JP2008025566A - タービンエンジン部品 - Google Patents

Abstract

【課題】 ブレード先端の腐食防止の一助となる先端冷却システムを有するタービンエンジン部品を提供する。
【解決手段】タービンエンジン部品は、エアフォイル部を備え、エアフォイル部は、正圧面、負圧面、前縁、後縁、および先端を有する。この部品はさらに、正圧面の壁に埋め込まれた第１の冷却用微細回路と、負圧面の壁に埋め込まれた第２の冷却用微細回路と、第１の冷却用微細回路からの冷却気体受け入れる第１の先端部冷却用微細回路と第２の冷却用微細回路からの冷却流体を受け入れる第２の先端部冷却用微細回路とを含む先端部冷却システムと、を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、タービンブレードなどのタービンエンジン部品で使用される冷却システムに関する。この冷却システムは、先端の正圧面側で先端吹き付けを可能にする。

全冷却有効度(overall cooling effectiveness)は、特定の設計に関する冷却特性を定めるために使用する尺度である。到達し得ない理想上の目標は１であり、この場合、金属温度がエアフォイル内部の冷却剤温度と同じになることを意味する。この反対が起きることもあり、その場合に冷却有効度は０であり、金属温度がガス温度と同じになることを意味する。それが発生するとき、金属は確実に溶融し、焼損する。一般的に、タービンブレードなどのタービンエンジン部品に対する既存の冷却技術では、冷却有効度を０．５〜０．６にすることができる。過冷却などのさらに進んだ技術では、０．６〜０．７になると考えられる。現在の最も進んだ冷却技術である微細回路冷却を行うと、０．７より高い冷却有効度を得ることができる。

高圧タービンブレード設計での弱点として、ロータ入口温度ＲＩＴの上昇にともない、ブレード先端に腐食が現れることが、起こり得る一つの問題である。

本発明によると、ブレード先端の腐食防止の一助となる先端冷却システムが提示される。

本発明により、タービンエンジン部品が提示される。タービンエンジン部品は、概して、正圧面、負圧面、前縁、後縁、および先端を有するエアフォイル部と、正圧面の壁に埋め込まれた第１の冷却微細回路と、負圧面の壁に埋め込まれた第２の冷却微細回路と、上記第１の冷却微細回路から冷却流体を受け入れる第１の先端冷却微細回路および上記第２の冷却微細回路から冷却流体を受け入れる第２の先端冷却微細回路を有する上記先端を冷却する手段と、を備える。

本発明の微細回路冷却および先端吹き付けシステムについてのそのほかの細部と、それに付随する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数字が同じ要素を示す添付の図面に記載される。

ここで図面を参照すると、高圧タービンブレードなどのタービンエンジン部品９０は、本発明の冷却設計方式を使用して冷却される。図１に示すように、この冷却設計方式では、エアフォイルの壁１０４、１０６内で周縁部にそれぞれ２つの蛇行した微細回路１００、１０２が配置され、タービンエンジン部品のエアファイル部１１０の本体１０８を冷却する。図２および図３に示すように、別の冷却回路９６、９８を、各々がエアフォイル本体１０８の前縁１１２および後縁１１４を冷却するために使用することができる。本発明の手法による恩恵の一つは、タービンエンジン部品内部の冷却剤を使用して、前縁領域１１２および後縁領域１１４へ供給することができることである。これは、エアフォイル部１１０の正圧面１１６または負圧面１１８のいずれからの外部熱負荷からも微細回路９６、９８を断熱して行われるのが好ましい。このようにして、前縁および後縁の直前での、各々のインピンジメントジェットは、比較的低温の冷却空気が供給されるので、非常に有効になる。前縁冷却微細回路９６および後縁冷却微細回路９８では、冷却剤は、フィルム冷却としてタービンエンジン部品から排出することができる。

