JPH08503531A - 冷却可能なエアフォイル構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 内部に冷却通路（８２、８４、７４）を有する冷却可能なエアフォイルを開示する。前記エアフォイルの破損しやすい（CRITICAL）部分を一層よく冷却するために、様々な複雑な構造をもつ。実施例の１つでは、スパン方向に延在する一対の通路が冷気を翼端通路（７４）に流している。

Description

【発明の詳細な説明】 冷却可能なエアフォイル構造産業上の利用分野 本発明は、高温ロータリーマシン（ROTARY MACHINE）で用いられるタイプの冷 却可能なエアフォイル（AIRFOIL）構造、特に、エアフォイルの破損しやすい（C RITICAL）部分に冷気を流す構造に関する。ここに開示する技術思想はタービン ベイン（TURBINE VANE）とタービンブレードの両者に適用される。背景技術 航空機のガスタービンエンジンのような軸流式のロータリーマシンは、圧縮段 、燃焼段及びタービン段を有する。高温の作動媒体ガスの流路はエンジンの内部 に軸線方向に沿って設けられている。高温のガスの流路は概ね環状をなしている 。 作動媒体ガスは流路を流れてゆくにつれ、ガスは圧縮段で圧縮されて温度や圧 力が上昇する。この高温高圧のガスは、燃焼段において燃料とともに燃焼させら れて、ガスにエネルギーが与えられる。このガスはタービン段で膨張して利用可 能な動力や推力を生み出す。 エンジンはそのタービン段にロータアセンブリを有し、そこではロータ盤及び ブレードが設けられ、高温の動作媒体ガスからエネルギーを受け取る。ロータア センブリは圧縮段に至るまで延在している。そのロータアセンブリはコ ンプレッサブレードをもち、動作媒体ガスの流路を横切って外側に延びている。 タービン段の高エネルギー動作媒体ガスは膨張しつつタービンブレードを通過し 、ロータアセンブリをその回転軸回りに動かす。コンプレッサブレードはロータ アセンブリとともに回転し、流入する動作媒体ガスを圧縮し渦流を与えて後方へ 送る。 各ロータブレードは、高温の動作媒体ガスをロータブレード段に通し、ガスか ら動力を得るエアフォイル構造をもつ。この結果、エアフォイルは動作中に高温 の動作媒体ガスに曝露され、内部に熱応力を生じる。この熱応力は、エアフォイ ルの疲労寿命に影響を与え、構造を損なうことがあり得る。その上、ロータブレ ードが回転軸の回りを回転しているとき、それに作用する回転力はブレードの受 ける応力を高めるのである。 ブレードは、熱応力を下げて満足な疲労寿命を得、構造を損なうことが無いよ うにするために、冷却されるのが一般的である。 このようなロータブレードの例が、PAZDERに付与され本出願人を譲受人として 譲渡された「COOLABLE AIRFOIL FOR A ROTARY MACHINE」と称する米国特許第4,4 74,532号に示されている。冷却可能なロータブレードの他の例としては、YAMARI KとLIVENGOODに付与され、本出願人を譲受人として譲渡された「COOLABLE ROTOR BLADE」と称する米国特許第4,278,400号がある。これらのブレードはそれぞれ 複数の 冷気通路をブレード内部に有する。冷気は通路の中を流れて、普通後縁と呼ばれ るロータブレードの最後部に至り、そこから動作媒体の流路へと排出される。 上記の技術にもかかわらず、本出願人の指導のもとに働く科学者や技術者は、 エアフォイルの破損しやすい（ＣＲＩＴＩＣＡＬ）部分における負荷の水準で満 足なものが得られる、高温ロータリーマシンに用いられる冷却可能なエアフォイ ルの開発に努力を傾注してきた。