JP2009174533A - 壁内に形成される冷却チャネル - Google Patents

Abstract

【課題】空気力学的制約および熱的制約を満たす拡散部の形状を保ちながら、機械的強度における問題に対する解決策を提案すること。
【解決手段】内部に形成される少なくとも１つの冷却チャネルを有する壁要素（１２）であって、壁要素は内面（１６）と外面（１５）とを有し、チャネルは孔（１３）と拡散部（１０）とを備え、孔は一端部で内面へと開口し、他端部でオリフィス（１３Ａ）を形成することにより拡散部へと開口し、拡散部は上記オリフィス周りで末広がり状に広がり、底壁（１４）と側縁部（１７）とにより画定される。上記底壁は、孔が開口する先の第１の平面部（１）と第１の平面部の前方に位置する第２の平面部（２）とを有し、上記第１および第２の平面部は壁の厚さ内で傾斜する。上記第１の平面部（１）の配向される傾斜角度（β）は、上記第２の平面部（２）の正に配向される傾斜角度（α）より小さい。
【選択図】図２

Description

本発明は、壁要素、上記壁要素を形成する電極、およびそれらに関連する製造方法に関する。特に、壁はターボ機械のタービンの中空ブレードの壁とすることができる。

より正確には、本発明は、内部に形成される少なくとも１つの冷却チャネルを有する壁要素に関する。上記壁要素は、上記チャネル内を流れる冷却ガスにより冷却されるのに適した内面と外面とを有し、チャネルは孔と拡散部とを備え、孔は一端部で内面へと開口し、他端部ではオリフィスを形成することにより拡散部へと開口し、拡散部は上記オリフィス周りで末広がり状に広がり、底壁と側縁部とにより画定される。

仏国特許第２８８９０８９号明細書は、航空機のターボジェットエンジン用の中空ブレードの壁の上述の規定のタイプの形成部分である壁要素の例を示す。図１は、仏国特許第２８８９０８９号明細書の例に類似した別の知られている例を示す。この例では、拡散部２０の形状は、設計者により空気力学的制約および熱的制約に基づいて決定される。しかし、この拡散部２０は、壁２２内部に非常に深く入り込んでいる。このことは、壁２２を局所的に薄くし、機械的観点から壁２２を弱くする結果となる。強い、繰り返しの熱応力を受ければ、この局所的な薄さが局所的な亀裂の出現を促し、この亀裂も長期にわたれば、部品全体に広がることになる。特に、亀裂や亀裂の始点が次第に現れてくるのは、壁の厚さＥ’が最も薄い場所である孔２３の部分である。

仏国特許第２８８９０８９号明細書

本発明の目的は、空気力学的制約および熱的制約を満たす拡散部の形状を保ちながら、機械的強度におけるこの問題に対する解決策を提案することである。

この目的を達成するために、本発明は、上述の規定のタイプの上記壁要素であって、孔が開口する先の第１の平面部と、冷却ガスの流れ方向に第１の平面部の前方に位置する第２の平面部とを有し、第１の平面部が第２の平面部より傾きが小さくなるように上記第１の平面および第２の平面部は壁の厚さ内で傾斜した壁要素を提供する。言い換えれば、孔の軸を含む拡散部の中央平面を基準にして、外面と第２の平面部との交点における外面への接線と第１の平面部との間で測定される第１の角度および、上記接線と第２の平面部との間で測定される第２の角度を考えると、本発明によれば、上記接線から上記第１の平面部への第１の配向角度は、上記接線から上記第２の平面部への第２の正の配向角度よりも代数的に小さい。

配向角度は、相対的な角度値、すなわち、正または負の角度値であることに留意されるべきである。角度の配向を画定するのに、角度を測定するのが望ましい基準面の枠内で基準となる正の回転方向を決定することが必要である。正の配向角度は、基準の正の回転方向と同じ回転方向を示す角度である。反対方向に配向される角度は、負の配向を有する。

