JP6397182B2 - エアフォイル及びエアフォイルプラットフォームの冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は一般に、エアフォイル及びエアフォイルプラットフォームの冷却方法に関する。

タービンは多様な航空機、産業用、及び発電の用途で仕事を行うために広く使用されている。各々のタービンは一般に周囲方向に実装された静止ベーンと回転ブレードの交互の段を含んでいる。各々の静止ベーンと回転ブレードとは、プラットフォームに接続されたエアフォイルを含んでもよい。蒸気、燃焼ガス、又は空気などの圧縮された作動流体はタービン内の静止ベーンと回転ブレードとを横切るガス通路に沿って流れる。静止ベーンは回転ブレードに運動を付与し、仕事を行うために圧縮作動流体を加速させ、回転ブレードの後続の段に向ける。

一般に圧縮作動流体の温度が上昇すると、タービンの性能、効率及び／又は出力が向上する。しかし、温度の上昇は静止ベーンと回転ブレードのエアフォイル及びプラットフォームに腐食、クリープ、及び／又は低サイクル疲労を誘発する。エアフォイル及び／又はプラットフォームを通して放出される冷却用媒体はこれらの表面全体にわたる膜冷却を行い、エアフォイル及び／又はプラットフォーム内のトレンチはこれらの表面全体にわたる冷却用媒体の均一な分布を促進し得る。しかし、トレンチへの腐食又はその他の損傷により、エアフォイル及び／又はプラットフォーム全体にわたって冷却用媒体が流動することがあり、その結果、エアフォイル及び／又はプラットフォームの冷却が不均一になる。

米国特許第７４１６３９１号明細書

したがって、エアフォイル及び／又はプラットフォームの外表面全体にわたる冷却用媒体の分布を変更する改良型のエアフォイル及びエアフォイルプラットフォームの冷却方法は有用であろう。

本発明の態様及び利点は以下の説明で開示され、又は説明から明らかになり、又は本発明の実践を通して習得されよう。

本発明の一実施形態は、前縁、前縁の下流側の後縁、及び前縁と後縁との間の凸表面を含むエアフォイルである。外表面の内側に空洞が設けられ、プラットフォームが外表面に接続され、外表面の少なくとも一部の周囲に上表面を画成している。第１の複数のトレンチが前縁の上流側のプラットフォームの上表面の下に設けられ、第１の複数のトレンチの各々のトレンチは外表面の内側の空洞と流体連通している。第１の複数の冷却用通路は、第１の複数のトレンチからプラットフォームの上表面を通る流体連通をもたらす。

本発明の別の実施形態は、前縁、前縁の上流側の後縁、及び前縁と後縁との間の凸表面を含むエアフォイルである。外表面の内側に空洞が設けられ、プラットフォームが外表面に接続され、外表面の少なくとも一部の周囲に上表面を画成している。プラットフォームの内側のプレナムが空洞と流体連通し、複数の別個のチャンバを画成している。第１の複数のトレンチが前縁の上流側の上表面の下に設けられ、第１の複数のトランチの各々のトレンチはプラットフォームの上表面と実質的に平行であり、プレナムと流体連通している。第１の複数の冷却用通路は、第１の複数のトレンチからプラットフォームの上表面を通る流体連通をもたらす。

更に別の実施形態は、タービンはケーシングと、ケーシングの内側に周方向に配置された複数のエアフォイルとを含んでいる。各々のエアフォイルは前縁、前縁の下流側の後縁、及び前縁と後縁との間の凸表面を含んでいる。各々のエアフォイルの内側に空洞が設けられ、プラットフォームが各々のエアフォイルの外表面に接続され、各々のエアフォイルの外表面の少なくとも一部の周囲に上表面を画成している。第１の複数のトレンチが前縁の上流側の各々のプラットフォームの上表面の下に設けられ、第１の複数のトレンチの各々のトレンチは各々のエアフォイルの内側の空洞と流体連通している。第１の複数の冷却用通路は、第１の複数のトレンチから各々のプラットフォームの上表面を通る流体連通をもたらす。

