JP2000291406A - 多重衝突翼冷却 - Google Patents
多重衝突翼冷却Info
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Abstract
翼の冷却を改良することが望まれている。 【解決手段】 タービンの翼(14)は第一と第二の側
壁(20、22)を含んでおり、これら側壁は、前縁
(24)と後縁(26)で互いに連結されており、そし
て離隔していて、隔壁(38)により分離された第一と
第二の空洞(34、36)を定めている。第一の空洞に
沿って後部ブリッジ(40)が延びており、そこには一
列の出口穴(44)がある。隔壁は一列の入口穴(4
2)をもっている。そして、第一の空洞の内部にはター
ビュレータ(46)が複数の列をなして配置されてお
り、第一の側壁から第二の側壁に向かって延びている。
これらのタービュレータはその多重衝突冷却のために入
口穴と整列されている。
Description
に係り、特にタービン翼の冷却に係る。
縮機内で加圧されそして燃焼器内で燃料と混合され、点
火されて高温の燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスはタ
ービンを通って下流に流れエネルギーが引き出される。
高圧タービン(HPT)は燃焼器の直ぐ後にあり、円周
方向に離隔した複数のステータベーンを有する固定ノズ
ルを含んでいる。燃焼ガスはベーンによって指向されて
支持ロータディスクから外方に延びるタービンのロータ
ブレード列に作用する。ガスから引き出されたエネルギ
ーがロータディスクを回転させ、これが圧縮機に動力を
供給する。通常、低圧タービンがHPTの次にあり、燃
焼ガスからさらにエネルギーを引き出して通常の航空機
エンジン用のファンに動力を供給する。
翼を画定しており、これら翼は空気力学的性能を最大に
するべく特別な形状をもたせたほぼ凹面状の圧力側とほ
ぼ凸面状の吸込側とをもっている。これらのタービン翼
は、高温の燃焼ガスに直接さらされ、そのため圧縮機か
ら抽気した空気の一部を用いて翼の中を適当に流すこと
により冷却される。
領域におけるそれらの特殊な機能のために、翼のさまざ
まな部分が燃焼ガスによりいろいろ異なって加熱され、
それに対応して冷却要件も異なっている。翼の前縁は最
初に燃焼ガスに接するので、そのための専用の冷却用空
洞と、これと流通して配置された一列以上の膜冷却用穴
によって得られるのが典型的である特別な冷却が必要で
ある。
冷却を増大するため壁タービュレータを内部にもつ蛇管
状の冷却用通路を用いて冷却される。ノズルベーンの弦
中間領域は、通常冷却用空気のジェットをそのベーンの
内面に向かわせるための別個の衝突バッフルを含む専用
の冷却用通路で内部冷却されるのが典型的である。
前縁から弦中間領域にかけてその幅が増大し、薄い後縁
に向かってその厚さが次第に小さくなる。従って、後縁
は薄いため、冷却手段を導入できる圧力側と吸込側の側
壁間のスペースが限られていることから、冷却するのが
困難である。
却用回路をもっており、この回路は、弦中間の蛇管状冷
却回路から分離されており、翼の根部で冷却用空気の一
部を受ける。この受けた冷却用空気は翼のスパンに沿っ
て半径方向を外側に流れ、後縁の一列になった冷却穴を
通って排出される。この冷却用空気は後縁空洞内で軸方
向に向きを変え、後縁の穴を通って排気される。
の間に一体的に形成される小さいピンをある分布パター
ンで導入することによって改良することができる。する
と、翼の後縁領域の熱は、ピンのまわりを流れる冷却用
空気によって抽出するためのピンを介して運ばれ、その
後冷却用空気は翼の後縁から排気される。
形態のタービュレータを含んでいてもよく、この細長い
リブはその一部が翼の圧力側または吸込側の内面から延
びており、そのリブにわたり冷却用空気が流されてい
る。このようなタービュレータリブはその形状が、冷却
用空気の流れをトリップさせて空気の攪乱を促進すると
共に熱伝達冷却を増大するようになっている。しかし、
