JPS6014885B2

JPS6014885B2 - 空冷タービン羽根

Info

Publication number: JPS6014885B2
Application number: JP51114339A
Authority: JP
Inventors: エドワード
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1975-10-03
Filing date: 1976-09-22
Publication date: 1985-04-16
Also published as: DE2640827C2; FR2326570A1; GB1506096A; CA1057663A; DE2640827A1; US4025226A; FR2326570B1; JPS5244312A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はガスターピンェンジンに係り、特にタービン入
口温度の高いエンジンに用いる固定羽根に係る。

ガスタービンェンジンの設計および製造にあたっては、
個々の部品の構造的完全性を確保するために常に繊密な
工学的検討を必要としてきた。

特に問題となる部分の一つとして、タービン中の高温ガ
スの流路を横断して配設された複数個の羽根から成るタ
ービンノズルがある。エンジンの運転中、流れるガスは
ノズルによりタービン羽根車の回転羽根の方向に向けら
れる。タービンへの入口におけるガスの温度は通常、羽
根の製作材料の許容温度限界を超過している。したがっ
て、運転中の羽根材料の温度を低下させることによりそ
の使用寿命を延長するよう、羽根の冷却が行なわれてい
る。羽根への冷却空気はエンジンの圧縮磯部分により供
給される。

この空気はエンジンのタービン部分への作動ガス流路の
内方および外方の種々の導管手段を通じて流される。各
羽根の翼部分のなかの中空部が冷却空気を取り入れる。
中空部の両端の空気取入れボートは導管手段と蓮適して
いる。冷却式タービンに用いられる典形的な羽根は“冷
却式タービン羽根”という名称の米国特許出願第５３１
，６３２号‘こ示されている。この場合、インサートが
羽根翼部分の前綾部における中空部に配設されている。
このインサートは、フィルム冷却のため翼部分の前縁に
適当な量の冷却空気を向けるような位置に設けられてい
る。フィルム冷却を行なうには冷却空気放出孔の両端に
精密で、しかも、比較的低い圧力差を必要とする。

もし圧力降下が高過ぎると、放出された空気はそこを通
過する作動ガスを貫通して、翼表面にフィルム層を確立
することなく燃焼ガスとともに下流に向きを変えてしま
う。他方、もし圧力降下が低過ぎると、高温の燃焼ガス
が冷却空気層を貫通して、羽根材料を破壊するような過
熱を生ずる。羽根の中空部のなかの冷却空気と羽根の前
縁における作動ガスとの圧力差は比較的小さいので、各
孔を通る流量は中空部のなかの局部的圧力偏差に非常に
敏感である。翼部分の前縁に平等なフィルム冷却を行な
うためには、中空部のなかの局部的圧力偏差を減少ある
いは除去しなければならず、この目標に向って検討が続
けられている。

本発明の主な目的は使用寿命の長い冷却可能な羽根を得
ることである。

一つの見地では、作動ガスが羽根冷却系に逆に流入する
ことのないようにしなければならない。各羽根の前縁に
冷却空気のほぼ平等な層を与えることのできる装置が希
求される。平等な流れを維持するさし、の一つの目標は
、流路の作動ガスと羽根の中空部の冷却空気との間の羽
根前緑の両端に実質的に平等な圧力差を確立することで
ある。本発明は、羽根の中空部の一端から池端への冷却
空気の直交流が前綾部の種々のフィルム冷却孔における
局部的圧力偏差を生起するという認識に基づいている。

さらに詳細には、あるエンジン運転条件のもとに中空部
の一端に供給される冷却空気が他端に供給される空気を
凌駕する。優勢な供給源の端部から流入する空気の速度
は過大となり、その結果、フィルム冷却孔を通じて中空
部へ３の高温作動ガスの吸気が惹起される。本発明によ
れば、冷却可能なタービン羽根の内側端部と外側端部の
双方に冷却空気用の流入ボートを有する中空部の中央翼
幅位置にそらせ板が作動的に配設されており、中空部の
一端から他端へ４の空気の直交流を阻止する。

本発明の主な特徴は、中央翼幅位置にそらせ板を含むこ
とである。

一つの実施例では、このそらせ板は前縁冷却孔を挟むＵ
字形インサートにより掛けられている。同じ実施例にお
いて、このそらせ板の少なくとも一つの突出部がＵ字形
インサートの対応する関口とゆるく係合することにより
、インサート内部の圧力増大に応動するインサートの横
榛みを妨げることのないよう、中空部にそらせ板が配設
されている。本発明の主な利益は、中央翼幅位置にそら
せ板を含むことにより使用寿命を延長できることである
。

