JP2008031994A - タービンエンジン構成要素およびタービンエンジン構成要素の冷却の実効性を改良するプロセス - Google Patents

Abstract

【課題】コリオリ力の影響を受けないようにし、コリオリ力による不均一な熱吸収をもたらす熱負荷の状況を改良する冷却システムを設ける。
【解決手段】高圧タービンブレードのようなタービンエンジン構成要素は、正圧側１６と、負圧側１８と、前縁２０とを有するエアフォイル部１２を有する。冷却システム１４が、前縁２０内に設けられる。この冷却システム１４は、エアフォイル部１２の前縁２０内に、反コリオリ力を生成させる少なくとも１つの周辺前縁冷却通路２４を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、コリオリ力の影響を受けないようにした前縁冷却システムを有するタービンエンジン構成要素に関する。

タービン高圧ブレードの高熱負荷前縁の冷却では、冷媒流れが、通常、送給キャビティによって、ブレード前縁に供給される。通常、冷媒流れは、一連の交差孔を貫流し、ブレードの内面に衝突するようにされている。前縁におけるフィルム冷却による熱保護を伴う衝突による伝熱が、ブレード前縁を冷却する従来の伝達機構である。ブレードが回転すると、送給キャビティのある領域における回転伝熱は、そのキャビティの後縁側の内壁で大きくなり、そのキャビティの前縁側の内壁で小さくなる可能性がある。ブレードが回転すると、面内コリオリ力と釣合いを保つような圧力勾配が通路内に生じる。流れは、前縁側の内壁から後縁側の内壁に移動する傾向にある。前縁側の内壁では、半径方向速度分布が、後縁側の内壁における半径方向速度分布と比較して、穏やかである。この場合、半径方向速度分布は、後縁側のエアフォイル壁に大きな影響を与え、その結果、高せん断応力、それに応じて、高伝熱係数をもたらす。冷却流路の前縁側の内壁では、逆の現象が生じることが分かっている。従って、送給通路内の冷媒流れは、横方向に循環運動する複数のセル（ｃｅｌｌ）を生成する力を受ける。これらのセルは、大半の領域において大きな渦をなし、後縁側の内壁の近くでは、小さなゲルトラー渦をなす。これらの流れの擾乱が、直接的に、送給キャビティの内側の熱吸収を不均一なものとする。

一般的に、外部熱流束分布は、ブレード前縁で最も高い値になる。コリオリ力による不均一な熱吸収が生じ得るこの熱負荷の状況を克服するには、冷却システムをコリオリ力の影響を受けないようにする必要がある。

本発明によれば、コリオリ力の影響を受けないようにした前縁冷却システムを有する、高圧タービンブレードのようなタービンエンジン構成要素が提供される。

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。このタービンエンジン構成要素は、広義には、正圧側と、負圧側と、前縁とを有するエアフォイル部と、前縁内の冷却システムとを備え、冷却システムが、エアフォイル部の前縁内に反コリオリ力を生成する手段を備える。

さらに、本発明によれば、タービンエンジン構成要素のエアフォイル部の前縁内の冷却の実効性を改良するプロセスが提供される。このプロセスは、広義には、エアフォイル部に、送給キャビティを有する冷却システムを設け、冷却流体を送給キャビティ内に流通させ、冷却システムをコリオリ力の影響を受けないようにさせることを含む。

以下の詳細な説明および添付の図面において、本発明の微細回路反コリオリ装置による前縁冷却の他の詳細、ならびに付随する他の目的および利点を説明する。

図面を参照すると、図１には、前縁冷却システム１４を有する、高圧タービンブレードのような、タービンエンジン構成要素１０のエアフォイル部１２が示されている。エアフォイル部１２は、正圧側１６と、負圧側１８と、前縁２０とを有する。冷却システム１４は、送給キャビティ２２を備える。この送給キャビティ２２内を、エンジン抽気のような冷却流体が半径方向に流れる。本発明によれば、冷却システム１４を他の影響を受けないようにするために、内部流れ力が、図２に示されるように誘導される。

