(57)【要約】【課題】エーロフォイルを冷却する。【解決手段】タービンブレードは、凹形状をした加圧側外壁および凸形状をした吸引側外壁であり、前縁および後縁に沿って接続し、これらの外壁の間に冷却剤の流れを受けるための半径方向に延びるチャンバを形成する、加圧側外壁および吸引側外壁によって画定されるエーロフォイルを含む。タービンブレードは、エーロフォイルのチャンバを半径方向に延びる流路へと仕切るリブ構成をさらに含むことができる。第１の流路は、タービュレータが上に設置される第１の面を含むことができ、タービュレータの各々は、傾斜した構成を備える。【選択図】図３
2015127533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹形状をした加圧側外壁および凸形状をした吸引側外壁であり、前縁および後縁に沿って接続し、前記外壁の間に冷却剤の流れを受けるための半径方向に延びるチャンバを形成する、前記加圧側外壁および前記吸引側外壁によって画定されるエーロフォイルを備え、
前記エーロフォイルの前記チャンバを半径方向に延びる流路へと仕切るリブ構成
をさらに備え、
第１の流路は、タービュレータが上に設置される第１の面を含み、前記タービュレータの各々が傾斜した構成を備える、
タービンブレード。
【請求項２】
前記第１の流路が、半径方向に広がる面によって画定され、前記第１の面に対向する第２の面、ならびに前記第１の面の横に並び、かつ前記第１の面に隣接して広がる２つの追加の面、第３の面および第４の面を含み、
前記傾斜した構成が、一定の半径方向の高さを有する前記第１の面上の基準線に対して傾斜する前記タービュレータの各々を備える、
請求項１記載のタービンブレード。
【請求項３】
前記タービュレータの前記傾斜した構成が、前記タービュレータの各々と前記基準線のうちの１つとの間に形成される少なくとも２０°の鋭角を含み、
前記タービュレータの各々が、細長く、急峻な面を持った突起を含む、
請求項２記載のタービンブレード。
【請求項４】
前記タービュレータの前記傾斜した構成が、前記タービュレータの各々と前記基準線のうちの１つとの間に形成される少なくとも４０°の鋭角を含む、請求項２記載のタービンブレード。
【請求項５】
前記タービュレータの各々が、前記流路の前記第１の面の幅を横切って途切れずに延び、
前記第１の面が、前記第１の面の内側寄り端部と外側寄り端部との間に半径方向に間隔を空けて設置された少なくとも５つのタービュレータを備え、
前記タービュレータが、平行な構成を備える、
請求項２記載のタービンブレード。
【請求項６】
前記タービュレータの各々が、前記流路の前記第１の面の幅を部分的に横切って延び、
前記第１の面が、前記第１の面の内側寄り端部と外側寄り端部との間に半径方向に間隔を空けて設置された少なくとも５つのタービュレータを備え、
前記タービュレータが、平行な構成を備える、
請求項２記載のタービンブレード。
【請求項７】
前記タービュレータの各々が、前記第１の面を部分的に横切って延び、
前記第１の面が、前記第１の面の内側寄り端部の近くに設置された第１のタービュレータと前記第１の面の外側寄り端部の近くの第１０のタービュレータとの間に規則的な半径方向の間隔を含む少なくとも５つのタービュレータを備え、
前記タービュレータが、横方向に互い違いである、
請求項２記載のタービンブレード。
【請求項８】
前記第２の面が、前記第１の面上の前記タービュレータをほぼ鏡面反転するように構成されたタービュレータを備える、請求項２記載のタービンブレード。
【請求項９】
前記第２の面が、前記第１の面上の前記タービュレータのように構成されたタービュレータを備え、
前記第２の面上の前記タービュレータが、前記第１の面上の前記タービュレータと半径方向に互い違いになるように構成される、
請求項２記載のタービンブレード。
【請求項１０】
前記第２の面が、一定の半径方向の高さを有する前記第２の面上の基準線に対して傾斜するタービュレータを備え、
前記第２の面上の前記タービュレータが、細長く、急峻な面を持った突起をそれぞれ含み、
前記第２の面上の前記タービュレータの前記傾斜した構成が、前記タービュレータの各々と前記基準線のうちの１つとの間に形成される少なくとも２０°の鋭角を含む、
請求項２記載のタービンブレード。
【請求項１１】
前記第２の面が、傾斜した構成を有するタービュレータを備え、
前記第２の面上の前記タービュレータは、少なくとも２０°の鋭角が前記タービュレータの各々と前記第２の面上の基準線のうちの１つとの間に形成されるように、一定の半径方向の高さを有する前記第２の面上の前記基準線に対して傾斜し、
前記第２の面が、前記第２の面の内側寄り端部と外側寄り端部との間に半径方向に間隔を空けて設置された少なくとも５つのタービュレータを備え、
前記第２の面の前記タービュレータが、平行な構成を備える、
請求項３記載のタービンブレード。
【請求項１２】
前記第１の面および前記第２の面の前記タービュレータが、半径方向に互い違いである、請求項１１記載のタービンブレード。
【請求項１３】
前記第３の面が、傾斜した構成を有するタービュレータを備え、
前記第３の面上の前記タービュレータは、少なくとも２０°の鋭角が前記タービュレータの各々と前記第３の面上の基準線のうちの１つとの間に形成されるように、一定の半径方向の高さを有する前記第３の面上の前記基準線に対して傾斜する、
請求項３記載のタービンブレード。
【請求項１４】
前記第３の面が、前記第３の面の内側寄り端部と外側寄り端部との間に半径方向に間隔を空けて設置された少なくとも５つのタービュレータを備え、
前記第３の面の前記タービュレータが、平行な構成を備え、
前記第１の面および前記第３の面の前記タービュレータが、半径方向に互い違いである、
請求項１３記載のタービンブレード。
【請求項１５】
前記第２の面、前記第３の面、および前記第４の面が、傾斜した構成を有するタービュレータを備え、
前記第２の面上の前記タービュレータは、少なくとも２０°の鋭角が前記タービュレータの各々と前記第２の面上の基準線のうちの１つとの間に形成されるように、一定の半径方向の高さを有する前記第２の面上の前記基準線に対して傾斜し、
前記第３の面上の前記タービュレータは、少なくとも２０°の鋭角が前記タービュレータの各々と前記第３の面上の基準線のうちの１つとの間に形成されるように、一定の半径方向の高さを有する前記第３の面上の前記基準線に対して傾斜し、
