JP2022534226A - 翼型用の壁面近傍前縁冷却チャネル - Google Patents

Abstract

翼型、このような翼型を含むガスタービンエンジンアセンブリ、およびその製造方法。翼型は、翼型の前縁に近接した複数の冷却チャネルを含み、冷却チャネルの各々は、圧力側壁および吸引側壁のうちの一方の翼型の内面に設けられた入口と、圧力側壁および吸引側壁のうちの他方の翼型の外面に設けられた出口とを含む。冷却チャネルは、翼型のよどみ点の付近に、翼型の前縁に設けられた冷却流体流の互い違いのパターンがあるように、千鳥構成で配置される。

Description

関連出願の相互参照
本特許出願は、２０１９年５月２０日に出願された米国特許出願第１６／４１７，００６号明細書の優先権を主張し、その全開示は参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、タービン翼型に関し、より具体的には、タービン翼型に組み込まれた冷却回路に関する。

典型的なガスタービンエンジンは、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の３つの主要なセクションで構成される。標準的な動作サイクルでは、燃焼器セクションに供給される空気を加圧するために、圧縮機セクションが使用される。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、高温および高速の燃焼ガスを生成するために点火される。これらの燃焼ガスはその後、多段タービンに流入し、そこで高温ガスは、回転および固定のガスタービン翼型の互い違いの列を通って流れる。固定ベーンの列は、典型的に、燃焼ガスの流れを回転ブレードの後続段に再配向するために使用される。タービンセクションは、タービンセクションが圧縮機セクションを駆動するように、共通の軸シャフトに沿って圧縮機セクションに結合される。

空気および高温燃焼ガスは、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じて配向される。これらのブレードおよびベーンは、ブレードおよびベーンが作られる材料の能力をしばしば超える、極端に高い動作温度に曝される。極端な温度は、構成要素の熱成長および熱応力も引き起こす可能性があり、耐久性の不足につながる可能性がある。有効動作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を用いて冷却される。しかしながら、冷却流体を効率的に使用するために、冷却は効果的な方法で行われなければならない。結果として、とりわけこれらの問題に対処するガスタービンの翼型の改善された冷却設計が必要とされる。

手短に言えば、高レベルでは、本出願の主題は、一般に、ガスタービン翼型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。ガスタービン翼型は、内面および外面を含み、翼型壁によって少なくとも部分的に囲まれた翼型チャンバを形成する、翼型壁で構成される。実施形態は、翼型の改善された冷却のために翼型壁の前縁に形成された冷却チャネルを提供する。冷却チャネルは、冷却流体または空気が翼型チャンバおよび翼型壁を通過することを可能にし、ガスタービンの動作中に翼型を冷却する。

本発明の一実施形態は、前縁および後縁を有するガスタービン用の翼型を対象とする。翼型は、圧力側および吸引側を有する翼型壁を含み、圧力側は圧力側内面および圧力側外面を含み、吸引側は吸引側内面および吸引側外面を含む。圧力側内面および吸引側内面は、翼型壁の内面を共に画定し、圧力側外面および吸引側外面は、翼型壁の外面を共に画定し、翼型壁の内面は、翼型壁によって少なくとも部分的に囲まれた翼型チャンバを少なくとも部分的に画定する。翼型は、翼型の前縁に近接した複数の第１および第２の冷却チャネルを含み、第１の冷却チャネルの各々は、圧力側内面に設けられた第１開口部に位置する入口と、吸引側外面に設けられた第２の開口部に位置する出口とを含み、第２の冷却チャネルの各々は、吸引側内面に設けられた第３の開口部に位置する入口と、圧力側外面に設けられた第４の開口部に位置する出口とを含む。

いくつかの実施形態では、複数の第１の冷却チャネルは、上部第１の冷却チャネルおよび下部第１の冷却チャネルを含み、複数の第２の冷却チャネルは、上部第２の冷却チャネルおよび下部第２の冷却チャネルを含む。複数の第１の冷却チャネルおよび複数の第２の冷却チャネルは、上部第２の冷却チャネルが、翼型の径方向で上部第１の冷却チャネルと下部第１の冷却チャネルとの間に位置し、下部第１の冷却チャネルが、翼型の径方向で上部第２の冷却チャネルと下部第２の冷却チャネルとの間に位置するように、千鳥構成で配置される。

本発明の別の実施形態は、複数の翼型を含むガスタービンアセンブリを対象とする。複数の翼型の各々は、上述のように、複数の第１および第２の冷却チャネルを含む。いくつかの実施形態では、複数の翼型の各々は、上述のように、千鳥構成の複数の第１および第２の冷却チャネルを含む。

さらに別の実施形態は、翼型を製造する方法を対象とする。方法は、付加製造を使用して、圧力側および吸引側を有する翼型壁を形成するステップを含む。圧力側は、圧力側内面および圧力側外面を含み、吸引側は、吸引側内面および吸引側外面を含む。圧力側内面および吸引側内面は翼型壁の内面を共に画定し、圧力側外面および吸引側外面は翼型壁の外面を共に画定する。翼型壁の内面は、翼型壁内に少なくとも部分的に囲まれた翼型チャンバを少なくとも部分的に画定する。方法は、各翼型の前縁に近接した複数の第１の冷却チャネルを形成するステップであって、第１の冷却チャネルの各々は、圧力側内面に設けられた第１の開口部に位置する入口と、吸引側外面に設けられた第２の開口部に位置する出口とを含む、ステップと、翼型の前縁に近接した複数の第２の冷却チャネルを形成するステップであって、第２の冷却チャネルの各々は、吸引側内面に設けられた第３の開口部に位置する入口と、圧力側外面に設けられた第４の開口部に位置する出口とを含む、ステップとをさらに含む。複数の第１の冷却チャネルおよび複数の第２の冷却チャネルは、翼型チャンバと翼型壁の外部との間に流体連通を提供する。

