JPH0722002U - エーロフォイル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷却剤による冷却効果がより高いエーロフォ
イルの構造を提供する。 【構成】 図３に示す後縁部断面構造を有し、Ａは sよ
り小さく、t ／s は０．７以下であり、端部６６に於け
る厚さは端部６１に於ける厚さより小さいエーロフォイ
ル。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案はエーロフォイルに係り、更に詳細には、エーロフォイルの後縁領域の 冷却に係る。

【０００２】

【従来の技術】

冷却剤流体を運ぶためのスパン方向の空洞部と流路とを有しているエーロフォ イルは、従来技術に於て広く知られている。冷却流体は前記空洞部へ送られた後 、その一部がエーロフォイルの外側表面をフイルム冷却するためにエーロフォイ ルの壁面に配置された孔から吹き出される。冷却空気はエーロフォイルの後縁に 到達するまでにエーロフォイルの他の部分を冷却するために用いられているので より熱くなっており、このためエーロフォイルの後縁領域が冷却されることは一 般に困難である。更に後縁領域は比較的薄く形成されているので、加熱及び熱押 力による損傷を受けやすい。

【０００３】 米国特許第４，３０３，３７４号に於ては、エーロフォイルの圧力側壁面は吸 引側壁面によって形成された後縁の手前で終っており（圧力側壁面が「途中で切 りとられている」とも表現される）、このために後縁領域に於て吸引側壁面の内 壁面はエーロフォイルの周囲を流れる高温のガスに曝されている。冷却流体が、 後縁領域に延在するスパン方向のスロットから中央空洞部を通して、高温ガスに 曝されている吸引側壁面の内壁面全体に排出される。後縁スロットの中には、エ ーロフォイルを横断する冷却流チャンネルを郭定する、スパン方向に隔置された 複数の仕切りが配置されている。それぞれの仕切りは、直線的な平行に並ぶ側面 を有する上流側部分と、実質的にスロットの出口上の位置まで次第に細くなって ゆく下流側部分とを有している。従って前記チャンネルは、直線状の上流側部分 と拡がってゆく下流側部分とを有している。この構造の目的は、スロット出口の 下流に延在する吸引側壁面の内壁面上に常に密着した連続的な冷却空気の層を形 成することである。上述の様なスパン方向の後縁スロットと途中で切りとられた 圧力側壁面とが記載されている他の特許としては、米国特許第３，８８５，６０ ９号と米国特許第３，９３０，７４８号と米国特許第４，２２９，１４０号とが 挙げられる。

【０００４】 後縁スロットの下流に於て吸引側壁面の高温ガスに曝されている内壁面に冷却 流体を送るために、前記内壁面に沿って（先細ではなく）直線状のリブが提供さ れることも良く知られている。

【０００５】 ガスタービンエンジンのタービンブレードの冷却技術に於ては、ブレードを冷 却するために必要な冷却剤の流量を最小限に押えることが重要である。その理由 は、その冷却空気が圧縮機から送られてくる作動流体であり、作動ガス流路から の損失がエンジンの効率を低下させるからである。また、エーロフォイルの流体 力学的特性を改善するために、タービンエーロフォイルの圧力側壁面を途中で切 りとることが望ましい。しかしながら、この結果として、後縁領域は薄くなりす ぎて外向きに延在する従来技術のフイルム冷却孔を有する内部の空洞部を収容し きれなくなる。その代わりに、前述の米国特許第４，３０３，３７４号に記載さ れているように、従来技術のフイルム冷却孔の代わりに、スパン方向に延在する 後縁領域スロットと途中で切られた圧力側壁面とが用いられてきた。（本説明文 及び特許請求の範囲の記載に於ては、圧力側壁面の切りとられた下流端と吸引側 壁面の下流端によって郭定されているエーロフォイルの後縁との間の距離は「切 りとり距離」x と呼ばれる）。

【０００６】 薄い後縁領域を有するエーロフォイルに於ては、後縁の切りとり部分は後縁領 域内に延在するスロットから排出される冷却空気によってフイルム冷却される。 スロットから排出する冷却空気は、スロットの下流に延在する吸引側壁面の高温 ガスに曝されている内壁面上にフイルムを形成する。このフイルムが有効に作用 するためには、フイルムがエーロフォイル後縁に於ても十分に有効であるように 、フイルムがスロット出口から下流方向に移動する際にできるだけ長く破断せず にいることが必要である。切りとり距離x が長ければ長い程、切りとられた部分 全体の有効なフイルム冷却を維持することが困難になる。

