JP6731353B2 - 冷却が最適化されたタービンブレード - Google Patents

Description

本発明は、例えば複流ターボエンジンや複流ターボプロップなど、ターボ機械タイプの航空機エンジンのブレードに関する。

かかるエンジンでは、外気が、入口スリーブに取り込まれて、回転する一連の羽根を備えたブロワを通過してから、中心の主要流とその主要流を取り囲む副流とに分割される。

次に、主要流は、圧縮されてから燃焼チャンバに達し、その後一連のタービンを通過することにより膨張してから、推力を発生させることによって後部に向かって放出される。副流は、追加の推力を発生させるために、上記ブロワによって直接後部に向かって推進される。

タービン内での膨張により、圧縮器とブロワの駆動が可能になるが、その膨張は、燃焼の直後に引き起こされることから高温で行われる。したがって、このタービンは、過酷な温度、圧力および流体流の条件で動作するように設計、寸法決めされる。

各タービンは連続する段を備え、各段は、エンジンの回転シャフトの周りに規則的に隔てられた径方向に延びる一連のブレードを備える。この中心シャフトはタービンの回転要素を支承し、圧縮器およびブロワの回転要素も支承する。

具体的には、最も過酷な条件にさらされるタービンブレードは、このタービンの第１の膨張段、すなわち燃焼ゾーンに最も近い、一般に高圧段と呼ばれる段のブレードである。

一般に、性能に対する要求が大きくなり、規制の変更が行われると、いっそう過酷な環境で動作する、より小さいサイズのエンジンを設計することになる。これは、高圧タービンブレードの耐性および性能を、特にその温度耐性に関して向上させることを意味する。

しかしながら、こういったブレードの材料および被膜が、燃焼チャンバの下流の流れで達しうる高温に耐えうるようにするには、それに対する従来の改良では不十分である。こうした状況のため、ブレードをこの新しい動作条件に耐えうるように改良するよう、ブレードの冷却の見直しが行われる。

ブレードの冷却は、燃焼の上流でターボエンジンに取り込まれた冷却空気を、そのブレードの内部で循環させることによって行われる。この空気は、ブレード根元で取り込まれて、ブレードを冷却するためにその内部回路に沿って搬送され、ブレードの壁一面に分散配置された、その壁を貫通する孔によって、ブレードの外部に放出される。こういった孔は、冷却空気の放出にも使用されるが、ブレードの外側表面に、燃焼から得られる空気よりも低温の空気の膜も作り出す。これもやはり、ブレードの温度の制限に寄与する。

冷却効果を高めるために、冷却空気が循環するブレードの内部領域は、細工が施されている、すなわち冷却空気の流体流を妨害する内部凹凸を含んでいる。これは、ブレードの壁から、そのブレードの内部ダクト内を循環する冷却空気への、熱の伝達を向上させるためである。

こういった従来の冷却構造は、ブレードの内部回路の長さのため、空気がその端に達したときに過度に熱せられてしまうことで不利になる。その結果、移動の端の領域、特に、冷却効果を高めることが求められるブレードの先端で、空気の冷却効果が制限される。

本発明の目的は、このブレードの冷却効果の改善を可能にするブレード構造を提案することである。

この趣旨で、本発明が目的とするのは、ターボプロップやターボエンジンなどのターボ機械のタービンブレードであって、上記ブレードが、根元と、上記根元によって担持され、スパン方向（ＥＶ）に延びて先端で終端する羽根とを備え、上記羽根が、前縁と、上記前縁の下流に位置する後縁とを備え、上記羽根が、互いに横方向に隔置された正圧側の壁および負圧側の壁を備え、上記壁がそれぞれ、上記前縁と上記後縁を接続し、上記羽根が、
上記ブレードの上記根元で冷却空気を取り込み上記羽根を冷却するために上記羽根内で上記冷却空気を循環させるように構成される、少なくとも１つのダクトと、
上記冷却空気を上記羽根から排出するための上記羽根の上記各壁に作られた孔および／またはスロットと、
上記羽根の先端を冷却するための上記羽根の上記先端に位置する内部の上内方キャビティとを備え、
上記ダクトの少なくとも１つが、上記根元で取り込まれた冷却空気を上記上内方キャビティに直接供給する、ブレードである。

本発明はまた、上記上内方キャビティが、上記羽根の上記後縁の少なくとも１つの冷却スロットに供給するために上記羽根の前部から後部まで延びている、上記で定義したブレードに関する。

本発明はまた、上記正圧側の壁が、上記上内方キャビティに通じる少なくとも１つの貫通孔または貫通スロットを備える、上記で定義したブレードに関する。

本発明はまた、上記直接供給ダクトを上記正圧側の壁から断熱する熱シールドを形成するために上記直接供給ダクトから分離されながら上記正圧側の壁に沿って延びる第１内方側面キャビティを備える、上記で定義したブレードに関する。

本発明はまた、上記直接供給ダクトを上記負圧側の壁から断熱する熱シールドを形成するために上記直接供給ダクトから分離されながら上記負圧側の壁に沿って延びる第２内方側面キャビティをさらに備える、上記で定義したブレードに関する。

本発明はまた、各内部側面キャビティが、そこで熱交換を向上させるための乱流の促進体および／または偏向体を備え、各直接供給ダクトが負荷損を制限するための平滑な壁を有する、上記で定義したブレードに関する。

本発明はまた、上記上内方キャビティの上記直接供給ダクトが上記ブレードの上記前縁の上流冷却用傾斜部である、上記で定義したブレードに関する。

本発明はまた、上記直接供給ダクトが上記上内方キャビティへの冷却空気の供給専用の中心ダクトである、上記で定義したブレードに関する。

本発明はまた、上記２つの側面キャビティが上記直接供給ダクトの長さのほぼ全体にわたって延びて上記直接供給ダクトの周囲の４分の３を取り囲む単一のキャビティを形成するために上記直接供給ダクトの下流に位置する接合ゾーンによって統合されている、上記で定義したブレードに関する。

本発明はまた、上記正圧側の壁に位置する上記後縁の冷却スロットに供給するための下流傾斜部と、上記下流傾斜部の調整された供給を行うための下流ダクトとを備え、前記下流ダクトが各側面キャビティによって断熱されている、上記で定義したブレードに関する。

