(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービンエンジンに関し、タービンの熱耐久性を改善するシステム及び方法を提供する。【解決手段】高圧タービンＨＰＴブレード１４は、１つ以上の流体導入エレメント２０２、２０４が内設された、実質的にアーチ形の後縁１２を含む。各々の流体導入エレメント２０２、２０４は、ＨＰＴブレード又はベーン１４を介して生成される伴流の完全な混合が促進されるように、ＨＰＴブレード又はベーン１４の所望の後縁領域に空気等の流体を導入する。完全な混合が促進されることによって、ガスタービンエンジンにおける、ＨＰＴ／ＬＰＴの相互作用的な損失及び／又はＨＰＴ部品とＬＰＴ部品との間の軸方向の間隙が減少する。この相互作用的な損失には、下流側のブレード／ベーンの端壁（プラットフォーム部分及びブレード／ベーンの先端部分）の予期せぬ加熱に繋がる非定常的な熱伴流偏析作用、更には、遷音速と亜音速の両方の空力学的損失が含まれる。【選択図】図１０
2011247261.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伴流と衝撃の相互作用に起因する空力学的損失が所望のレベルまで低減し、尚且つ、伴流熱偏析作用が所望のレベルまで低減するように、前記伴流を完全に混合する渦巻き運動を創出するべく１つ以上のアングルから主流に流体を導入するための流体導入エレメントとして構成された後縁冷却孔（２０２）、（２０４）の構造を有する実質的にアーチ形の後縁（１２）を有する、高圧タービン（ＨＰＴ）ブレード（１４）又はベーン（１４）。
【請求項２】
少なくとも１つの流体導入エレメント（２０２）、（２０４）が、前記後縁（１２）の圧力側に流体を導入するように構成された、請求項１に記載のＨＰＴブレード又はベーン（１４）。
【請求項３】
少なくとも１つの流体導入エレメント（２０２）、（２０４）が、前記後縁（１２）の吸気側に流体を導入するように構成された、請求項１に記載のＨＰＴブレード又はベーン（１４）。
【請求項４】
少なくとも１つの流体導入エレメント（２０２）が、前記後縁（１２）の圧力側に流体を導入するように構成され、少なくとも１つの別の流体導入エレメント（２０４）が、前記後縁（１２）の吸気側に流体を導入するように構成された、請求項１に記載のＨＰＴブレード又はベーン（１４）。
【請求項５】
１つ以上の流体導入エレメント（２０２）が、別の導入エレメント（２０４）を介して流体が脈動的に導入されるのと同時に、流体流が所定の固定比率の流体を導入するように構成された、請求項１に記載のＨＰＴブレード又はベーン（１４）。
【請求項６】
更に、前記１つ以上の流体導入エレメント（２０２）、（２０４）が、渦巻き運動の所望の強さ、渦巻き運動の所望の持続性、渦巻き運動の所望の頻度のうち少なくとも１つの特性を備えた流れ方向の渦巻き運動を生成するように、各々の導入エレメント（２０２）、（２０４）の寸法及び配向が、対応するタービンブレード又はベーン（１４）相応に構成された、請求項１に記載のＨＰＴブレード又はベーン（１４）。
【請求項７】
１つ以上のタービンブレード又はベーンの幾何学的エレメント（２００）を更に有し、
前記１つ以上の幾何学的エレメント（２００）は、前記１つ以上の流体導入エレメントと連動して、前記ＨＰＴブレード又はベーン（１４）を介して生成される前記伴流を混合するように構成されている、請求項１に記載のＨＰＴブレード又はベーン（１４）。
【請求項８】
前記１つ以上の幾何学的エレメント（２００）が１つ以上の流体通路を含む、請求項７に記載のＨＰＴブレード又はベーン（１４）。
【請求項９】
前記１つ以上の幾何学的エレメント（２００）が、小鈍鋸歯状後縁、山形後縁、後縁冷却スロット、及びこれらを組合せたものから選択される、請求項７に記載のＨＰＴブレード又はベーン（１４）。
【請求項１０】
前記１つ以上の幾何学的エレメント（２００）が後縁スロットを有し、
