JP4242344B2 - 渦を破壊する熱耐性流体案内コード - Google Patents

Description

本発明は、一般的に、タービンエンジンの分野にかかわり、さらに詳細には、耐熱性で渦を破壊する特徴を有する流体案内コンポーネントにかかわる。

燃焼エンジンは、燃料に貯えられた化学エネルギーを発電や、動力の発生または他の仕事の実行に用いる機械エネルギーに変換する機械である。これらのエンジンは通常、このエネルギー変換プロセスに何らかの形で寄与する幾つかの協働部分を有する。工業用ガスタービンエンジンでは、圧縮機部から排出される空気と燃料供給源から導入される燃料とが混合され、燃焼部で燃焼される。燃焼生成物（「作動流体」とも呼ばれる）を、動力として利用するためにタービン部に通し、そこで膨張させて中心のロータを回転させる。ロータ軸の回転によりトルク出力が発生するが、このロータ軸の出力は発電機のような装置にリンクさせて発電を行うことが可能である。電気の需要が増加するにつれて、工業用ガスタービンエンジンに対する性能要求が厳しくなる。さらに、これらのエンジンは高効率で作動しながら多量の電力を発生することが期待される。

所与のガスタービンエンジンの性能には多くのファクタが影響を与えるが、１つの主要な変数としてエンジンのタービン部を介する流体の流れの性質がある。タービン部は主としてエンジンの燃焼部から出る作動流体からのエネルギーの抽出を担うエンジン部分であるため、流体の流れ特性に問題があるとタービンによるエンジンの全体性能が低下する。

エンジン性能を低下させることの多い１つの要素は、「馬蹄形渦」として知られる流体の流れ現象である。馬蹄形渦は通常、直立するコンポーネントと実質的に平坦な本体部分との交差領域を通って流体が流れる所で生じる。当該技術分野で知られているように、これらの渦は境界層を巻き込むため惹き起こされる。ガスタービンの例では、このタイプの流れは燃焼生成物からエンジンの動翼及び静翼へのエネルギーの移動に干渉するため、ロータの回転量及びそれに付随する発電率を減少させる。馬蹄形渦はまた、燃焼生成物の流れがエンジンの流体案内コンポーネントを横切る態様に干渉して、流体の流出角度の有害な変動及び望ましくない流れ離脱特性を発生させ、さらに下流の動翼及び静翼の効率を減少させる。馬蹄形渦はまた、比較的高温の作動流体と比較的低温の冷却流体の間で望ましくない混合が生じる結果、外表面を冷却する流体の実効冷却温度が増加するため、タービン冷却機構の効率に影響を与える。

馬蹄形渦の減少はガスタービンエンジンに固有のものでなく、橋の杭材の水中部分近傍、潜水艦及び飛行機の操縦面に沿う所、また、トラック業界で使用されるトレイラーの種々の部分周辺を含む多種多様な他の状況で起こるものである。従って、この問題に対処するために種々のアプローチが用いられている。例えば、橋の支持用杭材の水中部分の近傍が「削り取られる」問題を軽減するために、杭材の上流に翼付偏向部材を配置して水流を杭材から離れるように外方に向けることができる。このアプローチの一例が米国特許第６，１８６，４４５号に示されている。エアフォイル部材の形状をそれらを横切る流れを変更するように選択された多種多様な輪郭を有するようにした異なるアプローチが米国特許第６，２８３，７１３号に示されている。さらに別のアプローチとして、流れ配向構造によりガスの流れをエアフォイルが関連の壁部に当接する領域から離れるように移動させるものが米国特許第６，４１９，４４６号に示されている。この‘４４６特許に示されたアプローチは、船首の頭部を変形した船穀により船の運航時に船首の波の影響を減少させる船舶業界で使用されているものに似ている。

馬蹄形渦の衝撃を和らげるために幾つかのアプローチが開発されているが、工業用ガスタービンエンジンの環境で見られる極限的条件に使用するために設計されたものはほとんどない。タービンエンジンへの使用に好適なアプローチでも全ての状況に好適であるとは限らない。例えば、流れを変化させる輪郭を備えたエアフォイルは内部冷却方式により効果的に冷却するのは容易でなく、材料の塊または他の前方端縁部構造は熱吸収傾向により制約を受ける傾向がある。

