JP2013155733A - ガスタービンのパターンスワールフィルム冷却 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルム冷却を向上させ、フィルム冷却の有効範囲を広げ、冷却効果を増大させること。
【解決手段】タービンエーロフォイルは、前縁および後縁ならびに内部冷却回路を有する動翼と、内部冷却回路と動翼の外側との間に延在する複数のフィルム穴とを含む。複数のフィルム穴が、前縁に隣接してフィルム穴を出るスワール流れを生成するように成形されることで、局所的な対流を高め、ガス経路の流れに対する絶縁壁を形成する。
【選択図】図１

Description

本出願は一般に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、ガスタービンエンジン内で利用されるエーロフォイルをフィルム冷却するための方法および装置に関する。

ガスタービンエンジンは典型的には、圧縮機、燃焼器およびタービンを含む。圧縮機に進入する空気流は、圧縮され、燃焼器に向けられ、そこで燃料と混ぜ合わされ、着火され、タービンを駆動するために使用される高温の燃焼ガスを生成する。ガスタービンエンジンのタービン部分で使用される動翼と静翼はそれぞれ、エンジン流路を半径方向に横切るように延びるエーロフォイル部分を有する。エンジンの作動中、タービンの動翼と静翼は、機械的故障や腐食をもたらし得る上昇した温度に曝される。したがって、動翼と静翼を温度耐性のある合金から作製し、エーロフォイルおよび他の流路に曝された面に耐食性の熱的に絶縁されたコーティングを適用することが一般的な慣例である。またエーロフォイルの内部に冷却剤を流すことによって、エーロフォイルを冷却するのが一般に普及した慣例である。

例えばタービン静翼すなわちロータブレードは典型的には、中空のエーロフォイルを含んでおり、その外側は高温の燃焼ガスに曝され、その内側には冷却流体が供給され、この流体は典型的には圧縮空気である。エーロフォイルは、前縁および後縁と、圧力側および吸込み側を含んでいる。圧力および吸込み側は、エーロフォイルの前縁と後縁において接続されており、エーロフォイルの根元とエーロフォイルの先端との間に半径方向に及んでいる。エーロフォイル内に形成された内部冷却回路と、エーロフォイルの外面との間に、フィルム冷却穴が延在している。フィルム冷却穴は、内部冷却回路からエーロフォイルの外側に冷却流体を送ることで、エーロフォイルをフィルム冷却する。

米国特許第６６４４９２０号公報

冷却穴にあるらせん形のリブを使用して、リブの回転と同一方向に長手方向の渦流の二次的な流れの組を生成する。フィルム穴におけるこのような既知の挙動を利用して、フィルム冷却を向上させ、フィルム冷却の有効範囲を広げ、冷却効果を増大させることが望ましい。

例示の一実施形態では、タービンエーロフォイルは、翼弦方向に反対に位置する前縁と後縁において一緒に接合された圧力側壁と、吸込み側壁を備えた動翼、ならびに前縁に隣接して圧力側壁と吸込み側壁との間に配置された少なくとも１つの冷却穴を含む。複数の湾曲したフィルム穴が、少なくとも１つの冷却穴と動翼の外側との間に延在する。

別の例示の実施形態では、タービンエーロフォイルは、前縁と後縁と内部冷却回路を有する動翼と、内部冷却回路と動翼の外側との間に延在する複数のフィルム穴を含む。複数のフィルム穴は、前縁に隣接してフィルム穴を出るスワール流れを生成するように成形されることで、局所的な対流を高め、ガス経路の流れに対する絶縁壁を形成する。

さらに別の例示の実施形態では、タービンエーロフォイルのフィルム冷却方法は、冷却空気を内部冷却回路に送達するステップと、冷却空気を内部冷却回路から、内部冷却回路と動翼の外側との間に延在する複数のフィルム穴を通るように流すステップとを含む。この流すステップは、フィルム穴の中で冷却空気にスワールを生じさせるステップと、それによってガス経路の流れに対する絶縁壁を形成するステップを含む。

