(57)【要約】【課題】燃焼タービンエンジンのタービンにおいて用いられるロータブレードを提供すること。【解決手段】ロータブレードは、軸方向では対応する前縁と後縁の間、半径方向では翼根部と外側寄り先端の間に延在する凹状の正圧側壁および凸状の負圧側壁を備えるエーロフォイルを含むことができる。ロータブレードは、エーロフォイル上に配置される２重緩衝器シュラウドをさらに含むことができる。２重緩衝器シュラウドのそれぞれは、設置状態で少なくとも１つの隣接するロータブレード上の対応する緩衝器シュラウドに係合するように構成され得る。【選択図】図１
2015121220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼根部との連結部分から延在するエーロフォイルを備え、前記エーロフォイルは、軸方向では対応する前縁と後縁の間、半径方向では前記翼根部と外側寄り先端の間に延在する凹状の正圧側壁および凸状の負圧側壁を含む、燃焼タービンエンジンのタービンで用いるロータブレードであって、
前記エーロフォイル上に配置される２重緩衝器シュラウドをさらに備え、
前記２重緩衝器シュラウドはそれぞれ、設置状態で少なくとも１つの隣接するロータブレード上の対応する２重緩衝器シュラウドに係合するように構成される、ロータブレード。
【請求項２】
前記２重緩衝器シュラウドの両方は前記エーロフォイルの半径方向中央領域または半径方向中央領域の外側寄りの位置を備え、
前記２重緩衝器シュラウドのそれぞれは、前記緩衝器シュラウドのそれぞれの半径方向の高さにおいて前記エーロフォイルが有する軸方向の厚さの半分未満の軸方向の厚さを備える、請求項１記載のロータブレード。
【請求項３】
前記２重緩衝器シュラウドは、内側寄り緩衝器シュラウドおよび外側寄り緩衝器シュラウドを含み、前記内側寄り緩衝器シュラウドは前記外側寄り緩衝器シュラウドに対して内側寄りの位置を備え、
前記内側寄り緩衝器シュラウドは、前記エーロフォイルの前記正圧側壁と前記負圧側壁の少なくとも１つから円周方向に延在する突出部を備え、
前記外側寄り緩衝器シュラウドは、前記エーロフォイルの前記正圧側壁と前記負圧側壁の少なくとも１つから円周方向に延在する突出部を備え、
前記ロータブレードはタービンロータブレードを備える、請求項２記載のロータブレード。
【請求項４】
前記内側寄り緩衝器シュラウドは、前記エーロフォイルの前記正圧側壁と前記負圧側壁のそれぞれから円周方向に延在する突出部を備え、
前記外側寄り緩衝器シュラウドは、前記エーロフォイルの前記正圧側壁と前記負圧側壁のそれぞれから円周方向に延在する突出部を備える、請求項３記載のロータブレード。
【請求項５】
前記内側寄り緩衝器シュラウドと前記外側寄り緩衝器シュラウドのそれぞれは、前記エーロフォイルの前記正圧側壁から延在する前記円周方向の突出部のそれぞれの遠位端に正圧側接触面を備え、
前記内側寄り緩衝器シュラウドと前記外側寄り緩衝器シュラウドのそれぞれは、前記エーロフォイルの前記負圧側壁から延在する前記円周方向の突出部のそれぞれの遠位端に負圧側接触面を備える、請求項４記載のロータブレード。
【請求項６】
前記内側寄り緩衝器シュラウドおよび前記外側寄り緩衝器シュラウドは、前記ロータブレードが前記ロータブレードと同一の設計を備える隣接するロータブレード間に設置位置を備えるときに、前記正圧側接触面が前記負圧側接触面に対応してその間に境界面を形成するように構成される、請求項５記載のロータブレード。
【請求項７】
前記内側寄り緩衝器シュラウドおよび前記外側寄り緩衝器シュラウドは、
第１の隣接するロータブレードが前記ロータブレードと同一の設計を備え、
前記第１の隣接するロータブレードおよび前記ロータブレードが互いに対して所定の設置位置を備える場合に、前記正圧側接触面が前記第１の隣接するロータブレードの負圧側接触面に係合するように構成され、
前記内側寄り緩衝器シュラウドおよび前記外側寄り緩衝器シュラウドは、
第２の隣接するロータブレードが前記ロータブレードと前記同一の設計を備え、
前記第２の隣接するロータブレードおよび前記ロータブレードが互いに対して所定の設置位置を備える場合に、前記負圧側接触面が前記第２の隣接するロータブレードの正圧側接触面に係合するように構成される、請求項５記載のロータブレード。
【請求項８】
前記外側寄り緩衝器シュラウドは前記エーロフォイルの前記外側寄り先端付近の位置を備え、前記内側寄り緩衝器シュラウドは前記エーロフォイルの前記半径方向中央領域付近の位置を備える、請求項４記載のロータブレード。
【請求項９】
前記外側寄り緩衝器シュラウドは前記エーロフォイルの前記外側寄り先端のすぐ内側に配置されるシュラウドを備え、前記内側寄り緩衝器シュラウドは前記エーロフォイルの半径方向中央点付近に配置されるシュラウドを備える、請求項４記載のロータブレード。
【請求項１０】
前記内側寄り緩衝器シュラウドは前記エーロフォイル上で画定される半径方向の高さの第１の範囲内に配置されるシュラウドを備え、前記第１の範囲は、前記エーロフォイルの半径方向の高さの２５％にある内側寄りの境界と、前記エーロフォイルの前記半径方向の高さの７５％にある外側寄りの境界とを含み、
