JP2017106458A - フィルム冷却を用いるエンジン構成要素 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガスタービンエンジンの構成要素内の空洞を冷却するための構造を提供する。【解決手段】エンジン構成要素は、冷却流Cに隣接する冷却面122と、流体の高温流Hに隣接する高温面124とを含み得る。構成要素は、高温流Hと冷却流Cを分離する壁120であって、冷却面122および高温面124を画定し、壁に配置される複数のフィルム孔150を有する壁120を含み得る。少なくとも1つのタービュレーター130および少なくとも1つのフィルム孔導入口152が冷却面122上に配置され得る。タービュレーター130と導入口152は、フィルム孔150に冷却流体Cの定常流をもたらすように配置され得る。1つの配置は、タービュレーター130からタービュレーターの高さ136少なくとも2つ分、フィルム孔導入口152を離間することを含み得る。【選択図】図4
Description
本発明は、フィルム冷却を用いるエンジン構成要素に関する。
タービンエンジン、特にガスまたは燃焼タービンエンジンは、動翼および静翼対を含む圧縮機段から燃焼器、その次の複数のタービン動翼への一連であるエンジンを通り抜ける燃焼されたガスの流れからエネルギーを抽出するロータリエンジンである。ガスタービンエンジンは、陸上および航海上の移動ならびに電力生成に用いられてきたが、例えばヘリコプターを含む飛行機である航空上の利用に通常用いられている。飛行機分野では、ガスタービンエンジンは、航空機の推進に用いられる。
航空機の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ているため、高圧タービンや低圧タービンなど特定のエンジン構成要素の冷却が必要であり得る。典型的には、冷却は、高圧および/また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冷却空気をダクトで送ることによって達成される。高圧タービン内の温度は約1000℃〜2000℃で、圧縮機からの冷却空気は約500℃〜700℃である。圧縮機空気は高温であるが、それはタービン空気に比べて低温で、タービンを冷却するのに用いられ得る。
熱冷却的特徴として、冷却流に隣接する面上にタービュレーターが用いられてきたが、タービュレーターは、そこを冷却流が抜けるか覆って通る際に非定常または渦状の空気流を発生させる傾向があり、それが、冷却流体流に依存する追加的な冷却的特徴を混乱させ得る。
一態様では、高温燃焼ガス流を発生させ、冷却流体流をもたらす、ガスタービンエンジンのエンジン構成要素は、高温燃焼ガス流を冷却流体流から分離する壁であって、高温流路における高温燃焼ガス流に沿った高温面と、冷却流体流に面する冷却面とを有する壁を含む。エンジン構成要素は、タービュレーターの高さと、冷却流体流に直面する前面と、冷却流体流の向かうほうを向く後面とを画定するように冷却面から離れるほうに延びる少なくとも1つのタービュレーターをさらに含む。エンジン構成要素は、冷却面に設けられた導入口と、高温面に設けられた排出口と、導入口と排出口を接続する通路とを有する少なくとも1つのフィルム孔をさらに含み、導入口は、タービュレーターからタービュレーターの高さ少なくとも2つ分以内に離間される。
他の一態様では、ガスタービンエンジンの構成要素内の空洞を冷却する方法は、導入口の下流に配置されるタービュレーターの高さ2つ分以内にあるフィルム孔のその導入口の中に空気を向けることを含む。
なおも他の一態様では、高温燃焼ガス流を発生させ、冷却流体流をもたらす、ガスタービンエンジンのエンジン構成要素は、高温燃焼ガス流を冷却流体流から分離する壁であって、高温流路における高温燃焼ガス流に沿った高温面と、冷却流体流に面する冷却面と、流れ方向に延びる冷却面に形成されるチャネルとを有する壁を含む。エンジン構成要素は、タービュレーターの高さと、冷却流体流に直面する前面と、冷却流体流の向かうほうを向く後面とを画定するようにチャネル内に配置され冷却面から離れるほうに延びる複数のタービュレーターをさらに含み、かつ冷却面に設けられた導入口と、高温面に設けられた排出口と、導入口と排出口を接続する通路とを有する複数のフィルム孔をさらに含む。導入口の少なくとも1つは、タービュレーターの1つの上流にタービュレーターの高さ少なくとも2つ分以内に配置される。
図面は、以下のとおりである。
ガスタービンエンジンの概略図である。
図1のエンジンのタービン動翼という形におけるエンジン構成要素の斜視図である。
内部冷却通路を示す、図2の動翼の断面図である。
複数のタービュレーターおよびフィルム孔を有するエンジン構成要素の一部の斜視図である。
タービュレーターに関連して配置されたフィルム孔導入口を示す、図3のエンジン構成要素の上面図である。
図5のエンジン構成要素に沿った温度の変化を示す、温度勾配のプロットである。
タービュレーターの下流のフィルム孔導入口を示す、図3のエンジン構成要素の上面図である。
複数の山形部に関連して配置されたフィルム孔導入口を示す、図3のエンジン構成要素の上面図である。
山形部の中心角部の上流にあるフィルム孔導入口を示す、図3のエンジン構成要素の上面図である。
記載される本発明の実施形態は、タービンエンジンに流れる空気の経路決定に関する機械、方法および他の装置を対象にする。説明を目的として、本発明は航空機のガスタービンエンジンに関して記載することとする。しかしながら、この発明は、それに限定されず、例えば他の移動体への応用および非移動体への工業的、商業的かつ居住的応用である、航空機以外の応用での通常の適応性を有しうることは理解されるであろう。
説明を目的として、本発明は、タービンエンジンのタービン動翼のエーロフォイル関して記載される、ということをさらに理解されたい。しかしながら、本発明は、タービン動翼に限定されず、非限定的な例として、圧縮機動翼、タービン静翼もしくは圧縮機静翼、ファン動翼、支柱、シュラウドアセンブリ、燃焼器ディフレクター、もしくは燃焼器ライナー、または冷却を必要とする他の任意のエンジン構成要素など、いかなるエーロフォイル構造をも含み得る、ということが理解されるであろう。
本明細書で使用される場合、用語「前方」または「上流」は、エンジン導入口に向かう方向に動くこと、または或る構成要素が他の構成要素に比べてエンジン導入口に相対的により近くにあることを指す。「前方」または「上流」と関連して用いられる用語「後方」または「下流」は、エンジン中心線よりエンジンの後部または排出口に向かう方向を指す。
