JP4521720B2 - メッシュ及びインピンジメント冷却を備えた高温ガス流路部品 - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはタービン組立体の高温ガス流路部品に関し、より具体的には、高温ガス流路部品を冷却する相乗作用的方法に関する。

例示的なガスタービンエンジンは、航空機又は定置式発電用途に用いられており、両用途において、エンジン効率が重要な設計基準である。ガスタービンエンジンの効率は、燃焼ガス流の温度が高くなるにつれて向上する。しかしながら、ガス流温度の制約要因は、タービンステータ及びロータの翼形部のような様々な高温ガス流路部品の耐高温性能である。ステータ翼形部はベーン又はノズルとしても知られており、ロータ翼形部はブレード又はバケットとしても知られている。

エンジンの上限運転温度を高くするために、高温ガス流路部品の冷却に対する様々な方法がこれまで提案されまた実施されてきた。これら方法の幾つかは、特許文献１に見られる。これらの冷却方法は、一般的に冷却媒体として利用するために圧縮機から加圧空気を抽気することを必要とする。しかしながら、高温ガス流路部品を冷却するために加圧空気をエンジンの燃焼ゾーンの周りで迂回させることにより、エンジンの全体効率が低下する。従って、エンジン全体効率を向上させるためには、高温ガス流路部品の冷却効果を高めることが望ましい。

１つの有利な冷却法は、例えば、特許文献１に、また特許文献２に記載されているようなメッシュ冷却である。
米国特許第５６９０４７２号 米国特許第５３７０４９９号

しかしながら、高温ガス流路部品の冷却をさらに改善する必要性が残っている。この必要性は、翼形部の後縁のような薄い翼形部壁及び／又はアクセス可能性制限領域を冷却する場合に特に強い。従って、高温ガス部品に対する冷却効果を高めることが望ましいといえる。

簡単に言えば、本発明の１つの実施形態にとると、部品を記載する。本部品は、内側部分及び外側部分を有する少なくとも１つの壁を含む。多数のピンが、壁の内側及び外側部分間で延びる。ピンは、多数の流れチャネルを有するメッシュ冷却構成を形成する。多数のディンプルが、壁の内側部分に設置される。

別の実施形態によると、部品内に多数の冷却孔を形成する方法を記載する。部品は、内側部分及び外側部分を備えた少なくとも１つの壁を有する。壁の内側部分には、多数のディンプルが形成される。本方法は、ディンプルの１つに穿孔工具を心合わせする段階と、穿孔工具を用いて、ディンプルにおいて壁の内側部分を貫通する少なくとも１つのインピンジメント冷却孔を穿孔する段階と、心合わせする段階及び穿孔する段階を多数のディンプルに対して反復して、壁の内側部分に多数のインピンジメント冷却孔を穿孔する段階とを含む。

別の実施形態によると、部品内に多数の冷却孔を形成する方法は、ディンプルのそれぞれの１つに多数の穿孔工具を心合わせする段階と、穿孔工具を用いて、ディンプルにおいて壁の内側部分を貫通する多数のインピンジメント冷却孔を穿孔する段階とを含む。

図面全体を通して同じ参照符号が同じ部品を表している添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、本発明のこれら及びその他の特徴、態様及び利点が一層良く理解されるであろう。

図１〜図４を参照して本発明の部品１０の実施形態を説明する。例示的な部品には、ブレード、ベーン、端壁及びシュラウドのような高温ガス流路部品が含まれる。本発明は、ステータ及びロータ組立体の他の部分だけでなくアフタバーナのような他の高温セクションにも同様に適用可能である。さらに、本発明は、航空機用エンジン及び地上設置出力タービンのような様々な大きさ及び用途のガスタービンに適用される。従来型の高温ガス部品はよく知られており、例えばメッシュ冷却式高温ガス流路部品がそうである。図示する部品１０は純粋に例示であり、また本発明は、いかなる特定の部品の種類にも限定されるものではない。図１及び図２に例として示すように、部品１０は、内側部分１４及び外側部分１６を備えた少なくとも１つの壁１２を有する。図１及び図２の例示的な実施形態の場合には、壁１２は翼形部壁１２である。図３及び図４に例として示すように、部品１０はさらに、壁１２の内側及び外側部分１４、１６間で延びる多数のピン１８を含む。ピンは、図３に例として示すように、多数の流れチャネル２２を含むメッシュ冷却構成２０を形成する。例示的なピン形状は、製作方法に応じて丸くなっているか又は角張っている。例示的なピン形状は、円柱状かつ丸みのあるひし形を含む。形状は、例えばディンプル又はタービュレータのような他の冷却強化構造との相互作用を強めるなど、部分的により指向性のある冷却流れを得るように選択することができる。インベストメント鋳造法では、丸みのあるピンが製造されるが、より鋭いコーナ部は成形加工法によって得られる。図３及び図４に例として示すように、壁１２の内側部分１４には、多数のディンプル２４が形成される。

