(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エーロフォイル（２５）を含むガスタービン（１０）のタービン（１２）用ロータブレード（１６）であって、前記エーロフォイル（２５）が、前縁（２８）と、後縁（２９）と、外周側先端（３１）と、内周側端部とを有し、前記内周側端部が、前記ロータブレード（１６）をロータディスクに結合するように構成された翼根（２１）に取り付き、前記エーロフォイル（２５）が、冷却剤を受け入れて前記エーロフォイル（２５）の中を通して導くための細長い冷却チャネル（３３）を含む冷却構成を含み、
前記エーロフォイル（２５）の前記外周側先端（３１）に接続された先端シュラウド（５５）であって、外周側表面（６０）を含む先端シュラウド（５５）と、
前記先端シュラウド（５５）の中を通って形成される分岐通路（７５）であって、それぞれが、前記冷却チャネル（３３）のうちの１つとの接続部と前記先端シュラウド（５５）の表面に形成された出口ポート（３７）との間を延び、前記先端シュラウド（５５）の前記外周側表面（６０）に対して傾いた向きをなしている、分岐通路（７５）と
をさらに備え、
回転方向（６４）が、前記タービン（１０）の予想される作動中の前記ロータブレード（１６）の回転の方向を含み、
前記先端シュラウド（５５）が、前記先端シュラウド（５５）の前記外周側表面（６０）から半径方向外向きに突出し、前記回転方向（６４）に周方向に延在するシールレール（５７）を含み、
前記先端シュラウド（５５）の前記外周側表面（６０）が、前記エーロフォイル（２５）の前記前縁（２８）の上を覆いかぶさるように前記シールレール（５７）から前方に延在する先行部分（６６）と、前記エーロフォイル（２５）の前記後縁（２９）の上を覆いかぶさるように前記シールレール（５７）から後方に延在する跡追い部分（６７）とを含み、
前記外周側表面（６０）の前記先行部分（６６）に設けられる前記分岐通路（７５）が、前記先行部分（６６）内で前記回転方向（６４）にのみ延び、前記回転方向（６４）と反対方向には延びず、
前記外周側表面（６０）の前記跡追い部分（６７）に設けられる前記分岐通路（７５）が、前記跡追い部分（６７）内で前記回転方向（６４）と反対方向にのみ延び、前記回転方向（６４）には延びない、
タービンロータブレード（１６）。
【請求項２】
前記出口ポート（３７）が前記先端シュラウド（５５）の前記外周側表面（６０）に配置され、
前記分岐通路（７５）のそれぞれが、前記分岐通路（７５）から吐出される冷却剤が向けられる方向である吐出方向（７９）を画定し、
前記分岐通路（７５）のそれぞれが、前記出口ポート（３７）に隣接する前記先端シュラウド（５５）の前記外周側表面（６０）の領域に対して冷却剤を斜めに吐出するように構成された吐出方向（７９）を有し、
前記分岐通路（７５）のそれぞれの流路断面積が、前記分岐通路（７５）が取り付く前記冷却チャネル（３３）の流路断面積より小さい、請求項１記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項３】
前記先端シュラウド（５５）が、前記エーロフォイル（２５）の前記外周側先端（３１）で前記エーロフォイル（２５）によって支持された軸方向および周方向に延在する平面状の構成部品を含み、
前記分岐通路（７５）のそれぞれが、前記分岐通路（７５）から吐出される冷却剤が向けられる方向を含む吐出方向（７９）を画定し、
第１の吐出角度（７８）が、前記吐出方向（７９）と前記先端シュラウド（５５）の前記外周側表面（６０）との間で画定され、
第２の吐出角度（８１）が、前記吐出方向（７９）と前記回転方向（６４）に平行な基準線（８２）との間で画定され、
前記第１の吐出角度（７８）が１０°から６０°の角度を含む、請求項１記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項４】
前記分岐通路（７５）のそれぞれが、前記先端シュラウド（５５）の前記外周側表面（６０）の近くにある出口部分を含み、前記出口ポート（３７）のうちの対応する出口ポート（３７）で終端となり、
前記分岐通路（７５）のそれぞれの前記吐出方向（７９）が、前記出口部分の中心軸の前記出口ポート（３７）からの延長部によって画定される、請求項３記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項５】
前記分岐通路（７５）のそれぞれの前記第１の吐出角度（７８）が２０°から４５°の間の範囲を含む、請求項４記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項６】
前記第２の吐出角度（８１）が２０°より小さい角度を含む、請求項４に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項７】
前記分岐通路（７５）のうちの少なくとも１つが、前記回転方向（６４）と同じ方向を指す前記基準線（８２）と前記第２の吐出角度（８１）を成し、前記分岐通路（７５）のうちの少なくとも１つが、前記回転方向（６４）とは反対方向を指す前記基準線（８２）と前記第２の吐出角度（８１）を成す、請求項６に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項８】
前記先端シュラウド（５５）の前記外周側表面（６０）が、前記エーロフォイル（２５）の前記前縁（２８）の上を覆いかぶさるように前記シールレール（５７）から前方に延在する先行部分（６６）と、前記エーロフォイル（２５）の前記後縁（２９）の上を覆いかぶさるように前記シールレール（５７）から後方に延在する跡追い部分（６７）とを含み、
前記外周側表面（６０）の前記先行部分（６６）に前記出口ポート（３７）を有する前記分岐通路（７５）のうちの前記多数の分岐通路（７５）の前記第２の吐出角度（８１）が、前記回転方向（６４）と同じ方向を指す前記基準線（８２）に対して４５°より小さい角度を含む、請求項４に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項９】
前記外周側表面（６０）の前記先行部分（６６）に前記出口ポート（３７）を有する前記分岐通路（７５）のうちの前記多数の分岐通路（７５）の前記第２の吐出角度（８１）が、前記回転方向（６４）と同じ方向を指す前記基準線（８２）に対して２０°より小さい角度を含む、請求項８に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項１０】
前記第２の吐出角度（８１）が、前記回転方向（６４）と同じ方向を指す前記基準線（８２）の下流側に傾けられる、請求項９に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項１１】
前記外周側表面（６０）の前記先行部分（６６）に前記出口ポート（３７）を有する前記分岐通路（７５）のうちの前記多数の分岐通路（７５）の前記第２の吐出角度（８１）が、前記回転方向（６４）と同じ方向を指す前記基準線（８２）に対して５°より小さい角度を含む、請求項８に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項１２】
前記分岐通路（７５）のうちの多数の分岐通路（７５）の前記出口ポート（３７）が、前記外周側表面（６０）の跡追い部分（６７）に配置され、
前記外周側表面（６０）の前記跡追い部分（６７）に前記出口ポート（３７）を有する
前記分岐通路（７５）のうちの前記多数の分岐通路（７５）の前記第２の吐出角度（８１）が、前記回転方向（６４）とは反対方向を指す前記基準線（８２）に対して２０°より小さい角度を含む、請求項９に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項１３】
