(57)【要約】【課題】  ガスタービンエンジンコンポーネントにおけるベーンプラットフォームのフィルム冷却を行うベーンクラスタを提供する。【解決手段】  ガスタービンエンジンのベーンリングを形成する各々のベーンクラスタ６０が、第１のエーロフォイル６２と、第２のエーロフォイル６４と、プラットフォームセグメント６８と、シュラウドセグメント７２と、を有する。クラスタ６０は冷却通路を有し、インレットポート１１０，１１２から流入した冷却空気の一部がエーロフォイルを経てプラットフォームセグメント６８へと流入し、プラットフォームを冷却する。また、冷却空気はアウトレット孔１２０から流れ出る。本発明のクラスタにより、プラットフォームが効率よく冷却されるとともに、プラットフォーム内に流入する空気流がもたらす不都合な影響が軽減される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラットフォームと、
シュラウドと、
前記プラットフォームの径方向外側面と前記シュラウドの径方向内側面との間に延在する少なくとも第１および第２のエーロフォイルであって、前記エーロフォイルの各々が正圧面および負圧面をもつとともに、前記第１のエーロフォイルの前記正圧面が前記第２のエーロフォイルの前記負圧面に対向する第１および第２のエーロフォイルと、
冷却通路系と
を備えたベーンクラスタであって、
前記冷却通路系が、
前記シュラウドに少なくとも一つのインレットと、
前記シュラウドから前記プラットフォームへと前記第１のエーロフォイルを連通する少なくとも一つの第１の供給通路と、
前記シュラウドから前記プラットフォームへと前記第２のエーロフォイルを連通する少なくとも一つの第２の供給通路と、
前記第１のエーロフォイルの前記正圧面側の第１のプラットフォーム冷却プレナムと、
前記第１のエーロフォイルの前記負圧面側の第２のプラットフォーム冷却プレナムと
を備えてなるベーンクラスタ。
【請求項２】
前記冷却通路系が、前記プラットフォームの第１および第２の周方向端部へと延びる第１および第２の複数のアウトレット孔を含むことを特徴とする請求項１に記載のベーンクラスタ。
【請求項３】
前記第１のプラットフォーム冷却プレナムが、前記少なくとも一つの第１の供給通路と連結され、
前記第２のプラットフォーム冷却プレナムが、前記第１のプラットフォーム冷却プレナムおよび連結部を介して前記少なくとも一つの第１の供給通路と連結されることを特徴とする請求項１に記載のベーンクラスタ。
【請求項４】
第３のプラットフォーム冷却プレナムが、前記第２のエーロフォイルの前記負圧面側に配置されるとともに、前記少なくとも一つの第２の供給通路と連結されることを特徴とする請求項１に記載のベーンクラスタ。
【請求項５】
プラットフォームと、シュラウドと、第１および第２のエーロフォイルと、第１および第２の供給通路と、第１および第２のプラットフォーム冷却プレナムと、の中間体を含む鋳造品をインベストメント鋳造法により製造し、
前記第１のプラットフォーム冷却プレナムに少なくとも一つのカバーを固定することを備えてなる請求項１に記載のクラスタ製造方法。
【請求項６】
前記インベストメント鋳造が、前記第１および第２の供給通路を成形するように第１および第２のフィードコアを使用し、かつ前記第１および第２のプラットフォーム冷却プレナムを成形するように単一の独立したコアを使用するとともに、
鋳放しの鋳造品においては、前記第１のプラットフォーム冷却プレナム中間体は前記プラットフォーム中間体の径方向内側面に沿って開口しているが、前記第２のプラットフォーム冷却プレナム中間体は前記径方向内側面の表面下にあることを特徴とする請求項５に記載のクラスタ製造方法。
【請求項７】
プラットフォームと、
シュラウドと、
前記プラットフォームの径方向外側面と前記シュラウドの径方向内側面との間に延在する少なくとも第１および第２のエーロフォイルであって、前記エーロフォイルの各々が正圧面および負圧面をもつとともに、前記第１のエーロフォイルの前記正圧面が前記第２のエーロフォイルの前記負圧面に対向する第１および第２のエーロフォイルと、
冷却通路系と
