JP4436500B2 - エーロフォイルの前縁隔離冷却 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の技術的背景】
本発明は、概括的にはガスタービンエンジンに関し、さらに具体的にはガスタービンエンジンの冷却タービンブレード及びステータベーンに関する。
【０００２】
ガスタービンエンジンでは、空気を圧縮機で加圧し、燃焼器に導いて燃料と混合・点火して、高温燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは単段又は複数段のタービンを通して下流に流れ、タービンで圧縮機を駆動するためのエネルギーが抽出されるとともに、出力を発生する。
【０００３】
燃焼器下流に配設されるタービンロータブレード及び静止ノズルベーンは中空エーロフォイルを有しており、これらの部品を冷却して耐用寿命を全うするため圧縮機から抽出した圧縮空気の一部が供給される。圧縮機から抽出した空気は必ずしも動力の発生に使われず、それに応じてエンジンの全体的効率が低下する。
【０００４】
例えばスラスト重量比で表されるような、ガスタービンエンジンの作動効率を高めるためには、タービン入口ガス温度を高くする必要があるが、それにはそれだけブレード及びベーンの冷却を向上させることが必要とされる。
【０００５】
従って、従来技術には、圧縮機から抽出される冷却空気の量を最小限に抑えつつ、冷却効果を最大限にするための様々な構成が多数存在する。典型的な冷却構造には、ブレード及びベーンのエーロフォイルの内側を対流冷却するための蛇行冷却通路があり、様々な形態のタービュレータを用いて対流冷却効果を高めることができる。エーロフォイル内面をインピンジメント冷却するための内部インピンジメント孔も用いられる。さらに、エーロフォイル外面のフィルム冷却を行うためのフィルム冷却孔がエーロフォイル側壁を貫通している。
【０００６】
エーロフォイルは前縁と後縁の間を軸方向に延在する略凹面の正圧側面と反対側の略凸面の負圧側面とを有するので、エーロフォイルの冷却設計は一段と複雑さを増す。燃焼ガスは、正圧側面及び負圧側面の表面を様々に変化する圧力及び速度分布で流れる。従って、エーロフォイルへの熱負荷はその前縁と後縁で異なっているとともに、半径方向内方の翼根元から半径方向外方の翼先端にかけて種々変化する。
【０００７】
エーロフォイル外面で圧力分布が変化することの一つの帰結は、フィルム冷却用孔をそれに適合させることである。典型的なフィルム冷却孔は、エーロフォイル壁を後方に浅い角度で傾斜して貫通していて、そこから下流に向かって冷却空気の薄い境界層を生じる。高温燃焼ガスのエーロフォイルへの逆流や吸い込みを防止するため、フィルム冷却空気の圧力は必ず燃焼ガスの外圧よりも高くなければならない。
【０００８】
有効なフィルム冷却に基本的に重要なことは、従来公知のブロー比（フィルム冷却空気の密度と速度の積とフィルム冷却孔出口での燃焼ガスの密度と速度の積との比）である。ブロー比が過剰であると、吐出された冷却空気がエーロフォイル外面から離れもしくは噴出し、フィルム冷却効果が低下する。しかし、どのフィルム冷却孔も共通の圧力の冷却空気供給源から冷却空気を供給されるので、ある１列の共通供給系のフィルム冷却孔に最小ブロー比を設定すると、必然的に他のフィルム冷却孔についてのブロー比は過剰となる。
【０００９】
従って、エーロフォイル周辺での外圧の変動とは無関係に内部冷却作用の向上したタービンエーロフォイルを提供することが望まれている。
【００１０】
【発明の概要】
