JP6145157B2

JP6145157B2 - タービン翼の後縁冷却スロット

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Publication number: JP6145157B2
Application number: JP2015504625A
Authority: JP
Inventors: ベルクホルツ，ロバート・フレデリック，ジュニア; ダルストック，ダニエル・リー
Original assignee: General Electric Co
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Priority date: 2012-04-03
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2017-06-07
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Description

本発明は、概して、ガスタービンエンジンのタービン翼の冷却に関し、さらに具体的には、タービン翼の後縁冷却スロットに関する。

ガスタービンエンジンにおいては、空気が圧縮機において加圧され、燃焼室において燃料と混合され、高温の燃焼ガスが生み出される。高温ガスは、圧縮機の駆動および仕事の生成（典型的な航空機のターボファンエンジンの用途において上流のファンを駆動するなど）のために高温ガスからエネルギを抽出するタービンの種々の段を通って導かれる。

タービンの各段は、中空ベーンの列を有する固定のタービンノズルを備え、この中空ベーンの列が、支持用のロータディスクから外方向に放射状に延びている対応するロータブレードの列に燃焼ガスを導く。ベーンおよびブレードは、対応する冷却回路を内部に備える対応する中空の翼を有する。

冷却空気は、典型的には、燃焼プロセスから転用される圧縮機の排気であり、したがってエンジンの全体としての効率を低下させる。エンジンの効率を最大にするために、冷却空気の量を最小限にしなければならないが、それでもなお稼働時のタービン翼の耐用年数を最大化するために、タービン翼を適切に冷却するために充分な冷却空気が使用されなければならない。各々の翼が、翼の付け根から翼の先端へと翼長に沿って長手方向または径方向外側に延び、かつ前縁および後縁の間を翼弦方向に軸方向に延びているおおむね凹状の圧力側の側壁および反対側のおおむね凸状の吸い込み側の側壁を備える。タービンのブレードにおいては、翼長が、径方向内側の台座に位置する根元から、周囲のタービンシュラウドから離れている径方向外側の先端まで延びている。タービンのベーンにおいては、翼が、径方向内側のバンドと一体の根元から、外側のバンドと一体の径方向外側の先端まで延びている。

また、各々のタービン翼の厚さが、最初に前縁の後方において増加し、その後に圧力側の側壁と吸い込み側の側壁とが合流する比較的薄く、あるいは鋭い後縁へと減少している。翼のより幅広い部分が、翼の内側を冷却する熱伝達を促進するための種々の形態の内部冷却回路および乱流発生器を収容するための充分な内部空間を有する一方で、比較的薄い後縁は、相応に限られた内部冷却空間しか有していない。

各々の翼は、典型的には、翼の側壁を貫いて延び、内部回路からの使用済みの冷却空気を排出するフィルム冷却孔の種々の列を備える。フィルム冷却孔は、典型的には、後縁に向かって後方に傾けられ、翼の外面を覆う冷却空気の薄い膜を生じさせ、この冷却空気の薄い膜が、稼働時に翼表面を流れる高温の燃焼ガスに対するさらなる保護のための熱絶縁空気ブランケットをもたらす。

薄い後縁は、典型的には、後縁のすぐ上流のブレイクアウト（ｂｒｅａｋｏｕｔ）において圧力側の側壁を破っており、後縁にフィルム冷却空気を排出する後縁冷却スロットの列によって保護される。各々の後縁冷却スロットは、ブレイクアウトにおいて始まる圧力側の出口穴を有し、この出口穴は、冷却スロットを定める軸方向に延びている仕切りの後端の露出されたランドによって径方向について境界付けられていても、境界付けられていなくてもよい。

軸方向に延びている仕切りは、翼の圧力側および吸い込み側と一体に形成されてよく、それ自身が、自身が定める冷却スロットを通って排出される空気によって冷却されなければならない。仕切りは、典型的には、後縁に向かって後方に先細りであり、したがって冷却スロットは、仕切りの側面における流れの分離をほとんどまたはまったく生じさせることなく排出される冷却空気の拡散を促進する浅い末広がりの角度で、後縁に向かって末広がりである。

後縁冷却スロットの空気力学的性能および冷却性能は、冷却スロットおよび介在する仕切りの具体的な構成に直接関係する。冷却スロットの流れの面積が、冷却スロットを通って排出される冷却空気の流れを規定し、冷却スロットの幾何学が、冷却スロットの冷却性能に影響する。

冷却スロットの末広がりまたは拡散の角度が、排出される冷却空気について、排出される空気の性能および冷却効果を低下させかねない望ましくない流れの分離を生じさせる可能性がある。これは、タービンの効率に悪影響を及ぼす損失も増加させる。薄い後縁のうちの個々の冷却スロットの直下の部位が、排出される冷却空気によって効果的に冷却され、排出される空気は、仕切りの後端に位置する介在の露出したランドへも分配される。ランドは、吸い込み側の側壁と一体に形成された圧力側の側壁の中実部分であり、冷却に関して、隣接する後縁冷却スロットから排出される空気に頼らなければならない。

これらの出口ランドのサイズが小さく、かつ後縁冷却スロットの冷却性能が小さくないにもかかわらず、それでもなお典型的にはタービン翼の薄い後縁が、ガスタービンエンジンの過酷な環境における高い動作温度ゆえに、これらの翼の寿命を制限している。

したがって、改善された後縁の冷却ならびに翼の耐久性およびエンジンの性能を向上させるための冷却スロットを有するタービン翼を提供することが望まれる。また、タービンおよびエンジンの燃料効率を最大にするために後縁の冷却に用いられる冷却の流量を最小限にすることも望まれる。