を備えたベーンクラスタであって、
前記冷却通路系が、
前記シュラウドに少なくとも一つのインレットと、
前記シュラウドから前記プラットフォームへと前記第１のエーロフォイルを連通する少なくとも一つの第１の供給通路と、
前記シュラウドから前記プラットフォームへと前記第２のエーロフォイルを連通する少なくとも一つの第２の供給通路と、
前記第１のエーロフォイルの前記負圧面側の第１のプラットフォーム冷却プレナムと、
前記第２のエーロフォイルの前記正圧面側の第２のプラットフォーム冷却プレナムと
を備えてなるベーンクラスタ。
【請求項８】
複数の第１のアウトレット通路が、前記第１のプラットフォーム冷却プレナムから前記プラットフォームの第１の周方向端部へと延び、
複数の第２のアウトレット通路が、前記第２のプラットフォーム冷却プレナムから前記プラットフォームの第２の周方向端部へと延びることを特徴とする請求項７に記載のベーンクラスタ。
【請求項９】
前記冷却通路系が、前記第１のエーロフォイルと前記第２のエーロフォイルとの間に第３のプラットフォーム冷却プレナムをさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のベーンクラスタ。
【請求項１０】
前記冷却通路系が、前記第１のエーロフォイルと前記第２のエーロフォイルとの間に第３および第４のプラットフォーム冷却プレナムをさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のベーンクラスタ。
【請求項１１】
前記プラットフォーム内の第１の連結通路が、前記第３のプラットフォーム冷却プレナムから前記第１のプラットフォーム冷却プレナムに給気するように配置され、
前記プラットフォーム内の第２の連結通路が、前記第２のプラットフォーム冷却プレナムから前記第４のプラットフォーム冷却プレナムに給気するように配置されることを特徴とする請求項１０に記載のベーンクラスタ。
【請求項１２】
少なくとも一つの第１の供給孔が、前記少なくとも一つの第１の供給通路から前記第３のプラットフォーム冷却プレナムへと延び、
少なくとも一つの第２の供給孔が、前記少なくとも一つの第２の供給通路から前記第２のプラットフォーム冷却プレナムへと延びることを特徴とする請求項１１に記載のベーンクラスタ。
【請求項１３】
前記エーロフォイルと、前記プラットフォームおよびシュラウドの少なくとも本体部分と、を実質的に形成する鋳造品と、
前記第２、第３、および第４のプラットフォーム冷却プレナムをそれぞれ密封するように前記プラットフォーム本体部分に溶接された３つのカバープレートと、
を備え、
前記第１の冷却プレナムは前記鋳造品の内部にあることを特徴とする請求項１１に記載のベーンクラスタ。
【請求項１４】
プラットフォームと、シュラウドと、第１および第２のエーロフォイルと、第１および第２の供給通路と、第１および第２のプラットフォーム冷却プレナムと、の中間体を含む鋳造品をインベストメント鋳造法により製造し、
前記第１および第２のプラットフォーム冷却プレナムに少なくとも一つのカバーを固定することを備えてなる請求項７に記載のクラスタ製造方法。
【請求項１５】
前記インベストメント鋳造が、前記第１および第２の供給通路を成形するように第１および第２のフィードコアを使用し、かつ前記第１および第２のプラットフォーム冷却プレナムを成形するように少なくとも一つの独立したコアを使用するとともに、
鋳放しの鋳造品においては、前記第１および第２のプラットフォーム冷却プレナム中間体が前記プラットフォーム中間体の径方向内側面に沿って開口していることを特徴とする請求項１４に記載のクラスタ製造方法。
【請求項１６】
プラットフォームと、
シュラウドと、
前記プラットフォームの径方向外側面と前記シュラウドの径方向内側面との間に延在する少なくとも第１および第２のエーロフォイルであって、前記エーロフォイルの各々が正圧面および負圧面をもつとともに、前記第１のエーロフォイルの前記正圧面が前記第２のエーロフォイルの前記負圧面に対向する第１および第２のエーロフォイルと、
冷却通路系と
を備えたベーンクラスタであって、
前記冷却通路系が、
