JP2017078418A - タービンブレード - Google Patents

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Abstract

【課題】翼形部を冷却する冷却回路を提供する。
【解決手段】タービンエンジンは、１又は２以上の内部冷却回路１２０、１２２、１２４を有する翼形部７８を備える。冷却回路１２０、１２２、１２４には、冷却回路１２０、１２２、１２４と流体連通した１又は２以上の冷却用空気入口通路８８、９０、９２から冷却流体の流れを送り込むことができる。冷却回路１２０、１２２、１２４は、冷却流体流れを翼形部７８の中に供給して翼形部７８を冷却すること、並びに冷却流体を複数のフィルム孔２００に供給して翼形部７８の外面に冷却フィルムを形成することができる。
【選択図】図５

Description

本発明はタービンブレードに関し、より具体的にはタービンブレードの冷却に関する。
タービンエンジン、及び特にガス又は燃焼タービンエンジンは、エンジンを通って複数のタービンブレード上を通過する燃焼ガスの流れからエネルギーを抽出する回転エンジンである。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に使用されているが、最も一般的には、ヘリコプターを含む航空機などの航空用途で使用されている。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。地上用途では、タービンエンジンは、発電用に使用されることが多い。
航空機用のガスタービンエンジンは、エンジン効率を最大にするために高温で作動するよう設計されているので、高圧タービン及び低圧タービンなどの特定のエンジン構成要素の冷却が有益な場合がある。一般に、冷却は、高圧及び／又は低圧圧縮機からの低温の空気を冷却が必要となるエンジン構成要素にダクト供給することにより達成される。高圧タービン内の温度は約１０００°Ｃ〜２０００°Ｃであり、圧縮機からの冷却空気は、約５００°Ｃ〜７００°Ｃである。圧縮機空気は高温であるが、タービン空気よりは低温であり、タービンを冷却するために使用することができる。
一般に、現状のタービンブレードは、冷却用空気をブレードの中を通して送ってブレードの種々の部位を冷却するための１又は２以上の内部冷却回路を含み、さらにブレードの前縁、後縁、及び先端といったブレードの種々の部位を冷却するための専用冷却回路を含むことができる。
米国特許第５９３１６３８号明細書
本発明は、ガスタービンエンジン用翼形部に関し、翼形部は、前縁と後縁との間で軸方向に延びると共にダブテールに隣接する根元と先端との間で半径方向に延びる、正圧側面及び負圧側面を定める外面を含む。翼形部は、該翼形部の中に配置された前縁冷却回路をさらに備え、前縁冷却回路は、根元から先端に向かって延びると共に、根元において入口通路に流体接続する供給通路と、外面に沿って配置され、供給通路に流体接続しかつ先端から根元に向かって延びるプレナム通路を有し、少なくとも１つの戻り通路が根元から先端に向かって延びかつプレナム通路に流体接続する、近傍壁冷却回路と、前縁に隣接し、根元から先端の方向に延びかつ供給通路に流体接続する前縁通路とを備える。冷却用空気は、入口通路から供給通路に供給されて、プレナム通路及び前縁通路に供給され、プレナム通路からの冷却流体は、戻り通路に流入する。
他の態様において、本発明は、タービンロータディスクを有するガスタービンエンジン用ブレードに関する。ブレードは、少なくとも１つの冷却用空気入口通路を有し、タービンロータディスクに取り付くように構成されたダブテールと、ダブテールから半径方向に延び、前縁と後縁との間を軸方向に延びかつ根元と先端との間を半径方向に延びる正圧側面及び負圧側面を定める外面を有し、根元がダブテールに隣接する、翼形部とを備える。ブレードは、翼形部の中に配置された前縁冷却回路をさらに備え、前縁冷却回路は、根元から先端に向かって延びると共に、根元において入口通路に流体接続する供給通路と、外面に沿って配置され、供給通路に流体接続しかつ先端から根元に向かって延びるプレナム通路を有し、第１の戻り通路が根元から先端に向かって延びかつプレナム通路に流体接続し、第２の戻り通路が根元から先端に向かって延びかつプレナム通路に流体接続し、プレナム通路が第１の戻り通路と第２の戻り通路との間に配置される、近傍壁冷却回路と、前縁に隣接し、根元から先端の方向に延びかつ供給通路に流体接続する前縁通路と、を備える。冷却用空気は、入口通路から供給通路に供給されて、プレナム通路及び前縁通路に供給され、プレナム通路からの冷却流体は、第１及び第２の戻り通路に流入する。
