JP5410011B2 - 二重送り蛇行冷却ブレード - Google Patents

Description

本発明は、一般にガスタービンエンジンに関し、特に、タービンブレードの冷却に関する。

ガスタービンエンジンにおいては、空気は圧縮機で加圧され、加圧空気は、燃焼器において燃料と混合されて高温の燃焼ガスを生成する。例えば、ターボファン航空機エンジン構成の場合、圧縮機に動力を供給する高圧タービン及びファンに動力を供給する低圧タービンにおいて、ガスからエネルギーが抽出される。

第１段タービン動翼は、対応するタービンノズルを介して燃焼器から高温燃焼ガスを直接受取る。従って、タービンブレードは、タービンの高い動作温度で高い強度を有する超合金から製造される。また、通常、ブレードは中空であり、圧縮機からの加圧空気の一部を抽気することにより内部冷却される。

圧縮機から抽気された冷却空気は燃焼器を迂回し、それに相応してエンジンの効率を低下する。従って、定期検査及び保守を含めて数千動作時間にも及ぶ場合があるタービンブレードの耐用年数を最大限にしつつ、タービンブレードを冷却するために圧縮機から抽気される空気の総量を最小限に抑える必要がある。

従来の技術は、エンジン及び動作サイクルの特定の構成に基づいてタービン動翼を効率よく冷却するための多種多様な構成を有する数多くの特許を包含する。ブレード冷却構成が複雑になるのは、根元部から先端部まで翼幅に沿って半径方向に延在すると共に、前縁部とその反対側の後縁部との間で翼弦に沿って軸方向に延在するエーロフォイルの凹形の加圧側及び凸形の吸引側の周囲における圧力負荷及び熱負荷の分布が様々に変化するためでもある。

典型的なタービンブレードの寿命は、上記の変化によって発生する局所ホットスポットにより制限される。ホットスポットはブレードが受ける熱疲労を増加し、最終的には、例えば望ましくないエーロフォイルの亀裂を引き起こす。エーロフォイルは相対的に薄い壁を有し、動作中に熱によりエーロフォイルに亀裂が発生すると、内部冷却空気の漏れという望ましくない事態が発生するおそれがある。

通常、熱疲労によるエーロフォイルの亀裂はエーロフォイル先端部で発生する。これは、先端部がエーロフォイルの加圧側及びその反対側の吸引側からの燃焼ガスによる加熱のみならず、周囲を取り囲むタービンシュラウドとの間に形成される狭い半径方向空隙又は間隙において先端部を越えて漏れ出す燃焼ガスからの加熱も受けるためである。
米国特許第４，０７３，５９９号公報 米国特許第４，７７５，２９６号公報 米国特許第４，９９２，０２６号公報 米国特許第５，３９５，２１２号公報 米国特許第５，４０３，１５９号公報 米国特許第５，４６２，４０５号公報 米国特許第５，５６４，９０２号公報 米国特許第５，９０２，０９３号公報 米国特許第５，９６７，７５２号公報 米国特許第６，３４０，０４７号公報 米国特許第６，４９１，４９６号公報 米国特許第６，６０７，３５６号公報 米国特許第６，８３２，８８９号公報 米国特許出願公開第２００６／００６２６７１Ａ１号 米国特許出願第１１／４９４３７８号

従って、ブレード寿命の後半において発生する先端部の亀裂に対応するための改善された冷却構成を有するタービンブレードを提供することが望まれる。

タービンブレードは、前方衝突流路で終端する前方蛇行冷却回路及び後方衝突流路で終端する後方蛇行冷却回路を含む。各蛇行冷却回路は、その第１の流路に一次入口流れを配分し且つ最終流路に補助入口流れを配分するための２つの流量調整入口を有する。

本発明は、添付の図面と関連する以下の詳細な説明において、好適な実施形態に従って本発明の更に別の目的及び利点と共に更に詳細に説明される。

図１は、ガスタービンエンジン１２のＨＰＴにおいて使用するための第１段タービン動翼１０の一例を示した図である。通常、ブレードは超合金から製造され、エーロフォイル１４と、その根元部に配置されたプラットフォーム１６と、支持ダブテール１８とを一体の構体として含む。

ダブテール１８は、図示される軸方向差込みダブテールなどの任意の従来の形態を有してもよく、支持回転翼円板（図示せず）の周囲にある対応するダブテール溝穴にブレードを装着する。回転翼円板は、ブレード間流路を規定するために互いに周囲方向に離間して配置された１列のブレードを保持する。

動作中、エンジンの燃焼器において燃焼ガス２０が生成され、燃焼ガス２０は対応するタービンブレード１０に沿って下流側へ適切に搬送される。タービンブレード１０は、支持回転翼円板に動力を供給するために、燃焼ガスからエネルギーを抽出する。個々のプラットフォーム１６は、燃焼ガスに対して半径方向内側の境界を規定し、タービンブレードの列の中で隣接するプラットフォームと境を接する。

