JP4771849B2

JP4771849B2 - タービン用のエーロフォイル

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Publication number: JP4771849B2
Application number: JP2006099277A
Authority: JP
Inventors: チン−パン・リー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-04-01
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: US20060222497A1; JP2006283763A; CA2540906A1; US7575414B2; EP1707741B1; EP1707741A3; CA2540906C; EP1707741A2

Description

本発明は、一般に、ガスタービンの構成要素に関し、特に、冷却タービンエーロフォイルに関する。

ガスタービンエンジンは、燃焼器に加圧空気を供給する圧縮機を含む。燃焼器において、空気は燃料と混合され、点火されて、高温の燃焼ガスを生成する。それらのガスは、下流側の１つ以上のタービンへ流れる。タービンは、圧縮機を動作させ且つ飛行中の航空機に動力を供給するなどの有用な仕事を実行するためのエネルギーを燃焼ガスから取り出す。ターボファンエンジンは、通常、コアエンジンの前方に配置されたファンを含む。ターボファンエンジンにおいては、高圧タービンがコアエンジンの圧縮機に動力を供給する。低圧タービンは高圧タービンの下流側に配置され、ファンに動力を供給する。一般に、各タービン段は固定タービンノズルを含み、その後にタービン回転子が続く。

タービンノズルは、周囲方向に並置されたノズルセグメントの列を具備する。各ノズルセグメントは、内側バンドセグメントと外側バンドセグメントとの間に装着された１つ以上の固定エーロフォイル形ノズル羽根を含み、ノズル羽根は、高温ガス流れをタービン回転子の内部へ誘導する。各ノズル羽根は圧力側壁及び吸込み側壁を含み、それらの側壁は前縁部及び後縁部で互いに結合される。典型的なノズル羽根は、後縁部がエーロフォイルのその他の部分より著しく高温になるような温度分布を示す。そのようにして発生する温度勾配によって、ノズル羽根の後縁部に大きな圧縮応力が加わり、一般に、大きな応力と高温の相乗効果の結果、ノズル羽根の後縁部は、ノズル羽根の寿命を限定する場所になる。従って、従来のノズル羽根においては、後縁部は、圧縮機排気などの相対的に低温の空気の供給源を使用して、内部対流冷却と境膜冷却との組み合わせにより冷却される。この構成は、ノズル羽根の寿命を延ばすが、タービンエーロフォイルの後縁部の冷却を改善する必要がなくなったわけではない。
米国特許第６，６０２，０４７号公報

上述の要求は、本発明により満たされる。本発明の１つの面によれば、長手方向軸と、根元部と、先端部と、前縁部と、後縁部と、互いに対向して配置された圧力側壁及び吸込み側壁とを有するガスタービンエンジンのエーロフォイルが提供される。エーロフォイルは、互いに半径方向に離間して配置され、互いの間に複数の冷却流路を規定する長手方向に延出する仕切り壁のアレイと；冷却流路のうちの少なくとも１つの流路のほぼ中央に配置され、圧力側壁と吸込み側壁との間に延出する複数の後部ピンと；冷却流路のうちの少なくとも１つに配置された複数の細長いタービュレータとを具備し、各々のタービュレータの後端部が隣接する仕切り壁にタービュレータの前端部より近接するように、タービュレータは長手方向軸に対して角度を成して配置される。エーロフォイルは、互いに半径方向に離間して配置された長手方向に延出するランド及びランドと交互に配置された長手方向に延出する分離部材のアレイを含み、ランド及び分離部材は、それらの間に複数の後縁部溝穴を規定し、各々の後縁部溝穴は、後縁部空洞と流体連通する入口と、後縁部と流体連通する軸方向下流側の出口とを有する。分離部材は、ランドの軸方向長さより短い軸方向長さを有する。

