JP3997575B2 - 翼 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、一般には中空翼に関し、より詳細には、翼内の内部冷却ダクトの幾何学的形状に関する。
【０００２】
【発明の背景】
多くのガスタービン翼においては、内部冷却をしなければならない。この冷却は、一般には、冷却空気を翼内に設けた蛇行状の通路を通過せしめることにより行われる。更に詳述すると、複数の内部通路が翼内を翼長さ方向に延びていると共に、これらの内部通路が互いに１８０°の通路ターン部又は翼幅方向に延びている通路により、若しくはその両方により接続されている。典型的に、これらの内部通路は後で取り除かれる中実の、すなわち中空でないセラミックコアを用いる鋳造法により作られる。セラミックコアは圧力側パネル及び吸込側パネルを有するスプリットダイを用いて形成される。“圧力側”及び“吸込側”とは、それぞれ、エンジンを通過するガス流れに向かって及びこのガス流れから離れて面する翼の両側を言うために当分野で用いられている用語である。コアが凝固した後、ダイの圧力側及び吸込側パネル、すなわち２つのダイ半割体が“引張線”に沿って分離され、これにより中実のコアが解放される。“引張線”は想像線と称され、この想像線に沿ってダイ半割体がコアから取り除かれるように設計されている。
【０００３】
コアを濃密に凝固せしめて製造するのに用いられるダイ方法は、内部通路の幾何学的形状に影響を及ぼすものである。すなわち、リブ端及び通路ターン部の端壁を作り出すコアの表面は、歴史的に、引張線に実質的に平行となるように設計されている。このコア表面とダイ壁との間の平行は、ダイの取り除きを容易にする。しかし、この解決法の欠点は、平行となるように設計されている内部通路の幾何学的形状が、時々、特に弓形に曲げられている翼の場合において決して最適な流れ特性を持つものではない内部通路を形成せしめることである。
【０００４】
したがって、改良された流れ特性を持つ弓形翼用内部通路の幾何学的形状が要望されている。
【０００５】
【発明の開示】
本発明は、このような要望に応じてなされたものである。したがって、本発明の目的は、最適な流れ特性を持つ内部冷却通路を有する翼を提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、翼を均一に冷却するのを助長する内部冷却通路を有する翼を提供することにある。
【０００７】
本発明の更に他の目的は、容易に製造することができる改良された内部冷却通路を有する翼を提供することにある。
【０００８】
本発明の更に他の目的は、最適な流れ特性を持つと共に容易に製造することができる冷却通路を作る弓形中空翼用コアを提供することにある。
【０００９】
以上述べた目的を達成するために、本発明によれば、次に述べるような特徴を有する弓形翼が提供される。すなわち、弓形に曲げられた翼は圧力側壁と吸込側壁との間に設けられた複数の通路を包含する。圧力及び吸込側壁は、前縁と後縁との間を翼幅方向に及び内方プラットホームと外方プラットホームとの間を翼長さ方向に延びている。各通路は、内外方プラットホーム間を翼長さ方向に延びている。また、各々リブ端を有する複数のリブが各隣接する２つの通路を分離する。更に、各々端壁を有する複数の通路ターン部が各隣接する２つの通路を接続する。これらの各通路ターン部の端壁は圧力及び吸込側壁の一方と一緒に第１の鋭角コーナ部を形成すると共に、このコーナ部には第１のフィレットが設けられている。
【００１０】
また、本発明の一実施例によれば、各リブ端は圧力及び吸込側壁の他方と一緒に第２の鋭角コーナ部を形成すると共に、このコーナ部に第２のフィレットが設けられている。
【００１１】
