(57)【要約】      （修正有）【課題】耐久性があって、長持ちするローターブレードのプラットホームであって、性能が優れ、コスト効率よく製造できるものを提供する。【解決手段】エーロフォイル１０２と翼根との間の境界面にプラットホーム１１０を有するタービンローターブレードでのプラットホーム冷却構成を提供する。プラットホームは、正圧側スラッシュ面および負圧側スラッシュ面を含み得る。プラットホーム冷却構成は、プラットホームの内部に形成された冷却チャネル１３６を含むことができ、冷却チャネルは第１の端部から正圧側スラッシュ面および負圧側スラッシュ面の一方に向かって延びる。第２の端部では、冷却チャネルはポケット部１４４を含むことができる。ポケット部は、冷却チャネルがスラッシュ面に達する直前に断面流動面積が急増する部分を含み得る。【選択図】図１２
2014047786.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エーロフォイルと翼根との間の境界面にプラットホームを有するタービンローターブレードにおけるプラットホーム冷却構成であって、前記プラットホームが正圧側スラッシュ面および負圧側スラッシュ面を備えるプラットホーム冷却構成において、
前記プラットホームの内部に形成された冷却チャネルであって、第１の端部から前記正圧側スラッシュ面および前記負圧側スラッシュ面の一方に向かって延びる冷却チャネルを備え、
第２の端部において、前記冷却チャネルはポケット部を備え、前記ポケット部は、前記冷却チャネルが前記正圧側スラッシュ面および前記負圧側スラッシュ面の前記一方に達する直前に断面流動面積が急増する部分を含む、プラットホーム冷却構成。
【請求項２】
前記冷却チャネルの前記第１の端部は、前記プラットホームの下側に形成された孔部に連結されており、前記孔部は、作動中にシャンク空洞部冷却源との間で流体が行き来するように構成されている、請求項１記載のプラットホーム冷却構成。
【請求項３】
前記冷却チャネルの前記第１の端部は、前記プラットホームの内部に形成されたプレナムに連結されており、前記プレナムは、前記冷却チャネルの断面流動面積よりも大きな断面流動面積を備える、請求項３記載のプラットホーム冷却構成。
【請求項４】
前記ローターブレードは内部冷却通路を含み、前記内部冷却通路は、前記ローターブレード内に形成されていて、前記ローターブレードの前記翼根にある冷却剤供給源との接続部から、少なくとも、ほぼ前記プラットホームの径方向高さまで延びており、
前記プラットホーム冷却構成は、前記プレナムを前記内部冷却通路に連結するコネクターをさらに備える、
請求項３記載のプラットホーム冷却構成。
【請求項５】
複数の冷却チャネルをさらに備え、
前記複数の冷却チャネルの各々が前記プレナムに前記第１の端部で連結しており、
前記第２の端部において、前記複数の冷却チャネルの各々は前記ポケット部を含み、前記ポケット部の各々は、前記冷却チャネルが前記正圧側スラッシュ面および前記負圧側スラッシュ面の前記一方に達する直前に断面流動面積が急増する部分を含む、
請求項３記載のプラットホーム冷却構成。
【請求項６】
前記複数のポケット部は、前記負圧側スラッシュ面に沿って配されている、請求項５記載のプラットホーム冷却構成。
【請求項７】
前記複数のポケット部は、前記正圧側スラッシュ面に沿って一定間隔で配されており、前記複数のポケット部は、４個から８個のポケット部からなる、請求項５記載のプラットホーム冷却構成。
【請求項８】
前記複数のポケット部は、前記正圧側スラッシュ面に沿って分散しており、前記複数のポケット部の各々は、正圧側スラッシュ面に形成された凹状のくぼみを備えている、請求項５記載のプラットホーム冷却構成。
【請求項９】
前記複数のポケット部の各々は、前記正圧側スラッシュ面と同一平面にある口部を含み、
前記口部から、前記ポケット部の各々がプラットホームの中へと短い距離を延び、前記口部の反対側にある内壁で終端しており、
前記ポケット部の各々は孔部を備えていて、前記冷却チャネルの中を移動する冷却剤が前記孔部を通って前記ポケット部に入り、
前記孔部は、前記ポケット部の前記内壁に配されている、
請求項８記載のプラットホーム冷却構成。
【請求項１０】
前記複数のポケット部の各々の前記口部は、長方形の断面を備えている、請求項９記載のプラットホーム冷却構成。
【請求項１１】
前記ポケット部の各々は、
前記口部と前記内壁との間の周方向の距離を定義する深さと、
前記ポケット部の径方向高さを定義する高さと、
前記ポケット部の軸方向の幅である幅とを備え、
前記ポケット部は、深さが前記プラットホームの周方向の深さの０．１から０．６倍となるように構成されており、
前記ポケット部の高さは、前記プラットホームの径方向高さの０．１から０．９倍であり、
前記ポケット部の幅は、前記プラットホームの軸方向幅の０．１から０．４倍であり、
前記孔部は、前記口部の断面流動面積の０．１から０．６倍である断面流動面積を備える、
請求項９記載のプラットホーム冷却構成。
【請求項１２】
前記ポケット部の各々は、
前記口部と前記内壁との間の周方向の距離を定義する深さと、
前記ポケット部の径方向高さを定義する高さと、
前記ポケット部の軸方向の幅である幅とを備え、
前記ポケット部は、深さが前記プラットホームの周方向の深さの０．２から０．３倍となるように構成されており、
前記ポケット部の高さは、前記プラットホームの径方向高さの０．４から０．８倍であり、
前記ポケット部の幅は、前記プラットホームの軸方向幅の０．２から０．３倍であり、
前記孔部は、前記口部の断面流動面積の０．２から０．４倍である断面流動面積を備える、
請求項９記載のプラットホーム冷却構成。
【請求項１３】
前記口部は、前記孔部および前記冷却チャネルのいずれよりも大きな断面流動面積を備えている、請求項８記載のプラットホーム冷却構成。
【請求項１４】
さらにポケット間チャネルを備え、前記ポケット間チャネルは、前記複数のポケット部の１つを隣り合うポケット部に連結する内部チャネルを備える、請求項８記載のプラットホーム冷却構成。
【請求項１５】
