JP2006177340A

JP2006177340A - ガスタービンエンジン、タービン構成部品およびちりの流れを減少させる方法

Info

Publication number: JP2006177340A
Application number: JP2005291835A
Authority: JP
Inventors: Corneil Paauwe; パーウィコルネイル; Joseph Bridges; ブリッジズジョセフ; Matthew Devore; デヴォールマシュー
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2004-12-21
Filing date: 2005-10-05
Publication date: 2006-07-06
Also published as: TWI279487B; CN100585130C; EP1674660A3; SG123662A1; CN1793616A; EP1674660A2; EP1674660B1; US20060133923A1; KR20060071301A; TW200626791A; US7431559B2

Abstract

【課題】ちりが孔２５，４４を塞ぐのを抑制し、前縁部３４の弊害を防ぐ。
【解決手段】前縁部３４を有するベーン２４は、インピンジメント孔４４を備える半径方向内側部および外側部のインピンジメント筒３６，４０を収容する。末端壁３８を有する外側インピンジメント筒部３６は、ちりＤをより多く含む外側空気供給源２８から空気を受ける。末端壁４２を有する内側インピンジメント筒部４０は、内側空気供給源２６から空気を受ける。末端壁３８が後端部３５に向かって半径方向内側に角度をなしているため、空気流により、ちりＤは、後端部３５と末端壁３８との間のくさび状部分に運ばれ、孔２５、４４から離される。さらに、外側インピンジメント筒部３６は、前縁部に隣接するより小さい流路断面積のため、外側供給源２８は、前縁部３４より多い量のインピンジメント冷却空気を後端部３５に供給する。これにより、孔２５，４４に向かうちりの量が減少する。
【選択図】図３

Description

本発明は、タービンの構成部品内に収容されたインピンジメント筒に関する。インピンジメント筒は、外側部および内側部を有し、インピンジメント空気のちりによる前縁部の目詰まりを最小限にするように、インピンジメント筒の外側部は形成される。一実施例においては、外側部および内側部は、別々の部品として形成され、また、別の実施例においては、単一の部品として形成される。

タービンエンジンは、多数の構成部品を備える。構成部品の１つには、静止ベーンがある。ベーンは、燃焼室の下流側の高温空気の流路に位置し、ベーンの前縁部が、高温空気にさらされる。高温にさらされるため、ベーンを冷却する必要がある。ベーンの冷却に用いられる一つの方法としては、中空領域を有するようにベーンを形成し、その中空領域にインピンジメント筒を設ける方法が挙げられる。インピンジメント筒は、この筒から外側にベーン内の各箇所に向かってインピンジメント空気を導く多数の孔を備える。また、インピンジメント空気をベーンの外面に導くために、ベーンの壁部を貫通して延びる孔が設けられている。

本発明は、ベーンの中空領域内に用いられるとともに、内側および外側ベーン冷却空気供給源の両方からの冷却空気を受けるインピンジメント筒に関する。内側および外側供給源の両方からインピンジメント冷却空気を供給する周知の方法としては、内側部および外側部を備えるインピンジメント筒を用いる方法がある。内側部および外側部の各々は、ほぼベーン内の中間部分に末端壁を有する。両方の末端壁は、タービンの回転軸に対して概ね平行である。外側冷却空気は、外側部内に導かれ、内側冷却空気は、内側部に導かれる。インピンジメント筒部およびベーン内の孔は、ベーンの前縁部に隣接して集中している。

半径方向外側の供給源からの空気は、半径方向内側の供給源からの空気と比べ、より多くのちりを運ぶことが分かっている。インピンジメント筒およびベーンの孔は相対的に小さいため、インピンジメント空気流に含まれるちりにより、孔が塞がれてしまう場合がある。このちりにより前縁部付近の孔が塞がれた場合、前縁部に導かれる空気量が、所望の量よりも減少してしまう。