典型的な航空機用エンジン用途の場合には、例示的なディンプル２４は、約０．０１０〜約０．０３０インチの中心深さ及び約０．０１０〜約０．１２インチの表面直径を有する。典型的な出力タービン用途の場合には、例示的なディンプルは、約０．０１０〜約０．０６０インチの中心深さ及び約０．０１０〜約０．２５０インチの表面直径を有する。ディンプル２４は、多数の形状で形成することができる。図３及び図４の例示的な実施形態の場合には、ディンプル２４は、凹状であり、より具体的には、半球形又は半球形の一部分である。別の例示的なディンプル形状は、完全な円錐形又は逆切頭円錐台形の両方を含む円錐形状である。ディンプル２４によって冷却流れ内に流体渦流が発生し、この流体渦流が部品壁１２付近に（表面１４及び１６、さらにピン１８の表面付近又はそれら表面上に）混合を引き起こし、それによって壁１２及びピン表面における熱伝達を高める利点がある。さらに、ディンプル２４はまた、表面積を増大させてピン１８によって覆われた面積を補う働きもする。

図３の例示的な構成の場合には、流れチャネル２２は、互いにほぼ平行な第１の組の流れチャネル２６と、互いにほぼ平行に延びる第２の組の流れチャネル２８とを含む。図示するように、第１及び第２の組の流れチャネル２６、２８は、多数の交差位置３０において互いに交差してメッシュ冷却構成２０を形成する。図３の特定の構成の場合には、ディンプル２４は、交差位置３０に配置される。ディンプル２４をメッシュ冷却構成２０内で交差位置３０に配置することは、冷却流れ及び熱伝達の両方を増強する利点がある。ディンプル２４は、冷却流れを拡張するための表面リリーフ部を形成する。さらに、ディンプルにより付加的な渦流運動が生じて、さらに熱伝達を高める。渦流運動は、主として典型的な４５度（４５°）の角度で流出するので、渦流運動はメッシュの中実部分の尖端に衝突することはなく、それによって損失を低く保つ。明確には示していないが、より小さい寸法のディンプル２４の場合には、ディンプル２４の配列又は列或いは他の構成を交差位置３０に配置することができる。

図５の例示的な実施形態の場合には、ディンプル２４は、ピン１８のそれぞれの対間に配置される。換言すれば、ディンプル２４は、交差位置３０の代わりにメッシュ冷却構成２０の「チャネル部分」内に設置される。図５に例として示すように、ディンプル２４をチャネル部分に配置することは、相互作用後の流れを増強し、それによって渦流運動の形成を均一にし、メッシュ全体にわたって熱伝達を高める利点がある。

図６〜図８を参照して、インピンジメント冷却の実施形態を説明する。図６に示すように、ディンプル２４は、壁１２の内側部分１４に設置され、ディンプル２４の少なくとも１つは、壁１２の内側部分１４を貫通して、インピンジメント冷却孔３３を形成する。図６の例示的な実施形態の場合には、図示するディンプル２４の各々は、壁１２の内側部分１４を貫通して、それぞれのインピンジメント冷却孔３３を形成する。しかしながら、他の実施形態の場合には、ディンプル２４の少なくとも１つは、壁１２の内側部分１４を貫通していない。壁１２の内側部分１４を貫通してインピンジメント冷却孔３３を形成することによって、インピンジメント噴流３７（矢印で示す）が形成される利点がある。矢印で示すように、インピンジメント噴流３７は、「低温壁」（内部側）である内側部分１４から「高温壁」（即ち、ガス側面）である外側部分１６の方向に向いている。このインピンジメント冷却は、高い対流熱伝達率を生じて、外側部分１６の冷却を強化する。強力なインピンジメントの例を、図７に示す。矢印で示すように、強力なインピンジメントが貫入して、外側部分１６（「高温壁」）表面に高い熱伝達を与える。さらに、ディンプル２４と対応する噴流３７との間の相互作用により、図８に示すように、全体混合及び渦流が一層強化されることになる。

