(57)【要約】【課題】エーロフォイルの内部冷却通路内の折り返し損失が低減された冷却エーロフォイルが提供される。【解決手段】冷却エーロフォイル１０は、共遠心力脚部４０と、逆遠心力脚部４２とのような、上流脚部と、下流脚部とを含む内部流体通路３４を有する。これらの脚部は、リブ４４によって互いに分離されているが、互いに直列に接続されている。エーロフォイルはまた、内部流体通路から流体を排気するための排気通路５６を含む。排気通路への吸気口６０は、逆遠心力脚部内に位置する。排気通路５６は、冷却材の一部を通路脚部４２から排気することにより剥離を受け易い領域５４の剥離可能性を少なくとも部分的に抑制する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部流体通路を有するエーロフォイルであって、内部流体通路が、共遠心力脚部と、この共遠心力脚部と直列でかつリブによってこの共遠心力脚部から分離された逆遠心力脚部とを含み、さらにエーロフォイルは、内部流体通路から流体を排気するための吸気口を有する排気通路を含み、この吸気口が逆遠心力脚部内に位置することを特徴とするエーロフォイル。
【請求項２】
前記吸気口は、流体剥離を受け易い領域内に位置することを特徴とする請求項１記載のエーロフォイル。
【請求項３】
前記逆遠心力脚部は、所定の幅を有しており、前記吸気口は、リブから、逆遠心力脚部の対向する側壁へと測定される逆遠心力脚部の幅の約５０％まで翼弦方向に延在する流体剥離を受け易い領域内に位置することを特徴とする請求項１記載のエーロフォイル。
【請求項４】
前記逆遠心力脚部は、所定の幅を有しており、前記吸気口は、リブから、逆遠心力脚部の対向する側壁へと測定される前記幅の約２５％だけリブから離間することを特徴とする請求項１記載のエーロフォイル。
【請求項５】
前記吸気口は、リブにすぐに隣接して位置することを特徴とする請求項１記載のエーロフォイル。
【請求項６】
前記吸気口は、流体剥離を受け易い領域内に位置し、この領域は、逆遠心力脚部に沿って約３．５流体力学直径長さ方向に延在することを特徴とする請求項１記載のエーロフォイル。
【請求項７】
逆遠心力脚部は、入口を有しており、前記吸気口は、この入口から約３．５流体力学直径長さ方向に延在する領域内に位置することを特徴とする請求項１記載のエーロフォイル。
【請求項８】
前記吸気口は、剥離を受け易い領域が最大翼弦方向寸法を有するような位置において長さ方向に位置することを特徴とする請求項１記載のエーロフォイル。
【請求項９】
前記吸気口は、剥離を受け易い領域が最大翼弦方向寸法を有するような位置を中心とする吸気口の列であることを特徴とする請求項１記載のエーロフォイル。
【請求項１０】
前記排気通路は、フィルム冷却孔であることを特徴とする請求項１記載のエーロフォイル。
【請求項１１】
前記排気は、ブレードの吸気側に排気されることを特徴とする請求項１記載のエーロフォイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンエンジンに使用される種類の冷却エーロフォイルに関し、より詳細には、エーロフォイルの内部冷却通路内の折り返し損失が低減された冷却エーロフォイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンエンジンは、高温作動媒体ガスの流れからエネルギーを抽出する一つまたは複数のタービンを含む。通常のタービンは、回転可能なハブを含み、このハブは、そこから径方向に突出した一組の周方向に分布されたブレードを有する。各ブレードは、ブレードをハブに取り付けるアタッチメントを含む。各ブレードはまた、エーロフォイル根元からエーロフォイル翼端へと作動媒体流路を横断して径方向に渡るエーロフォイルを含む。通常のタービンはまた、ブレードから軸方向に離間した一列または複数列の固定ベーンを含む。各ベーンは、作動媒体流路を横断して径方向に渡るエーロフォイルと、ベーンをケースに固定するためのフックまたはその他の装置とを含む。ブレードとベーンは高温環境で作動するので、ブレードおよびベーンの少なくともエーロフォイル内に内部冷却材通路を設けるのが一般的なやり方である。エンジン作動中に、内部冷却材通路を通って冷却材が流れて、燃焼ガスの高熱からエーロフォイルを保護する。冷却材は一般に比較的低温の空気であり、この空気は、タービンにより駆動される圧縮機により加圧されたものである。
【０００３】
いくつかの冷却材通路は、マルチパス（ｍｕｌｔｉ−ｐａｓｓ）通路である。マルチパス通路は、少なくとも二つの翼幅方向（ｓｐａｎｗｉｓｅｌｙ）に延在する脚部（ｌｅｇ）を含み、これらの脚部は、互いに翼弦方向（ｃｈｏｒｄｗｉｓｅｌｙ）に隣接している。翼幅方向に延在するリブによって脚部は互いに分離される。脚部の径方向内端または外端に位置する肘部が、リブの一つの末端に巻き付いてこれらの脚部を直列に接続する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