図１及び図２に示されるエーロフォイル１４は、周囲方向又は横方向に互いに反対の側にある加圧側２２及び吸引側２４を含む。加圧側２２及び吸引側２４は、前縁部２６とその反対側の後縁部２８との間で翼弦に沿って軸方向に延在すると共に、エーロフォイル根元部３０から翼幅に沿って半径方向に延在し、半径方向外側の先端部キャップ又は先端部３２において終端する。エーロフォイル加圧側２２は、前縁部と後縁部との間でほぼ凹形であり、前縁部と後縁部との間のほぼ凸形のエーロフォイル吸引側２４に対して相補形を成す。

動作中、燃焼ガスからのエネルギー抽出を最大限にするために、エーロフォイルの加圧側２２及び吸引側２４の外面は、燃焼ガスの適切な速度分布及び圧力分布を実現するように従来通りに構成された典型的な三日月形状又は三日月プロファイルを有する。

通常、エーロフォイル１４は中空であり、内部冷却回路を含む。内部冷却回路は、図示されるように前縁部の背後及び後縁部の前方で対応する流路で終端する２つの３流路蛇行回路のような任意の従来の構成を有してもよい。冷却回路はプラットフォーム及びダブテールを貫通し、ダブテールの底部には、任意の従来の方法によりエンジン１２の圧縮機から加圧冷却空気３４を受取るための対応する入口が形成される。

このように、根元部から先端部に至るまで、前縁部と後縁部との間で内部冷却空気によりブレードは内部冷却される。その後、冷却空気は、従来通りの大きさ及び構成の薄膜冷却穴３６の種々の列により、薄いエーロフォイル側壁を通して排出されてもよい。

通常、エーロフォイルの前縁部は最高温度の流入燃焼ガスにさらされるので、任意の適切な方法による前縁部専用の冷却が実行される。また、エーロフォイルの細い後縁部領域は、通常、使用済み冷却空気の一部を排出するための１列の加圧側後縁部冷却溝穴３８を含む。

図１及び図２に示されるように、中空のエーロフォイル１４は、根元部から先端部まで翼幅に沿って半径方向に延在する複数の仕切り又はリブ４０を含む。仕切り４０は両側の加圧側２２及び吸引側２４と一体に接合して、内部冷却回路を規定する。仕切り４０は、前縁部２６とその反対側の後縁部２８との間で翼弦方向に互いに離間して配置されることにより、前縁部から後縁部まで互いに隣接する複数の半径方向に延在する流路１〜８を規定する。

燃焼ガスからの異なる外部熱負荷に対して冷却効率を最大限にするために、いくつかの流路１〜８は、通常、前縁部と後縁部との間で、根元部から先端部に至るまでエーロフォイルの異なる部分においてそれぞれ異なる横断面流れ面積を有する。熱伝達能力を増加するために、流路は従来のタービュレータなどの種々の冷却効率向上形態を有してもよい。

図１及び図２に示される８つの流路は、２つの独立した前方蛇行冷却回路及び後方蛇行冷却回路において特定して構成される。各冷却回路は、エーロフォイルの前縁部及びその反対側の後縁部において対応する衝突冷却流路で終端する。

前方蛇行冷却回路又は第１の蛇行冷却回路は、ダブテールの底部からエーロフォイル先端部まで完全に延在する穴のない翼弦中央仕切りの前方側に沿って翼幅方向に延在する前方上昇流路又は前方上昇流路、すなわち第１の流路（第１のパス）４を含む。第１の流路４に続いて、中央下降流路又は中央下降流路、すなわち第２の流路３があり、次に最終上昇流路又は最終上昇流路、すなわち第３の流路２が続く。これら３つの流路により、３流路前方蛇行冷却回路４〜３〜２が形成される。

同様に、第２の蛇行冷却回路又は後方蛇行冷却回路は、穴のない翼弦中央仕切りの後方側に沿って翼幅方向に延在する第１の上昇流路又は第１の流路５を含む。第１の流路５は中央下降流路又は中央下降流路、すなわち第２の流路６に接合し、第２の流路６は最終上昇流路又は最終上昇流路、すなわち第３の流路７に更に接合する。これら３つの流路により、３流路後方蛇行冷却回路５〜６〜７が形成される。

従って、前方蛇行冷却回路２〜４は、エーロフォイル１４の翼弦中央からエーロフォイル１４を貫通して前縁部２６に向かって延在し、後方蛇行冷却回路５〜７は、翼弦中央から後方へエーロフォイルを貫通し、前方蛇行冷却回路の背後で後方へ後縁部２８に向かって延在する。

