(57)【要約】      （修正有）【課題】薄い後縁を有する冷却タービン翼を提供する。【解決手段】複数の内部冷却通路３６を含む翼を機械加工するための方法が提供される。本方法は、翼の後縁２６に隣接する圧力側３０部分を選択的に除去して、複数の内部冷却通路３６のうち翼の後縁２６に隣接する部分を露出させることを含む。本方法はまた、複数の内部冷却通路３６の露出部分を所定の形状に機械加工することを含む。翼の後縁２６に隣接する圧力側３０部分を選択的に除去することは、圧力側３０部分を、放電加工（ＥＤＭ）、レーザ・マイクロ加工、電気化学的加工（ＥＣＭ）、アブレシブ・ウォータ・ジェット加工、ミリング、またはそれらの組み合わせによって除去することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
前縁（２４）と、
後縁（２６）と、
吸引側（３２）と、
圧力側（３０）と、
冷却液（４２）を運ぶように構成された少なくとも１つの内部冷却キャビティ（４４）と、
前記翼（２２）の全長（４１）に沿って配置されて前記冷却液（４２）を前記冷却キャビティ（４４）から前記後縁（２６）に向かって供給するように構成された複数の内部冷却通路（３６）と、を備え、
前記圧力側（３０）のうち前記翼（２２）の前記後縁（２６）に隣接する部分（４０）が除去されて、前記複数の内部冷却通路（３６）のうち前記翼（２２）の前記後縁（２６）に隣接する部分（４８）が露出している翼（２２）。
【請求項２】
前記複数の内部冷却通路（３６）のうち前記翼（２２）の前記後縁（２６）に隣接する前記露出部分（４８）はディフューザ（５２）を含む請求項１に記載の翼（２２）。
【請求項３】
前記ディフューザ（５２）は、前記露出部分（４８）の長さに沿って前記後縁（２６）に向かって大きくなる幅を含む請求項２に記載の翼（２２）。
【請求項４】
前記圧力側（３０）の前記除去された部分（４０）は略多角形の断面を含む請求項１に記載の翼（２２）。
【請求項５】
複数の内部冷却通路（３６）を含む翼（２２）を機械加工するための方法であって、
前記翼（２２）の後縁（２６）に隣接する圧力側部分（４０）を選択的に除去して、前記複数の内部冷却通路（３６）のうち前記翼（２２）の前記後縁（２６）に隣接する部分（４８）を露出させること、を含む方法。
【請求項６】
前記後縁（２６）に隣接する前記露出部分（４８）を所定の形状に機械加工することをさらに含む請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記翼（２２）の前記後縁（２６）に隣接する前記圧力側部分（４０）を選択的に除去することは、前記圧力側（３０）部分を、放電加工（ＥＤＭ）、レーザ・マイクロ加工、電気化学的加工（ＥＣＭ）、アブレシブ・ウォータ・ジェット加工、ミリング、またはそれらの組み合わせによって除去することを含む請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記複数の内部冷却通路（３６）の前記露出部分（４８）を前記所定の形状に機械加工することは、前記内部冷却通路（３６）の前記露出部分（４８）を成形してディフューザ（５２）を形成することを含む請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記ディフューザ（５２）を形成することは、前記露出部分（４８）の長さに沿って前記後縁（２６）に向かって幅を大きくすることを含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
翼（２２）を冷却する方法であって、
冷却液（４２）を冷却キャビティ（４４）から後縁（２６）に向かって複数の内部冷却通路（３６）を介して供給することであって、前記複数の内部冷却通路（３６）は、前記後縁（２６）に隣接する露出部分（４８）を含む、供給することと、
