(57)【要約】【課題】熱伝達が向上し、冷却チャンネル内での冷却空気の流れの妨害が回避されるタービン翼形部のタービュレータ構成を提供する。【解決手段】タービン翼形部（４０）は、半径方向に延びており前記後縁に向かって内向きにテーパが付けられる冷却チャンネル（５４）が含まれ、該冷却チャンネルは、正圧側面（６８）と負圧側面（６４）とによって少なくとも部分的に定められる。正圧側面及び負圧側面の一方から突出して第１の高さ（７２）を定める第１の複数のタービュレータ（７０）が含まれ、該第１の複数のタービュレータは、タービン翼形部の後縁に向けて延びて且つ互いに半径方向に離間して配置される。正圧側面及び負圧側面の一方から突出して、第１の高さよりも小さい第２の高さ（７６）を定める第２の複数のタービュレータ（７４）が含まれ、該第２の複数のタービュレータが、タービン翼形部の後縁に向けて延びて且つ互いに半径方向に離間して配置される。【選択図】      図１
2016211546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン翼形部（４０）であって、
前縁（５２）と、
後縁（５５）と、
半径方向に延びており前記後縁に向かって延びるときに内向きにテーパが付けられ、正圧側面（６８）と負圧側面（６４）とによって少なくとも部分的に定められる冷却チャンネル（５４）と、
前記正圧側面及び前記負圧側面の一方から突出して第１の高さ（７２）を定め、前記タービン翼形部の後縁に向けて延びて且つ互いに半径方向に離間して配置される第１の複数のタービュレータ（７０）と、
前記正圧側面及び前記負圧側面の一方から突出して第２の高さ（７６）を定め、前記タービン翼形部の後縁に向けて延びて且つ互いに半径方向に離間して配置される第２の複数のタービュレータ（７４）と、
を備える、タービン翼形部（４０）。
【請求項２】
前記冷却チャンネルを通じて主流方向に沿って冷却空気が送られ、前記第１の複数のタービュレータ及び前記第２の複数のタービュレータのうちの少なくとも一方が、前記主流方向に平行に配向される、請求項１に記載のタービン翼形部（４０）。
【請求項３】
前記冷却チャンネルを通じて主流方向に沿って冷却空気が送られ、前記第１の複数のタービュレータ及び前記第２の複数のタービュレータのうちの少なくとも一方が、前記主流方向に垂直に配向される、請求項１に記載のタービン翼形部（４０）。
【請求項４】
前記第１の複数のタービュレータの各々が後端（９４）を含み、前記第２の複数のタービュレータの各々が前端（９６）を含み、前記後端及び前端が共通平面（９８）内に配置される、請求項１に記載のタービン翼形部（４０）。
【請求項５】
前記第１の複数のタービュレータの各々が後端（９４）を含み、前記第２の複数のタービュレータの各々が前端（９６）を含み、前記後端及び前端が重なり構成で配置される、請求項１に記載のタービン翼形部（４０）。
【請求項６】
前記第１の複数のタービュレータが、前記第２の複数のタービュレータと半径方向で整列している、請求項１に記載のタービン翼形部（４０）。
【請求項７】
前記第１の複数のタービュレータが、前記第２の複数のタービュレータと半径方向で位置ずれして交互構成を形成している、請求項１に記載のタービン翼形部（４０）。
【請求項８】
前記第１の複数のタービュレータのうちの少なくとも１つが、前記第２の複数のタービュレータの少なくとも１つと半径方向で整列し、前記第１の複数のタービュレータのうちの少なくとも１つが前記第２の複数のタービュレータの少なくとも１つと半径方向で位置ずれしている、請求項１に記載のタービン翼形部（４０）。
【請求項９】
前記第１の複数のタービュレータのうちの隣接するタービュレータの各ペアが第１のピッチ（９０）を含み、前記第１の複数のタービュレータの各々が第１の高さ（７２）を含み、前記第２の複数のタービュレータのうちの隣接するタービュレータの各ペアが第２のピッチ（９２）を含み、前記第２の複数のタービュレータの各々が第２の高さ（７６）を含み、該第２のピッチが前記第１のピッチよりも小さく、前記第２の高さが前記第１の高さよりも小さい、請求項１に記載のタービン翼形部（４０）。
