JP2006329185A - エアフォイルアセンブリおよびタービンエアフォイルの冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エアフォイルアセンブリのプラットフォームの冷却を改善する。
【解決手段】エアフォイルアセンブリ（２０）は、プラットフォーム（３２）から離れるように延在するエアフォイル（３４）を含む。１つまたは複数の冷却回路（４２，４６）がプラットフォームを通って形成され、プラットフォームの冷却を提供する。冷却回路は、プラットフォームの下側から冷却空気を受け入れる下方に向いた入口（４４，５０）を含みうる。冷却空気は、続いて、プラットフォームの外側面に対して実質的に平行な方向に導かれてから、プラットフォームの外側面を貫通して形成された出口（３８，５４）を通って導かれる。冷却回路は、冷却回路の剛性と冷却機能を向上させるために、冷却回路の外側壁から内側壁まで延在する複数のペデスタル（５６）を選択的に含みうる。
【選択図】図３

Description

本発明は、主にガスタービンエンジンに関し、特にタービンエアフォイルのプラットフォーム用の冷却回路に関する。

本願は、米国空軍によって与えられたＦ３３６１５−９７−Ｃ−２２７９に基づいて米国政府の支援を受けてなされたものである。米国政府は、本発明に関して特定の権利を有する。

ガスタービンエンジンのタービンブレードは、タービンブレードのプラットフォームから外側に延在している。動作時には、タービンブレードは材料的な限度を遙かに超える温度に常にさらされる。既存のエンジンでは、タービンエンジンの圧縮機部からの空気がブレード材料の冷却に使用される。この冷却空気は、ブレードプラットフォームの下側の一連のロータキャビティを通してブレードに供給される。冷却空気は、続いて密閉領域に設けられた開口部を通して高温の主流に投入される。

プラットフォームの冷却が不充分であれば、プラットフォーム壁のクリープ変形が生じうる。また、プラットフォームの高い温度勾配により、熱機械的疲労が生じるおそれがある。さらに、高温はプラットフォームの酸化を引き起こしうる。

本発明は、タービンエアフォイルのプラットフォーム用の冷却回路を提供する。この冷却回路では、現行のエアフォイルアセンブリ設計よりも入口温度を高くすることができる。

本発明の開示された実施例では、上記の冷却回路がプラットフォームの正圧側を冷却するとともに、他の冷却回路がプラットフォームの負圧側を冷却する。一般に、各々の冷却回路の入口は、プラットフォームの下側のロータキャビティから冷却空気を受け入れる。冷却空気は、各々の回路を通って流れてプラットフォーム壁を冷却する。

選択的に、少なくとも負圧側冷却回路は、冷却回路の頂部壁と底部壁との間に延在する複数のペデスタルを含む。これらのペデスタルは、プラットフォームの構造的一体性と剛性を提供するために回路内に配置されている。また、ペデスタルは、流れに乱流を生じさせて内部熱伝達率を高めることによって冷却を向上させる。ペデスタルは、さらに、冷却用の表面積を増加させるとともに、冷却回路の外側壁と内側壁との間に伝導経路を提供する。

各々の冷却回路の出口は、プラットフォーム上にフィルム冷却の範囲を提供するように冷却空気を導く。この冷却空気のフィルム層は、高温ガス回復温度からプラットフォーム壁をさらに保護する。

図１は、エンジンの中心線すなわち軸方向中心軸１２を中心に配置された、発電用または推進用に使用されるガスタービンなどのガスタービンエンジン１０を示す。エンジン１０は、ファン１４、圧縮機１６、燃焼部１８、およびタービン１１を含む。周知のように、圧縮機１６で圧縮された空気は燃料と混合され、この混合気は燃焼部１８で燃焼するとともにタービン１１で膨張する。タービン１１は、ロータ１３，１５を含み、これらのロータは膨張に応じて回転して圧縮機１６とファン１４とを駆動する。タービン１１は、タービンブレード２０およびタービンベーン１９の交互の列を備える。図１は、説明のための概略図であり、発電用や航空機用などのガスタービンエンジンに使用できる、本発明を限定するものではない。さらに、ガスタービンエンジンには種々の形式のものがあり、図示の設計には限定されないこのような形式の多くが本発明の利益を享受できる。

図２には、プラットフォーム３２とこのプラットフォーム３２から外側に延在するエアフォイル３４とを有するタービンブレード２０が示されている。本発明は、タービンブレード２０への適用に関して説明するが、ベーン１９（図１参照）などの静的構造体でも利用可能である。タービンブレード２０は、エアフォイル３４の正圧面３６を含む。正圧側冷却回路出口３８が、エアフォイル３４の正圧面３６側でプラットフォーム３２に形成されている。ロータキャビティ３９が、プラットフォーム３２の下側に画成される。

