JP4509263B2 - 側壁インピンジメント冷却チャンバーを備えた後方流動蛇行エーロフォイル冷却回路 - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の背景】
【0002】
【発明の分野】
本発明は全体的にガスタービンエンジンのタービンローターブレード及びステーターベーンの冷却空気回路、更に具体的に言えば、側壁インピンジメント冷却チャンバーに冷却空気を供給する蛇行冷却回路に関する。
【0003】
【従来技術の説明】
ガスタービンエンジンは空気を圧縮する圧縮機を含み、この空気が燃焼器に通され、そこで燃料と混合され、点火されて燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは1段以上のタービンを下流側へ流れ、これらのタービンでエネルギーが抽出され圧縮機に動力を供給すると共に、例えば飛行中の航空機の動力源になるフアンを駆動する別の出力動力を発生する。タービン段は、ローターディスクの外周に固定された1列のタービンローターブレードを含み、複数のステーターベーンを有する静止タービンノズルがその上流側に配置されている。燃焼ガスはステーターベーンの間並びにタービンブレードの間を流れて、ローターディスクを回転させる為のエネルギーを抽出する。ガスタービン内の温度は2500°Fを越えることがあり、タービンブレードの冷却はブレードの寿命の面で非常に重要である。冷却をしないと、タービンブレードは急速に劣化する。タービンブレードの冷却を改善することが非常に望ましく、タービン冷却技術の当業者によって、冷却作用を高める為に、タービンブレード内の内部の空所について形状の改善を工夫する多大な努力が傾けられている。燃焼ガスは高温であるから、タービンのベーン及びブレードは、この目的の為に圧縮機から分流された圧縮機空気の一部分を用いて冷却されるのが典型的である。圧縮機空気の一部分でも、燃焼器で使わないで転用することは、必然的にエンジンの全体的な効率を低下させる。従って、圧縮機分流空気を出来るだけ少なくして、ベーン及びブレードを冷却することが望ましい。
【0004】
典型的なタービンベーン及びブレードは、エーロフォイルを含み、その上を燃焼ガスが流れる。典型的には、エーロフォイルはその中に1つ又は更に多くの蛇行冷却通路を含み、その中に圧縮機分流空気が通されて、エーロフォイルを冷却する。エーロフォイルは、冷却効果を高める為にその中に種々の乱流部材を含むことが出来、この冷却空気が通路から、エーロフォイルの外面に沿って配置された種々のフィルム冷却孔を介して吐出される。
【0005】
典型的な回路途中の冷却空気は、蛇行通路で熱を吸収した後、フィルム冷却孔から出ていく。正圧面及び負圧面に1列以上のフィルム冷却孔が配置される。通抜け流量の小さいタービンの設計に使われる空気力学的な効率の高い新しいエーロフォイルは、正圧面に沿って、速度の低い外部ガス通路の流れを受ける。この結果、フィルム冷却孔のブローイング比(ガスの流れに対するフィルム冷却空気の質量流量比)が非常に高くなり、エーロフォイルの正圧面でのフィルム冷却効果が非常に悪くなる(フィルムブローオフ)。フィルム冷却空気を供給する少なくとも若干の空所の幾何学的な制約により、夫々の側の面からの角度が比較的浅いフィルム孔を正圧面及び負圧面の両方に使うことは出来ないか或いは困難である。一層大きな角度を使えば、フィルム冷却空気の多くは境界層の外へ流れ出すので、可成りの空気力学的な混合損失を招いて、フィルム冷却効果が不良になる。従って、エーロフォイルのこういう区域にフィルム冷却を使うことを避けて、エーロフォイル全体の有効で効率的なフィルム冷却及び対流冷却をもたらすような回路の設計を提供することが望ましい。
【0006】
米国特許第5、660、524号、発明の名称「蛇行冷却回路及びインピンジメント冷却を有するエーロフォイルブレード」には、少なくとも外壁の一部分と一板板である4つの一板板の内壁によって区切られた最後の下流側の通路を有する内部蛇行冷却回路を備えたジェットエンジンタービンローターブレードのようなエーロフォイルブレードが開示されている。2つの内壁は外壁から隔たっていて、空気インピンジメントオリフィスを含んでおり、2つのインピンジメントチャンバーを作っている。蛇行回路内の若干の冷却材は、ブレード先端にある冷却材出口を介してエーロフォイルブレードから出ていく。回路内の残りの冷却材はインピンジメントオリフィスを通過し、外壁にあるフィルム冷却孔を介してブレードから出ていく。
【0007】