【請求項１０】
前記第１のピッチを前記第１の高さで除算することにより定められる第１の比と、前記第２のピッチを前記第２の高さで除算することにより定められる第２の比と、を更に備え、前記第１の比及び前記第２の比が各々７〜１２の範囲内にある、請求項１に記載のタービン翼形部（４０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、タービュレータ構成を有するタービン翼形部に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジン又は蒸気タービンエンジンのようなタービンエンジンにおいて、比較的高温の流体がブレードと接触し、該ブレードは、流体から機械的エネルギーを取り出し、これにより動力及び／又は電力の生成を可能にするよう構成されている。このプロセスは、所与の期間にわたって高効率とすることができるが、長期間にわたると、高温の流体により、性能を劣化させ運用コストを増大させる恐れのある損傷を引き起こす傾向がある。
【０００３】
従って、早期の故障を少なくとも阻止又は遅延させるために、ブレードを冷却することが望ましく、また必要であることが多い。これは、比較的低温の圧縮空気を冷却されることになるブレードに送給することによって達成することができる。特に、多くの渋滞のガスタービンにおいて、この圧縮空気は、冷却されることになるブレードの各々の底部に流入し、１又はそれ以上の機械加工通路を通って流れて、対流と伝導の組み合わせによりブレードを冷却する。これらの通路は、熱伝達を促進して通路の冷却を支援する特徴要素を含むことができるが、これらの特徴要素の一部の構成は、冷却空気流を望ましくない範囲まで遮断する。従って、特徴要素からの冷却空気の遮断と望ましい熱伝達特性の取得のバランス調整は、タービン翼形部の製造者及び運用者に課題をもたらすことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８，８４０，３６３号明細書
【発明の概要】
【０００５】
１つの実施形態によれば、タービン翼形部は、前縁と後縁とを含む。また、半径方向に延びており、後縁に向かって延びるときに内向きにテーパが付けられ、正圧側面と負圧側面とによって少なくとも部分的に定められる冷却チャンネルが含まれる。更に、正圧側面及び負圧側面の一方から突出して第１の高さを定める第１の複数のタービュレータが含まれ、該第１の複数のタービュレータは、タービン翼形部の後縁に向けて延びて且つ互いに半径方向に離間して配置される。更にまた、正圧側面及び負圧側面の一方から突出して、第１の高さよりも小さい第２の高さを定める第２の複数のタービュレータが含まれ、該第２の複数のタービュレータが、タービン翼形部の後縁に向けて延びて且つ互いに半径方向に離間して配置される。
【０００６】
別の実施形態によれば、ガスタービンエンジンは、圧縮機セクション、燃焼器セクション、及びタービン翼形部を有するタービンセクションを含む。タービン翼形部は、前縁と後縁とを含む。タービン翼形部はまた、半径方向に延びており且つ後縁に向かって延びるときに内向きにテーパが付けられる冷却チャンネルを含み、該冷却チャンネルは、正圧側面と負圧側面とによって少なくとも部分的に定められる。タービン翼形部は更に、負圧側面から突出して第１の高さを定める第１の複数のタービュレータを含み、該第１の複数のタービュレータは、タービン翼形部の後縁に向けて延びて且つ互いに半径方向に離間して配置される。タービン翼形部は更にまた、負圧側面から突出して第１の高さよりも小さい第２の高さを定める第２の複数のタービュレータを含み、該第２の複数のタービュレータが、タービン翼形部の後縁に向けて延びて且つ互いに半径方向に離間して配置される。タービン翼形部はまた、正圧側面から突出して第３の高さを定める第３の複数のタービュレータを含み、該第３の複数のタービュレータが、タービン翼形部の後縁に向けて延びて且つ互いに半径方向に離間して配置される。タービン翼形部はまた、正圧側面から突出して第３の高さよりも小さい第４の高さを定める第４の複数のタービュレータを含み、該第４の複数のタービュレータが、タービン翼形部の後縁に向けて延びて且つ互いに半径方向に離間して配置される。
