JP6506514B2 - 動翼エンジェルウイングを冷却する方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、概してタービンに関し、特にガスタービンエンジン内で使用されるエンジェルウイング構造を冷却することに関する。

少なくとも一部の既知のガスタービンエンジンは、高温の燃焼ガスが通過するロータ／ステータ外側空隙と、ロータ／ステータ外側空隙内の温度よりも低い温度に耐性のある材料から製造された構成要素を含む内側ホイールスペースを含む。さらに、少なくとも一部の既知のガスタービンエンジンは、動翼を含む。動翼は、シャンクと、シャンクと連結して動翼をロータホイールに連結するのに使用される蟻継などの接続構造物を含む。エアフォイルもシャンクに連結される。少なくとも一部の既知の動翼構造では、シャンクは、ガスタービンエンジンの回転軸に対し水平方向に延びる前側および／または後側壁を含む。さらに、少なくとも一部の既知のガスタービンエンジンでは、少なくとも１つの蓋板が動翼とロータホイールに連結されてその間からガスが漏れにくくしている。

少なくとも一部の既知の動翼構造では、一般には「エンジェルウイング」と呼ばれる構造物がシャンクから軸方向前後に延びている。少なくとも一部の既知のガスタービンエンジンでは、動翼の上流向きシャンク壁および／または下流向きシャンク壁から延びる少なくとも２つのエンジェルウイングが備えられており、第１エンジェルウイング（以後「下側」エンジェルウイングと呼ぶ）は第２エンジェルウイング（以後「上側」エンジェルウイングと呼ぶ）の半径方向内側にある。２つのエンジェルウイングが存在し、同方向を向いている（たとえばシャンクの前側面から延びている）場合、上側すなわち外側エンジェルウイングは、上側と下側エンジェルウイング間に画定される緩衝空隙内に高温燃焼ガスが吸入されにくくし、上側および下側エンジェルウイングは、高温燃焼ガスが内側ホイールスペース内に吸入されにくくしている。高温燃焼ガスの吸入を防止することは、内側ホイールスペースの構成要素が高温燃焼ガスに曝露され破損するのを防止するのを助長するために望ましい。

少なくとも一部の既知のガスタービンエンジンでは、冷却空気が内側ホイールスペース内に圧力下で導入され、高温燃焼ガスが内側ホイールスペース内に吸入されないよう助長する。しかし、冷却空気を内側ホイールスペース内に導入することで、エンジン効率が低下することがある。そこで、ガスタービンエンジンの設計は、内側ホイールスペース内に導入される冷却空気の量を減少させるように変化している。さらに、少なくとも一部の既知のガスタービンエンジンでは、燃焼温度はさらに高くなっている。したがって、ガスタービンエンジンの構成要素、特に内側ホイールスペース内の構成要素を冷却し、高温燃焼ガスの吸入を防止することは、ガスタービンエンジンの設計者にとっては難題である。

少なくとも一部の既知のガスタービンエンジンでは、エンジェルウイングの上面、上側と下側の両方のエンジェルウイングが備えられている場合は特に上側エンジェルウイングの上面は、高温燃焼ガスに直接曝露される。したがって、エンジェルウイングの上面を冷却し、エンジェルウイングの上面の温度を下がりやすくし、エンジェルウイングの潜在的なクリープ関連の不具合を生じにくくすることが望ましい。さらに、下側エンジェルウイングが存在する場合はその上面を冷却し、緩衝スペースから高温ガスを追い出しやすくして、高温燃焼ガスが緩衝スペース内に吸入されにくくすることが望ましい。

米国特許出願公開第２０１３０１７０９８３号明細書

一態様では、ガスタービンエンジン内のエンジェルウイングを冷却する方法が提供される。方法は、ガスタービンエンジンの動翼のシャンクにエンジェルウイングを連結することを含み、動翼は回転軸の周りで第１方向に回転するように連結されている。方法は、シャンクに配置された少なくとも１つの入口開口部から、エンジェルウイングの上面に配置された少なくとも１つの出口開口部まで、シャンクとエンジェルウイングを貫通して延びる少なくとも１つの冷却通路を画定することも含み、少なくとも１つの入口開口部はガスタービンエンジンの内側ホイールスペースと流体連通して連結され、少なくとも１つの出口開口部はガスタービンエンジンのロータ／ステータ外側空隙と流体連通して連結されている。方法は、内側ホイールスペースに圧縮冷却空気を供給することも含み、圧縮冷却空気は少なくとも１つの入口開口部に送られ、少なくとも１つの出口開口部から排出されるようになっている。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジン内のエンジェルウイングを冷却するシステムが提供される。システムは、ガスタービンエンジンの動翼のシャンクに連結されたエンジェルウイングを含み、動翼は回転軸の周りで第１方向に回転するように連結されている。システムは、シャンクに配置された少なくとも１つの入口開口部から、エンジェルウイングの上面に配置された少なくとも１つの出口開口部まで、シャンクとエンジェルウイングを貫通して延びる少なくとも１つの冷却通路も含み、少なくとも１つの入口開口部はガスタービンエンジンの内側ホイールスペースと流体連通して連結され、少なくとも１つの出口開口部はガスタービンエンジンのロータ／ステータ外側空隙と流体連通して連結されている。システムは、内側ホイールスペースから圧縮冷却空気を受けるのに使用されるように構成された少なくとも１つの冷却通路も含み、圧縮冷却空気は少なくとも１つの入口開口部に送られ、少なくとも１つの出口開口部から排出されるようになっている。