いくつかの実施形態では、方法は、複数の第１および第２の冷却チャネルを互い違いにするステップを含む。このような実施形態では、複数の第１の冷却チャネルは、上部第１の冷却チャネルおよび下部第１の冷却チャネルを含み、複数の第２の冷却チャネルは、上部第２の冷却チャネルおよび下部第２の冷却チャネルを含む。方法は、上部第２の冷却チャネルが翼型の径方向で上部第１の冷却チャネルと下部第１の冷却チャネルとの間に配置され、下部第１の冷却チャネルが翼型の径方向で上部第２の冷却チャネルと下部第２の冷却チャネルとの間に配置されるように、複数の第１の冷却チャネルおよび複数の第２の冷却チャネルを互い違いにするステップを含む。

本開示に記載される冷却チャネルは、ガスタービン翼型の文脈で論じられることが多いが、いずれのタイプの翼型構造でも使用され得る。加えて、冷却流体、ガス、空気、および／または空気流は、本開示において交換可能に使用されてもよく、翼型の熱伝達および冷却を提供するために翼型を通じて送られることが可能な任意の冷却媒体を指す。

本発明は、添付図面を参照して、以下で詳細に説明される。

従来技術のガスタービン翼型の斜視図である。 従来技術のガスタービンベーンの斜視図である。 図１Ａまたは図１Ｂに示される翼型の断面図である。 図２Ａに示される翼型の一部の斜視図である。 本発明の一実施形態による、複数の冷却チャネルを有する翼型の部分斜視図である。 図３に示される翼型の別の部分斜視図である。 図３～図４に示される翼型の部分断面立面図である。 図３～図５に示される翼型の部分平面図である。 図３～図６に示される翼型の前縁に組み込まれた冷却チャネルの概略図である。

高レベルでは、本出願の主題は、一般に、様々な構成に組み込まれた冷却回路を含むガスタービン用の翼型に関する。翼型は、一般に、翼型チャンバを少なくとも部分的に囲む内面および外面を有する翼型壁を含み得る。冷却回路は、ガスタービンが動作中であり、冷却流体またはガスが冷却回路を通過する時に、翼型からの熱伝達を向上させるために、翼型壁の様々な位置に形成され得る。過酷な環境で動作しているタービンハードウェアでは、この翼型冷却技術の使用は、外径および内径プラットフォーム、ブレード外側または内側エアシールド、または代替の高温タービン構成要素など、追加の構成要素に適合されることが十分に考えられる。

ここで図１Ａを参照すると、ガスタービンブレード１００が提供される。タービンブレード１００は、ロータディスク（図示せず）に結合され得る、一般に根元１０２と呼ばれる底部分を備える。根元が流路内に延在しないように、根元はロータディスクに完全に組み込まれ得ることが理解される。ネック１０３は、根元１０２から、典型的にはロータ中心軸に直行する、上向きの径方向に延在する。ネック１０３は主に、根元１０２とガスタービン翼型１０４との間の移行片として使用され得る。

ガスタービン翼型１０４は、４つの別個の部分で構成される。加圧ガス流と最初に接触する翼型１０４の最初の部分は前縁１０６と呼ばれ、これは、後縁１０８として定義される、ガス流と接触する翼型の最後の部分に対向する。前縁１０６は、ロータ中心軸に沿って、タービン圧縮機セクション（図示せず）、またはタービン入口に面する。この方向は、軸方向と呼ばれる。加圧空気流が前縁１０６に当たると、空気流は、異なる相対圧力を有する２つの別々の空気の流れに分割される。前縁１０６と後縁１０８とを接続するのは、２つの径方向に延在する壁であり、これらは、壁にかかる相対圧力に基づいて画定される。図１Ａに見られる凹面は、圧力側壁１１０となるように画定される。この表面の凹形状は、圧力側壁１１０の長さに沿ってより高い局所圧力を生成する。圧力側壁１１０の反対側には吸引側壁１１２がある。吸引側壁１１２は凸形状を有し、これは吸引側壁１１２の長さに沿ってより低い局所圧力を生成する。

圧力側壁１１０と吸引側壁１１２との間に生じる圧力差は、ガスタービン翼型１０４の断面に沿った上向きの揚力を生成する。ガスタービン翼型１０４の断面は、図２Ａにより詳細に見ることができる。この揚力は、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、発電を目的として、シャフト（図示せず）を介して圧縮機および発電機に結合され得る。図１Ａの最上部分は、第１の表面１１６から径方向外向きに延在するナイフエッジ１１８が配置された第１の表面１１６を含む先端シュラウド１１４を示す。ナイフエッジ１１８の間には、凹状ポケット１２０がある。

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、内側レール１５２、外側プラットフォーム１５３、および内側プラットフォーム１５１と外側プラットフォーム１５３との間に延在するベーン翼型１５４を備える。内側レール１５２は、指定されたベーンへの通過の代わりに高温ガス経路内への冷却空気の漏れからリム空洞領域を密封する手段として機能する一方で、内側レール１５２はまた、内側プラットフォーム１５１の強化もする。内側レール１５２は、冷却空気のプレナムに近接して配置されてもよく、したがって、ほぼ冷却空気の温度で動作する。

