JP4001795B2 - ガスタービンブレード冷却回路の改良 - 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、より高い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そのような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を介して排出される前に、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】
例示として、ブレードの前端と「衝突」するように、ブレードの基部から冷却空気が供給される、中央空洞を有するブレードを提供する方法が知られている。しかし、前記中央空洞は、ブレードの壁によってのみ高温ガスから隔離されるため、空洞に沿って通過する空気は、前端に近付くに従って加熱されてしまう。
【０００６】
米国特許第５７２０４３１号は、ブレードの凹側および凸側に配置された径方向空洞によって包囲された、中央空洞を備えるブレードを開示している。この文献は、さらに、径方向空洞を通る空気が、ほとんど加熱されず、また高温ガスに対して前端を保護する上でその効率をほとんど損失しないように、冷却空気が、中央空洞と径方向空洞との間を通過できるようにする連通オリフィスを提供している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は、そのようなブレードの前端の温度を制限するように、ガスタービンブレード、さらに詳細にはガスタービンブレードの冷却回路に対する改良を提案することにより、これらの欠点を緩和する方法を追求する。これにより、そのようなブレードの寿命が延長される結果になる。
【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。ブレードは、ブレードの凹面近くに径方向に延びる少なくとも１つの凹側空洞を備える少なくとも第１の冷却回路と、第１の冷却回路から独立し、ブレードの凸面近くに径方向に延びる少なくとも１つの凸側空洞を備える少なくとも第２の冷却回路と、第１および第２の冷却回路から独立した少なくとも１つの第３の冷却回路とを備え、該第３の冷却回路は、凹側空洞と凸側空洞との間のブレードの中央部分に配置された少なくとも１つの中央空洞と、ブレードの前端付近に配置される少なくとも１つの前縁空洞と、中央空洞および前端空洞に開口する連通オリフィスと、ブレードの前端を介して前端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】
ブレードの中央空洞を包囲する空洞の存在、および多数の空洞に独立な冷却回路の使用により、ブレードを、実質的に一定の方法で、その高さ全体に沿って保護することが可能になる。その結果、ブレードの前端が、より低い温度の冷却空気の恩恵を得る。
【００１０】
さらに、ブレードの中央部分において、ブレードの凸面および凹面の冷却が、２つの完全に独立した回路により行われることで、ブレードの凹側および凸側の温度を、２つの各回路の内部を移動する冷却空気の流量制御により、独立して制御することが可能になる。
【００１１】
さらに、前端付近に配置された空洞内では径方向の空気循環がない。冷却空気は、ブレードの前端に位置された出口オリフィスを介して燃焼ストリーム内に直接排出されるため、剪断流によって衝撃ジェットの作用が妨害されることを防ぐべく作用する。
【００１２】
本発明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。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、本発明の実施形態を構成する航空機エンジンのガスタービンのブレード１が、その中央部分において、互いに独立した第１および第２の冷却回路Ａ、Ｂをそれぞれ備えている状態が見られる。第１の回路Ａは、凹側に少なくとも１つの空洞を備え、好ましくは複数の空洞を備え、例えばブレード１の凹面１ａ近くに径方向に延びる３つの凹側空洞２ａ、２ｂ、および２ｃを備える。第２の冷却回路Ｂは、少なくとも１つの凸側空洞を備え、好ましくは複数の凸側空洞を備え、例えばブレードの凸面１ｂ近くに径方向に延びる４つの凸側空洞４ａから４ｄを備える。
【００１４】
これらの回路は、ブレード１の凹面と凸面の各々を、以下に詳細に説明する動作モードで、それぞれブレード１の凹面および凸面を冷却するべく作用する。
【００１５】
図２でより正確に示すように、吸気開口１４が、第１の冷却回路Ａに冷却空気を供給するために、ブレードの基部近くの凹側空洞２ａの径方向端部に設けられている。
【００１６】
第１の通路１６は、ブレードの先端に隣接する凹側空洞２ａの他方の径方向端部を、第２の凹側空洞２ｂの隣接する径方向端部と連通させる。さらに、第２の通路１８は、凹側空洞２ｂの他方の径方向端部を、第３の凹側空洞２ｃの隣接する径方向端部と連通させるために、ブレードの基部近くに設けられている。さらに、出口オリフィス２０が、前記凹側空洞２ｃ内に開口し、かつブレードの凹面１ａに開いている。