前方蛇行冷却回路は、最終流路２において前縁部のすぐ後に配置された第１の衝突冷却回路又は前方衝突冷却回路１で終端する。後方蛇行冷却回路は、最終流路７において後縁部のすぐ前に配置された第２の衝突冷却流路又は後方衝突冷却回路８で終端する。

このように、エーロフォイルの内部衝突冷却を局所的に増強するために、２つの蛇行冷却回路からの使用済み冷却空気は、エーロフォイルの前縁部及び反対側の後縁部の内側に衝突する状態で別個に排出されてもよい。

図１に示されるエーロフォイル先端部３２は任意の従来の構成を有してもよく、通常、エーロフォイル側壁の短い半径方向延長部分を含む。それらの延長部分は、内部蛇行冷却回路及び衝突流路を直接被覆する共通の先端部フロア４２から外側へ延出する。

先端部フロア４２は、外側先端部３２から半径方向内側にくぼんだ位置にある薄い板であり、内部冷却流れを内部冷却回路の中に保持するために、内部冷却回路を内蔵するか又は内部冷却回路と境を接する。通常、先端部フロア４２は、使用済み内部冷却空気を排出してエーロフォイル先端部自体を更に冷却するための複数の小さな開口出口を有する。

蛇行冷却回路及び衝突流路は、根元部から先端部までエーロフォイル１４の半径方向翼幅の全長にわたり延在する。冷却回路はプラットフォームで始まり、プラットフォーム及びダブテールを介して冷却空気３４を供給される。特に、４つの独立した別個の入口流路４４、４６、４８、５０は、内部冷却回路に空気を供給するために、ダブテールの底部からダブテール及び支持シャンクを貫通し、プラットフォームを貫通する。

第１の入口流路４４はダブテール１８を貫通し、前方衝突流路１に空気を供給する前方蛇行冷却回路の最終流路２において前方蛇行冷却回路に接合する。

第２の入口流路４６はダブテール１８を貫通し、前方蛇行冷却回路の第１の流路４において前方蛇行冷却回路に接合する。

第３の入口流路４８はダブテール１８を貫通し、後方蛇行冷却回路の対応する第１の流路５において後方蛇行冷却回路に接合する。

第４の入口流路５０はダブテール１８を貫通し、後方衝突流路８に空気を供給する後方蛇行冷却回路の最終流路７において後方蛇行冷却回路に接合する。

これに対応して、４つの入口流路４４〜５０を被覆するように、流量調整板５２がダブテール１８の底部に、例えばろう付けにより適切に接合される。流量調整板５２は、エーロフォイルの前方部分及び後方部分においてそれぞれ異なる冷却性能を制御するために、４つの入口流路を介して限られた冷却流れ３４を異なる流量で配分又は調整するように接合されるのが好ましい。

流量調整板５２は４つの開口入口５４、５６、５８、６０を含む。開口入口は、開口入口を通過して対応する４つの入口流路４４〜５０にそれぞれ送り込まれる冷却流れ３４を適切に流量調整するために、個別に大きさを規定された流れ面積を有する。ブレードの重量を最小限にし、それにより、ガスタービンエンジンにおける回転動作中のブレードの望ましくない遠心荷重を最小限にするために、エーロフォイルダブテールを貫通する４つの入口流路は、相対的に広い横断面流れ面積を有し、相対的に薄く穴のない仕切りにより互いに分離される。

従って、４つの入口流路の流れ面積は、通常、それらの入口流路により空気を供給される２つの蛇行冷却回路の個々の流路より広く、従って、流量調整板５２は、内部冷却回路を通過する冷却流れの相対分布を制御するために使用される。

従って、４つの入口５４〜６０の流れ面積は、対応する４つの入口流路４４〜５０の流れ面積より個別に狭く、入口の大きさは、２つの蛇行冷却回路の各々に冷却空気を二重に供給するように規定される。従来の実施形態は、蛇行冷却回路の第１の上昇流路においてのみ冷却回路に空気を供給し、続く蛇行流路における熱を冷却空気に吸収させていた。

これに対し、図１に示される各蛇行冷却回路は、エーロフォイルの翼弦中央において対応する第２の入口流路４６及び第３の入口流路４８により規定される一次入口流路又は一次給気流路と、対応する第１の入口流路４４及び第４の入口流路５０により規定される二次給気流路又は補助給気流路とをそれぞれ有する。

このように、利用可能な冷却空気の大部分は、第１の上昇流路４、５を介して２つの蛇行冷却回路に流入し、中央下降流路又は第２の下降流路３、６を介してエーロフォイルの翼弦中央領域を冷却する。

補助入口流路４４、５０は、対応する最終上昇流路又は第３の上昇流路２、７が始まる場所で追加冷却流れを直接導入する。第３の流路２、７は、前方衝突流路１及び後方衝突流路８にそれぞれ冷却空気を供給し、エーロフォイルの前縁部及び後縁部を内部冷却する。

