JP2019039422A - 先端部レールの冷却を備える翼形部 - Google Patents

先端部レールの冷却を備える翼形部 Download PDF

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Abstract

【課題】タービンエンジン用の翼形部の先端部レールを冷却する翼形部を提供する。【解決手段】タービンエンジン用の翼形部（８８）の先端部（９４）を冷却するための装置および方法は、先端部（９４）において翼形部（８８）の内部を囲んでいる先端壁（９４）を過ぎて延びる先端部レール（９６）を有する冷却式のタービンブレードなどのブレードを含む。複数のフィルム孔（１１２）を先端部レール（９６）に設け、冷却流体の流れは、翼形部（８８）の内部からフィルム孔（１１２）を通って、翼形部（８８）の先端部（９４）を冷却する。【選択図】図２

Description

本発明は、先端部レールの冷却を備える翼形部に関する。
タービンエンジン、とくにはガスまたは燃焼タービンエンジンは、多数の回転するタービンブレードへとエンジンを通過する燃焼ガスの流れからエネルギを抽出し、航空機などのいくつかの場合には推進のための推力を生成する回転エンジンである。大型（ｈｅａｖｙ ｆｒａｍｅ）ガスタービンも、発電のために発電機を駆動するために一般的に使用されている。
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動作するように設計されているため、高圧タービンおよ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、有益であり得る。典型的には、冷却は、冷却を必要とするエンジン構成要素へと、高圧および／または低圧圧縮機からのより低温の空気を導くことによって達成される。高圧タービンにおける温度は、１０００℃〜２０００℃になる可能性があり、圧縮機からの冷却空気は、５００℃〜７００℃であり得るため、高圧タービンを冷却するために充分な差である。
現代のタービンブレードならびにベーンまたはノズルは、一般に、ブレードの種々の部分を冷却するためにブレードを通って冷却空気を導くための内部冷却回路を備え、ブレードの前縁、後縁、および先端などのブレードの種々の部分を冷却するための専用の１つ以上の冷却回路を備えることができる。
とくには、タービンブレードスキーラ先端部レールが、空気力学的損失を低減し、したがってタービンエンジンの効率を向上させる役に立つ。先端部レールは、高い熱負荷を被り、効果的な冷却が困難である。先端部レールは、多くの場合に、ブレード上の最も高温の領域の１つである。
一態様において、本開示は、タービンエンジン用の翼形部に関し、この翼形部は、内部を定めており、翼弦方向を定めるように前縁と後縁との間を軸方向に延び、かつ翼長方向を定めるように根元部と先端部との間を半径方向に延びており、先端壁および該先端壁から延びる先端部レールを終端とする本体と、前記内部に形成された少なくとも１つの冷却通路と、前記先端部レール内に設けられた少なくとも１つの冷却空洞であって、該冷却空洞の第１の表面と交差する中心線を有する流路を定め、前記冷却通路に連通する少なくとも１つの冷却導管を備えている少なくとも１つの冷却空洞と、前記第１の表面に対向する第２の表面において前記少なくとも１つの冷却空洞に連通した入口と、前記先端部レールの外面に設けられた出口とを有している少なくとも１つのフィルム孔と、を備える。
別の態様において、本開示は、タービンエンジン用のブレードに関し、このブレードは、内部を定めており、翼弦方向を定めるように前縁と後縁との間を軸方向に延び、かつ翼長方向を定めるように根元部と先端部との間を半径方向に延びており、先端壁および該先端壁から延びる先端部レールを終端とする本体と、前記内部に形成された少なくとも１つの冷却通路と、前記先端部レール内に設けられた少なくとも１つの冷却空洞であって、該冷却空洞の第１の表面と交差する中心線を有する流路を定め、前記冷却通路に連通する少なくとも１つの冷却導管を備えている少なくとも１つの冷却空洞と、前記第１の表面に対向する第２の表面において前記少なくとも１つの冷却空洞に連通した入口と、前記先端部レールの外面に設けられた出口とを有している少なくとも１つのフィルム孔と、を備える。
さらに別の態様において、本開示は、タービンエンジン用の翼形部の先端部レールを冷却する方法に関し、この方法は、冷却流体を、流路を通って、前記先端部レール内の冷却空洞の第１の表面に衝突させるステップと、冷却流体の少なくとも一部を、前記第１の表面に対向する前記冷却空洞の第２の表面に設けられた入口を有しており、前記先端部レール内の出口へと延びている少なくとも１つのフィルム孔を通って排出するステップと、を含む。
航空機用のタービンエンジンの一部分の概略の断面図である。 冷却孔を有する先端部レールを備える図１のエンジンのための翼形部の斜視図である。 図２の翼形部の断面ＩＩＩ−ＩＩＩを横切って得た断面図であり、翼形部内の冷却通路を示している。 図２の翼形部の先端部レールの断面ＩＶ−ＩＶを横切って得た断面図であり、先端部レール内の冷却用空洞を示している。 図２の翼形部の先端部レールを冷却する方法を説明する図４の断面図である。 図２の翼形部の先端部レールの断面ＩＶ−ＩＶを横切って得た断面図であり、本明細書に記載される開示の第２の態様による先端部レール内の冷却用空洞を示している。 図２の翼形部の先端部レールの断面ＩＶ−ＩＶを横切って得た断面図であり、本明細書に記載される開示の第３の態様による先端部レール内の冷却用空洞を示している。 図２の翼形部の先端部レールの断面ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩを横切って得た断面図であり、本明細書に記載される開示の第４の態様による先端部レール内の冷却用空洞を示している。
