(57)【要約】【課題】ロータブレードまたはガイドベーンの翼において十分な冷却を提供し、冷却流の制御を改善し、インサートフィットを可能にする。【解決手段】付加的なインサート２００は、キャビティ１０１内の最終的な所定の位置２０３に固定されており、付加的なインサートは、主インサート１０６に関して後縁または前縁の輪郭を形成している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械のロータブレードまたはガイドベーンの翼部分（１００）であって、該翼部分は、冷却空気を受け取るためのキャビティを形成した外壁を有し、前記翼部分は、上流方向に存在する前縁と、下流方向に存在する後縁と、凸面状の負圧面と、凹面状の圧力面と、前記キャビティ内に配置された少なくとも１つのインサートとを有しており、前記キャビティは、前記インサートのチャンバ（２０５）に進入する冷却空気の少なくとも一部をまず受け取り、前記翼部分の前記外壁の内面を冷却するために前記冷却空気を複数のインサート開口を通じて方向付け、前記インサートはさらに、前記チャンバ（２０５）の外壁の輪郭に概して合致する構成を有しており、前記冷却空気の一部は、前記外壁を貫いて形成された複数のフィルム冷却開口を通じて翼部分から出るおよび／または前記冷却流体の一部は前記後縁において翼から出るようになっており、少なくとも１つの主インサート（１０６）は少なくとも１つの付加的なインサート（２００）を含む、翼部分（１００）において、
前記付加的なインサート（２００）は、前記キャビティ（１０１）内の最終的な所定の位置（２０３）に固定されており、前記付加的なインサートは、前記主インサート（１０６）に関して後縁または前縁の輪郭を形成していることを特徴とする、ターボ機械のロータブレードまたはガイドベーンの翼部分。
【請求項２】
前記付加的なインサート（２００）には、横方向弾性（２０４）、または主インサート（１０６）に関する嵌合結合のための固定手段が設けられている、請求項１記載の翼部分。
【請求項３】
ターボ機械のロータブレードまたはガイドベーンの翼部分（１００ａ）であって、該翼部分は、冷却空気を受け取るためのキャビティを形成した外壁を有し、前記翼部分は、上流方向に存在する前縁と、下流方向に存在する後縁と、凸面状の負圧面と、凹面状の圧力面と、前記キャビティ内に配置された少なくとも１つのインサートとを有しており、前記キャビティは、前記インサートのチャンバ（２０５）に進入する冷却空気の少なくとも一部をまず受け取り、前記翼部分の前記外壁の内面を冷却するために前記冷却空気を複数のインサート開口を通じて方向付けるように構成されており、前記インサートはさらに、前記チャンバ（２０５）の外壁の輪郭に概して合致するが該外壁に対して間隔を置いた構成を有しており、前記冷却空気の一部は、前記外壁を貫いて形成された複数のフィルム冷却開口を通じて前記翼部分から出るおよび／または前記冷却流体の一部は前記後縁において翼から出るようになっている、翼部分（１００ａ）において、
少なくとも１つの主インサート（１０６ａ）は、該主インサート（１０６ａ）の端部において後縁キャビティの輪郭を形成する少なくとも１つの付加的なインサート（２５０）を含むおよび／または前記少なくとも１つの主インサートは、該主インサートの開始部において前縁の輪郭を形成する少なくとも１つの付加的なインサートを含むことを特徴とする、ターボ機械のロータブレードまたはガイドベーンの翼部分。
【請求項４】
前記付加的なインサート（１０６ａ）は、構造化された一体的なボディ（２５０）から成る、請求項３記載の翼部分。
【請求項５】
前記少なくとも１つの主インサート（１０６ｂ）は、少なくとも１つの付加的なインサート（３００）および／または前記チャンバ（２０５）の内側を通る複数インサート構成を有し、該複数インサート構成は、前記主インサート（１０６ｂ）に関してサブキャビティ（３２０，３２０ａ、３２０ｂ）を形成している、請求項３記載の翼部分。
【請求項６】
前記主インサートの内側を通る少なくとも２つの連続して配置されたサブキャビティは、同じ冷却媒体を再利用し、連続または準連続冷却（２６０，２６３，２６４）として作用する、請求項５記載の翼部分。
【請求項７】
前記翼部分内のキャビティは、少なくとも１つの主インサートまたは複数の主インサートおよび／または少なくとも１つのまたは組み合わされた付加的なインサートを含む、請求項１から６までのいずれか１項記載の翼部分。
【請求項８】
前記主インサートおよび／または前記付加的なインサートは、前記翼部分の半径方向またはほぼ半径方向および／または横方向またはほぼ横方向に延びている、請求項１から７までのいずれか１項記載の翼部分。
【請求項９】
前記主インサートおよび／または前記付加的なインサートは、分割されており（４０１，４０２）、前記翼部分の１つまたは複数の向きに沿って様々な形状または輪郭（５０１，５０２，５０３，５０４）を有する、請求項１から８までのいずれか１項記載の翼部分。
【請求項１０】
前記様々な形状は、規則的または不規則な三角形、四角形、五角形、テーパしたボディ（４０１，４０２；５０１，５０２，５０３，５０４）に対応する、請求項９記載の翼部分。
【請求項１１】
流れ方向で前記翼部分（１００，１００ａ）の内部を通って供給チャネルが延びており、該供給チャネルを冷却流体が通流する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の翼部分。
【請求項１２】
ピンフィンチャネル（１０９）が、供給チャネルから翼の中心線に沿って前記翼部分の前記後縁に向かって延びており、該後縁（１０３）において前記翼部分の外部へ開放している、請求項１から１１までのいずれか１項記載の翼部分。
【請求項１３】
