JP2005320963A - 中空エアフォイルおよび中空タービンコンポーネント - Google Patents

Abstract

【課題】エアフォイル２２にクロスオーバーリブ４６付近を良好に冷却する。
【解決手段】本発明は、前縁壁部４２と、複数のキャビティ４０と、1つまたは複数のクロスオーバーリブ４６と、複数の冷却用開口５４と、複数のインピンジメント孔５６とを備える中空エアフォイル２２を提供する。キャビティ４０は、前縁壁部４２に隣接し、前縁壁部４２と第1リブ４４との間に配列される。各クロスオーバーリブ４６は、前縁壁部４２と第1リブ４４との間に延び、少なくとも１つのクロスオーバーリブ４６は一対のキャビティ４０の間に配列する。冷却用開口５４は、前縁壁部４２に配列し、冷却空気がキャビティ４０から流出できる通路を提供する。インピンジメント孔５６は、第1リブ４４に配列し、冷却空気がキャビティ４０に流入できる通路を提供する。少なくともインピンジメント孔５６の１つは、クロスオーバーリブ４６の１つと隣接する。
【選択図】図２

Description

この発明は、タービンエアフォイルに関し、特に、冷却タービンエアフォイルに関する。

軸流型タービンエンジンのタービン部およびコンプレッサ部は、一般に、ロータアッセンブリおよびステータアッセンブリを含む。各ロータアッセンブリは、回転ディスクと、このディスクの周囲に周方向に配列された複数のロータブレードと、を備える。各ステータアッセンブリは、複数のステータベーンを備え、このステータベーンは、部分的にあるいは全体的に可動することもあるが、周方向には回転しない。ステータベーンおよびロータブレードは、エンジンを通るガス通路内に配置されるエアフォイル部を含む。ガス通路内の温度が上記エアフォイルの耐久性に悪影響を与えることが非常に多いため、冷却空気をエアフォイルに通し、エアフォイルを冷却させることが知られている。この冷却空気は、エアフォイルの材料の温度を下げるのを助け、その結果エアフォイルの材料の耐久性が増す。したがって、必要なことは、エアフォイルの望ましい冷却を促進し、それによって耐久性を高めるような内部構造を備えたエアフォイルを提供することである。

本発明によれば、前縁壁部、複数のキャビティ、１つまたは複数のクロスオーバーリブ、複数の冷却用開口、第１リブ、および複数のインピンジメント孔を備えた中空エアフォイルが提供される。上記キャビティは、前縁壁部に隣接し、前縁壁部と第１リブとの間に配列される。クロスオーバーリブは、前縁壁部と第１リブとの間に延びており、各クロスオーバーリブは、１対のキャビティの間に配列される。冷却用開口は、前縁壁部に配列され、冷却空気がキャビティから流出できる通路を提供する。複数のインピンジメント孔は、第１リブに配列され、冷却空気がキャビティに流入できる通路を提供する。少なくともインピンジメント孔の１つは、クロスオーバーリブの１つに隣接している。

図４に示されているように、従来技術の冷却構造は、インピンジメントホールが、クロスオバーリブから間隔を隔てている幾何学形状を備えている。このような構造にはいくつかの欠点がある。第１に、上記の間隔によって、１対のポケット６３が生じ、そこで冷却空気再循環領域６２が形成される。再循環領域６２は、流出前に比較的十分な時間循環する冷却空気により特徴づけられる。その結果、再循環領域に隣接するエアフォイルの材料は十分に冷却されず、いずれ酸化および劣化し、このためエアフォイルの機能する能力が損なわれる。本発明は、再循環領域６２が形成されるこのポケットを排除し、それによってクロスオーバーリブ４６に隣接する領域の良好な熱移動および酸化防止を提供する。

上記従来技術の冷却構造の別の欠点は、製造工程中に生じる。非常に多くの場合、前縁冷却用開口は、穴あけに先立って、レーザーで後部を突き刺さないようにキャビティ内に裏当て材の挿入を必要とするレーザードリル加工を用いて形成される。この裏打ち材はドリル加工終了後、除去される。しかし場合によっては、この裏打ち材はポケットから完全に除去されないことがある。残留した裏打ち材により、ポケット内の冷却が遅くなる。結果として、このポケットに隣接するエアフォイルの材料が十分に冷却されず、望ましくない酸化および劣化を引き起こしやすくなる。本発明は、裏打ち材が残留するこのポケットを排除し、それによって望ましくない残留物を回避する。

従来技術構造のもう一つの欠点は、エアフォイルを作るために使われる鋳造コアに関連している。図４に示されている従来技術の冷却ホールやキャビティの幾何学形状は、最終製品でポケットになる空間を形成する小さい延長部を含むセラミックのコアの幾何学形状を必要とする。この小さい延長部は、溶解物質が加圧下で金型に注入される鋳造工程中に生じる負荷のために物理的な損傷（例えば、破損）を受けやすい。この小さい延長部はまた、鋳造工程中の伝熱により生じる物理的な損傷を受けやすい。大きい部分のセラミックのコアと小さい部分のコア（すなわち、小さい延長部を作るための部分）との質量の相違により、種々の部分が、種々の速度で、加熱および冷却される。その結果、セラミックのコア内の応力により、望ましくない機械的破損が引き起こされる。双方の場合とも、エアフォイルの生産性に悪影響を与える。本発明は、ポケットを形成する上記の小さい延長部を排除し、その結果、関連した問題をも排除する。

