(57)【要約】【課題】タービンエーロフォイルの冷却構成を、その耐久性および寿命をさらに改善するためにさらに改善すること。【解決手段】タービンエーロフォイル（１６）は、翼幅方向に延び、リブ（３６）によって分離されるフローチャネル（１〜１２）を画定するために離隔された圧力および吸引側壁（２２、２４）を備える。側部チャネル（１、３、５、８〜１０）が、一方の側壁（２２、２４）に沿って配置され、リブ（３６）によって対向する側壁（２２、２４）から離隔されており、中央チャネル（２、４）が側壁（２２、２４）を架橋する。側部および中央チャネル（１〜５）は、側壁（２２、２４）から中央チャネル（２、４）内へ熱を伝達するために、それらの間で交番するジグザグに曲がった冷却回路内に配置されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持ダブテイル（２０）と接合されたプラットホーム（１８）に根部（３０）で接合されたエーロフォイル（１６）を備え、
前記エーロフォイル（１６）が、前記エーロフォイルの圧力側壁（２２）に沿って内側に、かつ前記エーロフォイルの前縁で第２のインピンジメント回路（６〜７）の翼弦方向後方に部分的に配置され、対向する吸引側壁（２４）に沿って内側に配置された第３のシア回路（８〜１２）の横方向後方に配置されているジグザグに曲がった第１の回路（１〜５）を備える３つの独立した冷却回路を有し、
前記第１の回路が、前記圧力および吸引側壁（２２、２４）を架橋する中央フローチャネル（２）と交番する前記圧力側壁（２２）に沿った複数の側部フローチャネル（１、３）を備える
タービンブレード（１４）。
【請求項２】
前記エーロフォイル（１６）は、前記エーロフォイル（１６）の前記根部（３０）から外側先端部（３２）へ翼幅方向に延びる前記３つの回路の対応するフローチャネル（１〜１２）を画定する複数のリブ（３６）を備え、かつ、
前記３つの回路のそれぞれが、前記エーロフォイル（１６）の最大の幅内で前記前縁（２６）の後方で互いに直接グループ化された、対応する取入フローチャネル（１、６、８）と、前記側壁（２２、２４）を通る各排出孔（４４、５０）とを備え、前記取入チャネルが、冷却空気（３８）を受けるために、前記プラットホーム（１８）およびダブテイル（２０）を通ってその底部へ延びる
請求項１記載のブレード。
【請求項３】
前記リブ（３６）が、外側接点（４０）で前記側壁（２２、２４）を接合し、内側接点（４２）で互いに接合するためにそこから内側へ延びており、かつ前記中央チャネル（２、４）が、対応する内側接点と外側接点（４０、４２）との間の前記側部チャネル（１、３、５）と流体的に連絡して接合する請求項２記載のブレード。
【請求項４】
前記リブ（３６）が、対応する外側接点（４０）で前記側壁（２２、２４）を接合するために外向きに対で斜めに延び、かつ対応する内側接点（４２）で互いに接合するために前記側壁（２２、２４）から内向きに延びている請求項３記載のブレード。
【請求項５】
前記曲がった回路（１〜３）が、中央第２のチャネル（２）によってさらに追従され、やはり前記圧力側壁（２２）の内側に配置された側部の第３のチャネル（３）によってさらに追従される、前記圧力側壁（２２）の内側に配置された側部の第１のチャネル（１）を備えるスリーパス回路で構成されている請求項４記載のブレード。
【請求項６】
前記中央チャネル（２、４）が、前記外側接点（４０）のうちの２つによって対向する側壁（２２、２４）と接合され、かつ前記内側接点（４２）のうちの２つのよって互いに接合された前記リブ（３６）のうちの４本によって画定される請求項５記載のブレード。
【請求項７】
前記中央チャネル（２、４）が、前記側壁（２２、２４）を架橋するほぼダイヤモンド形状を有し、
前記側部チャネル（１、３）が、前記外側接点（４０）を架橋する底辺と、前記内側接点（４２）の頂点を備える三角形形状を有する請求項６記載のブレード。
【請求項８】
前記曲がった回路（１〜５）が、前記第３のチャネルをさらに追従する中央の第４のチャネル（４）と、前記第４のチャネル（４）をさらに追従する側部の第５のチャネル（５）をさらに備える５パス回路（１〜５）で構成されている請求項７記載のブレード。
【請求項９】
前記第２の回路が、前記エーロフォイル（１６）内部から前記前縁（２６）をインピンジメント冷却するために、孔開きリブ（３６）によって分離された２つのフローチャネル（６、７）を備える請求項８記載のブレード。
【請求項１０】
前記第３の回路が、前記第２の回路（６〜７）と前記後縁（２８）との間に前記第１の回路（１〜５）の横方向および翼弦方向後方に配置された５つのフローチャネル（８〜１２）を備え、
