JP4688342B2 - 衝突冷却翼形 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には、ガスタービンエンジンの翼形に関し、特に衝突冷却される翼形に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の多くのガスタービンエンジンのベーン及びブレードは、熱を取り除くために冷却空気を搬送する内部通路を有する。例えば、従来のタービンブレードの中には、対流伝熱によってブレードを冷却するために冷却空気を搬送する迷路状の内部通路を有するものがある。ブレードの表面に冷却穴があるため、冷却空気は内部通路を出て、ブレードの外面に沿って冷却膜を形成する。更に、従来のブレードの中には、各々の内部通路の間を貫通し、ブレードの内面を衝突冷却によって冷却するために空気の噴流がブレードの内面に衝突するように空気の噴流を上流側の通路から下流側の通路へ導く複数の冷却穴を有するものもある。内面に衝突した後、冷却空気は余りにも高温になっているために、それ以上の対流伝熱効果を発揮することができないので、対流冷却に使用されることなく膜冷却穴を通して導かれる。同様に、従来のタービンベーンの中には、ベーンの内面へ空気の噴流を導く複数の衝突冷却穴を有する挿入部材を含むものもある。従来のブレードと同様に、冷却空気は余りにも高温になっているために、それ以上の対流伝熱効果を発揮することができないので、ベーンの内面に衝突した後、冷却空気はベーンの膜冷却穴を通って直ちに排出される。
【０００３】
【発明の概要】
本発明のいくつかの特徴の中で、ガスタービンエンジンにおいて使用するための翼形を設けたことに注目できるであろう。翼形は、入口と、出口とを有する中空の空洞部を翼形内に規定する内面を有する本体を含む。翼形は、空洞部の内部に、空洞部を第１の冷却通路と、第２の冷却通路とに分割する区画壁を更に含む。第１の冷却通路は第１の冷却通路に冷却空気を送り出すために入口と連通し、第２の冷却通路は第２の冷却通路から冷却空気を排出するために出口と連通する。区画壁は、第１の冷却通路と第２の冷却通路の間を貫通し、冷却空気を第１の冷却通路から第２の冷却通路へ通過させる冷却穴を有する。冷却穴の大きさと翼形の内面に関する位置とは、冷却空気を翼形の内面の一部分に向かって導き、冷却空気をその部分に衝突させるように定められている。その結果、空洞部の入口に入った冷却空気は、第１の冷却通路を通過して対流伝熱によって本体を冷却し、冷却穴を通過して本体の内面の一部分に衝突し、第２の冷却通路を通過して対流伝熱によって本体を冷却し、そして空洞部の出口から出る。
【０００４】
本発明のその他の特徴は一部は明白であろうし、別の部分は以下に指摘されるであろう。
【０００５】
図面中、いくつかの図を通して同じ図中符号は対応する部分を指示する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
そこで、図面、特に図１を参照すると、図中符号１０はガスタービンエンジンの一部である。エンジン１０は図中符号１２により示されるステータと、このステータに回転自在に装着され、図中符号１４により示される回転子とを含む。他にも様々な部品があるが、ステータ１２は、周囲に１列に配列された第１段低圧タービンベーンセグメント１８を保持するほぼ円筒形の支持部１６を含む。回転子１４は、周囲に１列に配列された第１段低圧タービンブレード２２を保持する環状ディスク２０を含む。第１段低圧タービンブレード２２は、エンジン１０の送風機又は圧縮機回転子(図示せず)を駆動するために、ベーンセグメント１８に関して回転する。第１段ベーンセグメント１８を除けば、エンジン１０は従来通りの構成であるので、詳細な説明を省略する。
【０００７】
