JPH09511041A - 冷却流体を二重に供給するプラットフォームキャビティを有するタービン・ベーン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ガス・タービン・エンジン用のタービン・ベーンは、冷却流体をキャビティ内に吐出するための二重に流体を供給する構成を有する後端部に沿って上記キャビティを設けたプラットフォームを有する。種々の構造上の細部を開発し、これによりデッド・ゾーンを排除することによって改善された熱伝達を有するキャビティが提供される。特定の実施例では、タービン・ベーンは上記プラットフォームの圧力側であって取付レールの前方に位置する第１入口と上記プラットフォームの吸入側であって上記取付レールの前方に位置する第２入口を有するプラットフォームのキャビティを有する。上記キャビティは、複数のトリップ・ストリップと複数のフィルム冷却通路を有する。これらのトリップ・ストリップはキャビティのコーナから延び、冷却流体がこれらのコーナに流入するのを促進するために角度が付いている。これらのフィルム冷却経路によって、流出した冷却流体はプラットフォームのフロー面上に冷却流体の膜を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】 冷却流体を二重に供給するプラットフォーム キャビティを有するタービン・ベーン 技術分野 本発明は、ガス・タービン・エンジンに関し、更に詳しくは、かかるエンジン のタービン・ベーンに関する。 背景技術 ガス・タービン・エンジンで使用しているタービン・ベーンは、これらのター ビン・ベーンの下流で回転ブレードと効率的に係合する方向にタービンを介して 高温ガスを流す。代表的なタービン・ベーンは内部プラットフォームと外部プラ ットフォームの間に延びるエアフォイルを有し、ここで両プラットフォームはタ ービン・ベーンと一体に構成されている。エアフォイルによって、流れは回転ブ レードの列内に向けられる。これらのプラットフォームによって内部及び外部フ ロー面が設けられ、これらのフロー面は高温ガスの流れを含んでいる。 高温の燃焼ガスに曝されることによって、タービン・ベーンを冷却する必要性 が生じる。一般的には燃焼工程の前段でコンプレッサーから取出されるバイパス 空気である冷却流体は、エアフォイルの中空コアを介して流れ、対流によって冷 却を行う。エアフォイル内 に配設された複数の冷却通路によって、エアフォイルからこのエアフォイルのフ ロー面上に冷却流体を流し、これらの面にフィルム冷却層を形成する手段が提供 される。プラットフォームは、一般的にフロー面とは逆の面に冷却流体を衝突さ せることによって冷却される。この冷却流体は、またプラットフォーム内の通路 を介して流れ、このプラットフォームのフロー面にフィルム冷却層を設けてもよ い。 プラットフォーム冷却構成の一例がプリレンベルに付与された「冷却されたプ ラットフォームを有するターボ機械のベーンまたはブレード」という名称の米国 特許第４，０１７，２１３号に開示されている。この特許は、プラットフォーム を冷却するために衝突、対流及びフィルム冷却の組み合わせを有するタービンの ベーンまたはブレードを開示している。更に、この構成には、プラットフォーム を介して延びこのプラットフォームの後端部を対流によって冷却する通路の列が 含まれている。 最近のガス・タービン・エンジンの燃焼温度上昇に伴い、プラットフォームの 冷却、特にこのプラットフォームの後端部を冷却する必要性が益々増している。 この後端部は一般的にタービン・ベーンをステータ構造に取り付けるレールの下 流に位置しているため、問題が発生する。すなわち、この領域では衝突による冷 却（impingement cooling）が可能ではない場合が発生する。 プラットフォームを冷却するための他の周知の構成を、第１図と第２図に示す 。この構成では、プラットフォームの後端部は、このプラットフォームの後端部 に沿って延びるキャビティ内に冷却流体を流すことによって冷却する。冷却流体 は、後端部のフロー面上に 冷却流体を向ける通路を介してこのキャビティから流出する。このキャビティは 後端部に対する冷却流体の流れを増加させる手段を設けると共に複数のトリップ ・ストリップを有してキャビティ内の冷却流体とプラットフォームの間に於ける 熱伝達を向上させる。冷却流体をできるだけ後端部のコーナに接近させるため、 一般的にＵ字形のキャビティを使用する。 