(57)【要約】【課題】タービンエーロフォイルの冷却方法を改善する。【解決手段】インサート（１２８）は、チャンバ（１２２）に流入した冷却空気を最初に受け入れ、複数のインサート開口（１３０）を介して送り出し、外壁（１３３）の内面を冷却する。インサート（１２８）は、チャンバ（１２２）の外壁（１３３）の輪郭形状と同様の形状を有するが、外壁（１１３）に対して離間して配置される。チャンバ（１２２）及びインサート（１２８）は、後縁（１１８）に向かって延出するにつれて細くなる。インサート（１２８）は最終的に終端し且つチャンバ（１２２）は最終的にピンアレイ部分（１５２）で終端する。インサート（１２８）の下流側終端点の位置とピンアレイ部分（１５２）の上流側開始点の位置との間の距離が最短になるように構成され、ピンアレイ部分（１５２）は、下流側端部に、複数の後縁冷却開口（１４４）への入口を規定する複数の開口を具備する。【選択図】図３
2010156322.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却空気を受け入れるチャンバ（１２２）を規定する外壁（１３３）を有するほぼ中空のエーロフォイル（１１０）を有するタービン翼において、前記エーロフォイル（１１０）は、上流側方向に位置する前縁（１１２）と、下流側方向に位置する後縁（１１８）と、凸形の吸引側（１１６）と、凹形の加圧側（１１４）と、前記チャンバ（１２２）の内部に配置され、前記チャンバ（１２２）に流入した前記冷却空気の少なくとも一部を最初に受け入れ且つ複数のインサート開口（１３０）を介して前記冷却空気を送り出すことにより、前記外壁（１３３）の内面を冷却するように構成されたインサート（１２８）とを具備し、前記インサート（１２８）は、前記チャンバ（１２２）の前記外壁（１３３）の輪郭形状とほぼ同様の形状を有するが、前記外壁（１３３）に対して離間した関係で配置される構成を更に含み、前記冷却空気の一部は、前記外壁（１３３）を貫通して形成された複数の膜冷却開口（１３２）を介して前記エーロフォイル（１１０）から排出され、前記チャンバ（１２２）及び前記インサート（１２８）は、前記後縁（１１８）に向かって延出するにつれて細くなり、前記インサート（１２８）は最終的に終端し且つ前記チャンバ（１２２）は最終的にピンアレイ部分（１５２）で終端し、前記ピンアレイ部分（１５２）は、前記ピンアレイ部分（１５２）を規定する対向する壁と一体である複数の冷却ピン（１４６）が架け渡されている流路を含み、前記インサート（１２８）の下流側終端点と前記ピンアレイ部分（１５２）の上流側開始点との間のほぼ軸方向の距離である第１の距離が存在し、前記ピンアレイ部分（１５２）は、前記ピンアレイ部分（１５２）から前記冷却空気の一部が前記エーロフォイル（１１０）から排出される場合に通過する出口が規定された前記エーロフォイル（１１０）の前記後縁（１１８）まで延出する複数の後縁冷却開口（１４４）への入口を規定する複数の開口を下流側端部に具備し、前記チャンバ（１２２）、前記インサート（１２８）及び前記ピンアレイ部分（１５２）は、前記第１の距離がほぼ最短になるように構成されるタービン翼。
【請求項２】
前記第１の距離をほぼ最短にする前記チャンバ（１２２）、前記インサート（１２８）及び前記ピンアレイ部分（１５２）の構成は、前記チャンバ（１２２）のより大きな直径から前記ピンアレイ部分（１５２）の小さな直径まで滑らかに変化する先細出口（１５６）を含む請求項１記載のタービン翼。
【請求項３】
前記先細出口（１５６）は、前記チャンバ（１２２）のより大きな直径から前記ピンアレイ部分（１５２）の小さな直径までの滑らかで急激な変化を有する請求項２記載のタービン翼。
【請求項４】
下流側に向かう方向に沿って見た場合、前記先細出口（１５６）の形状は、流路を急速に狭める凸形湾曲へと続く凹形湾曲を有する請求項２記載のタービン翼。
【請求項５】
前記ピンアレイ部分（１５２）の前記ピン（１４６）は複数の列を成すように構成され、様々に異なる高さで前記ピンアレイ部分（１５２）を通過する前記冷却空気を遮断することにより、乱流を発生させ、冷却を促進するために、各列に含まれる前記ピン（１４６）は、それぞれ隣接する列のピン（１４６）に関して半径方向に位置がずれている請求項１記載のタービン翼。
