(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エーロフォイル（１２）の翼弦方向に離隔した前縁と後縁（２０、２２）で一つにつながった幅方向に離隔した正圧面と負圧面の側壁（１６、１８）を有していて、縦方向にエーロフォイル根元（１４）からエーロフォイル先端（２８）まで延在するエーロフォイル外壁（１５）と、
幅方向には正圧面と負圧面の側壁（１６、１８）の間に延在した複数の縦方向に延在する内部リブ（３４）を有する少なくとも１つの内部蛇行冷却回路（３６）とを備えてなり、
上記１以上の内部蛇行冷却回路（３６）が縦方向に延在する内部リブ（３４）の間に複数の縦方向に延在する蛇行流路（４０）を有し、
上記蛇行冷却回路（３６）が入口（３６Ａ）と入口流路（４０Ａ）と中間流路（４０Ｂ）と出口流路（４０Ｃ）と末端（３６Ｂ）を含んでいて、上記末端（３６Ｂ）が上記入口（３６Ａ）の後方に配置されていて、前記蛇行回路内で前記前縁（２０）から前記後縁（２２）まで後ろ向きの翼弦方向の流れ方向を有し、
更に、前記蛇行冷却回路（３６）と中間流路（４０Ｂ）で流体が連通する縦方向に延在する第１の側壁インピンジメントチャンバー（６０）及び前記蛇行冷却回路（３６）と出口流路（４０Ｃ）で流体が連通する縦方向に延在する第２の側壁インピンジメントチャンバー（６２）を備えてなり、該第１及び第２の側壁インピンジメントチャンバー（６０、６２）はそれぞれ、前記側壁の内の１つと、前記蛇行冷却回路（３６）を区切る第１及び第２の内壁（５２、５４）と、の間に配置されている、
ガスタービンエンジンエーロフォイル。
【請求項２】
前記蛇行流路の内の中間流路（４０Ｂ）と前記第１の側壁インピンジメントチャンバー（６０）の間で前記第１の内壁（５２）を通る複数の第１のインピンジメント冷却開口を有する請求項１記載のガスタービンエンジンエーロフォイル。
【請求項３】
前記１つの側壁が前記正圧面の側壁であり、更に、前記第１及び第２の側壁インピンジメントチャンバー（６０、６２）から前記正圧面の側壁（１６）を通る第１の複数の側壁フィルム冷却孔（４８）を有する請求項２記載のガスタービンエンジンエーロフォイル。
【請求項４】
前記第１の内壁（５２）が１番目の前記蛇行流路（４０）及び前記第１の側壁インピンジメントチャンバー（６０）の間で前記第１の内壁（５２）内に第１のインピンジメント冷却孔（５０）を有し、前記第２の内壁（５４）が２番目の前記出口流路（４０Ｃ）及び前記第２の側壁インピンジメントチャンバー（６２）の間で前記第２の内壁（５４）内に第２のインピンジメント冷却開口を有している請求項１乃至３のいずれか１項記載のガスタービンエンジンエーロフォイル。
【請求項５】
更に、前記前縁及び後縁（２０、２２）に沿った前縁及び後縁冷却高圧チャンバーを備えてなり、該前縁冷却高圧チャンバーは前記内部蛇行冷却回路（３６）より前方に配置された前側供給流路（４１Ａ）の前縁スパンリブ（７１）を通る前縁供給開口（７４）を有し、複数の前縁冷却開口（４４）が前記前縁冷却高圧チャンバーから前記前縁（２０）に沿って前記外壁を通抜け、前記後縁冷却高圧チャンバーは前記内部蛇行冷却回路（３６）の後方に配置された後側供給流路（４１Ｂ）の後縁スパンリブ（７５）を通る後縁供給開口（７４）を有し、複数の後縁冷却開口（４６）が前記後縁冷却高圧チャンバーから前記後縁（２２）で前記外壁を通抜けている請求項１乃至４のいずれか１項記載のガスタービンエンジンエーロフォイル。
【請求項６】
前記インピンジメントチャンバー（６０、６２）の内の少なくとも１つから前記エーロフォイル先端（２８）の縦方向外側の先端壁（３１）を通る少なくとも１つの先端冷却孔（５９）を備えてなり、前記エーロフォイル先端（２８）は前記外側先端壁（３１）から縦方向外向きにその周縁に沿って延在するスクイーラ壁を有するスクイーラ先端であって、スクイーラ先端空所（３３）を形成している請求項１乃至５のいずれか１項記載のガスタービンエンジンエーロフォイル。
【請求項７】
更に、前記インピンジメントチャンバー（６０、６２）の内の前記１つの横方向延長部（４７）を備えてなり、該延長部（４７）は前記蛇行冷却回路（３６）の前記末端（３６Ｂ）の半径方向外側にあり、前記１つの先端冷却孔（５９）が前記延長部（４７）から前記先端壁（３１）を通抜けている請求項１乃至６のいずれか１項記載のガスタービンエンジンエーロフォイル。
【請求項８】
前記内部リブ（３４）及び前記第１の内壁（５２）が中心線に対して対応するリブ角度（Ｒ１−Ｒ８）を有し、各々のリブ角度（Ｒ１−Ｒ８）が前記根元から前記先端まで、縦方向に一定である請求項１乃至７のいずれか１項記載のガスタービンエンジンエーロフォイル。