他の態様において、本発明は、タービンロータディスクを有するガスタービンエンジン用翼形部に関し、翼形部は、前縁と後縁との間で軸方向に延びると共に根元と先端との間で半径方向に延びる外面と、前縁の近くで翼形部の中に配置され、根元から先端に向かって延びる供給通路を含む前縁冷却回路とを備える。前縁冷却回路は、外面に沿って外面と供給通路の間に配置される。前縁冷却回路は、供給通路に流体接続しかつ先端から根元に向かって延びるプレナム通路を有し、根元から先端に向かって延びかつプレナム通路に流体接続する少なくとも１つの戻り通路を有する。前縁通路は、前縁に隣接し、根元から先端の方向に延びかつ供給通路に流体接続する。冷却用空気は、供給通路を通って供給されかつプレナム通路及び前縁通路に供給され、プレナム通路からの冷却流体は、戻り通路に流入する。
航空機用ガスタービンエンジンの概略断面図。 冷却用空気入口通路を備えた図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２の翼形部の断面図。 翼形部の内部に設けられた４つの冷却回路を示す図３の翼形部の断面図。 図４の翼形部の冷却回路に関する流れ図。
本発明の記載された実施形態はタービンブレードに関し、より具体的にはタービンブレードの冷却に関する。例示目的で、本発明は、航空機ガスタービンエンジンに関して説明する。しかしながら、本発明は、これに限定されず、他の移動体用途、及び非移動体、商用、及び住宅用途などの非航空機用途における一般的に応用することができることを理解されたい。また、固定ベーン等のタービンエンジンの中のブレード以外の翼形部に応用することができる。
図１は、航空機用の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、前方１４から後方１６に延びた略長手方向に延びる軸線又は中心線１２を有する。エンジン１０は、下流側直列流れ関係で、ファン２０を含むファンセクション１８と、ブースタ又は低圧（ＬＰ）圧縮機２４及び高圧（ＨＰ）圧縮機２６を含む圧縮機セクション２２と、燃焼器３０を含む燃焼セクション２８と、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と、排気セクション３８と、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の周りに半径方向に配置されたファンブレード４２の形態の複数の翼形部を含む。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と結合することができるコアケーシング４６により囲まれる。
エンジン１０の中心線１２の周りに同軸方向に配置された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に駆動可能に接続する。より大きな直径の環状ＨＰスプール４８内にエンジン１０の中心線１２の周りに同軸方向に配置された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に駆動可能に接続する。
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、ここでは圧縮機ブレード５６、５８のセットが固定圧縮機ベーン６０、６２（ノズルとも呼ばれる）の対応するセットに対して回転して、段を通過する流体ストリーム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、リング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、対応する固定圧縮機ベーン６０、６２は、回転ブレード５６、５８の下流側に隣接して位置付けられる。図１に示されるブレード、ベーン、及び対応する圧縮機段の数は、例証として選択されおり、他の数も実施可能である点に留意されたい。
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、ここではタービンブレード６８、７０のセットが固定タービンベーン７２、７４（ノズルとも呼ばれる）の対応するセットに対して回転して、段を通過する流体ストリームからエネルギーを抽出する。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をリング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、対応する固定タービンベーン７２、７４は、回転ブレード６８、７０の下流側に隣接して位置付けられる。図１に示されるブレード、ベーン、及びタービン段の数は、例証として選択されおり、他の数も実施可能である点に留意されたい。
