(57)【要約】ガスタービンエンジン用のタービンブレード（２２）が開示される。タービンブレード（２２）は、少なくとも１つの内部冷却路（６４、７６）と、少なくとも１つの内部冷却路（６４、７６）に配置された内部ベーン（１００、２００）とを含むことができる。内部ベーン（１００、２００）は、中央部分（４２０）と、中央部分（４２０）から第１の方向に延びる第１の脚部（４１６）と、中央部分（４２０）から第２の方向に延びる第２の脚部（４１８）とを含むことができる。中央部分（４２０）は、第１の脚部（４１６）の厚さ（４００）または第２の脚部（４１８）の厚さ（４０１）よりも厚い厚さ（４０３）を有することができる。
2015512488.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン用のタービンブレード（２２）であって、
少なくとも１つの内部冷却路（６４、７６）と、
少なくとも１つの内部冷却路に配置された内部ベーン（１００、２００）と、
を含み、ベーンは、
中央部分（４２０）と、
中央部分から第１の方向に延びる第１の脚部（４１６）と、
中央部分から第２の方向に延びる第２の脚部（４１８）と、
を含み、
中央部分は、第１の脚部の厚さ（４００）または第２の脚部の厚さ（４０１）よりも厚い厚さ（４０３）を有する、タービンブレード。
【請求項２】
中央部分は、冷却路を形成している壁（７０、８０、９４）のコーナー（１０４、１０６）に隣接して配置される、請求項１に記載のタービンブレード。
【請求項３】
ベーンが
中央部分の外側面を形成する外側湾曲面（４０８）と、
第１の脚部の外側面を形成する第１の平面部分（４０９）と、
第２の脚部の外側面を形成する第２の平面部分（４１１）と、
中央部分、第１の脚部、および第２の脚部の内側面を形成する内側湾曲面（４１２）と、
をさらに含む、請求項１に記載のタービンブレード。
【請求項４】
ベーンが
第１の脚部の第１の先端部（４１４）から第２の脚部の外側面まで延びる第１の幅（４０４）と、
第２の脚部の第２の先端部（４１０）から第１の脚部の外側面まで延びる第２の幅（４０６）と、
をさらに含み、
第１の幅は第２の幅に等しい、請求項１に記載のタービンブレード。
【請求項５】
ガスタービンエンジン用のタービンブレードであって、
少なくとも１つの内部冷却路と、
少なくとも１つの内部冷却路に配置された少なくとも１つのベーンと、
を含み、少なくとも１つのベーンは、
中央部分と、
中央部分から延びる脚部（４１６、４１８）と、
を含み、
中央部分は、脚部の厚さよりも厚い厚さを有する、タービンブレード。
【請求項６】
少なくとも１つのベーンには、少なくとも１つの冷却路内の異なる位置に配置された２つのベーン（１００、２００）が含まれる、請求項５に記載のタービンブレード。
【請求項７】
少なくとも１つの冷却路（６４）は、
第１の流路（８２）と、
第１の流路の下流の第２の流路（８６）と、
を含み、
第２の流路は、第１の流路よりも大きい断面積を有し、
ベーンのうちの第１のベーン（１００）は、第１の流路の下流に配置され、
ベーンのうちの第２のベーン（２００）は、第２の流路の上流に配置され、
第１のベーンの断面積は、第２のベーンの断面積よりも小さい、請求項６に記載のタービンブレード。
【請求項８】
少なくとも１つのベーンは、第１のベーン（１００）および第２のベーン（２００）を含み、
第１のベーンの断面積は、第２のベーンの断面積よりも小さい、請求項５に記載のタービンブレード。
【請求項９】
少なくとも１つのベーンは、第１のベーン（１００）および第２のベーン（２００）を含み、
第１のベーンは、冷却路内の第１の位置に配置され、
第２のベーンは、冷却路内で、第１の位置から下流の第２の位置に配置される、請求項５に記載のタービンブレード。
【請求項１０】
ガスタービンエンジン用のタービンブレードであって、
内部冷却路と、
冷却路内の第１の位置に配置された第１のベーンと、
冷却路内で、第１の位置から下流の第２の位置に配置された第２のベーンと、
を含み、