前記冷却液（４２）の通路膜（５４）を前記後縁（２６）に隣接する前記露出部分（４８）上に形成して、前記露出部分（４８）の冷却を図ることと、を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に、翼後縁に関し、より詳細には、薄い後縁を有する冷却タービン翼に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、非限定的な例において、冷却翼タービンは前縁および後縁を備えている。タービンの外部翼表面上を高温流体が流れると、後縁における流体速度が非常に高いことと相まって、材料温度が適正な値に制限されているときに高熱流速が生じる原因となる。後縁が加熱されると、後縁が劣化して寿命が短くなる原因になる。従来、種々のアプローチが、後縁の加熱を軽減するために用いられてきた。１つのこのようなアプローチの典型的な例は、後縁の厚さを大きくすることによって、熱流束の印加による後縁の劣化を後縁の内部冷却によって軽減できるようにすることである。しかし、後縁の厚さは翼の空気力学的効率に反比例することが一般的に知られている。したがって、後縁の厚さを大きくすると翼の効率に悪影響が出る。
【０００３】
対照的に、後縁の厚さを小さくすると後縁が急速に劣化する原因になる場合がある。翼によっては、冷却システムを用いて後縁を冷却している。１つのこのようなアプローチは、翼圧力側の流出スロットであり、翼を鋳造プロセスによって形成する間に、翼圧力側の後部部分を、中間ランドを伴う一連のスロットとして形成する。流出スロットは、内部冷却通路に接続されていて、後縁に冷却液を供給する。冷却液によって、加熱された後縁の温度が下がる。しかし冷却有効性は通常、耐久性が優れている点を超えると低下する。この結果、コストは望ましくないものになり、翼は非効率になる。したがって、後縁に対する冷却が十分な薄い後縁を得ることが、依然として問題である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５，２５２，３８１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、前述の問題点に対処する改善された翼が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態によれば、翼が提供される。翼は、前縁と、後縁と、吸引側と、圧力側と、を備えている。翼はまた、冷却液を運ぶように構成された内部冷却キャビティを備えている。翼はさらに、翼の全長に沿って配置されて冷却液を冷却キャビティから後縁に向かって供給するように構成された複数の内部冷却通路を備え、翼の後縁に隣接する圧力側部分が除去されて、複数の内部冷却通路のうち翼の後縁に隣接する部分が露出している。
【０００７】
本発明の別の実施形態によれば、複数の内部冷却通路を含む翼を機械加工するための方法が提供される。本方法は、翼の後縁に隣接する圧力側部分を選択的に除去して、複数の内部冷却通路のうち翼の後縁に隣接する部分を露出させることを含む。
【０００８】
本発明のさらに別の実施形態によれば、翼を冷却する方法が提供される。本方法は、冷却液を冷却キャビティから後縁に向かって複数の内部冷却通路を介して供給することを含み、複数の内部冷却通路は、後縁に隣接する露出部分を含んでいる。本方法はまた、冷却液の通路膜を後縁に隣接する露出部分上に形成して、露出部分の冷却を図ることを含んでいる。
【０００９】
本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および優位性は、以下の詳細な説明を添付図面を参照して読むことでより良好に理解される。なお図面の全体に渡って同様の文字は同様の部品を表わす。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来のタービン・エンジンの概略図である。
【図２】図１の高圧タービンの従来の翼の概略図である。
【図３】図２の従来の翼の後縁の断面図の概略図であり、圧力側へり厚さおよび流出スロットを示す図である。
【図４】図２の従来の翼の後縁の概略図であり、本発明の実施形態による翼の後縁に隣接する圧力側部分から選択的に除去すべき典型的な多角形状の部分を示す図である。
【図５】図４の後縁の概略図であり、後縁に隣接する圧力側部分を選択的に除去した後の複数の内部冷却通路の露出部分を示す図である。
【図６】本発明の実施形態による翼の後縁に隣接する図５の複数の内部冷却通路の露出部分の断面正面図の概略図である。
【図７】図５の後縁の概略図であり、本発明の実施形態により図５の複数の内部冷却通路の露出部分を所定の形状に機械加工することにより形成されるディフューザを示す図である。
【図８】本発明の実施形態により図５の複数の内部冷却通路の露出部分を所定の形状に機械加工することにより形成される図７のディフューザの断面正面図の概略図である。
