(57)【要約】【課題】    効率的に冷却されるエーロフォイルを提供する【解決手段】  ガスタービンのエーロフォイル（１８）は、正圧側壁（２０）と負圧側壁（２２）との間に配置され、エーロフォイルの前縁部（２４）に隣接する第１の冷却流路（４０）と、第１の冷却流路（４０Ａ）の後方に配置された第２の冷却流路（４０Ｂ）とを含む。第２の冷却流路（４０Ｂ）は、前方入口（４１）と流体連通する状態で配置される。第１及び第２の冷却流路は、複数のインピンジ孔（４４）を有する仕切り壁（３８Ａ）により分離される。第１の冷却流路（４０Ａ）と流体連通する状態で、第２の冷却流路（４０Ｂ）から半径方向外側に端部流路（４３）が配置され、先端部キャップ（３４）にダスト孔（４６）が設けられる。ダスト孔（４６）の大きさは、エーロフォイル（１８）からの冷却空気の流れに巻き込まれた破砕片の排出を可能にするように定められる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
根元部（２８）と、先端部（３０）と、前縁部（２４）と、後縁部（２６）と、対向する正圧及び負圧側壁（２０、２２）とを備え、長手方向軸線を有するガスタービンエンジンのエーロフォイル（１８）であって、
前記正圧側壁（２０）と前記負圧側壁（２２）との間に配置され、前記前縁部（２４）に隣接してほぼ半径方向に延びる第１の冷却流路（４０Ａ）と、
前記第１の冷却流路（４０Ａ）の後方に配置され、外側端部で閉塞し且つ内側端部で前方入口（４１）と流体連通するように構成されたほぼ半径方向に延びる第２の冷却流路（４０Ｂ）と、
前記第１の冷却流路（４０Ａ）と前記第２の冷却流路（４０Ｂ）との間に配置された複数のインピンジ孔（４４）を備えるほぼ半径方向に延びる仕切り壁（３８Ａ）と、
前記第２の冷却流路（４０Ｂ）の半径方向外側に配置され、ほぼ軸線方向に延びる端部流路（４３）と、を有し、
前記端部流路（４３）は、前記第１の冷却流路（４０Ａ）と前記先端部のキャップ（３４）とに設けられた第１のダスト孔（４６）に流体連通するように配置され、
前記第１のダスト孔（４６）の大きさは、前記エーロフォイル（１８）からの冷却空気流中の破砕片の排出を可能にするように定められている、エーロフォイル（１８）。
【請求項２】
内部空洞（３２）の中に配置され、ほぼ半径方向に延びる複数の追加の冷却流路（４０）を更に備え、該追加の冷却流路（４０）は、交互の内向き及び外向き流れの蛇行流路を形成する、請求項１記載のエーロフォイル（１８）。
【請求項３】
前記追加の冷却流路（４０）のうちの１つは、前記後縁部（２６）に隣接して配置されて後縁部（２６）冷却流路（４０）を形成し、
前記後縁部（２６）冷却流路（４０）と流体連通する状態で、第２のダスト孔（５２）が前記先端部のキャップ（３４）に配置されている、請求項２記載のエーロフォイル（１８）。
【請求項４】
前記正圧側壁及び前記負圧側壁（２０、２２）のうちの少なくとも一方に沿って前記冷却流路（４０）のうちの少なくとも１つに配置された複数の細長く隆起したタービュレータ（５６）を更に備え、前記タービュレータ（５６）は、前記エーロフォイル（１８）の長手方向軸線に対して角度を成している請求項１乃至３のいずれか１項に記載のエーロフォイル（１８）。
【請求項５】
前記タービュレータ（５６）は、前記長手方向軸線に対して約３０°〜約６０°の角度を成すよう配置されている請求項４記載のエーロフォイル（１８）。
【請求項６】
前記冷却流路（４０）のうちの少なくとも１つに配置され、前記正圧側壁（２０）と前記負圧側壁（２２）との間に延びる複数のピン（５８）を更に備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載のエーロフォイル（１８）。
【請求項７】
