(57)【要約】ガスタービンロータの受動冷却式ブレードプラットフォーム１６は、静止した冷却流体内で中心軸を中心とした回転に適応している。プラットフォーム１６は、環状のガス経路を画定する半径方向外側面と、冷却流体と連通している半径方向内側面と、前縁部１７と、内側面に少なくとも１つの冷却流チャネル２３，２４，２５を備えた後縁部１８とを有する。各チャネルは、チャネル入口２６，２７，２８からチャネル出口２９，３０，３１までの流路を有し、回転方向と反対方向の接線成分を入口２６，２７，２８において有し、軸方向成分を出口２９，３０，３１において有する。チャネルは、冷却流体の流れを導き、かつ乱流を起こすためプラットフォーム内側面から半径方向内側に延在しているリブ１９、２０またはペデスタル２２により画定されている。リブ１９，２０は、プラットフォーム１６を構造的に強化し、ペデスタル２２とともに、冷却流体の流れにさらされプラットフォーム１６から熱を分散する機能を持つ。
2006504024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静止した冷却流体内で中心軸を中心とした一方への回転に適応したガスタービンロータの受動冷却式ブレードプラットフォームであって、
環状ガス経路を画定する半径方向外側面と、
上記冷却流体と連通している半径方向内側面と、
前縁部と、
上記内側面に少なくとも１つの冷却流チャネルを有する後縁部と、
を備える受動冷却式ブレードプラットフォーム。
【請求項２】
各チャネルが、チャネル入口からチャネル出口までの流路を有し、上記流路が上記入口において上記回転方向と反対方向の接線成分を有し、上記出口において軸方向成分を有することを特徴とする請求項１に記載の受動冷却式ブレードプラットフォーム。
【請求項３】
各チャネルが、チャネルの境界に配列した流体の流れに対する障壁により画定されることを特徴とする請求項１に記載の受動冷却式ブレードプラットフォーム。
【請求項４】
上記障壁が、上記プラットフォームの上記内側面から半径方向内側に突き出ている細長いリブであることを特徴とする請求項３に記載の受動冷却式ブレードプラットフォーム。
【請求項５】
上記障壁が、上記プラットフォームの上記内側面から半径方向内側に突き出ている複数のペデスタルであることを特徴とする請求項３に記載の受動冷却式ブレードプラットフォーム。
【請求項６】
上記チャネルが、上記プラットフォームの上記内側面から半径方向内側に突き出ている乱流誘発物を含むことを特徴とする請求項１に記載の受動冷却式ブレードプラットフォーム。
【請求項７】
上記プラットフォームの上記内側面が、上記プラットフォームの上記内側面から半径方向内側に突き出ている、軸方向に延在する細長い突条部を含むことを特徴とする請求項１に記載の受動冷却式ブレードプラットフォーム。
【請求項８】
上記チャネルが、上記突条部の高さより高い障壁により画定されることを特徴とする請求項７に記載の受動冷却式ブレードプラットフォーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周辺の相対的に静止した冷却流体から冷却流体の流れを案内する冷却チャネルを内側面に備えたガスタービンロータ用受動冷却式ブレードプラットフォームに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンでは、エンジン部品を圧縮冷却空気流で冷却するため、圧縮機で生成された圧縮空気の一部をタービンブレードやブレードプラットフォームなどを通して利用している。使用された冷却空気は、最終的に高温ガス流路の流れと再合流し、排気ガスとしてエンジンから排出される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、いくつかの例において、強制的な圧縮空気冷却を利用することは、不可能であり、あるいは、エンジン効率に望ましくない悪影響を与える場合がある。本発明は、積極的または強制的な冷却流とは対照的な、相対的に静止した冷媒中で高温のエンジン部品を動かし、それにより相対的な流体の流れおよび冷却効果を引き起こす受動冷却に関する。受動冷却の一用途としては、相対的に静止した多量の冷却空気中でタービンブレードが回転する間、タービンブレードのブレードプラットフォームのリップ部を冷却することである。
【０００４】
ドッド（Ｄｏｄｄ）による米国特許第６０６５９３２号では、タービンブレードプラットフォームの底面から使用済み冷媒を排出し、かつ熱の滞留を防ぐため、タービンの回転を利用する実施例を開示している。この実施例では、十分な減圧をもたらすためタービンの動きを利用し、使用済み冷媒を排出し、プラットフォーム領域を通る冷媒の流れを維持している。
【０００５】
ゼレスキー（Ｚｅｌｅｓｋｙ）による米国特許第５８００１２４号では、ブレードプラットフォームの底面で方向づけられた冷却空気流の一部を利用するタービンブレードプラットフォーム後縁リップ部の強制的な空気冷却を開示している。
【０００６】
本発明の目的は、ブレードプラットフォームの受動冷却を提供し、強制的な冷媒を利用する必要性をなくし、より効率的な冷却によりブレードプラットフォームの寿命を延ばすことである。
【０００７】
