JP2017529483A - 分岐した翼弦中間冷却チャンバを備えるタービン翼冷却システム - Google Patents

Abstract

翼（２６）を冷却するための分岐した翼弦中間冷却チャンバ（１６）を有するガスタービンエンジンのタービン翼（１２）用の冷却システム（１０）が開示されている。分岐した翼弦中間冷却チャンバ（１６）は、正圧面側蛇行冷却チャネル（１８）と、負圧面側蛇行冷却チャネル（２０）とから形成されており、冷却流体は、正圧面側蛇行冷却チャネル（１８）を通って後縁（２２）から前縁（２４）に向かう方向に、かつ反対方向に負圧面側蛇行冷却チャネル（２０）を通って通過し、これにより、向流システムを形成している。向流冷却方式により、内部熱伝達の精密調整が改善され、これは、従来のシステムよりも均一な温度分布につながる。さらに、少なくとも１つの実施の形態では、冷却流体は、後縁（２２）においてのみ排出され、冷却システム（１０）全体を通じてフィルム冷却孔を通じて排出されることはない。これにより、冷却流体がより良く利用され、より効率的な冷却システム（１０）が形成される。

Description

本発明は、一般にタービンブレードに関し、より詳細には中空タービンブレードにおける冷却システムに関する。

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、動力を発生するためのタービンブレードアセンブリとを有する。燃焼器はしばしば、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、タービンブレードアセンブリをこのような高温に曝す。その結果、タービンブレードおよびタービンベーンを含むタービン翼は、このような高温に耐えることができる材料から形成されなければならない。加えて、タービン翼は、多くの場合、ブレードの寿命を延長しかつ過剰な温度の結果としての故障の可能性を減じるために冷却システムを有している。

早期段階のタービンベーン冷却は、ほとんどインピンジメント冷却およびフィルム冷却の利用によって達成されてきたが、このような冷却方式は低い熱効率のみを生じていた。標準的なインピンジメント冷却およびフィルム冷却方式は十分な冷却を提供するが、冷却剤空気消費が高すぎる。なぜならば、多くの場合空気は、空気の完全冷却能力が達成される前に翼から排出されるからである。早期段階のタービンベーンの対流冷却に関して存在する大きな課題は、インピンジメント冷却またはフィルム冷却を利用することなく、十分に低い圧力降下で構成部材を冷却するために必要とされる所要の内部熱伝達効率を得ることが困難であるということである。

翼の温度を低下させるための分岐した翼弦中間冷却チャンバを有する、ガスタービンエンジンのタービン翼用の冷却システムが開示される。分岐した翼弦中間冷却チャンバは、正圧面側（pressure side）蛇行冷却チャネルと、負圧面側（suction side）蛇行冷却チャネルとから形成されていて、冷却流体は、正圧面側蛇行冷却チャネルを通って後縁から前縁に向かう方向に通過し、負圧面側蛇行冷却チャネルを通って反対方向に通過し、これにより、向流システムを形成している。向流冷却方式により、内部熱伝達の精密調整が改善され、これは、従来のシステムよりも均一な温度分布につながる。さらに、少なくとも１つの実施の形態では、冷却流体は、後縁においてのみ排出され、冷却システム全体を通じてフィルム冷却孔を通じて排出されることはない。これにより、冷却流体がより良く利用され、より効率的な冷却システムが形成される。