前記外側寄り緩衝器シュラウドは、前記エーロフォイル上で画定される半径方向の高さの第２の範囲内に配置されるシュラウドを備え、前記第２の範囲は、前記エーロフォイルの前記半径方向の高さの６０％にある内側寄りの境界を含む、請求項４記載のロータブレード。
【請求項１１】
前記第１の範囲の前記内側寄りの境界は前記エーロフォイルの半径方向の高さの４０％を備え、前記第１の範囲の前記外側寄りの境界は前記エーロフォイルの前記半径方向の高さの６０％を備え、
前記第２の範囲の前記内側寄りの境界は前記エーロフォイルの前記半径方向の高さの７５％を備え、前記第２の範囲の外側寄りの境界は前記エーロフォイルの前記半径方向の高さの９５％を備える、請求項１０記載のロータブレード。
【請求項１２】
前記第１の範囲の前記内側寄りの境界は前記エーロフォイルの半径方向の高さの４０％を備え、前記第１の範囲の前記外側寄りの境界は前記エーロフォイルの前記半径方向の高さの６０％を備え、
前記第２の範囲の前記内側寄りの境界は前記エーロフォイルの前記半径方向の高さの９０％を備える、請求項１０記載のロータブレード。
【請求項１３】
前記エーロフォイルの前記外側寄り先端はウィングレットを備える、請求項１２記載のロータブレード。
【請求項１４】
前記外側寄り緩衝器シュラウドは前記ウィングレットから半径方向に離間して配置される、請求項１３記載のロータブレード。
【請求項１５】
前記ウィングレットは、前記エーロフォイルの半径方向の狭い部分内に配置される外側寄りフレアを備え、前記半径方向の狭い部分は前記エーロフォイルの前記外側寄り先端と接触する側を備える、請求項１４記載のロータブレード。
【請求項１６】
前記外側寄りシュラウドは前記ウィングレットから延在する、請求項１５記載のロータブレード。
【請求項１７】
前記ウィングレットは内側寄り縁部および外側寄り縁部を含み、前記外側寄りフレアは、前記ウィングレットの前記内側寄り縁部の断面積がより小さく、前記ウィングレットの前記外側寄り縁部の断面積がより大きい前記ウィングレットを含み、
前記ウィングレットの前記外側寄り縁部は前記エーロフォイルの前記外側寄り先端を備え、前記ウィングレットの前記内側寄り縁部は前記エーロフォイル周囲の前記ウィングレットの前記外側寄り縁部から一定距離を置いて配置される、請求項１５記載のロータブレード。
【請求項１８】
前記ウィングレットの前記外側寄り縁部は、前記エーロフォイルの周囲で画定される鋭い縁部を備え、前記ウィングレットの前記外側寄りフレアは凹状の表面形状を備える、請求項１７記載のロータブレード。
【請求項１９】
円周方向に離間して配置されるロータブレードの列を備えるタービンを有するガスタービンエンジンであって、前記ロータブレードのそれぞれは、ロータディスクに連結する翼根部から延在するエーロフォイルを含み、前記エーロフォイルは、軸方向では前縁と後縁の間、半径方向では前記翼根部の外側寄りの境界を形成するプラットホームと前記エーロフォイルの外側寄り先端の間に延在する正圧側壁および負圧側壁を含み、前記ロータブレードのそれぞれの前記エーロフォイルは、
２重緩衝器シュラウド、すなわち内側寄り緩衝器シュラウドおよび外側寄り緩衝器シュラウドをさらに備え、
前記緩衝器シュラウドのそれぞれは、前記プラットホームと前記エーロフォイルの前記外側寄り先端の間の位置と、前記ロータブレードのそれぞれを両側に配置された隣接するロータブレードに連結する構成とを備え、
前記外側寄り緩衝器シュラウドは前記エーロフォイルの前記外側寄り先端付近に配置されるシュラウドを備え、前記内側寄り緩衝器シュラウドは前記エーロフォイルの半径方向中央領域付近に配置されるシュラウドを備える、ガスタービンエンジン。
【請求項２０】
前記内側寄り緩衝器シュラウドは、前記エーロフォイルの前記正圧側壁と前記負圧側壁のそれぞれから円周方向に延在する突出部を備え、
前記外側寄り緩衝器シュラウドは、前記エーロフォイルの前記正圧側壁と前記負圧側壁のそれぞれから円周方向に延在する突出部を備え、
前記内側寄り緩衝器シュラウドと前記外側寄り緩衝器シュラウドのそれぞれは、前記エーロフォイルの前記正圧側壁から延在する前記円周方向の突出部のそれぞれの遠位端に正圧側接触面を備え、前記内側寄り緩衝器シュラウドと前記外側寄り緩衝器シュラウドのそれぞれは、前記エーロフォイルの前記負圧側壁から延在する前記円周方向の突出部のそれぞれの遠位端に負圧側接触面を備える、請求項１９記載のガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は一般に、タービンロータブレードの設計および製造に関する装置、方法および／またはシステムに関する。より具体的には、本出願は複数の緩衝器（ｓｎｕｂｂｅｒ）シュラウドを備えるタービンロータブレードに関する装置および組立体に関するが、これらに限定するものではない。
【背景技術】
【０００２】
