JPH03149301A - 内部冷却式エアーホイル・ブレード - Google Patents

内部冷却式エアーホイル・ブレード

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JPH03149301A
JPH03149301A JP2252102A JP25210290A JPH03149301A JP H03149301 A JPH03149301 A JP H03149301A JP 2252102 A JP2252102 A JP 2252102A JP 25210290 A JP25210290 A JP 25210290A JP H03149301 A JPH03149301 A JP H03149301A
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JP
Japan
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coolant
generally
airfoil
blade
centerline
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JP2252102A
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English (en)
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Ching-Pang Lee
チン・パン・リー
Robert O Brooks
ロバート・オリア・ブルックス
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Publication date
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F01D5/188—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/20—Three-dimensional
    • F05D2250/25—Three-dimensional helical
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Road Signs Or Road Markings (AREA)

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】 この発明は、一般にタービン、圧縮機、ファンなどに適
当なエアーホイル・ブレード、特に内部冷却の改良され
たエアーホイル・ブレードに関する。
発明の背景 タービンは、エアーホイル形状のブレードを用いて高熱
の流動流体から有効な仕事を抽出している。ジェットエ
ンジンのタービンは、回転するタービンロータ・ディス
クに取りつけられたタービンブレードと、回転しないタ
ービンステータ・ケーシングに取りつけられたタービン
ブ１／−ド（ベーンとも言う。）とを有する。現代の航
空機ジェットエンジンでは、ブレード温度を設π１限度
内に維持するために、タービンブレードの内部冷却を採
用している。代表的には、このようなプレー１・を、空
気を内部通路に通すことにより冷却し、この際、空気は
ブレードルー１・（ブレードの取付部）近くで中に入り
、ブレードチップ（ブレードの自由端部分）近くで外に
出る。タービンブレードの周知の蛇行またはらせん（ヘ
リカル）形の冷却通路では、冷却材流路の長さを直線流
れの流路長より長くすることにより冷却効率を改良する
。蛇行形状の通路は蛇行流れを生成し、蛇行した中心線
か通路の中央内部を下方に延びており、そして、らせん
状通路はらせん状流れを生成し、らせん状中心線が通路
の中央内部を下方に延びている。一方では、蛇行通路を
有するブレードには熱応力の問題がある。冷却材かブレ
ード内を−１１下に移行するにつれて連続的に熱を集め
、このためブレードの前縁から後縁までの温度が不均一
になるからである。他方、らせん状通路を有するブレー
ドは、らせん状通路かまわりをぐるりと回っている使用
しない中心区域を過反に冷却し、やはりブレードを横１
辺る温度分布が不均一になる。
発明の要旨 この発明の目的は、内部冷却の改良されたエアーホイル
・ブレードを提供することにある。
この発明の別の目的は、冷却制流路を延長したエアーホ
イル・ブレードを提供することにある。
この発明の他の目的は、ブレード断面温度を一層均一に
したエアーホイル・ブレードを提供することにある。
この発明の１実施態様においては、エアーホイル・ブレ
ードは冷却材通路が設けられたエアーホイル本体を含み
、冷却材通路は、その中心線が大体直線でかつエアーホ
イル本体の長さ方向軸線に大体平行で、冷却材の流れを
大体長さ方向に向ける作用をなす。エアーホイル・ブレ
ードは、冷却利通路に配置されたインサートも含み、こ
のインサートは、長さ方向に向けられた冷却材の流れか
」−記冷却祠通路の中心線に大体平行なスピン軸線のま
わりを少なくとも完全に１回回転するように、長さ方向
に向けられた冷却材の流れに回転を付与する作用をなす
。したがって、冷却材の流れは直線の中心線を有する通
路内のらせん状流路を通る。
この発明の別の実施態様では、エアーホイル・ブレード
は冷却材通路が設けられたエアーホイル本体を含み、冷
却材通路は、その中心線が大体直線でかつエアーホイル
本体の長さ方向軸線に大体平行で、冷却材の流れを大体
長さ方向に向ける作用をなす。この実施態様では、冷却
材通路の断面か非円形であり、冷却材通路はその長さに