【請求項６】
前記チャンバ（１２２）は、仕切り（１２４）により分離された前縁チャンバ（１２０）及び後縁チャンバ（１２２）を具備し、
前記外壁（１３３）を貫通する前記膜冷却開口（１３２）のすべては、隣接して取り付けられた２つのエーロフォイル（１１０）の間の最小流量領域を含むスロート（１１９）の上流側の場所に配置される請求項１記載のタービン翼。
【請求項７】
前記第１の距離をほぼ最短にする前記チャンバ（１２２）、前記インサート（１２８）及び前記ピンアレイ部分（１５２）の構成は、組み立て中に前記エーロフォイル（１１０）に差し込み可能である形状を維持しつつ前記インサート（１２８）が前記後縁（１１８）に向かって最大距離で延出するように前記インサート（１２８）の前記後縁が構成されることを含む請求項１記載のタービン翼。
【請求項８】
前記第１の距離をほぼ最短にする前記チャンバ（１２２）、前記インサート（１２８）及び前記ピンアレイ部分（１５２）の構成は、前記インサート（１２８）の最小曲率、前記外壁（１３３）の最小壁厚さ及び最小後縁流路厚さが規定されている場合に前記インサート（１２８）が前記後縁（１１８）に向かって最大距離で延出するように前記インサート（１２８）の前記後縁が構成されることを含む請求項１記載のタービン翼。
【請求項９】
前記インサート（１２８）の前記最小曲率は、材料制限及び所望の耐久性レベルが規定されている場合に前記インサート（１２８）に形成されてもよい最小曲率を表し、
前記最小外壁厚さ（１３３）は、材料制限及び鋳造能力制限並びに前記外壁（１３３）の所望の耐久性レベルが規定されている場合に形成されてもよい前記外壁（１３３）の最小厚さを表し、
前記最小後縁流路厚さは、流通する冷却空気の所望の流量レベルが規定されている場合の前記チャンバ（１２２）の前記後縁に沿った前記インサート（１２８）と前記外壁（１３３）との間の最小空隙を表す請求項８記載のタービン翼。
【請求項１０】
前記第１の距離をほぼ最短にする前記チャンバ（１２２）、前記インサート（１２８）及び前記ピンアレイ部分（１５２）の構成は、ほぼ前記ピン（１４６）の最大長さが許容する限り先の位置まで上流側へ前記ピンアレイ部分（１５２）の前記上流側開始点が押し出されることを含み、前記ピン（１４６）の最大長さは、前記ピンアレイ部分（１５２）を介する熱伝達の所望のレベル及び前記鋳造能力が規定されている場合の前記ピンアレイ部分（１５２）を介する熱伝達の所望のレベルに対応する前記ピン（１４６）の直径に対する前記ピン（１４６）の最大長さを表す請求項１記載のタービン翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にタービンエンジンの効率及び／又は動作を改善する装置、方法及び／又はシステムに関する。特に、本発明は、内部冷却回路又は内部冷却流路を介して冷却剤を循環させることによりタービンエーロフォイルを冷却する装置、方法及び／又はシステムに関するが、それに限定されない。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、圧縮機、燃焼器及びタービンを通常含む。（尚、本発明は主にガスタービンエンジンを例示して説明されるが、本発明はガスタービンエンジンに限定されず、ガスタービンエンジンは単に一例として挙げられているにすぎない。本発明の実施形態が航空機エンジン及び他の種類の回転式エンジンで使用されてもよいことは当業者に理解されるだろう。）一般に、圧縮機及びタービンは、軸方向に複数の段を成して積層された複数列のタービン翼又はエーロフォイルを含む。各段は、周囲方向に互いに離間して配置された複数列の固定された静翼と、中心軸又はシャフトに関して回転する互いに離間して配置された複数列の動翼とを交互に含んでもよい。動作中、圧縮機の動翼は軸を中心に回転し、空気の流れを圧縮する。その後、圧縮された空気は、供給される燃料を燃焼するために燃焼器において使用される。燃焼の結果発生する高温ガスの流れは、エンジンのタービン部分を通過しながら膨張し、タービン動翼の回転を誘発する。動翼が中心軸に結合されているため、動翼の回転は軸を回転させる。
【０００３】
