JP2016538458A - 内部冷却系を有する横方向に延在するスナッバを備えたタービン翼 - Google Patents

Abstract

タービンエンジンで使用可能なタービン翼（１０）であって、翼冷却系（１８）に連通しているスナッバ冷却系（１６）を内部に有する少なくとも１つのスナッバ（１４）を備えたタービン翼が開示されている。スナッバ（１４）は、翼（１０）の外側ハウジング（２０）から、翼（１０）の列（５８）内に位置する隣接するタービン翼（１０）に向かって延在していてよい。スナッバ冷却系（１６）は、内壁（２６）によって外側冷却通路（２４）から分離された内側冷却通路（２２）を有していてよい。内壁（２６）は、外側冷却通路（２４）を形成する外壁（３０）に対してインピンジメント流体を方向付ける複数のインピンジメント冷却オリフィス（２８）を有していてよい。一実施形態では冷却流体はスナッバ（１４）から排出されてよく、別の実施形態では冷却流体は翼冷却系（１８）に戻されてもよい。流れガイド（３２）が外側冷却通路（２４）内に位置していてよく、これによりインピンジメントオリフィスによる直交流を減じることができ、効率が上がる。

Description

連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
本発明の開発は、米国エネルギー省、先進タービン開発プログラム、契約番号ＤＥ−ＦＣ２６−０５ＮＴ４２６４４により部分的に支援されたものである。従って、米国政府は本発明において一定の権利を有することがある。

発明の分野
本発明は、一般にタービン翼に関し、より詳細には、翼を冷却する空気などの流体を通すための冷却通路を有した中空のタービン翼に関する。

通常、ガスタービンエンジンは、空気を圧縮するための圧縮機と、圧縮空気を燃料と混合し、混合物に点火するための燃焼器と、電力を発生させるためのタービンブレードアセンブリとを有する。燃焼器は多くの場合、華氏２５００度を超過し得る高温で作動する。典型的なタービン燃焼器構成は、タービンベーン及びブレードアセンブリをこのような高温に曝す。従って、タービンベーン及びブレードは、このような高温に耐え得る材料から製造されなければならない。付加的に、多くのタービンベーン及びブレードは、ベーン及びブレードの耐用寿命を拡大し、過度に高い温度の結果として生じる故障の可能性を減じるために、冷却系を含んでいる。

通常、タービンブレードは、タービンブレード支持体に連結されるように形成された一方の端部と、ブレード先端を形成するように構成された反対側の端部とを備えたブレードを形成する細長い部分によって形成されている。ブレードは通常、前縁と、後縁と、吸込側と、圧力側から成っている。殆どのタービンブレードの内面は通常、冷却系を形成する冷却回路が入り組んだラビリンスを有している。ブレード内の冷却回路は、タービンエンジンの圧縮機から空気を受け取り、その空気を、ブレード支持体に連結されるように適合されたブレードの端部に通過させる。多くの冷却回路は、タービンブレードの全ての側面を比較的一様な温度に維持するように設計された多重流路を有している。これらの冷却回路を通過した空気の少なくとも一部は、ブレードの前縁、後縁、吸込側、圧力側に設けられたオリフィスから排出される。冷却回路はスナッバ（snubber）内にも含まれてよい。タービンブレード内の冷却系において利点はあるものの、ブレードとそれに取り付けられたスナッバとに十分な量の冷却空気を通過させつつ熱を分散させる高い冷却効率を有し、タービンエンジンからできるだけ少ない量のエネルギーを圧縮空気の形で要求するタービンブレードの必要性が依然として存在している。