米国特許第5、813、836号、発明の名称「タービンブレード」には、正圧面で側壁インピンジメント冷却を行う2重壁構造を有すると共に、ブレードの負圧面に沿って、タービンの中を後ろ向きに流れる高温ガスに対して冷却空気を前向きに流す、前向きに流れる多重パス蛇行冷却空気回路を有するエーロフォイル部分が開示されている。このエーロフォイル部分は、3回パス蛇行冷却回路から供給される複数の半径方向のフィルム冷却孔を有する前縁空所も含んでいる。冷却空気が通路に沿って流れるとき、それが、タービンブレードの内、これらの通路に隣接した部分を対流によって冷却する。更にこのエーロフォイル部分は、エーロフォイル部分の後縁の流れの領域を冷却する後縁空所を含む。複数のインピンジメント空所が正圧面の壁に設けられていて、インピンジメント孔は内側空所及びインピンジメント空所の蛇行通路からの冷却空気を供給する。多列の複合角度のフィルム孔がインピンジメント空所から延在していて、インピンジメント空所からの冷却空気をこのエーロフォイル部分から吐出することが出来るようにしている。この米国特許は、前縁空所が主に蛇行通路から供給を受けると共に、更新通路からの冷却空気流によって補足されて、前縁を冷却する為の変形のウォームブリッジ冷却回路を形成することを教示している。
【0008】
公知のタービンエーロフォイル冷却技術は、蛇行冷却回路を形成する内部空所を使うことを含んでいる。特に、ブレードの冷却の為に、蛇行通路、前縁インピンジメントブリッジ、フィルム孔、ピン形ひれ及び後縁孔又は正圧面の分流溝孔が利用されている。改良されたブレードの冷却を提供することが望ましい。ブレードの冷却を更によくする際に、ブレードの製造コストを目立って増加することは避けることが望ましい。
【0009】
【発明の要約】
ガスタービンエンジンの中空エーロフォイルは、エーロフォイルの翼弦方向に離隔した前縁と後縁で一つにつながった幅方向に離隔した正圧面と負圧面の壁を有していて、縦方向に根元から先端まで延在する。エーロフォイルの内側で、少なくとも1つの内部蛇行冷却回路が、内部蛇行冷却回路の縦方向に延在する蛇行流路の間に複数の縦方向に延在する内部リブを有している。蛇行冷却回路の末端は、入口より後方に配置されていて、蛇行回路内で、前縁から後縁まで後ろ向きに翼弦方向の流れの方向を有するようになっている。少なくとも1つの縦方向に延在する第1の側壁インピンジメントチャンバーは、エーロフォイル内の蛇行冷却回路と下流側で流体が連通していて、側壁の1つ及び蛇行冷却回路を区切る第1の内壁の間に配置されている。第1の内壁は、1つの蛇行流路と、側壁インピンジメントチャンバーの間にインピンジメント冷却開口を有することが好ましい。この1つの側壁は、正圧面の壁であってよく、第1の複数のフィルム冷却孔が第1の側壁インピンジメントチャンバーから正圧面の壁を通抜けていてよい。エーロフォイルは、蛇行冷却回路と下流側で流体が連通し、前記1つの側壁及び蛇行冷却回路を区切る第2の内壁の間に配置された縦方向に延在する第2の側壁インピンジメントチャンバーを含むことが好ましい。第1及び第2の側壁は一体で連続していてよい。第1のインピンジメント冷却開口は、1番目の蛇行流路及び第1の側壁インピンジメントチャンバーの間にあり、第2のインピンジメント冷却開口は2番目の蛇行流路及び第2の側壁インピンジメントチャンバーの間にある第2の内壁にあることが好ましい。エーロフォイルは、第1及び第2の側壁インピンジメントチャンバーの少なくとも一方から正圧面の壁を通る第1の複数の側壁フィルム冷却孔を有することが好ましい。
【0010】
一つの具体的実施形態では、前縁及び後縁冷却高圧チャンバーは、前縁及び後縁に沿ってエーロフォイルに設けられ、夫々前縁及び後縁に沿って外壁に冷却空気吐出開口を有している。前縁冷却高圧チャンバーは、内部蛇行冷却回路の前方に配置された前側供給流路の前縁スパンリブを通る前縁供給開口を有し、複数の前縁冷却開口は前縁冷却高圧チャンバーから前縁に沿った外壁を通抜ける。後縁冷却高圧チャンバーは内部蛇行冷却回路の後方に配置された流路の後縁スパンリブを通る後縁供給開口を有し、複数の後縁冷却開口は後縁冷却高圧チャンバーから後縁にある外壁を通抜ける。前縁冷却開口はシャワーヘッドフィルム冷却孔であり、後縁冷却開口は後縁冷却溝孔であることが好ましい。インピンジメントチャンバーの内の少なくとも1つから延在する少なくとも1つの先端冷却孔を、エーロフォイルの先端の縦方向外側の先端壁内に配置することが出来る。
【0011】
【発明の利点】