本発明の別の面によれば、タービンノズルセグメントは、弓形の外側バンド、弓形の内側バンド及び内側バンドと外側バンドとの間に配置された少なくとも１つのエーロフォイルを含み、エーロフォイルは、互いに対向して配置され、エーロフォイルの前縁部と後縁部との間に延出する圧力側壁及び吸込み側壁を有する。エーロフォイルは、互いに半径方向に離間して配置され、互いの間に複数の冷却流路を規定する長手方向に延出する仕切り壁のアレイと；冷却流路のうちの少なくとも１つの流路のほぼ中央に配置され、圧力側壁と吸込み側壁との間に延出する複数の後部ピンと；冷却流路のうちの少なくとも１つに配置された複数の細長いタービュレータとを含み、各々のタービュレータの後端部が隣接する仕切り壁にタービュレータの前端部より近接するように、タービュレータは長手方向軸に対して角度を成して配置される。エーロフォイルは、互いに半径方向に離間して配置された長手方向に延出するランド及びランドと交互に配置された長手方向に延出する分離部材のアレイを含み、ランド及び分離部材は、それらの間に複数の後縁部溝穴を規定する。各々の後縁部溝穴は、後縁部空洞と流体連通する入口と、後縁部と流体連通する軸方向下流側の出口とを有する。分離部材は、ランドの軸方向長さより短い軸方向長さを有する。

本発明は、添付の図面と関連させて以下の説明を参照することにより、最もよく理解されるであろう。

図面を参照して説明する。図中、様々な図において、同一の図中符号は、一貫して同一の要素を示す。図１は、Barreto他に対して発行され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第６，６０２，０４７号に開示されるような従来の高圧タービン（ＨＰＴ）ノズルセグメント１０を示す。ＨＰＴノズルを構成するために、複数のそのようなノズルセグメント１０が周囲方向に並列して組み立てられる。ノズルセグメント１０は、１つ以上の中空のエーロフォイル形内部冷却ノズル羽根１２を含む。各ノズル羽根１２は、前縁部１４と、後縁部１６と、根元部１８と、先端部２０と、互いに離間して配置された圧力側壁２２及び吸込み側壁２４とを有する。弓形の外側バンド２６は、ノズル羽根１２の先端部２０に装着される。弓形の内側バンド２８は、ノズル羽根１２の根元部１８に装着される。外側バンド２６及び内側バンド２８は、ノズルセグメント１０の一次ガス流路の半径方向外側境界及び半径方向内側境界をそれぞれ規定する。

図２は、ノズルセグメント１０のノズル羽根１２のうちの１つのノズル羽根の後縁部分の内部構成を示す。圧力側壁２２及び吸込み側壁２４は、ノズル羽根１２の内部に中空の内部空洞３０を規定する。複数の溝穴３２は、圧力側壁２２を貫通し、内部空洞３０と流体連通するように配置される。隣接する溝穴３２はランド３４により分離される。ピン３６の列が内部空洞３０を貫通する。仕切り壁３８は、互いの間に複数の冷却流路４０を規定する。隣接する仕切り壁３８の間に、半径方向に整列されたタービュレータ４２がそれぞれ配置される。

動作中、冷却空気は内部空洞３０に供給される。冷却空気は、ピン３６を通って誘導される。互いに食い違うように配列されたピン３６は、冷却空気の中に乱流を誘発し、ノズル羽根１２の対流冷却を容易にする。ピン３６から出た冷却空気は、タービュレータ４２を通って誘導される。タービュレータ４２は、ノズル羽根１２に対する補足的な対流冷却を促進する。その後、冷却空気は後縁部溝穴３２を通って移動する。

’０４７号特許に記載される構成は有効な冷却を実行するが、仕切り壁３８の付近の境界層の厚さを減少することが望まれる。更に、ランド３４の上部は、冷却膜の被覆をさほど受けられず、一般に、後縁部溝穴３２の底面（すなわち、圧力側壁）よりはるかに高温である。

そこで、本発明に従って構成されたタービンノズル羽根１１２の一部が図３に示される。ノズル羽根１１２は、後縁部を除いて、従来のノズル羽根１２の全体構成に類似する。ノズル羽根１１２は、ノズルセグメントの一部であり、ノズルセグメントの一体の部分であってもよく、あるいは独立した構成要素であってもよい。また、ここで説明される冷却構造は、回転タービンブレードなどの他の種類のエーロフォイルと組み合わせて使用されてもよい。