図２Ａは、図１Ａに示される翼型１０４などのブレード翼型、または図１Ｂに示されるベーン翼型１５４などのベーン翼型に実装され得る、図１Ａの線２－２に沿って見たガスタービン翼型２００の従来技術の冷却設計の断面図である。図２Ａは、冷却通路２０２および２０３を示すための断面である。ガスタービン翼型２００は、温度が翼型を構築するために使用される材料の融点を超える環境で動作し得る。したがって、冷却通路２０２および２０３は、翼型２００の冷却通路に冷却空気を流すことによって動作中に翼型２００の温度を低下させる方法として提供される。

図２Ｂは、図２Ａに示されるガスタービン翼型２００の角度付き部分斜視図である。ガスタービン翼型２００は、翼型の前縁１０６に設けられた複数の冷却孔２０６を有する。冷却孔１０６－（円２０８で囲まれた７つの冷却孔２０６によって示されるように）その配置がシャワーヘッドの開口部と似ているため当業者には「シャワーヘッド」として知られる－は、翼型２００の前縁１０６に形成された管状または円筒形の貫通孔であり、図２Ａに示される冷却通路２０２などの内部冷却通路と流体連通している。貫通孔２０６は、典型的に、径方向に対して斜めの角度で穿孔される。

使用中、翼型２００の内側からの冷却流体（冷却通路２０２内の冷却空気など）は、冷却孔２０６を通って出る。冷却流体は、翼型２００の前縁１０６を通過する際に対流熱伝達によってこれを冷却し、次いで、前縁１０６から翼型２００を出る時に翼型２００の外面上に冷却空気の薄膜を形成する。冷却空気の膜は、翼型２００の外面上を流れる高温燃焼ガスに対して追加の保護を提供するために翼型２００の外面に保護層も形成しながら、追加の熱伝達を提供する。

このような実施形態では、冷却孔２０６内への高温ガスの取り込みを回避するために、冷却空気は、比較的高圧および／または高速で排出されなければならない。より具体的には、冷却孔２０６は、高温燃焼ガスが翼型２００にぶつかる翼型２００の前縁１０６に位置するので、冷却空気の相対圧力および／または相対速度が低すぎる場合、高温燃焼ガスは冷却空気を圧倒し、したがって冷却孔２０６に、そして最終的には翼型の内側の冷却通路２０２に入る。これにより、翼型２００の前縁１０６内の温度が上昇し、部品の早期故障をもたらす可能性がある。

また、冷却孔２０６は翼型２００の前縁１０６を通って真っ直ぐに穿孔された貫通孔であるため、冷却孔２０６は、比較的短い軸方向長さを有する。したがって、冷却孔２０６は、孔の長さに起因して比較的限られた熱抽出を提供する。代わりに、シャワーヘッド設計２０８を採用する翼型設計は、大抵、タービンを冷却し、外部を通る高温燃焼ガスからこれを保護するために、タービン２００の周りに提供される冷却膜効果に依存する。しかし、場合により、この膜冷却効果は、翼型２００の外部に沿って乱流を生成する可能性があり、これによって翼型２００に対する熱不可が増加する。したがって、冷却孔２０６のシャワーヘッド設計２０８は、特定の用途では効果的ではない可能性がある。

従来、図１Ａ～図２Ｂに示されるものなどの空気冷却タービン翼型は、タービン翼型のワックス本体を形成し、ワックス部品の周りに外側シェルを提供し、液体金属用の金型を残すためにワックスを溶融することにより、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。次に、ワックスによって残された空隙を充填するように、液体金属が金型に注がれる。多くの場合、ワックスはまた、金属タービン翼型内に大きな冷却チャネルを確立するために、セラミックコアも含む。液体金属が冷えて凝固すると、シェルが取り除かれ、凝固した金属タービン翼型からセラミックコアが化学的に浸出されて、中空のタービン翼型が得られる。これらの従来の鋳造方法は、鋳造される形状に関して制限がある。内部の幾何学的形状、ならびに小さな幾何学的複雑さは、一般に、ダイカストには適していない。

従来のインベストメント鋳造を超えて能力を拡大することができる付加製造の新しい開発が行われてきた。すなわち、付加製造は、以前は達成不可能であった複雑さを作成するために使用されることが可能である。本発明の実施形態は、このような付加製造プロセスを使用して作成され得る。付加製造プロセスの一例は、製造分野ではＳＬＭとしてより一般的に知られている、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と広く考えられているが、本明細書に記載される実施形態は、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、直接金属焼結（ＤＭＬＳ）、レーザ粉末床溶融（ＬＰＢＦ）、または指向性エネルギー堆積（ＤＥＤ）、または代替の付加製造方法などの任意の付加製造プロセスで製造されることが可能である。本明細書に記載されるＳＬＭプロセスは、非限定的かつ例示的であるように意図される。

図３～図７は、本発明の一実施形態による前縁付近の冷却チャネル３２０、３２２を組み込んだ例示的なガスタービン翼型３００の様々な図である。冷却チャネル３２０、３２２は、タービン翼型３００の前縁３０６に、またはその付近に、より具体的には翼型３００のよどみ点３２４の付近に設けられる。冷却チャネル３２０、３２２の配置および構成は、冷却孔２０６のシャワーヘッド設計２０８を有する従来技術の翼型２００に関連して説明されたように、高温燃焼ガス取り込みおよび乱流燃焼ガス流の可能性を低減しながら、強化された熱伝達の利点を提供する。

