(57)【要約】【課題】タービンブレードの先端部における冷却効果を高める。【解決手段】  ブレードは、内部冷却通路網５０および胴体先端ポケット９０を備えるエアフォイル胴体部を有する。少なくとも１つのプレートは、胴体先端ポケット９０内に固定されるとともに、内側面８０および外側面８２を有する。凹部１２０，１２２，１２４が、外側面８２上にあり、対応する突起部１２６，１２８，１３０が内側面８０上にある。凹部により、質量および慣性力を減少させるとともに、遠心力に対して構造的な剛性が増す。この突起部により、内部冷却通路網５０を通る冷却空気への熱移動が局所的に向上する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部冷却通路網および胴体先端ポケットを有するエアフォイル胴体部と、
内側面および外側面を有するとともに、上記胴体先端ポケット内に固定された少なくとも１つのプレートと、を備えるブレードであって、
上記の少なくとも１つのプレートが、凹部を上記外側面に備え、上記凹部に対応する突起部を上記内側面に備えることを特徴とするブレード。
【請求項２】
上記凹部が、隣接するプレートの厚さの３０〜２００％の深さを有し、上記突起部が、隣接するプレートの厚さの３０〜２００％の高さを有することを特徴とする請求項１に記載のブレード。
【請求項３】
上記凹部が、隣接するプレートの厚さの５００％以下の最大横方向寸法を有し、上記凹部が、上記最大横方向寸法の５０％以上の最小横方向寸法を有することを特徴とする請求項１に記載のブレード。
【請求項４】
互いに反対向きに組み合わされている複数の上記凹部および複数の上記突起部を有する請求項１に記載のブレード。
【請求項５】
上記凹部が、上記の少なくとも１つのプレートの中心線から２０％以内に中心を有することを特徴とする請求項１に記載のブレード。
【請求項６】
上記の少なくとも１つのプレートが、単一のプレートであることを特徴とする請求項１に記載のブレード。
【請求項７】
上記の少なくとも１つのプレートが外周を有し、上記の少なくとも１つのプレートが上記外周の少なくとも９０％に亘って上記エアフォイル胴体部に溶接されることを特徴とする請求項１に記載のブレード。
【請求項８】
上記の少なくとも１つのプレートが外周を有し、上記の少なくとも１つのプレートが実質的に上記外周の全体に亘ってエアフォイル胴体部に溶接されることを特徴とする請求項１に記載のブレード。
【請求項９】
上記胴体先端ポケットが、複数のポートを通して上記冷却通路網と連通し、上記の少なくとも１つのプレートが、少なくとも１つの貫通開口部を有するとともに、ブレード先端プレナムを残すように上記胴体先端ポケット内において下位平面に固定されることを特徴とする請求項１に記載のブレード。
【請求項１０】
上記胴体先端ポケットが連続した外壁を有することを特徴とする請求項１に記載のブレード。
【請求項１１】
鋳造工程を含みブレード胴体部を形成するステップと、
プレートを形成するとともに、その第１表面に複数のくぼみを押込加工することを含むステップと、
上記胴体部の先端ポケットに上記プレートを挿入するステップと、
上記プレートを上記胴体部に固定するステップと、
を備えるブレード製造方法。
【請求項１２】
上記プレートに複数の貫通開口部をドリル加工することをさらに含む請求項１１に記載のブレード製造方法。
【請求項１３】
上記押込加工が、上記第１面と反対側の第２面に複数の突起部を形成することを特徴とする請求項１１に記載のブレード製造方法。
【請求項１４】
上記固定が、上記プレートの外周に沿って溶接することを含むことを特徴とする請求項１１に記載のブレード製造方法。
【請求項１５】
複数のくぼみを備えていない既存のブレードに代えて、上記ブレードをガスタービンエンジンに取りつけることをさらに含む請求項１１に記載のブレード製造方法。
【請求項１６】
内部冷却通路網を有するとともに、複数のポートを通して上記冷却通路網と連通する胴体先端ポケットを有するエアフォイル胴体部と、
上記胴体先端ポケット内に固定された少なくとも１つのプレートと、
を備えるブレードであって、
上記の少なくとも１つのプレートが、ブレード先端に隣接する胴体先端ポケットを残すように、ブレード先端に対し下位平面にあり、少なくともいくつかの上記複数のポートを少なくとも部分的にふさぐとともに、周期的な熱応力を軽減する手段を有することを特徴とするブレード。
【請求項１７】
