(57)【要約】【課題】エーロフォイルの高寿命および低タービン運転コストを同時に実現可能なエーロフォイル冷却方法とその装置を提供する。【解決手段】ガスタービン用エーロフォイルの冷却設計と冷却方法に関する。エーロフォイル３２の前縁内にはプレナム８０，８２が長手方向に設けられる。プレナム８０，８２内には、前縁４６での伝熱を促進する、複数の乱流発生機構が設けられる。また、この冷却設計は、エーロフォイル３２の内部空洞３６から冷却空気４０を受け入れる複数のインレット７２，７４，７６，７８と、前縁のフィルム冷却のために冷却空気４０が吹き出す、前縁外側表面上の溝５２、に設けられた複数のアウトレット６４，６６，６８，７０とを備える。【選択図】図４
2004308658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空エーロフォイルであって、
冷却空気が上記中空エーロフォイルの一方の端部から流入可能な内部空洞と、
前縁と後縁とにおいて互いに接続する正圧面と負圧面とを備えかつプラットフォームにおける第１の端部から第２の端部まで延在した、外側壁と、
上記前縁に沿って翼幅方向に延びた、よどみ線と、
上記前縁と上記正圧面とに近接して設けられた、長手方向に延在する第１のプレナムと、
上記空洞内の冷却空気を上記第１のプレナムに連通する、複数の第１のインレットと、
上記第１のプレナム内に不連続に配置され、かつ翼幅方向に延在した、複数の第１の台座と、
上記よどみ線の中心に位置した上記外側壁に設けられ、かつ、翼幅方向に延在し、かつ、該よどみ線で区分された第１の半部と第２の半部とを含んだ、溝と、
上記よどみ線に隣接して設けられ、かつ、上記正圧面側に隣接した、上記溝の上記第１の半部内に設けられ、かつ、上記第１のプレナムに連通した、複数の第１の出口孔と、
を備え、かつ、
冷却空気が、上記複数の第１のインレットから上記第１のプレナムに流入し、上記複数の第１の台座に衝突して、上記複数の第１の出口孔に向かうように構成されるとともに、
上記複数の第１の出口孔は、上記中空エーロフォイルのフィルム冷却を行うために、該出口孔から出る冷却空気を、上記よどみ線上を横断して上記負圧面に向かうように案内する、ことを特徴とする中空エーロフォイル。
【請求項２】
上記前縁と上記負圧面とに近接して設けられた、長手方向に延在する第２のプレナムと、
上記空洞内の冷却空気を上記第２のプレナムに連通する、複数の第２のインレットと、
上記第２のプレナム内に不連続に配置され、かつ翼幅方向に延在した、複数の第２の台座と、
上記よどみ線に隣接して設けられ、かつ、上記負圧面側に隣接した、上記溝の上記第２の半部内に設けられ、かつ、上記第２のプレナムに連通した、複数の第２の出口孔と、
をさらに備え、かつ、
冷却空気が、上記複数の第２のインレットから上記第２のプレナムに流入し、上記複数の第２の台座に衝突して、上記複数の第２の出口孔に向かうように構成されるとともに、
上記複数の第２の出口孔は、上記中空エーロフォイルのフィルム冷却を行うために、該出口孔から出る冷却空気を、上記よどみ線上を横断して上記正圧面に向かうように案内する、ことを特徴とする請求項１に記載の中空エーロフォイル。
【請求項３】
上記空洞内の冷却空気を上記第１のプレナムに連通する、複数の第３のインレットと、
上記正圧面内において上記第１の出口孔に隣接して設けられ、かつ、上記第１のプレナムと連通した、複数の第３の出口孔と、
を備え、かつ、
冷却空気が、上記複数の第３のインレットから上記第１のプレナムに流入し、上記複数の第１の台座に衝突して、上記複数の第３の出口孔に向かうように構成されるとともに、
上記複数の第３の出口孔は、上記中空エーロフォイルのフィルム冷却を行うために、該出口孔から出る冷却空気を、上記正圧面に向かうように案内する、ことを特徴とする請求項２に記載の中空エーロフォイル。
【請求項４】
上記空洞内の冷却空気を上記第２のプレナムに連通する、複数の第４のインレットと、
上記負圧面内において上記第２の出口孔に隣接して設けられ、かつ、上記第２のプレナムと連通した、複数の第４の出口孔と、
をさらに備え、かつ、
冷却空気が、上記複数の第４のインレットから上記第２のプレナムに流入し、上記複数の第２の台座に衝突して、上記複数の第４の出口孔に向かうように構成されるとともに、
上記複数の第４の出口孔は、上記中空エーロフォイルのフィルム冷却を行うために、該出口孔から出る冷却空気を上記負圧面に向かうように案内する、ことを特徴とする請求項３に記載の中空エーロフォイル。
【請求項５】
上記複数の第１のインレットと上記複数の第２のインレットとが長手方向に交互に並んで列をなす、ことを特徴とする請求項２に記載の中空エーロフォイル。
【請求項６】
上記複数の第１の出口孔と第２の出口孔とが、別々に長手方向に列をなし、かつ、互いにオフセットして並ぶ、ことを特徴とする請求項２に記載の中空エーロフォイル。
【請求項７】
上記複数の第３の出口孔は、上記複数の第１の出口孔と平行に、長手方向の列をなし、かつ、上記複数の第４の出口孔は、上記複数の第２の出口孔と平行に、長手方向の列をなす、ことを特徴とする請求項４に記載の中空エーロフォイル。
【請求項８】
上記第１のプレナムにおける上記複数の第１の台座が、該第１のプレナム内で冷却空気の乱流を促進して上記前縁の熱伝導を向上させるような形状をなす、ことを特徴とする請求項１に記載の中空エーロフォイル。
【請求項９】
上記第２のプレナムにおける上記複数の第２の台座が、該第２のプレナム内で冷却空気の乱流を促進して上記前縁の熱伝導を向上させるような形状をなす、ことを特徴とする請求項２に記載の中空エーロフォイル。
【請求項１０】
上記複数の第１と第２の台座は、中心部と、該中心部から外側に張り出した、第１と第２の部分と、を備え、かつ、該複数の第１と第２の台座に設けられた該第１と第２の部分の各々が、長手方向に並んで列をなすように配列される、ことを特徴とする請求項２に記載の中空エーロフォイル。
【請求項１１】
上記の第１と第２の出口孔が、スロット形状をなしかつ約０．２００インチ（約５．０８ｍｍ）未満の寸法である、ことを特徴とする請求項２に記載の中空エーロフォイル。
【請求項１２】
上記の第３と第４の出口孔がスロット形状をなすことを特徴とする請求項４に記載の中空エーロフォイル。
【請求項１３】
上記第２の端部が自由端の先端部であることを特徴とする請求項１に記載の中空エーロフォイル。
【請求項１４】
上記の第１と第２の台座がプロペラ形状をなすことを特徴とする請求項４に記載の中空エーロフォイル。
【請求項１５】
上記の第１と第２のインレットがスロット形状をなすことを特徴とする請求項２に記載の中空エーロフォイル。
【請求項１６】
上記の第３と第４のインレットがスロット形状をなすことを特徴とする請求項４に記載の中空エーロフォイル。
【請求項１７】