【請求項９】
エーロフォイル（１２）の翼弦方向に離隔した前縁と後縁（２０、２２）で一つにつながった幅方向に離隔した正圧面と負圧面の側壁（１６、１８）を有していて、縦方向にエーロフォイル根元（１４）からエーロフォイル先端（２８）まで延在するエーロフォイル外壁（１５）と、
前記縦方向にエーロフォイル根元（１４）とエーロフォイル先端（２８）との間にあるプラットフォーム（３０）と、
幅方向には正圧面と負圧面の側壁（１６、１８）の間に延在した複数の縦方向に延在する内部リブ（３４）を有する少なくとも１つの内部蛇行冷却回路（３６）とを備えてなり、
上記１以上の内部蛇行冷却回路（３６）が縦方向に延在する内部リブ（３４）の間に複数の縦方向に延在する蛇行流路（４０）を有し、
上記蛇行冷却回路（３６）が入口（３６Ａ）と末端（３６Ｂ）を含んでいて、上記末端（３６Ｂ）が上記入口（３６Ａ）の後方に配置されていて、前記蛇行回路内で前記前縁（２０）から前記後縁（２２）まで後ろ向きの翼弦方向の流れ方向を有し、
更に、前記蛇行冷却回路（３６）と下流側に流体が連通する縦方向に前記プラットフォーム（３０）の面（３０Ｓ）の直ぐ下まで延在する第１の側壁インピンジメントチャンバー（６０）を備えてなり、該側壁インピンジメントチャンバー（６０）が前記側壁の内の１つ及び前記蛇行冷却回路（３６）を区切る第１の内壁（５２）の間に配置されており、
更に、前記蛇行冷却回路（３６）と下流側に流体が連通する縦方向に前記プラットフォーム（３０）の面（３０Ｓ）の直ぐ下まで延在する第２の側壁インピンジメントチャンバー（６２）を備えてなり、該第２の側壁インピンジメントチャンバー（６２）が前記１つの側壁及び前記蛇行冷却回路（３６）を区切る第２の内壁（５４）の間に配置され、第１の複数の側壁フィルム冷却孔（４８）が前記第２の側壁インピンジメントチャンバー（６２）から前記正圧面の側壁（１６）を通抜けており、
前記第１の内壁（５２）が、１番目の前記蛇行流路（４０）及び前記第１の側壁インピンジメントチャンバー（６０）の間で前記第１の内壁（５２）内に第１のインピンジメント冷却開口を有し、前記第２の内壁（５４）が、２番目の前記蛇行流路（４０）及び前記第２の側壁インピンジメントチャンバー（６２）の間で前記第２の内壁（５４）内に第２のインピンジメント冷却開口を有しており、
前記第２の側壁インピンジメントチャンバー（６２）は、前記蛇行流路（４０）が終端する末端出口流路（４０Ｃ）より半径方向外側にある横方向通路（４７）を有し、前記第１の側壁インピンジメントチャンバー（６０）は横方向通路を有していない
ことを特徴とするガスタービンエンジンエーロフォイル。
【請求項１０】
前記エーロフォイル先端（２８）の縦方向外側の先端壁（３１）を通る少なくとも１つの先端冷却孔（５９）をさらに備え、前記横方向通路（４７）のところで前記先端冷却孔が中心に位置決めされている請求項９に記載のガスタービンエンジンエーロフォイル。
【発明の詳細な説明】
合衆国政府は、海軍省による契約番号Ｎ０００１９−９６−Ｃ−０１７６に従って本発明に関し所定の権利を有する。
【０００１】
【発明の背景】
【０００２】
【発明の分野】
本発明は全体的にガスタービンエンジンのタービンローターブレード及びステーターベーンの冷却空気回路、更に具体的に言えば、側壁インピンジメント冷却チャンバーに冷却空気を供給する蛇行冷却回路に関する。
【０００３】
【従来技術の説明】
ガスタービンエンジンは空気を圧縮する圧縮機を含み、この空気が燃焼器に通され、そこで燃料と混合され、点火されて燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは１段以上のタービンを下流側へ流れ、これらのタービンでエネルギーが抽出され圧縮機に動力を供給すると共に、例えば飛行中の航空機の動力源になるフアンを駆動する別の出力動力を発生する。タービン段は、ローターディスクの外周に固定された１列のタービンローターブレードを含み、複数のステーターベーンを有する静止タービンノズルがその上流側に配置されている。燃焼ガスはステーターベーンの間並びにタービンブレードの間を流れて、ローターディスクを回転させる為のエネルギーを抽出する。ガスタービン内の温度は２５００°Ｆを越えることがあり、タービンブレードの冷却はブレードの寿命の面で非常に重要である。冷却をしないと、タービンブレードは急速に劣化する。タービンブレードの冷却を改善することが非常に望ましく、タービン冷却技術の当業者によって、冷却作用を高める為に、タービンブレード内の内部の空所について形状の改善を工夫する多大な努力が傾けられている。燃焼ガスは高温であるから、タービンのベーン及びブレードは、この目的の為に圧縮機から分流された圧縮機空気の一部分を用いて冷却されるのが典型的である。圧縮機空気の一部分でも、燃焼器で使わないで転用することは、必然的にエンジンの全体的な効率を低下させる。従って、圧縮機分流空気を出来るだけ少なくして、ベーン及びブレードを冷却することが望ましい。