加えて、本明細書で使用される場合、用語「放射状」または「放射状に」は、エンジンの中心長手方向軸線とエンジン外周との間に延びる広がりを指す。
さらに、本明細書で使用される場合、用語「流れ方向」もしくは「流線」または類似の用語は、流れ、流体、ガス、位置、または線形とともに用いられるとき、直線的であり得る流体もしくはガスの流れ方向か、または流れが非直線的である、つまり流れの方向がいずれかの位置または時点で動いている、流れの進路か、を指す。
さらに、本明細書で使用される場合、用語「流れ要素」は、タービュレーター、山形部、チャネル、ピンバンク、メッシュ、冷却通路、または、エンジン構成要素内における流線流の変化に影響または作用し得る他のいかなる要素をも含み得る。
方向に関する全ての言及(例えば、放射状、軸方向、近位、遠位、上方、下方、上向き、下向き、左、右、横、前、後、上、底、上に、下に、垂直、水平、右回り、左回り、上流、下流、後方、等)は、読者が本発明を理解するのを補助する識別目的のためにのみ用いられ、特に、本発明の位置、方向性、または使用に関して限定を生じさせない。接続に関する言及(例えば、取り付けられる、連結される、接続される、および接合される)は、広く解釈されるものとし、他に断りがなければ、一組の要素間における中間部材および要素間の相対的運動を含み得る。そういうものとして、接続に関する言及は、2つの要素がお互いに対して直接接続されて固定した関係にあるということを必ずしも暗示しない。例示的な図面は説明目的にすぎず、本明細書に添付した図面に反映される寸法、位置、順序、および相対的サイズは種々あり得る。
図1は、航空機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、概して長手方向に延びる軸線または前方14から後方16へ延びる中心線12を有する。エンジン10は、下流への直列流れ関係で、ファン20を含むファンセクション18、ブースターまたは低圧(LP)圧縮機24および高圧(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およびLPタービン36を含むタービンセクション32および排気セクション38を含む。
ファンセクション18は、ファン20を包囲するファンケーシング40を含む。ファン20は、中心線12回りに放射状に配置される複数のファンブレード42を含む。HP圧縮機26、燃焼器30およびHPタービン34は、燃焼ガスを生成するエンジン10のコア44を形成する。コア44は、ファンケーシング40と連結され得るコアケーシング46によって包囲される。
エンジン10の中心線12回りに同軸上に配置されるHPシャフトまたはスプール48は、HPタービン34をHP圧縮機26と駆動的に連結する。大きい直径である環状のHPスプール48内でエンジン10の中心線12回りに同軸上に配置されるLPシャフトまたはスプール50は、LPタービン36をLP圧縮機24およびファン20と駆動的に連結する。スプール48、50のいずれかまたは双方に搭載されて、ともに回転するエンジン10の部分を、個別にまたはまとめて回転子51と呼ぶ。
LP圧縮機24およびHP圧縮機26は複数の圧縮機段52、54をそれぞれ含み、そこで圧縮機動翼58の集合は、対応する静的な圧縮機静翼60、62(ノズルとも呼ばれる)の集合に対して回転して、上記段を通り抜ける流体の流れを圧縮または加圧する。1つの圧縮機段52、54において、多数の圧縮機動翼56、58は、環内に設けられることが可能であり、動翼プラットフォームから動翼端まで、中心線12に対して半径方向に外側に延びることが可能である一方で、対応する静的な圧縮機静翼60、62が、動翼56、58にその下流に隣接して位置する。図1に示す動翼、静翼および圧縮機段の数は、説明の目的のためだけに選択されたものであり、他の数が可能であることに留意されたい。ある圧縮機段の動翼56、58は、ディスク53に搭載可能であり、それは、その所有のディスクを有する各段を伴うHPおよびLPスプール48、50のうちの対応するひとつに搭載される。静翼60、62は、回転子51回りの円周方向配置のコアケーシング46に搭載される。
HPタービン34およびLPタービン36は複数のタービン段64、66をそれぞれ含み、そこでタービン動翼68、70の集合は、対応する静的なタービン静翼72、74(ノズルとも呼ばれる)の集合に対して回転して、上記段を通り抜ける流体の流れからエネルギーを抽出する。1つのタービン段64、66において、多数のタービン動翼68、70は、環内に設けられることが可能であり、動翼プラットフォームから動翼端まで、中心線12に対して半径方向に外側に延びることが可能である一方で、対応する静的なタービン静翼72、74が、動翼68、70にその上流に隣接して位置する。図1に示す動翼、静翼およびタービン段の数は、説明の目的のためだけに選択されたものであり、他の数が可能であることに留意されたい。
作動において、回転ファン20は、LP圧縮機24へ周辺空気を供給し、その後周辺空気をさらに加圧するHP圧縮機26へ加圧された周辺空気を供給する。HP圧縮機26からの加圧空気は、燃焼器30において燃料と混合して点火され、それによって燃焼ガスを生成する。ある仕事量が、HPタービン34によってこれらのガスから抽出され、HP圧縮機26を駆動する。燃焼ガスは、LP圧縮機24を駆動する追加の仕事量を抽出するLPタービン36へ流れ出て、排気ガスは、最終的に、排気セクション38を経由してエンジン10から排出される。LPタービン36の駆動がLPスプール50を駆動し、ファン20およびLP圧縮機24を回転する。
ファン20によって供給されるいくつかの周辺空気は、エンジンコア44を回避することが可能であり、エンジン10の部分、特に高温部分の冷却に用いること、および/または他の態様の航空機の冷却もしくは動力に用いることが可能である。タービンエンジンの文脈において、エンジンにおける高温部分とは、通常、燃焼器30の下流、特に燃焼セクション28の直下流であるために最高温部分となるHPタービン34を伴う、タービンセクション32である。他の冷却流体の源としては、限定するものではないが、LP圧縮機24またはHP圧縮機26から流れ出る流体がありうる。