羽根材料の局部的焼損は、冷却用中空部への０高温作動
ガスの吸気をなくすことによって防止される。前緑冷却
孔を通じて冷却空気を確実に流すために必要な冷却空気
圧力の減少により、全体としてのエンジン効率の改善が
可能となる。本発明の前記および他の目的、特徴および
利益は、本発明の好ましい実施例を付図を参照しながら
以下に詳細に説明するなかで、一層明らかとなろう。

典型的なガスタ−ビンェンジンのタービン部分１０が第
１図に部分断面図で示されている。

固定羽根１２および回転羽根１４は、エンジン運転中に
燃焼室１８から噴出する作動ガスの環状流路１６を横断
して配設されている。図示の固定羽根′は、流路内の同
一の軸万向位置に配置された一列の固定羽根のうちの一
つである。同様に、図示の回転羽根は、固定羽根のすぐ
下流の流路に配設された一列の回転羽根のうちの一つで
ある。各固定羽根は外径側ベース２０および内蓬側ベー
ス２２を有し、両ベースがそれらの間に延在する翼部分
２４を支持している。各固定羽根は冷却可能であり、タ
ービン部分の内側環周２６および外側環周２８から流れ
る比較的低温の空気を取り入れるようになっている。第
２図の断面図には、翼部分２４の内軽側べ−スと外蓬側
ベースとの間に翼幅方向に延在する中空部３０が示され
ており、この中空部が内側環周および外側環周から冷却
空気を取り入れる。

翼部分２４は流路１６を通る作動流体の上流方向を向い
た前縁部３２を有し、この前綾部には複数個の前縁冷却
孔３４が設けられている。作動流体の下流方向を向いた
後縁部３６には１個以上の通路３８が設けられている。
翼部分の圧力側４川ま複数個の圧力側冷却孔４２を有し
、また、その吸込側４４は複数個の吸込側冷却孔４６を
有する。中空部３０は圧力側内壁４８および吸込側内壁
５川こより形成されている。実質的にＵ字形のィンサ−
ト５２が中空部３０１こ記設され、翼幅方向に内隆側ベ
ースと外径側ベースとの間に延在している。このインサ
ートは圧力側脚部５４を吸込側脚部５６とを有し、金属
シートのような可榛性材料からタ製作されたものであ
る。この可榛性インサートは、インサート内部の圧力増
大に応動して、中空部の圧力側および吸込側内壁に対し
て変形可能である。そらせ板５８は中空部の中央翼幅位
置においてＵ字形インサートの吸込側脚部と圧力側脚部
Ｚとの間に掛けられている。このそらせ板はインサート
の圧力側脚部とゆるく係合しており、エンジン運転中に
中空部の圧力側および吸込側内壁に対してインサートの
それぞれ圧力側および吸込側脚部が横に榛むのを妨げる
ことなく、そらせ板が半Ｚ蓬方向に支持されるようにな
っている。第２図および第３図に示されているように、
このそらせ板はインサートの吸込側脚部に熔接されてい
る。耳Ｕの実施例では、インサートの圧力側脚部に示さ
れているゆるい係合が吸込側脚部にも適用されてよ２Ｌ
、。第４図には中空の固定羽根１２の内部構造について
別の実施例が示されており、この場合は中空部が前緑中
空部１０２と後緑中空部１０４とから成る。

前緑部１０６は上流方向を向いており、複２数個の前縁
冷却孔１０８を有する。後緑部１１０は下流方向を向い
ており、通路１１２を有する。各固定羽根の圧力側には
、前縁中空部１０２から還状流路に通ずる第一群の圧力
側冷却孔１１６と、後緑中空部１０４から環状流路に通
ずる第二３群の圧力側冷却孔１１８とが設けられている
。また各翼部分の吸込側１２０には、前緑中空部１０２
と環状通路との間を通ずる第一群の吸込側冷却孔１２２
と、後縁中空部１０４と環状通路との間を通ずる第二群
の吸込側冷却孔１２４とが設けられている。前縁中空部
１０２は圧力側内壁１２６および吸込側内壁１３０‘こ
より郭定されており、各壁面にはそれぞれ圧力側内壁封
じリブ１３１と吸込側内壁封じリブ１３２とが隆起して
いる。

