JP2008057534A - フィルム冷却式スロット付き壁およびその製作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジン内のフィルム冷却式スロット付き壁を改良して冷却効率を高めること。
【解決手段】物品１０は、第１の面１４と第２の面１６とを有する基板１２と；前記第２の面１６内に設けられるスロット２２であって、前記第２の面１６に対して実質的に平行な底面２８と第１の側壁２４と第２の側壁２６とを有し、前記第１の側壁２４は、前記第２の面１６に対して実質的に垂直であり、前記第１の側壁２４は、前記第２の面１６および前記底面２８と物理的に連通する複数個の面取り縁部３０を含むスロット２２と；前記基板１２を貫通して、前記第１の面１４から前記底面２８まで延在する複数個の通路穴３２であって、前記スロット２２内において、少なくとも１個の面取り縁部３０が２個の通路穴３２間に配置されるように整合せしめられる複数個の通路穴３２を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般にガスタービンエンジンに関し、特に、動翼、静翼、燃焼器ライナーおよび排気ノズルにおいて見られるようなガスタービンエンジン内のフィルム冷却式スロット付き壁に関する。

ガスタービンエンジンは、環境空気流を圧縮する圧縮機を含み、この空気は、その後、燃焼器内において燃料と混合され、かつ点火されて、高温の燃焼ガスを生じしめる。これらの高温の燃焼ガスは、動翼および静翼の上において下流に流れるとともに、たとえば排気ノズルから流出する。これらの構成要素の適切な耐用寿命を達成するためには、これらの構成要素を適切に冷却することが必要である。たとえば、動翼または静翼は、中空エーロフォイルを含んでおり、このエーロフォイルの外側は、前記燃焼ガスと接触し、エーロフォイルの内側には、該エーロフォイルを冷却するための冷却空気が供給される。フィルム冷却穴は、一般に、エーロフォイルの壁を貫通して設けられて、前記壁を介して冷却空気を導いてエーロフォイルの外側に排出してフィルム冷却空気層を形成させて、高温の燃焼ガスからエーロフォイルを保護する。

燃焼ガスが逆方向に前記フィルム穴を通ってエーロフォイル内に流入することを防ぐために、エーロフォイルの内側における冷却空気の圧力は、エーロフォイルの外側における燃焼ガスの圧力より高いレベルに維持される。エーロフォイルの外側の圧力に対するエーロフォイルの内側の圧力の比は、一般に逆流マージンと呼ばれる。さらに、エーロフォイルの外側に沿った高温燃焼ガスの質量速度に対する冷却空気の質量速度（気流速度と密度との積）の比は、時には吹出し比と呼ばれる。

フィルム冷却性能は、いくつかの方法で特徴づけられうる。たとえば、ひとつの関連ある性能指標は、断熱壁フィルム冷却効率と呼ばれ、これを以下では冷却効率と呼ぶ。この特定のパラメータは、冷却される表面におけるフィルム冷却用流体の濃度に関する。一般に、冷却効率が高いほど、表面は効率的に冷却されうる。冷却効率の低下は、ある一定の冷却能力を維持するために用いられる空気の量を増加させ、このことは、さらにまた、空気を燃焼領域から離れる方向に分流させる。この空気の分流は、非理想的な燃焼によって引き起こされる大気汚染の増加およびエンジン運転効率の低下等の問題を招きうる。
米国特許第６，３８３，６０２号公報 米国特許第６，２３４，７５５号公報 米国特許第５，６６０，５２５号公報 米国特許第５，６５１，６６２号公報

したがって、フィルム冷却壁を改良して冷却効率を高めることが引き続き求められている。

本明細書において、フィルム冷却式スロット付き壁を有する物品と該物品の製作方法とを開示する。

ひとつの実施形態では、物品は、第１の面と第２の面とを有する基板と；前記第２の面内に配置されるスロットであって、前記第２の面に対して実質的に平行な底面と第１の側壁と第２の側壁とを有し、前記第１の側壁が前記第２の面に対して実質的に垂直であり、前記第２の面および前記底面と物理的に連通する複数個の面取り縁部を含むスロットと；前記基板を貫通して前記第１の面から前記底面まで延在する複数個の通路穴であって、前記スロット内において、少なくとも１個の面取り縁部が２個の通路穴間に配置されるように整合せしめられる複数個の通路穴とからなる。