当業者は明細書を検討することによって上記のような、及びその他の実施形態の特徴及び態様をより理解するであろう。

最良の形態を含め、当業者への本発明の完全な且つ実施可能な開示が、添付図面の参照を含め、特に本明細書の以下の部分により具体的に記載される。

本発明の様残な実施可能を組み込んでもよい例示的タービンの簡略断面図である。 本発明の一実施可能による図１に示すエアフォイルの斜視図である。 図２に示すエアフォイルの前面の拡大斜視図である。 図２に示すエアフォイルの平面図である。 本発明の代替実施形態による図２に示すエアフォイルの平面図である。

次に、１つ又は複数の実施例が添付図面に示されている本発明の実施形態を詳細に参照する。詳細な説明は、図中の特徴を示すために数字及び文字表示を用いている。図及び説明中の同一の、又は同様の表示は本発明の同一の、又は同様の部品を示すために用いられている。本明細書で用いる「第１の」、「第２の」及び「第３の」という用語は１つのコンポーネントと他のコンポーネントとを区別するために置き換え可能に用いてもよく、個々のコンポーネントの位置又は重要性を示すことを意図するものではない。加えて、「上流側」及び「下流側」という用語は流体通路内のコンポーネントの相対位置を示す。例えば、流体がコンポーネントＡからコンポーネントＢへと流れる場合は、コンポーネントＡはコンポーネントＢの上流側にある。逆に、コンポーネントＢがコンポーネントＡから流体を受ける場合は、コンポーネントＢはコンポーネントＡの下流側にある。

各々の実施例は本発明を限定するためではなく、本発明を説明するために提示される。実際に、本発明の範囲又は趣旨から逸脱することなく修正及び変更が可能であることは当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として図示、又は記載された特徴が別の実施形態で使用されて、更に別の実施形態を生みだしてもよい。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲及びそれらの等価物の範囲に含まれるこのような修正及び変更を網羅することを意図するものである。

次に図面全体を通して同一の番号が同一の要素を示す図面を参照すると、図１は本発明の様々な実施形態による例示的タービン１０の簡略横断面図を示している。図１に示すように、タービン１０は一般にロータ１２と、タービン１０を通るガス通路１６を少なくとも部分的に画成するケーシング１４とを含んでいる。ロータ１２は一般に、タービン１０の軸方向の中心線１８と位置合わせされ、発電機、圧縮機、又は仕事を生成するその他の機械に接続されてもよい。ロータ１２は、ボルト２４によって互いに接続され、一体となって回転するロータホイール２０とロータスペーサ２２の交互のセクションを含んでもよい。ガス通路１６を通って流れる圧縮作動流体２６を収容するようにロータ１２の少なくとも一部を囲んでいる。圧縮作動流体２６には、例えば燃焼ガス、圧縮空気、飽和蒸気、又はこれらの混合物が含まれてもよい。

図１に示すように、タービン１０は更に、ケーシング１４の内側に、又、ロータ１２の周囲に周方向にロータ１２とケーシング１４との間に径方向に延在するように配置された回転ブレード３０と固定ベーン３２の交互の段を含んでいる。回転ブレード３０は当技術分野で知られる様々な手段を使用してロータホイール２０に接続される。これに対して、固定ベーン３２は、ロータスペーサ２２とは反対側のケーシング１４の内側の周囲に周方向に配置されてもよい。回転ブレード３０と固定ベーン３２の各々は一般に、当技術分野で知られるように、一凹表面の圧力側、凸表面の吸引側、及び前縁と後縁とを有するエアフォイルの形状を有している。圧縮作動流体２６は、図１に示すように、タービン１０を通ってガス通路１６に沿って左から右に流れる。圧縮作動流体２６が回転ブレード３０の第１段を通過すると、圧縮作動流体は膨張し、回転ブレード３０と、ロータホイール２０と、ロータスペーサ２２と、ボルト２４と、ロータ１２とを回転させる。圧縮作動流体２６は次いで固定ベーン３２の次の段を横切って流れ、それによって圧縮作動流体２６を加速させ、且つ回転ブレード３０の次の段へと方向転換させ、プロセスは以下の段についても反復される。図１に示す例示的実施形態では、タービン１０は回転ブレード３０の３つの段の間に２段の固定ベーン３２を有している。しかし、当業者は、特許請求の範囲に特に記載されない限り、回転ブレード３０と固定ベーン３２の段の数は本発明の限定性ではないことが容易に理解されよう。