前記第３の回路内の前記リブ（３６）が、前記吸引側壁（２４）との接合部で冷却シア孔（４８）の対応する列を備える請求項９記載のブレード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、ガスタービンエンジン、より具体的にはタービンエーロフォイルの冷却に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンでは、空気が、圧縮機内で圧縮され、高温の燃焼ガスを発生させるために燃焼器内で燃料と混合される。エネルギーが、低圧タービン（ＬＰＴ）によってさらに追従される高圧タービン（ＨＰＴ）内のガスから抽出される。ＨＰＴは圧縮機を駆動し、ＬＰＴは、典型的なターボファン航空機エンジンの用途で上流のファンを駆動する。
【０００３】
ＨＰＴは、最初に、最高温度の燃焼ガスを燃焼器から受け入れ、その適切な使用寿命を確実にするために適切に冷却されなければならない。タービンステージは、そこから燃焼ガスを最初に受け入れ、ガイドするために燃焼器の出口に配置されたタービンステータノズルを備える。ノズルは、外帯と内帯との間に装着された中空の静翼の列を備える。
【０００４】
ノズル翼は、燃焼ガスを、支持ロータディスクから半径方向外向きに延びるタービンの動翼の第１ステージを通って方向付ける。各タービンブレードは、その上を燃焼ガスが流れるエーロフォイルを備え、エーロフォイルの根元に配置されたプラットホームによって画定されている。プラットホームは、支持ロータディスクの周縁内に形成された対応するダブテイルスロット内の個々のタービン翼に装着された支持ダブテイルと接合される。
【０００５】
静翼および動翼の両方は、中空であり、動作中、高温の燃焼ガスによって発生される高い熱荷重に対してこれらの構成要素を冷却するために、圧縮機から抽気された圧縮空気を通すための対応する冷却回路をその中に備える。
【０００６】
ノズル翼およびタービンブレードの対応するエーロフォイル形状は、その特殊化された空気力学的性能のために異なる。また、翼およびブレードは、ステータノズルおよびロータディスク内でのそれらの異なる動作のために異なるように構成され、異なるように装着される。
【０００７】
したがって、ノズル翼および動翼に対するタービンエーロフォイル冷却の従来技術は、その様々な形状にわたってその冷却性能を最大にするために、翼とブレードとの間の基本的な差異およびガスタービンエンジン内でのそれらの動作環境に対処するには、極めて込み入っており、複雑かつ難解である。
【０００８】
ノズル翼およびタービンブレードの両方の典型的なエーロフォイルは、ほぼ凹型の圧力側と、対向する前縁と後縁との間に翼弦方向に延び、かつその長手方向翼幅を横切って半径方向に延びる、対向するほぼ凸型の吸引側とを備える。各ノズル翼は、その対向する半径方向端部で、対応する外帯および内帯に装着されている。各タービンブレードは、そのダブテイル端部で、ロータディスクの周縁に装着され、エーロフォイルの半径方向外側先端部が、周囲のタービンシュラウドに密接して自由に延びている。
【０００９】
したがって、ノズル翼およびタービンブレードは、それを通って流される制限された圧縮器抽気の冷却性能を最大にするために、その異なる形状および異なる動作環境のために、その中に異なる冷却回路を必要とする。また、タービンブレードは、冷却空気への遠心力、および回転中のブレードを内側に転向させる二次的な流れの方向による二次的なコリオリ力を導入する、動作中の回転という追加の厄介な問題を経験する。
【００１０】
それにもかかわらず、ノズル翼およびタービンブレードは、半径方向に延びる流通路、熱伝達のための内部攪拌器、圧力側壁または吸引側壁、またはその両方を覆って複数の半径方向の行または列に配置された膜冷却孔、および使用済みの冷却空気を排出するための追加の後縁排出口などの、類似の冷却装置を共有している。
【００１１】
膜冷却は、周囲の高温の燃焼ガスから保護するためにエーロフォイルの外部表面を覆う熱的に絶縁する空気ブランケットを提供する薄膜内で、エーロフォイルの内部から冷却空気が排出される、一般的な冷却操作である。
【００１２】
対応するエーロフォイルの内側で、インピンジメント冷却技術が、エーロフォイルの外側で見出される高い熱荷重に対して、エーロフォイルの内部表面の選択された位置をインピンジメント冷却するために提供されてもよい。また、エーロフォイル内の様々な冷却回路は、その前縁と後縁との間の、異なる圧力側壁および吸引側壁に沿ったエーロフォイルの異なる部分のために特に専用の独立な回路で通常構成される。
