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JP2001065301A - 内部冷却翼形部品並びに冷却方法 - Google Patents

内部冷却翼形部品並びに冷却方法

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JP2001065301A
JP2001065301A JP2000218142A JP2000218142A JP2001065301A JP 2001065301 A JP2001065301 A JP 2001065301A JP 2000218142 A JP2000218142 A JP 2000218142A JP 2000218142 A JP2000218142 A JP 2000218142A JP 2001065301 A JP2001065301 A JP 2001065301A
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JP
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passage
passages
cooling
metering
airfoil
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JP2000218142A
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Alan Lionel Webb
アラン・ライオネル・ウィーブ
Anne Marie Isburgh
アン・マリー・イスバーグ
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Publication date
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Publication of JP4416287B2 publication Critical patent/JP4416287B2/ja
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    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/14Form or construction
    • F01D5/18Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187Convection cooling
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00Geometry
    • F05D2250/30Arrangement of components
    • F05D2250/32Arrangement of components according to their shape
    • F05D2250/323Arrangement of components according to their shape convergent
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00Geometry
    • F05D2250/30Arrangement of components
    • F05D2250/32Arrangement of components according to their shape
    • F05D2250/324Arrangement of components according to their shape divergent
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 翼形部品(110,210)の一対の内部冷
却通路(124,224,132,232)間に形成さ
れたコアタイ孔(142,242)を通る冷却流体の流
れを減らす。 【解決手段】 2つの通路の一方(132,232)の
入口通路(150,250)を通る冷却媒体の流れを調
量する絞りを設けて、2つの通路(124,224,1
32,232)内の圧力を等しくし、孔(142,24
2)を通る冷却流体の流れを最小限とする。絞りは、入
口通路(150)の入口に設けた調量板(152)でも
よいし、或いは入口通路(250)に一体形成された絞
り(256)でもよい。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術の分野】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、かかるエン
ジンに使用される内部冷却翼形部に関する。
【0002】
