(57)【要約】【課題】曲がり部での旋回損失を制限する冷却通路内の手段を備えた内部冷却ターボ機械部材とその部材構造を再設計する方法を提供する。【解決手段】内部冷却ターボ機械部材１４０は内側端と外側端との間に延びた翼を有する。冷却通路１５０は、翼内に少なくとも部分的に設けられ、少なくとも第１の曲がり部１６２を有する。この通路１５０内には、第１曲がり部１６２の旋回損失を制限する手段２４０が設けられる。このターボ機械部材１４０は、上記手段を欠く既存の部材構造を再設計することによって得られる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側端と外側端との間に延びた翼と、
上記翼内に少なくとも部分的に設けられ、かつ、少なくとも第１曲がり部（１６２）を有した冷却通路（１５０）と、
上記通路内に設けられた、上記第１曲がり部の旋回損失を制限する手段（２４０）と、
を備えた内部冷却ターボ機械部材（１４０）。
【請求項２】
上記手段（２４０）は、上記第１曲がり部の全体を第２流路部分（６００Ｂ）と第１流路部分（６００Ａ）とに実質的に分割する壁を備えることを特徴とする請求項１に記載の内部冷却ターボ機械部材（１４０）。
【請求項３】
上記壁（２４０）の前方端（２４２）は、上記第１曲がり部の上流において、少なくとも１．０の水力直径を有することを特徴とする請求項２に記載の内部冷却ターボ機械部材（１４０）。
【請求項４】
上記壁（２４０）は、上記第１曲がり部の上流から上記曲がり部の下流まで途切れることなく延びていることを特徴とする請求項２に記載の内部冷却ターボ機械部材（１４０）。
【請求項５】
上記壁（２４０）は、少なくとも１．０の水力直径を有しつつ上記第曲がり部の上流から上記第１曲がり部の中間点まで途切れることなく延びていることを特徴とする請求項２に記載の内部冷却ターボ機械部材（１４０）。
【請求項６】
上記第１曲がり部は９０°を超えていることを特徴とする請求項１に記載の内部冷却ターボ機械部材（１４０）。
【請求項７】
上記第１曲がり部は壁（１６６）の端（１６７）の回りに湾曲しており、
上記部材は内側プラットフォームと外側シュラウドとからなる群から選択された第１翼端形状を少なくとも有し、
上記第１曲がり部は上記第１翼端形状内に少なくとも部分的に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の内部冷却ターボ機械部材（１４０）。
【請求項８】
内側端と外側端との間に延びた翼と、
上記翼内に少なくとも部分的に設けられ、かつ、第１区間（１６０）から第２区間（１７０）まで延びた第１曲がり部（１６２）を有する冷却通路（１５０）を区画する、内部表面部分と、
上記冷却通路（１５０）を第２部分（６００Ｂ）と第１部分（６００Ａ）とに分岐し、かつ、壁第１端（２４２）から壁第２端（２４４）までの所定の長さに沿って上記通路（１５０）内に延びた分割壁（２４０）と、
を備えた内部冷却ターボ機械部材（１４０）。
【請求項９】
上記第１・第２部分はそれぞれ、上記壁の上記長さに沿って上記冷却通路の断面積の３５〜６５％を付与することを特徴とする請求項８に記載の内部冷却ターボ機械部材（１４０）。
【請求項１０】
上記通路は上記第２区間（１７０）から第３区間（１７６）まで延びた第２曲がり部（１７２）を備え、
上記壁第１端（２４２）は、上記第１曲がり部（１６２）において第１区間（１６０）の端の近傍にあり、
上記壁第２端（２４４）は、上記第２曲がり部（１７２）において第３区間（１７６）の端の近傍にあることを特徴とする請求項８に記載の内部冷却ターボ機械部材（１４０）。
【請求項１１】
上記通路は上記第２区間（１７０）から第３区間（１７６）まで延びた第２曲がり部（１７２）を備え、
上記壁第１端（２４２）は、上記第１曲がり部（１６２）において第１区間（１６０）の端から１．０〜３．０の水力直径を有し、
上記壁第２端（２４４）は、上記第２曲がり部（１７２）において第３区間（１７６）の端から１．０〜３．０の水力直径を有することを特徴とする請求項８に記載の内部冷却ターボ機械部材（１４０）。
