(57)【要約】      （修正有）【課題】翼形部と、先端シュラウドと、それらの間に形成されたフィレットとを備えるタービンロータブレードを提供する。【解決手段】フィレット５０は、先端シュラウド４８と翼形部４６とを接続し、空気力学的空気流を促進するために、交差部の周りで可変のフィレットプロファイルを画定する。フィレット５０は正圧面フィレットを含む。正圧面フィレットは、デカルト座標系におけるＸ，Ｙ，Ｚ座標値の第１セットの点の中の点毎に正圧面フィレットプロファイルを含み、Ｘ，Ｙ，Ｚはインチ単位での原点からの距離であり、点が滑らかな連続円弧で結ばれているとき、点は正圧面フィレットの正圧面フィレットプロファイルを画定する。第１セットの点は、基準面Ｈと基準面Ｗとの間に含まれる各基準面の点１と点５０との間に含まれる点を含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹状の正圧面（５３）と横方向に対向する凸状の負圧面（５５）との間に画定された翼形部（４６）であって、前記正圧面（５３）と前記負圧面（５５）とが対向する前縁（５２）と後縁（５４）との間、および先端（４９）と内側端部との間に延びる、翼形部（４６）と、
前記翼形部（４６）の前記外側先端（４９）に取り付けられた先端シュラウド（４８）であって、前記先端シュラウド（４８）は、内面（６０）が外面（６４）に対向する平面構成要素を備える、先端シュラウド（４８）と、
前記翼形部先端（４９）と前記先端シュラウド（４８）の交差部の周りに形成されたフィレット（５０）であって、前記フィレット（５０）は、前記先端シュラウド（４８）と前記翼形部（４６）とを構造的に接続し、前記交差部の周りの空気力学的空気流を促進するために、前記交差部の周りで可変のフィレットプロファイルを画定する、フィレット（５０）と、
を備えた、ガスタービンのタービン用ロータブレードであって、前記フィレット（５０）は、
前記翼形部（４６）の前記正圧面（５３）と前記先端シュラウド（４８）の前記内面（６０）との間に形成された正圧面フィレット（６３）と、
前記翼形部（４６）の前記負圧面（５５）と前記先端シュラウド（４８）の前記内面（６０）との間に形成された負圧面フィレット（６５）と、
を備え、
表Ｉに示されるように、前記正圧面フィレット（６３）は、デカルト座標系におけるＸ，Ｙ，Ｚ座標値の第１セットの点の中の点に実質的に一致する正圧面フィレットプロファイルを含み、Ｘ，Ｙ，Ｚはインチ単位での原点からの距離であり、前記第１セットの点の中の点が滑らかな連続円弧で結ばれているとき、前記第１セットの点の中の点は前記正圧面フィレット（６３）の前記正圧面フィレットプロファイルを画定し、
前記第１セットの点は、表Ｉに示されるように、基準面Ｈと基準面Ｗとの間に含まれる各基準面の点１と点５０との間に含まれる各点を含む、
ロータブレード。
【請求項２】
前記正圧面フィレットプロファイルが正圧面フィレットプロファイルエンベロープ内にあり、前記正圧面フィレットプロファイルエンベロープは、前記正圧面フィレットプロファイルに対して垂直な方向に±０．０５インチの距離にある、請求項１に記載のロータブレード。
【請求項３】
表Ｉに記載のＸ，Ｙ，Ｚ座標値が、拡大または縮小された正圧面フィレットプロファイルを提供するために同じ数の関数として拡大縮小可能であり、前記同じ数は、分数、小数、整数、および帯分数のいずれかで構成される、請求項１に記載のタービンロータブレード。
【請求項４】
前記先端シュラウド（４８）が、周方向に延びる第１および第２のシールレール（５６）をさらに備え、
前記翼形部（４６）の前記内側端部は、前記ロータブレードをロータディスク（２７）に結合するように構成された根元部に取り付けられるプラットフォーム（４０）によって画定される、
請求項１に記載のタービンロータブレード。
【請求項５】
前記デカルト座標系のＺ軸は、前記ロータブレードの前記翼形部（４６）の翼弦に沿って向けられている、請求項１に記載のロータブレード。
【請求項６】
前記第１セットの点が、表Ｉに示すように、基準面Ｅと基準面Ｙとの間に含まれる前記基準面の各々の点１と点５０との間に含まれる各点を含む、請求項１に記載のロータブレード。
【請求項７】
前記第１セットの点が、表Ｉに示すように、基準面Ａと基準面Ｚとの間に含まれる前記基準面の各々の点１と点５０との間に含まれる各点を含む、請求項１に記載のロータブレード。
【請求項８】
凹状の正圧面（５３）と横方向に対向する凸状の負圧面（５５）との間に画定された翼形部（４６）であって、前記正圧面（５３）と前記負圧面（５５）とが対向する前縁（５２）と後縁（５４）との間、および先端（４９）と内側端部との間に延びる、翼形部（４６）と、
前記翼形部（４６）の前記外側先端（４９）に取り付けられた先端シュラウド（４８）であって、前記先端シュラウド（４８）は、内面（６０）が外面（６４）に対向する平面構成要素を備える、先端シュラウド（４８）と、
前記翼形部先端（４９）と前記先端シュラウド（４８）の交差部の周りに形成されたフィレット（５０）であって、前記フィレット（５０）は、前記先端シュラウド（４８）と前記翼形部（４６）とを構造的に接続し、前記交差部の周りの空気力学的空気流を促進するために、前記交差部の周りで可変のフィレットプロファイルを画定する、フィレット（５０）と、
を備えた、ガスタービンのタービン用ロータブレードであって、前記フィレット（５０）は、
前記翼形部（４６）の前記正圧面（５３）と前記先端シュラウド（４８）の前記内面（６０）との間に形成された正圧面フィレット（６３）と、