以上述べた本発明の利点は、翼長さ方向において弓形の翼の通路ターン部の真直な流れ区域が排除されることである。すなわち、圧力及び吸込側壁と通路ターン部の端壁及び／又はリブ端との間に形成された鋭角コーナ部にフィレットを設けることにより、通路ターン部の端壁及びリブ端がコアダイの引張線に平行であるときに生じる鋭いコーナ部が排除される。
【００１２】
本発明の他の利点は、コアからのダイ半割体の分離が容易となることである。すなわち、リブ端及びコアの端壁が引張線に実質的に平行である従来の方法の下では、分離中コアダイがコアに沿って引きずるのを除去するために小さな逃げ角（≦３°）を有することが必要とされる。なぜなら、コアダイがセラミックコアの研磨表面を横切って引きずると、コアダイの表面がすりへらされるからである。これに対し、本発明は、リブの一部分に通路ターン部の端壁との間の角度を開らき、これによりダイ半割体の分離を容易にしている。当業者であれば、コアダイは非常に高価であり、ダイの摩耗を最少にすることは優れた利益であることを認識されよう。
【００１３】
本発明の以上述べた目的、特徴及び利点は添付図面を参照して述べる下記の本発明の最良の形態の実施例についての詳細な説明から一層明らかになるであろう。
【００１４】
【発明を実施するための最良の形態】
図１〜図４を参照するに、静翼組立体（図示せず）は集合して環状構体を形成する複数のベーンセグメント２０を包含する。各ベーンセグメント２０は、翼（エアフォイル）２２と、内方プラットホーム２４と、外方プラットホーム２６とを包含する。内方プラットホーム２４と外方プラットホーム２６とは、集合して静翼組立体を通しての半径方向ガスパス境界部を形成する。各翼２２は、圧力側壁２８と、吸込側壁３０と、複数の通路３２と、複数の通路ターン部３４と、圧力側壁２８と吸込側壁３０との間に設けられた複数のリブ３６とを包含する。圧力側壁２８及び吸込側壁３０は、前縁３８と後縁４０との間を翼幅方向に及び内方プラットホーム２４と外方プラットホーム２６との間を翼長さ方向に延びている。圧力側壁２８と吸込側壁３０との間の距離は、翼２２の厚さを形成する。そして、これら圧力側壁２８及び吸込側壁３０は翼長さ方向においてアーチ形に、すなわち“弓形”に曲げられている。
【００１５】
また、これら圧力側壁２８及び吸込側壁３０とリブ３６とは通路３２のための壁を形成する。幾つかの実施例によれば、前縁３８及び後縁４０もまた通路３２のための壁を形成することができる。通路３２のすべては、内方プラットホーム２４と外方プラットホーム２６との間を翼長さ方向に延びており、それ故圧力側壁２８及び吸込側壁３０と同じアーチ形の通路に沿って弓形に曲げられている。複数の通路ターン部３４は、通路３２が前縁３８から後縁４０まで翼２２の幅を横切って蛇行するように、各隣接する２つの通路３２を接続する。前縁３８に隣接する通路３２は、典型的に、冷却空気を受け入れる入口４２を包含し、また後縁４０に隣接する通路３２は冷却空気をガスパス内に放出する穴（図示せず）を包含する。各通路ターン部３４は、２つの隣接する通路３２間を翼幅方向に延びる端壁４４を包含する。そして、第１の鋭角コーナ部４１が、翼２２のアーチ形の翼長さ方向形状のために側壁２８，３０の一方、本実施例では側壁３０と端壁４４との間に形成されている。この鋭角コーナ部４１には、第１のフィレット４５が形成されている。また、各リブ３６は通路ターン部３４に設けられた端表面４６を包含し、この端表面４６は“リブ端”と称される。第２の鋭角コーナ部４３が、翼２２のアーチ形の翼長さ方向形状のために側壁２８，３０の他方、本実施例では側壁２８とリブ端４６との間に形成されている。この鋭角コーナ部４３には、第２のフィレット４８が形成されている。好適な実施例によれば、第１のフィレット４５及び第２のフィレット４８の露出縁は側壁２８，３０に実質的に垂直である。