第１および第２のベーンはそれぞれ、中心厚さ部から第１の厚さ部まで、および中心厚さ部から第２の厚さ部まで先細りになっており、第１の厚さ部は、冷却路内で中心厚さ部から上流に配置され、中心厚さ部は、冷却路内で第２の厚さ部から上流に配置される、タービンブレード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概略的にはガスタービンエンジンの冷却に関し、より詳細には、ガスタービンエンジン（ＧＴＥ）のタービンブレードの冷却に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧＴＥは、圧縮空気流の中の燃料を燃焼させることで発生した高温ガス流からエネルギを抽出して動力を発生させる。一般的に、タービンエンジンでは、上流のエアコンプレッサが中間の燃焼室（「燃焼器」）によって下流のタービンに接続される。圧縮空気と燃料との混合物が燃焼器で燃焼すると、エネルギが解放される。典型的なタービンエンジンでは、１つまたは複数の燃料噴射装置が、液体またはガス状の炭化水素燃料を燃焼用の燃焼器に送る。得られた高温ガスは、タービンのブレードに送られてタービンを回転させ、機械動力を発生させる。
【０００３】
高性能ＧＴＥは、ＧＴＥ内の個々の構成要素の信頼性およびサイクル寿命を改善するために、冷却路および冷却流体を含む。例えば、タービン部分の冷却では、冷却流体をタービンブレードに通すために、冷却路がタービンブレード内に設けられる。従来、タービンブレードなどの構成要素を冷却するために、圧縮空気の一部がエアコンプレッサから抽気される。しかし、エンジン燃焼が有益に作用するために十分な量の圧縮空気が利用できるように、エアコンプレッサから抽気される空気量は限定される。
【０００４】
Ｈａｌｌらの（特許文献１）は、冷却流体流れ用の少なくとも１つの冷却路が通る、熱負荷がかかる構成要素について記載している。（特許文献１）によれば、ターボ機械のブレードまたはベーンは、冷却流体を冷却路に分流させるダイバータブレードを内蔵することができる。ダイバータブレードは、冷却路の高さを越えて、互いから所定の距離離間した第１および第２のダイバータ部分を含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７，１３７，７８４号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一態様では、ガスタービンエンジン用のタービンブレードが開示される。タービンブレードは、少なくとも１つの内部冷却路と、少なくとも１つの内部冷却路に配置された内部方向転換ベーンとを含むことができる。内部ベーンは、中央部分と、中央部分から第１の方向に延びる第１の脚部と、中央部分から第２の方向に延びる第２の脚部とを含むことができる。中央部分は、第１の脚部の厚さ、または第２の脚部の厚さよりも厚い厚さを有する。開示される。
【０００７】
別の態様では、ガスタービンエンジン用のタービンブレードが開示される。タービンブレードは、少なくとも１つの内部冷却路と、少なくとも１つの内部冷却路に配置された少なくとも１つのベーンとを含むことができる。少なくとも１つのベーンは、中央部分と、中央部分から延びる脚部とを含むことができる。中央部分は、脚部の厚さよりも厚い厚さを有することができる。
【０００８】
さらに別の態様では、ガスタービンエンジン用のタービンブレードが開示される。タービンブレードは、内部冷却路と、冷却路内の第１の位置に配置された第１のベーンと、冷却路内で第１の位置から下流の第２の位置に配置された第２のベーンとを含むことができる。第１および第２のベーンはそれぞれ、中央厚さ部から第１の厚さ部まで、および中央厚さ部から第２の厚さ部まで先細りとすることができる。第１の厚さ部は、冷却路内で中央厚さ部から上流に配置することができ、中央厚さ部は、冷却路内で第２の厚さ部から上流に配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ガスタービンエンジンのタービン部分の部分断面図である。
【図２】図１の２−２線に沿って切り取ったタービンブレードの拡大断面図である。
【図３】３−３線に沿って切り取った図２のタービンブレードの拡大断面図である。
【図４】本開示の一般的なベーンの詳細図である。
