JP2018502244A - テーパしたポケットを備える翼用の冷却チャネル - Google Patents
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Abstract
本発明は、タービン翼の壁部内に配置された冷却チャネルを提供するためのシステムおよび方法を含む。これらの冷却チャネルは、翼の長さおよび幅に沿って様々な方向にテーパした微細回路を有する。加えて、これらの冷却チャネルは、周囲空気と翼との間の対流熱伝達を促進するために、様々な形状および面積を有する。
Description
発明の背景
典型的なガスタービンエンジンは、3つの主なセクション、すなわち圧縮機セクション、燃焼器セクションおよびタービンセクションから成る。標準的な運転サイクルにおける場合、圧縮機セクションは、燃焼器セクションへ供給される空気を加圧するために使用される。燃焼器セクションでは、燃料が圧縮機セクションからの加圧空気と混合され、点火されて、高温かつ高速の燃焼ガスを発生する。次いで、これらの燃焼ガスは、多段タービンに流入し、多段タービンにおいて高温ガスは、回転ガスタービン翼と固定ガスタービン翼との交互の列の間を通流する。固定ベーンの列は、通常、回転ブレードの後続の段への燃焼ガスの流れを方向転換するために使用される。タービンセクションは、共通の軸方向シャフトに沿って圧縮機セクションに連結されており、これにより、タービンセクションが圧縮機セクションを駆動する。
典型的なガスタービンエンジンは、3つの主なセクション、すなわち圧縮機セクション、燃焼器セクションおよびタービンセクションから成る。標準的な運転サイクルにおける場合、圧縮機セクションは、燃焼器セクションへ供給される空気を加圧するために使用される。燃焼器セクションでは、燃料が圧縮機セクションからの加圧空気と混合され、点火されて、高温かつ高速の燃焼ガスを発生する。次いで、これらの燃焼ガスは、多段タービンに流入し、多段タービンにおいて高温ガスは、回転ガスタービン翼と固定ガスタービン翼との交互の列の間を通流する。固定ベーンの列は、通常、回転ブレードの後続の段への燃焼ガスの流れを方向転換するために使用される。タービンセクションは、共通の軸方向シャフトに沿って圧縮機セクションに連結されており、これにより、タービンセクションが圧縮機セクションを駆動する。
空気および高温の燃焼ガスは、タービンブレードおよびベーンによってタービンセクションを通って方向付けられる。これらのブレードおよびベーンは、極めて高い作動温度に曝され、これは、しばしば、ブレードおよびベーンを形成する材料の能力を超えてしまう。極端な温度は、構成部材における熱成長、熱応力をも生じる可能性があり、耐久性の不足につながる可能性がある。有効作動温度を低下させるために、ブレードおよびベーンは、しばしば空気または蒸気によって冷却される。しかしながら、冷却は、冷却流体を効率的に使用するために効果的に行われなければならない。その結果、特に、これらの問題を解決するガスタービンにおける翼のための改良された冷却設計が必要とされている。
発明の概要
簡単に言って、また概略において、本願の対象は、概して、ガスタービン翼に組み込まれた冷却通路、チャネルおよびチャンバに関する。ガスタービン翼は、内面および外面を有する翼壁から成り、翼壁は、少なくとも部分的に翼壁によって包囲された翼チャンバを形成している。実施の形態は、翼の改良された冷却のために翼壁に様々な位置、方向および構成で形成された翼通路およびポケットを提供する。翼通路は、冷却流体または空気を翼壁および翼チャンバに通過させ、ガスタービンの作動中に翼を冷却する。
簡単に言って、また概略において、本願の対象は、概して、ガスタービン翼に組み込まれた冷却通路、チャネルおよびチャンバに関する。ガスタービン翼は、内面および外面を有する翼壁から成り、翼壁は、少なくとも部分的に翼壁によって包囲された翼チャンバを形成している。実施の形態は、翼の改良された冷却のために翼壁に様々な位置、方向および構成で形成された翼通路およびポケットを提供する。翼通路は、冷却流体または空気を翼壁および翼チャンバに通過させ、ガスタービンの作動中に翼を冷却する。
発明の第1の実施の形態において、前縁および後縁を有するガスタービン用の翼が提供される。翼は、内面および外面を有する翼壁であって、翼壁は、少なくとも部分的に翼壁によって包囲された翼チャンバを形成している、翼壁と、翼壁内の複数のポケットとを備え、複数のポケットのそれぞれは、内側ポケット壁および外側ポケット壁と、前縁から第1の距離だけ離れて配置された内面における少なくとも1つの第1の開口であって、翼チャンバとポケットとの間に流体連通を提供する、少なくとも1つの第1の開口と、前縁から第2の距離だけ離れて配置された外面における少なくとも1つの第2の開口であって、翼の外側とポケットとの間に流体連通を提供する、第2の開口と、を有している。内側ポケット壁と外側ポケット壁との間の距離は、前縁の近くではより大きくかつ後縁の近くではより小さい。
本発明の別の実施の形態では、ガスタービンアセンブリが提供される。アセンブリは、前縁および後縁を有する翼を備え、翼は、内面および外面を有する翼壁であって、翼壁は、少なくとも部分的に該翼壁によって包囲された翼チャンバを形成している、翼壁と、翼壁内の複数のポケットとを備え、複数のポケットのそれぞれは、内側ポケット壁および外側ポケット壁と、前縁から第1の距離だけ離れて配置された内面における少なくとも1つの第1の開口であって、翼チャンバとポケットとの間に流体連通を提供する、少なくとも1つの第1の開口と、前縁から第2の距離だけ離れて配置された外面における少なくとも1つの第2の開口であって、翼の外側とそれぞれポケットとの間に流体連通を提供する、第2の開口と、を有している。内側ポケット壁と外側ポケット壁との間の距離は、前縁の近くではより大きくかつ後縁の近くではより小さく、外側ポケット壁に対する内側ポケット壁の断面積の比は、1.1:1〜10:1である。
