(57)【要約】【課題】ブレード冷却流を増大させることなく、冷却有効度を改善したタービンエンジン部品を提供する。【解決手段】タービンエンジン部品は、正圧面（１１６）および負圧面（１１８）を備えたエアフォイル部分（１１０）を有する。タービンエンジン部品はさらに、エアフォイル部分（１１０）の負圧面（１１８）を冷却する第１の冷却用微細回路を有する。第１の冷却用微細回路（１０２）は、負圧面（１１８）を形成する第１の壁（１０６）に埋め込まれる。第１の冷却用微細回路（１０２）は、第１の冷却用微細回路内の冷却流体がエアフォイル部分の先端部に出るのを可能にする。タービンエンジン部品はまた、エアフォイル部分の正圧面（１１６）を形成する第２の壁（１０８）に埋め込まれた第２の冷却用微細回路（１００）も有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正圧面および負圧面を備えたエアフォイル部分を有するタービンエンジン部品であって、
前記エアフォイル部分の前記負圧面を冷却する冷却手段を有し、
前記冷却手段は、前記負圧面を形成する第１の壁に埋め込まれた第１の冷却用微細回路を有し、
前記第１の冷却用微細回路は、前記第１の冷却用微細回路内の冷却流体が前記エアフォイル部分の先端部に出るのを可能にする手段を有するタービンエンジン部品。
【請求項２】
前記冷却流体は、前記エアフォイル部分の前記正圧面から前記負圧面に向かうフィルム吹き付け手段を用いて前記先端部で出ることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン部品。
【請求項３】
前記第１の冷却用微細回路は蛇行した構成とされることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン部品。
【請求項４】
前記エアフォイル部分の前記正圧面を形成する第２の壁に埋め込まれた第２の冷却用微細回路をさらに有する請求項１に記載のタービンエンジン部品。
【請求項５】
前記第２の冷却用微細回路は蛇行した構成とされることを特徴とする請求項４に記載のタービンエンジン部品。
【請求項６】
前記第２の冷却用微細回路は、入り口部と、前記第２の冷却用微細回路を流れる冷却流体が通って出る、前記エアフォイル部分の後部側に近接した複数のフィルム冷却スロットと、を有することを特徴とする請求項４に記載のタービンエンジン部品。
【請求項７】
前記エアフォイル部分の後縁部上に冷却流体の流れを引き起こす手段をさらに有する請求項４に記載のタービンエンジン部品。
【請求項８】
前記エアフォイル部分の後縁部上に冷却流体の流れを引き起こす前記手段は、前記エアフォイル部分の前記正圧面かまたは前記負圧面のいずれかからの外部熱負荷から分離されることを特徴とする請求項７に記載のタービンエンジン部品。
【請求項９】
前記エアフォイル部分の前縁部上に冷却流体の流れを引き起こす手段をさらに有する請求項４に記載のタービンエンジン部品。
【請求項１０】
前記エアフォイル部分の前縁部上に冷却流体の流れを引き起こす前記手段は、前記エアフォイル部分の前記正圧面かまたは前記負圧面のいずれかからの外部熱負荷から分離されることを特徴とする請求項７に記載のタービンエンジン部品。
【請求項１１】
プラットフォームと、前記プラットフォームを冷却する手段と、をさらに有する請求項４に記載のタービンエンジン部品。
【請求項１２】
前記プラットフォームを冷却する手段は、前記第１および第２の冷却用微細回路から独立していることを特徴とする請求項４に記載のタービンエンジン部品。
【請求項１３】
前記プラットフォーム冷却手段は、前記プラットフォームの前方部分に埋め込まれた第３の冷却用微細回路を有することを特徴とする請求項１１に記載のタービンエンジン部品。
【請求項１４】
前記プラットフォーム冷却手段はさらに、前記プラットフォームの後方部分に埋め込まれた第４の冷却用微細回路を有することを特徴とする請求項１３に記載のタービンエンジン部品。
【請求項１５】
前記第３および第４の冷却用微細回路はそれぞれ、第１の高さの入り口と、前記第１の高さとは異なる第２の高さの出口と、を有することを特徴とする請求項１４に記載のタービンエンジン部品。
【請求項１６】
前記第１の高さは前記第２の高さよりも低いことを特徴とする請求項１５に記載のタービンエンジン部品。
【請求項１７】
前記部品はブレードからなることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン部品。
【請求項１８】
前記部品は高圧ブレードからなることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンエンジン部品のエアフォイル部分を構成するプラットフォーム、先端部、および本体を冷却する統合システムを有するタービンエンジン部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、エンジン装置１０を表しており、高圧タービンブレード１２の相対位置を示している。図２および図３は、典型的な従来方式で冷却される高圧ブレード１２の設計上の主要な特徴部を示している。一般的に、冷却流は、ブレード内部の伝熱性を向上させるために、トリップストリップ１６で乱流化機能を付与された内部冷却チャネル１４を用いてこれらの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、対流伝達効率は約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から１の範囲をとる。対流伝達効率も無次元化した比率であり、冷却剤が熱を吸収する能力を表し、０と１はそれぞれ、熱吸収が全くないことと熱吸収が最大であることを示す。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（ｐａｒａｓｔｉｃ  ｃｏｏｌａｎｔ  ｆｌｏｗ）は少なくなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
