(57)【要約】  タービンブレード（２２）内に設けられた冷却流路（２６）を有する周辺空気冷却回路（１０）を備えたガスタービンエンジンであって、前記冷却流路（２６）は周辺空気供給源（１２）に流体連通されており、前記ガスタービンエンジンはさらに、内部シュラウド（３８）と外部シュラウド（５６）と、当該内部シュラウドから外部シュラウドにまでそれぞれ及ぶ複数の案内羽根（４２）とを有する前置旋回羽根（１８）を備えている。周方向に互いに隣接する案内羽根（４６，４８）が、当該案内羽根間において各ノズル（４４）を形成する。タービンブレードの回転によって生成された力が、前記冷却回路内に周辺空気を駆動する。前記前置旋回羽根は、前記ノズルを介して引き込まれた周辺空気に旋回を伝え、旋回を与えた当該周辺空気をタービンブレードのベースへ向けて送るように構成されている。前記前置旋回羽根の端面壁（５０，５４）には輪郭加工を施すことができる。
2016508570.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却路を有する周辺空気冷却回路と、
前置旋回羽根と
を備えたガスタービンエンジンであって、
前記冷却路はタービンブレード内に設けられており、かつ、冷却流体を供給する周辺空気供給源と流体連通されており、
前記前置旋回羽根は、
内部シュラウドと、
外部シュラウドと、
前記内部シュラウドから前記外部シュラウドまでそれぞれ及ぶ複数の案内羽根と
を有し、
周方向に互いに隣接する案内羽根によって、当該各案内羽根間にそれぞれ、前記冷却回路の一部を成すノズルが形成されており、
前記各ノズルは、
第１の案内羽根の正圧側と、
隣接する案内羽根の負圧側と、
前記外部シュラウドにより形成された外側端面壁と、
前記内部シュラウドにより形成された内側端面壁と
によって形成されており、
前記タービンブレードの回転によって生成された力が、前記冷却流体を前記冷却回路内に移動させ、
前記前置旋回羽根は、前記ノズルを介して引き込まれた前記冷却流体に旋回を伝え、当該旋回が加えられた冷却流体を、前記タービンブレードのベースに向けて送るように構成されている
ことを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項２】
前記内部シュラウドはモノリシック体として形成されている、
請求項１記載のガスタービンエンジン。
【請求項３】
前記外部シュラウドはモノリシック体として形成されている、
請求項１記載のガスタービンエンジン。
【請求項４】
前記内側端面壁および外側端面壁はそれぞれ、前記互いに隣接する案内羽根間に配置された谷部を有する、
請求項１記載のガスタービンエンジン。
【請求項５】
前記谷部は、前記タービンブレードの回転中に前記第１の案内羽根の前縁部によって前記引き込まれた冷却流体中に形成される渦より下流に配置されている、
請求項４記載のガスタービンエンジン。
【請求項６】
前記内側端面壁および前記外側端面壁はそれぞれ、前記第１の案内羽根の正圧側に接する起伏部を有する、
請求項１記載のガスタービンエンジン。
【請求項７】
前記起伏部の最高点は、前記第１の案内羽根の前縁部から、当該第１の案内羽根の翼弦線の長さの１／３の場所付近に配置されている、
請求項６記載のガスタービンエンジン。
【請求項８】
前記冷却回路はさらに、前記周辺空気供給源から前記前置旋回羽根へ前記冷却流体を供給するように構成された空気供給流路を有する、
請求項１記載のガスタービンエンジン。
【請求項９】
前記タービンブレードエンジンはさらに、前記前置旋回羽根を支持するストラットを有し、
前記ストラット内に、前記空気供給流路が設けられている、
請求項８記載のガスタービンエンジン。
【請求項１０】
タービンブレード内に設けられた冷却路を有する周辺空気冷却回路を備えたガスタービンエンジンであって、
