JP2006300056A - エアフォイルおよびエアフォイルの形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エアフォイルの後縁（３２）に沿ったマッハ数、静圧降下、および内部熱伝達率の分布の内部プロファイルを改善するための後縁冷却設計を提供する。
【解決手段】タービンエアフォイルは、翼幅方向に延びるセラミック鋳型によって形成されたキャビティ（２０）と、冷却空気キャビティ（２０）から後縁（３２）まで延びる高融点金属コアによって形成されたスロット（３４）と、を有する。高融点金属コアは、スロット（３４）の寸法の減少と、エアフォイルの正圧面（３１）と負圧面（３３）とを連結するようにスロット（３４）を横切って延在するペデスタル（１９，２１，２２，２３，２４，２６）の寸法の減少を容易にする。ブレードは、負圧側壁の内側の背面を露出させるカットバック（３５）という特徴を有し、背面にはその熱伝達特性を高めるためにディンプルが形成される。フォトエッチングプロセスによるディンプルの製造法が提供されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、主にエアフォイルの冷却に関し、特にガスタービンエアフォイルの後縁を冷却する方法および装置に関する。

ブレードやベーンなどの内部冷却されたタービンエンジン部品のインベストメント鋳造に関する技術分野はよく発達している。例示的なプロセスでは、鋳造部品にほぼ対応する形状をそれぞれ有する１つまたは複数の鋳型キャビティを備える鋳型が用意される。鋳型を用意する例示的なプロセスは、部品の１つまたは複数のろう模型を使用することを含む。これらのろう模型は、部品内の冷却通路のポジティブにほぼ対応するセラミックコア上にろうを成形することによって形成される。シェリングプロセスでは、このようなろう模型の周りにセラミックシェルが周知の方法で形成される。ろうはオートクレーブ内で溶融させることなどによって除去される。これにより、１つまたは複数の部品を定める区画を有するシェルを含む鋳型が残り、これらの区画はまた冷却通路を定めるセラミックコアを含む。次に、溶融合金を鋳型に注入して部品を鋳造できる。合金の冷却および凝固の後、シェルとコアは機械的および／または化学的に鋳造部品から除去される。続いて、１つまたは複数の行程において部品を機械加工および処理することができる。

セラミックコア自体は、セラミック粉末とバインダ材料の混合物を硬化綱の金型内に注入することによって成形可能である。未焼結のコアは、金型から取り外した後にバインダを除去するために熱的に後処理されるとともに、セラミック粉末を焼結するために焼成される。より微細な冷却特徴部を含む傾向は、コア製造技術に無理な要求をつきつけている。微細な特徴部は、製造が困難であり、および／または製造後に脆いことが判明しうる。特許文献１は、セラミックコアおよび高融点金属コアの組合せの一般的な使用例を開示している。このようなコアおよびその製造技術にはさらに改善の余地がある。

現在使用されているセラミックコアは、その脆さのため、および約０．０１２〜０．０１５インチ(約０．３０４８〜０．３８１ｍｍ)よりも小さい厚さ寸法を有するコアを許容できる成形歩留まりで製造できないために鋳造設計を制限している。

後縁カットバック形状は、エアフォイル設計でもっともよく使用される冷却形態の１つである。好適実施例は、２つの実際的な観点から生じている。第一に、このようなブレードに関連する空力損失は、比較的薄い後縁のために最小値となる。第二に、後縁の正圧面においてフィルム冷却を使用することによって、エアフォイルの高圧側における部品の熱負荷が減少する。

後縁厚さが比較的小さいと、エアフォイルの正圧面と負圧面との間の圧力差が小さくなる。中心線冷却後縁として知られているカットバックがない後縁の形態では、正圧面対負圧面の圧力比が約１．３５であり、後縁厚さが約０．０５０インチ（約１．２７ｍｍ）である。このような中心線排出設計では、５０％の径方向翼幅における総圧力損失が３．７５％程度の高さとなりうる。この比較的高い圧力損失は、望ましくない高い空力損失につながる。このような損失を減少させる実際的な方法は、カットバック長さを有する正圧面排出後縁形態を使用することである。このような形態では、空力損失を減少させるために後縁を０．０３０インチ（０．７６２ｍｍ）程度に薄くすることができる。このようなカットバック設計の典型例は、特許文献２に開示されている。

