(57)【要約】【課題】ブレード冷却流を増大させることなく、冷却用微細回路の冷却有効度を改善する。【解決手段】タービンエンジン部品で使用される冷却用微細回路が提示される。冷却用微細回路は、冷却流体が流れる少なくとも１つの脚を有する。複数の鋳物渦発生器が少なくとも１つの脚の内部に配置され、冷却用微細回路の冷却有効度を改善する。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却流体が流れる少なくとも１つの脚と、
前記少なくとも１つの脚内に配置された複数の渦発生器と、
を備える、タービンエンジンで使用される冷却用微細回路。
【請求項２】
上記渦発生器が、鋳造構造体であることを特徴とする、請求項１に記載の冷却用微細回路。
【請求項３】
各上記渦発生器が、楔形の形状であることを特徴とする、請求項１に記載の冷却用微細回路。
【請求項４】
上記複数の渦発生器が、楔形の形状をした複数の連続リブ形式の渦発生器からなることを特徴とする、請求項１に記載の冷却用微細回路。
【請求項５】
上記複数の渦発生器が、一連の楔形の形状をした破断リブ形式の渦発生器からなることを特徴とする、請求項１に記載の冷却用微細回路。
【請求項６】
上記複数の渦発生器が、三角形の形状で、流れの向きに整列したリブ構成の渦発生器からなることを特徴とする、請求項１に記載の冷却用微細回路。
【請求項７】
上記複数の渦発生器が、楔形の形状で、流れの向きに整列していないリブの連なりによる渦発生器からなることを特徴とする、請求項１に記載の冷却用微細回路。
【請求項８】
上記冷却用微細回路が複数の脚を有する蛇行した構成であり、上記渦発生器が２つ以上の前記脚内に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の冷却用微細回路。
【請求項９】
上記冷却用微細回路が、上記タービンエンジン部品の壁に埋め込まれ、上記タービンエンジン部品の先端部を覆って冷却流体を吹き付ける手段を有することを特徴とする、請求項１に記載の冷却用微細回路。
【請求項１０】
正圧面と負圧面を備えたエアフォイル部と、前記正圧面と前記負圧面のうち少なくとも１つの壁に埋め込まれた冷却用微細回路とを有し、前記冷却用微細回路が、請求項１の冷却用微細回路からなるタービンエンジン部品。
【請求項１１】
渦発生器を有する冷却用微細回路の形成に使用される耐熱性金属コアを形成する方法であって、
耐熱性金属コア材料を供給するステップと、
前記渦発生器の形状をなす、複数の凹部を有する耐熱性金属コアを形成するステップと、
を含む方法。
【請求項１２】
上記形成ステップが、上記耐熱性金属コア材料の表面にポリマーフィルム材料を付着させることと、紫外線を照射して前記ポリマーフィルム材料の選択された部分を硬化させることと、を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
上記形成ステップが、上記硬化した部分を保持しつつ、上記ポリマーフィルム材料の硬化しなかった部分を化学的に除去することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
上記形成ステップが、上記凹部を形成するために、上記硬化したポリマーフィルム材料によって保護されていない上記耐熱性金属コア材料をエッチングすることをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンブレードなどのタービンエンジン部品で使用する冷却用微細回路に関する。この冷却用微細回路は、冷却有効度を改善するために、冷却流体が流れる脚内に複数の渦発生器を有する。
【背景技術】
【０００２】