前記第４の面上の前記タービュレータは、少なくとも２０°の鋭角が前記タービュレータの各々と前記第４の面上の基準線のうちの１つとの間に形成されるように、一定の半径方向の高さを有する前記第４の面上の前記基準線に対して傾斜する、
請求項３記載のタービンブレード。
【請求項１６】
前記第１の面および前記第２の面の各々が、前記エーロフォイルのカンバ線リブ、加圧側外壁、および吸引側外壁のうちの１つを含む、請求項１１記載のタービンブレード。
【請求項１７】
前記第１の面および前記第２の面の各々が、トラバースリブを含む、請求項１１記載のタービンブレード。
【請求項１８】
前記第１の面が、トラバースリブを含み、
前記トラバースリブおよび前記タービュレータが、前記エーロフォイルのカンバ線を通って延びるように構成される、
請求項３記載のタービンブレード。
【請求項１９】
前記第１の面および前記第２の面の各々が、中央トラバースリブを含み、前記中央トラバースリブの各々が、加圧側カンバ線リブと吸引側カンバ線リブとの間に延びる、請求項１１記載のタービンブレード。
【請求項２０】
前記第１の面、前記第２の面、前記第３の面、および前記第４の面のうちの１つが、波形プロファイルを有するカンバ線リブのセグメントを含み、
前記波形プロファイルが、少なくとも１つの前後への「Ｓ字」形状を有する前記波形プロファイルを含み、
前記タービンブレードが、タービン回転子ブレードを備える、
請求項１３記載のタービンブレード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンエーロフォイルに関し、より詳細には、エーロフォイルを冷却するために空気などの流体を通すための内部導管を有する回転子ブレードまたは固定子ブレードなどの中空タービンエーロフォイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼タービンエンジンまたはガスタービンエンジン（以降「ガスタービン」）は、圧縮機、燃焼器、およびタービンを含む。本分野において良く知られているように、圧縮機において圧縮された空気は、燃料と混合され、燃焼器において点火され、その後タービンを通って膨張して、動力を生み出す。タービン内部の構成要素、特に円周方向に配列した回転子ブレードおよび固定子ブレードは、それらによって消費される燃焼生成物の極端に高い温度および圧力によって特徴付けられる好ましくない環境に曝される。繰り返し熱サイクルならびにこの環境の極端な温度および機械的応力に耐えるために、エーロフォイルは、堅固な構造を有し、能動的に冷却されなければならない。
【０００３】
認識されるように、タービン回転子ブレードおよび固定子ブレードは、冷却システムを形成する内部通路または回路を多くの場合に含み、内部通路または回路を通して冷却剤を、典型的には圧縮機から流れ出る空気を循環する。このような冷却回路は内部リブによって典型的には形成され、内部リブは、エーロフォイルに対して要求される構造的な支持を与え、許容可能な温度プロファイル内にエーロフォイルを維持するように設計された複数の流路を含む。これらの冷却回路を通過する空気を、エーロフォイルの前縁、後縁、吸引側、および加圧側に形成した膜冷却アパーチャを介して多くの場合に放出する。
【０００４】
ガスタービンの効率は着火温度が上昇するにつれて向上することを認識するであろう。このために、タービンブレードがこれまでにない高い温度に耐えることを可能にする技術的な進歩が絶えず求められている。これらの進歩は、時には高温に耐えることができる新材料を含むが、同時に多くの場合に、これらの進歩は、ブレード構造および冷却能力を高めるようにエーロフォイルの内部構成を改善することを含む。しかしながら、冷却剤を使用することがエンジンの効率を低下させるという理由で、冷却剤使用量のレベルの増加に余りに強く依存する新しい配列は、１つの非効率性をもう１つのものに単に交換するにすぎない。その結果として、内部エーロフォイル構成および冷却剤効率を向上させる冷却剤循環を提供する新しいエーロフォイル設計に対する要求が継続している。
【０００５】
内部冷却型エーロフォイルの設計をさらに複雑にする検討事項は、動作中にエーロフォイル内部構造と外部構造との間に現れる温度差である。すなわち、高温ガス通路に露出するという理由で、エーロフォイルの外壁は、例えば、典型的に、内部リブの各々の側に画定される通路を通って流れる冷却剤を有することができる内部リブの多くよりも動作中にはるかに高い温度にある。事実、一般的なエーロフォイル構成は、長い内部リブが加圧側外壁および吸引側外壁に平行に延びる「四重壁（ｆｏｕｒ−ｗａｌｌ）」配置を含む。四重壁配置内に形成された壁に近い流路によって高い冷却効率を達成することができるが、外壁は、内壁よりも著しく大きなレベルの熱膨張を経験することが知られている。この不均衡な膨張は、内部リブと外壁とが接触する点のところで応力を発達させ、これがブレードの寿命を短くすることがある低サイクル疲労を引き起こすことがある。したがって、より効率的に冷却剤を使用する一方で、内部領域と外部領域との間での不均衡な熱膨張によって引き起こされる応力をやはり減少させるエーロフォイル構造の開発には、重大な技術産業上の難題が残されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第８３７６７０６号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本出願は、したがって、凹形状をした加圧側外壁および凸形状をした吸引側外壁であり、前縁および後縁に沿って接続し、これらの外壁の間に冷却剤の流れを受けるための半径方向に延びるチャンバを形成する、加圧側外壁および吸引側外壁によって画定されるエーロフォイルを含むタービンブレードを記述する。タービンブレードは、エーロフォイルのチャンバを半径方向に延びる流路へと仕切るリブ構成をさらに含むことができる。第１の流路は、タービュレータが上に設置される第１の面を含むことができ、タービュレータの各々は、傾斜した構成を備える。
【０００８】