タービンエーロフォイルの動翼部の斜視図である。 らせん形のフィルム穴の例示の一配置を示す図である。 二重のらせん形のフィルム穴の図である。

フィルム冷却穴またはフィルム穴は、タービンの作動中、高温の燃焼ガスに曝されるタービンエーロフォイルを冷却するために現在のガスタービンにおいて広く使用されている。フィルム冷却穴は、複数の方法でエーロフォイルの冷却を実現する。先ずそれらは、エーロフォイルの表面のフィルム冷却を行なう。フィルム冷却は、作動環境より温度が低い特定の流体に影響される領域にわたって薄い流体の層を維持することによる本体または表面の冷却作用である。流体フィルムは、フィルム冷却面を、外部の作動環境から絶縁することで、外部の作動環境からエーロフォイルに流れ込む対流の熱移動を抑える。さらに冷却流体のフィルムはまた、エーロフォイルの表面から熱を除去する。次にフィルム冷却はまた、冷却空気が穴の長さに沿ってその中を流れる際、フィルム冷却穴を取り囲むエーロフォイルの側壁からの対流の熱移動を行ない、この側壁を冷却することができる。３番目にフィルム冷却穴は、エーロフォイルの冷却回路を通る通路によってエーロフォイルを冷却する際、加熱された冷却空気用の排気路を設けることによって熱を除去する。

図１は、タービンエーロフォイルの動翼部分１０を示す。動翼は、圧力側壁１２と吸込み側壁１４を含んでおり、これらは翼弦方向に反対に位置する前縁１６と後縁１８において一緒に接合されている。圧力側壁１２と吸込み側壁１４との間に配置された複数の冷却通路または穴２０によって、冷却回路が画定される。少なくとも１つの冷却穴２１が、前縁１６に隣接して位置決めされる。

フィルム穴またはフィルム冷却穴は、１つまたは複数の冷却穴２０から動翼の外側に延在することが知られている。フィルム冷却穴は典型的には直線であり、冷却穴２０から動翼の外側に冷却空気を誘導する。引き続き図１を参照しながら、図２も参照すると、好ましい実施形態によるエーロフォイルは、冷却穴２１と動翼１０の外側との間に延在する複数の湾曲したフィルム穴２２を含んでいる。すなわち冷却穴２１と動翼１０の外側との間の通路が、湾曲した、またはねじれた溝などを備えることで、フィルム穴２２を通りこれを出ていく空気流の向きが変わっている。フィルム穴の１つの例示の形状は、らせん形であるが、他の形状が企図される場合もあり、本発明は必ずしも、図面に示す構成に限定されることを意図されていない。らせん形または他の湾曲したまたはねじれた形状のフィルム穴２２によって、穴を出るフィルムの流れはもはや、真っ直ぐな経路ではなく、むしろスワール形のパターンであり、その結果この穴との局所的な対流を高め、ガス経路の流れに対する絶縁壁を形成する。

好ましくはらせん形のフィルム穴２２は、時計周りと反時計周りの両方向に向けられる。よって複数のらせん形のフィルム穴２２の隣接する穴を反対方向に向けることができる。このような構造の結果として、外に出る流れが、反対向きの渦流でスワールを生じ、さらに有利な設計の効果を高める。図２に示されるように、例示の一実施形態において、らせん形のフィルム穴２２の第１のグループ２４は、１つの方向に向けられ、第２のグループ２６は、反対方向に向けられる。示されるように、第１のグループ２４と第２のグループ２６は、動翼１０の長さに沿って交互に配置されてよい。図２に示される実施形態において、第１および第２のグループ２４、２６はそれぞれ、３つのらせん形のフィルム穴２２を備える。

さらに別の例示の構造では、図３を参照すると、らせん形のフィルム穴のうちの少なくとも１つは、二重のらせん形のフィルム穴２２０を備えてよい。すなわちフィルム穴２２０は、２つ（またはそれ以上）の組み合わされたらせん形の溝または通路を備えてよく、この経路を冷却空気が通過する。

らせん形のフィルム穴を備えた冷却回路は、フィルム冷却を向上させ、フィルム冷却の有効範囲を広げ、一般に冷却効果を増大させる役目を果たしている。スワールを生じる流れによってこの穴の中に局所的な対流を高め、またガス経路の流れに対する絶縁壁を形成する。

今のところ最も実用的で好ましい実施形態とみなされるものに関連して本発明を記載してきたが、本発明は、開示される実施形態に限定されるべきではなく、むしろ添付の特許請求の範囲の精神および範囲内に含まれる多様な修正形態および等価物および構成を包含するように意図されていることを理解されたい。

