JPS61155601A - ガスタ−ビンエンジン - Google Patents

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】 技術分野 本発明はエーロフオイルに係り、更に詳細には、エーロ
フオイルの後縁領域の冷却に係る。

背景技術 冷却剤流体を運ぶためのスパン方向の空洞部と流路とを
有しているエーロフオイルは、従来技術に於て広く知ら
れている。冷却流体は前記空洞部へ送られた後、その一
部がエーロフオイルの外側表面をフィルム冷却するため
にエーロフオイルの壁面に配置された孔から吹き出され
る。冷却空気はエーロフオイルの後縁に到達するまでに
エーロフオイルの他の部分を冷却するために用いられて
いるのでより厚くなっており、このためエーロフオイル
の後縁領域が冷却されることは一般に困難である。更に
後縁領域は比較的薄く形成されているので、加熱及び熱
押力による損傷を受けやすい。

米国特許第４，３０３．３７４号に於ては、エーロフオ
イルの圧力側壁面は吸引側壁面によって形成された後縁
の手前で終っており（圧力側壁面が「途中で切りとられ
ている」とも表現される）、このために後縁領域に於て
吸引側壁面の内壁面はエーロフオイルの周囲を流れる高
温のガスに曝されている。冷却流体が、後縁領域に延在
するスパン方向のスロットから中央空洞部を通して、高
温ガスに曝されている吸引側壁面の内壁面全体に排出さ
れる。後縁スロットの中には、エーロフオイルを横断す
る冷却流チャンネルを郭定する、スパン方向に隔置され
た複数の仕切りが配置されている。それぞれの仕切りは
、直線的な平行に並ぶ側面を有する上流側部分と、実質
的にスロットの出口上の位置まで次第に細くなってゆく
下流側部分とを有している。従って前記チャンネルは、
直線状の上流側部分と拡がってゆく下流側部分とを有し
ている。この構造の目的は、スロット出口の下流に延在
する吸引側壁面の内壁面上に常に密着した連続的な冷却
空気の層を形成することである。

上述の様なスパン方向の後縁スロットと途中で切りとら
れた圧力側壁面とが記載されている他の特許としては、
米国特許第３，８８５．６０９＠と米国特許第３，９３
０，７４８号と米国特許第４゜２２９．１４０号とが挙
げられる。

後縁スロットの下流に於て吸引側壁面の高温ガスに曝さ
れている内壁面に冷却流体を送るために、前記内壁面に
沿って（先細ではなく）直線状のリブが提供されること
も良く知られている。

ガスタービンエンジンのタービンブレードの冷却技術に
於ては、ブレードを冷却するために必要な冷却剤のｖｔ
社を最小限に押えることが重要である。その理由は、そ
の冷却空気が圧縮機から送られてくる作動流体であり、
作動ガス流路からの損失がエンジンの効率を低下させる
からである。また、エーロフオイルの流体力学的特性を
改善するために、タービンエーロフオイルの圧力側壁面
を途中で切りとることが望ましい。しかしながら、この
結果として、後縁領域は薄くなりすぎて外向きに延在す
る従来技術のフィルム冷却孔を有する内部の空洞部を収
容しきれなくなる。その代わりに、前述の米国特許第４
．３０３．３７４号に記載されているように、従来技術
のフィルム冷却孔の代わりに、スパン方向に延在する後
縁領域スロットと途中で切られた圧力側壁面とが用いら
れてきた。（本説明文及び特許請求の範囲の記載に於て
は、圧力側壁面の切りとられた下流端と吸引側壁面の下
流端によって郭定されているエーロフオイルの後縁との
間の距離は「切りとり距離」Ｘと呼ばれる）。

薄い後縁領域を有するエーロフオイルに於ては、後縁の
切りとり部分は後縁領域内に延在するスロットから排出
される冷却空気によってフィルム冷却される。スロット
から排出する冷却空気は、スロットの下流に延在する吸
引側壁面の高温ガスに曝されている内壁面上にフィルム
を形成する。このフィルムが有効に作用するためには、
フィルムがエーロフオイル後縁に於ても十分に有効であ
るように、フィルムがスロット出口から下流方向に移動
する際にできるだけ長く破断せずにいることが必要であ
る。切りとり距ＩＩｔＩ×が長ければ長い程、切りとら
れた部分全体の有効なフィルム冷却を維持することが困
難になる。