米国特許出願公開第2010/074763A1号明細書

ガスタービンエンジンのタービン翼（１２）が、幅方向に離して配置された圧力側および吸い込み側の側壁（４２、４４）であって、翼の付け根（３４）から翼の先端（３６）まで翼長（Ｓ）に沿って外側に延びており、かつ反対向きの前縁（ＬＥ）および後縁（ＴＥ）の間を翼弦方向（Ｃ）に延びている圧力側および吸い込み側の側壁（４２、４４）を備える。翼長方向に間隔を空けつつ並べられた後縁冷却孔（３０）の翼長方向の列（３８）が、翼（１２）において前記圧力側および吸い込み側の側壁（４２、４４）の間に囲まれており、実質的に前記後縁（ＴＥ）まで翼弦方向に延びている翼長方向に間隔を空けつつ並べられた対応する後縁冷却スロット（６６）にて終わっている。各々の冷却孔（３０）は、前記後縁冷却スロット（６６）に続く翼長方向の寸法の末広がり部（１０２）を備える。前記冷却孔（３０）に配置されたプラグ（１１０）が、前記末広がり部（１０２）の少なくとも一部分において下流に延びている。

さらに、前記冷却孔（３０）は、下流に向かう直列な冷却の流れの関係にて、湾曲した入り口（７０）と、一定の面積および一定の幅の流れの断面の計量部（１００）と、前記末広がり部（１０２）とを備えることができる。

前記プラグ（１１０）は、前記吸い込み側の側壁（４４）の側壁表面（４０）に沿って延びているプラグ底部（１１２）から立ち上がるプラグドーム（１１４）を備えることができる。前記プラグ（１１０）は、前記孔（３０）の翼長方向の中央に位置することができ、幅方向および翼長方向の丸みを帯びた上流側および下流側のドーム端部（１１６、１１８）を備えることができる。

前記プラグ（１１０）と前記冷却孔（３０）との間の流れの断面（７４）が、前記冷却孔（３０）の孔断面積（ＡＨ）と前記プラグ（１１０）のプラグ断面積（ＡＰ）との間の差に等しい流れの断面積（ＡＦ）を有することができる。前記末広がり部（１０２）における前記流れの断面積（ＡＦ）が、下流方向（Ｄ）に増加している。

前記流れの断面（７４）は、２つの比較的幅広い丸みを帯びたローブ（１２０）を、比較的狭い矩形の中央部（１２４）の末端（１２２）に有することができる。前記流れの断面（７４）の高さ（Ｈ）が、前記末広がり部（１０２）の全長を通して増加している。前記ローブ（１２０）が、前記末広がり部（１０２）の前記圧力側および吸い込み側のそれぞれの側壁（４２、４４）の側壁表面（３９、４０）の間を延びている。前記ローブ（１２０）が、前記末広がり部（１０２）における前記圧力側および吸い込み側の側壁の表面（３９、４０）の間の前記末広がり部（１０２）の幅（Ｗ）に等しい最大幅（ＭＷ）を有する。

前記圧力側および吸い込み側の側壁（４２、４４）は、前記孔（３０）内に圧力側および吸い込み側のそれぞれの側壁の表面（３９、４０）を備え、圧力側の側壁の表面（３９）が、前記計量部（１００）および前記末広がり部（１０２）の全体にわたって平面状であってよい。前記幅（Ｗ）が、前記孔（３０）の前記計量部（１００）および末広がり部（１０２）において一定であってよい。

ランド（５０）を、前記後縁冷却スロット（６６）のうちの翼長方向において隣り合う後縁冷却スロット（６６）の間に配置でき、スロット底部（５１）を、前記ランド（５０）の間の前記後縁冷却スロット（６６）に配置することができる。前記ランド（５０）は、前記冷却スロット（６６）の各々の周囲の前記圧力側の側壁（４２）の外面（４３）と同一平面に位置でき、すなわち面一であってよい。

前記ランド（５０）は、前記冷却スロット（６６）の各々の周囲の前記圧力側の側壁（４２）の外面（４３）と同一平面に位置でき、すなわち面一であってよい。

デッキ（１３０）が、前記冷却孔（３０）の前記末広がり部（１０２）から前記スロット底部（５１）を過ぎて実質的に前記後縁（ＴＥ）まで翼弦方向または下流方向に延びることができる。前記デッキ（１３０）は、前記スロット底部（５１）のうちの最も下側のスロット底部（１３２）から前記スロット底部（５１）のうちの最も上側のスロット底部（１３４）まで翼長方向または径方向外側に延びる。上側および下側のデッキ側壁（１３６、１３８）が、前記デッキ（１３０）から前記圧力側の側壁（４２）の前記外面（４３）に延び、前記デッキ（１３０）を翼長方向について境界付けている。

前記プラグ（１１０）は、前記後縁冷却スロット（６６）の少なくとも一部分をさらに延びることができる。

本発明の以上の態様および他の特徴が、添付の図面に関連して理解される以下の説明において説明される。

翼長方向に間隔を空けつつ並べられた後縁冷却スロットで終わる冷却孔を有するタービンブレードおよびロータベーンの翼の典型的な実施形態を示す縦断面図である。図１に示したブレードの拡大図である。図２に示した後縁冷却スロットに続く一定の幅の計量部および拡散部にプラグを備える冷却孔の圧力側の断面図である。図３の４−４を通って得た後縁冷却スロットおよび冷却孔の概略的断面図である。図３に示した後縁冷却スロットを上流方向に眺めた斜視図である。図３の６−６を通って得た一定の幅の計量部における細長い流れの断面の概略的断面図である。図３の７−７を通って得た拡散部における細長い流れの断面の概略的断面図である。図３に示した冷却孔およびプラグの斜視図である。図３に示した冷却孔および後縁冷却スロットに延びている別のプラグの斜視図である。図９に示した後縁冷却スロットおよび冷却孔の概略的断面図である。スロット間のより短いランドを有する図９に示した冷却孔およびプラグの斜視図である。

図１に、エンジンの中心線の軸８の周囲に配置され、燃焼室２０と低圧タービン（ＬＰＴ）２４との間に位置している典型的なガスタービンエンジンの高圧タービン段１０が示されている。燃焼室２０が、燃料を加圧された空気と混合して高温の燃焼ガス１９を生成し、この燃焼ガス１９が、タービンを通って下流に流れる。

