JP3954033B2 - 後縁冷却タービン部材およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械に関し、より詳細には、冷却タービンブレードおよびベーンに関する。

（米国政府の権益）
本発明は、米国空軍と結ばれた契約Ｆ３３６５７−９４−ｄ−２００１により米国政府援助のもとでなされた。米国政府は、本発明について権利を有する。

後縁冷却は、タービンブレードおよびベーンの通常の特徴要素である。一般的な製造方法の１つでは、ブレード／ベーンエーロフォイル内の冷却網の主通路が、ブレード／ベーン鋳造処理中に犠牲コアを用いて形成される。エーロフォイル表面には、冷却網と連通する孔が設けられ得る。これらの孔のいくつかまたは全ては、穿孔され得る。製造方法の１つでは、後縁孔の配列が、互いに平行にかつ一様なピッチで穿孔され得る。

従って、本発明の一態様は、第１の端部と、第２の端部と、前縁と、後縁と、内部冷却通路網とを有するエーロフォイルを含む。複数の後縁孔は、後縁から通路網の後縁空洞に延びる。後縁孔は、第１の端部から第２の端部へ向かって漸進的に変化する間隔で配列される。通路網は、後縁に平行な第１の方向に温度が上昇するように後縁空洞内の冷却気体を向けるように適合され得る。間隔は、この第１の方向に実質的に漸進的に減少し得る。後縁空洞は、インピンジメント空洞とすることができる。本発明の他の態様は、タービン部材の製造方法に関する。

本発明の１つまたは複数の実施態様の詳細が、添付の図面と以下の説明に述べられる。本発明の他の特徴、目的、および利点は、この説明と図面、および請求項から明らかであろう。

さまざまな図面中の同様の参照番号および符号は、同様の部材を示す。

図１は、内側プラットホーム４６にある近位根本４４から外側プラットホーム５０にある遠位端部４８に長さに沿って延びるエーロフォイル４２を有するタービンベーン４０を示す。多数のそのようなベーンが、流路の内側部分と外側部分を画成する内側リングと外側リングを形成するそれぞれの内側プラットホームおよび外側プラットホームと並列に組み立てられ得る。例示的な実施態様では、ベーンは、金属合金から一体に形成される。

エーロフォイルは、前縁６０から後縁６２に延びる。前縁と後縁は、圧力面６４と吸気面６６または圧力表面６４と吸気表面６６（図２）を分離する。エーロフォイルを冷却するために、エーロフォイルには、一方または両方のプラットホーム内のポートに結合された冷却通路網が設けられる。例示的な通路網は、エーロフォイルに沿って概略長さ方向に延びる一連の空洞を含む。最後部の空洞は、後縁と概略平行に延びる後縁空洞７０と特定される。最後から２番目の空洞７２は、後縁空洞７０より前に配置される。これらの空洞は、最後から２番目の空洞から後縁空洞への流れが可能となるように、一端または両端において、あるいは、その長さに沿った位置において、互いに結合され得る。例示された実施態様では、空洞７０および７２は、インピンジメント空洞である。最後から２番目の空洞７２は、供給空洞７３から、これら２つの空洞を分離している壁の中の孔７５（図３）の配列を通して空気を受け取る。供給空洞７３は、空気をプラットホーム５０内のポート７４から受け取る。同様に、後縁空洞７０は、最後から２番目の空洞７２から、これら２つの空洞間の壁の中の孔７７を介して空気を受け取る。供給空洞７３内の冷却空気が、径方向内向きに進行する間に加熱される程度まで、インピンジメント空洞７０および７２内の冷却空気温度は、径方向内向き方向に同様に上昇することになる。

通路網は、圧力面６４および吸気面６６を冷却しかつ高い外部温度から断熱するために、圧力面６４および吸気面６６に延びる孔をさらに含み得る。これらの孔としては、後縁に近い位置と後縁インピンジメント空洞７０の後端との間に延びる後縁孔８０が挙げられ得る。図２は、軸５００を中心とし長さ５０２に沿って延びる表面８２を有するそのような孔の１つを示す。例示的な孔は、直径５０４を有する円形断面を有する。

図３は、後縁孔８０の配列の一部を示す。これらの孔、より正確にはその軸５００は、後縁に対して角度θ₁をなすとともに後縁インピンジメント空洞７０の局所的な後端９０に対して角度θ₂をなすように示される。後縁６２および後端９０が平行である限りは、例示された角度θ₁とθ₂とは、与えられた孔８０に対して互いに等しいものとなる。孔のピッチ５１０は、後縁に沿った孔中心線間隔として測定される。

以下にさらに詳細に検討するように、各孔８０の軸５００は、互いに平行となる必要はない。同様に、各孔８０の角度θ₁とθ₂の両方または片方が、互いに同じである必要はなく、各孔の直径５０４および長さ５０２も、互いに同じである必要はない。構造上の完全性および製造上の考慮によって、空洞７０の後端９０からの後縁６２の分離が、影響を及ぼされまたは規定され得る。孔８０は、短くかつ狭くし、それによって、後縁近くの可能な冷却を最大化するのが有利である。狭さ（例えば、直径）は、穿孔の容易さにより主として制限される。付加的な製造上および末端の考慮（以下に説明する）を受け入れると、この最小化は、軸５００をできるだけ後縁６２と後端９０に互いに垂直に近いものとすることにより達成されるであろう。