前記冷却路は、冷却流体を供給する周辺空気供給源に流体連通されており、
前記タービンブレードの回転によって生成された力が、前記冷却流体を前記冷却回路内へ移動させ
ガスタービンエンジンにおいて、
前記ガスタービンエンジンはさらに、前置旋回羽根を有し、
前記前置旋回羽根は、
モノリシックとして形成された内部シュラウド、
モノリスとして形成された外部シュラウド、および、
前記内部シュラウドと前記外部シュラウドとの間に環状配列で配置された複数の案内羽根
を有し、
前記前置旋回羽根は、前記冷却回路の一部を成す複数のノズルを形成し、
前記各ノズルは、
互いに隣接する案内羽根間にて前記外部シュラウドによって形成された外側端面壁と、
前記互いに隣接する案内羽根間にて前記内部シュラウドによって形成された内側端面壁と、
前記互いに隣接する案内羽根の正圧側および負圧側と
を有し、
前記前置旋回羽根は、前記ノズルを介して引き込まれた前記冷却流体に、ロータディスクの長手軸を中心とする周方向運動を伝え、旋回が加えられた当該冷却流体を、前記タービンブレードのベースに向かって送るように構成されている
ことを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項１１】
前記各ノズルの前記内側端面壁および前記外側端面壁は、それぞれ谷部を有する、
請求項１０記載のガスタービンエンジン。
【請求項１２】
前記各ノズルの前記内側端面壁および前記外側端面壁はそれぞれ、各案内羽根の正圧側に接する起伏部を有する、
請求項１０記載のガスタービンエンジン。
【請求項１３】
前記冷却回路はさらに、前記周辺空気供給源から前記前置旋回羽根へ前記冷却流体を供給するように構成された空気供給流路を有し、
前記空気供給流路は、前記前置旋回羽根を支持するストラット内に設けられている、
請求項１０記載のガスタービンエンジン。
【請求項１４】
タービンブレード内に設けられた冷却路を有する周辺空気冷却回路と、
前置旋回羽根と
を備えたガスタービンエンジンであって、
前記冷却路は、冷却流体を供給する周辺空気供給源に流体連通されており、
前記前置旋回羽根は、
内部シュラウド、
外部シュラウド、および、
前記内部シュラウドと前記外部シュラウドとの間に配置された複数の案内羽根
を有し、
前記内部シュラウドと、前記外部シュラウドと、前記複数の案内羽根とが、前記周辺空気冷却回路の一部を成す複数のノズルの環状配列体を形成し、
前記各ノズルは、２つの互いに隣接する案内羽根と、前記外部シュラウドの内側端面壁と、前記内部シュラウドの外側端面壁とによって区切られており、
前記ノズルは、互いに隣接して配置された回転ブレードのベース内に設けられた複数の冷却流体インレットに向けて当該ノズル内に前記冷却流体を流すように構成されており、
前記ノズルは、前記回転ブレードが回転する中心となる回転軸を中心として、当該ノズル内にて流れる冷却流体に周方向運動を伝える
ことを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項１５】
前記内部シュラウドおよび前記外部シュラウドはそれぞれ、別個のモノリシック体として形成されている、
請求項１４記載のガスタービンエンジン。
【請求項１６】
前記各ノズルの前記外部シュラウドの内側端面壁および前記内部シュラウドの外側端面壁は、それぞれ谷部を有する、
請求項１４記載のガスタービンエンジン。
【請求項１７】
前記各ノズルの前記外部シュラウドの内側端面壁および前記内部シュラウドの外側端面壁はそれぞれ、各案内羽根の正圧側に接する起伏部を有する、
請求項１４記載のガスタービンエンジン。
【請求項１８】
前記冷却回路はさらに、前記周辺空気供給源から前記前置旋回羽根へ周辺空気を供給するように構成された空気供給流路を有し、
前記空気供給流路は、前記前置旋回羽根を支持するストラット内に設けられている、