【図５】本開示の一般的なベーンの代替の実施形態である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、ＧＴＥの一部、具体的には、ＧＴＥのタービン部分１０の断面図を示している。タービン部分１０は、第１段シュラウドアセンブリ２０内に部分的に配置された第１段タービンアセンブリ１２を含む。
【００１１】
運転中に、矢印１４で示された冷却流体は、コンプレッサ部分（図示せず）からタービン部分１０に流れる。さらに、各燃焼室（図示せず）は、互いに対して離間した関係で半径方向に配置され、冷却流体１４が通り抜けてタービン１０に流入する空間を有する。タービン部分１０は、冷却流体１４が貫流する流体流動チャネル１６を有する支持構造体１５をさらに含む。
【００１２】
第１段タービンアセンブリ１２は、シュラウドアセンブリ２０と半径方向に整列したロータアセンブリ１８を含む。ロータアセンブリ１８は、複数のタービンブレード２２を含む従来からの構造とすることができる。タービンブレード２２は、例えば、金属またはセラミックなどの任意の適切な材料で作製することができる。ロータアセンブリ１８は、円周方向に配置された複数の根元部保持スロット３０を有するディスク２４をさらに含む。複数のタービンブレード２２は、ディスク２４に取り換え可能に取り付けられている。各複数のブレード２２は、根元部分２８が延びる起点である第１の端部２６を含み、根元部分２８は、対応する根元部保持スロット３０の１つと係合している。第１の端部２６は、ロータアセンブリ１８の根元部保持スロットの底部３２から離間して、冷却流体１４を受け入れるように構成された冷却流体入り口開口３４を形成することができる。各タービンブレード２２は、ディスク２４の外縁および根元部分２８から半径方向外側に配置されたプラットフォーム部分３６をさらに含むことができる。さらに、エアフォイル３８が、プラットフォーム部分３６から半径方向外側に延びることができる。各複数のブレード２２は、第１の端部２６の反対側に配置され、シュラウド２０に隣接する第２の端部４０または先端部を含むことができる。
【００１３】
図２は、図１の２−２線に沿って切り取ったタービンブレード２２の拡大断面図を示している。各複数のブレード２２は、前縁４２と、前縁４２の反対側に配置された後縁４４とを含む（図２および図３）。前縁４２および後縁４４は、タービンブレード２２の負圧面または凸面９６と、正圧面または凹面９８との間に挟まれている。各複数のタービンブレード２２は、一部の実施形態では厚さをほぼ一定とすることができる周壁５０を形成する、ほぼ中空の構造を有することができる。
【００１４】
図２および図３に示すように、各タービンブレード２２を内部で冷却する構成が形成されている。内部冷却用の構成は、周壁５０内に配置され、互いから分離された１対の冷却路６４，７６（図３）を含むことができる。冷却路６４、７６は、冷却流体１４が貫流できる長方形の断面形状を有することができる。一方、他の実施形態では、冷却路６４，７６の断面形状は、例えば、円形または長円形とすることができる。任意の数量の冷却路を使用することができる。冷却路６４、７６は、下記にさらに詳細に説明するように、例えば、第１の壁部材７０、第２の壁部材８０、第３の壁部材９２、第４の壁部材９４、および第５の壁部材１１０などの複数の壁部材で形成することができる（図３）。各壁部材７０、８０、９２、９４、１１０は、タービンブレード２２の負圧面９６および正圧面９８の両方で、周壁５０に連結することができ、一部の例では周壁５０と一体に形成することができる。
【００１５】
図３を参照すると、周壁５０内に配置された第１の冷却路６４、第２の冷却路７６は、各ブレード２２の前縁４２と後縁４４との間に挟まれている。第１の冷却路６４は、タービンブレード２２の第１の端部２６と第２の端部４０との間に延びる第１の流路５６を含む。第１の流路５６は、第２の壁部材８０によって前縁４２と第２の流路８２との間に挟まれている。タービンブレード２２の第１の端部２６と第２の端部４０との間に延びる第２の流路８２は、第２の冷却路に含まれる。第２の流路８２は、第２の壁部材８０および第３の壁部材９２（図３）によって、第１の流路５６と第３の流路８６との間に挟まれている。第２の冷却路７６は、タービンブレード２２の第１の端部２６と第２の端部４０との間に少なくとも部分的に延びる第３の流路８６をさらに含む。第３の流路８６は、第３の壁部材９２および第４の壁部材９４によって、第２の流路８２と第２の冷却路出口９０との間に挟まれている。図３に示すように、第２の冷却路７６は、タービンブレード２２の内部を通る「Ｓ字」形状または蛇行する形状を有することができる。
