JP2008151129A - タービンエンジンコンポーネントおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンエンジンコンポーネントのエアフォイル部分用の改良型冷却システムを提供する。
【解決手段】タービンエンジンコンポーネント１０が、正圧面側壁部２０および負圧面側壁部２２ならびに冷却システムを有するエアフォイル部分１４を有する。冷却システムは、エアフォイル部分１４に沿って長手方向に配置された少なくとも１つの冷却回路２４を備える。冷却回路２４の各々は、熱吸収を増大するために、互い違いに配置された複数の内部ペデスタル２６を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、タービンエンジンコンポーネントのエアフォイル部分用の改良型冷却システムおよびその製造方法に関する。

耐熱金属コア（ＲＭＣ）要素を使用して形成された、タービンブレードなどタービンエンジンコンポーネントの従来の設計は、エアフォイル部分の金属を対流冷却するために、タービンエンジンコンポーネントのエアフォイル部分の周りに配置された周辺冷却回路を有する。図１は、そのような１つのタービンエンジンコンポーネントの正圧面の図を示し、一方、図２は、タービンエンジンコンポーネントの負圧面の図を示す。ある例においては、軸方向の内部コアは、フィルム冷却スロットとして終わる。周辺微細回路のフィルム冷却と対流冷却との組合せは、全体的な冷却効率を著しく高める。これによって、従来の冷却設計と同量またはより少量の冷却流を使用して、エアフォイル部分の寿命が延長されることとなる。

従来のエアフォイル形状は、図１および図２に示されているように極めて３次的であり、様々なエアフォイル形状に適合するようにＲＭＣ要素を形成することは、残留応力によって、これらのコア要素が鋳造中に変形される前の形状に跳ね返る傾向があるため、困難となる場合がある。その結果、ワックスとコア要素とが共に組み立てられる鋳造準備段階中に、位置決め公差を維持することが困難となる。インベストメント鋳造中には、液体金属が鋳造パターンに導入されるため、特にプリフォーム条件により残留応力が存在する場合、コアが受ける温度によりＲＭＣ要素が変形することがある。

プリフォーム作業の結果を最小限に抑えることが望ましい。

タービンエンジンコンポーネントは、正圧面側壁部および負圧面側壁部ならびに冷却システムを有するエアフォイル部分を備える。冷却システムは、エアフォイル部分に沿って長手方向に配置された少なくとも１つの冷却回路を備える。各冷却回路は、熱吸収を増大するために、互い違いに配置された複数の内部ペデスタルを有する。

一実施形態では、タービンエンジンコンポーネントは、正圧面側壁部と、負圧面側壁部と、前縁および後縁と、エアフォイル部分内の複数の冷却回路と、を有するエアフォイル部分を備える。冷却回路の各々は、互いに間隔を置いて、正圧面側壁部に延在する複数の出口スロットを有する。冷却回路の各々は、互い違いに複数の配置された内部ペデスタルをさらに有する。

タービンエンジンコンポーネントの製造方法について記載する。本方法は、エアフォイル部分を形成するステップを広く含み、このエアフォイル形成ステップは、エアフォイル部分の正圧面側壁部に亘って延在する少なくとも１つの出口スロットを有し、エアフォイル部分内を長手方向に延在する少なくとも１つの冷却回路を形成するステップを含む。

図面を参照すると、図３〜図５には、プラットフォーム１２と、根部部分（図示せず）と、エアフォイル部分１４と、を有するタービンエンジンコンポーネント１０が示されている。エアフォイル部分１４は、前縁１６と、後縁１８と、前縁１６と後縁１８との間に延びる正圧面側壁部２０と、前縁１６と後縁１８との間に延びる負圧面側壁部２２と、を有する。

エアフォイル部分１４は、エアフォイル部分に沿って長手方向に配置された１つまたは複数の冷却回路２４を有する。各冷却回路２４は、エアフォイル部分１４の先端部分２３付近の位置から、プラットフォーム１２付近の位置に延在する。さらに、各冷却回路２４は、互い違いに配置された複数のペデスタル２６を備えることが好ましい。互い違いに配置されたペデスタル２６は、図６Ａ〜図６Ｃに示されている形状のうち１つまたは複数の形状を有することができる。図６Ａからわかるように、ペデスタル２６は丸形とすることができる。図６Ｂからわかるように、ペデスタル２６は、矩形または正方形とすることができる。図６Ｃからわかるように、ペデスタル２６は菱形とすることができる。各冷却回路２４内の互い違いに配置されたペデスタル２６は、回路２４内の冷却流体流に乱流を生じさせ、したがって熱吸収を増大させることが有利である。

