JPH0223233A - 冷却通路を有する壁 - Google Patents

冷却通路を有する壁

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JPH0223233A
JPH0223233A JP1020983A JP2098389A JPH0223233A JP H0223233 A JPH0223233 A JP H0223233A JP 1020983 A JP1020983 A JP 1020983A JP 2098389 A JP2098389 A JP 2098389A JP H0223233 A JPH0223233 A JP H0223233A
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cross
axis
wall
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JP1020983A
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Meir Ben-Amoz
メイアー・ベン‐アモズ
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、一般に壁に設けた冷却通路に関し、さらに詳
しくはガスタービンエンジン、たとえばその燃焼器ライ
ナーやタービンのブレードおよびベーンに設けた冷却通
路に関する。
ガスタービンエンジンは、通常、燃焼器ライナーや固定
および回転するタービンのブレードおよびベーンのよう
な、比較的高熱の燃焼ガスにさらされる構造体を含む。
これらの構造体には、通常、高熱の燃焼ガスから保護す
るために冷却通路が設けられている。壁構造に設けられ
た通路または穴に応力がかかると、この穴に応力が集中
し、その構造体の有効寿命を決める際にこの点を考慮し
なければならないことが、従来から知られている。
ガスタービンエンジンに用いられる代表的な冷却通路は
断面がほぼ円形である。しかし、断面が円形の通路を壁
にある角度で設けると、壁の平面に平行な面における通
路の断面は楕円形になる。
楕円形の穴は長軸と短軸とを有し、これらの長軸および
短軸に関する主応力の方向に応じて、穴のまわりに生じ
る応力集中は円形の穴に生じるそれより小さくなったり
、大きくなったりする。たとえば、壁に主引張応力が１
本の軸線の向きにかかる場合、円形穴のまわりの通常の
応力集中は３に等しく、楕円形穴のまわりの通常の応力
集中は１＋２ａ／ｂまたは１＋２ｂ／ａに等しい。ここ
で、ａおよびｂはそれぞれ長軸および短軸の半分を表わ
し、主応力に直角または平行に向いている。
したがって、断面が円形の傾斜冷却通路を壁に設けると
、楕円形の断面が生じ、この楕円形断面には、壁の主応
力に対するその向きに応じて、円形断面の場合の応力集
中より小さいか大きい応力集中が生じる。応力集中が円
形穴の場合より大きいと、壁の寿命が短くなり望ましく
ない。
したがって、本発明の目的は、傾斜した冷却通路を有す
る新規な改良された壁を提供することにある。
本発明の別の目的は、応力集中を軽減するために、壁に
かかる主応力に関して所定通りの向きに所定の断面を有
する冷却通路を設けた新規な改良された壁を提供するこ
とにある。
本発明の他の目的は、壁のを効寿命を延長することので
きる傾斜冷却通路を有する新規な改良された壁を提供す
ることにある。
発明の概要 本発明の壁は、相互に離間した第一表面および第二表面
を有し、同一面内で互に直交する第一および第二軸線を
含む第一平面がこの第一および第二表面間に位置する。
通路が前記第一表面と第二表面の間を延在し、この通路
の一部分が、前記第一平面に鋭角に配置された長さ方向
軸線と、この長さ方向軸線に直角に配置された第一断面
と、前記第−平面に平行に配置された第二断面とを有す
る。通路の第一断面はほぼ楕円形で、第二断面はほぼ円
形である。
