(57)【要約】【課題】タービンブレードのエアフォイル部に改良した蛇状の微細回路を設けることによって、最小限の冷却流で冷却効率を向上させる方法を提供する。【解決手段】タービン構成要素は、少なくとも１つの中央のコアエレメント１２、圧力面側の壁、及び負圧面側の壁を備えるエアフォイル部１０を有する。また、エアフォイル部１０は、これらの壁の少なくとも一方に蛇行した冷却通路を有する。この冷却通路は、少なくとも３つの脚部、即ち入口脚部３０と、中間脚部３２と、出口脚部３４と、から構成される。好ましい実施例では、エアフォイル部１０は、圧力面側の壁、負圧面側の壁の双方に蛇行した冷却通路を有する。この冷却通路を有するエアフォイル部１０は、ニッケルをベースにした超合金などの金属材料による鋳造によって形成される。これによって、使用する冷却流を減らしつつ、冷却効率を向上させることが可能になる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの中央のコアエレメントと、圧力面側の壁と、負圧面側の壁と、を有するエアフォイル部と、
上記の壁の少なくとも一方に設けられた蛇行した冷却通路と、を備えることを特徴とするタービンエンジン構成要素。
【請求項２】
上記の蛇行した冷却通路は、冷却流を上記冷却通路に供給する少なくとも１つの入口を備える入口脚部を有しており、上記入口脚部は、ある冷却流の流れの方向を有しているとともに、各々の上記入口が、上記の流れの方向に対してある角度に向けら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構成要素。
【請求項３】
各々の上記入口は、上記の流れの方向に対して実質的に垂直に向けられることを特徴とする請求項２に記載のタービンエンジン構成要素。
【請求項４】
上記構成要素は、さらに、上記入口脚部に少なくとも１つの内部の特徴部を備えることを特徴とする請求項２に記載のタービンエンジン構成要素。
【請求項５】
少なくとも１つの上記内部の特徴部は、少なくとも１つの円形のペデスタルを備え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構成要素。
【請求項６】
上記の蛇行した冷却通路は、上記冷却流が、上記エアフォイル部の壁の一方の外側の面に沿って流れるように、少なくとも１つの冷却フィルム穴を有する出口脚部をさらに備え、この蛇行した冷却通路は、少なくとも１つの中間脚部を有することを特徴とする請求項２に記載のタービンエンジン構成要素。
【請求項７】
上記エアフォイル部は、エアフォイル測定用の外側の点を有しており、少なくとも１つの上記冷却フィルム穴が、上記のエアフォイル測定用の外側の点の前方に配置されることを特徴とする請求項６に記載のタービンエンジン構成要素。
【請求項８】
上記出口脚部は、複数の冷却フィルム穴を有しており、上記冷却フィルム穴の全てが、上記のエアフォイル測定用の外側の点の前方に配置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構成要素。
【請求項９】
上記圧力面側の壁は、第１の蛇行した冷却通路を有しており、上記負圧面側の壁は、第２の蛇行した冷却通路を有す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構成要素。
【請求項１０】
上記エアフォイル部は、複数の独立した中央のコアを有しており、上記第１の蛇行した冷却通路は、第１の中央のコアから冷却流が案内され、上記第１の蛇行した冷却通路が、上記第２の蛇行した冷却通路から独立するように、上記第２の蛇行した冷却通路は、第２の中央のコアから冷却流が案内されることを特徴とする請求項９に記載のタービンエンジン構成要素。
【請求項１１】
上記第１の蛇行した冷却通路及び上記第２の蛇行した冷却通路における冷却流は、同一の方向に流れることを特徴とする請求項１０に記載のタービンエンジン構成要素。
【請求項１２】
上記第１の蛇行した冷却通路及び上記第２の蛇行した冷却通路における冷却流は、異なる方向に流れることを特徴とする請求項１０に記載のタービンエンジン構成要素。
【請求項１３】
上記エアフォイル部は、さらに、前縁と、この前縁側の少なくとも１つの冷却用回路と、後縁と、この後縁側の冷却用微細回路と、を有す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構成要素。
【請求項１４】
タービンエンジン構成要素のエアフォイル部に冷却通路を形成する耐火金属コアであって、
このコアは、蛇行した形状を有することを特徴とする耐火金属コア。
【請求項１５】
上記の蛇行した形状は、上記冷却通路の入口脚部を形成する第１の脚部を有しており、この第１の脚部は、少なくとも１つの入口を形成する少なくとも１つのタブを有することを特徴とする請求項１４に記載の耐火金属コア。
【請求項１６】
