JP4931507B2 - 壁内に形成された冷却流路 - Google Patents

Description

本発明は壁内に冷却流路を形成する方法と、この方法を実施するために使用される電極と、冷却流路が形成される壁要素およびこのタイプの壁要素を含む中空のターボ機械ブレードに関する。

さらに正確には、本発明は内側面および上記冷却流路内を流れる冷気により冷却されるのに適した外側面を備えるタイプの壁要素に関する。さらに、冷却流路は孔および拡散部分を備えるタイプであって、孔は一方の端部で外に開いて壁の内側面に入り込み、かつ他方の端部でオリフィスを形成することにより実質的に拡散部分の底に入り込んでおり、拡散部分は上記オリフィスから離れてアサガオ形に広がり、かつ外に開いて壁の外側面に入り込んでいる。

米国特許第６１８３１９９号明細書は、上記特定のタイプの冷却流路により穴を開けられた、ターボジェットタービンの中空ブレードの壁要素の例を示す。この例において、流路の孔およびその拡散部分は、先端が孔の前部に相当する形の前部および流路の拡散部分の後部に相当する形の後部を示す、単一電極を使用して単一ステップのエレクトロエロージョンにより作られる。

そのタイプの電極は、米国特許第６１８３１９９号明細書において参照された、米国特許第４１９７４４３号明細書において説明され示されている。図に示すように、その電極の形は特に複雑である。さらに、一般的な方法において知られている方法を用いるエレクトロエロージョンによって流路を形成することは、依然として操作が冗長で、費用がかかる。
米国特許第６，１８３，１９９号明細書 米国特許第４，１９７，４４３号明細書

本発明の目的は、したがって、上記特定のタイプの冷却流路をより早くかつ安価で形成することを可能にする、知られている方法の代替方法を提供することにある。

この目的を達成するために、本発明は２つの別個のステップ、すなわち、上記壁に穴を開けて上記孔を作ることと、上記拡散部分を形成するためにくぼみを上記壁の中に形成することとを特徴とする方法を提供する。

本発明の方法では、したがって、孔を作りかつ拡散部分を作るための異なる技術および材料を用いることが可能である。

孔を作るために、エレクトロエロージョンまたはレーザの使用によって壁に穴を開けてよい。

有利には、エレクトロエロージョン技術よりもより速く、はるかに費用がかからないので、レーザによる穴開け技術が用いられる。したがって、レーザによって中空のタービンブレードの壁に穴を開けさせるために、一般にわずか１０分の数秒だけが必要である。

それにもかかわらず、エレクトロエロージョンによる穴開け貫通および拡散部分の実施が望まれる場合は、２つの異なる電極が上記部分のそれぞれに使用される。電極は過去に使用されてきた電極よりも形が単純であり、作るのがより簡単で、かつ費用がかからない。たとえば、穴開けには円筒状の電極が使用可能である。

本発明のもう１つの態様によれば、拡散部分を作るために、電極の先端が丸みを帯びた端部、および平面を示し円錐の軸が平面と交差しない円錐状の側面を備えた円錐の形であることを特徴とする電極が使用されている。

電極の上記特定の形は、最初に、概して鋭角が亀裂の開始区域を構成する拡散部分の底で鋭角を作るのを防止することを可能にする。

次に、その形の孔に対して適切な寸法の電極は、孔および拡散部分を作るのに含まれる所与の許容誤差、および拡散部分に対する孔の位置にかかわらず、拡散部分が孔を離れる空気の流れの十分な拡散、すなわち十分な誘導および十分な広がり、を提供するのを確実にするために、十分に広くアサガオ形に広げられた形の拡散部分を形成することを可能にする。

本発明は、また、壁内に形成された新しいタイプの冷却流路を有する壁要素を提供する。このような流路は、本発明の方法および電極を用いて得ることができる。

流路は前端部が実質的に平坦で、壁の厚さで傾斜し、冷気の流れ方向のオリフィスの正面に延在する底と、底の前端部の両側を接合する両側面上およびオリフィスの前面で後方に延在した縁とを備えた拡散部分を含むことを特徴とする。

有利には、縁と底に垂直な平面の底の前端部との間に形成された角度は、厳密に９０°より大きいという意味においては「鋭く」ない。これにより亀裂開始区域を作るのを防止する。

