JPH0610704A - エアホイル装置 - Google Patents

エアホイル装置

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JPH0610704A
JPH0610704A JP5094754A JP9475493A JPH0610704A JP H0610704 A JPH0610704 A JP H0610704A JP 5094754 A JP5094754 A JP 5094754A JP 9475493 A JP9475493 A JP 9475493A JP H0610704 A JPH0610704 A JP H0610704A
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manifold
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F01D5/188—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall
    • F01D5/189—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall the insert having a tubular cross-section, e.g. airfoil shape
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧縮冷却空気をより有効に利用できるエアホ
イル装置を提供する。 【構成】 中空な衝突バッフル３８は隔壁６０を含んで
おり、隔壁は前方マニホールド６２と後方マニホールド
６４とを画定するように、バッフルの底部５４と頂部５
２との間に延在していると共に、前端４８と後端５０と
の間に離間されている。バッフルは入口５６を含んでお
り、入口は、圧縮空気３６の第１の部分３６ａを前方マ
ニホールドに案内する前方部分５６ａと、前方マニホー
ルドの高い圧力と比べて後方マニホールドに低い圧力を
得るように、圧縮空気の第２の部分３６ｂを後方マニホ
ールドに所定の圧力降下にて案内する後方部分５６ｂと
を有している。バッフルは衝突孔５８を含んでおり、衝
突孔は、バッフルを囲んでいるエアホイル１２の内面４
０に対して圧縮空気を吐出し、エアホイルを衝突冷却す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的にはガスタービ
ンエンジンに関し、特にガスタービンエンジン内の衝突
冷却エアホイルに関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンエンジンは、圧縮空気を供
給する圧縮機を含んでいる。この圧縮空気は燃焼器で燃
料と混合され、点火されて燃焼ガスを発生し、燃焼ガス
はタービンに通流してパワーを発生する。タービンは１
段又は複数段を含んでおり、各段は、円周方向に隔設さ
れている複数のロータブレードを含んでいる。これらの
ロータブレードはディスクから延在しており、一方、デ
ィスクは、例えば圧縮機にパワーを伝えるシャフトに連
結されている。各ロータブレード段の上流にはタービン
ノズルが配置されており、タービンノズルは、円周方向
に隔設されている複数のステータベーンを含んでいる。
これらのステータベーンは、燃焼ガスを対応するロータ
ブレードに適切に案内している。
【０００３】ステータベーン及びロータブレードは、高
熱の燃焼ガスの悪影響の下でも十分な動作寿命を得るよ
うに、圧縮空気の一部を用いて通常の態様で冷却されて
いる。燃焼器が発生する燃焼ガスの設計温度に応じて、
ベーン及びブレードを有効に冷却する種々の冷却方式が
用いられている。このような冷却方式としては、周知の
気膜（フィルム）冷却があり、気膜冷却では、複数の気
膜冷却孔がベーン及びブレードのエアホイルを貫通して
設けられており、圧縮空気は、エアホイルを通って孔か
ら外に案内され、エアホイルの外面に沿って気膜冷却空
気の層を形成し、この層がエアホイルの外面に流れる燃
焼ガスに対するバリアとなる。エアホイルの前縁は、代
表的には最高の熱伝達係数に従うので、エアホイル内で
最高の熱流束を経験し、従って、これを効果的に冷却す
るためには、エアホイルの前縁からその分多量の熱を伝
達する必要がある。そして、エアホイルの前縁の下流で
は熱流束が減少するので、その部分を効果的に冷却する
ために必要な熱伝達は少なくなる。
【０００４】他の冷却方式では、通常の中空な衝突バッ
フルがエアホイル内に、その内面から離間して配置され
