JP4748886B2 - ノズルのろう付け個所背部冷却 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、そのタービンノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンにおいては、空気が圧縮機中で加圧され、燃焼器中で燃料と混合されて、高温の燃焼ガスを発生させ、その燃焼ガスがタービン段を通して下流に流れ、それからエネルギーが取り出される。燃焼器の直近の下流に配置された高圧タービンは、環状のステータノズルを含み、ロータディスクから外方に延びるロータ翼の対応する列に向って燃焼ガスを導く。
【０００３】
タービンノズルは、運転中にノズルが膨張及び収縮する時に、その中の熱応力を減少させるために弧状のセグメントで形成される。各ノズルセグメントは、一般的に外側及び内側の弧状バンドセグメントに固定結合れた一対のステータ翼を含む。ノズル羽根は高温の燃焼ガスに直接曝されるので、ノズル羽根及びそのバンドは高温で強度を維持する超合金で普通形成される。
【０００４】
羽根及びバンドは、一般的に別個の部品として鋳造され、一体に組立てられ、各羽根の２つの根元でろう付けされて、バンドの対応する羽根座中に取り付けられる。ろう付けは、超合金ノズル材料の高強度性能を劣化させることなく、強い接合をもたらす。
【０００５】
エンジン運転中には、ノズルは、圧縮機空気の１部を中空の羽根の内部にその内部冷却のために流すことにより高温の燃焼ガスから保護され、空気は羽根の１つまたは両方の側壁を貫通して延びるフィルム冷却孔の列を通して吐出される。羽根は薄い後縁に向って先細になる翼形部形状を有するので、後縁を通して冷却空気のいくらかを吐出し、羽根の薄い後縁領域を冷却するために、後縁開口の列が設けられる。
【０００６】
１つの例示的な設計では、各羽根は、前縁の背後に半径方向に延びる前部空洞と羽根の前部空洞及び後縁領域の間の羽根の中央翼弦領域に配置された第２の半径方向に延びる後部空洞とを備える。この２つの空洞は、２つの冷却回路を互いに隔離するための内部の無孔橋絡部により分離される。
【０００７】
前部空洞は、内側バンドを貫通する入口を含み、外側バンドで閉じられ、その中に冷却空気を独立して流し、羽根の前縁領域の周りのフィルム冷却孔から吐出する。
【０００８】
後部空洞は、外側バンドを貫通する入口を有し、内側バンドで閉じられ、その中に冷却空気を独立して受入れ、その空気は後縁開口を通してだけでなく羽根側壁のフィルム冷却孔を通して吐出される。
【０００９】
羽根の対向する根元端部の対応する空洞入口を除いては、羽根根元は、中実または無孔であり、一体にろう付けされた場合には、羽根及びバンドの間に強い相互結合をもたらす。各羽根の薄い後縁領域は、後部空洞を後縁開口のうちの対応する開口に結合する軸方向に延びる内側寄りスロットの列により冷却される。
【００１０】
後縁開口は、ろう付け作業の間に羽根の各端部における最終後縁開口が、毛管作用によりろう付け材料で塞がれないようにするために、対応するバンドから内側寄りに間隔を置いて配置されなければならない。従って、各後縁開口は、冷却空気の相当する部分をそれを通して流し羽根の後縁領域を冷却するのに十分な流れ面積を備え、かつバンドとのろう接継手界接面を備えるような寸法に作られなければならない。
【００１１】
この例示的な設計のタービンノズルは、米国の民間業務において長年航空機のガスタービンエンジンの第１段タービンノズルで成功裏に用いられてきた。しかしながら、羽根の後縁領域におけるろう接継手は、長期にわたる使用の間に酸化を受けやすく、このことがタービンノズルの有効寿命を制限するということが経験により明らかになってきた。ろう接継手の酸化は、この局部領域においてろう接継手が受ける比較的高い温度によるものである。
【００１２】
後縁開口の大きさは運転中の最大許容応力により制限を受け、また外側及び内側バンドの近傍に最終開口を設置することは、ろう付け材料による最終開口の好ましくない閉塞を防ぐための製造方法により制限を受けるので、後縁開口の冷却能力が使用限界となる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、羽根の後縁領域のろう接継手の冷却が改良され、その酸化を減らし、タービンノズルの有効寿命を改善したタービンノズルを提供することが望まれている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
