JP4315829B2 - 冷却空気の漏れが減少されることで冷却されるタービンベーン - Google Patents

Description

本発明は、一般に、ターボ機械のタービンベーンの分野に係わり、より特定的には、冷却回路が組み込まれたタービンベーンに関わる。

従来では、ターボ機械は燃焼室を有し、空気と燃料が燃焼室の中で燃焼される前に混合されていた。燃焼室から来るガスは、燃焼室から離れるよう下流側方向に流れ、高圧タービンおよび低圧タービンに送られる。各タービンは、タービンロータの回りで円周方向に離間されている１列以上の動翼（ブレード）（列はタービンホイールとして知られる）と交互になる、１列以上の固定されたベーン（列はノズルとして知られる）を有する。タービンのベーンおよびブレードは、非常に高温の燃焼ガスにさらされ、この温度は、このようなガスと直接的に接触するベーンまたはブレードが損傷することなく耐えることのできる温度よりも非常に高く、従って、ベーンおよびブレードの耐用年数を制限することになる。

このような問題を解決するために、外側に保護膜を生成するようベーンの壁を穿孔することに関連して、各ベーン内で冷却空気の編成された循環を確立することで、温度を低下させるよう内部冷却回路を含むベーンを提供することが知られている。

図５および図６は、ある航空エンジンに現在取付けられている、ライナーを含むタイプの冷却されるベーンの従来の構造を示す。

ベーン１０は、外側プラットホーム１４と内側プラットホーム１６との間に挿入される中空のブレード１２を有し、ライナー１８により、ブレードの内壁と該ライナーの外側との間に環状の周囲空洞２０が画定される。ライナーの上端１８Ａで、ライナーは、溶接または蝋着によってベーンの外側プラットホームに漏れが出ないように固定され、ライナーの底端１８Ｂは、ガイド領域１６Ａにおいてベーンの内側プラットホームと係合され、このとき組立に必要な所定の間隙が残され、熱膨張の違いの作用下でライナーが摺動することが可能となる。図示する構造において、内壁に固定されるかまたはライナーからの突出物によって形成されるスタッド２２は、ライナーと該内壁との間に一定の距離を維持する。

ライナー１８は、多孔である。圧力下で空気源（一般的にターボ機械の圧縮機）によって供給される冷却空気の流れは、入口オリフィス２４を介して外側プラットホーム１４に入り、ライナー１８内に到達する。空気の一部は、ライナーの多数の孔を通って流出し、周囲空洞２０において空気のジェットが生ずる。このジェットは、ブレード１２に衝突することでブレード１２の内壁を冷却し、その後、ブレードの後縁または圧力側を貫通するように形成される較正された穴２５を通って排気され、空気の保護膜が形成される（中の冷却空気循環を編成するために、ブレードの内部にブリッジ２６が設けられてもよい）。残りの空気の流れは、内部プラットホーム１６を冷却しながら内部プラットホームを通過して、内部プラットホーム１６出て、ベーンから離れた出口オリフィス２８を通って、冷却される必要のあるエンジンの他の部材に向かって排気される。

ライナーの底端１８Ｂとライナーが摺動する内側プラットホームの領域１６Ａとの間に間隙があるため、冷却空気は必然的にその間隙を通って漏れ、その結果、その底端１８Ｂのライナーからの出口と周囲空洞２０との間の圧力バランスに影響を及ぼす。従って、ライナーからの出口圧力が、空洞内の圧力よりも大きい場合、空洞への空気の流れが上昇し、それに対応して、外部部材およびベーンを冷却するための流れが減少する。反対に、ライナーからの出口圧力が低圧力の場合、ライナーの内壁を冷却することに寄与する空気は、外部部材を冷却するための流れに寄与し、ベーンの壁と接触することで生ずる温度上昇のため、エンジンの耐用年数にとって大きな欠点となる。

従って、本発明は、冷却空気のこのような漏れに関連する欠点を克服するために、ライナーの摺動を妨げるという重要な欠点を招くことがある付加的なシーリングシステムを挿入する必要なく、漏れを著しく減少させるタービンベーンを提供することを目的とする。本発明の更なる目的は、ベーンの全般的な機械特性におけるいかなる劣化も回避するように、鋳造による従来の製造工程と比較して殆ど変更されていないベーンの成形、従って、製造プロセスを提供することを目的とする。最後に、本発明は、このような冷却されたベーンを具備する任意のターボ機械のタービンを提供することを目的とする。

