(57)【要約】【課題】エアフォイル内のミニコア（２８）間のウェブ（３０）に対する改良された冷却を提供する。【解決手段】タービンエアフォイルが、外壁（２４）およびその外壁内に形成された複数の冷却流路またはミニコア（２８）を含む。ウェブ（３０）が隣接するミニコアの各対を離隔する。エアフォイルのより効果的かつ一様な冷却を提供するために、エアフォイル内のバッフル（３４）がウェブと整列された複数の排出口（３６）を含む。これらの流体排出口は、ウェブ上に冷却流体を直接的に向ける。その後、冷却流体は、ミニコアを通って流れ、ミニコアの出口を通って出る。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外壁と、
前記外壁内に形成された一対の冷却流路と、
前記冷却流路の対を離隔するウェブと、
前記ウェブの内側表面上に冷却流体を方向づけるように該ウェブと整列された流体排出口と、
を包含するタービンエアフォイル。
【請求項２】
前記冷却流路の少なくとも１つは、前記流体排出口と連通する取り入れ口を含む、請求項１に記載のタービンエアフォイル。
【請求項３】
前記冷却流路のそれぞれが前記流体排出口と連通する取り入れ口を含む、請求項１に記載のタービンエアフォイル。
【請求項４】
さらに、複数の開口部が形成されたバッフルを含み、これらの複数の開口部に前記流体排出口が含まれる、請求項１に記載のタービンエアフォイル。
【請求項５】
前記冷却流路の対は、前記外壁内に形成された複数の冷却流路のうちの２つであり、前記ウェブは、複数のウェブのうちの１つであり、前記複数の冷却流路のそれぞれの隣接する対は、前記複数のウェブのうちの１つによって離隔される、請求項４に記載のタービンエアフォイル。
【請求項６】
前記バッフル内の前記複数の開口部のそれぞれは、前記複数のウェブのうちの１つと整列されている、請求項５に記載のタービンエアフォイル。
【請求項７】
前記バッフルは、径方向端部に取り入れ口を含み、前記複数の開口部は、前記バッフルから、前記取り入れ口に対して略横向きに方向づけられている、請求項６に記載のタービンエアフォイル。
【請求項８】
前記冷却流路の対はミニコアである、請求項１に記載のタービンエアフォイル。
【請求項９】
前記ミニコアは、それぞれ前記冷却流路を横切って延びる複数のペデスタルを含む、請求項８に記載のタービンエアフォイル。
【請求項１０】
前記タービンエアフォイルは静翼である、請求項１に記載のタービンエアフォイル。
【請求項１１】
前記冷却流路は、前記外壁を介して排出される、請求項１に記載のタービンエアフォイル。
【請求項１２】
タービンエアフォイルアッセンブリを冷却する方法であって、
タービンエアフォイルの内部に冷却流体を導くステップと、
前記冷却流体を、第１の冷却流路の取り入れ口と第２の冷却流路の取り入れ口の間の内側表面上に方向づけるステップと、
前記第１の冷却流路および前記第２の冷却流路を介して前記冷却流体を流すステップと、
を包含する方法。
【請求項１３】
さらに、前記冷却流体を、前記第１の冷却流路および前記第２の冷却流路から前記タービンエアフォイルの外部に流すステップを包含する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
さらに、前記冷却流体を、前記タービンエアフォイルの径方向端部の取り入れ口内に導くステップを包含する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記タービンエアフォイルは静翼である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
さらに、前記冷却流体を、前記タービンエアフォイル内のバッフル内に導くステップを包含する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
さらに複数のリブを包含し、前記バッフルを貫通する複数の開口部を介して前記複数のリブ上に前記冷却流体を方向づけるステップを包含する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
さらに、前記冷却流体を、前記第１の冷却流路と第２の冷却流路を離隔するリブ上に方向づけるステップを包含する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
タービンエアフォイルアッセンブリ用のバッフルであって、
