JP2003201805A - ガスタービンエンジンのタービンノズル用の翼形部及びその製作方法 - Google Patents
ガスタービンエンジンのタービンノズル用の翼形部及びその製作方法Info
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- Y10T29/49339—Hollow blade
- Y10T29/49341—Hollow blade with cooling passage
Abstract
18用の翼形部32を提供する。 【解決手段】 この翼形部は、外側壁38、内側壁4
0、前縁42、後縁44、翼形部32の正圧側の凹状表
面46、負圧側の凸状表面48、凹状表面46に形成さ
れた外側冷却スロット50、内側冷却スロット52及び
中間冷却スロット54を含む。冷却スロット50、5
2、54は更に、陥凹壁56、内側スロット側壁58、
外側スロット側壁60、内側コーナフィレット62と、
外側コーナフィレット64とを含む。内側及び外側冷却
スロット52、50の少なくとも1つに対する内側及び
外側コーナフィレット62、64の1つは、凹状表面4
6内の開口68から後縁冷却スロット50、52、54
の出口平面70まで可変輪郭66を形成している。
Description
ンエンジン用のタービンノズルに関し、具体的には、翼
形部の応力を減少するように陥凹壁と側壁との間に可変
フィレットを有するように構成された、その後縁におけ
る外側冷却スロット及び内側冷却スロットのうちの少な
くとも1つを有する、タービンノズル中で用いられる翼
形部に関する。
のノズルセグメントは一般的に、一体の内側及び外側流
路バンドを備える一対の中空の翼形部を含むことが知ら
れている。これらの部品は、別々に鋳造され、部分的に
機械加工され、互いににろう付けされ、その後仕上げ加
工されてノズルセグメントを形成する。中空の翼形部
は、内部に冷却空気を供給され、この冷却空気が次に翼
形部の後部空洞から出る後縁スロットを通って流れ、翼
形部の後縁の開口を通して吐出される。その時、冷却空
気は、翼形部内部の後縁スロットに沿って流れながら、
対流冷却を行う。かかる空気が翼形部後縁の開口を通し
て流路に吐出されると、空気は翼形部後縁に対してフィ
ルム冷却を与える。
は、本来、スロットと該スロット間のリブとの間に段部
を有する。内側及び外側の翼形部/流路交差部において
ノズルバンドに最も近い冷却スロット内の段部は、大き
い熱応力が生じた場合に大きい応力集中を起こし、それ
が結果的に後縁に軸方向の亀裂を生じさせる可能性があ
ることが分かった。亀裂は、最終的に翼形部セクション
中に広がり、タービンノズルの過早故障を招くことにな
る。翼形部の後縁の過熱が生じる筈であるから、冷却ス
ロット自体は除去できない。その上、段部は、それが翼
形部/バンド接合部に近接しているので、研削して滑ら
かにするのが困難である。
は、鋳造に先立って別々に製作され、蝋型と組合わされ
たセラミックコアによって鋳造工程時に形成されること
を理解されたい。従来の設計においては、後縁スロット
のコーナフィレットは、セラミックコアにより作り出さ
れ、スロット閉塞を減少させ冷却流面積を維持するため
に極力小さくされる。しかしながら、製造時に、セラミ
ックコアは、自動仕上げ処理されてコアのダイ分割線の
周りの不要なコア材料を除去される。この処理は、コア
上の外側コーナフィレットの全てではないにしても一部
を除去し、最終鋳物品に鋭い内部コーナを生じる場合が
多いことが分かった。このコーナは、応力集中個所とし
て作用するので翼形部後縁の亀裂を発生させる可能性が
ある。
に対する同様の問題に対処しようとする試みが、特許文
献1に開示されている。この特許には、翼形部の後縁ス
ロットとプラットホームとの間の段部の少なくとも一部
が排除されたタービンブレードが開示されている。ター
ビンブレードを鋳造するために用いられる翼形部コア
は、第1の後縁スロットの陥凹壁から翼形部の接続部ま
で連続した滑らかな輪郭を形成するためのタブが含んで
いる。このようにして、応力集中が減少され、それによ
ってタービンブレードの寿命及び性能を改善している。
考慮に入れれば、内側及び外側ノズルバンドに隣接して
設置された冷却スロットの段部における応力集中を、こ
のようなスロットからの冷却流に悪影響を与えることな
く減少させる、タービンノズルに用いられる改良された
翼形部設計が開発されることが望ましいであろう。自動
仕上げ製造工程により生じる追加の応力集中の機会を排
除するように、用いられるコアを改良することもまた望