詳細な記載 本発明の構成を、図面に示す好適な実施例についてその
効果とともに具体的に説明する。
第１〜３図に、従来の璧１０を示し、この壁には、通路
１２が壁１０の長さ方向軸線Ｘに対して鋭角Ａに傾斜し
て設けられている。この通路１２は、長さ方向の中心軸
線１４を有し、この長さ方向軸線１４に直角で直径ｄの
複数個の均一な円形断面１６を有する円筒形である。
通路１２が長さ方向軸線Ｘに対して角度Ａ傾斜している
ので、長さ方向軸線Ｘおよびこれに直交する横方向軸線
Ｙを含む平面に平行な面への断面１６の投影または形状
は、第１図に断面１６’で示すように楕円形である。断
面１６′は長さｄの短軸１８と長さｂの長軸２０とを有
する。ここで、ｂはｄ／５ｉｎ（Ａ）に等しい。
したがって、通路１２は通路の長さ方向軸線１４に関す
る形状が円形である断面１６を有するが、Ｘ軸に平行な
通路１２の断面１６′は、第１図に示すように、Ｘ軸に
平行に向いている長軸とＹ軸に平行に向いている短軸を
有する楕円形である。
壁１０にＹ軸方向の一次応力がかかる構造用途では、応
力集中が断面１６′と長軸２０との交点に集中する。こ
の応力集中は係数に１で表わされ、従来これは１　＋　
２　ｂ／ｄ、すなわち１＋２／５ｉｎ（Ａ）に等しいと
されている。この状況では、応力集中係数に１は、単な
る円形断面の場合の応力集中係数３より大きく、このよ
うな点の局部応力が一次応力と比べて３倍より大きいこ
とを示唆している。
第４〜６図に、壁２２を含む本発明の好適な実施例を示
す。璧２２は第一の表面２４と、この第一表面２４から
離間した、そして図示例ではこれに平行な第二の表面２
６とを含む。
壁２２は第一表面２４と第二表面２６との間に位置する
主応力の第一平面２８を含み、二の第一平面２８は第−
軸すなわちＸ軸３０と、これと同一平面内にありかつ直
交する第二軸すなわちＹ軸３２とによって画定され、し
たがってＸ軸３０とＹ軸３２とを含む。壁２２には傾斜
通路３４が設けられ、この通路３４は図示例では実質的
にまっすぐで、第一表面２４の入口３６から第二表面２
６の出口３８まで延在する。
通路３４は長さ方向軸線４２を有する部分４０を含み、
この軸線４２は図示例では通路３４全体の長さ方向軸線
と一致している。長さ方向軸線４２は第一平面２８およ
び同面内の第一軸線３０に対して鋭角Ａをなす。通路部
分４０は長さ方向軸線４２に直交する方向の第一断面４
４を含む。一つの第一断面４４について説明するが、図
示のように入口および出口部分を除く通路３４全体が多
数の同じ第一断面４４から構成されている。しかし、通
路３４は必ずしもまっすぐであったり全体にわたって対
称である必要はなく、シたがって特定の用途の必要に応
じて第一断面４４の形状が所により異なってもよい。
第−断面４４は、第５図に示すように、長さｂの長軸４
６とこれに直交する長さｄの短軸４８を含む。図示例で
は、通路部分４０全体が第一断面４４と同一の多数の断
面を有する。
通路部分４０は、第一平面２８に平行な第二断面５０も
含む。
本発明によれば、通路３４の第一断面４４の断面形状が
、通路３４が鋭角Ａに傾斜しているとき、主応力面２８
での応力集中を軽減するよう予め定めた通りに選択され
ている。もっと具体的に述べると、長さ方向軸線４２に
直角な方向に画定される通路３４の断面形状は、第一断
面４４で表わされ、所定の、ほぼ楕円形の形状ををする
。第一断面４４の楕円形状は、主応力面２８に平行な第
二断面５０となって円形断面を有するように予め定めた
通りに選択されている。
言い換えると、第二断面５０は第一断面４４の主応力面
２８への投影であり、第一断面４４と第二断面５０とは
互いに交点４９でつながっている。
第１〜３図の従来の構造に図示したように、円形断面１
６を有する傾斜通路１２では、Ｘ軸に平行な断面１６′
が楕円形になる。これとは対照的に、本発明の好適な実
施態様によれば、第４〜６図に示す通路３４は、長さ方
向軸線４２に直角な断面が楕円形で、主応力面２８およ
びＸ軸３ｏに平行な断面が円形である。