前記スロットの少なくとも１つの内壁が該スロットの長さ方向において小鈍鋸歯状になっている、請求項７に記載のＨＰＴブレード又はベーン（１４）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してガスタービンエンジンに関し、より具体的には、クーラント導入孔の使用を見直し、設計し直し、且つ／又は操作することにより、ガスタービンのブレード又はベーンのウエーク（伴流）の混合を促進し、ＨＰＴ／ＬＰＴ（高圧タービン／低圧タービン）の相互作用的な損失を低減すると共に、タービンの熱耐久性を改善するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンのブレード／ベーンの伴流は、タービンのブレード／ベーンの衝撃波系統と相互に作用するが、混合が不完全な場合には、下流側のブレード／ベーンと相互に作用する。このプロセスによって比較的大きな損失が生じるが、伴流を完全に混合するには、ＨＰＴとＬＰＴの間に軸方向の間隔が別途必要になることが多い。伴流混合の利点は、空力学的性能における利点に加えて、熱的影響にも及ぶ。フィルム冷却されたタービンベーン及びブレードから生じる伴流には、圧力的な欠点に加えて温度的な欠点もある。エアフォイル（ベーン又はブレード）の伴流の内側の運動量が小さな流体部分は、下流へと移動し、下流のエアフォイルに取り込まれ、旋回する。図１３の左側は、伴流の移動を図示している。図１３の右側は、伴流の外側の比較的運動量の大きな流体が、隣接するエアフォイルの圧力側に向かって移動する一方で、下流のブレード列内での流体の旋回によって、運動量の小さな流体がエアフォイルの吸気側近傍に蓄積されることを示している。伴流の流体は、伴流外側の流体に比べて低温なので、下流のエアフォイル列の流路に熱偏析が生じ、到来する伴流内側のクーラントが圧力側に到達することができない。その結果、下流のエアフォイルの圧力側が、隣接する吸気側よりも高温となり、圧力側の過熱に繋がることがある。
【０００３】
また、上流のエアフォイルの伴流は、二次的な流れも取り込む。このことは、「スリップ」速度とよばれることが多く、この流れは、伴流の速度が包囲している流れよりも遅い場合には「ネガティブ」ジェットとよばれ、伴流の速度が包囲している流れよりも速い場合には「ポジティブ」ジェットとよばれる。図１４に示した速度トライアングルには、このネガティブジェットとポジティブジェットとが示されている。Ｋｅｒｒｅｂｒｏｃｋ，  Ｊ．Ｌ．とＭｉｋｏｌａｊｃｚａｋ，Ａ．Ａ．が１９７０年に著した「ステータ内側におけるロータ伴流の搬送と、これによる圧縮機性能への影響（Ｉｎｔｒａ−Ｓｔａｔｏｒ  Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  ｏｆ  Ｒｏｔｏｒ  Ｗａｋｅｓ  ａｎｄ  Ｉｔｓ  Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｎ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）」（ＡＳＭＥ  Ｊ．  Ｅｎｇ．  Ｐｏｗｅｒ，  Ｖｏｌ  ９２，  ｐｐ．３５９−３７０）の記述によると、流体温度が満遍なく均一であったとしても、流れが下流へと移動するにつれて、こうした二次的な流れによって流体がエアフォイル流路を隔てて運搬されることになり、結果的にこの流路を隔てた温度勾配が生じる。
【０００４】
図１は、後縁１２の内側ではなく後縁１２近傍にある、タービンブレード１４の流体導入エレメント１０の配置と働きを示した斜視図であり、これは、タービンブレード１４の後縁１２に続く伴流の混合を促進するための従来技術において既知である。流体的に生成される渦１６のうち少なくとも１つの働きにより、タービンブレード１４の後縁１２に続く伴流２２の混合が促進される。流体的に生成される渦１６は、タービンブレード１４の後縁１２の近傍で一体化された、１つ以上の流体導入エレメント２４を介して生成される。各々の流体導入エレメント２４は、空気流等の流体２６をタービンブレード１４の後縁領域に導入するように構成されており、これによって、タービンブレード１４の後縁１２の後方の伴流が完全に混合し易くなる。伴流の完全な混合が促進されると、比較的幅広の伴流２２が得られる。
【０００５】
図２は、従来技術で既知の、丸みを帯びたタイプの後縁冷却スキームを有する典型的なタービンブレード３０の上面斜視図であり、影付きの部分３２は金属で、空洞部分は冷却流路である。タービンブレード３０は、真っ直ぐな内壁３８を備えた後縁スロット３６を有する。図３は、真っ直ぐな内壁３８を備えた後縁スロットを含む比較的薄い後縁を有する、ブリードスロット後縁冷却スキームを示す。