ている。バッフルは、エアホイルの内面に対して冷却空
気の衝突ジェット流をぶつけて内面の衝突（インピンジ
メント）冷却を行うのに適当な寸法の衝突孔を含んでい
る。使用した衝突空気はこの後エアホイルから、エアホ
イルに貫通している気膜冷却孔を通して排出されるか、
又は例えば通常の後縁開口を通して排出される。
【０００５】この場合も、例えばエアホイルの中間翼弦
近くの低熱流束領域に比べて、高熱流束の前縁領域には
最大量の冷却又は熱伝達が必要である。このような熱伝
達は慣例に従って、衝突冷却若しくは気膜冷却、又は両
方の冷却を用いることにより得ることができる。しかし
ながら、単一供給圧力の冷却空気を中空エアホイルに供
給する場合、少ない全空気流で、高熱流束の前縁領域の
適切な冷却と、前縁領域から下流に延在している低熱流
束の中間翼弦領域の均一な冷却とを同時に達成すること
は困難である。
【０００６】例えば、衝突冷却には、前縁での最高熱流
束の領域に適合するように、冷却空気を衝突孔を通して
エアホイル内面に対して衝突関係に駆動するために、衝
突バッフルの両側間に所定の比較的高い圧力比が必要で
ある。バッフルの両側間の圧力比は、バッフルの外側で
の排出圧力に対するバッフルの内側での供給圧力により
決められるので、高熱流束の領域に必要な単一の高い供
給圧力は低熱流束の領域にとっては甘受しなければなら
ない圧力となる。
【０００７】更に詳しくは、衝突ジェット冷却は、孔密
度（ホールデンシティ）、即ち単位面積当たりの孔の数
と、エアホイルの特定の平均金属温度を左右する孔の両
端での駆動圧力比との関数である。衝突ジェットからの
冷却の大部分は衝突孔の直下で起こり、隣接している孔
の中間での冷却はほんのわずかである。従って、衝突ジ
ェット冷却は、次々のジェット間でほぼ正弦波状のパタ
ーンにてエアホイル温度の局部的変動をもたらし、その
ため、温度は平均温度となる。このような変動を、衝突
孔間及び衝突孔下のエアホイルに関連した高温点（ホッ
トスポット）及び低温点（コールドスポット）と呼ぶ。
【０００８】エアホイルの効果的な冷却を設計する際、
所望の平均温度を得るために、高温点と低温点との間の
温度差をできるだけ小さくしなければならない。なぜな
ら、高温点及び低温点はエアホイルの有効使用寿命を短
くするからである。孔密度を増加させることにより、平
均金属温度と、高温点と低温点との間の温度差との両方
を減少させることができるが、それは、高密度の孔に伴
い増加した集合流れ面積を通して流れる全冷却空気流が
増加することとの引き換えである。
【０００９】しかしながら、エアホイルを冷却するため
に用いられる圧縮機空気は、冷却目的に用いられ、パワ
ーの発生を伴う燃焼に参加しないので、どうしてもガス
タービンエンジンの全体効率が低下する。従って、通常
の冷却方式では、実用的な範囲内でなるべく少ない冷却
空気孔を用いて、冷却孔間に許容できない程の大きな温
度変動を生じることなく、冷却空気の必要量を最小に
し、しかもエアホイルの有効な平均冷却を達成してい
る。
【００１０】衝突バッフルに所定の圧力比が与えられ、
バッフルの内側に共通な供給圧力の圧縮空気が与えられ
ると、孔密度は、前縁に隣接している高熱流束領域の適
切な平均冷却を確保するように予め選択することができ
るが、こうすると、高温点及び低温点を制限するように
選択された孔密度にふさわしい前縁の下流のエアホイル
を過冷却することになる。或いは又、もしも孔密度を前
縁の下流で選択的に減少させて、熱伝達を低下させ、そ
の冷却を少なくして過冷却を防止すると、与えられた所
望の平均金属温度に対して、隣接している孔の間の温度
変動が増加し、こうして高温点と低温点との差が増大す
る。過冷却を伴う高密度の孔を採用すると、冷却空気を
無駄にし、一方、低密度の孔を採用すると、熱による疲
労が増大して、エアホイルの有効使用寿命が短くなる。
そのため、通常は、両者の間をとって、高温点及び低温
点を増加させても過冷却を減らすように、孔密度を変え
ている。
【００１１】
【発明の目的】従って、本発明の目的は、圧縮冷却空気
をより有効に利用できる衝突バッフルを有している新規
で改良されたエアホイルを提供することにある。本発明
の他の目的は、衝突孔について熱流束の異なる領域に対
応する複数の圧力比を得るために有効な新規で改良され
た衝突バッフルを提供することにある。
【００１２】本発明の他の目的は、高熱流束の領域及び
低熱流束の領域を、それらを過冷却することなく有効に
冷却する衝突バッフルを提供することにある。本発明の
更に他の目的は、エアホイルの所定の平均温度を維持し
