JP3302370B2 - 薄膜冷却スロットを備えたタービンブレードの外部エアシール - Google Patents
薄膜冷却スロットを備えたタービンブレードの外部エアシールInfo
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- Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft
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- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Description
【０００１】
この発明は、作動流体の環状流路を具備する形式のガ
スタービンエンジンに関する。更に詳しくは、この発明
は、エンジンの縦軸の周囲を取り巻いて延伸し、作動流
体を流路内に閉じ込める数片のシールセグメントによっ
て形成されるシールに関するものである。
スタービンエンジンに関する。更に詳しくは、この発明
は、エンジンの縦軸の周囲を取り巻いて延伸し、作動流
体を流路内に閉じ込める数片のシールセグメントによっ
て形成されるシールに関するものである。
【０００２】
軸流ガスタービンエンジンは、圧縮部、燃焼部、およ
びタービン部を具備する。作動流体の環状流路は、これ
らの各部を貫いて軸方向に延伸する。ステータ組立体
は、環状流路を取り巻いて延伸し、作動流体を流路に閉
じ込め、作動流体を流路に沿って導く。
びタービン部を具備する。作動流体の環状流路は、これ
らの各部を貫いて軸方向に延伸する。ステータ組立体
は、環状流路を取り巻いて延伸し、作動流体を流路に閉
じ込め、作動流体を流路に沿って導く。
【０００３】
作動流体が流路に沿って流れる際に、該作動流体は圧
縮部で加圧され、燃焼部で燃料とともに燃焼して、エネ
ルギーを増加する。高温高圧の作動流体はタービン部で
膨張し、仕事を生成する。この仕事の大部分はフリータ
ービンを駆動したり、航空機の推力を発生するために用
いられる。
縮部で加圧され、燃焼部で燃料とともに燃焼して、エネ
ルギーを増加する。高温高圧の作動流体はタービン部で
膨張し、仕事を生成する。この仕事の大部分はフリータ
ービンを駆動したり、航空機の推力を発生するために用
いられる。
【０００４】 タービン部で生成された仕事の残余の部分は、これら
の目的には用いられない。その代わり、この部分は作動
流体自身を圧縮するために用いられる。ロータ組立体は
タービン部と圧縮部との間に延伸し、この仕事をタービ
ン部から圧縮部へ移送する。タービン部内部のロータ組
立体は、作動媒体流路を横切って外向きに延びるロータ
ブレードを具備する。ロータブレードは、接近する流れ
に対して傾斜した翼形を有し、作動流体から仕事を受け
取り、ロータ組立体を回転軸回りに駆動する。
の目的には用いられない。その代わり、この部分は作動
流体自身を圧縮するために用いられる。ロータ組立体は
タービン部と圧縮部との間に延伸し、この仕事をタービ
ン部から圧縮部へ移送する。タービン部内部のロータ組
立体は、作動媒体流路を横切って外向きに延びるロータ
ブレードを具備する。ロータブレードは、接近する流れ
に対して傾斜した翼形を有し、作動流体から仕事を受け
取り、ロータ組立体を回転軸回りに駆動する。
【０００５】 外部エアシールは、ロータブレードを取り囲み、作動
流体を流路に閉じ込める。外部エアシールはステータ構
造体の一部をなし、複数の弧状のセグメントからなる。
ステータ組立体は、外筒および外部エアシールをなすセ
グメントを外筒から支持する構造体を更に具備する。外
筒および支持構造体は、シールセグメントをブレードの
至近位置に配置して、ブレードの先端部を通って作動流
体が漏れるのを防ぐ。その結果、セグメントは高温の作
動流体と緊密に接触して作動流体から熱量を奪うが、セ
グメントの温度は許容限度内に保たれるように冷却され
る。
流体を流路に閉じ込める。外部エアシールはステータ構
造体の一部をなし、複数の弧状のセグメントからなる。
ステータ組立体は、外筒および外部エアシールをなすセ
グメントを外筒から支持する構造体を更に具備する。外
筒および支持構造体は、シールセグメントをブレードの
至近位置に配置して、ブレードの先端部を通って作動流
体が漏れるのを防ぐ。その結果、セグメントは高温の作
動流体と緊密に接触して作動流体から熱量を奪うが、セ
グメントの温度は許容限度内に保たれるように冷却され
る。
【０００６】 ガスタービンブレードの外部エアシールは、タービン
エンジンの外方流路の一部であるが、ブレードの先端部
に隣接し、したがって、タービン周囲の厳しい熱的条件
にさらされる。大抵のブレード外部エアシールは金属性
であり、高温流路状態からの断熱のためにセラミックコ
ーティングを用いるものもある。ブレード先端部とブレ
ード外部エアシールとの間の狭い間隙は良好な動作性能
を維持するために必要である。
エンジンの外方流路の一部であるが、ブレードの先端部
に隣接し、したがって、タービン周囲の厳しい熱的条件
にさらされる。大抵のブレード外部エアシールは金属性
であり、高温流路状態からの断熱のためにセラミックコ
ーティングを用いるものもある。ブレード先端部とブレ
ード外部エアシールとの間の狭い間隙は良好な動作性能
を維持するために必要である。
【０００７】 冷却空気を使用すれば、非冷却外部エアシールに比べ
て、外部エアシールの耐用時間は増大する。しかし、冷
却空気を使用すれば、エンジン有効仕事量の一部分が圧
縮機における冷却空気の加圧に充当されるので、エンジ
ンの運転効率が低下する。外部エアシールのような構成
品についいて十分な耐用時間を得るために要する冷却空
気の量を減少すれば、推力の発生やフリータービンの出
力のような他の目的に利用できる仕事量が増し、エンジ
ンの総合効率も増大する。
て、外部エアシールの耐用時間は増大する。しかし、冷
