JP2001055901A - 耐塵性にすぐれたエーロフォイル冷却構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 吐き出し穴への粉塵の堆積を防止した冷却効
率の良好なタービンエーロフォイル。 【解決手段】 タービンエーロフォイル（１２）では、
第１側壁（２２）および第２側壁（２４）が前縁（２
６）および後縁（２８）で互いに接合され、根元（３
２）から先端（３４）まで長さ方向に延在している。両
側壁間に、冷却材を流すための内部冷却回路（３８）が
配置されている。１列の長さ方向に間隔をあけて配置さ
れた射出スロット（４０）が前記後縁に沿って前記第１
側壁に貫通し、前記冷却回路と流通関係に配置されてお
り、冷却材を後縁に向けて吐き出す。幾つかのスロット
がピッチライン（３６）と先端との間に配置され、ピッ
チラインから長さ方向外向きに異なる射出角度で傾斜し
ている。また幾つかのスロットがピッチラインと根元と
の間に配置され、長さ方向内向きに傾斜することなく少
なくとも前記ピッチラインと平行に延在する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】この発明は、一般にガスタービンエンジン
に関し、特にタービンブレードの冷却に関する。

【０００２】

【発明の背景】ガスタービンエンジンでは、空気を圧縮
機で加圧し、燃焼器で燃料と混合し、点火して、高熱な
燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは下流に複数のタービン
段に流れ、これらのタービン段は燃焼ガスからエネルギ
ーを抽出し、圧縮機にパワーを供給するとともに、有用
な仕事、具体的には飛行中の航空機を推進するためにフ
ァンにパワーを生成する。

【０００３】タービンステータベーンおよびロータブレ
ードは、対応する中空なエーロフォイルを含み、これら
のエーロフォイル内に圧縮機から抽出した空気を冷却材
として循環させる。エーロフォイルの内部には、半径方
向または長さ方向に延在し、冷却材を流す１つ以上の冷
却回路が設けられている。エーロフォイルの冷却効率を
高めるために、熱伝達を増加する種々の特徴手段が組み
込まれている。

【０００４】各エーロフォイルは、ほぼ凹状の加圧側壁
とこれと対向したほぼ凸状の吸引側壁とを軸線方向に対
向する前縁および後縁で互いに接合した構成である。燃
焼ガスは両側壁に沿って下流に流れるが、熱入力または
負荷の量は両側壁で異なる。したがって、作動効率を向
上させるため、内部冷却回路をエーロフォイルの異なる
冷却要求に合致するように設計している。

【０００５】冷却材をエーロフォイルから吐き出すの
に、種々の穴（アパーチャ）、たとえば、加圧側壁およ
び吸引側壁に沿った長さ方向の複数列に配置された膜冷
却ホールや、１列の後縁穴またはスロットを通して吐き
出す。これらの種々の穴は、寸法が小さく、その近傍の
エーロフォイルを局部的に冷却する形状に形成されてい
る。

【０００６】冷却材を穴から吐き出す際の逆流余裕を最
小にして燃焼ガスが穴に吸い込まれるのを防止し、ま
た、対応する吹込比（ｂｌｏｗｉｎｇ ｒａｔｉｏ）を
各穴で制限して穴から望ましくないジェットが吐き出さ
れるのを防止する。

【０００７】穴を通しての冷却材の吐き出しはその穴の
冷却能力に影響し、またエンジンの全体効率に影響す
る。その理由は、冷却材はエーロフォイルの上に流れる
燃焼ガスを混ざり合い、その後エンジンから吐き出され
るからである。吐き出し冷却材と燃焼ガスの方向および
速度が相違すると、それが原因で、最小にすべき混合損
失が望ましくない大きさになる。

【０００８】さらに、圧縮機から抽出した冷却材は、粉
塵の微粒子を含み、これら微粒子が冷却材とともにエー
ロフォイル内を流通し、冷却材とともに穴を通って吐き
出される。穴は小さいので、粉塵が穴に堆積すると、穴
の寸法をさらに小さくし、穴を通る冷却材流れを中断
し、冷却に悪影響を与えるおそれがあり、望ましくな
い。

