JP2006144800A - 補助冷却チャンネルを備えたエーロフォイルおよびこれを含んだガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】フィルム冷却を更に付与する補助チャンネルを備えたエーロフォイルを提供する。
【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、が前縁４１に形成されたフィルム冷却孔４８を有する。前縁４１から後縁に向かって離間した前縁付近に、補助フィルム冷却チャンネル６０が設けられる。補助フィルム冷却チャンネル６０は、負圧壁３８上にフィルム冷却空気を案内する。補助フィルム冷却チャンネル空気は、従来冷却が困難であった負圧壁上の位置５２に概ね案内される。開示の実施例では、エーロフォイルにはサーマルバリヤコーティングが付与され、補助フィルム冷却空気はこのサーマルバリアコーティングを保護する。
【選択図】図４

Description

本発明は、タービンブレード等のエーロフォイルに用いられ、高応力領域において前縁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。多数の冷却チャンネルがエーロフォイルの断面内に、プラットフォームから先端に向かって外側に延びる。空気は冷却チャンネル内を流れ、ガスタービンエンジンの運転中に非常に高温になるエーロフォイル本体を冷却する。

特殊な型式の冷却チャンネルはフィルム冷却チャンネルである。フィルム冷却チャンネルは、エーロフォイルの外側表面に向けて外側に冷却空気を案内してこれを外側表面に衝突させることによりこの外側表面を冷却する多数の小孔を有する。フィルム冷却孔を有する上記冷却チャンネルの１つはエーロフォイルの前縁付近に配置される。前縁から内側に向かって離間した主要な冷却チャンネルの１つが通常、前縁フィルム冷却チャンネルに冷却空気を供給する。この前縁フィルム冷却チャンネルには、エーロフォイルの外側表面に向けて外側に冷却空気を案内してこの外側表面上にフィルム冷却を付与する多数の孔が付与される。

近年のエーロフォイルにおける主な設計考慮分野の１つに、エーロフォイルに複数の顕著な特徴を付与する種々のコーティングの使用がある。このようなコーティングの１つに、エーロフォイル上に施され、極端な温度に加熱されるエーロフォイルにある程度の抵抗を付与するサーマルバリヤコーティングがある。少なくとも１回のサーマルバリヤコーティングが塗布されたエーロフォイルの実験によって、前縁フィルム冷却チャンネルのインピンジメント孔から負圧壁に向かって離間した領域がコーティング内である程度腐食していることが判明している。つまり、フィルム冷却孔は前縁付近の上記コーティングを十分に保護するものの、前縁から離間した領域ではコーティングが多少損なわれており、更なる冷却の必要性を示唆している。

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。負圧壁に向かって離間した前縁フィルム冷却チャンネル付近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、エーロフォイルは、底部から先端に向かって外側に延びた幾つかの“メイン”チャンネルを含んだ冷却チャンネルを有する。第１のメインチャンネルは前縁フィルム冷却チャンネルに冷却空気を供給し、前縁フィルム冷却チャンネルは前縁付近のエーロフォイルの外側皮膜上に冷却空気を案内する複数のフィルム冷却孔を含む。補助フィルム冷却チャンネルが、第１のメインフィルム冷却チャンネルと負圧壁との間の位置に設けられる。開示の実施例においては、補助フィルム冷却チャンネルにも、第１のメインチャンネルによって冷却空気が付与される。フィルム冷却孔が、補助フィルム冷却チャンネルから負圧壁まで延び、これにより冷却空気が負圧壁上に吹き戻される。従って、コーティングがある程度腐食している上述の領域には更なるフィルム冷却が付与されて、コーティングがさらに保護される。

開示の実施例においては、第１のメインチャンネルと、内側に隣接したメインチャンネルと、の間にウェブがある。補助フィルム冷却チャンネルから延びたフィルム冷却孔の負圧壁上の位置は、このウェブに概ね整列する。さらに、補助フィルム冷却チャンネルから延びたフィルム冷却孔の位置は、ウェブから前縁側に延長された負圧壁上の位置におけるウェブ厚さの範囲内に入る。

開示された１つの実施例においては、補助冷却チャンネルは、複数の横断ペデスタルを有した非常に小さな幅の微細回路となる。微細回路は、実際は、底部と先端との間の長さに沿って離間した複数の独立した微細回路となる。

もう１つの実施例においては、上記チャンネルは、上述の微細回路と異なり中空のチャンネルである。

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１２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。メイン冷却チャンネル４４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。サーペンタインチャンネルの一部は経路４０，４２であり、空気が経路４０，４２を直列に流れるときに外側方向および内側方向に空気を循環させる。

