JP2016510380A - Component having cooling channel with hourglass cross section and corresponding turbine airfoil component - Google Patents
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Abstract
冷却チャネル(36、36B、63−66)は、構成要素(20、60)の外部壁(41、43)の内側表面(48、50)を冷却する。チャネルの内部側面(52、54)は、腰部(W2)に収束して、砂時計形状の横断プロファイル(46)を形成する。内側表面(48、50)は、冷却体の流れ(22)に整列されたフィン(44)を有する。フィンは、内側表面(48、50)の幅の中間で最も高くなる横断プロファイル(56A、56B)を有する。タービュレータ(92)は、チャネルの側面に設けられており、冷却体の流れを内側表面(48、50)に向かって押し出す。各タービュレータ(92)は、冷却チャネルの腰部を画定するピーク(97)を有する。各タービュレータは、凸状の上流側(93)を有する。これらの要素は、チャネルのコーナ(C)における冷却体の流れを増加させて、外部壁(41、43)を、より均一かつ効率的に冷却する。The cooling channels (36, 36B, 63-66) cool the inner surface (48, 50) of the outer wall (41, 43) of the component (20, 60). The inner side surfaces (52, 54) of the channel converge on the waist (W2) to form an hourglass-shaped transverse profile (46). The inner surfaces (48, 50) have fins (44) aligned with the cooling body flow (22). The fin has a transverse profile (56A, 56B) that is highest in the middle of the width of the inner surface (48, 50). The turbulator (92) is provided on the side of the channel and pushes the flow of the cooling body towards the inner surface (48, 50). Each turbulator (92) has a peak (97) that defines the waist of the cooling channel. Each turbulator has a convex upstream side (93). These elements increase the flow of the cooling body at the corner (C) of the channel to cool the outer walls (41, 43) more uniformly and efficiently.
Description
本出願は、2011年1月6日に出願された米国出願第12/985,553号(代理人整理番号2010P12609US)の一部継続出願であり、当該米国出願は、本明細書において参照により援用される。 This application is a continuation-in-part of US Application No. 12 / 985,553 (Attorney Docket No. 2010P12609US) filed January 6, 2011, which is incorporated herein by reference. Is done.
連邦政府による援助を受けた開発に関する声明
本発明の開発は、米国エネルギー省によって与えられた契約番号DE−FC26−05NT42644によって一部援助を受けた。したがって、米国政府は、本発明において一定の権利を有し得る。
STATEMENT REGARDING FEDERALLY SPONSORED DEVELOPMENT The development of the present invention was supported in part by contract number DE-FC26-05NT42644 awarded by the US Department of Energy. Accordingly, the US government may have certain rights in the invention.
発明の背景
ガスタービンの高温ガス流路における構成要素(部品)は、しばしば、冷却チャネルを有する。冷却効力は、これらの構成要素における熱応力を最小化するために重要であり、冷却効率は、冷却のために圧縮機から分岐される空気の量を最小化するために重要である。膜冷却は、内部冷却チャネルから、穴を通して、構成要素の外側表面上に冷却空気の膜を供給する。膜冷却は、大量の冷却空気が必要とされるため効率が悪い。したがって、膜冷却は、他の技術と組み合わせて選択的に使用されてきた。衝突冷却という技術では、表面に対して冷却空気の衝突噴流を生成するために、穴の開いたバッフルを表面から離間している。蛇行冷却チャネルは、ブレードおよびベーンなどのエアフォイルを含むタービン構成要素に設けられている。本発明は、冷却チャネルにおける効力および効率を増加させる。
BACKGROUND OF THE INVENTION Components (parts) in the hot gas flow path of a gas turbine often have cooling channels. Cooling efficacy is important to minimize thermal stresses in these components, and cooling efficiency is important to minimize the amount of air that is diverted from the compressor for cooling. Film cooling supplies a film of cooling air from the internal cooling channel through the holes and onto the outer surface of the component. Film cooling is inefficient because a large amount of cooling air is required. Thus, film cooling has been selectively used in combination with other techniques. In the technique of impingement cooling, a perforated baffle is separated from the surface in order to generate an impinging jet of cooling air against the surface. Serpentine cooling channels are provided in turbine components including airfoils such as blades and vanes. The present invention increases efficacy and efficiency in the cooling channel.
本発明は、以下に説明する図面と関連させて、以下の記載において説明される。 The present invention is described in the following description in connection with the drawings described below.
