JP2006132536A - エーロフォイルとこれを含んだタービンブレードおよびガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】高応力領域で更なる冷却を行う微細回路を備えた冷却機構を提供する。
【解決手段】エーロフォイル、開示の実施例ではロータブレード、はサーペンタイン冷却チャンネル３８，４０，４２を有する。コリオリ効果をよく考慮して、サーペンタイン冷却チャンネルの経路３８，４０，４２は台形の断面形状を有する。台形形状の経路のより小さな面４３とロータブレードの対向する壁４６との間のロータブレード領域１００は熱的および機械的応力の高い領域を有し、十分な冷却が問題となる。横断ペデスタルを有する非常に薄い冷却回路である微細回路５０が、ブレードの上記領域に埋め込まれる。微細回路５０は更なる冷却を付与し、上記領域１００の冷却に関する問題に対処する。
【選択図】図５

Description

本発明は、タービンブレードやベーン等のエーロフォイルに用いられ、高応力領域においてサーペンタイン冷却チャンネルに冷却微細回路が追加される冷却機構に関する。

タービンブレードはガスタービンエンジンに利用される。タービンブレードは一般にプラットフォームと、このプラットフォームから上方に延びたエーロフォイル（翼）形状と、を通常含むことは知られている。エーロフォイルは湾曲し、前縁から後縁までかつ正圧壁と負圧壁との間に延びる。

冷却回路はエーロフォイル本体内に形成され、通常は空気である冷却流体を循環する。冷却回路の一つにサーペンタインチャンネルがある。サーペンタインチャンネルでは、空気が複数の経路内を直列に、かつ交互に反対方向に流れる。従って、空気はタービンブレードのプラットフォームから外側に第１の経路内を流れ、エーロフォイル内を通過し、エーロフォイル端部付近の位置に達する。この流れは次いで第２の経路に戻り、反対方向に向き帰りプラットフォームへ向かう。通常、この流れは第３の経路においてプラットフォームから再び逆方向に戻される。

サーペンタインチャンネル内の上記経路の位置や形状は、設計上の重要な検討事項である。

ガスタービンエンジンの運転の際には、上記経路内を流れる冷却空気は回転による力を受ける。上記経路内の流れと上記回転との相互作用は、経路内の流れの内部循環を発生させるコリオリの力として知られている結果をもたらす。基本的に、コリオリの力は経路内を流れる冷媒の速度ベクトルと回転ブレードの角速度ベクトルとによるベクトルの外積に比例する。従って、隣り合うサーペンタインチャンネル経路内ではコリオリ効果は正反対となり、空気がプラットフォームから出て行くかあるいは向かっていくかに依存する。

コリオリ効果によって生じた流れを最大限に有効利用するために、エーロフォイルの設計者は流路、特にサーペンタイン流路の一部の経路、を台形の形状にすべきであることを突き止めた。基本的に、コリオリ効果は各流路内を主流方向にし、この主流の両側に戻り流をもたらす。エーロフォイル技術の設計者は、冷却空気が特定の方向に流れるため、この主流方向の影響を受ける側面はもう一方の側面よりも伝熱が向上することを認識している。従って、主流方向の影響を受ける冷却流路の側面が確実に増大するように上記の台形形状が設計される。上述したように、上記第１・第３の経路にある主流方向は上記第２の経路にある主流方向とは異なっている。このような台形形状のサーペンタイン流の経路を用いれば、台形のより小さい面付近の壁では伝熱面積がより小さくなり冷却効率も低下する。

加えて、幾つかの場合には、台形経路のより小さい面は壁から比較的遠く離れて配置される。さらに、直列的な流路は比較的大きな機械応力や熱応力を受ける曲率の大きな領域に通常存在する。

これら全ての理由のために、台形流路のより小さな面とこれに向かい合う面との間の領域は、追加の冷却が効果的な面である。

近年、本発明の譲受人は、微細回路と呼ばれるエーロフォイル壁内に埋め込まれた冷却回路を開発した。これらの微細回路は、“微細回路付きエーロフォイル本体”という題目で２００３年８月８日に出願された同時係属中の米国特許出願シリアル番号第１０／６３７，３５２号に開示されている。サーペンタインチャンネルの台形流路のより小さな面とこれと向き合った壁との間の上記領域での利用に関しては、これらの微細回路は全く開示されていない。

開示された本発明の実施例においては、エーロフォイルが、サーペンタインチャンネルの１つの経路におけるより小さな面と隣接した壁との間の領域に埋め込まれる。この微細回路には、サーペンタインチャンネルの他の１つの経路から冷却空気が供給される。さらに、開示の実施例においては、一連の小さな開口部を介して空気を排出して隣接壁のエーロフォイル面にフィルム冷却を付与する。

微細回路の位置は、エーロフォイルのブレード壁上の曲率が高い領域と整列する。この付加的な理由により、また上述の理由により、この領域は高い熱的および機械的応力を受ける。したがって、さらなる冷却が最も効果的な場所に微細回路が設けられる。

上記微細冷却回路は壁内で埋め込まれ、つまり、経路と正圧壁との間にかつ上記経路に隣接した位置に埋め込まれる。微細回路は、好ましくは非常に小さな寸法であり、より小さな面とこれに対向する正圧壁との間に設けられる。さらに、微細回路はプラットフォームから延在する方向に沿って外側に離間した複数の微細回路であることが実用上好ましい。

