JP3997986B2 - 冷却タービン部品、及び冷却タービン翼 - Google Patents

Description

本発明は、航空機エンジン等のガスタービンエンジンにおけるタービンの部品の一つであってフィルム冷却可能な冷却タービン翼等の冷却タービン部品に関する。

航空機エンジン等のガスタービンエンジンにおけるタービンの部品の一つである従来型の冷却タービン翼（冷却タービン部品の一例）について簡単に説明すると、次のようになる。

即ち、前記冷却タービン翼は、部品本体としての翼本体を具備しており、前記翼本体は、内部に、前記ガスタービンエンジンにおける圧縮機又はファンから抽気された圧縮空気の一部が冷却空気として流入可能な冷却通路を有している。

前記翼本体の表面には、複数の冷却孔が放電加工又はレーザ加工等によって形成されており、各冷却孔は、前記冷却通路にそれぞれ連通している。ここで、各冷却孔は、入口側に、冷却空気を取入れ可能な取入れ開口部をそれぞれ有してあって、出口側に、冷却空気を吹出し可能なハの字状の吹出し開口部をそれぞれ有している。また、各冷却孔は、前記吹出し開口部から吹出される冷却空気が前記翼本体の表面を沿うように前記翼本体の厚さ方向に対してそれぞれ傾斜している。

従って、前記ガスタービンエンジンの稼動中に、前記圧縮機又は前記ファンから抽気された圧縮空気の一部が冷却空気として前記翼本体の前記冷却通路に流入されると、冷却空気が複数の前記取入れ開口部から複数の前記冷却孔内に取入れられて、複数の前記吹出し開口部から拡散して吹出される。そして、複数の前記吹出し開口部から吹出された冷却空気は、前記翼本体の表面に沿って流れ、前記翼本体の表面を広範囲に亘って覆う冷却空気フィルムが形成される。これによって、前記冷却タービン翼を前記翼本体の内部から対流冷却する他に、フィルム冷却することができる。

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１に示すものがある。
特開２００２−２２１００５号公報

ところで、前記吹出し開口部の拡がり角が大きく設定すると、前記翼本体の表面を広範囲に亘って覆う前記冷却空気フィルムを形成するのに必要な前記冷却孔の個数（前記冷却孔の必要個数）を減らすことができる一方、前記吹出し開口部の拡がり角が過大になると、前記冷却孔の出口付近において冷却空気の流速が著しく低下して、冷却空気の剥離現象を引き起こして、前記冷却タービン翼の冷却性能が悪化する。そのため、前記吹出し開口部の拡がり角を十分に大きく設定することができず、前記冷却孔の必要個数が増えて、前記冷却タービン翼の製造時間が長くなって、前記冷却タービン翼の製造コストが高くなると共に、前記冷却孔の必要個数の増加に伴って冷却空気の使用量が増加して、前記ガスタービンエンジンのエンジン効率の低下につながるという問題がある。

請求項１に記載の発明にあっては、ガスタービンエンジンにおけるタービンの部品の一つであって、フィルム冷却可能な冷却タービン部品において、
部品本体と；
前記部品本体の表面に形成され、入口側に前記ガスタービンエンジンにおける圧縮機又はファンから抽気された圧縮空気の一部を冷却空気として取入れ可能な取入れ開口部をそれぞれ有し、出口側に冷却空気を吹出し可能なスカート状に拡がった吹出し開口部をそれぞれ有し、前記吹出し開口部が前記部品本体の滑らかな表面と同一面上に位置してあって、前記吹出し開口部側が前記部品本体の厚さ方向に対してテーパ状に拡がるように構成され、前記吹出し開口部から吹出された冷却空気が前記部品本体の表面を沿って流れるように前記部品本体の厚さ方向に対してそれぞれ傾斜した複数の冷却孔と；
各冷却孔の出口側の底面にそれぞれ形成され、前記吹出し開口部に対向する側からみたときに一部分が前記冷却孔の奥側に入り込むように構成されると共に、前記吹出し開口部を開口中心から２つの分割開口部に仕切るように構成され、先端面が前記部品本体の滑らかな表面と同一面上に位置した隔壁と；
を具備してなることを特徴とする。

