JP4234650B2 - 冷却式ガスタービンエンジン羽根 - Google Patents

Description

本発明はガスタービンエンジンの羽根（ｖａｎｅ）の冷却、詳細にはタービンノズルの羽根の冷却に関する。

ガスタービンエンジンにおいては、空気はコンプレッサで圧縮され、燃焼室で燃料と混合される。燃焼室から出た混合流は１段または複数段のタービンに供給され、その後、排気ノズルに放出される。

タービン段は、ガス流を方向付けする、ノズルまたはディストリビュータによって分離されるローターを備える。ローターを通過するガスが高温であるため、羽根が極めて過酷な動作条件にさらされ、したがって、一般には強制対流または羽根の内側への空気衝撃により、ローターを冷却する必要がある。

図１は、従来技術のディストリビュータ羽根１を示し、冷却は複数穴付き縦スリーブ４によりなされる。羽根１は、２つのプラットフォーム、すなわち内側プラットフォーム３と外側プラットフォーム２の間に延び、タービン内の環状ガス循環流路５の範囲を限定する。この流路は羽根１により周囲を再区分されている。

複数穴付きスリーブ４は羽根１の中心空洞６内に縦方向に滑り込む。外側プラットフォーム２の位置で、ダクト７がスリーブ４に、例えばコンプレッサからの冷却空気を供給する。スリーブ４の内側と、スリーブ４の外側壁面および羽根１の内側壁面によって画定される空洞６の周辺部分との間に存在する圧力差のために、空気の一部がスリーブ４の穴から羽根１の内側壁面に向かって放出され、これにより羽根を冷却する。その後、この空気は、調整された穴により、羽根１の後縁に沿ってガス流５内に排気される。空気の残りは内側プラットフォーム３を横切って第２ダクト８内に排気され、このダクト８によりタービンディスクまたはタービン軸受などの、冷却されるエンジンの別の部分に誘導される。

羽根１の中心空洞６は、外側プラットフォーム２および内側プラットフォーム３のそれぞれの位置に、２つの開口９、１０を備える。羽根の組立時においては、スリーブ４を羽根１の外側開口９を通して滑り込ませ、一般には外側開口９の壁面に沿ってろう付けすることにより、外側プラットフォーム２に堅く固定する。スリーブ４の反対部分は羽根１の内側開口１０内に誘導され、内側プラットフォーム３内へのガイドを形成して、スリーブと羽根の間の相対変位を可能にする。実際は、材料の相違、羽根１およびスリーブ４の製造方法の相違、ならびに動作温度の差の理由から、羽根１とスリーブ４の間に伸び率の変化が発生する。ガイド１０は組立の維持を保証する。

羽根１は鋳造により形成されるが、スリーブ４は金属板の成形加工により製作される。羽根１とスリーブ４の製造方法の相違を考慮して、ガイド１０周囲の間隙は比較的大きく、この間隙は特に製造公差から生じる。この間隙は、空洞６の周辺部の圧力がスリーブ４により形成される中心流路の圧力より低いために、スリーブ４の出口位置の空気漏れを発生する。

図２によると、矢印Ｆで示される空気漏れは、空洞６の周辺部に過大圧力を生じる第１の障害を有する。スリーブ４の中心空洞を通過する空気は、スリーブ４の穴から羽根１の内側壁面に向かって放出される傾向が弱いため、この過大圧力は羽根１の内側冷却、詳細には最も高温部分である前縁部の位置における内部冷却に不利に作用する。さらに、漏れから来る空気は、後縁に位置する排気口の方向に直接誘導されるため、羽根の冷却に寄与しない。さらに、エンジンの別の部分を冷却するためにダクト８内に導かれる空気量が漏れのために減少する。

シール機構により空気漏れを無くすることが提案されているが、これらのシール機構は前述の膨張度の差を補償するのに必要な、ガイド１０内にスリーブ４を滑り込ませるのに悪影響を与える。

