JP6110666B2 - エーロフォイル - Google Patents

Description

本発明は、一般に、タービンに使用することができるものなどのエーロフォイルに関する。

タービンは、様々な航空用途、工業用途、および発電用途で、作業を遂行するために幅広く使用されている。各タービンは一般に、外周に取り付けられた静翼の段と動翼の段とを交互に含む。静翼および動翼はそれぞれ、エーロフォイル形に成形された高合金鋼および／またはセラミック材料を含むことができ、水蒸気、燃焼ガス、または空気などの圧縮作動流体が、タービン内のガス経路に沿って静翼および動翼を通って流れる。静翼は、圧縮作動流体を加速し、後続の動翼の段に送って、動翼を動かし、作業を遂行する。

圧縮作動流体に伴う高温によって、静翼および／または動翼の摩耗および／または損傷が増大することになり得る。結果として、冷却媒体をエーロフォイル内部に供給し、エーロフォイルを通って放出させて、エーロフォイルの外側の膜冷却を実現することができる。エーロフォイルにあるトレンチによって、冷却媒体がエーロフォイルの外面全体にわたって均一に分散される。

米国特許出願公開第２０１１／００９７１８８号公報

しかし、エーロフォイルの外面全体にわたる冷却媒体の分散を変動させるように改善されたエーロフォイルは、有用となる。

本発明の態様および利点を、以下の説明に記載し、または以下の説明から明白となり得、または本発明を実施することによって知ることができる。

本発明の一実施形態は、内面と、内面とは反対側の外面とを含むエーロフォイルである。外面は、正圧側面と、正圧側面とは反対側の負圧側面と、正圧側面と負圧側面との間にあるよどみ線と、正圧側面と負圧側面との間、かつよどみ線の下流にある後縁とを含む。複数のトレンチ区画が外面にあり、各トレンチ区画は、外面の長さの５０％未満で延在する。各トレンチ区画内にある冷却通路によって、内面から外面への流体連通が実現される。

本発明の別の実施形態は、プラットフォームと、プラットフォームに連結された外面とを含むエーロフォイルである。複数のトレンチ区画が外面にあり、各トレンチ区画は、外面の長さの５０％未満で延在する。各トレンチ区画内にある冷却通路によって、冷却媒体が外面に供給される。

さらに別の実施形態では、エーロフォイルは、内面と、内面とは反対側の外面とを含む。外面は、正圧側面と、正圧側面とは反対側の負圧側面と、正圧側面と負圧側面との間にあるよどみ線と、正圧側面と負圧側面との間、かつよどみ線の下流にある後縁とを含む。正圧側面、負圧側面、よどみ線、または後縁のうちの少なくとも１つにあるトレンチ区画が、外面の長さの５０％未満で延在する。トレンチ区画内にある冷却通路によって、内面から外面への流体連通が実現される。

本発明の別の実施形態では、エーロフォイルは、内面と、内面とは反対側の外面とを含み、外面は、正圧側面と、正圧側面とは反対側の負圧側面と、正圧側面と負圧側面との間にあるよどみ線と、正圧側面と負圧側面との間、かつよどみ線の下流にある後縁とを備える。プラットフォームまたは側壁のうちの少なくとも１つが、外面に隣接している。１つまたは複数のトレンチ区画が、プラットフォームまたは側壁にあり、各トレンチ区画は、外面の長さの５０％未満で延在し、かつ冷却通路が各トレンチ区画内にある。

本明細書を考察すれば、当業者には、かかる実施形態、および他の実施形態の特徴および態様がより良く理解されよう。

本発明の、当業者にとって最良の形態を含めて、本発明の完全で、かつ本発明を実施可能とする開示を、添付の図の参照を含めて、本明細書の残る部分でより詳細に記載する。

本発明の一実施形態によるエーロフォイルの斜視図である。 図１に示すエーロフォイルの線Ａ−Ａに沿った軸方向断面図である。 図１に示すエーロフォイルの線Ｂ−Ｂに沿った半径方向断面図である。 本発明の第２の実施形態によるエーロフォイルの斜視図である。 本発明の第３の実施形態によるエーロフォイルの斜視図である。 図５に示すエーロフォイルの線Ｃ−Ｃに沿った半径方向断面図である。