ながら、エアホイルにおける高温点及び低温点の差を小
さくするのに有効な衝突バッフルを提供することにあ
る。
【００１３】
【発明の概要】本発明の中空な衝突（インピンジメン
ト）バッフルは隔壁を含んでおり、隔壁は前方マニホー
ルドと後方マニホールドとを画定するように、バッフル
の底部と頂部との間に延在していると共に、前端と後端
との間に離間されている。バッフルは入口を含んでお
り、入口は、圧縮空気の第１の部分を前方マニホールド
に案内する前方部分と、前方マニホールドの高い圧力と
比べて後方マニホールドに低い圧力を得るように、圧縮
空気の第２の部分を後方マニホールドに所定の圧力降下
にて案内する後方部分とを有している。バッフルは衝突
孔を含んでおり、衝突孔は、バッフルを囲んでいるエア
ホイルの内面に対して圧縮空気を吐出し、エアホイルを
衝突冷却する。
【００１４】本発明の構成を、他の目的及び効果と共に
更に明瞭にするために、以下に本発明の好適な実施例を
図面を参照しながら説明する。
【００１５】
【実施例】図１に本発明の一例として示す第２段環状タ
ービンノズル１０は、円周方向に離間した複数のステー
タベーン又はエアホイル１２を含んでいる。ベーン１２
は通常通りの構成であって、図２にも示すように、第１
又は凹面側１４と、第２又は凸面側１６とを含んでお
り、凹面側１４と凸面側１６とは、前縁１８及び後縁２
０で互いに連接されている。ベーン１２の各々は、半径
方向外側バンド又はシュラウド２２も含んでおり、シュ
ラウド２２は、シュラウド２２と環状外側ケーシング２
４との間に環状プレナム２６を画定するように、環状外
側ケーシング２４に通常通りに接合されている。半径方
向内側バンド又はシュラウド２８がベーン１２の反対端
に配置されている。
【００１６】第２段ノズル１０のすぐ上流には、普通の
第１段タービン３０が配置されている。第１段タービン
３０は円周方向に離間された複数のロータブレードを有
しており、普通の第１段ノズル及び燃焼器（図示せず）
から流れてくる燃焼ガス３２が、これらのロータブレー
ド間を通常通りに通過する。第２段ノズル１０のすぐ下
流には、普通の第２段タービン３４が配置されている。
第２段タービン３４は、円周方向に離間された複数のロ
ータブレードを含んでおり、第２段ノズル１０からの燃
焼ガス３２がこれらのロータブレード間に案内される。
【００１７】ノズル１０を燃焼ガス３２の加熱作用から
冷却するために、圧縮冷却空気３６が普通の圧縮機（図
示せず）からケーシング２４を通して、ノズル１０に通
常通りに案内されている。本発明の好適な実施例によれ
ば、中空の衝突バッフル又はチューブインサート３８が
エアホイルの内面４０の衝突（インピンジメント）冷却
を行うように、エアホイル１２の各々の内側に通常の手
段で支持されている。エアホイル１２の反対側の面、つ
まり外面４２は、そこに流れる燃焼ガス３２によって加
熱されるので、衝突バッフル３８が内面４０を冷却する
ように設けられており、エアホイル１２の平均温度を所
定の低い値に維持して、ガスタービンエンジン内での動
作中のエアホイル１２の有効使用寿命を保証する。
【００１８】図１、図２及び図３を参照すると、バッフ
ル３８は、第１のほぼ凹形の側面４４と、第２のほぼ凸
形の側面４６とを含んでおり、凹側面４４と凸側面４６
とは、半径方向に延在している前方縁４８及び半径方向
に延在している後方縁５０で互いに連接されている。バ
ッフル３８は又、例えばその半径方向外端に配置されて
いる板の形態を成しているほぼ平坦な頂部５２と、例え
ばその反対端に、即ち頂部５２の半径方向内方に配置さ
れている平坦な板の形態を成している底部５４とを含ん
でいる。底部５４は無孔であることが好ましく、頂部５
２も入口５６以外は無孔であることが好ましい。入口５
６は、バッフル３８に流す圧縮空気３６を取り入れるた
めに、例えば、管状カラー又は吸気リングを通常の手段
で頂部板５２に固定し、プレナム２６内に配置した形態
を成している。バッフルの第１の側面４４及び第２の側
面４６は、エアホイル内面４０を衝突冷却するためにエ
アホイル内面４０に向かう圧縮空気３６のジェットを通
常通りに形成するように、エアホイル内面４０に面して
いる通常の衝突孔５８を含んでいる。衝突孔５８の寸法
及び形状は、バッフル３８に案内された圧縮空気３６を
なるべく有効に利用するように、後述する本発明の好適
な実施例に従って設計することが好ましい。
【００１９】本発明の１つの特徴によれば、バッフル３
８の各々は、分割壁又は隔壁（セプタム）６０を含んで
いる。隔壁６０は、隔壁６０から前方縁４８まで延在し
ている前方マニホールド６２と、隔壁６０から後方縁５