【０００４】
典型的なタービンベーン及びブレードは、エーロフォイルを含み、その上を燃焼ガスが流れる。典型的には、エーロフォイルはその中に１つ又は更に多くの蛇行冷却通路を含み、その中に圧縮機分流空気が通されて、エーロフォイルを冷却する。エーロフォイルは、冷却効果を高める為にその中に種々の乱流部材を含むことが出来、この冷却空気が通路から、エーロフォイルの外面に沿って配置された種々のフィルム冷却孔を介して吐出される。
【０００５】
典型的な回路途中の冷却空気は、蛇行通路で熱を吸収した後、フィルム冷却孔から出ていく。正圧面及び負圧面に１列以上のフィルム冷却孔が配置される。通抜け流量の小さいタービンの設計に使われる空気力学的な効率の高い新しいエーロフォイルは、正圧面に沿って、速度の低い外部ガス通路の流れを受ける。この結果、フィルム冷却孔のブローイング比（ガスの流れに対するフィルム冷却空気の質量流量比）が非常に高くなり、エーロフォイルの正圧面でのフィルム冷却効果が非常に悪くなる（フィルムブローオフ）。フィルム冷却空気を供給する少なくとも若干の空所の幾何学的な制約により、夫々の側の面からの角度が比較的浅いフィルム孔を正圧面及び負圧面の両方に使うことは出来ないか或いは困難である。一層大きな角度を使えば、フィルム冷却空気の多くは境界層の外へ流れ出すので、可成りの空気力学的な混合損失を招いて、フィルム冷却効果が不良になる。従って、エーロフォイルのこういう区域にフィルム冷却を使うことを避けて、エーロフォイル全体の有効で効率的なフィルム冷却及び対流冷却をもたらすような回路の設計を提供することが望ましい。
【０００６】
米国特許第５、６６０、５２４号、発明の名称「蛇行冷却回路及びインピンジメント冷却を有するエーロフォイルブレード」には、少なくとも外壁の一部分と一板板である４つの一板板の内壁によって区切られた最後の下流側の通路を有する内部蛇行冷却回路を備えたジェットエンジンタービンローターブレードのようなエーロフォイルブレードが開示されている。２つの内壁は外壁から隔たっていて、空気インピンジメントオリフィスを含んでおり、２つのインピンジメントチャンバーを作っている。蛇行回路内の若干の冷却材は、ブレード先端にある冷却材出口を介してエーロフォイルブレードから出ていく。回路内の残りの冷却材はインピンジメントオリフィスを通過し、外壁にあるフィルム冷却孔を介してブレードから出ていく。
【０００７】
米国特許第５、８１３、８３６号、発明の名称「タービンブレード」には、正圧面で側壁インピンジメント冷却を行う２重壁構造を有すると共に、ブレードの負圧面に沿って、タービンの中を後ろ向きに流れる高温ガスに対して冷却空気を前向きに流す、前向きに流れる多重パス蛇行冷却空気回路を有するエーロフォイル部分が開示されている。このエーロフォイル部分は、３回パス蛇行冷却回路から供給される複数の半径方向のフィルム冷却孔を有する前縁空所も含んでいる。冷却空気が通路に沿って流れるとき、それが、タービンブレードの内、これらの通路に隣接した部分を対流によって冷却する。更にこのエーロフォイル部分は、エーロフォイル部分の後縁の流れの領域を冷却する後縁空所を含む。複数のインピンジメント空所が正圧面の壁に設けられていて、インピンジメント孔は内側空所及びインピンジメント空所の蛇行通路からの冷却空気を供給する。多列の複合角度のフィルム孔がインピンジメント空所から延在していて、インピンジメント空所からの冷却空気をこのエーロフォイル部分から吐出することが出来るようにしている。この米国特許は、前縁空所が主に蛇行通路から供給を受けると共に、更新通路からの冷却空気流によって補足されて、前縁を冷却する為の変形のウォームブリッジ冷却回路を形成することを教示している。
【０００８】
公知のタービンエーロフォイル冷却技術は、蛇行冷却回路を形成する内部空所を使うことを含んでいる。特に、ブレードの冷却の為に、蛇行通路、前縁インピンジメントブリッジ、フィルム孔、ピン形ひれ及び後縁孔又は正圧面の分流溝孔が利用されている。改良されたブレードの冷却を提供することが望ましい。ブレードの冷却を更によくする際に、ブレードの製造コストを目立って増加することは避けることが望ましい。
【０００９】
【発明の要約】