エーロフォイルプロファイルが、前記先端シュラウド（５５）の前記外周側表面（６０）に前記エーロフォイルのプロファイルの外形を含み、前記先端シュラウド（５５）の前記外周側表面（６０）が、前記エーロフォイルプロファイル内に画定されたエーロフォイル部分（７２）を含む、請求項８に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項１４】
前記外周側表面（６０）の前記先行部分（６６）が、それに形成された前記出口ポート（３７）のうちの多数の出口ポート（３７）を含み、
前記先行部分（６６）の前記出口ポート（３７）のそれぞれが、前記各分岐通路（７５）が前記冷却チャネル（３３）と成す前記接続部に回転方向（６４）に先行する、請求項１３に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項１５】
前記ロータブレード（１６）が、前記エーロフォイル（２５）の表面と前記先端シュラウド（５５）の内周側表面（６１）との間を滑らかに移行させるように構成された内周側隅肉領域（７１）を含み、
前記分岐通路（７５）のうちの多数の分岐通路（７５）が、前記内周側隅肉領域（７１）を横切るように構成される、請求項１４に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項１６】
前記内周側隅肉領域（７１）を横切る前記分岐通路（７５）の少なくとも１つが、前記先端シュラウド（５５）の周縁（６３）を貫通して形成される出口ポート（３７）を含む、請求項１５に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項１７】
前記外周側表面（６０）の前記跡追い部分（６７）が、それに形成された前記出口ポート（３７）のうちの多数の出口ポート（３７）を含み、前記跡追い部分（６７）の前記出口ポート（３７）のそれぞれが、前記各分岐通路（７５）が前記冷却チャネル（３３）と成す前記接続部に回転方向（６４）に追従する、請求項１２に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項１８】
前記出口ポート（３７）のそれぞれが、前記各分岐通路（７５）が前記冷却チャネル（３３）と成す前記接続部に回転方向（６４）に先行し、
前記冷却チャネル（３３）のうちの多数の冷却チャネル（３３）が、前記先端シュラウド（５５）の前記外周側表面（６０）に配置されたプラグ（８５）を備える、請求項２記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項１９】
前記プラグ（８５）が非一体物のプラグを含み、
前記プラグ（８５）が、取り付けたときに、前記プラグ（８５）の表面が前記先端シュラウド（５５）の前記外周側表面（６０）に対して同一平面となるような構成を含み、
前記プラグ（８５）が、これを貫通して画定された半径方向を向くプラグポート（８６）を有する部分的なプラグ（８５）を含み、前記プラグポート（８６）が、前記冷却チャネル（３３）の流路断面積より小さな流路断面積を有する、請求項１８に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項２０】
前記プラグ（８５）が非一体物のプラグを含み、
前記プラグ（８５）が、取り付けたときに、前記プラグ（８５）の表面が前記先端シュラウド（５５）の前記外周側表面（６０）に対して同一平面となるような構成を含み、
前記プラグ（８５）が、前記冷却チャネル（３３）の出口からのすべての冷却剤の吐出を実質的に塞ぐように構成された完全なプラグ（８５）を含み、
前記分岐通路（７５）のうちの多数の分岐通路（７５）が、前記完全なプラグ（８５）を含む前記冷却チャネル（３３）に接続する、請求項１８に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項２１】
前記先端シュラウド（５５）の前記外周側表面（６０）の近くに配置され、前記冷却チャネル（３３）のうちの多数の冷却チャネル（３３）が流れ込む供給プレナム（８７）をさらに含み、
前記分岐通路（７５）のうちの多数の分岐通路（７５）が前記供給プレナム（８７）に接続し、
前記供給プレナム（８７）に接続する前記出口ポート（３７）のうちの前記多数の出口ポート（３７）のそれぞれが、前記各分岐通路（７５）が前記供給プレナム（８７）と成す前記接続部に回転方向に先行する、請求項２記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項２２】
前記供給プレナム（８７）が非一体物のプレナムカバー（８９）を備え、前記プレナムカバー（８９）が、取り付けたときに、前記プレナムカバー（８９）の表面が前記先端シュラウド（５５）の前記外周側表面（６０）に対して同一平面となるような構成を含み、
前記プレナムカバー（８９）が、前記供給プレナム（８７）から冷却剤の一部分を吐出するために少なくとも１つの半径方向を向くカバーポート（９０）を含み、
前記プレナムカバー（８９）を貫通する前記少なくとも１つの半径方向を向くカバーポート（９０）、および前記供給プレナム（８７）に接続する前記分岐通路（７５）の流路断面積が、前記先端シュラウド（５５）全体への冷却剤の望ましい分配に従う寸法である、請求項２１に記載のタービンロータブレード（１６）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、ガスタービンエンジンのブレードの内部冷却チャネルおよび構成に関する。より詳細には、限定するものではないが、本出願は、タービンロータブレードの外側半径方向先端の近くに形成された内部冷却チャネルおよび構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼エンジンまたはガスタービンエンジン（「ガスタービン」）は、圧縮機、燃焼器、およびタービンを含むことは認識されるであろう。圧縮機およびタービンセクションは一般に、軸方向に段状に積み重ねられたブレードの列を含む。各段は、周方向に間隔を置いて固定されたステータブレードの列、および中心タービン軸またはシャフトの周りを回転するロータブレードの列を含む。作動時、一般的には、圧縮機ロータブレードはシャフトの周りを回転し、ステータブレードと協働するように作用して空気の流れを圧縮する。次いで、供給圧縮空気は、供給燃料を燃焼させるために燃焼器で使用される。燃焼の結果として得られた高温の膨張ガスの流れ、すなわち作動流体の流れは、エンジンのタービンセクションを通って膨張する。タービンを通る作動流体の流れはロータブレードを回転させる。ロータブレードは中心シャフトに接続され、その結果、ロータブレードの回転は中心シャフトを回転させる。このようにして、燃料に含まれるエネルギーは、回転シャフトの機械的エネルギーに変換され、例えば、これを用いて、圧縮機のロータブレードを回転させて燃焼に必要な供給圧縮空気を生成し、および発電機のコイルを回転させて電力を発生することができる。作動中、高温ガス通路の過酷な温度、作動流体の速度、およびエンジンの回転速度のため、タービン内のブレードは過酷な機械的および熱的負荷で高い応力となる。
【０００３】
エネルギーに対する需要が増え続けていることによって、より効率的なガスタービンの技術が継続的で重要な目標となっている。ガスタービンの効率を向上させるいくつかの方策は知られているが、例えば、エンジンのサイズの増大、高温ガス通路全体にわたる温度の上昇、およびロータブレードの回転速度の増大を含む代替策は、一般的には、すでに高い応力の部品にさらに負荷をかけることになるので、ガスタービンエンジンの効率の向上は依然として厳しい目標である。その結果、タービンブレードに加わる作動時の応力を低減し、あるいはタービンブレードがこれらの応力に良好に耐えるか、またはより効率的に作動することを可能にする改善された装置、方法、および／またはシステムは大きな需要がある。
【０００４】
