(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
後縁（１２）と、該後縁（１２）での対向する圧力壁及び吸込壁（１６，１８）と、該圧力壁及び吸込壁（１６，１８）の間にあって、該圧力壁と吸込壁（１６，１８）の内部表面（２８、３０）により画定され、相互接続された多数の冷却空洞（２０）から形成された冷却通路とを有し、
前記冷却通路における前記後縁（１２）に最も近い所に位置する後縁冷却通路（２４）だけにおいて、前記吸込壁（１８）の内部表面（３０）は実質的に滑らかで途切れがなく、前記圧力壁（１６）は空気が前記冷却通路（２４）を通って流れるとき、前記吸込壁（１８）と比べて前記圧力壁（１６）の優先的な対流冷却を生じるように、その内部表面（２８）上に前記冷却通路（２４）中に突出する表面特徴（３４）を備えている
空冷エーロフォイル（１０）。
【請求項２】
前記エーロフォイル（１０）がガスタービンエンジンのタービン動翼（１０）である請求項１に記載の空冷エーロフォイル（１０）。
【請求項３】
前記冷却通路において、前記空冷エーロフォイルの前縁（１４）に最も近い所に位置する前縁冷却通路だけが前記冷却通路中に突出する表面特徴（３４）を備えておらず、前記前縁及び後縁冷却通路以外の冷却通路では前記圧力壁及び吸込壁（１６，１８）両方から前記複数の冷却空洞（２０）のそれぞれの中へ突出する表面特徴（３２）が設けられていることを特徴とする、
請求項１又は２に記載の空冷エーロフォイル（１０）。
【請求項４】
前記表面特徴（３４）は、前記冷却通路中に突出するターブュレータ（３４）である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の空冷エーロフォイル（１０）。
【請求項５】
前記表面特徴（３４）が、ハーフピン、粗面領域および前記通路（２４）を通る空気の流れ方向に対して平行、垂直又は斜めに向いた連続的な、断続的なおよび楔型のリブから構成される群から選ばれる請求項１乃至３のいずれか１項に記載の空冷エーロフォイル（１０）。
【請求項６】
さらに、前記圧力壁及び吸込壁（１６，１８）のうちの少なくとも１つの外側表面上に断熱皮膜を備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載の空冷エーロフォイル（１０）。
【請求項７】
さらに、前記圧力壁（１６）の外側表面上のみに断熱皮膜を備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載の空冷エーロフォイル（１０）。
【請求項８】
前記吸込壁（１８）の内部表面（３０）が、前記圧力壁（１６）の内部表面（２８）の熱伝達率の約半分あるいはそれ以下の熱伝達率によって特徴づけられる請求項１乃至７のいずれか１項に記載の空冷エーロフォイル（１０）。
【請求項９】
請求項１乃至８に記載の空冷エーロフォイルからなる動翼を有するガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明はターボ機械の空冷エーロフォイルに関する。より具体的には、本発明は、冷却通路が、エーロフォイルの圧力壁及び吸込壁の間の熱勾配を減少させる目的で、エーロフォイルの圧力壁を優先的に冷却するように構成される、その後縁の付近に冷却通路を備えるガスタービンエンジンのエーロフォイルに指向されている。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンにはその効率を増すために絶えずより高い運転温度が求められている。しかしながら、運転温度が上昇するに伴って、エンジン構成部品の高温特性もそれに応じて増大する必要がある。鉄、ニッケル及びコバルトを基とする超合金の生成により著しい進歩が成し遂げられた半面、そのような合金の高温特性は、一部の高性能のガスタービンエンジンのタービン、燃焼器およびオーグメンター部分内の運転温度の影響を長い間受け続けることに耐えるには不十分であることが多い。結果として、タービン動翼（バケット）やノズル（静翼）のような構成要素の内部冷却が一般的に必要であり、その外側表面を熱的に保護する断熱皮膜（TBC）系と組み合わせて利用する場合が多い。タービン動翼及びノズルの効率的な内部冷却は、エーロフォイル内の曲がりくねった通路を通して抽出空気が強制的に通され、エーロフォイル後縁にある注意深く構成された冷却孔を通して、またしばしばエーロフォイルの前縁の膜冷却孔及び／又は動翼先端の冷却孔を通して排出される、複雑な冷却機構を必要とすることが多い。