ガスタービンエンジンの中空エーロフォイルは、エーロフォイルの翼弦方向に離隔した前縁と後縁で一つにつながった幅方向に離隔した正圧面と負圧面の壁を有していて、縦方向に根元から先端まで延在する。エーロフォイルの内側で、少なくとも１つの内部蛇行冷却回路が、内部蛇行冷却回路の縦方向に延在する蛇行流路の間に複数の縦方向に延在する内部リブを有している。蛇行冷却回路の末端は、入口より後方に配置されていて、蛇行回路内で、前縁から後縁まで後ろ向きに翼弦方向の流れの方向を有するようになっている。少なくとも１つの縦方向に延在する第１の側壁インピンジメントチャンバーは、エーロフォイル内の蛇行冷却回路と下流側で流体が連通していて、側壁の１つ及び蛇行冷却回路を区切る第１の内壁の間に配置されている。第１の内壁は、１つの蛇行流路と、側壁インピンジメントチャンバーの間にインピンジメント冷却開口を有することが好ましい。この１つの側壁は、正圧面の壁であってよく、第１の複数のフィルム冷却孔が第１の側壁インピンジメントチャンバーから正圧面の壁を通抜けていてよい。エーロフォイルは、蛇行冷却回路と下流側で流体が連通し、前記１つの側壁及び蛇行冷却回路を区切る第２の内壁の間に配置された縦方向に延在する第２の側壁インピンジメントチャンバーを含むことが好ましい。第１及び第２の側壁は一体で連続していてよい。第１のインピンジメント冷却開口は、１番目の蛇行流路及び第１の側壁インピンジメントチャンバーの間にあり、第２のインピンジメント冷却開口は２番目の蛇行流路及び第２の側壁インピンジメントチャンバーの間にある第２の内壁にあることが好ましい。エーロフォイルは、第１及び第２の側壁インピンジメントチャンバーの少なくとも一方から正圧面の壁を通る第１の複数の側壁フィルム冷却孔を有することが好ましい。
【００１０】
一つの具体的実施形態では、前縁及び後縁冷却高圧チャンバーは、前縁及び後縁に沿ってエーロフォイルに設けられ、夫々前縁及び後縁に沿って外壁に冷却空気吐出開口を有している。前縁冷却高圧チャンバーは、内部蛇行冷却回路の前方に配置された前側供給流路の前縁スパンリブを通る前縁供給開口を有し、複数の前縁冷却開口は前縁冷却高圧チャンバーから前縁に沿った外壁を通抜ける。後縁冷却高圧チャンバーは内部蛇行冷却回路の後方に配置された流路の後縁スパンリブを通る後縁供給開口を有し、複数の後縁冷却開口は後縁冷却高圧チャンバーから後縁にある外壁を通抜ける。前縁冷却開口はシャワーヘッドフィルム冷却孔であり、後縁冷却開口は後縁冷却溝孔であることが好ましい。インピンジメントチャンバーの内の少なくとも１つから延在する少なくとも１つの先端冷却孔を、エーロフォイルの先端の縦方向外側の先端壁内に配置することが出来る。
【００１１】
【発明の利点】
本発明は、他の場合に必要とするよりも使う冷却空気を少なくして、中空ガスタービンエーロフォイルの外壁の正圧面の壁の翼弦中央部分の冷却を可成り改善しながらも、エーロフォイルの先端を十分に冷却し、エーロフォイル先端金属の許容し得る温度をもたらすという利点がある。回路途中の冷却空気は正圧面の壁の熱負荷から隔離され、こうして最後の上向きパスの先端での温度を一層低温にし、先端の冷却を更によくする。本発明の下流側に向かって蛇行する回路の設計は、ブレードの１番高温の区域に１番低温の冷却空気を供給する。この冷却空気の温度は、従来の上流側に蛇行する回路の設計に於ける同じ流路及びチャンバー内の冷却空気の温度よりも、一層低温である、下流側に向かって蛇行する回路は、上流側に向かって蛇行する回路に比べて、スパン方向のリブ壁の平均温度が一層低温になり、その為、翼弦方向の冷却空気温度分布が全体として一層よくなると共に、エーロフォイルのバルク温度が更によくなって、エーロフォイル全体を一層よく冷却する。
【００１２】
インピンジメントチャンバーは、更に効率のよい追加の冷却能力を提供し、その為、必要とする全体の冷却空気が少なくてすみ、フィルム冷却もそれ程必要としなくなる。更に、下流側に向かう蛇行回路設計は、タービン中で外部ガスが翼弦方向又は下流側に膨張するときの外部ガスの圧力とよく一致し、調整された内部冷却空気圧力をもたらす。これは、フィルム冷却孔がそこから延在するインピンジメントチャンバーまで伝わる。この結果、ブレードに対する逆流余裕が一層よくなり、更によく熱伝達するには更に圧力を消費するという兼ね合いにより、内部冷却の可能性を一層最適に利用する。
【００１３】
前縁に一層接近した外壁部分は、従来よりも一層低温で一層新鮮な冷却空気によって冷却され、この領域に必要なフィルム冷却の量を少なくするかなくする。この結果、タービンの性能が一層よくなると共に、製造コストが一層安くなる。更に、後縁に一層近いフィルム冷却孔は、前縁に一層接近しているフィルム冷却孔よりも、面からの流れの角度を一層浅くすることが出来、その結果フィルム冷却効果が更によくなる。後縁に一層接近した外部ガス流速は、前縁に一層接近したエーロフォイル側壁に沿った部分に於けるよりも、一層高い速度に加速される。従って、この為、エーロフォイルの冷却は、外壁の内、前縁に一層接近した側の部分の伝導及び対流による冷却によりよく合わせることが出来、後縁に一層接近した側の部分に対しては、フィルム冷却孔を使うことが出来、そこでは孔が一層小さくなり、従ってブローイング比が更によくなり、フィルム冷却効果がよくなると共に、全体的な冷却効率がよくなる。