【００１３】
対応するフローチャネルを画定するエーロフォイル内の内側分割リブが、フローチャネルを通って流される冷却空気によってそれ自体冷却される。エーロフォイルの圧力側壁および吸引側壁は、外部の高温の燃焼ガスを直接受け、このことがこれらを上昇した温度で動作させる。
【００１４】
逆に、内側リブは、側壁自体によって外部の燃焼ガスから保護され、かなり低い温度で動作する。
【００１５】
したがって、エーロフォイルの外側側壁と、それらの内側リブの異なる動作温度は、それらの間に異なる温度をそれに対応して生じさせ、さらに熱応力を生じさせる。
【００１６】
ノズル翼およびタービンブレードの両方は、このような異なる熱応力、ならびに燃焼ガス自体の圧力による追加の応力を受ける。また、タービンブレードは、動作中ブレードを回転させることによる遠心応力を追加で受ける。
【００１７】
したがって、タービンノズル翼および動翼の設計は、対向する圧力および吸引側に実質上わたって、その前縁と後縁との間の翼弦方向、および長手方向翼幅にわたる半径方向の両方で変動する温度および応力分布により、かなり複雑である。
【００１８】
また、温度および応力もまた、各エーロフォイル内で様々なフローチャネルおよび流回路を画定するその中の対応するリブに沿って各タービンエーロフォイルの内部で複雑な分布で変動する。
【００１９】
したがって、個々のタービンエーロフォイルの耐久性および寿命が、外側および内側の両方でエーロフォイルの複雑な形状の至るところで示される最高温度および最大応力によって制限される、このことは、ガスタービンエンジン内での延長された動作での熱疲労損傷の蓄積に至る。
【特許文献１】米国特許第５１５６５２６号公報
【特許文献２】米国特許第５１６５８５２号公報
【特許文献３】米国特許第５２４６３４０号公報
【特許文献４】米国特許第５３５６２６５号公報
【特許文献５】米国特許第５３８７０８５号公報
【特許文献６】米国特許第５４８４２５８号公報
【特許文献７】米国特許第５５９１００７号公報
【特許文献８】米国特許第５６０３６０６号公報
【特許文献９】米国特許第５６６０５２４号公報
【特許文献１０】米国特許第５６９０４７２号公報
【特許文献１１】米国特許第５７０４７６３号公報
【特許文献１２】米国特許出願第１０／８２４２８３号
【特許文献１３】米国特許第５８１３８３５号公報
【特許文献１４】米国特許第５８２９３３７号公報
【特許文献１５】米国特許第５９６７７５２号公報
【特許文献１６】米国特許第６１２６３９６号公報
【特許文献１７】米国特許第６１６８３８１号公報
【特許文献１８】米国特許第６１８３１９８号公報
【特許文献１９】米国特許第６８３２８８９号公報
【特許文献２０】米国特許第２００５／０１１１９７７Ａ１号
【特許文献２１】米国特許第２００５／０２２６７２６Ａ１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
したがって、タービンエーロフォイルの冷却構成を、その耐久性および寿命をさらに改善するためにさらに改善することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
タービンエーロフォイルは、翼幅方向に延び、リブによって分離されるフローチャネルを画定するために離隔された圧力側壁および吸引側壁を備える。側部チャネルが、一方の側壁に沿って配置され、リブによって対向する側壁から離隔されており、中央チャネルが側壁を架橋する。側部および中央チャネルは、側壁からの中央チャネル内へ熱を伝達するために、それらの間で交番するジグザグに曲がった冷却回路内に配置されている。
【００２２】
本発明を、好ましい例示的な実施形態に従って、そのさらなる目的および利点とともに、添付の図面と相俟って以下の詳細な説明でより具体的に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１に示されているのは、ガスタービンエンジンのＨＰＴ内の第１ステージのために特に構成されたタービン動翼１４である。ブレードは、エーロフォイル１６と、プラットホーム１８と、さらに単体鋳造または一体鋳造で互いに一体に接合された支持ダブテイル２０とを備える。
【００２４】
ダブテイル２０は、タービンロータディスク（図示せず）の周縁の対応するダブテイルスロット内にブレードを装着するように構成された、対応する突出部または舌部を備える従来型の軸入型形状を有する。
【００２５】