図９を参照して、インピンジメント及び吹出し冷却の実施形態を説明する。図示するように、壁１２の外側部分１６には、多数の冷却孔３５が形成される。図９の例示的な実施形態の場合には、冷却孔３５の各々は、ディンプル２４のそれぞれの１つと整列している。他の実施形態の場合には、冷却孔３５及びディンプル２４は整列していない。航空機用エンジン用途の場合の例示的な冷却孔３５は、約０．００４〜約０．０３５インチの範囲内の直径を有する。定置式発電用途の場合には、例示的な冷却孔は、約０．００４〜０．０６０インチの範囲内の直径を有する。出力タービンは、この場合の全範囲を用いることができる。冷却孔３５により、高温壁１６が吹出し冷却される利点がある。図９に例示的に示すように、インピンジメント噴流３７は、冷却孔３５に低温壁１４からのより低温の流れを供給する。

図１０を参照して、別のインピンジメント及び吹出し冷却の実施形態を説明する。図示するように、ディンプル２４は、壁１２の内側及び外側部分１４、１６の両方に設置される。ディンプル２４の少なくとも１つが、壁１２の内側部分１４を貫通してインピンジメント冷却孔３３を形成する。図１０の例示的な実施形態の場合には、図示するディンプル２４の各々は、壁１２の内側部分１４を貫通して、それぞれのインピンジメント冷却孔３３を形成する。上述のように、壁１２の内側部分１４を貫通してインピンジメント冷却孔３３を形成することによって、インピンジメント噴流３７（矢印で示す）が形成される。図１０の例示的な実施形態の場合には、少なくとも１つの皮膜３４が、壁１２の外側部分１６上に配置される。例示的な皮膜３４は、断熱皮膜である。壁１２の外側部分１６の表面に対して冷却流れを供給するために、ディンプル２４の少なくとも１つが、壁１２の外側部分１６を貫通して吹出し冷却孔３２を形成し、皮膜３４が、吹出し冷却孔３２を少なくとも部分的に覆っている。

特定の実施形態の場合には、ディンプル２４の各々は、壁１２の外側部分１６を貫通してそれぞれの吹出し冷却孔３２を形成し、図示する吹出し冷却孔３２の各々は、皮膜層３４により覆われている。壁１２の外側部分１６を貫通することによって、ディンプル２４は、部品壁１２に対してフィルム冷却を与える利点がある。より具体的には、壁の外側部分１６を貫通して吹出し冷却孔３２を形成するディンプル２４は、吹出し冷却を行うのに対して、壁の外側部分を貫通していないディンプル２４はいずれも、換気冷却を行って部品壁１２を冷却するのを助ける。壁の換気冷却は、フィルム又は吹出し冷却を放出せずに冷却媒体が付加的領域内を循環して冷却を与えることができるような、貫通孔を備えていない表面の冷却を強化するものである。

冷却の所望のレベル及び仕様部品特性に応じて、ディンプル２４は、ディンプル２４の一部又は全てが部品壁１２のそれぞれの内側及び外側部分１４、１６を貫通するように或いは何れのディンプル２４も全く貫通しないように、様々な深さ及び／又は直径で形成することができる。ディンプル２４が壁１２の内側部分１４を貫通している場合には、それらディンプルは、インピンジメント冷却孔３３を形成して、図１０に矢印３７で示すように、部品壁１２に対してインピンジメント冷却を行う。ディンプル２４が壁１２の外側部分１６を貫通している場合には、それらディンプルは、吹出し冷却孔３２を形成して、図１０に矢印で示すように、部品壁１２に対して吹出し冷却を行う。ディンプル２４が壁１２の外側部分１６を貫通していない場合には、それらディンプルは、換気を行って部品壁１２を冷却するのを助ける。