発明の詳細な記載
図1は、前縁21と後縁23とを有するタービンブレード20の断面図である。タービン圧縮機からの冷却空気22が、ブレード付け根26の入口24から入って、ブレード内のチャネル28、29、30、31を流れる。冷却体の一部は、膜冷却穴32から出る。ブレードの後縁部分TEは、タービュレータピン34と出口チャネル36とを有する。各矢印22は、この矢印の場所における冷却体全体の流れの方向を指示しており、これは、この点における卓越的または平均的な流れの方向を意味する。
Detailed Description of the Invention FIG. 1 is a cross-sectional view of a
図2は、図1の線2−2に沿ってとられた、タービンエアフォイルの後縁部分TEの断面図である。後縁部分は、エアフォイルの吸引側壁41および圧力側壁43に、第1の外部表面40および第2の外部表面42を有する。本発明の態様によると、冷却チャネル36は、外部壁41の内側表面48および外部壁43の内側表面50にフィン44を有する。これらの内側表面48および50は、当該分野において、「壁近傍内側表面」と呼ばれ、冷却される外部表面に最も近い、冷却チャネルの内部表面を意味する。チャネル間の間隔Gは、冷却の効率および均一性に不均衡を生じさせる。本発明者らは、冷却チャネルのコーナCが間隔Gに最も近いために、これらのコーナにおける冷却率を増加させることによって、冷却効力、効率および均一性が向上することを認識した。この優先的な冷却を達成する1つの方法は、砂時計形状のチャネルプロファイルを設けることであり、このチャネルプロファイルにおいて、チャネルの側面52および54は、第1の内側表面48および第2の内側表面50のそれぞれの幅よりも狭い腰部を形成する。この腰部は、チャネルの中央部における流れ抵抗を増加させるように機能して、冷却体を、チャネルのコーナに向かって押し出す。チャネルの中央部における冷却体の流れは熱伝達表面に接触しないが、コーナにおける流れは熱を除去するように機能するので、本発明は、冷却の効率を増加させることに有効である。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the trailing edge portion TE of the turbine airfoil taken along line 2-2 of FIG. The trailing edge portion has a first
図3は、2つの対向する外部表面を効率的に冷却するような形状である、冷却チャネルの横断方向断面プロファイル46である。このチャネルは、後縁チャネル36、または、図1におけるチャネル29および30のような任意の他の冷却チャネルである。このチャネルは、2つの対向する壁近傍内側表面48および50を有し、これらは、図2のそれぞれの外部表面40および42に平行である。本明細書において、「平行」とは、フィン44を考慮に入れない、外部表面に最も近い壁近傍内側表面の一部分に関することを意味している。このチャネルは、壁近傍内側表面48および50において、幅W1およびW3を有する。2つの内部側面52および54は、内側表面48および50の側から、互いに向かってテーパ付けされており、側面において最小チャネル幅W2または腰部を画定する。内側表面の幅W1およびW3は、腰部幅W2よりも大きく、そのため、チャネルプロファイル46は、側面52および54の凸面によって形成された砂時計形状を有する。この形状は、チャネルのコーナCに向かう冷却体の流れ25を増加させる。冷却体の全体的な流れの方向は、この図において紙面に垂直である。矢印25は、砂時計形状を有さないチャネル、および/または、次に説明するフィンを有さないチャネルと比べて、プロファイル46の、流れが増加する向きを示している。
FIG. 3 is a transverse
フィン44は、内側表面48および50に設けられる。これらのフィンは、図3の面に垂直な全体的な流れの方向22(図1)に整列されている。フィンが設けられている場合、フィンは、56Aまたは56Bのような凸状プロファイルにしたがう高さを有し、この凸状プロファイルは、壁近傍内側表面48および/または50の幅の中央において最大のフィン高さHを与える。これらのフィン44は、壁近傍内側表面48および50の表面積を増加させ、同様に、コーナCにおける流れ25を増加させる。比較的高さのある中央のフィンは、中心への流れを低減し、一方で、比較的高さが低い遠位のフィンは、コーナCにおける流れ25を助長する。凸状側部52、54と、凸状のフィンの高さプロファイル56A、56Bとの組み合わせにより、チャネルのコーナCに向かって冷却を集中させる共同作用が提供される。
Fins 44 are provided on the
チャネルプロファイル46の寸法は、公知の工学的方法を用いて選択される。図示されている比率は、例示としてのみ与えられている。比率は、図面に例示された関連のある態様であるので、以下の長さの単位は無次元であり、任意の測定単位において比例してサイズ合わせされる。一実施形態において、相対的寸法は、B=1.00、D=0.05、H=0.20、W1=1.00、W2=0.60である。この例において、側部テーパ角A=−30°である。本明細書において、プロファイル46における側部52および54の負のテーパ角Aは、側部が、互いに向かって、かつ、内側表面48と50との間の中間位置に向かって収束していることを意味しており、示されるように、腰部W2を形成する。いくつかの実施形態において、テーパ角Aは−1°から−30°の範囲にある。腰部幅W2は、テーパ角によって決定される。代替的に、特定の実施形態において、W2は、壁近傍幅W1およびW3の一方または両方の80%以下であり、あるいは、65%以下である。1つ以上の比率および/または寸法は、冷却チャネルの長さによって変わる。たとえば、寸法Bは、エアフォイルの厚さによって変わる。2つの内側表面48および50の幅W1およびW3は、いくつかの実施形態において互いに異なっても良い。この場合には、腰部W2は、幅W1およびW3のそれぞれよりも狭い。