図２は、本発明の一実施形態による図１に示したエアフォイル４０の斜視図を示す。前述のようにエアフォイル４０は、圧縮作動流体２６に関連する運動エネルギを機械エネルギに変換するためにタービン１０内の回転ブレード３０又は固定ベーン３２に組み込まれてもよい。図２に示すように、エアフォイル４０は一般に、プラットフォーム４４に接続された外表面４２を含んでいる。外表面４２は一般に、前縁４６と、前縁４６の下流側の後縁４６とを有する空気力学的形状を画成する。前縁４６と後縁４８との間の凹表面５２とは逆の凸表面５０は、圧縮作動流体２６がそれを越えて流れる空気力学的形状を形成する。

プラットフォーム４４は一般に、一般にタービン１０の内側のガス通路１６の径方向の境界として機能する外表面４２の少なくとも一部の周囲に上表面５４を画成する。特定の実施形態では、プラットフォーム４４の上表面５４の一部又は全部は、上表面５４の熱防護を増強する熱遮蔽コーテイング５６を含んでもよい。熱遮蔽コーテイング５６は、以下の特徴の１つ又は複数を含んでもよい。すなわち、低い熱放射率、又は高い熱反射率、平滑な仕上がり、及び下にある上表面５４への良好な接着である。例えば、当技術分野で知られている熱遮蔽コーテイングは、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）、マグネシア（ＭｇＯ）、又はその他の酸化貴金属で部分的、又は全面的に安定化されたジルコニア（ＺｒＯ₂）などの酸化金属を含んでいる。選択された熱遮蔽コーテイング５６は、ひずみ耐性がある柱状の粒子構造を生じる大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）、又は電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）などの物理蒸着（ＰＶＤ）技術を用いた従来の方法で蒸着されてもよい。選択された熱遮蔽コーテイング５６は更に、例えば本発明と同一の譲受人に譲渡された米国特許第６、１６５、６００号に記載されているような下地基板に貼付するために引き続いて転写されるテープを形成する上記の方法のいずれかの組み合わせを用いて施されてもよい。しかし、熱遮蔽コーテイング５６の特定の材料及び適用方法は、特許請求の範囲に特に記載されないかぎり、本発明の限定性ではないことが当業者には容易に理解されよう。

図３は、エアフォイル４０の前面の拡大斜視図を示しており、図４は図２に示すエアフォイル４０の平面図を示している。図２〜４に示すように、エアフォイル４０は、プラットフォーム４４の上表面５４の下の一連のトレンチ６０と流体連通している外表面４２の内側の空洞５８を含んでもよい。空洞５８は、鋳造、成形、又は押出し成形などの当技術分野で知られている様々な方法によって形成されてもよい。特定の実施形態では、空洞５８は外表面４３の内側の蛇行する通路を画成してもよく、又、空気や蒸気などの冷却用媒体は空洞５８を通って流れて、エアフォイル４０の外表面４２から対流式に、及び／又は伝導式に除熱してもよい。

トレンチ６０は、ドリル、研磨などの当技術分野で知られる方法、又は電子放電機械（ＥＤＭ）技術を用いて形成されてもよい。トレンチ６０はプラットフォーム４４のどの位置に形成されてもよく、直線的でもアーチ状でもよく、可変的な長さ、幅、及び／又は深さを有してもよく、トレンチ６０を通る冷却用媒体の分布を変更するために互いに位置合わせされてもよく、ずらして配置されてもよい。図３及び４に最も明解にされるように、トレンチ６０は例えば、プラットフォーム４４を横切り、前縁４６の上流側の上表面５４と実質的に平行に延びる、互いにずらされ、又は重複する列に配置されてもよい。

