(57)【要約】【課題】より効果的な冷却を行い、また容易に製造できる改良された冷却口の形状を有するガスタービンエンジン用部品を提供する。【解決手段】ガスタービンエンジン用部品の冷却口５０は、冷却効果を向上させるために２葉片形状を有する。ガスタービンエンジン用部品は厚みによって互いに離されている第一の外側面５２と第二の外側面５４を有する。冷却口５０は、第一の外側面５２における第一の開口部５６から厚みを貫通して、第二の外側面５４における第二の開口部５８まで延びる。第一の開口部５６および第二の開口部５８は、互いに異なる形状によって画定される。第一の開口部５６および第二の開口部５８の一方は２葉片形状を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第二の面から厚み分だけ離れている第一の面を有する部品本体と、
前記部品本体内に形成された少なくとも１つの冷却口と、
を備え、
前記冷却口は、前記第一の面および前記第二の面の一方に第一の開口部を画定し、該第一の開口部は、２葉片形状であることを特徴とするガスタービンエンジン用部品。
【請求項２】
前記冷却口は、前記第一の面および前記第二の面の他方に第二の開口部を画定し、前記第二の開口部は、前記２葉片形状とは異なる形状を有することを特徴とする請求項１に記載の部品。
【請求項３】
前記第二の開口部の前記形状は、円形であることを特徴とする請求項２に記載の部品。
【請求項４】
前記第一の開口部は原点を有し、前記２葉片形状が、前記原点から延びる第一の半径の第一の先端まで延びる第一の葉片部と、前記原点から延びる第二の半径の第二の先端まで延びる第二の葉片部と、前記第一の先端および前記第二の先端から前記原点に最も近い中心部に向かって内側に湾曲する弓形部分と、によって画定され、前記中心部は前記原点から延びる第三の半径によって画定され、かつ前記第一の半径および前記第二の半径は、前記第三の半径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の部品。
【請求項５】
前記第一の開口部は、前記２葉片形状の第一の断面積を画定し、前記冷却口は、前記第一の断面積よりも小さい第二の断面積を有する第二の形状に移行することを特徴とする請求項４に記載の部品。
【請求項６】
前記第二の形状は、前記第一の面および前記第二の面の他方の第二の開口部に延びることを特徴とする請求項５に記載の部品。
【請求項７】
前記第二の形状は、前記原点を画定する中心点を有する円からなることを特徴とする請求項５に記載の部品。
【請求項８】
前記２葉片形状は、前記第一の葉片部および前記第二の葉片部から延びる基部によって画定され、前記基部が前記原点から延びる第四の半径によって画定される第一の部分と、前記第一の部分の一方の側にあり、前記原点から延びる第五の半径によって画定される第二の部分と、前記第一の部分の反対側にあり前記原点から延びる第六の半径によって画定される第三の部分と、を含み、前記第四、前記第五および前記第六の半径が、前記第一および前記第二の半径よりも小さいことを特徴とする請求項７に記載の部品。
【請求項９】
前記円が、前記第一、前記第二、前記第三、前記第四、前記第五および前記第六の半径よりも小さい第七の半径によって画定されることを特徴とする請求項８に記載の部品。
【請求項１０】
前記部品本体は、前縁と後縁を有する湾曲部を備えたエアフォイルを含むことを特徴とする請求項１に記載の部品。
【請求項１１】
前記２葉片形状が基部を含み、該基部は第一の幅と、前記基部から半径方向外側に向かって延びる第一の葉片部および第二の葉片部を有し、前記第一の葉片部および前記第二の葉片部は互いに離れる方向に延びて、前記第一の幅よりも大きくて、前記エアフォイル上の流れを横切る方向に向けられた第二の幅を画定することを特徴とする請求項１０に記載の部品。
【請求項１２】
前記２葉片形状は、第一の寸法の第一の葉片部と、前記第一の寸法とは異なる第二の寸法の第二の葉片部と、からなることを特徴とする請求項１に記載の部品。
【請求項１３】
前記第一の開口部は原点を有し、前記２葉片形状は、前記中心から各々延びる複数の半径によって画定されることを特徴とする請求項１に記載の部品。
【請求項１４】
ファンと、
圧縮機と、
燃焼区域と、
タービンと、
