(57)【要約】【課題】フィルム冷却式部品（１０）の冷却孔（１６）を通る流量を測定する方法を提供する。【解決手段】本方法は、１）フィルム冷却式部品（１０）の初期温度とは異なる初期温度を有する流体の該部品（１０）を通る流れにより生じた該フィルム冷却式部品（１０）における冷却孔（１６）の専ら内側部分（２２）に対応する内部表面温度の過渡熱応答を測定するステップと、２）過渡熱応答を数学的に特徴付けるステップと、３）数学的な特徴付けから冷却孔の流量を決定するステップとを含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィルム冷却式部品（１０）の冷却孔（１６）を通る流量を測定する方法であって、
前記フィルム冷却式部品（１０）の初期温度とは異なる初期温度を有する流体の該部品（１０）を通る流れにより生じた該フィルム冷却式部品（１０）における前記冷却孔（１６）の専ら内側部分（２２）に対応する内部表面温度の過渡熱応答を測定するステップと、
前記過渡熱応答を数学的に特徴付けるステップと、
前記特徴付けから前記冷却孔の流量を決定するステップと、を含む、
方法。
【請求項２】
前記測定するステップが、前記冷却孔の出口（２４）付近の該冷却孔（１６）の内部表面上の箇所（２２）の過渡熱応答を測定するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記数学的に特徴付けるステップが、前記過渡熱応答を測定するステップによりもたらされた測定値に指数曲線を当てはめるステップを含む、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記指数曲線が、Ａｅ−Ｂｔの形式を有し、ここで、係数Ｂは、流量に相関している、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記決定するステップが、前記数学的な特徴付けに対して較正係数を適用して流量を得るステップを含む、請求項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記測定するステップが、
前記流体の流れを開始するステップと、
前記流体の流れの圧力が安定化した時又は安定化した後であってかつ前記表面温度が安定化する前に、前記部品（１０）の冷却孔（１６）の出口（２４）内の1つ又はそれ以上の箇所（２２）において該表面温度を測定するステップと、を含む、
請求項１乃至５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
フィルム冷却式部品（１０）の冷却孔（１６）を通る流量を測定する方法であって、
前記フィルム冷却式部品（１０）の初期温度とは異なる初期温度を有する流体の該部品（１０）を通る流れにより生じた該フィルム冷却式部品（１０）における前記冷却孔（１６）の専ら内側部分（２２）に対応する内部表面温度の過渡熱応答を測定するステップと、
前記過渡熱応答を数学的に特徴付けるステップと、
前記数学的な特徴付けから所望の熱応答特性を決定するステップと、を含む、
方法。
【請求項８】
前記所望の熱応答特性を標準的なフィルム冷却式部品に関連する対応する熱応答特性と比較するステップと、
それから流量を決定するステップと、
をさらに含む、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記数学的に特徴付けるステップが、前記過渡熱応答を測定するステップによりもたらされた測定値に指数曲線を当てはめるステップを含む、請求項７または８記載の方法。
【請求項１０】
前記指数曲線が、Ａｅ−Ｂｔの形式を有し、ここで、係数Ｂは、流量に相関している、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはフィルム冷却式部品に関し、より具体的には、フィルム冷却式部品における孔の流量を定量化する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン及びその他の高温装置は、タービンブレードのような高温ガス流路構成要素を効果的に保護するために、フィルム冷却を広汎に使用している。フィルム冷却は、部品を冷却する方法であって、この方法においては、部品の外部壁内の複数の小孔を通して冷却空気を吐出して、該部品の外部表面に沿って薄い冷却バリヤを形成しかつ高温ガスとの直接接触を防止又は減少させる。
【０００３】
各部品が設計意図と比べてどのように動作すべきかを判断するためには、フィルム孔の流量を正確に知ることが必要である。それらの流量を測定するようになった部品の検査により、それらの部品の使用妥当性が判定され、従ってそれら検査は、コスト及び補修にも大きな影響を有する。そのような検査つまり測定は、部品の寿命又は残り寿命の判定を助けるように使用することができる。整備済み部品の検査は、それらを実使用に戻すことができるかどうかを判定する。