前記ポケット間チャネルは、前記正圧側スラッシュ面と平行であり、前記１つのポケット部と前記隣り合うポケット部との間で流体が行き来できるように構成されている、請求項１４記載のプラットホーム冷却構成。
【請求項１６】
前記ポケット間チャネルは、前記１つのポケット部および前記隣り合うポケット部の各々の口部の断面流動面積よりも小さい断面流動面積を備える、請求項１４記載のプラットホーム冷却構成。
【請求項１７】
さらにポケット−上側間チャネルを備え、前記ポケット−上側間チャネルは、前記複数のポケット部の１つを前記プラットホームの上側に連結する内部チャネルを備える、請求項８記載のプラットホーム冷却構成。
【請求項１８】
前記ポケット−上側間チャネルは、前記ポケット部の外側寄りの内面に配置された孔部と、前記プラットホームの上側に形成された上側孔部との間で流体が行き来できるように構成されている、請求項１７記載のプラットホーム冷却構成。
【請求項１９】
前記ポケット−上側間チャネルは、前記ポケット部の前記口部の断面流動面積よりも小さい断面流動面積を備え、
前記ポケット−上側管チャネルは、下流方向に傾いている、
請求項１７記載のプラットホーム冷却構成。
【請求項２０】
前記プレナムは中空の連絡通路を備え、前記プレナムは、内部の位置から、前記正圧側スラッシュ面および前記負圧側スラッシュ面の一方の近くにある位置まで延びており、
前記プレナムは、前記正圧側スラッシュ面および前記負圧側スラッシュ面の一方に形成された別のポケット部に連結されたプレナム出口を含み、
前記プレナム出口は、前記プレナムの断面流動面積よりも小さい断面流動面積を備える、請求項５記載のプラットホーム冷却構成。
【請求項２１】
前記プレナム出口の断面流動面積は、所望の調節特性が達成できるように構成されている、請求項２０記載のプラットホーム冷却構成。
【請求項２２】
前記プレナムと前記ポケット部との間に位置する一体でないプラグをさらに備え、前記一体でないプラグは、前記プレナムの断面流動面積を小さくして、前記プレナム出口を形成するように構成されている、請求項２１記載のプラットホーム冷却構成。
【請求項２３】
前記プレナムは、前記複数の冷却チャネルが分岐する供給チャンバーを備え、
前記複数の冷却チャネルの各々は、前記プレナムと、前記ポケット部の１つとの間に延びる直線的な連絡通路を備えている、請求項５記載のプラットホーム冷却構成。
【請求項２４】
複数のプレナムをさらに備え、前記複数のプレナムの各々は、前記プレナムから分岐する複数の冷却チャネルを含む、請求項２３記載のプラットホーム冷却構成。
【請求項２５】
エーロフォイルおよび翼根の間の境界面にプラットホームを有するタービンローターブレードにおけるプラットホーム冷却構成であって、前記ローターブレードは内部冷却通路を含み、前記内部冷却通路は前記ローターブレード内に形成されていて、前記翼根にある冷却剤供給源との接続部から、少なくとも、ほぼ前記プラットホームの径方向高さまで延びており、前記エーロフォイルの正圧側と一致する側面に沿って、前記プラットホームの正圧側は、前記エーロフォイルから正圧側スラッシュ面まで周方向に延びる上側を備え、前記エーロフォイルの負圧側と一致する側面に沿って、前記プラットホームの負圧側は、前記エーロフォイルから負圧側スラッシュ面まで周方向に延びる上側を備えるプラットホーム冷却構成において、
前記平坦な上側の少し中央寄りにあり、内部の位置から、前記プラットホームの前記正圧側スラッシュ面および前記負圧側スラッシュ面の一方の近くにある位置まで延びるプレナムであって、前記平坦な上側にほぼ平行な長手方向軸を有するプレナムと、
前記プレナムおよび前記内部冷却通路を流動可能に連結するように構成されたコネクターと、
複数の冷却チャネルであって、各々が、第１の端部にプレナムとの接続部を、第２の端部に、前記正圧側スラッシュ面および負圧側スラッシュ面の一方に形成されたポケット部を含む冷却チャネルと
を備え、
前記ポケット部の各々は、前記冷却チャネルの断面流動面積が急増する部分を含み、前記断面流動領域が急増する部分は、前記ポケット部の内壁に沿って形成された孔部から、前記正圧側スラッシュ面および前記負圧側スラッシュ面の一方と同一平面にある口部まで及んでいる、
プラットホーム冷却構成。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、概して、燃焼タービンエンジンに関するものであり、燃焼タービンエンジンは、本明細書で使用する場合、他に特に述べない限り、発電用エンジンおよび航空機用エンジンで使用されるものなど、あらゆるタイプの燃焼タービンエンジンを含む。より具体的には、限定はしないが、本出願は、タービンローターブレードのプラットホーム領域を冷却する装置、システム、および／または方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、通常、圧縮機、燃焼器、およびタービンを含んでいる。圧縮機およびタービンは、一般に、軸方向に段状に重ねられたエーロフォイルまたはブレードの列を含んでいる。各段は、通常、周方向に間隔を空けて配置され、固定されているステーターブレードの列と、周方向に間隔を空けて配置され、中心軸、すなわち、シャフト周りに回転する一組のローターブレードを含んでいる。作動中、圧縮機内のローターブレードは、シャフト周りに回転し、空気の流れを圧縮する。圧縮した空気は、次に燃焼器内で、供給された燃料を燃焼させるために使用される。この燃焼工程の結果得られた高温ガス流は、タービンを通って膨張し、ローターブレードに、それらが取り付けられているシャフトを回転させる。このようにして、燃料に含まれていたエネルギーが回転シャフトの機械的なエネルギーに変換され、この機械的なエネルギーは、次に、例えば発電機のコイルを回転させて発電を行うのに使用できる。
【０００３】
