(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンエーロフォイルであって、
相対する前縁（２６）と後縁（２８）で一つにつながっていて長手方向に翼根元から翼先端まで延在する第１側壁（２２）と第２側壁（２４）と、
半径方向の１列に複数積み重ねられた軸方向蛇行冷却回路（３８）と、
冷却空気を前記複数の軸方向蛇行冷却回路（３８）に供給すべく前記複数の軸方向蛇行冷却回路（３８）と連通して配設された共通の供給通路（４０）と
を備え、
軸方向蛇行冷却回路（３８）は、前記エーロフォイルの前記後縁（２８）にて前記第１側壁（２２）と前記第２側壁（２４）の間を連絡しており、
前記軸方向蛇行冷却回路（３８）は、前記エーロフォイル内で供給通路（４０）との境界をなす隔壁で終端しており、
前記後縁が無孔であり、前記第１側壁及び第２側壁の少なくとも一方が、該後縁の上流から冷却空気を吐出すべく前記蛇行回路の各々と連通して前記第２通路（４４）の前方端に配設された複数の出口孔（４８）を含んでいる、
ことを特徴とするエーロフォイル。
【請求項２】
前記蛇行回路が各々前記供給通路と連通して配設されていて、軸方向に後縁まで延在する第１通路（４２）と、
上記第１通路と半径方向に離隔していて、軸方向に後縁から遠ざかるように延在する第２通路（４４）と、
半径方向に後縁に沿って延在していて、第１通路と第２通路とを連絡すべく双方と連通している反転通路（４６）と、
を含んでなる、請求項１記載のエーロフォイル。
【請求項３】
前記出口孔が、第２通路と連通して第１側壁を貫通している、請求項２記載のエーロフォイル。
【請求項４】
前記出口孔が、冷却空気を第１側壁沿いの冷却フィルムとして吐出すべく第１側壁を軸方向に傾いて貫通している、請求項３記載のエーロフォイル。
【請求項５】
前記出口孔がさらに半径方向にも傾いている、請求項４記載のエーロフォイル。
【請求項６】
第１側壁がエーロフォイルの凹面正圧側壁であり、第２側壁がエーロフォイルの凸面負圧側壁である、請求項４記載のエーロフォイル。
【請求項７】
前記第１通路（４２）は横方向が後縁（２８）に向かって収束していて冷却空気を後縁に向けて加速し、第２通路（４４）は後縁（２８）とは反対側に発散していて冷却空気を拡散した後に前記軸方向蛇行冷却回路から吐出させる、請求項１に記載のエーロフォイル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術的背景】
本発明は、概括的にはガスタービンエンジンに関し、さらに具体的にはガスタービンエンジンの冷却タービンブレード及びステータベーンに関する。
【０００２】
ガスタービンエンジンでは、空気を圧縮機で加圧し、燃焼器に導いて燃料と混合・点火して、高温燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは単段又は複数段のタービンを通して下流に流れ、タービンで圧縮機を駆動するためのエネルギーが抽出されるとともに、出力を発生する。
【０００３】
燃焼器下流に配設されるタービンロータブレード及び静止ノズルベーンは中空エーロフォイルを有しており、これらの部品を冷却して耐用寿命を全うすべく圧縮機から抽出した圧縮空気の一部が供給される。圧縮機から抽出した空気は必ずしも動力の発生に使われず、それに応じてエンジンの全体的効率が低下する。
【０００４】
例えばスラスト重量比で表されるような、ガスタービンエンジンの作動効率を高めるためには、タービン入口ガス温度を高くする必要があるが、それにはそれだけブレード及びベーンの冷却を向上させることが必要とされる。
【０００５】
従って、従来技術には、圧縮機から抽出される冷却空気の量を最小限に抑えつつ、冷却効果を最大限にするための様々な構成が多数存在する。典型的な冷却構造には、ブレード及びベーンのエーロフォイルの内部を対流冷却するための半径法交蛇行冷却通路があり、様々な形態のタービュレータを用いて対流冷却効果を高めることができる。エーロフォイル内面をインピンジメント冷却するための内部インピンジメント孔も用いられる。さらに、エーロフォイル外面のフィルム冷却を行うためフィルム冷却孔がエーロフォイル側壁を貫通している。
【０００６】
エーロフォイルは軸方向に前縁と後縁の間に延在する略凹面の正圧側面と反対側の略凸面の負圧側面とを有するので、エーロフォイルの冷却設計は一段と複雑さを増す。燃焼ガスは、正圧側面及び負圧側面の表面を様々に変化する圧力及び速度分布で流れる。従って、エーロフォイルへの熱負荷はその前縁と後縁で異なっているとともに、半径方向内方の翼根元から半径方向外方の翼先端にかけても種々変化する。