エーロフォイル１６は、ほぼ凹状の圧力側壁２２と、円周方向に対向する、ほぼ凸状の吸引側壁２４とを備える。図２に追加で示されるように、２つの側壁は、対向する前縁と後縁２６、２８の間に翼弦軸方向に延びており、エーロフォイルとプラットホームとの接合部で、根部３０から翼幅半径方向に、半径方向外側の先端部３２へ延びている。
【００２６】
動作中、燃焼ガス３４が、エンジン内の燃焼器（図示せず）内で発生され、支持ロータディスクの周縁に装着されたタービンブレード１４の全ての列のエーロフォイル１６にわたって流れるように、第１ステージタービンノズル（図示せず）を通って排出される。エネルギーが、支持タービンロータを回転させるために、タービンエーロフォイル１６によって燃焼ガスから抽出され、これがエンジンの圧縮器（図示せず）をさらに回転させる。
【００２７】
図１および２は、エーロフォイルの内側に半径方向翼幅に延び、かつ対応する壁またはリブ３６によって分離されている複数の冷却フローチャネル１〜１２を画定するために、タービンエーロフォイルの対向する側壁２２、２４が、前縁と後縁との間で横方向に離隔されることを示している。圧縮された冷却空気３８が、２つの側壁の外部表面上を流れる燃焼ガス３４による熱荷重に対して動作中ブレードを冷却するために、圧縮器から適切に抽気され、タービンブレードを通って対応するフローチャネル内へ通される。
【００２８】
その圧力および吸引側の全体にわたって、根部から先端部へ、かつ前縁と後縁との間で、エーロフォイルの異なる部分を優先的に冷却するために、中空のエーロフォイルを複数のフローチャネル１〜１２に分割するために、内側リブ３６が、根部から先端へエーロフォイルの長手方向翼幅にわたって半径方向に、ならびに圧力および吸引側壁２２、２４の間で横方向にまたは横に延びている。様々なリブ３６が、エーロフォイルの対向する側壁を架橋するために協働し、強化されたその冷却とともに、中空のエーロフォイルの構造的な一体性を提供する。
【００２９】
より具体的には、図２で断面図で示されているエーロフォイルの様々なフローチャネルは、圧力すなわち左側の側壁２２の内部表面の直接内側にすなわちそれに沿って配置され、リブ３６の対応するものの所で対向する吸引すなわち右側の側壁２４から横方向に離隔されている、側部チャネル１、３、５を備える。
【００３０】
それに対応するように、フローチャネルはまた、吸引側壁２４の内部表面の直接内側にすなわちそれに沿って配置され、内側リブ３６の対応するものの所で対向する圧力側壁２２から横方向に離隔された、追加の側部チャネル８、９、１０を備える。
【００３１】
右側および左側の側部チャネルは、エーロフォイルのその各側壁から一部のみ延びており、２つの側壁の間の中央に配置された翼形中心線の近傍でエーロフォイルの内側を終点とする。ハーフサイズの側部チャネルが、いくつかのフローチャネルを通って冷却空気３８を流すために、圧力および吸引側壁２２、２４の両方を架橋する１つまたは複数のかなり大きな、すなわちフルサイズの中央または中心チャネル２、４と協働する。
【００３２】
たとえば、いくつかのフローチャネルが、異なる熱荷重および遠心応力下で異なるようにエーロフォイルの異なる部分を冷却するように特に構成された、いくつかの独立した冷却回路内に構成されてもよい。第１の冷却回路内では、側部および中央部、すなわち中央チャネル１〜５が、側壁の熱を、燃焼ガスから中央チャネル２、４内へ伝達するために、側部チャネルと中央チャネルの間で横方向に交番する横方向にジグザグに曲がった冷却回路で流列内に配置される。
【００３３】
通常、タービンエーロフォイルの凹状の圧力側壁２２が、燃焼ガスから最大の熱荷重を受け、したがってそれに対応する高い温度で動作する。ジグザクに曲がった冷却回路１〜５は、高温の圧力側壁から横方向に熱を優先的に伝導して逃がし、一方で、内側リブと外側圧力側壁との間の温度差を減少させ、かつタービンブレードの耐久性および寿命を強化するために、ジグザグに曲がった冷却回路内の冷却空気を優先的に流すために、仕切りリブ３６のそれに対応する横方向にジグザクの形状を使用している。
【００３４】
また、ジグザグに曲がった冷却回路は、回路のいくつかのフローチャネルの内部でのその冷却効率を改善するために、曲がった回路を通って流されている冷却空気に作用しているコリオリ力と優先的に協働する。
【００３５】