【従来の技術】航空機ジェットエンジンのようなガスタ
ービンエンジンには、翼形を利用した多数の部品(例え
ば、タービン、圧縮機、ファン等)が含まれている。タ
ービン動翼やノズル静翼のような最も高い作動温度に暴
露されるタービン翼形部は、翼形部の温度を一定の設計
温度限度内に保つために内部冷却を採用しているのが通
例である。例えば、タービンロータ動翼は、回転タービ
ンロータディスクに装着されるシャンク部と、エンジン
燃焼器から排出される高温ガスから有用な仕事を抽出す
るのに用いられる翼形動翼部とを有する。翼形部はシャ
ンク部に付いていて、翼形動翼の自由端をなす動翼先端
を含んでいる。通例、タービン動翼の翼形部は、内部回
路を流れる空気(普通はエンジンの圧縮機から抽出され
る)によって冷却されるが、空気はシャンク部を通して
直形部に入り、翼形部先端孔、翼形部フィルム冷却孔及
び動翼後縁スロット又は後縁孔を通して排出される。公
知のタービン動翼冷却回路は複数の半径方向に向いた通
路を含んでおり、それらを直列に連結して蛇行流路を作
り、もって冷却流路の長さを延ばして冷却効果を高めて
いる。蛇行冷却回路の隣に他の通路とは連結していない
追加の通路を設けることも公知である。
【0003】内部冷却回路を有するタービン動翼は、通
例、ロストワックス法と呼ばれるインベストメント鋳造
法で製造される。このプロセスでは、内部冷却回路を画
定するセラミックコアを、所望のタービン動翼形状に成
形されたワックスの中に封入する。このワックスアセン
ブリを次いで液体セラミック溶液に繰返し浸漬してその
表面に硬いセラミックシェルを形成させる。次に、シェ
ルからワックスを溶融流出させると、内部セラミックコ
アと外部セラミックシェルとそれまでワックスが充填さ
れていたそれらの間の空間とからなる鋳型が残る。この
空洞を溶融金属で満たす。溶融金属が冷えて凝固した後
外部シェルを壊して取り除くと、ワックス除去で生じた
空洞の形状をもつ金属が現われる。内部セラミックコア
は浸出処理によって溶解される。こうして得られた金属
部品は、内部冷却回路をもつタービン動翼の所望の形状
を有する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】蛇行冷却回路を有する
タービン動翼の鋳造において、内部セラミックコアは多
数の長尺の薄枝部を有する蛇行部材として形成される。
このことは、コアの位置決めのための厳しい条件を維持
しながら金属の鋳込みに十分耐える頑丈なコアを作ると
いう課題を提起する。さらに、各枝部を何らかの方法で
安定化しないと、蛇行コアの薄枝部同士が相対的に動い
てしまうおそれがある。そこで、コアを補強するためコ
アタイ(すなわち、枝部間の小さなセラミックコネク
タ)が用いられる。こうしてコアの枝部同士の相対的な
動きを妨いて、翼形部外壁の肉厚の制御を向上させる。
鋳造後、コアタイをコアと共に取り除くと、隣り合った
通路を隔てるリブ又は壁にコアタイの跡が孔として残
る。かかるコアタイ孔は、2つの隣接通路間に圧力差が
存在していると隣接通路間に不都合な流れを生じる。す
なわち、圧力の高い通路の冷却流体がコアタイ孔を通し
て圧力の低い通路へと流入する。これは、最初の設計意
図からすると望ましくない冷却流分布を生じる。
【0005】したがって、コアタイ孔を通る冷却流体の
流れが最小限に抑えられた翼形部品に対するニーズが存
在する。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記ニーズは本発明によ
って満足され、本発明はコアタイ孔の形成されたリブで
隔てられた2以上の内部冷却通路を含んでなる翼形部を
提供する。2つの通路の圧力が実質的に等しくなるよう
に2つの通路の一方の入口通路を通る流れを調量する手
段を設ける。これにより、コアタイ孔を通る冷却流体の
流れが減る。
【0007】本発明のその他の目的及び効果は、以下の
詳細な説明及び請求項の記載を添付図面に照らして参照
することによって明らかとなろう。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明の要旨は、明細書の結論部
分に具体的に記載されかつ請求項として明確に規定され
ている。ただし、添付図面と併せて以下の説明を参照す
ることで本発明の理解を深めることができる。
【0009】図面を参照すると、すべての図を通して同
じ参照符号は同じ部材を示す。図1は、従来技術のガス
タービンエンジン動翼10を示すもので、動翼10は、
中空翼形部12と翼形部12を公知の慣用法でロータデ
ィスク(図示せず)に装着するための一体シャンク部1
4とを有している。翼形部12は、シャンク部14上部
に設けられた動翼根元部16から動翼先端18まで長手
方向つまり半径方向上向きに延在している。翼形部12
は、5つの概ね半径方向に延在する冷却通路20〜24
が直列に連結した内部蛇行冷却回路を含んでいる。
