JP2006138317A - コア組立体およびこれを用いた翼組立体と冷却流路形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】翼組立体の製造に利用され、かつ製造性の良いコア組立体を提供する。
【解決手段】タービンブレード翼組立体１０が冷却空気流路３０を備える。冷却空気流路３０は、少なくとも１つの隣接する衝突開口部３２から隔離される複数の衝突開口部３２を備える。冷却空気流路は、単一のコア４４を使用して、タービンブレード組立体１０内に形成かつ鋳造される。単一のコア４４は、種々の分離かつ隔離される衝突開口部３２を製作するのに必要な機能部材３８を形成する。衝突開口部３２の隔離と組合せは、対流の増加とフィルム冷却を実現し、および翼１２の熱性能を最適化するために翼１２上の空気流を調整する自由度を付与する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、一般に、翼用の冷却流路に関する。特に本発明は、翼用の冷却流路を形成するコア組立体に関する。

米国政府は、米国海軍により発注された契約番号Ｎ０００１９−０２−Ｃ−３００３に基づき、本発明における幾つかの権利を有することができる。

一般的に、ガスタービンエンジンは、燃焼ガスの主流からのエネルギーを、圧縮機を回転かつ駆動する機械的エネルギーに変換する複数のタービンブレードを備える。タービンブレードのそれぞれは、主燃焼ガスの流れから圧縮機を駆動するのが望まれる回転エネルギーを発生する翼部を備える。

タービンブレード組立体は、ガスタービンエンジンの燃焼器から排気される高温燃焼ガスに曝される。タービンブレード組立体を通して、かつその上に排気される燃焼ガスの温度は、タービンブレード組立体の耐用年数を減少させる恐れがある。この理由のために、それぞれのタービンブレードには、複数の冷却空気流路が設けられる。冷却空気は、タービンブレードのそれぞれを通して送られて、タービンブレードの表面にあるフィルム孔から排気される。タービンブレードの表面にあるフィルム孔の位置は、タービンブレードの表面上の冷却空気の層を生成する。冷却空気は、タービンブレードを高温燃焼ガスから断熱する。タービンブレードを、高温燃焼ガスへの暴露から断熱することにより、タービンブレードの信頼性と耐用年数が大幅に向上する。

一般的に、タービンブレード内の冷却流路は、セラミックコアにより形成され、そのコアには、タービンブレードを形成するのに使用される溶融材料が設けられ、かつその材料で取囲まれる。タービンブレードを形成するのに使用される溶融材料が一旦固化すると、コア材料が取り外される。コア材料が取り外されると、フィルム冷却孔の所要の形状と共に、所要の冷却空気流路が残される。

明白なように、それぞれのタービンブレード組立体は、冷却空気流路の行止まり、または端部を表す。これは、内部側面またはタービンブレードのプラットフォームから流れる冷却空気が、タービンブレードの先端へ向けて半径方向外側に流れるからである。タービンブレードの先端は、締切られて冷却空気流路の端部を形成する。したがって、タービンブレードを通る冷却空気の唯一の出口は、タービンブレード表面とその周辺に配設される複数のフィルム冷却孔を通る。タービンブレードを冷却するフィルム孔の構成と数量は、冷却空気の所要の流量を生成するように決められる。

タービンブレードの形状は、タービンブレードの前縁から後縁への断面全体を通して変わる。前縁は、後縁よりもかなり厚いことが最も多い。しかしながら、後縁における冷却の必要性は、前縁よりも大きいことが多いので、冷却流路を後縁に近接して配置する必要がある。明白なように、薄い縁部セクション内の冷却流路は非常に小さい。この小さい冷却流路は、これらの冷却流路を形成するために小さいコア組立体を必要とする。コア組立体のサイズが減少するにつれて、成形作業中の損傷をより受けやすくなる。小さいコア組立体は、タービンブレードの薄い部分における所要の冷却流路を必要とし、かつ製造中の損傷をより受けやすくなる。

したがって、タービンブレード組立体の薄いセクションに小さい冷却空気流路の形成を実現しながら、確実な製造工程結果を得るに足る強固なコア組立体を開発するのが望ましい。