上記手段が、複数の整列して対になっている外側面凹部と内側面突起部を備えることを特徴とする請求項１６に記載のブレード。
【請求項１８】
上記胴体部の主要部分が、ニッケルベースまたはコバルトベースの超合金で構成されており、上記プレートが、基本的にニッケルベースまたはコバルトベースの超合金で構成されていることを特徴とする請求項１６に記載のブレード。
【請求項１９】
第１形態から再設計形態にタービンエンジンブレードの形態を再設計する方法であって、
上記第１形態が、
内部冷却通路網を有するとともに、複数のポートを通して上記冷却通路網と連通している胴体先端ポケットを有するエアフォイル胴体部と、
概ね平坦な内側面および外側面を有するとともに、上記胴体先端ポケット内に固定されるプレートであって、ブレード先端に隣接するブレード先端ポケットを残すように上記先端に対し下位平面にあるとともに、少なくともいつくかの上記複数のポートを少なくとも部分的にふさぐプレートと、を備えてなる再設計方法において、
内部冷却通路網を有するとともに、複数のポートを通して上記冷却通路網と連通する胴体先端ポケットを有するエアフォイル胴体部と、
内側面と外側面とを有するとともに、上記胴体先端ポケット内に固定されたプレートであって、ブレード先端に隣接するブレード先端ポケットを残すように上記先端に対し下位平面にあるとともに、上記複数のポートの少なくともいくつかを少なくとも部分的にふさぎ、上記第１形態と比べ、熱／機械的疲労への耐性を改善するのに効果的な少なくとも１つの表面改善部を有するプレートと、
を備える上記再設計形態を提供する１つまたは複数の反復を備える再設計方法。
【請求項２０】
上記表面改善部が、くぼみを含むことを特徴とする請求項１９に記載のブレード再設計方法。
【請求項２１】
上記のエアフォイル胴体部の再設計形態が、エアフォイルの上記第１形態と比べ本質的に変わらないことを特徴とする請求項１９に記載のブレード再設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ機械に関し、特に被冷却タービンブレードに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンブレードの設計および製造において熱管理は、考慮すべき重要事項である。ブレードは、通常、冷却通路網を備え形成される。典型的な通路網は、ブレードプラットフォームを通る冷却空気を受ける。冷却空気は、エアフォイル内の屈曲した経路を通過し、少なくとも冷却空気の一部は、エアフォイルの開口部を通りブレードから流出する。これらの開口部には、孔（例えば、エアフォイルの正圧面および負圧面に沿って配置された「フィルム孔」、ならびにこれらの面の接合部の前縁部および後縁部にある孔）が含まれる。付加的な開口部がブレード先端部に設けられている場合もある。一般的な製造技術として、ブレードの主要部分は、鋳造および機械加工により形成される。鋳造加工中、犠牲となるコアが利用され、少なくとも冷却通路網の主要部分が形成される。ブレード先端部におけるコアの適切な支持は、鋳造物の先端部分を通るコアの突起部分と対応しており、コアを取り除いた際、対応した孔を形成する。したがって、コアにより形成された孔を少なくとも部分的にふさぐためプレートを挿入する先端ポケットを備えた鋳造物を形成することが周知である。これにより、先端部を通る流量の調整および流れの分散が可能となり、所望の性能を達成する。このような構造の例が、特許文献１〜６に開示されている。いくつかのこのようなブレードにおいて、プレートは、鋳造物の先端ポケット内で下位平面（ｓｕｂｆｌｕｓｈ）に置かれ、それによりブレード先端ポケットまたはプレナムが形成される。
【特許文献１】米国特許第３，５３３，７１２号明細書
【特許文献２】米国特許第３，８８５，８８６号明細書
【特許文献３】米国特許第３，９８２，８５１号明細書
【特許文献４】米国特許第４，０１０，５３１号明細書
【特許文献５】米国特許第４，０７３，５９９号明細書
【特許文献６】米国特許第５，５６４，９０２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
熱／機械的疲労および腐食が組み合わさることにより、プレートが不具合をきたすことが、周知である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
したがって、本発明の１つの態様は、内部冷却通路網および胴体先端ポケットを備えたエアフォイル胴体部を有するブレードに関する。少なくとも１つのプレートは、胴体先端ポケットに固定されるとともに、内側面および外側面を有する。凹部を外側面に備え、対応する突起部を内側面に備える。