本発明はまた、上記前縁の冷却孔に供給するための上流傾斜部と、上記上流傾斜部の調整された供給を行うための上流ダクトとを備え、前記上流ダクトが各側面キャビティによって断熱される、上記で定義したブレードに関する。

本発明はまた、キャビティと、内部ダクト、傾斜部および場合によりシールドを形成する内側キャビティの形成を目的とした一組のコアとを備える、上記で定義したブレードを製造するために成形する手段に関する。

本発明はまた、上記で定義したブレードを備えるターボ機械のタービンに関する。

本発明はまた、上記で定義したタービンを備えるターボ機械に関する。

複流ターボエンジンの縦断面概略図である。 図１に示されているターボエンジンのタービンブレードの斜視図である。 本発明の第１の実施形態によるタービンブレードの内部中空部分の斜視図である。 本発明の第２の実施形態によるタービンブレードの内部中空部分の斜視図である。 本発明の第３の実施形態によるタービンブレードの内部中空部分の斜視図である。 本発明の第４の実施形態によるタービンブレードの内部中空部分の斜視図である。 本発明の第５の実施形態によるタービンブレードの内部中空部分の斜視図である。 本発明の第６の実施形態によるタービンブレードの内部中空部分の斜視図である。

図１で確認できるように、複流ターボエンジン１の前部部分は、入口スリーブ２を備える。空気は、この入口スリーブ２で取り込まれてから、ブロワ３の羽根で吸引される。空気は、ブロワの領域を通過した後、中心の主要流とその主要流を取り囲む副流とに分割される。

次に、空気の主要流は、ブロワ３の直後に位置する第１の圧縮器４を通過する。それと同時に、副流は後部に向かって推進されて、主要流の周りに吹き付けられることによって追加の推力を直接発生させる。

次に、主要流は、燃料の噴射／気化後、第２の圧縮段６を通過してから、その燃焼が行われるチャンバ７に達する。この主要流は燃焼後、高圧タービン８、低圧タービン（図示せず）で順に膨張して圧縮段およびブロワを回転駆動してから、エンジンの後部に向かって排出されて推力を発生させる。

エンジン１およびその構成部品は、長手方向の軸ＡＸの周りに回転形状を有する。エンジン１は、詳細には外部ケーシング９を備えている。外部ケーシング９もやはり、回転形状を有し、空気入口スリーブを定義するエンジンの前部から、主要流と副流が放出されるダクトを定義する後部まで延びている。前部、後部は、このターボエンジンを備える航空機の進行方向に対するものとみなす。このケーシング９は、エンジンの中心に位置する回転構成部品を支持する。これらの回転構成部品は、ブロワの羽根と、ブレードを有する圧縮段およびタービンとを支承する、１本の回転シャフトを含む。

図２に符号１１で示したこのブレードは、タービンディスクと呼ばれる回転体（図示せず）に固定される根元Ｐと、この根元Ｐによって担持され、空気力学的部分を構成する羽根１２とを備える。図２で確認できるように、ブレード１１は、根元Ｐと羽根１２の間に、プラットフォームと呼ばれる中間領域１３を備える。

この根元Ｐと羽根１２によって形成されるユニットは、鋳造から得られる中空の、冷却空気が循環する内部ダクトを備える独自の一体部品である。これらの内部ダクト（図２には図示せず）は、根元Ｐの下面１４に通じる吸気口を備え、その吸気口を介して、そのダクトに冷却空気が供給される。羽根１２の中空の壁は、冷却空気が放出される貫通孔およびスロットを備える。

羽根１２は、平行六面体に似たほぼ矩形の輪郭をした左捩りの形状を有する。羽根１２は土台１６を備え、その土台１６を介して根元Ｐに接続されている。土台１６は回転軸ＡＸとほぼ平行に延びている。羽根１２はまた、軸ＡＸに対して径方向に延びる前縁１７を備えている。前縁１７はブレードの上流ＡＭに位置している。ブレードの上流ＡＭとはすなわち、このブレードが設けられたエンジンの稼動中の進行方向に対して、ブレードの前方の領域になる。このブレードはまた、前縁１７とほぼ平行な向きの後縁１８を備えている。後縁１８は、前縁１７から軸ＡＸに沿って、領域ＡＶの下流またはブレードの後ろに位置するように隔置されている。このブレードはさらに、軸ＡＸに対して径方向に土台１６から隔置され、その土台１６とほぼ平行な先端Ｓを備える。

このブレードの２つの主要な壁は、図２で確認できる壁である正圧側の壁２１と、正圧側の壁から隔置された反対側の壁である負圧側の壁である。負圧側の壁は、正圧側の壁２１に隠れていることから、図２では確認できない。正圧側の壁と負圧側の壁は、前縁１７のところと、後縁１８のところと、ブレードの先端Ｓの領域のところで統合される。これらの壁は、羽根の内側領域に冷却空気を取り込むように、土台１６のところで互いに隔置されている。

前縁１７は、凸状の形状を有し、この領域のブレードの壁を貫通する一連の冷却孔２２を備えている。後縁１８は、テーパ状の形状を有し、一連の冷却スロット２３を備えている。これらのスロット２３は、互いに隔置された長さの短いスロットであり、後縁から少し隔たったところで互いの延長線上に位置することにより、スパン方向に沿って互いに隔置されて広がっている。

各スロット２３はブレードの壁を貫通している。これは、そのブレードの内部の冷却空気を取り出し、後縁の正圧側の壁に吹き付けるためである。さらに、後縁１８が、上記のスロット２３から得られる冷却空気を導くために、軸ＡＸと平行な向きの外側リブを備えている。

動作中、流体は、正圧側２１および負圧側に沿って流れることによって、ブレード１１に対して前縁１７から後縁１８まで移動する。動作中かなり熱せられる正圧側の壁は、前縁１７の下流に位置してその前縁１７とほぼ平行な一連の孔２４と、後縁１８とその後縁が備えるスロット２３との上流に位置してその後縁１８とほぼ平行な別の一連の孔２６とを備えている。したがって、一連の孔２４および２６は共に、軸ＡＸに対して径方向の、上記の羽根のスパン方向ＥＶに広がる。