上記の第１と第２のインレットが上記中空エーロフォイルの平均キャンバー線に沿って長手方向に延びることを特徴とする請求項５に記載の中空エーロフォイル。
【請求項１８】
中空エーロフォイルであって、
冷却空気が上記中空エーロフォイルの一方の端部から流入可能な内部空洞と、
前縁と後縁とにおいて互いに接続する正圧面と負圧面とを備えかつ根元部から先端部まで延在した、外側壁と、
上記前縁に沿って翼幅方向に延びた、よどみ線と、
翼幅方向に延在するように上記外側壁に設けられ、かつ、上記よどみ線により区分された、第１の半部と第２の半部とを含んだ、溝と、
上記内部空洞と連通した第１のインレットと、上記正圧面と上記よどみ線との間の上記溝の第１の半部に設けられた第１のアウトレットと、を備え、かつ、第１の台座を内包した、第１の冷却流通路と、
上記内部空洞と連通した第１のインレットと、上記負圧面と上記よどみ線との間の上記溝の第２の半部に設けられた第１のアウトレットと、を備え、かつ、第２の台座を内包した、第２の冷却流通路と、
を備え、かつ、
上記第１の冷却流通路は、冷却空気が、上記第１のインレットから該第１の冷却流通路に流入し、上記第１の台座に衝突して、上記第１のアウトレットを介して上記中空エーロフォイルから流出することによって、上記負圧面をフィルム冷却するように、構成されており、
上記第２の冷却流通路は、冷却空気が、該第２の冷却流通路の上記第１のインレットから該第２の冷却流通路に流入し、上記第２の台座に衝突し、上記第２の半部に設けられた該第２の冷却流通路の上記第１のアウトレットを介して上記中空エーロフォイルから流出することによって、上記正圧面をフィルム冷却するように、構成されている、ことを特徴とする中空エーロフォイル。
【請求項１９】
上記第１の冷却流通路の上記第１のアウトレットが、上記第２の冷却流通路の上記第１のアウトレットに対し、千鳥状に配列されることを特徴とする請求項１８に記載の中空エーロフォイル。
【請求項２０】
上記第１の冷却流通路が、さらに、
上記内部空洞と連通した第２のインレットと、
上記正圧面において上記前縁に隣接して設けられた第２のアウトレットと、
を備え、かつ、
冷却空気は上記第１の冷却流通路の上記第２のインレットに流入し、上記第１の台座に衝突することによって、該冷却空気は、該第１の冷却流通路の上記第２のアウトレットを介して上記中空エーロフォイルから流出して、上記正圧面のフィルム冷却を行うように、配向され、かつ、
上記第２の冷却流通路が、さらに、
上記内部空洞と連通した第２のインレットと、
上記負圧面において上記前縁に隣接して設けられた第２のアウトレットと、
を備え、かつ、
冷却空気は上記第２の冷却流通路の上記第２のインレットに流入し、上記第２の台座に衝突することによって、該冷却空気は、該第２の冷却流通路の上記第２のアウトレットを介して上記中空エーロフォイルから流出して、上記負圧面のフィルム冷却を行うように、配向される、ことを特徴とする請求項１８に記載の中空エーロフォイル。
【請求項２１】
上記の第１と第２の台座は、中心部と、該中心部から長手方向に延在した、第１と第２の部分と、を備えた、ネクタイ（ボウタイ）形状をなしており、かつ、
上記第１の冷却流通路は、さらに、
上記正圧面と上記よどみ線との間の上記溝の上記第１の半部に設けられた、第３のアウトレットを備え、
冷却空気が、上記第１の冷却流通路の上記第１のインレットに流入し、上記第１の台座の上記中心部に衝突することにより、該冷却空気が、該第１の台座の上記の第１と第２の部分によって、上記第１の冷却流通路の上記の第１と第３のアウトレットを介して、上記中空エーロフォイルに流出するよう配向されることによって、上記負圧面のフィルム冷却を行うこととなり、かつ、
上記第２の冷却流通路は、さらに、
上記負圧面と上記よどみ線との間の上記溝の上記第２の半部に設けられた、第３のアウトレットを備え、
冷却空気が、上記第２の冷却流通路の上記第１のインレットに流入し、上記第２の台座の上記中心部に衝突することにより、該冷却空気が、該第２の台座の上記の第１と第２の部分によって、上記第２の冷却流通路の上記の第１と第３のアウトレットを介して上記中空エーロフォイルに流出するよう配向されることによって、上記正圧面のフィルム冷却を行うこととなる、ことを特徴とする請求項２０に記載の中空エーロフォイル。
【請求項２２】
上記第１の冷却流通路は、さらに、
上記正圧面において上記前縁に隣接して設けられた第４のアウトレットを備え、
冷却空気が、上記第１の冷却流通路の上記第２のインレットに流入し、上記第１の台座の上記中心部に衝突することにより、該冷却空気が、該第１の台座の上記の第１と第２の部分によって、上記第１の冷却流通路の上記の第２と第４のアウトレットを介して上記中空エーロフォイルに流出するよう配向されることによって、上記正圧面のフィルム冷却を行うこととなり、かつ、
上記第２の冷却流通路は、さらに、
上記負圧面において上記前縁に隣接して設けられた第４のアウトレットを備え、
冷却空気が、上記第２の冷却流通路の上記第２のインレットに流入し、上記第２の台座の上記中心部に衝突することにより、該冷却空気が、該第２の台座の上記の第１と第２の部分によって、上記第２の冷却流通路の上記の第２と第４のアウトレットを介して上記中空エーロフォイルに流出するよう配向されることによって、上記負圧面のフィルム冷却を行うこととなる、ことを特徴とする請求項２１に記載の中空エーロフォイル。
【請求項２３】
上記第１の冷却流通路は、さらに、
上記中空空洞と連通した第３のインレットと、
中心部と、該中心部から長手方向に延在した第１と第２の部分と、を備えるネクタイ（ボウタイ）形状をなして、上記第１の冷却流通路内に延在した第３の台座と、
を備え、
冷却空気が上記第１の冷却流通路の上記第１のインレットに流入し、上記第１の台座の上記中心部に衝突して、該第１の台座の上記第１の部分によって、上記第１の冷却流通路の上記第１のアウトレットを介して、上記中空エーロフォイルに流出するよう配向されることによって、上記負圧面のフィルム冷却を行うこととなり、かつ、冷却空気が上記第１の冷却流通路の上記第３のインレットに流入し、上記第３の台座の上記中心部に衝突して、該第３の台座の上記第２の部分によって、上記第１の冷却流通路の上記第１のアウトレットを介して、上記中空エーロフォイルに流出するよう配向されることによって、上記負圧面のフィルム冷却を行うこととなり、かつ、
上記第２の冷却流通路は、さらに、
上記中空空洞と連通した第３のインレットと、
中心部と、該中心部から長手方向に延在した第１と第２の部分と、を備えるネクタイ（ボウタイ）形状をなして、上記第１の冷却流通路内に延在した第４の台座と、
を備え、