上記の技術に満足することなく、出願人の譲受人の指導下にある科学者と技術 者はプラットフォームをより効率的に冷却する構成を有するタービン・ベーンの 開発に従事している。 発明の開示 本発明によれば、プラットフォームを有するタービン・ベーンは、後端部に沿 って延びベーンの両端に配設された一対の入口を有するキャビティから構成され る。各入口によって、キャビティと冷却流体の共通のソースの間において流体の 連通が可能になる。キャビティは、プラットフォームと冷却流体の間で熱伝達を 促進するための複数のトリップ・ストリップを有している。これらのトリップ・ ストリップはキャビティを通過する流体の流れの方向に対して角度を有し、冷却 流体がキャビティのコーナに向かって流れるのを促進する。 本発明の主要な特徴は、キャビティの二重供給構造である。他の特徴は、キャ ビティ内に配設したトリップ・ストリップの分布と方向である。更に他の特徴は 、プラットフォーム内にキャビティを鋳込む即ち鋳造していることである。 本発明の主要な効果は、冷却流体をキャビティ内に供給するため の２つの入口を有する結果としてプラットフォームの後端部が効率的に冷却され ることである。他の利点は、キャビティに対する供給口を両側に設け、トリップ ・ストリップをキャビティ全体に分布させた結果として冷却流の少ないデッド・ ゾーンまたは領域を排除したことである。冷却したプラットフォームを有する従 来のベーンでは、キャビティはプラットフォームの圧力側または吸入側の何れか に位置する供給口を１つしか有していない。このような構成の結果、キャビティ 全体に冷却流体が不均一に分布する可能性がある。キャビティの遠くのコーナの ような幾つかのキャビティの領域では、冷却が他の領域よりもより低い効率で行 われる可能性がある。出願人の発明の二重供給構造によって、キャビティの両側 に冷却流体のソースが設けられる。トリップ・ストリップは、各入口に流入する 冷却流体がこの入口の最も近いコーナに向かって流れるのを促進する。本発明の 更に他の効果は、キャビティ内に於ける冷却流体の分布である。この分布によっ て、対流を効率的に行うためのキャビティの全ての領域に対する冷却流体の流れ と冷却流体をプラットフォームの外部表面上に吐出するための全ての冷却通路に 対する冷却流体の流れが保証される。 他の効果は、キャビティをプラットフォーム内に鋳込むことができる結果とし て得られるコストの節約である。プラットフォームの後端部の長手方向に沿って 延びるキャビティを有する従来技術によるプラットフォームの場合には、凹部が プラットフォーム内に鋳込まれている。このキャビティを完成するためには、こ の凹部上にカバーを溶接しなければならない。この凹部によってキャビティにア クセスすることが可能になり、鋳造コア用の第２取付点が設けられる。本発明に よれば、キャビティは鋳造コアに対して２点による支持を行う２つの入口を有し ている。従って、カバーをプラットフォームに接合する別の工程とコストが不必 要になる。 本発明の上述及び他の目的、特徴と効果は、添付図に示す通り、本発明の例示 した実施例の以下の詳細な説明に照らしてより明らかになる。 図面の簡単な説明 第１図は、後端部にキャビティを設けたプラットフォームを有する従来技術に よるタービン・ベーンの一部を切り欠いた側面図である。 第２図は、従来技術によるタービン・ベーンを示す第１図の線２−２に沿って 切断した図である。 第３Ａ図は、第１図に示す種類のベーンのプラットフォーム内に鋳込まれた凹 部の部分側面図である。 第３Ｂ図は、第３Ａ図に示すプラットフォームと凹部の部分斜視図である。 第４図は、本発明の側面図である。 第５図は、第４図の線５−５に沿って切断したプラットフォームのキャビティ の図である。 第６図は、本発明によるキャビティを有するタービン・ベーンの一部を切り欠 いた側面図である。 発明を実施するための最良の形態従来技術 従来技術によるタービン・ベーン１２を、第１図と第２図に示す。タービン・ ベーン１２は、エアフォイル１４、内部レール１７を有する内部プラットフォー ム１６と外部レール１９を有する外部プラットフォーム１８を有している。これ らのレール１７、１９によって、タービン・ベーン１２をガス・タービン・エン ジン（図示せず）のステータ構造に取り付けることが可能になる。エアフォイル １４は、冷却流体をタービン・ベーン１２を介して流すことを可能にする中空の コア２２を有している。