ある実施例においては、高応力の領域が第２の経路のより小さな面と正圧壁との間に存在する。この実施例においては、微細回路には、好ましくは冷却空気が第３の経路から付与される。

本発明は、必要に応じて、経路のより小さな面と負圧壁との間に微細回路を配設してもよい。従って、第２の実施例においては、第１の経路のより小さな面と負圧壁との間に微細回路が配設される。この実施例においては、微細回路には、冷却空気が第２の経路から付与される。

上記のまたはその他の本発明の特徴は、以下の詳細な説明や添付の図面からよく理解されるであろう。添付の図面には以下のように簡単な説明が付される。

図１は、エンジン中心線つまり軸方向中心軸回りに周方向に設けられた発電用や推進用のガスタービンなどのガスタービンエンジン１０を示す。エンジン１０はファン１４、圧縮機１６、燃焼セクション１８、およびタービン１１を含む。この分野でよく知られているように、圧縮機１６内に圧縮された空気が燃料と混合され、燃焼セクション１８で燃焼し、タービン１１内で膨張する。圧縮機で圧縮された空気とタービン１１内で膨張する燃料混合気は双方ともに高温ガス流（ｈｏｔ ｇａｓ ｓｔｒｅａｍ ｆｌｏｗ）と呼ばれる。タービン１１はロータ１３，１５を含み、この膨張に応答して、タービン１１が回転し、圧縮機１６とファン１４とを回転させる。タービン１１は交互に並んだ回転ブレード２０と静翼つまりベーン１９とを含む。図１は説明のためだけに若干概略的に描かれており、発電用や航空機用などのガスタービンに直ちに採用される発明だけに限られるわけではない。

図２に示す回転ブレード２０は、プラットフォーム３２と、このプラットフォーム３２から上方に延びたエーロフォイル３４とを有する。タービンブレードにおいて本発明が示されているが、ベーン１９等の静的な構造においても本発明は有用であることに留意されたい。

冷却チャンネルが、例えば図３に示すように従来技術のエーロフォイル３４内に設けられる。冷却チャンネル３６は、プラットフォーム３２に隣接した供給源から空気流を受け入れ、エーロフォイル３４の長さに沿って外側に空気流を案内する。経路３８，４０，４２はサーペンタインチャンネルであり、経路３８，４０，４２内を空気が順次流れるように空気を外側方向および内側方向に空気を循環させる。

図４に概略的に示すように、経路３８はプラットフォーム３２から外側に、つまり“上方に”空気を案内して、次いで“下方の”つまり内側の経路４０に上記空気を連通する。経路４０は外側の流路４２に空気を案内する。

図３に示すように、経路３８，４０，４２は台形の断面形状である。上述したように、コリオリ効果の利益を最大限考慮すると台形形状が選択される。従って、経路３８はより大きな面３７とより小さな面３９とを有し、経路４０はより大きな面４１とより小さな面４３とを有し、経路４２はより大きな面４５とより小さな面４７とを有する。図３に示すように、各々の経路３８，４０，４２内の主流方向は、より大きな面３７，４１，４５にそれぞれに向かって案内される。上述したように、これはコリオリ効果の利点が勘案されるため、より大きな面で伝熱が向上する結果となる。しかしながら、より小さな面では伝熱が低下する結果にもなる。図示のように、エーロフォイル３４の負圧壁５１は経路４０のより大きな面４１に隣接し、経路３８，４２のより小さな面３９，４７にそれぞれ隣接している。エーロフォイル３４の正圧壁４６は経路３８，４２のより大きな面３７，４５に隣接している。さらに経路４０のより小さな面４３が正圧壁４６の近くに配置される。図３から分かるように、経路４０のより小さな面４３と正圧壁４６との間に曲率が大きな領域１００が存在する。さらに、領域１００の位置では、経路４０のより小さな面４３と正圧壁４６との間には十分に離れている。

領域１０１は同様の対処がなされたもう一つの領域である。領域１０１は経路３８のより小さな面３９と負圧壁５１とから離間している。領域１０１も曲率が高くかつ熱応力および機械応力の高い領域であり、経路３８のより小さな面３９からの間隔に関連した同様の冷却上の問題がある。

領域１００、１０１は、幾つかの理由によって多大な応力を受ける。まず、曲率が大きく、正圧壁もしくは負圧壁に隣接しているという事実により熱・機械応力が高い結果となる。さらに、経路４０は正圧壁４６から比較的遠く離れて配置されるために、領域１００における冷却能力は十分ではない。領域１０１でも同様の問題がある。最後に、上記領域に隣接した台形形状のより小さな面では表面積が減少し、また冷却領域１００，１０１の冷却効率を低下させる。これら全ての理由のために、領域１００，１０１は、適当に冷却するには困難な領域となる。

図５は、第２の経路４０のより小さな面４３と正圧壁４６との間に（つまり、領域１００内に）組み込まれた微細回路５０を示す。特に、複数のペデスタル１１２が微細回路５０内に設けられており、微細回路５０の両側の間に延びている。ペデスタル１１２は、微細回路内の冷却空気流を制御することによってより効果的な伝熱を助長する。図示のように、通路１１１は第３の経路４２から微細回路５０に空気を連通する。排気口、排気スロット、もしくは排気ポート５２が正圧壁４６の表面まで延びて、領域１００にフィルム冷却を付与する。