図２は、異なるフローチャネル１〜１２を分離するために側壁と一体に接合された多数のリブ３６の好ましい形状を示している。特に、リブ３６は、圧力および吸引側壁２２、２４を対応する外側の接合部または接点４０で接合し、対応する内側の接合部または接点４２で互いに接合するために側壁から横方向内向きに延びている。いくつかの内側接点４２が、図２に示されており、対向する側壁２２、２４の間の中間で離隔されたエーロフォイルの翼形中心線にほぼ沿って配置されている。
【００３６】
２つの例示的な中央チャネル２、４が、冷却および熱応力の相補する利点を提供するために、対応する内側および外側接点４０、４２の間で例示的な右側の側部チャネル１、３、５を流体的に連絡して接合する。
【００３７】
たとえば、外側接点４０が、対応する側壁と直接接合され、側壁からエーロフォイルの内部への横方向内側に効果的な熱伝導経路を提供し、そこで冷却空気がフローチャネル内で循環される。内側接点４２が、外部の熱荷重源から遠く離されてエーロフォイルの中心に配置される。また、中央チャネル２、４は、対応する側部チャネル１、３、５、８〜１０によって外部側壁から大部分で分離される。
【００３８】
図１および２に示された好ましい実施形態では、左側側部チャネル１、３、５が、動作中燃焼ガスから高い熱荷重を受けるエーロフォイルの前縁と後縁との間の主要な部分すなわち長さで、圧力側壁２２の内側に直接配置されている。
【００３９】
それに対応するように、ジグザグに曲がった冷却回路は、中央の第２のチャネル２によってさらに追従され、この中央の第２のチャネル２も圧力側壁の内側に配置された側部の第３のチャネル３によってさらに追従される、圧力側壁２２の内側に配置された側部の第１のチャネル１を備える、スリーパス回路で構成される。
【００４０】
エーロフォイルの圧力側のジグザグに曲がった冷却回路は、第３のチャネル３をさらに追従する中央の第４のチャネル４と、第４のチャネル４をさらに追従する側部の第５チャネル５とをさらに備える、好ましくはファイブパス回路でさらに構成される。このようにして、冷却空気が、圧力側壁内の複合された横方向および半径方向に循環する曲がった経路内を前縁と後縁との間で後方へ流れるとき、５本のフローチャネル１〜５が、エーロフォイルの対向する側壁間の隣合わせの鋭いジグザクの横方向の転向、ならびにエーロフォイルの先端部および根部の半径方向の鋭い転向を有する、対応するファイブパスのジグザグに曲がった冷却回路を画定するために、端部間で流体的に連絡して接合される。
【００４１】
５本の曲がったチャネル１〜５が、図１に側面図で示されており、根部３０と先端部３２との間でエーロフォイルの半径方向翼幅全体にわたって延びている。５本のフローチャネル内の対応するリブ３６は別法として、冷却空気の主方向が半径方向外向きから半径方向内向きへ、およびその逆へ変化する、様々なチャネルの間の対応する流れの転向を提供するために、エーロフォイル先端のすぐ下方およびプラットホームのすぐ上方を終点とする。
【００４２】
図３は、冷却空気３８を第１のチャネルから第２のチャネル内へ半径方向内向きに転向させるようにフローベントに影響を与える、第１および第２のチャネル１、２の間の短いリブ３６の断面図を示している。
【００４３】
図４は、冷却空気を第２のチャネルから第３のチャネル内へ半径方向外向きに転向させるための別のフローベントを提供するために、プラットホーム１８の平面の上方に離隔された第２および第３のチャネル２、３の間の短いリブ３６の開始部の断面図を同様に示している。
【００４４】
図１、２、４に示された第３のフローチャネル３から、空気が再び、第３および第４のチャネル３、４を分離している短いリブ３６の上部に見出される対応するフローベントを通じて転向される。また、図１は、第４のチャネル４から第５のチャネル５内へ、半径方向外向きに冷却空気の方向をさらに再び変更するための、最終のフローベントを画定するためにプラットホーム１８の面上方に離隔されている第４および第５のチャネル４、５の間の短いリブ３６の底端部を示している。
【００４５】
５本のフローチャネル１〜５を画定する様々なリブ３６は、５本のフローチャネルを連続して通る冷却空気のほぼ全てを流すように好ましくは無孔である。しかし、いずれかの従来型の形状の膜冷却孔４４の様々な半径方向の行または列が、５本のフローチャネル１〜５を含む様々なフローチャネルのうちの１つまたは複数のための排出口を提供するために、圧力側壁２２内に形成されてもよい。
【００４６】
たとえば、膜冷却孔４４の列が、圧力側壁の外部表面を膜冷却するために第１の回路から冷却空気の一部分を排出するために、第３のフローチャネル３の後端部で圧力側壁を通って延び、対応する外側接点４０の下方で後方に傾斜される。それに加えて、膜冷却孔４４の別の列が、この領域内の圧力側壁の追加の膜冷却を提供するために、第５のフローチャネル５の後端部に配置され、後縁に向かって後方に傾斜される。
