JP6259181B2

JP6259181B2 - マイクロチャネル冷却を有する構成要素

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Publication number: JP6259181B2
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Inventors: ロナルド・スコット・バンカー
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Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2018-01-10
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Description

本発明は、一般にガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンエンジン内のマイクロチャネル冷却に関する。

ガスタービンエンジンでは、空気を圧縮機で加圧し、高温の燃焼ガスを発生させるために燃焼器内で燃料と混合する。圧縮機に動力を供給する高圧タービン（ＨＰＴ）内のガスと、ターボファン航空機エンジン用途のファンに動力を供給し、海洋および産業用途のための外部シャフトに動力を供給する低圧タービン（ＬＰＴ）内のガスから、エネルギーを抽出する。

エンジン効率は、燃焼ガスの温度と共に上昇する。しかしながら、燃焼ガスは、燃焼ガスの流路に沿った種々の構成要素を加熱するため、長いエンジン寿命を実現するためには、それらの構成要素を冷却する必要がある。典型的には、高温ガス経路構成要素を、圧縮機から空気を抽気することによって冷却する。抽気は燃焼プロセスに使用されないため、この冷却プロセスはエンジン効率を低下させる。

ガスタービンエンジン冷却技術は成熟しており、冷却回路の種々の態様と種々の高温ガス経路構成要素の特徴とに関する多数の特許を含んでいる。例えば、燃焼器は、動作中に冷却する必要がある半径方向外側のライナおよび内側のライナを含んでいる。タービンノズルは、外側バンドと内側バンドとの間に支持される中空静翼を含んでおり、この中空静翼も冷却を必要とする。タービンロータブレードは中空であり、典型的には冷却回路を含んでおり、冷却回路内ではブレードがタービンシュラウドに取り囲まれており、このブレードも冷却を必要とする。高温の燃焼ガスは排気部を介して排出され、排気部は、ライニングもされ、適切に冷却されることがある。

これらの例示的なガスタービンエンジン構成要素のすべてに、構成要素の重量を減らし、それらの冷却の必要性を最小限にするために、典型的には高強度超合金金属の薄い壁が使用される。種々の冷却回路および特徴が、エンジン内のそれらの対応する環境内で、これらの個々の構成要素に合わせて作られる。例えば、一連の内部冷却通路または蛇行管を、高温ガス経路構成要素内に形成することができる。冷却液をプレナムから蛇行管に供給することができ、冷却液は、通路を通って流れ、高温ガス経路構成要素基板とそれに関連するコーティングとを冷却することができる。しかしながら、この冷却方式は、典型的には、比較的低い熱伝導率と、不均一な構成要素温度プロファイルを結果として生じる。

米国特許公開2011/0293423明細書

具体的には、タービンブレード先端の焼損が、ガスタービン産業の一般的な問題である。したがって、依然として空気力学的な密封機能と摩擦保護とを提供しながら、ブレード先端を、それらの高温動作環境を耐え抜くのに十分な耐久性にする、改善された先端冷却を提供することが望ましいであろう。

本発明の一態様は、外側表面と内側表面と先端とを有する基板を含む構成要素にある。内側表面は、少なくとも１つの中空の内部空間を画定している。外側表面は１つまたは複数の溝を画定し、各溝は、少なくとも部分的に基板の外側表面に沿って延在し、底部を有している。構成要素は、基板の外側表面の少なくとも一部の上に配置されたコーティングをさらに含んでいる。コーティングは、溝（複数可）上に延在する少なくとも１つの構造コーティングを含んでおり、溝（複数可）および構造コーティングは、構成要素を冷却するための１つまたは複数のチャネルを一緒に画定するようになっている。先端は、中空の内部空間（複数可）を取り囲む先端キャップと、基板の半径方向外側の端部に配置された先端リムとを含んでおり、先端リムは、少なくとも１つの冷却チャネルと流体連通する少なくとも１つの排液チャネルを少なくとも部分的に画定している。

本発明の他の態様は、外側表面と内側表面と先端とを有する基板を含む構成要素にある。内側表面は少なくとも１つの中空の内部空間を画定し、先端は中空の内部空間（複数可）を取り囲む先端キャップを含んでいる。外側表面は１つまたは複数の溝を画定し、各溝は、少なくとも部分的に先端キャップの外側表面に沿って延在し、底部を有する。構成要素は、基板の外側表面の少なくとも一部の上に配置されたコーティングをさらに含んでいる。コーティングは、溝（複数可）上に延在する少なくとも１つの構造コーティングを含んでおり、溝（複数可）および構造コーティングは、構成要素を冷却するための１つまたは複数のチャネルを一緒に画定するようになっている。先端は、中空の内部空間（複数可）を取り囲む先端キャップと、少なくとも部分的に先端キャップに沿って延在する冷却チャネル（複数可）とを備えている。

本発明のこれらのおよび他の特徴、態様および利点は、複数の図面を通じて同じ符号が同じ部品を示している添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより、よりよく理解されるであろう。

ガスタービンシステムの概略図である。本発明の態様による冷却チャネルを有するエーロフォイル構成例の概略的な断面図である。一例のガスタービンロータブレードの、一部を断面にした等角図である。アクセスチャネルおよび排液チャネルと流体連通するマイクロチャネルを示す、図３に例示したエーロフォイル先端を通る４−４に沿ってとった立面断面図である。先端キャップに部分的に沿って延在し、個々のアクセスチャネルおよび排液チャネルと流体連通するマイクロチャネルを示す、エーロフォイル先端を通る立面断面図である。基板の表面に部分的に沿って延在し、冷却液を個々の膜冷却孔に運ぶ３つの例としてのマイクロチャネルを、斜視図で概略的に示している。先端キャップに部分的に沿って延在し、個々のアクセスチャネルと流体連通するマイクロチャネルを示す、エーロフォイル先端を通る立面断面図である。先端キャップに部分的に沿って延在し、個々のアクセスチャネルと流体連通するマイクロチャネルを示す、エーロフォイル先端を通る立面断面図である。先端キャップに沿って延在し、個々のアクセスチャネルと流体連通するマイクロチャネルを示す、エーロフォイル先端を通る立面断面図である。傾斜した先端キャップに部分的に沿って延在し、個々のアクセスチャネルおよび排液チャネルと流体連通するマイクロチャネルを示す、先端リムを持たないエーロフォイル先端を通る立面断面図である。多孔質スロットが構造コーティングを通って延びている、３つのリエントラント形チャネルの断面図である。マイクロチャネルを形成された冷却される先端棚を有するエーロフォイル先端を通る立面断面図である。先端リムに部分的に沿って延在するマイクロチャネルを示す、エーロフォイル先端を通る立面断面図である。先端リムに沿って延在するマイクロチャネルを示す、エーロフォイル先端を通る立面断面図である。

