JP5150059B2 - テーパ形状の後縁部ランドを有するタービンエーロフォイル - Google Patents

Description

本発明は、一般に、ガスタービンの構成要素に関し、特に、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、加圧空気を燃焼器に供給する圧縮機を含む。燃焼器の内部で、空気は燃料と混合され、点火されて、高温燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、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。各タービン段は、一般に、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。タービンノズル及びタービン回転子は、複数の中空エーロフォイルをそれぞれ含む。エーロフォイルは、内部対流冷却とガス側境膜冷却の組み合わせにより冷却される。

空気力学的効率の観点から、通常、高圧タービンのブレード又はノズルの後縁部は薄く、従って、後縁部の端部に至るまで延出する対流冷却開口部（すなわち、穴又は溝穴）に適応できない。通常、それらの開口部は、後縁部の上流側で圧力側面から開いている。開口部から出た冷却空気は、外部高温ガスの一部と混合し、下流側の後縁部面を保護するための冷却膜となる。溝穴境膜冷却は、通常、後縁部のごく後方の端部を冷却するための唯一のメカニズムである。通常、後縁部溝穴は、それぞれ別個であり、区画壁によって分離される。区画壁は、溝穴の外側へ延出し、いわゆるランドを形成する。ランドの高さは軸方向に減少し、ランドは後縁部の構造支持体を構成する。それらのランドは、圧力側で高温ガスにさらされ、溝穴から溢れ出る非常に限られた量の膜冷却を受ける。従って、通常、ランドはランド間の溝穴底面において吸込み側よりはるかに高温である。そのため、ランドに対して冷却を実行する必要がある。

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、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、前縁部と後縁部との間に延出し、互いに対向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、半径方向に互いに離間して配置された長手方向に延出する複数のランドのアレイを含み、ランドは、互い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、エーロフォイルの内部と流体連通する入口と、後縁部と流体連通する出口とを有する。ランドのうちの少なくとも１つのランドは、半径方向に測定されたランドの幅が吸込み側壁から圧力側壁に向かって減少するようにテーパ形状に形成される。

本発明の別の面によれば、ガスタービンエンジンのエーロフォイルは、前縁部と後縁部との間に延出し、互いに対向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、半径方向に互いに離間して配置された長手方向に延出する複数のランドのアレイを含み、ランドは、互い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、エーロフォイルの内部と流体連通する入口と、後縁部と流体連通する出口とを有する。ランドのうちの少なくとも１つのランドは、半径方向に測定されたランドの幅が吸込み側壁から圧力側壁に向かって減少し、半径方向に測定されたランドの幅が出口から後縁部に向かって減少し、且つ周囲方向に測定されたランドの厚さが出口から後縁部に向かって減少するようにテーパ形状に形成される。

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、従来のタービンブレード１０を示す。タービンブレード１０は、動作中、円板が回転する間、ブレード１０を円板に対して半径方向に保持する従来のダブテール１２を含む。ブレードシャンク１４はダブテール１２から半径方向上方へ延出し、その末端部はプラットフォーム１６を形成する。プラットフォーム１６は、シャンク１４から横方向外側へ突出し、シャンク１４を取り囲む。プラットフォームは、タービンブレード１０を通過した燃焼ガスの一部を規定する。中空のエーロフォイル１８は、プラットフォーム１６から高温ガス流れの中に向かって半径方向外側へ延出する。エーロフォイル１８は、凹形の圧力側壁２０と凸形の吸込み側壁２２とを有し、それらの側壁は、前縁部２４及び後縁部２６において互いに接合される。ブレードは、エーロフォイルの圧力側壁２０に多数の後縁部溝穴２８を含む。後縁部溝穴２８は、多数の長手方向に延出するランド３０により分離される。ランド３０は、後縁部溝穴２８の出口３４から後縁部２６へ延出する。

図２及び図３は、タービンブレード１０の後縁部の一部を更に詳細に示す。半径方向に測定された各ランド３０の幅「w」は、後縁部溝穴の出口３４から後縁部２６に向かって減少する。周囲方向（すなわち、エーロフォイル１８の圧力側壁２０からエーロフォイルの吸込み側壁２２に向かう方向）に測定された各ランド３０の厚さ「t」は、後縁部溝穴の出口３４から後縁部２６に向かって減少する。

