(57)【要約】【課題】エーロフォイルの機外側先端部に取り付けられた先端シュラウドを含むタービンロータブレードを提供すること。【解決手段】先端シュラウドは、機内側表面が機外側表面の反対側にある、軸方向および周方向に延在する平面状の構成要素、ならびに、機内側表面を機外側表面に接続し先端シュラウドの機外側の外形を画定するシュラウド縁部を含み得る。先端シュラウドは、先端シュラウドの機外側表面から突出する封止レール、および封止レール上に配設されたカッター歯を含み得る。カッター歯を、軸方向に厚くした封止レールの周方向の区域として形成できる。封止レールは、これを通して形成された、動作中の漏出レベルを高めるように構成される漏出間隙をさらに含み得る。【選択図】図１
2018003841.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹状正圧面（２６）と側方で対置された凸状負圧面（２７）との間に画定されたエーロフォイル（２５）であって、前記正圧面（２６）および前記負圧面（２７）が、軸方向において、対向する前縁（２８）と後縁（２９）との間に、かつ、放射方向において、機外側先端部と、前記ロータブレード（１６）をロータディスクに結合するように構成された根元（２１）に付着する機内側端部との間に延在する、エーロフォイル（２５）と、
前記エーロフォイル（２５）の前記機外側先端部に取り付けられた先端シュラウド（４１）であって、機内側表面（４５）が機外側表面（４４）の反対側にある、軸方向および周方向に延在する平面状の構成要素、ならびに、前記機内側表面（４５）を前記機外側表面（４４）に接続し前記先端シュラウド（４１）の機外側の外形を画定するシュラウド縁部（４６）を備える、先端シュラウド（４１）と、
前記先端シュラウド（４１）の前記機外側表面（４４）から突出する封止レール（４２）と、を含み、
前記封止レール（４２）がこれを通して形成された漏出間隙（７８）を備え、前記漏出間隙（７８）が動作中の漏出レベルを高めるように構成されている、
ガスタービン（１０）のタービン（１２）用のロータブレード（１６）。
【請求項２】
中での適正な設置を前提として、前記ロータブレード（１６）を前記タービン（１２）の配向特徴に従って説明可能であり、前記特徴が、
前記タービン（１２）の中心軸に対して規定される放射方向、軸方向、および周方向と、
作動流体が前記タービン（１２）内に入る場所である前記タービン（１２）の前方端部、および、前記作動流体が前記タービン（１２）から出る場所である前記タービン（１２）の後方端部に対して規定される、前方向および後方向と、
動作中の前記タービン（１２）の前記中心軸を中心とした前記ロータブレード（１６）の期待される回転の方向に対して規定される、回転方向と、を含み、
前記配向特徴に従って、
前記封止レール（４２）が、前記機外側表面（４４）から、前記放射方向とほぼ整列された軸に沿って、高さを規定するように突出し、
前記封止レール（４２）が、前記周方向とほぼ整列された軸に沿って、長さを規定するように延在し、
前記封止レール（４２）が、前記長さに対して、前記軸方向とほぼ整列された軸に沿って延びる、薄い厚さを備え、
前記封止レール（４２）が、対向する実質的に平面状のレール面であって、前方レール面（５６）および後方レール面（５７）がそれぞれ前記タービン（１２）の前記前方向および前記後方向に対応するレール面を備える、請求項１記載のロータブレード（１６）。
【請求項３】
前記封止レール（４２）上に配設されたカッター歯（４３）であって、軸方向に厚くした前記封止レール（４２）の周方向の区域を備えるカッター歯（４３）をさらに備え、
前記封止レール（４２）の前記薄い厚さが、前記前方レール面（５６）と前記後方レール面（５７）との間を橋渡しするレール縁部によって、前記封止レール（４２）の周縁部に沿って規定され、
前記レール縁部が、
対向する機外側レール縁部（５９）および機内側レール縁部（５８）であって、前記機内側レール縁部（５８）が、前記封止レール（４２）と前記先端シュラウド（４１）の前記機外側表面（４４）との接続部において画定され、前記機外側レール縁部（５９）が、前記機内側レール縁部（５８）から前記封止レール（４２）の前記高さだけオフセットされる、対向する機外側レール縁部（５９）および機内側レール縁部（５８）と、
対向する回転の前側となるレール縁部（６２）および回転の後側となるレール縁部（６３）であって、これらの各々が前記シュラウド縁部（４６）の近くに位置付けられ、前記ロータブレード（１６）の前記回転方向が与えられた場合に、前記回転の前側となるレール縁部（６２）が動作中に前記回転の後側となるレール縁部（６３）の前側となるようになっている、対向する回転の前側となるレール縁部（６２）および回転の後側となるレール縁部（６３）と、を含む、請求項２記載のロータブレード（１６）。
【請求項４】
前記封止レール（４２）が、前記封止レール（４２）の前記高さが間で変動する高さ区域を備え、前記高さ区域が、周方向に画定され、かつ前記封止レール（４２）の前記長さの全体を、２つの重なり合わない区域、すなわち第１の高さ区域（８１）および２第の高さ区域（８２）へと分割し、
前記漏出間隙（７８）が、前記第２の高さ区域（８２）内の前記封止レール（４２）の前記高さと比較して明白に低減されている前記第１の高さ区域（８１）の前記封止レール（４２）を備え、
前記封止レール（４２）が、前記カッター歯（４３）と一致する周方向に画定されたカッター歯区域（７０）を含み、前記カッター歯区域（７０）の全体が、前記第２の高さ区域（８２）内に配設される、請求項３記載のロータブレード（１６）。
【請求項５】
前記封止レール（４２）が、回転の前側となる区域（７２）、カッター歯区域（７０）、および回転の後側となる区域（７３）を含む、前記カッター歯（４３）に対して画定された周方向の区域を備え、
前記カッター歯区域（７０）が前記カッター歯（４３）の周方向長さと一致し、
前記回転の前側となる区域（７２）が、前記カッター歯区域（７０）から前記回転の前側となるレール縁部（６２）まで延在し、
前記回転の後側となる区域（７３）が、前記カッター歯区域（７０）から前記回転の後側となるレール縁部（６３）まで延在し、
前記封止レール（４２）が、前記封止レール（４２）の前記高さが間で変動する高さ区域を備え、前記高さ区域が、周方向に画定され、かつ前記封止レール（４２）の前記長さの全体を、２つの重なり合わない区域、すなわち第１の高さ区域（８１）および２第の高さ区域（８２）へと分割し、
前記漏出間隙（７８）が、前記第２の高さ区域（８２）内の前記封止レール（４２）の前記高さと比較して明白に低減されている前記第１の高さ区域（８１）内の前記封止レール（４２）の前記高さを備える、請求項３記載のロータブレード（１６）。
【請求項６】
前記第１の高さ区域（８１）が前記回転の前側となる区域（７２）を備え、
前記第２の高さ区域（８２）が、前記カッター歯区域（７０）および前記回転の後側となる区域（７３）の両方を備え、
前記第１の高さ区域（８１）の前記明白に低減された高さが、前記第２の高さ区域（８２）の前記高さの９０％未満で構成される、請求項５記載のロータブレード（１６）。
【請求項７】
前記第１の高さ区域（８１）が前記回転の後側となる区域を備え、
前記第２の高さ区域（８２）が、前記カッター歯区域（７０）および前記回転の前側となる区域（７２）の両方を備え、
前記第１の高さ区域（８１）の前記明白に低減された高さが、前記第２の高さ区域（８２）の前記高さの９０％未満で構成される、請求項５記載のロータブレード（１６）。
【請求項８】
前記第１の高さ区域（８１）が、前記回転の前側となる区域（７２）および前記回転の後側となる区域（７３）の一方を備え、
前記第２の高さ区域（８２）が、
前記回転の前側となる区域（７２）および前記回転の後側となる区域の他方、ならびに
前記カッター歯区域（７０）、の両方を備え、
前記第２の高さ区域（８２）の前記高さが実質的に一定である、請求項５記載のロータブレード（１６）。
【請求項９】
前記第１の高さ区域（８１）内の前記封止レール（４２）の前記高さが変動し、この結果、前記第１の高さ区域（８１）の前記機外側縁部が形状形成された外形を形成し、
前記形状形成された外形が波形の外形を有する、請求項８記載のロータブレード（１６）。
【請求項１０】
前記第１の高さ区域（８１）内の前記封止レール（４２）の前記高さが変動し、この結果、前記第１の高さ区域（８１）の前記機外側縁部が形状形成された外形を形成し、
前記形状形成された外形が、前記第１の高さ区域（８１）が前記カッター歯区域（７０）から離れる方向に延びるにつれ、前記封止レール（４２））の前記高さが狭まる、機内側傾斜外形を含む、請求項８記載のロータブレード（１６）。
【請求項１１】
前記第１の高さ区域（８１）内の前記封止レール（４２）の前記高さが変動し、この結果、前記第１の高さ区域（８１）の前記機外側縁部が形状形成された外形を形成し、
前記形状形成された外形が、凹状のシュラウド縁部（４６）を備える、請求項８記載のロータブレード（１６）。
【請求項１２】
前記封止レール（４２）が、前記カッター歯（４３）の周方向長さと一致するカッター歯区域（７０）、前記カッター歯区域（７０）から前記回転の前側となるレール縁部（６２）まで延在する回転の前側となる区域（７２）、および前記カッター歯区域（７０）から前記回転の後側となるレール縁部（６３）まで延在する回転の後側となる区域（７３）を含む、前記カッター歯（４３）に対して画定された周方向の区域を備え、
前記漏出間隙（７８）が、