エンジン作動中に、冷却材の流れが、脚部の一つ（上流脚部）を通り、肘部を通り、そしてもう一方の脚部（下流脚部）を通って流れる。肘部は、冷却材の流れの方向を、例えば上流脚部内の径方向外向きから下流脚部内の径方向内向きへと反転させる。下流脚部に流入する冷却材流は、リブから剥離し易い。流体剥離を受け易い脚部の領域は、下流脚部に亘ってかなりの距離翼弦方向に延在しており、高空気力学損失によって特徴付けられる。これらの損失は、冷却材流を制限することおよび／または剥離領域の下流の冷却材圧力を低減することによって、エーロフォイルの耐久性を危険にさらし得る。エンジン設計者は、より高い圧力の冷却材を通路に供給することによりこれらの影響を補償するように試みることができる。しかしながらそのような取り組み方は、完全には成功しないことがある。さらに、タービン自体が冷却材を加圧するエネルギー源なので、より高い圧力の冷却材の使用によって、エンジン効率が低下する。
【０００５】
上述した剥離し易さは一部は、上流脚部から下流脚部への折り返しの過酷さから生じる。しかしながら、マルチパス通路の二つの脚部の各径方向外側端部を肘部が接続するブレードにおいて特に、他の要因も顕著となる。これらの要因のうちの一つは、多くのブレードの形状寸法によって、エーロフォイル翼端近くの肘部を収容するのに利用可能な空間が制限されることである。その結果、二つの脚部の各径方向外側端部を接続する肘部は、折り返し部の外側においてゆるやかな円形ではなくて一般に四角に形成される。これによって、折り返し部の外側が円形であったならば経験するであろうよりも高い圧力損失となる。別の要因は、ブレードがエンジン中心線回りに回転するという事実から生じる。その結果、遠心力効果によって下流通路内における径方向内向きの冷却材流が妨害される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施態様によれば、エーロフォイルは、共遠心力（ｃｏ−ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ）脚部と、逆遠心力（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ）脚部とのような、上流脚部と、下流脚部とを含む内部流体通路を有する。これらの脚部は、リブによって互いに翼弦方向に分離されているが、互いに直列に接続されている。エーロフォイルはまた、内部流体通路から流体を排気するための排気通路を含む。排気通路への吸気口は、逆遠心力脚部内に位置する。
【０００７】
上述したものおよびその他の特徴部は、本発明を実施するための最良の形態の下記の説明および添付の図面からより明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１および図２は、ガスタービンエンジンのタービンのための冷却タービンブレード１０を示す。ブレードは、ブレードをハブ（図示せず）に取付けるためのアタッチメント１２を含む。ハブは、エンジン中心線または軸線１４回りに回転可能である。ブレードはまた、プラットホーム１６と、エーロフォイル１８とを含む。ブレードをハブ内に据付けるとき、エーロフォイルは、エーロフォイル根元２４からエーロフォイル翼端２６へ作動媒体流路２０を横断して径方向に渡っている。仮想的な翼弦線２８（図２）が、エーロフォイルの前縁３０から後縁３２へ延在する。マルチパス蛇行通路３４のような内部冷却材通路によって、エーロフォイルを通って冷却材３８が運ばれる。冷却材は、流路２０を通って軸方向に流れる燃焼ガスＧの高熱からエーロフォイルを保護する。
【０００９】
通路３４は、翼幅方向に延在する上流脚部４０と、翼幅方向に延在するリブ４４により上流脚部から翼弦方向に分離される翼幅方向に延在する下流脚部４２とを含む。リブは、肘部４６を収容するように切り詰められており、この肘部は、上流脚部と下流脚部とを直列流関係で接続している。軸線１４回りのブレードの回転によって、上流脚部４０の根元端部から上流脚部４０の翼端端部への冷却材の流れが助けられるので、上流脚部４０は、共遠心力脚部である。軸線１４回りのブレードの回転によって、下流脚部４２の翼端端部から根元端部への冷却材の流れが妨害されるので、下流脚部４２は、逆遠心力脚部である。
【００１０】
