JP2020514628A - タービンエレメント - Google Patents

Abstract

高い圧力降下および熱伝達のためのタービンエレメント。タービンエレメントは、複数のエレメント（１６）のそれぞれの形状に基づくピンフィンパターン（１４）を形成する、翼（１０）の外壁の内面にわたって少なくとも４つの列の一連の列で整列させられたコラムに半径方向で配置された複数のエレメント（１６）を有し、各エレメント（１６）は、内側上縁と内側下縁との間の内側長さと、内側左縁と内側右縁との間の内側幅とを有する。ピンフィンパターン（１４）は、密に詰め込まれており、翼（１０）の外壁の内面の一部を占めている。

Description

背景
１．分野
本発明は、ガスタービンエンジン、特に、高い圧力降下および熱伝達のためのタービンエレメントに関する。

２．関連技術の説明
軸流工業用ガスタービンエンジンでは、高温圧縮ガスが発生される。高温ガス流は、タービンを通過させられ、膨張して、発電のための発電機などにおける出力軸を駆動するために使用される機械的な仕事を発生する。タービンは、一般的に、エネルギを、高温ガス流から、エンジンのロータ軸を駆動する機械的エネルギに変換するために、ステータベーンおよびロータブレードの複数の段を有する。

燃焼システムは、圧縮機から空気を受け取り、空気を、燃料と混合しかつ混合物を燃焼させることによって高エネルギレベルへ上昇させ、その後、燃焼器の生成物がタービンを通じて膨張させられる。

ガスタービンは、より大型に、より効率的に、そしてより頑丈になっている。大型のブレードおよびベーンは、特にエンジンシステムの高温セクションにおいて利用されている。現代のエンジンにおいて生じる高い圧力比および高いエンジン燃焼温度を考慮して、翼、例えば、タービンセクション内の固定のベーンおよび回転するブレードなどの構成部材は、当該構成部材の過熱を防止するために、圧縮機セクションにおける圧縮機から排出された空気などの冷却流体によって冷却されなければならない。しかしながら、大量の冷却が生じると、効率の低下および漏れの増加が生じる。

現在の冷却技術は、流れ入口においてオリフィスプレートを使用する。これは、冷却通路における低圧および逆流マージンに関する問題につながる。さらに、これは、熱伝達を増大させない。これらの特徴は、最新の製造方法の制限の中で所要の熱伝達を維持しながら、最新のエンジンによって必要とされるレベルに流れを制限する能力を提供することができない。

概要
本発明の１つの態様において、タービンエレメントは、外壁を規定する正圧面および負圧面に接続された前縁および後縁と、冷却回路とを有する概して細長い翼を備え、冷却回路は、翼の外壁の内面にわたって少なくとも４つの列の一連の列で整列させられたコラムにおいて半径方向に配置された複数のエレメントを有し、複数のエレメントのそれぞれの形状に基づいてピンフィンパターンを形成しており、各エレメントは、内側上縁と内側下縁との間の内側長さと、内側左縁と内側右縁との間の内側幅とを有し、ピンフィンパターンは、１つのコラム内の１つのエレメントの内側上縁から次のエレメントの内側上縁まで延びたピンフィンパターン長さと、１つのエレメントの内側左縁から次の列における１つのエレメントの内側左縁まで延びたピンフィンパターン幅とを有し、複数のエレメントは、翼に沿ってスパン方向において長さ方向に延びておりかつ軸方向において幅方向に延びており、各エレメントの内側長さと内側幅とのアスペクト比は、２：１以上であり、ピンフィンパターン長さと内側長さとの比は、２：１以下であり、ピンフィンパターン幅と内側幅との比は、４：１以下である。

