JPH11287103A - ガスタービン用冷却ブレード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電子出願以前の出願であるので 要約・選択図及び出願人の識別番号は存在しない。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ガスタービンエンジン及び特に内部 冷却ローターブレードに関する。

（従来の技術） よく知られているように、航空機エンジンの工 業ではガスタービンの性能の向上と同時にその重 量の軽減に、大きな努力を拂っている。明らかに、 窮極の目標は、実現可能な最適のスラスト／重量 比を得ることにある。勿論、何よりもタービンガ スの温度の上昇によりエンジンのスラスト／重量 比が顕著に向上することは、よく知られているの で、努力を集中する分野は、エンジンの“高熱部” である。しかしながら、タービンのガス温度は、 エンジンのコンポーネントの金属の温度の制約に より限定される。現在まで、おける大幅な技術の 向上をタービンブレードの内部冷却に適用し、よ り高いタービン作動温度を得ることに、多くの努 力が行われた。この分野における多くの業績の例 として1966年10月13日付でD.M.Kirchonに付与さ れた米国特許第3,533,711号、1978年２月14日付 でAllen等に付与された米国特許第4,073,599号、 1979年12月20日付でMoore等に付与された米国特 許第4,180,373号を上げることができ、最後の特 許は、本出願人に譲渡されている。これらの従来 の技術の内部冷却技法のすべてが、ブレードの翼 型セクションの中に、曲がりくねった通路を含む、 効果的な還流の冷却方式を含んでいる。その他の 注目に価する技法は、中空のタービンブレードの 空洞部に挿入するインピンジメントチューブの方 式である。

しかし、最も広く、現在の航空機エンジンター ビンブレードに使われている冷却技法は、前述の 特許の例によるものである。通常、これらの技法 は３つの冷却回路を活用している。すなわち、前 縁(LE)、中間翼弦(MC)及び後縁(TE)である。

前縁回路においては、空気は補給空洞へ入り、前 縁にインピンジされ、フィルム冷却空気孔から排 出される。後縁回路においては、空気は補給空洞 より入り、３つの曲がりくねった道を通って前に 進み、フィルム冷却空気として吹き出される。TE 回路においては空気は、補給空洞から入り、軸方 向のインピンジメント（通常、シングル又は、ダ ブルのインピンジメント）で、ブレードの後縁か ら吹き出す前に計量される。

（発明が解決しようとする課題） 積極的な製造業者のタービンブレードの冷却効 率の最適化の広範な努力にもかかわらず、現在の 技術水準のブレードは、まだ、自明の短所に苦し んでいる。例えば、翼型の外面を廻る冷却空気の 莢で冷却することを理想とするフィルム冷却は、 フィルムを発生する空気孔の前後の圧力比が、全 てのそのような空気孔に対して最適値以下であり、 未だに最適化されていない。ブレードを通じての 圧力降下は、曲がりくねった通路中の隅角部を冷 却空気が鋭い角度で廻るとき、顕著な圧力降下が 発生するので、最適化することができない。又チ ップ部のブレードの翼弦の全長はチップ部の最小 の大きさが曲がりくねった通路を制約してしまう ので、冷却空気が廻り込むのに必要な面積が得ら れない長さであることから、これも最適化を得ら れない原因となっている。明らかに、ブレードの チップの翼弦の全長は、ブレードの重さ、ブレー ドを支持しているディスクの大きさと重さ、及び ブレードの回転していることにより発生する（ブ レードを引張る）力に重大な影響をもたらす。

（課題を解決するための手段） 我々は、上述の短所を、二重の壁という形態を とることによって除去し得ることを見出した。す なわち、冷却空気源として冷却空気を半径方向に 流れさせるため、圧力側表面、サクション側表面、 前縁、後縁とで形づくる、半径方向通路又はフィ ルム空気孔供給チャンネルを、二重の壁の間のス ペースに設ける方法である。真中の半径方向に伸 びる供給チャンバーは、前述の空気源からの冷却 空気を補給する形となり、又、内側の壁にある半 径方向に設けられた多くの空気孔によって供給チ ャンネルと結び付けられ、その各空気孔は、フィ ルム冷却空気孔前後の圧力比を最適とするようそ の大きさを決めればよい。

