(57)【要約】  ガスタービンエンジン（１０）及びそれに用いられる翼（５０）。翼（５０）は、チャンバ（１００）と、チャンバ（１００）から供給される冷却流体（１４４）がそれを通じて翼（５０）から流出する後縁（７２）に沿って配置された一連の出口開口（７８）との間に延びる複数の冷却流路（１１０、１２０）を含む構造体（１２８）を備えており、構造体（１２８）は、翼の圧力側壁（７４）と吸込側壁（７６）の間の厚さ（ｔ）が冷却流路（１１０、１２０）に沿った位置の関数として変化することを特徴とし、これにより、複数の冷却流路のそれぞれが、チャンバ（１００）からの距離の関数として減少する流通断面（１７０、１７４）を特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、燃焼器、及び、タービンを含むガスタービンエンジンであって、前記タービンは翼を備え、この翼は、前縁及び後縁と、前記前縁と前記後縁の間に延びる対向する圧力側壁及び吸込側壁と、前記前縁と前記後縁の中間の内部チャンバを有し、前記チャンバが、冷却流体流を供給されるように構成されており、前記翼に、前記チャンバと前記後縁に沿って配置された一連の出口開口との間に延びる複数の冷却流路を含む第１の構造体が含まれており、前記チャンバから供給される冷却流体がそれらの出口開口を通じて前記翼から流出するものにおいて、
前記第１の構造体に、
第１の方向に沿って延びる第１の一連の冷却流路と、
第２の方向に沿って延びる第２の一連の冷却流路が含まれており、
前記第２の一連の冷却流路が前記第１の一連の冷却流路と交差しており、
前記第１の構造体に、それぞれ、前記第１の一連の冷却流路のうちの隣接する一対と前記第２の一連の冷却流路のうちの隣接する一対によって形成された複数の中実領域が含まれており、該構造体が、前記圧力側壁と前記吸込側壁との間の厚さが前記冷却流路に沿った位置の関数として変化することを特徴とし、それにより、前記第１及び第２の一連の複数冷却流路のそれぞれが、前記チャンバからの距離の関数として減少する流通断面となるようにしたことを特徴とする、
ガスタービンエンジン。
【請求項２】
前記第１の一連の冷却流路が、前記第１の方向に沿って互いにほぼ平行に延びており、前記第２の一連の冷却流路が、前記第２の方向に沿って互いにほぼ平行に延びていることを特徴とする、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項３】
前記構造体が、前記圧力側壁及び前記吸込側壁と一体成形されていて、前記圧力側壁と前記吸込側壁の間に延びることを特徴とする、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項４】
それぞれが前記第１の構造体と前記圧力側壁及び前記吸込側壁とに一体成形されて、やはり前記圧力側壁と前記吸込側壁との間に延びる１つ以上の追加の構造体が含まれており、該１つ以上の追加構造体に、第１の方向に沿って延びる第１の一連の冷却流路と、第２の方向に沿って延びる第２の一連の冷却流路とが含まれており、前記第２の一連の冷却流路が前記第１の一連の冷却流路と交差することを特徴とする、請求項３に記載のガスタービンエンジン。
【請求項５】
前記第１の構造体と第２の構造体が、それぞれ前記チャンバの壁の一部を形成し、このチャンバ壁の一部が、前記チャンバの壁に沿って形成された前記第１及び第２の構造体における冷却流路のうちの複数流路への入口を備えることを特徴とする、請求項４に記載のガスタービンエンジン。
【請求項６】
前記複数の構造体のうちの１つの追加構造体が、前記第１及び第２の構造体のそれぞれと前記後縁に沿って配置された前記一連の出口開口との間に延び、該追加構造体における冷却流路が、前記第１及び第２の構造体の一方または両方から冷却流体を供給されて、その冷却流体を前記出口開口に通すように配置されることを特徴とする、請求項５に記載のガスタービンエンジン。
【請求項７】
前記追加構造体が、前記第１及び第２の構造体から間隔をあけて配置され、同時に、前記翼の前記圧力側壁と前記吸込側壁との間でそれらの構造体と一体成形されることを特徴とする、請求項６に記載のガスタービンエンジン。
【請求項８】
前記第２の構造体に、それぞれ、前記第１の一連の冷却流路のうちの隣接する一対と前記第２の一連の冷却流路のうちの隣接する一対によって形成された複数の中実領域が含まれ、該構造体の前記圧力側壁と前記吸込側壁との間の厚さが前記冷却流路に沿った位置の関数として変化することを特徴とし、これにより、前記第１及び第２の一連の複数冷却流路のそれぞれが、前記チャンバからの距離の関数として減少する流通断面となるようにしたことを特徴とする、請求項４に記載のガスタービンエンジン。
【請求項９】
前記追加構造体に、それぞれ、前記第１の一連の冷却流路のうちの隣接する一対と前記第２の一連の冷却流路のうちの隣接する一対によって形成された複数の中実領域が含まれ、該構造体の前記圧力側壁と前記吸込側壁との間の厚さが前記冷却流路に沿った位置の関数として変化することを特徴とし、これにより、前記第１及び第２の一連の複数冷却流路のそれぞれが、前記チャンバからの距離の関数として減少する流通断面となるようにしたことを特徴とする、請求項７に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１０】
前記第１の構造体の前記中実領域及び前記追加構造体の前記中実領域が、前記第１の一連の冷却流路のうちの隣接する流路対と前記第２の一連の冷却流路のうちの隣接する流路対との間の面積によって特徴付けられ、前記第１の構造体の前記中実領域の１つの面積が、前記追加構造体の前記中実領域の１つの面積より大きいことを特徴とする、請求項９に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１１】
前記第１の構造体の前記中実領域のうちの複数領域のそれぞれの面積が、前記追加構造体の前記中実領域のうちの複数領域のそれぞれの面積より大きいことを特徴とする、請求項１０に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１２】
前記第１の構造体の前記中実領域のそれぞれの面積が、前記追加構造体の前記中実領域のそれぞれの面積より大きいことを特徴とする、請求項１０に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１３】
圧縮機、燃焼器及びタービンを含むガスタービンエンジンであって、前記タービンは翼を備え、この翼は、前縁及び後縁と、前記前縁と前記後縁の間に延びる対向する圧力側壁及び吸込側壁と、前記前縁と前記後縁の中間の内部チャンバを備え、前記チャンバが冷却流体流を供給されるように構成されているものにおいて、
前記翼に、前記後縁に沿って配置され前記チャンバから供給される冷却流体がそれらを通じて翼から流出する一連の出口開口と前記チャンバとの間に延びる、間隔をあけて配置された複数の冷却流路アレイを備える１つの構造体が含まれており、
前記各アレイに、
第１の方向に沿って延びる第１の一連の冷却流路と、
第２の方向に沿って延びる第２の一連の冷却流路が含まれていて、前記第２の一連の冷却流路が前記第１の一連の冷却流路と交差しており、
前記各アレイが、それぞれ、前記第１の一連の冷却流路のうちの隣接する一対と前記第２の一連の冷却流路のうちの隣接する一対によって形成された複数の中実領域のまわりに形成され、前記アレイの少なくとも１つが、前記圧力側壁と前記吸込側壁との間の厚さが前記冷却流路に沿った位置の関数として変化することを特徴とし、これにより、前記第１及び第２の一連の複数冷却流路のそれぞれが、前記チャンバからの距離の関数として減少する流通断面となるようにしたことを特徴とする、
ガスタービンエンジン。
【請求項１４】
前記エンジンの運転中、前記アレイの少なくとも１つの冷却流路を通る冷却流体が、前記出口開口よりも前記チャンバに近い流路部分における比較的低い速度と、前記チャンバよりも前記出口開口に近い流路部分における比較的高い速度によって特徴付けられることを特徴とする、請求項１３に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１５】
