(57)【要約】  ガスタービンエンジン（１１０）において翼（１１２）の下流の主流流体（１１８）の温度勾配（３０）を減じる装置（１００）が提供される。装置は、入口（１３２）および出口（１３４）を有する翼の後縁（１１４）における通路（１１６）を有する。装置は、冷却流体を通路へ送るために入口に接続された冷却流体源（１３６）も有する。装置は、出口において渦流体（１４０）を発生するために有効な通路内に渦発生器（１３８）をも有する。出口は、翼の下流において、減じられた温度勾配（１３０）を生ぜしめるために、十分な混合エネルギを有する主流流体内へ渦流体を噴射するように配置されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンの翼において、
根元セクションと、
該根元セクションに接続された、後縁を有する翼セクションと、
前記後縁に設けられた冷却流体通路と、
該冷却流体通路から排出される冷却流体に渦度を発生させるために有効な、前記後縁の前記冷却流体通路内に設けられた渦発生器と、
を備えることを特徴とする、ガスタービンエンジンの翼。
【請求項２】
前記渦度は、前記翼の下流における温度勾配を減じるために有効である、請求項１記載の翼。
【請求項３】
前記渦発生器は、前記冷却流体通路の出口内に挿入されたスワーラを含む、請求項１記載の翼。
【請求項４】
前記渦発生器は、前記冷却流体通路内の複数のスワーラチャネルを含み、該スワーラチャネルは、前記冷却流体通路の外側部分に配置されている、請求項１記載の翼。
【請求項５】
前記渦発生器は、さらに、前記冷却流体通路の中央部分内の中実のコアを含み、前記スワーラチャネルは、前記中実のコアの周囲に配置されており、前記中実のコアは、流体を前記中央部分から前記スワーラチャネル内へ方向転換するように構成されている、請求項４記載の翼。
【請求項６】
前記渦発生器は、さらに、前記冷却流体通路の中央部分内の中空のコアを含み、前記スワーラチャネルは、前記中空のコアの周囲に配置されている、請求項４記載の翼。
【請求項７】
前記後縁における複数の冷却流体通路と、各冷却流体通路におけるそれぞれの渦発生器とをさらに備え、隣接する前記渦発生器は、隣接する冷却流体通路の出口からの冷却流体を反対方向の渦度で回転させるように構成されている、請求項１記載の翼。
【請求項８】
ガスタービンエンジン用の翼において、改良点が、
前記翼の後縁における通路を含み、該通路は、入口と、出口とを有し、前記通路は、前記入口において冷却流体を受け取るように構成されており、さらに、前記出口において渦流体を発生するように構成されており、
前記渦流体が、前記翼の上を通過する主流流体内へ噴射されると、前記渦流体は前記主流流体と混合されることを特徴とする、ガスタービンエンジン用の翼。
【請求項９】
前記通路は、噴射された前記渦流体が前記主流流体と混合され、前記翼の下流における前記主流流体の温度勾配が減じられるように、構成されている、請求項８記載の翼。
【請求項１０】
前記通路は、前記後縁における前記通路よりも冷却流体における上流に配置された翼の蛇行した冷却流体網状構造から冷却流体を受け取るように構成されている、請求項８記載の翼。
【請求項１１】
前記通路は、前記出口から前記主流流体内へ噴射される渦流体の渦度を発生するように構成されたい少なくとも１つのスワーラチャネルを有する、請求項８記載の翼。
【請求項１２】
翼の上を通過する主流流体内へ渦流体を噴射する翼において、該翼は、
該翼の後縁と、
前記渦流体を前記主流体内へ噴射するための、前記後縁における出口を有する渦発生器と、を備えることを特徴とする、翼。
【請求項１３】
前記後縁における複数の出口と、各出口におけるそれぞれの渦発生器とは、各出口から出てくるそれぞれの渦流体を発生するように構成されており、隣接する渦発生器は、隣接する出口からの渦流体を同じ方向の渦度で回転させるように構成されている、請求項１２記載の翼。
【請求項１４】
前記後縁における複数の出口と、各出口におけるそれぞれの渦発生器とは、各出口から出てくるそれぞれの渦流体を発生するように構成されており、隣接する渦発生器は、隣接する出口からの渦流体を反対方向の渦度で回転させるように構成されている、請求項１２記載の翼。
【請求項１５】
前記後縁内に通路をさらに備え、前記渦発生器は前記通路内に配置されており、前記渦発生器は、前記出口において渦流体を発生するために少なくとも１つのスワーラチャネルを有し、前記渦流体は、前記主流流体において二次的な渦度を発生するために有効である、請求項１２記載の翼。
【請求項１６】
前記渦発生器は、さらに、前記通路の中央部分内の中実のコアを含み、前記渦発生器は、前記中実のコアの周囲に配置された複数のスワーラチャネルを有し、前記中実のコアは、前記出口から出てくる前記冷却流体に渦を発生するために、流体を前記中央部分から前記スワーラチャネル内へ方向転換するように構成されている、請求項１５記載の翼。
