(57)【要約】      （修正有）【課題】機械部品もしくはコンポーネントの中空通路内の熱交換もしくは対流冷却特徴を改善する、装置、方法、および／またはシステムを提供すること。【解決手段】機械要素内の中空通路１０１であって、機械要素と中空通路１０１内を流れる流体との間の熱交換特性を高める、らせん状溝１０４を含む中空通路１０１。一部の実施形態では、機械要素は、加熱された機械要素を含み、流体は、冷却剤を含む。一部の実施形態では、機械要素は、ガスタービンエンジンのステータブレードまたはロータブレードを含み、冷却剤は、圧縮空気を含む。一部の実施形態では、らせん状溝１０４は、らせん状または渦巻状の経路を形成するように中空通路１０１に沿って軸方向に延びる、中空通路１０１の外壁内の凹部を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械要素１０８内の中空通路１０１であって、前記機械要素１０８と前記中空通路１０１内を流れる流体との間の熱交換特性を高める、らせん状溝１０４を含む中空通路１０１。
【請求項２】
前記機械要素１０８が加熱された機械要素１０８を含んでおり、前記流体が冷却剤を含んでおり、前記らせん状溝１０４が、ほぼらせん状または渦巻状の経路を形成するように前記中空通路１０１に沿って軸方向に延びる、前記中空通路１０１の外壁内の凹部を含む、請求項１記載の中空通路１０１。
【請求項３】
前記機械要素１０８がガスタービンエンジンのステータブレードおよびロータブレードのうちの１つを含んでおり、前記冷却剤が圧縮空気を含む、請求項２記載の中空通路１０１。
【請求項４】
円形、長方形、三角形、台形、および楕円形断面のうちの１つを含んでおり、
前記らせん状溝１０４が、ほぼ半円形の輪郭、ほぼ長方形の輪郭、ほぼＶ字形の輪郭、およびほぼＵ字形の輪郭のうちの１つを含んでおり、
前記らせん状溝１０４が連続的または断続的である、請求項１記載の中空通路１０１。
【請求項５】
前記らせん状溝１０４がほぼ一定のピッチを含んでおり、ほぼ一定のピッチとは、前記らせん状溝１０４が、前記中空通路１０１の周りを延びるときに、実質的に均一な軸方向距離で繰り返す実質的に一様ならせん状パターンを構成することを意味する、請求項１記載の中空通路１０１。
【請求項６】
円形断面を含んでおり、
前記らせん状溝１０４のピッチと前記円形断面の直径との比が約０．１〜１０．０の間にある、請求項５記載の中空通路１０１。
【請求項７】
前記らせん状溝１０４が、前記中空通路１０１の外表面から前記らせん状溝１０４の最深部までの径方向距離を示す深さを含んでおり、
前記らせん状溝１０４が、前記らせん状溝１０４をまたぐ周方向距離を示す幅を含んでおり、
前記らせん状溝１０４の深さと前記円形断面の直径との比が約０．０１〜０．５０の間にあり、
前記らせん状溝１０４の幅と前記円形断面の直径との比が約０．０１〜０．２５の間にある、請求項６記載の中空通路１０１。
【請求項８】
前記らせん状溝１０４のピッチと前記中空通路１０１の水力直径との比が約０．１〜１０．０の間にある、請求項５記載の中空通路１０１。
【請求項９】
前記らせん状溝１０４の深さと前記中空通路１０１の水力直径との比が約０．０１〜０．５０の間にあり、
前記らせん状溝１０４の幅と前記中空通路１０１の水力直径との比が約０．０１〜０．２５の間にある、請求項１記載の中空通路１０１。
【請求項１０】
互いに平行な関係で前記中空通路１０１を下方へと延びる、複数のらせん状溝１０４を含む、請求項１記載の中空通路１０１。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、一般に、機械部品もしくはコンポーネントの中空通路内の熱交換もしくは対流冷却特徴を改善する、装置、方法、および／またはシステムに関する。より詳細には、ただしこれだけに限定するものではないが、本願は、対流冷却通路、特に、ガスタービンエンジンの高温ガス経路コンポーネントで使用されるような対流冷却通路に関係した、装置、方法、および／またはシステムに関する。本発明が、いくらか、ロータリまたはガスタービンエンジンのエーロフォイルの冷却に関して記載されることに留意する。これは、単なる例示にすぎない。本明細書に記載の装置、方法、および／またはシステムを、より一般的に、例えば、中空通路を備えた構造から該中空通路内を流れる作動流体への熱交換が望まれる任意の用途で使用できることが、当業者には理解されよう。言うまでもなく、この種類の熱交換を必要とする多くの産業用途が存在することが、当業者には理解されよう。