高圧タービン段１０は、燃焼室２０からの高温の燃焼ガス１９を排出する高圧タービン（ＨＰＴ）２２の上流のタービンノズル２８を備える。ここに示されている高圧タービン２２の典型的な実施形態は、周方向に間隔を開けつつ並べられた高圧タービンブレード３２の少なくとも１つの列を備える。各々のタービンブレード３２が、タービンブレードを支持用のロータディスク１７の外周に取り付けるために用いられる台座１４および軸方向に挿入される蟻継ぎ１６と一体に形成されたタービン翼１２を備える。

図２を参照すると、翼１２は、ブレードの台座１４に位置する翼の付け根３４から翼の先端３６まで翼長Ｓに沿って径方向外側に延びている。稼働時に、高温の燃焼ガス１９がエンジンにおいて生成され、タービン翼１２を下流へと流れ、タービン翼１２が高温の燃焼ガス１９からエネルギを抽出し、圧縮機（図示されていない）を駆動すべくブレードを支持しているディスクを回転させる。加圧された空気１８の一部が、適切に冷却され、稼働時のブレードの冷却のためにブレードに案内される。

翼１２は、幅方向に間隔を開けて並べられたおおむね凹状の圧力側の側壁４２および凸状の吸い込み側の側壁４４を備える。圧力側および吸い込み側の側壁４２、４４は、翼の付け根３４から翼の先端３６まで翼長Ｓに沿って長手方向または径方向外側に延びている。また、これらの側壁は、反対向きの前縁ＬＥおよび後縁ＴＥの間を翼弦方向へと軸方向に延びている。翼１２は中空であり、圧力側および吸い込み側の側壁４２、４４が、前縁ＬＥおよび後縁ＴＥの間で幅方向または横方向に間隔を開けて位置し、稼働時に加圧された冷却空気または冷却剤の流れ５２を循環させるための内側冷却空洞または回路５４を内側に定めている。加圧された冷却空気または冷却剤の流れ５２は、圧縮機から転用された加圧された空気１８の一部からのものである。

タービン翼１２は、前縁ＬＥから前縁ＬＥの後方の最大の幅へと幅Ｗを増加させ、すなわち厚くなり、その後に比較的薄く、あるいは鋭い後縁ＴＥへと先細りになる。したがって、内側冷却回路５４のサイズは、翼の幅Ｗにつれて変化し、２つの側壁が一体に合流して翼１２の薄い後縁部分５６を形成している後縁ＴＥのすぐ前方において、比較的薄い。翼長方向に間隔を開けつつ並べられた後縁冷却スロット６６が、翼１２のこの薄い後縁部分５６またはその付近に、この薄い後縁部分５６を冷却するために設けられている。

図３を参照すると、翼長方向に間隔を開けつつ並べられた後縁冷却孔３０の列３８が、圧力側および吸い込み側の側壁４２、４４の間において翼１２に包まれ、あるいは埋められて形成され、これらの後縁冷却孔３０は、翼長方向に間隔を開けつつ並べられた後縁冷却スロット６６のうちの対応する後縁冷却スロット６６を終端としている。後縁冷却スロット６６は、実質的に後縁ＴＥまで翼弦方向に延びている。後縁冷却孔３０は、後縁ＴＥの翼長Ｓに沿って配置され、稼働時に内側冷却回路５４からの冷却剤の流れ５２を排出するために、内側冷却回路５４に連通している。

後縁冷却孔３０は、図３にさらに詳しく示されている。各々の冷却孔３０は、下流に向かう直列な冷却の流れの関係にて、下流へと先細りまたはベルマウス状である湾曲した入り口７０と、一定の面積および一定の幅の流れの断面の計量部１００と、翼長方向の寸法が末広がりであり、後縁冷却スロット６６に続いており、このスロットに冷却空気または冷却剤の流れ５２を供給する末広がり部１０２とを備える。後縁冷却スロット６６は、末広がり部１０２の下流端６９におけるブレイクアウト５８において始まり、ここに示されている実施形態は、翼長方向の寸法が末広がりである。冷却孔３０は、後縁ＴＥに向かって下流に延びているそれぞれの軸方向の仕切り６８によって、翼長Ｓにおいて互いに径方向に隔てられている。湾曲した入り口７０が、ここでは下流へと先細りの入り口として示され、より詳しくはベルマウス状の入り口として示されている。

入り口７０は、仕切り６８の前端７２において、仕切り６８の前端７２の間に定められている。仕切り６８が、ベルマウス状の入り口７０を定める直径７３を有する半円形の前端７２を備える。各々の冷却孔３０が、軸方向に延びている仕切り６８のうちの隣り合う上側および下側の仕切り２５、２６からなるそれぞれのペアにおいて、翼長方向に間隔を開けて位置する上側および下側孔表面４６、４８を備える。孔３０の翼長方向の高さＨが、図３に示されているように、軸方向に延びている仕切り６８のうちの上側および下側の仕切り２５、２６の上側および下側孔表面４６、４８の間に定められている。計量部１００、末広がり部１０２、および後縁冷却スロット６６は、図３に示されているように、下流に延びている第１、第２、および第３の長さＬ１、Ｌ２、およびＬ３をそれぞれ有する。

図３〜図５を参照すると、孔３０の孔幅Ｗが、図４に示されるように、孔３０における圧力側および吸い込み側の側壁４２、４４のそれぞれの側壁表面３９、４０の間に定められている。後縁冷却スロット６６は、高圧タービン２２を通過する高温の燃焼ガス１９へと開いて露出されたスロット底部５１を備える。スロット底部５１は、吸い込み側の側壁４４に沿って第３の長さＬ３の全体にわたって延びている。

