(57)【要約】【課題】目詰まりなく汚れた粒子を除去するパーティクルセパレータを実現し、エーロフォイル冷却方式の高寿命化を図る。【解決手段】  本発明は、正圧面３をそれぞれ有する複数のベーン１０を備え、かつ、これらのベーン１０の中の少なくとも１つのベーン１０の正圧面３は、該正圧面３を貫通してベーン１０の内部にまで延びた、少なくとも１つの開口部２を備えることを特徴とするタービンエンジンのベーンアセンブリに関する。大きな粒子は、その質量および慣性によって経路２３に沿って進み、開口部２から回収される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正圧面をそれぞれ有する複数のベーンを備え、かつ、
これらのベーンの中の少なくとも１つのベーンの正圧面は、該正圧面を貫通してベーンの内部にまで延びた、少なくとも１つの開口部を備えることを特徴とするタービンエンジンのベーンアセンブリ。
【請求項２】
上記少なくとも１つの開口部の各々が、１．５ｍｍより小さな直径を有することを特徴とする請求項１に記載のパーティクルセパレータ。
【請求項３】
上記正圧面の１％〜２５％が、上記少なくとも１つの開口部によって覆われることを特徴とする請求項１に記載のパーティクルセパレータ。
【請求項４】
上記開口部の少なくとも１つが、スロットにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載のパーティクルセパレータ。
【請求項５】
上記複数のベーンは、タービンエンジン旋回ベーンからなることを特徴とする請求項１に記載のパーティクルセパレータ。
【請求項６】
ベーンの正圧面を貫通する少なくとも１つの開口部を設ける段階と、
上記ベーンの上記正圧面を横切って、汚れた粒子を含んだ空気流を通過させる段階と、
上記少なくとも１つの開口部を通過した上記汚れた粒子を回収する段階と、
を含んだ、エンジン空気流から粒子を除去する方法。
【請求項７】
上記汚れた粒子を回収する段階は、
内部キャビティ内の上記汚れた粒子を収容する段階と、
上記内部キャビティから排出領域に上記汚れた粒子を移動させる段階と、
を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンブレードに供給される冷却空気用の慣性パーティクルセパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、米国空軍により付与された契約第Ｆ３３６１５−９７−Ｃ−２７７９号の下での米国政府助成によってなされたものである。米国政府は、本発明について所定の権利を有する。
【０００３】
ガスタービンエンジンの設計と構造には、効率や性能の向上が絶えず要求されている。このような効率や性能の向上を達成するために、多くの場合、上記エンジンの燃焼器部品が、出口温度が上昇するように改良される。しかしながら、このような場合には耐久性が必要とされるので、タービンエーロフォイル許容温度を上昇させなければならない。この要求に答えて、タービンブレードに用いられる冷却技術を改良するために様々な方法が導入された。これらの冷却方式は、空気流を冷却するために小さな孔や通路を用いる。最も進んだ冷却設計は、徐々に小さくなる冷却機構を用いる。残念ながら、これらの小さな機構は、汚れた粒子（パーティクル）によって目詰まりを起こしやすい。これらの汚れた粒子は、エンジン外部の環境、燃料の汚れ、不完全燃焼の燃料粒子、または、その他の種々の原因の粒子状物質から生ずる。上記の汚れた粒子は、冷却機構を詰まらせることにより、エーロフォイルの焼損や酸化をもたらす。
【０００４】
従って、小さな内部冷却機構を利用した新技術エーロフォイル冷却方式の耐用寿命を改善するために、汚染粒子を分離する方法が要求されている。加えて、既存の設計に存在するエーロフォイル冷却通路の目詰まり発生率を低下させ、改善する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、タービンブレードに供給される冷却空気用の慣性パーティクルセパレータを実現することである。
【０００６】
本発明のもう１つの目的は、正圧面をそれぞれ有する複数のベーンを備え、かつ、これらのベーンの中の少なくとも１つのベーンの正圧面は、該正圧面を貫通してベーンの内部にまで延びた、少なくとも１つの開口部を備えることを特徴とするタービンエンジンのベーンアセンブリを実現することである。
【０００７】
本発明のもう１つの目的は、ベーンの正圧面を貫通する少なくとも１つの開口部を加工する段階と、上記ベーンの上記正圧面を横切って、汚れた粒子を含んだ空気流を通過させる段階と、上記少なくとも１つの開口部を通過した上記汚れた粒子を回収する段階と、を含んだエンジン空気流から粒子を除去する方法を実現することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の主な目的は、タービンブレードに供給される冷却空気用の慣性パーティクルセパレータを実現することである。空気流中に存在する粒子を回収、排出するのに十分なサイズと姿勢を備えた既存の旋回ベーンに、１つもしくは複数のスロット、つまり開口部、を付加することにより、本発明の目的は基本的に達成される。以下により具体的に説明するように、空気流中に存在する粒子は、旋回ベーンの正圧面に沿って移動する傾向がある。上記空気流に含まれた粒子のサイズと質量とに応じて、上記旋回ベーンの正圧面に衝突する該粒子を回収するために該粒子の慣性が用いられる。エーロフォイルの壁に、一連の開口部、つまりスロット、を設けることによって、空気流が上記旋回ベーンを通過するときに、多くのパーセンテージの粒子を回収することが可能となる。