【０００９】したがって、吐き出し穴への粉塵の堆積を
防止した、冷却効率の良好なタービンエーロフォイルの
開発が望まれている。

【００１０】

【発明の概要】本発明のタービンエーロフォイルでは、
第１側壁および第２側壁が前縁および後縁で互いに接合
され、根元から先端まで長さ方向に延在している。両側
壁間に、冷却材を流すための内部冷却回路が配置されて
いる。１列の長さ方向に間隔をあけて配置された射出ス
ロットが前記後縁に沿って前記第１側壁に貫通し、前記
冷却回路と流通関係に配置されており、冷却材を後縁に
向けて吐き出す。幾つかのスロットがピッチラインと先
端との間に配置され、ピッチラインから長さ方向外向き
に異なる射出角度で傾斜している。また幾つかのスロッ
トがピッチラインと根元との間に配置され、長さ方向内
向きに傾斜することなく少なくとも前記ピッチラインと
平行に延在する。

【００１１】

【好適な実施態様】以下に、本発明を図面に示す好適な
実施態様について具体的に説明する。

【００１２】図１に、ガスタービンエンジン用のタービ
ンロータブレードの１例を１０で示す。ブレード１０
は、通常の形状の一体な鋳造品として、エーロフォイル
１２がプラットホーム１４とダブテール１６に一体的に
連結された構成である。ダブテール１６は、ロータディ
スクの周囲に形成された相補形状のダブテール溝にブレ
ードを保持する。

【００１３】作動にあたっては、空気１８をまず圧縮機
（図示せず）で加圧し、燃焼器（図示せず）で燃料と混
合し、点火し、高熱な燃焼ガス２０を発生し、この燃焼
ガスが下流にブレード１０の列を含むタービン段に流れ
る。エーロフォイルは中空で、圧縮空気１８の一部を、
作動中のブレードを冷却するための冷却材として受け取
る。冷却材１８はダブテールの下側に流され、ダブテー
ル内を半径方向外向きに流れる。

【００１４】図１および図２に示すように、エーロフォ
イル１２は、ほぼ凹面である第１または加圧側壁２２
と、これとは横方向または円周方向に反対側のほぼ凸面
である第２または吸引側壁２４とを含み、これらの側壁
は、軸線方向または翼弦方向に互いに反対側の前縁２６
および後縁２８で互いに接合されている。

【００１５】ブレードは長さ方向または半径方向軸線３
０を有し、エーロフォイルはこの軸線に沿って長さ方向
に根元３２から先端３４まで延在する。プラットホーム
１４は、作動中にエーロフォイルの上に流れる燃焼ガス
２０の半径方向内側流路の一部を画定し、エーロフォイ
ル先端３４は１列のブレードを取り囲む静止タービンシ
ュラウド（図示せず）にごく近接して配置される。

【００１６】図１に示すエーロフォイルは、長さ方向軸
線３０に直交または垂直な、根元から先端までのエーロ
フォイルの翼幅中央の半径方向断面として定義されるピ
ッチライン３６を含む。燃焼ガス２０の流線数本を図１
の加圧側壁２２上に、燃焼ガスがほぼ下流に後方に向か
って流れるにつれて、ピッチラインの外側では半径方向
または長さ方向外向きに移行し、ピッチラインの内側で
は長さ方向内向きに根元に向かって移行するものとして
示してある。

【００１７】図１の立面図および図２の断面図に示すよ
うに、２つの側壁２２，２４は前縁および後縁間で両側
壁間の対応するリブまたは架橋部により互いに横方向に
離間され、内部冷却チャンネルまたは回路３８を画定す
る。内部冷却回路３８は、圧縮機抽出空気１８を作動中
にブレードを冷却するための冷却材として流す。

【００１８】本発明によれば、長さ方向に離間した複数
の射出ホールまたはスロット４０が、好ましくは後縁に
沿って、加圧側壁２２を翼弦方向に貫通する。射出スロ
ット４０の形状は、図３に具体的に示す面積一定な楕円
スロットなど、適当などのようなものでもよい。射出ス
ロットは内部冷却回路３８と流通関係に配置され、冷却
材をスロットから後縁に向けて吐き出す。

