JP4100916B2 - ノズルフィレットの背面冷却 - Google Patents

Description

【０００１】
本出願は、２０００年６月２７日に出願し現在係属中である、米国特許出願第０９／６０４，１２７号（対応出願、特願２００１ー１９２１１２号）に関連する。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、そのタービンノズルに関する。
【０００３】
【発明の背景】
ガスタービンエンジンにおいては、空気が圧縮機中で加圧され、燃焼器中で燃料と混合されて、高温の燃焼ガスを発生し、その燃焼ガスがタービン段を通して下流に流れ、燃焼ガスからエネルギーが取り出される。燃焼器の直近の下流に配置された高圧タービンは、環状のステータノズルを含み、該ステータノズルはロータディスクから外方に延びるロータ翼の対応する列に向かって燃焼ガスを導く。
【０００４】
タービンノズルは、運転中にノズルが膨張及び収縮する時に、その中の熱応力を減少させるために弧状のセグメントで形成される。各ノズルセグメントは、一般的に外側及び内側の弧状バンドセグメントに固定結合された一対のステータ翼を含む。このノズル羽根は高温燃焼ガスに直接曝されるので、ノズル羽根及びそのバンドは一般に高温で強度を維持する超合金で形成される。
【０００５】
１つの通常の形態においては、単一の羽根が外側及び内側バンドセグメントと一体鋳造されて鋳物シングレットを形成し、羽根付きの２つのシングレットが軸方向分割ラインにおいて互いに組立てられろう付けされて、２つ羽根のノズルセグメントを形成する。ろう付けは、超合金ノズル材料の高強度性能を劣化させることなく、強い接合をもたらす。
【０００６】
エンジン運転中には、ノズルは、圧縮機空気の一部を中空の羽根の内部にその内部冷却のために流すことにより高温燃焼ガスから保護され、空気は羽根の１つまたは両方の側壁を貫通して延びるフィルム冷却孔の列を通して吐出される。羽根は薄い後縁に向って先細になる翼形部形状を有するので、後縁を通して冷却空気のいくらかを吐出して羽根の薄い後縁領域を冷却するために、後縁開口の列が設けられる。
【０００７】
１つの例示的な設計では、各羽根は、前縁の背後で半径方向に延びる前部空洞と、羽根の前部空洞及び後縁領域の間で羽根の中央翼弦領域に配置された第２の半径方向に延びる後部空洞とを備える。この２つの空洞は、２つの冷却回路を互いに隔離するための内部の無孔橋絡部により分離される。
【０００８】
前部空洞は、内側バンドを貫通する入口を含み、外側バンドで閉じられ、その中に冷却空気を独立して流し、羽根の前縁領域の周りのフィルム冷却孔から吐出する。
【０００９】
後部空洞は、外側バンドを貫通する入口を有し、内側バンドで閉じられ、その中に冷却空気を独立して受入れ、その冷却空気は羽根側壁のフィルム冷却孔を通して吐出されると同時に後縁開口を通して吐出される。
【００１０】
羽根の両側根元端部の対応する空洞入口を除いては、羽根根元は、中実または無孔であり、そこにおいて羽根根元は対応するフィレット位置でバンドに結合される。各羽根の薄い後縁領域は、後部空洞を後縁開口のうちの対応する開口に結合する軸方向に延びる内側寄りスロットの列により冷却される。
【００１１】
後縁開口は、一般的にそれらの内部流路に軸方向に整合させて、対応するバンドから内側寄りに間隔を置いて配置される。従って、各後縁開口は、一般的に冷却空気の相当する部分をそれを通して流し、バンドとのフィレット接合面を含む接合面までの羽根の後縁領域を冷却するのに十分な流れ面積を備えるような寸法に作られる。
【００１２】
この例示的な設計のタービンノズルは、米国の民間業務において長年航空機のガスタービンエンジンの第１段タービンノズルで成功裏に用いられてきた。しかしながら、羽根の後縁領域におけるフィレットは、長期にわたる使用の間に酸化及び亀裂を受けやすく、このことがタービンノズルの有効寿命を制限するということが経験により明らかになってきた。酸化は、この局部領域においてフィレットが受ける比較的高い温度によるものである。
【００１３】
後縁開口の大きさは運転中の最大許容応力により制限を受けるので、後縁開口の冷却能力が使用限界となる。
【００１４】
従って、羽根の後縁領域のフィレットの冷却が改良され、その酸化を減らし、タービンノズルの有効寿命を改善したタービンノズルを提供することが望まれている。
【特許文献１】
特開平０８−１７７４０６号公報
【００１５】