本明細書では、「第１の」、「第２の」等の用語はどのような順序、量または重要度を示すものでもなく、ある要素を他の要素から識別するために使用される。本明細書では、用語（「ａ」および「ａｎ」）は量の限定を示すものではなく、参照する項目が少なくとも１つ存在することを示している。量に関連して使用される「約」という修飾子は、所定の値を含んでおり、且つ、文脈によって画定される意味を有している（例えば、特定の量の測定に伴う誤差の程度を含む）。加えて、用語「組合せ」は、混合物、合成物、合金、反応生成物等を含んでいる。

さらに本明細書では、「（複数可（ｓ））」という接尾辞は、通常、それが修飾する用語の単数および複数の両方を含むことを意図しており、したがって、１つまたは複数のその用語を含む（例えば、「通路孔」は、特に指定しない限り、１つまたは複数の通路孔を含んでもよい）。本明細書を通じて、「一実施形態」、「他の実施形態」および「実施形態」等への言及は、その実施形態と関連して説明される特定の要素（例えば、特徴、構造および／または特性）が、本明細書で説明される少なくとも１つの実施形態に含まれ、他の実施形態が存在していても存在していなくてもよいことを意味する。同様に、「特定の構成」への言及は、構成に関連して記載される特定の要素（例えば、特徴、構造および／または特性）が、本明細書に記載される少なくとも１つの構成に含まれ、他の構成には存在していても存在していなくてもよいことを意味する。加えて、説明されている本発明の特徴は、種々の実施形態および構成において、任意の好適な方法で組み合わせることができることを理解されたい。

図１は、ガスタービンシステム１０の概略図である。システム１０は、１つまたは複数の圧縮機１２、燃焼器１４、タービン１６および燃料ノズル２０を含むことができる。圧縮機１２およびタービン１６を、１つまたは複数のシャフト１８によって結合することができる。シャフト１８は、単一のシャフトであってもよく、シャフト１８を形成するように一体に結合された複数のシャフトセグメントであってもよい。

ガスタービンシステム１０は、多数の高温ガス経路構成要素１００を含むことができる。高温ガス経路構成要素は、システム１０を通るガスの高温流に少なくとも部分的にさらされる、システム１０の任意の構成要素である。例えば、バケット組立体（ブレードまたはブレード組立体としても知られる）、ノズル組立体（静翼または静翼組立体としても知られる）、シュラウド組立体、連結管、保持リング、および圧縮機排気構成要素は、すべて高温ガス経路構成要素である。しかしながら、本発明の高温ガス経路構成要素１００は、上記の例に限定されず、ガスの高温流に少なくとも部分的にさらされる任意の構成要素であってもよいことを理解されたい。さらに、本開示の高温ガス経路構成要素１００は、ガスタービンシステム１０の構成要素に限定されず、高温流にさらされる可能性がある機械類の任意の部分またはその構成要素であってもよいことを理解されたい。

高温ガス経路構成要素１００が高温ガス流にさらされると、高温ガス経路構成要素１００は高温ガス流によって加熱され、高温ガス経路構成要素１００が実質的に劣化するまたは故障する温度に達する可能性がある。したがって、システム１０の効率、性能および／または寿命を向上させて、システム１０が高温のガス流と共に動作できるようにするために、高温ガス経路構成要素１００のための冷却システムが必要である。

マイクロチャネル冷却は、加熱される領域にできる限り近く冷却部を配置することによって、したがって、所定の熱伝導率のための主要な耐荷重性基板材料の高温側と低温側の温度差を低減させることによって、冷却の必要量を著しく削減する可能性を有している。

一般的には、本開示の冷却システムは、高温ガス経路構成要素１００の表面に形成された一連の小さなチャネル、すなわちマイクロチャネルを含んでいる。航空機用サイズのタービン構成要素のチャネル寸法は、０．１ｍｍから０．５ｍｍの範囲内のおおよその深さおよび幅を含むが、産業用サイズの発電タービン構成要素では、「小さい」または「マイクロ」チャネルの寸法は、０．２５ｍｍから１．５ｍｍの範囲内のおおよその深さおよび幅を含む。高温ガス経路構成要素には、保護コーティングを設けることができる。冷却液をプレナムからチャネルに供給することができ、冷却液を、チャネルを通して流し、高温ガス経路構成要素を冷却することができる。

構成要素１００を、図２〜６および１１を参照しながら説明する。例えば図２および３に示すように、構成要素１００は、外側表面１１２と、内側表面１１６と、先端３４とを有する基板１１０を含んでいる。例えば図２に示すように、内側表面１１６は、少なくとも１つの中空の内部空間１１４を画定している。例えば図２および６に示すように、外側表面１１２は１つまたは複数の溝１３２を画定し、各溝１３２は、少なくとも部分的に基板１１０の外側表面１１２に沿って延在し、底部１３４を有している。図３に示す構成では、構成要素１００はタービンエーロフォイル１００を構成し、各中空内部空間１１４は、少なくとも１つのフローチャネルの個々のセグメント（これも参照番号１１４で示している）を備えている。