ブレード１１の先端Ｓの領域は、前縁１７および後縁１８とは異なり、一定の厚さを有し、さらに、タブと呼ばれる中空部分を定義する形状を有する。

より具体的には、この先端Ｓは、正圧側の壁と負圧側の壁を接続する閉鎖壁を有している。この閉鎖壁は、正圧側の壁および負圧側の壁に対して全体的に垂直で、軸ＡＸと平行な向きを有する。軸ＡＸは、スパン方向ＥＶに対して垂直な向きに対応する。図２では確認できないこの閉鎖壁は、正圧側の壁の自由縁および負圧側の壁の自由縁に対して軸ＡＸの方に引っ込んだ位置にあり、その閉鎖壁がこれらの縁部と共同で、軸ＡＸと反対の方向に開口した中空部分を構成するようになっている。

正圧側の壁を貫通する一連の追加の孔２７が、先端Ｓに沿って設けられている。これは、この羽根の先端を大幅に冷却できるようにするためである。羽根の先端は、流体に対して最高速度を有する部分を構成することから、大きな応力を受ける。

一連の孔２７は閉鎖壁と平行に広がっている。この羽根はさらに、羽根の先端にあるタブと呼ばれる中空部分に通じるように、閉鎖壁を貫通する孔（図２では確認できない）を備えている。

上記で示したように、かかるブレードは、中空の一体部品である。このブレードは、金属材料を成形することによって製造される。この成形は、ブレードの中空部分の内部ダクトを形成するために一組のコアを使用し、ブレードの貫通孔を形成するためにロッド部分を使用することによって行われる。これらのコア、ロッド等は、成形の操作が完了すると、典型的にはエッチングの工程で除去される。この工程でそのような要素を、成形材料を変質させることなく溶解できる。

以下の各図は、本発明によるブレードの内部領域を示す。この内部領域は、そのブレードの製造を可能にするコアの形状によって表されている。つまり、以下の各図の凹凸形状は、本発明によるブレードの中空の形状の表現となっている。

本発明のベースになる考え方は、正圧側の壁の、ブレードの後縁および先端の近傍の領域における、ブレードの冷却を改善するということである。実際に、この領域は、ブレードの寿命を通じて最初に劣化するところである。

この改善は、ブレードの先端の領域に、ブレードの前部から後部まで延びる上内方キャビティを設け、この上内方キャビティに、それ用の供給ダクトによって、ブレードの根元から得られる空気を直に供給することで実現される。

したがって、根元で取り込まれた空気は、迂回することなく、ほぼ直接的な形で、上内方キャビティまで搬送される。したがって、この空気の、上内方キャビティに達するような供給ダクトにおける移動距離は、スパン方向ＥＶに沿って、羽根の長さ以下の長さになる。つまり、直に供給を行うことによって、このダクトで、上内方キャビティに供給される空気の加熱を最小限にすることが可能になる。

図３に対応する第１の実施形態では、上記供給ダクトは、上流に位置する前縁の冷却用傾斜部によって形成される。図４〜８に対応する他の実施形態では、この供給ダクトは、ブレードの中心、すなわちブレードの前縁と後縁のほぼ中間に位置するダクトによって構成される。

したがって、本発明の第１の実施形態では、図３の符号３１が付いたブレードが内部ダクトを備え、各内部ダクトは、ブレードの先端の正圧側の領域で冷却効果を向上させるように、その領域にできるだけ低温の冷却空気を供給するよう配置される。

したがって、ブレード３１の内部は、その符号ＡＭが付いた上流領域に、スパン方向ＥＶに沿った向きの、前縁に沿って延びる上流傾斜部３２を備える。この上流傾斜部３２は、冷却空気を、ブレードの前縁を形成する壁の部分を貫通する冷却孔に供給すると同時に、ブレードの上内方キャビティ３３に直に供給する。上流傾斜部３２は、符号Ｐが付いたブレードの根元から延び、その根元を介して空気が直に供給され、符号Ｓが付いたブレードの先端まで延びる。

先端の近くに位置する上内方キャビティ３３は、ブレード３１の前部から符号ＡＶが付いた後部まで、このブレードの閉鎖壁と正圧側の壁とに沿って延びている。これらの２つの壁は、図がこのブレードの中空領域の表現であることから、図３では確認できない。

したがって、ブレード３１の先端Ｓの、その長さのほぼ全体にわたって、詳細にはその先端Ｓの下流端まで、ブレード３１の正圧側の側面に位置する部分全体に、上内方キャビティ３３から空気が供給される。上内方キャビティ３３それ自体には、ダクトを形成する上流傾斜部３２から空気が供給される。

上内方キャビティ３３は、下流領域ＡＶにある、ブレードの後縁に達している。これは、この後縁の少なくとも１つの冷却スロット、すなわち、先端に最も近い、ブレードの最も過酷に応力を受ける領域の１つに対応するスロットに、冷却空気を供給するためである。

上内方キャビティ３３は、羽根の幅または厚さより狭い幅にまたがって、正圧側の壁に沿って延びる。すなわち、上内方キャビティ３３の厚さは、正圧側の壁と負圧側の壁を分離する距離より狭い幅を有する。上内方キャビティ３３は、正圧側に沿って延びる第１の面３４と、第１の面３４から隔置された第２の面３６とによって横方向に定義される。第１の面３４と第２の面３６は、この上内方キャビティの前部と後部で統合されている。

上内方キャビティ３３は、閉鎖壁と平行な、その閉鎖壁から隔置された底面３７と、この閉鎖壁の下面である上面３８とによって、縦方向に定義される。

羽根の先端Ｓの領域では、正圧側の壁が貫通孔（図示せず）を備えうる。この貫通孔によって、上内方キャビティ３３は、その先端領域の正圧側の壁の外面をさらに冷却することが可能になる。

ブレード３１の内部はさらに、下流傾斜部４１を備える。下流傾斜部４１は、根元Ｐから先端Ｓの領域まで後縁に沿って延び、上内方キャビティ３３の後部の下で終端する。この下流傾斜部４１は、後縁の一連の冷却スロット（図３では確認できない）に空気を供給する。

したがって、後縁の冷却スロットの大部分は、下流傾斜部４１から空気が供給される。最も大きな熱応力がかかる領域である、先端Ｓに最も近い１つまたは複数のスロットには上内方キャビティが空気を供給する。したがって、先端に近いスロットは、より低温の空気が供給され、かつ／または他のスロットより大きな流量を有する。