外部プラットフォーム１８は、エアフォイル開口部２４ 、後端部のキャビティ２８と流体によって連通している圧力側凹部２６と吸気側 凹部３２を有している。 半径方向内側（矢印３４によって示すように）に流れる冷却流体は、中空のコ ア２２と凹部２６、３２の間に分岐される。圧力側凹部２６内に流れる冷却流体 の一部は、キャビティ２８内に流入する。このキャビティは一端部のみに開口部 ３５を有する一般的にＵ字形をしている。矢印３６によって示すように、この流 体はキャビティ２８の周囲に流れてこれに充填される。冷却流体は複数の通路３ ８を介してキャビティ２８から流出するが、これらの複数の通路はこの流出した 流体を外部プラットフォーム１８のフロー面上に流すためのものである。 キャビティ２８は、冷却面４４とカバー・プレート４０によって形成されてい る。カバー・プレート４０は、溶接等によってプラットフォームの外側と接合さ れている。このキャビティは、その冷却 面４４上に配設された複数のトリップ・ストリップ４２を有している。冷却流体 の流れはこのトリップ・ストリップ４２によって逆転され、冷却流体と冷却面４ ４の間の熱伝達を向上させる。これらの複数のトリップ・ストリップ４２は３つ のグループ４６、４８、５０に構成されているが、これはこれらのトリップ・ス トリップ上に流れる冷却流体の方向に対して傾斜した角度を保持するためである 。第１グループ４６はキャビティ２８の開口部３５の近傍に位置し、第２グルー プ４８はプラットフォーム１６の後端部に沿って近くに位置するコーナ５４から 遠くに位置するコーナ５６に延び、第３グループ５０は遠くに位置するコーナ５ ６からキャビティ２８の端部に延びる。 動作中、冷却流体は、第１図の矢印３４によって示すように、外側のプラット フォーム１８に向かって半径方向内側に流れる。この流体は、コア２２、圧力側 凹部２６と吸入側凹部３２の間に分割される。エアフォイル１４は、コア２２内 に流入する流体によって冷却される。吸入側凹部３２内に流入する流体によって 、凹部３２の近傍に位置するプラットフォームが対流による冷却を受け、次にこ の流体はフィルム冷却通路を介して流れ、外部プラットフォーム１８のフロー面 上に冷却流体の層を形成する。圧力側凹部２６内に流入する流体の一部によって 、凹部２６の近傍に位置するプラットフォーム１８が対流による冷却を受け、こ の流体の一部はフィルム冷却通路を介して流れてプラットフォーム１８のフロー 面に対してフィルム冷却を行う。圧力側凹部２６内に流入した流体の残りの部分 は、開口部３５を介して外部レール１９の下部とキャビティ２８内に流 入する。キャビティ２８内では、冷却流体はトリップ・ストリップ４２上を流れ 、再生可能な境界層を形成する。この流体は、第１コーナ５４に流れ、次に方向 を変えて後端部に沿って流れる。この流体が後端部に沿って流れるのに従って、 これは後端部上に冷却流体の層を生成するフィルム冷却通路３８を介してキャビ ティ２８から流出する。この流体の一部はキャビティ２８を介して遠くのコーナ ５６に引き続いて流れる。（トリップ・ストリップ４２上を）移動した距離とフ ィルム冷却通路３８を通過する流体の損失によって、遠くのコーナ５６に到達す る流体は、比較的高温低圧である。更に、この遠くのコーナ５６は、キャビティ ２８を介して行われる流れの終点である。その結果、流体速度は低く、最小の熱 伝達がこの遠くのコーナ５６で行われる。 第３ａ図と第３ｂ図に示すように、キャビティ２８を形成する方法は、プラッ トフォーム１８の後端部領域内に凹部５５を鋳込むステップを有する。この鋳込 工程の完了後、カバー・プレート４０をプラットフォーム１８に溶接して凹部５ ５をシールし（開口部３５を除いて）、キャビティ２８を形成する。キャビティ ２８を形成するために使用するセラミック・コア５８を支持する第２点５７を設 けるため、鋳込工程の期間中凹部が必要である。第１支持点５９は、開口部３５ を通過してこの開口部を形成する延長部６１によって設ける。本発明の実施例 第４図と第５図は、本発明によるタービン・ベーン６０の１実施 例を示す。タービン・ベーン６０は、エアフォイル６２、内部レール６６を有す る内部プラットフォーム６４、と外部レール７０を有する外部プラットフォーム ６８を有する。エアフォイル６２は、冷却流体がタービン・ベーン６０を介して 流れることを可能にする中空のコア７２を有している。外部プラットフォーム６ ８は、エアフォイルの開口部７４、後端部のキャビティ７８と流体によって連通 している圧力側凹部７６と後端部のキャビティ７８と流体によってまた連通して いる吸入側凹部８０を有している。 