【０００６】
空力学的性能における利点を提供すると共にタービンブレード／ベーンの冷却を行うにあたり、従来技術では、流体導入エレメント／冷却孔及びスロットが用いられてきたが、こうした技術でも尚、伴流と衝撃の相互作用に起因する空力学的損失や、遷音速ベーン／ブレードの定常的な損失と非定常的な損失の両方、ブレード／ベーンが亜音速ブレード／ベーンのときの伴流の相互作用による非定常的な損失には、対処し切れていない。また、高温環境下での耐性を確保するためにベーンが、例えばフィルム冷却や後縁冷却によって激しく冷却される高圧タービンでは、結果的に非定常的な熱伴流偏析作用（thermal  wake segregation effect）が生じ、例えばプラットフォーム部分やブレード／ベーンの先端部分等の、ブレード／ベーンの下流側の端壁の予期せぬ加熱に繋がることがある。低温の伴流と高温の燃焼後のガスとが相俟って、熱伴流移動効果（thermal wake  migration effect）に繋がる、大きな温度勾配が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６７３３２４０Ｂ２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上に鑑み、全体的な圧力勾配と全体的な温度勾配の両方を低減するシステム及び方法の提供が有利であろう。このシステム及び方法は、上流側のブレード列の熱伴流を混合することによって、下流側のエアフォイル列に流入する流れを調整し直し、これによって、下流側のブレード列内の熱偏析作用を低減することにより、隣接する下流側のブレード列の熱的負荷を低減する。図１６では、１つの概略図で速度伴流の混合と熱伴流の混合を示している。伴流の混合を測定するにあたり、２つのパラメータが取り入れられている。１つ目のパラメータは、ここでは伴流領域における速度積分比率及びフリーフロー領域における速度積分比率として定義される伴流速度比率（ＷＶＲ）である。もう１つのパラメータは、伴流領域における質量評価された温度積分比率及びフリーフロー領域における質量評価された温度積分比率として定義される伴流温度比率（ＷＴＲ）である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
要するに、一実施例によると、高圧タービンブレード又はベーンは、１つ以上の流体導入構造が内設された、実質的にアーチ形の後縁を有し、この後縁は、伴流及び／又は衝撃の相互作用に起因する空力学的損失を低減するように構成され、尚且つ、熱伴流偏析作用を所望のレベルまで低減するように構成されている。
【００１０】
別の実施例によると、高圧タービン（ＨＰＴ）ブレード又はベーンは、１つ以上の山形を有する小鈍鋸歯状後縁を有し、この１つ以上の山形は、後縁の圧力側、吸気側、或いは、圧力側と吸気側の両方に配設されており、対応する伴流及び／又は衝撃の相互作用に起因する空力学的損失が所望のレベルまで低減されるように、尚且つ、対応する熱伴流偏析作用が所望のレベルまで低減されるように、ＨＰＴブレード及びベーンを介して生成された伴流の完全な混合を促進するべく構成されている。
【００１１】
また別の実施例によると、高圧タービン（ＨＰＴ）ブレード又はベーンは、１つ以上の流体導入構造が内設された小鈍鋸歯状後縁を有し、流体を所望の後縁領域内に導入するように構成されており、導入された流体は、伴流及び／又は衝撃の相互作用に起因する空力学的損失が所望のレベルまで低減されるように、尚且つ、熱伴流偏析作用が所望のレベルまで低減されるように、小鈍鋸歯状後縁の通路の流体の流れと相俟って、導入された流体と通路の流体の流れとの相互作用から流れ方向の渦巻き運動を生成し、ＨＰＴブレード又はベーンによって生成される伴流の完全な混合を促進する。
【００１２】
また別の実施例によると、高圧タービン（ＨＰＴ）伴流混合システムは、ＨＰＴブレード又はベーンの後縁の外側に、１つ以上の冷却孔が内設された既存のＨＰＴブレード又はベーンを有し、この既存のＨＰＴブレード又はベーンは、１つ以上の幾何学的エレメントを備えて再構成されており、この１つ以上の幾何学的エレメントによって、１つ以上の冷却孔から導入された流体を操作して、伴流と衝撃の相互作用に起因する空力学的損失を低減し、尚且つ、熱伴流偏析作用を所望のレベルまで低減するようになっている。