空気はリブからリブへと流れるにつれて熱くなり、その
ため直列になっている下流のタービュレータを冷却する
効果が落ちる。この形態の場合、タービュレータは翼の
根部と先端部との間で翼のスパンまたは半径方向軸に沿
って離隔している。
様に後縁空洞のスパンに沿って離隔し得るが、冷却用空
気の流れは上流の空洞からタービュレータに運ばれ、冷
却用空気はこの上流空洞によりリブを横切って軸方向に
向けられ後縁を介して排気される。この形態では、翼の
後縁領域の極端な薄さと軸方向に向けられた冷却用空気
のためにタービュレータの冷却能が制限される。
後縁付近などで翼の冷却を改良することが望まれてい
る。
でおり、これら側壁は、前縁と後縁で互いに連結されて
おり、また離隔していて、隔壁により分離された第一と
第二の空洞を定めている。第一の空洞に沿って後部ブリ
ッジが延びており、そこには一列の出口穴がある。隔壁
は一列の入口穴をもっている。そして、第一の空洞の内
部にはタービュレータ(乱流発生器)が複数の列をなし
て配置されており、第一の側壁から第二の側壁に向かっ
て延びている。これらのタービュレータはその多重衝突
冷却のために入口穴と整列している。
航空機に動力を供給するガスタービンエンジンの高圧タ
ービンの一部を示す。図示した第一段タービンロータは
円周方向に離隔した複数のタービンロータブレード10
を含んでおり(ひとつのみ図示する)、これらブレード
は通常の軸対称形でロータディスク12から半径方向外
側に延びている。
燃焼器(図示してない)から流される燃焼ガス16から
エネルギーを引き出すための翼14の形態である。各ブ
レード10は対応するプラットホームで翼の根部に連結
されて一体となった軸方向ダブテール18を含んでお
り、ダブテールはディスク12の周辺の相補的スロット
に装着されてブレードを保持する。
縁26とで互いに連結された対向する第一と第二の側壁
20、22を含んでいる。第一の側壁20は翼のほぼ凹
面状の圧力側であり、第二の側壁22は翼のほぼ凸面状
の吸込側である。いずれの側壁も作動中燃焼ガスからエ
ネルギーを引き出すために通常の形状で翼の根部から先
端部へ延びている。
め、通常の方法でエンジンの圧縮機(図示してない)か
ら抽気されブレードダブテール18を通って流れる加圧
空気28の一部を用いて内部から冷却される。翼は、作
動中翼のさまざまな部分を冷却する特別な性能を有する
各種内部冷却回路を含んでいてもよい。この翼は、翼の
スパンまたは半径方向軸30に沿って延びる多数の平行
脚部を有する蛇管状冷却通路を含んでいてもよい。ま
た、通常の方法で膜冷却を提供するように、翼側壁を貫
通してさまざまな列の膜冷却用穴32を設けて、内部を
流れた冷却用空気を翼の外面上に対応する膜として排出
してもよい。
に次第に細くなり、極端に薄くなるので、通常の冷却手
段でその有効な冷却を達成するのは困難である。ブレー
ド後縁での冷却効率が制限されるため、それに対応し
て、この部分の望ましくない高温を抑えるために冷却用
空気の使用量を増大する必要がある。冷却用に使用する
空気は燃焼プロセスには使用されないため、エンジンの
全体効率が低下する。
の後縁領域を拡大して図3に示す。本発明により、比較
的薄い後縁領域において特に有用な翼14の改良された
内部冷却が達成され得る。図2と3に示されているよう
に、翼は第一と第二の通路または空洞34、36をもっ
ており、これらの空洞は翼のスパンに沿って半径方向に
延びており、その一部は対向する第一と第二の側壁2
0、22によって画定され、これらの間にある一体とな
ったクロスオーバーブリッジまたは隔壁38により翼の
翼弦方向に沿って軸方向に分離されている。
4、36は翼の薄い後縁部分の付近に配置されている。
翼は前縁に至るまで別のブリッジにより分離されたいく
つかの追加の半径方向空洞をもちなんらかの通常の方法
で冷却を提供するが、これは本発明の主題ではない。
と第二の側壁20、22の間で一体的に連結された後部
リブまたはブリッジ40も含んでいる。通常、これらさ
まざまな空洞とブリッジは常用の方法で鋳造することに
