JP5898841B2 - タービンエンジン翼形部の内部空洞内における熱伝達の強化 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン翼形部に関し、より具体的には、翼形部の内部空洞内における熱伝達の強化に関する。

ガスタービン構成要素は、該構成要素を厳しい環境から保護するためには能動冷却を必要とするような高温で作動する。従来から、ガスタービンエンジン構成要素は、加圧空気によって或いは幾つかの場合には複合蒸気／ガスサイクルからの利用可能な蒸気によって冷却されてきた。しかしながら、冷却目的での加圧空気の使用は、エンジン性能及び効率の低下という代償を払うことになる。従って、冷却媒体流量を減少させながら、構成要素温度を厳しい要件の範囲内に維持する方法を確定するという困難な課題が依然として存在している。

従来から、ガスタービン構成要素の温度は、対流冷却及び断熱皮膜により要件の範囲内に維持されてきた。冷却媒体及び内部金属表面間の対流熱伝達を強化するために、幾つかの方法が適用されている。中でも、ピン−フィンバンク及びタービュレータが、広く使用されている。このことに関して、境界層の高さ（厚さ）が発達しかつ成長するにつれて熱伝達が低下することが知られている。ピン−フィンバンク及びタービュレータは、境界層内に途絶を生じさせ、それにより境界層を再スタートさせるのを可能にする。再スタートにより境界層高さが大きく減少するので、再スタートを導入する前における熱伝達に比較して、その熱伝達が増大する。幾つかのピン−フィンバンク及びタービュレータを付加することによって、平滑表面と比較して、全体熱伝達が増大する。そのような熱伝達増強装置は、特許文献に詳しく説明されている。例えば、米国特許第６４６４４６２号には、バケットの後縁上においてスプリッタリブを使用して熱伝達を増大させるようにすることが説明されている。米国特許第６４０６２５４号には、ノズルの後縁上においてタービュレータを使用することが説明されており、また米国特許第５６０９４６６号には、ノズルの後縁上においてピン−フィンバンクを使用することが説明されている。

米国特許第６４６４４６２号明細書 米国特許第６４０６２５４号明細書 米国特許第５６０９４６６号明細書 米国特許第７３３４７６０号明細書

タービンエンジン翼形部内部における、特に内部後縁空洞のような翼形部の密閉アクセス困難領域におけるより有効な熱伝達強化メカニズムに対する必要性が依然として存在している。

１つの例示的であるが非限定的な実施形態では、タービンエンジン翼形部を提供し、本翼形部は、前縁、後縁、負圧側面及び正圧側面と、該翼形部内で半径方向に延びる複数の内部冷却空洞と、該翼形部の正圧及び負圧側面の少なくとも１つの内部表面上に形成された複数の渦発生体とを含み、複数の内部冷却空洞の１つは、後縁に沿って延び、後縁には、該後縁に沿って延びる複数の冷却媒体流出アパーチャが設けられ、複数の渦発生体は、複数の内部冷却空洞の１つ内で半径方向に間隔を置いた状態で複数の冷却媒体流出アパーチャにほぼ平行にかつ該複数の冷却媒体流出アパーチャに近接して延びるように配置される。

別の態様では、タービンエンジン翼形部を提供し、本翼形部は、前縁、後縁、負圧側面及び正圧側面と、該翼形部内における内部冷却空洞と、内部冷却空洞内において負圧側面及び正圧側面の少なくとも１つの内部表面上に形成された複数の渦発生体とを含み、複数の渦発生体は、少なくとも１つの冷却空気渦を時計方向又は反時計方向に放出するような形状になっている。

さらに別の態様では、翼形部を提供し、本翼形部は、前縁、後縁、負圧側面及び正圧側面と、該翼形部内における内部冷却空洞と、内部冷却空洞内において負圧側面及び正圧側面の少なくとも１つの内部表面上に形成された複数の渦発生体とを含み、複数の渦発生体は、少なくとも１つの半径方向に延びる列として配置されかつ少なくとも１つの冷却空気渦を時計方向又は反時計方向に放出するような形状になっており、複数の渦発生体は各々、完全デルタウィング、半デルタウィング、リブウィングレット、リブウィングレット対及びウェッジ形状から成る群から選択された構成を有する。

