JP2018525560A - 変化のある形状のインサートを有する高圧ディストリビュータの翼配列 - Google Patents

Abstract

本発明は、圧力側壁（１６）および吸引側壁（１４）を含むブレード（１２）と、ブレード（１２）内に配置されたインサート（２０）であって、圧力側壁（１６）および吸引側壁（１４）に対向して延びる外表面（２４）を有する閉じた壁（２２）であって、外表面（２４）と対面するブレード（１２）の壁とが、エアギャップ（３０）によって分離されている、閉じた壁（２２）と、閉じた壁（２２）に形成され、外表面（２４）に繋がっている一連の増補部（２５）と、増補部（２５）に形成された一連の貫通開口であって、前記貫通開口と、圧力側壁（１６）または対面する吸引側壁（１４）との間の衝突高さ（ｈ）がエアギャップ（３０）よりも大である、一連の貫通開口と、を含むインサート（２０）と、を有する、ディストリビュータの翼配列（１０）に関する。

Description

本発明は、単流または双流のタービンエンジンのおおまかな分野に関し、より詳細には、通風口付きのディストリビュータの翼配列の冷却に関する。

タービンエンジン１は、典型的に、所定の空気流をエンジンに通すための開口を形成する、ナセル、すなわち空気流入口（プレナム）を含んでいる。通常、タービンエンジンは、エンジンに通される空気のための、１つまたは複数の圧縮セクション４を備えている（通常、低圧セクションと高圧セクション）。こうして圧縮された空気は、燃焼チャンバ５に通され、そこで燃料と混合された後に燃焼される。

この燃焼からの高温の燃焼ガスは、次いで、様々なタービン段６、７で膨張される。第１の膨張は、チャンバのすぐ下流側にあり、もっとも高温のガスを受領する高圧段６で実施される。ガスは、いわゆる低圧タービン段７を通ってガイドされている間に、再び膨張される。

高圧タービン６または低圧タービン７は、慣習的に、１つまたは複数の段を含み、各段が、ディストリビュータ８とも呼ばれる、固定されたタービンの翼配列の列で構成され、その後方に、タービンのディスク周りの外周全体に離間した、可動タービンの翼配列の列が続く。ディストリビュータ８は、燃焼チャンバからのガス流を、可動タービンの翼配列に向けて、適切な角度および速度で逸らすとともに加速し、それにより、この可動翼配列およびタービンディスクを回転駆動させるようになっている。

ディストリビュータ８は、タービンエンジンの回転軸Ｘに関して放射状に分配された複数のブレードを備え、径方向内側の環状要素（すなわち、内側プラットフォーム）と、径方向外側の環状要素（すなわち、外側プラットフォーム）とを接続している。その全体が、可動タービンの翼配列に面する環状流を形成する。

より詳細には、ディストリビュータ８は、リングに配置された固定翼配列で形成され、必要であれば、タービンエンジンの軸Ｘ周りに周方向に分布した複数のセグメントに分けることができる。各セグメントは、リングの扇型要素、ならびに、上流側保持手段および下流側保持手段に固定された、１つまたは複数の固定された隣接する翼配列を備えている。ここで、上流と下流とは、タービンエンジン内のガス流の方向によって規定される。

ディストリビュータ８の翼配列は、概して、鋳造によって得られ、非常に良好な熱耐性を有する、ニッケルベースの超合金、または単結晶材料で形成されている。

高圧タービンのディストリビュータ８は、非常に高い熱応力に晒される部品である。それらディストリビュータは、事実上、燃焼チャンバの流出部に配置され、したがって、かなり高温のガスがディストリビュータを通る。これにより、ディストリビュータが、かなり強い熱負荷を受ける。燃焼チャンバの流出部のガスの温度は、ディストリビュータ８を構成する材料の融点よりもかなり高い。ディストリビュータ８の流入部の流れの温度は、実際、局所的に２０００℃に達するが、このことは、融点が１４００℃よりも低い部品の特定のポイントにおいて、重大なダメージを観測することは珍しいことではない。