本発明のさらに別の実施の形態では、翼を製造する方法が提供される。方法は、前縁および後縁を有する翼であって、翼は、内面および外面を有する翼壁を有し、翼壁は、少なくとも部分的に翼壁によって包囲された翼チャンバを形成している、翼を提供すること、および翼壁内に複数のポケットを形成することを含み、複数のポケットのそれぞれは、内側ポケット壁および外側ポケット壁と、前縁から第1の距離だけ離れて配置された内面における第1の開口であって、翼チャンバと前記ポケットとの間に流体連通を提供する、少なくとも1つの第1の開口と、前縁から第2の距離だけ離れて配置された外面における第2の開口であって、翼の外側とポケットとの間に流体連通を提供する、第2の開口と、を有している。内側ポケット壁と外側ポケット壁との間の距離は、翼の前縁の近くでより大きく、翼の後縁の近くでより小さい。
本開示に説明された冷却回路、チャネル、通路および/または微細回路は、ガスタービン翼に関連してしばしば説明されるが、あらゆるタイプの翼構造において使用されてよい。加えて、冷却流体、ガス、空気および/または空気流は、本開示において互換的に使用されてよく、翼の熱伝達および冷却を提供するために翼を通って送ることができるあらゆる冷却媒体を意味する。
図面の簡単な説明
添付の図面を参照して、本発明を以下で詳細に説明する。
添付の図面を参照して、本発明を以下で詳細に説明する。
発明の詳細な説明
概略において、本願の対象は、概して、様々な構成において組み込まれた冷却回路を有するガスタービン用の翼に関する。翼は、概して、少なくとも部分的に翼チャンバを包囲する、内面および外面を備える翼壁を有してもよい。冷却回路は、ガスタービンが作動しているときおよび冷却流体またはガスが冷却回路を通過しているときに翼からのより高い熱伝達を提供するために、翼壁の様々な位置に形成されてもよい。苛酷な環境において作動するタービンハードウェアのために、この翼冷却技術の使用は、外径および内径プラットフォーム、ブレードの外側または内側のエアシールド、または択一的な高温タービン構成部品などの付加的な構成部品に適応させられるように十分に熟慮されている。
概略において、本願の対象は、概して、様々な構成において組み込まれた冷却回路を有するガスタービン用の翼に関する。翼は、概して、少なくとも部分的に翼チャンバを包囲する、内面および外面を備える翼壁を有してもよい。冷却回路は、ガスタービンが作動しているときおよび冷却流体またはガスが冷却回路を通過しているときに翼からのより高い熱伝達を提供するために、翼壁の様々な位置に形成されてもよい。苛酷な環境において作動するタービンハードウェアのために、この翼冷却技術の使用は、外径および内径プラットフォーム、ブレードの外側または内側のエアシールド、または択一的な高温タービン構成部品などの付加的な構成部品に適応させられるように十分に熟慮されている。
ここで図1Aを参照すると、ガスタービンブレード100が提供されている。タービンブレード100は、一般的に根元部102と呼ばれる底部を有し、根元部102は、ロータディスク(図示せず)に連結され得る。根元部はロータディスクに完全に一体化されてもよく、これにより、根元部が流路内へ延びていないことが理解される。ネック103が、根元部102から、通常はロータ中心軸線に対して垂直に、半径方向上方へ延びている。ネック103は、主に、根元部102とガスタービン翼104との間の移行片として使用されてもよい。
ガスタービン翼104は、4つの別個の部分から成る。加圧されたガス流と接触する翼104の第1の部分は、前縁106と呼ばれ、前縁106は、後縁108として形成された、ガス流と接触する翼の最後の部分の反対側にある。前縁106は、ロータ中心軸線に沿って、タービン圧縮機セクション(図示せず)もしくはタービン入口に面している。この方向は、軸方向と呼ばれる。加圧された空気流が前縁106において妨げられると、空気流は、異なる相対圧力を有する2つの別個の空気流に分割される。前縁106と後縁108とを2つの半径方向に延びる壁部が接続しており、これらの壁部は、壁部において妨げられる相対圧力に基づき形成されている。図1Aにおいて見た凹面は、正圧面壁部110であるように形成されている。この面の凹面状のジオメトリは、正圧面壁部110の長さに沿って、より高い局所的圧力を生じる。正圧面壁部110の反対側に、負圧面壁部112が設けられている。負圧面壁部112は凸面状のジオメトリを有しており、このジオメトリは、負圧面壁部112の長さに沿って、より低い局所的圧力を生じる。
正圧面壁部110と負圧面壁部112との間に生ぜしめられる差圧は、ガスタービン翼104の横断面に沿って上方への持上げ力を生じる。ガスタービン翼104の横断面を図2により詳細に見ることができる。この持上げ力は、ロータディスクの回転運動を作動させる。ロータディスクは、電気を発生するためにシャフト(図示せず)を介して圧縮機および発電機に連結されていてもよい。図1Aの最も上側の部分は、先端シュラウド114を示しており、この先端シュラウド114は、第1の面116から半径方向外向きに延びるナイフエッジ118を備える第1の面116を含む。ナイフエッジ118の間に凹んだポケット120が配置されている。
従来技術のベーンアセンブリ150は、図1Bに示されており、内側プラットフォーム151と、内側レール152と、外側プラットフォーム153と、内側プラットフォーム151と外側プラットフォーム153との間に延びるベーン翼154とを有する。内側レール152は、設計されたベーンへ通過する代わりに高温ガス通路内への冷却空気の漏れからリムキャビティ領域をシールするための手段として機能するが、内側レール152は、内側プラットフォーム151を剛性化もする。内側レール152は、冷却空気のプレナムの近くに配置されてもよく、これにより、ほぼ冷却空気の温度で作動する。
図2は、ガスタービン翼のための従来の冷却設計の断面図である。図2は、冷却通路202および203を示すための断面図である。ガスタービン翼は、翼を構成するために使用された材料の融点を超える温度環境において作動することがある。したがって、冷却通路202および203は、翼の冷却通路に冷却空気を通流させることによって作動中に翼の温度を低下させるために設けられている。