前記シュラウドに少なくとも一つのインレットと、
前記シュラウドから前記プラットフォームへと前記第１のエーロフォイルを連通する少なくとも一つの第１の供給通路と、
前記シュラウドから前記プラットフォームへと前記第２のエーロフォイルを連通する少なくとも一つの第２の供給通路と、
前記第２のエーロフォイルの前記正圧面側の第１のプラットフォーム冷却プレナムと、
前記第２のエーロフォイルの前記負圧面側の第２のプラットフォーム冷却プレナムと、
前記第１のプラットフォーム冷却プレナムを前記第２のプラットフォーム冷却プレナムに連結する連結通路と、
を備えてなるベーンクラスタ。
【請求項１７】
複数の第１のアウトレット通路が、前記第１のプラットフォーム冷却プレナムから前記プラットフォームの隣接する周方向端部へと延び、
前記連結通路が前記第２のエーロフォイルの後縁を回るように延びることを特徴とする請求項１６に記載のベーンクラスタ。
【請求項１８】
プラットフォームと、シュラウドと、第１および第２のエーロフォイルと、第１および第２の供給通路と、第１および第２のプラットフォーム冷却プレナムと、の中間体を含む鋳造品をインベストメント鋳造法により製造し、
前記第１および第２のプラットフォーム冷却プレナムに少なくとも一つのカバーを固定することを備えてなる請求項１６に記載のクラスタ製造方法。
【請求項１９】
前記インベストメント鋳造が、前記第１および第２の供給通路を成形するように第１および第２のフィードコアを使用し、かつ前記第１および第２のプラットフォーム冷却プレナムを成形するように少なくとも一つの独立したコアを使用するとともに、
鋳放しの鋳造品においては、前記第１および第２のプラットフォーム冷却プレナム中間体は前記プラットフォーム中間体の径方向内側面に沿って開口し、前記連結通路が表面下にあることを特徴とする請求項１８に記載のクラスタ製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温部品の冷却に関する。さらに具体的には、本発明は、ガスタービンエンジンコンポーネントのフィルム冷却に関する。
【０００２】
本発明は、米国空軍に付与の契約Ｆ３３６５７‐９９‐Ｄ‐２０５１‐００１４のもと米国政府の援助によりなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
航空宇宙産業には、ガスタービンエンジンコンポーネントなどの部品の冷却に関しての十分発達した技術が存在する。一例の部品は、ガスタービンエンジンのブレードやベーンである。一例のブレードやベーンのエーロフォイルは、このエーロフォイルを通流してエーロフォイル表面の冷却孔から吐出される空気流によって冷却される。また、冷却孔が、ベーンシュラウド、あるいはベーンもしくはブレードのプラットフォームに沿って存在し得る。冷却機構は、空気流が部品を通り抜ける際の直接冷却と、空気流がコンポーネントから吐出された後もコンポーネントの外表面に近接するように下流を通過するフィルム冷却と、の両方を含む。
【０００４】
例えば冷却ベーンは、特許文献１、特許文献２、および特許文献３に記載されている。一例の冷却ベーンがインベストメント鋳造法により成形される。パターンを形成するために、犠牲材料（例えば、ワックス）が、一つもしくは複数のコア（例えば、耐火金属コアやセラミックコア）上に成形される。その後パターンがシェルで覆われる。シェルは脱ろうされる。合金（例えば、ニッケルもしくはコバルト超合金）がシェルに鋳湯される。その後シェルやコアを破壊するように除去する（例えば、機械的手段および化学的手段の各々により）。鋳造品は機械仕上げされる場合もある（表面機械仕上げおよび孔／通路の穴あけを含む）。鋳造品は、耐熱もしくは耐食コーティングで被覆される場合もある。
【特許文献１】米国特許第５，４１３，４５８号明細書
【特許文献２】米国特許第５，３４４，２８３号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００５／０１３５９２３号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