ましいであろう。
実施形態において、ガスタービンエンジンのタービンノ
ズル組立体用の翼形部が開示され、該翼形部は、外側壁
と、内側壁と、外側壁から内側壁まで延びる前縁と、外
側壁から内側壁まで延びる後縁と、前縁から後縁まで延
びる、翼形部の正圧側の凹状表面と、前縁から後縁まで
延びる、翼形部の負圧側の凸状表面と、後縁に隣接して
翼形部の凹状表面に形成された外側冷却スロット、内側
冷却スロット、及び少なくとも1つの中間冷却スロット
とを含む。冷却スロットの各々はまた、陥凹壁と、内側
スロット側壁と、外側スロット側壁と、内側スロット側
壁と陥凹壁との間に設置された内側コーナフィレット
と、外側スロット側壁と陥凹壁との間に設置された外側
コーナフィレットとを含み、内側及び外側冷却スロット
の少なくとも1つに対する内側及び外側コーナフィレッ
トの1つは、凹状表面内の開口から後縁冷却スロットの
出口平面まで可変輪郭を形成している。より具体的に
は、可変輪郭を形成するコーナフィレットは、スロット
出口平面にほぼ垂直な第1の平面内において、開口から
出口平面まで半径を付けられている。翼形部はまた、可
変輪郭を形成するコーナフィレットと翼形部の端部分と
の間の接続部を含んでおり、該接続部は、スロット出口
平面にほぼ垂直な第2の平面内において、開口から出口
平面まで半径を付けられている。
は、タービン翼形部のための翼形部コアが開示され、該
翼形部コアは、翼形部の中空部分を形成するためのくさ
び形チャネルと該くさび形チャネルから延びる複数のフ
ィンガとを含み、端部に設置されたフィンガの少なくと
も1つは、第1の側壁から第2の側壁まで予め定められ
た半径を有する末端部分を有するように構成されてい
る。フィンガの末端部分は、フィンガを通る軸線にほぼ
垂直な第1の平面内において半径を付けられ、かつフィ
ンガを通る軸線にほぼ平行な第2の平面内において半径
が付けられている。
は、タービンノズルの翼形部を製作する方法が開示さ
れ、該方法は、ダイの内部にモールドを挿入する段階と
スラリーをダイ中に注入する段階とを含む。外側壁と、
内側壁と、外側壁から内側壁まで延びる前縁と、外側壁
から内側壁まで延びる後縁と、前縁から後縁まで延び
る、翼形部の正圧側の凹状表面と、前縁から後縁まで延
びる、翼形部の負圧側の凸状表面と、後縁に隣接して翼
形部の凹状表面に形成された複数の冷却スロットとを含
み、冷却スロットの各々が更に、陥凹壁及び一対のスロ
ット側壁と、陥凹壁と翼形部の内側及び外側壁の少なく
とも1つに隣接する冷却スロットのスロット側壁のうち
の1つとの間のコーナフィレットに対する、凹状表面内
の開口から後縁冷却スロットの出口平面までの可変輪郭
とを含む、翼形部が形成される。このように、コーナフ
ィレットは、スロット出口平面にほぼ垂直な第1の平面
内において、開口における最小半径からスロット出口平
面における最大半径まで徐々に増大する半径で形成され
る。この方法はまた、コーナフィレットと翼形部の端部
分との間に、スロット出口平面にほぼ垂直な第2の平面
内において開口から出口平面まで半径が付けられた接続
部を形成する段階を含む。
を示す図面をここで詳細に参照すると、図1は、直列に
流体連通して、通常のファン12、高圧圧縮機14、及
び燃焼器16を有する例示的なターボファンガスタービ
ンエンジン10を示す。燃焼器16は、通常の方法で燃
焼ガスを発生し、この燃焼ガスは燃焼器から高圧タービ
ンノズル組立体18を通して吐出され、ノズル組立体か
ら通常の高圧タービン20に導かれ、次に通常の低圧タ
ービン22に導かれる。高圧タービン20は、適当なシ
ャフト24を介して高圧圧縮機14を駆動し、一方、低
圧タービン22は別の適当なシャフト26を介してファ
ン12を駆動するが、これら全ては長手方向又は軸方向
中心軸線28の周りに同軸に配置されている。
18は、好ましくは複数の円周方向に隣接するノズルセ
グメント30を含み、それらノズルセグメントは集合し
て完全な360°の組立体を形成することが分かるであ
ろう。各ノズルセグメント30は、好ましくは2つ又は
それ以上の円周方向に間隔を置いて配置された翼形部3
2を有し、それら翼形部は円弧状の半径方向外側バンド
34及び円弧状の半径方向内側バンド36に接続され
る。より具体的には、各翼形部32は、その表面が外側
バンド34に隣接して位置する外側壁38(図3では外
側バンド34の影)と、その表面が内側バンド36に隣
接して位置する内側壁40と、外側壁38から内側壁4
0まで延びる前縁42と、外側壁38から内側壁40ま
で延びる後縁44と、翼形部32の正圧側で前縁42か