【請求項１２】
上記通路は上記第２区間から第３区間まで延びた第２曲がり部を備え、
上記第１曲がり部においては、上記通路第２部分（６００Ｂ）は上記通路第１部分（６００Ａ）内に設けられ、
上記第２曲がり部においては、上記通路第１部分（６００Ａ）は上記通路第２部分（６００Ｂ）内に設けられることを特徴とする請求項８に記載の内部冷却ターボ機械部材（１４０）。
【請求項１３】
上記第１曲がり部においては、上記通路第２部分（６００Ｂ）は、上記通路第１部分（６００Ａ）に比べ、より小さな断面積を有し、
上記第２曲がり部においては、上記通路第１部分（６００Ａ）は、上記通路第２部分（６００Ｂ）に比べ、より小さな断面積を有していることを特徴とする請求項１２に記載の内部冷却ターボ機械部材（１４０）。
【請求項１４】
上記第１曲がり部においては、上記通路第２部分（６００Ｂ）は、上記通路第１部分（６００Ａ）の断面よりも狭い断面を有し、
上記第２曲がり部においては、上記通路第１部分（６００Ａ）は、上記通路第２部分（６００Ｂ）の断面よりも狭い断面を有していることを特徴とする請求項１２に記載の内部冷却ターボ機械部材（１４０）。
【請求項１５】
上記第１曲がり部においては、上記通路第２部分（６００Ｂ）は、上記通路第１部分（６００Ａ）の断面よりも細長くない断面を有し、
上記第２曲がり部においては、上記通路第１部分（６００Ａ）は、上記通路第２部分（６００Ｂ）の断面よりも細長くない断面を有していることを特徴とする請求項１２に記載の内部冷却ターボ機械部材（１４０）。
【請求項１６】
上記部材は、
内側プラットフォームと、
外側シュラウドと、
を備えたベーンであることを特徴とする請求項８に記載の内部冷却ターボ機械部材（１４０）。
【請求項１７】
上記壁は上記壁内に複数の開口部を有することを特徴とする請求項８に記載の内部冷却ターボ機械部材（１４０）。
【請求項１８】
上記複数の開口部は、上記第１曲がり部から２．０の水力直径以下に接近していないことを特徴とする請求項１７に記載の内部冷却ターボ機械部材（１４０）。
【請求項１９】
内部冷却ターボ機械部材の構造を、基本構造（４０）から再設計構造（１４０）に再設計する方法であって、
上記基本構造（４０）は第１・第２区間（６０，７０）とこれらの区間の間に設けられた第１曲がり部（６２）とを有した内部通路（５０）を備え、かつ、
上記方法は、
第２部分（６００Ｂ）と第１部分（６００Ａ）とに上記通路を分岐し、かつ、壁第１端（２４２）から壁第２端（２４４）までの所定の長さに沿って上記通路内に延在する壁（２４０）を付加するステップと、
その他の部分では、第１冷却通路の基本形状を基本的に保持するステップと、
を含んだ方法。
【請求項２０】
上記第１曲がり部は第２壁（６６）の端（６７）の回りに湾曲していることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
上記壁（２４０）は一連の開口部（２６０）を有することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
上記壁は上記第１曲がり部回りに少なくとも９０°回転し、
上記第１曲がり部においては、上記第２部分は上記第１部分内にあり、
上記第１曲がり部においては、上記第２部分の断面は上記第１部分の断面よりも狭いことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
上記壁は上記第１曲がり部回りに少なくとも１２０°回転し、
上記第１曲がり部においては、上記第２部分は上記第１部分内にあり、