前記内部空洞（３２）と流体連通する状態で前記正圧側壁（２０）に配置されたフィルム冷却孔（５４、５７）を少なくとも１つ更に備える請求項１乃至６のいずれか１項に記載のエーロフォイル（１８）。
【請求項８】
前記根元部（２８）と前記内部空洞（３２）との間に延びる追加の入口（４８、５０）を少なくとも１つ更に備える請求項１乃至７のいずれか１項に記載のエーロフォイル（１８）。
【請求項９】
前記追加の冷却流路（４０）のうちの１つは、前記後縁部（２６）に隣接して配置され、後縁部（２６）冷却流路（４０Ｆ）を形成し、
前記追加の入口（５０）は、前記後縁部冷却流路（４０Ｆ）と流体連通する状態で配置されている請求項８記載のエーロフォイル（１８）。
【請求項１０】
前記ダスト孔（４６）の直径は、０．６４ｍｍ以上である請求項１乃至９のいずれか１項に記載のエーロフォイル（１８）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、ガスタービン構成要素に関し、特に、冷却タービンエーロフォイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
最新の高圧タービンブレードの内側にある冷却回路は、通常、互いに隣接する２つの平行な冷却回路を有する。前縁部回路は、複数の前縁部フィルム冷却孔及び先端開口部を備え、半径方向外側に流れる単路（ワンパス）である。翼弦中央及び後縁部回路は、ブレードの正圧側に排出する複数のフィルム冷却孔を備え、蛇行する複数路（マルチパス）である。前縁部回路及び翼弦中央回路は、一般に、エーロフォイルのダブテールから冷却材を供給され、ブレードの根元部で、２つの分離した流路に分割される。前縁部回路は、ワンパス構造であるため、通常は圧縮機の排気である冷却材の全容量を効率よく利用できない。前縁部流路の冷却材は、前縁部フィルム冷却孔及び先端部穴を通って排出される。冷却材供給系において流れに巻き込まれる粒子を逃がすのに十分な広さの領域を提供するために、先端開口部は、冷却回路ごとに、比較的大きな「ダスト孔」の形態をとる。通常、これらのダスト孔はフィルム冷却孔より大きい。ダスト孔から出る空気は、割合小さなフィルム冷却孔と比べると効率よくブレードを冷却できない。
【特許文献１】米国特許第４，８２０，１２２号公報
【特許文献２】米国特許第５，０６２，７６８号公報
【特許文献３】米国特許第５，１７６，４９９号公報
【特許文献４】米国特許第５，３７８，１０８号公報
【特許文献５】米国特許第５，５０３，５２９号公報
【特許文献６】米国特許第６，１６４，９１３号公報
【特許文献７】米国特許第６，３１８，９６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、本発明は、少数のダスト孔を備え効率的に冷却されるエーロフォイルを提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記の目的は、本発明により満たされる。１つの面によれば、本発明は、長手方向軸線を有し、根元部、先端部、前縁部、後縁部、並びに互いに対向する正圧側壁及び負圧側壁を有するガスタービンエンジンのエーロフォイルであって、正圧側壁と負圧側壁との間に配置され、前縁部に隣接してほぼ半径方向に延びる第１の冷却流路と、第１の冷却流路の後方に配置されたほぼ半径方向に延出する第２の冷却流路とを含むエーロフォイルを提供する。第２の冷却流路は、半径方向外側端部が閉塞され、半径方向内側端部が前方入口と流体連通した状態に形成されている。第１の冷却流路と第２の冷却流路との間に、複数のインピンジ孔を有するほぼ半径方向に延出する仕切り壁が配置される。第１の冷却流路及び先端部キャップに設けられた第１のダスト孔と流体連通する状態で、第２の冷却流路の半径方向外側に、ほぼ軸線方向に延びる端部流路が配置されている。第１のダスト孔の大きさは、エーロフォイルからの冷却空気の流れに巻き込まれた破砕片の排出を可能にするように定められている。