前縁中空部と後緑中空部とは横断部材１３４により隔離
されている。前緑インサート１３６および後縁インサー
ト１３８は実質的にＵ字形の輪郭を有し、それぞれ前緑
中空部および後緑中空部に配談されている。各インサー
トは、それぞれの中空部の圧力側内壁と対向する圧力側
脚部１４０と、それぞれの中空部の吸込側内壁と対向す
る吸込側脚部１４２とを有する。前縁および後縁インサ
ートはそれぞれ衝突冷却孔１４４により貫通されている
。そらせ板１４６は前緑中空部のＵ字形インサートの吸
込側脚部と圧力側脚部との間に掛けられている。図示の
実施例では、そらせ板は複数個の突出部１４８を有し、
これらの突出部が前緑インサートの対応する関口１５０
とゆるく係合して、翼の中央翼幅位置にそらせ板を配置
している。このそらせ板とインサートとの間のゆるい係
合によって、インサート内部の圧力増大に応動して、イ
ンサートの圧力側および吸込側脚部の横榛みを妨げるこ
となく、そらせ板を半径方向に支持することが可能にな
る。エンジンの運転中、冷却空気は内側環周２６と外側
環周２８とに流される。

両環周中の空気と流路１６の作動ガスとの間の圧力差は
、それぞれの環周に至る途中の摩擦による損失と燃焼室
の両端に確立される圧力降下とに依存する。一方の環周
における気体圧力が他方の環周における気体圧力より高
い運転条件下では、固定羽根２４の中空部３０を通る冷
却空気の直交流が低圧側の環周の方向に生ずる。直交流
が生ずる場合、前線冷却孔３４への冷却空気はすべて、
優勢空気源を有する環周から流れる。さらに、中空部３
０１こ流入する空気の量は孔３４を通って流れる空気の
量を超えて増大し、反対側の環周に放出される直交流の
空気量を含む。このような条件下では、中空部を通る空
気の流速が過大となり、孔３４を通って中空部３０への
作動ガスの吸気を惹起する可能性がある。本発明による
そらせ板５８は中空部３０の中央翼幅位置に配設されて
いる。

このそらせ板は両端の環周の間で冷却空気の直交流が生
ずるのを阻止して、孔３４を通る吸気の可能性を有意義
に減少する。図面にはそらせ板が翼部分のほぼ幾何学的
中心に示されているが、中空部３０の半径方向に０内方
あるいは外方にそらせ板を配置することが望ましい場合
もある。中央翼幅位置におけるそらせ板の半径方向位置
の変更は、一方の環周における冷却空気の圧力が他方に
おける圧力より大きいことが既知の場合に望ましい。こ
のような場合、そらせ板は供給圧力が低いほうの環周の
方向に調節され、そこに、直交流を阻止するよう、位置
決めされ得る。直交流の可能性をなくすことは、吸気の
発生を確実に防止するための必要な冷却空気と流路１６
の作動ガスとの間の圧力差を低くするという有益な効果
を生ずる。

すなわち、吸気の防止に必要な圧力差は燃焼室の両端に
おける圧力降下によって得られるので、吸気の防止に必
要な圧力差の減少は燃焼室における損失の減少を可能と
し、その結果、全体としてエンジン効率が改善される。
インサート、たとえば第２図のインサート５２あるいは
第４図のインサート１３６は、それぞれ中空部３０ある
いは１０２に配設されて、中空部の残余部分から前緑の
フィルム冷却孔を隔離している。この隔離によって、圧
力および温度の最も高い範囲で冷却孔を通じ作動ガス流
路へ冷却空気が確実に流される。インサート５２は実質
的にＵ字形の輪郭を有し、第２図に示されているように
、翼部分の前緑冷却孔３４と圧力側冷却孔４２とを挟ん
でいる。圧力側冷却孔はいくつかの構造では設けられて
いないが、図示の好ましい実施例では圧力側冷却孔を併
設することにより、翼の圧力側に沿うフィルム冷却空気
の境界層の厚みを増している。本発明にしたがって構成
された装置により前緑冷却孔に生ずる被制御空気流を利
用するため、圧力側冷却孔は前縁冷却孔とともに隔離さ
れている。冷却空気の流入に伴うインサート内部の圧力
増大に応動して、インサートの圧力側脚部５４およ３び
吸込側脚部５６は中空部３０のなかでそれぞれ圧力側内
壁４８および吸込側内壁５０に向って榛みを受ける。