タービンエンジン内で使用可能なタービン翼であって、翼冷却系に連通しているスナッバ冷却系を内部に有する１つ以上のスナッバを備えたタービン翼が開示されている。スナッバは、翼の外側ハウジングから、翼の列内に位置する隣接するタービン翼に向かって延在していてよい。スナッバ冷却系は、内壁によって外側冷却通路から分離された内側冷却通路を有していてよい。内壁は複数のインピンジメント冷却オリフィスを有していてよく、このオリフィスは、外側冷却通路とスナッバ外壁とを画定する外壁に向かってインピンジメント流体を方向付けている。一実施形態では、冷却流体はスナッバから排出されてよく、別の実施形態では、冷却流体は付加的な使用のために翼冷却系へと戻されてもよい。外側冷却通路内には流れガイドが位置していてよく、この流れガイドは、インピンジメント冷却オリフィスによる直交流を減じることができ、これにより効率が上がる。

タービン翼は、外側ハウジングから形成された概して細長い中空翼を有していてよく、該中空翼は、前縁と、後縁と、圧力側と、吸込側と、翼の第１の端部における根元部と、この第１の端部とは反対側の第２の端部における先端と、概して細長い中空翼の内側に位置している翼冷却系とを有している。タービン翼は、概して細長い中空翼を形成する外側ハウジングから、この概して細長い中空翼を含む翼の列内に位置する隣接するタービン翼に向かって延在するスナッバも有していてよい。スナッバ冷却系は、スナッバ内に位置していてよく、内壁によって１つ以上の外側冷却通路から分離された１つ以上の内側冷却通路から形成されていてよい。内側冷却通路は、入口を介して翼冷却系と流体連通していてよく、概して細長い中空翼内の翼冷却系から冷却流体を受け取る。内壁は、内側冷却通路から冷却流体を通過させることができ、さらに外側冷却通路を形成する外壁の内面に衝突させることができるように配置された１つ以上のインピンジメント冷却オリフィスを有していてよい。

外側冷却通路を形成する外壁は、冷却流体を放出する１つ以上の冷却流体放出オリフィスを有していてよい。冷却流体放出オリフィスは、スナッバの長手方向軸線に沿って横方向に分離された複数の列内に整列した、複数の冷却流体放出オリフィスを有していてよい。内壁は、外壁内に位置する挿入体によって形成されてよい。内壁は、スナッバ冷却系を密封するために外壁に対してシールされているエンドキャップを有していてよい。内壁及び外壁は円筒状であってよく、内壁は外壁内に同心的に位置していてよい。別の実施形態では、内壁と外壁とは別の形状であってよい。

別の実施形態では、排出壁から成る冷却流体排出通路が、スナッバ冷却系内に位置していてよく、翼冷却系に冷却流体を戻すために翼冷却系と流体連通している出口を有していてよい。冷却流体マニホルドが、外側冷却通路と冷却流体排出通路との間に位置していてよい。具体的には、冷却流体マニホルドは、エンドキャップの内面に位置していてよい。冷却流体排出通路は、内側冷却通路内に位置していてよい。特に、排出壁、内壁、外壁は、円筒形であってよい。内壁は外壁内に同心的に位置していてよく、排出壁は内壁内に同心的に位置していてよい。内壁と排出壁とは、外壁内に位置する挿入体によって形成されていてよく、この挿入体は、スナッバ冷却系を密封するために外壁に対してシールされているエンドキャップを有していてよい。

複数の流れガイドは、内壁から半径方向外側に向かって外側冷却通路内へと延在していてよく、これによりインピンジメントオリフィス下流の直交流が減じられる。内壁に設けられたインピンジメント冷却オリフィスは２つの流れガイドの間に位置していてよく、冷却流体マニホルドに通じる端壁に設けられた排出オリフィスは、２つの流れガイドによって形成された小チャンバからそれぞれ１つの方向に周方向でずらされていてよく、その結果、インピンジメント冷却オリフィスから排出されるインピンジメント冷却流体は、排出オリフィスを通って外側冷却通路から出るには、流れガイドのうちの１つを通過しなければならず、これにより、インピンジメント冷却オリフィスの下流を横断する直交流は減じられる。

スナッバ冷却系の１つの利点は、翼冷却系からの冷却流体を、インピンジメントオリフィスに通し、スナッバ内にある外側冷却通路を形成する外壁の内面に衝突させることができるインピンジメント冷却をスナッバ冷却系が有していることである。