例示的冷却方法とシステムが使用され得るガスタービンエンジンの概略図である。 図１に示すガスタービンエンジンの一部分の拡大概略側断面図である。 図１と図２に示すガスタービンエンジンで使用される例示的動翼の拡大斜視図である。 エンジェルウイングの上面を冷却するための例示的代替システムを示す、ガスタービンエンジンの一部分の概略側断面図である。 エンジェルウイングの上面の冷却開口部の例示的配置を示す、ガス動翼エンジェルウイングの拡大斜視図である。 エンジェルウイングの上面を冷却するための別の例示的代替システムを示す、ガスタービンエンジンの一部分の概略側断面図である。 エンジェルウイングの上面を冷却するための別の例示的代替システムを示す、ガスタービンエンジンの一部分の概略側断面図である。

本明細書では、「軸方向の」および「軸方向に」という用語は、ガスタービンエンジンの長手方向軸と概ね平行に延びる方向および向きを指す。さらに、「半径方向の」および「半径方向に」という用語は、ガスタービンエンジンの長手方向軸に対し概ね垂直に延びる方向および向きを指す。

図１は、例示的ガスタービンエンジン１００の概略図である。ガスタービンエンジン１００は、圧縮機アッセンブリ１０２と燃焼器アッセンブリ１０４を含む。ガスタービンエンジン１００は、タービン１０８と圧縮機／タービン共通ロータ１１０も含む。

動作時、空気は圧縮機アッセンブリ１０２内を通り、燃焼器アッセンブリ１０４には圧縮空気が供給される。燃料は、燃焼器アッセンブリ１０４内に画定された、燃料が空気と混合され点火される燃焼領域および／または区域（図示せず）に送られる。生成された燃焼ガスはタービン１０８に送られ、ここでガス流熱エネルギーは機械的回転エネルギーに変換される。タービン１０８は、ロータ１１０に回転可能に連結されて回転軸１０６の周りを回転する１または複数のロータホイール１１２（図２に示す）を含む。なお、本明細書では「流体」という用語は、流れる任意の媒体または物質を含み、ガスや空気を含むがそれらに限定されない。

図２は、軸方向に離間されたロータホイール１１２とスペーサ１１４を含むガスタービンエンジン１００の一部分の拡大概略図であり、ロータホイール１１２とスペーサ１１４は、たとえば周方向に離間し、軸方向に延びる複数のボルト１１６により互いに連結されている。図２ではロータホイール１１２をスペーサ１１４に連結するのをボルト１１６が助長しているが、ガスタービンエンジン１００が本明細書に記載するように機能できる他の任意適切な連結構造を使用してよい。ガスタービンエンジン１００は、たとえば、第１ノズル段１１８と第２ノズル段１２０を含む。ノズル段１１８および１２０はそれぞれ、複数の周方向に離間した静翼、たとえば静翼１２２および１２４を含む。複数の第１段動翼１２６がロータ１１０に連結され、ノズル段１１８と１２０の間で回転する。同様に、複数の第２段動翼１２８もロータ１１０に連結され、第２ノズル段１２０と第３ノズル段（図示せず）の間で回転する。本明細書では、動翼１２６および１２８の２段と、２つのノズル段１１８および１２０が示され説明されているが、少なくとも一部の既知のガスタービンエンジンは異なる数のノズルと動翼の段を含む。

各第１段動翼１２６は、ガスタービンエンジン１００が本明細書に記載するように機能できる任意適切な連結方法により、ロータホイール１１２に連結されている。たとえば、各第１段動翼１２６は、エアフォイル１３０と、ロータホイール１１２の類似の形状をもつスロット１３６内に軸方向（すなわち、図１に示す回転軸１０６と平行）に挿入可能に受けられる蟻継１３４を含む。各第１段動翼１２６は、シャンク１３２から軸方向前後に延びる複数のエンジェルウイング１３８、１４０、１４２および１４４をさらに含む。図２では４つのエンジェルウイング１３８〜１４４を示すが、第１段動翼１２６は、本明細書に記載するように機能できるのに十分な任意の数のエンジェルウイングを含んでよい。エンジェルウイング１３８と１４０は、その間に緩衝空隙１４５を画定する。エンジェルウイング１３８は、高温燃焼ガスが緩衝空隙１４５内に吸入されにくくする。さらに、エンジェルウイング１３８および１４０は、それぞれステータ構造１４６および１４８と共働して、高温燃焼ガス１５０がロータ／ステータ外側空隙１５２から内側ホイールスペース１５４内に吸入されにくくする。同様に、エンジェルウイング１４２および１４４は、それぞれステータランド１５６および１５８と共働して、高温燃焼ガス１５０がロータ／ステータ外側空隙１６０から内側ホイールスペース１６２内に吸入されにくくする。１つの例示的実施形態では、エンジェルウイングとステータランドの類似の共働体または他の構造が、ガスタービンエンジン１００の各ロータホイール段と隣接するノズル段に備えられている。代替実施形態では、エンジェルウイングとステータランドの共働体または他の構造は、ガスタービンエンジン１００の１つのロータホイール段と隣接するノズル段のみ、またはガスタービンエンジン１００の（全部ではなく）一部のロータホイール段と隣接するノズル段のみに備えられている。

