JP2011069359A - ファーストバックタービュレータ構造及びこれを組み込んだタービンノズル - Google Patents

Abstract

【課題】高速流のよどみを阻止するファーストバックタービュレータを提供すること。
【解決手段】熱伝達装置は、所定の流れ方向で流体流に露出される壁（６６）を定める部材（１８）と、壁上に配置される複数のタービュレータ（１００）とを含む。各タービュレータ（１００）は、流れ方向にほぼ面する直立前面（１０２）と、前面（１０２）から壁（６６）に先細になったランプ状形状を定める背面（１０４）とを含む。
【選択図】 図７

Description

本出願は、２００９年９月２４日に出願された暫定特許出願６１／２４５，６４９の利益を主張する。本発明は、全体的に、ガスタービンエンジンにおける熱伝達に関し、より詳細には、このようなエンジンの構造物を冷却するための装置に関する。

ガスタービンエンジンは、高圧圧縮機、燃焼器、及び高圧タービン（「ＨＰＴ」）を直列流れの関係で有するターボ機械コアを含む。コアは、一次ガス流を生成するよう既知の方法で動作可能である。高圧タービンは、燃焼器から回転ブレード又はバケットに流出するガスを配向する固定ベーン又はノズルの環状アレイ（「列」）を含む。全体として、ノズルの１つの列及びブレードの１つの列が１つの「段」を構成する。通常、２つ又はそれ以上の段が直列流れの関係で使用される。燃焼器及びＨＰＴ構成部品は、極めて高温の環境で動作し、十分な耐用年数を確保するために空気流により冷却する必要がある。

空気流の冷却は、例えば高圧圧縮機などのエンジンの上流側部分から取り出された比較的低温の「ブリード」空気を利用して、当該ブリード空気を高温の下流側構成部品に送給することによって行われる。ブリード空気は、例えば、内部対流冷却又はフィルム冷却を通じて、多くの方法で加えることができる。対流冷却において用いられる場合、ブリード空気は、蛇行通路又は他の構造体を通って送られることが多く、冷却空気が通過したときに圧力損失が発生する。ブリード空気がエンジンサイクルに対する損失を示し、効率を低下させるので、熱伝達速度を最大にして、これによりできる限り最小量の冷却流を使用することが望ましい。この理由から、乱流プロモータすなわち「タービュレータ」などの熱伝達改善構造体が冷却表面上に形成されることが多い。

タービュレータは、正方形、矩形、又は他の対称的断面を有する細長いストリップ又はリブであり、流れ方向に対してほぼ横方向に整列される。タービュレータは、構成部品表面にて境界層を「トリップ」し、熱伝達を増大させる乱流を生成するよう機能する。これにより冷却効果が向上する。従来のタービュレータを使用することに関する１つの問題は、各タービュレータの下流側に流れのよどみゾーンが存在することである。このゾーンは、冷却空気中に必然的に同伴される塵埃をタービュレータの後方に堆積し蓄積させる。この蓄積は、熱伝達を低下させ、更に望ましくない摩耗を引き起こす可能性がある断熱層である。

効果的な冷却を必要とする特定のガスタービンエンジン構造の１つの実施例は、ＨＰＴノズルである。ＨＰＴノズルは、ノズルを通る一次流路を定める環状の内側及び外側バンド間に延びる翼形部形ベーンのアレイとして構成されることが多い。一部の従来技術のＨＰＴノズルは、後方内側バンド上に設計意図を上回る温度を生じることがある。これは、エンジンの低サイクル数の時の酸化に起因して、後方内側バンドの損失を招いた。この材料損失は、一連の望ましくない事象を誘起する可能性があり、深刻なエンジン故障につながる。例えば、多段ＨＰＴでは、第１段ノズル内側バンドの後方部分の損失は、第１段ノズルと、隣接する第１段ブレードの前方回転シール部材すなわち「エンジェルウィング」との間で高温ガスの吸込みを生じる場合がある。次いで、吸い込んだ一次流は、第１段ロータディスクの前方冷却プレートを加熱して、これに亀裂を生じさせる可能性がある。冷却プレートに亀裂が生じると、高温の空気が第１段ロータディスクを加熱し、ディスクポストに損傷を与え、第１段タービンブレードの放出につながる可能性がある。

