JP2015526629A - 部品及び部品の冷却方法 - Google Patents

Abstract

部品及び部品の冷却方法を提供する。部品は、前縁と、後縁と、前縁と後縁の間の１以上の空洞と、空洞に隣接する１以上の拡散部材とを含む。拡散部材は、空洞に隣接する入口と、入口に隣接する調量区域と、調量区域に隣接する拡散区域と、拡散区域に隣接するとともに後縁にも隣接する出口とを含む。拡散部材は、約７０％以下の流量減少及び部品の後縁の均一な冷却をもたらす。【選択図】図１

Description

本発明は、広義にはタービンに関し、特に部品並びにタービンの部品の冷却方法に関する。

高効率のタービンエンジンの設計及び構築という目的は、特に化石燃料の枯渇化及びコスト増大を考慮すると、重大である。タービンエンジンの効率の増加のための幾つかの方策が知られているが、例えばエンジンサイズの増加、高温ガス経路の温度上昇、及びロータ動翼の回転速度の増加などを始めとする公知の案では、一般に、例えばタービン翼形部への追加の歪みを始めとして、既に高い応力に付されている部材に追加の歪みが加わるので、依然として課題として残されている。そのため、タービン翼形部に加わる作動応力を低減する或いはこれらの応力に対するタービン翼形部の耐性を高める改良装置、方法及び／又はシステムが求められている。

熱応力を低減する一つの方法は、翼形部の受ける温度が高温ガス経路の温度よりも低くなるように翼形部を冷却することである。有効な冷却は、例えば、翼形部が耐えることのできる燃焼温度の高温化、高い作動温度で耐えることのできる機械的応力の増大及び／又は翼形部の部材寿命の増大をもたらし、これらはすべて、タービンエンジンの経済性及び効率を向上させる。作動中に翼形部を冷却する方法の一つは、内部冷却通路又は回路を用いることである。一般には、比較的低温の圧縮空気（タービンエンジンの圧縮機によって供給することができる）を翼形部の内部冷却回路に流すことによる。圧縮空気は、翼形部内を流れる際に翼形部を対流冷却し、本来耐えることのできない燃焼温度に部材が耐えることができるようになる。

場合によっては、供給される圧縮空気は、翼形部の表面の小さな孔から放出される。こうして放出された供給空気は、翼形部の表面に比較的低温の空気の薄層又は膜を形成し、部材を冷却するとともに部材周囲の高温から遮熱する。この種の冷却は、一般に「フィルム冷却」と呼ばれるが、犠牲を要する。このように翼形部の表面に圧縮空気を放出すると、エンジンの空力効率が低下してしまう。そのため、タービン翼形部の改良冷却法に対するニーズが依然として存在する。

そこで、上述の短所が解消された部品及びタービンの部品の冷却方法があれば当技術分野で望ましいであろう。

欧州特許出願公開第２３８３４３６号明細書

本発明の例示的な実施形態では、部品を提供する。本部品は、前縁と、後縁と、前縁と後縁の間の１以上の空洞と、空洞に隣接する１以上の拡散部材とを含む。拡散部材は、空洞に隣接する入口と、入口に隣接する調量区域と、調量区域に隣接する拡散区域と、拡散区域に隣接するとともに後縁にも隣接する出口とを含む。拡散部材は、約７０％以下の流量減少及び部品の後縁の均一な冷却をもたらすことができる。

本発明の例示的な別の実施形態では、部品の冷却方法を提供する。本方法は、部品を用意するステップを含む。部品は、前縁と、後縁と、前縁と後縁の間の１以上の空洞と、空洞に隣接する１以上の拡散部材とを含む。拡散部材は、空洞に隣接する入口と、入口に隣接する調量区域と、調量区域に隣接する拡散区域と、拡散区域に隣接するとともに後縁にも隣接する出口とを含む。拡散部材は、約７０％以下の流量減少及び部品の後縁の均一な冷却をもたらすことができる。本方法は、拡散部材を通じて１以上の空洞に冷却空気を流通させるステップを含む。部品からの熱は、拡散区域を通して除去される。

本発明のその他の特徴及び利点については、本発明の原理を例示する図面と併せて好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明を参照することによって明らかとなろう。

本発明に係る部品の概略斜視図。 図１の拡大図であり、本発明の拡散区域を示す。 本発明に係る、図１の矢視３−３断面図。 本発明に係る、図３の拡散区域の拡大図。 本発明に係る、図３の拡散区域の別の実施形態を示す図。 本発明に係る拡散区域の別の実施形態を示す図。

