JP5723134B2 - トレンチの長さに沿った方向を向いた孔を有する浅いトレンチを使用した膜冷却を改良するための構造及び方法 - Google Patents

Description

本発明は一般に膜冷却式部品に関し、より具体的には、冷却される事実上全てのタービンエーロフォイル上の一般的な位置を膜冷却する方法に関する。

ガスタービン及び他の高温機器は、タービンブレードなどの熱ガス経路構成部品を効果的に保護するため、膜冷却を広く使用する。膜冷却は、部品の外壁の複数の小孔から冷空気を放出して、部品の外面に沿って比較的に薄い冷層ないし冷バリヤを形成し、熱ガスとの直接の接触を防ぎ又は低減させる部品冷却技法を指す用語である。

タービンエーロフォイルを冷却するために使用される一般的な位置には、特に、エーロフォイル前縁のシャワーヘッド膜及び前方端壁領域上の膜孔が含まれる。一般的な１つの冷却技法は、浅いトレンチ内にあって、それぞれの孔の軸が、トレンチの長さ方向に対して実質的に直角に向けられた軸方向に円形の孔の列を利用する。浅いトレンチを使用すると、膜冷却の広がりが増大し、それにより、膜冷却が、自由流れ乱流効果（ｆｒｅｅｓｔｒｅａｍ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔ）の影響を受けにくくなり、表面の付着物による影響に対しても強くなる。

米国特許出願公開第２００９／０２４６０１１号公報

浅いトレンチを使用するこれらの知られているタービンエーロフォイル膜冷却技法は、浅いトレンチを使用せずに膜孔を使用する先行技術の膜冷却技術に比べて膜冷却効果を向上させる。浅いトレンチを使用する知られているタービンエーロフォイル膜冷却技法を使用して達成可能な膜冷却効果を凌ぐ膜冷却効果をもたらす次世代のタービンエーロフォイル膜冷却を提供することは有利であると考えられる。

簡単に説明すると、一実施形態によれば、タービンエーロフォイルが少なくとも１つの浅いトレンチを備えて構成され、各トレンチが、複数の膜孔を含み、これらの複数の膜孔が、各トレンチ内に配置され、対応するトレンチの長さ方向に沿って位置し、実質的に対応するトレンチの長さ方向で、ある角度をなして、対応するエーロフォイル基材を貫通している。

他の実施形態によれば、タービンエーロフォイルを膜冷却する方法は、
所望の位置で長さ方向を有する少なくとも１つの浅いトレンチを有するタービンエーロフォイルを構成するステップと、
それぞれのトレンチ内に複数の膜冷却孔を形成するステップであって、各膜冷却孔が、実質的に対応するトレンチの長さ方向を向いた中心軸を有し、その結果、これらの複数の膜冷却孔から流出した膜ジェットが、対応するトレンチの長さ方向に対して実質的に平行に、対応するトレンチ内へ流入する、ステップと
を含む。

他の実施形態によれば、膜冷却式空力構成部品は、長さ及び幅を有する少なくとも１つの浅いトレンチを備え、各トレンチは、トレンチの長さ方向に沿って中に配置された複数の膜孔を備え、各膜孔は、実質的に対応するトレンチの長さ方向で、ある角度をなして、空力構成部品を貫通している。

本発明のこれらの特徴、態様及び利点、ならびに他の特徴、態様及び利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読めばよりいっそう理解される。添付図面では、全体を通じて、同様の符号が同様の部分を表す。

当技術分野において知られている浅いトレンチ内の複数の膜冷却孔を示す透視図である。 図１に示した浅いトレンチの壁と膜冷却孔の中心軸との間の角度関係をより詳細に示す図である。 図１に示した膜冷却孔に対する横方向流遮断に起因する膜冷却流を示す透視図である。 浅いトレンチ内の複数の膜冷却孔を示す透視図であり、一実施形態によれば、孔がそれぞれ、トレンチの長さ方向を向いた中心軸を含む。 一実施形態に従ってタービンエーロフォイルのシャワーヘッド膜冷却領域に形成された、対応する浅いトレンチ内の複数の膜冷却孔を示す図である。 図４に示した膜冷却孔の端面図である。 図４及び６に示した浅いトレンチの長さ方向に対して直角に見た図であり、トレンチの長さ方向を向いた膜冷却孔の中心軸を別の方向から示す図である。

