JP2007132347A

JP2007132347A - タービンブレードの冷却レイアウト、内包されたタービンブレード、それらを備えるタービンエンジンおよび航空機用エンジン

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Publication number: JP2007132347A
Application number: JP2006299893A
Authority: JP
Inventors: Alexandre Dervaux; アレクサンドル・デルボー; Jean-Michel Bernard Guimbard; ジヤン−ミシエル・ベルナール・ガンバル; Damien Gilbert Andre Redon; ダミアン・ジルベール・アンドレ・ルドン; Pascal Bertrand Yves Claude Papot; パスカル・ベルトラン・イブ・クロード・パポ
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2005-11-07
Filing date: 2006-11-06
Publication date: 2007-05-31
Also published as: CA2567126A1; FR2893080B1; CA2567126C; US7658591B2; FR2893080A1; EP1783326B1; RU2006139012A; RU2425983C2; US20070122281A1; EP1783326A1

Abstract

【課題】タービンエンジン内のタービンの固定または可動ブレードを冷却空気の噴流により冷却する装置の改良を提案する。
【解決手段】ブレード（１０）を冷却するためのレイアウトにおいて、
このブレード（１０）は、ピッチ（ｐ）だけ相互に離間するとともに各々が厚さ（ｅ）を有する冷却フィン（２４）を備える内壁（１４）に包囲された、空洞（１２）を有しており、
このブレード（１０）は、各々が直径（ｄ）を有する放出孔（２８）により貫通されたジャケット（２６）を、上記空洞（１２）内に有しており、
ジャケット（２６）がブレード（１０）の空洞（１２）内で適正位置にある場合、およびタービンエンジンの臨界運転点に関して、ジャケット（２６）の各放出孔（２８）が、ブレード（１０）の内壁（１４）上で冷却フィン（２４）の間に位置する箇所に対向することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービンエンジン、特に航空機用エンジンのタービンのブレードを冷却する技術分野に関する。

より詳細には、本発明は、ブレード内部に配置されたジャケットを通してブレード内壁に噴射される冷却空気の噴流によりタービンブレードを冷却する技術分野に関する。

本発明は、ブレード内壁上に配置された冷却フィン、およびジャケットを貫通して作成された冷却空気噴流放出のための孔のレイアウトに適用される。

より詳細には、本発明は、ブレードの冷却を改善するための、フィンおよび放出孔の相対的位置のレイアウトに適用される。

本発明はまた、そのような冷却レイアウトを備えたブレードに関し、このブレードは固定されたディストリビュータブレードまたは羽根車とすることができる。

本発明はまた、少なくとも１つのそのような冷却レイアウトおよび／または１つのそのようなブレードを備える、タービンに関する。

本発明は最終的に、少なくとも１つのそのような冷却レイアウトおよび／または１つのそのようなブレードおよび／または１つのそのようなタービンを備える、航空機用エンジンに関する。

タービンエンジン内においてタービン段のブレードを冷却する装置は、知られている。

ブレードは、ブレード内に形成された空洞を通って循環する冷却空気の強制対流により冷却される。冷却空気はタービンエンジンの低温部、例えば圧縮機から流出する。この冷却空気は各ブレードの端部の一方、例えばその半径方向外側の端部を通して、各ブレード内に導入される。この冷却空気はブレード内を循環し、反対側端部、例えばその半径方向内側の端部を通って流出する。場合によっては、冷却空気はブレードの２つの端部を通してブレード内に導入される。

ブレードが、対応するブレードの空洞内に配置されたジャケットを備える場合、冷却空気はジャケット内部から、ジャケットを貫通して作成された放出孔を通って外側へ循環することができる。

この冷却空気は、ジャケットの放出孔を通して噴流としてブレード空洞の内壁に噴射され、異なる衝突点においてこの壁に達する。

この内壁と噴射された空気噴流との間の熱交換表面を大きくするように、ブレード空洞の内壁上に冷却フィンを配置する既知の技術が存在する。これらのフィンが存在することにより、冷却空気の噴流とブレード内壁との間の熱交換表面を大きくすることができる。

上記の従来技術による冷却装置では、ブレード冷却の特性は、ブレード内壁とこの内壁に噴射される冷却空気の噴流との間の熱交換表面、言い換えれば各ブレードの内壁上に配置されたフィンの数およびサイズに由来するものである。
米国特許出願公開第２００３／００３５７２６号明細書欧州特許出願公開第０５４１２０７号明細書