少なくとも１つの実施の形態において、タービン翼は、外壁から形成された、全体として細長い（generally elongated）中空の翼から形成されている。翼は、前縁と、後縁と、正圧面と、負圧面と、第１の端部における内側端壁と、全体として細長い中空の翼の、通常は第１の端部とは反対側にある第２の端部における外側端壁と、全体として細長い中空の翼の内部態様内に配置された冷却システムとを有している。冷却システムは、冷却流体源から冷却流体を受け取るための入口を有する上流流れ正圧面側蛇行冷却チャネルを有していてもよく、入口は第１の区間に取り付けられており、第１の区間は、第２の区間と、翼の後縁との間に位置している。上流流れ正圧面側蛇行冷却チャネルは、排出出口を有していてもよい。排出出口は、翼長方向（spanwise）に延びる翼弦中間前側収集チャネルを介して、下流流れ負圧面側蛇行冷却チャネルの入口と流体連通している。翼弦中間前側収集チャネルは、正圧面を形成する外壁から、負圧面を形成する外壁まで延びており、翼長方向で、上流流れ正圧面側蛇行冷却チャネルの排出出口から、下流流れ負圧面側蛇行冷却チャネルの入口まで延びている。下流流れ負圧面側蛇行冷却チャネルは、翼の負圧面に、上流流れ正圧面側蛇行冷却チャネルとは反対側に配置されていてもよい。負圧面側蛇行冷却チャネルにおける冷却流体は、略翼長方向で前後に、後縁に向かってほぼ下流へ流れ、これにより、正圧面側および負圧面側の蛇行冷却チャネルの間に冷却流体向流を形成する。

下流流れ負圧面側蛇行冷却チャネルは、後側収集チャンバと連通した１つまたは複数の排出出口を有していてもよい。後側収集チャンバは、正圧面を形成する外壁から、負圧面を形成する外壁まで延びていてもよく、正圧面側および負圧面側の蛇行冷却チャネルの下流端部を形成するリブと、後縁冷却チャネルとの間に配置されていてもよい。

上流流れ正圧面側蛇行冷却チャネルの排出出口は、翼長方向で、前側収集チャネル内の下流流れ負圧面側蛇行冷却チャネルの入口とは反対側の端部に配置されていてもよい。上流流れ正圧面側蛇行冷却チャネルの排出出口は、翼長方向外側端部に配置されていてもよく、下流流れ負圧面側蛇行冷却チャネルは、前側収集チャネル内の翼長方向内側端部に配置されていてもよい。少なくとも１つの実施の形態では、正圧面外壁と接触した正圧面側蛇行冷却チャネルは、二重パス蛇行冷却チャネルであってもよく、負圧面外壁と接触した負圧面側蛇行冷却チャネルは、二重パス蛇行冷却チャネルであってもよい。

冷却システムは、翼長方向に延び、全体として細長い翼の前縁と、前側収集チャネルの少なくとも一部を規定するリブとの間に配置された、１つまたは複数の前縁供給チャンバを有していてもよい。前縁供給チャンバおよび前側収集チャネルはリブによって分離されていてもよく、これにより、前縁供給チャンバと前側収集チャネルとの間の冷却流体移動を防止している。冷却システムは、正圧面を形成する外壁から、負圧面を形成する外壁まで、全体として細長い中空の翼の後縁と、後側収集チャンバとの間に延びる１つまたは複数の後縁冷却チャネルを有していてもよい。１つまたは複数の後側収集チャンバ排出オリフィスは、リブに配置されていてもよく、後側収集チャンバから後縁冷却チャネルまで延びている。１つまたは複数の後縁排出オリフィスは、全体として細長い中空の翼の後縁に配置されていてもよく、後縁を通じて冷却流体を排出するように後縁冷却チャネルから延びている。

使用中、冷却流体は、圧縮機などの、しかしながら圧縮機に限定されない冷却流体供給部から、入口を介して正圧面側蛇行冷却チャネルの第１の区間内へ通過させられてもよい。冷却流体の一部は、正圧面側蛇行冷却チャネルに進入してもよく、冷却流体の一部は、前縁供給チャンバに進入してもよい。正圧面側蛇行冷却チャネルにおける冷却流体は、正圧面側蛇行冷却チャネルの第１および第２の区間を通って流れてもよく、部分的に正圧面側壁と翼弦中間リブとによって形成された区間の表面から熱を吸収する。冷却流体は、正圧面側蛇行冷却チャネルを通過し、ほぼ後縁から前縁に向かう方向へ移動する。