当然ながら、２本の半直線で画定される角度を測定する際に、測定されるのは常に凸角（または突き出た角）であって、凹角ではない。言い換えれば、測定される角度は、常に１８０°より小さい。

本発明では、第２の角度が厳密には正であっても、第１の角度は厳密には正、厳密には負、または０である場合があることに留意されるべきである。

本発明の壁要素は、孔の周囲の厚さが知られている壁要素の厚さより厚い底壁を有する利点を示す。したがって、強い、繰り返しの熱応力に対する上記底壁の機械的強度は増大する。さらに、拡散部の全体の形状は、優れた空気力学的特性および熱特性を保つ。

さらに、底壁のそのような形状は、底壁と側縁部との間の鋭いエッジを緩和することになる。第１の平面部は、側縁部と鋭くない角度をなす。鋭いエッジは、亀裂や亀裂の始点を形成する副因である。したがって、鋭いエッジを緩和することは、壁要素の機械的挙動を改善する。

本発明の壁要素は、さらに、底壁の２つの平面部の形状の間で相対的に分離する利点を有する。その結果、第２の平面部の形状を設計者により設定される空気力学的制約や熱的制約にしっかりと適合させやすい。したがって、本発明の手段により、壁の外面全体にわたるより広い拡散によって冷却ストリームの流れを改善することができる。冷却を改善すると、壁要素に過度の熱応力がかかるのを避けることにつながり、その結果、亀裂や亀裂の始点の形成を避けることになる。この利点は、さらに、先行技術の壁要素に比べて、壁要素の機械的挙動を改善する。

一実施形態では、第１の平面部および第２の平面部は、上記中央平面で測定される第１の平面部と第２の平面部との間の角度が１３０°から１７０°の範囲の絶対値を有するように、壁の厚さ内で傾斜する。

この角度値の範囲により、第一に、底壁が十分な厚さになるのを保証することができ、このことにより、上記孔の周りの壁の機械的強度を改善することができる。第２に、壁の外面を冷却するための要件を満たすように、流体が流れるのを可能にする底壁の形状を保証することができる。したがって、第２の平面部と第１の平面部との間の角度を上記角度値の範囲に選択することにより、底壁の機械的強度と流れの幾何学的特性との間の妥協点が改善される。

一実施形態では、本発明の壁要素は、中空ブレードの壁の部分を形成する。こうした状況では、壁要素は、圧力側壁または吸引側壁に同じように属してもよく、その形状は両方の状況に適合することに留意されるべきである。このことにより、ブレードの圧力側面の壁要素および吸引側面の壁要素を製造するのに同じ工具を使用して機械加工操作を最適化することが可能になる。

本発明はさらに、電食により壁内に凹部を形成するための電極を備え、電極は主軸およびテーパ状自由端部を有し、上記自由端部は主軸に沿って連続して第１の平坦面および第２の平坦面を有し、第１の平坦面は電極の自由端部により近く、主軸に対する第１の平坦面の傾斜角度は主軸に対する第２の平坦面の傾斜角度より大きい。

電極の平坦面のそれぞれの傾斜角度は、電極の主軸を含み両平坦部が交差する平面で測定される。

このような電極は、電食により凹部を形成するのに適しており、本発明の壁要素の拡散部を形成する働きをする。

本発明はさらに、本発明の電極を使用して、本発明の壁要素内の冷却チャネルを配設する方法を提供する。

最後に、本発明はまた、上述したような壁要素を含むターボ機械の中空ブレード、およびそのようなブレードを含むターボ機械を提供する。

本発明およびその利点は、非限定的な例として示された本発明の一実施形態の以下の詳細な説明を読めば、より理解できる。

先行技術のターボ機械用中空ブレードの壁要素の長手方向断面図である。 本発明の一実施形態の壁要素の長手方向断面図である。 図２の壁要素の斜視平面図である。 本発明の電食電極の一実施形態の側面図である。 図４の矢印Ｖに沿って見た図である。 図４の矢印ＶＩに沿って見た図である。

