JP6216166B2 - エーロフォイル - Google Patents

Description

本発明は、全体的に、タービン内で使用されるようなエーロフォイルを含む。

タービンは、多様な航空、産業および発電の用途で、仕事を実行するために使用されている。各タービンは、一般に、円周方向に取り付けられた固定子静翼および回転動翼の交互の段を含む。各固定子静翼および回転動翼は、エーロフォイル内に成形される高合金鋼、および／またはセラミック材料を含むことができる。蒸気、燃焼ガスまたは空気など、圧縮された作動流体が、タービン内のガス流路に沿って固定子静翼および回転動翼を横切って流れる。固定子静翼は、圧縮された作動流体を回転動翼のその次の段に加速し、導いて、回転動翼に運動を与え、仕事を実行する。

圧縮された作動流体に付随する高温により、固定子静翼、および／または回転動翼が摩耗し、および／または損傷することを増加させる可能性がある。その結果として、エーロフォイルの外側に膜冷却をもたらすために、冷却媒体をエーロフォイル内部に供給し、エーロフォイル全体に放出することができる。エーロフォイル内の溝が、エーロフォイルの外側面を横切って冷却媒体を均一に分配する。しかし、エーロフォイルの外側面を横切る冷却媒体の分配を多様にする改良されたエーロフォイルが有益であろう。

米国特許出願公開第２０１１／００９７１８８号公報

本発明の態様および利点が、以下の説明の中に記載され、または記載から明らかになる可能性があり、または本発明の実施によって習得される可能性がある。

本発明の一実施形態は、内側面と、内側面の反対側の外側面と、正圧側と、正圧側の反対側の負圧側と、正圧側と負圧側との間の淀み線と、正圧側と負圧側との間に、淀み線から下流にある後縁とを備えるエーロフォイルである。重なり型淀み溝区分の第１の縦列が、外側面上にあり、淀み線が各重なり型淀み溝区分の少なくとも部分を通過する。各淀み溝区分内の少なくとも１つの冷却通路が、内側面から外側面に流体連通をもたらす。

本発明の別の実施形態は、内側面と、内側面の反対側の外側面と、正圧側と、正圧側の反対側の負圧側と、正圧側と負圧側との間の淀み線と、正圧側と負圧側との間に、淀み線から下流にある後縁とを備えるエーロフォイルである。重なり型正圧側溝区分の第２の縦列が正圧側上にあり、重なり型負圧側溝区分の第３の縦列が負圧側上にある。各正圧側溝区分および各負圧側溝区分は、第１の端部、および第１の端部から下流に、半径方向外側にある第２の端部を有する。少なくとも１つの側面冷却通路が、各正圧側溝区分内および各負圧側溝区分内にあり、側面冷却通路が、内側面から外側面に流体連通をもたらす。

本発明の別の実施形態は、内側面と、内側面の反対側の外側面と、正圧側と、正圧側の反対側の負圧側と、正圧側と負圧側との間の淀み線と、正圧側と負圧側との間に、淀み線から下流にある後縁とを備えるエーロフォイルである。重なり型淀み溝区分の第１の縦列が、外側面上にあり、淀み線が各重なり型淀み溝区分の少なくとも部分を通過する。少なくとも１つの冷却通路が、各淀み溝区分内にあり、内側面から外側面に流体連通をもたらす。重なり型正圧側溝区分の第２の縦列が正圧側にあり、重なり型負圧側溝区分の第３の縦列が負圧側にある。少なくとも１つの側面冷却通路が、各正圧側溝区分内および各負圧側溝区分内にあって、内側面から外側面に流体連通をもたらす。

