JP2015148227A - 複合角度の冷却用造作を有する部品および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高温ガスの流れに曝される外側表面と、冷却流に曝される内側表面とを有する基材を備える高温ガス経路構成部品を提供する。
【解決手段】冷却供給入口の１つ以上のペアが、前記基材の前記内側表面に形成され、冷却空気流を受け入れる。冷却供給出口の１つ以上のペアが、前記基材の前記外側表面に形成され、冷却空気流を排出する。冷却流チャネルが、前記基材を貫いて冷却供給入口および冷却供給出口の各々の間を延び、冷却空気流の通過を可能にする。冷却供給出口の１つ以上のペアのうちの各ペアが、相補的な複合角度αおよびβを有するように構成され、α₁およびα₂が、前記冷却供給出口の１つ以上のペアのうちの各ペアから排出される冷却流の噴射角度成分であり、β₁およびβ₂が、前記冷却供給出口（４４）の１つ以上のペアのうちの各ペアから排出される冷却流の複合斜め角度成分であり、該斜め角度成分β₁およびβ₂が同じ符号である。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して、ガスタービンエンジンに関し、より詳しくは、ガスタービンエンジンにおけるフィルム冷却に関する。

ガスタービンエンジンにおいては、空気が圧縮機において加圧され、燃焼室において燃料と混合され、高温の燃焼ガスが生み出される。エネルギが、圧縮機を駆動する高圧タービン（ＨＰＴ）、ならびにターボファン航空機エンジンの用途においてはファンを駆動し、海洋および産業の用途については外部のシャフトを駆動する低圧タービン（ＬＰＴ）においてガスから取り出される。

エンジンの効率は、燃焼ガスの温度につれて高くなる。しかしながら、燃焼ガスが、燃焼ガスの流れの経路に沿った種々の構成部品を加熱し、したがって容認できる程度に長いエンジンの寿命を実現するために、それらの冷却が必要である。典型的には、高温ガス経路構成部品は、圧縮機から空気を抽出することによって冷却される。この冷却プロセスは、抽気は燃焼プロセスに使用されることがないため、エンジンの効率を低下させる。

ガスタービンエンジンの冷却技術は成熟しており、種々の高温ガス経路構成部品における冷却回路および冷却用の造作の種々の態様に関する多数の特許を包含している。例えば、燃焼器は、動作時に冷却を必要とする径方向外側および内側のライナを備える。タービンノズルは、やはり冷却を必要とする外側および内側バンドの間に支持された中空翼を備える。タービンロータの羽根は、中空であって、典型的には内部に冷却回路を備え、これらの羽根が、やはり冷却を必要とするタービンシュラウドによって囲まれている。高温の燃焼ガスは、やはりライナを備えてよく、適切に冷却されてよい排気口を通って排出される。

これらの典型的なガスタービンエンジンの構成部品のすべてにおいて、構成部品の重量を減らし、構成部品の冷却の必要を最小限にするために、高強度の超合金金属からなる薄い壁が、典型的に使用される。種々の冷却回路および冷却用の特徴が、エンジン内のそれぞれの環境において、これらの個別の構成部品に合わせて仕立てられる。例えば、一連の内部冷却通路または蛇行を、高温ガス経路構成部品に形成することができる。比較的低温の圧縮された空気の供給など、タービンエンジンの圧縮機によって供給されてよい冷却流体を、プレナム（ｐｌｅｎｕｍ）から蛇行（ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅｓ）に供給することができ、この冷却流体を、通路を通って流し、壁面に形成された１つ以上の小さい孔を通って出して、高温ガス経路構成部品の基材および関連のコーティング（あれば）を冷却することができる。しかしながら、この冷却方法では、典型的に、熱の伝達が比較的不充分になり、構成部品の温度の分布が一様にならない。

上述のように、いくつかの場合においては、圧縮された空気の供給が、翼の表面の小さな孔を通って放出される。この方法で放出されて、空気の供給が、翼の表面に比較的低温の空気の薄い層またはフィルムを形成し、この部分を周囲のより高い温度から冷却および絶縁する。この形式の冷却は、一般に「フィルム冷却」と称される。フィルム冷却は、複雑な三次元の流れを含む。自由流と冷却孔またはジェットとの間の相互作用が、全体としてのフィルムの有効性に影響する。しかしながら、この形式のフィルム冷却は、犠牲を伴う。この方法で翼の表面に圧縮された空気を放出することで、エンジンの空気力学的な効率が低下する。さらに、冷却孔から高温ガスの自由流の通路に出る冷却流体が、容易に壁面から離れてしまい、フィルム冷却の効率が低くなる。現在の設計技術は、フィルム冷却を減速および拡散させてフィルムの有効性を高めるために異形孔の形状を用いるが、製造コストが高くなる可能性がある異形の冷却孔に集中している。結果として、フィルム冷却の改善を含むタービン翼の冷却方法の改善が、依然として必要とされている。

したがって、上述の欠点を抱えることがないより効率的かつ柔軟な冷却の設計を提供する高温ガス経路部品および高温ガス経路部品に冷却構造を形成する方法を提供することが、望ましいと考えられる。