ノズル羽根１１２は、圧縮機排気などの冷却空気の供給源と流体連通するように配置された後縁部空洞１１４を含む。後縁部空洞１１４は、ノズル羽根１１２の内部にある周知の種類のより広い内部蛇行流路（図示せず）の一部であってもよい。複数の前部ピン１１６は、後縁部空洞１１４の内部に各列のピンの位置が互いにずれるように列を成して配置される。前部ピン１１６は、圧力側壁１１８と吸込み側壁１２０との間に延出する（図３には、圧力側壁１１８の一部のみが示される）。図示される実施形態においては、各前部ピン１１６は、円形の横断面を有し、互いに位置がずれた半径方向に延出する複数の列として配列される。前部ピン１１６の形状、寸法、数及び位置は、特定の用途に適合するように変えられてもよい。

前部ピン１１６の後方には、互いに離間して配置された長手方向に延出する複数の仕切り壁１２２が、圧力側壁１１８と吸込み側壁１２０との間に延出する。仕切り壁１２２は、互いの間に複数の冷却流路１２４を規定するように、半径方向に延出するアレイとして配列される。各冷却流路１２４に１つ以上の後部ピン１２６が配置される。後部ピン１２６は、冷却流路１２４の半径方向幅のほぼ中央に長手方向列を成すように位置決めされる。図示される実施形態においては、各後部ピン１２６は円形の横断面を有する。後部ピン１２６の形状、寸法、数及び位置は、特定の用途に適合するように変えられてもよい。

吸込み側壁１２０及び圧力側壁１１８のうちの一方又は双方に、複数の隆起した乱流促進部材、すなわち、「タービュレータ」１２８が配置される。タービュレータ１２８は、後部ピン１２６と仕切り壁１２２との間に長手方向列を成すように配置される。各タービュレータ１２８の後端部１３０が隣接する仕切り壁１２２に同一のタービュレータ１２８の前端部１３２より近接するように、タービュレータ１２８は、ノズル羽根１１２の長手方向軸「Ｂ」に対して角度「Ａ」を成して配置される。図示される実施形態においては、角度Ａは約４５°であるが、この角度は特定の用途に適合するように変えられてもよい。タービュレータ１２８は、図４に示されるような矩形の横断面を有する。他の横断面形状が使用されてもよい。

複数の後縁部分離部材１３６は、仕切り壁１２２の後方で、圧力側壁１１８と吸込み側壁１２０との間に延出する。分離部材１３６は、互いの間に複数の後縁部溝穴１３８を規定するように、半径方向に延出する列として配列される。各後縁部溝穴１３８は、後縁部空洞１１４と流体連通する入口１４０と、その下流側の出口１４２とを有する。出口１４２では、ノズル羽根１１２の圧力側壁１１８を通って、その貫通開口部１４４において排出する。分離部材１３６は、１つおきに貫通開口部１４４から下流側へ延出し、露出ランド１３４を形成する。各ランド１３４は、後縁部溝穴の出口１４２に前端部１４６を有し、ノズル羽根１１２の後縁部１５０に後端部１４８を有する。図７に示されるように、各ランド１３４は、吸込み側壁１２０に隣接する底部１５２と、圧力側壁１１８と同じ高さの上面１５４とを更に有する。各ランド１３４の前端部１４６と後端部１４８との間に、１対の側面１５６及び１５８が延出する。

最も高い温度の表面の面積の量を減少し、冷却膜の被覆を改善するために、ランド１３４はテーパ形状に形成されてもよい。図５、図６及び図７に示される例では、ランド１３４は３つの方向にテーパされる。半径方向に測定された各ランド１３４の幅「W」は、後縁部溝穴の出口１４２から後縁部１５０に向かって減少する。周囲方向（すなわち、ノズル羽根１１２の圧力側壁１１８からノズル羽根１１２の吸込み側壁１２０に向かう方向）に測定された各ランド１３４の厚さ「T」は、後縁部溝穴の出口１４２から後縁部１５０に向かって減少する。最後に、半径方向に測定された各ランド１３４の幅「W」は、ランド１３４の底部１５２（すなわち、吸込み側壁１２０に隣接する）からランド１３４の上面１５４に向かって減少する。