上記第１曲がり部においては、上記第２部分の断面は上記第１部分の断面よりも細長くないことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ機械部材の冷却に関する。より具体的には、本発明はガスタービンエンジンのブレードやベーンの翼の内部冷却に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンのブレードやベーンの冷却に関しては、高度に発達した技術が存在する。運転中においては、特に上記エンジンのタービン区間の部材は、極度の加熱状態におかれる。従って、このような部材の翼は、通常、サーペンタイン内部通路を含む。特許文献１〜６には、上記内部通路が例示されている。
【０００３】
それにも拘わらず、冷却通路の構造を改良する余地はある。
【特許文献１】米国特許第５，５１１，３０９号明細書
【特許文献２】米国特許第５，７４１，１１７号明細書
【特許文献３】米国特許第５，９３１，６３８号明細書
【特許文献４】米国特許第６，４７１，４７９号明細書
【特許文献５】米国特許第６，６３４，８５８号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００１／００１８０２４号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の１つの形態は、内側端と外側端との間に延びた翼を備えた内部冷却ターボ機械部材を含む。冷却通路は、上記翼内に少なくとも部分的に設けられ、かつ、第１の曲がり部を有する。冷却通路内の手段は上記曲がり部での旋回損失を制限する。
【０００５】
種々の実施態様においては、上記手段は、第１曲がり部の全体を第１・第２流路部分に基本的に分割する壁を含む。壁の前方端は、上記第１曲がり部の上流に（例えば、少なくとも１．０の水力直径だけ、あるいは、より具体的には、１．５〜２．５あるいは１．５〜２．０の範囲内となるように少なくとも１．５の水力直径だけ上流に）位置している。上記曲がり部は９０°あるいは１２０°を超えていてもよく、実質的には１８０°となっていてもよい。上記曲がり部は壁の端の回りに湾曲している。上記部材は、少なくとも第１翼端形状を含み、この形状は内側プラットフォームと外側シュラウドとからなる群から選択される。この第１曲がり部は、第１翼端形状内に少なくとも部分的に設けられる。
【０００６】
本発明のもう１つの形態は、内側端と外側端との間に延びる翼を有した内部冷却ターボ機械部材を含む。内部表面部分は、上記翼内に冷却通路を少なくとも部分的に区画する。この冷却通路は、第１区間から第２区間まで延びた第１の曲がり部を有する。分割壁は、第１・第２部分に冷却通路を分岐し、壁第１端から壁第２端までの所定の長さに沿って上記冷却通路内に延びる。上記第１・第２部分はそれぞれ、上記壁の上記長さに沿って、冷却通路の断面積の２５〜７５％、より具体的には３５〜６５％、の断面積を有する。
【０００７】
上記通路は、第２区間から第３区間まで延びた第２曲がり部を有していてもよい。壁第１端は、第１の曲がり部における第１区間の端付近に設けられる。壁第２端は、第２曲がり部における第３区間の端付近に設けられる。壁第１端は、第１曲がり部における第１区間の端から１．０〜３．０の水力直径を有する。壁第２端は、第２曲がり部における第３区間の端から１．０〜３．０の水力直径を有する。第１曲がり部においては、通路第２部分は通路第１部分内に設けられる。第２曲がり部においては、通路第１部分は通路第２部分内に設けられる。第１曲がり部においては、通路第２部分は、通路第１部分に比べてより小さな断面積を有する。第２曲がり部においては、通路第１部分は通路第２部分に比べてより小さな断面積を有する。第１曲がり部においては、通路第２部分は通路第１部分の断面よりも狭い断面を有する。第２曲がり部においては、通路第１部分は通路第２部分の断面よりも狭い断面を有する。第１曲がり部においては、通路第２部分は通路第１部分の断面よりも細長くない断面を有する。第２曲がり部においては、通路第１部分は通路第２部分の断面よりも細長くない断面を有する。上記部材は、内側プラットフォームと外側シュラウドとを備えたベーンであってもよい。壁は壁内に複数の開口部を備えてもよい。上記開口部は第１の曲がり部から例えば２．０の水力直径以下に接近することはない。
【０００８】