請求項１４記載のガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、米国特許出願第１３／０８４，６１８号（出願日：２０１１年４月１２日、代理人整理番号：2010P26648US）の一部継続出願である。同出願の記載内容は、引用により本願の開示内容に含まれることとする。
【０００２】
連邦政府支援の開発に関する陳述
本発明に係る開発の一部は、米国エネルギー省により付与された契約番号DE-FC26-05NT42644で支援を受けたものである。よって、米国政府は本発明において所定の権利を享受することがある。
【０００３】
技術分野
本発明は、ガスタービンエンジンのタービンブレードの、周辺空気誘引方式の冷却に関する。具体的には本発明は、上述のシステムにおける圧力降下が低減した前置旋回羽根に関する。
【背景技術】
【０００４】
エンジンのタービン部において用いられるガスタービンエンジンブレードを冷却するためには、内部冷却路に圧縮空気を強制的に通流させるのが典型的である。この圧縮空気は典型的には、エンジンの圧縮機により構成される圧縮空気供給部から引き出される。しかし、冷却用にこの圧縮空気を引き出すと、燃焼に使用できる圧縮空気量が低減する。燃焼用の圧縮空気量の低減により、エンジン効率が低下する。よって、最新のガスタービン構成では、冷却用に圧縮機から引き出される冷却空気量を最小限に抑えることが重要な技術となっている。
【０００５】
ガスタービンエンジンの中には、下流のブレードの径方向の延在距離が比較的大きい型式のものがある。下流のブレードはたとえば、最後列のブレードを含むことがある。冷却路は典型的には、ブレードのベースからチップに向かう方向に冷却空気を送り、このチップにおいて冷却空気は燃焼ガス流中に排出される。ブレード内において冷却路が径方向外側に向かって長距離にわたって延在していることにより、ブレードの回転と、当該ブレード内に設けられた冷却路とによって、冷却空気にかかる遠心力が生成され、この遠心力が冷却空気を冷却路内に径方向外側に向かって押し込め、冷却空気がブレード内から流出し、これにより、冷却路内において冷却空気の流れが生じる。冷却路内におけるこの流れによって吸引作用が生成され、この吸引作用が、ブレードのベース周辺のロータ空洞内から冷却路内に引き込む冷却空気を増大させる。このようにして、圧縮空気を冷却路内にて強制通流させる従来の冷却とは異なり、未圧縮の空気を、たとえばガスタービンエンジン外部に存在する周辺空気を用いて、下流ブレードを冷却することができる。
【０００６】
周辺空気の静圧は、周辺空気供給源からロータ空洞に向かう方向の冷却流体の流れを生成するのに十分に、当該ロータ空洞内の静圧より高い。よって、周辺空気の静圧は周辺空気供給源をロータ空洞に向かって押し出すことにより、ブレードの回転により生成された吸引作用がロータ空洞内から冷却路を介して周辺空気をタービンブレード内に引き込み、これにより周辺空気冷却回路が完成する。この吸引力により、ロータ空洞内への周辺空気の引き込みが支援される。このようにして、冷却回路全体における周辺空気の流れを維持することができる。
【０００７】
しかし、周辺空気の静圧と、生成された遠心力とが、冷却路内において流れを生成するのに十分であるにもかかわらず、冷却流体を流すのに必要な最小静圧差と、流体を駆動するに際し実際に存在する圧力差との間の余裕は小さい。このことにより、最大空気搬送効率を保証するように冷却回路を構成することに注目がなされている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】誘引方式空冷回路の一部の側面における概略的な断面図である。
【図２】図１の誘引方式空冷回路の前置旋回羽根の概略的な斜視図である。
【図３】図２の前置旋回羽根のインレットを示す図である。
【図４】内部シュラウドおよび案内羽根の一部を示す、図３の前置旋回羽根の内部構造図である。