本発明のさらなる目的は、本発明の開示、図面および説明により明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、静止した冷却流体中で中心軸を中心とした回転に適応したガスタービンロータの受動冷却式ブレードプラットフォームを提供する。プラットフォームは、環状のガス経路を画定する半径方向外側面と、冷却流体と連通している半径方向内側面と、前縁部と、内側面に少なくとも１つの冷却流チャネルを備えた後縁部とを有する。各チャネルは、チャネル入口からチャネル出口までの流路を有し、入口において回転方向と反対の接線成分を、出口において軸方向成分を有する。チャネルは、プラットフォーム内側面から半径方向内側に延びているリブまたはペデスタルにより画定されており、それにより冷却流体の流れを方向づけ、乱流を起こす。リブは、プラットフォームを構造的に強化し、かつペデスタルとともに冷却流体の流れにさらされプラットフォームから熱を分散するように機能する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１には、ターボファンガスタービンエンジンの軸方向断面図が示されている。しかし、本発明が、圧縮機およびタービン部を備えるあらゆる形式のエンジン（ターボシャフト型、ターボプロップ型または補助動力装置など）にも同様に適用されることを理解されたい。エンジンへの吸入空気は、ファンケース２内のファンブレード１を通過し、次いで、バイパスダクト３を通る環状外部流と、低圧軸流圧縮機４および高圧遠心圧縮機５を通る内部流に分かれる。圧縮空気は、ディフューザ６を通って圧縮機５から流出し、燃焼室８を取り囲むプレナム７内に収容される。燃料は、燃料チューブ９を通り、燃焼室８に供給され、ノズルから燃焼室８に噴射されてプレナム７からの空気と混合され、この混合気が点火される。プレナム７内の圧縮空気の一部は、側壁のオリフィスから燃焼室８に流入し、燃焼室の壁面に亘って冷却空気の幕を作る。つまり、圧縮空気の一部は、冷却に使用され、最終的に燃焼室からの高温ガスと混合され、ノズルガイドベーン１０およびタービン１１を通り、排気ガスとしてエンジンの最後尾から排出される。
【００１０】
低圧軸流圧縮機４および高圧遠心圧縮機５で作られた圧縮空気の一部は、当業者に周知の方法で、ブリードされ、かつノズルガイドベーン１０およびタービン１１を含むエンジンコアの高温部の圧縮空気冷却に利用される。冷却用の圧縮空気は、エンジン内の通過に伴い、燃焼室８から流出した高温ガスと最終的に再び混合し、エンジンから排出される。明らかになることであるが、圧縮空気を冷却に利用することは、効率的ではない。エネルギーは、圧縮された冷却空気を発生させるために利用される。この圧縮された冷却空気は、タービンからの出力エネルギーを生成するためには直接使用されない。さらに、冷却空気を案内かつ供給することにより、エネルギーが損失するとともに、エンジンの重量および複雑性が増す。受動冷却方法が利用できるエンジン領域は多少限定されてしまうが、上記の理由により、可能であれば、受動冷却を用いることが好ましい。
【００１１】
本発明は、半径方向外側面が高温ガスにされされるとともに、圧縮された冷却空気と連通する半径方向内側面を有するブレードプラットフォームの前縁部および後縁部の冷却に関する。ガスタービンロータが、エンジン軸を中心に回転する際、ブレードプラットフォームの前縁部および後縁部は（エンジン形態によって異なるが）、ブレードプラットフォームの半径方向内側面の相対的に静止した多量の冷媒にさらされる。
【００１２】
図２では、タービンブレード１２を備えるタービン１１が詳細に図示されている。タービンブレード１２には、タービンロータハブ１５の接合スロット１４に滑べり込ませて通常挿入されているブレードルート部１３が含まれる。ブレードプラットフォーム１６は、前縁部１７および後縁部１８を備える。典型的な配列においては、圧縮機４，５からの圧縮空気を伴い、この圧縮空気は、タービンロータハブ１５の内部チャネル（図示せず）に送られ、次いで、冷却用にブレードルート部１３およびブレード１２内のチャネルに送りこまれる。冷却空気は、ブレード１２から後縁開口部を通り流出し、高温ガス経路に再合流する。
【００１３】
プラットフォーム１６に関しては、通常、ブレードルート部１３およびブレード１２を循環する空気の一部も、プラットフォーム１６内の冷却チャネルを通り吹き付けられるか、あるいは方向づけられ、冷却のため後縁部１８または前縁部１７を通り排出される。
【００１４】
しかし、相対的な薄い構造および高温ガス経路の高温ガスに直接露出しているため、後縁部１８および前縁部１７の冷却は困難であることが理解されよう。本発明では、一例として、後縁部１８の受動冷却を提供する。タービン１１が相対的に静止している多量の相対的に冷却された圧縮空気中で高速回転する同様の方法で、前縁部１７を冷却できることが理解されよう。
【００１５】
図４では、図３と共に後縁部１８が図示されている。後縁部１８は、第１リブ１９、第２リブ２０、軸方向に延在する細長い突条部２１および一連のペデスタル２２を備え、これにより、以下で詳細に説明するように、後縁部１８の内面に亘る冷却流体の流れが方向付けられる。
【００１６】