【０００３】
タービンエーロフォイルの性能は、限られた量の冷却空気で大体均等な表面温度に保つ能力に直接関係する。エーロフォイル内部の対流冷却を増進するためには、冷却通路を画定する内部表面にリブ又は他の表面特徴のようなターブュレータを鋳造するのが一般的である。膜冷却孔と共に、ターブュレータの大きさ、形状及び配置が、エーロフォイル冷却回路を通してまた膜冷却孔の下流でエーロフォイルの外側表面を横切る空気の流れの量及び分布を決定し、それによってエーロフォイルの使用温度を著しく減少させるのに効果的である。ターブュレータは、冷却を助長するためにエーロフォイルの内部の冷却通路全体を通して一般的に利用される。熱伝達効率を最大にするために、ターブュレータは、しばしば圧力壁及び吸込壁と呼ばれ、前者は普通凹形の外形で一方後者は普通凸形の外形をしているエーロフォイルの側壁の内部表面上にしばしば形成される。
【０００４】
ターボ機械エーロフォイルによって持続される最大運転温度を著しく上昇させる冷却回路、冷却孔及びターブュレータが開発されてきた一方、さらにエーロフォイルの耐用年数を延ばしエンジン効率を増大させるためにさらなる改良が所望されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明により、均等でない熱負荷が後縁の近くの圧力側壁及び吸込側壁に課せられる運転条件を補償するために、エーロフォイル後縁に隣接する表面が均等には冷却されない空冷エーロフォイルが提供される。本発明は、高温燃焼ガスによりエーロフォイルの外側表面上に課せられる外部からの熱負荷は位置ごとに変化するということと、ターボ機械のエーロフォイルの後縁の近くでは吸込壁に比べて、圧力壁には著しく高い壁温が生じる可能性があるという測定結果に、おおむね基づくものである。その結果とは、熱応力を著しく促進する可能性がある後縁での大きい熱勾配が生じ、後縁付近の圧力壁に亀裂が生じることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この熱負荷の不均衡状態を補償するために、本発明のエーロフォイルは、エーロフォイル後縁に圧力壁及び吸込壁の内部表面により画定される冷却通路を有し、吸込壁の内部表面が実質的に滑らかで連続的に形成される。それに反し、圧力壁の対向する内部表面は、冷却通路の中に突出する表面特徴を備え、冷却通路を通して空気が流れるとき、吸込壁に比べて圧力壁の優先対流冷却を引き起こすよう形成される。結果として、本発明は、圧力壁からの熱伝達を吸込壁よりも意図的に促進することによって、後縁でのより均一なエーロフォイル壁温を実現することができる。
【０００７】
本発明の他の目的と長所は、次に詳述されることからよりよく理解されるであろう。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明を、図１の断面図に示されるエーロフォイル１０に関して述べる。エーロフォイル１０は特別の構成を有するものとして図示されるが、本発明は、ターボ機械の熱的に悪条件の環境内で作動する様々な空冷エーロフォイル構成要素に広く応用できる。そのような構成要素の注目に値する例には、ガスタービンエンジンの高圧及び低圧タービンノズル及び動翼が含まれる。
【０００９】
図１に表されるように、エーロフォイル１０は、後縁１２及び前縁１４、大体凹状の圧力壁１６並びに大体凸状の吸込壁１８を有する。多数の冷却空洞２０がエーロフォイル１０内に鋳造され、そのうちのいくつかは、それを通して空洞２０内の冷却空気の流れがエーロフォイル１０から排出される膜冷却孔２２を備えている。従来と同様に、冷却空洞２０は、別の冷却回路構成も可能ではあるけれども、エーロフォイル１０を通して曲がりくねった冷却回路を形成するよう相互接続されることができる。図１にまた示されているのは、エーロフォイル１０の後縁１２に最も近い所に位置する冷却通路２４である。冷却通路２４は、別個の半径方向流れ通路、又は空洞２０に接続された軸方向の衝突通路のいづれかにすることができる。図１に示されるように、冷却通路２４もまたそれを通して冷却空気が排出される膜冷却孔２６を備えている。後縁冷却通路２４は普通大きなアスペクト比を有し、それぞれ圧力壁１６及び吸込壁１８の両方上に長い内部表面２８と３０を有する。
