JP2011202656A - エーロフォイルの冷却孔フラグ領域 - Google Patents

Abstract

【課題】フラグ領域を備えた冷却孔を有するエーロフォイルを提供すること。
【解決手段】本体（２０）を含み、本体（２０）が、本体（２０）から熱を除去するためのクーラント（１１）の供給を受容可能であるように構成されている、略径方向に延在している冷却孔（３０）と、冷却孔（３０）と流体連通することができ、それによりクーラントの一部がフラグ領域（４０）の内部で渦を形成するように方向付けられて、冷却孔（３０）を通るクーラント流によって実現される以上に本体（２０）からの熱除去を高めるように、クーラント（１１）の供給の一部を受容可能であるように構成されているフラグ領域（４０）と、を内部に画定するように形成されている、エーロフォイル（１０）が提供される。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示されている発明の主題は、フラグ領域を備えた冷却孔を有するエーロフォイルに関する。

ガスタービンエンジンまたは蒸気タービンエンジンなどのタービンエンジンでは、流体から機械的エネルギーを抽出することにより出力および／または電力の産出を促進するように構成されているブレードに、比較的高温の流体が接触する。このプロセスは所与の期間の間に長期間にわたって高効率である可能性があるが、高温流体は、性能を劣化させ運転コストを増大させる可能性がある損傷の原因となる傾向がある。

したがって、ブレードを冷却して、早期故障を少なくとも防止するかまたは遅延させることがしばしば必要であり望ましい。これは、ブレードに比較的冷たい圧縮空気を送達することにより達成することができる。多くの従来型ガスタービンでは、詳細には、この圧縮空気はブレードの各々の底部に進入し、径方向に１つまたは複数の丸い機械加工された通路を通って流動して、対流と伝導との組合せによりブレードを冷却する。

これらの従来型ガスタービンでは、流体の温度が上昇するにつれて、ブレードを通過する冷却流量を増やすことが必要になる。この増やされた流量は、冷却孔の大きさを大きくすることにより達成することができる。しかし、冷却孔の大きさが大きくなると、ブレードの外面までの各孔の壁厚が減少し、最終的に、ブレードの製造可能性および構造的完全性を維持するのに必要な最小壁厚に達する。

米国特許出願公開第２００９／００２３０２５号公報

ガスタービンのブレードを冷却する。

本発明の一態様によれば、本体を備え、本体が、本体から熱を除去するためのクーラントの供給を受容可能であるように構成されている、略径方向に延在している冷却孔と、冷却孔と流体連通することができ、それにより、クーラントの一部がフラグ領域の内部で渦を形成するように方向付けられて、冷却孔を通るクーラント流によって実現される以上に本体からの熱除去を高めるように、クーラントの供給の一部を受容可能であるように構成されているフラグ領域と、を内部に画定するように形成されている、エーロフォイルが提供される。

本発明の別の態様によれば、タービンバケットのエーロフォイルが提供され、エーロフォイルは、反対側の前縁と後縁との間に軸方向にかつ内側部分と外側部分との間に径方向に延在している反対側の正圧面と負圧面とを有する本体を含み、本体は、クーラントがその長さに沿って流れて本体から熱を除去するようにクーラントの供給を受容可能であるように構成されている、略径方向に延在している冷却孔を、内部に画定するように形成されており、本体は、フラグ領域を内部に画定するようにさらに形成されており、フラグ領域が、冷却孔と流体連通することができ、それによりクーラントの一部がフラグ領域の内部で渦を形成するように方向付けられて、冷却孔を通るクーラント流によって実現される以上に本体からの熱除去を高めるように、クーラントの供給の一部を受容可能であるように構成されている。

これらおよび他の利点ならびに特徴が、図面と併用されている以下の記載からより明らかになるであろう。

本発明と見なされる発明の主題は、本明細書の終わりに特許請求の範囲において個々に示され、明確に特許請求されている。本発明の上記および他の特徴ならびに利点は、添付図面と併用されている以下の詳細な説明から明らかである。

エーロフォイルの斜視図である。 図１のエーロフォイルの垂直平面図である。 図１のエーロフォイルの垂直平面図である。 さらなる実施形態によるエーロフォイルの斜視図である。 さらなる実施形態によるエーロフォイルの斜視図である。

詳細な説明は、図面を参照して、例として、利点および特徴と共に本発明の実施形態を説明している。

図１〜図３を参照すると、タービンバケットのエーロフォイル１０が提供されている。エーロフォイル１０は、クーラント１１と、反対側の前縁２３と後縁２４との間に軸方向にかつ内側部分２５と外側部分２６との間に径方向に延在している反対側の正圧面２１および負圧面２２を有する本体２０とを含む。