却空気を使用すれば、エンジン有効仕事量の一部分が圧
縮機における冷却空気の加圧に充当されるので、エンジ
ンの運転効率が低下する。外部エアシールのような構成
品についいて十分な耐用時間を得るために要する冷却空
気の量を減少すれば、推力の発生やフリータービンの出
力のような他の目的に利用できる仕事量が増し、エンジ
ンの総合効率も増大する。
【０００８】 従って、冷却空気の所要量を最小化し、外部エアシー
ルの耐用時間を延長するに必要な冷却を実現することが
必要である。
ルの耐用時間を延長するに必要な冷却を実現することが
必要である。
【０００９】
このような事情から、本発明の目的は、冷却空気の所
要量を最小化し、同時に外部エアシールの耐用時間の延
長に必要な冷却を実現する外部エアシールを提供するこ
とである。
要量を最小化し、同時に外部エアシールの耐用時間の延
長に必要な冷却を実現する外部エアシールを提供するこ
とである。
【００１０】 本発明の別の目的は、衝突、ペデスタル（柱脚）、お
よびスロット薄膜による冷却を一つの独特な機構に統合
して、ガスタービンエンジンブレード外部エアシールに
用いることである。
よびスロット薄膜による冷却を一つの独特な機構に統合
して、ガスタービンエンジンブレード外部エアシールに
用いることである。
【００１１】 本発明の更に別の目的は、冷却空気薄膜を作動流体流
路境界層流線に整列させ、冷却空気と作動流体との間の
乱流運動量の交換を最小化することである。
路境界層流線に整列させ、冷却空気と作動流体との間の
乱流運動量の交換を最小化することである。
【００１２】
従って、本発明はガスタービンエンジンブレードの外
部エアシールの冷却強化手段を提供する。シールは複数
の弧状のシールセグメントからなり、該シールセグメン
トは内方冷却路、一方の表面に複数の冷却空気吸入オリ
フィスを、また反対側の表面に薄膜を冷却するための複
数の冷却用スロットを具備する。冷却空気が冷却空気供
給空洞からオリフィスを経て内方流路に流入する際に、
冷却空気の流量および方向が制御される。オリフィス
は、オリフィスに対面する流路の内側面に衝突するよう
に冷却空気を指向し、衝突冷却によって内側面を冷却す
る。次いで、冷却空気はペデスタル列を流れ、ペデスタ
ル列は冷却空気を強制的にペデスタルの列で形成された
迷路状流路に流し、実効的に流路の水力直径を減少させ
ることによって、対流熱伝達を促進する。このようにし
て、ペデスタルは対流熱伝達係数を増大させ、シールセ
グメントのシール面から更に低温の支持構造体への熱伝
導も助長する。最後に、冷却空気は、基板とシール面の
薄膜冷却スロットを通って流出し、そこでガスタービン
エンジンの作動流体にさらされたブレード外部エアシー
ルのシール面に付着する薄膜層を形成する。薄膜冷却ス
ロットは延伸され、タービンブレードがある特定の冷却
スロットの上を通過するときスロットの縦軸がブレード
の形状に接するように向けられるようにしてもよい。こ
うした薄膜スロットの配向は、作動流体流路境界層の流
線上の冷却空気の放出をもたらし、それによってブレー
ド外部エアシール薄膜の有効範囲を強化する。この流線
に沿いに薄膜を指向することによって、混合と乱流を減
少させ、境界層における運動量の交換を最小化し、それ
によって、薄膜冷却効率を向上する。
部エアシールの冷却強化手段を提供する。シールは複数
の弧状のシールセグメントからなり、該シールセグメン
トは内方冷却路、一方の表面に複数の冷却空気吸入オリ
フィスを、また反対側の表面に薄膜を冷却するための複
数の冷却用スロットを具備する。冷却空気が冷却空気供
給空洞からオリフィスを経て内方流路に流入する際に、
冷却空気の流量および方向が制御される。オリフィス
は、オリフィスに対面する流路の内側面に衝突するよう
に冷却空気を指向し、衝突冷却によって内側面を冷却す
る。次いで、冷却空気はペデスタル列を流れ、ペデスタ
ル列は冷却空気を強制的にペデスタルの列で形成された
迷路状流路に流し、実効的に流路の水力直径を減少させ
ることによって、対流熱伝達を促進する。このようにし
て、ペデスタルは対流熱伝達係数を増大させ、シールセ
グメントのシール面から更に低温の支持構造体への熱伝
導も助長する。最後に、冷却空気は、基板とシール面の
薄膜冷却スロットを通って流出し、そこでガスタービン
エンジンの作動流体にさらされたブレード外部エアシー
ルのシール面に付着する薄膜層を形成する。薄膜冷却ス
ロットは延伸され、タービンブレードがある特定の冷却
スロットの上を通過するときスロットの縦軸がブレード
の形状に接するように向けられるようにしてもよい。こ
うした薄膜スロットの配向は、作動流体流路境界層の流
線上の冷却空気の放出をもたらし、それによってブレー
ド外部エアシール薄膜の有効範囲を強化する。この流線
に沿いに薄膜を指向することによって、混合と乱流を減
少させ、境界層における運動量の交換を最小化し、それ
によって、薄膜冷却効率を向上する。
【００１３】 以下では、添付の図面を用いて本発明に関する上述の
特徴およびその他の特性と利点を説明して、本発明を一
層明確にする。
特徴およびその他の特性と利点を説明して、本発明を一
層明確にする。
【００１４】
図１は、回転軸14を具備し、本発明のシール11を組み
込んだ軸流ガスタービンエンジン10の一部を示す。図１
には、エンジン10のタービンの１個のロータステージの
一部が示してあり、エンジンの作動流体である燃焼ガス
が通るための軸14の周りに配置された環状流路13を含
む。タービンステージ12は、ステージ12の軸方向上流に
１組のステータ組立体15を、またステージ12の軸方向下
流に別の１組のステータ組立体16を有する。ステータ1
5、16はエンジン10の静止構造体の一部であり、各々の
ステータ組立体15、16は外筒17を備える。外筒17は作動
流体の流路13の周囲を取り巻いて延びる。
