JP2017501335A - 圧力降下が減じられたトリップストリップを有する内部冷却系を備えるタービン翼 - Google Patents

Abstract

タービンエンジンに使用可能であり、効率的なトリップストリップ（１６）を有する少なくとも１つの冷却系（１４）を備えるタービン翼（１０）が開示されている。冷却系（１４）の少なくとも一部は、１つまたは複数の冷却通路（１８）を含んでよく、冷却通路（１８）は、冷却通路（１８）を形成する内側表面（２０）から突出している１つまたは複数のトリップストリップ（１６）を有する。トリップストリップ（１６）は、高められた熱伝達能力と、従来のトリップストリップ（１６）に通常は関連する圧力降下の実質的な低減とを含む、改善された動作特性を有してよい。少なくとも１つの実施の形態では、トリップストリップ（１６）は、少なくとも１つのトリップストリップ（１６）の上流に延びる冷却系通路（１８）を形成する表面（２０）に対して非平行かつ非直交に配置された、トリップストリップ（１６）の上流側表面（２６）の第１の部分（２４）と、分離された流れが冷却流体流れに再結合することを可能にする、少なくとも１つのトリップストリップ（１６）の凹状に成形された下流側表面（２８）と、を有する断面領域を有してよい。

Description

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する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、混合気を点火するための燃焼器と、電力を生成するためのタービンブレードアセンブリと、を備える。燃焼器は、多くの場合、華氏２５００度を超え得る高温で作動する。典型的なタービン燃焼器構成は、タービンベーンとブレードアセンブリとをそのような高温に曝す。その結果、タービンベーンおよびブレードは、そのような高温に耐え得る材料から製造しなければならない。さらに、タービンベーンおよびブレードは、ベーンおよびブレードの寿命を延ばし、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、多くの場合、冷却系を含む。

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構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、を有するブレードを形成する細長い部分から形成されている。ブレードは、通常、前縁と、後縁と、吸込側と、圧力側とから構成されている。たいていのタービンブレードの内側は、典型的には、冷却系を形成する冷却回路の入り組んだラビリンスを含む。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、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を通過させる。多くの冷却回路は、タービンブレードの全ての側を比較的均一の温度に維持するように設計された多重流路を有する。これらの冷却回路を通過する空気の少なくとも一部は、ブレードの前縁、後縁、吸込側および圧力側に設けられたオリフィスを通って排出される。冷却流体は、冷却系の熱伝達を高めるトリップストリップを通過する。図１に示すように、たいていのトリップストリップは、略正方形または長方形の断面から形成されている。図１に示す損失領域５によって示されるように、そのような構造は、冷却系の冷却能力を増大させるが、固有の限界を有する。タービンブレードにおける冷却系が進歩しているものの、依然として、熱を放散させるために、かつ十分な量の冷却空気がブレードを通るようにするために、冷却効率が高められたタービンブレードの需要が存在する。

タービンエンジンに使用可能であり、効率的なトリップストリップを有する少なくとも１つの冷却系を備えるタービン翼が開示されている。冷却系の少なくとも一部は、１つまたは複数の冷却通路を含んでよく、冷却通路は、冷却通路を形成する内側表面から突出している１つまたは複数のトリップストリップを有する。トリップストリップは、高められた熱伝達能力と、従来のトリップストリップに通常は関連する圧力降下の実質的な低減とを含む、改善された動作特徴を有してよい。少なくとも１つの実施の形態では、トリップストリップは、少なくとも１つのトリップストリップの上流に延びる冷却系通路を形成する表面に対して非平行かつ非直交に配置された、トリップストリップの上流側表面の第１の部分と、分離された流れが冷却流体流れに再結合することを可能にする、少なくとも１つのトリップストリップの凹状に成形された下流側表面と、を有する断面領域を有してよい。

少なくとも１つの実施の形態では、タービン翼は、外壁から形成された全体として細長い中空の翼であって、前縁と、後縁と、圧力側と、吸込側と、翼の第１の端部に根元と、第１の端部とは反対側の第２の端部に先端と、全体として細長い中空の翼の内側に配置された冷却系とを有する、翼とから形成されてよい。冷却系は、冷却系の通路を画定する内側表面から突出している１つまたは複数のトリップストリップを有してよい。トリップストリップは、全体として細長いボディから形成されてよく、トリップストリップは、少なくとも、トリップストリップの上流に延びる冷却系通路を形成する表面に対して非平行かつ非直交に配置された、トリップストリップの上流側表面の第１の部分と、トリップストリップの凹状に成形された下流側表面とを有する断面領域を有してよい。