【００１３】
また別の実施例によると、高圧タービン（ＨＰＴ）伴流混合システムは、実質的にアーチ形の後縁を有し、更に１つ以上の冷却スロット又は孔が内設された、既存のＨＰＴブレード又はベーンを有し、この既存のＨＰＴブレード又はベーンは、実質的にアーチ形の後縁に内設された１つ以上の流体導入エレメントを備えて再構成されており、この１つ以上の流体導入エレメントから導入された流体が１つ以上の冷却スロット又は孔を通じて流れる流体と相俟って、伴流と衝撃の相互作用に起因する空力学的損失を低減し、尚且つ、熱伴流偏析作用を所望のレベルまで低減するようになっている。
【００１４】
全図面を通じて同様の部分を同様の符号で表す添付図面に関連して以下の詳細な説明を参照すると、本発明のこれら及びその他の特徴、態様、及び利点についての理解が更に深まるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】タービンブレードの後縁に続く伴流の混合を促進するための従来技術において既知のタービンブレードの後縁近傍における、但し後縁内部には位置していない、流体導入エレメントの配置と働きを示した斜視図である。
【図２】影付きの部分が金属であり、空洞領域がクーラント流路である、丸みを帯びた後縁を有する既知のタービンブレードの上面斜視図である。
【図３】通常は発電タービンで使用される、真っ直ぐな内壁を備えた後縁を有する、既知の強力な後縁冷却スキームを示した図である。
【図４】本発明の一実施例による複数の内側スロット壁のうち１つが小鈍鋸歯状である、タービンブレード又はベーンの後縁スロットを示した図である。
【図５】一実施例による、図４に示したタービンブレード又はベーンの端面図である。
【図６】別の実施例による、図４に示したタービンブレード又はベーンの端面図である。
【図７】一実施例によるタービンブレード又はベーン用の小鈍鋸歯状後縁を示した斜視図である。
【図８】一実施例による高圧タービンブレード又はベーンの山形後縁を示した図である。
【図９】本発明の様々な実施例を適用可能なガスタービンエンジンを示した概略図である。
【図１０】本発明の一実施例による、伴流及び／又は衝撃の相互作用に起因する空力学的損失を低減すると共に、熱伴流偏析作用を所望レベルまで低減するための、タービンブレードの後縁内における流体導入エレメントの配置と働きを示した断面図である。
【図１１】本発明の別の実施例による、伴流及び／又は衝撃の相互作用に起因する空力学的損失を低減すると共に、熱伴流偏析作用を所望のレベルまで低減するための、タービンブレードの後縁内における流体導入エレメントの配置と働きを示した断面図である。
【図１２】本発明の別の実施例による、伴流及び／又は衝撃の相互作用に起因する空力学的損失を低減すると共に、熱伴流偏析作用を所望のレベルまで低減するための、タービンブレードの後縁内における流体導入エレメントの配置と働きを示した断面図である。
【図１３】一実施例による、伴流の外側の運動量が比較的大きな流体が隣接するエアフォイルの圧力側に向かって移動する一方で、運動量が小さな流体がエアフォイルの吸気側の近傍に蓄積する、下流側のブレード列内における伴流の移動及び流体の旋回を示した図である。
【図１４】「スリップ」速度とよばれることが多く、包囲している流れよりも伴流速度が遅い場合には「ネガティブ」ジェットとよばれ、包囲している流れよりも伴流速度が速い場合には「ポジティブ」ジェットとよばれる二次的な流れを導入する上流側エアフォイルの伴流を示す速度トライアングルを示した図である。
【図１５】一実施例による、下流ブレード列内の熱偏析作用を低減することによって隣接する下流側のブレード列の熱負荷を低減するための、上流側のブレード列の熱伴流の混合に基づく、伴流温度比率とエアフォイル表面の温度差との相関関係を示した図である。
【図１６】速度伴流と熱伴流との混合を単一の概略図で示した図である。
【図１７】一実施例による、タービンブレード又はベーンの後縁に配設された流体導入スロットを示した図である。
【図１８】一実施例による、タービンブレード又はベーンの後縁に配設された流体導入孔を示した図である。
【図１９】一実施例による、タービンブレード又はベーンの吸気側の山形後縁を示した図である。
【図２０】一実施例による、タービンブレード又はベーンの吸気側の山形後縁を示した図である。