【0010】1番目の通路20は、シャンク部14の第
一入口通路46を通して冷却流体(普通はガスタービン
エンジンの圧縮機(図示せず)から抽出した比較的低温
の圧縮空気の一部)を受け入れる。冷却流体は最初の通
路20を半径方向外側に移動して2番目の通路21へと
流れ込み、2番目の通路21を半径方向内側に流れる。
そこから冷却流体は同様に順次他の通路22〜24を通
って、翼形部外面を流れる燃焼ガスの加熱作用を受ける
翼形部12を冷却する。公知の通り、冷却流体はフィル
ム冷却孔(図示せず)及び動翼先端18の開口26を通
して翼形部12から排出される。
【0011】翼形部12は蛇行冷却回路に加えてさらに
前縁冷却通路28を含んでいる。前縁通路28は、翼形
部前縁30と1番目の通路20の間で半径方向に延在し
ており、蛇行冷却回路とは連結していない。冷却流体の
独立した流れはシャンク部14の第二入口通路48を通
して導入される。この冷却流体は前縁通路28を半径方
向に流れ、翼形部12外壁を貫通した慣用フィルム冷却
孔及び/又は先端孔(図示せず)を通して翼形部12か
ら排出される。同様に、翼形部後縁34と蛇行冷却回路
の5番目の通路24の間に、半径方向に延在する後縁冷
却通路32が配設される。後縁通路32も蛇行冷却回路
とは連結しておらず、シャンク部14の第三入口通路5
0を通して別の独立した冷却流体の流れを受け入れる。
この冷却流体は後縁通路32を通して半径方向に流れ、
慣用の後縁フィルム孔列又はスロット列及び/又は先端
孔(図示せず)を通して翼形部12から排出される。図
1の矢印は冷却流体の流れの経路を示す。
【0012】図1に示す通り、通路20〜24,28,
32の各通路は、6つの半径方向に延在するリブ36〜
41によって隣接する通路と隔てられている。すなわ
ち、前縁通路28と蛇行冷却回路の1番目の通路20は
1番目のリブ36によって隔てられ、1番目の通路20
と2番目の通路21は2番目のリブ37によって隔てら
れ、その後も順次同様である。リブ36〜41の少なく
とも幾つかは、鋳造プロセスでのコアタイの使用によっ
てできたコアタイ孔42を有する。具体的には、図1に
示す従来技術の動翼10では、1番目のリブ36、3番
目のリブ38、5番目のリブ40及び6番目のリブ41
にコアタイ孔42が形成されているが、鋳造プロセスで
のコアタイの配置次第で別の構成を取り得る。コアタイ
孔は、大抵は楕円形の断面であり、通例約0.03〜
0.1インチの相当直径を有する。
【0013】冷却流体は、典型的には圧縮機からの抽気
であり、3つの入口通路46,48,50の各々に同じ
圧力で供給される。しかし、通路20〜24の冷却流体
圧力は、5パス蛇行回路での摩擦損及び反転損のため蛇
行流路に沿って下がる傾向にある。1番目の通路20、
前縁通路28及び後縁通路32はそれぞれ入口通路4
6,48,50と直接つながっているので、それらの圧
力はすべて実質的に同じであるが、蛇行回路の最終パス
である5番目の通路24の圧力はそれよりも実質的に低
い。そのため、5番目の通路24とそれに隣接する後縁
通路32の間には圧力差が存在する。後縁通路32は、
5パス蛇行回路のような圧力損を受けない単パス回路で
ある。こうした圧力差のため、冷却流体は後縁通路32
から6番目のリブ41のコアタイ孔42を通して5番目
の通路24に流れ込み、後縁通路32の先端部で冷却流
体が不足する。
【0014】次に図2を参照すると、コアタイ孔を通る
冷却流体流が最小限になるタービン動翼110が示して
ある。単に例示のため、動翼110は図1の動翼10と
同じ冷却回路構成を有している。しかし、本発明は他の
冷却回路構成を有するタービン動翼にも適用し得ること
に留意されたい。さらに、本発明はタービン動翼に限ら
ず、タービンノズルのような他のタイプの翼形部品にも
適用し得る。以下の説明から明らかとなろうが、本発明
は、独立給気冷却通路間でコアタイ孔による短絡が起こ
る翼形部品であればいかなる翼形部品にも適用し得る。
【0015】動翼110は中空翼形部112と一体シャ
ンク部114を有する。翼形部112は、5つの概ね半
径方向に延在する冷却通路120〜124が直列に連な
った蛇行冷却回路、翼形部前縁130と1番目の通路1
20の間で半径方向に延在する前縁冷却通路128、及
び翼形部後縁134と5番目の通路124の間に配設さ
れた半径方向に延在する後縁冷却通路132を含んでい
る。1番目の通路120にはシャンク部114の第一入
口通路146を通して冷却流体が供給され、前縁通路1
28にはシャンク部114の第二入口通路148を通し
て冷却流体が供給され、後縁通路132には第三入口通
路150を通して冷却流体が供給される。通路120〜
124,128,132は各々、6つの半径方向に延在
するリブ136〜141によって隣りの通路から隔てら
れている。コアタイ孔142は、1番目のリブ136、
3番目のリブ138、5番目のリブ140及び6番目の