The dimensions of the
図4は、単一の外部表面40または42を冷却するように形成された冷却チャネル36Bを示す。冷却チャネル36Bは、上述の冷却チャネル36のフィンおよびテーパ角に関するコンセプトを用いる。壁近傍内側表面幅W1は、テーパ付けされた内部側面52および54によって、最小チャネル幅W2よりも大きい。フィン44は、壁近傍内側表面48に設けられており、壁近傍内側表面の幅W1の中心に凸状となる高さプロファイルを有する。このような冷却チャネル36Bは、たとえば、図3の冷却プロファイル46が使用されている後縁部分TEの比較的薄い部分より、むしろ、エアフォイルの後縁部分TEの比較的厚い部分において使用される。この実施形態の横断方向断面プロファイルは台形であり、ここでは、壁近傍内側表面48がその最も長い側部を画定する。
FIG. 4 shows a
図5は、外部表面40および42が、チャネル36の横断方向断面において平行でないことを示している。壁近傍内側表面48および50は、外部表面40および42に平行である。
FIG. 5 shows that the
図6は、砂時計形状のスパン方向冷却チャネル63、64、65および66を有するタービンエアフォイル60の横断方向断面を示している。本明細書において、「スパン方向」は、チャネルが、エアフォイルの半径方向内側端部と半径方向外側端部との間の方向に向けられていることを意味している。「半径方向」は、タービンの回転軸に対する方向である。たとえば、図1において、チャネル28、29、30および31は、スパン方向チャネルである。これらのチャネルは、オプションで、図3に関して上述したようなフィン44を有する。
FIG. 6 shows a transverse cross section of a
図7は、エアフォイルモールドのためのセラミックコア74および75を形成する工程を示している。これらのコアは、エアフォイル60を鋳造した後に化学的に除去される。可撓性ダイ84A、84B、85A、85Bまたは可撓性のライナを有するダイが、セラミック成形体のコア74および75を形成するために使用され、セラミック成形体のコア74、75は、上記ダイを、介在点91を超えて89方向に弾性的に引っ張るために十分な堅さである。このような技術は、たとえば、ヴァージニア州シャーロットビルのMikro Systems Inc.に譲り受けされた米国特許第7,141,812号および同7,410,606号および同7,411,204号に教示されている。たとえば、−1°から−3°のような小さな負のテーパ角でさえ、従来の堅いダイの除去に必要とされる正のテーパ角と比較すると、冷却効率に対しては有意で有用である。
FIG. 7 illustrates the process of forming
図8は、タービュレータ92によって画定された収束側面52および54を有する砂時計形状の冷却チャネル65の横断方向断面図を示している。各タービュレータは、冷却チャネルの腰部を画定する、タービュレータの中央部分にピーク97を有する。タービュレータの側面52および54は、上述した範囲、または、特に、−2°〜−5°の範囲(図示されているのは−5°)のテーパ範囲を有する。タービュレータ92は、(図示されているような)平坦である、または、(図示されていない)正のテーパを有する、表面95、96と替えられても良い。
FIG. 8 shows a transverse cross-sectional view of an hourglass-shaped
図9は、壁近傍内側表面48および50に、上述されたプロファイルを有するフィン44が組み合わされた図8の実施形態を示している。
FIG. 9 shows the embodiment of FIG. 8 with
図10は、図8の線10−10に沿ってとられた図であり、凸状の上流側93と直線状の下流側94とを有するピーク付きのタービュレータ92を示している。凸状の上流側93は、流れ22をコーナCに向かって押し出す。直線状の下流側94は、図7のダイ84A、84B、85A、85Bを、コア74、75に垂直に、まっすぐに引っ張ることを促進する。代替的に、タービュレータの下流側94は、たとえば、上流側93に平行に、凸状であってもよい(図示せず)。
FIG. 10 is a view taken along line 10-10 of FIG. 8 and shows a
図8−10の実施形態は、図7の費用対効果の良い工程を使用して製造される。タービュレータ92は、冷却体の流れを、壁近傍内側表面48および50に向けて、かつ、コーナCに向けて集中させる。タービュレータ92は、流れ22を中心で遅くさせ、一方で、内側表面48および50に向けて流れ22を集中させ、ここで、リブ44は、外部表面40、42から熱を伝達し、流れ22をコーナCに向けて増加させるので、図9に示されている、組み合わせ特徴は、特に、有効で、効率が良い。
The embodiment of FIGS. 8-10 is manufactured using the cost effective process of FIG. The
本発明の砂時計形状のチャネルは、任意の壁近傍冷却の用途、たとえば、ベーン、ブレード、シュラウド、および、可能性としては、ガスタービンの燃焼器および移行ダクトにおいて有用である。これらは、特に、平行な流れまたは交互に蛇行する流れと平行な一連のチャネルにおいて、冷却の均一性を増加させる。本発明のチャネルは、公知の製造技術によって、たとえば、鋳造後に化学的に除去されるポジのセラミックコア上にエアフォイルを鋳造することによって、形成される。 The hourglass shaped channels of the present invention are useful in any near wall cooling application, such as vanes, blades, shrouds, and possibly gas turbine combustors and transition ducts. These increase the uniformity of cooling, particularly in a series of channels parallel to parallel flow or alternating meandering flow. The channels of the present invention are formed by known manufacturing techniques, for example, by casting an airfoil on a positive ceramic core that is chemically removed after casting.
