(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼形部（１０２）と根元（１０４）との間の境界にプラットフォーム（１１０）を有し且つ前記根元（１０４）における冷却媒体源との接続部から前記プラットフォーム（１１０）の少なくともほぼ半径方向高さまで延びる内部冷却通路（１１６）を備えたタービンロータブレード（１００）におけるプラットフォーム冷却装置（１３０）であって、
前記翼形部（１０２）の正圧側面（１０６）と一致する側部に沿って、前記プラットフォーム（１１０）の正圧側面が、前記翼形部（１０２）から正圧側スラッシュ面（１２６）に円周方向に延びる平面上側面（１１３）を含んでいて、前記翼形部（１０２）の負圧側面（１０５）と一致する側部に沿って、前記プラットフォーム（１１０）の負圧側面が、前記翼形部（１０２）から負圧側スラッシュ面（１２２）に円周方向に延びる平面上側面（１１３）を含んでおり、当該プラットフォーム冷却装置（１３０）が、
前記平面上側面（１１３）の直ぐ内寄りに存在し且つ前記プラットフォーム（１１０）の正圧側面及び負圧側面のうちの一方内に後方位置から前方位置に延びた、前記平面上側面（１１３）にほぼ平行な長手方向軸線を有するメインプレナム（１３２）と、
前記メインプレナム（１３２）と前記内部冷却通路（１１６）との間に延びる供給プレナム（１３４）と、
各々が前記正圧側面及び前記負圧側スラッシュ面（１２２）のうちの一方から前記メインプレナム（１３２）との接続部に延びる複数の冷却アパーチャ（１３６）と
を備える、プラットフォーム冷却装置（１３０）。
【請求項２】
前記メインプレナム（１３２）が、前記正圧側面内の後方位置から前方位置に延び、前記正圧側スラッシュ面（１２６）上又はその近傍の後方位置から、前記正圧側スラッシュ面（１２６）上又はその近傍の前方位置まで、前記メインプレナム（１３２）が前記翼形部（１０２）の正圧側面（１０６）の外形輪郭にその形状が対応する曲率の円弧を形成し、前記メインプレナム（１３２）が、前記翼形部（１０２）の軸方向長さの少なくとも０．７５の軸方向長さを含み、前記メインプレナム（１３２）が、前記正圧側スラッシュ面（１２６）上の後方位置にある出口（１３３）と、前記正圧側スラッシュ面（１２６）上の前方位置にある出口（１３３）とを含み、前記後方及び前方位置両方にある前記メインプレナム出口（１３３）が、低減された断面流れ面積の出口を含む、請求項１記載のプラットフォーム冷却装置（１３０）。
【請求項３】
前記メインプレナム（１３２）の後方位置にある出口（１３３）が、前記出口（１３３）の低減された断面流れ面積を形成するプラグ（１３８）を含み、前記メインプレナム（１３２）の前方位置にある出口（１３３）が、前記出口（１３３）の低減された断面流れ面積を形成するプラグ（１３８）を含み、前記低減された断面流れ面積のメインプレナム出口（１３３）の各々が、所望の冷却媒体インピンジメント特性に対応する所定の断面流れ面積を含み、前記メインプレナム出口（１３３）の所定の断面流れ面積が更に、所望の調量特性に対応する、請求項２記載のプラットフォーム冷却装置（１３０）。
【請求項４】
前記供給プレナム（１３４）が、ほぼ円周方向で前記正圧側スラッシュ面（１２６）から前記内部冷却通路（１１６）に延びて、これらの間で前記メインプレナム（１３２）に交差し、前記供給プレナム（１３４）が、前記正圧側スラッシュ面（１２６）において出口（１３５）を含み、前記供給プレナム出口（１３５）が低減された断面流れ面積の出口を含む、請求項２記載のプラットフォーム冷却装置（１３０）。
【請求項５】
前記正圧側スラッシュ面（１２６）において、前記供給プレナム（１３４）が、前記出口の低減された断面流れ面積を形成するプラグ（１３８）を含み、前記低減された断面流れ面積の供給プレナム出口（１３５）が、所望の冷却媒体インピンジメント特性に対応する所定の流れ面積を含み、前記供給プレナム出口（１３５）の所定の流れ面積が更に、所望の調量特性に対応する、請求項４記載のプラットフォーム冷却装置（１３０）。
【請求項６】
前記正圧側スラッシュ面（１２６）上の前記供給プレナム出口（１３５）の軸方向位置が、前記プラットフォーム（１１０）の正圧側面のほぼ軸方向中間点を含み、少なくとも複数の冷却アパーチャ（１３６）が、前記供給プレナム（１３４）の前方に形成され、少なくとも複数の冷却アパーチャ（１３６）が、前記供給プレナム（１３４）の後方に形成され、前記複数の冷却アパーチャ（１３６）がプラグ（１３８）を含む、請求項４記載のプラットフォーム冷却装置（１３０）。
【請求項７】
翼形部（１０２）と根元（１０４）との間の境界にプラットフォーム（１１０）を有し且つ前記根元（１０４）における冷却媒体源との接続部から前記プラットフォーム（１１０）の少なくともほぼ半径方向高さまで延びる内部冷却通路（１１６）を備え、前記翼形部（１０２）の正圧側面（１０６）と一致する側部に沿って、前記プラットフォーム（１１０）の正圧側面が、前記翼形部（１０２）から正圧側スラッシュ面（１２６）に円周方向に延びる平面上側面（１１３）を含む、タービンロータブレード（１００）におけるプラットフォーム冷却装置（１３０）を製作する方法であって、
前記平面上側面（１１３）の直ぐ内寄りに存在し且つ前記プラットフォーム（１１０）の正圧側面内に後方位置から前方位置に延びた、前記平面上側面（１１３）にほぼ平行な長手方向軸線を有するメインプレナム（１３２）を形成するステップと、
前記正圧側スラッシュ面（１２６）上の軸方向中心位置において開始位置を有し且つほぼ円周方向で延びた所定の線形経路に沿って供給プレナム（１３４）を機械加工して、前記供給プレナム（１３４）が前記内部冷却通路（１１６）との接合部を形成し、これらの間で前記メインプレナム（１３２）に交差するようにするステップと、
各々が前記正圧側スラッシュ面（１２６）上に開始位置を含み、且つ各々が前記メインプレナム（１３２）との接合部までほぼ円周方向で延びた複数の冷却アパーチャ（１３６）を機械加工するステップと
を含む方法。
【請求項８】