よって翼内に形成される。
空洞34は直接後縁26の半径方向スパンに沿って延び
ており、後縁空洞を画定している。第二の空洞36もま
た、翼のスパンに沿って半径方向に延びており、第一の
空洞34のすぐ前方に配置されており、隔壁38により
第一の空洞から分離されている。図2に示されているよ
うに、第二の空洞36は第一の空洞34より翼の前縁2
4に近い。
6は、ダブテール18を介して冷却用空気28を受容す
る翼の根部に始まり、連続的半径方向空洞として翼の先
端付近で終わる。こうして、冷却用空気は第二の空洞3
6を通って半径方向を外側に流れ、次いで第一の空洞3
4に送られる。
になったクロスオーバーまたは入口穴42をもってお
り、これら入口穴は翼の翼弦方向に沿って隔壁38を通
って軸方向に延びており、第一と第二の空洞34、36
の間を流通させている。入口穴42により、冷却用空気
28は軸方向を後縁26に向かう半径方向に離隔した複
数のジェットを形成する。
半径方向で互いに離隔している一列になった出口穴44
を含んでいる。これら出口穴44は第一の空洞34と流
通していて冷却用空気をこの空洞から後縁26を通って
またはその付近に排出する。図3に示されている好まし
い具体例の場合、出口穴44は第一の空洞34から後縁
26に直接隣接する翼の第一の側壁20を通って延びて
おりこの空洞から冷却用空気を排出する。
第一の空洞34の内部に配置された複数の列になった短
いタービュレータ46ももっている。図5に最も良く示
されているように、タービュレータ46は、第一の空洞
34の幅を横切って部分高さで第一の側壁20から一体
的に延びており、その頂部は第二の側壁22の内面から
離隔している。タービュレータ46はいかなる適切な断
面形状であってもよく、たとえば、例示した具体例では
実質的に等しい幅と高さ(約10〜15ミルとすること
ができる)の矩形の形状である。翼の後縁領域にある第
一の空洞34の幅が狭いことに鑑みて、タービュレータ
46はその幅の約三分の一を占めるだけであり、第二の
側壁22の内面は滑らかでタービュレータをもたないの
が好ましい。
レータはほぼ翼の翼弦方向に沿って延びており、入口穴
42から流れてくる空気のジェットにより衝突冷却され
るようにその入口穴に照準を合わせて整列されている。
ビュレータ46は第一の空洞34のスパン軸に沿って平
行な複数の列として配列されており、空気28は翼の軸
方向または翼弦軸に沿って斜め方向でタービュレータに
向けられる。図5に示されているように、入口穴42は
各々が、複数の列の中の各々の列内の対応するタービュ
レータ46と少なくとも部分的に整列していて、多重衝
突において空気を直接タービュレータに衝突させるが、
これは上流の列のタービュレータによって干渉されるこ
となく同時に、または実質的に同時に起こる。
軸方向に沿って第一の側壁20の内面に対して鋭角の取
付角Aをもっており、この角度は入口穴42そしてそこ
から流れ出る空気のジェットを多数の列のタービュレー
タ46に向けさせるために、たとえば約6°とすること
ができる。この浅い取付角のため、入口穴42から出る
ジェットの下方の部分は上流側の列のタービュレータ4
6の一部に直接衝突することができ、衝突ジェットの上
方の部分はその上流側の列のタービュレータを飛び越え
てその下流側に配置された列のタービュレータに直接衝
突する。
く、翼弦方向の長さが比較的長いので、入口穴42から
出る衝突ジェットは第一の空洞34内で比較的長い軸方
向の流路をもつ。すべてが共通の入口穴42と部分的に
整列されている多数の列のタービュレータ46を導入す
ることにより、衝突ジェットのいろいろな部分がそのよ
うに整列されたタービュレータ46のすべてに同時に直
接衝突して、利用可能な冷却用空気の冷却効果を高める
ことができる。
な効果をもつ。多数の列のタービュレータを共通の入口
穴42と整列することにより、第一の空洞34内のジェ
ット流路に沿って多数の位置で効果的な衝突冷却を得る
ことができる。多数の衝突位置により、単一の列のター
ビュレータと比較して翼の第一の側壁20の冷却が増大