本発明のもう１つの形態は、基本構造から再設計構造に内部冷却ターボ機械部材の構造を再設計する方法を含む。この基本構造は、第１・第２区間とこれらの区間の間に設けられた第１曲がり部とを有した内部通路を備える。上記方法は、第２部分と第１部分とに上記通路を分岐する壁を付加するステップを含む。この壁は、壁第１端から壁第２端までの所定の長さに沿って上記通路内に延在する。その他の部分では、、第１冷却通路の基本形状は基本的に保持される。
【０００９】
種々の実施例においては、上記壁の付加に起因する断面積の減少を少なくとも部分的に補填するために、第１冷却通路は若干拡張してもよい。
【００１０】
本発明の１つもしくは複数の態様の詳細は、添付の図面や本明細書に記載されている。その他の本発明の特徴、目的および利点は、本明細書、図面、および特許請求の範囲から明らかとなろう。
【００１１】
各図面における同様の参照符号や記号は同様の要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１に示すタービン部材４０は、内側プラットフォーム４２と外側シュラウド４４とを有したベーンとして例示される。翼４６は、上記プラットフォームにおける内側端から上記シュラウドにおける外側端まで延び、正圧面と負圧面とを区分する前縁（図示せず）と後縁４８とを備える。この実施例の翼においては、冷却通路網の１つもしくは複数の通路が、上記翼内に少なくとも部分的に延びる。この実施例の翼においては、１つの通路５０が上記シュラウド内の入口５２から、閉じた下流通路端５４まで、冷却流路に沿って下流方向５００に延びる。この下流通路端５４は閉じていても、上記プラットフォーム内のポートに連通していてもよい。
【００１３】
上記通路５０の上流第１区間６０は、入口５２における上流端から、実質的に１８０°を有する第１曲がり部６２における下流端まで延びる。この第１区間６０は、第１壁６４の第１部分６３の隣接表面と、第２壁６６の第１部分６５と、通路の正圧面と負圧面における隣接部分（上記通路の他の部分に関しては、説明を省略する）と、によって区画される。この実施例の第２壁６６は、第１曲がり部６２の端部６７まで下流に向かって延びる。第１壁６４の第２部分６８は、第１曲がり部６２の外周に沿って延びる。第２通路区間７０は、第１曲がり部６２の中心にある第１端部から第２曲がり部７２の第２端に向かって下流に延びる。第２区間７０は、第１壁６４の第３部分６９に沿う第１壁６４の第１表面からの延長部分と、第２壁６６の反対側にある第２表面と、によって区画される。この第１壁６４とこの壁６４の第３部分６９とは、第２曲がり部７２の中心に位置する端部７４まで延びる。第２壁６６の第２部分７５は、第２曲がり部７２の外周に沿って延びる。
【００１４】
第３通路区間７６は、第２曲がり部７２における第１端から、通路端５４によって画定される第２端まで延びる。第３区間７６は、壁の端７４から流路５００に沿って下流に延びかつ第１壁第３部分６９の第１表面の反対側にある第１壁第３部分６９の第２表面と、第２壁６６の第３部分７７に沿った第２壁６６の第２表面の延長部分と、に区画される。この第３区間７６の一部分上には、実施例の第２壁第３部分７７は、１つもしくは複数のインピジメントキャビティつまりチャンバー８２にまで延びた一連のインピンジメント穴８０を含む。開口部８５を有したインピンジメントキャビティ下流壁８４は、インピンジメントキャビティ８２を出口キャビティ８６から隔てる。一連の後縁冷却穴つまりスロット８７は、出口キャビティ８６から後縁まで延びる。
【００１５】
運転時には、冷却空気流は、流路５００に沿って下流に通過し、つまり、入口５２から第１区間６０を通って上記エンジン中心線（図示せず）に対してほぼ径方向内側に流れる。上記空気流は、第１の曲がり部６２において径方向外側に向きを変え、外側に進んで第２区間７０を通過し、第２曲がり部７２に向かう。そしてこの第２曲がり部７２において、内側に向きを変え第３区間７６を通過する。空気流が第３区間７６を通過していく間に、所定の流量の空気流が上記穴８０を通ってインピジメントキャビティ８２に徐々に抜け出ていく。この空気流は、このインピンジメントキャビティ８２から上記穴８５を通って出口キャビティ８６に流入する。そして、この出口キャビティ８６から、空気流は、穴あるいはスロット８７を通過して翼の後縁部分を冷却する。
