JP3977708B2 - ガスタービンブレード用の冷却回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機エンジン用のガスタービンブレードの改良に関するものである。より詳細には、本発明は、このようなブレードの冷却回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機エンジンガスタービンの移動ブレード、また特に高圧タービンの移動ブレードは、エンジンの動作中に、燃焼ガスからの非常に高い温度に晒されることが知られている。これらの温度は、これらのガスと接触する様々な部品が損傷することなく耐えられる温度をはるかに超える値に達するため、このような部品の寿命が制限されてしまう。
【０００３】
さらに、高圧タービン内でのガス温度の上昇は、エンジンの効率を高め、したがって、エンジンで推進される航空機の重量に対するエンジンの推力の比率を高めることが知られている。そのため、より高くなる温度に耐えられるタービンブレードを提供する努力が重ねられてきた。
【０００４】
この問題を解決するために、ブレードの温度を低下するべく冷却回路を備えたブレードを提供することが知られている。このような回路により、一般にブレード内にその基部から挿入された冷却空気が、ブレードの表面に開口したオリフィスから排出される前に、ブレード内に形成された空洞により画定された通路に沿ってブレードを通過する。
【０００５】
しかしながら、ブレードの空洞内のこの冷却空気の流れによって生じた熱交換は、均一でなく、ブレードの寿命に不利に働く温度勾配を生じてしまうことがしばしば見られる。
【０００６】
さらに、凸面の出口位置からの冷却空気の排出は、困難である。ブレードの凸面に加わる速度は、高速度であるため、冷却空気と外気流の空気との間の混合によって生じる損失が大きく、ガスタービンの効率を低減さる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は、凸面からの排出を避けながら、ブレードの冷却ゾーンに沿って実質的に一定の温度領域を得るように、ガスタービンブレードの向上、特に、その冷却回路の向上を提案することで、このような欠点を解消する方法を追求する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的のために、本発明は、航空機エンジン用のガスタービンブレードを提供する。ガスタービンブレードは、中央部分に少なくとも第１の中央冷却回路を備え、第１の中央冷却回路が、ブレードの凹側に径方向に延びる少なくとも第１および第２の空洞と、ブレードの凸側に延びる少なくとも１つの空洞と、第１の中央冷却回路に冷却空気を供給するための、第１の凹側空洞の一方の径方向端部の吸気開口と、第１の凹側空洞の他方の径方向端部を、凸側空洞の隣接する径方向端部と連通させる第１の通路と、凸側空洞の他方の径方向端部を、第２の凹側空洞の隣接する径方向端部と連通させる第２の通路と、ブレードの凹面を介して、第２の凹側空洞に開口している出口オリフィスとを備えることを特徴とする。
【０００９】
このタイプの様々な回路は、ブレードを冷却するように、ブレードの中央部分に配置されることができる。同じ方法で動作するこれら同一の回路により、温度が均一に分布される。
【００１０】
ブレードの凸面近くに径方向に延びる空洞は、高いアスペクト比を有するため、凸面近くの熱伝達レベルを増加するべく機能する。バッフルの存在によって熱伝達が増加するため、凸面を介した排出を避けることができる。
【００１１】
さらに、回転ブレードの場合、ブレードの基部から冷却回路に供給が行われるため、凹側空洞内での径方向への空気循環が、基部から先端に向かって生じる。コリオリの力の作用によって、空気は、ブレードの外側凹面に最も近い空洞の壁に押圧される傾向にあり、これにより、ブレード壁の最も熱い部分により優れた熱伝達を提供する。凸側空洞では、空気は、ブレードの先端から基部に向かって流れる。同様にコリオリの力の作用により、熱伝達が向上される。