燃焼タービンエンジンでは、圧縮機内で加圧された空気が、燃焼器で燃料を燃焼させて高温燃焼ガスの流れを生成3するために用いられ、それからこのガスは１つまたは複数のタービンを通過して下流に流れ、その結果そこからエネルギーを抽出できることがよく知られている。このようなタービンによれば、円周方向に離間して配置されるロータブレードの列は、支持ロータディスクから半径方向外側に延在するのが一般的である。典型的には、各ロータブレードは、ロータディスクの対応するダブテールスロットのブレードの組立ておよび取外しを可能にするダブテールと、このダブテールから半径方向外側に延在し、エンジンを通過する作動流体の流れと相互に作用するエーロフォイルとを含む。このエーロフォイルは、軸方向では対応する前縁と後縁の間、半径方向では翼根部と先端の間に延在する凹状の正圧側および凸状の負圧側を備える。ブレードの先端は、タービンブレード間を下流に流れる燃焼ガスがブレードの先端と固定面の間で漏出するのを最小限に抑えるために、半径方向外側の固定面に密接な間隔で配置されることが理解されよう。
【０００３】
エーロフォイルの先端のシュラウドすなわち「先端シュラウド」は、多くの場合後部の段またはロータブレードに実装されて、先端での接触点を提供し、ロータブレードの振動数を管理し、制動源を可能にし（すなわち、隣接するロータブレードの先端を連結することによって）、作動流体が先端を越えて漏出することを抑制する。後部の段のロータブレードの長さを考えると、先端シュラウドの制動機能は耐久性に大きな利点をもたらす。しかしながら、高温および極度の機械的負荷にさらされて何千時間もの作動に耐えることを含めて、先端シュラウドが組立体に加える重量およびその他の設計基準を考慮すると、利点を最大限に活かすことは困難である。したがって、ガス経路と、隣接するロータブレード間でそれらが形成し得る強い連結とを封じるという効果的な方法を理由に大きな先端シュラウドが望ましいが、ロータディスクにかかる引きの荷重、詳細にはブレードの全荷重を支えなければならないエーロフォイルの基部における引きの荷重が増大するために、より大きな先端シュラウドは厄介であることが当業者には理解されよう。
【０００４】
もう１つ考慮すべきことは、ガスタービンエンジンの出力および効率はエンジンのサイズに従って増大すること、より具体的には、そこを通過できる空気量が増加することである。しかしながら、エンジンのサイズはタービンブレードの作動可能な長さによって制限され、より長いタービンロータブレードはエンジンを通る流路を拡張できる。しかし、より長いロータブレードは機械的負荷の増加を招き、このことは、ブレードおよびブレードを保持するロータディスクにさらに負担をかける。また、より長いロータブレードは作動中のブレードの固有振動数を減少させ、これによってロータブレードの振動応答は増加する。このさらなる振動負荷により、ロータブレードの設計に対する要求がさらに大きくなり、これは構成要素の耐用期間をさらに縮める可能性があり、また、タービンエンジンの他の機能に悪影響を及ぼす振動負荷をもたらす場合もある。より長いロータブレードの振動負荷に対処する１つの方法は、隣接するロータブレードを互いに連結するシュラウドを利用することである。しかし、上述の通り、シュラウドの重量が加わることは多くの利点を無効にする可能性がある。
【０００５】
この問題に対処する１つの方法は、ロータブレードのエーロフォイルの下部にシュラウドを配置することである。すなわち、ロータブレードの先端にシュラウドを付加するのではなく、エーロフォイルの半径方向中央部分の付近にシュラウドを配置するのである。本明細書において用いられるように、このようなシュラウドは「緩衝器シュラウド」と呼ばれる。この半径の下部（すなわち、より内側寄り）で、シュラウドの重量はロータブレードに対するストレスの程度を低下させる。しかしながら、この種類のシュラウドは、ロータブレードのエーロフォイルの一部分（すなわち、緩衝器シュラウドの外側寄りに延在するエーロフォイルの部分）を抑制されないままにする。エーロフォイルのこのカンチレバーの部分は周波数振動の低下および振動負荷の増加をもたらすのが一般的であり、これはエンジンに悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、このような負荷を低減または制限する新規なロータブレードの設計は、これらの製品の市場において価値があろう。
【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、燃焼タービンエンジンのタービンにおいて用いられるロータブレードについて述べる。このロータブレードは、翼根部との連結部分から延在するエーロフォイルを含むことができる。このエーロフォイルは、軸方向では対応する前縁と後縁の間、半径方向では翼根部と外側寄り先端の間に延在する凹状の正圧側壁および凸状の負圧側壁を含むことができる。ロータブレードは、エーロフォイル上に配置される２重緩衝器シュラウドをさらに含むことができる。この２重緩衝器シュラウドはそれぞれ、設置状態で少なくとも１つの隣接するロータブレード上の対応する緩衝器シュラウドに係合するように構成され得る。
【０００７】