【請求項１７】
前記渦発生器は、さらに、前記通路の中央部分内の中空のコアを含み、前記渦発生器は、さらに、複数のスワーラチャネルを含み、該スワーラチャネルは、前記中空のコアの周囲に配置されている、請求項１５記載の翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の態様は、ターボ機械、特にターボ機械内の主流流体流に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジン発電機械では、流体はまず圧縮機によって圧縮され、その後、燃焼室において加熱され、それにより発生した主流流体はタービンへ移動し、タービンは、主流流体によって駆動されることにより、圧縮機を回転させることを含んでもよい仕事を行う。タービンにおける主流流体の温度は、通常、固定翼および回転ブレードを含むほとんどのタービン構成部材の融点を超える。したがって、冷却流体が主流流体内へ排出される前に、冷却流体がこれらのタービン構成部材の内部に継続的に通過させられる。比較的低温の冷却流体をタービン構成部材から比較的高温の主流流体へ排出する結果、下流のタービン構成部材は温度勾配にさらされる。
【０００３】
図１は、後縁１４を有する翼１２を備える従来のガスタービンエンジン１０を示している。冷却流体２０が翼１２の内部を通過した後に冷却流体２０を主流流体１８へ排出するために、後縁１４に通路１６が形成されている。図１は、温度分布２８の中心線２２と一対の横方向縁部２５，２７との間の接線方向に沿った、翼１２の下流の温度分布２８を示している。温度分布２８の横方向縁部２５，２７は、後縁１４の横方向縁部２４，２６から投影された、冷却流体２０と主流流体１８との間のせん断層交差部２９，３１の下流横方向縁部を示している。温度分布２８は、中心線２２と横方向縁部２５，２７との間の急な勾配３０を示している。当業者によって認められるように、下流タービン構成部材に生じる急な温度勾配３０は、これらの構成部材における望ましくない応力勾配を生じ、これらの構成部材の有効寿命を減じる恐れがある。
【０００４】
以下の説明では本発明を図面に関連して説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】ガスタービンエンジンにおける従来の翼の下流の温度分布を示す図である。
【図２】ガスタービンエンジンにおける翼の側方から見た断面図である。
【図３】図２の翼の後縁の部分的な上方からの断面図である。
【図４】図２の翼の下流の温度分布を示す図である。
【図５】図３の後縁の出口の断面図である。
【図６】図３の後縁の代替的な出口の断面図である。
【図７】図２の翼の代替的な後縁の部分的な上方からの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本発明者は、ガスタービンエンジンの冷却される翼から冷却流体を排出するために使用される従来のアプローチの複数の制約を認識した。発明者は、翼からの冷却流体と、主流流体との下流の混合が制限され、その結果、翼の下流に温度勾配を生じ、これらの制限が、冷却流体を翼から主流流体へ排出するときの冷却流体と主流流体との間の不十分な渦度によりこれらの制限が生じるということを認識した。したがって、本発明者は、より効果的なアプローチが、冷却流体を翼から主流流体へ排出するときに冷却流体と主流流体との間の渦度を開始することを含むことを認識した。
【０００７】
加えて、本発明者は以下の点を認識した。すなわち、従来の翼後縁配列は、主流流体通路の外側から主流流体通路内へ冷却流体を導入するものの、導入された冷却流体は線形の運動量を有している。この線形の運動量は、翼後縁に隣接する主流流体と冷却流体とを大きく混合して翼の下流における温度勾配を低減するのに必要な渦度が不足している。したがって、本発明者は、主流流体と冷却流体とを大きく混合して翼の下流における温度勾配を低減するために必要な渦度を持つ冷却流体を主流流体通路へ導入する装置を設計した。
【０００８】
図２は、ガスタービンエンジン１１０において翼１１２の下流の主流流体の温度勾配を減じる装置１００を示している。ガスタービンエンジン１１０の圧縮機（図示せず）は、まず流体を圧縮し、この流体は、その後、燃焼室によって加熱され、タービンへ送られる主流流体１１８（図３）を生じる。例示的な実施の形態では、翼１１２は、ガスタービンエンジン１１０のタービンセクション内の固定翼または回転翼である。しかしながら、本発明の実施の形態は、ガスタービンのタービンセクション内で使用される翼に限定されず、ターボ機械において使用されるあらゆる翼の下流温度勾配を減じるために使用されてもよい。
【０００９】