米国特許出願公開第２０１３／０３２３０８０号明細書

先行技術のこれらの欠点および他の欠点が、複合角度の冷却用造作（ｃｏｍｐｏｕｎｄ ａｎｇｌｅｄ ｃｏｏｌｉｎｇ ｆｅａｔｕｒｅｓ）を有する部品および製造方法を提供する本発明によって対処される。

本発明の一態様は、高温ガス経路構成部品にある。この高温ガス経路構成部品は、高温ガスの流れに曝される外側表面および冷却流に曝される内側表面を有し、前記内側表面が少なくとも１つの内部空間を定めている基材と、前記基材の前記内側表面に形成され、冷却空気流を受け入れる冷却供給入口の１つ以上のペアと、前記基材の前記外側表面に形成され、冷却空気流を排出する冷却供給出口の１つ以上のペアと、前記基材を貫いて前記冷却供給入口および冷却供給出口の各々の間を延びており、前記冷却供給入口から前記冷却供給出口への冷却空気流の通過を可能にする冷却流チャネルとを備える。前記冷却供給出口の１つ以上のペアのうちの各ペアが、相補的な複合角度（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ａｎｇｌｅｓ）αおよびβを有するように構成され、α₁およびα₂が、前記基材の前記外側および内側表面に対して測定される前記冷却供給出口の１つ以上のペアのうちの各ペアから排出される冷却流の噴射角度成分（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）であり、β₁およびβ₂が、外部の高温ガスの流れの方向に対して整列したｚ軸に対する前記外側表面に沿った平面における前記冷却供給出口の１つ以上のペアのうちの各ペアから排出される冷却流の複合斜め角度成分（ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ａｎｇｌｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）であり、該斜め角度成分β₁およびβ₂が同じ符号である。

本発明の別の態様は、高温ガス経路構成部品の壁にある。壁は、反対向きの内側および外側表面を備え、該内側および外側表面は、該内側および外側表面を縦方向に貫いて冷却流を受け入れるための該内側表面に形成された２つ以上の冷却供給入口と冷却流を排出するための前記外側表面に形成された２つ以上の冷却供給出口との間を延びている２つ以上の複合角度フィルム冷却孔を有し、前記２つ以上の冷却供給入口の各々が、冷却流チャネルを介して前記２つ以上の冷却供給出口のうちの１つに連通している。前記２つ以上の複合角度フィルム冷却孔の各々は、相補的な複合角度αおよびβを有するペアに構成され、α₁およびα₂が、基材の前記外側および内側表面に対して測定される冷却供給出口のペアから排出される冷却流の噴射角度成分であり、β₁およびβ₂が、外部の高温ガスの流れの方向に対して整列したｚ軸に対する前記外側表面に沿った平面における前記冷却供給出口のペアから排出される冷却流の複合斜め角度成分であり、該斜め角度成分β₁およびβ₂が同じ符号である。

上述した特徴の種々の改良が、本発明の種々の態様に関して存在する。さらなる特徴も、これらの種々の態様に同様に取り入れることができる。これらの改良および追加の特徴は、個別に存在でき、あるいは任意の組み合わせにて存在できる。例えば、例示の実施形態のうちの１つ以上に関連して後述される種々の特徴を、単独または任意の組み合わせにて本発明の上述の態様のうちの任意のいずれかに組み込むことができる。やはり、上述の簡単な説明は、本発明の特定の態様および文脈を読者に紹介するためのものにすぎず、請求項に記載される主題を限定するものではない。

本発明のこれらの特徴、態様、および利点、ならびに他の特徴、態様、および利点が、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を検討することによって、さらによく理解されるであろう。添付の図面においては、すべての図を通して、類似の符号は類似の部品を表している。

１つ以上の複合冷却用造作を各々が備える本明細書に図示または記載の１つ以上の実施形態による種々の構成部品を有するガスタービンシステムの概略図である。 １つ以上の複合冷却用造作を備える本明細書に図示または記載の１つ以上の実施形態による典型的な翼の構成の概略の断面である。 本明細書に図示または記載の１つ以上の実施形態による典型的な複合冷却用造作を側面断面図にて概略的に示している。 本明細書に図示または記載の１つ以上の実施形態による典型的な複合冷却用造作を図３に破線によって示されているとおりの平面断面図にて概略的に示している。 本明細書に図示または記載の１つ以上の実施形態による典型的な複合冷却用造作を平面断面図にて概略的に示している。 本明細書に図示または記載の１つ以上の実施形態による図５の典型的な複合冷却用造作を直交図にて概略的に示している。 本明細書に図示または記載の１つ以上の実施形態による図５および図６の高温ガス経路構成部品の温度の概略の上面図である。

本明細書において、用語「第１」、「第２」、などは、いかなる順序、量、または重要性も意味するものではなく、むしろ或る要素をもう１つの要素から区別するために用いられている。本明細書において、用語「ａ」および「ａｎ」は、数量の限定を意味せず、むしろ言及される事項が少なくとも１つ存在することを意味している。量に関して使用される「約」という修飾語は、そこに記載される値を含み、文脈によって決定される意味を有する（例えば、個々の量の測定に関する誤差の程度を含む）。さらに、用語「組み合わせ」は、混合物、調合物、合金、反応生成物、などを含む。