【００１６】
下流方向を横切る断面を観察してみると、この実施例の通路５０は概ね横方向に細長い矩形状をなす（つまり、径方向の幅が実質的に高さよりも小さくなる。）。一般に、曲がり部での旋回損失は、通路断面が細長くなり、曲がり部が急になる（例えば、高さが径方向の幅よりも著しく大きい場合あるいは小さい場合）ほど、増大する傾向がある。上記通路を部分的に複数の部分に分割して（上記部分の少なくとも１つの）断面を正方形に近づけることにより、空気力学的な曲がり部での旋回損失は減少する可能性がある。特に、内側部分は、外側部分に比較して細長くならないように形成することが可能である。外側部分は、曲がり部のより大きな特性曲率半径（例えば、その平均値あるいはそのメジアン値）に応じて、好適に曲がり部での旋回損失を低いレベルに維持することが可能となる。
【００１７】
図２および図３は、図１のベーン４０を設計し直して形成したベーン１４０を示す。この実施例の設計し直したベーンは、通常の冷却通路構造（例えば、壁その他の構造部材の形状、おおよその位置や寸法）を維持するものの、第１通路１５０内に１つの分割壁２４０が付加されている。参照しやすいように、上記ベーン４０の要素と類似する要素は、１００を加えた同様の参照符号によって指示されている。この実施例の分割壁２４０は、第１端２４２（図２）から第２端２４４（図３）まで延び、かつ、第１表面２４６と第２表面２４８とを通常有する。この分割壁２４０は、上記通路１５０を部分１５０Ａ，１５０Ｂに、上記流路６００を第１・第２流路部分６００Ａ，６００Ｂに、局所的に分割つまり分岐する。実施例の翼においては、この分岐は、第１区間１６０の下流端付近で開始し、第１曲がり部１６２および第２区間１７０内に延び、第３区間１７６の第１（上流）端の付近にまで及び、そこでこれらの流路部分が完全に再び結合する。この実施例の態様においては、分岐と再結合とが第１・第３区間内で好適に発生する（以下詳細に説明する）が、第１・第２曲がり部内ではどちらかが交互に発生する。
【００１８】
上記分岐した流路に沿って総断面積を保持するために、上記流路を区画する壁は図１の基本となる翼に対して若干移動している。例えば、第１壁１６４の第１部分１６３（図２）は図１のこれと対応する部分に対して変わることがないが、第３部分１６９は翼後縁に向かって若干移動している。第２壁１６６の第３部分１７７は、これと対応する部分に対して同様に移動していてもよい（外部翼の形状や寸法がほぼ維持されるならば、インピジメントキャビティや出口キャビティを小型化してもよいし、ダブルインピンジメント方式からシングルインピンジメント方式に切り替えるようにしてもよい）。
【００１９】
実施例の壁２４０は、ほぼＳ字形の平面図形をなし、アーチ形の第１・第２曲がり部２５０，２５２と、これらの曲がり部の間の相対的に直線的な区間２５４と、を備える。直径Ｄ1，Ｄ2を有した部分２５０，２５２が示されているが、これらの部分は半円形以外の形状であってもよい。端２４２，２４４の付近には、付随する端部２５５，２５６は、流れの分岐や再結合を容易にするために相対的に直線的でかつ先細となっており、上記曲がり部からＬ1，Ｌ2だけ延びている。
【００２０】
図５および図８は、内部の正圧面と負圧面との間に特性高さＨ1，Ｈ2を有し、かつ、隣接する壁の間に特性幅Ｗ1，Ｗ2を有した通路部分１５０Ａ，１５０Ｂの断面を示す。特性高さＨ1，Ｈ2と特性幅Ｗ1，Ｗ2とは、各曲がり部の周囲で若干変化する。しかしながら、第２の曲がり部では、上記２つの通路部分における相対的な断面の伸長度合は逆転している。これにより、上記２つの部分のいずれが各曲がり部で内側となっても伸長度合が小さい断面を有することが可能となる。
【００２１】