従来技術のこれら及び他の欠点は、高速流のよどみを阻止する「ファーストバック」タービュレータを提供する本発明により対処される。

本発明の１つの態様によれば、熱伝達装置は、（ａ）所定の流れ方向で流体流に露出される壁を定める部材と、（ｂ）壁上に配置される複数のタービュレータと、を含み、各タービュレータが、（ｉ）流れ方向にほぼ面する直立前面と、（ｉｉ）前面から壁に先細になったランプ状形状を定める背面とを有する。

本発明の別の態様によれば、タービンノズルは、（ａ）中空の翼形部形タービンベーンと、（ｂ）タービンベーンの第１の端部に配置され、タービンベーンに隣接する流路面と対向する背面とを有する弓状の第１のバンドと、を備え（ｃ）裏面が、該裏面から凹状にされた底壁により部分的に定められる少なくとも１つの開放ピケットを含み、底面の対向する端部が裏面と併合され、ここでピケットが所定の流れ方向で流体流に露出され、タービンノズルが更に、（ｄ）底壁上に配置される複数のタービュレータを備え、各タービュレータが、（ｉ）流れ方向にほぼ面する直立前面と、（ｉｉ）前面からポケットの底面に先細になったランプ状形状を定める背面と、を有する。

本発明の１つの態様に従って構成された、ガスタービンエンジンの高圧タービンセクションの断面図。 タービンノズルセグメントの斜視図。 タービンノズルセグメントの別の斜視図。 図２のタービンノズルセグメントの底面図。 図２のタービンノズルセグメントの横断面図。 図２のタービンノズルセグメントの断面図。 複数のタービュレータが付加された、図２のタービンノズルセグメントの内側バンドの一部の横断面図。 図７の一部の拡大図。

本発明は、添付図面の図と共に以下の説明を参照することによってより理解することができる。

複数の図を通して同じ参照符号が同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、公知のタイプのガスタービンエンジン部分である高圧タービン１０の一部を示している。高圧タービン１０の機能は、上流側燃焼器（図示せず）からの高温の加圧燃焼ガスからエネルギーを取り出し、このエネルギーを公知の方法で機械的仕事に変換することである。高圧タービン１０は、シャフトを通じて上流側圧縮機（図示せず）を駆動し、加圧空気を燃焼器に供給するようにする。

例示の実施例では、エンジンはターボファンエンジンであり、低圧タービン（図示せず）は、ガス発生器タービン１０の下流側に位置付けられ、ファンを駆動するシャフトに結合される。しかしながら、本明細書で記載される原理は、ターボプロップ及びターボジェットエンジン、並びに他の移動体又は定置用途で使用されるタービンエンジンにも等しく適用可能である。

高圧タービン１０は、複数の円周方向に間隔を置いて配置され、翼形部形で中空の第１段ベーン１４を備えた第１段ノズル１２を含み、該ベーンは、弓形のセグメント化された第１段外側バンド１６と、弓形のセグメント化された第１段内側バンド１８との間に支持される。第１段ベーン１４、第１段外側バンド１６、及び第１段内側バンド１８は、複数の円周方向に隣接したノズルセグメントに配列されて、全体として完全な３６０°組立体を形成する。第１段外側及び内側バンド１６及び１８は、第１段ノズル１２を通って流れる高温ガスストリームに対する外側及び内側半径方向流路境界をそれぞれ定める。第１段ベーン１４は、燃焼ガスを第１段ロータ２０に最適に配向するよう構成される。

第１段ロータ２０は、エンジン回転軸線の周りを回転する第１段ディスク２４から外向きに延びる翼形部形第１段タービンブレード２２のアレイを含む。セグメント化された弓形の第１段シュラウド２６は、第１段タービンブレード２２を近接して囲み、これにより第１段ロータ２０を通って流れる高温ガスストリームの外側半径方向流路境界を定めるよう配列される。