したがって、部品の温度を低減し、その劣化を制限するために、ディストリビュータ８の冷却が必要である。慣習的には、ディストリビュータ８の冷却の機能は、ディストリビュータ８の翼配列の内側に配置された１つまたは複数のインサートによって提供される。インサートは、通常、レーザを使用して形成され、冷却される翼配列の形状を可能な限り良好に想定する、筒状の穴を含む、中空のシート状金属であるか鋳造パーツである。タービンエンジンの圧縮機で集められた「新鮮な（Ｆｒｅｓｈ）」空気は、これら穴を通して、翼配列の内側面に衝突して、翼配列を冷却する。

こうして、翼配列の内側面は、これらジェットが衝突することと、インサートとプロファイルの壁との間の強制対流現象とによって冷却される。したがって、エアギャップと呼ばれる、インサートと翼配列の内側面との間の距離は、一定である。

しかしながら、２つの現象により、翼配列の冷却が制御される。すなわち、ジェットの衝突と、インサートと翼配列の内側面との間の強制対流とである。これら２つのモードの冷却効率における主要なパラメータの１つは、エアギャップの値である。実際、強制対流を最大にすることが所望である場合、エアギャップは最小にすべきであるが、ジェットの衝突の効率を最適にするように、ジェットの衝突高さ（穴の流出部と、翼配列の内壁との間の距離に対応する）を最大にすることが所望である場合、エアギャップを小さくしすぎてはならない。

現在、エアギャップは一定であり、この値に関して妥協されており、それにより、有効な強制対流の利益に対し、ジェットの衝突を極度に低減しないようになっている。

しかしながら、タービンエンジンの性能は、部分的に、設置された通気システムに関連付けられている。実際、構成要素を冷却するために行われた空気の収集はすべて、タービンエンジンの熱力学サイクルに不利であり、エンジンの出力および燃料消費率を低減する。したがって、空気の収集を、厳格に必要とされる最小値に制限する必要がある。したがって、使用される冷却システムの効率は、エンジンの性能と、関連する構成要素の耐用期間に関して主要なものである。

欧州特許出願公開第２２２８５１７号明細書の文献は、タービンエンジンのディストリビュータの翼配列、ブレード、およびブレードに収容されたインサートを記載している。インサートには、開口が形成されている。インサートの壁は、さらに、開口において局所的に曲げられており、それにより、それらのエアジェットを交差させ、乱流を形成するようになっている。

欧州特許第１２８４３３８号明細書の文献は、その一部に関し、タービンエンジンのディストリビュータの翼配列、ブレード、およびブレードに収容されたインサートを記載している。インサートには、開口が形成されている。インサートの壁は不連続であり、それにより、オーバーラップを形成し、開口によって送られるエアジェットの衝突の方向を、ブレードの内側面上に変更するようになっている。

欧州特許出願公開第２２２８５１７号明細書 欧州特許第１２８４３３８号明細書

したがって、本発明の目的の１つは、ディストリビュータの翼配列の冷却を最適にし、それにより、使用される新鮮な空気の量を制限するようにすることであり、最終的な目的は、熱的機械的ダメージ（クラック、燃焼、酸化など）を制限することである。

この目的のために本発明は、タービンエンジンのディストリビュータの翼配列を提案する。前記翼配列は、
圧力側壁と吸引側壁とを含むブレードと、
圧力側壁と吸引側壁との間に収容されたインサートであって、このインサートが、
圧力側壁および吸引側壁に面して延びる外表面と、外表面とは反対側の内表面とを有する閉じた壁であって、この閉じた壁の外表面と、ブレードの対面する壁とが、エアギャップによって分離している、閉じた壁と、
閉じた壁に形成され、外表面と内表面との間に延びる一連の貫通開口と、
を有している、インサートと、
を備えている。