典型的なガスタービンエンジン構成には、複数の高圧タービンブレードが含まれる。一般に、冷却流は、ブレード内部の伝熱性を高めるために、トリップストリップで乱流化機能を付与された内部冷却チャネルによって、ブレードを通して流れる。これらのブレードの冷却有効度(cooling effectiveness)は約０．５０程度であり、対流伝達効率が約０．４０程度である。なお、冷却有効度は、無次元化した金属温度の比であり、最小値および最大値として０〜１の範囲をとる。対流伝達効率も無次元化した比率で、冷却剤が熱を吸収する能力を示し、０および１は、それぞれ、熱吸収が全くない場合と熱吸収が最大の場合を表す。これら２つの無次元化パラメータが大きくなるほど、高圧ブレードを冷却するのに必要な寄生的な冷却剤流れは少なくてすむ。言い換えると、ガスの最大相対温度が２５００°Ｆから２８５０°Ｆへ向上する場合に、ブレード冷却流を増大させるべきではなく、できれば、タービン効率を改善するために減少させるべきでさえある。現在の冷却技術を用いて、この目的を達成するのはきわめて困難である。一般に、このようなガス温度の上昇に対して、冷却流を、エンジンコア流の５％より大きく増大させなければならない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
したがって、本発明は、タービンブレードなどのタービンエンジン部品に関し、このタービンエンジン部品は、部品を冷却するのに使用する冷却用微細回路内に、１つまたは複数の渦発生器を有する。
【０００４】
本発明によれば、タービンエンジン部品で使用する冷却用微細回路が提示される。冷却用微細回路は、概して、冷却流体が流れる少なくとも１つの脚と、この少なくとも１つの脚内に配置された複数の鋳造の渦発生器とを有する。
【０００５】
さらに本発明によれば、渦発生器を備えた冷却用微細回路を形成するのに使用される耐熱性金属コアを形成する方法が提示される。その方法は、概して、耐熱性の金属コア材料を供給するステップと、渦発生器の形状をなす、複数の凹部を有する耐熱性金属コアを形成するステップと、を含む。
【０００６】
本発明のブレードを冷却する蛇行した微細回路の渦撹拌器に関する他の細部と、それに付随する目的および利点は、以下の詳細な説明と、同じ参照数字が同じ要素を示す添付の図面とに記載される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
ここで図面を参照すると、図１〜図３は、タービンブレードなどのタービンエンジン部品用の蛇行した微細回路冷却構成を示している。ここで図面を参照すると、高圧タービンブレードなどのタービンエンジン部品９０は、図１〜図３に示す冷却設計方式を使用して冷却することができる。図１に示すように、この冷却設計方式では、エアフォイルの壁１０４、１０６内で周縁部にそれぞれ２つの蛇行した微細回路１００、１０２が配置され、タービンエンジン部品のエアファイル部分１１０の本体１０８を冷却する。別の冷却用微細回路９６、９８を、エアフォイル本体１０８の前縁１１２および後縁１１４をそれぞれ冷却するために使用することができる。本発明の手法による恩恵の１つは、タービンエンジン部品内部の冷却剤を使用して、前縁領域１１２および後縁領域１１４へ供給することができることである。これは、エアフォイル部１１０の正圧面１１６または負圧面１１８のいずれからの外部熱負荷からも微細回路９６、９８を断熱して行われるのが好ましい。このようにして、前縁および後縁の直前での各々のインピンジメントジェットが、非常に有効になる。前縁冷却用微細回路９６および後縁冷却用微細回路９８のそれぞれで、冷却剤は、フィルム冷却としてタービンエンジン部品から排出することができる。
【０００８】
ここで図２を参照すると、タービンエンジン部品の負圧面１１８で使用され得る蛇行した冷却用微細回路１０２を示している。この図から分かるように、微細回路１０２は、第１の脚１２８へ冷却流体を供給する流体入口１２６を有する。入口１２６は、タービンエンジン部品内にある供給キャビティ１４２の１つからの冷却流体を受け入れる。第１の脚１２８を流れる流体は、中間脚１３０へ進み、そこから出口脚１３２へ進む。供給キャビティ１４２の１つによって供給された流体は、冷却用微細回路９６へ案内されて、エアフォイル部１１０の前縁１１２を冷却するために使用され得る。冷却回路９６は、流体出口１３３を有する流体流路１３１を含み得る。また、図から見られるように、タービンエンジン部品にかかる熱負荷は、周縁部の蛇行した冷却用微細回路１０２を形成する各脚からのフィルム冷却を必要としないことがある。このような場合に、冷却流体の流れは、タービンエンジン部品の正圧面１１６から負圧面１１８へ向かうフィルム吹き付け手段として、先端部１３４において出口脚１３２から出ることができる。図２に示すように、出口脚１３２は、流体出口１３８を有する先端部１３４内の流路１３６と連通し得る。