冷却空気が上記第２の冷却流通路の上記第１のインレットに流入し、上記第２の台座の上記中心部に衝突して、該第２の台座の上記第１の部分によって、上記第２の冷却流通路の上記第１のアウトレットを介して、上記中空エーロフォイルに流出するよう配向されることによって、上記正圧面のフィルム冷却を行うこととなり、かつ、冷却空気が上記第２の冷却流通路の上記第３のインレットに流入し、上記第４の台座の上記中心部に衝突して、該第４の台座の上記第２の部分によって、上記第２の冷却流通路の上記第１のアウトレットを介して、上記中空エーロフォイルに流出するよう配向されることによって、上記正圧面のフィルム冷却を行うこととなる、ことを特徴とする請求項２１に記載の中空エーロフォイル。
【請求項２４】
上記第１のインレットが、スロット形状をなしかつ０．０３０インチ（約０．７６ｍｍ）未満の寸法であり、かつ、上記第１のアウトレットが、スロット形状をなしかつ約０．２インチ（約５．０８ｍｍ）未満の寸法であることを特徴とする請求項１８に記載の中空エーロフォイル。
【請求項２５】
上記の第１の冷却流通路における上記複数の第１のインレットと、上記の第２の冷却流通路における上記複数の第３のインレットとが、交互に長手方向に並んで列をなすことを特徴とする請求項２３に記載の中空エーロフォイル。
【請求項２６】
上記の第１と第２の台座は、冷却空気の乱流を促進させて、上記前縁内の熱伝導を向上させるような形状をなすことを特徴とする請求項１８に記載の中空エーロフォイル。
【請求項２７】
上記第２のインレットが、スロット形状をなしかつ０．０３０インチ（約０．７６ｍｍ）未満の寸法であり、かつ、上記第２のアウトレットが、スロット形状をなしかつ約０．２インチ（約５．０８ｍｍ）未満の寸法であることを特徴とする請求項２０に記載の中空エーロフォイル。
【請求項２８】
上記第２の端部が自由端の先端部であることを特徴とする請求項１８に記載の中空エーロフォイル。
【請求項２９】
冷却流体供給源から冷却流をインレットに供給する段階と、
前縁内に微細回路を加工する段階と、を含み、かつ、
上記微細回路は、
上記前縁に近接して設けられた、長手方向に延在するプレナムと、
冷却流が流入し得るように上記プレナムに連通した、複数のインレットと、
上記プレナム内において翼幅方向に延在しかつ個々に分離した、複数の台座と、
翼幅方向に延在するように上記前縁内に設けられた、溝と、
上記溝に設けられ、かつ、上記プレナムから上記中空エーロフォイル前縁の外側領域に上記冷却流を移動させることによって上記前縁のフィルム冷却を行うように、上記プレナムと連通した、複数の第１の出口孔と、を備えることを特徴とする、
ガスタービン用の中空エーロフォイル前縁の冷却方法。
【請求項３０】
上記の、微細回路を加工する段階が、
耐熱合金を、上記プレナムと、個々に分離した台座とに形成する段階と、
上記中空エーロフォイルの鋳造用のモールド内に上記耐熱合金を挿入する段階と、
鋳造後に上記中空エーロフォイルから上記耐熱合金を除去する段階と、
を含むことを特徴とする、請求項２９に記載の冷却方法。
【請求項３１】
上記中空エーロフォイルが、ニッケル系合金とコバルト系合金との群から選択された金属により形成されることを特徴とする、請求項３０に記載の冷却方法。
【請求項３２】
上記台座は約０．１５０インチ（約３．８ｍｍ）未満の寸法となり、かつ、上記インレットは、０．０３０インチ（約０．７６ｍｍ）未満の寸法となり、かつ、上記出口孔は約０．２００インチ（約５．０８ｍｍ）未満の寸法となることを特徴とする、請求項３０に記載の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービンエンジンに関し、より具体的には、タービンエーロフォイルの冷却に関する。
【背景技術】
【０００２】
いかなる種類のガスタービンエンジンの設計においても、効率は重要な課題である。効率を高める主な技術の１つとして、これまで、エンジン内のガス経路温度の上昇をさせてきた。これは、耐熱合金からなりかつ内部冷却された部品を用いることにより、温度上昇に対処するものである。例えば、タービンステータベーンやブレードは、通常、圧縮空気を用いて冷却される。圧縮機は、タービンセクションを通過するコアガスよりも低温高圧なために、冷却が通常可能となる。すなわち、より低温な圧縮機空気は、伝熱の媒体となり、圧力差は、冷却空気がステータやロータの段を通過するのに必要なエネルギを生ずる。このような冷却のための圧縮機抽気空気は、燃焼器内の燃焼の促進には役立てられないことは理解されよう。しかしながら、圧縮機から抽気された空気に付与された仕事量の大半は、冷却プロセス中に消失してしまう。この消失する仕事量はエンジンのスラストに加えられるわけでもなく、エンジンの総合的な効率にも否定的な影響を与える。このため、当業者であれば、より高温のコアガス経路温度から得られた効率と、同時に生ずる、タービン部品の冷却要求と、冷却を行う抽気空気での消失効率と、の間に、引っ張り合う関係があることを認識できよう。従って、いかなる冷却空気が使用されたとしても、冷却効率を最大にすることに大きな価値がある。
【０００３】
よって、燃焼促進に冷却空気流が役立てられないことによるエンジン性能の犠牲を最小限に押さえるように、ブレードやベーンの冷却手法は、圧縮機抽気冷却空気の利用を最適に行うものでなければならない。エーロフォイルの冷却は、外側でのフィルム冷却、内側空気によるインピンジメント冷却、強制対流冷却の、いずれか単独で、または、上記全ての冷却方法の組合せにより、成し遂げられる。
【０００４】
強制対流冷却においては、圧縮機抽気空気が、ブレードやベーンの内部空洞内を通過することにより、該空洞から継続的に熱を移動させる。圧縮機抽気空気は、通常、１つもしくは複数のインレットから流入し、ブレードやベーンの内部空洞に排出される。
【０００５】
フィルム冷却は、非常に効果的であることが明らかにされているが、圧縮機から抽出される流体流量が、冷却のために大量に要求される。さらに、フィルム冷却は、複雑かつ高価な方法で能動的な制御が必要となる。フィルム冷却孔を付加したエーロフォイルの製作・加工は、複雑さを増すのみならず、コストのかさむものとなる。また、一旦、冷却空気がエーロフォイルの内部空洞から流出し、高温の燃焼ガスと混合すると、混合プロセスと混合流の異なった温度レベルにより、深刻な性能上の不利益を被ることとなる。
【０００６】
多くの場合、冷却孔から冷却空気を吹き出させること（ブリージング）により、ステータやロータのエーロフォイル表面に沿って冷却空気の膜を形成することが望ましい。「ブリージング」の用語は、微小な圧力差によってエーロフォイル内部空洞から冷却空気が動かされることを反映したものである。エーロフォイル表面に沿って流れる冷却空気の膜は、高熱エネルギ・高温のガス流を、エーロフォイルから離すように案内し、冷却の均一性を向上させ、通過中の高温ガス流から、エーロフォイルを断熱する。しかしながら、ガスタービンの乱流下では、フィルム冷却の形成・保持は困難であることが当業者には分かるだろう。
