JP6120995B2 - 砂時計型断面を備えた冷却チャネルを有する構成要素および対応するタービンエアフォイル構成要素 - Google Patents

Description

本出願は、２０１１年１月６日に出願された米国出願第１２／９８５，５５３号（代理人整理番号２０１０Ｐ１２６０９ＵＳ）の一部継続出願であり、当該米国出願は、本明細書において参照により援用される。

連邦政府による援助を受けた開発に関する声明
本発明の開発は、米国エネルギー省によって与えられた契約番号ＤＥ−ＦＣ２６−０５ＮＴ４２６４４によって一部援助を受けた。したがって、米国政府は、本発明において一定の権利を有し得る。

発明の背景
ガスタービンの高温ガス流路における構成要素（部品）は、しばしば、冷却チャネルを有する。冷却効力は、これらの構成要素における熱応力を最小化するために重要であり、冷却効率は、冷却のために圧縮機から分岐される空気の量を最小化するために重要である。膜冷却は、内部冷却チャネルから、穴を通して、構成要素の外側表面上に冷却空気の膜を供給する。膜冷却は、大量の冷却空気が必要とされるため効率が悪い。したがって、膜冷却は、他の技術と組み合わせて選択的に使用されてきた。衝突冷却という技術では、表面に対して冷却空気の衝突噴流を生成するために、穴の開いたバッフルを表面から離間している。蛇行冷却チャネルは、ブレードおよびベーンなどのエアフォイルを含むタービン構成要素に設けられている。本発明は、冷却チャネルにおける効力および効率を増加させる。

本発明は、以下に説明する図面と関連させて、以下の記載において説明される。

図１は、冷却チャネルを有するタービンブレードの側断面図である。 図２は、本発明の態様を示す冷却チャネルを有する、図１の線２−２でとられたエアフォイル後縁の断面図である。 図３は、本発明の態様にしたがう冷却チャネルの横断プロファイルである。 図４は、片側壁近傍冷却チャネルの断面図である。 図５は、テーパ付けされた構成要素における冷却チャネルの断面図である。 図６は、砂時計形状の冷却チャネルを有するタービンエアフォイルの横断方向断面図である。 図７は、砂時計形状の冷却チャネルのためのモールドのためのセラミックコアを成形する工程を示す。 図８は、ピーク付きタービュレータによって画定された収束側面を有する砂時計形状の冷却チャネルの横断方向断面図を示す。 図９は、壁近傍内側表面上のフィンと組み合わされた、図８の実施形態を示す。 図１０は、凸状の上流側を有するピーク付きタービュレータを示している、図８の線１０−１０に沿ってとられた図である。

発明の詳細な記載
図１は、前縁２１と後縁２３とを有するタービンブレード２０の断面図である。タービン圧縮機からの冷却空気２２が、ブレード付け根２６の入口２４から入って、ブレード内のチャネル２８、２９、３０、３１を流れる。冷却体の一部は、膜冷却穴３２から出る。ブレードの後縁部分ＴＥは、タービュレータピン３４と出口チャネル３６とを有する。各矢印２２は、この矢印の場所における冷却体全体の流れの方向を指示しており、これは、この点における卓越的または平均的な流れの方向を意味する。

図２は、図１の線２−２に沿ってとられた、タービンエアフォイルの後縁部分ＴＥの断面図である。後縁部分は、エアフォイルの吸引側壁４１および圧力側壁４３に、第１の外部表面４０および第２の外部表面４２を有する。本発明の態様によると、冷却チャネル３６は、外部壁４１の内側表面４８および外部壁４３の内側表面５０にフィン４４を有する。これらの内側表面４８および５０は、当該分野において、「壁近傍内側表面」と呼ばれ、冷却される外部表面に最も近い、冷却チャネルの内部表面を意味する。チャネル間の間隔Ｇは、冷却の効率および均一性に不均衡を生じさせる。本発明者らは、冷却チャネルのコーナＣが間隔Ｇに最も近いために、これらのコーナにおける冷却率を増加させることによって、冷却効力、効率および均一性が向上することを認識した。この優先的な冷却を達成する１つの方法は、砂時計形状のチャネルプロファイルを設けることであり、このチャネルプロファイルにおいて、チャネルの側面５２および５４は、第１の内側表面４８および第２の内側表面５０のそれぞれの幅よりも狭い腰部を形成する。この腰部は、チャネルの中央部における流れ抵抗を増加させるように機能して、冷却体を、チャネルのコーナに向かって押し出す。チャネルの中央部における冷却体の流れは熱伝達表面に接触しないが、コーナにおける流れは熱を除去するように機能するので、本発明は、冷却の効率を増加させることに有効である。