図３は、その前縁３０６付近のガスタービン翼型３００の一部を示す。図３～図７に示される図は、様々なチャネルおよび開口部をより明確に示すために、前縁３０６に近い部分のみを示すが、翼型３００は、図１Ａ～図２Ｂに示される翼型と同様に、前縁３０６から後縁（図示せず）まで延在することが、理解されるべきである。

翼型３００は、翼型３００の前縁よどみ点３２４（すなわち、翼型３００の外面に沿った流体流の局所速度がゼロである点）から後縁まで延在する圧力側壁３１０と、圧力側壁３１０の反対側にあり、翼型３００の前縁よどみ点３２４から後縁まで延在する吸引側壁３１２とを有する。圧力側壁３１０および吸引側壁３１２の外面は、まとまって翼型３００の外面３１３を形成し、その一方で圧力側壁３１０および吸引側壁３１２の内面は、まとまって翼型３００の内面３１６を形成する。翼型３００の内面３１６は、翼型３００内の冷却通路３０２を部分的に画定する。動作中、以下で詳細に説明されるように、冷却流体（圧縮空気など）が冷却通路３０２に供給され、これは冷却チャネル３２０、３２２を介して翼型３００を出る。冷却チャネル３２０、３２２を通る冷却流体の蛇行経路は、冷却流体に移動するためにその上を通過する高温燃焼ガスを介して翼型の前縁３０６に発生した熱の効率的な熱抽出を可能にする。

各冷却チャネル３２０、３２２は一般に、内面３１６の入口から外面３１３の出口まで延在する。第１の冷却チャネル３２０では、入口は、圧力側壁３１０内に位置する第１の開口部３１４に－すなわち、前縁よどみ点３２４の圧力側に－設けられ、出口は、吸引側壁３１２に設けられた第２の開口部３１５に－すなわち、前縁よどみ点３２４の吸引側に－設けられる。第２の冷却チャネル３２２では、入口は、吸引側壁３１２に位置する第３の開口部３１８に－すなわち、前縁よどみ点３２４の吸引側に－設けられ、出口は、圧力側壁３１０に位置する第４の開口部３１９に－すなわち、前縁よどみ点３２４の圧力側に－設けられる。この点に関して、各チャネル３２０、３２２について、よどみ点３２４の圧力側およびよどみ点の吸引側のうちの一方には入口のみが設けられ、よどみ点３２４の圧力側およびよどみ点３２４の吸引側のうちの他方には出口のみが設けられる。より具体的には、第１の冷却チャネル３２０を通る冷却流体は、圧力側壁３１０においてのみチャネル３２０に入り、吸引側壁３１２においてのみチャネルを出る。そして、第２の冷却チャネル３２２を通る冷却流体は、吸引側壁３１２においてのみチャネル３２２に入り、圧力側壁３１０においてのみチャネルを出る。したがって、壁面近傍前縁冷却チャネル３２０、３２２は、１つは圧力側壁３１０にあり、１つは吸引側壁３１２にある、２つの別個の位置から内部に供給され、次に、やはり１つは圧力側壁３１０にあり、１つは吸引側壁３１２にある２つの別個の位置でタービン３００を出る。

冷却チャネル３２０、３２２は、その中に設けられた別のチャネル３２０、３２２と流体連通しないように、翼型３００の前縁３０６内を蛇行する。より具体的には、各チャネル３２０は、別のチャネル３２０と径方向で揃えられるが離間しており、その一方で各チャネル３２２は、別のチャネル３２２と径方向で揃えられるが離間している。径方向の隣接する第１の冷却チャネル３２０の各ペアの間には、介在する第２の冷却チャネル３２２の一部があり、同様に、径方向の隣接する第２のチャネル３２２の各ペアの間には、介在する第１の冷却チャネル３２０の一部がある。これにより、図７に最もよく見られるように、個別の互い違いの圧力側延長チャネル３２０ａ～３２０ｆおよび吸引側延長チャネル３２２ａ～３２２ｆの積層構成を作成する。より具体的には、チャネルは、第２の冷却チャネル３２２が径方向で隣接する第１の冷却チャネル３２０の間に設けられ、同様に、第１の冷却チャネル３２０が径方向で隣接する第２の冷却チャネル３２２の間に設けられるように、千鳥構成で配置される。

冷却チャネル３２０、３２２は、図７に最もよく見られるように、各隣接する積層チャネル間に流体連通またはその他の接続がないように、隣接するチャネルから完全に独立している。より具体的には、翼型壁３３８の中実部分が、各隣接するチャネル３２０、３２２を分離する。そしてこれは、各隣接するチャネル３２０、３２２の冷却流体流を互い違いの方向にする。たとえば、図７を参照すると、第１の冷却チャネル３２０ａ～ｆの各々について、冷却流体は一般に、図７で見た時に翼型３００の左側に流れ、その一方で第２の冷却チャネル３２２ａ～ｆの各々については、冷却流体は一般に、図７で見た時に翼型３００の右側に流れる。

図６に最もよく見られるように、各チャネルは一般に、入口移行部分３２５、３３２、軸方向延在部分３２６、３３３、周方向延在部分３２８、３３４、外向き旋回部分３３０、３３６、および出口移行部分３３１、３３７を含む。より具体的には、第１の冷却チャネル３２０は、第１の開口部３１４から軸方向延在部分３２６まで延在する入口移行部分３２５を含み、これは周方向延在部分３２８に移行し、周方向延在部分３２８は外向き旋回部分３３０に移行し、最後に出口移行部分３３１が外向き旋回部分３３０から第２の開口部３１５まで延在する。同様に、第２の冷却チャネル３２２は、第３の開口部３１８から軸方向延在部分３３３まで延在する入口移行部分３３２を含み、これは周方向延在部分３３４に移行し、周方向延在部分３３４は外向き旋回部分３３６に移行し、最後に、出口移行部分３３７は外向き旋回部分３３６から第４の開口部３１９まで延在する。

