JP2007263112A - 冷却通路およびタービンエンジン構成要素 - Google Patents

Abstract

【課題】流れ構造が改善され熱伝達特性がより優れた、エアフォイル部分用の冷却通路を提供する。
【解決手段】正圧面側壁および負圧面側壁を有する、タービンエンジン構成要素（１００）のエアフォイル部分（１１１）に使用する冷却通路が提供される。冷却通路は、冷却流体が流通する蛇行状の流れ通路（１１０）を備える。通路は、冷却流体が通路内に導入される入口（１１２）、冷却流体を受け入れる入口チャネル（１１４）、中間チャネル（１１８）、および出口チャネル（１２２）を有する。通路に関連する熱伝達係数を改善するために、分割リブ（１２４）が入口チャネル内の位置から中間チャネル内の終端まで延びる。
【選択図】図３

Description

本発明は蛇行状の冷却通路内の複数の冷却流体チャネルを分割するＵ字形分割リブを加えることによる対流冷却の向上に関する。

ガスタービンエンジンに現在使用されるベーンは、エアフォイル１１の本体中央部を対流冷却するために、図１および図２に示されるものなど３路の蛇行状冷却通路１０を使用する。冷却流体は、流体入口１２を通って通路１０に入り、入口チャネル１４を通って移動し、次いで第１の転回部１６を回り、中間チャネル１８に入り、次いで第２の転回部２０を回り、出口チャネル２２を通る。熱伝達試験では、この構成が不十分な可能性があり、チャネル１４、１８内で流れ構造の発達が不十分なこと、およびほぼ第２の転回部２０まで延びる、第１の転回部１６の下流の流れ剥離の領域が広いことにより、冷却損失が生じるおそれがあることが示された。これらの問題は、単位流路面積当たりの流量が低いこと、および、長く粗い壁と短い分離壁とを有するチャネル１８内で縦横比が非常に低いことの両方に起因する可能性がある。

流れ構造が改善され熱伝達特性がより優れた、エアフォイル部分用の冷却通路が求められている。

本発明によれば、流れ構造が改善され、熱伝達特性が改善された冷却通路が提供される。

本発明によれば、正圧面側壁および負圧面側壁を有する、タービンエンジン構成要素のエアフォイル部分に使用する冷却通路が提供される。冷却通路は概して、冷却流体が流通する蛇行状の流れ通路を備え、その通路は、冷却流体が通路内に導入される入口、入口チャネル、中間チャネル、および出口チャネルを有し、さらに、入口チャネル内の位置から中間チャネル内の終端まで延びる分割リブを備える。

さらに、本発明によれば、タービンエンジン構成要素が提供される。タービンエンジン構成要素は概して、負圧面側壁および正圧面側壁を有するエアフォイル部分と、負圧面側壁と圧力面側壁の間に位置するエアフォイル部分内の蛇行状の冷却通路とを備える。蛇行状の冷却通路は、入口チャネル、中間チャネル、入口チャネルを中間チャネルに流体的に連通させる第１の転回部、出口チャネル、および中間チャネルを出口チャネルに流体的に連通させる第２の転回部を有する。入口チャネルは、流体入口を介して冷却流体の供給源と連通する。冷却通路はさらに、熱伝達係数を向上させるために、入口チャネル、および中間チャネルの一部分内の流れを２つの流れストリームに分割する手段を有する。

本発明のＵ字形の分割リブによる向上した蛇行性冷却のその他の詳細、ならびにそれに伴うその他の目的および利点は、以下の詳細な説明および同じ参照番号が同様の要素を示す添付図面に明記される。

次に、図面の図３および図４を参照すると、改善された蛇行状の冷却通路１１０を有する、タービンエンジン構成要素１００のエアフォイル部分１１１が示される。通路１１０は、流体入口１１２と、入口チャネル１１４と、第１の転回部１１６と、中間チャネル１１８と、第２の転回部１２０と、出口チャネル１２２とを備える蛇行状構造を有する。流体入口１１２は冷却流体の供給源１０９と連通することができる。通路１１０は、チャネル１１４を第１のチャネル１１４Ａおよび第２のチャネル１１４Ｂに分割するように入口１１２から延びることができるＵ字形の分割リブ１２４をさらに有する。

