(57)【要約】 【課題】  コリオリ力により高められた性能を得るため改善されたタービュレータを備えたタービンロータブレードを提供する。【解決手段】  両側壁（２６、２８）は、前縁（３４）と後縁（３６）との間に配置され、且つ長手方向の隔壁（３８）によって互いに接合されて、内部に流れチャネル（１−８）を形成する。第１及び第２の傾斜タービュレータ（４０−４６）の列が、チャネルの内の１つのチャネル内で両側壁の内の一方から延び、且つ長手方向にオフセットされる。第１及び第２の傾斜タービュレータ（４０から４６）は、両タービュレータ間の軸方向間隙を無くすと同時にチャネルの長手方向に沿って流れる冷却空気を遮断する半径方向間隙を維持するように、翼弦方向で重なり合う。【選択図】      図１
2006077767.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに一体的に接合されたエーロフォイル（１２）、プラットフォーム（１４）、及びダブテール（１６）を含むタービンロータブレード（１０）であって、
前記エーロフォイルが、前記プラットフォーム（１４）で根元（３０）から先端（３２）までスパンにわたって長手方向に延びる正圧及び負圧側壁（２６、２８）を含み、
前記側壁（２６、２８）が、前縁（３４）と後縁（３６）との間で横方向に離間して配置され、且つ前記根元（３０）と前記先端（３２）との間で長手方向に延びる翼弦方向で離間した隔壁（３８）によって互いに接合されて、冷媒を貫流させるための複数の流れチャネル（１−８）を形成し、
前記チャネル（２、５、７）の内の１つが、前記側壁の一方（２８）から延びる１つの列の実質的に同一の第１の傾斜タービュレータ（４０）と、前記一方の側壁（２８）から延びて、長手方向にオフセットし、且つ前記第１のタービュレータ（４０）と翼弦方向で重なり合う別の列の実質的に同一の第２の傾斜タービュレータ（４２）とを含むことを特徴とするタービンロータブレード（１０）
【請求項２】
前記第１及び第２のタービュレータ（４０、４２）が、前記エーロフォイルのスパンに沿って対向する隔壁（３８）から交互になり、且つ対向する隔壁（３８）の手前で終端する請求項１に記載のブレード。
【請求項３】
前記第１のタービュレータ（４０）が、前記第２のタービュレータ（４２）とほぼ平行であることを特徴とする請求項２に記載のブレード。
【請求項４】
前記第１のタービュレータ（４４）が、前記第２の傾斜タービュレータ（４６）に対して斜めになっていることを特徴とする請求項２に記載のブレード。
【請求項５】
前記１つのチャネル（２）が、前記共通の側壁（２８）に沿って置かれた長い底辺と対向する側壁に沿って置かれた狭い頂点とを有する三角形の断面を有し、
前記１つのチャネルが更に、前記頂点に沿って１つの列の水平タービュレータ（４８）を含むことを特徴とする請求項２に記載のブレード。
【請求項６】
前記第１及び第２のタービュレータ（４０、４２）が互いにほぼ平行であり、且つ前記根元（３０）及び前記後縁（３６）に向かって内向きに傾斜していることを特徴とする請求項５に記載のブレード。
【請求項７】
前記第１及び第２のタービュレータ（４０、４２）が、互いに斜めになっており、且つ前記隔壁（３８）位置よりも前記チャネルの中央平面位置がそのスパン方向においてより高いことを特徴とする請求項５に記載のブレード。
【請求項８】
前記２つの列の第１及び第２のタービュレータ（４０、４２）が、前記両側壁（２６、２８）上に置かれて前記１つのチャネル（７）内へ延びることを特徴とする請求項２に記載のブレード。
【請求項９】
前記２つの列の第１及び第２のタービュレータ（４０、４２）が、前記正圧側壁（２６）上にのみ配置されて前記１つのチャネル（８）へ延び、前記負圧側壁（２８）は、前記１つのチャネル内にタービュレータがないことを特徴とする請求項２に記載のブレード。
【請求項１０】