【０００４】
フィルム孔の流量を測定する標準的な方法は、「流量チェック」として知られている。流量チェックは、試験台上に配置した部品を通る全流量を測定する。流れ回路の良好な部品及び／又は解析モデルにおけるゲージ測定値のいずれかとの比較により、使用妥当性が決定される。一般的に、このプロセスは、非常に時間がかかるものであるので、全ての部品のみが流量チェックされるか又は最良の個々のフィルム列において流量チェックされ、個々のフィルム孔が流量チェックされることはない。さらに、非常に異なる内部熱性能（熱伝達率）を有する可能性があるが、同じ量を流しかつ他の方法では全ての外部寸法テストに合格する２つの部品を区別する方法はない。
【０００５】
従来技術の上記の短所及び欠点を克服又は軽減する１つの技術は、フィルム冷却式部品の冷却孔における流量を測定する方法に関し、本方法は、フィルム冷却孔付近のフィルム冷却式部品の外部表面温度の過渡熱応答を測定するステップと、過渡熱応答を数学的に特徴付けるステップと、この特徴付けから流量を決定するステップとを含む。この方法は、上記の欠点の多くを克服又は軽減するが、孔の間隔、配向及び形状に関する知識並びに各部品内の孔付近の同一の表面箇所を一貫して位置決めする正確さを必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７，３８８，２０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、各フィルム冷却式部品内の孔付近の同一の表面測定箇所を正確にかつ一貫して位置決めする必要性なしに又は孔の間隔、配向及び形状に関する知識なしに、フィルム冷却式部品における孔の流量を定量化する方法を提供することは、利点があると言える。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
簡潔に言うと、１つの実施形態によると、フィルム冷却式部品の冷却孔を通る流量を測定する方法は、フィルム冷却式部品の初期温度とは異なる初期温度を有する流体の該部品を通る流れにより生じた該フィルム冷却式部品における冷却孔の専ら内側部分に対応する内部表面温度の過渡熱応答を測定するステップと、過渡熱応答を数学的に特徴付けるステップと、特徴付けから冷却孔の流量を決定するステップとを含む。
【０００９】
別の実施形態によると、フィルム冷却式部品の冷却孔を通る流量を測定する方法は、フィルム冷却式部品の初期温度とは異なる初期温度を有する流体の該部品を通る流れにより生じた該フィルム冷却式部品における冷却孔の専ら内側部分に対応する内部表面温度の過渡熱応答を測定するステップと、過渡熱応答を数学的に特徴付けるステップと、数学的な特徴付けから所望の熱応答特性を決定するステップとを含む。
【００１０】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様な部品を表している添付図面を参照しながら以下の詳細な記述を読むことにより、一層良好に理解されるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】フィルム冷却孔を有するフィルム冷却式部品の一部分の断面を示す概略図。
【図２】同一の圧力比条件下にある複数のフィルム冷却孔についての熱過渡データを示すグラフ図。
【図３】１つの実施形態による、図１に示したフィルム冷却孔の内部表面をあらゆるアクセス可能な方向から見る見通し線を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
上記の図面の図は、幾つかの代替的な実施形態を表しているが、以下の説明において述べるように本発明のその他の実施形態もまた考えられる。全てのケースにおいて、本開示は、本発明の例示した実施形態を限定としてではなく説明として提示している。当業者には、多くのその他の変更形態及び実施形態を案出することができるが、それらもまた、本発明の原理の技術的範囲及び技術思想の範囲内に属する。
【００１３】
図１は、その内部１２を通って流れる流体冷却媒体によって冷却される部品１０を概略的に示している。流体冷却媒体は、大気とすることができ又は窒素のような既知の熱力学的特性を有するその他の流体とすることができる。冷却媒体の幾らかは、流路１８に沿ってフィルム冷却孔１６を通って部品１０の外部２０に流れる。部品１０は、数百のそのようなフィルム冷却孔を有することができるが、本図には説明のために一つのみを示している。
【００１４】
フィルム冷却孔の出口２４付近のフィルム冷却孔１６の内部表面２２上の様々な位置における温度は、赤外線検出器３０を使用して測定することができる。例えば、赤外線検出器３０は、予め選択した波長の電磁放射線に感応するイメージング赤外線放射温度計又はこれに類するものとすることができる。実際には、較正が一貫して行われる限り、あらゆる材料に対してあらゆる波長値又は波調範囲を使用することができるが、その他の因子に対する信号強度又は感度の発生可能性がある問題に対処する必要があることになる。放射率が未知である場合には、この値を決定するための付加的ステップを追加しなくてはならない。
