(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の温度を受ける第１壁面（１２）とほぼ対向する第２壁面（１４）とを有する鋳物からなる壁を備え、該第２壁面（１４）が該第２壁面（１４）を前記第１の温度より低い第２の温度まで温度を低下させるために冷却流体に曝され、且つ該第２壁面（１４）が、該第２壁面（１４）からの熱の伝達を助長するために、該第２壁面（１４）から突出し間隔を置いてほぼ真っ直ぐに整列する複数のリブ（１６）を含んでいる、部品（１０）であって、
前記第２壁面（１４）は、各々が複数の細長いリブ部分（２２）を備える断続したリブを含み、該リブ部分（２２）の各々が該リブ部分（２２）間の切れ目（２０）において互いに間隔を置いて設けられ、
前記リブ部分（２２）間の前記切れ目（２０）は、0.002〜0.05インチ（0.0508〜1.270mm）の範囲の切れ目長さ（２４）を有し、
前記リブ部分（２２）は、0.002〜0.05インチ（0.0508〜1.270mm）の範囲の、前記第２壁面（１４）からのリブ部分高さ（２８）を有し、
前記リブ部分（２２）は、0.002〜0.05インチ（0.0508〜1.270mm）の範囲のリブ断面幅寸法（２６）を有し、
前記リブ部分高さ（２８）の前記リブ部分断面幅寸法（２６）に対するアスペクト比は、１より大きくなく、
前記リブ部分（２２）は、前記断面幅寸法（２６）の少なくとも１０倍のリブ部分長さ（３０）を有する
ことを特徴とする部品（１０）。
【請求項２】
前記切れ目長さ（２４）は、0.005〜0.02インチ（0.127〜0.508mm）の範囲にあり、前記リブ断面幅寸法（２６）は、0.005〜0.02インチ（0.127〜0.508mm）の範囲にある、ことを特徴とする、請求項１に記載の部品（１０）。
【請求項３】
ガスタービンエンジンシュラウドの形態であって、
前記第１壁面（１２）は、該エンジンのガス流路においてエンジンのほぼ半径方向内向きに面する、該エンジンのアセンブリのためのものであり、
前記第２壁面（１４）は、該エンジンのほぼ半径方向外向きに面し、そこに冷却空気が向けられる、
ことを特徴とする、請求項１に記載の部品（１０）。
【請求項４】
前記リブ部分（２２）は、0.002〜0.05インチ（0.0508〜1.270mm）の範囲の、前記第２壁面（１４）からのリブ部分高さ（２８）を有することを特徴とする、請求項３に記載の部品（１０）。
【請求項５】
鋳造されたガスタービンエンジンのタービンシュラウドセグメントの形態であって、
前記第１壁面（１２）は、該エンジンの燃焼ガスに面しかつ該燃焼ガスに曝されるためのものであり、
前記第２壁面（１４）上の前記リブ部分（２２）は、
（ａ）0.005〜0.02インチ（0.127〜0.508mm）の範囲のリブ断面幅寸法（２６）と、
（ｂ）0.005〜0.02インチ（0.127〜0.508mm）の範囲の、間隔を置いて設けられたリブ部分（２２）間の切れ目長さ（２４）と、
（ｃ）前記断面幅寸法（２６）の少なくとも１０倍のリブ部分長さ（３０）と、
（ｄ）0.002〜0.02インチ（0.0508〜0.508mm）の範囲のリブ部分高さ（２８）と、
（ｅ）１より大きくない、前記リブ部分高さ（２８）の前記リブ部分断面幅寸法（２６）に対するアスペクト比と、を有する、
ことを特徴とする、請求項４に記載の部品（１０）。
【請求項６】
ガスタービンエンジン構成部品のうちの翼形部の形態であって、
前記第１壁面（１２）は、該エンジンの流通ガスに曝されるための、前記翼形部の外面であり、
前記第２壁面（１４）は、そこに冷却空気が向けられる、前記翼形部の内壁面である、
ことを特徴とする、請求項１に記載の部品（１０）。
【請求項７】
前記リブ部分（２２）は、0.002〜0.05インチ（0.0508〜1.270mm）の範囲の、前記第２壁面（１４）からのリブ部分高さ（２８）含むことを特徴とする、請求項６に記載の部品（１０）。
