JP2019508626A - 冷却タービンベーン - Google Patents

Abstract

本発明は、前縁（１６）及び後縁（１７）と、下面壁（１４）及び上面壁（１３）とを備えるとともに、前縁（１６）を冷却するためのマニホルド（１８）と、根元から空気を集めてマニホルド（１８）に供給するための供給管路（１９）と、上面壁（１３）に沿って延び、根元から空気を供給されて、供給管路（１９）に面する熱シールドを形成する側部空洞（２３）と、供給管路（１９）に沿って延びるとともに上面壁（１３）まで横方向に延びる中間部（２４）を含むトロンボーンを形成する回路とを備えており、前記中間部（２４）がブレード（１２）の先端で供給管路によって供給される、ブレード（１２）を有する根元を備えるターボ機械タービンベーンに関連している。

Description

本発明は、例えばツインスプールターボジェットエンジン又は２スプールターボプロップエンジンといったターボ機械形式の航空機エンジンのブレードに関する。

当該エンジン１において、外気は、吸気ダクト２によって吸い込まれ、一連の回転翼よりなるファン３を通過した後、中心コアフローとコアフローを取り囲むバイパスフローとに分かれる。

コアフローは引き続き、燃焼室７に到達する前に第一及び第二圧縮段４及び６を通過する際に圧縮され、その後、一組のタービン８を通過する際に膨張した後に機尾方向に排気されて推力を発生する。バイパスフローは、補完的な推力を発生するためにファンによって機尾方向に直接推進される。

圧縮機４、６及びファン３を駆動するタービン８における膨張は、燃焼直後に生じるので高温で起こる。従ってこのタービン８は、過酷な流体温度、圧力及び流れ条件の下で動作するように設計され寸法設定される。

各タービンは、エンジンシャフトに保持された一連のブレードを各々備える一連の段からなり、最も過酷な状態にさらされるブレードは、高圧段と呼ばれる最初の膨張段のものである。

一般に、高まる性能の要求及び規制の変更は、ますます過酷な環境で動作するエンジンの設計につながり、それは高温度での高圧ブレードの強度を高めることを意味する。

それにもかかわらず、これらのブレードに使用される材料及びコーティングの改良は、生じ得る高温度に耐えるのに十分ではなく、そのため、こうしたブレードの冷却を再考する必要がある。

この冷却は、燃焼の上流で抜き取られ、またブレードの根元で吸い込まれる冷気をこれらのブレードの内部で循環させ、ブレードの内部回路に沿って流通させることによって達成される。またこの空気は、その壁を貫通する穿孔によってブレードから排気され、それもまた、燃焼から導出される空気よりも低温の空気の膜をブレードの外面に創出することを可能にしてブレードの温度を制限する。

冷却を高めるために、空気が内部を循環するブレードの内部領域には、特殊な特徴、即ち伝熱を高めるように冷気の流体流れを乱す内部起伏を備える。

こうした従来の冷却設計様式は、ブレードの内部回路の長さのために、その回路の端に達した時に過度に加熱した空気をもたらし、そのためその効率が経路の端領域で制限されることになるという難点がある。

本発明の目的は、その冷却効率を高めるブレード構造を開示することである。

これを達成するために、本発明の目的は、ターボプロップエンジン又はターボジェットエンジンといったターボ機械のタービンブレードである。このブレードは、長さ方向に沿って延び先端で終端する翼を支持する根元を備えており、この翼は前縁と、運転中に翼を取り囲む流体循環の方向に従って前縁の下流に位置する後縁とを備えており、この翼は互いに横方向に間隔が設けられ、各々、前縁を後縁と接続している内弧壁及び外弧壁を備えており、この翼は、
前縁を冷却する上流マニホルドと、
根元で空気を集めて、調整した給気を上流マニホルドに供給する上流供給管路と、
外弧壁に沿った単一体であり、ブレードの根元から空気を供給されて、上流管路に面する熱シールドを形成する、単一の外弧空洞と、
上流管路から下流の部分に沿っており、外弧壁まで横方向に延びている中間部を含むトロンボーン形回路とを備えており、この中間部は翼の先端で上流管路によって供給される。

上流管路はこのようにして、トロンボーン回路の中間部に到達した時に冷却空気がまだ過度に加熱されていないように、外弧の熱から効率的に絶縁されて、より効率的な冷却をもたらす。有利には、外弧空洞の長さは上流管路の長さに対応するように縮小され、それによりこの空洞における空気の均一な循環を助け、その熱効率を最適化する。

本発明はまた、翼の先端に上部空洞を備えるとともに、この上部空洞が上流管路によって供給される、このように規定されるブレードに関連している。

本発明はまた、中間部を遮蔽するもう１個の熱シールドを形成するために内弧壁に沿って延びる単一体による単一の内弧空洞を備える、このように規定されるブレードに関連している。