従来、空冷式タービン翼は、タービン翼のワックスボディを形成し、ワックス部分の周囲に外側シェルを提供し、次いで、液状金属のための型を残すようにワックスを溶融させることによって、機械加工プロセスまたはインベストメント鋳造プロセスによって製造される。次いで、液状金属が型に注入され、ワックスによって残された空所を満たす。しばしば、ワックスは、金属タービン翼内に冷却チャネルを形成するためのセラミックコアも有する。液状金属が冷却され、固化すると、シェルが除去され、セラミックコアは、今や固体の金属タービン翼から化学的に浸出させられ、その結果、中空のタービン翼が提供される。これらの従来の鋳造法は、鋳造することができるジオメトリに関して制限を有する。付加製造における新たな開発がなされており、この新たな開発は、従来のインベストメント鋳造技術を超えて可能性を拡張することができる。
図1A、図1Bおよび図2のタービン翼は、インベストメント鋳造などの標準的な冶金学的技術を用いて製造されることが知られている。しかしながら、従来の製造技術を用いて提供することができるジオメトリは制限されている。内部の幾何学的形状および微細な幾何学的複雑さは概してダイカストには適していない。付加製造の分野における進歩が、従来は達成不可能であった複雑さの製造のために採用されている。本発明の実施の形態は、付加製造プロセスを用いて提供されてもよい。付加製造プロセスの一例は、SLMとして製造分野においてより一般的に知られる選択的レーザ溶融である。SLMは、一般的な付加製造プロセスであると広く考えられているが、本明細書に説明された実施の形態は、選択的レーザ焼結(SLS)または直接金属レーザ焼結(DMLS)または択一的な付加製造法などの、あらゆる付加製造プロセスによって製造することができる。本明細書に説明されたSLMプロセスは、非制限的でありかつ例示的であることが意図されている。
図3Aおよび図3Bは、本発明の1つの実施の形態による、様々な冷却チャネルを組み込んだ典型的なガスタービン翼300の断面透視図である。翼300は、内面303および外面305を有する翼壁301を有する。翼壁301は、少なくとも部分的に、翼壁301内に翼チャンバ307を包囲している。翼壁301は、全体として、前縁302、後縁304、正圧面壁部306および負圧面壁部308を有する。正圧面壁部306には、ポケット310および312が配置されている。ポケット314および316は、負圧面壁部308に配置されている。これらのポケット310,312,314および316は、翼300が連結された関連するガスタービンの作動中に熱を翼300から逃がすために、冷却流体またはガスを翼壁301の内部に通過させることによって翼300内の能動的な冷却を増強するために、ガスタービン翼300の翼壁301に採用されている。
加えて、(翼壁301内の空間によって示されている)ポケットセクション310,312,314および316は、前に説明したように、付加製造プロセスを用いて製造されてもよい。図3Aおよび図3Bに示したように、ポケット310,312,314および316はそれぞれ翼壁301内に延びており、各ポケットは、内面303において第1の開口318を、外面305において第2の開口320を有する。第1の開口318は、複数の第1の開口318のうちの1つであってもよく、以下では簡単にするために第1の開口318と称するが、非制限的であることが意図されている(第1の開口318は、冷却流体入口であってもよい)。第2の開口320は、複数の第2の開口320のうちの1つであってもよく、以下では簡単にするために第2の開口320と称するが、非制限的であることが意図されている(第2の開口320は、冷却流体出口であってもよい)。これらの開口318,320は、各ポケット310,312,314および316のために設けられておりかつ対を成している。各ポケット310,312,314および316の第1の開口318は、翼チャンバ307とそれぞれのポケット310,312,314または316との間に流体連通を提供し、第2の開口320は、それぞれのポケット310,312,314または316と翼300の外側環境との間に流体連通を提供する。これらの開口318,320は、図3A〜図3Cに示された翼の内部ポケット310,312,314および316に供給および排出する。
翼壁301の各ポケット310,312,314および316内には複数のペデスタル、即ち支柱322が設けられており、ペデスタル322は、各ポケット310,312,314および316の内側ポケット壁324と外側ポケット壁326との間に延びている。各ポケット310,312,314および316は1つまたは複数のフロータービュレータ(図示せず)を有してもよく、フロータービュレータは、さらなる側壁冷却を提供するために冷却流体またはガスの乱流混合を促進するポケット310,312,314または316の突出した部分であってもよい。これらは、ポケット310,312,314および316内でそれぞれの第1の開口318とそれぞれの第2の開口320との間を移動する冷却流体の混合を単に提供するために、様々な異なる構造または突出部として実施または提供することができる。乱流は、択一的に、粗い面を有するポケットを製造することによって達成されてもよい。粗さを備える表面のトポグラフィは複雑であり、粗さの1つの決定的な測定はない。広く使用される基本的なパラメータは、任意のサンプリング長さ以内の表面プロフィル中心線からの表面の測定されたプロフィル高さ逸脱の絶対値の算術平均として規定される“等価粗さ”(Ra)である。ターボ機械構成要素のためのRaの典型的な値は、鋳造物としての材料の場合125マイクロインチであり、研磨された構成要素の場合25マイクロインチである。開示された実施の形態では、ポケット熱伝達率は、加えて、少なくとも400Raの等価粗さ測定値を達成するために表面粗さを調整することによって変更されてもよい。