【００１５】
冷却媒体フィルム孔１６は、流路１８に沿って、冷却媒体と該冷却媒体フィルム孔１６の内側壁２２との間に大きな熱伝達率を生じて、該冷却媒体フィルム孔１６内に局所的冷却区域を発生させる。このことは、局部的にヒートシンクを形成し、次にこのヒートシンクが、熱伝導によって周囲の材料からより多くの熱を取去ることに注目されたい。これらの熱伝達作用は、部品が流体冷却媒体よりも高温度にある場合に対して記述されていること、また同様な作用は、熱が部品外にではなくて部品内に伝達されることになることを除けば、冷却媒体が部品よりも高温度にある場合に発生することになることが理解されるであろう。
【００１６】
実際には、冷却媒体フィルム孔を通る流量は、流体が材料の温度とは異なる温度にある時に、全材料域熱応答を生じることになる。本方法の実施形態では、この熱応答は、例えば空気のような低温流体が構成要素及び冷却媒体フィルム孔１６を通して流される時に、過渡熱応答になる。冷却媒体フィルム孔１６を形成した材料は次に、時間の経過と共に部品１０の初期温度から冷却媒体の温度に冷却される。本明細書では、時間の関数としての材料の熱過渡データ及び特に冷却媒体フィルム孔の出口２４の専ら内側の表面温度を使用して、各冷却媒体フィルム孔１６を通る流量を推定する。
【００１７】
本発明者は、冷却媒体フィルム孔を通る質量流量の正確であり、信頼性がありかつ再現性がある検出及び測定は、専ら孔の出口２４内側の表面２２に関連する熱過渡応答によって特徴付けることができることを見いだした。より具体的には、本発明者は、各個々の冷却媒体フィルム孔１６を通る流量の測定値は、例えば赤外線装置３０によって測定する場合には、たとえ孔の間隔、配向及び形状のような因子を使用しない場合であっても対応する冷却媒体フィルム孔の出口２４の直ぐ内側における材料温度応答のみにより決定することができることを、また最も単純な発生可能性がある熱崩壊又は熱蓄積応答のみを必要として、所望の測定結果を得ることができることを見いだした。本明細書に記載した方法の実施形態は、熱過渡応答によりフィルム孔の流量を決定する場合に各部品内の孔付近の同一の表面箇所を一貫して位置決めする精度の必要性を排除する利点があり、また自動及びコンピュータ認識システムによる測定（フィルム孔）位置の容易な検出を可能にする。本発明の１つの態様によると、最適処理ウインドウは、孔圧力比時間応答及び冷却媒体フィルム孔出口内部表面温度時間勾配応答における設定限界値によって明確に限定される。
【００１８】
部品内の各フィルム孔内側の同一の位置を観察する必要がないこと、またさらに部品間における共通のフィルム孔内側の同一の位置を正確に観察する必要すらないことに注目されたい。孔の内部表面を使用することによって、この熱応答は、内部熱伝達率によって非常に大きく支配されることになり、本方法は、そのような位置変化には感応しないようになる。「位置」というのは、表面温度を得るために処理される単一の検出箇所又は一群の検出箇所を意味することを認識されたい。
【００１９】
この熱過渡に対する冷却媒体フィルム孔の流量の関係は、次の形式のものとはる。
【００２０】
フィルム孔流量＝f（孔圧力比時間応答、フィルム孔出口内部表面温度時間勾配応答）
図２は、各孔が１．５という同一の圧力比条件下にあって、複数の温度応答曲線４０を発生している複数のフィルム冷却孔（図１に参照符号１６で示す）についての熱過渡データを示すグラフ図である。本明細書で使用する場合の圧力比というのは、フィルム冷却孔１６外側の絶対圧力と比べた該フィルム冷却孔１６内側の絶対圧力の比率を意味している。例えば、フィルム冷却孔１６内側の絶対圧力が２０ｐｓｉであり、またフィルム冷却孔１６外側の圧力が１５ｐｓｉ（つまり、約大気圧）である場合には、圧力比は、２０／１５つまり１．３３３である。１つの態様によると、温度応答曲線４０は、無次元化して、全ての応答曲線４０を共通基準に対して標準化することができる。
【００２１】
１つの実施形態によると、フィルム冷却孔の流量を決定するために、比較法を使用している。この比較法は、「ゴールドスタンダード」と呼ぶこともある標準テスト部品を利用するが、この標準テスト部品は、複数のフィルム冷却孔を有するように構成することができ、またその標準テスト部品を異なるフィルム孔圧力比に対応する一連の冷却媒体流れ条件下に置くことによって最初にテストされる。所望のフィルム孔についての過渡熱応答は、フィルム孔圧力比の各々において測定され、次に数学的に特徴付けられる。得られた数学的な特徴付けは次に、較正フィルム孔流量マップ（応答）を作成するために使用される。図２は、フィルム供給圧力５０を受けているフィルム冷却孔に関連する複数の過渡熱応答４０を示している。