従って、この技術分野には、高熱の状況で有効な冷却を含む、高効率で作動する態様で馬蹄形渦の形成を阻止する装置が依然として求められている。この装置は、能動的で特別仕様が可能な態様で冷却しなければならず、性能の劣化をきたす冷却流体の流れの増加を必要条件とすることなく重要な場所での補助冷却を行う必要がある。この装置はまた、渦を適切に破壊し、各タービン段内で適切な冷却性能を発揮させるように変形可能である必要がある。

発明の概要

本発明は、基部及び直立の本体部分を有する渦減少流体案内コンポーネントに関わり、下記を特徴とする。即ち、渦を減少させる流体案内コンポーネントであって、基部と、前方端縁部と、第１の側面部と第２の側面部とを有し、前記基部から延びる本体部分と、前記基部と前方端縁部の間に位置し、流体の流れを加速させる偏向領域を有する混合部材と、前記混合部材と前方端縁部の間に位置し、冷却流体源と流体連通関係にされ、前方端縁部、基部及び混合部材と境界を接する冷却チャンネルとより成り、前記混合部材は基部と前方端縁部の間の界面に隣接して形成される馬蹄形渦の破壊に有効であり、前記冷却チャンネルは前方端縁部と基部の間の界面及び基部と前記本体部分の側面部の間の界面を選択的に冷却する渦減少流体案内コンポーネントにおいて、
前記混合部材は内部通路を有し、内部通路は冷却流体源と流体連通関係にあり、混合部材は冷却流体により冷却されるように構成され、また、前記渦減少流体案内コンポーネントは、前記内部通路内に位置する流れ分配部材を有し、この流れ分配部材は前記混合部材に亘って冷却流体を分配するように構成され、さらに、前記流れ分配部材は、冷却流体を前記混合部材の選択領域に分配するように穿孔されていることを特徴とする。
本発明の好適な実施態様において、前記コンポーネントの流れ分配部材は、冷却流体を混合部材の選択部分に分配して混合部材内の重要な領域が温度分布に従って効率良く冷却されるようにする穿孔されたインピンジメントパネルまたは部材を有する。

従って、本発明の目的は、高熱の状況で作動させるのに有効な高効率の冷却を含む態様で馬蹄形渦の形成を阻止する流体案内コンポーネントを提供することにある。

本発明の別の目的は、能動的且つ特別仕様可能な態様で冷却される流体案内コンポーネントを提供することにある。

本発明の目的はさらに、性能を低下させる冷却流体の流れの増加を必要条件とすることなく相乗作用により重要な場所を補助冷却する流体案内コンポーネントを提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、混合部材の選択部分に冷却流体を戦略的に差し向けることにより混合部材が温度分布に従って効率良く冷却されるようにする流体案内コンポーネントを提供することにある。

本発明の他の目的及び利点は、本発明のある特定の実施例を例示的に示す添付図面に関連して行われる以下の説明から明らかになるであろう。添付図面は本明細書の一部を構成するものであり、本発明の実施例を含み、その種々の目的及び特徴を示すものである。

添付図面全体を参照して概説すると、本発明による渦減少流体案内コンポーネント１０は基部１２と、該基部から外方に延びる本体部分１４とを有する。混合部材１６は、基部１２と本体部分１４の前方端縁部１８との間の少なくとも一部を延びている。以下に詳述するように、混合部材１６は、本体部分１４の前方端縁部１８に沿って形成される馬蹄形渦を破壊する利点を有する。基部１２はまた、冷却流体２２が基部を通過して混合部材１６と接触できるようにする冷却流体導管２０を有する。混合部材１６は中空であるのが好ましく、内側表面６６は境界となる内部通路５０を有する。本発明の目的に合うように、冷却流体２２は冷却流体導管２０を通って混合部材の内部通路５０に流入し、混合部材の出口ポート２４から流出する。動作時、冷却流体２２は内部通路５０を通過して混合部材１６の温度を低下させ、混合部材を、上流の燃焼部６８からコンポーネント１０を横切って流れる高温の燃焼生成物２６による熱的損傷から保護するのに役立つ。１つの実施例において、混合部材１６は本体部分の前方端縁部１８から離隔して、前方端縁部１８と基部１２との交差部２９に沿う補助冷却チャンネル５２を形成する。この構成により、本発明は、馬蹄形渦が形成される傾向を減少させ、特に耐熱性である特徴部分を備えた流体案内コンポーネントを提供する。本発明はまた、性能に影響を与える冷却流体の流れの増加を必要条件とすることなく、本体部分と基部の界面２８を特にその界面の前方端縁部と基部２９とに沿って強力に冷却する。本発明の渦減少流体案内コンポーネント１０を詳細に説明する。