図２には、タービンエンジン構成要素１０が回転するときに生じるコリオリ力の影響を効果的に取り込む方法が示されている。前述したように、これらのコリオリ力は、冷却システム１４内を流れる冷媒による熱吸収を不均一にするので望ましくない。これらのコリオリ力は、タービンエンジン構成要素１０の角速度および冷媒の相対的な流速がブレード内に同時に存在することによって生じることが知られている。本発明によれば、コリオリ力によって、送給キャビティ２２を通る冷媒流れの一部が、１つまたは複数の前縁周辺通路２４に流入する。各前縁周辺通路２４は、エアフォイル部１２の前縁２０の周囲に巻き付いている。各前縁周辺通路２４は、通常のインベストメント鋳造法の鋳造プロセス中に、本体のシリカコアに取り付けられる耐熱金属コアを用いて、エアフォイル部１２の前縁２０に形成される。

冷媒流れが１つまたは複数の前縁周辺通路２４内を通過すると、送給キャビティ２２の内側に反コリオリ効果が生じる。もし１つまたは複数の前縁周辺通路２４内を通る流れが、エアフォイル部１２の負圧側１８に１つまたは複数のフィルム冷却用スロット２６（図３を参照）を設けることによって、送給キャビティ２２に戻らないようにされた場合、この反コリオリ効果は、特に顕著である。この場合、送給キャビティ２２の壁２８に近い箇所における冷媒の半径方向流速分布は均一であり、これによって、均等な壁せん断応力、その結果として、送給キャビティ２２内における均一な熱吸収がもたらされる。

必要に応じて、図２の前縁周辺通路２４は、１つまたは複数の横断リブ３０によって、分離されてもよい。これらのリブ３０の高さは、図４に示されるように、前縁孔３２をリブ３０を貫通して機械加工によって形成し、これによって、タービンエンジン構成要素の前縁の冷却を補充し得るような高さとすることができる。

前縁周辺通路の各々は、冷却流体が送給キャビティ２２から１つまたは複数の通路２４内に流出することを可能にする１つまたは複数の入口３４を有してもよい。１つまたは複数の入口３４は、各々、前縁スキンカバー３６に過剰な機械的応力を生じさせない圧力レベルを確保するように寸法決めされるとよい。

図５を参照すると、必要に応じて、１つまたは複数のトリップストリップ３８が、流れをさらに擾乱させ、これによって、冷媒の熱吸収を高めるために、送給キャビティ２２の内側に用いられてもよい。トリップストリップ３８は、当技術分野において知られているどのような適切な手段を用いて、送給キャビティ２２の壁に設けられてもよい。

必要に応じて、図２に示されるように、前縁通路２４の各々は、冷却流体を送給キャビティ２２に戻す１つまたは複数の吐出口４０を有してもよい。１つまたは複数の吐出口４０は、流体の混合による空力学的な損失がエアフォイル部１２の外部フィルム冷却から排除されるべき場合に用いられるとよい。この状況では、力のバランスは、制御されていない回転力を受ける制御されていない流れの場を有する場合とは対照的に、有益な設計となるように設定される。

タービンエンジン構成要素のエアフォイル部の前縁を冷却するこの設計には、耐熱金属コア製造プロセスが用いられる。しかし、他の製造技術が用いられてもよい。例えば、高真空加圧工程によって、金属シートを成形し、エアフォイル輪郭にトリム加工し、その後、接合工具内で接合させてもよい。接合の質を、ホログラフィ干渉法、Ｘ線造影法などのような技術によって、検査することができる。最後に、オーバレイコートに続いて、熱バリアコートが施されてもよい。

本発明の新規の反コリオリ装置によって、多くの利点、例えば、（１）肉厚方向の熱勾配を低減する利点、（２）前縁の微細回路周辺通路に反コリオリ力を用いる利点、（３）前縁を高熱流束の影響を受けないようにする利点、（４）送給キャビティ内におけるコリオリ力の影響を最小限に抑止する利点、（５）均一な伝熱をもたらす利点、および（６）外部冷却フィルムによる空力学的な損失を最小限に抑止するように閉ループ方式で用いられるシステムをもたらす利点が得られる。さらに、支持リブを貫通して孔を機械加工によって形成するかまたはタービンエンジン構成要素の前縁の周囲に巻き付けられた周辺冷却通路から形成される出口溝によって、ブレード前縁の全体的な冷却を補充するフィルム冷却孔を設けることができる。本発明のさらに他の利点は、タービンエンジン構成要素の前縁の冷却に回転力を利用することによって、冷却流れが最小限に抑止されることにある。また、タービンエンジン構成要素の前縁においてフィルム冷却の混合がなされるので、空力学的な損失が最小限に抑止される。さらにまた、タービンエンジン構成要素の前縁における送給キャビティにおいて、均一な伝熱分布を維持することができる。