正圧面側蛇行冷却チャネルを通過した後、冷却流体は、排出出口を通って前側収集チャネル内へ通過する。冷却流体は、翼長方向外側端部において前側収集チャネルに収集され、翼長方向内側端部へ移動し、この翼長方向内側端部において、冷却流体は、下流流れ負圧面側蛇行冷却チャネルの入口へ排出される。冷却流体は、負圧面側蛇行チャネルを通って、略翼弦方向に、前縁から後縁に向かってほぼ下流の方向へ流れる。冷却流体は、負圧面側蛇行チャネルから１つまたは複数の排出出口を通って後側収集チャンバ内へ排出されてもよい。冷却流体は、後側収集チャンバを通って流れ、１つまたは複数の後側収集チャンバ排出オリフィスを通って後縁冷却チャネル内へ排出されてもよく、冷却流体は、１つまたは複数の後縁排出オリフィスを通って排出されてもよい。

タービン翼の冷却システムは、複数の理由で有利である。特に、分岐した翼弦中間冷却チャンバは、タービンブレードにおけるタービンブレード冷却システムの効率を高める。例えば、分岐した翼弦中間冷却チャンバにより、全体的な冷却流れ要求は、正圧面側壁に近い冷却システムが加熱負荷に基づいて調整されることを可能にすることによって減じられることができる。分岐した翼弦中間冷却チャンバは、高アスペクト比流れチャネルの使用も可能にし、フィルム冷却孔を取り付ける困難性を低減し、流過横断面積に対する高温壁長さの比を増大し、より少ない流れで同様の熱伝達効率を許容し、より効率的な設計を生じる。アスペクト比は、高さに対する幅の比であってもよい。分岐した翼弦中間冷却チャンバは、従来の設計における負圧面フィルム冷却孔にとって典型的な、逆流マージン（ＢＦＭ）および高ブローイング比などの設計問題も排除する。分岐した翼弦中間冷却チャンバは、必要であれば、流れを異なる経路で案内することによって横断面積、アスペクト比熱伝達増大特徴および上流冷却剤加熱の制御を可能にし、これは、より均一な金属温度につながり、これは有利である。分岐した翼弦中間冷却チャンバは、より小さな横断面積の通路を備えた１つの冷却流れ回路を利用してもよく、低い流量においてもより高い冷却剤速度につながり、従来の翼弦中間蛇行冷却チャネルよりも高い内部対流冷却性能を生じる。

冷却システムの別の利点は、システムが、翼におけるインピンジメント冷却またはフィルム冷却の必要性を排除しないとしても、実質的に低減することができる点である。

これらの実施の形態およびその他の実施の形態を、以下でさらに詳細に説明する。

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。

冷却システムを有するタービン翼の透視図である。 図１の断面線２−２に沿ったタービン翼の断面図である。 図１の断面線３−３に沿った、図１に示したタービン翼の断面図である。 外径から内方を見た、例えば図１における断面線２−２から内方を見た、タービン翼内の冷却チャネルの透視図である。 内径から外方を見た、例えば図１における断面線３−３から外方を見た、タービン翼内の冷却チャネルの透視図である。 図４における断面線６−６に沿った、タービン翼内の冷却チャネルの断面切断図である。 図５における断面線７−７に沿った、タービン翼内の冷却チャネルの断面切断図である。

図１〜図７に示すように、翼１２の温度を低下させるための分岐した翼弦中間冷却チャンバ１６を有する、ガスタービンエンジンのタービン翼１２用の冷却システム１０が開示されている。分岐した翼弦中間冷却チャンバ１６は、正圧面側蛇行冷却チャネル１８と負圧面側蛇行冷却チャネル２０とから形成されており、冷却流体は、正圧面側蛇行冷却チャネル１８を通って後縁２２から前縁２４に向かう方向に、かつ負圧面側蛇行冷却チャネル２０を通って反対方向に通過し、これにより、向流システムを形成している。向流冷却方式１０により、内部熱伝達の精密調整が改善され、これは、従来のシステムよりも均一な温度分布につながる。さらに、少なくとも１つの実施の形態では、冷却流体は、後縁２２においてのみ排出され、冷却システム１０全体を通じてフィルム冷却孔を通じて排出されることはない。これにより、冷却流体がより良く利用され、より効率的な冷却システムが形成される。