【００１２】
さらに、ブレードを鋳造によって製造するために、凹側空洞と凸側空洞を形成するためのコアが、接続部によってその端部に相互接続される。該接続部は、空洞間の通路を形成するべく機能する。そのため、凹側コアに対する凸側コアの位置決めが、容易に制御され、壁の厚みが、ブレードを鋳造するときに適切に適合されることが確実になる。
【００１３】
本発明のある特徴によれば、少なくとも１つの凸側空洞と連通した少なくとも２つの凹側空洞を備える、複数の独立した中央冷却回路が、提供されることができる。
【００１４】
本発明のこの他の特徴および利点は、添付の図面を参照した以下の説明から明白になる。これらの図面は、ある実施形態を、何ら制限せずに示している。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、中央部分に少なくとも第１の中央冷却回路Ａを備えた、本発明の実施形態を構成する航空機エンジン用のガスタービンブレード１を見ることができる。
【００１６】
ブレード１の中央部分は、好ましくは、ブレードの冷却ゾーンに沿って実質的に均一な温度領域、すなわち、急な温度勾配がない領域が得られるように、横断面Ｐの周囲で実質的に対称に配置された、２つの中央冷却回路Ａ、Ａ’を備える。この特徴により、ブレードの寿命が延びる。
【００１７】
各々の中央冷却回路Ａ、Ａ’は、ブレード１の凹面１ａ近くに延びる少なくとも第１および第２空洞（それぞれ２、２’および４、４’）と、ブレードの凸面１ｂ近くに延びる少なくとも１つの空洞６、６’とを備えている。
【００１８】
図２により明瞭に示すように、各中央冷却回路Ａ、Ａ’に冷却空気を供給するために、第１の凹側空洞２、２’の径方向端部に（つまり、ブレードの基部付近に）、吸気開口８、８’が設けられている。
【００１９】
さらに、図３Ａ、３Ｂを参照すると、第１の通路１０が、第１の凹側空洞２の他方の径方向端部（すなわち、ブレードの先端付近の端部）を、冷却回路Ａの隣接する凸側空洞６の径方向端部と連通させることがわかる。さらに、ブレードの基部付近には第２の通路１２が設けられており、凸側空洞６の他方の径方向端部を、隣接する第２の凹側空洞４の径方向端部と連通させる。回路Ａ’の空洞２’、６’、４’の間でも、同様の連通が確立される。
【００２０】
最後に、中央冷却回路Ａ、Ａ’の各々は、ブレード１の凹面１ａを介して、第２の凹側空洞４、４’に開口した冷却空気用の出口オリフィス１４、１４’を備えている。
【００２１】
そのため、中央冷却回路Ａ、Ａ’に供給される冷却空気は、凹側空洞２、２’、および４、４’に沿って、凸側空洞６、６’に沿って移動する方向とは反対である径方向に移動する。
【００２２】
有利には、各中央冷却回路Ａ、Ａ’の凸側空洞６、６’は、内部熱伝達を向上させるように、アスペクト比が高い。冷却空洞は、断面において、ある寸法（長さ）が他の寸法（幅）の少なくとも３倍より大きいときに、高いアスペクト比を有していると考えられる。
【００２３】
さらに有利なことには、凸側空洞は、その外壁上に凸面近くにバッフル３４を備えており、中央冷却回路Ａ、Ａ’の第１、第２凹側空洞も、その外壁上に凹面近くにバッフル３６を同様に備えている。
【００２４】
バッフル３４、３６は、冷却空気の流れを横切って延びる、空洞の壁に配置されたレリーフ部分の形状である。そのため、バッフルは、これらの空洞に沿って移動する空気の流れを妨害するべく機能し、これにより熱交換を促進し、一方で最適化したヘッド損失が得られる。
【００２５】
さらに、やはり図１を参照すると、ブレード１が、中央冷却回路Ａ、Ａ’とは独立して、少なくとも１つの追加の第２の冷却回路Ｂを備えていることがわかる。
【００２６】