【背景技術】
【０００２】
タービン、コンプレッサ、ファンなどのエーロフォイル、特に、ジェットエンジンまたはガスタービンエンジンのロータブレードおよびステータブレードは、一般に、内部の中空通路を備えて形成され、該中空通路の内壁を対流冷却するために、冷却空気が該通路内に導かれる。冷却流体とブレードの内壁との間の対流熱伝達を高めるための従来技術の一手法は、内壁に隣接した冷却流体の境界層成長を妨げるために、内部冷却通路内に乱流プロモータを設けることであった。内壁表面に隣接した乱流を生み出すことによって、これらの表面から冷却流体への熱伝達の改善を実現することができる。乱流プロモータの例が、米国特許第４６２７４８０号および同第５７０４７６３号に開示されており、それらの明細書を参照により本願に援用する。
【０００３】
一般に、この技術分野における先行技術は、冷却通路の壁から流れ場へと延びる乱流プロモータを含む。従来の乱流プロモータまたは乱流発生装置に付随した１つの欠点は、冷却流体通路内に画定される乱流発生装置バッフルもしくはポートを冷却流体が通過するまたは通り抜けるときに、該冷却流体に大きな圧力損失が生じることである。これらの大きな圧力降下は、冷却流体圧力を高めることによって、かつ／または冷却流体流量を増大させることによって補償することができる。ただし、この補償は、本来ならば燃焼に使用されることになる追加のバイパス空気をエンジンが供給しなければならないので、タービンエンジン性能および効率を損なうおそれがある。さらに、この空気は、燃焼器から出ていくガスの温度を弱め、したがってタービンロータ入口温度を下降させ、それがさらにエンジン性能を低下させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第４６２７４８０号公報
【特許文献２】米国特許第５７０４７６３号公報
【特許文献３】米国特許第４６６８２６９号公報
【特許文献４】米国特許第４６６９９５７号公報
【特許文献５】米国特許出願公開第２００７０１０９７４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、冷却されている壁表面上を冷却流体が流れるときに該冷却流体に大きな圧力損失が生じるのを防ぐ、乱流発生装置が必要である。また、境界層成長を阻止し、熱伝達を向上させるために、冷却流体内での乱流の発生を促進するように流路壁面の局所的な部分に沿って高速冷却流体の流れを集める、冷却剤流路構成も必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
したがって、本願は、機械要素内の中空通路であって、機械要素と中空通路内を流れる流体との間の熱交換特性を高める、らせん状溝を含む中空通路について説明する。一部の実施形態では、機械要素は、加熱された機械要素を含み、流体は、冷却剤を含む。らせん状溝は、ほぼらせん状または渦巻状の経路を形成するように中空通路に沿って軸方向に延びる、中空通路の外壁内の凹部を含むことができる。一部の実施形態では、機械要素は、ガスタービンエンジンのステータブレードまたはロータブレードとすることができ、冷却剤は、圧縮空気とすることができる。
【０００７】
一部の実施形態では、中空通路は、円形、長方形、三角形、台形、および楕円形断面のうちの１つを有することができる。一部の実施形態では、らせん状溝は、ほぼ半円形の輪郭、ほぼ長方形の輪郭、ほぼＶ字形の輪郭、およびほぼＵ字形の輪郭のうちの１つを有することができる。らせん状溝は、連続的であっても断続的であってもよい。
【０００８】
らせん状溝は、一部の実施形態では、ほぼ一定のピッチを含むことができ、ほぼ一定のピッチとは、らせん状溝が、中空通路の周りを延びるときに、実質的に均一な軸方向距離で繰り返す実質的に一様ならせん状パターンを構成することを意味する。
【０００９】
一部の実施形態では、中空通路は、円形断面を有することができ、らせん状溝のピッチと円形断面の直径との比は、約０．１〜１０．０の間とすることができる。らせん状溝は、中空通路の外表面かららせん状溝の最深部までの径方向距離を示す深さと、らせん状溝をまたぐ周方向距離を示す幅とを有することができる。一部の実施形態では、らせん状溝の深さと円形断面の直径との比は、約０．０１〜０．５０の間とすることができ、らせん状溝の幅と円形断面の直径との比は、約０．０１〜０．２５の間とすることができる。
【００１０】