図１１及び図１２を参照して、部品１０内に冷却孔３３を形成する本発明の方法の実施形態を説明する。部品１０は、内側部分１４及び外側部分１６を備えた少なくとも１つの壁１２を有し、壁の内側部分１４には多数のディンプル２４が形成される。例示的な部品１０は、タービンブレード１０のような高温ガス流路部品１０を含む。本方法は、ディンプル２４の１つに穿孔工具１００を心合わせする段階と、穿孔工具１００を用いて、ディンプル２４において壁１６の内側部分１４を貫通する少なくとも１つのインピンジメント冷却孔３３を穿孔する段階と、心合わせする段階及び穿孔する段階を多数のディンプル２４に対して反復して、壁１２の内側部分１４に多数のインピンジメント冷却孔３３を穿孔する段階とを含む。本方法は、孔が完全には心合わせされていない場合又は孔が図示する垂直方向に対して幾らか浅い角度になっている場合にも同様に適用可能である。しかしながら、心合わせすることは、同時に内側及び外側孔を穿孔する場合には利点をもたらす。

より具体的には、心合わせ作業は、それぞれのディンプル２４の中心１０１近傍に穿孔工具１００を心合わせする段階を含む。１つの例示的な穿孔工具は、レーザ加工によってインピンジメント冷却孔３３を形成するように構成されたレーザ１００である。別の例示的な穿孔工具１００は、放電加工装置１００である。別の例示的な穿孔工具１００は、壁１２の内側部分１４のディンプル２４に電子ビームを向けるように構成された電子ビーム（ＥＢＥＡＭ）加工装置１００である。より具体的には、ＥＢＥＡＭ加工装置１００は、電子ビームを発生しかつ収束させ、蒸発によって材料を除去するように構成される。ＥＢＥＡＭ加工装置１００を用いて、極めて小さい孔（所望の場合には、数ナノメートル程度の）を穿孔することができる。

さらに図１１で示す特定の実施形態によると、穿孔作業はさらに、穿孔工具１００を用いて壁１２の外側部分１６に多数の冷却孔３５を穿孔することを含む。冷却孔３５の各々をそれぞれのインピンジメント冷却孔３３と同時に穿孔できる利点がある。従って、冷却孔３５の各々は、図１１に示すように、インピンジメント冷却孔３３のそれぞれの１つと整列する。図９に例として示すように、この方法はさらに、壁の外側部分上に皮膜３４を形成するために、穿孔作業を行った後に壁１２を被覆する段階を含むことができる。より特殊な実施形態によると、被覆する段階は、壁１２の外側部分１６上に断熱皮膜（ＴＢＣ）３４を形成する段階を含む。断熱皮膜３４は、真空物理蒸着法、空気物理蒸着法、空気プラズマ溶射法及び真空プラズマ溶射法を含む公知の方法を用いて形成することができる。例示的なＴＢＣは、例えば本出願と同一出願人の、Ｃｈｉｎｇ−Ｐａｎｇ Ｌｅｅ他による「多層断熱皮膜を用いてエンジン部品を冷却するための方法」という名称の米国特許第６５９９５６８号及びＣｈｉｎｇ−Ｐａｎｇ Ｌｅｅ他による「直接冷却式断熱皮膜システム」という名称の米国特許第６６１７００３号に論じられている。

図１２の例示的な実施形態の場合には、壁１２の外側部分１６には、多数のディンプル２４が形成され、壁１２の内側及び外側部分１４、１６のディンプル２４は整列している。図１２に示すように、穿孔作業はさらに、穿孔工具１００を用いて壁１２の外側部分１６に多数の吹出し冷却孔３２を穿孔することを含む。図１２に示すように、吹出し冷却孔３２は、壁１２の外側部分１６のディンプル２４を貫通して形成される。吹出し冷却孔３２の各々は、それぞれのインピンジメント冷却孔３３と同時に穿孔することができ、その結果、吹出し冷却孔３２は、図１２に示すように、それぞれのインピンジメント冷却孔３３と整列する。図１０に例として示すように、本方法はさらに、穿孔作業を行った後に、壁１２の外側部分１６上にＴＢＣのような皮膜３４を形成するために壁１２を被覆する段階を含むことができる。