本発明の開示された実施例においては、ベーンは、内側部および外側部を備えるインピンジメント筒を収容する。一実施例としては、内側部および外側部の末端壁は、タービンの回転軸に対して平行でないように形成される。特に、外側部が、ベーン後縁部側に向かう後端部を覆う範囲よりも、より短い範囲に亘りベーンの前縁部を覆うように、外側部の末端壁は配置されている。開示された実施例においては、外側部の末端壁は、ほぼ平面であるとともに、前縁部から後縁部に向かうにしたがって半径方向内側となるように角度をなしている。これにより、外側部では、前縁部に隣接する表面積よりも、後端部に隣接する表面積の方がより大きくなっている。したがって、より多くちりを含有する外側インピンジメント空気の流量は、前縁部に対するよりも、後端部に対してより多く導かれる。

内側部の末端壁も、また、前縁部から後縁部に向かうにしたがって半径方向内側となるように傾いており、つまり、内側部は、外側部と反対の構成となる。この内側部における角度をなす末端壁は、内側のインピンジメント空気供給源から後端部に導かれる空気量に比べ、前縁部に導かれる空気量を増加させる効果がある。

この外側部の末端壁の形状は、後端部に比べ、前縁部に向けられる外側インピンジメント空気の流量を減少させるだけでなく、ベーンの前縁部に向かうちりの量を減少させる機械的手段および流体力学を備える。特に、外側インピンジメント空気供給源からの空気が、外側部に流入した際、その運動量により、角度をなす末端壁に沿って、外側インピンジメント筒の前縁部からちりが離れて後端部に向かうように導かれる。従来技術の構造では、ちりが後端部に導かれず、また、後端部と同じように、最初からちりが前縁部に存在する場合があった。さらに、従来技術の構造では、最初に後端部に存在していたちりが、前縁部に向かって移動してしまう場合もあった。しかし、本発明では、角度をなす末端壁により、ちりが後端部に押さえ込まれる。これは、くさび形状による圧力負荷による。くさび底部にパージ孔を設ければ、後端部に向かう面積の減少による抑制された静圧と共に、外側部の後端部から前縁部に向かうちりの移動に抵抗する増加した動圧負荷が生じる。また、角度をなす末端壁により、ちりを捕捉する機械的手段として機能するくさび形状が形成される。角度をなす末端壁により、外側インピンジメント筒の後端部にちりが最初に導かれる。この外側インピンジメント筒の後端部に、機械的に、および流体力学的にちりが追い込まれる。
ちりは後端部に隣接する外側部に捕捉されるか、あるいは外側部から流出する。後縁部に隣接する外側部から流出したちりは、次いで、後端部に隣接するベーンの外面にあるフィルム孔を通りベーンから完全に流出する。つまり、くさび形状が形成するトラップは、ちりを永続的に捕らえるか、あるいは、ちりがベーンの前縁部を塞ぐ可能性が最も低い後端部からベーン外へちりを流出させる。
本発明では、このように、実質的に平面であるとともに角度をなす末端壁について開示しているが、外側インピンジメント空気供給源からベーンの前縁部への流量を減少させる目的を実現する限り、他の形状を有する外側部および内側部を用いてもよい。

第１の実施例においては、内側部および外側部は、別々の部品として形成され、第２の実施例では、単一の部品として形成される。

したがって、本発明は、ベーンの前縁部へのインピンジメント空気流を減少させることにより、外側部の空気流内に生じ得るちりを減少させる。

図１では、ガスタービンエンジン２０が図示されている。周知のように、ロータブレード２２は、中心軸を中心に回転するとともに、上流側にある燃焼室からの空気を受ける。複数のステータベーン２４は、ロータブレード２２に隣接して配置されている。周知のように、ベーン２４は、非常に高温の空気にさらされる。そのため、冷却空気が、ベーン２４に向けられる。図のように、半径方向内側にある冷却空気の供給源２６および半径方向外側にある冷却空気の供給源２８が配置されている。前縁部に配置されたフィルム冷却孔２５を通り、ベーン２４から空気が流出する。実際には、他の孔がベーンにわたって配置されているが、簡略化のため図示していない。半径方向外側の供給源２８は、半径方向内側の供給源２６と比べ、より多くの０を含む空気を導くことが分かっている。ロータブレード２２の回転軸に概ね垂直である放射状直線を直線Ｒ（以下で説明する際に基準として用いる）として示す。