さらに、本明細書において、末尾の「（ｓ）」は、通常は、これによって修飾される項目について単数および複数の両方を包含し、したがってその項目を１つ以上含むことを意図している（例えば、「冷却出口」は、特に指定されない限り、１つ以上の冷却出口を含むことができる）。本明細書の全体を通して、「一実施形態」、「別の実施形態」、「或る実施形態」、などへの言及は、その実施形態に関連して説明される特定の要素（例えば、造作、構造、および／または特徴）が、本明細書に記載の少なくとも１つの実施形態に含まれ、他の実施形態には存在しても、存在しなくてもよいことを意味する。同様に、「特定の構成」への言及は、その構成に関連して説明される特定の要素（例えば、造作、構造、および／または特徴）が、本明細書に記載の少なくとも１つの構成に含まれ、他の構成には存在しても、存在しなくてもよいことを意味する。さらに、記載される本発明の特徴を、種々の実施形態および構成において任意の適切な方法で組み合わせることができることを、理解すべきである。

長手方向または軸方向の中心線の軸１２を中心にして軸対称であるガスタービンエンジン１０が、図１に概略的に示されている。エンジンは、ファン１４と、多段の軸流圧縮機１６と、環状の燃焼室１８とを、連続的な流れの連絡にて備え、さらに高圧タービン（ＨＰＴ）および低圧タービン（ＬＰＴ）が後続している。

ＨＰＴは、内側および外側ノズルバンドに支持された中空のステータ翼の並びを有するタービンノズル２０を備える。第１段のタービン２２が、第１段のタービンノズルに後続し、支持ロータディスクから径方向外側に延び、環状のタービンシュラウドによって囲まれている中空のロータ羽根の並びを備える。低圧タービン（ＬＰＴ）２４が、高圧タービンに後続し、エンジンの設計に応じて内部冷却回路を備えても、備えなくてもよいさらなるノズルおよびロータ羽根を備える。排気口ライナ２６が、低圧タービンに後続している。

動作時に、外気２８がファン１４によって加圧され、その下方部分が、さらなる加圧のために圧縮機１６に進入する一方で、外側部分は、ターボファンエンジンの用途において推進の推力をもたらすためにファン出口から排出される。圧縮機において加圧された空気は、高温の燃焼ガス２９を生じさせるために、燃焼室において燃料と混合される。燃焼ガスが、動作時に圧縮機およびファンを駆動するために燃焼ガスからエネルギを抽出する種々のタービン羽根段を通過して流れる。

ガスタービンエンジン１０は、いくつかの高温ガス経路構成部品を備えることができる。高温ガス経路構成部品は、エンジン１０を通過する高温ガスの流れに少なくとも部分的に曝されるエンジン１０のあらゆる構成部品である。例えば、バケットアセンブリ（羽根または羽根アセンブリとしても知られる）、ノズルアセンブリ（翼または翼アセンブリとしても知られる）、シュラウドアセンブリ、つなぎ部品、保持リング、およびタービン排気口の構成部品が、いずれも高温ガス経路構成部品である。しかしながら、本発明の高温ガス経路構成部品が、以上の例に限られず、高温ガスの流れに少なくとも部分的に曝される任意の構成部品であってよいことを、理解すべきである。さらに、本発明の高温ガス経路構成部品が、ガスタービンエンジン１０における構成部品に限られず、高温の流れに曝される可能性がある機械類またはその構成部品の任意の部分であってよいことを、理解すべきである。高温ガス経路構成部品が高温ガスの流れに曝されるとき、高温ガス経路構成部品は、高温ガスの流れによって加熱され、高温ガス経路構成部品が大いに劣化し、あるいは故障する温度に達する可能性がある。したがって、エンジン１０の所望の効率、性能、および／または寿命の実現に必要とされるとおりにエンジン１０を高い温度の高温ガスの流れにて動作させることができるように、高温ガス経路構成部品のための冷却システムが必要である。

高温の燃焼ガス２９からの加熱を免れない上記開示の種々のエンジン構成部品のうちの任意の１つ以上を、動作時に圧縮機１６から加圧された空気の一部を抽出することによって適切に冷却することができる。したがって、図１に示した典型的なターボファンエンジン１０は、任意の従来の構成および動作を有することができるが、改善されたフィルム冷却を導入するために本明細書に記載のとおりに改良される。

この点に関し、冷却を必要とするそれらの被加熱の構成部品の任意の１つが、本明細書において基材とも称される薄い金属製の壁３２を備えることができる。基材３２は、典型的には、コバルト主体の材料など、高温の燃焼ガス２９からの加熱に起因してガスタービンエンジンの動作において直面される高い温度において高い強度を有する従来の超合金金属で形成される。これらの高温の構成部品は、典型的には中空であり、動作時に温度を下げるうえで冷却剤として使用される圧縮機からの加圧された冷却空気の流れを受け入れる適切な冷却回路を内部に備える。