これに関連して、後縁の熱伝達を制御する内部冷却設計の特徴には種々のものがある。このような特徴は、（１）冷却通路の寸法、（２）冷却通路内の内部冷却特徴部、（３）後縁の厚さ分布、（４）正圧面の後縁リップ部の厚さ、（５）正圧面のランド部のあらさ、および（６）スロットのフィルム冷却範囲のようにまとめられる。中心線排出後縁設計では、（１）と（２）の要素だけしか効果的に使用できないが、カットバック後縁を有する正圧面排出設計では（１）〜（６）の全ての要素が使用可能である。正圧面排出設計では、後縁領域全体にわたる金属温度分布の改善により熱機械的疲労およびクリープ寿命も改善される。

一般に、エアフォイルの正圧面における外部の熱負荷は、負圧面の約２倍であるので、エアフォイルの正圧面で正圧面疲労が生じる可能性のほうが大きい。周期的な条件では、亀裂も正圧面に比較的早く発生しやすい。

エアフォイルの後縁は、熱的質量が比較的低いためにエアフォイルの残りの部分よりも早く反応するので、これらの領域は特に疲労によって損傷しやすい。亀裂の発生は、後縁で発生するとともにここから広がる熱機械的疲労亀裂との結合につながる。亀裂が広がるにつれて、負荷が後縁の他の部分に再分配されてブレードにわたって負荷の調整（ｓｈａｋｅｄｏｗｎ）が起こる。回転ブレードでは、遠心荷重が一定なので特に言えることである。亀裂によって負荷を受けるブレード領域が減少するので、負荷の調整は、過負荷状態またはブレードの応力が材料の降伏応力を超える状態につながるおそれがある。材料は、エアフォイルの比較的低温の部分においても塑性変形し始める。これは、十中八九ブレードの離脱および破損につながる不可逆性の作用である。よって、ブレードの後縁領域を冷却する後縁の正圧面排出設計の選択がきわめて重要になる。
米国特許第６６３７５００号明細書 米国特許第４６０１６３８号明細書 米国特許出願公開第２００３／７５３００号明細書

後縁領域において、ガスタービンエアフォイル設計では内部衝突形態が使用されてきた。一般に、冷却空気がリブのクロスオーバ開口部を通過可能となっており、これにより、次のリブおよび周囲の壁に噴流が衝突する。これらのクロスオーバ衝突開口部を通って流れが大きく加速される。冷媒流れのマッハ数プロファイルは、これらの開口部においてほぼ階段状のプロファイルとなる点で冷媒の静圧プロファイルに追従する。階段状のプロファイルは、ブレード壁における内部熱伝達率の比較的高いピークにつながるので望ましくない。換言すると、エアフォイル後縁壁には高い内部熱伝達率を有する金属温度が比較的低い部分を含む領域が生じる。その一方で、内部対流熱伝達率が比較的低い他の領域は比較的高い金属温度を有することになる。このような金属温度の差は、高い熱ひずみにつながり、そしてまた離陸時におけるエアフォイルの過渡的熱応力に関連してエアフォイルの後縁における望ましくない熱機械的疲労の問題につながる。

簡単にいうと、本発明の一形態では、エアフォイルの後縁に沿ったマッハ数、静圧降下、および内部熱伝達率の分布の内部プロファイルを改善するための後縁冷却設計が提供される。

本発明の他の形態では、高融点金属コアを使用して、後縁の近傍においてエアフォイルの壁の間の内部チャネルに複数の比較的小さいペデスタルが形成され、これにより、冷却特性が改善されるとともに、階段状のプロファイルおよびこれに関連するエアフォイル後縁における高い熱ひずみおよび機械的疲労の問題が回避される。

本発明のさらに他の形態では、正圧面のリップ部の後方における負圧側壁の内面が、この位置における冷媒の熱伝達率を高めるためにあらく設けられる。一形態では、この目的のために複数のディンプルがこの面に形成される。

以下に説明する図面には好適実施例が示されているが、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに種々の他の変更および代替的な構成が可能である。

