(57)【要約】【課題】タービンエンジンの構成部品内に使用される冷却マイクロ回路により、効果的な冷却を提供する。【解決手段】領域２４内において冷却流体が冷却回路を通って加速されるように設計、配設されたペデスタル２０，２２など第１のセットの内部特徴部は、冷却マイクロ回路１４の冷却流チャネル１１に組み込まれる。領域２４内の冷却流の速度が増加すると、熱伝達係数が増加する。ペデスタル２０，２２は、領域２６，２８を形成するように構成される。領域２８からの冷却流体は、ペデスタル３０，３２など第２のセットの特徴部に向かって、前縁３４に衝突する。ペデスタル３０，３２は、収束部３６を形成するよう配設され、これにより、速度が再び増す。領域３８は、高速を維持し、かつ流れを整流するように利用される。特徴部４０により、エアフォイルの外面に沿ってフィルム冷却ブランケットを提供するように冷却流が導かれる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンエンジンの構成部品内に使用される冷却マイクロ回路であって、
冷却流体が通流するチャネルと、
前記タービンエンジン構成部品の表面の上に冷却流体を分配する少なくとも１つの出口孔と、
前記チャネル内に設けられるとともに、前記少なくとも１つの出口孔から冷却流体が流出する前に、該冷却流体の流れを加速する手段と、
を備える冷却マイクロ回路。
【請求項２】
前記加速手段は、前記チャネル内に配設された第１のセットの内部特徴部を備え、
前記第１のセットの内部特徴部は、第１の流れ加速領域を形成するように互いに対して形成され、配設されることを特徴とする請求項１に記載の冷却マイクロ回路。
【請求項３】
前記第１の流れ加速領域は、前記第１のセットの内部特徴部により形成される収束領域を備え、
前記第１のセットの内部特徴部により、冷却流の速度を維持する領域が形成されることを特徴とする請求項２に記載の冷却マイクロ回路。
【請求項４】
前記第１のセットの内部特徴部により、前記タービンエンジン構成部品の回転によって生じるポンプ作用を用いる領域が形成されることを特徴とする請求項３に記載の冷却マイクロ回路。
【請求項５】
前記第１のセットの内部特徴部は、一対のくの字形状の内部特徴部を含むことを特徴とする請求項４に記載の冷却マイクロ回路。
【請求項６】
前記加速手段は、前記第１のセットの内部特徴部の後縁の近傍に配設された第２のセットの内部特徴部を備え、
前記第２のセットの内部特徴部は、一対の内部特徴部を備え、前記一対の内部特徴部の各々は、内部熱伝達係数を向上させる直径を備えた前縁を有することを特徴とする請求項２に記載の冷却マイクロ回路。
【請求項７】
前記第２のセットの内部特徴部は、冷却流体の流れを加速させるために、前記前縁に隣接して収束部を形成するような形状を備えて配設されることを特徴とする請求項６に記載の冷却マイクロ回路。
【請求項８】
前記第２のセットの内部特徴部は、前記収束部に隣接する領域を形成するような形状を備えて配設され、該領域において前記冷却流体の速度が維持され、前記冷却流体の流れが整流されることを特徴とする請求項７に記載の冷却マイクロ回路。
【請求項９】
前記少なくとも１つの出口孔から冷却流体が流出する前に、前記冷却流体の流れを整流する手段をさらに備え、
前記整流手段は、複数の涙滴形状の内部特徴部を含むことを特徴とする請求項６に記載の冷却マイクロ回路。
【請求項１０】
前記第１のセットの内部特徴部の対流冷却およびフィルムの重ね合わせのために付加的なフィルム冷却孔の列をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の冷却マイクロ回路。
【請求項１１】
前記付加的なフィルム冷却孔の列は、前記内部特徴部の各々を通る機械加工された孔により形成されることを特徴とする請求項１０に記載の冷却マイクロ回路。
【請求項１２】
タービンブレードであって、
負圧側壁部および正圧側壁部により形成されるエアフォイル部と、
前記負圧側壁部および前記正圧側壁部の少なくとも一方に組み込まれる冷却マイクロ回路と、
を備え、
前記冷却マイクロ回路が、
冷却流体が通流するチャネルと、
前記タービンブレードの表面の上に冷却流体を分配する少なくとも１つの出口孔と、
前記チャネル内に設けられるとともに、前記少なくとも１つの出口孔から冷却流体が流出する前に、該冷却流体の流れを加速する手段と、
を備えるタービンブレード。
【請求項１３】
前記加速手段は、前記チャネル内に配設された第１のセットの内部特徴部を備え、
前記第１のセットの内部特徴部は、第１の流れ加速領域を形成するように互いに対して形成され、配設されることを特徴とする請求項１２に記載のタービンブレード。
【請求項１４】
前記第１の流れ加速領域は、前記第１のセットの内部特徴部により形成される収束領域を備え、
前記第１のセットの内部特徴部により、冷却流の速度を維持する領域が形成されることを特徴とする請求項１３に記載のタービンブレード。
【請求項１５】
前記第１のセットの内部特徴部により、タービンエンジンの構成部品の回転によって生じるポンプ作用を用いる領域が形成されることを特徴とする請求項１４に記載のタービンブレード。
【請求項１６】
前記第１のセットの内部特徴部は、一対のくの字形状の内部特徴部を含むことを特徴とする請求項１５に記載のタービンブレード。