このようにして、燃料に含まれるエネルギーは、回転軸の機械的エネルギーに変換される。機械的エネルギーは、燃焼に必要な圧縮空気の供給源が形成されるように圧縮機の動翼を回転するために使用されてもよく、また、電力が発生されるように発電機のコイルを回転するために使用されてもよい。動作中、高温ガス流路の極端な高温、作業流体の速度及びエンジンの回転速度の影響によって、先に説明したように一般に動翼及び周囲方向に互いに離間して配置された固定された静翼を含むタービンエーロフォイルは、極度に大きい機械的負荷及び熱負荷による大きな応力を受ける。
【０００４】
当然ながら、特に化石燃料の枯渇及び価格上昇を考慮して、より効率のよいタービンエンジンを設計し、製造することは重大な目標の１つである。タービンエンジンの効率を向上するいくつかの方法は知られているが、例えばエンジンを大型化すること、高温ガス流路の温度を上げること及び動翼の回転を更に高速化することを含む周知の方法は、一般に、既に大きな応力を受けているタービンエーロフォイルに更に歪みを引き起こすなど、部品の歪みを増加するので、目標の達成には至っていない。そのため、タービンエーロフォイルに加わる動作中の応力を減少するか又はタービンエーロフォイルがそのような応力に対して更なる耐性を有する装置、方法及び／又はシステムの改良が強く求められる。
【０００５】
当業者に理解されるように、熱応力を軽減する方法の１つは、エーロフォイルがさらされる温度を高温ガス流路の温度より低くするようにエーロフォイルを冷却する。有効に冷却を行えば、エーロフォイルは、例えばより高い点火温度に耐え、高い動作温度で更に大きな機械的応力に耐え且つ／又はエーロフォイルの部品寿命を延ばすことができ、その結果、タービンエンジンの費用効果及び効率を向上できるだろう。動作中にエーロフォイルを冷却する方法の１つは、内部冷却流路又は内部冷却回路の使用である。一般に、この方法は、タービンエンジンの圧縮機により供給される相対的に低温の圧縮空気をエーロフォイル内部の冷却回路に流通させる。圧縮空気がエーロフォイルを通過するにつれて、空気はエーロフォイルを対流冷却するので、部品は、そのような冷却が行われない場合には不可能であるような高い点火温度にも耐えられるようになる。
【０００６】
場合によっては、エーロフォイルの表面にある複数の小さな穴を通して圧縮空気が放出される。そのようにして放出された空気は、エーロフォイルの表面に相対的に低温の空気の薄い層又は膜を形成する。低温空気の膜は、部品を冷却し且つ周囲の高温から絶縁する。この種の冷却は一般に「膜冷却」と呼ばれるが、冷却費用は高くなる。エーロフォイルの表面に沿って圧縮空気を放出する方法は、特にノズル又は静翼の場合、空気がスロートの下流側へ放出されると、エンジンの空気力学的効率を低下する。膜冷却を最小限に抑えるか又は減少できるようにエーロフォイルの内部冷却を促進する更に適切な方法があれば、一般にタービンエンジンの効率は向上するだろう。更に、エーロフォイルには製造上及び形状のある特定の制限があるために、エーロフォイルは、冷却するのが一般に難しい場所である冷却の「デッドスポット」を有する。そのような場所を十分に冷却する方法が見つかれば、エーロフォイルの耐用年数を延ばし且つエンジンの更に高い点火温度を実現するのに有用だろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４，２９７，０７７号公報
【特許文献２】米国特許第４，５１５，５２３号公報
【特許文献３】米国特許第６，８２４，３５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、タービンエーロフォイルの冷却方法を改善することが依然として必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