翼配列のインサートは、閉じた壁に形成され、外表面に繋がっている、全体が半球、卵頭、または水滴形状の、一連の凹部を備えている。さらに、貫通開口は、前記凹部に形成され、前記貫通開口と、対面する圧力側壁または吸引側壁との間の衝突高さが、エアギャップよりも大である。

上述の翼配列の、特定の、好ましいが限定的ではない、個別または組み合わせて取られる、特徴は、以下のものである。

貫通開口が、規定の最大の幅を有する外縁を有し、貫通開口のすべてまたは一部の、衝突高さと最大の幅との間の比が、２．５から１０の間、好ましくは２．５から７の間、より好ましくは２．５から５の間、典型的には２．８から３．２の間に含まれ、たとえば３に等しいこと。

貫通開口が円形であり、前記貫通開口の最大の幅が、貫通開口の直径に対応していること。

インサートの閉じた壁の内表面が、突出部をさらに備え、貫通開口が、前記突出部に繋がっていること。

衝突高さが、１．０ｍｍから３．０ｍｍの間、好ましくは１ｍｍから２ｍｍの間、典型的には１ｍｍから１．５ｍｍの間に含まれること。

エアギャップが、０．５ｍｍから１．０ｍｍの間、好ましくは０．５ｍｍから０．８ｍｍの間に含まれ、典型的には０．６ｍｍに等しいこと。および／または、
圧力側壁および吸引側壁の内側面が、前記内側面から、インサートの外表面の方向に突出するスタッドをさらに備えていること。

第２の態様によれば、本発明は、軸周りで同軸である、内側環状プラットフォームと外側環状プラットフォームと、一連の上述のディストリビュータの翼配列とを備え、前記翼配列が、内側プラットフォームと外側プラットフォームとの間で、軸周りに周方向に配置されている、タービンエンジンのタービンのためのディストリビュータをも提案する。

第３の態様によれば、本発明は、インサートが、高エネルギビームによるパウダーベッド（粉体床）上での選択的溶融によって形成される、上述のディストリビュータ翼配列の製造方法を提案する。

本発明の他の特徴、目的、および利点は、以下の詳細な説明を読み、非限定的な例として与えられる添付図面を参照することにより、より明らかとなるであろう。

本発明に準拠する、ディストリビュータの翼配列のインサートの例示的実施形態の斜視図である。 透かすことによりインサートがブレードの内側に示されている図１のインサートを備えた、本発明に準拠する、ディストリビュータの翼配列の例示的実施形態の側面図である。 本発明に準拠する、ディストリビュータの翼配列の例示的実施形態の部分図である。 本発明に準拠する、ディストリビュータの例示的実施形態の斜視図である。 本発明に準拠する、ディストリビュータを備えたタービンエンジンの、単純化された断面図である。

本発明は、単一段の、高圧タービン６を参照して、かなり具体的に説明されることになる。したがって、高圧ディストリビュータ８（またはステータ）と、可動ホイール（またはロータ）とを備えている。しかしながら、このことは、タービン６が、より多くの段を含むことができ、本発明が、低圧タービン７および圧縮機４（高圧または低圧）に、ちょうど同じように適用することができる点で、限定的ではない。これら低圧タービン７と圧縮機４との各々も、いくつかの固定された段を備えている。さらに、ディストリビュータ８は、単一片とするか、各セクタに分けることができる。

慣習的に、タービン６は、１つまたは複数の段を含み、各々が、ディストリビュータ８で構成され、タービン６のディスク周り全体に、周方向に離間した可動タービンブレード３の列が続く。

ディストリビュータ８は、燃焼チャンバ５からのガス流を、可動ブレードに向けて、適切な角度および速度で逸らし、それにより、このブレードおよび、タービン６のディスクを回転駆動させるようになっている。このディストリビュータ８は、タービンエンジン１の回転軸Ｘに関して放射状に配置された複数の固定ブレードを備え、径方向内側の環状プラットフォーム９ａと、径方向外側の環状プラットフォーム９ｂとを接続している。