ガスタービンエーロフォイルは、相対する前縁と後縁で一つにつながった第１側壁と第２側壁であって、翼根元から翼先端まで長手方向に延在する前縁通路を画成すべく前縁と後縁の間で互いに離隔した第１側壁と第２側壁を含んでいる。複数のフィルム冷却用前縁孔が前縁を貫通しており、前縁通路と連通して配設される。隔離プレナムが第１側壁沿いに前縁通路に隣接して配設され、複数の導入孔を有する隔離隔壁によって前縁通路から分離される。複数のフィルム冷却用ギル孔が第１側壁を貫通し、隔離プレナムと連通して配設される。冷却空気は前縁通路から隔離プレナムに流され、圧力の低下した空気をギル孔に供給する。
【００１１】
【発明の詳しい説明】
以下の発明の詳しい説明において、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい例示的実施形態を本発明のさらなる目的及び効果と併せて具体的に説明する。
【００１２】
図１に示したのは、ガスタービンエンジンのタービンロータ（図示せず）の外周に装着される構成をしたロータブレード１０である。ブレード１０は、燃焼器の下流に配設され、燃焼器から高温燃焼ガス１２を受け、エネルギーを抽出してタービンロータを回転し、仕事を行う。
【００１３】
ブレード１０は、表面を燃焼ガスの流れるエーロフォイル１４と一体プラットホーム１６とを含んでおり、プラットホーム１６で燃焼ガス流路の半径方向内側境界が画成される。ダブテール１８はプラットホーム１６の底部から一体に延在しており、ロータディスクに保持するためロータディスクの外周に設けられる対応ダブテールスロットに軸方向に挿入できるように構成される。
【００１４】
作動中にブレードを冷却するため、加圧冷却空気２０が圧縮機（図示せず）から抽出され、ダブテール１８を通じて半径方向上向きに中空エーロフォイル１４に導かれる。本発明では、エーロフォイル１４は、その内部での冷却空気の効果を向上させる特別な構成とされる。例示のためロータブレード用のエーロフォイルに関して本発明を説明するが、本発明はタービンステータベーンにも応用できる。
【００１５】
まず図１に示す通り、エーロフォイル１４は第１（すなわち負圧）側壁２２と周方向（すなわち横方向）に反対側の第２（すなわち正圧）側壁２４とを含んでいる。負圧側壁２２は略凸面、正圧側壁２４は略凹面であり、これらの側壁は軸方向に相対する前縁２６と後縁２８で一つにつながっており、翼根元３０のブレードプラットホームから半径方向外方の翼先端３２まで半径方向（すなわち長手方向）に延在している。
【００１６】
エーロフォイルの例示的半径方向断面を図２にさらに詳細に示すが、これは燃焼ガス１２からエネルギーを抽出するため従来と同様の翼形を有する。例えば、燃焼ガス１２は、軸下流方向に向かって前縁２６で最初にエーロフォイル１４と衝突し、そこで燃焼ガスは周方向に分割されて負圧側壁２２と正圧側壁２４の両面に沿って流れ、後縁２８でエーロフォイルから離れる。
【００１７】
燃焼ガス１２は翼前縁２６で最高静圧Ｐ₁となり、圧力はその後負圧側壁と正圧側壁とでそれぞれに変化する。負圧側壁２２は凸面形状をしているので、燃焼ガスはその周囲で加速されて速度を増し、それに応じて圧力は低下する。例えば、負圧側壁２２の前縁下流の位置での圧力Ｐ₂は前縁２６での最高圧力Ｐ₁よりもかなり低い。
【００１８】
同様に、正圧側壁２４の凹面形状も燃焼ガスが該側壁に沿って下流（すなわち後方）に流れる際に燃焼ガスの速度を制御する。例えば、正圧側壁２４の前縁下流の位置での圧力Ｐ₃は前縁２６での最高圧力Ｐ₁よりも低いが、相対する凸面側壁での対応圧力Ｐ₂よりは高い。負圧側壁２２に沿っての圧力プロフィールは正圧側壁２４に沿っての圧力プロフィールよりも高さがかなり小さく、エーロフォイルに空力揚力を与え、支持タービンロータを回転して仕事をする。
【００１９】