【発明の概要】
ノズル羽根は、後縁開口及び中央翼弦空洞と流体連通するように結合された協働する内側寄りスロットの列を含む。外側寄りスロットは、内側寄りスロットのうちのそれぞれの最終スロットから外方に間隔を置いて、かつ後縁開口のうちのそれぞれの最終開口から外側寄りに配置される。外側寄りスロットは、羽根及び支持バンドの間のフィレットの背後に延び、フィレットを効果的に背面冷却する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明を、好ましくかつ例示的な実施形態に従って、添付の図面に関連させた以下の詳細な説明において、そのさらなる目的及び利点と共により具体的に説明する。
【００１７】
図１に示すのは、ターボファン航空機ガスタービンエンジンの燃焼器（図示せず）から直近の下流に配置された高圧タービンの軸対称の第１段タービンノズル１０の一部分である。運転中に、高温燃焼ガス１２が、燃焼器から吐出され、ノズル１０を通って流れ、ノズルがそのガスをそれによって駆動されるロータディスクの周辺から外方に延びるタービンロータ翼（図示せず）の間に向ける。
【００１８】
ノズルは、弧状の外側及び内側バンド１４、１６を含み、これらバンドは一対の中空の羽根１８とそれらの間の対応する弧状のフィレット２０において一体鋳造される。好ましくは、単一の羽根が、その両側根元端部において外側及び内側バンドの対応する部分と単体シングレットに一体鋳造される。次に２つのシングレット羽根１８が対応する軸方向分割ライン２２において互いにろう付けされて、一体の２つ羽根のノズルセグメントを形成する。通常、セグメントは、セグメント化された全周リング状に互いに結合されて、環状ノズルを形成する。
【００１９】
羽根は、円周方向に互いに離して間隔を置いて配置され、バンド間で半径方向に延びる。各羽根は、その両端に半径方向外側及び半径方向内側根元を有し、この根元においてフィレット２０が運転中に高温燃焼ガスに曝される。
【００２０】
図１に示すように、羽根１８の各々は、全体として凹面の第１側壁すなわち正圧側壁２４、並びに全体として凸面で、２つのバンドの間で羽根のスパンに沿って半径方向に延びる翼弦方向に対向する前縁及び後縁２８、３０で互いに結合された第２側壁すなわち負圧側壁２６を備える翼形部輪郭を有する。
【００２１】
図１及び図２に示すように、各羽根は、後縁開口３２の列と、中央翼弦空洞３６と流体連通して羽根の後縁領域の内側に延びる協働する内側寄りの軸方向のチャンネルすなわちスロット３４の列とを含む。内側寄りスロット３４は、両方のバンド１４、１６間で高温燃焼ガスに直接曝される羽根側壁の背後に半径方向内側寄りに配置される。
【００２２】
外側及び内側の羽根根元は、エンジンの圧縮機（図示せず）から抽気される加圧された冷却空気４０を受入れるための外側根元及び外側バンドを貫通して延びる、中央翼弦空洞３６の外側入口を除いて、後縁３０と中央翼弦空洞３６の間は無孔または中実である。
【００２３】
図２に示すように、内部の内側寄りスロット３４は、羽根の対向する側壁を橋絡する対応する半径方向に間隔を置いて配置された軸方向リブ４０により画定される。内側寄りスロットは、半径方向の列になって延び、中央翼弦空洞３６においてそこから冷却空気を受入れるための対応する入口を有し、その後、冷却空気は羽根の後縁領域を通して軸方向後方に流れ、対応する後縁開口３２を通して吐出される。
【００２４】
空洞３６は、半径方向に間隔を置いて配置された軸方向に延びる隔離リブを含み、このリブにより慣用のインピンジメント板を中心位置合わせすることができる。個々の内側寄りスロット３４は、翼弦方向に間隔を置いて配置された半径方向に延びるタービュレータを含み、中央翼弦空洞から吐出される使用済みインピンジメント空気により羽根の内部冷却を増進する。
【００２５】
タービュレータは、慣用のものであり、羽根の内側表面から部分的に内方に延びる細長いリブとして構成され、その上を冷却空気が流れるとき冷却空気に渦流を与える。このようにして、中央翼弦空洞３６及び内側寄りスロット３４の列は、その中央翼弦領域から下流の後縁まで羽根の効果的な内部冷却を行ない、冷却空気は後縁から後縁開口３２を通して吐出される。
【００２６】
図１に示すように、羽根の両方の側壁は、中央翼弦空洞３６及び内側寄りスロット３４と流体連通し、側壁を貫通して延びる慣用のフィルム冷却孔４４を含み、例えば、それから冷却空気を吐出し、羽根の露出した外側表面上に冷却空気の保護フィルムを作ることができる。