一部の実施形態では、らせん状溝のピッチと中空通路の水力直径（ｈｙｄｒａｕｌｉｃｄｉａｍｅｔｅｒ）との比は、約０．１〜１０．０の間とすることができる。一部の実施形態では、らせん状溝の深さと中空通路の水力直径との比は、約０．０１〜０．５０の間とすることができ、らせん状溝の幅と中空通路の水力直径との比は、約０．０１〜０．２５の間とすることができる。
【００１１】
一部の実施形態では、中空通路は、互いに平行な関係で中空通路を下方へと延びる、複数のらせん状溝を含むことができる。
【００１２】
本願の前述および他の特徴は、好ましい諸実施形態についての以下の詳細な説明を諸図面および特許請求の範囲と併せて精査すれば明らかになる。
【００１３】
本発明の前述および他の目的ならびに利点は、本発明の例示的な諸実施形態についての以下のより詳細な説明を添付図面と併せて慎重に調査することによって、より完全に理解され、正当に評価される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本願の例示的な一実施形態によるらせん状溝の冷却を備えた中空通路の斜視図である。
【図２】図１の冷却溝の断面図である。
【図３】本願の例示的な一実施形態による冷却溝の断面図である。
【図４】本願の代替的な一実施形態による冷却溝の断面図である。
【図５】本願の代替的な一実施形態による１対のらせん状溝の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
ここで諸図を参照すると、図１は、本願の例示的な一実施形態による熱交換または冷却溝（以下、「らせん状溝１０４」）を備えた中空通路１０１の斜視図を示す。図１が、通路１０１の中空の内部空間の外側境界を示すことが理解されよう。中空通路１０１は、中実のコンポーネントまたは部品１０８内に、例えば、ガスタービンエンジンのロータブレードまたはステータブレードに、冷却剤がその中を循環できるよう、形成することができる。言うまでもなく、ガスタービンエンジンまたは他の産業用機械装置内の他のタイプのコンポーネントまたは部品での使用が可能である。図２は、中空通路１０１およびらせん状溝１０４の断面図を示す。前述のように、中空通路１０１は、一般に、コンポーネント１０８内を延びる中空のキャビティである。コンポーネント１０８は、多くの場合、運転中に中空通路１０１内に冷却剤を循環させることで達成できる、温度緩和（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｍｏｄｅｒａｔｉｏｎ）を必要とする構造である。本明細書で記載され請求される、らせん状溝１０４を、いずれの熱交換用途でも使用できることが、当業者には理解されよう。例えば、らせん状溝１０４を使用して、周囲の構造またはコンポーネントから中空通路１０１内を循環する冷却剤へと熱を放散させることができる。あるいは、らせん状溝１０４を使用して、中空通路１０１内を流れる作動流体中の熱を周囲の構造またはコンポーネントへと放散させることもできる。本願は、らせん状溝１０４の使用を、ガスタービン産業での使用に関して説明し、より具体的には、ガスタービンエンジンのロータブレードおよびステータブレードにおける、内部冷却通路、膜冷却孔、トレーリングエッジスロットなどでの冷却を向上させるための使用に関して説明する。ただし、この説明は、例示的なものにすぎず、決して制限を意図したものではない。
【００１６】
ここに示されるように、中空通路１０１は、多くの場合、円形断面を有する。円筒管の外壁に、本発明の例示的な一実施形態によるらせん状溝１０４が形成される。本明細書で使用するとき、らせん状溝１０４への言及は、それ以上の詳細がなければ、最も広い解釈または意味を有するものとする。すなわち、らせん状溝への言及は、連続的であるか断続的であるかを問わず、中空通路に沿ってほぼらせん状または渦巻状の経路を形成するように延びる、任意の凹部、溝、ノッチ、トレンチ、または類似の構造を広く含むものとする。図１に示されるらせん状溝１０４は、例えば、それが中空通路１０１に沿って延びるときにヘリックス（ｈｅｌｉｘ）形状を形成する、半円形の輪郭を備えた連続溝として記述することができる。ただし、図１のらせん状溝１０４は、単なる例示にすぎない。本発明によるらせん状溝は、多くの形状、サイズ、および／または構成とすることができ、それについてはより詳細に後述する。さらに、本発明によるらせん状溝１０４は、様々な構成の中空通路１０１において機能することができる。多くの場合、前述のように、中空通路１０１は、円形断面である。この構成が多くの産業用途で普及しているので、主にこの構成について論じる。ただし、らせん状溝１０４は、また、様々な構成の中空通路、例えば、長方形、三角形、台形、または楕円形断面の中空通路でも使用することができる。