冷却空気２０は単一供給源圧でエーロフォイルに供給されるのが通例であり、その圧力は、冷却空気をエーロフォイル内部の種々の冷却回路に流し、エーロフォイルから燃焼ガスの流れるタービン流路中に吐出するのに十分な高さである。エーロフォイルの負圧側壁及び正圧側壁に沿って流れる燃焼ガスの圧力及び速度プロフィールは変化するので、エーロフォイル内部に供給される冷却空気とエーロフォイルの外側を流れる燃焼ガスとの差圧もこれに応じて変化する。
【００２０】
上述の通り、エーロフォイルの複数の孔を通して吐出される冷却空気のブロー比はそれぞれに変動し、吐出される冷却空気の冷却効果に影響しかねない。これは、燃焼ガスの最高静圧を受けるエーロフォイルの前縁において最も重要であり、前縁付近では負圧側壁に沿って圧力が急勾配で低下し、妥当なブレード寿命を達成するには、前縁自体と同様、効果的な冷却が必要とされる。
【００２１】
図２に示す通り、エーロフォイルの負圧側壁と正圧側壁は前縁と後縁の間で横方向に互いに離隔していて、前縁通路３４を始めとする複数の内部流路を画成する。前縁通路３４は、前縁に沿って冷却空気２０を流すため、長手方向にエーロフォイルの翼根元から翼先端まで、軸方向に前縁２６背後の後方に延在している。冷却空気の一部を吐出して前縁から負圧側壁及び正圧側壁の外面に沿って前縁部を局所的にフィルム冷却するため、複数のフィルム冷却用前縁孔３６が前縁を貫通して前縁通路３４と連通している。
【００２２】
前縁孔３６は、冷却媒体の流れの所要量を低減しつつフィルム冷却範囲及び効果を高めるのに有効な円錐形拡散孔のようないかなる慣用形状を有していてもよい。前縁孔は、従来通り軸方向に離隔した複数の長手方向の列をなして前縁付近に配列され、正圧側壁及び負圧側壁を下流に覆う冷却空気のフィルムを生じてエーロフォイルの前縁部を高温燃焼ガス１２から熱的に保護する。
【００２３】
燃焼ガス１２の静圧は前縁２６の領域で最高となるので、前縁通路３４に供給される冷却空気２０は十分に高い圧力を有し、前縁通路３４の外側の燃焼ガスの圧力よりも適当な値だけ高い。かくして、前縁孔３６を通して適当なブロー比が達成され、エーロフォイル表面からの冷却空気フィルムの剥離を防ぐための適当なブローオフマージンを与えつつ前縁孔から吐出される冷却空気の効果が最大となる。
【００２４】
しかし、上述の通り、燃焼ガス１２の圧力は前縁から負圧側壁２２に沿って大きく低下する。本発明では、前縁通路３４及びそこから空気を供給されるフィルム冷却孔３６を用いて、エーロフォイルの負圧側壁上の前縁下流のこの比較的低圧領域の冷却を前縁２６自体の冷却とは切り離す。
【００２５】
図２に示す通り、隔離チャンバー（すなわちプレナム）３８は、負圧側壁２２に沿って前縁通路３４のすぐ隣りに配設され、前縁通路３４から冷却空気の一部を受け入れるための複数の調量用第１導入孔４２を有する隔離（すなわち第１）隔壁４０によって前縁通路３４と分離される。隔離プレナム３８は、好ましくは、前縁通路３４から冷却空気を受け入れる第１導入孔４２並びに長手方向に列をなして負圧側壁２２を貫通する複数のフィルム冷却用ギル孔４４を除き、閉じている。
【００２６】
ギル孔４４は、冷却空気を吐出して翼前縁２６後方の負圧側壁２２をフィルム冷却するため、隔離プレナム３８と連通して配設される。ギル孔４４は、吐出されるフィルム冷却空気の効果を最大限に発揮させるのに有効なファン拡散フィルム冷却孔のようないかなる慣用形状を有していてもよい。
【００２７】
導入孔４２は、前縁通路３４と隔離プレナム３８の間に長手方向に１列をなし、その寸法は、隔離プレナムに供給される冷却空気の圧力を低下せしめるべく前縁通路と隔離プレナムの間で冷却空気を制限もしくは調量する大きさとされる。かくして、前縁通路３４内の相対的に高い圧力の空気から低圧冷却空気を隔離し、ギル孔４４を通してのブロー比を向上させる。ギル孔４４外側の燃焼ガスの圧力は前縁２６における燃焼ガスの最高圧力よりも格段に低いので、隔離プレナム３８内部の冷却空気の圧力は好ましくは前縁通路３４内の空気の圧力よりも低くして、前縁孔３６及びギル孔４４を通してのブロー比を各々独立に制御する。