０まで延在している後方マニホールド６４とを画定する
ように、バッフルの底部５４と頂部５２との間を半径方
向に延在していると共に、バッフルの前方縁４８と後方
縁５０との間に軸線方向に離間されており、両マニホー
ルド６２及び６４は底部５４から頂部５２まで半径方向
にも延在している。重量を軽くし、衝突冷却に有効な空
気の作用を確保するために、エアホイル１２の各々は、
その内部にバッフル３８を１つのみ含んでいることが好
ましく、バッフルの前方マニホールド６２は、エアホイ
ル前縁１８に隣接して配置されており、バッフルの後方
マニホールド６４は、前縁１８と後縁２０との間に構造
的分割リブのような構造物を介在させることなく、前方
マニホールド６２とエアホイル後縁２０との間の中間翼
弦領域に配置されている。エアホイル１２は、バッフル
３８を囲んでいると共に、例えば図２に示すようにエア
ホイル１２とバッフル３８との間に衝突チャンネル６６
を画定するよう、バッフル３８から通常通りに離間して
いる。衝突チャンネル６６では使用済みの衝突空気が回
収され、図１及び図２に示すような普通の後縁穴（アパ
ーチャ）６８を通して、又、例えば図１に示すような内
側シュラウド２８にあけた普通の出口穴（アパーチャ）
７０を通して排出される。
【００２０】好適な実施例では、バッフル入口５６は、
圧縮空気３６をバッフル３８内に案内し、図４及び図５
に詳しく示すように前方マニホールド６２及び後方マニ
ホールド６４の両方に直接流すバッフル頂部５２に配置
されている共通な入口である。具体的には、入口５６
は、バッフル頂部５２と隔壁６０との間に画定されてい
る前方部分５６ａを含んでいる。前方部分５６ａは、圧
縮空気３６の第１の部分３６ａを前方マニホールド６２
に直接案内するように、前方マニホールド６２と流れ連
通関係に配置されている。入口５６は又、後方部分５６
ｂを含んでおり、後方部分５６ｂは、圧縮空気３６の第
２の部分３６ｂを後方マニホールド６４に直接案内する
ように、後方マニホールド６４と流れ連通関係に配置さ
れている。本発明の好適な実施例では、入口後方部分５
６ｂの寸法及び形状は、圧縮空気の第２の部分３６ｂが
後方部分を通過する際に、その圧縮空気の第２の部分３
６ｂに所定の圧力降下が生じるように設定されており、
こうして、後方マニホールド６４内の圧縮空気の第２の
部分３６ｂの全圧Ｐ２が、前方マニホールド６２内の圧
縮空気の第１の部分３６ａの全圧Ｐ１より低くなるよう
にする。
【００２１】又、本発明の好適な実施例では、入口の後
方部分５６ｂは、バッフル頂部５２に隣接している隔壁
６０の頂部（他の部分は無孔）に設けられている複数の
（３つを図示）の計量孔の形態を成しており、これらの
計量孔は一緒に、圧縮空気の第２の部分３６ｂを後方マ
ニホールド６４に案内する。隔壁６０はバッフル頂部５
２の入口５６内の部分に、ろう付け等によって通常通り
に接合されている。隔壁６０は、バッフル３８を２つの
マニホールド６２及び６４に分割していると共に、共通
な入口５６を前方部分５６ａ及び後方部分５６ｂに分割
しており、こうして、圧縮空気３６を両者間に分割す
る。入口前方部分５６ａの寸法は、圧縮空気３６を有意
な圧力降下又は妨害なしに、前方マニホールド６２に全
圧で案内する寸法とすることが好ましい。このことは、
図示例では、圧縮空気３６が共通な入口５６及び前方部
分５６ａを通って前方マニホールド６２内に流れる際
の、圧縮空気３６の流れ面積を有意に減少させないよう
に、隔壁６０の頂部を共通入口５６の内面から半径方向
内方へ突出させることにより達成されている。
【００２２】しかしながら、入口の後方部分５６ｂによ
って規定される流れ面積は、圧縮空気３６が入口後方部
分５６ｂを通って後方マニホールド６４に流れる際に、
圧縮空気３６に所定の圧力降下をもたらすように、共通
入口５６の流れ面積よりも小さい。複数の通常の計量孔
の形態を成している入口後方部分５６ｂは、必要な圧力
降下を得ると共に後方マニホールド６４への必要な流量
を確保するために、共通入口５６の流れ面積に比べて小
さい合計流れ面積を有している。しかしながら、入口後
方部分５６ｂを単一の孔としてもよい。
【００２３】タービンノズルに用いられている衝突バッ
フルの構成及び動作は、圧縮空気３６が単一圧力で単一
内腔（キャビティ）の衝突バッフルに与えられる典型的
な例について通常知られている通りである。このような
普通の単一キャビティバッフルでは、衝突孔の密度をバ
ッフルの側面に沿って、又、バッフルの前縁と後縁との
間で変えて、エアホイル１２を加熱する燃焼ガス３２か