タービンブレード２０は、図３に示すように正圧面３６の反対側にエアフォイル３４の負圧面４０をさらに含む。図３は、タービンブレード２０の平面図であり、プラットフォーム３２内に含まれるとともにプラットフォーム３２の上面に設けられた正圧側冷却回路出口３８と負圧側冷却回路出口５４につながる正圧側冷却回路４２および負圧側冷却回路４６の位置を概略的に示している。図３で示すように、正圧側冷却回路４２は、正圧側冷却回路入口４４をさらに含む。負圧側冷却回路４６は、出口５４の反対側に入口５０を含む。負圧側冷却回路４６は、複数のペデスタル５６をさらに含みうる。

図４，図５は、それぞれ負圧側冷却回路４６と正圧側冷却回路４２の斜視図である。図示の実施例の冷却回路４６，４２は、図示の形状に個別に成形、鋳造および／または機械加工してからプラットフォーム３３（図２，図３参照）にインサート鋳造される金属製コアである。

図４の負圧側冷却回路４６を特に参照すると、コアは内側壁６２の上方に離間された外側壁６０を有する。外側壁６０と内側壁６２とは、側壁６４によって連結されている。冷却空気通路が、下方に向いた入口５０から上方に向いた出口５４まで延びるように、外側壁６０、内側壁６２、および側壁６４の間に画成される。複数のペデスタル５６が、外側壁６０と内側壁６２とを連結する。ペデスタル５６は、冷却回路４６の構造的一体性と剛性を向上させる。また、ペデスタル５６は、流れに乱流を生じさせ、内部熱伝達率を高めることによって冷却を向上させる。ペデスタル５６は、さらに冷却用の表面積を増大させるとともに冷却回路４６の外側壁６０と内側壁６２との間に伝導経路を提供する。冷却回路４６の出口５４は、プラットフォーム３２（図２参照）の外側面上にフィルム冷却範囲を提供するためにある角度で上方に延在している。フィルム層（ｆｉｌｍ ｂｌａｎｋｅｔ）は、高温ガス回復温度からプラットフォーム３２を保護する。

図５の正圧側冷却回路４２を特に参照すると、コアは、内側壁７０に対向し、かつ対向する側壁６８によって内側壁７０に連結された外側壁６６を含み、これにより、下方に向いた入口４４から蛇行通路に沿って上方に向いた出口３８まで延びる冷却通路が画成される。ペデスタルなしで示されているが、正圧側冷却回路４２は、図４の負圧側冷却回路４６と同様のペデスタルを選択的に含みうる。正圧側冷却回路４２の出口３８は、上述したように、ある角度で上方に向いているとともにプラットフォーム３２(図２参照)の外側面上にフィルム冷却範囲を提供するために細長くなっている。

図２〜図５を参照すると、動作時には、ロータキャビティ３９からの冷却空気が冷却回路４２，４６の入口４４，５０に流入する。冷却空気は、次に、外側壁６０，６６および内側壁７０，６２に概ね平行な方向で冷却回路４２，４６を通って移動してプラットフォーム３２を冷却する。冷却空気は、続いて、出口３８，５４を通って冷却回路から流出してブレードプラットフォーム３２の外側面に沿ってフィルム層を形成する。

冷却回路４２，４６は、熱対流効率を向上させて熱の吸収を増加させる。金属温度が減少するに従って内部熱伝達率が増加する。選択的なミクロ回路のペデスタル５６は、タービンアセンブリの硬さを増すとともに冷却空気流に乱流を生じさせることによって剛性および剪断抵抗を増加させる。スロット状の出口３８，５４は、プラットフォーム３２に改善されたフィルム冷却範囲を提供する。プラットフォーム３２では、材料特性およびクリープ変形への耐性が向上する。

特許法の規定や法律では、上述のような例示的な形態は本発明の好適実施例を示すものと見なされる。しかし、本発明は、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに、ここで具体的に説明した以外の方法で実施可能であることに留意されたい。

本発明のエアフォイルアセンブリの一実施例を含むガスタービンエンジンの概略図である。 図１に記載のタービンブレードの斜視図である。 図２のタービンブレードの平面図である。 図３の負圧側冷却回路の斜視図である。 図３の正圧側冷却回路の斜視図である。

符号の説明

２０…タービンブレード
３２…プラットフォーム
３４…エアフォイル
３６…正圧面
３８，５４…出口
４０…負圧面
４２…正圧側冷却回路
４４，５０…入口
４６…負圧側冷却回路
５６…ペデスタル

Claims (23)

