JP2006177347A - ガスタービンエンジンのタービンベーンおよびターボ機械エレメント、ならびに形態の再構成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ベーンのエアフォイル内を効果的に冷却する。
【解決手段】タービンエレメント１２０は、プラットフォーム２２およびシュラウド２４を有する。内側端部２８から外側端部３０まで延びるエアフォイル２６の中を冷却通路網が通っている。第１脚部６０は、吸気口５２から第１ターン部６２まで延び、第２脚部７０は、第１ターン部６２から第２ターン部７２まで延びる。第３脚部７６は、リブ８０、ポスト８２，８４などを備える出口スロット７８に対して開いている。ギャップ１４０によりセグメント１４２に分割された分割壁部１２２が、脚部６０内に設けられる。壁部１２２は、上流側端部１２４から下流側端部１２６まで延びるとともに、空気流５１０を流路部５１０Ａ，５１０Ｂに分割する。壁部１２２により、脚部６０に沿った壁部からの熱移動が増加して酸化が防止されるとともに、構造的な補強がもたらされて空気力学的な形状が維持される。
【選択図】図２

Description

本発明は、ターボ機械のエレメントの冷却に関し、特に、ガスタービンエンジン用タービンブレードおよびベーンのエアフォイルの内部冷却に関する。

ガスタービンエンジンのブレードおよびベーンの冷却の技術は、十分に発達している。運転中、特に、エンジンのタービン部のエレメントは、極度の高熱にさらされている。したがって、そのようなエレメントのエアフォイルは、通常、蛇行した内部通路を備える。例示的な通路が、以下の特許文献１〜６に記載されている。
米国特許第５，５１１，３０９号明細書 米国特許第５，７４１，１１７号明細書 米国特許第５，９３１，６３８号明細書 米国特許第６，４７１，４７９号明細書 米国特許第６，６３４，８５８号明細書 米国特許出願公開第２００１／００１８０２４Ａ１号明細書

本発明の一態様は、外側シュラウドと、シュラウドにおける外側端部から内側端部まで延びるエアフォイルと、を有する内部冷却されたガスタービンエンジン用タービンベーンに関する。冷却通路は、シュラウドに設けられた吸気口と、少なくとも部分的にエアフォイル内に位置する第１のターン部と、吸気口の内側からエアフォイルを通って第１のターン部まで延びている第１の脚部と、第１のターン部から延びている第２の脚部と、を有する。分割壁部は、通路内に設けられているとともに、エアフォイルの翼幅（スパン）の外側半分に位置する上流側端部と、複数の通気口と、を有する。
本発明の別の態様は、内部冷却されたターボ機械のエレメントを基準の形態から再構成された形態に再構成する方法に関する。基準となる形態は、エアフォイルを通る内部通路を有する。通路は、概ね翼幅方向の第１および第２の脚部と、それらの脚部の間に設けられた第１のターン部と、を有する。通路を第１の部分と第２の部分に分割するように、壁部が追加される。壁部は、壁部の第１の端部から壁部の第２の端部までの長さに亘って通路内を延びる。その他の点においては、第１の冷却通路の基本的な形状は、実質的に維持されている。

図１では、タービンエレメント２０が図示されている。エレメント２０は、本発明の教示により再構成され得る基準のエレメントである。他の従来技術、またはまだ開発されていないエレメントを、別の基準としてもよい。例示的なエレメント２０は、内側プラットフォーム２２および外側シュラウド２４を有するベーンである。エレメント２０は、ニッケルベースまたはコバルトベースの超合金で一体的に鋳造でき、任意選択でコーティングを施してもよい。ベーンは、ガスタービンエンジンのタービン部のベーンであってもよい。エアフォイル２６は、プラットフォーム２２における内側端部２８からシュラウド２４における外側端部３０まで延びるとともに、正圧側面および負圧側面を隔てる前縁部３２および後縁部３４を有する。

例示的なエレメント２０においては、冷却通路網のうち１つまたは複数の通路が、少なくとも部分的にエアフォイル２６を通って延びており、１つまたは複数の冷却空気流を伝える。例示的なエアフォイルにおいては、前縁側の通路４０は、プラットフォーム２２における吸気口からシュラウド２４まで前縁部３２のすぐ内側を延びるとともに、前縁部の冷却孔４２を通してフィルム冷却流を流出する。別の通路５０は、下流側方向５００に向かって蛇行し、冷却流路に沿ってシュラウド２４の吸気口５２から例示的な下流側の通路端部５４まで延びている。下流側の通路端部５４は、閉じていてもよいし、プラットフォームのポートと連通していてもよい。