【００１６】
次に図６及び図７を参照するに、各翼２２は翼２２内の通路３２に対応するセラミックコア５０を使用するインベストメント鋳造法により形成される。すなわち、コア５０の幾何学的形状は中空翼２２内に形状される通路３２の空所を作り出す。図６は、コア５０の幅−長さ方向立面図であって、通路３２の蛇行形状を示す。図７は、図６に示されるコア５０の厚さ−長さ方向立面図であって、通路ターン部３４の幾何学的形状を示すために通路ターン部３４を形成するコア５０の一部分５１を通る７−７線に沿う断面で示している。コア５０の表面５２、すなわち通路ターン部３４の端壁４４を作り出すコア表面５２は、第１のフィレット４５を作り出す表面５４を包含する。同様に、コア５０の表面５８、すなわちリブ端４６を作り出すコア表面５８は、第２のフィレット４８を作り出す表面６０を包含する。
【００１７】
本発明をよく理解せしめるために、弓形に曲がっていない翼２２（図８〜図１０）の通路ターン部３４の端壁４４及びリブ端４６が、本発明による弓形に曲がっている翼２２（図１〜図３）のそれらと比較される。弓形に曲がっていない翼２２においては、翼長さ方向に延びている通路３２が本質的に単一の平面内であり、この平面は引張線６４に垂直である。また、弓形に曲がっていない翼２２の端壁４４及びリブ端４６は前記平面に垂直である。なぜなら、これらの端壁４４及びリブ端４６は引張線６４に平行であるからである。その結果として、９０°の角度が端壁４４と側壁２８，３０との間及びリブ端４６と側壁２８，３０との間に形成される。
【００１８】
これに対し、弓形に曲がっている翼２２においては、引張線６４と平行に維持されているリブ端４６及び端壁４４が通路３２の側壁２８，３０に関して傾斜されている。なぜなら、通路３２はアーチ形の進路（すなわち、“弓形”）をたどるからである。そして、側壁２８，３０と端壁４４との間及び側壁２８，３０とリブ端４６との間の傾斜した関係は、通路ターン部３４に鋭角のコーナ部４１，４３を形成する。これらコーナ部４１，４３の鋭角はコーナ部４１，４３内に好ましくない流れの異常を助長せしめ、これらの流れ異常がコーナ部における循環を減少せしめ、この循環の減少により最適な冷却が行われなくなる。図３〜図５に示される破線は、上述した鋭角コーナ部４１，４３を示している。
【００１９】
本発明によるベーンセグメント２０及びコア５０は、通路ターン部４１，４３内にフィレット４５，４８を設けることにより、通路ターン部３４内の問題なる鋭角コーナ部、及びそれ故それに伴う“ホットスポット”を除去する。好適な実施例によれば、第１のフィレット４５及び第２のフィレット４８は圧力側壁２８及び吸込側壁３０に実質的に垂直であり、すなわち通路３２を通しての冷却空気流れ７２の方向に実質的に垂直である。しかし、選択的な実施例として、図５に示されるように、これらのフィレット４５，４８が側壁２８，３０に関してアーチ形状を有するようにすることもできる。
【００２０】
以上本発明をその実施例に関して図示し詳述してきたけれども、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、その形態及び詳部においてさまざまな変更ができることは当業者にとって理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 アーチ形の翼長さ方向形状を有する単一のベーンの斜視図である。
【図２】 図１に示されるベーンの２−２線断面図である。
【図３】 図１に示されるベーンの３−３線断面図である。
【図４】 図３の４部の拡大図である。
【図５】 図４に示されると同様に通路ターン部の拡大図であるが、フィレットがアーチ形の形状を有する例を示す。
【図６】 アーチ形の翼長さ方向形状を有する中空ベーン用の鋳造コアを示す図である。