込んだ軸流ガスタービンエンジン10の一部を示す。図１
には、エンジン10のタービンの１個のロータステージの
一部が示してあり、エンジンの作動流体である燃焼ガス
が通るための軸14の周りに配置された環状流路13を含
む。タービンステージ12は、ステージ12の軸方向上流に
１組のステータ組立体15を、またステージ12の軸方向下
流に別の１組のステータ組立体16を有する。ステータ1
5、16はエンジン10の静止構造体の一部であり、各々の
ステータ組立体15、16は外筒17を備える。外筒17は作動
流体の流路13の周囲を取り巻いて延びる。
【００１５】 図１では単一のロータブレード18のみが示してある
が、タービンステージ12は複数のロータブレードを有
し、該ロータブレードは軸14に対して半径方向外向き延
び、流路13を横切って外筒17の極く近くに至る。多数の
弧状シールセグメント（図１で単一のシールセグメント
19のみを示す）から構成される外部エアシール11は、軸
14の周りに延びて環状流路13を画定するほか、シール11
はロータブレード18の先端部を取り囲む。外部エアシー
ル11は外筒17から半径方向内側に向かって離間して配置
され、円周方向に延びる空洞20を両者の間に形成する。
以下に説明するように、空洞20は、シール11のセグメン
ト19を冷却するための冷却空気源（図示せず）と流体的
に連通している。各々の弧状シールセグメント19は、上
流フック部材21および下流アタッチメント部材22を有
し、それらは、外筒17から内側へ延びる上流および下流
支持材23および24と各々噛合する。支持材23、24は外筒
17に取り付けられて外部エアシール11をロータブレード
18の周囲に支持し、位置決めする。各々の支持材23、24
は、そのフック強度を減らすように分割してもよい。
が、タービンステージ12は複数のロータブレードを有
し、該ロータブレードは軸14に対して半径方向外向き延
び、流路13を横切って外筒17の極く近くに至る。多数の
弧状シールセグメント（図１で単一のシールセグメント
19のみを示す）から構成される外部エアシール11は、軸
14の周りに延びて環状流路13を画定するほか、シール11
はロータブレード18の先端部を取り囲む。外部エアシー
ル11は外筒17から半径方向内側に向かって離間して配置
され、円周方向に延びる空洞20を両者の間に形成する。
以下に説明するように、空洞20は、シール11のセグメン
ト19を冷却するための冷却空気源（図示せず）と流体的
に連通している。各々の弧状シールセグメント19は、上
流フック部材21および下流アタッチメント部材22を有
し、それらは、外筒17から内側へ延びる上流および下流
支持材23および24と各々噛合する。支持材23、24は外筒
17に取り付けられて外部エアシール11をロータブレード
18の周囲に支持し、位置決めする。各々の支持材23、24
は、そのフック強度を減らすように分割してもよい。
【００１６】 冷却空気の第１の流路25は外筒17の内方へ延びる。冷
却空気流路は、外筒17によって画定され、作動流体の流
路13の外側にあってエンジンを貫通して延びる。冷却空
気流路は、外部エアシール11と外筒の間の空洞20の内部
へ延びる。
却空気流路は、外筒17によって画定され、作動流体の流
路13の外側にあってエンジンを貫通して延びる。冷却空
気流路は、外部エアシール11と外筒の間の空洞20の内部
へ延びる。
【００１７】 外部エアシール11の各々のシールセグメント19は前縁
26および後縁27を有する。前縁26は、隣接するステータ
組立体15に対して離間し、その間に環状に延びる空洞28
を形成する。空洞28は、前縁領域の下方に軸方向に環状
に延びる第２の冷却空気流路を形成する。後縁27は、隣
接するステータ組立体16に対して離間し、その間に第３
の冷却空気流路となる環状空洞29を形成する。
26および後縁27を有する。前縁26は、隣接するステータ
組立体15に対して離間し、その間に環状に延びる空洞28
を形成する。空洞28は、前縁領域の下方に軸方向に環状
に延びる第２の冷却空気流路を形成する。後縁27は、隣
接するステータ組立体16に対して離間し、その間に第３
の冷却空気流路となる環状空洞29を形成する。
【００１８】 各々のシールセグメント19は、軸14の周りに環状に延
びる弧状のシール面31を有する金属基材30を具備する。
金属基材30は、フック部材21およびアタッチメント部材
22を含む基板33と一体をなす。隣接するシールセグメン
トは円周方向に相互に間隔を保ち、両者の間にセグメン
ト相互間隙を形成して、セグメント19の熱膨張を許容す
る。セグメント相互間隙は、エンジン10の運転条件に応
じて寸法を変化する。
びる弧状のシール面31を有する金属基材30を具備する。
金属基材30は、フック部材21およびアタッチメント部材
22を含む基板33と一体をなす。隣接するシールセグメン
トは円周方向に相互に間隔を保ち、両者の間にセグメン
ト相互間隙を形成して、セグメント19の熱膨張を許容す
る。セグメント相互間隙は、エンジン10の運転条件に応
じて寸法を変化する。
【００１９】 当業界の技術者なら容易に理解できるように、作動流
体の極度の高温によって、外部エアシール11のセグメン
ト19は作動流体から熱を吸収する。金属基材30は作動流
体の温度におけるクリープ強度が比較的低い材料から作
られ、したがって、各々のセグメント19は冷却され、金
属基材30の温度が作動流体の温度よりも十分に低温に維
持される必要がある。
体の極度の高温によって、外部エアシール11のセグメン
ト19は作動流体から熱を吸収する。金属基材30は作動流
体の温度におけるクリープ強度が比較的低い材料から作
られ、したがって、各々のセグメント19は冷却され、金
属基材30の温度が作動流体の温度よりも十分に低温に維
持される必要がある。
【００２０】 再び図１を参照すると、各々のセグメントのシール面