図３にさらに示すように、ポート５０はメインチャンネル４４を前縁フィルム冷却チャンネル４６に連通する。複数のフィルム冷却口４８が前縁フィルム冷却チャンネル４６から前縁４１まで延びている。これらのポートはプラットフォーム３２からエーロフォイル３４の先端３３に向かって間隔をあけて配置されていることに留意されたい。つまり、図２に概ね示すように、エーロフォイル３４の長さに沿って多数のポート４８が存在する。

上述したように、従来技術のエーロフォイルにコーティングが付与されるときには、符号５２に示され、かつポート４８から負圧壁３８に向かって離間した領域内で、コーティングの腐食が通常開始するという問題がある。この領域の負圧壁３８の外側表面にさらなる冷却を付与することが望ましい。

図４は、追加つまり補助のフィルム冷却チャンネル６０を備えた実施例５９を示す。図示のように、補助フィルム冷却チャンネル６０は第１のメインチャンネル４４と負圧壁３８との間にある。さらに、補助フィルム冷却チャンネル６０は負圧壁付近にかつ前縁フィルム冷却チャンネル４６に対して後縁に向かって、間隔をあけて置かれている。

フィルム冷却孔６２は補助フィルム冷却チャンネル６０から延びて負圧壁３８から排出する。フィルム冷却孔４８と同様に、フィルム冷却孔６２はエーロフォイルの長さに沿って間隔をあけて設けられているため、補助フィルム冷却チャンネル６０から流れ出たフィルム冷却空気によって負圧壁３８が完全に覆われることになる。上記フィルム冷却空気はインピンジメント空気と言われ、エーロフォイルが回転すると負圧壁３８に連れ戻される。

補助フィルム冷却チャンネル６０は実用上好ましくは微細冷却回路である。以下に説明するように、微細冷却回路は比較的新しい技術であって、通常、複数の横断ペデスタル６１を含む。補助フィルム冷却チャンネル６０はメインチャンネル４４からポート６４を介して空気を受け取る。実際にはポート６４，５０は、エーロフォイル３４の長さに沿って間隔をあけて設けられた複数のポートであってもよい。

補助フィルム冷却チャンネル６０のための微細回路構造について、以下により詳細に説明する。基本的な構造を理解できるように図４では、微細回路の幅とペデスタル６１の寸法とが大幅に誇張されていることに留意されたい。

図４に示されるもう一つの特徴は、負圧壁３８上のフィルム冷却孔６２の位置である。図示のように、ウェブ９０が第１のメイン冷却チャンネル４４と隣のメイン冷却チャンネル４２とを分離する。このウェブが負圧壁３８に向かって外側に延長されていたと仮定すると、後縁側端ＴＥと前縁側端ＬＥとを有するだろう。開示の実施例においては、フィルム冷却孔６２は、ウェブ９０の延長位置付近のどこかに配置される。図４から分かるように、フィルム冷却孔６２は、延長された後縁側端ＴＥから前縁に向かって離間した位置において負圧壁３８へ抜け出る。さらに、フィルム冷却孔６２は、延長された前縁側端ＬＥの位置からウェブ９０の幅の範囲内になるように示される。つまり、フィルム冷却孔６２は側端ＬＥと側端ＴＥとの間にある。

負圧壁３８上の圧力が正圧壁３９上の圧力よりも低下するように、ポート６２の寸法について設計上の考慮がなされるべきである。従って、もし孔６２が孔４８と同じ寸法であれば、例えば、孔６２は、空気流に対してより小さな抵抗を経験し、従って望ましくない空気流の大部分が受け取る。しかしながら、当業者は孔４８と孔６２との相対的な寸法を適切に設計し寸法決めする方法を理解するであろう。

図５から認識され得るように、エーロフォイル３４の長さに沿って間隔をあけて設けられた複数の微細回路６０が存在する。冷却空気はメインチャンネル４４から引き出され、インレット６４を介して、ペデスタル６１を通過し、フィルム冷却孔６２から外側に抜け出る。

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４の微細回路６０は、図６もしくは図７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６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６は、図４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。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６４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４４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６２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、入口開口部６４は径方向に縦に延びた２つのレーストラックの形状をなしている。この実施例においては、出口開口部６２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６４の長さＬｉｎは約０．０２５インチであり、出口開口部６２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４１％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４１％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６に示すように出口開口部６２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６２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６２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２２２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２２２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２２２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２６８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２２２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６２内に一様に行き渡る。出口開口部６２にスロットを使用した意義がもう分かるだろう。空気がスロットを出るときに、負圧側壁３８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６２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６２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３８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６２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６の流線０，１，１’によって示されるように、出口開口部６２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７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６２と３つの入口開口部６４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６４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６２と、が存在する。この実施例の入口開口部６４の長さＬｉｎは約０．０２５インチであり、出口開口部６２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６４％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。