沿って冷却材通路の中心線に大体平行なスピン軸線のま
わりに少なくとも完全に１回ひねられている。ひねり通
路は、長さ方法に向けられた冷却材の流わをスピン軸線
のまわりに少なくとも完全に１回回転させる作用をなす
。したがって、この実施態様の冷却材の流れも直線の中
心線を有する通路内のらせん状通路を通る。
直線の中心線を有する冷却材通路内にらせん状流れを流
すエアーホイル・ブレードを提供するこの発明には多く
の効果と利点がある。らせん状冷却材流路は、冷却材の
流れが通路内の直線状流路を流れる場合より長い。流れ
軌道が長くなると熱伝達面積が増加し、流れの旋回運動
により通路の壁が強く洗われ、熱伝達効率が高くなる。
通路の中心線が直線であるのでブレードを横切る温度分
布がより均一になる。°蛇行した通路での上下の流れや
、らせん状通路に取り巻かれた使用しない中心区域の過
度の冷却が原因でブレードを横切る温度分布が不均一に
なる問題が回避されるからである。
具体的な構成 第１図はこの発明を適用するジェットエンジンのタービ
ンブレードの斜視図、第２図は第１図のタービンブレー
ドを裁断した図で、エアーホイル本体に設けた、長さ方
向に導かれた冷却材の流れに回転を与える４種の冷却材
通路を示し、第３．４および５図は第１図のエアーホイ
ルブレードをブレード先端からルートまでの長さ方向距
離に沿って順次切断した水平断面で、背景構造を省いて
おり、一番左の通路内の隔壁のひねり、正方形通路のひ
ねり、円形通路内のらせん状フィンの回転、そして一番
右側の変形形状の通路内のフィンの回転を示す。　　　
　　− 第１図に示す航空機ジェットエンジンのタービンブレー
ド１０は、タービンロータ晦ディスク（図示せず）に取
り付けるためのダブテイル１４を有するシャンク部分１
２と、ルート１８がシャンク部分１２に取り付けられた
エアーホイル・ブレード部分１６とを含む。冷却空気は
シャンク部分１２に入り、次いでエアーホイル・ブレー
ド１６内の内部冷却材通路２０，２２．２４および２６
を流れ、チップ（先端）２８から外へ出る。エアーホイ
ル・ブレード１６はエアーホイル本体３０を有する。エ
アーホイル本体３０は、第２図および第３ｖ！Ｊに示す
ように、４つの内壁面３２，３４．３６および３８のそ
れぞれが４つの冷却材通路２０，２２．２４および２６
のそれぞれを画定し、これらの冷却材通路の中心線５６
．５８．４２および４８（第３図に直立位置で点として
示す）が各通路の中央内を下方へ延在する。各冷却材通
路は、その中心線が大体直線で、エアーホイル本体３０
の長さ方向軸線３１に大体平行で、冷却材の流れを大体
長さ方向に向ける。
この発明の第１の実施例を示す。上記通路のうち３つの
通路２０．２４およぞ２６では、エアーホイル・ブレー
ドは、冷却材通路内に配置され、長さ方向に向けられた
冷却材の流れが冷却材通路の中心線に大体平行なスピン
軸線のまわりを少なくとも完全に１回回転するように、
長さ方向に向けられた冷却材の流れに回転を付与する手
段も含む。このような手段としては、らせん状フィン、
ひねり通路隔壁、通路突起などがあり、内壁面に取り付
けるか、通路外に、たとえばブレードルートおよび／ま
たは先端に取り付ｉすることにより通路内に固定する。
第１通路２４の場合、流れ回転手段は内壁面３６に取り
付けたらせん状フィン４０を含む。らせん状フィン４０
の中心軸線はスピン軸線と大体一致し、スピン軸線は冷
却材通路の中心線４２と大体一致する。第１通路２４は
大体円形の断面を有し、らせん状フィン４Ｇはナツトの
ねじ山の形状と大体同じ形状を有する。
第１通路２４を有するエアーホイル・ブレードは、たと
えば、ねじ切りボルトの形状を有するセラミック鋳造用
コアのまわりに金属製エアーホイル本体を鋳造すること
によって、製造することができる。後で、鋳造用コアを
鋳造したエアーホイル本体から化学的に取り外す。第２
通路２６もらせん状フィン４６を有するが、スピン軸線
４４（第３図に直立位置で点として示す）が冷却材通路
の中心線４８からずれている。
第３通路２０の場合、流れ回転手段として、隔壁（パー
ティション）５０を内壁面３２に取り付けて、通路を２
つの大体等しい通路５２および５４に分割する。隔壁５
０の長さ方向軸線はスピン軸線と大体一致し、スピン軸
線は冷却材通路の中心線５６と大体一致する。第３通路
２０は大体円形の断面を有し、隔壁５０はその長さに沿
ってスピン軸線のまわりにひねられている。
第３通路２０を有するエアーホイル・ブレードは、たと
えば、次のようにして製造できる。円形の冷却材通路を
有するエアーホイル本体を用意する。同様に、通路内に
配置して同通路を２つの大体等しい通路に分割できる隔
壁インサートを用意する。隔壁インサートを可鍛温度に
加熱した後、加熱したインサートをその長さ方向軸線の
まわりに少なくとも完全に１回ひねる。つぎに、ひねっ
たインサート５０を通路２０に挿入し、そして挿入した
インサートを通路内に固着する。固着は、たとえば、イ
ンサートを通路の内壁に冶金的に結合することにより行
うことができる。
第４通路２２はこの発明の第２の実施例によるものであ
る。この冷却材通路２２は非円形、好ましくは正方形の
断面を有する。冷却材通路２２はその長さに沿ってスピ
ン軸線のまわりに少なくとも完全に１回ひねる。スピン
軸線は、冷却材通路の中心線５８に大体平行で、好まし
くはそれと一致する。
第４通路２２を有するエアーホイル・ブレードは、たと
えば、次のようにして製造できる。非円形筒形状（たと
えば正方形の角柱）を有する石英ロッド鋳造用コアを用
意する。鋳造川コアを加工温度に加熱した後、その加熱
した鋳造用コアをその長さ方向軸線のまわりに少なくと
も完全に１回ひねる。つぎに、金属製エアーホイル本体