する。しかも、上記の好ましい整列により、衝突ジェッ
トにおけるその冷却能を低めることになる重大な圧力損
失が避けられる。
々のタービュレータ46は細長くてまっすぐであって第
一の空洞34の軸方向と半径方向の範囲をカバーするよ
うに適切な大きさの長さ対高さの比をもつのが好まし
い。図5に示されているように、タービュレータ46
は、その衝突冷却のために空気ジェットをタービュレー
タに対してほぼ垂直に受容しつつ同時に空気がタービュ
レータを越えてジェットの下流方向へ通り越してトリッ
プしていくのを助けるように、下にある第一の側壁20
に対して垂直であるのが好ましい。
タ46は第一の空洞34のスパン軸に沿って傾いている
のが好ましい。このタービュレータの傾きは隔壁38か
ら測った鋭角の取付角Bで定義される。この取付角Bは
ひとつの具体例では衝突ジェットの冷却効率を高めるよ
うに約45〜60°とすることができる。衝突ジェット
はたとえば約45〜60°の実質的に同じ傾き角でそれ
ぞれのタービュレータ46に衝突し、次いで衝突後また
は衝突に使われた空気はその一部が個々のタービュレー
タの残りの長さに沿って下流に流れる。
の側壁20に沿って入口穴42と出口穴44との間で傾
かせることにより、タービュレータは使用された衝突空
気のそれぞれの部分を下流方向にタービュレータに沿っ
て有効に偏向させる。この個々のタービュレータに沿っ
た流れにより、付加的な対流冷却が得られる。
ているように、互いに離隔しており、使用されタービュ
レータに沿って偏向した衝突空気を渦状に流すようにそ
れぞれ後縁を含んでいるのが好ましい。多数のタービュ
レータの多数の後縁によって提供された多数の渦流によ
り、空気ジェットにより直接には衝突冷却されない第一
の側壁20の内面における冷却が高められる。
それぞれのタービュレータに衝突する空気ジェットの直
接衝突冷却により冷却され、次いで使用された衝突空気
がタービュレータに沿って流れて付加的にその対流冷却
をし、さらにこの使用された衝突空気が個々のタービュ
レータから渦状に流れてタービュレータ間を付加的に冷
却する。
冷却効果は図6に示した空気の流路を検査することによ
ってさらに良く分かる。個々の入口穴42は2つの比較
的まっすぐな辺と2つの半円状の辺をもつ卵形の断面で
あるのが好ましく、各入口穴は翼のスパン軸に沿ってま
たは隔壁38の長さに沿って長めである。各入口穴は幅
がたとえば約30ミル、長さがたとえば約60〜80ミ
ルであることができる。入口穴42の長さ方向をスパン
軸または隔壁38に沿って配向することにより、これら
の穴を出る衝突ジェットはそれに対応して個々のタービ
ュレータの長い部分に衝突する。
いる多数の列のタービュレータに直接同時に衝突するの
に適した幅のジェットを得るのに十分である。入口穴は
第一の側壁20の内面より上方で隔壁38内に位置して
おり、ほぼ個々のタービュレータの高さで始まって、衝
突ジェットが多数のタービュレータのそれぞれの部分に
衝突するように下流に流れていくのを確保するのが好ま
しい。
タ46は複数の平行な列として配列されているのが好ま
しく、そのうちの2つの半径方向の列が図示されてい
る。これら列の中の各列内のタービュレータ46は互い
に平行であるのが好ましい。また、タービュレータ46
はまた列間でも互いに平行であるのが好ましい。このよ
うにして、タービュレータは互いに補足し合い、それぞ
れの入口穴42と協同して衝突ジェットおよびその使用
された空気の冷却効率を高める。
ちの各列内のタービュレータ46は隣接する列内のター
ビュレータからスパン軸に沿って横方向にCだけずれて
いる。第一の列のタービュレータ46は隔壁38から第
一の空洞34のほぼ中央に向かって延びており、第二の
列のタービュレータは第一の列が終わるところから始ま
り、後部ブリッジ40の手前で終わっている。したがっ
て、後方の列のタービュレータの後縁は後部ブリッジ4
0から離隔していてそれらの間に渦流を生じ、前方の列
のタービュレータの後縁は後方の列のタービュレータの