本発明のこれらのおよびその他の特徴、態様および利点は、以下の図面、説明および請求項を参照することによりさらによく理解されるであろう。

図面の簡単な説明
発明は、図面を用いてさらに詳細に示されている。図面は、好ましい構成を示しており、発明の範囲を限定しない。

本発明の１つの典型的な実施の形態によるブレード翼の後縁の中央断面図である。 本発明の様々な典型的な実施の形態によるピンフィンパターンのサンプル部分である。 本発明の様々な典型的な実施の形態によるピンフィンパターンのサンプル部分である。 本発明の様々な典型的な実施の形態によるピンフィンパターンのサンプル部分である。 本発明の様々な典型的な実施の形態によるピンフィンパターンのサンプル部分である。 本発明の様々な典型的な実施の形態によるピンフィンパターンのサンプル部分である。 本発明の様々な典型的な実施の形態によるピンフィンパターンのサンプル部分である。 本発明の様々な典型的な実施の形態によるピンフィンパターンのサンプル部分である。 本発明の様々な典型的な実施の形態によるピンフィンパターンのサンプル部分である。 本発明の様々な典型的な実施の形態によるピンフィンパターンのサンプル部分である。 本発明の様々な典型的な実施の形態によるピンフィンパターンのサンプル部分である。 本発明の１つの典型的な実施の形態のパターンのサンプル部分およびパターンの周囲に形成された流路である。 従来技術のブレード翼における冷却回路の１つの典型的な例である。

詳細な説明
好適な実施の形態の以下の詳細な説明において、本明細書の一部を形成する添付の図面が参照され、図面には、例として、限定としてではなく、発明が実施されてもよい特定の実施の形態が示されている。その他の実施の形態が使用されてもよく、また、本発明の思想および範囲から逸脱することなく変更がなされてもよいことが理解されるべきである。

広くは、本発明の１つの実施の形態は、高い圧力降下および熱伝達のためのタービンエレメントを提供する。タービンエレメントは、複数のエレメントのそれぞれの形状に基づきピンフィンパターンを形成する、翼の外壁の内面にわたって少なくとも４つの列の一連の列で整列させられたコラムで半径方向に配置された複数のエレメントを有し、各エレメントは、内側上縁と内側下縁との間の内側長さと、内側左縁と内側右縁との間の内側幅とを有する。ピンフィンパターンは、密に詰め込まれており、翼の外壁の内面の一部を占めている。

ガスタービンエンジンは、圧縮機セクション（図示せず）と、燃焼器（図示せず）と、タービンセクション（図示せず）とを有してもよい。圧縮機セクションは、周囲空気を圧縮する。燃焼器は、圧縮された空気を燃料と組み合せ、混合物に点火し、作動流体を形成する高温ガスを含む燃焼生成物を生じる。作動流体はタービンセクションへ移動する。タービンセクションには、ベーンおよびブレードの周方向の列が設けられており、ブレードはロータに結合されている。ベーンおよびブレードの列の各対は、タービンセクションにおいて１つの段を形成している。タービンセクションは、ベーン、ブレードおよびロータを収容したタービンケーシングを有する。ガスタービンのブレードは、軸回転の機械仕事を発生するために、燃焼システムから高温ガスを受け取る。

タービンセクションにおけるベーンおよびブレードアセンブリは、高温の作動ガスがタービンセクションを通過するとき、高温の作動ガスに曝される。圧縮機セクションからの冷却空気３０は、本明細書において説明するように、ベーンおよびブレードアセンブリを冷却するために提供されてもよい。

構成部材冷却流の減少および熱伝達の増大が望ましい。本発明の実施の形態は、高い圧力降下および高い熱伝達のための高いアスペクト比を備えたピンフィンパターン１４を提供する。以下で詳細に説明するようなピンフィンパターン１４は、改善されかつ増大された熱伝達を提供する。