本明細書に記載される開示の態様は、冷却用空洞を含んでいる翼形部の先端部であって、衝突冷却を受ける第１の表面と、冷却空気を排出するフィルム孔を有している第１の表面の反対側の第２の表面とを有する先端部に関する。説明の目的で、本開示は、航空機のガスタービンエンジンにおけるタービンのブレードに関して説明される。しかしながら、本明細書に記載される開示の態様が、それらに限られるものではなく、圧縮機を含むエンジンにおいて、他の移動手段の用途、ならびに移動することのない工業、商業、および住宅の用途など、航空機以外の用途においても広く適用可能であることを、理解できるであろう。
本明細書において使用されるとき、用語「前方」または「上流」は、エンジンの入口へと向かう方向の動きを指し、あるいは他の構成要素と比較してエンジンの入口に相対的に近い構成要素を指す。「前方」または「上流」と関連して使用される用語「後方」または「下流」は、エンジンの後部または出口へと向かう方向を指し、あるいは他の構成要素と比較してエンジンの出口に相対的に近いことを指す。
さらに、本明細書において使用されるとき、用語「半径方向の」または「半径方向に」は、エンジンの中心長手軸線とエンジン外周との間を延びる寸法を示す。本明細書において使用されるとき、「組」は、特定の要素を任意の数だけ含むことができ、１つだけであってもよい。
方向についての言及（例えば、半径方向、軸方向、近位、遠位、上部、下部、上方、下方、左、右、横方向、前部、後部、頂部、底部、上に、下に、垂直、水平、時計回り、反時計回り、上流側、下流側、前方、後方、など）はすべて、本開示についての読者の理解を助けるための識別の目的で使用されているにすぎず、とりわけ本明細書に記載される開示の態様の位置、方向、または使用に関して、限定を生じさせるものではない。接続についての言及（例えば、取り付ける、結合させる、連結する、および接合する）は広義に解釈されるべきであり、とくに断らない限り、要素の集合間の中間部材および要素間の相対運動を含むことができる。このように、接続についての言及は、２つの要素が直接的に接続され、互いに固定された関係にあることを、必ずしも意味しない。例示される図面は、あくまでも説明を目的とするものであり、添付の図面に反映される寸法、位置、順序、および相対サイズは、さまざまに変更可能である。
図１は、航空機用のガスタービンエンジン１０の一部分の概略の断面図である。エンジン１０は、前方１４から後方１６へと延びている長手方向に延びる軸線または中心線１２を有する。エンジン１０は、下流への直列な流れの関係にて、ファン２０を含むファン部分１８と、ブースタまたは低圧（ＬＰ）圧縮機２４ならびに高圧（ＨＰ）圧縮機２６を含む圧縮機部分２２と、燃焼器３０を含む燃焼部分２８と、ＨＰタービン３４およびＬＰタービン３６を含むタービン部分３２と、排気部分３８とを含む。
ファン部分１８は、ファン２０を取り囲むファンケーシング４０を含む。ファン２０は、中心線１２の周りに放射状に配置され、ファンケーシング４０内で回転可能な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、燃焼ガスからエネルギを生成および抽出するエンジン１０のコア４４を形成している。コア４４は、コアケーシング４６によって取り囲まれ、コアケーシング４６を、ファンケーシング４０に結合させることができる。
エンジン１０の中心線１２の周りに同軸に配置されたＨＰシャフトまたはスプール４８が、ＨＰタービン３４をＨＰ圧縮機２６に駆動可能に接続する。より大径の環状のＨＰスプール４８の内側においてエンジン１０の中心線１２の周りに同軸に配置されたＬＰシャフトまたはスプール５０が、ＬＰタービン３６をＬＰ圧縮機２４およびファン２０に駆動可能に接続する。スプール４８，５０は、エンジン中心線を中心にして回転可能であり、ロータ５１を全体として定めることができる複数の回転可能要素に結合している。
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、圧縮機段５２、５４においては、圧縮機ブレード５６、５８の組が、対応する固定圧縮機ベーン６０、６２（ノズルとも呼ばれる）の組に対して回転し、各段を通過する流体の流れを圧縮または加圧する。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をリング状に設け、ブレードプラットフォームからブレード先端部へと中心線１２に対して半径方向に外側へと延ばすことができる一方で、対応する固定圧縮機ベーン６０、６２は、回転するブレード５６、５８の上流側に、ブレード５６、５８に隣接して配置される。図１に示されているブレード、ベーン、および圧縮機段の数は、あくまでも説明のために選択されたものであり、他の数も可能であることに留意されたい。
圧縮機の各段のブレード５６、５８を、ＨＰおよびＬＰスプール４８、５０のうちの対応する一方に取り付けられたディスク６１に取り付けることができ、各段は固有のディスク６１を有する。圧縮機の各段のベーン６０，６２を、周状の配置にてコアケーシング４６に取り付けることができる。
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、タービン段６４、６６においては、タービンブレード６８、７０の組が対応する固定タービンベーン７２、７４（ノズルとも呼ばれる）の組に対して回転し、各段を通過する流体の流れからエネルギを取り出す。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、ブレードプラットフォームからブレード先端部へと中心線１２に対して半径方向に外側へと延ばすことができる一方で、対応する固定タービンベーン７２、７４は、回転するブレード６８、７０の上流側に、ブレード６８、７０に隣接して配置される。図１に示されているブレード、ベーン、およびタービン段の数は、あくまでも説明のために選択されたものであり、他の数も可能であることに留意されたい。