前記２つの列の第１及び第２のタービュレータ（４０から４６）が、前記流れチャネルの全てよりも少数のチャネルに配置されていることを特徴とする請求項２に記載のブレード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジン内のタービンロータブレードに関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的なガスタービンエンジンは、数列又は数段のタービンロータブレードを含み、該タービンロータブレードが高温の燃焼ガスからエネルギーを取り出して、ブレードが延びてくる対応するタービンディスクを回転させる。航空機用ターボファンエンジン用途においては、高圧タービンが上流側の圧縮機を駆動し、通常は低圧タービンが上流側のファンを駆動する。
【０００３】
空気は、圧縮機内で加圧され、燃焼器内で燃料と混合されてタービン段を貫流する高温燃焼ガスを発生する。加圧された空気の一部は圧縮機から抽気され、タービンブレードを冷却してその長寿命を確保する。
【０００４】
より具体的には、タービンブレードは、対向する前縁と後縁との間で延びる凹状正圧面及び凸状負圧面にわたる種々の熱負荷に適応するために、その内部に種々の冷却回路を備えた中空エーロフォイルを有する。冷却空気は、ブレードの支持用ダブテールに送られ、更に該ダブテールとプラットフォームを通って半径方向外向きに流れ、エーロフォイルの根元を介して外側先端まで半径方向外向きに流れる。
【０００５】
エーロフォイルの前縁は、最初にタービン流路内で高温燃焼ガスを受け、典型的にはそのための専用冷却回路を必要とする。エーロフォイルの後縁は、比較的薄く、典型的にはそのための専用冷却回路を含む。更に、エーロフォイルの翼弦中央領域は、典型的にはエーロフォイルのこの領域を冷却するよう特に構成された複数の冷却脚部すなわちチャネルを含む。
【０００６】
先行技術は、タービンロータブレードを前縁と後縁の間で根元から先端まで冷却するための様々な冷却回路及び冷却機構で詰まっている。内部冷却回路は、典型的には前縁及び後縁に沿った単一の半径方向流れチャネルと、これらの間に通常は複数通路の蛇行流れチャネルの形態の複数流れチャネルを備えることができる。
【０００７】
エーロフォイルの様々な内部流れチャネル内においては、冷却空気冷媒を遮断してその熱伝達係数を高めて冷却効率を改善するために、典型的には短いタービュレータリブが見られる。これらのタービュレータは、典型的には水平なすなわちエーロフォイルの翼弦軸に沿って延びる直線リブの形態であり、或いは翼弦軸に対して傾斜していてもよい。
【０００８】
空気がタービンエーロフォイル内部の様々な流れチャネルを通って半径方向外向き及び半径方向内向きに流れるときに、局所的な冷却を行うためにエーロフォイルの金属側壁から熱が抽出され、次いで冷却空気は、エーロフォイル全体にわたる種々の開口を介して吐出される。例えば、エーロフォイルの側壁は、典型的には傾斜した気膜冷却孔を含み、これは、必要に応じて正圧側壁及び負圧側壁の外表面上に断熱用の冷却空気膜を形成するために使用済み冷却空気を対応するフィルム内に吐出する。
【０００９】
前縁は、専用のシャワーヘッド孔を有することができ、また後縁は、様々な形の後縁吐出孔を有することができる。更にエーロフォイルの先端は、典型的には内部冷却回路から空気を追加的に吐出させるために、その先端キャビティのフロアに付加的な出口を含む。
【００１０】
ステータノズルベーン及びタービンロータブレードは、一般に気膜冷却孔及び内部タービュレータを含む様々な内部冷却回路を共用することができ、タービンブレードは、その回転による遠心力で作動する。遠心力は、エーロフォイル内部の回路を通って送られる冷媒に作用し、その冷却性能に影響を及ぼす。
【００１１】
エーロフォイルの流れチャネル内部の冷媒の半径方向速度と、支持ロータディスク上のブレードの回転速度との組合せは、冷媒の主要な半径方向の流れに加えて、小さな渦の形の２次的な流れ場をもたらすコリオリ力を冷媒上に生成する。コリオリ力は、エーロフォイルの内部タービュレータによって冷媒が遮断されるときに、冷媒の熱伝達に影響を与える。
【００１２】
特許文献１及び特許文献２には、コリオリ力と協働して冷却性能を高めるタービュレータの好ましい向きが開示されている。これらの特許は、エーロフォイルの正圧側及び負圧側に沿った特別に傾斜されたタービュレータと、その中に小さな隙間すなわち間隙を有する付加的な山形タービュレータとを含む。