【０００９】
図１は、本発明の複数の旋回ベーン１０を示す。ＴＯＢＩ（Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ  Ｏｎｂｏａｒｄ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）システムに関連したものが示されているが、本発明の旋回ベーンは、これに限られない。本発明は、圧力損失を減少させかつエンジンブレードに供給される冷却空気の冷却空気温度を低下させるように用いられる、いかなる全てのベーンを包含する。図示したように、旋回ベーン１０は、内部キャビティ４を含む。各旋回ベーン１０の外部エッジは、該旋回ベーンの正圧面３に対応する。空気流１５は、概ね、正圧面３に対応する方向に流れる。複数の開口部２、つまりスロット、が、上記ベーン１０の旋回エリア１７の地点もしくはこれより後方の地点から並び始めるように、正圧面３に加工されることに留意されたい。本明細書に記載の「旋回エリア」とは、上記ベーンの上記正圧面上の最大曲がり地点もしくは該地点付近から始まりかつ空気流１５の方向に延びた、上記ベーンの上記正圧面上に設けられたエリア、のことを意味する。空気流１５に含まれた粒子は、上記開口部２を通過し、上記内部キャビティ４に流入する。汚れた粒子は、より大きな質量を有するために、空気流１５を構成する空気分子とともに旋回していくことができず、上記空気流の上記正圧面３上に集められる。これにより、粒子は、開口部２を通して除去される。開口部２を通過し、内部キャビティ４に入り込んだ後、上記汚れた粒子を含んだ汚れた空気は、汚れの影響を受けにくい排出領域３１に排出されるように内部キャビティ４を通過する。排出領域３１は、空気流の主流から汚れた粒子を案内するのに必要な空気流を十分に吸い込める吸入力が得られるように、望ましくは、内部キャビティ４より低い圧力に維持される。
【００１０】
図３は、相対的に大きな粒子と、相対的に小さな粒子と、の双方の経路を示す。小さな粒子の経路２１は、小さな粒子がたどる経路を示す。大きな粒子の経路２３は、空気流１５の通常の方向に進む大きな粒子がたどる経路を示す。大きな粒子の経路２３に沿って進む大きな粒子の質量や慣性は増大しているために、上記大きな粒子は、旋回ベーン１０の正圧面３にぶつかり、空気流１５の上記通常の方向に進みながら数回弾んでいくことに留意されたい。対照的に、小さな粒子の経路２１に沿って進んだ小さな粒子は、質量と慣性が小さいために、旋回ベーン１０を過ぎて空気流１５に沿って移動し続ける。図から明らかなように、大きな粒子が空気流１５に対応して移動するときに数回弾む傾向があるため、内部キャビティ４に入り込む通路を形成する開口部２の数を増やすことにより、所定の大きさの粒子を回収できる可能性が上がる。小さな粒子の経路２１に沿って進む小さな粒子を回収する可能性を上げるためには、該小さな粒子が直面する旋回角度を増大させることが望ましい。図２においては、上記複数の旋回ベーン１０の各々が回転することにより、旋回を大きくしたガス流方向１３が示されており、これにより、増大した旋回ガス流方向１３に沿って、最大旋回エリア１７において生じる旋回の最大量が増大する。好適な態様においては、開口部は、空気流１５の方向に沿って測ると、１．５ｍｍより小さい。望ましくは、上記開口部２により除去される正圧面３の総量は、１％〜２５％となる。
【００１１】
上述の考えは、図４に示すようにグラフ化することができる。図から明らかなように、粒子サイズの関数となる回収率、つまり「ＰＯＣ」は、一般的なガウス曲線を描く。すなわち、粒子サイズがゼロに近づけば、粒子は、その大小関係なくほとんど回収されず、さらに、粒子サイズが極端に大きなサイズになれば、少量の大きな粒子しか回収されない。上記ガウス曲線の左側における、具体例としての２つの点線は、上述したように増大旋回ガス流方向１３の旋回角を徐々に増大させることにより、特に小さいサイズの粒子を回収できる可能性が上昇することを示している。同様にして、上記曲線の右側における、具体例としての２つの点線は、スロットの数を増やせば、大きな粒子を回収できる可能性が上昇することを示している。
【００１２】
本発明により、上述した目的、手段、長所を完全に満足させる、タービンブレードに供給される冷却空気用の慣性パーティクルセパレータ、が実現したことは明らかである。特定の態様に照らして本発明を説明したが、当業者であれば、本明細書を参照して、その他の代替、改良、変更を想到することができよう。従って、これらの代替、改良、変更は、添付の特許請求の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の旋回ベーンの図。
【図２】増大した旋回ガス流方向を示した本発明の旋回ベーンの図。
【図３】例示として大小の粒子の経路を示した本発明の旋回ベーンの図。
【図４】粒子サイズの関数となる回収率を示した図。
【符号の説明】
【００１４】
２…開口部
３…正圧面
４…内部キャビティ
１０…旋回ベーン
１５…空気流
２１…小さな粒子の経路
２３…大きな粒子の経路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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