典型的には、基板１１０を、溝（複数可）１３２を形成する前に鋳造する。その全体が本明細書に援用されるＭｅｌｖｉｎＲ．Ｊａｃｋｓｏｎらの米国特許第５，６２６，４６２号「Ｄｏｕｂｌｅ−ｗａｌｌａｉｒｆｏｉｌ」で論じられているように、基板１１０を任意の適切な材料から形成することができる。構成要素１００の意図される用途に応じて、これは、Ｎｉ基、Ｃｏ基およびＦｅ基の超合金を含むことができる。Ｎｉ基超合金は、γ相およびγ’相の両方を含むものであってもよく、特に、γ’相が超合金の体積の少なくとも４０％を占めるこれらのγ相およびγ’相の両方を含むＮｉ基超合金であってもよい。このような合金は、高温強度および高温クリープ抵抗を含む所望の特性の組合せのため、有利であることが知られている。基板材料は、これらの合金が航空機に使用されるタービンエンジン用途で使用するのに有利である高温強度および高温クリープ抵抗を含むすぐれた特性の組合せを持つことが知られているため、ＮｉＡｌ金属間化合物合金を含んでもよい。Ｎｂ基合金の場合には、すぐれた酸化抵抗性を有する被膜Ｎｂ基合金が好ましく、特に、組成範囲が原子パーセントであるとしてＮｂ−（２７−４０）Ｔｉ−（４．５−１０．５）Ａｌ−（４．５−７．９）Ｃｒ−（１．５−５．５）Ｈｆ−（０−６）Ｖを含むこれらの合金が好ましいであろう。基板材料は、ケイ化物、炭化物またはホウ化物を含むＮｂを含む金属間化合物のような、少なくとも１つの二次相を含むＮｂ基合金を含んでもよい。このような合金は、延性相（すなわち、Ｎｂ基合金）および強化相（すなわち、Ｎｂを含む金属間化合物）の複合体である。他の配置では、基板材料は、Ｍｏ₅ＳｉＢ₂二次相およびＭｏ₃Ｓｉ二次相を有するモリブデンベースの合金（固溶体）のようなモリブデン基合金を含んでいる。他の構成では、基板材料は、ＳｉＣ繊維で強化された炭化ケイ素（ＳｉＣ）マトリックスのようなセラミックマトリックス複合体を含んでいる。他の構成では、基板材料はＴｉＡｌ基金属間化合物を含んでいる。

溝１３２を種々の技術を用いて形成することができる。溝（複数可）１３２を形成する例としての技術は、研磨液噴射、プランジ電解加工（ＥＣＭ）、スピニング電極（ミリングＥＤＭ）による放電加工（ＥＤＭ）およびレーザ加工を含む。例としてのレーザ加工技術が、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、本願の譲受人に譲渡された、２０１０年１月２９日に出願された米国特許出願第１２／６９７，００５号「Ｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｓｙｓｔｅｍｆｏｒｆｏｒｍｉｎｇｓｈａｐｅｄａｉｒｈｏｌｅｓ」に記載されている。例としてのＥＤＭ技術が、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、本願の譲受人に譲渡された、２０１０年５月２８日に出願された米国特許出願第１２／７９０，６７５号「Ａｒｔｉｃｌｅｓｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅｃｈｅｖｒｏｎｆｉｌｍｃｏｏｌｉｎｇｈｏｌｅｓ，ａｎｄｒｅｌａｔｅｄｐｒｏｃｅｓｓｅｓ」に記載されている。

特定のプロセスでは、研磨液噴射（図示せず）を使用して溝を形成する。例としての水噴射穿孔プロセスおよびシステムが、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、本願の譲受人に譲渡された、２０１０年５月２８日に出願された米国特許出願第１２／７９０，６７５号「Ａｒｔｉｃｌｅｓｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅｃｈｅｖｒｏｎｆｉｌｍｃｏｏｌｉｎｇｈｏｌｅｓ，ａｎｄｒｅｌａｔｅｄｐｒｏｃｅｓｓｅｓ」に開示されている。米国特許出願第１２／７９０，６７５号で説明されているように、水噴射プロセスは、典型的には、高圧水の流れの中に懸濁された研摩粒子（例えば、研磨「グリッド」）の高速の流れを利用する。水の圧力は大幅に変化してもよいが、約３５〜６２０ＭＰａの範囲内であることが多い。ざくろ石、酸化アルミニウム、炭化ケイ素およびガラスビーズのような多数の研磨材料を使用することができる。有利には、研磨液噴射加工技術の能力は、整形の制御により、変化する深さに対する段階的な材料の除去を容易にする。例えば、これは、チャネルに供給する（図４を参照しながら以下に説明する）内部アクセス孔１４０を、一定断面の真っ直ぐな孔、整形された孔（楕円等）、あるいは、収束または発散する孔のいずれかとして穿孔することを可能にする。

加えて、米国特許出願第１２／７９０，６７５号で説明されているように、水噴射システムは、多軸コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）ユニット（図示せず）を含んでもよい。ＣＮＣシステム自体は当該技術分野で知られており、例えば、参照により本明細書に組み込まれる米国特許公開第２００５／００１３９２６号（Ｓ．Ｒｕｔｋｏｗｓｋｉら）に記載されている。ＣＮＣシステムは、いくつかのＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸、並びに回転軸に沿った切削工具の移動を可能にする。

より具体的には、各溝１３２を、研磨液噴射の第１の経路で基板１１０の表面１１２に対してある外側角で研磨液噴射を向け、次に、各溝が溝の開口部１３６で狭くなり、したがって（図６を参照しながら以下に論じるような）リエントラント形の溝を構成するように、外側角の角度と実質的に反対の角度で次の経路を形成することによって形成することができる。典型的には、溝の所望の深さおよび幅を実現するために、複数の経路を実行してもよい。この技術は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、本願の譲受人に譲渡された、Ｂｕｎｋｅｒらの米国特許出願第１２／９４３，６２４号「Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｗｉｔｈｒｅ−ｅｎｔｒａｎｔｓｈａｐｅｄｃｏｏｌｉｎｇｃｈａｎｎｅｌｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓｏｆｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」に記載されている。加えて、リエントラント形の溝１３２を形成する工程は、追加の経路を実行する工程をさらに含み、この追加の経路では、材料が溝１３２の底部１３４から除去されるように、研磨液噴射が、外側角と、実質的に反対の角度との間の１つまたは複数の角度で、溝１３２の底部１３４の方に向けられる。