前記翼形部（４６）の前記負圧面（５５）と前記先端シュラウド（４８）の前記内面（６０）との間に形成された負圧面フィレット（６５）と、
を備え、
表ＩＩに示されるように、前記負圧面フィレット（６５）は、デカルト座標系におけるＸ，Ｙ，Ｚ座標値の第１セットの点の中の点に実質的に一致する負圧面フィレットプロファイルを含み、Ｘ，Ｙ，Ｚはインチ単位での原点からの距離であり、前記第１セットの点の中の点が滑らかな連続円弧で結ばれているとき、前記第１セットの点の中の点は前記負圧面フィレット（６５）の前記負圧面フィレットプロファイルを画定し、
前記第１セットの点は、表ＩＩに示されるように、基準面Ｈと基準面Ｗとの間に含まれる各基準面の点１と点５０との間に含まれる各点を含む、
ロータブレード。
【請求項９】
前記負圧面フィレットプロファイルが負圧面フィレットプロファイルエンベロープ内にあり、前記負圧面フィレットプロファイルエンベロープは、前記負圧面フィレットプロファイルに対して垂直な方向に±０．０５インチの距離にある、請求項８に記載のロータブレード。
【請求項１０】
表Ｉに記載のＸ，Ｙ，Ｚ座標値が、拡大または縮小された負圧面フィレットプロファイルを提供するために同じ数の関数として拡大縮小可能であり、前記同じ数は、分数、小数、整数、および帯分数のいずれかで構成される、請求項８に記載のタービンロータブレード。
【請求項１１】
前記先端シュラウド（４８）が、周方向に延びる第１および第２のシールレール（５６）をさらに備え、
前記翼形部（４６）の前記内側端部は、前記ロータブレードをロータディスク（２７）に結合するように構成された根元部に取り付けられるプラットフォーム（４０）によって画定される、
請求項８に記載のタービンロータブレード。
【請求項１２】
前記デカルト座標系のＺ軸は、前記ロータブレードの前記翼形部（４６）の翼弦に沿って向けられている、請求項８に記載のロータブレード。
【請求項１３】
前記第１セットの点が、表ＩＩに示すように、基準面Ｅと基準面Ｙとの間に含まれる前記基準面の各々の点１と点５０との間に含まれる各点を含む、請求項８に記載のロータブレード。
【請求項１４】
前記第１セットの点が、表ＩＩに示すように、基準面Ａと基準面Ｚとの間に含まれる前記基準面の各々の点１と点５０との間に含まれる各点を含む、請求項８に記載のロータブレード。
【請求項１５】
凹状の正圧面（５３）と横方向に対向する凸状の負圧面（５５）との間に画定された翼形部（４６）であって、前記正圧面（５３）と前記負圧面（５５）とが対向する前縁（５２）と後縁（５４）との間、および先端（４９）と内側端部との間に延びる、翼形部（４６）と、
前記翼形部（４６）の前記外側先端（４９）に取り付けられた先端シュラウド（４８）であって、前記先端シュラウド（４８）は、内面（６０）が外面（６４）に対向する平面構成要素を備える、先端シュラウド（４８）と、
前記翼形部先端（４９）と前記先端シュラウド（４８）の交差部の周りに形成されたフィレット（５０）であって、前記フィレット（５０）は、前記先端シュラウド（４８）と前記翼形部（４６）とを構造的に接続し、前記交差部の周りの空気力学的空気流を促進するために、前記交差部の周りで可変のフィレットプロファイルを画定する、フィレット（５０）と、
を備えた、ガスタービンのタービン用ロータブレードであって、前記フィレット（５０）は、
前記翼形部（４６）の前記正圧面（５３）と前記先端シュラウド（４８）の前記内面（６０）との間に形成された正圧面フィレット（６３）と、
前記翼形部（４６）の前記負圧面（５５）と前記先端シュラウド（４８）の前記内面（６０）との間に形成された負圧面フィレット（６５）と、
を備え、
表Ｉに示されるように、前記正圧面フィレット（６３）は、デカルト座標系におけるＸ，Ｙ，Ｚ座標値の第１セットの点の中の点に実質的に一致する正圧面フィレットプロファイルを含み、Ｘ，Ｙ，Ｚはインチ単位での原点からの距離であり、前記第１セットの点の中の点が滑らかな連続円弧で結ばれているとき、前記第１セットの点の中の点は前記正圧面フィレット（６３）の前記正圧面フィレットプロファイルを画定し、
表ＩＩに示されるように、前記負圧面フィレット（６５）は、デカルト座標系におけるＸ，Ｙ，Ｚ座標値の第２セットの点の中の点に実質的に一致する負圧面フィレットプロファイルを含み、Ｘ，Ｙ，Ｚはインチ単位での原点からの距離であり、前記第２セットの点の中の点が滑らかな連続円弧で結ばれているとき、前記第２セットの点の中の点は前記負圧面フィレット（６５）の前記負圧面フィレットプロファイルを画定し、
前記第１セットの点は、表Ｉに示されるように、基準面Ｈと基準面Ｗとの間に含まれる各基準面の点１と点５０との間に含まれる各点を含み、
前記第２セットの点は、表ＩＩに示されるように、基準面Ｈと基準面Ｗとの間に含まれる各基準面の点１と点５０との間に含まれる各点を含む、
ロータブレード。
【請求項１６】
前記正圧面フィレットプロファイルが正圧面フィレットプロファイルエンベロープ内にあり、前記正圧面フィレットプロファイルエンベロープは、前記正圧面フィレットプロファイルに対して垂直な方向に±０．０５インチの距離にあり、
前記負圧面フィレットプロファイルが負圧面フィレットプロファイルエンベロープ内にあり、前記負圧面フィレットプロファイルエンベロープは、前記負圧面フィレットプロファイルに対して垂直な方向に±０．０５インチの距離にある、
請求項１５に記載のロータブレード。
【請求項１７】
