JP2016128687A - エンジン構成要素 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンエンジン構成要素のための改善された冷却を可能にするシステムを提供する。
【解決手段】高温燃焼ガス流を発生するガスタービンエンジン用エンジン構成要素６８は、高温燃焼ガス流に熱連通する高温面と、高温面の反対側で断面幅（Ｗ２）を有し、冷却流体が流れ方向に沿って流れる冷却領域を定める冷却面と、冷却面から延びて冷却領域に配置され、本体長さ本体幅、及び本体軸を有するボルテックスジェネレータと、を備える。本体長さは、本体幅より大きくかつ本体軸に沿って延び、本体軸は、実質的に流れ方向に整列し、本体幅は、冷却領域の前記断面幅未満であり、ボルテックスジェネレータは、流動冷却流体との接触に応じて冷却流体中に渦を誘発するように形作られている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温燃焼ガス流を発生するガスタービンエンジン用エンジン構成要素に関する。

タービンエンジン、特にガス又は燃焼タービンエンジンは、多数のタービンブレード上でエンジンを通過する燃焼ガスの流れからエネルギを抽出する回転式エンジンである。ガスタービンエンジンは、陸上及び海上移動並びに発電用途で使用されてきたが、これはヘリコプターを含む航空機といった航空用途で最も一般的である。航空機において、ガスタービンエンジンは、航空機の推進用に使用される。陸上用途において、タービンエンジンは発電用に使用される場合が多い。

航空機用ガスタービンエンジンは、高温で作動してエンジン効率を最大化するように設計されるので、高圧タービン及び低圧タービン等の特定のエンジン構成要素の冷却を必要とする場合がある。一般に、冷却は、冷却流体を高圧及び／又は低圧圧縮機から冷却を必要とするエンジン構成要素にダクトで送ることで行われる。高圧タービンの温度は約１０００℃から２０００℃であり、圧縮機からの冷却流体は約５００℃から７００℃である。圧縮機空気は高温であるが、タービン空気よりも冷たく、タービンを冷却するために利用することができる。

冷却流体を受け入れるエンジン構成要素の内部キャビティは、冷却流体内に乱流を発生させて熱伝達を高めるために、タービュレータを備えている。

米国特許第８１６７５６０号明細書

本発明は、高温燃焼ガス流を発生するガスタービンエンジン用エンジン構成要素に関する。

１つの態様において、本発明はエンジン構成要素に関し、該エンジン構成要素は、高温燃焼ガス流に熱連通する高温面と、高温面の反対側で断面幅を有し、冷却流体が流れ方向に沿って流れる冷却領域を定める冷却面と、冷却面から延びて冷却領域に配置され、さらに本体長さ、本体幅、及び本体軸を有する少なくとも１つのボルテックスジェネレータとを備える。本体長さは、本体幅より大きくかつ本体軸に沿って延びる。本体軸は、実質的に流れ方向に整列する。本体幅は、冷却領域の断面幅未満である。ボルテックスジェネレータは、流動冷却流体との接触に応じて冷却流体中に渦を誘発するように形作られている。

別の態様において、本発明は、冷却流体が流れ方向に沿って流れる冷却面を少なくとも部分的に定め、長さ、断面幅、及び断面高さを有し、長さは断面幅よりも大きいキャビティと、冷却面の反対側で高温燃焼ガス流と熱連通する高温面と、冷却面から延びて本体長さ、本体幅、本体高さ、及び本体軸を有する少なくとも１つのボルテックスジェネレータと、を備えるエンジン構成要素に関する。本体長さは、本体幅より大きくかつ本体軸に沿って延びる。本体軸は、実質的に流れ方向に整列する。本体長さは、キャビティの長さの５−１５％である。本体幅は、キャビティの断面幅の１０−３５％である。本体高さは、キャビティの断面高さの２０−７５％である。

航空機用ガスタービンエンジンの概略断面図。 図１のエンジンの燃焼器及び高圧タービンの側断面図。 図１のエンジンのタービンブレードの形態のエンジン構成要素の斜視図。 図３のラインＩＶ−ＩＶに沿って切り取ったタービンブレードの断面図。 図４のタービンブレードの冷却通路の拡大図。 図４のタービンブレードの冷却通路の拡大斜視図。 ボルテックスジェネレータを明瞭に示すために冷却通路の壁を取り去った図６の冷却通路の内部の一部の斜視図。 図７の冷却通路内のボルテックスジェネレータに関するいくつかの例示的な配向を示す平面図。 図７のラインＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿って切り取った断面図。 図７のボルテックスジェネレータを備えた冷却通路を示す図。 図１０との対比で示す、従来のタービュレータを備えた冷却通路を示す図。 ボルテックスジェネレータの別の実施形態を示す斜視図。

