JPH11287102A - ガスタービンエンジン用冷却ブレード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電子出願以前の出願であるので 要約・選択図及び出願人の識別番号は存在しない。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ガスタービンエンジン及び特に内部 冷却ローターブレードに関する。

（従来の技術） よく知られているように、航空機エンジン工業 ではガスタービンの性能の向上と同時にその重量 の軽減に、大きな努力を拂っている。明らかに、 窮極の目標は、実現可能な最適のスラスト／重量 比を得ることにある。勿論、何よりもタービンガ スの温度の上昇によりエンジンのスラスト／重量 比が顕著に向上することは、よく知られているの で、努力を集中する分野は、エンジンの“高熱部” である。しかしながら、タービンのガス温度は、 エンジンのコンポーネントの金属の温度の制約に より限定される。現在まで、大幅な技術の向上を タービンブレードの内部冷却に適用し、より高い タービン作動温度を得ることに、多くの努力が行 われた。この分野における多くの業績の例として 1966年10月13日付でD.M.Kirchonに付与された 米国特許第3,533,711号、1978年２月14日付で Allen等に付与された米国特許第4,073,599号、 1979年12月20日付でMoore等に付与された米国特 許第4,180,373号を上げることができ、本願出願 人に譲渡されている。

85年12月23日L.R.Anerson及びT.A.Auxierが 出願し本願出願受人に譲渡された米国特許出願第 812,108号の公開内容は注目に値する。この特許 出願では、ブレードは、フィルム冷却の孔へ空気 を供給するため内部に半径方向の通路が形成され ている。半径方向の通路を画成する内部の壁は、 ブレードの内部において、冷却空気を連通する数 多くの半径方向に離間された孔を含む。半径方向 の通路は、通路中の空気が、動的ではなく、静的 な状態であるように、底の方は閉ざされている。

即ち、ブレードの根元からチップへ延びる経路に は、空気の流れはなく、空気の流れは、内部の壁 にある孔を通り、半径方向の通路によって提供さ れる横方向のスペースを通り、次に隣接するフィ ルム冷却孔の外へ流れる。

本発明によれば、ブレードにおいては、半径方 向の通路は、ブレードの基部(root)の部分で開口 され、ブレードの基部からチップへ一定の空気の 流れがあるように圧力を供給される。冷却空気の ある量は、フィルム冷却をするための孔を通って 吹き出され、他方、その他のある量は、チップに 形成される開口から吹き出される。これは、動的 な流れの通路である。冷却空気は、半径方向にチ ップの方向に進むに従い、フィルム冷却のための 空気孔を通じてある量が吹き出され、通路を形成 する内部の壁にある冷却空気補充用の孔を通り、 導入される空気で補充される。望ましい逆流余地 (margin)と半径方向の流れの量は、ブレードのチ ップにある孔を、それに適正とするような大きさ に設計し、かつ、トリップストリップのような空 気流中の流れを妨げるようなものを設けることに よって、決めることができる。供給する圧力のレ ベルを下げ冷却を行なうことに加えて、半径方向 通路内へ流れる空気は冷却のためにブレードの翼 型の背面に衝突するために使用され、通路のチッ プで流れ出る空気は、ブレードのチップの部分の 冷却に使用される。

本発明を取入れたブレードは、空気の流れが 90°曲げられ、かつ、ブレードの回転運動により、 通路内の空気が遠心力を受けるので、本質的にご みを取り除く特性を持っている。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の目的は、ガスタービンエンジンに対し、 改善されたタービンブレードを提供することであ る。

（課題を解決するための手段） 本発明の特徴は、換気されるタービンブレード の翼型に隣接して、半径方向の通路を設け、ブレ ードの基部に圧力を供給し、ブレードのチップの 開口に冷却空気を流すことである。半径方向の通 路内の冷却空気は、フィルム冷却のための孔に供 給され、半径方向の通路を形成する内部の壁にお ける半径方向に離間する冷却空気補充孔を通る追 加の冷却空気で補充される。冷却効果は、より少 ない冷却空気量、及び低い圧力レベルで得られる。

本発明の特徴は、半径方向の通路の先端の孔の 大きさを適切にすること、及び、トリップストリ ップ(trip strip)を設けることにより、背圧を事 前に決めることができることである。フィルム冷 却の空気孔の全部にわたって、半径方向の通路の 半径方向への流れを最小とするよう、全体の逆流 余地(backflow margin)を適正とすることにより 改良されフィルム冷却が得られることである。

なお、本発明の更なる特徴は、ゴミの許容能力 を有する改良された内部冷却タービンブレードを 提供することである。

本発明の、前記、及びその他の特性、並びに長 所は、下記の説明及び、添付の図面により、更に 明確となるであろう。

（実施例） 実施例は、この特許出願の譲り受け人の、ユナ イテッド・テクノロジー・コーポレーションの一 部門であるＰ＆Ｗ航空機会社により製造されたＦ 100エンジンに使用されるタイプのガスタービン エンジンに用の代表的なタービンブレードを記述 するが、本発明は他のタイプの空気冷却タービン ブレードに適用することができることが了解され るべきである。