発明の要約 本発明によれば、エアフォイルの一端を冷却するための通路をもつ冷却可能な エアファイルは、冷気をエアフォイルのもう片方の一端からスパン方向に延びた 通路を通して供給し、また、前部の通路は境膜冷却(FILM COOLING）をなす冷気 をエアフォイル外部に供給して、後部の通路をエンジン内部の高温の作動媒体ガ スから保護する。 発明の詳細な実施態様の１つによれば、翼端通路が後方にエアフォィルの後縁 まで延び、それはブレードの後縁部において圧力側壁（PRESSURE SIDEWALL）と 吸い込み側壁（SUCTION SIDEWALL）によって画定されている。 発明の詳細な実施態様の１つによれば、圧力側壁はエアフォイル全体にわたっ て事実上平面となっており、吸い込み側壁はエアフォイルの翼端部において圧力 側壁からはそれてゆく形状をもち、厚みを増した形の翼端部をエアフォイルに与 えている。 本発明の第１の特徴は、冷却可能なエアフォイルであって、エアフォイルの一 端からもう一端へとスパン方向に延びる一対の通路をもつことである。各通路は 冷気源と連通している。もう１つの特徴は、前部の通路が境膜冷却孔を通してエ アフォイル外部と連通していることである。冷却孔は側壁の少なくとも一方に、 そのスパン方向の長さの少なくとも５０％を超える長さの領域にわたって設けら れている。詳細な実施態様の１つによれば、前記通路は翼端通路と連通している 。また、翼端通路は後縁部に延びている。 他の特徴は、エアフォイルの後縁部において、吸い込み側壁と圧力側壁とが翼端 通路を画定していることである。詳細な実施態様の１つによれば、エアフォイル の翼端部は、残りの部分と比べて円周方向に厚みを増している。 本発明の第１の利点は、保護された冷気供給通路から供給される冷気による、 翼端部の冷却によって達成される材料の疲労寿命の水準である。他の利点として は、翼端部の厚みの小さいエアフォイルと異なり、様々なサイズや数の研磨グリ ット（GRIT）を使用せすに済む翼端部の厚みを有することである。もう１つの利 点としては、側壁を後縁に至るまで設けたことにより、高温の作動媒体ガスから エアフォイル内部を保護する冷却を効果的になし得ることである。 その他の特徴や利点は、請求の範囲及び添付した発明の実施態様の１つを示し た図によって明らかにされるであろ う。図の簡単な説明 第１図は、例えばロータブレードのようなエアフォイルの側面図であって、一 部を省略しまたは除去することによってエアフォイル内部の吸い込み側壁を示し たものである。 第２図は、第１図の線２−２で切った断面図である。 第３図は、第１図の線３−３で切った断面の輪郭図であって、エアフォイルの 平らな圧力側壁と外向きに延びる吸い込み側壁とを示している。 第４図は、圧力側壁及び吸い込み側壁の関係を示す、エアフォイルの翼端部の 断面図である。特に、基本的にはほぼ並行の両側壁と、両側壁の間の移行部分を 示したものである。 第５図は、第２図の線５−５で切った断面図である。 第６図は、第４図の線６−６で切った断面図である。好的な実施例の説明 第１図に示すのは、ロータブレード１０のようなロータリーマシンのエアフォ イル構造である。エアフォイル構造には、第１末端１４及び第２末端１６をもつ 、エアフォイル部１２がある。ロータブレードはスパン方向Ｓと翼弦方向Ｃの両 方向をもつ。後に理解されるように、エアフォイル構造は、ステータ（STATOR） ベインとしても用いられる。 ロータブレードは、根部１８及び第１末端と隣接する台部２０を有する。根部 は、ロータリーマシンのロータにか み合うように形成されている。 根部は、翼弦方向に延在する根壁（ROOT WALL）２２を有する。第１ダクト２ ４、第２ダクト２６及び第３ダクト２８は、例えばコンプレッサ（図示せず）の ような冷気源と連通している。台部（PLATFORM SECTION）２０は、ロータリーマ シンにおいて、作動媒体ガスの流路の内壁の一部をなすように形成される。