【０００７】
これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。
【０００８】
本発明の主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ガスタービンエンジンの概略図。
【図２】タービン翼形部の断面図。
【図３】図２の線Ａ−Ａに沿ったタービン翼形部の断面図。
【図４】タービン翼形部の冷却チャンネルを例示した断面ＩＶの拡大図。
【図５】図３の線Ｃ−Ｃに沿った冷却チャンネルの断面図。
【図６】第１の実施形態によるタービュレータ構成を例示した、図３の線Ｂ−Ｂに沿った冷却チャンネルの断面図。
【図７】第２の実施形態によるタービュレータ構成を例示した、図３の線Ｂ−Ｂに沿った冷却チャンネルの断面図。
【図８】第３の実施形態によるタービュレータ構成を例示した、図３の線Ｂ−Ｂに沿った冷却チャンネルの断面図。
【図９】第４の実施形態によるタービュレータ構成を例示した、図３の線Ｂ−Ｂに沿った冷却チャンネルの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
詳細な説明では、例証として図面を参照しながら実施形態と共に幾つかの利点及び特徴要素を説明している。
【００１１】
図１を参照すると、例示的な実施形態に従って構成されたガスタービンエンジン１０のようなタービンシステムが概略的に示されている。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機セクション１２と、缶アニュラアレイ状に配列された複数の燃焼器組立体（その１つが符号１４で示される）とを含む。燃焼器組立体は、燃料供給源（図示せず）から燃料を受け取り、圧縮機セクション１２から圧縮空気を受け取るように構成される。燃料及び圧縮空気が燃焼室１８内に入り、点火されて高温高圧の燃焼生成物又は空気ストリームを形成し、これを用いてタービン２４を駆動する。タービン２４は、圧縮機／タービンシャフト３０（ロータとも呼ばれる）を介して圧縮機１２に動作可能に接続される複数の段２６〜２８を含む。３つの段だけが例示されているが、より多くの段又はより少ない段が存在することができることを理解されたい。
【００１２】
作動時には、空気は、圧縮機１２に流入して圧縮され、高圧ガスにされる。高圧ガスは、燃焼器組立体１４に供給されて、燃焼室１８において燃料（例えば、天然ガス、燃料油、プロセスガス及び／又は合成ガス（シンガス））と混合される。燃料／空気又は可燃性混合気が点火して、高圧高温の燃焼ガスストリームを形成し、これがタービン２４に送られて熱エネルギーから機械的な回転エネルギーに変換される。
【００１３】
ここで、図１を引き続き参照しながら図２及び３を参照すると、タービン翼形部４０（「タービンバケット」、「タービンブレード翼形部」などとも呼ばれる）の一部の斜視図が示される。タービン翼形部４０は、タービン２４の何れかの段に配置することができることを理解されたい。何れの場合でも、タービン翼形部４０は、根元部分４４から先端部分４６まで半径方向に延びる。タービン翼形部４０は、正圧側壁４８及び負圧側壁５０を含み、ここでタービン翼形部４０の幾何形状は、流体がタービン翼形部４０を超えて流れるときに、タービン２４に回転力をもたらすように構成される。図示のように、負圧側壁５０は凸面形状であり、正圧側壁４８は凹面形状である。また、正圧側壁４８及び負圧側壁５０により接合される前縁５２及び後縁５５も含まれる。以下の検討では主としてガスタービンに焦点を当てているが、検討される概念は、ガスタービンエンジンに限定されず、タービンブレードを利用するあらゆる回転機械に適用することができる。