基本的な構造をよりよく説明するために、この微細回路の幅は誇張して示されている。正確な寸法範囲は以下に開示される。

図６から分かるように、エーロフォイルの長さに沿って複数の上記微細回路が存在し、図５の面に向かいまた図５の面から出て行く。冷却空気は、経路４２から開口部１１１を介してエーロフォイル３４に埋め込まれた一連の微細回路５０に引き出される。この空気はペデスタル１１２を横切り、微細回路５０を通過して排気ポート５２に向かう。

図７は微細回路のもう１つの実施例１５０を示し、この実施例では微細回路が経路３８のより小さな面３９と負圧壁５１との間の領域１０１内に配置されている。繰り返しの説明ではあるが、入口通路１５４が、もう１つのサーペンタインチャンネル経路４０からの冷却空気を通す。ペデスタル１５２が微細回路１５０内に設けられ、排気ポート１６０が負圧壁５１にフィルム冷却空気を流す。図７の実施例は、図６に示した微細回路に類似した離間した複数の微細回路１５０を好ましくは含むであろう。

微細回路の詳細においては、多くの特殊な形状、位置、間隔等が含まれ、微細回路毎の入口／排気口通路の数やペデスタルの相対的な形状や寸法が異なってもよい。利用可能なオプション部品を以下に説明するが、これらは単に例示である。すなわち、図５の微細回路５０および図７の微細回路１５０は、図８もしくは図９の構造または他の構造を有してもよい。この用途のために、微細回路は、追加の冷却を受けるべき領域に置かれた単に非常に薄い回路であることが好ましい。本発明の範囲に属する微細回路は、ペデスタルの形状と寸法との組合せを変更したものであってもよい。

図８を参照すると、微細回路２２２の一例がさらに詳述されている。図８は、図５もしくは図７のいずれかの位置に用いられ得る微細回路冷却構造の拡大図である。微細回路は目的に適った対流効率の高い冷却を提供する。高い対流効率の他に、次世代の冷却構造には高いフィルム冷却効果が要求される。上述したように、図６は、エーロフォイル３６の正圧壁４６に沿って離間して埋め込まれた本発明の微細回路５０を示す。微細回路は機械加工の他、部品内への鋳造によって作られる。好適な態様においては、微細回路は超硬合金の形で形成され、鋳造の前に該部品の鋳型に封入される。モリブデン（ＭＯ）やタングステン（Ｗ）を含んだ幾つかの超硬合金がニッケル系の超合金の典型的な鋳造温度以上の融点を有する。これらの超硬合金は薄い鍛錬シート、もしくはタービンや燃焼器の冷却設計において判明している冷却チャンネルの性能の実現に必要な寸法を有した形状から作られる。好ましくは、本発明を組み込んだ部品は一部または全部がニッケル系合金もしくはコバルト系合金からなる。薄い超硬合金のシートおよびフォイルは、曲げや複雑な形状への形成を可能にするのに十分な展性を有する。展性によりワックシング／シェリングサイクルにも耐えられる丈夫な設計となる。鋳造の後、超硬合金は、化学的除去法、サーマルリーチング法、もしくは酸化法等によって除去され、微細回路２２２を形成する空洞が残る。また、セラミック製のコアを伴った精密鋳造法を用いて微細回路が製造されてもよいことに留意されたい。

冷却微細回路２２２の実施例のそれぞれの“区画”は、０．１平方インチ程度の壁面積を占有する。しかしながらより一般には、微細回路２２２は０．０６平方インチより小さな壁面積を占有し、好適な態様の壁面は０．０５平方インチ付近の壁面積を通常占有する。この実施例においては、壁内で測定される微細回路２２２の厚さｔは好ましくは約０．０１２〜０．０２５インチであり、最も好適には０．０１７インチより小さい。上記の寸法は、壁厚約０．０４５〜０．１２５インチのタービンブレード用である。

微細回路２２２は前方端２４４と、後方端２４５と、第１の側面２４６と、第２の側面２４８と、多数の列２５０，２５２，２５４，２５６にそれぞれ並び、経路の外側壁（２４６，２６５）の間に延びた柱つまりペデスタル２６０，２６２、２６４，２６６，２６８と、含む。微細回路２２２は、前方端２４４と後方端２４５との間に横方向に延び、かつ、第１の側面２４６と第２の側面２４８との間に縦方向つまり径方向に延びる。入口開口部１１１（図７では符号１５４）は第１の壁部分を貫通し、微細回路２２２の後方端２４５近傍に配置されて、エーロフォイル３４の経路４２（もしくは４０）から微細回路２２２内に冷却空気流の経路を付与する。出口つまり排気口５２（もしくは１６０）は前方端２４４近傍の外側壁を貫通し、微細回路２２２から壁外側のコアガス経路内に向かう冷却空気流の経路を付与する。微細回路２２２はコアガス流Ｇの流線に沿って前方から後方に通常方向付けられるが、具体的な用途に適するように方向は変化してもよい。この実施例においては、出口開口部５２は径方向に縦に延びたスロットである。実施例の入口開口部１１１の長さＬｉｎは約０．０２５インチであり、出口開口部５２の長さＬｏｕｔは約０．１００インチである。