【００１６】
図３に示すように、第１の冷却路６４は、ブレード２２の第２の端部４０の近くに配置された水平路６８を含むことができる。第２の冷却路７６は、上部方向転換部８４および底部方向転換部８８を含むことができる。流路５６、８２、８６と同様に、水平路６８、上部方向転換部８４、および底部方向転換部８８は、ブレード２２の第２の端部４０および壁部材７０、８０、９２、９４によって形成することができる。図３に示すように、複数の出口流ガイド１１２は、第２の冷却路出口開口９０に配置することができる。出口流ガイド１１２は、例えば、図３に示す長方形の断面形状などの任意の形状を有することができる。さらに、第２の冷却路７６内の出口流ガイド１１２は、第２の冷却路出口開口９０に沿って等間隔に配置することができる。
【００１７】
図２および図３を再度参照すると、タービンブレード２２は、タービンブレード２２の第２の冷却路７６に配置されたベーン１００、２００を含む。各ベーン１００、２００は、本明細書において、方向転換ベーン、不均一形状のベーン、三角状の要素、三角翼、流れ誘導部分、流れガイド要素などと称することができる。本明細書において、「不均一な」または「不均一形状の」という用語は、例えば、図４に示すように、厚さが変化するベーンを指す。ベーン１００、２００は、タービンブレード２２の周壁５０に連結することができる。一部の例では、図２に示すように、ベーン１００、２００は、周壁５０と一体化することができる。図２は、各ベーン１００、２００が、タービンブレード２２の負圧面９６の周壁５０から正圧面９８の周壁５０まで延びるのを示している。ベーン１００、２００は、中実の、もしくは切れ目のない、または負圧面９６と正圧面９８との間で連続的に、もしくは切れ目のない態様で延びる、と表現することができる。ベーン１００、２００はまた、タービンブレード２２の負圧面９６と正圧面９８とを連結する、と表現することもできる。図２に示すように、および図３を参照して、一部の実施形態では、各ベーン１００、２００は、負圧面９６から正圧面９８まで一定の、またはほぼ一定の幅を有することができる。
【００１８】
ベーン１００、２００は、タービンブレード２２の第２の冷却路７６内に示されている。第１のベーン１００は、第２の流路８２と上部方向転換部８４との間に配置されるように、第１のコーナー１０４および第１の壁部材７０の内側面１０８に隣接した位置に配置することができる。第１のベーン１００はまた、第２の流路８２または上部方向転換部８４のいずれかのコーナーにある、と表現することができる。さらに、第１のベーン１００は、第２の流路８２の下流、または上部方向転換部８４の上流にある、と表現することができる。図３に示すように、第１のコーナー１０４は、第２の冷却路７６の方向転換部の外側にある。
【００１９】
第２のベーン２００は、上部方向転換部８４と第３の流路８６との間に配置されるように、第２のコーナー１０６および第１の壁部材７０の内側面１０８に近い、または隣接した位置に配置することができる。第２のベーン２００はまた、上部方向転換部８４または第３の流路８６のいずれかのコーナーにある、と表現することができる。さらに、第２のベーン２００は、上部方向転換部８４の下流、または第３の流路８６の上流にある、と表現することができる。図３に示すように、第２のコーナー１０６は、第２の冷却路７６の別の方向転換部の外側にある。したがって、第１のベーン１００および第２のベーン２００は、第２の冷却路７６の対応する方向転換部の内側よりも外側に接近して配置することができる。
【００２０】