本出願は、円周方向に離間して配置されるロータブレードの列を含むタービンを備えるガスタービンエンジンについてさらに述べる。ロータブレードはそれぞれ、ロータディスクに連結する翼根部から延在するエーロフォイルを含むことができる。このエーロフォイルは、軸方向では前縁と後縁の間、半径方向では翼根部の外側寄りの境界を形成するプラットホームとエーロフォイルの外側寄り先端の間に延在する正圧側壁および負圧側壁を含むことができる。各ロータブレードのエーロフォイルは、２重緩衝器シュラウド、すなわち内側寄り緩衝器シュラウドと外側寄り緩衝器シュラウドとをさらに含むことができる。これらの緩衝器シュラウドはそれぞれ、プラットホームとエーロフォイルの外側寄り先端の間の位置と、各ロータブレードを両側に配置された隣接するロータブレードに連結する構成とを有することができる。外側寄り緩衝器シュラウドはエーロフォイルの外側寄り先端付近に配置することができ、内側寄り緩衝器シュラウドはエーロフォイルの半径方向中央領域付近に配置することができる。
【０００８】
本出願のこれらの特徴および他の特徴は、図面および添付の特許請求の範囲と併せて、好ましい実施形態についての以下の詳細な説明を考察することによって明らかになるであろう。
【０００９】
本発明のこれらの特徴および他の特徴は、添付の図面と併せて、本発明の例示の実施形態についての以下のより詳細な説明を注意深く検討することによって、より完全に理解および認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本出願の実施形態を用いることができる例示の燃焼タービンエンジンの概略図である。
【図２】図１に示す燃焼タービンエンジンの圧縮機の断面図である。
【図３】図１に示す燃焼タービンエンジンのタービンの断面図である。
【図４】従来の設計による先端シュラウドを備える例示のタービンロータブレードの斜視図である。
【図５】従来の翼長中間の緩衝器を備える例示のタービンロータブレードの斜視図である。
【図６】従来の翼長中間の緩衝器を介して連結された、設置されたタービンロータブレードの斜視図である。
【図７】従来の翼長中間の緩衝器を介して連結された、設置されたタービンロータブレードの上面図である。
【図８】ロータブレードが従来の先端シュラウドを含む、例示のタービンロータブレードと固定シュラウドの組立体の側面図である。
【図９】本発明の例示の実施形態による、ロータブレードが２つの緩衝器を含む例示のタービンロータブレードと固定シュラウドの組立体の側面図である。
【図１０】図９に示すエーロフォイルの外側寄りの部分の斜視図である。
【図１１】本発明の例示の実施形態による、外側寄り緩衝器と先端ウィングレットとを備えるエーロフォイルの外側寄りの部分の側面図である。
【図１２】本発明の代替の実施形態による、外側寄り緩衝器と先端ウィングレットとを備えるエーロフォイルの外側寄りの部分の側面図である。
【図１３】図１２に示すタービンロータブレードのエーロフォイル先端の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の以下の実施例は特定の種類のタービンエンジンに関して述べることができるが、具体的に限定されない限り、本発明はそのような用途に限定されるものではなく、他の種類のタービンエンジンに適用できることが当業者には理解されよう。さらに、本発明について述べるにあたり、ガスタービンエンジン内の特定の機械構成要素に言及するために特定の用語が用いられ得ることが理解されよう。できる限り、通常の産業用語を用い、一般的な意味と一致する方法でその用語を用いる。しかしながら、特定の機械構成要素が異なる用語を用いて言及される場合も多いことが当業者には理解されるであろうから、これらの用語は狭義に解釈されるべきではない。加えて、本明細書において単一の構成要素として述べられることが別の状況において複数の構成要素からなるものとして言及される場合があり、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述べられることが他の場合に単一の構成要素として言及される場合がある。そのため、本発明の範囲を理解するにあたり、特定の用語のみに留意すべきではなく、付随する説明、文脈、さらには特に添付の特許請求の範囲において提供されるような構造、構成、機能および／または構成要素の用法にも留意すべきである。
【００１２】
いくつかの記述用語は本明細書において規則的に用いられ、本節の始めにこれらの用語を定義するのが有用であろう。したがって、これらの用語およびその定義は、特に明記しない限り以下の通りである。本明細書において用いられるように、「下流」および「上流」は、たとえば、ガスタービンの圧縮機、燃焼器およびタービンの部分を通過する作動流体のような流体の流れ、またはエンジンの構成要素システムの１つを通過する冷却液の流れに関して方向を示す用語である。「下流」との用語は流体の流れの方向に対応し、一方「上流」との用語は反対すなわち流体の流れの方向に逆らう方向を指す。「前部」および「後部」との用語は、さらに特定的でなければ、ガスタービンの向きに関する方向を指し、「前部」はエンジンの前方すなわち圧縮機側を指し、「後部」はエンジンの後部すなわちタービン側を指す。さらに、ガスタービンエンジンの中心軸の周囲の構成およびいくつかの構成要素システムにおける同じ種類の構成を考えると、軸に対する位置を説明する用語が用いられるであろう。この点について、「半径方向」との用語は軸に対して垂直の動きまたは位置を指すことが理解されよう。このことに関して、中心軸からの相対距離について述べる必要があろう。