第２段ノズル２８は、第１段ロータ２０の下流側に位置付けられ、複数の円周方向に間隔を置いて配置され、翼形部形で中空の第２段ベーン３０を備え、該ベーンは、弓形のセグメント化された第２段外側バンド３２と、弓形のセグメント化された第２段内側バンド３４との間に支持される。第２段ベーン３０、第２段外側バンド３２、及び第２段内側バンド３４は、複数の円周方向に隣接したノズルセグメントに配列されて、全体として完全な３６０°組立体を形成する。第２段外側及び内側バンド３２及び３４は、第２段ノズル３４を通って流れる高温ガスストリームに対する外側及び内側半径方向流路境界をそれぞれ定める。第２段ベーン３０は、燃焼ガスを第２段ロータ３８に最適に配向するよう構成される。

第２段ロータ３８は、エンジン回転軸線の周りを回転する第２段ディスク４２から外向きに延びる翼形部形第２段タービンブレード４０の半径方向アレイを含む。セグメント化された弓形の第２段シュラウド４４は、第２段タービンブレード４０を近接して囲み、これにより第２段ロータ３８を通って流れる高温ガスストリームの外側半径方向流路境界を定めるよう配列される。

図２及び３は、第１段ノズル１２を構成する複数のノズルセグメント４６の１つを示している。ノズルセグメント４６は、２つの個別の「シングレット」鋳造物４８を含み、並んで配列され、例えば、ろう付けによって互いに接合されて一体構成部品を形成する。各シングレット４８は、ニッケル基又はコバルト基の「超合金」などの好適な高温特性を有する公知の材料から鋳造され、外側バンド１６のセグメント、内側バンド１８のセグメント、及び中空の第１段ベーン１４を含む。本明細書で記載される概念は、「ダブレット」鋳造物並びに複数ベーン鋳造物及び連続タービンノズルリングから作られるタービンノズルにも等しく適用可能である。

内側バンド１８は、流路面５４と、対向する背面５６とを有する。１つ又はそれ以上の開放ポケット５８が背面５６内に形成される。ポケット５８は、鋳造物に組み込むことにより、又は機械加工により、或いはこれらの技法の組み合わせによって形成することができる。

図４から６は、ポケット５８をより詳細に示している。各ポケット５８は、開放周縁部６０を有する。ポケットの形状は、前方壁６２、後方壁６４、及び底壁６６によって境界付けられ、全体的に定められる。前方及び後方壁６２及び６４は、互いに平行なほぼ平面であり、半径方向に整列している。これらの形状は、本発明の動作にとって重要ではない。

底壁６６は、第１及び第２の端部６８及び７０間をほぼ円周方向に延びる。底壁６６は、背面５６及び２つの末端部分７４から凹状にされた中央部分７２を含む。末端部分７４は、中央部分７２と背面５６との間にランプ部を形成する。中央部分７２は、円弧の一部、又は別の好適な湾曲輪郭を定めることができる。

底壁６６が背面５６から半径方向にオフセットした距離は、ポケット５８の「深さ」と呼ばれ、「Ｄ」で表記される。「Ｄ」の特定の値は、ポケット５８の各位置で変化し、一般に、ポケット５８の円周方向中央付近で最も大きくなり、端部６８及び７０においてゼロにまで先細になる。重量軽減の目的で、深さ「Ｄ」をできる限り大きくするのが望ましい。達成可能な最大深さは、「Ｔ」で示される（図５を参照）、内側バンド１８及びベーン１４の最小許容可能な材料厚みにより制限される。例証として、最小厚みは、約１．０ｍｍ（０．０４０インチ）とすることができる。

図７は、ポケット５８の輪郭を断面で示している。末端部分７４の各々は、内側バンド１８の背面５６に対して非垂直且つ非平行な角度θで配置される。角度θは、特定の用途に適合するように変わることになるが、解析により、約２０°又はそれ未満のランプ角度が再循環を最小化又は排除すると示唆される。何れの場合においても、底壁６６は、内部コーナーを構成するどのような鋭利な移行部又は小半径湾曲部も実質的に存在しない。末端部分７４と背面５６との交点には円滑な移行領域を設けることができる。例えば、背面５６に対して約２°から約３°の角度で配置され、末端部分７４まで円滑な丸みが設けられた導入セクション７６、又は簡単な凸面状の丸み形状を用いることができる。