図１および図２を参照すると、タービンローターブレード１００は、一般に、エーロフォイル部分またはエーロフォイル１０２と、根元部分または翼根１０４とを含んでいる。エーロフォイル１０２は、凸状の負圧面１０５と凹状の正圧面１０６とを有すると説明できる。エーロフォイル１０２は、さらに、前方の縁部である前縁部１０７と、後方の縁部である後縁部１０８とを有すると説明できる。翼根１０４は、ブレード１００をロータシャフトに取り付けるための構造（この構造は、示されているように、通常はあり継ぎ１０９を含む）と、エーロフォイル１０２が延び出すプラットホーム１１０と、あり継ぎ１０９とプラットホーム１１０との間の構造を含むシャンク１１２とを有すると説明できる。
【０００４】
図示のように、プラットホーム１１０は、実質的に平坦なことがある。より具体的には、プラットホーム１１０は平坦な上側１１３を有することができ、この上側１１３は、図１に示すように、軸方向および周方向に延びる平面を含むことができる。図２に示すように、プラットホーム１１０は平坦な下側１１４を有することができ、下側１１４もまた軸方向および周方向に延びる平面を含むことができる。プラットホーム１１０の上側１１３および底部側１１４は、各々が他方に対して実質的に平行となるように形成できる。描かれているように、プラットホーム１１０が通常は径方向に薄い断面、つまり、プラットホーム１１０の上側１１３と底部側１１４との間の径方向距離が比較的短いということは分かるであろう。
【０００５】
一般的に、プラットホーム１１０がタービンローターブレード１００に利用されるのは、ガスタービンの高温ガス路セクションの内側流路の境界を形成するためである。プラットホーム１１０はさらに、エーロフォイル１０２を構造的に支持する。作動中、タービンの回転速度により機械的な負荷が引き起こされ、この機械的負荷によりプラットホーム１１０に沿って非常に応力が高い領域が生じ、高温とあいまって、酸化、クリープ、低周波疲労亀裂その他の動作上の欠陥を最終的に形成する。これらの欠陥は、もちろん、ローターブレード１００の耐用年数に悪影響を与える。これらの過酷な作動条件、つまり、高温ガス路の極端な温度にさらされることやブレードが回転することに関連した機械的な負荷が掛かるために、耐久性があって、長持ちするローターブレードのプラットホーム１１０であって、性能が優れ、コスト効率よく製造できるものを設計することがかなり難しい問題となっていることは分かるであろう。
【０００６】
プラットホーム領域１１０の耐久性を高かめる一般的な解決法の一つは、プラットホーム領域１１０を圧縮空気流または他の冷却剤の流れで作動中に冷却することであり、このタイプのさまざまなプラットホームの設計が知られている。しかしながら、当業者には分かるであろうが、プラットホーム領域１１０には設計上のある難問があり、この方法でプラットホーム領域１１０を冷却することは難しい。かなりの部分において、これは、この領域が、説明したように、プラットホーム１１０がローターブレードの中央コア部から離れたところにある周縁構成要素であり、通常、構造的に強固であるが径方向の厚みが薄い設計となっているという点で厄介な幾何学形状をしていることに起因する。
【０００７】
冷却剤を循環させるために、ローターブレード１００は、通常、１つまたは複数の中空冷却通路１１６を有し（図３、図４、図５、および、図９を参照）、この冷却通路１１６は、翼根１０４およびエーロフォイル１０２を通ることも含め、少なくともブレード１００の中心部を通って径方向に延びている。以下により詳細に説明するように、熱交換を増大させるためにこのような冷却通路１１６を形成することがあり、この冷却通路１１６はブレード１００の中央領域を曲がりくねって通る蛇行路を有するが、他の構成も可能である。作動中、冷却剤は、翼根１０４の中央寄りの部分に形成された１つまたは複数の入口１１７を介して中央の冷却通路に入ることができる。冷却剤は、ブレード１００を通って循環し、エーロフォイルに形成された出口（不図示）を通って、および／または、翼根１０４に形成された１つまたは複数の出口（不図示）を介して出ていくことができる。冷却剤は加圧してもよく、また、冷却剤は、例えば、圧縮空気、水と混合した圧縮空気、蒸気などを含み得る。多くの場合、冷却剤はエンジンの圧縮機から迂回させた圧縮空気であるが、他の供給源も可能である。以下により詳細に説明するように、これらの冷却通路は、通常、高圧の冷却剤領域および低圧の冷却剤領域を含む。高圧の冷却剤領域は、通常、冷却剤の圧力が高い冷却通路の上流側部分に対応し、一方、低圧の冷却剤領域は、冷却剤の圧力が比較的低い冷却通路の下流側部分に対応している。
【０００８】
場合によっては、冷却剤は、冷却通路１１６から、近接するローターブレード１００のシャンク１１２とプラットホーム１１０との間に形成された空洞部１１９へ導かれることがある。空洞部１１９から、ブレードのプラットホーム領域１１０を冷却するのに冷却剤を使用することができる。このような従来の設計を図３に示した。このタイプの設計は、通常、冷却通路１１６の一方から空気を引き抜き、その空気を用いてシャンク１１２／プラットホーム１１０の間に形成された空洞部１１９を加圧する。加圧すると、この空洞部１１９は、次に、プラットホーム１１０を通って延びている冷却チャネル（ｃｈａｎｎｅｌ）に冷却剤を供給する。プラットホーム１１０を横切った後、冷却空気は、プラットホーム１１０の上側１１３に形成された膜冷却孔を通って空洞部から出ていくことができる。
【０００９】
しかしながら、このタイプの従来の設計にはいくつかの欠点があることは分かるであろう。第１に、冷却回路は、２つの隣り合うローターブレード１００を組み立てることで初めて形成されるのであり、一つの部品に内蔵されているのではない。このため、取付、および、取付前の流動試験がかなりの程度難しく、複雑になる。第２の欠点は、近接するローターブレード１００の間に形成される空洞部１１９の完全性が空洞部１１９の周囲がどれだけ良好にシールされるかに依存することである。シールが不十分であると、プラットホームの冷却が不十分になり、かつ／または、冷却空気を浪費する可能性がある。第３の欠点は、高温ガス路のガスが空洞部１１９またはプラットホーム１１０自体に吸い込まれる可能性がある、という固有のリスクである。これは、作動中に空洞部１１９を十分な高圧に維持していない場合に起きることがある。空洞部１１９の圧力が高温ガス路内の圧力を下回った場合、高温ガスはシャンク空洞部１１９またはプラットホーム１１０自体に吸い込まれることになる。これらの構成部品は、高温ガス路の状態にさらされることに耐えられるように設計されていないため、通常、損傷を受ける。