Ｕ字形の分割リブ１２４は、通路１１０に入る冷却流体を２つの流れストリームに分流し、流れをより容易に制御し、より均一に分配することを可能にする。分割リブ１２４のＵ字形または弓形の部分１２６は、各チャネル１１４Ａ、１１４Ｂ内の第１の転回部１１６の周りで冷却流体を案内するのを補助する。

図３でわかるように、Ｕ字形の分割リブ１２４は、中間チャネル１１８内に延び、中間チャネル１１８の少なくとも一部分を第１のトリップストリップチャネル１１８Ａおよび第２のトリップストリップチャネル１１８Ｂに分割する。各チャネル１１８Ａ、１１８Ｂ、１１４Ａ、１１４Ｂは、チャネル１１８Ａ、１１８Ｂ内での冷却流体の流れストリーム内で望ましい二重渦の流れ構造を発生させるように、離隔され角度を付けられた複数のトリップストリップ１３０を有し、それによって熱伝達係数が改善される。好ましくは、トリップストリップ１３０は、負圧面側壁１３２と正圧面側壁１３４との間で半ピッチ間隔で食い違いに配置されている。本明細書では、用語「ピッチ」は、隣接するトリップストリップ間の径方向の距離として定義される。

中間チャネル１１８内にＵ字形分割リブ１２４があることで、各チャネル１１８Ａ、１１８Ｂで縦横比が改善される。本明細書では、用語「縦横比」は、チャネルの長さを高さで割ったものを意味する。中間チャネル１１８内にＵ字形の分割リブ１２４があることにより、トリップストリップ１３０によって発生する前述の二重渦の流れ構造がより早く発達し始め、通路１１０内でより早く、より高い熱伝達係数が生じることが判明している。

図３でわかるように、Ｕ字形の分割リブ１２４は、第２の転回部１２０の上流に終端１２５を有する。終端１２５の位置は、中間チャネル１１８内の冷却流体の流れが十分に発達している点である。Ｕ字形の分割リブ１２４の下流の終端１２５のところで冷却流れ剥離が最小であることが判明した。この位置では、チャネル１１８Ａ、１１８Ｂ内の２つの流れストリームがよく発達し、ほぼ平行である。終端１２５の付近での２つの流れストリームの合流点での損失は非常に小さいものである。

２つの流れがチャネル１１８の分割されない部分で合流した後で、合流した流れは、第２の転回部１２０の周りを通過し、出口チャネル１２２に入る。望むなら、出口チャネル１２２も同様に、離隔され角度を付けられた複数のトリップストリップ１３０を設けることができる。好ましくは、トリップストリップ１３０は、負圧面側壁１３２と正圧面側壁１３４との間で半ピッチ間隔で食い違いに配置されている。冷却流れは、エアフォイル１１１の後縁部分１１３の一連のフィルム冷却孔（図示せず）、または複数の冷却通路（図示せず）などを通って、当技術分野で知られた任意の適切な方法で出口チャネル１２２を出ることができる。

本発明の別の実施形態では、Ｕ字形の分割リブ１２４は、０．５から５の水力直径など、入口１１２から数水力直径だけ下流の位置から始まることができる。本明細書では、用語「水力直径」は、入口チャネルの濡れ縁で割った入口チャネルの流路面積の約４倍である。そのような位置にＵ字形の直径リブ１２４の始点を置くことにより、流入する冷却流体の流れの分流に関連する損失水頭が低下する。

次に、図５および図６を参照すると、より精密な流れの調整が必要である場合、分割リブ１２４を入口１１２まで延ばすことにより、計量板１４０をその上に溶接またはろう付けできる表面がもたらされる。計量板１４０は、分割リブ１２４によって形成された、チャネル１１４Ａ、１１４Ｂに重なる所望の寸法および構造の少なくとも２つの流れ計量穴１４２、１４４を設けることができる。望むなら、板１４０に第３の流れ計量穴１４６を設けることができる。穴１４６は、前縁の流れ入口１４８と連通することができる。