前記カッター歯区域（７０）内の前記封止レール（４２）の前記高さと比較して明白に低減されている、前記回転の前側となる区域（７２）内の前記封止レール（４２）の前記高さ、および
前記カッター歯区域（７０）内の前記封止レール（４２）の前記高さと比較して明白に低減されている、前記回転の後側となる区域（７３）内の前記封止レール（４２）の前記高さ、の両方を備える、請求項３記載のロータブレード（１６）。
【請求項１３】
前記回転の前側となる区域（７２）および前記回転の後側となる区域（７３）内の前記封止レール（４２）の前記高さが各々、前記カッター歯区域（７０）内の前記封止レール（４２）の前記高さの５０％からの８０％間で構成され、
前記回転の前側となる区域（７２）内の前記封止レール（４２）の前記高さおよび前記回転の後側となる区域（７３）内の前記封止レール（４２）の前記高さがほぼ等しく、
前記カッター歯（４３）が前記封止レール（４２）の周方向のほぼ中点に位置付けられ、この結果、前記回転の前側となる区域（７２）および前記回転の後側となる区域の周方向長さがほぼ等しくなる、請求項１２記載のロータブレード（１６）。
【請求項１４】
前記回転の前側となる区域（７２）および前記回転の後側となる区域（７３）内の前記封止レール（４２）の前記高さが各々、前記カッター歯区域（７０）内の前記封止レール（４２）の前記高さの４０％からの９０％間で構成され、
前記回転の前側となる区域（７２）内の前記封止レール（４２）の前記高さおよび前記回転の後側となる区域（７３）内の前記封止レール（４２）の前記高さが異なり、
前記カッター歯（４３）が前記封止レール（４２）の周方向のほぼ中点に位置付けられ、この結果、前記回転の前側となる区域（７２）および前記回転の後側となる区域（７３）の周方向長さがほぼ等しくなる、請求項１２記載のロータブレード（１６）。
【請求項１５】
前記封止レール（４２）が、前記カッター歯（４３）の周方向長さと一致するカッター歯区域（７０）、前記カッター歯区域（７０）から前記回転の前側となるレール縁部（６２）まで延在する回転の前側となる区域（７２）、および前記カッター歯区域（７０）から前記回転の後側となるレール縁部（６３）まで延在する回転の後側となる区域（７３）を含む、前記カッター歯（４３）に対して画定された周方向の区域を備え、
前記カッター歯区域（７０）、前記回転の前側となる区域（７２）、および前記回転の後側となる区域（７３）内の、前記封止レール（４２）の前記高さが、実質的に一定であり、
前記漏出間隙が、前記封止レール（４２）を通して画定された１つまたは複数のポートを備える、請求項３記載のロータブレード（１６）。
【請求項１６】
前記１つまたは複数のポートが、前記封止レール（４２）の前記回転の前側となる区域（７２）および前記回転の後側となる区域（７３）の各々を通して画定されている前記１つまたは複数のポートのうちの少なくとも１つを備え、
前記１つまたは複数のポートが各々、前記前方レール面（５６）を通して形成された入口と前記後方レール面（５７）を通して形成された出口との間に、前記封止レール（４２）の前記厚さを通って軸方向に延在する囲まれた通路を備える、請求項１５記載のロータブレード（１６）。
【請求項１７】
前記１つまたは複数のポートが各々、前記前方レール面（５６）を通して形成された入口から前記後方レール面（５７）を通して形成された出口までの間に、前記封止レール（４２）の前記厚さを通って軸方向に延在する囲まれた通路を備え、
前記１つまたは複数のポートのうちの少なくとも１つの前記囲まれた通路が、前記封止レール（４２）に対して角度を付けられている、請求項１５記載のロータブレード（１６）。
【請求項１８】
凹状正圧面（２６）と側方で対置された凸状負圧面（２７）との間に画定されたエーロフォイル（２５）であって、前記正圧面（２６）および前記負圧面（２７）が、軸方向において、対向する前縁（２８）と後縁（２９）との間に、かつ、放射方向において、機外側先端部と、前記ロータブレード（１６）をロータディスクに結合するように構成された根元（２１）に付着する機内側端部との間に延在する、エーロフォイル（２５）と、
前記エーロフォイル（２５）の前記機外側先端部に取り付けられた先端シュラウド（４１）であって、機内側表面（４５）が機外側表面（４４）の反対側にある、軸方向および周方向に延在する平面状の構成要素、ならびに、前記機内側表面（４５）を前記機外側表面（４４）に接続し前記先端シュラウド（４１）の機外側の外形を画定するシュラウド縁部（４６）を備える、先端シュラウド（４１）と、
前記先端シュラウド（４１）の前記機外側表面（４４）から突出する封止レール（４２）であって、後方封止レール（７７）の前方に位置付けられこれと実質的に平行に配向される前方封止レール（７６）を含む、封止レール（４２）と、を含み、
前記封止レール（４２）のうちの少なくとも１つがこれを通して形成された漏出間隙（７８）を備え、前記漏出間隙（７８）が動作中の漏出レベルを高めるように構成されている、
ガスタービン（１０）のタービン（１２）用のロータブレード（１６）。
【請求項１９】
中での適正な設置を前提として、前記ロータブレード（１６）を前記タービン（１２）の配向特徴に従って説明可能であり、前記特徴が、
前記タービン（１２）の中心軸に対して規定される放射方向、軸方向、および周方向と、
作動流体が前記タービン（１２）内に入る場所である前記タービン（１２）の前方端部、および、前記作動流体が前記タービン（１２）から出る場所である前記タービン（１２）の後方端部に対して規定される、前方向および後方向と、
動作中の前記タービン（１２）の前記中心軸を中心とした前記ロータブレード（１６）の期待される回転の方向に対して規定される、回転方向と、を含み、
前記配向特徴に従って、
前記封止レール（４２）の各々が、前記機外側表面（４４）から、前記放射方向とほぼ整列された軸に沿って、高さを規定するように突出し、
前記封止レール（４２）の各々が、前記周方向とほぼ整列された軸に沿って、長さを規定するように延在し、
前記封止レール（４２）の各々が、前記軸方向とほぼ整列された軸に沿って延びる、薄い厚さを備え、
前記封止レール（４２）の各々が、対向する実質的に平面状のレール面であって、前方レール面（５６）および後方レール面（５７）がそれぞれ前記タービン（１２）の前記前方向および前記後方向に対応するレール面を備える、請求項１８記載のロータブレード（１６）。
【請求項２０】
前記封止レール（４２）の各々上に配設されたカッター歯（４３）であって、軸方向に厚くした前記封止レール（４２）の周方向の区域を備えるカッター歯（４３）をさらに備え、
前記封止レール（４２）の各々が、その上に配置された前記カッター歯（４３）に対して画定された周方向の区域を備え、前記周方向の区域が、前記カッター歯（４３）の周方向長さと一致するカッター歯区域（７０）、前記カッター歯区域（７０）から前記回転の前側となるレール縁部（６２）まで延在する回転の前側となる区域（７２）、および前記カッター歯区域（７０）から前記回転の後側となるレール縁部（６３）まで延在する回転の後側となる区域を含み、
前記前方封止レール（７６）が、前記カッター歯区域（７０）、前記回転の前側となる区域（７２）、および前記回転の後側となる区域（７３）にわたって、実質的に一定の高さを備え、
前記後方封止レール（７７）が前記漏出間隙（７８）を備え、前記漏出間隙（７８）が、
前記後方封止レール（７７）が前記回転の後側となる区域および前記カッター歯区域（７０）の両方にわたって備える一定の高さと比較して明白に低減されている、前記回転の前側となる区域（７２）内の前記後方封止レール（７７）の前記高さ、ならびに、
前記後方封止レール（７７）が前記回転の前側となる区域（７２）および前記カッター歯区域（７０）の両方にわたって備える実質的に一定の高さと比較して明白に低減されている、前記回転の後側となる区域（７３）内の前記後方封止レール（７７）の前記高さ、のうちの少なくとも一方を備える、請求項１９記載のロータブレード（１６）。
【請求項２１】
前記封止レール（４２）の各々が、その上に配置された前記カッター歯（４３）に対して画定された周方向の区域を備え、前記周方向の区域が、前記カッター歯（４３）の周方向長さと一致するカッター歯区域（７０）、前記カッター歯区域（７０）から前記回転の前側となるレール縁部（６２）まで延在する回転の前側となる区域（７２）、および前記カッター歯区域（７０）から前記回転の後側となるレール縁部（６３）まで延在する回転の後側となる区域を含み、
前記後方封止レール（７７）が、前記カッター歯区域（７０）、前記回転の前側となる区域（７２）、および前記回転の後側となる区域（７３）にわたって、実質的に一定の高さを備え、
前記前方封止レール（７６）が前記漏出間隙（７８）を備え、前記漏出間隙（７８）が、
前記前方封止レール（７６）が前記回転の後側となる区域および前記カッター歯区域（７０）の両方にわたって備える一定の高さと比較して明白に低減されている、前記回転の前側となる区域（７２）内の前記前方封止レール（７６）の前記高さ、ならびに、
前記前方封止レール（７６）が前記回転の前側となる区域（７２）および前記カッター歯区域（７０）の両方にわたって備える実質的に一定の高さと比較して明白に低減されている、前記回転の後側となる区域（７３）内の前記前方封止レール（７６）の前記高さ、のうちの少なくとも一方を備える、請求項１９記載のロータブレード（１６）。
【請求項２２】
前記封止レール（４２）の各々が、その上に配置された前記カッター歯（４３）に対して画定された周方向の区域を備え、前記周方向の区域が、前記カッター歯（４３）の周方向長さと一致するカッター歯区域（７０）、前記カッター歯区域（７０）から前記回転の前側となるレール縁部（６２）まで延在する回転の前側となる区域（７２）、および前記カッター歯区域（７０）から前記回転の後側となるレール縁部（６３）まで延在する回転の後側となる区域を含み、