したがって、本発明の一態様は、プラットフォームと、シュラウドと、プラットフォームの半径方向外側面とシュラウドの半径方向内側面との間に延在する少なくとも第１および第２のエーロフォイルと、を有するベーンクラスタを含む。
【０００６】
各エーロフォイルは、正圧面および負圧面をもつ。第１のエーロフォイルの正圧面は、第２のエーロフォイルの負圧面に対向している。クラスタは冷却通路系を有する。この系は、シュラウド内に少なくとも一つのインレットを有する。少なくとも一つの第１の供給通路が、シュラウドからプラットフォームへと第１のエーロフォイルを通して延びる。少なくとも一つの第２の供給通路が、シュラウドからプラットフォームへと第２のエーロフォイルを通して延びる。第１のプラットフォーム冷却プレナムは、第１のエーロフォイルの正圧面側にある。第２のプラットフォーム冷却プレナムは、第１のエーロフォイルの負圧面側にある。
【０００７】
様々な実施形態では、クラスタは実質的に、シュラウド、エーロフォイル、およびプラットフォームの大部分を形成する鋳造物を含み得る。クラスタは、第１および第２のプラットフォーム冷却プレナムを密閉する一つもしくは複数のカバーを含み得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、中央前後軸５００を有するとともに、上流のインレット２２から下流のアウトレット２４へと延びるガスタービンエンジン２０を示す。上流から下流にかけて、エンジンは、コア流路に沿って複数のセクションをもつ。上流から下流にかけて、これらのセクションは、低速／低圧圧縮機（ＬＰＣ）３０、高速／高圧圧縮機（ＨＰＣ）３２、燃焼器３４、高速／高圧タービン（ＨＴＰ）３６、低速／低圧タービン（ＬＰＴ）３８、オグメンタ４０、排気ダクト／ノズル４２が含まれる。圧縮機セクションおよびタービンセクションのそれぞれは、複数のベーンの段を間に挟んだ複数のブレード段を備える。ＬＰＣおよびＬＰＴのブレードは、低速スプールに取り付けられて、軸５００の周りを回転する。ＨＰＣおよびＨＰＴのブレードは、高速スプールに取り付けられて、同様に回転する。
【０００９】
以下により詳細に記述されるように、一つまたは複数のベーン段が、クラスタリングとして形成される。例えば、ＨＰＴ３６の第２ベーン段５０が、図１に概略的に示される。図２は実施例のベーン段５０をより詳細に示す。リングは、半径方向内側プラットフォーム５２および半径方向外側シュラウド５４を有する。エーロフォイルの周方向列（後述）が、プラットフォームとシュラウドの間に差し渡しになっている。以下で詳細に記述されるように、リングは、プラットフォーム位置で構造リング５６によって係合されるとともにシュラウド位置でエンジンケースによって係合される複数の分割成形式クラスタで構成される。
【００１０】
図３は、実施例の２枚エーロフォイル式クラスタ６０を示す。実施例のクラスタの各々は、第１のエーロフォイル６２および第２のエーロフォイル６４を有する。各々のエーロフォイルは、プラットフォームセグメント６８における径方向内側結合端部６６からシュラウドセグメント７２における径方向外側結合端部７０へと延びる。実施例のプラットフォームセグメントは、コア流路の径方向内側に沿った径方向外側面７４を有する。シュラウドセグメントは、コア流路の径方向外側に沿った径方向内側面７６を有する。
【００１１】
プラットフォームセグメントの下側８０は、各プラットフォームセグメントを隣接するセグメントに取り付ける機構（例えばリング５６にボルト締めすることにより）を含み得る。プラットフォームセグメントは、前方／上流端８２、後方／下流端８４、ならびに第１、第２の周方向端部すなわち合せ面８６，８８を有する。同様に、シュラウドセグメント７２は、上流端９２、下流端９４、ならびに第１、第２の周方向端部９６，９８を有する。プラットフォーム周方向端部８６，８８のそれぞれは、シール（図示せず）を受け入れる溝、すなわちチャネル１００（図４），１０２（図５）を備える。所定のシールは、隣接するクラスタの各対における隣接する溝１００と１０２との間の隙間を埋める。シュラウドの周方向端部９６，９８もまた、シールを受け入れる特徴部１０６，１０８を備える。