新鮮な補助冷却空気は、最終蛇行流路２、７において使用済みの一次冷却空気と合流する。それにより、エーロフォイルの前縁部及び後縁部の冷却性能は大きく改善され、前縁部及び後縁部の動作温度が低下するが、その一方で、エーロフォイルの翼弦中央領域は前縁部及び後縁部ほど冷却されない。従って、一次冷却流れの流量が減少するため、翼弦中央領域は縁部より高い温度で動作する。

タービンブレード全体に対して冷却流れのうち所定の量又はその全量が利用可能であり、ブレードの冷却性能を最大限にするためには、冷却流れを選択的に配分しなければならないことが認識される。前述のように、ブレードを通して限られた冷却流れを再配分することにより、そのような再配分が実行されない場合と比較して、エーロフォイルの翼弦中央領域はより高い温度で動作され、エーロフォイルの前縁部及びその反対側の後縁部はより低い温度で動作される。その結果、エーロフォイルに沿った温度差は減少され、それに対応する熱応力も減少する。

図１に示される２つの蛇行冷却回路の各々は、エーロフォイルの根元部と先端部との間で冷却流れの翼幅方向を交互に変える３つの半径方向流路のみを含み、従って、対応する流れ方向転換部又は流れ屈曲部においては、冷却空気の方向は１８０°変化する。

前方蛇行冷却回路においては、第１の上昇流路４はプラットフォーム１６で第２の入口流路４６と流体連通する状態で始まり、第１の前方流れ屈曲部６２において先端部フロア４２のすぐ下方で終端する。第１の流れ屈曲部６２は、２つの流路３、４を分離する短い仕切りにより規定される。中央の流路３は第１の流れ屈曲部６２で始まり、プラットフォーム１６において第２の前方流れ屈曲部６４で終端する。

第２の流れ屈曲部６４は、２つの流路２、３を分離する短い仕切りにより規定され、一次流れを中央流路３から最終流路２へ再び１８０°方向転換する。また、第１の入口流路４４は、共通の第２の流れ屈曲部６４において、中央下降流路３及び最終上昇流路２の双方と流体連通状態で接合する。

後方蛇行冷却回路は前方蛇行冷却回路と一致する構成を有するが、その配置は互いに対向する関係、すなわち、左右対称である。第１の後方上昇流路５は、プラットフォーム１６において対応する第３の入口流路４８と流体連通する状態で始まり、中央下降流路又は第２の下降流路６に接合する第１の後方流れ屈曲部６６において先端部フロア４２のすぐ下方で終端する。第１の後方流れ屈曲部６６は、２つの流路５、６の間の短い仕切りにより規定され、先端部フロア４２のすぐ内側において、それら２つの流路の間で流れの方向を１８０°転換する。

中央下降流路６は、プラットフォーム１６において第２の後方流れ屈曲部６８で終端する。第２の流れ屈曲部６８は、流れを最終流路７に向けて１８０°方向転換する。第２の流れ屈曲部６８は、２つの流路６、７の間の短い仕切りにより規定される。また、第４の入口流路５０は、対応する第２の流れ屈曲部６８において、後方蛇行冷却回路の中央流路６及び最終流路７の双方と流体連通する状態で接合する。

第１の前方流れ屈曲部６２及び第１の後方流れ屈曲部６６は、先端部フロア４２のすぐ下方に配置されるが、第２の前方流れ屈曲部６４及び第２の後方流れ屈曲部６８は、対応する補助入口流路４４、５０と好適に協働するようにプラットフォーム１６に配置される。

ブレードを軽量化するために、４つの入口流路４４〜５０は可能な限り広く形成されるため、第２の一次入口流路４６及び第３の一次入口流路４８の流れ面積は、流量調整板５２から前方蛇行冷却回路及び後方蛇行冷却回路の対応する第１の流路４、５まで半径方向外側へ別個に縮小する。

これに対し、第１の補助入口流路４４及び第４の補助入口流路５０の流れ面積は、流量調整板５２から前方蛇行冷却回路及び後方蛇行冷却回路の対応する第２の流れ屈曲部６４、６８まで半径方向外側へ拡大する。第１の入口流路４４は拡張して、対応する第２の流れ屈曲部６４において前方蛇行冷却回路の中央流路３及び最終流路２の双方に接合する。同様に、第４の入口流路５０は拡張して、対応する第２の流れ屈曲部６８において後方蛇行冷却回路の中央流路６及び最終流路７の双方に接合する。

このように、第２の前方流れ屈曲部６４及び第２の後方流れ屈曲部６８の双方は、使用済みの一次冷却流れを２つの蛇行冷却回路の中央流路から最終流路まで効率よく方向転換すると共に、対応する補助入口流路４４、５０からの補助冷却流れと効率よく混合する妨害のない構成を有する。