【００４７】
第１の曲がった冷却回路１〜５の顕著な利点は、その優先的な複合ジグザグ形状である。冷却空気は、圧力側壁の外部の燃焼ガスから高い熱荷重を受けるエーロフォイルの前縁２６を直ちに追従する第１のチャネル１を始点として、５本のチャネル１〜５を通ってさらに流れる。空気が、第１のチャネルの外部の圧力側壁のこの部分を冷却すると、空気はそこから熱を取り出し、それに対応して暖められる。
【００４８】
外側の側部チャネル１からのこの暖められた空気が、次に、普通ならば低温であるそのリブ３６を加熱するために内側の中央チャネル２内へ通される。第２のチャネル２からの冷却空気は次に側部チャネル３を通って流れ、そこで再び、圧力側壁のこの部分から熱を吸収する。暖められた冷却空気が再び、このチャネルを画定する、普通ならば低温であるリブ３６をさらに暖めるために、第２の中央チャネル４へエーロフォイルの内側を通される。
【００４９】
最後に、第４のチャネル４からの冷却空気が、圧力側壁のこの領域を冷却するために第１の回路内の最後のチャネル５を通って流れ、その後、次にそこから後方の圧力側壁の膜冷却を提供する膜冷却孔４４の列を通って排出される。
【００５０】
外側の側部チャネル１、３から対応する内側の中央チャネル２、４内へ横方向に冷却空気を交互に通すことによって、圧力側壁からの熱が、中央チャネル２、４を包囲している内側リブ３６を暖め、外側の圧力側壁と内側リブとの間の温度差をそれに対応して減少させるために、エーロフォイルの内部に効果的に通される。
【００５１】
圧力側壁と内側リブとの間の温度差のこの減少は、金属製のエーロフォイルを横切る温度分布の非一様性を改善し、その中の熱応力をそれに対応して減少させる。
【００５２】
また、タービンブレードがロータディスク上で回転し、吸引側壁２４が圧力側壁２２を先導するため、中央チャネル２、４が、回転運動において、対応する第１および第３の側部チャネル１、３をそれに対応して先導し、そこからさらにその冷却空気を受ける。冷却空気が質量を有し、動作中遠心加速度および遠心力を受けるため、空気もまた、様々な半径方向フローチャネル１〜５の間での冷却空気の変化する方向のベクトル積による二次的なコリオリ加速度または力を受ける。中央チャネル２、４の前部位置は、これらの通路およびこれらの周囲の仕切りすなわちリブ３６の中の冷却空気の間での熱伝達を改善するためにコリオリ力を使用する。
【００５３】
図２は、いくつかのリブ３６の、互いとの、および対向する圧力および吸引側壁との対応する接合部によって形成される内側および外側接点４０、４２の好ましい構成を示している。リブ３６は、外側接点４０の対応するものの所で、圧力および吸引側壁２２、２４を接合するためにエーロフォイル中心から横方向外向きに対になって斜めに延びてもよい。たとえば、２つの外側接点４０が、チャネル１、３とチャネル３、５との間の圧力側に見出され、２つ以上の外側接点４０が、チャネル８、９とチャネル９、１０との間の吸引側に見出される。
【００５４】
２つの中央チャネル２、４のそれぞれは、２つの対応する外側接点４０によって対向する側壁２２、２４に対で接合されたリブ３６のうちの４本によって、対応するように画定される。各中央チャネル２、４を画定する４本のリブ３６もまた、翼形中心線に沿ったその対向する側面の内側接点４２のうちの２つによって対で互いに接合される。
【００５５】
４本のリブ３６は、２つの側壁２２、２４を架橋するほぼダイヤモンド形状を有し、ダイヤモンド形状の四隅に２つの外側接点および２つの内側接点を有する、四辺形形状を好ましくはもたらすように、２つの中央チャネル２、４のそれぞれを画定する。
【００５６】
それに対応するように、２つのダイヤモンド形状にされた中央チャネル２、４にさらに供給する２つの側部チャネル１、３が、その長底辺が側壁に沿って外側接点４０を架橋し、その頂点が内側接点４２に配置されている、相補的な三角形形状を有する。
【００５７】
側部チャネル１、３、５と、協働する中央チャネル２、４との間の仕切りリブ３６の斜めの形状は、５本のチャネル１〜５の間で横方向に、好ましいジグザグのフローパスを作成すること、および外側接点４０からリブを通って対応する内側接点４２への直接の熱伝導を促進することを含む多くの利点を呈する。
【００５８】