上記第１・第２曲がり部の間で上記逆転が行われるように。分割壁２４０は通路第２区間１７０に亘ってほぼ対角線上に延びる。この移行の間に上記壁２４０に生ずる圧力を等しくするように、区間２５４は、該区間２５４の中央部分に沿って一列の開口部２６０を有する。好適には上記開口部列の上流端と下流端は、上記区間１７０の上流端と下流端とから引っ込んでいる。図２および図３は、長さＬ3，Ｌ4により上記のような引っ込んでいる所を示す。各曲がり部に流入する際の損失を最小にするために、好適には、上記分割壁は、曲がり部内で所望の流量を得つつそれより前方の通路区間の直線部分内で不必要な抗力を付加しない程度に十分な距離だけ、各曲がり部の上流から途切れることなく（continuous）続いている。好適には、分割壁は、少なくとも１．０の水力直径（関連する曲がり部の隣接する端における内側通路部分の水力直径）だけ、より具体的には、約１．５〜２となる水力直径の範囲だけ途切れることなく続く。従って、長さＬ1，Ｌ4は、好適には上記寸法となる。同様に、上記壁は、似たような形状となるように曲がり部の下流方向にも途切れることなく延在する。水力直径は、ＤH＝４Ａ／Ｐとして定義される。ここで、Ａは断面積であり、Ｐは断面の濡れ縁長さである。
【００２２】
実施例の設計し直した構造においては、第１曲がり部６２は旋回損失パラメータＫTを有する。特性曲率半径が増大することによって外側部分の損失が著しく減少すると、曲がり部１６２の内側部分および外側部分における（つまり、第１・第２通路部分１５０Ａ，１５０Ｂに沿った）上記損失パラメータは実質的に減少する。例えば、現行の曲がり部が約３．５〜４の損失パラメータを有するのに対して、この設計し直した曲がり部は、内側部分では約２．０〜２．５の損失パラメータを有し、外側部分では１．５より小さな（そうでなければ、１．０より小さな）損失パラメータを有する。
【００２３】
その他の態様においては、上記壁は上記２つの曲がり部の間で途切れることなく続いていてもよい。また別の態様においては、１つの壁が１つの曲がり部内だけ延びていてもよいし、個々の壁が複数の曲がり部の各々に延びていてもよい。部材の形状に応じて、所定の曲がり部に複数の壁を付加する可能性もある。
【００２４】
本発明の１つもしくは複数の態様が説明された。それにも拘わらず、本発明の趣旨および内容から逸脱することなく種々の改良を加えることが可能であることが理解されよう。例えば、本発明の原理が種々の現行の通路構造の再設計に適用可能であろう。このような再設計は現行の構造によって影響を受けるであろう。さらに、本発明の原理が新規設計の構造にも適用可能であろう。従って、その他の態様も添付の特許請求の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来技術の翼の内側断面部分を示す概略図。
【図２】本発明による翼内側部分の断面を示す概略図。
【図３】本発明による翼外側部分の断面を示す概略図。
【図４】線４−４で破断した図２の翼の部分断面図。
【図５】線５−５で破断した図２の翼の部分断面図。
【図６】中間位置における図２および図３の翼の断面図。
【図７】線７−７で破断した図３の翼の断面図。
【図８】線８−８で破断した図３の翼の部分断面図。
【符号の説明】
【００２６】
１４０…内部冷却ターボ機械部材
１５０…冷却通路
１６２…第１曲がり部
１７０…第２区間
２４２…壁の第１端
２４０…分割壁
６００…冷却通路
６００Ａ…通路第１部分
６００Ｂ…通路第２部分
【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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【図７】
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【図８】
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