冷却空気流路の構造と構成の他の問題点は、冷却流路の内側面における冷却空気の方向である。一般的に冷却流路は、主コア部から空気を受容する。ついで、タービンブレードの主コア部は、冷却空気源と連通する。したがって冷却空気流路は、主コアに隣接する内面、およびタービンブレードの外側表面に隣接する外面を備える。冷却空気流路内の衝突孔（インピンジメント孔）は、主コアからの空気を冷却空気流路内に、かつその外面に対抗して連通させる。

したがって、製造工程中に信頼でき、かつ伝熱能力利用を最大にする所要の冷却空気流特性を提供する、タービンブレード組立体内の冷却空気流路を形成するコア組立体を開発することが望ましい。

本発明の代表的実施態様は、衝突孔のそれぞれが他の衝突孔の少なくとも一部から隔離される冷却流路を有するタービンブレード組立体を備える。冷却流路内の衝突孔の隔離は、特定の所要の部位への冷却空気流の方向を実現する。さらに、冷却空気流路の形成に利用されるコア組立体は、生産性を強化しかつ向上する一連の構造部材を提供する。

本発明の一例のタービンブレード組立体には、主コアと連通する冷却空気流路が形成される。ついで主コアが、他のシステムからの冷却空気と連通する。この冷却流路は、互いに隔離された複数の衝突孔を備える独自のコア組立体を用いて形成される。衝突孔のそれぞれを他の衝突孔の少なくとも一部から隔離することにより、衝突孔間の直交流が防止されて、冷却流路の外面に対する冷却空気流が改良される。

コア組立体により、冷却流路の構造が得られ、そしてコア組立体は衝突開口部を形成する衝突構造部材を備える。衝突構造部材のそれぞれは、分離構造部材により、他の構造部材の少なくとも幾つかから隔離される。分離構造部材は、衝突開口部を隔離するチャネルを冷却流路内に形成する。コア組立体により形成されるチャネルのそれぞれは、冷却流路の側面において膨張チャンバと連通する。膨張チャンバ内に、フィルム構造部材があり、その構造部材は、冷却空気流路とタービンブレード組立体の外側表面との間にフィルム開口部を生成するために設けられる。

したがって、本発明のタービンブレード組立体は、タービンブレード用の所要の冷却特性を提供する冷却空気流路を備える。

本発明のこれらと他の特徴は、以下の説明と、および以下に簡単に説明される図面とから最も良く理解できる。

図１Ａと１Ｂを参照すると、タービンブレード組立体１０は、翼部１２、付根部１４、およびプラットフォーム部１６を備える。付根部１４は、当該技術で知られているように、ハブ部分（図示せず）中に延びる。付根部１４は、プラットフォーム部１６まで延びる。翼１２は、プラットフォーム部１６から上方へ延びる。タービン翼部１２は、プラットフォーム部１６から先端１８まで延びる。タービンブレード組立体１０は、前縁２０と後縁２２を備える。前縁２０と後縁２２との間に、外側表面２４がある。外側表面２４は、ガス流の流れが機械的回転エネルギーに移行または変換されるように、形状が決められる。理解されるように、タービンブレード組立体１０は、図１Ａに示されるように、当該技術に有能な者に知られている。この開示で利点を受ける当該技術に有能な者は、種々の用途で利用される他の翼構成についても、本発明の開示と冷却流路とからの利点を得ることが分かるであろう。

タービンブレード組立体１０は、冷却流路３０を備える。冷却流路３０は、タービンブレード組立体１０内に配設される。冷却空気は、付根部１４内の流路２６を通してタービンブレード組立体１０に入る。冷却空気は、流路２６を通して主コア２８（図１Ｂ）に流入する。主コア２８は、タービンブレード組立体１０の内部における中空部分である。流路２６を通して主コア２８中に連通する冷却空気は、タービンブレード組立体１０内に配設される冷却流路３０に入る。冷却空気は、主コア２８から複数の衝突開口部３２を通して冷却流路３０に入る。

衝突開口部３２からの冷却空気流は、衝突開口部３２の反対側に配設される膨張チャンバ４２へ向けて流れる。冷却空気流は、タービンブレード組立体１０の壁を通り、フィルム開口部３４を通して進む。フィルム開口部３４を通して冷却流路３０から流れ出る冷却空気は、タービンブレード組立体１０の外側表面２４上を流れて、空気の冷却および断熱の層を形成する。