壁要素の一実施形態を、図２を参照して説明する。この例では、内部に形成される少なくとも１つの冷却チャネルを有する壁要素１２は、上記チャネル内を流れる冷却ガスにより冷却されるのに適した内面１６と外面１５とを有し、チャネルは、孔１３と拡散部１０とを備え、孔１３は、その一端部で内面１６の方へと開口し、他端部でオリフィス１３Ａを形成する場所である拡散部１０へと開口し、拡散部１０は、オリフィス１３Ａ周りで末広がり状に広がり、底壁１４と側縁部１７とにより画定される。上記底壁１４は、孔１３が開口する先の第１の平面部１と、冷却ガスの流れ方向に第１の平面部１の前方に位置する第２の平面部２とを有する。上記第１の平面部１および第２の平面部２は、壁１２の厚さ内で傾斜する。したがって、孔の軸ＡＰを含む拡散部１０の中央平面Ｍでは、第１の平面部１と、外面１５と第２の平面部２との交点における外面１５への接線Ｔとの間で測定される第１の角度βと、第２の平面部２と上記角度Ｔとの間で測定される第２の角度αとは、上記接線Ｔから上記第１の平面部１の方へ向かって配向される第１の角度βが、上記接線Ｔから上記第２の平面部２の方へ向かって配向される正の第２の角度αよりも代数的に小さくなるようにする。

第２の角度αは、＋１０°から＋４０°の範囲にある。上記中央平面Ｍで測定される、第２の平面部２と第１の平面部１との間の角度γは、１３０°から１７０°の範囲の絶対値をとる。

図示された実施形態では、上記第１の角度βは、厳密には負である。

このような壁要素では、拡散部１０の中央平面Ｍにおける局所的基準系および角度の配向は、以下のように画定される。局所的基準系の第１の軸Ｙは、孔１３の軸ＡＰに平行に選択され、内面１６から外面１５の方へ延びる。局所的基準系の第２の軸Ｘは、冷却ガスの流れ方向に配向される軸Ｙに垂直になるように選択される。この基準系（Ｘ；Ｙ）では、正の角度は軸Ｘから軸Ｙの方へ向かう。逆に、負の角度は軸Ｙから軸Ｘの方へ向かう。

上述したように画定された角度値αおよびγは、いくつかの利点を有する。第２の配向角度αを正の角度の範囲［＋１０°，＋４０°］に選択することにより、確実に冷却ストリームが最適に拡散される。さらに、角度γを角度の範囲［１３０°，１７０°］の絶対値をとるように選択することにより、確実に平面部１全体にわたって底壁１４の材料を最適な厚さにする。

図１と図２とを比較すると、孔１３近くの底壁１４の最小厚みＥは、先行技術の壁要素の底壁の最小厚みＥ’より厚い、ということが明らかに分かる。

さらに、図１と図２とを比較すると、後側縁部１７と第１の平面部１との間の角度δは、先行技術のそれに対応する角度δ’よりもかなり大きい（すなわち、第１の平面部１と後側縁部１７との間の角度δは、角度δ’ほど鋭角でない）。

これらの２つの特徴は、熱応力に対してより優れた機械抵抗を付与する。

図３は、図２の実施形態の斜視平面図である。この図では、底壁１４の第２の平面部２の開口幅Ｌは、底壁１４の所定の最小厚みに対して先行技術より広い。このことが、より広い拡散を有する冷却空気のストリームの流れの大きな改善につながる。

本発明の電食電極の一実施形態を、図４、図５、および図６を参照して説明する。この例では、電食により壁内に凹部を形成するための電極ＥＬは、主軸Ａとテーパ状の自由端部１００とを有する。上記自由端部１００は、主軸Ａの方向に沿って連続して第１の平坦部１０１と第２の平坦部１０２とを有する。第１の平坦部１０１は、電極ＥＬの自由端部１００Ａにより近い。主軸Ａに対する第１の平坦部１０１の傾斜角度β_ｅは、主軸Ａに対する第２の平坦部１０２の傾斜角度α_ｅより大きい。