31は、タービンブレード18および作動媒体流路13に対向
する。ブレードの先端部の半径方向外側にある各セグメ
ント19のシール面31の部分は、好ましくは摩耗性材料の
被覆を有し、前縁26および後縁27のシール面31をなす別
の部分は好ましくは熱遮断性材料の被覆を有する。この
ような摩耗性および熱遮断性材料は、当業界では周知で
あり、ここでは詳述しない。シール面31の反対側の半径
方向外側は冷却剤供給面40であり、シール面31に対して
実質的に平行で、オフセットしている。冷却剤供給面40
は、延伸する複数の冷却空気流入オリフィス41を有す
る。これらのオリフィス41は、冷却空気の供給圧力およ
びシールセグメント19からの所望の熱伝達に基づき冷却
空気の流量を調節するような寸法にされる。
31は、タービンブレード18および作動媒体流路13に対向
する。ブレードの先端部の半径方向外側にある各セグメ
ント19のシール面31の部分は、好ましくは摩耗性材料の
被覆を有し、前縁26および後縁27のシール面31をなす別
の部分は好ましくは熱遮断性材料の被覆を有する。この
ような摩耗性および熱遮断性材料は、当業界では周知で
あり、ここでは詳述しない。シール面31の反対側の半径
方向外側は冷却剤供給面40であり、シール面31に対して
実質的に平行で、オフセットしている。冷却剤供給面40
は、延伸する複数の冷却空気流入オリフィス41を有す
る。これらのオリフィス41は、冷却空気の供給圧力およ
びシールセグメント19からの所望の熱伝達に基づき冷却
空気の流量を調節するような寸法にされる。
【００２１】 図１で示すように、各セグメント19は、シール面31と
冷却剤供給面41との間に配置される複数の冷却空気通路
43を有する。冷却空気通路43は、１個あるいはそれ以上
のオリフィス41からシール面31の細長い薄膜冷却スロッ
ト50、54に向かって延び、これらの冷却空気通路43の各
々は薄膜冷却スロット50、54においてシール面31と交差
する。各冷却空気通路43は、冷却空気流入オリフィス41
のうちの１個を介して、静止構造体の空洞20の冷却空気
の供給源と連通する。
冷却剤供給面41との間に配置される複数の冷却空気通路
43を有する。冷却空気通路43は、１個あるいはそれ以上
のオリフィス41からシール面31の細長い薄膜冷却スロッ
ト50、54に向かって延び、これらの冷却空気通路43の各
々は薄膜冷却スロット50、54においてシール面31と交差
する。各冷却空気通路43は、冷却空気流入オリフィス41
のうちの１個を介して、静止構造体の空洞20の冷却空気
の供給源と連通する。
【００２２】 ここまでの説明では、特定のセグメント19内におい
て、空洞20の供給源からの冷却空気は、冷却空気通路43
を一方の方向に流れ、スロット50、54を通ってシール面
31で作動流体13内へ流出することは明らかである。
て、空洞20の供給源からの冷却空気は、冷却空気通路43
を一方の方向に流れ、スロット50、54を通ってシール面
31で作動流体13内へ流出することは明らかである。
【００２３】 各ブレード18は、軸14から半径方向外向きに延び、ブ
レード先端部48で終わる翼形表面47を有する。各ブレー
ド18の先端部48は環状シール11に対して離間し、図２に
示すように、シール11と近接する翼形表面47がブレード
先端部外郭49を画定する。複数の弧状シールセグメント
19は、流路13の周りに環状に延び、各セグメント19は、
ブレード18から半径方向外方へ離間する。
レード先端部48で終わる翼形表面47を有する。各ブレー
ド18の先端部48は環状シール11に対して離間し、図２に
示すように、シール11と近接する翼形表面47がブレード
先端部外郭49を画定する。複数の弧状シールセグメント
19は、流路13の周りに環状に延び、各セグメント19は、
ブレード18から半径方向外方へ離間する。
【００２４】 図２で示すように、各シールセグメント19のシール面
31は複数の第１冷却スロット50を有する。タービンロー
タの各ブレード18の先端部48が図２の方向60に冷却スロ
ット50を通過して回転すると、細長い第１の冷却スロッ
ト50の各々が覆われたり覆われなかったりを交互に繰り
返す。図２では、明確に図示するために、単一のブレー
ド先端部外郭49のみを示したが、ロータステージの残余
のブレード47のブレード先端部も方向60と同じ方向に同
様に動くことは当然である。第１の冷却スロット50の各
々は、スロットを貫通する第１の縦軸52を有し、第１の
冷却スロット50の各々は、先端部がスロット50を通過し
て回転する際に、第１の縦軸52が各ブレード先端部48の
外郭49に実質的に接するように調整される。各シールセ
グメント19も複数の後縁冷却スロット54を有し、該スロ
ットが複数の第２の細長い冷却スロット54を構成する。
第２の冷却スロット54の各々は、スロットを貫通する第
２の縦軸56を有し、第２の縦軸56は実質的に回転軸14に
対して垂直である。
31は複数の第１冷却スロット50を有する。タービンロー
タの各ブレード18の先端部48が図２の方向60に冷却スロ
ット50を通過して回転すると、細長い第１の冷却スロッ
ト50の各々が覆われたり覆われなかったりを交互に繰り
返す。図２では、明確に図示するために、単一のブレー
ド先端部外郭49のみを示したが、ロータステージの残余
のブレード47のブレード先端部も方向60と同じ方向に同
様に動くことは当然である。第１の冷却スロット50の各
々は、スロットを貫通する第１の縦軸52を有し、第１の
冷却スロット50の各々は、先端部がスロット50を通過し
て回転する際に、第１の縦軸52が各ブレード先端部48の
外郭49に実質的に接するように調整される。各シールセ
グメント19も複数の後縁冷却スロット54を有し、該スロ
ットが複数の第２の細長い冷却スロット54を構成する。
第２の冷却スロット54の各々は、スロットを貫通する第