【図７】 図６に示されるコアの７−７線断面図である。
【図８】 真直な翼長さ方向形状を有する単一のベーンの斜視図である。
【図９】 図８に示されるベーンの９−９線断面図である。
【図１０】 図８に示されるベーンの１０−１０線断面図である。
【符号の説明】
２０ ベーンセグメント
２２ 翼
２４ 内方プラットホーム
２６ 外方プラットホーム
２８ 圧力側壁
３０ 吸込側壁
３２ 通路
３４ 通路ターン部
３６ リブ
３８ 前縁
４０ 後縁
４１ 第１の鋭角コーナ部
４２ 冷却空気入口
４３ 第２の鋭角コーナ部
４４ 端壁
４５ 第１のフィレット
４６ リブ端
４８ 第２のフィレット
５０ コア
５１ 通路ターン部を作り出すコア部分
５２ 端壁を作り出すコア表面
５４ 第１のフィレットを作り出すコア表面
５８ リブ端を作り出すコア表面
６０ 第２のフィレットを作り出すコア表面
６４ 引張線
７２ 冷却空気流れ

Claims (14)

1. 前縁と後縁との間を翼幅方向に及び内方半径方向表面と外方半径方向表面との間を翼長さ方向に延びていると共に、翼長さ方向において弓形に曲げられている圧力側壁及び吸込側壁と、これらの圧力及び吸込側壁間に設けられて、前記内外方半径方向表面間を翼長さ方向に延びている複数の通路と、これらの通路を接続する少なくともひとつの通路ターン部とを包含し、この通路ターン部が、前記圧力及び吸込側壁の一方と一緒に第１の鋭いコーナ部を形成する端壁と、リブ端を有して前記通路を分離するリブと、前記第１の鋭いコーナ部に設けられた第１のフィレットとを包含することを特徴とする翼。
2. 前記第１のフィレットが前記圧力及び吸込側壁の一方に実質的に垂直である請求項１記載の翼。
3. 前記第１のフィレットがアーチ形である請求項１記載の翼。
4. 更に、第２のフィレットを包含すると共に、前記リブ端が前記圧力及び吸込側壁の他方と一緒に第２の鋭いコーナ部を形成し、この第２の鋭いコーナ部に前記第２のフィレットが設けられている請求項１記載の翼。
5. 前記第２のフィレットが前記圧力及び吸込側壁の他方に実質的に垂直である請求項４記載の翼。
6. 前記第２のフィレットがアーチ形である請求項４記載の翼。
7. 前縁と後縁との間を翼幅方向に及び内方プラットホームと外方プラットホームとの間を翼長さ方向に延びていると共に、翼長さ方向において弓形に曲げられている圧力側壁及び吸込側壁と、これらの圧力及び吸込側壁間に設けられて、前記内外方プラットホーム間を翼長さ方向に延びている複数の通路と、これらの通路を接続する少なくともひとつの通路ターン部とを包含し、この通路ターン部が、前記圧力及び吸込側壁の一方と一緒に第１の鋭いコーナ部を形成する端壁と、リブ端を有して前記通路を分離するリブと、前記第１の鋭いコーナ部に設けられた第１のフィレットとを包含することを特徴とする静翼。
8. 前記第１のフィレットが前記圧力及び吸込側壁の一方に実質的に垂直である請求項７記載の静翼。
9. 前記第１のフィレットがアーチ形である請求項７記載の静翼。
10. 更に、第２のフィレットを包含すると共に、前記リブ端が前記圧力及び吸込側壁の他方と一緒に第２の鋭いコーナ部を形成し、この第２の鋭いコーナ部に前記第２のフィレットが設けられている請求項７記載の静翼。
11. 前記第２のフィレットが前記圧力及び吸込側壁の他方に実質的に垂直である請求項１０記載の静翼。
12. 前記第２のフィレットがアーチ形である請求項１０記載の静翼。
13. 前記第１のフィレットが前記圧力及び吸込側壁の一方に実質的に垂直である請求項１０記載の静翼。
14. 前記第１のフィレットがアーチ形である請求項１０記載の静翼。

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