図１３及び図１４を参照して、部品１０内に多数の冷却孔３３を形成する本発明の別の方法の実施形態を説明する。図示するように、部品１０は、内側部分１４及び外側部分１６を有する少なくとも１つの壁１２を含み、壁１２の内側部分１４には、多数のディンプル２４が形成される。図１３に例として示すように、本方法は、ディンプル２４のそれぞれの１つに多数の穿孔工具１００を心合わせする段階と、それぞれの穿孔工具１００を用いて、ディンプル２４において壁１２の内側部分１４を貫通する多数のインピンジメント冷却孔３３を穿孔する段階とを含む。上述のように、例示的な穿孔工具１００は、レーザ、放電加工装置、及びＥＢＥＡＭ加工装置を含む。図１３の例示的な実施形態の場合には、穿孔作業はまた、穿孔工具１００を用いて壁１２の外側部分１６内に多数の冷却孔３５を穿孔することを含む。図示するように、冷却孔３５の各々は、インピンジメント冷却孔３３のそれぞれの１つと整列する。図１４の例示的な実施形態の場合には、壁１２の外側部分１６には、多数のディンプル２４が形成される。図示するように、壁１２の内側及び外側部分１４、１６のディンプル２４は整列している。図１４の例示的な実施形態の場合には、穿孔作業はまた、穿孔工具１００を用いてディンプル２４において壁１２の外側部分１６を貫通して穿孔することによって多数の吹出し冷却孔３２を形成することを含む。

異なる冷却要素（すなわち、メッシュ冷却、ディンプル及び冷却孔）を組合せることにより、熱伝達を高める相乗効果が生じる。この向上した熱伝達は次に、ディンプル２４及び冷却孔３２、３３、３５がもたらす機能強化により同様な熱伝達を達成するのに必要なピン密度を低下させることを可能にし、それによって部品１０の重量低減を可能にする。また、多重冷却要素を用いることにより、局所冷却を調整する上でのより大きな自由度が得られる。多重冷却要素を用いることはまた、より均衡のとれた圧力損失をもたらす。この組合せた冷却要素は、ガスタービン翼形部を冷却するのに特に効果的であり、また高圧ブレード配列の場合に特に利点がある。

本明細書では本発明の一部の特徴のみを例示しかつ説明してきたが、当業者は多数の改良及び変更を思い付くであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

翼形部を有する例示的な高温ガス流路部品を示す図。 メッシュ冷却構成を示す、図１の線２−２に沿って取った図１の翼形部の断面図。 多数のディンプルがそれぞれの交差位置に配置されている、図２のメッシュ冷却構成の例示的な実施形態の長手方向拡大断面図。 図３の線４−４に沿って取った、メッシュ冷却構成の長手方向断面図。 多数のディンプルがピンのそれぞれの対間に配置されている、図２のメッシュ冷却構成の別の例示的な実施形態の長手方向拡大断面図。 メッシュ冷却及びディンプル構成のインピンジメント冷却実施形態を示す図。 ディンプルが低温壁を突破する位置に形成された冷却孔を貫通する強力なインピンジメントを示す図。 ディンプルとインピンジメント噴流との間の相互作用を示す図。 インピンジメント及び吹出し冷却を備えたメッシュ冷却及びディンプル構成を示す図。 インピンジメント及び吹出し冷却を備えた別のメッシュ冷却及びディンプル構成を示す図。 メッシュ冷却及びディンプル構成を有する部品内に冷却孔を形成する方法を示す図。 別のメッシュ冷却及びディンプル構成を有する部品内に冷却孔を形成する、図１１の方法を示す図。 メッシュ冷却及びディンプル構成を有する部品内に冷却孔を形成する別の方法を示す図。 別のメッシュ冷却及びディンプル構成を有する部品内に冷却孔を形成する、図１３の方法を示す図。