【０００７】 従来技術に於て多種の後縁領域の冷却方式があるにもかかわらず、より高い作 動温度とより不安定な材料とエーロフォイルを通過する冷却空気の流量を低減す ることに対応するために、常に新たな改善が要求されてきた。と同時に、すべて の冷却空気チャンネルを含めた全体のエーロフォイルを鋳造によって形成するこ とを可能にすること等によって生産コストを低減させることも要求されている。 近年高温ブレードに於ては、後縁スロット内のチャンネルは非常に薄く、例えば 細いロット状の電極を用いた放電加工などによって加工されている。鋳造はより 大きな流路を要求するので、エーロフォイルの後縁が薄くなりすぎる可能性があ る。また、より広いチャンネルが従来技術の手法によってエーロフォイル内に組 入れられた場合冷却流体の流量が多くなりすぎる。

【０００８】

【発明の概要】

本考案の一つの目的は、タービンブレードエーロフォイルの後縁冷却のための 改善された構造を提供することである。

【０００９】 本考案の他の一つの目的は、従来技術に於て大流量の冷却剤によって与えられ ていた冷却効果と同一の冷却効果を小流量の冷却剤によって与えられるような、 後縁領域の冷却のための構造を有するタービンブレードのエーロフォイルを提供 することである。

【００１０】 本考案の更に他の一つの目的は、鋳造によって形成されることが可能なタービ ンブレードのエーロフォイルの後縁領域の冷却のための構造を提供することであ る。

【００１１】 本考案の更に他の一つの目的は、後縁領域に於て従来の構造に於けるよりより 長い圧力側壁面の切りとり部分を有するタービンブレードのエーロフォイルを提 供することである。

【００１２】 本考案によるエーロフォイルは、スパン方向の冷却空気空洞部と該空洞部との 間を流体が流れることが可能であるよなスパン方向に延在する後縁スロットとを 有しており、スロット出口は圧力側壁面の切りとられた下流端に配置されており 、前記下流端は厚さt を有しており、スロット内に下流方向に配置された仕切り がスロットを複数のチャンネルに分割しており、それぞれのチャンネルはスロッ ト出口に於て幅s を有しており、またチャンネルは高温ガスに曝される吸引側壁 面の背面全体に向けて冷却空気を排出し、更にそれぞれのチャンネルはスロット 出口の上流側にのど部を有していて、比t ／s は０．７以下であるような、エー ロフォイルである。

【００１３】 Ｐは、切りとり長さに正比例し冷却空気の流量に反比例する無次元流量率パラ メータである。Ｐの値が大きいことは、同等のフイルム冷却効果で較べた場合、 切りとり長さが大きいことと流量率が低いこととを意味する。フイルム冷却効果 とは、主ガス流れの温度と冷却フイルムの温度との差を、主ガス流れの温度とス ロット出口に於ける冷却剤の温度との差で割った値である。

【００１４】 比t ／s が低い場合に（０．７以下が望ましいが、０．６以下ならば更に良い ）、相当少量の冷却空気によっても長い切りとり距離に亙って高いフイルム冷却 効果が維持されることが見出された。更に具体的には、同一のフイルム冷却効果 で比較したときにt ／s が１．２の従来技術のエーロフォイルのＰの値は、t ／ s が０．７のエーロフォイルのＰの値のわずか５分の１である。

【００１５】 エーロフォイルの周囲のガス流れの温度が１２６０℃以上であるような、高温 状態への適用に於て、従来技術のブレードのほとんどは後縁領域の冷却のために 、ブレードへ送られる冷却空気全体（即ちブレードへの供給冷却空気）の４０％ 以上を使用している。本考案によれば、１２６０℃〜１４３０℃（かそれ以上） のガス流れの温度の下で作動するタービンブレードエーロフォイルの後縁領域を 、ブレードへの供給冷却空気の３０％以下の冷却空気で冷却することが可能であ る。