タービンの各段のブレード６８、７０を、ＨＰおよびＬＰスプール４８、５０のうちの対応する一方に取り付けられたディスク７１に取り付けることができ、各段は専用のディスク７１を有する。タービンの各段のベーン７２、７４を、周状の配置にてコアケーシング４６に取り付けることができる。
ロータ部分と相補的に、圧縮機およびタービン部分２２，３２における固定ベーン６０，６２，７２，７４など、エンジン１０の静止部分は、個別または集合的にステータ６３とも呼ばれる。したがって、ステータ６３は、エンジン１０全体の回転しない要素の組み合わせを指すことができる。
動作時に、ファン部分１８を出る空気流は、空気流の一部がＬＰ圧縮機２４へと導かれるように分割され、ＬＰ圧縮機２４が加圧空気７６をＨＰ圧縮機２６へと供給し、ＨＰ圧縮機２６が空気をさらに加圧する。ＨＰ圧縮機２６からの加圧空気７６は、燃焼器３０において燃料と混合されて燃やされ、燃焼ガスを発生させる。これらのガスからＨＰタービン３４によって何らかの仕事が取り出され、ＨＰタービン３４がＨＰ圧縮機２６を駆動する。燃焼ガスは、さらなる仕事を取り出してＬＰ圧縮機２４を駆動するＬＰタービン３６へと排出され、最終的に排気部分３８を介してエンジン１０から排出される。ＬＰタービン３６の駆動は、ＬＰスプール５０を駆動し、ファン２０およびＬＰ圧縮機２４を回転させる。
圧縮機部分２２で生成された加圧空気流７６の一部を、ブリード空気７７として圧縮機部分２２から引き出すことができる。ブリード空気７７を、加圧空気流７６から引き出して、冷却を必要とするエンジン構成要素へと供給することができる。燃焼器３０に進入する加圧空気流７６の温度は、著しく高くなる。したがって、ブリード空気７７によってもたらされる冷却が、そのようなエンジン構成要素を高温の環境において動作させるために必要である。
ファン部分１８からの空気流７８の残りの部分は、ＬＰ圧縮機２４およびエンジンコア４４をバイパスし、固定ベーン列（より詳細には、ファン排気側８４に位置する複数の翼形ガイドベーン８２を備える出口ガイドベーンアセンブリ８０）を通ってエンジンアセンブリ１０から出る。より具体的には、放射状に延びる翼形ガイドベーン８２の周状の列が、空気流７８の或る程度の方向制御をもたらすためにファン部分１８に隣接して使用される。
空気流７８は、エンジン１０の各部（とりわけ、高温部分）の冷却に使用され、さらには／あるいは航空機の他の態様の冷却または動作に使用される冷却用流体であってよい。タービンエンジンの状況において、エンジンの高温部分は、通常は燃焼器３０の下流であり、とくにはタービン部分３２であり、ＨＰタービン３４が、燃焼部分２８のすぐ下流に位置するがゆえに、最も高温の部分である。冷却用流体の他の供給源は、ＬＰ圧縮機２４またはＨＰ圧縮機２６から排出される流体であってよいが、これらに限られるわけではない。
図２を参照すると、タービンブレード６８のうちの１つのタービンブレードの形態のエンジン構成要素が、蟻ほぞ部８６および翼形部８８を含んでいる。翼形部８８は、先端部９０から根元部９２までにわたる本体８９を含み、先端部９０と根元部９２との間の翼長方向を定めている。先端壁９４が、先端部９０に設けられ、先端部レール９６が、外面９８を有し、先端部プレナム１００を定めるように先端壁９４から延びている。先端部レール９６および先端部プレナム１００は、スキーラ先端部レールおよびスキーラポケットとしても知られている。翼形部は、前縁１０４および後縁１０６をさらに含み、前縁１０４と後縁１０６との間の翼弦方向を定めている。複数のフィルム孔１１２が、先端部レール９６の遠位端１１１に沿って設けられ、複数のフィルム孔１１２を、さらに翼形部８８の後縁１０６に沿って翼長方向に設けることも可能である。さらに、フィルム孔１１３の第２の組を、先端部レール９６の外面９８に沿って設けることができる。
翼形部８８は、根元部９２に位置するプラットフォーム１１４を介して蟻ほぞ部８６に取り付けられている。プラットフォーム１１４は、ブレード６８によって駆動されるタービンエンジンの主流の空気流を半径方向について閉じ込める役に立つ。蟻ほぞ部８６を、ブレード６８を駆動するためにエンジン１０上のタービンロータディスクに取り付けられるように構成することができる。蟻ほぞ部８６は、少なくとも１つの入口通路１１６をさらに含み、例示の蟻ほぞ部８６は、３つの入口通路１１６を有するものとして図示されている。入口通路１１６は、蟻ほぞ部８６およびプラットフォーム１１４を通って延び、それぞれの通路出口１１８において翼形部８８との内部での連通をもたらす。空気流７７および／または空気流７８などの冷却用流体Ｃの流れを、入口通路１１６を通って翼形部８８へともたらすことができる。入口通路１１６が蟻ほぞ部８６の本体内に囲まれるように、蟻ほぞ部８６が断面で示されていることを理解されたい。
ここで図３を参照すると、翼形部８８は、翼形部８８の形状を定めるように一体に接合された凹状の正圧面１２２と凸状の負圧面１２４とを有する外壁１２０を含む。動作時に、翼形部８８は、正圧面１２２が負圧面１２４に後続するような方向に回転する。したがって、図３に示されるように、翼形部８８は、矢印（Ａ）の方向にページの上部に向かって上方に回転すると考えられる。
内部１３０が、外壁１２０によって定められている。リブ１３２として図示されている１つ以上の内壁が、内部１３０を複数の冷却通路１１９へと分割することができる。通路出口１１８の各々を、１つ以上の内部冷却通路１１９に連通させることができる。入口通路１１６、通路出口１１８、内部冷却通路１１９、およびフィルム孔１１２を、互いに連通させて、翼形部８８内の１つ以上の冷却回路１２１を形成することができる。