この文書で使用される用語“逆流余地”とは、 ブレードの翼型表面上の任意の冷却空気吹き出し 孔を横切って測定した圧力比である。簡単、かつ 便利であるようにここでは単にブレードの部分が 示されるが、ペデスタル、トリップストリップ、 及び、その他の類似のもののような熱の伝達を強 化する高度に開発された技術がここでは省略され ていると了解されるべきである。

図に示すように、引用番号10で一般的に示され たブレードは、よく知られたいかなる耐高熱合金 でも作ることができ、前縁12、後縁14、チップ16 及び基部18のシースを形成する鞘形からなる。ブ レードは、サクション側20（低い圧力）及び圧力 側22とを持つ翼型表面を画成する輪部を持ってい る。複数の孔は、所望の冷却を達成するように翼 型表面上に設けられる。理想的には、翼型断面へ の適切な分量の冷却空気は、これらの孔から吹き 出し、エンジンのガス流路中の熱ガスの流れと、 翼型の表面との間を隔てる働きをするフィルムを 形成する。

中心、即ち中間翼弦(chord：前縁と後縁を結ぶ 線）断面を通る平面を通る翼の内部通路を示す第 ２図の断面は、最適の還流冷却が得られるよう、 曲がりくねった形で空気を流すためのリブ26で規 定される幾つかの冷却空気通路を含む、一般的に 活用されている冷却技術を例示する。本発明は、 このタイプの冷却技術を活用するよう考えられた ものであるが、それに限定されるものではない。

本発明の着想は、第１図及び第３図に示されて いる。第１図及び第３図は、サクション側と圧力 側における両翼型表面に隣接する所望の位置に設 けられる冷却空気の供給チャンネルを示す。便宜 上と、簡単のため、ただ１つの冷却空気チャンネ ルが示されており、かつ、これは第３図に画かれ ている断面３−３におけるものである。

本発明に基づいて、冷却空気チャンネル30は、 全体的には円筒形の形を持ち、翼型表面に隣接し て半径方向の通路を形づくり、翼型に設けられた 多数のフィルム冷却空気孔32を含む。ブレードの 基部に形づくられた入口孔34よりの冷却空気は、 ブレードのチップに形づくられている吹き出しオ リフィス36へ、半径方向に流れる。冷却空気流の 一部分はフィルム冷却空気孔32を通り流れる。従 って、供給チャンネル30の中の流れは、静的とい うより、むしろ動的であり、以下に説明するよう に、供給チャンネル30は、連続して冷却空気を補 充される。

吹き出しオリフィス36の直径は、所望の逆流余 地及び半径方向の流れを得るような大きさとする。

これは、半径方向全体に置かれている各吹き出 し孔のフィルム冷却結果を最適とするよう、フィ ルム冷却空気孔32のそれぞれ全部が所望の圧力比 を持つようにするためである。そして又、ブレー ドのチップの冷却のための所望の圧力での充分な 空気流を確保するためのものである。充分な技術 を持つ者には、明らかなように供給チャンネル30 は、通路の圧力低下をもたらし、かつ、逆流余地 と半径方向の流れに効果を及ぼすブレードの冷却 強化のためのトリップストリップのような、他の 熱伝達の方法も含んでいる。

前述指摘したように、供給チャンネル30は、リ ブ26できめられている曲がりくねった通路40の中 の空気流と関係し合わせる補充空気孔38を通る冷 却空気で補充されていく。従って、供給チャンネ ル30は、ブレードの基部にある人口孔34よりの空 気（これは、通常コンプレッサー出口空気である） 及び供給チャンネル30の半径方向に延びて配置さ れている補充空気孔38よりの空気という両方の冷 却空気源から空気を供給される。供給チャンネル 30の中の冷却空気は、その空気がチップの方へ流 れるのに従い消費されていくから、この失われた 冷却空気は、補充空気孔38からの空気で補充され る。この概念は、基部からチップに向かい翼型表 面に配置されているフィルム冷却空気孔32のすべ てにわたり、圧力比をコントロールすることに役 立たせるというものである。従って、半径方向に 適合させるための逆流余地に応じ、流れ自体は最 小とされていることと共に、各フィルム冷却空気 孔32の覆域をこの長さの方向全体にわたって一定 とする。

前記、指摘したように、供給チャンネル30中の 圧力低下は、トリップストリップの設けることに より、大きく改め得ると共に、これは、熱伝達効 果を強化する。供給チャンネル30のある部分が、 斜めのトリップストリップ70で設けることで改め られていることを示す第４図を参照されたい。