従って、本発明は、冷却空気を受け入れるチャンバを規定する外壁を有するほぼ中空のエーロフォイルを有するタービン翼であって、エーロフォイルは、上流側方向に位置する前縁と、下流側方向に位置する後縁と、凸形の吸引側と、凹形の加圧側と、チャンバの内部に配置され、チャンバに流入した冷却空気の少なくとも一部を最初に受け入れ且つ複数のインサート開口を介して冷却空気を送り出すことにより、外壁の内面を冷却するように構成されたインサートとを具備し、インサートは、チャンバの外壁の輪郭形状とほぼ同様の形状を有するが、外壁に対して離間した関係で配置される構成を更に含み、冷却空気の一部は、外壁を貫通して形成された複数の膜冷却開口を介してエーロフォイルから排出され、チャンバ及びインサートは、後縁に向かって延出するにつれて細くなり、インサートは最終的に終端し且つチャンバは最終的にピンアレイ部分で終端し、ピンアレイ部分は、ピンアレイ部分を規定する対向する壁と一体である複数の冷却ピンが架け渡されている流路を含み、インサートの下流側終端点とピンアレイ部分の上流側開始点との間のほぼ軸方向の距離である第１の距離が存在し、ピンアレイ部分は、ピンアレイ部分から冷却空気の一部がエーロフォイルから排出される場合に通過する出口が規定されたエーロフォイルの後縁まで延出する複数の後縁冷却開口への入口を規定する複数の開口を下流側端部に具備し、チャンバ、インサート及びピンアレイ部分は、第１の距離がほぼ最短になるように構成されるタービン翼を説明する。
【００１０】
いくつかの実施形態において、第１の距離をほぼ最短にするチャンバ、インサート及びピンアレイ部分の構成は、チャンバのより大きな直径からピンアレイ部分の小さな直径まで滑らかに変化する先細出口を含む。いくつかの実施形態において、先細出口は、チャンバのより大きな直径からピンアレイ部分の小さな直径までの滑らかで急激な変化を有する。
【００１１】
いくつかの実施形態において、下流側に向かう方向に沿って見た場合、先細出口の形状は、流路を急速に狭める凸形湾曲へと続く凹形湾曲を有する。いくつかの実施形態において、ピンアレイ部分のピンは複数の列を成すように構成され、様々に異なる高さでピンアレイ部分を通過する冷却空気を遮断することにより乱流を発生させ、冷却を促進するために、各列に含まれるピンは、それぞれ隣接する列のピンに関して半径方向に位置がずれている。
【００１２】
いくつかの実施形態において、チャンバは、仕切りにより分離された前縁チャンバ及び後縁チャンバを具備し、外壁を貫通する膜冷却開口のすべては、隣接して取り付けられた２つのエーロフォイルの間の最小流量領域を含むスロートの上流側の場所に配置される。いくつかの実施形態において、第１の距離をほぼ最短にするチャンバ、インサート及びピンアレイ部分の構成は、組み立て中にエーロフォイルに差し込み可能である形状を維持しつつインサートが後縁に向かって最大距離で延出するようにインサートの後縁が構成されることを含む。
【００１３】
いくつかの実施形態において、第１の距離をほぼ最短にするチャンバ、インサート及びピンアレイ部分の構成は、インサートの最小曲率、外壁の最小壁厚さ及び最小後縁流路厚さが規定されている場合にインサートが後縁に向かって最大距離で延出するようにインサートの後縁が構成されることを含む。いくつかの実施形態において、インサートの最小曲率は、材料制限及び所望の耐久性レベルが規定されている場合にインサートに形成されてもよい最小曲率を表し、最小外壁厚さは、材料制限及び鋳造能力制限、並びに前記外壁の所望の耐久性レベルが規定されている場合に形成されてもよい外壁の最小厚さを表し、最小後縁流路厚さは、流通する冷却空気の所望の流量レベルが規定されている場合のチャンバの後縁に沿ったインサートと外壁との間の最小空隙を表す。
【００１４】
いくつかの実施形態において、第１の距離をほぼ最短にするチャンバ、インサート及びピンアレイ部分の構成は、ほぼピンの最大長さが許容する限り先の位置まで上流側へピンアレイ部分の上流側開始点が押し出されることを含み、ピンの最大長さは、ピンアレイ部分を介する熱伝達の所望のレベル及び鋳造能力が規定されている場合のピンアレイ部分を介する熱伝達の所望のレベルに対応するピンの直径に対するピンの最大長さを表す。
【００１５】
本発明の上記の特徴及び他の特徴は、添付の図面及び特許請求の範囲と関連させて以下の好適な実施形態の詳細な説明を検討することにより明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
本発明の上記の目的及び利点並びに他の目的及び利点は、添付の図面と関連させて以下の本発明の実施形態の更に詳細な説明を慎重に検討することにより更に完璧に理解されるだろう。
【図１】図１は従来の空冷エーロフォイルを示した横断面図である。