図７に示すように、ポケット５８は、任意選択的に、一般に「タービュレータ」１００と呼ばれる複数の乱流プロモータを備えることができる。タービュレータ１００は、ポケット５８にわたって延びる隆起リブである。これらは、矢印「Ｆ」で示される、ポケット５８にわたり流れ方向に対しほぼ横方向に整列されるが、必要であれば、空気流に対して異なる角度の向きにすることができる。タービュレータ１００は、構成部品表面（すなわち、底壁６６）にて境界層を「トリップ」し、空気がこれらを通過するときに熱伝達を増大させる乱流を生成するよう機能する。これにより冷却効果が向上する。

上述の先行技術のタービュレータとは異なり、タービュレータ１００は、流れのよどみ及び塵埃蓄積を避けるような形状にされる。詳細には、図８を参照すると、各タービュレータ１００は、冷却流の方向にほぼ面した直立前面１０２と、前面１０２からポケット５８の底壁６６に先細にされたランプ状形状（又は傾斜面形状）を定める背面１０４とを有する。この一般的な形状は、本明細書では「ファーストバック」形状と呼ばれる。丸みのある又は融合された形状は、前面１０２と背面１０４との間の接合部で形成することができる。

底壁６６の上方のタービュレータ１００のピーク高さ「Ｈ」は、従来技術の実施に従って選択され、各タービュレータ１００が乱流生成に有効であるように十分に大きく、すなわち、タービュレータ１００は、鋳造構成部品表面における表面欠陥よりも有意に高いが、一般に有意な流れ閉塞を形成するほど大きくはない。例えば、高さ「Ｈ」は、約０．１８ｍｍ（０．００７インチ）から約０．６４ｍｍ（０．０２５インチ）とすることができる。約０．２５ｍｍ（０．０１０インチ）の高さは、図示の特定の実施例において好ましい値であると考えられる。

タービュレータ１００は、冷却空気流の方向で互いに距離「Ｓ」だけ間隔を置いて配置され、該「Ｓ」は、特定の用途に適合するように選択される。一般的な経験則として、距離Ｓは、高さＨの約８から１０倍とすることができる。

図示のように、背面１０４は、その表面の大部分にわたって実質的に平面であり、タービュレータ１００に夾角ψを与えるように傾斜している。角度ψは、各タービュレータ１００が適切な全長（すなわち、冷却空気流の方向）を有するように十分に大きいが、作動中によどみゾーンが存在するほど大きくないように選択される。例証として、角度ψは約２０°又はそれ未満とすることができる。約７°の角度ψが再循環を阻止するのに好ましい値であると考えられる。各タービュレータ１００の背面１０４は、下流側タービュレータの前面１０２の根元まで延びることができ、或いは、各タービュレータ１００間に底壁６６の露出部分を残して、より短い距離で終端することができる。

タービュレータ１００は、平面形状を有する必要はなく、例えば、背面は、凸面状に湾曲した翼形部状の形状（図示せず）とし、タービュレータ１００全体にわたる流れのコアアンダ効果を最小限にし、更に流れ剥離を阻止するようにすることができる。

作動時には、比較的低温の空気のかなりのパージ流が、内側バンド１８の背面５６と接触して二次空気流路内で生じる。その速度は、主に接線方向（すなわち、図１のページの内外、及び図７の矢印「Ｆ」の方向）である。タービュレータ１００は、空気が通過するときに熱伝達を増大させる乱流を生成する。タービュレータのファーストバック形状は、よどみ、境界層分離、及びタービュレータ１００間の塵埃蓄積を阻止する。

