JP4250270B2

JP4250270B2 - フィルム冷却孔及びその製作法

Info

Publication number: JP4250270B2
Application number: JP25309499A
Authority: JP
Inventors: ホールケネス; ヴァイガントベルンハルト; ヴィルフェルトギュンター
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1998-09-10
Filing date: 1999-09-07
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2019-09-07
Also published as: EP0985802A1; DE59810031D1; CA2282010C; EP0985802B1; CA2282010A1; JP2000087701A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フィルム冷却孔、特に被覆された冷却される壁内のフィルム冷却孔及びこのようなフィルム冷却孔を製作する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現今のガスタービン設備においては、出力及び効率を高めるために、常により高いタービン入口温度が使用される。高められた高熱ガス温度からタービン羽根を保護するために、タービン羽根は従来よりも強力に冷却しなければならない。相応して高い入口温度では、純粋な対流性の冷却はもはや充分ではない。したがってしばしばフィルム冷却の方法が使用される。この場合、タービン羽根は冷却フィルムによって高熱ガスから保護される。このためにタービン羽根内には切り欠き部、例えば孔が形成され、これらの切り欠き部を通して冷却空気が吹き出される。
【０００３】
可及的に大きな冷却効果を達成するために、吹き出される冷却空気は最初に可及的に迅速に変向せしめられ、成形材表面に沿って保護作用をもって流動する。更に、冷却空気の側方への迅速な拡がりによって、孔の間に位置する領域も保護される。このことは、冷却空気孔がデフューザを有していて、このデフューザが側方への拡開に基づいて表面の幅広いカバーを可能にすることによって、達成することができる。混合状態を更に改善するために、孔を単に側方だけではなしに、付加的に孔の下流側でも拡開するような幾何形状のデフューザが使用される。このような幾何形状のデフューザの吹き出し率は小さく、したがって冷却空気が流動境界層を貫通する危険はわずかである。したがって冷却効率を円筒形の孔に比べて著しく増大させることができる。例えば文献 EP-B-228 338 には冷却剤通路を有する冷却される壁が記載されており、この冷却剤通路は調量区分とデフューザ区分とを有している。デフューザ区分は上流側方向若しくは下流側方向にそれぞれ１つの平らな表面を有している。２つの側方表面が冷却剤出口に向かって互いに拡散している。
【０００４】
他面においてタービン羽根表面はしばしば導熱性の悪いセラミックの保護層で被われる。これによって冷却空気を節減すること及び高熱ガス流内で使用することができ、このことはガスタービン出力の増大をもたらす。許容し得る材料温度を越えることは、タービン羽根が内側で強力に対流冷却される場合にだけ、阻止することができる。この場合冷却空気孔を形成するために放電加工法を使用すると、冷却空気孔はセラミックの保護層を取り付ける前に形成しなければならない。なぜならこの保護層は電気的に絶縁するからである。続いて行われる被覆は一般に冷却空気孔の一部分をふさぎ、これによって孔の冷却性質が影響を受ける。その場合、別の方法段階で封鎖する材料を取り除くことが必要になる。例えば文献 US-A-5,216,808 はガスタービン構成部材を製作又は修理する方法を記載している。この場合、構成部材に保護層を取り付けてから UV レーザ光線がフィルム冷却孔の位置に向けられ、封鎖している層材料が非熱的に取り除かれる。
【０００５】
孔がレーザパーカッション法で形成される場合には、保護層を取り付けた後でも孔を形成することができる。しかしながらこの場合、しばしば保護層に亀裂が生じ、この亀裂は熱的に負荷されると、保護層のはげ落ちを生ぜしめることがある。横断面の減少を最小化することは、レーザパーカッション作孔法及びセラミックの被覆層をもってする製作プロセスによって達成された（DE-C-195 36 312）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の課題は、前述の欠点を回避すること、特に、大きな冷却効果のある冷却孔を備えている冷却される被覆された壁を提供することである。更にこのような冷却孔を形成する方法を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題は、独立請求項である請求項１のフィルム冷却孔を形成する方法及び独立請求項である請求項５の冷却される壁によって解決される。