表Ｉおよび表ＩＩに記載のＸ，Ｙ，Ｚ座標値が、それぞれ、拡大または縮小された正圧面フィレットプロファイルおよび負圧面フィレットプロファイルを提供するために同じ数の関数として拡大縮小可能であり、前記同じ数は、分数、小数、整数、および帯分数のいずれかで構成される、請求項１５に記載のタービンロータブレード。
【請求項１８】
前記先端シュラウド（４８）が、周方向に延びる第１および第２のシールレール（５６）をさらに備え、
前記翼形部（４６）の前記内側端部は、前記ロータブレードをロータディスク（２７）に結合するように構成された根元部に取り付けられるプラットフォーム（４０）によって画定され、
前記デカルト座標系のＺ軸は、前記ロータブレードの前記翼形部（４６）の翼弦に沿って向けられている、
請求項１５に記載のタービンロータブレード。
【請求項１９】
前記第１セットの点が、表Ｉに示すように、基準面Ｅと基準面Ｙとの間に含まれる前記基準面の各々の点１と点５０との間に含まれる各点を含み、
前記第２セットの点が、表ＩＩに示すように、基準面Ｅと基準面Ｙとの間に含まれる前記基準面の各々の点１と点５０との間に含まれる各点を含む、
請求項１５に記載のタービンロータブレード。
【請求項２０】
前記第１セットの点が、表Ｉに示すように、基準面Ａと基準面Ｚとの間に含まれる前記基準面の各々の点１と点５０との間に含まれる各点を含み、
前記第２セットの点が、表ＩＩに示すように、基準面Ａと基準面Ｚとの間に含まれる前記基準面の各々の点１と点５０との間に含まれる各点を含む、
請求項１５に記載のタービンロータブレード。
【請求項２１】
凹状の正圧面（５３）と横方向に対向する凸状の負圧面（５５）との間に画定された翼形部（４６）であって、前記正圧面（５３）と前記負圧面（５５）とが対向する前縁（５２）と後縁（５４）との間、および先端（４９）と内側端部との間に延びる、翼形部（４６）と、
前記翼形部（４６）の前記外側先端（４９）に取り付けられた先端シュラウド（４８）であって、前記先端シュラウド（４８）は、内面（６０）が外面（６４）に対向する平面構成要素を備える、先端シュラウド（４８）と、
前記翼形部先端（４９）と前記先端シュラウド（４８）の交差部の周りに形成されたフィレット（５０）であって、前記フィレット（５０）は、前記先端シュラウド（４８）と前記翼形部（４６）とを構造的に接続し、前記交差部の周りの空気力学的空気流を促進するために、前記交差部の周りで可変のフィレットプロファイルを画定し、前記フィレット（５０）は前記翼形部（４６）の前記正圧面（５３）と前記先端シュラウド（４８）の前記内面（６０）との間に形成された正圧面フィレット（６３）を含む、フィレット（５０）と、
を備えた、ガスタービンのタービン用ロータブレードであって、
前記翼形部（４６）の翼弦に垂直に形成された基準境界面は、前記翼形部（４６）を、前記翼形部（４６）の前記前縁（５２）から前記後縁（５４）まで順に、前部範囲（８１）、前部移行範囲（８２）、中間範囲（８３）、後部移行範囲（８４）、および後部範囲（８５）を含む、重なり合っていない実質的に平行な隣接する基準範囲（８１、８２、８３、８４、８５）に分割し、
前記前部範囲（８１）と前記前部移行範囲（８２）とを分ける前記基準境界面は、前記翼弦長さの１３％〜２３％の間に配置され、
前記前部移行範囲（８２）と前記中間範囲（８３）とを分ける前記基準境界面は、前記翼弦長さの２７％〜３７％の間に配置され、
前記中間範囲（８３）と前記後部移行範囲（８４）とを分ける前記基準境界面は、前記翼弦長さの６７％〜７７％の間に配置され、
前記後部移行範囲（８４）と前記後部範囲（８５）とを分ける前記基準境界面は、前記翼弦長さの８７％〜９７％の間に配置され、
フィレット高さは、前記翼形部の全高の百分率としての前記正圧面フィレット（６３）の高さを含み、
前記正圧面フィレットでは、
前記前部範囲（８１）内のフィレット高さは、前記翼形部の全高の３％〜１３％の間であり、
前記中間範囲（８３）内のフィレット高さは、前記翼形部の全高の１７％〜２７％の間であり、
前記後部範囲（８５）内のフィレット高さは、前記翼形部の全高の３％〜１３％の間であり、
前記前部移行範囲（８２）内のフィレット高さは、前記前部範囲（８１）のフィレット高さと前記中間範囲（８３）のフィレット高さとの間を滑らかに移行し、
前記後部移行範囲（８４）内のフィレット高さは、前記中間範囲（８３）のフィレット高さと前記後部範囲（８５）のフィレット高さとの間を滑らかに移行する、
ロータブレード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、タービンロータブレードと共に使用されるフィレットに関し、より具体的には、タービンロータブレードの翼形部と先端シュラウドとの間に使用されるフィレットに関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくともいくつかの既知のタービンロータブレードは、翼形部と、プラットフォームと、シャンクと、シャンクの半径方向内側端部に沿って延びるダブテールと、翼形部の先端に形成された先端シュラウドとを含む。少なくともいくつかの既知の翼形部では、高温の燃焼ガスが通過しなければならない通路の一部を画定するために、翼形部の半径方向外側端部に一体型先端シュラウドが含まれる。既知の先端シュラウドおよび翼形部は通常、先端シュラウドと翼形部との交差部に所定のサイズおよび形状を有するフィレットを含む。
【０００３】