図３及び４に更に示されるように、プラットフォーム４４の内側のプレナム６２は、空洞５８及びトレンチ６０の様々な部分の間の流体連通をもたらしてもよい。特定の実施形態では、プレナム６２は複数のチャンバ６４に区分されてもよく、各々のチャンバ６４は空洞５８の一部を特定のトレンチ群６０に接続してもよい。例えば、第１群の供給通路６６は、空洞５８の異なる部分とプレナム６２内の別個のチャンバ６４との間の流体連通をもたらしてもよく、第２群の供給通路６８は、プレナム６２内の別個のチャンバ６４と特定のトレンチ６０との間の流体連通をもたらしてもよい。空洞５８の内部を流れる冷却用媒体の圧力は、空洞５８内の位置に応じてやや変化する。その結果、各々のチャンバ６４に、又、各々のチャンバ６４から各々のトレンチ６０に供給される冷却用媒体の圧力及び流量は、第１群の供給通路６６が空洞５８内に分岐する位置に応じて変化する。このようにして、プレナム６２内のチャンバ６４と、関連する第１群及び第２群の供給通路６６，６８との組み合わせによって、より高温にさらされ、又は従来から高い腐食、クリープ、及び／又は低サイクル疲労を受ける特定のトレンチ６０により多くの冷却用媒体を供給できるようになる。

トレンチ６０に供給される冷却用媒体は、腐食、クリープ、及び／又は低サイクル疲労を軽減するために上表面５４及び／又は（存在する場合は）熱遮蔽コーテイング５６を伝導式に及び／又は対流式に冷却する。加えて、各々のトレンチ６０は、トレンチ６０からプラットフォーム４４の上表面５４を通る流体連通をもたらす１つ又は複数の冷却用通路７０を含んでもよい。図３及び４に示すように、冷却用通路７０は、冷却用媒体を膜として上表面５４全体により均一に分布させるために、プラットフォーム４４の上表面５４を横断してずらして配置されてもよい。

図５は、本発明の代替実施形態による図２に示すエアフォイル４０の平面図を示している。図５に示すように、この場合もエアフォイル４０は一般に、図２に示した実施形態に関して前述したように、外表面４２、プラットフォーム４４、及び上表面５４を含んでもよい。加えて、図５に鎖線で示すように、エアフォイル４０は更に、図３及び４に示した実施形態に関連して前述したように、空洞５８、トレンチ６０、及び冷却用通路７０を含んでもよい。図５に示す特定の実施形態では、エアフォイル４０はそれに加えて、前縁４６の下流側のプラットフォーム４４の上表面５４の下の、凸表面５０の近傍にトレンチ８０を含んでいる。トレンチ８０はこの場合も、上表面５４と実質的に平行に延びる、ずらされ、又は重複する列に配置されてもよい。加えて、第３群の供給通路８２は、図３及び４に関連して前述したように、空洞５８の異なるセクションと１つ又は複数のトレンチとの間の流体連通をもたらして、各々のトレンチ８０に供給される冷却用媒体の圧力及び流量を変化させるようにしてもよい。このようにして、トレンチ８０に供給される冷却用媒体は、腐食、クリープ、及び／又は低サイクル疲労を軽減するために上表面５４及び／又は（存在する場合は）熱遮蔽コーテイング５６を伝導式に及び／又は対流式に冷却する。加えて、各々のトレンチ８０は、トレンチ８０からプラットフォーム４４の上表面５４を通る流体連通をもたらす１つ又は複数の冷却用通路７０を含んでもよい。図５に示すように、冷却用通路７０は、冷却用媒体を膜として上表面５４全体により均一に分布させるために、プラットフォーム４４の上表面５４を縦断及び／又は横断してずらして配置されてもよい。