らの変動する熱流束に適合させることが普通である。例
えば、エアホイルの前縁１８の領域は、比較的熱流束の
高い領域として知られているので、前縁１８の領域より
下流の領域、例えば、後縁２０に向かって延在している
比較的低い熱流束を受ける中間翼弦領域と比べて、強い
冷却が必要である。普通の衝突バッフルでは、衝突孔５
８の寸法を適切に選択して、供給された圧縮空気３６の
単一圧力で、衝突孔５８を通してエアホイル１２の内面
４０に対して適切な衝突ジェットを生成する寸法とす
る。周知のように、バッフル３８の内側の圧縮空気３６
と、バッフル３８の外側の衝突チャンネル６６内の使用
済み衝突空気との間の圧力差又は圧力比は、エアホイル
内面４０に対して適切な衝突ジェットを形成するよう
に、予め選択されている。普通の単一供給圧力、単一圧
力比の衝突バッフルでは、衝突孔の寸法を有効な衝突ジ
ェットの発生を保証する適切な寸法とするが、これは、
「従来の技術」の項で説明したように、エアホイル１２
の領域を過冷却したり、エアホイル１２内の高温点及び
低温点を増やしたり、両者の中間となったりする。
【００２４】具体的には、エアホイル１２への熱流束
は、その外面４２に沿って、又、熱流束が最高の前縁１
８からそこより下流の熱流束の低い部分まで変動するの
で、エアホイル１２の冷却又はエアホイルからの熱伝達
の必要量も変動する。前縁１８付近のような高熱流束の
領域を効果的に冷却するためには、その領域に衝突孔５
８を所定の比較的高い密度で設ける必要があり、そのよ
うな密度は、設計ごとに通常の方法で決定することがで
きる。もしも前方縁４８から後方縁５０までバッフル３
８全体にわたって同じ高密度の衝突孔５８をほぼ均一に
設けると、エアホイル前縁１８から下流に配置されてい
る低熱流束の領域は、前縁１８の領域のように強い冷却
を必要としないので、どうしても過冷却される。従っ
て、圧縮空気３６を過剰な量使用することになり、ガス
タービンエンジン全体の効率が低下する。
【００２５】或いは又、衝突孔５８の密度を、前縁１８
の下流の熱流束の低い中間翼弦領域において、前縁１８
に隣接している熱流束の高い領域に比べて低くすれば、
エアホイル１２の熱流束の低い領域での過冷却を軽減す
るか又はなくすことができるが、その代わり、高温点及
び低温点が増加し、このため、エアホイル１２の疲労寿
命が短くなる。衝突孔５８の各々は、そこからの空気が
エアホイル１２の内面４０に衝突するところに、比較的
低温の点を生じ、エアホイル内面４０は、隣接している
低温点及び衝突孔５８の間に比較的高温の点を有するこ
とになる。言い換えると、エアホイル１２には、隣接し
ている衝突孔５８の間にほぼ正弦波状の温度分布が生
じ、その結果、温度は平均温度となる。従って、衝突孔
５８の密度を熱流束の低い領域で減少させて、過冷却を
軽減すると共にエアホイル１２を所定の平均温度とする
ことができるが、その代わり、高温点及び低温点と関連
した局部温度の変動が増大する。このような温度変動が
あると、エアホイルの疲労寿命が悪影響を受けるので、
従って通例は、単一供給圧力の圧縮空気３６を受け取る
衝突孔５８の密度には適当な妥協を図って、熱流束の低
い領域の過剰な過冷却又は過剰な高温点及び低温点のい
ずれかを生ずることなく、高熱流束及び低熱流束を受け
るエアホイル１２の領域を冷却するのに有効な変動孔密
度を得る。しかしながら、効率低下の原因となる低熱流
束領域の過冷却が起こるか、高温点及び低温点のために
エアホイル寿命が短くなるか、これらの両方が起こる。
【００２６】しかしながら、上述した二分割衝突バッフ
ル３８を用いることにより、前方マニホールド６２及び
後方マニホールド６４の衝突孔５８に２つの異なる供給
圧力及び対応する圧力比が得られ、性能が向上する。具
体的には、前方マニホールド６２に与えられる圧縮空気
の第１の部分３６ａは、後方マニホールド６４に与えら
れる圧縮空気の第２の部分３６ｂの圧力Ｐ２と比べて相
対的に高い圧力Ｐ１にある。入口前方部分５６ａの寸法
は、圧縮空気３６を前方マニホールド６２にわずかな又
はゼロの圧力降下にて供給する寸法とし、こうして前方
マニホールド６２に、比較的高密度の衝突孔５８を駆動
するために可能な最大の駆動圧力を与え、エアホイル１
２の高熱流束領域に対応する前縁１８に隣接しているエ
アホイル１２の内面４０に沿って、比較的高い熱伝達率
を得る。このようにして、エアホイル１２の高熱流束領
域は、全圧の圧縮空気３６で通常通りに冷却され得る。
【００２７】圧縮空気の第２の部分３６ｂを後部マニホ
ールド６４に計量供給して、その圧力Ｐ２を減少させる
ように予め設定された寸法の入口後方部分５６ｂを用い
