JP2018502246A

JP2018502246A - 翼のためのテーパした冷却チャネル

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Publication number: JP2018502246A
Application number: JP2017528576A
Authority: JP
Inventors: メターニッチジェレミー; ヴォーゲルグレゴリー; ピー．ピザノエレナ; ジェイ．カウェッキエドウィン
Original assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 2014-11-26
Filing date: 2015-11-25
Publication date: 2018-01-25
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Also published as: US10392942B2; EP3224456B1; CN107614833B; KR20170102470A; KR102514659B1; EP3224454A1; WO2016086122A1; JP6928995B2; WO2016086117A1; EP3224454B1; CN107532476A; JP2018502245A; CN107532476B; CN107614834A; US20160146017A1; US20160146019A1; WO2016086121A1; KR102476867B1; JP6775503B2; EP3224455A4

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。

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。

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、さらに、内面および外面を有する翼壁を有する。翼壁は、少なくとも部分的に翼壁内に包囲された翼チャンバを形成している。加えて、翼は、さらに、翼壁に形成された複数の翼通路を有する。複数の翼通路のそれぞれは、内面における第１の開口と、外面における第２の開口と、第１の開口から第２の開口まで延びたチャネルとを有する。チャネルの断面積は、第１の開口と第２の開口との間で減少している。

発明の第２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。ガスタービンアセンブリは、複数の翼を有する。複数の翼のそれぞれは、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翼壁内に包囲された翼チャンバを形成する翼壁と、翼壁に形成された翼通路とを有する。翼通路は、内面における第１の開口と、外面における第２の開口と、第１の開口から第２の開口まで延びたチャネルとを有する。チャネルの断面積は、第１の開口と第２の開口との間で減少している。第１の開口は第１の断面積を有し、第２の開口は第２の断面積を有し、第１の断面積は前記第２の断面積よりも大きい。

発明の第３の実施の形態では、ガスタービン翼を製造する方法が提供される。ガスタービン翼を製造する方法は、翼壁を有し、翼壁は内面および外面を有する、翼を提供することを含む。翼壁は、少なくとも部分的に翼壁内に包囲された翼チャンバを形成している。加えて、方法は、さらに、翼壁内に複数の空気流通路を形成することを含む。さらに、複数の空気流通路のそれぞれは、内面における第１の開口と、外面における第２の開口と、第１の開口から第２の開口まで延びたチャネルとを有する。チャネルの断面積は、第１の開口と第２の開口との間で減少している。

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もよい。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。

従来のガスタービン翼の透視図である。従来のガスタービンベーンの透視図である。図１Ａに示された翼の断面図である。本発明の１つの実施の形態による、冷却チャネルを備える翼の、斜めからの透視断面図である。本発明の１つの実施の形態による、図３Ａに示された翼の断面図である。本発明の１つの実施の形態による、図３Ａおよび図３Ｂに示された翼の冷却ポケットの部分的な断面透視図である。本発明の１つの実施の形態による、冷却チャネルの第１の構成を備える翼の断面図である。本発明の１つの実施の形態による、図４Ａに示された翼の部分的な透視断面図である。本発明の１つの実施の形態による、翼壁に形成することができる半径方向にテーパした翼通路の透視図である。本発明の１つの実施の形態による、翼壁に組み込まれかつフロータービュレータを有する、図４Ｃに示された翼通路の断面図である。本発明の１つの実施の形態による、複数の冷却チャネルを有する翼の透視図である。本発明の１つの実施の形態による、図５Ａに示された翼の横断立面図である。本発明の１つの実施の形態による、翼の前縁に組み込まれた冷却チャネルの部分的な、斜めからの透視図である。本発明の１つの実施の形態による、翼に組み込むことができる１つの冷却チャネル設計の切断図である。本発明の１つの実施の形態による、翼に組み込むことができる１つの冷却チャネル設計の切断図である。本発明の１つの実施の形態による、翼に組み込むことができる１つの冷却チャネル設計の切断図である。本発明の１つの実施の形態による、択一的な冷却チャネル設計の切断図である。本発明の１つの実施の形態による、択一的な冷却チャネル設計の切断図である。本発明の１つの実施の形態による、択一的な冷却チャネル設計の切断図である。本発明の１つの実施の形態による、択一的な冷却チャネル設計の切断図である。本発明の１つの実施の形態による、択一的な冷却チャネル設計の切断図である。本発明の１つの実施の形態による、択一的な冷却チャネル設計の切断図である。本発明の１つの実施の形態による、ガスタービン翼を製造する典型的な方法のブロック図である。本発明の１つの実施の形態による、ガスタービン翼を製造する典型的な方法のブロック図である。本発明の１つの実施の形態による、ガスタービン翼を製造する典型的な方法のブロック図である。