主応力がＹ軸方向にかかる壁において、第１図に示した
楕円形断面１６’には従来通りの応力集中１＋２／５ｉ
ｎ（Ａ）が生じる。他方、第４〜６図に示す実施例では
、通路３４の円形断面５゜は通常通りの応力集中係数３
を有する。通路３４の第二断面５０の応力集中係数対従
来の通路１２の断面１６′の応力集中係数の比は３／（
１＋２／ｓ　ｉｎ　（Ａ）　）で表わされ、その値は鋭
角Ａ−２０’のとき０．４３ｇ、鋭角Ａ−２５°のとき
０．５２３となる。したがって、本発明に従って通路３
４の楕円形状を選択することにより、通路３４に生じる
応力集中を上述した代表的な角度についてほぼ半分に減
じることができる。このような応力集中の軽減により壁
２２の有効寿命が著しく長くなる。
さらに具体的には、鋭角Ａ傾斜した通路３４に円形の第
二断面５０を得るためには、第一断面４４が長さｂの長
袖４６と長さｄ＝ｂｓｉｎ（Ａ）の短軸４８とを有する
楕円形でなければならない。
第６図に示すように第二軸線３２が主応力の方向を表わ
す例では、通路の長さ方向軸線４２を第４図に示すよう
に第一軸線３０に対して鋭角Ａに配置するのが好ましい
。円形の第二断面５ｏを得るためには、楕円形の第一断
面４４の長軸４６を第二軸線３２に平行に配列するとと
もに、短軸４８を第一軸線３０に平行に配列しなければ
ならない。なお、第５図に示す平面では、短軸４８が第
一軸線３０から（９０−Ａ）度回転したＸ′軸３０′と
合致する。それでも短軸４８はＸ軸に平行である。
第４〜６図に関連して上述した璧２２はほぼ平行な第一
および第二表面２４．２６および実質的にまっすぐの通
路３４を有するが、本発明は傾斜通路を有する種々の構
造で色々な方向から主応力が加えられる場合に適用でき
る。本発明の基本的特徴は、通路の長さ方向中心軸線に
直交する平面内にほぼ楕円形の断面を有する通路を適切
に選択して、通路の長さ方向軸線と鋭角をなす主応力面
において、ほぼ円形の断面形状を得、こうして応力集中
係数を小さくした通路を使用することにある。
第７図に段数の通路断面を市ねて図示し、本発明に付随
する別の利点を説明する。前述したように、第１〜３図
の通路１２は直径ｄの円形断面１６を有する。この断面
１６を第７図ではもっとも中心に近い円として示す。第
４図に示すように、本発明では、通路３４が寸法ｄの短
軸４８を含む楕円形の第一断面４４を有する。この第一
断面４４を第７図では中間の楕円として示す。第７図か
ら分るように、構造体の通路１２をそのまま通路３４に
換えると、通路３４は流路断面積が大きく、また表面積
も大きく、この結果通路３４の冷却効率が通路１２より
よくなると考えられる。
さらに、通路３４を用いると直径すを有する円形の第二
断面５０が得られ、これは第７図ではもっとも外側の円
として示しである。第４図の実施例で、通路３４の出口
３８は第二断面５０について図示したのと同じ円形とな
るはずである。第７図から明らかなように、楕円形の第
一断面４４を有する通路３４から得られる出口５０は、
第一断面４４の面積より著しく大きい円形である。
第８図に、ガスタービンエンジンの燃焼器ライナーの一
部５２を示す。このライナ一部分５２は円弧状で、エン
ジンの長さ方向中心軸線に関して曲率半径Ｒを有する。
この実施例において、ライナ一部分５２には、それぞれ
ライナ一部分５２の長さ方向軸線５４に対して角度Ａ傾
斜した複数個の通路３４が設けられている。壁の第一表
面２４はライナ一部分５２の外側表面であり、この上を
空気等の冷却流体５６が流れる。壁の第二表面２６はラ
イナ一部分５２の内側表面であり、この上を高熱の燃焼
ガスが流れる。第一軸線３０は長さ方向軸線５４に平行
に配列され、第二軸線３２は通路３４でのガスタービン
エンジンの接線６０（；平行に整合している。この接線
６０はライナ一部分５２におけるフープ応力の方向を表
わす。
ライナ一部分５２の通路３４も、冷却流体５６を受入れ
る外側表面２４の入口３６と、冷却流体５６を通路３４
から排出する内側表面２６の出口３８を有する。入口３