【０００９】
ここで図３を参照すると、エアフォイル部１１０の正圧面１１６に用いる蛇行した冷却用微細回路１００を示している。この図から分かるように、微細回路１００は入口１４１を有し、この入口は、供給キャビティ１４２の１つと、入口１４１からの冷却流体を受け入れる第１の脚１４４と、に連通している。第１の脚１４４内の冷却流体は、中間脚１４６を流れ、さらに出口脚１４８を流れる。この図に見られるように、供給キャビティ１４２からの流体は、後縁冷却用微細回路９８へ供給することもできる。冷却用微細回路９８は、複数の流体流路１５０を有することができ、これらの流体流路は、エアフォイル部１１０の後縁１１４を覆って冷却流体を分布させる出口１５２を有する。出口脚１４８は、後縁１１４の領域でエアフォイル部１１０の正圧面１１６を覆うフィルム状の冷却流体を供給する１つまたは複数の流体出口１５３を有し得る。
【００１０】
ブレード全体の有効度が相応して高まるように、タービンエンジン部品９０内の冷却用微細回路１００、１０２の対流伝達効率を上げることが望ましい。対流伝達効率を上げるために、冷却流路内に内部形状部１８０を置くことができる。形状部１８０があると、冷却用微細回路１００、１０２の流路内の乱流が増大することにより、冷却用微細回路１００、１０２内の空気が、タービンエンジン部品９０の壁からより多くの熱を吸収することが可能になる。
【００１１】
図４Ａ〜図４Ｄは、タービンエンジン部品９０内にある冷却用微細回路１００、１０２の脚１２８、１３０、１３２、１４４、１４６、１４８内に置くことができる渦発生形状部１８０の連なりを示している。図４Ａは、楔形の形状をした連続リブ型式の渦発生器を示している。図４Ｂは、楔形の形状をした破断リブの連なりからなる渦発生器を示している。図４Ｃは、三角形の形状で、流れの向きに整列したリブ構成の渦発生器を示している。図４Ｄは、楔形の形状で、流れの向きに整列していないリブの連なりからなる渦発生器を示している。各脚１２８、１３０、１３２、１４４、１４６、および／または１４８を流れる冷却流Ｆが、これらの形状部を越えて通過するときに一連の渦が発生する。
【００１２】
蛇行した冷却用微細回路１００、１０２の脚１２８、１３０、１３２、１４４、１４６、１４８が、耐熱性の金属コアを使用して形成される場合、これらの渦発生器をコア内に加工処理により配置することができる。図５〜図７は、耐熱性の金属コア材料２００にこれらの形状部を形成するフォトリソグラフィ法を示している。この加工プロセスは、化学エッチングプロセスによって行われることができる。耐熱性金属コア２００から十分なだけの材料を除去して、所望の渦発生器／撹拌器１８０を形成することができる。インベストメント鋳造プロセスで、これらの加工された凹部に、冷却用微細回路の脚内に渦発生器１８０を形成するために、超合金材料が充填される。プロセス全体は、インベストメント鋳造前のフォトエッチングプロセスと言われる。このプロセスは、インベストメント鋳造技術におけるコア材料として耐熱性金属コアを使用することからなり、ブレード冷却流路に、渦発生器がある冷却流路を形成する。フォトエッチングプロセスは、２つのサブプロセス：（１）フォトリソグラフィプロセスによるマスク材料の形成、（２）続くプロセスで、表面の小さな凹部をエッチング除去することによる、耐熱性の金属コア材料を化学的に浸食するプロセス、で構成される。
【００１３】
図５に示すように、ポリマーフィルムのマスク材料２０２の層が、耐熱性金属コア２００上に配置され、紫外線２０４を照射される。紫外線２０４は、硬化させることを目的として、ポリマーフィルムのマスク材料２０２に当たるように設計されている。ポリマーフィルムマスク材料２０２の指定された部分は光によって硬化するが、ポリマーフィルマスク材料２０２の指定されない表面領域には光が作用しない。