前記メインプレナム（１３２）が鋳造プロセスにより形成され、前記メインプレナム（１３２）は、前記正圧側スラッシュ面（１２６）上又はその近傍の後方位置から前記正圧側スラッシュ面（１２６）上又はその近傍の前方位置まで、前記メインプレナム（１３２）が前記翼形部（１０２）の正圧側面（１０６）の外形輪郭にその形状が対応する曲率の円弧を形成するように形成され、前記冷却アパーチャ（１３６）が線形又は湾曲のうちの一方である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
メインプレナム（１３２）が、前記正圧側スラッシュ面（１２６）上の後方位置にある出口（１３３）と、前記正圧側スラッシュ面（１２６）上の前方位置にある出口（１３３）とを含み、前記後方及び前方位置両方にある前記メインプレナム出口（１３３）が、低減された断面流れ面積の出口を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記供給プレナム（１３４）が、ほぼ円周方向で前記正圧側スラッシュ面（１２６）から前記内部冷却通路（１１６）に延びて、これらの間で前記メインプレナム（１３２）に交差し、前記供給プレナム（１３４）が、前記正圧側スラッシュ面（１２６）において出口（１３５）を含み、前記供給プレナム出口（１３５）が低減された断面流れ面積の出口を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記メインプレナム後方出口（１３３）、前記メインプレナム前方出口（１３３）、及び前記供給プレナム出口（１３５）用のプラグ（１３８）を製作するステップと、
前記メインプレナム後方出口（１３３）、前記メインプレナム前方出口（１３３）、及び前記供給プレナム出口（１３５）用のプラグ（１３８）を設置するステップと、
を更に含み、前記プラグ（１３８）が、前記メインプレナム後方出口（１３３）、前記メインプレナム前方出口（１３３）、及び前記供給プレナム出口（１３５）に対する低減された断面流れ面積を形成する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記メインプレナム後方出口（１３３）、前記メインプレナム前方出口（１３３）、及び前記供給プレナム出口（１３５）が所定の断面流れ面積を含み、該所定の断面流れ面積が、所望の冷却媒体インピンジメント特性及び所望の冷却媒体調量特性の少なくとも１つに対応する、請求項１１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、総括的には、本明細書で使用する場合には特に記載のない限り、発電及び航空機エンジンで使用するもののようなあらゆるタイプの燃焼タービンエンジンを含む燃焼タービンエンジンに関する。より具体的には、限定ではないが、本出願は、タービンロータブレードのプラットフォーム領域を冷却するための装置、システム及び／又は方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは一般的に、圧縮機、燃焼器及びタービンを含む。圧縮機及びタービンは一般的に、軸方向に多段にスタックされた翼形部又はブレードの列を含む。各段は一般的に、固定され且つ円周方向に間隔を置いて配置されたステータブレードの列と、中心軸線又はシャフトの周りで回転する円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレードのセットとを含む。作動中に圧縮機内のロータブレードは、シャフトの周りで回転して空気の流れを加圧する。加圧した空気は次に、燃焼器内で使用されて供給燃料を燃焼させる。燃焼過程により生じた高温ガスの流れは、タービンを通って膨張され、ロータブレードが該ブレードを取り付けたシャフトを回転させる。このようにして、燃料内に含有されるエネルギーが、回転シャフトの機械的エネルギーに変換され、この回転シャフトの機械エネルギーは、例えば、発電機のコイルを回転させて発電するのに使用することができる。
【０００３】
図１及び図２を参照すると、タービンロータブレード１００は一般的に、翼形部分又は翼形部１０２、及び根元部分又は根元１０４を含む。翼形部１０２は、凸面形負圧面１０５及び凹面形正圧面１０６を有するものとして記述することができる。翼形部１０２は更に、前方端縁部である前縁１０７と、後方端縁部である後縁１０８とを有するものとして記述することができる。根元１０４は、ブレード１００をロータシャフトに固定するための構造体（図示するように、一般的にはダブテール１０９を含む）と、そこから翼形部１０２が延びるプラットフォーム１１０と、ダブテール１０９及びプラットフォーム１１０間の構造体を含むシャンク１１２とを有するものとして記述することができる。
【０００４】
図示するように、プラットフォーム１１０は、ほぼ平面とすることができる。より具体的には、プラットフォーム１１０は、平面上側面１１３を有することができ、この平面上側面１１３は、図１に示すように軸方向及び円周方向に延びる平坦面を備えることができる。図２に示すように、プラットフォーム１１０は、平面下側面１１４を有することができ、この平面下側面１１４もまた、軸方向及び円周方向に延びる平坦面を備えることができる。プラットフォーム１１０の上側面１１３及び底側面（下側面）１１４は、その各々が他方に対してほぼ平行になるように形成することができる。図示するように、プラットフォーム１１０は一般的に薄い半径方向輪郭を有し、つまり該プラットフォーム１１０の上側面１１３及び底側面１１４間に比較的短い半径方向距離が存在することは理解されるであろう。
【０００５】
