JP2008019861A - タービンエンジン構成要素 - Google Patents

Abstract

【課題】完全に独立した供給部から各微細回路を分離することにより、コアアセンブリ問題に対する解決策を提供すること。
【解決手段】タービンブレードなどのタービンエンジン構成要素１０が、先端１８および根元部分１６を有するエアフォイル部分１２と、エアフォイル部分１２内の冷却用微細回路構成２０と、を有する。この冷却用微細回路構成２０は、冷媒流でエアフォイル部分１２を対流冷却することを可能にする複数の脚部２６，２８，３６を有するメインボディ部分と、先端１８を冷却するために、少なくとも１つの一体に成形された先端冷却用微細回路３０，３２と、を備える。
【選択図】図６

Description

本発明は、タービンブレードなどのタービンエンジン構成要素で使用するための冷却用微細回路に関する。

図１および図２から理解することができるように、従来技術のタービンブレードは複数のキャビティを有し、各ブレードの内部キャビティが、正圧側で、または負圧側で、エアフォイルの側部に位置する冷却用微細回路に供給を行う。図１および図２に例示されているものなど、２重壁構造を有するブレード冷却設計、またはエアフォイル内の埋込み微細回路の場合、内部供給キャビティ内の流れは、従来の蛇行した冷却設計と比較したとき、低いマッハ数分布を呈する。これらの低いマッハ数により、ロータの角速度に起因する回転力が優勢になる。これは、供給キャビティ内で一連のキャビティ渦を誘発する。内部キャビティが冷却空気を壁に埋め込まれた微細回路に供給するため、キャビティと微細回路との間で、これらの供給リンクの位置は非常に重要になる。

この問題を解決するための２つの方法がある。第１に、冷却空気が微細回路内に到達するのを容易にするように、これらの面内の２次渦の特性を決定することができる。第２に、微細回路当たり１つの供給キャビティを有することによって、供給リンクに対して微細回路冷却が影響されにくいものとすることができる。これらの選択肢のどちらにも従わない場合、１つの内部キャビティから２つ以上の微細回路にかけて複数の供給路（ｆｅｅｄｓ）を有することによる問題があり、これは流れの不均衡に通じることになる。

図１および図２では、大型内部キャビティからの冷却供給流れを有する壁埋込み回路を備えたエアフォイルが示されている。図の構成では、正圧側の埋込み回路が、負圧側の埋込み回路に比べて低い流量を受けることになる。その結果、冷却効果は、負圧側より正圧側ではるかに低くなる。

より単純な選択肢は、ブレードが各微細回路に対する専用かつ独立の冷却供給部を有するように設計される、上記の第２の選択肢である。その結果、次いで微細回路流の冷却特性が、潜在的に高い回転効果および他の干渉に対して影響されにくい。この冷却設計の哲学の結果として、図１のタービンブレードについて、７つの内部大型キャビティが抜かれ（ｃｏｒｅｄ）、エアフォイル部分内で６つの内部リブができている。いくつかの低温リブが存在することは、この用途にとって特に重要である。というのは、低温リブは、エアフォイルのクリープ（ｃｒｅｅｐ）能力を高めるからである。しかし、図３〜図５に例示されているように、供給キャビティ当たり１つの微細回路の直接の関係は、プレキャスト工程において微細回路のコアが供給キャビティのメインボディのコアと結ばれるときに、潜在的な組立ての問題を生じる。さらに、冷却用微細回路は、別個、独立の回路である。

したがって、タービンブレードなどのタービンエンジン構成要素用の冷却用微細回路を設計するとき、解決すべきコアアセンブリの問題が残されている。

本発明によれば、完全に独立した供給部から各微細回路を分離する、コアアセンブリ問題に対する解決策が提供される。

本発明によれば、先端と根元部分を有するエアフォイル部分と、エアフォイル部分内の冷却用微細回路構成と、を広く備えるタービンエンジン構成要素が提供される。この冷却用微細回路構成は、冷媒流でエアフォイル部分を対流冷却することを可能にする多くの脚部のメインボディ部分と、エアフォイル部分の先端を冷却するために、少なくとも１つの一体に成形された先端冷却用微細回路と、を備える。

本発明のブレード用の一体型メインボディ−先端微細回路の他の詳細、ならびにそれに付随する他の目的および利点は、以下の詳細な説明と、同様の符号が同様の要素を表す添付の図面に述べられている。