本発明は、他の場合に必要とするよりも使う冷却空気を少なくして、中空ガスタービンエーロフォイルの外壁の正圧面の壁の翼弦中央部分の冷却を可成り改善しながらも、エーロフォイルの先端を十分に冷却し、エーロフォイル先端金属の許容し得る温度をもたらすという利点がある。回路途中の冷却空気は正圧面の壁の熱負荷から隔離され、こうして最後の上向きパスの先端での温度を一層低温にし、先端の冷却を更によくする。本発明の下流側に向かって蛇行する回路の設計は、ブレードの1番高温の区域に1番低温の冷却空気を供給する。この冷却空気の温度は、従来の上流側に蛇行する回路の設計に於ける同じ流路及びチャンバー内の冷却空気の温度よりも、一層低温である、下流側に向かって蛇行する回路は、上流側に向かって蛇行する回路に比べて、スパン方向のリブ壁の平均温度が一層低温になり、その為、翼弦方向の冷却空気温度分布が全体として一層よくなると共に、エーロフォイルのバルク温度が更によくなって、エーロフォイル全体を一層よく冷却する。
【0012】
インピンジメントチャンバーは、更に効率のよい追加の冷却能力を提供し、その為、必要とする全体の冷却空気が少なくてすみ、フィルム冷却もそれ程必要としなくなる。更に、下流側に向かう蛇行回路設計は、タービン中で外部ガスが翼弦方向又は下流側に膨張するときの外部ガスの圧力とよく一致し、調整された内部冷却空気圧力をもたらす。これは、フィルム冷却孔がそこから延在するインピンジメントチャンバーまで伝わる。この結果、ブレードに対する逆流余裕が一層よくなり、更によく熱伝達するには更に圧力を消費するという兼ね合いにより、内部冷却の可能性を一層最適に利用する。
【0013】
前縁に一層接近した外壁部分は、従来よりも一層低温で一層新鮮な冷却空気によって冷却され、この領域に必要なフィルム冷却の量を少なくするかなくする。この結果、タービンの性能が一層よくなると共に、製造コストが一層安くなる。更に、後縁に一層近いフィルム冷却孔は、前縁に一層接近しているフィルム冷却孔よりも、面からの流れの角度を一層浅くすることが出来、その結果フィルム冷却効果が更によくなる。後縁に一層接近した外部ガス流速は、前縁に一層接近したエーロフォイル側壁に沿った部分に於けるよりも、一層高い速度に加速される。従って、この為、エーロフォイルの冷却は、外壁の内、前縁に一層接近した側の部分の伝導及び対流による冷却によりよく合わせることが出来、後縁に一層接近した側の部分に対しては、フィルム冷却孔を使うことが出来、そこでは孔が一層小さくなり、従ってブローイング比が更によくなり、フィルム冷却効果がよくなると共に、全体的な冷却効率がよくなる。
【0014】
この他の利点としては、冷却材の側の伝熱係数が高くなると共に、外部フィルム流に対する計量能力が改善される。このように冷却が改善されることにより、先端冷却孔を介して一層低温の空気が吐出され、こうしてスクイーラ先端に対する冷却が改善される。
【0015】
一般的に、下側スパンに於けるエーロフォイルの設計条件は、低下した金属温度に於ける高い応力レベルでの破壊の心配によって決まり、上側領域では、酸化及び疲労ひゞ割れの開始を避ける為の高い表面温度に対する心配によって決まる。本発明の下流側に向かって蛇行して流れ、側壁インピンジメントチャンバーを有する設計は、内部エーロフォイル冷却の流れ及びブレードの寿命をよりよく最適にする能力と共に、こういう必要性を取り上げるものである。
【0016】
【詳しい説明】
本発明に特有と考えられる新規な特徴は特許請求の範囲に記載してあるが、本発明並びにその他の目的及び利点は、以下図面について更に具体的に説明する。
【0017】
図1には、軸流の下流側の方向Fに流れる高温ガス流の中で運転されるように設計されたガスタービンエンジンに対する一例のタービンブレード10が示されている。ブレード10が中空エーロフォイル12、及びエンジンの中心線11の周りに外接するエンジンのローターディスク(図に示していない)にブレード10を固定するのに使われる普通の根元14を含む。図2−5にエーロフォイル12の断面で更に示されているように、エーロフォイル12が正圧面の壁16及び負圧面の壁18を有する外壁15を含み、これらの壁が上流側の前縁20及びこの前縁から翼弦方向に離隔した下流側の後縁22に沿って一つにつながっている。エーロフォイル12が、半径方向内側の基部26から半径方向外側のエーロフォイル先端28まで、エーロフォイルのスパンSに沿って、エーロフォイル12のスパン方向に、エンジンの中心線11から遠ざかる半径方向24の縦方向に延在する。エーロフォイル先端28が、スクイーラ先端として示されている。このスクイーラ先端は、外壁15から延在する外向き延長部、又はその中にスクイーラ先端空所13を形成する先端外壁31の周縁に沿って、そこから縦方向外向きに延在するスクイーラ壁29を有している。中空エーロフォイル12の内側からスクイーラ先端空所33まで、先端外壁31を通抜ける先端冷却孔59を使って、先端空所を冷却する。内側の基部26は、ブレード10の流れの内側境界を形成し、その下方に根元14が延在する普通のプラットフォーム30のところに形成されている。