図３のブレードはさらに、第１の中心ダクト４２と、第２の中心ダクト４３と、下流ダクト４４を備えている。これらのダクトは、スパン方向に沿った向きで、いわゆるクリップの配置に従って互いに連通している。上流傾斜部３２に沿って延びる第１の中心ダクト４２は、ブレードの根元で空気を取り込み、第２の中心ダクト４３に空気を供給するために先端Ｓで第２の中心ダクト４３と連通している。

この第２の中心ダクト４３は、下流ダクト４４に空気を供給するためにブレードの土台のところで下流ダクト４４と接続されている。この下流ダクト４４は、下流傾斜部４１と平行に根元Ｐから先端Ｓまで直線状に延びている。下流ダクト４４は、下流傾斜部４１の上流に位置しその下流傾斜部４１に沿って延びている。

この図で確認できるように、下流ダクト４４の端は、上内方キャビティ３３を迂回するように上内方キャビティ３３の第２の面３６に沿って延びて、先端Ｓの領域で終端している。正圧側の壁は貫通孔を備えうる。この貫通孔によって、その正圧側の壁の外面に、ダクト４２、４３、４４から冷却空気を供給することが可能になる。これは、その正圧側の壁の外面に冷却空気による外膜を形成することによって、そこを冷却するためである。

正圧側の壁は、下流ダクト４４のところに貫通孔を備えうる。この貫通孔を介して下流ダクト４４は羽根の後縁の上流で正圧側の壁の外面を冷却する空気を供給する。

こういった後縁の上流にある正圧側の壁の冷却孔に加えて、または別法として、下流ダクト４４はスパン方向ＥＶに沿って互いに規則的に隔置された一連の調整された通路（図示せず）によって下流傾斜部４１に空気を供給するように構成してもよい。この場合、下流ダクト４４には、第２のダクト４３から空気が供給されるのではなく、下流傾斜部に供給する空気の温度ができるだけ低くなるように、ブレードの根元のところで冷却空気を直接取り込む。

したがって、設計上の選択に応じて、下流傾斜部４１には、下流ダクト４４から調整された形で空気が供給されうる、あるいはこれに対し、ブレードの根元の領域で直に空気が供給されうる。

このとき、上記の各通路は、後縁の各冷却スロット内で所望の空気流量を概ね得るように調整される。所定のスロットに必要な空気流量は、そのスロットによって冷却される領域における前縁の熱応力によって条件付けられる。

図４に示されている本発明の第２の実施形態では、符号５１のブレードが、中心ダクト５３から直に供給される上内方キャビティ５２を備える。中心ダクト５３は完全にこの上内方キャビティ５２専用である。したがって、図３の第１の実施形態と異なり、上内方キャビティの供給ダクトは前縁の冷却に関与しない。

図４のこのブレード５１では、さらに、正圧側の壁に沿って延びる第１の側面キャビティ５４と、負圧側の壁に沿って延びる第２の側面キャビティ５６が設けられる。これらの２つの側面キャビティは、羽根を取り囲む気体の流れによって熱せられる正圧側の壁および負圧側の壁から、中心ダクトと、ブレードの調整された供給を行うための上流ダクトを断熱する。

このブレード５１の上内方キャビティ５２は、図３のブレード３１のキャビティとほぼ同じ形状を有する。これは、先端Ｓの近くに位置し、羽根の前部から後部まで閉鎖壁と正圧側の壁に沿って延びている。この場合も、正圧側に位置する先端Ｓの部分全体に、その長さのほぼ全体にわたって後端まで、この上内方キャビティ５２によって空気が供給される。上内方キャビティ５２は、少なくとも先端Ｓに最も近い符号５５のスロットに（場合によりそれに隣接する２、３個のスロットにも冷却空気を供給するために）後縁まで延びている。

上内方キャビティ５２の厚さは、この場合やはり羽根の厚さより薄い。上内方キャビティ５２は、正圧側に沿って延びる第１の面５７と、第１の面から隔置された第２の面５８とによって横方向に定義され、これらの面は前部と後部で統合されている。縦方向には、上内方キャビティ５２は、閉鎖壁と平行な底面５９と、この閉鎖壁の下面６１とによって定義される。

羽根の先端Ｓの領域では、正圧側の壁はその先端の領域の正圧側の壁の外面を冷却するために貫通孔も備えうる。

中心ダクト５３は、空気が供給されるブレードの根元Ｐからこのブレードの先端まで延びており、上内方キャビティ５２に空気を供給する。その先端で上内方キャビティ５２の底面５９に中心ダクト５３全体がつながっている。

ブレード５１の前縁は、上流傾斜部６２によって冷却される。上流傾斜部６２は、羽根の土台から先端Ｓまで延びているが、空気の供給は根元から直にではなく、上流ダクト６３から調整された形で行われる。この調整された供給は、ブレードのスパン方向ＥＶに沿って規則的に隔置された調整された通路６４によって行われる。通路６４はそれぞれ、上流ダクト６３を上流傾斜部６２に接続している。各通路６４は、調整された直径、すなわち、その通路６４が供給する傾斜部６２のゾーンで、この領域におけるブレードの熱応力によって条件付けられる所望の空気の流れを得るように設計時に選択された直径を有する。

ブレードの壁は前縁の領域に孔（図示せず）を備え、その前縁の外面を冷却するために、傾斜部内で循環する空気がその孔を介して壁を通過する。

図４で確認できるように、第１の側面キャビティ５４は薄い厚さを有し、根元Ｐから先端Ｓの領域まで延び、全般に矩形の輪郭を有する。この第１の側面キャビティ５４は、上内方キャビティ５２を覆わないように、その上内方キャビティ５２の下で終端する。第１の側面キャビティ５４は、中心ダクト５３と、この中心ダクト５３に沿って延びる上流ダクト６３を、遮蔽するまたは覆うのに十分な幅を有している。

同様に、第２の側面キャビティ５６もやはり、薄い厚さを有し、根元Ｐから先端Ｓの領域まで延び、上内方キャビティ５２を覆う。この第２の側面キャビティは全般に矩形の輪郭を有し、中心ダクト５３と、上流ダクト６３および負圧側の上内方キャビティ５２を、遮蔽するまたは覆うのに十分な幅を有する。

これらの２つの側方キャビティ５４および５６が形成する熱シールドのおかげで、中心ダクト５３によって上内方キャビティ５２に供給される空気が、そのダクト内における搬送の間低温のまま維持される。同様に、上流ダクト６３から供給される空気もやはり、その上流ダクト内における搬送の間低温のまま維持される。