【００１４】
この他の利点としては、冷却材の側の伝熱係数が高くなると共に、外部フィルム流に対する計量能力が改善される。このように冷却が改善されることにより、先端冷却孔を介して一層低温の空気が吐出され、こうしてスクイーラ先端に対する冷却が改善される。
【００１５】
一般的に、下側スパンに於けるエーロフォイルの設計条件は、低下した金属温度に於ける高い応力レベルでの破壊の心配によって決まり、上側領域では、酸化及び疲労ひゞ割れの開始を避ける為の高い表面温度に対する心配によって決まる。本発明の下流側に向かって蛇行して流れ、側壁インピンジメントチャンバーを有する設計は、内部エーロフォイル冷却の流れ及びブレードの寿命をよりよく最適にする能力と共に、こういう必要性を取り上げるものである。
【００１６】
【詳しい説明】
本発明に特有と考えられる新規な特徴は特許請求の範囲に記載してあるが、本発明並びにその他の目的及び利点は、以下図面について更に具体的に説明する。
【００１７】
図１には、軸流の下流側の方向Ｆに流れる高温ガス流の中で運転されるように設計されたガスタービンエンジンに対する一例のタービンブレード１０が示されている。ブレード１０が中空エーロフォイル１２、及びエンジンの中心線１１の周りに外接するエンジンのローターディスク（図に示していない）にブレード１０を固定するのに使われる普通の根元１４を含む。図２−５にエーロフォイル１２の断面で更に示されているように、エーロフォイル１２が正圧面の壁１６及び負圧面の壁１８を有する外壁１５を含み、これらの壁が上流側の前縁２０及びこの前縁から翼弦方向に離隔した下流側の後縁２２に沿って一つにつながっている。エーロフォイル１２が、半径方向内側の基部２６から半径方向外側のエーロフォイル先端２８まで、エーロフォイルのスパンＳに沿って、エーロフォイル１２のスパン方向に、エンジンの中心線１１から遠ざかる半径方向２４の縦方向に延在する。エーロフォイル先端２８が、スクイーラ先端として示されている。このスクイーラ先端は、外壁１５から延在する外向き延長部、又はその中にスクイーラ先端空所１３を形成する先端外壁３１の周縁に沿って、そこから縦方向外向きに延在するスクイーラ壁２９を有している。中空エーロフォイル１２の内側からスクイーラ先端空所３３まで、先端外壁３１を通抜ける先端冷却孔５９を使って、先端空所を冷却する。内側の基部２６は、ブレード１０の流れの内側境界を形成し、その下方に根元１４が延在する普通のプラットフォーム３０のところに形成されている。
【００１８】
エーロフォイル２０は、エンジンの中心線１１に対する夫々第１、第２及び第３の翼弦線ＣＬ１、ＣＬ２、ＣＬ３の角度の変化によって示すように、スタッキング線ＳＬの周りに高度の捩れを有することがある。図２−４は、先端、スパン中央及びプラットフォームの場所、又はこれに対応して図１の線２−２、３−３及び４−４でとった第１、第２及び第３のエーロフォイル断面Ａ１、Ａ２及びＡ３を示している。エーロフォイル１２は、翼弦の角度が先端２８に於ける第１の翼弦の角度Ｂ１から、プラットフォーム３０に於ける第３の翼弦の角度Ｂ３まで変化するようにする捩れをも有することがある。第１、第２及び第３の翼弦の角度Ｂ１−Ｂ３が、前縁２０から後縁２２まで延在する第１、第２又は第３の翼弦線ＣＬ１−ＣＬ３のエンジンの中心線１１に対する対応する角度として定義される。捩れたエーロフォイルの異なるエーロフォイル区間は、典型的にはスタッキング線ＳＬの周りに角度を有する。スタッキング線ＳＬが円周方向並びに軸方向に湾曲していることがあり、夫々前縁及び後縁２０、２２も同様である、今日のタービンエーロフォイルは、典型的には、キャンバ線ＬＣで示すような高度の反りをも有する。
【００１９】
ブレード１０の動作中、燃焼ガス３２が燃焼器（図に示していない）によって発生され、外壁１５のエーロフォイル正圧面及び負圧面の壁１６、１８の両方の上を下流側へ流れる。典型的には、燃焼ガス３２の半径方向又は縦方向の温度分布は、第２の翼弦線ＣＬ２のような、エーロフォイルの約５０％から約８０％までのスパン中央の翼弦の上方のスパン中央領域の近くで、中心ピークを有する。隣接したエーロフォイル１２の間の２次的な流れの場により、温度分布が、エーロフォイル１２の半径方向の高さ又はスパンＳの約７０％から約８５％までの範囲に互り、エーロフォイルの正圧面の壁１６に互って半径方向外向きにシフトすることがある。従って、正圧面の壁１６は、７０％乃至８５％のスパン高さのスパン中央領域の上方で、最も大きな熱入力又は負荷を受ける。