【０００５】
本発明の別の面によれば、ガスタービンエンジンのタービンブレードは、長手方向軸線を中心として回転自在の円板に受け入れられるよう構成されたダブテールと、ダブテールから半径方向外側に配置され、横方向に延出するプラットフォームと、根元部、先端部、前縁部、後縁部、並びに互いに対向する正圧側壁及び吸い込み側壁を含むエーロフォイルとを含む。エーロフォイルは、正圧側壁と負圧側壁との間に配置され、前縁部に隣接してほぼ半径方向に延出する第１の冷却流路と、第１の冷却流路の後方に配置されたほぼ半径方向に延出する第２の冷却流路とを含む。第２の冷却流路は、その外側端部で閉塞され、内側端部で前方入口と流体連通する状態で配置される。第１の冷却流路と第２の冷却流路との間に、複数のインピンジ孔を有するほぼ半径方向に延出する仕切り壁が配置される。第１の冷却流路及び先端部キャップに設けられた第１のダスト孔と流体連通する状態で、第２の冷却流路の半径方向外側に、ほぼ軸線方向に延びる端部流路が配置される。第１のダスト孔の大きさは、エーロフォイルからの冷却空気の流れに巻き込まれた破砕片の排出を可能にするように定められる。
【０００６】
本発明は、添付の図面と関連させて以下の説明を参照することにより、最もよく理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図面を参照して説明する。図中、同一の図中符号は一貫して同一の要素を示す。図１は、タービンブレード１０の一例を示す。尚、本発明は、他の種類の中空冷却エーロフォイル、例えば、固定タービンノズルにも同等に適用可能である。タービンブレード１０は、従来のダブテール１２を含む。ダブテール１２は、動作中、ブレード１０が回転する間にブレード１０を回転子円板（図示せず）に対して半径方向に保持するために適当な構成を有することができ、このような構成には、回転子円板のダブテール溝穴の相補形のタングと係合するタングも含まれる。ブレードシャンク１４は、ダブテール１２から半径方向上方へ延出し、その末端部は、プラットフォーム１６を形成する。プラットフォーム１６は、シャンク１４から横方向外側へ突出し、シャンク１４を取り囲む。中空のエーロフォイル１８は、プラットフォーム１６から半径方向外側へ、高温ガス流れの中まで延出する。エーロフォイル１８は、凹形の正圧側壁２０及び凸形の負圧側壁２２を有し、それらの側壁は、前縁部２４及び後縁部２６において互いに接合される。エーロフォイル１８は、根元部２８から先端部３０まで延出する。エーロフォイル１８は、高温ガス流れからエネルギーを取り出し、回転子円板を回転させるのに適する任意の構成であってもよい。ブレード１０は、ガスタービンエンジンにおける高い動作温度で許容できる強度を示すニッケル系超合金などの適切な超合金から成る一体鋳造物として形成することもできる。通常、エーロフォイルの少なくとも一部は、環境条件に対する耐性を有する被覆膜又は熱障壁被覆膜、あるいはその双方などの保護被覆膜によって被覆される。
【０００８】
図２は、エーロフォイル１８の内部構成を示す。正圧側壁２０及び負圧側壁２２は、エーロフォイル１８の内部に中空の内部空洞３２を画定する。内部空洞３２は、エーロフォイル１８の先端部３０の付近で、先端部キャップ３４により閉鎖される。先端部キャップ３４は、正圧側壁２０及び負圧側壁２２の外側端部より低い位置にあり、「スクイーラチップ」３６を形成する。正圧側壁２０と負圧側壁２２との間に位置し且つ軸線方向に互いに離間し、ほぼ半径方向に延びる一連の仕切り壁３８（３８Ａ〜Ｅ）は、内部空洞３２をほぼ半径方向に延びる一連の冷却流路４０（４０Ａ〜Ｆ）に分割する。
