JP4143050B2 - 冷却ガスタービンブレード - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンのブレード、とりわけタービンノズルブレードの冷却に関する。

燃焼室から入ってくる高温ガスはガスタービンエンジンのタービンノズルブレードを流れる。ブレードは、例えばコンプレッサで引き出された空気の流れによってその壁を冷却する手段を具備しており、ブレードは、それが従う厳しい動作条件に耐えることができる。一般的に、これらは強制対流または衝突冷却手段である。

本発明は、超合金鋳造によって作成された固定中空ノズルブレードに関する。この技術に従って、金属は、コアの除去後にキャビティを提供するコアを中心とした金型に鋳造される。インサートまたはスリーブがこのキャビティに組み込まれて、冷却流体の流れを組織化する。

例えばＣＦＭ５６タイプの、現在特定の航空機エンジンに使用されているノズルブレードが図１に示されている。ここで、これは２つのプラットフォームを有する低圧ノズルブレード１であり、一方は外側プラットフォーム１Ｅで、他方は内側プラットフォーム１Ｉであり、ガスが流れる環状チャネルを区切っている。このチャネルは円周でブレード１によって再分割されている。各ブレード１は、その中心キャビティ１Ｃに、複数の穴の開いた内側スリーブ３を具備している。図１の実施形態において、スリーブ自身の内部の中心ダクトと、スリーブとブレードの壁間の冷却領域とが認識される。

スリーブには、外側プラットフォームに配置され、かつ例えばコンプレッサで引き出された冷気のソースと連通しているチューブ５Ｅからの冷気が供給されている。入ってきた空気の一部はスリーブ３の穴を通過し、ブレードの内壁に発射されるが、それはスリーブによって形成されているダクトと、スリーブとブレードの内壁とによって区切られている周辺領域間を支配する圧力の差ゆえである。そしてこの空気は、ブレードの後尾縁に提供されている直径を定められた（ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ）穴を介してガスジェットに排出される。ブレード内の未使用の空気の残りは、内側プラットフォーム１Ｉ下に配置されている接続チューブ１Ｌによって、タービンディスクや軸受などの、冷却する機関の他の部分に案内される。

スリーブは外側プラットフォームに提供されている開口を介してブレードに導入されている。それは、外側プラットフォームにおいて、一般的にこの第１の開口の壁に沿って中心キャビティをろう付けすることによってブレードと一体にされてきた。スリーブの対向部分３Ｉは、スリーブとブレード間の相対的変位を許容するために、内側プラットフォーム１Ｉにスライド１Ｇを形成するブレードの第２の開口に案内されている。事実、ブレードは鋳造パーツであり、スリーブは一般的に金属シートの形成によって得られている。動作温度の差異ならびに、材料の差異および、ブレードとスリーブを形成する両パーツの製造方法の差異によって、ブレードとスリーブ間の延長の変化が生じる。従ってスライドは全体のサポートを提供している。

ノズルとスリーブを作成するための方法の差異を考慮すると、スライドでの遊びは比較的重要である。この遊びはとりわけ、その値が重要である鋳造公差（ｔｏｌｅｒａｎｃｅ）と、スリーブの形成による製造公差とに起因する。この遊びは、衝突冷却領域の圧力がスリーブの出口の中心チャネルのそれと異なるために、スリーブ出口での空気漏れを生じる。

衝突冷却領域の圧力がスリーブの出口の中心チャネルの圧力未満である場合、矢印Ｆによって図示されている空気漏れは周辺領域の超過圧力をもたらすという第１の欠点を有している。この超過圧力は、ブレードの、より具体的には最も熱い領域である後尾縁の領域の内部冷却の品質にとって有害である。さらに、この空気は、後尾縁に配置されている排出ポートに直接向かって運搬されているので、ブレードの冷却には関係ない。

出願人は、冷却ブレードの、とりわけノズルブレードの、より具体的には低圧ノズルブレードのスライドにおける空気漏れを減少させるという目的を設定した。

本発明は、鋳造パーツと、金属シートの形成によって得られた縦型スリーブとを備えている冷却ガスタービンエンジンブレードによってこの目的を達成し、鋳造パーツは両端に第１および第２の開口を有する縦型キャビティを具備した縦型ボディを含んでおり、スリーブはキャビティに搭載され、かつ第１の開口の壁に半田付けまたはろう付けすることによって固定されており、その端部はスライドを形成する第２の開口を自由にスライドする。ブレードは、端部とスライドが、加工によって形成されている表面によって相互に摺接しているという点によって特徴付けられている。