エアフォイル部の前縁を冷却する送給キャビティを有するタービンエンジン構成要素のエアフォイル部の概略図である。 反コリオリ通路を有する前縁冷却システムの拡大図である。 エアフォイル部の負圧側にフィルム冷却スロットを有する本発明による前縁冷却システムの代替的実施形態を示す図である。 互いに隣接する周辺前縁通路を分離するのに用いられる前縁孔を有する横断リブを示す図である。 複数のトリップストリップを有する送給キャビティを示す図である。

Claims (19)

1. 正圧側と、負圧側と、前縁とを有するエアフォイル部と、
   前記前縁内の冷却システムと、
   を備え、
   前記冷却システムが、前記エアフォイル部の前記前縁内に反コリオリ力を生成する手段を備えることを特徴とするタービンエンジン構成要素。
2. 前記冷却システムが、前記前縁内に、冷却流体が半径方向に流通する送給キャビティをさらに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要素。
3. 前記反コリオリ力を生成する手段が、前記前縁内に少なくとも１つの周辺通路を含む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要素。
4. 前記周辺通路の各々が、前記送給キャビティからの冷却流体が前記周辺通路の各々に流入することを可能にする少なくとも１つの入口を有することを特徴とする請求項３に記載のタービンエンジン構成要素。
5. 前縁スキンカバーに過剰な機械的応力を生じさせない圧力レベルを確保するように寸法決めされた各入口をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のタービンエンジン構成要素。
6. 前記前縁内に複数の周辺通路をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のタービンエンジン構成要素。
7. 前記複数の周辺通路の互いに隣接するものの間に少なくとも１つの横断リブをさらに備えることを特徴とする請求項６に記載のタービンエンジン構成要素。
8. 前記少なくとも１つの横断リブが、前記周辺通路の１つからの冷却流体が前記周辺通路のもう１つに流れることを可能にする少なくとも１つの孔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構成要素。
9. 前記周辺通路の各々が、冷却流体を前記エアフォイル部の外面の全体にわたって吐出する少なくとも１つのフィルム冷却用スロットを有することを特徴とする請求項３に記載のタービンエンジン構成要素。
10. 前記周辺通路の各々が、冷却流体を前記送給キャビティ内に吐出する少なくとも１つの吐出口を有することを特徴とする請求項３に記載のタービンエンジン構成要素。
11. 前記送給キャビティ内に配置された少なくとも１つのトリップストリップをさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のタービンエンジン構成要素。
12. 前記少なくとも１つの周辺通路が、前記エアフォイル部の前記前縁の周囲に巻き付くことを特徴とする請求項３に記載のタービンエンジン構成要素。
13. 前記タービンエンジン構成要素が、高圧タービンブレードを含む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要素。
14. タービンエンジン構成要素のエアフォイル部の前縁内の冷却の実効性を改良するプロセスであって、
    前記エアフォイル部に、送給キャビティを有する冷却システムを設けるステップと、
    冷却流体を前記送給キャビティ内に流通させるステップと、
    前記冷却システムをコリオリ力の影響を受けないようにさせるステップと、
    を含むプロセス。
15. 前記コリオリ力の影響を受けないようにするステップが、前記前縁内に少なくとも１つの周辺通路を設け、前記送給キャビティ内を流れる前記冷却流体の一部を、前記タービンエンジン構成要素に作用するコリオリ力の結果として、前記少なくとも１つの周辺通路内に流入させることを含むことを特徴とする請求項１４に記載のプロセス。
16. 前記周辺通路の各々に少なくとも１つの入口を設け、前記入口の各々を前縁スキンカバー内に過剰な機械的応力が生じない圧力レベルを確保するように寸法決めすることをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載のプロセス。
17. 前記少なくとも１つの周辺通路内を流れる流体が、前記送給キャビティに戻ることを防ぐことをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載のプロセス。
18. 前記周辺通路の各々に少なくとも１つの吐出口を設け、前記周辺通路の各々からの冷却流体が前記送給キャビティ内に流入することを可能にすることをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載のプロセス。
19. 前記送給キャビティに少なくとも１つの乱流機構を設けることによって、前記送給キャビキィ内の冷媒の熱吸収を高めることをさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載のプロセス。

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