【００２０】
本発明では、燃焼ガス３２からの熱負荷の分布に一層よく釣合わせるように、エーロフォイル１２の選択的な翼弦方向並びに半径方向又はスパン方向の冷却を行う。図面には、一例のガスタービンのローターブレード１０が示されているが、本発明は、同様なエーロフォイルを有するタービンベーンにも等しく用いられ、こういうエーロフォイルも、本発明に従って同様に冷却することが出来る。
【００２１】
更に具体的に言うと、正圧面及び負圧面の壁１６、１８が前縁及び後縁２０、２２の間で互いに円周方向又は横方向に隔たっていて、夫々正圧面及び負圧面の壁１６、１８の間を延在する、全体を３４で示した複数の内部横方向リブによって一体につながる。少なくとも若干の横方向リブ３４が、図５及び６に示すような少なくとも１つの蛇行冷却回路３６を構成する。図５のエーロフォイルの断面は、図４の同じ区間の拡大図であり、図６は、下流側又は後方に流れる蛇行冷却回路を通る冷却回路分割線３８に沿って平たくのばしたエーロフォイル１２を示している。蛇行冷却回路３６は冷却回路３６内の蛇行する冷却流３５が、冷却回路３６内で前縁２０から後縁２２まで後方に翼弦方向の流れの方向で流れるように構成されている。冷却回路３６が、末端３６Ｂより前方に配置された入口３６Ａを含み、蛇行冷却流３５が、前縁２０から後縁２２まで後方に翼弦方向の流れ方向４３に流れて、燃焼ガス３２から加わる熱負荷に一層よく釣合うようにすると共に、エーロフォイル１２に対する熱負荷に対して蛇行冷却流３５を一層効果的に調整し、エーロフォイルを更に効果的に冷却する。
【００２２】
蛇行冷却回路３６が、図６に示すように、翼弦方向に離隔した内部リブ３４によって分離された縦方向に延在する蛇行流路４０を含む。図６は翼弦方向に離隔した４つの内部リブ３４によって区切られた縦方向に延在する３つの蛇行流路４０を有する３回パス蛇行冷却回路３６を示しているが、更に多くの蛇行流路又はパスを用いてもよい。
【００２３】
図６に示す実施形態では、蛇行冷却回路３６が前縁２０及び後縁２２の間でエーロフォイル１２の翼弦中央領域Ｍ（図１にも全体的に示してある）に配置されているが、これは経験によると、エーロフォイル１２の最高の熱入力が、エーロフォイル先端２８近くの翼弦中央領域で、例えば正圧面の壁１６上にあることが判ったからである。明細書の冒頭で述べたように、燃焼ガス３２に対する中心ピークを有する温度分布は、半径方向の移動があるにしても、スパン高さの約７０％乃至約８５％の範囲内のエーロフォイル１２の正圧面の壁１６上に最高温度を生ずる。
【００２４】
更に蛇行冷却回路３６が１つの蛇行流路４０を含み、これは半径方向上向きに、半径方向外側の第１の旋回流路３７Ａまで延在する入口流路４０Ａとして作用する。次の流路は中間流路４０Ｂであり、これは冷却空気を半径方向内向きに半径方向内側の第２の旋回流路３７Ｂに差向け、この旋回流路３７Ｂが第３の蛇行流路に供給し、この第３の蛇行流路が末端出口流路４０Ｃとして作用し、半径方向上向きに延在して、先端外壁３１より半径方向内側の横方向横道リブ４５のところで終端し、その間に横方向通路４７を形成する。
【００２５】
中空エーロフォイル１２は、縦方向に延在する第１及び第２の側壁インピンジメントチャンバー６０、６２を有し、これらが、正圧面の壁１６と、蛇行冷却回路３６の夫々中間流路４０Ｂ及び出口流路４０Ｃを区切る第１及び第２の内壁５２及び５４との間に設けられている。夫々第１及び第２の内壁５２及び５４は、全体的に隣接する横方向リブ３４の間を延在する。冷却空気４２が、蛇行冷却回路３６にある蛇行冷却流３５からインピンジメント冷却開口５０によって夫々第１及び第２の側壁インピンジメントチャンバー６０及び６２に導入される。インピンジメント冷却開口５０が、前側の第１の側壁インピンジメントチャンバー６０に沿った一層高い熱入力負荷、並びに後側の第２の側壁インピンジメントチャンバー６２に沿った相対的にそれより低い熱入力負荷に対処するのに適当な分量の冷却空気４２を独立に計量し、第１及び第２の側壁インピンジメントチャンバーに沿った正圧面の壁１６のインピンジメント冷却を強める。図７は、夫々第１及び第２の側壁インピンジメントチャンバー６０及び６２を通るインピンジメントチャンバー分割線４９に沿って平たく延ばしたエーロフォイル１２を例示している。
【００２６】