【０００９】
第１の仕切り壁３８Ａは、前縁部２４のすぐ後方に配置され、第１の冷却流路又は前縁部冷却流路４０Ａを画定する。第２の冷却流路４０Ｂは、第１の仕切り壁３８Ａと第２の仕切り壁３８Ｂとの間に形成され、ダブテール１２の前方入口４１から先端部キャップ３４まで、ダブテールの長さの大半に沿って延出する。第２の冷却流路４０Ｂは、先端部キャップ３４から短い距離をおいて配置された端壁４２によって閉塞され、端壁４２と先端部キャップ３４との間に端部流路４３を形成する。
【００１０】
第１の仕切り壁３８Ａを貫通して、一連のインピンジ孔４４が形成される。インピンジ孔４４の大きさは、前縁部２４に衝突する冷却空気のジェットを発生するように定められる。
【００１１】
「ダスト孔」４６と呼ばれる第１の開口部は、先端部キャップ３４を貫通して、前縁部冷却流路４０Ａと流体連通する状態で形成される。第１のダスト孔４６は、塵芥及び他の固体破砕片を穴から流出させるのに十分な大きさを有する。図示される例においては、ダスト孔は、約０．６４ｍｍ（０．０２５ｉｎ）以上の直径を有する。
【００１２】
第２の冷却流路４０Ｂの後方に位置する内部空洞３２の残りの部分（４０Ｅ〜Ｆ）は、追加の冷却流路４０に区分される。それらの追加の冷却流路４０は、周知のように、内部対流によりブレードを冷却するための１つ以上の冷却回路として構成されてもよい。図２に示される例においては、仕切り壁３８Ｃ、３８Ｄ及び３８Ｅは、エーロフォイル１８の翼弦中央領域に、４パス蛇行冷却回路として配列された一連の半径方向冷却流路４０を画定する。第３の冷却流路４０Ｃは、ブレード１０の先端部３０から根元部２８まで、半径方向内側へ延出し、第４の冷却流路４０Ｄに接続する。第４の冷却流路４０Ｄは、根元部２８から先端部３０まで、半径方向外側へ延出する。第４の冷却流路４０Ｄに追加の冷却材を供給するために、オプションとして翼弦中央入口４８が設けられてもよい。
【００１３】
第５の冷却流路４０Ｅは、第４の冷却流路４０Ｄに接続し、ブレード１０の先端部３０から根元部２８まで半径方向内側へ延出する。第６の冷却流路又は後縁部冷却流路４０Ｆは、第５の冷却流路４０Ｅに接続し、根元部２８から先端部３０まで外側へ延出する。オプションとして設けられる後縁部入口５０は、相対的に「消費」されている冷却材より低温高圧の追加冷却材を第６の冷却流路４０Ｆに供給する。「ダスト孔」５２と呼ばれる第２の開口部は、先端部キャップ３４を貫通して、後縁部冷却流路４０Ｆと流体連通する状態で形成される。第２のダスト孔５２は、塵芥及び他の固体破砕片を穴から流出させるのに十分な大きさを有する。図示される例においては、ダスト孔は、約０．６４ｍｍ（０．０２５ｉｎ）以上の直径を有する。
【００１４】
複数の周知の種類のフィルム冷却孔５４は、前縁部２４及び／又は正圧側壁２０を貫通して、オプションとして形成されてもよい。フィルム冷却孔５４は、冷却流路４０と流体連通する状態で配置され、加圧冷却材を受け入れ、保護シート又は保護膜として冷却材をエーロフォイル１８の面全体へ放出する。図示される例においては、正圧側壁２０を貫通して、後縁部冷却流路４０Ｆと流体連通するように、フィルム冷却孔５７の追加の列が形成される。
【００１５】
負圧側壁２２及び正圧側壁２０のうちの一方又は双方に、複数の隆起した乱流促進部材、すなわち、「タービュレータ」５６が配置されてもよい。タービュレータ５６は、冷却流路４０のうちの１つ以上に、複数の長手方向列を成すように配列される。タービュレータ５６は、ブレード１０の長手方向軸線「Ｂ」に対して、角度「Ａ」を成して配置される。この角度Ａは、約３０°〜６０°であってもよく、図示される例においては約４５°である。タービュレータ５６の大きさ、横断面形状及び間隔は、特定の用途に適合するように変更されてもよい。後縁部流路４０Ｆは、タービュレータ５６に加えて又はタービュレータ５６の代わりに、図示されるような断面形状が円形であるピン５８の列などの他の冷却部材又は乱流促進部材を含んでもよい。
