JPH1172003A - 螺旋勾配、縦続衝撃、および二重表皮内の留め金機構により冷却されるタービンの羽根 - Google Patents

螺旋勾配、縦続衝撃、および二重表皮内の留め金機構により冷却されるタービンの羽根

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JPH1172003A
JPH1172003A JP10181230A JP18123098A JPH1172003A JP H1172003 A JPH1172003 A JP H1172003A JP 10181230 A JP10181230 A JP 10181230A JP 18123098 A JP18123098 A JP 18123098A JP H1172003 A JPH1172003 A JP H1172003A
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ミカエル・フランソワ・ルイ・ドリヤン
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ジヤン−ミツシエル・ロジエ・フジエール
Philippe Christian Pellier
フイリツプ・クリスチヤン・ペリエ
Jean-Claude Christian Taillant
ジヤン−クロード・クリスチヤン・タイヤン
Thierry Henri Marcel Tassin
チエリー・アンリ・マルセル・タサン
Christophe Bernard Texier
クリストフ・ベルナール・テキシエ
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷却空気を最適に利用するタービン羽根を提
供する。 【解決手段】 上流の空洞(11)は、螺旋勾配(3
0)を含み、羽根の下部(3)で入り口(22)によっ
て供給されている。中央の空洞(12)もまた羽根の下
部(3)で供給され、仕切られた多孔ジャケット(4
0)を含む。空気は、衝撃オリフィスから各区画を出て
スリット(42)から次の区画に入り、最後に羽根の上
部のオリフィス(21)から排出される。下流の空洞
(13)に面した羽根の側壁は、留め金付きの二重表皮
である。空気は、これらの二重表皮を通過し、次いで求
心的に下流の空洞(13)の上流部分(15)内を循環
し、この空洞の下流部分(16)に入り、後縁(6)に
形成されたスリット(19)から排出される。三つめの
仕切り(14)が、下流の空洞(13)を二つの部分
(15,16)に分けている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、タービンエンジン
の高圧タービンの羽根に関する。
【0002】
【従来の技術】高圧タービンの固定および可動羽根は、
燃焼室の燃焼ガスの高温にさらされる。これらの羽根の
翼もまた、高圧コンプレッサで採取する冷却空気を供給
する冷却装置を備える。この冷却空気は、羽根の内部に
備えられる循環回路を通過し、次いで、羽根の間を循環
する高温ガスの流れの中に排出される。
【0003】可動羽根では、冷却空気は羽根の下部から
翼内に入るが、固定羽根では、冷却空気は固定羽根の、
羽根の下部または上部にある台座から入ることができ、
羽根の下部は、タービンの回転軸に最も近い羽根の端で
ある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、冷却
装置が冷却空気の容量を最適に利用することにより、通
風量を減らし、従ってエンジンの効率を上げるタービン
の羽根を提案することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】そのため本発明は、羽根
の下部および羽根の上部の間に径方向に延び、前縁およ
び後縁を有する中空の流線型の壁を含み、該前縁および
後縁は互いに分離され且つ凹状の側壁(下面)および凸
状の側壁(上面)により結合され、さらにまた、羽根の
下部によって冷却空気を供給されて該側壁の内面に冷却
空気を配向するための、該羽根の内部に設けられた冷却