動作中、そのようなロータブレードの先端シュラウドと翼形部との間に形成された接続部は、回転によって引き起こされる遠心力および機械的力のために非常に応力がかかるようになる。先端シュラウドと翼形部との間に形成されたフィレットは、この領域で発生する応力集中を低減するように形作られている。しかしながら、既知のフィレット形状は依然として構成要素の有効寿命を減少させる応力集中の構築を可能にする。さらに、既知のフィレットは、抗力およびフィレットによって生じる閉塞のためにエンジン効率を低下させる可能性がある。したがって、エンジン効率を促進するために空気力学的にも実行しながら応力集中をさらに低減する改良されたフィレット形状が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１７／０２２６８７０号明細書
【発明の概要】
【０００５】
したがって、本出願は、翼形部と、先端シュラウドと、翼形部と先端シュラウドとの交差部の周りに形成されたフィレットとを含むガスタービンのタービン用のロータブレードを説明する。フィレットは、先端シュラウドと翼形部とを接続し、空気力学的空気流を促進するために、交差部の周りで可変のフィレットプロファイルを画定する。フィレットは、翼形部の正圧面と先端シュラウドの内面との間に形成された正圧面フィレットと、翼形部の負圧面と先端シュラウドの内面との間に形成された負圧面フィレットとを含む。正圧面フィレットは、表Ｉに示されるように、デカルト座標系におけるＸ，Ｙ，Ｚ座標値の第１セットの点の中の点に実質的に一致する正圧面フィレットプロファイルを含み、ここで、Ｘ，Ｙ，Ｚはインチ単位での原点からの距離であり、第１セットの点の中の点が滑らかな連続円弧で結ばれているとき、第１セットの点の中の点は正圧面フィレットの正圧面フィレットプロファイルを画定する。第１セットの点は、表Ｉに示されるように、基準面Ｈと基準面Ｗとの間に含まれる各基準面の点１と点５０との間に含まれる各点を含む。
【０００６】
本出願は、翼形部と、先端シュラウドと、翼形部と先端シュラウドとの交差部の周りに形成されたフィレットとを含むガスタービンのタービン用のロータブレードをさらに説明する。フィレットは、先端シュラウドと翼形部とを接続し、空気力学的空気流を促進するために、交差部の周りで可変のフィレットプロファイルを画定する。フィレットは、翼形部の正圧面と先端シュラウドの内面との間に形成された正圧面フィレットと、翼形部の負圧面と先端シュラウドの内面との間に形成された負圧面フィレットとを含む。負圧面フィレットは、表ＩＩに示されるように、デカルト座標系におけるＸ，Ｙ，Ｚ座標値の第１セットの点の中の点に実質的に一致する負圧面フィレットプロファイルを含み、ここで、Ｘ，Ｙ，Ｚはインチ単位での原点からの距離であり、第１セットの点の中の点が滑らかな連続円弧で結ばれているとき、第１セットの点の中の点は負圧面フィレットの負圧面フィレットプロファイルを画定する。第１セットの点は、表Ｉに示されるように、基準面Ｈと基準面Ｗとの間に含まれる各基準面の点１と点５０との間に含まれる各点を含む。
【０００７】
本発明のこれらのおよびその他の特徴は、以下の添付の図面と併せて、本発明の例示的な実施形態についての以下のより詳細な説明を慎重に検討することによって、より完全に理解され認識されよう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】例示的なガスタービンエンジンの概略図である。
【図２】ガスタービンエンジンを通って画定され得る例示的な高温ガス経路の概略図である。
【図３】本発明の実施形態による例示的な先端シュラウド付きタービンロータブレードの斜視図である。
【図４】本発明の実施形態による例示的な正圧面フィレットの斜視図である。
【図５】本発明の実施形態による例示的な負圧面フィレットの斜視図である。
【図６】本発明の実施形態による正圧面および負圧面のフィレットを示す、図３の線６−６に沿って取られた翼形部プロファイル断面の半径方向外側断面図である。
【図７】本明細書で使用されるＸ，Ｙ，Ｚ座標系を示す先端シュラウド付き翼形部の斜視図であり、そこに発生するいくつかの離散点を画定することによってフィレットプロファイルを説明する図である。
【図８】図７のＸ，Ｙ，Ｚ座標系に関連する基準面を示す翼形部の概略断面図である。
【図９】図８に示す基準面のうちの例示的な１つに沿ったフィレットの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
フィレットを含む先端シュラウドは、翼形部の半径方向外側端部でタービンロータブレードと一体的に形成され得る。先端シュラウドは一般に、翼形部の先端を覆う表面領域を提供する。動作中、先端シュラウドは、両端で、周方向に隣接するロータブレードの先端シュラウドと係合し、それにより、実質的に高温ガス経路を囲む概して環状のリングまたはシュラウドが形成される。この環状リングはエンジン効率を改善するために膨張燃焼を含む。フィレットは、先端シュラウドを翼形部に接合し、それによって、先端シュラウドが動作中に翼形部から外れるのを防止するために先端シュラウドを支持する。
【００１０】