ブレードまたはベーンなどのタービンエレメントは、概して細長い翼１０を有する。翼１０は、正圧面と負圧面とを接続する前縁および後縁１２を有する。運転中に翼１０の材料を保護するために温度を低下させるために、冷却回路３２も翼１０に設けられている。冷却回路３２は、翼１０内に一連の通路を有し、この一連の通路により、温度を低下させるために翼１０の内部に冷却空気３０が導入される。冷却回路３２の基本的な例が図１３に示されている。図１は、本発明の１つの実施の形態によるブレード翼１０の後縁１２を示している。ピンフィンパターン１４は、外壁の内面に沿って配置されていてもよい。ピンフィンパターン１４は、後縁１２に沿う後縁壁に沿って配置されていてもよく、翼キャビティ４２から外壁の内面まで延びている。後縁１２は、ピンフィンパターン１４のための位置の一例として用いられている。しかしながら、位置は、ブレードの後縁１２に限定されない。ピンフィンパターン１４は、マルチ壁適用などにおいて、高い圧力降下および高い熱伝達が要求されるあらゆるところに配置されてもよい。翼１０の外壁の内面にわたるピンフィンパターン１４以外の冷却回路３２の詳細はここでは説明しない。ブレード翼１０の冷却回路３２の最後のチャネルの後側境界の後方が、本発明の１つの実施の形態の一例である。冷却回路３２は、図１に示したような複数のエレメント１６で終わっている。図面は、ブレードの半径方向長さに延びるピンフィンパターン１４の複数のエレメント１６を示している。ピンフィンパターン１４は、高アスペクト比特徴で密に詰め込まれている。

図２〜図１１は、本発明の実施の形態において使用されてもよい複数のエレメント１６によって形成されたピンフィンパターン１４の様々な例を示している。ピンフィンパターン１４における各エレメント１６は、そのピンフィンパターン１４におけるあらゆる他のエレメント１６と同じであってもよい。複数のエレメント１６のエレメント１６は、連続的であってもよいし、図７に示したような交互の方向のパターンとして連続的であってもよいし、またはピンフィンパターン１４を完成させるために異なるエレメント１６を使用していてもよい。複数のエレメント１６は、スパン方向で、一連の列において整列させられたコラムにおいて配置されている。列Ｎの数は、少なくとも４である。１３の列Ｎを有する一例が図１１に示されているが、実施の形態においてより多くの列Ｎを有することができる。複数のエレメント１６は、翼１０の外壁の内面にわたって配置されている。複数のエレメント１６は、ピンフィンパターン１４における複数のエレメント１６のそれぞれの形状に基づいてピンフィンパターン１４を形成している。

図２〜図１０は、それぞれの特定のピンフィンパターン１４におけるエレメント１６の限定も示している。上述のように、列Ｎの数は、特定のピンフィンパターン１４の１つの限定である。複数のエレメント１６の各エレメント１６は、それぞれ、運転効率を達成するために密に詰め込まれた構成でピンフィンパターン１４に集合させられた特定の形状である。各エレメント１６は、内側上縁３８と内側下縁４０との間の内側長さＬcを有する。内側長さＬcは、個々のエレメント１６の長さである。各エレメント１６は、内側左縁３４と内側右縁３６との間の内側幅ｗも有する。内側幅ｗは、個々のエレメント１６の幅である。ピンフィンパターン１４において、高いアスペクト比と一貫したパターンを形成するために様々な長さが設定される。複数のエレメント１６は、１つのコラム内の１つのエレメントの内側上縁３８から次のエレメントの内側上縁３８まで延びるピンフィンパターン長さを有する。ピンフィンパターン長さはＹとして示されている。複数のエレメント１６は、１つのエレメントの内側左縁３４から次の列におけるエレメント１６の内側左縁３４まで延びるピンフィンパターン幅を有する。ピンフィンパターン幅はＸとして示されている。複数のエレメント１６は、翼１０に沿ってスパン方向ＳＷで長さ方向に延びており、軸方向ＡＤで幅方向に延びている。