少なくとも１つの実施の形態では、図１に示すように、タービン翼１２は、外壁２７から形成された、全体として細長い中空の翼２６から形成されており、翼は、前縁２４と、後縁２２と、正圧面２８と、負圧面３０と、第１の端部３４における内側端壁３２と、全体として細長い中空の翼２６の、通常は第１の端部３４とは反対側にある第２の端部３８における外側端壁３６と、全体として細長い中空の翼２６の内面内に配置された冷却システム１０と、を有している。図２〜図７に示すように、冷却システム１０は、上流流れ正圧面側蛇行冷却チャネル１８を有していてもよい。冷却チャネル１８は、冷却流体源４６から冷却流体を受け取るための入口４４を有する。入口４４は第１の区間４８に取り付けられており、第１の区間４８は、第２の区間５０と、翼２６の後縁２２との間に位置している。図４〜図７に示すように、第１の区間４８および第２の区間５０は、第１の正圧面側転回部４９を介して接続されていてもよい。上流流れ正圧面側蛇行冷却チャネル１８は、排出出口５２を有していてもよい。排出出口５２は、翼長方向に延びる翼弦中間前側収集チャネル５８を介して、下流流れ負圧面側蛇行冷却チャネル２０の入口５４と流体連通している。翼弦中間前側収集チャネル５８は、正圧面２６を形成する外壁６０から、負圧面３０を形成する外壁６２まで延びており、翼長方向で、上流流れ正圧面側蛇行冷却チャネル１８の排出出口５２から、下流流れ負圧面側蛇行冷却チャネル２０の入口５４まで延びている。下流流れ負圧面側蛇行冷却チャネル２０は、翼２６の負圧面３０に、上流流れ正圧面側蛇行冷却チャネル１８とは反対側に配置されていてもよい。

負圧面側蛇行冷却チャネル２０を通る冷却流体流は、略翼長方向に前後に、後縁２２に向かってほぼ下流へ流れ、これにより、正圧面側および負圧面側の蛇行冷却チャネル１８，２０の間に冷却流体向流を形成する。図２〜図４に示すように、冷却流体は、負圧面側蛇行冷却チャネルの第１区間９４を通って翼長方向内側方向へ流れ、負圧面第１転回部９６を通って、負圧面側蛇行冷却チャネル第２区間９８へ流入してもよい。

下流流れ負圧面側蛇行冷却チャネル２０は、後側収集チャンバ６６と連通した１つまたは複数の排出出口６４を有していてもよい。後側収集チャンバ６６は、正圧面２８を形成する外壁６０から、負圧面６２を形成する外壁６２まで延びていてもよく、正圧面側および負圧面側の蛇行冷却チャネル１８，２０の下流端部７０を形成するリブ６８と、後縁冷却チャネル７２との間に配置されていてもよい。

上流流れ正圧面側蛇行冷却チャネル１８の排出出口６４は、翼長方向で、前側収集チャネル５８内の下流流れ負圧面側蛇行冷却チャネル２０の入口５４とは反対側の端部に配置されていてもよい。上流流れ正圧面側蛇行冷却チャネル１８の排出出口５２は、翼長方向外側端部７４に配置されていてもよく、下流流れ負圧面側蛇行冷却チャネル２０は、前側収集チャネル５８内の翼長方向内側端部７６に配置されていてもよい。少なくとも１つの実施の形態では、正圧面外壁６０と接触した正圧面側蛇行冷却チャネル１８は、二重パス蛇行冷却チャネルであってもよいが、それに限定されない。同様に、負圧面外壁６２と接触した負圧面側蛇行冷却チャネル２０は、二重パス蛇行冷却チャネルであってもよいが、それに限定されない。

内部冷却システム１０は、翼長方向に延び、全体として細長い翼２６の前縁２４と、前側収集チャネル５８の少なくとも一部を規定するリブ８０との間に配置された、前縁供給チャンバ７８を有していてもよい。前縁供給チャンバ７８および前側収集チャネル５８はリブ８０によって分離されていてもよく、これにより、前縁供給チャンバ７８と前側収集チャネル５８との間の冷却流体移動を防止している。前縁供給チャンバ７８は、あらゆる適切な構成を有していてもよい。