ブレードの熱応力を軽減するための１つの方策は、作動中にブレードを積極的に冷却することによる。このような冷却によって、例えば、ブレードは、より高温の燃焼温度に耐えること、高い作動温度でより大きな機械的応力に耐えることができ、かつ／またはブレードの部品寿命を延ばすことができ、これらのすべては、ガスタービンの費用効果をより高め、その作動効率をより高めることができる。作動中にブレードを冷却する１つの手法は、内部冷却通路、チャネル、または回路を使用することによる。一般に、これは、比較的低温の供給圧縮空気を通すことを含み、この圧縮空気は、ガスタービンの圧縮機によってブレード内の内部冷却チャネルを通じて供給することができる。いくつかの理由により、認識されるように、これらの内部冷却チャネルの構成の設計および製作には非常に注意する必要がある。第１に、冷却空気の使用には代償がある。すなわち、冷却用に圧縮機からエンジンのタービンセクションに分流される空気は燃焼器をバイパスするので、したがってエンジン効率を低下させる。第２に、より新しくより積極的な形状の空力ブレード構成はより薄肉でより湾曲または捩れており、これにより、コンパクトな設計を有しながら良好な性能となるような冷却チャネルを必要とする。第３に、機械的負荷を低減するために、冷却チャネルは、ブレードから不必要な重量を除去するように形成される場合があるが、ブレードは、それでも過酷な機械的負荷に耐える強度を保たなければならない。したがって、冷却チャネルは、タービンブレードが軽量でありながら頑丈のままであり、一方で、また、応力集中を制限し、かつ／または、そのような集中が避けられない場合、これらの領域を効果的に冷却するように設計しなければならない。第４に、冷却構成は、ブレードを出た冷却剤が作動効率を高めるように構成することができる。詳細には、冷却チャネルから出た冷却剤は、ガス通路を通る流れを妨害するので、空力損失を生じさせる。さらに、冷却剤が吐出される仕方によっては、一旦放出した冷却効果に影響を与える場合がある、すなわちブレードの外側表面に影響を与える場合がある。したがって、空力損失を最小にしながら、冷却有効度を高めるように冷却剤を吐出する冷却構成が望ましい。したがって、構造の頑丈さ、構成部品の長寿命、および冷却剤の効率的な使用を促進するようにこれらのいくつかの競合する基準を満足させる冷却構成が商業的には必要である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
したがって、本出願は、エーロフォイルを含むガスタービンのタービン用ロータブレードについて記述する。
【０００６】
エーロフォイルは、前縁と、後縁と、外周側先端と、内周側端部とを有することができ、内周側端部では、エーロフォイルは、タービンブレードをロータディスクに結合するように構成された翼根に取り付けられる。エーロフォイルは外周側先端で先端シュラウドを含むことができる。ロータブレードは、冷却剤を受け入れてエーロフォイルの中を通して導くための細長い冷却チャネルと、先端シュラウドの中を通って形成された分岐通路とを含む冷却構成を有することができ、分岐通路のそれぞれは、冷却チャネルのうちの１つとの接続部と先端シュラウドの表面に形成された出口ポートとの間を延びる。分岐通路は、先端シュラウドの外周側表面に対して傾いた向きを有することができる。
【０００７】
本出願のこれらのおよび他の特徴は、図面および添付の特許請求の範囲と併せて、好ましい実施形態の以下の詳細な説明を検討すると明らかになるであろう。
【０００８】
この発明のこれらのおよび他の特徴は、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るであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本出願の実施形態によるブレードを使用することができる例示的なガスタービンの概略図である。
【図２】図１のガスタービンの圧縮機セクションの断面図である。
【図３】図１のガスタービンのタービンセクションの断面図である。
【図４】本発明の実施形態を使用することができる例示的なタービンロータブレードの側面図である。
【図５】図４の視線５−５に沿う断面図である。
【図６】図４の視線６−６に沿う断面図である。
【図７】図４の視線７−７に沿う断面図である。
【図８】先端シュラウドを含む例示的なタービンロータブレードの斜視図である。
【図９】図８の先端シュラウドの拡大斜視図である。
【図１０】先端シュラウド付きタービンロータブレードの取付配置の上面図である。
【図１１】本発明の特定の態様による冷却構成を含む先端シュラウド付きタービンロータブレードの上面図である。
【図１２】図１１の視線１２−１２に沿う断面斜視図である。
【図１３】本発明の代替の態様による冷却構成を含む先端シュラウド付きタービンロータブレードの断面斜視図である。
【図１４】本発明の代替の実施形態による冷却構成を含む先端シュラウド付きタービンロータブレードの上面図である。
【図１５】図１４の視線１５−１５に沿う断面斜視図である。
【図１６】本発明の代替の実施形態にしたがって構成された先端シュラウドを含む先端シュラウド付きタービンロータブレードの上面図である。
【図１７】図１６の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１８】本発明の代替の実施形態にしたがって構成された先端シュラウドを含む先端シュラウド付きタービンロータブレードの上面図である。
【図１９】図１８の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２０】本発明の代替の実施形態にしたがって構成された先端シュラウドを含む先端シュラウド付きタービンロータブレードの上面図である。
【図２１】図２０の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２２】本発明の代替の実施形態にしたがって構成された先端シュラウドを含む先端シュラウド付きタービンロータブレードの上面図である。
【図２３】図２２の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２４】本発明の代替の実施形態にしたがって構成された先端シュラウドを含む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。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の態様および利点は、以下の説明で述べられ、あるいはその説明から明らかになってもよく、あるいは本発明の実施を通じて学ぶことができる。次に、１つまたは複数の例が添付図面に示される本発明の実施形態を提示して詳細に参照する。詳細な説明では、図面内の特徴を指し示すために数字表示が使用される。図面および説明における類似または同様の表示は、本発明の実施形態の類似または同様の部分を指すために使用される場合がある。認識されるように、それぞれの例は本発明を説明するために提示されており、本発明を限定するためのものではない。実際に、本発明の範囲または精神から逸脱せずに、本発明において修正および変更を行うことができることは当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部分として例示または説明される特徴を、さらなる実施形態を得るために別の実施形態に使用することができる。したがって、本発明が、添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内にあるような修正および変更を包含することが意図されている。本明細書で言及する範囲および境界は、特に明記しない限り、その境界自体を含んで規定の境界内にあるすべての部分範囲を含むことを理解されたい。さらに、本発明ならびにその構成要素のサブシステムおよび部品を説明するために特定の用語が選択されている。これらの用語は、可能な範囲で、本技術分野に共通する専門用語に基づいて選ばれている。さらに、このような用語は異なる解釈をされることが多いことは認識されるであろう。例えば、本明細書で単一の構成部品として言及される場合があるものが、他では、複数の構成部品よりなるものとして言及される場合があり、あるいは、本明細書で複数の構成部品を含むものとして言及される場合があるものが、他では、単一の構成部品であるものとして言及される場合がある。本発明の範囲を理解する際、使用されている特定の専門用語のみに注意を払うのではなく、付随する説明および文脈、ならびに、言及され説明される構成部品の構造、構成、機能、および／または使用にも注意を払うべきである。それらには、その用語がいくつかの図面にどのように関係しているか、および、当然のことながら、添付の特許請求の範囲での専門用語の正確な使用も含まれている。さらに、以下の例は、特定のタイプのガスタービンまたはタービンエンジンに関して提示されているが、当業者であれば理解するように、本発明の技術はまた、他のタイプのタービンエンジンにも適用することができる。