本発明の上記ならびに他の目的、特徴、および利点は、添付図面で説明されているように、最良の実施形態の詳細な説明の観点から明らかになるであろう。

図１が示すように、ガスタービンエンジン用のロータブレードアッセンブリ１０は、ディスク１２と複数のロータブレード１４とを備えている。ディスク１２は、その周囲に周方向に配列された複数の凹部１６を有し、中心線１２ａを中心にして回転する。各ブレード１４は、ルート部２０と、エアフォイル２２と、プラットホーム部２４と、を有する。ルート部２０は、ディスク１２の一つの凹部１６に合致する幾何学形状を有している。もみの木構造は、一般的に知られており、この例において使用することができる。図２に見られるように、ルート部２０は、さらに導管部２６を備えており、これを通して、冷却空気がルート部２０内に流入し、かつエアフォイル２２へと送られる。図３は、エアフォイル２２を有するステータベーン１１を図示する。エアフォイル２２の一部として下記で説明する構造は、ロータブレード１４およびステータベーン１１の双方、またはガスタービン内に見られる他の構造に組み込むことができ、この詳細な説明で規定する実施例に限定されない。

図２および図３が示すように、エアフォイル２２は、ベース部２８と、先端部３０と、前縁３２と、後縁３４と、正圧側壁３６（図１参照）と、負圧側壁３８（図１参照）と、複数の前縁キャビティ４０と、を含んでいる。図２および図３は、前縁３２と後縁３４との間におけるエアフォイル２２の断面を図示する。正圧側壁３６および負圧側壁３８は、ベース部２８と先端部３０との間に延在しており、前縁３２および後縁３４で互いに合致する。

前縁キャビティ４０は、前縁３２に沿って延びている壁部４２（「前縁壁部」）と第１リブ４４との間で、かつ前縁３２に隣接して配置されている。１つまたは複数のクロスオーバーリブ４６は、前縁壁部４２と第１リブ４４との間に延在しており、一対の前縁キャビティ４０の間に配置された少なくとも１つのクロスオーバーリブ４６を含んでいる。図２および図３に示されている実施例は、第１前縁キャビティ４８と、第２前縁キャビティ５０と、第３前縁キャビティ５２と、を含んでいる。第１前縁キャビティ４８は、横方向には、前縁壁部４２と第１リブ４４との間に、周方向には、負圧側壁３８と正圧側壁３６との間に、および半径方向には、クロスオーバーリブ４６と先端部３０との間に、配置されている。第２前縁キャビティ５０および第３前縁キャビティ５２は、同様に配置されているが、ただし半径方向では、各々が一対のクロスオーバーリブ４６の間に設置されている（ステータベーン１１の第３前縁キャビティ５２は、ベース部２８とクロスオーバーリブ４６との間で半径方向に配置されて図示されているが、その代わりに一対のクロスオーバーリブ４６の間に配置されていてもよい）。

複数の冷却用開口５４は、前縁３２に沿ってそれぞれが間隔をおいて、前縁壁部４２に配置されている。各冷却用開口５４は、上記キャビティ４０、５０、５２から冷却空気が流出できる通路を提供する。冷却用開口５４の的確な形式は、用途により変えることができ、２種類以上の冷却用開口５４を用いることが可能である。前縁冷却用開口５４は、従来知られており、したがって本明細書ではさらに説明はしない。本発明は、種々の冷却用開口の形式を用いることが可能であるため、特定の形式に限定されない。

図２、図３および図５が示すように、複数のインピンジメント孔５６が、第１リブ４４に配列されている。各インピンジメント孔５６は、キャビティ４８、５０、５２に冷却空気が流入できる通路を提供している。インピンジメント孔５６は、前縁３２に沿って配列される隣接の冷却開口５４の間に延在する前縁壁部４２と整列していても良いし、また冷却用開口５４と整列していても良い。１つまたは複数のインピンジメント孔５６は、１つまたは複数のクロスオーバーリブ４６の１つと隣接する。インピンジメント孔５６が、クロスオーバーリブ４６の両側と隣接し、それぞれの面に冷却空気が触れるように配列されることが望ましい。

