JP2010216471A - フィルム冷却増強装置及びこれを組み込んだタービン翼形部 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルム冷却増強装置及びこれを組み込んだタービン翼形部を提供すること。
【解決手段】タービン翼形部（１２）が開示される。翼形部（１２）は、翼形部冷却回路（２４）と翼形部表面（２１）との間に延びるフィルム冷却孔を有する翼形部側壁（１８）を含む、タービンシュラウド（５４）、ライナ（５２）、静翼、又は動翼（５０）の１つを含む。翼形部（１２）はまた、本体（１１０）を有するフィルム冷却チャンネル内に配置されたインサートを含む。本体（１１０）は、翼形部表面（２１）に近接して配置するよう構成された近位端（１１２）と遠位端（１１４）とを有する。本体（１１０）はまた、フィルム冷却孔内に配置されたときに、遠位端（１１４）と近位端（１１２）との間に延びる通路を画成するように構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、全体的にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、フィルム冷却増強装置及びこれを組み込んだタービン翼形部に関する。

ガスタービンエンジンは一般に、空気を加圧する圧縮機を含み、該空気が燃焼器内で燃料と混合されて高温の燃焼ガスを発生する。複数のタービン段において、これら燃焼ガスからエネルギーが抽出されて圧縮機を駆動し、典型的には、航空機ターボファン用途ではファンを駆動すること、或いは産業用途又は他の用途では出力シャフトを駆動することによって、有用な仕事を生成する。

燃焼ガスは、タービンエンジンの種々の部品に沿って流れて、これらに熱を伝達する。これらの加熱された部品は、冷却回路において圧縮機が生成する加圧空気の一部を用いる冷却システムによりある程度冷却され、該冷却回路は、これらの部品の表面に延びて高温燃焼ガスに曝され又はこれにより加熱される当該部品の表面のフィルム冷却を提供する。フィルム冷却タービン部品は、燃焼器、ノズル、ロータディスク、動翼、静翼、シュラウド、ライナ、及び他の部品を含む。

高温燃焼ガスは、最初に、燃焼器から第１段タービンノズルを有する固定高圧タービン入口に吐出され、該第１段タービンノズルは、円周方向に離間して半径方向に延びるステータノズル静翼のアレイを含み、該ノズル静翼は、内側及び外側バンド間に延びる静翼翼形部を含む。静翼翼形部は、部分的に中空で冷却回路の一部を形成し、側壁を貫通するフィルム冷却孔の種々の列及び他のパターンを含み、フィルム冷却空気を吐出して、外側表面全体にわたり、特に翼形部の前縁及び後縁において境界層を形成するようにする。タービンの他の段もまた同様のノズル及び静翼のアレイを含む。

また、タービンの第１の段は、円周方向に離間して半径方向に延びるタービンロータ動翼のアレイを有するタービンロータを含み、該ロータ動翼は、支持するロータディスクの外側部分に取り付けられる。各動翼は、部分的に中空のタービン翼形部に取り付けられる部分的に中空のダブテール部分を含み、これらの中空部分は、冷却回路の一部を形成し、側壁を通って延びて、特に翼形部の前縁及び後縁において外側表面をフィルム冷却するフィルム冷却孔の種々の列及び他のパターンを含む。タービンの他の段もまた、同様のロータディスク及び静翼のアレイを含む。

フィルム冷却孔はまた、典型的なガスタービンエンジンの他の部品において見られ、直接的又は間接的に高温燃焼ガスに曝される表面全体にわたり空気のフィルム冷却ブランケットを促進するよう、種々のパターンで配列される。フィルム冷却孔は、一般的には、線形の列で配列され、燃焼ガスからの局所的な熱負荷に対応し且つ冷却空気のブランケットを形成するのに必要とされる冷却空気を分布させるため、冷却孔の列は、横方向に離間して配置されている。

典型的なフィルム冷却孔は、管状又は円筒状であり、例えばレーザ穿孔により製造される。フィルム冷却孔の別の形態は、当該技術分野で種々の構成を有する拡散孔である。拡散孔において、その出口部分は、上流側入口から下流後方方向で流れ面積が発散又は増大し、ここからの吐出速度を低減するようにする。例示的な拡散孔は、好適に小さな拡散角度で発散する側縁を備えた台形出口と、孔の入口部分を通る通常傾斜角よりも浅い傾斜角で部品の外寄り表面と一体化した内側ランドとを有する。このように、典型的な拡散孔は、吐出される冷却空気ジェットを横方向に広げて、フィルム冷却孔性能を局所的に強化するのに効果的である。

冷却される表面に対する断面形状、長さ及び角度を含む、フィルム冷却孔の構成、量、及びパターンは、予測される熱負荷について特別に設計され、該熱負荷は、部品毎に変化し、個々の部品の外寄り表面全体にわたる。一般に、サイズ、形状、パターン、位置、及び他の態様を含むフィルム冷却孔設計は、圧縮機からブリードされるフィルム冷却空気の量の低減を目標として有し、この理由は、このようなフィルム冷却用の空気を使用することで、燃焼プロセスでの空気の使用が阻止され、従って、エンジン効率が低下するためである。

フィルム冷却孔の性能は、表面積を含む幾何形状、並びにフィルム冷却孔の外寄り側と内寄り側との間の差圧又は圧力比、外寄り表面上の燃焼ガス速度及び圧力分布を含む、特定の部品の局所的条件を含む多くの要因の影響を受ける。

拡散孔を含むフィルム冷却孔は、上述の様態でフィルム冷却を行うのに有用であるが、フィルム冷却孔の外寄り側と内寄り側との間の圧力差又は圧力比、及びこれらを通る空気流量、並びに孔に隣接する翼形部側壁の対流冷却量を制御する機能は、一般に、位置、スペース、サイズ、形状、向き（例えば、冷却回路への孔入口の向き、及び翼形部表面に対する角度）、数など、孔自体の特徴の制御に制限されており、これらの特徴は、また、孔を作成するのに使用される製造方法、及び翼形部の全体性能要件などの他の考慮事項によって制限される。