この場合、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の近くにあれば、本明細書において、第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向内側」または「内側寄り」にあると述べることができる。これに対して、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸から離れていれば、本明細書において、第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向外側」または「外側寄り」にあると述べることができる。加えて、「軸方向」との用語は軸に対して平行な動きまたは位置を指すことが理解されよう。最後に、「円周方向」との用語は、軸の周囲の動きまたは位置を指す。
【００１３】
背景としてここで図を参照するが、図１から図３は、本出願の実施形態を用いることができる例示の燃焼タービンエンジンを示す。本発明はこの種類の用法に限定されるものではないことが、当業者には理解されよう。上述したように、本発明は、発電および航空機で用いられるエンジン、蒸気タービンエンジン、および他の種類のロータリーエンジンなどの燃焼タービンエンジンにおいて用いることができる。図１は、燃焼タービンエンジン１０の概略図である。一般に、燃焼タービンエンジンは、圧縮空気流中で燃料を燃焼させることで生成される高温ガスの加圧流からエネルギーを抽出することによって作動する。図１に示すように、燃焼タービンエンジン１０は、共通のシャフトまたはロータによって下流のタービン部すなわちタービン１３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１３の間に位置する燃焼器１２を備えて構成することができる。
【００１４】
図２は、図１に示す燃焼タービンエンジンで用いることができる、例示の多段軸流圧縮機１１を示す。図示の通り、圧縮機１１は複数の段を含むことができる。各段は、圧縮機ロータブレード１４の列、続いて圧縮機ステータブレード１５の列を含むことができる。したがって、第１の段は、中心シャフトの周りを回転する圧縮機ロータブレード１４の列、続いて作動中静止している圧縮機ステータブレード１５の列を含むことができる。圧縮機ステータブレード１５は互いに円周方向に離間して配置され、回転軸の周囲に固定されるのが一般的である。圧縮機ロータブレード１４は円周方向に離間して配置され、シャフトに取り付けられ、作動中シャフトが回転すると、圧縮機ロータブレード１４はシャフトの周りを回転する。当業者には理解されるように、圧縮機ロータブレード１４は、シャフトの周りを回転するときに、圧縮機１１を通過する空気または流体に運動エネルギーを与えるように構成される。圧縮機１１は、図２に示された段以上に他の段を備えていてもよい。付加的な段は、円周方向に離間して配置される複数の圧縮機ロータブレード１４、続いて円周方向に離間して配置される複数の圧縮機ステータブレード１５を含むことができる。
【００１５】
図３は、図１に示す燃焼タービンエンジンにおいて用いることができる、例示のタービン部すなわちタービン１３の部分図である。このタービン１３もまた、複数の段を含むことができる。例示の３つの段が図示されるが、これより多い段または少ない段がタービン１３に存在してよい。第１の段は、作動中シャフトの周りを回転する複数のタービンバケットすなわちタービンロータブレード１６と、作動中静止している複数のノズルすなわちタービンステータブレード１７とを含む。タービンステータブレード１７は、互いに円周方向に離間して配置され、回転軸の周囲に固定されるのが一般的である。タービンロータブレード１６は、シャフト（図示せず）の周囲を回転するようタービンホイールまたはディスク（図示せず）上に取り付けることができる。タービン１３の第２の段も図示されている。この第２の段も同様に、円周方向に離間して配置される複数のタービンステータブレード１７、続いて円周方向に離間して配置される複数のタービンロータブレード１６を含み、このタービンロータブレード１６もまた、回転するようタービンホイールに取り付けられる。第３の段も図示され、同様に、複数の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を含む。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はタービン１３の高温ガス経路にあることが理解されよう。高温ガス経路を通過する高温ガスの流れる方向は矢印で示される。当業者には理解されるように、タービン１３は、図３に示された段以上に他の段を備えていてもよい。付加的な各段は、タービンステータブレード１７の列、続いてタービンロータブレード１６の列を含むことができる。
【００１６】