底部１５２から上面１５４までの幅「W」のテーパは、様々な方法により実現されてもよい。例えば、図７に示されるように、ランド１３４の側面１５６及び１５８はほぼ平坦であり、上面１５４は小さな円半径を有する湾曲面である。図８は、別のランド１３４’を示す。この場合、上面１５４’はほぼ平坦であり、上面１５４の幅より広い幅を有する。そのような構造は、湾曲した上面１５４より製造するのが容易であろう。図９は、更に別のランド１３４”を示す。このランド１３４”の側面１５６”及び１５８”は凹形の湾曲を有し、上面１５４”はほぼ平坦である。この構造は、後縁部溝穴１３８から出る冷却流れの拡散を助け、ランド１３４”の膜被覆を促進するであろう。

ランド１３４の底部１５２には、側面１５６及び１５８と吸込み側壁１２０との間に、凹形のフィレット１６０が配置される。冷却膜の付着を改善するために、フィレット１６０の半径「R」は、溝穴出口１４２から後縁部１５０に向かって変えられてもよい。例えば、図１０に示されるように、フィレット１６０は溝穴出口１４２において相対的に小さい第１の半径Ｒ１を有し、半径は溝穴出口１４２の軸方向後方の位置でそれより大きい第２の半径Ｒ２まで増加し、その後、後縁部１５０の付近の下流側の位置では、第１の半径Ｒ１より大きいが第２の半径Ｒ２よりは小さい中間の第３の半径Ｒ３まで減少する。以上説明されたようなフィレット１６０、上面１５４の形状並びに側面１５６及び１５８の形状は、特定の用途に適合するように選択されてもよい。例えば、特定のランドは、図７に示される湾曲した上面１５４’と、図９に示される凹形の側面１５６”及び１５８”とを併せ持っていてもよい。

動作中、後縁部空洞１１４に供給された冷却空気は、矢印１６２により示されるように、前部ピン１１６を通って軸方向に流れる。冷却空気は、冷却流路１２４の中央において、矢印１６４により示されるように後部ピン１２６の周囲を流れ、乱流を発生する。従来のノズル羽根においては仕切り壁であった構造のほぼ半分がピンと置き換えられているため、乱流は従来と比較して大きくなり、冷却流路１２４の内側の境界層は薄くなる。その結果、対流は改善される。冷却流路１２４の内側の境界層は、角度を成して配置されたタービュレータ１２８からの流れにより遮断される。タービュレータ１２８は、更に大きな乱流を発生し、冷却空気の乱流を仕切り壁１２２に向かって誘導する。その後、冷却空気は、矢印１６６により示されるように、後縁部溝穴１３８を通って流れ、溝穴出口１４２から出る。これにより、下流側の圧力側壁１１８に対する境膜冷却が行われる。冷却空気が後縁部溝穴１３８から流出する間、テーパ形状のランド１３４は、流れの拡散を助け、冷却膜の付着を促進する。ランド１３４がテーパ形状であること並びに従来のエーロフォイルと比較してランドの数を減らしたことにより、従来の後縁部ランドと比較して、高温のランド表面の面積も縮小され、その結果、出口膜は更に広く拡張し、膜被覆が改善される。

図１１は、本発明の別の実施形態に従って構成されたタービンノズル羽根２１２の一部を示す。ノズル羽根２１２は、後縁部を除いてノズル羽根１１２の全体構成に類似しており、圧力側壁２１８、吸込み側壁２２０、前部ピン２１６、互いに離間して配置された長手方向に延出する複数の仕切り壁２２２、後部ピン２２６及びタービュレータ２２８を含む。