前記ファン、前記圧縮機、前記燃焼区域および前記タービンの少なくとも１つに関連するエアフォイルと、
を備え、
前記エアフォイルは前縁と後縁を有する湾曲部を有し、前記エアフォイルは、第一の外側面と、該第一の外側面から厚みによって隔てられた第二の外側面と、を含み、かつ前記エアフォイルは、該エアフォイルのボディ内に形成された少なくとも１つの冷却口を含み、前記冷却口は、前記第一の外側面および前記第二の外側面の一方に第一の開口部を画定し、かつ前記第一の外側面および前記第二の外側面の他方に第二の開口部を画定し、前記第一の開口部が２葉片形状を有することを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項１５】
前記タービンは複数のブレードを含み、ブレードの各々がプラットフォームを含み、前記エアフォイルが前記プラットフォームの外側に向かって延び、前記エアフォイルが、互いに離れて配置された正圧壁と負圧壁を有するとともに、前記前縁と前記後縁を結合することを特徴とする請求項１４に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１６】
前記２葉片形状は、原点と、該原点からから延びる複数の半径と、によって画定され、少なくとも基部と、該基部から第一の先端に延びる第一の葉片部と、前記基部から第二の先端に延びる第二の葉片部と、前記第一の先端および前記第二の先端から前記基部に向かって内向きに湾曲した弓形部と、を含み、前記第一の葉片部は、前記原点から延びる第一の半径によって画定され、前記第二の葉片部は前記原点から延びる第二の半径によって画定され、かつ前記弓形部が前記原点から延びる第三の半径によって画定される中心部に向かって前記第一の葉片部および前記第二の葉片部の各々から内側に向かって延び、前記第一の半径および前記第二の半径が、前記第三の半径よりも大きいことを特徴とする請求項１４に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１７】
ガスタービンエンジン用部品内の冷却口の形状を最適化する方法であって、
（ａ）複数の固定された入力パラメータを規定するステップと、
（ｂ）前記冷却口の形状を規定するのに使用される複数の半径を備えた可変入力パラメータの組を画定するステップと、
（ｃ）ステップ（ａ）〜（ｃ）で設定されるパラメータによって画定される形状を有する少なくとも１つの冷却口を含む部品のモデルを形成するステップと、
（ｄ）前記モデルを解析するステップと、
（ｅ）ステップ（ｄ）の解析に基づいて前記冷却口の形状を最適化するために必要に応じて前記複数の半径を修正するステップと、
を含む方法。
【請求項１８】
前記部品は、第一の外側面と、該第一の外側面から厚み分だけ離れている第二の外側面と、を含み、前記部品本体を貫通して前記第一の外側面から前記第二の外側面に延びる前記冷却口を形成するステップと、前記第一の外側面に前記冷却口の第一の開口部を画定するステップと、前記第二の外側面に第二の開口部を画定するステップと、を含み、前記第一の開口部は、２葉片形状を有することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第二の開口部を、円形の形状を有するように形成するステップを含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記部品がエアフォイルを備えることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、例えばタービンブレードのようなガスタービンエンジン用部品内に形成され、冷却効果を向上させるような形状をした冷却口に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは高い熱応力に曝される多くの異なるタイプの部品を含む。このような部品の一例として、タービンブレードがある。周知のように、タービンブレードは一般的にプラットフォームを含み、その上にエアフォイルが延びている。エアフォイルは湾曲し、前縁から後縁まで延びている。更に、エアフォイルには正圧側と負圧側がある。運転中は負圧側よりも正圧側の方がはるかに熱くなる。
【０００３】