作動時には、回転ファン２０は、周囲空気をＬＰ圧縮機２４に供給し、次いで、該ＬＰ圧縮機２４は、加圧した周囲空気をＨＰ圧縮機２６に供給して、該ＨＰ圧縮機２６が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、燃焼室３０において燃料と混合されて点火され、これにより燃焼ガスを発生する。これらのガスからＨＰタービン３４によって一部の仕事が抽出され、これによりＨＰ圧縮機２６を駆動する。燃焼ガスは、ＬＰタービン３６に吐出され、該ＬＰタービン３６が追加の仕事を抽出してファン２０を駆動し、最終的に排気ガスは、排気セクション３８を介してエンジン１０から排出される。ＬＰタービン３６を駆動することにより、ＬＰスプール５０を駆動してファン２０及びＬＰ圧縮機２４を回転させる。
ファン２０によって供給される周囲空気の一部は、エンジンコア４４をバイパスし、エンジン１０の一部分、特に高温部分の冷却に使用され、及び／又は航空機の他の態様の冷却又は動力供給に用いることができる。タービンエンジンの関連において、エンジンの高温部分は通常、燃焼器３０、特にタービンセクション３２の下流側にあり、ＨＰタービン３４は、燃焼セクション２８の直ぐ下流側にあるので最も高温の部分である。冷却流体の他の供給源は、限定ではないが、ＬＰ圧縮機２４又はＨＰ圧縮機２６から吐出される流体とすることができる。
図２は、図１からのエンジン１０のタービンブレード６８の１つの形態で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、ダブテール７６及び翼形部７８を含む。翼形部７８は、先端８０から根元８２まで延びる。ダブテール７６は、根元８２において翼形部７８と一体のプラットフォーム８４をさらに含み、プラットフォーム８４は、タービン空気流を半径方向に閉じ込めるのを助ける。ダブテール７６は、エンジン１０のタービンロータディスクに取り付くように構成することができる。ダブテール７６は、第１の入口通路８８、第２の入口通路９０、及び第３の入口通路９２として例示する少なくとも１つの入口通路を備え、各々は、ダブテール７６を通り、通路出口９４において翼形部７８と内部流体連通する。ダブテール７６は、断面において入口通路８８、９０、９２がダブテール７６の本体の内部に収まるように示されていることを理解されたい。
図３を参照すると、断面で示された翼形部７８は、凹形状の正圧側壁９６及び凸形状の負圧側壁９８を有し、これらは結合して前縁１００及び後縁１０２を備えた翼形形状を定める。ブレード６８は、負圧側壁９８の後に正圧側壁９６が続くようは方向に回転する。従って、図３に示すように、翼形部７８はページの上端に向かって上方に回転することになる。
翼形部７８は、ブレードの特定の部位を冷却する目的のための冷却回路を形成するように配置することができる複数の内部通路を備える。図４には通路及び対応する冷却回路が示されており、図４は翼形部７８の断面図である。図示の翼形部７８の内部の個別の通路のそれぞれの幾何形状は例示的なものであり、各々は冷却回路の１又は２以上の要素を図示し、冷却回路は、図示の幾何形状、寸法、又は位置に限定されないことを理解されたい。
図示のように、翼形部７８は、前縁冷却回路１２０、中間冷却回路１２２、及び後縁冷却回路１２４の３つの冷却回路を備え、これらには、ダブテール７６を通過する入口通路８８、９０、９２を介して冷却用空気が供給される。図示のように、後縁冷却回路１２４は、共通して第３の入口通路９２から送り込まれる第１の冷却回路１２４ａ及び第２の冷却回路１２４ｂをさらに備える。
冷却回路は、翼形部７８を半径方向に延びる１又は２以上の通路で規定することができる。通路は特定の通路と翼形部７８の外面との間の流体連通をもたらす１又は２以上のフィルム孔を備えることができ、翼形部７８の外面に沿った冷却流体の薄膜を形成することを理解されたい。
冷却回路の各々を詳細に検討すると、第１の又は前縁冷却回路１２０は、供給通路１３０、近傍壁冷却回路１３２、及び前縁冷却通路１４４を備えることができる。供給通路１３０は、根元８２から先端８０に向かって延び、出口９４において第１の入口通路８８に流体接続して、冷却用空気を近傍壁冷却回路１３２及び前縁通路１４４に供給するようになっている。
近傍壁冷却回路１３２は、供給通路１３０と負圧側壁９８との間で例示的に示されているが、負圧側壁９８に隣接する。この構成により、近傍壁冷却回路１３２は、負圧側壁９８に沿って翼形部の壁部を冷却する。もしくは、近傍壁冷却回路１３２は、正圧側壁９６と供給通路１３０との間で、正圧側壁９６の近くに配置することができる。同様に、供給通路１３０は、正圧側壁９６に隣接して示されているが、代替的に負圧側壁９８に隣接して配置することができる。