図３は、２つの対向する外部表面を効率的に冷却するような形状である、冷却チャネルの横断方向断面プロファイル４６である。このチャネルは、後縁チャネル３６、または、図１におけるチャネル２９および３０のような任意の他の冷却チャネルである。このチャネルは、２つの対向する壁近傍内側表面４８および５０を有し、これらは、図２のそれぞれの外部表面４０および４２に平行である。本明細書において、「平行」とは、フィン４４を考慮に入れない、外部表面に最も近い壁近傍内側表面の一部分に関することを意味している。このチャネルは、壁近傍内側表面４８および５０において、幅Ｗ１およびＷ３を有する。２つの内部側面５２および５４は、内側表面４８および５０の側から、互いに向かってテーパ付けされており、側面において最小チャネル幅Ｗ２または腰部を画定する。内側表面の幅Ｗ１およびＷ３は、腰部幅Ｗ２よりも大きく、そのため、チャネルプロファイル４６は、側面５２および５４の凸面によって形成された砂時計形状を有する。この形状は、チャネルのコーナＣに向かう冷却体の流れ２５を増加させる。冷却体の全体的な流れの方向は、この図において紙面に垂直である。矢印２５は、砂時計形状を有さないチャネル、および／または、次に説明するフィンを有さないチャネルと比べて、プロファイル４６の、流れが増加する向きを示している。

フィン４４は、内側表面４８および５０に設けられる。これらのフィンは、図３の面に垂直な全体的な流れの方向２２（図１）に整列されている。フィンが設けられている場合、フィンは、５６Ａまたは５６Ｂのような凸状プロファイルにしたがう高さを有し、この凸状プロファイルは、壁近傍内側表面４８および／または５０の幅の中央において最大のフィン高さＨを与える。これらのフィン４４は、壁近傍内側表面４８および５０の表面積を増加させ、同様に、コーナＣにおける流れ２５を増加させる。比較的高さのある中央のフィンは、中心への流れを低減し、一方で、比較的高さが低い遠位のフィンは、コーナＣにおける流れ２５を助長する。凸状側部５２、５４と、凸状のフィンの高さプロファイル５６Ａ、５６Ｂとの組み合わせにより、チャネルのコーナＣに向かって冷却を集中させる共同作用が提供される。

チャネルプロファイル４６の寸法は、公知の工学的方法を用いて選択される。図示されている比率は、例示としてのみ与えられている。比率は、図面に例示された関連のある態様であるので、以下の長さの単位は無次元であり、任意の測定単位において比例してサイズ合わせされる。一実施形態において、相対的寸法は、Ｂ＝１．００、Ｄ＝０．０５、Ｈ＝０．２０、Ｗ１＝１．００、Ｗ２＝０．６０である。この例において、側部テーパ角Ａ＝−３０°である。本明細書において、プロファイル４６における側部５２および５４の負のテーパ角Ａは、側部が、互いに向かって、かつ、内側表面４８と５０との間の中間位置に向かって収束していることを意味しており、示されるように、腰部Ｗ２を形成する。いくつかの実施形態において、テーパ角Ａは−１°から−３０°の範囲にある。腰部幅Ｗ２は、テーパ角によって決定される。代替的に、特定の実施形態において、Ｗ２は、壁近傍幅Ｗ１およびＷ３の一方または両方の８０％以下であり、あるいは、６５％以下である。１つ以上の比率および／または寸法は、冷却チャネルの長さによって変わる。たとえば、寸法Ｂは、エアフォイルの厚さによって変わる。２つの内側表面４８および５０の幅Ｗ１およびＷ３は、いくつかの実施形態において互いに異なっても良い。この場合には、腰部Ｗ２は、幅Ｗ１およびＷ３のそれぞれよりも狭い。