【００１３】
比較的長い傾斜タービュレータは、冷媒に作用するコリオリ力と協働して、それらのタービュレータの長さに沿って熱伝達を高める。山形タービュレータは、山形のペア内の軸方向間隙によってのみ遮断されるコリオリ力と共に特別に使用されたときに高い熱伝達を得る。
【００１４】
両構成において、高さの低いタービュレータは、その最初の製造時にエーロフォイル内に一体的に鋳造され、典型的な製造時の鋳造公差に従う。これらのタービュレータは、約１０から３０ミルといった例示的範囲内で比較的低く且つ狭く、山形タービュレータの間隙もまた、この例示的サイズ範囲内とすることができる。過度な大きさの間隙は、山形タービュレータの熱伝達の有効性を低下させ、狭い間隙は、鋳造が難しく、またタービュレータの性能に影響を及ぼす。
【特許文献１】特開平１０−２７４００２号公報
【特許文献２】特開２００１−２３４７０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
従って、コリオリ力により高められた性能を得るため改善されたタービュレータを備えたタービンロータブレードを提供することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
タービンロータブレードは、スパンに沿って根元から先端まで長手方向に延びる正圧側壁及び負圧側壁を有するエーロフォイル含む。両側壁は、前縁と後縁との間で離間して配置され、且つ長手方向の隔壁によって互いに接合されて、内部に流れチャネルを形成する。第１及び第２の傾斜タービュレータの列が、チャネルの内の１つのチャネル内で両側壁の内の一方から延び、且つ長手方向にオフセットされる。第１及び第２の傾斜タービュレータは、両タービュレータ間の軸方向間隙を無くすと同時にチャネルの長手方向に沿って送られる冷却空気を遮断する半径方向間隙を維持するように、翼弦方向で重なり合う。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明を以下の詳細な説明において添付図面を参照しながら、本発明の更なる目的及び利点と共に好ましい例示的な実施形態に従ってより具体的に説明する。
【００１８】
図１に示すのは、ガスタービンエンジンの例示的な第１段タービンロータブレード１０である。このブレードは、単体すなわち一体鋳造で一体的に形成されたエーロフォイル１２、内側プラットフォーム１４、及び下方ダブテール１６を含む。
【００１９】
ダブテール１６は、一部が図示されているタービンロータディスク１８の周囲の対応するダブテールにおいて嵌合する複数のダブテールタング又はローブを有する軸方向差込形ダブテールの例示的な形態である。ディスクは、運転中に該ディスクが周りを回転する軸方向中心軸線２０を有し、タービンブレード１０の全ての列はディスクの周囲から半径方向外向きに延びている。
【００２０】
運転中、空気２２は、圧縮機（図示せず）内で加圧され、その一部は、内部冷却するためにタービンブレードへ好適に送られる。圧縮機からの加圧空気の大部分は、燃焼器（図示せず）内で燃料と混合されて点火され、高温の燃焼ガス２４を発生し、該高温燃焼ガスは、燃焼器から下流側に配置された典型的な高圧及び低圧タービンの種々の列又は段に吐出される。
【００２１】
図１から図３に示す第１段タービンエーロフォイルは、ほぼ凹状の正圧側壁２６と、周方向で対向するほぼ凸状の負圧側壁２８とを含み、これら両側壁は、プラットフォーム１４の根元３０からその遠位端の外側先端３２まで半径方向スパンで長手方向に延びる。
【００２２】
図２に最も良く示されているように、２つの側壁２６、２８は、前縁３４と後縁３６との間で周方向すなわち横方向に離間して配置され、且つ根元３０と先端３２との間で長手方向に延びる翼弦方向に離間した複数の半径方向隔壁３８によって互いに一体的に接合されて、冷却空気２２を貫流させるための複数の半径方向流れ脚部すなわちチャネル１−８を形成する。
【００２３】