エアフォイルには、冷却空気を循環するために冷却通路すなわち冷却口が形成される。冷却口はエアフォイルの第一の面からエアフォイルの厚み方向に亘って伸び、エアフォイルの第二の面で開口する。従来の冷却口の１つのタイプは、第一の面から第二の面に延びる円形の断面を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この従来の形状の冷却口に対する既知の改良は、第一および第二の面の一方において台形の形状を有する穴があることである。この形状は冷却を向上するが、しかし製造が困難でしかも時間を要する。更に、この台形の形状は冷却を向上させるが、熱応力に曝されるガスタービンエンジン内の部品には、更に大きな冷却能力が必要となる。
【０００５】
そのため、より効果的な冷却を行い、また容易に製造できる改良された冷却口の形状が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の開示された実施例において、ガスタービンエンジン用部品内に冷却口が形成される。前記部品は、厚みによって互いに離れている第一の外側面と第二の外側面を有する。冷却口は、前記第一の外側面における第一の開口部から厚み方向に亘って前記第二の外側面における第二の開口部まで延びる。第一および第二の開口部の少なくとも１方は２葉片形状（ｂｉ−ｌｏｂｅｄ ｓｈａｐｅ）を有する。
【０００７】
１つの開示された実施例において、第一および第二の開口部は互いに異なる形状によって画定される。１つの例では、第一および第二の開口部の１方は２葉片形状を有し、第一および第二の開口部の他方は円形の形状を有する。
【０００８】
１つの開示された実施例において、２葉片形状の寸法を最適化するために２葉片形状を画定するパラメータが変更される。１つの例では、複数の半径を使用して２葉片形状が画定され、また各半径の値は関連する部品に対する冷却を最適化するために変更される。
【０００９】
冷却口の２葉片形状は冷却効果を向上させるもので、高速放電加工機（ＥＤＭ）、レーザ切削またはその他類似のプロセスで、部品の中に容易に形成できる。以下の簡潔に記述された明細書および図面から、本発明のこれらの特徴とその他の特徴が最も理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、発電または推進動力に使用されるガスタービンのようなガスタービンエンジン１０であり、エンジンの中心線つまり軸方向の中心軸１２を中心に周方向に配設されたものを示す。エンジン１０はファン１４、圧縮機１６、燃焼区域１８およびタービン２０を含む。当該技術において周知のように、圧縮機１６内で圧縮された空気は燃料と混合され、燃焼区域１８内で燃焼し、タービン２０内で膨張する。圧縮機１６内で圧縮された空気とタービン２０内で膨張した燃料混合気は両方とも、高温ガス流と呼ぶことができる。タービン２０は、ガスの膨張に反応して回転し、圧縮機１６とファン１４を駆動するローター２２，２４を含む。タービン２０は交互に配設された回転ブレード２６と固定エアフォイル即ちベーン２８の列からなる。図１は図示の目的だけのために多少簡略的に示したものであり、発電および航空機に使用されるガスタービンにおいて利用可能な本発明を限定するものではない。
【００１１】
図２Ａはプラットフォーム３０を有するブレード２６を示す。既知のように、湾曲したエアフォイル３２がプラットフォーム３０から上方に延びる。
【００１２】
図２Ｂに示されるように、エアフォイル３２は前縁３４と後縁３６を有する。正圧側３８は負圧側４０よりも高温の流体に接触する。図３に示すように、エアフォイル３２内には少なくとも１つの冷却口５０が形成され、エアフォイル３２を通る冷却用の流路をなす。図では１つの冷却口だけを示すが、一般に追加の冷却口を形成してエアフォイル３２を通る冷却用流路が設けられていることを理解すべきである。更に、回転タービンブレードの例における冷却口が示されているが、固定エアフォイル、熱応力にさらされるベーンなどのような他のガスタービンエンジン用部品においても、冷却口を利用できることを理解すべきである。
【００１３】
図３に示されるように、エアフォイル３２は厚みによって隔てられた外側面５２と内側面５４を有する。冷却口５０は厚み方向に延び、外側面５２に第一の開口部５６を有し、内側面５４に第二の開口部５８を有する。図示の例では、第一の開口部５６は第二の開口部５８とは異なる形状を有する。第一の開口部５６はまた、第二の開口部５８よりも大きな断面積を有する。