【図２】図２は本発明の一実施形態に係る内部冷却回路を示したいくつかのエーロフォイルの取り付け後の整列状態の横断面図である。
【図３】図３は本発明の一実施形態に係る内部冷却回路を示した１つのエーロフォイルの横断面図である。
【図４】図４は本発明の一実施形態に係る内部冷却回路を示した１つのエーロフォイルの拡大横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図面を参照して説明する。図中、同一の図中符号は、いくつかの図面において一貫して同一の部品を表す。図１は従来の空冷エーロフォイル１０を示す。図示されるように、エーロフォイル１０は全体として翼形羽根の形状を有し、前端部又は前縁１２、加圧側又は加圧面１４、吸引側１６及び後縁１８を含む。エーロフォイル１０は一般に中空であり、多くの場合、中間仕切り２４により２つの内部チャンバ２０、２２に分割される。チャンバ２０、２２はそれぞれ中空のインサート２６、２８を収納しており、インサート２６、２８は、それぞれ対応するチャンバの内部輪郭形状とほぼ同様の形状を有するが、チャンバに対して離間した関係で配置される。インサート２６、２８は、複数のあらかじめ選択された場所に開口３０を有する。タービン圧縮機からの高圧冷却空気は、従来の系統及び方法によってインサートの中に導入され、開口３０から排出されて、衝突冷却に利用される空気のジェットを形成する。（矢印により示されるように）空気のジェットはチャンバ２０、２２の内壁に衝突する。
【００１８】
特に、前縁チャンバ２０内部のインサート２６の開口３０は、インサート２６に対向するチャンバ壁に空気を衝突させるような場所に配置される。前縁チャンバ２０に流入し、インサート２６を通過した冷却空気は、エーロフォイルの外壁３３を貫通する半径方向に互いに離間して配列された膜冷却開口３２の列を通って排出される。外壁３３は内部空胴を取り囲み、空胴を形成する。排出された冷却空気は、エーロフォイルの外面に隣接して境界空気の層を形成することにより、外面に沿った高温の流れとの直接接触を制限し、その結果、エーロフォイルから作業流体への熱伝達が抑止される。後縁チャンバ２２に流入し、後縁インサート２８を通過した冷却空気は、膜冷却開口３２を通るか又は後縁チャンバ２２からエーロフォイルの後縁１８まで貫通する後縁冷却開口４４を通って排出される。後縁チャンバ２２と後縁冷却開口４４との間にあるピンアレイ部分５２に、複数のほぼ円筒形の冷却ピンの列４６が架け渡されていてもよい。
【００１９】
エーロフォイル１０において、後縁インサート２８とピンアレイ部分５２との間に位置する領域を冷却するのは難しい。本明細書中、この領域は「低熱伝達領域５４」と呼ばれる。低熱伝達領域５４は、熱伝達係数が低い領域であり、そのため、動作中にホットスポットが発生する場所である。これにはいくつかの原因がある。第１に、インサート２８からの流れの衝突がほとんど又は全く起こらない。第２に、チャンバ２２の後縁に至るまで、すなわち後縁冷却開口４４への入口の付近では、チャンバ２２の幅が広すぎるため、冷却ピン４６を有効に形成できない。そのような熱伝達補助機能が設けられなければ、熱伝達係数は低いままである。従って、この領域は高温金属の熱の影響を受けやすく、最終的にはエーロフォイルの部品寿命を損なう。更に、当業者に理解されるだろうが、スロート１１９の下流側に配置された膜冷却開口３２から放出される空気は、部品の空気力学的効率に著しく大きな悪影響を及ぼす。その結果、スロート１１９（おおよその場所に関しては図２を参照）の下流側に配置された開口を介して放出される冷却空気は最小限に抑えられる。そのため、特にエーロフォイルの吸引側では低熱伝達領域５４に対する膜冷却はさほど行われず、これが動作中にこの領域を十分な低温に保持するという問題を更に困難にしていることは言うまでもない。
【００２０】