本発明の記載されている実施形態は、特にガスタービンエンジンにおけるエンジン構成要素の冷却に関する。例示目的で、本発明の態様は、航空機ガスタービンエンジンに関連して以下に説明される。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、一般に、移動体用途又は移動体以外の工業、商業、及び住宅用途といった航空機以外の用途にも適用できることを理解されたい。

図１は、航空機用ガスタービンエンジン１０の概略断面図である。エンジン１０は、略長手方向に延びる軸又は前方１４から後方１６に延びる中心線１２を有する。エンジン１０は、下流側直列流れ連通で、ファン２０を含むファンセクション１８、ブースタ又は低圧（ＬＰ）圧縮機２４並びに高圧（ＨＰ）圧縮機２６を含む圧縮機セクション２２、燃焼器３０を含む燃焼セクション２８、ＨＰタービン３４及びＬＰタービン３６を含むタービンセクション３２、及び排気セクション３８を含む。

ファンセクション１８は、ファン２０を囲むファンケーシング４０を含む。ファン２０は、中心線１２の周りで半径方向に設けられた複数のファンブレード４２を含む。

ＨＰ圧縮機２６、燃焼器３０、及びＨＰタービン３４は、燃焼ガスを発生するエンジン１０のコア４４を形成する。コア４４は、ファンケーシング４０に結合することができるコアケーシング４６で囲まれている。

エンジン１０の中心線１２に対して同軸に配置されたＨＰシャフト又はスプール４８は、ＨＰタービン３４をＨＰ圧縮機２６に駆動結合する。大径環状ＨＰスプール４８内でエンジン１０の中心線１２に対して同軸に配置されたＬＰシャフト又はスプール５０は、ＬＰタービン３６をＬＰ圧縮機２４及びファン２０に駆動結合する。

ＬＰ圧縮機２４及びＨＰ圧縮機２６は、それぞれ複数の圧縮機段５２、５４を含み、この中で圧縮機ブレード５６、５８のセットは、対応する静止圧縮機ベーン６０、６２（ノズルとも呼ばれる）のセットに対して回転して、段を通過する流体流を圧縮又は加圧する。単一の圧縮機段５２、５４において、複数の圧縮機ブレード５６、５８は、輪状に設けることができ、ブレードプラットフォームからブレード先端まで中心線１２に対して半径方向外向きに延びることができるが、対応する静止圧縮機ベーン６０、６２は、回転ブレード５６、５８の下流でこれに隣接して配置される。図１に示すブレード、ベーン、及び圧縮機段の数は、例示目的で選択されており、他の数も可能であることに留意されたい。

ＨＰタービン３４及びＬＰタービン３６は、それぞれ複数のタービン段６４、６６を含み、この中でタービンブレード６８、７０のセットは、対応する静止タービンベーン７２、７４（ノズルとも呼ばれる）のセットに対して回転して、段を通過する流体流からエネルギを抽出する。単一のタービン段６４、６６において、複数のタービンブレード６８、７０は、輪状に設けることができ、ブレードプラットフォームからブレード先端まで中心線１２に対して半径方向外向きに延びることができるが、対応する静止タービンベーン７２、７４は、回転ブレード６８、７０の上流でこれに隣接して配置される。図１に示すブレード、ベーン、及びタービン段の数は、例示目的で選択されており、他の数も可能であることに留意されたい。

作動時、回転するファン２０は、周囲空気をＬＰ圧縮機２４に供給し、次に、ＬＰ圧縮機２４は加圧された周囲空気をＨＰ圧縮機２６に供給し、ＨＰ圧縮機２６は周囲空気をさらに加圧する。ＨＰ圧縮機２６からの加圧空気は、燃焼器３０内で燃料と混合して着火され、それによって燃焼ガスが発生する。一部の仕事はこれらのガスからＨＰタービン３４によって抽出されてＨＰ圧縮機２６を駆動する。燃焼ガスはＬＰタービン３６に放出され、さらなる仕事が抽出されてＬＰ圧縮機２４を駆動し、排気ガスは、最終的に排気セクション３８を通ってエンジン１０から排出される。ＬＰタービン３６を駆動することでＬＰスプール５０が駆動されてファン２０及びＬＰ圧縮機２４が回転する。

ファン２０から供給される周囲空気の一部は、エンジンコア４４を迂回して、エンジン１０の各部分、特に高温部分を冷却するために利用され、及び／又は航空機の他の特徴要素を冷却するために又は作動させるために利用される。タービンエンジンとの関連において、通常、エンジンの高温部分は、燃焼器３０、特にタービンセクション３２の下流であり、ＨＰタービン３４は、燃焼セクション２８の直下流にあるので最も温度の高い部分である。他の冷却流体の供給源は、限定されるものではないが、ＬＰ圧縮機２４又はＨＰ圧縮機２６から吐出する流体である。