流路の構成部品の壁または基材３２の一部分が、図１の平面図に部分的に示され、反対向きの外側および内側壁面３４、３６を備え、典型的な実施例においては、種々の形態のフィルム冷却孔を利用する外側または内側燃焼室ライナ、タービンノズル翼、タービンノズルバンド、タービンロータ羽根、タービンシュラウド、または排気口ライナの形態であってよい。基材の内側または中央寄りの表面が、任意の従来の方法で圧縮機から抽出された空気を受け取る構成部品に設けられた適切な冷却回路の外側境界を形成する。外側の表面が、動作時に高温の燃焼ガス２９に曝され、適切なフィルム冷却による保護を必要とする。

図１〜図６が、構成部品３０の適用可能な範囲に沿って適切な列にて配置されたフィルム冷却孔３８の新規な形態を示している。フィルム冷却孔３８は、それらの同じ符号の複合角度の構成によって唯一無二に識別される。

一般に、本発明の冷却システムは、高温ガス経路構成部品の基材とも称される薄い金属壁に形成された一連の小さい冷却チャネル、またはマイクロチャネルを備える。高温ガス経路構成部品は、本明細書において冷却流チャネルとも称される１つ以上のマイクロチャネルを備えることができる。産業サイズの発電タービン構成部品において、「小さい」チャネルまたは「マイクロ」チャネルの寸法は、おおむね０．２５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲の深さおよび幅を含む一方で、航空サイズのタービン構成部品においては、チャネルの寸法は、おおむね０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲の深さおよび幅を含むと考えられる。冷却流体を、プレナムからチャネルにもたらすことができ、冷却流体が、チャネルを通って流れ、高温ガス経路構成部品を冷却することができる。この方法で、冷却剤の流れが、最初に高温ガス経路構成部品の内側表面の衝突冷却に使用され、次いで流通チャネル網（以下で説明される）を通って流れ、その後にフィルム冷却をもたらすために１つ以上の冷却供給出口（以下で説明される）から排出される。

次に図２を参照すると、翼の構成を有する高温ガス経路構成部品３０の例が示されている。図示のとおり、構成部品３０は、外側表面３４および内側表面３６を有する基材３２を備える。一実施形態においては、１つ以上の保護層を、基材３２の外側表面３４に配置することができる。基材３２および随意による保護層（存在する場合）の内部に、１つ以上の冷却流チャネル４０の各部が定められている。基材３２の内側表面３６が、少なくとも１つの中空な内部空間３７を定めている。別の実施形態においては、中空な内部空間の代わりに、高温ガス経路構成部品３０が、供給空洞を備えることができる。図示のとおり、１つ以上のコーティングを、少なくとも基材３２の外側表面３４のうち、１つ以上の冷却流チャネル４０およびフィルム冷却孔３８の各部が定められている部分を覆って、配置することができる。したがって、１つ以上の冷却流チャネル４０の各々が、基材３２内を延び、内側表面３６において基材３２に形成された１つ以上の冷却供給入口４２によって少なくとも１つの中空な内部空間３７に連通し、フィルム冷却孔３８および全体としての冷却網４６を定める１つ以上の冷却供給出口４４によって外側表面３４に連通している。

一実施形態においては、冷却供給入口４２および冷却供給出口４４が、別個の開口として構成され、それぞれの冷却流チャネル４０の全長にわたってはいない。後述されるとおり、開示される複合角度の冷却用造作は、１つ以上の冷却流チャネル４０およびフィルム冷却孔３８を含む三次元仕上げの構成部品３０（より詳しくは、翼）を生み出し、１つ以上の冷却流チャネル４０およびフィルム冷却孔３８が、構成部品３０の冷却のための冷却網４６を定める。本方法は、強度が低くなる多孔質材料を使用する必要なく、ほぼ浸出冷却を含む構成部品３０をもたらすことができる。

すでに述べたように、本明細書に開示のとおりに製作される典型的な実施形態は、基材内に形成された１つ以上の冷却流チャネルに連通した内部中空通路を備えるガスタービンの翼である。

図３〜図６が、図２の高温ガス経路構成部品３０などの高温ガス経路構成部品の一部分を示している。図示の実施形態の各々において、１つ以上の冷却供給入口４２、１つ以上の冷却供給出口４４、および１つ以上の冷却流チャネル４０が、基材３２に形成され、内側表面３６から外側表面３４に延び、フィルム冷却孔（より詳しくは、次に説明されるとおりの冷却供給出口４４）のペアの間に相補的な複合角度の形状を有するものとして示されている。