上記に示したように、先端Ｓの領域に位置する後縁の１つまたは複数の冷却スロットには、上内方キャビティ５２によって空気が供給される。後縁の符号６７が付いた他のスロットは下流傾斜部６６から供給される。下流傾斜部６６には、根元Ｐを介して直接空気が供給される。下流傾斜部６６は、その根元Ｐから先端Ｓの領域まで延び、上内方キャビティ５２の後部の下で終端する。

したがって、スロット６７には下流傾斜部６６から空気が供給されるが、上部キャビティ５２が先端Ｓに最も近い１つまたは複数のスロットにより低温の、かつ／またはより大きな流量を有する空気を供給する上内方キャビティ。

図５に示されている本発明の第３の実施形態では、符号７１のブレードがやはり上内方キャビティ７２を備え、上内方キャビティ７２には、２つの側面キャビティ７４および７６によって断熱された専用の中心ダクト７３から空気が供給される。これらの２つの側面キャビティはやはり、ブレード前縁の冷却用傾斜部の調整された空気の供給を行う上流ダクトも断熱する。しかし、この第３の実施形態では、２つの側面キャビティ７４および７６は、中心ダクト７３をその周囲の４分の３にわたって取り囲むようにして、ブレードの後部または下流部分で統合される。これは、この中心ダクト７３に対するより良好な断熱を実現するように行われる。

上内方キャビティ７２は、図３および４のブレードのキャビティとほぼ同じ形状を有する。これは、先端Ｓの近くに位置し、羽根の前部から後部まで閉鎖壁と正圧側の壁に沿って延びている。正圧側に位置する先端Ｓの部分全体に、その長さの全体にわたって後端まで、この上内方キャビティ７２によって空気が供給される。上内方キャビティ７２はやはり、少なくとも先端Ｓに最も近い符号７５のスロットに、場合によりそれに隣接する２、３個のスロットにも空気を供給するために、後縁まで延びる。

この上内方キャビティ７２の厚さは、この場合やはり羽根の厚さより薄い。上内方キャビティ７２は、正圧側に沿って延びる第１の面７７と、第１の面から隔置された第２の面７８とによって横方向に定義され、これらの面は前部と後部で統合される。縦方向には、上内方キャビティ７２は、閉鎖壁と平行な底面７９と、この閉鎖壁の下面８１とによって定義される。羽根の先端Ｓの領域において、正圧側の壁はその先端の領域の正圧側の壁の外面を冷却するための貫通孔も備えうる。

中心ダクト７３は、空気が供給されるブレードの根元から先端Ｓまで延びることによって、上内方キャビティ７２に空気を供給する。その先端Ｓで上内方キャビティの底面７９に中心ダクト７３全体がつながっている。

ブレード７１の前縁は上流傾斜部８２によって冷却される。上流傾斜部８２は羽根の土台から先端Ｓまで延び、上流ダクト８３から調整された形で空気が供給される。この調整された空気の供給は、ブレードのスパン方向ＥＶに沿って規則的に隔置された調整された通路によって行われる。この通路はそれぞれ、上流ダクトを上流傾斜部に接続する。ブレードの壁は前縁の領域に孔（図示せず）を備え、その前縁の外面を冷却するために、傾斜部の空気がその孔を介して壁を通過する。

第１の側面キャビティ７４は薄い厚さを有し、根元から先端Ｓの領域まで延び、全般に矩形の輪郭を有する。この第１の側面キャビティ７４は、上内方キャビティ７２を覆わないように、その上内方キャビティ７２の下で終端している。第１の側面キャビティ７４は、中心ダクト７３とこの中心ダクトに沿って延びる上流ダクト８３を遮蔽するまたは覆うのに十分な幅を有する。

第２の側面キャビティ７６もやはり、薄い厚さを有し、根元から先端Ｓの領域まで延び、上内方キャビティ７２を覆っている。この第２の側面キャビティは全般に矩形の輪郭を有し、中心ダクト７３と上流ダクト８３および負圧側の上内方キャビティ７２を遮蔽するまたは覆うのに十分な幅を有する。

第２の実施形態と異なり、２つの側面キャビティ７４および７６はこの場合、分離されるのではなく、後部または下流部分で統合される。このように、これらの２つの側面キャビティは、外側環境からの中心ダクト７３の断熱をさらに改良するように、中心ダクト７３をその周囲の４分の３にわたって取り囲む。その結果、中心ダクト７３は、それが供給する上内方キャビティ７２に、いっそう低温の空気を供給できる。

図５で確認できるように、上記の２つのキャビティは、中心ダクトに対して下流に位置する接合ゾーンによって統合されている。この接合ゾーンは、中心ダクトの高さのほぼ全体にわたって延びる。したがって、この接合ゾーンを有する２つのキャビティは、中心ダクトをその外側表面のほぼ全体にわたって取り囲む単一のキャビティを構成する。実際に、図５で確認できるように、スパン方向ＥＶに沿った接合ゾーンの高さまたは長さは、スパン方向ＥＶに沿った第１の側面キャビティの高さまたは長さに一致している。

上記の２つの側面キャビティへの空気の供給は、空気をブレードの根元で別々に取り込む２つの供給ダクトによって別々に行われうる。その場合、これらの側面キャビティは羽根の領域だけで統合される。Ｕ字形に対応する形状を断面として有する、２つの側面キャビティからなる単一の供給路を設けることも考えられうる。

先端Ｓの領域に位置する後縁の１つまたは複数の冷却スロットには、上内方キャビティ７２から空気が供給される。後縁の符号８６が付された他のスロットには下流傾斜部８７から空気が供給される。下流傾斜部８７には、根元を介して直接空気が供給され、その根元から先端Ｓの領域まで延びて上内方キャビティ７２の後部の下で終端する。

図６に示されている本発明の第４の実施形態では、符号９１のブレードがやはり上内方キャビティ９２を備え、上内方キャビティ９２には２つの側面キャビティ９４および９６によって断熱された中心ダクト９３から空気が供給される。しかしこの第４の実施形態では、後縁が下流ダクトから調整された形で供給される下流傾斜部によって冷却される。