上記従来技術によるこれらの冷却装置では、フィンの位置に対する冷却空気噴流の入口位置は不規則である。したがって、対応するブレードの冷却は考慮される領域にわたって均一ではない。さらに、構成要素の熱機械的抵抗および特にタービンエンジンの臨界運転点に関する最も不利な局面において、冷却空気衝突位置に対するフィン位置の不規則性は、ディストリビュータおよびタービン羽根車の早期の磨耗および亀裂につながる可能性がある。

本発明は、タービンエンジン内のタービンの固定または可動ブレードを冷却空気の噴流により冷却する装置の改良を提案しており、各ブレードは少なくとも１つの空洞と、この空洞内に配置された少なくとも１つのジャケットとを備えている。冷却は、ジャケットに設けられた放出孔を通してブレード内壁上に噴射される冷却空気の噴流により行なわれる。冷却フィンはブレードの内壁上で、これら冷却空気噴流の反対側かつこれら冷却空気噴流の衝突点が得られる領域内に存在する。

本発明によれば、ジャケットに設けられた放出孔に対する冷却フィンの特定の配置が提示され、それにより従来技術による冷却装置の上記欠点の克服が可能である。

第１の態様によれば、本発明はタービンエンジン内においてタービンブレードを冷却するレイアウトに関し、
このブレードは、ピッチｐだけ相互に離間するとともに各々が厚さｅを有する冷却フィンを備える内壁に包囲された、少なくとも１つの空洞を備えており、
このブレードは、上記空洞内に配置されるとともに各々が直径ｄを有する放出孔により貫通されたジャケットを備えており、
上記冷却レイアウトは、ジャケットがブレード空洞内で適正位置にある場合、およびタービンエンジンの臨界運転点に関して、ジャケットの各放出孔が、ブレードの内壁上で冷却フィンの間に位置する箇所に対向することを特徴とする。

特に、ジャケットがブレード空洞内で適正位置にある場合、およびタービンエンジンの臨界運転点に関して、冷却フィンのピッチｐおよび厚さｅは以下の関係を満たす。
（１）ｐ／ｅ≧３

特に、ジャケットがブレード空洞内で適正位置にある場合、およびタービンエンジンの臨界運転点に関して、ブレードの内壁上で冷却フィンの間に位置する少なくとも１つの箇所が、少なくとも１つのジャケット孔に対向する。

言い換えれば、ジャケットがブレード空洞内で適正位置にある場合、およびタービンエンジンの臨界運転点に関して、ブレード内壁上のフィンはジャケットの孔に対向しない。

第２の態様によれば、本発明は、本発明の第１の態様による冷却レイアウトを備えるタービンエンジンタービンブレードに関する。

第３の態様によれば、本発明は、本発明の第２の態様による少なくとも１つのブレードを備えるタービンエンジンタービンに関する。

第４の態様によれば、本発明は、本発明の第２の態様による少なくとも１つのタービンブレードを備える航空機用エンジンに関する。

本発明による冷却レイアウトによれば、前述の従来技術による冷却レイアウトよりも均一なタービンブレードの冷却が実現する。その結果、タービンの寿命が延長される。

本発明による冷却レイアウトによれば、前述の従来技術による冷却レイアウトよりも効果的なタービンブレードの冷却が実現する。

本発明の第５の態様による航空機用エンジンのある特定の実施形態によれば、第１の態様によるタービンブレード冷却レイアウトを備えるこの航空機用エンジンは、第１の態様による少なくとも１つのブレードの空洞内に配置されたジャケットの内部に冷却空気を導入する、冷却空気抽気装置を備えることを特徴とし、この冷却空気は、レイノルズ数がＲ_ｅ、特性長が放出孔の直径ｄ、さらに以下の関係を満たす冷却流として、上記ジャケットに設けられた放出孔を通してブレードの内壁に対して噴射される。
（２）Ｒ_ｅ＜１０，０００