図１から図３に示す例示的な実施形態においては、前縁から後縁まで順に配置された８つの内部流れチャネル１−８を形成する７つの内部隔壁３８がある。第１の隔壁は、第１のチャネル１において前縁の後部を衝突冷却するための衝突孔の列を含む。後縁は、後縁チャネル８から使用済み冷却空気を吐出するために正圧側において後縁出口孔の列を含む。
【００２４】
エーロフォイルの２つの側壁は、耐熱性を付加するためにエーロフォイル内部からエーロフォイルの外側表面上の対応する断熱空気膜に使用済み冷却空気を吐出するための気膜冷却孔（図示せず）の種々の列を含むことができる。特に、エーロフォイルの前縁は、燃焼器からの高温燃焼ガスに最初に曝されるエーロフォイル前縁の冷却を局所的に調整するためのシャワーヘッド孔（図示せず）の種々の列を含むことができる。更に、凹状の先端キャビティのフロアは通常、内部冷却回路から空気を吐出するために追加の出口孔を含む。
【００２５】
エーロフォイルの内部冷却回路は、専用の前縁チャネル１及び後縁チャネル８などの任意の従来構造を有することができる。エーロフォイルの翼弦中央領域は、チャネル３、４、５、６、及び７によって形成された５つの通路蛇行冷却回路により冷却される。この蛇行回路は、チャネル３及び７においてはダブテールを介して冷却空気を受け入れ、使用済み冷却空気は、先端孔と、チャネル８に冷却空気を供給するためチャネル８に接続する隔壁の孔列とを介して吐出される。
【００２６】
図２に示すように、ブレードは、かなりの大きな捻れを有し、後縁３６が前縁３４から周方向でオフセットしている。捻れ角Ａは、図２に見られるように負圧側壁と回転中心軸線２０との間で測定することができ、タービンブレードの特定の空力学的要件に基づいたかなりの大きなものとすることができる。
【００２７】
ブレードの捻れは、エーロフォイル内の幾つかの流れチャネル１−８の位置及び向きに影響を与え、これに応じて流れチャネルを通って流れる冷却空気の性能に影響を及ぼす。より具体的には上述のように、コリオリ力は、それぞれの半径方向流れチャネルを通る外向き又は内向きの冷媒流の半径方向速度と、ディスクの軸方向中心軸線の周りのブレードの回転速度とのベクトル積により、冷媒２２に対してその半径方向流れと垂直な方向に作用する。従って、コリオリ力は、内向き流れ通路又はチャネルとは対照的に、外向き流れ通路又はチャネル内では反対方向で冷媒に作用する。
【００２８】
しかしながら両実施例において、コリオリ力は、半径方向に向いた冷媒の１次流れに対する２次的な流れ場として各半径方向流れチャネルで逆方向に回転するコリオリ渦のペアを冷媒２２内に発生させるのに有効である。すなわち、各チャネルは、対応する軸方向前方のコリオリ渦と軸方向後方のコリオリ渦とを発生し、これらの渦は、互いに逆方向に回転し、流れチャネルの内向き及び外向き通過で異なる回転をする。
【００２９】
異なる流れチャネル１−８は、異なる形状及び向きを有するので、冷媒２２の冷却効果を最大にするような異なる構成とすることができる。以下で更に説明するように、コリオリ力により熱伝達を向上させ且つ運転を改善するために、この異なるチャネルは、従来のタービュレータと新規のタービュレータの種々の形態を用いることができる。
【００３０】
例えば、チャネル２、５、７のような各チャネルの少なくとも１つは、２つの側壁２６、２８の内の共通の一方から低い高さで通常内向きに延びる２つの縦列すなわち垂直列の傾斜リブ又はタービュレータを含む。例えば、第５のチャネル５は、共通の負圧側壁２８の内表面から内向きに延びる、第１の傾斜タービュレータの列４０と、協働する第２の傾斜タービュレータの列４２とを含む。対応するタービュレータ４０、４２は、長手方向の間隔すなわちオフセットＢを有し、一方の列の第１のタービュレータ４０の各々は、他方の列の対向する第２のタービュレータ４２と両者間にどのような軸方向又は翼弦方向の間隙もなく翼弦方向で重なり合う。
【００３１】
従って、第１及び第２のタービュレータ４０、４２は、連続した第１及び第２のタービュレータ間で流れチャネルに沿って好ましくは実質的に均一又は等しいピッチ間隔を有して、エーロフォイルスパンに沿って対向する隔壁３８から交互して、且つ隔壁３８の手前で終端する。好ましい実施形態においては、第１及び第２のタービュレータは、スパンにわたり等間隔で配置することができるが、別の実施形態においては、タービュレータのピッチ間隔は要求に応じて変更してもよい。