従来技術に於て多種の後縁領域の冷却方式があるにもか
かわらず、より高い作動温度とより不安定な材料とエー
ロフオイルを通過する冷却空気の流量を低減することに
対応するために、常に新たな改善が要求されてきた。と
同時に、すべての冷却空気チャンネルを含めた全体のエ
ーロフオイルを鋳造によって形成することを可能にする
こと等によって生産コストを低減させることも要求され
ている。近年高温ブレードに於ては、後縁スロット内の
チャンネルは非常に薄く、例えば細いロフト状の電極を
用いた放電加工などによって加工されている。鋳造はよ
り大きな流路を要求するので、エーロフオイルの後縁が
薄くなりすぎる可能性がある。また、より広いチャンネ
ルが従来技術の手法によってエーロフオイル内に組入れ
られた場合冷却流体の８１ｍが多くなりすぎる。

発明の開示 本発明の一つの目的は、タービンブレードエーロフオイ
ルの後縁冷却のための改善された構造を提供することで
ある。

本発明の他の一つの目的は、従来技術に於て大流量の冷
却剤によって提供されていた冷却効果と同一の効果を小
流量の冷却剤が提供するような、後縁領域の冷却のため
の構造を有するタービンブレードエーロフオイルを提供
することである。

本発明の更に他の一つの目的は、鋳造によって形成され
ることが可能なタービンブレードエーロフオイルの後縁
領域の冷却のための構造を提供することである。

本発明の更に他の一つの目的は、後縁領域に於て従来よ
りより長い圧力側壁面の切りとり部分を有するタービン
ブレードエーロフオイルを提供することである。

本発明によるエーロフオイルは、スパン方向の冷却空気
空洞部と該空洞部との間を流体が流れることが可能であ
るよなスパン方向に延在する後縁スロットとを有してお
り、スロット出口は圧力側壁面の切りとられた下流端に
配置されており、前記下流端は厚さ［を有しており、ス
ロット内に下流方向に配置された仕切りがスロットを複
数のチャンネルに分割しており、それぞれのチャンネル
はスロット出口に於て幅Ｓを有しており、またチャンネ
ルは高温ガスに曝される吸引側壁面の背面全体に向けて
冷却空気を排出し、更にそれぞれのチャンネルはスロッ
ト出口の上流側にのど部を有していて、比ｔ／ｓは０．
７以下であるような、エーロフオイルである。

Ｐは、切りとり長さに正比例し冷却空気の流量に反比例
する無次元流量率パラメータである。Ｐの値が大きいこ
とは、同等のフィルム冷却効果で較べた場合、切りとり
長さが大きいことと流量率が低いこととを意味する。フ
ィルム冷却効果とは、主ガス流れの温度と冷却フィルム
の温度との差を、主ガス流れの温度とスロット出口に於
ける冷却剤の温度との差で割った値である。

比ｔ／ｓが低い場合に（０，７以下が望ましいが、０．
６以下ならば更に良い）、相当少量の冷却空気によって
も長い切りとり距離に亙って高いフィルム冷却効果が維
持されることが見出された。

更に具体的には、同一のフィルム冷却効果で比較したと
きにｔ／ｓが１．２の従来技術のエーロフオイルのＰの
値は、【／ｓが０．７のエーロフオイルのＰの値のわず
か５分の１である。

エーロフオイルの周囲のガス流れの温度が１２６０’Ｃ
以上であるような、高温状態への適用に於て、従来技術
のブレードのほとんどは後縁領域の冷却のために、ブレ
ードへ送られる冷却空気全体く即ちブレードへの供給冷
却空気）の４０％以上を使用している。本発明によれば
、１２６０℃〜１４３０℃（かそれ以上）のガス流れの
温度の下で作動するタービンブレードエーロフオイルの
後縁領域を、ブレードへの供給冷却空気の３０％以下の
冷却空気で冷却することが可能である。