【図９】本発明の実施形態により翼を機械加工してディフューザを形成する方法に含まれるステップを表わすフロー・チャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に詳細に説明するように、本発明の実施形態には、翼と翼を機械加工するための方法とが含まれる。翼は、翼の後縁に隣接する露出部分を有する複数の内部冷却通路を含んでいる。複数の内部冷却通路の前記部分は、後縁に隣接する翼の圧力側部分を選択的に除去することによって露出される。複数の内部冷却通路の露出部分はさらに所定の形状に機械加工される。
【００１２】
一般的に、翼の外部翼表面上を高温流体が流れると、後縁における流体速度が非常に高いことと相まって、材料温度が適正な値に制限されているときに高熱流速が生じる原因となる。後縁の材料温度が高くなると、翼が劣化して維持費が増す原因になる。さらに、現時点での製造上の制約（たとえば、インベストメント鋳造処理に付随するもの）により、後縁の厚さを小さくすることには限界がある。加えて、後縁の厚さは翼の空気力学的効率に反比例することが一般的に知られている。したがって、後縁の厚さを小さくすることに限界があるため、翼の効率に悪影響が出ている。したがって、以下、図１〜６を参照して、後縁の厚さが望ましい程度に小さい新規な翼とその製造方法について説明する。
【００１３】
図１は、従来のタービン・エンジン１０の概略図である。タービン・エンジン１０は、直列に流れ連絡する状態で、フロント・ファン１２、多段式の高圧圧縮機１４、多段式の低圧圧縮機１６、燃焼器１７、多段式の低圧タービン１８、および高圧タービン２０を備えている。タービン・エンジン１０の動作時には、空気が、フロント・ファン１２を通って下流に流れて、多段式の低圧圧縮機１６に至る。空気は、圧縮された後に、続けて下流に流れて、高圧圧縮機１４を通り、そこで空気は高圧に加圧される。高圧の圧縮空気の一部が、燃焼器１７に送られて、燃料と混合され、点火されて、高温高圧の推進ガスが発生する。ガスは、さらに下流に流れて、高圧タービン２０によって、高圧圧縮機１４を駆動するために用いられる。高温高圧の推進ガスは、膨張してそのエネルギーの一部を失った後、続けてさらに下流に流れる。ガスは、多段式の低圧タービン１８によって、フロント・ファン１２および多段式の低圧圧縮機１６を駆動するために用いられる。高圧タービン２０は複数の翼２２を備えている（図２）。翼２２については、図２を参照してより詳しく説明する。なお本明細書において、翼をタービン・エンジンを参照して説明しているが、翼は、後縁の加熱を制御する必要がある任意の他の応用例（たとえば冷却静翼またはノズル）にも適用可能であることが考えられることに注意されたい。
【００１４】
図２は、図１の高圧タービン２０の従来の翼２２の概略図である。翼２２は、前縁２４と後縁２６とを備えている。これらによって、流体の流れに対して揚力および方向付けがもたらされる。なお本明細書において、流入ガスと接触する翼２２の第１の縁部を「前縁」２４と言い、ガスが翼２２を過ぎて流れたときにガスに接触する第２の縁部を「後縁」２６と言うことに注意されたい。本発明の一実施形態においては、翼２２はインベストメント鋳造プロセスによって形成される。別の実施形態においては、翼２２は、（これらに限定されないが）ブレード、動翼、静翼、およびノズルを備えていても良い。動作時には、高温高圧の推進ガスが高圧タービン２０（図１）上を流れて翼２２を回転させる。より高い圧力を受ける翼２２の面を「圧力側」３０と言い、一方で、「より低い圧力」を受ける面を「吸引側」３２と言う。高温高圧の推進ガスは概ね、前縁２４から後縁２６に向かう方向３４に、翼の両側を通って流れる。ガスが翼２２を過ぎて流れるときに、ガスは短い方の側面よりも長い方の側面上でより速く流れる。速く移動するガス流の方が、遅く移動するガス流よりも圧力が低い。この圧力差によって、翼２２の吸引側３２の方向に力が形成される。この力は「揚力」と言われる。方向３４の高温高圧の推進ガスの流れは、後縁２６を加熱することになる。複数の内部冷却通路（後の図３、４、５に示す）が、後縁２６の温度を下げるために設けられている。さらに、流出スロット３７が、複数の内部冷却通路の後縁２６に隣接する端部に形成されている。
【００１５】