【００１７】
有利には、この第１の冷却回路Ａの凹側空洞２ａ、２ｂ、および２ｃは、ブレードの凹面に隣接する外壁に沿った熱伝達を増大し、一方ヘッド損失を低減するように、ブレードの凹面に隣接する外壁にバッフル４６を含む。
【００１８】
バッフルは、冷却空気の流れを横切って延びる、空洞壁に配置されたレリーフの部分形状である。そのため、バッフルは、空洞を通る空気の流れを妨害し、熱交換を増大するべく作用する。
【００１９】
第１の回路Ａとは独立して、第２の冷却回路Ｂが供給がされる。図３に示すように、第２の冷却回路Ｂは、有利には、４つの凸側空洞４ａ、４ｂ、４ｃ、および４ｄと、ブレードの基部に隣接する２つの凸側空洞４ａおよび４ｂの各径方向端部に、少なくとも２つの吸気開口２２ａおよび２２ｂを備えている。
【００２０】
さらに、第１の通路２４および第２の通路２６が、空洞４ａおよび４ｂの反対側の各径方向端部を、第３の凸側空洞４ｃの隣接する径方向端部と連通させる。第３の通路２８は、凸側空洞４ｃの反対側の径方向端部を、第４の凸側空洞４ｄの隣接する径方向端部と連通させる。
【００２１】
最後に、出口オリフィス３０が設けられ、前記凸側空洞４ｄに開口し、その前端付近でブレード１の凸面１ｃを介して開口している。
【００２２】
凸側空洞４ａから４ｄは、好ましくは、凸面に隣接する外壁に沿った熱伝達を向上するために、凸面に隣接する外壁にバッフル４４を含む。
【００２３】
有利には、第１の冷却回路Ａの凹側空洞２ａから２ｃと、第２の回路Ｂの凸側空洞４ａから４ｄは、内部熱伝達を増大するように、高いアスペクト比である。冷却空洞は、断面において、他の寸法（幅）よりも少なくとも３倍大きなある寸法（長さ）を呈する際に、高いアスペクト比を有するものと考えられる。
【００２４】
そのため、ブレードの凸面および凹面は、２つの異なる回路ＡとＢを使用することによって、完全に独立して冷却される。すなわち、１つの回路から他の回路へと流れる冷却空気はない。そのため、これら２つの各回路に沿って移動する空気の流れにより、ブレードの凹面および凸面の温度を独立して制御することが可能である。
【００２５】
さらに、第１の回路Ａと第２の回路Ｂとの間において、ブレード１は、他の２つの回路から独立している第３の冷却回路Ｃを備えている。この第３の冷却回路Ｃは、特に、凹側空洞２ａから２ｃと凸側空洞４ａから４ｄとの間のブレードの中央部分内に配置された少なくとも１つの中央空洞６を備える。滑らかな壁を有し、かつブレードの前端１ｃの付近に位置する前端空洞８は、連通オリフィス１０を介して中央空洞６と連通する。さらに、前端空洞８およびブレードの前端に開口した出口オリフィス１２も設けられている。
【００２６】
ブレードの前端１ｃは、中央空洞６を介して供給される衝撃ジェットによって冷却される。図４に示すように、中央空洞６と前端空洞８とは、有利には、細長い衝撃オリフィス１０を介して相互に連通している。これら細長いオリフィスの寸法パラメータ（長さ、幅、および径）は、前端壁１ｃに衝突する冷却空気による熱交換を最適化するように、回路の要件に応じて決定される。細長い形状は、鋭角を備えることを避け、回路の鋳造中にひび割れの危険を排除するべく作用する。
【００２７】
さらに、中央空洞に供給する冷却空気は、この空洞の衝撃オリフィスを介して、ブレードの前端のみに発せられる。そのため、この回路を通る流量は、ブレードの羽根の静圧領域とは無関係である。衝撃オリフィスを通過する流れの分布も、その高さにわたって一定である。
【００２８】
中央空洞６も、他の２つの回路ＡおよびＢの間に位置されることによって、高温ガスから保護され、中央空洞を通過する空気は、少しだけ加熱され、これにより、前端がより低い温度の冷却空気からの恩恵を得られる。
【００２９】
本発明のこの実施形態におけるブレードも、その後部に第４の冷却回路Ｄを備えている。この回路は、第１の冷却回路Ａ、第２の冷却回路Ｂ、および第３の冷却回路Ｃから独立している。これは、少なくとも１つの空洞によって構成され、また、好ましくは複数の空洞によって構成され、例えば、ブレード１の後部に配置された３つの空洞３２、３２’、３２’’で構成され、ブレードの基部近くの空洞３２の径方向端部に吸気開口（図示せず）と、空洞３２’’に開口し、ブレードの凹面１ａを通る出口オリフィス３６とを備える。
【００３０】
有利には、第４の冷却回路Ｄの空洞３２、３２’、３２’’は、ブレードの凹側壁および凸側壁に沿った熱伝達を向上するように、ブレードの凹側壁および凸側壁に互いに面して配置されたバッフル４８を含む。
【００３１】
最後に、他の４つの冷却回路ＡからＤとは独立している第５の冷却回路Ｅが、備えられる。この回路は、ブレード１の後端１ｄを冷却するべく作用する。
【００３２】
第５の冷却回路Ｅは、ブレードの後端１ｄ付近に配置された少なくとも１つの後端空洞３８と、この回路Ｅに冷却空気に供給を行うための、ブレードの基部に隣接する後端空洞の径方向端部に吸気開口（図示せず）と、後端空洞およびブレードの後端１ｄに開口した出口オリフィス４２とを備えている。