本発明は、ブレードの中央の供給チャンバー、 及びブレード供給チャンネルは、フィルム冷却軸 方向空気流をブレードの外面に与え、最適のフィ ルム冷却効率を発揮させ、又、ブレードのチップ へ半径方向の空気流を与える通路となり、最大の 内部熱伝達状態を発生させる。チップに対する半 径方向の空気流はブレードのチップと、それに伴 って置かれているアウターエヤーシール或いはシ ュラウドとの間の空気力学的シーリングを効率よ く発揮する。これは、回転するブレードの半径方 向の通路は、遠心ポンプのように働くことを認識 することにより、理解し得るであろう。

フィルム冷却空気孔及びブレードのチップから の空気が吹き出すのに伴い、供給チャンネルは冷 却空気が無くなっているので、このチャンネルは、 中央供給チャンバーから絶えず、冷却空気が補充 されていく。この中央供給チャンバー内の空気は 遠心力を受けているので、その中の圧力は、空気 が半径方向に外側に向けて進むのに従い、逐次よ り高くなっていく。フィルム冷却空気孔への供給 される軸方向の流れ、及びブレードのチップへの 半径方向の流れは、チップに空気を送る中央供給 チャンバーより、供給チャンネルの半径方向の抵 抗は高いことによる圧力のため、逐次その量が減 らされていく。このアレンジメントは、中央供給 チャンバーと、必要に応じた供給空洞の空気流の 補充の供給チャンネルと分離させるリブの前後の デルタ圧力を発生するための、ポンピング構造は 自然な結果であるという利点を与える。従って、 適切な供給チャンネルの流れへの抵抗、及び適切 な補給孔の大きさとは、最適のフィルム冷却効率、 内部熱伝達の最大及び空気力学的チップシーリン グを得るためにはコントロールしなくてはならな いフィルム孔圧力比を保つことができるようにす る。

中央供給チャンバーよりの空気は多くの機能を 果たす。これは、単に供給チャンネルから、フィ ルム冷却孔へ供給する空気を補充するだけでなく、 翼型の外側の壁の内面に半径方向の流れを与え、 熱伝達を最大にすると共に、チップに空気力学的 シーリングのための空気の流れを補給する。補給 孔は別々に設けられ、かつ、方向をきめてあるの で、これからの空気は、必要に応じ供給チャンネ ルに入っていく。

この発明の目的は、改善されたガスタービン エンジン用内部冷却タービンブレードを提供する ことである。

この発明の特徴は、ガスタービンエンジン用の タービンブレードの能力を向上させたことであり、 それは、供給チャンバーと、供給チャンネルを半 径方向に配置した孔をもって結び、そこからの供 給冷却空気の補給によって、翼型の中央にある半 径方向に伸びた供給チャンバーから冷却空気を補 充するという、半径方向のフィルム空気冷却の供 給チャンネルより成ることによる特性である。

この発明の特徴は、曲がりくねった通路を取り 除いた向上した内部冷却タービンブレードである ということである。

この発明の特徴は、二重の壁で構造したター ビンブレードにおいて、翼型を構成するシェルと、 近接している壁との間のスペースを、供給チャン ネルとし、シェル上のフィルム冷却空気を、ブレ ードのルートでそれを連続して受け、近接してい る壁で構成されている半径方向に伸びるキヤビテ イも又、連続して、ブレードルートで受け、これ を、近接している壁に半径方向に配置されている 孔を通じて供給チャンネルに補充空気としてこれ を与える、という構造としたことである。

前述及び他の特徴と、この発明の長所とは、下 記の説明及び付随する図面により明らかにされる。

（実施例） 本発明は、ブレードの内部冷却が望まれる タービンエンジンのタービンブレードにとって効 果的なものである。内部冷却のタービンブレード の構造は、論文に良く記述されているので、便宜 さと簡単さを与えるよう、ここに記述するブレー ドの部分は、発明を理解するのに必要なだけのも のとしてある。ガスタービンエンジンとタービン ブレードの詳細については、プラット・アンド・ ホイットニー社及びこの特許の適用と上記に指摘 の特許の譲り受け人であるユナイテッド テクノ ロジー・コーポレーションのディビジヨンの製造 するF100及びJT90エンジンを参照されたい。