図2は、図1のエンジン10のタービン動翼68の1つという形におけるエンジン構成要素の斜視図である。タービン動翼68は、蟻ほぞ76およびエーロフォイル78を含む。蟻ほぞ76は、エンジン10上のタービン回転子ディスクに搭載されるように構成され得る。エーロフォイル78は、先端80から根元82に延びて翼長方向を画定する。蟻ほぞ76は、根元82でエーロフォイル78と一体的になったプラットフォーム84をさらに含み、このことにより、タービン空気流を放射状に含有するのを助ける。蟻ほぞ76は、第1の導入口通路88、第2の導入口通路90、および第3の導入口通路92として例示的に示される少なくとも1つの導入口通路を含み、それぞれが蟻ほぞ76を通って延びて、通路排出口94でエーロフォイル78との内部流体連通をもたらす。示される導入口通路88、90、92は、例示的であり、限定的として理解されないものとする。より多いかまたはより少ない導入口通路を用いて、エーロフォイル78の内部の流体の流れをもたらし得る。蟻ほぞ76は、断面が示されており、導入口通路88、90、92が蟻ほぞ76の本体内に収納されるようになっている、ということを理解されたい。本明細書に記載される通り、エンジン構成要素は、エーロフォイル78として記載されるが、これは限定的として解釈されないものとし、非限定的な例として、動翼、静翼、支柱、またはシュラウドアセンブリなど追加的なエンジン構成要素がエーロフォイルの代わりに用いられ得る、ということをさらに理解されたい。
図3を見ると、断面で示されるエーロフォイル78は、凹状圧力壁98を画定する外壁と、凸状吸引壁100とを有し、それらは、エーロフォイル形状を画定するように接合される。前縁102と後縁104は、その間に延びる翼弦方向を画定する。エーロフォイル78は、圧力壁98が吸引壁100の後に続くような方向に回転する。そうして、図3に示すように、エーロフォイル78は、ページの上のほうに、上向きに回転することになる。
エーロフォイル78は、第1の冷却通路106、第2の冷却通路108、および第3の冷却通路110によって画定される内部空間96を含む。冷却流体など流体の流れが冷却通路106、108、110内を通って、エーロフォイル78に冷却をもたらすことができる。通路106、108、110は、エーロフォイル78の側壁どうしの間に延びる1つまたは複数の畝部112によって画定され分離され得る。通路106、108、110および畝部112は、通路106、108、110内の流れを利用するに当って空気流または冷却要素をもたらすための内部空間面を画定し得る。
我々は、容積内部空洞または通路をもった従来の冷却エーロフォイルを示しているが、本発明は、タービュレーターが利用できるいかなるところにも適用される、ということを理解されたい。これは、壁近傍冷却通路および微小回路冷却通路だけでなく、静翼、動翼、シュラウド、燃焼器のライナーおよびディフレクター、末端壁、プラットフォーム、またはその他を含む全ての冷却構成要素への延長をも含むことができる。加えて、タービュレーターは典型的な形式で示されており、タービュレーターはまた、トリップストリップまたはリブラフナー(rib roughener)だけでなく、ピン、バンプ(bump)、ボルテックスジェネレーター、山形部等をも含み得ることが考えられる。それぞれの要素は、冷却流体流に直面する面と、冷却流体流の向かうほうを向く面とを含む共通の特徴を共有する。
ここで図4を見ると、エンジン構成要素の一部は、冷却流体流Cに隣接する、チャネルを含み得る冷却面122と、高温ガス流Hに隣接する高温面124と、を有する壁120として示される。冷却面122は、平坦な延長された面を含み得るか、または冷却流体流Cに隣接して画定されたチャネルを含み得る。タービュレーター130として例示される複数の流れ要素は、冷却面122に沿って配置される。タービュレーター130は、四辺形で、冷却流体流Cに直面する前面132と、冷却流体流Cの向かうほうを向く後面134とを有する。あるいは、タービュレーター130は、タービュレーター面の一部が冷却流体流Cに直面し、他の部分が冷却流体流Cの向かうほうを向くように、非限定的な例として、湾曲状、弓状、三角形、または他の形状など、別の形状を含み得る。タービュレーター130は、冷却面122から延びるタービュレーター130の前面132または後面134の距離によって画定される高さ136をさらに含み得る。角部138が、前面132と冷却面122の間の接合部に画定され得る。タービュレーター130は、タービュレーター130の長手方向の縦に沿ってタービュレーター軸線140を画定し得る。図4は、鋭利な縁部と鋭利な角部138を示すけれども、かかる特徴は限定的ではなく、丸まったコーナーを含むか境界フィレット(finite fillet)を有するかし得る、ということを理解されたい。
冷却面122に導入口152を有し、高温面124に排出口154を有し、導入口152を排出口154に流体的に連結するフィルム孔通路156をもった、複数のフィルム孔150が、壁120に配置され得る。冷却通路流軸線158が、冷却面122に沿って導入口152の中心を通って置かれ得るとともに、フィルム孔通路軸線160が、フィルム孔通路156の中心に沿って画定され得る。冷却通路流軸線158は、冷却面122に沿って冷却流体流Cの局所方向に平行であり得るか、あるいは、冷却チャネル方向軸線に平行であり得る。冷却流体流Cの局所方向は、チャネル軸線方向に沿っていなくてもよく、冷却チャネルの軸方向に対して偏位していてもよい。したがって、冷却通路流軸線158は、冷却流体流Cの局所方向に平行であってもよく、その方向は、近くのタービュレーター130によってかまたはエンジン構成要素全体を通して変更されてもよい。タービュレーター130が冷却流体流Cに対して或る角度で方向付けられ得るように、タービュレーター軸線140と冷却通路流軸線158の間にタービュレーター角度164が画定され得る。
フィルム孔導入口152は、タービュレーター130の上流に配置され得る。フィルム孔導入口152は、タービュレーター130の高さ136に相対的な距離として画定される空間166によって、タービュレーター130から離間され得る。例えば、空間166は、タービュレーター130からタービュレーターの高さ136の2つ分以内であり得る。
作動の間、冷却流体流Cは、導入口152を通してフィルム孔150に供給され、排出口154を通して排気され、高温面124に冷却流体流Cをもたらし、高温面124に沿って冷却流体のフィルムを伸ばす。