【０００７】
フィルム冷却の形成についての公知な方法には、エーロフォイルの前縁もしくはその付近に、冷却孔を、「シャワーヘッド」配列により配置する手法が含まれる。通常、このシャワーヘッド配列は、前縁の一方の側面に１列の冷却孔を、通常含む。冷却孔は、後方に傾いており、また多くの場合、フィルム形成を促進させるように広く散りばめられている。幾つかの場合には、シャワーヘッド配列は、直接前縁上に設けられた１列の孔を含む。特許文献１はこのような配列の例を開示している。
【特許文献１】米国特許第５，３７４，１６２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
冷却空気フィルム形成用の孔の使用に関連した問題の１つは、孔に生ずる圧力差に対するフィルム感度である。冷却孔に生ずる圧力差が過度に大きいと、冷却空気を、通過中のコアガスにまで噴出させてしまい、フィルム形成を助成するものとはならない。冷却孔に生ずる圧力差が過度に小さいと、孔を通過する冷却流はごく僅かなものとなってしまい、さらに悪い結果として、高温のコアガスが流入してしまうことになる。上記どちらの場合も、フィルム冷却の有効性に悪影響を及ぼす。冷却空気フィルム形成用の孔の使用に関連したもう一つの問題は、冷却空気が、エーロフォイル範囲に沿った離散した箇所から吹き出されることであり、均一で連続線となるように吹き出されていないことである。冷却孔間の中間部とこれらの中間部すぐ下流の領域は、上記冷却孔と上記孔のすぐ下流の空間に比べて、より少ない冷却空気にしかさらされないので、熱的により過酷な状況になりやすい。さらに、冷却空気フィルム形成用の孔の使用に関連したもう一つの問題は、各冷却孔に加わる応力集中である。負荷（動的な力や熱膨張により通常生ずる）が、隣り合う孔の間に延在した材料の狭い面に掛かるときに、応力集中は発生する。冷却孔が隙間なく配置されかつエーロフォイル外側表面に対し微小な角度をなして後方に曲げられているときに、フィルム冷却の有効性は、通常、増大する。湾曲しかつ隙間なく充填された孔は、さらに、応力集中を生じやすい。従って、フィルム冷却には、エーロフォイル外側表面に不適切な冷却が起こす可能性を有しているため、より大量の冷却空気が要求される。
【０００９】
幾つかの先行技術の構成には、よどみ線の平均線に一列に並ぶよう前縁に設けられ、かつ、エーロフォイル外側表面に対し垂直に延びた、冷却孔を備えたものがある。エーロフォイル前縁に向かう高温のコアガス（空気と燃焼生成物を含む。）は、部分的に前縁に衝突しつつ、エーロフォイルの正圧側と負圧側とに迂回する。コアガス流の速度がゼロにまで減速するエーロフォイル上の点（つまり、インピンジメント点）は、よどみ点と呼ばれる。このよどみ点は、前縁上の長さ方向の各位置に存在するため、一括して、これらの点はよどみ線と呼ばれる。前縁上や前縁付近に衝突した空気は、その後、エーロフォイルの一方の側にそれていく。実際には、ロータ速度とコアガス速度は、エンジン運転条件に応じて時間と前縁上の位置との関数として、変化する。上記の冷却孔の構成においては、冷却空気の非対称分布が生ずる。例えば、一方の側の冷却孔の列へ実際のよどみ線が移動すると、その一方の側の列に冷却空気が流れ出ていくことになり、結果的に、その反対側は、冷却空気が不足した状態となる。エーロフォイル動作中によどみ線が移動し得る事実は、よどみ線の平均線上へ冷却孔を配設しても、冷却空気分布の問題の全てを改善するものでないことを示している。エーロフォイルの外側表面に延びかつその長さ方向に湾曲した冷却孔は、冷却空気の非対称分布の発生に対処するものではない。
【００１０】
また、幾つかの先行技術の構成には、冷却孔とつながった溝を、前縁に備えたものがある。冷却孔は、離散的な冷却点となるため、その点の間は冷却されない領域となる。これらの冷却孔は、冷却空気が溝内に滞留しかつ上記溝から抜け出るように、上記溝内に充填されている必要がある。上記溝の使用に当たっては、溝が冷却空気で充填されていることが重要である。しかしながら、過度に多くの冷却孔が付設されると、圧縮機から供給される冷却空気量が大幅に必要となり、タービン効率に悪影響を及ぼす可能性がある。また、エーロフォイル前縁に過度に多くの冷却孔が配設されると、上記孔の間の金属部分に、望ましくない熱応力が発生しうる。結局、上記先行技術の構成は、前縁と前縁後方を冷却するフィルム冷却に依存するため、従って、適度なフィルム領域を確保するために大量の冷却空気を必要とする。
【００１１】
タービンエンジンブレードの設計技術者は、より効率的なエーロフォイル冷却方法の開発と、タービンブレードの高寿命化と、エンジン運転コストの削減とに、常に取り組んでいる。上記目標を達成するために用いられる冷却空気は、全体的な燃料消費の面では、高価なものとなる。従って、タービンエーロフォイルの冷却、特に、望ましくはエーロフォイル前縁の冷却を行うに当たり、利用可能な冷却空気をより効果的かつ効率的に使用することは、タービンエーロフォイルの寿命を向上するだけでなく、エンジン効率をも改善し、これにより、エンジン運転コストをも削減できる。このため、利用可能な冷却空気をより効果的かつ効率的に使用できる、エーロフォイル冷却設計が引き続き必要とされている。
【００１２】
従って、タービンエーロフォイルの寿命向上には、冷却空気を必要に応じて最適化しかつ冷却孔の間の領域に生ずる応力を低減しつつ、信頼性が高く、完全で、均一なフィルム冷却を可能とする、エーロフォイル前縁の最適な、改善した冷却設計が必要不可欠となる。さらに、前縁の冷却構成は、フィルム冷却と、インピンジメント冷却と、対流冷却とを取り入れることができ、かつ、鋳造プロセスにより製造可能であることが、必要不可欠となる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した欠点およびその他の欠点および短所は、本発明により、克服されまたは緩和される。
【００１４】
本発明は、エーロフォイル前縁を、フィルム冷却と共に対流冷却する新しい効果的な手法を取り入れたエーロフォイル冷却システムを提供する。具体的には、（冷却形態の）上記組み合わせにより、従来の前縁冷却手法にはない長所が付与される、つまり、同等の前縁金属温度の実現にあたり、より少ない圧縮機冷却空気で済む。より少量の圧縮機冷却空気流量により、エーロフォイルの耐久性に悪影響を与えずに、タービン効率を向上させるという付加的な長所をもたらす。
【００１５】