本出願のこれらの特徴および他の特徴は、図面および特許請求の範囲とともに検討すると好ましい実施形態の下記の詳細な説明を精査することで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、添付した図面とともに検討して本発明の例示的な実施形態の下記のより詳細な説明を注意深く吟味することによって、より完全に理解され、認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本出願のある種の実施形態を使用することができる例示的なタービンエンジンの模式図である。
【図２】図１の燃焼タービンエンジンの圧縮機部の断面図である。
【図３】図１の燃焼タービンエンジンのタービン部の断面図である。
【図４】本発明の実施形態を利用することができるタイプのタービン回転子ブレードの斜視図である。
【図５】従来型の設計による内壁構成またはリブ構成を有するタービン回転子ブレードの断面図である。
【図６】本発明の実施形態による内壁構成を有するタービン回転子ブレードの断面図である。
【図７】本発明の代替実施形態による内壁構成またはリブ構成を有するタービン回転子ブレードの断面図である。
【図８】本発明の態様による、図５の流路のうちの１つの断面図である。
【図９】本発明の態様による、図８の流路の２つの隣接する壁の斜視図である。
【図１０】本発明の代替実施形態による、図８の流路の２つの隣接する壁の斜視図である。
【図１１】本発明の代替実施形態による、図８の流路の２つの隣接する壁の斜視図である。
【図１２】本発明の代替実施形態による、図８の流路の２つの隣接する壁の斜視図である。
【図１３】本発明の代替実施形態による、図８の流路の３つの隣接する壁の斜視図である。
【図１４】本発明の態様による、図７の流路のうちの１つの断面図である。
【図１５】本発明の態様による、図１４の流路の２つの隣接する壁の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
初期事項として、現在の発明を明確に記述するために、ガスタービン内部の関係する機械部品を呼ぶときおよび記述するときに、ある種の用語を選択することが必要になるであろう。これを行うときに、可能な場合には、一般的な産業用語を、認められている意味と整合する様式で使用し利用するであろう。別段述べない限り、このような用語は、本出願の文脈および別記の特許請求の範囲の範囲と整合する幅広い解釈を与えるはずである。多くの場合に、特定の構成要素を、いくつかの異なる用語または重なる用語を使用して呼ぶことがあることを当業者なら認識するであろう。単一部品であるとして本明細書において記述することができるものは、複数の構成要素から構成されるもう１つの状況を含むことができ、もう１つの状況において参照されることがある。あるいは、複数の構成要素を含むとして本明細書において記述することができるものが、どこかでは単一部品として呼ばれることがある。したがって、本発明の範囲を理解する際に、本明細書において提供される用語および記述だけでなく、構成要素の構造、構成、機能、および／または使用にも注意を払うべきである。
【００１２】
加えて、いくつかの説明的な用語を、本明細書においては定常的に使用することがあり、この項のはじめにこれらの用語を定義することは役立つはずである。これらの用語およびその定義は、別段述べない限り、次の通りである。本明細書において使用するように、「下流（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）」および「上流（ｕｐｓｔｒｅａｍ）」は、タービンエンジンを通る作動流体などの流体の流れ、または例えば、燃焼器を通る空気の流れもしくはタービンの構成要素システムのうちの１つを通る冷却剤の流れに対して相対的な方向を示す用語である。「下流」という用語は、流体の流れの方向に対応し、「上流」という用語は、流れに反対の方向を呼ぶ。「前方（ｆｏｒｗａｒｄ）」および「後（ａｆｔ）」という用語は、何らかのさらなる特定がない場合、「前方」が前またはエンジンの圧縮機端を呼び、「後」が後方またはエンジンのタービン端を呼ぶことをともなう方向を呼ぶ。中心軸に関して異なる半径方向位置にある部品を説明することが、しばしば必要である。「半径方向（ｒａｄｉａｌ）」という用語は、軸に対して垂直な動きまたは位置を呼ぶ。このようなケースでは、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸の近くに存在する場合には、第１の構成要素は、第２の構成要素の「半径方向の内側（ｒａｄｉａｌｌｙ  ｉｎｗａｒｄ）」または「内側寄り（ｉｎｂｏａｒｄ）」であることを、本明細書においては述べるであろう。その一方で、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸から遠くに存在する場合には、第１の構成要素は、第２の構成要素の「半径方向の外側（ｒａｄｉａｌｌｙ  ｏｕｔｗａｒｄ）」または「外側寄り（ｏｕｔｂｏａｒｄ）」であることを、本明細書においては述べることができる。「軸方向（ａｘｉａｌ）」という用語は、軸に平行な動きまたは位置を呼ぶ。最後に、「円周方向（ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ）」という用語は、軸の周りの動きまたは位置を呼ぶ。このような用語を、タービンの中心軸に関連して適用することができることを認識するであろう。
【００１３】
背景として、ここで図を参照して、図１から図４は、本出願の実施形態をその中で使用することができる例示的な燃焼タービンエンジンを図示する。本発明がこの特定のタイプの使用に限定されないことを、当業者なら理解するであろう。本発明を、発電において使用するものなどの燃焼タービンエンジン、航空機、ならびに他のエンジンタイプにおいて使用することができる。提供する例は、別段述べない限り限定することを意味しない。
【００１４】
図１は、燃焼タービンエンジン１０の模式的な表示である。一般に、燃焼タービンエンジンは、圧縮された空気の流れの中で燃料を燃焼させることによって生成される高温ガスの加圧された流れからエネルギーを取り出すことによって動作する。図１に図示したように、燃焼タービンエンジン１０を、軸流圧縮機１１を用いて構成することができ、軸流圧縮機を、下流タービン部またはタービン１３および圧縮機１１とタービン１３との間に位置する燃焼器１２へ共通シャフトまたは回転子によって機械的に連結する。
【００１５】