ることにより、後方マニホールド６４に低い駆動圧力が
得られ、これにより、後方マニホールド６４と衝突チャ
ンネル６６との間に得られる圧力比は、前方マニホール
ド６２と衝突チャンネル６６との間の圧力比より小さ
い。もちろん、衝突孔５８は所望の圧力比を達成すべ
く、通常通りの寸法である。後方マニホールドの圧力Ｐ
２を低くすることにより前方マニホールド６２の衝突孔
５８の両端での圧力比を後方マニホールド６４の衝突孔
５８の両端での圧力比に比べて大きくすることによっ
て、圧縮空気３６のより効率のよい利用を図ることがで
き、前方マニホールド６２に向かい合っているエアホイ
ル１２の高熱流束領域と、後方マニホールド６４に向か
い合っているエアホイル１２の低熱流束領域との両方
を、圧縮空気３６を過剰な量供給したり、又は低熱流束
領域を過冷却したりすることなく、適切に冷却すること
ができる。前方マニホールド６２の衝突孔５８の寸法及
び形状は、前縁１８に隣接しているエアホイル内面４０
に平均の対流熱伝達率を与えるように、通常の密度にて
通常通りに設定されている。この熱伝達率は、前方マニ
ホールド６２に向かい合っているところでの方が、後方
マニホールド６４に向かい合っているところでの熱伝達
率よりも大きい。熱伝達率は衝突孔５８の両端での圧力
比に比例するので、後方マニホールド６４の内側の圧縮
空気の第２の部分３６ｂの圧力Ｐ２が相対的に低い結果
として、熱伝達率も低くなり、これは、後方マニホール
ド６４に向かい合っているエアホイル１２が受ける低い
熱流束に対応する。
【００２８】図４に示す例示の実施例では、前方マニホ
ールド６２の衝突孔５８の直径をｄ １、間隔を中心間距
離でｘ１とし、後方マニホールド６４の衝突孔５８の直
径をｄ２、間隔をｘ２とする。一実施例では、衝突孔５
８の直径ｄ１と直径ｄ２とを等しくしてもよい。間隔／
直径比ｘ１／ｄ１及びｘ２／ｄ２も通常通り、約２〜約
１６の範囲内にある。そして、前方マニホールド６２及
び後方マニホールド６４内の異なる圧力が与えられてい
れば、衝突孔５８の密度、即ちバッフル３８の単位面積
当たりの衝突孔５８の数を通常通りに決定することがで
きる。後方マニホールド６４と関連した熱流束は、前方
マニホールド６２と関連した熱流束より少ないので、前
方マニホールド６２における衝突孔５８の平均密度を後
方マニホールド６４の衝突孔５８の平均密度より大きく
することが好ましい。もちろん周知のように、所望に応
じて、衝突孔５８の密度をバッフル３８に沿って局部的
に変えてもよく、動作中のエアホイル１２が受ける変動
する熱流束に応じてエアホイル１２の冷却を改変する。
しかしながら、本発明に従って異なる供給圧力及び圧力
比を用いることにより、低熱流束領域における過冷却、
並びに高温点及び低温点の差の両方を少なくすることが
できる。
【００２９】更に具体的には、本発明の二分割バッフル
３８は、従来の単一内腔バッフルに対していくつかの利
点を有している。例えば、単一供給圧力（例えばＰ１）
用の後縁領域に衝突孔を低い密度で有している従来のバ
ッフルに対して、バッフル３８は、低い圧力Ｐ２にある
後方マニホールド６４と関連した衝突孔５８を高い密度
で有しており、この結果、衝突孔５８を通しての合計流
れ面積が増加し、従って、相対的に近い間隔ｘ２にある
衝突孔５８からの個別の衝突ジェットの強さが低下す
る。この結果、衝突孔５８を通しての流れ全体を増加す
ることなく、（後方マニホールド６４内の圧力Ｐ２が、
供給される圧縮空気３６の圧力と同じであれば、このこ
とが起こることなく、）後方マニホールド６４に向かい
合っているエアホイル内面４０からの対流熱伝達が一層
均一になる。対流熱伝達率が一層均一であると、衝突孔
５８に向かい合っているエアホイル１２の所定の平均温
度を得ながら、衝突孔５８と関連した高温点及び低温点
の大きさが減少する。
【００３０】或いは、後方マニホールド６４と関連した
衝突孔５８の密度を、隔壁６０のない従来の衝突バッフ
ルの場合と同じにすることができるが、後方マニホール
ド６４での圧力Ｐ２が減少しているので、後方マニホー
ルド６４に案内される圧縮空気３６の流量は減少し、過
冷却なしで全体の流れを減らすことができ、効率が上昇
する。
【００３１】そして、もちろん前方マニホールド６２に
は、圧縮空気３６の全供給圧力が供給され続け、前方マ
ニホールド６２と関連した相対的に高い熱流束に対処
し、一方、後方マニホールド６４を同じ全圧の圧縮空気
３６、及びそれから生じる衝突孔５８からの完全な強度
の衝突ジェットに露呈することはない。過冷却又は望ま
しくない高温点及び低温点を生じることなく、エアホイ