【０００５】
種々の実施態様において、凹部は、隣接するプレートの厚さの３０〜２００％の深さを有し、突起部は、隣接するプレートの厚さの３０〜２００％の高さを有する。凹部は、隣接するプレートの厚さの５００％以下の横方向の最大寸法を有し、横方向最大寸法の５０％以上の横方向最小寸法を有する。互いに反対向きで、対になっている上記凹部および突起部が複数あってもよい。凹部は、プレートの中心線（ｍｅａｎ  ｌｉｎｅ）の２０％以内に中心を有する。プレートは、単一のプレートであっても良い。プレートは、外周を有し、外周の少なくとも９０％に亘ってエアフォイル胴体部に溶接される。プレートは、基本的に外周全体に亘ってエアフォイル胴体部に溶接される。胴体先端ポケットは、複数のポートを通り冷却通路網と連通している。プレートは、少なくとも１つの貫通開口部（ｔｈｒｏｕｇｈ−ａｐｅｒｔｕｒｅｓ）を有する。プレートは、ブレード先端プレナムを形成するように、胴体先端部内でブレード先端から僅かに下がった位置（下位平面：ｓｕｂｆｌｕｓｈ）に固定される。胴体先端部は、連続した外壁を有する。
【０００６】
本発明の別の態様は、ブレード製造方法に関する。ブレード胴体部の形成には、鋳造加工が含まれる。プレートの形成には、プレート第１表面にいくつかのくぼみを押込加工することが含まれる。プレートは胴体部の先端ポケットに挿入され、胴体部に固定される。
【０００７】
種々の実施態様においては、ドリル加工を用いてプレートに複数の貫通開口部が開けられる。押込加工により、第１表面と反対側の第２表面からいくつかの突起部が形成される。固定方法には、プレートの外周部分に沿った溶接が含まれる。上記ブレードは、従来のブレードに代わり、ガスタービンエンジンに取りつけられる。従来のブレードは、くぼみを備えていない。
【０００８】
本発明の別の態様はブレードに関し、このブレードは、内部冷却通路網を備えるエアフォイル胴体部と、複数のポートを通り冷却通路網に連通している胴体先端ポケットとを有する。少なくとも１つのプレートは、胴体先端ポケット内に固定されており、ブレード先端と隣接するブレード先端ポケットを残すように上記先端に対し下位平面にあるとともに、少なくともいくつかのポートを少なくとも部分的に遮断する。このプレートは、周期的な熱応力を軽減する手段を有する。
【０００９】
種々の実施態様において、上記手段には、整列して対になっているいくつかの外側面凹部と内側面突起部が含まれる。胴体部は、大部分がニッケルベースあるいはコバルトベースの超合金で構成される。プレートは、基本的にニッケルベースあるいはコバルトベースの超合金で構成される。
【００１０】
本発明の別の態様は、タービンエンジンブレード形態を第１形態から再設計形態に再設計する手段に関する。第１形態は、内部冷却通路網と、いくつかのポートを通り冷却通路網に連通している胴体先端ポケットとを有するエアフォイル胴体部を備える。プレートは、胴体先端ポケット内に固定され、概ね平坦な内側面および外側面を有する。このプレートは、ブレード先端と隣接するブレード先端ポケットを残すように先端に対し下位平面にあるとともに、少なくともいくつかのポートを部分的に遮断する。複数の反復の後、再設計された形態が提供される。この再設計形態は、内部冷却通路網を備えるエアフォイル胴体部と、いくつかのポートを通り冷却通路網に連通する胴体先端ポケットとを有する。プレートは，内側面および外側面を有するとともに、胴体先端ポケット内に固定される。上記プレートは、ブレード先端に隣接するブレード先端ポケットを残すように先端に対し下位平面にあるとともに、少なくともいくつかのポートを少なくとも部分的に遮断する。このプレートは、第１形態と比較して、熱／機械的疲労への耐性を改善するのに効果的な少なくとも１つの表面改善部を有する。
【００１１】
種々の実施態様において、表面改善部にはくぼみが含まれる。エアフォイル胴体部の再設計形態は、エアフォイル胴体部の第１形態と比べ、基本的には変わっていない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１では、エアフォイル２２を有するタービンブレード２０が図示されている。このエアフォイル２２は、内側プラットフォーム２６に位置する隣接ルート部２４から遠位端部先端２８までの全長に亘って延びている。複数の上記ブレードは、それぞれの内側プラットフォームが流路の内側部分を区画する環状をなすように隣り合って取りつけられる。典型的な実施例として、ブレードの主要部分は、合金で一体的に（例えば、鋳造物として）形成される。この鋳造物は、先端コンパートメント３０を備えるように形成されており、この箇所（図３）にカバープレート３２（図２）を固定する。