本発明のエーロフォイルは、エーロフォイル端部から冷却空気が流入可能な内部空洞と、外側壁とを備える。上記外側壁は、前縁と後縁とで接続し合う正圧面と負圧面とを備え、かつ、プラットフォームにおける第１の端部から第２の端部まで延在する。冷却空気は、内部空洞から、複数のインレットを介して、第１のプレナムに流入し、個々に分離したネクタイ（ボウタイ）形状の複数の台座に衝突して、複数の出口スロットに向けて案内された後、負圧面に案内され、エーロフォイルのフィルム冷却を行う。同様に、冷却空気は、内部空洞から、複数のインレットを介して、第２のプレナムに流入し、個々に分離した複数の台座に衝突して、複数の出口スロットに向けて案内された後、負圧面に案内され、エーロフォイルのフィルム冷却を行う。
上述したように、本発明は、多くの別のエーロフォイル（ブレードやベーン）構成においても、導入・使用可能である。効果的な対流冷却と、フィルム冷却による効果的な前縁での断熱作用との、組み合わせにより、現状の一般的な設計に比べて、より低温な前縁の設計が可能となる。従って、本発明により、前縁下流のエーロフォイルの両側壁にまで、より均一で持続した冷却空気フィルムが形成される。本発明のその他の長所は、応力が、前縁上および前縁のすぐ下流位置において、最小化されることである。さらに、本発明の設計により、冷却空気が均一に広がってフィルム領域が増大した層となり、また、より改善された、熱吸収と冷却効率が可能となるよう内部で乱流を生じさせるような、出口スロットのピッチが得られる。これにより、好適には、本発明の有益な冷却設計を取り入れたエーロフォイル前縁は、より長い耐久寿命と耐久性とを有するだけでなく、総合的なタービン効率を向上させる。
【００１６】
本発明は、また、前縁内に微細回路を加工する段階と、冷却流体の供給源から微細回路の複数のインレットに流れる冷却空気流を供給する段階とを含む、ガスタービン用タービンブレードの前縁の冷却方法についても考慮している。
【００１７】
本発明のその他の目的、特徴、長所は、発明を実施するための最良の形態に記載された詳細な説明や添付の図面を参照することにより、明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１には、例えば、発電用もしくは推進用として用いられる、ガスタービンエンジン１０が示されており、エンジン中心線もしくは軸方向の中心軸１２の回りを取り囲むように構成されている。エンジン１０は、ファン１４、圧縮機１６、燃焼セクション１８、およびタービン２０を備える。技術的によく知られるように、圧縮機１６で圧縮された空気が、燃料と混合し、燃焼セクション１８で燃焼し、タービン２０内で膨張する。圧縮機１６で圧縮された空気とタービン２０内で膨張した燃料混合気とは、ともに高温ガス流（高温燃焼ガス、ガス流）５０と呼ぶこととする。タービン２０は、膨張を受けて圧縮機１６とファン１４とを回転させる、複数のロータ２２を含む。タービン２０は、回転エーロフォイルつまりブレード２４の列と、ベーン２６の列とを交互に含む。図１のシステムは、説明に役立つように用いられただけであり、発電用や航空用のガスタービンに採用され得る本発明を制限するものではない。
【００１９】
本発明の説明に当たって、図２と図３とを参照されたい。図２は、本発明のブレード２４の斜視図である。図３は、図２のブレードの部分図である。ブレード２４は、根元部２８、プラットフォーム３０、エーロフォイル３２、および先端部３４を備える。ブレード２４は、凸状の第２の側面つまり負圧面４４と、この負圧面４４から大部分が横方向つまり円周方向に離れた、ほぼ凹状の、第１の側面つまり正圧面４２と、を備える。各側面４２，４４は、軸方向に反対側となる、前縁４６と後縁４８とで互いに接続され、かつ、エーロフォイル３２がプラットフォーム３０と接する根元部２８から長手方向つまり半径方向に延びており、先端部３４により仕切られる。従って、エーロフォイル３２は、上記負圧面４４と上記正圧面４２とを含む外側壁３８を備える。各側面４２，４４は、それぞれ、前縁４６と後縁４８との間を翼弦方向に延在し、かつ、翼幅方向に、プラットフォーム３０と先端部３４との間を延在する。高温の燃焼ガス５０（図１）は、エーロフォイル３２の外側壁３８を横切って流れる。
【００２０】
図４は、図２のエーロフォイル３２を、図３の４−４線からみた部分断面図を示している。エーロフォイル３２は、外側壁３８により取り囲まれた１つもしくは複数の内部冷却空洞３６を備える。この内部冷却空洞３６は、例えば、冷却空気４０を含んだ複数のサーペンタイン流路（冷却回路）のような一般的な構成となっており、該冷却空気４０は、上述したようなエンジンの圧縮機１６（図１）から抽出された空気の一部分から、通常、構成される。
【００２１】
図３と図４において、エーロフォイル３２は、前縁４６に沿って外側壁３８に設けられた溝５２を備える。底部５４と一対の向かい合う側壁５６とを備えた、溝５２は、所定の構成において最高熱負荷運転条件下でのよどみ線を表した線８４（図３）（以下、「よどみ線」と呼ぶ。）を中心とすることが望ましい。これにより、溝５２は、正圧面４２に近くに位置した第１の部分５８と、負圧面４４に近くに位置した第２の部分６０とに、区分される。この第１と第２の部分５８，６０は、前縁４６に沿って長手方向に延びる。溝５２の幅は、全運転条件下において、あらゆるよどみ線を溝５２の側壁５６の間に収容できる、十分な大きさであることが望ましい。可能性のある全よどみ線位置を十分に収容可能な溝５２とならない場合には、最高熱負荷運転条件において生ずるよどみ線を最も多く収容できるように、溝５２の幅と位置とが選択される。
【００２２】
エーロフォイル３２は、冷却空気４０が外側壁３８を通過しうる通路を備えるように、前縁４６上に、望ましくは溝５２内に置かれた、複数のフィルム冷却孔６２（図２）をさらに備える。より具体的には、冷却孔６２（図２）は、溝５２の第１の部分５８に設けられた第１の孔６４と、溝５２の第２の部分６０に設けられた第２の孔６６と、を備える。好適には、長手方向に延びた一列の第１の孔６４と長手方向に延びた一列の第２の孔６６とが構成され、かつ、第２の孔６６の列が第１の列６４に対し、千鳥状もしくはオフセット状に配列される。さらに、エーロフォイル３２は、前縁４６に近接した、エーロフォイル３２の正圧面４２に設けられた、第３の孔６８、望ましくは一列に並んだ複数の第３の孔６８、と、前縁４６に近接した、エーロフォイル３２の負圧面４４に設けられた、第４の孔７０、望ましくは一列に並んだ複数の第４の孔７０、とを備える。実施例においては、第１、第２、第３および第４の孔６４，６６，６８，７０は、長手方向に延びたスロット形状をなしている。
【００２３】
図５は、図２のエーロフォイル前縁の部分斜視図を示す。図５においては、前縁の、第１、第２、第３および第４の孔６４，６６，６６，７０に、それぞれ、内部冷却空洞３６から冷却空気４０が供給される方法が示されている。図６は、図４の６−６線で破断したエーロフォイル３２の部分斜視図を示す。図６は、冷却空気４０を、上記内部空洞３６から調量し前縁４６に分布させるための、第１、第２、第３および第４の供給インレット７２，７４，７６，７８を示す。
