JP4537518B2 - タービン翼形部及び翼形部冷却方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明はタービンエンジンに関するものであって、具体的には、タービンエンジンの翼形部を冷却するための装置及び方法に関する。
【０００２】
通例、タービンエンジンは、コアエンジンに流入する気流を圧縮する高圧圧縮機、燃料と圧縮空気との混合物を燃焼させて推進用ガス流を発生する燃焼器、及び推進用ガス流によって回転する高圧タービンが直列に連結されたコアエンジンを含んでいる。高圧タービンで高圧圧縮機を駆動すべく、高圧タービンを高圧圧縮機と軸連結してもよい。追加の圧縮機及びタービン（例えば、低圧圧縮機及び低圧タービン）がコアエンジンと直列に配置されることもある。本明細書で用いる用語「タービン」には、何ら限定されることなく、高圧タービン及び低圧タービンが包含される。
【０００３】
例えば高圧タービンの部品のようなエンジン部品は、その製造に使われる材料の熱応力の限界のため、冷却が必要とされる。通例、冷却空気は圧縮機出口からの抽気であって、例えばタービン翼形部の冷却に使用される。タービン翼形部を冷却した後の冷却空気は、圧縮機の下流で再びガス流路に流入する。
【０００４】
公知のタービン翼形部は、翼形部を冷却するため冷却空気の流れる冷却回路を含んでいる。具体的には、翼形部の内部のキャビティが冷却空気を導く流路を画成する。かかるキャビティは、例えば、複数のパス（例えば、スリーパス又はファイブパス）を有する蛇行形流路を画成し得る。一般に、ファイブパス冷却回路はスリーパス冷却回路よりも向上した冷却効率を有する。
【０００５】
しかし、ファイブパス冷却回路を有する翼形部を製造するのは、例えばスリーパス冷却回路を有する翼形部を製造するよりも複雑で経費がかさむ。具体的には、翼形部は通例ダイカスト法によって製造される。ファイブパス翼形部冷却回路鋳造用の中子は、スリーパス翼形部冷却回路鋳造用の中子よりも形状が複雑で、キャビティ寸法が小さく、かつ壊れ易いのが通例である。
【０００６】
加えて、作動中、ファイブパス翼形部冷却回路を通過する気流の速度が大きくそれに伴って圧力損失が大きいため、ファイブパス翼形部冷却回路内の流量変動はスリーパス翼形部冷却回路内の流量変動よりも大きい。ファイブパス翼形部冷却回路内の空気流量を制御するのはスリーパス翼形部冷却回路内の空気流量の制御よりも困難である。これまで、ファイブパス冷却回路の製造コストの上昇及び空気流量制御の困難さは、冷却効率の向上とのトレードオフであった。
【０００７】
従って、ファイブパス冷却回路を有する翼形部よりも複雑さが少なくしかも製造コストが安いにもかかわらず、公知のスリーパス冷却回路よりも冷却効率の向上した冷却回路を有する翼形部を提供することができれば望ましい。
【０００８】
【発明の概要】
上記その他の目的は、３つの冷却室（すなわち、前縁室、特大の中間室及び後縁室）が直列に連結したキャビティで形成されたスリーパス蛇行冷却回路を有する翼形部によって達成し得る。中間室は、リブもしくはタービュレータ及びピン列に加えて、冷却空気を中間室に導くための入口転向羽根を含んでいる。中間室の横断面積は、前縁室及び後縁室の横断面積よりも大きい。このように横断面積の増大した中間室は、本明細書では「特大の中間室」と呼ぶことがある。この中間室の横断面積は、公知のファイブパス冷却回路室の横断面積よりも大きい。
【０００９】
中間室の横断面積の増大によって、公知のファイブパス冷却回路翼形部の鋳造用中子の寸法よりも大きな鋳造用中子を使うことができるので製造が簡単となる。入口転向羽根は、タービュレータ及びピン列とともに、よどんだ流れ領域を無くして中間室内の冷却効率を向上させる。
【００１０】
