JP3486191B2 - 冷却流体を二重に供給するプラットフォームキャビティを有するタービン・ベーン - Google Patents
冷却流体を二重に供給するプラットフォームキャビティを有するタービン・ベーンInfo
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Description
しくは、かかるエンジンのタービン・ベーンに関する。
ベーンは、これらのタービン・ベーンの下流で回転ブレ
ードと効率的に係合する方向にタービンを介して高温ガ
スを流す。代表的なタービン・ベーンは内部プラットフ
ォームと外部プラットフォームの間に延びるエアフォイ
ルを有し、ここで両プラットフォームはタービン・ベー
ンと一体に構成されている。エアフォイルによって、流
れは回転ブレードの列内に向けられる。これらのプラッ
トフォームによって内部及び外部フロー面が設けられ、
これらのフロー面は高温ガスの流れを含んでいる。
ベーンを冷却する必要性が生じる。一般的には燃焼工程
の前段でコンプレッサーから取出されるバイパス空気で
ある冷却流体は、エアフォイルの中空コアを介して流
れ、対流によって冷却を行う。エアフォイル内に配設さ
れた複数の冷却通路によって、エアフォイルからこのエ
アフォイルのフロー面上に冷却流体を流し、これらの面
にフィルム冷却層を形成する手段が提供される。プラッ
トフォームは、一般的にフロー面とは逆の面に冷却流体
を衝突させることによって冷却される。この冷却流体
は、またプラットフォーム内の通路を介して流れ、この
プラットフォームのフロー面にフィルム冷却層を設けて
もよい。
与された「冷却されたプラットフォームを有するターボ
機械のベーンまたはブレード」という名称の米国特許第
4,017,213号に開示されている。この特許は、プラット
フォームを冷却するために衝突、対流及びフィルム冷却
の組み合わせを有するタービンのベーンまたはブレード
を開示している。更に、この構成には、プラットフォー
ムを介して延びこのプラットフォームの後端部を対流に
よって冷却する通路の列が含まれている。
い、プラットフォームの冷却、特にこのプラットフォー
ムの後端部を冷却する必要性が益々増している。この後
端部は一般的にタービン・ベーンをステータ構造を取り
付けるレールの下流に位置しているため、問題が発生す
る。すなわち、この領域では衝突による冷却(impingem
ent cooling)が可能ではない場合が発生する。
を、第1図と第2図に示す。この構成では、プラットフ
ォームの後端部は、このプラットフォームの後端部に沿
って延びるキャビティ内に冷却流体を流すことによって
冷却する。冷却流体は、後端部のフロー面上に冷却流体
を向ける通路を介してこのキャビティから流出する。こ
のキャビティは後端部に対する冷却流体の流れを増加さ
せる手段を設けると共に複数のトリップ・ストリップを
有してキャビティ内の冷却流体とプラットフォームの間
に於ける熱伝達を向上させる。冷却流体をできるだけ後
端部のコーナに接近させるため、一般的にU字形のキャ
ビティを使用する。
導下にある科学者と技術者はプラットフォームをより効
率的に冷却する構成を有するタービン・ベーンの開発に
従事している。
・ベーンは、後端部に沿って延びベーンの両端に配設さ
れた一対の入口を有するキャビティから構成される。各
入口によって、キャビティと冷却流体の共通のソースの
間において流体の連通が可能になる。キャビティは、プ
ラットフォームと冷却流体の間で熱伝達を促進するため
の複数のトリップ・ストリップを有している。これらの
トリップ・ストリップはキャビティを通過する流体の流
れの方向に対して角度を有し、冷却流体がキャビティの
コーナに向かって流れるのを促進する。
ある。他の特徴は、キャビティ内に配設したトリップ・
ストリップの分布と方向である。更に他の特徴は、プラ
ットフォーム内にキャビティを鋳込む即ち鋳造している