ノズル羽根は、後縁開口及び中央翼弦空洞と流体連通するように結合された協働する内側寄りスロットの列を含む。外側寄りスロットは、内側寄りスロットのうちのそれぞれの最終スロットから外方に間隔を置いて、かつ後縁開口のうちのそれぞれの最終開口から外側寄りに配置される。外側寄りスロットは、羽根及び支持バンドの間のろう接継手の背後に延び、ろう接継手を効果的に背部冷却する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明を、好ましくかつ例示的な実施形態に従って、添付の図面に関連させた以下の詳細な説明において、そのさらなる目的及び利点と共により具体的に述べる。
【００１６】
図１に示すのは、ターボファン航空機ガスタービンエンジンの燃焼器（図示せず）から直近の下流に配置された高圧タービンの軸対称の第１段タービンノズル１０の１部分である。運転中に、高温燃焼ガス１２が、燃焼器から吐出され、ノズル１０を通して流れ、ノズルがそのガスをそれによって駆動されるロータディスクの周辺から外方に延びるタービンロータ翼（図示せず）の間に向ける。
【００１７】
ノズルは、各々が図２に示すようにそれを貫通して半径方向に延びるそれぞれの対の羽根座１４ａ，１６ａを有する弧状の外側及び内側バンド１４，１６を含む。
【００１８】
一対の中空の羽根１８が、円周方向に互いに間隔を置いて配置され、バンド間で半径方向に延びる。各羽根は、羽根座１４ａ，１６ａのうちの対応する座の中に配置された半径方向外側根元２０及び半径方向内側根元２２を羽根の両端に有する。
【００１９】
羽根は、典型的な翼形部の形状構成を有し、また羽根座は、その中に対応する羽根根元を密な嵌め合いで受入れるバンドを貫通する相補形の翼形部開口の形態をしている。
【００２０】
２つのバンド１４，１６及び２つの羽根１８は、羽根の根元端部及び対応するバンドの内方または内側寄りの表面の間の界接面で対応する全周ろう接継手２４により一体組立体になるよう一体に固定結合される。
【００２１】
図２に示すように、羽根１８の各々は、全体として凹面の第１側壁、つまり、正圧側壁２６、並びに全体として凸面で、２つのバンドの間で羽根のスパンに沿って半径方向に延びる翼弦方向に対向する前縁及び後縁３０，３２で一体に結合された第２側壁、つまり、負圧側壁２８を備える翼形部輪郭を有する。
【００２２】
図２及び図３に示すように、各羽根は、後縁開口３４及び中央翼弦空洞３８と流体連通して羽根の後縁領域の内側で延びる協働する内側寄りの軸方向のチャンネル、つまり、スロット３６の列を含む。
【００２３】
外側及び内側の羽根根元２０，２２は、エンジンの圧縮機（図示せず）から抽気される加圧された冷却空気４０を受入れるための外側根元及び外側バンドを貫通して延びる、中央翼弦空洞３８の外側入口を除いて、後縁３２及び中央翼弦空洞３８の間は無孔または中実である。
【００２４】
図３に示すように、内部の内側寄りスロット３６は、羽根の対向する側壁を橋絡する対応する半径方向に間隔を置いて配置された軸方向のリブにより画定される。内側寄りスロットは、半径方向の列になって延び、中央翼弦空洞３８においてそこから冷却空気を受入れるための対応する入口を有し、その後、冷却空気は羽根の後縁領域を通して軸方向後部に流れ、対応する後縁開口３４を通して吐出される。
【００２５】
空洞３８は、軸方向に延びる半径方向に間隔を置いて配置されたタービュレータ４２を含むことができ、個々の内側寄りスロット３６もタービュレータ４２のうちの半径方向に延び翼弦方向に間隔を置いて配置されたタービュレータを含み、羽根の内部冷却を増進する。タービュレータは、慣用のものであり、羽根の内側表面から部分的に内方に延びる細長いリブとして構成され、その上を冷却空気が流れるとき冷却空気に過流を与える。このようにして、中央翼弦空洞３８及び内側寄りスロット３６の列は、その中央翼弦領域から下流の後縁まで羽根の効果的な内部冷却を施し、冷却空気は後縁開口３４を通して吐出される。
【００２６】
図２に示すように、羽根の両方の側壁は、中央翼弦空洞または内側寄りスロットと流体連通し、側壁を貫通して延びる慣用のフィルム冷却孔４４を含み、例えば、それから冷却空気を吐出し、羽根の外側表面上に冷却空気の保護膜を作ることができる。
【００２７】