【0018】
エーロフォイル20は、エンジンの中心線11に対する夫々第1、第2及び第3の翼弦線CL1、CL2、CL3の角度の変化によって示すように、スタッキング線SLの周りに高度の捩れを有することがある。図2−4は、先端、スパン中央及びプラットフォームの場所、又はこれに対応して図1の線2−2、3−3及び4−4でとった第1、第2及び第3のエーロフォイル断面A1、A2及びA3を示している。エーロフォイル12は、翼弦の角度が先端28に於ける第1の翼弦の角度B1から、プラットフォーム30に於ける第3の翼弦の角度B3まで変化するようにする捩れをも有することがある。第1、第2及び第3の翼弦の角度B1−B3が、前縁20から後縁22まで延在する第1、第2又は第3の翼弦線CL1−CL3のエンジンの中心線11に対する対応する角度として定義される。捩れたエーロフォイルの異なるエーロフォイル区間は、典型的にはスタッキング線SLの周りに角度を有する。スタッキング線SLが円周方向並びに軸方向に湾曲していることがあり、夫々前縁及び後縁20、22も同様である、今日のタービンエーロフォイルは、典型的には、キャンバ線LCで示すような高度の反りをも有する。
【0019】
ブレード10の動作中、燃焼ガス32が燃焼器(図に示していない)によって発生され、外壁15のエーロフォイル正圧面及び負圧面の壁16、18の両方の上を下流側へ流れる。典型的には、燃焼ガス32の半径方向又は縦方向の温度分布は、第2の翼弦線CL2のような、エーロフォイルの約50%から約80%までのスパン中央の翼弦の上方のスパン中央領域の近くで、中心ピークを有する。隣接したエーロフォイル12の間の2次的な流れの場により、温度分布が、エーロフォイル12の半径方向の高さ又はスパンSの約70%から約85%までの範囲に互り、エーロフォイルの正圧面の壁16に互って半径方向外向きにシフトすることがある。従って、正圧面の壁16は、70%乃至85%のスパン高さのスパン中央領域の上方で、最も大きな熱入力又は負荷を受ける。
【0020】
本発明では、燃焼ガス32からの熱負荷の分布に一層よく釣合わせるように、エーロフォイル12の選択的な翼弦方向並びに半径方向又はスパン方向の冷却を行う。図面には、一例のガスタービンのローターブレード10が示されているが、本発明は、同様なエーロフォイルを有するタービンベーンにも等しく用いられ、こういうエーロフォイルも、本発明に従って同様に冷却することが出来る。
【0021】
更に具体的に言うと、正圧面及び負圧面の壁16、18が前縁及び後縁20、22の間で互いに円周方向又は横方向に隔たっていて、夫々正圧面及び負圧面の壁16、18の間を延在する、全体を34で示した複数の内部横方向リブによって一体につながる。少なくとも若干の横方向リブ34が、図5及び6に示すような少なくとも1つの蛇行冷却回路36を構成する。図5のエーロフォイルの断面は、図4の同じ区間の拡大図であり、図6は、下流側又は後方に流れる蛇行冷却回路を通る冷却回路分割線38に沿って平たくのばしたエーロフォイル12を示している。蛇行冷却回路36は冷却回路36内の蛇行する冷却流35が、冷却回路36内で前縁20から後縁22まで後方に翼弦方向の流れの方向で流れるように構成されている。冷却回路36が、末端36Bより前方に配置された入口36Aを含み、蛇行冷却流35が、前縁20から後縁22まで後方に翼弦方向の流れ方向43に流れて、燃焼ガス32から加わる熱負荷に一層よく釣合うようにすると共に、エーロフォイル12に対する熱負荷に対して蛇行冷却流35を一層効果的に調整し、エーロフォイルを更に効果的に冷却する。
【0022】
蛇行冷却回路36が、図6に示すように、翼弦方向に離隔した内部リブ34によって分離された縦方向に延在する蛇行流路40を含む。図6は翼弦方向に離隔した4つの内部リブ34によって区切られた縦方向に延在する3つの蛇行流路40を有する3回パス蛇行冷却回路36を示しているが、更に多くの蛇行流路又はパスを用いてもよい。
【0023】
図6に示す実施形態では、蛇行冷却回路36が前縁20及び後縁22の間でエーロフォイル12の翼弦中央領域M(図1にも全体的に示してある)に配置されているが、これは経験によると、エーロフォイル12の最高の熱入力が、エーロフォイル先端28近くの翼弦中央領域で、例えば正圧面の壁16上にあることが判ったからである。明細書の冒頭で述べたように、燃焼ガス32に対する中心ピークを有する温度分布は、半径方向の移動があるにしても、スパン高さの約70%乃至約85%の範囲内のエーロフォイル12の正圧面の壁16上に最高温度を生ずる。