ら後縁44まで延びる凹状表面46と、翼形部32の負
圧側で前縁42から後縁44まで延びる凸状表面48と
を含む。
に、外側バンド34に隣接して設置された外側冷却スロ
ット50と、内側バンド36に隣接して設置された内側
冷却スロット52と、それぞれ外側冷却スロット50と
内側冷却スロット52との間に設置された少なくとも1
つの中間冷却スロット54とを含む。冷却スロット5
0、52及び54の各々は、陥凹壁56と、内側スロッ
ト側壁58と、外側スロット側壁60と、内側スロット
側壁58と陥凹壁56との間に設置された内側コーナフ
ィレット62と、外側スロット側壁60と陥凹壁56の
間に設置された外側コーナフィレット64とにより形成
されることが図3〜図6から分かるであろう。内側及び
外側スロット側壁58及び60は、一般的に各冷却スロ
ットの間に配置された隣接する各リブ61により形成さ
れるが、リブ63を用いて内側冷却スロット52に対す
る外側スロット側壁60を形成し、また翼形部32の内
側部分78(以下により詳細に説明する)がその内側ス
ロット側壁58を形成することが分かるであろう。
対する内側コーナフィレット62及び外側冷却スロット
50に対する外側コーナフィレット64のうちの少なく
とも1つが、凹状表面46内の開口68(当該技術では
ブレイクアウトとして知られる)から冷却スロット5
0、52及び54にほぼ垂直に延びる出口平面70まで
可変輪郭(図3の表面66により示されるような)を形
成することが好ましい。x軸71、y軸73、及びz軸
75により形成される座標系が図3に示され、この座標
系を用いてここで説明する様々な平面を定める。従っ
て、出口平面70は、y−z平面内で延びる平面として
定められる。
る内側コーナフィレット62に関して図示し説明する
が、本発明は、外側冷却スロット50に対する外側コー
ナフィレット64について鏡像関係で適用することが可
能であり、またそうすることが好ましい。図3の輪郭線
72により明らかなように、表面66(内側冷却スロッ
ト52に対する内側スロット側壁58とも考えることも
できる)は、スロット出口平面70にほぼ垂直に延びる
第1の平面74(x−z平面内で延びるものとして定め
られる)内において開口68からスロット出口平面70
まで半径が付けられている。可変輪郭を形成する内側コ
ーナフィレット62の半径は、開口68における最小半
径Rminからスロット出口平面70における最大半径R
maxまで徐々に増大していることが、このような輪郭線
72の曲率から分かるであろう。これは、内側冷却スロ
ット52に対するスロット領域、フットプリント及び冷
却特性を維持するためになされる。
ト62と凹状表面46の内側部分78との間の接続部7
6を含み、接続部76は、スロット出口平面70(及び
第1の平面74)にほぼ垂直に延びる第2の平面80
(x−y平面内において延びるものとして定められる)
内において開口68からスロット出口平面70まで半径
が付けられている。図6に見られるように、内側コーナ
フィレット62と翼形部32の内側部分78との間の角
度Θは、接続部76において確定され、そこではこの角
度Θは、開口68における最大角度Θmaxからスロット
出口平面70における最小角度Θminまで徐々に減少す
る。最大角度Θmaxは約65°〜85°であり、最小角
度Θminは約0°〜10°であることが好ましい。角度
Θは、図6に示すように開口68とスロット出口平面7
0との間のほぼ中間位置で約45°であることが分かる
であろう。
変輪郭を確定するには、内側冷却スロット52の内側ス
ロット側壁58及び陥凹壁56が、凹状表面46内の開
口68からスロット出口平面70(図6に最も良く見ら
れる)まで予め定められた半径を有する連続する曲面を
形成するのが好ましいことが分かるであろう。同様に、
外側冷却スロット50の場合には、外側スロット側壁6
0及び陥凹壁56は、凹状表面46内の開口68から出
口平面70まで予め定められた半径を有する連続する曲
面を形成することが好ましいことになる。
部中空部分及び後縁冷却スロット50、52及び54を
形成することがわかるであろう。図8に見られるよう
に、翼形部コア100は、くさび形チャネル104と、
該くさび形チャネル104から延びる外側フィンガ10
5、複数の中間フィンガ106、及び内側フィンガ10
8とを含む。内側フィンガ108を用いて翼形部32の
内側冷却スロット52を形成し、外側フィンガ105が
外側冷却スロット50を形成し、また中間フィンガ10
6が中間冷却スロット54を形成することに注目された