【００３２】
図１から図３に示すように、第５、第７、及び第８のチャネル５、７、８は同様に、コリオリ力と協働してこれらの熱伝達性能を調整するために、互いに平行になった第１及び第２のタービュレータ４０、４２の１つの形態を使用することができる。
【００３３】
図１及び図２に示すように、第２のチャネル２内には別の形態の第１及び第２の傾斜タービュレータ４４、４６が見られ、これらのタービュレータは、タービュレータの平行な実施形態に類似しているが、長手方向にオフセットした山形の形態で互いに斜めになっている。山形タービュレータ４４、４６は、負圧側壁２８上に配置されて、以下に更に説明するように、反対側の正圧側壁２６上の傾斜のない水平又は翼弦方向タービュレータの列４８と協働する。
【００３４】
平行及び斜めの形態の傾斜タービュレータは、それぞれの流れチャネルの軸方向幅に沿ってその一部にだけ延びており、従来の手法に従って種々の流れチャネルにおいて適切な場合に使用され、且つ対応する流れチャネルの幅全体に延びる従来の傾斜タービュレータ５０とは対照的である。様々な形態の傾斜タービュレータは、その形状又は外形、幅及び高さにおいて従来通りとすることができ、更に、異なるように構成された流れチャネルの各々においてコリオリ力と協働して熱伝達を改善するために、本明細書で説明するように長さ及び外形を変えることもできる。
【００３５】
例えば、狭い第３、第４、及び第６の流れチャネル３、４、６は、上記背景技術で明らかにした２つの特許において説明されているような標準的な手法に従って、従来の長い傾斜タービュレータ５０を使用することができる。これとは対照的に、異なる外形の第２、第５、第７、及び第８の流れチャネル２、５、７、８には、新規に構成された短い傾斜タービュレータ４０−４６を平行又は斜めの向きに導入して、コリオリ力により熱伝達冷却を高めることができる。
【００３６】
例えば、第１のタービュレータの２つの形態４０、４４は、これらのそれぞれの流れチャネルにおいて、形状、長さ、高さ、及び幅が互いにほぼ同一である。更に同様に、第２のタービュレータの２つの形態４２、４６は、これらの対応する流れチャネルにおいて互いにほぼ同一である。
【００３７】
各流れチャネルにおいて、第１のタービュレータは、好ましくは実質的に同じ又は共通の長さを有し、第２のタービュレータはまた、それぞれの流れチャネルにおける冷却の均一性を維持するために、好ましくは実質的に同じ又は共通の長さを有する。
【００３８】
図１に示す２つの実施形態においては、第１のタービュレータ４０、４４は、これらが配置されている流れチャネルの中央平面又は中央を通る１つの隔壁から長さにわたり直線的に延び、これに対応して第２のタービュレータ４２、４６も、同じ中央平面を通る共通の流れチャネルの対向する隔壁から長さで直線的に延びる。
【００３９】
このようにして、第１及び第２のタービュレータは、これらの間にどのような軸方向間隙もなくエーロフォイルの翼弦軸に沿って互いに重なり合い、更に、これらの間に半径方向間隙を形成するために、エーロフォイルのスパンに沿って長手方向にオフセットされる。第１のタービュレータの各々は、対向する隔壁の手前で間に空隙を残して終端する。同様に、第２のタービュレータの各々も、対向する隔壁の手前で間に空隙を残して終端する。
【００４０】
従って、タービュレータの協働するペア４０、４２は、各流れチャネルのスパンに沿って交互にされ、平行タービュレータの有効範囲を増大させるために各流れチャネルを形成する対向する隔壁から対向して延びると同時に、コリオリ力による２次的な流れの遮断又は乱流を更に助長するための半径方向間隙を付加的に含む。流れチャネルの幅全体を横断してタービュレータ５０のような単一の連続的傾斜タービュレータを使用する代わりに、この単一のタービュレータを、ピッチ間隔で長手方向にオフセットされると共に、エーロフォイルの軸方向において翼弦方向で重ね合わせた第１及び第２のタービュレータの対応するペア４０、４２で置き換えることができる。