ポケット310,312,314および316は、翼側壁に設けられており、概して軸方向に沿った前縁302から後縁304までの領域においてテーパしている。テーパとは、各ポケット310,312,314および316の第1の開口318と第2の開口320との間の断面積の減少である。各ポケット310,312,314および316の第1の開口318と第2の開口320との間の断面積の差の比は、各ポケット310,312,314および316内で第1の開口318と第2の開口320との間を移動する冷却流体の流れを加速させるために、1.1:1〜10:1で変化してもよい。その結果、内部熱ピックアップと熱伝達率とのバランスが生じる。言い換えれば、それぞれのポケット310,312,314および316を通る冷却流体またはガスの通過により翼300からより多くの熱が除去され、冷却流体またはガスはより高温となり、翼壁301から吸収することができる熱がより少なくなるので、それぞれのポケット310,312,314および316内の冷却流体またはガスの加速により、冷却流体またはガスは、少なくとも部分的に、ポケット310,312,314および316を通じた所望の熱伝達率を維持することができる。この実施の形態では、断面積の減少は軸方向でテーパしている。なぜならば、断面積の減少は、概してロータディスク(図示せず)の軸線に沿って第1の開口318と第2の開口320との間の冷却通過流の方向で生じているからである。
図3Aおよび図3Bにおいて、内側ポケット壁324と外側ポケット壁326との間の距離は、翼300の前縁302の近くでより大きく、翼300の後縁304の近くでより小さくてもよい。この内部通路差異は、翼壁幅に対するポケット長さ(軸方向または半径方向)の比によってさらに特徴付けられてもよい。翼壁幅は、翼300の内面303と外面305との間の厚さとして規定される。翼壁幅に対する、概して軸方向での翼壁301内に完全に包囲されたポケット長さは、翼300の前縁302と後縁304との間の翼スパンに応じて1:1の最小比から最大比までであってもよい。この最小比は、3:1の最小比として、第1の開口318において測定された内側ポケット壁324と外側ポケット壁326との間の距離として規定された、ポケット幅に対するポケット長さとして説明されてもよい。
加えて、本明細書では、図3A、図3Bにおける、また図3Cに最も明瞭に示された複数のペデスタル322のそれぞれが、形状の中でも特に、円形、三角形、正方形、だ円形または矩形の横断面形状を有してもよいと考えられている。さらに、複数のペデスタル322のそれぞれは、各ポケット310,312,314および316内に最適な空気流れ特性を生じるために、不均一なまたは変化する断面積を有してもよい。
また、図3Aおよび図3Bにおいて、ポケットセクション310,312,314および316は、翼壁301内に線形または非線形のパターンで配置されていてもよいか、または、翼壁301に沿って線形に整列させられていなくてもよい。さらに、内側ポケット壁324および外側ポケット壁326の形状は、翼壁301の内面303および/または翼壁301の外面305に対して実質的に平行に整列させられていてもよい。加えて、第2の開口320が、対応するポケット310,312,314および316のそれぞれのために、翼300の正圧面壁部306または負圧面壁部308に配置されてもよいと考えられている。これらのポケット310,312,314および316は、半径方向に配列され、翼壁301内に完全に包囲されていてもよく、1:1の最小比で、翼壁厚さに対する半径方向でのポケット高さを有する。さらに、ポケット310,312,314および316の位置決めおよび構造は、付加製造を利用して製造されてもよい。
図4Aは、本発明の1つの実施の形態による、典型的な翼400の断面図である。図4Aでは、翼400は、翼壁401と、前縁402と、内面403と、後縁404と、外面405と、正圧面壁部406と、負圧面壁部408とを有する。翼400は、さらに、複数の翼通路410を有しており、翼通路410は、冷却流体またはガスが翼通路410を通過するときに翼壁部401の冷却を提供してもよい。
典型的な翼400において、その構成要素が図4Bおよび図4Cにも示されており、翼通路410は、様々な位置において翼壁401の内面403から外面405まで延びている。この実施の形態における翼通路410は、冷却流体またはガスを第1の開口412においてそれぞれの翼通路410に進入させ、かつ冷却流体またはガスを第2の開口414から排出させることができる。第1の開口412は、複数の第1の開口412のうちの1つであってもよく、以下では簡単にするために第1の開口412と称されるが、非制限的であることが意図されている。第2の開口414は、複数の第2の開口414のうちの1つであってもよく、以下では簡単にするために第2の開口414と称されるが、非制限的であることが意図されている。チャネル416は、翼壁401内に第1の開口412から第2の開口414まで延びている。
加えて、図4Aおよび図4Bにおいて、チャネル416の断面積は第1の開口412と第2の開口414との間で変化している。図4A〜図4Cにおける翼通路410は、約4:1の、第1の開口412と第2の開口414との間の断面積変化を有する。しかしながら、断面積の差異は、第1の開口412と第2の開口414との間で1.1:1〜10:1で変化してもよいか、または別の相対的差異を有してもよいと考えられている。この翼400における翼通路410は、概して、半径方向にテーパしていると説明される。なぜならば、第1の開口412と第2の開口414との間の面積の減少が、ロータディスク(図示せず)の半径に沿った冷却流体流れの方向で生じているからである。
図4Cは、翼通路410の拡大した透視図を示している。翼通路410は、第1の断面積を備える第1の開口412と、第1の断面積よりも小さな第2の断面積を備える第2の開口414とを有する。加えて、チャネル416は、さらに、軸方向長さに沿って第1の断面積を備える第1のセクション418と、軸方向長さに沿って第2の断面積を備える第2のセクション420と、それぞれの第1および第2のセクション418,420の第1の断面積と第2の断面積との間でテーパした断面積を備える移行セクション422とを有する。移行セクション422は、移行セクション422の長さに沿って直線的または非直線的にテーパしてもよい(またはセクションのいずれかがテーパしてもよい)。第2のセクション420は、さらに、冷却流体またはガスを翼400内から高速で放出させ、放出された冷却流体またはガスを翼400の外面上に被覆させるために、拡散冷却孔を利用してもよい。これは、翼400の外面405と高温の燃焼ガスとの間に冷却流体またはガスの薄い保護フィルム層を形成する。拡散冷却孔は、本明細書に説明された翼通路410とともに利用されてもよく、結果として生じる、第2のセクション420の外方断面積差異は、翼通路410の第1のセクション418および移行セクション422の減少するテーパの熱伝達率利益を損失しない。