従って、第１の入口流路４４は、第２の流れ屈曲部６４で互いに接合する前方蛇行冷却回路の中央流路３及び最終流路２の各々の流れ面積より広い横断面流れ面積を有する。また、第４の入口流路５０は、第２の流れ屈曲部６８で互いに接合する後方蛇行冷却回路の中央流路６及び最終流路７の各々の流れ面積より広い横断面流れ面積を有する。

図１及び図２に示される前方衝突冷却流路１及び後方衝突冷却流路８は、任意の従来の構成を有してもよい。例えば、前方最終流路２を介して搬送される一次冷却空気及び補助冷却空気の双方により前縁部２６を衝突冷却するために、前方衝突冷却流路１と前方最終流路２との間の仕切り４０に、前縁部２６のすぐ後の場所に根元部から先端部まで分散配置された１列の衝突冷却穴７０が形成される。

同様に、後方最終流路７を介して搬送される一次冷却流れ及び補助冷却流れの双方を使用して後縁部２８を衝突冷却するために、後方衝突冷却流路８と後方最終流路７との間の仕切り４０には、後縁部２８のすぐ前の場所に根元部から先端部まで分散配置された別の１列の衝突冷却穴７０が形成される。

図２に示されるように、衝突冷却穴７０の第１の列は、前縁部２６の背面に対してほぼ垂直に仕切り４０を貫通する。また、衝突冷却穴７０の後方列は、後縁部２８のすぐ前の位置でエーロフォイル加圧側２２に向かって側方へ傾斜して仕切りを貫通する。

限られた冷却空気を対応する流路に順次完全に流通させるために、図１及び図２に示される前方蛇行冷却回路及び後方蛇行冷却回路のその他の仕切り４０には、通常、穴は形成されない。しかし、第１の蛇行冷却回路の第２の前方流路３と最終前方流路２との間の仕切り４０は、先端部フロア４２の付近又はその下方の適切な位置においてエーロフォイルの半径方向外側の端部でそれら２つの流路を流体連通させる単一の排気穴又は抽気穴７２を含むのが好ましい。

同様に、後方蛇行冷却回路の第２の後方流路６と最終後方流路７との間の仕切り４０は、先端部フロア４２の付近又はそのすぐ下方の位置においてエーロフォイルの半径方向外側の端部でそれら２つの流路を流体連通させる後方排気穴又は抽気穴７２を含む。

先端部３２の付近でエーロフォイル前縁部２６を追加冷却することにより、先端部の領域における熱疲労を局所的に減少するように、中央流路３の最上部から最終流路２の最上部まで一次冷却空気の一部を方向転換するために、前方抽気穴７２は、第１の前方流れ屈曲部の下方の高さで半径方向に配置されるのが好ましい。

同様に、後縁部領域においてエーロフォイル先端部２８を追加冷却することにより熱疲労を減少するように、中央流路６の最上部から後方流路７の最上部まで一次冷却空気を方向転換するために、後方抽気穴７２は、第１の後方流れ屈曲部６６の高さで半径方向に配置される。

前方抽気穴及び後方抽気穴７２は、図３及び図４の立面図に更に明確に示される。抽気穴７２は、長軸が半径方向に延在し、短軸はエーロフォイルの加圧側とその反対側の吸引側との間で横方向に延在するほぼ楕円形又は陸上トラック形の形状を有する。２つの蛇行冷却回路の中央流路と最終流路との間で十分な量の一次流れを方向転換するために、２つの抽気穴は約３０×６０ｍｉｌ（０．７６×１．５ｍｍ）の同様の大きさを有してもよい。

図１に示される二重送り蛇行冷却タービンブレード１０は、それ以外の点では従来通りの構造であるガスタービンエンジン１２において性能を向上するために使用されてもよい。先に指摘したように、エンジンは空気を加圧する圧縮機を含む。加圧空気は燃焼器において燃料と混合され、高温の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは高圧タービン及び低圧タービンを経て排出される。高圧タービンは圧縮機に動力を供給する。低圧タービンは、典型的な航空機ターボファンエンジン構成においてはファンに動力を供給するが、他の構成においては外部駆動軸に動力を供給してもよい。

エンジンの第１段高圧タービンは、支持回転翼円板から半径方向外側へ延出する１列のタービンブレード１０を含む。加圧冷却空気３４は任意の従来の方法により圧縮機から適切に抽気され、タービンブレードの列へ搬送される。