【請求項１７】
前記加速手段は、前記第１のセットの内部特徴部の後縁の近傍に配設された第２のセットの内部特徴部を備え、
前記第２のセットの内部特徴部は、一対の内部特徴部を備え、前記一対の内部特徴部の各々は、内部熱伝達係数を向上させる直径を備えた前縁を有することを特徴とする請求項１３に記載のタービンブレード。
【請求項１８】
前記第２のセットの内部特徴部は、冷却流体の流れを加速させるために、前記前縁に隣接して収束部を形成するような形状を備えて配設され、
前記第２のセットの内部特徴部は、前記収束部に隣接する領域を形成するような形状を備えて配設され、該領域において前記冷却流体の速度が維持され、前記冷却流体の流れが整流されることを特徴とする請求項１７に記載のタービンブレード。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの出口孔から冷却流体が流出する前に、前記冷却流体の流れを整流する手段をさらに備えることを特徴とする請求項１７に記載のタービンブレード。
【請求項２０】
前記整流手段は、複数の涙滴形状の内部特徴部を含むことを特徴とする請求項１９に記載のタービンブレード。
【請求項２１】
前記第１のセットの内部特徴部の対流冷却およびフィルムの重ね合わせのために付加的なフィルム冷却孔の列をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載のタービンブレード。
【請求項２２】
前記付加的なフィルム冷却孔の列は、前記内部特徴部の各々を通る機械加工された孔により形成されることを特徴とする請求項２１に記載のタービンブレード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンエンジンの構成部品内の冷却マイクロ回路に組み込まれる複数の内部特徴部に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンエンジンの構成部品の表面上に冷却流体の流れを生じさせるために種々の冷却回路が使用されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来の冷却回路は効果的でなかった。図４および図５には、既存の過冷却ブレード設計が図示されている。このようなブレードの設計では、フィルムおよび内部冷却が制限されてしまう。概して、冷却が制限されることにより、比較的短い高温の運転時間でクラックが生じてしまう。図４および図５に示されているように、クラックは、ブレードの負圧側および正圧側に生じる。また、現行の冷却回路の出口スロットの形態では、フィルム冷却の適用範囲が制限されてしまう。いくつかの設計においては、冷却フィルムがスロットからメインの高温ガス流路に対して垂直に流出しており、コーティングが孔に堆積すること（コートダウン：ｃｏａｔ−ｄｏｗｎ）によりスロットの出口領域が著しく減少してしまう。
【０００４】
したがってより効果的な冷却回路が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、タービンブレードなどタービンエンジンの構成部品内に使用される冷却マイクロ回路が提供され、これにより、高度の対流効率（熱除去）を伴ってブレードが対流的に冷却される。
【０００６】
本発明によれば、タービンエンジンの構成部品内に使用される冷却マイクロ回路が提供される。冷却マイクロ回路は、概して、冷却流体が通流するチャネルと、タービンエンジン構成部品の表面上に冷却流体を分配する少なくとも１つの出口孔と、該少なくとも１つの出口孔から冷却流体が流出する前に冷却流体の流れを加速する前記チャネル内の内部特徴部と、を備える。
【０００７】
さらに本発明によれば、タービンエンジンに使用されるタービンブレードが提供される。タービンブレードは、概して、負圧側壁部および正圧側壁部によって形成されるエアフォイル部と、負圧側壁部および正圧側壁部の少なくとも一方の中に組み込まれる冷却マイクロ回路と、を備える。冷却マイクロ回路は、冷却流体が通流するチャネルと、タービンブレードの表面上に冷却流体を分配する少なくとも１つの出口孔と、該少なくとも１つの出口孔を通って冷却流体が流れる前に冷却流体の流れを加速する前記チャネル内の内部特徴部と、を備える。
【０００８】
本発明のブレードのマイクロ回路冷却の他の細部、それに伴う他の目的ならびに利点は、以下の詳細な説明および添付の図面に示されており、類似の参照番号は類似の要素を示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図面を参照すると、図１では、タービンブレード等のタービンエンジンの構成部品１２のエアフォイル部１０を示している。耐熱金属コアの技術進歩によって、現在ではエアフォイル部の壁部１６内に冷却マイクロ回路１４を形成することができる。冷却マイクロ回路１４は、高度の対流効率（熱除去）を伴ってブレードを対流的に冷却するように使用される。対流効率は、冷媒による熱除去の指標である。対流効率は、設計パラメータの範囲によって向上させることが可能である。これらのパラメータには、高いアスペクト比を伴う断面積の周囲等の濡れ表面積（ｗｅｔ  ｓｕｒｆａｃｅ  ａｒｅａ）、および／または、種々の形状（円、長円、菱形、エアフォイル形等）のペデスタル等の内部特徴部による内部熱伝達係数の増加が含まれる。