米国特許第７３００２５２号明細書

従って、利用されるフィルム冷却孔によりガスタービンエンジン部品を冷却する改善された方法を提供するのが望ましい。

本発明の１つの態様によれば、タービン翼形部が開示される。翼形部は、翼形部冷却回路と翼形部表面との間に延びるフィルム冷却孔を有する翼形部側壁を含む、タービンシュラウド、ライナ、静翼、又は動翼の１つを含む。翼形部はまた、本体を有するフィルム冷却チャンネル内に配置されたインサートを含む。本体は、翼形部表面に近接して配置するよう構成された近位端と遠位端とを有する。本体はまた、フィルム冷却孔内に配置されたときに、遠位端と近位端との間に延びる通路を画成するように構成されている。

本発明の別の態様によれば、タービン翼形部のフィルム冷却孔用インサートが開示される。インサートは、翼形部表面に近接して配置されるよう構成された近位端と遠位端とを有し、フィルム冷却孔内に配置するよう構成された本体を含む。本体はまた、フィルム冷却孔内に配置されたときに遠位端と近位端との間に延びる通路を画成するように構成される。

これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。

本発明に係る例示的なタービン翼形部の斜視図。 断面２−２に沿った図１のタービン翼形部の断面図。 図１の領域３の平面図。 図３の断面４−４に沿った断面図。 図３の断面５−５に沿った断面図。 本発明に係るフィルム冷却インサートの例示的な実施形態の断面図。 本発明に係るフィルム冷却インサートの第２の例示的な実施形態の断面図。 本発明に係るフィルム冷却インサートの第３の例示的な実施形態を示す、図１の断面３−３の断面図。 本発明に係るフィルム冷却インサートの第４の例示的な実施形態の断面図。 本発明に係るフィルム冷却インサート第５の例示的な実施形態の断面図。 本発明に係るフィルム冷却インサート第６の例示的な実施形態の断面図。 本発明に係るフィルム冷却インサート第７の例示的な実施形態の図。 本発明に係るフィルム冷却インサート第８の例示的な実施形態の斜視図。 本発明に係るフィルム冷却インサート第９の例示的な実施形態の斜視図。 図１４の断面１５−１５の断面図。

本発明は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。

この詳細な説明は、例証として図面を参照し、利点及び特徴と共に本発明の例示的な実施形態を説明している。

フィルム冷却孔は、タービンの作動中に高温燃焼ガスに曝されるタービン翼形部を冷却するために、最新のガスタービンにおいて広く使用されている。フィルム冷却孔は、幾つかの方法で翼形部の冷却を提供にする。最初に、フィルム冷却孔は、翼形部表面のフィルム冷却を提供する。フィルム冷却は、動作環境よりも低い温度を有する流体の影響を受ける区域全体に流体薄層を維持することにより本体又は表面の冷却を提供する。流体フィルムは、フィルム冷却される表面を外部動作環境から隔離することにより、外部動作環境から翼形部への対流熱伝達を低減する。更に、冷却流体のフィルムはまた、翼形部表面から熱を除去する。第２に、フィルム冷却はまた、フィルム冷却孔の長さに沿って冷却空気が通過して流れるときに、フィルム冷却孔周囲の翼形部側壁から対流熱伝達して該側壁を冷却する。第３に、フィルム冷却孔は、冷却空気用の排気経路を提供することによって熱が除去され、該排気経路は、冷却空気が翼形部冷却回路を介した通過により翼形部を冷却するときに加熱される。

図１〜図１５を参照すると、タービン翼形部用のフィルム冷却インサート１００の幾つかの例示的な実施形態が開示される。フィルム冷却インサート１００は、フィルム冷却孔にわたる（すなわち、その長さに沿った）圧力低下の増大、フィルム冷却孔に関連する又はこれに起因する熱伝達係数の増大、熱伝達が生じる孔の表面積の増大、フィルム冷却孔に関連するフィルムパターン及びフィルム冷却の改善、翼形部が曝される高温燃焼ガス環境に見られる灰及び他の粒子成分でフィルム孔が閉塞する傾向の低減、又はインサートに伴う冷却通路が閉塞する場合に自己回復するフィルム冷却方式の提供の内の１つ又はそれ以上を可能にするのに用いることができる点で有利である。フィルム冷却孔は、インサート１００を収容するために通常よりも幾分大きく穿孔することができる。インサート１００は、フィルム冷却孔を空気が貫流するより蛇行した経路を生成し、これにより上述の利点を提供する。インサート１００はまた、孔の出口において、高温ガスストリームからの粒子の吸込みから孔を保護する機能を含むことができる。インサート１００はまた、孔の出口において、翼形部の表面にフィルムを配向するため、或いはフィルム冷却孔から出る冷却フィルムの形状を他の方法で制御する機能を有することができる。インサート、或いはインサートを取り付けるのに用いられる材料は、翼形部側壁よりも低い溶融温度を有し、インサート内のフィルム冷却通路が閉塞した場合には、通路を通る冷却空気が無いことから生じる温度上昇によって、インサート又は取り付け材料が溶融を引き起こすようになり、その結果、クーラントの圧力によりインサートがフィルム冷却孔から排出され、よって閉塞が排除され、フィルム冷却孔を通るフィルム冷却が復元されるようになる。この自己清浄化機能は、上述の局所的な加熱を軽減する追加のフィルム冷却を提供することになる。インサートは、フィルム冷却孔内では固体であるが、フィルム冷却孔から離れて高温燃焼ガスに曝された後で液体であるような溶融温度を有する材料から作ることができる。また、インサートを用いて、本明細書に記載したフィルム冷却インサートを選択的に組み込むことによって、部品を補修し、又は既存の翼形部設計のフィルム冷却特徴（既存のフィルム冷却孔の規定のサイズ、形状、向き、パターン、その他を含む）を修正することができる。