【００１０】
図４および図５は、プラットホーム冷却についての別のタイプの従来設計を図示している。この場合は、描かれているように、冷却回路はローターブレード１００内に含まれ、シャンク空洞部１１９を伴っていない。冷却用の空気は、ブレード１００の中心部を通って延びる冷却通路１１６の１つから引き抜かれ、プラットホーム１１０内に形成された冷却チャネル１２０（すなわち、「プラットホーム冷却チャネル１２０」）を通って後方へと導かれる。いくつかの矢印で示すように、冷却用の空気は、プラットホーム冷却チャネル１２０を通って流れ、プラットホーム１１０の後縁部１２１にある出口を通って、または、負圧側縁部１２２に沿って配した出口から出ていく。（なお、長方形のプラットホーム１１０の縁部または面を説明または言及する場合、各々は、エーロフォイル１０２の負圧面１０５と正圧面１０６、および／または、ブレード１００を取り付けたときのエンジンの前方方向および後方方向に関するその位置に基づいて描写できる。したがって、当業者には分かるであろうが、プラットホームは、図３および図４に図示するように、後縁部１２１、負圧側縁部１２２、前縁部１２４、および正圧側縁部１２６を含み得る。さらに、負圧側縁部１２２および正圧側縁部１２６は、一般的に「スラッシュ面」ともいい、隣り合うローターブレード１００を取り付けると間に形成される幅の狭い空洞部は「スラッシュ面空洞部」ということがある。）
図４および図５の従来の設計が、組み立てや取付条件でのばらつきに影響されない、という点で図３の設計よりも有益であることは分かるであろう。しかしながら、この種の従来の設計には、いくつかの制限や欠点がある。第１に、図示のように、エーロフォイル１０２の両側にそれぞれ回路が一つしか設けられておらず、そのため、プラットホーム１１０のさまざまな場所で使用される冷却用の空気の量を制御するのに限界があるという不都合がある。第２に、このタイプの従来設計は、対象領域が一般に限定される。図５の蛇行経路は、対象範囲の点で図４より改善されているが、プラットホーム１１０内には、依然として冷却されずに残るデッドエリア（ｄｅａｄ  ａｒｅａ）ある。第３に、入り組んだ形状のプラットホーム冷却チャネル１２０でより広い対象範囲を得るためには、製造コストが、特に冷却チャネルが鋳造工程を形成する必要のある形状を有する場合に、劇的に増加する。第４に、これらの従来の設計は、通常、冷却剤を使用した後、かつ、完全に排出する前に、冷却剤を高温ガス路に捨てるが、これはエンジンの効率に悪影響を与える。第５に、この種の従来の設計は、一般に、ほとんど自由度がない。つまり、チャネル１２０はプラットホーム１１０に一体の部分として形成され、作動条件が変化したときに、チャネル１２０の機能または構成を変える状況はほとんどないか、まったくない。さらに、従来のこれらのタイプの設計は、修理または修繕をするのが難しい。
【００１１】
別の問題は、正圧側スラッシュ面１２６および負圧側スラッシュ面１２２を冷却する難しさに関連している。従来の設計は、冷却剤を放出するためにスラッシュ面１２６、１２２に配置した孔部を含むことがある。孔部は、冷却剤の衝突高速流を放出するように構成されている。しかし、これら従来技術では、孔部の出口形状が精巧なものではなく、結果として各孔部の周りの温度勾配が急になり、より一般的には、プラットホームのスラッシュ面に沿って、また、衝突流が対象とする面で温度勾配が急になる。このような温度勾配は、ローターブレードのこの領域内での劣化を増大させる。結果として、従来のプラットホームの冷却設計では、１つまたは複数の重要な規準が欠けている。タービンローターブレードのプラットホーム領域を効率的かつ効果的に冷却しつつ、また、組み立てのコスト効率がよく、適用に自由度があり、そして耐久性のある改良された装置、システム、および方法に対する需要が依然としてある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０３２２７６７号明細書
【発明の概要】
【００１３】
本願は、このように、エーロフォイルと翼根との間の境界面（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）にプラットホームを有するタービンローターブレードでのプラットホーム冷却構成（ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）を説明する。プラットホームは、正圧側スラッシュ面および負圧側スラッシュ面を含み得る。プラットホーム冷却構成は、プラットホームの内部に形成された冷却チャネルを含むことができ、冷却チャネルは第１の端部から正圧側スラッシュ面および負圧側スラッシュ面の一方に向かって延びる。第２の端部では、冷却チャネルはポケット部を含むことができる。ポケット部は、冷却チャネルがスラッシュ面に達する直前に断面流動面積（ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎａｌ  ｆｌｏｗ  ａｒｅａ）が急増する部分を含み得る。
【００１４】
本願のこれらの特徴および他の特徴は、図面および添付の特許請求の範囲を参照しながら、好ましい実施形態の以下の詳細な説明を精査すると、明らかとなるであろう。
【００１５】
本発明のこれらの特徴および他の特徴は、添付図面を参照しながら、発明の例示的な実施形態の以下の詳細な説明を注意深く検討すれば完全に理解し、分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態を利用できる例示的なタービンローターブレードの斜視図を示す図である。
【図２】本発明の実施形態を使用できるタービンローターブレードの下面図である。
【図３】従来の設計による冷却システムを有する、隣り合うタービンローターブレードの断面図である。
【図４】従来の設計による内部冷却チャネルがあるプラットホームを有するタービンローターブレードの上面図である。