次に、下記に特定する図に関連して、本発明を説明する。

その中に形成された内部空洞を示す、タービン翼形部の断面図。 本発明の例示的であるが非限定的な実施形態を組入れた、図１に示すタービン翼形部の後縁部分の拡大詳細図。 冷却流に曝された表面上における渦発生体の使用によって形成された渦の概略図。 別の例示的であるが非限定的な実施形態による、タービン翼形部の空洞の内部表面上で使用することができる同種の渦発生体の簡略概略図。 さらに別の例示的であるが非限定的な実施形態による、タービン翼形部の空洞の内部表面上で使用することができる別の同種の渦発生体の簡略概略図。 さらに別の例示的であるが非限定的な実施形態による、タービン翼形部の空洞の内部表面上で使用することができる別の同種の渦発生体の簡略概略図。

最初に図１を参照すると、タービンエンジン翼形部１０は一般的に、前縁１２、後縁１４、並びにそれぞれ前縁と後縁との間で延びる凸面形負圧表面及び凹面形正圧表面１６、１８を含む。翼形部１０内には、内部空洞２０、２２及び２４を形成して、主として該翼形部を通る冷却媒体（一般的には空気であるが、時には蒸気又はその他の流体であることもある）の流れを可能にしかつ制御する。「開放」冷却回路構成では、冷却空気は、図２で最も良く分かるように後縁１４に沿って設置された後縁空洞２４及び複数の流出アパーチャ２６を介して翼形部１０から流出する。

本発明の例示的であるが非限定的な実施形態によると、後縁流出アパーチャ２６に隣接又は近接させて翼形部１０の内部対面表面２８、３０の1つ又は両方上に渦発生体を設けて、後縁空洞内における熱伝達を増強するようにすることができる。

例示的な実施形態では、複数の渦発生体３２は、図２及び図３に示す「デルタウィング」の形態とすることができる。この実施例では、「完全」デルタウィング渦発生体３２は、ほぼ垂直な後部アペックス３８に収束した一対の内向き傾斜側部表面３６によって側方形成された上向き傾斜三角形状流入ランプ表面３４を備えるように形成される。渦発生体３２は、例えば流入ランプ表面が流れ矢印４０で示した冷却流に対面する状態で、後縁空洞２４の内部表面３０上に配置される。図２では、渦発生体は、後縁１４に平行でありかつ流出アパーチャ２６に近接しまた対向つまり対面内部表面２８、３０の両方上に配置された列として示している。図３に示すように、各渦発生体３２は、該渦発生体の後方に逆方向回転する渦４２、４４の対を生成して、境界層が成長するのを防止し、従って後縁空洞２４内における熱伝達を強化する。

図４は、図３をさらに詳しく説明するものであり、図２及び図３の「完全」デルタウィング構成の変形形態によって側方形成された渦発生体３２を示している。渦発生体３２の左側（冷却媒体流の方向に見て）には、その各々が該渦発生体３２の本質的に左半分から成る一対のほぼ同一の「半」デルタウィング渦発生体４６及び４８が配置され、一方、渦発生体３２の右側には、該渦発生体３２の本質的に右半分から成る別の対のほぼ同一の「半」デルタウィング渦発生体５０、５２が配置される（便宜上、渦発生体３２上に中心線を示して、「完全」デルタウィング渦発生体を分割して左及び右「半」デルタウィング渦発生体を形成する方法を図示している。）。より具体的には、流入ランプ表面３４は、分割されてそれぞれの渦発生体４６、４８上に対向して対面する直角三角形流入ランプ表面５４及び５６を形成して、該渦発生体４６、４８の各々の一側部がほぼ垂直（１つの垂直側部を参照符号５８で示している）であり、一方、残りの側部（その１つを参照符号６０で示している）は、それぞれの後部アペックス６２、６４に向けて傾斜しかつ収束するようになる。「半」渦発生体５０、５２は、本質的に「半」渦発生体４６、４８の鏡像になっている。使用中に、冷却空気は、流れ矢印６６で示した方向に翼形部の後縁に接近し、様々な流入ランプ表面３４、５４及び５６（並びに「半」デルタウィング渦発生体５０、５２上の鏡像になった流入ランプ表面）を上方に移動しかつ離れ落ちて、「完全」デルタウィング渦発生体３２から一対の渦を放出しまた「半」デルタウィング渦発生体４６、４８、５０及び５２かる単一の渦を放出することになる。「半」デルタウィング渦発生体４６、４８はＣＣＷ（反時計方向）放出渦を生成し、一方、「半」デルタウィング渦発生体５０、５２はＣＷ（時計方向）放出渦を生成することが分かるであろう。