図３および図４をより具体的に参照すると、冷却流チャネル４０の網またはパターン、冷却供給入口４２、および冷却供給出口４４を含む高温ガス経路構成部品３０の一部分の実施形態が示されている。一実施形態においては、冷却流チャネル４０の網またはパターンが、冷却流５０（より具体的には、圧縮された空気の供給）を運ぶための複数の冷却流チャネル４０で構成されている。冷却流５０は、高温ガス経路構成部品３０の外側表面３４の小さな冷却供給出口４４を通って排出される。この方法で放出されて、空気の供給（より詳しくは、冷却流５０）が、高温ガス経路構成部品３０を周囲のより高い温度から冷却および絶縁する高温ガス経路構成部品３０の外側表面３４に隣接する比較的冷たい空気の薄い層またはフィルム５４を形成する。すでに述べたとおり、高温ガス５２の自由流と冷却供給出口４４との間の相互作用が、比較的冷たい空気のフィルム５４の全体としての有効性を左右する。

高温ガス経路構成部品３０の空気力学およびフィルム５４の有効性を向上させるために、冷却流チャネル４０の各々ならびにそのそれぞれの冷却供給入口４２および冷却供給出口４４は、多数の設計変数を含むように構成される。各々の冷却流チャネル４０の設計および構成において重要な設計変数として、質量流が一定に保たれるときの所定の上流側の供給出口４４に対する下流側の供給出口４４の流れ方向およびスパン方向における位置に加えて、各々の冷却流チャネル４０の冷却供給出口４４の噴射の角度、および各々の冷却流チャネル４０の複合角度が挙げられる。な本明細書において使用されるとき、α₁＝上流側の孔の噴射の角度であり、α₂＝下流側の孔の噴射の角度であり、β₁＝上流側の孔の複合角度であり、β₂＝下流側の孔の複合角度である。

図３および図４に最もよく示されるとおり、冷却供給出口４４は、フィルムの有効性の向上をもたらす複合角度の冷却供給出口４４の相補的な配置によるペアにて構成される。より詳しくは、開示の構成においては、上流側の冷却供給出口６０および下流側の冷却供給出口６２が、相補的なペアによる配置に含まれる。一実施形態においては、冷却供給出口６０、６２が、互いに近接して構成され、より詳しくは、上流側の冷却供給出口６０の各々が、孔の直径Ｄ１を有し、下流側の冷却供給出口６２の各々が、孔の直径Ｄ２を有する。一実施形態においては、Ｄ１とＤ２とが等しい。別の実施形態においては、Ｄ１とＤ２とが等しくない。さらに、下流側の冷却供給出口６２は、上流側の冷却供給出口６０にもとづいて、上流側の冷却供給出口６０と下流側の冷却供給出口６２との間の流れの方向の間隔がΔＸであり、横方向の間隔がΔＺであるように構成され、ここでΔＸ／Ｄは、２〜１０の範囲内であり、ΔＺ／Ｄは、冷却供給出口４４の２つ以上のペアの存在において上流側の供給出口の無次元の間隔のプラスまたはマイナス２分の１（±１／２×Ｐ／Ｄ）の範囲内であり、ここでＤは、Ｄ１とＤ２とが等しくない場合にＤ１およびＤ２の大きい方に等しい。

一実施形態においては、下流側の供給出口６２が、上流側の供給出口６０から下流方向「Ｘ」におおむね孔の直径２個分に設定され、上流側の供給出口６０からピッチ方向「Ｚ」におおむね孔の直径１個分に設定される。さらに、図３に最もよく示されるとおり、冷却供給出口４４の各々は、基材３２の外側および内側表面３４、３６に対して噴射角度αを有するように構成される。

表面３４および３６に対する各々の冷却流チャネル４０（より具体的には、各々の冷却供給出口６０、６２）の入射角度は、上流側の冷却供給出口６０についてα₁、かつ下流側の供給出口６２についてα₂であり、別個独立に設定される。一実施形態においては、噴射角度の成分α₁およびα₂が、内側表面３４または外側表面３６の一方に対して１０°〜９０°の範囲にある。上流側の供給出口６０および下流側の供給出口６２の複合斜め角度は、互いに別個独立に設定され、同じ符号を有し、すなわち同じ方向に向けられる。より具体的には、上流側の供給出口６０および下流側の供給出口６２の複合角度が、β₁が上流側の供給出口６０の複合斜め角度であり、β₂が下流側の供給出口６２の複合斜め角度であり、同じ符号を有するように設定される。一実施形態においては、斜め角度成分β₁およびβ₂が、ｘ軸に対して−９０°〜９０°の範囲である。βの正の値は、出口が領域の右側（正のｚ）に向けられていることを意味する。βの負の値は、出口が領域の左側（負のｚ）に向けられていることを意味する。すでに述べたとおり、どちらの場合も、出口は同じ方向に向けられている。

図４が、図３に点線によって示されているとおりの冷却供給出口の構成の拡大上面図を示しており、より詳しくは、β₁およびβ₂が等しく、Ｚに対して角度ゼロに設定された上流側の供給出口６０および下流側の供給出口６２の構成を示している。β₁およびβ₂がゼロに等しくないが、依然として実質的に等しく、かつ同じ符号を有する上流側の供給出口６０および下流側の供給出口６２のさらなる相補的な角度の構成が、図４に点線によって示されている。図示のとおり、冷却供給出口４４のペアの各ペアは、相補的な複合角度αおよびβを有するように構成され、ここでα₁およびα₂は、基材３２の外側および内側表面３４、３６に対して測定される冷却供給出口４４のペアから排出される冷却流５０の噴射角度成分であり、β₁およびβ₂は、高温ガス５２の自由流の流れの方向に対して整列したｚ軸に対する外側表面３４に沿った平面における冷却供給出口４４のペアから排出される冷却流５０の複合斜め角度成分であり、斜め角度成分β₁およびβ₂は、上流側の供給出口６０が下流側の供給出口６２を保護するように同じ符号である。

