JP5738555B2 - 非対称シェブロンフィルム孔を使用して翼形部表面を冷却するための方法及び構造 - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはフィルム冷却式部品に関し、より具体的には、非対称シェブロンフィルム孔を使用して翼形部表面上の一般的部位をフィルム冷却する方法に関する。

ガスタービンその他の高温装置は、タービンブレードのような高温ガス通路構成要素の効果的な保護のためにフィルム冷却を広く使用している。フィルム冷却というのは、部品の外部壁内における複数の小孔を通して冷却空気を吐出して、該部品の外部表面に沿って薄い低温バリヤを形成しかつ高温ガスとの直接的な接触を防止するか又は減少させる部品を冷却する方法を意味する。

ベーン及びブレード翼形部をフィルム冷却するのに用いる一般的部位には、とりわけ前縁、正圧側面及び負圧側面が含まれると共に、内側及び外側ベーン端部壁並びにブレードプラットフォームを含む端部壁フィルム冷却が含まれる。タービン翼形部の端部壁領域におけるフィルム冷却は、該端部壁が翼形部正圧及び負圧側面表面の両方に見られる全範囲の静圧分布を受ける点で翼形部自体のフィルム冷却とは異なる。このような全圧力場により、翼形部表面では生じないような、噴射フィルム冷却に影響を与える大きな二次流れパターンが生じる。流路にわたるフィルム冷却の大きな移動が生じ、噴射及び有効な冷却を極めて困難にする。

噴射フィルム孔は一般的に、円形形状又はディフューザ形状のいずれかである。これらの孔は、局所表面流線の近似方向に沿って噴射して混合損失を最少にするように配向される。これは、特定の領域においてフィルム冷却の集積を生じ、またその他の領域において関連するフィルム冷却の不足を引き起こすことが多い。

上記のことに鑑みて、保護することを意図した領域から離れる方向にフィルム冷却媒体を移動させることになる強力な横方向圧力勾配の存在下で表面上にフィルム冷却を噴射する構造及び方法を得ることは有益であると言える。この構造及び方法は、主高温ガスの流れに逆らって流れを単に噴射することで生じる不適当な混合損失を発生させずに、所望の領域内にフィルム冷却媒体を維持するものでなければならない。

簡潔に言えば、１つの実施形態によると、フィルム冷却式翼形部又は翼形部領域は、１以上の非対称シェブロンフィルム冷却孔を有するように構成される。

別の実施形態では、フィルム冷却式タービン構造は、少なくとも１つの非対称シェブロンフィルム冷却孔を含み、シェブロンの一方の側部は、該フィルム冷却式タービン構造の表面上に噴射冷却媒体の一部分を導くことに関して該シェブロンの他方の側部よりも支配的（「優勢」ともいう。）である。

本発明の上記その他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様な部品を表している添付図面を参照しながら以下の詳細な記述を読むことにより、一層良好に理解されるであろう。

当技術分野で公知のシェブロンフィルム冷却孔を示す上面図。 図１に示すフィルム冷却孔の側面図。 図１に示すフィルム冷却孔の正面図。 タービンベーンの端部壁領域内に配置されたフィルム冷却孔を示す斜視図。 タービンブレードの端部壁領域内に配置されたフィルム冷却孔を示す斜視図。 タービンベーンの端部壁領域における局所表面流線の近似方向に沿って噴射するように配向された噴射フィルム孔を示す図。 翼形部つまり端部壁上で使用するのに好適な非対称シェブロンフィルム孔を示す図。 そこでは各シェブロン領域が、互いに対して同様でないジオメトリを有する一対のウィングトラフを含む２つの非対称シェブロン領域を示す図。

上記の図面の図は、幾つかの代替的な実施形態を表しているが、以下の説明において述べるように本発明のその他の実施形態もまた考えられる。全てのケースにおいて、本開示は、本発明の例示した実施形態を限定としてではなく説明として提示している。当業者には、多くのその他の変更形態及び実施形態を案出することができるが、それらもまた、本発明の原理の技術的範囲及び技術思想の範囲内に属する。

シェブロンフィルム孔は、翼形部表面上でのフィルム有効性を高めるのに有益であることが分かっている。現在のシェブロンフィルム孔は常に、フィルム孔中心線の周りでの対称設計に基づいている。