図面を通して、同じ部材にはできるだけ同じ符号を用いた。

部品及び部品の冷却方法を提供する。

本発明の実施形態の一つの利点として、タービンからの寄生流量減少が挙げられる。本発明の実施形態のもう一つの利点として、ノズル後縁冷却スロットでの排気速度の減少が挙げられる。本発明のさらに別の利点として、エンジン効率の増加が挙げられる。

一実施形態では、前縁と、後縁と、前縁と後縁の間の１以上の空洞と、空洞に隣接する１以上の拡散部材とを含む部品を提供する。部品は、一般に、高温ガス経路部品であり、特に限定されないが、ノズル、ブレード及びシュラウド等のタービン部品が挙げられる。一実施形態では、拡散部材は、約７０％以下の流量減少及び部品の後縁の均一な冷却をもたらすことができる。一実施形態では、部品は、セラミックマトリックス複合材料である。別の実施形態では、部品は、特に限定されないが、ニッケル基超合金、コバルト基超合金又はそれらの組合せのような超合金である。

例えば、図１は、部品１００の概略斜視図である。例えば、図に示すように、部品１００はノズルであってもよい。部品１００は翼形部１０２を含んでいてもよい。翼形部１０２は、ガス経路の方向を変えるための内側タービン流路と外側タービン流路の間の部材であってもよい。翼形部は、前縁１１０と、後縁１１２と、前縁１１０と後縁１１２の間の本体１０６を含む。図２に示すように、例えば、部品１００は、前縁１１０と後縁１１２の間に１以上の空洞２００、３１０、３２０を含んでいてもよい。部品１００は、１以上の空洞に隣接する１以上の拡散部材１３０を含む。

一実施形態では、拡散部材は、空洞に隣接する入口と、入口に隣接する調量区域と、調量区域に隣接する拡散区域と、拡散区域に隣接するとともに後縁にも隣接する出口とを含む。例えば、図２に示すように、拡散部材１３０は、空洞２００に隣接する入口２１０を含む。拡散部材１３０は、入口２１０に隣接する調量区域２２０を含む。拡散部材１３０は、調量区域２２０に隣接する拡散区域２３０を含む。拡散部材１３０は、拡散区域２３０に隣接しているとともに後縁１１２にも隣接する出口２４０を含む。拡散部材１３０は、約７０％以下の流量減少及び部品１００の後縁１１２の均一な冷却をもたらすことができる。出口２４０での流速は格段に低下させることができる。拡散部材１３０は、入口２１０から出口２４０まで拡大する断面積を有する。本明細書では、「流れの拡大」は、貫流面積の増加によって質量輸送を低減させるプロセス、或いはかかるプロセスを可能にする拡散部材１３０のようなデバイスである。本明細書では、「流れの調量」は、調量プロセス又はデバイスを含む部材を横切る流れの量を制御するプロセス又はデバイスである。

図２に示すように、入口２１０は、後方空洞２００（図３を参照）から後縁１１２冷却機構に流れが入る位置にある。入口２１０は、典型的に長さが短く、長さと水力直径との比は約５未満である。入口２１０は、その調量特性を低減するための独特な形状寸法特性を有する。調量区域２２０は、主として、制御された形状寸法特徴であり、そのサイズは、後縁１１２冷却機構を通過する流量に最も著しい影響を有する。調量区域２２０は、流量の低減を起こす又は目的とする第２の形状寸法特徴を有していてもよい。第２の調量部は、流量に無視できない影響を有していてもよいが、流れ制御特徴でなくてもよい。

拡散区域２３０又は拡大領域は、調量区域２２０と出口２４０の間で、貫流面積が約１５０％〜約５００％増加する領域であってもよい。拡散区域２３０は、拡散角度２３２を有する。拡散角度２３２は、所望の流れ拡大をもたらす任意の角度である。出口２４０は、流れが後縁１１２冷却機構の内部から出る位置にある。出口２４０は、フィルム被覆率によって特徴付けることができ、出口２４０が後縁１１２をフィルム被覆のない領域に二分する場合には、出口２４０は約２５％〜約１００％の範囲の開放／中実比（open-to-solid ratio）を有する。本明細書では、「フィルム被覆率」は、流れと直交する方向で測定することができ、出口２４０に露出される距離の分率である。