【0024】
更に蛇行冷却回路36が1つの蛇行流路40を含み、これは半径方向上向きに、半径方向外側の第1の旋回流路37Aまで延在する入口流路40Aとして作用する。次の流路は中間流路40Bであり、これは冷却空気を半径方向内向きに半径方向内側の第2の旋回流路37Bに差向け、この旋回流路37Bが第3の蛇行流路に供給し、この第3の蛇行流路が末端出口流路40Cとして作用し、半径方向上向きに延在して、先端外壁31より半径方向内側の横方向横道リブ45のところで終端し、その間に横方向通路47を形成する。
【0025】
中空エーロフォイル12は、縦方向に延在する第1及び第2の側壁インピンジメントチャンバー60、62を有し、これらが、正圧面の壁16と、蛇行冷却回路36の夫々中間流路40B及び出口流路40Cを区切る第1及び第2の内壁52及び54との間に設けられている。夫々第1及び第2の内壁52及び54は、全体的に隣接する横方向リブ34の間を延在する。冷却空気42が、蛇行冷却回路36にある蛇行冷却流35からインピンジメント冷却開口50によって夫々第1及び第2の側壁インピンジメントチャンバー60及び62に導入される。インピンジメント冷却開口50が、前側の第1の側壁インピンジメントチャンバー60に沿った一層高い熱入力負荷、並びに後側の第2の側壁インピンジメントチャンバー62に沿った相対的にそれより低い熱入力負荷に対処するのに適当な分量の冷却空気42を独立に計量し、第1及び第2の側壁インピンジメントチャンバーに沿った正圧面の壁16のインピンジメント冷却を強める。図7は、夫々第1及び第2の側壁インピンジメントチャンバー60及び62を通るインピンジメントチャンバー分割線49に沿って平たく延ばしたエーロフォイル12を例示している。
【0026】
第1及び第2の側壁インピンジメントチャンバー60及び62が、プラットフォーム30の半径方向外側のプラットフォーム面30Sの直ぐ下まで、半径方向内向きに延在する。第1の側壁インピンジメントチャンバー60は半径方向外向きに延在して、先端外壁31で終端する。先端外壁31にある少なくとも1つの先端冷却孔59が第1の側壁インピンジメントチャンバー60から先端外壁31を通抜ける。先端外壁、特にエーロフォイルのスクイーラ先端に先端冷却孔を使うことは周知である。第2のインピンジメント側壁チャンバー62が半径方向外向きに延在して、先端外壁31で終端すると共に、同じく先端外壁31に先端冷却孔59を有する。第1の側壁インピンジメントチャンバー60と異なり、第2の側壁インピンジメントチャンバー62は横方向延長部を有し、これが図8に更に詳しく示された横方向通路47である。この横方向延長部が横方向横道リブ45のところで末端チャンネル40Cより半径方向外側にあり、先端外壁31にある先端冷却孔59を中心に位置ぎめしている。若干のインピンジメント冷却開口50が、末端チャンネル40Cから横方向通路47へ冷却空気を差向けるように位置ぎめされている。第1及び第2の側壁インピンジメントチャンバー60及び62の半径方向外側端に先端冷却孔59を配置することにより、スクイーラ形エーロフォイル先端28に対する冷却空気の制御及び計量を更によくすることが出来る。
【0027】
エーロフォイルスクイーラ先端が、夫々第1及び第2の側壁インピンジメントチャンバー60及び62から、並びに夫々前側及び後側供給流路41A及び41Bからスクイーラ先端空所33へ通ずる場所で、先端外壁31にある先端冷却孔59によって冷却される。先端外壁31は、蛇行冷却回路の流路の外側の大部分、インピンジメントチャンバー及び高圧チャンバーのキャップにもなる。
【0028】
本発明の好ましい実施形態では、夫々第1及び第2の内壁52及び54、夫々1番前側及び1番後側のスパンリブ71及び75、及び横方向リブ34が外壁15と一板板で鋳造されるが、本発明はこのような構成を必要としない。本発明の好ましい実施形態の別の特徴は、全ての内壁及びリブは夫々、そのスパン方向の全長に沿って、中心線11に対して一定の角度で構成されていることである。この特徴が図2、3及び4に示されており、第1及び第2の内壁52及び54が、中心線11に対して、夫々一定の第7及び第8のリブ角度R7及びR8に保たれ、1番前側及び1番後側のスパンリブ71及び75が中心線11に対して夫々一定の第1及び第6のリブ角度R1及びR6に保たれ、4つの横方向リブ34が中心線11に対して、夫々下流側に引続いて一定の第2、第3、第4及び第5のリブ角度R2、R3、R4及びR5に保たれている。エーロフォイル12の内壁及びリブを一板板に鋳造することは、エーロフォイル12を鋳造するコスト及び複雑さを少なくするように設計されている。こういう特徴により、鋳型集成体から一体の中子を作ることが出来る。この一定のリブ角度という特徴は、真っ直ぐな並びに捩れたエーロフォイルに対するものであると共に、スタッキング線SLが軸方向並びに/又は円周方向に湾曲しているように軸方向並びに/又は円周方向に湾曲したエーロフォイルに対するものである。