ここで、前記冷却タービン部品には、冷却タービン翼、タービンシュラウド等が含まれる。

請求項１に記載の発明特定事項によると、前記ガスタービンエンジンの稼動中に、前記圧縮機又は前記ファンから抽気された圧縮空気の一部が冷却空気として、複数の前記取入れ開口部から複数の前記冷却孔内に取入れて、複数の前記吹出し開口部から拡散して吹出される。そして、複数の前記吹出し開口部から吹出された冷却空気は、前記部品本体の表面に沿って流れ、前記部品本体の表面を広範囲に亘って覆う冷却空気フィルムが形成される。これによって、前記冷却タービン部品をフィルム冷却することができる（前記冷却タービン部品の冷却作用）。

また、各隔壁が前記吹出し開口部を開口中心から２つの分割開口部に仕切るように構成され、前記吹出し開口部に対向する側からみたときに前記隔壁の一部分が前記冷却孔の奥側に入り込むように構成されているため、前記冷却孔の出口付近における冷却空気の剥離現象の発生を阻止しつつ、前記吹出し開口部の拡がり角を、前記従来型の冷却タービン部品における前記吹出し開口部の拡がり角よりも少なくとも前記隔壁の一部分の前記拡がり方向の長さに対応した分だけ大きく設定することができる。

請求項２に記載の発明にあっては、請求項１に記載の発明特定事項の他に、各隔壁は、前記吹出し開口部の拡がり方向に対して直交する方向にそれぞれ延びていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明特定事項によると、請求項１に記載の発明特定事項による作用と同様の作用を奏する。

請求項３に記載の発明にあっては、ガスタービンエンジンにおけるタービンの部品の一つであって、フィルム冷却可能な冷却タービン翼において、
内部に前記ガスタービンエンジンにおける圧縮機又はファンから抽気された圧縮空気の一部が冷却空気として流入可能な冷却通路を有した翼本体と；
前記翼本体の表面に形成され、前記冷却通路にそれぞれ連通してあって、入口側に冷却空気を取入れ可能な取入れ開口部をそれぞれ有し、出口側に冷却空気を吹出し可能なスカート状に拡がった吹出し開口部をそれぞれ有し、前記吹出し開口部が前記翼本体の滑らかな表面と同一面上に位置してあって、前記吹出し開口部側が前記翼本体の厚さ方向に対してテーパ状に拡がるように構成され、前記吹出し開口部から吹出された冷却空気が前記翼本体の表面を沿って流れるように前記翼本体の厚さ方向に対してそれぞれ傾斜した複数の冷却孔と；
各冷却孔の出口側の底面にそれぞれ形成され、前記吹出し開口部に対向する側からみたときに一部分が前記冷却孔の奥側に入り込むように構成されると共に、前記吹出し開口部を開口中心から２つの分割開口部に仕切るように構成され、先端面が前記翼本体の滑らかな表面と同一面上に位置した隔壁と；
を具備してなることを特徴とする。

ここで、前記冷却タービン翼には、冷却タービン動翼と、冷却タービン静翼がある。

請求項３に記載の発明特定事項によると、前記ガスタービンエンジンの稼動中に、前記圧縮機又は前記ファンから抽気された圧縮空気の一部が冷却空気として前記翼本体の前記冷却通路に流入されると、冷却空気が複数の前記取入れ開口部から複数の前記冷却孔内に取入れられて、複数の前記吹出し開口部から拡散して吹出される。そして、複数の前記吹出し開口部から吹出された冷却空気は、前記翼本体の表面に沿って流れ、前記翼本体の表面を広範囲に亘って覆う冷却空気フィルムが形成される。これによって、前記冷却タービン翼を前記翼本体の内部から対流冷却する他に、フィルム冷却することができる（前記冷却タービン翼の冷却作用）。