翼形部８８の内部構造が、図示のように、例示であることを理解されたい。翼形部８８の内部１３０を、無数の異なるやり方で構成することができ、冷却通路１１９は、翼長方向に延びる単一の通路を含むことができ、あるいはこれらに限られるわけではない例において、通路、チャネル、入口、出口、リブ、ピンバンク、回路、部分回路、フィルム孔、プレナム、メッシュ、タービュレータ、などの多様な造作を有する複雑な冷却回路であってよい。好ましくは、冷却通路１１９は、蟻ほぞ部８６の入口通路１１６に連通する。冷却通路１１９のうちの少なくとも１つは、フィルム孔１１２に連通する。
図４においてより明瞭に見て取ることができるとおり、図２のＩＶ−ＩＶを横切って得た先端部レール９６の断面が、本明細書に記載のとおりの冷却回路１２１の一部分を定める少なくとも１つの冷却空洞１４０を示している。少なくとも１つの冷却空洞１４０を定めている壁１３４の組は、第１の表面１３６および対向する第２の表面１３８を含む。少なくとも１つの冷却空洞１４０は、先端部レール９６の全体に広がる複数の冷却空洞（図８）であってよく、あるいは先端部レール９６の長さに沿って延びる１つの連続的な冷却空洞１４０であってよいと考えられる。
冷却通路１１９に連通した入口１４６を有する冷却導管１４４が、少なくとも１つの冷却空洞１４０に連通した出口１４８まで延びている。冷却導管１４４は、冷却導管１４４の中心線（ＣＬ）が第１の表面１３６と交差するように向けられている。複数の冷却導管１４４が冷却通路１１９と少なくとも１つの冷却空洞１４０との間に形成されるように、冷却導管１４４が多数の冷却導管であることが考えられる。冷却導管１４４を、中心線（ＣＬ）が第２の表面１３８に対向する第１の表面１３６と交差する任意のやり方または幾何学的形状にて形成できることを、理解すべきである。
先端部レール９６の遠位端１１１に沿って設けられた複数のフィルム孔１１２は、冷却空洞１４０に連通したフィルム孔入口１５０ａと、翼形部８８を取り囲む空気源１５４に連通したフィルム孔出口１５２ａとを含むことができる。
先端部レール９６の外面９８に沿って設けられたフィルム孔１１３の第２の組は、フィルム孔入口１５０ｂからフィルム孔出口１５２ｂまで延びることができる。フィルム孔１１３の第２の組は、冷却導管１４４に翼弦方向に整列していない。より具体的には、フィルム孔１１３の第２の組および少なくとも１つの冷却導管１４４は、それぞれ破線および実線で示されているように、同一平面内にない。フィルム孔入口１５０ｂは、第１の表面１３６に対向する第２の表面１３８に沿って冷却空洞１４０に連通する。フィルム孔出口１５２ｂは、先端部プレナム１００内の空気源１５４に連通する。
ブレード６８を、半径方向においてシュラウドセグメント１５６の下方に配置できるとさらに考えられる。シュラウドセグメント１５６は、ブレード６８の周囲に周状に配置された複数のシュラウドセグメント１５６であってよい。
図５を参照すると、翼形部８８の先端部レール９６を冷却する方法が示されている。図４のいくつかの番号は、分かり易くするために削除されている。この方法は、冷却流体（Ｃ）を、流路１６０を定める冷却導管１４４を通って、先端部レール９６内の冷却空洞１４０の第１の表面１３６へと衝突（Ｉ）させることを含む。次に、冷却流体（Ｃ）の少なくとも一部を、冷却空洞１４０の第１の面１３６に対向する第２の面１３８に設けられた入口１５０ｂを有しており、先端部レール９６内の出口１５２ｂまで延びているフィルム孔１１３の第２の組を通って排出させる。この方法は、冷却流体（Ｃ）の残りの部分を複数のフィルム孔１１２を通して排出させ、この残りの部分をシュラウドセグメント１５６に衝突（Ｉ）させることを、さらに含むことができる。
冷却空洞１４０は、先端部レール９６の全体にわたって延びることができる。冷却流体（Ｃ）は、ブレード６８の冷却通路１１９から供給され、多数の冷却導管１４４を通過して、冷却空洞１４０の壁１３４の組に衝突することができる。壁１３４の組は、冷却流体（Ｃ）が衝突する孔のない領域を定めている。このようにして、冷却流体（Ｃ）が冷却空洞１４０を出る前に孔のない領域に沿って移動するため、冷却空洞１４０における滞留時間が長くなる。衝突は熱の伝達において有効であり、流れが衝突する領域は典型的にはきわめて高温であるため、冷却空洞１４０内での衝突は、効果的な集中型の冷却技術となり得る。その後に、冷却流体は、レールの側面および上部の一連のフィルム孔１１２，１１３を通って排出され、先端部レール９６にさらなる冷却をもたらす。
図６は、本明細書に記載される開示の別の態様による冷却空洞２４０を示している。冷却空洞２４０は、冷却空洞１４０に類似しているため、類似の部分は、１００だけ増やした類似の番号で示される。とくに明記しない限り、冷却空洞１４０の類似の部分および周囲の特徴の説明が、冷却空洞２４０の類似の部分および周囲の特徴にも当てはまることを、理解されたい。
冷却通路２１９に連通した入口２４６を有する湾曲した冷却導管２４４が、少なくとも１つの冷却空洞２４０に連通した出口２４８まで延びている。冷却導管２４４は、湾曲した冷却導管２４４の中心線（ＣＬ）が少なくとも１つの冷却空洞２４０の第１の表面２３６と交差するように向けられている。湾曲した冷却導管２４４を、出口２４８が第１の表面２３６に対向する第２の表面２３８に形成されるように湾曲させることができる。複数の冷却導管２４４を冷却通路２１９と少なくとも１つの冷却空洞２４０との間に形成することが考えられる。湾曲した冷却導管２４４を、中心線（ＣＬ）が第２の表面２３８に対向する第１の表面２３６と交差する任意のやり方または幾何学的形状にて形成できることを、理解すべきである。
複数のフィルム孔２１２が、冷却空洞２４０を翼形部８８を取り囲む空気源２５４に連通させる。冷却空洞２４０は、先端部レール９６の外面１９８に沿って設けられたフィルム孔２１３の第２の組を含み、これらのフィルム孔２１３は、フィルム孔入口２５０ｂからフィルム孔出口２５２ｂまで延びる。フィルム孔入口２５０ｂは、第１の表面２３６に対向する第２の表面２３８において冷却空洞２４０に連通する。フィルム孔出口２５２ｂは、先端部プレナム２００内の空気源２５４に連通する。