近傍壁冷却回路１３２は、先端８０から根元８２まで延びるプレナム通路１３６を備え、さらにプレナム通路１３６の内部に配置された複数のピン又はピンバンク１３８を有することができる。近傍壁冷却回路１３２は、プレナム通路１３６の両側に設けられた２つの戻り通路１４０として図４に示された、少なくとも１つの戻り通路１４０をさらに備える。戻り通路１４０は、根元８２の近くでプレナム通路１３６に流体接続しかつ根元８２から先端８０まで延びる。
前縁冷却回路１２０は、前縁１００の近くに配置されかつ根元８２から先端８０まで延びる前縁通路１４４を有する。前縁通路１４４は、供給通路１３０と前縁通路１４４との間の壁１４８に形成された前縁回路（lead circuit）流路を介して供給通路１３０と流体連通する。前縁回路流路１４６は、種々の寸法及び形状とすることができるインピンジメント開口等の複数の個別の入口を備えることができる。前縁通路１４４は、近傍壁冷却回路１３２の１つの戻り通路１４０に隣接することができる。
中間冷却回路１２２は、それぞれ前縁１００及び後縁１０２に隣接する前縁冷却回路１２０及び後縁冷却回路１２４に対して、翼形部７８の翼弦方向中央部に配置される。中間冷却回路１２２は、第２の入口通路９０に流体接続して、ここからの冷却流体流れを受け入れることができる。中間冷却回路１２２は、第２の入口通路９０に流体接続しかつ根元８２から先端８０まで延びる供給通路１６０を備える。供給通路１６０は、負圧側壁９８の近くに配置すること、又は正圧側壁９６の近くに配置すること、又は正圧側壁９６及び負圧側壁９８のどちらにも隣接しないことができる。
中間供給通路１６０は、先端８０から根元８２まで延びる中間プレナム通路１６２に流体接続することができる。中間プレナム通路１６２は、中間供給通路１６０及び中間プレナム通路１６２を組み合わせたものと、前縁冷却回路１２０との間に配置される戻り通路１６４にさらに接続する。中間戻り通路１６４に加えて、中間プレナム通路１６２は、正圧側壁９６と中間プレナム通路１６２との間の正圧側に配置された近傍壁冷却メッシュ１６６にさらに流体接続する。近傍壁冷却メッシュ１６６は、その内部に配置された複数のピン又はピンバンク１７０を有する流路１６８を備える。近傍壁冷却メッシュ１６６は、中間プレナム通路１６２が流路１６８に流体連通する場所に対して流路１６８の反対側に配置されたメッシュプレナム１７２とさらに流体連通する。
第１の冷却回路１２４ａ及び第２の冷却回路１２４ｂを備える後縁冷却回路１２４は、共通して第３の入口通路９２から供給を受ける。第３の入口通路９２は、第１の冷却回路１２４ａ及び第２の冷却回路１２４ｂの両方に供給することができ、第３の入口通路９２は、ダブテール７６の内部で１つの入口から２つの入口に分かれることができる。別の実施形態において、第４の入口通路（図示せず）を使用して第１の冷却回路１２４ａ又は第２の冷却回路１２４ｂのうちの一方に供給することができ、第３の入口通路９２が他方に供給する。第２の冷却回路１２４ｂは後縁１０２の近くに配置され、第１の冷却回路１２４ａは、第２の冷却回路１２４ｂと中間冷却回路１２２との間に翼弦方向に配置される。
第１の冷却回路１２４ａは、第３の入口通路９２と流体連通しかつ根元８２から先端８０まで延びる供給通路１８０を備え、供給通路１８０は、先端８０から根元８２まで延びる戻り通路１８２と流体接続し、戻り通路１８２は、根元８２から先端８０まで延びる出口通路１８４と流体連通する。
第２の冷却回路１２４ｂは、第３の入口通路９２と流体連通かつ根元８２から先端８０まで延びる供給通路１９０を備える。供給通路１９０は、根元８２から先端８０まで延びる後縁通路１９２と流体連通する。１つの実施例において、後縁通路１９２は、翼形部７８に沿って半径方向に沿って延びると共に供給通路１９０と後縁通路１９２との間に配置された１又は２以上の入口１９４を介して供給通路１９０に接続することができる。後縁通路１９２は、後縁通路１９２の内部に配置された１又は２以上の横列のピン又はピンバンク１９６と共に配置することができる。後縁通路１９２は、後縁通路１９２及び翼形部７８の外部に流体連通する１又は２以上のスロットをさらに備えることができる。
図３の幾何形状は本明細書に開示した冷却回路の例示的な１つの実施構成であり、限定的と理解すべきではないことを理解されたい。複数の通路、壁、流路、ピンバンク等を備える冷却回路は、翼形部７８の中の冷却回路の例示的な実施構成であり、本明細書に開示された位置、寸法、及び幾何形状は、冷却回路の発明思想の理解を容易にするために具体化されることを理解されたい。例えば、近傍壁冷却回路１３２は、翼形部７８の負圧側壁９８上に示されているが、代替的に、正圧側壁９６上に配置することができる。同様に、図示の何らかの近傍壁冷却回路は、図示の反対側に配置することができる。近傍壁冷却回路の数を増やして両側に配置することができる。さらに、翼形部７８の断面輪郭の中の通路で規定される概念的形状は例示的であり、任意の形状、幾何学、特有のもの等とすることができる。