翼弦軸に沿う断面図である第１図及び第２図に 見られるように、引用番号10を以て一般的に示さ れいるブレードは、圧力側表面を形成する外側の 壁又は、シェル16、サクション側表面14、前縁18 及び後縁20より成る。ブレード10は、二重の壁の 形態に鋳造して成型され、内側の壁22は、外側の シェル12に対し全体的に同一かつ、並行したひろ がりを持っているが、半径方向に伸びる通路26を 形づくっている。この通路26は冷却空気を、フィ ルム冷却空気孔28とブレードチップ30とに供給す るので、供給チャンネルと呼ばれる。供給チャン ネル26は、供給チャンネルの多くのもの全体を示 すこととするので、このような通路の数は、申請 書中の特に示されている。冷却空気は絶えず供給 され、それは絶えずフィルム冷却空気として吹き 出されていくので、この通路は、絶えず冷却空気 が流れるから、静的通路というよりは、動的通路 である。これは、図解的に示している第２図に最 も良く見られるように、冷却空気は供給チャンネ ル26の底から入り、ブレードのチップ30の方向へ 半径方向に流れる。

冷却空気は、半径方向に伸びている通路32の中 央空洞にも、連続して流れる。下記の説明で明ら かになるように、この空洞は冷却空気を供給チャ ンネル26に供給するので、供給チャンネル26はフ イルム冷却空気孔28から冷却空気が吹き出してい くのに従って、これが補充されていく。そこで、 この空洞はこれ以降、供給チャンバー32と呼ばれ る。

供給チャンネル26、及び供給チャンバー32は、 その典型的な設計のように、コンプレッサー空気 が供給される。

前述により明かなように、供給チャンネル26の 中の冷却空気は、ブレードのルートからチップの 方向に流れ半径方向に配置されているフイルム冷 却空気孔28にこれを供給し、冷却空気はこれで消 費され尽す。しかし、供給チャンネル26は、半径 方向に配置されている孔36によって供給チャンバ ー32と常に通気し合っているので、冷却空気の補 給には、絶えず補充が行われる。明らかに、供給 チャンネル26と供給チャンバー32の中の冷却空気 は、ブレードの回転の力によって、ブレードのチ ップの方向に進むように圧力を受ける。この固有 の本質によって、ブレードのチップに近いフイル ム冷却孔は、受け入れることのできる圧力のレベ ルでの冷却空気が与えられる位置にあることとな る。

供給チャンバー32は、全体的にブレードのルー トからチップの方向に延びる中空の空洞であり、 内側の壁22により取巻まれている。リブ40、及び 42のようなリブは、ブレードの構造強度のため設 けられる。勿論、このリブの使用はブレードとそ の機能の特別な設計により意図されているもので ある。孔36は供給チャンネル26の中の空気を補充 するよう働くので、以降、補充冷却空気孔36と呼 ぶ。従って補充冷却空気孔は他の機能と共に、供 給チャンネル26の補充機能、及び、熱伝達を最大 とする冷却、フイルム冷却孔に入る空気に乱れを 与えることの両方によって冷却効率を強化する機 能とを果たすよう働く。補充孔冷却空気36による 供給チャンネルへの補充は、補充冷却空気孔の無 い状態でテストしたブレードより、冷却効率は顕 著に向上することが示されるのを見出した。これ らの孔の大きさは、フイルム冷却孔前後の圧力比 が望まれる値となるような、望まれる圧力降下が 得られるよう選ぶ。

冷却は、供給チャンネル26の中にトリップスト リップ(trip strip)を設けることにより更に強化 することができる。トリップストリップは、冷却 の機能と共に、圧力降下特性を発生するという機 能を果たすように働く。これは、供給チャンネル 26と供給チャンバー32の中の遠心力を受けている 空気が、ブレードのチップに近付いたとき、過度 に加圧されるようになるので、フイルム冷却空気 孔28から出て行くフイルムの形成が最適の状態で あるために必要な圧力比を得るには、この圧力は 下げる必要があるのであるから、望ましい機能で ある。