【００１１】
ガスタービンの作動の性質を考慮すると、この出願全体を通じていくつかの説明的用語を用いてエンジンならびに／あるいはエンジンに含まれるいくつかのサブシステムまたは構成部品の機能を説明する場合があり、この項の始めに、これらの用語を定義することは有益であることが分かる。したがって、これらの用語およびそれらの定義は、特に明記しない限り、以下の通りである。用語「前方（ｆｏｒｗａｒｄ）」および「後方（ａｆｔまたはａｆｔｗａｒｄ）」は、さらに特定しなければ、ガスタービンの向きに対する方向を指す。すなわち、「前方（ｆｏｒｗａｒｄ）」は、エンジンの前方または圧縮機端を指し、「後方（ａｆｔまたはａｆｔｗａｒｄ）」はエンジンの後方またはタービン端を指す。これらの用語のそれぞれは、エンジン内の移動または相対位置を示すために使用することができることが認識されるであろう。用語「下流（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）」および「上流（ｕｐｓｔｒｅａｍ）」は、特定の導管を通って移動する流れの全体的な方向に対するその導管内の位置を示すために使用される。（これらの用語は、当業者であれば明らかであるはずの、通常の作動中に予想される流れに対する方向を指すことが認識されるであろう。）用語「下流（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）」は、流体が特定の導管を通って流れていく方向を指し、用語「上流（ｕｐｓｔｒｅａｍ）」はその反対方向を指す。したがって、例えば、ガスタービンを通る作動流体の主流は、圧縮機を通って移動する空気として始まり、次いで燃焼器内およびそれ以降で燃焼ガスとなるが、この主流は、圧縮機の上流端または前方端に向かった上流位置で始まり、タービンの下流端または後方端に向かった下流位置で終わるとして記述することができる。普通のタイプの燃焼器内の流れの方向の記述に関しては、下記でより詳細に説明するように、圧縮機吐出空気は典型的には、燃焼器の後方端（燃焼器の長手方向軸および前述の前方／後方の違いを定義する圧縮機／タービンの配置に対する）に向かって集中したインピンジメントポートを通って燃焼器に入ることは認識されるであろう。圧縮空気は燃焼器に入ると、内部チャンバの周りに形成された流れ環状部によって燃焼器の前方端に向けて案内され、ここで、空気流は内部チャンバに入り、流れの方向が逆になって、燃焼器の後方端に向かって流れる。さらに別の文脈では、冷却チャネルまたは通路を通る冷却剤の流れを同じように取り扱うことができる。
【００１２】
さらに、用語「ロータブレード」は、さらに特定しなければ、圧縮機またはタービンのいずれかの回転ブレードを指すものであり、圧縮機ロータブレードおよびタービンロータブレードの両方を含む。用語「ステータブレード」は、さらに特定しなければ、圧縮機またはタービンのいずれかの静止ブレードを指すものであり、圧縮機ステータブレードおよびタービンステータブレードの両方を含む。用語「ブレード」は、本明細書では、いずれかのタイプのブレードを指すために使用される。したがって、さらに特定しなければ、用語「ブレード」は、圧縮機ロータブレード、圧縮機ステータブレード、タービンロータブレード、およびタービンステータブレードを含むすべてのタイプのタービンエンジンのブレードを含む。
【００１３】
最後に、共通の中心軸の周りにある圧縮機およびタービンの構成、ならびに多くの燃焼器タイプに共通する円筒状の構成を考慮すると、軸に対する位置を記述する用語が本明細書で使用される場合がある。この点に関して、用語「半径方向（ｒａｄｉａｌ）」は、軸に垂直な移動または位置を指すことは認識されるであろう。これに関連して、中心軸からの相対距離を記述することが必要となる場合がある。この場合、例えば、第１の構成部品が第２の構成部品よりも中心軸の近くにあれば、第１の構成部品は第２の構成部品の「半径方向内側（ｒａｄｉａｌｌｙ  ｉｎｗａｒｄ）」または「内周側（ｉｎｂｏａｒｄ）」にあると記述される。一方、第１の構成部品が第２の構成部品よりも中心軸から遠くにあれば、本明細書では、第１の構成部品は第２の構成部品の「半径方向外側（ｒａｄｉａｌｌｙ  ｏｕｔｗａｒｄ）」または「外周側（ｏｕｔｂｏａｒｄ）」にあると記述される。さらに、認識されるように、用語「軸方向（ａｘｉａｌ）」は、軸に平行な移動または位置を指す。最後に、用語「周方向（ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ）」は、軸の周りの移動または位置を指す。前述したように、これらの用語は、エンジンの圧縮機セクションおよびタービンセクションを通って延在する共通の中心軸に関連して適用することができるが、これらの用語はまた、エンジンの他の構成部品またはサブシステムに関連して使用することもできる。
【００１４】
背景として、次に、図を参照すると、図１から図３は、本出願の実施形態を使用することができる例示的なガスタービンを示す。当業者であれば、本発明がこのタイプの使用に限定されないことを理解するであろう。前述したように、本発明は、発電および航空機で使用されるエンジンなどのガスタービン、蒸気タービンエンジン、ならびに他のタイプの回転エンジンで使用することができる。提供する例は、タービンエンジンのタイプに限定することを意味するものではない。図１はガスタービン１０の概略図である。一般に、ガスタービンは、圧縮空気流の中で燃料を燃焼させることによって生じる高温ガスの加圧流からエネルギーを取り出すことによって作動する。図１に示すように、ガスタービン１０は、共通のシャフトまたはロータで下流のタービンセクションまたはタービン１２に機械的に結合した軸流圧縮機１１、および圧縮機１１とタービン１２との間に配置された燃焼器１３を有して構成することができる。図１に示すように、ガスタービンは共通の中心軸の周りに形成することができる。
【００１５】
図２は、図１のガスタービンに使用することができる例示的な多段軸流圧縮機１１の図である。図示のように、圧縮機１１は複数の段を含むことができる。各段は、圧縮機ロータブレード１４の列と、それに続く圧縮機ステータブレード１５の列と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の列と、それに続く、作動中に静止したままの圧縮機ステータブレード１５の列とを含むことができる。図３は、図１のガスタービンに使用することができる例示的なタービンセクションまたはタービン１２の部分図を示す。タービン１２は複数の段を含むことができる。３つの例示的な段が示されているが、タービン１２にはこれよりも多いまたは少ない段が存在する場合がある。第１の段は、作動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ロータブレード１６と、作動中に静止したままの複数のノズルまたは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は一般に、互いに周方向に間隔を置いて配置され、回転軸の周りに固定される。タービンロータブレード１６は、シャフト（図示せず）の周りを回転するようにタービンホイール（図示せず）に取り付けることができる。タービン１２の第２の段もまた示されている。第２の段も同様に、周方向に間隔を置いて配置された複数のタービンステータブレード１７と、これに続く、これもまた回転するようにタービンホイールに取り付けられて周方向に間隔を置いて配置された複数のタービンロータブレード１６とを含む。第３の段もまた示されており、同様に、複数のタービンステータブレード１７と、ロータブレード１６とを含む。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がタービン１２の高温ガス通路内にあることは認識されるであろう。高温ガス通路を通る高温ガスの流れ方向は矢印で示されている。当業者には認識されるように、タービン１２は、図３に示すよりも多くの段、または場合によっては少ない段を有する場合がある。追加の各段は、タービンステータブレード１７の列と、これに続くタービンロータブレード１６の列とを含むことができる。