図４は、単一の外部表面４０または４２を冷却するように形成された冷却チャネル３６Ｂを示す。冷却チャネル３６Ｂは、上述の冷却チャネル３６のフィンおよびテーパ角に関するコンセプトを用いる。壁近傍内側表面幅Ｗ１は、テーパ付けされた内部側面５２および５４によって、最小チャネル幅Ｗ２よりも大きい。フィン４４は、壁近傍内側表面４８に設けられており、壁近傍内側表面の幅Ｗ１の中心に凸状となる高さプロファイルを有する。このような冷却チャネル３６Ｂは、たとえば、図３の冷却プロファイル４６が使用されている後縁部分ＴＥの比較的薄い部分より、むしろ、エアフォイルの後縁部分ＴＥの比較的厚い部分において使用される。この実施形態の横断方向断面プロファイルは台形であり、ここでは、壁近傍内側表面４８がその最も長い側部を画定する。

図５は、外部表面４０および４２が、チャネル３６の横断方向断面において平行でないことを示している。壁近傍内側表面４８および５０は、外部表面４０および４２に平行である。

図６は、砂時計形状のスパン方向冷却チャネル６３、６４、６５および６６を有するタービンエアフォイル６０の横断方向断面を示している。本明細書において、「スパン方向」は、チャネルが、エアフォイルの半径方向内側端部と半径方向外側端部との間の方向に向けられていることを意味している。「半径方向」は、タービンの回転軸に対する方向である。たとえば、図１において、チャネル２８、２９、３０および３１は、スパン方向チャネルである。これらのチャネルは、オプションで、図３に関して上述したようなフィン４４を有する。

図７は、エアフォイルモールドのためのセラミックコア７４および７５を形成する工程を示している。これらのコアは、エアフォイル６０を鋳造した後に化学的に除去される。可撓性ダイ８４Ａ、８４Ｂ、８５Ａ、８５Ｂまたは可撓性のライナを有するダイが、セラミック成形体のコア７４および７５を形成するために使用され、セラミック成形体のコア７４、７５は、上記ダイを、介在点９１を超えて８９方向に弾性的に引っ張るために十分な堅さである。このような技術は、たとえば、ヴァージニア州シャーロットビルのＭｉｋｒｏ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｃ．に譲り受けされた米国特許第７，１４１，８１２号および同７，４１０，６０６号および同７，４１１，２０４号に教示されている。たとえば、−１°から−３°のような小さな負のテーパ角でさえ、従来の堅いダイの除去に必要とされる正のテーパ角と比較すると、冷却効率に対しては有意で有用である。

図８は、タービュレータ９２によって画定された収束側面５２および５４を有する砂時計形状の冷却チャネル６５の横断方向断面図を示している。各タービュレータは、冷却チャネルの腰部を画定する、タービュレータの中央部分にピーク９７を有する。タービュレータの側面５２および５４は、上述した範囲、または、特に、−２°〜−５°の範囲（図示されているのは−５°）のテーパ範囲を有する。タービュレータ９２は、（図示されているような）平坦である、または、（図示されていない）正のテーパを有する、表面９５、９６と替えられても良い。

図９は、壁近傍内側表面４８および５０に、上述されたプロファイルを有するフィン４４が組み合わされた図８の実施形態を示している。

図１０は、図８の線１０−１０に沿ってとられた図であり、凸状の上流側９３と直線状の下流側９４とを有するピーク付きのタービュレータ９２を示している。凸状の上流側９３は、流れ２２をコーナＣに向かって押し出す。直線状の下流側９４は、図７のダイ８４Ａ、８４Ｂ、８５Ａ、８５Ｂを、コア７４、７５に垂直に、まっすぐに引っ張ることを促進する。代替的に、タービュレータの下流側９４は、たとえば、上流側９３に平行に、凸状であってもよい（図示せず）。

