JP6598999B2 - 軸方向隔壁を特徴とする後縁冷却を備えるタービン翼 - Google Patents

Description

本発明は、一般にタービンエンジン内の翼に関し、特にタービン翼に組み込まれた後縁冷却特徴に関する。

ガスタービンエンジンでは、圧縮機区画から排出された圧縮空気と、燃料の供給源から導入された燃料とが混合され、燃焼区画内で燃焼され、高温作動ガスを形成する燃焼生成物を生じる。作動ガスは、エンジンのタービン区画内の高温ガス通路を通じて方向付けられ、タービン区画内で作動ガスは膨張し、タービンロータの回転を提供する。タービンロータは、上流の圧縮機および発電機に動力を供給するために軸方向シャフトに接続されてもよく、タービンロータの回転は、発電機において電気を発生するために利用することができる。

現代のエンジンにおいて生じる高い圧力比および高いエンジン燃焼温度を考慮して、翼、例えばタービン区画内の固定ベーンおよび回転ブレードなどの構成部材は、構成部材の過熱を防止するために、圧縮機区画内の圧縮機から排出された空気などの冷却流体によって冷却されなければならない。

タービン翼の有効な冷却は、タービンブレードまたは固定ベーンの後縁に沿ってなど、危険な領域へ比較的低温の空気を供給することを必要とする。関連する冷却開口が、例えば、翼内の上流の比較的高圧のキャビティと、タービンブレードの外面のうちの１つとの間に延びていてもよい。ブレードキャビティは、典型的に機械のロータおよびステータに関して半径方向に延びている。

翼は、通常、内部冷却チャネルを有している。内部冷却チャネルは、熱応力を最小限にするために、正圧面壁および負圧面壁から熱を除去する。熱伝達率に基づいて高い冷却効率を達成することは、冷却のために圧縮機から逸らされる冷却材空気の体積を最小限にするために、重要な設計上の考慮事項である。しかしながら、ガスタービン翼の比較的狭い後縁部分は、例えば翼外面の総面積の最大で約３分の１を含むことがある。後縁は、空力効率のために比較的薄く形成されている。その結果、互いに比較的近い２つの対向する壁面上で熱入力を受け取る後縁を用いて、機械的一体性を維持するための必要な熱伝達率を提供するためには、比較的高い冷却材流量が必要とされる。

簡潔にいうと、本発明の態様は、タービン翼のための改良された後縁冷却特徴を提供する。

翼は、前縁および後縁において接続された正圧面および負圧面によって形成される外壁を有していてもよい。外壁は、タービンエンジンの半径方向に沿って翼幅方向に延びていてもよく、翼内部を画定していてもよい。翼弦軸線は、正圧面と負圧面との間の中央に延びるように規定されてもよい。

本発明の第1の態様によれば、複数のピンが、後縁に向かって翼内部に配置されていてもよい。各ピンは、正圧面から負圧面まで延びていてもよく、半径方向に細長くてもよい。複数のピンは、翼弦軸線に沿って離隔された複数の半径方向の列内に配置されていてもよく、各列内のピンは、ピンの間に冷却材通路を画成するように互いに離隔されている。半径方向に離隔された隔壁の列が、ピンの最後の列の後方に配置されていてもよい。各隔壁は、正圧面から負圧面まで延びていてもよい。各隔壁は、略軸方向に延在していてもよく、翼弦軸線に沿って延び、後縁において終わっている。軸方向に延びる冷却材出口スロットが、隣接する隔壁の間の間隙に画成されていてもよい。冷却材出口スロットは、ピンの最後の列から出てきた冷却材を、翼から高温ガス通路内へ排出されるように方向付ける。

本発明の第２の態様によれば、複数のピンが、後縁に向かって翼内部に配置されていてもよい。各ピンは、正圧面から負圧面まで延びていてもよく、半径方向に細長くてもよい。複数のピンは、翼弦軸線に沿って離隔された複数の半径方向の列内に配置されていてもよく、各列内のピンは、ピンの間に冷却材通路を画成するように互いに離隔されており、隣接する列内のピンは、半径方向に沿ってずらして配置されている。半径方向に離隔された隔壁の列が、ピンの最後の列の後方に配置されていてもよい。各隔壁は、正圧面から負圧面まで延びていてもよい。各隔壁は、略軸方向に延在していてもよく、翼弦軸線に沿って延び、後縁において終わっている。軸方向に延びる冷却材出口スロットが、隣接する隔壁の間の間隙に画成されていてもよい。冷却材出口スロットは、ピンの最後の列から出てきた冷却材を、翼から高温ガス通路内へ排出されるように方向付ける。複数のタービュレータが各出口スロットに配置されていてもよい。タービュレータは、出口スロット内の冷却材流を隣接する隔壁に向かって案内するように角度付けられていてもよい。