通路５０の上流側に位置している第１の脚部６０は、吸気口５２における上流側端部から、実質的に１８０°曲がっている第１のターン部６２における下流側端部まで延びている。図１を参照すると、第１の脚部６０は、通路４０と通路５０とを隔てている第１の壁部６４の第１の部分６３の隣接面により、前縁側が画定される。第１の脚部６０の後縁側は、第２の壁部６６の第１の部分６５により画定される。通路５０は、さらに、正圧側面および負圧側面（図１では図示せず）の隣接部分により画定される。例示的な第２の壁部６６は、第１のターン部６２における端部６７まで下流方向に延びている。第１の壁部６４の第２の部分６８は、プラットフォーム２２の一部として第１のターン部６２の外周に沿って延びている。

第２の通路脚部７０は、第１のターン部６２の中心部分に位置する第１の端部から第２のターン部７２における第２の端部まで下流方向に延びている。第２の脚部７０は、壁部６４の第３の部分６９に沿った壁部６４の第１の面の連続する部分により、後縁側に沿って画定される。上流側においては、通路７０は、部分６５に沿った第２の壁部６６の（壁部６４の第１の面と）対向する第２の面により画定される。第１の壁部６４およびその第３の部分６９は、第２のターン部７２の中心部に位置する端部７４まで延びている。第２の壁部６６の第２の部分７５は、シュラウド２４の一部として第２のターン部７２の外周に沿って延びている。

第３の通路脚部７６は、第２のターン部７２における第１の端部から通路端部５４により画定された第２の端部まで延びている。第３の脚部７６は、第１の壁部の第３の部分６９の第１の面と反対側の第２の面により前縁側が画定されるとともに、壁部の端部７４から流路５００に沿って下流方向に延びている。後縁側に沿って、第３の脚部７６は、リブ８０、上流側ポスト８２、および後縁部３４に設けられた下流側／出口ポスト８４などの例示的な機構の群を備える出口スロット７８に対して開いている。

運転中、冷却空気流は、下流方向に向かって吸気口５２から第１の脚部６０を通り流路５００に沿ってエンジンの中心線（図示せず）に対して概ね半径方向内側に流れる。空気流は、第１のターン部６２において外側に向きを変えて、第２の脚部７０を通って第２のターン部７２まで外側方向に進む。第２のターン部７２において、空気流は内側に向きを変え第３の脚部７６を通って流れる。空気流が第３の脚部７６を通って流れる間に、空気流が、徐々に出口スロット７８に流入し、リブ８０の間およびポスト８２，８４の周囲を通って、エアフォイルの後縁部分を冷却する。

図２および３では、図１のベーン２０の再構成品として形成され得る本発明のベーン１２０が図示されている。例示的な再構成においては、通常の冷却通路の形態（例えば、形状、壁部のおおよその位置や寸法、および他の構造的なエレメント）が保たれているが、例示的な単一の分割壁部１２２が、通路５０の第１の脚部６０の少なくとも一部分内に追加されている。参照を簡略化するため、前述したベーン２０のエレメントと類似したエレメントには、同一の参照数字を付す。例示的な分割壁部１２２は、第１／上流側の端部１２４から第２／下流側の端部１２６まで延びているとともに、通常、第１の面１３０および第２の面１３２を有する。分割壁部１２２により、通路５０の空気流５１０が、第１の流路部５１０Ａおよび第２の流路部５１０Ｂに局所的に分割される。

有利には、分割壁部１２２の上流側端部１２４は、吸気口５２から下流側に十分に離れているので、上流側端部１２４に到達する前に、空気流５１０は、完全な流れとなっている。例示的なエアフォイルにおいては、上流側端部１２４は、第１の脚部６０の上流側半分に設けられている。例示的な下流側端部１２６は、第１のターン部６２の近く、または僅かに第１のターン部６２内に位置する。下流側端部１２６の位置に関する考慮すべき事項については、以下に説明する。

流路部５１０Ａ，５１０Ｂは、下流側端部１２６において完全に合流する。流れを最大限にするために、スムーズに再合流させることが有利である。流路部の圧力を平衡にするように、流路部５１０Ａと流路部５１０Ｂとを、中間で連通させることにより、少なくとも部分的にスムーズな再合流が実現し、その結果、下流側端部１２６において再合流する際の乱気流が最小限になる。例えば、壁部１２２に開口部つまり中断部分を設けることにより連通させてもよい。実施例においては、ギャップ１４０により、壁部１２２は複数のセグメント１４２に分割されている。