【００１９】図１および図３に示すように、射出スロッ
ト４０はそれぞれ、ピッチライン３６または長さ方向軸
線３０への垂線に対して射出角Ｅだけ配向されている。
この射出角Ｅは、射出スロットからの冷却材吐き出し方
向を決める。

【００２０】図１に示すように、代表的な燃焼ガス流線
はピッチライン３６に対して半径方向外向きにまた半径
方向内向きに移行する。したがって、幾つかの射出スロ
ット４０はピッチライン３６とエーロフォイル先端３４
との間、すなわちエーロフォイルの外側部分に配置さ
れ、ピッチライン３６から長さ方向外向きにそれぞれ異
なる正の射出角で傾斜している。好適な実施例では、外
側スロット４０の射出角を鋭角とし、加圧側壁に沿う燃
焼ガス流線の移行角度または傾斜とほぼ合致させ、吐き
出し冷却材１８がエーロフォイルの外側に流れる燃焼ガ
スに出会う際の混合損失を小さくする。

【００２１】しかし、ピッチライン３６とエーロフォイ
ル根元３２との間、すなわちエーロフォイルの内側部分
における燃焼ガス流線は半径方向内向きに移行する。内
側射出スロット４０をこれらの流線に合致させ混合損失
を小さくするように傾斜させることができるが、このこ
とは、冷却回路に流れる冷却空気に同伴される粉塵４２
を考慮すると望ましくない。

【００２２】具体的には、図３に詳細に示すように、射
出スロット４０は冷却材１８を後縁２８に沿って吐き出
す比較的小さな穴である。内側射出スロット４０を長さ
方向内向きに、したがって負の射出角Ｅに傾斜させる
と、同伴された粉塵４２がスロット４０に堆積し、スロ
ットの効果を低減するおそれがあり望ましくない。

【００２３】したがって、図１に示す外側射出スロット
には正の射出角を与えるが、ピッチラインと根元の間に
配置された内側射出スロットは、長さ方向内向きに傾斜
させたり、負の射出角を与えたりせずに、少なくともピ
ッチラインと平行に、すなわち少なくとも０°で延在す
るのが好ましい。たとえば、内側スロットの射出角を０
°以上として、内側スロットの半径方向内向き傾斜を阻
止するのが好ましい。このようにすれば、冷却材に同伴
された粉塵は冷却回路および射出スロットの主要通路を
通り、ブレードのロータ作動中に発生する遠心力で、射
出スロットを通して駆動され、射出スロットにはほとん
どまたはまったく堆積しない。

【００２４】図１に示すように、射出スロット４０の射
出角または傾斜の度合いを先端３４からピッチライン３
６へ向け減少させ、移行する燃焼ガス流線の対応して減
少する傾斜にだいたい合致させるのが好ましい。相応さ
せて、ピッチラインと根元の間のスロットの射出角を、
ピッチラインより外側のスロットの射出角より小さくす
るのが好ましい。このようにすれば、内側射出スロット
の粉塵堆積を低減し、耐塵性冷却能力を維持しながら、
内側射出スロットについての混合損失を減らすことがで
きる。

【００２５】好適な実施例では、射出スロット４０は、
その射出角の大きさが先端３４からピッチライン３６ま
で、ついで根元３２まで順次減少する。射出角の減少は
順次スロット毎に均一とするのが好ましく、これにより
混合損失を小さくするとともに、耐粉塵堆積性を与え、
またエーロフォイル後縁に射出スロットを鋳造その他の
方法で簡単に製造できるようにする。

【００２６】また好適な実施例では、根元３２のすぐ近
くの根元射出スロット４０の射出角を最小とし、先端３
４に隣接する先端射出スロット４０の射出角を最大とす
る。最小射出角は、鋭角かつ正とするのが好ましく、最
内側射出スロット４０を根元から長さ方向外向きに傾斜
させ、こうして有意な混合損失を生じることなく、耐塵
性を確保する。