図４からわかるように、冷却回路２４は各々、エンジン抽気など冷却流体を、正圧面側壁部２０と負圧面側壁部２２との間に位置する共通供給キャビティ２８から受けることができる。供給キャビティ２８はまた、エアフォイル部分先端２３付近のある点からプラットフォーム１２付近の位置まで延在する。供給キャビティ２８は、エアフォイル部分１４の根部部分３１内の１つまたは複数の流体キャビティ２９など、当技術分野で周知の任意の好適な手段を使用して、冷却流体源と連通することができる。冷却回路２４は、正圧面側壁部２０の外部表面を覆うように冷却流体が流出することを可能にする１つまたは複数のスロット出口３０を有する。典型的には、各冷却回路２４は、実質的に翼幅（スパン）方向つまり長手方向に位置合わせされる、互いに間隔を置いた複数のスロット出口３０を有する。また、冷却回路２４の１つは、そのスロット出口３０を、後縁１８に近接して配置することができる。スロット出口３０から出る冷却流は、典型的には、涙滴形状（ｔｅａｒｄｒｏｐ）の作用によって分配される。このようにして、スロットフィルム被覆率が著しく高くなる。これにより、エアフォイル部分１４について高い値の全体的な冷却効果が得られる。

タービンエンジンコンポーネント１０はまた、インピンジメント用クロスオーバ穴３３を備えた前縁冷却回路３２を有する。このクロスオーバー穴３３は、前縁１６に形成または機械加工された複数の形状化されたフィルム冷却穴３４に供給する。冷却穴３４は、正圧面側壁部２０に亘って延在する。前縁冷却回路３２は、前縁供給キャビティ３６から冷却流体を受ける。

必要に応じて、図３および図４に示されているように、タービンエンジンコンポーネント１０は、エアフォイル部分１４の正圧面側壁部２０内に機械加工または形成された１つまたは複数の追加のスロット出口３８を有することができる。追加のスロット出口３８は、正圧面側壁部２０に亘って延在し、形状化された冷却穴３４とスロット出口の列との間に位置することができる。出口スロット３８は、冷却流体を供給キャビティ２８から受ける。

冷却回路２４の各々は、熱吸収を向上するように、互い違いに配置された複数のペデスタル２６を有する。図４および図５に示されているように、各冷却回路２４内のペデスタル２６を、隣接する冷却回路２４内のペデスタル２６からオフセットさせてもよい。

図５に示されているように、必要に応じて、少なくとも１つの冷却回路２４が、１つまたは複数の涙滴形ペデスタル２６’を有することができる。

図７に示されているように、タービンエンジンコンポーネント１０は、分割線１０２に沿って分かれるダイつまり鋳型１００を設けることによって形成される。鋳型つまりダイ１００は、エアフォイル部分１４を形成するように形作られる。鋳型つまりダイ１００はまた、プラットフォーム１２および根部部分３１（図示せず）を形成するように構成することができる。これらの特徴部を形成するための鋳型つまりダイ１００の一部分は、便宜上示されていない。

供給キャビティ２８、３６を形成するために、２つのセラミックコア１０２、１０４を鋳型つまりダイ１００内で位置決めすることができる。冷却回路２４を形成するために、１つまたは複数の耐熱金属コア要素１０６をダイつまり鋳型１００内に配置することができる。各耐熱金属コア要素１０６は、当技術分野で周知の、任意の好適な手段を使用して、セラミックコア１０４に取り付けることができる。

各耐熱金属コア要素１０６は、図８に示されているような形状を有することができる。この図からわかるように、耐熱金属コア要素１０６は、互い違いに配置された複数の形状化された領域１０８を有し、これらの形状化された領域１０８から、互い違いに配列されたペデスタル２６の列が形成される。各耐熱金属コア要素は、エアフォイル部分の輪郭に合うようにわずかな変形を有するパターンで組み立てることができるため、プリフォーム（ｐｒｅ−ｆｏｒｍｉｎｇ）要件が最小限である。鋳造中には、ペデスタル２６は、金属温度が比較的低くなり、これによって、エアフォイル部分１４のクリープ能力が向上する。