【図５】外部シュラウドおよび案内羽根の一部を示す、図３の前置旋回羽根の内部構造図である。
【図６】図４の前置旋回羽根のトポグラフィを示す上面図である。
【図７】図５の前置旋回羽根のトポグラフィを示す図である。
【図８】本発明の特徴を具備しない前置旋回羽根における冷却流体の流れ線を示す図である。
【図９】本発明の特徴を具備した前置旋回羽根における冷却流体の流れ線を示す図である。
【０００９】
以下、図面を参照して本発明を説明する。
【００１０】
本発明の詳細な説明
本願の発明者は、ガスタービンエンジンにおいてタービンブレードを冷却するための周辺空気誘引方式冷却システム用の前置旋回羽根であって、当該前置旋回羽根内に流れる冷却流体の流れが示す流れ特性を改善するために輪郭加工された端面壁を有する前置旋回羽根を発明した。この前置旋回羽根は、周辺空気流が回転タービンブレード内に導入される前に当該周辺空気流に旋回を生じさせるものである。これにより、冷却流体流をブレード内の冷却路のインレットへ送る効率を上昇させることができる。前記輪郭加工された端面壁によって、流れにおける圧力損失が小さくなり、この圧力損失が小さくなることによって、前置旋回羽根内における流れ効率が向上し、この流れ効率の向上により、ガスタービンエンジンの効率が上昇する。
【００１１】
図１は、一実施例の周辺空気冷却回路１０の一部分の概略的な側面断面図である。この周辺空気冷却回路１０は、
周辺空気供給源１２、
当該供給源１２と前置旋回羽根プレナム１６とを流体連通させる少なくとも１つの空気供給流路１４、
タービンブレード２２に隣接するロータ空洞２０、
各タービンブレード２２に設けられた冷却路インレット（図示されていない）、冷却路２６および冷却路アウトレット２９
を有する。前記前置旋回羽根１６はオプションとして、前置旋回羽根１８を支持するストラット１７内に配置される。前記冷却路アウトレット２９は、タービンブレード２２のチップに配置することができ、または配置しないことも可能である。周辺空気は、空気供給流路１４内部に入ると冷却流体２８となる。冷却流体２８は空気供給流路１４内部を通って前置旋回羽根プレナム１６内に入る。この前置旋回羽根プレナム１６は環状のプレナムであり、冷却流体２８を前置旋回羽根１８へ供給する。前置旋回羽根１８内では、ロータディスク３１の長手軸３０を中心として冷却流体２８を旋回させる。冷却流体２８はたとえば、前置旋回羽根１８から直接、冷却路インレットに流入するか、または、ロータディスク３１とタービンブレード２２のベースとの間のギャップを通ってから、その後に前置旋回羽根１８内に流入する。その後は、冷却流体２８は各冷却路２６内を通流する。冷却路２６内に入ると、タービンブレード２２がロータディスク３１の長手軸３０（「回転軸」ともいう）を中心として回転することにより、径方向外側に向かう方向３２に遠心力が生成され、これが、冷却路２６内に冷却流体２８を押し流す。冷却流体２８は冷却路アウトレット２９から排出され、内部にて高温ガス３６が流れている高温ガス路３４内に流入する。冷却流体２８が冷却路２６内を流れて冷却路アウトレット２９から流出していくという動きにより、吸引力が発生し、この吸引力が、排出された冷却流体２８の代わりとなるべく、ロータ空洞２０から冷却流体２８を冷却路２６内に引き込む。周辺空気の静圧が、冷却路２６内に引き込まれた冷却流体２８の代わりとなるべく、冷却流体２８をロータ空洞２０に向けて押し流し、これにより、周辺空気冷却回路１０が完成する。
【００１２】