【0029】
リブ角度を一定に保つと共に捩れエーロフォイル20を使う結果として、第1の内壁52が、特に図2に更によく示されているように、エーロフォイル先端28の周りにあるエーロフォイル12の部分で、夫々正圧面及び負圧面の壁16及び18の間を延在する。これによって、冷却流35との干渉又はその妨害を防ぐのに十分な区域が外側の第1の旋回流路37Aのところに得られる。好ましい実施形態の中空エーロフォイル12は3回パス形の蛇行冷却回路36及び2つのインピンジメントチャンバーの場合を示してあるが、この他の変形、特に、3回よりも多くのパスを有し、従って蛇行流路40が3つよりも多い蛇行冷却回路36並びに2つ又は更に多くのインピンジメントチャンバーも用いることが出来る。
【0030】
前縁冷却高圧チャンバー70が1番前側のスパンリブ71(これは前縁ブリッジとも呼ぶ)及び外壁15の前縁20の間に形成される。後縁冷却高圧チャンバー72が1番後側のスパンリブ75及び外壁15の後縁22の間に形成される。1番前側のスパンリブ71にある冷却空気吐出開口74が前側供給流路41Aからの冷却空気を前縁冷却高圧チャンバー70に供給し、そこから冷却空気が普通の前縁シャワーヘッド冷却孔44に流れる。1番後側のスパンリブ75にある冷却空気吐出開口74は、後縁22のインピンジメント冷却をするように設計することが好ましいが、後側供給流路41Bからの冷却空気を後縁冷却高圧チャンバー72に供給し、そこから冷却空気が、図示のように、好ましくは冷却溝孔46の形をした普通の後縁冷却開口に流れる。これは、夫々前縁及び後縁20、22を冷却する為に使われる。
【0031】
エーロフォイルは、外壁15の正圧面及び負圧面の壁16、18の両方に沿ってフィルム冷却孔48を有し得る。フィルム冷却孔48が、前縁及び後縁20、22の間のエーロフォイルの翼弦中央部分に沿って外壁15に設けられる。フィルム冷却孔48は、エンジンの中心線11に対して下流側並びに半径方向外向きに複合角度にすることが好ましく、第1及び第2の側壁インピンジメントチャンバー60、62から外壁15を通る。別の特定の実施形態では、特に図面に示していないが、エーロフォイル12は、正圧面の壁16だけにフィルム冷却孔を設け、負圧面の壁18にフィルム冷却孔を設けなくてもよい。
【0032】
本発明は、インピンジメントチャンバーに隣接する外壁15の特に高温の部分のインピンジメント冷却の為、並びにフィルム冷却の為に使われる冷却空気を供給する。インピンジメント冷却は非常に効率がよく、蛇行冷却流35を後方又は下流側の方向に流すことにより、正圧面の壁16のより上流側にあってより高温の部分に沿って、蛇行冷却回路36内の比較的可成り低温の冷却空気を使い、こうしてエーロフォイルの冷却効率を最大にすることが出来る。これによって、蛇行冷却回路36の蛇行冷却流35として使われる冷却空気42の量を、この領域に於ける熱入力負荷に対処するのに必要な分だけに減らすことが出来る。蛇行冷却回路36内の蛇行冷却流35から第1及び第2の側壁インピンジメントチャンバー60、62に導入される冷却空気42は、より前側の第1の側壁インピンジメントチャンバー60に沿った一層高い熱負荷入力、並びにより後方にある第2の側壁インピンジメントチャンバー62に沿った相対的に一層少ない熱入力負荷に対処するのに適当な量の冷却空気42を供給するように、独立に計量することが出来る。こうすると、従来行われていたように、それらの領域の過冷却をせずに、そういうことが出来る場合はより少ない合計の冷却空気42を使って、エーロフォイルの軸方向又は翼弦方向にエーロフォイル12を選択的に冷却することが出来る。従って、冷却空気42がより効率的に使われ、圧縮機から分流される冷却空気がより少なくなり、ガスタービンエンジンの全体的な動作効率を高める。
【0033】
エーロフォイル12は、周知の乱流部材又はピン(図に示していない)のような冷却作用を強めるこの他の任意の普通の特徴を有していてもよい。技術としては周知の熱障壁被覆TBCを使って、エーロフォイル12の熱特性を改善することが出来る。
【0034】