上述の「ファーストバック」タービュレータ構造は、タービンノズルだけでなく、熱伝達強化を必要とするあらゆる構造体、詳細には、従来技術のタービュレータを使用することができるあらゆる構造体において使用可能である。このような構造体の非限定的な実施例は、ガスタービンエンジン燃焼器ライナ、固定（すなわちフレーム）構造体、タービンシュラウド及びハンガー、タービンディスク及びシール、並びにノズル及びブレードなどの固定又は回転エンジン翼形部の内部が挙げられる。従って、上述の構成部品は、単に、タービュレータが配置され、流体流に曝される壁を有する熱伝達構造体の代表的な１つの実施例とみなすべきである。ファーストバックタービュレータは、構成部品の鋳造物に組み込むことができ、又は既存の表面に機械加工することができ、或いは、表面に取り付けられる別個の構造体として設けることができる。これらは、高速流の領域、及びスワール流が支配的な場所において特に有効と考えられる。

以上、ファーストバックタービュレータ及びタービンノズルバンドのポケット幾何形状について説明した。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、本発明の技術的思想及び範囲から逸脱することなく種々の修正形態を実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。従って、本発明の好ましい実施形態及び本発明を実施する最良の形態に関する上記の説明は、限定ではなく例示の目的で提供されたものである。

１８ 内側バンド
５６ 背面
５８ ポケット
６６ 底壁
７４ 末端部分
１００ タービュレータ
１０２ 直立前面
１０４ 背面

Claims (14)

1. 所定の流れ方向で流体流に露出される壁（６６）を定める部材（１８）と、
   前記壁（６６）から延びる複数のタービュレータ（１００）と、
   を備え、前記各タービュレータ（１００）が、前記流れ方向にほぼ面する直立前面（１０２）と、前記前面（１０２）から前記壁（６６）に先細になったランプ状形状を定める背面（１０４）とを有する、
   熱伝達装置。
2. 前記タービュレータ（１００）が、前記壁（６６）の上方のタービュレータ（１００）のピーク高さの約８から１０倍の距離だけ流れ方向で互いに離間している、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記背面（１０４）の各々が、前記壁（６６）と約２０°又はそれ未満の角度を形成する、
   請求項１に記載の装置。
4. 前記背面（１０４）の各々が、前記壁（６６）と約７°の角度を形成する、
   請求項１に記載の装置。
5. 前記各タービュレータ（１００）が、前記壁（６６）の上方に約０．１８ｍｍ（０．００７インチ）から約０．６４ｍｍ（０．０２５インチ）のピーク高さを有する、
   請求項１に記載の装置。
6. 前記各タービュレータ（１００）が、前記壁（６６）の上方に約０．２５ｍｍ（０．００１０インチ）のピーク高さを有する、
   請求項１に記載の装置。
7. 前記各タービュレータ（１００）の背面（１０４）が、下流側タービュレータ（１００）の前面（１０２）の根元まで延びる、
   請求項１に記載の装置。
8. 前記部材が、少なくとも１つの中空の翼形部形タービンベーンを含むタービンノズルの弓形の第１のバンド（１８）であり、前記第１のバンド（１８）が、前記タービンベーンに隣接する流路面と、対向する背面（１０４）とを含み、前記背面（１０４）は、前記タービュレータ（１００）が延びる壁を定める底壁（６６）により部分的に定められる開放ポケットを含む、
   請求項１に記載の装置。
9. 前記底壁（６６）が、前記底壁（６６）と前記背面（１０４）との間に延びる対向する前方及び後方壁により境界付けられる、
   請求項８に記載の装置。
10. 前記前方及び後方壁が、ほぼ平面で且つ互いに平行である、
    請求項８に記載の装置。
11. 前記第１のバンド（１８）から前記タービンベーンの対向する端部にて配置される弓状の第２のバンドを更に備える、
    請求項８に記載の装置。
12. 前記第１及び第２のバンド間に複数の中空の翼形部形タービンベーンが配置される、
    請求項１１に記載の装置。
13. 前記底壁（６６）が、末端部分間に配置される中央部分を含み、前記末端部分の各々が、前記背面（１０４）と前記底壁（６６）の中央部分との間にランプ部を形成する、
    請求項８に記載の装置。
14. 前記末端部分の各々が、前記背面（１０４）と約２０°又はそれ未満の角度を形成する、
    請求項８に記載の装置。

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