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公開番号2025026364
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-21
出願番号2024123375
出願日2024-07-30
発明の名称ターボマシンエアフォイルの後縁冷却回路
出願人ゼネラルエレクトリックテクノロジーゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツング,General Electric Technology GmbH
代理人個人,弁理士法人NIP&SBPJ国際特許事務所
主分類F01D 5/18 20060101AFI20250214BHJP(機械または機関一般;機関設備一般;蒸気機関)
要約【課題】ターボマシンエアフォイルの後縁冷却回路を提供する。
【解決手段】エアフォイルは、前縁と、後縁と、前縁と後縁との間にそれぞれ延びる圧力側壁および吸引側壁とを含む。圧力側壁および吸引側壁は、本体領域および後縁領域を画定する。本体領域は、前縁から後縁領域まで延び、上流プレナムを画定する。後縁領域は、本体領域から後縁まで延びる。後縁領域は、上流プレナムと流体連通する圧力側チャネルおよび吸引側チャネルを画定し、後縁領域の応力を低減するためにトラス構造に配置される。圧力側チャネルは圧力側壁に隣接して配置され、吸引側チャネルは吸引側壁に隣接して配置される。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
エアフォイル（４０、１２４０）であって、
前縁（５２、１２５２）と、
後縁（５４、１２５４）と、
前縁（５２、１２５２）と後縁（５４、１２５４）との間に延びる圧力側壁（４４、１２４４）と、
前縁（５２、１２５２）と後縁（５４、１２５４）との間に延びる吸引側壁（４６、１２４６）と、を含み、
圧力側壁（４４、１２４４）および吸引側壁（４６、１２４６）は、本体領域（１０１、１２０１）および後縁領域（１０２、１２０２）を画定し、
本体領域（１０１、１２０１）は、前縁（５２、１２５２）から後縁領域（１０２、１２０２）まで延び、
後縁領域（１０２、１２０２）は、本体領域（１０１、１２０１）から後縁（５４、１２５４）まで延び、
本体領域（１０１、１２０１）は、エアフォイル（４０、１２４０）のスパンに沿って延びる上流プレナム（１２０５）を画定し、
後縁領域（１０２、１２０２）は、上流プレナム（１２０５）と流体連通し、トラス構造に配置された複数の圧力側チャネル（１０４）および複数の吸引側チャネル（１０６）を画定し、
複数の圧力側チャネル（１０４）は、圧力側壁（４４、１２４４）に隣接して配置され、
複数の吸引側チャネル（１０６）は、吸引側壁（４６、１２４６）に隣接して配置される、エアフォイル（４０、１２４０）。
続きを表示（約 1,500 文字）【請求項２】
キャンバ軸（９４、１２９４）は、圧力側壁（４４、１２４４）と吸引側壁（４６、１２４６）との中間に画定され、
複数の圧力側チャネル（１０４）は、キャンバ軸（９４、１２９４）の第１の側に少なくとも部分的に配置され、
複数の吸引側チャネル（１０６）は、キャンバ軸（９４、１２９４）の第２の側に少なくとも部分的に配置され、
複数の圧力側チャネル（１０４）および複数の吸引側チャネル（１０６）はそれぞれ、複数の圧力側チャネル（１０４）および複数の吸引側チャネル（１０６）が後縁（５４、１２５４）に向かって延びるにつれて、後縁（５４、１２５４）に向かって収束する、請求項１に記載のエアフォイル（４０、１２４０）。
【請求項３】
複数の圧力側チャネル（１０４）の各々は、圧力側入口（１１８）と圧力側出口（１２０）との間であって、キャンバ軸線（９４、１２９４）の第１の側における圧力側中心線（１２６）に沿って延び、
複数の吸引側チャネル（１０６）の各々は、吸引側入口（１２２）と吸引側出口（１２４）との間であって、キャンバ軸線（９４、１２９４）の第２の側における吸引側中心線（１２８）に沿って延びる、請求項２に記載のエアフォイル（４０）。
【請求項４】
圧力側中心線（１２６）は、圧力側入口（１１８）と圧力側出口（１２０）との間でキャンバ軸（９４、１２９４）に向かって収束し、吸引側中心線（１２８）は、吸引側入口（１２２）と吸引側出口（１２４）との間でキャンバ軸（９４、１２９４）に向かって収束する、請求項３に記載のエアフォイル（４０）。
【請求項５】