スナッバ冷却系の別の利点は、スナッバ冷却系が翼冷却系から冷却流体を受け取り、この冷却流体をスナッバ冷却系に通し、この冷却流体をスナッバと翼から排出するのではなく翼冷却系へと戻すことができることにある。

スナッバ冷却系のさらに別の利点は、スナッバ冷却系が、インピンジメントオリフィスの下流からの冷却流体を浮遊させ、絶縁する流れガイドを有することができ、これによりインピンジメントオリフィスの下流を横切る直交流が減じられ、インピンジメントオリフィスの下流の効率が向上することにある。

これらの実施の形態及びその他の実施の形態を以下でより詳細に説明する。

明細書の一部に組み込まれ、明細書の一部を形成する添付の図面は、ここに開示される発明の実施の形態を例示し、詳細な説明と共に発明の原理を開示する。

本発明に係る特徴を備えたタービン翼を示す斜視図である。 図１に示すタービン翼のうちの１つの正面の模式図である。 図２のタービン翼を示す斜視図である。 図３の４−４線で断面した、タービン翼から外側に向かって延在するスナッバの分解断面図である。 図３の４−４線で断面した、排出オリフィスを備えたスナッバ冷却系を示す、タービン翼から外側に向かって延在するスナッバの断面図である。 図３の４−４線で断面した、スナッバ冷却系から翼冷却系へと冷却流体を戻す排出通路を備えたスナッバ冷却系を示す、タービン翼から外側に向かって延在するスナッバの別の実施形態を示す断面図である。 図６の７−７線で断面した、タービン翼から外側に向かって延在するスナッバの断面図である。 図６の８−８線で断面した、流れガイドを備えた、タービン翼から外側に向かって延在するスナッバの部分断面図である。

図１〜図８に示すように、タービンエンジン１２内で使用可能なタービン翼１０であって、翼内に位置し翼冷却系１８に連通可能なスナッバ冷却系１６を有する１つ以上のスナッバ１４を備えたタービン翼１０が開示されている。スナッバ１４は、翼１０の外側ハウジング２０から、翼１０の列５８内に位置する隣接するタービン翼１０に向かって延在していてよい。スナッバ冷却系１６は、内壁２６によって外側冷却通路２４から分離された内側冷却通路２２を有していてよい。内壁２６は複数のインピンジメント冷却オリフィス２８を有しており、このオリフィス２８は、外側冷却通路２４とスナッバ外壁とを画定している外壁３０に向かってインピンジメント流体を方向付けている。一実施形態では、冷却流体はスナッバ１４から排出され、別の実施形態では、冷却流体は付加的な使用のために翼冷却系１８へと戻されてもよい。図８に示すように、外側冷却通路２４内には流れガイド３２が位置していてよく、この流れガイド３２は、インピンジメント冷却オリフィス２８による直交流を減じることができ、これにより効率が上がる。

図２及び図３に示すように、タービン翼１０はあらゆる適切な構成を有していてよい。少なくとも１つの実施形態では、タービン翼１０は、外側ハウジング２０から形成された概して細長い中空翼５４を有していてよく、さらに前縁３６と、後縁３８と、圧力側４０と、吸込側４２と、翼１０の第１の端部４６における根元部４４と、この第１の端部４６とは反対側の第２の端部５０における先端４８と、概して細長い中空翼１０の内側に位置している翼冷却系１８とを有していてよい。図１に示すように、タービン翼１０は、概して細長い中空翼５４を形成する外側ハウジング２０から、概して細長い中空翼５４を含む翼１０の列５８内に位置する隣接するタービン翼５６に向かって延在するスナッバ１４を有していてよい。タービン翼１０はさらに、スナッバ１４内に位置し、内壁２６によって１つ以上の外側冷却通路２４から分離された１つ以上の内側冷却通路２２から成るスナッバ冷却系１６を有していてよい。内側冷却通路２２は、入口６０を介して翼冷却系１８と流体連通していてよく、概して細長い中空翼５４内の翼冷却系１８から冷却流体を受け取る。入口６０は任意の適切な構造を有していてよく、内側冷却通路２２の横断面積よりも小さい横断面積を有していてよい。別の実施形態では、入口６０のサイズは、内側冷却通路２２に対して別の関係を有していてよい。内壁２６は、内側冷却通路２２から冷却流体を通過させることができ、さらに外側冷却通路２４を形成する外壁３０の内面６２に衝突させることができるように配置された１つ以上のインピンジメント冷却オリフィス２８を有していてよい。