複数の開口部が形成されているバッフル壁を含み、このバッフル壁は、径方向端部において前記開口部と流体的に連通する取り入れ口を画成し、前記開口部は、タービンエアフォイル内の冷却流路の間に整列するよう配置されているタービンエアフォイルアッセンブリ用のバッフル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概してガスタービンエンジンに関し、より詳細にはタービンエアフォイルの冷却に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、米国海軍によって付与されたＮ０００１９−０２−Ｃ−３００３の下における政府支援を受けてなされた。政府は、本発明における特定の権利を有する。
【０００３】
動作においてタービンエアフォイルは、常に、材料の限界を優に超える温度にさらされる。既存のエンジンにおいては、タービンエンジンの圧縮機部分からの空気がエアフォイルの冷却に使用される。ミニコアとして知られる鋳込流路がエアフォイル壁内に埋め込まれており、対流冷却を強化している。これらの冷却回路に関連する高い熱流束に起因して大きな温度勾配が生じ、エアフォイルが熱機械的疲労割れを起こしやすくなる。熱ひずみを低減するため、ミニコアの間にエアフォイル壁を補強するウェブが必要とされる。しかし、このウェブの存在は、隣接するミニコアと比較したときに熱流束のより低い領域を生み出す。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、エアフォイル内のミニコア間のウェブに対する改良された冷却を提供する。したがって本発明のエアフォイルは、温度関連の問題をより小さく抑えつつ、より高い温度に耐えることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の開示された実施態様に従ったタービンエアフォイルは、外壁およびその外壁内に形成された一対の冷却流路またはミニコアを含む。冷却流路の対をウェブが離隔する。エアフォイルのより効果的かつ一様な冷却を提供するために、流体排出口がウェブと整列されている。流体排出口は、冷却流体を直接ウェブの内側表面上に向ける。その後、冷却流体は、ミニコアを通って流れ、ミニコアの出口を通って出る。
【０００６】
流体排出口を提供するため、バッフルをエアフォイル内に挿入しても良い。バッフルは、それぞれの隣接するミニコアの対の間のウェブ領域上に衝突噴流を集中させるべくパターンに配置された複数の流体排出口を含んでも良い。衝突排出口の寸法ならびに間隔は、発生する伝熱係数がミニコアによって達成されるものに匹敵する熱流束を提供するように設定される。その結果、エアフォイルの壁が、全体的により低い温度勾配を有するようになり、表面温度が下がることによって熱機械的疲労が低減し、酸化寿命が向上する。
【０００７】
このほかの本発明の利点は、添付図面に関連して考察されている以下の詳細な説明を参照することによって理解できよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、エンジン中心線または軸方向中心軸１２を中心に配置された発電または推進のために使用されるガスタービン等のガスタービンエンジン１０を示している。エンジン１０は、ファン１４、圧縮機１６、燃焼部１８、およびタービン１１を含む。周知のとおり、圧縮機１６内で圧縮された空気が燃料と混合され、それが燃焼部１８内で燃焼されてタービン１１内で膨張する。タービン１１はロータ１３及び１５を含み、それがこの膨張に応答して回転し、圧縮機１６およびファン１４を駆動する。タービン１１は、タービン用動翼２０と静翼１９の交互の列を包含する。図１は、例示目的ためだけのやや概略的な図であり、本発明に対する限定ではなく、発電や航空機等のためのガスタービンに採用しても良い。さらに、ガスタービンには様々な型があり、その多くは、ここに示されている設計に限定されない本発明から恩恵を受けることができる。
【０００９】
図２には、一対のタービン用静翼１９が例示されている。本発明は、タービン用静翼１９における用途に関して述べられるが、本発明は、タービン用動翼２０（図１）等の回転構造、および動翼外側エアシール、タービン排気ケース、およびストラット等のその他の静的タービン構成部品においても使用可能である。この冷却機構の追加の使用は、燃焼室のライナおよび保炎器を初めノズルライナおよびフラップを含んでも良い。タービン用静翼１９は外壁２４を含み、それを通ってタービン用静翼１９の外壁２４内に形成されたミニコア（ｍｉｎｉｃｏｒｅ）２８から冷却空気（またはそのほかの流体）を排出するためのミニコアスロットすなわち出口開口部２６が形成されている。各々のミニコア２８の対の間に、リブまたはウェブ３０が画成されている。