図２は、図１の燃焼タービンエンジンにおいて使用することができる例示的な多段軸流圧縮機１１の図を例示する。示したように、圧縮機１１は、複数の段を含むことができる。各段は、圧縮機回転子ブレード１４の列に続いて圧縮機固定子ブレード１５の列を含むことができる。このように、第１の段は、中央シャフトの周りを回転する圧縮機回転子ブレード１４の列に続いて動作中には静止したままである圧縮機固定子ブレード１５の列を含むことができる。
【００１６】
図３は、図１の燃焼タービンエンジンにおいて使用することができる例示的なタービン部またはタービン１３の部分図を例示する。タービン１３は、複数の段を含むことができる。３つの例示的な段を図示するが、より多くの段またはより少ない段が、タービン１３内に存在する場合がある。第１の段は、動作中にシャフトの周りを回転する複数のタービンバケットまたはタービン回転子ブレード１６、および動作中には静止したままである複数のノズルまたはタービン固定子ブレード１７を含む。タービン固定子ブレード１７は、一般的に、相互に円周方向に間隔を空けて設置され、回転軸の周りに固定される。タービン回転子ブレード１６を、シャフト（図示せず）の周りの回転用のタービンホイール（図示せず）上に載置することができる。タービン１３の第２の段をやはり図示する。第２の段は、同様に、複数の円周方向に間隔を空けて設置されたタービン固定子ブレード１７に続いて回転用のタービンホイール上にやはり載置され、複数の円周方向に間隔を空けて設置されたタービン回転子ブレード１６を含む。第３の段をやはり図示し、同様に複数のタービン固定子ブレード１７および回転子ブレード１６を含む。タービン固定子ブレード１７およびタービン回転子ブレード１６がタービン１３の高温ガス通路内に置かれることを認識するであろう。高温ガス通路を通る高温ガスの流れの方向を、矢印によって示す。当業者なら認識するように、タービン１３は、図３に図示したものよりも多くの段、またはいくつかのケースでは少ない段を有することができる。各々の追加の段は、タービン固定子ブレード１７の列に続いてタービン回転子ブレード１６の列を含むことができる。
【００１７】
動作の一例では、軸流圧縮機１１内部の圧縮機回転子ブレード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では、圧縮空気を燃料と混合し、点火すると、エネルギーを放出することができる。燃焼器１２からの得られた高温ガス、これを作動流体と呼ぶことができる、の流れを、次に、タービン回転子ブレード１６の上方に向け、作動流体の流れがシャフトの周りのタービン回転子ブレード１６の回転を引き起こす。これにより、作動流体の流れのエネルギーを、回転するブレード、および回転ブレードとシャフトとの間の接続によって回転するシャフトの機械的エネルギーへと変換する。シャフトの機械的エネルギーを、次に、圧縮機回転子ブレード１４を回転させるために使用することができ、その結果、圧縮空気の必要な供給を作り、そしてやはり、例えば、発電機を回転させて電力を作るために使用することができる。
【００１８】
図４は、本発明の実施形態を利用することができるタイプのタービン回転子ブレード１６の斜視図である。タービン回転子ブレード１６は、付け根２１を含み、これによって回転子ブレード１６を回転子ディスクに取り付ける。付け根２１は、回転子ディスクの周囲の対応するダブテールスロット内に載置するために構成されたダブテールを含むことができる。付け根２１は、ダブテールとプラットフォーム２４との間に延びるシャンクをさらに含むことができ、プラットフォームは、エーロフォイル２５と付け根２１との接合部のところに配置され、タービン１３を通る流路の内側寄り境界の一部を画定する。エーロフォイル２５が、作動流体の流れを途中で捕え、回転子ディスクを回転させる回転子ブレード１６の能動部品であることを認識するであろう。この例のブレードはタービン回転子ブレード１６であるが、タービン固定子ブレード１７を含むタービンエンジン１０内部の他のタイプのブレードに本発明をやはり適用することができることを認識するであろう。回転子ブレード１６のエーロフォイル２５が、対向する前縁２８と後縁２９との間で軸方向にそれぞれ延びる凹型加圧側外壁２６および円周方向にまたは横方向に対向する凸型吸引側外壁２７を含むことを理解するであろう。側壁２６および２７は、プラットフォーム２４から外側寄り先端３１まで半径方向にやはり延びる。（本発明の用途は、タービン回転子ブレードに限定されないだけでなく、固定子ブレードにもやはり適用可能であり得ることを認識するであろう。本明細書において説明するいくつかの実施形態における回転子ブレードの使用は、別段述べない限り例示的である。）
図５は、従来型の設計を有する回転子ブレードエーロフォイル２５に見出すことができるような内部壁構成を示す。示したように、エーロフォイル２５の外側表面を、比較的薄い加圧側外壁２６および吸引側外壁２７によって画定することができ、これらの外壁を、複数の半径方向に延び交差するリブ６０を介して接続することができる。リブ６０は、エーロフォイル２５に対する構造的支持を与える一方で、複数の半径方向に延び実質的に分離された流路４０をやはり画定するように構成される。典型的には、リブ６０は、エーロフォイル２５の半径方向の高さの大部分にわたり流路を仕切るように半径方向に延びるが、下記により詳細に論じるように、冷却回路を画定するように、流路をエーロフォイルの周辺に沿って接続することができる。すなわち、流路４０は、エーロフォイル２５の外側寄り端部または内側寄り端部のところで、ならびに多数の小さな交差通路または交差通路の間に位置することができるインピンジメントアパーチャ（図示せず）を介して流体連通することができる。このようにして、流路４０のうちのあるものは一緒に、曲がりくねったまたは蛇行する冷却回路を形成することができる。加えて、冷却剤を流路４０からエーロフォイル２５の外側表面上へと通して放出する出口を形成する膜冷却ポート（図示せず）を含むことができる。
【００１９】