特に図１を参照して、本発明の流体案内コンポーネント１０は工業用ガスタービンエンジン３０内で使用する状態で示されている。さらに図２及び３を参照して、この流体案内コンポーネント１０は関連の基部１２から半径方向外方に延びる本体部分１４を有する。基部１２及び本体部分１４は一体的にまたは別体として形成することができる。何れの構成でも、本体部分１４と基部１２はそれらの間の界面２８に沿って交差する。本体部分と基部の界面２８は大きな応力が集中する領域である。このため、この領域は、とりわけ、割れの形成を阻止しながら本体部分１４と基部１２の間で負荷を移動させるのに役立つすみ肉型接続であるという特徴を有する。

図２及び３に示す実施例において、本体部分１４はエアフォイル形状の静翼である。しかしながら、本体部分は回転翼（図示せず）の一部でもよいことに注意されたい。本体部分１４は前方端縁部１８とその反対側の後方端縁部３２を有し、本体部分はさらに第１の側面部である凹状の圧力側３４と第２の側面部である凸状の吸込み側３６を有するという特徴がある。本体部分１４は内部冷却型であり、前方端縁部１８、後方端縁部３２及び前記両側面部３４、３６を含む重要な場所で本体部分を貫通する冷却流体出口５４を備えた内部冷却チェンバ３８を有する。図１に示すように、内部冷却チェンバ３８は、上流の圧縮機部４０により供給される排出空気のような冷却流体２２の供給源と流体接続関係にある。他の適当な非エアフォイル形状のものも使用可能であり、本体部分１４の内部からの冷却は必要条件でないことを注意されたい。

引き続き図１を、また図２及び３をさらに参照して、本発明の基部１２は、関連のエンジン３０のタービン部４４内に本体部分１４を固定する取り付けシュラウドである。本体部分１４の性質にもよるが、ハブ部分、ケーシング部、拡散ストラット部分及びバーナーのスワラー翼を含む他の任意の数の取り付けプラットフォームを使用することができる。混合部材１６は基部１２から本体部分の前方端縁部１８の方へ延びる。混合部材１６は、基部１２及び本体部分１４とは別体として形成するか、またはそれらの何れかまたは両方と一体的に形成してもよい。この実施例では、混合部材１４は基部１２と一体的に形成されている。

本発明の目的に合うように、基部１２内の冷却流体導管２０により、冷却流体２２は基部を通過した後、混合部材の内部通路５０に流入して、混合部材１４の温度を低下させることができる。上述したように、冷却流体２２は圧縮機部４０から排出される空気でよい。しかしながら、ポンプ（図示せず）のような他の冷却流体２２の供給源を所望により使用できる。冷却流体は、基部１２を貫通するが冷却チェンバ３８は貫通しない基部の補助導管２０´を介して冷却チャンネル５２に直接通すことができることに注意されたい。基部の補助導管２０´は基部１２に垂直に配向するか、それを通過する流体に所望の流れ特性を付与するように傾けてもよい。

混合部材１６は複雑な輪郭または傾斜を有する構造に似ている。混合部材１６は、前方端縁部と基部の界面２９の方へ流れる作動流体と相互作用してその流れを局部的に加速したり、壁近くの流れが上流に移動して回り込むことにより馬蹄形溝が形成されるのを阻止する偏向部分４４を備えたところに特徴がある。混合部材１６は鋳造するか、または幾つかの部分から形成することができる。

１つの実施例において、この偏向部分４４は実質的に直線状であり、基部に対して角度Φを形成する。角度Φは約４０°であるのが好ましいが、約１５°と約６０°の間の範囲でよい。この実施例において、混合部材１６は単一部品であるが、上述したように、所望に応じて２以上の部品で形成してもよい。