本発明のタービンブレード組立体１０は、冷却流路３０を備える。冷却流路３０のそれぞれは、衝突開口部３２を備える。衝突開口部３２は、チャネル３６により互いに隔離される。チャネル３６は、一連の分離構造部材３８により形成される。衝突開口部３２それぞれの分離と絶縁により、冷却流路３０の外面に衝突する冷却流の分離が実現できる。さらに、隣接する衝突開口部３２の隔離により、典型的な従来技術の衝突開口に生じる直交流の問題が防止され、かつ減少される。衝突開口部３２からの流れは、チャネル３６を通して、複数のフィルム孔３４へ送られる。フィルム孔３４は、膨張チャンバ４２と連通している。膨張チャンバ４２は、冷却流路の一部分を形成して、フィルム孔３４へ連通されることになる冷却空気を滞留する。冷却空気を膨張チャンバ４２内に滞留することにより、衝突開口部３２に対応する壁への逆流衝突に付随する問題が減少される。

図２を参照すると、翼１２の透視図が示されて、主コア２８の構成が図示される。主コア２８は、タービンブレード組立体１０の中央部分を通して上昇しかつ冷却流路３０と連通する冷却空気の連通を実現する。図２に図示されるタービンブレード組立体と翼１２との特定の形状と構成は、既知の通りである。この開示で利点を受ける者は、多くの種々の型式の翼構成が、この開示内で図示および説明される冷却流路構成から利点を得ることを理解するであろう。

図３を参照すると、冷却流路３０は、コア組立体４４を用いてタービンブレード組立体１０内に形成される。コア組立体４４は、タービンブレード組立体１０の製作中に、冷却流路の開口部とチャネルを含む種々の構成および構造を実現できる。従来から、タービンブレード組立体１０は、従来の成形工程を通して製作されている。コア組立体４４は、特別に配合されたセラミックと超硬合金のような既知のコア材料から製作できる。コア組立体４４は、モールド内に載置され、ついで、タービンブレード組立体１０を構成する溶融材料により取囲まれる。タービンブレード組立体１０を形成する材料が固化すると、コア組立体４４は、取り外される。コア組立体４４の取り外しは、既知の通りであり、かつコア組立体４４を破壊し溶出分離するのに薬品が使用される抽出（ｌｅｅｃｈｉｎｇ）または酸化の工程を含む種々の工程から成ることができる。明白なように、この開示で利点を受ける当該技術に有能な者は、既知の他の成形工程および他の材料の使用が本発明の意図と範囲の中に入ることを理解するであろう。タービンブレード組立体１０からコア４４を取り外すのに利用される取り外し工程の方式は、種々の要因に左右される。これらの要因には、タービンブレード材料の種類、使用されるコア材料の種類、および冷却空気流路の特定の構成がある。

複雑な冷却空気流路の形成に利用されるコア組立体４４は、タービンブレード組立体１０内に所望の冷却特性を付与するために必要とされている。コア組立体４４は、完成されたタービン組立体１０内に延び衝突開口部３２を形成する衝突構造部材４６を備える。コア組立体４４も、衝突開口部３２のそれぞれを衝突開口部３２の少なくとも他の１つから隔離するのに必要なチャネルおよび壁を形成する分離構造部材４８を備える。

図４を参照すると、翼１２が示され、その表面の一部分は、中に形成される冷却空気流路の特定の機能部材を図示するために取り除かれている。冷却空気流路３０は、冷却空気流路３０の両側に膨張チャンバ４２を備える。冷却空気流路３０は、前縁側面５０と後縁側面５２を備える。冷却空気流路３０のそれぞれの側面は、膨張チャンバ４２を備える。隣接する衝突開口部３２は、冷却空気流路３０の反対側に配設される膨張チャンバ４２と連通する。隣接する２つの衝突開口部は、共通の膨張チャンバ４２に冷却空気を流さない。このようにして、特定の空気流を、制御および調整して、翼１２の特定の部位と機能部材を冷却できる。