このために、本発明は、ターボ機械のタービンベーンを提供し、このタービンベーンは、ライナーの外壁とベーンの内壁との間に環状の空洞を画定する多孔ライナーと、ライナーの内部に冷却空気を供給する吸気開口部と、ベーンからの冷却空気の一部を排気する排気開口部とを有し、ライナーが、ライナーとベーンの内壁との間の相対的な熱膨張作用の下で、ベーンの内縁に沿って摺動するように、ライナーの一端がベーンに固定され、ライナーの他端が自由端であり、ライナーのこの自由端とベーンの内縁との間の環状の隙間が、冷却空気用の漏れ領域を画定し、前記内縁が、前記漏れ領域を通る冷却空気の流量を減少させるように、前記漏れ領域におけるヘッドロスを生じさせる凹部を含むことを特徴とする。

その結果、漏れ領域においてヘッドロスを確立することにより、冷却空気の漏れ流量が大幅に低下される。従って、ライナーのガイド部におけるこの特定の形状は、ベーンを製造する方法を著しく変更させることなく（内側プラットホームを製造する際に用いられる型のコアに対する僅かな変更だけが必要となる）、ライナーを有するこのタイプのベーンで通常観察される流量と比較して、約２５％だけ漏れ流量を減少させることが可能となる。更に、いかなるシーリングシステムも用いられないため、ベーンにおけるライナーの摺動の妨げを回避することが可能となる。

意図する実施形態に応じて、この凹部は、この内縁の周囲全体または一部だけを占有してもよく、有利には円形対称形状である。凹部は、矩形の断面の溝、または、好ましくは少なくとも１つの窪みを含む波形の断面の溝でもよい。

本発明は、更に、上述した冷却されるベーンを複数具備する任意のターボ機械のタービンを提供する。

本発明の他の特徴および利点は、限定するものではない実施形態を示す、添付の図面を参照して以下の説明から明らかとなるであろう。

図１は、本発明の冷却されたベーン１０、例えば、ターボ機械のタービンのノズルベーンを示す斜視図である。このベーンは、外側プラットホーム１４と内側プラットホーム１６との間に取り付けられた中空部材２１を有し、タービンを流れる燃焼ガスの流れの外壁を画定する外側プラットホームを介して、タービンのケーシング（図示せず）に固定され、流れの内壁は、ベーンの内側プラットホームによって画定される。

このようなベーンは、非常に高温の燃焼ガスにさらされるため、冷却される必要がある。このため、従来におけるように、ベーン１０は、少なくとも１つの多孔ライナー１８を含む。この多孔ライナー１８は、その径方向端の１つを通って冷却空気が供給され、ブレードの内壁とライナーの外壁との間に環状の周囲空洞を画定するようにブレードと協働する。ライナーの上端１８Ａで、ライナーは、溶接または蝋着によってベーンの外側プラットホーム１４に漏れが出ないように固定され、ライナーの底端１８Ｂで、ライナーは、ガイド領域または摺動領域１６Ａにおいてベーンの内側プラットホーム１６に係合され、環状の隙間２１を残す。この環状の隙間２１は、ベーンの様々な構成要素の温度が夫々変化し、従って、異なる熱膨張を受けるとして、取り付けまたは動作中のライナーの摺動に必要な所定の間隙を確立し、更に、冷却空気の漏れ領域としても必要である。吸気開口部２４および排気開口部２８は、冷却空気を循環するために外側プラットホームおよび内側プラットホームに夫々設けられている。

本発明では、漏れ領域を通る冷却空気の流量を減少させるよう、漏れ領域においてヘッドロスを確立することが提案される。このために、図２および図３の実施形態に示すように、内側プラットホーム１６と位置合わせされたライナー１８の底端における摺動領域１６Ａには、形状および寸法が所望の漏れ流量に応じる形状および寸法の小さい切り欠きあるいは溝の形態で、この領域の周囲全体にあるいは一部分に形成される凹部３０が設けられる。この凹部は、円形対称（即ち、円周方向）、例えば、環状あるいは楕円形であることが好ましい。