また他の実施形態では、物品は、第１の面と第２の面とを有する基板と；前記第２の面上に配置される断熱被膜系と；前記断熱被膜系内に設けられるスロットであって、前記第２の面に対して実質的に平行な底面と第１の側壁と第２の側壁とを有し、前記第１の側壁が前記第２の面に対して実質的に垂直であり、前記第１の側壁は前記断熱被膜系および前記底面と物理的に連通する複数個の面取り縁部を含むスロットと；前記基板を貫通して前記第１の面から前記底面まで延在する複数個の通路穴であって、前記スロット内において、少なくとも１個の面取り縁部が２個の通路穴間に配置されるように整合せしめられる複数個の通路穴とからなる。

また、ここで開示する物品の製作方法は、基板の第２の面内にスロットを形成させて、前記スロットが、前記第２の面に対して実質的に平行な底面と、前記第２の面に対して実質的に垂直であり、かつ前記第２の面および前記底面と物理的に連通する複数個の面取り縁部を含む第１の側壁と、第２の側壁とを有するようにする段階と；前記基板を貫通して第１の面から前記スロットの前記底面まで複数個の通路穴を形成させて、前記複数個の通路穴が、前記スロット内において、少なくとも１個の面取り縁部が２個の通路穴間に配置されるように整合せしめられるようにする段階とからなる。

前記およびその他の特徴を以下の図面と詳細な説明とによって例証する。

例証的な図面を参照すると、同様の要素には、いくつかの図面において同様の符号が付されている。

本明細書において、フィルム冷却式スロット付き壁を有する物品を開示する。説明しやすくするために、以下では、本開示がその他の物品にも容易に適用されうることを理解した上で、ガスタービンエンジン構成要素（たとえば動翼、静翼、燃焼器ライナー、排気ノズル等）に言及する。以下により詳細に説明されるように、この物品は、基板を貫通して該基板の第１の面から該基板の第２の面内に配置されるスロット（溝）の底面まで延在する複数個の通路穴を含む。これらの複数個の通路穴は、前記スロット内において、前記スロットの側壁の少なくとも１個の面取り縁部が２個の通路穴間に配置されるように整合せしめられる。前記側壁の残りの部分は、第２の面に対して実質的に垂直である。本開示の物品においては、既存のフィルム冷却式の物品と比べて、冷却と空気力学とのいずれについても性能の向上が実現されうることがわかった。

以下の説明において、「実質的に垂直（略垂直）」という用語は、また他の面に対する垂直度が０度〜約２５度である特徴を示すために用いられる。同様に、「実質的に平行（略平行）」という用語は、また他の面に対する平行度が０度〜約１０度である特徴を示すために用いられる。加えて、「上流」方向は、局所流が流れてくる方向を示す一方で、「下流」方向は、局所流が流れていく方向を示す。

図１を参照すると、ガスタービンエンジン構成要素等の物品１０が図示されている。この物品１０は、第１の面１４と第２の面１６とを有する基板１２からなる。第１の面１４は、「低温」面とも呼ばれうる一方で、第２の面１６は、「高温」面と呼ばれ得、これは、第２の面１６が、運転時において、一般に第１の面１４より相対的に高温にさらされるためである。たとえば、ガスタービンエンジン構成要素の場合は、第２の面１６は、少なくとも約１，０００°Ｃの温度を有するガスにさらされうる。この範囲内において、温度は、２，０００°Ｃの高さにまで達しうるが、一般には約１，０００°Ｃ〜約１，６００°Ｃである。

基板１２の材料は、用途によって変動する。たとえば、ガスタービンエンジン構成要素の場合は、基板１２は、所望の運転条件に耐えることができる材料からなる。適切な材料には、セラミックスおよび金属を基本とする材料が含まれるが、これらに制限されるわけではない。金属の非限定的な例には、鋼と；チタン等の高融点金属と；ニッケル、コバルトまたは鉄を基本とする超合金とが含まれる。しかし、その他の実施例は面取り壁部を有するスロット特性が冷却特性よりむしろ空気力学特性として用いられることを想定していると理解されるべきであり、したがって、基板１２は、前記の熱負荷より低い熱負荷に耐える材料からなりうる。たとえば、基板１２は、アルミニウムからなりうる。