図１には、タービンロータ動翼１０の形態でフィルム冷却を利用する翼形部を有するガスタービンエンジンの例示的な実施形態が例示される。ロータ動翼は、根元においてプラットフォーム１４に一体的に接合された翼形部１２を含み、該根元は、支持する軸方向嵌め込み式のダブテール１６に接合されて、動翼を従来の方法でタービンロータディスク（図示せず）の周囲に装着する。

図２に付加的に示すように、翼形部は中空であり、前縁２及び対向する後縁２２間で軸方向下流側に翼弦方向に延びた、翼形部の略凹状の正圧側面１７と翼形部１２の対向する略凸状の負圧側面１９とを画成する薄い側壁１８により境界付けられる。

翼形部は、何れかの従来の構成を有することができる内部冷却回路２４を含み、通常は、典型的には従来周知のマルチパス蛇行回路を含む１以上の専用回路において、翼形部の２つの側部を架橋する半径方向隔壁によって分離された半径方向に延びるチャンネルを含む。

作動中、燃焼室（図示せず）において燃焼ガス２６が生成され、翼形部１２の外側表面上を下流側に流れる。加圧された冷却空気２８が圧縮機（図示せず）からブリードされ、動翼ダブテール１６を通って半径方向に延びる入口開口を通じて好適に送られて、内部冷却回路２４に送給する。

図１に例示する動翼用の内部冷却回路は、前縁と後縁間の翼形部の様々な部分を冷却するのに望ましいように構成することができ、典型的には、正圧及び負圧側面を通って延びて、内部冷却回路２４から冷却空気２８を吐出する従来のフィルム冷却孔３０の種々の半径方向列を含む。翼形部の薄い後縁２２はまた、通常、何らかの従来の構成で正圧後縁冷却孔３２の列により冷却される。

図１及び図２に示す例示的な実施形態では、フィルム冷却孔３０は、従来周知のシャワーヘッド及びジル孔構成で翼形部の前縁領域の回りを種々の列を成して配列される。このように、特別に構成されたフィルム冷却孔は、正圧及び負圧側面上の異なる部分の局所的冷却を提供し、異なる圧力及び速度分布で翼形部の正圧及び負圧側面にわたって流れる燃焼ガスからの異なる熱負荷に対処する。

例示的なフィルム冷却孔３０は、通常、効果的なフィルム冷却のために、前縁の回りの翼形部の変化する輪郭に対して種々の傾斜角で翼形部側壁を通って傾斜した略円筒形又は管状形の孔である。用語「略円筒形」とは、種々の平坦な円筒形状並びに楕円又は半楕円の断面を有する種々の管路を含む。一般に、孔３０は、翼形部の表面上を流れる燃焼ガスと同じ方向の前縁に向かって後方にクーラント（冷却空気など）を吐出するよう配向されるが、前縁の方向で逆流吐出を提供するような向きもまた知られており、本開示の範囲内にある。

図１及び図２はまた、翼形部の正圧側面に沿った例示的な位置にある例示的なパターンの代替の形態を有するフィルム冷却孔を示しているが、これらの孔は、翼形部側壁又はフィルム冷却を必要とする翼形部表面を有する他のタービンエンジン部品におけるあらゆる好適なパターン又は位置に配置することができる。より具体的には、翼形部の側壁１８は又は単に側壁は、比較的薄く、内部冷却回路２４を境界付ける。側壁１８はまた、翼形部を内部冷却するのに最初に使用される加圧冷却空気を受けるための内部冷却回路２４と流体連通した状態で、側壁を通って外向きに延びた横方向に交互する多形のフィルム冷却孔３４、３６の１以上の共通の列を含むことができる。一般に、孔３４、３６はまた、翼形部の表面上を流れる燃焼ガスと同じ方向で後縁に向けて後方にクーラント（冷却空気など）を吐出するような向きにされるが、後縁の方向で逆流吐出を提供するような向きもまた実施可能であり、本開示の範囲内にある。

第１のフィルム冷却孔３４は、燃焼ガスの下流方向に略垂直な列を成して翼形部の半径方向翼長に沿って共線状に配列される。また、第２のフィルム冷却孔３６はまた、第１の孔３４と共通の列を成して翼形部の半径方向翼長に沿って共線状に配列され、それぞれの孔３４に対して横方向に交互する。

図３は、翼形部を貫通する多形孔３４、３６の共通列又は半径方向縦列を詳細に示している。多形孔３４、３６は、翼形部翼長に沿って延びる単一の又は共通の長手方向列を成して冷却性能を補完するように互いに異なるように特別に構成される。第１の暗３４は、略管状又は円筒状であり、側壁１８を通って直線状に延びる。第２の孔３６は、第１の孔とは異なる形態を有し、１つの実施形態では、拡大する拡散フィルム冷却孔の形態であり、何れかの従来構成を有することができる。

図４及び図５は、内側又は内寄り表面３８と外側又は外寄り表面４０との間で共通の側壁１８を貫通する第１及び第２の孔３４、３６の異なる形態の断面図を示している。図４に示す第１の管状孔３４は、１つの実施形態では、例えば、約３０°の浅い傾斜角Ａで側壁１８を貫通して傾斜している。第２の拡大孔３６は、第１の円筒状孔３４とは形態が異なるが、対応する傾斜角Ｂで同様に側壁１８を貫通して傾斜している。

図４に示す第１の孔３４の各々は、側壁の内寄り表面３８に開口の形態の対応する第１の入口４２と、翼形部の外寄り表面４０に開口の形態の長手方向に対向する第１の出口４４とを含む。

図５に例示する第２の孔３６の各々は、内寄り表面３８に開口の形態の対応する第２の入口４６と、外寄り表面４０に開口の形態のより大きな第１の出口４８とを含む。

図３、５に例示する第１及び第２の孔３４、３６は各々、何らかの従来の構成を有することができ、これらの混合した列において更に強化された性能を提供することができる。例えば、第１の円筒形孔３４は、側壁１８を貫通して傾斜し、この傾斜角によって、対向する内寄り及び外寄り表面上に長円又は楕円の第１の入口４２及び出口４４をもたらす。