【図２１】一実施例による、タービンブレード又はベーンの圧力側後縁の冷却スロットを示した図である。
【図２２】図２１に示したタービンブレード又はベーンの断面の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
上記の図面は、代替実施例を提示しているが、以下の考察で言及するように、本発明のその他の実施例も想定される。いずれの場合も、本開示は、限定目的においでではなく説明目的において、本発明の図示の実施例を提示している。当業者であれば、本発明の原理の技術的範囲及び概念的範囲に属するその他多くの変更及び実施例を想到可能であろう。
【００１７】
本明細書に更に詳細に記載する図１０〜図１２及び図１７〜図１８に示したような特定の実施例によると、冷却孔伴流混合エレメントを高圧タービン（ＨＰＴ）ブレード又はベーンの実質的にアーチ形の厚い後縁に内設することで、後縁伴流混合スキームを提供する。流体を主流路に対して平行に導入する従来の後縁伴流混合方式とは異なり、これらの実施例では、有利には、主流路に対してピッチ角及び／又はヨー角に流体を導入して、本明細書に更に詳細に記載の、所望の流れ方向の渦を生成する。
【００１８】
本明細書に更に詳細に記載する図４〜図８及び図１９〜図２０に示したようなその他の実施例によると、山形後縁を、高圧タービンブレード又はベーンの圧力側、吸気側、或いは、圧力側及び吸気側の両方に備えることで、圧力側ブリードスロット後縁伴流混合スキームを提供する。
【００１９】
また別の実施例によると、本明細書に更に詳細に記載する図１０〜図１２及び図１２〜図２２に示したような流体導入エレメント／構造は、（図４〜図８に示したような）小鈍鋸歯状後縁スロット壁の通路の流れと相互作用するように、且つ、導入された流れと小鈍鋸歯状スロット通路の流れとの相互作用から流れ方向の渦巻き運動を生成するように、対応するタービンブレード壁に対して所定の角度で流体を導入するべく配置されている。流れ方向の渦巻き運動の生成とその強度を調整することで、これに限定されないが後縁伴流等の対応する伴流と相俟って、この伴流を完全に混合させ、それによって、この伴流が下流側の衝撃移動とエンジン部品と相互作用する時点迄の、伴流の速度的な欠点を軽減する。
【００２０】
流れ方向の渦巻き運動を生成するこれらの流体的な手法は、伴流の混合を促進するべく機能し、その結果、伴流が素早く消散する。高圧タービンブレード／ベーン１４から到来する伴流が素早く消散することによって、さもなければ、これらの伴流が隣接する低圧タービン（ＬＰＴ）ブレード／ベーンとこれに対応する流れ構造と相互作用したときに生じていたであろう空力学的損失が低減される。
【００２１】
一実施例によると、本明細書に記述する原理の実現に好適な渦巻き運動の流体的生成は、安定した吹き込みによってもたらされる。別の実施例では、脈動的な吹き込みを用いてもよい。また別の例では、一定の吹き込みと脈動的な吹き込みの両方を用いることで、所望の流れ方向の渦巻き運動をもたらす。幾つかの実施例では更に、このような渦巻き運動の生成を促進する幾何学的な特徴を用いてもよい。幾何学的な特徴は、所望の用途によって異なり、これに限定されないが、幾何学的な特徴には、孔、スロット、及びこれらの様々な幾何学的な組合せが含まれる。例えば、寸法及び導入の配向に関して、一対の導入孔を調整することで、例えば、これに限定されないが、強度、持続性、及び（不規則的な吹き込みを用いる場合の）頻度を含む所望の特徴又は不可欠な特徴を創出する。
【００２２】
本明細書に記述した原理の実現に好適な渦巻き運動を流体的に生成する一実施例は、ＨＰＴ及び／又はＬＰＴタービンブレード表面の能動的冷却のために既に使用されている孔及び／又はスロットを変更することで、所望の流れ方向の渦巻き運動をもたらすことにより、実現する。このような実施例では、既存の基礎構造を利用するので、最小限のリエンジニアリングで所望の渦巻き運動を実現できる。
【００２３】
本明細書に記述した原理による伴流の混合を促進する手段は、単純な後縁方向の放出だけに限定されるものではない。これらの手段を拡張して、局所的に渦を形成する追加の幾何学的特徴と一緒に機能させ、伴流の混合を促進できる。こうした特徴には、これに限定されないが、図４〜図８に示したような小鈍鋸歯状後縁が含まれる。
【００２４】