ここで図２、６および１１を参照すると、構成要素１００は、基板１１０の外側表面１１２の少なくとも一部の上に配置されたコーティング１５０をさらに含んでいる。例えば図６に示すように、コーティング１５０は少なくとも１つの構造コーティング５４を含んでいる。コーティング１５０は、適切な材料を含み、構成要素に結合されている。図６に示す例としての配置では、構造コーティング５４は、溝（複数可）１３２および構造コーティング５４が構成要素１００を冷却するための１つまたは複数のチャネル１３０を一緒に画定するように、溝（複数可）１３２上に延在している。

特定の構成では、コーティング１５０は、０．１〜２．０ミリメートルの範囲の厚さを有し、より具体的には０．２〜１ミリメートルの範囲の厚さを有し、さらにより具体的には産業用構成要素のための０．２〜０．５ミリメートルの範囲の厚さを有する。航空機用構成要素では、この範囲は典型的に０．１〜０．２５ミリメートルである。しかしながら、特定の構成要素１００の要件に応じて他の厚さを利用することもできる。

コーティング１５０は、構造コーティング層を備え、さらに、任意の追加のコーティング層（複数可）を含んでもよい。コーティング層（複数可）を、種々の技術を用いて堆積させることができる。特定のプロセスでは、構造コーティング層（複数可）を、イオンプラズマ堆積（陰極アーク）を行うことによって堆積させる。例としてのイオンプラズマ堆積装置および方法は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、本願の譲受人に譲渡された、Ｗｅａｖｅｒらの米国特許出願公開第１００８０１３８５２９号「Ｍｅｔｈｏｄａｎｄａｐｐａｒａｔｕｓｆｏｒｃａｔｈｏｄｉｃａｒｃｉｏｎｐｌａｓｍａｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」で提供されている。簡単に言えば、イオンプラズマ堆積は、コーティング材料で形成された消耗陰極を、真空室内の真空環境内に配置する工程と、基板１１０を真空環境内に準備する工程と、陰極表面に陰極アークを形成させ、結果としてアークによって誘発される陰極表面からのコーティング材料の侵食を生じるようにするために、陰極に電流を供給する工程と、陰極からのコーティング材料を基板表面１１２上に堆積させる工程とを含んでいる。

イオンプラズマ堆積を使用して堆積するコーティングの非限定的な例は、Ｊａｃｋｓｏｎらの米国特許第５，６２６，４６２号「Ｄｏｕｂｌｅ−ｗａｌｌａｉｒｆｏｉｌ」を参照しながら以下により詳細に論じるように、構造コーティング、ボンドコーティングおよび酸化防止コーティングを含む。特定の高温ガス経路構成要素１００では、構造コーティングは、ニッケル基合金またはコバルト基合金を含み、より具体的には、超合金または（Ｎｉ，Ｃｏ）ＣｒＡｌＹ合金を含む。例えば、基板材料がγ相およびγ’相の両方を含むＮｉ基超合金である場合、米国特許第５，６２６，４６２号を参照しながら以下により詳細に論じるように、構造コーティングは同様の材料の組成を含んでもよい。

他のプロセス構成では、構造コーティングを、溶射プロセスおよびコールドスプレープロセスの少なくとも１つを行うことによって堆積させる。例えば、溶射プロセスは燃焼溶射またはプラズマ溶射を含んでもよく、燃焼溶射は高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）または高速空気燃料溶射（ＨＶＡＦ）を含んでもよく、プラズマ溶射は、大気（空気または不活性ガスなど）プラズマ溶射、または低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ、真空プラズマ溶射すなわちＶＰＳとしても知られている）を含んでもよい。ある非限定的な例では、（Ｎｉ，Ｃｏ）ＣｒＡｌＹコーティングをＨＶＯＦまたはＨＶＡＦによって堆積させる。構造コーティングを堆積させる他の例としての技術は、スパッタリング、電子ビーム物理蒸着、無電解めっきおよび電気めっきを含むが、これらに限定されない。

特定の構成では、構造および任意の追加のコーティング層を堆積させるための複数の堆積技術を用いることが望ましい。例えば、第１の構造コーティング層を、イオンプラズマ堆積を用いて堆積させることができ、その後に堆積させる層および任意の追加の層（図示せず）を、燃焼溶射プロセスまたはプラズマ溶射プロセスのような他の技術を用いて堆積させることができる。使用する材料に応じて、コーティング層のために異なった堆積技術を使用することによって、耐ひずみ性、強度、付着力および／または延性のような、しかしこれらに限定されない特性に利益が得られる。

図４および５に示す構成では、先端３４は、中空の内部空間（複数可）１１４を取り囲む先端キャップ４０と、基板の半径方向外側の端部１５４に配置された先端リム３６とを含んでいる。図４および５に示すように、例えば、先端リム３６は、少なくとも１つの冷却チャネル１３０と流体連通する少なくとも１つの排液チャネル１５２を少なくとも部分的に画定している。構成例では、排液チャネルの直径は約０．２５〜１．５ｍｍの範囲であり、より具体的には約０．３５〜１ｍｍの範囲である。有利には、図４および５に示す配置では、排液チャネル１５２は先端リム３６を貫通して延びており、それによって、耐久性および機能の向上のため、先端リム３６を冷却する。

図４に示す配置では、基板１１０はさらに、個々の中空の内部空間１１４と少なくとも１つの冷却チャネル１３０との間に延在してこれらの間の流体連通を提供する少なくとも１つのアクセスチャネル１４０を画定している。図４に示すように、個々のアクセスチャネル１４０は、個々の冷却チャネル１３０の底部１３４と交差している。上述のように、個々の冷却チャネルに供給するための内部アクセス孔１４０を、一定断面の真っ直ぐな孔、整形された孔（楕円等）、あるいは、収束または発散する孔のいずれかとして穿孔することができる。アクセス孔を形成するための方法は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、本願の譲受人に譲渡された、米国特許出願第１３／２１０６９７号に提供されている。