一般的にプラットフォーム１１０は、タービンブレード１００上で使用してガスタービンの高温ガス通路セクションの内側流路境界を形成する。プラットフォーム１１０は更に、翼形部１０２に対して構造的支持を与える。作動中に、タービンの回転速度は、プラットフォーム１１０に沿って高応力領域を発生させる機械的負荷作用を誘起し、該高応力領域は、高温と相まって最終的に酸化、クリープ、低サイクル疲労割れ及びその他のような作動上の欠陥部の形成を引き起こす。言うまでもなく、これらの欠陥部は、ロータブレードの有効寿命に悪影響を与える。これらの過酷な作動条件、つまり高温ガス通路の極度の温度への露出、及び回転ブレードに関連する機械的負荷作用は、良好に作動すると共に製造上の費用効果があり、耐久性があり且つ長持ちするロータブレードプラットフォーム１１０の設計において大きな課題を生じさせることは理解されるであろう。
【０００６】
プラットフォーム領域１１０の耐久性を向上させる１つの一般的な解決法は、作動時に該プラットフォーム領域１１０を加圧空気又は他の冷却媒体の流れで冷却することであり、また種々のこれらのタイプのプラットフォーム設計が公知である。しかしながら、当業者には理解されるように、プラットフォーム領域１１０は、このようにして冷却するのを困難にする一部の設計課題を提示する。大部分において、このことは、上述のようにプラットフォーム１１０がロータブレードの中心コア部から離れて存在する周辺構成要素であり且つ一般的に構造的に安定しているが薄い半径方向厚さを有するように設計されている理由から、この領域の厄介な幾何形状に起因している。
【０００７】
冷却媒体を循環させるために、ロータブレード１００は一般的に、最低でも根元１０４及び翼形部１０２を貫通することを含むブレード１００のコア部を貫通して半径方向に延びる１以上の中空冷却通路１１６（図３、図４、図５、及び図９参照）を含む。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、そのような冷却通路１１６は、ブレード１００の中心領域を通って曲がりくねった蛇行通路を有する状態で形成することができるが、その他の構成も実施可能である。作動中に、冷却媒体は、根元１０４の内寄り部分内に形成された１以上の入口１１７を介して中心冷却通路に流入することができる。冷却媒体は、ブレード１００を通って循環し、且つ翼形部上に形成された出口（図示せず）を通って並びに／或いは根元１０４内に形成された１以上の出口（図示せず）を介して流出することができる。冷却媒体は、加圧することができ、また例えば加圧空気、水と混合した加圧空気、蒸気及び同様のものを含むことができる。多くの場合、冷却媒体は、エンジンの圧縮機から分流された加圧空気であるが、他の供給源も実施可能である。以下により詳細に説明するように、これらの冷却通路は一般的に、高圧冷却媒体領域及び低圧冷却媒体領域を含む。高圧冷却媒体領域は一般的に、より高い冷却媒体圧力を有する冷却通路の上流部分に対応し、一方、低圧冷却媒体領域は、比較的低い冷却媒体圧力を有する下流部分に対応する。
【０００８】
幾つかのケースでは、冷却媒体は、冷却通路１１６から隣接するロータブレード１００のシャンク１１２及びプラットフォーム１１０間に形成されたキャビティ１１９内に導くことができる。そこから、冷却媒体を使用して、ブレードのプラットフォーム領域１１０を冷却することができ、その従来型の設計を図３に表している。このタイプの設計は一般的に、冷却通路１１６の１つから空気を取出し且つその空気を使用してシャンク１１２／プラットフォーム１１０間に形成されたキャビティ１１９を加圧する。加圧されると、このキャビティ１１９は次に、プラットフォーム１１０を貫通して延びる冷却チャンネルに冷却媒体を供給する。プラットフォーム１１０を横断した後に、冷却空気は該プラットフォーム１１０の上側面１１３内に形成されたフィルム冷却孔を通してキャビティから流出する。
【０００９】
しかしながら、このタイプの従来型の設計は、幾つかの欠点を有することが分かるであろう。第１に、冷却回路は２つの隣接するロータブレード１００が組立てられた後にのみ形成されるので、冷却回路は１つの部品内において内蔵型ではない。このことにより、据付け及び据付け前流れ試験が極めて困難且つ複雑なものになる。第２の欠点は、隣接するロータブレード１００間に形成されたキャビティ１１９の一体性が、該キャビティの周囲をどのように上手にシールするかに依存していることである。不適切なシールにより、不十分なプラットフォーム冷却及び／又は無駄な冷却空気が生じる可能性がある。第３の欠点は、高温ガス通路ガスがキャビティ１１９又はプラットフォーム１１０自体内に吸込まれる可能性がある内在リスクである。これは、キャビティ１１９が作動中に十分高い圧力に維持されていない場合に発生する可能性がある。キャビティ１１９の圧力が高温ガス通路内の圧力を下回った場合には、高温ガスがシャンクキャビティ１１９又はプラットフォーム１１０自体内に吸込まれ、これにより、これら構成要素が高温ガス通路条件への露出に耐えるように設計されていない場合には、これらの構成要素が損傷を受けることになる。
【００１０】
図４及び図５は、プラットフォーム冷却用の別のタイプの従来型の設計を示している。このケースでは、冷却回路は、図示するように、ロータブレード１００内に内蔵され且つシャンクキャビティ１１９を含まない。冷却空気がブレード１００のコア部を貫通して延びる冷却通路１１６の１つから取出され、且つプラットフォーム１１０内に形成された冷却チャンネル１２０（つまり、「プラットフォーム冷却チャンネル１２０」）を通して後方に導かれる。幾つかの矢印で示すように、冷却空気は、プラットフォーム冷却チャンネル１２０を通って流れ、且つプラットフォーム１１０の後方端縁部１２１内の出口を通して又は負圧側面端縁部に沿って配置された出口から流出する。（矩形プラットフォーム１１０の端縁部又は面を説明する又は言及する上で、これら端縁部又は面の各々は、翼形部１０２の負圧面１０５及び正圧面１０６に対するその位置に基づいて、及び／又はブレード１００を据付けた場合にはエンジンの前方及び後方方向に基づいて正確に説明することができる点に留意されたい。従って、当業者には理解されるように、プラットフォームは、図３及び図４に示すように、後方端縁部１２１、負圧側面端縁部１２２、前方端縁部１２４及び正圧側面端縁部１２６を含むことができる。加えて、負圧側面端縁部１２２及び正圧側面端縁部１２６はまた一般的に「スラッシュ面」と呼ばれ、隣接するロータブレード１００を据付けたときにこれらの間に形成される狭いキャビティは、「スラッシュ面キャビティ」と呼ぶことができる。）