図３は、図２に示した第１段動翼１２６の斜視図である。第１段動翼１２６は、記載したように、エンジェルウイング１３８〜１４２が軸方向に延びるシャンク１３２に連結されたエアフォイル１３０と、蟻継１３４を含む。シャンク１３２は、プラットフォーム１６４、前側シャンク壁１６６および後側シャンク壁１６８を含む。少なくとも一部の既知の動翼では、エンジェルウイング１３８〜１４４はそれぞれ、たとえばエンジェルウイング１３８は、体部１７０と上向きの先端部１７２を含む。例示的エンジェルウイング１３８では、体部１７０は、回転軸１０６（図１に示す）と同心状に延びる上面１７４を含む。少なくとも一部の既知の動翼構造では、エンジェルウイング１３８〜１４４の上面１７４は、回転軸１０６に平行な方向に対し、上向きに凹んで構成される。少なくとも一部の他の既知の動翼構造では、エンジェルウイング１３８〜１４４の上面１７４は、回転軸１０６に平行な方向に対し、平坦であるか、または上向きに凸状である。

図４は、例示的エンジェルウイング冷却システム２０２がエンジェルウイング２２４の冷却に使用され得るガスタービンエンジン２００の一部分の拡大断面図を示す。この例示的実施形態では、ガスタービンエンジン２００は、少なくとも１つのノズル段２０４と、少なくとも１つの動翼段２０６を含む。ノズル段２０４は、ロータ回転軸２１０の周りに周方向に配置された複数の静翼２０８を含む。各静翼２０８は、１または複数の軸方向に延びるランド２１４を支持するステータ支持構造２１２に連結される。１つの例示的実施形態では、ランド２１４の１または複数が、少なくとも部分的にロータ回転軸２１０の周囲に同心状に延びる。動翼段２０６は、複数の動翼２１６を含む。各動翼２１６は、シャンク２２０に連結されたエアフォイル２１８を含み、シャンク２２０はホイール２２２に連結されている。ホイール２２２はロータ回転軸２１０の周りを第１方向Ｒに回転するように連結される。方向Ｒは、旋回方向と呼ばれることもある。

動翼２１６は、上側エンジェルウイング２２４、下側エンジェルウイング２２６および上側エンジェルウイング２２８を含む複数の軸方向に延びるエンジェルウイングを含む。エンジェルウイング冷却システム２０２は、たとえば、少なくとも１つの内部冷却通路２３０とともに画定される少なくとも１つの上側エンジェルウイング２２４を含む。この例示的実施形態では、各冷却通路２３０は、シャンク２２０のシャンク壁２４０の面２３８の入口開口部２３６からエンジェルウイング２２４の上面２３４の出口開口部２３２まで延びている。図５は、エアフォイル２１８を示す、動翼２１６の拡大斜視図である。５つの出口開口部２３２がエンジェルウイング２２４の上面２３４に配置されている。この例示的実施形態では、冷却通路２３０は、図４および図５では、高温燃焼ガスの流れ２６０に対し上流方向に面するシャンク壁２４０内に画定されて示されている。代替実施形態では、少なくとも１つの冷却通路２６２が、少なくとも１つの冷却通路２３０の代わりに、または加えて、備えられ得る。冷却通路２６２は、下流向きシャンク壁２７０に配置された入口開口部２７２から下流に延びる上側エンジェルウイング２２８の上面２７６に配置された出口開口部２７４まで延びる。

この例示的実施形態では、複数の冷却通路２３０が備えられ、各冷却通路２３０はその他の冷却通路２３０と分けられている。さらに、冷却通路２３０は、対応する入口開口部２３６と、対応する出口開口部２３２を含む。図５では対応する５つの冷却通路２３０（図示せず）の５つの出口開口部２３２を示すが、代替実施形態では、エンジェルウイング冷却システム２０２が本明細書に記載のように機能できるように、対応する出口開口部２３２と入口開口部２３６を有する冷却通路２３０をいくつ使用してもよい。代替実施形態では、出口開口部２３２の２つ以上が、冷却通路２３５への複数の分岐通路２３３により、分岐配置２３１で連結される。他の代替実施形態では、類似の分岐配置が複数の入口開口部２３６を単一の冷却通路と流体連通させて連結するのに使用される。さらに他の代替実施形態では、入口開口部２３６も出口開口部２３２も分岐配置で連結されている。

