JP4664335B2 - 正圧面特徴部を用いた蛇行微細回路冷却 - Google Patents

Description

本発明は、正圧面内に埋め込まれた冷却用蛇行微細回路を有するエアフォイル部を備える、タービンエンジン構成要素に関し、この冷却用蛇行微細回路は、冷媒圧力を増大させるための方法、ならびに、局所的な冷却流を加速し熱吸収能力を増大するための方法を備える。

全冷却有効度（ｏｖｅｒａｌｌ ｃｏｏｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ）は、特定の設計に関する冷却特性を決めるために使用する尺度である。到達し得ない理想上の目標値は１であり、この場合、金属温度がエアフォイル内部の冷媒温度と同じになることを意味する。この反対が起きることもあり、その場合に冷却有効度は０であり、金属温度がガス温度と同じになることを意味する。その場合に、ブレード材料は確実に溶融し、焼損する。一般的に、既存の冷却技術では、冷却有効度を０．５〜０．６にすることができる。過冷却などのさらに進んだ技術では、０．６〜０．７になると考えられる。現在の最も進んだ冷却技術である微細回路冷却を行うと、０．７より高い冷却有効度を得ることができる。

図１は、冷却有効度（ｘ軸）に対するフィルム有効度（ｙ軸）の耐久性を、様々な対流効率の線ごとに示している。図２Ａ〜図２Ｃに示される新しく進歩した蛇行微細回路についての点１０が、図にプロットされている。この蛇行微細回路は、エアフォイル壁部２４および２６内に埋め込まれた正圧面蛇行回路２０および負圧面蛇行回路２２からなる。

以下の表１は、耐久性の図に設計点をプロットするために使用された動作パラメータを示す。

この表から、０．２９６のフィルム有効度および０．５７３の対流効率（または熱吸収能力）に対して、全冷却有効度が０．７１７であることに留意されたい。また、この冷却用微細回路を有するタービンブレードに対応する冷却流が、３．５％のエンジン流であることにも留意されたい。図３は、エアフォイル壁部内に埋め込まれた図２Ａ〜図２Ｃの蛇行微細回路を有するタービンブレードの冷却流分布を示す。

図３から、負圧面蛇行微細回路２２を通過する流れが０．４２８％ＷＡＥ（圧縮器エンジン流）であるのに比べ、正圧面蛇行微細回路２０を通過する流れが、１．１６５％ＷＡＥであることに留意されたい。これは、冷却流が、負圧面微細回路に対して２．７倍に増加していることを表す。この増加の理由は、この部品への熱負荷が、エアフォイルの正圧面側で大幅に高いということにある。このことから、微細回路チャネルの高さを、負圧面側の高さの１．８倍に大きくするべきである。これは、０．０２２インチ対０．０１２インチとなる。流れ要求の増加に加えて、正圧面回路２０の供給源圧力対吸込み圧力における駆動ポテンシャルは、負圧面回路２２の駆動ポテンシャルほど高くない。正圧面回路２０上の冷媒圧力を考慮すると、第３の脚部つまり出口脚部の端部で、内圧対外圧の尺度としての逆流マージンが低い。この逆流問題の結果として、金属温度が、正圧面回路２０の第３の脚部付近で、必要とされる金属温度よりも上昇する。この問題を解決することが望ましい。

本発明によれば、２つの解決法が提供される。第１の解決法は、局所的な圧力上昇源を得るために、内部キャビティと微細回路の第３の脚部との間に連通孔をつくることである。内部キャビティ内の内側の流れは、多くの損失機構を有する微細回路の脚部の流れよりも速いことに注意されたい。第２の解決法は、流れを局所的に加速し正圧面回路の第３の脚部内の熱吸収能力を高めるために使用される、１組の特徴部を備えることである。

本発明によれば、正圧面および負圧面を有するエアフォイル部と、正圧面を形成する壁部内に埋め込まれた第１の微細回路と、冷却流体の供給部を有する内部キャビティと、を備えるタービンエンジン構成要素が提供され、第１の微細回路は、入口脚部、中間脚部、および出口脚部を備え、タービンエンジン構成要素はさらに、出口脚部内の圧力を局所的に上昇させる手段を備える。出口脚部内の圧力を局所的に上昇させる手段は、内部キャビティと出口脚部の間の複数の連通孔を含むことが好ましい。

さらに、本発明によれば、正圧面および負圧面を有するエアフォイル部と、正圧面を形成する壁部内に埋め込まれた第１の微細回路と、を備えるタービンエンジン構成要素が提供され、前記第１の微細回路は、入口脚部、中間脚部、および出口脚部を備え、さらにタービンエンジン構成要素は、出口脚部内の冷却流を局所的に加速し熱吸収能力を高める出口脚部内の手段を備える。