図２に示したように、翼１１２は、根元セクション１３９と、根元セクション１３９に接続された、後縁１１４を備える翼セクション１１５とを有する。翼１１２は、後縁１１４において冷却流体通路１１６をも有する。冷却流体は、翼１１２の根元セクション１３９における入口１３７を通過させられ、内部通路１３６は、冷却流体を翼１１２の内部で方向付けるために翼１１２内で蛇行した網状構造を形成している。図３は、通路１１６が、冷却流体を翼１１２の内部通路１３６から受け取るための入口１３２を有することを示している。図３は、通路入口１３２が翼１１２内の内部通路１３６から冷却流体を受け取ることを示しているが、冷却流体を通路１１６の入口１３２へ送るためにあらゆる冷却流体源が使用されてもよい。図３に示したように、通路１１６は、冷却流体を翼１１２からガスタービンエンジン１１０の主流流体１１８内へ排出するための出口１３４をも有する。
【００１０】
図３は、さらに、装置１００が、通路１１６内に配置された、翼１１２の出口１３４において渦流体１４０を発生するために有効な渦発生器１３８を有することを示している。図３の例示的な実施の形態では、渦発生器１３８は、通路出口１３４に配置されたスワーラであり、出口１３４において流体１４０に渦度を付与するために、通路１１６内に配置されかつ取り付けられた中実のらせん状の部材を有する。例示的な実施の形態では、通路１１６は、冷却流体が内部通路１３６の蛇行した網状構造を通過させられた後に冷却流体を排出するための、後縁１１４における従来の冷却穴であってもよい。図３の実施の形態は、通路１１６内に１つのスワーラを示しているが、渦流体１４０における所望の渦度パターンに応じて、２つ以上のスワーラが通路１１６内に配置されていてもよい。図３に示したように、渦発生器１３８は、出口１３４から通路１１６内へ長さ１４５だけ延びており、通路１１６は長さ１４７を有する。図３は、渦発生器１３８が通路１１６の出口１３４に配置されていることを示しているが、本発明の実施の形態はこの配列に限定されず、渦発生器１３８は、渦流体１４０が出口１３４において発生されるのであれば、通路１１６の長さ１４７に沿ったいずれの位置に配置されてもよい。
【００１１】
図４に示したように、渦流体１４０は、渦流体を主流流体１１８へ排出するときに、渦流体１４０が主流流体１１８と混合されるような渦度を有する。渦流体１４０の渦度は、渦発生器１３８の１つまたは複数のパラメータに基づく。これは以下でより詳細に説明される。図４は、温度分布１２８の中心線１２２と横方向縁部１２５，１２７との間の、翼１１２の下流の温度分布を示している。横方向縁部１２５，１２７は、後縁１１４の横方向縁部１２４，１２６から投影された、渦流体１４０と主流流体１１８との間のせん断層交差部１２９，１３１の下流横方向縁部を示している。温度分布１２８は、図１の従来のガスタービンエンジン１０における従来の温度分布２８の急な温度勾配３０に対して、減じられた温度勾配１３０を特徴とする。熱エネルギを主流流体１１８から渦流体１４０へ移動させて、下流の温度勾配３０を、減じられた温度勾配１３０の勾配に低減するために、噴射された渦流体１４０は主流流体１１８を渦流体１４０と混合させる。後縁１１４に隣接する主流流体１１８から渦流体１４０へ熱エネルギを移動させることにより、減じられた温度勾配１３０が最小化される。有効なことに、噴射された渦流体１４０は、せん断層交差領域１２９，１３１内の埋め込まれた渦（図示せず）を強化し、これは、主流流体１１８と渦流体１４０との混合を高める。
【００１２】
本発明の発明者は、渦流体１４０を、後縁１１４に隣接した主流流体１１８と有効に混合させるためには、渦流体１４０の渦度が、後縁１１４の出口１３４から、後縁１１４に隣接した主流流体１１８へと到達可能であるべきであることを認識した。つまり、図４に示したように、渦流体１４０の発生した渦構造が、翼１１２の横方向縁部１２４，１２６の間の距離よりも大きな直径を有するように、渦発生器１３８は構成されている。渦流体１４０は、次いで、後縁１１４の出口１３４における中心線１２２から、主流流体１１８へ到達し、有効に混合し、熱エネルギを主流流体１１８から渦流体１４０へ移動させることができる。図３の例示的な実施の形態は、通路１１６内の渦発生器１３８を示しているが、本発明の実施の形態は、通路が出口において渦流体を発生することができるのであれば、通路内に配置された構造的な渦発生器を有する必要はない。
【００１３】