前縁から離隔していて同様にそれらの間に渦流を生成す
る。
タ46は列間でも同軸にずれていて、これらタービュレ
ータは翼の軸方向に沿ってまたは衝突ジェットの方向に
沿ってオーバーラップしている。2つの列のタービュレ
ータは端と端が整列されていないので、列間で多重の衝
突を得ることができる。
示す。これらタービュレータ46は図4に示したものよ
り長さが短く、衝突ジェットの軸方向に対して斜めにな
った5つの例示した半径方向の列として配列されてい
る。この具体例は、列間のタービュレータの間のスパン
方向のずれCを含めて図4に示した具体例と共通の特徴
を持っている。短いタービュレータにより、より多くの
列のタービュレータを導入することが可能になり、各列
は直接の衝突冷却、タービュレータの傾きに起因する対
流冷却、およびタービュレータから流れる渦流による冷
却を享受する。図7の具体例の場合、タービュレータ4
6は列間が同軸で整列されている。
個の列のうちの各列内のタービュレータ46は入口穴4
2のそれぞれと一対一の関係に対応して配列されている
のが好ましい。こうして、入口穴42からの空気ジェッ
トは、ジェット軸に沿って整列されているタービュレー
タの各々に衝突し、対応するタービュレータにおいて多
重衝突冷却を実行する。そして、個々のタービュレータ
はその側部に沿って対流冷却も提供し、また渦流を生成
して追加のタービュレータ間冷却を提供する。図7にお
いて、列間でタービュレータはスパン軸に沿って対称パ
ターンでずれているかまたは位置決めされている。すな
わち、タービュレータは対応する入口穴42のひとつに
対して二つずつまたは三つずつの軸方向の列として交互
に配列されている。
さまざまな態様により、翼の第一の側壁20の内面にお
ける冷却が高められる。好ましい態様の場合、タービュ
レータは翼の圧力側の内部に、燃焼ガスから比較的高い
熱入力を受ける後縁の近くに配置される。多数の列のタ
ービュレータにより望ましくない圧力損失を伴うことな
く高まった冷却が達成される。しかも、タービュレータ
は互いに協同して、最初の衝突ジェットの冷却効果を拡
げてその冷却効率を最大にする。
レードに関して本発明を説明して来たが、本発明は改良
された衝突冷却を利用できるタービンノズルベーンのよ
うな他の部品でも使用できる。
について説明して来たが、本明細書の教示に基づき当業
者には本発明の他の修正・変更が明らかであり、したが
って、そのような修正・変更はすべて本発明の思想と範
囲内に入るものとして特許請求の範囲に含まれるもので
ある。
のブレードを含む高圧タービンロータの一部の等角図で
ある。
た半径方向断面図である。
る。
部断面の立面図である。
大半径方向断面図である。
入口穴と整列された一対のタービュレータの等角図であ
る。
具体例によるタービュレータを示している。
Claims (20)
- 【請求項1】 前縁(24)および後縁(26)で互い
に連結されており、互いに離隔していて、隔壁(38)
により分離された第一および第二の空洞(34、36)
を規定している第一および第二の側壁(20、22)
と、 前記隔壁(38)を通って延びていて、前記第一と第二
の空洞の間を流通させる一列の入口穴(42)と、 前記第一の空洞に隣接する後部ブリッジ(40)内に配
置されていて、前記第一の空洞と流通している一列の出
口穴(44)と、 前記第一の空洞(34)の内部に配置されており、前記
第一の側壁(20)から延びていて前記第二の側壁(2
2)から離隔しており、前記入口穴(42)と整列して
いて前記入口穴から流れる空気により衝突冷却される、
複数の列のタービュレータ(46)とを含む翼(1
4)。 - 【請求項2】 前記タービュレータ(46)が前記第一
の空洞(34)のスパン軸に沿って複数の平行列に配列
されている、請求項1記載の翼。 - 【請求項3】 前記入口穴(42)の各々が前記複数の
列の各々における対応するタービュレータ(46)と一
部整列されていて前記空気をタービュレータに直接衝突
させる、請求項2記載の翼。 - 【請求項4】 前記タービュレータ(46)が、前記第