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６２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６２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６２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７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６２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６２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６２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６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６２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６２に晒されるように出口開口部６２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６２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６２内を一様に行き渡る。出口開口部６２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３８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６２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６２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３８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、図５に示されるように、負圧壁３８の各々に配設された複数の微細回路が存在する。

図８はもう一つの実施例を示し、この実施例では補助フィルム冷却チャンネル１６０が中空であり、冷却チャンネル４４，４６等の標準の冷却チャンネルにより類似している。補助フィルム冷却チャンネル１６０は、やはりメインチャンネル４４から冷却空気を受け入れ、口６４を介して外側に向けて負圧壁３８上に冷却空気を案内する。しかしながら、このチャンネルは微細回路を含んでいない。補助フィルム冷却チャンネル１６０用に適切に設計された実施例は上述の微細回路付きの実施例よりも大きな幅を有していること、さらに
補助フィルム冷却チャンネル１６０は、複数のチャンネルに分離されているのではなくエーロフォイル３４の長さに亘って一様に延びていること、が予想される。しかしながら、当業者であれば最終設計に利用可能なオプションを認識し得るだろう。

サーマルバリヤコーティングを有したタービンブレードを用いて本発明を開示したが、コーティングされていないタービンブレードや他のガスタービンエンジン部品にも本発明を適用可能であることが理解されよう。

よって、本発明は、熱・機械応力が高く、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。 第１の実施例のタービンブレードにおける本発明の部分を示す図。 図４の実施例の１つの特徴を示す概略図。 本発明に利用され得る微細回路冷却機構の実施例の拡大図。 微細回路冷却機構のもう一つの実施例の拡大図。 もう１つの実施例の冷却チャンネルを示す図。

符号の説明

３８…負圧壁
３９…正圧壁
４１…前縁
４２…メイン冷却チャンネル
４４…メイン冷却チャンネル
４６…前縁フィルム冷却チャンネル
４８…ポート（フィルム冷却孔）
５０…ポート
５２…領域
６０…補助フィルム冷却チャンネル
６１…横断ペデスタル
６２…ポート（フィルム冷却出口開口部）
６４…ポート（入口開口部）
９０…ウェブ

Claims (34)