本明細書で前述したように、タービン翼形部の端部壁領域におけるフィルム冷却は、該端部壁が翼形部正圧及び負圧側面表面の両方に見られる全範囲の静圧分布を受ける点で翼形部自体のフィルム冷却とは異なる。このような全圧力場により、翼形部表面では生じないような、噴射フィルム冷却に影響を与える大きな二次流れパターンが生じる。しかしながら、翼形部表面は、翼形部が端部壁領域と交わる領域を除いて、全体的に非常により少ない程度までではあるがそのような二次流れ作用を受ける。流路にわたるフィルム冷却の大きな移動が生じ、噴射及び有効な冷却を極めて困難にする。

噴射フィルム孔は一般的に、円形形状又はディフューザ形状のいずれかである。これらの孔は通常、局所表面流線の近似方向に沿って噴射して混合損失を最少にするように配向される。これは、特定の領域においてフィルム冷却の集積を生じ、またその他の領域において関連するフィルム冷却の不足を引き起こすことが多い。

本明細書では、表面流体流線湾曲（曲率）が大きい領域及び用途において同様の流体流れの利点を達成する非対称シェブロンフィルム孔の実施形態について説明する。これらの実施形態は、依然として単一の円形貫通孔を使用しているが、シェブロンフットプリントの２つの半部分をトラフの異なる寸法又は配向を有するように変更している。この非対称性は、冷却しようとする表面上に噴射冷却媒体の一部分を導くことに関して、シェブロンの一方の側部を他方側よりも支配的にする利点がある。シェブロンの支配的又は主要側部は、高温ガスによって与えられる流線湾曲を打消すように方向付ける／配向する必要がある。

本明細書では、最初に図１〜図３を参照して対称シェブロンフィルム冷却孔の説明を行なって、その後に説明する非対称フィルム冷却孔の原理及び実施形態の良好な理解が得られるようにしている。図１は、当技術分野で公知の対称シェブロンフィルム冷却孔を示す上面図である。リッジ部１２は、２つのウィングトラフ１４間でその深さが横方向に外向き凸面形である。凸面形リッジ部１２は、アーチ形でありかつその輪郭がほぼ三角形であり、また入口ボア１６と該凸面形リッジ部の下流端部の外表面１８との接合部との間で下流方向に発散している。リッジ部１２の後端縁は、シェブロン出口の横方向アーチ形下流端部に沿って外表面１８と同一平面になるように滑らかに連続しており、凸面形後端縁は、入口孔１６に向かって上流方向に弓形になっている。複合シェブロンフィルム冷却孔１０の湾曲形態は、高温ガス２０の流れに対してシェブロンフィルム冷却孔１０の側面図を示す図２にさらに詳細に示すような複合傾斜角度Ａ，Ｂの利点をもたらし、ここでは、シェブロン出口は、入口孔１６から後方に傾斜角度Ａで傾斜して異なった状態に発散している。より具体的には、傾斜角度Ａ及びＢは、２つの限定角度、すなわち一方が中心線に沿った角度であり、また他方が各トラフ内における角度である。

図３は、図１に示す対称フィルム冷却孔１０の正面図である。この正面図は、図２に示す高温ガス２０の方向におけるものである。シェブロンフィルム孔１０は、図１に示すフィルム孔１０中心線の周りでの対称設計に基づいており、かつリッジ部１２及びウィングトラフ１４の更なる詳細を示している。

図４は、タービンベーン２４の端部壁領域２２内に配置されたフィルム冷却孔を示す斜視図であり、一方、図５は、タービンブレード２８の端部壁領域内に配置されたフィルム冷却孔２６を示す斜視図である。上述のように、タービン翼形部の端部壁領域におけるフィルム冷却は、本明細書で前述したように、該端部壁が翼形部正圧及び負圧側面表面の両方に見られる全範囲の静圧分布を受ける点で翼形部自体のフィルム冷却とは異なる。しかしながら、翼形部表面は、これもまた上述のように、翼形部が端部壁領域と交わる領域を除いて、全体的に非常により少ない程度までではあるがそのような二次流れ作用を受ける。このような全圧力場により、翼形部表面では生じないような、噴射フィルム冷却に影響を与える大きな二次流れパターンが生じて、流路にわたるフィルム冷却の大きな移動を引き起こし、噴射及び有効な冷却を極めて困難にする。