このように、記載し、図１〜５に図示した実施形態は、エアフォイル４０のプラットフォーム４４を冷却する方法を提供する。方法は、エアフォイル４０の外表面４２の内側の空洞５８の少なくとも一部を通って冷却用媒体を流し、次いで前縁４６の上流側のプラットフォーム４４の上表面５４の下のトレンチ６０を通って冷却用媒体を流すステップを含んでもよい。方法は更に、トレンチ６０からプラットフォーム４４の上表面５４を通って流体連通をもたらす冷却用通路７０を通って冷却用媒体を流すステップを含んでもよい。特定の実施形態では、方法は空洞５８の特定の部分から空洞５８とトレンチ６０との間のプレナム６２内の１つ又は複数のチャンバ６４に冷却用媒体を流し、次いで冷却用媒体をプレナム６２内の特定のチャンバ６４から特定のトレンチ６０に流して、トレンチ６０に供給される冷却用媒体の圧力及び／又は流量を変更するようにしてもよい。別の特定の実施形態では、方法は、前縁４６と隣接したエアフォイルの凸表面の下流側のプラットフォーム４４の上表面５４の下のトレンチ８０を通って、冷却用媒体を流すステップを含んでもよい。

本記載要件は、最良の態様を含めて本発明を開示し、いずれかのデバイス又はシステムを製造し、使用し、組み込まれたいすれかの方法を実施することを含めて、どの当業者も本発明を実施できるように実施例を用いている。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到するその他の実施例を含み得る。そのようなその他の実施例は、特許請求の範囲の文字言語と相違せず、又は文字言語とは非実質的な相違しか有していない等価の構造要素を含む場合は、特許請求の範囲に含まれるものである。

１０ タービン
１２ ロータ
１４ ケーシング
１６ ガス通路
１８ 軸方向中心線
２０ ロータホイール
２２ ロータスペーサ
２４ ボルト
２６ 作動流体
３０ 回転ブレード
３２ 固定ベーン
４０ エアフォイル
４２ 外表面
４４ プラットフォーム
４６ 前縁
４８ 後縁
５０ 凸表面
５２ 凹表面
５４ プラットフォームの上表面
５６ 熱遮蔽コーテイング
５８ 空洞
６０ トレンチ
６２ プレナム
６４ プレナム内のチャンバ
６６ 第１の供給通路
６８ 第２の供給通路
７０ 冷却用通路
８０ トレンチ
８２ 供給通路

Claims (11)