本発明の改善された蛇行状の冷却通路を利用する、ブレードおよびベーンなどタービンエンジン構成要素は、低い冷却空気供給圧および小さな冷却流れ配分を共に有することができる。Ｕ字形の分割リブ１２４を加えることには、いくつかの熱伝達上の利点があり、冷却空気の供給圧または流量を変更することなく、この構成が確実にうまく働くようにする。本発明では、キャビティの流路面積が分割リブ１２４の寸法によって縮小し、単位流路面積当たりの冷却流れの量を改善する。中間チャネル１１４、１１８内のトリップストリップチャネルの縦横比が劇的に改善され、角度を付けられたトリップストリップ１３０によって意図された望ましい二重渦構造が急速に発達することを可能にする。さらに、第１の転回部１１６の周りの流れが十分に案内され、第１の転回部１１６の周りにおける損失を制御し、流れを転回部１１６の周りでより均等に分布させ、転回部１１６の下流で流れ剥離をなくする。

本発明によるＵ字形の分割リブを備える蛇行状の冷却通路は、付加的な圧力損失のレベルがより低いことにより利用可能な冷却供給の流量および圧力が制限される対流応用例における５路の蛇行状通路よりも優れる。また、内部熱伝達係数の目標を内側または外側のループの第２の通路に対して設定することも可能になる。一方、継続的な収束基準（ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ｃｒｉｔｅｒｉａ）を満たす上で５路の蛇行状通路はより制限を受ける。本発明のＵ字形のリブはまた、転回部の周りで流れ構造が改善され、無視できないマッハ数の流れを伴う領域内で、かつ／または流れが十分に発達していない領域内でチャネルを分割することに関連する損失がなくなることにより、単純な分割された通路よりも好ましい。最大限の利益を得るために、内側および外側の転回部を適切に構成することに注意を傾ける必要がある。Ｕ字形の分割リブ１２４は、内側および外側のチャネルの内部熱伝達係数を調整できるようにし、設計の柔軟性を改善する。

本発明による冷却通路によってもたらされる改善により、タービンエンジン構成要素のエアフォイル部分の本体中央部でのエアフォイルの酸化および熱機械疲労（ＴＭＦ）の割れ寿命が大きく向上することになる。

本発明によれば、上記に述べた目的、手段および利点を完全に満たすＵ字形の分割リブを用いて、蛇行性冷却の向上がもたらされることが明らかである。本発明をその特定の実施例の文脈で説明してきたが、上記の説明を読めば、その他の予期できない代替、変更形態、変形形態が当業者には明らかになる可能性がある。したがって、添付の特許請求の範囲の広義の範囲内に入る、いかなる予期できない代替、変更形態、および変形形態も包含されることを意図する。

蛇行状の冷却通路を有する、タービンエンジン構成要素の従来技術のエアフォイル部分の断面図である。 図１の２−２線に沿った、蛇行状の冷却通路を有する、従来技術のエアフォイル部分の断面図である。 タービンエンジン構成要素のエアフォイル部分の本発明による冷却通路の断面図である。 図３の４−４線に沿ったエアフォイル部分の断面図である。 図３の冷却通路の入口の上に配置される複数の計量穴を有するカバープレートの概略図である。 冷却通路の入口の上の定位置にある図５のカバープレートの概略図である。

符号の説明

１０９…供給源
１００…タービンエンジン構成要素
１１０…蛇行状の冷却通路
１１１…エアフォイル部分
１１２…流体入口
１１４…入口チャネル
１１４Ａ…第１のチャネル
１１４Ｂ…第２のチャネル
１１６…第１の転回部
１１８…中間チャネル
１１８Ａ…トリップストリップチャネル
１１８Ｂ…トリップストリップチャネル
１２０…第２の転回部
１２２…出口チャネル
１２４…Ｕ字形の分割リブ
１２５…終端
１２６…弓形の部分
１３０…トリップストリップ

Claims (22)