一対の対向した内壁から突出した複数の間隙ピンフィン（１１０）が、ピンフィンチャネルの供給チャネル側における領域においてピンフィンチャネルを構成しており、前記翼部分の流れ方向に延びる、それらの間の間隙を形成している、請求項１から１２までのいずれか１項記載の翼部分。
【請求項１４】
ピンフィン（１１１）は、ピンフィンチャネル（１０９）の後縁側における領域において、対向する内壁の対と接続している、請求項１から１３までのいずれか１項記載の翼部分。
【請求項１５】
ピンフィンチャネル（１０９）の供給チャネル側における領域において冷却流体のチャネルの面積を減じるために間隙に少なくとも１つの隔壁部分が配置されている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の翼部分。
【請求項１６】
前記翼部分は、ターボ機械の軸線に関して半径方向またはほぼ半径方向に、突出したまたは回旋したまたは調整された空力的輪郭を特徴とする、請求項１から１５までのいずれか１項記載の翼部分。
【請求項１７】
翼の組立は、以下のステップを含む、すなわち、
少なくとも１つの付加的なインサート（２００）が、外側（２０１）から挿入され、中間位置（２０２）においてキャビティ（１０１）内へ移行（２０１ａ）させられ、次いで、後縁（１０３）または前縁（１０２）の方向へ移動させられ（２０２ａ）、最終的な所定の位置（２０３）に固定されるか、または付加的なインサート（２００）は、翼部分の下側から挿入されるかまたは付加的なインサートは翼部分のキャビティの１つのエレメントであり、引き続き、付加的なインサートは、後縁または前縁の方向へ移動させられ、最終的な所定の位置に固定される、請求項１または３記載の翼部分。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ機械、特にガスタービンまたは蒸気タービンのロータブレードまたはガイドベーンの分野に関する。本発明の最終的な目標は、ロータブレードまたはガイドベーンの翼において十分な冷却を提供し、冷却流の制御を改善し、インサートフィットを可能にすることである。
【背景技術】
【０００２】
したがって、本発明は、ガスタービンまたは蒸気タービンのロータブレードまたはガイドベーンの翼のアセンブリに関し、基本的に、それぞれの翼部分のキャビティ内での翼インサートの特定のまたはモジュール式の配置に関する。
【０００３】
基本的に、それぞれの翼部分のキャビティ内での翼インサートの特定のまたはモジュール式の配置は、交換可能および／または交換不可能なインサートから成る。使用される翼インサートの他に、ロータブレードまたはガイドベーンは、加えて、代替可能および代替不可能な、流れ適用されたおよび流れ適用されないエレメントを有する。
【０００４】
したがって、本発明は、冷却空気を受け取るためのキャビティを形成した外壁を有する中空の翼部分を備え、翼部分は、上流方向に存在する前縁と、下流方向に存在する後縁と、凸面状の負圧面と、凹面状の圧力面とを有する、タービンブレード、すなわちロータブレードまたはガイドベーンに関する。少なくとも１つのインサートがキャビティ内に配置されている。キャビティは、インサートのチャンバに進入する冷却空気の少なくとも一部をまず受け取り、翼部分の外壁の内面を冷却するように複数のインサート開口を通じて冷却空気を方向付けるように構成されている。インサートはさらに、チャンバの外壁の輪郭にほぼ合致するが、チャンバの外壁に対して離間させられた構成を有する。
【０００５】
発明の背景
米国特許第８１８２２０３号明細書は、翼と、冷却流体が通流する、スパン方向で翼の内部を通じて延びる供給チャネルと、供給チャネルから翼の中心線に沿って翼の後縁に向かって延びかつ後縁において翼の外部へ開放したピンフィンチャネルと、ピンフィンチャネルの供給チャネル側における領域においてピンフィンチャネルを構成した一対の対向する内壁から突出し、かつそれらの内壁の間にスパン方向に延びる間隙を形成した、複数の間隙ピンフィンと、ピンフィンチャネルの後縁側における領域において一対の対向する内壁を結合するピンフィンと、ピンフィンチャネルの供給チャネル側における領域において冷却流体のチャネルの面積を減じるように間隙に配置された挿入部分と、を備えるタービンブレードを開示している。
【０００６】
本開示のタービンブレードおよびガスタービンの場合、挿入部分は、間隙ピンフィンの間に形成された間隙に配置されている。したがって、冷却流体が通流する、ピンフィンチャネルの供給チャネル側におけるチャネルの横断面積は、挿入部分が配置されていない場合と比較して減じられており、これにより、供給チャネル側の領域における冷却流体の速度が増大する。これは、供給チャネル側の領域における冷却効率を高め、ピンフィンチャネルの冷却効率を向上させ、ひいては、タービンブレードの冷却性能を改善する。
【０００７】
欧州特許出願公開第２４９２４４２号明細書を参照すると、ガスタービンエンジンにおいて高温ガスを方向付けるためにベーンが設けられている。ベーンは、使用時にエンジンの作動ガス環状空間に延びる中空の翼部分を有する。ベーンは、さらに、インピンジメントチューブを有する。インピンジメントチューブは、翼部分の内面にわたってカバーを形成しており、インピンジメント冷却ジェットの発生のために形成されたジェット形成開口を有する。インピンジメントチューブは、カバーを形成するために翼部分内へ所定位置に別々に挿入可能な２つのチューブ部分を有する。インピンジメントチューブは、さらに、膨張部材を有する。膨張部材は、チューブ部分が翼部分における所定の位置にあるときに、各チューブ部分を外方へ押し付けるように翼部分に配置可能であり、これにより、チューブ部分を翼部分に対して所定位置に保持する。