作動する翼400の第1のセクション418に進入する冷却流体またはガスは、翼壁401と比較して比較的低温であってもよい。しかしながら、冷却流体またはガスが第1のセクション418から移行セクション422および第2のセクション420へ移動するとき、冷却流体またはガスの温度は次第に上昇する。したがって、チャネル416の長さ全体にわたって一定の熱伝達量を提供するために、第2のセクション420における冷却流体またはガス流は、第1のセクション418を通る冷却流体またはガス流よりも高速で移動すべきである。その結果、第2のセクション420の断面積は、翼通路410を通過する冷却流体またはガスの速度を高めるために、第1のセクション418の断面積よりも小さい。
加えて、図4Cに示したように、第1の角度424は、第1のセクション418と、(図4Aに示したような)翼壁401の対応する内面403との間に形成されており、15〜90度であってもよく、第2の角度426は、第2のセクション420と、(図4Aに示したような)翼壁400の外面405との間に形成されており、15〜90度であってもよい。移行セクション422のテーパは、概して、翼壁401の半径方向において生じてもよい。しかしながら、チャネル416は、翼壁401の半径方向および/または軸方向、または別の方向に延在および/またはテーパしていてもよい。さらに、図4Cにおいて、第1のセクション418、第2のセクション420および移行セクション422は、概して、線形の軸方向整列で示されている。択一的に、第1のセクション418、第2のセクション420および移行セクション422は、非線形に配置されてもよい。
移行セクション422は、概して翼壁401に対して平行に向けられてもよく、さらに、翼壁幅に対する移行セクション長さの比によって特徴付けられてもよい。翼壁幅は、翼壁401の内面403と翼壁401の外面405との間の厚さとして規定されてもよい。翼壁幅に対する、概して軸方向で翼壁内に完全に包囲された移行セクション長さは、翼400の前縁402と後縁404との間の翼スパンに応じて3:1の最小比から最大比までであってもよい。
図4Dは、本発明の1つの実施の形態によれば、図4Aおよび図4Bに示された翼400に組み込まれた翼通路410の断面透視図である。図4Dにおいて、翼通路410は、翼通路410内にフロータービュレータ428を有する。フロータービュレータ428は、矩形の横断面を有するように示されているが、フロータービュレータ428は、翼400と冷却流体またはガスの流れとの間の対流熱伝達率を高めるために最適化されたあらゆる均一または不均一な形状を有してもよい。加えて、フロータービュレータ428は、複数のフロータービュレータ428を含んでもよい。複数のフロータービュレータ428は、翼通路410内に線形または非線形のパターンで配置されるか、粗い面を有するように翼通路410と一体に製造されてもよい。開示された実施の形態において、翼通路410の熱伝達率は、加えて、少なくとも400Raの等価粗さを達成するために翼通路410の内部の表面粗さを調整することによって変更されてもよい。
図5Aは、本発明の1つの実施の形態による、翼500の翼壁501に一体化された様々な翼通路510を備える翼500の、斜めからの断面透視図である。図5Aにおける翼500は、さらに、少なくとも部分的に翼500の側部へ延びた、翼壁501内の前縁翼通路504を有する。
前縁翼通路504は、翼壁501の外面505における少なくとも1つの第1の開口512と、翼壁501の外面505における少なくとも1つの第2の開口514と、翼壁501内に第1の開口512と第2の開口514との間に延びるチャネル518とを有する。前縁翼通路504は、さらに、翼壁501の内面503における少なくとも1つの第3の開口516(図5Aでは、2つの隣接する開口を含む)を有する。第3の開口516は、チャネル518と、少なくとも部分的に翼壁501によって包囲された翼チャンバ507との間に流体連通を提供し、第3の開口516を冷却流体または空気が通過してもよい。
チャネル518の断面積は、第3の開口516に隣接してまたは第3の開口516の近くのチャネル518の第3の断面積511において最大である。冷却流体またはガスを翼チャンバ507から第1の開口512および第2の開口514のうちの少なくとも一方へ供給してもよい第3の開口と、チャネル518の第3の断面積511とは、前縁表面502に対応する高温のよどみ領域の近くに位置決めされている。チャネル518内での、第3の断面積511の近くでの第1の開口512と第2の開口514との間の第3の開口516のこの位置決めにより、第3の開口516のインピンジメント効果が翼壁501をより有効に冷却することができる。
典型的な前縁翼通路504は、前縁翼通路504を通過する冷却流体またはガスの流れを加速させるために、第3の断面積511から軸方向および/または半径方向に翼通路504の前縁502内の第1の開口512および第2の開口514に向かってテーパしていてもよい。前縁翼通路504は、ガスタービンの作動中に翼500の前縁502を横切ってより強い冷却を提供するために翼500の前縁502を横切って重複させられていてもよい。
第1の開口512の第1の断面積は、第2の開口514の第2の断面積よりも大きくてもよい。第1の開口512は、複数の第1の開口512のうちの1つであってもよく、簡単にするために以下では第1の開口512と称されるが、非制限的であることが意図されており、第2の開口512は、複数の第2の開口514のうちの1つであってもよく、簡単にするために以下では第2の開口514と称されるが、非制限的であることが意図されている。第1の開口512および第2の開口514の断面積は、チャネルの軸方向長さに沿ったあらゆる位置におけるチャネル壁部の間の面積であると規定される。前縁翼通路504には、翼壁501の内面503における第3の開口516を通じて翼チャンバ507から冷却流体またはガスが供給されてもよい。第3の開口516は、さらに、インピンジメント孔と称されてもよい。第3の開口516は、複数の第3の開口516のうちの1つであってもよく、簡単にするために以下では第3の開口516と称されるが、非制限的であることが意図されている。この冷却流体またはガスは、第3の開口516を通じて翼壁501に進入し、次いで、チャネル518を通って第1の開口512および第2の開口514に向かって移動し、前縁翼通路504から出て、熱を翼壁501から奪う。