符号の説明

１０ 部品
１２ 部品の壁
１４ 壁の内側部分
１６ 壁の外側部分
１８ ピン
２０ メッシュ冷却構成
２２ 流れチャネル
２４ ディンプル
３２ 吹出し冷却孔
３３ インピンジメント冷却孔
３４ 皮膜
３５ 冷却孔
３７ インピンジメント噴流
１００ 穿孔工具

Claims (10)

1. 内側部分（１４）及び外側部分（１６）を有する少なくとも１つの壁（１２）と、
   前記壁の内側及び外側部分間で延びる複数のピン（１８）と、を含み、
   前記ピンが、複数の流れチャネル（２２）を含むメッシュ冷却構成（２０）を形成し、前記流れチャネルが、互いにほぼ平行な第１の組の流れチャネル（２６）と互いにほぼ平行に延びる第２の組の流れチャネル（２８）とを含み、前記第１及び第２の組の流れチャネルが、複数の交差位置（３０）において互いに交差して前記メッシュ冷却構成を形成し、
   前記壁の内側部分には複数のディンプル（２４）が形成され、前記ディンプルの少なくとも１つが、前記壁の内側部分を貫通してインピンジメント冷却孔（３３）を形成し、また前記ディンプルの少なくとも１つが、前記交差位置のそれぞれの１つに配置されている、
   高温ガス流路部品（１０）。
2. 前記ディンプル（２４）の各々が、複数のインピンジメント冷却孔（３３）を形成するように前記壁（１２）の内側部分（１４）を貫通している、請求項１記載の高温ガス流路部品（１０）。
3. 前記壁（１２）の外側部分（１６）には複数の冷却孔（３５）が形成され、前記冷却孔（３５）の各々が、前記ディンプル（２４）のそれぞれの１つと整列している、請求項１記載の高温ガス流路部品（１０）。
4. 前記壁（１２）の外側部分（１６）上に少なくとも１つの皮膜（３４）をさらに含み、
   前記壁の外側部分には複数のディンプル（２４）が形成され、
   前記ディンプルの少なくとも１つが、前記壁の外側部分を貫通して吹出し冷却孔（３２）を形成し、前記皮膜が前記吹出し冷却孔を少なくとも部分的に覆っている、
   請求項１記載の高温ガス流路部品（１０）。
5. 複数のディンプル（２４）が形成された内側部分（１４）と外側部分（１６）とを有する少なくとも１つの壁（１２）を含む部品（１０）内に複数の冷却孔（３３）を形成する方法であって、
   前記ディンプルの１つに穿孔工具（１００）を心合わせする段階と、
   前記穿孔工具を用いて、前記ディンプルにおいて壁の内側部分を貫通する少なくとも１つのインピンジメント冷却孔（３３）を穿孔する段階と、
   前記心合わせする段階及び穿孔する段階を複数のディンプルに対して反復して、前記壁の内側部分に複数のインピンジメント冷却孔を穿孔する段階と、
   を含む方法。
6. 前記心合わせする段階が、前記ディンプル（２４）のそれぞれの１つの中心（１０１）の近傍に前記穿孔工具を心合わせする段階を含む、請求項５記載の方法。
7. 前記穿孔工具（１００）が、レーザ、放電加工装置（１００）及び電子ビーム（ＥＢＥＡＭ）加工装置（１００）からなる群から選択される、請求項５記載の方法。
8. 前記穿孔する段階が、前記穿孔工具（１００）を用いて、その各々が前記インピンジメント冷却孔（３３）のそれぞれの１つと整列した複数の冷却孔（３５）を前記壁（１２）の外側部分（１６）に穿孔する段階をさらに含む、請求項５記載の方法。
9. 前記穿孔する段階を行った後に前記壁の外側部分（１６）上に断熱皮膜を形成する段階をさらに含む、請求項８記載の方法。
10. 前記壁（１２）の外側部分（１６）には複数のディンプル（２４）が形成され、前記壁の内側及び外側部分のディンプルが整列しており、また前記冷却孔の各々が、前記壁の外側部分のディンプルのそれぞれの１つを貫通して形成された吹出し冷却孔（３２）である、請求項８記載の方法。

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