図5を見ると、冷却面122の上面図が、2つの壁172の間に配置されるチャネル170として示される。チャネル170は、図4の冷却面122であり得る冷却面122をさらに含み得る。複数のタービュレーター130が、チャネル170に沿って配置され、流れ方向に離間された並べ方で構成され得る。各タービュレーター130は、壁172と4つの角部を画定して、タービュレーター130の上流に配置された2つの角部174a、174bと、タービュレーター130の下流に配置された2つの角部174c、174dとを有し得る。チャネルは、チャネル軸線176をさらに画定し得て、これは、冷却流体の全体的な流れCの方向に平行であり得る。タービュレーター130は、壁172またはチャネル軸線176のいずれかに対して、タービュレーター角度164で角度を付けられ得る タービュレーター130は、第1の角部174aが第2の角部174bの上流に配置され、第3の角部174cが第4の角部174dの上流に配置されるように角度を付けられ得る。タービュレーター130は、タービュレーター角度164で配置され得て、第2の角部174bを有し、一方、冷却流体流Cに対して、タービュレーター130の上流にあることは、第3の角部174cの下流に配置される。示す角部は例示的なものであり、角部によっては、タービュレーター130によって画定され得るように、他の角部の上流または下流に配置され得て、図5に示す特定の配置に限定されない、ということを理解されたい。
フィルム孔導入口152は、角部174a〜dに配置され得る。図5は第2の角部174bに配置されるフィルム孔導入口152を示すが、その例示は例示用のものであり、導入口152は、タービュレーター130によって画定されるいずれの角部174a〜dにも配置され得る、ということを理解されたい。さらに、導入口152は、タービュレーター130に隣接するとして示されるが、非限定的な例では、導入口152は、タービュレーターの高さ2つ分の長さなど、タービュレーターから離間され得る。
図5は、タービュレーター130によって画定される角部にフィルム孔導入口152を配置するとして記載されていることを理解されたいが、導入口152は、チャネル170の横方向位置またはそれに配置されるタービュレーター130に沿ったどこにでも配置され得ることがさらに考えられる。さらに、導入口152は、角部174a〜dから離間され得る。例えば、導入口152は、角部から、タービュレーターの高さ少なくとも2つ分以内に離間され得る。
図6を見ると、フィルム孔の追加および配置の前の図5のエンジン構成要素の温度勾配プロットは、後でフィルム孔導入口152が配置される位置での温度の上昇を示す。図は、フィルム孔導入口152なしではより高い材料温度を受ける領域に、フィルム孔導入口152が望ましくは配置されることを示す。冷却流体流Cは、冷却チャネル170の内面(図6には図示せず)を冷却し、タービュレーター130に隣接するところで温度Zが最も高くなるのを助ける。冷却流体がタービュレーター130に近づくに従い、導入口152のほうに流れるとき、エンジン構成要素に対する温度は、高い温度Xから最も高い温度Wへ上昇する。導入口152から遠いほうである対向側の、タービュレーター130から下流にありかつ上流寄りの角部で、温度は低い温度Yになり、一方、最も低い温度Zは、タービュレーター130の下流にある上流寄りの角部の温度に最も近い。このようにして、下流寄りの角部に導入口152を配置することは、エンジン構成要素の温度を低減させるのを助けることができ、そうでなければ再循環または停滞している流れが内部の温度を発生および上昇させ得る。このようにして、タービュレーター130に対する導入口152の相対的配置は、エンジン構成要素内の温度を管理するだけでなく導入口への流れを活発にするようにも利用され得る、ということを理解されたい。示し記載する流れは例示的なものであり、異なる空気流と結果的な温度が種々の構成で可能である、ということを理解されたい。
最も高い、高い、低い、最も低い温度であるZ、Y、X、Wを含む温度は、相互に相対的な温度であり、それらの間の特定の温度または差異に限定されず、なぜならそれは、異なるエンジン構成要素は、エンジン全体において異なる内部温度を有し得るからである、ということを理解されたい。
ここで図7を見ると、タービュレーター130は、図5のそれとは反対の角度でチャネルに沿って配置される。第2の例では、フィルム孔導入口152は、図4および5に示されるタービュレーター130の上流寄りとは反対に、タービュレーター130の下流寄りに配置される。タービュレーター130は、タービュレーター130に隣接するかまたはそれから下流のほうに離間され得る。導入口152は、例えば、タービュレーター130から少なくともタービュレーターの高さ2つ分の長さ以内に離間され得る。
図4は、タービュレーター130の上流に配置されるフィルム孔導入口152を示し、図7は、タービュレーター130の下流にあるフィルム孔導入口152を示すが、導入口152は、導入口が或るタービュレーター130の上流にも他のタービュレーター130の下流にもあるようにタービュレーター130どうしの間の中心に離間されて配置され得る、ということを理解されたい。上流および下流両方のタービュレーター130の間にあるこの距離は、タービュレーター130の近くの乱気流(turbulation airflow)が回避されるように、タービュレーターの高さ2つ分より大きくし得る。
ここで図8を見ると、タービュレーターはまた、山形部180を含み得る。山形部は、チャネル170内において、チャネル170を画定する壁172どうしの間に配置され得る。山形部180は、上流側の角部182a、下流側の角部182b、および中心の角部182cを画定し得る。フィルム孔導入口152は、上流側の角部182aに配置されているが、導入口152は、いずれの角部182a〜cにも配置され得るかまたはチャネル170の任意の横方向位置に沿って山形部180から離間され得る、ということが考えられる。
図9では、複数の山形部190が図8の位置とは逆向きになっており、上流側の2つの角部192a、下流側の2つの角部192b、および中心の角部192cを画定している。導入口152は、中心の角部192cに配置されるとして示されているが、導入口152は、いずれの角部192a〜cにも配置され得るかまたはチャネル170の任意の横方向位置で山形部190から離間され得る、ということが考えられる。
図8および9は、山形部180、190によって画定される角部182a〜c、192a〜cに導入口152を配置することに限定されないが、チャネル170内で山形部180、190の間の空間内に配置され得るとともに、少なくとも1つの山形部180、190から山形部の高さ少なくとも2つ分以内に離間される、ということを理解されたい。加えて、導入口152は、角部182a〜c、192a〜cから、例えば、山形部の高さ少なくとも2つ分以内に離間され得る。さらにまた、導入口152は、上流寄りの山形部180、190と下流寄りの山形部180、190との間に離間され、両方の山形部180、190から山形部の高さ少なくとも2つ分によって距離を置かれ、山形部180、190によって作り出される乱気流の外側に配置され得る。