【００２７】図１に示す具体的な例では、エーロフォイ
ル先端にある最外側射出スロットの最大射出角が約１０
°であり、根元にある最内側射出スロットの最小射出角
が約２°である。そして合計で９個の対応する射出スロ
ットがあり、射出角は先端と根元の間でスロット毎に約
１°ずつ減少する。

【００２８】また図１に示す好適な実施例において、冷
却回路３８は蛇行状であり、最終のパスまたはレッグが
後縁２８に隣接して長さ方向外向きに延在し、冷却材１
８を縦列の射出スロット４０に直接並列に供給する。蛇
行回路３８には、ほかに第１および第２パスまたはレッ
グが最終または第３レッグより前に設けられている。好
ましくは、第１レッグがエーロフォイル前縁２６のすぐ
後ろに延在し、エーロフォイル先端に位置する反転ベン
ドで流れを半径方向内向きに転回し、翼弦中央に沿って
半径方向内向きに延在する第２レッグに通す。つぎに、
プラットホームに位置する反転ベンドで冷却材を半径方
向外向きに転回し、第３（最終）蛇行レッグに入れる。

【００２９】粉塵４２は質量をもっているので、蛇行回
路のいくつかのベンド間で転回する際に遠心力を受ける
だけでなく、作動中にブレードが回転するのでその遠心
力も受ける。したがって、冷却材１８は、後縁近くの第
３蛇行レッグにエーロフォイルの根元から進入し、半径
方向外向きに流れ、この際冷却材に同伴された粉塵４２
はすべて遠心作用を受ける。射出スロットを長さ方向外
向きに傾斜させることにより、遠心力をうまく利用し、
同伴された粉塵を、射出スロット内に滞留させることな
く、射出スロットから追い出し、こうして作動中の粉塵
の堆積を低減することができる。内側射出スロット４０
に負の射出角を与えないことで、冷却材、そしてそれに
同伴される粉塵が、射出スロットに流入する際に、その
主要方向を反転させることを防ぎ、こうして射出スロッ
トへの粉塵の堆積を低減する。

【００３０】図１に概略を示し、また図３に詳しく示す
ように、各射出スロット４０は、後縁にすぐ隣接して縦
列に配置された各トラフ４４と協同する。トラフの列は
加圧側壁２２に後縁２８に沿って配置されている。各ト
ラフ４４は最大深さの前方壁を有し、そこに対応する射
出スロット４０の出口端が配置されており、また射出ス
ロットの入口はエーロフォイルを貫通して内部で冷却回
路３８につながっている。各トラフ４４の側壁はその深
さを減少させ、トラフを下流で後縁２８と合流させてい
る。各トラフの側壁は、個々の射出スロット４０から射
出された冷却材を分布させるように、半径方向に拡開し
ている。

【００３１】トラフ４４は、それぞれの射出スロット４
０と協同する通常の形状とすることができる。燃焼ガス
からの熱負荷は加圧側壁の方が吸引側壁でより普通大き
いので、射出スロットとトラフはエーロフォイルの加圧
側壁２２に配置するのが好ましい。

【００３２】上述した射出スロットは、冷却材が射出ス
ロットから吐き出される際の冷却材の射出角を燃焼ガス
流線の局部的傾斜と適切に一致させ、こうして混合損失
を低減するのに、有効利用できる。射出角を変えて、流
線の角度と合致させるだけでなく、射出スロットへの粉
塵の堆積も低減するのが好ましい。以上開示した特定の
幾何形状から見て、負の射出角は粉塵の堆積から望まし
くない。上述したように先端から根元まで異なる射出角
を選択的に導入することにより、混合損失を減らすだけ
でなく、耐塵性を改良する。

【００３３】選択的に傾斜させた射出スロットは、内部
冷却回路の構成が異なる他のタイプのタービンブレード
にも使用できる。また、静止タービンノズルベーンは回
転による遠心力を受けないが、射出スロットは静止ター
ビンノズルベーンにも有利に使用できる。