上記の蛇行した形状は、上記冷却通路の出口脚部を形成する第２の脚部を含んでおり、この第２の脚部は、冷却フィルム穴を形成する少なくとも１つのタブを有することを特徴とする請求項１４に記載の耐火金属コア。
【請求項１７】
上記耐火金属コアは、モリブデン及びモリブデン合金を含むグループから選択された金属から製造されることを特徴とする請求項１４に記載の耐火金属コア。
【請求項１８】
タービンエンジン構成要素のエアフォイル部を形成する工程であって、
中央のコアエレメントを形成する少なくとも１つのシリカコアを型に配置するステップと、
少なくとも１つの蛇行した冷却通路を形成する少なくとも１つの耐火金属コアエレメントを上記型に配置するステップと、
１対の外壁部及びこの外壁部内に少なくとも１つの蛇行した冷却通路を有するエアフォイル部を形成するために、金属材料が上記シリカコア及び上記耐火金属コアエレメントの周囲に流れるように、上記金属材料を上記型に流し込むことによって、上記エアフォイル部を形成するステップと、を備えることを特徴とする形成工程。
【請求項１９】
上記シリカコアを配置するステップは、複数の中央のコアエレメントを形成するために、複数のシリカコアを上記型に配置するステップからなることを特徴とする請求項１８に記載の形成工程。
【請求項２０】
少なくとも１つの上記耐火金属コアを配置するステップは、入口脚部と、少なくとも１つの中間脚部と、出口脚部と、を備える蛇行した形状を有する少なくとも１つの耐火金属コアを上記型に配置するステップからなることを特徴とする請求項１８に記載の形成工程。
【請求項２１】
上記出口脚部から外側に曲げられた少なくとも１つのタブを設けることによって、少なくとも１つの冷却フィルム穴を形成し、上記入口脚部から内側に曲げられた少なくとも１つのタブを設けることによって、少なくとも１つの入口を形成することを特徴とする請求項２０に記載の形成工程。
【請求項２２】
少なくとも１つの上記耐火金属コアを配置するステップは、少なくとも１つの上記シリカコアの第１の側面に、蛇行した形状を有する第１の耐火金属コアを配置するステップと、上記シリカコアの第２の側面に、蛇行した形状を有する第２の耐火金属コアを配置するステップと、からなることを特徴とする請求項１８に記載の形成工程。
【請求項２３】
さらに、少なくとも１つの上記の蛇行した冷却通路の入口脚部に複数の内部特徴部を形成することを特徴とする請求項１８に記載の形成工程。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンエンジン構成要素のエアフォイル部、特に高圧タービンブレードのエアフォイルに用いる周縁部の蛇行した微細回路による冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、小型の軍用機やヘリコプタによく用いられている。これらの軍用機やヘリコプタに用いられるガスタービンエンジンは、高圧タービンブレードを有しており、これらのブレードのエアフォイル部は、これらのエンジンの作動に必要な温度により、冷却流を用いることが要求される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
今日のエンジンにおいては、作動温度が、３１００Ｆ°以上に上昇する。その結果、タービンブレードのエアフォイル部は、改良した冷却方法を必要とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によれば、タービンエンジン構成要素は、冷却流の使用を最小限にしつつ、冷却効率を向上させる冷却方法をもたらすエアフォイル部を有する。
【０００５】
本発明によるタービンエンジン構成要素は、少なくとも１つの中央のコアエレメント、圧力面側の壁、及び負圧面側の壁を有するエアフォイル部と、これらの壁の少なくとも一方に設けられた蛇行した冷却通路と、を備える。本発明の好ましい実施例では、蛇行した冷却通路が、圧力面側の壁及び負圧面側の壁のそれぞれに設けられる。また、タービンエンジン構成要素のエアフォイル部に冷却通路を形成する耐火金属コアが、本発明により提供される。この耐火金属コアは、蛇行した形状を有する。
【０００６】
さらに、タービンエンジン構成要素のエアフォイル部を形成する工程が、本発明によってもたらされる。この工程は、中央のコアエレメントを形成する少なくとも１つのシリカコアを型に配置するステップと、少なくとも１つの蛇行した冷却通路を形成する少なくとも１つの耐火金属コアエレメントをこの型に配置するステップと、１対の周縁部の外壁部及びこの周縁部の外壁部内に少なくとも１つの蛇行した冷却通路を有するエアフォイル部を形成するために、溶融した金属材料が少なくとも１つのシリカコア及び少なくとも１つの耐火金属コアエレメントの周囲に流れるように、この溶融した金属材料を型に流し込むことによって、タービンエンジン構成要素を形成するステップと、を備える。