本発明は、図面の助けを借りてさらに詳細に示されている。図面は好適な構成を示しており、本発明の範囲を限定しない。

後縁冷却特徴を有するタービン翼の断面図である。 延在したピンの配列を有する翼の後縁部分の断面図である。 図２の断面ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図である。 本発明の１つの実施の形態による後縁冷却特徴を有する翼の後縁部分の断面図である。 図４の断面Ｖ−Ｖに沿った断面図である。

好適な実施の形態の以下の詳細な説明では、その一部を形成する添付の図面が参照され、図面には、例として、限定としてではなく、本発明を実施可能な特定の実施の形態が示されている。本発明の思想および範囲から逸脱することなく、その他の実施の形態が使用されてもよく、変更がなされてもよいことが理解されるべきである。

図１を参照すると、タービン翼１０は、略中空の翼内部１１を画定する外壁１２を有していてもよい。外壁１２は、図１の平面に対して垂直な、タービンエンジンの半径方向において翼幅方向に延びている。外壁１２は、前縁１８および後縁２０で接続された、略凹形の正圧面１４と、略凸形の負圧面１６とによって形成されている。翼弦軸線３０は、正圧面１４と負圧面１６との間の中央に延びるように規定されていてもよい。この説明において、「前方」という相対的な語は、翼弦軸線３０に沿って前縁１８に向かう方向をいうのに対し、「後方」という相対的な語は、翼弦軸線３０に沿って後縁２０に向かう方向をいう。図示したように、内部通路および冷却回路は、正圧面１４と負圧面１６とを接続する内部隔壁またはリブ４０ａ〜４０ｄによって形成された半径方向キャビティ４１ａ〜４１ｅによって形成されている。

例示されているように、翼１０は、ガスタービンエンジン用のタービンブレードである。しかしながら、本発明の態様は、加えて、ガスタービンエンジン内の固定ベーンに組み込むことができることに留意すべきである。この例では、冷却材は、ブレード１０の根元部に設けられた開口を通じて、半径方向キャビティ４１ａ〜４１ｅのうちの１つまたは複数に進入してもよい。例えば、冷却材は、根元部における開口を通じて、半径方向キャビティ４１ｅに進入してもよいし、半径方向外方へ移動して、前方および後方の冷却分岐部へ供給されてもよい。前方の冷却分岐部では、冷却材は、翼１０の翼弦中間部分（さらに詳細に示されていない）に向かって、蛇行した冷却回路を移動してもよい。後方の冷却分岐部では、冷却材は、後縁２０に沿って配置された排出開口を通じて翼１０から出る前に、半径方向キャビティ４１ｅの後方に配置された、斜線の領域５０によって概略的に示された、後縁冷却特徴の内部配列を通って軸方向に移動してもよい。

従来の後縁冷却特徴は、翼弦軸線３０に沿って互いに隣り合って配置された、典型的には２つまたは３つの、一連のインピンジメントプレートを有していた。しかしながら、この配置では、冷却材は、後縁２０において翼から出る前に短い距離しか移動しない。冷却効率を高めかつ冷却材流の必要性を低減するために、熱伝達のためのより大きな表面積を有するように、後縁部分に沿ってより長い冷却材流路を有することが望ましいことがある。

図２および図３は、後縁冷却特徴の代替的な配置を示す。この場合、インピンジメントプレートはピン２２の配列によって置き換えられている。各ピン２２は、半径方向に沿って延びる細長い形状を有しており、図２に示すように正圧面１４から負圧面１６まで翼弦軸線３０を横切って延びている。ピン２２は、図３にＡ〜Ｎで示す半径方向の列内に配置されている。各列内のピン２２は、軸方向冷却材通路２４を画成するように離隔されている。この場合はＡ〜Ｎの１４列が、半径方向冷却材通路２５を画成するように翼弦軸線３０に沿って離隔されている。図３に示すように、隣り合った列内のピン２２は、半径方向Ｒにずらして配置されていてもよい。ピン２２の最後の、すなわち、最も後方の列Ｎから出た冷却材は、後縁２０に配置された排出オリフィス２７の列を通って排出される（図２参照）。２つまたは３つのインピンジメントプレートと比べると、上述の配置は、冷却材のためのより長い流路を提供し、熱伝達および圧力降下の両方を高めて冷却材流量を制限することが示されている。したがって、このような配置は、より少量の冷却空気を必要とする最新式タービンブレード用途に適している可能性がある。