６はライナ一部分５２において出口３８より前方に位置
するので、冷却流体５６はライナ一部分５２に関してほ
ぼ下流方向に流れ続け、通路３４を通しての方向転換は
比較的小さい。第４〜６図の通路３４の細部が、第８図
に示すライナ一部分５２の通路３４にも同様に適用でき
る。
第９図にガスタービンエンジンのブレード６２を示す。
このブレード６２は動翼でも静翼でもよく、通常は中空
で、冷却流体５６が通される。第４図の壁２２はこのブ
レード６２の一部をなし、この図示例ではブレード６２
の凸面側の一部を含む。第一表面２４はブレード６２の
内側表面で、ここに沿って冷却流体５６がブレード６２
の中空の内腔を流れる。第二表面２６はブレード６２の
外側表面で、ここに沿って高熱の燃焼ガス５８が流れる
。第一軸線３０は通路３４の位置で第一および第二表面
２４．２６にほぼ平行に配列され、第二軸線３２はブレ
ード６２の半径方向軸線６４にほぼ平行に配列され、ブ
レード６２の遠心応力の方向を表わす。ブレード６２の
通路３４は第４〜６図と同様に配置されている。
第８図に示す実施例では、ライナ一部分５２を貫通する
通常の円形通路を設けると、長さ方向軸線５４に平行な
断面が楕円形となり、その結果応力集中が最大になる。
しかし、本発明に従って楕円形通路３４を設けると、長
さ方向軸線５４に平行な断面が円形となり、その結果応
力集中が（１１なる円の場合の応力集中に減少する。
第９図に示す実施例では、同様に従来用いられる円形の
冷却通路を用いると長さ方向軸線３０に平行な断面が楕
円形となり、その結果半径方向の遠心応力により応力集
中が最大になる。しかし、ブレード６２に楕円形通路３
４を設けると、Ｘ軸に平行な平面の断面が円形となり、
その結果応力集中が円形冷却通路を用いた場合より小さ
くなる。
したがって、本発明の実施例に従って所定の形状と配向
の冷却通路３４を設けると、得られる構造体での応力集
中は、円形通路を用いたときに生じるそれより小さくな
り、構造体の有効寿命が長くなる。
本発明の楕円形通路３４は任意適当な通常の作製手段、
たとえばレーザーせん孔、放電加工または電解加工を用
いて形成することができる。
以上、本発明の好適な実施例を説明したが、当業者には
上述した教示から種々の変更例が明らかである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、長さ方向軸線に関して円形断面ををする冷却
通路を設けた従来の壁の平面図、第２図は、第１図の２
−２線方向に見た冷却通路の断面図、 第３図は、第２図の３−３線方向に見た冷却通路の断面
図、 第４図は、本発明の好適実施例に従って冷却通路を設け
た壁の断面図、 第５図は、冷却通路の長さ方向軸線に直角な、第４図の
５−５線方向に見た壁の断面図、第６図は、壁の表面に
平行な、第４図の６−６線方向に見た壁の断面図、 第７図は、第１〜３図に示す従来の壁の冷却通路と、第
４〜６図に示す本発明の好適実施例の冷却通路の３つの
円形および楕円形断面を重ね合わせて示す線図、 第８図は、本発明に従って構成したガスタービンエンジ
ンの燃焼器ライナーの一部を破断して示す斜視図、そし
て 第９図は、本発明の一実施例に従って構成した壁を含む
ガスタービンエンジンのブレードの斜視図である。 主な符号の説明 ２２：壁、　　　　　　　２４：第一表面、２６二第二
表面、　　　　２８：第一平面、３０：第一軸線Ｘ、　
　　３２：第二軸線Ｙ。 ３４：通路、　　　　　４４：第一断面、５０：第二断
面。

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）第一表面と、 この第一表面から離間した第二表面と、 前記第一および第二表面間に位置し、互に直交する同一
    面内の第一および第二軸線を含む第一平面と、 前記第一表面から第二表面まで延在する通路とを含み、
    該通路の一部が、前記第一平面に鋭角に配置された長さ
    方向軸線と、この長さ方向軸線に直角に配置された第一