使用中、軸流圧縮機１１内の圧縮機ロータブレード１４の回転は、空気の流れを圧縮することができる。燃焼器１２において、圧縮空気が燃料と混合され点火されるときに、エネルギーを放出することができる。燃焼器１２から結果として生じる高温ガスの流れは、作動流体と呼ぶことができ、次にタービンロータブレード１６を越えて方向づけられ、作動流体の流れはシャフトの周りのタービンロータブレード１６の回転を生じさせる。その結果、作動流体の流れのエネルギーは、回転翼の、また、ロータブレードとシャフト間の連結によって回転シャフトの、機械的エネルギーに変換される。そして、シャフトの機械的エネルギーを用いて圧縮機ロータブレード１４の回転を駆動することができ、その結果必要な供給量の圧縮空気を生成し、さらに、たとえば発電機を駆動して電気を生成することができる。
【００１７】
図４は、従来の設計による先端シュラウド３７を備える例示のタービンロータブレード１６の斜視図である。タービンロータブレード１６は、一般に翼根部２１を含み、この翼根部２１は、ロータブレード１６がロータディスク４３に結合する手段を含むことができ（図６に示す通り）、この手段は、たとえばロータディスク４３の外辺部で対応するダブテールスロットに取り付けられるように構成された軸方向のダブテールなどである。翼根部２１は、ダブテールとプラットホーム２４の間に延在するシャンクを含むことができ、プラットホーム２４はエーロフォイル２５と翼根部２１の接合部に配置される。プラットホーム２４は、タービンエンジン１０を通る流路の内側寄りの境界の部分を画定する。エーロフォイル２５はロータブレード１６の動的構成要素であり、作動流体の流れを遮り、ロータディスク４３が回転するようにする。図示の通り、ロータブレード１６の外側寄りの先端に、先端シュラウド３７を配置することができる。この先端シュラウド３７は、本質的に軸方向および円周方向に延在する平面の構成要素であり、エーロフォイル２５の頂点に位置し、エーロフォイル２５に支持される。図示の通り、先端シュラウド３７の頂点に沿って１つまたは複数のシールレール３８を配置することができる。シールレール３８は、先端シュラウド３７の外側寄りの表面から半径方向外側に突出し、通常の回転方向において先端シュラウド３７の向かい合った端部間で円周方向に延在するのが一般的である。シールレール３８は、先端シュラウド３７とタービン１３の周囲の固定構成要素の内表面の間の間隙を通過する作動流体の流れを妨げるように形成される。以下で詳細に述べるように、先端シュラウド３７は、隣接するロータブレードのシュラウドが互いに接触または係合するように接触面５５を備えて形成されてもよく、これは典型的に組立体の振動を抑え、ロータブレード１６の耐用期間を延ばす（本出願の好ましい実施形態はタービンロータブレード１６を対象とするが、本発明の態様は圧縮機ロータブレード１４に適用可能であり、また特に明記しない限り、本発明は各種のロータブレード１４、１６に当てはまると解されるべきであると理解されることに留意されたい）。
【００１８】
図５は、例示のタービンロータブレード１６の斜視図であり、以下で詳細に述べるように、このタービンロータブレード１６は、本発明による内部構造構成を有するロータブレード１６と共に用いることができるものと一致する緩衝器シュラウド５１を備える。当技術分野で知られている通り、図示されているような緩衝器または緩衝器シュラウド５１は、隣接するロータブレード１６を連結するために用いることができる。隣接するロータブレード１６の連結は、正圧側接触面５５と負圧側接触面５６とが互いに接触するシュラウド間境界面５４（図７に示されている）の間に生じ得る。このようなロータブレード１６の連結は、組立体の固有振動数を増加させ、操作振動を抑制する傾向があり、このことは、ロータブレード１６が作動中に受ける機械的ストレスがより小さいこと、および、ロータブレード１６がよりゆっくりと劣化することを意味する。しかしながら、シュラウド５１は組立体に重量を加え、このことは、特にシュラウドがロータブレード１６の外側寄り先端４１に位置するとき、いくつかの利点を無効にする傾向がある。上述の通り、シュラウドの重量が加わる影響を弱める１つの方法は、図５に示すようにエーロフォイル２５の下部にシュラウドを配置することである。この下部の（すなわちより内側寄りの）半径では、シュラウド５１の重量はロータブレードに加えるストレスを低減する。しかしながら、緩衝器シュラウドは、エーロフォイル２５の一部分すなわち緩衝器シュラウド５１の外側寄りに延在するエーロフォイル２５の部分を抑制されないままにし、エーロフォイル２５のこのカンチレバーの部分は、作動中、固有振動数の低下と振動応答の増加とをもたらし、このことは、上述したようにロータブレードおよびエンジンを損傷する可能性がある。
【００１９】
図６は、設置状態で配置され得る通りの緩衝器シュラウド５１を備えるロータブレード１６の斜視図である。図７は、同じ、設置された組立体の上面図である。図示の通り、緩衝器シュラウド５１は、隣接するロータブレード１６のシュラウド５１に連結または係合するように構成される。図示の通り、この連結または係合は、正圧側接触面５５と負圧側接触面５６の間のシュラウド間境界面５４で生じ得る。
【００２０】