しかしながら、幾つかの用途では、上述の配置は、細長いピン２２の最後または最も後方の列Ｎのすぐ下流でかつ排出オリフィス２７の上流における後縁２０内への高温ガスの再循環または吸込みにつながり得ることが、本発明者らによって認識された。これは、ピン２２の最後の列Ｎの下流における、翼１０の外側の高温ガスの圧力と等しいかまたはそれよりも低い圧力のゾーンを生じさせることがある後流によって形成される可能性がある。高温流体の吸込みの結果として、後縁に熱流束の増大が生じることがあり、この場合、熱が高温流体から翼外壁へ伝達される。

翼後縁２０内への高温ガスの再循環を防止することができる改良された設計を有することが望ましい。問題を解決するための１つの方法は、ピン２２の列を後縁２０まで完全に延長させることを含んでもよい。しかしながら、多くのタービン翼は現在では鋳造によって製造されており、この技術は、鋳造後の後縁の機械加工中に、公差を減少させる場合がある。これは、特に、極めて鋭い後縁の機械加工に当てはまる。高温ガスの再循環または吸込みの問題を解決するための別の可能な方法は、ピン２２の厚さを軸方向で、すなわち、翼弦軸線３０に沿って増加させることであってもよく、これは、ひいては、冷却の有効性を減らすことがある。

図４および図５は、本発明の実施の形態による後縁冷却特徴５０を示している。この実施の形態は、後縁内への高温ガスの再循環または吸込みのメカニズムが、延在したピンの最後のまたは最も後方の列によって生じる大きな冷却材妨害である、という本発明の認識に基づく。図示したように、複数の細長いピン２２ａ〜２２ｌは、後縁２０に向かって翼内部１１に配置されている。各細長いピン２２ａ〜２２ｌは、正圧面１４から負圧面１６まで延びており（図４参照）、さらに、半径方向Ｒに延びている（図５参照）。特に図５を参照すると、複数のピン２２ａ〜２２ｌは、複数（この場合は、１２）の半径方向の列Ａ〜Ｌ内に配置されており、半径方向の列Ａ〜Ｌは、一列に配置されておりかつ翼弦軸線３０に沿って離隔されている。各列内のピン２２ａ〜２２ｌは、ピンの間に軸方向冷却材通路２４ａ〜２４ｌを画成するように離隔されている。半径方向に離隔された軸方向隔壁２６の列が、ピン２２ｌの最後の列Ｌの後方に配置されている。各軸方向隔壁２６は、正圧面１４から負圧面１６まで延びており、略軸方向に細長くなっている。すなわち、軸方向隔壁２６は、翼弦軸線３０に沿って延びており、後縁２０において終わっている。軸方向に延びる冷却材出口スロット２８が、隣接する隔壁２６の間の間隙に画成されている。冷却材出口スロット２８は、ピン２２ｌの最後の列Ｌから出てくる冷却材を、翼１０から高温ガス通路内へ排出されるように方向付ける。各出口スロット２８は、２つの隣接する隔壁２６、すなわち、半径方向外側の隣接する隔壁２６ａと、半径方向内側の隣接する隔壁２６ｂとによって画成されているとみなすことができる。

図３に示した実施態様に関連して認識することができるように、この実施の形態では、細長いピンの最も後方の列（この場合、最後の２列ＭおよびＮ）が排除されており、軸方向隔壁２６によって置き換えられている。軸方向隔壁２６は、ピン２２ｌの最後の列Ｌの下流の低圧ゾーンが潜在的に高温ガスの再循環または吸込みを生じ得る上述の後流妨害効果を排除するように示されている。さらに、軸方向隔壁２６は、正圧面１４と負圧面１６との間に構造的支持を提供し、鋳造後のより大きな機械加工公差を許容する。

例示した実施の形態では、各細長いピン２２ａ〜２２ｌは、半径方向Ｒに対して平行な長さ寸法を有し、この長さ寸法は、翼弦軸線３０に対して平行な幅寸法よりも大きい。図５に示したように、各細長いピン２２ａ〜２２ｌは、半径方向Ｒに対して略平行な第１および第２の側３２ａ，３２ｂと、半径方向Ｒに対して横方向に延びる第３および第４の側３２ｃ，３２ｄとから形成されていてもよい。この場合、第３および第４の側３２ｃ，３２ｄは、凸形である。上記構成は、高い熱伝達率および高い圧力降下の両方を提供するように示されており、これにより、冷却材流量を制限する。他の実施の形態では、細長いピン２２ａ〜２２ｌは、特に矩形、楕円形、長円形などの代替的な横断面形状を有していてもよい。