ここで図２を参照すると、タービンエンジン部品の負圧面１１８で使用され得る蛇行した冷却微細回路１０２を示している。この図から分かるように、微細回路１０２は、エアフォイル部１１０の根元部１４３に隣接した位置に、第１の脚１２８へ冷却流体を供給する流体入口１２６を有する。入口１２６は、タービンエンジン部品内にある供給キャビティ１４２の１つから冷却流体を受け入れる。第１の脚１２８を流れる流体は、中間脚１３０へ進み、そこから出口脚１３２へ進む。供給キャビティ１４２の１つによって供給された流体は、冷却回路９６へ案内されて、エアフォイル部１１０の前縁１１２を冷却するために使用され得る。冷却回路９６は、流体出口１３３を有する流体流路１３１を含むことができる。さらに、必要に応じて、出口脚１３２からの流体を使用して、出口流路１３５を経由して、前縁１１２を冷却することもできる。図から見られるように、タービンエンジン部品にかかる熱負荷は、周縁部の蛇行した冷却微細回路１０２を形成する各脚からのフィルム冷却を必要としないことがある。このような場合に、冷却流体の流れは、タービンエンジン部品の正圧面１１６から負圧面１１８へ向かうフィルム吹き付け手段として、先端１３４において出口脚１３２から出ることができる。図２に示すように、出口脚１３２は、流体出口１３８を有する先端１３４内の流路１３６と連通し得る。

ここで図３を参照すると、エアフォイル部１１０の正圧面１１６に用いる蛇行した冷却微細回路１００を示している。この図から分かるように、微細回路１００は、エアフォイル部１１０の根元部１４３に隣接する入口１４１を有し、この入口１４１は、供給キャビティ１４２の１つと、入口１４１からの冷却流体を受け入れる第１の脚１４４と、に連通している。第１の脚１４４内の冷却流体は、中間脚１４６を流れ、さらに出口脚１４８を流れる。この図に見られるように、供給キャビティ１４２からの流体は、後縁冷却回路９８へ供給することもできる。冷却微細回路９８は、複数の流体流路１５０を有することができ、これらの流体流路は、エアフォイル部１１０の後縁１１４を覆って冷却流体を分布させる出口１５２を有する。出口脚１４８は、後縁１１４の領域でエアフォイル部１１０の正圧面１１６を覆うフィルム状の冷却流体を供給する１つまたは複数の流体出口１５３を有し得る。

図１〜図３の冷却微細回路機構は、チップフラッグ(tip flag)と称する専用の冷却流路が先端１３４を冷却するために使用される既存の設計とは完全に異なる、ということに注意されたい。

図１〜図３にも示すように、エアフォイル本体１０８の正圧面１１６は、エアフォイル壁１０４内で周縁部に配置された蛇行した微細回路１００を使って冷却される。この場合に、エアフォイルの後縁１１４を保護するために、エアフォイル１１０の後部側に近接した一連のフィルム冷却スロット１５３で、流れが出る。

必要ならば、蛇行した冷却微細回路１００、１０２の各脚１２８、１３０、１３２、１４４、１４６、１４８には、冷却用ブレード流路内部での熱吸収を高め、熱伝達係数を大きくするために、ペデスタルおよび／またはトリップストリップなどの１つまたは複数の内部形状部（図示せず）を設けることができる。

図４は、エアフォイル部１１０の先端を示している。図から分かるように、先端冷却および先端吹き付けを行うために、正圧面微細回路１００から先端１３４へ向かう２つの供給部１６０、１６２、後縁微細回路１８０から先端１３４へ向かう２つの供給部１６４、１７６、および負圧面微細回路１０２から先端１３４へ向かう２つの供給部１６８、１７０がある。この図から分かるように、供給部１６０、１６２、１６４、１６８、１７０は、負圧面１１８よりも正圧面１１６の近くに配置されている。

図５は、正圧面微細回路１００と第１の先端微細回路１５９を示している。第１の先端微細回路１５９は、脚１４８と接続した第１のチャネル１６１および第２のチャネル１６３と、各チャネル１６１、１６３につながった２つの供給部１６０、１６２と、を有する。

図６は、負圧面微細回路１０２と、脚１３２に接続した第１のチャネル１６９および第２のチャネル１７１とチャネル１６９、１７１にそれぞれつながった２つの供給部１６８、１７０を有する第２の先端冷却微細回路１６７と、を示している。

図７〜図９は、先端１３４を冷却する別の冷却システムを示している。この図に示すように、先端１３４は、負圧面微細回路１０２’からの４つの供給部１６８、１７０、１７２、１７４と、正圧面微細回路１００’からの２つの供給部１６０、１６２とを有する。図８に示すように、４つの出口１６８、１７０、１７２、１７４を収容するために、第１の脚１２８と第２の脚１３０との間で、径方向高さの低い位置に１８０°方向転換部１８２がある。出口の９０°方向転換部１８４から先端１３４までの圧力損失は、４つのすべての出口１６８、１７０、１７２、１７４から出る冷却空気を分配させる補助をする。冷却剤は、先端微細回路１８６を流れるが、最終的には、正圧面に出て、先端１３４を覆う冷却空気層として、先端１３４を覆うように先端（フィルム）吹き付けを行う。