ひとつの実施例において、基板１２の第１の面１４は、基板１２の第２の面１６の反対側にある。たとえば、第１の面１４と第２の面１６とは、互いに平行でありうる。第２の面１６内には、溝とも呼ばれうるスロット２２が配置される。このスロット２２は、第２の面１６を長手方向に完全に横切るか、または第２の面１６を部分的に横切って延在しうる。スロット２２は、第１の側壁２４と第２の側壁２６と底面２８とを含む。この底面２８は、第２の面１６に対して実質的に平行である。ひとつの実施例において、第２の側壁２６は、第２の面１６に対して実質的に垂直とされうる。第１の側壁２４は、第２の面１６に対して実質的に垂直であるが、さらにまた複数個の面取り縁部３０を含む。さらにまた、第１の側壁２４は、運転時における流体の流れという観点において、第２の側壁２６より下流にあることに注意されたい。

面取り縁部３０は、第２の面１６およびスロット２２の底面２８と物理的に連通する傾斜面を含む。面取り縁部３０の形状は用途によって変動する一方で、前記形状は、運転時において冷却用流体（たとえば空気）を第２の面１６上に維持するのに適する。加えて、面取り縁部３０は、運転時において冷却用流体を第２の面上に面に沿って拡散させるのに適した形状を有しうる。各面取り縁部の形状は、同じであるか、または互いに異なりうる。適切な形状には、傾斜ダブテール（蟻継ぎ９のような形状（または拡散形または扇形）、傾斜Ｖ形状および傾斜矩形状が含まれるが、これらに制限されるわけではない。さらにまた、前記形状の縁部は、鋭角とされるか、またはさまざまな角度に丸み付けされうる。面取り縁部３０を含むスロット２２は、レーザまたはウォータジェット加工を含むが、これらに制限されない何らかの適切な方法により形成されうる。

複数個の通路穴３２は、長手方向に互いに離間するとともに、基板１２を貫通して前記基板の第１の面１４からスロット２２の底面２８まで延在する。ひとつの実施例において、これらの通路穴３２は、傾斜せしめられ、すなわちある角度をなして基板を貫通して設けられる。たとえば、通路穴３２は、約１０度〜約６０度の角度、特に約２０度〜約４０度の角度に傾斜せしめられうる。構成要素の形状およびその冷却要件等が、通路穴３２の特定の角度を決定する。通路穴が角度をなして基板を貫通することにより、有利な点として、ブローオフが減少して、以ってフィルム冷却効果が向上する。

通路穴３２の直径は、均一であってもよく、または、これに代わる方法として変動してもよい。たとえば、ある実施例では、各通路穴３２のスロート３４は、実質的に円筒状である一方で、通路穴３２の脱出領域３６は、長円形、拡散形または何らかのその他の適切な形状とされうる。通路穴３２の脱出領域３６は、通路穴３２がスロット２２の底面２８において終端する領域である。拡散形の穴の適切な例には、米国特許第６，２３４，７５５号に図示および説明されるものが含まれ、前記特許は、参照により完全に本明細書に取り入れられる。

複数個の通路穴３２は、スロット２２内において、第１の側壁２４の少なくとも１個の面取り縁部３０が２個の穴３２間に配置されるように整合せしめられる。この構成は、有利な点として、第１の側壁の実質的に垂直な部分が、運転時において冷却用流体をスロット２２内において面に沿って分散させる妨害機能として作用することを可能にする。さらに、面取り縁部３０は、冷却用媒体を第２の面１６付近に維持する一方で、さらにまた運転時において冷却用流体を第２の面１６上に面に沿って拡散させることを可能にする。妨害機能と流体流の分散機能との組合せは、有利な点として、既存のフィルム冷却式の物品と比べて冷却および空気力学のいずれの性能をも向上させる。