前記構造体に、それぞれ、前記チャンバと前記一連の出口開口の間に延びる、間隔をあけて配置された少なくとも第１と第２の冷却流路アレイが含まれることと、前記第１及び第２のアレイのそれぞれの流路が前記チャンバまで延びており、前記第１のアレイが前記圧力側壁に隣接し、前記第２のアレイが前記吸込側壁に隣接し、前記第１のアレイが、前記圧力側壁とそこを通る冷却流体との間において、前記吸込側壁と前記第２のアレイを通る冷却流体の間における熱伝達率よりも高い熱伝達率をもたらすように構成されていることを特徴とする、請求項１３に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１６】
前記構造体に、それぞれが前記チャンバと前記一連の出口開口の間に延びる、間隔をあけて配置された少なくとも第１と第２の冷却流路アレイが含まれ、前記第１のアレイの複数の流路が前記チャンバまで延びており、前記第２のアレイの複数の流路が、前記出口開口まで延びており、前記第２のアレイの複数の流路が、前記出口開口に比較的近い前記圧力側壁及び吸込側壁の第１の領域を冷却するように配置されており、前記第１のアレイの複数の流路が、前記出口開口から前記第１の領域よりも遠くに位置する前記圧力側壁及び吸込側壁の第２の領域を冷却するように配置されており、
前記第２のアレイが、前記圧力側壁及び吸込側壁の第１の領域と前記第２のアレイの複数の流路を通る冷却流体との間において、前記圧力側壁及び吸込側壁の第２の領域と前記第１のアレイを通る冷却流体の間における熱伝達率より高い熱伝達率をもたらすように構成されていることを特徴とする、請求項１３に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１７】
間隔をあけて配置された前記アレイのうちの前記第１と第２のアレイのそれぞれが、前記圧力側壁と前記吸込側壁との間の厚さが前記冷却流路に沿った位置の関数として変化することを特徴とし、これにより、前記第１及び第２の一連の複数冷却流路のそれぞれが、前記チャンバからの距離の関数として減少する流通断面となるようにしたことを特徴とする、請求項１６に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１８】
ガスタービンエンジンの運転方法であって、冷却流体によってタービンセクションにおける前縁、後縁、及び、前記冷却流体を放出するための前記後縁に沿った一連の出口開口を備えた翼の圧力側壁から熱伝達を生じさせる方法において、
前記冷却流体を供給されるチャンバを前記翼内に設けるステップと、
前記チャンバと前記出口開口の間に延びる一連の流路を設けるステップが含まれており、前記複数の流路は、前記チャンバからの距離の関数として断面積が変化するので、前記チャンバに供給された流体が流路を進むとき、前記流体がチャンバから離れて前記出口開口に向かうにつれて、前記流体の流速が増すようになっていることを特徴とする、
方法。
【請求項１９】
前記流路を設けるステップには、第１の一連の流路が第１の方向に沿って延び、第２の一連の流路が第２の方向に沿って延びて、前記第２の一連の流路が前記第１の一連の流路と交差するように前記流路を形成するステップが含まれることを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
ガスタービンエンジンに用いられるタイプの、前縁領域、後縁、圧力側壁、及び、吸込側壁を備えた翼を作製するための鋳造コアの要素であって、
この要素に、
冷却流体を供給される前記翼のチャンバを形成する中実セラミックセクションと、
十字交差構造をなすように配列され、それぞれが前記冷却流体の移動する１つの流路に対応する一連の格子部材を含む、中実セラミックセクションに隣接したメッシュセクションが含まれており、前記メッシュセクションに、それぞれが前記翼の交差した流路間に配置された中実領域に対応する交差格子部材間のくぼみアレイとが含まれ、
前記格子部材が、前記中実部分から、前記流路が前記冷却流体を放出する前記後縁に沿った一連の出口開口へと移行する前記後縁に比較的近い翼部分に対応するエッジ領域まで延びており、
前記鋳造要素の前記メッシュセクションがテーパ形状であり、その厚さは前記中実セラミックセクションに隣接した末端エッジに沿ってより厚く、前記出口開口への流路の移行部に対応する前記エッジ領域に沿ってより薄くなっており、
前記格子部材の厚さが、前記末端エッジに沿った第１の厚さから、前記出口開口への流路の移行部に対応する前記エッジ領域に沿ったより薄い厚さへと減少することを特徴とする、
鋳造コアの要素。
【請求項２１】
圧縮機、燃焼器、及び、タービンを含むガスタービンエンジンに用いるのに適した翼であって、前縁及び後縁と、前記前縁と前記後縁の間に延びる対向する圧力側壁及び吸込側壁と、前記前縁と前記後縁の中間にあって冷却流体流を供給されるように構成された内部チャンバを具備する翼において、
前記チャンバと、前記チャンバから供給される冷却流体がそれを通じて前記翼から流出する前記後縁に沿って配置された一連の出口開口との間に延びる複数の冷却流路を含む第１の構造体が含まれており、該第１の構造体に、
第１の方向に沿って延びる第１の一連の冷却流路と、
第２の方向に沿って延びる第２の一連の冷却流路が含まれていて、前記第２の一連の冷却流路が前記第１の一連の冷却流路と交差しており、
前記第１の構造体に、それぞれ、前記第１の一連の冷却流路のうちの隣接する一対と前記第２の一連の冷却流路のうちの隣接する一対によって形成される複数の中実領域が含まれており、該構造体が、前記圧力側壁と前記吸込側壁との間の厚さが前記冷却流路に沿った位置の関数として変化することを特徴とし、これにより、前記第１及び第２の一連の複数冷却流路のそれぞれが、前記チャンバからの距離の関数として減少する流通断面となるようにしたことを特徴とする、
翼。
【請求項２２】
前記第１の一連の冷却流路が、前記第１の方向において互いにほぼ平行に延び、前記第２の一連の冷却流路が、前記第２の方向において互いにほぼ平行に延びていることを特徴とする、請求項２１に記載の翼。
【請求項２３】
前記構造体が前記圧力側壁及び吸込側壁と一体成形され、前記圧力側壁と前記吸込側壁の間に延びていることを特徴とする、請求項２１に記載の翼。
【請求項２４】
それぞれが前記第１の構造体と前記圧力側壁及び吸込側壁に一体成形され、やはり前記圧力側壁と前記吸込側壁の間に延びる１つ以上の追加の構造体が含まれており、前記１つ以上の追加構造体のそれぞれに、第１の方向に沿って延びる第１の一連の冷却流路と、第２の方向に沿って延びる第２の一連の冷却流路が含まれていて、前記第２の一連の冷却流路が前記第１の一連の冷却流路と交差していることを特徴とする、請求項２３に記載の翼。
【請求項２５】
前記第１の構造体と第２の構造体が、それぞれ、前記チャンバの壁に沿って形成された前記第１及び第２の構造体における冷却流路のうちの複数流路への入口を備える、前記チャンバの壁の一部を形成することを特徴とする、請求項２４に記載の翼。
【請求項２６】
１つの追加構造体が、前記第１および第２の構造体のそれぞれと前記後縁に沿って配置された前記一連の出口開口との間に延び、該追加構造体における複数の冷却流路が、前記第１及び第２の構造体の一方または両方から冷却流体を供給されて、その冷却流体を前記出口開口に通すように配置されていることを特徴とする、請求項２５に記載の翼。
【請求項２７】
前記追加構造体が、前記第１及び第２の構造体から間隔をあけて配置され、同時に、前記翼の圧力側壁及び吸込側壁の間でそれらの構造体と一体成形されていることを特徴とする、請求項２６に記載の翼。
【請求項２８】
前記追加構造体に、それぞれ、前記第１の一連の冷却流路のうちの隣接する一対と前記第２の一連の冷却流路のうちの隣接する一対によって形成される複数の中実領域が含まれており、該構造体が、前記圧力側壁と前記吸込側壁との間の厚さが前記冷却流路に沿った位置の関数として変化することを特徴とし、これにより、前記第１及び第２の一連の複数冷却流路のそれぞれが、前記チャンバからの距離の関数として減少する流通断面となるようにしたことを特徴とする、請求項２７に記載の翼。