装置を含むタービンの羽根に関する。
【0006】本発明によれば、該凹状の側壁および凸状
の側壁を結合するとともに、該羽根の内部を、前縁の近
傍に位置する上流の空洞と、径方向の二つの仕切りの間
に位置する中央の空洞と、後縁の側に位置する下流の空
洞とに分割する径方向の二つの仕切りをこの羽根が含む
こと、上流の空洞および中央の空洞は、羽根の下部に設
けられた入り口から空気を供給され、この空気は次に、
羽根の上部に形成されたオリフィスを通って該空洞から
排出され、一方で下流の空洞は、羽根の下部に設けられ
分離された入り口から空気を供給され、この空気は次
に、後縁に形成された複数のスリットから排出されるこ
と、冷却装置は、上流の空洞において、羽根の下部およ
び羽根の上部の間に延びる螺旋状の勾配を含み、中央の
空洞において、径方向の仕切りの内壁に支持され且つ突
出要素によって羽根の側壁から距離をおいて保持される
とともに、衝撃によりこれらの側壁を冷却するための複
数のオリフィスを翼の側壁に面して有するジャケットを
含み、下流の空洞において、該空洞の下端を塞ぐ横方向
の仕切りと、該空洞を上流部分および後縁近傍の下流部
分に分ける径方向の三つめの仕切りとを含み、これらの
二つの部分は、該三つめの仕切りの下部に備えられた開
口部によって互いに連絡し、上流部分に面する羽根の側
壁は、留め金によって結合される二重表皮からなり、こ
の表皮の間を羽根の下部から導入される冷却空気流が循
環し、次いで、この冷却空気流は羽根の上部の上流部分
に入ってから該開口部を通って下流部分に入り、そこで
複数のスリットから排出されること、を特徴とする。
【0007】また上流の空洞の内壁は、擾乱装置を含
む。これらの擾乱装置は、リブ、ピンまたは、羽根の内
壁を螺旋勾配の心に結合する留め金から構成することが
できる。
【0008】中央の空洞のジャケットは、同一の空気流
を連続して供給される並置された複数の区画を含む。第
一の区画は羽根の下部から空気を供給され、それ以降の
区画は、突出要素の下のジャケットの壁に設けられたス
リットにより、羽根の側壁に衝撃を与える先行区画から
の空気流を供給され、突出要素は横方向のリブからな
る。
【0009】螺旋状の勾配は、前縁ゾーンで羽根を冷却
するための内部交換係数を非常に高くすることができ
る。
【0010】中央の空洞に配置される縦続衝撃システム
は、冷却空気が高温ガス流に再び入る前に冷却空気のあ
らゆる可能性を用いることができるものである。
【0011】下流の空洞に設けられる留め金システムで
は、高温ゾーンの近傍で有効かつ極めて調整しやすい冷
却空気システムが構成される。
【0012】これらの冷却技術を組み合わせることによ
り、冷却空気の可能性を最大限利用し、また機械寿命を
最適にする熱を考慮した寸法決定によって、タービン羽
根の通風を最適化することができる。
【0013】本発明による羽根の構想は、通風量を低減
し、従ってエンジン効率をよくすることができる。
【0014】本発明の他の長所ならびに特徴は、添付図
に関して限定的ではなく例証として挙げられた下記の説
明を読めば明らかになろう。
【0015】
【発明の実施の形態】図が示す高圧タービンの可動羽根
1は、羽根の下部3および羽根の上部4の間に径方向に
延びる、翼とも呼ばれる中空の流線型の壁2を含む。流
線型の壁2は、四つの個別ゾーン、すなわち燃焼室から
の高温ガス流に面して配置するための丸みを帯びた前縁
5、前縁から離れた先細の後縁6、後縁を前縁に結合す
る下面と呼ばれる凹状の側壁7、および上面と呼ばれる
凸状の側壁8を有する。
【0016】側壁7および8は、羽根1の内部を三個の
空洞、すなわち前縁5のすぐ近くに位置する上流の空洞
11、二個の径方向の仕切り9,10の間に位置する中
央の空洞12,および後縁6の側に位置する下流の空洞
13に分ける、径方向の二個の仕切り9,10によって
結合されている。下流の空洞13は最も広く、羽根1の
面積の約三分の二を占める。
【0017】さらに三つめの径方向の仕切り14は、下
流の空洞13を上流部分15と、後縁6の近傍の下流部
分16とに分ける。横方向の仕切り17は、下流の空洞