図５に示したように、後流妨害効果が最小になることを保証するために、各出口スロット２８の幅ｗ２８は、半径方向Ｒに沿った各軸方向隔壁２６の幅ｗ２６よりも実質的に大きくてもよい。一例として、幅ｗ２６に対する幅ｗ２８の比は、３と等しいかまたはそれよりも大きくてもよい。半径方向Ｒにおける軸方向隔壁２６の数値的周期数は、好適には、半径方向Ｒにおけるピン２２ｌのそれと等しくてもよい。さらに、軸方向隔壁２６は、翼弦軸線３０に沿った長さ寸法を有していてもよく、この長さ寸法は、半径方向Ｒでの幅寸法よりも実質的に大きい。半径方向Ｒでのより小さな厚さは、冷却材妨害の減少をも保証し、出口スロット２８における直接冷却を高める。図示した実施の形態では、軸方向隔壁２６は、ピン２２ｌの最後の列Ｌ内の冷却材通路２４ｌに対してずらされた半径方向位置を占めている。特に、各軸方向隔壁２６は、最後の列Ｌ内のそれぞれのピン２２ｌの中間部分と整列した半径方向位置を占めてもよい。この場合、各出口スロット２８は、最後の列Ｌ内の隣接するピン２２ｌの中間部分と整列した、隣接する軸方向隔壁２６ａおよび２６ｂの間に延びていてもよい。

別の実施の形態では、１つまたは複数のタービュレータ３４ａ，３４ｂ，３６ａ，３６ｂが、正圧面１４および負圧面１６における各出口スロット２８に配置されていてもよい。図示した例では、タービュレータ３４ａ，３４ｂは正圧面１４に配置されているのに対し、タービュレータ３６ａ，３６ｂは負圧面１６に配置されている。タービュレータ３４ａ，３４ｂ，３６ａ，３６ｂは、対流熱伝達を高めるために、出口スロット２８内の冷却材の流れ面積を減じながら、乱流を増大させる。図５に示したように、正圧面および負圧面におけるタービュレータは、翼弦軸線３０に沿ってずれていてもよいし、翼弦軸線３０に対して横方向で重なり合っていてもよい。加えて、タービュレータ３４ａ／３６ａおよび３４ｂ／３６ｂは、それぞれ半径方向外方または内方を指すように角度付けられていてもよい。角度付けられたタービュレータ３４ａ，３４ｂ，３６ａ，３６ｂは、半径方向での有効な冷却材拡散を保証するために、隣接する隔壁２６ａおよび２６ｂに向かって冷却材流を押し付け、これにより、後縁２０に沿ってより均一な熱伝達を提供する。タービュレータ３４ａ，３４ｂ，３６ａ，３６ｂによって生じた分岐流は、さらに、後縁２０における高温ガスの再循環または吸込みを低減することができる。特に、正圧面１４および負圧面１６はそれぞれ、半径方向外側の隣接する隔壁２６ａに向かって角度付けられた少なくとも１つのタービュレータ３４ａ，３６ａと、半径方向内側の隣接する隔壁２６ｂに向かって角度付けられた少なくとも１つのタービュレータ３４ｂ，３６ｂとを有していてもよい。この場合、半径方向外側の隣接する隔壁２６ａに向かって角度付けられたタービュレータ３４ａ，３６ａは、図５に示したように、翼弦軸線３０に沿って、半径方向内側の隣接する隔壁２６ｂに向かって角度付けられたタービュレータ３４ｂ，３６ｂと交互に位置していてもよい。

１つの実施の形態では、軸方向隔壁２６およびタービュレータ３４ａ，３４ｂ，３６ａ，３６ｂは、鋳造によって製造されてもよい。例示した実施の形態は、細長いフィンが出口に隣接している場合よりも、後縁のその後の機械加工の間、より大きな製造公差を提供することができる。

特定の実施の形態について詳細に説明してきたが、全体的な開示内容を考慮して、これらの詳細に対する様々な変更および代替を開発することができることを当業者は認識するであろう。したがって、開示された特定の配列は、例示的でしかなく、添付の請求項およびそのあらゆる全ての均等物の全範囲が与えられるべき本発明の範囲に関して制限するものではないことが意味されている。

Claims (9)