図８は、従来の設計による先端シュラウド３７を備える例示のタービンロータブレード１６の側面図である。エーロフォイルの外側寄りの部分に先端シュラウドが加える重量は、作動中に回転翼上で作用する機械的力を大いに増大させることが理解されよう。この追加的なストレスに耐えるために、従来のロータブレードは、エーロフォイル基部の幅（すなわち、参照番号６１で示される距離）を広くすることによって強化されたエーロフォイル構造を備えて設計される。しかし、時間の経過と共に先端シュラウドの重量に起因する引きは増大し、その結果エーロフォイルの変形を生じ、その長さ（すなわち、参照番号６３で示される距離）に沿って全体的な伸びを伴う。ロータブレードの耐用期間に亘り増大するこの伸びは、ロータブレードの外側寄りの先端とその周囲にある固定構造の間のクリアランス（すなわち、参照番号６４で示される間隙）を設計する際に考慮されなければならない。このことはより広い間隙クリアランスを必然的に生じさせ、より広いクリアランスは漏出の程度を高める結果になるので、エンジンの効率に悪影響を及ぼすことが理解されよう。
【００２１】
図９から図１３は、本発明のいくつかの態様を示す。図９に示すように、本発明は、２重緩衝器シュラウドすなわち外側寄り緩衝器シュラウド５２と内側寄り緩衝器シュラウド５３とを備えるエーロフォイル２５について述べる。この配置には、一部の重量を回転軸のより近くに移動させると先端の重量が全体的に減少し、これによってエーロフォイルへの機械的ストレスが低減されるということを含む、いくつかの利点がある。図９に示すように、このストレスの低減によってエーロフォイルの幅を狭くすることが可能になる。さらに、ストレスの低減は、作動中にエーロフォイルが受ける伸びがより少ないので、ロータブレードと固定構造の間の最初の間隙クリアランスをより狭くすることができる。ロータブレードへの機械的な引きが低減されると、ブレードの耐用期間を延ばすこと、およびロータのダブテールの幅を狭くすることも可能であり、このことは、ロータブレード全体のサイズをより小さくすることによるコストの削減を可能にする。加えて、本発明は、従来のスカラップ型の先端シュラウドに比べてより狭いクリアランスと空力的性能とをもたらし、これは後述するように、ウィングレット７０の付加を伴ってさらに改善される可能性がある。
【００２２】
上述の通り、本発明による２重緩衝器シュラウドは、内側寄り緩衝器シュラウド５３および外側寄り緩衝器シュラウド５２を含むことができ、内側寄り緩衝器シュラウド５３は外側寄り緩衝器シュラウド５２よりも半径方向内側に配置される。図示の通り、各緩衝器シュラウドの軸方向の断面は他の従来のシュラウドよりも狭く、好ましい実施形態では、緩衝器シュラウドの半径方向の高さにおいてエーロフォイルの軸方向の幅の半分未満である。
【００２３】
内側寄り緩衝器シュラウド５３は、エーロフォイル２５の正圧側壁２６および負圧側壁２７の１つまたは両方から突出する円周方向に延在する突出部として構成されてよい。同様に、外側寄り緩衝器シュラウド５２は、エーロフォイル２５の正圧側壁２６および負圧側壁２７の１つまたは両方から突出する円周方向に延在する突出部として構成されてよい。既に述べたように、各緩衝器シュラウドは、設置状態で隣接するロータブレードの１つまたは両方に形成される緩衝器シュラウドに係合するように構成され得る。本発明により可能となる２つの接触点は、作動中のロータブレードの振動応答を有利に制限するために用いることができることが理解されよう。したがって、内側寄り緩衝器シュラウド５３および外側寄り緩衝器シュラウド５２はそれぞれ、エーロフォイル２５の正圧側の各円周方向の突出部の遠位端に正圧側接触面５５を含んでよい。同様に、内側寄り緩衝器シュラウド５３および外側寄り緩衝器シュラウド５２はそれぞれ、エーロフォイル２５の負圧側の各円周方向の突出部の遠位端に負圧側接触面５６を含んでよい。この構成を考えると、特定のエーロフォイル２５の２つの正圧側接触面５５は、その一方の側に位置する隣接するエーロフォイル２５の２つの負圧側接触面５６に係合し得ること、および、２つの負圧側接触面５６は、その他方の側に位置する隣接するエーロフォイル２５の２つの正圧側接触面５５に係合し得ることが理解されよう。
【００２４】
図９に示す通り、外側寄り緩衝器シュラウド５２はエーロフォイル２５の外側寄り先端４１の近くに配置され、一方内側寄り緩衝器シュラウド５３はエーロフォイル２５の半径方向中央領域の近くに配置され得る。代替の実施形態では、外側寄り緩衝器シュラウド５２は、エーロフォイル２５の外側寄り先端４１のすぐ内側に配置され、内側寄り緩衝器シュラウド５３は、エーロフォイル２５のほぼ半径方向中央点に配置される。別の実施形態では、内側寄り緩衝器シュラウド５３および外側寄り緩衝器シュラウド５２の半径方向の位置決めは、エーロフォイル２５に対して画定される半径方向の高さの範囲内でなされる。このような一実施形態では、内側寄り緩衝器シュラウド５３はエーロフォイル２５の半径方向の高さの２５％にある内側寄りの境界とエーロフォイル２５の半径方向の高さの７５％にある外側寄りの境界の間で画定される半径方向の高さの範囲内に配置され、外側寄り緩衝器シュラウド５２はエーロフォイル２５の半径方向の高さの６０％にある内側寄りの境界の外側に配置され得る。代替の実施形態では、内側寄り緩衝器シュラウド５３はエーロフォイル２５の半径方向の高さの４０％にある内側寄りの境界とエーロフォイル２５の半径方向の高さの６０％にある外側寄りの境界の間で画定される半径方向の高さの範囲内に配置され、外側寄り緩衝器シュラウド５２はエーロフォイル２５の半径方向の高さの７５％にある内側寄りの境界とエーロフォイル２５の半径方向の高さの９５％にある外側寄りの境界の間で画定される半径方向の高さの範囲内に配置され得る。別の好ましい実施形態では、内側寄り緩衝器シュラウド５３はエーロフォイル２５の半径方向の高さの４０％にある内側寄りの境界とエーロフォイル２５の半径方向の高さの６０％にある外側寄りの境界の間で決められた半径方向の高さの範囲内に配置され、外側寄り緩衝器シュラウド５２はエーロフォイル２５の半径方向の高さの９０％にある内側寄りの境界の外側に配置され得る。