後縁に沿って、後縁の別の部分に沿うよりは後縁の１つの部分に沿う直線的な寸法毎に、より弱い冷却が必要となり得る。例示的な実施態様では、冷却空気は、供給空洞７３内を概略径方向内向きに流れており、インピンジメント空洞７２および７０を通りさらに孔８０を通って流れる空気は、正味の流路がより短いので、根本４４近くより端部４８近くで低温になり得る。このより低温の空気は、熱移動に効果があるので、端部４８近くの孔８０を通るのに必要な直線的な寸法毎の空気の体積は、基部４４近くより小さくなる。従って、空洞７０を通って流れる冷却空気を効率的に利用するためには、孔の間隔が、後縁に沿って外側方向に一般に増加するのが有利となり得る。製造上の考慮および末端の考慮を無視するならば、間隔の変化は、適切な冷却分配に従って各孔からすぐ隣の孔へと間隔がわずかに変化するように連続的なのが妥当であろう。

例えば、空洞７０の末端部が、後縁の外側端部まで延びていない場合は、外側縁部近くの孔をわずかに扇形に広げるかそうでなければ冷却を強めるのが望ましくなり得るであろう。後縁の内側端部にも、穿孔装置との干渉によって、製造上の問題が生じ得る。後縁に垂直な孔を穿孔するのが望ましい場合は、内側プラットホームは、後縁に沿う孔のうち最も内側の孔を穿孔するのに障害となり得るので、与えられた穿孔装置では、垂直な孔に対する制限によって、最も内側の孔が、より外側に配置され得るであろう。従って、この孔では、このような考慮によって、角度θ₁を９０°より減少させることができ、それによって、十分に内側の孔を可能とする。さらに、後縁の内側端部または外側端部における後縁空洞への接近によって、角度θ₁は変更され得るが、この角度θ₁は、変更されなければ望ましくなり得る角度から変更され得るものである。また、複数のビット１５２（１０個のビットを示す）を有する単一の穿孔装置１５０（図４）で複数の孔を同時にガングドリル穿孔するのが望ましいものとなり得る。そのような装置の使用によって、間隔の選択の自由および孔の配置の自由は制限され得る。そのような装置の１つでは、複数のガングドリル穿孔された孔は、互いに平行になる必要があり得るので、各孔に対して角度θ₁を個別に選択するのが妨げられる。しかしながら、代替として、間隔は、別の装置に特有の間隔とは異なる１つの装置に特有の間隔（例えば、平均値または中央値）を有する与えられた装置によって変わり得る。そのような装置では、間隔の連続的な変更が達成できる。

このことを念頭におくと、ガングドリル穿孔の一例では、単一の穿孔装置が、与えられた数Ｎ個（例えば、５〜１５個）の孔を同時に穿孔するのに使用される。この装置は、そのようなＮ個の孔の所定数Ｍ組（例えば、５組または６組以上）を穿孔するのに使用でき、例示的な孔の全数は、４０個から２００個になる。各組の軸は、その他の組の軸とは平行でないようにすることができ、それによって、複数組の孔が（再び、末端の考慮による逸脱を受け入れると）、後縁に垂直に相対的に近いものとなり得る。別の例では、異なる軸間隔を有する異なる穿孔装置１５０が、異なる組の孔を穿孔するのに使用できる。

一例として、後縁の径方向スパンは、適用に応じて約１．０〜１５インチ（約２５．４〜３８１ｍｍ）とすることができる。孔の直径は、約０．０１インチ（約０．２５４ｍｍ）から０．１５インチ（３．８１ｍｍ）、より狭くは、約０．０１５〜０．０２５インチ（約０．３８１〜０．６３５ｍｍ）とすることができる。孔の長さは、孔の直径の５〜２５倍とすることができる。例示的なベーンの実施態様では、ベーンは、リングが組み立てられたときに、後縁における根本が、エンジン中心線に対して約１０インチ（約２５４ｍｍ）の半径位置にあるような寸法とされる。後縁の外側端部は、約１２．５インチ（約３１７．５ｍｍ）の半径位置にある。例示的な実施態様では、間隔は、内側プラットホーム近くの孔の直径のほぼ２．１倍から始まり、後縁の長さの中間位置までは概略同じままであり、その後、外側プラットホームに向かって直径のほぼ２．７倍に増加する。従って、より小さな間隔を有する１つの穿孔装置が、いくつかの群の孔を穿孔でき、次に、より大きな間隔を有する第２の装置が、残り（例示的な実施態様では、少しばかり孔の数が少ない）を穿孔できる。例示的な実施態様では、孔の長さは、内側プラットホーム近くの孔の直径のほぼ１４．５倍から外側プラットホーム近くの孔の直径のほぼ１３．７５倍まで変化する。例示的な実施態様では、後縁の最も内側の１０％辺りで、内側プラットホーム近くの孔は、プラットホーム近くで弱い冷却が必要なので、２．１倍より大きな間隔になる。従って、理解できるように、漸進的間隔は、後縁の実質的な部分（例えば、４０〜９０％、または、より狭くは、５０〜８０％）に亘るだけになり得る。