【図５】代替となる従来の設計による内部冷却チャネルがあるプラットホームを有するタービンローターブレードの上面図である。
【図６】本発明の例示的な実施形態によるプラットホーム冷却構成を有するタービンローターブレードの斜視図である。
【図７】本発明の例示的な実施形態による冷却構成を有するタービンローターブレードのプラットホームの上面図を部分断面図と共に示す図である。
【図８】図７の８−８に沿ったよく見える位置からの正面図である。
【図９】図７の９−９に沿った断面図である。
【図１０】本願の代替実施形態によるプラットホーム冷却構成の側面図である。
【図１１】本願の代替実施形態によるプラットホーム冷却構成の側面図である。
【図１２】本発明の代替実施形態によるプラットホーム冷却構成を有するタービンローターブレードの上面図を部分断面図と共に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
前述したように、さまざまな従来設計の内部冷却通路１１６がローターブレード内の特定の領域を冷却するのにある程度有効である。しかし、当業者には分かるであろうが、プラットホーム領域では問題がより困難である。これは、少なくとも部分的には、プラットホームの幾何学形状が取り扱いにくいものであること、すなわち、プラットホームの径方向高さが低いこと、および、プラットホームがローターブレード１００の中心部またはメインボディから突出するその仕方に起因している。にもかかわらず、プラットホームが極端な温度にさらされることや高い機械的負荷が掛かることを考えると、プラットホーム１１０を冷却する必要性は無視できない。前述したように、従来のプラットホーム冷却設計は、この領域に特有の難題に取り組んでいないために効果がなく、冷却剤の使用量の割に効率が悪く、かつ／または、作るのにコストがかかる。
【００１８】
いくつかの特定の説明用語を使って本願の例示的な実施形態を説明することがある。これらの用語の意味は以下の定義を含むことになる。用語「下流」および「上流」は、タービンを通る作動流体の流れ、場合によっては、冷却通路を通る流体の流れに対する方向を示す用語である。したがって、用語「下流」は流れの方向を意味し、用語「上流」は流れの反対方向を意味する。用語「径方向の」は、軸に垂直な動きまたは位置をいう。この軸に対して異なる径方向位置にある部品を説明する必要がよくある。このような場合、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸の近くにあれば、第１の構成要素が第２の構成要素の「中央寄り」または「径方向内側」にあると本明細書で述べることができる。他方、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸から遠くにあれば、第１の構成要素が第２の構成要素の「外側寄り」または「径方向外側」にあると本明細書で述べることができる。用語「軸方向」は、軸に平行な動きまたは位置をいう。また、用語「周方向」は軸周りの動きまたは位置をいう。特に述べない限り、用語「径方向」、「軸方向」または「周方向」を使用するときは、タービンエンジンの中心軸に関して使用する。
【００１９】
冷却剤を内部に循環させることで冷却されるタービンブレードは、通常、内部冷却通路１１６を含み、この内部冷却通路１１６は、いくつかの従来の冷却設計に関連して前述したように、翼根から径方向外側へ延び、プラットホーム領域を通り、エーロフォイルの中へ入る、ということは分かるであろう。本発明の特定の実施形態は、従来の冷却剤通路と共に使用して、効率的で活発なプラットホームの冷却を可能にする、または、強化することができ、また、本発明が例示的で一般的な設計、つまり、曲がりくねった、または、蛇行した構成の内部冷却通路１１６に関連して議論される、ということは分かるであろう。図５および７に描かれているように、蛇行経路は、通常、冷却剤の一方向への流れが可能となるように構成され、冷却剤と、周囲のローターブレード１００との間の熱交換を促進する特徴部を含んでいる。作動中、（蒸気などの他のタイプの冷却剤も本発明の実施形態で使用してもよいが）通常は圧縮機から抜いた圧縮空気である加圧冷却剤が内部冷却通路１１６に、翼根１０４に形成された接続部を介して供給される。圧力により冷却剤が内部冷却通路１１６の中を流れ、冷却剤の対流によって熱が周囲の壁部から移動する。本発明は、さまざまな構成の内部冷却通路を有するローターブレード１００に使用することができ、蛇行形状をした内部冷却通路に限定されないことは分かるであろう。したがって、本明細書で使用する場合、用語「内部冷却通路」または「冷却通路」は、そこを通ることで冷却剤がローターブレードを循環することができるあらゆる通路または中空チャネルを含むことを意味する。本明細書で示すように、例示する内部冷却通路１１６は、少なくとも、ほぼプラットホーム１１６の径方向の高さまで延びている。示されてはいないが、本発明は、図３に図示した供給源のような、シャンクから冷却剤を供給する供給源を使用して利用することもできる。
【００２０】
ここで図６から図１２を参照すると、本発明の例示的な実施形態のいくつかの図が与えられている。本発明では、タービンローターブレードのプラットホームのスラッシュ面に沿って形成された、くぼんだ幾何学的形状の特徴部またはポケット部を説明する。これらの特徴部は、プラットホームを通るように形成された内部冷却チャネルに連結された一組のポケット部を含む。内部冷却チャネルには、ローターブレードの翼根にある内部チャネルから、または、２つの近接するローターブレードの間に形成されたシャンク空洞部から冷却剤を供給することができる。以下に詳述するように、本願のくぼんだ幾何学的形状の特徴部は、冷却剤をプラットホームから噴出させる直前に冷却剤の作用を弱め、遅くするのに利用することができ、このことは、結果としてローターブレードのスラッシュ面において熱勾配を小さくする助けとなることができる。
【００２１】