い。より具体的には、内側フィンガ108は、くさび形
チャネル104に結合されたステム部分109と、断面
で見たとき(図6〜図8参照)、第1の側壁112から
第2の側壁114まで予め定められた半径を有する末端
部分110とを有するように構成されている。中間フィ
ンガ106のほぼ矩形の末端部分111と対照的に、上
述のように、内側冷却スロット52の陥凹壁56及び内
側スロット側壁58によって連続する曲面が確定されて
いる。同様に、外側フィンガ105の末端部分115
は、第1の側壁117から第2の側壁119(図8参
照)まで予め定められた半径を有するのが好ましいの
で、翼形部32内の外側冷却スロット50については陥
凹壁56及びの外側スロット側壁60によって連続する
曲面が確定されている。
10は、内側フィンガ108を通る軸線118にほぼ垂
直な第1の平面116(第1の平面74に対応する)内
と同時に軸線118にほぼ平行な第2の平面(第2の平
面80に対応する)内において半径が付けられている。
翼形部コア100を内側フィンガ108に関して説明さ
たが、外側フィンガ105に対しては内側フィンガ10
8の鏡像を用いて、翼形部32内の外側冷却スロット5
0の好ましい形状を形成するのが好ましいことが分かる
であろう。
形成工程の特質により、セラミック材料がダイの2つの
接合部片の間に逸出する「ばり」が生じる。次に翼形部
コア100は、小型のコンピュータ制御フライス盤を用
いて仕上げ加工し、ばりを除去することが好ましい。図
6に鎖線122で示すように、この仕上げ工程は、最終
的に内側及び外側コーナフィレット62及び64を形成
するフィンガ側壁の半径の一部を除去し、従来の設計に
おいて生じていた鋭いコーナを生じる可能性がある。本
発明において内側冷却スロット52の内側スロット側壁
58及び外側冷却スロット50の外側スロット側壁60
に可変輪郭のフィレットを設けることにより、そのよう
な冷却スロット52及び50のそれぞれ内側コーナフィ
レット62及び外側コーナフィレット64の半径は、そ
のようなコーナフィレットが翼形部32の公称鋳造寸法
より大きいので、より良く維持される。
る方法によると、翼形部コア100は、ワックスが該コ
アを包み込むようにダイの内部に保持されることが分か
るであろう。翼形部32用の金属鋳造品のレプリカであ
る最終蝋型が製作され、翼形部コア100が最終鋳造品
内に形成される空洞に置き代わる。蝋型は、何回かセラ
ミック溶液中に浸漬されかつ乾燥されて、強度のあるシ
ェルモールドを形成する層を積層されることを理解され
たい。次いで、モールドは、翼形部コア100がシェル
内部に残り、該モールドが溶融金属で満たされたとき翼
形部32の空洞を形成するように、加熱されてワックス
が融出され、セラミックが硬化される。溶融合金が、モ
ールド中に注入れて、ワックスにより残された形状を取
り、翼形部コア100は、金属が最終鋳造品において空
洞になるべき領域に流入するのを防止し、内部形状を作
り出す。最後に、セラミックシェルが、鋳造品から破壊
して取り除かれ、また内部セラミックコア100が溶液
を用いて溶出される。このようにして、翼形部32の最
終鋳造品は、蝋型の外部形状及び翼形部コア100の内
部形状を有し、上述のように内側冷却スロット52の内
側コーナフィレット62と外側冷却スロット50の外側
コーナフィレット64とを含むのが好ましい。
てきたが、タービンノズル18用の翼形部32、翼形部
コア100、及びかかる翼形部を製作する方法のさらな
る適用を、当業者は、本発明の技術的範囲から逸脱する
ことなく適当な変更形態で行うことができる。特に、本
明細書中に説明しまた特許請求した着想は、タービンブ
レードにおいて用いることができ、また本発明とも矛盾
無く使用できることを理解されたい。なお、特許請求の
範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなん
ら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
ビンエンジンの断面図。
大斜視図。
バンドの部分拡大斜視図。
面図。
面図。
面図。
部分を含む図2〜図6に示す翼形部の部分拡大上面斜視
図。
トを形成するために用いられるコアの底面斜視図。
Claims (9)
- 【請求項1】 ガスタービンエンジン(10)のタービ
ンノズル組立体(18)用の翼形部(32)であって、 (a)外側壁(38)と、 (b)内側壁(40)と、 (c)前記外側壁(38)から前記内側壁(40)まで
