JP2008002464A - タービンエンジン構成部品 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンエンジン構成部品のエアフォイル部の前縁の冷却を改良する。
【解決手段】タービンエンジン構成部品は、前縁（３０）と、負圧側（４６）と、正圧側（４２）とを有するエアフォイル部と、前縁（３０）を冷却する冷却流体が流れる半径方向流前縁キャビティ（３４）と、を有する。このタービンエンジン構成部品は、前縁キャビティ（３４）のノーズ部（３６）と衝突する渦（４９）を前縁キャビティ（３４）に生成するトリップストリップ（４０，４４）が互い違いに配置された構造をさらに有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、タービンエンジン構成部品のエアフォイル部の前縁の冷却を、互い違いに配置されると共に前縁キャビティのノーズ部に巻き付けられたトリップストリップを用いて、改良することに関する。

いくつかのタービンエンジン構成部品、例えば、ブレードおよびベーンは、それらが用いられる厳しい環境のせいで、冷却される。これまで、種々の異なる冷却技術が、用いられてきた。このような方式の１つが、図１に示されている。この図には、タービンエンジン構成部品１２のエアフォイル部１０が示されている。図から分かるように、前縁領域の冷却を達成するために、半径方向流前縁キャビティ１４が用いられている。

このような冷却方式にもかかわらず、タービンエンジン構成部品のエアフォイル部の前縁の冷却を改良することが必要とされている。

従って、本発明の目的は、タービンエンジン構成部品のエアフォイル部の前縁の冷却を改良することにある。

本発明によれば、タービンエンジン構成部品は、一般的に、前縁と、負圧側と、正圧側とを有するエアフォイル部と、前縁を冷却する冷却流体が流れる半径方向流前縁キャビティと、前縁キャビティのノーズ部と衝突する渦を前縁キャビティ内に生成させる手段と、を備える。この渦生成手段は、前縁キャビティのノーズ部に巻き付く第１の組のトリップストリップと、第２の組のトリップストリップとを備える。第１の組のトリップストリップは、第２の組のトリップストリップに対して互い違いに配置される。

本発明による互い違いに配置されたトリップストリップを用いる前縁の冷却に関する他の詳細、ならびにこの前縁の冷却に付随する他の目的および利点を、以下の最良の形態および添付の図面によって説明する。なお、添付の図面において、同様の参照番号は、同様の要素を指すものとする。

図面を参照すると、図２には、タービンエンジン構成部品のエアフォイル部３２の前縁３０が示されている。この図から分かるように、前縁３０は、エンジン抽気のような冷却流体が半径方向に流れる前縁キャビティ３４を有する。前縁３０は、ノーズ部３６および外部よどみ領域３８も有する。

前縁、特に、前縁の外部よどみ領域３８に隣接するエアフォイル部３２のノーズ部３６の充分な冷却をもたらすために、トリップストリップの配置が望ましいことが見出されている。以下に述べるトリップストリップの配置構造は、エアフォイル部３２の前縁３０に高伝熱をもたらす。

図２，図５および図６に示されるように、複数のトリップストリップ４０が、エアフォイル部３２の正圧側４２に配置され、図２，図３および図６に示されるように、複数のトリップストリップ４４が、エアフォイル部３２の負圧側４６に配置されている。図２および図６を参照すると、正圧側４２のトリップストリップ４０は、前縁ノーズ部３６に巻き付いている。正圧側トリップストリップ４０が前縁に巻き付いているので、前縁ノーズ部３６の湾曲によって、トリップストリップ４０は、程度の差はあれ、流れ方向４８に対して垂直に配向されることになる（図６を参照）。冷却空気がこのように配向されたトリップストリップ４０を通り過ぎると、この流れが乱され、大きな渦４９が前縁に生じる（図７を参照）。この大きな渦によって、極めて高い伝熱係数が、前縁ノーズ部３６にもたらされる。