図３に示すように、第１のコーナー１０４は、第２の壁部材８０が第１の壁部材７０に合流する位置にあり、第２のコーナー１０６は、第１の壁部材７０が第４の壁部材９４に合流する位置にある。第１のベーン１００は、第１のコーナー１０４と第３の壁部材９２の端部１０２との間に配置することができ、第２のベーン２００は、第２のコーナー１０６と端部１０２との間に配置することができる。各コーナー１０４、１０６は、直角形コーナーまたは直角形方向転換部として構成することができる。
【００２１】
各方向転換ベーン１００、２００は、ベーン１００またはベーン２００の、それぞれコーナー１０４、１０６に最も接近した部分に、最も大きい、または最も幅広い断面領域を有することができる。図３に示すように、各方向転換ベーン１００、２００は、さらに図４に関連して下記に説明する内側および外側の湾曲面を有し、各方向転換ベーン１００、２００の外側湾曲面は、冷却路に近い、または隣接する面またはコーナーに合わせた輪郭とされる。
【００２２】
各ベーン１００、２００は、ベーンが配置される流路の幾何形状に合わせた大きさとすることができる。例えば、図３に示すように、第３の流路８６は、第２の流路８２よりも幅広である。それに応じて、第２の流路８２に配置されるベーン１００は、第３の流路８６に配置されるベーン２００よりも小さく作ることができる。したがって、タービンブレード内の流体路が大きい、例えば、幅が広いほど、大型のベーンを設けることができ、逆もまた同様である。
【００２３】
図４は、本開示の三角状ベーン４００の詳細図を示している。本明細書において一般ベーンと称することができるベーン４００は、上記のベーン１００、２００と同様のベーンを示している。したがって、図４のベーン４００に関する以下の説明は、図２および図３のベーン１００、２００に当てはまる。
【００２４】
図４に示すように、ベーン４００は、第１の厚さ４０１を有する第１の脚部４１６と、第２の厚さ４０２を有する第２の脚部４１８とを含み、第１の厚さ４０１および第２の厚さ４０２は等しくすることができる。ベーン４００は、第１の厚さ４０１および第２の厚さ４０２よりも大きい第３の厚さ、または中央厚さ４０３を有する中央部分４２０を含む。図３および図４に示すように、中央部分は、第２の冷却路７６の第１のコーナー１０４または第２のコーナー１０６に隣接して配置することができる。ベーン４００は、第３の厚さ４０３から第１の厚さ４０１および第２の厚さ４０２まで減少して先細りとなった、または湾曲した幾何形状を有するので、ベーン４００の断面形状は不均一である。ベーン４００は、第３の厚さまたは中央厚さ４０３から減少して第１の厚さ４０１および／または第２の厚さ４０２に向かって先細りとなった、または湾曲した幾何形状を有する、と表現することもできる。一部の例では、ベーン４００は、第３の厚さ４０３を貫通する線に関して対称とすることができる。他の例では、ベーン４００は非対称とすることができる。第３の厚さ４０３の位置は、図４に示すベーン４００の断面方向でのベーン４００の最も厚い部分である。ベーン４００はまた、第１の幅４０４および第２の幅４０６を含み、第１の幅４０４および第２の幅４０６は等しくすることができる。さらに、ベーン４００は、外側湾曲面４０８と、外側湾曲面４０８の反対側の内側湾曲面４１２とを有し、外側湾曲面４０８は、中央部分４２０の外側面を形成している。外側湾曲面４０８は、曲率半径を有する凸形部分と表現することができ、内側湾曲面４１２は、別の曲率半径を有する凹形部分と表現することができる。図４に示すように、外側湾曲面４０８の曲率半径は、内側湾曲面４１２の曲率半径よりも小さくすることができる。ベーンはまた、外側湾曲面４０８から延びる平面部分４０９、４１１を含む。平面部分４０９は、第１の脚部４１６の外側面を形成し、平面部分４１１は、第２の脚部４１８の外側面を形成している。内側湾曲面４１２は、第１の脚部４１６、中央部分４２０、および第２の脚部４１８の内側面を形成している。ベーン４００はまた、第１の先端部４１４および第２の先端部４１０を含み、第１の先端部４１４および第２の先端部４１０は、同じ形状、例えば、丸みの付いた端部形状を有することができる。一部の例では、ただ１つの脚部を有するベーンを設けることができ、単一の脚部は、ベーン４００の脚部４１６または脚部４１８と同様とすることができる。
【００２５】