当業者なら、本明細書を再考すると、そのような実施形態および他の実施形態の特徴、ならびに態様をよりよく理解するであろう。

当業者にとって最良の形態を含む、本発明の完全で、可能な開示が、添付の図面の参照を含む、本明細書の残りの部分でより具体的に記載される。

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。 本発明の一実施形態による、図１に示すエーロフォイルの負圧側の斜視図である。 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。 線Ａ−Ａに沿って取られた、図１に示すエーロフォイルの軸方向の横断面図である。 線Ｂ−Ｂに沿って取られた、図１に示すエーロフォイルの半径方向の横断面図である。 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。 本発明の第４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５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６の実施形態による、エーロフォイルの斜視図である。 本発明の任意の実施形態を組み込んでいる、例示的ガスタービンの横断面図である。

次に、本発明の本実施形態に詳細に参照がなされることになり、１つまたは複数の実施例が添付の図面に図示されている。詳細な説明では、図面の中の特徴を呼ぶために数字および文字符号を使用する。図面および説明の中の同じ、または類似の符号は、本発明の同じまたは類似の部品を呼ぶために使用されている。本明細書で使用すると、「第１の」、「第２の」および「第３の」という用語は、１つの構成要素を別の構成要素と区別するために交換可能に使用されることができ、個々の構成要素の位置または重要性を示すように意図するものではない。加えて、「上流」および「下流」という用語は、流体流路の中の構成要素の相対的な位置を示す。例えば、流体が構成要素Ａから構成要素Ｂに流れる場合、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から流体を受け取る場合、構成要素Ｂは構成要素Ａから下流にある。

各実施例は、本発明を説明する目的で提供され、本発明を限定するものではない。事実、当業者にとって、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、修正形態および変形形態が本発明の中で作製可能であることは明白であろう。例えば、一実施形態の部分として図示され、説明される特徴は、別の実施形態に使用されて、やはり別の実施形態を生み出すことができる。したがって、本発明は、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ある修正形態および変形形態を包含すると意図するものである。

図１は、本発明の一実施形態による、エーロフォイル１０の斜視図を提供し、図２は、図１に示すエーロフォイルの負圧側の斜視図を提供する。エーロフォイル１０は、例えば、タービン内の回転動翼または固定静翼として使用されて、圧縮された作動流体に関連する運動エネルギーを機械エネルギーに転換することができる。圧縮された作動流体は、蒸気、燃焼ガス、空気、または運動エネルギーを有する任意の他の流体であってよい。図１および図２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に結合されている。プラットフォームまたは側壁１２は、一般に、タービン内のガス流路用半径方向の境界として機能し、エーロフォイル１０向けに取り付け点を提供する。エーロフォイル１０は、内側面１６、および内側面１６の反対側にあり、プラットフォーム１２に結合されている外側面１８を含むことができる。外側面は、一般に、正圧側２０、および正圧側２０の反対側にある負圧側２２を含む。図１および図２に示すように、正圧側２０は一般に凹状であり、負圧側２２は一般に凸状であって、圧縮された作動流体がその上を流れる空気力学的面を提供する。正圧側２０と負圧側２２との間の、エーロフォイル１０の前縁の淀み線２４が、エーロフォイル１０の正圧側２０を横切る流体流と、エーロフォイル１０の負圧側２２を横切る流体流との間の分界線を表す。淀み線２４は、エーロフォイル１０の外側面１８上で最も高い温度を有することが多い。後縁２６は、正圧側２０と負圧側２２との間に、淀み線２４から下流にある。このようにして、外側面１８は、圧縮された作動流体に付随する運動エネルギーを機械エネルギーに転換するために適した空気力学的面を生成する。