本発明を図面に示した一例のタービンブレード10について説明したが、本発明は同様なエーロフォイルを有するタービンノズル翼にも使うことが出来、これも、燃焼ガス32の半径方向に加わる温度分布に一層よく釣合うように選択的なスパン方向の冷却の利点を享受することが出来る。後方に流れる蛇行冷却回路36及び第1及び第2の側壁インピンジメントチャンバー60、62は、普通の多重パス蛇行通路に使われる従来の鋳造方法を用いて、容易に製造することが出来る。
【0035】
本発明の好ましい実施形態と考えられるものを説明したが、以上の説明から、当業者には、本発明のこの他の変更は明らかであろう。従って、特許請求の範囲は、本発明の範囲内に属するこのようなすべての変更を包括することを承知されたい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のエーロフォイルを用いたガスタービンエンジンのタービンローターブレードの斜視図。
【図2】図1のエーロフォイルを線2−2で切ったエーロフォイル先端の簡略断面図。
【図3】図1のエーロフォイルを線3−3で切ったエーロフォイルのスパン中央部の簡略断面図。
【図4】図1のエーロフォイルを線4−4で切ったエーロフォイルのハブの簡略断面図。
【図5】図4のエーロフォイルの拡大断面図。
【図6】一例のガスタービンエンジンのエーロフォイルをその内部の下流側に向かって流れる蛇行冷却回路の中心線に沿って平たく延ばした断面図。
【図7】下流側に向かって流れる蛇行冷却回路から供給されるインピンジメント冷却チャンバーの中心線に沿って平たく延ばした、エーロフォイルを図5の線7−7で切った断面図。
【図8】エーロフォイルの先端部分を図5の線8−8で切った簡略断面図。
Claims (10)
- エーロフォイル(12)の翼弦方向に離隔した前縁と後縁(20、22)で一つにつながった幅方向に離隔した正圧面と負圧面の側壁(16、18)を有していて、縦方向にエーロフォイル根元(14)からエーロフォイル先端(28)まで延在するエーロフォイル外壁(15)と、
幅方向には正圧面と負圧面の側壁(16、18)の間に延在した複数の縦方向に延在する内部リブ(34)を有する少なくとも1つの内部蛇行冷却回路(36)とを備えてなり、
上記1以上の内部蛇行冷却回路(36)が縦方向に延在する内部リブ(34)の間に複数の縦方向に延在する蛇行流路(40)を有し、
上記蛇行冷却回路(36)が入口(36A)と入口流路(40A)と中間流路(40B)と出口流路(40C)と末端(36B)を含んでいて、上記末端(36B)が上記入口(36A)の後方に配置されていて、前記蛇行回路内で前記前縁(20)から前記後縁(22)まで後ろ向きの翼弦方向の流れ方向を有し、
更に、前記蛇行冷却回路(36)と中間流路(40B)で流体が連通する縦方向に延在する第1の側壁インピンジメントチャンバー(60)及び前記蛇行冷却回路(36)と出口流路(40C)で流体が連通する縦方向に延在する第2の側壁インピンジメントチャンバー(62)を備えてなり、該第1及び第2の側壁インピンジメントチャンバー(60、62)はそれぞれ、前記側壁の内の1つと、前記蛇行冷却回路(36)を区切る第1及び第2の内壁(52、54)と、の間に配置されている、
ガスタービンエンジンエーロフォイル。 - 前記蛇行流路の内の中間流路(40B)と前記第1の側壁インピンジメントチャンバー(60)の間で前記第1の内壁(52)を通る複数の第1のインピンジメント冷却開口を有する請求項1記載のガスタービンエンジンエーロフォイル。
- 前記1つの側壁が前記正圧面の側壁であり、更に、前記第1及び第2の側壁インピンジメントチャンバー(60、62)から前記正圧面の側壁(16)を通る第1の複数の側壁フィルム冷却孔(48)を有する請求項2記載のガスタービンエンジンエーロフォイル。
- 前記第1の内壁(52)が1番目の前記蛇行流路(40)及び前記第1の側壁インピンジメントチャンバー(60)の間で前記第1の内壁(52)内に第1のインピンジメント冷却孔(50)を有し、前記第2の内壁(54)が2番目の前記出口流路(40C)及び前記第2の側壁インピンジメントチャンバー(62)の間で前記第2の内壁(54)内に第2のインピンジメント冷却開口を有している請求項1乃至3のいずれか1項記載のガスタービンエンジンエーロフォイル。