第２の孔３６は、側壁を貫通して前方部分に延びる第２の円筒形入口４６を有することができ、孔３６は、外寄り表面上の第２の略台形出口４８に向かって側壁を貫通して後方部分に拡大する。

孔３４、３６の２つのセットの円筒形部分は、直径又は流れ面積が実質的に同じとすることができ、第１及び第２の入口４２、４６と第１の出口４４は、必要に応じて形態及び流れ面積が実質的に同じである。或いは、これらは、その態様において何れかの組み合わせで異なるようにすることができる。

図４及び図５に示すように、第１及び第２の孔３４、３６は、同様に、対応する長手方向傾斜角Ａ、Ｂで側壁１８を貫通して傾斜することができ、該傾斜角は、例えば、互いに等しく約３０度とすることができる。或いは、これらは、その態様において何れかの組み合わせで異なるようにすることができる。図４及び図５に示す実施形態では、第２の孔３６は、外寄り表面４０の対応する第２の出口４８又はその近傍において浅い傾斜角Ｃで円筒形入口から長手方向後方に拡大する。

孔出口の傾斜角Ｃは、例えば、約１５度とすることができ、冷却空気などの冷却流体２８を後方に拡散し、そこから下流側の露出した外寄り表面４０と滑らかに連続させることが可能になる。図３に示すように、例示的な台形出口４８は対称性があり且つ拡大する側部を有し、各々が、従来の方法で浅い傾斜角Ｃと協働する、例えば約７．５度の好適に小さな拡散角度を有する。

図４及び図５に例示するフィルム冷却孔３４、３６の両形態において、この管状入口部分は、翼形部の内部冷却回路からの加圧冷却空気の吐出を流量調整する。第２の孔３６の拡大する拡散出口４８は、ここからの吐出速度を低下させ、図３に概略的に示すように翼長方向でフィルム冷却空気を側方拡散させる。

このように、比較的高速の冷却空気のジェットは、隣接する第２の孔３６から吐出される対応する比較的低速の冷却空気のジェットの間で、燃焼ガスと同じ流れ方向で第１の円筒形孔３４から吐出することができる。

２つのフィルム冷却孔の異なる形態、その孔の異なる性能、及びこれらの孔から吐出される冷却空気ジェットの異なる分配を用いてその性能を補完し、共通の横方向列から下流側に吐出される冷却空気の全体フィルムに影響を及ぼすようにすることができる。

上記で示すように、フィルム冷却孔は、半径翼長方向に狭い横方向分布で下流側に延びるフィルム冷却作用を有する冷却空気のジェットを吐出する。フィルム冷却孔の２つの形態は、その対応する全体的密度及び対応する出口の対応するカバレージ又は占有面積に応じてパックされ、冷却空気の全体的フィルムの下流側又は後方有効性並びに共通の列の長手方向範囲に沿って孔毎にフィルム冷却孔の横方向有効性の両方を強化することができる。

更に、異なる形態の第１及び第２の出口４４、４８により２つのタイプの孔間の相補的カバレージが可能になり、２つのタイプの孔は、円筒形孔３４については安価なレーザ穿孔を使用し、成形拡散孔３６についてはこれよりも高価な放電加工を使用して従来的手法で製造することができる。従って、列全体に拡散孔３６だけを用いて、結果として高コストとなるのではなく、拡散孔を安価なレーザ穿孔孔３４と交互にして、翼形部のコストを低減しながら、多形孔の共通列から吐出される加圧冷却空気の性能を向上させることができる。

上述のように、個々のフィルム冷却孔３４、３６は、あらゆる好適な従来の構成を有し、前者が拡散なしで後者が拡散有りとし、構成及び性能を補完するように横方向に並列の共通列で配列することができる。例えば、図３は、第１の出口４４が側壁の半径方向又は長手方向翼長に沿って第２の出口４８と共線状に整列され、２つの異なる出口の上流側端部が互いに略整列した状態にある。２つの出口は異なる形態を有するので、その下流側端部も同様に整列する場合もあり、又は整列しない場合もある。

図１〜図５の実施形態は、タービン動翼翼形部におけるフィルム冷却の１つの実施形態の単なる例証に過ぎない。無数のフィルム冷却孔のパターン、サイズ、形状、及び向きを備えたフィルム冷却を組み込む他の多くのタービン動翼翼形部構成が既に存在しており、対応する無数の可能性のあるフィルム冷却孔パターン、サイズ、形状、及び向きを備えたフィルム冷却を有する新規の多くのタービン動翼翼形部構成が実施可能である。

動翼翼形部及び静翼翼形部の基本形状が類似していることに起因して、図１〜図５にはまた、対向する正圧及び負圧側面が翼弦方向で対向する前縁及び後縁間並びに半径方向外側及び内側バンド（図示せず）間に延びたタービンステータノズルの中空静翼翼形部５０において、多形孔３４、３６を含むフィルム冷却孔を使用できることが概略的に示されている。ノズル静翼、特に第１段ノズル静翼はまた、典型的には部分的に中空であり、側壁（正圧又は負圧）を貫通するフィルム冷却孔の種々の列或いは他の構成又はパターンを通って使用済み冷却空気を吐出する冷却回路を備えている。フィルム冷却孔は、ロータ動翼１０と類似して、外部表面の回りのあらゆる好適な位置にあるノズル静翼に従来的手法で導入することができる。同様に、図１にはまた、多形孔３４、３６を含むフィルム冷却孔を使用して、必要に応じてフィルム冷却が求められるライナ翼形部表面の何れかの領域において、典型的には管状の内側又は外側燃焼ライナ５２の翼形部表面に側壁を介してフィルム冷却を提供できることが概略的に示されている。上記並びに図１に概略的に示されるように、タービンシュラウド５４は、タービン動翼の半径方向外側先端を囲み、通常はまた、側壁を通ってシュラウド翼形部表面へのフィルム冷却を含む。これに伴い必要に応じて、フィルム冷却孔の従来のパターンの代わりに、多形孔３４、３６をタービン動翼５４に導入することもできる。従って、本明細書に記載したフィルム冷却の改善は、限定ではないが、圧縮機内の翼形部表面又はタービンに関連する他の翼形部表面への適用を含む、フィルム冷却が望まれるような高温の燃焼ガスに曝される燃焼器、ノズル及びディスクを含む、これら及び他の何れかのガスタービン翼形部表面５６にも適用可能であると考えられる。