【００１６】
作動の一例では、軸流圧縮機１１内で圧縮機ロータブレード１４が回転することによって空気流を圧縮することができる。燃焼器１３では、圧縮空気が燃料と混合されて点火されるとエネルギーを放出することができる。その結果生じた燃焼器１３からの高温ガスの流れは、作動流体と呼ばれることがあり、それは、次いでタービンロータブレード１６にわたって導かれ、その作動流体の流れがタービンロータブレード１６をシャフトの回りに回転させる。これによって、作動流体の流れのエネルギーは、回転ブレードの機械的エネルギーに変換され、また、ロータブレードとシャフトとは接続されているので、回転シャフトの機械的エネルギーに変換される。次いで、シャフトの機械的エネルギーは、圧縮機ロータブレード１４を回転させるために使用され、その結果、必要な供給圧縮空気が生成され、また、例えば、発電機も駆動して電力を発生させる。
【００１７】
背景を説明するために、図４から図７は、本発明の態様を実施することができるタービンロータブレード１６の図を示す。認識されるように、これらの図は、図８から図１０とともに、ロータブレードの共通の構成、および内部冷却配置に影響を与える幾何学的な制約を示すために与えられている。図示のように、ロータブレード１６は、ロータブレード１６をロータディスクに取り付けることができる翼根２１を含む。例えば、翼根２１は、ロータディスクの周囲にある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ダブテール２２を含む場合がある。翼根２１はさらに、ダブテール２２とプラットフォーム２４との間を延在するシャンク２３を含む場合がある。プラットフォーム２４は、図示のように、エーロフォイル２５と翼根２１との接合部に配置され、タービン１２を通る流路の内周側の境界の一部分を画定するように構成することができる。エーロフォイル２５は、タービン１２を通る作動流体の流れを捕らえてロータディスクを回転させるロータブレード１６の能動的な構成部品であることは認識されるであろう。この例のブレードはロータブレード１６であるが、本発明はまた、特に明記しない限り、ステータブレード１７を含むガスタービン１０内の他のタイプのブレードにも適用することができることは認識されるであろう。ロータブレードのエーロフォイル２５は、凹状の圧力側の面２６と、その周方向または横方向反対側の凸状の負圧側の面２７を含み、それらは、それぞれ、対向する前縁２８と後縁２９との間を軸方向に延在することが分かる。これらの側の面２６および２７もまた、プラットフォーム２４からエーロフォイル２５の外周側先端３１まで半径方向に延在する。
【００１８】
エーロフォイル２５は、内周側端部（すなわち、エーロフォイル２５がプラットフォーム２４から半径方向に延在するところ）と外周側先端３１との間を延在する湾曲したまたは曲線輪郭の形状を含むことができる。図４および図５に示すように、エーロフォイル２５は、プラットフォーム２４から外周側先端３１に延びるにつれて徐々に先細にすることができる。この先細にすることは、図４に示すようにエーロフォイル２５の前縁２８と後縁２９との間の距離を狭める軸方向に先細にすることと、図５に示すように負圧側の面２７と圧力側の面２６との間で画定されるようなエーロフォイル２５の厚さを薄くする周方向に先細にすることとを含むことができる。図６および図７に示すように、エーロフォイル２５の曲線輪郭の形状はさらに、ガスタービンの中心軸に対して半径方向に延びるにつれて長手方向軸の周りに捩れることを含むことができる。この捩れは典型的には、内周側端部と外周側先端３１との間でエーロフォイル２５の食違い角を徐々に変えるよう構成される。また、図示のように、エーロフォイル２５内には、１つまたは複数の冷却チャネル３３が、ロータブレード１６の翼根２１の中を通って形成された冷却剤送出部３５への接続部から半径方向外周側に延在することができる。冷却チャネル３３の他端には、冷却剤がロータブレード１６の中を通って移動した後に冷却剤を吐出するように出口ポート３７を形成することができる。冷却チャネル３３は、直線状、湾曲状、またはこれらを組み合わせたものとすることができる。
【００１９】
図８から図１０は、本発明の態様を使用することができる、先端シュラウド５５を有するタービンロータブレード１６を示す。認識されるように、図８は、先端シュラウド５５を含む例示的なタービンロータブレード１６の斜視図である。図９は、図８の先端シュラウド５５の拡大図であり、一方、図１０は、このような先端シュラウド付きタービンロータブレード１６の例示的な取付配置の上面図である。図示のように、先端シュラウド５５は、エーロフォイル２５の外周側先端３１に配置することができる。先端シュラウド５５は、軸方向および周方向に延在する平坦なまたは実質的に平坦なプレートを含むことができ、このプレートはその中心に向かってエーロフォイル２５によって支持される。先端シュラウド５５は、図示のように、外周側表面６０、内周側表面６１、ならびに外周側表面６０と内周側表面６１とを接続する周縁または縁６３とを含むものとして説明することができる。特定の実施形態によれば、先端シュラウド５５の頂部に沿ってシールレール５７が配置される。一般的には、図示のように、シールレール５７は、先端シュラウド５５の外周側表面６０から半径方向外向きに延在するフィン状の突出部である。シールレール５７は、ロータブレード１６の回転の方向または「回転方向」の先端シュラウド５５の両端間を周方向に延在することができる。認識されるように、シールレール５７は、先端シュラウド５５と、ロータブレード１６の列を取り囲む静止構成部品との間に典型的に存在する半径方向の隙間を通って作動流体が流れることを妨げるように形成することができる。従来のいくつかの設計では、シールレール５７は、それに対向する摩耗可能な静止ハニカムシュラウド内に延びることができる。カッタ歯５８は、シールレール５７の中央に向けて配置して、シールレール５７の幅よりわずかに広い静止シュラウドのハニカムの溝を切ることができる。
【００２０】
先端シュラウド５５は隅肉領域７０、７１を含み、これらは、先端シュラウド５５およびエーロフォイル２５の発散方向にある複数の表面との間、ならびに、先端シュラウド５５およびシールレール５７の異なる方向の表面と表面との間に滑らかな移行部を提供することができる。より詳細には、先端シュラウド５５は、先端シュラウド５５の内周側表面６１と、エーロフォイル２５の圧力側の面２６および負圧側の面２７との間に内周側隅肉領域７１を含むことができる。先端シュラウド５５はまた、先端シュラウド５５の外周側表面６０とシールレール５７の側面との間に外周側隅肉領域７０を含むことができる。隅肉領域７０、７１は、図示のように、ほぼ垂直に配置された平面状の表面間に滑らかに湾曲した移行部を提供する。認識されるように、このような隅肉領域は、これがなければこれらの領域で発生するであろう応力集中を分散するように設けられる。このようにしても、これらの領域には応力の高い領域が残り、特に、先端シュラウド５５にかかる片持ち荷重およびエンジンの回転速度を考慮すると、内周側隅肉領域７１に応力の高い領域が残る。認識されるように、十分に冷却しなければ、この領域の応力は構成部品の耐用寿命に著しい影響を与える場合がある。