前記前方封止レール（７６）および前記後方封止レール（７７）の各々が前記漏出間隙（７８）を備え、
前記前方封止レール（７６）の前記漏出間隙（７８）が、
前記前方封止レール（７６）が前記回転の後側となる区域（７３）および前記カッター歯区域（７０）の両方にわたって備える一定の高さと比較して明白に低減されている、前記回転の前側となる区域（７２）内の前記前方封止レール（７６）の前記高さ、ならびに、
前記前方封止レール（７６）が前記回転の前側となる区域（７２）および前記カッター歯区域（７０）の両方にわたって備える実質的に一定の高さと比較して明白に低減されている、前記回転の後側となる区域（７３）内の前記前方封止レール（７６）の前記高さ、のうちの少なくとも一方を備え、
前記後方封止レール（７７）の前記漏出間隙（７８）が、
前記後方封止レール（７７）が前記回転の後側となる区域（７３）および前記カッター歯区域（７０）の両方にわたって備える一定の高さと比較して明白に低減されている、前記回転の前側となる区域（７２）内の前記後方封止レール（７７）の前記高さ、ならびに、
前記後方封止レール（７７）が前記回転の前側となる区域（７２）および前記カッター歯区域（７０）の両方にわたって備える実質的に一定の高さと比較して明白に低減されている、前記回転の後側となる区域（７３）内の前記後方封止レール（７７）の前記高さ、のうちの少なくとも一方を備える、請求項１９記載のロータブレード（１６）。
【請求項２３】
前記封止レール（７７）の各々が、その上に配置された前記カッター歯（４３）に対して画定された周方向の区域を備え、前記周方向の区域が、前記カッター歯（４３）の周方向長さと一致するカッター歯区域（７０）、前記カッター歯区域（７０）から前記回転の前側となるレール縁部（６２）まで延在する回転の前側となる区域（７２）、および前記カッター歯区域（７０）から前記回転の後側となるレール縁部（６３）まで延在する回転の後側となる区域（７３）を含み、
前記後方封止レール（７７）が、前記カッター歯区域（７０）、前記回転の前側となる区域（７２）、および前記回転の後側となる区域（７３）にわたって、実質的に一定の高さを備え、
前記後方封止レール（７７）が、前記カッター歯区域（７０）、前記回転の前側となる区域（７２）、および前記回転の後側となる区域（７３）にわたって、実質的に一定の高さを備え、
前記漏出間隙（７８）が、前記前方封止レール（７６）および前記後方封止レール（７７）のうちの少なくとも一方を通して画定された、１つまたは複数のポートを備え、
前記１つまたは複数のポートが各々、前記前方レール面（５６）を通して形成された入口と前記後方レール面（５７）を通して形成された出口との間に、前記封止レール（４２）の前記厚さを通って軸方向に延在する囲まれた通路を備える、請求項１９記載のロータブレード（１６）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、ガスタービンエンジン内のロータブレード用の先端シュラウド構成に関する。より詳細には、ただし限定するものではないが、本出願は、ロータブレード先端シュラウド上の封止レールの設計および構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃焼エンジンまたはガスタービンエンジン（以下「ガスタービン」）は、中でブレードの列が複数の段として軸方向に積み重ねられる、圧縮機区域およびタービン区域を含む。各段は通常、固定されている周方向に離間されたステータブレードの列、および、中心タービン軸またはシャフトを中心に回転するロータブレードの列を含む。動作時には一般に、圧縮機ロータブレードは、シャフトを中心に回転し、ステータブレードと協調して働いて、空気の流れを圧縮する。この供給された圧縮空気は次いで、供給された燃料を燃焼させるために、燃焼器内で用いられる。この結果生じる高温の膨張する燃焼ガスの流れは、多くの場合作動流体と呼ばれるもので、次いでエンジンのタービン区域を通って膨張する。タービン内で、作動流体はステータブレードによってロータブレード上へと方向を変えられて、回転の動力となる。ステータブレードは中心シャフトに接続され、この結果、ロータブレードの回転によりシャフトが回転する。このようにして、燃料中に含まれるエネルギーは回転するシャフトの機械的エネルギーに変換され、たとえばこのエネルギーを使用して、燃焼のために必要な供給量の圧縮空気を生み出すために圧縮機のロータブレードを回転させる、ならびにたとえば、電力を生成するために発電機のコイルを回転させることができる。動作中、高温ガス経路の温度、作動流体の速度、およびエンジンの回転速度に起因して、タービン内のロータブブレードは、極端な機械的負荷および熱的負荷により、特に応力を受けた状態になる。
【０００３】
発電および航空に関与する用途など、多くの産業用途が依然としてガスタービンに大幅に依存しており、またこのために、より効率的なエンジンのエンジニアリングは、依然として進行中の重要な目標である。諒解されるであろうが、機械の性能が着実に進歩していく中、この技術を中心に発展してきた非常に競争の激しい市場においては、効率、または費用対効果が、大きな意味をもつ。たとえばエンジンのサイズ、入口温度、または回転速度を大きくすることなど、ガスタービンの効率を改善するための戦略がいくつか知られているが、これらはいずれも一般に、既に高い応力を受けているその高温ガス経路構成要素に、追加の負担をかける。結果として、そのような動作応力を緩和する、または別法としてそうした応力により良く耐えるようにそのような構成要素の耐久性を高める、改善された装置、方法、またはシステムの必要性が、依然として存在する。
【０００４】
諒解されるであろうが、この必要性は、タービンロータブレードに関して特に明白である。ここでは、市場競争性が並外れて高く、多くの設計考慮事項は非常に複雑でまた多くの場合競合する。したがって、１つまたは複数の所望の性能基準を−構造の強固さ、部品寿命の長さ、費用効果の高いエンジン動作、および／または冷却剤の効率的な使用を依然として十分に助長しつつ−最適化するまたは向上させるような方法で、これらの考慮事項のバランスをとることに成功している、新規なロータブレード設計、たとえば本明細書に提示するようなものは、大きな価値を有する技術的進歩を表している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８４４４３７１号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
したがって本出願は、エーロフォイルの機外側先端部に取り付けられた先端シュラウドを含むタービンロータブレードについて説明する。先端シュラウドは、機内側表面が機内側表面の反対側にある、軸方向および周方向に延在する平面状の構成要素、ならびに、機内側表面を機外側表面に接続し先端シュラウドの機外側の外形を画定するシュラウド縁部を含み得る。先端シュラウドは、先端シュラウドの機外側表面から突出する封止レール、および封止レール上に配設されたカッター歯を含み得る。カッター歯を、軸方向に厚くした封止レールの周方向の区域として形成できる。封止レールは、これを通って形成された、動作中の漏出レベルを高めて空気熱力学的な利益を提供するように構成される漏出間隙をさらに含み得る。
【０００７】
本出願のこれらのおよび他の特徴は、続く好ましい実施形態の詳細な説明を、図面および付属の特許請求の範囲と併せて解釈して検討するとき、明らかになるであろう。
【０００８】
本発明のこれらのおよび他の特徴は、添付の図面と併せて解釈される、続く本発明の例示の実施形態のより詳細な説明を注意深く検討することによって、より完全に理解され諒解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本出願の態様および実施形態によるタービンブレードを含み得る、例示のガスタービンを概略的に表したものである。
【図２】図１のガスタービンの圧縮機区域の断面図である。
【図３】図１のガスタービンのタービン区域の断面図である。
【図４】従来の先端シュラウドを有する例示のタービンロータブレードの斜視図である。
【図５】単一の封止レールを有する従来のタービンロータブレードの先端シュラウドの斜視図である。
【図６】２つの封止レールを有する従来のタービンロータブレードの先端シュラウドの斜視図である。
【図７】シュラウドを設けたタービンロータブレードの封止レールとこれに対向する固定的な構造との間に形成された、例示のインタフェースの側面図である。
【図８】先端シュラウドを設けたタービンロータブレードの例示の設置後の配置構成の機外側に斜視図である。
【図９】本発明の例示の実施形態による、２重の封止レールを有する先端シュラウドロータブレードの斜視図である。
【図１０】本発明の例示の実施形態による、２重の封止レールを有する先端シュラウドロータブレードの斜視図である。
【図１１】本発明の例示の実施形態による、２重の封止レールを有する先端シュラウドロータブレードの斜視図である。
【図１２】本発明の例示の実施形態による、２重の封止レールを有する先端シュラウドロータブレードの斜視図である。
【図１３】本発明の例示の実施形態による、２重の封止レールを有する先端シュラウドロータブレードの斜視図である。
【図１４】本発明の例示の実施形態による、２重の封止レールを有する先端シュラウドロータブレードの斜視図である。