運転時において、圧縮空気等の冷却用流体は、第１の面１２と連通する流体源からスロット２２内へと移動する。冷却用流体は、たとえば矢印３８として図示されている。通路穴３２の脱出領域３６から流出する冷却用流体は、実質的に、第１の側壁２４の実質的に垂直な部分によって妨害され、これによって、冷却用流体は、スロット２２内において面に沿って分散せしめられる。しかし、図示されているように、一部の冷却用流体は、第１の側壁２４の上を移動しうる。有利な点として、面取り縁部３０は、冷却用流体がスロット２２から第２の面１６へと送られることを可能にして、冷却用流体が第２の面１６付近に維持されるようにする。加えて、面取り縁部３０は、冷却空気を第２の面１６上に面に沿って拡散させる。線４０は、第２の面１６上において冷却用流体の上を流れる高温排気ガスを表す。冷却用流体は、第２の面１６上において冷却フィルムを形成し、この冷却フィルムは、第２の面１６に到達する入射熱流束を少なくとも減少させる作用をする。

図２を参照すると、ガスタービンエンジン構成要素等の物品５０が図示されている。この物品５０は、第１の面１４と第２の面１６とを有する基板１２からなる。任意の断熱被膜（ＴＢＣ）系１８が、第２の面１６に設けられて、第２の面１６を腐食から保護し、かつ／または基板１２がさらされうる運転温度を高くするとともに、任意の結合層２０を酸化から保護する。ＴＢＣ系１８は、単一層として図示されている一方で、このＴＢＣ系１８は、複数層からなりうることが理解されるべきである。多層ＴＢＣ系において、各層は、その他の層と同様の、または異なる組成物からなりうる。加えて、各層の厚さは、同じであるか、または異なりうる。

ＴＢＣ系１８は、いくつかの実施例においては、第２の面１６に直接結合され得、または任意の結合層２０を用いて、基板１２に対するＴＢＣ系１８の付着が高められうる。結合層２０は、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）または溶射法を含むが、これらに制限されるわけではないさまざまな技術により施されうる。溶射法の例には、真空プラズマ溶射、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）および空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）が含まれるが、これらに制限されるわけではない。さらにまた、溶射法とＣＶＤ技術とを組み合わせたものを用いてもよい。

ひとつの実施例において、結合層２０は、「ＭＣｒＡｌＹ」からなる材料により形成され、ここで、「Ｍ」は、鉄、ニッケルまたはコバルトを表す。その他の実施例では、結合層２０は、アルミナイドまたは貴金属‐アルミナイド材料（たとえばプラチナ‐アルミナイド）からなる。その後、ＴＢＣ系１８が結合層２０の上に施されうる。タービン翼の場合は、ＴＢＣ系１８は、イットリア等の酸化物を用いて安定化されるジルコニアを基本とする材料でありうる。ＴＢＣ系１８は、溶射技術および電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）を含むが、これらに制限されるわけではないさまざまな技術によって施されうる。

ＴＢＣ系１８内には、スロット２２が設けられ、このスロットは、任意の結合層２０または第２の面１６まで延在してもよく、またはしなくてもよい。さらに、スロット２２は、完全にＴＢＣ系１８を横切るか、または部分的にＴＢＣ系１８を横切るかのいずれかの態様で、長手方向にＴＢＣ系１８を横切って延在しうる。スロット２２は、第１の側壁２４と第２の側壁２６と底面２８とからなる。この底面２８は、第２の面１６に対して実質的に平行である。ひとつの実施例において、第２の側壁２６は、第２の面１６に対して実質的に垂直である。第１の側壁２４は、第２の面１６に対して実質的に垂直であるが、さらにまた複数個の面取り縁部３０を含む。さらにまた、この第１の側壁２４は、運転時における流体の流れという観点において、第２の側壁２６より下流にあることに注意されたい。