【００２４】
本発明の実施例において、エーロフォイル３２の前縁４６は、図５および図６に示すように、ブレード２４の前縁４６内に長手方向に設けられた微細回路９０を含む。この微細回路９０は、調整可能な、高対流効率の冷却を実現する。次世代冷却構造には、高効率の対流に加えて、高効率のフィルム冷却が要求される。
【００２５】
微細回路９０は、例えば、部品に機械加工を施しもしくは部品をモールドすることにより構成される。実施例においては、微細回路９０は、耐熱金属から構成され、鋳造を行う前に部品用のモールド（鋳型）内に封入される。モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）を含む、数種の耐熱金属は、ニッケル系超合金の通常の鋳込温度を上回る融点を有する。これらの耐熱金属は、例えば、薄い圧延シート、もしくはタービンや燃焼器の冷却設計により特定された冷却通路性能の確保に必要な寸法を備えた形状のものから作られる。具体的には、微細回路９０は、燃焼器ライナ、タービンベーン、タービンブレード、タービンシュラウド、タービンエンドウォールおよびエーロフォイルの縁（これらに限られない。）を含む、部品内に加工され得る。これらの複数の部品は、その一部もしくは全体がニッケル系合金もしくはコバルト系合金からなることが望ましい。上記の薄い耐熱合金のシートやフォイルは、曲げや複雑な形状の構成に適した十分な延性を有していることが望ましい。上記延性により、ワックシング／シェリング・サイクルに耐えうるロバスト設計が可能となる。鋳造の後に、上記耐熱合金は、例えば、化学的な除去、サーマルリーチング、酸化による方法を用いて、除去されることにより、空洞の背面に図５に示すような微細回路９０が形成される。また、本発明の冷却設計は、セラミックコアを用いた精密鋳造法によっても製造できる。
【００２６】
冷却空気４０は、内部空洞３６から、供給インレット７２，７４を介して、第１の長手方向に延在した微細回路プレナム８０に供給され、該プレナム８０中を通過し、その流れ方向を変更された後、孔６６，７０（図５）を介して、エーロフォイル３２から流出する。
同様に、冷却空気４０は、内部空洞３６から、供給インレット７６，７８を介して、第１の長手方向に延在した微細回路プレナム８２に供給され、該プレナム８２中を通過し、その流れ方向を変更された後、孔６４，６８を介して、エーロフォイル３２から流出する。
【００２７】
図７は、上記プレナム８０，８２および本発明の特徴を詳細に示す。図７は、図４の７−７線からみた、エーロフォイル３２の冷却設計を示す部分斜視図である。この図から、上記プレナム８０，８２は、前縁４６内に設けられた複数の微細通路もしくは通路であることがわかる。図３と図７に示すように、上述した、供給インレット７２，７４，７６，７８と各孔（出口スロット）６４，６６，６８，７０とが、エーロフォイルの前縁に沿って、繰り返し並ぶ配列になっていることがわかる。
【００２８】
図５と図７に示すように、各プレナム８０，８２内に、長手方向に延在した台座８６が設けられている。実施例においては、台座８６は、中心部８８（図７）と第１の部分９２（図７）と第２の部分９４（図７）を備えるような、プロペラ形状つまりネクタイ（ボウタイ）形状をなす。これらの第１および第２の部分９２，９４は、中心部８８と一体となりかつ該中心部８８から外側に広がるようにテーパがついており、長手方向にみるとこの第１の部分９２は、第２の部分９４に比べて、先端部３４（図３）に近接している。上記台座８６は、第１の側面９６と、それの反対側に位置する第２の側面９８と、互いに反対の側に位置し合う端部１００，１０２とを、さらに備える。図７に示すように、第１の側面９６は前縁４６の方に通常向いており、第２の側面９８は正圧面・負圧面である面４２，４４のいずれか一方の面に通常向いている。上記台座８６は、各プレナム８０，８２内に設けられ、かつ、前縁４６内に長手方向つまり半径方向に個々に配列され、かつ、上記端部１００と上記端部１０２とが隙間１０４を有する形状をなしている。望ましくは、各中心部８８は、供給インレット７２，７４，７６，７８からプレナム８０，８２に流入した冷却空気４０に合わせて、位置決めされる。各台座８６の間の隙間ｄは、径方向に約０．０２０インチ（約０．５１ｍｍ）未満の長さとなる。また、各台座８６の幅ｗは約０．０６０インチ（約１．５ｍｍ）未満となり、各台座８６の長さＬは約０．１５０インチ（約３．８ｍｍ）未満である。また、実施例においては、冷却空気４０が第１と第２の側面９６，９８を行き来しないように、複数の台座８６が、各プレナム８０，８２内を、端から端まで並んでいる。
【００２９】
図５，図６，図７においては、本発明の長所が示されており、以下に本発明によるエーロフォイル冷却の動作を説明することで、さらに明らかとなろう。
【００３０】
第１のプレナム８０と関連する冷却空気流４０について説明する。冷却空気４０は、内部空洞３６から、供給インレット７２を介して、第１のプレナム８０に流入する。第１のプレナム８０に流入後は、冷却空気４０は、台座８６の中心部８８に衝突し、直ちに偏向され第１の側面９６に沿って案内される。より具体的には、冷却空気４０は、台座８６の第１と第２の部分９２，９４により、その流れが配向された後、出口スロット６６から流出する。このようにして、第１の部分９２は、この第１の部分９２に最も近くで直前にある出口スロット６６に、冷却空気４０を案内し、また、第２の部分９４は、この第２の部分９４に最も近くで直前にある出口スロット６６に、冷却空気４０を案内する。上記のように（図５および図７に示すように）、冷却空気４０は隣接の複数の出口スロット６６から流出する。
【００３１】
同様にして、供給インレット７２の列上の別の供給インレット７２も、冷却空気４０を第１のプレナム８０内に導入し、別の台座８６の中心部に衝突させるように案内する。その後、冷却空気４０が、上記台座８６の第１と第２の部分９２，９４に衝突することによって、第１の部分９２は、この第１の部分９２に最も近くで直前にある出口スロット６６に、冷却空気４０を案内し、また、第２の部分９４は、この第２の部分９４に最も近くで直前にある出口スロット６６に、冷却空気４０を案内することとなる。このようにして（図５および図７に示すように）、各出口スロット６６には、それぞれ、台座８６の第１の部分９２とこれに隣接した台座８６の第２の部分９４とから、冷却空気４０が案内される。従って、隣接した複数の供給インレット７２から各出口スロット６６に向かう冷却空気４０の二重供給により、エーロフォイル３２をフィルム冷却するための、適切で均一な冷却空気４０が各出口スロット６６から吹き出される。結果的に、この二重供給により、また、溝５２が冷却空気４０で充填される。
【００３２】