図２では、前縁部３４と、後縁部２１に対して間隔を有するリブ３２と、内側プラットフォーム１６と、外側プラットフォーム１７と、を有するベーン２４が図示されている。図示されているように、中空領域１９に、１つのインピンジメント筒が収容される。もう一方のインピンジメント筒が、別の中空領域に収容されており、前縁部３４に隣接する外側部分３６および内側部分４０を備える。図のように、外側部分３６は、端部３８を有し、内側部分４０は、端部４２を有する。

図３に示すように、ベーン２４は、前縁部３４に外壁３０を備える。周知のように、前縁部３４は、燃焼室の下流方向の流れに直接向いているため、最も高い温度にさらされる。

外側の空気供給源２８からの冷却空気は、末端壁３８を有する外側インピンジメント筒部３６に導かれる。末端壁４２を有する内側インピンジメント筒部４０は、内側の空気供給源２６からの空気を受ける。図２，３から分かるように、末端壁３８，４２は、放射状直線Ｒに垂直ではなく、つまり、ロータブレード２２の回転軸と平行ではない。従来技術では、末端壁３８，４２は、ロータブレード２２の回転軸に平行であった。

インピンジメント筒部３６，４０には、多数のインピンジメント孔４４が含まれる。インピンジメント孔４４は、インピンジメント筒部３６，４０にわたって見られるが、本明細書においては、前縁部３４に隣接するもののみを図示している。ほとんどの冷却空気を前縁部に導くために、インピンジメント筒部３６，４０は、前縁部に隣接する箇所に集中した多くの孔４４を備える。しかし、インピンジメント筒部３６，４０の前縁部から間隔を隔てて、他の孔が配置されているということを理解されたい。これらの孔は、図を簡略化するために単に図示していないだけである。

前述のように、ちりＤが、内側の空気流供給源２６よりも外側の空気流供給源２８において、より多く見られる。従来は、このちりにより、孔４４，２５などの孔がふさがれ、これにより、前縁部３４に著しい弊害がもたらされていた。

外側空気流供給源２８からの空気流の運動量により、より重いちりの粒子Ｄは、後端部３５と末端壁３８との間に生じるくさび形状部分に運ばれ、外側のインピンジメント筒の孔４４および前縁部の孔２５から離れる。従来技術では、末端壁がタービンの回転軸と平行であったため、ちり粒子を前縁部から離すことができず、または、ちりが前縁部に戻るのを防ぐことができず、最終的に前縁部３４に隣接する孔２５，４４が塞がれていた。

本発明では、３つの方法によりこの問題に対処する。第１に、末端壁３８が後端部３５に向かうように半径方向内側に角度をなしているため、前縁部に向かうちりの粒子Ｄに対して動圧負荷がかかる。第２に、後端部３５と末端壁３８との間に設けられたくさび形状により、ちりは、前縁部に移動して孔２５，４４を塞ぐことなく、インピンジメント筒の深くて狭い角に捕捉されるか、あるいは後端部３５から流出する。さらに、後端部に隣接する流路断面積より前縁部に隣接する流路断面積のほうが小さくなるように、外側のインピンジメント筒部３６は単純な幾何学形状を有する。図２から分かるように、半径方向内側のインピンジメント筒部４０では、前縁部に隣接する流路断面積のほうが大きい。したがって、半径方向内側の供給源２６は、第２の端部３５に供給される量に比べ、より多い量の冷却空気を前縁部３４に供給する。一方、半径方向外側の供給源２８は、前縁部３４に比べ、より多い量のインピンジメント冷却空気を後端部３５に供給する。これらの要素が組み合わさることにより、ベーン２４および外側のインピンジメント筒部３６の前縁部の孔２５，４４に向かうちりの量が減少する。