図３は、図２の従来の翼の後縁２６の断面図の概略図であり、圧力側へり厚さ３８および流出スロット３７を示す図である。前述したように、翼２２（図２）の空気力学的効率は、後縁厚さ３９の減少とともに増加する。後縁厚さ３９をさらに小さくして翼２２の効率を増加させることが望ましい。さらに、翼２２のへり厚さ３８は翼２２の効率に反比例することが一般的に知られている。なお本明細書において、へりを、後縁２６に向かう圧力側３０の縁部と言う場合があることに注意されたい。したがって、へり厚さ３８を小さくして翼２２の効率を増加させることが望ましい。後縁厚さ３９およびへり厚さ３８を小さくする方法およびシステムについては、下図５〜図９に関連して極めて詳細に説明する。
【００１６】
図４は、図２の従来の翼２２の後縁２６の概略図であり、圧力側３０から選択的に除去すべき、翼２２（図２）の後縁２６に隣接する典型的な多角形状の部分４０を示す図である。通常、動作中に後縁２６を冷却するために冷却システムが翼２２内に設けられている。複数の内部冷却通路３６が翼２２の全長４１に沿って配置され、冷却液４２を冷却キャビティ４４から翼２２内の後縁２６に向かって供給して、後縁２６の温度を下げるようにしてある。本発明の一実施形態においては、複数の内部冷却通路３６は、インベストメント鋳造プロセス、放電加工（以下、「ＥＤＭ」と言う）、電気化学的加工（以下、「ＥＣＭ」と言う）、ミリング、またはそれらの組み合わせによって形成される。別の実施形態においては、複数の内部冷却通路３６は長円形、楕円形、または円形断面を有する。冷却液４２のが後縁２６の加熱を制御することができる能力は、後縁２６の厚さ、形状、および製造に直接関係している。厚さ３９は、後縁２６に隣接する圧力側部分４０を選択的に除去することによって小さくすることができる。圧力側部分４０が選択的に除去された後縁２６について、以下に詳細に説明する。
【００１７】
図５は、図４の後縁の概略図であり、本発明の実施形態による後縁２６に隣接する圧力側部分４０を選択的に除去した後の複数の内部冷却通路３６の露出部分４８を示す（図４の切断線５−５によって特定される）。翼２２（図２）の後縁２６に隣接する圧力側部分４０は、放電加工、電気化学的加工、ミリング、アブレシブ・ウォータ・ジェット加工、レーザマイクロ加工、またはそれらの組み合わせによって選択的に除去される。典型的な実施形態においては、圧力側部分４０を選択的に除去すると、後縁２６の後縁厚さ３９が約４０パーセント減少することになる。一実施形態においては、へり厚さ３８は、複数の内部冷却通路３６の高さ以下である。別の実施形態においては、部分４０を選択的に除去することには、略多角形断面の部分４０を除去することが含まれる。本明細書で用いる場合、用語「略多角形部分」は、任意の幾何学的形状（たとえば縁部が湾曲している任意の形状など）の部分を含む。特定の実施形態においては、圧力側部分４０を選択的に除去することにはまた、翼２２の後縁２６の一部を除去することが含まれていても良い。後縁２６に隣接する露出部分４８の形状をより良好に理解するために、露出部分４８の正面図（切断線６−６によって特定される）を下図６に記載する。
【００１８】
図６は、本発明の実施形態による翼２２（図２）の後縁２６に隣接する図５の複数の内部冷却通路３６の露出部分４８の断面正面図の概略図である。典型的な実施形態においては、複数の内部冷却通路３６の露出部分４８は半円形状または半楕円形状を含む。複数の内部冷却通路３６の露出部分４８は、前述した方法の１または複数により所定の形状に機械加工される。露出部分４８の所定の形状について、図７を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図７は、図５の後縁２６の概略図であり、本発明の実施形態により図５の複数の内部冷却通路３６の露出部分４８を所定の形状に機械加工することにより形成されるディフューザ５２を示す図である。一実施形態においては、露出部分４８（図５）を所定の形状に機械加工することには、複数の内部冷却通路３６の露出部分４８を成形して複数のディフューザ５２を形成することが含まれる。特定の実施形態においては、複数の内部冷却通路３６の露出部分４８の表面積を増加させて、ディフューザ５２を形成する。露出部分４８の表面積の増加は、露出部分４８の幅を露出部分４８の長さに沿って大きくして、後縁２６の端部における部分を広くすることによって行なう。典型的な実施形態においては、内部冷却通路３６の露出部分４８は、種々の所定の形状に機械加工することができ、必ずしもすべての応用例に対してディフューザである必要はない。非限定的な例では、露出部分４８を矩形形状に機械加工しても良く、機械加工された露出部分４８の深さは、露出部分の長さに沿った場所とともに変化しても良い。さらに、ディフューザ５２は、後縁２６に隣接する複数の内部冷却通路３６の露出部分４８上に冷却液４０の通路膜５４を形成する。通路膜５４は、下図８に関連してより良好に理解することができる。ディフューザ５２の形状および通路膜５４の形成をより良好に理解するために、ディフューザ５２の正面図（切断線８−８によって特定される）を下図８に記載する。