また、実施例においては、供給インレット７２のそれぞれが、冷却空気４０を、プレナム８０に供給し、一列の出口スロット６６から吹き出させる。上述したように、各出口スロット６６から吹き出す冷却空気４０は、隣接した２つの供給インレット７２から導入され、プレナム８０を介して、供給されるものである。このようにして、冷却空気４０の流れパターンは、供給インレット７２の列と、出口スロット６６の列と、台座８６の列とを備えた、エーロフォイル３２の前縁４６に沿って、繰り返される。
【００３３】
同様にして、冷却空気４０は、内部空洞３６から、第２の供給インレット７４を介して、第１のプレナム８０に流入する。第１のプレナム８０の流入後は、冷却空気４０は、台座８６の中心部８８に衝突した後、偏向され、台座８６の第２の側面９８に沿って案内され、出口スロット７０から吹き出される。冷却空気４０が台座８６の第１と第２の部分９２，９４とに衝突することにより、第１の部分９２は、この第１の部分９２に最も近くで直前にある出口スロット７０に、冷却空気４０を案内し、また、第２の部分９４は、この第２の部分９４に最も近くで直前にある出口スロット７０に、冷却空気４０を案内する。このようにして（図５および図７に示すように）、冷却空気４０は隣接した複数の出口スロット７０から流出する。同様にして、供給インレット７４の列上の別の供給インレット７４も、冷却空気４０を第１のプレナム８０内に導入し、別の台座８６の中心部に衝突させるように案内する。その後、冷却空気４０は、上記台座８６の第１と第２の部分９２，９４に衝突することによって、第１の部分９２は、この第１の部分９２に最も近くで直前にある出口スロット７０に、冷却空気４０を案内し、また、第２の部分９４は、この第２の部分９４に最も近くで直前にある出口スロット７０に、冷却空気４０を案内することとなる。上記のように、各出口スロット７０には、それぞれ、台座８６の第１の部分９２とこれにに隣接した台座８６の第２の部分９４とから冷却空気４０が案内される。従って、隣接した供給インレット７４から各出口スロット７０に向かう冷却空気４０の二重供給により、エーロフォイル３２をフィルム冷却するための、適切で均一な冷却空気４０が各出口スロット７０から吹き出される。
【００３４】
また、実施例においては、供給インレット７４のそれぞれが、冷却空気４０を、プレナム８０に供給し、一列の出口スロット６８からを吹き出させる。上述したように、各出口スロット６８から吹き出す冷却空気４０は、隣接した２つの供給インレット７４から導入され、プレナム８０を介して、供給されるものである。冷却空気４０の流れパターンは、供給インレット７４の列と、出口スロット６８の列と、台座８６の列とを備えた、エーロフォイル３２の前縁４６に沿って、繰り返される。
【００３５】
内部空洞３６から供給インレット７２，７４を通過し、第１のプレナム８０に導入され、台座８６に衝突し、出口スロット６６，７０から吹き出る、冷却空気流に関して上述した記載と同様な方法で、冷却空気４０は、内部空洞３６から供給インレット７６，７８を通過し、第２のプレナム８２に導入され、該第２のプレナム８２内の台座８６に衝突し、孔６４，６８から吹き出ることになる。
【００３６】
冷却空気４０は、出口スロット６６から吹き出されると、該冷却空気４０は、ブレード２４（図２）に吹き付ける自由ガス流の運動量フラックス（流束）に対抗できるほど十分な運動量フラックスを有さないために、正圧面４２に向かって案内される。同様にして、出口スロット６４から吹き出された冷却空気４０は、負圧面４４に案内される。従って、前縁４６は、その全長に亘って、層つまり冷却空気で覆われる。これにより、出口スロット６４，６６は、エーロフォイル３２を保護・冷却するフィルム被覆領域をほぼ１００％備えた連続したフィルム層、の提供に寄与するように、冷却空気で溝５２を満たすことに留意されたい。エーロフォイル３２、より具体的には前縁４６、のフィルム冷却を促進するように、出口スロット６８から吹き出された冷却空気４０は、正圧面４２のフィルム冷却にあてがわれ、出口スロット７０から吹き出された冷却空気４０は、負圧面４４のフィルム冷却にあてがわれる。
【００３７】
実施例において、図４に最もはっきりと示されるように、前縁４６に組み込まれた微細回路の距離Ｄは、概ね約０．０３０インチ（約０．７６ｍｍ）〜概ね約０．０５０インチ（約１．２７ｍｍ）となることが望ましく、かつ、約０．０４５インチ（約１．１４ｍｍ）となることが最適である。また、実施例において、各孔６４，６６，６８，７０の長さＬ１は、それぞれ、概ね約０．１００インチ（約２．５４ｍｍ）〜概ね約０．２００インチ（約５．０８ｍｍ）となり、幅ｗ１は、概ね約０．０１２インチ（約０．３１ｍｍ）〜約０．０２０インチ（約０．５１ｍｍ）となる。各供給インレット７２，７４，７６，７８の長さＬ２は、それぞれ、概ね約０．０１５インチ（約０．３８ｍｍ）〜約０．０３０インチ（約０．７６ｍｍ）となり、幅ｗ２は、概ね約０．０１２インチ（約０．３１ｍｍ）〜約０．０２０インチ（約０．５１ｍｍ）となることが望ましい。さらに、微細回路の厚さは０．０１７インチ（約０．４３ｍｍ）が最適である。
【００３８】
さらに、本発明は、所望かつ最適な前縁の冷却性能が実現できるよう、ブレード２４（図２）の内部空洞３６から流出する冷却空気量の抑制も行う。上述したように、供給冷却空気は、圧縮機１６（図１）から得られ、最終的に、タービン２０（図１）内の領域に排出される。この空気は、圧縮空気１６（図１）から取り入れられ、かつ、有効なタービン動作の生成には寄与しない。このため、本発明の供給インレット７２，７４，７６，７８は、付随する損失を抑制するために、自由ガス流量が概ね約１％未満となるように、寸法決めされる。
【００３９】
冷却実効比は、高温燃焼ガス５０（図１）とバルク金属温度との温度差と、高温燃焼ガス５０（図１）と冷媒（冷却空気）との間の温度差と、の比として定義される。より低温のバルク金属温度になれば、ブレード２４（図２）の全般的な耐久性が向上するため、タービン設計技術者は、約７０％以上の冷却実効比が得られる設計に挑戦することが望ましい。上記実効比は、本発明に基づいて、２つの方法により実現される。第１に、高温燃焼ガス５０（図１）の温度を低下させかつ高温燃焼ガス５０（図１）からエーロフォイル３２を断熱するために、フィルム冷却が用いられる。冷却空気が出口スロット６４，６６，６８，７０から高温燃焼ガス流中に吹き出すときの冷却空気の混合作用により、該高温燃焼ガス５０の温度は低下する。しかし、上述したように、より多くの冷却空気が圧縮機１６（図１）から取り去られるほど、圧縮機１６（図１）が行う仕事が減少するため、上記第１の方法に完全に依存することは望ましくない。従って、上述したように、所望の冷却効率が達成できるよう、前縁４６を内側から対流冷却する新しい手法を用いている。エーロフォイル前縁に対する従来のフィルム冷却は、効率の向上・安定化に向いた上記手法を採用していない点に留意されたい。対流冷却効率の指標は、以下に示すように、微細回路９０内を流れる冷却空気が吸収する熱量の関数となる。