完全に独立した供給部から各微細回路を分離しながら、コアアセンブリの問題を解決するために、図６の冷却方式が提示される。この図に示されているように、エアフォイル部分１２と、プラットフォーム１４と、根元部分１６と、を有する、タービンブレードなどタービンエンジン構成要素１０が提供される。エアフォイル部分１２は、先端１８を有する。冷却用微細回路２０が、エアフォイル部分１２内に埋め込まれる。埋込み冷却用微細回路２０は、根元部分１６内で形成された入口２４から冷媒流を受け取る。入口２４は、根元部分１６の前縁に隣接して位置することが好ましい。入口２４は、エンジン抽気など、任意の好適な冷却流体源と連通することができる。冷媒流れは、自然のポンプ力を利用するように、冷却用微細回路２０の第１の脚部２６を介して、（プラットフォーム１４から離れる方向で）半径方向上側に流れることができる。図６から分かるように、冷却用微細回路２０は、蛇行した構成を有することができる。したがって、冷媒流がエアフォイル部分１２の先端１８の近くに達したとき、冷媒流は曲がり、第２の脚部２８に進む。第２の脚部２８内では、冷媒は、（プラットフォーム１４に向かう方向で）半径方向下側に流れる。この構成では、一部のバイパス冷媒流が、先端冷却用回路３０，３２を介して、先端１８を冷却するように使用されてもよい。図６に示されているように、先端冷却用回路３０は、複数の離隔された流路７０を備える。各流路７０は、第１の脚部２６からの冷媒、ならびに脚部２６と脚部２８を連結するＵ字形流れ転向部分３４からの冷媒と連通し受け取ることができる入口を有する。

冷却用微細回路３０は、冷媒が半径方向上側に流れる第３の脚部３６を備えてもよい。先端冷却用回路３２もまた、複数の離隔された流路７２を備えてもよい。各流路７２は、冷却用微細回路２０の第３の脚部３６から冷媒を受け取るように、第３の脚部３６と連通する入口を有してもよい。各冷却用回路７０，７２は、冷却流体がエアフォイル部分１２の面に亘って流れることを可能にする流体排出口つまり出口３３を有する。好ましくは、出口３３は、エアフォイル部分１２の正圧側３５で冷媒が流出することを可能にするように構成される。先端冷却用回路３０，３２からの先端冷却用出口３３は、エアフォイル部分１２の前縁４４の近傍から後縁５０の近傍に延びることができる。本明細書で述べられている冷却用微細回路構成を設けることにより、３つの別個の回路が１つのユニットを構成し、したがって組立て工程を容易にする。

根元部入口の補充用脚部３８が、根元部分１６内に作製されてもよい。根元部入口の補充用脚部３８は、第３の脚部３６と連通し、第３の脚部３６内で適切な冷却流を保証するために使用されてもよい。根元部入口の補充用脚部３８は、エンジン抽気など、任意の好適な冷却流体源（図示せず）と連通することができる。

前述の説明から分かるように、メインボディと先端の微細回路の一体型構成２０が提供されている。タービンエンジン構成要素１０は、このようにして対流冷却される。

必要に応じて、フィルムスロット４２を形成する出口タブ４０が、脚部２６や脚部２８内に設けられてもよい。出口タブ４０およびフィルムスロット４２は、冷媒流が脚部２６や脚部２８からエアフォイル部分の面上に流れることを可能にする。この面は、正圧側３５の面または負圧側３７の面であってもよい。スロット４２から流出する流体は、タービンエンジン構成要素１０の１つまたは複数の外側面に亘って冷却フィルムを形成する助けとなる。そのようなフィルムスロット４２は、開冷却システムで有用となる可能性がある。

必要に応じて、エアフォイル部分１２の前縁４４は、冷却フィルムが、エアフォイル部分１２の正圧側３５と負圧側３７の前縁部分に亘って流れることを可能にする複数の流体排出口つまり出口４６を備えてもよい。排出口つまり出口４６は、供給キャビティ４８から冷媒の供給を受けることができる。供給キャビティ４８は、エンジン抽気など、冷却流体源（図示せず）と直接連通することができ、あるいは、供給キャビティ４８は、第１の脚部２６と連通することができる。

本発明の冷却用微細回路はまた、外部熱負荷が航空機エンジン用途に関する外部熱負荷ほど高くない産業用ガスタービン用途向けに、フィルム冷却のない閉ループシステム内で使用されてもよい。