【００１４】
正圧側壁４８及び負圧側壁５０は、タービン翼形部４０の半径方向スパン全体にわたって円周方向に離間して配置され、冷却のためタービン翼形部４０に冷却空気を送るための少なくとも１つの内部流れチャンバ又はチャンネルを定める。例示の実施形態において、複数の冷却チャンネル５４が示されている。例示の実施形態において、冷却機構の一部は蛇行流路を含むが、代替の冷却チャンネル構成が存在してもよいことを理解されたい。厳密な流路に関わらず、冷却空気は通常、何れかの従来の方式で圧縮機セクション１２から抽気されて、複数の冷却チャンネルに送られた後、タービン翼形部４０上のあらゆる好適な位置に配置することができる１又はそれ以上の出口孔から排出される。
【００１５】
冷却空気とタービン翼形部４０との間の望ましい熱伝達を支援するために、複数の冷却チャンネル５４の少なくとも１つは、冷却チャンネルを定める少なくとも１つの壁から突出する１又はそれ以上の構造的特徴要素６０を含む。構造的特徴要素６０は熱伝達を向上させるが、冷却空気を妨げる懸念がある。図３に示すように、主としてタービン翼形部４０の幅広部分に対応する大きな断面積を有するような複数の冷却チャンネル５４の一部に関してはあまり問題とはならない。しかしながら、図示のように、この問題は、タービン翼形部４０の後縁５５に向かって配置される冷却チャンネルに対してより一般的な問題となる。
【００１６】
図４〜６を参照すると、最後方に配置される冷却チャンネルが参照符号６２で詳細に示されている。検討の目的で、後方に配置される単一の冷却チャンネルのみが詳細に記載されるが、タービン翼形部４０の他の冷却チャンネルもまた、以下で詳細に説明されるタービュレータ構成の実施形態から恩恵を受けることができることは理解されたい。
【００１７】
冷却チャンネル６２は、負圧側面６４及び正圧側面６８を含み、これらが組み合わされて冷却チャンネル６２を定める。負圧側面６４及び正圧側面６８は、前縁面７７と後縁面７５との間に延びる。図示のように、冷却チャンネル６２は、タービン翼形部４０の後縁５５に向かって、より具体的には、冷却チャンネル６２の後縁面７５に向かって延びるときに内向きにテーパが付けられる。上述のように、冷却チャンネル６２は、熱伝達の目的で構造的特徴要素を含む。これらの特徴要素の種々の構成の実施形態が本明細書で詳細に記載されるが、これらの実施形態は、効率的な熱伝達を維持し且つ過度な冷却空気流の遮断を回避することによって、冷却チャンネル６２の内向きテーパ付けに対応する点は理解されるであろう。
【００１８】
第１の複数のタービュレータ７０は、負圧側面６４から突出する。第１の複数のタービュレータ７０の各々は、負圧側面６４から第１の高さ７２を定める距離まで延びる。第１の複数のタービュレータ７０の各々は、半径方向に互いにから離間して配置され、長手方向でタービン翼形部４０の後縁５５に向かって延びる。第１の複数のタービュレータ７０の各々が配向される特定の角度は変わることができる。例えば、第１の複数のタービュレータ７０は、冷却空気の主流方向に平行、垂直、又はある角度に向けることができる。例示の実施形態において、タービュレータの全てが同じ角度で配向されるが、一部の実施形態においては、タービュレータは異なる角度である。
【００１９】
第２の複数のタービュレータ７４は、負圧側面６４から突出する。第２の複数のタービュレータ７４の各々は、負圧側面６４から第２の高さ７６を定める距離まで延びる。第２の複数のタービュレータ７４の各々は、半径方向に互いにから離間して配置され、長手方向でタービン翼形部４０の後縁５５に向かって延びる。第２の複数のタービュレータ７４の各々が配向される特定の角度は変わることができる。例えば、第２の複数のタービュレータ７４は、冷却空気の主流方向に平行、垂直、又はある角度に向けることができる。例示の実施形態において、タービュレータの全てが同じ角度で配向されるが、一部の実施形態においては、タービュレータは異なる角度である。
【００２０】