図２は、図１のエンジン１０の燃焼器３０及びＨＰタービン３４の側断面図である。燃焼器３０は、デフレクタ７６及び燃焼器ライナ７７を含む。静止タービンベーン７２のセットは、タービン３４のタービンブレード６８に軸方向において隣接しており、隣接する各ベーン７２は、その間にノズルを形成する。ノズルは、タービン３４によって最大エネルギを抽出できるように燃焼ガスの向きを変える。冷却流体流れＣは、高温燃焼ガスＨがベーン７２の外側に沿って通過する際にベーン７２を通過してベーン７２を冷却する。シュラウド組立体７８は、回転ブレード６８に隣接して、タービン３４の流れ損失を最小化するようになっている。また、同様のシュラウド組立体は、ＬＰタービン３６、ＬＰ圧縮機２４、又はＨＰ圧縮機２６に関連することができる。

エンジン１０の１又はそれ以上のエンジン構成要素は、本明細書に詳細に説明する種々の冷却の実施形態を使用できる表面を含む。冷却表面を有するエンジン構成要素のいくつかの非限定的な例は、図１−２に記載のブレード６８、７０、ベーン又はノズル７２、７４、燃焼器デフレクタ７６、燃焼器ライナ７７、又はシュラウド組立体７８を含むことができる。

図３は、図１のエンジン１０のタービンブレード６８のうちの１つの形態のエンジン構成要素の斜視図である。タービンブレード６８は、シャンク８０及び翼形ブレード８２を含む。シャンク８０は、タービン空気流を半径方向に閉じ込めるのを助けるブレードプラットフォーム８４と、タービン回転ディスク（図示せず）に取り付けられるダブテール８６とをさらに含む。翼形ブレード８２は、凹形の正圧側面８８及び凸形の負圧側面９０を有し、これらは接合して翼形形状を定める。長手方向軸線９２は、ブレード先端９４に向かって半径方向外向きに延びると共にシャンク８０に取り付けられたブレード根元９６に向かって半径方向内向きに延びる。ブレード６８は、正圧側面８８が負圧側面９０に追従するように回転する。従って、図３に示すように、ブレード６８はページの方に回転することになる。

図４は、図３のラインＩＶ−ＩＶに沿って切り取ったタービンブレード６８の翼形ブレード８２の断面図である。翼形ブレード８２は、冷却流体流を案内する冷却通路９８の形態の複数の略長手方向に延びる内部キャビティを有する。各冷却通路９８は、ブレード６８を通る冷却剤回路の少なくとも一部を定めるように相互接続することができる。図４から、冷却通路９８の各々は、実質的に矩形からほぼ台形に及ぶ固有の断面とすることができることが分かるはずであるが、このような冷却通路９８の断面は任意の形状とすることができる。作動時、冷却剤回路は、シャンク８０の入口から冷却流体を受け取り、冷却通路９８を通って進んだ後、冷却流体は、フイルム孔を通って翼形ブレード８２から流出する。

本発明の１つの実施形態によれば、少なくとも１つのボルテックスジェネレータ１０２が冷却通路９８の少なくとも１つの内部に設けられている。ボルテックスジェネレータ１０２は、冷却通路９８の冷却面から延びて、冷却通路９８を通って流れる冷却流体の中に渦を誘発することができる。図４において、１つの冷却通路９８だけがボルテックスジェネレータ１０２を有するものとして示されているが、より多くの又は全ての冷却通路９８がボルテックスジェネレータ１０２を備えることができることを理解されたい。さらに、ボルテックスジェネレータ１０２は翼形ブレード８２の負圧側面９０に示されているが、ボルテックスジェネレータ１０２は、翼形ブレード８２の内部、壁、又は正圧側面８８に設けることができることを理解されたい。

図５は、図４の冷却通路９８のうちの１つの拡大図である。ボルテックスジェネレータ１０２は冷却通路９８の冷却面から延び、流動冷却流体との接触に応じて、冷却通路９８を通って流れる冷却流体中に図５で概して矢印で示す渦を誘発するようになっている。前述のように、冷却通路９８は、種々の断面形状を有することができ、図示して説明するように、この冷却通路９８は、実質的に四角形形状であり、４つの側壁１０４、１０６、１０８、１１０が断面形状を規定する。本実施例において、第１の壁１０４は、ブレード６８の負圧側面９０で定めることができ、負圧側面９０は、高温燃焼ガス流と流体連通するブレード６８の高温面を定め、壁１０４、１０６、１０８、１１０の内部は、高温面の反対側にあるブレード６８の冷却面を定め、これに沿って冷却流体が流れる。ガスタービンエンジンの場合、高温面は、１０００℃から２０００℃の範囲の温度のガスに曝される場合がある。壁１０４、１０６、１０８、１１０の適切な材料としては、限定されるものではないが、鋼、チタン等の高融点金属、もしくはニッケル系、コバルト系、又は鉄系超合金、もしくはセラミックマトリックス複合材料を挙げることができる。