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。

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生じさせる。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、指定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使用し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る実施の形態は、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る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内の翼チャンバ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および負圧面側壁部３０８を有する。正圧面側壁部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との間の流体連通を提供し、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の外側環境との間の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を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、ポケットの熱伝達率は、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との間の流体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内の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により、冷却流体またはガスは第１の開口４１２においてそれぞれの翼通路４１０に進入することができる。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。冷却流体またはガスは第２の開口４１４から排出される。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。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る、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とを含む。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）を含む。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、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。

前縁翼通路５０４の、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た複数の第１の開口５１２のうちの１つであってもよい第１の開口５１２の第１の断面積は、前縁翼通路５０４の、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た複数の第２の開口５１４のうちの１つであってもよい第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。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た複数の第３の開口５１６のうちの１つであってもよい第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。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る、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を介して接続されている。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されてもよい。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、概して、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有してもよい。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る、翼の前縁に一体化されてもよい交互の配列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などの外面とを含む、図５Ａに示された翼壁５０１などの翼壁を備え、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含み、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している。

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ている。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も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

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内に包囲された翼チャンバを形成している、翼壁と、
該翼壁に形成された複数の翼通路と、を備え、該複数の翼通路のそれぞれは、前記内面における第１の開口と、前記外面における第２の開口と、前記第１の開口から前記第２の開口まで延びたチャネルとを有し、前記チャネルの断面積が前記第１の開口と前記第２の開口との間で減少していることを特徴とする、ガスタービン用の翼。
前記第１の開口は第１の断面積を有し、前記第２の開口は第２の断面積を有し、前記第１の断面積は前記第２の断面積よりも大きい、請求項１記載の翼。
前記複数の翼通路のそれぞれのチャネルは、さらに、軸方向長さに沿って第１の断面積を有する第１のセクションと、軸方向長さに沿って第２の断面積を有する第２のセクションと、軸方向長さに沿って前記第２の開口に向かって断面積がテーパする移行セクションとを有する、請求項２記載の翼。
前記翼壁の幅に対する前記移行セクションの長さの比は、少なくとも３：１である、請求項３記載の翼。
前記第１のセクションおよび前記移行セクションのうちの少なくとも一方は、その長さに沿って直線的および非直線的のうちの少なくとも一方でテーパしている、請求項４記載の翼。
前記移行セクションは、前記翼壁に対して概して平行に延びている、請求項５記載の翼。
前記チャネルの少なくとも一部は前記翼壁内に半径方向に延びており、前記移行セクションの少なくとも一部は前記翼壁内で半径方向にテーパしている、請求項６記載の翼。
前記複数の翼通路のそれぞれについて、前記第１の断面積は、前記第２の断面積の１．１〜１０倍大きい、請求項３記載の翼。
前記複数の翼通路は、前記翼壁において半径方向にテーパしている、請求項１記載の翼。
前記複数の翼通路は、前記翼壁において軸方向にテーパしている、請求項１記載の翼。
前記第１のセクションと前記内面との間に形成された第１の角度は、１５〜９０度であり、前記第２のセクションと前記外面との間に形成された第２の角度は、０〜７５度である、請求項３記載の翼。
前記第１のセクションと前記内面との間に形成された第１の角度は、１５〜７５度であり、前記第２のセクションと前記外面との間に形成された第２の角度は、１５〜７５度である、請求項３記載の翼。
ガスタービンアセンブリにおいて、該アセンブリは複数の翼を含み、該複数の翼のそれぞれは、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前記翼壁内に包囲された翼チャンバを形成している、翼壁と、該翼壁に形成された翼通路とを備え、該翼通路は、前記内面における第１の開口と、前記外面における第２の開口と、前記第１の開口から前記第２の開口へ延びるチャネルとを有し、前記チャネルの断面積は、前記第１の開口と前記第２の開口との間で減少しており、前記第１の開口は第１の断面積を有し、前記第２の開口は第２の断面積を有し、前記第１の断面積は前記第２の断面積よりも大きいことを特徴とする、タービンアセンブリ。
前記チャネルは、さらに、軸方向長さに沿って第１の断面積を有する第１のセクションと、軸方向長さに沿って第２の断面積を有する第２のセクションと、軸方向長さに沿って前記第２の開口に向かって断面積がテーパする移行セクションとを有する、請求項１３記載のアセンブリ。
前記翼壁の幅に対する前記移行セクションの長さの比は、少なくとも３：１である、請求項１４記載のアセンブリ。
前記第１のセクション、前記第２のセクションおよび前記移行セクションは、非直線的に整列している、請求項１４記載のアセンブリ。
前記第１のセクションと前記内面との間に形成された第１の角度は、１５〜９０度であり、前記第２のセクションと前記外面との間に形成された第２の角度は、０〜７５度である、請求項１６記載のアセンブリ。
前記第１のセクションと前記内面との間に形成された第１の角度は、１５〜７５度であり、前記第２のセクションと前記外面との間に形成された第２の角度は、１５〜７５度である、請求項１６記載のアセンブリ。
前記翼通路は、付加製造を用いて形成されている、請求項１３記載のアセンブリ。
前記翼通路の内部等価表面粗さは、少なくとも４００Ｒａである、請求項１３記載のアセンブリ。
前記移行セクションの断面積は、該移行セクションの長さに沿って直線的または非直線的にテーパしている、請求項１４記載のアセンブリ。
前記翼通路は、前記翼壁内で半径方向にテーパしている、請求項１３記載のアセンブリ。
前記翼通路は、前記翼壁内で軸方向にテーパしている、請求項１３記載のアセンブリ。
ガスタービン翼を製造する方法において、該方法は、翼壁を有する翼であって、前記翼壁は内面および外面を有し、前記翼壁は、少なくとも部分的に前記翼壁内に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、前記翼壁内に複数の翼通路を形成することを含み、該複数の翼通路のそれぞれは、前記内面における第１の開口と、前記外面における第２の開口と、前記第１の開口から前記第２の開口まで延びたチャネルとを有し、該チャネルの断面積は前記第１の開口と前記第２の開口との間で減少していることを特徴とする、ガスタービン翼を製造する方法。
前記複数の翼通路を、少なくとも部分的に前記翼の前縁壁に形成し、前記複数の翼通路を、付加製造を用いて製造する、請求項２４記載の方法。
前記複数の翼通路は、前記翼壁内で半径方向にテーパしている、請求項２４記載の方法。
前記複数の翼通路は、前記翼壁内で軸方向にテーパしている、請求項２４記載の方法。
前記チャネルは、さらに、軸方向長さに沿って第１の断面積を有して延びる第１のセクションと、軸方向長さに沿って第２の断面積を有して延びる第２のセクションと、軸方向長さに沿って前記第２の開口に向かって断面積がテーパする移行セクションとを有する、請求項２４記載の方法。