タービンブレード全体を冷却するために、各タービンブレードに所定の総流量の冷却空気３４が供給される。

図１に示される二重送り冷却構成は、２つの蛇行冷却回路の各々に対して２つの入口流路を含む。これに対応して、４つの流量調整入口５４〜６０が設けられる。

好適な一実施形態においては、エーロフォイルの前縁部と後縁部との間の翼弦中央領域と比較して前縁部及び後縁部の冷却を増強するために、各タービンブレードに供給される冷却流れの総流量は、第２の一次入口流路４６及び第３の一次入口流路４８からの冷却流れの一部を第１の補助入口流路４４及び第４の補助入口流路５０へそれぞれ方向転換するように調整される。入口冷却空気の全てではないが、その大部分は２つの蛇行冷却回路の対応する第１の流路及び第２の流路へ搬送され、その後、最終流路２、７へ搬送される。最終流路２、７は、対応する補助入口流路４４、５０からの補助入口流れを更に受取る。

例えば、図１に示される２つの蛇行冷却回路の各々は、通常、補助入口を伴わない最終流路を有し、２つの入口流路４６、４８は所期の流れの１００％をそれぞれ受取る。補助入口を導入することにより、各蛇行冷却回路の当初の１００％の流れは再配分される。流れの大部分である約２／３の流れは、一次流れとして対応する第１の流路４、５へ搬送され、残る少量の流れ、すなわち約１／３の流れは補助入口流路４４、５０へ搬送される。

このように、図１に示される改善されたタービンブレードには、補助入口流路を含まない基準ブレードと同量の冷却流れが提供されてもよい。これにより、エーロフォイルの翼弦中央領域と比較して、前縁部領域及び後縁部領域の冷却効果は優先的に向上する。

これに対応して、エーロフォイルの翼弦中央領域の加熱は増加し、その動作温度は高くなるが、エーロフォイルの前縁部領域及び後縁部領域の動作温度は低下する。エーロフォイルにおける限られた冷却空気のこのような再配分により、動作中にエーロフォイルが受ける温度差は減少し、それに相応してエーロフォイルの熱応力が減少する。

図５は、損傷のないタービンブレードの動作中における冷却流れ３４の通常の配分状態を示した図である。

図５に示される通常動作においては、一次冷却流れは前方蛇行冷却回路の３つの流路４、３、２及び後方冷却回路の３つの流路５、６、７を通って順次搬送され、対応する衝突流路１、８に空気を供給する。また、補助冷却空気は対応する入口流路４４、５０を通って流れ、対応する第２の前方流れ屈曲部６４及び第２の後方流れ屈曲部６８において一次冷却流れと合流する。合流した流れは蛇行冷却回路の最終流路２、７に流入し、衝突流路１、８に空気を供給する。

入口流路４４、５０が対応する流れ屈曲部６４、６８と接合する場所における入口流路４４、５０の流れ面積が広いため、一次冷却流れと二次冷却流れとが最小限の圧力損失で混合する空気力学的に滑らかな構成が得られる。

これに対し、図６は、動作期間が長くなるにつれてタービンブレードの寿命の後半において発生する可能性がある１つ以上の先端部亀裂７４によりブレードが損傷されている場合の冷却流れ３４の異なる配分状態を示した図である。

ガスタービンエンジンにおいて動作される典型的なタービンブレードは、主にエーロフォイル先端部３２で熱疲労を受け、その結果、先端部に１つ以上の先端部亀裂７４が形成される場合がある。１つ以上のそのような亀裂７４は、２つの蛇行冷却回路の一方又は双方において先端部フロア４２を貫通し、小さな開口部を形成する。一次冷却空気は、例えば第１の流れ屈曲部６２、６６のいずれか一方において、そのような開口部を通って漏れ出す。

従来のブレードにおいては、そのような漏れによって蛇行冷却回路のその他の流路に冷却流れが適切に供給されなくなり、その結果、熱疲労が増加し、先端部亀裂の重大度に応じてブレードが急速に熱障害を起こすことが考えられる。

しかし、図６に示されるように、補助入口流路４４、５０を導入することにより、ブレードに供給される冷却空気の総流量のうち十分な部分がそれらの流路へ送られるように流量調整され、蛇行冷却回路の最終流路２、７のみならず中央流路３、６にも流入する。従って、補助冷却空気は先端部漏れからの冷却空気の損失を効果的に補償できる。

補助流れは、そのような先端部亀裂が発生した場合に、２つの蛇行冷却回路の最終流路及びそれらに対応する衝突流路においてエーロフォイルの前縁部領域及び後縁部領域を適切に冷却するのに十分な量でなければならない。また、中央流路３、６の有効な冷却を確保するために、補助冷却流れは、適切な一次冷却が行われなくなった中央流路を通って戻るのに十分な量でなければならない。

補助入口流路４４、５０が対応する流れ屈曲部６４、６８と合流する場所における補助入口流路の流れ面積が広いため、前方蛇行冷却回路の中央流路３及び最終流路２の双方並びに後方蛇行冷却回路の中央流路６及び最終流路７の双方に最小限の圧力損失で空気を供給するために補助冷却空気を分割する空気力学的に滑らかな構成が得られる。