必要に応じて、タービンエンジンコンポーネントの形状のワックスパターンを形成し、このワックスパターンの周囲に、セラミックシェルを形成してもよい。タービンエンジンコンポーネントは、溶融金属を鋳型つまりダイ１００内に導入し、ワックスパターンを溶解することによって形成することができる。凝固すると、プラットフォーム１２とエアフォイル部分１４とを有するタービンエンジンコンポーネント１０となる。セラミックコア１０２、１０４は、リーチング（ｌｅａｃｈｉｎｇ）作業など、当技術分野で周知の、任意の好適な技法を使用して除去することができ、供給キャビティ２８、３６を形成する。その後で、耐熱金属コア要素１０６を、リーチング作業など、当技術分野で周知の、任意の好適な技法を使用して除去することができる。その結果、冷却回路２４が形成され、エアフォイル部分１４の正圧面側壁部２０がスロット出口３０を有することになる。

前縁冷却穴３４およびインピンジメント用クロスオーバ穴３３を、当技術分野で周知の、任意の好適な手段を使用して形成することができる。たとえば、インピンジメント用クロスオーバ穴３３を、コア構造物１０２、１０４に連結されたセラミックコア構造物１０３によって形成することができる。前縁冷却穴３４を、鋳造エアフォイル部分１４内にドリル加工することができる。

形状化された穴３８はまた、ＥＤＭ加工法など、当技術分野で周知の任意の好適な技法を使用して形成することができる。

本明細書で述べられている方法を使用してタービンエンジンコンポーネントを形成すると、生産性が増大し、プリフォーム作業が簡単になる。さらに、タービンエンジンコンポーネントは、スロットフィルム被覆率が上昇し、これにより全体的な効率が上昇することとなる。

タービンエンジンコンポーネント１０は、ブレード、ベーン、または冷却を必要とするエアフォイル部分を有する他のタービンエンジンコンポーネントとすることができる。

従来のタービンエンジンコンポーネントの正圧面側の図。 図１のタービンエンジンコンポーネントの負圧面側の図。 タービンエンジンコンポーネントの正圧面側壁部の図。 図３の線４−４に沿った断面図。 図３のタービンエンジンコンポーネント内の、複数の冷却回路の一部分の拡大図。 微細冷却回路内で使用することができるペデスタルの第１の実施形態を示す図。 微細冷却回路内で使用することができるペデスタルの第２の実施形態を示す図。 微細冷却回路内で使用することができるペデスタルの第３の実施形態を示す図。 図３のタービンエンジンコンポーネントのエアフォイル部分を鋳造するシステムを示す図。 図７の鋳造システム内で使用される耐熱金属コア要素を示す図。

Claims (25)