次に、本発明の本実施形態を詳細に参照し、それらの１つまたは複数の例を添付の図面に示す。この詳細な説明では、数字による指示、および文字による指示を用いて、図面中の特徴を示す。図面および説明では、同じ、または類似の指示を用いて、本発明の同じ、または類似の部品を示す。本明細書では、用語「第１の」、「第２の」、および「第３の」は、ある構成要素を別の構成要素から区別するために、互いに置換え可能に使用することができ、個々の構成要素の位置、および重要度を示すものではない。さらに、用語「上流」および「下流」は、流体経路における構成要素の相対的な位置を指す。例えば、流体が構成要素Ａから構成要素Ｂへと流れる場合、構成要素Ａは、構成要素Ｂの上流にある。逆に、構成要素Ｂが構成要素Ａからの流体流れを受ける場合、構成要素Ｂは、構成要素Ａの下流にある。

各例は、本発明を説明するために示すものであり、本発明を限定するものではない。実際に、本発明の範囲または趣旨から逸脱することなく、本発明に改変または変形を行うことができることが当業者には明白であろう。例えば、一実施形態の一部として例示または説明した特徴を別の実施形態に用いて、さらなる実施形態を作り出すことができる。したがって、本発明は、かかる改変形態および変形形態も、添付の特許請求の範囲、およびそれらの均等物の範囲内に含まれるとして対象とするものである。

図１は、本発明の一実施形態によるエーロフォイル１０の斜視図を示し、図２および図３は、図１に示すエーロフォイル１０の、線Ａ−Ａおよび線Ｂ−Ｂに沿った、軸方向断面図および半径方向断面図をそれぞれ示す。エーロフォイル１０は、例えば、圧縮作動流体に伴う運動エネルギーを機械エネルギーに変換する、タービン内の動翼または静翼として使用することができる。圧縮作動流体は、水蒸気、燃焼ガス、空気、または運動エネルギーを有する他のいかなる流体でもよい。図１〜３に示すように、エーロフォイル１０は一般に、プラットフォームまたは側壁１２に連結されている。プラットフォームまたは側壁１２は一般に、タービン内部のガス経路の半径方向境界として働き、エーロフォイル１０の取付け点となる。エーロフォイル１０は、内面１６と、内面１６とは反対側の、プラットフォーム１２に連結されている外面１８とを含む。外面は一般に、正圧側面２０と、正圧側面２０とは反対側の負圧側面２２とを含む。図１および図２に示すように、正圧側面２０は概ね凹形であり、負圧側面２２は概ね凸形であり、それによって圧縮作動流体がその上方を流れる空気力学的表面が得られる。エーロフォイル１０の、正圧側面２０と負圧側面２２との間の前縁にあるよどみ線２４は、一般に外面１８の、最も高温を有する位置を表す。後縁２６が、正圧側面２０と負圧側面２２との間、かつよどみ線２４の下流にある。このようにして、外面１８は、圧縮作動流体に伴う運動エネルギーを機械エネルギーに変換するのに適した空気力学的表面を形成する。

外面１８は一般に、プラットフォーム１２から延びる半径方向長さ３０と、よどみ線２４から後縁２６まで延びる軸方向長さ３２とを含む。１つまたは複数のトレンチ区画４０が、外面１８の半径方向かつ／または軸方向に延在し、各トレンチ区画４０は、内面１６から外面１８への流体連通を実現する１つまたは複数の冷却通路５０を含む。このようにして、冷却媒体をエーロフォイル動翼１０の内部に供給することができ、冷却通路５０によって、冷却媒体をエーロフォイル１０中に流して、外面１８の膜冷却を実現することが可能となる。