自由端部１００は、電極ＥＬの主軸Ａに沿って配向された二面角Ｄ内に内接する。上記二面角Ｄは、共通の直線で出会う２つの半平面からなる。

二面角は、共通の直線で出会う２つの半平面からなる。二面角が電極ＥＬの主軸Ａに沿って配向されるということは、上記半平面が出会う場所である直線は電極ＥＬの主軸Ａに平行であるということである。

角度γ_ｅは、図４の面（主軸Ａを含み、平坦部１０１および平坦部１０２とそれらの中央軸を含むように交差する面）において、第１の平坦部１０１と第２の平坦部１０２との間で測定される角度である。測定されるのは、常に角度の凸側であるという上述の見解とは異なり、角度γ_ｅは例外で、１８０°超を測定する。角度α_ｅは、電極ＥＬの第２の平坦部１０２と主軸Ａとの間で測定される角度である。角度β_ｅは、電極ＥＬの第１の平坦部１０１と主軸Ａとの間で測定される角度である。電極ＥＬの角度γ_ｅは、図２の壁要素１２の角度γに対応する。電極が壁１２の外面１５に貼り付けられる軸を考えると、電極ＥＬの角度α_ｅ、β_ｅは、図２の壁要素１２の角度α、βに対応する。

有利には、角度α_ｅは、１０°から５０°の範囲にある。同様に、角度γ_ｅは、１９０°から２３０°の範囲にある。さらに、二面角Ｄの角度λ（図５参照）は、有利には２０°から８０°の範囲にある。

電極のこの実施形態は、特に確実である。このような電極により、あまり損傷しないで連続して多数の凹部をつくることが可能になる。さらに、電極を再びとがらせることも容易である。すなわち、電極が集中的に使用され、場合によっては磨耗した後に、本発明で説明されるような電極の末端部は再使用に適するように機械加工されることも可能である。さらに、この例の電極は、特に、ブレードの壁の圧力側および吸引側の両側で凹部をつくるのに適している。したがって、所定のブレードの全ての凹部は、この電極を使用して機械加工できる。

有利には、上記凹部は、上記電極の主軸を上記孔の軸に平行に配向することにより形成される。このことにより、ブレードの製造時の機械類の調節がより容易になる。

１ 第１の平面部
２ 第２の平面部
１０、２０ 拡散部
１２ 壁要素
１３、２３ 孔
１３Ａ オリフィス
１４ 底壁
１５ 外面
１６ 内面
１７ 側縁部
２２ 壁
１００、１００Ａ 自由端部
１０１ 第１の平坦部
１０２ 第２の平坦部
Ａ 電極の主軸
ＡＰ 孔の軸
Ｅ 底壁１４の最小厚み
ＥＬ 電極
Ｅ’ 先行技術の底壁の最小厚み
Ｌ 開口幅
Ｍ 中央平面
Ｏ 交点
Ｔ 接線
α 第２の角度
β 第１の角度
γ 第１の平面部と第２の平面部との間の角度
δ 後側縁部１７と第１の平面部１との間の角度
δ’ 先行技術におけるδの角度に対応する角度
α_ｅ 主軸に対する第２の平坦部の傾斜角度
β_ｅ 主軸に対する第１の平坦部の傾斜角度

Claims (9)