仕切り壁２２２の後方で、圧力側壁２１８と吸込み側壁２２０との間に、複数の後縁部分離部材２３６が延出する。分離部材２３６は、互いの間に複数の後縁部溝穴２３８を規定するように、半径方向に延出する列を成して配列される。各後縁部溝穴２３８は、後縁部空洞２１４と流体連通する入口２４０と、その下流側の出口２４２とを有する。出口２４２では、ノズル羽根２１２の圧力側壁２１８を通って、その貫通開口部２４４において排出する。分離部材２３６は、貫通開口部２４４から下流側へ延出し、交互に配置された第１の露出ランド２３４Ａ及び第２の露出ランド２３４Ｂを形成する。第１のランド２３４Ａは、それぞれ、後縁部溝穴の出口２４２に前端部２４６Ａを有し、ノズル羽根２１２の後縁部２５０に後端部２４８Ａを有する。第２のランド２３４Ｂは、それぞれ、後縁部溝穴の出口２４２に前端部２４６Ｂを有し、後縁部溝穴の出口２４２の下流側（すなわち、軸方向後方）ではあるが、後縁部２５０より前の位置に後端部２４８Ｂを有する。先に説明されたように、ランド２３４Ａ及び２３４Ｂは、２つ以上の方向にテーパされてもよい。

以上、ガスタービンエンジンの冷却エーロフォイルを説明した。本発明の特定の実施形態を説明したが、本発明の趣旨の範囲から逸脱せずに、それらの実施形態に対して様々な変形を実施できることは当業者には明らかであろう。従って、本発明の好ましい実施形態及び本発明を実施するための最良の態様の上記の説明は、単に例示を目的としており、限定する目的でなされたのではない。本発明は、特許請求の範囲により定義される。

従来のタービンノズルセグメントの斜視図である。図１のタービンノズルの一部の横断面図である。本発明に従って構成されたタービンノズル羽根の一部の横断面図である。図３の線４‐４に沿った断面図である。図３のノズル羽根の一部の側面図である。図５の線６‐６に沿った断面図である。後縁部ランドの横断面形状を示す図５の線７‐７に沿った断面図である。別の後縁部ランドの横断面図である。更に別の後縁部ランドの横断面図である。可変半径溝穴フィレットを示すタービンエーロフォイルの背面図である。本発明に従って構成された別のタービンノズル羽根の横断面図である。

符号の説明

１１２…タービンノズル羽根、
１１４…後縁部空洞、
１１６…前部ピン、
１１８…圧力側壁、
１２０…吸込み側壁、
１２２…仕切り壁、
１２４…冷却流路、
１２６…後部ピン、
１２８…タービュレータ、
１３４…ランド、
１３６…後縁部分離部材、
１３８…後縁部溝穴、
１４０…後縁部溝穴の入口、
１４２…後縁部溝穴の出口、
１４６…ランドの前端部、
１４８…ランドの後端部、
１５０…ノズル羽根の後縁部、
１５２…ランドの底部、
１５４…ランドの上面、
１５６、
１５８…ランドの側面、
１６０…フィレット、
２１２…タービンノズル羽根、
２１４…後縁部空洞、
２１６…前部ピン、
２１８…圧力側壁、
２２０…吸込み側壁、
２２２…仕切り壁、
２２６…後部ピン、
２２８…タービュレータ、
２３４Ａ…第１のランド、
２３４Ｂ…第２のランド、
２３６…後縁部分離部材、
２３８…後縁部溝穴、
２４０…後縁部溝穴の入口、
２４２…後縁部溝穴の出口、
２５０…ノズル羽根の後縁部