また、各隔壁が前記吹出し開口部を開口中心から２つの分割開口部に仕切るように構成され、前記吹出し開口部に対向する側からみたときに前記隔壁の一部分が前記冷却孔の奥側に入り込むように構成されているため、前記冷却孔の出口付近における冷却空気の剥離現象の発生を阻止しつつ、前記吹出し開口部の拡がり角を、前記従来型の冷却タービン翼における前記吹出し開口部の拡がり角よりも少なくとも前記隔壁の一部分の前記拡がり方向の長さに対応した分だけ大きく設定することができる。

請求項４に記載の発明にあっては、請求項３に記載の発明特定事項の他に、各隔壁は、前記吹出し開口部の拡がり方向に対して直交する方向にそれぞれ延びていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明特定事項によると、請求項３に記載の発明特定事項による作用と同様の作用を奏する。

請求項１又は請求項２に記載の発明によれば、前記冷却孔の出口付近における冷却空気の剥離現象の発生を阻止しつつ、前記吹出し開口部の拡がり角を、前記従来型の冷却タービン部品における前記吹出し開口部の拡がり角よりも、少なくとも前記隔壁の一部分の前記拡がり方向の長さに対応した分だけ大きく設定できるため、前記部品本体の表面を広範囲に亘って覆う前記冷却空気フィルムを形成するのに必要な前記冷却孔の個数（前記冷却孔の必要個数）を減らして、前記冷却タービン部品の製造時間が短くして、前記冷却タービン部品の製造コストの低下を図ると共に、前記冷却孔の必要個数の減少に伴って冷却空気の使用量を減らして、前記ガスタービンエンジンのエンジン効率を向上させることができる。

請求項３又は請求項４に記載の発明によれば、前記冷却孔の出口付近における冷却空気の剥離現象の発生を阻止しつつ、前記吹出し開口部の拡がり角を、前記従来型の冷却タービン翼における前記吹出し開口部の拡がり角よりも、少なくとも前記隔壁の一部分の前記拡がり方向の長さに対応した分だけ大きく設定できるため、前記翼本体の表面を広範囲に亘って覆う前記冷却空気フィルムを形成するのに必要な前記冷却孔の個数（前記冷却孔の必要個数）を減らして、前記冷却タービン翼の製造時間が短くして、前記冷却タービン翼の製造コストの低下を図ると共に、前記冷却孔の必要個数の減少に伴って冷却空気の使用量を減らして、前記ガスタービンエンジンのエンジン効率を向上させることができる。

本発明の最良の形態について図１から図４を参照して説明する。

図１は、本発明の最良の形態の要部を示す斜視図であって、図２は、吹出し開口部に対向する側からみた図であって、図３は、図２におけるI-I線に沿った図であって、図４は、冷却タービン動翼を示す図であって、図５は、図４におけるII-II線に沿った図である。

図４及び図５に示すように、本発明の最良の形態に係わる冷却タービン動翼１は、航空機エンジン等のガスタービンエンジンにおけるタービン（図示省略）の部品の一つであって、フィルム冷却可能である。

冷却タービン動翼１は、部品本体としての翼本体３を具備しており、この翼本体３は、前記ガスタービンエンジンにおける燃焼器（図示省略）からの燃焼ガスによって回転力を得る翼部５と、この翼部５の基端側に一体に設けられたプラットホーム部７と、このプラットホーム部７に一体に設けられかつ前記タービンのタービンディスク（図示省略）のダブテール溝（図示省略）に嵌合可能なダブテール部９とからなっている。また、翼本体３は、内部に、前記ガスタービンエンジンにおける圧縮機（図示省略）又はファン（図示省略）から抽気された圧縮空気の一部が冷却空気ＣＡとして流入可能な冷却通路１１を有している。