【０００８】
すなわち、本発明によれば、工作物の被覆すべき壁にフィルム冷却孔を形成する方法であって、フィルム冷却孔は流動順序でコンスタントな横断面を有する供給区分と、壁の外面における出口に向かって拡大しているデフューザ区分とを有している形式のものにおいて、
ア供給区分及びデフューザ区分の形状及び大きさを、冷却空気の所望の吹き出
し率が達成されるように、選択し、
イ被覆の所望の厚さ及び被覆が行われる方向を選択し、
ウデフューザ区分の仕切り面が少なくとも部分範囲において、被覆の所望の厚さ，被覆を行う方向及び仕切り面の傾斜角度に相応して、被覆を行う方向に沿って、イの方法段階で選択されたパラメータで被覆が行われた後にアの方法段階で選択されたオリジナル輪郭が生ずるような距離だけ、引っ込められるよう
に、工作物の壁にフィルム冷却孔を形成する、
ようにした。
【０００９】
本発明による冷却される壁は、外面と、外面上の、それに沿って高熱ガス流が下流側の方向に流れるところの被覆層と、内面と、少なくとも１つのフィルム冷却孔を内部に有しており、少なくとも１つのフィルム冷却孔は供給区分と、デフューザ区分と、外面における出口とを有しており、フィルム冷却孔の軸線が、それが下流側に向いた方向に沿った速度成分を有しているように、方向を定められており、デフューザ区分が第１の内面と、それから間隔をおいた第２の内面とを有しており、これらの内面は壁の外面と交差しており、第１の内面と壁の外面との交差縁が出口の上流側の縁を形成しており、第２の内面と壁の外面との交差縁が出口の下流側の縁を形成しており、デフューザ区分は側面を有しており、これらの側面は第１の内面と第２の内面とを結合していて、デフューザ区分の出口に向かって互いに拡散している。
【００１０】
本発明の基本的な思想は、被覆された冷却される壁においてデフューザフィルム冷却孔を使用し、孔の冷却効果を増大させるために、デフューザの仕切り面を孔の形成の際に引っ込めて、この引っ込め箇所に被覆材料を埋めた後に、最初に望まれた冷却孔輪郭が再び生ぜしめられるようにすることである。
【００１１】
【発明の効果】
デフューザ冷却孔を使用することによって、対流性の冷却に使用される冷却空気を、対流性の冷却の後に、冷却フィルムを形成することによって、材料温度を減少させることに大きく寄与させることができる。被覆材料の小部分のために付加的なスペースを設けることによって、フィルム冷却孔は被覆後においても、本来の作用を行う。これによって、孔の部分的な封鎖による冷却空気流の減少及びフィルム冷却効果の減少が阻止される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の有利な実施の形態は請求項２〜４及び６〜８に記載したとおりである。
【００１３】
有利には、フィルム冷却孔の供給区分は放電加工で、あるいはレーザパーカッション作孔法で形成され、フィルム冷却孔のデフューザ区分は放電加工で形成される。仕切り面の必要な引っ込め量は、有利には、所望の被覆層厚さ，被覆層の方向及び仕切り面の傾斜角度から、被覆材料の凝固条件を考慮して、計算される。被覆は例えば壁の外面に対して垂直な方向から、あるいはまたデフューザ区分の仕切り面に対して垂直な方向から行うことができる。被覆を行う方向に応じて、デフューザ区分の仕切り面における被覆層厚さに対する壁外面における被覆層厚さの比を変化させることができ、したがって被覆を行う方向及び仕切り面の傾斜角度は必要な引っ込め量を定める際に考慮しなければならない。
【００１４】
有利には壁は引き続いて導熱性の悪いセラミック、例えばいわゆるサーマルバリアコーティング（ＴＢＣ）で被覆される。被覆自体は有利にはプラズマスプレーによって行われる。
【００１５】
有利には前述のフィルム冷却孔においては、デフューザ区分の第２の内面は被覆層によって被われている部分において、被覆の厚さ，被覆を行う方向，第２の内面の傾斜角度に相応する距離だけ引っ込められており、第２の内面の引っ込め量が、被覆層によって被われている部分への移行範囲内で連続的に減少している。移行は有利には連続的に行われるが、例えば１つの段によって実現することもできる。