各実施の形態のためのそれぞれの特定のパターンにおいて、高い圧力降下および熱伝達を提供するためにこれらの変数の制限がなされることがある。各ピンフィンパターン１４において、Ｌc／ｗのアスペクト比は２：１以上である。各ピンフィンパターン１４において、Ｙ／Ｌcの比は２：１以下である。各ピンフィンパターン１４において、Ｘ／ｗの比は４：１以下である。図１１は、密に詰め込まれた複数のエレメントの別の例であり、この場合、Ｎは、翼１０の内面にわたった複数のエレメントの１３の列と等しい。各エレメント１６の角４６は、やはり制限を有してもよい直径を有する。ゼロ半径の角から、各エレメント１６の角４６に沿ってｗ／２と等しい半径を有する円弧までの範囲が存在することができる。例えば、１つの実施の形態は、矩形１８のエレメント１６を有してもよい。これらの矩形における角４６は、できるだけ鋭い切れを提供するゼロ半径の角を有してもよい。その他の実施の形態では、角４６は、円弧を有してもよい。これらの円弧の半径は、幅を２で割ったもの、すなわちｗ／２と等しい半径を有することを含んでもよい範囲を有してもよい。

上述のように、図２〜図１１は、ピンフィンパターン１４のセクションの様々な実施の形態を示している。ピンフィンパターン１４は、ピン形状の変化Ｌc，Ｌc2およびｗならびに間隙分離ＸおよびＹにおいて変化させられることができる。図２は、概して伸長した矩形１８を有する複数のエレメント１６を示している。矩形のより長い部分がスパン方向に位置決めされている。図３は、概して二重山形２０を有する複数のエレメント１６を示している。二重山形２０の側面はブレード翼１０に沿ってスパン方向に面している。図４は、概して変更された二重山形２２を有する複数のエレメント１６を示しており、この場合、中央部分は、各エレメント１６の一対の端部の幅を超えて延びており、端部は、図３に示したような均等に離隔させられた二重山形２０より小さい。この場合も、変更された二重山形２２は、側面が、ブレードに沿ってスパン方向に面するように位置決めされている。図５は、概して“王冠”形４４を有する複数のエレメント１６を示している。王冠形は、側部まで傾斜した平坦な面を有し、反対側は、ジグザグまたは王冠形を有する。図６は、概して菱形２４を有する複数のエレメント１６を示している。図７は、概して三角形２６を有する複数のエレメント１６を示しており、三角形の頂点が交互にブレードの主要部分に向かう方向とブレードの主要部分から離れる方向とを向いている。図８は、概して矩形１８を有する複数のエレメント１６を示している。図８の実施の形態は、図２に示されたものよりも小さな内側長さＬcを有し、同じ内側幅ｗを備える。図９は、概して三角形２６を有する複数のエレメントを示しており、各三角形は同じ方向に面しており、各三角形２６の底辺がまず冷却流体と接触する。図１０は、概してＩビーム形２８を有する複数のエレメント１６を示しており、Ｉビーム形２８は、各エレメント１６の内側上縁および内側下縁に沿った横部分と、横部分から垂直に延びる主要部分とを備える。概してＩビーム形２８において、付加的な幅Ｌc2が示されている。付加的な幅Ｌc2は、Ｉビーム形の横部分の幅である。内側幅ｗは、主要部分の幅を示している。図２〜図１０は、冷却流体の流れが左から右のときの複数のエレメント１６を示している。ピンフィンパターン幅Ｘ、ピンフィンパターン長さＹ、内側幅ｗ、内側長さＬcおよび付加的な幅Ｌc2はすべて、圧力降下および熱伝達を最適化するために１つのピンフィンパターン１４内で変化させることができる。上記の比が圧力降下および熱伝達のために調節されることにより、利用できる列Ｎの数は増加する。