偏向領域４４は直線状である必要はなく、本発明の混合部材１６の渦破壊特性をさらに増強するように選択された輪郭にしてもよいことに注意されたい。例えば、偏向領域４４が直線状領域と組み合わさった曲線状領域を含むか、または曲線状領域だけを含むようにしてもよい。混合部材１６は、停滞した流れに整列する「鋭い」または尖った領域を有するすみ肉により特徴付けられるようにしてもよいことに注意されたい。混合部材１６はまた、渦のサイズがすみ肉半径に比例する、丸みを帯びたすみ肉により特徴付けられるようにしてもよい。

この構成により、本発明は、前方端縁部と基部の界面２９のような平坦な表面と直立部材の交差部の流体の流れに通常付随する馬蹄形渦が形成される可能性を減少させるという利点を有する。このタイプの流れ現象の規模を減少させるとコンポーネント１０に沿う乱流が減少し、燃焼生成物４８から抽出されるエネルギー量が増加する。馬蹄形渦の規模を減少させると、燃焼生成物４８とコンポーネント１０上を流れる冷却流体の間の望ましくない混合が減少するため、このコンポーネントが冷却される効率も増加する。

戦略的に穿孔されたインピンジメントプレート６０を混合部材の内部通路５０内に組み込んで、その通路内において冷却流体が案内されるようにしてもよい。このようにすると、混合部材１６の種々の部分を温度分布に応じて冷却することにより、特に高温の領域（上流領域６２のような）を効率良く冷却すると共にそれほど高温でない領域（下流領域６４のような）に差し向けられる冷却流体の量を減少することができる。この構成により、混合部材１６は、冷却の必要性が最も少ない領域に無駄な冷却流体を分岐させることなく有効且つ効率的に冷却される。

引き続き図３を参照するとわかるように、混合部材１６はブレース領域４６を有する。このブレース領域４６は、混合部材１６の境界領域５０から冷却流体２２が流出できるようにする少なくとも１つの冷却流体出口またはポート２４を有する。上述したように、１つの実施例において、このブレース領域４６は本体部分１４の前方端縁部１８から離隔しており、冷却流体ポート２４からの冷却流体２２が流入する補助冷却チャンネル５２が形成される。ブレース領域４６はほぼ三角形の断面を有するが、多種多様な流れ特性を付与するための変形例もある。例えば、冷却チャンネル５２にチャンネルの動力学的流れ特性を変化させるテイパーまたは曲線部を設けてもよい。即ち、下流の冷却流体の流れ方向にチャンネル５２を狭くしてチャンネル内の冷却流体２２の速度を増加させる一方、同じ方向にチャンネル幅を広くしてチャンネル内の冷却流体の速度を減少させる。出口ポート２４の数及びブレース領域と前方端縁部の間の平均距離Ｄ_mを、それぞれこれらを考慮して選択することもできる。適当な範囲は前方端縁部の直径の約５％と５０％の間である。チャンネル５２は、半径方向軸に関して（即ち、基部１２から離れる方向及び近づく方向において）、縦方向軸に関して（即ち、一般的に基部に沿って）、そして前方端縁部１８の輪郭に関する間隙に関してテイパーさせてもよいことに注意されたい。

本発明の目的に合わせるにあたり、この構成は、これらの属性の戦略的選択によりチャンネル５２が提供する補助冷却の大きさだけでなく流体がチャンネルを出る時本体部分の側面３４、３６の残留冷却のために冷却流体２２に残る冷却能力の大きさに関して大きな柔軟性を与えることができる。