エア フォイル部１２は、作動媒体流れの流路を横切って外向きに設けられ、最外部に 翼端部３２をもつ。 エアフォイル部には、前縁３４及び後縁３６がある。吸い込み側壁４２（第１ 図においては明示のため一部省略して示されているが、第２図において示されて いる）は前縁と後縁とを結合している。圧力側壁は吸い込み側壁とは隔てられて 、その間に隙間部（CAVITY）４４か形成されている。翼端の内部壁４６は圧力側 壁と吸い込み側壁の間に延在し、隙間部をスパン方向に終息させている。第１リ ブ４８のような内壁は、スパン方向に翼端壁に向かって延びており、前縁とは隔 てられて、隙間部を後部５２と前部５４とに分けている。前部は、第１通路５６ に示されているように、少なくとも１つの通路を有する。実施例にあるように、 前縁は、第１通路に配置された複数の衝当空間（IMPINGEMENT SPACES）５８を有 する。リブ６２は第１通路に配置され衝当空間を画定している。リブには衝当孔 が設けられ、それを通して、衝当冷却をなす衝当空間を前縁部に与 える。 後部５２は第２リブ６６をもつ。第２リブはスパン方向に延びており、第１リ ブ４８と翼弦方向に隔てられている。第２リブも、隙間部の後部を後縁部９２と 翼弦中央部６８に分けている。第２リブは、翼弦方向にも延びており、それと翼 端壁とはスパン方向に離れていて、それが翼弦中央部と連通している翼端通路７ ４をなしている。冷気孔７６は翼端部から外部に通じている。 後部には第３リブ７８がある。第３リブは翼端壁には接していない。第３リブ はスパン方向に延び、ブレードの翼弦中央部を第２通路８２と第３通路８４とに 分けており、各通路はスパン方向に根部領域１８から延びている。各通路は、第 ２ダクト２６及び翼端通路７４と連通している。複数の境膜冷却孔８６は、第２ 通路と連通している。冷却孔はエアフォイルの内部から外部へと通じている。吸 い込み側壁の孔は、吸い込み壁のスパン方向の長さの６０％以上の領域にわたっ て設けられており、圧力側壁側の孔は、圧力側壁のスパン方向の長さの９０％以 上の領域にわたって設けられている。ここで、圧力側壁の孔は図に示されていな いが、これは図を見やすくするために圧力側壁が削られているからである。 後部５２には第４リブ８８がある。第４リブは翼端壁４６から根部領域１８に 向かって延びており、根部壁２２には達していない。第４リブは第２通路８２を 画定しており、 第１リブとは離れていて、それとの間に放射状に拡がる第４の通路９２をなして いる。スパン方向に延びている供給通路９４は、第２ダクト２６から第２及び第 ４通路８２、９２へ延び、第２及び第４通路を第２ダクトと連通させている。 後縁部には、エアフォイル後部の複数のスロット（SLOT）９６がある。これら のスロットは、圧力側壁４２から吸い込み側壁へと延びる涙滴形状の（TEAR-DRO P SHAPED）台座（PEDESTALS）、若しくはランド（LAND）９８によって画定され ている。後縁部には、スパン方向に延びる第５通路１０２がある。第５通路は、 スロットとの間に翼弦方向にスペースを開けることによって、後縁部に冷気を流 入させる。スパン方向に延びる一対のリブ１０４、１０６は第５供給路とスロッ トとの間に配置されている。各リブは複数の衝当孔１０８をもち、それを通して 冷気を隣接する構造物に衝当するように導く。例えば、第１リブの孔は、冷気を 第２リブに衝当するように導き、第２リブの孔は、冷気を台座に衝当するように 導くのである。 第２図は、エアフォイルを第１図の線２−２、即ちエアフォイルのスパン方向 の長さのほぼ６５％の位置で切った断面図である。図を見やすくするため、エア フォイル部の一部及びその部品の一部が図では省略されている。