上で識別した図面は代替実施形態を示すが、本明細書の議論から分かるように、本発明の他の実施形態も企図される。いずれの場合にも、本開示は、例示される本発明の実施形態を、限定のためではなく、説示のために提示する。当業者は、本発明の原理の範囲及び趣旨に含まれる他の多くの変更及び実施形態を考案することができる。

図１は、当技術分野において知られている浅いトレンチ１４内の複数の膜冷却孔１２を示す、エーロフォイル部品１０の透視図である。部品１０は、部品１０の内部を通過する流体冷却材によって冷却される。流体冷却材は、圧縮機の抽出空気、又は熱力学的特性が知られている窒素などの他の流体とすることができる。冷却材の一部は、膜冷却孔１２を通って部品１０の外に出る。部品１０は、このような浅いトレンチを複数有することができるが、例示のため、この図には１つだけが示されている。

図２は、浅いトレンチ１４の側壁１６とそれぞれの膜冷却孔１２の中心軸１８との間の角度関係を示す、図１に示したトレンチ１４の端面図である。図３に示す熱ガス３０は、トレンチ１４の長さ方向に対して直角方向に流れる。冷却材は、熱ガス３０の流れに対して実質的に平行な方向に膜冷却孔１２を出て、トレンチ内に広がり、その後、トレンチ１４の外に出て、エーロフォイル部品１０を冷却する。それぞれの膜冷却孔１２の中心軸１８は、浅いトレンチ１４の側壁１６とある角度関係を形成するため、膜冷却孔１２を出た冷却材の一部は遮られ、又は他の方法で制止されて、最大量の冷却材３２が熱ガス３０と混合することを妨害し、それによりエーロフォイル部品の冷却の最適化を妨げる。図３は、図１に示した膜冷却孔１２に対する横方向流遮断に起因する膜冷却流３２を示す透視図である。

図４は、エーロフォイル部品４０上に位置する浅いトレンチ１４内の複数の膜冷却孔４２を示す透視図であり、一実施形態によれば、孔４２がそれぞれ、トレンチ１４の長さ方向４６を向いた中心軸４４を含む。部品４０は、部品４０の内部を通過する流体冷却材によって冷却される。流体冷却材は、圧縮機の抽出空気、又は熱力学的特性が知られている窒素などの他の流体とすることができる。冷却材の一部は、膜冷却孔１２を通って部品４０の外に出る。部品４０は、このような浅いトレンチを複数有することができるが、例示のため、この図には１つだけが示されている。

熱ガスは、浅いトレンチ１４の長さ方向４６に対して任意の方向に流れることができるが、大部分の用途では、熱ガスを、浅いトレンチ１４の長さ方向４６に対して実質的に直角に流す。冷却材は、長さ方向４６に対して実質的に平行な方向に膜冷却孔４２を出て、トレンチ１４を満たし、その後、トレンチを出て、エーロフォイル部品４０を冷却する。それぞれの膜冷却孔４２の中心軸４４は、浅いトレンチ１４の側壁１６に対して実質的に平行であるため、膜冷却孔４２を出た実質的に全ての冷却材が、トレンチ１４の全長を満たすことができ、熱ガスとすぐに混合することを回避することができ、それにより、エーロフォイル部品１０の長さ方向４６により連続した冷却層としてトレンチ１４を出て、エーロフォイル部品４０の冷却を最大限に最適化することができる。