【００１０】
耐熱金属コアの技術を用いる１つの利点としては、エアフォイルの形状に適合するように耐熱金属コアシートを形成することができることが挙げられる。これにより、広いフィルム適用範囲を伴うフィルム冷却用の出口スロット１８の形成が可能となる。このように、フィルム冷却ブランケット（film cooling blanket）がブレードの外側壁部に隣接して留まり、保護フィルム冷却ブランケットを提供することにより、フィルムの分断およびフィルムの早期減少が回避される。
【００１１】
図２では、冷却マイクロ回路１４の冷却流チャネル１１内に組み込まれる内部特徴部を図示している。これらの特徴部は、非常に重要な熱伝達属性を有する。冷却流チャネル１１には、適切な供給源（図示せず）から１つまたは複数のインレット（図示せず）を介して冷却流体流が供給される。
【００１２】
冷却マイクロ回路１４内に組み込まれる内部特徴部には、一対のくの字形状（ドッグレッグ形）のペデスタル２０，２２など第１のセットの内部特徴部が含まれる。ペデスタル２０，２２は、領域２４内において、冷却回路を通る冷却流体の流れが加速されるように設計、配設される。１より小さいマッハ数を伴う亜音速流の状況では、流れ面積の減少により、流速が増加する。領域２４内における冷却流の速度が増加するにしたがって、熱伝達係数が増加する。流れが加速し、最大速度に達した際に、その高い速度を可能な限り長く維持することが望ましい。したがって、前記のような効果をもたらすために、ペデスタル２０，２２は、領域２６を形成するように構成される。ペデスタル２０，２２により形成される領域２８は、タービンブレード等のタービンエンジン構成部品の回転によるポンプ作用を利用するように用いられる。
【００１３】
領域２８から流出した冷却流体流は、好ましくは、成形された一対のペデスタル３０，３２など第２のセットの内部特徴部に向かう。領域２８からの流れが加速されると、この流れはペデスタル３０，３２の各々の前縁に衝突する。熱伝達係数は、前縁３４の直径の関数として増加する。小さな直径により、内部伝達係数が高くなる。
【００１４】
ペデスタル３０，３２は、面積の変化が減少する収束部３６を形成するように成形かつ配設される。この面積の変化により、速度が再び増加し、熱伝達係数が高くなる。ペデスタル３０，３２は、領域３８をもたらす形状を有しており、この領域３８は、高速を維持するとともに、流れが冷却領域の次のセクションへと流出する前に流れを整流するように用いられる。
【００１５】
冷却マイクロ回路１４は、上記の内部特徴部２０，２２，３０，３２がエアフォイル部１０の全長に沿って順に軸方向に反復される配置を有していてもよい。
【００１６】
冷却マイクロ回路１４の端部において、内部特徴部４０（通常は涙滴形状）が配置される。この内部特徴部４０は、エアフォイル部１０の外側表面に沿って改善されたフィルム冷却ブランケットを提供するように冷却流を導くために配置される。
【００１７】
図３に示されているように、特徴部２０，２２，３０，３２の端部において、後縁部は、軸方向から約４度以内の２つの上部および底部の角度を有するくさび形状を備える。前述のように、冷却流が領域４２から流出すると、フィルム冷却は、タービンエンジンの構成部品１０の表面に隣接する。特徴部２０，２２の各々に配置される冷却孔４４から流出する別のフィルムの列を供給することにより、前記フィルム冷却を向上させることができる。各冷却孔４４には、ブレードの内側エアプレナムなどから適切な方法で冷却流体流が供給される。各冷却孔４４が特徴部およびエアフォイルの壁部を通して正確に機械加工されるため、特徴部２０，２２の対流冷却およびフィルムの重ね合わせが可能となる。これは、回転するブレードに生じる大きな熱負荷から正圧側の後縁部を保護するために特に重要である。
【００１８】
前述の内部特徴部は、内部特徴部形状の孔を有するように、レーザカットされた耐熱金属コアシートを使用して形成される。
【００１９】
本発明では、単一の冷却マイクロ回路に関して説明してきたが、当業者であれば、エアフォイル部１０の壁部に形成された各冷却マイクロ回路において前述の内部特徴部を利用することができることを理解されたい。
【００２０】
タービンブレードに関して本発明を説明してきたが、冷却マイクロ回路は、他のタービンエンジンの構成部品にも使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】冷却マイクロ回路を有するタービンエンジンの構成部品のエアフォイル部を示す図。
【図２】冷却マイクロ回路に組み込まれる１セットの内部特徴部を示す概略図。
【図３】図２の線３‐３に沿って切断した冷却マイクロ回路の断面図。
【図４】エアフォイルの負圧側におけるフィルム孔の適用範囲が不十分な既存の過冷却ブレード設計の図面代用写真。
【図５】エアフォイルの正圧側および前縁部におけるフィルム孔の適用範囲が不十分な既存の過冷却ブレード設計の図面代用写真。
【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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