一実施形態においては、小さな噴射角度（例えば、α₁＝２５．１）を有する上流側の供給出口６０などの上流側の供給出口が、生成されるフィルム５４または境界層にかなりの渦を付与し、下流側の供給出口６２の冷却剤の流れを高温ガス５２の自由流によってそらされることがないように保つことを可能にする。図３にフィルム５４として示されているこれらの冷却剤の流れは、主たる流れ５２に対する大きな角度で外側表面３４に広がり続け、基材３２の外側表面３４への最大限の付着をもたらす。外側表面３４に付着した状態を保つこの能力は、孔の反対向きに回転する渦のペアの見かけ上の破壊的な干渉と関連がある。

次に図５〜図７を参照すると、すでに説明した高温ガス経路構成部品３０とおおむね同様の高温ガス経路構成部品８０の一部分を説明する実施形態が示されている。図５に最もよく示されているとおり、高温ガス経路構成部品８０は、相補的な複合角度を有するように構成された冷却供給出口４４のペア（より詳しくは、上流側の供給出口８０および下流側の供給出口８２）を備える。基材３２の外側表面３４に対する冷却供給出口８０、８２の入射角度（より具体的には、上流側の供給出口８０についてのα₁、および下流側の供給出口８２についてのα₂）は、別個独立に設定されている。２つの供給出口８０、８２の複合斜め角度も、互いに別個独立に設定されており、β₁が上流側の供給出口８０の複合斜め角度であり、β₂が下流側の供給出口８２の複合斜め角度であり、βの正の値は、冷却供給出口８０、８２が領域の右側（正のＺ）に向けられていることを意味している。より詳しくは、図示の実施形態において、β₁がほぼ４５°であり、β₂がほぼ４５°であり、β₁およびβ₂が同じ符号を有し、より具体的にはどちらも正であるように、上流側の供給出口８０が構成されている。３０〜４５度の範囲の複合斜め角度において、面積平均のフィルムの有効性が大幅に向上した。

図６に最もよく示されるとおり、上流側の冷却供給出口８０を出る冷却流５０によって生成される冷却フィルム５４が、下流側の冷却供給出口８２に保護をもたらす。この下流側の冷却供給出口８２の保護は、複合斜め角度、したがって冷却供給出口８０、８２の類似の方向の構成にもとづいてもたらされる。下流側の冷却供給出口８２の保護は、下流側の出口の冷却剤を、高温ガス５２の自由流によってそらされることがないように保つ。生成された冷却剤の流れが、複合斜め角度が反対の符号を有する場合などの保護がもたらされない場合と対照的に、高温ガス５２の自由流に対する大きな角度で基材３２の表面３４に広がり続け、基材３２の外側表面３４への付着の程度の向上をもたらす。外側表面３４に付着した状態保つフィルム５４（より具体的には、冷却剤の流れ）のこの能力は、出口８０、８２の反対向きに回転する渦のペアの見かけ上の破壊的な干渉と関連がある。

実行した研究において、幾何学的パラメータの以下の範囲を、複合角度αおよびβに利用した。さらに、以下の幾何学的パラメータを、出口の間隔に関するＸ、Ｚ、およびＤに利用した。

高温ガス経路構成部品８０の上面の温度の概略図が、図７に示されている。図示のとおり、上流側の供給出口８０および下流側の供給出口８２などの冷却供給出口４４を相補的な配置に設定することによって、下流側の供給出口８２が、上流側の供給出口８０に冷却されることなく残される領域に位置し、結果として全体としての冷却の範囲が広がる。さらに、反対向きに回転する渦のペアが、典型的にはリフトをもたらす。冷却供給出口８０、８２を本明細書に開示のとおりの相補的な配置に構成することによって、反対向きに回転するペアが相互作用して各ペアの半分を除去することで、混合を最小限にし、基材３２の外側表面３４に付着または横たわるフィルム５４をもたらす。この設計は、この改良されたフィルム５４をもたらすために、供給出口８０、８２のペアの複合角度が同じ符号（同じ方向）である点で、唯一無二である。