【０００８】
米国特許第８２３１３２９号明細書を参照すると、冷却空気を受け取るためのチャンバを形成した外壁を有する概して中空の翼であって、上流方向に存在する前縁と、下流方向に存在する後縁と、凸面状の負圧面と、凹面状の圧力面とを有する翼と、チャンバに進入する冷却空気の少なくとも一部をまず受け取り、外壁の内面を冷却するために複数のインサート開口を通じて冷却空気を方向付けるように構成された、チャンバ内に配置されたインサートであって、インサートはさらに、チャンバの外壁の輪郭に概して合致するがチャンバの外壁に対して離間させられた構成を有する、インサートとを備え、チャンバおよびインサートは、後縁に向かって延びるに従って狭まり、ピン配列セクションにおいてインサートは最終的に終わりかつチャンバは最終的に終わり、インサートの下流の終端箇所の位置と、ピン配列セクションの上流の開始箇所の位置との間の概して軸方向の距離を有する第１の距離が存在しており、ピン配列セクションは下流端部において、複数の後縁冷却開口への入口を形成した複数の開口を有しており、チャンバと、インサートと、ピン配列セクションとは、第１の距離がほぼ最小限にされるように構成されている、タービンブレードが記載されている。
【０００９】
米国特許第７４５２１８２号明細書は、モジュール式ガイドベーンアセンブリに関する。ベーンアセンブリは、翼部分と、外側プラットフォームと、内側プラットフォームとを有する。翼部分は、少なくとも２つのセグメントから形成することができる。好適には、ベーンの組立および分解を可能にするように構成部材は結合されている。これにより、ベーンに損傷が生じた際に、修理において、ベーン全体ではなく、損傷した部品のみが交換される。モジュール式の設計により、異種の材料を含む、ベーンにおける様々な材料の使用が促進される。これにより、構成部材の寿命、冷却空気の使用、空力性能およびコストを最適化するように適切な材料を選択することができる。ベーンは、単独の一体的な構造ではなく、より小さな部品の集合体であるため、ベーンの個々の構成部材をより容易に製造することができ、より複雑な特徴を含むことができる。この文献によれば、翼の一方の端部を、内側および外側プラットフォームのうちの一方における凹所に受容することができる。アセンブリは、さらに、凹所と、翼の半径方向終端部および半径方向端部に近い翼の外周面のうちの少なくとも一方との間に設けられたシールを有することができる。その結果、高温ガスの進入または冷却空気の漏れをできるだけ減じることができる。この場合、翼セグメント、内側プラットフォームおよび／または外側プラットフォームのうちの１つまたは複数を、金属間化合物、酸化物分散強化（ＯＤＳ）合金、単結晶金属、最新型超合金、金属基複合材料、セラミックスまたはＣＭＣから形成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第８１８２２０３号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第２４９２４４２号明細書
【特許文献３】米国特許第８２３１３２９号明細書
【特許文献４】米国特許第７４５２１８２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、ロータブレードまたはガイドベーンの翼において十分な冷却を提供し、冷却流の制御を改善し、インサートフィットを可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の発明概念は、公知の従来技術に関して示されかつ説明されたように一体に形成された、翼部分と、シュラウドとも称される内側および外側のプラットフォームとから成る典型的なロータブレードまたはガイドベーン集合体の使用を残す。
【００１３】
特に、少なくとも２つの別個の部材、すなわち別個の翼部分および外側プラットフォームおよび別個の内側プラットフォームによって組み立てることができるロータブレードまたはガイドベーンを使用することによって、一方では、ロータブレードまたはガイドベーン全体を交換することなく、特定の別個の部材、モジュールまたはエレメントの交換能力または修理および／または再調整を提供するための前提条件が生ぜしめられる。
【００１４】
他方では、３つの別個の部材、すなわち外側プラットフォーム、翼部分および内側プラットフォームから成るロータブレードまたはガイドベーンを使用することもできる。別個のプロセスにおいて、ガイドベーンの様々な部材、モジュールまたはエレメントは修理および／または再調整され得る。
【００１５】
加えて、本発明は、基本的に翼部分と、内側プラットフォームと、外側プラットフォームとを備えるモジュール構造に基づくガスまたは蒸気タービンの改良されたロータブレードまたはガイドベーン組立に関し、翼部分および／またはプラットフォームは、一方の端部において、ロータブレードまたはベーンガイドエレメントの交換可能な結合のための手段を有し、ロータブレードまたはガイドベーンエレメントの結合は、半径方向またはほぼ半径方向の延在における翼部分に関しておよびガスまたは蒸気タービンの軸線に関して永久または半永久の固定を有し、付着性相互接続によって作動される摩擦ロック結合に基づきプラットフォームと結合された翼部分の組立、または固定ガイドベーンエレメントの金属および／またはセラミック表面の互いの使用に基づくプラットフォームとの結合における翼部分の組立、または解離可能または永久結合による力閉鎖手段に基づくプラットフォームとの結合における翼部分の組立、翼部分の少なくとも一部を収容する少なくとも１つの外側高温ガス通路ライナを有する少なくとも翼部分。
【００１６】
