JP3666602B2 - 冷却可能なエアフォイル構造 - Google Patents

Description

産業上の利用分野
本発明は、高温ロータリーマシン（ROTARY MACHINE）で用いられるタイプの冷却可能なエアフォイル（AIRFOIL）構造、特に、エアフォイルの破損しやすい（CRITICAL）部分に冷気を流す構造に関する。ここに開示する技術思想はタービンベイン（TURBINE VANE）とタービンブレードの両者に適用される。
背景技術
航空機のガスタービンエンジンのような軸流式のロータリーマシンは、圧縮段、燃焼段及びタービン段を有する。高温の作動媒体ガスの流路はエンジンの内部に軸線方向に沿って設けられている。高温のガスの流路は概ね環状をなしている。
作動媒体ガスは流路を流れてゆくにつれ、ガスは圧縮段で圧縮されて温度や圧力が上昇する。この高温高圧のガスは、燃焼段において燃料とともに燃焼させられて、ガスにエネルギーが与えられる。このガスはタービン段で膨張して利用可能な動力や推力を生み出す。
エンジンはそのタービン段にロータアセンブリを有し、そこではロータ盤及びブレードが設けられ、高温の動作媒体ガスからエネルギーを受け取る。ロータアセンブリは圧縮段に至るまで延在している。そのロータアセンブリはコンプレッサブレードをもち、動作媒体ガスの流路を横切って外側に延びている。タービン段の高エネルギー動作媒体ガスは膨張しつつタービンブレードを通過し、ロータアセンブリをその回転軸回りに動かす。コンプレッサブレードはロータアセンブリとともに回転し、流入する動作媒体ガスを圧縮し渦流を与えて後方へ送る。
各ロータブレードは、高温の動作媒体ガスをロータブレード段に通し、ガスから動力を得るエアフォイル構造をもつ。この結果、エアフォイルは動作中に高温の動作媒体ガスに曝露され、内部に熱応力を生じる。この熱応力は、エアフォイルの疲労寿命に影響を与え、構造を損なうことがあり得る。その上、ロータブレードが回転軸の回りを回転しているとき、それに作用する回転力はブレードの受ける応力を高めるのである。
ブレードは、熱応力を下げて満足な疲労寿命を得、構造を損なうことが無いようにするために、冷却されるのが一般的である。
このようなロータブレードの例が、PAZDERに付与され本出願人を譲受人として譲渡された「COOLABLE AIRFOIL FOR A ROTARY MACHINE」と称する米国特許第4,474,532号に示されている。冷却可能なロータブレードの他の例としては、YAMARIKとLIVENGOODに付与され、本出願人を譲受人として譲渡された「COOLABLE ROTOR BLADE」と称する米国特許第4,278,400号がある。これらのブレードはそれぞれ複数の冷気通路をブレード内部に有する。冷気は通路の中を流れて、普通後縁と呼ばれるロータブレードの最後部に至り、そこから動作媒体の流路へと排出される。
上記の技術にもかかわらず、本出願人の指導のもとに働く科学者や技術者は、エアフォイルの破損しやすい（CRITICAL）部分における負荷の水準で満足なものが得られる、高温ロータリーマシンに用いられる冷却可能なエアフォイルの開発に努力を傾注してきた。
発明の要約
本発明によれば、エアフォイルの一端を冷却するための通路をもつ冷却可能なエアファイルは、冷気をエアフォイルのもう片方の一端からスパン方向に延びた通路を通して供給し、また、前部の通路は境膜冷却（FILM COOLING）をなす冷気をエアフォイル外部に供給して、後部の通路をエンジン内部の高温の作動媒体ガスから保護する。
発明の詳細な実施態様の１つによれば、翼端通路が後方にエアフォイルの後縁まで延び、それはブレードの後縁部において圧力側壁（PRESSURE SIDEWALL）と吸い込み側壁（SUCTION SIDEWALL）によって画定されている。
発明の詳細な実施態様の１つによれば、圧力側壁はエアフォイル全体にわたって事実上平面となっており、吸い込み側壁はエアフォイルの翼端部において圧力側壁からはそれてゆく形状をもち、厚みを増した形の翼端部をエアフォイルに与えている。