【０００７】
エーロフォイルの後縁は必然的に比較的細く、後縁には特別な冷却構造が必要とされる。例えば、後縁は通例１列の後縁出口孔を含んでいて、エーロフォイル内を半径方向外方に流れた後の冷却空気の一部がかかる後縁出口孔を通して吐出される。後縁出口孔のすぐ上流には、後縁冷却を向上させるためピンの形態のタービュレータが配設されるのが通例である。冷却空気は軸方向にタービュレータの周囲を流れ、そのまま後縁出口孔から燃焼ガス流路中に吐出される。
【０００８】
従って、後縁冷却の改善されたエーロフォイルを提供することが望まれている。
【０００９】
【発明の概要】
ガスタービンエンジンエーロフォイルは、内部に軸方向蛇行冷却回路を有する。好ましくは、後縁を冷却するため、上記蛇行回路はさらに後縁に沿って半径方向の１列に複数積み重ねられる。
【００１０】
【発明の詳しい説明】
以下の発明の詳しい説明において、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい例示的実施形態を本発明のさらなる目的及び効果と併せて具体的に説明する。
【００１１】
図１に示したのは、ガスタービンエンジンのタービンロータ（図示せず）の外周に装着される構成をしたロータブレード１０である。ブレード１０は、燃焼器の下流に配設され、燃焼器から高温燃焼ガス１２を受け、エネルギーを抽出してタービンロータを回転し、仕事を行う。
【００１２】
ブレード１０は、表面を燃焼ガスの流れるエーロフォイル１４と一体プラットホーム１６とを含んでおり、プラットホーム１６で燃焼ガス流路の半径方向内側境界が画成される。ダブテール１８はプラットホーム１６の底部から一体に延在しており、ロータディスクに保持するためロータディスクの外周の対応ダブテールスロットに軸方向に挿入できるように構成される。
【００１３】
作動中にブレードを冷却するため、加圧冷却空気２０が圧縮機（図示せず）から抽出され、ダブテール１８を通じて半径方向上方に中空エーロフォイル１４内に導かれる。本発明では、エーロフォイル１４はその内部での冷却空気の効果を向上させる特別な構成とされる。例示のためロータブレード用のエーロフォイルに関して本発明を説明するが、本発明はタービンステータベーンにも応用できる。
【００１４】
まず図１に示す通り、エーロフォイル１４は第１（すなわち正圧）側壁２２と周方向（すなわち横方向）に反対側の第２（すなわち負圧）側壁２４とを含んでいる。負圧側壁２４は略凸面、正圧側壁２２は略凹面であり、これらの側壁は軸方向に相対する前縁２６と後縁２８で一つにつながっており、半径方向（すなわち長手方向）に翼根元３０のブレードプラットホームから半径方向外方の翼先端３２まで延在している。
【００１５】
エーロフォイルの例示的半径方向断面を図２にさらに詳細に示すが、これは燃焼ガス１２からエネルギーを抽出するため従来と同様の翼形を有する。例えば、燃焼ガス１２は、軸下流方向に向かって前縁２６で最初にエーロフォイル１４と衝突し、そこで燃焼ガスは周方向に分割されて正圧側壁２２と負圧側壁２４の両面に沿って流れ、後縁２８でエーロフォイルから離れる。
【００１６】
本発明以外の部分では、図１に示すエーロフォイル１４は前縁２６及び翼弦中央部を冷却するための慣用の構成とし得る。例えば、慣用の３パス半径方向蛇行冷却回路３４をエーロフォイルの翼弦中央部の冷却に用いてもよい。空気２０はダブテール１８を通じて半径方向蛇行回路３４に入り、主として半径方向に延在する複数の通路内を流れるが、これらの複数の半径方向通路は、冷却エーロフォイル内を上下する半径方向（すなわち長手方向）多重経路内で冷却空気を方向転換するための複数の軸方向に延在する反転通路（すなわちベンド）によって端部同士がつながっている。空気は、翼先端の出口孔又は側壁のフィルム冷却孔或いはその両方を通じて蛇行回路から排出される。
【００１７】
エーロフォイル１４は慣用の専用前縁冷却回路３６を含んでいてもよく、冷却空気２０の別の部分を前縁２６の背後で半径方向上方に、別の半径方向蛇行冷却回路或いは前縁を内部からインピンジメント冷却するため冷却空気をジェット状で噴出するインピンジメントブリッジもしくは隔壁で導く。使用されたインピンジメント空気は１以上の列の慣用フィルム冷却孔を通じて前縁部で排出される。