【００２１】
図１０に示すように、先端シュラウド５５は、作動中、隣り合うブレード１６の先端シュラウド５５が接触するように形成することができる。これは、漏れおよび有害な振動を低減するために行なわれる場合がある。先端シュラウド５５はスカラップ形状にする場合がある。図１０は、ロータディスクに組み付けたときに現れるであろうタービンロータブレード１６の外周側から見た図であり、隣り合う先端シュラウド５５間の境界部の従来の配置の例を示している。認識されるように、２つの隣り合う完全な先端シュラウド５５が、回転方向６４を示す矢印とともに示されている。先行する先端シュラウドの後縁は、跡追いする先端シュラウドの前縁に接触するか、または極めて接近する場合がある（この文脈で、「跡追いする、後（ｔｒａｉｌｉｎｇ）」および「先行する、前（ｌｅａｄｉｎｇ）」は回転方向に対する位置を記述していることに留意されたい）。この接触の領域は一般に境界部または接触面５９と呼ぶ。図１０の例示的な構成のプロファイルでは、接触面５９はＺ字形境界部と呼ぶことができる。タービンブレード１６および図１０の先端シュラウド５５への参照は単なる例示であり、異なる構成の他のタービンブレードおよび先端シュラウドを本出願の実施形態とともに使用することができることは当業者であれば認識するであろう。
【００２２】
さらに示すように、先端シュラウド５５は、先端シュラウドの外周側表面６０を貫通して形成された出口ポート３７を含むことができる。出口ポート３７は、冷却チャネル３３を通って流れる冷却剤を吐出する働きをすることができる。しかしながら、従来の設計に従うと、出口ポート３７は、先端シュラウド５５の外周側表面６０に対して急峻な角度または垂直である。先端シュラウド５５の構成およびその外周側表面６０の向きを考慮すると、これは、出口ポート３７がタービン１２を通る流れの方向に対して実質的に垂直の方向に冷却剤を吐出することとなる。認識されるように、これによって、出口ポート３７からの吐出流が高温ガス通路を通る流れを乱し、かつ邪魔をするので、先端シュラウド５５で空力損失が生じる。
【００２３】
次に、図１１および図１２を参照すると、本発明の例示的な実施形態が示されている。認識されるように、図１１は、本発明の特定の態様による内部冷却構成を含む先端シュラウド付きタービンロータブレード１６の上面図であり、図１２は、図１１の視線１２−１２に沿う断面斜視図である。図示のように、エーロフォイル２５は、すでに説明したものなどの多数の内部冷却チャネル３３を含むことができ、これらのチャネルはエーロフォイル２５の中を通って先端シュラウド５５の外周側表面６０を貫通して形成された出口ポート３７まで半径方向に延在する。好ましい実施形態によれば、本発明はさらに、冷却チャネル３３と成す接続部から分岐し、かつ／または本明細書で説明する仕方で冷却空気を吐出する１つまたは複数の傾いた、または斜めに配置された冷却通路を含むことができる。このような冷却チャネルは、「分岐冷却通路」または「分岐通路７５」と呼ばれる。図示のように、分岐通路７５のそれぞれは、冷却チャネル３３のうちの１つとの接続部と先端シュラウド５５の外側表面を貫通して形成された出口ポート３７との間を延びることができる。分岐通路７５は、それぞれが接続する冷却チャネル３３の流路断面積より小さな流路断面積を有することができる。分岐通路７５は直線状とすることができるが、湾曲した構成もまた可能であり、それぞれ、先端シュラウド５５の外周側表面６０の近くで内部冷却通路を画定するように構成することができる。認識されるように、このように配置すると、分岐通路７５は、このようにしないで可能となる先端シュラウド５５の外周側表面６０の冷却効果の領域よりも広い領域に冷却効果を有することができる。
【００２４】
例示的な実施形態によれば、分岐通路７５は、先端シュラウド５５の外周側表面６０に対して斜めの角度または浅い角度で冷却剤を吐出するように向くことができる。より詳細には、図１２に示すように、分岐通路７５は、出口ポート３７からの吐出方向７９と先端シュラウド５５の外周側表面６０との間に浅い吐出角度７８を画定するように構成することができる。これを達成するために、分岐通路７５は、出口部分（すなわち、出口ポート３７で終端となる外周側表面６０の近くの分岐通路７５の部分）が先端シュラウド５５の外周側表面６０に対して浅い角度を形成する中心軸を画定するように構成することができる。この配置を説明するための別の方法は、出口部分の中心軸の延長部が、出口ポート３７を直接取り囲む外周側表面６０に対して浅い角度を形成するということである。認識されるように、吐出角度７８の具体的な大きさは変えることができ、最適値または最適範囲は、特定の設計基準、先端シュラウドの構成、冷却要件などに依存する場合がある。さらに、このような分岐通路７５の冷却性能は、吐出角度７８の特定の値で、または特定の範囲内で最適化または強化することができるが、広い範囲の値にわたって望ましい性能の利益を得ることができる。このことを述べた上で、出願人は、多くの一般的な先端シュラウド付きタービンロータブレードの構成と併せて使用されるときに特に有利であるいくつかの好ましい実施形態を決定しており、これらの実施形態を以下で開示する。一実施形態によれば、例えば、分岐通路７５の吐出角度７８は約１０°と６０°との間の範囲を含む。別の好ましい実施形態によれば、吐出角度７８は約２０°と４５°との間の範囲を含む。別の実施形態によれば、吐出角度７８は４５°より小さい範囲を含む。認識されるように、外周側表面６０に対してこのような浅い角度で冷却剤を吐出すると、吐出された冷却剤の半径方向外向きの方向成分を低減することができる。これによって、タービンを通る軸方向の流れへの妨害が少なくなるならば、空力混合損失を低減することができる。さらに、本発明の吐出角度７８は、このような冷却剤がエーロフォイル２５の圧力側の流路に入ろうとする傾向を低減し、それによってさらに混合損失を低減することができる。冷却剤をより半径方向に向けて吐出するとまた、作動流体がシールレール５７を越えて漏れて流れ得るが、本発明の浅い吐出角度７８はこの傾向を低減することができる。さらに、浅い吐出角度７８は、先端シュラウド５５の外周側表面６０から吐出された冷却剤のフィルム冷却効果を促進または強化することができる。
【００２５】
下記でより詳細に説明するように、代替の実施形態によれば、分岐通路７５の出口ポート３７の吐出方向７９は、作動中のロータブレード１６の回転方向６４に対して合わせることができる。「回転方向」は、本明細書で使用されるとき、ロータブレードがガスタービンに取り付けられたとき、典型的な、または予想される作動中のロータブレードの回転の方向を指す。図１１に示すように、特定の好ましい実施形態によれば、分岐冷却通路７５は、冷却剤を回転方向６４に平行な方向、または回転方向６４に対して浅い角度に合わされた方向に吐出するように構成することができる。より詳細には、図示のように、特定の実施形態によれば、分岐通路７５は、浅い吐出角度８１が、分岐通路７５の出口ポート３７からの吐出角度７９と、回転方向６４と一致する基準線８２との間に画定されるように構成することができる。これを達成するために、図示のように、分岐通路７５は、回転方向６４とほぼ同じ方向に向けられた中心軸を有する、外周側表面６０に隣接する出口部分を含むことができる。好ましい実施形態によれば、分岐通路７５の吐出角度８１はほぼ４５°より小さい。吐出角度８１は、基準線８２のどちらの側にも形成することができる。好ましい実施形態に従えば、図示のように、吐出角度８１は下流方向に傾けることができる。というのは、この向きは空力混合損失をさらに低減することができるからである。別の実施形態によれば、吐出角度８１は、基準線８２のどちらの側に対してもほぼ２０°より小さい。あるいは、吐出角度８１は基準線８２の５°以内にある。エーロフォイル２５の前縁２８の上に覆いかぶさる先端シュラウド５５の側に形成された図１１の分岐通路７５の場合のように、浅い吐出角度８１は、回転方向６４と同じ方向を指す基準線８２と形成することができる。あるいは、エーロフォイル２５の後縁２９の上に覆いかぶさる先端シュラウド５５の側に形成された図１１の分岐通路７５の場合のように、浅い吐出角度８１は、回転方向６４とは反対方向を指す基準線８２と形成することができる。
