JP2001107704A - 冷却可能なエアフォイル及び冷却回路及び壁の冷却方法 - Google Patents

冷却可能なエアフォイル及び冷却回路及び壁の冷却方法

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JP2001107704A JP2000295597A JP2000295597A JP2001107704A JP 2001107704 A JP2001107704 A JP 2001107704A JP 2000295597 A JP2000295597 A JP 2000295597A JP 2000295597 A JP2000295597 A JP 2000295597A JP 2001107704 A JP2001107704 A JP 2001107704A
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エス．ラフルー ロナルド
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱負荷プロファイルに実質的に一致するよう
に選択的に調整可能な熱伝達プロファイルを有する、壁
の冷却のための装置及び方法を提供する。 【解決手段】 ガスタービンエンジンの壁内に、前方端
部（３０）、後方端部（３２）、第１の壁部（３４）、
第２の壁部（３６）、及び複数のペデスタル（４２，４
３，４５）を含む回路（２６）を設ける。第１及び第２
の壁部（３４，３６）は、冷却回路（２６）の前方端部
（３０）と後方端部（３２）との間に長さ（５２）方向
に延在するとともに、互いからある距離だけ離間され
る。ペデスタル（４２，４３，４５）は、第１及び第２
の壁部（３４，３６）の間に延在する。冷却回路（２
６）内のペデスタルの特性及び列は、冷却回路（２６）
を含む壁に加わる熱負荷プロファイルを実質的にオフセ
ットする熱伝達冷却プロファイルを冷却回路（２６）内
で提供するように選択される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、ガスター
ビンエンジンに関し、特に、ガスタービンエンジンの壁
の内部に設けられた冷却回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般的なガスタービンエンジンは、共通
の長手方向軸に沿って設けられたファン、コンプレッ
サ、燃焼器、及びタービンを含む。ファンとコンプレッ
サの各セクションは、エンジンに引き込まれた空気に働
きかけて、空気の圧力及び温度を上昇させる。続いて、
圧縮された空気に燃料が加えられ、この混合物が燃焼器
で燃焼される。以下で総称してコアガスと呼ばれる燃焼
生成物及び未燃空気は、次にタービンを駆動し、最後に
エンジンから排気されるときに推力を生じさせる。ター
ビンは、ロータアセンブリと固定ベーンアセンブリとを
それぞれ含む複数の段を有する。タービンを通過するコ
アガスが、タービンロータを回転させ、ロータによって
エンジンの他の部分が駆動されるのを可能とする。ロー
タアセンブリの前方または後方に位置する固定ベーンア
センブリは、ロータアセンブリに流入またはここから流
出するコアガスの流れを導く。ブレード外側空気シール
を含むライナは、エンジンに亘って延びるコアガス流路
内にコアガスの流れを維持する。
【０００３】非常に高温のコアガスの流れが、燃焼器、
タービン、及びノズルを通過するので、これらのセクシ
ョンを冷却することが必要となる。燃焼器及びタービン
の部材は、コアガスよりも低い温度でかつ高い圧力でコ
ンプレッサの段からブリードされた空気によって冷却さ
れる。ノズル（及び用途によってはオーグメンタ）は、
コンプレッサの段ではなくファンからブリードされた空
気を利用して冷却されることもある。コンプレッサ（ま
たはファン）の加圧空気を冷却目的で利用することに
は、トレードオフがある。一方では、コンプレッサのブ
リード空気の低い温度によって、エンジンの耐久性を向
上させる有益な冷却が得られる。他方では、コンプレッ
サのブリード空気が、コアガス流路内で本来行い得る仕
事をしないので、結果としてエンジン効率が低下してし
まう。このことは、特に、非効率的な冷却によって、過
剰なブリード空気が冷却目的で使用される場合に起こ
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】非効率的な冷却の１つ
の原因は、未利用の冷却能力を含む冷却空気が壁から放
出されることにある。当業者であれば分かるように、従
来の冷却孔を通過する冷却空気には、通常、コアガスの