ル１２を効果的に冷却するという後方マニホールド６４
の改良性能から見て、エアホイル１２は図２に示すよう
に、隔壁６０付近からバッフル後方端５０付近まで、無
孔であることが、即ち貫通している気膜冷却孔が存在し
ていないことが好ましい。このようにして、エアホイル
１２の外面は、隔壁６０付近からバッフル後方端５０付
近まで気膜冷却されない。従来の方法では、前縁１８の
下流のバッフル衝突孔と関連した高温点及び低温点の大
きさを減少させるために、バッフル衝突孔と組み合わせ
てエアホイル１２を貫通している普通の気膜冷却孔が用
いられている。低熱流束領域でバッフル衝突孔にほぼ向
かい合わせてエアホイル１２に気膜冷却孔を適切に位置
決めすることにより、バッフル衝突孔の数の減少と関連
した高温点及び低温点の大きさ（そうしなければ増大す
る高温点及び低温点の大きさ）を減少させることができ
る。しかしながら、気膜冷却孔は複雑さ及び製造コスト
を増大させると共に、それ自身追加量の圧縮空気３６を
必要とするが、このことは、本発明の１つの特徴に従っ
て無孔のエアホイル１２を設けることにより、排除する
ことができる。
【００３２】しかしながら、前縁１８に隣接していると
共に前方マニホールド６２に向かい合っているエアホイ
ル１２は、前縁１８と関連した高熱流束領域に必要な追
加の冷却能力を付与するように、通常の態様で気膜冷却
孔（図示せず）を含んでいてもよい。前述したように、
エアホイル１２は、例えばステータベーンの形態を成し
ており、バッフル入口５６は、図１に示すようにプレナ
ム２６に案内された圧縮空気３６を直接受け取るよう
に、その半径方向外端に配置されている。又、好適な実
施例では、エアホイル１２は第２段ステータベーンであ
り、第１段タービン３０の上流に配置されている第１段
ノズル（図示せず）と比べて、低い熱流束を受けてい
る。第１段ノズルは、燃焼器（図示せず）から直接吐出
された燃焼ガス３２から最高の熱流束を受けるので、第
１段ノズルベーンは、内部の衝突バッフルに加えて、前
縁と後縁との間に通常通りに離間されている気膜冷却孔
を含んでいることが典型的である。このような構成で
は、バッフル隔壁６０は通常不要であるか又は望ましく
ない。気膜冷却孔をバッフル衝突孔に対して通常通りに
位置決めし、二分割バッフル３８の必要なしに、前述し
た高温点及び低温点を緩和することができるからであ
る。
【００３３】以上本発明の好適な実施例と考えられるも
のを説明したが、当業者には上述した教示から本発明の
他の変更例が明らかであろう。従って、このような変更
例もすべて本発明の要旨の範囲内に含まれる。例えば、
前述した衝突バッフル３８は２つのマニホールドを含ん
でいるが、必要ならば、それぞれが異なる供給圧力を有
している３つ以上のマニホールドを用いてもよい。バッ
フル３８内のマニホールドは前述したように、軸線方向
に離間していてもよいが、他の例では、半径方向に離間
していることも可能であり、それらの組み合わせとする
こともできる。
【００３４】更に、衝突バッフル３８は、鋳造、鍛造又
は板金のろう付けによって通常通りに製造することがで
きる。バッフル側面４４及び４６、並びに隔壁６０は、
単一の一体部材としても、二部材としてもよく、後者の
場合は図２に示すように、ほぼＵ形状の横断面を有して
いる隔壁６０をバッフル側面４４及び４６に通常通りに
ろう付けする。
【００３５】又、更に、前方マニホールド６２に有意な
圧力降下なしに実質的に妨害のない流れを与え、後方マ
ニホールド６４に所定の圧力降下を生じる部分的に妨害
された流れを与え、こうして、低熱流束領域である後方
マニホールド６４の衝突孔５８の両端での圧力比を、高
熱流束領域である前方マニホールド６２の衝突孔の両端
での圧力比より小さくすることができれば、部分５６ａ
及び５６ｂを含んでいる入口５６は、他の形状としても
よい。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンエンジンのタービンノズルがロー
タブレード段間に軸線方向に配置されている部分を示す
部分的軸線方向断面図である。
【図２】図１の衝突バッフルを含んでいるノズルベーン
を２−２線方向に見た横断面図である。
【図３】図１及び図２に示すノズルベーンに用いられて
いる衝突バッフルの斜視図である。
【図４】図３の衝突バッフルの長手方向断面図である。
【図５】図３の衝突バッフルの頂面図である。
【符号の説明】