【００２８】
図２に示す通り、導入孔４２は、冷却空気をそれぞれ側壁内面に衝突するジェットとして流して冷却空気の内面冷却効果を高めるとともにギル孔４４の冷却効果を高めるため、好ましくは負圧側壁２２の内面に斜交して入口隔壁４０を貫通する。導入孔４２をかなり制限することで、負圧側壁内面に衝突する際の冷却媒体の圧力が下がる。圧力の低下によってインピンジメント対流冷却が最大限になる一方で、冷却媒体の運動量と燃焼ガスの運動量の比の低下によってギル孔４４のフィルム冷却効果も改善される。ギル孔４４を通しての運動量比が低いので、ブローオフマージンの増大で代表されるようにこの位置でのフィルムブローオフのおそれが低減する。
【００２９】
ギル孔４４は好ましくは導入孔４２の後方に前縁２６から遠ざかるように配設される。かくして、前縁通路３４及びそれと連携した数列のフィルム冷却孔３６は、燃焼ガスが最高圧力を示す前縁近傍でエーロフォイル前縁部の効果的なフィルム冷却をもたらす。
【００３０】
負圧側壁２２は、好ましくは最後列の前縁孔３６からギル孔４４まで隔離プレナム３８沿いに無孔である。この領域の負圧側壁は、導入孔４２からのインピンジメント冷却及び隔離プレナム３８内での対流冷却によって、隔離プレナム３８から効果的に内部冷却される。使用後の冷却空気はギル孔４４を通して相対的に低い圧力の燃焼ガス中に吐出されて、冷却空気のフィルムを形成し、ギル孔４４下流の負圧側壁２２をフィルム冷却する。
【００３１】
このようにして、前縁２６でのエーロフォイル冷却は、燃焼ガス１２の圧力の勾配が最大となる負圧側壁２２に沿っての前縁下流の冷却とは隔離される。こうして前縁孔３６及び負圧側ギル孔４４でのブロー比を、それぞれの位置での冷却効果が最大限となりそれに応じたブローオフマージンが得られるように、燃焼ガスの圧力が異なるそれぞれの位置に合わせて調整することができる。
【００３２】
第２隔壁４８によって前縁通路３４から分離された翼弦中央通路４６を前縁通路３４のすぐ後方（すなわち背後）に配設することによって、冷却効果をさらに高めることができる。図３にも示す通り、翼弦中央通路４６及び前縁通路３４はともに半径方向（すなわち長手方向）に翼根元から翼先端まで延在する。
【００３３】
第２隔壁４８は、冷却空気を前縁通路３４に導くための複数の第２導入孔５０を含んでいる。導入孔５０の寸法は、好ましくは、通過する冷却空気を調量するとともに、前縁２６部でのエーロフォイル内面をインピンジメント冷却するため前縁通路３４に向かって冷却空気のジェットを噴出する大きさとされる。かくして、冷却空気は導入孔５０内外で大きな圧力降下を受けるとともに、第１導入孔４２内外で再度大きな圧力降下を受け、ギル孔４４でのブロー比を至適化するのに有効な低圧の冷却空気を隔離プレナム３８に提供する。
【００３４】
図２及び図３に示す通り、エーロフォイルは、好ましくは、翼弦中央通路４６と平行にしかも長手方向に延在する導入通路５２も含んでおり、該導入通路５２は、冷却空気を通すための例えば２列に並んだ複数の第３導入孔５６を含んだ第３隔壁５４によって翼弦中央通路４６から分離される。
【００３５】
翼弦中央通路４６は好ましくは前縁通路３４の後方で正圧側壁２４に直接接しており、導入通路５２は好ましくは隔離プレナム３８のすぐ後方で負圧側壁２２と接し、無孔の第４隔壁５８によって隔離プレナム３８から分離される。第４隔壁５８は、かくして、導入通路５２を通して最初に導入される高圧冷却空気から隔離プレナム３８を隔離する。
【００３６】