さらに、中央チャネル２、４は、比較的大きく、側部チャネル１、３、５よりも大きな流面積を好ましくは有し、このことは製造中のタービンブレードの鋳造収量を改善し、熱伝達性能をさらに強化する。側部チャネルが中央チャネルよりも小さな流面積を有するため、冷却空気は、圧力側壁からの熱伝達および熱の引出しを増加させるために、中央チャネル内よりも高速でそれを通って流され、一方、中央チャネル２、４の熱伝達および冷却を、それらの温度をそれに対応して増加させ、側壁との温度差を減少させるために、減少させる。
【００５９】
上記で示したように、図２に示した様々な内側リブ３６は、エーロフォイルの内部に複数のフローチャネル１〜１２を画定するように構成され、無孔のリブによって互いに分離された３つの独立した冷却回路で一実施形態では好ましくは構成されている。上記で説明されたジグザグに曲がった回路１〜５が、圧力側壁２２の内側に直接配置されたエーロフォイル内に配置され、前縁および後縁２６、２８の間で離隔された第１の回路を画定する。
【００６０】
対応するフローチャネル６、７によって画定される第２の冷却回路が、前縁２６と第１の回路１〜５との間の、前縁２６の所にまたは前縁２６の後方に直接配置される。また、フローチャネル８〜１２によって画定される第３の冷却回路が、吸引側壁２４の直接内側の、第２の回路６〜７の翼弦方向後方、第１の回路１〜５の横方向後方に配置される。
【００６１】
第２の回路が、図１、２および５に示され、リブの半径方向翼幅にわたって分散されたインピンジメント孔４６の列を有するリブ３６の孔開きのものによって離隔された２つの平行なフローチャネル６、７を備える。この第２のインピンジメント冷却回路６〜７は、前縁２６の背部側をインピンジメント冷却するために、第６のチャネル６内に空気が供給され、インピンジメント孔４６の列を通って第７のチャネル７内へ流れる、他の点では従来型の形状を有してもよい。
【００６２】
第７のチャネル７は、この回路のための排出口を提供し、好ましい実施形態で圧力および吸引側壁の両方に沿って冷却空気膜内の使用済みの冷却空気を流す、追加の膜冷却孔４４の１つまたは複数の列を備えてもよい。
【００６３】
図１、２、５は、リブ３６の対応するものによって翼弦方向に離隔された複数の平行なフローチャネル８〜１２を備える第３の冷却回路の好ましい構成を示している。この回路内のリブ３６は、いくつかのフローチャネル内の吸引側壁の内部表面に沿ってシアで冷却空気３８を通すために吸引側壁２４とのリブの接合部を通って翼弦方向に延びる、冷却シア孔４８の対応する鉛直方向の列を備える。
【００６４】
第３の冷却回路が、図２および５に最も良く示されており、第１の回路１〜５の横方向および翼弦方向後方、および第２の回路６〜７と後縁２８との間に部分的に配置された第５のフローチャネル８〜１２を備える。最初の４つのチャネル８、９、１０、１１は、エーロフォイルの薄い後縁に沿ったいずれかの従来型の形状を有する後縁排出スロット５０の列を通って排出する前に、第８のチャネル８から第１２のチャネル１２まで次々に同じ冷却空気をさらに通すために、それらの間の対応するリブ３６内にシア孔４８の対応する列を備える。
【００６５】
図２に示されるように、ジグザグの第１の回路１〜５は、第３のシア回路８〜１２の横方向後方に配置され、２つの中央チャネル２、４の前端部の２つの内側接点４２などの、それらと対応する内側接点を共有している。エーロフォイルの吸引側への熱荷重は、エーロフォイルの圧力側への熱荷重よりも通常小さいため、シア冷却回路８〜１２は、曲がった回路１〜５よりも小さい冷却を提供し、その中の内側リブ３６の対応する格子を通るエーロフォイルの２つの側面を横切る温度の非一様性を促進する。２つの共通の中央チャネル２、４は、エーロフォイルの圧力側の第１の回路１〜５およびエーロフォイルの吸引側の第３の回路８〜１２の異なる冷却能力を相補する。
【００６６】
図１および２に示された３つの回路は、好ましくは互いに独立であるため、これらはそれぞれ、好ましくは、エーロフォイル１６の最大の幅すなわち瘤状の領域内に、前縁２６の後方で互いに直接グループ化された、対応する取入フローチャネル１、６、８を備える。３つの取入フローチャネル１、６、８が、圧縮器から従来の方式で圧縮された冷却空気３８を受けるために、ダブテイルの底部へプラットホーム１８およびダブテイル２０を通って延びている。
【００６７】
３つの取入口１、６、８を通って流された比較的低温の圧縮空気３８が、次に、この広幅領域内での最大の冷却効率のために前縁から翼弦長の最初の４分の１以内でエーロフォイルの最も広幅の部分で最初に受けられる。ここから、冷却空気が、エーロフォイルの前縁領域を優先的に冷却するために、第２の回路６、７を通って前方に分散される。また、空気はまた、その中に見出される交差するリブ３６のネットワークの相補的な内部冷却とともにエーロフォイルの対向する圧力側および吸引側を別々に冷却するために、対応する第１の回路１〜５および第３の回路８〜１２を通って後方に分散される。