本明細書に記載のとおりの方法は、冷却流体（Ｃ）を、流路２６０を定める湾曲した冷却導管２４４を通って、先端部レール１９６内の冷却空洞２４０の第１の表面２３６へと衝突（Ｉ）させることをさらに含むことができる。
図７に見られるように、本開示の別の態様による冷却空洞３４０が、本明細書で説明される。冷却空洞３４０は、冷却空洞１４０に類似しているため、類似の部分は、２００だけ増やした類似の番号で示される。とくに明記しない限り、冷却空洞１４０の類似の部分および周囲の特徴の説明が、冷却空洞３４０の類似の部分および周囲の特徴にも当てはまることを、理解されたい。
冷却通路３１９に連通した入口３４６を有する冷却導管３４４が、少なくとも１つの冷却空洞３４０に連通した出口３４８まで延びている。冷却空洞３４０は、第１の表面３３６と、第１の表面３３６に対向する第２の表面３３８とを有する壁３３４の組を含む。冷却導管３４４は、冷却導管３４４の中心線（ＣＬ）が壁３３４の組の第２の表面３３８と交差するように向けられている。複数の冷却導管３４４を冷却通路３１９と少なくとも１つの冷却空洞３４０との間に形成することが考えられる。冷却導管３４４を、中心線（ＣＬ）が第１の表面３３６に対向する第２の表面３３８と交差する任意のやり方または幾何学的形状にて形成できることを、理解すべきである。
フィルム孔３１３の第２の組を、先端部レール２９６の外面２９８に沿って設けることができ、フィルム孔入口３５０ｂからフィルム孔出口３５２ｂまで延ばすことができる。フィルム孔入口３５０ｂは、第１の表面３３６において冷却空洞３４０に連通する。フィルム孔出口３５２ｂは、翼形部２８８の外壁３２０に沿って空気源３５４に連通する。フィルム孔３１５の第３の組が、本明細書において既に説明した例に示されるように、第２の表面３３８から延びるフィルム孔を含むことができるとさらに考えられる。冷却空洞３４０を外側の空気源３５４に連通させるフィルム孔３１５の第３の組を設けることは、上述の例示の先端部レール９６，１９６のいずれにおいても考えられる。
本明細書に記載のとおりの方法は、冷却流体（Ｃ）を、流路３６０を定める冷却導管３４４を通って、冷却空洞３４０の第１の表面３３６に対向する第２の表面３３８へと衝突（Ｉ）させることをさらに含むことができる。このようにして、本明細書に記載の方法は、冷却流体（Ｃ）を翼形部２８８の外壁３２０に沿って配置されたフィルム孔３１３の第２の組を通して排出することを、さらに含むことができる。
図８に示されるとおりの本明細書において論じられる開示のさらに別の態様においては、図２のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿って得た横断面が、軸方向に間隔を空けて配置された第１および第２の冷却空洞４４０ａ、４４０ｂを示している。第１の冷却空洞４４０ａは、冷却通路４１９に連通した入口４４６と、第１の冷却空洞４４０ａに連通した出口４４８とを有する冷却導管４４４を含むことができる。
主に軸方向に向けられた接続導管４７０が、第１の空洞４４０ａを第２の空洞４４０ｂに連通させることができる。第２の空洞４４０ｂに連通したフィルム孔入口４５０から延びるフィルム孔４１２が、第２の空洞４４０ｂをフィルム孔出口４５２を介して外部の空気源４５４に連通させることができる。
本明細書において論じられるとおりの方法は、冷却流体（Ｃ）を接続導管４７０を通って流し、次いで冷却流体（Ｃ）をフィルム孔４１２を通って放出して、冷却流体（Ｃ）をシュラウド４５６に衝突（Ｉ）させてシュラウド４５６を冷却することを含むことができる。
２つの空洞として図示されているが、本明細書に記載のとおりの導管、フィルム孔、および空洞の説明および向きは、例示のためのものであり、限定を意味するものではないことを理解されたい。例えば、軸方向に間隔を空けつつ位置する空洞の各々は、各々がさらなる冷却導管を介して直近の冷却空洞に連通する３つ以上の軸方向に間隔を空けつつ位置する空洞を含むことができる。さらに、フィルム孔の第２の組を、軸方向に間隔を空けつつ位置する空洞のいずれかからページの外へと延ばすことができると考えられる。図８に示したとおりの冷却空洞の配置は、図４、図６、および図７に関して論じた配置に適用可能であり、あるいは本明細書において論じた任意の組み合わせにて適用可能である。
さらに、本明細書において論じたとおりのフィルム孔および孔の第２の組は、直線状の孔に限定されない。フィルム孔を湾曲させることができ、あるいはレールの側面を冷却するように曲げることができる。フィルム孔は、これに限られるわけではないが冷却の有効性を改善するための成形など、追加の造作も含むことができる。
本明細書に記載された開示に関連する利点は、ブレードの先端部レール内に位置する冷却空洞における冷却流体の衝突に関係する。衝突は、例えば、これに限られるわけでないが翼形部の前縁など、高温ガス構成要素の他の領域において熱を除去する効果的な方法であることが知られている。本明細書の開示は、先端部レールの内部における衝突を可能にするために空洞を使用する。次いで、衝突後の流れは、レールの側面および上部を通って排出され、これらの領域にさらなる冷却をもたらす。
冷却孔の第２の組は、たとえ先端部レールがシュラウドとこすれ合うことによって上部のフィルム孔が塞がれる場合でも、冷却流体が依然として冷却空洞を通過できるようにするために必要である。さらに、本明細書において論じられるとおりの開示は、先端部レールからより多くの熱を取り去るために、２回の衝突を含み、すなわち冷却流体のための連続的な入口に対向する表面に対する１度の衝突と、その後の追加の冷却空洞内の第２の表面に対する再度の衝突とを含む。