13の下端を塞ぐ。上流部分15および下流部分16
は、三つめの仕切り14の下部に形成された開口部18
によって互いに連絡する。後縁6の先細になった部分に
形成される複数のスリット19は、下流の空洞13の下
流部分を、羽根1の側壁7,8に沿って流れる燃焼ガス
の流れと連絡する。
【0018】かくして図1,2に示されるように、オリ
フィス20が上流の空洞11に面する羽根の上部4の壁
に形成され、横長の形の第二のオリフィス21は、羽根
の上部4の中央の空洞12の上に形成される。
【0019】羽根の下部3に形成される二個の分岐管2
2,23は、冷却空気供給用である。第一の管22は、
図2,11に示されているように、上流の空洞11およ
び中央の空洞12の下端に冷却空気を直接供給し、一方
で第二の管23は、羽根の上部4の近傍にある下流の空
洞13の上流部分15に冷却空気を供給し、この冷却空
気は、図12〜14に示されているように、上流部分1
5に少なくとも面した留め金24が結合する二重表皮か
らなる二個の側壁6,7の内部を通過する。
【0020】羽根1は、その中空の流線型の壁2につい
て鑞付けにより後で結合される二個の羽根部品からな
り、二個の羽根部品の切断は翼形中心線の位置で行われ
るか、あるいは羽根は、鋳造により製造可能である。
【0021】図2〜7に示されているように、前縁5の
近傍に位置する上流の空洞11は、螺旋状の勾配30を
介して対流により冷却される。
【0022】螺旋勾配30は、鋳造により製造して一方
の羽根部品と一体成形してもよいし、あるいは上流の空
洞11に適切にはめ込んで鑞付けしてもよい。
【0023】後者の場合、この通風システムの冷却の有
効性を高めるために高伝導性の物質を用いることが有効
である。
【0024】図3に示す螺旋勾配30は、二個の縁31
a,31bを含むが、この勾配30は、必要に応じて一
個の縁だけを有しても、あるいは二個以上の縁を有して
もよい。
【0025】中央の本体32、すなわち勾配30の心は
必ずしも円筒形ではなく、高さに対して断面を変化させ
ることにより、冷却空気の通過断面を望み通りに調整
し、それによって交換係数レベルを調節することができ
る。
【0026】上流の空洞11において、冷却空気は、羽
根の下部3から出て羽根の上部4で終わる「ウォーム」
型の冷却システム内を循環し、冷却空気は羽根の上部で
オリフィス20から排出される。このシステムによっ
て、冷却空気が流れる行程を著しく増加できるととも
に、純粋に径方向の空洞内で得られる速度に比べて一定
の冷却量で流出速度を速くすることができる。
【0027】交換係数レベルは、このようにして大きく
される。しかも、このような回転流は、前縁5の近傍で
羽根の壁における交換を強める傾向があり、冷却空気
は、遠心作用によって螺旋勾配30の外部に噴出され
る。
【0028】図4〜7で示すように、螺旋勾配30と組
み合わせた複数の構成が提案されている。
【0029】図4において、螺旋勾配は、内壁が滑らか
な上流の空洞11内に設けられる。
【0030】図5では、傾斜したリブ型の擾乱装置33
が、上流の空洞11の内壁あるいは螺旋勾配の上に配置
されている。
【0031】図6では、擾乱装置は、上流の空洞11の
内壁を螺旋勾配30の心32に結合する留め金34から
構成可能であることが分かる。これらの留め金34は、
五点形すなわち五の目形に配置できる。
【0032】図7では、擾乱装置は、上流の空洞11の
内壁に、五の目形あるいはそれ以外の形に配置されたピ
ン35から構成可能であることが分かる。
【0033】上記の冷却装置は、前縁5のすぐ近くに位
置する上流の空洞11内に設けられる。このような装置
はまた他の空洞に設けることもできるだろう。
【0034】この上流の空洞11において冷却空気は、
羽根の下部3から羽根の上部4に向かって遠心力を利用
して循環する。しかしながら、このような循環は、たと
えば特にタービンの案内羽根の固定羽根の場合に、逆に
することができる。同様に、羽根の下部または上部の冷
却循環路を方向転換させるとともに空洞に複数の螺旋勾
配を備えることもできる。