面取り縁部３０は、ＴＢＣ系１８およびスロット２２の底面２８と物理的に連通する傾斜面を含む。複数個の通路穴３２が、長手方向に互いに離間するとともに、基板１２を貫通して、前記基板の第１の面１４からスロット２２の底面２８まで延在する。ひとつの実施例では、各通路穴３２のスロート３４は、実質的に円筒状である一方で、通路穴３２の脱出領域３６は、長円形、拡散形または何らかのその他の適切な形状とされうる。通路穴３２の脱出領域３６は、通路穴３２がスロット２２の底面２８において終端する領域である。複数個の通路穴３２は、スロット２２内において、第１の側壁２４の少なくとも１個の面取り縁部３０が２個の通路穴３２間に配置されるように整合せしめられる。

本明細書に開示の物品は、第２の面１６全体にわたって延在してもよく、またはしなくてもよい１個以上のスロットを含みうることが理解されるべきである。任意の追加のスロットにおいて、通路穴の個数、形状および配置は、通路穴３２の場合と同じであってもよく、または異なってもよい。さらに、面取り縁部の形状は、面取り縁部３０の場合と同じであってもよく、または異なってもよい。

有利な点として、開示の物品では、既存のフィルム冷却式の物品と比べて、冷却および空気力学の両方に関して性能の向上が実現されうる。さらに、前記物品の製造もまた、完全に尖った垂直縁部の場合に対して面取り部分を用いると容易になる。加えて、側壁材料を除去すること（面取り）により、運転時における材料の損失の危険性が低下する。

例証的な実施例を参照して、本発明を説明したが、当業者には、本発明の範囲から逸脱することなしに、さまざまな変更を加えうることと、同等物が本発明の要素の代わりに用いられうることとが理解されよう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなしに、多くの改変を行なって、本発明の教示を特定の状況または材料に適合させることができる。したがって、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示された特定の実施例に制限されるわけではなく、添付の特許請求の範囲に含まれる全ての実施例を含むことを意図している。

フィルム冷却式スロット付き壁を有する物品の実施例の斜視図である。 断熱被膜系を含むフィルム冷却式スロット付き壁を有する物品の実施例の斜視図である。

符号の説明

１０ 物品
１２ 基板
１４ 第１の面
１６ 第２の面
１８ 断熱被膜
２０ 結合層
２２ スロット
２４ 第１の側壁
２６ 第２の側壁
２８ 底面
３０ 面取り縁部
３２ 通路穴
３４ スロート
３６ 脱出領域
３８ 冷却用流体
４０ 高温排気ガス
５０ 物品

Claims (9)

1. 第１の面（１４）と第２の面（１６）とを有する基板（１２）と；
   前記第２の面（１６）内に設けられるスロット（２２）であって、前記第２の面（１６）に対して略平行な底面（２８）と第１の側壁（２４）と第２の側壁（２６）とを有し、前記第１の側壁（２４）は、前記第２の面（１６）に対して略垂直であり、前記第１の側壁（２４）は、前記第２の面（１６）および前記底面（２８）と物理的に連通する複数個の面取り縁部（３０）を含むスロット（２２）と：
   前記基板（１２）を貫通して、前記第１の面（１４）から前記底面（２８）まで延在する複数個の通路穴（３２）であって、前記スロット（２２）内において、少なくとも１個の面取り縁部（３０）が２個の通路穴（３２）間に配置されるように整合せしめられる複数個の通路穴（３２）と
   からなる物品（１０）。
2. 前記第２の側壁（２６）は、前記第２の面（１６）に対して略垂直である請求項１に記載の物品。
3. 前記複数個の通路穴の少なくとも１個の通路穴（３２）は、拡散形からなる請求項１に記載の物品。
4. 前記複数個の通路穴（３２）は、ある角度をなして前記基板を貫通して延在する請求項１に記載の物品。
5. 前記角度は、１０度〜６０度である請求項４に記載の物品。
6. 前記角度は、２０度〜４０度である請求項５に記載の物品。
7. 前記第１の面（１４）と前記第２の面（１６）とは互いに反対側にあり、かつ平行である請求項１に記載の物品。
8. 前記基板（１２）は、セラミックまたは金属を基本とする材料からなる請求項１に記載の物品。
9. 前記面取り縁部（３０）は、ダブテール形の形状、傾斜Ｖ形状および傾斜矩形状によって構成されるグループから選択される形状からなる請求項１に記載の物品。

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