追加の利点として、先端部レールの領域における冷却の有効性が高められ、結果としてエンジンがより効率的になることが挙げられる。これは、燃焼温度を高めることによって達成でき、あるいは冷却流を減らすことによって達成できる。さらに、より効果的な冷却は、部品の寿命を延ばし、計画外の停止の可能性を減らすことができる。
これまでに説明されていない限りにおいて、種々の実施形態のさまざまな特徴および構造を、所望に応じて互いに組み合わせて使用することができる。或る特徴が一部の実施形態において示されていないとしても、それは説明を簡潔にするためであり、それが不可能であるとの解釈を意味しない。したがって、異なる実施形態の種々の特徴を所望のとおりに混合または結合して新たな実施形態を形成することが、そのような新たな実施形態が明示的に説明されているか否かにかかわらず可能である。本明細書に記載の特徴のすべての組み合わせまたは置換は、本開示によって包括される。
開示された設計の適用が、ファン部分およびブースタ部分を有するタービンエンジンに限定されず、ターボジェットおよびターボエンジンにも適用可能であることを理解されたい。
本明細書においては、本明細書に記載される開示の態様を最良の様態を含めて説明するとともに、あらゆる装置またはシステムの製作および使用ならびにあらゆる関連の方法の実行を含む本開示の態様の実施を当業者にとって可能にするために、いくつかの実施例を使用している。本開示の態様の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言から実質的には相違しない同等な構造要素を含む場合、特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。
［実施態様１］
タービンエンジン（１０）用の翼形部（８８）であって、
内部（１３０）を定めており、翼弦方向を定めるように前縁（１０４）と後縁（１０６）との間を軸方向に延び、かつ翼長方向を定めるように根元部（９２）と先端部（９０）との間を半径方向に延びており、先端壁（９４）および該先端壁（９４）から延びる先端部レール（９６、１９６、２９６）を終端とする本体（８９）と、
前記内部（１３０）に形成された少なくとも１つの冷却通路（１１９、２１９）と、
前記先端部レール（９６、１９６、２９６）内に設けられた少なくとも１つの冷却空洞（１４０、２４０、３４０）であって、該冷却空洞（１４０、２４０、３４０）の第１の表面（１３６、２３６、３３６）と交差する中心線（ＣＬ）を有する流路（１６０、２６０、３６０）を定め、前記冷却通路（１１９）に連通する少なくとも１つの冷却導管（１４４、２４４、３４４）を備えている少なくとも１つの冷却空洞（１４０、２４０、３４０）と、
前記少なくとも１つの冷却導管（１４４、２４４、３４４）に前記翼弦方向において整列しておらず、前記第１の表面（１３６、２３６、３３６）に対向する第２の表面（１３８、２３８、３３８）において前記少なくとも１つの冷却空洞（１４０、２４０、３４０）に連通した入口（１５０ｂ、２５０ｂ、３５０ｂ）と、前記先端部レール（９６、１９６、２９６）の外面（９８、１９８、２９８）に設けられた出口（１５２ｂ、２５２ｂ、３５２ｂ）とを有している少なくとも１つのフィルム孔（１１３、２１３、３１３）と
を備える翼形部（８８）。
［実施態様２］
前記少なくとも１つの冷却空洞（１４０、２４０、３４０）は、複数の冷却空洞を含む、実施態様１に記載の翼形部（８８）。
［実施態様３］
前記少なくとも１つの冷却導管（１４４、２４４、３４４）は、複数の冷却導管を含む、実施態様２に記載の翼形部（８８）。
［実施態様４］
前記少なくとも１つの冷却導管は、湾曲した冷却導管（２４４）を含む、実施態様１に記載の翼形部（８８）。
［実施態様５］
前記少なくとも１つの冷却導管は、複数の冷却導管を含む、実施態様４に記載の翼形部（８８）。
［実施態様６］
前記少なくとも１つの冷却導管（１４４、２４４、３４４）は、複数の冷却導管を含む、実施態様１に記載の翼形部（８８）。
［実施態様７］
前記先端部レール（９６）の遠位端（１１１）に沿って設けられた複数のフィルム孔（１１２、２１２、３１２）をさらに備える、実施態様１に記載の翼形部（８８）。
［実施態様８］
前記外面は、外壁（３２０）を含み、前記出口（３５２ｂ）は、前記外壁（３２０）において空気源（３５４）に連通する、実施態様１に記載の翼形部（８８）。
［実施態様９］
前記外面（９８、１９８）は、先端部プレナム（１００、２００）を定め、前記出口（１５２ｂ、２５２ｂ）は、前記先端部プレナム（１００、２００）に連通する、実施態様１に記載の翼形部（８８）。
［実施態様１０］
前記冷却空洞（１４０、２４０、３４０）は、前記先端部レール（９６、１９６、２９６）の長さに沿って延びる、実施態様１に記載の翼形部（８８）。
［実施態様１１］
前記冷却空洞（１４０、２４０、３４０）は、軸方向に間隔を空けつつ位置する冷却空洞を含む、実施態様１に記載の翼形部（８８）。
［実施態様１２］
前記少なくとも１つのフィルム孔は、フィルム孔の第１および第２の組を含む複数のフィルム孔である、実施態様１に記載の翼形部（８８）。
［実施態様１３］
前記複数のフィルム孔は、フィルム孔（３１５）の第３の組を含む、実施態様１２に記載の翼形部（８８）。
［実施態様１４］
タービンエンジン（１０）用のブレード（６８）であって、
内部（１３０）を定めており、翼弦方向を定めるように前縁（１０４）と後縁（１０６）との間を軸方向に延び、かつ翼長方向を定めるように根元部（９２）と先端部（９０）との間を半径方向に延びており、先端壁（９４）および該先端壁（９４）から延びる先端部レール（９６、１９６、２９６）を終端とする本体（８９）と、
前記内部（１３０）に形成された少なくとも１つの冷却通路（１１９、２１９）と、