図１に最初に示したように、羽根がバンド中にろう付けされる場合に、ろう付け材料による隣接開口の好ましくない閉塞を防止するために、後縁開口３４は、２つのバンドの内側表面から内側寄りに間隔を置いて、かつ最終的に得られるろう接継手２４自体から離して配置されなければならない。各羽根は、それぞれ外側及び内側バンド並びにそこにおける対応するろう接継手２４に近接するその最も外側寄り開口である一対の後縁終端開口、つまり、最終開口３４ａを含むことを、図３はより詳細に示す。
【００２８】
初期製造の間、最終開口３４ａは、羽根のそれぞれの根元端部２０，２２から内側寄りに予め定められた間隔を置いて配置されるので、根元がバンドの対応する羽根座中に着座される時、最終開口はバンドの内側表面から間隔を置いて配置され、ろう付け材料でその開口を閉塞することなくそこにおける継手のろう付けを可能にする。このように、最終開口を内側寄りに設置することで、最終的に得られるろう接継手を回避し、ろう付けにより閉塞されることを免れる。
【００２９】
図３に示すように、本発明の好ましい実施形態によると、各羽根は、各羽根のそれぞれの対向する根元端部において最終後縁開口のうちの対応する開口と協働する一対の外側寄りチャンネル、つまりスロット４６をさらに含み、外側及び内側バンドの両方においてろう接継手２４を背部冷却する。外側寄りスロット４６は、内側寄りスロット３６と類似であり、それぞれの最終開口３４ａと共通の中央翼弦空洞３８との間を流体連通して軸方向に延びる。
【００３０】
外側寄りスロット４６は、バンドの露出した内側表面の下方であって、かつ図３に仮想線で示す対応するろう接継手の背後において、それがなければ中実である羽根根元２０，２２を少なくとも部分的に貫いて延びる。このように、中央翼弦空洞３８からの冷却空気４０は、羽根の薄い後縁領域中のろう接継手のすぐ背後を流れて、最終開口３４ａから吐出されることができる。従って、この局部区域中のろう接継手は、追加して冷却され、その酸化が減少または防止され、タービンノズルの有効寿命がさらに改善される。
【００３１】
図４に示すように、羽根側壁２６，２８は、間隔を置いて配置されて、それを貫通する内部流路を画定し、その対向する根元端部における外側寄りスロット４６は、両方の側壁の間に延びて、羽根後縁の近傍の両方の側壁に沿う対応するろう接継手２４を背部冷却する。
【００３２】
図３に示すように、両方の外側寄りスロット４６は、中央翼弦空洞３８から後縁３２に向かってほぼ真っ直ぐに延び、その後方端で局部的に屈曲するかまたは曲がり、対応するろう接継手２４の背後を越えて、対応する最終後縁開口３４ａで終わることが好ましい。このように、ろう接継手は、中央翼弦空洞から後方へ後縁開口３４ａまで背部冷却され、冷却空気はその後後縁開口から吐出される。
【００３３】
図３に示す例示的な実施形態において、後縁開口３４は、後縁自体の僅かに前方に設置され、羽根の正圧側面を貫通するが、羽根の負圧側面は依然として無孔のままである。羽根のこの後縁領域は、空気力学的に薄いが、外側寄りスロット４６は、冷却空気がそれを通して流されて最終開口から吐出されるので、ろう接継手に効果的な背部冷却を施す。
【００３４】
図３に示すように、内側寄りスロット３６の列または群が、冷却空気を中央翼弦空洞３８から軸方向後方に流し、後縁開口３４のうちのそれぞれの開口から吐出して、２つのバンドの半径方向の間で各羽根の薄い後縁領域を冷却する。一対の外側寄りスロット４６は、中央翼弦空洞３８と最終後縁開口３４ａのうちの対応する開口との間で軸方向に流体連通するように同様に配置され、ろう接継手２４のそれぞれの部分の背後の対応する羽根根元中に追加の冷却を施す。
【００３５】
上述のように、図３に示す最終後縁開口３４ａは、それらの開口をろう付けで閉塞するのを防止するために、対応する外側及び内側バンドの最終的に得られるろう接継手２４から適当に間隔を置いて配置されなければならない。従って、外側寄りスロット４６の各々は、内側寄りスロット３６のうちの隣接するまたは外側寄りの最終スロットと共通に、最終開口３４ａのうちの対応する開口で終わるのが好ましい。このように、各外側寄りスロット４６を通して流れる冷却空気は、隣接する内側寄りスロット３６を通して流れる空気と合流して、共通の最終開口３４ａを通して吐出される。
【００３６】