最後に、本発明は、上記特定タイプの壁要素を含む中空のガスタービンブレードを提供する。

本発明およびその利点は、以下の詳細な説明を読めばよりよく理解されるであろう。説明には添付の図面を参照する。

図１、図３、図４、および図５を参照して、本発明の壁要素の例についての説明が続く。

上記壁要素は、内側面３および外側面５を呈する。この要素は、ターボジェットの高圧タービンブレードなどの中空のガスタービンブレードの壁１に属する。このタイプの中空ブレードは、冷気が送り込まれている、内側面３によって一部分を画定された内側冷却路４を有する。

壁の外側面５はタービンを介して通る高温のガスにさらされており、そのため冷却される必要がある。この目的で、冷却流路が壁１内に設けられている。少なくともこれらの流路のうちの幾つかは、図１に示された流路と同じタイプのものである。この流路６はブレードの内側冷却路４から来る冷気を通し、冷却するためにこの冷気を外側面５に送る。流路６は孔７によって形成された調節部分、および外側面５の壁１内に形成されたくぼみによって形成された拡散部分９の２つの部分を備える。

孔は、孔７の最小部分が空気が流路６に沿って流れる速度を調節する役目をするため、調節部分と呼ばれる。有利には、孔７は形が単純である。図示の例では、孔７は円筒内で内接されている。さらに、孔７の軸Ｂは外側面５に対して、またはこの面５が平面でなければ、軸Ｂ上のこの面の接線に対して角度Ｇで傾斜される。角度Ｇは９０°未満であり、好ましくは１５°から８０°の範囲内にあり、空気Ｆの流れを外側面５の方へ向けて、それにできるだけ近く保つ。すなわち、流路６からの出口での空気の流れＦの速度のベクトルを、外側面５の平面にできる限り平行に近くすることが望ましい。

空気Ｆの流れを外側面５に反して向かわせ、かつ外側面５の平面で空気Ｆのこの流れを広げるために、流路６は、孔７の方へ進む拡散部分９を呈する。この拡散部分９は冷気が孔７を出ることで、オリフィス１１の周りに広がる。このオリフィス１１は、好ましくは実質的に外側面５に対して拡散部分９の底に位置される。オリフィスの正面で、流れＦの流れの方向で、拡散部分９は前端部１３が外側面５に対して角度ｇで壁の厚さで傾斜し、実質的に平面である底を有する。角度ｇは、好ましくは２°から４５°の範囲にあり、いずれにしても角度Ｇよりも小さく、底の前端部１３により導かれるように、空気の流れＦが外側面５の方へ向けられる。

底の前端部１３は孔７を出る冷気Ｆの流れが外側面５に接近するように促す。この空気の流れは、したがって、外側面５と接触したままになり、このため最初に熱交換により面５を冷却することを可能にし、次に壁１が上記面５からの距離に位置する媒体の高温のガスを保つ上記面５上に空気の保護膜を作り出す。

有利には、底の前端部１３の外形は、ほぼ三角形の形状であり、上記オリフィス１１の方を指す頂点の１つを有し（図３および図４参照）、これにより孔７を出る空気の流れＦを広げることを可能にし、かつ外側面５のより大きな部分を冷却し保護する。必然的に、前記頂点から遠く離れた基部はオリフィス１１より幅が広く、空気の流れＦを広げる。

オリフィス１１の後端部、両側および正面に縁１５がある。縁１５は部分的にオリフィス１１を回り、正面の方へ行き底の前端部１３の両側を接合する。

図５に示された例では、縁１５および前端部１３の間の接合部区域は縁端１７を呈する。前端部１３に垂直な面において、縁１５と前端部１３自体との間のこれら縁端内に作られた角度Ｐは、壁要素１を弱くするのを防止するように厳密に９０°よりも大きい。角度Ｐは、図５に示されるように、縁端１７における縁１５への接線Ｔと底の前端部１３との間で測定される。

また、任意の縁端を作り出すのを防止するために、それぞれの接合区域内に丸みづけを提供することも可能である。このような環境下で、角度Ｐは縁１５の全体の方向と底の前端部１３との間で測定される。

図１の例では、縁１５の後部は、オリフィス１１から後方にアサガオ形に広がり、次に外側面５内に前方に向けられた注ぎ口１２を呈する。この注ぎ口１２は冷気の流れを前方に導くのを助ける。