本発明は、金属シートの形成によって得られたスリーブと鋳造パーツ間の摺動接続のような場合に、パーツが加工によって形成されるときに製造公差が低いという利便性を提供するという利点を有している。

本発明は固定ノズルブレード、とりわけブレードの各端にプラットフォームを有するノズルブレードに適用されている。

図１に示されているようなガスタービンエンジンノズルの場合に生じる利点は重要である。より少ない漏れは、衝突冷却領域の超過圧力の減少を意味している。従ってブレードの冷却は向上し、後尾端の領域におけるブレードの温度レベルは低下する。従って、温度負荷によるひび割れを形成することによってブレードにダメージを与えるというリスクが削減される。このことは、ノズル、とりわけ低圧ノズルの耐用年数の増加をもたらし、あるいは同じ耐用年数において必要な通気流量の低下をもたらすため、性能または効率を向上させる。とりわけ、メンテナンスおよび修繕作業は有利には削減される。

別の特徴によると、スリーブの上記端部は封止インサートと一体である。

スリーブと開口の壁との間にインサートを組み込むことは、スリーブの端部における加工動作を回避するという利点を有している。遊びはまたより正確に調整可能である。

具体的実施形態によると、封止インサートは接続チューブへの接続を形成するコンポーネントを含んでいる。

本発明はまた、一方の端に第１の開口を、他方の端に第２の開口を有する鋳造パーツにおいてブレードのボディを作成するステップであって。第２の開口は加工リワークを形成する超過厚さを有する壁を備えているステップと、端部を有するスリーブを形成するステップと、第２の開口の加工公差を考慮する所定の遊びを有するスライドにおいて端部がスライドするように、ブレードのボディの第２の開口の超過厚さを有する壁を加工するステップと、ブレードのボディにスリーブを搭載し、第１の開口の壁にスリーブをろう付けまたは半田付けするステップを含むブレードの製造方法を目的としている。

本発明の１つの特徴によると、封止インサートはスリーブの端部とブレードのボディの第２の開口との間に配置されている。とりわけ、スリーブはブレードのボディ内に配置され、そして封止インサートは端部と第２の開口間に配置されている。開口の壁と接触する封止インサートの壁はそれ自体加工によって形成されている。

別の特徴によると、封止インサートはスリーブの端部に溶接または半田付けされている。

本発明の他の特徴および利点は、本発明の２つの非制限的実施形態を示している添付の図面を参照して以下になされている説明から明らかになる。

図１に見られるように、従来技術のアセンブリはブレードの縦型ボディ１を備えており、外側プラットフォーム１Ｅおよび内側プラットフォーム１Ｉは単一の鋳造パーツを形成している。ブレードのキャビティが開いている接続チューブ１Ｌは鋳造パーツ、とりわけ内側プラットフォーム１Ｉの不可欠な一部分であることがわかる。従って、ブレードのコンポーネントのこのレイアウトによると、スライド１Ｇは内側プラットフォームを介してアクセスできない。それは鋳造プロセスによってのみ形成可能である。スリーブ２それ自体は適切に形成された金属シートから得られる。製造公差は、スリーブ３の端部３Ｉと、ブレードの内部キャビティの第２の端によって形成されているスライド１Ｇとの間に重要ではない遊びが生じることにつながる。これに対する措置を見出すために、本発明によると、スライドは加工によって生成されるべきであるということが言われる。

その内側プラットフォーム近くに配置されている固定ノズルブレードの部分が図２に示されている。それは、本発明に従って、スリーブの端部とスライド間に接続手段を含んでいる。スリーブ３０はブレード１０の中心キャビティ１０Ｃ内に挿入されている。スリーブの端部３０Ｉは、内側プラットフォーム１０Ｉに提供されている、ブレードのスライド形成開口１０Ｇに収容されている。この好ましい実施形態によると、封止インサート３０Ｓはスリーブ３０の端部３０Ｉとスライド１０Ｇ間に配置されている。図３に見られるように、封止インサートは略台形である。それは、周辺に所定の遊びを有するスライド１０Ｇに嵌合するように適合されている。この遊びは、異なる動作局面時にパーツの膨張を考慮している。インサートは、それがろう付けまたは溶接されている端部を受け取るように穿孔されている。冷気は第１の開口からスリーブに流れる。この空気の一部は、ブレードの内壁に衝突することによって冷却するために、目盛り付きポートを介してスリーブの壁を通過する。この気流の残りはスリーブの端部によって、マシーンの他の冷却する領域に対して排出される。この空気を案内する手段は図示されていない。