【0035】中央の空洞12は、羽根の下部3に形成さ
れた管22から空洞12の内部に導入される冷却空気に
よって、縦続衝撃技術を用いて対流により冷却される。
【0036】図2および8〜11は、ジャケット40が
中央の空洞12に導入されていることを示す。このジャ
ケット40は、衝撃オリフィス41およびスリット42
を形成するために予め穿孔した鋼板群を機械的に溶接組
立して製造されるか、あるいは鋳造により直接製造する
ことができる。
【0037】ジャケット40は、煙突形で、向かい合っ
た二個の側壁43,44が径方向の仕切り9,10の内
壁で支持され、向かい合った他の二個の壁45,46
は、衝撃オリフィス41およびスリット42を含み、突
出要素47によって羽根1の側壁7,8から一定の距離
をおいて保持される。この突出要素は、横方向のリブ型
で、壁45,46に形成され、羽根の下部3および羽根
の上部4の間に規則正しく配分されている。
【0038】ジャケット40の内部空洞は、横方向の仕
切り48によって図11のC1〜C7の一定数の区画に
分割され、この仕切り48は、羽根の下部3から一対の
突出要素47の下に各々配置され、羽根1の壁7,8に
面した二個のスリット42によりこれらの突出要素47
で分離される。上部の仕切り48aは、羽根の上部4を
形成する壁から離れており、それによって空洞C7から
排出された冷却空気がオリフィス21から出られるよう
にしている。
【0039】中央の空洞12における冷却空気の循環は
次のように行われる。
【0040】冷却空気は、ジャケット40の区画C1の
管22から導かれ、次に衝撃オリフィス41によって区
画C1から排出されることにより、羽根の下部3の近傍
で羽根1の下面の内壁7および上面の内壁8に当たる。
衝撃の後で、冷却空気は第一のスリット42から第二の
区画C2に入り、次いで区画C2の衝撃オリフィス21
から排出され、三つめの区画C3に入る。冷却空気はこ
のようにして上部の区画C7まで循環し、羽根の上部4
の近傍で下面7および上面8の内壁に衝撃を与えてか
ら、オリフィス21を通って羽根1の外に排出される。
【0041】区画数は7個以外でもよく、衝撃オリフィ
ス41の数は、区画どうしで違っていてもよい。
【0042】上記のジャケット40はまた、前縁または
後縁近傍の空洞内に設けることもできる。ジャケット4
0は、固定式のタービン翼列にも可動式のタービン翼列
にも適合可能である。固定式のタービン翼列に対して
は、羽根の上部4から供給を行うことができ、区画C1
〜C7は、上記の例のように径方向に配置するか、また
は軸方向に前縁5から後縁6あるいはその反対に配置可
能である。このような装置はまた、衝撃を分配する場合
(数列のオリフィス)にも衝撃を集中する場合(一列だ
けのオリフィス)41にも適用することができる。
【0043】下面7および上面8は、先に述べたよう
に、下流の空洞13の上流部分15に、留め金24で結
合した二重表皮7a,7bおよび8a,8bを含む。内
表皮7b、8bは、横方向の仕切り17によって羽根の
下部3の近傍で結合されている。これらの二個の内表皮
7b、8bは、羽根の上部4の近くに通路50a,50
bを保持しながら、羽根の上部4を形成する仕切りの近
傍まで延び、羽根の下部3のオリフィス23から導かれ
て下面7の表皮7a,7bおよび上面8の表皮8a,8
bの間を遠心式に循環した冷却空気は、下流の空洞の上
流部分15内に排出される。冷却空気は、この上流部分
15を求心的に循環し、開口部18から下流部分16に
入る。冷却空気は下流部分16内を遠心式に上昇し、後
縁6に形成されたスリット19から高温ガスの流れの中
に排出される。オリフィス23から導かれる冷却空気
は、横方向の仕切り17によって二つの流れB1および
B2に分割される。これらの二つの流れB1およびB2
は、多数の留め金24を通って遠心式に循環する。留め
金24は、鋳込みの際に鋳造により得られる。留め金2
4は、五の目形に配置してもよいし(図13参照)ある
いは直線状(図14参照)に配置してもよい。留め金の
形状は、円筒形でも正方形でも、細長くても任意でよ