さらに、基本的に、本発明は、翼部分のキャビティ内において、様々に構成された翼インサートの様々な可能な結合を決定するために同じまたは同様のアセンブリを使用する。それぞれの翼インサートの端部において、後縁チャネル入口のサイズを減じるために、１つまたは複数の付加的な翼インサートを使用することができる。
【００１７】
これに関して、主たる翼インサートを配置する前に、１つまたは複数の付加的な翼インサートを後縁領域に挿入し、後縁領域において摺動させることができる。付加的な翼インサートは、選択的に鋳造することができる。翼の付加的なインサートの挿入は、インサートのサイズに関してカスケード原理によって行われる。すなわち、付加的なインサート（図１参照、符号２００）は、外部（図１参照、符号２０１）からキャビティ（図１参照、符号２０２）内へ挿入され、次いで、後縁（図１参照、符号１０３）の方向へ移動させられ（図１参照、符号２０２）、所定の位置に固定される。
【００１８】
後から少なくとも１つの主たる翼インサートが挿入されてもよい。逆の順序で行うこともできる。
【００１９】
したがって、少なくとも１つの主インサートは、少なくとも１つの付加的なインサートを含み、付加的なインサートは、外部から挿入され、中間位置においてキャビティ内へ移動させられ、次いで、後縁の方向へ移動させられ、所定位置に固定され、付加的なインサートは、主インサートの端部において後縁チャネル入口のサイズを形成する。
【００２０】
さらに、少なくとも１つの主インサートは、主インサートの端部において後縁チャネル入口のサイズを形成する少なくとも１つの付加的なインサートを含む。この付加的なインサートは、構造化された一体的なボディから成る。
【００２１】
ロータブレードまたはガイドベーンの横方向に様々なサイズのインサートを配置することができる。
【００２２】
翼インサートの間の様々な間隙を、ケースバイケースで翼キャビティ内に全ての方向で提供することができる。
【００２３】
翼インサートに関する接合組立は、機械的に保証することができるか、または接合組立は、収縮プロセスを使用することができる。
【００２４】
基本的に、解離可能なまたは永久的な結合は、ボルトまたはリベットによる力閉鎖を含むか、またはＨＴろう付け、活性ろう付け、またははんだ付けによる。加えて、個々のインサートは、１つの部材または複合構造から形成することができる。
【００２５】
さらに、インサートは、熱量および物理的応力に耐えることができ、前記手段は、全体的にまたは部分的に互いの間で交換可能である。
【００２６】
したがって、本発明の基本概念のうちの１つは、それぞれのロータブレードまたはガイドベーンが独特のボディまたはモジュール式構造から成るかどうかにかかわらず、ロータブレードまたはガイドベーンジオメトリによりよく適応するために、１つまたは複数のインサートを翼部分のキャビティ内で複数のインサートに分割することである。
【００２７】
これに関して、本発明は、翼において十分な冷却を提供し、流れ制御を改善し、インサートフィットを可能にする。
【００２８】
本開示における１つの提案された実施の形態のように複数の翼インサート構成を有することは、設計柔軟性および部品性能を改善する。
【００２９】
インサートの端部において後縁チャネル入口のサイズを減じるために、１つまたは複数の付加的なインサートを使用することができる。主インサートを配置する前に、１つまたは複数の付加的なインサートを後縁領域に挿入し、後縁領域において摺動させることができる。１つまたは複数の付加的なインサートを、選択的に鋳造することができる。
【００３０】
本発明の１つの実施の形態では、インサートは、インサートが差し込まれたそれぞれの翼部分と同じ材料、例えばＩＮ９３９合金およびＥＣＹ７６８合金から形成することができる。インサートは、翼部分の材料と比較してより高い耐熱性を有するまたは有さない材料から形成することができる。例えば、インサートは、受容する翼部分の材料よりも低い耐熱性を有する材料から形成することができる。インサートは、交換インサートがエンジンの寿命にわたって全体的なコストを著しく付加しないように、廉価な材料から形成することができる。
【００３１】
翼部分インサートの挿入または取出しのために、前記翼部分インサートを、半径方向外方に向けられた端部においてのみ取り扱うことができ、これは、タービン段におけるメンテナンス作業を行うための顕著な特徴である。
【００３２】
ここで使用される“半径方向”という用語は、ロータブレードまたはガイドベーンアセンブリがその作動位置に取り付けられているときのタービンに対する半径方向を意味するものである。
【００３３】
さらに、翼部分および挿入部分を内側または外側プラットフォームに取り付ける形式は、前記エレメントの半径方向端部をそれぞれのプラットフォームに設けられた凹所に収容することができることにある。前記凹所は、翼部分および翼インサートの外輪郭に対応するように、実質的に翼形であることができる。これにより、選択的に外側シェル配列を含む翼部分アセンブリを、内側プラットフォームと外側プラットフォームとの間に捕捉することができる。
【００３４】
本発明の最も重要なソリューションのうちの１つは、少なくとも１つの外側シェルと、必要であるならば、個々の作動要求または様々な作動方式に応じて、元々の翼部分のモジュール式態様のための翼インサートに関連した少なくとも１つの流れ適用された中間シェルとを提供することである。翼キャリヤの機能は、翼モジュールからの機械的荷重を支持することである。翼キャリヤを高温に関して保護し、熱変形を翼モジュールから分離するために、外側、および付加的に中間高温ガス通路シェルが導入される。
【００３５】
翼部分またはインサートに関する複数の重ねられたシェルが設けられていると、シェルは、互いの間に中間スペースを備えてまたは備えずに組み立てることができる。