高融点金属コア（ＲＭＣ）鋳造技術を使用することで、従来技術のセラミック鋳型を用いた鋳造方法に対して特定の利点が提供される。このようなプロセスは、特許文献３に開示されている。

出願人が認識しているＲＭＣ鋳造技術の利点の１つは、従来の鋳造技術に比べて個々の要素をかなり小さくすることができるとともにあらゆる形状に特徴部を形成することができることである。従って、出願人はこの技術を微細で改良された後縁冷却チャネルの製造に使用している。

図１，図２を参照すると、高融点金属（すなわち高融点金属コアつまりＲＭＣ）１１を使用して構成されたタービンブレードコアが示されている。ＲＭＣコア１１は、径方向の供給キャビティを画成するセラミックコア１２と組み合わせて示されており、これらの両要素は最終鋳造部品のネガティブな特徴部を示している（すなわちこれらの特徴部は冷却空気の流れのための内部通路となり、この冷却空気の流れは、まずブレード内を径方向に流れるとともに、以下で説明する複数のペデスタルを通過して最終的にブレードの後縁から流出する）。

図１，図２には、以下で説明する複数のペデスタルおよび流れ案内アイランドを含む最終鋳造部品１３も示されている。正圧面側から見た組合せが図１に示されており、負圧面側から見た組合せが図２に示されている。これらの図において、負圧面の後縁１４が正圧面の後縁１６よりも後方に延在していることに留意されたい。この差は一般的にカットバック（ｃｕｔ−ｂａｃｋ）と呼ばれており、タービンブレードの後縁の効果的な冷却で一般的に使用される特徴である。

図１〜図４で符号１９として示されるペデスタルの第１の列は、ＲＭＣコア１１の第１の開口部の列によって形成され、エアフォイルの正圧側壁と負圧側壁との間でより良好な構造的連結部を形成するために比較的大きい（すなわち約０．０２５インチ×０．０５５インチ［約０．６３５ｍｍ×１．３９７ｍｍ］程度である）。符号２１として示した（ＲＭＣの第２の開口部の列によって形成された）ペデスタルの第２の列も比較的大きく、遷移ペデスタルとして機能する。

ペデスタルの最初の２列から下流に移動すると、符号２２，２３，２４，２６として示された比較的小さくて間隔が詰まった複数のペデスタル列が設けられている。これらのペデスタルは、ＲＭＣコア１１の対応する開口部の列によって形成されている。比較的小さくかつ密度の高いペデスタルの使用は、滑らかな遷移部および圧力降下を提供することを目的とし、さらに連続的な熱伝達率の分布を生じさせる。この点については、従来のコア鋳造におけるペデスタルの寸法と密度との比較が適切である。従来のコア鋳造では、円筒状のペデスタルの直径は、０．０２０インチ（０．５０８ｍｍ）より大きい直径に制限され、ペデスタル間の間隙は０．０２０インチより大きい寸法に制限されている。実際には、コアの脆さによる低い歩留まり率のために、これらの寸法は共に実質的に大きくなる。対照的に、ＲＭＣ鋳造では、円筒形ペデスタルの直径は、０．０２０インチよりも実質的に小さくすることができ、０．００９インチ（０．２２８６ｍｍ）程度に小さくすることができる。同様に、ＲＭＣ鋳造では、ペデスタル間の間隙は、０．０２０インチよりも実質的に小さくすることができ、約０．０１０インチ（０．２５４ｍｍ）まで減少させることができる。このような直径および間隔の減少によって、実質的に改善された均一な圧力プロファイル、マッハ数、および熱伝達率が得られる。

ペデスタルは、断面が円形に示されているが、所望に応じて楕円形、トラック形、正方形、長方形、菱形、クローバ形や同様の形状とすることができる。

隣接するペデスタル間の間隔で最も狭いのは、図３において列２６の隣接するペデスタル間の寸法ｄなどによって示されるように、単一の列におけるペデスタル間の間隔である。隣接する列の間の距離および隣接する列における隣接するペデスタル間の距離は距離ｄよりも大きく図示されているが、これらの距離は、ほぼ０．０１０インチの最小距離に等しくなるまで減少させることができる。