底の前端部１３および縁１５は、丸みを帯びた端部２４、および平面２６を呈する円錐面２５を有する円錐２３内で内接される。底の前端部１３は平面２６に相当し、図１および図４から分かるように、縁１５は本質的に円錐２３の丸みを帯びた端部２４を備えた後部、および平面２６に隣接した円錐形の表面部分２５を備えた側面および前部に相当する。有利には、円錐２３の軸Ｅおよび孔７の軸Ｂは並行であり、好ましくは軸Ｂは図１に示されるように外側面５の方へずらされている。

上記に十分に説明された壁要素１内の冷却流路６の形で、このタイプの流路が形成されるのを可能にする本発明の方法の実施についての説明が続く。

この方法の第１のステップでは、壁１がレーザを用いて穴を開けられる。レーザ穴開け技術は、当業者には知られており、エレクトロエロージョン技術よりも速く、費用がかからないという利点を呈する。

次に、第２のステップでは、拡散部分９に対応するくぼみは、エレクトロエロージョンによって外側面５の壁１内に形成される。必然的に、この第２のステップは第１のステップの前に行なわれ得る。

この第２のステップには、図２に示されるタイプの電極２０が使用される。電極の先端２２は丸みを帯びた端部２４を有し、かつ横方向の円錐面２５の平面２６を含む円錐２３の形であるが、電極２１の本体は円筒形である。平面２６は端部２４の近傍にある先端部から最大以上に広がった円錐２３の部分まで、円錐２３の１面上に延在する。円錐２３の軸Ｅは平面２６に交差せず、したがって平面は円錐２３の端頂点２４と交差しない。円錐２３は平面２６に垂直の対称Ｓの平面に関して対称であり、円錐２３の軸Ｅを含んでいる。平面の側縁端２７と平面Ｓとの間に画成されたフレアの半角Ｙは１０°から３０°の範囲にあり、好ましくは１５°に近い。

図１に示されるように、拡散部分９に対応するくぼみはエレクトロエロージョンによって形成され、電極２０の先端２２を外側面５を介して壁１に押し込むことによって、平面２６が上記外側面５に対向するよう配置されている。有利には、この操作中円錐２３の軸Ｅは孔７の軸Ｂに平行になるよう配向され、これらの軸が好ましくは軸Ｂが壁１により近くなるようにずらされている。

縁１５の注ぎ口１２の存在および大きさ、すなわち後方に延在する程度が、端部２４の曲率半径および電極２０が押し込まれる深さによって決まることがわかる。

一般に、くぼみを形成する場合、オリフィス１１の正面の底の前端部１３、および２つの縁端１７を形成する前端部１３の両側面と接する、オリフィス１１の後ろおよび側面のアサガオ形に広がった縁１５を形成するように、電極２０の形、さらに詳細には円錐２３の形、丸みを帯びた端部２４の曲率半径および平面２６の位置（フレアの半角Ｙ）、電極の位置、さらに詳細には孔７の軸Ｂに対する円錐２３の軸Ｅの方向、および壁１内への電極２０の穴開け深さが選択される。これらの縁端は、弱い区域を作り出すのを防止するために十分に丸みがつけられている（図５参照）。

後縁１５の存在によって、拡散部分９が孔７に対する一定の量の許容誤差で作られるのを可能にする。このことは、破線がオリフィス１１が拡散部分９に対して占め得るさまざまな位置を示す図４に示されている。図に示されるように、示されたすべての例において、オリフィス１１は冷気の流れが拡散部分９によって導かれ、それによって外側面５の適切な冷却が保証されるような位置で、完全に外に開かれて拡散部分９に入り込む。必然的に、実線で示されるようにオリフィス１１が実質的に外に開かれて拡散部分９の底に入り込む時に、より良い拡散が得られる。

冷却流路を含む本発明の壁要素の例を示す断面である。 図１の流路の拡散部分を作るために用いられる電極の先端の斜視図である。 壁の外側面に直交する方向ＩＩＩに沿って現れて見える、図１の流路の平面図である。 方向ＩＶに沿って、すなわち流路の穴開き軸に沿って現れて見える、図１の流路の図である。 図３の平面Ｖ−Ｖ上の断面図である。

符号の説明

１ ガスタービンブレードの壁
３ 内側面
４ 内側冷却路
５ 壁の外側面
６ 流路
７ 孔
９ 拡散部分
１１ オリフィス
１２ 注ぎ口
１３ 前端部
１５ 縁
１７ 縁端
２０、２１ 電極
２２ 電極の先端
２３ 円錐
２４ 端部
２５ 円錐面
２６ 平面
２７ 平面の側縁端