本体２０は、エーロフォイルブレード本体であってもよく、クーラント１１がその長さに沿って流れて本体２０から熱を除去するようにクーラント１１の供給を受容可能であるように構成されている、略径方向に延在している冷却孔３０を、内部に画定するように形成されている。冷却孔３０は、例えば楕円形、レーストラック状、矩形等などの、卵形形状または丸形形状または非卵形形状または非丸形形状であってもよい。本体２０は、さらに、フラグ領域４０を内部に画定するように形成されている。フラグ領域４０は、冷却孔３０と流体連通することができ、それにより、クーラント１１の一部がフラグ領域４０の内部で渦１２を形成するように方向付けられように、クーラント１１の供給の一部を受容可能であるように構成されている。渦の形成により、冷却孔３０を通るクーラント１１の流動によって実現される以上に本体２０からの熱除去が高める。

フラグ領域４０の幅Ｗが、円周方向に冷却孔３０の幅と実質的に類似していてもよい。フラグ領域４０は、冷却孔３０の最大円周幅の位置から軸方向で接線方向に延在している。フラグ領域４０の隅部４１が、直角を有して画定されていてもよく、場合によっては、フラグ領域４０は、径方向および軸方向の少なくとも一方において、略矩形または略正方形の断面を有するように形成されていてもよい。

図４および図５を参照して、フラグ領域４０は略矩形の形状を有するように前述されているが、これは例示的に過ぎないこと、および他の形状および構成が可能であることを理解されたい。例えば、図４に示されている通り、フラグ領域４０は、場合によっては、丸形または非丸形の直角または非直角の縁部を有する非矩形形状４０１を有していてもよい。同様に、図５に示されている通り、フラグ領域４０はまた、対称形状または非対称形状４０２を有していてもよい。各場合において、以下に記載されている通り、形状およびフラグ領域４０と別のフラグ領域４０との間の径方向の間隔は、冷却孔３０の長さに沿って変化してもよい。

図１に示されている通り、フラグ領域４０は数が複数であってもよい。複数のフラグ領域４０は、径方向に冷却孔３０に沿って配列されていてもよい。いくつかの実施形態では、複数のフラグ領域４０は、径方向に冷却孔３０の長さ全体に沿って配列されていてもよい。逆に、複数のフラグ領域４０は、冷却孔３０の長さの一部分のみに沿って配列されていてもよい。

複数のフラグ領域４０はそれぞれ、同様の形状、場合によっては異なる形状を有していてもよく、互いに一直線に揃ってまたはずれていてもよい。フラグ領域４０がずれている場合、本体２０の捻じれに従って、ずれの度合いが設定されている。しかし、フラグ領域４０が互いにずれている場合でも、それらは依然として少なくとも１つの次元において一直線に揃っている可能性がある。例えば、図２に示されている通り、たとえ図２から明らかでない形で本体２０が捻じれている場合でも、フラグ領域４０は、径方向に一直線に揃っている。

複数のフラグ領域４０はまた、フラグ領域４０が径方向に互いに一直線に揃っておりかつエーロフォイル材料の領域により分離されているので、径方向に不連続であり得る。ここで、径方向に不連続の複数のフラグ領域４０は、エーロフォイル１０の既知の加熱プロファイルに基づいて決定される均一の径方向距離または可変の径方向距離のどちらかだけ互いに間隔を置いて配置されていてもよい。

図３に示されている通り、フラグ領域４０は、正圧面２１および負圧面２２から実質的に等距離の所にあってもよく、不可欠ではないが前縁２３より後縁２４に近接していてもよい。フラグ領域４０を画定している少なくとも１つの側壁４２が、正圧面２１および負圧面２２のうちの少なくとも１つの局所部分４３と略すなわちほとんど平行であってもよい。しかし、いずれの場合でも、フラグ領域４０と正圧面２１および負圧面２２との間の壁厚Ｔ_Ｗが、少なくとも所定の最小の厚さである。この所定の最小の厚さは、エーロフォイル１０の操作性および製造可能性を維持する最小の厚さであるべきである。

本発明のさらなる態様によれば、エーロフォイル１０は、各冷却孔３０に０個、１つまたは複数のフラグ領域４０が付随している状態で複数の冷却孔３０を有して画定されていてもよい。例えば、一連の冷却孔３０が、最下流の１つまたは２つの冷却孔３０のみがフラグ領域４０を有している状態で、エーロフォイル１０のチャンバラインに沿って軸方向に配列されていてもよい。

本発明のさらにさらなる態様によれば、冷却孔３０およびフラグ領域４０は、電解加工（ＥＣＭ：ｅｌｅｃｔｒｏ−ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）等などの機械加工工程によりエーロフォイル１０の内部に形成されていてもよい。詳細には、試験を行ってエーロフォイル１０がどこで最も安全レベルを超えて加熱される可能性があるかを実証することにより、エーロフォイル１０の加熱プロファイルが決定されてもよい。次に、冷却孔３０およびフラグ領域４０をそれらの領域に機械加工することにより、内部のより低い温度を維持することができる。