【請求項２９】
前記第１の構造体の前記中実領域及び前記追加構造体の前記中実領域が、前記第１の一連の冷却流路のうちの隣接する流路対と前記第２の一連の冷却流路のうちの隣接する流路対との間の面積によって特徴付けられ、前記第１の構造体の前記中実領域の１つの面積が、前記追加構造体の前記中実領域の１つの面積より大きいことを特徴とする、請求項２８に記載の翼。
【請求項３０】
前記第１の構造体の前記中実領域のうちの複数領域のそれぞれの面積が、前記追加構造体の前記中実領域のうちの複数領域のそれぞれの面積より大きいことを特徴とする、請求項２９に記載の翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本願は、参考までに本明細書で全体が援用されている２００９年１０月２０日に提出された米国仮特許出願第６１／２５３，１２０号に対する優先権を主張するものである。本願は、２０１０年７月８日に提出された同時係属中の特許出願第１２／８３２，１２４号に関連するものである。
【０００２】
本発明は、ガスタービンの動翼及び静翼内に冷却流路を形成する構造体を備えたタービン翼に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
典型的なガスタービンエンジンには、共通の縦軸に沿って配置されたファン、圧縮機、燃焼器、及び、タービンが含まれている。圧縮機から放出される燃料及び圧縮空気は燃焼器で混合され、燃焼させられる。その結果生じる高温燃焼ガス（例えば、燃焼生成物と未燃空気を含む）は、導管セクションを介してタービンセクションに送られ、ガスが膨張して、タービンロータを回転させる。電力用途の場合、タービンロータは発電機に結合される。圧縮機を駆動する動力は、タービンロータから引き出される。
【０００４】
ガスタービンエンジンの効率は動作温度に比例して高まるので、燃焼ガスの温度を上げるのが望ましい。しかしながら、エンジン及びタービン構成部品を形成する材料の温度限界によって動作温度が制限される。翼がその典型である。本明細書で用いられる翼という用語は、動（回転）翼または静（固定）翼とすることが可能なタービン翼を表わしている。燃焼ガスが高温のため、複数の構成部品の完全な状態を保つには、動作中、翼を冷却しなければならない。一般に、これらの及びその他の構成部品は、圧縮機から分流され、これらの構成部品を通ってまたはこれらの構成部品に沿って送られる空気によって冷却される。圧縮機ではなくファンから放出される空気によって構成部品（例えばノズル）を冷却するのも一般的である。
【０００５】
タービン翼の有効な冷却には、例えばタービン動翼または静翼の後縁沿いの領域といった重要な領域に相対的に冷えた空気を供給することが必要になる。これに関連する複数の冷却孔は、例えば、翼内の上流の比較的高圧の空洞部とタービン動翼の外面の１つとの間に延在することが可能である。より少ない空気でより効率の良い冷却を生じることになるさらに有効な冷却設計及び方法を提供するのが当該技術における願望である。また、より高いパワー出力レベルで機械を作動させるべく、より強力に冷却するのも望ましい。一般に、冷却方式は、材料温度をより均一にするか、もしくは、材料からの熱伝達をより増大すべく、冷却効果を高めることが望ましい。
【０００６】
効果のない冷却は、冷却流体とその流体で冷却される材料との間における熱伝達特性が不良であるために生じることがある。翼の場合、壁面に沿ったフィルム冷却を施すことが知られている。壁面に沿って進む冷却エアフィルムは、冷却の均一性を高め、その近くを流れる高温コアガスの熱から壁を断熱するのに有効な手段である可能性がある。しかしながら、フィルム冷却は、ガスタービンの乱流環境内での維持が困難である。
【０００７】
従って、翼には、一般に、熱応力を最小限に抑えるため、圧力側壁及び吸込側壁から熱を除去する複数の内部冷却チャネルが含まれている。熱伝達率に基づく高冷却効率は、冷却のため圧縮機から分流される空気の量を最小限に抑えるのに重要な設計上の考慮事項である。比較すると、複数の内部冷却チャネルから複数の孔を介して翼の外面に沿って冷却エアフィルムを供給する前述のフィルム冷却は、必要になる孔数のため、さらに圧縮機から分流される冷却空気が結果として大量になるため、若干効率が良くない。従って、フィルム冷却は、選択的に、かつ他の冷却技法と組み合わせて用いられてきた。構成部品内に蛇行冷却チャネルを設けることも知られている。
【０００８】
しかしながら、ガスタービン翼の比較的狭い後縁には、翼外面積全体のほぼ１／３までが含まれる。後縁は、空力的効率のため比較的薄く造られている。従って、後縁が互いに比較的接近した２つの対向する壁面で入熱を受けるので、機械的完全な状態を維持するために必要な熱伝達率を得るには、比較的高い冷媒流速が望ましい。従来、後縁冷却チャネルは、熱伝達効率を高めるため、さまざまなやり方で設計されてきた。例えば、参考までに本明細書で援用されている先行技術の１つには（特許文献１参照）、後縁から出る複数の冷却チャネルから成るメッシュ構造の利用が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第５，３７０，４９９号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、タービン翼の後縁に配置された複数の流路により冷却の熱伝達効率及び均一性が高まる。
【００１１】
本発明については、図面に照らして下記説明で明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態を組み込んだガスタービン発電システムの一部に関する断面図を例示した概略図である。
【図２】冷却流路の１つ以上のアレイが形成されるタービン動翼の正面図である。
【図３Ａ】図２に示すタービン動翼５０の断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａのライン３Ｂ−３Ｂに沿って描かれたチャンバと冷却流路アレイの断面図である。
【図３Ｃ】図３Ａ及び図３Ｂに示す実施形態の特徴を形成するための鋳造コア要素の斜視図である。
【図３Ｄ】本発明の実施形態の１つによる流路開口の幅の変化を例示した断面図である。
【図４Ａ】本発明の代替実施形態の１つによる３つの流路アレイを組み込んだ図２の動翼の断面図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示されたアレイの特徴をさらに例示した図２の動翼の断面図である。
【図４Ｃ】図４Ａ及び図４Ｂに示す実施形態の特徴を形成するための鋳造コアの要素の部分斜視図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態の１つによるアレイにおけるメッシュパターンの相違を例示した図である。
【図５Ｂ】本発明の実施形態の１つによるアレイにおけるメッシュパターンの相違を例示した図である。
【図６Ａ】本発明のもう１つの実施形態によるアレイにおけるメッシュパターンの密度の相違を例示した図である。
【図６Ｂ】本発明のもう１つの実施形態によるアレイにおけるメッシュパターンの密度の相違を例示した図である。
【００１３】
図全体を通じて同様の特徴を示すため、同様の参照番号が用いられている。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、断面が描かれた、本発明の実施形態を組み込んだガスタービン発電システム１０の一部の概略図である。このシステム１０には、間隔をあけて配置された本発明による１つ以上の冷却流路アレイが組み込まれている。システム１０のガスタービンエンジン１２には、燃焼室１６に空気を供給する圧縮機１４と、燃焼室から高温排気ガスを与えられるタービン１８が含まれている。圧縮機１４とタービン１８の間に配置された中央フレームセクション２０が、燃焼室１６（例えば筒型環状燃焼器として示された）とトランジションダクト２８とが収容されているプレナム２６まわりに形成されたケーシング２２によって部分的に形成されている。運転中、圧縮機１４はプレナム２６に圧縮空気を供給し、圧縮空気はプレナムを通じて燃焼室１６に送られ、空気と燃料が混合される（不図示）。燃焼室１６を出る燃焼ガスは、トランジションダクト２８を通ってタービン１８に達し、発電機（不図示）を回転させる回転を生じさせる。プレナム２６は、周方向に間隔をあけて配置された複数の燃焼室１６を保持する環状チャンバであり、それぞれの燃焼室は、高温排気ガスがそれを通ってタービン１８に向かう下流の１つの排気トランジションダクト２８に接続されている。タービン１８は、一連の固定翼３０と回転翼３４とからなり、それに沿って排気ガスが流れる。