軸方向に延びている仕切り６８のうちの隣り合う上側および下側の仕切り２５、２６のペアならびに圧力側および吸い込み側の側壁４２、４４が、孔３０を翼長方向について境界付けている。図６および図７を参照すると、冷却孔３０は、おおむね翼長方向に細長い流れの断面７４を有し、翼長方向の高さＨが、孔幅Ｗよりも大幅に大きい。冷却孔３０は、幅に対する高さの比Ｈ／Ｗが、約２：１〜１０：１の範囲にある（図４〜図１０を参照）。圧力側および吸い込み側の側壁４２、４４のそれぞれの側壁表面３９、４０が、孔３０を幅方向について境界付けている。

図４に示される冷却孔３０の実施形態は、冷却孔３０の全体を通して固定または一定の幅Ｗを有し、圧力側および吸い込み側の側壁の表面３９、４０が、冷却孔３０の第１および第２の長さＬ１、Ｌ２の全体にわたって平行である。圧力側の側壁の表面３９は、計量部１００および末広がり部１０２の全体ならびにそれらに対応する冷却孔３０の第１および第２の長さＬ１、Ｌ２において、平坦または平面状である。冷却孔３０のこの実施形態においては、吸い込み側の側壁の表面４０が、計量部１００および末広がり部１０２の全体ならびにそれらに対応する冷却孔３０の第１および第２の長さＬ１、Ｌ２において、平坦または平面状である。スロット底部５１が、孔３０の吸い込み側の側壁の表面４０と同一平面に位置している。入り口７０、計量部１００、および末広がり部１０２は、図３に示され、図４において実線で概略的に示されている後縁冷却孔３０の実施形態においては、同じ孔幅Ｗを有し、あるいは一定の幅Ｗである。末広がり部１０２は、翼長方向の寸法が末広がりである。

冷却孔３０の末広がり部１０２は、後縁ＴＥから前方または上流方向に離れて位置するブレイクアウトリップ４９において圧力側の側壁４２の外面４３を破って現れている後縁冷却スロット６６に続いている。各々の後縁冷却スロット６６は、径方向または翼長方向について、それぞれの仕切り６８の後端を形成している露出したランド５０によって境界付けられており、仕切り６８の前端は、それぞれのブレイクアウトリップ４９から前縁に向かって前方または上流方向に延びている。図４に実線で示されているランド５０の一実施形態は、ランド５０の間を径方向に延びている共通のブレイクアウトリップ４９を含め、露出した冷却スロット６６の各々の周囲において、圧力側の側壁４２の外面４３と同一平面に位置し、すなわち面一である。これは、翼の圧力側の流れの連続性を最大にする。

スロット表面６０が、ランド５０とスロット底部５１との間を幅方向に延びている。ランド５０とスロット底部５１との間のスロット角６４の隅肉６２が、末広がり部１０２の流れの断面７４の底部角半径ＲＴと実質的に同じサイズであってよい隅肉半径ＲＦを、底部角半径ＲＴに隣接して有する。隅肉半径ＲＦは、後縁冷却スロット６６の可鍛性に役立つ。隅肉半径ＲＦは、冷却剤の流れ５２の膜によってスロット底部５１およびランド５０がより一様に覆われるようにすべく、スロット底部５１からランド５０へと後縁冷却スロットにおける冷却剤の流れ５２を再分配することによって、ランドの５０の冷却の改善に役立つ。

ランド５０の別の実施形態が、図４および図１１に破線で示されており、露出した冷却スロット６６の各々の周囲において圧力側の側壁４２の外面４３と同一平面になく、すなわち面一でないランド５０をもたらしている。ランド５０を、スロット底部５１に向かって圧力側の側壁４２の外面４３から遠ざかるようにより大きく傾けることができる。ランド５０を、０〜５度の間の範囲のランド角度Ａ３で外面４３から遠ざかるように傾けることができ、ランド５０は、後縁ＴＥの上流でスロット底部５１に交わることができる。翼のこのより短いランドの実施形態は、図１１にさらに示されているデッキ１３０をさらに備え、このデッキ１３０が、スロット底部５１の構造および表面をもたらしている。デッキ１３０は、冷却孔３０の末広がり部１０２からスロット底部５１を過ぎて実質的に後縁ＴＥまで翼弦方向または下流方向に延びている。デッキ１３０は、スロット底部５１のうちの最も下側のスロット底部１３２からスロット底部５１のうちの最も上側のスロット底部１３４まで翼長方向または径方向外側に延び、すべてのスロット底部５１を含む。デッキ１３０は、デッキ１３０から圧力側の側壁４２の外面４３に延びている上側および下側のデッキ側壁１３６、１３８によって、翼長方向について境界付けられている。

図３〜図５および図８を参照すると、空気力学的に形作られたプラグ１１０が、冷却孔３０に配置されている。プラグ１１０は、末広がり部１０２の少なくとも一部分を通って下流に延びている。プラグ１１０は、プラグ底部１１２から立ち上がるプラグドーム１１４を備える。プラグドーム１１４は、幅方向および翼長方向に丸みを帯びた上流側および下流側のドーム端部１１６、１１８を備える。プラグ底部の翼長方向の高さＨは、プラグ１１０のプラグ長ＬＰにおける冷却孔の翼長方向の高さＨよりも小さい。プラグ１１０は、孔３０の翼長方向における中心に位置している。プラグ底部１１２は、ここでは吸い込み側の側壁４４の側壁表面４０に沿って延びているものとして示されている。あるいは、プラグ底部１１２は、圧力側の側壁４２の側壁表面３９に沿って延びていてもよい。プラグ１１０は、冷却孔３０の末広がり部１０２における流れの断面７４の面積の広がりの割合の制御をもたらす。プラグ１１０は、冷却孔の表面に沿った安定な拡散の流れの維持を助け、すなわち末広がり部１０２の圧力側および吸い込み側の側壁４２、４４のそれぞれの側壁表面３９、４０における流れの分離および乱れを防止または軽減する。プラグ１１０は、末広がり部１０２の軸方向に延びている仕切り６８のうちの上側および下側の仕切り２５、２６の上側および下側孔表面４６、４８の末広がりを、プラグが存在しない場合と比べてより大きくすることを可能にしつつ、依然として末広がり部１０２を通る付着した安定な冷却剤の流れ５２を維持する。流れの断面７４の面積が、末広がり部１０２の第２の長さＬ２の全体を通じて増加するが、この増加の割合が、プラグ１１０によって制御される。プラグ１１０は、付着した安定な冷却剤の流れ５２を維持し、末広がり部１０２を通る軸方向に延びている仕切り６８のうちの上側および下側の仕切り２５、２６の上側および下側孔表面４６、４８における分離を防止するように、三次元的に成形または輪郭付けされる。