図１２は、冷却空気がピンフィンパターン１４の複数のエレメント１６の間を移動するときの冷却空気通路の一例である。図示したように、冷却空気が通路に沿って広がるときに高い圧力降下を許容する、方向のダイナミックな変化が生じる。複数のエレメント１６における各エレメント１６の間での急激な方向転換は、冷却空気３０の流れがピンフィンパターン１４内を移動するときに圧力降下を増大させる。複数のエレメント１６における各エレメント１６の間の間隔、すなわちＸおよびＹがより小さいほど、冷却空気がピンフィンパターン１４の複数のエレメント１６の間を流れるときの圧力降下を増大させる能力がより高まる。複数のエレメント１６のエレメント１６の間の間隔および各エレメント１６の角の鋭さは、従来の鋳造方法では達成することができない。タービンエレメントは、スタックラミネーションを含む製造方法を用いて鋳造によって製造されてもよく、本発明の実施の形態のために要求される細部を可能にすることができる鋳造プロセスとして、あるモールディングプロセスを利用することができる。選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）は、製造法の別の例である。技術は、複数のエレメント１６における個々のエレメント１６における細部をも可能にする。各エレメント１６間の間隔をミリメートルで測定することができる。

特定の実施の形態が詳細に説明されているが、全体的な開示内容を考慮して、これらの詳細に対する様々な変更および代用を開発することができることを当業者は認識するであろう。したがって、開示された特定の配置は、例示的でしかなく、発明の範囲に関して制限するものでないことが意図されている。発明の範囲は、添付の請求項およびそのあらゆるかつ全ての均等物の完全な広さが与えられる。

Claims (9)

1. タービンエレメントであって、
   外壁を規定する正圧面および負圧面に接続された前縁および後縁（１２）と、冷却回路（３２）とを有する概して細長い翼（１０）を備え、前記冷却回路（３２）は、
   前記翼（１０）の前記外壁の内面にわたって少なくとも４つの列（Ｎ）の一連の列（Ｎ）で整列させられたコラムにおいて半径方向に配置された複数のエレメント（１６）を有し、該複数のエレメント（１６）のそれぞれの形状に基づいてピンフィンパターン（１４）を形成しており、各エレメントは、
   内側上縁（３８）と内側下縁（４０）との間の内側長さ（Ｌc）と、内側左縁（３４）と内側右縁（３６）との間の内側幅（ｗ）とを有し、
   前記ピンフィンパターン（１４）は、１つのコラム内の１つのエレメントの前記内側上縁（３８）から次のエレメントの前記内側上縁まで延びたピンフィンパターン長さ（Ｙ）と、１つのエレメント（１６）の内側左縁から次の列における１つのエレメント（１６）の内側左縁まで延びたピンフィンパターン幅（Ｘ）とを有し、
   前記複数のエレメント（１６）は、前記翼（１０）に沿ってスパン方向で長さ方向に延びておりかつ軸方向で幅方向に延びており、
   各エレメント（１６）の前記内側長さ（Ｌc）と前記内側幅（ｗ）とのアスペクト比は、２：１以上であり、
   前記ピンフィンパターン長さ（Ｙ）と前記内側長さ（Ｌc）との比は、２：１以下であり、
   前記ピンフィンパターン幅（Ｘ）と前記内側幅（ｗ）との比は、４：１以下である、
   タービンエレメント。
2. 前記複数のエレメント（１６）は、概して伸長した矩形（１８）を有する、請求項１記載のタービンエレメント。
3. 前記複数のエレメント（１６）は、概して二重山形（２０）を有する、請求項１記載のタービンエレメント。
4. 前記複数のエレメント（１６）は、概して変更された二重山形（２２）を有する、請求項１記載のタービンエレメント。
5. 前記複数のエレメント（１６）は、概して菱形（２４）を有する、請求項１記載のタービンエレメント。
6. 前記複数のエレメント（１６）は、概して三角形（２６）を有する、請求項１記載のタービンエレメント。
7. 前記複数のエレメント（１６）は、概してＩビーム形（２８）を有する、請求項１記載のタービンエレメント。
8. 前記複数のエレメント（１６）は、概して王冠形（４４）を有する、請求項１記載のタービンエレメント。
9. 前記複数のエレメント（１６）は、前記後縁（１２）に沿う後縁壁に沿って配置されておりかつ翼キャビティ（４２）から前記外壁の内面まで延びている、請求項１記載のタービンエレメント。

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