ことである。
給するための2つの入口を有する結果としてプラットフ
ォームの後端部が効率的に冷却されることである。他の
利点は、キャビティに対する供給口を両側に設け、トリ
ップ・ストリップをキャビティ全体に分布させた結果と
して冷却流の少ないデッド・ゾーンまたは領域を排除し
たことである。冷却したプラットフォームを有する従来
のベーンでは、キャビティはプラットフォームの圧力側
または吸入側の何れかに位置する供給口を1つしか有し
ていない。このような構成の結果、キャビティ全体に冷
却流体が不均一に分布する可能性がある。キャビティの
遠くのコーナのような幾つかのキャビティの領域では、
冷却が他の領域よりもより低い効率で行われる可能性が
ある。出願人の発明の二重供給構造によって、キャビテ
ィの両側に冷却流体のソースが設けられる。トリップ・
ストリップは、各入口に流入する冷却流体がこの入口の
最も近いコーナに向かって流れるのを促進する。本発明
の更に他の効果は、キャビティ内に於ける冷却流体の分
布である。この分布によって、対流を効率的に行うため
のキャビティの全ての領域に対する冷却流体の流れと冷
却流体をプラットフォームの外部表面上に吐出するため
の全ての冷却通路に対する冷却流体の流れが保証され
る。
むことができる結果として得られるコストの節約であ
る。プラットフォームの後端部の長手方向に沿って延び
るキャビティを有する従来技術によるプラットフォーム
の場合には、凹部がプラットフォーム内に鋳込まれてい
る。このキャビティを完成するためには、この凹部上に
カバーを溶接しなければならない。この凹部によってキ
ャビティにアクセスすることが可能になり、鋳造コア用
の第2取付点が設けられる。本発明によれば、キャビテ
ィは鋳造コアに対して2点による支持を行う2つの入口
を有している。従って、カバーをプラットフォームに接
合する別の工程とコストが不必要になる。
示す通り、本発明の例示した実施例の以下の詳細な説明
に照らしてより明らかになる。
ームを有する従来技術によるタービン・ベーンの一部を
切り欠いた側面図である。
1図の線2−2に沿って切断した図である。
ーム内に鋳込まれた凹部の部分側面図である。
分斜視図である。
トフォームのキャビティの図である。
・ベーンの一部を切り欠いた側面図である。
図に示す。タービン・ベーン12は、エアフォイル14、内
部レール17を有する内部プラットフォーム16と外部レー
ル19を有する外部プラットフォーム18を有している。こ
れらのレール17、19によって、タービン・ベーン12をガ
ス・タービン・エンジン(図示せず)のステータ構造に
取り付けることが可能になる。エアフォイル14は、冷却
流体をタービン・ベーン12を介して流すことを可能にす
る中空のコア22を有している。外部プラットフォーム18
はエアフォイル開口部24、後端部のキャビティ28と流体
によって連通している圧力側凹部26と吸気側凹部32を有
している。
冷却流体は、中空のコア22と凹部26、32の間に分岐され
る。圧力側凹部26内に流れる冷却流体の一部は、キャビ
ティ28内に流入する。このキャビティは一端部のみに開
口部35を有する一般的にU字形をしている。矢印36によ
って示すように、この流体はキャビティ28の周囲に流れ
てこれに充填される。冷却流体は複数の通路38を介して
キャビティ28から流出するが、これらの複数の通路はこ
の流出した流体を外部プラットフォーム18のフロー面上
に流すためのものである。
って形成されている。カバー・プレート40は、溶接等に
よってプラットフォームの外側と接合されている。この
キャビティは、その冷却面44上に配設された複数のトリ
ップ・ストリップ42を有している。冷却流体の流れはこ
のトリップ・ストリップ42によって逆転され、冷却流体
と冷却面44の間の熱伝達を向上させる。これらの複数の
トリップ・ストリップ42は3つのグループ46、48、50に