図４に示す特定の配置では、各排液チャネル１５２は個々の冷却チャネル１３０と交差している。

例えば図３に示すように、特定の構成では、基板１１０は圧力側壁２４および吸引側壁２６を画定している。圧力側壁２４および吸引側壁２６は、構成要素１００の前縁２８および後縁３０で一体に結合し、構成要素の根本３２から構成要素１００の先端３４まで延在している。図４に示す配置では、冷却チャネル１３０は、圧力側壁２４および吸引側壁２６の少なくとも１つに少なくとも部分的に沿って延在している。有利には、冷却チャネル１３０は、コーティング１５０を冷却するだけでなく、基板１１０の外側表面１１２も冷却する。

構成要素先端の設計に応じて、冷却チャネル１３０および排液チャネル１５２のための多数の可能な配置が存在する。図５に示す構成では、各冷却チャネル１３０は、先端キャップ４０に少なくとも部分的に沿って延在し、したがって先端キャップ４０を冷却する。さらにより具体的には、図５に示す配置では、先端キャップ４０は、少なくとも１つの中空の内部空間１１４と少なくとも１つの冷却チャネル１３０との間に延在してこれらの間の流体連通を提供する少なくとも１つのアクセスチャネル１４０を画定しており、個々のアクセスチャネル１４０は個々の冷却チャネル１３０の基部１３４と交差している。

上述のように、溝１３２は多数の異なった形状を有することができる。図６に示す配置では、各溝１３２は開口部１３６を有し、各溝１３２は、溝１３２の開口部１３６で狭くなっており、したがって、各冷却チャネル１３０がリエントラント形冷却チャネル１３０を構成するように、リエントラント形溝１３２を構成している。リエントラント形溝は、米国特許出願第１２／９４３，６２４号に記載されている。特定の構成では、リエントラント形溝１３２の底部１３４は、個々の溝１３２の上部１３６より少なくとも２倍広くなっている。例えば、この構成では、溝１３２の底部１３４が０．７５ミリメートルである場合、上部１３６の幅は０．３７５ミリメートル未満になる。より具体的な構成では、リエントラント形溝１３２の底部１３４は、個々の溝１３２の上部１３６より少なくとも３倍広く、さらにより具体的には、リエントラント形溝１３２の底部１３４は、個々の溝１３２の上部１３６より約３〜４倍の範囲で広い。有利には、底部対上部の比が大きいと、コーティング１５０が溝１３２を埋めることなく（犠牲充填物を使用せずに）溝１３２上にコーティング１５０を堆積させることが容易になると同時に、マイクロチャネル１３０の全体的な冷却量が増加する。

特定の構成では、構造コーティング５４は、コーティング１５０が個々のマイクロチャネル１３０を密封するように、個々の溝１３２を完全にふさぐ。しかしながら他の構成では、図１１に示すように、構造コーティング５４は、構造コーティングが１つまたは複数の溝１３２の各々を完全にふさがないように、１つまたは複数の透過性スロット１４４（例えば、コーティングの多孔質またはコーティングの間隙）を画定する。図１１は、均一で真っ直ぐな形状を有するようにスロット１４４を概略的に示しているが、典型的には、各スロット１４４は不規則な形状を有しており、コーティング１５０が施され、厚さを増すにつれて、スロット１４４の幅は変化する。当初、コーティング１５０の第１の部分が基板１１０に施されるときは、スロット１４４の幅は、マイクロチャネル１３０の上部１３６の幅の５０％程度であってもよい。その後、スロット１４４は、コーティング１５０が発達するにつれて、上部１３６の幅の５％以下に狭くなってもよい。特定の例では、スロット１４４の幅は、その最も狭いところで、個々のマイクロチャネル上部１３６の幅の５％〜２０％である。加えて、スロット１４４は多孔質であってもよく、その場合、「多孔質」スロット１４４は、いくつかの接続部を有してもよく、すなわち、間隙がないいくつかの地点または場所を有してもよい。有利には、スロット１４４は、コーティング１５０の応力を緩和する。

有利には、上述した冷却および排液チャネル構成のマイクロチャネルは、先端のより決定的且つ効率的な冷却を提供し、排液チャネルは、先端リムを冷却し、それによってその耐久性および機能を維持ずるのに役に立つ。

他の構成要素１００を、図２、３および５〜１１を参照しながら説明する。例えば図２および３に示すように、構成要素１００は、外側表面１１２と、内側表面１１６と、先端３４とを有する基板１１０を含んでいる。図２に示すように、内側表面１１６は、少なくとも１つの中空の内部空間１１４を画定している。例えば図７に示すように、先端３４は、中空の内部空間（複数可）１１４を取り囲む先端キャップ４０を備えている。例えば図６および７に示すように、外側表面１１２は１つまたは複数の溝１３２を画定し、各溝１３２は、少なくとも部分的に先端キャップ４０の外側表面１１２に沿って延在し、底部１３４を有している。基板１１０は、溝の一般的な形成および形状があるように上記で一般的に説明されている。

例えば図２、６および１１に示すように、構成要素１００は、基板１１０の外側表面１１２の少なくとも一部の上に配置されたコーティング１５０をさらに含んでいる。コーティング１５０は、溝（複数可）１３２上に延在する少なくとも１つの構造コーティング５４を含んでおり、溝（複数可）１３２および構造コーティング５４は、構成要素１００を冷却するための１つまたは複数のチャネル１３０を一緒に画定するようになっている。コーティングは上記で説明されている。

例えば図５および７〜１０に示すように、先端３４は、中空の内部空間（複数可）１１４を取り囲む先端キャップ４０と、少なくとも部分的に先端キャップ４０に沿って延在する冷却チャネル１３０とを含んでいる。有利には、先端キャップ４０内に冷却チャネル１３０を配置することによって、耐久性および機能を向上させるために動作中に先端キャップを冷却するためにマイクロチャネル冷却を行うことができる。

図５および７〜１０に示す構成例では、先端キャップ４０は、少なくとも１つの中空の内部空間１１４と少なくとも１つの冷却チャネル１３０との間に延在してこれらの間の流体連通を提供する少なくとも１つのアクセスチャネル１４０を画定しており、個々のアクセスチャネル１４０は個々の冷却チャネル１３０の底部１３４と交差している。アクセス孔を形成する技術およびアクセス孔の形状は、上記で説明されている。