スリーブの搭載は以下のように実行される。スリーブは、図２には示されていない外側プラットフォームに提供されているブレードの第１の開口を介して導入されている。スリーブは、スリーブの部分３０Ｉがスライド１０Ｇを形成する内部開口と同じ高さになるまで、ブレードのキャビティ内に押し込まれている。ガスジェットに対向するプラットフォーム１０Ｉの表面は自由にアクセスできることがわかる。インサートはこの側面を介して導入され、端部３０Ｉを中心にスライドするようにされ、図２に示されている位置に保持されている。この動作はインサートをスリーブに溶接またはろう付けすることによって完了する。有利には、外側プラットフォームの第１の開口の壁に他方の端のスリーブをろう付けすることが同時に実行されている。

この封止インサートを有するスリーブをスライドに組み付けることができるように、パーツは以下のように製造されていた。

金属がパーツの凹形状を有する金型に鋳造される鋳造ステップ時に、ブレードのボディのキャビティに一致するコアが使用されている。このコア１００は図４に概略的に示されている。それは、ブレードのキャビティに一致するボディ１００Ｃに対して突出部１００Ｇを有している。溶融金属はコアを中心に、かつ図示されていない金型の他の壁の間に鋳造されている。突出部１００Ｇは、金型からの除去後のパーツが、加工動作によって除去されるいわゆる加工超過厚さを有するように寸法設定されていた。鋳造パーツから出たブレードの同一部分は図５に示されている。コアは排除されている。従って、鋳造パーツを出る際の開口１０Ｇは寸法Ｌｕを有している。以下のステップにおいて、必要な寸法Ｌが得られるまで、適切なツールによって、開口の周縁の多量の材料を加工することによって除去することを実行する。加工によって除去された材料の厚さは加工リワークとして指定されている。本加工手段によって、製造公差は±０．０２５ｍｍと低くてもよい。鋳造パーツを出る際、または形成時の寸法的ばらつきより低くてもよい。

さらに、スリーブは金属シートをプレスにおいて成形することによって製造されており、インサートはスリーブの端を受け取るためのハウジングによって形成されていた。

パーツを製造するこの方法によって、冷気漏れが実質的に削減されたと判断されてもよい。

従って、スライド形成開口の加工によって、鋳造パーツを出る際に±０．０７５ｍｍではなく±０．０２５ｍｍに削減された寸法的ばらつきを得ることができる。インサートに関しては、スリーブのハウジングはろうまたははんだで充填されているので、このレベルでの漏れは生じない。その側面は加工されているので、製造公差もまた±０．０２５ｍｍ程度である。この公差は、形成によって成形されているスリーブの端の公差未満である。形成による成形の場合の寸法的ばらつきは通常±０．１ｍｍである。

このように、案内領域の遊びと生じる漏れとはより良好にコントロール下にある。例えば、定格遊び値Ｘで図１に示されているような従来技術のブレードについて、これは実際は±０．１７５ｍｍの値Ｘである。漏れ率はＹである。本発明の解決策によって、遊びＸは１５％削減され、製造公差は±０．０５ｍｍであると判断された。漏れ率Ｙの８０％の減少という結果となる。この８０％の漏れ率減少により、ブレードの後尾端の温度は２５℃低下したと推定されている。従ってブレードの耐用年数は増加する。

封止インサートの第２の実施形態が図６に示されている。インサート３０’Ｓは、スリーブの端部３０Ｉとブレードのスライド形成開口１０Ｇ間の封止コンポーネントを形成する第１の部分３０’Ｓ１からなる。それは第１の部分３０’Ｓ１を延長する第２の部分３０’Ｓ２を備えている。この部分は、内側プラットフォームによって区切られている内部空間にあるエンジンの他の部分に向かって冷気を案内する接続チューブＴＬにスリーブのチャネルを接続するという機能を有している。とりわけこのコンポーネントは円形断面である。

この解決策は、図１に示されているタイプの従来技術の固定ブレードを変換し、これらに本発明の解決策を具備することが望ましい場合にとりわけ重要である。この変換について、かつ鋳造パーツからスリーブを分離した後に、接続チューブを含む固定ブレードの内側プラットフォームの部分を加工することによる除去を開始する。接続チューブが除去されている場合、内側プラットフォームはスライドにおいて加工される。開口は、他の場所に準備されているインサート用の目盛り付きハウジングを得るために成形されている。