図４および図５の例示的実施形態では、冷却空気２４２は、ガスタービンエンジン２００が記載のように機能できるような任意適切な構造により、ガスタービンエンジン２００の内側ホイールスペース２４４内に送られる。ガスタービンエンジン２００の動作中、冷却空気２４２はステータ支持構造２１２と動翼２１６の間を半径方向外向きに移動させられる。冷却空気２４２は、下側エンジェルウイング２２６とランド２１４を半径方向に超えて送られた後、冷却空気２４２は、少なくとも１つの入口開口部２３６から少なくとも１つの冷却通路２３０へと送られる。冷却空気２４２は、少なくとも１つの出口開口部２３２を通って少なくとも１つの冷却通路２３０から出る。１つの例示的実施形態では、出口開口部２３２から出た後、冷却空気２４２は、保護冷却空気膜層２５４（図５に示す）をエンジェルウイング２２４の上面２３４に画定する。１つの代替実施形態では、冷却空気２４２は、冷却空気膜層２５４を画定することに加えて、または代わりに、冷却空気２４２は、高温燃焼ガスを内側ホイールスペース２４４から追い出しやすくし、かつ／または高温燃焼ガスが内側ホイールスペース２４４に吸入されにくくする。

この例示的実施形態では、複数の出口開口部２３２は、エンジェルウイング２２４上で、出口開口部２３２がエアフォイル２１８の前縁２４６（図４および図５に示す）と実質的に周方向に揃うように向けられている。動作中、前縁２４６は、燃焼ガスの圧力と温度の両方が相当な値に達する場所の付近で船首波２５２（図５に示す）を生成する。したがって、少なくとも１つの出口開口部２３２を前縁２４６の軸方向上流に、かつ半径方向に概ね揃えて向けることで、高温燃焼ガスと遭遇する箇所および／または高温燃焼ガスの吸入が起こりそうな箇所に冷却空気膜層２５４が形成されやすくなる。代替実施形態では、複数の出口開口部２３２は、エンジェルウイング冷却システム２０２が本明細書に記載のように機能できるのに適した任意の間隔で、互いに周方向に離間され得る。

冷却通路２３０、入口開口部２３６および／または出口開口部２３２は、冷却空気２４２の流れ方向から見たときに、エンジェルウイング冷却システム２０２が本明細書に記載のように機能できる任意の断面形状を有し得る。たとえば、冷却通路２３０、入口開口部２３６、および／または出口開口部２３２は、円形、楕円形、多角形またはエンジェルウイング冷却システム２０２が本明細書に記載のように機能できる任意他の形状の断面形状を有し得る。さらに、冷却通路２３０の断面積は、出口開口部２３２から入口開口部２３６まで冷却通路２３０の長さ方向に、エンジェルウイング冷却システム２０２が本明細書に記載のように機能できるように、任意所望の通りに可変である。さらに、冷却通路２３０は、エンジェルウイング冷却システム２０２が本明細書に記載のように機能できるように、シャンク壁２４０とエンジェルウイング２２４をいかように通ってもよい。たとえば、冷却通路２３０は、冷却通路２３０の長さを延長してその表面積を増加し、冷却空気２４２が冷却通路２３０を通過する時間を増加させてシャンク壁２４０とエンジェルウイング２２４をさらに冷却する蛇行路をとって、シャンク壁２４０およびエンジェルウイング２２４から冷却空気２４２中に送られ得る熱の量を増加させてもよい。あるいは、所望により、入口開口部２３６と出口開口部２３２の間で冷却通路２３０をより真っ直ぐにして、および／または冷却通路２３０の直径を減少させることで、冷却通路２３０の内部表面積を減少させて、出口開口部２３２から排出される前に冷却空気２４２中に送られる熱の量を減少させることもできる。

エンジェルウイング２２４の上面２３４に冷却空気膜層２５４を設けることで、内側ホイールスペース２４４を通る少量の冷却空気により、冷却空気がただノズル段２０４と動翼段２０６の間に送られることだけに頼る場合よりも、上面２３４およびシャンク壁２４０の上部２５６の温度を制御することができる。出口開口部２３２の選択的な配置により、もっとも必要な箇所に冷却空気２４２を送ることができる。この例示的実施形態では、エンジェルウイング冷却システム２０２は、冷却空気２４２を上側エンジェルウイング２２４の上面２３４に供給するように構成された冷却通路２３０を含むが、代替実施形態では、エンジェルウイング冷却システム２０２は、冷却通路２３０の代わりに、または加えて、下側エンジェルウイング２２６にも通路（図示せず）を提供し得る。

図４および図５の例示的実施形態では、出口開口部２３２は、エンジェルウイング２２４の付け根２８０（図４に示す）に隣接して、上面２３４の下流部分２４８（図５に示す）に配置される。代替実施形態では、１または複数の出口開口部２３２が、エンジェルウイング２２４の上流先端部２５０に隣接する上面２３４の部分、または上流先端部２５０と下流部分２４８の間の上面２３４の部分に位置し得る。さらに、例示的実施形態では、出口開口部２３２の１または複数は、図４および図５に示すように、冷却空気２４２がロータ回転軸２１０に対し純粋に半径方向に排出されるように向けられ得る。代替実施形態では、出口開口部２３２の１または複数は、冷却空気２４２が、少なくとも部分的に上流に向けて、または少なくとも部分的に下流に向けて排出されるように向けられ得る。さらに、１または複数の出口開口部２３２が、エンジェルウイング２２４内で、冷却空気２４２が動翼２１６の回転方向に向けて、動翼２１６の回転方向に逆らって、または動翼２１６に対し半径方向に排出されるように、向けられ得る。