【００１５】
燃焼室２６、及び高温排気ガスがそれに沿って流れる他の構成部品（例えば静翼及び動翼）は、そうしなければ構成部品材料に及ぼすであろう高温の影響に対処するため冷却される。一般に、タービン１８内における少なくとも動翼の初段は、高温排気ガスの流路内にある材料の外面に沿って冷却流体を流すのに適した圧力及び温度で圧縮機１４の各段から抽出される空気を利用して冷却される。例えば、動翼の圧力側壁及び吸込側壁に複数の冷却開口を形成することが可能である。従来のやり方によれば、動翼のベースを通って翼部分に流れる冷却流体は、翼内の蛇行流路を辿って開口に達することが可能である。
【００１６】
本発明の既述の実施形態の場合、冷却流体はさらに複数のメッシュ冷却流路を通って流れる。先行技術文献の１つには（特許文献１参照）、メッシュ冷却流路の従来の設計が記載されている。本発明の特徴は、タービン１８内の高温排気ガス流路に沿って翼内に配置されたさまざまな冷却流路アレイを設けることである。熱エネルギが、翼の圧力側壁及び吸込側壁からアレイの冷却流路を通る冷却流体に伝達される。例えば、関連構成部品の完全な状態を保つために温度を制限しなければならない壁を備えた翼のような、冷却を必要とする翼に対して１つ以上のモジュール化されたアレイを配置することが可能である。
【００１７】
本明細書に記載された本発明のいくつかの実施形態に言及すると、斜視図２に示された回転タービン動翼５０は、タービン１８内の高温排気ガス流路に沿って１つ以上の冷却流路アレイを組み込んだ翼の典型である。動翼５０には、プラットホーム５４が含まれており、このプラットホームは、通常のダブテール翼基部６０の上部のベース５６に形成されている。翼形部６４は、プラットホーム５４から動翼の上部近くまたは上部の上端６８まで上方へ延びている。翼は、比較的広い前縁領域７０から比較的狭い後縁７２まで水平に（プラットホーム５４の面に沿って）延びている。翼には、圧力側壁７４と、圧力側壁に対向する吸込側面７６が含まれており、それぞれ、前縁領域７０と比較的狭い後縁７２の間に延びている。後縁７２に沿って一連の出口開口７８が設けられており、圧縮機１４の各段から抽出され、さらにタービン動翼５０を通過させられる冷却流体が、それらを通じて動翼内部の流路から出る。これらの出口開口７８は、細長い溝の形状で例示されているが、この出口開口は、さまざまな任意の形状をとることが可能である。上述のように、圧力側壁７４及び吸込側壁７６を通る複数の冷却開口８０が形成されている。これらの冷却開口８０は、高温排気ガスの流路における外面すなわち側壁７４、７６の部分に沿って冷却流体を通すべく、動翼５０内の１つ以上のチャンバ（不図示）と流体的に通じている。
【００１８】
周知のように、タービン動翼は、冷却流体の流れを促進すべく、一般に複雑な内部構造を備えるように形成された鋳造物である。本発明の多様な実施形態による冷却流路アレイは、こうした鋳造プロセスでタービン動翼５０の圧力側壁７４と吸込側壁７６の間に、例えばセラミックコアから形成することが可能であるが、他の適合する材料を用いることもできる。典型的な製造プロセスは、バージニア州シャーロッツビルのＭｉｋｒｏ  Ｉｎｃ．のものを利用することができる。参考までに本明細書で援用されている米国特許第７，１４１，８１２号明細書を参照されたい。また、図に例示の実施形態の場合、これらの冷却流路アレイは、鋳造プロセスにおいて互いに一体成形することが可能である。鋳造プロセスにおいて複数の冷却流路アレイを形成して、動翼５０の内部に沿って延びる一連の冷却アレイを設けることが可能である。例示の実施形態の特徴について述べると、各アレイの流路は、平行な複数の対向壁対で形成された矩形の空間をなすが、多様な他の幾何学形状を備える各種流路の形成が可能であり、こうした各種流路の断面形状及びサイズを変えることによって、例えば冷却ガスの流量を計測することが可能である。
【００１９】
本発明の応用例の１つにおいて、冷却流路アレイ１００は、タービン動翼５０の圧力側壁７４と吸込側壁７６の間に形成され、プラットホーム５４の近くから動翼の上端６８の近くまで延びている。図２のラインＡ−Ａに沿って描かれた動翼５０の断面図を示す図３Ａを参照されたい。
【００２０】
アレイ１００は、タービン動翼５０の壁７４、７６及び他の構造物の金属鋳造物と一体成形されている。タービン動翼５０は、前縁領域７０と後縁７２との中間に内部チャンバ１０２を備えている。不図示の他の複数のチャンバを、前縁領域７０とチャンバ１０２の間に配置することが可能である。チャンバ１０２は、例えば圧縮機１４から冷却流体流を供給されるように構成されている。一連の出口開口７８が後縁７２に沿って形成されているので、チャンバ１０２から供給される冷却流体は流路アレイ１００を通過し、出口開口７８を通って動翼から流出する。鋳造プロセスにおいて、このアレイの第１と第２の一連の冷却流路が、チャンバ１０２と出口開口７８の間に延びるように形成される。さらに、図３Ａのライン３Ｂ−３Ｂに沿って描かれたチャンバ１０２とアレイ１００の断面図を示す図３Ｂも参照されたい。
【００２１】
アレイ１００には、第１の方向１１２に沿って延びる第１の一連の冷却流路１１０と、第２の方向１２２に沿って延びる第２の一連の冷却流路１２０が含まれている。第１の一連の冷却流路１１０と第２の一連の冷却流路１２０は、互いに交差している。アレイ１００には、それぞれ、第１の一連の冷却流路１１０のうちの隣接する一対と第２の一連の冷却流路１２０のうちの隣接する一対によって形成される複数の中実領域１２４が含まれている。中実領域１２４は、圧力側壁７４と吸込側壁７６が作られることになる金属鋳造物の一部として一体成形される。その結果生じる構造体１２８、すなわち、複数の中実領域１２４と関連流路１１０及び１２０とを含むマトリックスによって、冷却流体が動翼５０の内面に沿って進み、圧力側壁７４及び吸込側壁７６から冷却流体に熱エネルギが伝達される接続経路が形成される。構造体１２８によって、流路１１０及び１２０への一連の入口１３０を備え、基本的にこれらの流路に冷却流体１４４を分配するためのマニホルドとなるチャンバ１０２の壁１４０が形成される。
【００２２】
図３に示す実施形態に含まれる本発明の特徴は、複数の中実領域１２４と関連流路１１０及び１２０とによって形成された結果生じる構造体１２８が、圧力側壁と吸込側壁の間において、それらの側壁に沿って変化する厚さを特色とするという点にある。その厚さは冷却流路に沿った位置の関数として変化し、第１及び第２の一連の複数冷却流路のそれぞれが、チャンバからの距離の関数として減少する流通断面を特徴とするようになっている。図３Ａに示すように、圧力側壁７４と吸込側壁７６の間で測定した構造体１２８の厚さは、壁１４０に沿ってｔ1、後縁７２に近い位置に相当するチャンバから離れた位置でｔ2である。すなわち、ｔ1＞ｔ2であり、構造体１２８は、壁１４０に沿った最大厚と後縁７２に近い位置の最小厚を備え、壁と後縁の間で厚さが連続して変化するテーパ状である。例示のテーパ状の幾何学形状は、壁１４０から出口開口７８までの流路に沿って、その構造体の単位長当りの厚さ変化が一定の形状である。従って、流路１１０及び１２０の流通断面も、壁１４０と出口開口７８との間における位置の関数として変化し、流路のサイズは壁１４０の近くで最大になり、例えば出口開口７８に最も近い、壁から最も遠い位置で最小になる。
【００２３】