第１図と第２図に示す従来技術によるタービン・ベーン１２と同様に、半径方 向内側に流れる冷却流体は、中空のコア７２と２つの凹部７６、８０の間に分割 されている。しかし、両凹部７６、８０内に流入する流体は、キャビティ７８内 に流入する。再び一般的にＵ字形であるが、２つの開口部８２、８４を有するキ ャビティ７８によって、流体は両側部８６、８８に沿って後端部に向かって流れ 、次に中間部９２に向かって流れることが可能になる。その結果、キャビティ内 の冷却流体は、側部から側部に対してより均一に分布される。従来技術によるタ ービン・ベーン１２と同様に、冷却流体は複数の通路９４を介してキャビティ７ ８から流出するが、これらの複数の通路はこの流出した流体を外部プラットフォ ーム６８のフロー面上に流すためのものである。 キャビティ７８は、このキャビティ７８全体に分布し且つこのキャビティ７８ の冷却面上に分布する２つのグループのトリップ・ストリップ９６、９８を有し ている。第１グループ９６は圧力側開口部８２の近傍からキャビティ７８の中間 部９２に延びている。 第１グループのトリップ・ストリップ９６には、圧力側開口部８２を介してキャ ビティ７８に流入する流れに対して傾斜し且つこの冷却流体をキャビティ７８の コーナ１０２内に流入させるように、角度が設けられている。 第２グループのトリップ・ストリップ９８は、キャビティ７８の中間部９２か ら吸入側開口部８４に延びている。第２グループ９８には、吸入側開口部８４を 介してキャビティ７８に流入する流れに対して傾斜し且つこの冷却流体をキャビ ティ７８のコーナ１０４内に流入させるように、角度が設けられている。 動作中、冷却流体は、第４図の矢印１０６によって示すように、外部プラット フォーム６８に向かって半径方向内側に流れる。第１図と第２図に示す従来技術 による実施例と同様に、この冷却流体はコーナ７２、圧力側凹部７６、と吸入側 凹部８０の間に分割されている。コーナ７２内に流入する流体によって、エアフ ォイル６２を冷却する。２つの凹部７６、８０内に流入する冷却流体によって、 凹部７６、８０の近傍にある外部プラットフォーム６８の対流による冷却を行い 、この冷却流体はフィルム冷却通路を介して流れ、外部プラットフォーム６８の フロー面のフィルム冷却を行う。凹部７６、８０内に流入した冷却流体の残りの 部分は、それぞれ開口部８２、８４を介してキャビティ７８内に流入する。開口 部８２を介して流れる流体は、第１組のトリップ・ストリップ９６と係合する。 これらのトリップ・ストリップ９６によって再生可能な境界層が形成され、これ らのトリップ・ストリップ９６が特定の傾斜を有し且つこれらのトリップ・スト リップがコーナ１０２内に延びているた め、開口部８２を介してこのコーナ１０２に向かう流体の流れが助長される。開 口部８４を介して流れる流体は、第２組のトリップ・ストリップ９８と係合する 。これらのトリップ・ストリップ９８はまた再生可能な境界層を形成するが、開 口部８４を介してコーナ１０４に向かう流体の流れを助長する。両方の流体の流 れは、後端部に沿って流れ、２組のトリップ・ストリップ９６、９８の出会う点 に対応するキャビティの中間部の周辺の点で係合する。このように二重に流体を 供給する構成とコーナ１０２、１０４内への流体の流れを助長するトリップ・ス トリップ９６、９８を使用する結果、厳然とした終了点が存在せず、従って、流 体の流速が最小になる「デッド・ゾーン」がキャビティ７８内に存在しない。デ ッド・ゾーンを排除することによって、熱伝達が後端部全体に沿って改善される 。更に、流れの圧力と速度がより均一になる結果、フィルム冷却通路９４を介す る流体の分布がより均一になり、従って、後端部上で冷却流体によるより均一な フィルム冷却が行われる。 第６図に示すように、プラットフォーム６８内のキャビティ７８は、鋳造工程 の間に形成することができる。キャビティ７８は２つの開口部８２、８４を有し ているので、これらの開口部８２、８４を形成するセラミック・コアの延長部１ ０８によって、２点支持を行うことができる。従って、第３ａ図に示すようなキ ャビティ７８から延びる支持部を必要とせず、またキャビティ７８をシールする ためのカバー・プレートを接合するステップも必要としない。 