第１及び第２の側壁インピンジメントチャンバー６０及び６２が、プラットフォーム３０の半径方向外側のプラットフォーム面３０Ｓの直ぐ下まで、半径方向内向きに延在する。第１の側壁インピンジメントチャンバー６０は半径方向外向きに延在して、先端外壁３１で終端する。先端外壁３１にある少なくとも１つの先端冷却孔５９が第１の側壁インピンジメントチャンバー６０から先端外壁３１を通抜ける。先端外壁、特にエーロフォイルのスクイーラ先端に先端冷却孔を使うことは周知である。第２のインピンジメント側壁チャンバー６２が半径方向外向きに延在して、先端外壁３１で終端すると共に、同じく先端外壁３１に先端冷却孔５９を有する。第１の側壁インピンジメントチャンバー６０と異なり、第２の側壁インピンジメントチャンバー６２は横方向延長部を有し、これが図８に更に詳しく示された横方向通路４７である。この横方向延長部が横方向横道リブ４５のところで末端チャンネル４０Ｃより半径方向外側にあり、先端外壁３１にある先端冷却孔５９を中心に位置ぎめしている。若干のインピンジメント冷却開口５０が、末端チャンネル４０Ｃから横方向通路４７へ冷却空気を差向けるように位置ぎめされている。第１及び第２の側壁インピンジメントチャンバー６０及び６２の半径方向外側端に先端冷却孔５９を配置することにより、スクイーラ形エーロフォイル先端２８に対する冷却空気の制御及び計量を更によくすることが出来る。
【００２７】
エーロフォイルスクイーラ先端が、夫々第１及び第２の側壁インピンジメントチャンバー６０及び６２から、並びに夫々前側及び後側供給流路４１Ａ及び４１Ｂからスクイーラ先端空所３３へ通ずる場所で、先端外壁３１にある先端冷却孔５９によって冷却される。先端外壁３１は、蛇行冷却回路の流路の外側の大部分、インピンジメントチャンバー及び高圧チャンバーのキャップにもなる。
【００２８】
本発明の好ましい実施形態では、夫々第１及び第２の内壁５２及び５４、夫々１番前側及び１番後側のスパンリブ７１及び７５、及び横方向リブ３４が外壁１５と一板板で鋳造されるが、本発明はこのような構成を必要としない。本発明の好ましい実施形態の別の特徴は、全ての内壁及びリブは夫々、そのスパン方向の全長に沿って、中心線１１に対して一定の角度で構成されていることである。この特徴が図２、３及び４に示されており、第１及び第２の内壁５２及び５４が、中心線１１に対して、夫々一定の第７及び第８のリブ角度Ｒ７及びＲ８に保たれ、１番前側及び１番後側のスパンリブ７１及び７５が中心線１１に対して夫々一定の第１及び第６のリブ角度Ｒ１及びＲ６に保たれ、４つの横方向リブ３４が中心線１１に対して、夫々下流側に引続いて一定の第２、第３、第４及び第５のリブ角度Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４及びＲ５に保たれている。エーロフォイル１２の内壁及びリブを一板板に鋳造することは、エーロフォイル１２を鋳造するコスト及び複雑さを少なくするように設計されている。こういう特徴により、鋳型集成体から一体の中子を作ることが出来る。この一定のリブ角度という特徴は、真っ直ぐな並びに捩れたエーロフォイルに対するものであると共に、スタッキング線ＳＬが軸方向並びに／又は円周方向に湾曲しているように軸方向並びに／又は円周方向に湾曲したエーロフォイルに対するものである。
【００２９】
リブ角度を一定に保つと共に捩れエーロフォイル２０を使う結果として、第１の内壁５２が、特に図２に更によく示されているように、エーロフォイル先端２８の周りにあるエーロフォイル１２の部分で、夫々正圧面及び負圧面の壁１６及び１８の間を延在する。これによって、冷却流３５との干渉又はその妨害を防ぐのに十分な区域が外側の第１の旋回流路３７Ａのところに得られる。好ましい実施形態の中空エーロフォイル１２は３回パス形の蛇行冷却回路３６及び２つのインピンジメントチャンバーの場合を示してあるが、この他の変形、特に、３回よりも多くのパスを有し、従って蛇行流路４０が３つよりも多い蛇行冷却回路３６並びに２つ又は更に多くのインピンジメントチャンバーも用いることが出来る。
【００３０】
前縁冷却高圧チャンバー７０が１番前側のスパンリブ７１（これは前縁ブリッジとも呼ぶ）及び外壁１５の前縁２０の間に形成される。後縁冷却高圧チャンバー７２が１番後側のスパンリブ７５及び外壁１５の後縁２２の間に形成される。１番前側のスパンリブ７１にある冷却空気吐出開口７４が前側供給流路４１Ａからの冷却空気を前縁冷却高圧チャンバー７０に供給し、そこから冷却空気が普通の前縁シャワーヘッド冷却孔４４に流れる。１番後側のスパンリブ７５にある冷却空気吐出開口７４は、後縁２２のインピンジメント冷却をするように設計することが好ましいが、後側供給流路４１Ｂからの冷却空気を後縁冷却高圧チャンバー７２に供給し、そこから冷却空気が、図示のように、好ましくは冷却溝孔４６の形をした普通の後縁冷却開口に流れる。これは、夫々前縁及び後縁２０、２２を冷却する為に使われる。