一の側壁(20)に沿って細長くなっており、前記入口
穴(42)と前記出口穴(44)との間で前記第一の側
壁(20)に沿って傾いていて前記空気をタービュレー
タに沿って偏向させる、請求項3記載の翼。 - 【請求項5】 前記タービュレータ(46)が、互いに
離隔しており、偏向した前記空気をタービュレータに沿
って渦状に流すための後縁を含んでいる、請求項4記載
の翼。 - 【請求項6】 前記複数の列の各々における前記タービ
ュレータ(46)が互いに平行である、請求項5記載の
翼。 - 【請求項7】 前記タービュレータ(46)が列間で互
いに平行である、請求項6記載の翼。 - 【請求項8】 前記複数の列の各々における前記タービ
ュレータ(46)が、前記スパン軸に沿って、隣接する
列内の前記タービュレータからずれている、請求項6記
載の翼。 - 【請求項9】 前記タービュレータ(46)が列間で同
軸に整列している、請求項8記載の翼。 - 【請求項10】 前記タービュレータ(46)が列間で
同軸にずれている、請求項8記載の翼。 - 【請求項11】 前記複数の列における前記タービュレ
ータが前記入口穴(42)と一対一の関係に対応して配
列されている、請求項8記載の翼。 - 【請求項12】 前記第一の空洞(34)が前記後縁
(26)に沿って延びており、前記第二の空洞(36)
が第一の空洞より前方に前記前縁(24)により近く配
置されている、請求項8記載の翼。 - 【請求項13】 前記第一の側壁(20)が前記翼のほ
ぼ凹面状の圧力側であり、前記第二の側壁(22)が前
記翼のほぼ凸面状の吸込側である、請求項12記載の
翼。 - 【請求項14】 前縁(24)および後縁(26)で互
いに連結されており、互いに離隔していて、前記後縁
(26)に沿って延びている第一の空洞(34)および
隔壁(38)により前記第一の空洞から分離されこれに
隣接している第二の空洞(36)を規定している第一お
よび第二の側壁(20、22)と、 前記隔壁(38)を通って延びていて、前記第一と第二
の空洞(34、36)の間を流通させる一列の入口穴
(42)と、 前記後縁に沿って後部ブリッジ(40)内に配置されて
いて、前記第一の空洞(34)と流通している一列の出
口穴(44)と、 前記第一の空洞(34)の内部に配置されており、前記
第一の側壁(20)から延びていて前記第二の側壁(2
2)から離隔しており、前記入口穴(42)と整列して
いて前記入口穴から流れる空気により衝突冷却される、
複数の列のタービュレータ(46)とを含むタービン翼
(14)。 - 【請求項15】 前記タービュレータ(46)が前記第
一の空洞(34)のスパン軸に沿って複数の平行列に配
列されており、前記入口穴(42)の各々が前記複数の
列の各々における対応するタービュレータ(46)と一
部整列されていて前記空気をタービュレータに直接衝突
させる、請求項14記載の翼。 - 【請求項16】 前記タービュレータ(46)が、前記
第一の側壁(20)に沿って細長くなっており、前記入
口穴(42)と前記出口穴(44)との間で前記第一の
側壁に沿って傾いていて前記空気をタービュレータに沿
って偏向させ、前記タービュレータ(46)が、互いに
離隔しており、前記偏向した空気をタービュレータに沿
って渦状に流すための後縁を含んでいる、請求項15記
載の翼。 - 【請求項17】 前記複数の列の各々における前記ター
ビュレータ(46)が、互いに平行であり、そして列間
で互いに平行である、請求項16記載の翼。 - 【請求項18】 前記複数の列の各々における前記ター
ビュレータが、前記スパン軸に沿って、隣接する列内の
前記タービュレータからずれている、請求項17記載の
翼。 - 【請求項19】 前記タービュレータ(46)が列間で
同軸にずれている、請求項18記載の翼。 - 【請求項20】 前記複数の列における前記タービュレ
ータが前記入口穴(42)と一対一の関係に対応して配
列されている、請求項19記載の翼。
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