【請求項８】
前記翼形部は、鋳物品であり、
前記第２壁面（１４）上の前記リブ部分（２２）は、
（ａ）0.005〜0.02インチ（0.127〜0.508mm）の範囲の断面幅寸法（２６）と、
（ｂ）0.005〜0.02インチ（0.127〜0.508mm）の範囲の、間隔を置いて設けられたリブ部分（２２）間の切れ目長さ（２４）と、
（ｃ）前記断面幅寸法（２６）の少なくとも１０倍のリブ部分長さ（３０）と、
（ｄ）0.002〜0.02インチ（0.0508〜0.508mm）の範囲のリブ部分高さ（２８）と、
（ｅ）１より大きくない、前記リブ部分高さ（２８）の前記リブ部分断面幅寸法（２６）に対するアスペクト比と、を有する、
ことを特徴とする、請求項７に記載の部品（１０）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、部品壁を通しての熱伝達に関する。より具体的には、本発明は、第１の温度の流体、例えばエンジンの流れに曝されるか又は該流れにより影響を受ける第１壁面を有する部品、例えばタービンエンジンの構成部品に関する。第１壁面は、第２壁面にほぼ対向しており、この第２壁面は、例えば冷却空気によって、該壁を通しての熱伝達により、第１の温度より低い第２の温度まで温度を低下させることが望まれる。
【０００２】
【従来の技術】
例えばエンジンのタービン部におけるガスタービンエンジンの構成部品は、燃焼によるガス及び／又は生成物の高温の流れの中で作動するか、もしくはそれに曝され又はそれを受ける。典型的な構成部品には、一般的にエンジンの燃焼器部分の下流の、内部流体流路の壁だけでなく、固定シュラウド又はシュラウドセグメント及びその支持構造体、ブレード又は羽根又はストラットの静止又は回転翼形部のようなブレード構成部材が含まれる。
【０００３】
エンジンの設計者は、生成された流体からエネルギーを発生させ取り出すのに用いる材料にとって最も有効な、比較的高い温度でガスタービンエンジンを運転することを望んでいる。しかしながら、そのような高温は、部品を構成する材料が、機械的及び／又は物理的特性を損なうことなく或はそのような材料を破壊することなく、単独で耐えることが可能な温度よりも高い温度である場合が多い。このため、様々なコーティング用いて、及び／又は、部品の周り及び／又は内部に対流冷却空気を衝突させるか又は流すことを用いて、壁の温度を低下させ、過度の熱による損傷作用を減少させてきた。
【０００４】
表面温度を低下させるための、対流冷却面からの熱伝達率は、表面積及びその表面熱伝達係数に正比例する。従って、このような表面積を増やすための種々の表面構造が報告されている。例えば、特許文献１においては、表面が、窪み或は隆条のような、間隔をおいて設けられた複数の隆起を備える構成にして表面積を増やし、表面からの熱伝達を高め、表面温度を低下させている。熱伝達を高める目的で表面積を増やすための壁の隆条及び溝の別の実施例が、特許文献２に示されている。一般的に、この種の構造は、タービュレータと呼ばれることもある。タービュレータの効果については、非特許文献１において、より広範囲にわたって論じられている。
【０００５】
【特許文献１】
米国特許第５，３５３，８６５号公報
【特許文献２】
特開２０００−３２０３０４号公報
【非特許文献１】
著者：Taslim, Spring  論文名： Effects of Turbulator Profile and Spacing on Heat Transfer and Friction in a Channel   書籍名：Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol.8, No. 3, １９９４年７月から９月
【０００６】
