(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エーロフォイル（５２）を含むガスタービンエンジン（１０）のノズル（５１）を製造する方法（５０）において、
前端部（６４）及び後端部（６６）で結合された負圧側（６０）と正圧側（６２）を含むように前記エーロフォイルを形成することと、
前記エーロフォイルの前記正圧側に、前記後端部に向かって延出する複数のスロット（８２）を形成することと、
第１の列のピン（１５２）の各々がほぼ楕円形の横断面領域を有し、前記エーロフォイルの正圧側で半径方向に前記スロットの高さに前記第１の列のピンが配置されるように、前記エーロフォイルの前記負圧側と前記正圧側との間に複数の列を成して複数のピン（１５０）を延出させることとから成り、
複数のスロット（８２）を形成することは、第１のスロット（９２）がエーロフォイル根元部（７０）に隣接し、第２のスロット（９０）はエーロフォイル先端部（７２）に隣接し、且つ複数の同一の第３のスロット（９４）は前記第１のスロットと前記第２のスロットとの間に延出しているように、複数のスロットを前記エーロフォイル根元部（７０）とエーロフォイル先端部（７２）との間に半径方向に延出させて形成することを含み、
前記正圧側（６２）に複数のスロット（８２）を形成することは、前記第３のスロット（９４）の各々の半径方向高さ（１０２）が前記第１及び第２のスロット（９０、９２）の半径方向高さ（１００）より小さくなるように、前記スロットを隣接するランド領域（９８）によって規定することを含む
方法。
【請求項２】
前記スロット（８２）を規定することは、前記第１及び第２のスロット（９０、９２）が同一であり且つ前記複数の第３のスロット（９４）の各々の約２倍の半径方向高さ（１００）を有するように前記スロットを規定することを更に含む請求項１記載の方法（５０）。
【請求項３】
前記スロット（８２）を規定することは、各ランド領域（９８）がほぼ半円形の上流側部分（１２０）と、ほぼ三角形の下流側部分（１２２）とを有するように前記スロットを隣接するランド領域（９８）によって規定することを更に含む請求項１記載の方法（５０）。
【請求項４】
ガスタービンエンジン（１０）のタービンノズル（５１）において、
第１の壁（６０）、第２の壁（６２）及び前記第１の壁と前記第２の壁との間に延出する複数のピン（１５０）を含むエーロフォイルベーン（５２）を具備し、
前記第１の壁と前記第２の壁は前端部（１５６）及び後端部（１６０）で結合されており、前記第１の壁は前記後端部に向かって延出する複数のスロット（９４）を具備し、
前記複数のピンは、ほぼ楕円形の横断面領域を有する第１の列のピン（１５２）を含み、半径方向に前記第１の壁のスロットの位置に前記第１の列のピンが配置されており、
前記エーロフォイル（５２）の第１の列のピン（１５２）は、前記ピンの各々の下流側が前記ピンの各々の上流側より小さい幅を有するようにテーパされているタービンノズル。
【請求項５】
前記エーロフォイル（５２）は根元部（７０）、先端部（７２）及び複数のランド領域（９８）を更に具備し、前記第１及び第２の壁（６０、６２）は前記根元部と前記先端部との間に半径方向に延出しており、前記複数のランド領域は前記スロット（８２）を分離させ、前記スロットの各々は隣接する前記ランド領域の間に延出する半径方向高さ（１００、１０２）を有する請求項４記載のタービンノズル（５１）。
【請求項６】
前記エーロフォイル（５２）の複数のスロット（８２）は、前記エーロフォイル根元部（７０）に隣接する第１のスロット（９２）と、前記エーロフォイル先端部（７２）に隣接する第２のスロット（９０）と、前記第１のスロットと前記第２のスロットとの間に延出する複数の同一の第３のスロットとを更に含み、前記第３のスロットの各々は前記第１及び第２のスロットの半径方向高さより小さい半径方向高さ（１００、１０２）を有する請求項５記載のタービンノズ
【請求項７】
前記スロット（８２）の各々は中心線（１３６）を含み、前記第１の列のピン（１５２）の各々は中心線（１７０）を含み、前記第１の列のピンの各々の中心線は前記スロットの各々の中心線とほぼ平行である請求項５記載のタービンノズル（５１）。
【請求項８】
ガスタービンエンジンノズルのエーロフォイル（５２）において、
根元部（７０）と、先端部（７２）と、複数のピン（１５０）と、後端部（６６）で結合された凸型の側壁（６０）及び凹型の側壁（６２）とを具備し、