【００２２】
その後製造される部品に関連するフィルム冷却孔の流量は、標準テスト部品における同一の孔位置に対応する孔位置にあるフィルム冷却孔からのフィルム冷却孔データを使用して測定熱応答特性を較正フィルム孔流量マップと相関させることによって、前述の数学的に特徴付けられた過渡熱応答の関数として簡単に決定される。
【００２３】
１つの態様による較正マップは、経験的に決定される。それに代えて、コンピュータ流体力学及び／又は有限要素解析によるような数値予測を実験データの代わりに又は該実験データと組合せて使用して、実験することなしに熱過渡応答較正マップを決定することができる。実際には、数値法は、実験データを用いて較正されることになるが、これは、全てが実験データから引出された較正係数を開発するために必要となるよりも遥かに少数のテスト箇所しか必要としないものとすることができる。「較正係数」という用語は、本明細書では過渡熱応答特性とフィルム冷却孔の流量との間の関係を指すために大まかに使用しており、この関係は、実際には非線形関数とすることができる。
【００２４】
特定の出口孔１６について過渡応答曲線４０が得られたら、曲線４０の数学的な特徴付けから、例えば曲線４０上の特定の点の相対位置から、流量を決定することができる。特定のフィルム冷却孔１６を通る流量は、例えば温度回復Ｒの大きさの関数として決定することができ、この温度回復Ｒは、１つの実施形態によると、曲線４０上の第１の時間ｔ１と第２の時間ｔ２との間に生じる差である。それに代えて、流量は、例えば回復時間の長さつまり曲線４０上の異なる点における勾配の差から決定することができる。回復Ｒ、回復時間又は勾配の差とフィルム冷却孔１６を通る流量との間の関係は、上に述べたように、数値解析によって又はそれらの組合せによって経験的に決定することができる。１つの態様によると、数学的な特徴付けは、Ａｅ−Ｂｔという形式を有する指数曲線であり、ここで、係数Ｂは、流量に相関している。
【００２５】
フィルム孔の流量を測定する本方法は、試験台上のフィルム冷却孔に合わせて較正することができ、従ってこの較正は、全ての部品及び全ての用途に対して一回行うようにすることができる。個々のフィルム冷却孔検査及び流量測定を行うことができる。
【００２６】
１つの実施形態によると、特定のフィルム冷却孔１６の圧力比における温度応答曲線４０は、赤外線カメラを使用してフィルム冷却孔１６の内部表面の単一のスナップ写真を撮ることによって得られる。このスナップ写真は、幾つかのピクセル位置の各々における温度を明らかにし、次にこれらの温度を使用して、選択圧力比における対応する温度応答曲線４０を作成することができる。
【００２７】
図３は、フィルム冷却孔１６の内部表面２２をあらゆるアクセス可能な方向から見る見通し線６０を示す図である。見通し線６０は、部品１０の表面６２に対して垂直な方向のみでなく、あらゆるアクセス可能な方向からのものとすることができる。図３は、二次元的であるが、実際のフィルム冷却孔１６は、３次元的であることに注目されたい。
【００２８】
引続き図３を参照すると、内部表面２２というのは、外部壁面６２及び隠れた内部壁６４ではなく、フィルム冷却孔１６の内部のあらゆる目視可能な部分を意味している。実際には、目視可能な表面は、孔の出口２４に一層近い表面である。図３では、孔の出口２４は、実際には表面６２における想像上の又は概念的な流れ出口平面であって、現実の物理的表面ではないことに注意されたい。より具体的には、孔の出口２４は、周囲の部品外部表面６２から延長された流れ出口平面であって、孔１６内側の実際の表面２２のいかなる部分でもない。従って、この出口平面は、実際には見ることができないが、表面２２は、孔の出口２４内側に位置している。
【００２９】
本明細書では本発明の一部の特徴のみを例示しかつ説明してきたが、当業者には多くの修正及び変形が想起されるであろう。従って、提出した特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変形を本発明の技術思想の範囲内に属するものとして保護しようとしていることを理解されたい。
【符号の説明】
【００３０】
１０  フィルム冷却式部品
１２  フィルム冷却式部品の内部
１６  フィルム冷却孔
１８  フィルム冷却孔を通る通路
２０  フィルム冷却式部品の外部
２２  フィルム冷却孔の内側壁
２４  フィルム冷却孔の出口
３０  赤外線検出器
４０  温度応答曲線
５０  フィルム供給圧力
６０  見通し線
６２  フィルム冷却式部品の外部表面
６４  フィルム冷却式部品の隠れた壁内部表面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
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