上記の冷却回路は、特大の中間室と後縁室の間の流路内に延在する後縁調量隔壁も含んでいる。かかる調量隔壁は、ある実施形態では、翼形部の外壁の内面から延在している。このような調量隔壁の位置は、例えば特大の中間室などにより鋳造用中子がこの位置で強固に支持される点で特に有利であるとともに、翼形部と一体の調量隔壁の鋳造が可能となる。調量隔壁を翼形部と一体で鋳造するのは、調量隔壁を機械加工するよりも格段に安価である。
【００１１】
さらに、このような調量隔壁の位置は、前縁室及び／又は中間室の内径に位置することがある段間又はタービン間パージスワーラの効率を向上させる。スワーラは、前縁室から空気を導いてタービン間キャビティ又は段間タービンロータをパージする。具体的には、スワーラの効率が向上するのは、調量をスワーラの上流で行う場合よりも高い圧力比でスワーラが動作し得るからである。
【００１２】
上述の翼形部は、ファイブパス冷却回路を有する公知の翼形部よりも製造コストが安く、冷却空気の流量制御が向上する。さらに、かかる翼形部はスリーパス冷却回路を有する公知の翼形部よりも向上した冷却効率を有すると考えられる。
【００１３】
【発明の詳しい説明】
図１はタービンエンジン用翼形部１００の断面を示す。翼形部１００は、ステーターベーン（図１には図示せず）のノズル又はロータ（図１には図示せず）の動翼として使用し得る。翼形部１００は、高温燃焼ガス及び空気と接することのある前縁（図１には図示せず）と後縁（図１には図示せず）を有している。
【００１４】
翼形部１００はスリーパス蛇行冷却キャビティ１０２を含んでおり、高圧圧縮空気で翼形部１００を冷却するのに利用される。キャビティ１０２は、翼形部１００の内壁１０４によって形成される。内壁１０４は、翼形部１００の前縁と後縁にそれぞれ対応する前端部１０６と後端部１０８を含んでいる。内壁１０４は、翼形部１００の凹面壁（図示せず）と凸面壁（図示せず）にそれぞれ対応する凹面部（図１には図示せず）と凸面部（図１には図示せず）を含んでいる。内壁１０４は、翼形部１００の頂部（図示せず）と底部（図示せず）にそれぞれ対応する上端部１１０と下端部１１２をさらに含んでいる。
【００１５】
キャビティ１０２は、３つの冷却室、すなわち前縁室１１４と中間室１１６と後縁室１１８とに分割される。中間室１１６は前縁室１１４及び後縁室１１８よりも大きい横断面積を有しており、生産性の高い翼形部１００をもたらす。前縁室１１４は中間室１１６及び後縁室１１８と連通している。
【００１６】
前縁室１１４は、内壁１０４の前端部１０６と第１中間隔壁１２０によって形成されている。中間室１１６は第１中間隔壁１２０及び第２中間隔壁１２２によって形成されており、後縁室１１８は第２中間隔壁１２２及び内壁１０４の後端部１０８によって形成されている。中間室１１６は、複数のリブ（又はタービュレータ）１２４も含んでいる。リブ１２４は第２中間隔壁１２２から第１中間隔壁１２０まで延在しているとともに、中間室１１６のキャビティ１０２内に突き出ている。タービュレータ１２４は平坦な端部を有していてもよく、乱流促進体もしくはトリップストリップとして周知のものであってもよい。別法では、タービュレータ１２４は丸い端部を有していてもよい。
【００１７】
第２群のリブ（タービュレータともいう）１２６が中間室１１６内の第２中間隔壁１２２と第１中間隔壁１２０の間に延在しており、第４群のリブ（タービュレータともいう）１２８が第２中間隔壁１２２に沿って設けられ、中間室１１６の凹面部と凸面部の間に延在する。
【００１８】
中間室１１６は、内壁１０４の凹面部から凸面部まで延在する複数のピン１３０を含んでいる。別法では、ピン１３０は凹面部又は凸面部から突き出ていてキャビティ１０２内に終端を有していてもよい。ピン１３０は凹面部及び凸面部から互い違いに延在していてもよく、例えば第１列のピンが凹面部から延在していて隣りの列のピンが凸面部から延在していてもよい。
【００１９】
中間室１１６と前縁室１１４の形状及び相互関係並びにピン１３０とタービュレータ１２４の形状及び相互関係は、翼形部１００の使用目的に応じて変化する。しかし、ピン１３０とリブ１２４との関係は明確に規定し得る。
【００２０】