本発明は、特に薄い（即ち、１ｌｌｌｌ以下の厚さ）後
縁を有するエーロフオイルに於て有利である。

後縁の厚さが減少すれば、冷却に関する問題が増える。

従来技術に於ては、切りとり距離はこれ以上増加させら
れることが不可能であり、後縁の厚さもこれ以上減少さ
せられることが不可能であると感じられた。何故ならば
、そのようにずれば切りとり部分の全体に厘っで十分な
冷却が行われるようにするために、冷却空気の流量率を
相当増加させることが必要になるからである。比ｔ／ｓ
の値を小さくすることによって驚異的な利益が得られる
という本発明に於ける発見は、上述の考え方を変える。

０．７以下の比ｔ／ｓによって提供される冷却の改善は
、切りとり部分をより長く（流体力学的特性の改善のた
め）することを許すのみならず、後縁領域のより長い切
りとり部分を冷却するために必要な冷却空気の流量率を
低減させる。

更に、切りとり距離を増大させることは復縁スロット出
口に於けるエーロフオイルの厚さを厚くする（と同時に
比ｔ／ｓの値は小さくて済む）のみならず、スロット出
口に於けるガス流れの、圧力を低減させるので冷却空気
の流量率を増加させることなくより大きなスロットが使
用されることを可能にする。より大きなスロットは製作
され易く、また十分大きければ鋳造によって形成される
ことが可能である。

本発明によれば、スロット内のそれぞれのチャンネル内
を流れる空気流れは、スロット出口の上流に於て計量さ
れる。従って、スロット出口に於ける寸法Ｓはエーロフ
オイルのその位置に於ける厚さによって許容される範囲
内で増加させられることが可能であり、冷却空気の流ｍ
率を増加させることなく比ｔ／ｓの値を低下させること
が可能となる。

比ｔ／ｓの値を小さくすることによって冷却能力が極度
に改善されることが認識されていなかったために、約１
２００’Ｃ以上のガス流路温度下で作動する従来技術の
エーロフオイルに於ける切りとり距離は、２．５＋１Ｒ
１以下に抑えられてきた。本発明は、上述の条件下で切
りとり距離が２．５ＩＩＩＩａ以上となることを可能に
し、しかも冷却空気の流山を低減させる。更に、本発明
に従って形成さたエーロフオイルの後縁の厚さは、Ｑ、
９ｍｍ以下とされることが可能である。このことはエー
ロフオイルの流体力学的特性を改善する。また、このこ
とは切りとり距離が増加させられることが可能であって
、スロット出口（Ｓが測られる位置）に於て付加的な厚
さが提供されるということによってのみ達成されること
が可能である。このことによって、Ｓの値が増加させら
れることが可能となり、比ｔ／ｓの値が０．７以下であ
るようなエーロフオイルが形成されることが可能となる
のである。

従来技術の短い切りとり部分を有するエーロフオイルが
上述の高いガス温度下で作動するためには、スロット出
口に於てエーロフオイルは薄くなければならず、後縁領
域はより厚くなければならない。

本発明の上述の及びそれ以外の目的と特徴と利点とは、
以下の実施例の説明及び添付の図面によって明らかとな
ろう。

発明を実施するための最良の形態 本発明の例示的実施例として、以下に於ては符号１０に
より全体的に示されるガスタービンエンジンのタービン
ブレードについて説明する。第１図に示されているとお
り、ブレード１０はエーロフオイル１２とルート１４と
プラットフォーム１６とを含んでいる。エーロフオイル
１２はベース１８とティップ２０とを有している。この
説明と特許請求の範囲との文中に於て、スパン方向若し
くは長手方向とはエーロフオイルの長さの方向、即ちそ
のベース１８からティップ２０へ向かう方向を表す。こ
の例示的実施例に於ては、エーロフオイルは一体鋳造物
である０本発明は中空の一体鋳造ブレードに於て特に有
効であるが、それだけに限定されるものではない。