言い換えると、ガスの最大相対温度が２５００°Ｆから２８５０°Ｆに増加した場合に、ブレード冷却流は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。この目標は、図２および図３に概略的に示した現在の冷却技術を用いて達成するのがきわめて困難である。一般的に、ガス温度のそのような上昇に対して、冷却流は、エンジンコア流の５％よりさらに増大させなければならない。図３の例における金属温度は約２１８０°Ｆである。この温度レベルは、目標とする限界値を超えていると考えられる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
冷却有効度および対流伝達効率を改善するために、幾つかの手法が必要である。第１に、エアフォイルを熱遮蔽コーティングで被覆することが最大の必要条件である。他の必要条件には、（１）フィルム冷却の有効範囲を増やすためにスロットによるフィルム冷却を改善することと、（２）熱吸収を改善することと、（３）ブレード冷却流路内の熱伝達係数を改善することと、がある。これを想定すると、全冷却有効度は、対流伝達効率が０．５に近づいた場合に０．８に近くなり、エンジンコア流の３．５％未満の比較的少量の冷却流となる。
【０００５】
本発明によれば、正圧面および負圧面を備えたエアフォイル部分を有するタービンエンジン部品が提示される。タービンエンジン部品は、概略的には、エアフォイル部分の負圧面を冷却する手段を有し、その冷却手段は、負圧面を形成する第１の壁に埋め込まれた第１の冷却用微細回路を有する。第１の冷却用微細回路は、第１の冷却用微細回路内の冷却流体が、エアフォイル部分の先端部に出るのを可能にする手段を有する。タービンエンジン部品はさらに、エアフォイル部分の正圧面内にある第２の冷却用微細回路と、タービンエンジン部品のプラットフォーム部分を冷却する統合された手段と、を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
上記のように、冷却有効度および対流伝達効率を改善するには、幾つかの手法が必要である。第１に、エアフォイルに熱遮蔽コーティングを被覆することが最大の必要条件である。他の必要条件には、（１）フィルム冷却の有効範囲を増やすためにスロットによるフィルム冷却を改善することと、（２）熱吸収を改善することと、（３）ブレード冷却流路内の熱伝達係数を改善することと、がある。これを想定すると、全冷却有効度は、対流伝達効率が０．５に近づいた場合に０．８に近くなり、３．５％未満の比較的少量の冷却流となる。そのような設計の１つが図４に示されている。
【０００７】
ここで図を参照すると、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、本発明の冷却設計方式を使用して冷却される。図４に示すように、冷却設計方式には、タービンエンジン部品のエアファイル部分１１０の本体１０８を冷却するために、エアフォイルの壁１０４、１０６内で周縁部にそれぞれ配置された２つの蛇行した微細回路１００、１０２が含まれる。図５および図６に示すように、別個の冷却微細回路９６、９８を、エアフォイルの本体１０８の前縁部１１２および後縁部１１４をそれぞれ冷却するのに使用することができる。本発明の手法の利点の１つは、前縁部領域１１２および後縁部領域１１４に供給するのにタービンエンジン部品内部の冷却剤を使用することができることである。これは、エアフォイル部分１１０の正圧面１１６かまたは負圧面１１８のいずれかからの外部熱負荷から微細回路９６、９８を分離して行われるのが好ましい。このようにして、前縁部および後縁部の直前のインピンジメント用ジェットはともに、非常に有効になる。前縁部冷却用微細回路９６および後縁部冷却用微細回路９８では、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５を参照すると、タービンエンジン部品の負圧面１１８で使用でき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、冷却流体を第１の脚部１２８に供給する流体入り口１２６を有する。入り口１２６は、タービンエンジン部品内にある供給空洞１４２の１つからの冷却流体を受け入れる。第１の脚部１２８を流れる流体は、中間脚部１３０に進み、そこから出口脚部１３２に進む。供給空洞１４２の１つによって供給された流体は冷却用微細回路９６にも案内され、エアフォイル部分１１０の前縁部１１２を冷却するためにこの流体を使用することができる。冷却回路９６は、流体出口１３３を有する流体流路１３１を含むことができる。さらに、必要に応じて、出口脚部１３２からの流体を使用して、出口流路１３５を介して前縁部１１２を冷却することができる。図に見られるように、タービンエンジン部品にかかる熱負荷は、周縁部の蛇行する冷却用微細回路１０２を形成する各脚部からのフィルム冷却を必要としないことがある。そのような場合に、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に向かうフィルム吹き付け手段として、先端部１３４で出口脚部１３２から出ることができる。図５に示すように、出口脚部１３２は、流体出口１３８を有する先端部１３４内の流路１３６と通じることができる。