【００１８】
本発明では、図１に示すエーロフォイル１４は、冷却空気２０の別の部分を翼弦に沿って主として軸方向に多段軸方向パスで流す構成をした軸方向（すなわち翼弦方向）蛇行冷却回路３８を含んでいる。図１に示す半径方向蛇行回路３４とは対照的に、軸方向蛇行回路３８は冷却空気を主として半径方向ではなく軸方向に流し、各パス間で冷却空気は軸方向ではなく半径方向に曲げられる。
【００１９】
さらに具体的には、エーロフォイル１４は、好ましくは個々の軸方向蛇行冷却回路３８を半径方向の１列に複数積み重ねたものを含む。共通の供給通路４０が半径方向上方にダブテール１８からエーロフォイル１４を通って翼先端まで延在しており、上記数段の蛇行回路３８に冷却空気２０を供給すべく該軸方向蛇行回路３８と連通して配設される。
【００２０】
例示的実施形態では、上記数段の軸方向蛇行回路３８は、エーロフォイルの後縁２８にて側壁２２と側壁２４の間に慣用法で鋳造でき、これら側壁間の対応リブもしくは隔壁によって画成される。
【００２１】
軸方向蛇行回路３８の一例を図２にさらに詳しく示すが、この回路３８には、供給通路４０と連通して配設されていて軸方向に供給通路から後縁まで延在する第１（すなわち導入）通路４２が含まれる。第２（すなわち吐出）通路４４は、第１通路４２と半径方向に離隔していて、軸方向に後縁２８から遠ざかるように延在する。第３（すなわち反転）通路４６は、半径方向に後縁に沿って延在しており、第１通路と第２通路とを連絡してそれらの間で冷却空気を方向転換すべく双方と連通している。
【００２２】
第１通路４２及び第２通路４４はそれぞれ軸方向に延在する隔壁によって画成されるが、隔壁は２つの側壁２２，２４を連絡しており、これらの通路と隔壁とは互いに平行で軸方向に延在している。第２通路４４は冷却空気２０を第３通路４６から受け入れるが、それは冷却空気２０が第１通路４２から１８０度反転した後である。第２通路４４は供給通路４４との境界をなす隔壁を終端としており、それ以外には供給通路と連通していない。
【００２３】
最初に図１に示す通り、後縁２８は好ましくは無孔であり、第１側壁２２及び第２側壁２４の少なくとも一方で、後縁の上流から冷却空気を吐出すべく軸方向蛇行回路３８の各々と連通して配設された複数の出口孔４８を含んでいる。
【００２４】
図３及び図４にさらに詳しく示した通り、出口孔４８は、好ましくはそれぞれ第２（すなわち吐出）通路４４と連通して、第１側壁２２を貫通する。このようにして、比較的低温の冷却空気２０は、図２に示す通り、まず第１通路４２を通して軸方向後方に流れ、第３通路４６で方向転換し、次いで逆に後縁２８から遠ざかるように軸方向前方に流れて、エーロフォイルのこの局所領域を冷却する。
【００２５】
冷却空気は、第３通路４６内で方向転換する際に後縁２８の内面に直接衝突し、この領域でのインピンジメント及び対流冷却を促進する。冷却空気は３つの通路４２，４６，４４を通過する際にエーロフォイルを冷却するとともに、出口孔４８から吐出されるまでに後縁２８をその内部から冷却する。冷却空気２０の有効冷却能力は、かくして、エーロフォイルから排出されるまでに巡回軸方向蛇行回路内でさらに一段と有効活用される。
【００２６】
図４に示す通り、出口孔４８は、好ましくは、冷却空気を第１側壁沿いの冷却フィルムとして吐出すべく第１側壁２２を軸方向に傾いて貫通してる。図３に示す通り、出口孔４８は、促進フィルム冷却孔とするため、好ましくは半径方向にも傾いていて複合傾斜角をなす。フィルム冷却用出口孔４８自体は、その対流冷却及びフィルム冷却能力を最大限にするための慣用の構成を取り得る。
【００２７】
図１、図３及び図４に示す例示的な実施形態では、出口孔４８は、上記数段の第２通路４４の軸方向前方出口端で、軸方向後方に傾斜した４つの孔からなるグループとして配置される。これら４つの孔は、半径方向外方及び半径方向内方に傾斜した各２つの孔の対として配設されてもいる。
【００２８】
図４に示す好ましい実施形態では、出口孔４８は、エーロフォイルの凸面状負圧側壁として規定される第２側壁２４ではなく、エーロフォイルの凹面状正圧側壁として規定される第１側壁２２に配設される。出口孔４８からの正圧側フィルム冷却は、エーロフォイルの凸面に出口孔を設ける場合とは対照的に、後縁温度をさらに低下させる。ただし、別の実施形態では、出口孔を凸面負圧側に配設してもよい。
【００２９】