しかしながら、各後縁開口３４，３４ａは、所望の吐出量で冷却空気を吐出するような大きさに特別に作られる。最終開口３４ａの大きさは、羽根に掛かる応力限界によりそれに応じて制限される可能性があり、それ専用の内側寄りスロット及び追加の外側寄りスロット４６の両方から空気を吐出するには不十分となる可能性がある。
【００３７】
従って、羽根１８の各々は、図３及び図４に示すように、外側寄りスロット４６のうちの対応するスロットと流体連通し、一方または両方の側壁２６，２８を貫通して延びる１つ又はそれ以上の側面開口、つまり、出口４８をさらに含み、この出口から追加して冷却空気を吐出することができる。
【００３８】
図３に示すように、側面出口４８は、製造中に側面出口がろう付けで閉塞されるのを防止するために、外側寄りスロット４６の各々における端部の屈曲部中に配置され、図４に示すように対応するろう接継手２４から離れた側壁に開口するのが好ましい。図４に示すように、側面出口４８は、必要に応じて、両方の羽根側壁２６，２８を貫通して配置することができ、側面出口は、必要に応じて、どちらか一方の側壁においてのみ用いることができる。
【００３９】
側面出口４８の数及び特定の位置は、各設計用途について、そこでのろう接継手の冷却を強化するために、外側寄りスロット４６を通しての適当な流量を保証するように決定することができる。側面出口４８を外側寄りスロットの末端屈曲部に設置することの特別な利点は、外側寄りスロットまたは隣接する内側寄りスロットのどちらかからの冷却空気が、側面出口４８または共通の最終開口３４ａのどちらかから吐出されることが可能になるということである。
【００４０】
図２に最初に示したように、タービンノズル１０は、鋳造によるなどの慣用の方法で、個々の羽根１８及び外側及び内側バンドセグメント１４，１６を最初に形成することにより製造することができる。個々の羽根１８の内部の形状の全てが、羽根１８を適当に鋳造することにより形成することが可能である。例えば、図３は、外側バンド入口を備える中央翼弦空洞３８及び後縁開口３４を通して冷却空気を吐出する協働する軸方向のスロット３４，３６を含む羽根に鋳造されることができる内部冷却形状の例示的な形態を示す。
【００４１】
図３に示す典型的な第１段高圧タービンノズル構成において、各羽根１８はまた、内側バンドを貫通して冷却空気４０を受入れる、羽根根元２２を貫通する下部入口を有する半径方向に延びる前部空洞５０を含むことが好ましい。羽根の外側根元２０は、前部空洞５０では中実または無孔である。また、前部空洞５０及び前部空洞に対して後方にある中央翼弦空洞３８は、羽根の２つの側面の間に延びる一体の無孔橋絡部により互いに分離され、独立した冷却回路を提供する。前部空洞５０は、各羽根の前縁部分を冷却することが可能ないずれかの慣用方法で構成され、冷却空気は、慣用の方法で追加のフィルム冷却孔４４の様々な列を通して吐出される。
【００４２】
従って、図２に示す羽根１８は、図３に示す内側寄り及び外側寄りスロット３６，４６を含むその全ての所望の内部冷却形状を形成するように、最初に鋳造することが可能である。一般的に、後縁開口３４，３４ａも鋳造工程で形成でき、あるいは鋳造後に別の方法で形成されるかまたはドリル加工されることができる。フィルム冷却孔４４及び側面出口４８は、使用する場合には、そのときにはいかなる慣用の方法ででも鋳造された羽根を貫通して適当にドリル加工することが可能である。
【００４３】
次いで、羽根及びバンドは、適当に一体に組立てられ、羽根根元が対応するバンドの羽根座の内側に配置される。その後、羽根は、従来の方法のように最終後縁開口３４ａを閉塞することなく、その根元で対応するバンドに慣用の方法でろう付けされる。側面出口４８は、使用する場合には、最終的に得られるろう接継手の上方に設置されるので、それらもまた、ろう接継手から離れた高い位置によってろう付けにより閉塞されることから保護される。
【００４４】
外側寄りスロット４６は各羽根の内部形状であるので、それらは羽根内部でろう付け処理から保護されて、羽根の外側で実施されるろう付けを顧慮せずに、その冷却効率を維持する。
【００４５】
図１に示す最終的に得られるタービンノズル１０は、その時、原型のタービンノズルの全ての利点を享受するが、現在はその中に追加の外側寄りスロット４６を備えており、中央翼弦空洞３８と後縁開口との間のろう接継手２４の背部冷却を向上させる。従って、最終的に得られるタービンノズルは、この領域のろう付けによる酸化を減少または無くすことにより、有効寿命及び耐久性の向上を享受するであろう。