【００４１】
第１及び第２のタービュレータ間の軸方向の重なり量は、流れチャネルを通る冷媒の主要な半径方向流れで過度の圧力損失を生じることなく２次的な流れ場内でコリオリ力と協働するために変えることができる。例えば、軸方向の重なりは、大きさがゼロ程度小さくてもよく、熱伝達を改善するためにできる限り大きくてもよい。第１及び第２のタービュレータの長さは、互いに等しくても異なっていてもよく、或いは、チャネルの中央平面又はその両側のいずれかでタービュレータの重なり合う遠位端を配置して長短を交互にしてもよい。
【００４２】
図１から図３に示す様々なタービュレータの向きすなわち傾斜方向は、コリオリ力と協働するように、前述の２つの特許の教示と一致している。例えば、図１に示す第５及び第７の流れチャネル５、７の２つの列のタービュレータ４０、４２は、互いにほぼ平行であって、根元３０及び後縁３６に向かって内向きに傾斜している。同様に、第３、第４、及び第６の流れチャネルの従来の傾斜タービュレータ５０もまた、同じ方向に傾斜している。傾斜角は、エーロフォイルの全てのタービュレータについて従来通りとすることができ、例示的な傾斜角約４５°が図示されている。
【００４３】
図１に示すような斜め又はオフセットした山形形態の第１及び第２の傾斜タービュレータ４４、４６は、例示的な４５°の向きを使用して好ましくは互いに垂直である。更に、山形タービュレータ４４、４６は、好ましくは実質的に均一な長手方向オフセット又は間隔Ｂを有し、長手方向に実質的に等間隔である。
【００４４】
平行タービュレータ４０、４２又は山形タービュレータ４４、４６の選択は、流れチャネル内で使用できる空間及び特定の外形に基づいて選ぶことができ、更にエーロフォイル内のこれらの相対位置は、図２に示すようなエーロフォイルが示す捻れ角Ａの大きさに基づく。
【００４５】
例えば、第２の流れチャネル２は、図２に示す半径方向平面において三角形の断面を有し、長い底辺が共通の負圧側壁２８に沿って配置され、狭い頂点が対向する正圧側壁２６に沿って配置される。
【００４６】
作図線５２は、中心軸線２０に対して垂直に置くことができ、図に示す半径方向断面における幾つかの流れチャネルの対称性を評価して、従来の方法又は本発明による新しい手法のいずれかで傾斜タービュレータの適切な形態を選択するために使用される。
【００４７】
図２に示す三角形の第２のチャネルは、作図線５２により対称的に二分することができるので、内部で生成される対をなすコリオリの渦は、作図線に沿って配置された重なり有するオフセットした山形タービュレータ４４、４６の使用に整合させることができる。
【００４８】
しかしながら、三角形状の第２のチャネルの頂点は、比較的狭く、対向する正圧側壁２６に沿って殆ど表面積を持たないので、この位置においては、傾斜が無く短い水平タービュレータ４８を使用するのが好ましい。対をなすコリオリの渦は、互いに逆方向に回転するので、水平なタービュレータ４８の使用は、従来の傾斜タービュレータをコリオリの渦の内のいずれか一方と整合しようとする不利な動作を最低限に抑える。正圧側壁上の傾斜タービュレータは、逆方向に回転する両方のコリオリの渦と同時に整合することはできず、実際の渦位置の不規則な性質により、この位置における傾斜タービュレータの使用が非実用的なものになる。
【００４９】
図１に示すオフセットした山形タービュレータ４４、４６においては、この２つのタービュレータは、互いに斜めになっており、これらが延びてくる対向する隔壁３８の位置よりもチャネルの中央平面の位置が高さ又はスパン方向でより高い。このように２つの傾斜タービュレータ４４、４６は、流れチャネルの中央からエーロフォイル根元並びに前縁及び後縁の両方に向かって下側に傾斜する。
【００５０】
この構成においては、コリオリ力は、冷媒中で逆方向に回転する対をなす渦を発生し、これらは、熱伝達を高めるために協働するタービュレータ４４、４６により局所的に遮断される。協働するタービュレータ４４、４６間には軸方向間隙がないので、各タービュレータは、有効範囲が拡張され、熱伝達効果が改善される。協働するタービュレータ４４、４６間の半径方向のオフセットは、タービュレータ間の半径方向間隙と１次流れ場及び２次流れ場の両方の乱流を増大させる追加機構とをもたらす。
