JP4094010B2 - 扇形後縁涙滴配列 - Google Patents

Description

本発明は、空力性能および熱的性能を向上させるための扇形後縁涙滴配列を有するタービンエンジン部材に関する。

（政府権益の陳述）
米国政府は、海軍省により与えられた契約第Ｎ０００１９−０２−Ｃ−３００３号の結果として本発明に権利を有し得る。

タービンブレードの多くは、内部冷却通路を有する。しばしば、最後部の冷却通路内の流体がブレードの外部に排出される。そのような冷却剤排出システムの一つは、アンセルミ（Ａｎｓｅｌｍｉ）らに付与された米国特許第５，５０３，５２９号に示されている。別のそのようなブレードは、レディ（Ｒｅｄｄｙ）に付与された米国特許第６，１６４，９１３号に示されている。
米国特許第５，５０３，５２９号明細書 米国特許第６，１６４，９１３号明細書

アンセルミ（Ａｎｓｅｌｍｉ）らの特許には、角度の付いた排出スロットを有するタービンブレードが示されている。排出スロットは、エーロフォイル側壁の一つに形成される。スロットに隣接して、流体を後方に向けるための複数のテーパ付きリブが存在する。冷却剤通路内の流れがスロットの一つに流入するために、この流れは９０度を超えて方向を変える必要がある。その結果、アンセルミ（Ａｎｓｅｌｍｉ）らのブレードは熱的性能が不十分である。

レディ（Ｒｅｄｄｙ）のブレードは、アンセルミ（Ａｎｓｅｌｍｉ）らのブレードに構成が類似している。レディ（Ｒｅｄｄｙ）では、排出スロットは、後縁に直ぐに隣接するカラム内に配置されたトラフ（ｔｒｏｕｇｈ）内へ排出される冷却剤流体を空にする。トラフのカラムは、ブレードの圧力側壁内に配置される。各トラフは、後縁への下流のトラフを融合させるように、深さが低減している側壁を有する。さらに、各トラフの側壁は、スロットから排出される冷却剤を分散させるように、径方向に発散している。このブレードも不十分な熱的性能を欠点として持っている。

タービン用途では、タービンブレードのエーロフォイル部分内のフィルム孔と後縁出口を通って流れる冷却剤空気は、ガス経路と混合して自由流れ速度へと冷却剤を加速する冷却剤噴射に起因して、効率の損失をもたらす。自由流れガス経路と冷却剤噴射との間の角度が大きくなればなるほど、効率の損失も大きくなる。涙滴構成が当業技術内で知られているけれども、それらは従来、ガス経路流線角にかかわらず軸方向に構成されていた。

本発明の目的は、全体のタービン混合効率を向上させるとともに付加的な混合損失を最小限に抑える、冷却剤噴射スロット形状部を非軸方向エーロフォイル表面流線と同心にすることによって低減された気体混合損失を有する、タービンエンジン部材を提供することである。

本発明のさらなる目的は、噴射された冷却材流れと、主流ガスの流線方向との間の相対的な拡散角の低減の結果として向上された熱的性能を有するタービンエンジン部材を提供することである。

本発明のなおさらなる目的は、向上された後縁スロットフィルム効果と、向上された内部性能とを提供することである。

上述の目的は、本発明によって達成される。

本発明に従うと、ガスタービンエンジン内で使用するための部材が提供される。部材は一般に、後縁を有するエーロフォイル部分と、噴射された冷却剤流れとエーロフォイル部分を横切る流体の流線方向との間の相対的な拡散角を低減することによって部材の熱的性能を最大化する手段と、を備える。部材は、限定される訳ではないがブレードおよびベーンを含むさまざまなタービンエンジン部材とすることができる。

扇形後縁涙滴配列の他の詳細ばかりでなく、それに付随する他の目的および利点が、以下の詳細な説明と、同様の参照符号が同様の部材を図示する添付の図面とに述べられる。

図１をここで参照すると、ガスタービンエンジンに使用される部材１０が示される。部材１０は、タービンブレードまたはベーンとすることができる。部材１０は、前縁１４と、非線形（ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒ）の、好ましくは弓形形状の後縁１６とを有するエーロフォイル部分１２を備える。部材１０の内部には、冷却通路１８、２０、２２、および２４が存在する。また部材１０の内部には、冷却流体を受け取るための入口２８を有する後縁冷却通路２６が存在する。