図２では、凹部は、単に矩形の断面の溝３２によって形成されている。発明者は、この簡単な形状により、凹部のない従来の形状と比較したときに、溝によって生ずるヘッドロスの増加が、漏れ領域を通る冷却空気の流量を無視できない程度に減少させることを示すことができた。幅が２ミリメートル（ｍｍ）で深さが０．６ｍｍの溝の場合、この減少は約１２％であった。

図３において、凹部は、図４の詳細図により明確に示される波形に形成される。３つの窪み３４、３６、および３８が設けられ、これら窪みは、漏れの流れを連続して３回中断させる作用を行う。窪みの数および窪みの形状は、当然のことながら限定的でなく、当業者は、その数および形状を、要求される流れ特性に応じて決定することができる。この場合においても、発明者は、このような形状により、従来の形状との比較だけでなく、同じ大きさの矩形の断面を有する溝と比較したときでも、波形であることによるヘッドロスの増加が、漏れ領域を通る冷却空気の流量を無視できない程度に減少させることを示すことができた。波形状により、約２５％の流量の減少（前記した実施形態で得られた減少の約２倍）が得られ、３つの窪みは、全幅が２ｍｍの溝において０．６ｍｍの深さ（０．２ｍｍの曲率半径）を有する。

本発明において、ベーンの製造プロセスを何ら変更することなく、ベーンの内側プラットホームを形成するために使用される型のコアにおける、凹部に対する所望の形状に適合するよう僅かに調節するだけで十分である。更に、ガスケットまたは他のシーリングシステムが、漏れ領域に挿入されないため、膨張の違いの作用で摺動するときにライナーが動かなくなる危険性がない。

本発明のタービンノズルのベーンの斜視図である。 本発明の第１の実施形態における漏れ領域を示す図１の詳細図である。 本発明の第２の実施形態における漏れ領域を示す図１の詳細図である。 図３の一部分の拡大図である。 従来のタービンノズルのベーンの斜視図である。 図５のベーンの断面図である。

符号の説明

１０ ベーン
１２ ブレード
１４ 外側プラットホーム
１６ 内側プラットホーム
１６Ａ 摺動領域
１８ ライナー
１８Ａ 上端
１８Ｂ 底端
２０ 空洞
２１ 隙間
２２ スタッド
２４ 入口オリフィス
２５ 較正された穴
２６ ブリッジ
２８ 出口オリフィス
３０ 凹部
３２ 溝
３４、３６、３８ 窪み

Claims (7)

1. ターボ機械のタービンベーンであって、
   多孔ライナー（１８）の外壁とベーン（１０）の内壁との間に環状の空洞（２０）を画定する多孔ライナー（１８）と、
   前記ライナーの内部に冷却空気を供給する吸気開口部（２４）と、
   前記ベーンからの前記冷却空気の一部を排気する排気開口部（２８）とを有し、
   前記ライナーが、前記ライナーと前記ベーンの前記内壁との間の相対的な熱膨張作用の下で、前記ライナーが前記ベーンの内縁（１６Ａ）に沿って摺動するように、前記ライナーの一端（１８Ａ）が前記ベーンに固定され、かつ前記ライナーの他端（１８Ｂ）が自由端であり、
   前記ライナーの前記自由端と前記ベーンの前記内縁との間の環状の隙間（２１）が、冷却空気用の漏れ領域を画定し、
   前記内縁が、前記漏れ領域を通る冷却空気の流量を減少させるように、前記漏れ領域にヘッドロスを生じさせる凹部（３０）を含むことを特徴とする、ターボ機械のタービンベーン。
2. 前記凹部が、前記内縁の周囲全体または一部に形成されることを特徴とする、請求項１に記載のベーン。
3. 前記凹部が、円形対称であることを特徴とする、請求項２に記載のベーン。
4. 前記凹部が、矩形の断面の溝（３２）を有することを特徴とする、請求項１に記載のベーン。
5. 前記凹部が、波形の断面の溝（３４、３６、３８）を有することを特徴とする、請求項１に記載のベーン。
6. 前記波形の断面の溝が、少なくとも１つの窪みを含むことを特徴とする、請求項５に記載のベーン。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の冷却されるベーン（１０）を複数含むことを特徴とする、ターボ機械のタービン。

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