この第２の冷却回路Ｂは、ブレード１の後部に配置された少なくとも１つの空洞１６、より好ましくは１つよりも多い、例えば３つの空洞１６、１６’、１６”と、第２の冷却回路に供給を行うためのブレードの基部の吸気開口１８と、ブレードの凹面１ａを介して開口している出口オリフィス２０とを備えている。空気が、空洞１６に入れられ、通路が、空洞１６および１６’をブレードの先端付近で連通させ、さらに、空洞１６’、１６’’を、ブレードの基部付近で連通させる。出口オリフィス２０は、空洞１６’’に開口している。
【００２７】
この方法で、第２の冷却回路Ｂは、ブレード１の後部を冷却するべく機能する。さらに、第２冷却回路Ｂは、有利には、空洞１６、１６’、１６’’の凹側壁および凸側壁に沿った熱伝達を向上させるために、その内壁上に互いに面して配置されたバッフル３８を備えている。
【００２８】
第１および第２の冷却回路からは独立した、追加の第３および第４の冷却回路（それぞれＣ、Ｄ）は、ブレード１の前端１ｃと後端１ｄをそれぞれ冷却するべく機能する。
【００２９】
第３の冷却回路Ｃは、ブレードの前端１ｃの付近に配置された少なくとも１つの空洞２２と、第３の冷却回路Ｃに冷却空気を供給するために、ブレードの基部近くの前端空洞２２の一方の径方向端部の吸気開口２４とで構成されている。出口オリフィス２６は、ブレードの前端１ｃを介して、空洞２２に開口している。これらの出口オリフィスにより、冷却空気の薄い膜が、前端の外壁に形成されることを可能にする。
【００３０】
有利には、前端空洞２２は、ブレード前端近くの壁に沿って熱伝達を増大するように、ブレードの前端近くの壁上にバッフル４０が設けられる。
【００３１】
有利には、第４の冷却回路Ｄは、ブレード１の後端１ｄ近くに配置された少なくとも１つの空洞２８で構成されており、第４の冷却回路Ｄに空気を供給するために、ブレードの基部近くの後端空洞２８の一方の径方向端部に吸気開口３０を有している。出口オリフィス３２は、後端空洞に開口し、後端１ｄを冷却するように後端１ｄを通る。
【００３２】
有利には、第４の冷却回路の後端空洞２８は、凹側壁および凸側壁に沿った熱伝達が向上するように、凹側壁と凸側壁上にバッフル４２を有する。
【００３３】
ブレードが冷却される方法は、上述の説明から明らかであり、以降に、特に図４を参照しながらより簡潔に説明する。
【００３４】
図４は、冷却空気が、ブレード１の多様な回路ＡからＤに沿って循環する様子を示す線図である。これら４つの回路は、それぞれが直接の冷却空気供給部を備えているため、互いに独立している。
【００３５】
第１の中央冷却回路Ａには、第１の凹側空洞２を介して冷却空気が供給される。次に、冷却空気は、凸側空洞６に沿って移動し、さらに第２の凹面側空洞４に沿って移動し、その後、ブレードの凹面を通り、出口オリフィス１４を介して前記空洞から排出される。
【００３６】
２つの中央冷却回路Ａ、Ａ’が有利に設けられている場合、回路Ａ’内の冷却空気循環も同様の方法で行われる。
【００３７】
そのため、中央冷却回路の特定の構成に従って、冷却空気が、凹側空洞内で（ブレードの基部から先端に向かって）上方向に移動し、凸側空洞内で下方向に移動する。
【００３８】
回路Ａ、Ａ’内の凹側および凸側での反対方向の空気循環と、ブレードの中央部分に実質的に対称に配置された２つの冷却回路の有利な存在とによって、実質的に均一な温度領域が得られる。つまり、急な温度勾配が生じることがない。従って、ブレードの寿命が延長される。
【００３９】
さらに、冷却回路Ａ、Ａ’は、ブレードの凸面を介した出口オリフィスを備えていないため、高速度での空気分配の問題が回避される。
【００４０】
冷却空気が、凹側空洞でブレードの基部から先端へと流れるため、冷却空気は、コリオリの力の作用によってこれら空洞の外壁に押圧される。こうして、これらの外壁に沿った熱交換が促進するため、それによってブレードの凹面の高温外壁のより優れた冷却が得られる。
【００４１】