図８−１０の実施形態は、図７の費用対効果の良い工程を使用して製造される。タービュレータ９２は、冷却体の流れを、壁近傍内側表面４８および５０に向けて、かつ、コーナＣに向けて集中させる。タービュレータ９２は、流れ２２を中心で遅くさせ、一方で、内側表面４８および５０に向けて流れ２２を集中させ、ここで、リブ４４は、外部表面４０、４２から熱を伝達し、流れ２２をコーナＣに向けて増加させるので、図９に示されている、組み合わせ特徴は、特に、有効で、効率が良い。

本発明の砂時計形状のチャネルは、任意の壁近傍冷却の用途、たとえば、ベーン、ブレード、シュラウド、および、可能性としては、ガスタービンの燃焼器および移行ダクトにおいて有用である。これらは、特に、平行な流れまたは交互に蛇行する流れと平行な一連のチャネルにおいて、冷却の均一性を増加させる。本発明のチャネルは、公知の製造技術によって、たとえば、鋳造後に化学的に除去されるポジのセラミックコア上にエアフォイルを鋳造することによって、形成される。

本発明の利点は、チャネルの壁近傍の遠位のコーナＣが、所与の冷却体の流量について、従来の冷却チャネルよりも多くの熱を除去することである。このことは、コーナにおいて、よりゆっくりと流れる冷却体の傾向を克服することによって、冷却の効力、効率および均一性を向上させる。コーナの冷却が増加することにより、チャネル間の間隔Ｇの冷却を補償することに役立つ。本発明は、また、フィン４４の使用によって、冷却されるべき主表面４０、４２からの熱伝達を増加させる。

本発明の種々の実施形態が、本明細書において示され、説明されてきたが、このような実施形態が、単なる例示の目的のためだけに提供されていることは明らかである。多くの変化形、変更および置換が、本明細書の発明から逸脱することなしになされ得る。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神および範囲によってのみ限定されることが意図される。

Claims (9)