図２は、外部シュラウドを取り外した状態の周辺空気冷却回路１０の前置旋回羽根１８を、ガスタービンエンジンの後端部から見た、概略的な斜視図である。同図では、直径４０が一定である内部シュラウド３８と、ロータディスク３１の長手軸３０を中心とした環状配列で配置された複数の案内羽根４２とを示している。前置旋回羽根１８は、前置旋回羽根プレナム１６により供給された冷却流体２８の、流れ方向が軸方向である環状流を受け取って周方向運動を伝えることにより、ロータディスク３１の長手軸３０を中心とした旋回を生じさせる。一実施例の前置旋回羽根１８の入口側を示す図３から分かるように、前記複数の案内羽根４２は、冷却流体２８を案内する複数のノズル４４を画定する。これらの各ノズル４４は、第１の案内羽根４６と、周方向に隣接する案内羽根４８と、内部シュラウド３８の外側端面壁５０と、案内羽根４２が成す、外部シュラウド５６の内側端面壁５４との間に形成され、かつこれらの案内羽根と端面壁とによって画定されている。したがって、各ノズル４４それぞれが冷却回路１０の一部を成している。従来のノズルとの相違点として、本発明の端面壁の直径４０は一定ではなく、端面壁は、周方向６０および軸方向６２の双方において輪郭加工されており、一定の直径４０から起伏することができる。
【００１３】
案内羽根に付随する空気力学的損失の１つに、馬蹄渦７０と称されるものがある。この馬蹄渦７０は、案内羽根４２の前縁部７４と端面壁との交差部分７２にて発達するものである。ノズル４４内ではこの馬蹄渦は、流体の流れが比較的緩慢である、静圧が比較的高い領域において発達する傾向がある。端面壁付近および正圧側７６および／または負圧側７８付近の冷却流体は、冷却流体２８における他の領域と比較して、その表面に関連する摩擦を含めた種々の空気力学的要因によって低速になる。その結果、前記交差部分７２付近の領域８０における冷却流体２８の運動は、ノズル４４内部の中央領域８２と比較して比較的低速になることがある。さらに、案内羽根４２の前縁部７４にぶつかった冷却流体２８によって、当該前縁部７４の手前において頭部波が生じ、当該前縁部７４において生じる静圧は、流れの他の領域における静圧と比較して高圧になる。その結果、交差部分７２付近の領域８０における流体の動きは、ノズル４４内部の中央領域８２と比較して低速になり、かつ、当該領域８０に生じる静圧は、当該中央領域８２と比較して高圧になる。馬蹄渦の強さは、上述の２つの領域間の速度勾配の大きさと、当該２つの領域間の静圧の勾配の大きさと相関関係にあり、本発明にて開示したタイプのノズル４４にて発達する馬蹄渦７０は比較的強くなる。案内羽根のアスペクト比が小さいと、馬蹄渦に付随して生じる損失は拡大する。径方向高さが短くなり、かつ翼形部長が長くなると、馬蹄渦が中央領域８２により接近する機会が多くなる。よって、輪郭加工された端部壁（５０，５４）を備え、かつ、案内羽根４２のアスペクト比が小さい前置旋回羽根１８の実施例が、有利であることも明らかである。
【００１４】
さらに、流れの移動速度が比較的速い領域における冷却流体２８は、馬蹄渦７０の脚部分８４が下流に流れるときに、当該移動速度が比較的速い領域に向かって当該脚部分８４を引き込む傾向にもある。スワラのノズル４４では、前記移動速度が比較的速い領域は中央領域８２であるから、径方向内側の馬蹄渦８６の脚部分８４は径方向外側に向かう方向３２に引き込まれる。脚部分８４がノズル４４内側の中央領域８２に引き込まれることによって流れに生じる空気力学的損失量は、交差部分７２付近の領域８０に脚部分８４が留まった場合に生じる空気力学的損失量より大きくなる。交差部分７２付近の領域８０の流速は比較的遅いので、当該領域における空気力学的損失が問題になることは比較的少ない。
【００１５】