一般に、エンジン性能の観点から、翼形部の外側半径方向先端の正圧面と負圧面の両方に張り出す比較的大きな先端シュラウドを有することが望ましい。しかしながら、空気力学的性能に関しては、先端シュラウドフィレットが可能な限り小さくかつ合理化されたままであることが有利である。これらの競合する利益、すなわち、先端シュラウドが翼形部を越えて可能な最大量の作動流体を逸らせるのに十分な大きさである一方で、フィレットは空気力学的効率を促進するために小さくかつ合理化されたままであることを考えると、先端シュラウドとそれらを支えるフィレットの設計は厳格で高度に専門化された仕事であることを理解すべきである。成功した設計は、張り出している先端シュラウドの質量によって翼形部の両側に生じる高い応力を効果的にバランスさせ、そうすることで、構成要素の寿命を大幅に延ばし、より大きな先端シュラウドを可能にし、および／または空気力学的性能を改善するためにフィレットサイズを小さくすることができる。理解されるように、本出願は、これらの目的を達成するために特に適合されているフィレット設計を開示している。すなわち、本明細書で「本発明」または「本フィレット」とも呼ぶことができる本開示のフィレットは、フィレットが空気力学的性能のために合理化されたままであるように、フィレット領域の質量を減少させて再分配するために使用され得る一方で、寿命を犠牲にすることなく、応力集中をさらに低減し、より大きな先端シュラウドを支持する構造的構成を依然として提供する。
【００１１】
背景として、図１は、圧縮機１５、燃焼器１６、およびこれらを通って吸気側から排気側に延びるタービン２２を含む例示的なガスタービンエンジン１２の概略図であり、すべて直列流れ構成で結合されている。エンジン１２は中心軸線２３を含み、高温ガス経路は吸気側から排気側へと画定される。運転中、空気は吸気側に流入し、圧縮機１５に送られる。圧縮空気は、圧縮機１５から燃焼器１６に導かれ、そこで燃料と混合されて点火されて燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、燃焼器１６からタービン２２に向かって高温ガス経路を通って導かれ、タービン２２は、熱エネルギーを機械的エネルギーに変換して圧縮機１５および／または発電機（図示せず）などの別の負荷に動力を供給する。
【００１２】
図２は、ガスタービンエンジン１２で使用されるタービン２２の多段に画定された例示的な高温ガス経路２０の概略図である。３つの段が示されており、各段はベーンまたはノズル２４の列とバケットまたはロータブレード２６の列とを含む。ノズル２４の各列は、軸線２３（図１に示す）の周りに円周方向に互いに離間した複数のノズル２４を含む。ロータブレード２６の各列は、軸線２３を中心に回転するようにロータディスク２７の周りに円周方向に間隔を置いて配置された複数のロータブレード２６を含む。ノズル２４およびロータブレード２６はそれぞれ、タービン２２の高温ガス経路２０内に配置されていることを理解されたい。高温ガス経路２０を通るガスの流れの方向は矢印３６で示されている。
【００１３】
図３は、本発明の例示的な実施形態によるロータブレード２６の斜視図を示している。示されるように、ロータブレード２６は、プラットフォーム４０、シャンク４２、ダブテール４４、先端シュラウド４８、およびフィレット５０を含み得る。ダブテール４４は、（図２に示すように）ロータブレード２６をロータディスク２７に結合するために使用される。ロータブレード２６はまた、プラットフォーム４０と先端シュラウド４８との間に半径方向に延びる翼形部４６を含み得る。翼形部４６は、前縁５２、後縁５４、正圧面５３、および反対側の負圧面５５を有する。正圧面５３は、前縁５２から後縁５４まで延在し、翼形部４６の凹状外面を形成する。負圧面５５は、前縁５２から後縁５４まで延在し、翼形部４６の凸状外面を形成する。フィレット５０が画定され、翼形部４６と先端シュラウド４８との間に延びる。より具体的には、フィレット５０は、翼形部４６の外側半径方向先端４９と先端シュラウド４８との間に形成された交差部内に延在し、それによって先端シュラウド４８を構造的に支持する。先端シュラウド４８は、周方向に延びるシールレール５６と、静止ケーシングとのシールを容易にするカッター歯５７とを含み得る。動作中、高温の燃焼ガスは、翼形部４６の正圧面５３と負圧面５５の両方を越えて流れ、ロータブレード２６の回転を引き起こす。具体的には、翼形部４６の正圧面５３および負圧面５５上の高温ガスの流れは、ロータブレード２６を各ロータディスク２７上で回転させ、その結果、膨張する高温ガスのエネルギーが機械的エネルギーに変換される。
【００１４】
図３に示すように、翼形部４６は、翼形部４６の全高（すなわち、プラットフォーム４０と先端シュラウド４８との間の距離）を表す翼形部高さ６１と、翼形部４６の全体の幅（すなわち、前縁５２と後縁５４との間の距離）を表す翼形部の幅６２とによってさらに画定され得る。以下に説明するように、本フィレット５０を画定する１つの方法は、翼形部の幅６２内の幅方向部分または範囲を画定し、それらの各々について、フィレット５０の高さ（またはフィレット５０の高さが維持される高さの範囲）を画定することである。本明細書で使用されるとき、フィレット５０の高さは、フィレット５０が翼形部４６の最も外側の先端からプラットフォーム４０に向かって延びる半径方向距離を表す。本明細書で説明する目的のために、翼形部４６の最も外側の先端は、先端シュラウド４８の半径方向内面６０と同一平面上にあると見なされる。（図４および図５に示すように、先端シュラウド４８の内面６０は外面６４の反対側にある。）さらに、説明する目的のために、フィレット５０の高さは、本明細書では、翼形部４６の全高に対して、例えば翼形部高さ６１のパーセンテージとして表すことができる。
【００１５】