図６は、タービンベーン２９の端部壁領域における局所表面流線の近似方向に沿って噴射するように配向された円形噴射フィルム孔を示している。図６には、円形噴射フィルム孔を示しているが、噴射フィルム孔は一般的に、円形形状又はディフューザ形状のいずれかである。これらの孔は、局所表面流線の近似方向に沿って噴射して混合損失を最少にするように配向される。これは、上述したように、特定の領域においてフィルム冷却の集積を生じ、またその他の領域において関連するフィルム冷却の不足を引き起こすことが多い。

図７は、本発明の１つの実施形態による、図４及び図５に示す端部壁領域内で使用するのに好適な非対称シェブロンフィルム孔３０を示す上面図である。平坦なリッジ部３２が、２つのウィングトラフ３４、３６間でその幅が横方向に増大している。リッジ部３２は、平坦でありかつその輪郭がほぼ三角形であり、また入口ボア３８と該リッジ部の下流端部の外表面４０との接合部との間で下流方向に発散している。リッジ部３２の後端縁は、シェブロン出口の横方向平坦下流端部に沿って外表面４０と同一平面になるように滑らかに連続している。ウィングトラフ３４の寸法は、ウィングトラフ３６の寸法とは異なっていて、ウィングトラフ３４、３６が各々、互いに対して異なった状態で入口ボア３８の周囲部分内に滑らかに連続する。

シェブロン出口が入口ボア３８から後方に発散するような複合傾斜角度を有する非対称シェブロンフィルム冷却孔３０（図示せず）の湾曲形態は、対称シェブロンフィルム冷却孔１０について図２に示した複合傾斜角度Ｂ、Ｃにおける上述した利点と同様の利点をもたらすことになる。

非対称シェブロンフィルム冷却孔３０は、特定の非対称フィルム冷却孔３０の実施形態が、図８に示すような異なるトラフ深さ、異なるトラフ幅、異なるトラフ拡散角度、異なるトラフ形状、等々を含むことができる点で、対称フィルム冷却孔１０とは大幅に異なっている。図８は、そこでは各シェブロン領域が、互いに対して同様でないジオメトリを有する一対のウィングトラフを含む２つの非対称シェブロン領域を示している。

１つの実施形態によると、例えば、ウィングトラフ３４は、ウィングトラフ３６の深さとは異なる深さを有する。別の実施形態によると、ウィングトラフ３４は、ウィングトラフ３６の幅とは異なる幅を有する。さらに別の実施形態によると、ウィングトラフ３４は、拡散角度Ｃとは異なる拡散角度Ｂを有する。なおさらに別の実施形態によると、ウィングトラフ３４は、ウィングトラフ３６の形状とは異なる形状を有する。

ウィングトラフ３４、３６間の前述の非対称性は次に、対称シェブロンの場合と同様な過渡領域となり、特定の実施形態では、その形状が平坦であるか又は多平面であるか又は非対称アーチ形であるかの状態になる。１つの実施形態によると、非対称シェブロンフィルム冷却孔３０は、シェブロン領域に冷却媒体を供給する単一の円形貫通孔を用いている。

要約して説明すると、本明細書では、特に表面流体流線湾曲が大きい領域及び用途において多様な翼形部表面に対するフィルム冷却を高める非対称シェブロンフィルム冷却孔について説明している。この非対称フィルム冷却孔の使用は、保護することを意図した領域から離れる方向にフィルム冷却媒体を移動させることになる強力な横方向圧力勾配の存在下での表面上へのより効率的なフィルム冷却の噴射を可能にし、かつ不適当な混合損失を発生させずに所望の１つ又は複数の領域内にフィルム冷却媒体を維持する。単に主高温ガスの流れに逆らって流れを噴射して圧力勾配を打消そうとしている従来型のフィルム孔では、一層大きな混合損失が生じる。より効率的な冷却媒体の使用により、より長寿命を有する産業用エンジンのようなより高効率のエンジンが得られる。