【００１４】
第一の開口部５６は図４および図５Ａ〜図５Ｃに詳細に示すように、２葉片形状を有する。断面積を増加させたこの２葉片形状は、冷却効果を向上させる。２葉片形状は基部６０、基部６０から離れるように第一の方向に延びる第一の葉片部６２および基部６０から離れるように第一の方向と異なる第二の方向に延びる第二の葉片部６４によって画定される。２葉片形状はまた、第一の葉片部６２および第二の葉片部６４の各々から基部６０に向かって延びて中心部６８に達する弓形の部分６６を含む。
【００１５】
基部６０は第一の幅を有し、また第一の葉片部６２および第二の葉片部６４は互いに離れる方向に延びて、先端に第一の幅よりも大きな第二の幅を画定する。葉片部６２，６４は、エアフォイル３２の上の流れを横切る方向に第二の幅が向けられるように形成される。
【００１６】
２葉片形状を有する第一の開口部５６は、原点７０によって画定される。第一の葉片部６２は、原点７０から外側に向かって曲線形状の先端７２まで延びる第一の半径Ｒ１によって画定され、第二の葉片部６４は原点７０から曲線形状の先端７４まで延びる第二の半径Ｒ２によって画定される。原点７０に最も近い弓形部分６６の部分である中心部６８は、原点７０から中心部６８まで延びる第三の半径Ｒ３によって画定される。第一の半径Ｒ１と第二の半径Ｒ２は第三の半径Ｒ３よりも大きい。
【００１７】
２葉片形状の基部６０は、第一の部分６０ａ、第一の部分６０ａの一方の側にある第二の部分６０ｂおよび第一の部分６０ａのもう一方の側にある第三の部分６０ｃによって画定される。第一の部分６０ａは原点７０から延びる第四の半径Ｒ４によって画定され、第二の部分６０ｂは原点７０から延びる第五の半径Ｒ５によって画定され、第三の部分６０ｃは原点７０から延びる第六の半径Ｒ６によって画定される。図示の例では、第一の半径Ｒ１および第二の半径Ｒ２は、第四の半径Ｒ４、第五の半径Ｒ５および第六の半径Ｒ６よりも大きい。
【００１８】
冷却口５０は第一の開口部５６における２葉片形状から、エアフォイル３２を貫通して第二の開口部５８まで延びる第二の形状に変化する。第二の開口部５８の形状は、この第二の形状に対応する。図示の例では、第二の形状は円形である。冷却口５０の円形部分が、図５Ａ〜図５Ｃにおいてより明瞭に示されている。
【００１９】
図４および図５Ｂにおいてより明瞭に示されるように、第二の形状は原点７０を画定する中心を有する円Ｃを含む。この円は、原点７０から外側に向かって延びる第七の半径Ｒ７によって更に画定される。図示された例では、この第七の半径Ｒ７は半径Ｒ１〜６よりも小さい。
【００２０】
各半径Ｒ１〜７の長さは、ガスタービンエンジンの特定の部品に対して冷却口の形状を最適化するために変更できる。各冷却口５０は前述のように２葉片形状を有するが、各半径Ｒ１〜７の寸法は、様々なタイプの部品に対してより効果的な冷却を行なうために必要に応じて調整できる。ガスタービンエンジンの異なる部品は、その用途に応じて異なる流れの特性を有するので、冷却孔５０の寸法は特定の部品に対して最高の性能を得るように冷却口５０の寸法を最適化できる。
【００２１】
最適化プロセスの一例を、図６のフローチャートに示す。先ず、ステップ１００で示すように複数の入力パラメータを画定する。これらの入力パラメータは、部品の肉厚Ｗ、ピッチ距離Ｐ、冷却口の向きを画定するラジカル角βおよび流れ方向の角α、冷却口の円形部分の直径Ｄおよび第一の開口部５６の形状を画定するコントロール半径Ｒ１〜Ｒ６を含むことができる。通常は、コントロール半径Ｒ１〜Ｒ６および冷却口の円形部分の直径が可変入力パラメータであり、その他のパラメータは特定の部品に対して固定される。これらの入力パラメータは、パラメータによる冷却口の形状を与え，冷却口の形状がある種の製造上の制約を受ける任意の形状を有することを可能にする。入力パラメータの一例は以下のようなものである：直径Ｄ＝０．０２０インチ、流れ方向の角α＝３０°、ラジカル角β＝０．１００インチ、および肉厚Ｗ＝０．０５０インチ。
【００２２】
