JP2010506086A - タービンエンジン内で使用可能なタービンエーロフォイル用断熱コーティングシステム - Google Patents

Abstract

タービンエンジン内で使用可能であり且つ少なくとも１つの冷却システム（１０）を有するタービンエーロフォイル（１２）であって、冷却システム（１０）の少なくとも一部分が、エーロフォイル（１２）の内面に配置されている。エーロフォイル（１２）は、また、エーロフォイル（１２）に断熱コーティング（１８）を付着させるための断熱コーティング（１８）付着システムを有することができる。一実施形態では、断熱コーティング（１８）は、タービンエーロフォイル（１２）を構成する外側壁（４４）の外側面（２２）の１つ又は複数の溝（４０）から構成されてもよい。溝（４０）は、エーロフォイル（１２）への断熱コーティング（１８）の付着を強化するために様々な断面形状を有することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般にタービンエーロフォイルを対象とし、より詳細にはタービンエーロフォイルを冷却するために空気等の流体を通すための冷却チャネルを有する中空タービンエーロフォイルを対象とする。

一般に、ガスタービンエンジンは、空気を圧縮するコンプレッサ、圧縮空気を燃料と混合し混合物に点火する燃焼器、及び出力を生成するタービンブレード組立体を有する。燃焼器は、しばしば華氏２，５００度を超える高温で動作する。典型的なタービン燃焼器構成は、タービンベーン及びブレード組立体をそのような高温にさらす。従って、タービンベーン及びブレードは、そのような高温に耐えることができる材料で作成されなければならない。更に、タービンベーン及びブレードは、タービンベーン及びブレードの寿命を伸ばし、高すぎる温度に起因する故障の可能性を減らすための冷却システムを有することが多い。

一般に、タービンベーンは、ベーン支持体に結合されるように構成された一方の端と、内側端壁に可動式に結合されるように構成された反対の端とを有するベーンを構成する細長い部分から形成される。ベーンは、通常、前縁、後縁、吸込側、及び圧力側からなる。ほとんどのタービンベーンの内面は、一般に、冷却システムを構成する冷却回路の複雑な迷路を含む。ベーン内の冷却回路は、タービンエンジンのコンプレッサから空気を受け取り、その空気をベーン支持体に結合されるように適応されたベーンの端部に通す。冷却回路は、多くの場合、タービンベーンの全ての面を比較的均一な温度に維持するように設計された複数の流路を有する。そのような冷却回路を通る空気の少なくとも一部分は、ベーンの前縁、後縁、吸込側及び圧力側のオリフィスから排出される。

多くの従来のタービンベーンは、また、タービンベーンを高温ガス流から遮断するための断熱コーティングを有する。断熱コーティングはこれまで成功してきているが、断熱コーティングは、しばしばタービンベーンから剥がれやすい。その結果、断熱コーティングが剥がれた領域は熱劣化と過熱に弱くなる。従って、タービンベーン上の断熱コーティングを保持する高い性能を有する断熱コーティング付着システムを備えたタービンベーンが必要である。

本発明は、タービンエンジン内で使用可能なタービンエーロフォイルの内面と外面を冷却するように構成されたタービンエーロフォイル冷却システムに関する。少なくとも１つの実施形態では、タービンエーロフォイル冷却システムは、静止タービンエーロフォイル内に含まれるように構成することができる。タービンエーロフォイル冷却システムは、様々な適切な構成のうちのいずれかを有する１つ又は複数の内部冷却空洞を有することができる。また、タービンエーロフォイル冷却システムは、タービンエーロフォイルへの断熱コーティングの弾性付着を容易にする断熱コーティング付着システムを有することができる。

断熱コーティング付着システムは、外側壁から形成され、前縁、後縁、圧力側、吸込側、第１の端の第１の端壁、及び第１の端と反対の第２の端の第２の端壁を有するほぼ細長い中空エーロフォイルから構成されたタービンエーロフォイルに取り付けることができる。一実施形態では、断熱コーティング付着システムは、タービンエーロフォイルの外側壁の外側面に１つ又は複数の溝を有することができる。断熱コーティングは、ほぼ細長い中空エーロフォイルの外側壁の溝に付着されてもよい。断熱コーティングは、外側壁の外側面の少なくとも一部分にコーティングを形成してもよい。溝は、断熱コーティングをタービンエーロフォイルの外側面に付着させる性能を高める任意の構成も有することができる。例えば、溝は、ほぼ長方形の断面、ほぼ半円形の断面、又は蟻継ぎ断面を有することができる。

タービンエーロフォイルは、また、ほぼ細長い中空エーロフォイル内に配置された少なくとも１つの空洞によって構成された１つ又は複数の冷却システムを有することができる。冷却システムは、外側壁チャンバを形成する外側壁の近くに配置された１つ又は複数の衝突リブから構成されてもよい。冷却システムは、また、少なくとも１つのリブと外側壁の間に延在する複数のフィンを有することができる。衝突リブは、複数の衝突オリフィスを有することができる。衝突オリフィスは、フィンとずらされてもよい。