【図１５】本発明の例示の実施形態による、２重の封止レールを有する先端シュラウドロータブレードの斜視図である。
【図１６】本発明の例示の実施形態による、２重の封止レールを有する先端シュラウドロータブレードの斜視図である。
【図１７】本発明の例示の実施形態による、単一の封止レールｉを有する先端シュラウドロータブレードの斜視図である。
【図１８】本発明の例示の実施形態による、単一の封止レールｉを有する先端シュラウドロータブレードの斜視図である。
【図１９】本発明の例示の実施形態による、単一の封止レールｉを有する先端シュラウドロータブレードの斜視図である。
【図２０】本発明の例示の実施形態による、単一の封止レールｉを有する先端シュラウドロータブレードの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本出願の態様および利点は、以下の続く説明において記載されるか、またはこの説明から明白であり得るか、または本発明の実践を通して知ることができる。以下では詳細な参照を行って本発明の実施形態を提示し、これらのうちの１つまたは複数の例が、添付の図面において例示される。詳細な説明は、数字による指定を使用して図面における特徴を参照する。本発明の実施形態の同様のまたは類似の部分を参照するために、図面および説明において同様のまたは類似の指定を使用する場合がある。諒解されるであろうが、各例は、本発明の限定ではなく本発明の説明として提供される。実際には、その範囲または趣旨から逸脱することなく本発明において修正および変形を行い得ることが、当業者には明らかとなるであろう。たとえば、ある実施形態の一部として例示または記載される特徴を、別の実施形態に対して使用して、さらに別の実施形態を生むことができる。本発明が、付属の特許請求の範囲およびそれらの等価物の範囲内に収まるような修正形態および変形形態を包含することが、意図されている。本明細書において記述される範囲および境界値は、規定された境界値内に配されたあらゆる下位範囲を含み、そうではないと述べられていない限りはこれらの境界値自体を含むことを、理解されたい。加えて、一部の用語は、本発明ならびにその構成要素下位システムおよび部分について説明するように選択されている。可能な限りにおいて、これらの用語は、本技術分野にとって一般的な専門用語に基づいて選ばれている。さらに、そのような用語が多くの場合、様々な解釈を受けることが諒解されるであろう。たとえば、本明細書において単一の構成要素として言及され得るものが、別の箇所で複数の構成要素から成るものとして参照され得るか、または、本明細書において複数の構成要素を含むものとして参照され得るものが、別の箇所では単一の構成要素として言及され得る。したがって、本発明の範囲を理解する際には、使用される特定の専門用語にだけでなく、それに伴う説明および文脈、ならびに、用語がいくつかの図と関連している様式を含む、参照され記載されている構成要素の構造、構成、機能、および／または用法、ならびに、当然ながら付属の特許請求の範囲における専門用語の精確な用法にも、注意を払うべきである。さらに、続く例は特定の型のガスタービンまたはタービンエンジンに関連して提示されているものの、本出願の技術は、関連技術における当業者には理解されるであろうが、限定されることなく、他の範疇のタービンエンジンにも適用可能であり得る。したがって、そうではないと述べられていない限りは、本明細書における「ガスタービン」という用語の用法は、様々な型のタービンエンジンに本発明を適用できるものとして広くかつ限定的に意図されていることが、理解されるべきである。
【００１１】
ガスタービンがどのように動作するかの性質を所与として、それらの機能の特定の態様について説明する際に、いくつかの用語が特に有用であることがわかる。理解されるであろうが、そのような用語は、ガスタービンまたはその主要な下位システム−たとえば圧縮機、燃焼器、もしくはタービン−のうちの１つを説明または特許請求する際に、ならびに、これらの中で使用するための構成要素または下位構成要素を説明または特許請求するために、の両方において使用することができる。後者の場合、これらの専門用語は、これらの構成要素を、これらがガスタービンエンジンまたは主要な下位システム内で適正に設置されかつ／または機能している場合の状態として説明していると理解されるべきである。これらの用語およびそれらの定義は、そうではないと特定的に述べられていない限り、以下の通りである。
【００１２】
「前方」および「後方」という用語は、ガスタービンの配向に対する方向、より具体的には、エンジンの圧縮機区域およびタービン区域の相対的な位置付けを指す。したがって、そのように使用される場合、「前方」という用語は圧縮機端を指し、一方、「後方」はタービン端を指す。これらの用語の各々を、エンジンの中心軸に沿った移動の方向または相対位置を示すために使用できることが、諒解されるであろう。上述したように、これらの用語を、ガスタービンまたはその主要な下位システムのうちの１つの、ならびにこれらの中に位置付けられた構成要素または下位構成要素に関する、属性を説明するために使用できる。したがって、たとえば、ステータブレードなどの構成要素が「前方面」を有するものとして説明または特許請求されるとき、これは、ガスタービンの配向（すなわち、圧縮器が前方端部として指定されタービンが後方端部として指定されている）によって規定されるような前方向に向かって面する面を指すものとして、理解され得る。別の例としてタービンのような主要な下位システムを取り上げると（かつ図１に示すもののような典型的なガスタービン配置構成を想定すると）、前方向および後方向は、作動流体がタービン内に入る場所であるタービンの前方端部、および、作動流体がタービンから出る場所であるタービンの後方端部に対して、規定することができる。
【００１３】
「下流」および「上流」という用語は、本明細書においては、指定された導管または流路内での、これを通って移動する流れの方向（以下「流れ方向」）に対する位置を示すものとして使用される。したがって、「下流」という用語は、指定された導管を通って流体が流れている方向を指し、一方「上流」は、これと反対の方向を指す。これらの用語は、正常なまたは予期される動作を所与として、導管を通る流れ方向を指すものとして解釈することができる。諒解されるであろうが、ガスタービンの圧縮機区域およびタービン区域内では、作動流体は下流へと、通常はガスエンジンの中心の共通の軸を中心に画定される、環状の形状の作動流体流路を通って導かれる。したがって、エンジンの圧縮機区域およびタービン区域内では、「流れ方向」という用語は、本明細書で使用される場合、期待されるまたは正常な動作の状態の間にエンジンの作動流体流路を通る作動流体の理想的な流れの方向を表す、基準方向を指す。したがって、圧縮機区域およびタービン区域内では、「流れ方向」という専門用語は、ガスタービンの中心軸と平行でありかつ下流のまたは後方の方向に配向される流れを指している。
【００１４】
したがって、たとえば、ガスタービンの作動流体流路を通る作動流体の流れは、圧縮機を通して流れ方向に従って加圧された空気として始まり、燃料とともに燃焼されて燃焼器内で燃焼ガスになり、最後にこれがタービンを通過する際に流れ方向に従って膨張するものとして説明することができる。同様に、作動流体の流れは、ガスタービンの前方のまたは上流の端部に向かう前方のまたは上流の場所において始まり、全体に下流のまたは後方の方向へと移動し、最後にガスタービンの後方のまたは下流の端部に向かう後方のまたは下流の場所において終わるものとして説明することができる。
【００１５】
圧縮機ブレードおよびタービンロータブレードなどのガスタービンの多くの構成要素が動作中に回転するので、エンジン内での期待される回転に従う下位構成要素または下位領域の相対的な位置付けを叙述するために、回転の前側となる（ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｌｙ  ｌｅａｄ）および回転の後側となる（ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｌｙ  ｔｒａｉｌ）という用語を使用する場合がある。したがって、諒解されるであろうが、これらの用語は、圧縮機またはタービン内での回転の方向（以下「回転方向」）に従い、位置を区別することができる。本明細書で使用される場合、そのような回転方向は、ガスタービンの正常なまたは予期される動作を所与として構成要素に関して期待される回転の方向として理解することができる。
【００１６】
加えて、ガスタービンの構成、特に共通のシャフトまたはロータを中心とした圧縮機区域およびタービン区域の配置構成、ならびに多くの燃焼器の型に共通の円筒形の構成を所与として、軸に対する位置を説明する用語が、本明細書において規則的に使用され得る。この点に関して、「放射方向」という用語が、軸に対して垂直な移動または位置を指すことが諒解されるであろう。これに関連して、中心軸からの相対距離を説明することが要求される場合がある。そのような場合、たとえば、第１の構成要素が第２の構成要素よりも中心軸に近いところに存在する場合、第１の構成要素は、第２の構成要素から「放射方向内側」または「機内側」のいずれかであるとして説明されることになる。他方で、第１の構成要素が中心軸からより遠くに存在する場合、第１の構成要素は、第２の構成要素から「放射方向外側」または「機外側」のいずれかであるとして説明されることになる。本明細書で使用される場合、「軸方向」という用語は軸と平行な移動または位置を指し、一方、「周方向」は、軸の周囲の移動または位置を指す。そうではないと述べられていないかまたは明白に文脈上明らかでない限りは、これらの用語は、これらの用語がガスタービンの圧縮機区域および／またはタービン区域内で機能する一体でない構成要素−ロータブレードまたはステータブレードなど−の属性を説明または特許請求している場合であっても、各々を通って延在するロータによって規定されるような、ガスタービンの圧縮機区域および／またはタービン区域の中心軸に関連するものとして解釈されるべきである。そうではないと述べられているときは、これらの用語を、たとえば従来の円筒形のまたは「缶」燃焼器が通常周囲に配される長手軸などの、ガスタービン内の特定の構成要素または下位システムの長手軸に関連して使用する場合がある。