【００１６】 本考案は、特に薄い（即ち、１mm以下の厚さ）後縁を有するエーロフォイルに 於て有利である。後縁の厚さが減少すれば、冷却に関する問題が増える。従来技 術に於ては、切りとり距離はこれ以上増加させられることが不可能であり、後縁 の厚さもこれ以上減少させられることが不可能であると感じられた。何故ならば 、そのようにすれば切りとり部分の全体に亙って十分な冷却が行われるようにす るために、冷却空気の流量率を相当増加させることが必要になるからである。比 t ／s の値を小さくすることによって驚異的な利益が得られるという本考案に於 ける発見は、上述の考え方を変える。０．７以下の比t ／s によって提供される 冷却の改善は、切りとり部分をより長く（流体力学的特性の改善のため）するこ とを許すのみならず、後縁領域のより長い切りとり部分を冷却するために必要な 冷却空気の流量率を低減させる。更に、切りとり距離を増大させることは後縁ス ロット出口に於けるエーロフォイルの厚さを厚くする（と同時に比t ／s の値は 小さくて済む）のみならず、スロット出口に於けるガス流れの圧力を低減させる ので冷却空気の流量率を増加させることなくより大きなスロットが使用されるこ とを可能にする。より大きなスロットは製作され易く、また十分大きければ鋳造 によって形成されることが可能である。

【００１７】 本考案によれば、スロット内のそれぞれのチャンネル内を流れる空気流れは、 スロット出口の上流に於て計量される。従って、スロット出口に於ける寸法s は エーロフォイルのその位置に於ける厚さによって許容される範囲内で増加させら れることが可能であり、冷却空気の流量率を増加させることなく比t ／s の値を 低下させることが可能となる。

【００１８】 比t ／s の値を小さくすることによって冷却能力が極度に改善されることが認 識されていなかったために、約１２００℃以上のガス流路温度下で作動する従来 技術のエーロフォイルに於ける切りとり距離は、２．５mm以下に抑えられてきた 。本考案は、上述の条件下で切りとり距離が２．５mm以上となることを可能にし 、しかも冷却空気の流量を低減させる。更に、本考案に従って形成さたエーロフ ォイルの後縁の厚さは、０．９mm以下とされることが可能である。このことはエ ーロフォイルの流体力学的特性を改善する。また、このことは切りとり距離が増 加させられることが可能であって、スロット出口（s が測られる位置）に於て付 加的な厚さが提供されるということによってのみ達成されることが可能である。 このことによって、s の値が増加させられることが可能となり、比t ／s の値が ０．７以下であるようなエーロフォイルが形成されることが可能となるのである 。従来技術の短い切りとり部分を有するエーロフォイルが上述の高いガス温度下 で作動するためには、スロット出口に於てエーロフォイルは薄くなければならず 、後縁領域はより厚くなければならない。

【００１９】 本考案の上述の及びそれ以外の目的と特徴と利点とは、以下の実施例の説明及 び添付の図面によって明らかとなろう。

【００２０】

【実施例】

本考案の例示的実施例として、以下に於ては符号１０により全体的に示される ガスタービンエンジンのタービンブレードについて説明する。第１図に示されて いるとおり、ブレード１０はエーロフォイル１２とルート１４とプラットフォー ム１６とを含んでいる。エーロフォイル１２はベース１８とティップ２０とを有 している。この説明と特許請求の範囲との文中に於て、スパン方向若しくは長手 方向とはエーロフォイルの長さの方向、即ちそのベース１８からテイップ２０へ 向かう方向を表す。この例示的実施例に於ては、エーロフォイルは一体鋳造物で ある。本考案は中空の一体鋳造ブレードに於て特に有効であるが、それだけに限 定されるものではない。

【００２１】 第２図及び第３図に最も良く示されているとおり、エーロフォイル１２は圧力 側壁面２２と吸引側壁面２４とを含んでいる。圧力側壁面２２及び吸引側壁面２ ４のそれぞれの内壁面２６及び２８はそれらの間に延在するスパン方向の仕切り ３０と共に、実質的にエーロフォイル１２の長さ方向全体に亙って延在するスパ ン方向の中央冷却空気流路３２及び３３を郭定している。空洞部３２及び３３へ は、ルート１４を貫通して長手方向に延在し前記空洞部と通じている一対のチャ ンネル３４（第１図）を通して冷却空気が供給される。冷却空気は空洞部３２か ら複数の連絡流路３６を経由してスパン方向に延在する前縁空洞部３５へ送りこ まれる。前縁空洞部３５内の冷却空気は複数の孔３８を通ってエーロフォイルの 外部へ排出し、このことによってエーロフォイルの前縁部分の対流冷却及びフイ ルム冷却が提供されるのである。空洞部３２の中の冷却空気の残りの部分は、複 数の流路４８を通ってエーロフォイルの外部へ排出し、壁面２２及び２４をフイ ルム冷却する。中央の空洞部３３は、複数の連絡流路４４及び４６によって後縁 領域４２に於てスパン方向に延在する２個の付加的な空洞部４０及び４１と通じ ている。空洞部３３内の冷却空気の一部分は流路５０を通ってエーロフォイルの 外部へ排出し、エーロフォイルの外側表面をフイルム冷却する。空洞部３３内の 冷却空気の残りは、連絡流路４４を通って空洞部４０へ流入し、そのうちの一部 分は流路５２を通ってエーロフォイルの外部へ排出し、更に残りの空気は空洞部 ４１へ流入する。空洞部４１内の冷却空気は、圧力側壁面と吸引側壁面とのそれ ぞれの内壁面２６と２８との間に郭定されたスパン方向に延在するスロット５４ を通ってエーロフォイルの外部へ排出する。