図１〜図５、特に図２を参照すると、タービン翼形部１２は、前縁及び負圧側並びに正圧側壁における複数の典型的な円筒形冷却孔３０と、更に、本明細書に記載の通り、複数の後縁冷却孔３２及び複数の多形冷却孔３４、３６とを含む。これらのフィルム冷却孔は、フィルム冷却孔内に配置される対応する複数のフィルム冷却孔インサート１００を有する。インサート１００は、フィルム冷却孔内に配置するよう構成される本体１１０を含む。インサート本体１１０は、翼形部表面２１に近接して配置するよう構成された近位端１１２と、対向する遠位端１１４とを有する。インサート１００は、配置されるフィルム冷却孔内の何れかの位置に位置付けることができる。翼形部表面２１及び出口３３に近接した近位端１１２を有するようにインサート１００を記載することに関しては、この端部が翼形部表面２１に最も近くに位置することを意味しているに過ぎない。同様に、翼形部１２内の冷却回路又は入口３１に近接した遠位端１１４を有するようにインサート１００を記載していることに関しては、この端部が冷却回路２４及び入口３１に最も近くに位置することを意味しているに過ぎない。近接の使用は、インサート１００の近位端１１２が翼形部表面２１又は出口３３において、もしくはこれに直接近接して位置付けられること、或いは、遠位端１１４が冷却回路２４又は入口３１において、もしくはこれに直接隣接して位置付けられることが必須であると解釈すべきではない。

むしろ、インサート１００は、１以上のインサート１００の遠位端１１４がフィルム冷却孔の入口３１（図５）において又はこれに隣接して位置付けられる場所を含む、フィルム冷却孔内の何れかの場所の遠位端１１４に位置付けることができる。同様に、インサート１００は、１以上のインサート１００の近位端１１２がフィルム冷却孔の出口３３（図３〜図５）において又はこれに隣接して位置付けられる場所を含む、フィルム冷却孔内の何れかの場所の近位端１１２で位置付けることができる。更に、１以上のインサート１００は、図５に示すように、入口３１及び出口３３の両方に又はこれに隣接して延びて位置付けることができる。更にまた、１以上のインサート１００は、入口３１又は出口３３の何れかを越えて突出することができ、これらの一部又は全てが翼形部１２の内部冷却回路２４に内方に、或いは、翼形部表面２１の外方にそれぞれ突出するようにする。

インサート１００はまた、冷却空気などの冷却流体２８を受けるように構成された１以上の通路１１６を含み、該通路１１６は、フィルム冷却孔が存在することにより、他の場合には存在していた通路に取って代わる。フィルム冷却孔内部の特有の空気流及びフィルム冷却孔の冷却特性を修正するためのインサート１００の使用に関する上述の利点を達成できる通路１１６を作成することは、この通路を改変することに基づく。通路１１６は、インサート１００の近位端１１２と遠位端１１４との間を連続した様態で延びて、フィルム冷却孔の入口３１から出口３３に流れる流体２８を冷却するための流体結合及び流体流路を提供するようにする。

本体１１０は、フィルム冷却孔の容積を分割し、１以上の通路１１６を画成するのに用いることができ、或いは、本体１１０は、フィルム冷却孔内に挿入可能な１以上の通路１１６を本体自体が含むことができる。

上述のように、通路１１６は、本体１１０を貫通する１以上の通路１１６を含むことができる。図１〜図５の例示的な実施形態では、単一の通路１１６及び複数の通路１１６が例示されている。図２〜図５を参照すると、インサート１００の一部は、多孔質構造を有する焼結粉末成形体の本体１１０を含み、相互接続された粒子の網状構造と、図２〜図５において点描により概略的に示された焼結粉体成形体濾材の種々のタイプに類似した、相互接続された粒子間の間隙スペースの対応する相補的網状構造とを備える。相互接続された間隙スペースは、本体を通る複数の流体流路を提供するときに、複数の通路と、流体を冷却するための蛇行路とを提供し、これにより熱伝達を向上させる。焼結粉末成形体は、何らかの好適な焼結粉末成形体とすることができる。詳細には、焼結粉末成形体は、焼結金属粉末成形体を含むことができ、金属成形体は、焼結金属粒子又は凝集金属グループ間の相互接続された間隙スペースの連続した網状構造を有する。焼結金属成形体では、何れかの好適な１以上の金属粉体を用いることができる。好適な金属は、銅、アルミニウム、銀、又はニッケル、或いは、種々の銅ベース合金、アルミニウムベースの合金、銀ベースの合金、又はニッケルベースの合金などをあらゆる組み合わせで含む。この網状構造は、インサート１００を通って近位端１１２から遠位端１１４への複数の通路１１６を提供する。この通路１１６の網状構造を用いて、冷却空気をインサート１００に供給することができる。このような構造体の表面積は、該構造体が配置されるフィルム冷却孔の表面積よりも大きいことに起因して、熱伝達係数もまた、同じ直径のフィルム冷却孔に比べてより大きくなる。熱伝達係数が大きくなることに加えて、インサート１００はまた、入口３１から出口３３へのフィルム冷却孔前後での圧力低下が大きくなる。焼結粉末成形体を含むインサート１００はまた、熱伝達用により大きな表面積を提供し、これはまた、フィルム冷却孔に関連する熱伝達係数の増大に寄与する。焼結粉末成形体はまた、翼形部１２のような翼形部よりも低い溶融点を有するように選択することができる。従って、通路の一部又は全ての閉塞が生じた場合、遮られたフィルム冷却孔に近接した位置にて翼形部１２内の局所的な過熱状態につながり、焼結粉末成形体が少なくとも部分的に溶融し、これにより冷却回路内の空気圧によりインサートを排出させることができ、インサートが配置されるフィルム冷却孔が清浄化され、従って、当該位置において翼形部１２のフィルム冷却孔内の冷却が回復される。フィルム冷却孔インサートは、グリーン粉末プリフォーム（図示せず）をフィルム冷却孔内に挿入し、翼形部を加熱して該プリフォームを焼結し、焼結粉末成形体インサート１００を生成することなどにより、翼形部１２内の所定位置に形成することができる。この場合、プリフォームの粉末は焼結により翼形部１２の特性を劣化させないように、翼形部１２に適合する焼結温度を有する。或いは、焼結粉末成形体は、別個に焼結し、次いで、所望の深さ及び向きでフィルム冷却孔内に挿入し、その後、本明細書に記載したろう付け又は他の取付方法などによりフィルム冷却孔の壁２０に取り付けることができる。