構成されているが、これはこれらのトリップ・ストリッ
プ上に流れる冷却流体の方向に対して傾斜した角度を保
持するためである。第1グループ46はキャビティ28の開
口部35の近傍に位置し、第2グループ48はプラットフォ
ーム16の後端部に沿って近くに位置するコーナ54から遠
くに位置するコーナ56に延び、第3グループ50は遠くに
位置するコーナ56からキャビティ28の端部に延びる。
うに、外側のプラットフォーム18に向かって半径方向内
側に流れる。この流体は、コア22、圧力側凹部26と吸入
側凹部32の間に分割される。エアフォイル14は、コア22
内に流入する流体によって冷却される。吸入側凹部32内
に流入する流体によって、凹部32の近傍に位置するプラ
ットフォームが対流による冷却を受け、次にこの流体は
フィルム冷却通路を介して流れ、外部プラットフォーム
18のフロー面上に冷却流体の層を形成する。圧力側凹部
26内に流入する流体の一部によって、凹部26の近傍に位
置するプラットフォーム18が対流による冷却を受け、こ
の流体の一部はフィルム冷却通路を介して流れてプラッ
トフォーム18のフロー面に対してフィルム冷却を行う。
圧力側凹部26内に流入した流体の残りの部分は、開口部
35を介して外部レール19の下部とキャビティ28内に流入
する。キャビティ28内では、冷却流体はトリップ・スト
リップ42上を流れ、再生可能な境界層を形成する。この
流体は、第1コーナ54に流れ、次に方向を変えて後端部
に沿って流れる。この流体が後端部に沿って流れるのに
従って、これは後端部上に冷却流体の層を生成するフィ
ルム冷却通路38を介してキャビティ28から流出する。こ
の流体の一部はキャビティ28を介して遠くのコーナ56に
引き続いて流れる。(トリップ・ストリップ42上を)移
動した距離とフィルム冷却通路38を通過する流体の損失
によって、遠くのコーナ56に到達する流体は、比較的高
温低圧である。更に、この遠くのコーナ56は、キャビテ
ィ28を介して行われる流れの終点である。その結果、流
体速度は低く、最小の熱伝達がこの遠くのコーナ56で行
われる。
る方法は、プラットフォーム18の後端部領域内に凹部55
を鋳込むステップを有する。この鋳込工程の完了後、カ
バー・プレート40をプラットフォーム18に溶接して凹部
55をシールし(開口部35を除いて)、キャビティ28を形
成する。キャビティ28を形成するために使用するセラミ
ック・コア58を支持する第2点57を設けるため、鋳込工
程の期間中凹部が必要である。第1支持点59は、開口部
35を通過してこの開口部を形成する延長部61によって設
ける。
の1実施例を示す。タービン・ベーン60はエアフォイル
62、内部レール66を有する内部プラットフォーム64、と
外部レール70を有する外部プラットフォーム68を有す
る。エアフォイル62は、冷却流体がタービン・ベーン60
を介して流れることを可能にする中空のコア72を有して
いる。外部プラットフォーム68は、エアフォイルの開口
部74、後端部のキャビティ78と流体によって連通してい
る圧力側凹部76と後端部のキャビティ78と流体によって
また連通している吸入側凹部80を有している。
ン12と同様に、半径方向内側に流れる冷却流体は、中空
のコア72と2つの凹部76、80の間に分割されている。し
かし、両凹部76、80内に流入する流体は、キャビティ78
内に流入する。再び一般的にU字形であるが、2つの開
口部82、84を有するキャビティ78によって、流体は両側
部86、88に沿って後端部に向かって流れ、次に中間部92
に向かって流れることが可能になる。その結果、キャビ
ティ内の冷却流体は、側部から側部に対してより均一に
分布される。従来技術によるタービン・ベーン12と同様
に、冷却流体は複数の通路94を介してキャビティ78から
流出するが、これらの複数の通路はこの流出した流体を