トリップストリップの下流側表面は、略四分円を形成する凹状の表面から形成されてよい。トリップストリップの下流側表面の最も上流の点は、トリップストリップの上面で、下流側表面との交点より上流に配置されてよい。トリップストリップの下流側表面の最も上流の点は、下流側表面と冷却系の通路を画定する内側表面との交点より上流に配置されてよい。トリップストリップは、非直線の上面を含む。少なくとも１つの実施の形態では、非直線の上面は、凸状に成形された外側表面を有する。非直線の上面は、非直線の上面の後縁よりも、冷却系の通路を画定する内側表面の近くに配置された、前縁を有している。

トリップストリップの上流側表面は、第１の部分に対して非平行かつ非直交である第２の部分を含んでもよい。上流側表面の第２の部分は、トリップストリップの上流に延びる冷却系通路を形成する表面に対して略直交方向に配置されてよい。上流側表面の第２の部分は、トリップストリップが存在する冷却系の通路の長手方向軸線に対して略直交方向に配置されてよい。トリップストリップは、少なくとも１つのトリップストリップの全長にわたって一定の断面領域を有してよい。

使用中、冷却流体は、冷却通路を含む冷却系内へ入っている。冷却流体の少なくとも一部は、トリップストリップに接触する。特に、冷却流体の少なくとも一部は、上流側表面の第１の部分に接触し、そこでは、冷却流体が、冷却通路を形成する内側表面に対して非平行かつ非直交である角度で上向きに向けられる。次いで、冷却流体は、上流側表面の第２の部分に衝突する。第２の部分は、冷却流体がより急な角度で内側表面から離れる方向に向けられるようにする。次いで、冷却流体は、第２の部分を通流し、上面に沿って流れる。第１の部分、第２の部分および上面を通過する間、熱は、対流を介して、トリップストリップから冷却流体へ渡される。冷却流体は、上面を通り過ぎ、次いで、冷却流体の一部は、凹状の下流側表面へ流れる冷却流体の循環流れを形成する。下流側表面における渦の形成は、１次渦または渦の適応、および、従来の正方形または長方形断面のトリップストリップにおける低速の再循環と比べて、下流側表面における、より高い速度、ひいてはより高い熱伝達の確保によって緩和されている。この独自に成形されたトリップストリップ断面領域は、タービン翼冷却通路に対するより高い内側対流冷却ポテンシャルを形成し、したがって、高い率の内側対流熱伝達と、効率的な総合冷却系能力とを生じさせる。この能力は、冷却要求の低減と同等であり、タービンエンジン能力の改良と同等である。

タービン翼冷却系の利点は、システムが、冷却通路を冷却するように構成されており、その構成により、産業用ガスタービンエンジンにおける冷却通路を冷却するのに特に良好に適していることにある。

冷却系の別の利点は、トリップストリップの断面領域の構成が、通常はトリップストリップに関連する圧力降下の量を低減することにある。

以下、これらの実施の形態および他の実施の形態を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、詳細な説明とともに発明の原理を開示する。

従来のトリップストリップに関する冷却流体流れを詳しく示す空気流れベクトルとともに図示された、タービン翼内に設けられた冷却通路内に配置された従来のトリップストリップの断面図である。 本発明による特徴を有するタービン翼の斜視図である。 図２の３−３線に沿った、図２に示したタービン翼の断面図である。 図２の４−４線に沿った、図２に示したタービン翼の切取り断面図である。 図４の５−５線に沿った、本発明の冷却系の単一のトリップストリップの断面図である。

図２〜図５に示されているように、タービンエンジン１２に使用可能で、効率的なトリップストリップ１６を有する少なくとも１つの冷却系１４を備えるタービン翼１０が開示されている。図３および図４に示されているように、冷却系１４の少なくとも一部は、１つまたは複数の冷却通路１８を含んでよい。冷却通路１８は、冷却通路１８を形成する内側表面２０から突出している１つまたは複数のトリップストリップ１６を有する。トリップストリップ１６は、高められた熱伝達能力と、従来のトリップストリップに通常は関連する圧力降下の実質的な低減とを含む、改善された動作特性を有してよい。少なくとも１つの実施の形態では、図５に示されているように、トリップストリップ１６は、トリップストリップ１６の上流に延びる冷却系通路１８を形成する表面２０に対して非平行かつ非直交に配置されたトリップストリップ１６の上流側表面２６の第１の部分２４と、分離された流れが冷却流体流れに再結合することを可能にする、トリップストリップ１６の凹状に成形された下流側表面２８と、を有する断面領域２２を有してよい。