前記先端部レール（９６、１９６、２９６）内に設けられた少なくとも１つの冷却空洞（１４０、２４０、３４０）であって、該冷却空洞（１４０、２４０、３４０）の孔なし領域を定めている第１の表面（１３６、２３６、３３６）と交差する中心線（ＣＬ）を有する流路（１６０、２６０、３６０）を定め、前記冷却通路（１１９）に連通する少なくとも１つの冷却導管（１４４、２４４、３４４）を備えている少なくとも１つの冷却空洞（１４０、２４０、３４０）と、
前記第１の表面（１３６、２３６、３３６）に対向する第２の表面（１３８、２３８、３３８）において前記少なくとも１つの冷却空洞（１４０、２４０、３４０）に連通した入口（１５０ｂ、２５０ｂ、３５０ｂ）と、前記先端部レール（９６、１９６、２９６）の外面（９８、１９８、２９８）に設けられた出口（１５２ｂ、２５２ｂ、３５２ｂ）とを有している少なくとも１つのフィルム孔（１１３、２１３、３１３）と
を備えるブレード（６８）。
［実施態様１５］
前記少なくとも１つの冷却空洞（１４０、２４０、３４０）は、複数の冷却空洞を含む、実施態様１４に記載のブレード（６８）。
［実施態様１６］
前記少なくとも１つの冷却導管（１４４、２４４、３４４）は、複数の冷却導管を含む、実施態様１５に記載のブレード（６８）。
［実施態様１７］
前記少なくとも１つの冷却導管は、湾曲した冷却導管（２４４）を含む、実施態様１４に記載のブレード（６８）。
［実施態様１８］
前記少なくとも１つの冷却導管は、複数の冷却導管を含む、実施態様１７に記載のブレード（６８）。
［実施態様１９］
前記少なくとも１つの冷却導管（１４４、２４４、３４４）は、複数の冷却導管を含む、実施態様１４に記載のブレード（６８）。
［実施態様２０］
前記先端部レール（９６）の遠位端（１１１）に沿って設けられた複数のフィルム孔（１１２、２１２、３１２）をさらに備える、実施態様１４に記載のブレード（６８）。
［実施態様２１］
前記外面は、外壁（３２０）を含み、前記出口（３５２ｂ）は、前記外壁（３２０）において空気源（３５４）に連通する、実施態様１４に記載のブレード（６８）。
［実施態様２２］
前記外面（９８、１９８）は、先端部プレナム（１００、２００）を定め、前記出口（１５２ｂ、２５２ｂ）は、前記先端部プレナム（１００、２００）に連通する、実施態様１４に記載のブレード（６８）。
［実施態様２３］
前記冷却空洞（１４０、２４０、３４０）は、前記先端部レール（９６、１９６、２９６）の長さに沿って延びる、実施態様１４に記載のブレード（６８）。
［実施態様２４］
前記冷却空洞（１４０、２４０、３４０）は、軸方向に間隔を空けつつ位置する冷却空洞を含む、実施態様１４に記載のブレード（６８）。
［実施態様２５］
前記少なくとも１つのフィルム孔は、フィルム孔の第１および第２の組を含む複数のフィルム孔である、実施態様１４に記載のブレード（８８）。
［実施態様２６］
前記複数のフィルム孔は、フィルム孔（３１５）の第３の組を含む、実施態様２５に記載のブレード（８８）。
［実施態様２７］
タービンエンジン（１０）用の翼形部（８８）の先端部レール（９６、１９６、２９６）を冷却する方法であって、
冷却流体（Ｃ）を、流路（１６０、２６０、３６０）を通って、前記先端部レール（９６、１９６、２９６）内の冷却空洞（１４０、２４０、３４０）の孔なし領域を定めている第１の表面（１３６、２３６、３３６）に衝突（Ｉ）させるステップと、
冷却流体（Ｃ）の少なくとも一部を、前記第１の表面（１３６、２３６、３３６）に対向する前記冷却空洞（１４０、２４０、３４０）の第２の表面（１３８、２３８、３３８）に設けられた入口（１５０ｂ、２５０ｂ、３５０ｂ）を有しており、前記先端部レール（９６、１９６、２９６）内の出口（１５２ｂ、２５２ｂ、３５２ｂ）へと延びている少なくとも１つのフィルム孔（１１３、２１３、３１３）を通って排出するステップと
を含む方法。
［実施態様２８］
前記冷却流体（Ｃ）を衝突（Ｉ）させるステップは、湾曲した冷却導管（２４４）を通って前記冷却流体（Ｃ）を衝突（Ｉ）させるステップをさらに含む、実施態様２７に記載の方法。
［実施態様２９］
前記冷却流体（Ｃ）の少なくとも一部を排出するステップは、冷却流体（Ｃ）の残りの部分を複数のフィルム孔（１１２、２１２、３１２）を通って排出するステップを含む、実施態様２７に記載の方法。
［実施態様３０］
前記冷却流体（Ｃ）の残りの部分をシュラウドセグメント（１５６、２５６、３５６）へと衝突（Ｉ）させるステップをさらに含む、実施態様２９に記載の方法。
［実施態様３１］
前記冷却流体（Ｃ）の少なくとも一部を排出するステップは、前記翼形部（８８）の外壁（３２０）に沿って位置する少なくとも１つのフィルム孔（３１３）を通って前記冷却流体（Ｃ）を排出するステップを含む、実施態様２７に記載の方法。
［実施態様３２］
前記冷却流体（Ｃ）の少なくとも一部を排出するステップは、前記少なくとも１つのフィルム孔（１１３、２１３、３１３）とは異なる表面に沿って位置するフィルム孔の第２の組を通って前記冷却流体（Ｃ）を排出するステップを含む、実施態様２７に記載の方法。
１０ エンジン
１２ 中心線
１４ 前方
１６ 後方
１８ ファン部分
２０ ファン
２２ 圧縮機部分
２４ ＬＰ圧縮機
２６ ＨＰ圧縮機
２８ 燃焼部分
３０ 燃焼器
３２ タービン部分
３４ ＨＰタービン
３６ ＬＰタービン
３８ 排気部分
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スプール
５０ ＬＰスプール
５１ ロータ
５２ ＬＰ圧縮機段
５４ ＨＰ圧縮機段
５６ ＬＰ圧縮機ブレード
５８ ＨＰ圧縮機ブレード
６０ ＬＰ圧縮機ベーン
６１ ディスク
６２ ＨＰ圧縮機ベーン
６３ ステータ
６４ ＨＰタービン段
６６ ＬＰタービン段
６８ ＨＰタービンブレード
７０ ＬＰタービンブレード
７１ ディスク
７２ ＨＰタービンベーン
７４ ＬＰタービンベーン
７６ 加圧された周囲空気
７７ ブリード空気
７８ 空気流
８０ 出口ガイドベーンアセンブリ
８２ 翼形ガイドベーン
８４ ファン排気側
８６ 蟻ほぞ部