タービン効率を低下させる空力損失を減少させるために、タービンエアフォイルの後縁をできる限り薄くすることが望ましい。このための好適な方法の１つが図４に示されており、ここでは正圧側壁３１が後縁３２の手前で中断されているとともに、負圧側壁３３を所望の温度よりも低く保つためにスロット３４からのフィルム冷却に依存している。この図では、正圧側壁３１と負圧側壁３３を通過する外側の矢印が高温ガス通路空気を示し、スロット３４を通過する矢印がエアフォイルの内部冷却回路からの冷却空気を示している。

当然のことながら、図４の実施例は、セラミックコアおよびＲＭＣコアの両方を用いて製造されたタービンブレードの後部の断面図である。すなわち、供給キャビティ２０が従来のセラミックコアによって形成されており、チャネルすなわちスロット３４が高融点金属コアによって形成されている。この図において、図示を容易にするためにペデスタル列１９，２１，２２，２３，２４，２６が全て示されているが、ペデスタルの千鳥状の配置のために、この特定の平面に全てのペデスタルの断面が含まれることはない。

上述したペデスタルの小さい直径に加えて、ＲＭＣの使用により著しく寸法が減少したチャネルすなわちスロット３４の形成が容易になる。これは、勿論、従来のコア鋳造で得られるものよりも実質的に薄いＲＭＣの使用によって達成される。つまり、比較すると、従来の鋳造技術を使用する典型的な後縁ペデスタル列は、製造プロセス中にセラミックコアが破損するのを防ぐために、コアの製造時にセラミックスラリがコア型に完全に充填可能となるように比較的大きい特徴部を有するかなり厚いコアを有する。従来技術を使用すると、最終鋳造部品は、後縁を通るフローチャネルが比較的広く、かつフローチャネル内の特徴部が比較的大きいものになる。これにより、後縁冷却空気流が大きくなり、対流冷却効果が減少してしまう。さらに具体的には、従来のコア鋳造を使用するスロットの幅Ｗ（すなわち鋳造コアの厚さ）は、最も薄い箇所まで先細とした後の寸法を０．０１４インチ（０．３５５６ｍｍ）よりも大きくする必要があるのに対し、ＲＭＣ鋳造では、チャネル３４の幅Ｗをその全長にわたって０．０１０〜０．０１４インチ（０．２５４〜０．３５５６ｍｍ）とすることができる。このようなスロット寸法の減少により、エアフォイルの後縁の冷却における内部冷却空気流の効果を著しく高めることができる。

上述のペデスタルおよびスロットの説明は、ブレードの後縁に向かって冷却空気の流れを導くブレードの内部通路に関連している。次に、ブレードの後縁にさらに近い外部領域に関して本発明の他の特徴を説明する。

当然のことながら、エアフォイルの後縁３２の末端の冷却機構は、後縁３２の近傍における冷却空気と負圧側壁３３の金属との間の対流熱伝達だけである。この冷却は、１）一般的には望ましくない、後縁流れの増加、２）負圧側壁３３の上流における内部冷却回路に依存する、後縁流れの温度の減少、または３）後縁３２の近傍における負圧側壁３３の対流熱伝達率の増加によってさらに有効にすることができる。この第３の選択肢が、負圧側壁３３のカットバック部分３５に凸状（ポジティブ）のディンプルまたは同様の特徴部の形態であるあらさを生じさせることによって達成される。実験的な研究によれば、このあらさは、対流熱伝達を約１．５倍に増加させることができると推定される。

図５ａ，図５ｂ，図５ｃ，図６には、高融点金属コアを使用して後縁スロットあらさを生じさせるために使用される製造方法のステップが示されている。この説明は凸状で半球形のディンプルに関するが、同じ冷却目的を達成するために同じ方法を使用して異なる形状の凸状の特徴部を形成することも可能である。

図５ａに示すように、高融点金属コア３６は、正確な小さい特徴部を得ることができるプロセスであるフォトエッチングによって部分３８が取り除かれたマスク３７によって覆われる。フォトエッチングによって形成された開口部３８は、球体の一部の形状を有するディンプルを形成するように好ましくは円形である。マスクで覆われたＲＭＣは、続いて、マスクで覆われていないＲＭＣの部分をエッチングする化学溶液に浸される。