図１に更に示されているように、各ベーンセグメント１８は、エンジンの流路の外側境界を形成する外側プラットホーム３２と、流路の内側境界を形成する内側プラットホーム３４との間に半径方向に延出する３つの翼形本体３０を含む。好ましい一実施例のベーンセグメント１８は３つの本体３０を有しているが、翼形本体の数が２つ以下又は４つ以上であっても本発明の趣旨から逸脱することにはならないのは当業者には理解されるであろう。外側プラットホーム３２は、ベーンセグメント１８を支持部１６に装着するための２つのフックマウント３６を有する。好ましい実施例のベーンセグメント１８は２つのフックマウントを有しているが、フックマウントの数が１つ又は３つ以上であったり、また、ボルト留めフランジなどの他の種類のマウントを使用しても本発明の趣旨から逸脱することにはならないのは当業者には理解されるであろう。各翼形本体３０はベーンセグメント１８をエンジン１０に装着したとき、ほぼ上流側に向く前縁３８を有する。翼形本体３０は、前縁３８に対向する後縁４０を更に有する。ベーンセグメント１８をエンジン１０に装着したとき、後縁４０は下流側に向く。フランジ４２は内側プラットホーム３４から内側へ延出して、内側シール４４を支持する。内側プラットホーム３４の両端部には溝４６が機械加工により形成されている。流路のガスが内側プラットホーム３４の両端部の間を流れるのを阻止するために、これらの溝４６には従来のスプラインシール(図示せず)が嵌め込まれる。
【０００８】
図２及び図３に示すように、翼形本体３０の内面５０は中空の空洞部５２を規定している。空洞部５２の入口５４は冷却空気供給源(図示せず)と連通し、空洞部５２に冷却空気を流入させる。空洞部５２の出口５６は空洞部から冷却空気を排出する。すなわち、冷却空気は入口５４から入り、空洞部５２を通過して出口５６に至り、対流伝熱により翼形本体３０を冷却する。空洞部５２内に延出するU字形の区画壁６０は空洞部を第１の冷却通路６２と、第２の冷却通路６４とに分割する。第１の冷却通路６２は冷却空気を第１の通路へ送り出すために入口５４と連通し、第２の冷却通路６４は通路から冷却通路を排出するために出口５６と連通する。図２及び図３に示す実施例の区画壁６０は全体が空洞部５２の中に延出しているが、区画壁の一部のみが空洞部に延出している構成であっても本発明の範囲を逸脱することにはならない。更に、区画壁６０が図２に示す形状以外の形状を有していても、本発明の範囲を逸脱することにはならないであろう。例えば、区画壁は図４に示すような一部矩形の形状を有していても良い。
【０００９】
更に、図２に示すように、区画壁６０の、第１の通路６２と第２の通路６４との間には、複数の冷却穴６６が貫通している。これらの冷却穴６６を通過して、冷却空気は第１の通路６２から第２の通路６４に入る。冷却穴６６の大きさと翼形本体３０の内面５０に関する位置とは、図３に示すように、冷却空気を翼形本体３０の前縁３８にすぐ隣接する位置にある翼形本体の内面５０の部分６８に向かって導くように定められている。すなわち、冷却空気は、前縁３８にすぐ隣接する位置にある内面５０の部分６８に衝突し、衝突冷却によって翼形本体３０を冷却する。当業者には理解されるであろうが、翼形本体３０の前縁３８は、通常、本体の他の部分より高い温度にさらされ且つ／又は大きな応力を受ける。従って、前縁３８へ空気を導くということは、最高温度を低下させ且つ／又は材料特性を向上させることがもっとも必要とされている場所へ冷却空気を導くことである。好ましい実施例の冷却穴６６は前縁３８にすぐ隣接する位置にある内面５０の部分６８へ冷却空気を導くが、内面の他の部分へ冷却空気を導いても、本発明の範囲から逸脱することにはならない。
【００１０】