本発明はこれら欠点の除去を提案する。

この目的のため、本発明は、鋳造された部分と、金属板を成形加工することにより得られる、冷却した空気流を誘導する縦スリーブとを有する、冷却式ガス・タービン・エンジン羽根に関する。鋳造された部分は両端部に空気を供給する第１開口および排気用の第２開口を有する縦空洞を備える縦本体を含み、スリーブは第１開口の壁面に固定されることにより、空洞内に取り付けられており、スリーブの一端は、ガイドを形成する第２開口内に滑り込み自在であり、ガイドにより案内される上記端部は、空気流の通過断面寸法の狭窄部を有することを特徴とする。

本発明により提案される解決方法は、簡単で経済的である。また本発明は、ディスクの冷却流れを調整できる利点を提供する。

本発明は、本発明による羽根の、添付図面を用いる以下の説明によりさらに良く理解されるであろう。

本発明は任意のタイプの羽根に適合するが、特に、タービンノズル羽根に関連して述べる。

図３によると、本発明によるディストリビュータ羽根１１は、ガスタービンエンジンノズルの外側プラットフォーム１２と内側プラットフォーム１３間に延びており、タービン内の環状のガス循環流路１５の範囲を限定している。羽根は、外側プラットフォーム１２および内側プラットフォーム１３のそれぞれの位置に、外側開口１９および内側開口２０の２つの開口を有する中心縦空洞１６を備える。

スリーブ１４は羽根の中心空洞１６内に挿入され、スリーブ１４の外側壁面と羽根１１の内側壁面との間の周辺冷却空洞を構成する。スリーブ１４は、例えばろう付けまたは溶接により、羽根１１の外側開口１９の壁面に取り付けられる。さらにスリーブ１４は、この目的のために滑り込みガイドを形成する内側開口２０内に端部２１の高さで誘導される。したがって、羽根のさまざまな素子間の膨張度に差があっても、端部２１をガイド２０内に滑り込ませて、羽根を一体に組合せることができる。

外側プラットフォーム１２においては、スリーブ１４はダクト１７により、タービンエンジンの冷却段から来る空気を供給される。スリーブ１４の中心空洞と空洞１６の周辺冷却空洞との間に存在する圧力差のために、この空気の一部が、スリーブ１４のこの端部に、詳細には羽根１１の前縁側に設けられた穴により、スリーブ１４の中心空洞から羽根の内側壁面に向かって放出される。その後この空気は、羽根１１の後縁の調整穴により、排気される。

羽根１１の内側壁面に放出されない空気の一部分は、ガイド２０を通過して内側プラットフォーム１３の位置に延びるダクト１８を通して、スリーブ１４から排気される。

図４によると、折り曲げた金属板で形成される、図３の羽根１１のスリーブ１４は、ガイド２０により誘導されるスリーブの端部２１の領域で折り曲げられ、スリーブの空洞内に導かれる空気流に対する狭窄部２２を形成する。さらに詳細には、狭窄部２２は、ガイド２０の内側に配置される、スリーブ１４の端部２１の領域に形成される。図４の実施形態においては、この折り曲げは曲線形状を有する。

実際、この目的のため、ガイド２０により誘導されるスリーブ１４の端部２１に、領域２２を形成し、この領域の横断寸法はガイド２０の横断寸法に比べて明らかに小さい。

したがって、スリーブ１４の折り曲げにより、負荷損失はスリーブ１４の折り曲げ端部２２で発生する。この負荷損失により、スリーブ１４出口の静圧の低下が生じる。したがって、特別な（ａｄ ｈｏｃ）折り曲げ形状により、スリーブ１４出口の静圧を、羽根の空洞１６の冷却領域の静圧を基準に調整し、ガイド２０内の、スリーブ１４の出口における上記冷却領域への空気漏れを無くするか、または少なくとも減少させるようにする。

したがって、本発明により、スリーブ１４の端部２１を適正に適合させることにより、追加の製作コストを必要とせずに、羽根１１の構造も、本体を形成する方式も変更することなく空気漏れを防止できる。