ピン１３０は本質的に円形であり、ピン１３０同士の間隔に比例した直径を有する。別法として、ピン１３０は長円形であってもよいし、その他の非円形の形状であってもよい。
【００２１】
ピン１３０の直径とピン１３０の間隔との比は約０．５〜約０．１の範囲にある。例えば、間隔は直径の約２〜約１０倍である。ピン１３０は中間室１１６内で複数の列をなして配置されているとともに、隣りの列のピン１３０とはタービュレータ又はリブ１２６で隔てられている。翼形部１００の半径方向長さに沿って見ると、タービュレータ１２６は中間室１１６の凹面部と凸面部に交互に設けられる。
【００２２】
中間室１１６の凸面部又は凹面部からのタービュレータ１２４の高さは、中間室１１６の凹面部と凸面部の間の距離に比例する。タービュレータ１２４の高さと中間室１１６の凹面部と凸面部の間の距離との比は約０．０５〜約０．５の範囲にある。例えば、中間室１１６の凹面部と凸面部の間の距離はタービュレータ１２４の高さの約２０〜約２倍である。
【００２３】
タービュレータ１２４の高さは中間室１１６内でのそれらの幅に比例する。タービュレータ１２４の高さとタービュレータ１２４の幅との比は約０．５〜約２の範囲にある。例えば、タービュレータ１２４の高さはタービュレータ１２４の幅の約1/2 〜約２倍である。タービュレータ１２４間の距離もそれらの高さに比例する。タービュレータ１２４間の距離とタービュレータ１２４の高さとの比は約４〜約２０の範囲にある。例えば、タービュレータ間の距離はタービュレータ１２４の高さの約４〜約２０倍である。
【００２４】
タービュレータ１２４の寸法と距離はそれらの位置に関係する。かかる寸法及び距離は、内壁１０４の凹面部に沿ったタービュレータ１２４と同じく凹面部に沿った他のタービュレータ１２４との関係又は内壁１０４の凸面部に沿ったタービュレータ１２４と同じく凸面部に沿った他のタービュレータ１２４との関係を反映している。
【００２５】
リブ１３２は、リブ１２６のうち転向羽根１３４と連結したものである。リブ１３２は第２中間隔壁１２２から第１中間隔壁１２０に向かって延在し、第１端部１３６と第２端部１３８の間で転向羽根１３４と連結している。転向羽根１３４は、中間室１１６の凹面部から凸面部まで延在しているとともに、内壁１０４の第１中間隔壁１２０と下端部１１２の間に延在する。第２端部１３８は点１４０の周囲に位置している。別の実施形態では、転向羽根１３４は点１４０の周囲で時計回り又は反時計回りに回転し、リブ１３２とは連結していなくてもよい。
【００２６】
調量隔壁１４２が翼形部１００内に鋳造され、第２中間隔壁１２２と内壁１０４の上端部１１０の間に配置される。調量隔壁１４２は、中間室１１６から後縁室１１８への圧縮空気の流れを制御する。別の実施形態では、調量隔壁１４２を翼形部１００内に鋳造して第１中間隔壁１２０と内壁１０４の下端部１１２の間に配置してもよい。
【００２７】
翼形部１００はステーターベーン（図示せず）を表わしているが、本発明に係るスリーパス冷却キャビティはロータブレード（図示せず）にも利用し得る。別法では、転向羽根１３６は内壁の凹面部及び凸面部から突き出ていてキャビティ１０２内に終端を有していてもよい。
【００２８】
キャビティ１０２は、翼形部１００内に中子（図示せず）を鋳込むことによって形成される。中子は、中子型（図示せず）に液状セラミック−黒鉛スラリーを注入することによって作製される。スラリーを加熱して、固体セラミック翼形部中子を形成する。翼形部中子を翼形部型（図示せず）内に懸架して、翼形部型に高温のろうを注入してセラミック翼形部中子を包む。高温のろうが凝固すると、内部にセラミック中子を含んだ翼形部（図示せず）が形成される。
【００２９】
次に、セラミック中子を含むろう製翼形部をセラミックスラリーに浸漬し、乾燥する。この操作を数回繰返して、ろう製翼形部上に外型を形成する。その後、外型からろうを溶かし出して、内部に中子が懸架された鋳型を得て、その中に溶湯を注入する。金属が凝固した後、外型と中子を取り除く。