２の縦軸56を有し、第２の縦軸56は実質的に回転軸14に
対して垂直である。
【００２５】 複数の冷却空気流入オリフィス41の各々は、供給面40
を通って、セグメント19内に延び、供給面40と前記シー
ル面31との間に配置された冷却空気通路43のうちの一本
に連通する。各通路43は冷却スロット50、54で終わり、
それによって冷却スロット50、54の各々を少なくとも１
個の冷却空気流入オリフィス41に連接する。このように
して、第１および第２の冷却スロット50、54の各々は、
１本の冷却空気通路43を介して、少なくとも１個の流入
オリフィス41と連通する。
を通って、セグメント19内に延び、供給面40と前記シー
ル面31との間に配置された冷却空気通路43のうちの一本
に連通する。各通路43は冷却スロット50、54で終わり、
それによって冷却スロット50、54の各々を少なくとも１
個の冷却空気流入オリフィス41に連接する。このように
して、第１および第２の冷却スロット50、54の各々は、
１本の冷却空気通路43を介して、少なくとも１個の流入
オリフィス41と連通する。
【００２６】 図３および図４に示すように、各通路43は第１の通路
内側面58と、第１の通路内側面58の半径方向外側に（回
転軸に関して）第２の通路内側面59を有する。複数のペ
デスタル62が回転軸14から半径方向に延びる。各ペデス
タル62は、１本の通路43の第１の通路内側面を同じ通路
43の第２の通路内側面59に連通させる。ペデスタル62
は、冷却空気流入オリフィス41の１つを通過して通路43
に入り、通路43を通って冷却スロット50、54へ流れる冷
却空気64に対して、迷路状の流路を提供する。更に、ペ
デスタル62は、シール面31を支持し、エンジン運転中に
ブレード先端部48がシール面31を摩擦する場合に通路43
が崩壊することを防止する荷重支持部材である。
内側面58と、第１の通路内側面58の半径方向外側に（回
転軸に関して）第２の通路内側面59を有する。複数のペ
デスタル62が回転軸14から半径方向に延びる。各ペデス
タル62は、１本の通路43の第１の通路内側面を同じ通路
43の第２の通路内側面59に連通させる。ペデスタル62
は、冷却空気流入オリフィス41の１つを通過して通路43
に入り、通路43を通って冷却スロット50、54へ流れる冷
却空気64に対して、迷路状の流路を提供する。更に、ペ
デスタル62は、シール面31を支持し、エンジン運転中に
ブレード先端部48がシール面31を摩擦する場合に通路43
が崩壊することを防止する荷重支持部材である。
【００２７】 回転軸14及び各冷却空気流入オリフィス41は、図３に
示すように、回転軸14に垂直な基準軸66を定める。各冷
却空気流入オリフィス41と連通する冷却スロット50、54
は、基準軸66に対して離間し、それによって、冷却空気
64が冷却空気流入オリフィス41の１つを通って所与の通
路43に流入し、第１の通路内側面58に衝突し、続いて、
ペデスタル62を通ってセグメント19の内部を環状に流れ
た後、連通する冷却スロット50、54を通って通路43から
流出する。
示すように、回転軸14に垂直な基準軸66を定める。各冷
却空気流入オリフィス41と連通する冷却スロット50、54
は、基準軸66に対して離間し、それによって、冷却空気
64が冷却空気流入オリフィス41の１つを通って所与の通
路43に流入し、第１の通路内側面58に衝突し、続いて、
ペデスタル62を通ってセグメント19の内部を環状に流れ
た後、連通する冷却スロット50、54を通って通路43から
流出する。
【００２８】 当業界の技術者なら容易に理解できるように、各通路
43は最小の通路流動面積を有し、冷却空気流入オリフィ
ス41の各々も同様に、そこを流れる冷却空気64の流量を
制御する最小の流入オリフィス流動面積を有する。所与
の通路43に連通する冷却空気流入オリフィス41の最小流
動面積の総和が、オリフィス41における所与の圧力差に
対して通路43に流入できる空気64の総量を実効的に制御
する。第１の通路内側面58に衝突する冷却空気64が高度
に乱流性の熱伝達を生ずるに十分な速度を確保するため
には、最小通路流動面積は、好ましくは、そこに連通す
る冷却空気流入オリフィス41の流動面積の総和の少なく
とも２倍である。
43は最小の通路流動面積を有し、冷却空気流入オリフィ
ス41の各々も同様に、そこを流れる冷却空気64の流量を
制御する最小の流入オリフィス流動面積を有する。所与
の通路43に連通する冷却空気流入オリフィス41の最小流
動面積の総和が、オリフィス41における所与の圧力差に
対して通路43に流入できる空気64の総量を実効的に制御
する。第１の通路内側面58に衝突する冷却空気64が高度
に乱流性の熱伝達を生ずるに十分な速度を確保するため
には、最小通路流動面積は、好ましくは、そこに連通す
る冷却空気流入オリフィス41の流動面積の総和の少なく
とも２倍である。
【００２９】 再び図２を参照すると、第１の冷却スロット50は１列
あるいはそれ以上の列、68、69、70に整列し、各列は回
転軸14に垂直な基準面71、72、73を規定する。好ましく
は、第１の冷却スロット50のうちのいくつかは第１の列
68に整列して回転軸14に垂直な基準面71を規定し、第２
の冷却スロット54が回転軸14に垂直な第２の基準面75を
規定する第２の列74に整列する。更に、第１の冷却スロ
ットのうちのいつくかは、第３の列69および第４の列70
に整列し、第３の列69は回転軸14に垂直な第３の基準面
72を規定し、第４の列70は回転軸14に垂直な第４の基準
面73を規定する。第３の基準面72は第１の基準面71と第
２の基準面75との間に介在し、第４の基準面73は第３の
基準面72と第２の基準面75との間に介在する。
あるいはそれ以上の列、68、69、70に整列し、各列は回
転軸14に垂直な基準面71、72、73を規定する。好ましく