【００６８】
３つの回路からの使用済みの冷却空気は、膜冷却孔４４および後縁排出スロット５０の様々な列を通って対応する側壁を通って適切に排出される。第５のチャネル５は、後縁２８から上流、および第３の冷却回路の最後の２つのチャネル１１、１２の前方を終点とするため、膜冷却孔４４の追加の列が、図２に示すように第１の冷却回路から展開された冷却空気膜を再活性化するために圧力側壁を通って第１１のチャネル１１の後端部に配置されてもよい。
【００６９】
上記で開示されたタービンエーロフォイルは、圧縮された冷却空気３８の制限された供給の冷却効率を強化することが保証された、追加の従来型の特徴を備えてもよい。たとえば、圧力側壁、または吸引側壁、またはその両方の内部に小さい隆起を備える従来型の攪拌器５２が、冷却空気の熱伝達を局所的に強化するために、必要に応じてフローチャネルの１つまたは複数に導入されてもよい。
【００７０】
好ましい実施形態では、エーロフォイルの圧力側壁上の側部チャネル１、３、５が、圧力側壁の内部表面に沿って翼弦方向に延び、その翼幅にそって離隔された攪拌器５２の列を備えてもよい。
【００７１】
逆に、協働する中央チャネル２、４は好ましくは、その仕切りリブ３６に沿って滑らかであり、いずれかの攪拌器が意図的に外されている。このようにして、チャネル１、３、５内の熱伝達が増加され、一方、中央チャネル２、４内の熱伝達が減少されてもよい。
【００７２】
したがって、ジグザグに曲がった冷却回路の有効範囲内での圧力側壁２２の冷却が局所的に増加されてもよく、一方中央チャネル２、４の内側の冷却が、その周囲のリブ３６の動作温度をそれに対応して上昇させるために減少されてもよい。したがって、内側リブと外側圧力側壁の間の温度差が、熱的に誘導される応力をそれに対応して減少させるために、減少され得る。
【００７３】
小さい側部チャネル１、３、５、８〜１０の優先的な導入は、エーロフォイルの各側壁の冷却を強化する。エーロフォイルの圧力側の３つの側部チャネル１、３、５が、制限された空気の冷却性能をさらに強化するために、上記に記載した好ましいジグザグに曲がった冷却回路内のより大きな内部中央チャネル２、４と協働し、圧力側壁のジグザグに曲がった冷却回路と共通の中央チャネル２、４を共有する吸引側壁に沿った第３の回路の冷却性能によって相補される。
【００７４】
図２に断面図で示されている複数のフローチャネルは、従来の方式のタービンブレード全体の一体鋳造で従来通りに鋳造されるにはまだ十分大きい。タービンブレードの効果的な鋳造収量を有するエーロフォイル内の３つの独立した冷却回路を製造するために、３つの対応するセラミックコアが使用されてもよい。
【００７５】
本発明の好ましい、および例示的な実施形態とみなされるものが本明細書で説明されてきたが、本発明の他の修正形態が、本明細書の教示から当業者に明らかであろう。また、したがって、本発明の精神および範囲内にある全てのこのような修正形態が、添付の特許請求の範囲内に確保されることが望まれる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】例示的な実施形態によるガスタービンエンジンタービン動翼の部分断面立面図である。
【図２】線２−２に沿った、図１に示されたエーロフォイルの半径方向断面図である。
【図３】線３−３に沿った、図２に示されたエーロフォイルの先端部分の立断面図である。
【図４】線４−４に沿った、図２に示されたエーロフォイルの立断面図である。
【図５】線５−５に沿った、その先端部での図２に示したエーロフォイルの吸引側の断面図である。
【符号の説明】
【００７７】
１〜１２  フローチャネル
１４  動翼
１６  エーロフォイル
１８  プラットホーム
２０  支持ダブテイル
２２  圧力側壁
２４  吸引側壁
２６  前縁
２８  後縁
３０  根部
３２  先端部
３４  燃焼ガス
３６  リブ
３８  冷却空気
４０  外側接点
４２  内側接点
４４  冷却孔
４６  インピンジメント孔
４８  シア孔
５０  排出スロット
５２  攪拌器
【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】
2007154893.tif 000007
【外国語明細書】
2007154893000001.pdf