【００３４】以上、この発明の好適かつ具体的な実施例
と考えられるものを説明したが、当業者には本発明の他
の変更が自明である。したがって、このような変更例も
すべて本発明の要旨の範囲内に包含される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の１実施例によるエーロフォイル射出
スロットを有するガスタービンエンジンのロータブレー
ドの部分的断面を含む正面図である。

【図２】図１の２−２線方向に見たエーロフォイルの半
径方向に見た断面図である。

【図３】図１に示した射出スロットの一例の拡大図であ
る。

【符号の説明】

１２ エーロフォイル ２２ 第１側壁 ２４ 第２側壁 ２６ 前縁 ２８ 後縁 ３２ 根元 ３４ 先端 ３６ ピッチライン ３８ 冷却回路 ４０ 射出スロット ４４ トラフ

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１側壁（２２）および第２側壁（２
   ４）が前縁（２６）および後縁（２８）で互いに接合さ
   れ、根元（３２）から先端（３４）まで長さ方向に延在
   し、そして根元および先端間にピッチライン（３６）を
   有し、 前記両側壁が前記前縁および後縁間で離間されて両者間
   に冷却材を流すための内部冷却回路（３８）を画定し、 前記後縁（２８）に沿って、前記第１側壁（２２）を貫
   通する、長さ方向に間隔をあけて配置された１列の射出
   スロット（４０）が前記冷却回路と流通関係に配置され
   て冷却材を後縁に向けて吐き出し、 幾つかのスロット（４０）が前記ピッチライン（３６）
   と先端（３４）との間に配置されて前記ピッチラインか
   ら長さ方向外向きに異なる射出角度で傾斜し、また幾つ
   かのスロット（４０）が前記ピッチライン（３６）と根
   元（３２）との間に配置されて長さ方向内向きに傾斜す
   ることなく少なくとも前記ピッチラインと平行に延在す
   る、タービンエーロフォイル（１２）。
2. 【請求項２】 前記射出スロット（４０）の射出角が先
   端（３４）からピッチライン（３６）まで減少する、請
   求項１に記載のエーロフォイル。
3. 【請求項３】 ピッチライン（３６）と根元（３２）の
   間の射出スロットの射出角がピッチライン（３６）より
   外側での射出角より小さい、請求項２に記載のエーロフ
   ォイル。
4. 【請求項４】 前記射出スロット（４０）の射出角が先
   端（３４）から根元（３２）まで順次減少する、請求項
   ３に記載のエーロフォイル。
5. 【請求項５】 前記射出角がスロット毎に順次均一に減
   少する、請求項４に記載のエーロフォイル。
6. 【請求項６】 根元（３２）に近い射出スロット（４
   ０）の射出角が最小で、先端（３４）に近い射出スロッ
   ト（４０）の射出角が最大である、請求項３に記載のエ
   ーロフォイル。
7. 【請求項７】 前記最小射出角が鋭角で、スロット（４
   ０）を根元（３２）から長さ方向外向きに傾斜させる、
   請求項６に記載のエーロフォイル。
8. 【請求項８】 前記最大射出角が１０°で、最小射出角
   が２°で、射出角が先端（３４）から根元（３２）まで
   １°ずつ減少する、請求項７に記載のエーロフォイル。
9. 【請求項９】 前記冷却回路（３８）が蛇行状で、冷却
   材を射出スロット（４０）に供給する最終パスを後縁
   （２８）近くに有し、追加のパスを最終パスから前方に
   有する、請求項３に記載のエーロフォイル。
10. 【請求項１０】 さらに、前記後縁（２８）に沿って前
    記第１側壁（２２）に配置された発散トラフ（４４）の
    列を備え、前記射出スロットがそれぞれ対応するトラフ
    に流通関係で配置され冷却材をそのトラフに吐き出す、
    請求項９に記載のエーロフォイル。
11. 【請求項１１】 前記第１側壁（２２）がほぼ凹状の加
    圧側壁であり、前記第２側壁（２４）がほぼ凸状の吸引
    側壁である、請求項１０に記載のエーロフォイル。