複数の冷却流体噴射スロット３０が、部材１０の後縁領域に配置される。噴射スロット３０は、離間した涙滴形状アッセンブリ３２の非線形の、好ましくは弓形の配列によって形成される。各涙滴形状アッセンブリ３２は好ましくは、弓形形状の前縁３４と、前縁３４から外側に延在する平坦部分３６および３８と、平坦部分３６および３８から後縁４４へと延在するテーパ付きで角度の付いた部分４０および４２とを有する。平坦部分３６および３８の範囲は、スロット３０を通過する流れに依存する。所望ならば、平坦部分３６および３８は省略できる。各涙滴形状アッセンブリ３２は、長手方向中心軸線４６を有する。噴射スロット３０は、ガス経路自由流れを模擬する扇形の冷却剤流れを生成するように設計される（図１および図３を参照のこと）。

冷却通路２６は、冷却流体が通って通路２６から排出される複数の出口５０を有する。出口５０も、非線形の、好ましくは弓形の配列に配置される。個々の各出口５０は、弓形形状の壁５３および５５の一つに配置された一対の離間したリブ５２および５４によって形成される。各冷却流体出口５０は、好ましくは一つの涙滴形状アッセンブリ３２の長手方向軸線４６と同心にされる、中心軸線５６を有する。

出口５０と涙滴形状アッセンブリとの中間に、複数の流路６２を形成する複数のペデスタル（ｐｅｄｅｓｔａｌ）６０が存在する。図１および図２から理解できるように、ペデスタル６０は、翼幅方向に密度が変化している。ペデスタル６０は、出口５０のうちの一つから排出される流れがペデスタル６０のうちの一つの上に直接衝突するように、構成される。ペデスタル６０によって形成される流路６２は好ましくは、噴射スロット３０と軸方向に同心にされる。さらに図２から理解できるように、複数のペデスタル６０が、涙滴形状アッセンブリ３２の長手方向中心軸線４６と一致する軸線に沿って同心にされ得る。

上述した構造を提供することで、冷却剤噴射スロット３０を非軸方向エーロフォイル表面流線と同心にすることによって気体混合損失を低減することができる。これは、全体のタービン混合効率を向上させ、また、軸方向に同心にされた涙滴部で生じる付加的な混合損失を最小限に抑える。

さらに、上述した構造は、噴射された冷却剤流れと主流流体の流線方向との間の相対的な拡散角を低減することで、熱的性能を最大化する。冷却剤と主流流体の流れとの間の相対的な角度の低減によって、涙滴ディフューザから離れる流れの可能性が最小限に抑えられる。後縁涙滴形状部から離れる流れは、後縁領域の早期の酸化に繋がる可能性があり、タービン効率、性能およびエーロフォイル寿命の低減が加速される結果となる。

本発明の構成はさらに、非軸方向後縁涙滴形状部から離れない流れから生じる後縁スロットフィルム効果を最適化するものであり、これは、向上された熱的性能となる後縁断熱フィルム効果を増大させかつ吸引側リップ金属温度を低下させる。

後縁涙滴形状部を上流の冷却剤流れ区域の方向と同心にすることによる本発明の構成によって、所定の後縁スロット形状寸法および流れ領域に対して後縁回路の全体の流量（ｆｌｏｗ ｃａｐａｃｉｔｙ）の低下となる後縁涙滴形状部からの内部流れ分離および付加的圧力損失の可能性が最小限に抑えられる。流量の低下は、後縁構成の全体の熱的性能に不利に影響し得るものであり、その冷却の可能性が、Ｐ_供給からＰ_静止ダンプ（ｄｕｍｐ）への一定の作動圧力比に対して低減される。

本発明の非軸方向涙滴形状部は、隣接する涙滴形状部間の必要とされる喉部計量長さを最小限に抑えることによって、セラミックコアの生産性を向上させる。後縁スロット流れを正確に制御するように効果的な計量長さが確立されるのが重要なので、スロット流体直径に基づく最小スロット長さが必要となる。局所後縁の軸方向湾曲および曲率を仮定して、十分に発達した流れを確立するのに必要とされる必要計量長さを最小限に抑えるように上述したような涙滴形状部を配置するのが有利である。その際に、全体の涙滴長さは低減することができ、大幅に後縁涙滴形状部の慣性モーメント特性が向上されまた後縁コアの全体の剛性および生産性が向上される。