動作時、燃焼生成物４８は本発明の渦減少流体案内コンポーネント１０上を流れて、コンポーネントが取り付けられたロータ軸５６に回転力を付与する。軸が回転すると、その軸に接続された関連の発電機が発電を行う。軸が引き続き回転すると、冷却流体２２は本発明のコンポーネント１０の方へ移動する。引き続き動作すると、冷却流体２２の第１の部分は本体部分の冷却チェンバ３８内に流入する一方、第２の部分は基部の冷却導管２０を通って混合部材の内部通路５０に流入する。冷却流体２２の第１の部分は本体部分の冷却チェンバ３８に流入して本体部分の温度を低下させ、本体部分の出口５４を通過する。冷却流体２２の第１の部分は、出口５４を通過後本体部分の側面３４、３６上を流れて本体部分１４の温度をさらに低下させる。それに平行して、冷却流体２２の第２の部分は混合部材の内部通路５０に流入し、混合部材１６の温度を低下させる。引き続きさらに多くの冷却流体２２が流れると、冷却流体の第２の部分は混合部材の内部通路５０を出て、混合部材の出口ポート２４を通過し、補助冷却チェンバ５２に流入する。冷却流体２２の第２の部分が補助冷却チェンバ５２に流入すると、前方端縁部と基部の界面２９が冷却され、冷却流体の第２の部分がそのチャンネルを出て本体部分の後方端縁部３２の方へ流れるにつれて本体部分と基部の界面２８の残部に沿って残余の冷却が起こる。本発明は、航空機用派生エンジンを含む全てのタイプのタービンエンジンにも同様に有用であるため工業用ガスタービンエンジンへの使用に限定されないことに注意されたい。

電気を発生させる燃焼生成物の流れ及びコンポーネントの温度を有利に低下させる冷却流体の流れは共に、本発明の混合部材１６により増強される。前方端縁部と本体部分の界面２９の馬蹄形渦の規模を減少させることにより、本発明の混合部材１６は本発明のコンポーネント１０上の流れの品質を向上させる。特に、混合部材１６は、本体部分の側面３４、３６に沿う馬蹄形渦を駆動するために使用される流れのエネルギーを減少させることにより、エネルギーが小さい損失及び大きな効率で本体部分に送られるようにすることができる。

さらに、本発明の目的に合わせて、本発明の流体案内コンポーネント１０は、混合部材１６を能動的に冷却するだけでなく、冷却流体２２のさらなる流れを必要とせずに大きな応力がかかった本体部分の前方端縁部と基部の界面領域２９を補助冷却する特徴部分を組み込んでいる。混合部材１６と協働して前方端縁部と基部の界面２９に隣接する領域を冷却する冷却流体２２を回収する補助冷却チャンネル５２を設けることにより、本発明の冷却機構１０は相乗作用により優れた性能と大きな冷却効率とを与える特徴部分を組み合わせたものである。

混合部材１６´が内部冷却が不要となるようにセラミックまたは他の耐熱材料で形成した別体のコンポーネントである別の実施例もあることに注意されたい。図４に示すかかる実施例でも、コンポーネント１０´は依然として馬蹄形渦を破壊し、補助冷却チャンネル５２を提供する。冷却流体は、本体部分１６の前方端縁部２８内の本体部分の前方端縁部と基部の界面２９に隣接する専用冷却チャンネル流体ポート７４を介して補助冷却チャンネル５２に流入する。この構成でも、冷却流体２２は依然として補助冷却チャンネル５２に流入するが、このチャンネルの性能は上述した滞留時間及び残余冷却に鑑みて変更することができる。この実施例では、混合部材１０´は単一部品であるが、所望に応じて２以上の部品で構成できることに注意されたい。

引き続き図４を参照して、混合部材１６´はさねはぎ構成により基部及び本体部分１２、１４に関して定位置に保持される所定の輪郭に削られたプラグである。ばねのような付勢部材７２を組み込んで混合部材１６´の固定手段を緩衝させ、動作時混合部材がコンポーネント１０内の振動及び熱膨張に耐えられるようにすると有利である。

本発明のコンポーネント１０、１０´は、渦の形成を減少させる傾向及び特異で極めて高効率の冷却構成を同時に提供することにより性能を劣化させる冷却流体の流量の増加を必要とせずに空気力学的及びエネルギー抽出特性を改善する流体案内コンポーネント１０を得るための特徴部分を組み合わせたものである。

本発明をある特定の実施例について図示説明したが、本発明は図示説明した特定の例または部品の構成に限定されないことを理解されたい。本発明の範囲から逸脱することなく変形、再構成及び置換を含む種々の構成が可能であることが当業者にとって明らかであろう。また、本発明は図面に示し明細書で説明したものに限定されるべきではない。本発明の範囲は頭書の特許請求の範囲により規定される。