すべての翼配列１０は、前縁１８および後縁１９によって相互接続された圧力側壁１６と吸引側壁１４とを含むブレード１２を備えている。ブレード１２の前縁１８は、空力プロファイルの前方部分に対応している。この前方部分は、ガス流に面し、このガス流を、圧力側壁１６に沿って流れる圧力側の空気流と、吸引側壁１４に沿って流れる吸引側の空気流とに分ける。後縁１９は、その一部に関し、空力プロファイルの後方部分に対応し、ここで、圧力側の流れと吸引側の流れとが再び合流する。

ディストリビュータ８はさらに、冷却システムを備えている。このため、各翼配列１０は、圧力側壁１６と吸引側壁１４との間に、ブレード１２内に収容されたインサート２０を備えている。インサート２０は、
圧力側壁１６および吸引側壁１４に面して延びる外表面２４と、外表面２４とは反対側の内表面２６とを有する閉じた壁１２であって、この閉じた壁１２の外表面２４と、この外表面２４に面した翼配列１０の壁とが、エアギャップ３０によって分離している、閉じた壁１２と、
外表面２４と内表面２６との間に、閉じた壁１２に形成された一連の貫通開口２８と、
を備えている。

外表面２４に繋がっている一連の凹部２５は、インサート２０の閉じた壁１２にさらに形成されている。貫通開口２８は、凹部２５に形成されており、貫通開口２８と、ブレード１２の対面している壁との間の衝突高さｈは、エアギャップ３０より大である。

一実施形態では、エアギャップを一定にすることができる。本明細書では、エアギャップ３０により、凹部２５周りの、インサート２０の閉じた壁１２の外表面２４のポイントと、圧力側壁１６または吸引側壁１４である、ブレード１２の対面している壁との間の、もっとも小である距離を意味している。エアギャップ３０は、ブレード１２の付け根における、内側プラットフォーム９ａに対する接平面に平行な平面で測定され、内側プラットフォーム９ａと外側プラットフォーム９ｂとの間の全体で一定である。

衝突高さｈにより、貫通開口２８の（冷却空気流に対する）流出部と、圧力側壁１６または吸引側壁１４である、ブレード１２の対面する壁の内側面１５との間の、冷却空気流の貫通開口２８内への軸Ｘに沿う距離を意味している。

翼配列１０のこの構成により、ブレード１２とインサート２０との間に小さいエアギャップ３０を設けることと、それにより、貫通開口２８を通しての衝突の後の空気の排出の間に、強制対流の効率を維持することとの両方が可能になる。一方、貫通開口２８の流出部をインサート２０の外表面２４に対してオフセットしている凹部２５により、衝突高さｈが増大するおかげで、衝突の効率が依然として向上している。

一実施形態では、エアギャップ３０が０．５ｍｍから１．０ｍｍの間、好ましくは、０．５ｍｍから０．８ｍｍの間に含まれ、たとえば約０．６ｍｍ程度である場合に、衝突高さｈは、１．０ｍｍから３．０ｍｍの間、好ましくは、１．０ｍｍから２．０ｍｍの間に含まれ、たとえば約１．５ｍｍである。

貫通開口２８は、規定の最大の幅Ｌの外縁を有している。本明細書では、外縁の幅Ｌにより、凹部における貫通開口２８の外縁によって形成される閉じたカーブに対する２つの別個のポイントにおける接線である、２つの平行な直線（または「サポートライン」）間の距離を意味している。このため、最大の幅Ｌは、外縁のもっとも大である幅Ｌに対応している。貫通開口２８が円形の断面を有する場合、最大の幅Ｌは、たとえば、この円の外径に等しい。変形形態として、貫通開口２８は、断面が正方形または矩形である場合があり、このため、最大の幅Ｌは、その対角線に対応する。