図５は、一実施形態に従ってタービンエーロフォイル部品のシャワーヘッド膜冷却領域５０に形成された、対応する浅いトレンチ１４内の複数の膜冷却孔４２を示す。膜冷却孔４２はそれぞれ、実質的に対応する浅いトレンチ１４の長さ方向４６を向いた、対応する浅いトレンチ１４の側壁１６に対して実質的に平行な中心軸を有する。

図６は、エーロフォイル部品４０上に位置する浅いトレンチ１４内の膜冷却孔４２の端面図である。基材６０は、１つ又は複数の表面での冷却を必要とするエーロフォイル部品の壁、たとえば図４のエーロフォイル部品４０の壁を表す。基材６０は、熱い表面６２及びより冷たい表面６４を含む。図３に３０として挙げた燃焼ガスは従来どおり、エーロフォイル部品４０、すなわちコーティングされた表面７３を横切って流れる。冷却空気３２は、より冷たい表面から膜冷却孔４２を通って上方へ流れる。これらの孔は平均のど直径（ａｖｅｒａｇｅ ｔｈｒｏａｔ ｄｉａｍｅｔｅｒ）７６を有する。基材６０は、接着層７０及び上を覆う遮熱コーティング（ＴＢＣ：ｔｈｅｒｍａｌ ｂａｒｒｉｅｒ ｃｏａｔｉｎｇ）７２によって部分的に覆われている。この実施形態では、浅いトレンチ１４が、接着層７０及びＴＢＣ７２内に形成され、所望の深さを有する。浅いトレンチ１４の側壁１６は通常（常にではない）、基材６０の表面６２に対して実質的に垂直である（従って、側壁１６は通常、トレンチ１４の底面８０に対して実質的に垂直である）。

一実施形態によれば、膜冷却孔４２の中心線４４が、図７に示されたトレンチ１４の底面８０に対して約１５度から約５０度の方向に向けられる。他の実施形態によれば、膜冷却孔４２の中心線が、トレンチ１４の底面８０に対して約２０度から約３５度の方向に向けられる。本発明の一態様によれば、トレンチ１４の幅が、膜冷却孔４２の最大出口幅に実質的に等しい。膜冷却孔の方向が、その対応するトレンチの長さ方向と完全に整列している場合、円形の孔では、トレンチの幅が膜冷却孔の直径に等しい。膜冷却孔４２の角度が、最大２０度など、いくらかずれている場合、トレンチの幅は、膜冷却孔の直径よりも大きくなることになる。膜孔が完全に整列しているか否かにかかわらず、トレンチの幅は、膜孔の出口よりも大きくすることができ、それでも、本明細書に記載の原理に従って十分に機能して、所望の冷却結果を達成することができることを理解されたい。一実施形態では、その対応する膜冷却孔４２の最大フットプリント幅（ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ ｗｉｄｔｈ）の約１．０から約１．５倍のトレンチ幅が使用される。また、トレンチ１４のフィーチャの縁が完全に直角である必要はないことも理解されたい。トレンチ１４の任意の１つ又は複数の上コーナをいくらか丸め、又は面取りすることができ、トレンチ１４の任意の１つ又は複数の内コーナは、小さな隅肉を有することができる。

いくつかの実施形態では、浅いトレンチ１４の深さが、膜冷却孔４２の平均のど直径よりも小さい。他の実施形態では、浅いトレンチ１４の深さが、膜冷却孔４２の平均のど直径の約５０％よりも小さい。これらの相対的な寸法は、先行技術においてしばしば使用される深いスロットとは明らかな対照をなす。

図６に示すように、トレンチ１４は、冷却孔４２を出た冷却材３２に対する「余水路（ｓｐｉｌｌｗａｙ）」トレンチの役目を果たす。側壁１６が冷却材３２の流れを誘導する。その結果、冷却材はトレンチ内へ広がり、その後、熱い表面７３（すなわちコーティングされた表面６２）に沿ってトレンチを出る。従って、熱い表面を横切って広がる増大した冷却材は、自由流れ乱流効果の影響を受けにくくなり、表面の付着物による影響に対しても強くなるため、冷却材は、この熱い表面からすぐに離れるのではなしに、この熱い表面と密接した状態を維持する。その結果、前述のとおり、エーロフォイル部品４０に対する冷却効果がより大きくなる。