【００２６】
説明上の目的で、図１１および図１２に示すように、先端シュラウド５５の外周側表面６０は、シールレール５７および／またはこの領域もしくは区域が覆いかぶさるエーロフォイル２５の構造体に対する領域の相対位置に基づく領域とは異なるものとして説明する場合がある。例えば、シールレール５７は、先端シュラウド５５を先行部分６６と跡追い部分６７とに分割するものとして説明することができる。ここで、先行部分６６は、本明細書で使用するとき、エーロフォイル２５の前縁２８の上に覆いかぶさるようにシールレール５７から前方へ延在する部分であり、跡追い部分６７は、本明細書で使用するとき、エーロフォイル２５の後縁２９の上に覆いかぶさるようにシールレール５７から後方へ延在する部分である。さらに、エーロフォイルのプロファイルまたは「エーロフォイルプロファイル」は、（図１１などの）いくつかの上面図に示すように、先端シュラウド５５を圧力側部分６８と負圧側部分６９とに分割するものとして説明することができる。ここで、圧力側部分６８は、本明細書で使用するとき、エーロフォイル２５の圧力側の面２６から片持ち式に支持される先端シュラウド５５の部分であり、負圧側部分６９は、本明細書で使用するとき、エーロフォイル２５の負圧側の面２７から片持ち式に支持される先端シュラウド５５の部分である。最後に、エーロフォイル部分７２は、エーロフォイルプロファイル内と一致する外周側表面６０の中央領域である。「エーロフォイルプロファイル」は、本明細書で使用するとき、図１１および図１４に破線で示すように、先端シュラウド５５の外周側表面６０を通して投影されたエーロフォイル２５の外形を指す。
【００２７】
例示的な実施形態によれば、先端シュラウド５５の先行部分６６および跡追い部分６７のそれぞれに多数の分岐通路７５およびそれらに関係する出口ポート３７を含むことができる。好ましい実施形態によれば、先端シュラウド５５の先行部分６６の分岐通路７５のそれぞれは、冷却チャネル３３と成す接続部から回転方向６４に延在することができる。先端シュラウド５５の様々な領域をこのように配置し画定すると、出口ポート３７は、先行部分６６と負圧側部分６９との交差部によって画定された先端シュラウド５５の外周側表面６０の領域内に配置されるものとして説明することができる。この配置の１つの利点は、冷却剤は、このように吐出されると、エーロフォイル２５の負圧側の面２７に向かって導かれるかまたは向けられ、したがって、エーロフォイル２５の負圧側の面２７の上に覆いかぶさる先端シュラウド５５の縁に沿って流路により入りやすくなることである。認識されるように、圧力側の面２６に沿って再流入すると流路をより大きく妨害することを考えれば、これは空力損失を低減する。さらに、エーロフォイル２５の負圧側の面２７の近くの低圧領域のより近くに導入される冷却剤は、タービン１２を通る作動流体の流れの一部分になりやすく、シールレール５７を越える漏れ流れになりにくい。好ましい実施形態によれば、先端シュラウド５５の跡追い部分６７の分岐通路７５は、冷却チャネル３３とそれぞれが成す接続部から回転方向６４の反対方向にまたは回転方向６４の方向に延在することができる。認識されるように、（図示のように）特定の形状の先端シュラウド５５の幾何学的制約によってこの配置が多少必要になる場合がある。認識されるように、先端シュラウド５５の跡追い部分６７の空力状態は、先行部分６６の空力状態とは異なる場合があり、これらの違いは、回転方向と合わせた配置に関する上記の空力的な利点には影響が少ないことを一般的には意味する。
【００２８】
本発明の別の態様によれば、１つまたは複数の分岐通路７５は、内周側隅肉領域７１を横切るように構成することができる。図１２の例示的な配置に示すように、分岐通路７５は、典型的には、先端シュラウド５５の内周側表面６１とエーロフォイル２５の負圧側の面２７との間に形成される内周側隅肉領域７１の中を通って延在するように構成することができる。説明したように、隅肉領域は冷却しにくい領域でありながら作動中には高い応力になるため、この配置は特に有利となる場合がある。図１３に示すように、第２の分岐通路７５をつけ加えることによって、隅肉領域７１およびその周りの領域の冷却要件にさらに対処することができる。このような場合、図示のように、分岐通路７５の出口ポート３７は、先端シュラウド５５の縁６３を貫通して形成することができる。これは、この領域がさらに冷却の恩恵を受け、隅肉領域７１内をより広く包含できるようにするための方法として行うことができる。理解されるように、隅肉領域７１などの高応力またはクリープが厳しい場所の先端シュラウド温度を改善することは構成部品の寿命を延長し、一方、冷却剤を効率的に使用することは空力的な段の効率を改善する。出願人は、熱プロファイルの研究、構造クリープ解析、および計算流体力学解析によってこのような性能の利点を確認した。
【００２９】
認識されるように、本出願の冷却構成によって、本発明の他の態様に従えば、それらを製造するための効率的な製造プロセスが可能になる。当業者には明らかなように、これらの方法は、鋳造プロセス中に製造される特徴部を、ロータブレードの鋳造が完了した後に鋳造後プロセスによって生成することができる他の特徴部と組み合わせることを含むことができる。鋳造後プロセスは、穿孔、旋削、鋳造構成部品などへの非一体の部品の取付を含むことができる。これらの様々なプロセスは、本明細書で説明する複雑な冷却配置を費用効果のあるように生成するためにそれぞれの利点を活用するように組み合わせることができる。このような技法は、本明細書で説明する構成に一致するように、新規のロータブレードを製造するか、または既存のロータブレードを改造するために使用することができることは理解されるであろう。例えば、特定の好ましい実施形態によれば、冷却チャネル３３は従来の鋳造プロセスによって形成することができ、一方、分岐通路７５は、従来の機械的な穿孔プロセス、ならびに制御可能な電解加工または放電加工プロセスを含むことができる鋳造後の特徴部として構成される。
【００３０】
図１１および図１２に示すように、かつ、図１３から図１５の実施形態をさらに参照すると、冷却チャネル３３および分岐通路７５は、冷却剤の流れを先端シュラウド５５全体に望ましく分配するための様々な出口ポート３７の特徴部を含むことができる。認識するように、これらの特徴部は、鋳造プロセスを用いてロータブレード１６を形成した後に製造することができ、したがって、本明細書では、鋳造後特徴部と称することができる。例えば、出口ポート３７は、タービンブレード１６およびその中に画定された冷却チャネル３３が従来の鋳造プロセスで製造された後に、溶接、ロウ付け、機械的な取付などの従来の手段で取り付けられた非一体物のプラグ８５で塞ぐことができる。より詳細には、冷却チャネル３３の１つまたは複数は非一体物のプラグ８５によって塞ぐことができ、プラグ８５は、取り付けたとき、プラグ８５の表面が先端シュラウド５５の外周側表面６０に対して同一平面となり、それによってその表面の一部分を画定するように構成される。代替の実施形態によれば、プラグ８５は、対応する冷却チャネル３３を部分的に、または完全に塞ぐことができる。例えば、図１２に示すように、プラグ８５は冷却チャネル３３を部分的に塞ぐ。このような場合、プラグ８５はプラグポート８６を画定するように構成され、このプラグポート８６は、プラグ８５がなければ塞がれていない冷却チャネル３３の出口ポート３７によって画定されるであろう流路断面積より小さな流路断面積を有する。あるいは、図１３は、代替の実施形態による冷却構成を含む先端シュラウド付きタービンロータブレード１６の断面斜視図で、この実施形態では、プラグ８５は、対応する冷却チャネル３３を完全に塞いでいる。より詳細には、実質的に全供給冷却剤が、冷却チャネル３３に接続された１つまたは複数の分岐通路７５内に導かれるように、プラグ８５は冷却チャネル３３の開口を塞ぐように構成される。図示のように、図１３もまた、多数の分岐通路７５が単一の冷却チャネル３３に接続する本発明による冷却構成の例を示す。