本発明の第１の特徴は、冷却可能なエアフォイルであって、エアフォイルの一端からもう一端へとスパン方向に延びる一対の通路をもつことである。各通路は冷気源と連通している。もう１つの特徴は、前部の通路が境膜冷却孔を通してエアフォイル外部と連通していることである。冷却孔は側壁の少なくとも一方に、そのスパン方向の長さの少なくとも５０％を超える長さの領域にわたって設けられている。詳細な実施態様の１つによれば、前記通路は翼端通路と連通している。また、翼端通路は後縁部に延びている。他の特徴は、エアフォイルの後縁部において、吸い込み側壁と圧力側壁とが翼端通路を確定していることである。詳細な実施態様の１つによれば、エアフォイルの翼端部は、残りの部分と比べて円周方向に厚みを増している。
本発明の第１の利点は、保護された冷気供給通路から供給される冷気による、翼端部の冷却によって達成される材料の疲労寿命の水準である。他の利点としては、翼端部の厚みの小さいエアフォイルと異なり、様々なサイズや数の研磨グリット（GRIT）を使用せずに済む翼端部の厚みを有することである。もう１つの利点としては、側壁を後縁に至るまで設けたことにより、高温の作動媒体ガスからエアフォイル内部を保護する冷却を効果的になし得ることである。
その他の特徴や利点は、以下の好適実施例の説明によって明らかにされるであろう。
好的な実施例の説明
本願発明は、ロータブレードのようなロータリーマシンのエアフォイル構造である。エアフォイル構造には、第１末端及び第２末端をもつ、エアフォイル部がある。ロータブレードはスパン方向と翼弦方向の両方をもつ。後に理解されるように、エアフォイル構造は、ステータ（STATOR）ベインとしても用いられる。
ロータブレードは、根部及び第１末端と隣接する台部を有する。根部は、ロータリーマシンのロータにかみ合うように形成されている。
根部は、翼弦方向に延在する根壁（ROOT WALL）を有する。第１ダクト、第２ダクト及び第３ダクトは、例えばコンプレッサのような冷気源と連通している。台部（PLATFORM SECTION）は、ロータリーマシンにおいて、作動媒体ガスの流路の内壁の一部をなすように形成される。エアフォイル部は、作動媒体流れの流路を横切って外向きに設けられ、最外部に翼端部をもつ。
エアフォイル部には、前縁及び後縁がある。吸い込み側壁は前縁と後縁とを結合している。圧力側壁は吸い込み側壁とは隔てられて、その間に隙間部（CAVITY）が形成されている。翼端の内部壁は圧力側壁と吸い込み側壁の間に延在し、隙間部のスパン方向の末端をなしている。第１リブのような内壁は、スパン方向に翼端壁に向かって延びており、前縁とは隔てられて、隙間部を後部と前部とに分けている。前部は、第１通路に示されているように、少なくとも１つの通路を有する。実施例にあるように、前縁は、第１通路に配置された複数の衝当空間（IMPINGEMENT SPACES）を有する。リブは第１通路に配置された衝当空間を画定している。リブには衝当孔が設けられ、それを通して、衝当冷却をなす衝当空間を前縁部に与える。
後部は第２リブをもつ。第２リブはスパン方向に延びており、第１リブと翼弦方向に隔てられている。第２リブも、隙間部の後部を後縁部と翼弦中央部に分けている。第２リブは、翼弦方向にも延びており、それと翼端壁とはスパン方向に離れていて、それが翼弦中央部と連通している翼端通路をなしている。冷気孔は翼端部から外部に通じている。
後部には第３リブがある。第３リブは翼端壁には接していない。第３リブはスパン方向に延び、ブレードの翼弦中央部を第２通路と第３通路とに分けており、各通路はスパン方向に根部領域から延びている。各通路は、第２ダクト及び翼端通路と連通している。複数の境膜冷却孔は、第２通路と連通している。冷却孔はエアフォイルの内部から外部へと通じている。吸い込み側壁の孔は、吸い込み壁のスパン方向の長さの６０％以上の領域にわたって設けられており、圧力側壁側の孔は、圧力側壁のスパン方向の長さの９０％以上の領域にわたって設けられている。
後部には第４リブがある。第４リブは翼端壁から根部領域に向かって延びており、根部壁には達していない。第４リブは第２通路を画定しており、第１リブとは離れていて、それとの間に放射状に拡がる第４の通路をなしている。スパン方向に延びている供給通路は、第２ダクトから第２及び第４通路へ延び、第２及び第４通路を第２ダクトと連通させている。