少なくとも１つの実施の形態では、図２および図４に示されているように、タービン翼１０は、外壁３２から形成された全体として細長い中空の翼３０から形成されてよく、前縁３４と、後縁３６と、圧力側３８と、吸込側４０と、翼３０の第１の端部４４にある根元４２と、第１の端部４４とは反対側の第２の端部４８にある先端４６と、全体として細長い中空の翼３０の内側面内に配置された冷却系１４と、を有している。タービン翼１０は、前掲のこれらの構成要素の全ての構成要素またはこれらの各々の構成要素に満たない構成要素を備えてもよい。さらに、タービン翼１０は、これらの各々の構成要素よりさらに少ない構成要素を備えてもよい。

冷却系１４は、冷却系１４の通路１８を画定する内側表面２０から突出している１つまたは複数のトリップストリップ１６を有してよい。トリップストリップ１６は、全体として細長いボディ５０から形成されてよい。トリップストリップ１６は、図５に示されているように、少なくとも、トリップストリップ１６の上流に延びる冷却系通路１８を形成する表面２０に対して非平行かつ非直交に配置された、トリップストリップ１６の上流側表面２６の第１の部分２４と、トリップストリップ１６の凹状に成形された下流側表面２８とを有する断面領域を有してよい。トリップストリップ１６の下流側表面２８は、略四分円を形成する凹状の表面から形成されてよい。別の実施の形態では、下流側表面２８は、四分円であることに限定されず、同様に、たとえば１／１６の円〜１／２の円のような別のサイズの部分円から形成されてよいが、これらに限定されるものではない。トリップストリップ１６の下流側表面２８の最も上流の点５２は、トリップストリップ１６の上面５６における下流側表面２８との交点５４より上流に配置されてよい。トリップストリップ１６の下流側表面２８の最も上流の点５２は、下流側表面２８と冷却系１４の通路１８を画定する内側表面２０との交点５８より上流に配置されてよい。

少なくとも１つの実施の形態では、トリップストリップ１６は、非直線の上面５６を含んでよい。非直線の上面５６は、凸状に成形された外側表面を有してよい。非直線の上面５６は、前縁６０を有してよく、前縁６０は、非直線の上面５６の後縁６２よりも、冷却系１４の通路１８を画定する内側表面２０の近くに配置されている。

トリップストリップ１６の上流側表面２６は、第１の部分２４に対して非平行かつ非直交である第２の部分６４を含んでもよい。上流側表面２６の第２の部分６４は、トリップストリップ１６の上流に延びる冷却系通路１８を形成する表面２０に対して略直交方向に配置されてよい。上流側表面２６の第２の部分６４は、トリップストリップ１６が存在する冷却系１４の通路１８の長手方向軸線６６に対して略直交方向に配置されてよい。

少なくとも１つの実施の形態では、トリップストリップ１６は、トリップストリップ１６の全体の長さにわたって一定の断面領域を有していてよい。別の実施の形態では、トリップストリップ１６の断面領域の形状は、その長さにわたって変化してもよく、特に、トリップストリップ１６が冷却通路１８の長手方向軸線に対して非直交であるときなどの、トリップストリップ１６がトリップストリップ１６を越える冷却流体の流れに対して非直交であるときに、断面領域の形状が変化してよい。トリップストリップ１６は、第１の側壁６８から第２の側壁７０へ向けて延在してよい。側壁６８，７０は、冷却通路１８を形成している。別の実施の形態では、トリップストリップ１６は、第１の側壁６８と第２の側壁７０との間に延在してよいが、側壁６８，７０のうちの１つのみと接触するか、または、いずれかの側壁６８，７０に接触する直前で終端している。さらに別の実施の形態では、トリップストリップ１６は、冷却通路１８の長手方向軸線６６に対して略直交方向に配置されてよい。トリップストリップ１６は、冷却通路１８の長手方向軸線６６に対して非平行かつ非直交に配置されてもよい。トリップストリップ１６の高さｅは、上流側のトリップストリップ１６と下流側のトリップストリップ１６との間の相対距離の関数として、ピッチｐを変更する。冷却通路１８において一定の比率ｐ／ｅが維持されてもよいし、冷却通路１８の一部の長さまたは全体の長さに沿って比率ｐ／ｅが変化してもよい。