【００３３】
後端空洞３８は、好ましくは、同様に、ブレードの凹側壁および凸側壁に沿って熱伝達を向上するように、ブレードの凹側壁および凸側壁に互いに面して配置されたバッフルを含む。
【００３４】
ブレードを冷却する方法は、上述の説明から明らかであり、これについて、以下に、より詳細に図５を参照しながら簡略に説明する。
【００３５】
図５は、本発明のブレードの様々な冷却回路ＡからＥに沿って移動する冷却空気循環の線図である。これら５つの回路は、独自の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。
【００３６】
第１の冷却回路Ａに、凹側空洞２ａを介して冷却空気が供給される。次に、冷却空気は、ブレードの凹面を通り出口オリフィス２０を介して前記空洞から排出される前に、凹側空洞２ｂに沿って移動し、次に第３の凹側空洞２ｃに沿って移動する。
【００３７】
同時に、第２の冷却回路Ｂに、２つの凸側空洞４ａおよび４ｂを介して冷却空気が供給される。ブレードの先端における２つの偏向が、下方空洞４ｃを介してこの空気を戻す。その後、ブレードの凸面１ｂを通り、出口オリフィス３０を介して前記空洞から排出される前に、この空気は上方空洞４ｄに供給される。
【００３８】
第３の冷却回路Ｃについては、中央空洞６は、ブレードの基部から直接供給され、細長い衝撃オリフィス１０を介して前端空洞８に供給するべく作用する。出口オリフィス１２は、ブレードの前端１ｃを介して開口しているため、その冷却が可能である。
【００３９】
ブレード１の後部は、３つの空洞３２、３２’、および３２’’を備える第４の回路Ｄによって冷却される。図５に示すように、冷却空気が、空洞３２の１つに供給され、ブレードの先端の偏向によってこの空気が空洞３２’を介して戻り、その後、凹面を通り出口オリフィス３６から排出される前に、この空気は空洞３２’’に供給される。
【００４０】
最後に、ブレードの後端１ｄが、第５の冷却回路Ｅによって冷却され、この回路Ｅの後端空洞３８は、冷却空気を直接供給される。
【００４１】
上述した本発明は、多数の利点を提供し、特に、中央空洞を包囲する小型の空洞により、中央空洞を高温ガスから隔離することが可能になる。このような状況下で、中央空洞に沿って通る空気が、従来の技術においてよりもかなり低い程度に加熱され、従って、ブレードの先端部分が、より低い温度の冷却空気からの恩恵を得る。
【００４２】
さらに、ブレードの前端壁の温度は、より低いため寿命が伸び、特に露出される領域における、金属壁の酸化および熱バリアの剥がれ落ちに対するより優れた耐性が備わる。
【００４３】
ブレードの中央部分用の冷却回路では、バッフルが、空洞の外面のみに配置される。これらのバッフルは、まず、これらの仕切りを介した熱交換を増大させ、それによりブレードの外壁の温度レベルを低減させ、第２に、ヘッド損失の最適化したレベルから恩恵を得るよう作用する。
【００４４】
上述で述べたポイントにより、冷却流および温度レベルに関して、ブレードの高さにわたるブレードの前端の均一な冷却から恩恵を得ることが可能になる。従って、ブレードの前端を構成する金属の温度がより低いため、ブレードの寿命を延ばすことが可能になる。
【００４５】
当然ながら、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、あらゆる変形形態を含む。特に、このような冷却回路を、固定ブレードと移動ブレードの両方に設置することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を構成する、ガスタービンの移動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３】切断線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った図１の断面図である。
【図４】本発明によるブレードの中央空洞と前端空洞との間に間に配置された衝撃オリフィスの拡大図である。
【図５】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
１ｂ 凹面
１ｃ 凸面
１ｄ 後端
２ａ、２ｂ、２ｃ 凹側空洞
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ 凸側空洞
６ 第３の中央空洞
８ 前端空洞
１０ 細長い衝撃開口
１２、２０、３０、３６、４２ 出口オリフィス
１４、２２ａ、２２ｂ 吸気開口
１６ 第１の通路
１８、２４、２６ 第２の通路
２８ 第３の通路
３２、３２’、３２’’ 空洞
３８ 後端空洞
４４、４６、４８、５０ バッフル

Claims (12)