1. 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、かつ、上記正圧壁および負圧壁と接続した前縁と後縁とを備え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、上記底部から上記エーロフォイルを通り先端に向かって外側に延びた第１のメインチャンネルと、上記第１のメインチャンネルに連通した前縁チャンネルと、を含み、上記前縁チャンネルは上記前縁チャンネルから延びかつ上記前縁付近の冷却空気を案内するフィルム冷却ポートを有することとなる冷却チャンネルと、
   上記第１のメインチャンネルと上記負圧壁との間の領域に配置された補助フィルム冷却チャンネルであって、上記前縁チャンネルから上記後縁に向かって間隔をあけて設けられ、かつ、上記前縁チャンネルの上記フィルム冷却ポートから上記後縁に向かって離間した上記負圧壁上の位置にフィルム冷却空気を案内するためのフィルム冷却ポートを有した補助フィルム冷却チャンネルと、
   を含んだエーロフォイル。
2. 上記補助フィルム冷却チャンネルは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り、上記微細冷却回路は冷却流体を受け取って上記領域に追加の冷却を付与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。
3. 上記微細冷却回路の断面は、上記第１のメインチャンネルの断面や上記前縁チャンネルの断面よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載のエーロフォイル。
4. 複数のペデスタルが上記微細冷却回路に亘って延びることを特徴とする請求項２に記載のエーロフォイル。
5. 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４に記載のエーロフォイル。
6. 上記第１のメインチャンネルと上記負圧壁との間で寸法を測定した場合、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２に記載のエーロフォイル。
7. 上記微細冷却回路は、上記底部から上記先端へ延びる方向に沿って離間した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２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. 上記エーロフォイルにサーマルバリヤコーティングが適用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。
11. 上記補助フィルム冷却チャンネルは、概ね中空のチャンネル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。
12. 上記補助フィルム冷却チャンネルは上記第１のメインチャンネルから冷却空気を受け取ることを特徴とする請求項１に記載のエーロフォイル。
13. 上記第１のメインチャンネルと、上記第１のメインチャンネルから上記後縁に向かって離間した第２のメインチャンネルと、の間にウェブが区画され、上記ウェブの延長位置付近の上記負圧壁上に、上記補助フィルム冷却チャンネルの上記フィルム冷却ポートが配置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。
14. 上記補助フィルム冷却チャンネルの上記フィルム冷却ポートが、上記ウェブの上記延長位置の後縁側端から上記前縁に向かって離間した位置の上記負圧壁上に出口を有す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. 上記ウェブが上記第１・第２のメイン冷却チャンネルの間にある幅があり、かつ、上記補助フィルム冷却チャンネルの上記フィルム冷却ポートが、上記ウェブの上記延長位置の前縁側端から上記ウェブの幅に入る位置の上記負圧壁上に出口を有す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. 離間した正圧壁と負圧壁とを備え、かつ、プラットフォームから外側に延び、かつ、上記正圧壁および負圧壁と接続した前縁と後縁とを備えた湾曲したエーロフォイルと、
    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、上記プラットフォームから上記エーロフォイルの先端に向かって延びた第１のメインチャンネルと、上記第１のメインチャンネルに連通しかつ複数のフィルム冷却ポートを介して上記前縁上に冷却空気を案内する前縁チャンネルと、を含んだ冷却チャンネルと、
    上記第１のメインチャンネルと上記負圧壁との間の領域に配置された微細冷却回路であって、上記第１のメインチャンネルから冷却流体を受け取って、上記前縁チャンネルの上記フィルム冷却ポートから上記後縁に向かって離間したフィルム冷却ポートを介して上記負圧壁上に補助フィルム冷却を付与し、かつ、この微細冷却回路内を横断するペデスタルを有し、かつ、この微細冷却回路の断面が上記第１のメインチャンネルの断面よりも小さいこととなる微細冷却回路と、
    を含んだタービンブレード。
17. 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１６に記載のタービンブレード。
18. 上記第１のメインチャンネルと上記負圧壁との間で寸法を測定した場合、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１６に記載のタービンブレード。
19. 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へ延びる方向に沿って離間した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１６に記載のタービンブレード。
20. 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と上記ベーンとの少なくとも１つが、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て、上記負圧壁と正圧壁とに接続する前縁および後縁を有し、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に向かって延びた第１のメインチャンネルと、上記第１のメインチャンネルに連通する前縁チャンネルと、を有し、
    上記前縁チャンネルは上記前縁チャンネルから延びたフィルム冷却ポートを有しかつ上記前縁付近に冷却空気を案内し、
    上記第１のメインチャンネルと上記負圧壁との間の領域に補助フィルム冷却チャンネルが配置され、
    上記補助フィルム冷却チャンネルは上記前縁チャンネルのフィルム冷却ポートから上記後縁に向かって離間した位置の上記負圧壁上にフィルム冷却空気を案内するためのフィルム冷却ポートを有することを特徴とするガスタービンエンジン。
21. 上記補助フィルム冷却チャンネルは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り、上記微細冷却回路は冷却流体を受け取って上記領域に追加の冷却を付与することを特徴とする請求項２０に記載のガスタービンエンジン。
22. 上記微細冷却回路の断面は、上記第１のメインチャンネルの断面や上記前縁チャンネルの断面よりも小さい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. 複数のペデスタルが上記微細冷却回路に亘って延び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。
24. 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２３に記載のガスタービンエンジン。
25. 上記第１のメインチャンネルと上記負圧壁との間で寸法を測定した場合、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２１に記載のガスタービンエンジン。
26. 上記微細冷却回路は、上記底部から上記先端へ延びる方向に沿って離間した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２１に記載のガスタービンエンジン。
27. 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２０に記載のガスタービンエンジン。
28. 上記冷却流体は空気であることを特徴とする請求項２０に記載のガスタービンエンジン。
29. 上記エーロフォイルにサーマルバリヤコーティングが適用されることを特徴とする請求項２０に記載のガスタービンエンジン。
30. 上記補助フィルム冷却チャンネルは、概ね中空のチャンネルであることを特徴とする請求項２０に記載のガスタービンエンジン。
31. 上記補助フィルム冷却チャンネルは上記第１のメインチャンネルから冷却空気を受け取ることを特徴とする請求項２０に記載のガスタービンエンジン。
32. 上記第１のメインチャンネルと、上記第１のメインチャンネルから上記後縁に向かって離間した第２のメインチャンネルと、の間にウェブが区画され、上記ウェブの延長位置付近の上記負圧壁上に、上記補助フィルム冷却チャンネルの上記フィルム冷却ポートが配置されることを特徴とする請求項２０に記載のガスタービンエンジン。
33. 上記補助フィルム冷却チャンネルの上記フィルム冷却ポートが、上記ウェブの上記延長位置の後縁側端から上記前縁に向かって離間した位置の上記負圧壁上に出口を有することを特徴とする請求項３２に記載のガスタービンエンジン。
34. 上記ウェブが上記第１・第２のメイン冷却チャンネルの間にある幅があり、かつ、上記補助フィルム冷却チャンネルの上記フィルム冷却ポートが、上記ウェブの上記延長位置の前縁側端から上記ウェブの幅に入る位置の上記負圧壁上に出口を有することを特徴とする請求項３２に記載のガスタービンエンジン。

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