図５は羽根１のスリーブ１４’の第２実施形態を示す。この場合、前述の実施形態と同一の結果を得るために、スリーブ１４’の端部２１’の先端にろう付けまたは溶接して、ガイド２０により誘導されるようにし、調整プレート２３’はその表面の大きい部分、本発明の場合は空気通過開口２４’全体にわたり穴を開けられているようにすることが提案される。この方式により、ガイド２０の横断寸法より小さい横断寸法を有する部分２２’が得られる。

図６は羽根１のスリーブ１４’’の第３実施形態を示す。この場合、円錐形チューブ２３’’をろう付けし、この円錐チューブの横断寸法が、スリーブ端１４’’からスリーブ１４’の端部２１’’の先端の方向に細くなり、ガイド２０により誘導されるようにすることが提案される。この方式により、ガイド２０の横断寸法より小さい横断寸法を有する部分２２’’が得られる。

本発明によるスリーブの第３実施形態は、円錐の入口における負荷損失を最小化できる点において、第２実施形態に比べて有利である。

従来技術の羽根の断面形状を示す図である。 図１の羽根のガイド内のスリーブの断面形状を示す図である。 本発明による羽根の第１実施形態の断面形状を示す図である。 図３の羽根のガイド内のスリーブの断面形状を示す図である。 本発明による羽根の第２実施形態のスリーブの断面形状を示す図である。 本発明による羽根の第３実施形態のスリーブの断面形状を示す図である。

符号の説明

６、１６ 中心空洞
９、１９ 外側開口
１０ 内側開口
１１ 羽根
１２ 外側プラットフォーム
１３ 内側プラットフォーム
１４、１４’、１４’’ スリーブ
１５ ガス循環流路
１７、１８ ダクト
２０ ガイド
２１、２１’、２１’’ 端部
２２、２２’、２２’’ 狭窄部
２３’ 調整プレート
２３’’ 円錐形チューブ
２４’ 空気通過開口

Claims (8)

1. 鋳造された部分（１１）と、金属板を成形加工することにより得られる、冷却空気流を誘導する縦スリーブ（１４、１４’、１４’’）とを備える冷却式ガスタービンエンジン羽根であって、鋳造された部分（１１）は、各端部に、空気を供給する第１開口（１９）および排気する第２開口（２０）を有する縦空洞（１６）を備える縦本体を含み、スリーブ（１４、１４’、１４’’）は第１開口（１９）の壁面に固定されることにより、空洞（１６）内に取り付けられており、スリーブの一端（２１、２１’、２１’’）は、ガイド（２０）を形成する第２開口（２０）内に滑り込み自在であり、ガイド（２０）により誘導される前記端部（２１、２１’、２１’’）が空気流の通路断面の狭窄部（２２、２２’、２２’’）を備えることを特徴とする、冷却式ガスタービンエンジン羽根。
2. スリーブ（１４、１４’、１４’’）は、溶接またはろう付けにより第１開口（１９）の壁面に取り付けられている、請求項１に記載の羽根。
3. 狭窄部（２２）はスリーブ（１４）の端部を折り曲げることにより得られる、請求項１または２に記載の羽根。
4. 折り曲げ部は曲線形状部分である、請求項３に記載の羽根。
5. 狭窄部（２２’）は、スリーブ（１４’）の端部に開口（２４’）を設けた調整プレート（２３’）を固定することにより得られる、請求項１または２に記載の羽根。
6. 狭窄部（２２’’）が、円錐形のチューブ（２３’’）を取り付けることにより得られ、このチューブは、スリーブ（１４’’）の端部から延び、該端部から離れるにしたがってその断面寸法が縮小している、請求項１または２に記載の羽根。
7. スリーブ（１４、１４’、１４’’）には穴が設けられている、請求項１から６のいずれか一項に記載の羽根。
8. 鋳造された部分が調整穴を備えている、請求項７に記載の羽根。

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