ボルテックスジェネレータ１０２は、冷却通路９８の１又はそれ以上の壁１０４、１０６、１０８、１１０の上に設けられる。例示の実施形態において、ボルテックスジェネレータ１０２は、負圧側面９０の正反対の内壁１０４上に設けられており、内壁１０４は、ボルテックスジェネレータ１０２が配置される冷却領域を定める。ボルテックスジェネレータ１０２は、さらに冷却通路９８の壁１０４、１０６、１０８、１１０に組み合わせて配置できることを理解されたい。

図６は、図５の斜視図である。ボルテックスジェネレータ１０２は、本体長さＬ１、本体幅Ｗ１、及び本体高さＨ１の３次元本体１１２を有することができる。本体１１２は本体軸Ｘを定め、本体長さＬ１は本体軸Ｘに沿って測定することができる。本体幅Ｗ１は本体軸Ｘに垂直方向に測定することができる。本体高さＨ１は内壁１０４から測定することができる。

冷却通路９８は、断面幅Ｗ２及び断面高さＨ２を有することができる。断面幅Ｗ２は壁１０４、１０６の間で測定することができ、断面高さＨ２は壁１０８、１１０の間で測定することができる。

ボルテックスジェネレータ１０２の本体１１２の輪郭は様々とすることができる。例示するように、本体１１２は、前方面１１４、後方面１１６、及び前方面及び後方面１１４、１１６を接合する対向する側面１１８を有する。側面１１８は、さらに上面１２０に接合することができる。例示の実施形態において、本体１１２は、上面１２０に向かって各側面１１８が互いテーパー付けされるように輪郭形成される。各側面１１８は、本体軸Ｘを下方に見た場合に本体１１２が対称となるように実質的に同一とすること、又は本体軸Ｘを下方に見た場合に本体１１２が非対称となるように異なることができる。また、前方面及び後方面１１４、１１６は、本体１１２が本体軸Ｘに沿って対称となるように実質的に同一とすること、又は本体１１２が本体軸Ｘに沿って非対称となるように異なることができる。

例示の本体１１２に関して、本体長さＬ１は、前方面及び後方面１１４、１１６の間の距離で定義され、本体幅Ｗ１は、各側面１１８の間の距離で定義され、さらに本体高さＨ１は、内壁１０４から上面１２０までの距離で定義される。詳細には、本体長さＬ１は、前方面及び後方面１１４、１１６の間の最大距離とすること、本体幅Ｗ１は、各側面１１８の間の最大距離とすること、さらに本体高さＨ１は、内壁１０４から上面１２０までの最大距離とすることができる。

冷却通路９８は複数のボルテックスジェネレータ１０２を含むことができ、例示の実施形態では２つの横並びのボルテックスジェネレータ１０２が示されていることに留意されたい。冷却通路９８内に複数のボルテックスジェネレータ１０２を備えた実施形態において、ボルテックスジェネレータ１０２の各々は、実質的に一定の本体高さＨ１をもつことができ、これは実質的に一定量だけ冷却通路９８に延びることができる。また、このようなボルテックスジェネレータ１０２は、実質的に一定の本体長さＬ１、本体幅Ｗ１、方向及び／又は本体輪郭を有する。もしくは、各ボルテックスジェネレータ１０２は、これらの事項のうちの１又はそれ以上において互いに異なることができる。

図７は、明瞭化のために冷却通路９８を定める壁１０６を取り除いた状態の冷却通路９８の内部の一部の斜視図である。冷却通路９８は、通路９８で定められた冷却領域の内部に位置決めされかつ通路９８の長さに沿って配置された複数のボルテックスジェネレータ１０２を含むことができる。冷却通路９８は、さらに通路長さＬ２を有する。通路長さＬ２は、概して矢印Ｃで示される、冷却通路９８を通過する冷却流体の流れ方向において測定することができる。本実施形態において、冷却通路９８は細長いので、通路長さＬ２は、断面幅Ｗ２並びに断面高さＨ２（図６参照）よりも大きいが、図７には冷却通路９８の最大高さＨ２が示されていないことに留意されたい。