使用中、冷却流体は、冷却通路１８を含む冷却系１４内を通過する。冷却流体の少なくとも一部がトリップストリップ１６に接触する。特に、冷却流体の少なくとも一部が上流側表面２６の第１の部分２４に接触し、そこでは、冷却流体が、冷却通路１８を形成する内側表面２０に対して非平行かつ非直交である角度で上向きに向けられる。次いで、冷却流体は、上流側表面２６の第２の部分６４に衝突する。第２の部分６４は、冷却流体がより急な角度で内側表面２０から離れる方向に向けられるようにする。次いで、冷却流体は、第２の部分６４を通流し、上面５６に沿って流れる。第１の部分２４、第２の部分６４および上面５６を通過する間、熱は、対流によって、トリップストリップ１６から冷却流体へ渡される。冷却流体は、上面５６を通り過ぎ、次いで、冷却流体の一部は、凹状の下流側表面２８へ流れる冷却流体の循環流れを形成する。冷却流体の流れは、凹状の下流側表面２８へ流れ、その際、熱伝達を減少させ、したがってトリップストリップ１６の熱伝達効率に悪影響を及ぼす渦が形成されることはない。この独自に成形されたトリップストリップ断面領域は、タービン翼冷却通路１８に対するより高い内側対流冷却ポテンシャルを形成し、したがって、高い比率の内側対流熱伝達と、効率的な総合冷却系能力とを形成する。この能力は、冷却要求の低減、およびタービンエンジン能力の改善と同等である。

上記の説明は、本発明の実施の形態の例示、説明および記載の目的のために提供されている。これらの実施の形態に対する変更および適応は、当業者には明らかであり、本発明の範囲または思想から逸脱することなく成し得るものである。

Claims (20)