【００２７】
図１に最初に示したように、後縁開口３２は、２つのバンドの内側表面から内側寄りに間隔を置いて、かつフィレット２０から離して配置される。各羽根が、それぞれ外側及び内側バンド並びにそこにおける対応するフィレット２０に近接するその最も外側寄り開口である一対の後縁終端開口つまり最終開口３２ａを含むことを、図２はより詳細に示している。
【００２８】
図２に示すように、本発明の好ましい実施形態によると、各羽根は、各羽根のそれぞれの両側根元端部において最終後縁開口のうちの対応する開口と協働する一対の外側寄りチャンネルすなわちスロット４６をさらに含み、外側及び内側バンドの両方においてフィレット２０を背面冷却する。外側寄りスロット４６は、内側寄りスロット３４と類似であり、それぞれの最終開口３２ａと共通の中央翼弦空洞３６との間を流体連通して軸方向に延びる。
【００２９】
外側寄りスロット４６は、バンドの露出した内側表面の下方であって、かつ図２に仮想線で示す対応するフィレット２０の背後において、それがなければ中実である羽根根元を少なくとも部分的に貫いて延びる。このように、中央翼弦空洞３６からの冷却空気３８は、羽根の薄い後縁領域内のフィレットのすぐ背後を流れて、最終開口３２ａから吐出されることができる。従って、この局部区域内のフィレットは、追加して冷却され、その酸化を減少または防止され、タービンノズルの有効寿命をさらに改善する。
【００３０】
図３に示すように、羽根側壁２４、２６は、間隔を置いて配置されて、それを貫通する内部流路を画定し、その両側の根元端部における外側寄りスロット４６は、両方の側壁の間に延びて、羽根後縁の近傍の両方の側壁に沿う対応するフィレット２０を背面冷却する。
【００３１】
図２に示すように、両方の外側寄りスロット４６は、中央翼弦空洞３６から後縁３０に向かってほぼ真っ直ぐに延び、その後方端で局部的に屈曲するかまたは曲がり、対応するフィレット２０の背後を越えて、対応する最終後縁開口３２ａで終わることが好ましい。このように、フィレットは、中央翼弦空洞から後方へ後縁開口３２ａまで背面冷却され、冷却空気はその後後縁開口から吐出される。
【００３２】
図１に示す例示的な実施形態において、後縁開口３２は、後縁自体の僅かに前方に設置され、羽根の正圧側面を貫通するが、羽根の負圧側面は依然として無孔のままである。羽根のこの後縁領域は、空気力学的に薄いが、外側寄りスロット４６は、冷却空気がそれを通して流されて最終開口から吐出されるので、フィレットに効果的な背面冷却を施す。
【００３３】
図２に示すように、内側寄りスロット３４の列または群が、冷却空気を中央翼弦空洞３６から軸方向後方に流し、後縁開口３２のうちのそれぞれの開口から吐出して、２つのバンドの半径方向の間で各羽根の薄い後縁領域を冷却する。一対の外側寄りスロット４６は、中央翼弦空洞３６と最終後縁開口３２ａのうちの対応する開口との間で軸方向に流体連通するように同様に配置され、フィレット２０のそれぞれの部分の背後の対応する羽根根元中に追加の冷却を施す。
【００３４】
上述のように、最終後縁開口３２ａは、対応する外側及び内側バンドにおけるフィレット２０から適当に間隔を置いて配置される。従って、外側寄りスロット４６の各々は、内側寄りスロット３４のうちの隣接するまたは外側寄りの最終スロットと共通に、最終開口３２ａのうちの対応する開口で終わるのが好ましい。このように、各外側寄りスロット４６を通して流れる冷却空気は、隣接する内側寄りスロット３４を通して流れる空気と合流して、共通の最終開口３２ａを通して吐出される。
【００３５】
しかしながら、各後縁開口３２、３２ａは、所望の吐出量で冷却空気を吐出するような大きさに特別に作られる。最終開口３２ａの大きさは、羽根に掛かる応力限界によりそれに応じて制限される可能性があり、それ専用の内側寄りスロット及び追加の外側寄りスロット４６の両方から空気を吐出するには不十分となる可能性がある。
【００３６】
従って、羽根１８の各々は、図２及び図３に示すように、外側寄りスロット４６のうちの対応するスロットと流体連通し、一方または両方の側壁２４、２６を貫通して延びる１つ又はそれ以上の側面開口つまり出口４８をさらに含み、この出口から追加して冷却空気を吐出することができる。
【００３７】