- 更に、前記前縁及び後縁(20、22)に沿った前縁及び後縁冷却高圧チャンバーを備えてなり、該前縁冷却高圧チャンバーは前記内部蛇行冷却回路(36)より前方に配置された前側供給流路(41A)の前縁スパンリブ(71)を通る前縁供給開口(74)を有し、複数の前縁冷却開口(44)が前記前縁冷却高圧チャンバーから前記前縁(20)に沿って前記外壁を通抜け、前記後縁冷却高圧チャンバーは前記内部蛇行冷却回路(36)の後方に配置された後側供給流路(41B)の後縁スパンリブ(75)を通る後縁供給開口(74)を有し、複数の後縁冷却開口(46)が前記後縁冷却高圧チャンバーから前記後縁(22)で前記外壁を通抜けている請求項1乃至4のいずれか1項記載のガスタービンエンジンエーロフォイル。
- 前記インピンジメントチャンバー(60、62)の内の少なくとも1つから前記エーロフォイル先端(28)の縦方向外側の先端壁(31)を通る少なくとも1つの先端冷却孔(59)を備えてなり、前記エーロフォイル先端(28)は前記外側先端壁(31)から縦方向外向きにその周縁に沿って延在するスクイーラ壁を有するスクイーラ先端であって、スクイーラ先端空所(33)を形成している請求項1乃至5のいずれか1項記載のガスタービンエンジンエーロフォイル。
- 更に、前記インピンジメントチャンバー(60、62)の内の前記1つの横方向延長部(47)を備えてなり、該延長部(47)は前記蛇行冷却回路(36)の前記末端(36B)の半径方向外側にあり、前記1つの先端冷却孔(59)が前記延長部(47)から前記先端壁(31)を通抜けている請求項1乃至6のいずれか1項記載のガスタービンエンジンエーロフォイル。
- 前記内部リブ(34)及び前記第1の内壁(52)が中心線に対して対応するリブ角度(R1−R8)を有し、各々のリブ角度(R1−R8)が前記根元から前記先端まで、縦方向に一定である請求項1乃至7のいずれか1項記載のガスタービンエンジンエーロフォイル。
- エーロフォイル(12)の翼弦方向に離隔した前縁と後縁(20、22)で一つにつながった幅方向に離隔した正圧面と負圧面の側壁(16、18)を有していて、縦方向にエーロフォイル根元(14)からエーロフォイル先端(28)まで延在するエーロフォイル外壁(15)と、
前記縦方向にエーロフォイル根元(14)とエーロフォイル先端(28)との間にあるプラットフォーム(30)と、
幅方向には正圧面と負圧面の側壁(16、18)の間に延在した複数の縦方向に延在する内部リブ(34)を有する少なくとも1つの内部蛇行冷却回路(36)とを備えてなり、
上記1以上の内部蛇行冷却回路(36)が縦方向に延在する内部リブ(34)の間に複数の縦方向に延在する蛇行流路(40)を有し、
上記蛇行冷却回路(36)が入口(36A)と末端(36B)を含んでいて、上記末端(36B)が上記入口(36A)の後方に配置されていて、前記蛇行回路内で前記前縁(20)から前記後縁(22)まで後ろ向きの翼弦方向の流れ方向を有し、
更に、前記蛇行冷却回路(36)と下流側に流体が連通する縦方向に前記プラットフォーム(30)の面(30S)の直ぐ下まで延在する第1の側壁インピンジメントチャンバー(60)を備えてなり、該側壁インピンジメントチャンバー(60)が前記側壁の内の1つ及び前記蛇行冷却回路(36)を区切る第1の内壁(52)の間に配置されており、
更に、前記蛇行冷却回路(36)と下流側に流体が連通する縦方向に前記プラットフォーム(30)の面(30S)の直ぐ下まで延在する第2の側壁インピンジメントチャンバー(62)を備えてなり、該第2の側壁インピンジメントチャンバー(62)が前記1つの側壁及び前記蛇行冷却回路(36)を区切る第2の内壁(54)の間に配置され、第1の複数の側壁フィルム冷却孔(48)が前記第2の側壁インピンジメントチャンバー(62)から前記正圧面の側壁(16)を通抜けており、
前記第1の内壁(52)が、1番目の前記蛇行流路(40)及び前記第1の側壁インピンジメントチャンバー(60)の間で前記第1の内壁(52)内に第1のインピンジメント冷却開口を有し、前記第2の内壁(54)が、2番目の前記蛇行流路(40)及び前記第2の側壁インピンジメントチャンバー(62)の間で前記第2の内壁(54)内に第2のインピンジメント冷却開口を有しており、
前記第2の側壁インピンジメントチャンバー(62)は、前記蛇行流路(40)が終端する末端出口流路(40C)より半径方向外側にある横方向通路(47)を有し、前記第1の側壁インピンジメントチャンバー(60)は横方向通路を有していない
ことを特徴とするガスタービンエンジンエーロフォイル。 - 前記エーロフォイル先端(28)の縦方向外側の先端壁(31)を通る少なくとも1つの先端冷却孔(59)をさらに備え、前記横方向通路(47)のところで前記先端冷却孔が中心に位置決めされている請求項9に記載のガスタービンエンジンエーロフォイル。
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