図４は、本発明の一実施例による、複数の内側スロット壁４４のうち１つが小鈍鋸歯状の、ＨＰＴタービンブレード又はベーン４２の後縁スロット４０を示す。図５は、一実施例による、図４に示したタービンブレード又はベーン４２の端面図である。図６は、別の実施例による、図４に示したタービンブレード又はベーン４２の端面図である。この小鈍鋸歯状内側スロット壁４４は、１）流体導入エレメント／構造又は冷却孔のみを使用するか、２）ブレード／ベーンのプラットフォーム部分又はキャンバー部分の変更のみを用いるか、或いは、３）真っ直ぐな内壁を有する後縁スロットと組み合わせて、流体導入エレメント／構造を使用すること、により実現可能なものに比べて、タービンブレード４２によって生成される伴流の混合が更に促進されるように機能する。
【００２５】
図７は、別の実施例による高圧タービン（ＨＰＴ）ブレード又はベーンの小鈍鋸歯状後縁５０を示す斜視図である。図８は、また別の実施例による高圧タービンブレード又はベーンの山形後縁６０を示している。本明細書で使用する山形３１０は、図２０に示すような圧力側３０４において、図１９に示すような吸気側において、或いは、これに限定されないが、図３に示すブレードのような高圧タービンブレード又はベーンの圧力側及び吸気側の両方において用いられる、三角形の鋸歯状プラットフォームの変形形態として定義される。
【００２６】
例えば、図２１及び図２２に示したような、尖った圧力側及び吸気側後縁３０４、３０６及び圧力側冷却スロット３０２を備えたガスタービンブレード／ベーン３００は、山形又は小鈍鋸歯状の表面、或いは、山形と小鈍鋸歯状を組み合わせたものを、下部リップ又は上部リップのいずれか、或いはこれらの両方の側に用いることができるように構成されており、冷却通路３０２は、流れ方向の渦巻き運動の生成が最大になるような幾何学形状になるように調整されている。図２１は、航空機エンジン用途での使用に好適なタービンブレード／ベーン３００の後縁部分を示した側面図であり、このときの後縁３０４、３０６は、発電機械に使用するものよりも薄くなっている。
【００２７】
このように、流体導入スロット４００及び流体導入孔４０２をそれぞれ示す図１７及び図１８に示したような後縁（ＴＥ）上に配設された、高圧タービン（ＨＰＴ）又は低圧タービン（ＬＰＴ）のブレードの１つ以上の幾何学的特徴に一体化することにより既知の手法を用いて局所的な渦を実現可能なものに比べて伴流の混合が促進される、１つ以上の流体導入エレメント４００、４０２により、流れ方向の渦が生成される。一実施例によると、流体導入エレメントはそれぞれ、対応するＨＰＴ又はＬＰＴタービンブレードの後縁領域内に空気流等の流体を導入して、導入された流体の流れと流路中の流体の流れとの相互作用から流れ方向の渦巻き運動を創出するように構成されており、これによって、（ＨＰ又はＬＰ）タービンブレードの後縁の後方における伴流の完全な混合が促進される。タービンブレード後縁の後方の伴流の完全な混合の促進により、ＨＰＴ／ＬＰＴの相互作用的損失が低減され、且つ／又は、ガスタービンエンジン内のＨＰＴ及びＬＰＴ部品どうしの間の軸方向の間隙を縮小できる。
【００２８】
より具体的には、システム及び方法の実施例は、渦の導入によって全体的な圧力勾配と温度勾配の両方を低減すると説明した。これによって、下流側のエアフォイル列に進入する流れを調整できる。上流側のブレード列の熱伴流の混合は、下流側のブレード列内の熱偏析作用の低減により、隣接する下流側のブレード列の熱負荷の低減に有益である。この効果は、伴流温度比率とエアフォイル表面の温度差との相関関係を示した図１５のグラフに更に詳細に示されているが、その場合、グラフ内の伴流温度比率は、伴流領域内の温度の総和を、伴流の外側の流域内の温度の総和で割ったものとして定義される。
【００２９】
空力学的性能とシステム要件／熱要件との間でトレードオフが必要となる点に鑑み、空力学的性能に用いられている既存の技術を変更して本明細書に記述した原理を実施することができる。したがって、空力学的性能とシステム要件／熱要件を両立できる限り、空力学的性能に用いられている既存の技術を変更して本明細書に記載の原理を実施することができる。
【００３０】
図９は、本発明の様々な実施例を適用可能なガスタービンエンジン１００の一部の断面を示した概略図である。ガスタービンエンジン１００は、対応のＬＰＴ１２８と連動するＨＰＴ１２４を含むことがわかる。