リブ６０は、２つの異なるタイプを含むことができ、これらを次に、本明細書において行うように、さらに細分割することができる。第１のタイプ、カンバ線リブ６２は、典型的には、エーロフォイルのカンバ線に平行またはほぼ平行に延びる長いリブであり、カンバ線は、前縁２８から後縁２９まで伸び、加圧側外壁２６と吸引側外壁２７との間の中間点を接続する基準線である。しばしばあるように、図５の従来型構成は、２つのカンバ線リブ６２、すなわち加圧側外壁２６からオフセットし、近接する様式で与えられる加圧側内壁ともやはり呼ばれることがある加圧側カンバ線リブ６３、吸引側外壁２７からオフセットし、近接する様式で与えられる吸引側内壁ともやはり呼ばれることがある吸引側カンバ線リブ６４を含む。述べたように、このタイプの設計は、２つの側壁２６、２７および２つのカンバ線リブ６３、６４を含む行きわたる４つの主要な壁のために、「四重壁」構成を有するとしばしば呼ばれる。外壁２６、２７およびカンバ線リブ６２は、一体型構成部品として鋳造されることを認識するであろう。
【００２０】
第２のタイプのリブは、本明細書においてはトラバースリブ６６と呼ばれる。トラバースリブ６６は、四重壁構成の壁および内部リブを接続するように示された短いリブである。示したように、４つの壁を、多数のトラバースリブ６６によって接続することができ、トラバースリブ６６を、どの壁を各々が接続するかにしたがってさらに分類することができる。本明細書において使用するように、加圧側外壁２６を加圧側カンバ線リブ６３に接続するトラバースリブ６６は、加圧側トラバースリブ６７と呼ばれる。吸引側外壁２７を吸引側カンバ線リブ６４に接続するトラバースリブ６６は、吸引側トラバースリブ６８と呼ばれる。最後に、加圧側カンバ線リブ６３を吸引側カンバ線リブ６４に接続するトラバースリブ６６は、中央トラバースリブ６９と呼ばれる。
【００２１】
一般的に、エーロフォイル２５内の四重壁内部構成の目的は、効率的な壁に近い冷却を与えることであり、この中では、冷却空気が、エーロフォイル２５の外壁２６、２７に隣接する導管内を流れる。冷却空気がエーロフォイルの熱い外側表面のすぐそばにあり、狭い導管を通る流れを制約することによって実現される大きな流速のために、得られる熱伝達係数が大きいという理由で、壁に近い冷却が有利であることを認識するであろう。しかしながら、このような設計は、エーロフォイル２５内で経験する異なるレベルの熱膨張のために低サイクル疲労を経験しがちであり、これが結局は、回転子ブレードの寿命を短くすることがある。例えば、動作では、吸引側外壁２７は、吸引側カンバ線リブ６４よりも大きく熱膨張する。この膨張差は、エーロフォイル２５のカンバ線の長さを増加させる傾向にあり、これによって、これらの構造のそれぞれの間に、ならびにこれらを接続するこれらの構造間に応力を生じさせる。加えて、加圧側外壁２６は、より冷たい加圧側カンバ線リブ６３よりもやはり大きく熱膨張する。このケースでは、差は、エーロフォイル２５のカンバ線の長さを減少させる傾向にあり、これによって、これらの構造の各々の間に、ならびにこれらを接続するこれらの構造間に応力を生じさせる。１つのケースではエーロフォイルカンバ線を減少させる傾向があり、他方ではこれを増加させるエーロフォイル内の反対の力が、さらなる応力集中をもたらすことがある。エーロフォイルの特定の構造的構成が与えられるとこれらの力が現れる様々な形態、および力がその後つり合い補償される様式は、回転子ブレード１６の部品寿命の重要な決定的要因になる。
【００２２】
より具体的に、一般的なシナリオでは、高温ガス通路の高温に曝すことが吸引側外壁を熱膨張させるので、吸引側外壁２７は、その湾曲の頂点のところで外側にたわむ傾向がある。内部壁である吸引側カンバ線リブ６４が、同じレベルの熱膨張を経験せず、これゆえ、外方にたわむ同じ傾向を有することがないことを認識するであろう。カンバ線リブ６４は、次に、外壁２７の熱膨張に抗する。従来型の設計が、ほとんどまたはまったくコンプライアンスのない硬い幾何学的形状で形成されたカンバ線リブ６２を有するという理由で、この抗性およびこれからもたらされる応力集中を、実体的なものとする場合がある。問題を悪化させると、カンバ線リブ６２を外壁２７に接続するために使用するトラバースリブ６６は、直線プロファイルで形成され、一般に、トラバースリブが接続する壁に対して直角に向けられる。こういう状況であれば、加熱された構造が著しく異なる速度で膨張するので、トラバースリブ６６は、外壁２７とカンバ線リブ６４との間の「冷たい」空間的関係を基本的に早く保持するように動作する。したがって、「弾力性」が構造中にほとんどまたはまったく作られないと、従来型の配列は、構造のある領域に集中する応力を取り除くことに不適当である。差異のある熱膨張バスは、構成要素寿命を短くする低サイクル疲労問題を結果としてもたらす。
【００２３】
多くの異なる内部エーロフォイル冷却システムおよび構造的構成を、過去に評価してきており、この問題を直すための試みを行ってきている。１つのそのような取り組みは、外壁２６、２７を過冷却することを提案し、その結果、温度差および、これによって熱膨張差を減少させる。とはいえ、これを典型的に達成する方法は、エーロフォイルを通って循環する冷却剤の量を増加させることであることを認識するであろう。冷却剤が典型的には圧縮機から流れ出る空気であるという理由で、冷却剤の使用量の増加は、エンジンの効率への負の影響を有し、したがって、好ましくは避ける解決策である。製造方法の改善および／または同じ量の冷却剤を使用するが冷却剤をより効率的に使用するさらに複雑な内部冷却構成を使用する他の解決策が、提案されている。これらの解決策がいくぶんか効率的であることを証明しているとはいえ、それぞれが、エンジンの動作または部品の製造のいずれかに追加コストをもたらし、動作中にエーロフォイルがどのように熱膨張するかの観点から従来型の設計の幾何学形状の欠点である根本問題に直接対処することに対して何も行わない。
【００２４】
本発明は、全体として、タービンブレードのエーロフォイル内にしばしば生じる熱応力の不均衡を緩和するある種の湾曲したまたは気泡を形成したまたはサイン波形のまたは波形の内部リブ（以降「波形リブ」）を教示する。この一般的なアイデア内で、本出願は、このアイデアを実現することができるいくつかの方法を記述し、これらの方法は、波形のカンバ線リブ６２および／またはトラバースリブ６６、ならびにこれらの間のあるタイプの角度を付けた接続部を含む。これらの新規な構成−これを、別記の特許請求の範囲に正確に記述したように、別々にまたは組み合わせて利用することができる−は、目標とする柔軟性を与えるようにエーロフォイル２５の内部構造の硬さを減少させ、これによって、応力集中を分散させ、応力にさらに耐えることが可能な別の構造的な領域に歪を移動させることを認識するであろう。これは、例えば、大きな面積の全体にわたり歪を分散させる領域に移動させること、または、おそらく、引張り応力の代わりに、典型的にはより好ましい圧縮負荷に移動する構造を含むことができる。このようにして、寿命を短くする応力集中および歪を回避することができる。