特定の理論に拘束されることなく、速度勾配および／または静圧勾配が減少することにより、渦の強さが低下すると考えられている。したがって、本発明の端面壁は速度勾配および／または静圧勾配を小さくするのに有効であり、この速度勾配および／または静圧勾配が小さくなることにより、馬蹄渦７０の強さも低下する。さらに、端面壁の幾何学的形態により、馬蹄渦７０の脚部分８４が交差部分７２付近の領域８０により近接した場所に留まるのが支援され、これにより、ノズル４４内側の中央領域８２における空気力学的損失が緩和される。輪郭加工部には、案内羽根４２の正圧側７６に接する各端面壁ごとに設けられた、隆起した領域の外観を呈している起伏部１００が含まれている。本発明の起伏部１００は、端面壁の起伏部１００が無い場所と比較してノズル内側に向かって突出した端面壁の領域である。輪郭加工部はさらに、案内羽根４２間の各端面壁ごとに谷部１０２または陥入部分も含む。本発明の谷部１０２は、端面壁の谷部１０２が無い場所と比較してノズルから退行した端面壁の領域である。ノズル端面壁の起伏部１００または谷部１０２が無い部分はすべて、一定径長部分とみなすことができる。各端面壁がそれぞれ一定径長部分を、すなわち、端面壁が一定径長になっている部分を有することができ、または、各端面壁はそれぞれ、当該端面壁の一定径長部分を定める理論的な寸法のみを有するが、各端面壁は実際には、当該理論的な寸法の径方向内側方向と径方向外側方向とに輪郭加工することが可能である。換言すると、各端面壁はそれぞれ、各端面壁の小さい一部分のみを占める起伏部１００または谷部１０２を有することができ、または、実際に一定径長部分（すなわち中庸部分）を残すことなく起伏部１００と谷部１０２とによって各端面壁の全部を構成することができる。
【００１６】
起伏部１００は、交差部分７２付近の領域８０におけるノズル４４の断面積を縮小して起伏部１００を設けない場合よりも、交差部分７２付近の領域８０における冷却流体２８の流れを速くするように協働すると考えられている。流れる領域が小さくなると、冷却流体２８の速度は必然的に上昇する。また、谷部１０２は、ノズル４４の断面積の増大により、当該ノズル４４内側の中央領域８２における冷却流体２８を緩慢にするように協働するとも考えられている。交差部分７２付近の領域８０における冷却流体２８の速度が上昇し、かつ、ノズル４４内側の中央領域８２における冷却流体２８の速度が低下することにより、速度勾配が小さくなり、この速度勾配が小さくなることにより、馬蹄渦７０が弱くなる。
【００１７】
起伏部１００が無いと、冷却流体２８の速度が低速になることにより、交差部分７２付近の領域８０における静圧は比較的高圧になる。交差部分７２付近の領域８０における速度が上昇すると、静圧は低下する。谷部１０２が無いと、冷却流体２８の速度が高くなることにより、ノズル４４内側の中央領域８２における静圧は比較的低圧になる。ノズル４４内側の中央領域８２における速度が低下することにより、静圧は上昇する。交差部分７２付近の領域８０における比較的高い静圧を低下させ、かつ、ノズル４４内側の中央領域８２における比較的低い静圧を上昇させることにより、圧力勾配が小さくなり、この圧力勾配が小さくなることにより、馬蹄渦７０が弱くなる。
【００１８】
さらに、ノズル４４内側の中央領域８２における冷却流体が低速化したことにより、径方向内側の馬蹄渦８６の脚部分８４が径方向外側に向かう方向３２に引き込まれる傾向も小さくなる。端面壁が馬蹄渦７０から比較的退行している谷部を馬蹄渦７０が通過するとき、このことにより、馬蹄渦７０がノズル４４内側の中央領域８２にそれほど引き込まれにくくなると考えられる。換言すると、馬蹄渦７０は端面壁により良好に付着するようになる。端面壁における付着が良好になることにより、馬蹄渦７０に付随して生じる空気力学的損失の、ノズル４４内側の中央領域８２への拡散が緩和される。このことにより、全体的な空気力学的損失が減少し、この空気力学的損失の減少によりエンジン効率が上昇する。
【００１９】