1. 内部に形成される少なくとも１つの冷却チャネルを有する壁要素にして、前記壁要素（１２）が前記チャネル内を流れる冷却ガスにより冷却されるのに適した内面（１６）と外面（１５）とを有し、チャネルが孔（１３）と拡散部（１０）とを備え、孔（１３）が一端部で内面（１６）へと開口し、他端部でオリフィス（１３Ａ）を形成することにより拡散部（１０）へと開口し、拡散部（１０）が前記オリフィス（１３Ａ）周りで末広がり状に広がり、底壁（１４）と側縁部（１７）とにより画定される、壁要素であって、前記底壁（１４）が、孔（１３）が開口する先の第１の平面部（１）と冷却ガスの流れ方向に第１の平面部（１）の前方に位置する第２の平面部（２）とを有し、孔の軸（ＡＰ）を含む拡散部（１０）の中央平面（Ｍ）において、外面（１５）と第２の平面部（２）との交点（Ｏ）における外面（１５）への接線（Ｔ）と第１の平面部（１）との間で測定される第１の角度（β）および、前記接線（Ｔ）と第２の平面部（２）との間で測定される第２の角度（α）が、前記接線（Ｔ）から前記第１の平面部（１）の方へ配向される第１の角度（β）が、前記接線（Ｔ）から前記第２の平面部（２）の方へ正に配向される第２の角度（α）より代数的に小さくなるように、かつ、前記中央平面（Ｍ）で測定される第２の平面部（２）と第１の平面部（１）との間の角度（γ）が１３０°から１７０°の範囲の絶対値にあるように、前記第１および第２の平面部（１、２）が、壁（１２）の厚さ内で傾斜することを特徴とする、壁要素。
2. 前記第２の角度（α）が、＋１０°から＋４０°の範囲にある、請求項１に記載の壁要素。
3. 前記第１の角度（β）が、厳密には負または０である、請求項１または２に記載の壁要素。
4. 主軸（Ａ）とテーパ状自由端部（１００）とを有する、電食により壁（１２）内に凹部を形成するための電極であって、前記自由端部（１００）が、主軸（Ａ）の方向に沿って連続した第１および第２の平坦部（１０１、１０２）を有し、第１の平坦部（１０１）が、電極（ＥＬ）の自由端部（１００Ａ）により近く、主軸（Ａ）に対する第１の平坦部（１０１）の傾斜角度（β_ｅ）が、主軸（Ａ）に対する第２の平坦部（１０２）の傾斜角度（α_ｅ）より大きく、主軸（Ａ）を含み、平坦部（１０１、１０２）とそれらの中央軸を通って交差する面において、第１の平坦部（１０１）と第２の平坦部（１０２）との間で測定される角度（γ_ｅ）が、１９０°から２３０°の範囲にあることを特徴とする、電極。
5. 前記自由端部（１００）が、電極（ＥＬ）の主軸（Ａ）に沿って配向される二面角（Ｄ）内に内接し、前記二面角（Ｄ）が平坦部（１０１、１０２）により画定される２つの面に交差する、請求項４に記載の電極。
6. 壁（１２）が前記チャネル内を流れる冷却ガスにより冷却されるのに適した内面（１６）と外面（１５）とを有し、チャネルが孔（１３）と拡散部（１０）とを備え、孔（１３）が一端部で内面（１６）へと開口し、他端部でオリフィス（１３Ａ）を形成する場所である拡散部（１０）へと開口し、拡散部（１０）が前記オリフィス（１３Ａ）周りで末広がり状に広がり、底壁（１４）と側縁部（１７）とにより画定される、壁（１２）内に冷却チャネルを配設する方法にして、前記孔（１３）をつくるように壁（１２）が穿孔されるステップと、前記拡散部（１０）をつくるように壁（１２）内に凹部が形成されるステップとの２つの別個のステップを備え、前記凹部が請求項４または５に記載の電食電極（ＥＬ）を使用して形成される、冷却チャネルを配設する方法。
7. 前記凹部が、前記電極（ＥＬ）の主軸（Ａ）を前記孔（１３）の軸（ＡＰ）に平行に配向することにより形成される、請求項６に記載の方法。
8. 請求項１から３のいずれか一項に記載の壁要素を含む、ターボ機械中空ブレード。
9. 請求項８に記載のブレードを含む、ターボ機械。

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