【００２２】 第４図に最も良く示されているとおり、スロット５４はスパン方向に隔置され 下流方向に延在する複数の仕切り５８によって複数の下流方向に延在するチャン ネル５６に分割されている。それぞれの仕切り５８の上流側の端部５９は乱流の 発生を最低限に抑えるために丸みを有している。それぞれの仕切りは、空洞部４ １からエーロフォイル１２の後縁６１に配置された仕切りの下流端６０までに亙 って延在しており、下流方向に向ってテーパを有している。このようにチャンネ ル５６は、その上流端に延在するのど部６３から、後縁６１に延在する下流端ま でスパン方向に発散する形状を有しているのである。それぞれのチャンネル５６ を通過する冷却剤の流量率はのど部６３に於て計量される。第３図に於て最も良 く示されているとおり、エーロフォイルの後縁６１が吸引側壁面２４の下流端部 のみによって郭定されるように、圧力側壁面２２は後縁６１から距離x の位置で 切りとられている。このことによって、圧力側壁面の端部６６の下流に於て吸引 側壁面２４の内面若しくは背面２８の部分６５がエンジン流路内の高温ガスに曝 されることになる。

【００２３】 本実施例に於て、下流端６１は直径d を有している。従って、後縁の厚さはd である。圧力側壁面２２の下流端６６は後縁部スロット５４の出口に配置されて おり、下流端６６の厚さt はできうる限る小さくすることが望ましい。実際問題 としては、鋳造品に於て実現しうるt の最小値は約０．２５mmである。従来の鋳 造技術によって、のど部の幅Ａは０．３５mmまで小さくすることがてきる。のど 部の幅Ａは、スパン方向に対して垂直な面内で測られる。また同様にスパン方向 に対して垂直な面内に於て吸引側壁面の内壁面２８に対して垂直にスロット出口 幅s が測られる。スロット出口幅s は、スロットの出口に於ける吸引側壁面の内 面から、圧力側壁面の内壁面２６までの距離である。

【００２４】 第５図に於て、比t ／s が無次元流量率パラメータＰに対してプロットされて いる。無次元流量率パラメータＰは切りとり距離x に正比例する。第５図に於て は、フイルム冷却効果e のいくつかの値に対して、Ｐがt ／s に対してプロット されている。第５図は、x が増加したときに比t ／s の値が低下するならばe の 値が一定に保たれることを示している。例えば、フイルム冷却効果が０．９の場 合、t ／s の値が１．２（従来技術）から０．７まで低下すると、Ｐがおよそ２ から１０まで増加する。つまり、Ｐに影響を与える他のすべてのパラメータが一 定に保たれるとしたときに、フイルム冷却効果の損失なしに切りとり距離x は５ 倍に増加されることが可能なのである。逆に、冷却剤の流量率が低減され距離x が上記よりやや少なめに増加されることが可能である。１２６０℃のガス流れ内 で作動し後縁部の厚さd が１mm以下であるようなエーロフォイルに於て、距離x の値として２．５mm以上、望ましくは３．３mmでより好ましい値としては５mm以 上の値が用いられることが可能であり、同時に後縁を冷却するために必要な冷却 剤の量がブレード全体の冷却剤の供給量の３０％以下に低減されることが可能で ある。

【００２５】 s の大きさは、スロット出口に於ける吸引側壁面２４の最少許容厚さによって 制限される。第３図に於て見られるように、吸引側壁面はスロット出口に於て最 も薄く、その下方で増加して後縁６１に於て厚さd を有している。スロットのの ど部６３はスロットを通過する流れを計量するために用いられているので、寸法 s は寸法Ａよりもより大きいであろう。距離x が大きくなればなるほど、エーロ フォイルはスロット出口に於て厚くなる。このことは、より大きなスロット出口 寸法s を有するエーロフォイルを形成することにつながる。本考案の利点を最大 限に引出すために、t は強度の要求を満足させつつできうる限り小さくとられ、 s もまた強度の要求を満足させつつできうる限り大きくとられ、t ／s の値は０ ．７以上にとられる。チャンネル５６はスパン方向と垂直な断面に於て、のど部 ６３からスロット出口へ向けて拡がっている。この拡がりが本考案の冷却能力を 高めているのである。