第２図及び第３図に最も良く示されているとおり、エー
ロフオイル１２は圧力側壁面２２と吸引側壁面２４とを
含んでいる。圧力側壁面２２及び吸引側壁面２４のそれ
ぞれの内壁面２６及び２８はそれらの間に延在するスパ
ン方向の仕切り３０と共に、実質的にエーロフオイル１
２の長さ方向全体に１って延在するスパン方向の中央冷
却空気流路３２及び３３を郭定している。空洞部３２及
び３３へは、ルート１４を貫通して長手方向に延在し前
記空洞部と通じている一対のチャンネル３４（第１因）
を通して冷却空気が供給される。冷却空気は空洞部３２
から複数の連絡流路３６を経由してスパン方向に延在す
る前縁空洞部３５へ送りこまれる。前縁空洞部３５内の
冷却空気は複数の孔３８を通ってエーロフオイルの外部
へ排出し、このことによってエーロフオイルの紡織部分
の対流冷却及びフィルム冷Ｗが提供されるのである。

空洞部３２の中の冷却空気の残りの部分は、複数の流路
４８を通ってエーロフオイルの外部へ排出し、壁面２２
及び２４をフィルム冷却する。中央の空洞部８，３は、
複数の連絡流路４４及び４６によって後縁領域４２に於
てスパン方向に延在する２個の不可的な空洞部４０及び
４１と通じている。

空洞部３３内の冷却空気の一部分は流路５０を通ってエ
ーロフオイルの外部へ排出し、エーロフオイルの外側表
面をフィルム冷却する。空洞部３３内の冷却空気の残り
は、連絡流路４４を通って空洞部４０へ流入し、そのう
ちの一部分は流路５２を通ってエーロフオイルの外部へ
排出し、更に残りの空気は空洞部４１へ流入する。空洞
部４１内の冷却空気は、圧力側壁面と吸引側壁面とのそ
れぞれの内壁面２６と２８との間に郭定されたスパン方
向に延在するスロット５４を通ってエーロフオイルの外
部へ排出する。

第４図に最も良（示されているとおり、スロット５４は
スパン方向に隔置ξれ下流方向に延在する複数の仕切り
５８によって複数の下流方向に延在するチャンネル５６
に分割されている。それぞれの仕切り５８の上流側の端
ｉ！１５９は乱流の発生を最低限に抑えるために丸みを
有している。それぞれの仕切りは、空洞部４１からエー
ロフオイル１２の後縁６１に配置された仕切りの下流端
６０までに屋って延在しており、下流方向に向ってテー
バを有している。このようにチャンネル５６は、その上
流端に延在するのど部６３から、後縁６１に延在する下
流端までスパン方向に発散する形状を有しているのであ
る。それぞれのチャンネル５６を通過する冷却剤の流ｍ
率はのど部６３に於て計量される。第３図に於て最も良
く示されているとおり、エーロフオイルの後縁６１が吸
引側壁面２４の下流端部のみによって郭定されるように
、圧力側壁面２２は後縁６１から距離Ｘの位置で切りと
られている。このことによって、圧力側壁面の端部６６
の下流に於て吸引側壁面２４の内面若しくは背面２８の
部分６５がエンジン流路内の高温ガスに曝されることに
なる。

本実施例に於て、下流端６１は直径ｄを有している。従
って、後縁の厚さはｄである。圧力側壁面２２の下流端
６６は後Ｒ部スロット５４の出口に配置されており、下
流端６６の厚さ【はできうる限る小さくすることが望ま
しい。実際問題としては、鋳造品に於て実現しうる【の
最小値は約０゜２５Ｉ１ｍである。従来の鋳造技術によ
って、のど部の幅Ａは０．３５１１まで小さくすること
ができる。

のど部の幅Ａは、スパン方向に対して垂直な面内で測ら
れる。また同様にスパン方向に対して垂直な面内に於て
吸引側壁面の内壁面２８に対して垂直にスロット出口幅
Ｓが測られる。スロット出口幅Ｓは、スロットの出口に
於ける吸引側壁面の内面から、圧力側壁面の内壁面２６
までの距離である。