1. ａ．前縁と、該前縁の下流側の後縁と、前記前縁と前記後縁との間の凸表面とを有する外表面と、
   ｂ．前記外表面の内側の空洞と、
   ｃ．前記外表面に接続され、前記外表面の少なくとも一部の周囲に上表面を画成するプラットフォームと、
   ｄ．前記前縁の上流側の前記プラットフォームの前記上表面の下に設けられ、第１の複数のトレンチの各々のトレンチが前記外表面の内側の前記空洞と流体連通する前記第１の複数のトレンチと、
   ｅ．前記第１の複数のトレンチから前記プラットフォームの前記上表面を通る流体連通をもたらす第１の複数の冷却用通路と、
   ｆ．複数の別個のチャンバを備えるプレナムであって、前記空洞及び前記第１の複数のトレンチと流体連通するプラットフォームの内側に画成されたプレナムと、
   ｇ．前記空洞と、前記プレナム内の前記複数の別個のチャンバとの間の流体連通をもたらす第１の複数の供給通路と、
   を備え、
   前記第１の複数の冷却用通路のそれぞれが、前記プレナムと流体連通する、
   エアフォイル。
2. ａ．前縁と、該前縁の下流側の後縁と、前記前縁と前記後縁との間の凸表面とを有する外表面と、
   ｂ．前記外表面の内側の空洞と、
   ｃ．前記外表面に接続され、前記外表面の少なくとも一部の周囲に上表面を画成するプラットフォームと、
   ｄ．前記前縁の上流側の前記プラットフォームの前記上表面の下に設けられ、第１の複数のトレンチの各々のトレンチが前記外表面の内側の前記空洞と流体連通する前記第１の複数のトレンチと、
   ｅ．前記第１の複数のトレンチから前記プラットフォームの前記上表面を通る流体連通をもたらす第１の複数の冷却用通路と、
   ｆ．複数の別個のチャンバを備えるプレナムであって、前記空洞及び前記第１の複数のトレンチと流体連通するプラットフォームの内側に画成されたプレナムと、
   ｇ．前記プレナム内の前記複数の別個のチャンバと前記複数のトレンチとの間の流体連通をもたらす第２の複数の供給通路と、
   を備え、
   前記第１の複数の冷却用通路のそれぞれが、前記プレナムと流体連通する、
   エアフォイル。
3. エアフォイルであって、
   ａ．前縁と、該前縁の下流側の後縁と、前記前縁と前記後縁との間の凸表面とを有する外表面と、
   ｂ．前記外表面の内側の空洞と、
   ｃ．前記外表面に接続され、前記外表面の少なくとも一部の周囲に上表面を画成するプラットフォームと、
   ｄ．前記空洞と流体連通する前記プラットフォームの内側の、複数の別個のチャンバを含むプレナムと、
   ｅ．前記前縁の上流側の前記プラットフォームの前記上表面の下に設けられ、第１の複数のトレンチの各々のトレンチが前記プラットフォームの前記上表面と実質的に平行であると共に、前記プレナムと流体連通する前記第１の複数のトレンチと、
   ｆ．前記第１の複数のトレンチから前記プラットフォームの前記上表面を通る流体連通をもたらす第１の複数の冷却用通路と、
   ｇ．前記空洞と、前記プレナム内の前記複数の別個のチャンバとの間の流体連通をもたらす第１の複数の供給通路と、
   を備える、エアフォイル。
4. エアフォイルであって、
   ａ．前縁と、該前縁の下流側の後縁と、前記前縁と前記後縁との間の凸表面とを有する外表面と、
   ｂ．前記外表面の内側の空洞と、
   ｃ．前記外表面に接続され、前記外表面の少なくとも一部の周囲に上表面を画成するプラットフォームと、
   ｄ．前記空洞と流体連通する前記プラットフォームの内側の、複数の別個のチャンバを含むプレナムと、
   ｅ．前記前縁の上流側の前記プラットフォームの前記上表面の下に設けられ、第１の複数のトレンチの各々のトレンチが前記プラットフォームの前記上表面と実質的に平行であると共に、前記プレナムと流体連通する前記第１の複数のトレンチと、
   ｆ．前記第１の複数のトレンチから前記プラットフォームの前記上表面を通る流体連通をもたらす第１の複数の冷却用通路と、
   ｇ．前記プレナム内の前記複数の別個のチャンバと前記複数のトレンチとの間の流体連通をもたらす第２の複数の供給通路と、
   を備える、エアフォイル。
5. 前記第１の複数の冷却用通路が、前記プラットフォームの前記上表面を横断してずらして配置される、請求項１乃至４のいずれかに記載のエアフォイル。
6. 前記第１の複数のトレンチが、前記前縁の上流側の前記上表面と実質的に平行である、請求項１乃至５のいずれかに記載のエアフォイル。
7. 前記第１の複数のトレンチの上方の前記プラットフォームの前記上表面に熱遮蔽コーテイングが施される、請求項１乃至６のいずれかに記載のエアフォイル。
8. 前記第２の複数の供給通路の各々は、複数の出口を有する対応する第１の冷却用通路に接続される、請求項２または４に記載のエアフォイル。
9. 前記前縁の下流側の前記プラットフォームの前記上表面の下の、前記凸表面の近傍に第２の複数のトレンチを備え、前記第２の複数のトレンチの各々のトレンチが前記プラットフォームの前記上表面と実質的に平行である、請求項１乃至６のいずれかに記載のエアフォイル。
10. 前記第２の複数のトレンチから前記プラットフォームの前記上表面を通って流体連通をもたらす第２の複数の冷却用通路を備える請求項９に記載のエアフォイル。
11. ａ．ケーシングと、
    ｂ．前記ケーシングの内側に周方向に配置され、各々のエアフォイルが請求項１乃至１０のいずれかに記載のエアフォイルである、複数のエアフォイルと、
    を備える、
    タービン。

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