前記側壁の各々は前記根元部と前記先端部との間に延出し、前記凹型の側壁は前記エーロフォイルの正圧側を規定し且つ前記後端部に向かって延出する複数のスロット（８２）を具備し、
前記複数のピンは少なくとも第１の列のピンと、第２の列のピンとを含み、前記第１の列のピンは半径方向に同心に整列され、前記第１の列のピンの各々はほぼ楕円形の横断面プロファイルを有し且つ前記第１の列のピンの各々の上流側が前記第１の列のピンの各々の下流側より大きい幅を有するようにテーパされており、前記スロットは前記第１の列のピンに隣接し且つその下流側に位置しているエーロフォイル。
【請求項９】
前記複数のスロット（８２）は、前記スロットの各々が半径方向高さ（１００、１０２）を有するように複数のランド領域（９８）により規定されており、前記複数のスロットは前記エーロフォイル根元部（７０）に隣接する第１のスロット（９２）と、前記エーロフォイル先端部（７２）に隣接する第２のスロット（９０）と、前記第１のスロットと前記第２のスロットとの間に延出する複数の第３のスロット（９４）とを含む請求項８記載のエーロフォイル（５２）。
【請求項１０】
第３のスロットを規定する前記ランド領域（９８）の各々はほぼ半円形の上流側部分（１２０）と、前記上流側部分から延出するほぼ三角形の下流側部分（１２２）とを含む請求項９記載のエーロフォイル（５２）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は一般にガスタービンエンジンノズルに関し、特にガスタービンエンジンノズルを冷却する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンは燃料と空気の混合物を燃焼させる燃焼器を含む。燃焼後の混合物はタービンノズルアセンブリを通ってタービンに向かって搬送される。少なくとも周知のタービンノズルアセンブリの一部は、燃焼器の下流側でエンジン内部に円周方向に配列された複数のノズルを含む。各ノズルは、一体に形成された内側バンドプラットホームと外側バンドプラットホームとの間に延出するエーロフォイルベーンを含む。ノズルは内部対流冷却とガス側薄膜冷却の組み合わせにより冷却される。
【０００３】
各ノズルは、前端部と後端部で結合された一対の側壁を含む。典型的なベーンエーロフォイルの金属温度分布は、後端部がエーロフォイルの大部分の温度より著しく高温になっている。この温度勾配によってベーンの後端部に大きな圧縮応力が加わり、一般に、大きな応力と高温の影響が組み合わされた結果、ベーンの後端部はノズルの中で寿命が限定される場所になる。従って、少なくともいくつかの周知のノズルにおいては、エーロフォイルベーンの後端部を内部に規定されたベーン空洞から排出される冷却空気の薄膜により冷却している。更に具体的には、エーロフォイルベーンの正圧側に形成された後端部スロットを通して、エーロフォイル後端部の上流側で冷却空気の薄膜を排出する。
【０００４】
冷却流れの取り出しと関連していると思われるエンジン性能の低下に対する影響を低減するために、各ノズルベーンに供給される空気の量を最適化することが試みられている。一般に、スロットは後端部に供給される冷却流れの量を最適化するのを容易にする長さで形成される。スロットの長さの関係上、スロットは通常、放電加工（ＥＤＭ）工程を使用して製造される。しかし、そのような製造方法は製造費用と製造時間を増加させ、作業が複雑であるために、エーロフォイルベーンの加工のやり直しの原因となることもある。インベストメント鋳造方法に匹敵する内部冷却構造配列を含むノズルの製造費用は、一般に、スロットを形成するためにＥＤＭ方法を必要とするノズルと比較して安価である。
【特許文献１】
米国特許第６１７４１３５号
【０００５】
【発明の概要】
１つの面においては、ガスタービンエンジンのノズルを製造する方法が提供される。ノズルはエーロフォイルを含む。方法は、前端部及び後端部で結合された負圧側と正圧側を含むようにエーロフォイルを形成することと、エーロフォイルの正圧側に、後端部に向かって延出する複数のスロットを形成することと、第１の列のピンの各々がほぼ楕円形の横断面領域を有し、第１の列のピンが残る列のピンとエーロフォイルの正圧側のスロットとの間に位置するように、エーロフォイルの負圧側と正圧側との間に複数の列を成して複数のピンを延出させることとから成る。