前縁翼通路504およびその他の翼通路510におけるチャネル518の断面積は、前縁翼通路504の様々な部分における所望の熱伝達量に応じて、チャネル518の長さに沿って直線的または非直線的に変化してもよい。これに関して、前縁翼通路504に示したように、翼500の冷却中に第3の開口516と第1および第2の開口512,514との間の冷却流体またはガスの加速を可能にするために、断面積は、第1および第2の開口512,514よりもチャネル518の第3の断面積511においてより大きくてもよい。
図5Bは、本発明の1つの実施の形態による、翼500に一体化された複数の翼通路510を示す、図5Aの翼500の断面図である。図5Bにおいて、図5Aに関して説明したように、翼500の前縁502に沿って重複されていてもよい前縁翼通路504には、第3の開口516を通じて翼チャンバ507から冷却流体またはガスが供給されてもよい。この冷却流体またはガスは、チャネル518を通過することによって翼500の前縁502を通って第1の開口512および第2の開口514へ移動し、翼壁501から出て、熱を翼500から奪い取る。
図6は、本発明の1つの実施の形態によれば、翼600に一体化された複数の前縁翼通路604のジオメトリの切断透視図を示している。図6は、翼600の前縁602に配置されたときの、前縁翼通路604の三次元ジオメトリを典型的に示すために使用される。さらに、前縁翼通路604は、複数の接続通路609を介して接続される。接続通路609は、複数の前縁翼通路604のそれぞれの間に流体連通を提供する。接続通路609は、複数の前縁翼通路604のそれぞれの間に所望の流体連通を提供するために、前縁602に沿ったあらゆる位置に配置することができる。加えて、接続通路609は、あらゆる形状、断面積または複数の前縁翼通路604を横切るものであってもよい。
図7A〜図10Cは、本発明の実施の形態による、冷却を高めるために翼に一体化することができる様々な翼通路ジオメトリ700,800,900,1000,1010および1020を示している。ここで図7A〜図7Cを参照すると、本発明の1つの実施の形態によれば、概して鋭いエッジの角704を有する複数のチャネル702が設けられている。鋭いエッジの角704は、異なる角度を有する2つ以上のチャネル702が交差するときに概して形成される。加えて、チャネル702の交差は、チャネル702の間に流体連通を提供するために利用されてもよい。冷却流体またはガスは、チャネル702を通じてインピンジメント孔706を介して供給されてもよい。次いで、冷却流体またはガスは、それぞれのチャネル702の開口708を通じてチャネル702から出てもよい。前に説明したように、チャネル702を通過する冷却流体またはガスの速度を制御するためにチャネル702の断面積が変化していてもよい。
図8は、本発明の1つの実施の形態による、択一的な配列800における複数のチャネル802および803を示している。図8において、冷却流体またはガスはチャネル802,803に供給されてもよく、チャネルは分離部801によって分離されている。特に、冷却流体または空気は、複数のインピンジメント孔808を通じてチャネル802および803に供給されてもよく、これにより、冷却流体またはガスはチャネル802および803を通じてそれぞれの第1および第2の開口810および811に向かって通過する。図8において、複数のタービュレータ804は、チャネル802,803の側壁806の長さに沿って示されている。複数のタービュレータ804は、矩形の断面形状を有するように図8に示されている。しかしながら、複数のタービュレータ804は、非対称または不均一な形状を含むその他の断面形状を有しても、または、粗い面を有する一体に製造された前縁を有してもよい。開示された実施の形態では、前縁チャネル熱伝達率は、少なくとも400Raの等価粗さを達成するために付加的に表面粗さを調整することによって変更されてもよい。
図8に示したように、複数のタービュレータ804は、チャネル802の長さに沿って平行なパターンで配列されている。しかしながら、複数のタービュレータ804は、チャネル802における流体ダイナミクスを変化させるために、非平行パターンでパターン化されてもよい。例えば、タービュレータ804は、タービュレータの複数の列を含んでもよい。加えて、タービュレータ804の各列は、チャネル802(およびタービュレータ804が一体化されたあらゆるその他のチャネル802,803)に対して傾斜させられていてもよい。さらに、タービュレータ804は、チャネル802および803内のあらゆる位置に配置されてもよく、一列構成に限定されない。
ここで図9Aおよび図9Bを参照すると、本発明の1つの実施の形態によれば、翼の前縁に一体化されてもよい択一的な配列900における複数のテーパしたチャネル902が設けられている。作動中、冷却流体またはガスは、図9Aおよび図9Bに示されたインピンジメント孔904を通じてチャネル902に提供されてもよい。冷却流体またはガスがインピンジメント孔904からチャネル902へ進入するとき、冷却流体またはガスは、開口905,907へ向かうチャネル902の狭まりにより、側壁906に沿ったチャネル902のそれぞれの第1の開口905およびそれぞれの第2の開口907に向かって加速する。