図７〜９に示す配置例では、先端３４は、基板１１０の半径方向外側の端部１５４に配置された先端リム３６をさらに含んでいる。図７〜９に示すように、基板１１０は、先端リム３６の下に延在して少なくとも１つの冷却チャネル１３０と流体連通する、少なくとも１つの排液チャネル１５２を画定している。

図３を参照しながら上述した構成と同様に、特定の構成では、基板１１０は圧力側壁２４および吸引側壁２６を画定し、圧力側壁２４および吸引側壁２６は、構成要素１００の前縁２８および後縁３０で一体に結合し、構成要素の根本３２から構成要素１００の先端３４まで延在している。図１０に示す特定の構成では、先端キャップ４０は、傾斜した半径方向外側の端部１５６を有しており、先端キャップ４０は、個々の冷却チャネル１３０と圧力側壁２４または吸引側壁２６の一方との間に延在する少なくとも１つの排液孔１５２を画定している。

図４および５を参照しながら上述した構成と同様に、図５および７〜１０に示す冷却構成では、冷却チャネルは（図６を参照しながら上述した）リエントラント形チャネルであってもよい。同様に、特定の構成では、構造コーティングは各溝を完全にふさいでもよく、したがってチャネルを密封してもよい。しかしながら他の構成では、図１１を参照しながら上述したように、構造コーティング５４は、構造コーティングが各溝１３２を完全にはふさがないように、１つまたは複数の透過性スロット１４４を画定していてもよい。

他の構成要素１００を、図２、３、６、１１、１３および１４を参照しながら説明する。例えば図２および３に示すように、構成要素１００は、外側表面１１２と、内側表面１１６と、先端３４とを有する基板１１０を含んでいる。例えば図２に示すように、内側表面１１６は、少なくとも１つの中空の内部空間１１４を画定している。図６、１３および１４に示すように、外側表面１１２は１つまたは複数の溝１３２を画定し、各溝１３２は、少なくとも部分的に基板１１０の外側表面１１２に沿って延在し、底部１３４を有している。基板１１０は、溝の一般的な形成および形状があるように上記で一般的に説明されている。

図２、６、１３および１４に示すように、構成要素１００は、基板１１０の外側表面１１２の少なくとも一部の上に配置されたコーティング１５０をさらに含んでいる。コーティング１５０は、溝（複数可）１３２上に延在する少なくとも１つの構造コーティング５４を含んでおり、溝（複数可）１３２および構造コーティング５４は、構成要素１００を冷却するための１つまたは複数のチャネル１３０を一緒に画定するようになっている。コーティングは上記で説明されている。

図１３および１４に示すように、先端３４は、中空の内部空間（複数可）１１４を取り囲む先端キャップ４０と、基板の半径方向外側の端部１５４に配置された先端リム３６とを含んでいる。図１３および１４に示すように、各冷却チャネル１３０は、少なくとも部分的に先端リム３６に沿って延在している。

図１４に示す構成例では、各冷却チャネル１３０は先端リム３６の長さに沿って延在しており、例えば図１３に示す構成例では、各冷却チャネル１３０は、部分的にのみ先端リム３６の長さに沿って延在する。

上述したように、溝１３２は多数の異なった形状を有することができる。図６および１１に示す配置では、溝は、各冷却チャネル１３０がリエントラント形冷却チャネル１３０を構成するような、リエントラント形である。加えて、特定の構成では、構造コーティング５４は各溝を完全にふさぎ、したがって各溝１３２を密封している。しかしながら、図１１に示す配置では、構造コーティング５４は、構造コーティングが各溝１３２を完全にはふさがないように、１つまたは複数の透過性スロット１４４を画定していてもよい。

上述したように、特定の構成では、構成要素はタービンエーロフォイル１００を構成しており、各中空内部空間１１４は、少なくとも１つの流路１１４の個々のセグメントを備えている。図１３および１４に示す構成例では、基板１１０はさらに、個々の中空の内部空間１１４と少なくとも１つの冷却チャネル１３０との間に延在してこれらの間の流体連通を提供する少なくとも１つのアクセスチャネル１４０を画定しており、個々のアクセスチャネル１４０は、個々の冷却チャネル１３０の底部１３４と交差している。アクセスチャネルの種々の形状と、アクセスチャネルを形成するための技術は、上述されている。

他の構成要素１００を、図２、３、６、１１および１２を参照しながら説明する。例えば図２および３に示すように、構成要素１００は、外側表面１１２と、内側表面１１６と、先端３４とを有する基板１１０を含んでいる。例えば図２に示すように、内側表面１１６は、少なくとも１つの中空の内部空間１１４を画定している。図６、１３および１４に示すように、外側表面１１２は１つまたは複数の溝１３２を画定し、各溝１３２は、少なくとも部分的に基板１１０の外側表面１１２に沿って延在し、底部１３４を有している。基板１１０は、溝の一般的な形成および形状があるように上記で一般的に説明されている。

図１２に示すように、先端３４は、中空の内部空間（複数可）１１４を取り囲む先端キャップ４０と、基板の半径方向外側の端部１５４に配置されて先端棚１６０を有する先端リム３６とを含んでいる。図３を参照しながら上述した構成と同様に、基板１１０は、圧力側壁２４および吸引側壁２６を画定している。圧力側壁２４および吸引側壁２６は、構成要素１００の前縁２８および後縁３０で一体に結合し、構成要素の根本３２から構成要素１００の先端３４まで延在している。図１２に示す配置では、少なくとも１つのチャネル１３０が、少なくとも部分的に圧力側壁２４に沿って延在し、先端棚１６０と交差している。構成要素の他の任意の態様は、上述されている。

本明細書には、ブレード先端を通る厳密に２次元の断面で示したが、冷却チャネル、排液チャネルおよびアクセスチャネルは、曲がっていても真っ直ぐであってもよく、互いに交差していてもよく、曲面に沿って複数のセクションを通る３次元的なものであってもよいことに留意されたい。さらに、密封特徴部（先端リム、先端キャップなど）を貫通する排液または冷却チャネルの主な目的は内部冷却であるが、チャネルの出口は、密封特徴部の冷却をさらに強化するための、外側表面上の膜冷却としても機能することができる。