【００２５】
図６および図７は、本発明の実施形態による、内部壁構成を有するタービン回転子ブレード１６の断面図を提供する。具体的に、本発明は、構造的支持体ならびに仕切りの両者として典型的に使用されるリブ６０の構成を含み、仕切りは、中空のエーロフォイル２５を実質的に分離され半径方向に延びる流路４０へと分割し、流路４０を、冷却回路を作るために望むような相互接続することができる。特定の様式でエーロフォイル２５を通る冷却剤の流れを管理するために、これらの流路４０および流路が形成する回路を使用し、その結果、冷却剤の使用は、的を絞られ、より効率的である。本明細書において提供する例を、タービン回転子ブレード１６において使用されるように示すが、同じ概念をやはりタービン固定子ブレード１７において利用することができることを認識するであろう。一実施形態では、本発明のリブ構成は、波形プロファイルを有するカンバ線リブ６２を含む。（本明細書において使用するように、「プロファイル」という用語は、リブが図６および図７の断面図において有する形状を呼ぶものとする。）カンバ線リブ６２は、上に説明したように、典型的には、エーロフォイル２５の前縁２８の近くの位置から後縁２９に向かって延びる長い方のリブの１つである。カンバ線リブが描く経路が、エーロフォイル２５のカンバ線にほぼ平行であるという理由で、これらのリブを「カンバ線リブ」と呼び、カンバ線は、凹型加圧側外壁２６と凸型吸引側外壁２７との間の等距離である点の集合を通りエーロフォイル２５の前縁２８と後縁２９との間に延びる基準線である。本出願によれば、「波形プロファイル」は、示したように、形状で顕著に湾曲しているおよびサイン波形であるプロファイルを含む。言い換えると、「波形プロファイル」は、前後への「Ｓ字」プロファイルを示すプロファイルである。この特定のタイプの波形プロファイルの例を、上記の図６および図７に与える。
【００２６】
波形プロファイルで構成されたカンバ線リブ６２のセグメントまたは長さは、設計基準に依存して変わることがある。提供した例では、波形カンバ線リブ６２は、典型的には、エーロフォイル２５の前縁２８に近い位置からエーロフォイル２５のカンバ線の中間点を超える点まで延びる。カンバ線リブ６２の波形部分は、長さが短くてもよいが、本明細書において論じた同じタイプの性能の長所を依然として与えることを認識するであろう。カンバ線リブ６２の波形セグメントの湾曲の数ならびに長さを、最善の結果を実現するために変えることができる。ある種の実施形態では、本発明の波形カンバ線リブ６２は、カンバ線リブが含む完全な前後への「Ｓ字」形状の数によって定義される。このタイプの好ましい実施形態では、波形カンバ線リブ６２は、少なくとも１つの途切れない前後への「Ｓ字」形状を含む。別の一実施形態では、波形カンバ線リブ６２は、少なくとも２つの連続的であり途切れない前後への「Ｓ字」形状を含む。図６および図７に与えた例は、２つ以上の完全な「Ｓ字」形状を有する経路をそれぞれ描くことを認識するであろう。全体の長さに関して、カンバ線リブ６２の波形セグメントは、エーロフォイル２５のカンバ線の長さのかなりの部分にわたり延びることができる。例えば、図６および図７に示したように、好ましい実施形態では、カンバ線リブ６２の波形部分は、エーロフォイル２５のカンバ線の長さの５０％を超える。言い換えると、カンバ線リブ６２の波形部分は、エーロフォイル２５の前縁２８の近くで始まり、後方に延び、エーロフォイル２５の湾曲の頂点を十分に超える。カンバ線リブ６２の少なくとも２５％の長さの波形部分などのより短い長さを、性能利益のある状態でやはり利用することができることを認識するであろう。
【００２７】
曲がりくねったプロファイルを与えられると、波形カンバ線リブ６２は、その進行方向が変わる経路を描くことを認識するであろう。本発明の波形カンバ線リブ６２を、いたるところで経路が曲がりくねる一般的な円弧を描く経路を有するようにさらに記述することができ、しかも、経路は、典型的に、前縁２８に近い起点およびエーロフォイル２５の後縁２９に近い後端点から延びることを認識するであろう。波形カンバ線リブ６２のケースでは、これは、エーロフォイル２５のカンバ線に大雑把に平行であるこの一般的な円弧を描く経路である。
【００２８】
上に論じた図５の四重壁の例などの多くの知られているエーロフォイル２５構成は、２つのカンバ線リブ６２を含む。このタイプの構成では、加圧側外壁２６の近くに存在する加圧側カンバ線リブ６３、および吸引側外壁２７の近くに存在する吸引側カンバ線リブ６４を有するように記述することができる。本発明は、図６および図７に示したように、吸引側カンバ線リブ６４および加圧側カンバ線リブ６３の両者が波形リブとして形成される構成を含むことができる。代替実施形態では、これらのカンバ線リブ６２のうちの一方だけが、波形プロファイルを有することができる。本発明を、１つのカンバ線リブ６２だけを有する構成でもやはり利用することができることを認識するであろう。
【００２９】
２つのカンバ線リブ６２を含むエーロフォイル２５では、加圧側カンバ線リブ６３および吸引側カンバ線リブ６４が、中央流路４０を画定することを認識するであろう。加圧側カンバ線リブ６３および吸引側カンバ線リブ６４の各々についての波形プロファイルを、中央流路４０に面するカンバ線リブ６２の連続するセグメントによって取られる形状に関連して規定することができる。すなわち、例えば、中央流路４０に関連して、第１の凹形セグメントが第２の凸形セグメントに移行する２つの連続するセグメントを含むように、カンバ線リブ６２の波形プロファイルを記述することができる。代替実施形態では、波形プロファイルは、４つ以上の連続するセグメントを含むことができ、そこでは、第１の凹形セグメントが第２の凸形セグメントに移行し、第２の凸形セグメントが第３の凹形セグメントに移行し、そして第３の凹形セグメントが第４の凸形セグメントに移行する。
【００３０】