ここで図10A〜図10Cを参照すると、本発明の実施の形態による、典型的な翼通路の択一的な配列1000,1010および1020が示されている。配列1000,1010および1020は、概して、翼の前縁領域に組み込まれてもよい波形チャネル1002の様々な実施の形態を含む。波形チャネル1002は、図10A〜図10Cに示したように、第1の角度の第1の部分1003と、第2の角度の第2の部分1005と、第1および第2の部分1003,1005を接続する丸み付けられた移行部分1007とを有してもよい。この丸み付けられた移行部分1007は、図10A〜図10Cに示された丸み付けられた“山および谷”設計効果を生じる。このようなパターンは、波形チャネル1002を通じて反復されてもよい。作動中、冷却流体またはガスは、インピンジメント孔1004を通じて複数のチャネル1002に提供されてもよい。従来の設計のように、チャネル1002の断面積はそれぞれのインピンジメント孔1004からそれぞれの第1および第2の開口1008,1009まで減少していてもよい。
ここで図11を参照すると、本発明の1つの実施の形態による、翼を製造する典型的な方法1100のブロック図が提供されている。ブロック1110において、図5Aに示された翼500などの翼が提供される。翼は、図5Aに示された内面503などの内面と、図5Aに示された外面505などの外面とを有する、図5Aに示された翼壁501などの翼壁を有しており、翼壁は、少なくとも部分的に翼壁内に包囲された、図5Aに示された翼チャンバ507などの翼チャンバを形成している。
ブロック1120において、図5Aに示された前縁翼通路504などの複数の翼通路が、翼壁の、図5Aに示された翼500の前縁502などの前縁に形成されている。本明細書で説明されているように、複数の翼通路のそれぞれは、外面における、図5Aに示された第1の開口512などの第1の開口と、外面における、図5Aに示された第2の開口514などの第2の開口と、第1の開口および第2の開口のうちの少なくとも一方から、図5Aに示された第3の開口516などの第3の開口まで延びた、図5Aに示されたチャネル518などのチャネルとを有しており、第3の開口は、チャネルと翼チャンバとの間に流体連通を提供する。
複数の翼通路は、選択的レーザ溶融(SLM)または別の方法などの、付加製造を用いて形成されてもよい。第1の開口は第1の断面積を有してもよく、第2の開口は第2の断面積を有してもよく、第1の断面積は第2の断面積よりも大きい。
ここで図12を参照すると、本発明の1つの実施の形態による、翼を製造する別の典型的な方法1200のブロック図が提供されている。ブロック1210において、図5Aに示された翼500などの翼が提供される。翼は、図5Aに示された内面503などの内面と、図5Aに示された外面505などの外面とを有し、これにより、翼壁が、少なくとも部分的に翼壁内に包囲された、図5Aに示された翼チャンバ507などの翼チャンバを形成している。ブロック1220において、図5Aに示された翼通路510などの複数の翼通路が翼壁内に形成されている。翼通路のそれぞれは、内面における、図5Aに示された第1の開口512などの少なくとも1つの第1の開口と、外面における、図5Aに示された第2の開口514などの少なくとも1つの第2の開口と、第1の開口から第2の開口まで延びた、図5Aに示されたチャネル518などのチャネルとを有する。チャネルの断面積は、少なくとも1つの第1の開口と少なくとも1つの第2の開口との間で減少している。複数の翼通路は、少なくとも部分的に翼の前縁壁に、および/または少なくとも部分的に翼の正圧面壁部および負圧面壁部に形成されていてもよい。
ここで図13を参照すると、本発明の1つの実施の形態による、翼を製造する別の典型的な方法1300のブロック図が提供されている。ブロック1310において、図5Aに示された前縁502などの前縁と、図4Aに示された後縁404などの後縁とを有する、図5Aに示された翼500などの翼が提供される。翼は、図5Aに示された内面503などの内面と、図5Aに示された外面505などの外面とを有する、図5Aに示された翼壁501などの翼壁を有し、翼壁は、少なくとも部分的に翼壁によって包囲された、図5Aに示された翼チャンバ507などの翼チャンバを形成している。
ブロック1320において、図3Aに示されたポケット310,312,314および316などの複数のポケットが翼壁内に形成されている。複数のポケットのそれぞれは、図3Aに示された内側ポケット壁324などの内側ポケット壁と、図3Aに示された外側ポケット壁326などの外側ポケット壁とを有する。加えて、図3Aに示された第1の開口318などの第1の開口は、前縁から第1の距離だけ離れて内面に配置されてもよく、第1の開口は翼チャンバとポケットとの間に流体連通を提供しており、図3Aに示された第2の開口320などの第2の開口は、前縁から第2の距離だけ離れて配置されてもよく、第2の開口は翼の外側とポケットとの間に流体連通を提供する。さらに、内側ポケット壁と外側ポケット壁との間の距離は、翼の前縁の近くでより大きく、翼の後縁の近くでより小さい。
前記説明から、本発明が、構造にとって明白でかつ固有である他の利点とともに、上述の全ての目的および課題を達成するために十分に適応されたものであることが分かる。ある特徴およびサブコンビネーションは利用でき、他の特徴およびサブコンビネーションを参照することなく使用されてよいことが理解されるであろう。これは、請求項の範囲によっておよび請求項の範囲内で考慮される。多くの可能な実施の形態が、発明の範囲から逸脱することなく発明を成し得るので、本明細書に示されかつ添付の図面に示された全ての事柄は、例示的なものとして解釈されるべきであり、制限的な意味で解釈されるべきではない。発明の付加的な課題、利点および新規の特徴は、以下に続く説明において部分的に示され、部分的に以下の説明の検討により当業者に明らかになるか、または本発明の実施によって学ばれ得る。
Claims (25)
- 前縁および後縁を有する、ガスタービン用の翼において、該翼は、内面および外面を有する翼壁であって、該翼壁は、少なくとも部分的に該翼壁によって包囲された翼チャンバを形成している、翼壁と、該翼壁内の複数のポケットとを備え、該複数のポケットのそれぞれは、内側ポケット壁および外側ポケット壁と、前縁から第1の距離だけ離れて配置された内面における少なくとも1つの第1の開口であって、前記翼チャンバと前記ポケットとの間に流体連通を提供する、少なくとも1つの第1の開口と、前記前縁から第2の距離だけ離れて配置された外面における少なくとも1つの第2の開口であって、前記翼の外側と前記ポケットとの間に流体連通を提供する、第2の開口と、を有しており、前記内側ポケット壁と前記外側ポケット壁との間の距離は、前記前縁の近くではより大きくかつ前記後縁の近くではより小さいことを特徴とする、ガスタービン用の翼。