図３〜図５を参照すると、本体１１０は、円筒状孔及び種々の非円筒形状を有する多形孔３４、３６を含む、或いは、孔の入口３１又は出口３３の何れかにおいて種々のテーパもしくは他の特徴を含む、あらゆる形状の孔に挿入することができる。図４では、焼結粉末成形体が、フィルム冷却孔の長手方向軸線に直交した断面図でフィルム冷却孔内に図示されている。本明細書で理解できるように、焼結粉末成形体は、インサート１００及び本体１１０を貫通する通路だけが焼結粉末粒子間に相互接続された間隙スペースを含む複数の通路１１６を貫通するように、フィルム冷却孔を完全に充填するよう構成することができる。この配列では、フィルム冷却孔は直径（Ｄ₁）（図６）を有することができる。この直径は、既存の翼形部設計の場合におけるフィルム冷却孔の既存の設計直径とすることができ、或いは、本明細書で開示されるインサートを組み込んだ新しい翼形部設計の場合には、直径は、使用される焼結粉末及びインサート１００の特定の空気流特性に対して設計することができる。従って、直径（Ｄ₁）は、翼形部、特に、粉末金属成形体インサート１００に関連する圧力低下、熱伝達及び他の特性を考慮して選択することができる。この原理はまた、本明細書に記載したインサート１００の全てのタイプに関して利用することができる。図７を参照すると、特定の所望の直径（Ｄ₁）において、フィルム冷却孔直径はまた、ケーシング１１８を含む実施形態において調整することができフィルム冷却孔は、ケーシング１１８の外径を収容するように直径（Ｄ₂）にまで僅かに大きくすることができ、ケーシング１１８の内径は、通路１１６の所望の直径（Ｄ₁）を得るようなサイズにすることができる。ケーシング１１８は、種々の純金属及び金属合金を含む、あらゆる好適な材料から作ることができる。好適な純金属及び金属合金には、銅及び銅ベース合金、アルミニウム及びアルミニウムベース合金、ニッケル及びニッケルベース合金、銀及び銀ベース合金など、並びにこれらの組み合わせが含まれる。焼結粉末成形体はまた、上述の複数の通路１１６に加えて、上述の焼結粉末成形体内に形成された複数の通路以外の貫通孔又は他の貫通通路を備えた付加的な通路１１６を含むことができる。貫通孔通路１２２の場合、通路の直径は、フィルム冷却孔前後の特定の圧力低下又はインサート１００の出口３３における特定のフィルム冷却パターンを達成するような使用されるフィルム冷却孔を通る冷却空気の流れに対する設計目標、或いは、熱伝達係数（インサート１００の寄与を含む）又はフィルム冷却孔によりもたらされるフィルム冷却パターンなどのフィルム冷却孔に関連する類似の設計目標を達成するサイズにすることができる。ケーシング１１８は、外側表面１１９及び内側表面１２１を有する。図示の実施形態において、焼結粉末成形体１０２は、内側表面１２１内に配置され、これに取り付けられる。外側表面１１９は、フィルム冷却孔の壁１２０内に配置され、これに取り付けられる。

焼結粉末成形体の代替として、インサート１００はまた金属発泡体を含み、ここで金属発泡体はまた、本体１１０の近位端１１２から遠位端１１４に延びるマトリックス金属間の相互接続の間隙細孔又はスペースのオープンセル発泡網状構造を含む多孔質構造を有するように構成され、相互接続の間隙細孔及びオープンセル発泡網状構造は、フィルム冷却孔流体が流れることができる複数の通路１１６を形成する。金属発泡体を含むインサート１００は、別個の金属発泡体におけるインサート１００の形成、成形作業、その後、フィルム冷却孔内への挿入、及びろう付け又は本明細書に記載した他の取付方法による取付を含む、何らかの好適な方法でフィルム冷却孔に配置することができる。更に、金属発泡体を含むインサート１００はまた、図７に示すような管状ケーシングなどの好適なケーシング１１８内に配置することができる。ケーシング１１８内に配置される金属発泡体を含む本体１１０は、フィルム冷却孔（３０、３２、３４、又は３６）内に配置され、ろう付け又は本明細書に記載した別の取付方法によって壁１２０に取り付けることができる。

図１及び図８〜図１５を参照すると、上述の焼結粉末成形体又は金属発泡体の使用に加えて、インサート１００は、インサート１００の使用が本明細書で記載された領域においてタービン翼形部１２の適用温度において使用するのに好適なあらゆる材料から形成することができる。これらの材料は、本明細書に記載の通り、種々の純金属及び金属合金を含む。図８〜図１５の概略図に関連して、これらは、金属として区分されるが、上記で示したように、インサート１００に何れの好適な材料を用いることもできる。

図８を参照すると、後縁フィルム冷却孔３２用のインサート１００は、図示の段又はジグザグパターンのような、蛇行通路１１６を含む通路１１６を有することができる。このようなパターンにより、通路１１６内の屈折又はコーナにおいて通路１１６を貫通して流れる冷却流体２８の一部が側壁に強制的に送り込まれ、これにより、通路１１６の長さに沿って局所的な乱流が生成され、この構成を有する通路１１６を通る冷却流体２８の通過に伴う熱伝達が向上する。更に、記載の蛇行経路に関連する表面積は、インサート１００を通って直線状に延びた同じ直径の通路１１６の側壁の表面積よりも大きくなる。図８の通路１１６は、図８に示したような階段状構成の通路手段１２４を有する。或いは、図８に示す急峻な段部ではなく、湾曲した輪郭を有する通路１１６を用いて同様の利点を実現することができる。例えば、図８の急峻な段部が、各段部間に曲率半径を伴う場合である。