微細回路の用途の広さを示すために微細回路の幾つかの実施例を説明する。上述したように、これらの実施例は本発明を限定するものであると理解すべきではない。

列２５０は細長い直角矩形断面の柱をほぼ形成するペデスタル２６０を有する。ペデスタル２６０は、（列と平行に測定された）約０．０４０インチの長さＬ１、（列に垂直に測定された）約０．０２０インチの幅Ｗ１、約０．０６０インチのピッチＰ１、および約０．０２０インチの間隔Ｓ１を有する。上記ピッチは、列内の各ペデスタル中心間の径方向間隔として定義される。この間隔は上記ピッチ長さＰからペデスタルの直径Ｄを引いたものとして定義される。この列のピッチＰに対するこの列のペデスタル寸法Ｌの比は、特定の列の領域がペデスタルによって遮断される割合を定義し、以下、これを絞り係数つまり遮断係数と呼ぶ。上記のように特定した寸法においては、絞り係数つまり遮断係数は６７％となる。

次の列２５２も同様に、細長の直角矩形柱をほぼ形成するペデスタル２６２を有する。この列のペデスタルは、約０．０２５インチの長さＬ２、約０．０１５インチの幅Ｗ２、約０．０６１５インチのピッチＰ２、および約０．０３６５インチの間隔Ｓ２を有する。この実施例においては、長さＬ２および幅Ｗ２は、双方ともに長さＬ１および幅Ｗ１よりも十分に小さい。しかしながら、ピッチＰ２はピッチＰ１とほぼ等しく、また、ペデスタル２６２が通常、関連した隙間２７０の背後にくるように配列の位相が完全にずれている。列２５０，２５２の間は、約０．０３７５インチの列ピッチＲ１となる。上記のように特定された寸法においては、絞り／遮断係数は４２％となる。

次の列２５４も同様に、細長の直角矩形柱をほぼ形成するペデスタル２６４を有する。ペデスタル２６４は、約０．０２５インチの長さＬ３、約０．０１５インチの幅Ｗ３、約０．０６１５インチのピッチＰ３、および約０．０１８インチの間隔Ｓ３を有する。この実施例においては、これらの寸法は上記列２５２の対応する寸法にほぼ等しいが、各ペデスタル２６４が隙間２７２のすぐ背後にくるように位相が完全にずれている。列２５２と列２５４との間の列ピッチＲ２は約０．０３３インチであり、上記のＲ１と同様である。上記のように特定された寸法においては、絞り／遮断係数は４２％となる。

次の列２５６も同様に、細長の直円柱をほぼ形成し、直径Ｄ４が約０．０２００インチ、ピッチＰ４が約０．０３８インチ、間隔Ｓ４が約０．０１８インチとなるペデスタル２６６を有する。この実施例においては、直径Ｄ４が矩形ペデスタルの長さより短い。加えて、ピッチＰ４は他の列のピッチよりも短く、間隔Ｓ４は列２５０以外の他の列の間隔よりも短い。Ｒ１およびＲ２と同様に、列２５４と列２５６との間に約０．０１４インチの列ピッチＲ３がある。上記のように特定された寸法においては、絞り／遮断係数は５３％となる。

次の列２５８は、径方向に延びるように該ペデスタルの本体を通る縦方向の軸２７１をそれぞれ有した２つのペデスタル２６８を有する。従って、ペデスタル２６８は径方向に細長い形状をし、図８に示すように出口開口部２６３に整列している。ペデスタル２６８は、微細回路２２２の前方端２４４の出口開口部５２の中央に整列した隙間２７８によって切り離されている。隙間２７８の径方向の長さＬＧは、好ましくは０．０１５インチより大きくはない。ペデスタル２６８は、出口開口部５２に向かって外側に延び、かつこれに整列した突出部つまり頂点２７６を通常有する。この実施例では、ペデスタル２６８の径方向の長さＬ５は約０．０７９インチである。

従って、列２５０，２５２，２５４，２５６，２５８は上述の通りであって、以下に図８の微細回路５０によって実現される利点を説明する。

第１の列２５０のペデスタル２６０は、微細回路５０内を流れる冷却空気の局所的な速度を制御しかつその横方向の分散を促進するような所定の配列で互いに離間する。この分散により後流が形成され、冷却回路２２２内の熱取得が向上する。ペデスタル２６０は列２５２のペデスタル２６２に対してオフセットされもしくは千鳥状に配列されている。同様に、列２５４のペデスタル２６４は列２５２のペデスタル２６２に対してオフセットされている。各オフセットは十分な大きさであり、微細回路２２２内に直線の経路がほぼ存在しなくなる。空気がペデスタル２６２，２６４を通過すると、流れの分布がより均一になるために後流は抑制される。この効果が得られるのは、列２５０，２５６に比べて列２５２，２５４の絞り係数が比較的小さいためである。従って、追従する後流の乱れを最小限にし、かつ、冷却回路２２２内の後流／乱流への連続的な移行を可能にするのに、列２５２，２５４は役に立つ。空気が次の列２５６を通過すると、空気は速度つまり熱伝達を増大するように調整される。列２５０は列２５２，２５４，２５６よりも大きな絞り係数を有することに留意されたい。従って、微細回路５０に流入する空気流は、圧力損失が過大とならずにかつ熱伝達が最大限になるように分散される。