図５及び６を参照すると、冷却通路９８に対するボルテックスジェネレータ１０２の配向及び寸法を含む、ボルテックスジェネレータ１０２の形状は、ボルテックスジェネレータ１０２が冷却流体内で渦を誘発する能力に影響を与える。例えば、ボルテックスジェネレータ１０２は、流れ方向Ｃにより細長くすることができるので、本体長さＬ１は本体幅Ｗ１よりも大きい。さらに、ボルテックスジェネレータ１０２は、冷却領域にわたって延びないのでボルテックスジェネレータ１０２の本体幅Ｗ１は、冷却通路９８の断面幅Ｗ２に満たない。同様に、ボルテックスジェネレータ１０２の本体高さＨ１は、冷却通路９８の断面高さＨ２に満たない。

１つのさらに詳細に実施形態において、ボルテックスジェネレータ１０２は、冷却通路９８の断面高さＨ２の２０−７５％の本体高さＨ１、冷却通路９８の長さの５−１５％の本体長さＬ１、冷却通路９８の断面幅Ｗ２の１０−３５％の本体幅Ｗ１、又はこれらの寸法の任意の組み合わせを有することができる。この範囲のボルテックスジェネレータは、冷却流れの中に十分な渦を発生して熱伝達を増強することができるが、高圧損及び局所的に高いマッハ数を回避することができる。これらの寸法は航空機エンジンのタービンブレードを代表するものであり、この寸法はボルテックスジェネレータの他の適用例では異なることができることに留意されたい。

図８は、冷却通路９８の内部のボルテックスジェネレータ１０２に関する例示的な配向を示す平面図である。例示の各実施例において、ボルテックスジェネレータ１０２は、流れ方向Ｃと実質的に同じ方向に延びる２列で配置され、各列は複数のボルテックスジェネレータ１０２を有する。しかしながら、他の実施例では、冷却通路９８は、より多くの又はより少ない列のボルテックスジェネレータ１０２を備えることができる。

図５及び６と同様の第１の例示の実施例において、ボルテックスジェネレータ１０２は、流れ方向Ｃと実質的に一致して配向することができ、本体軸Ｘは、実質的に流れ方向Ｃに整列することができる。「実質的に整列する」ことで、本体軸Ｘは流れ方向Ｃから１５度又はそれ以下でオフセットすることができる。詳細には、実施例（ａ）において、本体軸Ｘは流れ方向Ｃに平行である、換言すると、本体軸Ｘは流れ方向Ｃからのオフセットが０度である。従って、単列のボルテックスジェネレータ１０２は、共線の本体軸Ｘに沿って位置する。さらに、異なる各列のボルテックスジェネレータ１０２は、互いに整列する。

第２の例示の実施例（ｂ）において、各ボルテックスジェネレータ１０２の本体軸Ｘは、流れ方向Ｃに対して平行であるが、流れ方向Ｃに沿って千鳥配列になっており、単列において交互になったボルテックスジェネレータ１０２は、共線ではない平行な各本体軸Ｘに沿って位置する。従って、各列は、流れ方向Ｃに対して実質的に直交する方向で互いに千鳥配列になっている。異なる列のボルテックスジェネレータ１０２は、互いに整列する。

第３の例示の実施例（ｃ）において、各ボルテックスジェネレータ１０２の本体軸Ｘは、流れ方向Ｃから約１０度だけオフセットする。従って、単列の各ボルテックスジェネレータ１０２は、共線でない平行な各本体軸Ｘに沿って位置する。さらに、異なる列のボルテックスジェネレータ１０２は互いに整列するが、１つの列のボルテックスジェネレータ１０２の本体軸Ｘは、他の列の整列したボルテックスジェネレータ１０２の本体軸Ｘに対して平行ではない。

第４の例示の実施例（ｄ）において、各ボルテックスジェネレータ１０２の本体軸Ｘは、流れ方向Ｃに対して平行であり、ボルテックスジェネレータ１０２は、共線の各本体軸Ｘに沿って、流れ方向Ｃに沿って整列するが、別の列のボルテックスジェネレータ１０２は、流れ方向Ｃに対して千鳥配列になっているので、各列は互いにオフセットする。

図９は、図７のラインＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿って切り取ったボルテックスジェネレータ１０２の断面図である。前方面１１４は流れ方向Ｃに対して上流側に向いており、後方面１１６は流れ方向Ｃに対して下流側に向いている。前方面及び後方面１１４、１１６は、上面１２０に収束する角度で壁１０４から延びる。例示の実施形態において、本体１１２は、翼形形状を有し、かつ前方面１１４が定める角度が、後方面１１６が定める角度よりも急勾配であるように輪郭形成される。