リブ141に形成されているが、鋳造プロセスでのコア
タイの配置次第で別の構成を取り得る。
【0016】動翼110は、第三入口通路150を完全
に覆うようにシャンク部114の半径方向内面に配置さ
れた根元調量板152を含んでいる。調量板152は適
当な材料からなる薄板であって、ろう付等の適当な手段
でシャンク部114に取付けられる。調量板152に
は、冷却流体の規制流れが第三入口通路150に流れ込
むように調量孔154が設けられる。調量孔154の断
面積は第三入口通路150の断面積よりも小さい。そこ
で、調量孔154は入口通路150の入口で圧力降下を
もたらす絞りを与え、後縁通路132内の圧力は調量板
152が無いときの圧力よりも低くなる。
【0017】調量孔154の寸法は、後縁通路132内
の圧力が5番目の通路124内の圧力とほぼ等しくなっ
て6番目のリブ141のコアタイ孔142の両側での圧
力差が最小限となるように第三入口通路150を通る冷
却流体流が調量されるように選定される。この結果を得
るための調量孔154の具体的な寸法は、全体的な冷却
流体の流量、並びに調量板152が無いときに後縁通路
132と5番目の通路124の間に存在する圧力差に依
存する。6番目のリブ141のコアタイ孔142の両側
での圧力差を最小限にすることによって、本発明は翼形
部冷却系の効率に対するコアタイ孔142の悪影響を低
減する。
【0018】次に図3を参照すると、本発明のもう一つ
の実施形態がタービン動翼210の形態で示してある。
単に例示のため、動翼210は図2の動翼110と類似
しているが、先の実施形態と同様、本発明のこの実施形
態は他の冷却回路構成を有するタービン動翼のみならず
他のタイプの翼形部品にも適用し得ることに留意された
い。
【0019】動翼210は、中空翼形部212と一体シ
ャンク部214を有する点で図2の動翼110と同じで
ある。翼形部212は、5つの概ね半径方向に延在する
冷却通路220〜224が直列に連なった蛇行冷却回
路、翼形部前縁230と1番目の通路220の間で半径
方向に延在する前縁冷却通路228、及び翼形部後縁2
34と5番目の通路224の間に配設された半径方向に
延在する後縁冷却通路232を含んでいる。1番目の通
路220にはシャンク部214の第一入口通路246を
通して冷却流体が供給され、前縁通路228にはシャン
ク部214の第二入口通路248を通して冷却流体が供
給され、後縁通路232には第三入口通路250を通し
て冷却流体が供給される。通路220〜224,22
8,232は各々、6つの半径方向に延在するリブ23
6〜241によって隣りの通路から隔てられている。コ
アタイ孔242は、1番目のリブ236、3番目のリブ
238、5番目のリブ240及び6番目のリブ241に
形成されているが、鋳造プロセスでのコアタイの配置次
第で別の構成を取り得る。
【0020】動翼210は、調量板を有していない点で
図2の動翼110と異なる。その代わり、絞り256が
第三入口通路250に形成されている。好ましくは、絞
り256は動翼210の一体部分として鋳造される。絞
り256は比較的小さな断面積を呈して圧力差をひき起
こすので、後縁通路232内の圧力は絞り256を省略
した場合の圧力よりも低い。
【0021】図2の調量孔154と同様に、絞り256
の寸法は、後縁通路232内の圧力が5番目の通路22
4内の圧力とほぼ等しくなって6番目のリブ241のコ
アタイ孔242の両側での圧力差が最小限となるように
第三入口通路250を通る冷却流体流が調量されるよう
に選定される。この結果を得るための絞り256の具体
的な寸法は、全体的な冷却流体の流量、並びに絞り25
6が無いときに後縁通路232と5番目の通路224の
間に存在する圧力差に依存する。6番目のリブ241の
コアタイ孔242の両側での圧力差を最小限にすること
によって、本発明は翼形部冷却系の効率に対するコアタ
イ孔242の悪影響を低減する。
【0022】以上、コアタイ孔を通る冷却流体の流れを
最小限にするタービン翼形部品について説明してきた。
本発明の特定の実施形態について説明してきたが、請求
項に記載された本発明の技術的思想及び技術的範囲を逸
脱することなく様々な修正を加えることができるのは当
業者には自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来技術のタービン動翼の縦断面図である。
【図2】 本発明の第一実施形態のタービン動翼の縦断
面図である。
【図3】 本発明の第二実施形態によるタービン動翼の
縦断面図である。
【符号の説明】
110 タービン動翼 112 翼形部 114 シャンク部 120〜124 冷却通路 128 前縁冷却通路 132 後縁冷却通路 136〜141 リブ 142 コアタイ孔 146 第一入口通路 148 第二入口通路 150 第三入口通路 152 調量板 154 調量孔 210 タービン動翼 212 翼形部 214 シャンク部 220〜224 冷却通路 228 前縁冷却通路 232 後縁冷却通路 236〜241 リブ 242 コアタイ孔 246 第一入口通路 248 第二入口通路 250 第三入口通路 256 絞り