ここで図４から図６を参照すると、本フィレット５０のより詳細な図が提供されている。（なお、図４から図９は縮尺通りに描かれておらず、特定の点を位置付けるための方法論を示すためだけに提供されており、それらの点の実際の位置は表Ｉと表ＩＩに具体的に示されている。したがって、図面に示されている見掛けの点の位置と、表Ｉおよび表ＩＩに記載されている実際の位置との間に矛盾がある場合、すべての場合において、特に添付の特許請求の範囲内でなされた点への言及に関して、表Ｉおよび表ＩＩに提供された点の位置が、支配的および決定的であることを理解すべきである。）図４は、翼形部４６の正圧面５３上のフィレット５０の斜視図を示している。正圧面５３上のフィレット５０は、本明細書ではより具体的に「正圧面フィレット６３」と呼ぶことができる。図５は、翼形部４６の負圧面５５上のフィレット５０の斜視図を示している。負圧面５５上のフィレット５０は、本明細書ではより具体的に「負圧面フィレット６５」と呼ぶことができる。フィレット５０の外縁は、正圧面５３と負圧面５５の両方でフィレット５０と翼形部４６との間の交差部に形成され、交差線５８によって示されている。フィレット５０の外縁もまた、フィレット５０と先端シュラウド４８との間の交差部に形成され、交差線５９によって示される。交差線５９が図６に最も明瞭に示されており、これは図３の線６−６に沿って取られた翼形部４６およびフィレット５０の一部の断面図を提供している。追加のいくつかの基準線７１、ならびに本フィレット５０のプロファイルを画定するために使用され得るそれらの基準線７１上に特に配置された点もまた図４〜図６に示されている。図７から図９に関してさらに論じられるように、基準線７１はそれぞれ基準面（例えば、基準面ＡからＺ）と正圧面フィレット６３および負圧面フィレット６５の表面との交差部を表す。
【００１６】
本発明によれば、分かるように、フィレット５０は、交差線５９によって示されるように、先端シュラウド４８の内面６０の大部分にわたって延在するように構成されている。フィレット５０はまた、交差線５８によって示されるように、翼形部４６の先端４９を囲みそして覆うように構成されている。さらに、交差線５８と交差線５９との間で、本発明のフィレット５０は、空気力学的性能および構造性能を向上させる特定の表面輪郭、構成、またはプロファイルを形成するように変化する厚さを有する。理解されるように、本フィレット５０の正確な構成は、いくつかの競合する設計基準、およびそれら基準間に存在する複雑な関係が考慮されバランスがとられて性能を最適化する結果を生じる最適化に基づく。本発明のフィレット５０は、特に特定のプロファイルを有する先端シュラウドと組み合わされたときに、他の既知のフィレット構成よりも優れていることが繰り返し試験において示されている。例えば、本フィレット５０の構成は、空気力学的性能に関して合理化される一方で、ロータブレードの有効寿命を実質的に延ばすように動作応力を最適に分散させバランスさせるように先端シュラウド４８を構造的にも支持する。
【００１７】
ここで図７から図９を参照すると、Ｘ，Ｙ，Ｚ座標系が示されており、これは、以下に提供されるように、本フィレット５０の特定の構成を画定するために使用されることになる。すなわち、本発明のフィレット５０は、その表面またはプロファイルのうちの１つまたは複数を画定することによって説明され、それらのプロファイルは、図７から図９に示すＸ，Ｙ，Ｚ座標系を介してそれらに生じるいくつかの離散点を画定することによって説明される。理解されるように、図７において、Ｘ，Ｙ，Ｚ座標系の一般的な向きは、ロータブレード２６に関して示されている。示されるように、Ｚ軸は、ロータブレード２６の翼形部４６の翼弦に沿って向けられている。したがって、Ｚ軸は、翼形部４６の前縁５２と後縁５４との交差部の間で水平に延びる。Ｙ軸に関して、それは翼形部４６の長手方向に垂直に延びる。最後に、図示のように、Ｘ軸はＹ軸とＺ軸の両方に対して垂直に延びる。Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は原点７２で交差する。
【００１８】
本フィレット５０の表面またはプロファイルに生じる例示的な点（正圧面フィレット６３と負圧面フィレット６５の両方の点を含む）は、以下の表Ｉおよび表ＩＩに示されるようにＸ，Ｙ，Ｚ座標によって画定される。フィレット５０の例示的な実施形態は、表Ｉおよび表ＩＩに含まれるすべての点によって説明され得るように、図示されたフィレット５０のフィレットプロファイルの実質的に全部；または、表Ｉおよび表ＩＩに含まれる点のサブセットを表す点のセットによって画定され得るように、フィレット５０の正圧面および負圧面の一方または両方で、図示されたフィレット５０内に画定される特定の表面領域またはプロファイルを含み得ることを理解されたい。表Ｉおよび表ＩＩに列挙された点は、図８に最も明瞭に示されるように、正圧面および負圧面の両方においてフィレット５０と交差するいくつかの断面基準面、すなわち基準面ＡからＺに従って配置される。表Ｉはフィレット５０の正圧面に発生する点を含み、表ＩＩはフィレット５０の負圧面に発生する点を含み、各表は基準面に対して点を配置している。基準面ＡからＺは、翼形部４６の前縁５２と後縁５４との間にＺ軸に沿って所定の間隔で画定されている。基準面ＡからＺはそれぞれ平行であり、Ｚ軸に対して垂直に向けられている。さらに、表Ｉおよび表ＩＩは、各基準面に１００点を含み、これらの点のうちの５０点は正圧面フィレット６３上に発生し、５０点は負圧面フィレット６５上に発生する。
【００１９】