後縁部には、エアフォイル後部の複数のスロット（SLOT）がある。これらのスロットは、圧力側壁４２から吸い込み側壁へと延びる涙滴形状の（TEAR-DROP SHAPED）台座（PEDESTALS）、若しくはランド（LAND）９８によって画定されている。後縁部には、スパン方向に延びる第５通路がある。第５通路は、スロットとの間に翼弦方向にスペースを開けることによって、後縁部に冷気を流入させる。スパン方向に延びる一対のリブは第５供給路とスロットとの間に配置されている。各リブは複数の衝当孔をもち、それを通して冷気を隣接する構造物に衝当するように導く。例えば、第１リブの孔は、冷気を第２リブに衝当するように導き、第２リブの孔は、冷気を台座に衝当するように導くのである。
第２通路に沿って配置されている冷気孔は、冷気を外部で後向きに導く。吸い込み側壁と平らな圧力側壁は後方に至るまで設けられている。また、圧力側壁は一部切り取られて、エアフォイルの薄い後縁部を形成している。
圧力側壁は、スパン方向全体にわたってほぼ平面となっている。圧力側壁は、その製造にあたって材料を研削するための平らな研削装置を必要とするほど平らに作られている。吸い込み側壁は、エアフォイルの翼端部において圧力側壁と分岐している。これによって、湾曲したエアフォイルの最も厚い部分においては、翼端部の厚みがスパン方向の最も内側の部分の厚みに比べてずっと厚くなる。また、エアフォイルは、その最も厚みのある部分から外側に向かって次第に薄くなる形をもつ。
圧力側壁と吸い込み側壁とは、後方に向かってほぼ平行に並んで、エアフォイルの最後部近くまで延在している。エアフォイルのこの部分においては、曲げられた移行部分（CURVED TRANSITION SURFACE）（一般的には断面は円を描く）が吸い込み側壁と圧力側壁とを結合している。吸い込み側壁も圧力側壁も移行面に接している。曲面の直径はほぼ９０ミルで、根元から末端に向かうスパン方向の長さのほぼ６５％の位置で切った断面の曲面の直径よりずっと小さくなっている。典型的なエアフォイルにおいては、直径が小さい方の位置での直径は約３０ミルである。
吸い込み側壁及び圧力側壁は、両側壁の後部までずっと翼端通路の覆いをなしている。
ロータリーマシンの作動中、熱された作動媒体ガスはエアフォイル部の外部表面上を流れる。熱は作動媒体ガスから吸い込み側壁及び圧力側壁に伝わる。冷気は第１ダクトから第１通路を経て放射状にスパン方向に流れ、そこから翼端孔を通してエアフォイルの翼端へと流れる。残りの冷気は、衝当リブの衝当孔を通して衝当空間へ流れる。冷気はエアフォイルの前縁に衝当して前縁を冷却する。
第２ダクトからの冷気は、供給通路を通して流れるか、或いは第２ダクトから第３通路を経て直接翼端通路へと流れる。次に、冷気は翼弦方向にエアフォイルの後部に向かって流れ、翼端部を冷却する。翼端部には、両側壁部からの熱の伝達だけでなく、翼端部の末端を通しても熱が伝達してくるので高い熱負荷がかかる。冷気が、第２通路を放射状に外側に向かって流れるときは、冷気は境膜冷却孔を通して外部へと流れる。圧力側壁と吸い込み側壁とに設けられたこの孔は、エアフォイル外部の境膜冷却をなし、エアフォイルを冷却するとともに、作動媒体ガスの流れから第３通路に熱が伝達するのをブロックする。これによって、第３通路の空気は第２通路の空気に比べて温度が低くなる。第３通路の空気の温度は、エアフォイルの翼端部に向かう第３通路の外部に境膜冷却がなされない場合に比べて、ずっと低くなっているのである。
この構造に特有の利点は、より高い温度の第２通路の空気が２つの目的で使用され、その１つはエアフォイルの冷却であり、２つ目は空気が第３通路を通って翼端部へ向かうときに過剰な熱の伝達が起こるのを防ぐことである。この構造の第２の利点においては、より高い温度の第２通路の空気は、第３通路からのより低い温度の空気と翼端部で混じり合う前に外部に排出され、更に翼端通路にはより低い温度の冷気を提供している。この、より低い温度の冷気はエアフォイルの翼端部を冷却を大変効率的になし得る。
翼弦方向に延びる冷気の通路をこのように配置したことの利点は、エアフォイルを３分した中央に第２通路及び第３通路を設けられる点である。第３通路は第２通路よりも熱負荷のかからない場所に配置されている。第２通路にかかる高い熱負荷は第２通路を通る冷気によって吸収され、熱エネルギーが外部に排出されて、第３通路から翼端通路に供給される空気の低い温度が維持されるのである。