さらに、冷却空気は、凸側空洞において冷却空気は下方向へ移動する。その結果、同様にコリオリの力の作用が働いて、増加した熱交換から恩恵を得るため、ブレードの凸面の外壁の十分な冷却が得られる。
【００４２】
ブレードの凸面が、アスペクト比の高い凸側空洞によって冷却されるため、これにより、外部熱伝達レベルが上昇し、この外部熱伝達レベルがさらに、空洞の外壁上のバッフルの存在によって増幅される。
【００４３】
さらに、ブレード１の後部が、３つの空洞１６、１６’、１６’’を有利に備える第２の冷却回路Ｂによって冷却される。図４に示すように、冷却空気が、１つの空洞１６に供給され、空洞１６’に沿ったブレードの先端にて逆方向になり、その後、上方に延びる空洞１６’’に供給され、出口オリフィス２０を介して、ブレード１の凹面から排出される。
【００４４】
ブレード１の前端１ｃは、冷却空気が直接供給される前端空洞２２によって冷却され、後端１ｄは、同様に冷却空気が直接供給される後端空洞２８によって冷却される。
【００４５】
本発明のこの実施形態におけるブレード１は、鋳造により製造され、空洞の位置は、金属を注入する前に、鋳型内に互いに平行して配置されたコアによって従来通りに画定される。回路Ａ、Ａ’において、これらのコアは、空洞間の通路を画定するために機能する接続部により、端部で互いに接続されている。コアの位置決めは容易に制御できるため、壁の厚みは、ブレードを鋳造するときに適切に適合されることが確実になる。
【００４６】
当然ながら、本発明は、上述した実施形態に制限されるものではなく、反対に、あらゆる変形形態を網羅する。特に、このような冷却回路は、固定ブレードと移動ブレードの両方に設置することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の様々な冷却回路を取り付けたブレードの断面図である。
【図２】切断線ＩＩ−ＩＩに沿った図１の断面図である。
【図３Ａ】切断線ＩＩＩＡ−ＩＩＩＡに沿った図１の断面図である。
【図３Ｂ】切断線ＩＩＩＢ−ＩＩＩＢに沿った図１の断面図である。
【図４】図１のブレードの様々な冷却回路に関連する冷却空気循環を示す。
【符号の説明】
１ ブレード
１ａ ブレードの凹側
１ｂ ブレードの凸側
１ｃ ブレードの前端
１ｄ ブレードの後端
２、２’ 第１の凹側空洞
４、４’ 第２の凹側空洞
６、６’、１６、１６’、１６’’、２２、２８ 空洞
８、８’、１８、２４、３０ 吸気開口
１０ 第１の通路
１２ 第２の通路
１４、１４’、２０、２６、３２ 出口オリフィス
３４、３６、４０、４２ バッフル

Claims (14)

1. 航空機エンジン用のガスタービン可動ブレード（１）であって、中央部分にコリオリ力の効果を用いる少なくとも第１の中央冷却回路（Ａ）を備え、該第１の中央冷却回路が、ブレード（１）の凹側（１ａ）に径方向に延びる少なくとも第１および第２の空洞（２、４）と、ブレードの凸側（１ｂ）に径方向に延びる少なくとも１つの空洞（６）と、第１の中央冷却回路（Ａ）に冷却空気を供給するための、第１の凹側空洞（２）の一方の径方向内側端部の吸気開口（８）と、第１の凹側空洞（２）の径方向外側端部を、凸側空洞（６）の隣接する径方向外側端部と連通させる第１の通路（１０）と、凸側空洞の径方向内側端部を、第２の凹側空洞（４）の隣接する径方向内側端部と連通させる第２の通路（１２）と、ブレードの凹面（１ａ）を介して、第２の凹側空洞に開口している出口オリフィス（１４）とを備えることを特徴とするブレード。
2. 中央冷却回路から独立した少なくとも追加の第２の冷却回路（Ｂ）をさらに備え、該第２の冷却回路（Ｂ）が、ブレード（１）の後部に配置された少なくとも１つの空洞（１６）と、第２の冷却回路（Ｂ）に供給を行うための空洞（１６）の径方向端部の吸気開口（１８）と、ブレードの凹面（１ａ）を介して、空洞に開口している出口オリフィス（２０）とを備えることを特徴とする、請求項１に記載のブレード。