図３及び図４に示す渦発生体はまた、アペックス３８、６２、６４等が冷却流と対面するように１８０°回転させることができ、その場合にも依然としてほぼ上記したように渦を放出することになることが分かるであろう。さらに、渦発生体のパターン及び配置並びにそれらのそれぞれの角度、長さ及び高さは、特定の用途に応じて渦発生と圧力損失との間の所望のバランスを達成するように変化させることができるが分かるであろう。

図５は、同様に翼形部後縁に近接して翼形部後縁（又はその他の）空洞内に設置することができる渦発生体の別の例示的であるが非限定的な実施例を示している。この実施例では、各渦発生体は、１つ又は２つのリブつまりウィングレット６８で構成される。各リブつまりウィングレット６８は、ベース７０及び一対のエッジ７２、７４を備えた比較的薄い直角三角形状金属片によって形成される。ベース７０は、ほぼ垂直なエッジ７２（渦発生体のリーディングエッジとも呼ばれる）が流れ矢印７６で示した冷却流に対面しかつ傾斜エッジ７４がベース７０と交差するまで下流方向に下向きに傾斜した状態で内部後縁空洞表面３０（図２）に係合させることができる。一対のリブウィングレット６８を共に使用して、該リブウィングレットがポイントつまりアペックス８２に収束した後向き対面矢じり形状渦発生体８０を形成することができる。個々のリブウィングレット６８を上記のように配置した渦発生体８０の両側部において、それらの対はそれぞれ、矢じり形状渦発生体８０から離れるように対向する方向に傾斜している。この実施形態では、冷却空気は、例えばタービン翼形部後縁空洞２４の内部表面３０上に配置されたリブウィングレットのリーディングエッジ７２に接近し、該リーディングエッジに衝突しかつリブトップエッジ７４を越えて溢れて、リブウィングレット８０の左側部にＣＷ方向の単一の渦をまたウィングレット８０の右側部にＣＣＷ方向の単一の渦を放出する。中央リブウィングレット８０を越えて溢れる冷却空気は、ＣＣＷ及びＣＷの両方向における一対の渦を放出することになる。

ここでも同様に、リブウィングレット６８の角度、長さ及び高さは、渦発生と圧力損失との間の所望のバランスを達成するように変化させることができる。加えて、リブウィングレットは、図５に示す配向から１８０°回転させて、上記とほぼ同様に渦を放出することができる。

図６は、別の例示的であるが非限定的な実施形態による渦発生体構成を示している。この実施例では、タービン翼形部後縁空洞表面３０に沿って、複数のウェッジ形状渦発生体８４が配置されている。各ウェッジ形状渦発生体８４は、図３及び図４における「完全」デルタウィング渦発生体３２とほぼ同様であるが、１８０°回転され、かつより細長くない形状として形成されている。このケースでは、鈍いアペックスエッジ９２が、冷却流に面すると同時に、下向きテーパ側部９４、９６が、上方下向き傾斜及び発散上部表面１００のベースを形成した比較的幅広後部エッジ９８に向かって発散している。使用中に、冷却空気は、流れ矢印１０２で示した方向にリーディングつまりアペックスエッジ９２に接近しかつ左側及び右側に分割されて、互いに逆方向回転する渦を形成することになる。デルタウィング渦発生体３２の説明と同様に、渦発生体８４はまた、半部分として分割され、かつ所望に応じて渦発生体の配向に対応した方向に単一の渦を放出するように配置することができる。前の実施形態におけるのと同様に、ウェッジ形状渦発生体の角度、長さ及び高さは、渦発生と圧力損失との間の所望のバランスを達成するように変化させることができ、またその他の実施例に関して上記したのと同様に、渦発生体８４は、１８０°回転させることができる。

全てのケースにおいて、放出渦は、境界層の境界と空洞壁つまり表面との間で流体を交換し、そのことにより次に、境界層を再付着させかつ薄くすることが可能になる。この作用は、その中に渦発生体が設置されている１つ又は複数の空洞内における熱伝達を強化する。本明細書に説明した渦発生体は、境界層の高さを減少させる点においてピン−フィンバンク及びタービュレータよりも有効であり、従って熱伝達を強化する点においてもより有効である。さらに、デルタウィング、リブタイプ又はウェッジタイプの突出部は、例えば公知のインベストメント鋳造法によって翼形部後縁のタイプの到達困難な内部空洞の表面上に製作して、開発費用及び製作時間を低減することができる。

しかしながら、本明細書に説明したような渦発生体の使用は、タービン翼形部における後縁空洞に限定されるものではなく、多様なタービン構成要素冷却用途で使用することができることを理解されたい。さらに、渦発生体は、特定の空洞内における対向する表面の１つ又は両方上で単一又は複数列或いは縦列として採用することができる。渦発生体は、空洞内において互いに対して及び／又は対向するつまり対面する表面上の渦発生体に対して整列配置、千鳥配置又はランダム配置状態として配置することができる。