流れの中で無駄になってしまう冷却能力が含まれる。本
発明は、冷却空気が放出される前にこの冷却空気から取
り除かれる冷却能力の量が増加するように調整可能な対
流冷却手段を提供し、これにより、壁の冷却効率に有利
な影響を与える。
【０００５】非効率的な冷却の他の理由としては、壁の
冷却に冷却空気のフィルムを利用する用途において、フ
ィルム特性が悪いことが挙げられる。多くの場合には、
壁面に沿ってフィルム冷却を行うことが望ましい。壁面
に沿って移動する冷却空気のフィルムは、冷却の均一性
を向上させるとともに通過する熱いコアガスから壁を守
る。しかし、当業者であれば分かるように、乱流を含む
ガスタービンの環境では、フィルム冷却を行うとともに
これを維持することは困難である。ほとんどの場合に
は、フィルム冷却用の空気は、壁を貫通する冷却孔から
ブリードされる。“ブリード”という用語は、エアフォ
イルの内部キャビティから冷却空気を外に導くための冷
却孔に亘る圧力差が小さいことを表している。
【０００６】冷却孔を用いて冷却空気のフィルムを形成
することに関連する問題の１つは、フィルムが冷却孔に
亘る圧力差の影響を受けやすいことである。冷却孔に亘
る圧力差が大きすぎる場合には、冷却空気のフィルムの
形成が促進されずに、通過するコアガス内に空気が噴射
されてしまう。逆に、圧力差が小さすぎる場合には、僅
かな冷却空気流しか冷却孔を通らず、また、更に悪い場
合には、熱いコアガスが流入してしまう。いずれの場合
も、フィルムの冷却効率に悪影響が及ぼされる。冷却孔
を用いてフィルム冷却を行うことに関連する他の問題
は、冷却空気が連続的な線に沿ってではなく、不連続な
点から放出されることである。各冷却孔の間の間隙やこ
れらの間隙のすぐ下流の領域は、冷却孔や冷却孔のすぐ
下流の領域よりも受ける冷却空気が少ないので、熱によ
る劣化が生じやすい。
【０００７】従って、熱負荷プロファイルに一致する熱
伝達プロファイルを提供するように調整可能であるとと
もに、冷却空気から冷却能力を効率的に取り除き、かつ
フィルム冷却を容易とする、壁の冷却のための装置及び
方法が求められている。
【０００８】よって、本発明の目的は、熱負荷プロファ
イルに実質的に一致するように選択的に調整可能な熱伝
達プロファイルを有する、壁の冷却のための装置及び方
法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明によると、ガスタ
ービンエンジンの壁内に冷却回路が設けられている。こ
の冷却回路は、前方端部、後方端部、第１の壁部、第２
の壁部、及び複数のペデスタルを含む。第１及び第２の
壁部は、冷却回路の前方端部と後方端部との間に長さ方
向に延在し、互いからある距離だけ離間されている。ペ
デスタルは、第１及び第２の壁部の間に延在する。冷却
回路内のペデスタルの特性及び列は、冷却回路を含む壁
部に加わる熱負荷プロファイルを実質的にオフセットつ
まり相殺する熱伝達冷却プロファイルを冷却回路内で提
供するように選択される。少なくとも１つの入口開口部
が第１の壁部を貫通し、キャビティから冷却回路の前方
部分への冷却空気流路を提供する。複数の出口開口部が
第２の壁部を貫通し、冷却回路の後部から壁の外側のコ
アガス流路への冷却空気流路を提供する。
【００１０】本発明の冷却回路は、不均一な熱プロファ
イルに対応するように設計されている。流路を通って移
動する冷却空気の温度は、例えば、流路内の移動距離の
関数として指数関数的に増加する。冷却開口部の出口
は、結果として比較的高い温度にさらされるので、入口
よりも冷却空気の効果が小さくなってしまう。更に、流
路を含む壁部は、冷却空気のフィルムによって外側から
冷却されることが多い。しかし、冷却空気のフィルム
は、後方に移動するにつれて温度が上昇するとともにエ
ネルギが失われてしまう。これらの要素は共に冷却効果
の減少につながり、これにより、後方に向かって壁の温
度が比較的高くなる。このような（従来の冷却回路で一
般に見られる）不均一な熱プロファイルに亘って充分な
冷却を確実に得るために、通常は冷却回路の出口のすぐ
上流の領域である、熱負荷が最大である壁の領域におい
て必要な冷却量に基づいて冷却機構を決定することが必
要となる。この結果、（流路内の冷却空気及び壁の外側
面に沿ったフィルム冷却が最も効果的である）冷却回路
の入口に隣接する壁が、過冷却されることが多い。本発
明の冷却回路は、冷却回路の長さに沿った壁部に加わる
熱負荷プロファイルを実質的にオフセットする熱伝達冷
却プロファイルを生じさせることが可能な方法及び装置
を提供することによって、望ましくない過冷却を有利に
防止する。