上記のように、ベーン４００の規模は、ベーンが配置された流体路の規模が大きくなるにつれて大きくなるので、各寸法、すなわち、厚さ４０１、４０２、４０３および幅４０４、４０６も、流体路の規模が大きくなるにつれて大きくすることができる。しかし、他の実施形態では、第１の厚さ４０１および第２の厚さ４０２は、例えば、ベーン４００が配置される流体路の規模に関係なく、一定の寸法に維持することができる。
【００２６】
図３のベーン１００、２００は、図４に示す一般ベーン４００の形状をとっているが、ベーン１００、２００は連結することができる。図５の代替の実施形態に示すように、例えば、ベーン１００、２００は、例えば、上部方向転換部８４（図３）を通って連結されて、単一のベーン５００を形成することができる。単一のベーン５００は、本明細書において、「最大限のデルタ形状方向転換ベーン」と称することができる。
【００２７】
上記の装置は、タービンブレード冷却用の装置として説明したが、温度調節を必要とする他の任意のブレードまたはエアフォイルに適用することができる。例えば、ＧＴＥのタービンノズルは、上記の冷却装置を組み込むことができる。さらに、開示した冷却装置は、ＧＴＥ産業用途に限定されない。上記の原理、すなわち、冷却流体の流れを誘導するために不均一形状のベーンを使用することは、機能要素の温度調節を必要とする他の用途および産業に適用することができる。
【００２８】
以下の動作は、第１段タービンアセンブリ１２を対象とするが、他のエアフォイルおよび段（タービンブレードまたはノズル）の冷却動作も同様とすることができる。
【００２９】
ＧＴＥのコンプレッサ部分からの圧縮流体の一部は、圧縮部分から抽気されて、第１段タービンブレード２２を冷却するのに使用される冷却流体１４になる。圧縮流体は、コンプレッサ部分から出ていき、燃焼器排出プレナムの内部流路を流れて、流体流動チャネル１６の一部に冷却流体１４として流入する。冷却流体１４の流れを使用して、ＧＴＥの内部構成要素を冷却し、内部構成要素への高温ガスの取り込みを防止する。例えば、コンプレッサ部分から抽気された空気は、コンプレッサ排出プレナムに流入し、複数の燃焼室間の空間を通って、支持構造体１５の流体流動チャネル１６に入る（図１）。図１に示す流体流動チャネル１６を通った後、冷却流体は、タービンブレード２２の第１の端部２６とディスク２４の根元保持スロット３０の底部３２との間の冷却流体入り口開口３４に入る。冷却流体入り口開口３４は、タービンブレード２２の内部で第１の冷却路６４および第２の冷却路７６に流体接続されている（図３）。
【００３０】
図３に示すように、冷却流体１４の第１の部分は、冷却流体入り口開口３４（図１）を通った後、第１の冷却路６４に入る。冷却流体１４は、冷却流体入り口開口３４から第１の冷却路入り口開口６６に入り、周壁５０および第２の壁部材８０から熱を吸収しながら、第１の流路５６に沿って半径方向に進む。冷却流体は、第１の流路５６から水平流路６８に流れ、第１の冷却路出口７４を通ってタービンブレード２２から出る。
【００３１】
冷却流体１４の第２の部分は、冷却流体入り口開口３４（図１）を通った後、第２の冷却路７６に入る。例えば、冷却流体１４は、冷却流体入り口開口３４から第２の冷却路入り口開口７８に入り、上部方向転換部８４に入る前に、第２の壁部材８０および第３の壁部材９２から熱を吸収しながら、第２の流路８２に沿って半径方向に進む。
【００３２】
冷却流体１４は、第２の流路８２から上部方向転換部８４に流れるときに、流路に配置された第１のベーン１００のまわりを流れる。図３に示すように、冷却流体１４は、第１のベーン１００の両側を第１のコーナー１０４および第３の壁部材９２の端部１０２に近接して流れる。第１のベーン１００が流体流路に配置された場合、冷却流体１４は、第２の流路８２から上部方向転換部８４に流れるときに、第２の冷却路７６の空き空間を埋める。
【００３３】
第１のベーン１００のそばを通った後、次いで、冷却流体１４は、第１のベーン１００の下流の第２のベーン２００のまわりを流れる。図３に示すように、冷却流体１４は、第２のベーン２００の両側を第２のコーナー１０６および第３の壁部材９２の端部１０２に近接して流れる。第２のベーン２００が流体流路に配置された場合、冷却流体１４は、上部方向転換部８４から第３の流路８６に流れるときに、第２の冷却路７６の空き空間を埋める。