現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるべきものではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

１０ 翼形部
１２ 前縁
１４ 後縁
１６ 負圧表面
１８ 正圧表面
２０、２２ 内部冷却空洞
２４ 内部冷却空洞、後縁空洞
２６ 流出アパーチャ
２８、３０ 内部表面
３２ 「完全」デルタウィング渦発生体
３４ 傾斜三角形状流入ランプ表面
３６ 傾斜側部表面
３８ 後部アペックス
４０ 流れ矢印
４２、４４ 渦（ボルテックス）
４６、４８ 「半」デルタウィング渦発生体
５０、５２ 「半」デルタウィング渦発生体
５４、５６ 直角三角形流入ランプ表面
５８ 垂直側部表面
６０ 傾斜側部表面
６２、６４ 後部アペックス
６６ 流れ矢印
６８ リブウィングレット
７０ ベース
７２ リーディングエッジ
７４ 傾斜エッジ
７６ 流れ矢印
８０ 矢じり形状渦発生体
８２ アペックス
８４ ウェッジ形状渦発生体
９２ アペックスエッジ
９４、９６ 下向きテーパ側部
９８ 幅広後部エッジ
１００ 上方下向き傾斜及び発散上部表面
１０２ 流れ矢印

Claims (8)

1. 翼形部（１０）であって、当該翼形部が、
   前縁（１２）、後縁（１４）、負圧側面（１６）及び正圧側面（１８）と、
   該翼形部内で半径方向に延びる複数の内部冷却空洞（２０、２２、２４）と、
   該翼形部の正圧及び負圧側面の少なくとも１つの内部表面（３０）上に形成された複数の渦発生体と
   を含んでおり、
   前記複数の内部冷却空洞の１つ（２４）が前記後縁に沿って延び、前記後縁（１４）には、該後縁に沿って延びる複数の冷却媒体流出アパーチャ（２６）が設けられ、前記複数の渦発生体が、前記複数の内部冷却空洞（２４）の１つ内で半径方向に間隔を置いた状態で前記複数の冷却媒体流出アパーチャ（２６）にほぼ平行にかつ該複数の冷却媒体流出アパーチャ（２６）に隣接して前記後縁（１４）に沿って延びるように配置され、
   前記複数の渦発生体の少なくとも一部が、各々、
   前記内部表面（３０）に対しほぼ垂直な後部アペックス（６２）と、
   前記内部表面（３０）に対しほぼ垂直な第１の三角形側部表面（５８）と、
   前記後部アペックス（６２）に向けて傾斜し且つ収束する内向き第２の三角形側部表面（６０）と、
   前記第１及び第２の側部表面（５８、６０）によって側方形成された上向き傾斜三角形状流入ランプ表面（５４）と、
   を備える渦発生体（４６）である、
   翼形部。
2. 前記複数の渦発生体の少なくとも一部が、各々、
   前記内部表面（３０）に対しほぼ垂直な後部アペックス（３８）と、
   該後部アペックス（３８）に収束する一対の内向き傾斜三角形側部表面（３６）と、
   該一対の内向き傾斜三角形側部表面（３６）によって側方形成された上向き傾斜三角形状流入ランプ表面（３４）と、
   を備える渦発生体（３２）である、請求項１記載の翼形部。
3. 前記複数の渦発生体（３２）が、それぞれ該翼形部の正圧及び負圧側面の両方の内部表面上に形成された第１及び第２の群を含み、各前記群が、単一又は複数列の渦発生体を含む、請求項１又は２に記載の翼形部。
4. 前記複数の渦発生体（３２）が、前記内部表面（３０）上に単一又は複数縦列として配置される、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の翼形部。
5. 該翼形部の正圧側面（１８）上の前記第１の群が、該翼形部の負圧側面（１６）上の前記第２の群とほぼ半径方向に整列している、請求項３又は４に記載の翼形部。
6. 該翼形部の正圧側面（１８）上の前記第１の群が、該翼形部の負圧側面（１６）上の前記第２の群と半径方向に千鳥配置されている、請求項３又は４に記載の翼形部。
7. 前記複数の渦発生体（３２）の少なくとも１部が、各々、１以上の三角形状リブ（６８）を含む、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の翼形部。
8. 前記複数の渦発生体（３２）の少なくとも１部が、各々、１以上のウェッジ状構成要素（８８）を含む、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の翼形部。
   

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