図４及び図５の従来型の設計は、これらが組立て又は据付け状態における変動によって影響を受けない点において、図３の設計に勝る利点を有することは理解されるであろう。しかしながら、この種の従来型の設計は、幾つかの限界又は欠点を有する。第１に、図示するように、翼形部１０２の各側面上には単一の回路のみが設けられ、従って、プラットフォーム１１０内の異なる位置で使用される冷却空気の量の制御に限界があるという欠点が存在する。第２に、このタイプの従来型の設計は、一般に限られたカバレッジ範囲を有する。図５の蛇行通路は、図４に勝るカバレッジ範囲に関する改良であるが、プラットフォーム１１０内には依然として非冷却状態のままのデッド区域が存在する。第３に、複雑に形成したプラットフォーム冷却チャンネル１２０でより良好なカバレッジ範囲を得るために、特に冷却チャンネルが形成するのに鋳造プロセスを必要とする形状を有する場合には、製造コストが劇的に増加する。第４に、これらの従来型の設計は一般的に、使用後で且つ冷却媒体が完全に排出される前に冷却媒体を高温ガス通路内に放出し、このことは、エンジンの性能に悪影響を与える。第５に、この種の従来型の設計は一般的に、自由度が殆どない。つまり、チャンネル１２０は、プラットフォーム１１０の一体形部分として形成され、且つ作動条件が変化したときにこれらの機能又は構成を変更する機会が殆ど又は全く提供されない。加えて、これらのタイプの従来型の設計は、補修又は改造するのが困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第７４１６３９１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
その結果、従来型のプラットフォーム冷却設計は、１以上の重要な範囲において欠点がある。タービンロータブレードのプラットフォーム領域を効果的に且つ効率的に冷却すると同時に、構成上の費用効果があり、適用に自由度があり、耐久性もある、改良型の装置、システム及び方法に対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
従って、本出願は、翼形部と根元との間の接合部にプラットフォームを有し且つ根元における冷却媒体源との接続部からプラットフォームの少なくともほぼ半径方向高さまで延びる内部冷却通路を備えたタービンロータブレードにおけるプラットフォーム冷却装置を記載しており、翼形部の正圧側面と一致する側部に沿って、プラットフォームの正圧側面が、翼形部から正圧側スラッシュ面に円周方向に延びる平面上側面を含み、翼形部の負圧側面と一致する側部に沿って、プラットフォームの負圧側面が、翼形部から負圧側スラッシュ面に円周方向に延びる平面上側面を含む。プラットフォーム冷却装置は、平面上側面の直ぐ内寄りに存在し且つプラットフォームの正圧側面及び負圧側面のうちの一方内に後方位置から前方位置に延びた、平面上側面にほぼ平行な長手方向軸線を有するメインプレナムと、メインプレナムと内部冷却通路との間に延びる供給プレナムと、各々が正圧側面及び負圧側スラッシュ面のうちの一方からメインプレナムとの接続部に延びる複数の冷却アパーチャと、を備えることができる。
【００１４】
本出願は更に、翼形部と根元との間の接合部にプラットフォームを有し且つ根元における冷却媒体源との接続部からプラットフォームの少なくともほぼ半径方向高さまで延びる内部冷却通路を備え、翼形部の正圧側面と一致する側部に沿ってプラットフォームの正圧側面が翼形部から正圧側スラッシュ面に円周方向に延びる平面上側面を含む、タービンロータブレードにおけるプラットフォーム冷却装置を製作する方法を記載している。本方法は、平面上側面の直ぐ内寄りに存在し且つプラットフォームの正圧側面内に後方位置から前方位置に延びた、平面上側面にほぼ平行な長手方向軸線を有するメインプレナムを形成するステップと、正圧側スラッシュ面上の軸方向中心位置において開始位置を有し且つほぼ円周方向で延びた所定の線形経路に沿って供給プレナムを機械加工し、供給プレナムが内部冷却通路と接合部を形成し、これらの間でメインプレナムに交差するようにするステップと、各々が正圧側スラッシュ面上に開始位置を含み、且つ各々がメインプレナムとの接合部までほぼ円周方向で延びた複数の冷却アパーチャを機械加工するステップと、を含む。
【００１５】
本出願は更に、翼形部と根元との間の接合部にプラットフォームを有し且つ根元における冷却媒体源との接続部からプラットフォームの少なくともほぼ半径方向高さまで延びる内部冷却通路を備え、作動時には内部冷却通路が高圧冷却媒体領域及び低圧冷却媒体領域を含み、翼形部の正圧側面と一致する側部に沿って、プラットフォームの正圧側面が、翼形部から正圧側スラッシュ面に円周方向に延びる上側面を含み、翼形部の負圧側面と一致する側部に沿って、プラットフォームの負圧側面が、翼形部から負圧側スラッシュ面に円周方向に延びる上側面を含む、タービンロータブレードにおけるプラットフォーム冷却装置を製作する方法を記載している。本方法は、平面上側面の直ぐ内寄りに存在し、且つ平面上側面にほぼ平行な長手方向軸線と、正圧側スラッシュ面上の後方位置に形成された出口から正圧側スラッシュ面上の前方位置に形成された出口まで翼形部の正圧側面の外形輪郭にその形状が対応する曲率の円弧とを有するメインプレナムを鋳造プロセスによって形成するステップと、負圧側スラッシュ面上の軸方向中心位置において開始位置を有し且つほぼ円周方向で延びた所定の線形経路に沿って供給プレナムを機械加工して、該供給プレナムがメインプレナムとの接合部を形成し、これらの間で内部冷却チャンネルに交差するようにするステップと、各々が正圧側スラッシュ面上に開始位置を含み且つ各々がメインプレナムとの接合部までほぼ円周方向で延びた複数の冷却アパーチャを機械加工するステップと、を含むことができる。
【００１６】