【００２６】 本考案に従って形成され約１４３０℃の温度を有する蒸気ガス中に何ら支障な く作動したタービンのエーロフォイルは、およそ以下のような寸法を有していた 。

【００２７】 エーロフォイル長さ （ベースからティップまで） ：４６mm スパン中間位置でのコード長さ ：３３mm スロットのど部からスロット出口 までの距離 ：３．６mm Ａ＝４．６mm s ＝０．６mm t ＝０．２５mm x ＝３．６mm d ＝０．８mm 以上に於ては本考案を特定の実施例について詳細に説明したが、本考案はこれ らの実施例に限定されるものではなく、本考案の範囲内にて種々の実施例が可能 であることは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案によるガスタービンエンジンのタービン
ブレードの側面図であり、部分的に断面が示されてい
る。

【図２】第１図の概して線２−２に沿ってとられた拡大
断面図である。

【図３】第２図に示された後縁領域の拡大図である。

【図４】第３図の概して線４−４に沿ってとられた断面
図である。

【図５】フイルム冷却効率の種々の値のもとでの、比t
／s と無次元冷却剤流量率パラメータＰとの関係を示す
グラフである。

【符号の説明】

１０…タービンブレード １２…エーロフォイル １４…ルート １６…プラットフォーム １８…ベース ２０…ティップ ２２…圧力側壁面 ２４…吸引側壁面 ２６…内壁面 ２８…内壁面 ３０…仕切り ３２…中央冷却空気流路 ３３…中央冷却空気流路 ３４…チャンネル ３５…前縁空洞部 ３６…連絡流路 ３８…孔 ４０…付加的な空洞部 ４１…付加的な空洞部 ４２…後縁領域 ４４…連絡流路 ４６…連絡流路 ４８…流路 ５０…流路 ５２…流路 ５４…スロット ５６…チャンネル ５８…仕切り ５９…（仕切り５８の）上流側端部 ６０…（仕切り５８の）下流側端部 ６１…（エーロフォイル１２の）後縁 ６３…のど部 ６５…（吸引側壁面の内壁面の）部分 ６６…（圧力側壁面の）端部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 ジョージ・ペイ・ライアン アメリカ合衆国フロリダ州、パーム・シテ ィ、エス・ダブリュ・シーホーク・ウェイ 1488 (72)考案者 トーマス・オークシア アメリカ合衆国フロリダ州、レーク・パー ク、ケルソ・ドライヴ 8286

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. スパン方向に延在する厚さt の下流端を有する圧力側壁
   面と、吸引側壁面とを含むエーロフォイルにして、前記
   吸引側壁面は前記エーロフォイルの後縁を郭定してお
   り、前記後縁は厚さd を有しており、前記圧力側壁面と
   前記吸引側壁面との間にスパン方向の冷却空気空洞部が
   郭定されており、前記エーロフォイルは前記空洞部の下
   流に延在する後縁領域を含んでおり、前記圧力側壁面の
   前記下流端は前記後縁より上流側へ実質的に隔置されて
   いてこのことによって前記吸引側壁面の背面は前記下流
   端の下流側にてエーロフォイルの外部に曝されており、
   前記圧力側壁面と吸引側壁面とは互いに隔置されて前記
   後縁領域に前記空洞部と連通したスパン方向に延在する
   スロットを郭定しており、前記スロット内には長手方向
   に隔置され下流方向に延在する複数の仕切りが配置され
   該仕切りによって前記スロットは複数のチャンネルに分
   割されており、前記チャンネルの各々は前記空洞部から
   冷却空気を受ける入口と、前記エーロフォイルから冷却
   空気を排気する出口であってスパン方向に対して垂直な
   面内で測って幅s を有し前記圧力側壁面の下流端に配置
   された出口とを有しており、前記チャンネルの各々はそ
   の入口に於てスパン方向に対して垂直な面内で測って幅
   Ａののど部を有しており、Ａはsよりも小さく、比t ／s
   は０．７以下であり、前記圧力側壁面の下流端の位置
   に於ける前記吸引側壁面の厚さは前記後縁の厚さd より
   小さいエーロフォイル。