動作中、冷却空気はエーロフォイル１８の内部に供給される。冷却空気は、他の冷却目的に任意に使用された後、後縁部溝穴２８を通って移動し、後縁部２６を冷却する。ランド３０は、圧力側壁２０の部分で高温ガスにさらされ、後縁部溝穴２８から溢れ出た非常に限られた量の境膜冷却を受ける。従って、通常、ランド３０はランド３０の間の溝穴底面において吸込み側壁２２よりはるかに高温である。

本発明に従って構成されたタービンブレード１１０の一実施形態が図４に示される。尚、本発明は、他の種類の中空冷却エーロフォイル、例えば、固定タービンノズルなどにも同等に適用可能である。タービンブレード１１０は、ダブテール１１２、ブレードシャンク１１４及びプラットフォーム１１６を含む。中空のエーロフォイル１１８は、プラットフォーム１１６から高温ガス流れの中に向かって半径方向外側へ延出する。エーロフォイル１１８は、凹形の圧力側壁１２０と凸形の吸込み側壁１２２とを有し、それらの側壁は、前縁部１２４及び後縁部１２６において互いに接合される。図５、図６及び図７に更に詳細に示される後縁部の部分を除いて、ブレード１１０の全体の構成は、従来のブレード１０に類似している。ブレード１１０は、エーロフォイル１１８の圧力側壁１２０に多数の後縁部溝穴１２８を含む。後縁部溝穴１２８は、多数の長手方向に延出するランド１３０により分離される。

各後縁部溝穴１２８は、エーロフォイル１１８の内部と流体連通する入口（図示せず）と、下流側の出口１３４とを有する。出口１３４では、ブレード１１０の圧力側壁１２０を通って、後縁部１２６の上流側において排出する。各ランド１３０は、後縁部溝穴の出口１３４に前端部１３８を有し、エーロフォイル１１８の後縁部１２６に後端部１４０を有する。図７に示されるように、各ランド１３０は、吸込み側壁１２２に隣接する底部１４２と、圧力側壁１２０と同一の高さの上面１４４とを更に有する。各ランド１３０の前端部１３８と後端部１４０との間に、１対の側面１４６及び１４８が延出する。

最も高温の場所の表面積の量を減少し、冷却膜の被覆範囲を改善するために、ランド１３０はテーパ形状に形成される。図５、図６及び図７に示される例においては、ランド１３０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１３０の幅「W」は、後縁部溝穴の出口１３４から後縁部１２６に向かって減少する。周囲方向（すなわち、エーロフォイル１１８の圧力側壁１２０からエーロフォイルの吸込み側壁１２２に向かう方向）に測定された各ランド１３０の厚さ「T」は、後縁部溝穴の出口１３４から後縁部１２６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１３０の幅「W」は、ランド１３０の底部１４２（すなわち、吸込み側壁１２２に隣接する）からランド１３０の上面１４４に向かって減少する。

底部１４２から上面１４４までの幅「W」のテーパは、様々な方法で実現されてもよい。例えば、図７に示されるように、ランド１３０の側面１４６及び１４８はほぼ平坦であり、上面１４４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１３０’を示す。この場合、ランド１３０’の上面１４４’はほぼ平坦であり、上面１４４より広い幅を有する。このような構造は、丸形の上面１４４より容易に製造できる。図９は更に別のランド１３０”を示す。この場合、側壁１４６”及び１４８”は凹形の湾曲を有し、上面１４４”はほぼ平坦である。これは、後縁部溝穴１２８から出る冷却流れの拡散を助け、ランド１３０”の境膜被覆を促進するであろう。