1. 航空機エンジン用のガスタービンブレード（１）であって、前記ブレードが、ブレードの凹面（１ａ）近くに径方向に延びる少なくとも１つの凹側空洞（２）を備える少なくとも第１の冷却回路（Ａ）と、該第１冷却回路（Ａ）からブレード内部において独立し、ブレードの凸面近くに径方向に延びる少なくとも１つの凸側空洞（４）を備える少なくとも第２の冷却回路（Ｂ）と、前記第１および第２冷却回路からブレード内部において独立する少なくとも１つの第３の冷却回路（Ｃ）とを備え、該第３の冷却回路（Ｃ）が、凹側空洞（２）と凸側空洞（４）との間のブレードの中央部分に配置された少なくとも１つの中央空洞（６）と、ブレードの前端（１ｃ）付近に配置された少なくとも１つの前縁空洞（８）と、中央空洞および前端空洞に開口する連通オリフィスと、ブレードの前端（１ｃ）を通して前端空洞内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ブレード。
2. 第１の冷却回路（Ａ）が、少なくとも３つの凹側空洞（２ａ、２ｂ、２ｃ）と、第１の冷却回路（Ａ）に冷却空気を供給するための、第１の凹側空洞（２ａ）の一方の径方向端部の少なくとも１つの吸気開口（１４）と、第１の凹側空洞の他方の径方向端部を、凹側空洞（２ｂ）の隣接する径方向端部と連通させる第１の通路（１６）と、第２の凹側空洞の他方の径方向端部を、第３の凹側空洞（２ｃ）の隣接する径方向端部と連通させる第２の通路（１８）と、ブレードの凹面（１ａ）を介して第３の径方向空洞に開口する出口オリフィス（２０）とを備えていることを特徴とする、請求項１に記載のブレード。
3. 第２の冷却回路（Ｂ）が、少なくとも４つの凸側空洞（４ａから４ｄ）と、第２の冷却回路（Ｂ）に冷却空気を供給するための、第１および第２の凸側空洞（４ａ、４ｂ）の径方向端部の少なくとも２つの吸気開口（２２ａ、２２ｂ）と、それぞれ第１および第２の凸側空洞の他方の径方向端部を、第３の凸側空洞（４ｃ）の隣接する径方向端部とそれぞれ連通させる第１および第２の通路（２４、２６）と、第３の凸側空洞の他方の径方向端部を、第４の凸側空洞（４ｄ）の隣接する径方向端部と連通させる第３の通路（２８）と、ブレードの凸面（１ｂ）を通して、第４の凸側空洞に開口した出口オリフィス（３０）とを備えることを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載のブレード。
4. 第１、第２、および第３の冷却回路からブレード内部において独立した少なくとも１つの追加の第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）の後部に配置された少なくとも１つの空洞（３２）と、第４の冷却回路（Ｄ）に供給するための、空洞（３２）の径方向端部の吸気開口と、ブレードの凹面（１ａ）を通して、前記空洞に開口した出口オリフィス（３６）とを備えていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のブレード。
5. 第４の冷却回路（Ｄ）の空洞（３２）が、前記空洞の凹側壁および凸側壁に沿った熱伝達を向上するように、前記空洞の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（４８）を含むことを特徴とする、請求項４に記載のブレード。
6. 第１、第２、第３、および第４の冷却回路からブレード内部において独立した少なくとも１つの追加の第５の冷却回路（Ｅ）をさらに備え、該第５の冷却回路（Ｅ）が、ブレード（１）の後端（１ｄ）の付近に配置された少なくとも１つの空洞（３８）と、第５の冷却回路（Ｅ）に供給するために後端空洞の径方向端部に開口した吸気開口と、ブレードの後端（１ｄ）を通して、前記後端空洞に開口する出口オリフィス（４２）とを備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のブレード。
7. 後端空洞（３８）が、凹側壁および凸側壁に沿った熱伝達を向上するように、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（５０）を含むことを特徴とする、請求項６に記載のブレード。
8. 第１の冷却回路（Ａ）の凹側空洞（２）と、第２の冷却回路（Ｂ）の凸側空洞（４）とが、内部熱伝達を向上するように高い、断面における幅に対する長さのアスペクト比であ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２の冷却回路（Ｂ）の凸側空洞（４）が、外側凸側壁に沿った熱伝達を向上するように、外側凸側壁上にバッフル（４４）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）の凹側空洞（２）が、凹面近くの外壁に沿った熱伝達を増大し、一方ヘッド損失を低減するように、凹面近くの外部壁上にバッフル（４６）を含むことを特徴とする、請求項２から９のいずれか一項に記載のブレード。
11. 請求項１から１０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。
12. 請求項１から１０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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