【００３６】
前記シェルは、少なくとも２つのセグメントから形成することができる。好適には、シェルを形成する構成部材は、互いに結合され、シェルと、シェル構成部材と、ロータブレードまたはガイドベーンの翼部分および翼インサートとの組立および分解を可能にする。
【００３７】
翼部分および翼インサートが、高温燃焼ガスよりも高圧で冷却媒体により内部で冷却されると、高温ガス通路内への過剰な冷却媒体漏れが生じる恐れがある。このような懸念をできるだけ減じるために、シェル配列に関連して１つまたは複数の付加的なシールを設けることができる。シールは、ロープシール、Ｗ字形シール、Ｃ字形シール、Ｅ字形シール、フラットプレートおよびラビリンスシールのうちの少なくとも１つであることができる。シールは、例えば金属およびセラミックスを含む様々な材料から形成することができる。
【００３８】
本発明の主な利点は以下の通りである。
【００３９】
改良された冷却効率は、寿命目標を達成し、冷却剤消費を減じ、訓練の間の設計制約を減じる。
【００４０】
特に翼部分および翼インサートに関するモジュールの解離は、一体的設計と比較して部材寿命を改善する。
【００４１】
冷却およびまたは材料構成における様々な態様を有するモジュールは、様々な作動状況に最も良く適応するように選択することができる。
【００４２】
組み立てられた翼部分アセンブリは、構成部材寿命、冷却利用、空力性能を最適化し、かつ高温応力および熱的変形に対する抵抗の能力を増大するような形式で選択することができる単一の外側シェルまたは相互依存したシェル構成部材を含む。
【００４３】
翼部分のキャビティ内への様々なインサートの導入は、構成部材寿命、冷却利用、空力性能を最適化し、かつ高温応力および熱的変形に対する抵抗の能力を増大するような形式で選択することができる。
【００４４】
翼部分および翼インサート、内側および外側プラットフォーム、および付加的な一体化されたエレメントは、選択された熱的絶縁材料または熱的バリヤコーティングによって完成させることができる。
【００４５】
ロータブレードまたはガイドベーンの全ての上述のエレメントの冷却は、主に、対流冷却から成り、インピンジメント冷却および／またはフィルム冷却／しみ出し冷却の選択された重ね合わせまたは統合を伴う。
【００４６】
ロータブレードまたはガイドベーン、特に翼インサートの全てのエレメントの互いのまたは同等の形式との交換可能性は、主義として与えられる。
【００４７】
ロータブレードまたはガイドベーンの基本プラットフォームに関するまたは翼部分の内面または内側スパーに直接的に関連する翼部分のキャビティ内の翼インサートの固定は、付着により作動される摩擦ロックによって、または金属および／またはセラミック表面コーティングの使用によって、またはボルトまたはリベットを用いる力閉鎖によって、またはＨＴろう付け、活性ろう付けまたははんだ付けによって行うことができる。
【００４８】
プラットフォームは、一方では翼部分および流れ適用されたシェルエレメントに能動的に結合され、他方では翼インサートに能動的に結合された個々の部材から成っていてよい。
【００４９】
翼部分および翼インサートのモジュール設計は、様々な作動状況に従って異なる材料を含む様々な材料の使用を促進する。加えて、前記エレメントのモジュール設計は、交換可能および交換不可能もしくは代替可能および代替不可能なエレメントの導入を促進する。
【００５０】
要するに、半径方向で顕著なまたは旋回した空力プロフィルを有するロータブレードまたはガイドベーン翼は、鋳造、機械加工または鍛造され、付加的に、冷却または剛性改善のための内部局所グリッド構造を備える付加的な特徴を含む。さらに、前記翼部分は、コーティングされてよく、ガスタービンのベース負荷、ピークモード、部分負荷などの作動要求に対する調節のためのフレキシブルな冷却構成を有する。
【００５１】
要するに、翼部分は、少なくとも１つの外側の流れ適用されたシェルアセンブリの下側構造として規定される。シェルは、交換可能である、予備製造されているまたは可変に製造されており、一体型または複数の部分から成り、冷却されない、または対流および／またはフィルムおよび／またはしみ出しおよび／またはインピンジメント冷却構造を用いて冷却され、冷却または剛性改善のためのグリッド構造を有し、翼ボディに関して、収集縮ジョイントを使用して接合される。
【００５２】
接合、製造、再調整、分解プロセスに関する、すなわち翼インサートおよび外側シェルに関する概要：
外側シェルは、磁気パルス効果（ＭＰＷ／Ｃ  磁気パルス溶接／圧着）、爆発またはハイドロフォーミングを使用して翼部分のコア構造に収縮させられてよく、翼インサートに関する接合プロセスは、翼部分のキャビティに関する全ての方向での補助された熱収縮であることができる。収縮は、全ての作動条件下での干渉ばめを意味する。特に外側シェルに関する接合プロセスは、翼部分と外側シェルとの間の異なる熱膨張を有する材料の選択によって補助することができる；外側シェルのより低い熱膨張は、より高い温度における翼部分構造へのシェルの強制された嵌合を誘発する。収縮組立プロセスは、局所的な透明な、深溶け込み溶接（ＥＰ、レーザ、抵抗溶接）とも呼ばれるステップによって、またはろう付けまたはヒッピングまたは接着剤によって、剛性化することができる。ろう付けプロセスは、ろう−翼部分の中間層を有する収縮プロセスを利用することができる。翼インサートに関する接合組立は、機械的に確保することができる。
【００５３】
上記で説明した叙述は、本開示の他の態様とともに、本発明を特徴付ける様々な特徴と相まって、特に本開示によって指摘される。本開示、その作動の利点、及びその使用をより理解するために、本開示の典型的な実施の形態が例示されている添付の図面及び説明が参照されるべきである。