従来の方法により冷却されるタービンブレードにおいて先端部亀裂が発生すると、数時間程度の相対的に短い動作時間のうちに大きな熱疲労及び熱障害を引き起こす場合もあるが、図６に示されるタービンブレードの補助冷却を導入することにより、亀裂が発生したタービンブレードであっても、保守のための次の運転停止に至るまで、有効寿命を数百動作時間も有効に延長できる。保守中に、正規の保守手順に従って損傷したブレードが検査されて交換される。

従って、以上開示された二重送り蛇行冷却ブレードは、２つの蛇行冷却回路に対して二重入口流路が導入されるにも関わらず、通常の無損傷動作中に有効にエーロフォイルを冷却しつつ動作できる。ブレード寿命が延びるにつれて先端部に望ましくない亀裂が発生した場合には、損傷したブレードの冷却の一体性を維持するために、２つの蛇行冷却回路の各々に対して設けられる二重入口は、流れを滞らせることなく適切な冷却を確保する。

本発明の好適な実施形態であると考えられるものを説明したが、本明細書の教示から本発明の他の変形は当業者には明らかであろう。従って、本発明の真の趣旨及び範囲内に入るそのような変形の全ては添付の特許請求の範囲において保護されることが望まれる。

従って、合衆国特許法により保護されることが望まれるものは、特許請求の範囲において定義され且つ区別されるような発明である。

第１段タービン動翼の一例を示した部分断面等角投影図である。 図１に示されるブレードを示した線２‐２に沿った半径方向断面図である。 図１に示される第１の蛇行冷却回路の一部を示した線３‐３に沿った立面断面図である。 図１に示される第２の蛇行冷却回路の一部を示した線４‐４に沿った立面断面図である。 内部冷却回路を含めて図１に示されるエーロフォイルを示した軸方向断面図である。 １対の先端部亀裂が発生した図５と同様のエーロフォイルの軸方向断面図である。

符号の説明

１…前方衝突冷却流路、２…前方蛇行冷却回路の最終流路（最終パス）、３…第２の流路（第２のパス）、４…第１の流路（第１のパス）、５…後方蛇行冷却回路の第１の流路（第１のパス）、６…第２の流路（第２のパス）、７…最終流路（最終パス）、８…後方衝突冷却流路、１０…タービンブレード、１２…ガスタービンエンジン、１４…エーロフォイル、１６…プラットフォーム、１８…ダブテール、２２…加圧側、２４…吸引側、２６…前縁部、２８…後縁部、３０…根元部、３２…先端部、３４…冷却空気、４０…仕切り、４２…先端部フロア、４４…第１の入口流路、４６…第２の入口流路、４８…第３の入口流路、５０…第４の入口流路、５２…流量調整板、５４…第１の入口、５６…第２の入口、５８…第３の入口、６０…第４の入口、６２…第１の前方流れ屈曲部、６４…第２の前方流れ屈曲部、６６…第１の後方流れ屈曲部、６８…第２の後方流れ屈曲部、７０…衝突冷却穴、７２…抽気穴

Claims (8)