延びる前縁(42)と、 (d)前記外側壁(38)から前記内側壁(40)まで
延びる後縁(44)と、 (e)前記前縁(42)から前記後縁(44)まで延び
る、前記翼形部(32)の正圧側の凹状表面(46)
と、 (f)前記前縁(42)から前記後縁(44)まで延び
る、前記翼形部(32)の負圧側の凸状表面(48)
と、 (g)前記後縁(44)に隣接して前記翼形部(32)
の前記凹状表面(46)に形成された外側冷却スロット
(50)、内側冷却スロット(52)、及び少なくとも
1つの中間冷却スロット(54)と、を含み、 前記冷却スロット(50、52、54)の各々は、 (1)陥凹壁(56)と、 (2)内側スロット側壁(58)と、 (3)外側スロット側壁(60)と、 (4)前記内側スロット側壁(58)と前記陥凹壁(5
6)との間に設置された内側コーナフィレット(62)
と、 (5)前記外側スロット側壁(60)と前記陥凹壁(5
6)との間に設置された外側コーナフィレット(64)
と、を更に含み、 前記内側及び外側冷却スロット(52、50)の少なく
とも1つに対する前記内側及び外側コーナフィレット
(62、64)の1つは、前記凹状表面(46)内の開
口(68)から前記後縁冷却スロット(50、52、5
4)の出口平面(70)まで可変輪郭(66)を形成し
ている、ことを特徴とする翼形部(32)。 - 【請求項2】 前記可変輪郭(66)を形成する前記コ
ーナフィレット(62/64)は、前記スロット出口平
面(70)にほぼ垂直な第1の平面(74)内におい
て、前記開口(68)から前記出口平面(70)まで半
径を付けられていることを特徴とする、請求項1に記載
のタービンノズル(18)。 - 【請求項3】 前記可変輪郭(66)を形成する前記コ
ーナフィレット(62/64)の前記半径は、前記開口
(68)における最小半径から前記出口平面(70)に
おける最大半径まで徐々に増大していることを特徴とす
る、請求項2に記載のタービンノズル(18)。 - 【請求項4】 前記翼形部(32)は、前記可変輪郭
(66)を形成する前記コーナフィレット(62/6
4)と前記翼形部(32)の端部分(78)との間の接
続部(76)を含んでおり、該接続部(76)は、前記
スロット出口平面(70)にほぼ垂直な第2の平面(8
0)内において、前記開口(68)から前記出口平面
(70)まで半径を付けられていることを特徴とする、
請求項1に記載のタービンノズル(18)。 - 【請求項5】 前記コーナフィレット(62/64)と
前記接続部(76)における前記翼形部(32)の端部
分(78)との間の角度(Θ)は、前記開口(68)に
おける最大角度から前記出口平面(70)における最小
角度まで徐々に減少することを特徴とする、請求項4に
記載のタービンノズル(18)。 - 【請求項6】 前記可変輪郭(66)を形成する前記コ
ーナフィレット(62/64)は、前記外側冷却スロッ
ト(50)内の前記外側コーナフィレット(64)であ
ることを特徴とする、請求項1に記載のタービンノズル
(18)。 - 【請求項7】 前記可変輪郭(66)を形成する前記コ
ーナフィレット(62/64)は、前記内側冷却スロッ
ト(52)内の前記内側コーナフィレット(62)であ
ることを特徴とする、請求項1に記載のタービンノズル
(18)。 - 【請求項8】 前記外側冷却スロット(50)の前記外
側側壁(60)及び前記陥凹壁(56)は、前記凹状表
面(46)内の開口(68)から前記スロット出口平面
(70)まで予め定められた各半径を有する連続する曲
面を形成していることを特徴とする、請求項6に記載の
タービンノズル(18)。 - 【請求項9】 前記内側冷却スロット(52)の前記内
側側壁(58)及び前記陥凹壁(56)は、前記凹状表
面(46)内の開口(68)から前記スロット出口平面
(70)まで予め定められた各半径を有する連続する曲
面を形成していることを特徴とする、請求項7に記載の
タービンノズル(18)。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US10/015313 | 2001-12-12 | ||
US10/015,313 US6612811B2 (en) | 2001-12-12 | 2001-12-12 | Airfoil for a turbine nozzle of a gas turbine engine and method of making same |
Publications (2)
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