【００２５】
本発明の他の実施形態によれば、図１０から図１３に示す通り、エーロフォイル２５の外側寄り先端４１はウィングレット７０を含むことができる。本明細書において用いられるように、ウィングレット７０はエーロフォイル２５の外側寄り先端４１のフレアを含む。図１１および図１２に示すように、フレアは片側において外側寄り先端４１に接触する半径方向の狭い部分内に生じる。ウィングレット７０は、内側寄り縁部７１および外側寄り縁部７２を含むものとして述べられることが理解されよう。この方法で述べると、ウィングレット７０の外側寄りフレアは、ウィングレット７０の内側寄り縁部７１の断面積がウィングレット７０の外側寄り縁部７２の断面積よりも小さくなるように向きが定められる。図示の通り、ウィングレット７０の内側寄り縁部７１は外側寄り縁部７２から一定の距離ずらして置くことができ、上述したように、この場所はエーロフォイル２５の外側寄り先端４１であってよい。
【００２６】
図１１に示す通り、外側寄り緩衝器シュラウド５２は、ウィングレット７０から半径方向に離間して配置することができる。この場合、外側寄り緩衝器シュラウド５２はウィングレット７０に連結されず、これらはそれぞれ半径方向の間隙によって隔てられる。代替の好ましい実施形態では、図１２および図１３に示す通り、外側寄り緩衝器シュラウド５２はウィングレット７０に組み込まれてもよく、すなわち外側寄り緩衝器シュラウド５２はウィングレット７０から延在し、ウィングレット７０とその基部で連結してもよい。また、図示される通り、ウィングレット７０の好ましい実施形態は、周囲でエーロフォイル２５まで延在する鋭い縁部を備える外側寄り縁部を含む。さらに、図１２および図１３において最も明確に示されるように、ウィングレット７０の外側寄りフレアは、凹状の表面形状７３を含むのが好ましい。線形など他の形状も可能である。
【００２７】
上述したいくつかの実施形態により、本発明は、空力的性能／漏出防止性能を向上させつつ、タービンロータブレードの振動応答を低減させて有害な振動の機械的負荷を制限できる方法を提供することが理解されよう。すなわち、本発明によれば、ロータブレード構造の固有振動数は上昇し、有害な振動応答は回避され、その結果より長いロータブレードを可能にし、ひいては、このより長いロータブレードを用いてより大きな出力およびより優れた効率を備えるより大きなタービンエンジンを可能にすることが理解されよう。加えて、本発明により可能となる先端の重量の減少および結果として生じる機械的な引きは、ロータブレードと周囲の固定構造の間のクリアランスを狭くすることができる。
【００２８】
本発明については、現在最も実用的であり好ましい実施形態であると考えられることに関連して述べてきたが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではなく、むしろ、添付の特許請求の範囲の精神および範囲に含まれるさまざまな変更および同等の配置を網羅する意図であることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２９】
１０  燃焼タービンエンジン、タービンエンジン
１１  圧縮機、軸流圧縮機、多段軸流圧縮機
１２  燃焼器
１３  タービン
１４  圧縮機ロータブレード、ロータブレード
１５  圧縮機ステータブレード
１６  タービンロータブレード、ロータブレード
１７  タービンステータブレード
２１  翼根部
２４  プラットホーム
２５  エーロフォイル
２６  正圧側壁
２７  負圧側壁
２８  前縁
２９  後縁
３７  先端シュラウド
３８  シールレール
４１  （エーロフォイルの）外側寄り先端
４３  ロータディスク
５１  緩衝器シュラウド、シュラウド
５２  外側寄り緩衝器シュラウド
５３  内側寄り緩衝器シュラウド
５４  シュラウド間境界面
５５  正圧側接触面、接触面
５６  負圧側接触面
５８  固定シュラウド
６１  （エーロフォイルの）基部の軸方向の厚さ
６２  （エーロフォイルの）外側寄り先端の軸方向の厚さ
６３  （エーロフォイルの）半径方向の高さ
６４  （エーロフォイルと周囲の固定構造の間の）クリアランス
７０  ウィングレット
７１  （ウィングレット７０の）内側寄り縁部
７２  （ウィングレット７０の）外側寄り縁部
７３  （外側寄りフレアの）表面形状
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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