図５に示すように、少なくとも１つの実施形態では、外側冷却通路２４を形成する外壁３０は、冷却流体を放出する１つ以上の冷却流体放出オリフィス６４を有していてよい。冷却流体放出オリフィス６４は、任意の適切な形状及び向きを有していてよい。冷却流体放出オリフィス６４は、スナッバ１４の所望の冷却を容易にする任意の適切なパターンで配置されていてもよい。少なくとも１つの実施形態では、翼１０は、スナッバ１４の長手方向軸線６８に沿って横方向に分離された複数の列６６内に整列した、長手方向軸線６８のまわりに周方向で位置する複数の冷却流体放出オリフィス６４を有していてもよい。

図４、図５に示すように、内壁２６は、外壁３０内に位置する挿入体７０によって形成されてよい。内壁２６はエンドキャップ７２を有していてよく、このエンドキャップ７２は、スナッバ冷却系１６を密封するために外壁３０に対してシールされている。内壁２６は、任意の適切な製造技術によって挿入体、鋳造特徴等に形成されていてもよい。内壁２６及び外壁３０は円筒状であってよい。別の実施形態では、内壁２６と外壁３０とは楕円又は別の形状であってよい。内壁２６は、外壁３０内に同心的に配置されてよい。外壁３０は、概して細長い中空翼５４を形成する外側ハウジング２０と一体に形成されてよい。

図６及び図７に示す別の実施形態では、スナッバ冷却系１６は、スナッバ１４を通過した後の冷却流体を排出して、翼冷却系１８へと戻してよい。冷却流体は、スナッバ冷却系１６内に位置する排出壁７６から成り、翼冷却系１８と流体連通している出口７８を有する冷却流体排出通路７４を介した構成のような経路をとる。冷却流体マニホルド８０は、外側冷却通路２４と冷却流体排出通路７４との間に位置していてよい。冷却流体マニホルド８０は、エンドキャップ７２の内面８２に位置していてよい。冷却流体排出通路７４は、内側冷却通路２２内に位置していてよい。少なくとも１つの実施形態では、排出壁７６、内壁２６、外壁３０は、円筒形であってよい。内壁２６は外壁３０内に同心的に位置していてよく、排出壁７６は内壁２６内に同心的に位置していてよい。内壁２６と排出壁７６とは、外壁３０内に位置する挿入体７０によって形成されてよい。別の実施形態では、内壁２６は、任意の適切な製造技術により、挿入体、鋳造特徴等に形成されてもよい。挿入体７０はエンドキャップ７２を有していてよく、このエンドキャップ７２は、スナッバ冷却系１６を密封するために外壁３０に対してシールされている。

図８に示すように、スナッバ冷却系１６は、内壁２６から外側冷却通路２４へと半径方向外側に向かって延在する複数の流れガイド３２を有していてもよい。内壁２６に設けられたインピンジメント冷却オリフィス２８は２つの流れガイド３２の間に位置していてよく、冷却流体マニホルド８０に通じる端壁８８に設けられた排出オリフィス８６は、２つの流れガイド３２によって形成された小チャンバ９０からそれぞれ１つの方向に周方向でずらされているので、インピンジメント冷却オリフィス２８から排出されるインピンジメント冷却流体は、排出オリフィス８６を通って外側冷却通路２４から出るには、図８に示す流れガイド３２のうちの１つを通過しなければならない。これにより、インピンジメント冷却オリフィス２８の下流を横断する直交流が減じられる。少なくとも１つの実施形態では、１つ以上の流れガイド３２が外側冷却通路２４の全長にわたって延在していてよい。別の実施形態では、１つ以上の流れガイド３２が外側冷却通路２４の部分長さにわたって延在していてよい。流れガイド３２は四角形、長方形、又はその他適切な構成の横断面を有していてよい。