Claims

長手方向軸と、根元部と、先端部と、前縁部と、後縁部（１５０、２５０）と、互いに対向して配置された圧力側壁（１１８、２１８）及び吸込み側壁（１２０、２２０）とを有するガスタービンエンジンのエーロフォイルにおいて、
半径方向に互いに離間して配され長手方向に延出する仕切り壁のアレイであって、その間に複数の冷却流路（１２４）を規定する仕切り壁（１２２、２２２）のアレイと；
前記冷却流路（１２４）のうちの少なくとも１つに配置され、前記圧力側壁（１１８、２１８）と前記吸込み側壁（１２０、２２０）との間に延出する複数の後部ピン（１２６、２２６）と；
前記冷却流路（１２４）のうちの少なくとも１つに配置された複数の細長いタービュレータ（１２８、２２８）であって、前記タービュレータ（１２８、２２８）の各々の後端部（１３０）が、隣接する仕切り壁に対して、前記タービュレータ（１２８、２２８）の前端部（１３２）よりも近接するように、前記長手方向軸に対して角度を成して配置されているタービュレータ（１２８、２２８）と；
互いに半径方向に離間して配置され、互いの間に複数の後縁部溝穴（１３８、２３８）を規定する長手方向に延出する分離部材（１３６）と、を具備するエーロフォイルあって、
前記後縁部溝穴（１３８、２３８）の各々は、後縁部空洞（１１４、２１４）と流体連通する入口（１４０、２４０）及び軸方向下流側の出口を有し、第１の露出ランド（１３４、２３４Ａ）が前記分離部材（２３６）のうちの１つおきの分離部材の各々から前記後縁部（１５０、２５０）まで下流側へ延出し、
前記ランド（１３４、２３４Ａ）の各々は、
互いに離間して配置され、前記吸込み側壁（１２０、２２０）と交差する長手方向に延出する側面（１５６、１５８）と、前記側面（１５６、１５８）の各々と前記吸込み側壁（１２０、２２０）との間に延出する凹形のフィレット（１６０）とを含み、
前記フィレット（１６０）の各々は、
前記後縁部溝穴の出口にすぐ隣接する位置で第１の半径を有し、
前記後縁部溝穴の出口の下流側で前記第１の半径より大きい第２の半径を有し、前記後縁部（１５０、２５０）に隣接する位置で、前記第１の半径より大きく、前記第２の半径より小さい第３の半径を有する
ことを特徴とするエーロフォイル。
前記ランド（１３４、２３４Ａ）の各々は、
半径方向に測定された前記ランド（１３４、２３４Ａ）の幅が、前記出口から前記後縁部（１５０、２５０）に向かって減少し、且つ
周囲方向に測定された前記ランド（１３４、２３４Ａ）の厚さが、前記出口から前記後縁部（１５０、２５０）に向かって減少するようにテーパ形状に形成されることを特徴とする請求項１記載のエーロフォイル。
前記ランド（１３４、２３４Ａ）の各々は、半径方向に測定された前記ランド（１３４、２３４Ａ）の幅が前記吸込み側壁（１２０、２２０）から前記圧力側壁（１１８、２１８）に向かって減少するようにテーパ形状に形成されることを特徴とする請求項１記載のエーロフォイル。
前記ランド（１３４、２３４Ａ）の各々は、互いに離間して配置された長手方向に延出する側面（１５６、１５８）を含み、前記側面（１５６、１５８）は、ほぼ平坦であることを特徴とする請求項１記載のエーロフォイル。
前記ランド（１３４、２３４Ａ）の各々は、互いに離間して配置された長手方向に延出する側面（１５６、１５８）を含み、前記側面（１５６、１５８）は、凹形の湾曲を有することを特徴とする請求項１記載のエーロフォイル。
前記ランド（１３４、２３４Ａ）の各々は、互いに離間して配置された長手方向に延出する側面（１５６、１５８）の間に配置された上面（１５４）を含み、前記上面（１５４）は、凸形の湾曲を有することを特徴とする請求項１記載のエーロフォイル。
前記ランド（１３４、２３４Ａ）の各々は、互いに離間して配置された長手方向に延出する側面（１５６、１５８）の間に配置された上面（１５４）を含み、前記上面（１５４）は、ほぼ平坦であることを特徴とする請求項１記載のエーロフォイル。
前記分離部材のうちの残る部材の各々から前記後縁部溝穴の出口を過ぎるまで、下流側へ第２の露出ランド（２３４Ｂ）が延出し、前記第２のランド（２３４Ｂ）は、軸方向に前記第１のランド（２３４Ａ）より短いことを特徴とする請求項１記載のエーロフォイル。