近傍壁冷却通路は、比較的大きく示されているが、非常に小さいものとすることができ、近傍壁冷却通路は、図示の断面積に比べて非常に小さな断面積を有することをさらに理解されたい。
図５は、図４の翼形部７８の冷却回路１２０、１２２、１２４に関する流れ図である。翼形部７８は、破線で概略的に示されており、翼形部７８の中の冷却回路１２０、１２２、１２４の全体構成を示す。翼形部７８は、翼弦方向に前縁１００から後縁１０２に及びスパン方向に先端８０から根元８２に延びる翼形部キャビティを定め、キャビティは、翼形部７８を通って冷却流体流を送る冷却回路１２０、１２２、１２４を形成するために、内壁によって個別の流路又は通路に分割することができる。翼形部７８の先端８０の上に配置された先端冷却通路２０８は、前縁１００の近くから後縁１０２に向かって略翼弦方向に延びることができる。先端冷却通路２０８は、冷却回路１２０、１２２、１２４のための冷却流体を排出する共通通路を提供し、冷却回路１２０、１２２、１２４に供給された冷却流体は、１又は２以上のフィルム孔を通って排出されなかった場合、最終的に翼形部７８から排出することができる。
前縁冷却回路１２０は、ダブテール７６の中の第１の入口通路８８からの冷却流体を供給することができる。前縁冷却回路１２０は、根元８２から先端８０に移動する供給通路１３０の中の冷却流体を受け取る。供給通路１３０は、前縁回路流路１４６を介して前縁通路１４４と流体連通し、ここで、複数のフィルム孔２００は、翼形部７８の前縁に沿って冷却流体を排出して冷却フィルムを生成することができる。
前縁冷却回路１２０は、先端８０の近くで少なくとも１つの上部転向部２１０をさらに含み、冷却流体を供給通路１３０から近傍壁冷却回路１３２に供給することができる。上部転向部２１０において、冷却流体は、供給通路１３０からプレナム通路１３６に流入することができる。冷却流体は、複数のピン１３８を含むプレナム通路１３６の中を先端８０から根元８２の方向に進む。根元８２の近くで、前縁冷却回路１２０は、少なくとも１つの下部転向部２１２をさらに備え（例示的に２つの下部転向部２１２を示す）、冷却流体をプレナム通路１３６から戻り通路１４０に供給することができる。冷却流体は、根元８２の戻り通路１４０の中を先端８０の方向に流れ、冷却流体はフィルム孔２００を通って排出されて翼形部７８の外面に沿って冷却フィルムを形成する。
前縁冷却回路１２０と後縁冷却回路１２４との間で翼弦方向に配置される中間冷却回路１２２は、第２の入口通路９０からの冷却流体流れを送り込むことができる。中間冷却回路１２２は、第２の入口通路９０からの根元８２から先端８０に向かって移動する冷却流体を供給通路１６０の中に受け入れる。中間冷却回路１２２は、上部転向部２１４をさらに備え、ここで供給通路１６０は、中間プレナム通路１６２と流体連通する。中間プレナム通路１６２は、中間プレナム通路１６２からの流路１６８を介して近傍壁冷却メッシュ１６６と流体連通する。冷却用空気流は、１又は２以上のピン又はピンバンク１７０を含むことができる近傍壁冷却メッシュ１６６を通ってメッシュプレナム１７２に移動することができ、ここで冷却流体は、フィルム孔２００を通って排出されて、翼形部７８の外面を沿って冷却フィルムを形成することができる。
中間冷却回路１２２は、冷却流体を中間プレナム通路１６２から中間戻り通路１６４に供給する下部転向部２１６をさらに備えることができる。中間戻り通路１６４から、フィルム孔２００は、中間冷却回路１２２からの冷却流体を排出して、翼形部７８の外面に沿って冷却フィルムを形成することができる。中間戻り通路１６４は、正圧側壁９６と負圧側壁９８との間で延びることができるので、１又は２以上のフィルム孔２００のセットは、冷却流体流れを翼形部７８の外面に供給することができる。
後縁冷却回路１２４には、第３の入口通路９２からの冷却流体流れを送り込むことができる。第３の入口通路９２は、さらに第１の冷却回路１２４ａ及び第２の冷却回路１２４ｂに個別に供給することができ、これは、第３の冷却入口９２からの冷却流体流れを前縁側入口９２ａと後縁側入口９２ｂに分けることで行うことができる。
前縁側入口９２ａから送り込まれるように示されている第１の冷却回路１２４ａは、冷却流体流れを根元８２から先端８０の方向に供給通路１８０の中に受け入れる。上部転向部２１８において、冷却流体は、供給通路１８０から戻り通路１８２に供給することができ、先端８０から根元８２の方向に移動する。次に、冷却流体は、下部転向部２２０において戻り通路１８２から出口通路１８４に供給することができ、根元８２から先端８０に移動する。出口通路１８４の中で、冷却流体はフィルム孔２００を通って排出され、翼形部７８の外面に沿って冷却フィルムを形成する。従って、第１の冷却回路１２４で規定される流体通路は、実質的に蛇行路であり、先端８０と根元８２との間で蛇行する。