【００５４】
本開示の利点及び特徴は、同一の要素が同一の符号によって識別されている添付の図面に関連した以下の詳細な説明及び請求項に関してより理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】ロータブレードまたはロータベーンの概略的な構造を示す透視図である。
【図２】第２のロータブレードまたはガイドベーンの断面図である。
【図３】複数のキャビティを有する別のブレードまたはガイドベーンの断面図である。
【図４】三角形の複数のインサートを示す図である。
【図５】図５は、様々な形状および向きを有する複数のインサートを備える別のブレードまたはガイドベーンの縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
図１に示したように、ターボ機械のロータブレードまたはガイドベーンの翼部分１００は、断面で見てブレード状に形成されており、スパン方向、すなわちブレードの鉛直方向に延びている。
【００５７】
翼部分１００は、一体的なキャビティ１０１を有する。キャビティ１０１は、前縁１０２において中空に形成されており、翼部分１００の流れ方向に後縁１０３まで延びている。少なくとも前縁１０２の領域において、翼部分１００の外壁１０４は、前側キャビティ１０１と連通して複数のフィルム冷却穴１０５を有する。換言すれば、翼部分１００は、内部において、流れ方向または翼部分１００に延びた第１の一体的なキャビティ１０１を有する。内部キャビティ１０１には、少なくとも１つの隔壁（図示せず）を設けることができ、隔壁は、中空部分を前側キャビティと後側キャビティとに分割していてよい。
【００５８】
外部から取り入れられる冷却流体、例えば圧縮機から抽出される圧縮空気は、翼部分１０の構造を十分に冷却する。
【００５９】
キャビティ１０１、主中空（２０５）インサート１０６が、キャビティ１０１の内壁から所定のスペースを置いて配置されている。他方で、キャビティに隔壁が設けられている場合には、後側キャビティスペースにおいて、後側インサートも、後側キャビティの内壁から所定のスペースを置いて配置されている。
【００６０】
図１に示したように、フィルム冷却穴１０５は、前側キャビティ１０１と、翼部分１００の外部とを接続する貫通孔であり、負圧面１０７と圧力面１０８とにおいて、所定方向で間隔を置いてこのようなフィルム冷却穴が設けられている。
【００６１】
さらに、フィルム冷却穴１０５は、前側キャビティ１０１から外部まで、前縁１０２から後縁１０３へ傾いた傾斜穴として形成されている。
【００６２】
さらに、翼部分１００の後側キャビティには、ピンフィンチャネル１０９が設けられている。ピンフィンチャネル１０９は、翼１００の中心線（図示せず）に沿って後側キャビティ１０１から後縁１０３に向かって延びた空間であり、間隙ピンフィン１１０およびピンフィン１１１が設けられている領域である。
【００６３】
間隙ピンフィン１１０は、ピンフィンチャネル１０９の後方キャビティ側における領域から突出した複数の実質的に柱状の部材であり、この領域は、ピンフィンチャネル１０９を構成している一対の内壁である。前記内壁からの間隙ピンフィン１１０の突出量は、後方のまたは付加的なインサート２００の端部を挿入することができる、間隙ピンフィン１１０の間の間隙を形成するように設定されている。
【００６４】
ピンフィン１１１は、ピンフィンチャネル１０９の後縁１０３の側における領域を結合する複数の実質的に柱状の部材であり、この領域は、ピンフィンチャネル１０９を構成している一対の内壁である。ピンフィン１１１の形状および配列は、公知のものであってよく、特に制限されていない。
【００６５】
ピンフィンチャネル１０９は、インピンジ冷却のために使用された後の冷却流体が通流する、後縁１０３の領域における後方キャビティにおけるチャネルであり、翼部分１００の後縁１０３の近傍を冷却するためにピンフィン冷却に関連した構造を構成しており、後縁１０３において外部へ開放している。
【００６６】
図１に示したように、付加的なピンフィン１１２が、少なくとも翼部分の中間領域に沿って、翼部分１００の内壁と主インサート１０６の外壁との間のキャビティにおいて、負圧面１０７および圧力面１０８の両方に沿って、設けられている。ピンフィン１１２の形状および配列もまた、公知のものであってよく、特に制限されていない。
【００６７】
主インサート１０６の前側は、前方および後続のキャビティ１０１とともに、翼部分１００の前縁１０２およびその他の内壁を冷却するためのインピンジ冷却に関連した構造を構成している。主インサートの前側は、前方キャビティ１０１の横断面形状と同様の横断面形状を有する実質的に円筒状の部材から成る。さらに、主インサート１０６の前側は、複数の排出穴１１３を有しており、これらの排出穴１１３を通流する冷却流体は、前方キャビティ１０１の内壁に向かって噴出する。
【００６８】
翼部分１００に隔壁が設けられている場合、インサートの後方部分もまた、前方インサートのような、翼部分１００のそれぞれの側を冷却するための、インピンジ冷却に関連した構造を構成している。後方インサートもまた、キャビティの後方部分の横断面形状と同様の横断面形状を有する実質的に円筒状の部材から成る。
【００６９】
後縁チャネル入口１０９のサイズを減じるために、それぞれの翼の主インサート１０６の端部において、付加的な翼インサート２００を使用することができる。
【００７０】
１つの可能性は、主たる翼インサート１０６を配置する前に、付加的な翼インサート２００が後縁領域１０３に挿入され、後縁領域１０３において摺動することにある。付加的な翼インサート２００は、選択的に鋳造することができる。翼の付加的なインサート２００の挿入は、インサートのサイズに関してカスケード原理によって行われる。