図４および図６を参照すると、トリップストリップ４０，４４は、好ましくは、エアフォイル部３２の負圧側４６と正圧側４２との間において、約１／２ピッチ離れて、互い違いに配置されていることが分かる。また、図２および図７に示されるように、トリップストリップ４０とそれと隣接するトリップストリップ４４との間に、間隙４７が形成されている。各間隙４７は、好ましくは、エアフォイル部３２の分割ライン７０に沿って配置される。

キャビティ３４内のトリップストリップ４０，４４のこの配向によっても、エアフォイル部３２の前縁３０における伝熱が大きくなる。必要に応じて、トリップストリップ４０，４４は、流れ方向４８に対して約４５°の角度αで配向されてもよい。トリップストリップ４０，４４の前縁５４，５６が、最も高い熱負荷の領域、この場合は、前縁ノーズ部３６に位置付けされている。このトリップストリップの配向によって、乱流の渦４９が、キャビティ３４内に生じる。冷却流体は、最初、トリップストリップの前縁５４，５６と衝突し、エアフォイル面から離れる。次いで、この流れは、トリップストリップの前縁５４，５６の下流で再び付着し、前縁キャビティ３４とそれに隣接するキャビティ６２との間の仕切りリブ６０に向かって移動する。この流れは、仕切りリブ６０に近づくと、反対側のエアフォイル壁に向かって付勢される。この流れは、正圧側壁４２および負圧側壁４６と直交して導かれ、キャビティ３４の中心で合流する。次いで、この流れは、エアフォイル部３２の前縁３０に向かって戻るように付勢される。この流れの移動によって、大きな渦４９が生じる。この渦４９は、流れをキャビティの前縁に駆り立て、衝突噴流として作用し、これによっても、前縁ノーズ部３６における伝熱を高める。

本発明のトリップストリップ構造を用いることによって、タービンエンジン構成部品の半径方向流前縁キャビティにおいて、このキャビティの前縁ノーズ部における対流伝熱の向上が達成される。

トリップストリップ構造の特定の配向によって、冷却流れは、前縁ノーズ部３６と衝突し、伝熱をさらに高めることができる。トリップストリップ４０，４４の前縁は、前縁キャビティ３４のノーズ部３６の近くに配置される。

トリップストリップ４０は、正圧側壁４２に沿って、流れ方向４８に関して角度αだけ傾斜しているが、前縁キャビティ３４のノーズ部３６に巻き付いているので、流れ方向４８に対して垂直になり、これによって、トリップストリップ４０，４４によって生じる乱流の渦４９を強め、その結果、伝熱係数を高める。

トリップストリップ４０，４４は、互いに重なってもよい。例えば、トリップストリップ４０が、トリップストリップ４４の下方に延びてもよいし、またはその逆に、トリップストリップ４４が、トリップストリップ４０の下方に延びてもよい。

トリップストリップ４０がエアフォイル部の正圧側壁４２に配置される例について説明したが、必要に応じて、これらのトリップストリップ４０は、負圧側壁４６に取り付けられてもよい。このような場合、トリップストリップ４４は、正圧側壁４２に取り付けられることになる。

前縁ノーズ部３６から離れた個所で、互い違いに配置されると共に４５°で傾斜したトリップストリップが、流れを前縁キャビティのノーズ部３６と衝突させる渦を生成する。

本発明のトリップストリップ構造は、３〜２５の範囲内にあるＰ／Ｅ比を有する。ここで、Ｐは、トリップストリップ間の半径方向ピッチであり、Ｅは、トリップストリップ高さである。さらに、ここに述べたトリップストリップ構造は、０．１５〜１．５０の範囲内にあるＥ／Ｈ比を有する。ここで、Ｅは、トリップストリップ高さであり、Ｈは、キャビティ３４の高さである。

エアフォイル試験によって、本発明による互い違いに配置されたトリップストリップを用いると、外部よどみ領域と隣接するエアフォイルの前縁における伝熱係数が、約２倍向上し、エアフォイルの酸化寿命および熱機械的な疲労亀裂寿命を著しく高めることが、判明している。