本発明の正圧面特徴部を用いた蛇行微細回路冷却のその他の詳細、その他の目的および利点は、以下の詳細な記述、および同様の参照番号が同様の要素を示す添付の図面において説明される。

図５に、タービンエンジン構成要素のエアフォイル部３０が示されている。タービンエンジン構成要素は、タービンブレード、またはエアフォイル部を有する構成要素などからなる。

エアフォイル部３０は、正圧面壁部３４によって形成される正圧面３２と、負圧面壁部３８によって形成される負圧面３６と、を有する。エアフォイル部３０は、複数の内部キャビティ４０をさらに有し、その中を冷却流体が流れる。正圧面壁部３４内に、冷却用蛇行微細回路４２が埋め込まれている。負圧面壁部３８内に、冷却用蛇行微細回路４４が埋め込まれている。

図４Ａに、負圧面冷却用蛇行微細回路４４の概略図が示されている。冷却用蛇行微細回路４４は、内部キャビティ４０のうちの１つと連通する入口４６を備える。微細回路４４は、入口脚部４８、中間脚部５０、および出口脚部５２をさらに備える。出口脚部５２は、エアフォイル部３０の先端部５７を覆って冷却流が流れることを可能にする複数のフィルム冷却孔５６を備える第１の部分５４を有する。さらに出口脚部は、先端部５７を覆って冷却流が流れることを可能にする少なくとも１つのフィルム冷却孔６０を備える第２の部分５８を有する。Ｕ字形部６２が、冷却用微細回路４４の一部として設けられる。Ｕ字形部６２によって画成される空間内に、正圧面冷却用微細回路４２の出口ノズルが配置される。

図４Ｂに、正圧面冷却用微細回路４２が示されている。正圧面冷却用微細回路４２も、内部キャビティの１つと連通する入口７０を有する。入口７０は、入口脚部７２へ冷却流体を供給する。冷却流体は、入口脚部７２を通り中間脚部７４へ流れ、最終的に出口脚部７６へ流れる。出口脚部７６は、少なくとも１つの出口冷却孔７７を有する。

本発明の好ましい実施形態によれば、出口脚部７６内に、複数の連通孔７８が設けられる。連通孔７８は、出口脚部７６内で、冷却流体の流れの方向に離間して配置される。連通孔７８は、冷却流体が内部キャビティ４０の１つから出口脚部７６へ流れることを可能にする。連通孔７８は、局所的な圧力上昇源を得る。

さらに、本発明の好ましい実施形態によれば、出口脚部７６は、複数の特徴部８０も備え、この特徴部８０は、冷却流体の流れを局所的に加速し、出口脚部７６内の熱吸収能力を高めるために使用される。図６、図７を参照すると、各特徴部８０は、互いに重ね合わせられた一連の丸いトリップストリップ８２からなることが好ましい。各トリップストリップ８２は、正圧面の高温壁部８４に結合されていることが好ましい。トリップストリップ８２は、鋳造によるトリップストリップとすることができる。あるいは、当技術分野で周知の適当な結合技術を用いて、トリップストリップ８２を壁部８４へ結合してもよい。

トリップストリップ８２は、多数の利点をもたらす。まず、冷却流体の進入する流れ９０が、２つの主要な支流に分かれる。第１の支流は、頂部流れ９２であり、第２の支流は、底部流れ９４である。流れが分かれてできた頂部流れ支流９２が一連の特徴部の上を移動することで、乱流を介して、また、主流が流れる領域に突出するピンフィン９６による熱伝達効率を介して、熱を吸収する。流れが分かれてできた底部流れ支流９４は、トリップストリップ８２の下の小さい隙間９８に入り、流れを局所的に加速して主流内へ熱を運ぶ。このように、再供給孔つまり連通孔７８は、冷媒圧力を上昇させるための手段となり、特徴部８０の組は、流れを局所的に加速して熱吸収能力を高める手段をもたらし、内部対流効率を上昇させる。これらの効果を組み合わせることにより、エアフォイル部３０の正圧面後方部における低逆流マージンにより温度が過剰に上昇してしまう問題をほぼ解決する。