冷却チャネル３２０、３２２は、その中を通る冷却流体が加速し、最終的に流体が入口（すなわち、第１および第３の開口部３１４、３１８）に入った速度よりも速い速度で出口（すなわち、第２および第４の開口部３１５、３１９）を出るように、下流方向でその長さの大部分または全部に沿って先細になっている－すなわち、冷却チャネル３２０、３２２の断面積が連続的に減少する。本明細書で使用される際に、「下流」とは、一般的には翼型３００の内部から翼型３００の外部へ、それぞれのチャネルを通る冷却流体の移動方向を指す。

たとえば、一実施形態では、冷却チャネル３２０、３２２の断面積は、そこへの入口（それぞれ第１および第３の開口部３１４、３１８）にチャネル３２０、３２２の最大断面積が提供され、そこからの出口（それぞれ第２および第４の開口部３１５、３１９）にチャネル３２０、３２２の最小断面積が提供されるように、それぞれの下流方向の長さに沿って連続的に減少している。別の実施形態では、冷却チャネル３２０、３２２の断面積は、たとえば、それぞれ第２および第４の開口部３１５、３１９の直前に冷却チャネル３２０、３２２の断面積がわずかに増加する出口移行部分３３１、３３７を除く全てなど、実質的に下流の長さ全体に沿って連続的に減少する。このような実施形態では、出口移行部分３３１、３３７は、フレアまたはベルマウス形状を有し、これは、それぞれのチャネル３２０、３２２の出口の近傍の断面積にわずかな増加を提供する。理解されるように、「ベルマウス」形状は、ベルの形状に似た、先細の拡張または縮小開口部を指す。このわずかな増加にもかかわらず、このような実施形態では、第２および第４の開口部３１５、３１９の断面積は、それぞれ第１および第３の開口部３１８、３１９よりも小さくなる。

動作中、冷却流体は、最低限の圧力損失のために、フレアまたはベルマウス形状の入口３２５、３３２を通って翼型内面３１６に垂直な方向でチャネル３２０、３２２に入る。図６に最もよく見られるように、第１の開口部３１４に入る冷却流体は、ベルマウス形状の入口移行部分３２５に入り、その一方で第３の開口部３１８に入る冷却流体は、ベルマウス形状の入口移行部分３３２に入る。冷却流体は、チャネル３２０、３２２の先細断面積のため、チャネル３２０、３２２を通って移動するのにつれて徐々に加速する。冷却流体の流れは、まず、軸方向延在部分３２６、３３３を介してよどみ点３２４に向けて配向される。次いで、流れは向きを変え、冷却流体がよどみ点３２４に近接する外面３１３と平行に、その付近を流れるように、周方向延在部分３２８、３３４内を移動する。次いで、冷却流体は、外向き旋回部分３３０、３３６を介して外面３１３に向かってわずかに向きを変える。次いで、冷却流体は、任意選択的にフレア状の出口移行部分３３１、３３７ならびに第２および第４の開口部３１５、３１９をそれぞれ介して、翼型３００の壁を出る。ここでも、いくつかの実施形態では、出口移行部分３３１、３３７は、冷却チャネル３２０、３２２の断面積がその出口でわずかに増加するように、ベルマウス形状である。全体として、圧力側壁３１０の第１の開口部３１４で第１の冷却チャネル３２０に入った冷却流体は、最終的に、吸引側壁３１２のチャネル３２０から出て、反対に、吸引側壁３１２の第３の開口部３１８で第２の冷却チャネル３２２に入った冷却流体は、最終的に、圧力側壁３１０のチャネル３２２から出る。

各チャネル３２０、３２２を流れる冷却流体の量は、第１および第３の開口部３１４、３１８の断面積、チャネルのそれぞれの下流の長さに沿ったチャネル３２０、３２２の断面積の先細りの量、ならびに第２および第４の開口部３１５、３１９におけるチャネル３２０、３２２の出口位置に依存する。出口位置（すなわち、第２および第４の開口部３１５、３１４の位置）は、翼型３００の周りの高温燃焼ガスの流れから安全な静圧が達成されることを保証するように選択され、これにより、前述のように、高温ガス取り込みおよび乱流の増加のリスクを低減する。

ガスタービン翼型３００の前縁３０６における冷却チャネル３２０、３２２の独自の配置および構成は、図２Ｂに示される冷却チャネル２０６のシャワーヘッド設計２０８など、既知の冷却チャネルよりも強化された冷却性能を提供する。翼型の入る側とは反対側から出る冷却流体（すなわち、第１の開口部３１４を介して圧力側壁３１０に入る冷却流体は、第２の開口部３１５を介して吸引側壁３１２から出て、第３の開口部３１８を介して吸引側壁３１２に入る冷却流体は、第４の開口部３１９を介して圧力側壁３１０から出る）によって生じる前縁３０６内の冷却流体の蛇行流は、既知の冷却チャネルと比較して冷却チャネル３２０、３２２の長さを増加させ、こうして、冷却流体が前縁３０６を通過する時により大きな熱抽出を可能にする。また、冷却チャネル３２０ａ～３２０ｆを冷却チャネル３２２ａ～３２２ｆと互い違いにすることによって（すなわち、隣接するチャネル３２０、３２２の間の接続無しに垂直方向で互い違いになるようにチャネル３２０、３２２を構成することによって）、冷却流体は、前縁全体で複数の方向に流れ、熱抽出をさらに強化する。前縁３０６における冷却流体のこの交差流配置は、全体的な熱吸収を改善し、したがって、同じ目標金属温度に対してはるかに少ない冷却流体を必要とする。冷却流体の交差流配置はまた、図２Ｂに示される冷却孔２０６のシャワーヘッド構成２０８などの既知の設計と比較して、前縁３０６内により均一な温度分布をもたらす。