冷却孔３０は、孔断面積ＡＨを有し、プラグ１１０は、プラグ断面積ＡＰを有する。プラグ１１０と冷却孔３０との間の流れの断面７４が、孔面積ＡＨとプラグ面積ＡＰとの間の際に等しい流れの断面積ＡＦを有する。末広がり部１０２における流れの断面７４の断面積ＡＦは、下流方向に増加している。計量部１００ならびに末広がり部１０２のうちのプラグ１１０よりも上流のすべての部分における流れの断面７４の断面積ＡＦは、冷却孔３０の断面積ＡＨである。

計量部１００ならびに末広がり部１０２のうちのプラグ１１０よりも上流のすべての部分における流れの断面７４の実施形態が、丸みを帯び、あるいは半円形である内側および外側端部８２、８４（翼長方向または径方向に間隔を空けて位置している）の間に矩形部７５を備える競走場の形状の流れの断面７４を有するものとして図３〜図６に示されている。ここに示されている競走場の形状の流れの断面７４は、翼長方向に細長く、４つの等しい角半径Ｒを有し、０．１５〜０．５０の範囲の高さに対する幅の好ましい比Ｗ／Ｈを有する。

図７に示されている末広がり部１０２のうちのプラグ１１０を有する部位の流れの断面７４の実施形態は、大まかには、比較的狭い矩形の中央部１２４の末端１２２に位置する２つの比較的幅広い丸みを帯びたローブ１２０を有すると説明することができる。流れの断面７４の高さＨが、末広がり部１０２の全長を通じて増加している。流れの断面７４の幅Ｗは、プラグ１１０の存在しない場所では一定であり、図７に示されるようにプラグ１１０が存在する場所では流れの断面７４の高さＨを横切って変化している。ローブ１２０が、圧力側および吸い込み側のそれぞれの側壁４２、４４の側壁表面３９、４０の間で測定される末広がり部１０２の幅Ｗに等しい最大幅ＭＷを有する。ローブ１２０は、末広がり部１０２の圧力側および吸い込み側のそれぞれの側壁４２、４４の側壁表面３９、４０の間を延びている。ローブ１２０は、中央部１２４よりも実質的に幅広い。軸方向に延びている仕切り６８のうちの下側の仕切り２６の下側孔表面４８が、プラグ１１０が位置する末広がり部１０２においてプラグ底部１１２よりも実質的に幅広い。これにより、冷却剤の流れ５２が、プラグ１１０と、末広がり部１０２の圧力側および吸い込み側のそれぞれの側壁４２、４４の側壁表面３９、４０との間を通過し、これらを冷却する。

冷却孔３０、後縁冷却スロット６６、およびランド５０は、鋳造による冷却用の造作である。これらの造作を鋳造することは、翼ならびにブレードおよびベーンに良好な強度、低い製造コスト、および耐久性をもたらす。翼長方向または径方向に間隔を空けて位置した丸みを帯び、あるいは半円形である内側および外側の端部８２、８４の間に矩形部７５を備える競走場の形状の流れの断面７４は、翼の冷却に必要な冷却剤の流れ５２の量を少なくする良好な冷却の流れの特性をもたらす。角半径Ｒが、これらの冷却用の造作の良好な冷却、鋳造性、および強度に貢献し、とくにはランド５０の冷却を助け、したがって使用される冷却剤の流れ５２の量を少なくする。

図３および図５に示されている冷却孔３０および後縁冷却スロット６６の実施形態は、末広がりの後縁冷却スロット６６を備える。末広がり部１０２および後縁冷却スロット６６は、図３に示されるように異なる第１および第２の末広がり角度Ａ１、Ａ２で末広がりであってよい。末広がり部１０２および後縁冷却スロット６６の翼長方向の高さＨは、下流方向Ｄに増加している。ブレイクアウトにおいてランドへの冷却剤の流れ５２を得るためのランドに対するより有利な流れの角度は、スロットの末広がり部１０２の広がりの角度Ａ１および外部の末広がり部６６の間の相対の角度、すなわちＡ２・Ａ１によって設定される。さらにプラグは、冷却の流れをスロット底部からランドへと強制することに貢献する。

一定の幅Ｗを有する翼長方向に細長い計量部１００は、エンジンサイクルに有利なように冷却剤の流れ５２の量を制御するように寸法付けられる。翼長方向に細長い計量部１００および末広がり部１０２は、ブレイクアウト５８における流れの範囲を広げ、後縁冷却スロット６６における冷却剤の流れ５２をスロット底部５１からランド５０に再分配し、冷却剤の流れ５２の膜によってスロット底部５１およびランド５０がより一様に覆われるようにする。孔３０の末広がり部１０２の上流の一定の幅Ｗの計量部１００は、冷却剤の流れ５２を末広がり部１０２において完全に付着した状態に保つ役に立つ。