当業者には理解されるであろうが、個々の冷却穴６６と、前縁３８にすぐ隣接する内面５０との間の距離は、衝突冷却の熱伝導効果を制御し且つ穴と内面との間の冷却空気の交差流を考慮に入れるように選択されれば良い。例えば、好ましい一実施例では、最も上の位置にある冷却穴６６と内面５０との間の距離は約０．２４インチであり、最も下の位置にある冷却穴６６と内面５０との間の距離は約０．２８インチである。しかし、冷却穴６６と内面５０との間の距離を変えても、本発明の範囲から逸脱することにはならないと考えられる。例えば、図４に示すように冷却穴６６と内面５０との間の距離を変えても本発明の範囲から逸脱しないであろう。更に、図２に示す実施例の冷却穴６６は区画壁６０のまっすぐな部分に配置されているが、各々の冷却穴６６と内面５０との間の距離を最適にするために区画壁を湾曲させても良いことは当業者には理解されるであろう。加えて、図２に示す実施例では、冷却穴６６は翼幅の約５０パーセントから１００パーセントの範囲で分布しているが、翼形本体３０のその他の部分を冷却するように冷却穴を配置しても好ましい実施例の範囲から逸脱することにはならないのは当業者には理解されるであろう。更に、図４に示すように、翼形本体３０に沿って隣接する冷却穴６６同士の間隔を変えても、本発明の範囲から逸脱することにはならないであろう。
【００１１】
更に図２に示すように、区画壁６０は第１の通路６２と第２の通路６４との間に貫通して延びる流量調節開口７０を含む。この開口７０は、翼形本体３０の内面５０に関して、冷却空気を翼形本体の内面に衝突させずに第１の通路６２から第２の通路６４へ通過させるように配置されている。空気は内面５０に衝突せずに開口７０を通過するので、空気に伝達される熱は少なくなり、内面に衝突した場合と比べて低い温度にとどまる。その結果、空気の下流側は、空気全体が内面５０に衝突した場合と比べて低温である。これにより、翼弦方向の温度勾配はより漸進的になるため、翼形本体に加わる応力は減少する。好ましい一実施例においては、空気が内面５０から下方へ離れる方向に導かれるように、開口７０はU字形区画壁６０の底、すなわち、下端部に配置されている。開口７０は、十分な量の冷却空気が翼形本体３０の内面５０に衝突せずに第２の通路６４を通過し、それにより、第２の通路６４を通過する全ての冷却空気(すなわち、冷却穴６６を通過した空気及び開口７０を通過した空気)の温度が第２の通路において有効な対流冷却を行える十分に低い温度になるように選択された所定の大きさを有する。翼形本体３０を冷却するために必要である流れの平衡と必要な空気流量をいかにして得るかは、当業者の理解と能力の範囲内に十分入っている。好ましい一実施例では、開口７０の大きさは、第１の通路６２に入った空気の約１／３が開口を通過し、２／３は衝突冷却穴６６を通過するように定められている。従って、第２の通路を通過して翼形本体の内面に衝突する量のほぼ半分量の冷却空気が翼形本体３０の内面５０に衝突せずに第２の通路６４を通過する。冷却穴６６と開口７０の直径を変えても本発明の範囲を逸脱することにはならないであろうが、９つの冷却穴が設けられ且つ区画壁６０の両側における圧力降下が１平方インチ当たり約１０~１５ポンドである好ましい一実施例では、冷却穴の直径は約０．０４インチ、開口の直径は約０．０９インチである。更に、冷却穴６６と開口７０の形状を変えても本発明の範囲から逸脱することにはならないであろうが、好ましい一実施例においては穴は円形である。図２に示す実施例では開口７０は１つしかないが、区画壁６０に２つ以上の開口を設けても本発明の範囲から逸脱することにはならないのは当業者には理解されるであろう。
【００１２】
翼形本体３０の外側端部７２で空洞部５２の入口５４に流入した冷却空気は第１の通路６２を通ってほぼ半径方向内側へ進み、対流伝熱によって翼形本体を冷却する。冷却空気の一部は冷却穴６６を通って、翼形本体３０の前縁３８にすぐ隣接する位置にある翼形本体３０の内面５０の部分６８に衝突し、衝突冷却によって翼形本体を冷却する。内面５０に衝突した後、冷却穴６６を通過した冷却空気は第２の通路６４の第１の部分７４を通ってほぼ半径方向内側へ進む。第１の部分７４を通過した後、冷却空気は開口７０を通過した冷却空気と混合する。その後、混合した冷却空気は方向を変え、第２の通路の第２の部分７６を通ってほぼ半径方向外側へ進み、対流伝熱によって翼形本体３０を冷却する。最後に、冷却空気は翼形本体の外側端部７２で出口５６を通って空洞部５２から出る。空洞部５２から出た後、冷却空気はブレード２２の先端などのエンジン１０のその他の部分を冷却するために使用されても良い。