【０００６】
本発明の別の面においては、ガスタービンエンジンのタービンノズルが提供される。ノズルは、第１の壁と、第２の壁と、それらの壁の間に延出する複数のピンとを含むエーロフォイルベーンを含む。第１の壁と第２の壁は前端部及び後端部で結合されている。第１の壁は、後端部に向かって延出する複数のスロットを含む。複数のピンは、ほぼ楕円形の横断面領域を有する第１の列のピンを少なくとも含む。第１の列のピンは残る複数のピンと第１の壁のスロットとの間に位置している。
【０００７】
更に別の面においては、ガスタービンエンジンノズルのエーロフォイルが提供される。エーロフォイルは根元部と、先端部と、複数のピンと、後端部で結合された凸型の側壁及び凹型の側壁とを含む。側壁の各々は根元部と先端部との間に延出している。凸型の側壁はエーロフォイルの正圧側を規定し、且つ後端部に向かって延出する複数のスロットを含む。複数のピンは少なくとも第１の列のピンと、第２の列のピンとを含む。第１の列のピンは半径方向に同心に整列されており、第１の列のピンの各々はほぼ楕円形の横断面プロファイルを有し且つ第１の列のピンの各々の上流側が第１の列のピンの各々の下流側より大きい幅を有するようにテーパされている。スロットは第１の列のピンに隣接し且つその下流側に位置している。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、ファンアセンブリ１２と、高圧圧縮機１４と、燃焼器１６とを含むガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０は高圧タービン１８と、低圧タービン２０とを更に含む。エンジンは負圧側、すなわち、上流側２８と、排気側、すなわち、下流側３０とを有する。一実施例では、エンジン１０はオハイオ州シンシナティのGeneral Electric Aircraft Enginesから市販されているＣＦ６−８０エンジンである。
【０００９】
動作中、空気はファンアセンブリ１２を通過し、圧縮された空気は高圧圧縮機１４に供給される。著しく圧縮された空気は燃焼器１６へ送り出される。燃焼器１６からの空気の流れは、複数のノズル（図１には図示せず）を含むタービンノズルアセンブリ（図１には図示せず）を通って排出され、タービン１８及び２０を駆動するために使用される。タービン２０はファンアセンブリ１２を駆動し、タービン１８は高圧圧縮機１４を駆動する。
【００１０】
図２は、エンジン１０（図１に示す）のようなガスタービンエンジンと共に使用できるタービンノズルアセンブリ５０の斜視図である。ノズルアセンブリ５０は、エンジン１０内部で周囲方向に延出する複数のノズル５１を含む。図３は、ノズルアセンブリ５０と共に使用されるタービンノズル５１の一部の拡大概略横断面図である。各ノズル５１は、半径方向外側のバンド又はプラットホーム５４と半径方向内側のバンド又はプラットホーム５６との間に延出するエーロフォイルベーン５２を含む。特に、一実施例では、各バンド５４及び５６は各々のエーロフォイルベーン５２と一体に形成されている。
【００１１】
各エーロフォイルベーン５２は第１の側壁６０と、第２の側壁６２とを含む。第１の側壁６０は凸型であり、エーロフォイルベーン５２の負圧側を規定している。第２の側壁６２は凹型であり、エーロフォイルベーン５２の正圧側を規定している。側壁６０及び６２はエーロフォイルベーン５２の前端部６４と軸方向に離間して位置する後端部６６とで接合されている。
【００１２】
第１の側壁６０及び第２の側壁６２は、それぞれ、半径方向内側のバンド５６から半径方向外側のバンド５４までの長さに沿って長手方向に、すなわち、半径方向外側へ延出している。エーロフォイル根元部７０は内側バンド５６に隣接するとして規定され、エーロフォイル先端部７２は外側バンド５４に隣接するとして規定される。更に、第１の側壁６０及び第２の側壁６２は、それぞれ、エーロフォイルベーン５２内部に冷却チャンバ（図示せず）を規定している。特に、冷却チャンバは各々の側壁６０及び６２の内面（図示せず）により境界を規定されている。
【００１３】