【００３４】
冷却流体１４が各ベーン１００、２００を越えて流れるときに、冷却流体１４は、第１の脚部４１６と第２の脚部４１８との間に配置された中央部分４２０のそばを通って、第１の脚部４１６から第２の脚部４１８に流れる。したがって、第１の脚部４１６は、中央部分４２０および第２の脚部４１８の上流に配置されている、と表現することができ、中央部分４２０は、第２の脚部４１８の上流に配置されている、と表現することができる。したがって、第１の厚さ４０１は、中央厚さ４０３から上流に配置され、中央厚さ４０３は、第２の厚さ４０２から上流に配置されている。第１の脚部４１６または第１の厚さ４０１は、ベーン１００またはベーン２００のいずれかの最上流部分と表現することができ、第２の脚部４１８または第２の厚さ４０２は、ベーン１００またはベーン２００のいずれかの最下流部分と表現することができる。
【００３５】
第１のベーン１００および第２のベーン２００をそれぞれ通り過ぎた後、冷却流体１４は、第３の流路８６に入り、底部方向転換部８８に入る前に、第３の壁部材９２および第４の壁部材９４からさらなる熱を吸収することができる。底部方向転換部８８を通った後、冷却流体は、後縁４４に沿った第２の冷却路出口開口９０を通って第２の冷却路７６から出て、燃焼ガスと混合される。
【００３６】
一部の例では、タービンブレード２２は、公知の鋳造プロセス、例えば、インベストメント鋳造によって製造することができる。インベストメント鋳造時に、ブレード２２は、冷却流体の流れを可能にするために、上記の冷却路６４、７６を含む、部分的に空いた内部領域を有して形成することができる。タービンブレード２２をインベストメント鋳造することで、鋳造時にベーン１００、２００が形成される。ベーン１００、２００は、ブレード２２とともに鋳造されるので、ベーン１００、２００は、タービンブレード２２の周壁５０と一体である。図２に関連して上記に説明したように、ベーン１００、２００は、タービンブレード２２の負圧面９６および正圧面９８の周壁５０と一体化して形成することができる。一部の例では、ブレード２２用の、ひいては、ベーン１００、２００用の鋳造材料は、金属とすることができる。一部の例では、タービンブレードは、シングルクリスタルまたは単結晶の固体として鋳造することができ、超合金で作製することができる。
【００３７】
タービンブレードを通る流体を誘導する典型的な構成には、ブレードの内部を貫通する流路が含まれる。流路は通常、流体を誘導する１つまたは複数の方向転換部またはコーナーを含むが、これらの方向転換部により、望ましくない圧力損失が生じることがある。方向転換部およびコーナーは、流れの剥離、すなわち、流体流れのない、流路内のデッドゾーンまたは空き空間を発生させやすい。圧力損失に加えて、冷却用のより大きい流路を使用することで、流路の断面積の増大による流れの剥離が発生することもある。流体が高速で流路を流れる場合、流れの拡張または拡散のための時間が不足することが多く、その結果、タービンブレード内で流れの剥離または混乱が生じる。冷却流体の流れが通路内で剥離すると、冷却流体は流路の空間を埋めないので、熱伝達係数が小さくなることがある。熱伝達係数が小さくなった場合、過熱の危険性と、ＧＴＥの効率的な動作全体を妨げる可能性のあるタービンブレードの早期の摩耗に関連する問題とがある。
【００３８】
上記の装置は、構成要素の寿命を延ばし、ＧＴＥの効率を上げる助けとするために、ＧＴＥのコンプレッサ部分から抽出された冷却空気のより効率的な使用を可能にする。説明したベーンを設けることで、冷却路内の圧力降下および流れの剥離を抑制することができ、それにより、冷却路の方向転換部と、さらに方向転換部の下流との熱伝達係数が大きくなる。このようにして熱伝達係数を大きくすることで、タービンブレードをより効果的に冷却することができ、ブレードの金属の温度が下がる。ブレードの温度が下がることで、ブレードに作用する応力が低くなり、ブレードの有効寿命が延びる。ブレードの有効寿命が延びることで、タービンブレードをより長い期間にわたって使用することが可能になり、したがって、所与のＧＴＥに対して必要なタービン部分の検査の頻度が低くなる。