【００１３】
先に説明したベーンセグメント１８は従来の方法を使用して製造される。セグメント１８は、空洞部５２、区画壁６０、開口７０及び冷却穴６６を形成するコア(図示せず)を使用して鋳造される。このコアにより、セグメント１８の内側端部８０に開口(図示せず)が形成される。この開口を金属薄板の条片８２により閉鎖し、従来の方法を使用して条片をセグメント１８にろう付けするか、又はその他の方法により固着する。鋳造したセグメントを従来の機械加工方法を使用して最終的な部品形状に機械加工する。
【００１４】
以上、衝突冷却が行われるステータベーンセグメント１８を説明したが、回転子ブレードなどの他の翼形にも本発明を適用できることは当業者には理解されるであろう。更に、好ましい実施例の翼形は第１段低圧タービンベーンであるが、低圧タービン又は高圧タービンのその他の段に同様の衝突冷却を利用しても、本発明の範囲から逸脱することにはならないであろう。
【００１５】
本発明又はその好ましい実施例の要素を説明する際、それらの要素の１つ又は２つ以上が存在し、また列挙した要素以外の追加の要素が存在してもよいことを、理解されたい。
【００１６】
本発明の範囲から逸脱せずに上記の構成において様々な変更を実施できると考えられるので、以上の説明に含まれる又は添付の図面に示されるあらゆる事項は単なる例示であり、本発明を限定する意味をもたないとみなすべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の衝突冷却翼形を有するガスタービンエンジンの一部の垂直横断面図。
【図２】 本発明の翼形の垂直横断面図。
【図３】 図２の線３−３の平面に沿った翼形の横断面図。
【図４】 本発明の翼形の第２の実施例の垂直横断面図。
【符号の説明】
１０…ガスタービンエンジン、１８…第１段低圧タービンベーンセグメント、３０…翼形本体、５０…翼形本体の内面、５２・・空洞部、５４…入口、５６…出口、６０…区画壁、６２…第１の冷却通路、６４…第２の冷却通路、６６…冷却穴、７０…開口

Claims (10)

  1. ガスタービンエンジン(１０)に使用するための翼形(１８)において、
    前縁(３８)と、前記前縁(３８)に対向する後縁(４０)とを有し、前記翼形(１８)内に、冷却空気を受け入れるために冷却空気供給源と連通する入口(５４)と、冷却空気を排出するための出口(５６)とを有する中空の空洞部(５２)を規定する内面(５０)を有し、伝熱によって翼形本体を冷却するために冷却空気を前記空洞部(５２)に前記入口(５４)から前記出口(５６)まで通過させる、翼形本体(３０)と、前記空洞部(５２)の内部にあり、前記空洞部(５２)を第１の冷却通路(６２)と、第２の冷却通路(６４)とに分割する区画壁(６０)であって、前記第１の冷却通路(６２)は冷却空気を前記第１の冷却通路(６２)へ送り出すために前記入口(５４)と連通し、前記第２の冷却通路(６４)は前記第２の冷却通路(６４)から冷却空気を排出するために前記出口(５６)と連通し、前記区画壁(６０)は、前記第１の冷却通路(６２)と前記第２の冷却通路(６４)との間を貫通し、冷却空気を前記第１の冷却通路(６２)から前記第２の冷却通路(６４)まで通過させる冷却穴(６６)を有し、前記冷却穴(６６)の大きさと前記翼形本体(３０)の内面(５６)に関する位置とは、冷却空気を前記前縁(３８)の内面(５０)の部分(６８)に向かって導いて、冷却空気を前記部分(６８)に衝突させることにより、衝突冷却によって前記翼形本体(３０)を冷却するように定められている区画壁(６０)とを具備し、