本出願のこれらの及びその他の特徴は、図面及び特許請求の範囲と関連させてなした好ましい実施形態の以下の詳細な説明を精査することにより明らかになるであろう。
【００１７】
本発明のこれらの及びその他の特徴は、添付図面と関連させてなした本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ることによって、一層完全に理解され且つ評価されることになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】その中で本発明の実施形態を使用することができる例示的なタービンロータブレードの斜視図。
【図２】その中で本発明の実施形態を使用することができるタービンロータブレードの下面図。
【図３】従来型の設計による冷却システムを有する隣接するタービンロータブレードの断面図。
【図４】従来型の設計による内部冷却通路を備えたプラットフォームを有するタービンロータブレードの上面図。
【図５】別の従来型の設計による内部冷却通路を備えたプラットフォームを有するタービンロータブレードの上面図。
【図６】本発明の例示的な実施形態によるプラットフォーム冷却構成を有するタービンロータブレードの斜視図。
【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ブレードのプラットフォームの部分断面図の上部。
【図８】図７の８−８に沿った視点の正面図。
【図９】図７の９−９に沿った断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
複数の従来の冷却設計に関連して上記で説明されたように、冷却媒体の内部循環により冷却されるタービンブレードは一般的に、根元から半径方向外向きにプラットフォーム領域を貫通し且つ翼形部内に延びる内部冷却通路１１６を含むことは理解されるであろう。本発明の一部の実施形態は、従来型の冷却媒体通路と組合せて使用して、効率的な能動プラットフォーム冷却を強化又は可能にすることができ、また本発明は、共通の設計つまり曲がりくねった又は蛇行した構成を有する内部冷却通路１１６に関して説明されることは理解されるであろう。図７に図示するように、蛇行通路は一般的に、冷却媒体の一方向流れを可能にするように構成され、且つ冷却媒体と周囲のロータブレード１００との間の熱交換を促進する特徴要素を含む。作動中、一般的には圧縮機から抽気した加圧空気である加圧冷却媒体（但し、本発明の実施形態では、蒸気のような他のタイプの冷却媒体も使用できる）は、根元１０４を貫通して形成された接続部を通して内部冷却通路１１６に供給される。圧力により冷却媒体が内部冷却通路１１６を通過し、該冷却媒体は、周囲の壁から熱を対流移動させる。
【００２０】
冷却媒体が冷却通路１１６を通って移動すると、冷却媒体は圧力を喪失して、内部冷却通路１１６の上流部分内の冷却媒体は、下流部分内の冷却媒体よりも高い圧力をもつようになることが分かるであろう。以下により詳細に説明するように、この圧力差を使用して、プラットフォーム内に形成された冷却通路にわたって又は該冷却通路を通って冷却媒体を通過させることができる。本発明は、異なる構成の内部冷却通路を有するロータブレード１００で使用してもよく、蛇行形態を有する内部冷却通路に限定されるものではないことは理解されるであろう。従って、本明細書で使用する場合の用語「内部冷却通路」又は「冷却通路」とは、冷却媒体がそれを通ってロータブレード内を循環することができるあらゆる通路又は中空チャンネルを含むことを意図している。本明細書で示すように、本発明の内部冷却通路１１６は、少なくともプラットフォーム１１０のほぼ半径方向高さまで延びており、また比較的高い冷却媒体圧力の少なくとも１つの領域（この領域は以後、「高圧領域」と呼ばれ、幾つかのケースでは蛇行通路内の上流セクションとすることができる。）と、比較的低い冷却媒体圧力の少なくとも１つの領域（この領域は以後、「低圧領域」と呼ばれ、高圧領域に対して蛇行通路内の下流セクションとすることができる。）
一般的に、従来型の内部冷却通路１１６の様々な設計は、ロータブレード１００内の特定の領域に対して能動冷却を行うのに効果的である。しかしながら、当業者には理解されるように、プラットフォーム領域はより困難な課題を提示している。この課題は、少なくともその一部は、プラットフォームの厄介な幾何形状、すなわちその狭い半径方向高さ並びに該プラットフォームがロータブレード１００のコア部又は主本体から少し離れた状態に起因している。しかしながら、高温ガス通路の過酷な温度への露出及び高い機械的負荷作用がある場合には、プラットフォームの冷却要件はかなり大きくなる。上記のように、従来型のプラットフォーム冷却設計は、これらが領域の特定の課題に対処できない理由から有効ではなく、これらの冷却媒体の使用が非効率的で且つ／又は製作するのに費用がかかる。
【００２１】
再び図面を参照すると、図６〜図１１は、本発明の例示的な実施形態の幾つかの図を示している。図６から図９は、詳細には、本発明の好ましい実施形態による、プラットフォーム冷却装置１３０を有するタービンロータブレード１００を示している。図示のように、ロータブレード１００は、翼形部１０２と根元１０４との間の接合部に存在するプラットフォーム１１０を含む。ロータブレード１００は、根元１０４からプラットフォーム１１０の少なくともほぼ半径方向高さまで、ほとんどの場合翼形部１０２内に延びる内部冷却通路１１６を含む。翼形部１０２の正圧面１０６と一致するプラットフォーム１１０の側面では、プラットフォーム１１０は、翼形部１０２から正圧側スラッシュ面１２６まで延びる平面上側面１１３を有することができる点は理解されるであろう。（本明細書で使用する場合の「平面」とは、その形状がほぼ又は実質的に平らであることを意味することに留意されたい。例えば、プラットフォームは、ロータブレードの半径方向位置におけるタービンの外周に対応する曲率を有する状態で、僅かに湾曲及び凸面形の外側表面を有するように構成することができる点は当業者には理解されるであろう。本明細書で使用する場合に、このタイプのプラットフォーム形状は、曲率の半径がそのプラットフォームを平坦な外観にするのに十分に大きいので平面と見なされる。）プラットフォーム１１０の内部に構成されるように、本発明の例示的な実施形態は、主プレナム１３２と、該主プレナム１３２を内部冷却通路１１６に接続する供給プレナム１３４と、冷却媒体が通ってプラットフォーム１１０の内部領域全体に分散することができる複数の冷却アパーチャ１３６とを含むことができる。