上内方キャビティ９２は、図３〜５のブレードのキャビティとほぼ同じ形状を有する。これは、先端Ｓの近くに位置し、羽根の前部から後部まで閉鎖壁と正圧側の壁に沿って延びている。正圧側に位置する先端Ｓの部分全体に、その長さの全体にわたって後端まで、この上内方キャビティ９２から冷却空気が供給される。上内方キャビティ９２は、少なくとも先端Ｓに最も近い符号９５のスロット、場合によりそれに隣接する２、３個のスロットに空気を供給するために後縁まで延びている。

この上内方キャビティ９２は、正圧側に沿って延びる第１の面９７と、第１の面から隔置された第２の面９８とによって横方向に定義され、これらの面は前部と後部で統合される。縦方向には、上内方キャビティ９２は、閉鎖壁と平行な底面９９と、この閉鎖壁の下面１０１とによって定義される。先端Ｓの領域では、正圧側の壁は、その先端の領域の正圧側の壁の外面を冷却するために貫通孔も備えうる。中心ダクト９３は、空気が供給されるブレードの根元から先端Ｓまで延びることによって、上内方キャビティ９２に空気を供給する。その先端Ｓで底面９９に中心ダクト９３全体がつながる。

ブレード９１の前縁は上流傾斜部１０２によって冷却される。上流傾斜部１０２は、羽根の土台から先端Ｓまで延び、上流ダクト１０３から調整された形で空気が供給される。この調整された空気の供給は、ブレードのスパン方向ＥＶに沿って規則的に隔置された調整された通路１０５によって行われる。この通路はそれぞれ、上流ダクト１０３を上流傾斜部１０２に接続している。ブレードの壁は前縁の領域に孔（図示せず）を備え、その前縁の外面を冷却するために傾斜部の空気がその孔を介して壁を通過する。

第１の側面キャビティ９４は薄い厚さを有し、根元から先端Ｓの領域まで延び、全般に矩形の輪郭を有する。この第１の側面キャビティ９４は、上内方キャビティ９２を覆わないように、その上内方キャビティ９２の下で終端する。第１の側面キャビティ９４は、中心ダクト９３とこの中心ダクトに沿って延びる上流ダクト１０３を遮蔽するまたは覆うのに十分な幅を有する。

第２の側面キャビティ９６もやはり、薄い厚さを有し、根元から先端Ｓの領域まで延び、上内方キャビティ９２を覆う。この第２の側面キャビティは全般に矩形の輪郭を有し、中心ダクト９３と上流ダクト１０３および負圧側の上内方キャビティ９２を遮蔽するまたは覆うのに十分な幅を有する。

先端Ｓの領域に位置する後縁の１つまたは複数の冷却スロットには、上内方キャビティ９２から空気が供給される。後縁の符号１０６が付いた他のスロットは下流傾斜部１０７から供給される。下流傾斜部１０７は根元から先端Ｓの領域まで延びている。

この下流傾斜部１０７は、この場合、ブレードの根元からその先端Ｓの領域まで延びる下流ダクト１０８から調整された形で空気が供給される。下流ダクト１０８は、先端Ｓで上内方キャビティ９２の後部を迂回している。この下流ダクト１０８は、中心ダクト９３と下流傾斜部１０７の間に位置し、側面キャビティ９４にも側面キャビティ９６にも遮蔽されていない。この下流ダクト１０８による下流傾斜部１０７への調整された空気の供給は、スパン方向ＥＶに沿って互いに規則的に隔置された一連の調整された通路１０９によって行われる。通路１０９はそれぞれ、下流ダクトを傾斜部１０７に接続している。

図７に示されている本発明の第５の実施形態では、符号１１１のブレードがやはり上内方キャビティ１１２を備え、上内方キャビティ１１２には、２つの側面キャビティ１１４および１１６によって断熱された中心ダクト１１３から空気が供給される。後縁が、この場合やはり、下流ダクトから調整された形で供給される下流傾斜部によって冷却される。この下流ダクトは、より低温の後縁冷却用の空気を供給するように、ブレードの側面キャビティによって熱的に保護されている。

上内方キャビティ１１２は、図３〜６のブレードのキャビティとほぼ同じ形状を有する。これは、先端Ｓの近くに位置し、羽根の前部から後部まで閉鎖壁と正圧側の壁に沿って延びている。正圧側に位置する先端Ｓの部分全体に、その長さの全体にわたって後端まで、この上内方キャビティ１１２から冷却空気が供給される。上内方キャビティ１１２はやはり、少なくとも先端Ｓに最も近い符号１１５のスロット、場合によりそれに隣接する２、３個のスロットに供給するために後縁まで延びている。

この上内方キャビティ１１２は、正圧側に沿って延びる第１の面１１７と第１の面から隔置された第２の面１１８とによって横方向に定義され、これらの面は前部と後部で統合されている。縦方向には、上内方キャビティ１１２は、閉鎖壁と平行な底面１１９とこの閉鎖壁の下面１２１とによって定義される。中心ダクト１１３は、空気が供給されるブレードの根元から先端Ｓまで延びることによって、上内方キャビティ１１２に空気を供給する。その先端Ｓで底面１１９に、中心ダクト１１３全体がつながっている。

ブレード１１１の前縁は上流傾斜部１２２によって冷却される。上流傾斜部１２２は、羽根の土台から先端Ｓまで延び、上流ダクト１２３から調整された形で空気が供給される。この調整された空気の供給は、ブレードのスパン方向ＥＶに沿って規則的に隔置された調整された通路１２４によって行われる。この通路はそれぞれ、上流ダクト１２３を上流傾斜部１２２に接続している。

ブレードの壁は前縁の領域に孔（図示せず）を備え、その前縁の外面を冷却するために傾斜部の空気がその孔を介して壁を通過する。第１の側面キャビティ１１４は薄い厚さを有し、根元から先端Ｓの領域まで延び、全般に矩形の輪郭を有する。この第１の側面キャビティ１１４は、上内方キャビティ１１２を覆わないようにその上内方キャビティ１１２の下で終端している。第１の側面キャビティ１１４は、中心ダクト１１３と、この中心ダクト１１３に沿って延びる上流ダクト１２３と、下流傾斜部の調整された供給を行うための下流ダクトを、遮蔽するまたは覆うのに十分な幅を有する。

第２の側面キャビティ１１６もやはり、薄い厚さを有し、根元から先端Ｓの領域まで延び、上内方キャビティ１１２を覆う。この第２の側面キャビティは全般に矩形の輪郭を有し、中心ダクト１１３と、上流ダクト１２３および負圧側の上内方キャビティ１１２と、下流傾斜部の調整された供給を行うための下流ダクトを、遮蔽するまたは覆うのに十分な幅を有する。