ベーンはここに包含されている本発明のキャビティの付いた外部プラットフォ ームを有するものとして第４図と第５図に図示してい るが、タービン・ベーンのプラットフォームの何れか一方または両方がここに包 含されている出願人の発明を有してもよいことに留意しなければならない。 本発明をその例示した実施例に関して図示及び説明したが、本発明の技術思想 と範囲から乖離することなく種々の変更、省略及び追加を本発明に対して行うこ とができることを、当業者は理解しなければならない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．エアフォイルと前記エアフォイルの周囲及び前記エアフォイルから横方向 に延びるプラットフォームを有し、前記エアフォイルは圧力側、吸入側と後端部 を有する前記タービン・ベーンに於いて、前記プラットフォームは、 フロー面と、 前記タービン・ベーンに対する取付手段を提供するためのレールと、 前記エアフォイルの後端部の下流にあるプラットフォームの後端部であって第 １コーナと第２コーナを有し、前記第１コーナは前記圧力側に位置すると共に前 記第２コーナは前記吸入側に位置する前記プラットフォームの後端部と、 前記レールの下部と前記プラットフォームの後端部内に延びるキャビティであ って、冷却面、前記圧力側に位置する第１入口、前記吸入側に位置する第２入口 と前記キャビティと前記フロー面の間に延びる複数の通路を有し、前記冷却面は その上に配設された複数のトリップ・ストリップを有し、前記トリップ・ストリ ップは前記キャビティを介して流れる流体と係合して前記流体の流れを乱すと共 に前記流体と前記冷却面の間の熱伝達を向上させ、前記トリップ・ストリップは 第１グループと第２グループを有し、前記第１グループは前記第１入口の近傍に 位置すると共に前記第１入口を通過する流れの方向に対して角度を有して前記第 １コーナに向かう流れを促進 し、前記第２グループは前記第２入口の近傍に位置すると共に前記第２入口を通 過する流れの方向に対して角度を有して前記第２コーナに向かう流れを促進する 前記キャビティとを有することを特徴とするタービン・ベーン。 ２．前記複数のトリップ・ストリップは、前記キャビティを介して延びると共 に前記プラットフォームの後端部の範囲に沿って延び、その結果、前記第１グル ープのトリップ・ストリップは前記第２グループのトリップ・ストリップと当接 することを特徴とする請求の範囲第１項記載のタービン・ベーン。 ３．前記第１組のトリップ・ストリップは前記第１コーナに向かって延びると 共にその内部に延び、前記第２組のトリップ・ストリップは前記第２コーナに向 かって延びると共にその内部に延びることを特徴とする請求の範囲第１項記載の タービン・ベーン。 ４．前記キャビティと前記プラットフォームのフロー面の間に延びる複数のフ ィルム冷却通路を更に有し、前記フィルム冷却通路によって前記キャビティから 流出した冷却流体を前記プラットフォームのフロー面上に流すことを特徴とする 請求の範囲第１項記載のタービン・ベーン。 ５．前記第１プラットフォームの反対側に配設されて前記エアフォイルの周囲 及び前記エアフォイルから横方向に延びる第２プラット フォームを更に有し、前記第２プラットフォームは、 フロー面と、 前記タービン・ベーンに対する取付手段を提供するためのレールと、 前記エアフォイルの後端部の下流にあるプラットフォームの後端部であって第 １コーナと第２コーナを有し、前記第１コーナは前記圧力側に位置すると共に前 記第２コーナは前記吸入側に位置する前記プラットフォームの後端部と、 前記レールの下部と前記プラットフォームの後端部内に延びるキャビティであ って、冷却面、前記圧力側に位置する第１入口、前記吸入側に位置する第２入口 と前記キャビティと前記フロー面の間に延びる複数の通路を有し、前記冷却面は その上に配設された複数のトリップ・ストリップを有し、前記トリップ・ストリ ップは前記キャビティを介して流れる流体と係合して前記流体の流れを乱すと共 に前記流体と前記冷却面の間の熱伝達を向上させ、前記トリップ・ストリップは 第１グループと第２グループを有し、前記第１グループは前記第１入口の近傍に 位置すると共に前記第１入口を通過する流れの方向に対して角度を有して前記第 １コーナに向かう流れを促進し、前記第２グループは前記第２入口の近傍に位置 すると共に前記第２入口を通過する流れの方向に対して角度を有して上記第２コ ーナに向かう流れを促進する上記キャビティとを有することを特徴とする請求の 範囲第１項記載のタービン・ベーン。