図６から図１２は、本発明の好ましい実施形態によるプラットホーム冷却構成１３０を有するタービンローターブレード１００を図示している。示されているように、ローターブレード１００は、エーロフォイル１０２と翼根１０４との境界面にあるプラットホーム１１０を含む。示した例示的な実施形態では、ローターブレード１００が内部冷却通路１１６を含み、この内部冷却通路１１６は、翼根１０４からプラットホーム１１０の径方向の高さまで延び、そしてこの場合には、エーロフォイル１０２に入る。エーロフォイル１０２の正圧面１０６に対応するプラットホーム１１０の側では、プラットホーム１１０が、エーロフォイル１０２から正圧側スラッシュ面１２６まで延びる平坦な上側１１３を有し得ることが分かるであろう。（なお、「平坦な」とは、本明細書で使用する場合、ほぼ、または、実質的に平面の形状であることを意味する。例えば、当業者には分かるであろうが、プラットホームは、外側寄りの面が若干湾曲していて凸状であり、曲率がローターブレードの径方向位置でのタービンの外周に対応するように構成できる。本明細書で使用する場合、このタイプのプラットホーム形状は平坦とみなされるが、これは、曲率半径が十分に大きく、プラットホームの外観が平らになるからである。）
プラットホーム１１０の内部に構成されているが、本発明の例示的な実施形態は、さまざまのタイプの中空連絡通路（ｐａｓｓａｇｅｗａｙ）を含み、これらの中空連絡通路は、冷却剤をプラットホーム１１０の複数領域に分散させるように構成される。他の構成も可能であるが、好ましい実施形態では、これらの中空冷却剤連絡通路は１つまたは複数のプレナム１３２と、１つまたは複数のコネクター（ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ）１３４と（コネクター１３４は、プレナム１３２を内部冷却剤通路１１６に連結する）、複数の冷却チャネル１３６とを含み、冷却チャネル１３６の各々は、一方の端部でプレナム１３２の１つから枝分かれし、かつ、他方の端部に、正圧側スラッシュ面１２６（または、代替実施形態では、負圧側スラッシュ面１２２）に沿って配置されたポケット部１４４を含む。ポケット部１４４は孔部１４６を含んでいてもよく、冷却チャネルを通って流れる冷却剤はこの孔部１４６を通ってポケット部１４４に入る。
【００２２】
特定の実施形態では、複数のポケット部１４４が正圧側スラッシュ面１２６に沿って分散させてある。図示のように、各ポケット部１４４は、一般的に、凹状のくぼみ、または、ボウル状の特徴部であり、正圧側スラッシュ面１２６に形成されている。各ポケット部１４４は、スラッシュ面１２６の平面と同一平面上にある口部１４８を含んでいる。図８に示すように、口部１４８の断面は、示されているように長方形のことがあるが、他の形状も可能である。ポケット部１４４は、口部１４８から、プラットホーム１１０の中へ比較的短い距離を内壁１４９まで延びている。内壁１４９は、口部１４８と反対側にある。孔部１４６は、ポケット部１４４の内壁１４９に形成できる。ポケット部１４４は、深さを有すると説明することができ、この深さは、周方向の深さを表し、あるいは、言い換えると、口部１４８と内壁１４９との間の距離を表す。ポケット部１４４は高さを有するとさらに説明することができ、この高さは、ポケット部１４４の径方向高さを表す。ポケット部１４４は、幅を有するとさらに説明することができ、この幅は、ポケット部１４４の軸方向の幅を表す。特定の好ましい実施形態では、ポケット部１４４のサイズ（つまり、ポケット部１４４の深さ、高さ、および、幅）をプラットホーム１１０の対応する寸法（つまり、それぞれ、プラットホーム１１０の周方向の深さ、径方向の高さ、および、軸方向の幅）に各々がどのように関連しているかによって表すことできる。例えば、特定の好ましい実施形態では、ポケット部１４４の深さがプラットホーム１１０の周方向の深さの０．１から０．６倍であってもよい。ポケット部１４４の高さは、プラットホーム１１０の径方向高さの０．１から０．９倍であってもよい。そして、ポケット部１４４の幅は、プラットホーム１１０の軸方向の幅の０．１から０．４倍であってもよい。特定の他の好ましい実施形態では、ポケット部１４４の深さは、プラットホーム１１０の周方向の深さの０．２から０．３倍であってもよい。ポケット部１４４の高さは、プラットホーム１１０の径方向高さの０．４から０．８倍であってもよい。そして、ポケット部１４４の幅は、プラットホーム１１０の軸方向の高さの０．２から０．３倍であってもよい。
【００２３】
前述したように、孔部１４６は、ポケット部１４４および口部１４８での断面流動面積よりもかなり小さい断面流動面積を有することができる。特定の好ましい実施形態では、孔部１４６が口部１４８の断面流動面積の０．１から０．６倍の断面流動面積を有する。特定の他の好ましい実施形態では、孔部１４６が口部１４８の断面流動面積の０．２から０．４倍の断面流動面積を有する。このタイプの断面流動面積の増加により、冷却剤が孔部１４６からポケット部１４４の口部１４８へ移動する際に、冷却剤の流れが遅くなるということは分かるであろう。
【００２４】
ポケット部１４４は、前述したように、内壁１４９に形成された孔部１４６を含むことができる。孔部１４６は、冷却チャネル１３６を介して、ポケット部１４４を冷却剤の供給源に流動可能につなぐ。好ましい実施形態では、孔部１４６は、冷却チャネル１３６を介してプレナム１３２と連結している。本発明がさまざまなタイプの冷却剤供給源と共に機能し得ることは分かるであろう。例えば、図１０に関連して以下に述べるように、孔部１４６は、シャンク空洞部の供給源から冷却剤を引き出すチャネルに連結することもできる。図示したように、孔部１４６は、ポケット部１４４の内壁１４９に配することができる。口部１４８は、ポケット部１４４に冷却剤を供給する孔部１４６／冷却チャネル１３６よりも大きな断面流動面積を有することは分かるであろう。ポケット部１４４を説明し得る別の方法は、冷却チャネル１３６がスラッシュ面１２２、１２６の一方に達する直前に、冷却チャネル１３６の断面流動面積が急に増大する構成をポケット部１４４が含むというものである。
【００２５】