【００１２】
クラスタ６０は冷却通路を有する。実施例の通路網は、シュラウドセグメント７２に一つもしくは複数のインレットポート１１０，１１２を備える。ポート１１０，１１２は、エーロフォイル６２，６４内の一つもしくは複数の翼幅方向通路セグメントを通して冷却空気（例えば抽気）を導く。この空気流の一部はエーロフォイルに沿った冷却孔（図示せず）から流れ出る。しかしながら、空気流の一部はプラットフォームセグメント６８に流入して、プラットフォームを冷却する。その空気は一つもしくは複数のアウトレット孔を通してプラットフォームから流れ出る。例えば図４および図５は、プラットフォーム径方向外側面７４に沿ったアウトレット孔１２０を示す。また、図４および図５はそれぞれ、プラットフォーム周方向端部８６，８８に沿ったアウトレット孔１２２，１２４を示す。
【００１３】
図６は、プラットフォームを内径側から見た図である。図６はまた、翼幅方向通路の端部１３０，１３２，１３４，１３６を示している。クラスタ本体が最初に鋳造されたとき、これら通路は、プラットフォーム下面１４０に開口しているが、その後閉じられる（例えばプラグ溶接により）。図６はさらに、クラスタの鋳造品に固定された（例えば溶接により）カバー１６０，１６２，１６４を示す。実施例のカバーは、ニッケル超合金板材（例えばインコネル（商標）合金６２５（ＵＮＳ  Ｎ０６６２５））から打ち抜きもしくはレーザ切断される。カバーの材料は、クラスタ本体の合金（例えば単結晶ニッケル超合金鋳造物）との溶接および熱的適合性により選択することができる。実施例のカバー１６０，１６２，１６４は、プレナム１７０，１７２，１７４（図７）の開口部を覆う。実施例の第１のプレナム１７０は、第１のエーロフォイルのすぐ正圧面側である。実施例の第２のプレナム１７２は、第２のエーロフォイルのすぐ負圧面側であり、第１のプレナムから隔壁１７６によって分割されている。実施例の第３のプレナム１７４は、第２のエーロフォイルのすぐ正圧面側である。参考として、これらの相対的位置は、エーロフォイル翼幅に対して垂直に重ね合わせて見たときに特徴付けられる。ただしプレナムは、隣接するエーロフォイル面より半径方向内側に配置されている。
【００１４】
実施例のクラスタでは、プレナム１７０，１７２はそれぞれ、対応するアウトレット孔１２０のサブグループに給気する。例えば、最初の鋳造プロセスで、プレナムは、翼幅方向通路を成形するセラミックフィードコアとは別につくられたセラミックコアによって成形され得る。コア除去プロセス後、孔１２０と、これらの孔に対応したプレナム１７０，１７２の各々からのアウトレット通路１７８（図６に中心線で概略的に示す）と、が穴あけ（例えばレーザドリル、もしくは放電加工（ＥＤＭ）により）され得る。実施例では、プレナム１７０は、第１のエーロフォイルの翼幅方向通路により、一つもしくは複数の供給通路１８０を通して給気される。通路１８０は、所定位置に鋳造もしくは穴あけ（例えばアウトレット通路１７８と同じステップで）され得る。実施例のクラスタでは、プレナム１７２は、第２のエーロフォイルの翼幅方向通路からプレナム１７４を介して間接的に給気される。この特定の例では、供給通路１８２が、プレナム１７４から第２のエーロフォイルの翼幅方向通路へ穴あけされる。
【００１５】
図８はまた、複数の熱伝達ペデスタル１８６とともに鋳造されたプレナム１７０，１７２を示す。連結通路１８８（図９）は、プレナム１７２と１７４とを連結する。実施例の連結通路１８８は、所定位置に鋳造され得る。実施例の製造方法では、プレナム１７２，１７４、および連結通路１８８を鋳造するのに単一のセラミックコアが使用される。インベストメント鋳造法では、セラミックコアおよび付加的なコアがワックスでオーバーモールドされてパターンが形成される。シェル形成時、セラミックコアの前段階の露出部分がシェルと一体化されて、（鋳造品の）プラットフォームの径方向内側面を鋳造するシェルの内部表面から突出する。実施例の連結通路１８８は、（鋳造品の）プラットフォーム径方向内側面の表面下になるように配置されるが、プレナム１７０，１７２，１７４は表面に露出されるため、カバー１６０，１６２，１６４などによって塞がれなければならない。このように露出させることにより化学的コア除去が容易になる。カバーは所定位置に溶接され得る（例えば、先ず位置決めのためにタック溶接、次いで、密封および構造的な一体化のために周囲全部を溶接することによって）。この溶接を容易にするために、カバー１６０，１６２は、間隙１８９の両側の２点で接触する形状になっている。これにより、間隙をリブ１７６の中心と整合させることができ、カバーを正確に位置決め、溶接することができる。