【０００７】
周縁部の蛇行した微細回路によるタービンエアフォイルの冷却の他の詳細、及び別の目的ならびに利点は、以下の詳細な説明及び図面から説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図面を参照すると、図１は、高圧タービンブレードやベーンなどのタービンエンジン構成要素のエアフォイル部１０の断面図である。エアフォイル部１０は、前縁６０と、後縁１６と、圧力面１８と、負圧面２４と、を有する。
【０００９】
図１から分かるように、エアフォイル部１０は、冷却用の３つの微細回路（ｍｉｃｒｏｃｉｒｃｕｉｔ）を備える。第１の微細回路１４は、エアフォイル部１０の圧力面１８に配置された１つ或いは複数の放出スロット１７を用いて後縁１６を冷却するために用いられる。第２の微細回路２０は、エアフォイル部１０の圧力面１８側に配置される。第３の微細回路２２は、エアフォイル部１０の負圧面２４側に配置される。
【００１０】
エアフォイル部１０は、１つ或いは複数の中央のコアエレメント１２を有する。中央のコアエレメント１２の各々は、入口（図示せず）を介してエンジンのブリード空気などの冷却流の供給源（図示せず）と連通している。周縁部の外壁部１３、１５は、中央のコアエレメント１２と圧力面１８及び負圧面２４を形成している外側の面との間に延びている。第２の微細回路２０及び第３の微細回路２２の各々は、周縁部の外壁部１３、１５のそれぞれ内部に配置される。
【００１１】
図２、図３に示すように、微細回路２０、２２の各々は、好ましくは少なくとも３つの脚部を備える蛇行した形状の配列を有しており、これらの脚部を通って冷却流が流れる。微細回路２０、２２の各々は、多数の脚部を有してもよい。図２に示される圧力面側の微細回路２０においては、冷却流が、１つ或いは複数の入口３１を通って入口脚部３０に入り、中間脚部３２を通って流れ、出口脚部３４から１つ或いは複数の冷却フィルム用スロット３３を経て外側に出る。また、中間脚部３２は、必要に応じて別の冷却フィルム用スロット（図示せず）を備えてもよい。必要であれば、入口脚部３０は、微細回路２０の伝熱特性を向上させるために、円形のペデスタル（ｐｅｄｅｓｔａｌ）などの１つ或いは複数の内部特徴部３６を備えてもよい。内部特徴部３６は、従来技術により周知の適切な方法を用いて形成することができる。例えば、これらの内部特徴部３６を、レーザ技術を用いて形成することができる。各入口３１は、好ましくは入口脚部３０の主要な冷却流の流れの方向Ｙに対して２５°より小さい角度の方向（好ましくは実質的に垂直）に、冷却流を強制的に入口脚部３０に流すように設計される。各入口３１は、中央のコアエレメント１２の１つと連通している。入口部分の冷却流を、流れの方向Ｙに対して垂直に流すことは、冷却用の微細回路２０に砂や異物が流入するのを防ぐために特に重要である。
【００１２】
図３を参照すると、負圧面側の微細回路２２が示されている。この微細回路２２においては、冷却流が、１つ或いは複数の入口４１を通って入口脚部４０に入り、中間脚部４２を通って流れ、出口脚部４４からフィルム穴４５を経て外側に出る。冷却フィルム用の穴４５は、エアフォイル測定用の外側の点４７の前方に配置される。この場所に冷却フィルム用の穴４５を設けることによって、冷却流のフィルムが負圧面側の外側の面に沿ってより効果的に延び、これにより蛇行した通路の微細回路２２によって、冷却効率が向上する。
【００１３】
必要であれば、入口脚部４０は、微細回路２２の伝熱特性を向上させるために、円形のペデスタルなどの内部特徴部４６を備えてもよい。内部特徴部４６は、従来技術により周知の適切な方法を用いて加工することができる。例えば、これらの内部特徴部４６を、レーザ技術を用いて形成することができる。各入口４１は、好ましくは入口脚部４０の冷却流の流れの方向Ｙに対して２５°より小さい角度の方向（好ましくは実質的に垂直）に、冷却流を強制的に入口脚部４０に入れるように設計される。上述のとおり、これは、冷却用の微細回路２２に砂や異物が流入するのを防ぐのに特に重要である。各入口４１は、中央のコアエレメント１２の１つと連通するとともに、このエレメント１２の１つから冷却空気を受け取る。入口４１に冷却流を供給する中央のコアエレメント１２は、入口３１に冷却流を供給する該エレメント１２と同一であってもよい。好ましい実施例では、冷却流が、それぞれ異なるコアエレメント１２から入口３１、４１に供給される。これにより、微細回路２０、２２は、互いに独立した回路となる。
【００１４】
後縁側の微細回路１４は、中央のコアエレメント１２の１つからの冷却流の独自の供給源を有してもよく、或いは中央のコアエレメント１２の１つなどの冷却流の供給源となるキャビティを負圧面側の微細回路２２と共用してもよい。微細回路１４は、冷却流の流れの方向を変えて冷却用の微細回路１４に入るようにする入口（図示せず）を備える。その結果、砂や屑が、遠心力によって、中央のコアエレメント１２から分離される。