１つの代替実施形態では、シャンク壁２４０の入口開口部２３６から出口開口部２３２に延びる冷却通路２３０の代わりに、通路２８２がシャンク２２０のポケット２８６の開口部２８４から出口開口部２３２に延びる。同様に、１つの代替実施形態では、シャンク壁２７０の入口開口部２７２から出口開口部２７４に延びる冷却通路２６２の代わりに、通路２８８がポケット２８６の開口部２９０から出口開口部２７４に延びる。

別の代替実施形態では、エンジェルウイング２２４は、シャンク２２０に固定された蓋板２９２の一部である。蓋板２９２は、動翼２１６に取り付けられる非一体型板であり、動翼２１６とホイール２２２間の漏れを生じにくくする。したがって、冷却通路２３０は、シャンク壁２４０を通って、ならびに蓋板２９２を通って、延びる。

図６は、代替の例示的エンジェルウイング冷却システム３０２がエンジェルウイング３２４を冷却し燃焼ガス流３６０の熱から保護するのに使用され得る、ガスタービンエンジン３００の一部分の拡大断面図を示す。この例示的実施形態では、ガスタービンエンジン３００は、少なくとも１つのノズル段３０４と、少なくとも１つの動翼段３０６を含む。ノズル段３０４は、ロータ回転軸３１０の周りに周方向に配置された複数の静翼３０８を含む。各静翼３０８は、１または複数の軸方向に延びるランド３１４を支持するステータ支持構造３１２に連結されている。１つの例示的実施形態では、ランド３１４はそれぞれ、少なくとも部分的にロータ回転軸３１０の周りに同心状に延びる。動翼段３０６は、複数の動翼３１６を含む。各動翼３１６は、シャンク３２０に連結されたエアフォイル３１８を含み、シャンク３２０はホイール３２２に連結されている。ホイール３２２はロータ回転軸３１０の周りで回転するように連結されている。

動翼３１６は、複数の軸方向に延びるエンジェルウイング３２４、３２６および３２８を含む。エンジェルウイング冷却システム３０２は、たとえば、少なくとも１つの内部冷却通路３３０とともに画定される少なくとも１つのエンジェルウイング３２４を含む。この例示的実施形態では、冷却通路３３０は、シャンク３２０のシャンク壁３４０の面３３８の入口開口部３３６からエンジェルウイング２２４の上面３３４の出口開口部３３２まで延びている。この例示的実施形態では、複数の冷却通路３３０が設けられ、各冷却通路３３０はその他の冷却通路３３０と分けられている。さらに、各冷却通路３３０は、対応する入口開口部３３６と対応する出口開口部３３２を含む。エンジェルウイング冷却システム３０２が本明細書に記載のように機能できるように、対応する入口開口部３３６と出口開口部３３２を有する冷却通路３３０をいくつ設けてもよい。代替実施形態では、冷却通路（複数可）３３０は、上流向きおよび／または下流向きの分岐配置を与えられ、単一の冷却通路３３０が複数の入口開口部３３６および／または複数の出口開口部３３２と流体連通できるように連結され得る。

図６の例示的実施形態では、冷却空気３４２は、エンジェルウイング冷却システム３０２が記載のように機能できるような任意適切な方法により、ガスタービンエンジン３００の内側ホイールスペース３４４内に送られる。ガスタービンエンジン３００の動作中、冷却空気３４２は、ステータ支持構造３１２と動翼３１６の間を半径方向外向きに移動させられる。冷却空気３４２は、エンジェルウイング３２６とランド３１４を超えて半径方向に送られた後、冷却空気３４２は入口開口部３３６から冷却通路３３０へと送られる。冷却空気３４２は出口開口部３３２を通って冷却通路３３０から出る。出口開口部３３２から出た後、冷却空気３４２は、エンジェルウイング３２４の上面３３４に保護冷却空気膜を画定する。図６の例示的実施形態では、出口開口部３３２は、冷却空気３４２が出口開口部３３２からノズル段３０４に向けて部分的に上流方向に排出されるように向けられる。つまり、前傾軸Ｙと概ね平行な方向である（図６に示す）。

１つの代替実施形態では、シャンク壁３４０は、エンジェルウイング３２４に隣接し、切込み壁部分３４６（図６に破線で示す）により画定された切込み領域３４５を含む。この代替実施形態では、冷却通路３３０と出口開口部３３２の１または複数は、冷却空気がＺ軸と概ね平行な方向に排出されるように向けられ（すなわち、少なくとも部分的に流れ３６０の方向の角度にされている）、冷却空気が切込み領域３４５内に排出されやすくし、および／または冷却空気が切込み壁部分３４６に衝突しやすくする。