本発明の冷却用微細回路構成は、当技術分野で知られている任意の好適な技法を使用して成形することができる。冷却用微細回路を成形する好ましい方法では、耐熱金属材料から形成された１つまたは複数のシートが、入口２４，根元部入口の補充用脚部３８と、脚部２６，２８，３６と、先端冷却用微細回路３０，３２と、出口３３と、タブ４０と、フィルムスロット４２と、を含めて、冷却用微細回路構成２０の形状で構成されてもよい。耐熱金属材料のシートは、金型キャビティ内に配置つまり設置され得る。その後で、エアフォイル部分１２と、プラットフォーム１４と、根元部分１６とを含むタービンエンジン構成要素１０を、ニッケル基超合金、チタン基超合金、または鉄基超合金など、当技術分野で知られている任意の好適な金属から鋳造することができる。タービンエンジン構成要素が鋳造された後で、耐熱金属材料のシートを、当技術分野で知られている任意の好適な手段を使用して除去し、本発明の冷却用微細回路構成２０を残すことができる。

別々に埋め込まれたエアフォイル壁微細回路用の内部ブレードキャビティを有する従来技術のタービンブレードの図である。 冷却効果の欠点を回避するための微細回路ごとに専用の供給キャビティを有する従来技術のタービンブレードの図である。 ３つの正圧側微細回路を有する従来技術のタービンブレードの図である。 ２つの負圧側微細回路を有する従来技術のタービンブレードの図である。 後縁微細回路を有する従来技術のタービンブレードの図である。 ブレード根元部から供給を受ける蛇行したエアフォイル微細回路を有し、１つのユニットとして先端微細回路とメインボディが一体化したタービンブレードの図である。

Claims (16)

1. 先端および根元部分を有するエアフォイル部分と、
   前記エアフォイル部分内の冷却用微細回路構成と、
   を備え、
   前記冷却用微細回路構成が、
   冷媒流で前記エアフォイル部分を対流冷却することを可能にする複数の脚部を有するメインボディ部分と、
   少なくとも１つの一体に成形された先端冷却用微細回路と、
   を備えるタービンエンジン構成要素。
2. 前記複数の脚部を有するメインボディ部分が、蛇行した冷却構成を備えることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン構成要素。
3. 根元部分を貫通して延びるとともに、前記複数の脚部を有するメインボディ部分と連通する冷媒入口をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン構成要素。
4. 前記冷媒入口が、前記根元部分の前縁に隣接して位置することを特徴とする請求項３に記載のタービンエンジン構成要素。
5. 前記複数の脚部を有するメインボディ部分が、前記冷媒入口からの冷媒が前記先端に向かって半径方向上側に流れることを可能にする第１の脚部を有することを特徴とする請求項３に記載のタービンエンジン構成要素。
6. 前記少なくとも１つの一体に成形された先端冷却用微細回路が、前記第１の脚部と連通することを特徴とする請求項５に記載のタービンエンジン構成要素。
7. 前記第１の脚部と連通する複数の一体に成形された冷却用微細回路をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載のタービンエンジン構成要素。
8. 前記複数の脚部を有するメインボディ部分が、前記第１の脚部からの冷媒を受け取るとともに、前記冷媒が半径方向下側に流れる第２の脚部を有することを特徴とする請求項５に記載のタービンエンジン構成要素。
9. 冷媒が前記エアフォイル部分の面に亘って流れることを可能にするために、前記第１の脚部と前記第２の脚部との間に位置する複数のフィルム冷却用スロットをさらに備えることを特徴とする請求項８に記載のタービンエンジン構成要素。
10. 前記複数の脚部を有するメインボディ部分が、冷媒が半径方向上側に流れる第３の脚部を有することを特徴とする請求項８に記載のタービンエンジン構成要素。
11. 前記根元部分内で延びるとともに、前記第３の脚部に冷媒を供給する補充用入口をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のタービンエンジン構成要素。
12. 前記少なくとも１つの先端冷却用微細回路が、前記第３の脚部と連通することを特徴とする請求項１０に記載のタービンエンジン構成要素。
13. 前記第３の脚部と連通する複数の先端冷却用微細回路をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のタービンエンジン構成要素。
14. 前記先端冷却用微細回路の各々が、冷却流体が前記エアフォイル部分の正圧側の面に亘って流れることを可能にする出口を有することを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン構成要素。
15. 前記エアフォイル部分と前記根元部分との間に配置されたプラットフォームをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン構成要素。
16. 前記エアフォイル部分が、前縁と、正圧側壁と、負圧側壁と、を有し、前記前縁が、前記正圧側壁の前縁部分および前記負圧側壁の前縁部分のうちの少なくとも１方に亘って前記冷媒が流れることを可能にする複数の流体排出口を有することを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン構成要素。

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