【００２２】
メインプレナム１３２に関しては、平面上側面１１３の直ぐ内寄りに形成することができ、正圧側スラッシュ面１２６に沿って後方位置から前方位置に延びることができる（但し、メインプレナム１３２並びに本明細書で説明される他の特徴要素の形成は、プラットフォーム１１０の負圧側面上で且つ負圧側スラッシュ面１２２に沿って同様に実施することができる点は理解されるであろう）。加えて、図示するように、メインプレナム１３２は、プラットフォーム１１０にほぼ平行とすることができ、すなわち、メインプレナム１３２は、長く且つ比較的狭い通路であり、平面上側面１２６に平行である長手方向軸線を有することができる。１つの実施形態において、メインプレナム１３２は、正圧側スラッシュ面１２６上の後方位置から前方位置まで円弧状を描く。プラットフォーム１１０の正圧側面から見たときに、円弧は凹面状とすることができる。更に、図７で最も明瞭に示すように、円弧の曲率は、翼形部１０２の正圧面１０６の外形輪郭に形状が一致することができる（すなわち、図７の斜視図から見たときの翼形部１０２の形状）。より具体的には、円弧は、翼形部１０２の正圧面１０６がプラットフォーム１１０と交差する位置において翼形部１０２の正圧面１０６とほぼ同じ形状を有することができる。この好ましい構成は、以下でより詳細に検討するように、非常に優れた冷却媒体分布及びカバレッジを提供する点は理解されるであろう。好ましい実施形態では、メインプレナム１３２は、プラットフォーム１１０のかなりの部分にわたって延びるように形成される。これを定めることができる１つの手法は、メインプレナム１３２の軸方向長さを翼形部１０２の軸方向長さと比較することである。好ましい実施形態では、メインプレナム１３２は、翼形部１０２の軸方向長さの少なくとも０．７５の軸方向長さを有する。このタイプの軸方向長さは、ロータブレードの正圧側面に沿ってプラットフォーム１１０の内部全体に冷却媒体の好都合な分布を提供する。
【００２３】
幾つかの実施形態において、メインプレナム１３２は、正圧側スラッシュ面１２６に沿った１以上の位置にメインプレナム出口１３３を含む。図示のような好ましい実施形態において、メインプレナム１３２は、正圧側スラッシュ面１２６上の後方位置の出口１３３と、正圧側スラッシュ面１２６上の前方位置の出口１３３とを含むことができる。メインプレナム出口１３３の各々は、図示のように、断面流れ面積がメインプレナム１３２よりも小さいように形成することができる。以下でより詳細に検討するように、これは、幾つかの理由で実施することができる。第１に、断面流れ面積は、これらの出口位置を通って出る冷却媒体を衝突させるために縮小することができる。これは、当業者であれば理解されるように、流出する冷却媒体が所望の冷却媒体の衝突特性を有することができ、結果として得られる冷却媒体ストリームの冷却効果が向上する。
【００２４】
第２に、メインプレナム１３２のサイズ、及びプラットフォーム１１０の内部全体に冷却媒体を均一に分布させる必要性に起因して、メインプレナム出口１３３の断面流れ面積は縮小することができる。すなわち、メインプレナム１３２は、僅かな圧力損失で幾つかの冷却アパーチャ１３６に冷却媒体を分配するよう設計される。これを達成するために、メインプレナム１３２の断面流れ面積は通常、冷却アパーチャ１３６の断面流れ面積よりも有意に大きい。メインプレナム出口１３３がメインプレナム１３２のサイズと比べてサイズが縮小されていない場合、過剰な量の冷却媒体がメインプレナム出口１３３を通ってプラットフォーム１１０から流出し、冷却アパーチャ１３６に利用可能な冷却媒体の供給が不十分である可能性が高くなることは理解されるであろう。従って、メインプレナム出口１３３は、所望の調量特性に一致する断面流れ面積を有するようなサイズにすることができる。本明細書で使用される「所望の調量特性」とは、冷却媒体の所望の分布、或いは、複数の冷却媒体通路及び／又は正圧側スラッシュ面１２６に沿って形成された出口を通る冷却媒体の予期される分布に一致する、又はこのような分布をもたらす冷却媒体通路を通る流れ面積を指す。
【００２５】
幾つかの実施形態では、図示のように、プラグ１３８を用いて、メインプレナム出口１３３の断面流れ面積を低減することができる。プラグ１３８は、設置されたときに、内部に存在する冷却通路にわたって断面流れ面積を低減するように形成することができる。この場合、プラグ１３８は、通路を通る所望のレベルの流量を可能にするよう構成され、要求に応じて、代替ルートを通じて残りを配向する。本明細書では、このタイプのプラグは、「部分プラグ」と呼ばれる。従って、部分プラグ１３８は、メインプレナム出口１３３内に挿入され、出口１３３を通る流れ面積の一部を閉塞することによって断面流れ面積を低減するよう構成される。部分プラグ１３８は、所望又は所定の流れ面積を低減するように設計することができる。１つの好ましい実施形態では、部分プラグ１３８は、ほぼ「ドーナツ」形を形成するように中央アパーチャを備えて形成される。中央アパーチャは、出口１３３を通る所望の流れ面積を提供するよう形成される。上述のように、所定の流れ面積は、当業者には理解されるように、所望の冷却媒体インピンジメント特性及び／又は所望の調量特性に関連付けることができる。部分プラグ１３８は、従来の材料から作られ、従来の方法（すなわち、溶接、ろう付け、その他）を用いて設置することができる。設置されると、部分プラグ１３８の外面は、正圧側スラッシュ面１２６の表面に対して同一平面に存在することができる。
【００２６】