【００５１】
協働するタービュレータ４４、４６は、半径方向にオフセットされ、該オフセットは、鋳造プロセスの製造公差内でできる限り大きくすることができる。従ってオフセットタービュレータは、山形の対の間に小さな軸方向間隙が設けられた先行技術による従来の対称的な山形タービュレータ用の精密な鋳造位置付けを必要としない。
【００５２】
図２に示す第３、第４、及び第６の流れチャネルは、ほぼ矩形状であり、対応する作図線５２は、これらの流れチャネルの各々の逆方向に回転するコリオリの渦が、例示的な捻れ角Ａに起因して主にエーロフォイルの対向する正圧側及び負圧側だけと協働することを示している。従って、これらの３つの流れチャネルは、その両側壁上で従来設計の単一の長い傾斜タービュレータ５０を使用することができる。
【００５３】
図２に示す第７のチャネルの作図線５２は、その両側で発生する逆方向に回転するコリオリの渦が、両側壁２６、２８に影響を及ぼすようになることを示している。従って、２つの列の第１及び第２のタービュレータ４０、４２は、好ましくは１つのチャネル７に沿って延びる２つの組として２つの側壁２６、２８上に配置される。
【００５４】
図１及び図３に示すように、第７のチャネル内の２つの組のタービュレータ４０、４２は、コリオリ力に起因する熱伝達を高めるために、従来の手法に従ってエーロフォイルの後縁３６に向かって半径方向内向きに傾斜しているが、上述の長手方向にオフセットしたタービュレータのペア４０、４２の付加的な利点を有する。
【００５５】
図２に示す第８の流れチャネル用の作図線５２もまた、逆方向に回転するコリオリの渦が、エーロフォイルの両側壁に影響を及ぼすようになることを示すが、第８の流れチャネルは、薄い後縁に向かって収束するので比較的狭い。従って、２つの列のタービュレータ４０、４２は、第８のチャネル内の正圧側壁２６上にのみ配置され、負圧側壁２８は、第８のチャネルにおいてはどのようなタービュレータもない。
【００５６】
図１には、第８のチャネルにおける負圧側壁２８の滑らかな内表面が示されており、図３では、第８のチャネルの反対側で前縁３４に向かって半径方向内向きに傾斜した２つの列の傾斜タービュレータ４４、４６を示している。
【００５７】
図１−図３に示す例示的な実施形態においては、２つの列の第１及び第２のタービュレータ４０−４６が、平行形態又はオフセットした山形形態で全ての利用可能な流れチャネルよりも少数のチャネルに配置される。例えば、第２、第５、第７、及び第８の流れチャネルは、コリオリ力によりそれぞれの流れチャネル内の熱伝達を改善するために、上述のようなこれらの傾斜タービュレータを含む。これらのチャネルの構成により、その中に過度な圧力損失を生じさせることなく、長手方向にオフセットし且つ翼弦方向に重なり合った２組のタービュレータを使用する十分な表面積が許容される。
【００５８】
図２に示す前縁の第１の流れチャネル１は、比較的小さく且ついかなる種類のタービュレータも含まず、従来の衝突冷却に依存する。第３、第４、及び第６の流れチャネルは、これらの狭い構成及びエーロフォイルの捻れ角Ａによる角度方向に起因して、コリオリ力による熱伝達を最大にするために従来の手法に従って、対向する両側壁上で従来の全長傾斜タービュレータ５０を使用することができる。
【００５９】
図４から図６は、高圧タービン内の第２段用に構成されたタービンロータブレード５４の別の実施形態を示しており、該ブレードは、図１から３に示す第１段タービンロータブレードよりも長い。この実施形態においては、第２段ブレード５４は、６つの内部半径方向流れチャネル１−６を形成する５つの内部半径方向隔壁３８を含む。
【００６０】
６つの流れチャネルは、チャネル１、２、及び３を用いた３通路蛇行冷却回路；及びチャネル６、５、及び４を用いたもう１つの３通路蛇行冷却回路などの従来型の冷却回路を形成し、流入する冷却空気をこれらの番号順に流すことができる。