主に図４を参照すると、下流脚部４２は、リブ４４から、下流脚部の対向する側壁を画成する翼弦方向隣接リブ４８へと測定される翼弦方向幅Ｗを有する。脚部４２はまた、流体力学直径（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ  ｄｉａｍｅｔｅｒ）ＤHを有しており、ＤHは、脚部４２の断面積Ａの４倍を脚部４２の濡れ縁Ｐによって割ったもの（ＤH＝４Ａ／Ｐ）として定義され、ここで、ＡおよびＰは、脚部４２の入口５２において決定される。流体剥離を受け易い領域５４は、リブ４４の隣の折り返し部の内側に存在する。剥離を受け易い領域の翼弦方向寸法は、通路に沿って長さ方向の距離が大きくなるにつれて大きくなり、翼幅方向位置Ｍにおいてその最大翼弦方向寸法を示す。剥離領域の最大翼弦方向寸法は、翼弦方向幅Ｗの約５０％である。領域５４は次いで、通路に沿ってさらなる長さ方向の距離と共に翼弦方向寸法が低減する。例示した剥離領域５４の全体の翼幅方向寸法は、約２．５から３流体力学直径である。これは、剥離領域に対する通常の翼幅方向寸法であるが、しかしながら、翼幅方向寸法は、通路脚部の形状寸法および冷却材の流体特性に応じて変化し得る。
【００１１】
図２および図３をここで参照すると、排気通路５６がエーロフォイルの吸気側壁（ｓｕｃｔｉｏｎ  ｓｉｄｅｗａｌｌ）５８を貫通している。排気通路は、剥離を受け易い領域内に位置する吸気口６０と、吸気壁上に位置する出口６２とを有する。排気通路は、冷却材の一部を通路脚部４２から排気することにより領域５４の剥離可能性を少なくとも部分的に抑制する。我々は、図３に最もよく示すように排気通路の入口６０がリブ４４にすぐに隣接して位置する場合に排気通路が最も有効になると考えている。しかしながら、我々は、緩和されていない領域５４（図４）の最大翼弦方向幅の約半分と同じくらいだけリブから翼弦方向に離間した排気吸気口もまたかなり有効であろうと結論している。緩和されていない剥離帯（図４参照）の最も幅のある部分は、局所的通路幅Ｗの約５０％を占めているので、そのような排気吸気口は、局所的通路幅Ｗの約２５％だけリブ４４から離間するであろう。さらに、剥離領域は通常、入口５２から長さ方向に約２．５から３流体力学直径長さ方向に延在するので、排気吸気口もまた、入口から約２．５から３流体力学直径内に存在する必要がある。理想的には吸気口は、緩和されていない剥離を受け易い領域の翼弦方向寸法が最も幅広くなるような長さ方向位置Ｍに存在する。
【００１２】
排気通路は、単一の通路とすることができ、またはそれは通路の列とすることができ、その一例は、図３に見られる単一の直線状の列である。通路吸気口を配置するための上述した原理は、単一の通路または通路の列に同様に当てはまる。翼幅方向に延在する通路列の場合、この列は、緩和されていない剥離を受け易い領域がその最大翼弦方向寸法を有するような翼幅方向位置Ｍを中心とする。
【００１３】
排気通路は、任意の適切な技術、例えばレーザドリル、電子ビームドリル、または放電加工などによって設けることができる。タービンブレードは一般に鋳造されるので、通路もまた鋳造それ自体に設けることができる。鋳造通路に可能な利点の一つは、一群の連続的に製造されるエーロフォイル内に鋳造通路を正確かつ繰り返し配置できるのが比較的容易なことである。
【００１４】
図面に図示した特定の排気通路は、冷却材３８の一部を吸気壁５８の表面に排気するフィルム冷却孔であり、それは吸気壁５８の表面で広がって壁面上に熱保護冷却フィルムを形成する。代替として、冷却材を通路に通すほど通路に亘る圧力差が十分に大きいと仮定すれば、冷却材を圧力壁（ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｗａｌｌ）６４の表面に排気するフィルム冷却孔もまた有効であろう。あるいは、吸気側および圧力側両方に排気するフィルム冷却孔もまた有効であろう。フィルム冷却孔としても機能しない排気通路もまた、剥離領域を緩和するのに十分となる。
【００１５】
本出願では、我々のエーロフォイルの特定の実施態様を示し、説明してきたが、当業者には、添付の特許請求の範囲に記載した発明から逸脱せずに、形態および詳細のさまざまな変更を行い得ることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】タービンブレードのエーロフォイル部分内に内部冷却材通路を有するタービンブレードの断面側立面図である。
【図２】図１の２−２線方向で取った図である。
【図３】マルチパス冷却材通路の下流脚部内にある剥離および高損失の領域を緩和するための排気通路を示す、図１の領域３−３の拡大図である。
【図４】図３と同様であるが排気通路のない図である。
【符号の説明】
【００１７】
１０…冷却タービンブレード
１８…エーロフォイル
３４…マルチパス蛇行通路
３８…冷却材
４０…上流脚部
４２…下流脚部
４４…リブ
５２…入口
５４…流体剥離を受け易い領域
５６…排気通路
６０…吸気口
【図１】
2006336651.tif 000003
【図２】
2006336651.tif 000004
【図３】
2006336651.tif 000005
【図４】
2006336651.tif 000006