【００１６】
動作中、前方入口４１を経て、内部空洞３２に相対的に低温の冷却材が供給される。例えば、圧縮機の排気が、この目的に使用されてもよい。冷却空気は、第２の冷却流路４０Ｂの根元部から流入し、第１の仕切り壁３８Ａのインピンジ孔４４を経て前縁部２４に衝突する。衝突後の空気は、第１の冷却流路４０を経て先端部３０まで半径方向に流れ、第２の冷却流路４０Ｂの上方で９０°向きを変える。空気に巻き込まれている塵芥又は他の異物は、空気より相当に密度が高いため、高速で向きを変えることができず、第１のダスト孔４６を経て先端部キャップ３４から出る。その後、空気は、第３の冷却流路４０Ｃの先端部で、上述の蛇行冷却回路に入り、冷却空気は、エーロフォイル１８の残る部分を通って循環する。この構造においては、第１の冷却流路４０Ａ、第２の冷却流路４０Ｂ及び第３の冷却流路４０Ｃのそれぞれに対して、ダスト孔４６は１つしか必要とされない。そのため、冷却流路ごとに個別のダスト孔を必要とする従来のエーロフォイルと比較して、冷却材の使用量は相当に減少し、効率は向上する。
【００１７】
第３の冷却流路４０Ｃにおいて、冷却材は、ブレード１０の先端部から根元部まで半径方向内側へ流れ、第４の冷却流路４０Ｄにおいては、冷却材は、エーロフォイルの根元部２８で向きを反転させて、根元部から先端部まで半径方向外側へ流れる。第５の冷却流路４０Ｅにおいては、冷却材は、エーロフォイルの先端部３０で向きを反転させて、ブレード１０の先端部から根元部まで半径方向内側へ流れ、第６の冷却流路、すなわち、後縁部冷却流路４０Ｆにおいては、冷却材は、エーロフォイルの根元部２８で向きを反転させて、根元部から先端部まで半径方向外側へ流れる。ピン５８が設けられている場合、冷却空気は、ピン５８を通って流れる。互いに位置をずらして配列されたピン５８のアレイは、冷却空気の中に乱流を誘起し、エーロフォイル１８の対流冷却を容易にする。冷却空気は、ピン３６から出た後、第２のダスト孔５２を通り、フィルム冷却孔５７からエーロフォイル１８の外に出る。
【００１８】
以上、ガスタービンエンジンの冷却エーロフォイルを説明した。本発明の特定の実施形態を説明したが、本発明の趣旨の範囲から逸脱せずに、上述の実施形態に対して種々の変形を実施できることは当業者には明らかであろう。従って、上記の本発明の好ましい実施形態の説明及び本発明を実施するための最良の形態の説明は、単に例示を目的として提供されたにすぎず、限定を目的としない。本発明は、特許請求の範囲により定義される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に従って構成されたタービンブレードの一例を示した斜視図である。
【図２】図１のタービンブレードを示した横断面図である。
【符号の説明】
【００２０】
１０…タービンブレード、１８…エーロフォイル、２０…正圧側壁、２２…負圧側壁、２４…前縁部、２６…後縁部、２８…根元部、３０…先端部、３２…内部空洞、３４…先端部キャップ、３８Ａ…第１の仕切り壁、４０…冷却流路、４０Ａ…前縁部冷却流路、４０Ｂ…第２の冷却流路、４１…前方入口、４３…端部流路、４４…インピンジ孔、４６…第１のダスト孔、４８…入口、５０…入口、５２…第２のダスト孔、５４…冷却穴、５６…タービュレータ、５７…冷却穴、５８…ピン
【図１】
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【図２】
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