これが、結果として、スロット底部５１の表面積を増やし、ランド５０の表面積を減らすことを可能にする。一定の幅Ｗの計量部１００および末広がり部１０２は、ランドへとより多くの冷却剤の流れ５２を得るために、ランド５０に対するブレイクアウトにおけるより好都合な流れの角度の設定に役立つ。また、冷却孔３０の第１および第２の長さＬ１、Ｌ２の全体にわたる平面的な圧力側の側壁の表面３９も、ランドへとより多くの冷却剤の流れ５２を得るために、ランド５０に対するブレイクアウトにおけるより好都合な流れの角度の設定に役立つ。

冷却孔３０の一定の幅および平面的な圧力側の側壁の表面３９のそれぞれが、冷却剤の流れ５２の冷却剤の速度と、圧力側の側壁４２の外面４３に沿った高温の燃焼ガスのブレイクアウトにおけるガスの速度とをほぼ等しく保つことで、タービンの効率に悪影響を及ぼしかねない空気力学的損失を最小限にする役に立つ。また、これら２つの特徴は、冷却剤の流れ５２をスロット６６の広がり部分において付着した状態に保つ役に立つ。

図９および図１０を参照すると、冷却孔３０に配置された空気力学的に形作られたプラグ１１０が、末広がり部１０２の少なくとも一部分および後縁冷却スロット６６の少なくとも一部分をさらに下流に延びる長いプラグである。

プラグが、拡散部に空気力学的な流れの妨げを生み出し、すなわち所与の冷却剤の流量について流れの面積を小さくする。これは、拡散部の広がりの角度を大きくしつつ、依然として拡散部における安定な付着した流れを維持できるようにする。より大きな拡散部の広がりは、高温のランドの表面積をより小さくし、低温のスロット底部の表面積をより大きくする。さらに、プラグは、スロット出口における冷却剤の速度を高く保つ。同じ冷却剤の流量において、プラグを持たない拡散部のスロット出口速度は、プラグを有する拡散部のスロット出口速度よりも低い。これは、外側のガスの速度に対する冷却剤の速度の比の関数である高温ガスおよび冷却材の流れの混合に起因する空気力学的損失を抑えるために重要である。この比が１に近いほど、混合による損失は小さくなる。プラグが、冷却の流れを減らしつつ冷却の流れの速度を高く保つうえで助けとなる。プラグは、冷却剤の流れをランドに押してはるかに高いランドの膜の有効性をもたらすためのきわめて好都合な流れの角度および渦の状態を設定する。長いプラグは、この効果を強調する。より短いランドは、後縁における冷却剤の合流を可能に、膜の有効性を高める。ランドの角度が大きいと、冷却剤の流れのランドへの乗り入れをより良好にすることができる。また、高温のランドの表面積も小さくなる。

本発明を、例示の様相で説明した。使用されている用語が、限定よりもむしろ説明の単語という性質であることを、理解すべきである。本発明の好ましい典型的な実施形態と考えられるべき内容を、本明細書において説明したが、本発明の他の変更が、本明細書における教示から当業者にとって明らかであり、したがって本発明の技術的思想および技術的範囲に包含されるそのような変更はすべて、添付の特許請求の範囲において保護されることが求められる。