分割壁部１２２を設けることにより、多くの潜在的な利点のうち１つまたは複数の利点がもたらされる。図３では、エアフォイルの正圧側面１５４および負圧側面１５６に沿った正圧側壁部１５０と負圧側壁部１５２との間に亘る壁部１２２が図示されている。１つの直接的な効果としては、壁部１２２が存在することにより、壁部１５０，１５２の一方または両方からの第１の脚部６０に沿った熱移動が効果的に向上する。いくつかの潜在的な熱移動のメカニズムのうち第１のメカニズムでは、付加的な熱が分割壁部表面１３０，１３２を通って、流路部分５１０Ａ，５１０Ｂに伝わる場合がある。壁部を備えていない基準のベーンに比べ、壁部１２２により流路断面積が局所的に減少した場合に、第２のメカニズムが生じる場合がある。そのような減少により、マッハ数が局所的に増加する場合がある（特に、以下に説明するように、流路に沿った他の場所において、通路抵抗を補償的に軽減した場合に）。マッハ数が増加することにより、壁部１５０，１５２からの特定の熱移動が促進される。

実施例においては、下流側において出口スロット７８における通路抵抗を軽減することにより、通路抵抗が補償される。多くの方法のうち１つまたは複数の方法により、流れの制限を軽減することができる。例えば、機構８０，８２，８４の数を減らし、それらの機構の間隔を広げて、スロットの効果的な閉塞を低減させてもよい。機構８０，８２，８４を薄くして、機構の間隔を広げてもよい。機構８０，８２，８４の代わりに別の機構を用いて、流れの制限を軽減させてもよい。

見込まれる直接的な別の利点としては、補強が挙げられる。例示的な壁部１２２は、壁部１５０と壁部１５２とを構造的に連結している。これにより、負圧側壁１５２の外側に向かった凸状部において起こる可能性のある膨張が減少し、所望の空気力学的な形状が維持される。

熱移動を向上させて、エアフォイルをさらに冷却することにより、酸化傾向が減少する。熱移動の向上により、熱サイクルの大きさも減少する。補強により、機械的なサイクルに付随する歪みも減少する。多くの相乗効果の１つとしては、機械的な歪みが減少することにより、さらに耐酸化コーティングのスポーリングが防止され、それにより、酸化する可能性がさらに低下する。熱サイクルの大きさおよび機械的な歪みの減少、ならびに酸化の減少により、熱的かつ機械的な疲労（ＴＭＦ）の傾向が減少し、それにより、部品の寿命が潜在的に向上するか、あるいは容認できないほど部品の寿命を低下させる箇所において他の改良が許容される。

壁部１２２の形態には、多くの考慮すべき事項がある。前述のように、有利には、流れ５１０が実質的に完全となった後の箇所から壁部が設けられている。しかし、有利には、壁部は、エアフォイルの所望の領域に沿って所望の利点をもたらすように上流側から十分に離れて設けられている。例えば、シュラウド２４内の通路５０の近接部分では、流れは完全には発生していない。したがって、壁部１２２は、距離Ｌ₁だけエアフォイルに入った地点から設けられている。例示的な値Ｌ₁は、その部分のエアフォイルの翼幅（スパン）Ｌの５〜５０％であり、より具体的には１０〜３０％（例えば、約１／４）である。壁部１２２は、スパンの大部分（例えば、５０〜７５％）に亘り連続していてもよい。壁部は、ターン部６２において、あるいはターン部６２付近において末端をなしていてもよいが、（例えば、主に第１のターン部６２を通って、または第２の脚部７０にまで延びた折り返しているベーンを形成するように）さらに延びていてもよい。