1. 基部側端部と、外側端部と、正圧面と、負圧面と、を有するエアフォイルと、
   前記エアフォイルの基部側端部に連結されているとともに、プラットフォームに設けられた入口とプラットフォームに設けられた出口とを備える冷却回路を含むプラットフォームと、を有することを特徴とするエアフォイルアセンブリ。
2. 前記冷却回路は、前記エアフォイルの正圧面側に設けられた正圧側冷却回路であることを特徴とする請求項１記載のエアフォイルアセンブリ。
3. 前記エアフォイルの負圧面側に設けられた負圧側冷却回路をさらに含むことを特徴とする請求項２記載のエアフォイルアセンブリ。
4. 前記冷却回路は、前記エアフォイルの負圧面側に設けられていることを特徴とする請求項１記載のエアフォイルアセンブリ。
5. 前記冷却回路は、複数のペデスタルを含むことを特徴とする請求項１記載のエアフォイルアセンブリ。
6. 前記冷却回路は、前記プラットフォームの内部に一体鋳造された中空の金属製コアを含むことを特徴とする請求項１記載のエアフォイルアセンブリ。
7. 前記プラットフォームは、外側面を備え、前記出口は、前記プラットフォームの外側面を貫通して形成されていることを特徴とする請求項１記載のエアフォイルアセンブリ。
8. 前記冷却回路は、前記出口を含む複数の出口を備えていることを特徴とする請求項１記載のエアフォイルアセンブリ。
9. 前記冷却回路は、前記エアフォイルの負圧面側に設けられていることを特徴とする請求項８記載のエアフォイルアセンブリ。
10. 前記冷却回路は、複数のペデスタルを含むことを特徴とする請求項９記載のエアフォイルアセンブリ。
11. 前記冷却回路は、前記プラットフォームの内部に一体鋳造された中空の金属製コアを含むことを特徴とする請求項１０記載のエアフォイルアセンブリ。
12. 前記冷却回路は、前記の入口と出口との間で前記プラットフォームの上面と平行に延びる通路を含むことを特徴とする請求項１記載のエアフォイルアセンブリ。
13. 前記冷却回路は、複数のペデスタルを含むことを特徴とする請求項１２記載のエアフォイルアセンブリ。
14. 外側壁と、
    冷却空気流路を間に画成するように前記外側壁から離間された内側壁と、
    前記冷却空気流路と連通する下方に向いた入口と、
    前記冷却空気流路と連通する上方に向いた出口と、を有することを特徴とするエアフォイルのプラットフォーム用の冷却回路。
15. 前記冷却回路は、前記の外側壁と内側壁との間に延在する複数のペデスタルを含むことを特徴とする請求項１４記載のエアフォイルのプラットフォーム用の冷却回路。
16. 請求項１３に記載の冷却回路を含むエアフォイルのプラットフォームアセンブリであって、
    前記プラットフォームは、正圧側および負圧側を備える上面を有し、
    前記冷却回路は、前記プラットフォームに少なくとも部分的に含まれるとともに、該プラットフォームに設けられた入口と該プラットフォームの上面を貫通する出口とを有することを特徴とするエアフォイルのプラットフォームアセンブリ。
17. 前記冷却回路は、前記プラットフォームの上面の正圧側に設けられていることを特徴とする請求項１６記載のエアフォイルのプラットフォームアセンブリ。
18. 前記冷却回路は、前記プラットフォームの上面の負圧側に設けられていることを特徴とする請求項１６記載のエアフォイルのプラットフォームアセンブリ。
19. 前記冷却回路は、外側壁と内側壁との間に延在する複数のペデスタルを含むことを特徴とする請求項１６記載のエアフォイルのプラットフォームアセンブリ。
20. 前記冷却回路は、前記プラットフォームの内部に一体鋳造された中空の金属製コアであることを特徴とする請求項１６記載のエアフォイルのプラットフォームアセンブリ。
21. タービンエアフォイルの冷却方法であって、
    タービンエアフォイルアセンブリのプラットフォームに設けられた入口に冷却流体を通過させ、
    前記冷却流体を前記プラットフォームを通る冷却回路を通って導き、
    前記冷却流体を前記プラットフォームの出口から排出することを含むことを特徴とするタービンエアフォイルの冷却方法。
22. 前記プラットフォームは、外側面を含み、前記出口は、前記プラットフォームの外側面を貫通していることを特徴とする請求項２１記載のタービンエアフォイルの冷却方法。
23. 前記プラットフォームの外側面から外側に延在するタービンブレードをさらに含み、前記の方法は、前記冷却流体を前記出口から前記プラットフォームの外側面に沿って流出させることをさらに含むことを特徴とする請求項２２記載のタービンエアフォイルの冷却方法。
    

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