さらに、エーロフォイルの小部分のみが安全レベルを超えて加熱される傾向があることが分かった場合、冷却孔３０およびフラグ領域４０の機械加工を、その小部分に厳密に限定することができる。したがって、冷却孔３０およびフラグ領域４０の構造衝撃を、例えば高応力の局所領域に関して、実質的に低減することができる。

本発明が、限られた数の実施形態のみに関連して詳細に記載されたが、本発明がそのような開示された実施形態に限定されないことは容易に理解されるはずである。むしろ、本発明を変更して、前述されていないが本発明の精神および範囲に相応する任意の数の変形形態、修正、置換、または等価の装置を組み込むことができる。さらに、本発明の種々の実施形態が記載されたが、本発明の態様が、記載された実施形態のうちのいくつかのみを含んでいてもよいことを理解されたい。したがって、本発明は、上記記載により制限されると見なされるべきではなく、添付の特許請求の範囲の範囲によって制限されるだけである。

１０ エーロフォイル
１１ クーラント
１２ 渦
２０ 本体
２１ 正圧面
２２ 負圧面
２３ 前縁
２４ 後縁
２５ 内側部分
２６ 外側部分
３０ 冷却孔
４０ フラグ領域
Ｗ 幅
４１ 隅部
４０１ 非矩形形状
４０２ 非対称形状
４２ 側壁
４３ 局所部分
Ｔ_Ｗ 壁厚

Claims (10)

1. 本体（２０）を備え、前記本体（２０）が、
   前記本体（２０）から熱を除去するためのクーラント（１１）の供給を受容可能であるように構成されている、略径方向に延在している冷却孔（３０）と、
   前記冷却孔（３０）と流体連通することができ、それにより前記クーラントの一部がフラグ領域（４０）の内部で渦を形成するように方向付けられて、前記冷却孔（３０）を通る前記クーラント流によって実現される以上に前記本体（２０）からの熱除去を高めるように、前記クーラント（１１）の前記供給の一部を受容可能であるように構成されている、フラグ領域（４０）と、を内部に画定するように形成されている、
   エーロフォイル（１０）。
2. 前記フラグ領域（４０）の幅が、少なくとも１つの次元において前記冷却孔（３０）の幅と類似している、請求項１記載のエーロフォイル（１０）。
3. 前記フラグ領域（４０）が複数であり、径方向に前記冷却孔（３０）に沿って配列されている、請求項１記載のエーロフォイル（１０）。
4. 前記複数のフラグ領域（４０）がそれぞれ、類似した形状を有する、請求項３記載のエーロフォイル（１０）。
5. 前記径方向に不連続の複数のフラグ領域（４０）が、均一の径方向距離だけ互いに間隔を置いて配置されている、請求項３記載のエーロフォイル（１０）。
6. 前記複数のフラグ領域（４０）が、前記冷却孔（３０）の長さに沿って変化する形状および径方向間隔を有する、請求項３記載のエーロフォイル（１０）。
7. タービンバケットのエーロフォイル（１０）であって、
   反対側の前縁（２３）と後縁（２４）との間に軸方向にかつ内側部分（２５）と外側部分（２６）との間に径方向に延在している反対側の正圧面（２１）および負圧面（２２）を有する本体（２０）であり、クーラント（１１）がその長さに沿って流れて前記本体（２０）から熱を除去するように、前記クーラント（１１）の供給を受容可能であるように構成されている、略径方向に延在している冷却孔（３０）を、内部に画定するように形成されている、本体（２０）を備え、
   前記本体（２０）が、フラグ領域（４０）を内部に画定するようにさらに形成されており、前記フラグ領域（４０）が、前記冷却孔（３０）と流体連通することができ、それにより前記クーラントの一部が前記フラグ領域（４０）の内部で渦を形成するように方向付けられて、前記冷却孔（３０）を通る前記クーラント流によって実現される以上に前記本体（２０）からの熱除去を高めるように、前記クーラント（１１）の前記供給の一部を受容可能であるように構成されている、
   エーロフォイル（１０）。
8. 前記フラグ領域（４０）が、前記正圧面（２１）と前記負圧面（２２）とから実質的に等距離の所にある、請求項７記載のエーロフォイル（１０）。
9. 前記フラグ領域（４０）が、前記前縁（２３）より前記後縁（２４）に近接している、請求項７記載のエーロフォイル（１０）。
10. 前記フラグ領域（４０）を画定している少なくとも１つの側壁（４２）が、前記正圧面（２１）および負圧面（２２）のうちの少なくとも１つの局所部分と略平行である、請求項７記載のエーロフォイル（１０）。