【００１７】
最後に、「ロータブレード」という用語は、それ以上特定されない場合、圧縮機またはタービンのいずれかの回転するブレードを指すものであり、したがって、圧縮機ロータブレードおよびタービンロータブレードの両方を含み得る。「ステータブレード」という用語は、それ以上特定されない場合、圧縮機またはタービンのいずれかの固定的なブレードを指すものであり、したがって、圧縮機ステータブレードおよびタービンステータ子ブレードの両方を含み得る。「ブレード」という用語は、一般にいずれの型のブレードを指すのにも使用することができる。したがって、それ以上特定されない場合、「ブレード」という用語は、圧縮機ロータブレード、圧縮機ステータブレード、タービンロータブレード、およびタービンステータブレードなどを含む、あらゆる型のタービンエンジンブレードを含んでいる。
【００１８】
背景として、ここで図を詳細に参照すると、図１から図３は、本発明によるかまたは本発明を中で使用できる、例示のガスタービンを例示している。本発明がこの種の用法に限定されない場合のあることが、当業者には理解されるであろう。述べたように、本発明を、発電および航空機において使用されるエンジン、蒸気タービンエンジン、ならびに当業者であれば認識するような他の型のロータリエンジンなどの、ガスタービン内で使用することができる。提供される例はしたがって、そうではないと述べられていない限りは、限定的であることを意味しない。図１は、ガスタービン１０を概略的に表したものである。一般に、ガスタービンは、圧縮空気の気流中での燃料の燃焼によって生み出された高温ガスの加圧された流れから、エネルギーを抽出することによって動作する。図１に例示するように、ガスタービン１０を、共通のシャフトまたはロータによって下流のタービン区域またはタービン１２に機械的に結合される軸流圧縮機  １１、および圧縮機１１とタービン１２との間に位置付けられた燃焼器１３を有するように構成することができる。図１に例示するように、ガスタービンを、共通の中心軸１９を中心に形成することができる。
【００１９】
図２は、図１のガスタービンにおいて使用できる例示の多段軸流圧縮機１１の図を例示している。図示されるように、圧縮機１１は複数の段を有することができ、これらの各々は、圧縮機ロータブレード１４の列および圧縮機ステータブレード１５の列を含む。したがって、第１の段は、中心シャフトを中心に回転する圧縮機ロータブレード１４の列を含むことができ、これに、動作中固定されたままである圧縮機ステータブレード１５の列が続く。図３は、図１のガスタービンにおいて使用できる例示のタービン区域またはタービン１２の部分的な図を例示している。タービン１２も、複数の段を含み得る。３つの例示の段が例示されているが、より多数またはより少数が存在し得る。各段は、動作中固定されたままである複数のタービンノズルまたはステータブレード１７を含むことができ、これに、動作中シャフトを中心に回転する複数のタービンバケットまたはロータブレード１６が続く。タービンステータブレード１７は一般に、互いから周方向に離間され、回転の軸を中心にして外側ケーシングに固定される。タービンロータブレード１６を、中心軸を中心に回転するように、タービンホイールまたはロータディスク（図示せず）上に装着することができる。タービンステータブレード１７およびタービンロータブレード１６が、タービン１２を通る高温ガス経路または作動流体流路内に存在することが、諒解されるであろう。作動流体流路内での燃焼ガスまたは作動流体の流れの方向を、矢印で示す。
【００２０】
ガスタービン１０に関する動作の１つの例では、軸流圧縮機１１内での圧縮機ロータブレード１４の回転により、空気の流れを圧縮することができる。燃焼器１３において、圧縮空気が燃料と混合され点火されるとき、エネルギーが放出され得る。この結果生じる燃焼器１３からの高温ガスまたは作動流体の流れは次いで、タービンロータブレード１６にわたって導かれ、このことにより、シャフトを中心としたタービンロータブレード１６の回転が誘起される。このようにして、作動流体の流れのエネルギーは、回転するブレード、およびロータブレードとシャフトとの間の接続が与えられる場合は回転するシャフトの、機械的エネルギーへと変換される。次いでシャフトの機械的エネルギーを使用して、必要な供給量の圧縮空気が生み出されるように圧縮機ロータブレード１４の回転を駆動することができ、またたとえば、電気を生み出すために発電機を駆動することができる。
【００２１】
背景説明の目的で、図４から図８は、従来のシュラウドを設けたタービンロータブレード１６の図を提供する。諒解されるであろうが、これらの図は、後の参照のために、そのようなロータブレードの一般的な構成を例示し、またそのようなブレード内の構成要素および領域の間の空間的関係を叙述し、同時にさらに、その内側および外側の設計に影響する幾何学的制約および他の基準を説明するために、提供されている。この例のブレードはロータブレードであるが、そうではないと述べられていない限り、本発明は、ガスタービン内の他の型のブレードにも適用可能であることが諒解されるであろう。上述したように、そのような構成要素の説明は、ガスタービンエンジンおよびより具体的には作動流体流路の配向および機能に基づいて意味が導出される、専門用語を含む場合があり、したがって、その文脈で理解されるべきである。たとえば、適用可能である場合、ロータブレードまたは他の構成要素に関連する説明は、これがエンジン内で予期されるまたは正常な条件下で適正に設置され動作していることを前提としている場合がある。
【００２２】
ここで図４に特に注目すると、ロータブレード１６は、ロータディスクに装着されるように構成される根元２１を含み得る。根元２１はたとえば、ロータディスクの周囲の対応するダブテールスロット内に装着されるように構成された、ダブテール２２を含み得る。根元２１は、ダブテール２２とプラットフォーム２４との間に延在する、胴部２３をさらに含み得る。プラットフォーム２４は、示されるように、根元２１とエーロフォイル２５との間の結合部を全体に形成し、このエーロフォイルは、タービン１２を通る作動流体の流れを捕え、所望の回転を誘起する、ロータブレード１６の作用構成要素である。プラットフォーム２４は、エーロフォイル２５の機内側端部を画定し得る。プラットフォーム２４は、タービン１２を通る作動流体流路の機内側の境界の一部分も画定し得る。
【００２３】
ロータブレードのエーロフォイル２５は通常、凹状正圧面２６、および周方向または側方において対向する凸状負圧面２７を含む。正圧面２６および負圧面２７は、軸方向において、対向する前縁２８と後縁２９との間にそれぞれ、かつ、放射方向において、プラットフォーム２４との結合部に画定され得る機内側端部と先端シュラウド４１を含み得る機外側先端部との間に、延在することができる。エーロフォイル２５は、所望の空力学的性能を促進するように設計される、湾曲したまたは輪郭決定された形状を含み得る。ロータブレード１６は、動作中に冷却剤が中を通って循環される１つまたは複数の冷却チャネルを有する、内側冷却構成をさらに含み得る。そのような冷却チャネルは、ロータブレード１６の根元２１を通って形成される供給源への接続部から、放射方向外向きに延在し得る。冷却チャネルは、直線状、曲線状、またはこれらの組み合わせであってよく、冷却剤が中を通ってロータブレード１６から作動流体流路内へと排出される、１つまたは複数の出口ポートまたは表面ポートを含み得る。
【００２４】
本明細書で使用される場合、ロータブレード１６およびその構成要素は、タービン１２の配向特徴に従って説明することができる。そのような場合、ロータブレード１６がタービン１２内に適正に設置されていることが前提とされていることを諒解されたい。そのような配向特徴は、タービン１２の中心軸１９に対して規定される放射方向、軸方向、および周方向を含み得る。前方向および後方向は、作動流体が燃焼器１３からタービン１２内に入る場所であるタービン１２の前方端部、および、作動流体がタービン１２から出る場所であるタービンの後方端部に対して規定することができる。回転方向は、動作中のタービン１３の中心軸１９を中心としたロータブレード１６の期待される回転の方向に対して規定することができる。諒解されるであろうが、これらの配向特徴に従い、封止レール４２を、先端シュラウド４１の機外側表面４４から放射方向とほぼ整列された軸に沿って、高さを規定するように突出するものとして、説明することができる。封止レール４２は、周方向とほぼ整列された軸に沿って、長さを規定するように延在し得る。例示されるように、長さに対して、封止レール４２は、軸方向とほぼ整列された軸に沿って延びる、薄い厚さを有し得る。
【００２５】