先端Ｓの領域に位置する後縁の冷却スロット１１５には、上内方キャビティ１１２から空気が供給される。後縁の符号１２６が付された他のスロットには下流傾斜部１２７から空気が供給される。下流傾斜部１２７は根元から先端Ｓの領域まで延びている。

この下流傾斜部１２７には、この場合、ブレードの根元からその先端Ｓの領域まで延びる下流ダクト１２８から調整された形で空気が供給される。下流ダクト１２８は、先端Ｓで上内方キャビティ１１２を迂回して終端している。この下流ダクト１２８は、中心ダクト１１３と下流傾斜部１２７の間に位置している。この下流ダクト１２８による下流傾斜部１２７への調整された空気の供給は、互いに規則的に隔置された一連の調整された通路１２９によって行われる。通路１２９はそれぞれ下流ダクト１２８を傾斜部１２７に接続している。

図７で確認できるように、側面キャビティ１１４および１１６はこの場合、上流ダクト１２３と中心ダクト１１３を覆い、さらに下流ダクト１２８も覆うように配置され、これらの３つの要素を正圧側の壁と負圧側の壁から断熱するために共同で覆うように構成されている。

図８に示されている本発明の第６の実施形態では、符号１３１のブレードがやはり、中心ダクト１３３から供給される上内方キャビティ１３２を備え、中心ダクト１３３は正圧側に位置する単一の側面キャビティ１３４によって断熱されている。これにより、実際には正圧側の壁が負圧側の壁よりも大幅に昇温する傾向があることから、満足な冷却効果を実現しながら、ブレードの製造を簡略化することが可能になる。

上内方キャビティ１３２は、図３〜７のブレードのキャビティとほぼ同じ形状を有する。これは、先端Ｓの近くに位置し、羽根の前部から後部まで閉鎖壁と正圧側の壁に沿って延びている。正圧側に位置する先端Ｓの部分全体には、その長さの全体にわたって後端まで、この上内方キャビティ１３２から冷却空気が供給される。上内方キャビティ１３２はやはり、少なくとも先端Ｓに最も近い符号１３５のスロット、場合によりそれに隣接する２、３個のスロットに空気を供給するために後縁まで延びる。

この上内方キャビティ１３２は、正圧側に沿って延びる第１の面１３７と、第１の面から隔置された第２の面１３８とによって横方向に定義され、これらの面は前部と後部で統合されている。縦方向には、上内方キャビティ１３２は、閉鎖壁と平行な底面１３９と、この閉鎖壁の下面１４１とによって定義される。中心ダクト１３３は、空気が供給されるブレードの根元から先端Ｓまで延び、上内方キャビティ１３２に空気を供給する。その先端Ｓで底面１３９に、中心ダクト１３３全体がつながっている。

ブレード１３１の前縁は上流傾斜部１４２によって冷却される。上流傾斜部１４２は羽根の土台から先端Ｓまで延び、上流ダクト１４３から調整された形で空気が供給される。この調整された空気の供給は、ブレードのスパン方向ＥＶに沿って規則的に隔置された調整された通路１４４によって行われる。この通路はそれぞれ、上流ダクト１４３を上流傾斜部１４２に接続する。ブレードの壁は前縁の領域に孔（図示せず）を備え、その前縁の外面を冷却するために傾斜部の空気がその孔を介して壁を通過する。

側面キャビティ１３４は薄い厚さを有し、根元から先端Ｓの領域まで延び、全般に矩形の輪郭を有する。この側面キャビティ１３４は、上内方キャビティ１３２を覆わないように、その上内方キャビティ１３２の下で終端している。側面キャビティ１３４は、中心ダクト１３３とこの中心ダクト１３３に沿って延びる上流ダクト１４３を遮蔽するまたは覆うのに十分な幅を有する。

先端Ｓの領域に位置する後縁の冷却スロット１３５には、上内方キャビティ１３２から空気が供給される。後縁の符号１４６が付いた他のスロットには下流傾斜部１４７から供給される。下流傾斜部１４７は根元から先端Ｓの領域まで延びている。

この下流傾斜部１４７には、この場合、ブレードの根元からその先端Ｓの領域まで延びる下流ダクト１４８から調整された形で空気が供給される。下流ダクト１４８は、先端Ｓで上内方キャビティ１３２を迂回して終端している。この下流ダクト１４８は、中心ダクト１３３と下流傾斜部１４７の間に位置している。この下流ダクト１４８による下流傾斜部１４７への調整された空気の供給は、スパン方向ＥＶに沿って互いに規則的に隔置された一連の調整された通路１４９によって行われる。通路１４９はそれぞれ下流ダクト１４８を傾斜部１４７に接続している。

図８で確認できるように、側面キャビティ１３４は、上流キャビティダクト１４３も、中心ダクト１３３および下流ダクト１４８も覆い、これらの３つの要素が搬送する空気の加熱を低減するために、それらを正圧側の壁から断熱するようになっている。

すでに分かったように、本発明の各実施形態全般において、先端の領域への空気の供給は、その正圧側に沿って広がる部分全体に対して、上内方キャビティによって行われる。先端の他の部分への空気の供給は、詳細には上流傾斜部および場合により上流ダクトや、下流傾斜部および場合により下流ダクト、該当する場合は正圧側に沿って延びる第２の側面キャビティなどの、ブレードの他のダクト、傾斜部またはキャビティによって行われる。

説明した例では、上内方キャビティの厚さは、羽根の厚さよりも、すなわち正圧側と負圧側を分離する距離よりも薄い。実際に、このキャビティの厚さは、羽根の厚さの半分未満まで低減されうる。

本発明の各種実施形態では、上内方キャビティにより、ブレードの先端の領域の冷却を大幅に改善することが可能になる。これは詳細には、先端に最も近い後縁のスロットに、極めて低温の空気を供給することによって行う。またこの上内方キャビティにより、それを定義する、例えばブレードの閉鎖壁などのブレードの壁の熱伝導による冷却も可能になる。

さらに、熱シールドを形成する内部側面キャビティの中で最適な空気循環を確立するために、ブレードの壁を貫通してそのキャビティに通じる孔が設けられうる。この各孔は有利なことに、空気の循環を促進するために低圧域に位置する。ブレードの根元で取り込まれ熱シールドを形成するキャビティ内で搬送される空気は、この各孔があることでそのキャビティ内での搬送が完了してからブレードから吸い出されるようになる。