本明細書に記載の構造体１２８及び他の構造物の上述のテーパ状の特徴、及び、関連流路の変動サイズについては、動翼５０が造られる鋳造コアの要素１５０に言及することによってより明確な理解が得られるであろう。要素１５０は、チャンバ１０２、流路１１０、１２０、及び、中実領域１２４を形成するコア部分（中ご）である。中実のセラミックセクション１０２Ｃに隣接したメッシュセクション１００Ｃを含む図３Ｃの要素１５０の斜視図を参照されたい。メッシュセクション１００Ｃには、それぞれ、流路１１０及び１２０を形成している開口に対応する十字交差した構造をなすように配列された一連の格子部材１１０Ｃ及び１２０Ｃが含まれている。中実セクション１０２Ｃは、チャンバ１０２に対応する。交差部材１１０Ｃと１２０Ｃの間のくぼみ１２４Ｃは、動翼５０の他の部分と一体成形される中実領域１２４に対応する。
【００２４】
格子部材１１０Ｃ及び１２０Ｃは、中実部分１０２Ｃからエッジ領域１５４Ｃまで延びており、エッジ領域１５４Ｃは、アレイ４２の後縁７２に沿った一連の出口開口７８への移行部に対応する。鋳造要素１５０は、ほぼくさび形状またはテーパ状であり、チャンバ壁１４０に対向し、且つ前縁領域７０に最も近い壁１６０に対応するエッジ１６０Ｃに沿って最大厚を有し、出口開口７８に隣接するエッジ領域１５４Ｃに沿って最小厚を有している。従って、格子部材１１０、１２０の厚さは、エッジ１６０Ｃに沿った最大厚ｔc1からエッジ１５４に沿った最小厚ｔc2へと減少する。この幾何学形状の場合、鋳造の結果、流路１１０及び１２０のそれぞれにおける開口サイズが変動する。すなわち、流路の断面積が、チャンバ１０２と出口開口７８に対する位置の関数として減少する。本明細書で用いられる断面という用語は流路を横切る断面を表わしており、この断面は流路の方向に対して直交する平面に関してその平面内にある。円形断面を備えた流路の場合、断面積は円の面積になる。図３Ｄは、入口１３０に近い位置における流路の矩形開口の一部１７２に関する第１のサイズ１７０（すなわち断面積）と後縁７２またはその近くにおける矩形開口の一部１７６に関する第２のサイズ１７４（すなわち断面積）を例示した、流路１１０及び１２０を代表とする典型的な流路の断面図である。これらの開口は、同じ高さｈであるが、幅ｗが異なり、開口の一部１７２の幅は厚さｔ1にほぼ等しく、開口の一部１７６の幅は鋳造コアの厚さｔc2にほぼ等しい。
【００２５】
本発明の代替実施形態の１つによれば、タービン動翼５０の圧力側壁７４と吸込側壁７６の間に、冷却流路の第１、第２、及び、第３のアレイ２００Ａ、２００Ｂ、及び、２００Ｃが形成され、プラットホーム５４の近くから動翼の上端６８の近くまで延びている。アレイ１００の代わりにアレイ２００Ａ、２００Ｂ、及び、２００Ｃが形成された動翼５０の断面図を示す図４Ａを参照されたい。図４Ａは図２のラインＡ−Ａに沿って描かれている。
【００２６】
アレイ２００Ａ、２００Ｂ及び２００Ｃは、タービン動翼５０の壁７４、７６及び他の構造物の金属鋳造物と一体成形されている。タービン動翼５０は、前縁領域７０と後縁７２との中間に内部チャンバ１０２を備えている。不図示の他のチャンバを前縁領域７０とチャンバ１０２の間に配置することが可能である。アレイ２００Ａ及び２００Ｂは、互いに並んで配置され、チャンバ２００Ｃは、１対のチャンバ２００Ａ、２００Ｂと出口開口７８との間に配置されている。チャンバ１０２は、例えば圧縮機１４から冷却流体流を供給されるように構成されている。一連の出口開口７８が後縁７２に沿って形成されているので、チャンバ１０２から供給された冷却流体は、まず流路アレイ対２００Ａ及び２００Ｂのそれぞれを通って並行する複数の経路に沿って進み、次に中間チャンバすなわち合流チャンバ２０４に流入する。冷却流体は、合流チャンバ２０４から流路アレイ２００Ｃに流入し、次に、出口開口７８を通って動翼５０から流出する。鋳造プロセスにおいて、各アレイ２００Ａ、２００Ｂ及び２００Ｃの第１及び第２の一連の冷却流路が、チャンバ１０２と出口開口７８の間に延びる複数の流路によって形成される。例えば、チャンバ１０２の、アレイ２００Ａと２００Ｂの一方の、及び、アレイ２００Ｃの断面を例示した図４Ｂも参照されたい。図４Ｂの説明図は、アレイ２００Ａ及び２００Ｃの特徴を例示するため図４Ａのライン４Ｂ−４Ｂ１に沿って描かれた断面図に対応し、また、アレイ２００Ｂ及び２００Ｃの特徴を例示するため図４Ａのライン４Ｂ−４Ｂ２に沿って描かれた断面図にも対応する。
【００２７】
アレイ２００Ａには、第１の方向１１２ａに沿って延びる第１の一連の冷却流路１１０ａと、第２の方向１２２ａに沿って延びる第２の一連の冷却流路１２０ａとが含まれている。第１の一連の冷却流路１１０ａと第２の一連の冷却流路１２０ａは互いに交差している。アレイ２００Ａには、それぞれ、第１の一連の冷却流路１１０ａのうちの隣接する一対と第２の一連の冷却流路１２０ａのうちの隣接する一対によって形成される複数の中実領域１２４ａも含まれている。中実領域１２４ａは、圧力側壁７４及び吸込側壁７６が作られることになる金属鋳造物の一部として一体成形される。その結果生じる構造体１２８ａ、すなわち、複数の中実領域１２４ａと関連流路１１０ａ及び１２０ａとを含むマトリックスによって、冷却流体が動翼５０の内面に沿って進み、圧力側壁７４及び吸込側壁７６から冷却流体に熱エネルギが伝達される接続経路が形成される。構造体１２８ａによって、流路１１０ａ及び１２０ａへの一連の入口１３０ａを備え、事実上アレイ２００Ａの流路に冷却流体１４４を分配するためのマニホルドとなるチャンバ１０２の壁部分２１０ａが形成される。また、構造体１２８ａによって、流路１１０ａ及び１２０ａからの一連の出口２１６ａを備える、アレイ２００Ｃに対向するチャンバ２０４の壁部分２１２ａも形成される。
【００２８】
アレイ２００Ｂには、第１の方向１１２ｂに沿って延びる第１の一連の冷却流路１１０ｂと、第２の方向１２２ｂに沿って延びる第２の一連の冷却流路１２０ｂとが含まれている。第１の一連の冷却流路１１０ｂと第２の一連の冷却流路１２０ｂは互いに交差している。アレイ２００Ｂには、それぞれ、第１の一連の冷却流路１１０ｂのうちの隣接する一対と第２の一連の冷却流路１２０ｂのうちの隣接する一対によって形成される複数の中実領域１２４ｂも含まれている。中実領域１２４ａは、圧力側壁７４及び吸込側壁７６が作られることになる金属鋳造物の一部として一体成形される。その結果生じる構造体１２８ｂ、すなわち、複数の中実領域１２４ｂと関連流路１１０ｂ及び１２０ｂとを含むマトリックスによって、冷却流体が動翼５０の内面に沿って進み、圧力側壁７４及び吸込側壁７６から冷却流体に熱エネルギが伝達される接続経路が形成される。構造体１２８ｂによって、流路１１０ｂ及び１２０ｂへの一連の入口１３０ｂを備え、基本的にアレイ２００Ｂの流路に冷却流体１４４を分配するためのマニホルドとなるチャンバ１０２の壁部分２１０ｂが形成される。また、構造体１２８ｂによって、流路１１０ａ及び１２０ａからの一連の出口２１６ｂを備える、アレイ２００Ｃに対向するチャンバ２０４の壁部分２１２ｂも形成される。
【００２９】
アレイ２００Ｃには、第１の方向１１２ｃに沿って延びる第１の一連の冷却流路１１０ｃと、第２の方向１２２ｃに沿って延びる第２の一連の冷却流路１２０ｃとが含まれている。第１の一連の冷却流路１１０ｃと第２の一連の冷却流路１２０ｃは互いに交差している。アレイ２００Ｃには、それぞれ、第１の一連の冷却流路１１０ｃのうちの隣接する一対と第２の一連の冷却流路１２０ｃのうちの隣接する一対によって形成される複数の中実領域１２４ｃも含まれている。中実領域１２４ｃは、圧力側壁７４及び吸込側壁７６が作られることになる金属鋳造物の一部として一体成形される。その結果生じる構造体１２８ｃ、すなわち、複数の中実領域１２４ｃと関連流路１１０ｃ及び１２０ｃを含むマトリックスによって、冷却流体が動翼５０の内面に沿って進み、圧力側壁７４及び吸込側壁７６から冷却流体に熱エネルギが伝達される接続経路が形成される。構造体１２８ｃによって、構造体１２８ａ及び１２８ｂの壁部分２１２ａ及び２１２ｂに対向するチャンバ２０４の壁２２０が形成される。壁２２０に沿って、流路１１０ｃ及び１２０ｃへの一連の入口１３０ｃが形成され、基本的にアレイ２００Ｃの流路に冷却流体１４４を分配するためのマニホルドをなす。流路１１０ｃ及び１２０ｃは、一連の出口開口７８に隣接するかまたはそれと結合する一連の出口２３０に終端がくる。
【００３０】