有益なことに、複合角度の冷却用造作を有する上述の高温ガス経路構成部品は、単純な幾何学および基本的な流れの制御を利用して、フィルムの有効性を向上させる。この単純な幾何学は、出口およびチャネルが実質的に丸穴として構成され、したがって異形孔よりも製造が容易かつ安価であるため、潜在的なコストの利益ももたらす。開示の冷却網の構成は、ｉ）燃焼室のライナまたは高圧タービンなどの高温ガス経路構成部品に必要なフィルム冷却の量を削減によるフィルムの有効性の向上、ｉｉ）エンジンが燃やす燃料の削減につながる冷却流の削減によるエンジンの効率向上による燃料消費率の改善、ｉｉｉ）開示の供給出口に利用されるような複合角度の孔が異形孔よりも容易に製造できることによる製造コストの削減、およびｉｖ）異形孔が高温かつ過酷な環境において詰まることが明らかになっているのに対し、円柱形／円形の複合角度の孔は潜在的に閉塞しにくいことによる供給出口の閉塞の低減、をもたらす。全体として、開示の冷却システム（より詳しくは、開示の高温ガス経路構成部品の冷却供給出口の構成）は、より少ない流れで改善された冷却をもたらす。冷却の低減の燃料消費率（ＳＦＣ）への影響は、各々のエンジンにおいて異なるが、一般的には、冷却流の１％の削減がＳＦＣの約０．２５％の改善につながることが明らかになっている。

本発明の特定の特徴だけを本明細書において図示および説明したが、当業者であれば、多数の改良および変更に想到できるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲が、そのようなすべての改良および変更を本発明の真の精神の範囲に包含されるものとして含むように意図されていることを、理解すべきである。本明細書においては、本発明を最良の態様を含めて開示するとともに、あらゆる装置またはシステムの製作および使用ならびにあらゆる関連の方法の実行を含む本発明の実施を当業者にとって可能にするために、いくつかの実施例を使用している。本明細書に提示の代表的な実施例および実施形態は、互いに組み合わせ、さらには他の開示の実施形態または実施例の特徴と組み合わせることで、依然として本発明の技術的範囲に包含されるさらなる実施形態を形成することができる特徴を含む。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定められ、当業者であれば想到できる他の実施例も含むことができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言から相違しない構成要素を有し、あるいは特許請求の範囲の文言からの実質的な相違を持たない同等の構成要素を備えるならば、特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 軸方向の中心線の軸
１４ ファン
１６ 圧縮機
１８ 燃焼器
２０ タービンノズル
２２ 第１段のタービン
２４ 低圧タービン
２６ 排気口ライナ
２８ 外気
２９ 高温の燃焼ガス
３０ 高温ガス経路構成部品
３２ 薄い金属壁
３４ ３２の外側壁面
３６ ３２の内側壁面
３７ 中空な内部空間
３８ フィルム冷却孔
４０ 冷却チャネル
４２ 供給入口
４４ 供給出口
４６ 冷却網
５０ 冷却流
５２ 高温ガスの自由流
５４ フィルム
６０ 上流側の供給出口
６２ 下流側の供給出口

Claims (20)