１０ タービンノズル １２ エアホイル ３６ 圧縮空気 ３８ バッフル ４０ エアホイル内面 ４４ 第１の側面 ４６ 第２の側面 ４８ 前方縁 ５０ 後方縁 ５２ 頂部 ５４ 底部 ５６ 入口 ５６ａ 前方部分 ５６ｂ 後方部分 ５８ 衝突孔 ６０ 隔壁 ６２ 前方マニホールド ６４ 後方マニホールド ６６ 衝突チャンネル

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 前端及び後端で連接されている第１及び
    第２の側面と、頂部と、底部とを有している中空なバッ
    フルと、 当該隔壁から前記前端まで延在している前方マニホール
    ドと、当該隔壁から前記後端まで延在している後方マニ
    ホールドとを画定すべく、前記バッフルの底部と頂部と
    の間に延在していると共に前記前端と前記後端との間に
    離間されている隔壁と、 前記頂部に配置されており、前記バッフルに圧縮空気を
    案内する入口とを備えており、 該入口は、前記圧縮空気の第１の部分を前記前方マニホ
    ールドに直接案内するように前記前方マニホールドと流
    れ連通関係に設けられている前方部分と、前記圧縮空気
    の第２の部分を前記後方マニホールドに直接案内するよ
    うに前記後方マニホールドと流れ連通関係に設けられて
    いる後方部分とを含んでおり、 該入口の後方部分は、前記後方マニホールド内の前記圧
    縮空気の第２の部分の圧力が前記前方マニホールド内の
    前記圧縮空気の第１の部分の圧力より低くなるように、
    前記圧縮空気の第２の部分に所定の圧力降下をもたらす
    寸法を有しており、 前記バッフルの第１及び第２の側面は、前記圧縮空気を
    前記前方及び後方マニホールドから吐出する衝突孔を含
    んでいる装置。
  2. 【請求項２】 前記入口の後方部分は、前記バッフルの
    頂部に隣接して前記隔壁に設けられている請求項１に記
    載の装置。
  3. 【請求項３】 前記入口の後方部分は、前記圧縮空気の
    第２の部分を全体として前記後方マニホールドに案内す
    る複数の孔を含んでいる請求項２に記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記バッフルとの間に衝突チャンネルを
    画定すべく、前記バッフルを包囲していると共に前記バ
    ッフルから離間しており、前記圧縮空気の第１及び第２
    の部分により衝突冷却されるように前記バッフルの衝突
    孔に面している内面と、前記衝突孔とは反対方向に面し
    ている外面とを有しているエアホイルを更に含んでお
    り、 前記入口の後方部分は、前記後方マニホールドと前記衝
    突チャンネルとの間の圧力比が前記前方マニホールドと
    前記衝突チャンネルとの間の圧力比より小さくなるよう
    な寸法を有している請求項３に記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記エアホイルは、前記バッフルの隔壁
    近くから前記バッフルの後端近くまで無孔である凹状及
    び凸状側面を含んでいる請求項４に記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記エアホイルは、前記バッフルを１つ
    のみ含んでおり、前記バッフルの前方マニホールドは、
    前記エアホイルの前縁に隣接して設けられており、前記
    バッフルの後方マニホールドは、前記エアホイルの中間
    翼弦領域に設けられている請求項５に記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記エアホイルは、前記前縁近くでの方
    が前記中間翼弦領域近くでより大きい熱流束を受けてお
    り、前記バッフルの衝突孔は、前記エアホイルの内面で
    の熱伝達率が前記後方マニホールドに向かい合っている
    ところよりも前記前方マニホールドに向かい合っている
    ところで高くなるような寸法及び形状を有している請求
    項６に記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記バッフルの衝突孔は、前記後方マニ
    ホールドにおいてよりも前記前方マニホールドにおいて
    大きい平均密度を有している請求項６に記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記エアホイルは、ステータベーンであ
    る請求項６に記載の装置。
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