翼端通路の空気は、翼弦方向に後方に向けて流れる間に、エアフォイル内部を保護する吸い込み側壁及び圧力側壁から熱を除去する。圧力側壁の一部が切り取られていることで、内部の保護が失われることはなく、それは、厚みを増した翼端部が、内部を保護する圧力側壁及び吸い込み側壁をなすとともに、一方でその適当な断面に設けられた翼端通路に冷気を流してエアフォイルの外へ排出することができるためである。もう１つの利点は、翼端部に放射状に延びた冷気通路が翼端部において後部の方に延びていることで、この翼端部の重要な場所を冷却し得ることである。
エアフォイルの最も後ろにある後縁部の圧力側壁が平らであることによって、鋳造の仕上げに、例えばベルトサンダーの研磨によって製造することが容易になる。後縁の形状が非直線的である場合、フラットベルトで後縁を研磨すると、重要な部分の金属を削り過ぎて適正でない厚みを持つ側壁にしてしまいがちである。
エアフォイルの翼端部を厚くすることによって、薄いエアフォイルで片面に冷気孔を開けるときに、もう片方の面まで貫通させることなく孔を開ける困難を避けることができる。第２に、後縁の翼端部を厚くすることによって、翼端通路の出口の断面積をより大きくする余裕ができる。これによって、その部分における冷気の流速が高くならずに済み、これに対応して冷気通路の静圧も下げることができる。ただし、内部の静圧をガスの流路の静圧よりも低くするのは避け、逆流を防ぐ安全な圧力差は必要なだけ維持する。逆流が実際に発生するとき、負の静圧勾配によって温度の高い作動媒体ガスがエアフォイル内に流れ込むと、後端部において加熱がひどくなり、クラックが発生することになる。
後端部を厚くすることによって、ブレード端部に研磨グリット(ABRASIVE GRITS)を使用する面倒も避けられる。このグリットを用いる場合、それと対になった研磨シール（SEAL）にタービンブレードをこすりつけて研磨することができる。グリットのサイズは、通常タービンの空力特性や耐性によって異なるように考慮して決められる。例えば、グリットの粒子のサイズは別のエアシール（AIRSEAL）にこすりつけるのに適切なサイズのものが選ばれる。グリットのサイズが与えられても、後縁の厚さが研磨されて薄くなってゆくに従って、グリットの数も必然的に減ってゆく。このため薄い後縁部の場合は、設計者は最適なグリットの数と最適なグリットのサイズとの中間を選ぶことが必要になる。このことは、厚い後縁部を使用することによって避けることができる。
本発明の好的な実施例について示し、述べてきたが、請求項に記載の本発明の精神と範囲を逸脱することなく、その形状、詳細について種々の改変をなし得ることが当業者には容易に理解し得るであろう。

Claims (6)

1. 前縁と、後縁と、二枚の側壁と、冷気源と連通する根部と、前記根部に隣接する第１末端と、翼端部と、前記翼端部側の第２末端とを有する形式の冷却可能なエアフォイル構造であって、
   前記翼端部において、翼端壁と、前記二枚の側壁と、翼弦方向に延在する内部のリブによって画定され、後縁に達するまで翼弦方向に延在する翼端通路と、
   それぞれ独立して前記翼弦方向に延在する翼端通路と連通し、かつ前記根部に隣接する前記第１末端から前記翼端部に隣接する前記第２末端に向かってスパン方向に延在する第１及び第２の通路と、
   スパン方向に延在して前記第１及び第２の通路を画定するリブとを有し、
   前記第１の通路は、前記前縁と前記第２の通路との間において、前記第２の通路から前記リブのみによって分離される形で前記第２の通路の翼弦方向前側の位置に配置され、前記第１及び第２の通路は、前記翼端部に冷却用の空気を供給するべく外向きに延在し、前記第１及び第２の通路から放出された前記冷却用の空気が混合され得るように前記リブは前記翼端壁から離隔される形で設けられ、
   前記エアフォイル構造はさらに、前記第１の通路から前記エアフォイルの前記側壁を通して外部へ延在する複数の冷気孔を有し、前記第１の通路に供給された冷却用の空気の一部は、それが前記翼端通路における前記第２の通路から放出された空気と混合する前に前記冷気孔から放出され、前記第２の通路に隣接するエアフォイルの表面を冷却して外部から前記第２の通路への熱伝達を遮断することを特徴とする冷却可能なエアフォイル構造。