図１および図２に示すように本発明の涙滴形状アッセンブリを、図３に示す自由流れに適合するように扇形にすることで、効率損失を大幅に低減できる。

本発明に従って、上述した目的、手段、および利点を十分に満足する扇形後縁涙滴配列が提供されたことは明らかである。本発明は、その特定の実施態様の文脈において説明したが、他の代替例、変更例、および変形例が、上述の説明を読んだ当業者には明らかとなるであろう。従って、添付の特許請求の範囲に含まれるように、これらの代替例、変更例、および変形例を含むことが意図されている。

本発明に従うタービンエンジン部材を示す図である。 本発明の扇形後縁涙滴配列を示す、図１のタービンエンジン部材の後縁部分の拡大図である。 ガス経路自由流線を示す図である。

符号の説明

１０…部材
１２…エーロフォイル部分
１４…前縁
１６…後縁
１８、２０、２２、２４…冷却通路
２６…後縁冷却通路
２８…入口
３０…冷却流体噴射スロット
３２…液滴形状アッセンブリ
３４…前縁
３６、３８…平坦部分
４４…後縁
４６…長手方向中心軸線
５０…出口
５３、５５…壁
５２、５４…リブ
５６…中心軸線
６０…ペデスタル
６２…流路

Claims (11)

1. 後縁を有するエーロフォイル部分と、
   噴射された冷却剤流れとエーロフォイル部分を横切る流体の流線方向との間の相対的な拡散角を低減することによって部材の熱的性能を最大化する手段と、
   を備えた、ガスタービンエンジンに使用するための部材であって、
   前記の最大化する手段は、後縁に隣接して配置される涙滴形状アッセンブリの非線形の配列を備えており、この涙滴形状アッセンブリは、エーロフォイル部分を横切る流体の中へ扇形の冷却剤流れを噴射するための複数の噴射スロットを形成し、
   前記部材は、離間した複数のリブにより形成された複数の冷却剤出口を有する冷却剤通路をさらに備えており、各涙滴形状アッセンブリは、長手方向中心軸線を有し、この長手方向中心軸線は、二つの離間したリブにより形成された各冷却剤出口の軸線と同心にされることを特徴とするガスタービンエンジンに使用するための部材。
2. 前記非線形の配列は、涙滴形状アッセンブリの弓形の配列を備え、各涙滴形状アッセンブリは、弓形の前縁と、この前縁に隣接する二つの平坦部分と、これらの平坦部分におよび互いに接続された二つの角度の付いた部分とを有することを特徴とする請求項１記載の部材。
3. 前記部材は、冷却剤通路と後縁との中間にペデスタル配列をさらに備えており、このペデスタル配列は、翼幅方向に変化している密度を有することを特徴とする請求項１記載の部材。
4. 各冷却剤出口は、ペデスタル配列内のペデスタルの一つと同心にされており、それによって、冷却剤出口から排出される冷却剤流体がこの一つのペデスタルに衝突することを特徴とする請求項３記載の部材。
5. 前記ペデスタル配列は、冷却剤出口と涙滴形状アッセンブリにより形成された噴射スロットとの間に延在する複数の流体通路を画成する複数のペデスタルを備えることを特徴とする請求項３記載の部材。
6. 前記ペデスタル配列により形成された各流体通路は、互いに隣接する涙滴アッセンブリにより形成された冷却剤噴射スロットとほぼ同心にされることを特徴とする請求項５記載の部材。
7. 前記ペデスタル配列内の複数のペデスタルの少なくとも一つは、涙滴形状アッセンブリの長手方向中心軸線と一致する軸線に沿って同心にされることを特徴とする請求項５記載の部材。
8. 前記ペデスタル配列内の複数のペデスタルが、涙滴形状アッセンブリの長手方向中心軸線と一致する軸線に沿って同心にされることを特徴とする請求項５記載の部材。
9. 前記後縁は非線形であることを特徴とする請求項１記載の部材。
10. 前記後縁は弓形形状であることを特徴とする請求項１記載の部材。
11. 前記部材は、ガスタービンエンジンに使用するためのブレードまたはベーンであることを特徴とする請求項１記載の部材。

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