[数１]
ηc＝[Ｔcoolant,out−Ｔcoolant,in]／[Ｔmetal−Ｔcoolant,in]
ここで、  
Ｔcoolant,outは、アウトレットから流出する冷却空気の温度であり、
Ｔcoolant,inは、インレットに流入する冷却空気の温度であり、
Ｔmetalは、エーロフォイルのバルク金属温度である。
【００４０】
上記の式を用いて、タービン設計技術者は、熱吸収を大量にしうる、つまり、エーロフォイル３２（図２）の前縁４６を冷却しうる、設計を模索している。本発明の設計は、以下に詳細に説明するように、幾つかの方法によって熱吸収の増大を実現している。第１に、台座８６は、微細回路９０内で乱流生成を促進する。第２に、上記台座８６は、また、表面積（伝熱面積）の増大にも役立つ、つまり、伝熱経路を増大させる。第３に、台座８６は、各出口スロット６４，６６，６８，７０に冷却空気４０を案内する。第４に、供給インレット７０は、冷却空気４０が該供給インレット７０から各プレナム８０，８２に移動するときに、前縁４６にインピンジメント冷却を促す。プレナム８０，８２と台座８６は、つまり、エーロフォイル３２の前縁４６内において微細通路を構成する。このようにして、本発明は、エーロフォイル３２（図２）の前縁４６を冷却するにあたり、フィルム冷却に全て依存しているわけではない。
【００４１】
さらになお、本発明においては、前縁４６のフィルム冷却を行う出口スロット６４，６６，６８，７０の間隔の調整が可能である。従来の技術においては、フィルム冷却孔の間の間隔部には、弱いフィルム冷却領域のみが形成されることになる。この領域の金属の冷却は、前縁表面の冷却にあたり、金属内への熱伝導に依存している、つまり、上記金属は、平均フィルム温度より高温となる。本発明は、上記の従来技術と異なり、細長いスロットとなるアウトレット形状を好適に備えており、望ましくは、上述したように、冷却空気４０が出口スロット６４，６６，６８，７０から均一に吹き出し、溝５２が該冷却空気４０で充填されるように、１つの出口スロットにつき、２つのインレットから空気が導入される。従来技術の設計においては、製造方法にドリル加工が用いられているために、孔は円形の形状をなす。従って、本発明においては、フィルム冷却により形成される領域は、従来技術の設計によるものと比べ、効果的に作用する。
【００４２】
本発明は、また、酸化、腐食、異物損傷、汚物詰まりに及ぶ様々な原因によって起こる孔の目詰まりを抑制する、エーロフォイル前縁の冷却設計を提供する。目詰まりの抑制により、ガスタービン環境下でエーロフォイルのサーマルバリアコーティングが、望ましくない剥離を起こす状況を回避することが可能となる。
【００４３】
また、本発明の別の長所は、供給インレット７２，７４，７６，７８が、冷却空気４０を、具体的なエーロフォイルの設計や所定の用途に合わせた所定の割合で、供給できるように、寸法調整が可能なことである。上記特徴により、微細回路に流入する冷却流を、好適に制御可能となるため、例えば、エーロフォイル３２（図２）の前縁４６を冷却するために、最適な冷却空気量のみを、圧縮機１６（図１）から抽気することができる。従って、必要量のみの抽気により、従来技術の設計に比べ、より多くの冷却空気を主ガス通路に残すことが可能となる。
【００４４】
上述したように、本発明は、多くの別のエーロフォイル（ブレードやベーン）構成においても、導入・使用可能である。さらに、所定のエーロフォイル設計の前縁４６を最適化するように、台座８６の寸法・形状・位置決めや、出口スロット６４，６６，６８，７０と供給インレット７２，７４，７６，７８の寸法・位置決め、等を全てにおいて変更することは、本発明の内容に含められることは、当業者であれば、自明であろう。
【００４５】
このようにして、本発明は、フィルム冷却と対流冷却との双方によりエーロフォイルの冷却を行う新しい手法を採用した冷却システムを提供する。具体的には、上記の冷却の組合せにより、同等の前縁金属温度の実現にあたりに、前縁冷却用の圧縮機冷却空気がより少なくて済むという、従来の前縁フィルム冷却手法にはない長所が得られる。より少量の圧縮機抽気空気によって、タービン効率の向上という付加的な長所も与えられる。従来技術と比べて、本発明は、相乗的に性能を向上しかつエーロフォイルの寿命を延ばす、新たな冷却設計を提供する。本発明は、前縁を効果的に対流冷却する新たな手法に加え、改善された前縁フィルム冷却手段を提供する。効果的な対流冷却と効果的なフィルム冷却による断熱作用との組合せにより、従来のエーロフォイル設計にはない長所が得られる。これにより、本発明の有利な冷却設計を取り入れたエーロフォイルは、より長い耐久寿命を有するのみならず、総合的なタービン効率を向上する。
【００４６】
実施例を参照して本発明を説明してきたが、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱せずに、種々な変更が可能であり、また、等価なもので構成要素の代用が可能であることは、自明であろう。加えて、本発明の教示に照らし、本質的な内容から逸脱することなく、特有の状況や材料に合わせて、多くの改良を成し得る。従って、本発明は、本発明の説明のために検討された最良の形態に開示された具体的な態様に制限されることなく、添付の特許請求の範囲に包含される全ての態様を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明のタービンエーロフォイルを用いた形式のガスタービンエンジンの断面図。
【図２】前縁に本発明の構造を取り入れたエーロフォイルの斜視図。
【図３】図２のエーロフォイル前縁を横断する冷却空気流を示した図２の部分図。
【図４】内部空洞と、供給インレットと、出口スロットとを含んだ図２のエーロフォイルを、図３の４−４線からみた部分断面図。
【図５】前縁の冷却設計の内側概略を示した、図２のエーロフォイル前縁の部分斜視図。
【図６】供給インレットを示した、図４の６−６線で破断した部分斜視図。
【図７】図２のエーロフォイル前縁での本発明の冷却設計を示しかつ冷却空気が内部空洞から前縁にどのように供給されるかを示した、部分斜視断面図。
【符号の説明】
【００４８】
１０…ガスタービンエンジン
３２…エーロフォイル
３６…内部空洞
４０…冷却空気
４６…前縁
５２…溝
６４，６６，６８，７０…出口スロット
７２，７４，７６，７８…供給インレット
８０，８２…プレナム
８６…台座
【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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