ここで図５および図６を特に参照すると、先端シュラウド４１を、エーロフォイル２５の機外側端部の近くにまたは機外側端部に、位置付けることができる。先端シュラウド４１は一般に、軸方向および周方向に延在する平面状の構成要素含むことができ、これはその中心向かってエーロフォイル２５によって支持される。説明上の目的で、本明細書で使用される場合、先端シュラウド４１は、機内側表面４５および機外側表面４４、ならびにシュラウド縁部または縁部４６を含む。機内側表面４５は全体に、先端シュラウド４１の薄い放射方向厚さを挟んで機外側表面４４と対置される。先端シュラウド４１の縁部４６は、機内側表面４５を機外側表面４４に接続する。本明細書で使用される場合、先端シュラウド４１の縁部４６は、先端シュラウド４１の周縁外形または形状を画定する。
【００２６】
先端シュラウド４１は、機外側表面４４から突出する１つまたは複数の封止レールも含み得る。提示されているように、図５は、単一の封止レール４２を有する先端シュラウド４１を示しており、一方、図６の先端シュラウド４１は、２重の封止レール４２を有するものを示している。以下に提示されるように、封止レール４２の任意のものに関して示される構成を、これらの構成の各々とともに用いることができる。一般に、封止レール４２は、先端シュラウド４１の機外側表面４４から放射方向外向きに延在する、フィン様の突出部である。例示されるように、封止レール４２は、先端シュラウド４１の対向する端部間に周方向に延在することができ、したがって、ロータブレード１６の回転の方向または「回転方向」に対して整列されているものとして説明することができる。封止レール４２は、先端シュラウド４１の機外側表面４４の周方向長さの実質的に全体にわたって延在し得る。本明細書で使用される場合、先端シュラウド４１の周方向長さは、回転方向５０における先端シュラウド４１の長さである。以下でさらに説明するように、１つまたは複数の封止レール４２の各々は、カッター歯４３を含み得る。
【００２７】
記述上の目的で、本明細書で使用される場合、封止レール４２は対向するレール面を含み、この場合、前方レール面５６はガスタービンの前方向に対応し、後方レール面５７は後方向に対応する。先端シュラウド４１上に２つの封止レール４２が設けられる事例では、前方封止レール７６と後方封止レール７７とは同様に区別される。諒解されるであろうが、前方レール面５６は、タービン１３を通る作動流体の流れ方向に向かってまたはこの方向へと面を向け、一方、後方レール面５７は、この方向から離れるように面を向ける。示されるように、封止レール４２は、ほぼ矩形の外形を有し得る。したがって、前方レール面５６および後方レール面５７は、矩形形状を有し得る。さらに、封止レール４２の前方レール面５６および後方レール面５７は、周方向に狭いレール縁部に沿って接続することができ、これらは本明細書で使用される場合、対向するほぼ平行な機外側レール縁部および機内側レール縁部、ならびに対向するほぼ平行な回転の前側となるレール縁部および回転の後側となるレール縁部と呼称される。具体的には、機内側レール縁部５８を、封止レール４２と先端シュラウド４１の機外側表面４４との間の接合部において画定することができる。機外側レール縁部５９は、先端シュラウド４１の機外側表面４４から放射方向にオフセットされている。諒解されるであろうが、この放射方向のオフセットは一般に、封止レール４２の放射方向高さを表す。諒解されるであろうが、回転の前側となるレール縁部６２は、エーロフォイル２５の負圧面２７の上に張り出す先端シュラウド４１の縁部４６から、放射方向に突き出る。このように構成される場合、回転の前側となるレール縁部６２は、これが、動作中にロータブレード１６が回転する際に封止レール４２の「前側となる」ため、このように呼称される。封止レール４２の反対側の端部において、回転の後側となるレール縁部６３は、エーロフォイル２５の正圧面２６の上に張り出す先端シュラウド４１の縁部４６から、放射方向に突き出る。回転の後側となるレール縁部６３はしたがって、これが、動作中にロータブレード１６が回転する際に封止レール４２の「後側となる」ため、このように呼称される。
【００２８】
本明細書で使用される場合、封止レール４２は、重なり合わない周方向の区域を有するものとして説明され、これは、カッター歯４３の周方向の長さおよび位置と一致するカッター歯区域７０に関連して画定され得る。したがって、図５および図６に示すように、本明細書で使用される場合、封止レール４２の回転の前側となる区域７２および回転の後側となる区域７３を、カッター歯４３の各側に画定することができる。具体的には、例示されるように、回転の前側となる区域７２は、カッター歯区域７０から回転の前側となるレール縁部６２まで延在し、一方、回転の後側となる区域７３は、カッター歯区域７０から回転の後側となるレール縁部６３まで延在する。以下でわかるように、これらの指定された周方向の区域は、本発明の例示の実施形態を記載するために、図９から図２０に関連して使用されることになる。
【００２９】
先端シュラウド４１は、先端シュラウド４１およびエーロフォイル２５の末広がりになる表面の間の滑らかな表面移行部、ならびに先端シュラウド４１と封止レール４２との間の滑らかな表面移行部を提供するように構成される、隅肉領域を含み得る。したがって、先端シュラウド４１の構成は、先端シュラウド４１の機外側表面４４と、封止レール４２の前方レール面５６および後方レール面５７の各々との間に形成される、機外側隅肉領域を含み得る。先端シュラウド４１は、先端シュラウド４１の機内側表面４５と、エーロフォイル２５の正圧面２６および負圧面２７との間に形成される、機内側隅肉領域をさらに含み得る。これらの隅肉領域は、普通であれば急激なまたは急勾配の角度の移行部を有するであろういくつかの平面状表面間で、滑らかに湾曲する移行部を提供するように構成することができる。諒解されるであろうが、そのような隅肉領域は、空力学的性能を改善すること、ならびに普通であればこれらの領域において発生するであろう応力集中を拡散することができる。
【００３０】
諒解されるであろうが、封止レール４２は通常、タービンの段にわたる漏出を抑止するために使用される。これは、この漏出がエンジン効率に対してマイナスの影響を及ぼすからである。ここで図７を特に参照すると、シュラウドを設けたタービンロータブレードの封止レール４１とロータブレードの段を取り囲む固定的な構造６５との間に形成された例示のインタフェースの、側面図が提供されている。示されるように、封止レール４２は放射方向に延在して、先端シュラウド４１と作動流体流路の機外側の境界を画定する周囲の固定的な構造６５との間に存在する放射方向の間隙６６を狭めている。いくつかの従来の設計では、固定的な構造６５は、放射方向の間隙６６を挟んで先端シュラウド４１と直接対置される、摩耗性のシュラウドまたはハニカムシュラウド６７を含み得る。動作時、封止レール４２は、ハニカムシュラウド６７内へと放射方向に延在して、これに経路を切り通すことができる。そのような場合、カッター歯４３は、ハニカムシュラウド６７に封止レール４２の幅よりも僅かに広い溝を切削するために設けられている。諒解されるであろうが、ハニカムシュラウド６７は封止の安定性を高めるために設けることができ、また、カッター歯４３の使用により、このより広い経路を開けることによる固定的な部品と回転する部品との間の溢出およびこすれを低減することができる。全体的には、カッター歯４３は、封止レール４２の周方向長さに沿って幅の大きくなった領域である。より具体的には、カッター歯４３は、軸方向に厚くした封止レール４２の狭い周方向の区域を含み得る。例示されるように、この軸方向に厚くした領域は、先端シュラウド４１の機外側表面４４と封止レール４２の機外側縁部との間に、放射方向に延在し得る。カッター歯４３を、これがエーロフォイル２５の外形の上に支持されるように、封止レール４２の中心または中央領域の近くに位置付けることができる。カッター歯４３の他の場所も可能である。
【００３１】
ここで図８を特に参照すると、先端シュラウド４１は、接触表面または縁部が、隣接する先端シュラウド４１上に形成される同様の表面または縁部に係合する場所である、接触インタフェースを含むように構成することができる。このことはたとえば、漏出または有害な振動のを低減するために行うことができる。図８は、ロータブレードの先端シュラウド４１の機外側の図を提供しており、これは、これらが組み立てられた状態において呈し得るものである。記述上の目的で、本明細書で使用される場合、先端シュラウド４１の縁部４６は、ロータブレードの回転方向５０に対して指定される、回転の前側となる接触縁部および回転の後側となる接触縁部を含む。この場合、示されるように、回転の前側となる位置にある先端シュラウド４１は、これに対して回転の後側となる位置にある先端シュラウド４１の回転の前側となる接触縁部に接触または密に近接する、回転の後側となる接触縁部を有する。隣り合う先端シュラウド４１間のこの接触の領域を一般に、接触インタフェースと呼ぶ場合がある。この例示の構成の外形を所与として、接触インタフェースは、「Ｚ−ｎｏｔｃｈ」インタフェースと呼ぶこともできるが、他の構成も可能である。より一般的には、この接触インタフェースを形成する際に、先端シュラウド４１の縁部４６を、隣り合う先端シュラウド４１の対応する切り欠きのある区域と所望の様式で接触または係合することを意図した切り欠きのある区域を有するように構成することができる。図８にさらに示すように、機外側に離れて見た先端シュラウド４１の外形は、ホタテ貝形状を含み得るが、他の構成も可能である。諒解されるであろうが、例示のホタテ貝形状は、漏出を低減し、同時に先端シュラウドの重量を最小化するという観点において、良好な性能を示すものである。
【００３２】