冷却空気は好ましくは導入通路５２から直接隔離プレナム３８に入らない。それらの間の圧力降下を最大限にすることができないからである。その代わり、冷却空気２０を導入通路５２から翼弦中央通路４６へ、次いで前縁通路３４、最後に隔離通路３８へと順次流すことが必要であり、かくして隔離プレナム３８は３組の導入孔４２，５０，５６によって導入通路５２から分離される。
【００３７】
図２に示す通り、エーロフォイル１４は、エーロフォイルの後部及び後縁部を慣用法で冷却するため、翼弦中央通路４６及び導入通路５２の後方に配設された追加の冷却通路をさらに含んでいてもよい。
【００３８】
図２及び図３に示す好ましい実施形態では、前縁通路３４は、半径方向内端の閉じたチャンバーすなわちプレナムであり、第２導入孔５０を通じてのみ冷却空気を受け取る。同様に、翼弦中央通路４６も、半径方向内端の閉じたチャンバーもしくはプレナムであり、第３導入孔５６を通じてのみ冷却空気を受け入れる。前縁通路３４及び翼弦中央通路４６への第２及び第３導入孔５０，５６の寸法は、好ましくは、通過する冷却空気を制限もしくは調量して、導入通路５２から翼弦中央通路４６に流れ、次いで第１導入孔４２を通過して隔離プレナム３８に流れる冷却空気の圧力を順次低下させる大きさである。
【００３９】
こうして、エーロフォイル内に最初に最高圧力で導入された冷却空気２０は、導入通路５２内を半径方向上向きに流れ、導入孔５６で調量され、翼弦中央通路４６内部で正圧側壁２４の内面をインピンジメント冷却する。冷却空気は次いで導入孔５０で調量され、前縁２６でエーロフォイル内面をインピンジメント冷却するとともに冷却空気の一部を前縁通路から複数のフィルム冷却孔３６を通して吐出する。冷却空気の残りの部分は最後に導入孔４２で調量され、隔離プレナム３８内部で負圧側壁２２の内面をインピンジメント冷却し、最終的にはフィルム冷却用ギル孔４４を通して、最初に導入通路５２内に導入したときの圧力よりも大幅に低下した圧力で吐出される。
【００４０】
従って、冷却空気２０の圧力は導入通路５２からギル孔４４から最終的に吐出されるまでの間に多段階で低下し、ギル孔４４でのブロー比が大幅に改善されてギル孔からのフィルム冷却が向上する。
【００４１】
さらに、ギル孔４４から吐出されるまでに同じ冷却空気が多段階でエーロフォイルの様々な部分の冷却に使用されるので、冷却効率がさらに向上する。
【００４２】
この直列インピンジメントでは、フィルム冷却用の前縁孔３６又はギル孔４４いずれかを通して冷却媒体を吐出するまでに、冷却空気を何度も有効利用する。これにより、冷却空気流の所要量が低減するとともに、冷却効率の増大によって冷却設計が至適化される。冷却空気の温度は直列冷却を行うにつれて上昇し、その熱除去容量が最大限となる。
【００４３】
隔離プレナムは、燃焼ガスの圧力勾配の大きいエーロフォイル負圧側壁上での前縁下流におけるフィルム冷却効果を高める。インピンジメント孔５６，５０，４２によって順次達成される直列インピンジメント冷却を始めとする、冷却空気の多段階使用によって、エーロフォイルから吐出されるまでに冷却空気の冷却能力がさらに一段と有効活用される。
【００４４】
以上、本発明の好ましい例示的実施形態と考えられるものを説明してきたが、本明細書の教示内容から本発明のその他の変更は当業者には自明であろう。従って、本発明の技術的思想及び技術的範囲に属するかかる変更がすべて特許請求の範囲に包含されることを望むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一つの実施形態によるエーロフォイルを有する例示的なガスタービンエンジンタービンロータブレードの斜視図。
【図２】 図１に示すエーロフォイルの矢視２−２部の半径方向断面図
【図３】 図２に示すエーロフォイルの矢視３−３部の縦断面図
【符号の説明】
１４ エーロフォイル
２０ 冷却空気
２２ 第１（負圧）側壁
２４ 第２（正圧）側壁
２６ 前縁