トレンチ区画４０は、エーロフォイル１０および／またはプラットフォームもしくは側壁１２のどこにでも配置することができ、各トレンチ区画４０は、外面１８の半径方向長さ３０および／または軸方向長さ３２の５０％未満で延在する。さらに、トレンチ区画４０は、長さが一様でも、または変動させてもよく、直線状でも、または弓形でもよく、かつ互いに位置が揃っていても、または互い違いでもよい。例えば、図１に示すように、トレンチ区画４０は、プラットフォームもしくは側壁１２、正圧側面２０、およびよどみ線２４に、縦列および／または横列に配置することができる。あるいは、またはさらに、トレンチ区画４０は、負圧側面２２および／または後縁２６に配置してもよい。図１に示す特定の実施形態では、各トレンチ区画４０は、実質的に直線状であり、外面１８に沿って半径方向に延在している。さらに、隣接する縦列にあるトレンチ区画４０は、互いに異なる長さを有し、かつ互い違いになっており、したがって隣接する縦列にあるトレンチ区画４０の端部は一致しない。このようにして、トレンチ区画４０の横列は互いに重なり合って、冷却通路５０中を流れる冷却媒体が半径方向に分散するのを高めている。代替実施形態では、トレンチ区画４０の長さは、外面１８の半径方向全長３０まで変動させることができる。

図２および図３で最も明白に示されるように、各トレンチ区画４０は一般に、外面１８に凹部または溝を画定する対向壁４２を含む。対向壁４２は、直線状でも湾曲していてもよく、トレンチ区画４０の幅を一定に、または変動させて画定することができる。隣接するトレンチ区画４０内にある冷却通路５０は、互いに位置が揃っていても、またはずれていてもよい。各冷却通路５０は、内面１６で終端する第１の区画５２と、外面１８で終端する第２の区画５４とを含むことができる。第１の区画５２は、円筒形状を有することができ、第２の区画５４は、円錐または球形形状を有することができる。図３に示すように、第１の区画５２は、第２の区画５４および／またはトレンチ区画４０に対して角度を付けて、冷却通路５０中を流れ、かつトレンチ区画４０に流れ込む冷却媒体の流れを方向付けることができる。あるいは、またはさらに、トレンチ区画４０の第２の区画５４および／または壁４２は、冷却媒体を外面１８全体にわたって優先的に分散させるように非対称でもよい。

図４は、本発明の第２の実施形態によるエーロフォイル１０の斜視図を示す。図示のように、エーロフォイル１０はここでもやはり、図１〜３に関して先に説明したように、プラットフォーム１２、トレンチ区画４０、および冷却通路５０を含む。この特定の実施形態では、トレンチ区画４０は、湾曲状または弓形であり、外面１８に沿って幅および／または深さが変動している。トレンチ区画４０が湾曲し、かつ幅および／または深さが変動しているため、外面１８全体にわたる冷却媒体の分散が変更されている。例えば、この湾曲したトレンチ区画４０によって、冷却媒体の進行方向を変えて、その流れが外面１８をより広く被覆するようにすることが可能となる。

図５は、本発明の第３の実施形態によるエーロフォイル１０の斜視図を示し、図６は、図５に示すエーロフォイル１０の線Ｃ−Ｃに沿った半径方向断面図を示す。図示のように、エーロフォイル１０はここでもやはり、図１〜３に関して先に説明したように、プラットフォーム１２、トレンチ区画４０、および冷却通路５０を含む。この特定の実施形態では、トレンチ区画４０は直線状で、ほぼ一様の長さを有し、外面１８に沿って半径方向に延在している。さらに、各トレンチ区画４０は、変動する幅および／または深さを有し、図６で最も明白に示されるように、１つまたは複数の冷却通路５０は、トレンチ区画４０の、幅が増大している方、および／または深さが低減している方に向けて角度が付いている。具体的には、１つまたは複数の冷却通路５０内の第１の区画５２および／または第２の区画５４は、トレンチ区画４０のより広い部分、および／またはより浅い部分に向けて角度が付いている。このようにして、冷却通路５０に角度を付けることによって、冷却媒体をトレンチ区画４０のより広い部分、および／またはより浅い部分に優先的に送って、やはり冷却媒体が外面１８に沿って分散するのを高めている。