【００１０】
この技術における従来の方法によれば、エーロフォイル１０は高温の鉄、ニッケル、又はコバルトを基とする超合金から鋳造されるのが望ましい。圧力壁１６及び吸込壁１８の外側表面は、ボンディングコートで外側表面に接着されたセラミック層から構成される断熱皮膜（ＴＢＣ）系（図示されていない）により保護してもよい。ボンディングコートは、上昇した温度にさらされる間にその表面にアルミナ（Aｌ2 O3 ）層又はスケールを形成する拡散アルミナイドあるいはＭＣｒＡｌＹのような耐酸化性の組成物であることが望ましい。アルミナスケールは、エーロフォイル１０の外側表面を酸化から保護し、セラミック層がより頑強に粘着する表面を提供する。酸化イットリウム（Y2O3 ）、マグネシア（MｇO）または他の酸化物により部分的に又は完全に安定化されたジルコニア（ZｒO2 ）が、セラミック層用の材料として望ましい。
【００１１】
１つを除き全ての空洞２０は、ターブュレータ３２を備えているものとして示されていて、ターブュレータ３２は、それらが対応する空洞２０を通しての空気流れの方向に対して、平行、垂直又は斜めに向いた途切れのない、断続的又は楔形のリブとすることができる。代わりに、ターブュレータ３２を、ハーフピン又は空洞２０の内部壁上の粗面領域にすることもできる。冷却空洞２０付近の圧力壁１６及び吸込壁１８の均一な冷却を促進するために、ターブュレータ３２は一般的にほぼ均等な対流冷却率を実現するよう形成される。それに反して、後縁冷却通路２４は、圧力壁１６の内部表面２８だけに鋳造あるいはその他の方法で形成されたターブュレータ３４を有する。通路２４の吸込壁１８側の内部表面３０は、ほぼ滑らかで途切れがない状態で示されている。結果として、吸込壁１８の内部表面３０は、内部表面２８上にあるターブュレータ３４の型次第ではあるが、圧力壁１６の伝達率よりかなり低い熱伝達率、例えば、圧力壁１６の内部表面２８での熱伝達率の半分あるいはそれ以下の程度の熱伝達率を特徴とする。その結果として、圧力壁１６は後縁冷却通路２４を通しての空気の流れにより優先的に冷却される。しかしながら、エーロフォイル１０の圧力壁１６は、後縁１２での吸込壁１８より高い熱負荷を受けやすいということに基づいて、圧力壁１６を優先的に冷却する効果は、エーロフォイル１０の後縁１２のより均一な壁温を実現することである。
【００１２】
本発明によれば、圧力壁１６及び吸込壁１８の間の温度勾配を十分に減少させることで、亀裂が入りやすい傾向は著しく減少され、そして動翼の寿命が延長される。さらに利点となることは、吸込壁１８の冷却が減少されるために通路２４内の冷却空気の温度上昇が減少され、そのことが圧力壁１６からの熱伝達を、通路２４内の冷却材の膜の温度の結果として、促進することになる。温度勾配のさらなる削減が要求される条件下では、保護用のTBC系を吸込壁１８の外側表面から取り除くことができる。例えば、TBC系を、圧力壁１６の外側表面と後縁１２から離れた吸込壁１８の外側表面に限定するか、又は圧力壁１６にだけに限定するかあるいは後縁１２に近接した圧力壁１６にのみに限定することができる。このような状況のもとでは、拡散アルミナイドまたはＭＣｒＡｌＹ保護膜層の環境コーティングで、TBC系により酸化及び高温腐食から保護していないそれらの表面を保護することが一般的に望ましい。
【００１３】
本発明は好ましい実施形態について今まで述べてきたが、当業者によって別の形が採用され得るということは明白である。例えば、本発明は、図１に示されるものとは異なる構成や冷却回路を有するエーロフォイル１０に応用できる。従って、本発明の範囲は上記の請求項によってのみ制限されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施形態に従って、圧力壁の内部表面のみにターブュレータを備えるように構成された後縁冷却通路を有するエーロフォイルの断面図である。
【符号の説明】
１０  エーロフォイル
１２  後縁
１４  前縁
１６  圧力壁
１８  吸込壁
２０  冷却空洞
２２  冷却孔
２４  冷却通路
２６  冷却孔
２８  壁の内部表面
３０  壁の内部表面
３２  ターブュレータ
３４  ターブュレータ
【図１】
0004659188.tif 000002