【００２０】
図８は、本発明の実施形態により図５の複数の内部冷却通路３６の露出部分４８（図５）を所定の形状に機械加工することによって形成される図７のディフューザ５２の断面正面図の概略図である。典型的な実施形態においては、ディフューザ５２は半球形状を含んでいる。露出部分４８の表面積が増加すると、冷却するために通路膜５４が覆う後縁２６の表面積が、従来の内部冷却通路によって膜が形成される場合と比べて大きくなる。後縁２６における冷却液４０の通路膜５４（図７）によって、後縁２６の温度が下がり、翼２２（図２）の後縁２６に対する冷却効果がもたらされる。翼２２を機械加工してディフューザ５２を形成することをより良好に理解するために、図９の翼２２を機械加工するためのステップを含むフローチャートについて以下に詳細に述べる。
【００２１】
図９は、本発明の実施形態によりディフューザを形成するための翼の機械加工に含まれるステップを表わすフロー・チャートである。本方法は、鋳造プロセスにより翼を形成することを含む（ステップ６２）。翼を機械加工して、複数の内部通路を翼の全長に沿って形成する（ステップ６４）。典型的な実施形態においては、複数の内部冷却通路を、前述の方法の１または複数により形成する。後縁に隣接する圧力側部分を選択的に除去して複数の内部通路を露出させる（ステップ６６）。複数の内部冷却通路の露出部分を所定の形状に機械加工する（ステップ６８）。特定の実施形態においては、複数の内部冷却通路を、前述の方法の１または複数により形成する。一実施形態においては、所定の形状にはディフューザが含まれる。別の実施形態においては、ディフューザは半球形状を含む。
【００２２】
前述した翼の種々の実施形態によって、厚みが小さくなった後縁と、後縁に隣接して露出してディフューザを形成する複数の内部冷却通路とを含む翼が提供される。圧力側から、後縁に隣接する部分を選択的に除去することによって、後縁の厚さを小さくする。前記部分を選択的に除去することによって、複数の内部冷却通路のうち後縁に隣接する部分が露出する。露出部分を機械加工してディフューザを形成することを、複数の内部冷却通路の露出部分の表面積を増加させることによって行なう。ディフューザは、後縁に通路膜を形成して、厚みが小さくなった後縁を動作中に冷却することを図るとともに、冷媒を後縁の表面に保持しながら冷媒をより大きな表面積に広げて、全体的な冷却効率を高めることを図っている。こうして、これらの技術によって、適切に冷却された薄い後縁が実現され、その結果、約４０パーセント薄い後縁が得られ、翼の効率が増加し、翼の維持費が下がる。
【００２３】
当然のことながら、必ずしも前述したすべての目的または優位性が、いずれかの特定の実施形態によって実現され得るわけではないことを理解されたい。その結果、たとえば、当業者であれば分かるように、本明細書で説明したシステムおよび技術の具体化または実行を、本明細書で教示した１つの優位性または一群の優位性を達成または最適化する仕方で、必ずしも本明細書で教示または示唆する場合がある他の目的または優位性を実現することなく、行なっても良い。
【００２４】
さらに、当業者であれば分かるように、異なる実施形態に由来する種々の特徴には互換性がある。たとえば、一実施形態に関連して複数の内部冷却通路の露出部分を成形してディフューザを形成することを、略多角形状の圧力側部分の選択的除去とともに用いることに適合させることができる。同様に、説明した種々の特徴とともに各特徴に対する他の既知の均等物を、当業者が併用および整合させて、本開示の原理によるさらなるシステムおよび技術を構成しても良い。
【００２５】
本発明のある特定の特徴のみについて、本明細書で例示し説明してきたが、多くの変更および変形が当業者には想起される。したがって、当然のことながら、添付の請求項は、本発明の真の趣旨に含まれるすべての変更および変形を網羅することが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
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