【００７１】
すなわち、付加的な翼インサート２００は、中間位置２０２において外部２０１からキャビティ１０１内へ挿入され、移動させられ（２０１ａ）、次いで、後縁１０３の方向へ移動させられ（２０２ａ）、所定の位置２０３に固定される。
【００７２】
後から主たる翼部分インサート１０６が挿入されてもよい。しかしながら、逆の順序で行うこともできる。最後に言及した場合において、付加的なインサート２００には横方向の弾性２０４が提供されているので、付加的なインサート２００は、最終位置２０３に達するまで主インサート１０６の端部側狭窄部上に押し被せることができる。主インサート１０６と付加的なインサート２０２との結合は、付加的なインサート２００がいかなる横方向弾性２０４を有さない場合でも、対応して設計される。これにより、結合は、例えば、両インサートの領域に位置決めされた固定部材（図示せず）の導入によって、機械的に得ることができる。
【００７３】
さらに、付加的な翼インサート２００は、中間位置２０２において外部２０１からキャビティ１０１内へ挿入され、移動させられ（２０１ａ）、次いで、付加的なインサート２００を、択一的に前縁１０２の方向へ移動させ、最終的な所定の位置に固定することができる。加えて、付加的なインサート２００を、翼部分の下側から挿入することができるか、または翼部分のキャビティのエレメントであり、次いで、付加的なインサート２００を、後縁または前縁の方向へ移動させ、最終的な所定の位置に固定することができる。したがって、付加的なインサート２００は、主インサート１０６の端部において後縁キャビティのサイズを形成するか、または付加的なインサートは、翼部分の内壁と後続の主インサートとの間に前縁キャビティを形成する。
【００７４】
要するに、ターボ機械のロータブレードまたはガイドベーンの翼部分１００は、冷却空気を受け取るためのキャビティを形成する外壁を有しており、翼部分は、上流方向に存在する前縁と、下流方向に存在する後縁と、負圧面と、圧力面とを有する。インサートのチャンバに進入する冷却空気の少なくとも一部をまず受け取り、翼部分の外壁の内面を冷却するために複数のインサート開口を通じて冷却空気を方向付けるように構成されたキャビティ内に、少なくとも１つのインサートが配置されている。さらに、インサートは、チャンバの外壁の輪郭にほぼ合致するが、チャンバの外壁に対してスペースを置いた構成を有する。冷却空気の一部は、外壁を貫いて形成された複数のフィルム冷却開口を通って翼部分から出るおよび／または冷却流体の一部は後縁において翼から出る。少なくとも１つの主インサート１０６は、第１のオプションとして外部２０１から挿入され、中間位置２０２においてキャビティ１０１内へ移行させられた（２０１ａ）、少なくとも１つの付加的なインサート２００を含み、次いで付加的なインサートは、後縁１０３または前縁１０２の方向へ移動させられ（２０２ａ）、最終的な所定の位置２０３に固定される。第２のオプションは、付加的なインサート２００を翼部分の下側から挿入することができることにあるか、または翼部分のキャビティのエレメントから成る。したがって、付加的なインサートは、後縁または前縁の方向へ移動させられ、最終的な所定の位置に固定され、付加的なインサート２００は、主インサート１０６の端部において後縁キャビティの少なくとも１つのサイズを形成するか、または付加的なインサートは、翼部分の内壁と、後続して配置された主インサートとの間の少なくとも１つの前縁キャビティを形成する。
【００７５】
図２に示したように、翼部分１００ａは、主インサート１０６ａと、付加的なインサート２５０とを含む。付加的なインサートは鋳造されている。
【００７６】
図２は、従来の空冷式の翼部分１００ａを示している。図示したように、翼１００ａは、外壁１０４を有しており、前縁１０２と、圧力面１０８と、負圧面１０７と、後縁１０３とを有する。翼１００ａは、概して中空であり、主インサート１０６ａと、予め選択した位置において取り付けられた中空でないインサート２５０とに分割されている。冷却構造は、概して図１のものと同じである。タービン圧縮機からの高圧の冷却空気は、従来のシステムおよび方法によって主インサート１０６ａ内へ方向付けられ、複数の排出穴１１３を通じて排出され、インピンジメント冷却２６０のためにチャンバ２０５の内壁に衝突する空気のジェットを形成する。特に、キャビティ１０１における主インサート１０６ａの排出穴１１３は、主インサート１０６ａと対向する外壁１０４に衝突するように配置されている。チャンバ２０５へ送り込まれ、主インサート１０６ａを通過する冷却空気は、対流冷却２６１の後、翼部分１００ａの外壁１０４を貫通した、フィルム冷却２６２のための開口１０５の半径方向に間隔を置いた列を通じて排出される。
【００７７】
要するに、ターボ機械のロータブレードまたはガイドベーンの翼部分１００ａは、冷却空気を受け取るためのキャビティを形成する外壁を有しており、翼部分は、上流方向に存在する前縁と、下流方向に存在する後縁と、凸面状の負圧面と、凹面状の圧力面と、キャビティ内に配置された少なくとも１つのインサートとを有し、インサートは、インサートのチャンバに進入する冷却空気の少なくとも一部をまず受け取り、翼部分の外壁の内面を冷却するために冷却空気を複数のインサート開口を通じて方向付けるように構成されている。インサートはさらに、チャンバの外壁の輪郭にほぼ合致するが、チャンバの外壁に対して離間させられた構成を有する。加えて、冷却空気の一部は、外壁を貫いて形成された複数のフィルム冷却開口を通って翼部分から出るおよび／または冷却流体の一部は後縁において翼から出る。少なくとも１つの主インサート１０６ａは、主インサート１０６ａの端部における後縁キャビティのサイズを形成する少なくとも１つの付加的なインサート２５０を有するおよび／または少なくとも１つの主インサートは、主インサートの開始部における前縁キャビティのサイズを形成する少なくとも１つの付加的なインサートを有する。