内部冷却システム１０は、正圧面２８を形成する外壁６０から、負圧面３０を形成する外壁６２まで、全体として細長い中空の翼２６の後縁２２と、後側収集チャンバ６６との間に延びる１つまたは複数の後縁冷却チャネル７２を有していてもよい。１つまたは複数の後側収集チャンバ排出オリフィス８２が、リブ８４に配置されていてもよく、後側収集チャンバ６６から後縁冷却チャネル７２まで延びている。１つまたは複数の後縁排出オリフィス８６は、全体として細長い中空の翼２６の後縁２２に配置されていてもよく、後縁２２を通じて冷却流体を排出するように後縁冷却チャネル７２から延びている。

使用中、冷却流体は、圧縮機などの、しかしながら圧縮機に限定されない冷却流体供給部４６から、入口４４を介して正圧面側蛇行冷却チャネル１８の第１の区間４８内へ通過させられる。冷却流体の一部は、正圧面側蛇行冷却チャネル１８に進入してもよく、冷却流体の一部は、前縁供給チャンバ７８に進入してもよい。正圧面側蛇行冷却チャネル１８における冷却流体は、正圧面側蛇行冷却チャネル１８の第１および第２の区間４８，５０を通って流れてもよく、部分的に正圧面側壁６０と翼弦中間リブ９０とによって形成された区間４８，５０の表面から熱を吸収する。冷却流体は、正圧面側蛇行冷却チャネル１８を通過し、ほぼ後縁２２から前縁２４に向かう方向へ移動する。

正圧面側蛇行冷却チャネル１８を通過した後、冷却流体は、排出出口５２を通って前側収集チャネル５８内へ通過する。冷却流体は、翼長方向内側端部７４において前側収集チャネル５８に収集され、翼長方向外側端部７６へ移動し、この翼長方向外側端部７６において、冷却流体は、下流流れ負圧面側蛇行冷却チャネル２０の入口５４へ排出される。冷却流体は、負圧面側蛇行チャネル２０を通って、略翼弦方向に、前縁２４から後縁２２に向かってほぼ下流の方向へ流れる。冷却流体は、負圧面側蛇行チャネル２０から１つまたは複数の排出出口６４を通って後側収集チャンバ６６内へ排出されてもよい。冷却流体は、後側収集チャンバ６６を通って流れ、１つまたは複数の後側収集チャンバ排出オリフィス８２を通って後縁冷却チャネル７２内へ排出されてもよく、冷却流体は、１つまたは複数の後縁排出オリフィス８６を通って排出されてもよい。

上記説明は、本発明の実施の形態を例示、説明およ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および適応は、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 (11)