上記の一般的な種類の表面隆起は、表面からの熱伝達の向上を可能にするが、一般的に精密鋳造によって、熱伝達に対して最も望ましいサイズの窪みのような構造を製造することは、比較的低い鋳造歩留まりとなっていた。例えば、熱伝達を高めるためには、約0.025〜0.040インチの範囲の直径及び高さを有する窪みを鋳造することが望ましい。しかしながら、このように小さい窪みサイズは、例えば鋳型キャビティへの充填が十分でないことに関係する問題のために、低い鋳造歩留まりとなっていた。上記特許文献２に記載されている、全体的に連続する型の溝又はリブは、長手方向にほぼ連続しており、小さいサイズに鋳造することが容易である。しかしながら、連続する溝又はリブの長さに沿ってほぼ並行に冷却流体が流れる時に、冷却流体の断熱境界層が、このような表面に沿って成長し又は延びて、熱伝達係数が低下する結果となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような断熱境界層を破壊し、その結果として熱伝達を高めた、好ましくは比較的小さい寸法サイズの突出した細長いリブ型の表面構造を得ることが望まれる。さらに、比較的小さいサイズの断面寸法を持つリブが、比較的高い歩留まり率で精密鋳造が可能であることが望まれる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一形態において、第１の温度を受ける第１壁面と、ほぼ対向する第２壁面とを有する壁を備え、第２壁面が、該第２壁面を第１の温度より低い第２の温度まで低下させるために冷却流体に曝される。第２壁面は、該第２壁面からの熱の伝達を助長するために、第２壁面から突出する、間隔を置いて設けられた複数のリブを含む。境界層の断熱の問題を破壊することによってリブからの熱伝達を高め、また良好な鋳造歩留まりをも可能にするために、リブは、その長さに沿って中断されている。第２壁面上に含まれるリブは、複数の細長いリブ部分を備え、各リブ部分は、該リブ部分間の切れ目において互いに間隔を置いて設けられ、該リブ部分間の切れ目は、約0.002〜0.05インチ（0.0508〜1.270mm）の範囲の切れ目長さを有する。部品の精密鋳造の形態においては、リブ部分は、約0.002〜0.05インチ（0.0508〜1.270mm）の範囲の断面幅寸法、及び該リブ部分の断面幅寸法の少なくとも約１０倍のリブ部分長さを有する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
表面から熱を伝達又は除去するための壁面タービュレータの一般的な一形態は、部品の壁面に形成された溝から延びる、又は該溝の中を延びる細長いリブのような複数の表面形状として記載されている。その実施例が、上記特許文献２において、例えばタービンのブレード又は羽根又はストラットの翼形部、及びシュラウド等のタービン部品の壁に関する幾つかの実施形態のなかで図示され記載されている。一般的に、そのような壁の表面形状は、壁面上にほぼ並行な配列で配置されている。空気のような冷却流体は、そのような表面形状に衝突するか又は該表面形状に沿って流れるように向けられ、そのような表面形状から温度がより低い流体に熱を除去することを可能にしている。普通、そのような構成部品の壁は、一般的に金属又は金属合金になっている。しかしながら、他の材料、一般的にセラミック又はセラミック母材複合体のような非金属を用いることもできる。上述のように、熱伝達に有害な少なくとも１つの問題がそのような構成に伴って存在する可能性がある。すなわち、ほぼ停滞した又は比較的動きの遅い冷却流体の断熱境界層が、そのようなタービュレータと冷却流体との境界面に形成される可能性がある。
【００１０】
本発明は、そのような一般的に有害な断熱境界層の形成を妨げるだけでなく、空気のような冷却流体との相互作用のためのより広い表面積を備える、細長いリブ構造を提供する。対流冷却された面からの熱伝達率が表面積及びその熱伝達係数に正比例するということは、当業界はよく知られている。本発明の実施形態は、熱伝達のためのより広い表面積を提供し、同時にリブ状のタービュレータの表面における断熱境界層の形成を破壊することによって表面からの熱伝達能力を高める。