タービュレーターに相対的にフィルム孔を配置することはまた、ガスタービンエンジンの構成要素内で空洞を冷却する方法を含み得る。方法は、導入口の下流に配置されるタービュレーターの高さ2つ分以内にあるフィルム孔のその導入口の中に空気を向けることを含み得る。空気は、構成要素の高温面に沿って冷却フィルムを設けるように排出口から排気され得る。空気はまた、タービュレーターによって画定される角部からタービュレーターの高さ2つ分以内に配置される導入口の中に向けられ得る。加えて、空気を複数のフィルム孔導入口の中に向ける複数のフィルム孔が考えられる。
本明細書に記載の例は非限定的であり、導入口またはフィルム孔は、タービュレーターまたは山形部によって画定される1つまたは複数の角部に配置され得る、ということをさらに理解されたい。さらに、導入口またはフィルム孔は、冷却面の空間において、隣接するタービュレーターどうしまたは山形部どうしの間に配置され得て、それらから離間され得る。例えば、離間されることは、タービュレーターもしくは山形部からタービュレーターもしくは山形部の高さ少なくとも2つ分以内、または上流寄りおよび下流寄り両方のタービュレーターもしくは山形部からタービュレーターの高さ少なくとも2つ分以内、に離間されるなど、タービュレーターまたは山形部の高さと相対的であり得る。さらに、導入口は、タービュレーターまたは山形部の高さ2つ分以内などの距離によって角部から離間され得る。
本開示は、冷却通路またはチャネルの内側のタービュレーターと相対的にフィルム孔導入口を好ましく配置することに関する、ということを理解されたい。タービュレーターと相対的に導入口を配置することは、排出の係数および流量を改善するなど、フィルム孔またはフィルムの冷却性能を改善する。タービュレーターと相対的にフィルム孔導入口を配置することにより、冷却通路内のタービュレーターによって発生される流れパターンを利用または回避し得る タービュレーターからタービュレーターの高さ少なくとも2つ分以内または上流寄りおよび下流寄り両方のタービュレーターからタービュレーターの高さ少なくとも2つ分以内にフィルム孔を配置することにより、タービュレーターによって作り出される非定常の流れを回避し得る。タービュレーターは、タービュレーターに隣接する再循環流を発生させ得、導入口をそこから離間して配置することは、この再循環流を回避し、定常流をフィルム孔にもたらし得る。加えて、導入口を角部に配置することは、通路内に加圧または停滞の起こっている領域をなくし、流れの効率および冷却をさらに改善するのを助け得る。
記載したこの記述は、例を用いて、最良の形態を含むこの発明を開示して、かつ、いかなる当業者に対しても、任意の装置またはシステムを作成し用いることおよび任意の統合された方法を実行することを含んだこの発明の実施をすることができるようにする。特許を受けることができるこの発明の範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到する他の実施例を含みうる。そうした他の実施例は、特許請求の範囲の字義どおりの用語と異なるものではない構造的要素を有する場合、または特許請求の範囲の字義どおりの用語と実体のない差異をもつ同等の構造的要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内であることが意図される。
[実施態様1]
高温燃焼ガス流(H)を発生させ、冷却流体流(C)をもたらす、ガスタービンエンジンのエンジン構成要素(10)であって、
前記高温燃焼ガス流(H)を前記冷却流体流(C)から分離する壁(120)であって、高温流路における前記高温燃焼ガス流(H)に沿った高温面(124)と、前記冷却流体流(C)に面する冷却面(122)とを有する、壁(120)と;
タービュレーターの高さ(136)と、前記冷却流体流(C)に直面する前面(132)と、前記冷却流体流(C)の向かうほうを向く後面(134)とを画定するように、前記冷却面(122)から離れるほうに延びる少なくとも1つのタービュレーター(130)と;
前記冷却面(122)に設けられた導入口(152)と、前記高温面(124)に設けられた排出口(154)と、前記導入口(152)と前記排出口(154)を接続する通路(156)とを有する少なくとも1つのフィルム孔(150)と、を含み、
前記導入口(152)は、前記少なくとも1つのタービュレーター(130)から離間される、エンジン構成要素(10)。
[実施態様2]
前記導入口(152)は、前記タービュレーター(130)からタービュレーターの高さ(136)少なくとも2つ分以内に離間される、実施態様1に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様3]
前記冷却面(122)上にチャネル(170)をさらに含み、前記タービュレーター(130)は前記チャネル(170)とともに少なくとも1つの角部(138)を形成し、前記導入口(152)は前記角部(138)からタービュレーターの高さ(136)2つ分以内に配置される、実施態様2に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様4]
前記タービュレーター(130)は、前記チャネル(170)に対して角度(164)を付けて方向付けられる、実施態様3に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様5]
前記タービュレーター(130)は、畝部および山形部(180、190)の最少の1つを含む、実施態様2に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様6]
前記通路(156)は、前記冷却面(122)に対して角度を形成する、実施態様2に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様7]
少なくとも1つのタービュレーター(130)は、離間された複数のタービュレーター(130)を含む、実施態様1に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様8]
前記離間された複数のタービュレーター(130)は、前記冷却流体流(C)に対して流れ方向に離間される、実施態様7に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様9]
前記導入口(152)は、2つのタービュレーター(130)の間に配置され、前記タービュレーター(130)からタービュレーターの高さ(136)少なくとも2つ分離間される、実施態様8に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様10]