【００１０】
複数の貫通する開口部または排出口３６を有するバッフル３４がタービン用静翼１９内に配置されている。バッフル３４およびタービン用静翼１９は、径方向端部に取り入れ口３８を含む。排出口３６は、冷却流体を直接ウェブ３０上に向けるために配置ならびに位置決めされており、また充分な流体流がミニコア２８を満たすことができるように寸法設定されている。
【００１１】
図３は、図２の静翼１９の１つを通る断面図である。ミニコア２８は、タービン用静翼１９の外壁２４内に形成されている。バッフル３４は、タービン用静翼１９の内部にあり、外壁２４の内側に離間して設けられている。
【００１２】
図４は、タービン用静翼１９の内部のバッフル３４およびミニコア２８の動作をやや略図的に示している。この例においてエンジン１０の圧縮機部分１６（図１参照）からの抽気である冷却空気が、バッフル３４の取り入れ口３８内に導かれる。この冷却流体は、続いてバッフル３４を通る排出口３６から、ミニコア２８の間の外壁２４のウェブ３０上に直接向けられる。その後この冷却流体は、取り入れ口開口部４０を通ってミニコア２８内に流れ込む。ミニコア２８の内部においては、冷却流体がミニコアの出口開口部２６を通じて排出される前に外壁２４の外側表面とほぼ平行に流れる。ほかの排出口３６（図４には図示せず）もまたミニコア２８の間のウェブ３０に向けられている。単一の取り入れ口開口部４０、および単一の出口開口部２６を有した各ミニコア２８が示されているが、各ミニコア２８は複数の取り入れ口開口部４０および／または複数の出口開口部２６を有することができる。
【００１３】
排出口３６（１つを図示）の寸法ならびに間隔は、発生する伝熱係数がミニコア２８によって達成されるものに匹敵する熱流束を提供するように設定される。その結果、外壁２４が、全体的により低い温度勾配を有するようになり、表面温度が下がることによって熱機械的疲労が低減し、酸化寿命が向上する。
【００１４】
図５は、バッフル３４に対する２つのミニコアの配置を例示している。これに示されているとおり、ミニコア２８は、ミニコア２８の間のウェブ３０がバッフル３４内の排出口３６と整列するように位置決めされる。
【００１５】
図６は、バッフル３４に隣接して（関連して）位置決めされる複数のミニコア２８の斜視図である。これに示されているとおり、ミニコア２８のそれぞれは、取り入れ口開口部４０から出口開口部２６に通ずる複数の流路４６を含む。
【００１６】
ここに示した実施態様においては、冷却空気の衝突がバッフル３４によって方向づけられているが、冷却空気は、そらせ板によって方向づけることも可能である。そらせ板は、エアフォイル鋳造物に結合される穿孔されたシートメタルとすることができる。ここで述べた冷却機構は、このほかのタービン、燃焼機、およびノズルの構成要素に使用すること、およびシートメタルまたは類似に機能する穿孔された材料によって形成することも可能である。
【００１７】
特許法の条文に従って、前述の例示的構成は、本発明の好ましい実施態様を表していると考えられる。しかし、本発明は、その趣旨または範囲から逸脱することなしに、ここに特に例示ならびに説明がなされたもののほかにも実施可能である事に留意すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明のエアフォイルアッセンブリの一実施態様を組み込んだガスタービンエンジンの概略図である。
【図２】図１から取り出した２つのタービン用静翼の斜視図である。
【図３】図２の静翼の１つを通る断面図である。
【図４】図２の静翼の内部のバッフルおよびミニコアの動作を示した斜視図である。
【図５】２つのミニコアの配置を示した図３のバッフルの側面図である。
【図６】図２〜図５に使用することのできるミニコアのより詳細な斜視図である。
【符号の説明】
【００１９】
１０…ガスタービンエンジン
１１…タービン
１２…軸方向中心軸
１３，１５…ロータ
１４…ファン
１６…圧縮機
１８…燃焼部
１９…タービン用静翼
２０…タービン用動翼
２４…外壁
２６…出口開口部
２８…ミニコア
３０…ウェブ
３４…バッフル
３６…排出口
３８…取り入れ口
４０…取り入れ口開口部
４６…流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007192213.tif 000007
【図６】
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【外国語明細書】
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