非対称シェブロンフィルム冷却孔は、冷却の適切さ及び損失の妥協が見出されるまで試行錯誤する公知のフィルム孔の配置を使用して達成可能である利点に優る、或いは円形フィルム孔に対して単にディフューザの形状を付加することによってまた場合によっては所望の方向に冷却媒体を導くのに役立つ複合角度を該ディフューザ上に付加することによって達成可能である利点に優る利点をもたらす。非対称シェブロンフィルム冷却孔はさらに、フィルム孔を変更するのではなくて二次流れ及び圧力勾配を軽減するのに役立つように単に端部壁自体の形状を変更することによって達成可能である利点に優る利点をもたらす。

本明細書では、本発明の一部の特徴のみを例示しかつ説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が想起されるであろう。従って、特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変更を本発明の技術思想の範囲内に属するものとして保護することを意図していることを理解されたい。

１０ 対称シェブロンフィルム冷却孔
１２ 対称シェブロンフィルム冷却孔リッジ部
１４ 対称シェブロンフィルム冷却孔ウィングトラフ
１６ 対称シェブロンフィルム冷却孔入口ボア
１８ フィルム冷却式部品の外表面
２０ 高温ガス流
２２ タービンベーンの端部壁領域
２４ タービンベーン
２６ フィルム冷却孔
２８ タービンブレード
２９ タービンベーンの端部壁領域
３０ 非対称シェブロンフィルム孔
３２ 非対称シェブロンフィルム孔平坦リッジ部
３４ 非対称シェブロンフィルム孔ウィングトラフ
３６ 非対称シェブロンフィルム孔ウィングトラフ
３８ 非対称シェブロンフィルム孔入口ボア
４０ フィルム冷却式部品の外表面
５０ 一対の非対称フィルム孔領域

Claims (9)

1. フィルム冷却式タービン構造（４０）であって、
   少なくとも１つの非対称シェブロンフィルム冷却孔（３０）であって、各シェブロン（３０）の一方の側部（３４）が、当該フィルム冷却式タービン構造（４０）の表面上に噴射冷却媒体の一部分を導くことに関して該シェブロン（３０）の他方の側部（３６）よりも優勢である、少なくとも１つの非対称シェブロンフィルム冷却孔（３０）を含んでおり、各シェブロン（３０）の優勢な側部が、当該フィルム冷却式タービン構造（４０）の表面上を流れる高温ガスによって生じる流線湾曲を打消すように配向している、フィルム冷却式タービン構造（４０）。
2. 各シェブロン（３０）の一方の側部（３４）の寸法が、該シェブロン（３０）の反対側部（３６）の寸法とは異なる、請求項１記載のフィルム冷却式タービン構造（４０）。
3. 各シェブロン（３０）の一方の側部（３４）の配向が、該シェブロン（３０）の反対側部（３６）の配向とは異なる、請求項１又は請求項２記載のフィルム冷却式構造（４０）。
4. 当該構造（４０）が、タービンベーン又はタービンブレードの端部壁領域を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のフィルム冷却式タービン構造（４０）。
5. 当該構造（４０）が、タービン翼形部を含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のフィルム冷却式タービン構造（４０）。
6. 前記少なくとも１つの非対称シェブロンフィルム冷却孔（３０）が第１のトラフ領域（３４）及び第２のトラフ領域（３６）を含んでいて、第１のトラフ領域（３４）と第２のトラフ領域（３６）とが互いに異なる深さを有する、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のフィルム冷却式タービン構造（４０）。
7. 前記少なくとも１つの非対称シェブロンフィルム冷却孔（３０）が第１のトラフ領域（３４）及び第２のトラフ領域（３６）を含んでいて、第１のトラフ領域（３４）と第２のトラフ領域（３６）とが互いに異なる幅を有する、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のフィルム冷却式タービン構造（４０）。
8. 前記少なくとも１つの非対称シェブロンフィルム冷却孔（３０）が第１のトラフ領域（３４）及び第２のトラフ領域（３６）を含んでいて、第１のトラフ領域（３４）と第２のトラフ領域（３６）とが互いに異なる拡散角度を有する、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のフィルム冷却式タービン構造（４０）。
9. 前記少なくとも１つの非対称シェブロンフィルム冷却孔（３０）が第１のトラフ領域（３４）及び第２のトラフ領域（３６）を含んでいて、第１のトラフ領域（３４）と第２のトラフ領域（３６）とが互いに異なるジオメトリを有する、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載のフィルム冷却式タービン構造（４０）。