ペデスタル２８は、空気が列２５０，２５２，２５４を通過する際に空気の乱れによって生ずる後流を最小にする。後流乱れの最小化は微細回路５０内の高温流の循環を防止し、熱取得を促進する。ペデスタル２６８の周囲に空気流が案内されると、その空気流は出口開口部５２内に一様に行き渡る。出口開口部５２にスロットを使用した意義が分かるだろう。空気がスロットを出るときに、正圧側壁４６と負圧側壁５１の各々に一様なフィルム層が実現される。従って、ペデスタル２６８は流れがストリーキング流もしくは分離した噴流となり、出口開口部５２（もしくは１６０）から流出することを防止する。ストリーキングは、出口開口部５２から流出する際のこれに対応する空気噴流が金属を一様に覆わず、結果として壁４６にホットスポットが生じる可能性があるため、有利ではない。

好適には、ペデスタル２６８の配置は、上述したように、空気が出口開口部５２（もしくは１６０）から流出する際に非常に良好な空気の計量制御を可能にする。より具体的には、冷却空気は、隙間２７８および第１・第２の側壁２４６，２４８に近いペデスタル２６８の周囲を流れる。従って、上記流れが列２５６を介して計量されるため、上記流れの一部が隙間２７８を通過する一方、上記空気の残りはペデスタル２６８の周囲を通過する。また、上記方法のようにまた図９の流線０，１，１’によって示されるように、出口開口部５２を通過する空気流は一様に行き渡る。中央の流線０は、流線１がこれを横断して流線１’に干渉しないようにかつこの逆も起こらないように、作用する。従って、ペデスタル２６８の配置により、流れが整流されるとともに、正確な計量制御が確保され、フィルム冷却および冷却効果が向上する結果となる。

ここで図９を参照すると、微細回路３２２のもう１つの実施例が示されている。各図面の類似の参照番号および表示は類似の要素を示す。このもう一つの実施例の微細回路３２２は、２つの出口開口部５２と３つの入口開口部１１１とを有する。この実施例の微細回路３２２における冷却設計と達成される利点とに関して以下に詳細に説明する。このもう１つの実施例においては、径方向に縦に並んだ３つのレーストラック形状の入口開口部１１１と、同様に径方向に縦に並び、好ましくはスロットである、２つの出口開口部５２と、が存在する。この実施例の入口開口部１１１の長さＬｉｎは約０．０２５インチであり、出口開口部５２の長さＬｏｕｔは約０．１００インチである。

微細回路３２２は列３８０，３８２，３８４，３８６にそれぞれ並んだペデスタルつまり柱３９０，３９２，３９４，３９６を有する。列３８０は丸みの付いた三角形状の柱を実質的に形成するペデスタル３９０を有し、このペデスタル３９０においては、平坦でかつ流れ方向にほぼ垂直な第１の側面３００と、実質的に丸みの付いた収束する側面３０２と、が存在する。ペデスタル３９０は、約０．０３３インチの主軸長さＬ１と、約０．０５８インチのＰ１と、約０．０１８インチの間隔Ｓ１と、を有する。列３８０は、微細回路３２２に流入する冷却空気の横方向の分散を促進する。上述のように特定された寸法においては、絞り／遮断係数は５２％である。

次の２つの列３８２，３８４は、丸みの付いた直角矩形柱をほぼ形成するペデスタル３９２，３９４をそれぞれ有する。ペデスタル３９２は、約０．０２０インチの直径Ｄ２と、約０．０１４８インチの間隔Ｓ２と、約０．０３５インチのＰ２と、を有する。上述のように特定された寸法においては、絞り／遮断係数は５７％となる。ペデスタル３９４は、約０．０２０インチの直径Ｄ３と、約０．０１４８インチの間隔Ｓ３と、約０．０３５インチのピッチＰ３と、を有する。上述のように特定された寸法においては、絞り／遮断係数は５７％となる。ペデスタル３９２，３９４は、通常、互いにオフセットもしくは千鳥状に配列されており、これらの間を通過する空気流を計量する機能を果たす。流速つまり局所的なレイノルズ数およびこれに対応する内部熱伝達率を増大させるために、上記の流れが列３８２，３８４によって計量されるのである。従って、ペデスタル３９４は上記のように集約されるため、列３８０でのペデスタル３９０よりも高い絞り係数となる。

最後の列３８６は２つのペデスタル３９６を有し、そこで各ペデスタル３９６は上記２つの出口開口部５２の１つにそれぞれ整列する。ペデスタル３９６は、径方向に延びた縦軸３９９を有する。従って、ペデスタル３９６は径方向に細長く延びた形状をなす。各ペデスタル３９６はそれぞれの出口開口部５２に向かって外側に延びた突出部つまり頂点３９７を通常有する。各ペデスタル３９６の中心は、各出口開口部５２（もしくは１６０）の中心にほぼ整列する。この実施例においては、ペデスタル３９４の縦方向の長さＬ３は約０．１００インチである。