図３に示すように、側面出口４８は、正圧側壁２４上のフィレット２０の下方の各外側寄りスロット４６で始まり、対応するフィレットから側壁を出て、フィレットを直接冷却するのが好ましい。側面出口４８は、必要に応じて、外側及び内側バンドの両方において両羽根側壁２４、２６を貫通して配置することができるが、負圧側壁上での方がより大きいノズル効率損失を最小限にするために、側面出口は正圧側壁においてのみ用いられるのが好ましい。
【００３８】
従って、各フィレット２０は、バンドに凹設された外側寄りスロット４６により背面冷却され、側面出口４８を通して内部冷却され、側面出口から吐出される空気によってフィルム冷却されることができる。
【００３９】
側面出口４８の数及び特定の位置は、各設計用途について、そこでのフィレットの冷却を強化するために、外側寄りスロット４６を通しての適当な流量を保証するように決定することができる。図２に示す好ましい実施形態において、側面出口４８は、各側壁に沿うフィレット位置に対をなして配置される。出口は、翼弦方向に互いに間隔をおいて配置されて、フィレットの後縁部分に沿ってより連続したフィルム冷却をもたらす。
【００４０】
図２に示すように、タービンノズル１０は、鋳造によるなどの慣用の方法で、羽根１８と外側及び内側バンドセグメントを最初に形成することにより製造することができる。個々の羽根１８の内部の形状の全てが、外側バンド入口を備える中央翼弦空洞３６と後縁開口３２を通して冷却空気を吐出する協働する軸方向スロット３４、４６とを含むように羽根１８を適当に鋳造することにより形成することが可能である。
【００４１】
典型的な第１段高圧タービンノズル構成において、各羽根１８はまた、内側バンド１６を貫通して冷却空気３８を受入れる下部入口を有する半径方向に延びる前部空洞５０を含むことが好ましい。外側バンド１４は、前部空洞５０では中実または無孔である。また、前部空洞５０及び前部空洞に対して後方にある中央翼弦空洞３６は、羽根の２つの側面の間に延びる一体の無孔橋絡部により互いに分離されて、独立した冷却回路を構成する。前部空洞５０は、各羽根の前縁部分を冷却することが可能な、別のインピンジメント板を含む何れかの慣用方法で構成され、冷却空気は、慣用の方法で追加のフィルム冷却孔４４の様々な列を通して吐出される。
【００４２】
従って、図２に示す羽根１８は、内側寄り及び外側寄りスロット３４、４６を含むその全ての所望の内部冷却形状を形成するように、最初に鋳造することが可能である。一般的に、後縁開口３２、３２ａはまた鋳造工程で形成でき、あるいは鋳造後に別の方法で形成されるかまたはドリル加工されることができる。フィルム冷却孔４４及び側面出口４８は、使用する場合には、そのときにはいかなる慣用の方法ででも鋳造された羽根を貫通して適当にドリル加工することが可能である。
【００４３】
図１に示す最終的に得られるタービンノズル１０は、その時、原機タービンノズルの全ての利点を享受するが、現在はその中に追加の外側寄りスロットを備えており、中央翼弦空洞３６と後縁開口との間のフィレット２０の背面冷却を向上させる。従って、最終的に得られるタービンノズルは、この領域のフィレットの酸化を減少または無くすことにより、有効寿命及び耐久性の向上を享受するであろう。
【００４４】
本発明の好ましくかつ例示的な実施形態であると考えられるものを本明細書に説明してきたが、本発明の他の変形形態が、当業者には本明細書の教示から明白であるはずであり、従って、本発明の技術思想及び技術的範囲内にある全てのかかる変形形態は、添付の特許請求の範囲で保護されることを切望する。
【００４５】
従って、本出願で保護されることを望むものは、発明者が請求している冒頭の特許請求の範囲に記載し特定する発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の例示的な実施形態による環状のタービンノズルの一部分の斜視図。
【図２】 図１に示す羽根の１つの軸方向断面図。
【図３】 図２に示す羽根を線３−３で切断した半径方向断面図。
【符号の説明】
１０ タービンノズル
１２ 高温燃焼ガス
１４ 外側バンド
１６ 内側バンド
１８ 羽根
２０ フィレット
２８ 前縁
３０ 後縁
３２ 後縁開口
３２ａ 最終後縁開口
３４ 内側寄りスロット
３６ 中央翼弦空洞
４４ フィルム冷却孔
４８ 側面出口

Claims (10)

1. フィレット（２０）において一対の羽根（１８）に一体鋳造された外側及び内側バンド（１４、１６）を含み、