一部の既知のガスタービンエンジンでは、動翼のエアフォイルは、エアフォイルの前縁領域に配置された出口開口部につながる内部冷却チャネルを備える。図７は、代替の例示的エンジェルウイング冷却システム４０２がエンジェルウイング４２４の冷却に使用され得るガスタービンエンジン４００の一部分の拡大断面図を示す。この例示的実施形態では、ガスタービンエンジン４００は、少なくとも１つのノズル段４０４と少なくとも１つの動翼段４０６を含む。ノズル段４０４は、ロータ回転軸４１０の周りに周方向に配置された複数の静翼４０８を含む。各静翼４０８は、１または複数の軸方向に延びるランド４１４を支持するステータ支持構造４１２に連結されている。１つの例示的実施形態では、ランド４１４はそれぞれ、少なくとも部分的にロータ回転軸４１０の周りで周方向に、同心状に延びる。動翼段４０６は、複数の動翼４１６を含む。各動翼４１６は、シャンク４２０に連結されたエアフォイル４１８を含み、シャンク４２０はロータ回転軸４１０の周りで回転するように連結されたホイール４２２に連結されている。

動翼４１６は、複数の軸方向に延びるエンジェルウイング４２４、４２６および４２８を含む。エンジェルウイング冷却システム４０２は、たとえば、少なくとも１つの内部冷却通路４３０とともに画定される、少なくとも１つのエンジェルウイング４２４を含む。冷却通路４３０は、半径方向外向きにホイール４２２から延びる動翼冷却通路４４０と流体連通して連結している入口開口部４３６から動翼４１６を通ってエアフォイル４１８まで延びる。冷却通路４３０は、エンジェルウイング４２４の上面４３４の出口開口部４３２で終わる。この例示的実施形態では、複数の冷却通路４３０が設けられ、各冷却通路４３０はその他の冷却通路４３０とは別になっている。さらに、各冷却通路４３０は、対応する入口開口部４３６と対応する出口開口部４３２を含む。エンジェルウイング冷却システム４０２が本明細書に記載のように機能できるように、対応する出口開口部４３２と入口開口部４３６を有する冷却通路４３０をいくつ設けてもよい。代替実施形態では、冷却通路（複数可）４３０は、枝分かれまたは分岐し、２つ以上の入口開口部が各冷却通路と連結し得、かつ／または各冷却通路が２つ以上の出口開口部上に開くようにされ得る。

図７の例示的実施形態では、冷却空気４４２は、エンジェルウイング冷却システム４０２が本明細書に記載のように機能できるような任意適切な方法により、冷却空気の供給源（図示せず）から動翼冷却通路４４０へと送られる。エアフォイル冷却通路４５０および４５２は、動翼冷却通路４４０と流体連通して連結され、それぞれ出口開口部４５６および４５８で終わる。出口開口部４５６および４５８から出る冷却空気は、エアフォイル４１８の前縁領域４６０が冷却されやすくし、燃焼ガス流４５４の加熱作用を緩和する。ガスタービンエンジン４００の動作中、冷却空気４４２は、動翼冷却通路４４０に沿って半径方向外向きに移動させられる。さらに、冷却空気４４２は、圧力下で動翼冷却通路４４０に送られ得る。冷却空気４４２は出口開口部４３２を通って冷却通路４３０から出る。出口開口部４３２から出た後、冷却空気４４２は、エンジェルウイング４２４の上面４３４に保護冷却空気膜を画定する。図７の例示的実施形態では、出口開口部４３２は、出口開口部４３２から出る冷却空気４４２がノズル段４０４に向けて上流方向に向けられるように、向けられる。内側ホイールスペース４４６からの別の冷却空気の流れ４４４がエンジェルウイング４２６および４２４の外部表面を冷却する。

１つの代替実施形態では、エンジェルウイング冷却システム４０２は、通路（複数可）４３０に加えて、または代わりに、エアフォイル冷却通路４７２に連結された少なくとも１つの冷却空気通路４７０を含む。冷却空気通路４７０は、エンジェルウイング４２８の上面の開口部４７４まで延びる。エアフォイル冷却通路４７２は、冷却空気の供給源（図示せず）に連結され、冷却空気を、エアフォイル４１８の後縁領域４８０の対応する開口部４７８まで延びる１または複数の後縁冷却通路４７６に送る。

本明細書に記載の動翼冷却システムは、動翼エンジェルウイングを冷却する既知の方法と比べて複数の利点を提供する。具体的には、本明細書に記載の動翼冷却システムは、ガスタービンエンジンの内側ホイールスペースからロータ／ステータ外側空隙への冷却空気の流れを減少させることを助長し、ガスタービンエンジンの出力と効率を向上させる。さらに、本明細書に記載の動翼冷却システムは、もっとも冷却が必要な箇所で冷却空気膜層を形成しやすくする。本明細書に記載の動翼冷却システムはまた、動翼エンジェルウイングとシャンク壁の内部領域の冷却を助長する。一部の実施形態では、本明細書に記載の動翼冷却システムは、エアフォイル冷却通路に向けて送られている冷却空気の一部分を用いてエンジェルウイング上面の冷却を助長する。

タービン動翼エンジェルウイングを冷却するシステムと方法の例示的実施形態について詳述してきた。方法とシステムは、本明細書に記載の特定の実施形態に限定されるものではなく、システムの構成要素および／または方法のステップは、本明細書に記載の他の構成要素および／またはステップとは別に独立して利用され得る。たとえば、方法は、他の回転機械システムおよび方法と組み合わせて使用してもよいし、本明細書に記載したようなガスタービンエンジン翼のみに関する実施に限定されない。むしろ、例示的実施形態は、他の多くの回転機械用途と組み合わせて実施され利用され得る。