【００３０】
作動中、高圧圧縮機（図示せず）からノズル冷却空気入口１４４を通じて翼形部１００に冷却空気が供給される。冷却空気は次に翼形部１００の下端部１１２に達して分岐され、冷却空気の約５０％は開口１４６を通って翼形部１００から流出する。本明細書で段間のパージエアスワーラ１４６とも呼ぶ開口１４６は、調量隔壁１４２がスワーラ１４６の下流に位置しているので、高い圧力比で作動できる。残りの冷却空気は、転向羽根１３４の働きにより中間室１１６内に流入する。
【００３１】
中間室１１６に流入した冷却空気はリブ１２４とピン１３０の組合せに接触し、それによって空気はさらに攪拌される。中間室１１６は、慣用の翼形部冷却キャビティよりも大きい。中間室１１６の大きな寸法によって生産性の高い翼形部１００が得られるが、これは鋳造用中子（図示せず）が慣用翼形部よりも大きくて壊れ難いからである。
【００３２】
ただし、大きい冷却キャビティ又は冷却室は本来ならば低い冷却気流のマッハ数並びに低い熱伝達係数及び冷却をもたらす。本発明の中間室１１６のユニークな構成は、キャビティ１０２内の高圧圧縮空気に対して極めて高い冷却効率と一様な空気流量を与える。
【００３３】
冷却空気は次いで調量隔壁１４２を経由して後縁室１１８内に流入する。調量隔壁１４２の位置と使用によって、中間室１１６から調量隔壁１４２を経由して後縁室１１８内に流入する冷却空気の圧力が下がる。後縁室１１８内での低い圧力により、生産性の良い鋳造後縁スロット寸法が可能となる。鋳造用中子が強く十分に支持される翼形部１００内の位置に調量隔壁１４２が配置されることで、調量隔壁１４２を翼形部１００内部に鋳造することができる。
【００３４】
図２では、前縁室１１４、中間室１１６及び後縁室１１８が複数のリブ１２４を含むために若干の参照番号を追加した点を除けば、図１と同じ参照番号を用いた。
【００３５】
第１群のリブ（つまりタービュレータ）１４８が前縁室１１４内の内壁１０４の前端部１０６と第１中間隔壁１２０の間に延在しており、第３群のリブ（つまりタービュレータ）１５０が後縁室１１８内の内壁１０４の後端部１０８と第２中間隔壁１２２の間に延在する。
【００３６】
本発明のこの実施形態の作動中、冷却空気は高圧圧縮機（図示せず）からノズル冷却空気入口１４４を通じて翼形部１００内に流入し、前縁室１１４内を半径方向内方に流れ、第１群のリブ（又はタービュレータ）１４８の周囲で攪乱される。タービュレータ１４８は、内壁１０４の特定の凹面部及び凸面部にも見出される。タービュレータ１４８は、冷却空気が完全に発達したチャンネル流れとなるのを防止するとともに、チャンネル流れへと発達しつつある境界層を破壊する。
【００３７】
空気の流れが後縁室１１８に到達して調量隔壁１４２を通過すると、空気の圧力は低下する。その際、リブ（又はタービュレータ）１５０は冷却空気がチャンネル流れに発達するのを防ぐのに役立つとともに、チャンネル流れへと発達しつつある境界層を破壊するのにも役立つ。タービュレータ１４８及び１５０は図１と図２の間の唯一の相違点をなすものであり、本発明の別の実施形態を表わすものである。
【００３８】
図３は図１に示した中間室１１６を例示したものであり、図１及び図２と同じ参照番号を有する。リブ１２６は内壁１０４の凹面部及び凸面部から中間室１１６のキャビティ１０２内に突き出ている。リブ１２６は中間室１１６内の第２中間隔壁１２２と第１中間隔壁１２０の間に延在する。リブ１２６は、第２中間隔壁１２２に沿って設けられていて、中間室１１６の凹面部と凸面部の間にも延在している。
【００３９】
図４は、図３に示した中間室１１６の矢視４−４部の断面図であり、中間室１１６内の内壁１０４の凹面部１５２及び凸面部１５４を示すため若干の参照番号が追加されている点を除けば、図１、図２及び図３と同じ参照番号を有する。
【００４０】
中間室１１６、前縁室（図４では図示せず）及び後縁室（図４では図示せず）の形状及び相互関係並びにピン１３０及びタービュレータ１２６の形状及び相互関係は、使用目的に応じて変化する。ただし、ピン１３０とリブ１２６との関係は上記で規定した通りである。