は、第１の冷却スロット50のうちのいくつかは第１の列
68に整列して回転軸14に垂直な基準面71を規定し、第２
の冷却スロット54が回転軸14に垂直な第２の基準面75を
規定する第２の列74に整列する。更に、第１の冷却スロ
ットのうちのいつくかは、第３の列69および第４の列70
に整列し、第３の列69は回転軸14に垂直な第３の基準面
72を規定し、第４の列70は回転軸14に垂直な第４の基準
面73を規定する。第３の基準面72は第１の基準面71と第
２の基準面75との間に介在し、第４の基準面73は第３の
基準面72と第２の基準面75との間に介在する。
【００３０】 運転時には、冷却空気64は、シールセグメント19の供
給面40に配設された流量調節オリフィス41を経て、本発
明の先細の冷却空気通路43へ流入する。冷却空気64は第
１の通路内側面58に衝突し、それによってシール面31の
半径方向外側にある基板33を冷却する。次いで、冷却空
気64は、各通路43の迷路状の流路を形成することによっ
て冷却空気64に乱流を発生させるペデスタル62を通って
流れ、その結果、冷却空気64の内部熱伝達係数を増大す
る。次いで、使用済みの冷却空気64はスロット50、54の
うちの１つを通って通路43から流出し、シール面31の薄
膜冷却を行う。更に、流量調節オリフィス41の寸法を個
々の冷却空気通路の流量制御に応じて変化させて、各セ
グメント19の軸方向翼弦に沿って「過熱点」へ向かう冷
却空気流量を増大させたり、「冷点」へ向かう冷却剤流
量を減少させることによって、熱流束の冷却潜在能力に
調和する能力を付加できるので、冷却空気の所要流量を
減少できる。
給面40に配設された流量調節オリフィス41を経て、本発
明の先細の冷却空気通路43へ流入する。冷却空気64は第
１の通路内側面58に衝突し、それによってシール面31の
半径方向外側にある基板33を冷却する。次いで、冷却空
気64は、各通路43の迷路状の流路を形成することによっ
て冷却空気64に乱流を発生させるペデスタル62を通って
流れ、その結果、冷却空気64の内部熱伝達係数を増大す
る。次いで、使用済みの冷却空気64はスロット50、54の
うちの１つを通って通路43から流出し、シール面31の薄
膜冷却を行う。更に、流量調節オリフィス41の寸法を個
々の冷却空気通路の流量制御に応じて変化させて、各セ
グメント19の軸方向翼弦に沿って「過熱点」へ向かう冷
却空気流量を増大させたり、「冷点」へ向かう冷却剤流
量を減少させることによって、熱流束の冷却潜在能力に
調和する能力を付加できるので、冷却空気の所要流量を
減少できる。
【００３１】
当業界の技術者なら容易に理解できるように、ブレー
ド18が特定の冷却スロット50の上を通過する際の各ター
ビンブレード18の外郭49に接するように薄膜冷却スロッ
ト50の縦軸52を指向すれば、作動流体流路境界層の流線
に沿う冷却空気64の放出が可能になる。これによって、
境界層における運動量交換を最小にして混合と乱流を減
少させながら、ブレード外部エアシール11の薄膜有効範
囲を強化でき、薄膜冷却効率が向上する。
ド18が特定の冷却スロット50の上を通過する際の各ター
ビンブレード18の外郭49に接するように薄膜冷却スロッ
ト50の縦軸52を指向すれば、作動流体流路境界層の流線
に沿う冷却空気64の放出が可能になる。これによって、
境界層における運動量交換を最小にして混合と乱流を減
少させながら、ブレード外部エアシール11の薄膜有効範
囲を強化でき、薄膜冷却効率が向上する。
【００３２】 本発明のシール11は、冷却空気通路の出入位置を製造
中子支持部の形成に使用できるので部分的可鋳性を向上
する特徴を有する冷却構造体を提供し、高強度、高温タ
ービン材料から鋳造できる。ペデスタル62の列の冷却効
率は、通路68、69、70、および74の個々の列への冷却剤
流量を変化させることによって基本的流路熱流束に調和
でき、他方、ペデスタル62の荷重支持能力は、摩耗性の
ブレード外部エアシール11を生じる。ペデスタル62は、
閉塞を防ぐように指向された薄膜冷却スロット50、54を
補強し、冷却流量を減少させずに摩耗性被覆と両立す
る。シール性能を向上するための摩耗性被覆に加えて、
本発明のブレード外部エアシール11は、シール11の耐久
寿命の延ばすための耐酸化／耐腐食性被覆のようなシー
ル面被覆と、シール11の作動温度を低下させるための熱
遮断被覆とを組み合わせて用いることも可能である。
中子支持部の形成に使用できるので部分的可鋳性を向上
する特徴を有する冷却構造体を提供し、高強度、高温タ
ービン材料から鋳造できる。ペデスタル62の列の冷却効
率は、通路68、69、70、および74の個々の列への冷却剤
流量を変化させることによって基本的流路熱流束に調和
でき、他方、ペデスタル62の荷重支持能力は、摩耗性の
ブレード外部エアシール11を生じる。ペデスタル62は、
閉塞を防ぐように指向された薄膜冷却スロット50、54を
補強し、冷却流量を減少させずに摩耗性被覆と両立す
る。シール性能を向上するための摩耗性被覆に加えて、
本発明のブレード外部エアシール11は、シール11の耐久
寿命の延ばすための耐酸化／耐腐食性被覆のようなシー
ル面被覆と、シール11の作動温度を低下させるための熱
遮断被覆とを組み合わせて用いることも可能である。
【００３３】 本発明の詳細な実施例を図示し説明したが、当業界の
技術者なら容易に理解できるように、本発明の精神およ
び特許請求の範囲から逸脱することなく、形態および細
部に関して多数の変更が可能であることは自明である。 図面の簡単な説明
技術者なら容易に理解できるように、本発明の精神およ
び特許請求の範囲から逸脱することなく、形態および細
部に関して多数の変更が可能であることは自明である。 図面の簡単な説明
【図１】 本発明によるシールを組み込んだガスタービンエンジ
ンの一部の断面図である。
ンの一部の断面図である。