本発明の態様によれば、エーロフォイルの内部構造は、エーロフォイルのカンバ線方向に沿って波形リブを含むことができる。カンバ線リブ６２をこのようにしてバネ状に作ることによって、エーロフォイルの内部バックボーンを、性能の優位性を実現することができるようによりコンプライアンスを有するようにすることができる。加えて、負荷通路をさらに柔軟にするために、ならびにリブ６２およびリブが接続する外壁２６、２７とのよりコンプライアンスのある接続を作るために、エーロフォイル構造のトラバースリブを湾曲させることができる。標準的な直線リブ設計が、内部冷却キャビティ壁とはるかに熱い外壁との間のサーマルファイト（ｔｈｅｒｍａｌ  ｆｉｇｈｔ）に起因する大きな応力および低サイクル寿命を経験するのに対して、本発明は、応力集中をより上手く負担することができるバネ状構成を提供し、これを、本明細書において与えたように、構成部品の寿命を改善するために使用することができる。
【００３１】
本発明のもう１つの態様に転じて、図８から図１５を参照する。図８および図１４は、上に論じた、それぞれ図５および図７中に見出すことができる１つの流路４０の断面図を図示することを認識するであろう。他の図、図９から図１３および図１５は、エーロフォイル２５の内部冷却システムを改良するために、タービュレータ５０を流路４０の壁上にどのように配列させることができるかに関する本発明にしたがったいくつかの実施形態を提供する。
【００３２】
第１の実施形態によれば、図８および図１４に示した流路などの流路４０は、図９に提供した実施形態などの傾斜した構成を有するタービュレータ５０の配列を含むことができる。本明細書において使用するように、タービュレータ５０は、細長く、急峻な面を持った突起であり、乱流を引き起こすために使用され、これによって、これらの流路などの冷却通路における熱交換を高め、タービンブレード１６のエーロフォイル２５内で使用することができる。タービュレータ５０が様々な構成を取り得ることを認識するであろう。好ましい実施形態では、タービュレータ５０は、半円形または半楕円形の断面形状を有することができる。
【００３３】
図８および図１４の断面図に示したように、流路４０は、典型的には、半径方向に延び、対向する対の面を含む。この配置は、エーロフォイル２５の内側寄り端部と外側寄り先端３１との間を前後に延びる、曲がりくねったまたはサイン波状の冷却剤通路を有するエーロフォイル２５では特に一般的である。例示の目的で、図８の流路４０を、第１の面６１および隣接する第２の面６５を含むように、図９から図１２および図１５では単純化する。（図８に示したように）隣接する面６１、６５の各々は、同じタイプの面６１、６５と流路４０をはさんで対向することができることを認識するであろう。したがって、例えば、第１の面６１および図８と図１４とにおいて第１の面に対向して示した面は、カンバ線リブ６２の対を表すことができる、または別のケースでは、カンバ線リブ６２およびエーロフォイル２５の外壁２６、２７のうちの一方を表すことができる。上に論じたように、これらのいずれかのように、可能性は、エーロフォイル２５において使用される一般的な内部構成を表す。さらに例を挙げると、第２の面６５および図８と図１４とにおいて第２の面に対向して示した面は、このケースでは、トラバースリブ６６を表すはずであることを認識するであろう。したがって、単純化し２面を持った説明図を参照する下記に記述する本発明の実施形態に関して、図示した面と対向する面６１、６５は、別段述べない限り、タービュレータ５０の任意のタイプの配列を有することができる、または、まったく含まないことがあることと理解されたい。加えて、示さない面上のタービュレータ５０の配列は、いくつかの事例では、それに対向する面の配列を鏡面反転したタービュレータ５０の配列、またはそれに対向する面の配列に対して半径方向にもしくは横方向に互い違いにした配列、またはそれに対向する配列に無関係なタービュレータ５０の配列を含む配列を有することができる。下記にやはり提供するように、面６１、６５上のタービュレータ５０の配列は、隣接する面上の配列に関係することがある。本発明のある種の実施形態は、しかしながら、流路４０の面６１、６５のうちの一方の上だけに存在するタービュレータ５０の配列を記述する。
【００３４】
図９から図１３および図１５に示したように、タービュレータ５０の傾斜した構成を、特定の基準線５１に対して各々が形成する鋭角５２によって規定することができる。本発明によれば、基準線５１を、ほぼ一定の半径方向の高さを維持しながら流路４０の面６１、６５のうちの一方を横切って延びる基準線とすることができる。そのように導き出された基準線５１が任意のタービュレータ５０に適用可能であるように、このような基準線５１を、面６１、６５上の任意の位置のところに形成することができることを認識するであろう。好ましい実施形態では、各タービュレータ５０の傾斜した構成は、タービュレータ５０および基準線５１が少なくとも２０°の鋭角５２を形成する構成である。代替実施形態では、傾斜した構成は、基準線５１のうちの１つと少なくとも４０°の鋭角５２を形成するタービュレータ５０を含む。好ましい実施形態では、タービュレータ５０を、流路４０の長さに沿って半径方向に間隔を空けて設置する。示したように、タービュレータ５０間の半径方向の間隔を、ある種の好ましい実施形態では一定とすることができる。加えて、面６１、６５のうちの一方の上の、または面６１、６５のうちの２つ以上の間のタービュレータ５０の配列は、互いに対して平行な構成を有することができる。このケースでは、各タービュレータ５０が、基準線５１とほぼ同じ鋭角５２を形成することを認識するであろう。
【００３５】
好ましい実施形態では、複数のタービュレータを、流路４０の面６１、６５のいずれかに沿って設けることができる。好ましくは、少なくとも５つのタービュレータ５０が、流路４０の面６１、６５上に含まれる。より多くのまたはより少ないタービュレータ５０を、やはり設けることができる。エーロフォイル２５の内側寄り端部の近くに位置することができる通路の内側寄り端部と、エーロフォイルの外側寄り先端３１の近くに位置することができる通路の外側寄り端部との間の流路４０のすべての領域、大部分の領域、または対象とする領域をカバーするように、これらのタービュレータ５０を、間隔を空けて設置することができる。
【００３６】