前述のように、冷却チャネル３２０、３２２は、その下流の長さに沿って先細り、これにより、その中を流れる冷却流体を加速し、冷却流体の熱伝達特性を改善する。また、チャネル３２０、３２２の出口－第２および第４の開口部３１５、３１９－は、既知の冷却チャネルよりもよどみ点３２４から離れた位置にある。より具体的には、チャネル３２０、３２２の出口は、翼型３００の周りの圧縮空気および／または燃焼ガスの主流からの安全な静圧を有する翼型３００の一部に設けられる。これにより、冷却流体が比較的低い圧力および／または速度で提供される時であっても、冷却チャネル３２０、３２２への高温ガス取り込みの危険性を低減する。また、前縁冷却チャネルを通って流れる冷却流体を駆動するために利用可能な圧力差（すなわち、チャネル３２０、３２２の入口と出口との間の圧力の差）は、よどみ点３２４の付近に出口を有するチャネルでは、最小である。第２および第４の開口部３１５、３１９をよどみ点３２４から離れる方へ移動させることにより、冷却チャネル３２０、３２２は、その中で冷却流体を効率的に移動させるために利用可能な増加した圧力比を有する。

全体として、冷却チャネル３２０、３２２の独自の互い違いの蛇行した構成によってより効率的な冷却が可能になり、このため、図２Ｂに示される冷却孔２０６のシャワーヘッド構成２０８のような既知の設計の冷却効果を達成するために、より少ない冷却流体および／またはより少ない質量流量を必要とする。たとえば、所与の質量流量について、チャネル３２０、３２２を通じて提供される冷却流体は、図２Ｂの冷却孔２０６のシャワーヘッド設計２０８を通じて提供される冷却流体と比較して、翼型３００内で大幅に低い温度を達成する。あるいは、翼型の同じ平均金属温度を達成するために、チャネル３２０、３２２を通じて提供される冷却流体は、図２Ｂの冷却チャネルのシャワーヘッド設計２０８を通じて提供される冷却流体と比較して、著しく少ない質量流量で提供されることが可能である。たとえば、いくつかの実施形態では、本開示の蛇行した互い違いの冷却チャネル３２０、３２２の使用は、冷却孔２０６のシャワーヘッド設計２０８を使用して達成されるのと同じ平均金属温度を達成するために、半分を超える冷却流体流の減少をもたらす。

また、内部の蛇行した互い違いの冷却チャネル３２０、３２２を含む、翼型３００の複雑な設計は、上述のインベストメント鋳造などのような従来の製造プロセスを使用して作成することが不可能に近いが、いくつかの実施形態では、翼型３００およびその内部のチャネル３２０、３２２は、付加製造プロセスを使用して作成される。このようなプロセスでは、翼型３００は、蛇行した、先細の、互い違いの冷却チャネル３２０、３２２を作成するために、適切な位置で側壁に空隙を残して１層ずつ蓄積される。したがって、複雑な冷却チャネル３２０、３２２を含む翼型３００は、ガスタービンエンジン内で効率的に製造および実装されることが可能である。蛇行した、先細の、互い違いの冷却チャネル３２０、３２２を有するタービン３００を作成するための付加製造プロセスの使用は、構築中に高い温度勾配を生み出す可変壁セクションを有する既知の設計と比較して、最低限の局所応力をもたらす。

上記から、本発明は、明確であって構造に固有の他の利点と共に先に明記された全ての目標および目的を達成するのによく適合されたものであることがわかる。特定の特徴およびサブコンビネーションは、有用であり、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採用され得ることが、理解されるだろう。これは、特許請求項によって企図され、特許請求項の範囲に含まれる。本発明の多くの可能な実施形態が、本発明の範囲から逸脱することなくなされ得るので、先に明記された、または添付図面に示される全ての事項は、限定的な意味ではなく例示として解釈されるべきであることが、理解されるべきである。本発明の追加の目的、利点、および新規な特徴は、一部は以下の説明に明記され、一部は以下を検討すると当業者にとって明らかとなるか、または本発明の実践によって学習され得る。

Claims (20)