本発明の第５の態様による航空機用エンジンのさらに特定の実施形態によれば、この航空機用エンジンはタービンブレード冷却レイアウトを備えており、
このブレードは、ピッチｐだけ相互に離間するとともに各々が厚さｅを有する冷却フィンを備える内壁に包囲された、少なくとも１つの空洞を備えており、
このブレードは、上記空洞内に配置されるとともに各々が直径ｄを有する放出孔により貫通されたジャケットを備えており、
上記航空機用エンジンはジャケットの内部に冷却空気を導入する冷却空気抽気装置をさらに備えており、この冷却空気は、レイノルズ数がＲ_ｅ、特性長が放出孔の直径ｄの冷却流として、上記ジャケットに設けられた放出孔を通してブレードの内壁に対して噴射され、
ジャケットがブレード空洞内で適正位置にある場合、およびタービンエンジンの臨界運転点に関して、ジャケットの各放出孔が、ブレードの内壁上で冷却フィンの間に位置する箇所に対向して配置されるとともに、ピッチｐ、厚さｅ、レイノルズ数Ｒ_ｅが以下の関係を満たすことを特徴とする。
（１）ｐ／ｅ≧３、および（２）Ｒ_ｅ＜１０，０００

本発明の冷却レイアウトによれば、構成要素の熱機械的抵抗に関して最も不利な運転局面において、タービンブレードの冷却が最適化されることが認められている。

特に、タービンエンジンの臨界運転点に関して、冷却流と冷却フィンとの間の平均熱交換係数が、従来技術による冷却装置に見られる熱交換係数に対して１０％増加することが認められている。

本発明は、添付の図面を参照して、例証のためであり決して限定的でなく与えられる、以下の本発明の実施形態の詳細な説明を読むことにより、より良く理解されるであろう。

簡潔に言い換えると、タービンは一連の段で構成され、各段はディストリビュータと羽根車とを備えており、ディストリビュータはタービンエンジンの作動部を通過する空気の流れを調整する固定されたブレードの格子であり、羽根車は可動ブレードを保持するものである。

まず図１および２を参照すると、タービンエンジンタービンディストリビュータのブレード１０が図示されている。

ブレード１０は、空洞１２と空洞１２を囲む内壁１４とを備えている。ブレード１０は第１端部１６と第２端部１８とを備えており、それらは図１に示す例では半径方向外側および半径方向内側の端部である。２つの端部１６、１８は開口しており、ブレード１０の空洞１２と連通している。

ブレード１０は前縁２０と後縁２２とを備えている。

その内壁１４上に、ブレード１０は冷却フィン２４を備えており、これら冷却フィンは特に前縁２０近くに配置されている。図４に示すように、冷却フィン２４は実質的に板から切断され、丸い外形を有する構成要素として示されている。

これらの冷却フィン２４は以下の寸法により特徴付けられる。
・厚さｅ（図４を参照されたい）、および、
・２つの隣接する冷却フィンの間の平均距離に相当する、ピッチｐ。

空洞１２内にはジャケット２６が配置されており、ジャケット２６は実質的に形状が円錐状の予め成形され溶接された金属シートとして提示されている。ジャケットの端部は内壁１４で支えられている。ジャケット２６の本体はその端部の間に位置しているが、内壁１４には接していない。特にブレード１０の前縁２０の近くでは、ジャケット２６と内壁１４との間のすき間４０が存在する。ジャケット２６の表面上において、わずかな突出部２７しか内壁１４と接しておらず、それらによりジャケット２６を空洞１２内に位置決めおよび保持することができる。

ジャケット２６は放出孔２８を備えており、放出孔２８はジャケット２６の厚みを貫通して穿孔することにより作製される。これらの放出孔２８は直径ｄによって特徴付けられる。

図１および図２に示す例では、ブレード１０は、その横断方向に空洞１４を貫通する保護器３０と、その後縁２２の近くに配置された貫通オリフィス３２とを備えている。保護器３０および貫通オリフィス３２は、本発明に関しては何の役割も果たしていない。

タ−ビンエンジンの運転中、タービンエンジンの低温部、例えば圧縮機から冷却空気を流出させ、この冷却空気を各ブレード１０の空洞１２内に導入することにより、タービンディストリビュータのブレード１０を冷却する技術が存在する。

図１において、矢印１００は、第１端部１６を通して空洞１２内に配置されたジャケット２６内に導入される冷却空気流を表わしており、矢印２００は、第２端部１８を通してジャケット２６から排出されているこの冷却空気流の一部分を表わしている。ジャケット２６を通過するこの空気流により、エンジンの他の部分に冷却空気が供給される。