次に図２を参照すると、本発明の一実施形態に係る複数のタービンエーロフォイル１１０の組み立て後の構成が示される。図示されるように、タービンを通る高温ガス流れ経路の向きは、ほぼ矢印１１１の方向である。図示されるように、各エーロフォイル１１０は、前端部又は前縁１１２、加圧側１１４、吸引側１１６及び後縁１１８を有する翼形羽根の形状を有する。（尚、本明細書中において使用される用語「動翼」は、詳細に特定されない場合、圧縮機動翼及びタービン動翼の双方を含む圧縮機又はタービンのいずれか一方の回転翼を表す。「静翼」という用語は、詳細に特定されない場合、圧縮機静翼及びタービン静翼の双方を含む圧縮機又はタービンのいずれか一方の静止翼を表す。本明細書中において使用される用語「翼」は、一般に以上挙げた４種類のタービンエンジン翼、すなわち圧縮機動翼、圧縮機静翼、タービン動翼及びタービン静翼のすべて、並びに他の同様の種類のタービンエンジン翼を含む。）当業者に理解されるように、スロート１１９は、２つのエーロフォイルの間の最小流量領域を表す。
【００２１】
図３及び図４に更に明らかに示されるように、各エーロフォイルはほぼ中空であり、図示される実施形態において、中間仕切り１２４により２つの内部チャンバ１２０、１２２に分割される。チャンバ１２０、１２２はそれぞれ中空のインサート１２６、１２８を収納し、インサート１２６、１２８は、それぞれ対応するチャンバの内部輪郭形状とほぼ同様の形状を有するが、チャンバに対して離間した関係で配置される。インサート１２６、１２８は、あらかじめ選択された場所に複数のインサート開口１３０を有する。タービン圧縮機からの高圧冷却空気は、従来の系統及び方法によってインサートの中に送り込まれ、インサート開口を介して排出されて、衝突冷却に利用される空気のジェットを形成する。（矢印により示されるように）空気のジェットはチャンバ１２０、１２２の内壁に衝突する。
【００２２】
特に、前縁チャンバ１２０内部のインサート１２６のインサート開口１３０は、インサート１２６に対向するチャンバ壁に空気を衝突させるような場所に配置される。インサート１２６から前縁チャンバ１２０の中に送り込まれた冷却空気は、エーロフォイルの外壁１３３を貫通し且つ複数の半径方向に離間して配列された膜冷却開口１３２の列を通って排出される。外壁１３３は内部空胴を取り囲み、空胴を形成する。排出された空気は、膜冷却開口を介して排出された後、一般にエーロフォイルの外面に隣接して境界空気の層を形成し、それにより、外面に沿った高温流れとの直接接触を制限する。その結果、作業流体からエーロフォイルへの熱伝達は抑止される。
【００２３】
後縁チャンバ１２２内部の冷却空気は、膜冷却開口１３２を通るか又は後縁チャンバ１２２からエーロフォイル１１０の後縁１１８まで貫通する後縁冷却開口１４４を通って後縁チャンバ１２２から排出される。後縁チャンバ１２２と後縁冷却開口との間にあるピンアレイ部分１５２に、複数列のほぼ円筒形の冷却ピン１４６が架け渡されていてもよい。それらのピンは、ピンアレイ部分１５２を規定する互いに対向する壁と一体であってもよい。一般に、通過する冷却空気の様々に異なる層を遮断するために、各列のピン１４６は隣接する列のピン１４６から半径方向に位置がずれている。更に、ピン１４６は一般にピンアレイ部分１５２に対して機械的安定性を与えてもよい。ピン１４６の機能の１つは、ピンアレイ部分１５２を通って流れる空気に乱流を誘導することである。
【００２４】
本発明の実施形態によれば、後縁チャンバ１２２の後方部分は先に行くほど細くなる形状、すなわち後縁チャンバ１２２からピンアレイ部分１５２まで徐々に細くなり、それにより、後縁チャンバ１２２からピンアレイ部分１５２に至るまでの先細出口を形成するような形状を含んでもよい。以下、この特徴を「先細出口」１５６と呼ぶ。先細出口１５６の形状は、後縁チャンバ１２２の後縁のより広い幅からピンアレイ部分１５２の更に狭い幅へと滑らかに変化する湾曲した部分と説明されてもよいだろう。
【００２５】
先に説明したように、従来の空冷エーロフォイルにおいて、先細出口１５６の場所と一致する領域全体及びピンアレイ部分１５２の一部は、一般に冷却するのが難しい領域である。すなわち、後縁インサート１２８の終端部と従来の構造のピンアレイ部分１５２の開始部分との間の領域は、熱伝達係数の低い領域である。これは、流れの衝突がほとんど又は全くないことと、この領域にピンのアレイなどの熱伝達補助構造がないことによる。従って、この領域は高温の金属の熱の影響を受けやすく、これがエーロフォイルの部品寿命を短くすることもある。更に、前述のように、スロート１１９の下流側に配置された膜冷却開口１３２から放出される空気は、部品の空気力学的効率に著しく大きな悪影響を及ぼす。そのため、一般に、スロート１１９の下流側における冷却空気の放出は回避されるか又は最小限に抑えられるので、この領域を低温に保持することはいっそう困難になる。