図４は、案内羽根４２の径方向外側部分と外部シュラウド５６を取り外した状態の、案内羽根４２の径方向内側部分と内部シュラウド３８とを示す、図３の前置旋回羽根１８の内部構造図である。複数のノズル４４の径方向内側部分を示しており、これら各径方向内側部分の一部は、内部シュラウド３８の外側端面壁５０と、第１の案内羽根４６の正圧側７６と、周方向に隣接する案内羽根４８の負圧側７８とによって形成されている。冷却流体２８は、主にロータディスク３１の長手軸３０に対して軸方向に進行しながらノズル４４の入口端部１１０に流入し、軸方向成分と周方向６０成分とを有する進行方向に進行しながら出口端部１１２から流出していく。
【００２０】
一実施例では、内部シュラウド３８および／または外部シュラウド５６をモノリシック体とすることができる。タービン内に燃焼ガスを案内するのに用いられる羽根アセンブリは通常、羽根のリングを成すように組み立てられた複数のサブコンポーネントから成る。このような構成を必要とする理由は、上述の羽根リングのサイズが比較的大きいことに付随するファクタにあり、このファクタには、当該サイズを単体で製造するコストが高いこと、熱成長の問題、および、タービン自体の組立ならびに解体が含まれ、この組立および解体はしばしば、羽根リングを解体する必要があることが多い。組立後のこの羽根リングは、サブコンポーネント間に接合部を有することが多く、この接合部は、動作中ずっと変化し続ける。たとえば、互いに隣接するサブコンポーネント間には、ノズルに周方向のギャップを設けないことが可能であり、または、周方向のギャップを設けることが可能である。このことだけで、空気力学的特性を変化させることができる。接合部は、周方向に整合することができ、または周方向に整合しないことも可能である。たとえば、１つのサブコンポーネントは他のサブコンポーネントより径方向外側に延在することができる。このことにより、ノズルを通過するガスが、互いに隣接するサブコンポーネント間のギャップを横切ると、たとえばノズルが周方向部品を有する場合、当該ガスは段部に衝突することとなる。第１のサブコンポーネントが、隣接するサブコンポーネントより径方向外側に延在するか、または当該隣接するサブコンポーネントほど径方向外側に延在していないかに応じて、上昇段部または下降段部とすることができる。いずれの種類の段部によっても流れに渦が生成され、その渦によって生じる空気力学的損失は、馬蹄渦７０によって生じる空気力学的損失と同じ種類となる。サイズが縮小し、かつ動作温度が低下することにより、内部シュラウド３８および外部シュラウド５６は上述の制約を受けることがなくなり、よって、内部シュラウド３８および外部シュラウド５６を単体部品として製造することが可能になる。単体／モノリス構成とすることにより、ノズルは、組立後のサブコンポーネント間の接合部に付随して生じる空気力学的損失を回避することができる。この空気力学的損失を回避できることにより、ノズル４４を通過することにより生じる圧力降下を小さくすることができる。
【００２１】
図５は、案内羽根４２の径方向外側部分と内部シュラウド３８を取り外した状態の、案内羽根４２の径方向外側部分と外部シュラウド５６とを示す、図３の前置旋回羽根１８の内部構造図である。複数のノズル４４の径方向外側部分を示しており、これら各径方向外側部分の一部は、外部シュラウド５６の内側端面壁５４と、第１の案内羽根４６の正圧側７６と、周方向に隣接する案内羽根４８の負圧側７８とによって形成されている。
【００２２】
図６は、前置旋回羽根１８の一実施例の内部シュラウド３８のトポグラフィを示す上面図である。図中の実施例では、第１の案内羽根４６の正圧側７６に起伏部１００が隣接するのが見えており、当該起伏部１００の最高点は、当該第１の案内羽根の前縁部７４から後縁部１２６までの翼弦線１２２の１／３の場所付近に配置することができる。図中の実施例では、第１の案内羽根４６と、周方向に隣接する案内羽根４８との間の、周方向６０に半分の場所付近に、谷部１０２があるのが示されている。第１の案内羽根４６の前縁部７４から、馬蹄渦７０が生じているのが示されている。図中の実施例では、第１の案内羽根の前縁部７４から後縁部１２６までの翼弦線１２２の２／３の場所付近に、谷部の最下点１２０が位置している。また、谷部１０２を超えるように馬蹄渦７０の脚部分８４が押されるように（図６参照）、当該最下点１２０は馬蹄渦７０の脚部分８４より下流に来るようにも配置されている。