【００６１】
オフセットした山形形態の第１及び第２のタービュレータ４４、４６は、このブレード内の６つの流れチャネルの全てにおいて両側壁２６、２８上の協働するセットとして使用することができる。
【００６２】
第２段ブレードの実施形態におけるオフセットタービュレータ４４、４６はまた、互いに斜めになっており、図に示す例示的な実施形態においては垂直であって、コリオリ力及びこのブレードの対応する捻れ角により熱伝達を高めるために適切に構成されている。
【００６３】
また第２段ブレードの実施形態においては、図４に示すように、エーロフォイルの負圧側壁２８上の第１及び第２のタービュレータ４４、４６は、対向する隔壁３８におけるよりもそれぞれの流れチャネルの中央平面においてスパン方向でより高い位置にある。これに対して、図６に示すように、正圧側壁２６上の第１及び第２のタービュレータ４４、４６は、対向する隔壁３８におけるよりもそれぞれの流れチャネルの中央平面においてスパン方向でより低い位置にある。
【００６４】
エーロフォイルの対向する両側壁上のオフセット山形タービュレータ４４、４６のこの向きは、協働するタービュレータペア間にどのような軸方向間隙もなしに冷媒２２に作用するコリオリ力により熱伝達を高める。オフセットタービュレータは、協働するタービュレータペア間に長手方向の空間が無ければ両タービュレータが交差することになる間隔によってのみ制限される大きな長さを有する。傾斜の異なるタービュレータは、対応する逆方向に回転するコリオリの渦と協働して熱伝達を高めると共に、冷媒が幾つかの流れチャネルを通って半径方向に送られるときに付加的な乱流を与え、オフセットタービュレータにより２次的な流れ場が増大する。
【００６５】
上記に開示した種々の実施形態は、間に軸方向の間隙を有することなく翼弦方向の重なりを維持しながら長手方向でオフセットする短い傾斜タービュレータを導入すると、特にタービンロータブレードの回転運転中に発生するコリオリ力により、タービンエーロフォイルの流れチャネルを通って循環する冷媒の熱伝達を高めるのに有利に利用することができることを示している。上記で開示した種々の形態の平行及び山形オフセットタービュレータは、タービンエーロフォイルの本来の鋳造において鋳造プロセスの従来の製造公差内で好都合に製造することができる。
【００６６】
オフセットタービュレータの種々のパラメータは、異なる流れチャネル及びその異なる外形の各々に対して調節することができ、特にコリオリ力による冷媒の熱伝達を最大にすることができる。個々のチャネルにつき２つの列の傾斜タービュレータが開示されているが、いずれかの側壁に沿って空間が許容される場合にはより多くの列を使用することができる。
【００６７】
本明細書において本発明の好ましいと考えられるもの及び例示的な実施形態について説明してきたが、本発明の他の変更形態は当業者であれば本明細書の教示から明らかであり、なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】例示的な第１段タービンロータブレードの部分断面側面図。
【図２】図１の線２−２に沿って見たブレードのエーロフォイルを通る半径方向断面図。
【図３】図２の線３−３に沿って見たエーロフォイルの軸方向断面図。
【図４】別の実施形態による第２段タービンロータブレードの軸方向断面図。
【図５】図４の線５−５に沿って見たブレードのエーロフォイルを通る半径方向断面図。
【図６】図５の線６−６に沿って見たエーロフォイルの断面図。
【符号の説明】
【００６９】
１−８  半径方向流れ脚部、流れチャネル
１０  第１段タービンロータブレード
１２  エーロフォイル
１４  プラットフォーム
１６  ダブテール
２６  正圧側壁
２８  負圧側壁
３０  根元、  ３２  先端、  ３４  前縁、  ３６  後縁
３８  半径方向隔壁
４０、４２、４４、４６  傾斜タービュレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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