一実施形態によれば、図９および図１１に示したように、タービュレータ５０の各々は、流路４０の第１の面６５の全幅を横切って（または図１１のケースでは、第１の面および第２の面６１、６５の全幅を横切って）途切れずに（かつ傾斜して）延びることができる。別の一実施形態では、図１０および図１２に与えたように、タービュレータ５０は、流路４０の面６１、６５のいずれかの幅を横切る一部の距離に延びることができる。示したように、図１０に示した実施形態におけるように、タービュレータの断面プロファイルが整列するように、これらの部分タービュレータ５０を、配列させることができる。あるいは、別の一実施形態では、部分タービュレータ５０は、図１２に示した実施形態のように、横方向に互い違いにした構成を有することができる。記述したように、流路４０の対向する面は、相互にほぼ鏡面反転したタービュレータ５０を有することができる、または本明細書において記述した他の配列のいずれかとは異なるもしくは類似するタービュレータ５０の配列を有することができることを認識するであろう。加えて、本発明の実施形態は、流路４０の一面６１、６５上だけに、または流路４０の複数の面６１、６５の任意の組合せの上に形成したタービュレータ５０を含む。図８に示した流路４０の３つの面６１、６５の斜視図を含む図１３に与えたように、対向する面６１、６５上のタービュレータ５０を、相互に半径方向に互い違いになるように構成することができる。
【００３７】
本発明の好ましい一実施形態によれば、流路４０の面６１は、トラバースリブ６６を表し、図９に示したように、多数の傾斜したタービュレータ５０を含む。このケースでは、面６１／トラバースリブ６６は、エーロフォイル２５のカンバ線を横切って延びることができ、示されたその例が、図５から図７の中央トラバースリブ６９に見出される。本発明の実施形態によれば、このようなトラバースリブ６６は、傾斜した構成を有するタービュレータ５０を含むことができる。好ましい実施形態によれば、傾斜した構成を有するタービュレータ５０はやはり、エーロフォイル２５のカンバ線を横切って延びる。当業者には認識されるように、この特定の構成が新規である１つの理由は、その形成に対して議論される製造上の制限のためである。したがって、本発明の傾斜したタービュレータ５０を、好ましくは中央トラバースリブ６９上に設置する。記述したように、中央トラバースリブ６９は、加圧側カンバ線リブ６３と吸引側カンバ線リブ６４との間に延びる構造的支持体であり、これは典型的には、図９のタービュレータと類似のタービュレータ５０がやはりエーロフォイル２５のカンバ線を通って延びるように、エーロフォイル２５のカンバ線を通って延びる。
【００３８】
動作では、タービュレータ５０は、流路４０を通る流れを乱流にさせ、これが、熱伝達係数を、したがって通路の熱い表面に対する冷却剤の伝熱性の利点を大きくする。従来技術は、これらを含むことに対して議論される製造上の制限のために、ある領域においてはタービュレータ５０を含み損ねた。本発明は、冷却剤使用の効率を高め、これによって、タービンエンジンの総合的な効率を全体としてより高めるために、エーロフォイル２５の内部通路４０の全体にわたってタービュレータ５０の利益を拡張することを含む。しばしばタービンブレードの寿命の決定的要因である局所的な熱勾配に対処するための方法として、本発明をさらに使用することができる。エーロフォイルの内部領域の一様な冷却を促進させるため、およびこのような領域が熱的に不均衡であるときに生じる歪を少なくするために、タービュレータ５０を利用することができる。エーロフォイル構造、特に内部の壁に近い冷却キャビティとより中央に位置する通路との間におけるこのタイプの熱不均衡に起因するファイトが、多くの場合に短いトラバースリブであるこれらの２つの領域を接続する構造にしばしば集中する歪を結果としてもたらすことを認識するであろう。トラバースリブ内の熱勾配を減少させ、これによって構成部品のサイクル寿命を向上させるために、本出願の好ましい実施形態のうちの１つのタービュレータ５０を使用することができることを認識するであろう。さらに、タービンブレードの冷却システムを調整し、対象とする領域における問題となる熱勾配を減少させるために、本明細書において記述したタービュレータ５０を使用することができることを認識するであろう。
【００３９】
当業者なら認識するように、いくつかの例示的な実施形態に関連して上に記述した多くの変わる特徴および構成を、本発明の別の可能性のある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。簡潔さのためにおよび当業者の能力を考慮して、可能性のある繰り返しのすべてを詳細には提供しないまたは論じないが、下記のいくつかの請求項によって包含されようがそうでなかろうがすべての組合せおよび可能性のある実施形態は、本出願の一部であるものとする。加えて、本発明のいくつかの例示的な実施形態の上の記述から、当業者なら、改善、変更、および修正に気付くであろう。本分野の技術内でのこのような改善、変更、および修正もやはり、別記の特許請求の範囲によって保護されるものとする。さらに、上記は、本出願の記述した実施形態だけに関係し、数多くの変更および修正を、別記の特許請求の範囲およびその等価物によって規定されるような本出願の精神および範囲から逸脱せずにここに行うことができることを認識されたい。
【符号の説明】
【００４０】
１０  燃焼タービンエンジン
１１  圧縮機
１２  燃焼器
１３  タービン
１４  圧縮機回転子ブレード
１５  圧縮機固定子ブレード
１６  タービン回転子ブレード
１７  タービン固定子ブレード
２１  付け根
２４  プラットフォーム
２５  エーロフォイル
２６  加圧側外壁
２７  吸引側外壁
２８  前縁
２９  後縁
３１  外側寄り先端
４０  流路、中央流路
５０  タービュレータ
５１  基準線
５２  鋭角
６０  リブ
６１  第１の面
６２  カンバ線リブ
６３  加圧側カンバ線リブ
６４  吸引側カンバ線リブ
６５  第２の面
６６  トラバースリブ
６７  加圧側トラバースリブ
６８  吸引側トラバースリブ
６９  中央トラバースリブ
【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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【図１４】
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【図１５】
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