エンジン構成要素を冷却する技術分野において、先行技術の特許は、そうであることが間違っている場合であっても、用語ボルテックスジェネレータ及びタービュレータを混同している。本開示の目的上、本開示はタービュレータではなくルテックスジェネレータに関連するので、ボルテックスジェネレータとタービュレータとの間の違いを明確にして、ボルテックスジェネレータを適切に定義することが重要である。図１０−１１は、それぞれボルテックスジェネレータ１０２を備えた冷却通路９８と従来のタービュレータ１２２を備えた冷却通路９８との比較を示す。各タービュレータ１２２は、典型的に矩形形状であり、冷却通路９８を横切って配向され、さらに冷却流体流れの方向に相隔たる。本実施形態において、各タービュレータ１２２は、流れ方向に直交するが、流れ方向に対して例えば約４５度で傾斜している。ボルテックスジェネレータ１０２は、タービュレータ１２２に比べると、内部の熱伝達表面領域ＳＡを大きくすることができる。熱伝達表面領域ＳＡは、冷却通路９８の冷却面の表面領域として定義することができ、本実施形態において、熱伝達表面領域ＳＡは、壁１０４、１０６、１０８、１１０の表面領域と、ボルテックスジェネレータ又はタービュレータ１２２の表面領域を組み合わせたものである。例示目的で、各通路９８は図１０−１１において概して熱伝達表面領域ＳＡを表示する点線で示されているが、断面は通路９８の全ての熱伝達表面領域ＳＡを示していないことを理解されたい。ボルテックスジェネレータ１０２が可能にする大きな熱伝達表面領域ＳＡは、タービュレータ１２２よりも高い熱伝達性能をもたらす。

冷却通路９８は、さらに流れ領域ＦＡを定め、流れ領域ＦＡは冷却通路９８の開断面領域であり、冷却流体はここを通って流れる。例示目的で、各通路９８は図１０−１１において概して流れ領域ＦＡを表示するドットパターンで示されている。本明細書に例示する実施例において、ボルテックスジェネレータ１０２を含む冷却通路９８は、タービュレータ１２２を含む冷却通路９８と同じ流れ領域ＦＡを有するが、ボルテックスジェネレータ１０２の軸方向の配向により、ボルテックスジェネレータ１０２が冷却流体流れの中に大きく浸入することができるので、ボルテックスジェネレータ１０２を備えた冷却通路９８の熱伝達表面領域ＳＡは、タービュレータ１２２を備えたものよりも４０−６０％だけ大きくできる。タービュレータ１２２は、流れ領域ＦＡに影響を与えることになるので、ボルテックスジェネレータ１０２の進入度合いに一致するように構成することはできない。

タービュレータ１２２は、主として各々のタービュレータ１２２上を冷却空気が流れる際に冷却空気の乱流を維持することで冷却通路９８の内部の熱伝達係数を高くする。タービュレータ１２２は流れ方向をほぼ横切るので、冷却流れ内の粒子がタービュレータ１２２の直上流又は直下流の循環流れ領域に集まる傾向がある。タービュレータ１２２とは対照的に、ボルテックスジェネレータ１０２は、冷却流れの下流側に広がる渦を発生させることで熱伝達係数を高くする傾向がある。冷却流れに同伴する粒子は、渦の流線に追従する傾向があり、タービュレータのように堆積しない。さらに、ボルテックスジェネレータ１０２は、冷却空気流れ全体を横切らないので、同伴粒子が特定の領域に堆積する可能性がさらに低くなる。最後に、ボルテックスジェネレータ１０２は、冷却空気流れに略平行な本体軸を備えたより空力的な形状を有する傾向がある。

また、ボルテックスジェネレータの本体輪郭は、ボルテックスジェネレータの性能に影響を与える可能性がある。図１２には、本発明の別の実施形態によるルテックスジェネレータの別の本体輪郭のいくつかの非限定的な例が示されている。ボルテックスジェネレータの本体輪郭は、断面形状及び／又はその平面図形で定義することができる。断面形状は、ボルテックスジェネレータの本体軸Ｘに直交する平面で見ることができる。平面図形は、ボルテックスジェネレータが突出するエンジン構成要素１２６の冷却面１２４の上方から見た場合のボルテックスジェネレータの輪郭である。図１２に示すボルテックスジェネレータの寸法及び配向は、図５−９を参照して前述したものと一致すること又は異なることができることを理解されたい。さらに、図２を参照して前述したように、エンジン構成要素は、翼形部、ノズル、ベーン、ブレード、シュラウド、燃焼器ライナ、又は燃焼器デフレクタのうちの１つを備えることができる。

断面形状のいくつかの非限定的な例は、矩形、三角形、及び台形を含み、さらに少なくとも部分的にボルテックスジェネレータの前方面及び後方面の形状によって定められる。前方面及び後方面の形状のいくつかの非限定的な例は、傾斜したもの、くさび形、丸形を含む。例えば、ボルテックスジェネレータ１２８、１３６、１４０、１４２の前方面は、傾斜しており、ボルテックスジェネレータ１３０、１３２、１３４、１３８の前方面はくさび形であり、ボルテックスジェネレータ１４４、１４８の前方面は丸形である。ボルテックスジェネレータ１２８、１３０、１３４、１３６、１３８、１４０の後方面は傾斜しており、ボルテックスジェネレータ１３２、１４２の後方面はくさび形であり、ボルテックスジェネレータ１４４、１４８の後方面は丸形である。傾斜、くさび形、又は丸形表面は、冷却面１２４に沿って高い冷却流体速度を維持するのを助け、これにより粉塵が冷却面１２４に堆積する傾向を抑制できる。