例示的な壁部は、厚さＴを有して図示されている。例示的な厚さは、壁部６４，６６の厚さと同様であり、通路の厚さの僅かな割合を占めていてもよい（例えば、５〜２０％、より具体的には約８〜１５％、または１０％に近い値であり、同様の量で通路／流路の有効断面積を局所的に減少させる）。壁部のセグメント１４２の各々は、厚さＴよりも実質的に長い長さＬ₂を有する（例えば、少なくとも３Ｔ（Ｔの３倍）、より具体的にはＴの４〜１０倍）。開口部１４０は、Ｌ₂よりもずっと短い長さＬ₃を有する（例えば、３０％未満）。したがって、壁部１２２に沿って、開口部は、全面積のわずかな割合を占める（例えば、２５％未満、より具体的には１０〜２０％）。冷却通路に沿った例示的な分割壁部のセグメントが細長く、さらにセグメントが近接していることにより、別の構造と比較し、利点を有することが可能となる。例えば、線状に並んだ円形の分割ポスト（柱）に比べ、本発明のセグメントは損傷が少ない。

別のより大規模な再構成には、分割壁部による分岐した流路に沿った断面積の減少を部分的に（例えば、完全にではなく）補償する試みが含まれていてもよい。例えば、流路を画定する壁部（例えば、６４および６６）の一方あるいは両方を、図１の基準となるエアフォイルに比べて僅かに移動させてもよい。所望の強度を備えた分割壁部を設けることにより、例示的に１５％面積が減少するが、８％制限することで、所望の気流速度が実現する場合、壁部を移動することにより、その差を埋め合わせしなければならない。例えば、第１の壁部６４の第１の部分６３（図２参照）を、図１の対応する部分に対して固定した場合、第３の部分６９をエアフォイルの後縁部に向かって僅かに移動させてもよい。

部品の幾何学的形状に応じて、所定の脚部に対し複数の分割壁部を設ける可能性が生じる。しかし、通常、単一の壁部は十分に効果的であると考えられている。通常、正圧側および負圧側壁部に亘る他の構造物は、第１の脚部における分割壁部に隣接して設けられていない。両壁部間に亘らない構造物（例えば、タービュレータなど）を、より適切に設けてもよいし、あるいは基準のベーンから維持してもよい。

本発明の１つまたは複数の実施例の説明がなされた。しかし、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、種々の変更がなされることを理解されたい。例えば、本発明の原理を、様々な既存の通路形態の再構成に適用してもよい。あらゆる通路形態の再構成は、既存の形態により影響され得る。さらに、本発明の原理を、新たに設計された形態に適用してもよい。したがって、他の実施態様は、添付の特許請求の範囲の範囲内にある。

従来技術のエアフォイルの中央部分の概略的な部分断面図。 本発明の原理によるエアフォイルの中央部分の概略的な部分断面図。 図２のエアフォイルの線３−３に沿った流れ方向の部分断面図。

Claims (20)