本発明はまた、単一の内弧空洞がトロンボーンを形成する回路の中間部を遮蔽するのに加えて上流管路を遮蔽する、このように規定されるブレードに関連している。

本発明はまた、トロンボーン形回路が、下流部と穿孔とを備えており、この下流部はブレードの底部に近い中間部によって供給され、この下流部は外弧壁から内弧壁まで横方向に延びており、穿孔は、内弧壁の外面で空気の膜を形成するために下流部に向けて内弧壁を貫通する、このように規定されるブレードに関連している。

本発明はまた、上流管路、トロンボーン管路及び上部空洞のための共通の単一の塵埃除去穴を備えている、このように規定されるブレードに関連している。

本発明はまた、ブレード後縁冷却スリットのための下流供給マニホルドと、トロンボーンを形成する回路とは別個であるこの下流マニホルドのための調整した下流供給管路とを備えており、これらのスリットは内弧壁を貫通しており、この下流管路はブレードの根元から空気を供給される、このように規定されるブレードに関連している。

本発明はまた、ブレード後縁冷却スリットのための下流供給マニホルドと、トロンボーンを形成する回路の下流部に対応するこの下流マニホルドのための調整した下流供給管路とを備えており、これらのスリットは内弧壁を貫通している、このように規定されるブレードに関連している。

本発明はまた、内部管路及びマニホルドと、熱シールドを形成する内部空洞とを成形するように設計されたキャビティ及び一組のコアを含む、このように規定されるブレードを製造するための鋳造手段に関連している。

本発明はまた、このように規定されるブレードを備えるタービンに関連している。

縦平面の断面図において示したツインスプールターボジェットの概略である。 本発明に従ったタービンブレードの斜視図である。 ブレードの長さ方向に垂直な平面における本発明に従ったブレードの翼の断面図である。 翼の中間厚さに沿った断面における本発明に従ったブレードの翼の断面図である。

本発明の基礎は、外弧空洞によって熱的に絶縁されるとともに前縁の冷却マニホルド及びトロンボーン形回路に調整した給気を供給する、主給気管路を備えるブレードである。

図２に符号１１で識別して図示されたこのブレードは、その回転軸ＡＸに対し径方向の長さ方向ＥＶに沿って延びている翼１２を保持する根元Ｐを備える。翼１２は、根元Ｐに接続する基部又はプラットホームから、その自由端に対応する先端Ｓまで延びており、外弧壁１３及び内弧壁１４を備える。

これらの壁１３及び１４は、上流領域ＡＭに対応する翼の前縁１６及び、その下流領域ＡＶに対応する翼の先細り後縁１７において一緒になる。上流及び下流とは、運転中に翼を取り囲む流体の循環の方向に関連しており、後縁は前縁から下流にある。

図３及び４に見られるように、このブレードは、その前縁１６のための上流冷却マニホルド１８を備えており、その下流に、上流冷却給気管路１９がやはり長さ方向ＥＶに沿って翼の全高にわたって延びている。

上流管路１９は、互いに均等に離間され長さ方向ＥＶに垂直に向いている一連の調整した穴２１によって上流マニホルド１８と連通しており、前縁１６への衝撃によって冷却をもたらしながら、このマニホルドに調整した様態で供給する。

図３に見られるように、翼１２はその前縁に形成された穴２２を備え、上流管路１９によって上流マニホルド１８に配送された冷却空気を穴２２を通じて排気する。内弧壁及び外弧壁を貫いて形成された他の穴２２も、翼の他の部分に循環する冷却空気を排気する。

主たる給気を供給する上流管路１９は、外弧を通じて受ける熱から保護するために上流管路１９だけを遮蔽する熱シールドとして機能する単一の幅の狭い外弧空洞２３によって外弧壁１３から分離されている。単一体として形成され、トロンボーン又は類似形の回路ではないこの外弧空洞２３は、外弧に沿って延びており、幅が狭い。それは概ね矩形の輪郭によって画成され、翼の全高にわたり、また外弧又はＡＸ軸に沿った上流管路１９の全長にわたって延びている。この外弧空洞２３は、ブレードの根元を通じて直接、即ち上流管路１９から独立して空気を供給される。

このブレードは、上流管路１９から下流に連続して、管路１９と並んで中間管路部２４及び、中間部２４と並んで中間部の下流に下流管路部２６を備える。中間部２４は、Ｓで識別された翼の先端で管路１９に接続しており、下流部２６は翼の根元の近くで中間部２４に接続している。

上流管路１９並びに部分２４及び２６によって形成される組立体はこのように、トロンボーン形回路を形成する。翼の頂部、即ちその先端Ｓで上流管路１９によって配送された空気は引き続き、中間部２４を通じて翼の根元に向けて、その後再び下流部２６を通じて翼の先端に向けて循環する。