前記少なくとも1つのフィルム孔(150)は、複数のフィルム孔(150)を含む、実施態様8に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様11]
隣接するタービュレーター(130)どうしの間で、1つのタービュレーター(130)からタービュレーターの高さ(136)2つ分以内にフィルム孔(150)が配置される、実施態様10に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様12]
前記タービュレーター(130)は、角部(138)の一部を画定し、前記フィルム孔(150)は、前記角部(138)からタービュレーターの高さ(136)2つ分以内に配置される、実施態様11に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様13]
流れ方向に離間された並べ方で前記タービュレーター(130)がチャネル(170)内に配置された前記チャネル(170)をさらに含む、実施態様12に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様14]
前記エンジン構成要素(10)は、静翼、動翼、シュラウド、燃焼器ディフレクター、および燃焼器ライナーの任意の1つを含み得る、実施態様1に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様15]
前記エンジン構成要素(10)は、次の内部冷却通路:平滑な、乱気流の、ピンバンク、メッシュ、前縁、後縁、先端、末端壁、または微小回路、の少なくとも1つをもった静翼または動翼の1つであり;前記導入口(152)は、前記冷却通路に配置される、実施態様14に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様16]
フィルム孔(150)の導入口(152)の下流に配置されるタービュレーターの高さ(136)2つ分以内にある前記導入口(152)の中に空気を向けることを含む、ガスタービンエンジンの構成要素内の空洞を冷却する方法。
[実施態様17]
前記導入口(152)に空気を向けることは、前記タービュレーター(130)によって部分的に画定される角部(138)からタービュレーターの高さ(136)2つ分以内にある前記導入口(152)に空気を向けることを含む、実施態様16に記載の方法。
[実施態様18]
フィルム孔(150)の導入口(152)に空気を向けることは、対応するタービュレーター(130)の上流に配置される複数の導入口(152)への直接的空気を含む、実施態様16に記載の方法。
[実施態様19]
高温燃焼ガス流(H)を発生させ、冷却流体流(C)をもたらす、ガスタービンエンジンのエンジン構成要素(10)であって、
前記高温燃焼ガス流(H)を前記冷却流体流(C)から分離する壁(120)であって、高温流路における前記高温燃焼ガス流(H)に沿った高温面(124)と、前記冷却流体流(C)に面する冷却面(122)とを有する、壁(120)と;
前記冷却面(122)に形成され、流れ方向に延びるチャネル(170)と;
前記チャネル(170)内に配置されており、タービュレーターの高さ(136)と、前記冷却流体流(C)に直面する前面(132)と、前記冷却流体流(C)の向かうほうを向く後面(134)とを画定するように冷却面(122)から離れるほうに延びる、複数のタービュレーター(130)と;
前記冷却面(122)に設けられた導入口(152)と、前記高温面(124)に設けられた排出口(154)と、前記導入口(152)と前記排出口(154)を接続する通路(156)とを有する複数のフィルム孔(150)と;
前記導入口(152)の少なくとも1つは、前記タービュレーター(130)の1つの上流にタービュレーターの高さ(136)少なくとも2つ分以内に配置される。
[実施態様20]
前記タービュレーター(130)は、前記チャネル(170)とともに角部(138)を形成し、前記導入口(152)は、前記角部(138)からタービュレーターの高さ(136)2つ分以内に配置される、実施態様19に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様21]
前記タービュレーター(130)は、前記チャネル(170)に対して角度を形成する、実施態様20に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様22]
高温燃焼ガス流(H)を冷却流体流(C)から分離する壁(120)と、前記壁(120)に配置され前記冷却流体流(C)に直面するタービュレーター(130)と、前記壁(120)を貫通し、前記タービュレーター(130)からタービュレーターの高さ(136)少なくとも2つ分以内に配置される導入口(152)を有するフィルム孔(150)と、を含む、ガスタービンエンジンのエンジン構成要素(10)。
[実施態様1]
高温燃焼ガス流(H)を発生させ、冷却流体流(C)をもたらす、ガスタービンエンジンのエンジン構成要素(10)であって、
前記高温燃焼ガス流(H)を前記冷却流体流(C)から分離する壁(120)であって、高温流路における前記高温燃焼ガス流(H)に沿った高温面(124)と、前記冷却流体流(C)に面する冷却面(122)とを有する、壁(120)と;
タービュレーターの高さ(136)と、前記冷却流体流(C)に直面する前面(132)と、前記冷却流体流(C)の向かうほうを向く後面(134)とを画定するように、前記冷却面(122)から離れるほうに延びる少なくとも1つのタービュレーター(130)と;
前記冷却面(122)に設けられた導入口(152)と、前記高温面(124)に設けられた排出口(154)と、前記導入口(152)と前記排出口(154)を接続する通路(156)とを有する少なくとも1つのフィルム孔(150)と、を含み、
前記導入口(152)は、前記少なくとも1つのタービュレーター(130)から離間される、エンジン構成要素(10)。
[実施態様2]
前記導入口(152)は、前記タービュレーター(130)からタービュレーターの高さ(136)少なくとも2つ分以内に離間される、実施態様1に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様3]
前記冷却面(122)上にチャネル(170)をさらに含み、前記タービュレーター(130)は前記チャネル(170)とともに少なくとも1つの角部(138)を形成し、前記導入口(152)は前記角部(138)からタービュレーターの高さ(136)2つ分以内に配置される、実施態様2に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様4]