図３の例示的な実施の形態は、渦発生器１３８が出口１３４に挿入されたスワーラであることを示しているが、本発明のその他の実施の形態は、渦流体１４０に渦度を付与するために利用されてもよい代替的な渦発生器を提供する。例えば、図５は、通路１１６内に複数のスワーラチャネル１４４’を有する代替的な渦発生器１３８’を備える出口１３４の断面図を示している。スワーラチャネル１４４’は、出口１３４の外側半径部分において外側部分１４６’に配置されている。スワーラチャネル１４４’は、通路１１６の出口１３４内に配置されるためのインサートとして渦発生器１３８を鋳造するために使用されてもよいマイクロファブリケーション鋳造技術を使用して鋳造される。例示的な実施の形態では、翼１１２の比較的大きな寸法と比較してスワーラチャネル１４４’の寸法を比較的小さくする目的で、例えば鋳造プロセス中にスワーラを使用してスワーラチャネル１４４’の正確な湾曲を精密に調整するために、マイクロファブリケーション鋳造技術を使用してもよい。例示的な実施の形態では、渦発生器１３８’のスワーラチャネル１４４’を鋳造するためにマイクロファブリケーション鋳造技術が使用された後に、渦発生器１３８’は、例えば、従来の鋳造または穿孔された通路１１６の出口１３４に挿入されてもよい。これに代えて、マイクロファブリケーション鋳造技術は、翼１１２の鋳造と一体的であることもできる。図５に示したように、渦発生器１３８’は、さらに、通路１１６の中央部分１５０内に中実のコア１４８’を有する。中央部分１５０’は、出口１３４の外側半径部分における外側部分１４６’と対照的に、出口１３４の内側半径部分に配置されている。出口１３４から出てくる渦流体１４０に増大した渦度を生ぜしめるために、中実のコア１４８’が冷却流体を中央部分１５０’からスワーラチャネル１４４’へ方向転換するように、スワーラチャネル１４４’は中実のコア１４８’の周囲に配置されている。
【００１４】
別の例では、図６は、図５の渦発生器１３８’と同様であるが、通路１１６の中央部分１５０”内に中実のコア１４８’ではなく中空のコア１４８”を有する代替的な渦発生器１３８”を備える出口１３４の断面図を示している。スワーラチャネル１４４’は、スワーラチャネル１４４’が図５の渦発生器１３８’において中実なコア１４８’の周囲に配置されるのと同じ形式で、中空のコア１４８”の周囲に配置されている。渦発生器１３８”の作動中、スワーラチャネル１４４’内の流体は、スワーラチャネル１４４’内の流体とともに中空コア１４８’からの流体を引き込み、これは、中空コア１４８”内の流体の渦度を高め、ひいては、出口１３４における渦流体１４０の渦構造を改良する。
【００１５】
図５および図６のスワーラチャネルまたは図３のスワーラによって発生する渦度は、スワーラチャネル／スワーラの回転半径、および／またはスワーラチャネル／スワーラの単位長さ当たりの回転の数などの、スワーラチャネルまたはスワーラの様々な特性に基づく。例えば、渦発生器のスワーラチャネル／スワーラの単位長さ当たりの回転の数を増加させることは、渦流体の渦度を改良し得る。図５および図６は、通路１１６の出口１３４が円形であることを示しているが、出口は円形である必要はなく、下流温度勾配を減じるために、排出された渦流体が主流流体と渦流体とを十分に混合することができるのであれば、あらゆる形状を成していてもよい。
【００１６】
装置１００の上記実施の形態は、通路１１６の出口１３４において渦流体を発生するために後縁１１４の通路１１６内で渦発生器を使用することを説明しているが、代替的な装置１００’には、渦流体１４０と主流流体１１８との混合を高める同様の渦発生器特徴が設けられてもよい。例えば、図７に示したように、渦発生器１３８を出口１３４’において通路１１６’内に配置することに加えて、通路１１６’は、中心線１２２、および翼１１２の外側の主流流体１１８の流れの方向に対して所定の角度で方向付けられていてもよい。主流流体１１８の流れの方向に対する出口１３４’の向きにかかわらず、噴射された渦流体１４０’は、せん断層交差領域（図示せず）内の埋め込まれた渦（図示せず）を強化し、これは、主流１１８と渦流体１４０’との混合を高める。
【００１７】
図２の例示的な実施の形態は、翼１１２の後縁１１４に沿った複数の渦発生器１３８を示している。隣接する渦発生器１３８は、図３に示された隣接する渦流体１４０が互いに同じ方向の渦度を有するように構成することができる、または代替的に、せん断層相互作用領域内の埋め込まれた渦の強化を高めるために、隣接する渦流体が反対方向の渦度を有するように構成することができる。
【００１８】
本発明の様々な実施の形態が本明細書中で図示および説明されているが、これらの実施の形態は単に例として提供されていることが明らかであろう。本明細書における本発明から逸脱することなく、多数の改変、変更および代用がなされ得る。したがって、本発明は、添付の請求項の思想および範囲によってのみ限定されることが意図されている。
【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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【国際調査報告】
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