ランド１３０の底部１４２には、側面１４６及び１４８と吸込み側壁１２２との間に、凹形のフィレット１５０が配置される。冷却膜の付着を改善するために、後縁部溝穴の出口１３４から後縁部１２６に向かって、フィレット１５０の半径「R」を変化させてもよい。例えば、図１０に示されるように、フィレット１５０は、後縁部溝穴の出口１３４で相対的に小さい第１の半径Ｒ１を有し、溝穴の出口１３４の軸方向後方の位置でより大きな第２の半径Ｒ２まで拡張し、その後、後縁部１２６の付近の更に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まで縮小してもよい。以上説明されたようなフィレット１５０、上面１４４の形状並びに側面１４６及び１４８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１４４’と、図９に示される凹形の側面１４６”及び１４８”を併せ持っていてもよい。

動作中、エーロフォイル１１８に供給された冷却空気は、エーロフォイルの内部を通過する。このとき、流れの一部は、周知のように、対流冷却、衝突冷却、前縁部境膜冷却などの冷却のために使用されてもよい。その後、下流側の吸込み側壁１２２に対して境膜冷却を実行するために、冷却空気は、矢印「Ａ」により示されるように、後縁部溝穴１２８を通って流れ、出口１３４から出る。冷却空気が後縁部溝穴１２８から出て流れる間、テーパ形状のランド１３０は、流れの拡散を助け、冷却膜の付着を促進する。テーパ形状のランド１３０の高温の面の面積は従来の後縁部ランドと比較して狭くなるため、出口冷却膜は更に広く拡張できるようになり、膜の被覆は改善される。

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形態の説明は、単に例示を目的とし、限定する目的で与えられたものではなく、本発明は特許請求の範囲により定義される。

従来のタービンブレードの斜視図である。 図１のタービンブレードの一部の側面図である。 図２の線３‐３に沿った断面図である。 本発明に従って構成されたタービンブレードの斜視図である。 図４のタービンブレード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。

符号の説明

１１０…タービンブレード、
１１２…ダブテール、
１１４…シャンク、
１１６…プラットフォーム、
１１８…エーロフォイル、
１２０…圧力側壁、
１２２…吸込み側壁、
１２４…前縁部、
１２６…後縁部、
１２８…後縁部溝穴、
１３０…ランド、
１３４…後縁部溝穴の出口、
１４４…ランドの上面、
１４６、１４８、１４６’、１４８’、１４６”、１４８”…ランドの側面、
１５０…フィレット

Claims (4)

1. 前縁部（１２４）と後縁部（１２６）との間に延出し、互いに対向する圧力側壁（１２０）及び吸込み側壁（１２２）を有するガスタービンエンジンのエーロフォイル（１１８）であって、
   このエーロフォイルは、半径方向に互いに離間して配置された長手方向に延出する複数のランド（１３０）のアレイを具備し、
   前記ランド（１３０）は、互いの間に複数の後縁部溝穴（１２８）を規定し、
   前記後縁部溝穴（１２８）の各々は、前記エーロフォイル（１１８）の内部と流体連通する入口と、前記後縁部（１２６）と流体連通する出口（１３４）とを有し、
   前記ランド（１３０）のうちの少なくとも１つのランドが、半径方向に測定された前記ランド（１３０）の幅が前記吸込み側壁（１２２）から前記圧力側壁（１２０）に向かって減少するようにテーパ形状に形成され、
   前記ランド（１３０）は、前記吸込み側壁（１２２）に隣接する底部（１４２）と、前記圧力側壁（１２０）側の凸形で円半径を有する湾曲面である上面（１４４）と、互いに離間して配置され前記底部及び上面間で長手方向に延出する側面（１４６、１４８）とを備え、
   前記側面（１４６、１４８）の各々と前記吸込み側壁（１２２）との間には、前記出口（１３４）から前記後縁部（１２６）まで変化する半径（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）を有する凹形フィレット（１５０）が設けられていることを特徴とする、エーロフォイル（１１８）。
2. 半径方向に測定された前記ランド（１３０）の幅は、前記出口（１３４）から前記後縁部（１２６）に向かって減少し、
   周囲方向に測定された前記ランド（１３０）の厚さは、前記出口（１３４）から前記後縁部（１２６）に向かって減少することを特徴とする請求項１記載のエーロフォイル（１１８）。
3. 前記側面（１４６）、（１４８）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（１１８）。
4. 前記側面（１４６”）、（１４８”）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（１１８）。
   

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