この冷却空気流のかなりの部分は第１端部１６からジャケット２６内に進入し、そこからジャケット２６を貫通して設けられた放出孔２８を通して、ブレード１０の内壁１４に向け横断方向の流れとして排出される。これら横断方向の流れは矢印４００により図３に示されている。

冷却空気は、内壁１４に対してその衝突点５０に噴射される空気噴流として、放出孔２８を通して排出される。

ジャケット２６が空洞１２内、およびタービンエンジンにおいて熱機械的観点から最も不利な運転条件に関して適正位置にある場合、冷却フィン２４および放出孔２８は、図３に示すように冷却空気噴流の衝突点５０が冷却フィン２４の間に位置するように、ブレード１０の内壁１４上とブレード１０内に配置されたジャケット２６上とにそれぞれ配置される。言い換えれば、臨界運転点において、冷却空気噴流は冷却フィン２４上には到達せず、冷却フィン２４の間に到達する。冷却フィン２４の間に位置するある箇所に到達する可能性があるのは、冷却空気の単一噴流または冷却空気の複数噴流である。タービンエンジンにおいて熱機械的観点から最も不利な運転条件、および特にその臨界運転点は当業者において知られているものである。それらは７００℃から１１００℃の間の高温に相当し、その温度では材料の機械的特性が悪化する。ブレード１０の冷却が最も効果的でなければならないのは、これら最も不利な運転条件においてである。

ブレード１０の内壁１４上の冷却フィンおよびジャケット２６を貫通する放出孔２８の相対的配置は、以下の関係が満たされるときに最適化されることが分かっている。
（１）ｐ／ｅ≧３および（２）Ｒ_ｅ＜１０，０００

式中、ｐは２つの隣接する冷却フィン２４の間の距離、ｅは冷却フィン２４の平均厚さ、ｄは放出孔２８の直径、Ｒ_ｅは放出孔２８を通る冷却空気流のレイノルズ数を表す。

上記の詳細な記述はタービンエンジンのタービンディストリビュータ内のブレードに関する。しかし本発明は、タービンエンジンのタービン羽根車のブレードにも適用される。

（実施形態の例）
ブレードは超合金から作製される。ジャケットは耐熱合金から作製される。

レイノルズ数Ｒ_ｅ＝５０，０００でジャケットを通過する放出孔レベルでの冷却空気流として、臨界運転点に対応する以下の寸法が適用可能である。
ｐ＝３．５ｍｍ
ｅ＝０．５ｍｍ
ｄ＝０．５３ｍｍ

実際には、以下の方法によるデジタルシミュレーションによりモデルが作製される。
・使用される材料の関数として設定された要求される温度をパラメータとして導入し、上記の値ｐ、ｅ、ｄを選択することにより、「ホット」モデル、すなわち臨界運転点におけるモデルが設計される。
・次に温度パラメータを変更して、「ホット」モデルから「コールド」モデルへの移行を行なう。
・次にこの「コールド」モデルの値ｐ、ｅ、ｄを取得する。これらの値は示度および低温の製造部品のフィンおよび放出孔の相対的位置に対応している。

デジタルシミュレーションは、温度モジュールでの試験を行なうＣ．Ａ．Ｄ．（コンピュータ支援設計）ソフトウェアを用いて実施される。上記の例はＣａｔｉａ（登録商標）Ｃ．Ａ．Ｄ．ソフトウェアのスケールファクター（ＳｃａｌｅＦａｃｔｏｒ）モジュールにより作製されたものである。

ディストリビュータブレードの縦断面図であり、空洞内部に配置されたジャケットとこのジャケットに設けられた放出孔とを示している。同じディストリビュータブレードを、図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った横断面で示している。ブレードの内壁のフィンおよびジャケットを貫通して設けられた放出孔の相対的位置を、縦断面で示す図である。ブレード内壁上のフィンの斜視図である。

符号の説明

１０ブレード
１２空洞
１４内壁
１６第１端部
１８第２端部
２０前縁
２２後縁
２４冷却フィン
２６ジャケット
２７突出部
２８放出孔
３０保護器
３２貫通オリフィス
４０すき間
５０衝突点
１００冷却空気流
２００冷却空気流の一部分
４００横断方向の流れ