図５を参照すると、コア組立体４４の一例が示され、これは翼１２内に衝突開口部３２を形成するのに利用される衝突構造部材４６を備える。衝突開口部３２は、冷却空気を主コア２８から冷却流路３０中に連通する。コア組立体４４はまた、それぞれ隣接する衝突開口部３２を通って冷却空気を分離するために使用され、そして提供される分離構造部材４８を備える。コア組立体４４は、完成したタービンブレード翼１２内に形成されるものとは逆の構造を備える。したがって、衝突構造部材４６は、翼１２を通して延び、かつ主コア２８への翼１２を通る開口部を形成する伸張部材である。コア組立体４４の構造と空間は、完成された翼１２内の開放空間を実現する。

コア組立体４４は、複数の伝熱促進機能部材６０を備える。これらの伝熱促進機能部材６０は、完成された冷却空気流路３０内において、伝熱促進機能部材６０が、種々の冷却空気流路３０内で上方へ延びる複数の***部を形成するような開口部として、コア組立体４４内に形成される。この開示から利点を得る者は、空気流を中断または送る図示された実施例以外の種々の形状の伝熱促進機能部材６０についても、本発明の意図内にあることを理解するであろう。

図６を参照すると、外部側面５６が図示される。外部側面５６は、図４に図示される翼１２から切り取られたものである。外部側面５６は、図６に示されるように一般的にセクション分けされないが、翼１２の一体部分である。外側側面５６は、翼１２の外側表面に隣接する。図４は、冷却流路３０の内部側面５４を図示する。内部側面は、主コア２８に隣接する。このために、***部６２が、図６に図示される外部側面５６上に設けられる。明白なように、熱エネルギーは、外側表面２４に沿って放散する。

翼１２の外側部分に隣接する外部側面５６は、その側面上で冷却空気流が、所望の吸熱と伝熱に最も影響を及ぼすように設けられる。衝突開口部３２を通る空気流は、衝突開口部３２の直ぐ真向かいにある外部側面５６に衝突する。ついで空気流は、膨張チャンバ４２へ向けて、前縁または後縁へ向けてチャネル３６により方向づけられるように進む。チャネル３６を通して空気は、制御および調整されて、伝熱と吸熱の特性を向上する乱流作用を生じる。空気は、膨張チャンバ４２に一旦達すると、滞留して、フィルム孔３４から排気される。ついでフィルム孔３４を通して空気は、主燃焼ガス流中に排気される。この実施例のコア組立体４４は、ほぼ直線状である。しかしながら、コア組立体４４は、特定の翼形状用途に合致するために湾曲した形状を含むことができる。

図７を参照すると、冷却空気流路３０の外部側面５６の形成を実現するコア組立体４４の一部分が示される。コア組立体４４は、チャネル３６、フィルム孔３４および分離構造部材３８を形成する構造部分を備える。衝突構造部材４６は、コア４４のこの側面から外方へ延びないことを示すために、破線で図示される。代わりに衝突開口部は、コアの反対側の側面から延びる伸張部材または構造部材４６から形成される。コア組立体４４のこの側面は、完成された翼１２の冷却空気流路３０の外部側面５６内に、これらの機能部材を生成する。この実施例のコア組立体４４において、それぞれの衝突構造部材４６は、分離チャネル３６中に開放する。したがって、衝突開口部３２のそれぞれは、隣接する衝突開口部３２のいずれからも隔離される。それぞれのチャネル内には、複数の伝熱促進構造部材６０があり、それらの構造部材は、完成されたチャネル３６内に所望の***部と伝熱***部６２とを形成する。図７に図示される伝熱構造部材６０は、外方へ延びる***部を形成するために、成形工程中に材料を受容する空洞である。

図８を参照すると、コア組立体４４の内部側面が示され、その側面は、衝突構造部材４６を備える。分離構造部材４８は、この側面から延びないが、反対側の側面から延びることを示すために、破線で図示される。さらに、内部側面５４から外部側面５６上に形成される他の構造部材は、明確にするために示されない。しかしながら明白なように、これらの機能部材は、反対側の側面から外方へ延び、かつこの図面において、破線で表すこともできる。