1. 正圧面側壁部および負圧面側壁部ならびに冷却システムを有するエアフォイル部分を備えたタービンエンジンコンポーネントであって、前記冷却システムが、前記エアフォイル部分に沿って長手方向に配置された少なくとも１つの冷却回路を備え、前記冷却回路の各々が、熱吸収を増大するために、互い違いに配置された複数の内部ペデスタルを有することを特徴とするタービンエンジンコンポーネント。
2. 前記エアフォイル部分に沿って長手方向に配置された複数の冷却回路と、前記冷却回路の各々と連通する第１の冷却流体供給キャビティと、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
3. 前記冷却回路の各々が、前記正圧面側壁部の外部表面を覆うように冷却流体を分配する少なくとも１つの出口を有することを特徴とする請求項２に記載のタービンエンジンコンポーネント。
4. 前記冷却回路の少なくとも１つが、前記エアフォイル部分の後縁に近接して冷却流体を分配する少なくとも１つの出口を有することを特徴とする請求項２に記載のタービンエンジンコンポーネント。
5. 前記冷却回路のうちの第１の冷却回路内の前記互い違いに配置されたペデスタルが、前記第１の冷却回路に隣接する第２の冷却回路内の前記互い違いに配置されたペデスタルからオフセットされることを特徴とする請求項２に記載のタービンエンジンコンポーネント。
6. 前縁冷却回路をさらに備え、前記前縁冷却回路が、前記エアフォイル部分の前縁における複数のフィルム冷却穴に供給する複数のクロスオーバ穴を備え、前記前縁冷却回路が、第１の供給キャビティから冷却流体を受けることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
7. 冷却流体を前記少なくとも１つの冷却回路に供給する第２の供給キャビティをさらに備え、前記第１の供給キャビティが、前記第２の供給キャビティと流体連通することを特徴とする請求項６に記載のタービンエンジンコンポーネント。
8. 前記正圧面側壁部内に形成された少なくとも１つの追加のスロット出口をさらに備え、前記少なくとも１つの追加のスロット出口が、前記第２の供給キャビティから冷却流体の供給を受けることを特徴とする請求項７に記載のタービンエンジンコンポーネント。
9. 複数の追加のスロット出口をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載のタービンエンジンコンポーネント。
10. プラットフォームを有し、前記冷却回路の各々が、前記エアフォイル部分の先端から前記プラットフォーム付近の位置に亘って延在し、前記冷却回路の各々が、前記先端から前記プラットフォーム付近の前記位置に亘って延在する供給キャビティから流体の供給を受けることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
11. 前記ペデスタルの各々が丸形であることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
12. 前記ペデスタルの各々が菱形であることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
13. 前記ペデスタルの各々が矩形であることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
14. 前縁および後縁を有する前記エアフォイル部分と、
    前記エアフォイル部分内の複数の冷却回路と、
    をさらに備え、
    前記冷却回路の各々が、間隔を置いて前記正圧面側壁部に延在する複数の出口スロットを有することを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
15. 前記冷却回路のうちの第１の冷却回路内の前記互い違いに配置されたペデスタルが、前記第１の冷却回路に隣接する前記冷却回路のうちの第２の冷却回路内の前記互い違いに配置されたペデスタルからオフセットされることを特徴とする請求項１４に記載のタービンエンジンコンポーネント。
16. 前記冷却回路のうちの第３の冷却回路内の前記互い違いに配置されたペデスタルが、前記第３の冷却回路に隣接する前記第２の冷却回路内の前記互い違いに配置されたペデスタルからオフセットされることを特徴とする請求項１５に記載のタービンエンジンコンポーネント。
17. 前記エアフォイル部分の先端付近の位置からタービンエンジンコンポーネントのプラットフォーム付近の位置まで、前記正圧面側壁部に亘って延在する複数の形状化された出口スロットを有する前縁冷却回路をさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載のタービンエンジンコンポーネント。
18. 前記形状化された出口スロットと前記冷却回路の１つの冷却回路の前記出口スロットとの間に位置する前記正圧面側壁部に亘って延在する複数の追加の冷却スロットをさらに備え、前記追加の冷却スロットが、前記先端付近の他の位置から前記プラットフォーム付近の他の位置に延在することを特徴とする請求項１７に記載のタービンエンジンコンポーネント。
19. エアフォイル部分を形成するステップを含み、
    このエアフォイル形成ステップは、前記エアフォイル部分の正圧面側壁部に亘って延在する少なくとも１つの出口スロットを有し、前記エアフォイル部分内を長手方向に延在する少なくとも１つの冷却回路を形成するステップを含むことを特徴とするタービンエンジンコンポーネントの製造方法。
20. 前記少なくとも１つの冷却回路を形成するステップが、前記エアフォイル部分内で長手方向に延在する複数の冷却回路を形成するステップを含み、前記少なくとも１つの冷却回路を形成するステップが、互い違いに配置された複数の内部ペデスタルを有する前記冷却回路の各々を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載のタービンエンジンコンポーネントの製造方法。
21. 前記少なくとも１つの冷却回路を形成するステップが、前記冷却回路の各々を形成するために少なくとも１つの耐熱金属コア要素を使用するステップを含むことを特徴とする請求項２０に記載のタービンエンジンコンポーネントの製造方法。
22. 前記少なくとも１つの冷却回路を形成するステップが、前記冷却回路を形成するために複数の耐熱金属コア要素を使用するステップと、前記耐熱金属コア要素の各々を鋳型内に配置するステップと、を含むことを特徴とする請求項２１に記載のタービンエンジンコンポーネントの製造方法。
23. 前記鋳型内にセラミックコアを配置するステップと、前記耐熱金属コア要素の各々を前記セラミックコアに取り付けるステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項２２に記載のタービンエンジンコンポーネントの製造方法。
24. 前記タービンエンジンコンポーネントの形状にワックスパターンを形成するステップと、前記ワックスパターンの周りでセラミックシェルを形成するステップと、前記ワックスパターンを除去するステップと、前記エアフォイル部分を形成するために、溶融金属を前記鋳型に注入するステップと、前記溶融金属を凝固させ、その後で前記耐熱金属コア要素を除去するステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項２３に記載のタービンエンジンコンポーネントの製造方法。
25. 前記エアフォイル部分の前記正圧面側壁部の前縁部分内に複数の形状化された冷却流体出口穴を形成するステップと、前記正圧面側壁部の中間部分内に複数の冷却流体出口スロットを形成するステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項２４に記載のタービンエンジンコンポーネントの製造方法。

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