後縁側入口９２ｂから送り込まれるように示されている第２の冷却回路１２４ｂは、冷却流体流れを根元８２から先端８０の方向に供給通路１９０の中に受け入れる。供給通路１９０に沿って、冷却流体は、供給通路１９０から１又は２以上の入口１９４を通って１又は２以上のピン１９６を備えることができる後縁通路１９２に流入することができる。後縁通路１９２に流入しない冷却流体は、供給通路の先端部２２２から翼形部７８の後縁１０２の外に排出することができる。
後縁通路１９２の中の冷却用空気は、翼形部７８からフィルム孔２００を通って排出すること、もしくはスロット１９８を通って後縁１０２から排出することができる。
図４に示す冷却回路１２０、１２２、１２４は、翼形部７８の中の冷却回路の例示的な１つの実施構成であり、特定の幾何形状、通路、ピンバンク、フィルム孔等に限定されると解釈すべきでないことを理解されたい。さらに冷却回路１２０、１２２、１２４、１２４ａ、１２４ｂは、概して前縁１００から後縁１０２に又は後縁１０２から前縁１００に向かって移動するように示されるが、この説明は、冷却回路自体の単なる例示的な説明であることを理解されたい。特定の通路、流路、入口、又はメッシュは、後縁又は前縁１０２、１００の方向、先端８０又は根元８２の方向、翼形部７８の正圧又は負圧側壁９６、９８に向かう方向、又はこれらの何らかの組み合わせ等の翼形部７８に対して任意の方向に流れ込むことができる。
本明細書に開示した本発明に関連したシステム、方法、又は他の装置の種々の実施形態は、タービンブレードの冷却回路のための改善された冷却有効性をもたらす。開示されたシステムの一部の実施形態の実施によって実現される１つの利点は、翼形部の外面上で冷却フィルムを形成するためにフィルム孔に空気を供給しながら、ブレードの冷却回路をブレードの正圧又は負圧側壁のうちの少なくとも１つに対して、より具体的には両方に対して利用できることである。改善された冷却回路は、高い温度での有効なエンジン作動を維持してエンジン効率を高めて寿命を延ばすために、翼形部の中での最適な冷却及び空気流管理を可能にする。特定の実施形態は、タービンブレードの形態での翼形部に関連して説明されるが、本説明は、限定されるものではないが、タービンベーン、圧縮機ブレード、及び圧縮機ベーンを含む、ガスタービンエンジンの中の何らかの翼形部にも同様に適用できる。
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、また、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並びにあらゆる組み込み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。本発明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含む場合、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。
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
ガスタービンエンジン用翼形部であって、
前縁と後縁との間で軸方向に延びると共に根元と先端との間で半径方向に延びる、正圧側面及び負圧側面を定める外面と、
上記翼形部の中に配置された前縁冷却回路と、
を備え、
上記前縁冷却回路は、
上記根元から上記先端に向かって延びると共に、上記根元において入口通路に流体接続する供給通路と、
上記外面に沿って配置され、上記供給通路に流体接続しかつ上記先端から上記根元に向かって延びるプレナム通路を有し、少なくとも１つの戻り通路が上記根元から上記先端に向かって延びかつ上記プレナム通路に流体接続する、近傍壁冷却回路と、
上記前縁に隣接し、根元から先端の方向に延びかつ上記供給通路に流体接続する前縁通路と、
を備え、
冷却用空気は、上記入口通路から上記供給通路に供給されて、上記プレナム通路及び上記前縁通路に供給され、上記プレナム通路からの冷却流体は、上記戻り通路に流入する、翼形部。
［実施態様２］
上記近傍壁冷却回路は、上記正圧側面又は上記負圧側面のうちの少なくとも一方に配置される、実施態様１に記載の翼形部。
［実施態様３］
上記戻り通路は、上記前縁通路の近くに配置される、実施態様１に記載の翼形部。
［実施態様４］
上記供給通路は、上記近傍壁冷却回路によって上記正圧側面又は上記負圧側面のうちの一方から離間する、実施態様１に記載の翼形部。
［実施態様５］
上記供給通路は、上記負圧側面に隣接する、実施態様４に記載の翼形部。
［実施態様６］