外側面１８は、一般に、プラットフォーム１２から半径方向外側に延在する半径方向の長さ３０、および淀み線２４から後縁２６に延在する軸方向の長さ３２を含む。溝区分の１つまたは複数の縦列が、外側面１８内の半径方向、および／または軸方向に延在することができ、各溝区分は、内側面１６から外側面１８に流体連通をもたらす少なくとも１つの冷却通路を含むことができる。このようにして、冷却媒体がエーロフォイル１０内部に供給可能になり、冷却通路によって、冷却媒体がエーロフォイル１０を通って流れて、外側面１８に膜冷却をもたらすことが可能になる。溝区分は、エーロフォイル１０、ならびに／あるいはプラットフォームまたは側壁１２上の任意の場所に位置することができ、まっすぐ、または弓型であってよく、互いに対して整列された状態、または食い違った状態であることができる。加えて、溝区分は、様々な長さ、幅、および／または深さを有することができる。溝区分の様々な長さ、幅、および／または深さによって、外側面１８を横切る冷却媒体の分配が変化する。例えば、溝区分が冷却通路から離れるにしたがって、溝区分の幅を広くし、溝区分をより浅くすることによって、冷却媒体が外側面１８を横切って拡散することを促進することができる。

例えば、図１に示す具体的な実施形態では、重なり型淀み溝区分４０は、外側面１８上の第１の縦列４２に配置可能であり、その結果、淀み線２４は、各淀み溝区分４０の少なくとも部分を通過する。各淀み線溝区分４０が、実質的にまっすぐであり、すぐ近くに隣接する淀み溝区分４０に関してある角度で傾斜することができ、その結果、淀み溝区分４０は、外側面１８に沿って半径方向に互いに重なる。本明細書で使用すると、「重なる」という用語は、プラットフォーム１２から半径方向外側に移動して、１つの溝区分４０の端部が、同じ縦列の次の溝区分４０の開始部の半径方向外側にあるという意味である。各淀み溝区分４０内の少なくとも１つの冷却通路４４が、内側面１６から外側面１８に流体連通をもたらすことができる。このようにして、冷却通路４４は、淀み線２４に沿って、淀み溝区分４０を通って、実質的に連続する膜冷却をもたらすことができる。

追加の重なり型溝区分が、外側面１８の正圧側２０、および／または負圧側２２上に配置可能である。例えば、図１に示すように、重なり型正圧側溝区分４６が、外側面１８の正圧側２０上の第２の縦列４８に配置可能である。別法として、または追加的に、図２に示すように、重なり型負圧側溝区分５０が、外側面１８の負圧側２２上の第３の縦列５２内に配置可能である。各正圧側溝区分４６および各負圧側溝区分５０は、反対方向に傾斜し、または屈曲することができる。例えば、図１および図２に示すように、各正圧側溝区分４６、および／または各負圧側溝区分５０は、第１の端部５４、および第１の端部５４から下流の、半径方向外側にある第２の端部５６を有することができる。加えて、各正圧側溝区分４６、および／または各負圧側溝区分５０は、内側面１６から外側面１８に流体連通をもたらして、正圧側２０および負圧側２２上にそれぞれ膜冷却をもたらす、１つまたは複数の側面冷却通路５８を含むことができる。図１に示す具体的な実施形態では、正圧側溝区分４６内の側面冷却通路５８は、淀み溝区分４０内の冷却通路４４から半径方向にオフセットされて、外側面１８上の冷却媒体の半径方向の分配をさらに向上させる。

図３は、本発明の第２の実施形態による、エーロフォイル１０の斜視図を提供する。図示のように、エーロフォイル１０は、図１で上記に説明し、図示するように、再び、プラットフォームまたは側壁１２、内側面１６、外側面１８、正圧側２０、負圧側２２、重なり型正圧側溝区分４６、および側面冷却通路５８を含む。この具体的な実施形態では、重なり型淀み溝区分４０が、淀み線２４の少なくとも部分に沿って位置し、次いで、正圧側２０および負圧側２２の方へ交互の向きで曲がっている。別法として、または追加的に、淀み溝区分４０は、目立たない角度の枝部を含み、次いで、まっすぐな溝として続くことができる。各淀み溝区分４０内の冷却通路４４は、再び、内側面１６から外側面１８に流体連通をもたらして、淀み線２４に沿って淀み溝区分４０を通る膜冷却を向上させる。