使用中、冷却流体は翼冷却系１８から入口６０を介して内側冷却通路２２へと通過してよい。冷却流体は内側冷却通路２２を流通してよく、内側冷却通路２２を形成する内壁２６に設けられた１つ以上のインピンジメント冷却オリフィス２８を通過してよい。インピンジメント冷却オリフィス２８を通過した冷却流体は、外壁３０の内面６２に衝突してよい。図５に示す実施形態では、冷却流体を、冷却流体放出オリフィス６４を介してスナッバ１４から排出することができる。図６に示す別の実施形態では、冷却流体は、外側冷却通路２４から冷却流体マニホルド８０へと通過してよい。冷却流体は冷却流体マニホルド８０内に集められてよく、冷却流体排出通路７４内へと通されてよい。冷却流体は冷却流体排出通路７４を通過してよく、出口７８を介して排出されて翼冷却系１８へと戻されることができる。

図８に示す別の実施形態では、内側冷却通路２２内の冷却流体は、インピンジメント冷却オリフィス２８を通ることができ、外壁３０の内面６２に衝突してよい。ここで、冷却流体は外側冷却通路２４内にある。流れガイド３２はスナッバ１４の長手方向軸線６８に整列していてよく、内壁２６から半径方向外側に延在していてよい。別の実施形態では、流れガイド３２は対角線上に、周方向に、又は別の位置に位置していてもよい。冷却流体が最初に、流れガイド３２によって形成された小チャンバ９０から流れガイド３２を越えて、排出オリフィス８６を通らなければならないように、インピンジメント冷却オリフィス２８と排出オリフィス８６との間に流れガイド３２が位置していてもよい。小チャンバ９０から周方向に出た流れは、インピンジメント冷却オリフィス２８の下流で生じる直交流の量を減じる。冷却流体が排出オリフィス８６を通って流れた後、冷却流体は冷却流体マニホルド８０内に集められて、冷却流体排出通路７４内へと通されてよい。冷却流体は冷却流体排出通路７４を通過して流れてよく、出口７８を介して排出されて翼冷却系１８へと戻されることができる。

上記説明は、本発明の実施の形態を例示、説明及び記述するという目的で提供されている。これらの実施の形態に対する変更及び適応は、当業者に明らかになるであろうし、本発明の範囲又は思想から逸脱することなく成し得るものである。

Claims (13)