【０００９】
ここで図６を参照すると、エアフォイル部分１１０の正圧面１１６用の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は入り口１４１を有し、その入り口は、供給空洞１４２の１つと、入り口１４１からの冷却流体を受け入れる第１の脚部１４４と、に通じている。第１の脚部１４４内の冷却流体は、中間脚部１４６を流れ、さらに出口脚部１４８を流れる。この図から分かるように、供給空洞１４２からの流体はまた、後縁部冷却用微細回路９８にも供給される。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、この流体流路は、エアフォイル部分１１０の後縁部１１４に亘り冷却流体を分散させる出口１５２を有する。出口脚部１４８は、後縁部１１４の領域でエアフォイル部分１１０の正圧面１１６に亘り薄膜状の冷却流体を供給する１つまたは複数の流体出口１５３を有することができる。
【００１０】
なお、図４〜図６の冷却用微細回路方式は、チップフラッグ（ｔｉｐ  ｆｌａｇ）と称する専用の冷却流路が先端部１３４を冷却するために使用される既存の設計とは完全に異なる。
【００１１】
さらに図４〜図６に示すように、エアフォイル本体１０８の正圧面１１６は、エアフォイル壁１０４内で周縁部に配置された蛇行微細回路１００で冷却される。この場合に、流れは、エアフォイルの後縁部１１４を保護するために、エアフォイル１１０の後部側に近接した一連のフィルム冷却スロット１５３から出る。
【００１２】
必要ならば、蛇行した冷却用微細回路１００、１０２の各脚部１２８、１３０、１３２、１４４、１４６、１４８には、冷却用ブレード流路内部での熱吸収を高め、熱伝達係数の各固有値を大きくするために、ペデスタルおよび／またはトリップストリップなどの１つまたは複数の内部形体（図示せず）を設けることができる。
【００１３】
図７および図８によれば、冷却用微細回路をタービンブレードのプラットフォーム部分１７０のまわりに配置し、これに埋め込むことができる。冷却用微細回路は、入り口部分Ａおよび出口部分Ｂを有する前縁つまり前部冷却微細回路１７２を含むことができる。図８に示すように、入り口部分Ａは、供給空洞１４２の１つからの流体を受け入れることができる。出口部分Ｂからの流体は、冷却用微細回路９６に戻る。
【００１４】
図９および図１０によれば、プラットフォーム冷却用微細回路は、入り口部分Ｃおよび出口部分Ｄを有する後縁つまり後部冷却用微細回路１８０を含むことができる。入り口部分Ｃは、供給空洞１４２の１つからの流体を受け入れることができる。出口部分Ｄからの流体は、冷却用微細回路９８に向かって流れる。
【００１５】
図示のように、プラットフォームの冷却は、エアフォイル部分１１０用の蛇行した冷却用微細回路１００、１０２から独立している。前縁部冷却用微細回路１７２および後縁部冷却用微細回路１８０のいずれかに向かう入り口冷却剤流れは、半径方向の低い位置から出る。この冷却剤流れは、半径方向のより高い位置で冷却用微細回路９６または９８に放出される前に、プラットフォーム壁を通って流れることができる。回転によるポンプ作動、および主流の噴射器型動作により、周縁部のプラットフォーム冷却用微細回路１７２、１８０内を確実に循環できる。このようにして、プラットフォーム１７０、エアフォイル部分１１０の本体１０８、およびエアフォイル部分１１０の先端部１３４を微細回路の冷却特性を利用して冷却するために、統合した冷却システムが考えられた。
【００１６】
必要ならば、冷却用微細回路の各冷却流路内の熱吸収を高め、熱伝達係数の各固有値を大きくするために、ペデスタルなどの１つまたは複数の内部形体（図示せず）をプラットフォーム冷却用微細回路１７２、１８０に設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】エンジンの一般的な高圧タービン部を概略的に表している。
【図２】タービンエンジン部品のエアフォイル部分の断面図であり、既存の設計の特徴を示している。
【図３】図２のエアフォイル部分の別の断面図である。
【図４】本発明による冷却用微細回路を有するタービンエンジン部品のエアフォイル部分の断面図である。
【図５】エアフォイル部分の負圧面にある冷却用微細回路を概略的に表している。
【図６】エアフォイル部分の正圧面にある冷却用微細回路を概略的に表している。
【図７】エアフォイルの正圧面と、前部プラットフォームの微細回路による冷却とを概略的に表している。
【図８】図７の微細回路による冷却を概略的に表している。
【図９】エアフォイル部分の正圧面にある冷却用微細回路と、後部プラットフォームの微細回路による冷却とを概略的に表している。
【図１０】図９の微細回路による冷却を概略的に表している。
【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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【図１０】
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【外国語明細書】
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