供給プレナム１３４は、メインプレナム１３２と内部冷却通路１１６との間でほぼ円周方向に延びることができる。１つの好ましい実施形態において、供給プレナム１３４は、ほぼ円周方向で正圧側スラッシュ面１２６から内部冷却通路１１６に延び、これらの間で供給プレナム１３４がメインプレナム１３２と交差する。供給プレナム１３４は、ある量の冷却媒体が内部冷却通路１１６及びメインプレナム１３２から流れる通路を提供することは理解されるであろう。幾つかの実施形態において、供給プレナム１３４は、正圧側スラッシュ面１２６にて供給プレナム出口１３５を含むことができる。メインプレナム出口１３３と同様に、供給プレナム出口１３５は、低減された断面流れ面積、すなわち、供給プレナム１３４の断面流れ面積から低減された断面流れ面積又は流れ面積を有するように構成することができる。また、部分プラグ１３８を用いて、供給プレナム出口１３５の断面流れ面積を低減することができる。供給プレナム出口１３５の断面流れ面積の低減は、メインプレナム出口１３３とほぼ同じ理由で実施することができる。すなわち、断面流れ面積は、所望の冷却媒体インピンジメント特性が得られるように低減することができ、或いは、断面流れ面積は、所望の調量特性が得られるように低減することができる。
【００２７】
好ましい実施形態において、供給プレナム出口１３５は、図示のように、プラットフォーム１１０の正圧側面のほぼ軸方向中間点と一致する軸方向位置を正圧側スラッシュ面１２６上に有するように構成することができる。この場合、少なくとも複数の冷却アパーチャ１３６は、供給プレナム１３４の前方に形成することができ、また、供給プレナム１３４の後方に形成することもできる。１つの好ましい実施形態では、冷却アパーチャ１３６のうちの少なくとも４つは、供給プレナム１３４の前方に形成することができ、少なくとも４つの冷却アパーチャ１３６は、供給プレナム１３４の後方に形成することができる。１つの実施形態において、供給プレナム１３４は、プラットフォーム１１０の前方端縁部１２４及び後方端縁部１２１にほぼ平行とすることができる。
【００２８】
冷却アパーチャ１３６は、各々が正圧側スラッシュ面１２６からメインプレナム１３２との接続部に延びるように構成することができる。冷却アパーチャ１３６は、ほぼ円周方向で正圧側スラッシュ面１２６からメインプレナム１３２に延びることができ、供給プレナム１３４に対しほぼ平行とすることができる。冷却アパーチャ１３６はまた、プラットフォーム１１０の前方端縁部及び後方端縁部にほぼ平行とすることができる。図示のように、冷却アパーチャ１３６は直線状とすることができる。好ましい実施形態において、冷却アパーチャ１３６は、メインプレナム１３２及び／又は供給プレナム１３４よりも小さな断面流れ面積を有する。冷却アパーチャ１３６は、作動中に、隣接して設置されたロータブレード１００間に形成されたスラッシュ面内に各アパーチャ１３６が冷却媒体流を排出するように構成できることは理解されるであろう。冷却アパーチャ１３６は、放出された冷却媒体が近隣のタービンブレード１００のスラッシュ面に比較的高速度で衝突し配向されるように狭くすることができ、これにより、冷却媒体の冷却効率が全体的に向上する。スラッシュ面キャビティ及びこれらを定めるスラッシュ面は、冷却するのが困難なプラットフォーム１１０の領域であり、このようにして構成された冷却アパーチャ１３６がこの区域に効果的な冷却をもたらすことができることは理解されるであろう。図示していないが、必要に応じて冷却媒体の分配又は衝突特性を改善するために、プラグ１３８を冷却アパーチャ１３６の１以上に設置することができる。１つの実施形態において、プラグ１３８は、冷却媒体がスラッシュ面から漏出しないように冷却アパーチャを完全に閉塞することができる。
【００２９】
ここで図１０を参照すると、本発明による代替の実施形態であるプラットフォーム冷却構成１４５が提供される。図示のように、この場合、供給プレナム１３４は、正圧側スラッシュ面１２６ではなく負圧側スラッシュ面１２２から延びる。すなわち、供給プレナム１３４は、負圧側スラッシュ面１２２からメインプレナム１３２と共に形成された接続部までほぼ円周方向で延びており、供給プレナム１３４は、負圧側スラッシュ面１２２とメインプレナム１３２との間で内部冷却通路１１６と交差することができる。幾つかの実施形態では、供給プレナム１３４は、冷却媒体が負圧側スラッシュ面１２２に沿って供給プレナム１３４から流出するのを実質的に防ぐよう構成されたプラグ１３８を含むことができる。このようにして、メインプレナム１３２は、負圧側スラッシュ面１２２を通って形成された通路を介して内部冷却通路１１６に接続することができ、供給プレナム１３４を流れる冷却媒体の全てをメインプレナム１３２に配向することができ、ここで冷却媒体は、プラットフォーム１１０の正圧側面上の複数の冷却アパーチャ１３６を分配することができる。より詳細には、複数の冷却アパーチャ１３６にわたって冷却媒体を適切に分配するために、負圧側スラッシュ面１２２内に形成された開口を通って実質的に全ての冷却媒体が流出するのを阻止することが必要となる場合がある。この可能性のある出口がこれを完全に閉塞するプラグ（本明細書では「完全プラグ」と呼ぶことにする）によって塞がれているので、図１０はこの構成を反映している。代替の実施形態において、プラットフォーム１１０の負圧側スラッシュ面１２２上にある供給プレナム１３４用のプラグ１３８は、この位置において所望量の冷却媒体が排出されるように部分プラグとすることができる。
【００３０】
加えて、図１０に示すように、冷却アパーチャ１３６は湾曲することができる。１つの実施形態において、冷却アパーチャ１３６は、正圧側スラッシュ面１２６とメインプレナム１３２との間で円弧状の湾曲部を形成する。冷却アパーチャ１３６の曲率によりメインプレナム１３２と正圧側スラッシュ面１２６との間に各々形成される経路が増大し、これは、冷却媒体が通過する内部プラットフォーム表面を増大させ、これにより冷却媒体とプラットフォーム１１０との間の熱交換が増加することは理解されるであろう。
【００３１】