図７は、図４及び６に示した浅いトレンチ１４の長さ方向４６に対して直角に見た図であり、トレンチ１４の長さ方向４６を向いた膜冷却孔４２の中心軸４４を別の方向から示す図である。

要約すると、本明細書には、限定はされないが、タービンエーロフォイルのシャワーヘッド膜及び前方端壁領域上の膜孔を含むさまざまなタービンエーロフォイル位置に対する膜冷却を改良するための構造及び方法が記載されている。膜孔の列、すなわちトレンチの幅に沿った方向を向いた軸を有する浅いトレンチ内の孔の列の代わりに、実質的に対応するトレンチの長さ方向を向いた対応する中心軸を有する孔が使用される。浅いトレンチを使用すると、膜冷却の広がりが増大し、それにより、膜冷却が、自由流れ乱流効果の影響を受けにくくなり、タービンエーロフォイルの表面の付着物による影響に対しても強くなる。本明細書に記載した実施形態は円形の孔の使用に限定されないこと、及び他の多くの孔形状を使用して、本明細書に記載した原理に基づく利点を提供することができることを理解されたい。

トレンチの方向に対して直角の方向（すなわちトレンチの幅に沿った方向）ではなく、トレンチの方向に沿ってある角度をなして基材を貫通するように、膜孔、一般に膜孔の列の向きを定めると、膜ジェットが、側壁又は他の障害物に当たることなくトレンチ内へ流入する。この冷却材流は、より容易にトレンチを満たし、その後、ほぼ均一な膜冷却層として、構成部品の空力外表面上に流出する。この構造は、さもなければ固定された方向を向くように製造により制約される、放射状であるシャワーヘッド膜列、円周状（アジマス状（ａｚｉｍｕｔｈａｌ））である前方端壁膜列などの膜孔の列に対して特に有益である。膜冷却孔を、トレンチの長さに沿った方向に向けることは、それによりトレンチが、冷却材が本流熱ガスと相互作用する前に冷却材が広がるための緩衝領域の働きをするため、個々の孔と孔の間隔がより大きな膜列にとっても利益になる。

一実施形態によれば、浅いトレンチ（１つ又は複数）は、構成部品の保護コーティング内に形成することができる。他の実施形態によれば、浅いトレンチ（１つ又は複数）を、基材内に部分的に延びるように形成することもできる。これらの実施形態は、幾何形状及び製造面において制約される一般的なエーロフォイル位置に対する膜冷却効果を向上させる。このような領域は、こうしないと、軸方向を向いた膜孔又は一様に成形された膜孔出口を使用することができないと考えられる。特定の実施形態は、知られている構造によって達成可能なものに比べて、エーロフォイルの領域膜冷却を約２５％向上させることが分かった。本明細書に記載した実施形態は、タービンに対する冷却流を全体として減らし、商業的に提供される効率を向上させることができるという利点を提供する。

ボンドコート（ｂｏｎｄｃｏａｔ）としても知られている接着層、ならびにＴＢＣトップコートは、複数の層又は組成物からなることができることを理解されたい。本明細書に記載した実施形態は、それぞれ１種類の組成物だけからなる単純なボンドコート及びトップコートに限定されない。今日の例示的な製品は少なくとも２層ボンドコート系を使用する。また、浅いトレンチは、トップコート内だけに形成され、又はボンドコート内に延びるように形成され、或いは基材内に延びるように形成されることがある。これは、このような浅いトレンチの深さ範囲が、使用される相対的な厚さに依存するためである。

本明細書では、本発明のある種の特徴だけを示し、説明したが、当業者には、多くの修正及び変更が明白であろう。従って、添付の特許請求の範囲は、このような修正及び変更の全てを、本発明の真の趣旨に含まれるものとしてカバーすることが意図されている。