【００１７】
他のパラメータを使用することもできるが、一般に、らせん状溝１０４は、４つのパラメータ、すなわち、ピッチ、幅、深さ、および輪郭で記述することができる。さらに、らせん状溝１０４は、一様または非一様なものとして、連続的または断続的なものとして、また、該らせん状溝１０４が単一の溝であるか多数であるかを問わず、記述することができ、それについてはより詳細に後述する。本願は、これらのいくつかのパラメータを所与として、考えられる反復のすべてに及ぶものとする。
【００１８】
図１に距離１０６として表されるピッチは、らせん状溝１０４の繰返しパターンの軸方向長さである。前述のように、一部のらせん状溝１０４は、一様なものとして記述することができ、これは、本明細書で使用するとき、らせん状溝１０４が中空通路１０１内でその経路に沿って実質的に均一な間隔で繰り返す規則的なパターンを形成することを伝えることを意図している。非一様ならせん状溝（図示せず）は、この特徴を共有せず、したがって、一定のピッチをもたない。ほぼ一定のピッチを有するらせん状溝１０４では、幅広いピッチ距離が中空通路１０１に熱交換特徴の向上をもたらすことがわかっている。ゆえに、より狭い、好ましいピッチ範囲について論じるが、決してこれらを制限的なものとするわけではない。また、特定の範囲内に入るピッチ測定値が、しばしば、多くの典型的な用途に独特に有利であることもわかっている。多くの中空通路は、円形断面を有する。ゆえに、らせん状溝のピッチを、その長さを円形断面のサイズと関連付けることによって記述することが可能である。すなわち、ピッチは、ピッチを直径によって除した比で記述することができる。この方法を使用して、ピッチを直径によって除した好ましい比が約０．１〜１０．０の間にあることが判明した。この方法は、円形断面をもたない中空通路にも拡張することができる。これらの場合、中空通路の水力直径（「Ｄｈ」）を使用することができる。本明細書で使用するとき、Ｄｈ＝４＊（中空通路の断面積）／（中空通路の浸辺長）である。したがって、一部の好ましい実施形態では、ピッチを水力直径（Ｄｈ）によって除した比は、約０．１〜１０．０の間にある。
【００１９】
図３および図４は、本発明によるらせん状溝１０４の代替的な２つの実施形態のより詳細な断面図を示す。図３では、らせん状溝１０４の輪郭は、半円形である。このような実施形態では、距離１１２として示される、らせん状溝１０４の深さは、中空通路１０１の外表面かららせん状溝１０４の最深部までの径方向距離である。言うまでもなく、らせん状溝１０４の輪郭が半円形である場合、溝の深さは、基本的に円の半径である。距離１１６として示される、図３のらせん状溝１０４の幅は、輪郭の一方の側部から他方の側部までの周方向距離である。らせん状溝１０４の輪郭が半円形である場合、溝の幅は、基本的に円の直径である。
【００２０】
図４では、らせん状溝１０４の輪郭は、長方形である。このような実施形態では、距離１１２として示される、らせん状溝１０４の深さは、中空通路１０１の外表面かららせん状溝１０４の最深部までの径方向距離である。この場合、深さは、側壁の径方向長さと基本的に同一である。距離１１６として示される、図４のらせん状溝１０４の幅は、輪郭の一方の側部から他方の側部までの周方向距離である。図３および図４は、いくつかの好ましい輪郭を示しているが、三角形、台形、半楕円形、「Ｖ」字形、「Ｕ」字形、輪郭とフィレ半径（ｆｉｌｅｔ  ｒａｄｉｉ）との組合せなど、他の輪郭形状も可能であることが、当業者には理解されよう。
【００２１】
幅広い深さおよび幅測定値を含む幅広い構成のらせん状溝１０４が、熱交換特徴の向上をもたらすことがわかっており、したがって、本願は、それらに及ぶものとする。ただし、また、より狭い特定の範囲内に入る深さおよび幅パラメータが、しばしば、多くの典型的な用途に独特に有利であることもわかっている。一般的には中空通路が円形断面を有するので、やはり、らせん状溝の深さおよび幅を中空通路の円形断面のサイズと関連付けることによって、らせん状溝の深さおよび幅を記述することが可能である。ゆえに、深さは、深さを直径によって除した比で記述することができる。また、幅は、幅を直径によって除した比で記述することができる。この方法を使用して、深さを直径によって除した好ましい比が約０．０１〜０．５の間にあることが判明した。さらに、この方法を使用して、幅を直径によって除した好ましい比が約０．０１〜０．２５の間にあることが判明した。この方法は、円形断面をもたない中空通路にも拡張することができる。これらの場合、中空通路の水力直径（「Ｄｈ」）を使用することができる。前述のように、Ｄｈ＝４＊（中空通路の断面積）／（中空通路の浸辺長）である。したがって、一部の好ましい実施形態では、深さを水力直径によって除した比は、約０．０１〜０．５の間にある。さらに、一部の好ましい実施形態では、幅を水力直径によって除した比は、約０．０１〜０．２５の間にある。