【００１６】
同様に、プレナム１７０は、連結通路１９２を介してプレナム１９０に給気することができる。実施例のプレナム１９０は、第１のエーロフォイルの負圧面に沿って、その前縁近くに配置されている。プレナム１７０，１９０、および連結通路１９２もまた、単一のセラミックコアによって鋳造される。これは、プレナム１７２，１７４、およびこれらの連結通路１８８を鋳造するのと同じセラミックコアでもよく、もしくは別に形成されてもよい。
【００１７】
連結通路１８８を用いることにより、供給通路の穴あけが、プレナム１７２からではなくプレナム１７４から容易にできるようになる。プレナム１７４の方がドリル開けしやすい。実施例のプレナム１９０は、アウトレット通路１９４（これらの中心線により概略的に示す）を介してアウトレット孔１２２を供給する。実施例のプレナム１７４は、アウトレット通路１９６を介してアウトレット孔１２４を供給する。アウトレット通路１９４，１９６は、アウトレット通路１７８と同時に穴あけされ得る。
【００１８】
実施例のクラスタの通路網は、幾つかの有利な特性のうち一つもしくは複数を有する。利点の一つは、冷却空気がプラットフォーム周方向端部８６，８８の両方に案内されることである。これは両端のうち一方のみに冷却空気が案内される従来の（ｂａｓｅｌｉｎｅ）状況とは対照的である。この従来の状況では、一方の端部からの冷却空気が隣接するクラスタの隣接する他方のプラットフォーム端部も冷却する役割を果たす。しかし、両方の端部を冷却することにより、部品寿命を増加させることができる。
【００１９】
もう一つの予想される利点として、プレナム１７０，１７２が別々に給気されることを含む。プレナム１７０、１７２を別々に給気することにより、２つのエーロフォイルを通流する空気流間の不都合な相互作用のおそれが軽減される。これは、エーロフォイル間の単一の大きなプレナムに両方のエーロフォイルからの空気が供給される従来の状況とは対照的である。こうした従来の混合は技術的問題を招くおそれがある。例えば、一方のエーロフォイルからの空気流がもたらすプレナム内の背圧が他方のエーロフォイルを通流する冷却空気に干渉するのを防ぐことが望ましい。また、これらプレナム間のプラットフォーム領域と表面７４とは、異なる加熱条件下にある。別々に給気することにより、通路１７８の各組を通る空気流の特性をより厳密に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】ガスタービンエンジンの概略図。
【図２】図１のエンジンのベーンリングの図。
【図３】図２のリングのベーンクラスタの図。
【図４】図３のクラスタのプラットフォームの第１の図。
【図５】図３のクラスタのプラットフォームの第２の図。
【図６】図３のクラスタの下面図。
【図７】図６の線７−７に沿って切断したクラスタの断面図。
【図８】図３のクラスタの、カバーを取り外した下面図。
【図９】図３の線９−９に沿って切断したクラスタの断面図。
【図１０】図３の線１０−１０に沿って切断したクラスタの断面図。
【符号の説明】
【００２１】
６０…ベーンクラスタ
６２…第１のエーロフォイル
６４…第２のエーロフォイル
６８…プラットフォームセグメント
７２…シュラウドセグメント
１１０，１１２…インレットポート
１２０…アウトレット孔
【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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