２８ 後縁
３０ 翼根元
３２ 翼先端
３４ 前縁通路
３６ フィルム冷却用前縁孔
３８ 隔離プレナム
４０ 隔離（第１）隔壁
４２ 第１導入孔
４４ ギル孔
４６ 翼弦中央通路
４８ 第２隔壁
５０ 第２導入孔
５２ 導入通路
５４ 第３隔壁
５６ 第３導入孔
５８ 第４隔壁

Claims (9)

1. ガスタービンエンジンエーロフォイル（１４）であって、
   相対する前縁（２６）と後縁（２８）で一つにつながった第１側壁（２２）と第２側壁（２４）であって、前縁に沿って冷却空気（２０）を流すため前縁の背後に配設されかつ翼根元（３０）から翼先端（３２）まで長手方向に延在する前縁通路を画成すべく前縁と後縁の間で互いに離隔した第１側壁と第２側壁と、
   前縁（２６）を貫通しているとともに、冷却空気の一部を吐出して前縁をフィルム冷却すべく前縁通路（３４）と連通して配設された複数のフィルム冷却用前縁孔（３６）と、
   第１側壁（２２）沿いに前縁通路（３４）に隣接して配設されているとともに、第１の隔離隔壁（４０）によって前縁通路から分離された隔離プレナム（３８）と、
   第１側壁（２２）を貫通しているとともに、冷却空気を吐出して第１側壁をフィルム冷却すべく隔離プレナムと連通して配設された複数のフィルム冷却用ギル孔（４４）と、
   を備え、
   前記第１の隔離隔壁（４０）が、前縁通路から冷却空気の一部を受け入れるべく複数の第１の導入孔（４２）を含み、前記隔離プレナム（３８）内部の空気の圧力を前記前縁通路（３４）内の空気の圧力よりも低くし、
   前記ガスタービンエンジンエーロフォイル（１４）はさらに、前縁通路（３４）の後方に配設されているとともに、冷却空気を通すための複数の第２の導入孔（５０）を含んだ第２の隔壁（４８）によって前縁通路から分離された翼弦中央通路（４６）を備えることを特徴とするガスタービンエンジンエーロフォイル（１４）。
2. 前記第１の導入孔（４２）が、前縁通路（３４）と隔離プレナム（３８）の間で冷却空気の圧力を低下せしめるべく前縁通路と隔離プレナムの間で冷却空気を調量する寸法をもつ、請求項１記載のエーロフォイル。
3. 前記第１の導入孔（４２）が、冷却空気を前記第１側壁（２２）と斜交して該第１側壁に衝突させる方向に向けるべく前記第１の隔離隔壁（４０）を貫通している、請求項２記載のエーロフォイル。
4. 第１側壁（２２）が凸面の負圧側壁であって、第２側壁（２４）が凹面の正圧側壁である、請求項３記載のエーロフォイル。
5. ギル孔（４４）が前記第１の導入孔（４２）の後方に配設されている、請求項４記載のエーロフォイル。
6. 翼弦中央通路（４６）と平行にしかも長手方向に延在しているとともに、冷却空気を通すための複数の第３の導入孔（５６）を含んだ第３の隔壁（５４）によって翼弦中央通路（４６）から分離された導入通路（５２）をさらに備えてなる、請求項１記載のエーロフォイル。
7. 翼弦中央通路（４６）が前縁通路（３４）の後方で第２側壁（２４）に接しており、導入通路（５２）が隔離プレナム（３８）の後方で第１側壁（２２）に接している、請求項６記載のエーロフォイル。
8. 前縁通路（３４）への第２の導入孔（５０）及び翼弦中央通路（４６）への第３の導入孔（５６）が、該第２及び第３の導入孔を通過する冷却空気を調量して、導入通路（５２）から翼弦中央通路（４６）への冷却空気の圧力を低下させ、次いで該第１の導入孔（４２）を通して隔離プレナム（３８）への冷却空気の圧力を低下せしめる寸法をもつ、請求項７記載のエーロフォイル。
9. 隔離プレナム（３８）と導入通路（５２）の間に配設された無孔隔壁（５８）をさらに備えてなる、請求項７記載のエーロフォイル。

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