第５図に於て、比ｔ／ｓが無次元流量率パラメータＰに
対してプロットされている。無次元流量率パラメータＰ
は切りとり距離Ｘに正比例する。

第５図に於ては、フィルム冷却効果ｅのいくつかの値に
対して、Ｐがｔ／ｓに対してプロットされている。第５
図は、Ｘが増加したときに比ｔ／ｓの値が低下するなら
ばｅの値が一定に保たれることを示している。例えば、
フィルム冷却効果が０゜９の場合、ｔ／ｓの値が１．２
（従来技術）から０．７まで低下すると、ＰＳ＃よそ２
から１０まで増加する。つまり、Ｐに影響を与える他の
すべてのパラメータが一定に保たれるとしたときに、フ
ィルム冷却効果の損失なしに切りとり距離ｉｘは５倍に
増加されることが可能なのである。逆に、冷却剤の流量
率が低減され距Ｉ１１×が上記よりやや少なめに増加さ
れることが可能である。１２６０℃のガス流れ内で作動
し後縁部の厚さｄが１１１Ｉｌ以下であるようなエーロ
フオイルに於て、距離Ｘの値として２．５ｍｓ＋以上、
望ましくは３．３１鋼でより好ましい値としては５ｗｖ
＋以上の鴫が用いられることが可能であり、同時に後縁
を冷却するために必要な冷却剤の量がブレード全体の冷
却剤の供給量の３０％以下に低減されることが可能であ
る。

Ｓの大きさは、スロット出口に於ける吸引側壁面２４の
最少許容厚さによってｔａｌｌ限される。第３図に於て
見られるように、吸引側壁面はスロット出口に於て最も
薄く、その下方で増加して後縁６１に於て厚さｄを有し
ている。スロットののど部６３はスロットを通過する流
れを計量するために用いられているので、寸法Ｓは寸法
Ａよりもより大きいであろう。距離Ｘが大きくなればな
るほど、エーロフオイルはスロット出口に於て厚くなる
。

このことは、より大きなスロット出口寸法Ｓを有するエ
ーロフオイルを形成することにつながる。

本発明の利点を最大限に引出すために、【は強度の要求
を満足させつつできうる限り小さくとられ、Ｓもまた強
度の要求を満足させつつてきうる限り大きくとられ、ｔ
／ｓの値は０．７以上にとられる。チャンネル５６はス
パン方向と垂直な断面に於て、のど部６３からスロット
出口へ向けて拡がっている。この拡がりが本発明の冷却
能力を高めているのである。

本発明に従って形成され約１４３０’Ｃの温度を有する
蒸気ガス中に何ら支障なく作動したタービンのエーロフ
オイルは、およそ以下のような寸法を有していた。

エーロフオイル長さ くベースからティップまで）　　　　　：４６１１＋１
スパン中間位置でのコード長さ　　：３３ａ＋ｍスロッ
トのど部からスロット出口 までの距離　　　　　　　　　　　：３．６ｍｍＡ−４
，６ｍ５ ｓ−０，６ｉｉ ｔ−０，２５ｍｍ ｘ−３，５Ｉｌ１ｍ ｄ−０，８１１１ｍ 以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものでは
なく、本発明の範囲内にて種々の実施例が可能であるこ
とは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるガスタービンエンジンのタービ
ンブレードの側面図であり、部分的に断面が示されてい
る。 第２図は、第１図の概して線２−２に沿ってとられた拡
大断面図である。 第３図は、第２図に示された後縁領域の拡大図である。 第４図は、第３図の概して線４−４に沿ってとられた断
面図である。 第５図は、フィルム冷却効率の種々の値のもとでの、比
ｔ／ｓと無次元冷却剤流ｍ率パラメータＰとの関係を示
すグラフである。 １０・・・タービンブレード、１２・・・エーロフオイ
ル、１４・・・ルート、１６・・・プラットフォーム、
１８・・・ベース、２０・・・ティップ、２２・・・圧
力側壁面。 ２４・・・吸引側壁面、２６・・・内壁面、２８・・・
内壁面。 ３０・・・仕切り、３２・・・中央冷却空気流路、３３
・・・中央冷却空気流路、３４・・・チャンネル、３５
・・・前縁空洞部、３６・・・連絡流路、３８・・・孔
、４０・・・付加的な空洞部、４１・・・付加的な空洞
部、４２・・・後縁領域、４４・・・連絡流路、４６・
・・連絡流路、４８・・・流路、５０・・・流路、５２
・・・流路、５４・・・スロット、５６・・・チャンネ
ル、５８・・・仕切り、５９・・・（仕切り５８のン上
流銅端部、６０・・・（仕切り５８の）下流側端部、６
１・・・くエーロフオイル１２の）後縁、６３・・・の
ど部、６５・・・（吸引側壁面の内壁面の）部分、６６
・・・（圧力側壁面の）端部特許出願人　　ユナイテッ
ド・チクノロシーズ・コーポレイション 代　　理　　人　　　弁　　理　　士　　　明　　石　
　昌　　毅ｔ／５ ＦＩ６．５ Ｆ／σ、４