したがって、以下の特許請求の範囲において定義および区別されるとおりの発明を、米国特許によって保護するように要求する。

Claims

ガスタービンエンジンのタービンの翼（１２）であって、
幅方向に離して配置され、翼の付け根（３４）から翼の先端（３６）まで翼長（Ｓ）に沿って外側に延びている圧力側および吸い込み側の側壁（４２、４４）であって、反対向きの前縁（ＬＥ）および後縁（ＴＥ）の間を翼弦方向（Ｃ）に延びている圧力側および吸い込み側の側壁（４２、４４）と、
前記翼（１２）において前記圧力側および吸い込み側の側壁（４２、４４）の間に囲まれており、実質的に前記後縁（ＴＥ）まで翼弦方向に延びている翼長方向に間隔を空けつつ並べられた対応する後縁冷却スロット（６６）にて終わっている翼長方向に間隔を空けつつ並べられた後縁冷却孔（３０）の翼長方向の列（３８）であって、各々が前記後縁冷却スロット（６６）に続く翼長方向の寸法の末広がり部（１０２）を備える後縁冷却孔（３０）の翼長方向の列（３８）と、
前記後縁冷却孔（３０）の各々に配置され、前記末広がり部（１０２）の少なくとも一部分において下流に延び、前記後縁冷却孔（３０）の翼長方向の中央に配置されているプラグ（１１０）と、
前記プラグ（１１０）のプラグ底部（１１２）から立ち上がるプラグドーム（１１４）と、
前記プラグ（１１０）と前記後縁冷却孔（３０）との間の流れの断面（７４）と
を備え、
前記プラグ底部（１１２）は、前記吸い込み側の側壁（４４）の側壁表面（４０）に沿って延びており、
前記流れの断面（７４）が、前記後縁冷却孔（３０）の孔断面積（ＡＨ）と前記プラグ（１１０）のプラグ断面積（ＡＰ）との間の差に等しい流れの断面積（ＡＦ）を有し、
前記末広がり部（１０２）における前記流れの断面積（ＡＦ）が、下流方向に増加しており、
前記プラグ（１１０）と前記後縁冷却孔（３０）との間の前記流れの断面（７４）が、２つの丸みを帯びたローブ（１２０）を該ローブの幅より狭い幅の矩形の中央部（１２４）の末端（１２２）に有し、
前記流れの断面（７４）の高さ（Ｈ）が、前記末広がり部（１０２）の全長を通して増加しており、
前記ローブ（１２０）が、前記末広がり部（１０２）の前記圧力側および吸い込み側のそれぞれの側壁（４２、４４）の側壁表面（３９、４０）の間を延びており、
前記ローブ（１２０）が、前記末広がり部（１０２）における前記圧力側および吸い込み側の側壁の表面（３９、４０）の間の前記末広がり部（１０２）の幅（Ｗ）に等しい最大幅（ＭＷ）を有する
翼（１２）。
前記プラグ（１１０）が、前記翼の幅方向および翼長方向から見たときに丸みを帯びて見える上流側および下流側のドーム端部（１１６、１１８）を備える請求項１に記載の翼（１２）。
前記後縁冷却スロット（６６）のうちの翼長方向において隣り合う後縁冷却スロット（６６）の間に配置されたランド（５０）と、前記ランド（５０）の間の前記後縁冷却スロット（６６）のスロット底部（５１）とをさらに備える請求項１又は２に記載の翼（１２）。
前記ランド（５０）が、前記冷却スロット（６６）の各々の周囲の前記圧力側の側壁（４２）の外面（４３）と同一平面に位置し、すなわち面一である請求項３に記載の翼（１２）。
前記後縁冷却孔（３０）の前記末広がり部（１０２）から前記スロット底部（５１）を過ぎて実質的に前記後縁（ＴＥ）まで翼弦方向または下流方向に延びているデッキ（１３０）
をさらに備え、
前記デッキ（１３０）は、前記スロット底部（５１）のうちの最も下側のスロット底部（１３２）から前記スロット底部（５１）のうちの最も上側のスロット底部（１３４）まで翼長方向または径方向外側に延びており、
上側および下側のデッキ側壁（１３６、１３８）が、前記デッキ（１３０）から前記圧力側の側壁（４２）の前記外面（４３）に延び、前記デッキ（１３０）を翼長方向について境界付けている請求項４に記載の翼（１２）。
前記プラグ（１１０）が、前記後縁冷却スロット（６６）の少なくとも一部分をさらに延びている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の翼（１２）。
ガスタービンエンジンのタービンの翼（１２）であって、
幅方向に離して配置され、翼の付け根（３４）から翼の先端（３６）まで翼長（Ｓ）に沿って外側に延びている圧力側および吸い込み側の側壁（４２、４４）であって、反対向きの前縁（ＬＥ）および後縁（ＴＥ）の間を翼弦方向（Ｃ）に延びている圧力側および吸い込み側の側壁（４２、４４）と、
・前記翼（１２）において前記圧力側および吸い込み側の側壁（４２、４４）の間に囲まれており、実質的に前記後縁（ＴＥ）まで翼弦方向に延びている翼長方向に間隔を空けつつ並べられた対応する後縁冷却スロット（６６）にて終わっている翼長方向に間隔を空けつつ並べられた後縁冷却孔（３０）の翼長方向の列（３８）であって、各々が、下流に向かう直列な冷却の流れの関係にて、入り口（７０）と、一定の面積および一定の幅の流れの断面（７４）を持つ計量部（１００）と、前記後縁冷却スロット（６６）に続いている翼長方向の寸法の末広がり部（１０２）とを備える後縁冷却孔（３０）の翼長方向の列（３８）と、
・前記後縁冷却孔（３０）の各々に配置され、前記末広がり部（１０２）の少なくとも一部分において下流に延び、前記後縁冷却孔（３０）の翼長方向の中央に配置されているプラグ（１１０）と、
前記プラグ（１１０）のプラグ底部（１１２）から立ち上がるプラグドーム（１１４）と、
前記プラグ（１１０）と前記後縁冷却孔（３０）との間の流れの断面（７４）と
を備え、
前記プラグ底部（１１２）は、前記吸い込み側の側壁（４４）の側壁表面（４０）に沿って延びており、
前記流れの断面（７４）が、前記後縁冷却孔（３０）の孔断面積（ＡＨ）と前記プラグ（１１０）のプラグ断面積（ＡＰ）との間の差に等しい流れの断面積（ＡＦ）を有し、
前記末広がり部（１０２）における前記流れの断面積（ＡＦ）が、下流方向に増加しており、
前記プラグ（１１０）と前記後縁冷却孔（３０）との間の前記流れの断面（７４）が、２つの丸みを帯びたローブ（１２０）を該ローブの幅より狭い幅の矩形の中央部（１２４）の末端（１２２）に有し、
前記流れの断面（７４）の高さ（Ｈ）が、前記末広がり部（１０２）の全長を通して増加しており、
前記ローブ（１２０）が、前記末広がり部（１０２）の前記圧力側および吸い込み側のそれぞれの側壁（４２、４４）の側壁表面（３９、４０）の間を延びており、
前記ローブ（１２０）が、前記末広がり部（１０２）における前記圧力側および吸い込み側の側壁の表面（３９、４０）の間の前記末広がり部（１０２）の幅（Ｗ）に等しい最大幅（ＭＷ）を有する