【００４６】
本発明の好ましくかつ例示的な実施形態であると考えられるものを本明細書に説明してきたが、本発明の他の変形形態が、当業者には本明細書の教示から明白であるはずであり、従って、本発明の技術思想及び技術的範囲内にある全てのかかる変形形態は、添付の特許請求の範囲で保護されることを切望する。
【００４７】
従って、本出願で保護されることを望むものは、特許請求の範囲に記載され特定される発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の例示的な実施形態による環状のタービンノズルの１部分の斜視図。
【図２】 対応する外側及び内側バンドにろう付けされた一対のノズル羽根を含む、図１に示すノズルの弧状セグメントの分解図。
【図３】 図２に示す羽根の１つをほぼ線３−３で切断した軸方向断面図。
【図４】 図２に示す羽根の１つを線４−４で切断した半径方向断面図。
【符号の説明】
１０ タービンノズル
１２ 高温燃焼ガス
１４ 外側バンド
１６ 内側バンド
１８ 羽根
２０ 羽根根元
２４ ろう接継手
３０ 前縁
３２ 後縁
３４ 後縁開口
３４ａ 最終後縁開口
３８ 中央翼弦空洞
４８ 側面出口

Claims (7)

1. 外側及び内側バンド（１４，１６）と、
   前記羽根座中に配置され、対応するろう接継手（２４）により前記羽根座に固定結合されたそれぞれの羽根根元（２０，２２）を有する一対のノズル羽根（１８）と、
   を含むタービンノズル（１０）であって、
   前記外側及び内側バンド（１４，１６）はそれぞれ、該外側及び内側バンド（１４，１６）を貫通して延びる一対の羽根座（１４ａ，１６ａ）を有し、
   前記ノズル羽根の各々は、後縁開口（３４）及び中央翼弦空洞（３８）と流体連通するよう結合された協働する内側寄りスロット（３６）の列と、前記羽根の両端部で前記内側寄りスロットのうちのそれぞれの最終スロットから外方に間隔を置いて、かつ前記後縁開口（３４ａ）のうちのそれぞれの最終開口から外側寄りに配置された一対の外側寄りスロット（４６）とを含み、
   前記外側寄りスロット（４６）の各々は、前記内側寄りスロット（３６）のうちの隣接するスロットと共通に、前記最終開口（３４ａ）のうちの対応する開口で終わる
   ことを特徴とするタービンノズル（１０）。
2. 後縁開口（３４）及び中央翼弦空洞（３８）と流体連通するよう結合された協働する内側寄りスロット（３６）の列と、前記羽根の両端部で前記内側寄りスロットのうちのそれぞれの最終スロットから外方に間隔を置いて、かつ前記後縁開口（３４ａ）のうちのそれぞれの最終開口から外側寄りに配置された一対の外側寄りスロット（４６）とを含み、
   前記外側寄りスロット（４６）の各々は、前記内側寄りスロット（３６）のうちの隣接するスロットと共通に、前記最終開口（３４ａ）のうちの対応する開口で終わることを特徴とするノズル羽根（１８）。
3. 対向する前縁及び後縁（３０，３２）で一体に結合された対向する側壁（２６，２８）をさらに含み、前記外側寄りスロット（４６）は、前記後縁（３２）の近傍の両方の前記側壁を背部冷却するために、前記側壁の間に延びることを特徴とする請求項２に記載の羽根。
4. 前記外側寄りスロット（４６）は、前記中央翼弦空洞（３８）から前記後縁（３２）に向かって真っ直ぐに延び、その後方端で屈曲し、前記後縁における前記最終内側寄りスロットまで越えて延びることを特徴とする請求項３に記載の羽根。
5. 前記最終開口（３４ａ）は、前記羽根のそれぞれの根元端部（２０，２２）から内側寄りに間隔を置いて配置されて、外側及び内側ノズルバンド（１４，１６）にろう付けされる場合に、そこにおけるろう接継手（２４）を回避することを特徴とする請求項４に記載の羽根。
6. 前記外側寄りスロット（４６）のうちの対応するスロットと流体連通し、前記側壁（２６，２８）の１つを貫通して延びて冷却空気を吐出する側面出口（４８）をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の羽根。
7. 前記側面出口（４８）は、前記外側寄りスロット（４６）中の前記屈曲部に配置され、前記ろう接継手を回避するように前記側壁に開口することを特徴とする請求項６に記載の羽根。

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