図４に示す実施形態に含まれる本発明の特徴は、複数の中実領域１２４とこれに関連する流路１１０及び１２０とによって形成される、図３の構造体１２８と同様の結果生じる構造体１２８ａ、１２８ｂ及び１２８ｃが、圧力側壁と吸込側壁との間の厚さ及びそれらの側壁に沿った厚さの変動を特徴とするという点にある。その厚さは、冷却流路に沿った位置の関数として変化するので、各アレイの第１及び第２の一連の複数の冷却流路のそれぞれが、チャンバからの距離の関数として減少する流通断面を特徴とするようになる。図４Ａに示すように、圧力側壁７４と吸込側壁７６の間で測定された構造体１２８ａの厚さは、チャンバ２０４における壁部分２１２ａに沿った同じ構造体の厚さよりも構造体の壁部分２１０ａに沿った個所の厚さが厚くなる。同様に、圧力側壁７４と吸込側壁７６の間で測定された構造体１２８ｂの厚さは、チャンバ２０４における壁部分２１２ｂに沿った同じ構造体の厚さよりも構造体の壁部分２１０ｂに沿った個所の厚さが厚くなる。構造体１２８ａ及び１２８ｂの厚さ変化は、アレイ１００のｔ1＞ｔ2の特性に類似しており、構造体１２８ａ及び１２８ｂはテーパ状であって、チャンバ１０２の壁に沿った厚さが最大で、後縁７２に最も近い位置における厚さが最小であり、チャンバ１０２の壁と後縁の間で厚さが連続して変化する。例示のテーパ状幾何学形状は、チャンバ１０２の壁からチャンバ２０４までの流路に沿って、構造体１２８ａまたは１２８ｂの単位長当りの厚さ変化が一定の形状である。従って、流路１１０ａ、１１０ｂ及び１２０ａ、１２０ｂの流通断面も、チャンバ１０２とチャンバ２０４との間における位置の関数として変化するので、流路のサイズはチャンバ１０２の近くで最大になり、チャンバ２０４の近く、すなわちチャンバ１０２から最も遠い位置で最小になる。
【００３１】
図４に示す本発明の実施形態のもう１つの特徴は、複数の中実領域１２４ｃと関連流路１１０ｃ及び１２０ｃとによって形成される、構造体１２８ｃが、図３の構造体１２８と同様に、圧力側壁と吸込側壁との間の厚さ及びそれらの側壁に沿った厚さの変動を特徴とするという点にある。その厚さは、冷却流路に沿った位置の関数として変化するので、アレイ２００Ｃの第１及び第２の一連の複数の冷却流路のそれぞれが、チャンバ２０４からの距離の関数として減少する流通断面を特徴とするようになる。図４Ａに示すように、圧力側壁７４と吸込側壁７６の間で測定された構造体１２８ｃの厚さは、一連の出口２３０に沿った同じ構造体の厚さよりも壁２２０に沿って厚くなる。
【００３２】
構造体１２８ｃに沿った厚さ変化は、ｔ1＞ｔ2のアレイ１００の特性に類似しており、構造体１２８ｃはテーパ状であって、チャンバ１０２の壁２２０に沿った厚さが最大で、後縁７２に最も近い位置における厚さが最小であり、壁２２０と後縁７２の間で厚さが連続して変化する。例示のテーパ状幾何学形状は、チャンバ２０４の壁２２０から出口２３０までの流路に沿って、構造体１２８ｃの単位長当りの厚さ変化が一定の形状である。
【００３３】
従って、流路１１０ｃ及び１２０ｃの流通断面も、チャンバ２０４と出口２３０との間における位置の関数として変化するので、流路のサイズはチャンバ２０４の近くで最大になり、出口２３０の近く、すなわちチャンバ２０４から最も遠い位置で最小になる。流路１１０ｃ及び１２０ｃのこうした流通断面の変化のため、流体が動翼の最も狭い部分を通って、すなわち、後縁７２に隣接した壁の部分に沿って進むと、冷却流体の速度が増すことになる。速度が増すと、翼外部表面積全体の約１／３を占める可能性のあるガスタービン翼の比較的狭い後縁部分における熱伝達率が高まる可能性があるので、これはとりわけ有利になる。後縁は空力効率のために比較的薄く造られていて、互いに比較的接近している２つの対向壁面で入熱にさらされるので、機械的完全状態を維持するために必要な熱伝達率を得るには、比較的高い冷媒流速が望ましい。本発明によれば、流路１１０ｃ及び１２０ｃの流通断面の変化によって、流体が動翼の最も狭い部分を通って進むと冷却流体の速度が増し、壁７４及び７６から流路を通る冷却流体への熱伝達率が最大になる。
【００３４】
構造体１２８ａ、１２８ｂ及び１２８ｃに流路アレイ２００Ａ、２００Ｂ、及び、２００Ｃを組み込むタービン動翼５０の上述の特徴、及び、関連する流路の可変サイズについては、動翼５０のこの代替実施形態が造られる鋳造コアの要素２５０に言及することによって、より明確な理解が得られるであろう。要素２５０は、チャンバ１０２、流路１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃと１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、チャンバ２０４、及び、中実領域１２４ａ、１２４ｂ、１２４ｃを形成するコア部分（中ご）である。中実のセラミックセクション１０２Ｃに隣接する１対の間隔をあけて配置されたメッシュセクション３００Ａ及び３００Ｂを含む図４Ｃにおける要素２５０の部分斜視図を参照されたい。メッシュセクション３００Ａは、流路アレイ２００Ａ及びそれから鋳造される構造体１２８ａに対応し、メッシュセクション３００Ａは、流路アレイ２００Ｂ及びそれから鋳造される構造体１２８ｂに対応する。メッシュセクション３００Ｂは、格子部材のアレイ２６０であり、メッシュセクション３００Ａは、格子部材のアレイ２７０である。アレイ２６０及び２７０の格子部材は、図３Ｃの鋳造コア要素１５０の一連の格子部材１１０Ｃ及び１２０Ｃと同様である。すなわち、各アレイ２６０、２７０の格子部材は、それぞれ、流路１１０ａ、１２０ａ、及び、１１０ｂ、１２０ｂを形成する開口に対応した十字交差する構造をなすように配置される。中実セクション１０２Ｃはチャンバ１０２に対応する。アレイ２６０における交差部材間のくぼみは、動翼５０の他の部分と一体成形される中実領域１２４ａに対応し、アレイ２７０における交差部材間のくぼみは、やはり動翼５０の他の部分と一体成形される中実領域１２４ｂに対応する。格子部材のアレイ２６０及び２７０は、それぞれ、中実部分１０２Ｃからチャンバ２０４に対応する第２の中実セクション２０４Ｃまで延びる。
【００３５】
第３のメッシュセクション３００Ｃは、中実セラミックセクション２０４Ｃに隣接し、流路のアレイ２００Ｃと構造体１２８ｃに対応する。メッシュセクション３００Ｃには、それぞれ、図３Ｃの鋳造コア要素１５０の一連の格子部材１１０Ｃ及び１２０Ｃにおける部材と同様の部材である格子部材のアレイ２８０が含まれている。すなわち、アレイ２８０の格子部材は十字交差する構造をなすように配列され、それぞれ、流路１１０ｃ及び１２０ｃを形成する開口に対応する。中実セラミックセクション２０４Ｃから最も遠いメッシュセクション３００Ｃのエッジ領域２９０Ｃは、アレイ２００Ｃの後縁７２に沿った一連の出口開口７８への移行部に対応する。
【００３６】
鋳造要素２５０は、ほぼくさび形状またはテーパ状であり、中実セクション１０２Ｃから１対の間隔をあけて配置されたメッシュセクション３００Ａ及び３００Ｂへの移行部に沿ってまたはその近くで最大厚を有し、エッジ領域２９０Ｃに沿って最小厚を有している。
【００３７】
従って、アレイ２８０の格子部材の厚さは、アレイの移行部に沿ったまたはその近くの最大厚からエッジ領域２９０Ｃに沿ったまたはその近くの最小厚へと減少する。この幾何学形状の場合、鋳造要素２５０によって、流路１１０ｃ及び１２０ｃのそれぞれにおける開口サイズが変化する。すなわち、流路１１０ｃ及び１２０ｃの断面積が、チャンバ２０４と出口開口７８に対する位置の関数として減少する。
【００３８】
図３Ｄに示す断面図（開口の一部に関する第１のサイズと第２のサイズを例示した、流路１１０及び１２０を代表とする典型的な流路の）と類似して、アレイ２００Ｃにおける流路の入口１３０ｃに近い開口とアレイ２００Ｃにおける流路の出口２３０に近い開口は、同じ高さｈであるが、幅ｗが異なり、出口２３０に近い開口の一部の幅は、入口１３０ｃに近い開口の一部の幅より狭い。
【００３９】