1. タービンブレード（１０）であって、
   対応する前方衝突回路（１）で終端する前方蛇行冷却回路（２〜４）及び対応する後方衝突流路（８）で終端する後方蛇行冷却回路（５〜７）を具備し、各冷却回路は、その最終流路（２、７）に配分される入口流れより多くの入口流れを第１の流路（４、５）に配分するための２つの流量調整入口（５４〜６０）を有し、
   前記タービンブレード（１０）は、
   前記蛇行冷却回路（２〜４）、（５〜７）及びそれらと協働する前記衝突流路（１、８）を規定するために、加圧側（２２）とその反対側の吸引側（２４）とを接合し且つ前縁部（２６）とその反対側の後縁部（２８）との間で翼弦方向に互いに離間して配置される複数の仕切り（４０）を有する中空のエーロフォイル（１４）と；
   プラットフォーム（１６）において前記エーロフォイル（１４）に一体に接合され、前記蛇行冷却回路に別個に接合された４つの入口流路（４４〜５０）を含むダブテール（１８）と；
   前記４つの入口流路（４４〜５０）を被覆し且つ前記最終流路（２、７）に配分される流れより多くの流れを前記第１の流路（４、５）に配分するように前記ダブテール（１８）に接合された流量調整板（５２）と
   を更に具備し、
   前記エーロフォイルの先端部（３２）は、前記前方蛇行冷却回路及び前記後方蛇行冷却回路（２〜７）を直接被覆するように前記先端部に凹部として形成された先端部フロア（４２）を具備し；
   前記４つの入口流路（４４〜５０）は、前記蛇行冷却回路より広い流れ面積を有し；
   前記流量調整板（５２）は、前記４つの入口流路（４４〜５０）より狭い流れ面積を有する第１の開口入口（５４）、第２の開口入口（５６）、第３の開口入口（５８）及び第４の開口入口（６０）を含み、通過する冷却流れ（３４）を相応して流量調整する
   ことを特徴とする、タービンブレード（１０）。
2. 前記入口流路は、
   前記ダブテール（１８）を貫通し、前記最終流路（２）において前記前方蛇行冷却回路に接合するように拡張する第１の入口流路（４４）と；
   前記ダブテール（１８）を貫通し、前記第１の流路（４）において前記前方蛇行冷却回路に接合するように縮小する第２の入口流路（４６）と；
   前記ダブテール（１８）を貫通し、前記第１の流路（５）において前記後方蛇行冷却回路に接合するように縮小する第３の入口流路（４８）と；
   前記ダブテール（１８）を貫通し、前記最終流路（７）において前記後方蛇行冷却回路に接合するように拡張する第４の入口流路（５０）とを具備する請求項１記載のブレード。
3. 前記前方蛇行冷却回路（２〜４）は、前記プラットフォーム（１６）において前記第２の入口流路（４６）と流体連通する状態で始まり且つ前記先端部フロア（４２）において第２の流路（３）に接合する第１の前方流れ屈曲部（６２）で終端する第１の前方流路（４）を含み、前記第２の流路（３）が、前記プラットフォーム（１６）において前記第１の入口流路（４４）及び前記前方最終流路（２）に接合された第２の前方流れ屈曲部（６４）で終端し；
   前記後方蛇行冷却回路（５〜７）は、前記プラットフォーム（１６）において前記第３の入口流路（４８）と流体連通する状態で始まり且つ前記先端部フロア（４２）において第２の後方流路（６）に接合する第１の後方流れ屈曲部（６６）で終端する第１の後方流路（５）を含み、前記第２の後方流路（６）が、前記プラットフォーム（１６）において前記第４の入口流路（５０）及び前記後方最終流路（７）に接合された第２の後方流れ屈曲部（６８）で終端する請求項２記載のブレード。
4. 前記第１の入口流路（４４）は前記第２の前方流れ屈曲部（６４）で拡張し、前記第４の入口流路（５０）は前記第２の後方流れ屈曲部（６８）で拡張する請求項３記載のブレード。
5. 前記第２の前方流路（３）及び前記前方最終流路（２）における前記第１の入口流路（４４）は、いずれの流路よりも広い流れ面積を有し；
   前記第２の後方流路（６）及び前記後方最終流路（７）における前記第４の入口流路（５０）は、いずれの流路よりも広い流れ面積を有する請求項３記載のブレード。
6. 前記前縁部（２６）の衝突冷却のために、前記前方衝突流路（１）と前記前方最終流路（２）との間の前記仕切り（４０）は前記前縁部の後に穴を有し；
   前記後縁部（２８）の衝突冷却のために、前記後方衝突流路（８）と前記後方最終流路（７）との間の前記仕切り（４０）は前記後縁部の前に穴を有し；
   前記第２の前方流路（３）と前記前方最終流路（２）との間の前記仕切り（４０）には、前記先端部フロア（４２）の付近にあるそれらの流路の間の前方抽気穴（７２）を除いて穴が形成されず；
   前記第２の後方流路（６）と前記後方最終流路（７）との間の前記仕切り（４０）には、前記先端部フロア（４２）の付近にあるそれらの流路の間の後方抽気穴（７２）を除いて穴が形成されない請求項３記載のブレード。
7. 前記先端部（３２）の付近で前記エーロフォイル前縁部（２６）を追加冷却するために、前記前方抽気穴（７２）は前記第１の前方流れ屈曲部（６２）の下方に配置され、前記先端部（３２）の付近で前記エーロフォイル後縁部（２８）を追加冷却するために、前記後方抽気穴（７２）は前記第１の後方流れ屈曲部（６６）に配置される請求項３記載のブレード。
8. ガスタービンエンジン（１２）において請求項３記載の前記ブレード（１０）を冷却する方法において、
   前記冷却流れ（３４）の全流量を前記ブレード（１０）へ搬送することと；
   前記エーロフォイル（１４）に沿って燃焼ガスが流れる間、前記前縁部（２６）及び前記後縁部（２８）に沿って前記エーロフォイルの温度を低下する一方で、前記エーロフォイル（１４）の翼弦中央領域に沿って前記エーロフォイルの動作温度を上昇するために、前記冷却流れ（３４）の一部を前記第２の入口流路（４６）及び前記第３の入口流路（４８）から前記第１の入口流路（４４）及び前記第４の入口流路（５０）へ方向転換するように前記全流量を流量調整することとから成る方法。
   

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