第２通路８４に 沿って配置されている冷気孔８６は、図の８６の矢印に示されているように、冷 気を外部で後向きに導く。 吸い込み側壁３８と平らな圧力側壁４２は後方に至るまで設けられている。また 、圧力側壁は一部切り取られて、エアフォイルの薄い後縁部７２を形成している 。 第３図は、エアフォイル１２を、後縁部７２に向かって正面からみたところを 図て表したものである。圧力側壁は、スパン方向全体にわたってほぼ平面となっ ている。圧力側壁は、その製造にあたって材料を研削するための平らな研削装置 を必要とするほど平らに作られている。吸い込み側壁は、エアフォイルの翼端部 において圧力側壁と分岐している。これによって、湾曲したエアフォイルの最も 厚い部分においては、翼端部の厚みがスパン方向の最も内側の部分の厚みに比べ てずっと厚くなる。また、エアフォイルは、その最も厚みのある部分から外側に 向かって次第に薄くなる形をもつ。 第４図は、エアフォイルを第１図の線４−４で切った、第１図の線２−２の断 面と平行な断面図である。第４図に示されているように、圧力側壁４２と吸い込 み側壁３８とは、後方に向かってほぼ平行に並んで、エアフォイルの最後部近く まで延在している。エアフォイルのこの部分においては、曲げられた移行部分（ CURVED TRANSITION SURFACE）１１０（一般的には断面は円を描く）が吸い込み 側壁と圧力側壁とを結合している。吸い込み側壁も圧力側壁も移行面に接してい る。第４図に示すように、曲面の直径はほぼ９０マイルで、第２図で示したもの はそれよりずっと小 さくなっている。典型的なエアフォイルにおいては、第２図に示した小さい方の 直径は約３０マイルである。 第５図及び第６図は、第２図及び第４図の線５−及び線６−６で切った断面図 である。第５図は、エアフォイル最後部からの距離が、移行部分の面の直径より も小さいところで切ったものである。図示されているように、吸い込み側壁３８ 及び圧力側壁４２は、両側壁の後部までずっと翼端通路の覆いをなしている。 ロータリーマシンの作動中、熱された作動媒体ガスはエアフォイル部の外部表 面上を流れる。熱は作動媒体ガスから吸い込み側壁３８及び圧力側壁４２に伝わ る。冷気は第１ダクトから第１通路５６を経て放射状にスパン方向に流れ、そこ から翼端孔７６を通してエアフォイルの翼端へと流れる。残りの冷気は、衝当リ ブの衝当孔を通して衝当空間へ流れる。冷気はエアフォイルの前縁に衝当して前 縁を冷却する。 第２ダクト２６からの冷気は、供給通路９４を通して流れるか、或いは第２ダ クトから第３通路８４を経て直接翼端通路へと流れる。次に、冷気は翼弦方向に エアフォイルの後部に向かって流れ、翼端部を冷却する。翼端部には、両側壁部 からの熱の伝達だけでなく、翼端部の末端を通しても熱が伝達してくるので高い 熱負荷がかかる。冷気が、第２通路８２を放射状に外側に向かって流れるときは 、冷気は境膜冷却孔を通して外部へと流れる。圧力側壁と吸い 込み側壁とに設けられたこの孔は、エアフォイル外部の境膜冷却をなし、エアフ ォイルを冷却するとともに、作動媒体ガスの流れから第３通路に熱が伝達するの をブロックする。これによって、第３通路の空気は第２通路の空気に比べて温度 が低くなる。第３通路の空気の温度は、エアフォイルの翼端部に向かう第３通路 の外部に境膜冷却がなされない場合に比べて、ずっと低くなっているのである。 この構造に特有の利点は、より高い温度の第２通路の空気が２つの目的で使用 され、その１つはエアフォイルの冷却であり、２つ目は空気が第３通路を通って 翼端部へ向かうときに過剰な熱の伝達が起こるのを防ぐことである。この構造の 第２の利点においては、より高い温度の第２通路の空気は、第３通路からのより 低い温度の空気と翼端部で混じり合う前に外部に排出され、更に翼端通路にはよ り低い温度の冷気を提供している。