【００１１】本発明の冷却回路の他の利点は、部材の壁
内の熱応力が減少することである。熱応力は、壁内の温
度勾配によって生じることが多く、熱勾配が大きけれ
ば、それだけ壁内で望ましくない応力が生じるおそれが
高い。本発明の冷却回路が壁の局部的な熱負荷プロファ
イルを実質的にオフセットする能力によって、壁内で熱
負荷が発達するおそれが減少する。
【００１２】本発明の冷却回路の他の利点は、熱いコア
ガスの流入のおそれが減少することである。各冷却回路
は、入口開口部と出口開口部との間で圧力を段階的に降
下させるように設計された独立した区画となっている。
段階的な圧力降下により、入口開口部に亘る圧力降下が
小さくなり、常に冷却回路内に冷却空気の前方への流れ
が存在する可能性が高くなる。更に、回路を通る冷却空
気の前方への流れによって、熱いコアガスが冷却回路に
流入してしまうおそれが少なくなる。
【００１３】本発明に係る上記及びその他の目的、特
徴、及び利点は、以下の実施の形態及び添付図面によっ
て更に明らかになる。
【００１４】
【発明の実施の形態】図１，図２を参照すると、ガスタ
ービンエンジン１０は、ファン１２、コンプレッサ１
４、燃焼器１６、タービン１８、及びノズル２０を含
む。コアガスの温度が非常に高いので、燃焼器１６の後
方においてコアガスにさらされる部材の多くが冷却され
る。例えば、タービン１８内の最初のロータ段２２及び
ステータベーン段２４は、タービン１８を通過するコア
ガスよりも高圧力でかつ低温でコンプレッサ段１４から
ブリードされる冷却空気によって冷却される。冷却空気
は、壁の内部に設けられた１つまたはそれ以上の冷却回
路２６（図２参照）を通り、壁から冷却空気へと熱エネ
ルギが伝達される。各冷却回路２６は、冷却を要するど
のような壁にも設けることができ、多くの場合、このよ
うな壁は、一方の面がコアガスの流れにさらされ、他方
の面が冷却空気にさらされている。詳細な例を提供する
ために、本発明に係る冷却回路２６は、ステータベーン
またはロータブレードのエアフォイル２９部分の壁２８
内に設けた場合に関して説明する。しかし、本発明の冷
却回路２６は、これらの用途に限定されるものではな
く、高温ガスにさらされる（ライナ、ブレードシールな
どの）他の壁で使用することもできる。
【００１５】図２〜図５Ａ，図５Ｂを参照すると、各冷
却回路２６は、前方端部３０、後方端部３２、第１の壁
部３４、第２の壁部３６、第１の面３８、第２の面４
０、複数の第１のペデスタル４２、及び交互に設けられ
た複数の第２のペデスタル４３と第３のペデスタル４５
を含む。第１の壁部３４は、冷却空気側面４４と回路側
面４６とを備える。第２の壁部３６は、コアガス側面４
８と、回路側面５０とを備える。第１の壁部３４と第２
の壁部３６は、前方端部３０と後方端部３２との間で回
路の長さ５２に亘って延在し、かつ第１の面３８と第２
の面４０との間で回路の幅５４に亘って延在する。複数
の第１のペデスタル４２は、壁部３４，３６の回路側面
４６，５０の間に延在する。少なくとも１つの入口開口
部５６が第１の壁部３４を貫通しており、エアフォイル
２９のキャビティ５８から冷却回路２６の前方端部３０
への冷却空気流路を提供する。複数の出口開口部６０
が、第２の壁部３６を貫通しており、冷却回路２６の後
方端部３２から壁２８の外側のコアガス流路への冷却空
気流路を提供する。出口開口部６０は、第２のペデスタ
ル４３、第３のペデスタル４５、第１の壁部３４、及び
第２の壁部３６の間に形成される。
【００１６】冷却回路２６内の第１のペデスタル４２の
寸法、数、及び位置は、冷却回路２６を含む壁部に加わ
る熱負荷プロファイルをオフセットする熱伝達冷却プロ
ファイルを冷却回路２６内で提供するように選択され
る。即ち、冷却回路は、熱負荷をオフセットするように
選択的に調整可能となっている。例えば、壁の一部が
（上述のように）前方から後方へと増加する熱負荷を受
ける場合には、本発明の冷却回路２６内の第１のペデス
タル４２の大きさ及び配置は、冷却回路２６内の熱伝達
率を徐々に高めるように選択され、これにより、熱負荷
をオフセットするように、必要な箇所により大きな熱伝
達が提供される。
【００１７】回路の断面積を長さ方向の位置（または、
熱負荷が徐々に増加する場合には連続する位置）におい
て減少させることは、冷却回路２６内の熱伝達を徐々に
増加させる一つの方法である。より明確には、“回路の
断面積”とは、冷却空気が通過し得る回路の幅５４に亘
って延びる平面内の領域として定義される。回路の断面
積の減少は、冷却空気の速度を増加させ、速度の増加
は、その領域における対流冷却に良好な影響を与える。