本発明の様々な実施形態の具体的な特徴は、一部の図面では示され他の図面では示されていないかもしれないが、それは単に便宜上の理由からである。本発明の原理によれば、ある図面のあらゆる特徴は、他のすべての図面のあらゆる特徴と組み合わせて参照され、かつ／または主張され得る。

本明細書は、本発明を開示し、あらゆる当業者があらゆるデバイスまたはシステムを作製および使用し、組み込まれるあらゆる方法を実施することを含めて本発明を実施できるように、最良の形態を含む例を使用している。本発明の特許可能な範囲は請求項の範囲により定義され、当業者に想到される他の例も含み得る。そのような他の例は、請求項の文言と差異のない構造的要素を有する場合または請求項の文言とは微小な差異を有するが同等の構造的要素を含む場合は請求項の範囲内とされる。

本発明を様々な具体的な実施形態に鑑み記載してきたが、当業者であれば、本発明が、請求項の精神および範囲内で変形を加えて実施できることを認識する。

１００ ガスタービンエンジン
１０２ 圧縮機アッセンブリ
１０４ 燃焼器アッセンブリ
１０６ 回転軸
１０８ タービン
１１０ ロータ
１１２ ロータホイール
１１４ スペーサ
１１６ ボルト
１１８ 第１ノズル段
１２０ ノズル段
１２２ 静翼
１２４ 静翼
１２６ 第１段動翼
１２８ 第２段動翼
１３０ エアフォイル
１３２ シャンク
１３４ 蟻継
１３６ スロット
１３８ エンジェルウイング
１４０ エンジェルウイング
１４２ エンジェルウイング
１４４ エンジェルウイング
１４５ 緩衝空隙
１４６ ステータ構造
１４８ ステータ構造
１５０ 高温燃焼ガス
１５２ ロータ／ステータ空隙
１５４ 内側ホイールスペース
１５６ ステータランド
１５８ ステータランド
１６０ ロータ／ステータ空隙
１６２ 内側ホイールスペース
１６４ プラットフォーム
１６６ 前側シャンク壁
１６８ 後側シャンク壁
１７０ 体部
１７２ 先端部
１７４ 上面
２００ ガスタービンエンジン
２０２ エンジェルウイング冷却システム
２０４ ノズル段
２０６ 動翼段
２０８ 静翼
２１０ ロータ回転軸
２１２ ステータ支持構造
２１４ ランド
２１６ 動翼
２１８ エアフォイル
２２０ シャンク
２２２ ホイール
２２４ エンジェルウイング、上側エンジェルウイング
２２６ 下側エンジェルウイング
２２８ 上側エンジェルウイング
２３０ 冷却通路
２３１ 分岐配置
２３２ 出口開口部
２３３ 分岐通路
２３４ 上面
２３５ 冷却通路
２３６ 入口開口部
２３８ 面
２４０ シャンク壁
２４２ 冷却空気
２４４ 内側ホイールスペース
２４６ 前縁
２４８ 下流部分
２５０ 上流先端部
２５２ 船首波
２５４ 冷却空気膜層
２５６ 上部
２６０ 流れ
２６２ 冷却通路
２７０ シャンク壁
２７２ 開口部
２７４ 開口部
２７６ 上面
２８０ 付け根
２８２ 通路
２８４ 開口部
２８６ ポケット
２８８ 通路
２９０ 開口部
２９２ 蓋板
３００ ガスタービンエンジン
３０２ エンジェルウイング冷却システム
３０４ ノズル段
３０６ 動翼段
３０８ 静翼
３１０ 回転軸
３１２ ステータ支持構造
３１４ ランド
３１６ 動翼
３１８ エアフォイル
３２０ シャンク
３２２ ホイール
３２４ エンジェルウイング
３２６ エンジェルウイング
３２８ エンジェルウイング
３３０ 冷却通路
３３２ 出口開口部
３３４ 上面
３３６ 入口開口部
３３８ 面
３４０ シャンク壁
３４２ 冷却空気
３４４ 内側ホイールスペース
３４５ 切込み領域
３４６ 壁部分
３６０ 燃焼ガス流
４００ ガスタービンエンジン
４０２ エンジェルウイング冷却システム
４０４ ノズル段
４０６ 動翼段
４０８ 静翼
４１０ ロータ回転軸
４１２ ステータ支持構造
４１４ ランド
４１６ 動翼
４１８ エアフォイル
４２０ シャンク
４２２ ホイール
４２４ エンジェルウイング
４２６ エンジェルウイング
４２８ エンジェルウイング
４３０ 冷却通路
４３２ 出口開口部
４３４ 上面
４３６ 入口開口部
４４０ 動翼冷却通路
４４２ 冷却空気
４４４ 流れ
４４６ 内側ホイールスペース
４５０ 冷却通路
４５２ 冷却通路
４５４ 燃焼ガス流
４５６ 出口開口部
４５８ 出口開口部
４７０ 冷却空気通路
４７２ エアフォイル冷却通路
４７４ 開口部
４７６ 後縁冷却通路
４７８ 開口部
４８０ 後縁領域

Claims (10)