図３は、図１の矢視３−３断面図であり、前縁１１０に隣接する前方空洞３２０を示す。第２の空洞３１０が前方空洞３２０に隣接する。後方空洞２００が拡散部材１３０に隣接する。拡散部材１３０は、外面部分３５０に隣接する。外面部分３５０は、拡散部材１３０の出口２４０と翼形部の閉鎖部との間の距離であり、約０〜約１２の長さ（Ｌ）／水力直径（Ｄ）比を有する。一実施形態では、Ｌ／Ｄ比は無限大であり、フィルム被覆率は約３３％〜１００％の範囲である。別の実施形態では、Ｌ／Ｄ比が０である場合、出口２４０は、約３３％〜１００％の「開放」被覆率を有する。

一実施形態では、拡散部材を提供する。例えば、図４は、図３の概略拡大図であり、拡散部材１３０を強調して示す。入口２１０は、後方空洞２００に隣接する。調量区域２２０は、入口２１０に隣接する。拡散区域２３０は、調量区域２２０に隣接する。出口２４０は、拡散区域及び翼形部１０２の後縁１１２の外面部分３５０に隣接する。別の実施形態では、図５に示すように、出口２４０は、後縁１１２の基部から出て、吹出し長を有しない。

一実施形態では、拡散部材は、２以上の拡散区域を含む。例えば、図６に図に示すように、拡散部材１３０は、部品１００の後方空洞２００に隣接する入口２１０を含む。入口２１０は、調量区域２２０に隣接する。調量区域２２０に隣接して２以上の拡散区域２３０が存在していてもよい。各拡散区域２３０は、流れの所望の拡大及び縮小をもたらすことができる。各拡散区域２３０は、後縁１１２に隣接する出口２４０を含む。

拡散部材１３０は、特に限定されないが、レーザ又は放電加工（ＥＤＭ）のような適切な技術を用いて、部品１００に形成することができる。

本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、その要素を種々変更させることができ、均等物で置換することができることは当業者には明らかであろう。さらに、特定の状況又は材料に適応させるために、その本質的範囲から逸脱することなく、本発明の教示に多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。

Claims (14)

1. 前縁と、
   後縁と、
   前縁と後縁の間の１以上の空洞と、
   空洞に隣接する１以上の拡散部材であって、空洞に隣接する入口と、入口に隣接する調量区域と、調量区域に隣接する拡散区域と、拡散区域に隣接するとともに後縁にも隣接する出口とを含む１以上の拡散部材と
   を備える部品であって、拡散部材が、約７０％以下の流量減少及び部品の後縁の均一な冷却をもたらす、部品。
2. 当該部品がセラミックマトリックス複合材料である、請求項１記載の部品。
3. 当該部品が超合金である、請求項１記載の部品。
4. 当該部品がブレード、ノズル又はシュラウドである、請求項１記載の部品。
5. 拡散部材が、入口から出口まで拡大する断面積を有する、請求項１記載の部品。
6. 拡散部材が、調量区域と出口の間で貫流面積が約１５０％〜約５００％増加する、請求項１記載の部品。
7. 出口が約２５％〜約１００％の開放／中実比を有する、請求項１記載の部品。
8. 部品の冷却方法であって、
   前縁と、後縁と、前縁と後縁の間の１以上の空洞と、１以上の空洞に隣接する１以上の拡散部材であって、空洞に隣接する入口と、入口に隣接する調量区域と、調量区域に隣接する拡散区域と、拡散区域に隣接するとともに後縁にも隣接する出口とを含む１以上の拡散部材とを備える部品であって、拡散部材が約７０％以下の流量減少及び部品の後縁の均一な冷却をもたらす、部品を用意するステップと、
   拡散部材を通じて１以上の空洞に冷却空気を流通させるステップと
   を含んでいて、部品からの熱が拡散区域を通して除去される、方法。
9. 部品がセラミックマトリックス複合材料である、請求項８記載の方法。
10. 部品が超合金である、請求項８記載の方法。
11. 部品がブレード、ノズル又はシュラウドである、請求項８記載の方法。
12. 拡散部材が、入口から出口まで拡大する断面積を有する、請求項８記載の方法。
13. 拡散部材が、調量区域と出口の間で貫流面積が約１５０％〜約５００％増加する、請求項８記載の方法。
14. 出口が約２５％〜約１００％の開放／中実比を有する、請求項８記載の方法。