平面図形のいくつかの非限定的な例は、矩形、台形、ひし形、カイト形、涙滴形、卵形、楕円形、五角形、六角形、及び七角形を含む。例えば、ボルテックスジェネレータ１２８は略台形の平面図形を有し、ボルテックスジェネレータ１３０、１３４は略五角形の平面図形を有し、ボルテックスジェネレータ１３２は略六角形の平面図形を有し、ボルテックスジェネレータ１３６、１４２は略七角形の平面図形を有し、ボルテックスジェネレータ１３８は略カイト形の平面図形を有し、ボルテックスジェネレータ１４０は略矩形の平面図形を有し、ボルテックスジェネレータ１４４は略涙滴形の平面図形を有し、ボルテックスジェネレータ１４６は略楕円形の平面図形を有する。

１つの実施形態において、くさび形の前方面及び傾斜した後方面を備えた略カイト形の平面図形を有するボルテックスジェネレータ１３８により、小さな渦が前方面で発生し、冷却面１２４を横断する末広及び拡大側壁に沿って成長する。カイト形の平面図形は、冷却流体流れに対して小さな初期外乱を引き起こし、これは両側壁上で自然に渦として成長する。

前述の実施形態のいずれかにおいて、各図面では例示目的でボルテックスジェネレータが鋭いコーナー部、縁部、及び／又は冷却面に接する移行部を有するように示されるが、より実際的に、コーナー部、縁部、及び／又は移行部は滑らかに丸み付け又はフィレット状にすることができることを理解されたい。さらに、滑らかに丸み付けされた又はフィレット化されたコーナー部、縁部、及び／又は冷却面に接する移行部を有するように例示されたボルテックスジェネレータの実施形態は、代わりに鋭いコーナー部、縁部、及び／又は移行部を有することができる。

前述の実施形態のいずれかにおいて、ボルテックスジェネレータは主として冷却領域を定める一方の表面上に示されているが、ボルテックスジェネレータの位置はこれに限定されない。ボルテックスジェネレータは冷却領域を定める複数の表面上に配置することができる。例えば、対向する各表面上、隣接する各表面上、更には全ての表面上に配置することができる。また、ボルテックスジェネレータは、冷却領域を定める表面に広がる又はそこから延びる表面上に配置することができる。ボルテックスジェネレータは、冷却領域を定める表面に配置することに限定されない。ボルテックスジェネレータの一部は、例えば、冷却領域を定めない及び冷却領域内にない領域に存在することができる。

本明細書に記載の発明に関連するシステム、方法、及び他のデバイスの種々の実施形態は、タービンエンジン構成要素のための改善された冷却を可能にする。記載されたシステムのいくつかの実施形態の実施で実現できる１つの利点は、ボルテックスジェネレータが、エンジン構成要素の冷却を改善するためにエンジン構成要素の壁及び／又は内部キャビティに設けられる点にある。ボルテックスジェネレータは、冷却流体流れ中に強力な渦を誘発し、結果的に、大きな内部熱伝達領域を提供することに加えて、内部熱伝達係数の増大をもたらす。この効果は、タービンエンジンのタイムオンウイング（ｔｉｍｅ−ｏｎ−ｗｉｎｇ；ＴＯＷ）が増大し、これらの部品の耐用期間が長くなる。

本発明の他の利点において、ボルテックスジェネレータは、従来のタービュレータの代わりに使用することができ、さらに冷却側領域が増大した状態で従来のタービュレータに匹敵する内部熱伝達係数をもたらすことができる。