1. 高温ガスの流れに曝される外側表面（３４）と、冷却流に曝される内側表面（３６）とを有し、前記内側表面（３６）が少なくとも１つの内部空間を定めている基材（３２）と、
   前記基材（３２）の前記内側表面（３６）に形成され、冷却空気流を受け入れる冷却供給入口（４２）の１つ以上のペア、前記基材（３２）の前記外側表面（３４）に形成され、冷却空気流を排出する冷却供給出口（４４）の１つ以上のペア、ならびに前記基材（３２）を貫いて前記冷却供給入口（４２）および冷却供給出口（４４）の各々の間を延びており、前記冷却供給入口（４２）から前記冷却供給出口（４４）への冷却空気流の通過を可能にする冷却流チャネル（４０）と
   を備え、
   前記冷却供給出口（４４）の１つ以上のペアのうちの各ペアが、相補的な複合角度αおよびβを有するように構成され、α₁およびα₂が、前記基材（３２）の前記外側および内側表面（３４、３６）に対して測定される前記冷却供給出口（４４）の１つ以上のペアのうちの各ペアから排出される冷却流の噴射角度成分であり、β₁およびβ₂が、外部の高温ガスの流れの方向に対して整列したｚ軸に対する前記外側表面（３４）に沿った平面における前記冷却供給出口（４４）の１つ以上のペアのうちの各ペアから排出される冷却流の複合斜め角度成分であり、該斜め角度成分β₁およびβ₂が同じ符号である、高温ガス経路構成部品（３０）。
2. 前記冷却流チャネル（４０）の各々が、前記外側表面（３４）から前記内側表面（３６）まで延びている請求項１に記載の高温ガス経路構成部品（３０）。
3. 前記冷却供給出口（４４）の１つ以上のペアのうちの各ペアが、上流側の供給出口（６０）および下流側の供給出口（６２）を含む請求項１に記載の高温ガス経路構成部品（３０）。
4. 前記冷却供給出口（４４）の１つ以上のペアのうちの各ペアが、前記上流側の供給出口（６０）が前記下流側の供給出口（６２）を保護するように構成されている請求項３に記載の高温ガス経路構成部品（３０）。
5. 前記上流側の冷却供給出口（６０）の各々が、孔径Ｄ１を有し、前記下流側の冷却供給出口（６２）の各々が、孔径Ｄ２を有し、前記上流側の冷却供給出口（６０）と前記下流側の冷却供給出口（６２）との間の流れ方向の間隔がΔＸであり、横方向の間隔がΔＺであり、ここでΔＸ／Ｄが２〜１０の範囲にあり、ΔＺ／Ｄが、冷却供給出口（４４）のペアが２つ以上存在するときの上流側の供給出口の無次元間隔のプラスマイナス２分の１（±１／２×Ｐ／Ｄ）の範囲にある請求項３に記載の高温ガス経路構成部品（３０）。
6. 前記斜め角度成分β₁およびβ₂が、−９０°〜９０°の範囲にある請求項５に記載の高温ガス経路構成部品（３０）。
7. 前記斜め角度成分β₁およびβ₂が、−４５°〜４５°の範囲にある請求項６に記載の高温ガス経路構成部品（３０）。
8. 前記斜め角度成分β₁およびβ₂が、同じである請求項５に記載の高温ガス経路構成部品（３０）。
9. 前記噴射角度成分α₁およびα₂が、前記内側表面（３６）または前記外側表面（３４）の一方に対して１０°〜９０°の範囲にある請求項５に記載の高温ガス経路構成部品（３０）。
10. 前記噴射角度成分α₁およびα₂が、前記内側表面（３６）または前記外側表面（３４）の一方に対して２５°〜４５°の範囲にある請求項９に記載の高温ガス経路構成部品（３０）。
11. 前記斜め角度成分β₁およびβ₂が、−４５°〜４５°の範囲にあり、前記噴射角度成分α₁およびα₂が、前記内側表面（３６）または前記外側表面（３４）の一方に対して２５°〜４５°の範囲にある請求項５に記載の高温ガス経路構成部品（３０）。
12. 高温ガス経路構成部品（３０）の壁であって、
    反対向きの内側および外側表面（３６、３４）を備え、該内側および外側表面（３６、３４）は、該内側および外側表面（３６、３４）を縦方向に貫いて冷却流を受け入れるための該内側表面（３６）に形成された２つ以上の冷却供給入口（４２）と冷却流を排出するための前記外側表面（３４）に形成された２つ以上の冷却供給出口（４４）との間を延びている２つ以上の複合角度フィルム冷却孔を有し、前記２つ以上の冷却供給入口（４２）の各々が、冷却流チャネル（４０）を介して前記２つ以上の冷却供給出口（４４）のうちの１つに連通しており、
    前記２つ以上の複合角度フィルム冷却孔の各々は、相補的な複合角度αおよびβを有するペアに構成され、α₁およびα₂が、基材の前記外側および内側表面（３４、３６）に対して測定される冷却供給出口（４４）のペアから排出される冷却流の噴射角度成分であり、β₁およびβ₂が、外部の高温ガスの流れの方向に対して整列したｚ軸に対する前記外側表面（３４）に沿った平面における前記冷却供給出口（４４）のペアから排出される冷却流の複合斜め角度成分であり、該斜め角度成分β₁およびβ₂が同じ符号である、高温ガス経路構成部品（３０）の壁。
13. 前記冷却流チャネル（４０）の各々が、前記外側表面（３４）から前記内側表面（３６）まで延びている請求項１２に記載の高温ガス経路構成部品（３０）。
14. 前記複合角度フィルム冷却孔の各ペアが、上流側の冷却供給出口（６０）および下流側の冷却供給出口（６２）を含む請求項１２に記載の高温ガス経路構成部品（３０）。
15. 前記複合角度フィルム冷却孔の各ペアが、前記上流側の冷却供給出口（６０）が前記下流側の冷却供給出口（６２）を保護するように構成されている請求項１４に記載の高温ガス経路構成部品（３０）。
16. 前記上流側の冷却供給出口（６０）の各々が、孔径Ｄ１を有し、前記下流側の冷却供給出口（６２）の各々が、孔径Ｄ２を有し、前記上流側の冷却供給出口（６０）と前記下流側の冷却供給出口（６２）との間の流れ方向の間隔がΔＸであり、横方向の間隔がΔＺであり、ここでΔＸ／Ｄが２〜１０の範囲にあり、ΔＺ／Ｄが、冷却供給出口（４４）のペアが２つ以上存在するときの上流側の供給出口の無次元間隔のプラスマイナス２分の１（±１／２×Ｐ／Ｄ）の範囲にある請求項１４に記載の高温ガス経路構成部品（３０）。
17. 前記斜め角度成分β₁およびβ₂が、高温ガスの流れの流れ方向に対して互いに同じ方向に向けられている請求項１２に記載の高温ガス経路構成部品（３０）。
18. 前記斜め角度成分β₁およびβ₂が、−９０°〜９０°の範囲にある請求項１７に記載の高温ガス経路構成部品（３０）。
19. 前記噴射角度成分α₁およびα₂が、前記内側表面（３６）に対して１０°〜９０°の範囲にある請求項１８に記載の高温ガス経路構成部品（３０）。
20. 前記冷却供給入口（４２）、前記冷却供給出口（４４）、および前記冷却流チャネル（４０）の各々が、実質的に円形の形状を有するように構成されている請求項１２に記載の高温ガス経路構成部品（３０）。