ブレード１２の内側面１５のジェットの衝突の効率をさらに最適にするために、開口の全体または一部の衝突高さｈと最大の幅Ｌとの間の比は、２．５から１０の間、好ましくは、２．５から５の間、典型的には２．５から５の間、たとえば、２．８から３．２の間に含まれる。典型的に、ブレード１２の場合、このブレードの閉じた壁１２は、０．６ｍｍにほぼ等しいエアギャップ３０を有する、０．４ｍｍから０．６ｍｍの間に含まれる厚さであり、衝突高さｈと開口の最大の幅Ｌとの間の最適な比は、約３程度である。そのような比により、特に、１．５ｍｍの衝突距離を得ることが可能になる。

凹部２５は、全体が半球または「卵頭」または水滴形状を有し得る。所望の衝突高さｈおよび外壁の厚さに応じて、インサート２０の内表面２６がフラットではない場合があることに留意されたい。

そのような形状により、衝突高さｈの、最大の幅Ｌに対するそのような比をさらに予想することが可能になる。

このため、図１から図３に示す例示的実施形態では、エアギャップ３０は０．６ｍｍであり、ブレード１２の閉じた壁は、約０．６ｍｍ程度の厚さであり、一方、所望の衝突高さｈは１．５ｍｍである。こうして、凹部２５は、前記外壁にキャビティを形成することによってではなく、閉じた壁１２の内表面２６および外表面２４の幾何学形状を変更することによって得られる。したがって、閉じた壁１２の内表面２６は、平滑ではなく、外表面２４に形成された凹部２５に対応する突出部２７を備えている。本明細書では、凹部２５は半球状である。したがって、閉じた壁１２の外表面２４は、一連の半球状の窪みを有し、この窪みの底部には、貫通開口２８が形成されている。一方、閉じた壁１２の内表面２６は、前記内表面２６から突出する、相補的な形状およびサイズの半球状の突出部２７を有し、貫通開口２８が前記突出部２７の頂部から繋がっている。

変形実施形態では、ブレード１２の圧力側壁１４および吸引側壁１６の内側面１５は、前記内側面１５からインサート２０の方向に突出するスタッド１３を備えることができ、それにより、ブレード１２の内側面１５に衝突するジェットをせん断流に対して保護するようになっている。スタッド１３は、たとえば、全体が三角形であるか、Ｖの断面を有することができ、断面の先端が、ブレード１２の前縁１８の方向に延びている。

最適な最大の幅Ｌおよび衝突高さｈと結合した、この変形実施形態により、有効で一定の、ブレード１２のプロファイル全体にわたる冷却を得ることが可能になる。

インサート２０の構成と、必要であれば、ブレード１２の内側面１５上にスタッド１３を設けることとにより、ディストリビュータ８の冷却の局所的な衝突効率の著しい増加と、さらに上流に位置する列による衝突の、下流側の列のせん断を依然として制限する、エアギャップ３０における強制対流の効率を管理する可能性と、をもたらす。これらパラメータをすべて最適化することにより、壁を冷却するために使用される空気の最適な使用がさらに可能になる。同一の流量において、これにより、空気の使用を、熱的により有効にする（耐用期間の増加）か、同一の熱効率に流量を低減することが可能になる。同一の熱効率に流量を低減することは、エンジンの性能が向上することに言い換えられる。

ブレード１２は、たとえば、良好な熱耐性を有する、ニッケルベースの超合金または単結晶材料などの適切な材料の鋳造により、慣習的に得ることができる。変形形態として、ブレード１２は、高エネルギビームにより、パウダーベッド上で選択的に溶融することによって得ることができる。