本明細書は、開示される主題の実施例を用いて、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること及びあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本開示の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 中心線
１４ 前方
１６ 後方
１８ ファンセクション
２０ ファン
２２ 圧縮機セクション
２４ ＬＰＣ
２６ ＨＰＣ
２８ 燃焼セクション
３０ 燃焼器
３０ａ デフレクタ
３０ｂ 燃焼器ライナ
３２ タービンセクション
３４ ＨＰＴ
３６ ＬＰＴ
３８ 排気セクション
４０ ファンケーシング
４２ ファンブレード
４４ コア
４６ コアケーシング
４８ ＨＰスプール
５０ ＬＰスプール
５２ ＬＰＣ段
５４ ＨＰＣ段
５６ ＬＰＣブレード
５８ ＨＰＣブレード
６０ ＬＰＣベーン
６２ ＨＰＣベーン
６４ ＨＰＴ段
６６ ＬＰＴ段
６８ ＨＰＴブレード
７０ ＬＰＴブレード
７２ ＨＰＴベーン
７４ ＬＰＴベーン
７６ デフレクタ
７７ ライナ
７８ シュラウド組立体
８０ シャンク
８２ 翼形ブレード
８４ ブレードプラットフォーム
８６ ダブテール
８８ 正圧側面
９０ 負圧側面
９２ 長手方向軸線
９４ ブレード先端
９６ ブレード根元
９８ 冷却通路
１０２ ボルテックスジェネレータ
１０４ 壁
１０６ 壁
１０８ 壁
１１０ 壁
１１２ 本体
１１４ 前方面
１１６ 後方面
１１８ 側面
１２０ 上面
１２２ タービュレータ
１２４ 冷却面
１２６ エンジン構成要素
Ｃ 冷却流体流れ方向
Ｌ１ ボルテックスジェネレータ長さ
Ｗ１ ボルテックスジェネレータ幅
Ｈ１ ボルテックスジェネレータ高さ
Ｘ 本体軸
Ｌ２ 通路長さ
Ｗ２ 通路幅
Ｈ２ 通路高さ
Ｓ 熱伝達表面領域
ＦＡ 流れ領域

Claims (10)

1. 高温燃焼ガス流を発生するガスタービンエンジン用エンジン構成要素（６８）であって、
   前記高温燃焼ガス流に熱連通する高温面（９０）と、
   前記高温面（９０）の反対側で、断面幅（Ｗ２）を有し、冷却流体が流れ方向に沿って流れる冷却領域を定める冷却面（１０４）と、
   前記冷却面（１０４）から延びて前記冷却領域に配置され、さらに本体長さ（Ｌ１）、本体幅（Ｗ１）、及び本体軸（Ｘ）を有する、少なくとも１つのボルテックスジェネレータ（１０２）と、
   を備え、
   前記本体長さ（Ｌ１）は、前記本体幅（Ｗ１）より大きくかつ前記本体軸（Ｘ）に沿って延び、
   前記本体軸（Ｘ）は、実質的に前記流れ方向に整列し、
   前記本体幅（Ｗ１）は、前記冷却領域の前記断面幅（Ｗ２）未満であり、
   前記ボルテックスジェネレータ（１０２）は、流動冷却流体との接触に応じて前記冷却流体中に渦を誘発するように形作られている、
   エンジン構成要素（６８）。
2. 少なくとも部分的に前記冷却領域で定められ内部キャビティ（９８）をさらに備え、前記少なくとも１つのボルテックスジェネレータ（１０２）は、前記内部キャビティ（９８）の中に配置される、請求項１に記載のエンジン構成要素（６８）。
3. 前記内部キャビティ（９８）は、断面高さ（Ｈ２）を有し、前記少なくとも１つのボルテックスジェネレータ（１０２）は、前記断面高さ（Ｈ２）の２０−７５％の本体高さ（Ｈ１）を有する、請求項２に記載のエンジン構成要素（６８）。
4. 前記少なくとも１つのボルテックスジェネレータ（１０２）の前記本体長さ（Ｌ１）は、前記内部キャビティ（９８）の長さ（Ｌ２）の８−１５％である、請求項２又は３に記載のエンジン構成要素（６８）。
5. 前記本体幅（Ｗ１）は、前記断面幅（Ｗ２）の１０−３３％である、請求項１から４のいずれかに記載のエンジン構成要素（６８）。
6. 前記少なくとも１つのボルテックスジェネレータ（１０２）は、前記冷却領域内に配置された複数のボルテックスジェネレータ（１０２）を備える、請求項１から５のいずれかに記載のエンジン構成要素（６８）。
7. 前記複数のボルテックスジェネレータ（１０２）は、前記流れ方向と実質的に同じ方向に延びる複数の列に配列され、各列は、前記少なくとも１つのボルテックスジェネレータ（１０２）を有する、請求項６に記載のエンジン構成要素（６８）。
8. １つの列は、他の列に対して前記流れ方向で千鳥配列になっている、請求項７に記載のエンジン構成要素（６８）。
9. １つの列での前記複数のボルテックスジェネレータ（１０２）の前記本体軸（Ｘ）は、別の列での前記複数のボルテックスジェネレータ（１０２）の本体軸（Ｘ）に対して平行ではない、請求項７に記載のエンジン構成要素（６８）。
10. 前記複数の列のうちの少なくとも１つでの前記ボルテックスジェネレータ（１０２）の各々は、前記流れ方向に実質的に直交する方向で互いに千鳥配列になっている、請求項７に記載のエンジン構成要素（６８）。