１０ エーロフォイル部品
１２ 膜冷却孔
１４ 浅いトレンチ
１６ 浅いトレンチの側壁
１８ 膜冷却孔１２の中心軸
３０ 熱ガス
３２ 膜冷却材流
４０ エーロフォイル部品
４２ 膜冷却孔
４４ 膜冷却孔４２の中心軸
４６ 浅いトレンチ１４の長さ方向
５０ シャワーヘッド膜冷却領域
６０ 基材
６２ 基材６０の熱い表面
６４ 基材６０のより冷たい表面
７０ 基材６０の接着層
７２ 基材６０の遮熱コーティング
７３ コーティングされた表面
７６ 膜冷却孔４２の平均のど直径
８０ トレンチ１４の底面

Claims (10)

1. 少なくとも１つのトレンチを備えるタービンエーロフォイルであって、
   各トレンチが、複数の膜孔を含み、
   前記複数の膜孔が、各トレンチ内に配置され、対応するトレンチの長さ方向に沿って位置し、実質的に対応するトレンチの長さ方向で、ある角度をなして、対応するエーロフォイル基材を貫通し、
   前記トレンチの深さが、対応する膜孔の平均のど直径よりも小さく、
   前記タービンエーロフォイルはさらに、
   前記対応するエーロフォイル基材の表面に接着された接着層と、
   前記接着層の反対面に付着させた、上を覆う遮熱コーティングと、
   を備え、
   前記トレンチが、前記接着層及び前記上を覆う遮熱コーティングを貫通し、さらに、各膜孔が、前記エーロフォイル基材を貫通する、
   タービンエーロフォイル。
2. それぞれの膜孔の中心軸とその対応するトレンチの底面との間の角度が、約１５度から約５０度である、請求項１に記載のタービンエーロフォイル。
3. 各トレンチが、トレンチの幅を画定する方向と同じ方向に測定した対応する膜孔の最大出口幅に実質的に等しい幅を含む、請求項１または２に記載のタービンエーロフォイル。
4. 各トレンチが、対応する膜孔の最大出口フットプリント幅の約１．０から約１．５倍の幅を含む、請求項１から３のいずれかに記載のタービンエーロフォイル。
5. 各トレンチが実質的に長方形であり、前記トレンチの底面に対して約７０度から約９０度の角度を有する側壁を備える、請求項１から４のいずれかに記載のタービンエーロフォイル。
6. 長さ及び幅を有する少なくとも１つのトレンチを備える膜冷却式の空力構成部品であって、
   各トレンチが、前記トレンチの長さ方向に沿って中に配置された複数の膜孔を備え、
   各膜孔が、実質的に対応するトレンチの長さ方向で、ある角度をなして、前記空力構成部品を貫通し、
   前記トレンチの深さが、対応する膜孔の平均のど直径よりも小さく、
   前記空力構成部品はさらに、
   空力構成部品基材と、
   前記空力構成部品基材の表面に接着された接着層と、
   前記接着層の反対面に付着させた、上を覆う遮熱コーティングと、
   をさらに備え、
   前記トレンチが、前記接着層及び前記上を覆う遮熱コーティングを貫通し、さらに、各膜孔が、前記空力構成部品基材を貫通した、
   膜冷却式空力構成部品。
7. 前記トレンチがさらに、前記空力構成部品基材に部分的に陥入した、請求項６に記載の膜冷却式空力構成部品。
8. 各トレンチが、トレンチの幅を画定する方向と同じ方向に測定した対応する膜孔の最大出口幅に実質的に等しい幅を含む、請求項６または７に記載の膜冷却式空力構成部品。
9. 各トレンチが、対応する膜孔の最大出口フットプリント幅の約１．０から約１．５倍の幅を含む、請求項６から８のいずれかに記載の膜冷却式空力構成部品。
10. 各トレンチが実質的に長方形であり、前記トレンチの底面に対して約７０度から約９０度の角度を有する側壁を備える、請求項６から９のいずれかに記載の膜冷却式空力構成部品。
    

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