この、より低い温度の冷気はエアフォイルの 翼端部を冷却を大変効率的になし得る。 翼弦方向に延びる冷気の通路をこのように配置したことの利点は、エアフォイ ルを３分した中央に通路８２、８４を設けられる点である。第３通路８４は第２ 通路よりも熱負荷のかからない場所に配置されている。第２通路にかかる高い熱 負荷は第２通路を通る冷気によって吸収され、熱エネルギーが外部に排出されて 、第３通路から翼端通路に供給される空気の低い温度が維持されるのである。 翼端通路７４の空気は、翼弦方向に後方に向けて流れる 間に、エアフォイル内部を保護する吸い込み側壁３８及び圧力側壁４２から熱を 除去する。圧力側壁の一部が切り取られていることで、内部の保護が失われるこ とはなく、それは、厚みを増した翼端部が、内部を保護する圧力側壁及び吸い込 み側壁をなすとともに、一方でその適当な断面に設けられた翼端通路に冷気を流 してエアフォイルの外へ排出することができるためである。もう１つの利点は、 翼端部に放射状に延びた冷気通路が翼端部において後部の方に延びていることで 、この翼端部の重要な場所を冷却し得ることである。 エアフォイルの最も後ろにある後縁部の圧力側壁４２が平らであることによっ て、鋳造の仕上げに、例えばベルトサンダーの研磨によって製造することが容易 になる。後縁の形状が非直線的である場合、フラットベルトで後縁を研磨すると 、重要な部分の金属を削り過ぎて適正でない厚みを持つ側壁にしてしまいがちで ある。 エアフォイルの翼端部３２を厚くすることによって、薄いエアフォイルて片面 に冷気孔を開けるときに、もう片方の面まで貫通させることなく孔を開ける困難 を避けることができる。第２に、後縁の翼端部を厚くすることによって、翼端通 路の出口の断面積をより大きくする余裕ができる。これによって、その部分にお ける冷気の流速が高くならずに済み、これに対応して冷気通路の静圧も下げるこ とができる。ただし、内部の静圧をガスの流路の静圧よりも低く するのは避け、逆流を防ぐ安全な圧力差は必要なだけ維持する。逆流が実際に発 生するとき、負の静圧勾配によって温度の高い作動媒体ガスがエアフォイル内に 流れ込むと、後端部において加熱がひどくなり、クラックが発生することになる 。 後端部３２を厚くすることによって、ブレード端部に研磨グリット（ABRASIVE GRITS）を使用する面倒も避けられる。このグリットを用いる場合、それと対に なった研磨シール（SEAL）にタービンブレードをこすりつけて研磨することがで きる。グリットのサイズは、通常タービンの空力特性や耐性によって異なるよう に考慮して決められる。例えば、グリットの粒子のサイズは別のエアシール（AI RSEAL）にこすりつけるのに適切なサイズのものが選ばれる。グリットのサイズ が与えられても、後縁の厚さが研磨されて薄くなってゆくに従って、グリットの 数も必然的に減ってゆく。このため薄い後縁部の場合は、設計者は最適なグリッ トの数と最適なグリットのサイズとの中間を選ぶことが必要になる。このことは 、厚い後縁部を使用することによって避けることができる。 本発明の好的な実施例について示し、述べてきたが、請求項に記載の本発明の 精神と範囲を逸脱することなく、その形状、詳細について種々の改変をなし得る ことが当業者には容易に理解し得るであろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．前縁と、後縁と、冷気源と連通する根部領域と、後縁に至るまで後向きに翼 弦方向に設けられた通路を含む翼端部とを有する型式の冷却可能なエアフォイル 構造であって、 前記翼弦方向に設けられた通路と連通する、前記根部領域から前記翼端部に、 スパン方向に設けられた一対の供給通路と、 最前部の通路と隣接するエアフォイルの表面とを冷却し、外部から最後部の通 路への熱伝達を防ぎ、前記翼端部において空気が混合する前に、最前部の通路か ら温度の上昇した冷却用の空気を放出するようにした、前記最前部の通路から前 記エアフォイルの外部へ通ずる複数の冷気孔とを有することを特徴とする冷却可 能なエアフォイル構造。 ２．軸流式ロータリーマシン用の冷却可能なロータブレードが、ロータアセンブ リにかみ合うようにロータブレードを形成する根部と、エアフォイル部とを有し 、 前記根部が、翼弦方向に延在する根壁と、前記根壁に連通するように形成され た第１ダクトと、前記根壁を通して冷気源に連通するように形成された第２ダク ト及び第３ダクトとを有し、 前記エアフォイル部が、 前縁部と、 後縁部と、 吸い込み側壁と、 前記前縁部及び前記後縁部で前記吸い込み側壁に結合し、前記吸い込み側壁と 隔てられて設けられた圧力側壁であって、前記吸い込み側壁との間に隙間部と翼 弦方向に延在する翼端壁とをなす、前記圧力側壁と、 スパン方向に前記翼端部まで延在し、前記前縁部から隔てられて設けられて、 前記隙間部を後部と第１通路を含む前部とに分割する第１リブと、 スパン方向に延在し、前記第１リブから翼弦方向に隔てられて設けられて前記 隙間部の後部を後縁部と翼弦中央部とに分割し、また前記翼端壁から隔てられて 翼弦方向にも延在し、前記翼弦中央部と連通する翼端通路をなす前記第２リブと 、 前記翼端壁から隔てられてスパン方向に延在し、前記ブレードの翼弦中央部を 、前記根部からスパン方向に延在して前記第２ダクト及び前記翼端通路に連通す る第２通路と第３通路とに分割する第３リブであって、 前記第２通路及び第３通路において、複数の冷気孔が、前記圧力側壁と前記吸 い込み側壁とを通して設けられて前記第２通路を前記ブレードの外部へ連通させ 、冷気を前記ブレード外部表面へ排出して、前記後縁において、動作中に前記作 動媒体ガスから前記第３通路の冷気の流れに熱が伝達するのを防ぐことにより、 前記エアフォイルの翼端部の前記第３通路の冷却効率をあげることを特徴とする 第３リブとを有することを特徴とする冷却可能なロータブレー ド。 ３．前記圧力側壁の壁面が、前記後縁部で平らなグラインダーで加工可能な事実 上平らな面をもつことを特徴とし、前記吸い込み側壁が、スパン方向に外側へ行 くにしたがって前記圧力側壁からそれて、前記圧力側壁の平らな面はそのままで 翼端の厚みを増すが、その厚みが、少なくとも、前記吸い込み側壁と前記圧力側 壁が結合する前記後縁部の最後部における曲面の直径のほぼ１．５倍の距離で、 後縁部から前方に隔たった位置において、前記翼端通路が前記圧力側壁と前記吸 い込み側壁によって画定されるだけの厚みであることを特徴とする請求項２に記 載の冷却可能なロータブレード。 ４．前記複数の冷却孔が、前記吸い込み側壁のスパン方向の長さの少なくとも５ ０％を超える長さを有する側壁の最外部からの領域、及び前記エアフォイルのス パン方向の長さの少なくとも８０％を超える長さを有する側壁の最外部からの領 域に、前記吸い込み側壁を通して設けられることを特徴とする請求項２に記載の 冷却可能なロータブレード。 ５．前記境膜冷却孔が、前記エアフォイルのスパン方向の長さの少なくとも６０ ％を超える長さのエアフォイル最外部からの領域、及び前記圧力側壁のスパン方 向の長さの少なくとも９０％を超える長さの側壁最外部からの領域に、前記吸い 込み側壁を通して設けられることを特徴とする請求項４に記載の冷却可能なロー タブレード。 ６．前記第２通路の流れに対する抵抗の特性が、前記第３通路の流れに対する抵 抗の特性との関係において、動作状態において両通路の流速をほぼ等しくするこ とを特徴とする請求項５に記載の冷却可能なロータブレード。 ７．前記第３通路を、前記エアフォイルを翼弦方向に３分した中央部に設けるこ とを特徴とする請求項２に記載の冷却可能なロータブレード。