１０ 動翼
１２ 圧力側壁
１４ 吸込み側壁
１６ 前縁
１８ 後縁
２０、２１ 冷却穴
２２ 湾曲したフィルム穴
２４ 第１のグループ
２６ 第２のグループ
２２０ 二重のらせん形のフィルム穴

Claims (18)

1. 翼弦方向に反対に位置する前縁と後縁において一緒に接合された圧力側壁および吸込み側壁を含む動翼と、
   前記前縁に隣接して前記圧力側壁と前記吸込み側壁との間に配置された少なくとも１つの冷却穴と、
   前記少なくとも１つの冷却穴と前記動翼の外側との間に延在する複数の湾曲したフィルム穴とを備える、タービンエーロフォイル。
2. 前記湾曲したフィルム穴がらせん形である、請求項１記載のタービンエーロフォイル。
3. 前記複数のらせん形のフィルム穴が、時計方向と反時計方向に向けられる、請求項２記載のタービンエーロフォイル。
4. 前記複数のらせん形のフィルム穴の隣接する穴が反対方向に向けられる、請求項２記載のタービンエーロフォイル。
5. 前記らせん形のフィルム穴の第１のグループが、１つの方向に向けられ、前記らせん形のフィルム穴の第２のグループが、反対方向に向けられる、請求項２記載のタービンエーロフォイル。
6. 前記第１のグループおよび前記第２のグループが、前記動翼の長さに沿って交互に配置される、請求項５記載のタービンエーロフォイル。
7. 前記第１のグループおよび前記第２のグループがそれぞれ、３つのらせん形のフィルム穴を備える、請求項５記載のタービンエーロフォイル。
8. 前記複数のらせん形のフィルム穴のうちの少なくとも１つが、二重のらせん形のフィルム穴を備える、請求項２記載のタービンエーロフォイル。
9. 前縁と後縁を有し、内部冷却回路を含む動翼と、
   前記内部冷却回路と前記動翼の外側との間に延在する複数のフィルム穴とを備え、
   前記複数のフィルム穴が、前縁に隣接して前記フィルム穴を出るスワール流れを生成するように成形されることで、局所的な対流を高め、ガス経路の流れに対する絶縁壁を形成する、タービンエーロフォイル。
10. 前記複数のフィルム穴がらせん形のフィルム穴である、請求項９記載のタービンエーロフォイル。
11. 前記らせん形のフィルム穴が、時計方向と反時計方向に向けられる、請求項１０記載のタービンエーロフォイル。
12. 前記らせん形のフィルム穴の隣接する穴が反対方向に向けられる、請求項１０記載のタービンエーロフォイル。
13. 前記らせん形のフィルム穴の第１のグループが、１つの方向に向けられ、前記らせん形のフィルム穴の第２のグループが、反対方向に向けられる、請求項１０記載のタービンエーロフォイル。
14. 前記第１のグループおよび前記第２のグループが、前記動翼の長さに沿って交互に配置される、請求項１３記載のタービンエーロフォイル。
15. 前記第１のグループおよび前記第２のグループがそれぞれ、３つのらせん形のフィルム穴を備える、請求項１３記載のタービンエーロフォイル。
16. 前記らせん形のフィルム穴のうちの少なくとも１つが、二重のらせん形のフィルム穴を備える、請求項９記載のタービンエーロフォイル。
17. 前縁と後縁を備え、内部冷却回路を有する動翼を含むタービンエーロフォイルのフィルム冷却方法であって、
    冷却空気を前記内部冷却回路に送達するステップと、
    前記冷却空気を前記内部冷却回路から、前記内部冷却回路と前記動翼の外側との間に延在する複数のフィルム穴を通るように流すステップとを含み、前記流すステップが、前記フィルム穴の中で前記冷却空気にスワールを生じさせるステップと、それによって、ガス経路の流れに対する絶縁壁を形成するステップを含む、方法。
18. 前記複数のフィルム穴が、らせん形のフィルム穴を備え、前記流すステップが、前記冷却空気を前記内部冷却回路から前記らせん形のフィルム穴を通るように流すことによって実施される、請求項１７記載の方法。