【図２】 ブレードの外郭を示す図１の２−２線に沿うシールの
弧状セグメントの一部の平面図である。
弧状セグメントの一部の平面図である。
【図３】 本発明によるシールの通路の１つを示す図２の３−３
線に沿う断面図である。
線に沿う断面図である。
【図４】 ブレード外郭を省略し、冷却空気が通過する通路、ペ
デスタル、およびオリフィスを示すように一部を切り取
って示した図２のセグメントの平面図である。
デスタル、およびオリフィスを示すように一部を切り取
って示した図２のセグメントの平面図である。
10 軸流ガスタービンエンジン、12 タービンステージ 13 環状流路、14 回転軸 15、16 ステータ組立体、17 ステータ組立体の外筒 18 ブレード、20、28 空洞 26 シールセグメントの前縁、27 シールセグメントの
後縁 29 環状空洞、47 翼形表面 50、54 冷却空気放出スロット、62 ペデスタル
後縁 29 環状空洞、47 翼形表面 50、54 冷却空気放出スロット、62 ペデスタル
フロントページの続き (72)発明者 ジョージ・ダブリュー・ケルチ アメリカ合衆国フロリダ州40200，パー ム・ビーチ・ガーデンズ，サーストン・ ドライブ １ (56)参考文献 特開 昭63−45402（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−141270（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−75703（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F01D 11/00 F02C 7/28 F01D 9/04
Claims (16)
- 【請求項１】回転軸及び少なくとも１つのロータステー
ジを通って流れる作動流体のための前記軸と同心の環状
流路を具備するガスタービンエンジンの環状シールにお
いて、 前記流路は、静止構造体によって画定され、前記環状シ
ールは、前記静止構造体に前記１つのステージ半径方向
外側で取り付けられ、前記１つのステージは、複数のほ
ぼ同様のブレードを具備し、各々のブレードは、前記軸
から半径方向外向きに延びてブレード先端部に終わる翼
形表面を有し、各々のブレード先端部は、前記環状シー
ルから離間され、前記翼形表面は、前記シールの真近に
おいてブレード先端部外郭を画成し、前記シールは、前
記作動流体から熱を吸収し、 複数の弧状のシールセグメントが、流路を取り巻いて延
び、各々のセグメントが前記ブレードから半径方向外方
へ離間され、各々のセグメントが隣接セグメントから円
周方向に相互に離間され、 各々のシールセグメントが、作動流体の流路に面し、か
つ複数の細長い第１の冷却スロットを具備するシール面
を含み、 前記ロータの各々のブレードの先端部が前記第１の冷却
スロットを通過回転する際に、各々の前記第１の冷却ス
ロットは、交互に覆われたり覆われなかったりし、前記
第１の冷却スロットの各々は、第１の縦軸を有し、前記
先端部が前記スロットを通過する際に、各々の第１の冷
却スロットの第１の縦軸が各々のブレード外郭に実質的
に接するシールセグメントを具備することを特徴とする
シール。 - 【請求項２】請求項１記載のシールであって、各々のシ
ールセグメントは、前記シール面から半径方向外方にあ
る供給面と、前記供給面を通って前記セグメント内に延
びる複数の冷却空気流入オリフィスと、前記供給面と前
記シール面との間に全体が配置された複数の冷却空気通
路とを更に具備し、前記冷却空気通路の各々は、前記第
１の冷却スロットの１つと前記冷却空気流入オリフィス
の少なくとも１つとを連通させ、前記第１の冷却スロッ
トの各々が前記冷却空気通路を介して前記流入オリフィ
スの少なくとも１つと連通するシール。 - 【請求項３】請求項２記載のシールであって、各々の冷
却空気通路は、第１の通路内側面と、回転軸に関して前
記第１の通路内側面の半径方向外方にある第２の通路内
側面とを具備し、各々のセグメントが回転軸の半径方向
に延びる複数のペデスタルを有し、各々のペデスタルが
前記冷却通路の１つの第１の通路内側面と第２の通路内
側面とを連通させ、前記ペデスタルが前記冷却空気流入
オリフィスの１つを通って前記通路に流入し、流路を通
って連通する冷却スロットに流入する冷却空気のための
迷路状の流路を形成するシール。 - 【請求項４】請求項３記載のシールであって、各々の冷
却空気流入オリフィスと回転軸とで前記回転軸に垂直な
基準線を規定し、各々の冷却空気流入オリフィスに連通
する冷却スロットが前記基準線から離間し、それによっ
て冷却空気流入オリフィスの１つを通って冷却空気通路
に流入する冷却空気が第１の通路内側面に衝突した後に
連通する冷却スロットを通って冷却通路から流出するよ
うにさせるシール。 - 【請求項５】各々の冷却通路が最小の通路流動面積を有
し、冷却空気流入オリフィスの各々が最小の流入オリフ
ィス流動面積を有し、かつ最小の通路流動面積がそれに
連通する冷却空気流入オリフィスの流動面積の総和の少
なくとも２倍である請求項４記載のシール。 - 【請求項６】第１の冷却スロットの少なくともいくつか
が第１の列に整列し、前記第１の列が前記回転軸に垂直
な第１の基準面を規定する請求項５記載のシール。 - 【請求項７】第１の冷却スロットのいくつかが第２の列
に整列し、前記第２の列が前記回転軸に垂直な第２の基
準面を規定し、第２の基準面が第１の基準面から離間さ
れる請求項６記載のシール。 - 【請求項８】第１の冷却スロットのいくつかが第３の列
に整列し、前記第３の列が前記回転軸に垂直な第３の基
準面を規定し、かつ第２の基準面が第１および第３の基
準面の間に介在する請求項７記載のシール。 - 【請求項９】複数の細長い第２の冷却スロットを更に具
備し、各々の第２の冷却スロットがスロットを貫通する
第２の縦軸を有し、前記第２の冷却スロットの各々の第