【００２６】
本発明において、エーロフォイル１１０の低熱伝達領域の範囲が可能な限り狭くなり及び／又はこの領域の冷却が促進されるように、この領域、すなわちエーロフォイル１１０の低熱伝達領域にほぼ相当する領域の構造に関するいくつかのパラメータが変更され且つ最適化される。従って、本発明の一実施形態に係る構造は、後縁インサート１２８の端部とピンアレイ部分１５２の入口との間の軸方向の距離を短縮することにより、低熱伝達領域を最小限にする。この距離を最短にするために、以下に更に詳細に説明されるように、いくつかのパラメータが変更された。
【００２７】
第１に、後縁インサート１２８を差し込める形状を維持しつつ、後縁インサート１２８がピンアレイ部分１５２に向かって可能な限り長く延出するように、後縁インサート１２８の縁部は構成される。当業者に理解されるだろうが、差し込みを妨げないように、後縁インサート１２８は、一般に後縁内部チャンバ１２２の後縁末端領域までは延出しない。エーロフォイルの後縁領域は狭くなっており、後縁のエーロフォイルは極めて高度な３次元形状であるため、多くのエーロフォイルにおいて、このような構造は一般的である。すなわち、後縁インサート１２８は３次元形状であり且つ半径方向の高さが異なれば、軸方向の長さも異なるため、後縁内部チャンバ１２２の後方まで完全に差し込めるようにインサート１２８を製造することは不可能である。すなわち、インサート１２８の軸方向の長さが長い領域は、チャンバ１２２の軸方向の長さの短い領域によって閉塞されてしまうと考えられる。しかし、後縁部をピンアレイ部分１５２に向かって更に押し込みつつ、差し込める形状を維持できることがわかった。本発明の構造において、インサートは、差し込み可能でありながら、インサート１２８の後縁部とピンアレイ部分１５２の始まりの部分との間の間隙を最小限にするように構成される。言い換えれば、インサート１２８は、差し込める形状を維持したまま可能な限り後部まで延出するように構成される。
【００２８】
更に、インサート１２８の後縁１６２は、後縁１６２を可能な限り狭くするように最小曲率を有する。この最小曲率は、インサートを形成する材料の関数であり、これは、一般に、インサート１２８の所望の耐久性レベルが規定されている場合に後縁部１６２で形成されてもよい湾曲の急峻度を制限する。従来のいくつかの材料の場合、最小曲率は、壁の厚さのほぼ２倍に等しい半径である。一般に、最小外壁厚さ１３３も規定される。最小外壁厚さは、鋳造能力、衝撃抵抗を含めた外壁１３３の所望の耐久性レベル及び使用される材料に基づいて判定される。当業者に理解されるだろうが、最小後縁流路厚さも規定される。本明細書中において使用される場合の用語「最小後縁流路厚さ」は、後縁内部チャンバ１２２の後縁に沿った後縁インサート１２８と外壁１３３との間の最小空隙である。
【００２９】
一般に、最小後縁流路厚さは、エーロフォイル１１０の中空流路を通る流れの所望の流量により判定される。すなわち、後縁流路は、エーロフォイル１１０を冷却するための適切な流量を可能にする最小厚さを有していなければならない。特に、後縁流路の最小厚さは、エーロフォイルに最小限の流量の冷却空気を流すような厚さ、すなわちエーロフォイルが適切に冷却されるように所望の流量の流れをエーロフォイルの後縁に到達させるのに十分な流路の余裕を与える厚さである。その結果、後縁１１８のエーロフォイル１１０が薄くなれば、インサートをエーロフォイル１１０の後縁１１８に向かって押し込める最大距離は一般にインサート１２８の最小曲率、最小外壁厚さ１３３及びインサート１２８と外壁１３３との間の最小空隙により規定されることが理解される。従って、それらの最小距離の関係上、エーロフォイル１１０を実際のエーロフォイルの設計寸法より厚くすることが要求されるのであれば、インサート１２８は後縁１１８に向かって奥まで押し込まれすぎている。
【００３０】