本発明によれば、タービンエンジン部品のエアフォイル部の先端は、既存の本体冷却空気で冷却される。したがって、冷却流れを低いレベルに維持する。本発明の冷却システムは、先端正圧面への先端吹き付けが、３流路の本体周縁部にある蛇行した微細回路から供給されることを可能にする。この先端吹き付けは、先端領域に対流冷却およびフィルム冷却をもたらす。先端吹き付けは、先端漏れ損失の低減により空力性能の恩恵が生じることからも利用することができる。製造工程は、本発明のコンパクトな設計を用いて、複雑性の点で低減される。

本発明による冷却微細回路を有するタービンエンジン部品のエアフォイル部の断面図。 エアフォイル部の負圧面にある冷却微細回路の概略図。 エアフォイル部の正圧面にある冷却微細回路の概略図。 本発明の第１の実施形態によるエアフォイル部の先端の図。 正圧面微細回路の概略図。 負圧面微細回路の概略図。 本発明の第２の実施形態によるエアフォイル部の先端の図。 負圧面微細回路の概略図。 正圧面微細回路の概略図。

Claims (15)

1. 正圧面、負圧面、前縁、後縁、および先端を有するエアフォイル部と、
   正圧面の壁に埋め込まれた第１の冷却微細回路と、
   負圧面の壁に埋め込まれた第２の冷却微細回路と、
   上記第１の冷却微細回路から冷却流体を受け入れる第１の先端冷却微細回路および上記第２の冷却微細回路から冷却流体を受け入れる第２の先端冷却微細回路を有する上記先端を冷却する手段と、
   を備えるタービンエンジン部品。
2. 上記第１の先端冷却微細回路が複数の供給部を有し、上記第２の先端冷却微細回路が複数の供給部を有す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部品。
3. 上記第１および第２の先端冷却微細回路が、それぞれ２つの供給部を有す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部品。
4. 上記第１の先端冷却微細回路が２つの供給部を有し、上記第２の先端冷却微細回路が４つの供給部を有す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部品。
5. 上記供給部が、上記負圧面よりも上記正圧面に近い位置に配置さ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部品。
6. 後縁冷却微細回路をさらに備え、上記冷却手段が、上記後縁冷却微細回路から冷却流体を受け入れる２つの供給部をさらに有する、請求項１に記載のタービンエンジン部品。
7. 上記第１の冷却微細回路が、３流路の蛇行した冷却構成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部品。
8. 上記第１の冷却微細回路が、上記エアフォイル部の根元部に隣接した入口と、上記入口から冷却流体を受け入れる第１の脚と、上記第１の脚から冷却流体を受け入れる第２の脚と、上記第２の脚から冷却流体を受け入れる第３の脚と、を有することを特徴とする、請求項７に記載のタービンエンジン部品。
9. 上記第１の先端冷却微細回路が、上記第１の冷却微細回路の上記第３の脚に接続した第１のチャネルと、上記第１の冷却微細回路の上記第３の脚に接続した第２のチャネルと、を備えることを特徴とする、請求項８に記載のタービンエンジン部品。
10. 上記第２の冷却微細回路が、３流路の蛇行した冷却構成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部品。
11. 上記第２の冷却微細回路が、上記エアフォイル部の根元部に隣接する入口と、上記入口から冷却流体を受け入れる第１の脚と、上記第１の脚から冷却流体を受け入れる第２の脚と、上記第２の脚から冷却流体を受け入れる第３の脚と、を有す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部品。
12. 上記第２の先端冷却微細回路が、上記第２の冷却微細回路の上記第３の脚に接続した第１のチャネルと、上記第２の冷却微細回路の上記第３の脚に接続した第２のチャネルと、を備えることを特徴とする、請求項１１に記載のタービンエンジン部品。
13. 上記第２の先端冷却微細回路が、該冷却微細回路の上記第３の脚に接続した４つのチャネルを備えることを特徴とする、請求項１１に記載のタービンエンジン部品。
14. 上記第２の冷却微細回路が、上記第１の脚と上記第２の脚の間に、１８０°方向転換部を有し、上記１８０°方向転換部は、上記４つのチャネルを収容できるようにする径方向高さに配置され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部品。
15. 上記タービンエンジン部品が、タービンブレード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部品。

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