【００３９】
開示した装置のベーンは、不均一な形状をとることから、タービンブレードの冷却を改善するのに特に適している。説明したベーンを設けることで、冷却流体が流れることができる流路の断面積が小さくなり、それにより、流れの剥離および混乱が抑制される、すなわち、デッドゾーンが最小化されるか、またはなくなる。上記の三角翼または三角状形状のベーンは、タービンブレードの内部流路が冷却流体で一杯になるのを確実にすることで冷却を容易にする。冷却路が広いほど大型のベーンを設けることができ、冷却路が狭いほど小型のベーンを設けることができ、それにより、所与の規模の流路に対して、デッドゾーンがほとんどないか、または全くないことを保証する。ベーンの形状は、冷却流体の流れを案内し、一般的に流れの剥離を起こしやすい領域、すなわち、流路の方向転換部およびコーナーに向かって流体を押し進めるのに寄与する。例えば、図３に示すように、ベーン１００は、冷却流体１４の流れを第１のコーナー１０４に押し込むのに寄与し、ベーン２００は、冷却流体１４の流れを第２のコーナー１０６に押し込むのに寄与し、ベーン１００、２００はともに、冷却流体１４の流れを第３の壁部材９２の端部１０２に向かって押し進めるのに寄与する。したがって、ベーンの不均一な形状により、冷却流路内の圧力損失が防止され、冷却流体は、デッドゾーンが通常存在するコーナーおよび湾曲部を含む流路の全空間を流れる。したがって、ブレードの冷却効率を高くすることができ、結果として、ブレードの有効寿命が延びたことで利便性が増し、コストが節減される。
【００４０】
ブレードの冷却効率の改善に加えて、ベーンとタービンブレードの残りの部分との鋳造時になされた、ベーンとタービンブレードの周壁との一体化により、別部品の点数が減ってタービンブレードの構造全体が簡素化される。ベーンはインベストメント鋳造によって一体に形成されるので、複雑さが軽減され、ベーンがタービンブレードの周壁から外れ、ＧＴＥの性能が損なわれる危険性も軽減される。したがって、説明した態様でベーンを鋳造することで、耐久性および信頼性のあるタービンブレードの製造が容易になる。
【００４１】
前述の説明は、タービン冷却装置の例示的な実施形態に関する。代替案として、ベーン１００、２００の一方または両方を第１の冷却路６４もしくは第２の冷却路７６のいずれか、またはタービンブレード２２内に形成された他の任意の冷却路に配置することができる。さらに、２つのベーン１００、２００だけが図２および図３に示されているが、任意の数量のベーンをタービンブレード２２に設けることができる。さらに、図３は、冷却路の直角形の方向転換部に配置された方向転換ベーン１００、２００を示しているが、ベーンは、直角形ではない流体路内の方向転換部に配置することができる。例えば、ベーンは、鈍角または鋭角の方向転換部を有する冷却路に設けることができる。タービンブレード２２の冷却路にベーンを組み入れるのに加えて、タービンブレード２２は、冷却流体１４の流れの中に乱流を起こすための乱流要素を含むこともできる。乱流要素は、例えば、第１の冷却路６４および第２の冷却路７６の一方または両方の流路内で半径方向に配置されたストリップとすることができる。乱流要素は、効率的にブレードを冷却し、過熱および早期の摩耗を防止するために、内部熱伝達係数をさらに大きくすることができる。
【００４２】
開示したタービン冷却システムに対して様々な修正および変形を行うことができることが、当業者には明らかであろう。開示したシステムおよび方法の仕様および実施を検討することで、他の実施形態が当業者に明らかになるであろう。仕様および実施例は単なる例示とみなされることが意図され、真の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物によって示される。
【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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【国際調査報告】
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