【００３１】
エーロフォイルは、外壁１５の正圧面及び負圧面の壁１６、１８の両方に沿ってフィルム冷却孔４８を有し得る。フィルム冷却孔４８が、前縁及び後縁２０、２２の間のエーロフォイルの翼弦中央部分に沿って外壁１５に設けられる。フィルム冷却孔４８は、エンジンの中心線１１に対して下流側並びに半径方向外向きに複合角度にすることが好ましく、第１及び第２の側壁インピンジメントチャンバー６０、６２から外壁１５を通る。別の特定の実施形態では、特に図面に示していないが、エーロフォイル１２は、正圧面の壁１６だけにフィルム冷却孔を設け、負圧面の壁１８にフィルム冷却孔を設けなくてもよい。
【００３２】
本発明は、インピンジメントチャンバーに隣接する外壁１５の特に高温の部分のインピンジメント冷却の為、並びにフィルム冷却の為に使われる冷却空気を供給する。インピンジメント冷却は非常に効率がよく、蛇行冷却流３５を後方又は下流側の方向に流すことにより、正圧面の壁１６のより上流側にあってより高温の部分に沿って、蛇行冷却回路３６内の比較的可成り低温の冷却空気を使い、こうしてエーロフォイルの冷却効率を最大にすることが出来る。これによって、蛇行冷却回路３６の蛇行冷却流３５として使われる冷却空気４２の量を、この領域に於ける熱入力負荷に対処するのに必要な分だけに減らすことが出来る。蛇行冷却回路３６内の蛇行冷却流３５から第１及び第２の側壁インピンジメントチャンバー６０、６２に導入される冷却空気４２は、より前側の第１の側壁インピンジメントチャンバー６０に沿った一層高い熱負荷入力、並びにより後方にある第２の側壁インピンジメントチャンバー６２に沿った相対的に一層少ない熱入力負荷に対処するのに適当な量の冷却空気４２を供給するように、独立に計量することが出来る。こうすると、従来行われていたように、それらの領域の過冷却をせずに、そういうことが出来る場合はより少ない合計の冷却空気４２を使って、エーロフォイルの軸方向又は翼弦方向にエーロフォイル１２を選択的に冷却することが出来る。従って、冷却空気４２がより効率的に使われ、圧縮機から分流される冷却空気がより少なくなり、ガスタービンエンジンの全体的な動作効率を高める。
【００３３】
エーロフォイル１２は、周知の乱流部材又はピン（図に示していない）のような冷却作用を強めるこの他の任意の普通の特徴を有していてもよい。技術としては周知の熱障壁被覆ＴＢＣを使って、エーロフォイル１２の熱特性を改善することが出来る。
【００３４】
本発明を図面に示した一例のタービンブレード１０について説明したが、本発明は同様なエーロフォイルを有するタービンノズル翼にも使うことが出来、これも、燃焼ガス３２の半径方向に加わる温度分布に一層よく釣合うように選択的なスパン方向の冷却の利点を享受することが出来る。後方に流れる蛇行冷却回路３６及び第１及び第２の側壁インピンジメントチャンバー６０、６２は、普通の多重パス蛇行通路に使われる従来の鋳造方法を用いて、容易に製造することが出来る。
【００３５】
本発明の好ましい実施形態と考えられるものを説明したが、以上の説明から、当業者には、本発明のこの他の変更は明らかであろう。従って、特許請求の範囲は、本発明の範囲内に属するこのようなすべての変更を包括することを承知されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエーロフォイルを用いたガスタービンエンジンのタービンローターブレードの斜視図。
【図２】図１のエーロフォイルを線２−２で切ったエーロフォイル先端の簡略断面図。
【図３】図１のエーロフォイルを線３−３で切ったエーロフォイルのスパン中央部の簡略断面図。
【図４】図１のエーロフォイルを線４−４で切ったエーロフォイルのハブの簡略断面図。
【図５】図４のエーロフォイルの拡大断面図。
【図６】一例のガスタービンエンジンのエーロフォイルをその内部の下流側に向かって流れる蛇行冷却回路の中心線に沿って平たく延ばした断面図。
【図７】下流側に向かって流れる蛇行冷却回路から供給されるインピンジメント冷却チャンバーの中心線に沿って平たく延ばした、エーロフォイルを図５の線７−７で切った断面図。
【図８】エーロフォイルの先端部分を図５の線８−８で切った簡略断面図。
【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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【図８】
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