1. ガスタービンエンジン（２００）のエンジェルウイング（２２４）を冷却するシステム（２０２）であって、
   外面を備えるシャンク壁を有するシャンク（２２０）を具備し、静翼（２０８）の下流に配置されたロータ動翼と、
   前記シャンク壁に連結されたエンジェルウイング（２２４）と、
   前記シャンク壁と前記エンジェルウイング（２２４）の内部に画定される少なくとも１つの冷却通路（２３０）と、
   を備え、
   前記ロータ動翼が、回転のために前記ガスタービンエンジン（２００）の回転軸の周りで第１の方向に結合され、
   前記エンジェルウイング（２２４）が、付け根から反対側の先端部へ延びる本体を備え、
   前記付け根は、前記ロータ動翼のプラットフォーム半径方向内側で前記シャンク壁の前記外面に連結され、
   前記本体が、前記付け根と前記先端部との間に延びる半径方向外側の面を備え、
   前記半径方向外側の面が、前記第１の方向と実質的に平行に延び、
   前記少なくとも１つの冷却通路（２３０）が、少なくとも１つの入口開口部（２３６）から少なくとも１つの出口開口部（２３２）まで延び、
   前記少なくとも１つの入口開口部（２３６）が、前記外面内で、前記エンジェルウイング（２２４）の前記付け根から半径方向内側に位置し、
   前記少なくとも１つの出口開口部（２３２）が、前記本体の前記半径方向外側の面内に位置づけられ、前記回転軸の方向で前記静翼及び前記先端部からオフセットされて、前記少なくとも１つの入口開口部（２３６）がガスタービンエンジン（２００）の内側ホイールスペース（２４４）と流体連通して連結され、前記少なくとも１つの出口開口部（２３２）がガスタービンエンジン（２００）のロータ／ステータ外側空隙と流体連通して連結され、
   前記少なくとも１つの冷却通路（２３０）が、内側ホイールスペースから圧縮冷却空気（２４２）を受けるのに使用されるように構成されて、前記圧縮冷却空気（２４２）が前記少なくとも１つの入口開口部（２３６）内に送られ、前記少なくとも１つの出口開口部（２３２）から排出されるようになっており、
   前記少なくとも１つの出口開口部（２３２）が、前記半径方向外側の面の近傍に冷却空気フイルム層を形成するように構成される、システム（２０２）。
2. 前記システムが、前記圧縮冷却空気（２４２）が前記回転軸に対し半径方向、前記第１方向に向かう方向および前記第１方向から離れる第２方向のうちの１つに排出されるように向けられた、前記少なくとも１つの出口開口部（２３２）を備える、請求項１に記載のシステム（２０２）。
3. 燃焼ガスの流れ（２６０）がロータ／ステータ外側空隙を通って送られ、前記システムが、前記圧縮冷却空気（２４２）が燃焼ガスの流れに対し上流方向および燃焼ガスの流れに対し下流方向のうちの１つに排出されるように向けられた前記少なくとも１つの出口開口部（２３２）を備える、請求項１または２に記載のシステム（２０２）。
4. 前記少なくとも１つの冷却通路（２３０）が、
   複数の互いに分かれている冷却通路、および
   分かれている冷却通路それぞれに連結される１つの入口開口部と１つの出口開口部を備える、請求項１乃至３のいずれかに記載のシステム（２０２）。
5. 前記少なくとも１つの冷却通路（２３０）が、
   前記少なくとも１つの冷却通路（２３０）に連結された複数の分岐通路（２３２）、および
   各分岐通路に連結された、１つの入口開口部と１つの出口開口部のうち少なくとも１つを備える、請求項１乃至４のいずれかに記載のシステム（２０２）。
6. 前記エンジェルウイング（２２４）が、前記ガスタービンエンジンを通って送られる燃焼ガスの流れに向かう方向および前記ガスタービンエンジンを通って送られる燃焼ガスの流れから離れる方向のうち１つに向いた前記シャンクのシャンク壁部分に連結されている、請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム（２０２）。
7. 前記動翼（２１６）が、前記シャンク（２２０）に連結されたエアフォイル（２１８）と、前記シャンクを通って前記エアフォイルまで延びるエアフォイル冷却通路を備え、前記少なくとも１つの冷却通路が前記エアフォイル冷却通路から前記少なくとも１つの出口開口部まで延びている、請求項１乃至６のいずれかに記載のシステム（２０２）。
8. 前記少なくとも１つの出口開口部（２３２）が、前記エンジェルウイングの先端部（２５０）、前記エンジェルウイングの付け根（２８０）および前記エンジェルウイングの前記先端部と前記付け根の間の位置のうち１つに隣接して向けられている、請求項１乃至７のいずれかに記載のシステム（２０２）。
9. 前記少なくとも１つの動翼（２１６）が、前記シャンク（２２０）に連結されたエアフォイル（２１８）を含み、前記少なくとも１つの出口開口部（２３２）が前記エアフォイルの前縁と概ね周方向に揃い向けられている、請求項１乃至８のいずれかに記載のシステム（２０２）。
10. 前記システムが、前記エンジェルウイングの上面に、前記エンジェルウイングの前記上面に沿って周方向に離間するように向けられた複数の出口開口部を備える、請求項１乃至９のいずれかに記載のシステム（２０２）。