ここで図９から図２０に目を向けると、本発明がいくつかの例示の実施形態と関連して論いることになる。以下でわかるように、これらの実施形態は、たとえばそこで生じる先端を越える漏出に有利な影響を与えるために使用され得る、ロータブレードの先端シュラウドに関するいくつかの新しい構成を提案している。具体的には、本明細書において提供される特定の方法で先端を越える漏出を増加させることにより、性能の特定の側面が向上し得ることが発見されている。これらの利益には、動作中にロータブレードのこの特定の領域が受ける温度および他の応力を低減することが含まれる。いくつかの場合には、これらの応力低減は本質的に僅かずつである場合があるが、これらはそれでもなお、これらが影響するブレードの領域に起因して、大きな性能利益につながり得る。諒解されるであろうが、ロータブレードのこの放射方向外側部分−エーロフォイルの放射方向外側先端部およびそこに支持される先端シュラウドを含む−は、構成要素の寿命を決定するのに非常に重要な部分である。この領域の、この寿命を限定するという側面に起因して、特定の応力源の控え目なまたは僅かずつでさえある低減が、構成要素寿命を延ばすという観点においては、釣り合わないほどの利益につながり得る。
【００３３】
より具体的には、以下でわかるように、本明細書において提案されるいくつかの封止レール構成は、先端を越える漏出のレベルを上げることを可能にするように形成される。この漏出はその場合、本発明の構成によって誘起される特定の漏出流路に沿って導かれ運ばれる。そのような漏出は通常、エンジン効率に対してマイナスの効果を有するが、ロータブレードの有用寿命に対する結果的な利益は、増加した漏出の流れが計測および／または制御される限り、このマイナスの効果を相殺して余りある場合のあることが発見されている。たとえば、この相殺の利益を可能にする１つの要因は、上述のように、ロータブレードの有用寿命が多くの場合、この放射方向外側領域の耐久性によって限定されることである。すなわち、この領域がここで生じる極度の動作応力にどのように耐えるかが、通常、ロータブレードの有用寿命を決定する際の大きな要因である。諒解されるであろうが、ロータブレードのこの領域における高い応力レベルは、この領域におけるエーロフォイルの狭さ、より高い回転速度、先端シュラウドの重量、応力の集中する幾何学形状、および先端シュラウドが支持する側であるエーロフォイルから外向きに片持ち梁式に支持される様式を含む、いくつかの要因によってもたらされる。結果として、この領域は、たとえばホットスポットが局所的に発達するときなど、寿命を限定する損傷をより受け易い。本明細書において提案されるように先端を越えるさらなる漏出を可能にすることによって、そのような局所的なホットスポットの発生を大幅に低減、または防止さえできることが発見されている。本発明の構成の他の利点には、特定の有害な振動性反応の緩和を含む、機械的応力の低減が含まれる。別の利益は、本発明が封止レールの部分を除去することによって先端シュラウドの重量を低減するように使用され得る様式に関する。
【００３４】
ここでいくつかの提示された図に特に注目すると、本発明の封止レールを様々な型の先端シュラウドと併せてどのように使用し得るかを示す、いくつかの例が提供されている。図９から図１６に例示するように、本発明の封止レールが、２重の封止レール構成を有する先端シュラウドに関連して示されている。図１７から図２０に示すように、代替の封止レール構成が、単一の封止レールを有する先端シュラウドに関連して示されている。そうではないと述べられていない限りは、図９から図２０に関連して提供されている異なる封止レール構成の各々を、単一のまたは２重の封止レール配置構成の一部として使用できることが理解されるべきである。したがって、２重の封止レール構成における封止レールの任意のものに関連して示されている、これらの封止レール構成を、単一の封止レール構成の一部として単独で使用できる。そうではないと述べられていない限り、単一の封止レール先端シュラウドに適用されるものとして図に示されている任意の封止レール構成を、２重の封止レール配置構成における封止レールに関して使用することもできることが、さらに理解されるべきである。
【００３５】
これに応じて、本発明は、１つまたは複数の封止レール４２を有する先端シュラウド４１を含み、この場合、これらの封止レール４２のうちの少なくとも１つは、本明細書において提示されているように、先端を越える漏出のレベルを上げることを可能にするように構成される、漏出間隙７８を形成する。以下でわかるように、いくつかの実施形態によれば、漏出間隙７８は、周方向に画定される区域にわたって封止レール４２の高さを低減することによって形成され、その例が、図９から図１４および図１７から図２０の例示の実施形態に示されている。他の実施形態によれば、図１５および図１６に示すように、漏出間隙７８は、封止レール４２の厚さを通って延在するポートを介して形成される。
【００３６】
ここで図９から図１４に特に注目すると、いくつかの例示の先端シュラウド４１が、２重の封止レール構成を有して示されており、この場合、漏出間隙７８は、周方向に画定される区域内でこれらの封止レール４２のうちの少なくとも１つの高さを減らすことによって形成される。以下でわかるように、この型の封止レール構成が規定され具体的に説明されることになる１つの様式は、本明細書において参照により、封止レール４２の「高さ区域」を指定することである。本明細書で使用される場合、そのような「高さ区域」は、封止レールの周方向に画定された基準区域を表すことになり、封止レール４２の周方向長さに沿って周方向に規定された限度内で生じるものとして説明されることになる。これらの「高さ区域」は、周方向において、封止レール４２の長さの全体を、２つの重なり合わない区域、すなわち、漏出間隙７８が形成される高さ区域を指すことになる、第１の高さ区域８１、および、漏出間隙を含まない高さ区域を指すことになる、第２の高さ区域８２へと分割する（参照のみのためである）ことが、理解されるべきである。理解されるであろうが、説明の目的で、封止レール４２の高さを低減して漏出間隙７８を形成することを意図しているこれらの高さ区域において、封止レール４２の最大の（低減されていない）高さの輪郭が、点線で提供されている。このようにして、封止レール４２のこの特定の高さ区域内での高さ低減の場所および程度を、明確に図示することができる。以下でも提示されるように、２重の封止レール配置構成内の封止レールを、前方封止レールおよび後方封止レールを参照することを介した相対的な前方および後方の位置付けに従って区別することによって、本発明の特定の封止レール構成についてさらに説明することができる。単一の封止レールに関してより具体的に説明するために、回転の前側となる縁部区域および後側となる縁部区域も参照する場合がある。これらは既に記載したように、動作中のロータブレードの回転方向およびこれらの間に位置付けられるカッター歯区域の場所に対して規定される。
【００３７】
こうして、図９から図１１の例に示すように、特定の好ましい実施形態によれば、本発明の漏出間隙７８は、前方封止レール７６または後方封止レール７７のいずれかの上に形成することができ、これは他方上には存在しなくてもよい。したがって、図９および図１０では、漏出間隙７８は後方封止レール７７上に示されており、前方封止レール７６上には存在しないが、これに対し図１１では、漏出間隙７８は前方封止レール７６上に示されており、後方封止レール７６上には存在しない。上述したように、漏出間隙７８の型および位置付けに関して、図９から図１１に示す封止レール構成を、ただ１つの封止レールを有する先端シュラウドの封止レール上で用いることができる。
【００３８】
図９では、漏出間隙７８を、後方封止レール７６の回転の前側となる縁部区域７２上に形成されるものとして、より具体的に説明することができる。提供される例では、漏出間隙７８は、後方封止レール７６のその他の区域または残りの部分と比較して明白に低減された高さを有する、後方封止レール７６の回転の前側となる縁部区域７２を介して形成される。この構成は別法として、既に検討した第１の高さ区域８１および第２の高さ区域８２参照して説明することができる。諒解されるであろうが、この例における第１の高さ区域８１は、回転の前側となる縁部区域７２のほぼ全体として規定することができ、また第２の高さ区域８２は、カッター歯区域７０および回転の後側となる縁部区域７３の両方のほぼ全体として規定される。代替の配置構成（図示せず）では、漏出間隙７８は代わりに、回転の後側となる縁部区域７３上に形成され得る。したがって、第１の高さ区域８１および第２の高さ区域８２に関して本発明の可能な実施形態を一般的に説明する際に、第１の高さ区域８１は、回転の前側となる区域７２または回転の後側となる区域７３のいずれか一方を含むことができ、その場合第２の高さ区域８２は、回転の前側となる区域８１および回転の後側となる区域８２の残りの一方、ならびにカッター歯区域の、両方を含んでいる。示されるように、第１の高さ区域８１内の封止レール４２の低減された高さは、実質的に一定であってよい。しかしながら、図１７から図２０に提示されているように、他の可能な構成には、第１の高さ区域８１内で変動する封止レール高さが含まれる。第２の高さ区域８２内の封止レール４２の高さは、実質的に一定であってよい。
【００３９】
漏出間隙７８の性質を規定する際に、第１の高さ区域８１の明白に低減された高さを、第２の高さ区域８２の高さに対して規定することができる。好ましい実施形態によれば、第１の高さ区域８１の明白に低減された高さは、第２の高さ区域の高さの９０％未満の高さである。他の実施形態によれば、明白に低減された高さは、カッター歯４３またはカッター歯区域７０の高さに対して規定され得る。たとえば、明白に低減された高さは、カッター歯区域４３内の封止レール４２の高さの４０％から９０％の間の高さであってよい。さらに他の実施形態によれば、以下に提示されるように、この明白に低減された高さは、カッター歯区域４３内の封止レール４２の高さの５０％から８０％の間の高さである。