1. タービン翼（１０）であって、
   外側ハウジング（２０）から形成された概して細長い中空翼（５４）であって、前縁（３６）と、後縁（３８）と、圧力側（４０）と、吸込側（４２）と、前記中空翼（５４）の第１の端部（４６）における根元部（４４）と、該第１の端部（４６）とは反対側の第２の端部（５０）における先端（４８）と、前記概して細長い中空翼（５４）の内側に位置している翼冷却系（１８）と、を有する中空翼（５４）と、
   前記概して細長い中空翼（５４）を形成する前記外側ハウジング（２０）から、前記概して細長い中空翼（５４）を含む翼（１０）の列（５８）内に位置する隣接するタービン翼（１０）に向かって延在するスナッバ（１４）と、
   前記スナッバ（１４）内に位置し、内壁（２６）によって少なくとも１つの外側冷却通路（２４）から分離された少なくとも１つの内側冷却通路（２２）から形成されたスナッバ冷却系（１６）と、を備え、
   前記少なくとも１つの内側冷却通路（２２）は、入口（６０）を介して前記翼冷却系（１８）と流体連通していて、前記概して細長い中空翼（５４）内の前記翼冷却系（１８）から冷却流体を受け取り、
   前記内壁（２６）は、前記少なくとも１つの内側冷却通路（２２）から冷却流体を通過させることができ、かつ前記少なくとも１つの外側冷却通路（２４）を形成する外壁（３０）の内面（６２）に冷却流体を衝突させることができるように配置された少なくとも１つのインピンジメント冷却オリフィス（２８）を有している、ことを特徴とするタービン翼（１０）。
2. 前記少なくとも１つの外側冷却通路（２４）を形成する前記外壁（３０）は、冷却流体を放出する少なくとも１つの冷却流体放出オリフィス（６４）を有している、請求項１記載のタービン翼（１０）。
3. 前記少なくとも１つの冷却流体放出オリフィス（６４）は、前記スナッバ（１４）の長手方向軸線（６８）に沿って横方向に分離された複数の列（６６）内に整列した、複数の冷却流体放出オリフィス（６４）を有している、請求項２記載のタービン翼（１０）。
4. 前記内壁（２６）は、前記外壁（３０）内に位置する挿入体（７０）によって形成されており、前記内壁（２６）は、前記スナッバ冷却系（１６）を密封するように前記外壁（３０）に対してシールされているエンドキャップ（７２）を有している、請求項１記載のタービン翼（１０）。
5. 前記内壁（２６）及び前記外壁（３０）は円筒状であって、前記内壁（２６）は前記外壁（３０）内に同心的に位置している、請求項１記載のタービン翼（１０）。
6. 冷却流体排出通路（７４）をさらに有し、該冷却流体排出通路（７４）は、前記スナッバ冷却系（１６）内に位置する排出壁（７６）から形成され、前記翼冷却系（１８）と流体連通する出口（７８）を有している、請求項１記載のタービン翼（１０）。
7. さらに、少なくとも１つの前記外側冷却通路（２４）と前記冷却流体排出通路（７４）との間に位置する冷却流体マニホルド（８０）を有している、請求項６記載のタービン翼（１０）。
8. 前記冷却流体マニホルド（８０）はエンドキャップ（７２）の内面（６２）に位置している、請求項７記載のタービン翼（１０）。
9. 前記冷却流体排出通路（７４）は、前記少なくとも１つの内側冷却通路（２２）内に位置している、請求項６記載のタービン翼（１０）。
10. 前記排出壁、前記内壁（２６）及び前記外壁（３０）は円筒状であって、前記内壁（２６）は前記外壁（３０）内に同心的に位置しており、前記排出壁（７６）は前記少なくとも１つの内壁（２６）内に同心的に位置している、請求項９記載のタービン翼（１０）。
11. 前記内壁（２６）及び前記排出壁（７６）は前記外壁（３０）内に位置する挿入体（７０）から形成されており、該挿入体（７０）は、前記スナッバ冷却系（１６）を密封するように前記外壁（３０）に対してシールされているエンドキャップ（７２）を有している、請求項６記載のタービン翼（１０）。
12. 前記内壁（２６）から前記少なくとも１つの外側冷却通路（２４）内へと半径方向外側に向かって延在する複数の流れガイド（３２）をさらに有する、請求項６記載のタービン翼（１０）。
13. 前記内壁（２６）に設けられた前記少なくとも１つのインピンジメント冷却オリフィス（２８）は２つの流れガイド（３２）の間に位置していて、冷却流体マニホルド（８０）に通じる端壁（８８）に設けられた排出オリフィス（８６）は、前記２つの流れガイド（３２）によって形成された小チャンバ（９０）からそれぞれ１つの方向に周方向でずらされており、その結果、前記少なくとも１つのインピンジメント冷却オリフィス（２８）から排出されるインピンジメント冷却流体は、前記排出オリフィス（８６）を通って前記少なくとも１つの外側冷却通路（２４）から出るには前記流れガイド（３２）のうちの１つを通過しなければならず、これにより、インピンジメント冷却オリフィス（２８）の下流を横断する直交流が減じられる、請求項１２記載のタービン翼（１０）。

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