図５ｂに示すように、これらのエッチングされた領域は、ＲＭＣ３６に円形の凹部３９を形成し、この凹部の深さはＲＭＣが化学エッチング溶液に浸される時間によって決まる。ＲＭＣは、続いて洗浄されて鋳造エアフォイルのコアとして使用される。

結果が図５ｃ，図６に示されており、球体の一部の形状の外側面を有するディンプルがＲＭＣのカットバック面３５に形成されている。図示および理解されるように、ディンプル４１の寸法はスロット３４に比べてかなり小さい。例えば、満足に機能することが分かった設計には、ディンプルが球体の一部の形状を有し、かつ底面の直径が０．００５〜０．０２０インチ（０．１２７〜０．５０８ｍｍ）、高さが０．００２〜０．００８インチ（０．０５０８〜０．２０３２ｍｍ）、隣接するディンプル間の間隔が０．０１０〜０．０４０インチ（０．２５４〜１．０１６ｍｍ）の設計である。

後縁スロットあらさにディンプルを使用する潜在的利点の例として、典型的な商業用高圧タービンの第１ブレードの後縁冷却について検討する。追加の凸状のディンプルによってスロットの負圧側壁における対流熱伝達が１．５倍に増加すると、同量の冷却空気流が与えられた場合に後縁の末端における金属温度が６０°Ｆ（約３３．３℃）だけ減少する。これは、部品寿命を増加させる冷却空気流を減少させる上で大変重要な潜在能力である。

本発明は、特に図面に示した好適実施例を参照して開示および説明したが、当業者であれば分かるように、請求項に記載の本発明の趣旨および範囲から逸脱せずにその詳細に種々の変更を加えることができる。

本発明の一形態に係る後縁におけるペデスタルコアを示す、高圧タービンブレードコアの正圧面側から見た切欠き説明図である。 本発明の一形態に係る後縁におけるペデスタルコアを示す、高圧タービンブレードコアの負圧面側から見た切欠き説明図である。 ペデスタルをさらに詳細に示す、セラミックコアの概略的な部分拡大図である。 本発明の一形態に係る冷却空気通路とペデスタルを含むタービンブレードの部分断面図である。 本発明に係るブレードの後縁にディンプルを設けるための処理行程を示す説明図である。 本発明に係るブレードの後縁にディンプルを設けるための処理行程を示す説明図である。 本発明に係るブレードの後縁にディンプルを設けるための処理行程を示す説明図である。 ディンプルが形成されたブレード後縁の部分平面図である。

符号の説明

１９，２１，２２，２３，２４，２６…ペデスタル列
２０…供給キャビティ
３１…正圧側壁
３２…後縁
３３…負圧側壁
３４…スロット
３５…カットバック

Claims (20)