したがって、図９に最も明瞭に示されるように、基準面ＡからＺのうちの１つのＺ軸上の各位置において、本発明のフィレットのプロファイルは、表Ｉの正圧面と表ＩＩの負圧面の両方において、Ｘ軸およびＹ軸寸法によって画定される点によって画定される。したがって、理解されるように、各点は、基準面のうちの１つが正圧面フィレット６３または負圧面フィレット６５のいずれかの表面と交差する目立たない位置を表す。理解されるように、この構成を考えると、表Ｉおよび表ＩＩに与えられたＺ値は、Ｚ軸上の基準面の位置を表す。表Ｉおよび表ＩＩに与えられたＸ値は、与えられた点がＸ軸から存在する適用可能な基準面内の距離を表す。そして、表Ｉおよび表ＩＩに与えられたＹ値は、与えられた点がＹ軸から存在する適用可能な基準面内の距離を表す。
【００２０】
表Ｉおよび表ＩＩの値によって画定される様々な点は、全体としてまたは部分的に、滑らかな曲線などによって結ばれて、本発明の実施形態による例示的なフィレットの表面構成または輪郭を画定することができる。本フィレットのそのような表面構成または輪郭は、本明細書では「フィレットプロファイル」と呼ぶことができる。さらに、表Ｉおよび表ＩＩに示すフィレット５０のフィレットプロファイルを決定するための値は公称フィレットに対するものであることも理解されるべきである。したがって、表Ｉおよび表ＩＩから決定されるように、あらゆるコーティング厚さを含む±の典型的な製造公差は、フィレット表面に加法的である。したがって、例示的な実施形態によれば、表Ｉおよび表ＩＩに記載される任意の表面位置に垂直な方向における±０．０５インチの距離は、本フィレット５０によるフィレットプロファイルエンベロープ、すなわち上記の表ＩおよびＩＩによって与えられるような本フィレット５０の理想的な構成間の変動範囲、および公称低温または室温でのフィレット５０構成の変動範囲を画定する。さらに、表Ｉおよび表ＩＩは特定の数の点を使用してフィレット５０の表面プロファイルを画定しているが、このプロファイルを画定するために任意の数のＸ，Ｙ，Ｚ位置が使用され得ることを理解されたい。したがって、表Ｉおよび表ＩＩの値によって画定されるフィレットプロファイルは、所与のＸ，Ｙ，Ｚ位置の中間のフィレットプロファイル、ならびに表Ｉおよび表ＩＩに含まれるものより少ないＸ，Ｙ，Ｚ位置を使用して画定されるものを包含する。さらに、表Ｉおよび表ＩＩに画定された本フィレット５０を、様々なサイズの先端シュラウド付き翼形部と同様に使用するために比例的に拡大または縮小することができ、そのような代替の実施形態は本発明の範囲内であることが理解されよう。
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【００２１】
さらに、本発明は、異なる方法で、すなわち表Ｉおよび表ＩＩの点を使用する以外の方法で画定されるフィレット５０の代替の実施形態を含む。例えば、本フィレット５０は、前縁５２と後縁５４との間に延在するので、交差線５８の経路または形状に従って説明されてもよい。理解されるように、この経路の形状は、本明細書で「フィレット高さ」と呼ばれることになる特性を参照して説明することができる。本明細書で使用されるとき、フィレット高さは、フィレット５０が翼形部４６の外側半径方向先端からプラットフォーム４０に向かって延びる距離である。より具体的には、フィレット高さは、交差線５８と翼形部４６の外側半径方向先端との間に生じる距離である。
【００２２】
例えば、再び図４を参照すると、翼形部４６の正圧面５３において、フィレット５０の高さは前縁５２と後縁５４との間でかなり変化することが理解されよう。例示的な実施形態によれば、フィレット５０の高さが翼形部４６の幅６２にわたって変化する特定の方法は、この目的のために翼形部４６にわたって幅方向に画定される５つの基準部分または範囲内で生じる特定の高さ特性に関して説明され得る。（上で説明したように、翼形部４６の幅６２は、翼形部４６の翼弦を横切る距離、言い換えれば、翼形部４６の前縁５２と後縁５４との間の距離である。）理解されるように、これらの基準範囲は、図４において基準破線、境界面、または「境界８０」により画定される。具体的には、５つの基準範囲は、翼形部４６の幅６２を隣接する重ならない平行部分に分割し、説明の目的のために、これを本明細書では、前部範囲８１、前部移行範囲８２、中間範囲８３、後部移行範囲８４、および後部範囲８５と呼ぶ。図４に示すように、前部範囲８１は、翼形部４６の前縁５２に隣接して画定された基準部分である。中間範囲８３は、翼形部４６のほぼ中央部分に生じる基準部分である。前部移行範囲８２は、前部範囲８１と中間範囲８３との間に位置する基準部分である。後部範囲８５の場合、それは翼形部４６の後縁５４に隣接して画定された基準部分であり、一方、後部移行範囲８４は中間範囲８３と後部範囲８５との間に位置する基準部分である。
【００２３】
上述の基準範囲８１、８２、８３、８４、８５を、境界８０の位置を画定することによって翼形部４６上に特に配置することができ、一方、境界８０の位置をＺ軸に関して画定することができる。具体的には、境界８０は、Ｚ軸に垂直な平面が境界８０の位置で翼形部４６と交差し得るＺ軸上の位置に関して画定される。本明細書の目的のために、Ｚ軸上のこれらの位置は、翼弦長さ全体（すなわち、前縁５２と後縁５４との間のＺ軸の長さ）に対して表され、したがって、翼弦長さの百分率で与えられる。具体的には、前縁５２の位置には翼弦長さの０％の値が与えられ、一方、後縁５４の位置には翼弦長さの１００％の値が与えられる。これを考慮して、好ましい実施形態によれば、前部範囲８１と前部移行範囲８２とを分ける境界８０は、翼弦長さの１３％〜２３％の間に配置される。前部移行範囲８２と中間範囲８３とを分ける境界８０は、翼弦長さの２７％〜３７％の間に配置される。中間範囲８３と後部移行範囲８４とを分ける境界８０は、翼弦長さの６７％〜７７％の間に配置される。そして最後に、後部移行範囲８４と後部範囲８５とを分ける境界８０は、翼弦長さの８７％〜９７％の間に配置される。