図４および図５は、図１に示すエーロフォイル１０の線Ａ−Ａに沿って取られた軸方向の横断面図、および線Ｂ−Ｂに沿って取られた半径方向の横断面図をそれぞれ提供する。図４および図５に最も明確に示すように、各溝区分４０、４６、５０は、一般に、外側面１８内のくぼみまたは溝を画定する対向する壁６２を含む。対向する壁６２は、まっすぐ、または曲がっていることがあり、溝区分４０、４６、５０に対する一定の、または変化する幅を画定することができる。溝区分４０、４６、５０に隣接する冷却通路４４および５８は、半径方向に整列し、または互いからオフセットされてよい。各冷却通路４４および５８は、内側面１６で終わる第１の区分６４、および外側面１８で終わる第２の区分６６を含むことができる。第１の区分６４は円柱形状を有することができ、第２の区分６６は円錐形状または球形状を有することができる。図５に示すように、第１の区分６４は、第２の区分６６、および／または溝区分４０、４６、５０に対して屈曲して、冷却通路４４、５８を通って、溝区分４０、４６、５０に流れ込む冷却媒体向け方向流を提供することができる。別法として、または追加的に、第２の区分６６、および／または溝区分４０、４６、５０の壁６２は、外側面１８を横切って冷却媒体を優先的に分配するために非対称であることができる。

１つまたは複数の冷却通路４４、５８は、溝区分４０、４６、５０に対して屈曲して、溝区分４０、４６、５０に冷却媒体を優先的に導くことができる。例えば、図５に最も明確に示すように、淀み溝区分４０内の冷却通路４４は、半径方向外側に屈曲することができて、その結果、冷却媒体は、淀み溝区分４０内を半径方向外側に流れる。加えて、淀み溝区分４０が半径方向外側に延びるにつれて、淀み溝区分４０の深さは、次第に減少することができ、および／または幅は次第に増加することができる。このようにして、屈曲した冷却通路４４は、溝区分４０の様々な幅、および／または深さと併せて、外側面１８に沿った冷却媒体の分配を向上させる。

図６〜８は、本発明の範囲内の淀み溝区分４０の追加の実施形態を提供する。図６に示す具体的な実施形態では、各淀み溝区分４０は、再び、淀み線２４の少なくとも部分に沿って位置し、枝部分７０は、エーロフォイル１０の正圧側２０および負圧側２２に向かって反対方向の角度で延在する。このようにして、枝部分７０は、次の半径方向外側の淀み溝区分４０と半径方向に重なって、エーロフォイル１０の外側面１８を横切る膜冷却の分配を向上させる。図７に示す具体的な実施形態では、各淀み溝区分４０は、図６に上記に示すように、再び、エーロフォイル１０の正圧側２０および負圧側２２に向かって反対方向の角度で延在する枝部分７０を含む。加えて、３つ以上の淀み溝区分４０が一体に結合され、複数の冷却通路４４および枝部分７０を有する、より長い淀み溝区分４０を生成する。図８に示す具体的な実施形態では、各溝区分４０は、再び、枝部分７０を含むが、しかし、枝部分７０は、エーロフォイル１０の正圧側２０および負圧側２２に向かって交互の方向の角度で延在する。図８にさらに示すように、淀み溝区分４０は、複数の冷却通路４４を含むことができ、各冷却通路は、連続する枝部分７０の間に半径方向に配置されている。

図９は、上記の任意の実施形態に組み込まれる可能性がある、または組み込まれない可能性がある、正圧側溝区分４６の追加の実施形態を提供する。図９に示すように、重なり型正圧側溝区分４６は、エーロフォイル１０を横切る空気流の方向に実質的に垂直に整列することができ、各正圧側溝区分４６は、後縁２６に向かってある角度で延在する１つまたは複数の枝部分７２をさらに含むことができる。このようにして、枝部分７２は、次の半径方向外側の正圧側溝区分４６と半径方向に重なって、エーロフォイル１０の正圧側２０を横切る膜冷却の分配を向上させる。別法として、または追加的に、エーロフォイル１０は、外側面１８の負圧側２２上の後縁２６に向かってある角度で延在する類似の枝部分７２を有する負圧側溝区分５０を同様に含むことができる。当業者なら、本発明の範囲内の追加の実施形態が、図１〜５に示す実施形態に関して、上記に記載する１つまたは複数の特徴を含むことができるということを本明細書の教示からすぐに理解するであろう。