入力パラメータが定まれば、ステップ１１０で示すように冷却口の初期形状を生成するために必要であれば、コントロール半径Ｒ１〜Ｒ６の値を変更または修正することができる。コントロール半径Ｒ１〜Ｒ６の最初の一組を入力すると、ステップ１２０で示されるように形状生成ステップが実行され、またステップ１３０で示されるようにグリッド生成ステップが実行される。形状生成およびグリッド生成はよく知られたプロセスなので、詳しくは説明しない。これらのステップの結果、第一の提案された冷却口の形状を有する部品モデルが得られる。
【００２３】
次にステップ１４０で示されるように、自動化された計算流体力学（ＣＦＤ）プロセスを開始して、この特定の口形状を有する部品の解析を行う。ＣＦＤプロセスもよく知られているので詳しく説明しない。次にステップ１５０でＣＦＤプロセスの結果を解析し、例えば圧力損失や冷却効果のような特性を決定する。この後処理は、ステップ１００，１１０で定められた冷却口の形状のパラメータの組と統合され、冷却口のパラメータの各々の設定の利点を評価する。この解析に基づいて、ステップ１６０で示されるようにステップ１１０に戻ってコントロール半径Ｒ１〜Ｒ６の値を調整または修正することができる。このステップの間、フィルムの被覆／効果を最大にするパラメータ設定の最良の組合せを求める数値最適化アルゴリズムで、冷却口のパラメータの反復計算が行なわれる。コントロール半径Ｒ１〜Ｒ６の値に対する各々の修正の結果、異なる冷却口の形状が得られ、別々に解析される。次に各形状をステップ１７０で示すようにランク付けし、ステップ１８０で最適な形状が決定される。
【００２４】
上で述べた形状最適化の方法およびそれに対応する特定のコントロール半径の使用は、単なる例に過ぎないことを理解すべきである。２葉片形状は上で述べたよりも少ない、あるいはもっと多い半径で画定することができる。更に図６のフローチャートで示された最適化プロセスは、形状を最適化するプロセスの一例に過ぎず、その他のプロセスも使用可能である。
【００２５】
冷却口５０は高速放電加工機（ＥＤＭ）、レーザ切削その他類似の高精度切削プロセスで、関連する部品の中に容易に形成できる。これらのタイプの方法を利用することで、冷却口の形状を部品内に経済的に形成することができる。
【００２６】
更に，冷却口の２葉片形状は、従来技術の冷却口の形状と比較してフィルムの効果を大幅に向上させる。この冷却口の形状は、流れの方向と垂直な方向において冷却口の幅が大きく（葉片部において）なるようにフレア状にすることにより、高い被覆を実現する。次に冷却口を横切る面積率を最適化することで、一様流を分離することなく冷却口を通って流れるように規制し、また噴出すること無しに冷却される表面上に非常に効果の高いフィルムを敷くことができる。これは、冷却口の下流側を前方に向かって狭めて（図３）冷却口の中での拡散を最適化し、その結果２葉片形状とすることで達成される。
【００２７】
この形状の１つの利点は、冷却口をより一様に満たすように２葉片形の形状が流れを規制することである。更にまた、冷却口の形状を生成するために除去すべき材料の量が低減され、コストの削減につながる。
【００２８】
このようにして本発明は、応力集中を低減する冷却口のユニークな形状を提供し、ロータブレードが熱応力に抵抗する能力を向上する。
【００２９】
本発明の好適な実施例を説明してきたが、本発明の範囲内である種の変更が可能なことを当業者は認識するであろう。そのため、本発明の真の範囲および内容は添付の請求項によって決められる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明を組み込んだガスタービンエンジンの概略図である。
【図２Ａ】１枚のタービンブレードを示す。
【図２Ｂ】図２Ａのタービンブレードのエアフォイルの断面図である。
【図３】ガスタービンエンジン部品内に形成される冷却口の一例を示す図である。
【図４】図３の冷却口の端面図である。
【図５Ａ】図４の冷却口の上面図である。
【図５Ｂ】図５Ａの冷却口の端面図である。
【図５Ｃ】図５Ａの冷却口の底面図である。
【図６】冷却口の形状を最適化する方法を画定するフローチャートである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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