図２に示す例示的実施形態では、第２通路４４は第１通路４２の半径方向外側に配設され、冷却空気２０はまず後縁２８に向かって軸方向後方に流れ、次に半径方向外方に方向転換して第２通路４４に入る。図５に示す本発明の別の実施形態では、第２通路４４はそれぞれ対応する第１通路４２の半径方向内側に配設され、それぞれの第３通路４６は冷却空気の流れを第１通路から第２通路に半径方向内方に流す。さらにまた別の実施形態（図示せず）では、図２と図５とを組み合わせて、共通の第１通路４２の半径方向上下に２つの第２通路４４が配設されたＴ字形構成としてもよい。
【００３０】
図５及び図６に示す通り、出口孔４８はこの場合も第２通路４４の前方端に配設されており、好ましくは１対ずつ両側壁２２，２４を貫通する。出口孔４８は、図６に示す通り、好ましくはエーロフォイルの両側面で対として同一直線上に整列して略Ｘ字形に交差する。これはレーザ穿孔を用いて慣用法でなされる。
【００３１】
上記で開示した軸方向蛇行冷却回路３８の各種実施形態は、冷却媒体の冷却効果を最大限にするため、好ましくは２パスに限定される。エーロフォイルの半径方向スパン全域にわたって後縁２８での冷却空気の冷却効果を最大限にするため、各蛇行回路３８には共通の供給通路４０から冷却空気２０の一部が独立して供給され。別の実施形態では、３パス以上を軸方向蛇行冷却回路に用いてもよいが、追加したパス内の冷却空気の温度は、空気が熱を吸収するので、相対的に高くなる。
【００３２】
さらに別の実施形態では、後縁冷却を微調整すべく、第１通路４２及び第２通路４４は軸流方向だけでなく部分的に半径方向に傾斜させてもよい。これらの通路は互いに平行でもよいし、或いは半径方向の幅が後縁に向かって収束もしくは発散していてもよい。
【００３３】
図４に示す通り、エーロフォイルの後縁部は比較的細いので、軸方向蛇行回路３８はその対応隔壁を鋳造する殊によって簡単に形成し得る。従って、第１通路４２は横方向（周方向の幅）が後縁２８に向かって収束していて冷却空気を後縁に向けて加速し、第２通路４４は後縁２８とは反対側に発散していて冷却空気を拡散した後フィルム冷却用出口孔４８から吐出する。加速された空気流は内部熱伝達対流を増大させ、最も冷却が必要とされる後縁部の冷却を改善する。
【００３４】
さらに、後縁２８自体を無孔に保つとともにその上流に出口孔４８を設けることによって、出口孔から吐出される冷却空気を後縁上流のエーロフォイルのフィルム冷却にも利用することができ、冷却空気を後縁２８自体から直接吐出する場合と比べて、有益な効果がさらに得られる。
【００３５】
所望に応じて、軸方向蛇行冷却回路３８は、該回路内を流れる冷却空気をさらに有効利用すべく、その内部に慣用のタービュレータその他の対流促進手段を含んでいてもよい。また、軸方向蛇行回路は、所望に応じて、エーロフォイルの他の位置で使用してもよい。
【００３６】
以上、本発明の好ましい例示的実施形態と考えられるものを説明してきたが、本明細書の教示内容から本発明のその他の変更は当業者には自明であろう。従って、本発明の技術的思想及び技術的範囲に属するかかる変更がすべて特許請求の範囲に包含されることを望むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一つの例示的実施形態によって冷却されるエーロフォイルを有するガスタービンエンジン用の例示的タービンロータブレードの部分断面斜視図。
【図２】  図１に示す本発明の一つの例示的実施形態によるエーロフォイルの軸方向蛇行冷却回路の一部分の拡大断面図。
【図３】  図１に示す軸方向蛇行冷却回路の矢視３−３部の半径方向縦断面図。
【図４】  図１に示す軸方向蛇行冷却回路の矢視４−４部の軸方向断面図。
【図５】  図１に示すエーロフォイルの、本発明の別の例示的実施形態による軸方向蛇行冷却回路の部分の部分断面図。
【図６】  図５に示す軸方向蛇行冷却回路の矢視６−６部の半径方向縦断面図。
【符号の説明】
１４  エーロフォイル
２０  冷却空気
２２  第１側壁
２４  第２側壁
２６  前縁
２８  後縁
３８  軸方向蛇行冷却回路
４０  共通供給通路
４２  第１通路
４４  第２通路
４６  第３通路
４８  出口孔
【図１】
0004498508.tif 000002
【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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