【００１３】
エアフォイルは、前縁部４０から後縁部４２まで延びている。前縁部および後縁部により、正圧側と負圧側、つまり正圧面４４と負圧面４６が隔てられている。ブレードを冷却するため、プラットフォーム内のポート（図示せず）と連結した冷却通路網５０（図４）が、ブレードに設けられる。典型的な通路網には、エアフォイルに沿って概ね縦方向に延在する一連のキャビティが含まれる。最前部のキャビティは、前縁部と概ね平行して延びている前縁部キャビティとして確定される。最後部のキャビティは、後縁部と概ね平行して延びている後縁部キャビティとして確定される。これらのキャビティは、一端または両端が結合していてもよいし、キャビティの全長に亘る所定の箇所において結合していてもよい。通路網は、正圧面４４および負圧面４６に向かって延びている孔をさらに備えていてもよい。この孔は、高い外部温度から表面をさらに冷却、断熱する。複数の上記孔の中に、後縁排気スロット５２が配置されていてもよい。このスロットの別法として、後縁部キャビティと後縁部に隣接した箇所との間に延在する一連の後縁部孔が配置されていてもよい。
【００１４】
典型的な実施例として，ブレードの主要部分は、鋳造および機械加工により形成される。
鋳造は、通路網を形成するために犠牲となるコアを用いて行われる。典型的な鋳造工程により、上記の鋳造先端コンパートメント３０を備える鋳造物が形成される（図１）。このコンパートメントは、通路隔壁５８の外側端部５６と協働する外側面５４を備える周方向肩部５３を有する（図４）。これにより、鋳造先端コンパートメントの基部が形成される。形成されたエアフォイルの正圧側および負圧側に部分６２，６４を有する壁構造物のリム６０（図３)より低いところに上記基部は位置する。上記基部は、前縁部から後縁部にわたる一連の開口部７０，７２，７４，７６，７８（図１）を備えるように形成される。支持のため外側鋳型に取りつけられた犠牲コアの一部により、これらの開口部を形成することができる。上記開口部は、通路網と連通している。この開口部が望ましくない経路となって、ブレードから冷却空気が流出してしまうことがある。したがって、カバープレート３２を用いて、いくつかあるいは全ての開口部を、完全にまたは部分的にふさぐことが有益となる。
【００１５】
カバープレート３２は、内側面８０および外側面８２を有する（図４）。カバープレート内側面８０は、肩部外側面５４および壁端部５６に接して平らに位置している。カバープレート外側面８２は、ブレード先端ポケットつまりコンパートメント９０を形成するように、リム６０よりＨ1の高さだけ低くくぼんだところ（下位平面）に位置している。運転中、（以下に説明するくぼみを有する）リム６０は、隣接するシュラウドの内側面に実質的に極めて近接している（例えば、０．１インチ（約２．５４ｍｍ）のギャップを有する程度）。
【００１６】
エアフォイルの正圧側の外郭とほぼ対応した第１部分１００と、エアフォイル負圧側とほぼ対応した第２部分１０２と、を有する外周を備えるようにカバープレート３２（図２）は初めに形成される。典型的なカバープレートの材料は、ニッケルベースの超合金（例えば、ＵＮＳ  Ｎ０６６２５  厚さ０．０３〜０．０５インチ（約０．７６２〜１．２７ｍｍ））である。上記部分１００，１０２は、（以下に説明する離脱箇所を有することもあるが）壁構造部分６２，６４の内側面に隣接する先端コンパートメント内にぴったりとはまるように寸法調整される。
【００１７】
鋳造コンパートメントの所定の場所に位置合わせをし、外周部１００，１０２の全てまたは一部に沿って溶接、あるいはろう付けすることにより、カバープレート３２は鋳造物に取りつけられる。具体的には、図示した実施例においては、上記プレートは、外周３６０°全てに亘って鋳造物にレーザ溶接される。別法としては、外周全てまたは一部に亘り、カバープレートを隅肉溶接（例えば、ＭＩＧ溶接あるいはＴＩＧ溶接）してもよい。
【００１８】