1. 前縁および後縁を有するガスタービン用の翼型であって、前記翼型は、
   圧力側および吸引側を有する翼型壁であって、前記圧力側は圧力側内面および圧力側外面を含み、前記吸引側は吸引側内面および吸引側外面を含み、前記圧力側内面および前記吸引側内面は、前記翼型壁の内面を共に画定し、前記圧力側外面および前記吸引側外面は、前記翼型壁の外面を共に画定し、前記翼型壁の前記内面は、前記翼型壁によって少なくとも部分的に囲まれた翼型チャンバを少なくとも部分的に画定する、翼型壁と、
   前記翼型の前記前縁に近接した複数の第１の冷却チャネルであって、前記複数の第１の冷却チャネルの各々は、前記圧力側内面に設けられた第１の開口部に位置する入口と、前記吸引側外面に設けられた第２の開口部に位置する出口とを含む、複数の第１の冷却チャネルと、
   前記翼型の前記前縁に近接した複数の第２の冷却チャネルであって、前記複数の第２の冷却チャネルの各々は、前記吸引側内面に設けられた第３の開口部に位置する入口と、前記圧力側外面に設けられた第４の開口部に位置する出口とを含む、複数の第２の冷却チャネルと、を備え、
   前記複数の第１の冷却チャネルおよび前記複数の第２の冷却チャネルは、前記翼型チャンバと前記翼型壁の外部との間に流体連通を提供する、翼型。
2. 前記複数の第１の冷却チャネルは、上部第１の冷却チャネルおよび下部第１の冷却チャネルを含み、前記複数の第２の冷却チャネルは、上部第２の冷却チャネルおよび下部第２の冷却チャネルを含み、前記複数の第１の冷却チャネルおよび前記複数の第２の冷却チャネルは、前記上部第２の冷却チャネルが、前記翼型の径方向で前記上部第１の冷却チャネルと前記下部第１の冷却チャネルとの間に位置し、前記下部第１の冷却チャネルが、前記翼型の前記径方向で前記上部第２の冷却チャネルと前記下部第２の冷却チャネルとの間に位置するように、千鳥構成で配置される、請求項１に記載の翼型。
3. 前記複数の第１の冷却チャネルの各々について、前記第１の開口部の第１の断面積は、前記第２の開口部の第２の断面積よりも大きく、前記複数の第２の冷却チャネルの各々について、前記第３の開口部の第３の断面積は、前記第４の開口部の第４の断面積よりも大きい、請求項１に記載の翼型。
4. 前記複数の第１の冷却チャネルおよび前記複数の第２の冷却チャネルの各々は、それぞれの下流の長さ全体に沿って連続的に先細になっている、請求項３に記載の翼型。
5. 前記複数の第１の冷却チャネルの各々は、前記第２の開口部に近接した第１のフレア状出口移行部分を含み、前記複数の第２の冷却チャネルの各々は、前記第４の開口部に近接した第２のフレア状出口移行部分を含み、前記複数の第１の冷却チャネルの各々は、前記第１の開口部から前記第１のフレア状出口移行部分の入口まで連続的に先細になっており、前記複数の第２の冷却チャネルの各々は、前記第３の開口部から前記第２のフレア状出口移行部分の入口まで連続的に先細になっている、請求項３に記載の翼型。
6. 前記複数の第１の冷却チャネルの各々は、第１の入口移行部分、第１の軸方向延在部分、第１の周方向延在部分、第１の外向き旋回部分、および第１の出口移行部分を含み、前記複数の第２の冷却チャネルの各々は、第２の入口移行部分、第２の軸方向延在部分、第２の周方向延在部分、第２の外向き旋回部分、および第２の出口移行部分を含む、請求項１に記載の翼型。
7. 前記第１の周方向延在部分および前記第２の周方向延在部分は、前記翼型壁の前記外面と平行に延在する、請求項６に記載の翼型。
8. 前記第１の周方向延在部分および前記第２の周方向延在部分は、前記翼型のよどみ点に近接した位置にある、請求項７に記載の翼型。
9. 前記第１の入口移行部分および前記第２の入口移行部分は、ベルマウス形状を備える、請求項６に記載の翼型。
10. 前記複数の第１の冷却チャネルおよび前記複数の第２の冷却チャネルは、付加製造を使用して形成される、請求項１に記載の翼型。
11. ガスタービンアセンブリであって、前記アセンブリは、
    複数の翼型を備え、前記複数の翼型は、
    圧力側および吸引側を有する翼型壁であって、前記圧力側は圧力側内面および圧力側外面を含み、前記吸引側は吸引側内面および吸引側外面を含み、前記圧力側内面および前記吸引側内面は、前記翼型壁の内面を共に画定し、前記圧力側外面および前記吸引側外面は、前記翼型壁の外面を共に画定し、前記翼型壁の前記内面は、前記翼型壁によって少なくとも部分的に囲まれた翼型チャンバを少なくとも部分的に画定する、翼型壁と、
    前記翼型の前記前縁に近接した複数の第１の冷却チャネルであって、前記複数の第１の冷却チャネルの各々は、前記圧力側内面に設けられた第１の開口部に位置する入口と、前記吸引側外面に設けられた第２の開口部に位置する出口とを含む、複数の第１の冷却チャネルと、
    前記翼型の前記前縁に近接した複数の第２の冷却チャネルであって、前記複数の第２の冷却チャネルの各々は、前記吸引側内面に設けられた第３の開口部に位置する入口と、前記圧力側外面に設けられた第４の開口部に位置する出口とを含む、複数の第２の冷却チャネルと、を備え、
    前記複数の第１の冷却チャネルおよび前記複数の第２の冷却チャネルは、前記翼型チャンバと前記翼型壁の外部との間に流体連通を提供する、ガスタービンアセンブリ。
12. 前記複数の翼型の各々について、
    前記複数の第１の冷却チャネルは、上部第１の冷却チャネルおよび下部第１の冷却チャネルを含み、
    前記複数の第２の冷却チャネルは、上部第２の冷却チャネルおよび下部第２の冷却チャネルを含み、