本明細書では、最良の形態を含めて、例を用いて本発明を開示し、また、当業者であれば何人でも、いかなる装置またはシステムを作成および使用すること、ならびに組み込まれたいかなる方法も実施することを含めて、本発明を実施することを可能としている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に想到される他の例も含むことができる。かかる他の例は、特許請求の範囲の表現と異ならない構造要素を含む場合、または特許請求の範囲の表現とは僅かな相違があるが均等である構造要素を含む場合、特許請求の範囲内に含まれることが意図されている。

１０ エーロフォイル
１２ プラットフォームまたは側壁
１６ 内面
１８ 外面
２０ 正圧側面
２２ 負圧側面
２４ よどみ線
２６ 後縁
３０ 半径方向長さ
３２ 軸方向長さ
４０ トレンチ区画
４２ 対向壁
５０ 冷却通路
５２ 第１の区画
５４ 第２の区画

Claims (20)

1. ａ．内面と、
   ｂ．前記内面とは反対側の外面であって、正圧側面と、前記正圧側面とは反対側の負圧側面と、前記正圧側面と前記負圧側面との間にあるよどみ線と、前記正圧側面と前記負圧側面との間、かつ前記よどみ線の下流にある後縁とを備える、外面と、
   ｃ．前記外面にある複数のトレンチ区画であって、各トレンチ区画は、前記外面の一部を含む壁によって、径方向に隣接するトレンチ区画から仕切られ、各トレンチ区画が、前記外面の長さの５０％未満で延在する、トレンチ区画と、
   ｄ．各トレンチ区画内にある冷却通路であって、各冷却通路が、前記内面から前記外面への流体連通を実現する、冷却通路と、
   を備え、
   少なくとも１つのトレンチ区画が、弓形である、
   エーロフォイル。
2. 少なくとも１つのトレンチ区画が、前記正圧側面と前記負圧側面との間にある前記よどみ線に少なくとも部分的に配置される、請求項１に記載のエーロフォイル。
3. 隣接する少なくとも２つのトレンチ区画が、互い違いになっている、請求項１または２に記載のエーロフォイル。
4. 隣接する少なくとも２つのトレンチ区画が、異なる長さを有する、請求項１から３のいずれかに記載のエーロフォイル。
5. 少なくとも１つのトレンチ区画が、前記少なくとも１つのトレンチ区画の長さに沿って変動する寸法を有する、請求項１から４のいずれかに記載のエーロフォイル。
6. 少なくとも１つのトレンチ区画が、幅および深さのうちの少なくとも一方が増大する寸法を有し、前記少なくとも１つのトレンチ区画内にある少なくとも１つの冷却通路が、前記幅が増大する方向および前記深さが低減する方向のうちの少なくとも一方に向けて角度が付いている、請求項１から５のいずれかに記載のエーロフォイル。
7. 隣接するトレンチ区画内にある冷却通路が、互いにずれている、請求項１から６のいずれかに記載のエーロフォイル。
8. 各冷却通路が、前記内面で終端する第１の区画と、前記外面で終端する第２の区画とを備え、前記第１の区画が円筒形状を有し、前記第２の区画が円錐または球形形状を有する、請求項１から７のいずれかに記載のエーロフォイル。
9. ａ．プラットフォームと、
   ｂ．前記プラットフォームに連結された外面と、
   ｃ．前記外面にある複数のトレンチ区画であって、各トレンチ区画は、前記外面の一部を含む壁によって、径方向に隣接するトレンチ区画から仕切られ、各トレンチ区画が、前記外面の長さの５０％未満で延在する、トレンチ区画と、
   ｄ．各トレンチ区画内にある冷却通路であって、各冷却通路が、前記外面に冷却媒体を供給する、冷却通路と、
   を備え、
   少なくとも１つのトレンチ区画が、弓形である、
   エーロフォイル。
10. 前記外面にあるよどみ線をさらに備え、少なくとも１つのトレンチ区画が、前記よどみ線に少なくとも部分的に配置される、請求項９に記載のエーロフォイル。