冷却チャンネル６２のテーパ付けに対応するために、第２の高さ７６は第１の高さ７２よりも小さい。換言すると、第２の複数のタービュレータ７４は、第１の複数のタービュレータ７０の範囲ほど負圧側面６４から離れて突出していない。この相対的な寸法設定により、上述のような冷却流の過度の遮断が回避される。
【００２１】
第３の複数のタービュレータ７８は、正圧側面６８から突出する。第３の複数のタービュレータ７８の各々は、正圧側面６８から第３の高さ８０を定める距離まで延びる。第３の複数のタービュレータ７８の各々は、半径方向に互いにから離間して配置され、長手方向でタービン翼形部４０の後縁５５に向かって延びる。第３の複数のタービュレータ７８の各々が配向される特定の角度は変わることができる。例えば、第３の複数のタービュレータ７８は、冷却空気の主流方向に平行、垂直、又はある角度に向けることができる。例示の実施形態において、タービュレータの全てが同じ角度で配向されるが、一部の実施形態においては、タービュレータは異なる角度である。
【００２２】
第１及び第２の複数のタービュレータと併せて上述したように、冷却チャンネル６２のテーパ付けに対応するために、第４の高さ８４は、第３の高さ８０よりも小さい。換言すると、第４の複数のタービュレータ８２は、第３の複数のタービュレータ７８の範囲ほど正圧側面６８から離れて突出していない。この相対的な寸法設定により、上述のような冷却流の過度の遮断が回避される。
【００２３】
冷却チャンネル６２の両方の面上にタービュレータ構成を有するように例示され記載されているが、冷却チャンネル６２の単一の面（負圧側面６４又は正圧側面６８）がタービュレータを含むことは企図される。従って、第１の複数のタービュレータ７０及び第２の複数のタービュレータ７４は、負圧側面６４上にあるものとして図示され本明細書で記載されているが、正圧側面６８から突出してもよいことは容易に理解することができる。更に、各側面に対して２つのタービュレータタイプのみが図示され本明細書で記載されているが、一部の実施形態は、２つよりも多いサイズ及び／又は間隔が異なったタービュレータタイプを含む。冷却チャンネル６２の両面上にタービュレータ構成を有する実施形態では、それぞれのタービュレータ構成は対称であるか、又は、タービュレータ間のサイズ、角度配向、離間距離及び相対的整列が異なることができる。負圧側面６４及び正圧側面６８上のタービュレータに加えて、１又はそれ以上のタービュレータが前縁面７７及び／又は後縁面７５から延びることができる。図４の例示の実施形態において、タービュレータ７９が前縁７７上に含まれる。前縁面７７及び／又は後縁面７５上のタービュレータ７９は、負圧側面６４及び正圧側面６８から延びるタービュレータの何れかに対して同じ又は異なる寸法にすることができることを理解されたい。一部の実施形態において、図示のように、タービュレータ７９は、単に、負圧側面６４及び／又は正圧側面６８からのタービュレータの延長部とすることができる。このような実施形態において、タービュレータは、単に、前縁面７７上にタービュレータを形成するよう巻き付いている。
【００２４】
タービュレータの熱伝達効率は、相対的サイズ、角度配向、離間距離、及び相対的整列によって部分的に決定される。本明細書で開示される実施形態は、有利にはこれらの要因を考慮に入れた構成を含む。上述の第１の高さ７２及び第２の高さ７６に加えて、第１の複数のタービュレータ７０の各々は第１の厚さ８６を含み、第２の複数のタービュレータ７４の各々は第２の厚さ８８を含む。これらの寸法に加えて、タービュレータの離間距離に関連する寸法が熱伝達効率に影響を及ぼす。中点から中点のような、共通するそれぞれの点によって定義される第１の複数のタービュレータ７０の離間距離は、第１のピッチ９０と呼ばれる。中点から中点のような、共通するそれぞれの点によって定義される第２の複数のタービュレータ７４の離間距離は、第２のピッチ９２と呼ばれる。第１の比は、第１のピッチ９０を第１の高さ７２で除算したものとして定義され、第２の比は、第２のピッチ９２を第２の高さ７６で除算したものとして定義される。一部の実施形態において、各比は、７〜１２の範囲内にある。第１の比及び第２の比は、指定の範囲７〜１２内で同じ又は異なることができることを理解されたい。