【００２２】
前述のように、らせん状溝１０４は、また、一様または非一様なものとして記述することができる。本明細書で使用するとき、一様ならせん状溝１０４とは、実質的に一定のピッチを有する溝である。非一様ならせん状溝１０４は、一定のピッチをもたない。さらに、らせん状溝１０４は、また、連続的であっても断続的であってもよい。本明細書で使用するとき、連続的ならせん状溝１０４とは、終端するまでに中空通路１０１の周りを少なくとも１回転、すなわち３６０°延びる、らせん状経路を形成するものである。この定義の下では、図１に示されたらせん状溝１０４は、連続的ならせん状溝１０４と見なすことができる。他方、断続的ならせん状溝１０４は、中空通路１０１の周りで、終端し、間隔をあけて再出発するものであり、したがって、その溝は、前述した連続的ならせん状溝１０４の定義を満たさない。
【００２３】
さらに、特定の諸実施形態では、多数のらせん状溝１０４を同一の中空通路１０１で使用することができる。図５に示されるように、２つのらせん状溝１０４を、それらが互いに平行に延びるように形成することができる。特定の状況下では、２つのらせん状溝１０４が中空通路１０１の熱交換特性を向上させることがわかっている。また、追加のらせん状溝１０４ならびに他の構成も使用することができる。
【００２４】
使用に際しては、らせん状溝１０４は、冷却流体と中空通路の内壁との間により効果的かつ効率的な対流熱伝達を生み出す。らせん状溝は、内壁に隣接した冷却流体内での境界層成長を一般に妨げる乱流を促進することによって、これを達成する。すなわち、内壁表面に隣接して乱流を生み出すことによって、これらの表面から冷却流体への熱伝達の改善を実現することができる。らせん状溝は、冷却流体中で渦巻き効果を引き起こし、それが混合を促進し、より低温の流体を通路壁へと運び、それが冷却流体と通路壁との間の熱伝達を高める。ただし、従来の配置とは異なり、らせん状溝は、冷却通路の壁から流れ場内には延びておらず、ゆえに、冷却流体が中空通路内を流れるときの該冷却流体の大きな圧力損失には影響を及ぼさない。これは、より少ない冷却剤を使用できることになり、当業者には理解されるように、一般に、より効率的な機械となる。例えば、ガスタービンエンジン内のブレードの冷却の際には、大きな圧力降下は、一般に、冷却流体圧力を高めることによって、かつ／または冷却流体流量を増大させることによって補償される。ただし、この補償は、本来ならば燃焼に使用されることになる追加のバイパス空気をエンジンが供給しなければならないので、タービンエンジン性能および効率を損なう。さらに、この空気は、燃焼器から出ていくガスの温度を弱め、したがってタービンロータ入口温度を下降させ、それがさらにエンジン性能を低下させる。
【００２５】
本発明の好ましい諸実施形態についての以上の説明から、当業者には、改良、変更、および修正が理解されよう。そのような当該技術範囲内の改善、変更、および修正を、特許請求の範囲によって扱うものとする。さらに、以上が、ここに記載した本願の諸実施形態だけに関するものであり、特許請求の範囲およびその均等物によって定義される本願の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書で多くの変更および修正を加えることができることが、明らかなはずである。
【符号の説明】
【００２６】
１０１  中空通路
１０４  らせん状溝
１０８  コンポーネント
【図１】
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【図２】
2010133415.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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