本発明の各種実施形態ではブレードの冷却がさらに最適化されている。この最適化は、各内部ダクトでは熱交換を低減させるためにその中の圧力損失を最小限にすることによって行い、それに対して各側面キャビティでは熱交換を向上させるためにその中に乱流の促進体を設けることによって行う。

したがって各側面キャビティは、それが沿って延びる外側壁からの熱をその各側面キャビティが吸収することにより熱シールドとして向上した効果を有し、各内部ダクトではその中を循環する空気をできるだけ昇温させないよう高速で循環させるためにその空気の圧力損失がほとんど生じない。

したがって、上流ダクトや、中心ダクト、下流ダクトなどの内部ダクトは、冷却空気とその空気が搬送されるダクトの壁との熱交換を最小限にして冷却空気の高速循環を促進する目的で、平滑な内側壁を有する。各側面キャビティは、好ましくは、キャビティ全域の空気循環を促進する偏向体を備える。さらに、このキャビティの内側面は、空気とそれが沿って流れる壁との間における高水準の熱交換を促進する目的で、空気循環に乱流を生成するように、妨害物および／またはトリッパ（tripper）を備える。

一般に、説明したブレードは、直接的な製造、付加的な製造、または鋳造によって実施されうる。

Claims (9)

1. ターボプロップやターボエンジンなどのターボ機械のタービンブレード（５１;７１;９１;１１１;１３１）において、
   前記ブレードが、根元（Ｐ）と、前記根元によって担持されスパン方向（ＥＶ）に延びて先端（Ｓ）で終端する羽根とを備え、
   前記羽根が、前縁と、前記前縁の下流に位置する後縁とを備え、
   前記羽根が、互いに横方向に隔置された正圧側の壁および負圧側の壁を備え、
   前記壁がそれぞれ、前記前縁と前記後縁を接続し、
   前記羽根が、
   前記ブレードの前記根元で冷却空気を取り込み前記羽根を冷却するために前記羽根内で前記冷却空気を循環させるように構成される少なくとも１つのダクト（４２;５３;７３;９３;１１３;１３３）と、
   前記冷却空気を前記羽根から排出するために前記羽根の前記各壁に作られた孔および／またはスロット（５５、６７;７５、８６;９５、１０６;１１５、１２６;１３５、１４６）と、
   前記羽根の先端（Ｓ）を冷却するために前記羽根の前記先端に位置する上内方キャビティ（５２;７２;９２;１１２;１３２）とを備え、
   前記ダクト（３２;５３;７３;９３;１１３;１３３）の１つのみが、前記根元（Ｐ）で取り込まれた冷却空気を前記上内方キャビティ（５２;７２;９２;１１２;１３２）に直接供給し、この前記ダクトは冷却空気を前記上内方キャビティ（５２;７２;９２;１１２;１３２）に供給するためにのみ用いられる直接供給ダクト（５２;７３;９３;１１３;１３３）であり、
   前記直接供給ダクト（５２;７３;９３;１１３;１３３）を前記正圧側の壁から断熱する熱シールドを形成するために、前記直接供給ダクト（５３;７３;９３;１１３;１３３）から分離されながら前記正圧側の壁に沿って延びる、第１内方側面キャビティ（５４;７４;９４;１１４;１３４）を備え、
   前記直接供給ダクト（５３;７３;９３;１１３;１３３）を前記負圧側の壁から断熱する熱シールドを形成するために、前記直接供給ダクト（５３;７３;９３;１１３）から分離されながら前記負圧側の壁に沿って延びる、第２内方側面キャビティ（５６;７６;９６;１１６）をさらに備え、
   前記正圧側の壁に位置する前記後縁の冷却スロット（１２６;１４６）に供給するための下流傾斜部（１２７;１４７）と、前記下流傾斜部（１２７;１４７）の調整された空気の供給を行うための下流ダクト（１２８;１４８）とを備え、前記下流ダクト（１２８;１４８）が前記第１内方側面キャビティ（１１４，１３４）および前記第２内方側面キャビティ（１１６）によって断熱される、ブレード（５１;７１;９１;１１１）。
2. 前記上内方キャビティ（５２;７２;９２;１１２;１３２）は、前記正圧側の壁と前記負圧側の壁との距離より短い幅を有し、前記正圧側の壁に沿って延びる面を有する、請求項１に記載のブレード（５１;７１;９１;１１１）。
3. 前記上内方キャビティ（５２;７２;９２;１１２;１３２）が、前記羽根の前記後縁の少なくとも１つの冷却スロット（５５;７５;９５;１１５;１３５）に供給するために前記羽根の前部から後部まで延びている、請求項１または２に記載のブレード（５１;７１;９１;１１１;１３１）。
4. 前記正圧側の壁が、前記上内方キャビティ（５２;７２;９２;１１２;１３２）に通じる少なくとも１つの貫通孔または貫通スロットを備えている、請求項１から３のいずれか一項に記載のブレード（５１;７１;９１;１１１;１３１）。
5. 前記第１内方側面キャビティ（５４;７４;９４;１１４;１３４）および前記第２内方側面キャビティ（５６;７６;９６;１１６）が、熱交換を向上させるための乱流の促進体および／または偏向体を備え、前記直接供給ダクト（５３;７３;９３;１１３）が圧力損失を抑制するための平滑な壁を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載のブレード（５１;７１;９１;１１１）。
6. 前記直接供給ダクトが、中心ダクト（５３;７３;９３;１１３;１３３）である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のブレード（５１;７１;９１;１１１;１３１）。
7. 前記前縁の冷却孔に空気を供給するための上流傾斜部（６２;８２;１０２;１２２;１４２）と、前記上流傾斜部（６２;８２;１０２;１２２;１４２）の調整された空気の供給を行う上流ダクト（６３;８３;１０３;１２３;１４３）とを備え、前記上流ダクト（６３;８３;１０３;１２３;１４３）が前記第１内方側面キャビティ（５４;７４;９４;１１４;１３４）および前記第２内方側面キャビティ（５６;７６;９６;１１６）の各々によって断熱される、請求項１に記載のブレード。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のブレードを備えるターボ機械のタービン。
9. 請求項８に記載のタービンを備えるターボ機械。

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