図２では、一連の貫通開口部１１０，１１２，１１４，１１６，１１８を含むようにカバープレートがさらに図示されている。上記貫通開口部は、エアフォイル断面形状の中心線に概ね近接するとともに、対応する開口部７０，７２，７４，７６，７８の１つと各々が連通している。具体例としての貫通開口部は、ドリル加工により形成され、円筒表面を有する。この貫通開口部により、空気がブレード先端コンパートメントに案内され、先端部が冷却されるとともに、冷却通路網５０から混入物質（例えば、ほこり）が除去される。
【００１９】
さらに図２では、複数の凹部領域１２０，１２２，１２４を含むようにカバープレート外側面８２が図示されている。上記凹部は、内側面８０からの対応する突起部１２６，１２８，１３０と整列する（図４）。上記突起部は、突起部以外の平坦な他の内側面８０より高くなっている高さＨ2を有する。この高さは、外側面８２の他の部分より低くなっている複数の凹部のくぼみとほぼ同じである。対になっている凹部／突起部は、（例えば、押込加工用工具を用いて）外側面８２からカバープレート３２を押込加工することによりそれぞれ形成される。凹部／突起部は、以下に述べる不具合からカバープレートを守るように機能する。
【００２０】
図５では、類似している、凹部／突起部を備えていない別のカバープレート２００が図示されている。カバープレート２００は、カバープレート３２の貫通開口部と同様に配置された貫通開口部２００，２０４，２０６，２０８，２１０を有する。運転中、１つまたは複数の亀裂２２０が生じるような故障モードが確認される。カバープレート３２の不均等な冷却により、周期的な熱の衝撃、および結果生じる熱／機械的疲労が増す。この疲労が、化学物質（例えば、酸化性物質）および侵食性のメカニズムと組み合わさることにより、亀裂２２０が生じる。突起部があることによって、通路網５０を通る冷却空気流への熱移動が局所的に向上する傾向がある。対応する凹部によるプレート外側への熱移動の効果は、たとえあったとしても、ごく僅かである。しかし、（例えば、突起の鋳造や溶着突起など突起部だけの場合とは異なり）凹部により、構造的な利点が提供される。第１に、凹部は、質量、ひいては慣性（例えば、遠心）力を減少させる。第２に、凹部／突起部の内側方向への配置により、外側方向の（例えば、遠心）力に対して構造的な剛性が増す（例えば、張力を受けている懸垂線ではなく圧縮力を受けるアーチとして機能する）。
【００２１】
特定のエアフォイル形態およびエンジン運転パラメータを考慮して、凹部を配置および寸法調整し、所望の疲労緩和を実現することができる。典型例としては、疲労が生じる場所（例えば、高い温度および圧力、あるいは振幅の大きな温度および圧力を受けやすい領域）に相対的に近いところに凹部を配置する。例えば、この場所は、エアフォイル断面形状の中心線に相対的に近い（例えば、中心線から正圧側または負圧側外周部までの距離の２０％以内）。この場所は、凹部がなければ冷却空気の効果が弱いものとなる冷却流路に沿った下流側に位置する（例えば、互いに隣接する壁端部５６との間の空間の下流側端部に向かって位置している）。典型的な凹部の深さおよび突起部の高さは、隣接するプレートの厚さの３０〜２００％（例えば、約１００％）である。外側面において凹部の典型的な横方向の寸法を測定し、内側面において突起部の典型的な横方向の寸法（すなわち、凹部／突起部の円形断面の直径）を測定する。典型的な凹部の横方向の最大寸法は、隣接するプレートの厚さの５００％以下である。非円形の凹部の場合を考慮にいれると、典型的な凹部の横方向の最小寸法は、凹部の横方向の最大寸法の５０％以上である。
【００２２】
本発明の複数の実施例の説明がなされた。それでもなお、本発明の趣旨および内容から逸脱することなく、種々の改良がなされることを理解されたい。例えば、特定用途向けの細部改良である。既存の実施例あるいは既存のブレードにおける上記特性は、本発明の原理が応用される範囲まで、例えば、既存の実施例の範囲、より具体的には、既存のブレードの改良品にまで、実施に際し影響が及ぶ。したがって、その他の実施例も添付した特許請求の範囲の内容に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の原理によるタービンブレードの分解図。
【図２】図１のブレードの先端コンパートメント用カバープレートの図。
【図３】図１のブレードの先端部の図。
【図４】図１のブレードの先端部の部分断面図。
【図５】従来技術のカバープレートの図。
【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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