1. タービンエンジン用の翼（１０）であって、
   翼内部（１１）を画定する外壁（１２）であって、該外壁（１２）は、前記タービンエンジンの半径方向（Ｒ）において翼幅方向に延びており、前縁（１８）および後縁（２０）で接続された正圧面（１４）および負圧面（１６）によって形成されており、前記正圧面（１４）と前記負圧面（１６）との間の中央に延びる翼弦軸線（３０）が規定されている、外壁（１２）と、
   前記後縁（２０）に向かって前記翼内部（１１）に配置された複数のピン（２２ａ〜２２ｌ）であって、各ピンは、前記正圧面（１４）から前記負圧面（１６）まで延び、さらに半径方向（Ｒ）に細長くなっており、前記複数のピン（２２ａ〜２２ｌ）は、前記翼弦軸線（３０）に沿って離隔された複数の半径方向の列（Ａ〜Ｌ）内に配置されており、各列内の前記ピン（２２ａ〜２２ｌ）は、ピンの間に冷却材通路（２４ａ〜２４ｌ）を画成するように互いに離隔されている、複数のピン（２２ａ〜２２ｌ）と、
   前記ピン（２２ｌ）の最後の列（Ｌ）の後方に配置された、半径方向に離隔された隔壁（２６）の列であって、各隔壁（２６）は、前記正圧面（１４）から前記負圧面（１６）まで延びかつ略軸方向に細長くなっており、前記後縁（２０）において終わるように前記翼弦軸線（３０）に沿って延びており、隣接する前記隔壁（２６ａ，２６ｂ）の間の間隙に、軸方向に延びる冷却材出口スロット（２８）が画成されており、該冷却材出口スロット（２８）は、前記ピン（２２ｌ）の前記最後の列（Ｌ）から出た冷却材を、前記翼（１０）から高温ガス通路内へ排出されるように方向付ける、半径方向に離隔された隔壁（２６）の列と、
   を備え、
   前記隔壁（２６）は、前記ピン（２２ｌ）の前記最後の列（Ｌ）内の冷却材通路（２４ｌ）に対してずらされた半径方向位置を占めている、
   タービンエンジン用の翼（１０）。
2. 隣接する列内の前記ピン（２２ａ〜２２ｌ）は、前記半径方向（Ｒ）でずらして配置されている、請求項１記載の翼（１０）。
3. 前記隔壁（２６）はそれぞれ、前記ピン（２２ｌ）の前記最後の列（Ｌ）内のそれぞれの前記ピン（２２ｌ）の中間部分と整列した半径方向位置を占めている、請求項１または２記載の翼（１０）。
4. １つまたは複数のタービュレータ（３４ａ，３４ｂ，３６ａ，３６ｂ）が、それぞれ前記正圧面（１４）および前記負圧面（１６）における各出口スロット（２８）に配置されている、請求項１から３のいずれか１項記載の翼（１０）。
5. 前記正圧面（１４）および前記負圧面（１６）における前記タービュレータ（３４ａ，３４ｂ，３６ａ，３６ｂ）は、前記翼弦軸線（３０）に沿ってずれている、請求項４記載の翼（１０）。
6. 前記正圧面（１４）および前記負圧面（１６）における前記タービュレータ（３４ａ，３４ｂ，３６ａ，３６ｂ）は、前記翼弦軸線（３０）に対して横方向で重なり合っている、請求項４記載の翼（１０）。
7. 前記タービュレータ（３４ａ，３４ｂ，３６ａ，３６ｂ）は、前記出口スロット内の冷却材流を隣接する前記隔壁（２６ａ，２６ｂ）に向かって案内するように角度付けられている、請求項４から６のいずれか１項記載の翼（１０）。
8. 前記正圧面（１４）および前記負圧面（１６）はそれぞれ、半径方向外側の隣接する前記隔壁（２６ａ）に向かって角度付けられた少なくとも１つのタービュレータ（３４ａ，３６ａ）と、半径方向内側の隣接する前記隔壁（２６ｂ）に向かって角度付けられた少なくとも１つのタービュレータ（３４ｂ，３６ｂ）とを有する、請求項７記載の翼（１０）。
9. 前記半径方向外側の隣接する隔壁（２６ａ）に向かって角度付けられた前記タービュレータ（３４ａ，３６ａ）は、前記翼弦軸線（３０）に沿って、前記半径方向内側の隣接する隔壁（２６ｂ）に向かって角度付けられた前記タービュレータ（３４ｂ，３６ｂ）と交互に位置している、請求項８記載の翼（１０）。

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