図５は、プラットホーム２０２と、このプラットホームにある近位根本２０６から遠位端部先端２０８に延びるエーロフォイル２０４とを有するタービンブレード２００を示す。エーロフォイルは、ベーンエーロフォイルとの実質的な類似性を有することができる。与えられたタービンでは、多数のそのようなブレードが、それらのプラットホームと並列になってリングを形成するように配置できる。そのようなブレードリングには、ベーンリングを所々に置くことができ、これら両方の内側プラットホームが、タービンを通る流路の概略連続した内側の壁を形成する。例示的なブレードエーロフォイルは、圧力面２１４と吸気面２１６を分離する前縁２１０と後縁２１２を有する。ブレードエーロフォイルは、ベーンエーロフォイルの後縁孔と同様の後縁孔２２０の配列を有することができる。

本発明の１つまたは複数の実施態様を記載した。それにもかかわらず、理解されるように、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、さまざまな変形を行い得る。例えば、タービンの所望の流れ特性は、利用可能な製造技術を考慮して孔の配置に影響を及ぼすことができる。これは、既存のタービンの後付けまたは再設計において特にあてはまる。従って、他の実施態様は、添付の請求項の範囲内にある。

タービンベーンの概略図である。 図１の２−２線に沿って取ったベーンの部分断面図である。 図２の３−３線に沿って取ったベーンの部分断面図である。 ベーン／ブレード製造装置の概略図である。 タービンブレードのＸ線図である。

符号の説明

４０…タービンベーン
４２…エーロフォイル
４４…近位根本
４６…内側プラットホーム
４８…遠位端部
５０…外側プラットホーム
６０…前縁
６２…後縁
６４…圧力面
６６…吸気面
７０…後縁キャビティ
８０…後縁孔
１５０…穿孔装置
１５２…ビット
２００…タービンブレード
５００…軸
５０２…孔の長さ
５０４…孔の直径
５１０…孔のピッチ

Claims (11)

1. 第１の端部および第２の端部と、
   前縁および後縁と、
   少なくとも１つの後縁空洞と、後縁から後縁空洞に延びる複数の後縁孔と、を含む内部冷却通路網と、
   を有するエーロフォイルを備えるタービン部材であって、
   前記後縁孔は、後縁の部分に沿って第１の端部から第２の端部に向かって漸進的に変化する間隔で配列され、
   前記後縁孔の複数の群があり、各群内の孔は、互いに平行な中心線を有し、少なくとも２つの群の孔の中心線が、互いに平行でないことを特徴とするタービン部材。
2. 前記間隔は、実質的に連続的に増加することを特徴とする請求項１記載の部材。
3. 前記間隔は、後縁孔の複数の群に亘って実質的に段階的に増加することを特徴とする請求項１記載の部材。
4. 前記部材は、ブレードであり、第２の端部は、自由先端であり、第１の端部は、根本端部であることを特徴とする請求項１記載の部材。
5. 前記部材は、ベーンであり、第１の端部と第２の端部はそれぞれ、エーロフォイルと一体に形成された内側プラットホームと外側プラットホームに結合することを特徴とする請求項１記載の部材。
6. 前記後縁孔は、０．０１５から０．０２５インチの直径を有することを特徴とする請求項１記載の部材。
7. 前記後縁空洞は、インピンジメント空洞であることを特徴とする請求項１記載の部材。
8. 前記後縁の部分は、後縁の長さの少なくとも５０％であり、前記間隔は、第１の方向に連続的に漸進的に減少することを特徴とする請求項１記載の部材。
9. 前記通路網は、後縁に平行な第１の方向に温度が上昇するように後縁空洞内の冷却気体を向けるように適合され、
   前記間隔は、第１の方向に実質的に漸進的に減少する、ことを特徴とする請求項１記載の部材。
10. プラットホームとエーロフォイルとを有するタービン部材の製造方法であって、エーロフォイルは、
    プラットホームにある近位根本から遠位端部に長さに沿って延び、
    圧力面と吸気面を分離する前縁と後縁を有し、
    少なくとも１つの後縁インピンジメント空洞と、後縁から後縁インピンジメント空洞に延びる複数の後縁孔と、を含む冷却網を有し、前記方法は、
    タービン部材前駆体を鋳造し、
    第１の群の複数の後縁孔を同時に加工し、
    第１の群に特有の間隔とは異なる特有の間隔を有するとともに、第１の複数の後縁孔より外側にある、第２の群の複数の後縁孔を同時に加工する、
    ことを含み、
    前記第１の群の後縁孔の中心線は、第２の群の後縁孔の中心線と平行でないことを特徴とする方法。
11. 前記第１の群の加工は、第１の装置を用いて行われ、第２の群の加工は、第２の装置を用いて行われ、前記方法は、第１の装置を用いて、第３の群の後縁孔を同時に加工することをさらに含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。

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