外側インピンジメント筒部３６の末端壁３８と後端部３５との間における角度Ａは、２０°〜６０°であることが好ましい。一実施例においては、角度は３６°である。この角度は、インピンジメント筒を通る冷却空気流に影響を及ぼすほど大きくなく、ちりを集めるのに十分に小さいことが重要である。内側部の末端壁４２の角度は、外側部の末端壁３８の角度と同様である。

したがって、前述の問題が対処される。ベーン２４の前縁部３４に向けられるインピンジメント空気は、より高い信頼性を有する。

図４では、インピンジメント筒３６，４０の細部がさらに図示されている。

開示された実施例では、末端壁３８，４２は、通常、ほぼ平面であるが、前述の体積流量の特性およびちりの移動に対する抵抗を備えるインピンジメント筒部であれば、他の形状であっても本発明の範囲内にある。

上記の実施例では、インピンジメント筒の内側部および外側部は、別々の部品として形成されている。図５の実施例では、インピンジメント筒の外側部２０２および内側部２０４が単一の部品として形成されている。単一の壁部２０６は、前述の特性を実現する。

本発明は、ベーンについて説明しているが、内側および外側冷却空気流の両方を受ける
タービンの他の構成部品においても適用する可能性がある。その例としては、バーナライナー、保炎器（フレームホルダ）、タービン排気ケースなどが挙げられる。

タービンエンジンの一部分の図。本発明を組み込んでいるベーンの図。ベーンの一部分にわたる断面図。本発明のインピンジメント筒セットの斜視図。第２実施例のインピンジメント筒の図。