複数の圧力側チャネル（１０４）は、圧力側入口（１１８）と圧力側出口（１２０）との間で断面積が収束し、複数の吸引側チャネル（１０６）は、吸引側入口（１２２）と吸引側出口（１２４）との間で断面積が収束する、請求項４に記載のエアフォイル（４０）。
【請求項６】
複数の圧力側チャネル（１０４）及び複数の吸引側チャネル（１０６）によって形成されるトラス構造が、複数の圧力側チャネル（１０４）及び複数の吸引側チャネル（１０６）の共有壁（１０８）によって少なくとも部分的に画定され、共有壁（１０８）が、圧力側壁（４４）から吸引側壁（４６）まで延びる、請求項１に記載のエアフォイル（４０）。
【請求項７】
複数の圧力側チャネル（１０４）および複数の吸引側チャネル（１０６）の各々は、下流側プレナム（１３０）まで延び、下流側プレナム（１３０）は、複数の圧力側チャネル（１０４）および複数の吸引側チャネル（１０６）の出口（１２０、１２４）と後縁（５４、１２５４）との間に画定される、請求項１に記載のエアフォイル（４０）。
【請求項８】
１つ以上の出口チャネル（１３２）は、下流プレナム（１３０）から後縁（５４、１２５４）まで延びる、請求項７に記載のエアフォイル（４０）。
【請求項９】
複数の圧力側チャネル（１０４）のうちの少なくとも１つが、圧力側出口チャネル（１５０）まで延びる、請求項１に記載のエアフォイル（４０）。
【請求項１０】
圧力側出口チャネル（１５０）が第１の圧力側出口チャネルであり、複数の吸引側チャネル（１０６）のうちの少なくとも１つが、第１の圧力側出口チャネル（１５０）の下流に配置された第２の圧力側出口チャネル（１５２）を含む、請求項９に記載のエアフォイル（４０）。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、後縁冷却回路を有するターボマシン用エアフォイル（airfoil：翼形）に関する。特に、本開示は、別個の圧力側冷却チャネルおよび吸引側冷却チャネル（separate pressure side and suction side cooling channels）を有する後縁冷却回路に関する。
続きを表示（約 3,100 文字）【背景技術】
【０００２】
ターボマシンは、エネルギー伝達を目的として、さまざまな産業や用途で利用されている。例えば、ガスタービンエンジンは、一般に、圧縮機セクション、燃焼セクション、タービンセクション、および排気セクションを含む。圧縮機セクションは、ガスタービンエンジンに流入する作動流体の圧力を徐々に上昇させ、この圧縮された作動流体を燃焼セクションに供給する。圧縮された作動流体と燃料（天然ガスなど）は燃焼セクション内で混合し、燃焼室内で燃焼して高圧・高温の燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは燃焼セクションからタービンセクションに流れ込み、そこで膨張して仕事を生み出す。例えば、タービンセクションで燃焼ガスが膨張することにより、例えば発電機に接続されたロータシャフトが回転し、電気が発生する。その後、使用済みの燃焼ガスは、排気セクションを経由してタービンセクションから排出される。
【０００３】
ターボマシンの運転中、システム内の様々な高温ガス経路部品（hot gas path components）は高温流にさらされ、高温ガス経路部品にストレスを与えて耐用年数を縮める可能性がある。一般に、高温の流れはターボマシンの性能、効率、出力の向上につながるため、高温の流れにさらされる高温ガス経路部品は、ガスタービン・システムが高温の流れで動作できるように冷却する必要がある。
【０００４】
高温ガス経路部品の最高局所温度が高温ガス経路部品の溶融温度に近づくと、強制空冷が必要になる。このため、タービンロータブレードや静止ノズルのエアフォイルは、多くの場合、複雑な冷却スキームを必要とする。この冷却スキームでは、空気（通常は圧縮機セクションからのブリード空気）がエアフォイル内の内部冷却通路を強制的に通過し、エアフォイル表面の冷却孔から排出されて、高温ガス経路成分から熱を伝達（transfer heat from the hot gas path component）する。
【０００５】
エアフォイルの後縁領域は、一般に、エアフォイルの他の領域よりも高い熱応力を受ける。従来の後縁領域はピンバンク（またはピンアレイ：pin bank (or pin array)）を含むことが多く、このピンバンクは、それぞれがエアフォイルの圧力側壁と吸込側壁の間に直接延びる複数のピンを含む。しかし、ピンバンクの使用には問題がある。圧力側壁は吸込側壁よりも高温になることが多く、ピンバンクは圧力側と吸込側との間に直接かつ離散的な接続を提供するため、熱が圧力側から吸込側へ伝導的に伝達（conductively transfer）される。これは、ピンバンクの個々のピン、特にエアフォイルプラットフォームの近傍のピンに望ましくない熱応力を与えるため、不利である。さらに、ピンバンク形状内のピンは、エアフォイルの他の形状と比較すると、比較的弱い構造である。そのため、ピンバンクを使用することなく後縁領域における動作応力を再分配して低減する改良型後縁冷却回路が望まれている。