よって、熱伝達率の増加にも良好な影響を与える。例え
ば、全ての第１のペデスタル４２が同じ断面寸法を有す
る場合には、回路２６内の特定の長さ方向位置において
第１のペデスタル４２の数を増やすことによって回路の
断面積を減少させることができる。また、回路の断面積
は、第１のペデスタル４２の幅を拡大したり、その寸法
を変更して、隣接する第１のペデスタル４２間の距離を
短くすることによって減少させることもできる。熱伝達
率は、対流冷却を促進するインピンジメント孔や蛇行流
路を用いることによって調整することもできる。図５Ａ
は、上流の第１のペデスタル４２間の間隙６２と一致す
るようにその下流に配置された第１のペデスタル４２の
配置を示している。上流の間隙６２を通過する冷却空気
は、幅方向に延長された下流のペデスタル６１に向かっ
て導かれる。第２のペデスタル４３の位置が、衝突冷却
を促進する。
【００１８】特定の長さ方向位置における対流冷却の増
加量は、特定用途におけるその位置の熱負荷によって決
まる。また、冷却回路２６の下流で作用する冷却能力を
保存するように、入口開口部５６に亘る圧力差が最小と
なるように冷却回路２６の入口開口部５６の寸法を設け
ることも有用である。壁の局部的な熱負荷プロファイル
を正確にオフセットする冷却回路の熱伝達プロファイル
によって、冷却回路の長さに亘る熱プロファイルの均一
性が高まるとともに、壁部３６内の温度が理想的に一定
に保たれる。
【００１９】本発明は、その詳細な実施例に沿って開示
及び説明したが、当業者であれば分かるように、請求項
に係る発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、その
形態及び詳細の種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンエンジンの説明図である。
【図２】本発明に係る複数の冷却回路を備えるガスター
ビンエンジンのステータベーンの概略図である。
【図３】本発明に係る複数の冷却回路を示したガスター
ビンエンジンのステータベーンの説明図である。
【図４】本発明に係る複数の冷却回路が壁内に設けられ
ているエアフォイルの断面図である。
【図５】図５Ａは、本発明に係る冷却回路の特定のペデ
スタル特性を示す拡大説明図であり、図５Ｂは、本発明
の冷却回路の特定のペデスタル特性を示す他の実施例の
拡大説明図である。
【符号の説明】
２６…冷却回路 ３０…前方端部 ３２…後方端部 ３４…第１の壁部 ３６…第２の壁部 ４２…第１のペデスタル ４３…第２のペデスタル ４５…第３のペデスタル

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 冷却可能なエアフォイルであって、 壁を有する本体と、 前記壁によって囲まれたキャビティと、 前記壁内に設けられるとともに、前方端部から後方端部
    に亘る長さと一対の側面間に亘る幅を有する少なくとも
    １つの冷却回路と、を有し、この冷却回路は、 第１の壁部と、 第２の壁部と、 前記第１の壁部と前記第２の壁部との間に延在する複数
    の第１のペデスタルと、 前記壁に設けられるとともに、前記キャビティと前記冷
    却回路の前記前方端部との間に冷却空気流路を提供する
    入口開口部と、 前記第２の壁部に設けられるとともに、前記冷却回路の
    前記後方端部と前記壁の外側との間に冷却空気流路を提
    供する複数の出口開口部と、を備えており、 前記冷却回路を幅方向に横切る平面内における流路断面
    積が、該冷却回路内で前記入口開口部から前記出口開口
    部に向かって徐々に減少していることを特徴とする冷却
    可能なエアフォイル。
  2. 【請求項２】 前記第１のペデスタルは、断面が実質的
    に同一であり、かつ幅方向に亘って延びる列に配列され
    ているとともに、前記入口開口部に最も近い第１の列か
    ら始まり、該第１の列に続いて下流に設けられる各列
    は、それぞれ上流の列の前記第１のペデスタルの数に等
    しいかまたはそれよりも多い数の該第１のペデスタルを
    含んでいることを特徴とする請求項１記載の冷却可能な
    エアフォイル。
  3. 【請求項３】 前記第１のペデスタルは、幅方向に亘っ
    て延びる列に配列されているとともに、前記入口開口部
    に最も近い第１の列から始まり、該第１の列に続いて下
    流に設けられる列の前記第１のペデスタルは、上流の列
    の該第１のペデスタルの幅に等しいかまたはそれよりも
    広い幅を有していることを特徴とする請求項１記載の冷
    却可能なエアフォイル。