図１から図３に示すように、翼部５の表面には、複数の冷却孔１３が放電加工によって形成されており、各冷却孔１３は、冷却通路１１にそれぞれ連通している。ここで、各冷却孔１３は、入口側に、冷却空気ＣＡを取入れ可能な取入れ開口部１５をそれぞれ有してあって、出口側に、冷却空気ＣＡを吹出し可能なスカート状に拡がった吹出し開口部１７をそれぞれ有している。また、各冷却孔１３は、吹出し開口部１７から吹出される冷却空気ＣＡが翼部５の表面を沿うように翼部の厚さ方向（図３において紙面に向かって上下方向）に対してそれぞれ傾斜している。更に、吹出し開口部１７は、図１明らかに示すように、翼部５の滑らかな表面と同一面上に位置してあって、各冷却孔１３の吹出し開口部１７側は、図３に明らかに示すように、翼部５の厚さ方向に対してテーパ状に拡がるように構成されている。

各冷却孔１３の出口側の底面には、隔壁１９がそれぞれ形成されており、各隔壁１９は、吹出し開口部１７の拡がり方向に対して直交する方向（図２において左右方向）にそれぞれ延びてあって、吹出し開口部１７を開口中心Ｃから２つの分割開口部１７ａ，１７ｂに仕切るように構成されている。また、吹出し開口部１７に対向する側（図２において紙面に向かって表側）からみたときに隔壁１９の一部分１９ａが冷却孔１３の奥側に入り込むように構成されている。なお、各隔壁１９の先端面は、翼部５の表面と同一平面上になっている。

次に、本発明の最良の形態の作用について説明する。

前記ガスタービンエンジンの稼動中に、前記圧縮機又は前記ファンから抽気された圧縮空気の一部が冷却空気ＣＡとして翼本体３の冷却通路１１に流入されると、冷却空気ＣＡが複数の取入れ開口部１５から複数の冷却孔１３内に取入れられて、複数の吹出し開口部１７から拡散して吹出される。そして、複数の吹出し開口部１７から吹出された冷却空気ＣＡは、翼部５の表面に沿って流れ、翼部５の表面を広範囲に亘って覆う冷却空気フィルムＣＦ（図５参照）が形成される。これによって、冷却タービン動翼１を翼本体３の内部から対流冷却する他に、フィルム冷却することができる（冷却タービン動翼１の冷却作用）。

また、各隔壁１９が吹出し開口部１７を開口中心Ｃから２つの分割開口部１７ａ，１７ｂに仕切るように構成され、吹出し開口部１７に対向する側からみたときに隔壁１９の一部分１９ａが冷却孔１３の奥側に入り込むように構成されているため、冷却孔１３の出口付近における冷却空気ＣＡの剥離現象の発生を阻止しつつ、吹出し開口部１７の拡がり角を、前記従来型の冷却タービン翼における前記吹出し開口部の拡がり角よりも少なくとも隔壁１９の一部分１９ａの前記拡がり方向の長さに対応した分だけ大きく設定することができる。

以上の如き、本発明の最良の形態によれば、冷却孔１３の出口付近における冷却空気ＣＡの剥離現象の発生を阻止しつつ、吹出し開口部１７の拡がり角を、前記従来型の冷却タービン翼における前記吹出し開口部の拡がり角よりも少なくとも隔壁１９の一部分１９ａの前記拡がり方向の長さに対応した分だけ大きく設定できるため、翼部５の表面を広範囲に亘って覆う冷却空気フィルムＣＦを形成するのに必要な冷却孔１３の個数（冷却孔１３の必要個数）を減らして、冷却タービン動翼１の製造時間が短くして、冷却タービン動翼１の製造コストの低下を図ると共に、冷却孔１３の必要個数の減少に伴って冷却空気ＣＡの使用量を減らして、前記ガスタービンエンジンのエンジン効率を向上させることができる。