前述したことより、供給チャンネル26と供給チ ャンバー32とは、半径方向の通路として真直ぐで あり、通常使用される曲がりくねった通路を除く ことが明らかとなろう。この特性は、ブレードの 設計者にとって、曲がりくねった通路を形成する よう回っていく通路と、最早、調和させる必要が なくなるので、ブレードのチップの大きさを小さ くすることができるようになり、かつ、空気力学 的チップ、シーリング技法を適用することも可能 となる。これは、空気力学上の設計者にとって、 内部冷却による大きさの要求にかかわりなく、空 気力学上の性質を考えるという最小の要求で、ブ レードのチップの翼弦の長さを選ぶことが可能と なる。勿論、この特性は、これによる幾つかの長 所をもたらし、この長所はタービンの設計におい ては望ましいものである。この長所を採り入れる ことによって、ブレードはより軽くすることがで き、このことはブレードをディスクから引くとい う力を著しく減らすから、ブレードを支持するデ ィスクもより軽くすることができるようになる。

これらの特性はすべて、タービンの重量、性能、 及び寿命に有利な結果をもたらす。

第３図による流れの回路に示される作動では、 冷却空気は、ブレードの下方の末端のルートのセ クションに入り、矢印の点線Ａと矢印の直線Ｂに 示されるように、翼型セクション中をチップの方 に進む。チップにある孔は、この場所で冷却空気 のある分を吹出させ、ある分の冷却空気はLE上の シャワーヘッドに流れ、又、ある分の冷却空気は、 水平の矢印の線ＣとＤによって示されているよう に、TEの方へ流れる。

空気が、チップの方向に半径方向の外側に向か って進むのに従い、供給チャンバー（矢印Ｂ）の 中の空気は、供給チャンネル中の空気で連続、補 充される。（矢印Ａ）従って供給チャンネルは、 絶えず冷却空気が補給される。ブレードの回転に よるポンピング作用によって、本質的に最もその 発生を必要とするチップの圧力がかかる。これに より、フイルム孔前後の適切な圧力比が、シェル の表面全体に確実に保たれる。内側の壁は、曲が りくねった形の通路をリブで置き換えてあるので、 この壁は、曲がりくねった設計の通路で行われる 同じ熱の伝達をする熱伝達表面として働く。

我々は、冷却の効果というものが、現在まで知 られていたタービンブレードの冷却効率を30％向 上することによって、通常の使い方の設計の金属 ブレードの平均温度を約93℃（200°Ｆ）下げるこ とに相当することを分析的に見出だした。そして 又、この発明を適用したブレードは、タービン入 口温度が著しい値，約149℃（300°Ｆ）又はそれ以 上というような高い温度に上げた条件でオペレー ティングすることのできるポテンシャルを持ち、 或いは、その代わりにブレードの寿命を大きく強 化し、或いは、より廉価な材料に対し向上した冷 却効率を与えることによりそのコストを顕著に低 減し得る。この発明の適用は更に、曲がりくねっ た通路による冷却空気を旋回させるための複雑な 構造を不要とするので、ブレードチップの空気力 学上の性能の向上をもたらす。

第４図は、適用したときの具体的なタービンブ レードの改造したチップ部分の例を示している。

チップは通常、サクション側表面54に接した半径 方向の通路52に空気が入り、圧力側表面56に接し たブレードのチップに至る、引用番号50の回路と で図示される。通路50は、交差点で曲がるが、そ の角度は、チップでオリフィス58を通り吹き出す 空気流が、外側エアシール又はシュラウド60とチ ップの回りの空気力学的シーリングの効果を強化 するように設計される。（単に図解的にのみ示さ れる。） このブレードの幾何学的形状は、ロスト・ワッ クス鋳造法の慣用のプロセスで製造することので きるという長所を持っている。鋳造に際し、内部 の冷却空気通路を形成するセラミックのコアエレ メントのすべてが、翼型のルートから延びていて 固く把持することができるので、鋳造のためのコ アシャフトを使わないで済む。この幾何学的形状 は、それ自身、鋳造後のコア材料の酸洗いを容易 なものにしている。

この発明はその具体的な細部を図示し、説明し たが、形状及びそれによる細部の種々の変更は、 請求の範囲の発明の精神、及び範囲から逸脱する ことなくなされ得ることを、資格ある技術者は了 解しなくてはならない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のタービンブレードの翼弦の 断面図を示す。 第２図は、第１図の２−２線に沿う断面図であ る。 第３図は、タービンブレード内部における流れ のパターンによる流れの回路である。 第４図は、好ましい実施例におけるタービンブ レードのチップの部分図である。 10：ブレード 14、54：サクション側表面 16：シェル 22：内側の壁 26、52：半径方向通路（供給チャンネル） 29：フィルム冷却空気孔（供給チャンネル） 30：チップ 36：補充冷却空気孔 32：供給チャンバー 40、42：リブ 56：圧力側表面 58：オリフィス 60：シュラウド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フランク・ダブリュー・フーバー アメリカ合衆国フロリダ州33418，パー ム・ビーチ・ガーデンズ，ヒッコリー・ド ライブ 4365 (72)発明者 トーマス・エイ・オーキシアー アメリカ合衆国フロリダ州33418，パー ム・ビーチ・ガーデンズ，ケルソ・ドライ ブ 8286