補完的様態において、内弧壁１４に沿って通る単一の内弧空洞２７が翼の全高にわたって延び、上流管路１９及び中間部２４によって形成される組立体だけを遮蔽し、内弧を通じて受け取る熱からそれらを絶縁する熱シールドを形成する。

同様に単一の内部空間を画成するこの内弧空洞２７は、幅が狭く、上流管路１９から下流部２６まで縦方向に延びている。内弧空洞２７もまた概ね矩形の輪郭をしており、ＥＶ方向に沿って翼の全高にわたり、またＡＸ軸に沿って管路１９及び２４からなる組立体の全長にわたって延びている。

ブレードの厚さの方向に沿って、つまりその縦方向ＡＸにほぼ垂直である横方向に、中間部２４は外弧から内弧空洞２７まで延びている。下流部２６は、ブレードの厚さに応じて、外弧壁１３から内弧壁１４まで延びる。

このように、図中の実施例において、外弧空洞２３は管路１９を熱的に絶縁する一方、内弧空洞２７は上流管路１９及び中間部２４を熱的に絶縁する。

さらに、空気が根元から先端まで循環するトロンボーン回路の下流部２６は、内弧壁１４を貫通する穴を備え、この下流部２６で循環する空気を排気してこの領域の内弧を遮蔽する冷却膜を生じる。こうした条件の下で、下流部２６におけるトロンボーン回路の区画の増加による熱効率の損失は、このようにして内弧壁の外面での冷却膜の創出によって補償される。

図４に見られるように、翼の先端領域は、長さの方向ＥＶにほぼ垂直な方向に沿って向いている閉鎖壁２８によって画定されている。この閉鎖壁は、外弧壁１３及び外弧壁１４の縁端部と共同して、先端で翼を終端する２９で識別した中空浴槽形状を形成する。

補完的様態において、翼は槽下空洞とも称する３１で識別した上部空洞を備えており、それは浴槽領域における翼の冷却を改善する。

上流管路１９から後縁１７まで延びている閉鎖壁２８に沿って通るこの上部空洞３１もまた、翼先端で接続されている上流管路１９によって供給される。

翼の後縁１７は、内弧面と連通させる一連のスリット３４で空気を配給する下流マニホルド３２によって冷却される。この下流マニホルド３２は、長さ方向ＥＶに垂直に向いており互いに均等に離間した一連の調整した穴３６を通じて連通している、専用の下流管路３３によって調整した様態で供給される。

下流管路３３は、トロンボーン形回路の下流部２６に沿って延びており、上流管路１９から独立してブレードの根元から直接供給される。この下流管路３３は、種々の調整した穴３６を通じて空気を供給する下流マニホルド３２と並んで延びている。

図４に見られるように、この下流管路３３は後縁における大部分のスリット３４に供給する。先端Ｓのスリット（複数も）だけは上部空洞３１を通じて供給され、より冷たい空気による利益を得てこの領域におけるそれらの熱効率を高めている。

代替として、特にＡＸ軸に沿って短い翼の場合、下流マニホルドには、調整した様態で、トロンボーン形回路の下流部によって直接供給されてもよい。これによりブレードの一般的設計及び以降のその製作を単純化できる。

一般に、本発明はブレードの設計及びその冷却をコリオリ効果を利用して最適化できることに留意されたい。詳しくは、中間部２４は対応する外弧部を効率的に冷却するが、それは、ブレードがＡＸ軸に関して回転する時にコリオリ効果によって外弧の最も近い面に向けて強制されるように空気がこの中間部２４において先端から根元まで循環するからである。さらに、中間部２４において外弧に沿って下降する空気は、それに沿って配送される外弧空洞２３によって熱的に保護されていたために、わずかに加熱されている。

さらに、単一の内弧空洞は、図中の実施例よりも短い長さに沿って縦方向に延びて、上流管路１９を遮蔽することなく中間部２４だけを遮蔽することも可能である。

その際、上流空洞１９の空気は対応する内弧部を効率的に冷却する。ブレードが回転する時にコリオリ効果が循環する空気を内弧壁の方へ強制しようとするように、空気がこの上流管路において根元から先端まで循環するからである。

従ってこの選択肢は、ブレードの重量を低減でき、再びコリオリ効果をより活用できる。

一般に、本発明は、前縁の近くで、即ち過酷な熱負荷の領域において熱シールドを形成し、外弧空洞及びおそらく内弧空洞の効率を利用することを可能にする。熱負荷が過酷とまではいえない後縁から下流の領域における冷却は、トロンボーン回路において達成される。