る翼（１２）。
前記プラグ（１１０）が、前記翼の幅方向および翼長方向から見たときに丸みを帯びて見える上流側および下流側のドーム端部（１１６、１１８）を備える請求項７に記載の翼（１２）。
前記後縁冷却スロット（６６）のうちの翼長方向において隣り合う後縁冷却スロット（６６）の間に配置されたランド（５０）と、前記ランド（５０）の間の前記後縁冷却スロット（６６）のスロット底部（５１）とをさらに備える請求項７又は８に記載の翼（１２）。
前記ランド（５０）が、前記冷却スロット（６６）の各々の周囲の前記圧力側の側壁（４２）の外面（４３）と同一平面に位置し、すなわち面一である請求項９に記載の翼（１２）。
前記後縁冷却孔（３０）の前記末広がり部（１０２）から前記スロット底部（５１）を過ぎて実質的に前記後縁（ＴＥ）まで翼弦方向または下流方向に延びているデッキ（１３０）
をさらに備え、
前記デッキ（１３０）は、前記スロット底部（５１）のうちの最も下側のスロット底部（１３２）から前記スロット底部（５１）のうちの最も上側のスロット底部（１３４）まで翼長方向または径方向外側に延びており、
上側および下側のデッキ側壁（１３６、１３８）が、前記デッキ（１３０）から前記圧力側の側壁（４２）の前記外面（４３）に延び、前記デッキ（１３０）を翼長方向について境界付けている請求項１０に記載の翼（１２）。
ガスタービンエンジンのタービンの翼（１２）であって、
幅方向に離して配置され、翼の付け根（３４）から翼の先端（３６）まで翼長（Ｓ）に沿って外側に延びている圧力側および吸い込み側の側壁（４２、４４）であって、反対向きの前縁（ＬＥ）および後縁（ＴＥ）の間を翼弦方向（Ｃ）に延びている圧力側および吸い込み側の側壁（４２、４４）と、
・前記翼（１２）において前記圧力側および吸い込み側の側壁（４２、４４）の間に囲まれており、実質的に前記後縁（ＴＥ）まで翼弦方向に延びている翼長方向に間隔を空けつつ並べられた対応する後縁冷却スロット（６６）にて終わっている翼長方向に間隔を空けつつ並べられた後縁冷却孔（３０）の翼長方向の列（３８）であって、各々が、下流に向かう直列な冷却の流れの関係にて、入り口（７０）と、一定の面積および一定の幅の流れの断面（７４）を持つ計量部（１００）と、前記後縁冷却スロット（６６）に続いている翼長方向の寸法の末広がり部（１０２）とを備える後縁冷却孔（３０）の翼長方向の列（３８）と、
・前記後縁冷却孔（３０）の各々に配置され、前記末広がり部（１０２）の少なくとも一部分において下流に延び、前記後縁冷却孔（３０）の翼長方向の中央に配置されているプラグ（１１０）と、
前記プラグ（１１０）のプラグ底部（１１２）から立ち上がるプラグドーム（１１４）
と
を備え、
前記後縁冷却孔（３０）が、前記後縁冷却孔（３０）の全体にわたって孔幅（Ｗ）よりも実質的に大きい翼長方向の高さ（Ｈ）を有し、
前記圧力側および吸い込み側のそれぞれの側壁（４２、４４）の側壁表面（３９、４０）が、前記後縁冷却孔（３０）内に位置し、
前記圧力側の側壁の側壁表面（３９）が、前記計量部（１００）および前記末広がり部（１０２）の全体にわたって平面状であり、
前記プラグ底部（１１２）は、前記吸い込み側の側壁（４４）の側壁表面（４０）に沿って延びており、
流れの断面（７４）が、前記プラグ（１１０）と前記後縁冷却孔（３０）との間に位置し、
前記流れの断面（７４）が、前記後縁冷却孔（３０）の孔断面積（ＡＨ）と前記プラグ（１１０）のプラグ断面積（ＡＰ）との間の差に等しい流れの断面積（ＡＦ）を有し、
前記末広がり部（１０２）における前記流れの断面積（ＡＦ）が、下流方向に増加しており、
前記プラグ（１１０）と前記後縁冷却孔（３０）との間の前記流れの断面（７４）が、２つの丸みを帯びたローブ（１２０）を該ローブの幅より狭い幅の矩形の中央部（１２４）の末端（１２２）に有し、
前記流れの断面（７４）の高さ（Ｈ）が、前記末広がり部（１０２）の全長を通して増加しており、
前記ローブ（１２０）が、前記末広がり部（１０２）の前記圧力側および吸い込み側のそれぞれの側壁（４２、４４）の側壁表面（３９、４０）の間を延びており、
前記ローブ（１２０）が、前記末広がり部（１０２）における前記圧力側および吸い込み側の側壁の表面（３９、４０）の間の前記末広がり部（１０２）の幅（Ｗ）に等しい最大幅（ＭＷ）を有する
翼（１２）。
前記後縁冷却スロット（６６）のうちの翼長方向において隣り合う後縁冷却スロット（６６）の間に配置されたランド（５０）と、前記ランド（５０）の間の前記後縁冷却スロット（６６）のスロット底部（５１）とをさらに備える請求項１２に記載の翼（１２）。
前記ランド（５０）が、前記冷却スロット（６６）の各々の周囲の前記圧力側の側壁（４２）の外面（４３）と同一平面に位置し、すなわち面一である請求項１３に記載の翼（１２）。
前記後縁冷却孔（３０）の前記末広がり部（１０２）から前記スロット底部（５１）を過ぎて実質的に前記後縁（ＴＥ）まで翼弦方向または下流方向に延びているデッキ（１３０）
をさらに備え、
前記デッキ（１３０）は、前記スロット底部（５１）のうちの最も下側のスロット底部（１３２）から前記スロット底部（５１）のうちの最も上側のスロット底部（１３４）まで翼長方向または径方向外側に延びており、
上側および下側のデッキ側壁（１３６、１３８）が、前記デッキ（１３０）から前記圧力側の側壁（４２）の前記外面（４３）に延び、前記デッキ（１３０）を翼長方向について境界付けている請求項１４に記載の翼（１２）。
前記幅（Ｗ）が、前記後縁冷却孔（３０）の前記計量部（１００）の全体において一定である請求項１２乃至１５のいずれか１項に記載の翼（１２）。
前記ローブ（１２０）が、角半径（Ｒ）を有し、
前記ランド（５０）と前記スロット底部（５１）との間のスロット角（６４）の隅肉（６２）が、前記ローブ（１２０）の前記角半径（Ｒ）と同じサイズの隅肉半径（ＲＦ）を有する請求項１３または１５に記載の翼（１２）。
前記末広がり部（１０２）と前記後縁冷却スロット（６６）とが、異なる第１および第２のそれぞれの末広がり角度（Ａ１、Ａ２）で末広がりである請求項１７に記載の翼（１２）。
前記プラグ（１１０）が、前記後縁冷却スロット（６６）の少なくとも一部分をさらに延びている請求項１８に記載の翼（１２）。
前記計量部（１００）および末広がり部（１０２）が、翼長方向の高さ（Ｈ）および孔幅（Ｗ）について、２：１〜１０：１の範囲にある孔幅に対する孔高さの比（Ｈ／Ｗ）を有する請求項７乃至１１のいずれか１項に記載の翼（１２）。