上記戻り通路は、上記前縁通路に隣接する、実施態様１に記載の翼形部。
［実施態様７］
上記近傍壁冷却回路は、上記プレナム通路に流体接続する第２の戻り通路をさらに備える、実施態様１に記載の翼形部。
［実施態様８］
上記プレナム通路は、戻り通路の間に配置される、実施態様７に記載の翼形部。
［実施態様９］
上記外面を貫通して上記前縁通路及び上記戻り通路のうちの少なくとも１つに入るフィルム孔をさらに備える、実施態様１に記載の翼形部。
［実施態様１０］
上記翼形部は、圧縮機用又はタービン用のブレード又はベーンのうちの少なくとも１つを備える、実施態様１に記載の翼形部。
［実施態様１１］
タービンロータディスクを有するガスタービンエンジン用ブレードであって、
少なくとも１つの冷却用空気入口通路を有し、上記タービンロータディスクに取り付くように構成されたダブテールと、
上記ダブテールから半径方向に延び、前縁と後縁との間を軸方向に延びかつ根元と先端との間を半径方向に延びる正圧側面及び負圧側面を定める外面を有し、上記根元が上記ダブテールに隣接する、翼形部と、
上記翼形部の中に配置された前縁冷却回路と、
を備え、上記前縁冷却回路は、
上記根元から上記先端に向かって延びると共に、上記根元において入口通路に流体接続する供給通路と、
上記外面に沿って配置され、上記供給通路に流体接続しかつ上記先端から上記根元に向かって延びるプレナム通路を有し、第１の戻り通路が上記根元から上記先端に向かって延びかつ上記プレナム通路に流体接続し、第２の戻り通路が上記根元から上記先端に向かって延びかつ上記プレナム通路に流体接続し、上記プレナム通路が上記第１の戻り通路と上記第２の戻り通路との間に配置される、近傍壁冷却回路と、
上記前縁に隣接し、根元から先端の方向に延びかつ上記供給通路に流体接続する前縁通路と、
を備え、
冷却用空気は、上記入口通路から上記供給通路に供給されて、上記プレナム通路及び上記前縁通路に供給され、上記プレナム通路からの冷却流体は、上記第１及び第２の戻り通路に流入する、ブレード。
［実施態様１２］
上記近傍壁冷却回路は、上記負圧側面に隣接する、実施態様１１に記載のブレード。
［実施態様１３］
上記供給通路は、上記近傍壁冷却回路によって上記負圧側面から離間されかつ上記正圧側面に隣接する、実施態様１２に記載のブレード。
［実施態様１４］
上記外面を貫通して上記前縁通路、並びに上記第１の戻り通路及び上記第２の戻り通路のうちの少なくとも１つに入るフィルム孔をさらに備える、実施態様１３に記載のブレード。
［実施態様１５］
上記供給通路を上記前縁通路に流体接続する、インピンジメント開口をさらに備える、実施態様１４に記載のブレード。
［実施態様１６］
上記プレナム通路の中に配置されたピンをさらに備える、実施態様１４に記載のブレード。
［実施態様１７］
上記ダブテールは、第２の冷却用空気入口通路をさらに備え、上記翼形部の中に配置されかつ上記第２の冷却用空気入口通路に流体接続する後縁供給通路を有する後縁冷却回路と、上記後縁供給通路に流体接続する後縁スロットとをさらに備える、実施態様１１に記載のブレード。
［実施態様１８］
上記ダブテールは、第３の冷却用空気入口通路をさらに備え、上記前縁冷却回路と上記後縁冷却回路との間で上記翼形部の中に配置され、上記外面に沿って配置された近傍壁冷却メッシュを有する中間冷却回路をさらに備える、実施態様１７に記載のブレード。
［実施態様１９］
上記近傍壁冷却メッシュは、上記正圧側面に沿って配置される、実施態様１８に記載のブレード。
［実施態様２０］
上記近傍壁冷却メッシュの中に配置されたピンバンクをさらに備える、実施態様１９に記載のブレード。
［実施態様２１］
ガスタービンエンジン用翼形部であって、前縁と後縁との間で軸方向に延びると共に根元と先端との間で半径方向に延びる外面と、上記前縁の近くで上記翼形部の中に配置された前縁冷却回路とを備え、上記前縁冷却回路は、上記根元から上記先端に向かって延びる供給通路と、上記外面に沿って、上記外面と上記供給通路の間に配置され、上記供給通路に流体接続しかつ上記先端から上記根元に向かって延びるプレナム通路を有し、少なくとも１つの戻り通路が上記根元から上記先端に向かって延びかつ上記プレナム通路に流体接続する、近傍壁冷却回路と、上記前縁に隣接し、根元から先端の方向に延びかつ上記供給通路に流体接続する前縁通路と、を備え、冷却用空気は、上記供給通路を通って供給されかつ上記プレナム通路及び上記前縁通路に供給され、上記プレナム通路からの冷却流体は、上記戻り通路に流入する、翼形部。
１０ 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 低圧（ＬＰ）圧縮機
２６ 高圧（ＨＰ）圧縮機
２８ 燃焼セクション
３０ 燃焼器
３２ タービンセクション
３４ ＨＰタービン
３６ ＬＰタービン