前記タービュレーター(130)は、前記チャネル(170)に対して角度(164)を付けて方向付けられる、実施態様3に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様5]
前記タービュレーター(130)は、畝部および山形部(180、190)の最少の1つを含む、実施態様2に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様6]
前記通路(156)は、前記冷却面(122)に対して角度を形成する、実施態様2に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様7]
少なくとも1つのタービュレーター(130)は、離間された複数のタービュレーター(130)を含む、実施態様1に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様8]
前記離間された複数のタービュレーター(130)は、前記冷却流体流(C)に対して流れ方向に離間される、実施態様7に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様9]
前記導入口(152)は、2つのタービュレーター(130)の間に配置され、前記タービュレーター(130)からタービュレーターの高さ(136)少なくとも2つ分離間される、実施態様8に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様10]
前記少なくとも1つのフィルム孔(150)は、複数のフィルム孔(150)を含む、実施態様8に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様11]
隣接するタービュレーター(130)どうしの間で、1つのタービュレーター(130)からタービュレーターの高さ(136)2つ分以内にフィルム孔(150)が配置される、実施態様10に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様12]
前記タービュレーター(130)は、角部(138)の一部を画定し、前記フィルム孔(150)は、前記角部(138)からタービュレーターの高さ(136)2つ分以内に配置される、実施態様11に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様13]
流れ方向に離間された並べ方で前記タービュレーター(130)がチャネル(170)内に配置された前記チャネル(170)をさらに含む、実施態様12に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様14]
前記エンジン構成要素(10)は、静翼、動翼、シュラウド、燃焼器ディフレクター、および燃焼器ライナーの任意の1つを含み得る、実施態様1に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様15]
前記エンジン構成要素(10)は、次の内部冷却通路:平滑な、乱気流の、ピンバンク、メッシュ、前縁、後縁、先端、末端壁、または微小回路、の少なくとも1つをもった静翼または動翼の1つであり;前記導入口(152)は、前記冷却通路に配置される、実施態様14に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様16]
フィルム孔(150)の導入口(152)の下流に配置されるタービュレーターの高さ(136)2つ分以内にある前記導入口(152)の中に空気を向けることを含む、ガスタービンエンジンの構成要素内の空洞を冷却する方法。
[実施態様17]
前記導入口(152)に空気を向けることは、前記タービュレーター(130)によって部分的に画定される角部(138)からタービュレーターの高さ(136)2つ分以内にある前記導入口(152)に空気を向けることを含む、実施態様16に記載の方法。
[実施態様18]
フィルム孔(150)の導入口(152)に空気を向けることは、対応するタービュレーター(130)の上流に配置される複数の導入口(152)への直接的空気を含む、実施態様16に記載の方法。
[実施態様19]
高温燃焼ガス流(H)を発生させ、冷却流体流(C)をもたらす、ガスタービンエンジンのエンジン構成要素(10)であって、
前記高温燃焼ガス流(H)を前記冷却流体流(C)から分離する壁(120)であって、高温流路における前記高温燃焼ガス流(H)に沿った高温面(124)と、前記冷却流体流(C)に面する冷却面(122)とを有する、壁(120)と;
前記冷却面(122)に形成され、流れ方向に延びるチャネル(170)と;
前記チャネル(170)内に配置されており、タービュレーターの高さ(136)と、前記冷却流体流(C)に直面する前面(132)と、前記冷却流体流(C)の向かうほうを向く後面(134)とを画定するように冷却面(122)から離れるほうに延びる、複数のタービュレーター(130)と;
前記冷却面(122)に設けられた導入口(152)と、前記高温面(124)に設けられた排出口(154)と、前記導入口(152)と前記排出口(154)を接続する通路(156)とを有する複数のフィルム孔(150)と;
前記導入口(152)の少なくとも1つは、前記タービュレーター(130)の1つの上流にタービュレーターの高さ(136)少なくとも2つ分以内に配置される。
[実施態様20]
前記タービュレーター(130)は、前記チャネル(170)とともに角部(138)を形成し、前記導入口(152)は、前記角部(138)からタービュレーターの高さ(136)2つ分以内に配置される、実施態様19に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様21]
前記タービュレーター(130)は、前記チャネル(170)に対して角度を形成する、実施態様20に記載のエンジン構成要素(10)。
[実施態様22]
高温燃焼ガス流(H)を冷却流体流(C)から分離する壁(120)と、前記壁(120)に配置され前記冷却流体流(C)に直面するタービュレーター(130)と、前記壁(120)を貫通し、前記タービュレーター(130)からタービュレーターの高さ(136)少なくとも2つ分以内に配置される導入口(152)を有するフィルム孔(150)と、を含む、ガスタービンエンジンのエンジン構成要素(10)。
10 エンジン
12 長手方向軸線(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 低圧圧縮機