本発明の利点は、チャネルの壁近傍の遠位のコーナCが、所与の冷却体の流量について、従来の冷却チャネルよりも多くの熱を除去することである。このことは、コーナにおいて、よりゆっくりと流れる冷却体の傾向を克服することによって、冷却の効力、効率および均一性を向上させる。コーナの冷却が増加することにより、チャネル間の間隔Gの冷却を補償することに役立つ。本発明は、また、フィン44の使用によって、冷却されるべき主表面40、42からの熱伝達を増加させる。
An advantage of the present invention is that the distal corner C near the channel wall removes more heat than a conventional cooling channel for a given cooling body flow rate. This improves the effectiveness, efficiency and uniformity of cooling by overcoming the tendency of slower flowing cooling bodies at the corners. The increased corner cooling helps to compensate for the cooling of the spacing G between the channels. The present invention also increases heat transfer from the
本発明の種々の実施形態が、本明細書において示され、説明されてきたが、このような実施形態が、単なる例示の目的のためだけに提供されていることは明らかである。多くの変化形、変更および置換が、本明細書の発明から逸脱することなしになされ得る。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神および範囲によってのみ限定されることが意図される。 While various embodiments of the invention have been shown and described herein, it is obvious that such embodiments are provided for purposes of illustration only. Many variations, modifications and substitutions may be made without departing from the invention herein. Accordingly, it is intended that the invention be limited only by the spirit and scope of the appended claims.
Claims (19)
前記内部冷却チャネルが、
前記構成要素の第1の外部壁の第1の内側表面および前記構成要素の第2の外部壁の第2の内側表面と、
前記第1の内側表面と前記第2の内側表面との間に広がる第1の側面および第2の側面と
をさらに備えており、
前記内部冷却チャネルの横断方向断面は砂時計形状のプロファイルを有しており、当該砂時計形状のプロファイルにおいて、前記第1の側面および前記第2の側面は、互いに向かって、前記第1の内側表面および前記第2の内側表面のそれぞれの幅よりも狭い幅の腰部まで、テーパ付けされており、
前記内部冷却チャネル内の冷却体の流れの全体的な方向は、前記砂時計形状のプロファイルに垂直である、構成要素。 A component with an internal cooling channel,
The internal cooling channel is
A first inner surface of the first outer wall of the component and a second inner surface of the second outer wall of the component;
A first side surface and a second side surface extending between the first inner surface and the second inner surface;
The transverse cross-section of the internal cooling channel has an hourglass-shaped profile, wherein the first side surface and the second side surface are directed toward each other, the first inner surface and Tapered to a waist that is narrower than the respective width of the second inner surface;
A component wherein the overall direction of flow of the cooling body in the internal cooling channel is perpendicular to the hourglass-shaped profile.