なお、本発明は、前述の発明の最良の形態の説明に限るものではなく、適宜の変更を行うことにより、次のように、種々の態様で実施可能である。

即ち、各冷却孔１３の出口側の底面に形成された隔壁１９の個数を１個から２個に変更してもよい。また、冷却タービン動翼１に適用した冷却孔１３及び隔壁１９の構成を、冷却タービン静翼の一部（翼部、インナーバンド部、アウターバンド部）又はタービンシュラウドの一部について適用することも可能である。

本発明の最良の形態の要部を示す斜視図である。 吹出し開口部に対向する側からみた図である。 図２におけるI-I線に沿った図である。 冷却タービン動翼を示す図である。 図４におけるII-II線に沿った図である。

符号の説明

１ 冷却タービン動翼
３ 翼本体
１１ 冷却通路
１３ 冷却孔
１５ 取入れ開口部
１７ 吹出し開口部
１９ 隔壁

Claims (4)

1. ガスタービンエンジンにおけるタービンの部品の一つであって、フィルム冷却可能な冷却タービン部品において、
   部品本体と；
   前記部品本体の表面に形成され、入口側に前記ガスタービンエンジンにおける圧縮機又はファンから抽気された圧縮空気の一部を冷却空気として取入れ可能な取入れ開口部をそれぞれ有し、出口側に冷却空気を吹出し可能なスカート状に拡がった吹出し開口部をそれぞれ有し、前記吹出し開口部が前記部品本体の滑らかな表面と同一面上に位置してあって、前記吹出し開口部側が前記部品本体の厚さ方向に対してテーパ状に拡がるように構成され、前記吹出し開口部から吹出された冷却空気が前記部品本体の表面を沿って流れるように前記部品本体の厚さ方向に対してそれぞれ傾斜した複数の冷却孔と；
   各冷却孔の出口側の底面にそれぞれ形成され、前記吹出し開口部に対向する側からみたときに一部分が前記冷却孔の奥側に入り込むように構成されると共に、前記吹出し開口部を開口中心から２つの分割開口部に仕切るように構成され、先端面が前記部品本体の滑らかな表面と同一面上に位置した隔壁と；
   を具備してなることを特徴とする冷却タービン部品。
2. 各隔壁は、前記吹出し開口部の拡がり方向に対して直交する方向にそれぞれ延びていることを特徴とする請求項１に記載の冷却タービン部品。
3. ガスタービンエンジンにおけるタービンの部品の一つであって、フィルム冷却可能な冷却タービン翼において、
   内部に前記ガスタービンエンジンにおける圧縮機又はファンから抽気された圧縮空気の一部が冷却空気として流入可能な冷却通路を有した翼本体と；
   前記翼本体の表面に形成され、前記冷却通路にそれぞれ連通してあって、入口側に冷却空気を取入れ可能な取入れ開口部をそれぞれ有し、出口側に冷却空気を吹出し可能なスカート状に拡がった吹出し開口部をそれぞれ有し、前記吹出し開口部が前記翼本体の滑らかな表面と同一面上に位置してあって、前記吹出し開口部側が前記翼本体の厚さ方向に対してテーパ状に拡がるように構成され、前記吹出し開口部から吹出された冷却空気が前記翼本体の表面を沿って流れるように前記翼本体の厚さ方向に対してそれぞれ傾斜した複数の冷却孔と；
   各冷却孔の出口側の底面にそれぞれ形成され、前記吹出し開口部に対向する側からみたときに一部分が前記冷却孔の奥側に入り込むように構成されると共に、前記吹出し開口部を開口中心から２つの分割開口部に仕切るように構成され、先端面が前記翼本体の滑らかな表面と同一面上に位置した隔壁と；
   を具備してなることを特徴とする冷却タービン翼。
4. 各隔壁は、前記吹出し開口部の拡がり方向に対して直交する方向にそれぞれ延びていることを特徴とする請求項３に記載の冷却タービン翼。

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