図４に示す実施形態の利点は、アレイ２００Ｂにおける流路より大きい体積流量を送るサイズの複数の流路がアレイ２００Ａに形成されるようにコア要素２５０を設計することができるという点にある。アレイ２００Ａはアレイ２００Ｂから間隔をあけて配置されているので、両アレイ間には中間区画２５２が位置し、これらのアレイは、密度の異なる複数の流路、すなわち一方アレイにおいて互いにより近接して配置された複数の流路、あるいは、もう一方のアレイにおける流路より大きい流通開口を備えて、より大きい流量に適応する流路、を備えることが可能である。この特徴によって、吸込側壁７６に沿った熱伝達率よりも圧力側壁７４に沿った熱伝達率を高くすることが可能になる。
【００４０】
この設計の融通性の第１の例として、図５Ａ及び５Ｂは、アレイ２００Ａとアレイ２００Ｂの設計のバリエーションを例示した動翼５０の断面図である。アレイのメッシュパターンの相違を明らかにするため、図５Ａの図は、アレイ２００Ａを貫いて（例えば図４Ａのライン４Ｂ−４Ｂ１に沿って）描かれ、図５Ｂの図は、アレイ２００Ｂを貫いて（例えば図４Ａのライン４Ｂ−４Ｂ２に沿って）描かれている。図３Ｄに関連して既述のように、アレイ構造体１２８ａ及び１２８ｂがテーパ状のため、流路の幅ｗは動翼の前縁領域と後縁との間の位置の関数として変化することになる。図５Ａ及び５Ｂに示すように、流路の高さはアレイ間で異なり、一方のアレイの流路における体積流量がもう一方のアレイに対して異なる。すなわち、アレイ２００Ａの流路の高さｈ1は、アレイ２００Ｂの流路の高さｈ2よりも高い。
【００４１】
この設計の融通性の第２の例として、図６Ａ及び６Ｂは、アレイ２００Ａ及び２００Ｂの設計のバリエーションを例示した動翼５０の部分断面図である。アレイのメッシュパターンの密度の相違を明らかにするため、図６Ａの図は、アレイ２００Ａを貫いて（例えば図４Ａのライン４Ｂ−４Ｂ１に沿って）描かれ、図６Ｂの図は、アレイ２００Ｂを貫いて（例えば図４Ａのライン４Ｂ−４Ｂ２に沿って）描かれている。簡略に例示するため、構造体１２８ａの流路１１０ａ及び１２０ａは、構造体１２８ｂの流路１１０ｂ及び１２０ｂと同じ高さｈを備えるように示されているが、これらは、図５に示す例に従って変化することができる。構造体１２８ａ及び１２８ｂの中実領域１２４ａ及び１２４ｂは、同じ四辺形として示されているが、領域１２４ａが領域１２４ｂより小さくなるように寸法が異なっている。すなわち、領域１２４ａの辺は、それぞれ、領域１２４ｂの辺の長さｌ2より短い長さｌ1を備えている。従って、構造体１２８ａに設けられた流路１１０ａ及び１２０ａの数は、構造体１２８ｂに設けられた流路１１０ｂ及び１２０ｂの数より多い。すなわち、流路１１０ａ及び１２０ａのピッチは、流路１１０ｂ及び１２０ｂのピッチより細かい。このため、構造体１２８ａは、構造体１２８ｂが吸込側壁７６に対して行うよりも高いレベルの熱交換を圧力側壁７４に対して行うことが可能になる。
【００４２】
本発明の説明は、タービン動翼のような翼、及び、圧縮機、燃焼器、及び、翼を含むタービンを備えたガスタービンエンジンに関連して行ってきた。各文脈において、翼の実施形態の１つは、前縁及び後縁と、前縁と後縁の間に延びる対向する圧力側壁及び吸込側壁と、前縁と後縁の中間の内部チャンバとを備えている。また、この実施形態例によれば、チャンバは冷却流体流を供給されるように構成されており、翼は、チャンバと後縁に沿って配置された一連の出口開口との間に延びる複数の冷却流路を含む第１の構造体を備え、チャンバから供給される冷却流体は出口開口を通じて翼から流出する。第１の構造体には、第１の方向に沿って延びる第１の一連の冷却流路と、第２の方向に沿って延びる第２の一連の冷却流路が含まれている。第２の一連の冷却流路は、第１の一連の冷却流路と交差している。第１の構造体には、それぞれ、第１の一連の冷却流路のうちの隣接する一対と第２の一連の冷却流路うちの隣接する一対によって形成される複数の中実領域が含まれており、この構造体は、圧力側壁と吸込側壁の間において、冷却流路に沿った位置の関数として変化する厚さを特色とする。第１及び第２の一連の複数の冷却流路のそれぞれは、チャンバからの距離の関数として減少する流通断面を特徴とする。また、開示例によれば、第１の一連の冷却流路は、第１の方向に沿って互いにほぼ平行に延び、第２の一連の冷却流路は、第２の方向に沿って互いにほぼ平行に延びている。
【００４３】
図４Ａ及び４Ｂに例示のように、翼には、それぞれ、第１の構造体並びに圧力側壁及び吸込側壁と一体成形され、さらに圧力側壁と吸込側壁の間に延びる１つ以上の追加の構造体を含むことが可能である。従って、１つ以上の追加構造体のそれぞれには、第１の方向に沿って延びる第１の一連の冷却流路と、第２の方向に沿って延びる第２の一連の冷却流路が含まれており、第２の一連の冷却流路は第１の一連の冷却流路と交差している。図４Ａには、並んで配列されたこうした２つの構造体１２８ａ及び１２８ｂが例示されており、これに構造体１２８ｃが後続しているが、構造体１２８ｃが後続する２つの構造体１２８ａ、１２８ｂの代わりに、オンアレイ構造体（on array structure）を設けるといった他の構成も考えられる。
【００４４】
図４Ａ及び４Ｂに例示のように、第１の構造体及び第２の構造体は、それぞれ、チャンバの壁に沿って形成された第１及び第２の構造体における冷却流路のうちの複数流路に対する入口を備えたチャンバの壁の一部を形成することが可能である。追加された構造体の一つ、例えば構造体１２８ｃは、第１及び第２の構造体のそれぞれと後縁に沿って配置された一連の出口開口との間に延びることが可能である。これにより追加された構造体における冷却流路は、第１及び第２の構造体の一方または両方から冷却流体を供給されて、その冷却流体を出口開口に通すように配置されている。図に例示のように、例えば構造体１２８ｃのような追加された構造体は、第１及び第２の構造体から間隔をあけて配置し、翼の圧力側壁と吸込側壁の間でそれらの構造体と一体成形することが可能である。
【００４５】
第２の構造体には、それぞれ、第１の一連の冷却流路のうちの隣接する一対と第２の一連の冷却流路うちの隣接する一対によって形成された複数の中実領域が含まれており、この構造体は、圧力側壁と吸込側壁の間において、冷却流路に沿った位置の関数として変化する厚さを特色とする。もう一度図４Ａ及び４Ｂを参照されたい。第１及び第２の一連の複数冷却流路のそれぞれは、チャンバからの距離の関数として減少する流通断面を特徴とする。
【００４６】
冷却流体によってタービンセクションにおける翼の圧力側壁から熱伝達を生じさせる、ガスタービンエンジンの運転方法についても説明する。上述の翼は、前縁、後縁、及び、後縁に沿った冷却流体を放出するための一連の出口開口を備えるタイプである。この方法には、冷却流体を供給されるチャンバを翼内に設けるステップと、チャンバと出口開口の間に延びる一連の流路を設けるステップが含まれている。複数の流路は、チャンバからの距離の関数として断面積が変化するので、チャンバに供給された流体が流路を進むとき、流体がチャンバから離れて出口開口に向かうにつれて、流体の流速が増すことになる。この方法の実施形態例の１つでは、流路を設けるステップには、第１の一連の流路が第１の方向に沿って延び、第２の一連の流路が第２の方向に沿って延びて、第２の一連の流路が第１の一連の流路と交差するように流路を形成することが含まれる。
【００４７】
また、図３Ｃを参照すると（さらに図４Ｃも参照されたい）、上述の翼を製造するための鋳造コアの要素が例示されている。この要素には、冷却流体を供給される翼チャンバを形成する中実セラミックセクションと、一連の格子部材を含む中実セラミックセクションに隣接したメッシュセクションが含まれている。格子部材は、十字に交差する構造をなすように配列され、それぞれ、翼における冷却流体の移動する流路に対応する。メッシュ構造には、交差する格子部材間のくぼみアレイが含まれており、それぞれ、翼の交差する流路間に配置された中実領域に対応する。格子部材は、中実部分から、流路が後縁に沿った冷却流体を放出するための一連の出口開口に移行する後縁に比較的近い翼部分に対応したエッジ領域まで延びている。鋳造要素のメッシュセクションはテーパ状であり、その厚さは中実セラミックセクションに隣接した末端のエッジに沿ってより厚く、出口開口への流路の移行部に対応するエッジ領域に沿ってより薄くなっている。従って、格子部材の厚さは、末端エッジに沿った第１の厚さから、出口開口への流路の移行部に対応するエッジ領域に沿ったより薄い厚さへと減少する。