図９を参照すると、インサート１００はまた、長手方向に延びるリブ１２６を含むことができる。リブ１２６は、フィルム冷却孔の全長に沿って延びるか、又は本明細書に記載の通り、その長さに沿って部分的にのみ延びることができる。リブ１２６は、本明細書に記載の通り、種々の純金属及び金属合金を含む、あらゆる好適な材料で作ることができる。リブ１２６は、フィルム冷却孔を２つの通路１１６に分割する。リブ１２６は、図示のプレート状構成を有することができ、或いは、螺旋ツイストなどの一連のツイストを有し、冷却流体２８が通路１１６内を流れるときに該冷却流体２８の再配向を促進するようにすることができる。更に、リブ１２６は、通路１１６内に延びる１以上の横方向突起１２８を含み、タービュレータとして機能することができる。横方向突起１２８は、何らかの好適な形状を有し、あらゆる好適な数で設けることができる。例示的な実施形態において、横方向突起１２８は、リブをその長さに沿って穿孔した後、該穿孔部分をリブの長手方向軸線に対して横方向外向きに且つ図１３に示した横方向突起に関して示したのと同様に曲げることにより形成することができる。横方向突起が穿孔により形成される場合、穿孔及び湾曲作業はまた、通路１１６間のリブを貫通する開口を形成し、冷却流体が通路１１６を通過するときに該冷却流体の乱流及び混合を更に向上させる。或いは、横方向突起は、単に、連続する金属リブ（図示せず）から延びるように形成してもよく、例えば、鋳造、引き抜き、又は同様の金属形成プロセスにより作ることができる。

図１０を参照すると、インサート１００は、複数のリブ１２６を備えた本体１１０を含むことができる。これらのリブ１２６を用いて、フィルム冷却孔内に複数の通路１１６を画成することができる。リブは、単一リブに関して上述したような方法でフィルム冷却孔内に配置することができ、単一リブ１２６に関して上述した、或いは本明細書で他の方法で説明された同じ材料で作ることができる。同様に、リブ１２６はまた、１以上の横方向突起１２８を含むことができ、通路１１６内で冷却流体の乱流を促進し、本明細書に記載した方法で配置されるフィルム冷却孔に関連する熱伝達係数を向上させるタービュレータとして機能する。横方向突起１２８は、図９に示す単一リブに関して説明した同じ方法で形成することができる。

図１１及び図１２を参照すると、インサート１００は、本体１１０を通って形成される複数の貫通孔を含むことができ、この貫通孔は、近位端１１２から遠位端１１４まで延びて、複数の通路１１６を形成する。インサート１００のこの例示的な実施形態において、貫通孔の数、その直径、形状、長さ、及び他の特性は、孔が配置されるフィルム冷却孔における本体１１０に関連する熱伝達係数の所望の増大を達成し、同時にこの熱伝達が生じることができる表面積が増大するように選択することができる。図１２を参照すると、通路１１６を形成する貫通孔は、長手方向に延びる１以上のスロットの形状を有することができる。加えて、所望の貫通孔の形状に応じて、図１２に示すようなケーシング１１８を導入することは、本体１１０の構造的一体性の観点から望ましいとすることができる。

図１３を参照すると、インサート１００及び本体１１０は、本明細書に記載したケーシング１１８を含むことができる。ケーシング１１８は、本明細書に記載した金属又は金属合金を含むことができる。図１３の実施形態において、通路１１６は、ケーシング１１８の内径により形成される。１以上の横方向突起１２８は、ケーシング１１８を穿孔し、穿孔した部分を通路１１６内の内方に曲げることによって形成することができる。横方向突起１２８は、通路１１６を通って流れる冷却流体における乱流を促進するタービュレータとして機能する。横方向突起１２８は、ケーシング１１８の円周回りで長さに沿った位置の何れかのパターン又は分布で形成することができる。横方向突起１２８の数及びパターンは、フィルム冷却孔に関して本明細書に記載した、所望の熱伝達係数、圧力低下、及び他の設計目標を提供するように選択することができる。横方向突起１２８はまた、ケーシング１１８から外向きに延びるように形成することができ、通路１１６はまた、ケーシング１１８の外径及び外側表面１１９に沿って形成することができる。例えば、横方向突起１２８がケーシング１１８から外向きに延びる実施形態において、突起は、フィルム冷却孔内でインサート１００及び本体１１０の取付に使用するように設計することができる。横方向突起１２８は、フィルム冷却孔の側壁１２０に取り付けることができる。更にまた、横方向突起１２８は、ケーシング１１８の外側表面１１９と内側表面１２１の両方から突出するよう形成することができ、通路１１６がケーシング１１８の外側表面１１９及び内側表面１２１に沿って両方に形成されるようになる（図示せず）。

図１４及び図１５を参照すると、インサート１００及び本体１１０は、何れかの好適な形状又はサイズを有することができ、非従来的なフィルム冷却孔構成を必要とするように選択することができる。例えば、矩形輪郭のインサート１００は、フィルム冷却スロットとも呼ぶことができる対応する矩形フィルム冷却孔を必要とすることになる。このような構成は、例えば、翼形部１２の後縁に沿って利用することができる。本体１１０は、本明細書に記載の通り、種々の純金属及び金属合金を含む、本明細書で記載された材料の何れかで形成することができる。更に、本体１１０は、本体１１０の他の実施形態に関して本明細書で記載された様態でフィルム冷却孔又はスロット内に配置することができる。本体１１０は、近位端１１２から遠位端１１４までの蛇行経路を有する複数の通路１１６を含むが、他の場合には、図８の例示的な実施形態に類似している。同様に、通路１１６は、図８に関して説明されたように階段状又は湾曲した輪郭を有することができる。通路１１６はまた、通路１１６への冷却流体２８の流れを促進するテーパ付き導入部１１７を含むことができる。テーパ付き導入部は、図８の実施形態を含む、本明細書に記載したインサート１００の例示的な実施形態の何れかで使用することができる。導入部は、通路１１６への冷却流体２８の流れを促進するのに好適なテーパ又は何れかの他の形状を有することができる。