- 前記複数のポケットのそれぞれは、さらに、複数のペデスタルを有しており、該複数のペデスタルは、前記複数のポケットの各ポケットの前記内側ポケット壁と前記外側ポケット壁との間に延びている、請求項1記載の翼。
- 前記複数のポケットのそれぞれの前記複数のペデスタルの各ペデスタルは、円形、三角形、正方形、だ円形または矩形の横断面を有する、請求項2記載の翼。
- 前記複数のポケットのそれぞれにおける前記複数のペデスタルのそれぞれの間の距離は、前記前縁の近くではより大きくかつ前記後縁の近くではより小さい、請求項2記載の翼。
- 前記複数のポケットは、前記翼壁内に線形または非線形のパターンで配置されている、請求項2記載の翼。
- 前記翼壁内の前記複数のポケットと、前記複数のペデスタルとは、付加製造を用いて形成されている、請求項2記載の翼。
- 前記複数のポケットのそれぞれの前記内側ポケット壁と前記外側ポケット壁との間の断面積の比は、1.1:1〜10:1である、請求項1記載の翼。
- 前記複数のポケットのそれぞれについて、前記内側ポケット壁および前記外側ポケット壁は、前記翼壁の前記内面に対して実質的に平行である、請求項7記載の翼。
- 前記複数のポケットのそれぞれについて、前記第2の開口は、前記翼の正圧面壁部または負圧面壁部に配置されている、請求項1記載の翼。
- 前記複数のポケットのそれぞれにおける、前記翼壁の幅に対する前記ポケットの軸方向長さの比は、少なくとも3:1である、請求項1記載の翼。
- 前記複数のポケットは、前記翼壁内に半径方向に配列されており、前記複数のポケットのそれぞれにおける前記翼壁の幅に対する前記ポケットの半径方向高さの比は、少なくとも3:1である、請求項1記載の翼。
- ガスタービンアセンブリにおいて、該アセンブリは、前縁および後縁を有する翼を有し、該翼は、内面および外面を有する翼壁であって、該翼壁は、少なくとも部分的に該翼壁によって包囲された翼チャンバを形成している、翼壁と、該翼壁内の複数のポケットとを備え、該複数のポケットのそれぞれは、内側ポケット壁および外側ポケット壁と、前縁から第1の距離だけ離れて配置された内面における少なくとも1つの第1の開口であって、前記翼チャンバと前記ポケットとの間に流体連通を提供する、少なくとも1つの第1の開口と、前記前縁から第2の距離だけ離れて配置された外面における少なくとも1つの第2の開口であって、前記翼の外側とそれぞれの前記ポケットとの間に流体連通を提供する、第2の開口と、を有しており、前記内側ポケット壁と前記外側ポケット壁との間の距離は、前記前縁の近くではより大きくかつ前記後縁の近くではより小さく、前記外側ポケット壁に対する前記内側ポケット壁の断面積の比は、1.1:1〜10:1であることを特徴とする、ガスタービンアセンブリ。
- 前記複数のポケットのそれぞれは、さらに、前記内側ポケット壁と前記外側ポケット壁との間に延びる複数のペデスタルを有する、請求項12記載のアセンブリ。
- 前記複数のポケットのそれぞれの前記複数のペデスタルは、円形、三角形、正方形、だ円形または矩形の横断面を有する、請求項13記載のアセンブリ。
- 前記複数のポケットのそれぞれにおける前記複数のペデスタルのそれぞれの間の距離は、前記前縁の近くではより大きくかつ前記後縁の近くではより小さい、請求項14記載のアセンブリ。
- 前記翼壁内の前記複数のポケットは、線形または非線形のパターンで配置されている、請求項12記載のアセンブリ。
- 前記複数のポケットのそれぞれの前記内側ポケット壁および前記外側ポケット壁は、前記翼壁の前記内面に対して実質的に平行である、請求項12記載のアセンブリ。
- 前記第2の開口は、前記翼の正圧面壁部、負圧面壁部または後縁に配置されている、請求項12記載のアセンブリ。
- 前記複数のポケットのそれぞれにおける、前記翼壁の幅に対する前記ポケットの軸方向長さの比は、少なくとも3:1である、請求項12記載のアセンブリ。
- 前記複数のポケットのそれぞれにおける、前記翼壁の幅に対する前記ポケットの半径方向高さの比は、少なくとも3:1である、請求項12記載のアセンブリ。
- 翼を製造する方法において、該方法は、前縁および後縁を有する翼であって、該翼は、内面および外面を有する翼壁であって、少なくとも部分的に該翼壁によって包囲された翼チャンバを形成している翼壁を有する、翼を提供すること、および、該翼壁内に複数のポケットを形成することを含み、該複数のポケットのそれぞれは、内側ポケット壁および外側ポケット壁と、前記前縁から第1の距離だけ離れて配置された前記内面における第1の開口であって、前記翼チャンバと前記ポケットとの間に流体連通を提供する、少なくとも1つの第1の開口と、前記前縁から第2の距離だけ離れて配置された前記外面における第2の開口であって、前記翼の外側と前記ポケットとの間に流体連通を提供する、第2の開口と、を有しており、前記内側ポケット壁と前記外側ポケット壁との間の距離は、前記翼の前記前縁の近くではより大きくかつ前記翼の前記後縁の近くではより小さいことを特徴とする、翼を製造する方法。
- 前記ポケットを、付加製造を用いて形成する、請求項21記載の方法。
- 前記複数のポケットのそれぞれについて、前記翼壁の幅に対する前記ポケットの軸方向長さの比は、少なくとも3:1である、請求項21記載の方法。
- 前記複数のポケットのそれぞれについて、前記翼壁の幅に対する前記ポケットの半径方向高さの比は、少なくとも3:1である、請求項21記載の方法。
- 前記複数のポケットのそれぞれは、さらに、複数のペデスタルを有しており、該複数のペデスタルは、前記複数のポケットの前記内側ポケット壁と前記外側ポケット壁との間に延びている、請求項21記載の方法。
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