11. 隣接する少なくとも２つのトレンチ区画が、互い違いになっている、請求項９または１０に記載のエーロフォイル。
12. 隣接する少なくとも２つのトレンチ区画が、異なる長さを有する、請求項９から１１のいずれかに記載のエーロフォイル。
13. 少なくとも１つのトレンチ区画が、前記少なくとも１つのトレンチ区画の長さに沿って変動する寸法を有する、請求項９から１２のいずれかに記載のエーロフォイル。
14. 少なくとも１つのトレンチ区画が、幅および深さのうちの少なくとも一方が増大する寸法を有し、前記少なくとも１つのトレンチ区画内にある少なくとも１つの冷却通路が、前記幅が増大する方向および前記深さが低減する方向のうちの少なくとも一方に向けて角度が付いている、請求項９から１３のいずれかに記載のエーロフォイル。
15. 前記プラットフォーム内にプラットフォームトレンチ区画をさらに備える、請求項９から１４のいずれかに記載のエーロフォイル。
16. 隣接するトレンチ区画内にある冷却通路が、互いにずれている、請求項９から１５のいずれかに記載のエーロフォイル。
17. 各冷却通路が、円筒形状を有する第１の区画と、円錐形状を有する第２の区画とを備える、請求項９から１６のいずれかに記載のエーロフォイル。
18. ａ．内面と、
    ｂ．前記内面とは反対側の外面であって、正圧側面と、前記正圧側とは反対側の負圧側面と、前記正圧側面と前記負圧側面との間にあるよどみ線と、前記正圧側面と前記負圧側面との間、かつ前記よどみ線の下流にある後縁とを備える、外面と、
    ｃ．前記正圧側面、前記負圧側面、前記よどみ線、または前記後縁のうちの少なくとも１つにある複数のトレンチ区画であって、各トレンチ区画は、前記外面の一部を含む壁によって、径方向に隣接するトレンチ区画から仕切られ、各トレンチ区画は、前記外面の長さの５０％未満で延在する、トレンチ区画と、
    ｄ．前記トレンチ区画内にある冷却通路であって、前記内面から前記外面への流体連通を実現する、冷却通路と、
    を備え、
    少なくとも１つのトレンチ区画が、弓形である、
    エーロフォイル。
19. ａ．内面と、
    ｂ．前記内面とは反対側の外面であって、正圧側面と、前記正圧側面とは反対側の負圧側面と、前記正圧側面と前記負圧側面との間にあるよどみ線と、前記正圧側面と前記負圧側面との間、かつ前記よどみ線の下流にある後縁とを備える、外面と、
    ｃ．前記外面に隣接したプラットフォームまたは側壁のうちの少なくとも１つと、
    ｄ．前記プラットフォームまたは前記側壁にある複数のトレンチ区画であって、各トレンチ区画は、前記外面の一部を含む壁によって、径方向に隣接するトレンチ区画から仕切られ、各トレンチ区画が、前記外面の長さの５０％未満で延在する、トレンチ区画と、
    ｅ．各トレンチ区画内にある冷却通路と、
    を備え、
    少なくとも１つのトレンチ区画が、弓形である、
    エーロフォイル。
20. ａ．内面と、
    ｂ．前記内面とは反対側の外面であって、正圧側面と、前記正圧側面とは反対側の負圧側面と、前記正圧側面と前記負圧側面との間にあるよどみ線と、前記正圧側面と前記負圧側面との間、かつ前記よどみ線の下流にある後縁とを備える、外面と、
    ｃ．前記外面にある複数のトレンチ区画であって、各トレンチ区画は、前記外面の一部を含む壁によって、径方向に隣接するトレンチ区画から仕切られ、各トレンチ区画が、前記外面の長さの５０％未満で延在する、トレンチ区画と、
    ｄ．各トレンチ区画内にある冷却通路であって、各冷却通路が、前記内面から前記外面への流体連通を実現する、冷却通路と、
    を備え、
    少なくとも１つのトレンチ区画の幅および深さのうちの少なくとも一方が変動し、
    前記少なくとも１つのトレンチ区画内にある少なくとも１つの冷却通路が、前記幅が増大する方向および前記深さが低減する方向のうちの少なくとも一方に向けて角度が付いている、
    エーロフォイル。