【００４８】
本明細書では、本発明のさまざまな実施形態について示し、記載してきたが、こうした実施形態が説明のためだけに示されたものであることは明白である。当業者には、多くの修正及び変更が明らかであろう。これを考慮すると、本発明から逸脱することなく多様な改変、変更、及び、置換を施すことが可能である。従って、本発明は付属の請求項の精神及び範囲による制限しか受けないように意図されている。
【符号の説明】
【００４９】
１０  ガスタービン発電システム
１２  ガスタービンエンジン
１４  圧縮機
１６  燃焼室
１８  タービン
２０  中央フレームセクション
２２  ケーシング
２６  プレナム
２８  トランジションダクト
３０  固定翼
３４  回転翼
５０  翼（タービン動翼）
５４  プラットホーム
５６  ベース
６０  ダブテール翼基部
７０  翼の前縁
７２  翼の後縁
７４  翼の圧力側壁
７６  翼の吸込側壁
７８  出口開口
８０  冷却開口
１００  冷却流路アレイ
１００Ｃ  メッシュセクション
１０２  内部チャンバ
１０２Ｃ  中実セラミックセクション
１１０  冷却流路
１１０Ｃ  格子部材
１２０  冷却流路
１２０Ｃ  格子部材
１２４  中実領域
１２４Ｃ  くぼみ
１２８  構造体
１３０  冷却流路への入口
１４０  チャンバ壁
１４４  冷却流体
１５０  鋳造要素
１５４Ｃ  エッジ領域
１７０  冷却流路の流通断面
１７４  冷却流路の流通断面
２００Ａ  第１の冷却流路アレイ
２００Ｂ  第２の冷却流路アレイ
２００Ｃ  第３の冷却流路アレイ
２０４  合流チャンバ
２０４Ｃ  中実セラミックセクション
２２０  チャンバの壁
２３０  出口
２５０  コア要素
２５２  中間区画
２６０  格子部材アレイ
２７０  格子部材アレイ
２８０  格子部材アレイ
２９０Ｃ  メッシュセクション３００Ｃのエッジ領域
３００Ａ  メッシュセクション
３００Ｂ  メッシュセクション
３００Ｃ  メッシュセクション
【図１】
2013508610.tif 000003
【図２】
2013508610.tif 000004
【図３Ａ】
2013508610.tif 000005
【図３Ｂ】
2013508610.tif 000006
【図３Ｃ】
2013508610.tif 000007
【図３Ｄ】
2013508610.tif 000008
【図４Ａ】
2013508610.tif 000009
【図４Ｂ】
2013508610.tif 000010
【図４Ｃ】
2013508610.tif 000011
【図５Ａ】
2013508610.tif 000012
【図５Ｂ】
2013508610.tif 000013
【図６Ａ】
2013508610.tif 000014
【図６Ｂ】
2013508610.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成24年9月28日(2012.9.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
前記第１の一連の冷却流路が、前記第１の方向に沿って互いに平行に延びており、前記第２の一連の冷却流路が、前記第２の方向に沿って互いに平行に延びていることを特徴とする、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２２】
前記第１の一連の冷却流路が、前記第１の方向において互いに平行に延び、前記第２の一連の冷却流路が、前記第２の方向において互いに平行に延びていることを特徴とする、請求項２１に記載の翼。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明は、圧縮機、燃焼器、及び、タービンを含むガスタービンエンジンであって、前記タービンは翼を備え、この翼は、前縁及び後縁と、前記前縁と前記後縁の間に延びる対向する圧力側壁及び吸込側壁と、前記前縁と前記後縁の中間の内部チャンバを有し、前記チャンバが、冷却流体流を供給されるように構成されており、前記翼に、前記チャンバと前記後縁に沿って配置された一連の出口開口との間に延びる複数の冷却流路を含む第１の構造体が含まれており、前記チャンバから供給される冷却流体がそれらの出口開口を通じて前記翼から流出するものにおいて、前記第１の構造体に、第１の方向に沿って延びる第１の一連の冷却流路と、第２の方向に沿って延びる第２の一連の冷却流路が含まれており、前記第２の一連の冷却流路が前記第１の一連の冷却流路と交差しており、前記第１の構造体に、それぞれ、前記第１の一連の冷却流路のうちの隣接する一対と前記第２の一連の冷却流路のうちの隣接する一対によって形成された複数の中実領域が含まれており、該構造体が、前記圧力側壁と前記吸込側壁との間の厚さが前記冷却流路に沿った位置の関数として変化することを特徴とし、それにより、前記第１及び第２の一連の複数冷却流路のそれぞれが、前記チャンバからの距離の関数として減少する流通断面となるようにしたことを特徴とする。
また本発明は、詳細は後述するように、好適なガスタービンエンジンの運転方法や、ガスタービンエンジンに用いる翼ならびに翼を作製するための鋳造コアの要素を提供する。
本発明によれば、タービン翼の後縁に配置された複数の流路により冷却の熱伝達効率及び均一性が高まる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
燃焼室１６、及び高温排気ガスがそれに沿って流れる他の構成部品（例えば静翼及び動翼）は、そうしなければ構成部品材料に及ぼすであろう高温の影響に対処するため冷却される。一般に、タービン１８内における少なくとも動翼の初段は、高温排気ガスの流路内にある材料の外面に沿って冷却流体を流すのに適した圧力及び温度で圧縮機１４の各段から抽出される空気を利用して冷却される。例えば、動翼の圧力側壁及び吸込側壁に複数の冷却開口を形成することが可能である。従来のやり方によれば、動翼のベースを通って翼部分に流れる冷却流体は、翼内の蛇行流路を辿って開口に達することが可能である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
この設計の融通性の第２の例として、図６Ａ及び６Ｂは、アレイ２００Ａ及び２００Ｂの設計のバリエーションを例示した動翼５０の部分断面図である。アレイのメッシュパターンの密度の相違を明らかにするため、図６Ａの図は、アレイ２００Ａを貫いて（例えば図４Ａのライン４Ｂ−４Ｂ１に沿って）描かれ、図６Ｂの図は、アレイ２００Ｂを貫いて（例えば図４Ａのライン４Ｂ−４Ｂ２に沿って）描かれている。簡略に例示するため、構造体１２８ａの流路１１０ａ及び１２０ａは、構造体１２８ｂの流路１１０ｂ及び１２０ｂと同じ高さｈを備えるように示されているが、これらは、図５に示す例に従って変化することができる。構造体１２８ａ及び１２８ｂの中実領域１２４ａ及び１２４ｂは、同じ四辺形として示されているが、領域１２４ａが領域１２４ｂより小さくなるように寸法が異なっている。すなわち、領域１２４ａの辺は、それぞれ、領域１２４ｂの辺の長さｌ1より短い長さｌ2を備えている。従って、構造体１２８ａに設けられた流路１１０ａ及び１２０ａの数は、構造体１２８ｂに設けられた流路１１０ｂ及び１２０ｂの数より多い。
すなわち、流路１１０ａ及び１２０ａのピッチは、流路１１０ｂ及び１２０ｂのピッチより細かい。このため、構造体１２８ａは、構造体１２８ｂが吸込側壁７６に対して行うよりも高いレベルの熱交換を圧力側壁７４に対して行うことが可能になる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４Ｃ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４Ｃ】
2013508610.tif 000016
【国際調査報告】
2013508610.tif 000017
2013508610.tif 000018
2013508610.tif 000019