有利には、外側表面のマイクロチャネルの使用は、先端のより決定的且つ効率的な冷却を提供し、排液チャネルは、航空密封特徴部（先端リム）を冷却し、それによってその耐久性および機能を維持ずるのに役に立つ。このより効率的なブレード先端冷却のため、この目的のための現在の冷却材の量を、大幅に（例えば、最大約５０％まで）減少させることができる。加えて、上述した先端冷却構成は、より高い機械効率および出力をもたらすブレード先端の航空密封機能を維持するのを助ける。同様に、航空機用途に関して、上述した先端冷却構成は、よりよい燃料消費率（ＳＦＣ）と、排気温度（ＥＧＴ）マージンのより少ない低下とをもたらす。

本明細書では本発明の特定の特徴のみを例示して説明してきたが、当業者であれば多くの修正および変更を思いつくであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨の範囲内にあるこのようなすべての修正および変更を包含することを意図していることを理解されたい。

１０ガスタービンシステム
１２圧縮機
１４燃焼器
１６タービン
１８シャフト
２０燃料ノズル
３４先端
３６先端リム
４０先端キャップ
５４構造コーティング
１００高温ガス経路構成要素
１１０基板
１１２基板の外側表面
１１４中空の内部空間
１１６基板の内側表面
１３０チャネル
１３２溝
１３４溝の底部
１３６溝の開口部（上部）
１４０アクセス孔
１４２膜孔
１４４透過性スロット
１５０コーティング
１５２排液チャネル
１５４基板の半径方向外側の端部
１５６先端キャップの半径方向外側の端部
１６０先端棚