ブレードの部分のためのインサートは、たとえば、鋳造または、高エネルギビームによるパウダーベッド上での選択的な溶融によって得ることができる。高エネルギビームによるパウダーベッド上での選択的溶融により、特に、（鋳造に比べ）より低コストでインサートを得ること、適切な形態の凹部２５（および、必要であれば、突出部２７）を形成することが可能になる。このため、インサートの外壁は、０．４ｍｍから０．８ｍｍの間に含まれ、たとえば、約０．６ｍｍ、または０．４ｍｍでさえある、厚さを有することができる。

Claims (9)

1. タービンエンジン（１）のディストリビュータ（８）の翼配列（１０）であって、前記翼配列（１０）が、
   圧力側壁（１６）と吸引側壁（１４）とを含むブレード（１２）と、
   圧力側壁（１６）と吸引側壁（１４）との間に収容されたインサート（２０）であって、
   圧力側壁（１６）および吸引側壁（１４）に面して延びる外表面（２４）と、外表面（２４）とは反対側の内表面（２６）とを有する閉じた壁（２２）であって、この閉じた壁（２２）の外表面（２４）と、ブレード（１２）の対面する壁とが、エアギャップ（３０）によって分離している、閉じた壁（２２）と、
   閉じた壁（２２）に形成され、外表面（２４）と内表面（２６）との間に延びる一連の貫通開口（２８）と、
   閉じた壁（２２）に形成され、外表面（２４）に繋がる一連の凹部（２５）であって、貫通開口（２８）が前記凹部（２５）に形成され、前記貫通開口（２８）と、対面する圧力側壁（１６）または吸引側壁（１４）との間の衝突高さ（ｈ）が、エアギャップ（３０）よりも大であり、凹部（２５）の全体が、半球、卵頭、または水滴形状である、一連の凹部（２５）と、
   を有している、インサート（２０）と、
   を備えている、翼配列（１０）。
2. 貫通開口（２８）が、規定の最大の幅（Ｌ）を有する外縁を有し、貫通開口（２８）のすべてまたは一部の、衝突高さ（ｈ）と最大の幅（Ｌ）との間の比が、２．５から１０の間、好ましくは２．５から７の間、より好ましくは２．５から５の間、典型的には２．８から３．２の間に含まれ、たとえば３に等しい、請求項１に記載の翼配列（１０）。
3. 貫通開口（２８）が円形であり、前記貫通開口（２８）の最大の幅（Ｌ）が、貫通開口（２８）の直径に対応している、請求項２に記載の翼配列（１０）。
4. インサート（２０）の閉じた壁（２２）の内表面（２６）が、突出部（２７）をさらに備え、貫通開口（２８）が、前記突出部（２７）に繋がっている、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の翼配列（１０）。
5. 衝突高さ（ｈ）が、１．０ｍｍから３．０ｍｍの間、好ましくは１ｍｍから２ｍｍの間、典型的には１ｍｍから１．５ｍｍの間に含まれる、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の翼配列（１０）。
6. エアギャップ（３０）が、０．５ｍｍから１．０ｍｍの間、好ましくは０．５ｍｍから０．８ｍｍの間に含まれ、典型的には０．６ｍｍに等しい、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の翼配列（１０）。
7. 圧力側壁（１６）および吸引側壁（１４）の内側面（１５）が、前記内側面（１５）から、インサート（２０）の外表面（２４）の方向に突出するスタッド（１３）をさらに備えた、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の翼配列（１０）。
8. タービンエンジン（１）のディストリビュータ（８）であって、ディストリビュータ（８）の軸（Ｘ）周りで同軸である、内側環状プラットフォーム（９ａ）と外側環状プラットフォーム（９ｂ）とを備え、
   内側プラットフォーム（９）と外側プラットフォーム（９ｂ）との間に、軸（Ｘ）周りに周方向に配置された、一連の、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のディストリビュータ（８）の翼配列（１０）を備えていることを特徴とする、タービンエンジン（１）のディストリビュータ（８）。
9. インサート（２０）が、高エネルギビームによるパウダーベッド上での選択的溶融によって形成されることを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のディストリビュータ（８）の翼配列（１０）の製造方法。

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