い。この装置もまた、前縁まで延びるゾーンを冷却する
ために用いることができる。
【0044】内部冷却回路の構成は、はめ込み部品、螺
旋勾配30および機械溶接式のジャケット40を一方の
羽根部品の中に組み立て、この羽根部品に他方の羽根部
品をはめ込み、部品全体を鑞付けすることによって行わ
れる。冷却回路はまた、その全体もしくは一部を、鋳造
により直接製造することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による羽根の上面図である。
【図2】図1のラインII−IIに沿った軸方向の曲線
面による、図1の羽根の軸方向の断面図である。
【図3】上流の空洞に取り付けられた螺旋状の勾配の斜
視図である。
【図4】上流の空洞における螺旋勾配の構成と、様々な
タイプの擾乱装置を示す、羽根の前縁の切欠図である。
【図5】上流の空洞における螺旋勾配の構成と、様々な
タイプの擾乱装置を示す、羽根の前縁の切欠図である。
【図6】上流の空洞における螺旋勾配の構成と、様々な
タイプの擾乱装置を示す、羽根の前縁の切欠図である。
【図7】上流の空洞における螺旋勾配の構成と、様々な
タイプの擾乱装置を示す、羽根の前縁の切欠図である。
【図8】図2のラインVIII−VIIIに沿って羽根
の下部から距離をおいた、羽根の横断面図である。
【図9】図2のラインIX−IXに沿って羽根の下部か
ら距離をおいた、羽根の横断面図である。
【図10】図2のラインX−Xに沿って羽根の下部から
距離をおいた、羽根の横断面図である。
【図11】図2のラインXI−XIに沿って中央の空洞
の中央軸を通過する径方向の面によってなされた図2の
羽根の断面図である。
【図12】図2のラインXII−XIIに沿った下流の
空洞を切断する径方向の面による、図2の羽根の断面図
である。
【図13】図12のラインXIII−XIIIに沿っ
た、下流の空洞の外壁を形成する二重表皮の中央面によ
る断面図である。
【図14】二重表皮を結合する留め具の別の構成を示
す、図13と同様の図である。
【符号の説明】
1 羽根 2 流線型の壁 3 羽根の下部 4 羽根の上部 5 前縁 6 後縁 7,8 側壁 7a,7b;8a,8b 二重壁 9,10 仕切り 11 上流の空洞 12 中央の空洞 13 下流の空洞 14 三つめの仕切り 15 上流部分 16 下流部分 17 仕切り 18 開口部 19 スリット 20,21 オリフィス 23 入り口 24,34 留め金 30 螺旋勾配 32 螺旋勾配の心 33 リブ 35 ピン 40 室 42 スリット 45,46 壁 47 突出要素 C1〜C7 区画
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ガビエ・ジエラール・アンドレ・クドレー フランス国、71150・シヤグニー、ドミグ ニー、リユ・デ・クールテレル(番地な し) (72)発明者 ミカエル・フランソワ・ルイ・ドリヤン フランス国、77480・ムーイ・シユール・ セーヌ、アンシエンヌ・ボワ・ロメーヌ、 62 (72)発明者 ジヤン−ミツシエル・ロジエ・フジエール フランス国、49000・アンジエ、リユ・ド ウ・リボリ、6 (72)発明者 フイリツプ・クリスチヤン・ペリエ フランス国、77000・ムラン、リユ・ドレ、 9−2 (72)発明者 ジヤン−クロード・クリスチヤン・タイヤ ン フランス国、77000・ボー・ル・ペニル、 リユ・デ・カロ、706 (72)発明者 チエリー・アンリ・マルセル・タサン フランス国、91800・ブリユノワ、リユ・ ジヤン・バン・トロワ、5 (72)発明者 クリストフ・ベルナール・テキシエ フランス国、77000・ムラン、ブルバー ル・シヤトーブリアン、9

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 羽根の下部(3)および羽根の上部
    (4)の間に径方向に延び、前縁(5)および後縁
    (6)を有する中空の流線型の壁(2)を含み、該前縁
    (5)および後縁(6)は互いに分離され且つ凹状の側
    壁(7)(下面)および凸状の側壁(8)(上面)によ