Claims

中心軸を中心に回転する少なくとも１つのロータと、
前縁部および後縁部を有するとともに、前記前縁部に隣接するインピンジメント筒を収容した少なくとも１つのベーンと、
半径方向外側の領域から前記インピンジメント筒に空気を導く外側空気供給源と、
半径方向内側の領域から前記インピンジメント筒に空気を導く内側空気供給源と、
を備え、
前記インピンジメント筒が、前縁部と、この前縁部から間隔を隔てるとともに、ベーンの前記後縁部側の後端部と、を有し、さらに、半径方向外側部および半径方向内側部を有し、前記半径方向内側部が、前記内側空気供給源から空気を受け、前記半径方向外側部が、前記外側空気供給源から空気を受け、前記半径方向内側部および前記半径方向外側部が、前記ベーンの前記前縁部に隣接する領域にインピンジメント空気を導くインピンジメント空気孔を有し、少なくとも前記半径方向外側部が、前記ベーン前記前縁部に向かって導かれる流量に比べ、前記ベーンの前記後端部に向かってより多くの量のインピンジメント空気が導かれるように形成されることを特徴とするガスタービンエンジン。
前記半径方向内側部が、前記後端部に向けて導くインピンジメント空気の流量と比べ、前記ベーンの前記前縁部に向けてより多くの量の前記インピンジメント空気流を導くことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
前記半径方向外側部および前記半径方向内側部の両方が、末端壁を有することを特徴とする請求項２に記載のガスタービンエンジン。
前記半径方向外側部の前縁部が前記後端部より短いように、前記半径方向外側部の前記末端壁が、前記前縁部から前記後端部に向うにしたがって半径方向内側となるように角度をなすことを特徴とする請求項３に記載のガスタービンエンジン。
前記半径方向内側部の前縁部が前記後端部より長いように、前記半径方向内側部の前記末端壁が、前記前縁部から前記後端部に向かうにしたがって半径方向内側となるように角度をなすことを特徴とする請求項４に記載のガスタービンエンジン。
前記半径方向外側部および前記半径方向内側部の前記末端壁が、実質的に互いに平行であることを特徴とする請求項５に記載のガスタービンエンジン。
前記半径方向外側部の前記末端壁と前記後端部との間の角度が、２０°〜６０°であることを特徴とする請求項４に記載のガスタービンエンジン。
前記半径方向外側部および前記半径方向内側部が、別々の部品として形成されることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
前記半径方向外側部および前記半径方向内側部が、単一の部品として形成されることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
前縁部と後縁部および半径方向外側端部と半径方向内側端部を有する胴体部と、
前記胴体部内に収容されるとともに、半径方向内側部および半径方向外側部を備えるインピンジメント筒と、
を備え、
前記半径方向内側部が、半径方向内側供給源からの空気を受け、前記半径方向外側部が、半径方向外側供給源からの空気を受け、前記半径方向内側部および前記半径方向外側部が、前記胴体部の前記前縁部に隣接する領域にインピンジメント空気を導くインピンジメント空気孔を有し、少なくとも前記半径方向外側部が、インピンジメント空気を前記前縁部に向かって導くより、前記前縁部から前記胴体部の前記後縁部側へ離れた後端部に、より多くの量のインピンジメント空気を導くように形成されることを特徴とするタービン構成部品。
前記胴体部が、ベーンエアフォイルであることを特徴とする請求項１０に記載のタービン構成部品。
前記半径方向内側部が、前記後端部に向けて導くインピンジメント空気の流量と比べ、前記ベーンの前記前縁部に向けてより多くの量の前記インピンジメント空気流を導くことを特徴とする請求項１１に記載のタービン構成部品。
前記半径方向外側部および前記半径方向内側部の両方が、末端壁を有することを特徴とする請求項１２に記載のタービン構成部品。
前記半径方向外側部の前記前縁部が前記後端部より短いように、前記半径方向外側部の前記末端壁が、前記前縁部から前記後端部に向かうにしたがって半径方向内側となるように角度をなすことを特徴とする請求項１３に記載のタービン構成部品。
前記半径方向内側部の前記前縁部が前記後端部より長いように、前記半径方向内側部の前記末端壁が、前記前縁部から前記後端部に向かうにしたがって半径方向内側となるように角度をなすことを特徴とする請求項１４に記載のタービン構成部品。
前記半径方向外側部および前記半径方向内側部の前記末端壁が、実質的に互いに平行であることを特徴とする請求項１５に記載のタービン構成部品。
前記半径方向外側部の前記末端壁と前記後端部との間の角度が、２０°〜６０°であることを特徴とする請求項１４に記載のタービン構成部品。
前記半径方向外側部および前記半径方向内側部が、２つの別々の部品として形成されることを特徴とする請求項１０に記載のタービン構成部品。
前記半径方向外側部および前記半径方向内側部が、単一の部品として形成されることを特徴とする請求項１０に記載のタービン構成部品。
中空エアフォイルの前縁部に向かうちりの流れを減少させる方法であって、
（１）エアフォイルと、半径方向外側インピンジメント筒部および半径方向内側インピンジメント筒部を備える前記エアフォイル内のインピンジメント筒と、を提供するとともに、半径方向外側空気供給源を前記半径方向外側インピンジメント筒部に導き、かつ半径方向内側供給源を前記半径方向内側インピンジメント筒部に導くステップと、
（２）前記半径方向外側インピンジメント筒部の前縁部に向かって移動するちりを最小限にするように前記外側インピンジメント筒部を形成するステップと、
を含む方法。
前記前縁部に導かれる空気流量より、前記半径方向外側供給源から前記エアフォイルの後縁部側に間隔を有する前記半径方向外側インピンジメント筒部の後端部に、より多くの量の空気流が導かれるように、前記半径方向外側インピンジメント筒部の末端壁が形成されることを特徴とする請求項２０に記載の方法。