外部プラットフォーム68のフロー面上に流すためのもの
である。
このキャビティ78の冷却面上に分布する2つのグループ
のトリップ・ストリップ96、98を有している。第1グル
ープ96は圧力側開口部82の近傍からキャビティ78の中間
部92に延びている。
口部82を介してキャビティ78に流入する流れに対して傾
斜し且つこの冷却流体をキャビティ78のコーナ102内に
流入させるように、角度が設けられている。
ィ78の中間部92から吸入側開口部84に延びている。第2
グループ98には、吸入側開口部84を介してキャビティ78
に流入する流れに対して傾斜し且つこの冷却流体をキャ
ビティ78のコーナ104内に流入させるように、角度が設
けられている。
ように、外部プラットフォーム68に向かって半径方向内
側に流れる。第1図と第2図に示す従来技術による実施
例と同様に、この冷却流体はコーナ72、圧力側凹部76、
と吸入側凹部80の間に分割されている。コーナ72内に流
入する流体によって、エアフォイル62を冷却する。2つ
の凹部76、80内に流入する冷却流体によって、凹部76、
80の近傍にある外部プラットフォーム68の対流による冷
却を行い、この冷却流体はフィルム冷却通路を介して流
れ、外部プラットフォーム68のフロー面のフィルム冷却
を行う。凹部76、80内に流入した冷却流体の残りの部分
は、それぞれ開口部82、84を介してキャビティ78内に流
入する。開口部82を介して流れる流体は、第1組のトリ
ップ・ストリップ96と係合する。これらのトリップ・ス
トリップ96によって再生可能な境界層が形成され、これ
らのトリップ・ストリップ96が特定の傾斜を有し且つこ
れらのトリップ・ストリップがコーナ102内に延びてい
るため、開口部82を介してこのコーナ102に向かう流体
の流れが助長される。開口部84を介して流れる流体は、
第2組のトリップ・ストリップ98と係合する。これらの
トリップ・ストリップ98はまた再生可能な境界層を形成
するが、開口部84を介してコーナ104に向かう流体の流
れを助長する。両方の流体の流れは、後端部に沿って流
れ、2組のトリップ・ストリップ96、98の出会う点に対
応するキャビティの中間部の周辺の点で係合する。この
ように二重に流体を供給する構成とコーナ102、104内へ
の流体の流れを助長するトリップ・ストリップ96、98を
使用する結果、厳然とした終了点が存在せず、従って、
流体の流速が最小になる「デッド・ゾーン」がキャビテ
ィ78内に存在しない。デッド・ゾーンを排除することに
よって、熱伝達が後端部全体に沿って改善される。更
に、流れの圧力と速度がより均一になる結果、フィルム
冷却通路94を介する流体の分布がより均一になり、従っ
て、後端部上で冷却流体によるより均一なフィルム冷却
が行われる。
ティ78は、鋳造工程の間に形成することができる。キャ
ビティ78は2つの開口部82、84を有しているので、これ
らの開口部82、84を形成するセラミック・コアの延長部
108によって、2点支持を行うことができる。従って、
第3a図に示すようなキャビティ78から延びる支持部を必
要とせず、またキャビティ78をシールするためのカバー
・プレートを接合するステップも必要としない。
付いた外部プラットフォームを有するものとして第4図
と第5図に図示しているが、タービン・ベーンのプラッ
トフォームの何れか一方または両方がここに包含されて
いる出願人の発明を有してもよいことに留意しなければ
ならない。
たが、本発明の技術思想と範囲から乖離することなく種
々の変更、省略及び追加を本発明に対して行うことがで
きることを、当業者は理解しなければならない。
Claims (5)
- 【請求項1】エアフォイルと前記エアフォイルの周囲及
び前記エアフォイルから横方向に延びるプラットフォー
ムを有し、前記エアフォイルは圧力側、吸入側と後端部
を有する前記タービン・ベーンに於いて、前記プラット