本発明の流体案内コンポーネントを用いる燃焼タービンの側断面図である。 本発明の流体案内コンポーネントの等角投影図である。 線III−IIIに沿う図２の流体案内コンポーネントの側断面図である。 本発明の流体案内コンポーネントの別の実施例を示す側断面図である。

Claims (15)

1. 渦を減少させる流体案内コンポーネントであって、
   基部と、
   前方端縁部と、第１の側面部及び第２の側面部とを有し、前記基部から延びる本体部分と、
   前記基部と前方端縁部の間に位置し、流体の流れを加速させる偏向領域を有する混合部材と、
   前記混合部材と前方端縁部の間に位置し、冷却流体源と流体連通関係にされ、前方端縁部、基部及び混合部材と境界を接する冷却チャンネルとより成り、
   前記混合部材は基部と前方端縁部の間の界面に隣接して形成される馬蹄形渦の破壊に有効であり、前記冷却チャンネルは前方端縁部と基部の間の界面及び基部と前記本体部分の側面部の間の界面を選択的に冷却する渦減少流体案内コンポーネントにおいて、
   前記混合部材は内部通路を有し、この内部通路は冷却流体源と流体連通関係にあり、混合部材は冷却流体により冷却されるように構成され、
   また、前記渦減少流体案内コンポーネントは、前記内部通路内に位置する流れ分配部材を有し、この流れ分配部材は前記混合部材に亘って冷却流体を分配するように構成され、
   さらに、前記流れ分配部材は、冷却流体を前記混合部材の選択領域に分配するように穿孔されていることを特徴とする渦減少流体案内コンポーネント。
2. 前記冷却チャンネルは、本体部分に位置する冷却流体出口を介して流れる冷却流体により冷却を行うように構成されていることを特徴とする請求項１の渦減少流体案内コンポーネント。
3. 前記冷却流体出口は前方端縁部に位置することを特徴とする請求項２の渦減少流体案内コンポーネント。
4. 混合部材はさらに前方端縁部から離隔したブレース領域を有することを特徴とする請求項２の渦減少流体案内コンポーネント。
5. 前記冷却チャンネルは冷却流体の流れ方向で狭くなり、前方端縁部との冷却流体の広範な接触を増加させるのに有効であることを特徴とする請求項４の渦減少流体案内コンポーネント。
6. 前記冷却チャンネルは冷却流体の流れ方向で広くなり、前方端縁部との冷却流体の広範な接触を妨げるのに有効であることを特徴とする請求項４の渦減少流体案内コンポーネント。
7. 前記基部は冷却流体を混合部材の内部通路に送り込むための冷却流体導管を有し、前記混合部材は基部を介して流れる冷却流体により冷却されるように構成されていることを特徴とする請求項１の渦減少流体案内コンポーネント。
8. 混合部材の内部通路は冷却チャンネルと流体連通関係にあり、冷却チャンネルは内部通路を介して流れる冷却流体により冷却を行うように構成されていることを特徴とする請求項１の渦減少流体案内コンポーネント。
9. 前記選択領域は内部通路の上流領域であることを特徴とする請求項１の渦減少流体案内コンポーネント。
10. 前記選択領域は内部通路の下流領域であることを特徴とする請求項１の渦減少流体案内コンポーネント。
11. 混合部材はさらに、前方端縁部から離隔したブレース領域を有することを特徴とする請求項１の渦減少流体案内コンポーネント。
12. 前記冷却チャンネルは冷却流体の流れ方向で狭くなり、前方端縁部との冷却流体の広範な接触を増加させるのに有効であることを特徴とする請求項１１の渦減少流体案内コンポーネント。
13. 前記冷却チャンネルは冷却流体の流れ方向で広くなり、前方端縁部との冷却流体の広範な接触を妨げるのに有効であることを特徴とする請求項１１の渦減少流体案内コンポーネント。
14. 前記選択領域は内部通路の上流領域であることを特徴とする請求項１の渦減少流体案内コンポーネント。
15. 前記選択領域は内部通路の下流領域であることを特徴とする請求項１の渦減少流体案内コンポーネント。

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