図９と１０を参照すると、本発明に従う他の例のコア組立体７０が、分離チャネル３６内に配設される複数の衝突構造部材４６を備える。このコア組立体７０において３個の衝突構造部材４６が、それぞれの分離チャネル３６内に配設される。幾つかの衝突開口部をそれぞれのチャンバ内に設けることにより、特定の空気流必要量および特定の部位上の冷却空気流の衝突を、部位特有の伝熱と吸熱要件に対応するように調整できる。ただし、それぞれのチャネル３６内に配設される幾つかの衝突開口部４６がある。これらの開口部は、少なくとも１つの他の衝突開口部から隔離され、この他の衝突開口部は少なくとも１つの別の衝突開口部からさらに隔離される。さらに、衝突開口部は全て、中心線４０の周りに配設される。

衝突開口部３２のそれぞれは、共通の中心線４０の周りに配設されるが、少なくとも１つの他の衝突開口部から隔離される。衝突開口部と衝突構造部材４６が、中心線４０の周りに配設されることが、この例のコア組立体７０において示されるが、衝突開口部の他の構成と位置は、本発明の意図内のものである。当該技術に有能な者は、少なくとも１つの衝突開口部の、他の衝突開口部に関しての隔離が、冷却流路における冷却を調整する所望の利点を提供することを理解するであろう。

図１０を参照すると、図９に示されるものと反対側の側面でのコア組立体が示され、および冷却流路３０の外部側面５６を形成するコア組立体７０の側面が図示される。コア組立体７０のこの側面は、完成された翼１２におけるフィルム孔３４を形成するフィルム構造部材５８を図示する。さらに、完成された冷却流路３０内に伝熱***部６４を形成する伝熱構造部材６０が図示される。さらに、図示されるように、衝突構造部材４６が破線で示されて、外部側面５６上に形成される機能部材に関してのそれらの部材の位置が表示される。図１０により分かるように、分離構造部材４８と伝熱構造部材６０は、衝突開口部からフィルム開口部への調整された冷却空気流を生成できる。

したがって、本発明のコア組立体４４と翼１２は、タービンブレード組立体１０内に冷却空気特性の調整および向上を実現できる。さらに、コア組立体４４は、衝突孔開口部のそれぞれを通して空気流を分離するのに望ましい複数の個別チャネルを形成できる単一のコアを備える。衝突開口部のこの隔離は、翼内の局所的な冷却と流れの特性を実現かつ最適化する改良された空気流と調整機能を提供する。

本発明の好ましい実施態様を開示してきたが、当該技術に通常の技能を有する者は、幾つかの変更態様が本発明の範囲に入ることを理解するであろう。こうした理由から、本発明の範囲と内容を判断するために、併記の特許請求の範囲を検討すべきである。

本発明に従うタービンブレード組立体の側面図である。 タービンブレード組立体の一部分の断面図である。 翼組立体の透視図である。 本発明に従うコア組立体の一部分の透視図である。 冷却空気流路を図示するために一部分が切取られた、本発明に従う翼組立体の透視図である。 本発明に従うコア組立体の透視図である。 冷却流路の外側表面の図である。 本発明に従うコア組立体の側面の平面図である。 図７に示されるコア組立体の他の側面の平面図である。 本発明に従うコア組立体の１つの側面の図である。 図９に図示されるコア組立体の反対側側面の図である。

符号の説明

１０…タービンブレード組立体
１２…翼部
１４…付根部
１６…プラットフォーム
１８…先端
２０…前縁
２２…後縁
２４…外側表面
２８…主コア
３０…冷却流路
３２…衝突開口部
３４…フィルム開口部
３６…チャネル
３８…分離構造部材
４０…中心線
４２…膨張チャンバ
４４…コア組立体
４６…衝突構造部材

Claims (21)