   前記羽根の各々は、前記フィレットから内側寄りに間隔を置いて配置され、かつ前記フィレットの背後に延びる外側寄りスロット（４６）と流体連通するように配置された最終後縁開口（３２ａ）を含み、前記外側寄りスロット（４６）は前記フィレットをそれに沿って背面冷却するために、前記羽根の中央翼弦空洞（３６）から前記最終開口（３２ａ）まで冷却空気（３８）を流す、
   ことを特徴とするタービンノズル（１０）。
2. 前記羽根（１８）の各々は、対向する前縁及び後縁（２８、３０）で互いに結合された対向する側壁（２４、２６）をさらに含み、前記外側寄りスロット（４６）は、前記後縁（３０）の近傍の両方の前記側壁に沿う前記フィレットを背面冷却するために、前記側壁の間に延びることを特徴とする、請求項１に記載のタービンノズル。
3. 前記外側寄りスロット（４６）は、前記中央翼弦空洞から前記後縁（３０）に向かってほぼ真っ直ぐに延び、その後方端で屈曲し、前記フィレットの背後を越えて、前記最終開口（３２ａ）で終わることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のタービンノズル。
4. 前記羽根（１８）の各々は、前記外側及び内側バンド（１４、１６）の両方において前記フィレットを背面冷却するために、一対の前記最終後縁開口（３２ａ）及び協働する一対の外側寄りスロット（４６）を前記羽根のそれぞれの両側根元端部に含むことを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のタービンノズル。
5. 前記羽根（１８）の各々は、
   前記外側及び内側バンド（１４、１６）に隣接する前記一対の最終開口（３２ａ）を含む後縁開口（３２）の列と、
   前記一対の外側寄りスロット（４６）の間に配置され、前記中央翼弦空洞と前記後縁開口（３２）のうちの対応する開口との間を流体連通する内側寄りスロット（３４）の配列と、
   をさらに含むことを特徴とする、請求項４に記載のタービンノズル。
6. 外側及び内側バンド（１４、１６）と一体鋳造された中空の羽根（１８）を含み、該羽根（１８）は、後縁開口（３２）及び中央翼弦空洞（３６）と流体連通するよう結合された協働する内側寄りスロット（３４）の列と、前記羽根の両端部で前記内側寄りスロットのうちのそれぞれの最終スロットから外方に間隔を置いて、かつ前記後縁開口（３２ａ）のうちのそれぞれの最終開口から外側寄りに配置された一対の外側寄りスロット（４６）とを含み、
   前記外側寄りスロット（４６）の各々は、前記内側寄りスロット（３４）のうちの隣接するスロットと共通に、前記最終開口（３２ａ）のうちの対応する開口で終わることを特徴とする、ノズル羽根シングレット。
7. 前記羽根は、対向する前縁及び後縁（２８、３０）で互いに結合された対向する側壁（２４、２６）をさらに含み、前記外側寄りスロット（４６）は、前記後縁（３０）の近傍の両方の前記側壁を背面冷却するために、前記側壁の間に延びることを特徴とする、請求項６に記載のノズル羽根シングレット。
8. 前記外側寄りスロット（４６）は、前記中央翼弦空洞（３６）から前記後縁（３０）に 向かってほぼ真っ直ぐに延び、その後方端で屈曲し、前記後縁における前記最終内側寄りスロットまで越えて延びることを特徴とする、請求項６又は７に記載のノズル羽根シングレット。
9. 外側及び内側バンド（１４、１６）と一体鋳造された中空の羽根（１８）を含み、該羽根（１８）は、後縁開口（３２）及び中央翼弦空洞（３６）と流体連通するよう結合された協働する内側寄りスロット（３４）の列と、前記羽根の両端部で前記内側寄りスロットのうちのそれぞれの最終スロットから外方に間隔を置いて、かつ前記後縁開口（３２ａ）のうちのそれぞれの最終開口から外側寄りに配置された一対の外側寄りスロット（４６）とを含み、
   前記外側寄りスロット（４６）は、前記中央翼弦空洞（３６）から前記後縁（３０）に向かってほぼ真っ直ぐに延び、その後方端で屈曲し、前記後縁における前記最終内側寄りスロットまで越えて延びることを特徴とする、ノズル羽根シングレット。
10. 前記外側寄りスロット（４６）のうちの対応するスロットと流体連通し、前記側壁（２４、２６）の１つを貫通して延びて冷却空気を吐出する側面出口（４８）をさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載のノズル羽根シングレット。

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