これによって準備された鋳造パーツは、覆われていない（ｃｌｅａｒｅｄ）外側プラットフォームの第１の開口からブレードのキャビティ内にスライドされているスリーブに組み付けられてもよい。スリーブがスライドのハウジングの所定の位置にある場合、インサートは第２の開口を介して端部に導入され、所望の技術によって端部のインサートのろう付けまたは半田付けを実行する。

両実施形態の前述の説明は本発明を、端部とスライド形成開口間の封止インサートの配置に制限するものではない。本発明はまた、加工され、かつスライドの加工壁と摺接することができるように端部が適合されている実施形態をカバーしている。

従来技術のタービンノズルブレードの斜視図である。 本発明に従ったノズルブレードの断面図である。 図２の方向ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面である。 製造時のブレードの概略図である。 製造時のブレードの概略図である。 本発明の別の実施形態を示している。

符号の説明

１ 鋳造パーツ
１Ｃ 中心キャビティ
１Ｅ 外側プラットフォーム
１Ｉ 内側プラットフォーム
１Ｌ 接続チューブ
１Ｇ スライド
３ 内側スリーブ
３Ｉ 対向部分
５Ｅ チューブ
１０ ブレード
１０Ｅ、１０Ｉ プラットフォーム
１０Ｃ 縦型キャビティ
１０Ｇ スライド形成開口
３０ 縦型スリーブ
３０Ｓ 封止インサート
３０’Ｓ１ インサート
３０’Ｓ２ 部分
３０Ｉ スリーブの端部
ＴＬ 接続チューブ
１００ コア
１００Ｃ ボディ
１００Ｇ 突出部
Ｌ、Ｌｕ 寸法Ｌｕ
Ｘ 値

Claims (8)

1. 鋳造パーツ（１）と、金属シートの形成によって得られた縦型スリーブ（３０）とを備える冷却ガスタービンエンジンのブレードであって、鋳造パーツはその両端に第１および第２の開口を有する縦型キャビティ（１０Ｃ）を具備する縦型ボディを含んでおり、スリーブはキャビティ内に取り付けられ、第１の開口の壁に溶接またはろう付けすることによって保持されており、スリーブの端部（３０Ｉ）はスライドを形成する第２の開口（１０Ｇ）を自由にスライドすることができ、スリーブの端部（３０Ｉ）とスライド（１０Ｇ）は、加工によって形成されている表面に沿って相互に摺接しており、スリーブ（３０）が封止インサート（３０Ｓ）と一体であり、封止インサート（３０Ｓ）は接続チューブ（ＴＬ）への接続を形成する部分（３０’Ｓ２）を含んでいる、前記ブレード。
2. 固定ノズルブレードを形成する、請求項１に記載のブレード。
3. ブレードのボディの各端にプラットフォーム（１０Ｅ、１０Ｉ）を有する固定ノズルブレードを形成する、請求項２に記載のブレード。
4. 封止インサート（３０Ｓ）が、スリーブ（３０）の端部（３０Ｉ）とスライド形成開口（１０Ｇ）の壁との間に介在している、請求項１から３のいずれか一項に記載のブレード。
5. 一方の端に第１の開口を、反対の端に、加工リワークを形成する超過厚さを有する壁を備えている第２の開口（１０Ｇ）を有する鋳造パーツにおいてブレードのボディを作成するステップと、
   端部（３０Ｉ）を有するスリーブ（３０）を形成するステップと、
   加工公差を考慮する所定の遊びを有するスライドにおいて端部がスライドするように、ブレードのボディの第２の開口（１０Ｇ）の超過厚さを有する壁を加工するステップと、
   ブレードのボディにスリーブ（３０）を取り付け、第１の開口の壁にスリーブをろう付けまたは半田付けするステップ、
   とを含む、請求項１から４のいずれかに記載のブレードの製造方法。
6. 封止インサート（３０Ｓ）はスリーブの端部（３０Ｉ）とブレードのボディの第２の開口の壁との間に配置されている、請求項５に記載の方法。
7. スリーブ（３０）はブレードのボディ内に設置され、封止インサート（３０Ｓ）は端部と第２の開口の壁間に配置されている、請求項６に記載の方法。
8. 封止インサートはスリーブの端部に溶接または半田付けされている、請求項７に記載の方法。

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