第２の側壁６２はエーロフォイルベーン５２の正圧側を規定しており、側壁６２を貫通し且つ冷却チャンバと流れ連通する複数の冷却開口部８０を含む。一実施例では、ノズル冷却チャンバは圧縮機１４（図１に示す）のような圧縮機から排出される冷却空気を受け入れる。開口部８０は冷却空気をエーロフォイルベーン５２の外面８１に向かって吐出す。特に、薄膜冷却開口部８０は後端部拡散スロット８２と、複数の側壁薄膜冷却開口部８６とを含む。尚、開口部８０の配列と数を様々に変更できることに注意すべきである。
【００１４】
拡散スロット８２は第２の側壁６２を貫通しており、エーロフォイルの後端部６６に向かって延出している。拡散スロット８２はプラットホームバンド５４及び５６にそれぞれ隣接する一対の同一の第１のスロット９０及び９２と、スロット９０及び９２の間に半径方向に離間して配置された複数の同一の本体スロット９４とを含む。隣接する拡散スロット８２は、スロットの半径方向高さが隣接するランド領域９８の間でスロット８２ごとに規定されるように、ランド領域９８により分離されている。従って、スロット９４が同一であるため、各スロット９４の半径方向高さ１００は同じであり、また、スロット９０及び９２が同一であるため、各スロット９０及び９２の半径方向高さ１０２も同一であり、且つスロット９４の半径方向高さ１００より大きい。特に、各スロット９０及び９２は、各スロット９４の半径方向高さ１００の約２倍の半径方向高さ１０２を有する。この実施例においては、各スロット９０及び９２は約０.０９０インチ（2.28mm）に等しい半径方向高さ１０２を有し、各スロット９４は約０.０４５インチ（1.14mm）に等しい半径方向高さ１００を有する。半径方向高さ１０２及び１００に差があることにより、エーロフォイルベーン５２とバンド５４及び５６との熱成長の不一致に起因するエーロフォイル後端部６６の熱ひずみの開放が容易になる。更に、スロットの幾何学的配列は各バンド５４及び５６に隣接するエーロフォイルベーン５２の冷却の改善を容易にする。
【００１５】
各ランド領域９８は徐々に広がる形状であり、上流側部分１２０と、下流側部分１２２とを含む。上流側部分１２０は湾曲し、前端部１２４と下流側部分１２２との間に延出している。この実施例では、上流側部分１２０はほぼ半円形である。下流側部分１２２は上流側部分１２０から後端部１２８の先端１２６まで延出している。下流側部分１２２はほぼ三角形であり、拡散スロット８２ごとに半拡散角１２９を規定している。この実施例では、各スロット８２は約７０°に等しい半拡散角１２９を有する。
【００１６】
各ランド領域９８は、各ランド領域の前端部１２４と対応するランド領域の後端部１２６との間で測定される長さ１３０を有する。この実施例では、各ランド領域は約０.１５５インチ（3.94mm）に等しい長さ１３０を有する。ランド領域９８は等間隔で配置されており、各スロット８２は中心線１３６を有する。スロット中心線１３６はほぼ平行である。
【００１７】
エーロフォイルベーン５２は、側壁６０及び６２の間で冷却チャンバを貫通する複数のピン１５０を含むピン傾斜面１４４を更に含む。ピン傾斜面１４４は冷却チャンバを通って流れる冷却空気に混濁を誘導することを容易にする。特に、この実施例においては、各エーロフォイルベーン５２は少なくとも第１の列のピン１５２を含み、第１の列のピン１５２はその他のピン１５０とスロット８２との間（スロット８２が配置される半径方向の位置）で、且つ拡散スロット８２のすぐ上流側に位置している。ピン１５２はプラットホームバンド５４及び５６の間で半径方向に延出し、且つ半径方向に整列されている。
【００１８】
各ピン１５０はほぼ楕円形の横断面領域を有し、エーロフォイルベーンの後端部６６に向かってテーパされている。各ピン１５０をテーパすることにより、冷却チャンバを通り、拡散スロット８２に向かって流れる冷却空気の局部速度を増加させることが容易になり、その結果、エーロフォイル５２内部のピン１５０とエーロフォイルベーン後端部６６との間の冷却効率を向上させることが容易になる。特に、各ピン１５０の先端部１５６の半径方向幅１５４はピン後端部１６０の半径方向幅１５８より大きくなっている。ピン１５０をテーパすることにより、冷却チャンバを流れる冷却空気の圧力損失を減少させることが容易になる。更に、ノズルベーン５２内部の幾何学的配列の関係上、各ランド領域９８を後端部拡散スロットを含む他の周知のノズルに比べて短い長さ１３０で製造することが可能である。各ランド領域９８の長さ１３０が短縮されたため、各エーロフォイルベーン５２をインベストメント鋳造方法で容易に製造できるようになった。
【００１９】