    前記複数の第１の冷却チャネルおよび前記複数の第２の冷却チャネルは、前記上部第２の冷却チャネルが、前記翼型の径方向で前記上部第１の冷却チャネルと前記下部第１の冷却チャネルとの間に位置し、前記下部第１の冷却チャネルが、前記翼型の前記径方向で前記上部第２の冷却チャネルと前記下部第２の冷却チャネルとの間に位置するように、千鳥構成で配置される、請求項１１に記載のガスタービンアセンブリ。
13. 前記複数の翼型の各々について、前記複数の第１の冷却チャネルおよび前記複数の第２の冷却チャネルの各々は、それぞれの下流の長さ全体に沿って連続的に先細になっている、請求項１１に記載のガスタービンアセンブリ。
14. 前記複数の翼型の各々について、
    複数の第１の冷却チャネルの各々は、前記第２の開口部に近接した第１のフレア状出口移行部分を含み、
    前記複数の第２の冷却チャネルの各々は、前記第４の開口部に近接した第２のフレア状出口移行部分を含み、
    前記複数の第１の冷却チャネルの各々は、前記第１の開口部から前記第１のフレア状出口移行部分の入口まで連続的に先細になっており、
    前記複数の第２の冷却チャネルの各々は、前記第３の開口部から前記第２のフレア状出口移行部分の入口まで連続的に先細になっている、請求項１１に記載のガスタービンアセンブリ。
15. 前記複数の翼型の各々について、
    前記複数の第１の冷却チャネルの各々は、第１の入口移行部分、第１の軸方向延在部分、第１の周方向延在部分、第１の外向き旋回部分、および第１の出口移行部分を含み、
    前記複数の第２の冷却チャネルの各々は、第２の入口移行部分、第２の軸方向延在部分、第２の周方向延在部分、第２の外向き旋回部分、および第２の出口移行部分を含み、
    前記第１の周方向延在部分および前記第２の周方向延在部分は、前記翼型壁の前記外面と平行に延在し、前記翼型のよどみ点に近接した位置にある、請求項１１に記載のガスタービンアセンブリ。
16. 翼型を製造する方法であって、前記方法は、
    付加製造を使用して、
    圧力側および吸引側を有する翼型壁であって、前記圧力側は圧力側内面および圧力側外面を含み、前記吸引側は吸引側内面および吸引側外面を含み、前記圧力側外面および前記吸引側内面は、前記翼型壁の内面を共に画定し、前記圧力側外面および前記吸引側外面は、前記翼型壁の外面を共に画定し、前記翼型壁の前記内面は、前記翼型壁によって少なくとも部分的に囲まれた翼型チャンバを少なくとも部分的に画定する、翼型壁と、
    前記翼型の前記前縁に近接した複数の第１の冷却チャネルであって、前記複数の第１の冷却チャネルの各々は、前記圧力側内面に設けられた第１の開口部に位置する入口と、前記吸引側外面に設けられた第２の開口部に位置する出口とを含む、複数の第１の冷却チャネルと、
    前記翼型の前記前縁に近接した複数の第２の冷却チャネルであって、前記複数の第２の冷却チャネルの各々は、前記吸引側内面に設けられた第３の開口部に位置する入口と、前記圧力側外面に設けられた第４の開口部に位置する出口とを含む、複数の第２の冷却チャネルと、を形成し、
    前記複数の第１の冷却チャネルおよび前記複数の第２の冷却チャネルは、前記翼型チャンバと前記翼型壁の外部との間に流体連通を提供する、方法。
17. 前記複数の第１の冷却チャネルは、上部第１の冷却チャネルおよび下部第１の冷却チャネルを含み、前記複数の第２の冷却チャネルは、上部第２の冷却チャネルおよび下部第２の冷却チャネルを含み、前記方法は、前記上部第２の冷却チャネルが、前記翼型の径方向で前記上部第１の冷却チャネルと前記下部第１の冷却チャネルとの間に位置し、前記下部第１の冷却チャネルが、前記翼型の前記径方向で前記上部第２の冷却チャネルと前記下部第２の冷却チャネルとの間に位置するように、前記複数の第１の冷却チャネルおよび前記複数の第２の冷却チャネルを互い違いにするステップをさらに備える、請求項１６に記載の方法。
18. さらに、前記複数の第１の冷却チャネルおよび前記複数の第２の冷却チャネルの各々を、それぞれの下流の長さ全体に沿って連続的に先細にする、請求項１６に記載の方法。
19. 前記第２の開口部に近接した第１のフレア状出口移行部分を有する前記複数の第１の冷却チャネルの各々を形成し、
    前記第４の開口部に近接した第２のフレア状出口移行部分を有する前記複数の第２の冷却チャネルの各々を形成し、
    前記複数の第１の冷却チャネルの各々を、前記第１の開口部から前記第１のフレア状出口移行部分の入口まで連続的に先細にし、
    前記複数の第２の冷却チャネルの各々を、前記第３の開口部から前記第２のフレア状出口移行部分の入口まで連続的に先細にする、請求項１６に記載の方法。
20. 第１の入口移行部分、第１の軸方向延在部分、第１の周方向延在部分、第１の外向き旋回部分、および第１の出口移行部分を有する前記複数の第１の冷却チャネルの各々を形成し、
    第２の入口移行部分、第２の軸方向延在部分、第２の周方向延在部分、第２の外向き旋回部分、および第２の出口移行部分を有する前記複数の第２の冷却チャネルの各々を形成するものであり、
    前記第１の周方向延在部分および前記第２の周方向延在部分は、前記翼型壁の前記外面と平行に延在し、前記第１の周方向延在部分および前記第２の周方向延在部分は、前記翼型のよどみ点に近接した位置にある、請求項１６に記載の方法。

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