前記第1の側面および前記第2の側面のそれぞれにある複数のタービュレータであって、各タービュレータは、凸状の上流側と、前記冷却チャネルの前記腰部を画定する前記タービュレータの中央部分にあるピークとを備えている、複数のタービュレータと
をさらに備えている、請求項1記載の構成要素。 A plurality of parallel fins in each of the first inner surface and the second inner surface oriented in the direction of flow of the cooling body, wherein adjacent peaks of the plurality of fins are transverse to each other; A connected height profile includes a plurality of parallel fins that are convex across the width of each of the first inner surface and the second inner surface;
A plurality of turbulators on each of the first side surface and the second side surface, each turbulator having a peak at a convex upstream side and a central portion of the turbulator defining the waist of the cooling channel; The component according to claim 1, further comprising: a plurality of turbulators.
前記冷却体出口チャネルが、第1の壁近傍内側表面および第2の壁近傍内側表面と、前記第1の壁近傍内側表面と前記第2の壁近傍内側表面との間にある2つの内部側面と、前記第1の壁近傍内側表面と前記第2の壁近傍内側表面のそれぞれにある複数のフィンとをさらに備えており、
前記第1の壁近傍内側表面および前記第2の壁近傍内側表面は、前記後縁部分のそれぞれの第1の外部表面および第2の外部表面に平行であり、
前記2つの内部側面は、前記第1の壁近傍内側表面と前記第2の壁近傍内側表面との間の中間位置にある腰部に収束して、前記冷却体出口チャネルの砂時計形状の横断プロファイルを形成し、
前記複数のフィンは、前記冷却体出口チャネルの全体的な流れの方向に整列されており、前記複数のフィンは、各壁近傍内側表面の幅にわたって凸状の高さプロファイルを有する、
タービンエアフォイル構成要素。 A turbine airfoil component comprising a cooling body outlet channel at a trailing edge portion,
Two internal side surfaces in which the cooling body outlet channel is between a first wall near inner surface and a second wall near inner surface, and the first wall near inner surface and the second wall near inner surface And a plurality of fins on each of the first wall vicinity inner surface and the second wall vicinity inner surface,
The first near-wall inner surface and the second near-wall inner surface are parallel to the respective first and second outer surfaces of the trailing edge portion;
The two inner side surfaces converge to a waist located at a midpoint between the first near wall inner surface and the second near wall inner surface to create an hourglass-shaped transverse profile of the cooling body outlet channel. Forming,
The plurality of fins are aligned in the overall flow direction of the cooling body outlet channel, and the plurality of fins have a convex height profile across the width of the inner surface near each wall;
Turbine airfoil component.
前記冷却チャネルが、
前記構成要素の第1の外部表面に平行な第1の内側表面と、
前記第1の内側表面において広くなり、前記第1の内側表面から離れると狭くなる、テーパ付けされた横断方向断面プロファイルと、
横断方向の高さプロファイルを有する複数の平行なフィンであって、前記横断方向の高さプロファイルは、前記第1の内側表面の幅にわたって凸状であり、前記複数の平行なフィンは、前記冷却チャネルの冷却体の流れの方向に向けられている、複数の平行なフィンと
をさらに備えており、
前記冷却チャネルは、前記冷却チャネルのコーナに向かって、前記冷却チャネル内の冷却体の流れを押し出すように機能する、構成要素。 A component comprising a cooling channel,
The cooling channel is
A first inner surface parallel to the first outer surface of the component;
A tapered transverse cross-sectional profile that is widened at the first inner surface and narrowed away from the first inner surface;
A plurality of parallel fins having a transverse height profile, wherein the transverse height profile is convex across the width of the first inner surface, and the plurality of parallel fins are A plurality of parallel fins oriented in the direction of flow of the cooling body of the channel;
The cooling channel functions to extrude a flow of cooling body in the cooling channel toward the corner of the cooling channel.
前記第1の内側表面と前記第2の内側表面との間に広がる第1の内部側面および第2の内部側面と、
前記冷却チャネルの前記第1の内部側面および前記第2の内部側面のそれぞれにある複数のタービュレータであって、前記複数のタービュレータは、前記冷却体の流れを、前記第1の内側表面と前記第2の内側表面に向かって押し出し、各タービュレータの中間部分にあるピークが、前記冷却チャネルの腰部を画定し、前記腰部は、前記第1の内側表面および前記第2の内側表面のいずれかの幅よりも狭い、複数のタービュレータと
をさらに備えている、請求項16記載の構成要素。 A second inner surface parallel to the second outer surface of the component;
A first inner side surface and a second inner side surface extending between the first inner surface and the second inner surface;
A plurality of turbulators on each of the first inner side surface and the second inner side surface of the cooling channel, wherein the plurality of turbulators flow the cooling body between the first inner surface and the first inner surface; The peak in the middle portion of each turbulator defines the waist of the cooling channel, the waist being the width of either the first inner surface or the second inner surface 17. The component of claim 16, further comprising a plurality of turbulators that are narrower.
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