本明細書に記載したインサート１００の実施形態の一部は、フィルム冷却孔内の所定位置に形成することができるように説明してきたが、本明細書に記載した実施形態の何れかは、個別の部品として製造され、種々のろう付け品、種々の形態の金属結合、接着、セメントなどを含む、好適な取付手段によりフィルム冷却孔に挿入されて取り付けることができる。本明細書に記載の通り、インサート１００は、翼形部の周囲の側壁の溶融温度並びにろう付け、種々の形態の金属結合又は接着などの取付手段の溶融もしくは作動温度よりも低い溶融温度を有するように選択することができる。このような構成において、フィルム冷却孔の閉塞時には、インサート１００は、冷却流体２８の圧力によって清浄化され、フィルム冷却孔から排出されて、確実にフィルム冷却が回復し、翼形部内の温度条件を超えるのを避けることができるように、最低溶融部品である。或いは、インサート１００は、上述のものを含む、取付手段よりも高い溶融温度を有するように選択することができる。この構成において、インサート１００又はフィルム冷却孔が閉塞した場合、ろう付け合金などの取付手段が最初に溶融することになる。この構成では、ろう付け合金が溶融すると、インサート１００は、冷却流体２８の圧力によって排出されることになり、これにより対象のフィルム冷却孔内のフィルム冷却が回復される。同様に、接着、セメント、又は他の取付手段の場合、取付手段は、上述のようにしてインサート１００を開放するよう選択することができる。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。更に、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

１０ ロータ動翼
１２ 翼形部
１４ プラットフォーム
１６ ダブテール
１７ 凹状正圧側面
１８ 側壁
１９ 凸状負圧側面
２０ 前縁
２１ 翼形部表面
２２ 後縁
２４ 冷却回路
２６ 燃焼ガス
２８ 冷却流体
３０ フィルム冷却孔
３１ 入口
３２ 縁部冷却孔
３３ 出口
３４ 第１の孔
３６ 第２の孔
３８ 内寄り表面
４０ 外寄り表面
４２ 第１の入口
４４ 第１の出口
４６ 第２の入口
４８ 第２の出口
５０ 中空静翼翼形部
５２ 外側燃焼ライナ
５４ タービンシュラウド
５６ タービン翼形部表面
１００ フィルム冷却インサート
１０２ 焼結粉末成形体
１１０ 本体
１１２ 近位端
１１４ 遠位端
１１６ 通路
１１７ テーパ導入部
１１８ ケーシング
１１９ 外側表面
１２０ 壁
１２１ 内側表面
１２２ 貫通孔通路
１２４ 通路手段
１２６ リブ
１２８ 横方向突出部

Claims (10)

1. タービン翼形部（１２）であって、
   翼形部冷却回路（２４）と翼形部表面（２１）との間に延びるフィルム冷却孔を有する翼形部側壁（１８）と、
   翼形部表面（２１）に近接して配置するよう構成された近位端（１１２）と遠位端（１１４）とを有する本体（１１０）を含み、フィルム冷却孔内に配置されたインサートと
   を備えており、本体（１１０）が、フィルム冷却孔内に配置されたときに、遠位端（１１４）１１２）との間に延びる通路（１１６）を画成するように構成されている、タービン翼形部（１２）。
2. 翼形部が、翼弦方向に対向する前縁及び後縁（２０、２２）で互いに接合され且つ第１の端部から第２の端部に翼長にわたって長手方向に延びた正圧側壁（１７）と対向する負圧側壁（１９）とを有するタービン動翼（１０）又は静翼を備え、冷却回路（２４）が、正圧側壁（１７）又は負圧側壁（１９）内に配置され、フィルム冷却孔が正圧側壁（１７）、負圧側壁（１９）、後縁（２２）又は前縁（２０）のうちのいずれかを貫通する、請求項１記載のタービン翼形部（１２）。
3. インサートが複数の通路を含む、請求項１記載のタービン翼形部（１２）。
4. インサートが、相互接続粒子の網状構造と相互接続の間隙スペースの対応する網状構造とを備えた多孔質構造を有する焼結粉末成形体を含み、相互接続の間隙スペースが複数の通路（１１６）を有する、請求項３記載のタービン翼形部（１２）。
5. 通路（１１６）が中心軸線を有し、軸線が非線形である、請求項１記載のタービン翼形部（１２）。
6. インサートが、長手方向に延びるリブ（１２６）を備え、通路（１１６）がリブ（１２６）によって画成される、請求項３記載のタービン翼形部（１２）。
7. 本体（１１０）が、内側及び外側表面（１２１、１１９）を有する略管状の構造体を含む、請求項１記載のタービン翼形部（１２）。
8. タービン翼形部（１２）のフィルム冷却孔用インサートであって、該インサートが、フィルム冷却孔内に配置するよう構成された本体（１１０）を備え、本体（１１０）が、翼形部表面（２１）に近接して配置されるよう構成された近位端（１１２）と、遠位端（１１４）とを有し、本体（１１０）がまた、フィルム冷却孔内に配置されたときに遠位端（１１４）と近位端（１１２）との間に延びる通路（１１６）を画成するように構成されるインサート。
9. 本体（１１０）が、複数の通路（１１６）を含む、請求項８記載のインサート。
10. 本体（１１０）が、相互接続粒子の網状構造と相互接続の間隙スペースの対応する網状構造とを備えた多孔質構造を有する焼結粉末成形体を含み、相互接続の間隙スペースが複数の通路（１１６）を有する、請求項９記載のインサート。

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