【００４０】
他の実施形態によれば、漏出間隙７８は、回転の前側となる区域７２および後側となる区域７３の各々上の高さの低減された区域として形成することができる。この型の実施形態の例が、図１０および図１１に提供されている。諒解されるであろうが、図１０では、後方封止レール７７がこの様式で構成されているが、図１１では、これは前方封止レール７６である。各例示の構成において、回転の前側となる区域７２内の封止レール４２の高さは、カッター歯区域７０内の封止レール４２の高さと比較して、明白に低減されているとともに、回転の後側となる区域７３内の封止レール４２の高さは、カッター歯区域７０内の封止レール４２の高さと比較して、明白に低減されている。好ましい実施形態によれば、回転の前側となる区域７２および回転の後側となる区域７３は、カッター歯区域７０内の封止レール４２の高さの４０％から９０％の間の封止レール高さを各々有し得る。他の実施形態によれば、回転の前側となる区域７２および回転の後側となる区域７３は、カッター歯区域７０内の封止レール４２の高さの５０％から８０％の間の封止レール高さを各々有し得る。図１０に例示するように、回転の前側となる区域７２および回転の後側となる区域７３内の封止レール４２の高さの低減は、各々がほぼ等しくなるように構成することができる。別法として、図１１に例示するように、これらの区域内の封止レールの相対高さは、オフセットされてよいかまたは異なっていてよい。たとえば、図１１に示すように、回転の前側となる区域７２内の封止レール４２の高さは、回転の後側となる区域７３の封止レール４２の高さよりも大きい。
【００４１】
図１２から図１４に例示するように、本発明の代替の実施形態は、漏出間隙７８が前方封止レール７６および後方封止レール７７の各々上の高さの低減された周方向区域として形成される事例を含む。これらの構成は、既に説明した原理に従って形成することができる。例示の実施形態によれば、図１２に示すように、前方封止レール７６および後方封止レール７７の両方の回転の後側となる区域７３が、高さの低減された区域の形態の漏出間隙７８を含むように構成される。図１３に例示するように、前方封止レール７６の回転の後側となる区域７３および後方封止レール７７の回転の前側となる区域７２は、高さの低減された区域の形態の漏出間隙７８を含むように構成することができる。図１４に例示するように、別の実施形態によれば、前方封止レール７６および後方封止レール７７の両方の回転の前側となる区域７２および後側となる区域７３が、高さの低減された区域の形態の漏出間隙７８を含むように構成される。他の可能な構成も可能である。
【００４２】
図１５および図１６に例示するように、本発明の代替の実施形態は、漏出間隙７８が、上で検討した高さの低減された区域の代わりに、封止レール４２を通して画定された１つまたは複数のポートとして形成される場合を含む。そのようなポートは一般に、前方レール面５６を通して形成された入口と後方レール面５７を通して形成された出口との間に、封止レール４２の厚さを通って軸方向に延在する囲まれた通路として画定することができる。そのような場合、例示されるように、カッター歯区域７０、回転の前側となる区域７２、および回転の後側となる区域７３内の、封止レール４２の高さは、実質的に一定な低減されないものであってよい。例示の実施形態によれば、漏出間隙７８は、前方封止レール７６および後方封止レール７７の少なくとも一方の回転の前側となる区域７２および回転の後側となる区域７３のうちの少なくとも１つを通して形成されているポートのうちの少なくとも１つを含む。図１５の例示の実施形態によれば、漏出間隙７８は、前方封止レール７６および後方封止レール７７の両方の回転の前側となる区域７２および回転の後側となる区域７３の各々を通して形成されている単一のポートを含む。代替の実施形態によれば、漏出間隙７８は、ポートがいずれかの封止レールの様々な区域の任意のものを通して形成されている複数の事例を含み得る。これの例が図１６に提供されており、これには、漏出間隙７８が、後方封止レール７７の回転の前側となる区域７２および回転の後側となる区域７３を通して形成されている複数のポートを含む、配置構成が含まれる。示されるように、前方封止レール７６は、これが漏出間隙７８を含まないように、手を加えないままとされてよい。
【００４３】
先の例では、例示の漏出間隙７８を形成する高さの低減された区域は、一定の高さを有するものとして示されていた。他の実施形態によれば、図１７から図２０に示すように、漏出間隙７８を、本明細書において「形状形成された外形」と呼ばれることになる好ましい輪郭または形状に従う周方向位置に従って封止レール高さが変動する、高さの低減された封止レール区域として形成することもできる。図１７から図２０において提供される実施形態の各々は、形状形成された外形を回転の前側となる区域７２および回転の後側となる区域７３の両方上に含まれているものとして例示しているが、これが例示に過ぎないことが諒解されるであろう。形状形成された外形を、封止レール４２の回転の前側となる区域７２および回転の後側となる区域７３の一方のみに含めることができ、残りの封止レール区域は、たとえばカッター歯区域７０の高さに等しくてよい、一定の高さを有することが、理解されるべきである。加えて、例示の状形成された外形が、単一の封止レール４２を有する先端シュラウド４１に関連して例示されているが、本発明の可能な実施形態が、そのような形状形成された外形を２重の封止レール構成を有する先端シュラウド４１に対して使用することを含むことが、理解されるべきである。２重の封止レール配置構成を有する先端シュラウドに関連して検討した既出の漏出間隙構成の任意のものを、単一の封止レールのみを有する先端シュラウドに対して使用できることが、さらに理解されるべきである。
【００４４】
図１７に示すように、１つの好ましい実施形態によれば、漏出間隙７８は、シュラウド縁部４６に沿って凹状である、封止レール４２の形状形成された外形によって形成される。この例では、機外側レール縁部５９は、これがカッター歯４３と回転の前側となるレール縁部６２または後側となるレール縁部６３との間に延びる際に、沈み込みその後最大の高さまで戻る、凹状の表面として構成される。図１８に示すように、形状形成された外形の代替の構成は、封止レールがカッター歯４３から離れる方向に延びるにつれ、封止レール４２の高さが滑らかに狭まるかまたは先細となる、機内側傾斜外形を含む。図１９および図２０に示すように、他の好ましい実施形態によれば、形状形成された外形は、シュラウド縁部４６に沿った起伏のあるまたは波形のものを含む。この波形の外形は、図１９の例示の実施形態のように、滑らかに湾曲することができるか、または、図２０の例示の実施形態のように、本質的により矩形性の高いものとすることができる。他の実施形態も可能である。
【００４５】
当業者は諒解するであろうが、いくつかの例示の実施形態に関連して上に説明された、多くの様々な特徴および構成を、さらに選択的に適用して、本発明のその他の可能な実施形態を形成することができる。簡潔さのために、また当業者の能力を考慮に入れて、可能な形態の全てを提供してはいない、または、詳細に議論してはいないが、以下のいくつかの請求項によってまたはその他の様式で包含される、全ての組み合わせおよび可能な実施形態は、本出願の一部であることが意図される。加えて、本発明のいくつかの例示の実施形態の上記の説明から、当業者は、改善、変更、および修正を認識するであろう。当技術範囲内のそのような改善、変更、および修正も、付属の特許請求の範囲によって対象とされることが意図される。さらに、前述したことが、本出願の説明された実施形態のみに関連すること、ならびに、以下の特許請求の範囲およびそれらの等価物によって規定されるような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数の変更および修正を行い得ることが、明らかなはずである。
【符号の説明】
【００４６】
１０  ガスタービン
１２  タービン
１３  燃焼器
１４  圧縮機ロータブレード
１５  圧縮機ステータブレード
１６  ロータブレード
１７  ステータブレード
１９  中心軸
２１  根元
２２  ダブテール
２４  プラットフォーム
２５  エーロフォイル
２６  凹状正圧面
２７  凸状負圧面
２８  前縁
２９  後縁
４１  先端シュラウド
４２  封止レール
４３  カッター歯
４４  機外側表面
４５  機内側表面
４６  シュラウド縁部
５０  回転方向
５６  前方レール面
５７  後方レール面
５８  機内側レール縁部
５９  機外側レール縁部
６２  回転の前側となるレール縁部
６３  回転の後側となるレール縁部
６５  固定的な構造
６６  放射方向の間隙
６７  ハニカムシュラウド
７０  カッター歯区域
７２  回転の前側となる区域
７３  回転の後側となる区域
７６  前方封止レール
７７  後方封止レール
７８  漏出間隙
８１  第１の高さ区域
８２  第２の高さ区域
【図１】
2018003841.tif 000003
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【外国語明細書】
2018003841000001.pdf