、説明の目的のためのみに示したものであって限定を目的とするものではなく、本発明は特許請求の範囲によって特定される。

本発明により構成したタービンノズルセグメントの斜視図。 図１の線２−２に沿って取った断面図。 図１のノズルセグメントの外側正圧側部分の斜視図。 図１のノズルセグメントの外側負圧側部分の斜視図。 図１のノズルセグメントの内側正圧側部分の斜視図。 図１のノズルセグメントの内側負圧側部分の斜視図。 本発明により構成した別のタービンノズルセグメントの斜視図。 図７のノズルセグメントの負圧側の斜視図。 図７のノズルセグメントの外側負圧側部分の斜視図。

符号の説明

１０ 高圧タービンノズルセグメント
１２ ベーン
１４ 前縁
１６ 後縁
１８ 根元
２０ 先端
２２ 正圧側壁
２４ 負圧側壁
２６ 外側バンド
２８ 外側プラットフォーム
３０ 内側バンド
３２ 内側プラットフォーム
４４ 外側複合フィレット
５０ 内側複合フィレット

Claims (10)

1. ガスタービンエンジン用の翼形部であって、
   内側プラットフォーム（３２）を有するアーチ形の内側バンド（３０）と、
   前記内側プラットフォーム（３２）から外向きに延び、かつその前縁（１４）と後縁（１６）との間で延びる対向する正圧及び負圧側壁（２２、２４）を有する翼形部本体と、を含み、
   該翼形部が、内側複合フィレット（５０）を有し、
   前記内側複合フィレットが、
   該翼形部と前記内側プラットフォーム（３２）との間に配置され、第１の半径を有し、かつ該翼形部の周辺部の周りで延びる凹面状の第１の内側フィレット（５２）と、
   該翼形部と前記内側プラットフォーム（３２）との間に配置され、前記前縁（１４）から前記負圧側壁（２４）に沿って後方に延びて軸方向で前記後縁（１６）の前方位置で終端し、かつ前記第１の半径よりも大きい第２の半径を有する凹面状の第２の内側フィレット（５４）と、を含む、
   翼形部。
2. 前記負圧側壁（２４）が、該負圧側壁の比較的低湾曲の前方及び後方部（３６、３８）の間の移行部分を形成する高湾曲位置（３４）を含み、前記第２の内側フィレット（５４）の最大幅が前記高湾曲位置（３４）に配置される、請求項１記載の翼形部。
3. 前記第２の内側フィレット（５４）の幅が、前記最大幅から後方方向に滑らかに次第に減少して前記後縁（１６）の上流で前記第１の内側フィレット（５２）に融合する、請求項２に記載の翼形部。
4. 前記第２の内側フィレット（５４）が、前記第１の内側フィレット（５２）の半径方向外側に配置され、かつ半径方向において前記第１の内側フィレット（５２）と重複する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の翼形部。
5. 前記第２の内側フィレット（５４）が、前記前縁（１４）から前記正圧側壁（２２）に沿って後方にさらに延びて前記後縁（１６）の軸方向前方における位置で終端する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の翼形部。
6. 前記正圧側壁（２４）に沿った前記第２の内側フィレット（５４）の幅が、前記前縁（１４）の近傍で最大となりかつ後方方向に次第に減少している、請求項５記載の翼形部。
7. 外側プラットフォーム（２８）を有するアーチ形の外側バンド（２６）と、
   内側プラットフォーム（３２）を有するアーチ形の内側バンド（３０）と、
   前記内側及び外側バンド（３０、２６）間に配置され、その前縁（１４）及び後縁（１６）間で延びる対向する正圧及び負圧側壁（２２、２４）を有し、かつ外側複合フィレット（４４）を有する翼形部と、
   を含み、
   前記外側複合フィレットが、
   前記翼形部と前記外側プラットフォーム（２８）との間に配置され、かつ第１の半径を有する凹面状の第１の外側フィレット（４６）と、
   前記翼形部と前記外側プラットフォーム（２８）との間に配置され、前記前縁（１４）から前記負圧側壁（２４）に沿って下流方向に延びて前記後縁（１６）の上流における位置で終端し、かつ前記第１の半径よりも大きい第２の半径を有する凹面状の第２の外側フィレット（４８）と、を含む、
   タービンノズルセグメント（１０）。
8. 前記翼形部の負圧側壁（２４）が、前記前縁（１４）の後方に配置された高湾曲位置（３４）を含み、前記第２の外側フィレット（４８）が、前記前縁（１４）から前記高湾曲位置（３４）を越えて延びる、請求項７記載のタービンノズルセグメント（１０）。
9. 前記第２の外側フィレット（４８）が、前記高湾曲位置（３４）において最大幅を有し、前記幅が後方方向に次第に減少している、請求項８又は９に記載のタービンノズルセグメント（１０）。
10. 内側複合フィレット（５０）をさらに含み、前記内側複合フィレットが、
    前記翼形部と前記内側プラットフォーム（３２）との間に配置され、かつ第１の半径を有する凹面状の第１の内側フィレット（５２）と、
    前記翼形部と前記内側プラットフォーム（３２）との間に配置され、前記前縁（１４）から前記負圧側壁（２４）に沿って下流方向に延びて前記後縁（１４）の上流における位置で終端し、かつ前記第１の半径よりも大きい第２の半径を有する凹面状の第２の内側フィレット（５４）と、を含む、
    請求項７乃至９のいずれか１項に記載のタービンノズルセグメント（１０）。

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