第２に、ピンアレイ部分１５２の第１のピン列は、可能な限り前に出るように構成される。一般に、製造上の制限によって、ピン１４６の長さは限定される。すなわち、ある特定の長さを超えると、ピン１４６は鋳造不可能になり、従って、製造がほぼ不可能であるか又は製造費用が非常に高くなる。一般に、この最大ピン長さは、ピンアレイ部分１５２を介する熱伝達の所望のレベルを実現するピン直径が規定されている場合に鋳造能力により判定される。特に、ピンアレイを介する熱伝達を最大限にするために、ピンをより細くする方向に設計が向かうことは理解されるだろう。鋳造能力に限界があるため、この領域における十分な又は所望の熱伝達を実現するピン直径は最大長さを有する。この最大長さが規定されれば、ピン１４６は可能な限り前方へ押し出される。
【００３１】
第３に、本発明の実施形態において、先細出口１５６及びピン１５２の下流側入口は、エーロフォイルの加圧側１１４及び吸引側１１６の双方で壁が厚くなるように輪郭形状を規定される。その結果、ピンの鋳造を煩雑にするか又は過度にコスト高となるピンの長尺化を行うことなく第１のピン列を更に前方へ押し出せる。従来は低熱伝達領域５４であった場所にピンをほぼ配置できるため、この領域の冷却は促進され、局所的なホットスポットの発生は減少し且つスロートの下流側の膜冷却流れの必要性も最小限に抑えられる。好適な一実施形態において、先細出口１５６の前方部分から後方部分まで変化する先細出口１５６の形状は、一般に、図示されるように凸形湾曲へと続く凹形湾曲を形成してもよい。この形状により滑らかな変化が得られるので、後縁内部チャンバ１２２の厚さも急激に減少し、そのため、ピンアレイ部分１５２の第１のピン１４６を可能な限り前方まで押し出せる。更に、先細出口１５６のこの形状は、後縁インサート１２８のすぐ下流側の冷却を促進する。これは、エーロフォイル壁が流路領域を先細にするために、冷却空気速度が最大限になり且つこの流路を介する熱伝達係数を増加するからである。
【００３２】
その結果、先に説明したように後縁インサート２８とピンアレイ部分５２との間の軸方向の距離を最短にし且つピンへの入口を先細形状にすることにより、従来の構造における局所的なホットスポットの発生をほぼ排除できる。これにより、スロート１１９の下流側における膜冷却の必要は少なくなり、また、動作中にエーロフォイルを冷却するために必要とされる冷却空気の量は減少される。これらは共にタービンエンジンの効率を向上する。いくつかの実施形態において、本発明は静翼と関連して、特にガスタービンエンジンのタービン部分で使用される静翼と関連して使用されてもよい。これは単なる例であり、本発明の実施形態は動翼において使用されてもよい。更に、場合によっては、本発明は、ガスタービンエンジンのタービン部分の第１段静翼で使用するように構成されてもよい。そのようないくつかの実施形態において、ガスタービンエンジンは、ニューヨーク州SchenectadyのGeneral Electric Companyにより製造されている7FA+eタービンエンジンであってもよい。この場合にも、本発明の実施形態に係る最適化後縁冷却回路により、ノズルスロートの下流側に導入される膜冷却流れを最小限にするか又は省略することができるので、空気力学的混合損失は減少する。
【００３３】
以上の本発明の好適な実施形態の説明から、当業者は改良、変更及び変形を認知するだろう。当該技術の範囲内のそのような改良、変更及び変形は、添付の特許請求の範囲に含まれることが意図される。更に、以上の記載は、説明された本発明の実施形態にのみ関連し、添付の特許請求の範囲及びその同等物により定義される本発明の趣旨の範囲から逸脱することなく多くの変更及び変形が実施されてよい。
【符号の説明】
【００３４】
１１０    エーロフォイル
１１２    前縁
１１４    加圧側
１１６    吸引側
１１８    後縁
１１９    スロート
１２０    前縁チャンバ
１２２    後縁チャンバ
１２４    中間仕切り
１２６    前縁インサート
１２８    後縁インサート
１３３    外壁
１４６    冷却ピン
１５２    ピンアレイ部分
１５６    先細出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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