タービンエンジン構成要素の、冷却有効度に対するフィルム有効度を示すグラフ。 正圧面壁部内に埋め込まれれた正圧面の冷却微細回路と、負圧面壁部内に埋め込まれた負圧面の冷却微細回路とを有する、タービンエンジン構成要素のエアフォイル部。 図２Ａのエアフォイル部内で使用される、正圧面冷却用微細回路を示す概略図。 図２Ａのエアフォイル部内で使用される、負圧面冷却用微細回路を示す概略図。 エアフォイル壁部内に埋め込まれた蛇行微細回路を有する、タービンエンジン構成要素のための冷却流分布。 本発明によるタービンエンジン構成要素内で使用される、負圧面回路を示す概略図。 本発明によるタービンエンジン構成要素内で使用される、正圧面回路を示す概略図。 埋め込まれた正圧面側および負圧面側の冷却用微細回路を有する、タービンエンジン構成要素を示す図。 正圧面回路内で使用することができるトリップストリップ構成を示す図。 図６のトリップストリップ構成を示す側面図。

Claims (12)

1. 正圧面および負圧面を有するエアフォイル部と、
   前記正圧面を形成する壁部内に埋め込まれ、入口脚部、中間脚部、および出口脚部を有する第１の微細回路と、
   冷却流体の供給部を備える内部キャビティと、
   前記出口脚部内の冷却流を局所的に加速して熱吸収能力を高める手段と、
   前記出口脚部内で圧力を局所的に上昇させる手段と、
   を備え、
   前記出口脚部内で圧力を局所的に上昇させる前記手段が、前記内部キャビティと前記出口脚部との間に、複数の連通孔を備え、前記連通孔は、前記出口脚部内で前記冷却流体の流れ方向に離間して配置されることを特徴とするタービンエンジン構成要素。
2. 正圧面および負圧面を有するエアフォイル部と、
   前記正圧面を形成する壁部内に埋め込まれ、入口脚部、中間脚部、および出口脚部を有する第１の微細回路と、
   前記出口脚部内の冷却流を局所的に加速して熱吸収能力を高める手段と、
   を備え、
   前記冷却流を局所的に加速する手段が、それぞれが重ね合わせられた少なくとも１組のトリップストリップからなり、該トリップストリップが、該トリップストリップの下面側に複数の小さな隙間を形成することを特徴とするタービンエンジン構成要素。
3. 正圧面および負圧面を有するエアフォイル部と、
   前記正圧面を形成する壁部内に埋め込まれ、入口脚部、中間脚部、および出口脚部を有する第１の微細回路と、
   前記出口脚部内の冷却流を局所的に加速して熱吸収能力を高める手段と、
   を備え、
   前記冷却流を局所的に加速する手段が、それぞれが重ね合わせられた少なくとも１組のトリップストリップからなり、該トリップストリップが、該トリップストリップの上を流れることによって熱を吸収する冷却流体の第１の支流と、該トリップストリップの下を流れて冷却流体の局所的な流れを加速させて熱を運ぶ第２の支流と、を生み出すことを特徴とするタービンエンジン構成要素。
4. 正圧面および負圧面を有するエアフォイル部と、
   前記正圧面を形成する壁部内に埋め込まれ、入口脚部、中間脚部、および出口脚部を有する第１の微細回路と、
   負圧面壁部内に埋め込まれた第２の冷却用微細回路と、
   前記出口脚部内の冷却流を局所的に加速して熱吸収能力を高める手段と、
   を備え、
   前記第２の冷却用微細回路が、Ｕ字形部を有し、前記第１の冷却用微細回路が、前記Ｕ字形部によって画成された空間内に位置決めされた出口ノズルを有することを特徴とするタービンエンジン構成要素。
5. 冷却流体の供給部を備える内部キャビティと、
   前記出口脚部内で圧力を局所的に上昇させる手段と、
   をさらに備えることを特徴とする、請求項２〜４のいずれかに記載のタービンエンジン構成要素。
6. 前記冷却流を局所的に加速する手段が、それぞれが重ね合わせられた少なくとも１組のトリップストリップからなることを特徴とする、請求項１または４に記載のタービンエンジン構成要素。
7. 前記トリップストリップが、前記正圧面の高温壁部に連結されていることを特徴とする、請求項２または３に記載のタービンエンジン構成要素。
8. 前記トリップストリップが、前記高温壁部にそれぞれ結合されていることを特徴とする、請求項７に記載のタービンエンジン構成要素。
9. 前記トリップストリップが、鋳造によるトリップストリップであることを特徴とする、請求項７に記載のタービンエンジン構成要素。
10. 前記トリップストリップが、それぞれ円形の形状をしていることを特徴とする、請求項２または３に記載のタービンエンジン構成要素。
11. それぞれ離間して配置される複数のトリップストリップの組をさらに備えることを特徴とする、請求項２または３に記載のタービンエンジン構成要素。
12. 前記トリップストリップの組が、前記出口脚部内で前記冷却流体の流れの方向に離間して配置されることを特徴とする、請求項１１に記載のタービンエンジン構成要素。

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