よって、列３８０，３８２，３８４，３８６について上記のように説明したので、次に図９の微細回路３２２によって実現される効果について説明する。

ペデスタル３９０の第１の列３８０は互いに離間し、上述したような形状を有するために、局所的な速度を制御し、微細回路３２２内を流れる冷却空気の横方向への分散を促進する。また、ペデスタル３９０は後流乱れを最小限にする。この冷却空気流は側面３００に衝突し、側面３０２によってペデスタル３９０の周囲に押しやられ、これにより形成される後流が低減され、ペデスタル３９０後方のホットスポットの発生が防止される。

次の２つの列３８２，３８４のペデスタル３９２，３９４は、互いの関係においてまた第１の列３８０のペデスタル３９０に対して、千鳥状に配列されている。従って、微細回路３２２内を通過する直線状の経路が実質的に存在することはない。冷却空気がこれらの列を通過すると、流れ分布がより一様なために後流が低減される。

好適には、ペデスタル３９６の配置は、上述のとおり、冷却空気が各出口開口部５２を流出する際に非常に良好な冷却空気の計量制御を可能にする。より具体的には、冷却空気が列３８２，３８４を通過する際に、空気はペデスタル３９６上に衝突し、ペデスタルの周囲に案内され、対応する出口開口部５２を通して流出する。また、上記の方法でまた流線０，１，１’によって示されるように、主流の流線０では出口開口部５２を流出する際に一様な流れ分布が得られる。換言すれば、流線１は流線１’と交わるように横断することはなく、逆もまた起こらない。主流の流線０は、図８に示す第１の実施例の主流の流線と同様に、対応する出口開口部５２の中心と整列する。しかしながら、このもう１つの実施例では、ペデスタル３９６は、ペデスタル３９６の長さＬ３の大部分が出口開口部５２に晒されるように出口開口部５２と整列する。従って、流線は、ペデスタルを迂回するために、自由に出口開口部５２から流出する。従って、ペデスタル３９６を配置することにより、流れを整流するとともに正確な計量制御の確保が可能となり、結果的にフィルム冷却と冷却効率とを向上することができる。

従って、空気流はペデスタル３９６の周囲に案内され、出口開口部５２内を一様に行き渡る。出口開口部５２にスロットを使用した意義がここで理解されよう。空気がスロットを出ると、外側の側壁、より具体的には正圧側壁４６や負圧側壁５１の各々に一様なフィルム層が実現する。従って、ペデスタル３９６は、流れがストリーキングしたり、分離した噴流となって、出口開口部５２（もしくは１６０）から流出することを防止する。ストリーキングは、出口開口部５２（もしくは１６０）から流出する際の対応する空気噴流が金属に一様な層を付与せず、結果的に壁２４にホットスポットが生ずる可能性があるため、有利ではない。ペデスタル３９６は、また、空気が列３８０，３８２，３８４を通過する際に空気の乱れによって生ずる後流を最小限にする機能を果たす。後流を最小にすることによって、微細回路３２２内の流れの再循環が防止され、熱取得が促進される。

特に、構造的一体性を強化したエーロフォイルにおいては、出口開口部つまりスロットが同一線上にならないように微細回路が壁内に配設されてもよい。

この実施例では、正圧壁４６や負圧壁５１の各々に配設された複数の微細回路が存在する。さらに、微細回路のそれぞれの入口開口部１１１（１５４）は、各々の経路４２，４０内を流れる冷却空気に作用するコリオリの力によって生じた逆回転の循環に対して共通の方向に配置される。このようにして、逆回転の循環が取り入れられて、入口開口部１１１，１５４および微細回路２２２，３２２内への冷却空気の吸入が促進される。

よって、本発明は、熱・機械応力の高く、かつ、好適な冷却能力が得られない領域において追加の冷却を付与する。

本発明の好適な態様を説明したが、当業者であれば本発明の範囲に属する特定の改良を想到するであろう。上記の理由から、添付の特許請求の範囲は本発明の真の趣旨および内容を定めるために検討される。

本発明を取り入れたガスタービンエンジンの概略図。 本発明の第１の実施例を示す図。 従来技術のタービンブレードの断面図。 従来技術のタービンブレード内の冷却空気流を概略的に示す図。 第１の実施例のタービンブレードの創作的部分を示す図。 図５の実施例の１つの特徴を概略的に示す図。 第２の実施例を示す図。 本発明を利用した冷却微細機構の一実施例を示す拡大図。 冷却微細機構のもう一つの実施例を示す拡大図。

符号の説明

３７…第１の経路のより大きな面
３８…第１の経路
３９…第１の経路のより小さな面
４０…第２の経路
４１…第２の経路のより大きな面
４２…第３の経路
４３…第２の経路のより小さな面
４５…第３の経路のより大きな面
４６…正圧壁
４７…第３の経路のより小さな面
５０…微細回路
５１…負圧壁
５２…出口開口部
１００…領域
１１１…入口開口部

Claims (32)