２の縦軸が前記回転軸に実質的に垂直である請求項１記
載のシール。 - 【請求項１０】請求項９記載のシールであって、各々の
シールセグメントが前記シール面の半径方向外側にある
供給面と、前記供給面を通って前記セグメント内に延び
る複数の冷却空気流入フォリフィスと、前記供給面と前
記シール面との間に全体が配置された複数の冷却空気通
路とを更に具備し、各々の冷却空気通路が前記第１およ
び第２の冷却スロットの１つと前記１つの冷却空気流入
オリフィスの少なくとも１つとを連通させ、前記第１お
よび第２の冷却スロットの各々が前記冷却空気通路の１
つを介して前記流入オリフィスの少なくとも１つと連通
するシール。 - 【請求項１１】各々の通路が第１の通路内側面と、回転
軸に関して前記第１の通路内側面の半径方向外側にある
第２の通路内側面とを有し、各々のセグメントが前記回
転軸の半径方向に延びる複数のペデスタルを有し、各々
のペデスタルが通路の１つの第１の通路内側面と第２の
通路内側面とを連通させ、前記ペデスタルが前記冷却空
気流入オリフィスの１つを通って通路に流入し、通路を
通って連通する冷却スロットに流入する冷却空気のため
の迷路状の流路を形成する請求項10記載のシール。 - 【請求項１２】請求項11記載のシールであって、各々の
冷却空気流入オリフィスと回転軸とで、前記回転軸に垂
直な基準線を規定し、各々の冷却空気流入オリフィスと
連通する冷却スロットが前記基準線から離間し、それに
よって冷却空気流入オリフィスの１つを通って通路に流
入する冷却空気が第１の通路内側面に衝突した後、連通
する冷却スロットを通って通路から流出することを特徴
とするシール。 - 【請求項１３】各々の通路が最小の通路流動面積を有
し、冷却空気流入オリフィスの各々が最小の流入オリフ
ィス流動面積を有し、かつ最小の通路流動面積がそれに
連通する冷却空気流入オリフィスの流動面積の総和の少
なくとも２倍である請求項12記載のシール。 - 【請求項１４】第１の冷却スロットの少なくともいくつ
かが第１の列に整列し、前記第１の列が前記回転軸に垂
直な第１の基準面を規定し、かつ第２の冷却スロットが
第２の列に整列し、前記第２の列が前記回転軸に垂直な
第２の基準面を規定する請求項13記載のシール。 - 【請求項１５】第１の冷却スロットのいくつかが第３の
列に整列し、前記第３の列が前記回転軸に垂直な第３の
基準面を規定し、かつ第３の基準面が第１および第２の
基準面の間に介在する請求項14記載のシール。 - 【請求項１６】第１の冷却スロットのいくつかが第４の
列に整列し、前記第４の列が前記回転軸に垂直な第４の
基準面を規定し、かつ第４の基準面が第３および第２の
基準面の間に介在する請求項15記載のシール。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP80000295A JP3302370B2 (ja) | 1995-04-11 | 1995-04-11 | 薄膜冷却スロットを備えたタービンブレードの外部エアシール |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP80000295A JP3302370B2 (ja) | 1995-04-11 | 1995-04-11 | 薄膜冷却スロットを備えたタービンブレードの外部エアシール |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1113410A JPH1113410A (ja) | 1999-01-19 |
| JP3302370B2 true JP3302370B2 (ja) | 2002-07-15 |
Family
ID=18528246
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP80000295A Expired - Fee Related JP3302370B2 (ja) | 1995-04-11 | 1995-04-11 | 薄膜冷却スロットを備えたタービンブレードの外部エアシール |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3302370B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| US7513040B2 (en) * | 2005-08-31 | 2009-04-07 | United Technologies Corporation | Manufacturable and inspectable cooling microcircuits for blade-outer-air-seals |
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| US9828872B2 (en) * | 2013-02-07 | 2017-11-28 | General Electric Company | Cooling structure for turbomachine |
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-
1995
- 1995-04-11 JP JP80000295A patent/JP3302370B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH1113410A (ja) | 1999-01-19 |
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| US10323523B2 (en) | Blade platform cooling in a gas turbine |
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