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アン・マリー・イスバーグ アメリカ合衆国、オハイオ州、ラブラン ド、ウィンディー・ヒル・コート、11637 番

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入口通路(150,250)を有する第
    一内部冷却通路(132,232)、 第二内部冷却通路(124,224)、 第一通路(132,232)と第二通路(124,22
    4)を隔てるリブ(141、241)で、1以上の孔
    (142,242)が形成されているリブ(141、2
    41)、及び第一通路(132,232)内の圧力が第
    二通路(124,224)内の圧力と実質的に等しくな
    るように入口通路(150,250)を通る流れを調量
    する手段(152,256)を含んでなる翼形部品(1
    10,210)。
  2. 【請求項2】 入口通路(150)を通る流れを調量す
    る手段が、入口通路(150)を覆う調量板(152)
    からなり、調量板(152)には調量孔(154)が設
    けられている、請求項1記載の翼形部品(110)。
  3. 【請求項3】 調量孔(154)の断面積が入口通路
    (150)の断面積よりも小さい、請求項2記載の翼形
    部品(110)。
  4. 【請求項4】 入口通路(250)を通る流れを調量す
    る手段が、入口通路(250)に形成された絞り(25
    6)からなる、請求項1記載の翼形部品(110)。
  5. 【請求項5】 入口通路(150,250)を有する第
    一内部冷却通路(132,232)、 複数の通路(120〜124,220〜224)が直列
    に連なった内部蛇行冷却回路で、上記複数の通路(12
    0〜124,220〜224)の他の通路よりも圧力が
    小さい最終通路(124,224)を終端とする内部蛇
    行冷却回路、 第一通路(132,232)と最終通路(124,22
    4)とを隔てるリブ(141、241)で、1以上の孔
    (142,242)が形成されているリブ(141、2
    41)、及び第一通路(132,232)内の圧力が最
    終通路(124,224)内の圧力と実質的に等しくな
    るように入口通路(150,250)を通る流れを調量
    する手段(152,256)を含んでなる翼形部品(1
    10,210)。
  6. 【請求項6】 入口通路(150)を通る流れを調量す
    る手段が、入口通路(150)を覆う調量板(152)
    からなり、調量板(152)には調量孔(154)が設
    けられている、請求項5記載の翼形部品(110)。
  7. 【請求項7】 調量孔(154)の断面積が入口通路
    (150)の断面積よりも小さい、請求項6記載の翼形
    部品(110)。
  8. 【請求項8】 入口通路(250)を通る流れを調量す
    る手段が、入口通路(250)に形成された絞り(25
    6)からなる、請求項5記載の翼形部品(210)。
  9. 【請求項9】 後縁(134,234)をさらに含み、
    第一冷却通路(132,232)が後縁(134,23
    4)と最終通路(124,224)の間に配設されてい
    る、請求項5記載の翼形部品(110,210)。
  10. 【請求項10】 1以上の孔(142,242)が形成
    されているリブ(141、241)で隔てられた2以上
    の内部冷却通路(124,224,132,232)を
    有する翼形部品(110,210)を冷却する方法であ
    って、当該方法が、上記2つの通路(124,224、
    132,232)内の圧力が実質的に等しくなるように
    一方の通路(132,232)に入る流れを調量するこ
    とを含んでなる方法。
  11. 【請求項11】 調量孔(154)が設けられた調量板
    (152)を前記2つの通路の一方(132)の入口通
    路(150)に被せることによって、上記2つの通路の
    一方(132)に入る流れを調量する、請求項10記載
    の方法。
  12. 【請求項12】 前記2つの通路の一方(232)の入
    口通路(250)に絞り(256)を設けることによっ
    て、上記2つの通路の一方(132)に入る流れを調量
    する、請求項10記載の方法。
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