【００１４】
ここで図６を参照すると、硬化しなかったポリマーフィルム材料は、領域２１０から化学的に除去され、硬化したポリマーフィルム材料２０２は保持されて、マスクを形成している。
【００１５】
ここで図７を参照すると、耐熱性金属コア材料２００のマスクによって保護されていない領域は、酸浸漬(acid dip)または酸噴霧(acid spray)を通じて、エッチング用化学溶液による浸食を受ける。エッチングプロセスにより、トリップストリップや渦発生器などの撹拌器を形成するための凹部２１２が耐熱性金属コア２００内に残る。
【００１６】
あるいは、耐熱性金属コア基材２００を貫通するレーザビームで耐熱性金属コア材料２００に渦発生器の外形を形成するために、レーザビームを使用することができ、図４Ａ〜図４Ｄに示す所望の形状部を形成することができる。
【００１７】
図８は、フォトエッチングプロセスが、鋳造プロセスの後に、タービンエンジン部品９０に脚１２８、１３０、１３２、１４４、１４６、１４８をどのようにもたらしたかを示している。一般的に、インベストメント鋳造法では、ろう模型の部分が、固化した超合金となり、コア材料としての耐熱性金属コア２００は、冷却用微細回路の脚の空間をもたらす。耐熱性金属コア２００は、最終的には、溶出プロセスによって除去される。合金が固化すると、図８に示すように、渦発生器１８０の連なりが、脚１２８、１３０、１３２、１４４、１４６、および／または１４８の壁に配置される。
【００１８】
乱流を引き起こす原理を拡張して、さまざまな渦の形態を設計して、冷却流路の至る所に熱伝達効率の高い領域をつくることができる。図１〜図３に示す設計に関しては、正圧面および負圧面の周縁部にある蛇行した冷却用微細回路は両方とも、正圧面側回路の蛇行構成における最後の脚／流路と、負圧面の蛇行構成における先端部用の最後の脚／流路とを除いて、フィルム冷却を含まなくてもよい。したがって、フィルム冷却は、蛇行冷却構造の上流部を保護しなくてもよい。これは、性能の観点から特に重要であり、フィルムからの冷却剤と外部高温ガスが全く混合しないようにすることができる。冷却回路１００、１０２は壁に埋め込まれているので、これらの断面積は小さく、タービンエンジン部品９０の全冷却有効度につながる回路１００、１０２の対流伝達効率を上げるために、図４Ａ〜図４Ｄに示すように、渦発生器１８０などの内部形状部が必要とされる。この結果、冷却流は、コアエンジン流の通常値である５％から約３．５％へ低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】正圧面および負圧面の壁に冷却用微細回路を有するタービンエンジン部品。
【図２】タービンエンジン部品の負圧面の冷却用微細回路の概略図。
【図３】タービンエンジン部品の正圧面の冷却用微細回路を概略図。
【図４Ａ】楔形の形状をした連続リブタイプの渦発生器。
【図４Ｂ】楔形の形状をした一連の破断リブからなる渦発生器。
【図４Ｃ】三角形形状で後方部分と整列したリブ構成の渦発生器。
【図４Ｄ】楔形の形状で後方部分とずれた一連のリブからなる渦発生器。
【図５】耐熱性金属コアを形成する方法。
【図６】耐熱性金属コアを形成する方法。
【図７】耐熱性金属コアを形成する方法。
【図８】冷却用微細回路の流路にある複数の渦発生器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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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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【外国語明細書】
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