本発明は更に、コスト効率がよく且つ効率的な手法でロータブレードのプラットフォーム領域内に内部冷却チャンネルを形成する新規の方法を含む。図１１のフロー図を参照すると、最初のステップ２０２では、プラットフォーム１１０の正圧側面にメインプレナム１３２を形成することができる。メインプレナム１３２は、比較的複雑でない形状であるので、従来の鋳造プロセスを用いてコスト効率よく形成できることは理解されるであろう。従って、以下でより詳細に検討するように、込み入った設計を構成するのに使用する必要がある高コストの鋳造プロセスを回避することができる。
【００３２】
メインプレナム１３２が形成されると、ステップ２０４において、供給プレナム１３４を機械加工することができる。具体的には、供給プレナム１３４は、高度にアクセス可能な場所（すなわち、負圧側スラッシュ面１２２又は正圧側スラッシュ面１２６）から従来の見通し線機械加工又は孔加工プロセスを用いて形成することができる。ステップ２０６では、冷却アパーチャ１３６は、従来の見通し線機械加工又は孔加工プロセスを用いて同様に形成することができる。この場合も同様に、機械加工プロセスは、高度にアクセス可能な場所（すなわち、正圧側スラッシュ面１２６）から開始することができる。
【００３３】
これとは別に、必要に応じて、ステップ２０８において、部分又は全プラグ１３８を製作することができる。上記で検討したように、部分プラグ１３８は、出口の流れ面積を低減するために複数の異なる構成及び機構を有することができる。全プラグ１３８は、出口の流れ面積を完全に閉塞するように形成することができる。部分プラグ１３８及び全プラグ１３８は、従来の材料から製作することができる。
【００３４】
最後に、ステップ２１０において、これらのプラグ１３８、１３８を所定の場所に設置することができる。これは、溶接、ろう付け、又は機械的取り付けなど従来の方法を用いて行うことができる。
【００３５】
作動中、メインプレナム１３２、供給プレナム１３４、及び冷却アパーチャ１３６は、内部冷却通路１１６からの供給冷却媒体を正圧側スラッシュ面１２６上に形成された複数の出口に配向するよう構成することができる点は理解されるであろう。より詳細には、本発明のプラットフォーム冷却装置は、冷却通路１１６から冷却媒体の一部を抽出し、該冷却媒体を用いてプラットフォーム１１０から熱を除去し、次いで、近隣のロータブレード１００間に形成されたスラッシュ面キャビティ内に冷却媒体を放出し、その結果、該冷却媒体は、近隣のブレード１００のスラッシュ面キャビティを冷却すると共に、高温ガス経路流体の吸込みを低減するのに使用される。本発明は、一連のコスト効率のよい従来の技法を用いて複雑で効果的な冷却装置を効率的に形成することによって、燃焼タービンロータブレードのプラットフォーム領域を能動的に冷却する機構を提供する。上述のように、この領域は、通常、冷却が困難であり、機械的負荷の区域を考慮すると、特にエンジン燃焼温度が更に高くなると、高度な損傷を受ける場所である。従って、このタイプの能動プラットフォーム冷却は、より高い燃焼温度、より大きな出力、及びより優れた効率が求められる重要な実現技術である。更に、プラットフォーム冷却チャンネルの形成においてポスト鋳造プロセスを使用することにより、プラットフォーム冷却装置を再設計、再構成、又は改造するための優れた融通性を提供することは理解されるであろう。最後に、本発明は、複雑な幾何形状及び効果的なプラットフォームカバレッジを有するプラットフォーム冷却チャンネルの簡素な／コスト効率のよい形成を教示している。これまでは、複雑な幾何形状は、必然的に高コストのインベストメント鋳造プロセス又は同様のものを意味していたが、本出願は、複雑な設計を有する冷却チャンネルが機械加工及び／又は簡単な鋳造プロセスによって形成できる方法を教示している。
【００３６】
当業者には理解されるように、幾つかの例示的な実施形態に関して上述した多くの様々な特徴及び構成は、本発明の他の実施可能な実施形態を形成するように更に選択的に適用することができる。簡潔にするため及び当業者の能力を考慮して、実施可能な反復形態の全てを示し又は詳細に論じていないが、幾つかの特許請求項又はその他に包含される全ての組合せ及び実施可能な実施形態は、本出願の一部であることを意図している。加えて、本発明の幾つかの例示的な実施形態の上記の説明から、当業者は、その改良、変更及び修正に気付くであろう。当技術の範囲内のそのような改善、変更及び修正もまた、特許請求の範囲によって保護されることを意図している。更に、上述の説明は本出願の記載した実施形態のみに関するものであること、並びに提出した特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本出願の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、本明細書において多くの変更及び修正を行うことができることは明らかであろう。
【符号の説明】
【００３７】
１００  タービンロータブレード
１０２  翼形部
１０４  根元
１０５  負圧面
１０６  正圧面
１０７  前縁
１０８  後縁
１０９  ダブテール
１１０  プラットフォーム
１１２  シャンク
１１３  プラットフォーム上側面
１１４  プラットフォーム下側面
１１６  内部冷却通路
１１７  入口
１１９  キャビティ
１２０  プラットフォーム冷却チャンネル
１２１  後方端縁部
１２２  負圧側面端縁部又はスラッシュ面
１２４  前方端縁部
１２６  正圧側面端縁部又はスラッシュ面
１２８  プラットフォームの正圧側面
１３０  プラットフォーム冷却構成
１３２  メインプレナム
１３３  メインプレナム出口
１３４  供給プレナム
１３５  供給プレナム出口
１３６  冷却アパーチャ
１３８  プラグ
１４５  プラットフォーム冷却構成
【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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