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シャフト／スプール
５０ ＬＰシャフト／スプール
５２ 圧縮機段
５４ 圧縮機段
５６ 圧縮機ブレード
５８ 圧縮機ブレード
６０ 圧縮機ベーン（ノズル）
６２ 圧縮機ベーン（ノズル）
６４ タービン段
６６ タービン段
６８ タービンブレード
７０ タービンブレード
７２ タービンベーン（ノズル）
７４ タービンベーン（ノズル）
７６ ダブテール
７８ 翼形部
８０ 先端
８２ 根元
８４ プラットフォーム
８８ 第１の入口通路
９０ 第２の入口通路
９２ 第３の入口通路
９２ａ 前縁側入口
９２ｂ 後縁側入口
９４ 通路出口
９６ 正圧側壁
９８ 負圧側壁
１００ 前縁
１０２ 後縁
１２０ 前縁冷却回路
１２２ 中間冷却回路
１２４ 後縁冷却回路
１２４ａ 第１の冷却回路
１２４ｂ 第２の冷却回路
１３０ 供給通路
１３２ 近傍壁冷却回路
１３６ プレナム通路
１３８ ピンバンク
１４０ 戻り通路
１４４ 前縁通路
１４６ 前縁回路流路
１４８ 壁
１６０ 中間供給通路
１６２ 中間プレナム通路
１６４ 中間戻り通路
１６６ 近傍壁冷却メッシュ
１６８ 流路
１７０ ピンバンク
１７２ メッシュプレナム
１８０ 供給通路
１８２ 戻り通路
１８４ 出口通路
１９０ 供給通路
１９２ 後縁通路
１９４ 入口
１９６ 後縁側通路
１９８ スロット
２００ フィルム孔
２０８ 先端冷却通路
２１０ 上部転向部
２１２ 下部転向部
２１４ 上部転向部
２１６ 下部転向部
２１８ 上部転向部
２２０ 下部転向部
２２２ 先端部

Claims (10)

  1. ガスタービンエンジン（１０）用翼形部（７８）であって、
    前縁（１００）と後縁（１０２）との間で軸方向に延びると共に根元（８２）と先端（８０）との間で半径方向に延びる、正圧側面（９６）及び負圧側面（９８）を定める外面と、
    前記翼形部（７８）の中に配置された前縁冷却回路（１２０）と、
    を備え、
    前記前縁冷却回路（１２０）は、
    前記根元（８２）から前記先端（８０）に向かって延びると共に、前記根元（８２）において入口通路（８８）に流体接続する供給通路（１３０）と、
    前記外面に沿って配置され、前記供給通路（１３０）に流体接続しかつ前記先端（８０）から前記根元（８２）に向かって延びるプレナム通路（１３６）を有し、少なくとも１つの戻り通路（１４０）が前記根元（８２）から前記先端（８０）に向かって延びかつ前記プレナム通路（１３６）に流体接続する、近傍壁冷却回路（１３２）と、
    前記前縁（１００）に隣接し、根元（８２）から先端（８０）の方向に延びかつ前記供給通路（１３０）に流体接続する前縁通路（１４４）と、
    を備え、
    冷却用空気は、前記入口通路（８８）から前記供給通路（１３０）に供給されて、前記プレナム通路（１３６）及び前記前縁（１００）通路に供給され、前記プレナム通路（１３６）からの冷却流体は、前記戻り通路（１４０）に流入する、翼形部（７８）。
  2. 前記近傍壁冷却回路（１３２）は、前記正圧側面（９６）又は前記負圧側面（９８）のうちの少なくとも一方に配置される、請求項１に記載の翼形部（７８）。
  3. 前記戻り通路（１４０）は、前記前縁通路（１４４）の近くに配置される、請求項１に記載の翼形部（７８）。
  4. 前記供給通路（１３０）は、前記近傍壁冷却回路（１３２）によって前記正圧側面（９６）又は前記負圧側面（９８）のうちの一方から離間する、請求項１に記載の翼形部（７８）。
  5. 前記供給通路（１３０）は、前記負圧側面（９８）に隣接する、請求項４に記載の翼形部（７８）。
  6. 前記戻り通路（１４０）は、前記前縁通路（１４４）に隣接する、請求項１に記載の翼形部（７８）。
  7. 前記近傍壁冷却回路（１３２）は、前記プレナム通路（１３６）に流体接続する第２の戻り通路（１４０）をさらに備える、請求項１に記載の翼形部（７８）。
  8. 前記プレナム通路（１３６）は、戻り通路（１４０）の間に配置される、請求項７に記載の翼形部（７８）。
  9. 前記外面を貫通して前記前縁通路（１４４）及び前記戻り通路（１４０）のうちの少なくとも１つに入るフィルム孔（２００）をさらに備える、請求項１に記載の翼形部（７８）。
  10. 前記翼形部（７８）は、圧縮機（２２）用又はタービン（３２）用のブレード（５６、５８、６８、７０）又はベーン（６０、６２、７２、７４）のうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載の翼形部（７８）。
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