例示されている実施例において、第１リブ１９、第２リブ２０および突条部２１は、単に長方形の断面形状を有する冷却流に対する細長い障壁であり、ペデスタル２２は、後縁部１８の内面から半径方向内側に延びている円筒型の突起として例示されている。しかし、設計者が望む冷却流および乱流特性に応じて、リブ１９，２０、突条部２１およびペデスタル２２の別形態を備えることができる。
【００１７】
図４において、矢印は、タービンロータの回転方向を示し、後縁部１８の複数の矢印は、後縁部１８を通過する上記回転の結果生じた冷却流を示している。
【００１８】
開示されている実施例において、リブ１９，２０、突条部２１およびペデスタル２２により強制された空気流に対する障壁により、後縁部１８の内面の冷却流チャネル２４，２５，２６、すなわち第１チャネル２３、第２チャネル２４および第３チャネル２５に、後縁部は分割されている。各チャネル２３，２４，２５は、それぞれ矢印で示されているチャネル入口２６，２７，２８からチャネル出口２９，３０，３１までの流路を有する。各チャネル２３，２４，２５を通る流路は、矢印３２で示された回転方向と反対方向の接線成分をチャネル入口２６，２７，２８において有し、軸方向成分をチャネル出口２９，３０，３１において有する。リブ１９，２０、ペデスタル２２および突条部２１は、冷却流を軸方向に方向付け、小さいが積極的なポンプ作用を確実にし、冷却流が流路に沿って後縁部１８に向かうように案内する。
【００１９】
したがって、チャネル２３，２４，２５の境界に配列されたリブ１９，２０、突条部２１およびペデスタル２２など、流体の流れに対する種々の障壁により、各チャネル２３，２４，２５は画定される。リブ１９，２０およびペデスタル２２は、後縁プラットフォーム１６の内側面から半径方向内側に突き出ており、図４の矢印で示されているように冷却流を案内する。ペデスタル２２および突条部２１は、また、乱流を誘発するように機能する。後縁部１８の高温コーナ部３３に対しトリップストリップ冷却効果を生じさせるため、細長い突条部２１はリブ１９，２０の高さより低いことが望ましい。突条部２１を超えて流れる空気は、波状的な乱流として高温コーナ部３３に衝突し、それにより熱移動が向上する。
【００２０】
後縁部１８または前縁部１７の特定領域において必要とされる冷却の程度に応じて、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、ペデスタル２２、突条部２１およびリブ１９，２０の異なる方向や数を決めることができることは明らかであろう。軸方向に延びている細長い突条部２１を備え、高温コーナ部３３の冷却を改善するためにトリップストリップで乱流を生じさせることにより、高温コーナ部３３に特化された冷却を提供するという一例を説明してきた。
【００２１】
図４で示されている実施例において、空気流は、三つの主要なチャネル２３，２４，２５に分割され、各チャネルでは、冷却空気流は特有の形態を有する。第１チャネル２３には、相対的に大きな入口２６が設けられており、第１リブ１９の曲線により、接線方向の入口から軸方向の出口２９へと空気が送り込まるとともに、空気流の方向が変わる。第２チャネル２４への空気流の一部は、入口２７のペデスタル２２を通過した後、第２入口２７を通り流入する。第１チャネル２３からの空気流の一部は、第１リブ１９を超えて流出し、第２チャネル２４の空気と合流して第２リブ２０により軸方向に導かれる。第３チャネル２５において、空気流は、第３入口２８から進み、一連のペデスタル２２を通り案内され、突条部２１を超えて通過するか、あるいは第３出口３１から軸方向に流出する。突条部２１およびリブ１９，２０を設けることの構造的な効果として、後縁部１８が強化されるということも明らかであろう。また、熱力学の観点から、後縁部１８の固まり部分から冷却空気流中に突出したペデスタル２２、リブ１９，２０および突条部２１の突起により、優れた冷却および熱移動がもたらされる。それはつまり、ペデスタル２２、突条部２１およびリブ１９，２０が、後縁部１８のより大きな固まり部分から熱を分散し、移動させるヒートシンクとして機能するためである。
【００２２】
現在発明者が企図しているように特定の好ましい実施形態に関して上記で説明してきたが、本発明は、本明細書に記載された要素と機械的および機能的に同等なものを含むことが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】受動冷却の用途が適応される高圧タービンなど、一般的な構成部品の場所を示している典型的なターボファンガスタービンエンジンの軸方向断面図。
【図２】タービンロータ内のスロットに取り付けられたブレードプラットフォームを備える２つのブレードの後面斜視図。
【図３】ブレードプラットフォームの前縁部および後縁部を詳細に示しているブレードプラットフォームの軸方向断面図。
【図４】前述の冷媒の流れを作る細長いリブおよび円筒型ペデスタルを備えるとともに、受動冷却の特徴を表している、図３の４−４線に沿ったブレードプラットフォームの詳細な底面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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