Claims

ブレード（１０）が、ピッチ（ｐ）だけ相互に離間するとともに各々が厚さ（ｅ）を有する冷却フィン（２４）を備える内壁（１４）に包囲された、少なくとも１つの空洞（１２）を備え、前記ブレード（１０）が、各々が直径（ｄ）を有する放出孔（２８）により貫通されたジャケット（２６）を備えるタービンエンジンディストリビュータブレード（１０）のための冷却レイアウトであって、
ジャケット（２６）がブレード（１０）の空洞（１２）内で適正位置にある場合、およびタービンエンジンの臨界運転点に関して、ジャケット（２６）の各放出孔（２８）が、ブレード（１０）の内壁（１４）上で冷却フィン（２４）の間に位置する箇所に対向することを特徴とする、冷却レイアウト。
ジャケット（２６）がブレード（１０）の空洞（１２）内で適正位置にある場合、およびタービンエンジンの臨界運転点に関して、冷却フィン（２４）のピッチ（ｐ）と厚さ（ｅ）とが、
（１）ｐ／ｅ≧３
を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の冷却レイアウト。
ジャケット（２６）がブレード（１０）の空洞（１２）内で適正位置にある場合、およびタービンエンジンの臨界運転点に関して、ブレード（１０）の内壁（１４）上で冷却フィン（２４）の間にある少なくとも１つの箇所が、ジャケット（２６）の少なくとも１つの放出孔（２８）に対向することを特徴とする、請求項１または２に記載の冷却レイアウト。
タービンエンジンの臨界運転点に関して、ジャケット（２６）の放出孔（２８）に対向するブレード（１０）の内壁（１４）上の冷却フィン（２４）が存在しないことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の冷却レイアウト。
請求項１から４に記載の冷却レイアウトを備えることを特徴とする、タービンエンジンタービンのブレード（１０）。
請求項５に記載の少なくとも１つのブレード（１０）を備えることを特徴とする、タービンエンジンタービン。
請求項５に記載の少なくとも１つのブレード（１０）を備えることを特徴とする、航空機用エンジン。
請求項５に記載の少なくとも１つのブレード（１０）の空洞（１２）内に配置されたジャケット（２６）の内部に冷却空気を導入する、冷却空気抽気装置を備え、前記冷却空気が、レイノルズ数（Ｒ_ｅ）を有し、特性長が放出孔（２８）の直径（ｄ）であり、かつ、
（２）Ｒ_ｅ＜１０，０００
を満たす冷却流として、前記ジャケット（２６）に設けられた放出孔（２８）を通してブレード（１０）の内壁（１４）に対して噴射されることを特徴とする、航空機用エンジン。
タービンブレード（１０）を冷却するためのレイアウトを備える航空機用エンジンであって、
前記ブレード（１０）が、冷却フィン（２４）を備える内壁（１４）に包囲された少なくとも１つの空洞（１２）を備え、前記冷却フィン（２４）がピッチ（ｐ）だけ相互に離間するとともに各々が厚さ（ｅ）を有し、
前記ブレード（１０）が、前記空洞（１２）内に配置されるとともに放出孔（２８）により貫通されたジャケット（２６）を備え、前記放出孔（２８）の各々が直径（ｄ）を有し、
前記航空機用エンジンが、前記ジャケット（２６）の内部に冷却空気を導入する冷却空気抽気装置をさらに備え、前記冷却空気が、レイノルズ数（Ｒ_ｅ）を有するとともに特性長が放出孔（２８）の直径（ｄ）である冷却流として、前記ジャケット（２６）に設けられた放出孔（２８）を通してブレード（１０）の内壁（１４）に対して噴射され、
ジャケット（２６）がブレード（１０）の空洞（１２）内で適正位置にある場合、およびタービンエンジンの臨界運転点に関して、ジャケット（２６）の各放出孔（２８）が、ブレード（１０）の内壁（１４）上で冷却フィン（２４）の間にある箇所に対向するとともに、
ピッチ（ｐ）と厚さ（ｅ）とレイノルズ数（Ｒ_ｅ）とが、
（１）ｐ／ｅ≧３および（２）Ｒ_ｅ＜１０，０００
を満たすことを特徴とする、航空機用エンジン。