【００１６】
デフューザ区分の側面が被覆層によって被われている部分において、被覆層の厚さ，被覆を行う方向及び側面の傾斜角度に相応する距離だけ、引っ込められており、側面の引っ込め量が、被覆層によって被われている部分への移行範囲内で連続的に減少しているようにすることも、有利である。本発明の範囲内で、デフューザ区分の第２の内面も、また側面も、既に述べたように、引っ込められていると、特に有利である。
【００１７】
本発明の１実施態様では、冷却される壁は中空成形体、特にガスタービン羽根の外壁を形成している。
【００１８】
【実施例】
以下においては、図面に示した実施例に基づいて本発明の構成を具体的に説明する。
【００１９】
図面においては本発明を理解するのに重要なエレメントだけが示されている。例えば完全な中空成形体及び冷却孔の全体の配置は示されていない。高熱ガス流の流動方向は矢印で示されている。
【００２０】
図１及び２はフィルム冷却孔２０が下流側に向かって拡開されている公知の幾何形状のデフューザを示す。この場合図１はフィルム冷却孔２０を有するガスタービン羽根の中空成形体の壁１０の横断面を示す。フィルム冷却孔２０は壁１０の内面１４から外面１２に延びている。外面１２に沿って高熱ガスが矢印で示した方向に流れる。内面１４は圧力下の冷却空気を含有している冷却媒体室の仕切り面である。冷却媒体室の側でフィルム冷却孔は円筒形の供給区分２２を有しており、この供給区分の入口の横断面は貫流する冷却空気量を決定する。
【００２１】
供給区分２２から冷却空気はデフューザ区分２４内に流れる。デフューザ区分２４は互いに間隔を置いた２つの内面４０，４２を有している。これらの内面は角度βで互いに拡開している。軸線２６は壁１０の外面１２に対して角度γ_１をなしている。デフューザ区分の内面４０，４２は壁１０の外面１２に対して角度γ_１若しくはγ_２＝γ_１−βをなしている。この場合、典型的にはβは３０°よりも小さく、例えば５°と１０°との間であり、γ_１は５°と５０°との間、有利には２５°と３５°との間である。
【００２２】
内面４０，４２と壁の外面との交差縁は符号５０及び５２で示されている（図２）。図２に示すように、デフューザ区分は更に側面４４及び４６を有しており、これらの側面は内面４０，４２を結合している。両方の側面４４，４６はデフューザ区分の出口３６に向かって軸線２６に関して拡散している。これによって冷却空気の側方への拡がりが達成され、これによって壁１０の外面１２上で個々のフィルム冷却孔２０の間においても保護作用を有する冷却フィルムが形成される。
【００２３】
デフューザによって冷却空気流は迅速に高熱ガスの流動方向に変向せしめられ、したがって吹き出された冷却空気は保護フィルムとして成形体表面に接触する。この場合吹き出し率は小さく、したがって、冷却空気が流動境界層を貫通する危険はわずかである。
【００２４】
図３は本発明によるフィルム冷却孔の１実施例を示す。続いて行われる被覆は方向６０で行われ、壁の外面１２上に厚さｄのセラミックの保護層が形成される。本発明によれば、被覆が行われると、デフューザ区分２４が面４０と４２ａとによって仕切られる輪郭になるようにする。厚さｄ，被覆が行われる方向６０及び形成される内面４２ａの傾斜角度γ_２によって、被覆材料の公知の凝固条件を考慮して、必要な引っ込めの大きさ（引っ込め量）が計算される。これによって第２の内面の引っ込められた輪郭４２が生ぜしめられる。内面若しくは面４０と壁１０の外面１２との間の縁１８の下方の移行範囲４８において、デフューザ区分の引っ込められた輪郭は連続的に、引っ込められていない輪郭４２ａに移行している。移行範囲４８の正確な位置は被覆方向６０に関連している。
【００２５】
フィルム冷却孔２０の形成は図示の実施例では、円筒状の供給区分についてはレーザパーカッション法で行われ、デフューザ区分については放電加工法で行われる。しかしながら本発明によれば両方の区分を放電加工で形成することもできる。
【００２６】
プラズマスプレー法で被覆が行われた後に、図４に示した被覆された冷却される壁が生じる。この壁１０の外面１２は厚さｄの被覆層１６で被われている。デフューザ区分の内面４２の引っ込められた部分は所望のオリジナル輪郭４２ａまで被覆材料で埋められており、これによって、従来の被覆されていない壁のフィルム冷却孔における冷却効果と実際上同一の冷却効果が生ぜしめられる。しかしながら、被覆は冷却空気を節減しかつ高熱ガス流内で使用することを可能にし、これによってガスタービン出力が増大せしめられる。