本発明の利点は、断熱コーティング付着システムが、断熱コーティングの有効厚を大きくし、それにより従来システムより大幅にエーロフォイル金属温度が下がり、その結果冷却流体が節約されることである。

本発明の別の利点は、外側壁の外側面の溝が、エーロフォイル高温側対流面を減少させ、それによりエーロフォイルへの熱負荷が減少することである。

更に、本発明の別の利点は、溝によって断熱コーティングが接着される表面積が大きくなり、それにより断熱コーティングがタービンエーロフォイルに適切に付着される能力が高まることである。

本発明の別の利点は、運転中に、溝内の断熱コーティングが圧縮状態にあり、それによりコーティングがエーロフォイルから剥がれるのを防ぐことによって断熱コーティングの有効寿命が延びることである。

以上その他の実施形態は、以下により詳細に説明される。

添付図面は、本明細書に組み込まれ且つその一部を構成し、説明と共に現在開示されている発明の実施例を示し、本発明の原理を開示する。

本発明による特徴形状を有するタービンエーロフォイルの斜視図である。 図１に示したタービンエーロフォイルの線２−２に沿って切断した断面図である。 図２の線３−３に沿って切断した断熱コーティング付着システムを有するタービンエーロフォイルの詳細図である。 図２の線４−４に沿って切断した断熱コーティング付着システムの代替実施形態を有するタービンエーロフォイルの詳細図である。 図２の線５−５に沿って切断された断熱コーティング付着システムを有する別の代替実施形態を有するタービンエーロフォイルの詳細図である。 溝を有するタービンエーロフォイルの外側面の部分上面図である。 溝の代替構成を有するタービンエーロフォイルの外側面の部分上面図である。

図１から図７に示したように、本発明は、タービンエンジン内で使用可能なタービンエーロフォイル１２の内面と外面を冷却するように構成されたタービンエーロフォイル冷却システム１０を対象とする。少なくとも１つの実施形態では、図１から図７に示したように、タービンエーロフォイル冷却システム１０は、静止タービンベーン内に含まれるように構成されてもよい。タービンエーロフォイル冷却システム１０は、様々な適切な構成のうちのいずれかを有する１つ又は複数の内部冷却空洞１４を有することができる。また、タービンエーロフォイル冷却システム１０は、タービンエーロフォイル１２へ断熱コーティング１８の弾性付着を容易にする断熱コーティング付着システム１６を有することができる。断熱コーティング１８は、タービンエンジン内で生じる高温からタービンエーロフォイル１２を遮断できる任意の材料から形成することができる。

図１に示したように、タービンエーロフォイル１２は、例えば軸流タービンエンジン内で使用するように適応された外側面２２を有するほぼ細長い中空エーロフォイル２０から構成されてもよい。外側面２２は、圧力側２４を構成するほぼ凹形部分と、吸込側２６を形成するほぼ凸形部分とを有することができる。タービンベーン１２は、また、フック形取り付け部に結合されるように適応された第１の端３０にある外側端壁２８と、第２の端３４にある内側端壁３２とを有することができる。また、ほぼ細長い中空エーロフォイル２０は、前縁３６と後縁３８を有することができる。

図１から図７に示したように、タービンエーロフォイル冷却システム１０は、断熱コーティング付着システム１６を有することができる。断熱コーティングシステム１６は、図３から図７に示したように、タービンエーロフォイル１２を構成する外側壁４４の外側面２２内の１つ又は複数の溝４０から構成されてもよい。一実施形態では、外側壁４４は、約０．１５インチ〜０．２５インチの厚さを有することができる。そのような実施形態では、溝４０は、外側面２２にレーザでエッチングされてもよい。溝４０は、断熱コーティング１８の厚さとほぼ等しい幅でもよい。溝４０の深さは、断熱コーティング１８の厚さの約１〜２倍でよい。一実施形態では、溝４０は、深さ約０．０２インチ〜約０．０６インチでよい。他の実施形態では、溝４０は、他の適切な形で且つ他の深さと幅で形成されてもよい。

溝４０は、互いから等距離に離間されてもよい。別の実施形態では、溝４０は、互いから異なる距離で離間されてもよい。溝４０は、直線的でも非直線的でもよい。図６に示したように、溝４０は、互いにほぼ線形に位置決めされてもよい。溝４０は、タービンエーロフォイル１２の長手方向の軸と平行でも直角でもよい。図７に示したように、溝４０は、互いに交差してもよい。溝４０は、また、図３と図４に示したように外側面２２と垂直に外側壁４４内に延在してもよく、図５に示したように斜めに延在してもよい。溝４０は、喉部５４が溝４０の底５６の幅より小さい幅を有するように傾斜されてもよい。