    り結合され、さらにまた、羽根の下部(3)から冷却空
    気を供給されて該側壁の内面に冷却空気を配向するため
    の、該羽根の内部に設けられた冷却装置を含むタービン
    の羽根において、 該凹状の側壁(7)および凸状の側壁(8)を結合する
    とともに、該羽根(1)の内部を前縁(5)の近くに位
    置する上流の空洞(11)と、径方向の二つの仕切り
    (9,10)の間に位置する中央の空洞(12)と、後
    縁(6)の側に位置する下流の空洞(13)とに分割す
    る径方向の二つの仕切り(9,10)を羽根が含むこ
    と、 上流の空洞(11)および中央の空洞(12)は、羽根
    の下部(3)に設けられた入り口(22)から空気を供
    給され、この空気は次に、羽根の上部(4)に形成され
    たオリフィス(20,21)を通って該空洞(11,1
    2)から排出され、一方で下流の空洞(13)は、羽根
    の下部(3)に設けられ分離された入り口(23)から
    空気を供給され、この空気は次に、後縁(6)に形成さ
    れた複数のスリット(19)から排出されること、 冷却装置は、 上流の空洞(11)において、羽根の下部(3)および
    羽根の上部(4)の間に延びる螺旋状の勾配(30)を
    含み、 中央の空洞(12)において、径方向の仕切り(9,1
    0)の内壁に支持され且つ突出要素(47)によって羽
    根(1)の側壁(7,8)から距離をおいて保持される
    とともに、衝撃によりこれらの側壁(7,8)を冷却す
    るための複数のオリフィス(41)を羽根の側壁(7,
    8)に面して有するジャケット(40)を含み、 下流の空洞(13)において、該空洞(13)の下端を
    塞ぐ横方向の仕切り(17)と、該空洞(13)を上流
    部分(15)および後縁(6)近くの下流部分(16)
    に分ける径方向の三つめの仕切り(14)とを含み、こ
    れらの二つの部分(15,16)は、該三つめの仕切り
    (14)の下部に備えられた開口部(18)によって互
    いに連絡し、上流部分(15)に面する羽根の側壁
    (7,8)は、留め金(24)によって結合される二重
    表皮(7a,7b;8a,8b)からなり、この表皮の
    間を羽根の下部(3)から導入される冷却空気流が循環
    し、次いで、この冷却空気流は羽根の上部(4)の上流
    部分(15)に入ってから該開口部(18)を通って下
    流部分(16)に入り、そこで複数のスリット(19)
    から排出されること、を特徴とするタービンの羽根。
  2. 【請求項2】 上流の空洞(13)の内壁は、擾乱装置
    (33,34,35)を含むことを特徴とする、請求項
    1に記載の羽根。
  3. 【請求項3】 擾乱装置は、リブ(33)からなること
    を特徴とする、請求項2に記載の羽根。
  4. 【請求項4】 擾乱装置は、羽根の内壁を螺旋勾配の心
    (32)に結合する留め金(34)からなることを特徴
    とする、請求項2に記載のタービンの羽根。
  5. 【請求項5】 擾乱装置は、ピン(35)からなること
    を特徴とする、請求項2に記載の羽根。
  6. 【請求項6】 中央の空洞(13)のジャケット(4
    0)は、羽根の下部(3)から送られる同一の空気流を
    連続して供給される並置された複数の区画(C1〜C
    7)を含むことを特徴とする、請求項1から5のいずれ
    か一項に記載の羽根。
  7. 【請求項7】 第一の区画を除く区画(C2〜C7)
    は、突出要素(47)の下のジャケット(40)の壁
    (45,46)に設けられたスリット(42)により、
    羽根の側壁(7,8)に衝撃を与える先行区画(C1〜
    C6)からの空気流を供給され、突出要素は、横方向の
    リブからなることを特徴とする、請求項6に記載の羽
    根。
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