【００２５】
図６，７及び９に示されるように、第１の複数のタービュレータ７０及び第２の複数のタービュレータ７４は、一部の実施形態においては同じ角度に配向されるが、他の実施形態（図８）では、別個の角度に配向することができる。追加の変形形態は、第２の複数のタービュレータ７４に対する第１の複数のタービュレータ７０の長手方向における終端点に関連する。詳細には、第１の複数のタービュレータ７０の後端９４は端点まで延び、第２の複数のタービュレータの後端９６は端点まで延びる。１つの実施形態（図６）において、後端９４及び前端９６は、共通平面９８まで延びる。別の実施形態（図８）において、後端９４及び前端９６は互いに離間して配置される。更に別の実施形態（図９）において、後端９４及び前端９６は重なり構成で配置され、１つのグループのタービュレータのうちの少なくとも１つのタービュレータが突出して、他のグループのタービュレータのうちの少なくとも１つのタービュレータと重なり構成となる。
【００２６】
上述の変形形態に加えて、第１の複数のタービュレータ７０と第２の複数のタービュレータ７４の相対的な半径方向整列に関連する複数の実施形態が提供される。図６に例示されるような少なくとも１つの実施形態において、第１の複数のタービュレータ７０の後端９４は各々、第２の複数のタービュレータ７４の各々の前端９６と半径方向で位置ずれしている。或いは、後端９４及び前端９６は各々、図７に示すように半径方向で整列することができる。更に別の実施形態において、図９に示すように、半径方向の整列と位置ずれの組み合わせを設けてもよい。
【００２７】
有利には、本明細書で記載される実施形態は、高いアスペクト比を有する冷却チャンネル６２内で望ましい熱伝達特性を維持する。熱伝達の向上が達成されると共に、冷却チャンネル６２内での冷却空気の流れの妨害が回避される。
【００２８】
限られた数の実施形態に関して詳細に説明してきたが、実施形態はこのような開示された実施形態に限定されない点は容易に理解されるはずである。むしろ、本実施形態は、本明細書で記載されていないあらゆる数の変形形態、代替形態、代替又は等価構成を組み込むように修正することができ、これは、実施形態の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２９】
１０  ガスタービンエンジン
１２  圧縮機セクション
１４  燃焼器組立体
１８  燃焼室
２４  タービン
２６〜２８  複数の段
３０  タービンシャフト
４０  タービン翼形部
４４  根元部分
４６  先端部分
４８  正圧側壁
５０  負圧側壁
５２  前縁
５４  冷却チャンネル
５５  後縁
６０  構造的特徴要素
６２  冷却チャンネル
６４  負圧側面
６８  正圧側面
７０  第１の複数のタービュレータ
７２  第１の高さ
７４  第２の複数のタービュレータ
７５  後縁面
７６  第２の高さ
７７  前縁面
７８  第３の複数のタービュレータ
８０  第３の高さ
８２  第４の複数のタービュレータ
８４  第４の高さ
８６  第１の厚さ
８８  第２の厚さ
９０  第１のピッチ
９２  第２のピッチ
９４  後端
９６  前端
９８  共通平面
【図１】
2016211546.tif 000003
【図２】
2016211546.tif 000004
【図３】
2016211546.tif 000005
【図４】
2016211546.tif 000006
【図５】
2016211546.tif 000007
【図６】
2016211546.tif 000008
【図７】
2016211546.tif 000009
【図８】
2016211546.tif 000010
【図９】
2016211546.tif 000011
【外国語明細書】
2016211546000001.pdf