図３から図５に示したように、溝４０は、断熱コーティング１８のタービンエーロフォイル１２から剥がれにくくするために様々な形状の断面領域を有することができる。例えば、溝４０は、図３に示したような長方形断面、図４に示したような半円形断面、又は図５に示したような蟻継ぎ断面を有してもよい。溝４０は、断熱コーティング１８の外側面２２への付着を強化するための他の適切な形状の断面を有することができる。断熱コーティング１８は、溝４０を満たしてもよく、外側壁４４の外側面２２の一部分又は全てにコーティングされてもよい。

タービンエーロフォイル冷却システム１０は、外側壁４４のすぐ近くに配置された衝突リブ４６を有することができる。衝突リブ４６は、外側壁４４と衝突リブ４６の間の冷却空洞４８を形成することができる。外側壁４４と衝突リブ４６の間に１つ又は複数のフィン５０が延在してもよい。衝突リブ４６は、１つ又は複数の衝突オリフィス５２を有することができる。図３から図５に示したように、衝突オリフィス５２は、フィン５０からずらされてもよい。

使用中に、高温燃焼ガスが、エーロフォイル１２上の断熱コーティング１８と接触する。断熱コーティング１８は、エーロフォイル１２を高温燃焼ガスの高い温度にさらさないように遮断する。断熱コーティング付着システム１６の溝４０は、断熱コーティング１８が外側壁４４の外側面２２から剥がれ、高すぎる温度を受ける可能性を低くする。詳細には、熱膨張によるエーロフォイル１２の拡張により、溝４０内の断熱コーティング１８が圧縮され、それにより断熱コーティング１８が剥がれにくくなり、断熱コーティング１８の有効寿命が延びる。

以上の説明は、本発明の実施形態を例示し、説明し、記述するために提供される。これらの実施形態に対する修正及び適応は、当業者に明らかであり、本発明の範囲又は精神から逸脱することなく行うことができる。

１０ 冷却システム
１２ タービンエーロフォイル
１８ 断熱コーティング
２０ 中空エーロフォイル
２４ 圧力側
２６ 吸込側
２８ 第１の端壁
３０ 第１の端
３２ 第２の端壁
３４ 第２の端
３６ 前縁
３８ 後縁
４４ 外側壁

Claims (10)

1. タービンエーロフォイル（１２）であって、
   外側壁（４４）から形成され、前縁（３６）、後縁（３８）、圧力側（２４）、吸込側（２６）、第１の端（３０）にある第１の端壁（２８）、及び前記第１の端（３０）の反対の第２の端（３４）にある第２の端壁（３２）を備えたほぼ細長い中空エーロフォイル（２０）と、
   前記ほぼ細長い中空エーロフォイル（２０）内に配置された少なくとも１つの空洞（１４）によって構成された少なくとも１つの冷却システム（１０）とを有し、
   前記外側壁（４４）は、前記外側壁（４４）の外側面（２２）に少なくとも１つの溝（４０）を有し、
   前記ほぼ細長い中空エーロフォイル（２０）の前記外側壁（４４）の前記少なくとも１つの溝（４０）内に位置決めされ、前記外側壁（４４）の前記外側面（２２）の少なくとも一部分にコーティングを形成する少なくとも１つの断熱コーティング（１８）とを有するタービンエーロフォイル（１２）。
2. 前記外側壁（４４）の前記外側面（２２）上に複数の溝（４０）を有することを更に特徴とする請求項１に記載のタービンエーロフォイル（１２）。
3. 前記少なくとも１つの溝（４０）が、ほぼ長方形の断面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ーロフォイル（１２）。
4. 前記少なくとも１つの溝（４０）が、ほぼ半円形の断面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ーロフォイル（１２）。
5. 前記少なくとも１つの溝（４０）は、蟻継ぎ断面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ーロフォイル（１２）。
6. 前記少なくとも１つの冷却システム（１０）は、外側壁チャンバ（４８）を構成する外側壁（４４）の近くに配置された少なくとも１つの衝突リブ（４６）から形成され、更に、前記少なくとも１つのリブ（４６）と前記外側壁（４４）の間に延在する複数のフィン（５０）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ーロフォイル（１２）。
7. 前記少なくとも１つの衝突リブ（４６）は、複数の衝突オリフィス（５２）を更に有することを特徴とする請求項６に記載のタービンエーロフォイル（１２）。
8. 前記複数の衝突オリフィス（５２）は、前記フィン（５０）からずらされていることを特徴とする請求項７に記載のタービンエーロフォイル（１２）。
9. 前記少なくとも１つの溝（４０）は、前記断熱コーティング（１８）の厚さとほぼ等しい幅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ーロフォイル（１２）。
10. 前記溝（４０）の深さは、前記断熱コーティング（１８）の厚さの約１〜２倍であることを特徴とする請求項９に記載のタービンエーロフォイル（１２）。

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