1. 互いに離間した正圧壁と負圧壁とを備え、かつ、底部から先端部まで延びた湾曲したエーロフォイルであって、
   上記エーロフォイル内にかつ上記負圧壁と正圧壁との間に形成された冷却チャンネルであって、上記冷却チャンネルはサーペンタインチャンネルを含み、上記サーペンタインチャンネルは上記底部から外側に延びかつ上記エーロフォイルから上記先端部に向かって延びた第１の経路と上記第１の経路に連通しかつ上記底部に向かって冷却流体を戻す第２の経路と、上記第２の経路に連通しかつ上記底部から外側に冷却流体を戻す第３の経路と、を有し、かつ、上記第１・第２・第３の経路は、より大きな面とより小さな面とを備えたほぼ台形の断面形状をそれぞれ有し、上記第１・第３の経路の上記より大きな面は上記正圧壁および負圧壁のうちの一方に面して配置され、上記第１・第３の経路の上記より小さな面は上記正圧壁および負圧壁のうちの他方に面して配置され、かつ、上記第２の経路の上記より大きな面は上記正圧壁および負圧壁の上記他方に面して配置され、上記第２の経路の上記より小さな面は上記正圧壁および負圧壁の上記一方に面している冷却チャンネルと、
   上記エーロフォイル内に埋め込まれた微細冷却回路であって、上記第１・第２・第３の経路のうちの１つの上記より小さな面に隣接し、かつ、上記第１・第２・第３の経路のうちの１つの上記より小さな面と上記正圧壁および負圧壁のうちのこれに対向する面との間にあり、かつ、冷却流体を受け入れて、上記第１・第２・第３の経路のうちの１つの上記より小さな面と上記正圧壁および負圧壁のうちのこれに対向する上記面との間の領域にさらなる冷却を付与する微細回路と、
   を含み、
   上記微細冷却回路の断面積は上記第１・第２・第３の経路の断面積よりも小さく、上記微細冷却回路にわたって複数のペデスタルが延在していることを特徴とするエーロフォイル。
2. 上記微細冷却回路は、上記第１・第２・第３の経路から選択された供給源と、上記第１・第２・第３の経路の上記選択経路以外の経路から上記冷却流体を受け入れることを特徴とする請求項１に記載のエーロフォイル。
3. 上記微細冷却回路は、上記第２の経路の上記より小さな面と上記正圧壁との間に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のエーロフォイル。
4. 上記微細冷却回路は上記第３の経路から上記冷却流体を受け入れることを特徴とする請求項３に記載のエーロフォイル。
5. 上記微細回路は上記第１の経路の上記より小さな面と上記負圧壁との間に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のエーロフォイル。
6. 上記微細冷却回路は上記第２の経路から上記冷却流体を受け入れることを特徴とする請求項５に記載のエーロフォイル。
7. 上記冷却流体は、上記正圧壁および負圧壁のうちの上記対向する面にある複数の開口部を介して上記微細冷却回路から流出して、フィルム冷却を実現することを特徴とする請求項１に記載のエーロフォイル。
8. 上記エーロフォイルはタービンブレードであり、上記底部はプラットフォームであることを特徴とする請求項１に記載のエーロフォイル。
9. 上記冷却流体は空気であることを特徴とする請求項１に記載のエーロフォイル。
10. 上記第１・第２・第３の経路のうちの上記１つの経路の上記より小さな面と、上記正圧壁および負圧壁のうちの上記一方と、の間で寸法測定される上記微細冷却回路の厚さが、約０．０１２〜０．０２５インチであることを特徴とする請求項１に記載のエーロフォイル。
11. 上記微細冷却回路は、上記エーロフォイルの上記底部から上記先端部へ延びる方向に沿って複数の独立した微細回路を含んでいることを特徴とする請求項１に記載のエーロフォイル。
12. 上記ペデスタルは複数の特殊な形状を含むことを特徴とする請求項１に記載のエーロフォイル。
13. 上記微細冷却回路は、上記底部から上記先端部へ延びる方向に沿って離間された複数の微細冷却回路を含むことを特徴とする請求項１２に記載のエーロフォイル。
14. 上記微細冷却回路につながる上記入口が複数あることを特徴とする請求項１３に記載のエーロフォイル。
15. 上記微細冷却回路からでていく上記出口が複数あることを特徴とする請求項１３に記載のエーロフォイル。
16. 上記第１・第３の経路に生ずるコリオリ効果が上記第２の経路に生ずるコリオリ効果とは異なっており、上記コリオリ効果により主流方向が上記第１・第２・第３の経路の各々の上記より大きい面に向かって案内されることを特徴とする請求項１に記載のエーロフォイル。
17. プラットフォームの外側に延び、相互に離間した正圧壁と負圧壁とを備える湾曲したエーロフォイルと、
    上記エーロフォイル内で、上記正圧壁と上記負圧壁との間に形成された冷却チャンネルであって、上記冷却チャンネルはサーペンタインチャンネルを含み、上記サーペンタインチャンネルは、上記プラットフォームから外側に延びかつ上記エーロフォイル内に延びた第１の経路と、上記第１の経路に連通しかつ上記プラットフォームに向かって冷却流体を戻す第２の経路と、上記第２の経路に連通しかつ上記プラットフォームから外側に冷却流体を戻す第３の経路と、を有し、かつ、上記第１・第２・第３の経路は、より大きな面とより小さな面とを定義するほぼ台形の断面形状をそれぞれ有し、上記第１・第３の経路の上記より大きな面は上記正圧壁に面して配置されかつ上記第１・第３の経路の上記より小さな面は上記負圧壁に面して配置され、上記第２の経路の上記より大きな面は上記負圧壁に面して配置されかつ上記第２の経路の上記より小さな面は上記正圧壁に面している冷却チャンネルと、