運転の際に、エアフォイル２２は、タービンエンジンのコアガス通路内に、ステータベーンまたはロータブレードの一部として配置されるが、本発明は、前述のようにこれらの用途に限定されない。エアフォイル２２は、エアフォイル２２を通る高温のコアガスに影響されやすい。コアガスより大幅に低い温度である冷却空気は、エアフォイル２２に流入する。例えば、図２のロータブレードにおいて、冷却空気はルート部２０に設けられた導管部２６を通ってエアフォイル２２に流入する。図３のステータベーン１１において、冷却空気は開放通路５５を通ってエアフォイル２２に流入する。エアフォイル２２内の圧力差により、前縁３２に沿って配列された前縁キャビティ４８、５０，５２に冷却空気が流入する。冷却空気は、第１リブ４４（図４参照）中に配列されたインピンジメント孔５６を通って前縁キャビティ４８、５０，５２に流入する。インピンジメント孔５６のいくつかは、クロスオーバーリブ４６と隣接して配列されている。この位置において、インピンジメント孔５６を通ってキャビティ４８、５０，５２に流入する冷却空気は、隣接したクロスオーバーリブ４６の表面５８に沿って移動する。クロスオーバーリブ４６の表面５８に沿って、その後クロスオーバーリブ４６と前縁壁部４２との交差部に存在することのあるフィレット６０に沿って移動する冷却空気は、従来技術の配置と比較した場合、クロスオーバーリブ４６、フィレット６０および前縁壁部４２の望ましい熱移動を実現する。

以上、この発明を一実施例に沿って説明したが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく種々の改良を加えることが可能であることが当業者においては理解されよう。例えば、本発明は、中空のエアフォイル２２の用途を開示している。他の実施例においては、本発明は、タービンエンジンのコアガス流路内に配置される中空で冷却可能な構造の中に配置することができる。さらに、本発明の詳細な説明は、本発明が、エアフォイル２２上の前縁３２に隣接して配置しているように開示している。別の実施例において、本発明品は、エアフォイル２２内の他の場所に配置することができる。

ロータアッセンブリの部分的な斜視図。 ロータブレードの断面図。 ステータベーンの断面図。 従来技術のエアフォイル前縁の部分断面図。 ロータブレードまたはステータベーンの一部となる本発明のエアフォイル前縁の部分断面図。

Claims (7)

1. 中空エアフォイルであって、
   前縁壁部と、
   上記前縁壁部に隣接し、上記前縁壁部と第１リブとの間に配列された複数のキャビティと、
   上記前縁壁部と上記第1リブとの間に延びる１つまたは複数のクロスオーバーリブと、
   上記前縁壁部に配列され、冷却空気が上記キャビティから流出することができる通路を提供する複数の冷却用開口と、
   上記第1リブに配列され、冷却空気が上記キャビティに流入することができる通路を提供する複数のインピンジメント孔であって、少なくとも１つが、１つまたは複数の上記クロスオーバーリブの１つと隣接する複数のインピンジメント孔と、
   を備える中空エアフォイル。
2. 上記エアフォイルがロータブレードの一部であることを特徴とする請求項１に記載の中空エアフォイル。
3. 上記複数のキャビティは第１キャビティ、第２キャビティ、および第３キャビティを含み、
   第１クロスオーバーリブは上記第１キャビティと上記第２キャビティとの間に配置され、
   第２クロスオーバーリブは上記第２キャビティと上記第３キャビティとの間に配置され、
   第１インピンジメント孔は上記第1リブにおいて上記第１クロスオーバーリブと上記第２クロスオーバーリブのうち少なくとも１つのそれぞれの側に配置され、双方が上記第１クロスオーバーリブと上記第２クロスオーバーリブのうち少なくとも１つに隣接する請求項２に記載の中空エアフォイル。
4. 上記エアフォイルがステータベーンの一部であることを特徴とする請求項１に記載の中空エアフォイル。
5. 上記複数のキャビティは第１キャビティ、第２キャビティ、および第３キャビティを含み、
   第１クロスオーバーリブは上記第１キャビティと上記第２キャビティとの間に配置され、
   第２クロスオーバーリブは上記第２キャビティと上記第３キャビティとの間に配置され、
   第１インピンジメント孔は上記第１リブにおいて上記第１クロスオーバーリブと上記第２クロスオーバーリブのうち少なくとも１つのそれぞれの側に配置され、双方が上記第１クロスオーバーリブと上記第２クロスオーバーリブのうち少なくとも１つに隣接する請求項４に記載の中空エアフォイル。
6. 中空エアフォイルであって、
   壁部と第１リブとの間の複数のキャビティと、
   上記壁部と上記第１リブの間に延びている１つまたは複数のクロスオーバーリブと、
   上記壁部に配列され、上記キャビティから冷却空気が流出できる通路を提供する複数の冷却用開口と、
   上記第１リブに配列され、上記キャビティに冷却空気が流入できる通路を提供する複数のインピンジメント孔と、を備え、
   １つまたは複数の上記インピンジメント孔が、１つまたは複数の上記クロスオーバーリブのうちの１つと隣接することを特徴とする中空エアフォイル。
7. 冷却可能な中空タービンコンポーネントであって、
   壁部と隣接され、上記壁部と第１リブとの間に配列された複数のキャビティと、
   上記壁部と上記第1リブとの間に延びている1つまたは複数のクロスオーバーリブと、
   上記壁部に配列され、上記キャビティから冷却空気が流出することができる通路を提供する複数の冷却用開口と、
   上記第1リブに配列され、上記キャビティに冷却空気が流入するこができる通路を提供する複数のインピンジメント孔と、を備え、
   １つまたは複数の上記インピンジメント孔が、１つまたは複数の上記クロスオーバーリブのうちの１つと隣接することを特徴とする中空タービンコンポーネント。
   
   

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