【００２７】
ここで示した実施例においては、単に内面４２だけの引っ込めについて記載した。しかし側面４４，４６の引っ込めも同じように行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】公知技術のフィルム冷却孔を有する冷却される壁の横断面図である。
【図２】図１の方向 II−II で冷却される壁を見た図である。
【図３】本発明によるフィルム冷却孔を有する冷却される壁の被覆前の横断面図である。
【図４】本発明によるフィルム冷却孔を有する冷却される壁の被覆後の横断面図である。
【符号の説明】
１０壁、１２外面、１４内面、１６保護層、１８縁、２０フィルム冷却孔、２２供給区分、２４デフューザ区分、２６軸線、３６出口、４０，４２，４２ａ内面、面、輪郭、４４，４６側面、４８移行範囲、５０，５２交差縁、６０方向、ｄ厚さ、 β，γ_１，γ_２角度

Claims

工作物の被覆すべき壁にフィルム冷却孔を形成する方法であって、フィルム冷却孔は流動順序でコンスタントな横断面を有する供給区分と、壁の外面における出口に向かって拡大しているデフューザ区分とを有している形式のものにおいて、
ア供給区分及びデフューザ区分の形状及び大きさを、冷却空気の所望の吹き出
し率が達成されるように、選択し、
イ被覆の所望の厚さ及び被覆が行われる方向を選択し、
ウデフューザ区分の仕切り面が少なくとも部分範囲において、被覆の所望の厚さ，被覆を行う方向及び仕切り面の傾斜角度に相応して、被覆を行う方向に沿って、イの方法段階で選択されたパラメータで被覆が行われた後にアの方法段階で選択されたオリジナル輪郭が生ずるような距離だけ、引っ込められるよう
に、工作物の壁にフィルム冷却孔を形成する、
フィルム冷却孔を形成する方法。
方法段階ウにおいてフィルム冷却孔の供給区分を放電加工又はレーザパーカッション作孔法で形成し、フィルム冷却孔のデフューザ区分を放電加工で形成する、請求項１記載の方法。
方法段階ウにおいて必要な引っ込め量を、所望の被覆の厚さ，被覆を行う方向及び仕切り面の傾斜角度から、被覆材料の凝固条件を考慮して、計算する、請求項１又は２記載の方法。
壁を、方法段階エにおいて導熱性の悪いセラミックの保護層で被覆する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
外面（１２）と、外面（１２）上の、それに沿って高熱ガス流が下流側の方向に流れるところの被覆層（１６）と、内面（１４）と、少なくとも１つのフィルム冷却孔（２０）を内部に有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法によって得られる冷却される壁（１０）であって、少なくとも１つのフィルム冷却孔（２０）は供給区分（２２）と、デフューザ区分（２４）と、外面（１２）における出口（３６）とを有しており、フィルム冷却孔（２０）の軸線（２６）が、それが下流側に向いた方向に沿った速度成分を有しているように、方向を定められており、デフューザ区分（２４）が第１の内面（４０）と、それから間隔をおいた第２の内面（４２）とを有しており、これらの内面（４０，４２）は壁の外面と交差しており、第１の内面（４０）と壁の外面（１２）との交差縁が出口（３６）の上流側の縁（５０）を形成しており、第２の内面（４２）と壁の外面（１２）との交差縁が出口の下流側の縁（５２）を形成しており、デフューザ区分（２４）は側面（４４，４６）を有しており、これらの側面は第１の内面（４０）と第２の内面（４２）とを結合していて、デフューザ区分の出口（３６）に向かって互いに拡散している、冷却される壁。
被覆層（１６）が導熱性の悪いセラミックの保護層である、請求項５記載の冷却される壁。
デフューザ区分（２４）の第２の内面（４２）が被覆層（１６）によって被われている部分において、被覆層（１６）の厚さ，被覆を行う方向及び第２の内面（４２）の傾斜角度に相応する距離だけ、引っ込められており、第２の内面（４２）の引っ込め量が、被覆層（１６）によって被われている部分への移行範囲（４８）内で連続的に減少している、請求項５又は６記載の冷却される壁。
デフューザ区分（２４）の側面（４４，４６）が被覆層（１６）によって被われている部分において、被覆層（１６）の厚さ，被覆を行う方向及び側面（４４，４６）の傾斜角度に相応する距離だけ、引っ込められており、側面（４４，４６）の引っ込め量が、被覆層（１６）によって被われている部分への移行範囲（４８）内で連続的に減少している、請求項５から７までのいずれか１項記載の冷却される壁。