【発明の概要】
【０００６】
本開示に従ったエアフォイルおよびターボマシンの態様および利点は、以下の説明において部分的に記載されるか、または説明から明らかであるか、または技術の実践を通じて学ぶことができる。
【０００７】
一実施形態によれば、エアフォイルが提供される。エアフォイルは、前縁と、後縁と、前縁と後縁との間に延びる圧力側壁と、前縁と後縁との間に延びる吸引側壁とを含む。圧力側壁および吸引側壁は、本体領域および後縁領域を画定する。本体領域は前縁から後縁領域まで延び、後縁領域は本体領域から後縁まで延びる。本体領域は、エアフォイルのスパンに沿って延びる上流プレナムを画定する。後縁領域は、上流プレナムと流体連通し、トラス構造に配置された複数の圧力側チャネルおよび複数の吸込側チャネルを画定する。複数の圧力側チャネルは圧力側壁に隣接して配置され、複数の吸込側チャネルは吸込側壁に隣接して配置される。
【０００８】
別の実施形態によれば、ターボマシンが提供される。ターボマシンは、圧縮機セクションと、圧縮機セクションの下流に配置された燃焼セクションと、燃焼セクションの下流に配置されたタービンセクションとを含む。ロータブレードは、圧縮機セクションまたはタービンセクションの一方に配置される。ロータブレードは、シャンク部と、シャンク部から延びるエアフォイルとを含む。エアフォイルは、前縁と、後縁と、前縁と後縁との間に延びる圧力側壁と、前縁と後縁との間に延びる吸込側壁とを含む。圧力側壁および吸引側壁は、本体領域および後縁領域を画定する。本体領域は前縁から後縁領域まで延び、後縁領域は本体領域から後縁まで延びる。本体領域は、エアフォイルのスパンに沿って延びる上流プレナムを画定する。後縁領域は、上流プレナムと流体連通し、トラス構造に配置された複数の圧力側チャネルおよび複数の吸込側チャネルを画定する。複数の圧力側チャネルは圧力側壁に隣接して配置され、複数の吸込側チャネルは吸込側壁に隣接して配置される。
【０００９】
本発明のエアフォイルおよびターボマシンのこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照することにより、よりよく理解されるであろう。本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付図面は、本技術の実施形態を示し、本明細書と共に本技術の原理を説明するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本システムおよび方法を製造および使用する最良の態様を含む、当業者に向けられた現在のエアフォイルおよびターボマシンの完全かつ有効な開示は、添付の図を参照する本明細書に記載されている。
本開示の実施形態によるターボマシンの概略図である。
本開示の実施形態によるロータブレードの透視図、部分切断図を示す。
本開示の実施形態による、後縁冷却回路を含むエアフォイル後縁領域の一部の断面透視図である。
本開示の実施形態による後縁冷却回路を有するエアフォイル後縁領域の、半径方向－横断面における断面図を示す。
本開示の実施形態による後縁冷却回路を有するエアフォイル後縁領域の、半径方向－横断面における断面図を示す。
本開示の実施形態による、線６－６に沿って見た、図４のエアフォイルの後縁領域の断面図を示す。
本開示の実施形態によるエアフォイルの後縁領域の断面図を示す。
本開示の実施形態によるエアフォイルの後縁領域の断面図である。
本開示の実施形態によるエアフォイルの後縁領域の断面図を示す。
本開示の実施形態による後縁冷却回路を有するエアフォイル後縁領域の、半径方向－横断面における断面図を示す。
本開示の実施形態による、線１１－１１に沿って見た、図１０のエアフォイルの後縁領域の断面図を示す。
本開示の実施形態によるロータブレードの透視図である。
図１２のロータブレードのエアフォイル後縁部分の上面図である。
図１２のロータブレードの後縁部分の透視断面図である。
【発明を実施するための形態】
（【００１１】以降は省略されています）

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