今まで知られていた設計では、ブレードのトッ プにまで圧力が充分に達し得るようにするため、 入口における冷却空気は、著しく高い圧力を導く ことが必要であった。しかし、設計の本質、特に、 冷却空気が回転ブレードに静止している構造物か ら移し入れられるものであることによって、空気 の漏洩の問題、或いはシールの困難さの問題がも たらされてくる。従って、これは、通常、許容し 得る漏洩量と望ましい冷却空気圧力の妥協により 対策されてきた。

この発明の長所、及び冷却空気供給チャンネル が、冷却空気で補充されるということによって、 入口圧力は、著しく低い値とすることができ、漏 洩問題を除き、かつエンジン性能を強化すること ができる。

前述明らかにしたように補充空気孔38は曲がり くねった通路中の冷却空気を、翼型の背面に吹き 出し衝突させる。これは、衝突による冷却を有効 なものとするだけでなく、フィルム冷却空気孔32 に行くまで、ある長さの間、空気を回転させるの で、ごみのセパレータとしても働く、ごみの粒子、 供給チャンネルの中の冷却空気の動的な流れによ って捕らえられ、ブレードのチップの方向に運ば れて、吹き出しオリフュス36から、エンジンの熱 ガス中に放出される。ブレードは回転するから、 供給チャンネル30の中の、ごみ粒子を含んだ空気 は、吹き出しオリフュス36の方向へ遠心力で流さ せられる。補充空気孔38が、ブレードのルートの 方向に、内側方向に向けて、90°以上の分離の角 度をとらせ、これにより、ごみの分離を強化して いることは、この発明の範囲における企図した考 え方である。

この発明は、細部にわたり、示し、かつ説明し てきたが、形式の種々の変化、及びこれに伴う細 部構造は、この特許請求の範囲から、逸脱するこ となく、高度の技術者に理解されるべきものであ る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を組み入れた軸流タービン ブレードの断面図である。 第２図は、第１図の２−２線に沿う断面図であ る。 第３図は、第１図の３−３線に沿う部分断面図 である。 第４図は、第１図の４−４線に沿う部分断面図 であり、傾斜したトリップストリップを用いる本 発明を示す図である。 10：ブレード、12：前縁、14：後縁、 16：チップ、18：基部、26：リブ 30：空気供給チャンネル、 32：フィルム冷却空気孔、34：入口孔、 36：吹き出しオリフィス、38：補充空気孔、 40：通路、70：トリップストリップ。

フロントページの続き (72)発明者 ロバート・ジェイ・マククレランド アメリカ合衆国フロリダ州33418，パー ム・ビーチ・ガーデンズ，ブラディ・レー ン 4844 (72)発明者 トーマス・エイ・オーキシアー アメリカ合衆国フロリダ州33418，パー ム・ビーチ・ガーデンズ，ケルソ・ドライ ブ 8286

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷却空気が流れる内部通路を有するガス
   タ ービンエンジン用タービンブレードにして、 該タービンブレードが、基部、前縁、後縁、中 間翼弦部分及びチップを画成する翼型表面と、後 縁と前縁に隣接して形成され基部からチップへ延 び供給チャンネルを画成する複数の半径方向内部 通路と、供給チャンネルに連通し翼型表面に隣接 する冷却空気のフィルムを流すため翼型表面に設 けられる多数の半径方向に離間したフィルム冷却 空気孔と、冷却空気を中間翼弦部分から供給チャ ンネルへ流すために内部壁手段に半径方向に離間 して設けられた多数の補充空気孔であってフィル ム冷却空気孔へ供給することによって失われる冷 却空気を供給チャンネルへ補充する補充空気孔と、 及び冷却空気を翼型表面のチップにおいてオリフ ィスから吐き出すために基部から冷却空気を連通 する手段と、を有し、 冷却空気源から基部へ冷却空気が供給されるこ とを特徴とするタービンブレード。
2. 【請求項２】 請求項１記載のタービンブレードにし
   て、 チップにおけるオリフィスが供給チャンネルの冷 却空気の流れを最小とする寸法にされ、供給チャ ンネルにおける半径方向位置において逆流余地を 調整することによって供給チャンネルから冷却空 気を供給されるすべてのフィルム冷却空気孔に均 一なフィルム冷却空気孔範囲を備えることを特徴 とするタービンブレード。
3. 【請求項３】 請求項１記載のタービンブレードにし
   て、 供給チャンネルが冷却空気からごみを分離し、分 離されたごみを吹き出しオリフィスを介して排出 する手段を提供することを特徴とするタービンブ レード。
4. 【請求項４】 請求項１記載のタービンブレードにし
   て、 供給チャンネルにトリップストリップを含むこと を特徴とするタービンブレード。
5. 【請求項５】 請求項４記載のタービンブレードにし
   て、 トリップストリップが供給チャンネルの方向に対 して傾斜されることを特徴とするタービンブレー ド。