    前記区画壁(６０)及び前記第２の冷却通路(６４)はＵ字形であり、
    前記第１の冷却通路(６２)は冷却空気を前記翼形本体(３０)を通してほぼ半径方向内側へ導き、前記第２の冷却通路(６４)は、冷却空気を前記翼形本体(３０)を通して前記前縁(３８)の内面（５０）に沿って、ほぼ半径方向内側へ導く第１の部分(７４)と、冷却空気を前記翼形本体(３０)を通して前記後縁(４０)の内面（５０）に沿って、ほぼ半径方向外側へ導く第２の部分(７６)とを含み、
    前記第１の冷却通路(６２)は前記第１の部分(７４)と前記第２の部分(７６)との間に配置されており、
    前記区画壁(６０)は、前記第１の冷却通路(６２)と前記第２の冷却通路(６４)との間を貫通し、大きさ及び前記翼形本体(３０)の内面(５０)に関する位置が冷却空気を前記冷却穴(６６)を通過せず且つ前記翼形本体(３０)の内面(５０)に衝突せずに前記第１の冷却通路(６２)から前記第２の冷却通路(６４)の前記第２の部分(７６)まで通過させるように定められている開口(７０)を含む、
    翼形(１８)。
  2. 前記冷却穴(６６)は第１の冷却穴(６６)であり、前記区画壁(６０)は前記第１の冷却穴(６６)を含む複数の冷却穴(６６)を有し、前記複数の冷却穴(６６)の各々の大きさ及び前記翼形本体(３０)の内面(５０)に関する位置は、冷却空気を前記空洞部(５２)を規定している前記翼形本体(３０)の内面(５０)の部分(６８)に向かって導き、冷却空気を内面(５０)の部分(６８)に衝突させることにより、衝突冷却によって前記翼形本体(３０)を冷却するように定められている請求項１記載の翼形(１８)。
  3. 前記複数の冷却穴(６６)の各々の大きさ及び前記翼形本体(３０)の内面(５０)に関する位置は、冷却空気を前記翼形本体(３０)の前縁(３８)に隣接した内面(５０)に向かって導き、前記翼形本体(３０)の前縁(３８)から熱を取り除くように定められている請求項２記載の翼形(１８)。
  4. 前記複数の冷却穴(６６)の各々は前記翼形本体(３０)の内面(５０)から、所定の熱伝導効果を実現するように選択された距離だけ離間している請求項２又は３に記載の翼形(１８)。
  5. 前記入口(５４)と前記出口(５６)は共に前記翼形(１８)の外側端部(７２)に配置されており、
    前記開口(７０)は、所定の量の冷却空気が前記翼形本体(３０)の内面(５０)に衝突せずに前記第２の冷却通路(６４)を確実に通過するように選択された所定の大きさを有する請求項１乃至４のいずれかに記載の翼形(１８)。
  6. 前記翼形(１８)はタービンのステータベーンである請求項１乃至５のいずれかに記載の翼形(１８)。
  7. 前記開口（７０）はＵ字形の前記区画壁(６０)の下端部に配置されている請求項１乃至６のいずれかに記載の翼形(１８)。
  8. 前記開口（７０）は、十分な量の冷却空気が前記翼形本体(３０)の内面(５０)に衝突せずに前記第２の冷却通路(６４)を通過し、それにより、前記冷却穴(６６)を通過した空気及び前記開口（７０）を通過した空気を含む前記第２の部分(７６)を通過する全ての冷却空気の温度が前記第２の部分(７６)において有効な冷却を行える十分に低い温度になるように選択された所定の大きさを有する請求項１乃至７のいずれかに記載の翼形(１８)。
  9. Ｕ字形の前記区画壁(６０)の底面が前記開口（７０）が複数設けられた平坦な部分を備える請求項１乃至８のいずれかに記載の翼形(１８)。
  10. Ｕ字形の前記区画壁(６０)の底面が前記開口（７０）が１つだけ設けられた湾曲部を備える請求項１乃至８のいずれかに記載の翼形(１８)。
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