【００２４】
本発明の好ましい実施形態によれば、フィレット高さは、基準範囲８１、８２、８３、８４、８５内で正圧面フィレット６３に対して与えられ、それらの基準範囲は上記で画定されている。さらに、述べたように、フィレット高さは、翼形部の全体の大きさに関連して、例えば翼形部４６の高さ６１に関連して表される。（既に述べたように、翼形部４６の高さ６１は、先端シュラウド４８の内面６０とプラットフォーム４０の表面との間の距離であり、これは、先端シュラウドの傾斜のために、翼形部４６の各側で異なり得る。）より具体的には、フィレット高さは翼形部高さ６１の百分率で表され、先端シュラウド４８の内面６０のレベルにおける位置は、翼形部高さ６１の０％の高さを有すると見なされ、一方で、プラットフォーム４０のレベルにおける位置は、翼形部高さ６１の１００％の高さを有すると見なされる。本発明の例示的な実施形態によれば、前部範囲８１内のフィレット高さは、翼形部高さ６１の３％〜１３％の間に維持される。中間範囲８３内のフィレット高さは、翼形部高さ６１の１７％〜２７％に維持される。後部範囲内のフィレット高さは、翼形部高さ６１の３％〜１３％に維持される。移行範囲８２，８４に関して、前部移行範囲８２は、前部範囲８１のフィレット高さと中間範囲８３のフィレット高さとの間を滑らかに移行するフィレット高さを有し、一方、後部移行範囲８４は、中間範囲８３のフィレット高さと後部範囲８５のフィレット高さとの間を滑らかに移行するフィレット高さを有する。
【００２５】
本明細書に記載の実施形態のいずれかによる先端シュラウドフィレットは、先端シュラウドに対する改善された支持を提供し、それによって構成要素の寿命を延ばし、同時にタービンを通る高温燃焼ガスの空気力学的流れを促進する。上述のように、エンジン性能の観点から、翼形部の半径方向外側端部のほぼ全体にわたって延びる比較的大きな先端シュラウドを有することが望ましい。しかしながら、フィレットが空気力学的効率のために小さくかつ合理化されたままであることもまた望ましい。本開示によるフィレットは、１つまたは複数の重要な性能目標が改善または最適化されるように、これらおよび他の競合する目標を効果的にバランスさせる。すなわち、本開示のフィレット形状は、漏れを十分に防止するのに十分に大きい先端シュラウドを支持しながら、タービンを通る高温ガス流を効果的に案内するプロファイルを提供する。さらに、同様のサイズの先端シュラウドを支持する従来のフィレット形状と比較すると、本発明のフィレットは、機械的応力を低減し、正圧面と負圧面との間に均等に荷重を分散させ、それによって部品の有効寿命を著しく延ばす。本フィレット形状の有効性は、コンピュータによる流体力学解析、伝統的な流体力学解析、オイラーおよびナビエ−ストークス方程式、流れ試験、他の従来の試験、および／またはそれらの組み合わせによって検証されてきた。
【００２６】
当業者には認識されることとなるように、いく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および構成は、本発明の他の可能な実施形態を形成するためにさらに選択的に適用することができる。簡潔にするため、および当業者の能力を考慮に入れて、可能な繰り返しの各々については詳細に提示または説明しないが、以下のまたはそれ以外のいくつかの請求項に包含されるすべ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、変更、および変形を認識されよう。また当技術の範囲内のこのような改良、変更、および変形は、添付の特許請求の範囲に含まれることを意図している。さらに、前述の記載は本願の記載された実施形態のみに関係しており、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更および変形が可能であることは明らかである。
【符号の説明】
【００２７】
１２  ガスタービンエンジン
１５  圧縮機
１６  燃焼器
２０  高温ガス経路
２２  タービン
２３  中心軸線
２４  ノズル
２６  ロータブレード
２７  ロータディスク
３６  矢印
４０  プラットフォーム
４２  シャンク
４４  ダブテール
４６  翼形部
４８  先端シュラウド
４９  先端
５０  フィレット
５２  前縁
５３  正圧面
５４  後縁
５５  負圧面
５６  シールレール
５７  カッター歯
５８  交差線
５９  交差線
６０  内面
６１  翼形部高さ
６２  翼形部の幅
６３  正圧面フィレット
６４  外面
６５  負圧面フィレット
７１  基準線
７２  原点
８０  境界
８１  前部範囲、基準範囲
８２  前部移行範囲、基準範囲
８３  中間範囲、基準範囲
８４  後部移行範囲、基準範囲
８５  後部範囲、基準範囲
【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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【外国語明細書】
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