1. 内部冷却されるガスタービンエンジンのタービンベーン（１２０）であって、
   外側シュラウド（２４）と、
   前記シュラウドにおける外側端部（３０）から内側端部（２８）まで延びているエアフォイル（２６）と、
   前記シュラウド（２４）における吸気口（５２）と、
   少なくとも部分的に前記エアフォイル内にある第１のターン部（６２）と、
   前記吸気口（５２）から内側方向に向かって前記エアフォイル（２６）を通り前記第１のターン部（６２）まで延びている第１の脚部（６０）と、
   前記第１のターン部（６２）から延びている第２の脚部（７０）と、を備える
   冷却通路（５０）と、
   前記エアフォイル（２６）の翼幅の外側半分に設けられた上流側端部（１２４）と、
   複数の通気口（１４０）と、を備える
   前記通路（５０）における分割壁部（１２２）と、
   を備えるタービンベーン（１２０）。
2. 前記第１の脚部に沿ってエアフォイルの正圧側壁部と負圧側壁部との間に延びる付加的な機構が存在しないことを特徴とする請求項１に記載のベーン（１２０）。
3. 前記分割壁部（１２２）が、前記第１の脚部（６０）内に前記エアフォイルの前記翼幅（Ｌ）の少なくとも半分の長さを有することを特徴とする請求項２に記載のベーン（１２０）。
4. 前記分割壁部（１２２）が、前記第１の脚部（６０）を第１の流路部および第２の流路部に実質的に局所的に分割し、各流路部が、合わせた断面積の少なくとも３５％の断面積を有することを特徴とする請求項１に記載のベーン（１２０）。
5. 前記分割壁部が、前記第１のターン部の中間部の下流側ではなく、前記エアフォイルの内側端部の外側にある第２の端部まで延びることを特徴とする請求項１に記載のベーン（１２０）。
6. 前記ベーンが、前記エアフォイル（２６）の前記内側端部（２８）にプラットフォーム（２２）を備え、
   前記第１のターン部（６２）が、部分的に前記プラットフォーム（２２）内にあることを特徴とする請求項１に記載のベーン（１２０）。
7. 前記第１のターン部（６２）が、９０°を超えることを特徴とする請求項１に記載のベーン（１２０）。
8. 前記冷却通路（５０）が、後縁部の排気スロット（７８）まで延びることを特徴とする請求項１に記載のベーン（１２０）。
9. 内部冷却されるターボ機械エレメント（１２０）であって、
   内側端部（２８）と外側端部（２６）との間に延びているエアフォイル（２６）と、
   少なくとも部分的に前記エアフォイル（２６）内にある冷却通路（５０）を画定する内側表面部と、
   を備え、
   前記冷却通路（５０）が、上流側の第１の脚部（６０）から下流側の第２の脚部（７０）に及ぶ第１のターン部（６２）を備え、
   分割壁部（１２２）が、前記冷却通路（５０）の一部分を第１の部分および第２の部分に分割するとともに、前記第１の脚部における壁部の第１の端部（１２４）から壁部の第２の端部（１２６）に及ぶ長さに沿って前記通路（５０）内に延びており、前記壁部の第１の端部（１２４）が、前記エアフォイル（２６）内において前記第１の脚部（６０）の一部分の上流側半分に設けられており、前記第１の脚部に沿ってエアフォイルの正圧側壁部（１５０）と負圧側壁部（１５２）との間に延びる付加的な機構が存在せず、
   前記分割壁部（１２２）が、複数の開口部（１４０）を有することを特徴とするターボ機械エレメント（１２０）
10. 前記第１の部分および前記第２の部分の各々が、前記分割壁部（１２２）の前記長さに沿って前記冷却通路（５０）の断面積の３５〜６５％を有することを特徴とする請求項９に記載のエレメント（１２０）。
11. 前記分割壁部の第２の端部（１２６）が、前記第１のターン部（６２）における前記第１の脚部（６０）の端部に近接することを特徴とする請求項９に記載のエレメント（１２０）。
12. 前記冷却通路（５０）が、前記第２の脚部（７０）から第３の脚部（７６）に及ぶ第２のターン部（７２）を有し、
    前記分割壁部（１２２）が、エアフォイルの翼幅（Ｌ）の大部分に沿って延びることを特徴とする請求項９に記載のエレメント（１２０）。
13. 前記冷却通路（５０）が、前記第２の脚部（７０）から第３の脚部（７６）に及ぶ第２のターン部（７２）を有し、
    前記第３の脚部（７６）が、後縁部の排気スロット（７８）に沿っていることを特徴とする請求項９に記載のエレメント（１２０）。
14. ベーンであるとともに、
    内側プラットフォーム（２２）と、
    外側シュラウド（２４）と、
    を備えることを特徴とする請求項９に記載のエレメント（１２０）。
15. 前記分割壁部（１２２）の第１の端部（１２４）が、前記エアフォイルの外側端部から前記エアフォイルの内側端部に及ぶ翼幅方向の距離（Ｌ）の１０％〜３０％の間に位置することを特徴とする請求項９に記載のエレメント（１２０）。
16. 内部冷却されたターボ機械エレメントの形態を基準の形態（２０）から再構成された形態（１２０）に再構成する方法であって、
    前記基準の形態（２０）が、エアフォイル（２６）内を通るとともに、通常翼幅方向の第１の脚部（６０）と、第２の脚部（７０）と、前記脚部の間に第１のターン部（６２）と、を備え、
    前記通路（５０）を第１の部分と第２の部分に分割するように壁部（１２２）を追加し、
    この壁部（１２２）は、壁部の第１の端部（１２４）から壁部の第２の端部（１２６）に及ぶ長さに沿って前記通路内において延びており、
    他の部分は、前記第１の冷却通路（５０）の基本的な形状を実質的に維持することを特徴とする再構成方法。
17. 前記第１のターン部（６２）が、第２の壁部（６５）の端部の周囲に沿って方向を変えることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記壁部（１２２）が、一連の開口部（１４０）を有することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
19. 分割壁部（１２２）が、前記エアフォイル内において前記第１の脚部の長さの少なくとも５０％に亘って延びていることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
20. 正圧側壁部（１５０）と負圧側壁部（１５２）との間に及ぶ前記第１の脚部（６０）に沿った付加的な機構が設けられていないことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
    

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