フォームは、 フロー面と、 前記タービン・ベーンに対する取付手段を提供するため
のレールと、 前記エアフォイルの後端部の下流にあるプラットフォー
ムの後端部であって第1コーナと第2コーナを有し、前
記第1コーナは前記圧力側に位置すると共に前記第2コ
ーナは前記吸入側に位置する前記プラットフォームの後
端部と、 前記レールの下部と前記プラットフォームの後端部内に
延びるキャビティであって、冷却面、前記圧力側に位置
する第1入口、前記吸入側に位置する第2入口と前記キ
ャビティと前記フロー面の間に延びる複数の通路を有
し、前記冷却面はその上に配設された複数のトリップ・
ストリップを有し、前記トリップ・ストリップは前記キ
ャビティを介して流れる流体と係合して前記流体の流れ
を乱すと共に前記流体と前記冷却面の間の熱伝達を向上
させ、前記トリップ・ストリップは第1クループと第2
グループを有し、前記第1グループは前記第1入口の近
傍に位置すると共に前記第1入口を通過する流れの方向
に対して角度を有して前記第1コーナに向かう流れを促
進し、前記第2グループは前記第2入口の近傍に位置す
ると共に前記第2入口を通過する流れの方向に対して角
度を有して前記第2コーナに向かう流れを促進する前記
キャビティとを有することを特徴とするタービン・ベー
ン。 - 【請求項2】前記複数のトリップ・ストリップは、前記
キャビティを介して延びると共に前記プラットフォーム
の後端部の範囲に沿って延び、その結果、前記第1グル
ープのトリップ・ストリップは前記第2グループのトリ
ップ・ストリップと当接することを特徴とする請求の範
囲第1項記載のタービン・ベーン。 - 【請求項3】前記第1組のトリップ・ストリップは前記
第1コーナに向かって延びると共にその内部に延び、前
記第2組のトリップ・ストリップは前記第2コーナに向
かって延びると共にその内部に延びることを特徴とする
請求の範囲第1項記載のタービン・ベーン。 - 【請求項4】前記キャビティと前記プラットフォームの
フロー面の間に延びる複数のフィルム冷却通路を更に有
し、前記フィルム冷却通路によって前記キャビティから
流出した冷却流体を前記プラットフォームのフロー面上
に流すことを特徴とする請求の範囲第1項記載のタービ
ン・ベーン。 - 【請求項5】前記第1プラットフォームの反対側に配設
されて前記エアフォイルの周囲及び前記エアフォイルか
ら横方向に延びる第2プラットフォームを更に有し、前
記第2プラットフォームは、 フロー面と、 前記タービン・ベーンに対する取付手段を提供するため
のレールと、 前記エアフォイルの後端部の下流にあるプラットフォー
ムの後端部であって第1コーナと第2コーナを有し、前
記第1コーナは前記圧力側に位置すると共に前記第2コ
ーナは前記吸入側に位置する前記プラットフォームの後
端部と、 前記レールの下部と前記プラットフォームの後端部内に
延びるキャビティであって、冷却面、前記圧力側に位置
する第1入口、前記吸入側に位置する第2入口と前記キ
ャビティと前記フロー面の間に延びる複数の通路を有
し、前記冷却面はその上に配設された複数のトリップ・
ストリップを有し、前記トリップ・ストリップは前記キ
ャビティを介して流れる流体と係合して前記流体の流れ
を乱すと共に前記流体と前記冷却面の間の熱伝達を向上
させ、前記トリップ・ストリップは第1グループと第2
グループを有し、前記第1グループは前記第1入口の近
傍に位置すると共に前記第1入口を通過する流れの方向
に対して角度を有して前記第1コーナに向かう流れを促
進し、前記第2グループは前記第2入口の近傍に位置す
ると共に前記第2入口を通過する流れの方向に対して角
度を有して上記第2コーナに向かう流れを促進する上記
キャビティとを有することを特徴とする請求の範囲第1
項記載のタービン・ベーン。
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