【００１１】
本発明のタービュレータの実施形態は、一般的に、部品の熱伝達面又は壁上の複数のリブ部分を形成する、中断されたリブの形態になっている。リブ部分は、例えば一般的に長方形、半円形、三角形等を含む種々の断面形状とすることができる。壁面と一体のリブは、種々の工業的に利用されている方法によって形成することができ、それら方法には、鋳造と、機械式、電解式（そのうちの１つの方式は、工業的に電解加工又はＥＣＭと呼ばれている）及び放電式（そのうちの１つの方式は、工業的に放電加工又はＥＤＭと呼ばれている）の機械加工を含む様々な方式の金属除去とを含む。一般的に、ガスタービン技術においては、リブは、公知のロストワックス法と呼ばれることがある精密鋳造によって、タービンブレード又は羽根のような部品の壁に設けられている。
【００１２】
本発明は、リブ部分間に複数の切れ目を形成し、部品の壁面上に断続するリブ配列を提供する。本発明の評価において、協働する又は全体的に整列したリブ部分の間の切れ目は、約0.002〜0.05インチ（0.0508〜1.270mm）の範囲、好ましくは約0.005〜0.02インチ（0.127〜0.508mm）の範囲の切れ目長さを有することが分かった。約0.002インチより小さい切れ目長さでは上述の断熱境界層の破壊が不十分となり、また、鋳造方式で壁に鋳造することが困難であることが分かった。約0.05インチより大きい切れ目長さでは、リブ部分の長さが小さ過ぎて適切な対流冷却面が得られない結果となる。リブ部分間の切れ目は、リブ部分自体に関して及び／又は隣接するリブ部分に関して様々な方向とすることができる。すなわち、一直線に整列させ、傾斜させ、又はオフセットさせることができる。しかしながら、そのような評価において、リブ部分の表面形状を組合せることで、賢明に選択された比較的少量の材料（例えば航空機エンジンの重量の観点から）を用いて適切な熱伝達が得られることが分かった。そのような表面形状は、約0.002〜0.05インチ（0.0508〜1.270mm）の範囲、好ましくは約0.005〜0.02インチ（0.127〜0.508mm）の範囲のリブ断面幅寸法、及び約0.002〜0.05インチ（0.0508〜1.270mm）の範囲の部品の壁面からのリブ部分高さを有するリブ部分を含む。
【００１３】
鋳造を用いて部品の壁面上にリブ部分を設ける場合は、本発明の一実施形態は、比較的高い鋳造歩留まり率となるリブ部分の表面形状範囲を含み、適切な熱伝達面の形成に十分なリブ部分の材料を提供している。精密鋳造による製造者にとって、リブ部分断面幅寸法は、その断面幅寸法の少なくとも約１０倍のリブ部分長さ及び部品の表面から約0.002〜0.02インチ（0.0508〜0.508mm）の範囲のリブ部分高さとの組合せにおいて、約0.002〜0.02インチ（0.0508〜0.508mm）の範囲にあることが好ましい。より具体的には、歩留まりを高める鋳造のためには、アスペクト比と呼ばれることがある、リブ部分高さのリブ部分断面幅寸法に対する比率は、1より大きくないことが好ましい。
【００１４】
本発明は、すべての図が概略図で表されている図面を見ることによって、さらに十分に理解することができる。図1は、全体を符号１０で示した、部品壁の一部の部分断面斜視図であり、例えば回転タービンブレードの周りに配置されたガスタービンエンジンのタービンシュラウド又はシュラウドセグメントの壁である。本発明の一実施形態が関連するそのようなシュラウド及びシュラウドセグメントの一実施例が、Ｎｉｃｈｏｌｓによる米国特許第５，０７１，３１３号に記載されている。本発明の実施形態が関連するタービンシュラウド及びその支持構造体の別の実施例が、Ｐｒｏｃｔｏｒ他による米国特許第５，５６２，４０８号に記載されている。
【００１５】