この横榛みを妨げないよう、中央翼幅位置のそらせ板５
８はインサートとゆるく係合している。一つの実施例で
は、そらせ板がインサ３−トの吸込側脚部５６に溶接さ
れ、また、インサートの圧力側脚部５４とゆるく係合し
ているが、そらせ板をィンサ−トの両脚部とゆるく係合
するように実施することもできる。重要なことは、吸込
側脚部と圧力側脚部の双方をそらせ板に固く係４合する
ことなく、インサート脚部の自由な横操みを許すことが
できる。第５図に示されている別の実施例では、そらせ
板が複数個の突出部１４８を有し、それによりインサー
ト１３６の対応する関口１５０とゆるく係合している。

先に記載した構造のように、そらせ板は、ここに開示さ
れた考え方から逸脱することなく、インサートの圧力側
脚部もしくは吸込側脚部に固く付設されてよい。本発明
をその好ましい実施例について説明してきたが、その形
態および細部における種々の変更および省略が本発明の
範囲から逸脱することなく行なわれてよいことは当業者
により理解されよつｏ

【図面の簡単な説明】

第１図はガスタービンェンジンの入口の羽根の部分を示
す簡易断面図である。第２図は第１図の線２−２に沿うタービン固定羽根の断
面図である。第３図は第２図の固定羽根の斜視図であり
、部分的に切り欠いて示されている。第４図は内部構造
の異なるタービン固定羽根の断面図である。第５図は第
４図の固定羽根の斜視図であり、部分的に切り欠いて示
されている。１０・・・・・・タービン部分、１２・・
・…固定羽根、１４・・・・・・回転羽根、１６・・…
・作動ガスの環状通路、１８・・・・・・燃焼室、２０
・・・・・・外蚤側ベース、２２・・・・・・内怪側ベ
ース、２４・・・・・・翼部分、２６・・・・・・内側
環周、２８・・・・・・外側環周、３０・・…・中空部
、３２・…・・前緑、３４・・・・・・前縁冷却孔、３
６・・・・・・後緑、３８・・・・・・通路、４０・・
・・・・圧力側、４２・・・・・・圧力側冷却孔、４４
・・・…吸込側、４６……吸込側冷却孔、４８・・・・
・・圧力側内壁、５０・・・・・・吸込側内壁、５２・
…・・インサート、５４・・・・・・圧力側脚部、５６
・・・・・・吸込側脚部、５８・・・・・・そらせ板、
１０２・・・・・・前縁中空部、１０４・・・・・・後
縁中空部、１０６・・…・前縁、１０８・・・・・・前
緑冷却孔、１１０・・・・・・後緑、１１２・・・・・
・通路、１１４・・・・・・圧力側、１１６，１１８・
・…・圧力側冷却孔、１２０・・・・・・吸込側、１２
２，１２４・・・・・・吸込側冷却孔、１２６・・・・
・・圧力側内壁、１３０・・・・・・吸込側内壁、１３
１・・・・・・圧力側内壁封じリブ、１３２・・・・・
・吸込側内壁封じリプ、１３４・・・…横断部材、１３
６・・…・前緑インサート、１３８・・・・・・後緑イ
ンサート、１４０・・・・・・圧力側脚部、１４２・…
・・吸込側脚部、１４４・・・・・・衝突冷却孔、１４
６……そらせ板、１４８…・・・突出部、１５０・・・
・・・関口。孝二‐／み；‐ど弓多‐〆宅ヲ−〆・−〆′

Claims

【特許請求の範囲】１翼幅方向に延在する中空部を有し、該中空部にはそ
の両端より冷却空気が流入可能をなっており、前記中空
部より前縁部の外表面へ向けて冷却空気を通過せしめる
空気通過手段を前縁部に備えた空冷タービン羽根に於て
、前記中空部の実質的に翼幅方向の中央に位置して前縁
部に近接する位置に配置され前記中空部の一端より他端
へ向かう冷却空気の貫流を阻止するそらせ板を有するこ
とを特徴とする空冷タービン羽根。２翼幅方向に延在する中空部を有し、該中空部にはそ
の両端より冷却空気が流入可能となっており、前記中空
部より前縁部の外表面へ向けて冷却空気を通過せしめる
空気通過手段を前縁部に備えた空冷タービン羽根に於て
、前記中空部の実質的に翼幅方向の中央に位置して前縁
部に近接する位置に配置され前記中空部の一端より他端
へ向かう冷却空気の貫流を阻止するそらせ板と、前記中
空部内に配置され該中空部のうちの前縁部に近接する領
域を該中空部の他の領域より隔離するＵ字形インサート
とを有することを特徴とする空冷タービン羽根。