【００４１】
本発明の様々な実施形態に関する上記の説明から、本発明の目的が達成されるのは明らかである。以上、本発明について詳細に説明し例示してきたが、これらは例示を目的としたものにすぎず、本発明を限定するものではない。本発明の技術的思想及び技術的範囲は特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係る翼形部の概略断面図。
【図２】 本発明の別の実施形態に係る翼形部の概略断面図。
【図３】 図１に示す翼形部の中間室の概略断面図であり、リブ及びピンを図示したもの。
【図４】 図３に示す中間室の矢視４−４部の断面図。
【符号の説明】
１００ 翼形部
１０２ 冷却キャビティ
１０４ 内壁
１０６ 前端部
１０８ 後端部
１１０ 上端部
１１２ 下端部
１１４ 前縁室
１１６ 中間室
１１８ 後縁室
１２０ 第１中間隔壁
１２２ 第２中間隔壁
１２４ リブ又はタービュレータ
１２６ リブ又はタービュレータ
１２８ リブ又はタービュレータ
１３０ ピン
１３２ リブ
１３４ 転向羽根
１４２ 調量隔壁
１４４ 開口
１４６ 開口
１４８ リブ又はタービュレータ
１５０ リブ又はタービュレータ

Claims (3)

1. タービンエンジンにおける翼形部（１００）用の冷却装置であって、
   前端部（１０６）と後端部（１０８）と上端部（１１０）と下端部（１１２）と凹面部と凸面部と第１中間隔壁（１２０）と第２中間隔壁（１２２）とを含んでなる内壁（１０４）によって形成されている冷却キャビティ（１０２）と、
   前記前端部（１０６）と第１中間隔壁（１２０）とによって形成される前縁室（１１４）と、
   前記第１中間隔壁（１２０）と前記第２中間隔壁（１２２）によって形成される中間室（１１６）と、
   前記第２中間隔壁（１２２）と前記後端部（１０８）とによって形成される後縁室（１１８）と
   を含み、
   前記前縁室（１１４）は、前記中間室（１１６）及び前記後縁室（１１８）と連通しており、
   前記中間室（１１６）は、前記前縁室（１１４）と前記後縁室（１１８）との間にあり且つ前記前縁室及び前記後縁室よりも大きい横断面積を有し、
   前記冷却装置は、さらに、
   前記中間室と前記後縁室の間の流れを減少させる調量隔壁（１４２）と、
   上記中間室内の上記キャビティ中に延在する複数のピン（１３０）及び突起（１２４）と
   を含み、
   前記ピン（１３０）は、前記凹面部から前記凸面部まで延在しており、
   前記突起（１２４）は、
   前記第２中間隔壁（１２２）と前記第１中間隔壁（１２０）とを連結しているとともに前記凹面部及び前記凸面部から前記キャビティ（１０２）内に延在している第２群のリブ（１２６）と、
   前記凹面部と前記凸面部とを連結しているとともに前記第２中間隔壁に沿って延在している第３群のリブ（１２８）と
   を備え、
   前記前縁室は、複数の開口（１４４及び１４６）を含み、
   前記冷却装置は、前記凹面部と前記凸面部との間を延び且つ前記第１中間隔壁（１２０）と前記下端部（１１２）との間を延びる転向羽根（１３４）をさらに備える
   ことを特徴とする、タービンエンジンにおける翼形部（１００）用の冷却装置。
2. 前記ピン（１３０）は、前記中間室（１１６）内で複数の列をなして配置されているとともに、隣りの列のピン（１３０）とは前記第２群のリブ（１２６）で隔てられていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記列における前記ピン（１３０）の間隔は、該ピンの直径の２〜１０倍であることを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。

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