各ピン１５０も、前端部１５６と後端部１６０との間に延出する中心線１７０を有する。本体拡散スロット９４のすぐ上流側に延出するピン１５０は、各ピンの中心線１７０が各スロットの中心線１３６とほぼ一致し、従って、スロット９０及び９２を通る中心線１３６と平行であるように位置決めされている。
【００２０】
エーロフォイルベーン５２はコア（図示せず）を鋳造することにより製造される。コアは、液体セラミック及びグラファイトスラリをコアダイ（図示せず）に注入することにより製造され、スラリを加熱して固体セラミックエーロフォイルコアを形成する。エーロフォイルコアをエーロフォイルダイ（図示せず）の中に懸垂し、高温のワックスをセラミックエーロフォイルコアを取り囲むようにエーロフォイルベーンダイの中へ注入する。高温のワックスは凝固し、エーロフォイルベーンの中に懸垂されたセラミックコアと共にワックスエーロフォイルベーンを形成する。
【００２１】
その後、ワックスエーロフォイルベーンをセラミックコアと共にエーロフォイルベーンダイに挿入し、溶融金属をダイの中へ注入する。溶融金属はワックスエーロフォイルベーンを溶融して、その空間に流入し、その場所に残っているセラミックコアと共に金属エーロフォイルベーンを形成する。次に、エーロフォイルベーンを冷却し、セラミックコアを除去する。ノズル５１をインベストメント鋳造方法で製造できるため、ノズル５１に関連する製造費用は他の周知のノズルと比較して低減される。
【００２２】
動作中、各エーロフォイルベーン冷却チャンバに高圧圧縮機から冷却空気が供給される。冷却空気は選択的に乱流を発生される空洞（図示せず）を通り、後端部拡散スロット８２の上流側のピン傾斜面１４４を通って誘導される。冷却空気はエーロフォイル冷却開口部８０を通って更に排出されて、エーロフォイル外面８１に対して冷却空気の緩衝層を形成する。この緩衝層、すなわち、薄膜層はノズル５１を通過する燃焼器排出空気より相当に低温である。エーロフォイル後端部６６とその周囲の後端部領域はピン傾斜面１４４及び拡散スロット８２を流れる冷却空気により冷却される。ピン１５０とスロット９０、９２及び９４との組み合わせによって、エーロフォイルベーン５２を通過する冷却空気の流れレベルを最小にしつつ、平衡を保ってエーロフォイル冷却を行うことが容易になる。特に、ピン１５０とスロット８２はノズル金属温度を低下させることを容易にして、ノズル５０の有効寿命を延長するのである。
【００２３】
以上説明したタービンノズルは、タービンノズルの有効寿命を延長することを容易にする幾何学的配列構成を含む。各ノズルエーロフォイルベーンは、各プラットホームバンドに隣接する過大なスロットを含む拡散スロットの列を含む。過大なスロットはプラットホームに隣接するエーロフォイルベーンの領域の冷却を容易にする。更に、各ノズルエーロフォイルベーンは、それぞれ対応するスロットのすぐ上流側にあり且つそのスロットに関して軸方向に整列されているテーパ形ピンの列を更に含む。それらのピンは、製造歩留まりの向上と共に冷却及び流れ調整の改善を容易にする。その結果、ノズルの幾何学的配列構成は費用効率高く且つ信頼性をもってノズルの有効寿命を延長することを容易にする。
【００２４】
本発明を様々な特定の実施例によって説明したが、特許請求の範囲の趣旨の範囲内で変形を伴って本発明を実施できることは当業者には了承されるであろう。また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ガスタービンエンジンの概略図。
【図２】  図１に示すガスタービンエンジンと共に使用できるタービンノズルアセンブリの斜視図。
【図３】  図２に示すタービンノズルの拡大概略横断面図。
【符号の説明】
１０…ガスタービンエンジン、５０…タービンノズルアセンブリ、５１…ノズル、５２…エーロフォイルベーン、６０…第１の側壁、６２…第２の側壁、６４…エーロフォイル前端部、６６…エーロフォイル後端部、７０…エーロフォイル根元部、７２…エーロフォイル先端部、８２…後端部拡散スロット、９０、９２…第１のスロット、９４…本体スロット、９８…ランド領域、１２０…ランド領域の上流側部分、１２２…ランド領域の下流側部分、１４４…ピン列、１５０…ピン、１５２…第１の列のピン
【図１】
0004482273.tif 000002
【図２】
0004482273.tif 000003
【図３】
0004482273.tif 000004