【００２３】
図７は、外部シュラウド５６下方のハブに位置するミラーを径方向内側方向に見たと仮定した場合に見える、前置旋回羽根１８の一実施例の外部シュラウド５６のトポグラフィを示す図である。外部シュラウド５６は径方向外側方向により遠く出ているので、当該外部シュラウド５６は長くなっており、よって、互いに隣接する案内羽根４２のスペースはより大きくなっている。図６のサイズに合致するためにこの余分な長さを無くすことによって、起伏部１００および谷部１０２はより小さくなったように見えるが、実際には小さくなっていない。図中の起伏部１００および谷部１０２は一例であり、所望の空気力学的効果を生じさせるいかなる輪郭形態も、本発明の範囲内であるとみなす。
【００２４】
図８は、流体モデリングを用いた、本発明の特徴を具備しない前置旋回羽根における冷却流体２８の流れ線を示す図である。流れ線１２４は、馬蹄渦７０の脚部分８４を表している。脚部分８４は、第１の案内羽根４６の前縁部７４に衝突すると、当該第１の案内羽根４６の正圧側から離れ始めるのが観察できる。脚部分８４がノズル４４を通過するにつれて、流れ線１２４は、周方向に隣接する案内羽根４８の負圧側７８に向かって、当該周方向に隣接する案内羽根４８の後縁部１２６に向かって移動する。流れ線１２４はこのようにしている間、同図面の図平面から出て上方向に、ノズル４４内側の中央領域８２に向かう方向にも移動しており、これにより空気力学的損失が生じる。
【００２５】
図９は、流体モデリングを用いた、本発明の特徴を具備した前置旋回羽根１８における冷却流体２８の流れ線を示す図である。馬蹄渦７０の脚部分８４の流れ線１２４は、第１の案内羽根４６の前縁部７４に衝突すると、正圧側７６から僅かに離れるが、図８とは異なり、流れ線１２４は、周方向に隣接する案内羽根４８の後縁部１２６に向かってノズル４４内側を進む間、当該周方向に隣接する案内羽根４８の負圧側７８向かって移動することはなく、流れ線１２４は比較的長距離にわたって、第１の案内羽根４６の正圧側７６に付着している。さらに、流れ線１２４が同図面の図平面から同程度離れる確率も比較的低くなる。よって、本発明の前置旋回羽根では、馬蹄渦７０の脚部分８４によって生じる空気力学的損失は小さくなり、それにより、ガスタービンエンジンの動作効率は高くなる。
【００２６】
上述の記載から、本願の発明者が、前置旋回羽根を使用することを含めて、タービンブレード用の周辺空気誘引方式冷却システムにおける空気力学的特性を改善する新規の手段を認識したことは明らかである。本願発明者はまた、前置旋回羽根における空気力学的特性をさらに改善するための前置旋回羽根の更なる改善手段も創作した。したがって、上記事項は、関連分野における改善手段である。
【００２７】
本発明の種々の実施形態を図示および説明したが、これらの実施形態は単なる一例であることは明らかであり、本発明から逸脱することなく、数多くの変形、変更および置換が可能である。したがって、本発明は特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【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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【図９】
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【国際調査報告】
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