  4. 【請求項４】 更に、前記冷却回路の前記後方端部に沿
    って交互に設けられた第２のペデスタルと第３のペデス
    タルの列を含み、前記出口開口部は、該第２のペデスタ
    ル、該第３のペデスタル、前記第１の壁部、及び前記第
    ２の壁部の間に形成されていることを特徴とする請求項
    １記載の冷却可能なエアフォイル。
  5. 【請求項５】 壁の内部に設けられた冷却回路であっ
    て、この冷却回路は、 第１の端部、第２の端部、及び幅を有するとともに、第
    １の壁部と第２の壁部との間に設けられた流路と、 前記流路内に設けられるとともに、前記各壁部の間に延
    在する複数のペデスタルと、 前記壁の第１の面と前記流路の前記第１の端部との間に
    冷却空気流路を提供する入口開口部と、 前記第２の壁部を貫通するとともに、前記流路の前記第
    ２の端部と前記壁の第２の面との間に冷却空気流路を提
    供する複数の出口開口部と、を備えており、 前記冷却回路を幅方向に横切る平面内における流路断面
    積が、該冷却回路内で前記入口開口部から前記出口開口
    部に向かって減少していることを特徴とする冷却回路。
  6. 【請求項６】 更に、前記冷却回路の後方端部に沿って
    交互に設けられた第２のペデスタルと第３のペデスタル
    の列を含み、前記出口開口部は、該第２のペデスタル、
    該第３のペデスタル、前記第１の壁部、及び前記第２の
    壁部の間に形成されていることを特徴とする請求項５記
    載の冷却回路。
  7. 【請求項７】 （ａ）壁内に冷却回路を設け、該冷却回
    路は、 第１の端部、第２の端部、及び幅を有するとともに、第
    １の壁部と第２の壁部との間に設けられた流路と、 前記流路内で、前記各壁部の間に延在する複数の第１の
    ペデスタルと、 前記壁の第１の面と前記流路の前記第１の端部との間に
    冷却空気流路を提供する入口開口部と、 前記第２の壁部を貫通して、前記流路の前記第２の端部
    と前記壁の第２の面との間に冷却空気流路を提供する複
    数の出口開口部と、を備えており、 （ｂ）前記壁が受けると予想される、前記流路に隣接す
    る熱負荷プロファイルを含む運転条件を定め、 （ｃ）前記運転条件の下で前記冷却回路に隣接する前記
    熱負荷プロファイルを実質的にオフセットする熱伝達プ
    ロファイルを提供するように前記冷却回路を選択的に調
    整することを特徴とする壁の冷却方法。
  8. 【請求項８】 前記冷却回路を幅方向に横切る平面内に
    おける流路断面積が、該流路断面積が減少するように前
    記ペデスタルを配置することによって選択的に調整さ
    れ、これにより、局部的な前記熱負荷をオフセットする
    ように前記熱伝達を増加させることを特徴とする請求項
    ７記載の壁の冷却方法。
  9. 【請求項９】 前記ペデスタルは、実質的に同様の断面
    を有するとともに、これらのペデスタルは、列に配列さ
    れており、前記流路断面積は、１つまたはそれ以上の前
    記列における前記第１のペデスタルの数を増加すること
    によって減少することを特徴とする請求項７記載の壁の
    冷却方法。
  10. 【請求項１０】 前記ペデスタルは、列に配列されてお
    り、前記流路断面積は１つまたはそれ以上の前記列にお
    ける前記第１のペデスタルの幅を拡大することによって
    減少することを特徴とする請求項７記載の壁の冷却方
    法。
  11. 【請求項１１】 壁に囲まれたキャビティを含む中空の
    エアフォイルであって、 前記壁の第１の壁部と第２の壁部との間に設けられた少
    なくとも１つの冷却回路を有し、この冷却回路は、前方
    端部と、後方端部と、一対の側面間に亘る幅と、前記第
    １の壁部と前記第２の壁部との間に延びる複数の第１の
    ペデスタルと、前記壁内に設けられるとともに前記キャ
    ビティと前記冷却回路の前記前方端部との間に冷却空気
    流路を提供する入口開口部と、前記第２の壁部に設けら
    れるとともに前記冷却回路の前記後方端部と前記壁の外
    側との間に冷却空気流路を提供する複数の出口開口部
    と、を備えており、 前記冷却回路を幅方向に横切る平面内における流路断面
    積が、該冷却回路内で前記入口開口部から前記出口開口
    部に向かって減少していることを特徴とする中空のエア
    フォイル。
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