８８ 翼形部
８９ 本体
９０ 先端部
９２ 根元部
９４ 先端壁
９６ 先端部レール
９８ 外面
１００ 先端部プレナム
１０４ 前縁
１０６ 後縁
１１１ 遠位端
１１２ フィルム孔
１１３ フィルム孔の第２の組
１１４ プラットフォーム
１１６ 入口通路
１１８ 通路出口
１１９ 冷却通路
１２０ 外壁
１２１ 冷却回路
１２２ 正圧面
１２４ 負圧面
１３０ 内部
１３２ リブ
１３４ 壁の組
１３６ 第１の表面
１３８ 第２の表面
１４０ 冷却空洞
１４４ 冷却導管
１４６ 入口
１４８ 出口
１５０ａ フィルム孔入口
１５０ｂ フィルム孔入口
１５２ａ フィルム孔出口
１５２ｂ フィルム孔出口
１５４ 空気源
１５６ シュラウドセグメント
１６０ 流路
１８８ 翼形部
１９６ 先端部レール
１９８ 外面
２００ 先端部プレナム
２１１ 遠位端
２１２ フィルム孔
２１３ フィルム孔の第２の組
２１９ 冷却通路
２１２ フィルム孔
２１３ フィルム孔
２１４ プラットフォーム
２１６ 入口通路
２１８ 通路出口
２１９ 冷却通路
２２０ 外壁
２２１ 冷却回路
２３４ 壁の組
２３６ 第１の表面
２３８ 第２の表面
２４０ 冷却空洞
２４４ 冷却導管
２４６ 入口
２４８ 出口
２５０ａ フィルム孔入口
２５０ｂ フィルム孔入口
２５２ａ フィルム孔出口
２５２ｂ フィルム孔出口
２５４ 空気源
２５６ シュラウドセグメント
２６０ 流路
２８８ 翼形部
２９６ 先端部レール
２９８ 外面
３００ 先端部プレナム
３１１ 遠位端
３１２ フィルム孔
３１３ フィルム孔の第２の組
３１４ プラットフォーム
３１５ フィルム孔
３１６ 入口通路
３１８ 通路出口
３１９ 冷却通路
３２０ 外壁
３２１ 冷却回路
３３４ 壁の組
３３６ 第１の表面
３３８ 第２の表面
３４０ 冷却空洞
３４４ 冷却導管
３４６ 入口
３４８ 出口
３５０ａ フィルム孔入口
３５０ｂ フィルム孔入口
３５２ａ フィルム孔出口
３５２ｂ フィルム孔出口
３５４ 空気源
３５６ シュラウドセグメント
３６０ 流路
３８８ 翼形部
３９６ 先端部レール
３９８ 外面
４００ 先端部プレナム
４１１ 遠位端
４１２ フィルム孔
４１３ フィルム孔の第２の組
４１４ プラットフォーム
４１６ 入口通路
４１８ 通路出口
４１９ 冷却通路
４２０ 外壁
４２１ 冷却回路
４３４ 壁の組
４３６ 第１の表面
４３８ 第２の表面
４４０ 冷却空洞
４４４ 冷却導管
４４６ 入口
４４８ 出口
４５０ａ フィルム孔入口
４５０ｂ フィルム孔入口
４５２ａ フィルム孔出口
４５２ｂ フィルム孔出口
４５４ 空気源
４５６ シュラウドセグメント
４６０ 流路
４９６ 先端部レール
４９８ 外面

Claims (10)

  1. タービンエンジン（１０）用の翼形部（８８）であって、
    内部（１３０）を定めており、翼弦方向を定めるように前縁（１０４）と後縁（１０６）との間を軸方向に延び、かつ翼長方向を定めるように根元部（９２）と先端部（９０）との間を半径方向に延びており、先端壁（９４）および該先端壁（９４）から延びる先端部レール（９６、１９６、２９６）を終端とする本体（８９）と、
    前記内部（１３０）に形成された少なくとも１つの冷却通路（１１９、２１９）と、
    前記先端部レール（９６、１９６、２９６）内に設けられた少なくとも１つの冷却空洞（１４０、２４０、３４０）であって、該冷却空洞（１４０、２４０、３４０）の第１の表面（１３６、２３６、３３６）と交差する中心線（ＣＬ）を有する流路（１６０、２６０、３６０）を定め、前記冷却通路（１１９）に連通する少なくとも１つの冷却導管（１４４、２４４、３４４）を備えている少なくとも１つの冷却空洞（１４０、２４０、３４０）と、
    前記少なくとも１つの冷却導管（１４４、２４４、３４４）に前記翼弦方向において整列しておらず、前記第１の表面（１３６、２３６、３３６）に対向する第２の表面（１３８、２３８、３３８）において前記少なくとも１つの冷却空洞（１４０、２４０、３４０）に連通した入口（１５０ｂ、２５０ｂ、３５０ｂ）と、前記先端部レール（９６、１９６、２９６）の外面（９８、１９８、２９８）に設けられた出口（１５２ｂ、２５２ｂ、３５２ｂ）とを有している少なくとも１つのフィルム孔（１１３、２１３、３１３）と
    を備える翼形部（８８）。
  2. 前記少なくとも１つの冷却空洞（１４０、２４０、３４０）は、複数の冷却空洞を含む、請求項１に記載の翼形部（８８）。
  3. 前記少なくとも１つの冷却導管（１４４、２４４、３４４）は、複数の冷却導管を含む、請求項２に記載の翼形部（８８）。
  4. 前記少なくとも１つの冷却導管は、湾曲した冷却導管（２４４）を含む、請求項１に記載の翼形部（８８）。
  5. 前記少なくとも１つの冷却導管は、複数の冷却導管を含む、請求項４に記載の翼形部（８８）。
  6. 前記少なくとも１つの冷却導管（１４４、２４４、３４４）は、複数の冷却導管を含む、請求項１に記載の翼形部（８８）。
  7. 前記先端部レール（９６）の遠位端（１１１）に沿って設けられた複数のフィルム孔（１１２、２１２、３１２）をさらに備える、請求項１に記載の翼形部（８８）。
  8. 前記外面は、外壁（３２０）を含み、前記出口（３５２ｂ）は、前記外壁（３２０）において空気源（３５４）に連通する、請求項１に記載の翼形部（８８）。
  9. 前記外面（９８、１９８）は、先端部プレナム（１００、２００）を定め、前記出口（１５２ｂ、２５２ｂ）は、前記先端部プレナム（１００、２００）に連通する、請求項１に記載の翼形部（８８）。
  10. 前記冷却空洞（１４０、２４０、３４０）は、軸方向に間隔を空けつつ位置する冷却空洞を含む、請求項１に記載の翼形部（８８）。
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