1. 正圧面側壁および負圧面側壁を有する、タービンエンジン構成要素のエアフォイル部分に使用する冷却通路であって、
   冷却流体が導入される入口を有するとともに、冷却流体が流通する蛇行状の流れ通路を備え、
   前記通路が入口チャネル、中間チャネル、出口チャネルを有し、
   さらに、前記入口チャネル内の位置から前記中間チャネル内の終端まで延びる分割リブを備える冷却通路。
2. 前記分割リブがＵ字形である請求項１に記載の冷却通路。
3. 前記分割リブが前記入口に隣接する請求項１に記載の冷却通路。
4. 前記分割リブが前記入口の数水力直径だけ下流から始まる請求項１に記載の冷却通路。
5. 前記分割リブに取り付けられた計量板をさらに備える請求項１に記載の冷却通路。
6. 前記分割リブが前記入口チャネルを第１のチャネルおよび第２のチャネルに分割し、前記計量板が、前記第１および第２のチャネルに入る前記冷却流体の流れを計量するための２つの穴を有する請求項５に記載の冷却通路。
7. 前記終端が、前記中間チャネルから前記出口チャネルへの前記通路内の転回部の上流に位置し、かつ前記中間チャネル内の冷却流体の流れが十分に発達している点に位置する請求項６に記載の冷却通路。
8. 前記分割リブが、前記中間チャネルの一部分を第１のチャネルおよび第２のチャネルに分割する請求項１に記載の冷却通路。
9. 前記第１および第２のチャネルのそれぞれが複数のトリップストリップを有する請求項８に記載の冷却通路。
10. 前記チャネル内で隣接するそれぞれの前記トリップストリップが、前記負圧面側壁と前記正圧面側壁との間で半ピッチ間隔で食い違いに配置されている請求項９に記載の冷却通路。
11. 前記通路が、前記入口チャネルと前記中間チャネルの間に第１の転回部を有し、前記中間チャネルと前記出口チャネルの間に第２の転回部を有する請求項１に記載の冷却通路。
12. 前記分割リブが、前記第１の転回部の周りで前記冷却流体の流れを促進するために、前記第１の転回部に位置する弓形形状の部分を有する請求項１１に記載の冷却通路。
13. タービンエンジン構成要素であって、
    負圧面側壁および正圧面側壁を有するエアフォイル部分と、
    前記エアフォイル部分内で、前記負圧面側壁と前記正圧面側壁の間に位置する蛇行状の冷却通路と、を備え、
    前記蛇行状の冷却通路が、入口チャネル、中間チャネル、前記入口チャネルを前記中間チャネルに流体的に連通させる第１の転回部、出口チャネル、および前記中間チャネルを前記出口チャネルに流体的に連通させる第２の転回部を有し、
    前記入口チャネルが流体入口を介して冷却流体の供給源と連通し、
    さらに、前記入口チャネル、および前記中間チャネル内の一部分の前記流れを２つの流れストリームに分割する手段を備えるタービンエンジン構成要素。
14. 前記分割手段が、前記第１の転回部を通る前記流れストリームのそれぞれを案内するための部分を有する請求項１３に記載のタービンエンジン構成要素。
15. 前記分割手段が、前記入口に隣接する始点を有する請求項１３に記載のタービンエンジン構成要素。
16. 前記分割手段が、損失水頭を低下させるために、前記入口から数水力直径のところに位置する始点を有する請求項１３に記載のタービンエンジン構成要素。
17. 前記分割手段が、前記第２の転回部の上流に終端を有する請求項１３に記載のタービンエンジン構成要素。
18. 前記終端が、前記中間チャネル内の流れが十分に発達している点に位置する請求項１７に記載のタービンエンジン構成要素。
19. 前記分割手段が、Ｕ字形のリブを備える請求項１３に記載のタービンエンジン構成要素。
20. 前記中間チャネルが、二重渦の流れを発生させる手段を有する請求項１３に記載のタービンエンジン構成要素。
21. 前記二重渦の流れを発生させる手段が、前記中間チャネル内に設けられた複数のトリップストリップを備える請求項２０に記載のタービンエンジン構成要素。
22. 前記トリップストリップの隣接するものが、前記負圧面側壁と前記正圧面側壁との間で半ピッチ間隔で食い違いに配置されている請求項２１に記載のタービンエンジン構成要素。

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