Claims

構成要素であって、前記構成要素は、
外側表面と内側表面と先端とを備える基板であって、
前記内側表面は少なくとも１つの中空の内部空間を画定し、
前記先端は、
前記少なくとも１つの中空の内部空間を取り囲む先端キャップと、
前記基板の半径方向外側の端部に配置された先端リムと、
を備え、
前記外側表面は１つまたは複数の溝を画定し、各溝は少なくとも部分的に前記基板の前記外側表面に沿って延在すると共に底部を有する、
基板と、
前記基板の前記先端キャップと、前記先端リムと、前記外側表面の少なくとも一部との上に配置されたコーティングであって、
前記コーティングは少なくとも１つの構造コーティングを含み、
前記構造コーティングは、前記１つまたは複数の溝上に、前記１つまたは複数の溝および前記構造コーティングが、前記構成要素を冷却するための１つまたは複数の冷却チャネルを一緒に画定するように延在する、
コーティングと、
を備え、
前記先端リムは、少なくとも１つの冷却チャネルと流体連通する少なくとも１つの排液チャネルを少なくとも部分的に画定する、
構成要素。
前記構成要素はタービンエーロフォイルを構成し、各々の中空の内部空間は少なくとも１つのフローチャネルの個々のセグメントを備える、請求項１に記載の構成要素。
前記基板は、個々の中空の内部空間と少なくとも１つの冷却チャネルとの間に延在してこれらの間の流体連通を提供する少なくとも１つのアクセスチャネルをさらに画定し、前記個々のアクセスチャネルは前記個々の冷却チャネルの底部と交差する、請求項１または２に記載の構成要素。
各排液チャネルは前記個々の冷却チャネルと交差する、請求項３に記載の構成要素。
前記基板は圧力側壁および吸引側壁を画定し、前記圧力側壁および吸引側壁は、前記構成要素の前縁および後縁で一体に結合し、前記構成要素の根本から前記構成要素の先端まで延在し、前記冷却チャネルは、前記圧力側壁および吸引側壁の少なくとも一方に少なくとも部分的に沿って延在する、請求項１から４のいずれかに記載の構成要素。
各冷却チャネルは少なくとも部分的に前記先端キャップに沿って延在する、請求項１から５のいずれかに記載の構成要素。
前記先端キャップは、少なくとも１つの中空の内部空間と少なくとも１つの冷却チャネルとの間に延在してこれらの間の流体連通を提供する少なくとも１つのアクセスチャネルを画定し、前記個々のアクセスチャネルは前記個々の冷却チャネルの底部と交差する、請求項６に記載の構成要素。
各溝は開口部を有し、各溝は、前記溝の前記開口部で狭くなっており、したがって、各冷却チャネルがリエントラント形冷却チャネルを構成するように、リエントラント形溝を構成する、請求項１から７のいずれかに記載の構成要素。
前記構造コーティングは、前記構造コーティングが各溝を完全にはふさがないように、１つまたは複数の透過性スロットを画定する、請求項１から８のいずれかに記載の構成要素。
前記構造コーティングは各溝を密封する、請求項１から８のいずれかに記載の構成要素。
構成要素であって、前記構成要素は、
外側表面と内側表面と先端とを備える基板であって、
前記内側表面は少なくとも１つの中空の内部空間を画定し、
前記先端は、
少なくとも１つの中空の内部空間を取り囲む先端キャップと、
前記基板の半径方向外側の端部に配置された先端リムと、
を備え、
前記外側表面は１つまたは複数の溝を画定し、
各溝は少なくとも部分的に前記先端キャップの外側表面に沿って延在すると共に底部を有する、
基板と、
前記基板の前記先端キャップと、前記先端リムと、前記外側表面の少なくとも一部との上に配置されたコーティングであって、
前記コーティングは少なくとも１つの構造コーティングを含み、
前記構造コーティングは、前記１つまたは複数の溝および前記構造コーティングが前記構成要素を冷却するための１つまたは複数のチャネルを一緒に画定するように、前記１つまたは複数の溝上に延在する、
コーティングと、
を備え、
各冷却チャネルは少なくとも部分的に前記先端キャップに沿って延在する、構成要素。
前記先端キャップは、少なくとも１つの中空の内部空間と少なくとも１つの冷却チャネルとの間に延在してこれらの間の流体連通を提供する少なくとも１つのアクセスチャネルを画定し、前記個々のアクセスチャネルは前記個々の冷却チャネルの底部と交差する、請求項１１に記載の構成要素。
前記基板は、前記先端リムの下に延在して少なくとも１つの冷却チャネルと流体連通する少なくとも１つの排液チャネルを画定する、請求項１２に記載の構成要素。
前記基板は圧力側壁および吸引側壁を画定し、前記圧力側壁および吸引側壁は、前記構成要素の前縁および後縁で一体に結合し、前記構成要素の根本から前記構成要素の先端まで延在し、
前記先端キャップは傾斜した半径方向外側の端部を有し、前記先端キャップは、個々の冷却チャネルと圧力側壁または吸引側壁の一方との間に延在する少なくとも１つの排液孔を画定する、
請求項１１から１３のいずれかに記載の構成要素。
各溝は開口部を有し、各溝は、前記溝の開口部で狭くなっており、したがって、各冷却チャネルがリエントラント形冷却チャネルを構成するように、リエントラント形溝を構成する、請求項１１から１４のいずれかに記載の構成要素。
前記構造コーティングは、前記構造コーティングが各溝を完全にはふさがないように、１つまたは複数の透過性スロットを画定する、請求項１１から１５のいずれかに記載の構成要素。
前記構造コーティングは各溝を密封する、請求項１１から１５のいずれかに記載の構成要素。
構成要素であって、前記構成要素は、
外側表面と内側表面と先端とを備える基板であって、
前記内側表面は少なくとも１つの中空の内部空間を画定し、
前記先端は、
前記少なくとも１つの中空の内部空間を取り囲む先端キャップと、
前記基板の半径方向外側の端部に配置された先端リムと、
を備え、
前記外側表面は１つまたは複数の溝を画定し、
各溝は少なくとも部分的に前記基板の外側表面に沿って延在すると共に底部を有する、
基板と、
前記基板の前記先端キャップと、前記先端リムと、前記外側表面の少なくとも一部との上に配置されたコーティングであって、
前記コーティングは、ニッケル基合金またはコバルト基合金を含む少なくとも１つの構造コーティングを含み、
前記構造コーティングは、前記１つまたは複数の溝上に、前記１つまたは複数の溝および前記構造コーティングが前記構成要素を冷却するための１つまたは複数のチャネルを一緒に画定するように延在する、
コーティングと、
を備え、
各冷却チャネルは少なくとも部分的に前記先端リムに沿って延在する、
構成要素。
各冷却チャネルは前記先端リムの長さに沿って延在する、請求項１８に記載の構成要素。
各冷却チャネルは部分的にのみ前記先端リムの長さに沿って延在する、請求項１８または１９に記載の構成要素。
各溝は開口部を有し、各溝は、前記溝の開口部で狭くなっており、したがって、各冷却チャネルがリエントラント形冷却チャネルを構成するように、リエントラント形溝を構成する、請求項１８から２０のいずれかに記載の構成要素。
前記構造コーティングは、前記構造コーティングが各溝を完全にはふさがないように、１つまたは複数の透過性スロットを画定する、請求項１８から２１のいずれかに記載の構成要素。
前記構造コーティングは各溝を密封する、請求項１８から２１のいずれかに記載の構成要素。
前記構成要素はタービンエーロフォイルを構成し、各々の中空の内部空間は少なくとも１つのフローチャネルの個々のセグメントを備える、請求項１８から２３のいずれかに記載の構成要素。
前記基板は、個々の中空の内部空間と少なくとも１つの冷却チャネルとの間に延在してこれらの間の流体連通を提供する少なくとも１つのアクセスチャネルをさらに画定し、前記個々のアクセスチャネルは前記個々の冷却チャネルの底部と交差する、請求項１８から２４のいずれかに記載の構成要素。
構成要素であって、前記構成要素は、
外側表面と内側表面と先端とを備える基板であって、
前記内側表面は少なくとも１つの中空の内部空間を画定し、
前記先端は、
前記少なくとも１つの中空の内部空間を取り囲む先端キャップと、
前記基板の半径方向外側の端部に配置され、先端棚を有する先端リムと、
を備え、
前記外側表面は１つまたは複数の溝を画定し、
各溝は少なくとも部分的に前記基板の前記外側表面に沿って延在すると共に底部を有する、
基板と、
前記基板の前記先端キャップと、前記先端リムと、前記先端棚と、前記外側表面の少なくとも一部との上に配置されたコーティングであって、
前記コーティングは、ニッケル基合金またはコバルト基合金を含む少なくとも１つの構造コーティングを含み、
前記構造コーティングは、前記１つまたは複数の溝上に、前記１つまたは複数の溝および前記構造コーティングが前記構成要素を冷却するための１つまたは複数のチャネルを一緒に画定するように延在する、
コーティングとを備え、
前記基板は圧力側壁および吸引側壁を画定し、前記圧力側壁および吸引側壁は、前記構成要素の前縁および後縁で一体に結合し、前記構成要素の根本から前記構成要素の先端まで延在し、
少なくとも１つのチャネルは、前記圧力側壁に少なくとも部分的に沿って延在し、前記先端棚と交差する、
構成要素。
各溝は開口部を有し、各溝は、前記溝の前記開口部で狭くなっており、したがって、各冷却チャネルがリエントラント形冷却チャネルを構成するように、リエントラント形溝を構成する、請求項２６に記載の構成要素。
前記構造コーティングは、前記構造コーティングが各溝を完全にはふさがないように、１つまたは複数の透過性スロットを画定する、請求項２６または２７に記載の構成要素。
前記構造コーティングは各溝を密封する、請求項２６または２７に記載の構成要素。
前記構成要素はタービンエーロフォイルを構成し、各々の中空の内部空間は少なくとも１つのフローチャネルの個々のセグメントを備える、請求項２６から２９のいずれかに記載の構成要素。
前記基板は、個々の中空の内部空間と少なくとも１つの冷却チャネルとの間に延在してこれらの間の流体連通を提供する少なくとも１つのアクセスチャネルをさらに画定し、前記個々のアクセスチャネルは前記個々の冷却チャネルの底部と交差する、請求項２６から３０のいずれかに記載の構成要素。