【００１５】
エアフォイル部１０の前縁６０は、複数の冷却フィルム用の穴６４を有する冷却用の微細回路６２を備えてもよい。前縁側の冷却用の微細回路６２には、この微細回路６２独自の冷却流の供給源となるキャビティからの独自の冷却流が供給される。
【００１６】
必要であれば、微細回路２０における冷却流の流れを、エアフォイル部１０の後縁１６へ向かう方向などの第１の方向にしてもよく、さらに、微細回路２２における冷却流の流れを、このエアフォイル部１０の前縁６０へ向かう方向である第２の方向にしてもよい。必要であれば、微細回路２０、２２双方の冷却流の流れを、単一の方向にしてもよい。
【００１７】
微細回路２０、２２の各々は、好ましくは図４に示される形状などの蛇行した形状の耐火金属製のコア１００を用いて形成される。各々の耐火金属コア１００は、モリブデン、タンタル、チタン、ニオブ、及びこれらの合金を含むグループから選択された金属などの従来技術で周知の適切な耐火金属から形成される。各々の耐火金属コア１００は、冷却流入口及び冷却フィルム用の穴などの構造体を形成するために折り曲げた部分を有する耐火金属のシート１０１である。微細回路２２を形成するときに、耐火金属コア１００による負圧面側の出口を、よりすぐれた性能の微細回路を形成するように、エアフォイル測定用の外側の点４７の前方に配置する必要がある。圧力面側においては、耐火金属コア１００を、後縁側の微細回路を保護するように後縁１６に近接して配置することができる。
【００１８】
微細回路２０、２２を形成するために用いられる各々の耐火金属コア１００は、これらの微細回路２０、２２の入口脚部を形成する第１の区画１０２と、微細回路２０、２２の中間脚部を形成する第２の区画１０４と、該微細回路２０、２２の出口脚部を形成する第３の区画と、を有する。第１の区画１０２は、１つ或いは複数の入口を形成する１つ或いは複数の内側に向けられたタブ１０８を有する。第３の区画１０６は、冷却フィルム用の穴を形成する１つ或いは複数の外側に向けられたタブ１１０を有する。
【００１９】
図５を参照すると、タービンエンジン構成要素のエアフォイル部１０を形成するために、１つ或いは複数のシリカコア１２０が、型１２２内に配置される。また、耐火金属コア１００が、シリカコア１２０の負圧面側及び圧力面側の各々に、この型１２２内に配置される。適切なコア構造体（図示せず）が、前縁側の微細回路６２及び後縁側の微細回路１４のそれぞれを形成するように用いられる。種々のエレメントが型１２２内に配置された後に、溶融したニッケルをベースにした超合金などの溶融した金属材料が、型１２２に流し込まれ、中央のコアエレメント１２を仕切る種々のリブ１２４及び周縁部の外壁部１３、１５を有するエアフォイル部１０が形成される。鋳造されたエアフォイル部１０が型１２２から分離された後に、シリカコア１２０及び耐火金属コア１００が、従来技術により周知の適切な方法を用いて除去される。これらのコア１２０、１００が除去された後の残りのエアフォイル部１０が、図１に示されている。
【００２０】
好ましくは、各々の耐火金属コア回路の圧力低下の圧力バイアスを独立して避けるために、型１２２内にリブによって分離された２つのシリカコア１２０が存在し、各々によって、耐火金属コア回路がそれぞれ形成される。加えて、クリープ特性を向上させるために、連通状態のリブでもってシリカコア１２０をさらに分割してもよい。
【００２１】
微小回路２０、２２は、好ましくは脚部が最小限の断面積を有するように形成される。
【００２２】
本発明の冷却方法によって、冷却流の流れを４０％低減することができる。即ち、この適用例では、既存の冷却構造は、通常、５．５％の流量が必要であるのに対して、本発明の冷却構造においては、冷却流の流量を、３．３％の低い値にすることができる。本発明の他の利点としては、対流効率の向上ならびに７５％の高い全冷却効率をもたらす広いフィルム被覆領域を含む。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】タービンエンジン構成要素のエアフォイル部の断面図。
【図２】図１のエアフォイル部を用いた第１の蛇行した冷却通路の断面図。
【図３】図１のエアフォイル部を用いた第２の蛇行した冷却通路の断面図。
【図４】蛇行した冷却通路を形成する耐火金属コアの斜視図。
【図５】エアフォイル部を製造する型の一部分の図。
【符号の説明】
【００２４】
１０…エアフォイル部
１４、２０…微細回路
１６…後縁
３０…入口脚部
３１…入口
３２…中間脚部
３３…冷却フィルム用スロット
３４…出口脚部
３６…内部特徴部
６０…前縁
【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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