1. タービン翼であって、
   外壁から形成された全体として細長い中空の翼であって、前縁と、後縁と、圧力側と、吸込側と、前記翼の第１の端部にある根元と、該第１の端部とは反対側の第２の端部にある先端と、全体として細長い中空の前記翼の内側に配置された冷却系と、を有する、翼と、
   前記冷却系の通路を画定する内側表面から突出している少なくとも１つのトリップストリップであって、該少なくとも１つのトリップストリップは、全体として細長いボディから形成されており、前記少なくとも１つのトリップストリップは、少なくとも、前記少なくとも１つのトリップストリップの上流に延びる前記冷却系通路を形成する前記内側表面に対して非平行かつ非直交に配置された、前記少なくとも１つのトリップストリップの上流側表面の第１の部分と、前記少なくとも１つのトリップストリップの凹状に成形された下流側表面と、を有する断面領域を含む、トリップストリップと、
   を備えることを特徴とする、タービン翼。
2. 前記少なくとも１つのトリップストリップの前記下流側表面は、略四分円を形成する凹状の表面から形成されている、請求項１記載のタービン翼。
3. 前記少なくとも１つのトリップストリップの前記下流側表面の最も上流の点は、前記少なくとも１つのトリップストリップの上面における前記下流側表面との交点より上流に配置されている、請求項２記載のタービン翼。
4. 前記少なくとも１つのトリップストリップの前記下流側表面の最も上流の点は、前記下流側表面と前記冷却系の通路を画定する前記内側表面との交点より上流に配置されている、請求項２記載のタービン翼。
5. 前記少なくとも１つのトリップストリップは、非直線の上面を有する、請求項１記載のタービン翼。
6. 前記非直線の上面は、凸状に成形された外側表面を有する、請求項５記載のタービン翼。
7. 前記非直線の上面は、前記非直線の上面の後縁よりも前記冷却系の通路を画定する前記内側表面の近くに配置された、前縁を有している、請求項６記載のタービン翼。
8. 前記少なくとも１つのトリップストリップの上流側表面は、前記第１の部分に対して非平行かつ非直交である第２の部分を含む、請求項１記載のタービン翼。
9. 前記上流側表面の前記第２の部分は、前記少なくとも１つのトリップストリップの上流に延びる前記冷却系通路を形成する前記表面に対して略直交方向に配置されている、請求項８記載のタービン翼。
10. 前記上流側表面の前記第２の部分は、前記少なくとも１つのトリップストリップが存在する前記冷却系の通路の長手方向軸線に対して略直交方向に配置されている、請求項８記載のタービン翼。
11. 前記少なくとも１つのトリップストリップは、該少なくとも１つのトリップストリップの全長にわたって一定の断面領域を有する、請求項１記載のタービン翼。
12. タービン翼であって、
    外壁から形成された全体として細長い中空の翼であって、前縁と、後縁と、圧力側と、吸込側と、前記翼の第１の端部にある根元と、該第１の端部とは反対側の第２の端部にある先端と、全体として細長い中空の前記翼の内側に配置された冷却系と、を有する、翼と、
    前記冷却系の通路を画定する内側表面から突出している少なくとも１つのトリップストリップであって、該少なくとも１つのトリップストリップは、全体として細長いボディから形成されており、前記少なくとも１つのトリップストリップは、少なくとも、前記少なくとも１つのトリップストリップの上流に延びる前記冷却系通路を形成する前記内側表面に対して非平行かつ非直交に配置された、前記少なくとも１つのトリップストリップの上流側表面の第１の部分と、前記少なくとも１つのトリップストリップの凹状に成形された下流側表面と、を有する断面領域を含む、トリップストリップと、
    を備え、
    前記少なくとも１つのトリップストリップは、非直線の上面を有し、
    前記少なくとも１つのトリップストリップの上流側表面は、前記第１の部分に対して非平行かつ非直交である第２の部分を含む、
    ことを特徴とする、タービン翼。
13. 前記少なくとも１つのトリップストリップの前記下流側表面は、略四分円を形成する凹状の表面から形成されている、請求項１２記載のタービン翼。
14. 前記少なくとも１つのトリップストリップの前記下流側表面の最も上流の点は、前記少なくとも１つのトリップストリップの上面における前記下流側表面との交点より上流に配置されている、請求項１３記載のタービン翼。
15. 前記少なくとも１つのトリップストリップの前記下流側表面の最も上流の点は、前記下流側表面と前記冷却系の前記通路を画定する前記内側表面との交点より上流に配置されている、請求項１４記載のタービン翼。
16. 前記非直線の上面は、凸状に成形された外側表面を有する、請求項１２記載のタービン翼。
17. 前記非直線の上面は、前記非直線の上面の後縁よりも前記冷却系の前記通路を画定する前記内側表面の近くに配置された、前縁を有している、請求項１６記載のタービン翼。
18. 前記上流側表面の前記第２の部分は、前記少なくとも１つのトリップストリップの上流に延びる前記冷却系通路を形成する前記表面に対して略直交方向に配置されている、請求項１２記載のタービン翼。
19. 前記上流側表面の前記第２の部分は、前記少なくとも１つのトリップストリップが存在する前記冷却系の前記通路の長手方向軸線に対して略直交方向に配置されている、請求項１２記載のタービン翼。
20. タービン翼であって、
    外壁から形成された全体として細長い中空の翼であって、前縁と、後縁と、圧力側と、吸込側と、前記翼の第１の端部にある根元と、該第１の端部とは反対側の第２の端部にある先端と、全体として細長い中空の前記翼の内側に配置された冷却系と、を有する、翼と、
    前記冷却系の通路を画定する内側表面から突出している少なくとも１つのトリップストリップであって、該少なくとも１つのトリップストリップは、全体として細長いボディから形成されており、前記少なくとも１つのトリップストリップは、少なくとも、前記少なくとも１つのトリップストリップの上流に延びる前記冷却系通路を形成する前記内側表面に対して非平行かつ非直交に配置された、前記少なくとも１つのトリップストリップの上流側表面の第１の部分と、前記少なくとも１つのトリップストリップの凹状に成形された下流側表面と、を有する断面領域を含む、トリップストリップと、
    を備え、
    前記少なくとも１つのトリップストリップは、非直線の上面を有し、
    前記非直線の上面は、凸状に成形された外側表面を有し、
    前記少なくとも１つのトリップストリップの前記上流側表面は、前記第１の部分に対して非平行かつ非直交である第２の部分を含み、
    前記上流側表面の前記第２の部分は、前記少なくとも１つのトリップストリップの上流に延びる前記冷却系通路を形成する前記表面に対して略直交方向に配置されている、
    ことを特徴とする、タービン翼。

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