実施形態によっては、図１０に図示するように、隣り合うポケット部１４４をポケット間チャネル１５１を介して連結することができる。ポケット間チャネル１５１は、ポケット部１４４の間で流体が行き来できるように構成される。ポケット間チャネル１５１は、冷却剤をより必要とされるエリアに導くことができる。図１０は、冷却チャネル１３６がポケット部１４４をシャンク空洞部１１９につなげる実施形態をもさらに含んでいる。この場合には、冷却チャネル１３６が、ポケット部１４４の内壁１４９に形成された孔部１４６からプラットホーム１１０の下側１１４に位置する下側孔部１５５まで延びる。図示のように、ポケット部１４４は、正圧側スラッシュ面１２６に沿って、エーロフォイル１０２の前縁部１０７と後縁部１０８との間で軸方向に集中させることができる。特定の好ましい実施形態では、４個から８個のポケット部を正圧側スラッシュ面１２６に沿って形成することができる。さらに、上記と同じ方法でポケット部１４４をプレナム出口１３３に形成することができる。
【００２６】
実施形態によっては、図１１に図示するように、ポケット部１４４をプラットホーム１１０の上側１１３に連結する排出チャネルをポケット部１４４が含むことがあり、この排出チャネルのことを本明細書ではポケット−上側間チャネル１６１という。具体的には、ポケット−上側間チャネル１６１は、天井、または、ポケット部１４４の外側寄りの内面に配置された孔部と、プラットホーム１１０の上側１１３に形成された上側スポート（ｓｐｏｒｔ）１６３との間で流体が行き来できるように構成される。ポケット−上側間チャネル１６１は、ポケット部１４４を流れる冷却剤の一部を膜冷却の目的でプラットホーム１１０の上側１１３に回すことを可能にし得ることは分かるであろう。ポケット−上側間チャネル１６１は、他のやり方で整列させてもよいが、好ましい実施形態では、ポケット−上側間チャネル１６１は、図示のように、下流方向に傾けることができる。このような方向に整列させると、混合損失が減り、また、より高い膜冷却効率が促進されて、冷却剤を減らせることは分かるであろう。
【００２７】
プレナム１３２に関しては、本発明の実施形態は、図７に図示したように、１つだけ、または、複数のプレナム１３２を含むことができる。各プレナム１３２は、平坦な上側１１３の少し中央寄りに形成できる。示されているように、特定の好ましい実施形態では、複数のプレナム１３２をプラットホーム１１０の正圧側内に設けることができる。ここで説明した特徴部は、プラットホーム１１０の負圧側に配置して、同様に機能させることもできることは分かるであろう。このような場合、ポケット部１４４は負圧側スラッシュ面１２２に沿って配される。このタイプの実施形態の例は図１２に図示されている。好ましい一実施形態では、プレナム１３２をブレード１００の前方エリアに配置し、別のプレナムをブレード１００の後方エリアに配置することもできる。
【００２８】
図７に与えられているように、形成したプレナム１３２の内の１つを他のものよりも前方の位置に配することができる。好ましい実施形態では、プレナムまたは複数のプレナム１３２をプラットホーム１１０の後縁部１２１および前縁部１２４とほぼ平行に整列させることができ、また、長くて、比較的幅が狭く、中空の連絡通路として構成することができる。プレナムまたは複数のプレナム１３２は、プラットホーム１１０の平坦な上側１２６に平行である長手方向軸を有することができる。特定の実施形態において、プレナム１３２の各々は、内部の位置から正圧側スラッシュ面１２６上の位置まで延びる。一般に、プレナム１３２は、供給チャンバーを形成するように構成することができ、この供給チャンバーからより小さい内部冷却剤連絡通路（つまり、冷却チャネル１３６）が分岐している。複数の冷却チャネル１３６を各プレナム１３２から分岐させることができる。この冷却チャネル１３６は、直線的であり、プレナム１３２から延びて離れるように構成できる。冷却チャネル１３６は、スラッシュ面の一方に形成されたポケット部１４４を含むことができる。この構成は、より詳細に後述するように、プラットホーム１１０のさまざまな領域内に効果的に冷却剤を分配するのに使用できることは分かるであろう。
【００２９】
特定の実施形態では、プレナム１３２がスラッシュ面の一方の方へ延び、また、このスラッシュ面の近くでプレナム出口１３３を含んでいる。プレナム出口１３３は、図７に示すように正圧側スラッシュ面１２６に、または、図１２に示すように負圧側スラッシュ面に形成された別のポケット部１４４に連結されている。図７の好ましい実施形態において、後方にあるプレナム１３２は、プレナム出口または出口１３３を正圧側スラッシュ面１２６の後方位置に含み、前方にあるプレナム１３２もまたプレナム出口１３３を正圧側スラッシュ面１２６の前方位置に含む。図示のように、プレナム出口１３３は、プレナム１３２の断面流動面積よりも小さい断面流動面積を有するように構成できる。プレナム出口１３３の断面流動面積をこのように縮小してもよいのは、冷却剤をプラットホームの内部全体に均一に分布させる必要があるからである。つまり、プレナム１３２は、冷却剤を少ない圧力損失でいくつかの冷却チャネル１３６に分布させるように設計できる。これを達成するために、プレナム１３２の断面流動面積は、通常、冷却チャネル１３６の断面流動面積よりも著しく大きい。プレナム出口１３３の大きさをプレナム１３２の大きさと比べて小さくしなければ、過度の量の冷却剤がプレナム出口１３３を通ってプラットホーム１１０から出ていき、冷却チャネル１３６に供給できる冷却剤が不十分になり得ることは分かるであろう。よって、プレナム出口１３３は、所望の調節特性に対応する断面流動面積を有する大きさにすることができる。「所望の調節特性」とは、本明細書で使用する場合、冷却通路の流動断面であって、いくつかの冷却通路全体、および／または、正圧側スラッシュ面１２６に沿って形成された出口全体に望み通りに冷却剤が分布すること、または、期待通りに冷却剤が分布することに対応する、または、結果としてなるものをいう。
【００３０】