1. 内部冷却チャネルを備えた構成要素であって、
   前記内部冷却チャネルが、
   前記構成要素の第１の外部壁の第１の内側表面および前記構成要素の第２の外部壁の第２の内側表面と、
   前記第１の内側表面と前記第２の内側表面との間に広がる第１の側面および第２の側面と、
   をさらに備えており、
   前記内部冷却チャネルの横断方向断面は、砂時計形状のプロファイルを有しており、前記砂時計形状のプロファイルにおいて、前記第１の側面および前記第２の側面は、互いに向かって、前記第１の内側表面および前記第２の内側表面のそれぞれの幅よりも狭い幅の腰部まで、テーパ付けされており、
   前記内部冷却チャネル内の冷却体の流れの全体的な方向は、前記砂時計形状のプロファイルに垂直であり、
   前記構成要素は、前記第１の側面および前記第２の側面のそれぞれに複数のタービュレータをさらに備え、前記複数のタービュレータは、前記冷却体を、前記第１の内側表面および前記第２の内側表面に向かって押し出し、各タービュレータの中央部分にあるピークは、前記内部冷却チャネルの前記腰部を画定し、
   各タービュレータは、凸状の上流側と直線状の下流側とを備えている、
   構成要素。
2. 前記第１の内側表面および前記第２の内側表面は、それぞれの前記外部壁の外側表面のそれぞれの第１の部分および第２の部分に平行である、
   請求項１記載の構成要素。
3. 前記第１の外部壁および前記第２の外部壁は、それぞれ、タービンエアフォイルの圧力側および吸引側である、
   請求項１記載の構成要素。
4. 前記腰部は、前記第１の内側表面および前記第２の内側表面のうちの少なくとも一方の幅の８０％以下の幅を有する、
   請求項１記載の構成要素。
5. 前記第１の側面および前記第２の側面のそれぞれが、前記プロファイルにおけるテーパ角を有しており、前記テーパ角は、前記２つの側面の各対応する端部の間の直線に対して、前記腰部に向かって、少なくとも−１°である、
   請求項１記載の構成要素。
6. 横断方向の高さプロファイルを有する複数の平行なフィンをさらに備えており、前記横断方向の高さプロファイルは、前記第１の内側表面および前記第２の内側表面のうちの少なくとも一方の幅にわたって凸状であり、前記複数の平行なフィンは、前記冷却体の流れの方向に向けられている、
   請求項１記載の構成要素。
7. 前記第１の内側表面および前記第２の内側表面のそれぞれにある、前記冷却体の流れの方向に向けられた複数の平行なフィンであって、前記複数のフィンの隣接するピークを横断方向につないだ高さプロファイルは、前記第１の内側表面および前記第２の内側表面のそれぞれの幅にわたって凸状である、複数の平行なフィンと、
   前記第１の側面および前記第２の側面のそれぞれにある複数のタービュレータであって、各タービュレータは、凸状の上流側と、前記内部冷却チャネルの前記腰部を画定する前記タービュレータの中央部分にあるピークとを備えている、複数のタービュレータと、
   をさらに備えている、
   請求項１記載の構成要素。
8. 後縁部分に冷却体出口チャネルを備えているタービンエアフォイル構成要素であって、
   前記冷却体出口チャネルが、第１の壁近傍内側表面および第２の壁近傍内側表面と、前記第１の壁近傍内側表面と前記第２の壁近傍内側表面との間にある２つの内部側面と、前記第１の壁近傍内側表面と前記第２の壁近傍内側表面のそれぞれにある複数のフィンと、をさらに備えており、
   前記第１の壁近傍内側表面および前記第２の壁近傍内側表面は、前記後縁部分のそれぞれの第１の外部表面および第２の外部表面に平行であり、
   前記２つの内部側面は、前記第１の壁近傍内側表面と前記第２の壁近傍内側表面との間の中間位置にある腰部に収束して、前記冷却体出口チャネルの砂時計形状の横断プロファイルを形成し、
   前記複数のフィンは、前記冷却体出口チャネルの全体的な流れの方向に整列されており、前記複数のフィンは、各壁近傍内側表面の幅にわたって凸状の高さプロファイルを有し、
   前記タービンエアフォイル構成要素は、前記２つの内部側面のそれぞれに複数のタービュレータをさらに備え、前記複数のタービュレータは、前記冷却体の流れを、前記第１の壁近傍内側表面と前記第２の壁近傍内側表面に向かって押し出し、各タービュレータの中間部分にあるピークが、前記冷却体出口チャネルの前記腰部を画定し、
   各タービュレータは、凸状の上流側と直線状の下流側とを備えている、
   タービンエアフォイル構成要素。
9. 冷却チャネルを備えている構成要素であって、
   前記冷却チャネルが、
   前記構成要素の第１の外部表面に平行な第１の内側表面と、
   前記第１の内側表面において広くなり、前記第１の内側表面から離れると狭くなる、テーパ付けされた横断方向断面プロファイルと、
   横断方向の高さプロファイルを有する複数の平行なフィンであって、前記横断方向の高さプロファイルは、前記第１の内側表面の幅にわたって凸状であり、前記複数の平行なフィンは、前記冷却チャネルの冷却体の流れの方向に向けられている、複数の平行なフィンと、
   をさらに備えており、
   前記冷却チャネルは、前記冷却チャネルのコーナに向かって、前記冷却チャネル内の冷却体の流れを押し出すように機能し、
   前記構成要素は、
   前記構成要素の第２の外部表面に平行な第２の内側表面と、
   前記第１の内側表面と前記第２の内側表面との間に広がる第１の内部側面および第２の内部側面と、
   前記冷却チャネルの前記第１の内部側面および前記第２の内部側面のそれぞれにある複数のタービュレータであって、前記複数のタービュレータは、前記冷却体の流れを、前記第１の内側表面と前記第２の内側表面に向かって押し出し、各タービュレータの中間部分にあるピークが、前記冷却チャネルの腰部を画定し、前記腰部は、前記第１の内側表面および前記第２の内側表面のいずれかの幅よりも狭い、複数のタービュレータと、
   をさらに備えており、
   各タービュレータは、凸状の上流側と直線状の下流側とを備えている、
   構成要素。

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