1. 翼内に冷却流路を形成するコア組立体であって、
   対応する複数の衝突開口部を形成する複数の衝突構造部材を備える第１の側面と、
   対応する複数のフィルム開口部を形成する複数のフィルム冷却構造部材を備える第２の側面と、
   前記対応する複数の衝突開口部の少なくとも１つを前記対応する複数の衝突開口部の他の１つから分離する壁を形成する複数の分離構造部材と、
   を備えるコア組立体。
2. 前記第２の側面は、冷却空気流を変更する乱流化機能部材を形成する複数の乱流化構造部材を備えることを特徴とする、請求項１に記載のコア組立体。
3. 前記複数の衝突構造部材のそれぞれは、前記対応する複数の衝突開口部の任意の他の１つから隔離される衝突開口部を形成することを特徴とする、請求項１に記載のコア組立体。
4. 前記コア組立体は、セラミック材料から成ることを特徴とする、請求項１に記載のコア組立体。
5. 前記複数の衝突構造部材は、内部コアと前記冷却流路との間に冷却空気を連通する対応する複数の衝突開口部を形成することを特徴とする、請求項１に記載のコア組立体。
6. 翼組立体用の冷却流路を形成する方法であって、
   （ａ）衝突開口部を形成する衝突構造部材、および前記衝突開口部のそれぞれを任意の他の衝突開口部から隔離するチャネルを形成する分離構造部材を備える第１のコアを形成するステップと、
   （ｂ）前記翼組立体内に配設されるステップ（ａ）の前記コアでもって、前記翼組立体を鋳造するステップと、
   （ｃ）前記成形された翼を前記コアから取り外すステップと、
   を有する方法。
7. 前記ステップ（ａ）は、対応する複数のフィルム孔を前記翼組立体内に形成するために、複数のフィルム孔構造部材を形成するステップを含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記ステップ（ａ）は、チャネルを形成するために分離構造部材を形成するステップを含み、これにより、それぞれのチャネルの一部分がこれらのチャネルの他のチャネル内に相互嵌合いすることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
9. 前記第１のコアにより形成された前記冷却流路への冷却空気を受容しかつ連通するために、前記翼内に主空洞を形成する第２のコアを形成するステップを有することを特徴とする、請求項６に記載の方法。
10. 前記ステップ（ａ）は、対応する複数の乱流化機能部材を前記翼の前記冷却流路内に生成する複数の乱流化構造部材を形成するステップを有することを特徴とする、請求項６に記載の方法。
11. 冷却空気を受容する主コアと、
    前記主コアと連通する複数の衝突開口部を備える冷却流路であって、前記複数の衝突開口部の少なくとも１つを前記複数の衝突開口部の他の１つから隔離するチャネルを備える冷却流路と、
    を備える翼組立体。
12. 前記チャネルの前記それぞれは、膨張チャンバと連通することを特徴とする、請求項１１に記載の翼組立体。
13. 前記膨張チャンバから前記翼組立体の外側表面に冷却空気を連通する複数のフィルム冷却孔を備えることを特徴とする、請求項１２に記載の翼組立体。
14. 前記チャネルのそれぞれは、前記チャネルを通る空気流を変更する乱流化機能部材を備えることを特徴とする、請求項１１に記載の翼組立体。
15. 前記複数の衝突開口部のそれぞれは中央平面に隣接して配設され、かつ前記チャネルは前記チャネルのそれぞれが前記中央平面と交差する部分を含むように、互いに嵌合うことを特徴とする、請求項１１に記載の翼組立体。
16. 前記チャネルのそれぞれに配設される少なくとも２つの衝突開口部があることを特徴とする、請求項１５に記載の翼組立体。
17. 前記冷却流路は前記主コアに隣接する内部側面と前記翼組立体の外面に隣接する外部側面を備え、また前記乱流化機能部材は前記外部側面に配設されることを特徴とする、請求項１４に記載の翼組立体。
18. 前記チャネルは、前記内部側面と前記外部側面との間に延びる壁を備える、請求項１７に記載の翼組立体。
19. 空気は、前記主コアから前記衝突開口部を通して、前記外側面に対して上方に向かって流れる、請求項１８に記載の翼組立体。
20. 前記冷却流路は、前縁側面と後縁側面を備え、かつ前記チャネルは、前記前縁側面と前記後縁側面へ横断するように延びる、請求項１７に記載の翼組立体。
21. 前記冷却流路は、前記前縁側面に隣接する前縁側面膨張チャンバと前記後縁側面に隣接する後縁側面膨張チャンバを備え、また前記チャネルの隣接するチャネルは、前記前縁側面膨張チャンバと前記後縁側面膨張チャンバの異なるチャネルとを連通することを特徴とする、請求項２０に記載の翼組立体。

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