【００７８】
図３に示したように、ターボ機械のロータブレードまたはガイドベーンの翼部分１００ｂは、冷却空気を受け取るためのキャビティ（図１および図２も参照）を形成する外壁１０４を有する。翼部分は、上流方向に存在する前縁１０２と、下流方向に存在する後縁１０３と、負圧面と、圧力面とを有する。その他の設計特徴は、図１および図２から見て取ることができる。
【００７９】
図１および図２に示した実施の形態に関して、主インサート１０６ｂは、下流側に予め配置された付加的なインサート３００（図２も参照）と、複数の内側に予め配置された付加的なインサート３２０，３２０ａ，３２０ｂとともに、様々なキャビティを形成しており、これらのキャビティにおいて、冷却媒体の流れは、これらのキャビティに沿って、個々のまたは後続のおよび／または複数の冷却２６３，２６４を保証する。
【００８０】
要するに、ターボ機械のロータブレードまたはガイドベーンの翼部分１００ｂは、冷却空気が提供されるキャビティ（図１および図２も参照）を形成する外壁１０４を有する。翼部分は、上流方向に存在する前縁１０２と、下流方向に存在する後縁１０３と、凸面状の負圧面と、凹面状の圧力面とを有する。その他の設計特徴は、図１および図２から見て取ることができる。インサートのチャンバに進入する冷却空気の少なくとも一部をまず受け取り、翼部分の外壁の内面を冷却するために複数のインサート開口を通じて冷却空気を方向付けるように構成されたキャビティ内に、少なくとも１つの主インサート１０６ｂが配置されている。主インサート１０６ｂは、さらに、概して主インサート１０６ｂの内側輪郭に合致する複数の付加的なインサート３２０，３２０ａ，３２０ｂの構成を有する。付加的なインサート３２０，３２０ａ，３２０ｂの内側は、主インサート１０６ｂの複数のサブキャビティを形成している。
【００８１】
主インサートおよび／または付加的なインサートは、翼部分の半径方向またはほぼ半径方向および／または横方向またはほぼ横方向に延びており、分割されており、翼部分の１つまたは複数の向きに沿って様々な形状または輪郭を有する（図４および図５、符号４０１，４０２；５０１〜５０４参照）。前記様々な形状は、規則的または不規則な三角形（図４参照）、四角形、五角形、テーパしたボディに対応する。
【００８２】
翼部分は、ターボ機械の軸線に関して半径方向またはほぼ半径方向で、突出したまたは回旋したまたは調整された空力的輪郭を有する（図５、符号５００参照）。
【００８３】
本発明は、現時点で最も実用的かつ好適な実施の形態であると考えられるものに関して説明されているが、本発明は、開示された実施の形態に限定されるのではなく、それとは反対に、添付の請求項の思想および範囲内に含まれる様々な変更および均等な配列を網羅することが意図されており、その範囲は、法律により許可された全てのこのような変更および均等な構造を包含するように最も広い解釈に従う。さらに、上記の説明における、好適な、好適には、好適のまたは有利にはという用語は、このように説明された特徴が、より望ましいことを示しているが、しかしながら、それは必要ではなく、その特徴を欠くあらゆる実施の形態が、発明の範囲内のものとして考えられ、その範囲は、以下の請求項によって規定される。請求項を読むに当たって、単数での記載や、“少なくとも１つ”および“少なくとも一部”などの文言が用いられている場合、請求項においてそれに反することが明示的に述べられていない限り、請求項を１つのアイテムのみに限定しようと意図するものではない。さらに、“少なくとも一部”および／または“一部”という用語が使用されている場合、その部材は、特に反対のことが述べられていない限り、当該部材の一部および／または全体を含む。
【符号の説明】
【００８４】
１００  翼部分
１００ａ  翼部分
１００ｂ  翼部分
１０１  キャビティ
１０２  前縁
１０３  後縁
１０４  外壁
１０５  フィルム冷却穴または開口
１０６  主中空インサート、１００に関する
１０６ａ  主中空インサート、１００ａに関する
１０６ｂ  主中空インサート、１００ｂに関する
１０７  負圧面
１０８  圧力面
１０９  ピンフィンチャネル
１１０  間隙ピンフィン
１１１  ピンフィン
１１２  付加的なピンフィン
１１３  空気排出穴
２００  付加的な翼インサート
２０１  外側位置
２０１ａ  移動される形式
２０２  中間位置
２０２ａ  モウイング形式
２０３  最終位置
２０４  横方向の弾性
２０５  チャンバ、翼の内部開口
２５０  付加的なインサート、１００ａに関する
２６０  インピンジメント冷却
２６１  対流冷却
２６２  フィルム冷却
２６３  冷却
２６４  冷却
３００  付加的なインサート、１００ｂに関する
３２０  キャビティ
３２０ａ  キャビティ
３２０ｂ  キャビティ
４０１  インサート
４０２  インサート
５００  テーラードブレードまたはベーン
５０１  インサート
５０２  インサート
５０３  インサート
５０４  インサート
【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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【外国語明細書】
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