実施形態によっては、図示のように、プラグ１３８を使用して、プレナム出口１３３が形成されるようにプレナム１３２の断面流動面積を小さくすることができる。プラグ１３８は、設置したときに、プラグ１３８がある冷却通路の断面流動面積が小さくなるように形成することができる。この場合、プラグ１３８は、所望程度の冷却剤がプレナム出口１３３を通って流れることができ、残りが別の出口に強制的に流れるように構成される。具体的には、プラグ１３８は、プレナム１３２に挿入し、プレナム１３２の流動面積の一部をブロックすることによってプレナム１３２の断面流動面積を小さくし、これによりプレナム出口１３３を形成するように構成できる。プラグ１３８は、冷却構成を通る冷却剤を調節することに関係した所望の、または、予め定められた断面流動面積まで流動面積を小さくするように設計できる。特定の実施形態では、示すように、プラグ１３８は、中央チャネルを用いて、ほぼ「ドーナッツ」形状を形成するようにして形成することができる。プラグ１３８は、従来の材料で作ることができ、従来の方法（つまり、溶接、ろう付け等）を用いて設置できる。設置したら、プラグ１３８の外面は、ポケット部１４４の内壁１４９と同一平面上にあってもよい。
【００３１】
コネクター１３４は、示すように、プレナム１３２と内部冷却通路１１６との間でほぼ周方向に延ばすことができる。コネクター１３４は、かなりの量の冷却剤が内部冷却通路１１６からプレナム１３２へ流れるための連絡通路を提供することは分かるであろう。一実施形態において、コネクター１３４は、プラットホーム１１０の前縁部１２４および後縁部１２１とほぼ平行にすることができる。
【００３２】
述べたように、冷却チャネル１３６は、各々が正圧側スラッシュ面１２６からプレナム１３２との接続部まで延びるように構成することができる。示すように、冷却チャネル１３６は直線的であってもよい。冷却チャネル１３６の長手方向軸は、プレナム１３２の長手方向軸に対して傾けることができる。冷却チャネル１３６は、プレナム１３２および／またはコネクター１３４よりも小さい断面流動面積を有する。冷却チャネル１３６は、作動中、各冷却チャネル１３６が冷却剤をスラッシュ面に形成されたポケット部１４４に流すように構成できることは分かるであろう。
【００３３】
前述したように、ポケット部１４４と、関連する内部冷却剤連絡通路（つまり、コネクター１３４、プレナム１３２、および、冷却チャネル１３６）は、プラットホーム１１０の負圧側に配置できる。図１２に示すように、このような場合、ポケット部１４４は、負圧側スラッシュ面１２２に沿って配される。
【００３４】
作動中、プレナム１３２、コネクター１３４、および、冷却チャネル１３６は、供給される冷却剤を内部冷却通路１１６から、正圧側スラッシュ面１２６または負圧側スラッシュ面１２２に沿って形成された複数のポケット部１４４まで導くように構成できることは分かるであろう。より詳細には、本発明のプラットホーム冷却構成は、内部冷却通路１１６またはシャンク空洞部１１９から冷却剤の一部を抜き出し、この冷却剤をプラットホーム１１０から熱を取り除くのに使用し、次に、冷却剤をスラッシュ面内に形成されたポケット部１４４によって噴出させる。この方法で放出すると、冷却剤は、従来の衝突放出法に付随する急な温度勾配を作ることなく、ポケット部１４４を囲むプラットホーム１１０のエリアを冷却する。述べたように、この領域は冷却するのが通常困難であり、このエリアの機械的負荷を考えると、特にエンジン燃焼温度がさらに上がると受ける消耗が大きい場所である。本願は、冷却要件が満足される一方で、プラットホームのスラッシュ面内で有害な温度勾配が形成されないようにもできる方法を説明するものである。当業者には分かるであろうが、これは、プラットホーム領域における低周波疲労を減らすことによりローターブレードの寿命を延ばすものである。
【００３５】
当業者には分かるであろうが、いくつかの例示的な実施形態に関して上述した多くの異なる特徴部および構成は、本発明の他の可能性のある実施形態を形成するのにさらに選択的に応用することができる。簡潔にするため、かつ、当業者の能力を考慮して、繰り返すことが可能であるものを全て示したり、詳細に説明したりはしていないが、以下のいくつかの請求項または他に包含される全ての組合せおよび可能な実施形態は、本願の一部であることが意図されている。さらに、本発明のいくつかの例示的な実施形態の上記の説明から、当業者は、改良、変形、および修正に気づくであろう。このような当該分野の技術範囲内での改良、変形、および修正もまた、添付の特許請求項の範囲に包含されることが意図されている。さらに、前述したことは、本願で説明した実施形態のみに関するものであること、ならびに、以下の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される本出願の趣旨および範囲から逸脱することなく本明細書において多くの変形および修正をすることができることは明らかである。
【符号の説明】
【００３６】
１００  タービンローターブレード
１０２  エーロフォイル
１０４  翼根
１０５  負圧面
１０６  圧面
１０７  前縁部
１０８  後縁部
１０９  あり継ぎ
１１０  プラットホーム
１１２  シャンク
１１３  上側
１１４  下側
１１６  中空冷却通路
１１７  入口
１１９  空洞部
１２０  冷却チャネル
１２１  後縁部
１２２  負圧側縁部
１２４  前縁部
１２６  正圧側縁部
１３０  プラットホーム冷却構成
１３２  プレナム
１３３  プレナム出口
１３４  コネクター
１３６  冷却チャネル
１３８  プラグ
１４４  ポケット部
１４６  孔部
１４８  口部
１４９  内壁
１５１  ポケット間チャネル
１５５  下側孔部
１６１  ポケット−上側間チャネル
１６３  上側スポーツ
【図１】
2014047786.tif 000003
【図２】
2014047786.tif 000004
【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】
2014047786.tif 000012
【図１１】
2014047786.tif 000013
【図１２】
2014047786.tif 000014
【外国語明細書】
2014047786000001.pdf