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスタービン・エンジン用軸流タービン
   に おいて、 そのタービンはエンジン作動媒体により駆動さ れ、 それぞれが圧力側、サクション側、ルート部、 チップ部、及び中間翼弦部を画定し上記作動媒体 に曝される翼型表面を有する複数の空冷ブレード を含み、 中間翼弦部は上記圧力側に隣接し冷却空気をル ート部からチップ部の開口に導く第１の供給チャ ンネルを画定する少なくとも１本の真っ直ぐな半 径方向貫通路を含む内部通路を有し、上記翼型表 面内に半径方向に離隔して配置さた複数のフィル ム冷却空気孔が上記第１の供給チャンネルから冷 却空気を給気され、 上記翼型表面内の供給チャンバーを画定する 第２の真っ直ぐな半径方向慣通路が冷却空気を 上記ルート部から上記チップ部のオリフィスに導 き、 上記供給チャンバーに通じる半径方向に離隔し て配置された複数の補充冷却空気孔が上記供給チ ャンネル内へ補充空気を補充し、上記タービンの 回転が上記半径方向通路内の空気に遠心力を加え 冷却空気が上記ブレードの上記チップ部へ進行す るにつれて冷却空気の圧力が増すことを特徴とす る軸流タービン。
2. 【請求項２】 上記サクション側に隣接して第２の供給
   チ ャンネルを画定するもう１つの真っ直ぐな半径方 向貫通路を含み、 この第２の供給チャンネルは上記翼型表面内に 半径方向に離隔して配置された複数のフィルム冷 却空気孔及び補充冷却空気を上記供給チャンバー から上記第２の供給チャンネルに通気させる半径 方向に離隔して配置された複数の補充冷却孔を有 する請求項１記載の軸流タービン。
3. 【請求項３】 複数の内部空冷ブレードから構成される
   ガ スタービン・エンジン用軸流タービンにおいて、 それぞれのブレードが圧力側、サクション側、 ルート部、前縁及び後縁、及び中間翼弦部を画定 する翼型表面を有し、 上記翼型の内面に平行に支持されてルート部に 入り口をチップ部に出口を有する複数の真っ直ぐ な半径方向貫通路を画定し全般的には隣接してい るが間隔を置いて配置される壁手段が供給チャン ネルを画定し、 上記通路のそれぞれは圧力側及びサクション側 全体に冷却空気のフィルムを形成するする冷却空 気を供給するための半径方向に離隔して配置され た複数のフィルム冷却空気孔を有し、 上記の間隔を置いて配置された壁手段は更に上 記ルート部に入り口を上記チップ部に出口を有す る真っ直ぐな半径方向貫通路を画定する供給チャ ンバーを画定し、 上記壁手段内の半径方向に間隔を置いて配置さ れた複数の補充空気孔は上記供給チャンバーに通 じ、冷却空気が稀薄になるにつれて上記フィルム 空気冷却孔及び上記ルート部への冷却空気供給手 段により上記供給チャンバーから冷却空気を補充 し、 これによって回転ブレードのため生じる遠心作 用により上記供給チャンバー内の冷却空気を加圧 し、 またこれによって真っ直ぐな半径方向貫通路を 使うことにより弦長を最小とする ことを特徴とする軸流タービン。
4. 【請求項４】 上記翼型及び壁手段が一体に鋳造される
   請 求項３記載の軸流タービン。
5. 【請求項５】 上記フィルム冷却空気孔が上記ルート部
   か ら上記チップ部へ半径方向に延びている請求項３ 記載の軸流タービン。
6. 【請求項６】 上記補充空気孔が上記ルート部から上記
   チ ップ部へ半径方向に延びている請求項３記載の軸 流タービン。
7. 【請求項７】 上記補充空気孔が上記壁手段と一体に鋳
   造 される請求項３記載の軸流タービン。