この図1において、シュラウド１０は、エンジンの流れの流路及び高温にさらされる半径方向の内壁面１２を備える。全体を符号１４で示した半径方向のリブ付き外壁面が内壁面１２にほぼ対向しており、エンジン運転の間、該外壁面に沿って又は該外壁面に対して冷却空気のような冷却流体が向けられる。半径方向の外壁面１４には、ほぼ並行で間隔を置いて設けられた断続する複数のリブ１６が配列され、これらのリブ１６はシュラウドの外面１８からほぼ半径方向外向きに突出し、壁から冷却流体への熱の放散を助ける。リブ１６は、リブを形成するために用いられる方法の機能に合わせて選択された、様々な断面形状、例えば長方形、半円形、三角形等とすることができる。
【００１６】
本発明の実施形態が、図２の半径方向のリブ付き外壁１４の部分平面図により詳細に示されている。その図において、シュラウド外面１８から突出するリブ１６は、複数の切れ目２０によって中断されて、複数のリブ部分２２を形成している。切れ目２０は互いに一直線に整列させること、隣接するリブ部分間でオフセットさせること、及び、リブ部分の全体的な方向に対して様々な角度で配置すること等が可能である。幾つかの実施例が図２に含まれている。しかしながら、本発明に関して、図２に示されるリブ部分２２間の切れ目間隔又は切れ目長さ２４は約0.002〜0.05インチ（0.0508〜1.270mm）の範囲でなければならないことが分かった。約0.002インチより小さい切れ目長さでは、リブ部分２２を又は該リブ部分２２の周りを流れる冷却流体の境界層を十分に破壊して、リブ部分からの熱伝達を高めることができない。約0.05インチより大きい切れ目長さでは、リブ部分の材料の量が減少して、リブ部分からの熱伝達を高めるのに十分な表面積が得られない。さらに、適切な熱伝達に十分な表面積を得るために、リブ部分は、図３に示すように、約0.002〜0.05インチ（0.0508〜1.270mm）の範囲のリブ部分高さ２８を有することが好ましい。リブ部分高さ２８のリブ断面幅寸法２６に対する比率は本明細書ではアスペクト比と呼ばれ、約1より大きくないことが好ましい。
【００１７】
すでに述べたように、図３は、シュラウド壁１０のシュラウド面１８から突出する２つ隣接するリブ部分の部分断面図である。精密鋳造によって形成される、本発明の部品のこれらの実施形態においては、さらに、図２及び図３に示すように、リブ部分は、約0.002〜0.02インチ（0.0508〜0.508mm）の範囲の断面幅寸法２６、リブ部分の断面幅寸法の少なくとも１０倍のリブ部分長さ３０、及び約1より大きくない、リブ部分高さのリブ部分断面幅寸法に対するアスペクト比を有することが分かっている。このような範囲は、鋳込み材料を鋳型いっぱいに充填することを可能にすることによって比較的高い鋳造歩留まりをもたらすために必要である。
【００１８】
本発明を、構造の組合せを含む、特定の実施例、材料、及び実施形態に関連して説明してきた。しかしながら、それらは、本発明の技術的範囲に何らかの限定を加えるものではない。本発明に含まれる様々な技術、例えばタービンエンジン、高温材料、及び流体の流れとそこからの熱伝達に関連する技術に精通した当業者には、本発明は、添付した特許請求の範囲の技術的範囲から逸脱することなく、変更及び改良が可能であることが明らかであろう。なお、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】  リブ部分間の切れ目において間隔を置いて設けられたリブ部分を含む複数のリブを示す、タービンシュラウドのような部品の壁の一部の概略部分断面斜視図。
【図２】  リブ部分及び該リブ部分間の切れ目を示す、図１の壁の一部の概略部分平面図。
【図３】  隣接するリブ部分の一形態を切断した概略部分断面図。
【符号の説明】
１０  部品
１２  第１壁面
１４  第２壁面
１６  リブ
１８  壁面
２０  切れ目
２２  リブ部分
【図１】
0004181860.tif 000002
【図２】
0004181860.tif 000003
【図３】
0004181860.tif 000004