Claims (14)

1. 流路（６）を流れる冷気によって冷却されるのに適した内側面（３）と外側面（５）とを呈するタービンブレードの壁（１）に冷却流路（６）を形成する方法であって、前記冷却流路（６）は孔（７）と拡散部（９）とから構成され、前記孔（７）は一方の端部で外に開いて内側面（３）に入り込み、かつ他方の端部でオリフィス（１１）を形成する拡散部分（９）に入り込み、前記拡散部（９）は前記オリフィス（１１）の周囲にフレア形に広がり、かつ外に開いて外側面（５）に入り込み、前記方法が、前記孔（７）を作るために壁（１）に穴を開けることと、前記電極（２０）の先端（２２）が端部（２４）が丸みを帯びていて、円錐面（２５）が平面（２６）を呈する円錐形（２３）であるエレクトロエロージョン電極（２０）を使用することによって、前記拡散部分（９）を形成するために、壁（１）内にくぼみを形成することとの、２つの別個のステップを含むことを特徴とする、方法。
2. 壁（１）が前記孔（７）を作るためにレーザによって穴を開けられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記円錐（２３）の軸（Ｅ）が前記平面（２６）と交差しないことを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記くぼみが、前記円錐（２３）の軸（Ｅ）が前記孔（７）の軸（Ｂ）に平行となるように前記円錐（２３）の軸（Ｅ）を向けることによって形成され、孔（７）の軸（Ｂ）が好ましくは壁（１）の外側面（５）の方にずらされていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 少なくとも１つの冷却流路（６）が形成されるタービンブレードの壁要素（１）であって、流路（６）に沿って流れる冷気によって冷却されるのに適した内側面（３）と外側面（５）とを呈し、前記冷却流路（６）は孔（７）と拡散部（９）とから構成され、前記孔（７）は内側面（３）内の一方の端部、およびオリフィス（１１）を形成する拡散部分（９）内の他方の端部で外に開き、前記拡散部（９）は前記オリフィス（１１）の周囲でフレア形に開き、かつ外側面（５）内で外に開き、前記壁要素（１）は、拡散部分が実質的に平面であり、壁（１）の厚さで傾斜し、冷気の流れの方向で前記オリフィス（１１）から前方へ延在する底の前端部（１３）と、オリフィスの後ろ、両側面に沿ってとオリフィス（１１）の正面に延在する縁（１５）とを有し、前記縁（１５）は底の前端部（１３）の両側を接合し、前記縁（１５）および底の前端部（１３）が、丸みを帯びた端部（２４）および平面（２６）を示す円錐面（２５）を有する円錐（２３）内で内接することを特徴とする、壁要素。
6. 底の前端部（１３）の外形が孔（７）を出る冷気の流れ（Ｆ）を広げるように、頂点の１つが前記オリフィス（１１）の方を向いているほぼ三角形の形状であることを特徴とする、請求項５に記載の壁要素。
7. 前端部（１３）に垂直な面の底の縁（１５）と前端部（１３）との間に形成された角度が、厳密に９０°より大きいことを特徴とする、請求項５または６に記載の壁要素。
8. 前記円錐（２３）の軸（Ｅ）が孔（７）の軸（Ｂ）に平行であり、孔（７）の軸（Ｂ）が好ましくは壁（１）の外側面（５）の方へずらされていることを特徴とする、請求項５から７のいずれか一項に記載の壁要素。
9. 請求項５から８のいずれか一項に記載の壁要素を含む、中空のターボ機械ブレード。
10. 請求項５から８のいずれか一項に記載の壁要素を有する中空ブレードを含む、ターボ機械。
11. エレクトロエロージョンによってタービンブレードの壁（１）内に冷却流路（６）の拡散部（９）を形成するための電極であって、先端（２２）が丸みを帯びた端部（２４）を有する円錐（２３）の形状であり、その円錐面（２５）が平面（２６）を呈することを特徴とする、電極（２０）。
12. 前記円錐（２３）の軸（Ｅ）が前記平面（２６）と交差しないことを特徴とする、請求項１１に記載の電極。
13. 前記孔（７）の軸（Ｂ）が壁（１）の外側面（５）の方にずらされていることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
14. 前記孔（７）の軸（Ｂ）が壁（１）の外側面（５）の方へずらされていることを特徴とする、請求項８に記載の壁要素。

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