2. ロータアセンブリにかみ合うようにロータブレードを適合させる根部と、エアフォイル部とを有する軸流式ロータリーマシン用の冷却可能なロータブレードであって、
   前記根部が、
   翼弦方向に延在する根壁と、
   前記根壁に連通するように形成された第１ダクトと、
   前記根壁を通して冷却用空気源に連通するように適合された第２ダクトとを有することを特徴とし、
   前記エアフォイル部が、
   前縁部と、
   後縁部と、
   吸い込み側壁と、
   前記前縁部及び前記後縁部において前記吸い込み側壁に結合し、前記吸い込み側壁から隔てられて設けられ、それとの間に隙間部を形成する圧力側壁と、
   翼端部において、前記圧力側壁と前記吸い込み側壁との間に翼弦方向に延在する翼端壁と、前記吸い込み側壁と、前記圧力側壁と、翼弦方向に延在する内部のリブによって画定され、後縁に達するまで翼弦方向に延在する翼端通路と、
   スパン方向に前記翼端壁まで延在し、前記前縁部から隔てられて設けられて、前記隙間部を後部と第１通路を含む前部とに分割する第１リブと、
   スパン方向に延在し、前記第１リブから翼弦方向に隔てられて設けられて、前記隙間部の後部を後縁部と翼弦中央部とに分割し、かつ前記翼端通路が前記翼弦通路と連通するように、前記翼端壁から隔てられて翼弦方向に延在する第２リブと、
   前記翼端壁から隔てられてスパン方向に延在し、前記ブレードの翼弦方向中央部を第２通路と第３通路とに分割する第３リブであって、前記第２通路及び第３通路は、それぞれ前記第３リブによって画定されて前記根部から前記翼端壁に向かって外向きにスパン方向に延在し、それぞれ前記中央部において他の通路を経ることなく前記第２ダクトに連通し、かつそれぞれ前記翼端通路に連通する、該第３リブとを有し、
   前記ロータブレードが外部を有し、複数の冷気孔が前記圧力側壁と前記吸い込み側壁とを通して延在して、前記第２通路を前記ロータブレードの前記外部へ連通させ、冷却用空気を前記外部表面へ排出して、かつ前記後縁において動作状態下で前記ロータブレードの延長部から前記第３通路の冷却用空気の流れに熱が伝達するのを遮断することにより、前記エアフォイルの翼端部の前記第３通路の冷却効率を高めていることを特徴とし、
   前記第３リブが前記翼端壁から離隔されていることによって、前記第２通路と前記第３通路から放出された前記冷却用空気の混合が可能となっていることを特徴とする冷却可能なロータブレード。
3. 前記後縁部の最後部において前記吸い込み側壁及び圧力側壁と連続的に結合する後縁部の曲面を有し、前記後縁部における前記圧力側壁の壁面が、平担な研削面を用いて加工できるような平坦な表面を有することを特徴とし、
   前記吸い込み側壁が、そのスパン方向の各点の翼弦方向の断面における前記圧力側壁から最も離れた部分が前記根部からスパン方向に前記翼端部に近づくに従って前記圧力側壁の前記平坦な表面からそれてゆき、従ってスパン方向の各点での翼弦方向の断面において最も厚い部分の厚さが前記根部からスパン方向に前記翼端部に近づくに従って次第に厚くなるような形状を有することを特徴とする請求項２に記載の冷却可能なロータブレード。
4. 前記複数の冷気孔が、前記エアフォイルの前記圧力側壁のスパン方向の長さの少なくとも８０％の長さを有する前記圧力側壁の最外部からの領域にわたって、かつ前記エアフォイルの前記吸い込み側壁のスパン方向の長さの少なくとも５０％の長さを有する前記吸い込み側壁の最外部からの領域にわたって前記吸い込み側壁を通して延在していることを特徴とする請求項２に記載の冷却可能なロータブレード。
5. 前記複数の冷却孔が、前記エアフォイルの前記圧力側壁のスパン方向の長さの少なくとも９０％の長さを有する前記圧力側壁の最外部からの領域にわたって、かつ前記エアフォイルの前記吸い込み側壁のスパン方向の長さの少なくとも６０％の長さを有する前記吸い込み側壁の最外部からの領域にわたって前記吸い込み側壁を通して延在していることを特徴とする請求項４に記載の冷却可能なロータブレード。
6. 前記第３通路が、前記エアフォイルを翼弦方向に３分した中央部に設けられることを特徴とする請求項２に記載の冷却可能なロータブレード。