をひねった鋳造用コアのまわりに鋳造し、その後鋳造用
コアを鋳造したエアーホイル本体から化学的に除去する
。
この発明による内部冷却の改良されたエアーホイル・ブ
レードは、好適な直線状中心線を有する通路に有効なら
せん状流れを生成する。この発明のエアーホイル・ブレ
ードは、特に、タービン、圧縮機またはファンの回転ま
たは静止ブレード、ベーン、またはステータに組み込む
ことができ、航空機ジェットエンジンを含む、多岐にわ
たる用途に適用でき、冷却材はガスでも液体でもその両
−１１一 方でもよい。また、この発明のエアーホイル・ブレード
には、−１二連した通路の任意の断面形状のものを何個
でもまたどのような組み合わせでも設けることができる
。
」；述した好適な実施例の説明は、この発明を具体的に
説明する目的で提示した。実施例はこれらだけに限られ
るものではなく、またこの発明を例示の構造に限定しよ
うとするものでもない。上述した教示に照らして種々の
変形や変更が可能であることが明らかであり、これらも
すべて本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明を適用するジェットエンジンのタービ
ンブレードの斜視図、 第２図は４種の冷却材通路を示す第１図のタービンブレ
ー　ドの破断図、 第３．４および５図は第１図のエアーホイルブレードを
ブレード先端からルートまでの長さ方向距離に沿って順
次切断した水平断面図である。 主な符号の説明 １０ニブレード、 １６：エアーホイル・ブレード部分、 ２０．２２，２４，２６：冷却材通路、３０：エアーホ
イル本体、 ３２．３４，３６．３８：内壁面、 ４０．４６：らせん状フィン、 ４２．４８：中心線、 ４４ニスピン軸線、 ５０：隔壁、 ５２．５４：通路、 ５６．５８：中心線。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）長さ方向軸線を有するエアーホイル本体であ
    って、冷却材通路が形成され、その冷却材通路の中心線
    が大体直線でかつエアーホイル本体の長さ方向軸線と大
    体平行で、冷却材の流れを大体長さ方向に向けるように
    なっているエアーホイル本体と、 （ｂ）上記冷却材通路内に配置され、長さ方向に向けら
    れた冷却材の流れが上記冷却材通路の中心線に大体平行
    なスピン軸線のまわりを少なくとも完全に１回回転する
    ように上記長さ方向に向けられた冷却材の流れに回転を
    付与する手段とを備えるエアーホイル・ブレード。 ２、上記流れ回転手段は、中心軸線が上記スピン軸線と
    大体一致するらせん状フィンを含む請求項１に記載のエ
    アーホイル・ブレード。 ３、上記スピン軸線が上記冷却材通路の中心線と大体一
    致する請求項２に記載のエアーホイル・ブレード。 ４、上記冷却材通路の断面が大体円形である請求項３に
    記載のエアーホイル・ブレード。５、上記らせん状フィ
    ンの形状がナットのねじ山の形状と大体同じである請求
    項４に記載のエアーホイル・ブレード。 ６、上記流れ回転手段が上記冷却材通路を２つの通路に
    分割する隔壁を含み、この隔壁の長さ方向軸線が上記ス
    ピン軸線と大体一致し、上記隔壁がその長さに沿って上
    記スピン軸線のまわりにひねられている請求項１に記載
    のエアーホイル・ブレード。 ７、上記スピン軸線が上記冷却材通路の中心線と大体一
    致する請求項６に記載のエアーホイル・ブレード。 ８、上記冷却材通路の断面が大体円形である請求項７に
    記載のエアーホイル・ブレード。９、長さ方向軸線を有
    するエアーホイル本体に冷却材通路が形成され、上記冷
    却材通路は、その中心線が大体直線でかつエアーホイル
    本体の長さ方向軸線と大体平行で、断面が非円形であり
    、かつ上記冷却材通路はその長さに沿って冷却材通路の
    中心線に大体平行なスピン軸線のまわりに少なくとも完
    全に１回ひねられていることを特徴とするエアーホイル
    ・ブレード。 １０、上記スピン軸線が上記冷却材通路の中心線と大体
    一致する請求項９に記載のエアーホイル・ブレード。 １１、上記冷却材通路の断面が大体正方形である請求項
    １０に記載のエアーホイル・ブレード。
JP2252102A 1989-10-02 1990-09-25 内部冷却式エアーホイル・ブレード Pending JPH03149301A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US415,756 1989-10-02
US07/415,756 US5002460A (en) 1989-10-02 1989-10-02 Internally cooled airfoil blade

Publications (1)

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JPH03149301A true JPH03149301A (ja) 1991-06-25

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US (1) US5002460A (ja)
JP (1) JPH03149301A (ja)
CA (1) CA2021097A1 (ja)
DE (1) DE4028439A1 (ja)
FR (1) FR2652612A1 (ja)
GB (1) GB2238582A (ja)
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