図１０は、本発明の様々な実施形態を組み込むことができる例示的ガスタービン８０の簡単な横断面図を提供する。図示のように、ガスタービン８０は、一般に、前部に圧縮機区域８２、中間部辺りに半径方向に配置されている燃焼区域８４、および後部にタービン区域８６を含むことができる。圧縮機区域８２およびタービン区域８６は、電力を生成するための発電機９０に結合されている共通の回転子８８を共有することができる。

圧縮機区域８２は、大気などの作動流体９２が圧縮機に入り、固定静翼９４および回転動翼９６の交互の段を通過する、軸方向流の圧縮機を含むことができる。圧縮機ケーシング９８は、固定静翼９４および回転動翼９６が加速し、作動流体９２の方向を変えて、圧縮された作動流体９２の連続流を生成するとき、作動流体９２を含むことができる。圧縮された作動流体９２の大半は、圧縮機排出プレナム１００を通って、燃焼区域８４に流れる。

燃焼区域８４は、当技術分野で周知の任意の型の燃焼器を含むことができる。例えば、図１０に示すように、燃焼器ケーシング１０２は、いくつかまたはすべての燃焼区域８４を円周方向に取り囲むことができて、圧縮機区域８２から流れる圧縮された作動流体９２を含むことができる。１つまたは複数の燃料ノズル１０４は、端部カバー１０６内に半径方向に配置可能であって、燃料ノズル１０４から下流の燃焼室１０８に燃料を供給することができる。可能な燃料には、例えば、溶鉱炉ガス、コークス炉ガス、天然ガス、気化した液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素、およびプロパンが含まれる。圧縮された作動流体９２は、圧縮機排出通路１００から燃焼室１０８の外側に沿って流れることができ、その後、端部カバー１０６に到達し、燃料ノズル１０４を通って流れる方向を逆にして、燃料と混合する。燃料と圧縮された作動流体９２との混合物は、燃焼室１０８内に流れ込み、そこで点火されて、高温および高圧を有する燃焼ガスを生成する。移行ダクト１１０が燃焼室１０８の少なくとも部分を円周方向に取り囲み、燃焼ガスが移行ダクト１１０を通ってタービン区域８６に流れる。

タービン区域８６は、回転動翼１１２と固定ノズル１１４の交互の段を含むことができる。さらに詳細に説明すると、移行ダクト１１０は燃焼ガスの向きを変え、燃焼ガスを回転動翼１１２の第１の段に集中させる。燃焼ガスが回転動翼１１２の第１の段上を通過すると、燃焼ガスは膨張し、回転動翼１１２および回転子８８を回転させる。次いで、燃焼ガスは、次の段の固定ノズル１１４に流れ、固定ノズル１１４は、燃焼ガスを次の段の回転動翼１１２の方に向きを変え、工程は続きの段に対して繰り返される。

ここに記載する説明は、最良の型を含む、本発明を開示するための実施例を使用しており、また、当業者が本発明を実施することができるための実施例を使用しており、任意の装置またはシステムを作製し、使用すること、ならびに任意の組み込まれた方法を実施することを含む。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者に思い当たる他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない場合、またはそれらが特許請求の範囲の文言と実質的ではない相違を有する構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあると意図するものである。