    断面と、前記第一平面に平行に配置された第二断面とを
    有し、第一断面がほぼ楕円形で、第二断面がほぼ円形で
    ある壁。
  2. （２）前記第二軸線が主応力の方向を表し、前記通路部
    分の長さ方向軸線が前記第一軸線に対して鋭角をなし、
    前記第一断面が楕円形で、前記第一軸線に平行な長軸と
    前記第二軸線に平行な短軸とを有する請求項１記載の壁
    。
  3. （３）前記鋭角がＡで表され、前記通路部分の第二断面
    が直径ｂを有する円形で、前記通路部分の第一断面の長
    軸がｂに等しく、第一断面の短軸が長さｄ＝ｂｓｉｎ（
    Ａ）を有する請求項２記載の壁。
  4. （４）前記通路が上記第一表面に入口を、前記第二表面
    に出口を有し、前記通路が入口から出口まで実質的にま
    っすぐで、前記通路が入口から出口までの間に複数個の
    前記第一および第二断面を含む請求項２記載の壁。
  5. （５）前記壁がガスタービンエンジンの燃焼器ライナー
    の一部を構成し、前記第一表面がその上に冷却流体が流
    れるライナーの外側表面であり、前記第二表面がその上
    に高熱の燃焼ガスが流れるライナーの内側表面であり、
    前記第一軸線が前記ライナーの長さ方向軸線に平行に配
    列され、前記第二軸線が前記ガスタービンエンジンの接
    線に平行に配列され、かつ前記ライナーにおけるフープ
    応力の方向を表わす請求項２記載の壁。
  6. （６）前記通路が、 冷却流体を受入れる外側表面の入口と、 冷却流体を排出する内側表面の出口とを有し、前記入口
    は前記ライナーにおいて前記出口より前方に位置し、 前記鋭角がＡで表され、前記通路部分の第二断面が直径
    ｂを有する円形で、前記通路部分の第一断面の長軸がｂ
    に等しく、第一断面の短軸が長さｄ＝ｂｓｉｎ（Ａ）を
    有する請求項５記載の壁。
  7. （７）前記通路が入口から出口まで実質的にまっすぐで
    、前記通路が入口から出口までの間に複数個の前記第一
    および第二断面を含む請求項６記載の壁。
  8. （８）前記壁がガスタービンエンジンのブレードの一部
    を構成し、 前記第一表面がその上に冷却流体が流れるブレードの内
    側表面であり、 前記第二表面がその上に高熱の燃焼ガスが流れるブレー
    ドの外側表面であり、 前記第一軸線が前記第二表面にほぼ平行に配列され、 前記第二軸線が前記ガスタービンエンジンの半径方向軸
    線にほぼに平行に配列され、かつ前記ブレードにおける
    遠心応力の方向を表わす請求項２記載の壁。
  9. （９）前記通路が、 冷却流体を受入れる内側表面の入口と、 冷却流体を排出する外側表面の出口とを有し、前記入口
    は前記ブレードにおいて前記出口より前方に位置し、 前記鋭角がＡで表され、前記通路部分の第二断面が直径
    ｂを有する円形で、前記通路部分の第一断面の長軸がｂ
    に等しく、第一断面の短軸が長さｄ＝ｂｓｉｎ（Ａ）を
    有する請求項８記載の壁。
  10. （１０）前記通路が入口から出口まで実質的にまっすぐ
    で、前記通路が入口から出口までの間に複数個の前記第
    一および第二断面を含む請求項８記載の壁。
  11. （１１）前記通路の第一断面が前記通路の第一断面の投
    影であり、後者と連続している請求項２記載の壁。
  12. （１２）第一断面および第二断面を有する傾斜通路を備
    え、前記第一断面がほぼ楕円形であり、通路の長さ方向
    軸線に実質的に直角に位置し、前記第二断面が前記第一
    断面の投影であり、ほぼ円形であることを特徴とする壁
    。
  13. （１３）壁が主応力面を含み、前記第二断面がこの主応
    力面に平行に位置する請求項１２記載の壁。
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