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）スパン方向に延在する厚さｔの下流端を有する圧
   力側壁面と、吸引側壁面とを含むエーロフォイルにして
   、前記吸引側壁面は前記エーロフォイルの後縁を郭定し
   ており、前記後縁は厚さｄを有しており、前記圧力側壁
   面と前記吸引側壁面との間にスパン方向の冷却空気空洞
   部が郭定されており、前記エーロフォイルは前記空洞部
   の下流に延在する後縁領域を含んでおり、前記圧力側壁
   面の前記下流端は前記後縁の上流側の距離ｘの位置に隔
   置されていてこのことによって前記吸引側壁面の背面は
   前記下流端の下流側にてエーロフォイルの外部に曝され
   ており、前記圧力側及び吸引側壁面は隔置されて前記後
   縁領域に於て前記空洞部との間を流体が流れることが可
   能であるようなスパン方向に延在するスロットを郭定し
   ており、前記スロット内に於て長手方向に隔置され下流
   方向に延在する複数の仕切りが配置されおり、前記仕切
   りは前記スロットを複数のチャンネルに分割しており、
   それぞれの前記チャンネルは前記空洞部から冷却空気を
   受けるための入口と、前記エーロフォイルから冷却空気
   を排気するために、スパン方向に対して垂直な面内で測
   られる幅ｓを有する前記圧力側壁面の下流端に配置され
   た出口とを有しており、それぞれの前記チャンネルはそ
   の入口に於てスパン方向に対して垂直な面内で測られる
   幅Ａののど部を有しており、Ａはｓよりも小さく、比ｔ
   ／ｓは０．７以下であるエーロフォイル。
2. （２）圧縮機部と燃焼器部と前記燃焼器部から燃焼ガス
   を受けるための軸流タービン部とを有するガスタービン
   エンジンであって、前記タービン部はタービンブレード
   の段を含んでおり、前記ブレードはそれぞれ半径方向に
   延在する冷却空気空洞部を有する中空のエーロフォイル
   を含んでおり、前記エーロフォイルは圧力側壁面及び吸
   引側壁面と前記空洞部の下流に延在する後縁領域と前記
   後縁領域内にて半径方向に延在する冷却空気スロットと
   を有しており、前記吸引側壁面は前記エーロフォイルの
   厚さｄの後縁を形成しており、前記圧力側壁面は前記エ
   ーロフォイルの後縁から上流へ距離ｘの位置に隔置され
   たスパン方向に延在する厚さｔの下流端を有しており、
   このことによって前記吸引側壁面の背面はエーロフォイ
   ルの外部に曝されており、前記エーロフォイルは前記ス
   ロット内に配置された複数の下流方向に延在する仕切り
   を含んでおり、前記仕切りは前記外部に曝された背面上
   へ冷却空気の膜を排出するために前記空洞部との間を流
   体が流れることが可能であるような複数の長手方向に隔
   置されたチャンネルを前記スロット内に於て郭定してお
   り、前記後縁領域付近の燃焼ガスの温度は２３００°Ｆ
   （１２６０℃）以上であり、前記中空のブレードのそれ
   ぞれに送られる冷却空気の質量流量率はＭであるガスタ
   ービンエンジンに於て、前記チャンネルはそれぞれスパ
   ン方向に対して垂直な断面内に於て下流方向に向けて拡
   がっており、前記チャンネルの出口は前記圧力側壁面の
   下流端に於て幅ｓを有しており、ｔ／ｓの値は０．７以
   下であり、ｄの値は０．０４０以下であり、ｘの値は０
   ．１以上であり、前記エーロフォイルから前記チャンネ
   ルを通して排出される冷却空気のＭの値が３５％以下で
   あるガスタービンエンジン。