1. 翼幅方向に延在する下流端を有する正圧側壁と、下流の後縁を有する負圧側壁と、を備え、前記負圧側壁の背面を露出するように前記下流端が前記後縁から離間されているエアフォイルであって、
   前記の正圧側壁と負圧側壁との間に画成された翼幅方向の冷却空気キャビティと、
   前記キャビティの下流に配置された後縁領域と、
   前記冷却空気キャビティと前記後縁領域とを流体的に連通させる翼幅方向に延びるスロットと、を有し、
   前記スロットは、前記の負圧側壁と正圧側壁の間で前記スロットにわたって延在する複数のペデスタルを含み、前記ペデスタルは翼幅方向に延びる列に配列されており、最も上流のペデスタル列が、断面寸法が比較的小さいペデスタルを含む比較的下流のペデスタル列よりも大きい断面寸法を有することを特徴とするエアフォイル。
2. 前記比較的下流のペデスタル列は、断面寸法が実質的に等しいペデスタルの複数の列を含むことを特徴とする請求項１記載のエアフォイル。
3. 前記ペデスタルは、０．０２０インチよりも小さい断面寸法を有することを特徴とする請求項２記載のエアフォイル。
4. 前記ペデスタルは、０．００９〜０．０２０インチの断面寸法を有することを特徴とする請求項３記載のエアフォイル。
5. 各々の列における隣接するペデスタル間の間隙は、０．０２１インチ以下であることを特徴とする請求項１記載のエアフォイル。
6. 前記間隙は、０．０１０〜０．０２１インチであることを特徴とする請求項５記載のエアフォイル。
7. 前記スロットは、その全長にわたって０．０１４インチよりも小さい幅を有することを特徴とする請求項１記載のエアフォイル。
8. 前記スロットは、その全長にわたって０．０１０〜０．０１４インチの幅を有することを特徴とする請求項７記載のエアフォイル。
9. 正圧側壁と負圧側壁によって２つの面が定められる径方向に延びる冷却空気キャビティを有するエアフォイルであって、
   前記キャビティの下流に後縁領域が配置されており、この後縁領域は、長手方向に延びる冷却空気スロットを有しており、
   前記負圧側壁は下流の後縁を有するとともに、前記正圧側壁は翼幅方向に延在する下流端を有し、この下流端は、前記負圧側壁の背面を露出させるために前記下流の後縁から離間されており、
   前記背面には、前記スロットを通過する冷却空気流内に延在する複数の一段高い突出部が形成されていることを特徴とするエアフォイル。
10. 前記突出部は、半球形であり、かつ０．００５〜０．０２０インチの直径の底面を有することを特徴とする請求項９記載のエアフォイル。
11. 前記突出部は、０．００２〜０．００８インチの高さを有することを特徴とする請求項９記載のエアフォイル。
12. 隣接する突出部の間の距離が、０．０１０〜０．０４０インチであることを特徴とする請求項９記載のエアフォイル。
13. 下流端を有する正圧面と後縁を有する負圧面とを有し、前記後縁と前記下流端は、負圧側壁の背面を露出させるために離間されており、この背面上には、内部スロットからの冷却空気が流れるようになっているとともに、複数のディンプルが形成されているエアフォイルの形成方法であって、
    前記スロットに対応し、かつ前記背面を横切るように延びる高融点金属コアを製造し、
    前記背面に対応する位置に複数の開口部を有するマスクで前記高融点金属コアを覆い、
    前記開口部の領域において前記マスクに化学エッチング溶液を用いて、これらの開口部の位置において前記高融点金属コアに複数の凹部を形成し、
    前記高融点金属コアから前記マスクを取り外し、
    前記高融点金属コアの凹部に金属が満たされて前記エアフォイルの背面にディンプルが形成されるように、前記高融点金属コア上に金属を鋳造することを含むことを特徴とするエアフォイルの形成方法。
14. 前記ディンプルは、半球形であることを特徴とする請求項１３記載のエアフォイルの形成方法。
15. 前記ディンプルは、０．００５〜０．０２０インチの直径の底面を有することを特徴とする請求項１３記載のエアフォイルの形成方法。
16. 前記ディンプルは、０．００２〜０．００８インチの高さを有することを特徴とする請求項１３記載のエアフォイルの形成方法。
17. 正圧側壁と、負圧側壁と、前縁と後縁と、を有し、前記後縁は、前記負圧側壁の背面上の覆われていないランド部を露出させるように正圧面側でカットバックされているエアフォイルであって、
    前記の前縁から後縁に向かう方向に実質的に延びて、冷却空気流を、まず前記の正圧側壁と負圧側壁との間の内部キャビティから前記覆われていないランド部に向かって導くとともに、続いて前記後縁に向かって導く冷却空気流通路を有し、
    前記後縁は、低圧面と高圧面との間に形成されるとともに前記冷却空気流通路にわたる複数のペデスタルを含み、これらのペデスタルは、前記冷却空気流に対して実質的に垂直な方向に延びる隣接する列に配列されており、少なくとも１つの上流のペデスタル列が、下流のペデスタル列よりも断面積が大きいペデスタルを含むことを特徴とするエアフォイル。
18. 前記下流のペデスタル列は、実質的に等しい断面寸法を有するペデスタルの複数の列を含むことを特徴とする請求項１７記載のエアフォイル。
19. 前記ペデスタルは、０．０２０インチよりも小さい断面寸法を有することを特徴とする請求項１７記載のエアフォイル。
20. 前記スロットは、０．０１４インチよりも小さい幅を有することを特徴とする請求項１７記載のエアフォイル。

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