同じ絶縁された上流供給管路からトロンボーン回路、槽下空洞及び上流マニホルドへの冷気の供給は、空気の供給を得るために根元にまで下がらなければならない管路の数を減少させることによってブレードの根元の設計を単純化できる。それはまた、先端の単一の塵埃除去穴が槽下空洞、上流マニホルド、更にはトロンボーン回路の役に立つので、塵埃除去穴の数を制限することにも貢献する。

１１ ブレード
１２ 翼
１３ 外弧壁
１４ 内弧壁
１６ 前縁
１７ 後縁
１８ 上流マニホルド、上流冷却マニホルド
１９ 上流冷却給気管路、上流管路、上流空洞、上流供給管路
２１ 調整した穴
２２ 穴、穿孔
２３ 外弧空洞
２４ 中間管路部、中間部
２６ 下流管路部、下流部
２７ 内弧空洞
２８ 閉鎖壁
３１ 中空浴槽形状、槽下空洞、上部空洞
３２ 下流マニホルド、下流供給マニホルド
３３ 下流管路、下流供給管路
３４ スリット、冷却スリット
３６ 調整した穴
ＡＭ 上流領域
ＡＶ 下流領域
ＡＸ 回転軸、縦方向
ＥＶ 長さ方向
Ｐ 根元
Ｓ 先端

Claims (10)

1. ターボプロップエンジン又はターボジェットエンジンといったターボ機械の回転タービンブレードであって、前記ブレードは長さ方向（ＥＶ）に沿って延び先端（Ｓ）で終端する翼（１２）を支持する根元を備えており、前記翼（１２）は前縁（１６）と、運転中に翼を取り囲む流体循環の方向に従って前縁（１６）の下流に位置する後縁（１７）とを備えており、前記翼（１２）は互いに横方向に間隔が設けられ、各々、前縁（１６）を後縁（１７）と接続している内弧壁（１４）及び外弧壁（１３）を備えており、前記翼（１２）は、
   前縁（１６）のための上流冷却マニホルド（１８）と、
   根元で空気を集めて、調整した給気を上流マニホルド（１８）に供給する上流供給管路（１９）と、
   外弧壁（１３）に沿った単一体であり、ブレードの根元から空気を供給されて、上流管路（１９）に面する熱シールドを形成する、単一の外弧空洞（２３）と、
   上流管路（１９）から下流の部分に沿っており、外弧壁（１３）まで横方向に延びている中間部（２４）を含むトロンボーン形回路とを備えており、前記中間部（２４）は翼の先端（Ｓ）で上流管路（１９）によって供給される、回転タービンブレード。
2. 翼（１２）の先端（Ｓ）に上部空洞（３１）を備えており、前記上部空洞（３１）は上流管路（１９）によって供給される、請求項１に記載のブレード。
3. 中間部（２４）を遮蔽するもう１個の熱シールドを形成するために内弧壁に沿って延びる単一体による単一の内弧空洞（２７）を備える、請求項１又は２に記載のブレード。
4. 単一の内弧空洞（２７）はトロンボーンを形成する回路の中間部（２４）を遮蔽するのに加えて上流管路（１９）を遮蔽する、請求項３に記載のブレード。
5. トロンボーン形回路は下流部（２６）と穿孔（２２）とを備えており、前記下流部はブレードの底部に近い中間部（２４）によって供給され、前記下流部（２６）は外弧壁（１３）から内弧壁（１４）まで横方向に延びており、前記穿孔（２２）は内弧壁の外面で空気の膜を形成するために下流部（２６）に向けて内弧壁を貫通する、請求項１から４のいずれか一項に記載のブレード。
6. 上流管路（１９）、トロンボーン管路及び上部空洞（３１）のための共通の単一の塵埃除去穴を備える、請求項２に記載のブレード。
7. 冷却スリット（３４）のための下流供給マニホルド（３２）と、トロンボーンを形成する回路とは別個である前記下流マニホルド（３２）のための調整した下流供給管路（３３）とを備えており、前記スリットは後縁（１７）で内弧壁（１４）を貫通して、前記下流管路（３３）はブレードの根元から空気を供給される、請求項１から６のいずれか一項に記載のブレード。
8. 冷却スリット（３４）のための下流供給マニホルド（３２）と、トロンボーン形回路の下流部（２６）に対応する前記下流マニホルド（３２）のための調整した下流供給管路（３３）とを備えており、前記スリットは後縁（１７）で内弧壁（１４）を貫通している、請求項１から６のいずれか一項に記載のブレード。
9. 内部管路及びマニホルドと、熱シールドを形成する内部空洞とを成形するように設計されたキャビティ及び一組のコアを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載のブレードを製造するための鋳造手段。
10. 請求項１から８のいずれか一項に記載のブレードを備えるターボ機械。

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