従来技術による半径方向流前縁キャビティを有するタービンエンジン構成部品を示す図である。 互い違いに配置されると共に巻き付けられたトリップストリップを有するタービンエンジン構成部品に用いられるエアフォイルの前縁部の断面図である。 前縁部の負圧側におけるトリップストリップを示す図である。 互い違いに配置されたトリップストリップの前縁の配置を示す図である。 前縁部の正圧側におけるトリップストリップを示す図である。 前縁におけるトリップストリップの三次元図である。 前縁キャビティに生じた渦を示す図である。

Claims (18)

1. 前縁と、負圧側と、正圧側とを有するエアフォイル部と、
   前記前縁を冷却する冷却流体が流れる半径方向流前縁キャビティと、
   前記前縁キャビティのノーズ部と衝突する渦を前記前縁キャビティ内に生成する手段と、
   を備えるタービンエンジン構成部品。
2. 前記渦を生成する手段が、前記前縁キャビティの前記ノーズ部に巻き付けられた複数の第１のトリップストリップを備えることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン構成部品。
3. 前記第１のトリップストリップが、前記エアフォイル部の前記負圧側に取り付けられることを特徴とする請求項２に記載のタービンエンジン構成部品。
4. 前記第１のトリップストリップが、前記エアフォイル部の前記正圧側に取り付けられることを特徴とする請求項２に記載のタービンエンジン構成部品。
5. 前記渦を生成する手段が、複数の第２のトリップストリップと、前記第１のトリップストリップと前記第２のトリップストリップとの間に位置する複数の間隙と、をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載のタービンエンジン構成部品。
6. 前記第２のトリップストリップが、前記エアフォイル部の前記正圧側に取り付けられることを特徴とする請求項５に記載のタービンエンジン構成部品。
7. 前記第２のトリップストリップが、前記エアフォイル部の前記負圧側に取り付けられることを特徴とする請求項５に記載のタービンエンジン構成部品。
8. 前記第１のトリップストリップおよび前記第２のトリップストリップが、互い違いに配置されることを特徴とする請求項５に記載のタービンエンジン構成部品。
9. 前記複数の間隙が、前記エアフォイル部の分割ラインに沿って配置されることを特徴とする請求項５に記載のタービンエンジン構成部品。
10. 前記第１のトリップストリップおよび前記第２のトリップストリップが、前記冷却流体の流れ方向に沿って配向されることを特徴とする請求項５に記載のタービンエンジン構成部品。
11. 前記第１のトリップストリップが、前記渦を前記前縁に生成させるために、前記流れ方向に対して実質的に垂直に配向されることを特徴とする請求項１０に記載のタービンエンジン構成部品。
12. 前記第１のトリップストリップおよび前記第２のトリップストリップが、各々、前記冷却流体の前記流れ方向に対して４５°の角度で配向されることを特徴とする請求項１０に記載のタービンエンジン構成部品。
13. 前記第１のトリップストリップおよび前記第２のトリップストリップの各々が、前縁を有し、前記トリップストリップの各々の前記前縁が、最も高い熱負荷の領域に位置付けされることを特徴とする請求項１０に記載のタービンエンジン構成部品。
14. 前記第１のトリップストリップの前記前縁が、前記第２のトリップストリップの前記前縁に重なっていることを特徴とする請求項１３に記載のタービンエンジン構成部品。
15. 前記第２のトリップストリップの前記前縁が、前記第１のトリップストリップの前記前縁に重なっていることを特徴とする請求項１３に記載のタービンエンジン構成部品。
16. 前記トリップストリップが、３〜２５の範囲内にあるＰ／Ｅ比を有し、Ｐが前記トリップストリップ間の半径方向のピッチであり、Ｅがトリップストリップ高さであることを特徴とする請求項１０に記載のタービンエンジン構成部品。
17. 前記トリップストリップが、０．１５〜１．５０の範囲内にあるＥ／Ｈ比を有し、Ｅがトリップストリップ高さであり、Ｈが前記キャビティの高さであることを特徴とする請求項１０に記載のタービンエンジン構成部品。
18. 前記第１のトリップストリップおよび前記第２のトリップストリップが、約１／２ピッチ離れて、互い違いに配置されることを特徴とする請求項１０に記載のタービンエンジン構成部品。

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