１０ エーロフォイル
１２ プラットフォーム
１６ 内側面
１８ 外側面
２０ 正圧側
２２ 負圧側
２４ 淀み線
２６ 後縁
３０ 長さ
３２ 長さ
４０ 淀み線溝区分
４２ 第１の縦列
４４ 冷却通路
４６ 正圧側溝区分
４８ 第２の縦列
５０ 負圧側溝区分
５２ 第３の縦列
５４ 第１の端部
５６ 第２の端部
５８ 側面冷却通路
６２ 対向する壁
６４ 第１の区分
６６ 第２の区分
７０ 枝部分
７２ 枝部分
８０ ガスタービン
８２ 圧縮区域
８４ 燃焼区域
８６ タービン区域
８８ 回転子
９０ 発電機
９２ 作動流体
９４ 固定静翼
９６ 回転動翼
９８ 圧縮機ケーシング
１００ 圧縮機排出通路
１０２ 燃焼室ケーシング
１０４ 燃料ノズル
１０６ 端部カバー
１０８ 燃焼室
１１０ 移行ダクト
１１２ 回転動翼
１１４ 固定ノズル

Claims (8)

1. エーロフォイル（１０）であって、
   ａ．内側面（１６）と、
   ｂ．前記内側面（１６）の反対側の外側面（１８）であって、正圧側（２０）、前記正圧側（２０）の反対側の負圧側（２２）、前記正圧側（２０）と前記負圧側（２２）との間の淀み線（２４）、および前記正圧側（２０）と前記負圧側（２２）との間に、前記淀み線（２４）から下流にある後縁（２６）を備える外側面（１８）と、
   ｃ．前記外側面（１８）上の淀み溝区分（４０）の縦列（４２）を形成する複数の淀み溝区分（４０）であって、前記淀み線（２４）が各淀み溝区分（４０）の少なくとも一部分を通過し、前記複数の淀み溝区分（４０）が、第２の端部から半径方向及び軸方向に隔てられた第１の端部を有する第１の淀み溝区分と、前記第１の淀み溝区分に半径方向に隣接して配置され、第２の端部から半径方向及び軸方向に隔てられた第１の端部を有する第２の淀み溝区分とを含んでおり、前記第１の淀み溝区分の前記第２の端部が、前記第２の淀み溝区分の前記第１の端部に対して半径方向に重なる、複数の淀み溝区分（４０）と、
   ｄ．前記各淀み溝区分（４０）内の少なくとも１つの冷却通路（４４）であって、前記内側面（１６）から前記外側面（１８）に流体連通をもたらす、冷却通路（４４）と
   を備える、エーロフォイル（１０）。
2. 前記淀み溝区分（４０）の少なくとも１つが、弓型である、請求項１記載のエーロフォイル（１０）。
3. 前記淀み溝区分（４０）が、異なる長さ、幅及び／又は深さを有する、請求項１乃至２のいずれか記載のエーロフォイル（１０）。
4. 前記淀み溝区分（４０）の少なくとも１つの深さが次第に減少し、該淀み溝区分（４０）内の前記少なくとも１つの冷却通路（４４）が、前記深さの減少する方向に向かって傾斜している、請求項１乃至３のいずれか記載のエーロフォイル（１０）。
5. 前記正圧側（２０）上の重なり型正圧側溝区分（４６）の縦列（４８）をさらに備える、請求項１乃至４のいずれか記載のエーロフォイル（１０）。
6. 前記負圧側（２２）上の重なり型負圧側溝区分（５０）の縦列（５２）をさらに備える、請求項５記載のエーロフォイル（１０）。
7. 前記各正圧側溝区分（４６）内に少なくとも１つの側面冷却通路（５８）をさらに備え、前記側面冷却通路（５８）が、前記内側面（１６）から前記外側面（１８）に流体連通をもたらす、請求項５乃至６のいずれか記載のエーロフォイル（１０）。
8. 前記正圧側溝区分（４６）の側面冷却通路（５８）が、前記淀み溝区分（４０）内の前記冷却通路（５８）から半径方向にオフセットされている、請求項７記載のエーロフォイル（１０）。