3. 第１および第２の冷却回路（Ａ、Ｂ）から独立した少なくとも追加の第３の冷却回路（Ｃ）をさらに備え、該第３の冷却回路（Ｃ）が、ブレード（１）の前端（１ｃ）付近に配置された少なくとも１つの空洞（２２）と、第３の冷却回路（Ｃ）に供給を行うための前端空洞（２２）の径方向端部の吸気開口（２４）と、ブレードの前端（１ｃ）を介して、前端空洞に開口している出口オリフィス（２６）とを備えることを特徴とする、請求項２に記載のブレード。
4. 第１、第２、および第３の冷却回路（Ａ、Ｂ、Ｃ）から独立した少なくとも追加の第４の冷却回路（Ｄ）をさらに備え、該第４の冷却回路（Ｄ）が、ブレード（１）の後端（１ｄ）付近に配置された少なくとも１つの空洞（２８）と、第４の冷却回路（Ｄ）に供給するための後端空洞（２８）の径方向端部に配置された吸気開口（３０）と、ブレードの後端（１ｄ）を介して、前記後端空洞に開口している出口オリフィス（３２）とを備えることを特徴とする、請求項３に記載のブレード。
5. 第４の冷却回路（Ｄ）の後端空洞（２８）が、凹側壁および凸側壁に沿った熱伝達を増大するように、凹側壁および凸側壁上にバッフル（４２）を有することを特徴とする、請求項４に記載のブレード。
6. 第３の冷却回路（Ｃ）の前端空洞（２２）が、ブレード（１）の前端（１ｃ）近くの壁に沿った熱伝達を増大するように、ブレード（１）の前端（１ｃ）近くの壁上にバッフル（４０）を有することを特徴とする、請求項３から５のいずれか一項に記載のブレード。
7. 第２の冷却回路（Ｂ）の空洞（１６）が、凹側壁および凸側壁に沿った熱伝達を向上するような方法で、凹側壁および凸側壁上に互いに面して配置されたバッフル（３８）を有することを特徴とする、請求項２から６のいずれか一項に記載のブレード。
8. 第１の冷却回路（Ａ）の凸側空洞（６）が、内部熱伝達を増大するように高い、断面における幅に対する長さのアスペクト比を有することを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のブレード。
9. 第１の冷却回路（Ａ）の凸側空洞（６）が、最適化されたヘッド損失を維持しながら、凸面近くの外壁に沿った熱伝達を増大するように、凸面近くの外壁上にバッフル（３４）を含むことを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のブレード。
10. 第１の冷却回路（Ａ）の第１および第２凹側空洞（２、４）が、最適化されたヘッド損失を維持しながら、凹面近くの外壁に沿った熱伝達を増大するように、凹面近くの外壁上にバッフル（３６）を含むことを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のブレード。
11. ブレード（１）の中央部分において、実質的に均一な温度領域が得られるように、ブレードの横断面に対して実質的に対称な少なくとも２つの中央冷却回路（Ａ、Ａ’）を有することを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のブレード。
12. 鋳造により製造され、空洞間に通路を画定するように、かつ、コアが、互いに対して適切に位置決めされることを保証するように、凹側空洞と凸側空洞の位置が、平行に配置され端部で相互接続されたコアによって画定されることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載のブレード。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載のブレードを備えるガスタービン。
14. 請求項１から１２のいずれか一項に記載のブレードを備える航空機エンジン。

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