    上記第２の経路の上記正圧壁と上記負圧壁との間に配置された微細冷却回路であって、冷却流体を受け入れて上記第２の経路の上記より小さな面と上記正圧壁との間の領域にさらなる冷却を付与し、上記正圧壁の複数の開口部と連通し、上記冷却流体を上記正圧壁上に流してフィルム冷却を実現し、その断面が上記第１・第２・第３の経路の断面よりも小さくなっている微細冷却回路と、
    を含んだタービンブレード。
18. 上記微細冷却回路は、上記第３の経路から冷却流体を受け入れることを特徴とする請求項１７の記載のタービンブレード。
19. ファンと、
    圧縮機と、
    燃焼セクションと、
    ロータブレードおよびベーンを有したタービンと、
    を含んだガスタービンエンジンであって、かつ、
    上記ロータブレードの少なくとも１つと上記ベーンとは、底部と先端部とが付いたエーロフォイルを有し、上記エーロフォイルは負圧壁と正圧壁との間に延び、上記エーロフォイル内にかつ上記負圧壁と上記正圧壁との間に冷却チャンネルが形成され、上記冷却チャンネルはサーペンタインチャンネルを含み、上記サーペンタインチャンネルは上記底部から外側に延びかつ上記エーロフォイルから上記先端部に向かって延びた第１の経路と上記第１の経路に連通しかつ上記底部に向かって冷却流体を戻す第２の経路と、上記第２の経路に連通しかつ上記底部から外側に冷却流体を戻す第３の経路と、を有し、かつ、上記第１・第２・第３の経路は、より大きな面とより小さな面とを定義するほぼ台形の断面形状をそれぞれ有し、上記第１・第３の経路の上記より大きな面は上記正圧壁および負圧壁のうちの一方に面して配置され、上記第１・第３の経路の上記より小さな面は上記正圧壁および負圧壁のうちの他方に面して配置され、かつ、上記第２の経路の上記より大きな経路は上記正圧壁および負圧壁のうちの上記他方に面して配置され、上記第２の経路の上記より小さな面は上記正圧壁および負圧壁のうちの上記一方に面しており、
    上記エーロフォイル内には微細冷却回路が埋め込まれ、これは上記第１・第２・第３の経路のうちの１つの上記より小さな面に隣接し、かつ、上記第１・第２・第３の経路のうちの１つの上記より小さな面と上記正圧壁および負圧壁のうちのこれに対向する面との間にあり、かつ、上記微細冷却回路は冷却流体を受け入れて、上記第１・第２・第３の経路のうちの１つの上記より小さな面と上記正圧壁および負圧壁のうちのこれに対向する上記面との間の領域にさらなる冷却を付与することを特徴とするガスタービンエンジン。
20. 上記微細冷却回路は上記第１・第２・第３の経路から選択された供給源と上記第１・第２・第３の経路の上記選択経路以外の経路とから上記冷却流体を受け入れることを特徴とする請求項１９に記載のガスタービンエンジン。
21. 上記微細冷却回路は上記第２の経路の上記より小さい面と上記負圧壁との間に配置されることを特徴とする請求項１９に記載のガスタービンエンジン。
22. 上記微細冷却回路は上記第３の経路から上記冷却流体を受け入れることを特徴とする請求項２１に記載のガスタービンエンジン。
23. 上記微細冷却回路は上記第１の経路の上記より小さな面と上記負圧壁との間に配置されることを特徴とする請求項１９に記載のガスタービンエンジン。
24. 上記微細冷却回路は上記第２の経路から上記冷却流体を受け入れることを特徴とする請求項２３に記載のガスタービンエンジン。
25. 上記ロータブレードの上記１つと上記ベーンとはロータブレードであり、上記底部はプラットフォームであることを特徴とする請求項１９に記載のガスタービンエンジン。
26. 上記第１・第２・第３の経路のうちの上記１つの経路の上記より小さな面と、上記正圧壁および負圧壁のうちの上記一方と、の間で寸法測定される上記微細冷却回路の厚さが、約０．０１２〜０．０２５インチであることを特徴とする請求項１９に記載のガスタービンエンジン。
27. 上記微細冷却回路は、上記エーロフォイルの上記プラットフォームから上記先端部まで延びる方向に沿って複数の独立した微細回路を含んでいることを特徴とする請求項１９に記載のガスタービンエンジン。
28. 上記ペデスタルは複数の特殊な形状を含むことを特徴とする請求項１９に記載のガスタービンエンジン。
29. 上記微細冷却回路は、上記底部から上記先端部へ延びる方向に沿って離間された複数の微細冷却回路を含むことを特徴とする請求項２８に記載のガスタービンエンジン。
30. 上記微細冷却回路につながる上記入口が複数あることを特徴とする請求項２９に記載のガスタービンエンジン。
31. 上記微細冷却回路からでていく上記出口が複数あることを特徴とする請求項２９に記載のガスタービンエンジン。
32. 上記第１・第３の経路に生ずるコリオリ効果が上記第２の経路に生ずるコリオリ効果とは異なっており、上記コリオリ効果により主流方向が上記第１・第２・第３の経路の各々の上記より大きい面に向かって案内されることを特徴とする請求項１９に記載のガスタービンエンジン。

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