【００３１】
図１０は、本発明の一実施例による、伴流及び／又は衝撃の相互作用に起因する空力学的損失を低減し、尚且つ、伴流の熱偏析作用を所望のレベルまで低減するための、ＨＰ又はＬＰタービンブレード１４の実質的にアーチ形の後縁１２内における流体導入エレメント２００の配置と働きを示した断面図である。流体導入エレメント２００は、本明細書に記載の原理に従って、空気等の所望の流体２６をブレード１４の後縁の圧力及び吸気側の両方に導入するように構成された一対の流体導入孔２０２、２０４を有する。
【００３２】
図１１は、本発明の別の実施例による伴流及び／又は衝撃の相互作用に起因する空力学的損失を低減し、熱伴流偏析作用を所望のレベルまで低減するための、ＨＰ又はＬＰタービンブレード１４の実質的にアーチ形の後縁１２内における１つ以上の流体導入エレメント２１０の配置と働きを示す断面図である。流体導入エレメント２１０の一部を形成する流体導入孔２１２は、本明細書に記載の原理に従って空気等の望ましい流体２６をブレード１４の後縁１２の先端部分に導入するように構成されている。
【００３３】
図１２は、本発明の別の実施例による、伴流及び／又は衝撃の相互作用に起因する空力学的損失を低減し、尚且つ、熱伴流偏析作用を所望のレベルまで低減するための、ＨＰ又はＬＰタービンブレード１４の実質的にアーチ形の後縁１２内における１つ以上の流体導入エレメント２２０の配置と働きを示す断面図である。流体導入エレメント２２０の一部を形成する流体導入孔２２２は、本明細書に記載の原理に従って空気等の所望の流体２６をブレード１４の後縁１２の圧力側又は吸気側に導入するように構成されている。
【００３４】
本明細書に記載の実施例は、有利には、伴流と衝撃の相互作用に起因する空力学的損失を低減する。この損失には、遷音速のベーン／ブレードの定常的な損失及び非定常的な損失と、ブレード／ベーンが亜音速のときの伴流の相互作用に起因する非定常的な損失とが含まれる。本明細書に記載の実施例は、更に有利には、熱伴流移動効果に繋がる低温の伴流と、高温の燃焼後のガスに起因する下流側のブレード端壁の予期しない加熱に繋がる、非定常的な熱伴流偏析作用を低減する。
【００３５】
ＨＰ又はＬＰガスタービンブレード又はベーンを介して生成される伴流を、ＨＰＴ及び／又はＬＰＴブレード又はベーンのタイプに基づいて選択的に混合するにあたり、本明細書に記載の原理を容易に適用でき、これによって、伴流及び／又は衝撃の相互作用に起因する相応の空力学的損失を所望のレベルまで低減し、尚且つ、１つ以上の下流側のタービンブレード又はベーンの空力学的要件及び熱的要件に基づく所望のレベルまで熱伴流偏析作用を低減することができる。
【００３６】
以上、本明細書では、本発明の一部の特徴についてのみ図示及び記述したが、当業者には、多数の変更及び変形が想到可能であろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の概念的範囲に属するそれら全ての変更及び変形を含むことを意図していることを理解されたい。
【符号の説明】
【００３７】
１０  流体導入エレメント
１２  タービンブレードの後縁
１４  タービンブレード
１６  流体的に生成される渦
２２  伴流
２６  流体
３０  タービンブレード
３２  金属
３４  クーラント流路
３６  後縁スロット
３８  後縁スロットの内壁
４０  後縁スロット
４２  ＨＰＴブレード／ベーン
４４  後縁小鈍鋸歯状スロット内壁
５０  ＨＰＴブレード小鈍鋸歯状後縁
６０  ＨＰＴブレード山形後縁
１００  ガスタービンエンジン
１２４  ガスタービンエンジンＨＰＴ
１２８  ガスタービンエンジンＬＰＴ
２００  流体導入エレメント
２０２  流体導入孔
２０４  流体導入孔
２１０  流体導入エレメント
２１２  流体導入孔
２２０  流体導入エレメント
２２２  流体導入孔
３００  タービンブレード／ベーン
３０２  冷却スロット
３０４  圧力側後縁
３０６  吸気側後縁
３１０  後縁山形
４００  流体導入スロット
４０２  流体導入孔
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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