1. タービン翼（１２）であって、
   外壁（２７）から形成された、全体として細長い中空の翼（２６）を備え、該翼（２）は、前縁（２４）と、後縁（２２）と、正圧面（２８）と、負圧面（３０）と、第１の端部（３４）における内側端壁（３２）と、前記全体として細長い中空の翼（２６）の、通常は前記第１の端部（３４）とは反対側にある第２の端部（３８）における外側端壁（３６）と、全体として細長い中空の翼（２６）の内面内に配置された冷却システム（１０）と、を有しており、
   前記冷却システム（１０）は、冷却流体源（４６）から冷却流体を受け取るための入口（４４）を有する上流流れ正圧面側蛇行冷却チャネル（１８）を有しており、前記入口（４４）は第１の区間（４８）に取り付けられており、該第１の区間（４８）は、第２の区間（５０）と前記翼（２６）の前記後縁（２２）との間に設けられており、前記上流流れ正圧面側蛇行冷却チャネル（１８）は、翼長方向に延びる翼弦中間前側収集チャネル（５８）を介して、下流流れ負圧面側蛇行冷却チャネル（２０）の入口（５４）と流体連通した排出出口（５２）を有しており、前記翼弦中間前側収集チャネル（５８）は、前記正圧面（２８）を形成する外壁（２７）から、前記負圧面（３０）を形成する外壁（２７）まで延びており、かつ翼長方向で、前記上流流れ正圧面側蛇行冷却チャネル（１８）の前記排出出口（５２）から、前記下流流れ負圧面側蛇行冷却チャネル（２０）の前記入口（５４）まで延びており、
   前記下流流れ負圧面側蛇行冷却チャネル（２０）は、前記翼（２６）の前記負圧面（３０）に、前記上流流れ正圧面側蛇行冷却チャネル（１８）とは反対側に配置されており、前記負圧面側蛇行冷却チャネル（２０）を通る冷却流体流は、略翼長方向に前後に、前記後縁（２２）に向かってほぼ下流へ流れ、これにより、正圧面側および負圧面側の蛇行冷却チャネル（１８，２０）の間に冷却流体向流を形成し、
   前記下流流れ負圧面側蛇行冷却チャネル（２０）は、後側収集チャンバ（６６）と連通した少なくとも１つの排出出口（６４）を有する
   ことを特徴とする、タービン翼（１２）。
2. 前記後側収集チャンバ（６６）は、前記正圧面（２８）を形成する前記外壁（２７）から、前記負圧面（３０）を形成する前記外壁（２７）まで延び、正圧面側および負圧面側の蛇行冷却チャネル（１８，２０）の下流端部（７０）を形成するリブ（６８）と、後縁冷却チャネル（７２）との間に配置されている、請求項１記載のタービン翼（１２）。
3. 前記上流流れ正圧面側蛇行冷却チャネル（１８）の前記排出出口（５２）は、翼長方向で、前記前側収集チャネル（５８）内の前記下流流れ負圧面側蛇行冷却チャネル（２０）の前記入口（５４）とは反対側の端部に配置されている、請求項１記載のタービン翼（１２）。
4. 前記上流流れ正圧面側蛇行冷却チャネル（１８）の前記排出出口（５２）は、翼長方向外側端部（７４）に配置されており、前記下流流れ負圧面側蛇行冷却チャネル（２０）は、前記前側収集チャネル（５８）内の翼長方向内側端部（７６）に配置されている、請求項３記載のタービン翼（１２）。
5. 前記正圧面外壁（２８）と接触した前記正圧面側蛇行冷却チャネル（１８）は、二重パス蛇行冷却チャネルである、請求項１記載のタービン翼（１２）。
6. 前記負圧面外壁（３０）と接触した前記負圧面側蛇行冷却チャネル（２０）は、二重パス蛇行冷却チャネルである、請求項１記載のタービン翼（１２）。
7. 翼長方向に延びており、かつ全体として細長い前記翼（２６）の前記前縁（２４）と、前記前側収集チャネル（５８）の少なくとも一部を規定するリブ（８０）との間に配置された、前縁供給チャンバ（７８）をさらに備える、請求項１記載のタービン翼（１２）。
8. 前記正圧面（２８）を形成する前記外壁（２７）から、前記負圧面（３０）を形成する前記外壁（２７）まで、前記全体として細長い中空の翼（２６）の前記後縁（２２）と、前記後側収集チャンバ（６６）との間に延びる少なくとも１つの後縁冷却チャネル（７２）をさらに備える、請求項１記載のタービン翼（１２）。
9. リブ（８４）に配置されており、かつ前記後側収集チャンバ（６６）から前記後縁冷却チャネル（７２）まで延びる少なくとも１つの後側収集チャンバ排出オリフィス（８２）をさらに備える、請求項８記載のタービン翼（１２）。
10. 前記後縁（２２）を通じて冷却流体を排出するために、前記全体として細長い中空の翼（２６）の前記後縁（２２）に配置されており、かつ前記後縁冷却チャネル（７２）から延びる、少なくとも１つの後縁排出オリフィス（８６）をさらに備える、請求項８記載のタービン翼（１２）。
11. 前縁供給チャンバ（７８）と、前記前側収集チャネル（５８）とは、リブ（８０）によって分離されており、これにより、前記前縁供給チャンバ（７８）と前記前側収集チャネル（５８）との間の冷却流体移動を防止している、請求項１記載のタービンブレード。

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