26 高圧圧縮機
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/HPスプール
50 LPシャフト/LPスプール
52 圧縮機段
54 圧縮機段
56 圧縮機動翼
58 圧縮機動翼
60 圧縮機静翼(ノズル)
62 圧縮機静翼(ノズル)
64 タービン段
66 タービン段
68 タービン動翼
70 タービン動翼
72 タービン静翼
74 タービン静翼
76 蟻ほぞ
78 エーロフォイル
80 先端
82 根元
84 プラットフォーム
88 第1の導入口通路
90 第2の導入口通路
92 第3の導入口通路
92a 前縁側導入口
92b 縁側導入口
94 通路排出口
96 内部空間
98 圧力側壁
100 吸引側壁
102 前縁
104 後縁
106 第1の冷却通路
108 第2の冷却通路
110 第3の冷却通路
112 畝部
C 冷却流体流
H 高温ガス流
Z 最も高い温度
Y 高い温度
X 低い温度
W 最も低い温度
12 壁
122 冷却面
124 高温面
130 タービュレーター
132 前面
134 後面
136 高さ
138 角部
140 タービュレーター軸線
150 フィルム孔
152 導入口
154 排出口
156 通路
158 流れ軸線
160 通路軸線
162 通路角度
164 タービュレーター角度
166 空間
170 チャネル
172 壁
174 角部
174a 第1の角部
174b 第2の角部
174c 第3の角部
174d 第4の角部
176 タービュレーター角度
180 山形部
182a 上流側角部
182b 下流側角部
182c 中央角部
190 山形部
192a 上流側角部
192b 流側角部
192c 中央角部
12 長手方向軸線(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 低圧圧縮機
26 高圧圧縮機
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/HPスプール
50 LPシャフト/LPスプール
52 圧縮機段
54 圧縮機段
56 圧縮機動翼
58 圧縮機動翼
60 圧縮機静翼(ノズル)
62 圧縮機静翼(ノズル)
64 タービン段
66 タービン段
68 タービン動翼
70 タービン動翼
72 タービン静翼
74 タービン静翼
76 蟻ほぞ
78 エーロフォイル
80 先端
82 根元
84 プラットフォーム
88 第1の導入口通路
90 第2の導入口通路
92 第3の導入口通路
92a 前縁側導入口
92b 縁側導入口
94 通路排出口
96 内部空間
98 圧力側壁
100 吸引側壁
102 前縁
104 後縁
106 第1の冷却通路
108 第2の冷却通路
110 第3の冷却通路
112 畝部
C 冷却流体流
H 高温ガス流
Z 最も高い温度
Y 高い温度
X 低い温度
W 最も低い温度
12 壁
122 冷却面
124 高温面
130 タービュレーター
132 前面
134 後面
136 高さ
138 角部
140 タービュレーター軸線
150 フィルム孔
152 導入口
154 排出口
156 通路
158 流れ軸線
160 通路軸線
162 通路角度
164 タービュレーター角度
166 空間
170 チャネル
172 壁
174 角部
174a 第1の角部
174b 第2の角部
174c 第3の角部
174d 第4の角部
176 タービュレーター角度
180 山形部
182a 上流側角部
182b 下流側角部
182c 中央角部
190 山形部
192a 上流側角部
192b 流側角部
192c 中央角部
Claims (10)
- 高温燃焼ガス流[H]を発生させ、冷却流体流[C]をもたらす、ガスタービンエンジンのエンジン構成要素であって[10]、
前記高温燃焼ガス流[H]を前記冷却流体流[C]から分離する壁[120]であって、高温流路における前記高温燃焼ガス流[H]に沿った高温面[124]と、前記冷却流体流[C]に面する冷却面[122]とを有する、壁[120]と;
タービュレーターの高さ[136]と、前記冷却流体流[C]に直面する前面[132]と、前記冷却流体流[C]の向かうほうを向く後面[134]とを画定するように、前記冷却面[122]から離れるほうに延びる少なくとも1つのタービュレーター[130]と;
前記冷却面[122]に設けられた導入口[152]と、前記高温面[124]に設けられた排出口[154]と、前記導入口[152]と前記排出口[154]を接続する通路[156]とを有する少なくとも1つのフィルム孔[150]と、を含み、
前記導入口[152]は、前記少なくとも1つのタービュレーター[130]から離間される、エンジン構成要素。 - 前記導入口[152]は、前記タービュレーター[130]からタービュレーターの高さ[136]少なくとも2つ分以内に離間される、請求項1に記載のエンジン構成要素。
- 前記冷却面[122]上にチャネル[170]をさらに含み、前記タービュレーター[130]は前記チャネル[170]とともに少なくとも1つの角部[138]を形成し、前記導入口[152]は前記角部[138]からタービュレーターの高さ[136]2つ分以内に配置される、請求項2に記載のエンジン構成要素。
- 前記タービュレーター[130]は、前記チャネル[170]に対して角度[164]を付けて方向付けられる、請求項3に記載のエンジン構成要素。
- 前記タービュレーター[130]は、畝部および山形部[180]の最少の1つを含む、請求項2に記載のエンジン構成要素。
- 前記通路[156]は、前記冷却面[122]に対して角度[162]を形成する、請求項2に記載のエンジン構成要素。
- 少なくとも1つのタービュレーター[130]は、離間された複数のタービュレーター[130]を含む、請求項1に記載のエンジン構成要素。
- 前記離間された複数のタービュレーター[130]は、前記冷却流体流[C]に対して流れ方向に離間される、請求項7に記載のエンジン構成要素。
- 前記導入口[ 152]は、2つのタービュレーター[130]の間に配置され、前記タービュレーター[130]からタービュレーターの高さ[136]少なくとも2つ分離間される、請求項8に記載のエンジン構成要素。
- 隣接するタービュレーター[130]どうしの間で、1つのタービュレーター[130]からタービュレーターの高さ[136]2つ分以内にフィルム孔[150]が配置される、請求項9に記載のエンジン構成要素。
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