【００３１】
図１４は、本発明の代替の実施形態による冷却構成を含む先端シュラウド付きタービンロータブレードの上面図であり、図１５は、図１４の視線１５−１５に沿う断面斜視図である。図示のように、この場合、供給プレナム８７を先端シュラウド５５の外周側表面６０の近くに形成することができる。供給プレナム８７は、供給プレナム８７に接続してそこから延在する多数の分岐通路７５に冷却剤を供給するように構成することができる。供給プレナム８７には、エーロフォイル２５の中を通って延在する冷却チャネル３３の１つまたは複数によって冷却材を供給することができる。冷却剤は、供給プレナム８７から、供給プレナム８７に接続する分岐通路７５に望むように分配および調量することができる。図１５に示すように、供給プレナム８７に接続する多数の分岐通路７５は、いくつかの異なるサイズおよび配置を含むことができる。分岐通路７５のいくつかは、すでに説明したように、先端シュラウド５５の外周側表面６０を横切り、そこに出口ポート３７を形成することができる。分岐通路７５の他の通路は、先端シュラウド５５の縁６３に形成された出口ポート３７に延在することができる。
【００３２】
特定の好ましい実施形態によれば、供給プレナム８７は非一体物のプレナムカバー８９によって封鎖することができる。プレナムカバー８９は、非一体物のプラグ８５が冷却チャネル３３に対して機能する仕方と同様に、供給プレナム８７に対して機能することができる。例えば、プレナムカバー８９は、供給プレナム８７を完全に、または図示のように部分的に封鎖することができる。より詳細には、プレナムカバー８９は、供給プレナム８７に送られた冷却剤の一部分を吐出するためにいくつかのカバーポート９０を含むことができる。認識されるように、プレナムカバー８９を貫通するカバーポート９０、先端シュラウド５５の外周側表面６０を貫通して形成される出口ポート３７に延在する分岐通路７５、および／または先端シュラウド５５の縁６３を貫通して形成される出口ポート３７に延在する分岐通路７５の相対的な断面サイズは、冷却剤が先端シュラウド全体に、および先端シュラウドの周りに望ましく分配されるよう構成することができる。このような分配は、分岐通路７５を通る流量レベル、および先端シュラウド５５の外側領域に沿う冷却のために必要な吐出レベルを考慮することができる。これらの例示的な実施形態のそれぞれと同様に、性能面での利点は、部品寿命の延長、故障の危険性の低下、および強制停止の危険性の最小化を含むことができる。本明細書で説明するいくつかの実施形態によれば、本発明の分岐通路７５は、先端シュラウドの局所的な温度を下げるとともに、構成部品を所望の温度レベルに維持するために必要な供給冷却剤を低減することによって段の空力効率を改善するように機能する。
【００３３】
次に、図１６から図２４を参照すると、本発明の代替の態様が開示されている。認識されるように、図１６および図１７はそれぞれ、先端シュラウド５５の外周側表面６０から吐出された冷却剤を有利に導くために用いることができる流れ案内構造体の例示的な実施形態を有する先端シュラウド５５の上面図および斜視図である。特定の実施形態によれば、流れ案内構造体はシュラウドフェンス９１を含む。シュラウドフェンス９１は、混合損失または空力損失を制限するとともに、先端シュラウドからの冷却剤の吐出に関連する冷却の非効率を低減するように構成することができる。より詳細には、特定の好ましい実施形態によれば、シュラウドフェンス９１は、図示のように、出口ポート３７の１つまたは複数の近くで先端シュラウド５５の外周側表面６０に構成することができる。認識されるように、シュラウドフェンス９１は、図１１から図１５に関して上記で説明した先端シュラウド冷却の特徴部と併せて使用することができる。あるいは、シュラウドフェンス９１は別個に使用することもできる。
【００３４】
シュラウドフェンス９１は、例示的な実施形態によれば、先端シュラウド５５の外周側表面６０に画定された経路に沿って延在する細長い突出したフェンス状の構造体を含むことができる。シュラウドフェンス９１は、外周側表面６０に対して急峻な側面を含むことができる。シュラウドフェンス９１は、図示のように、シュラウドフェンス９１の経路の長さに対して、比較的低い高さ（すなわち、ほぼ半径方向に延在する寸法）、および薄い厚さ（すなわち、ほぼ周方向に延在する長さ）を有することができる。例として、シュラウドフェンス９１の半径方向高さは、シールレール５７の半径方向高さに比較することによって説明することができる。図示のように、シュラウドフェンス９１の半径方向高さは、シールレール５７の半径方向高さの半分より低い。好ましい実施形態によれば、シュラウドフェンス９１の半径方向高さは、シールレール５７の半径方向高さの約０．３より低くすることができる。シュラウドフェンス９１の半径方向高さが、シールレール５７の半径方向高さの約０．０５から０．２５との間にすることができることがより好ましい。シュラウドフェンス９１の厚さは、例示的な実施形態によれば、半径方向高さより薄い場合がある。シュラウドフェンス９１の半径方向高さと厚さとは、シュラウドフェンス９１が先端シュラウド５５の外周側表面６０に沿って延在するとき、同じ、またはほぼ同じにすることができる。理解すべきように、高さおよび厚さが変わることを含む構成もまた可能である。例えば、図示のように、シュラウドフェンス９１を一端で先細にすることができる。さらに、特定の実施形態によれば、シュラウドフェンス９１は、外周側表面６０に成す経路に沿って連続して延在することができる、すなわち、一端から他端まで途切れることなく延在することができる。あるいは、シュラウドフェンス９１に断続的に切れ目が含まれる構成もまた可能である。
【００３５】
図示のように、シュラウドフェンス９１は、図１６にシールレール５７と一直線状に配置されて示されたロータブレード１６の回転方向に対してほぼ垂直に、または急峻な角度で配置することができる。シュラウドフェンス９１は、先端シュラウド５５の先行部分６６および跡追い部分６７の一方または両方に含むことができる。先端シュラウド５５の先行部分６６に関しては、シュラウドフェンス９１は、シールレール５７の近くに配置された後方端から、先端シュラウド５５の周縁または縁６３の近くに配置された前方端まで延在することができる。より詳細には、図１６の実施形態によれば、シュラウドフェンス９１は、シールレール５７に当接する、または接続する後方端から、縁６３の近くに配置された点へ先細になっていく前方端まで軸方向に延在することができる。好ましい実施形態によれば、前方端の先細点は、エーロフォイル２５の前縁２８の上を覆いかぶさるように配置することができる。先端シュラウド５５の跡追い部分６７のシュラウドフェンス９１に関しては、シールレール５７の近くに配置された前方端から、先端シュラウド５５の縁６３の近くに配置された後方端まで延在することができる。より詳細には、図１６に示すように、シュラウドフェンス９１は、シールレール５７に当接する、または接続する前方端から、先端シュラウド５５の縁６３の近くに配置された点へ先細になっていく後方端まで軸方向に延在することができる。好ましい実施形態によれば、後方端の先細点は、エーロフォイル２５の後縁２９の上を覆いかぶさるように配置することができる。
【００３６】
前に説明したように、先端シュラウド５５の外周側表面６０は、エーロフォイル２５の中を通って延在する冷却チャネル３３に接続する１つまたは複数の出口ポート３７を含むことができる。これらの出口ポート３７は、図示のように、先端シュラウド５５の外周側表面６０にわたって整列し、典型的には、外周側表面６０のエーロフォイルプロファイル内に配置することができる。上記のように、エーロフォイルプロファイルは、先端シュラウド５５の外周側表面６０に半径方向に投影されたエーロフォイルの外形のことを指し、それは、図１６および図１７に破線で示されており、先端シュラウド５５の外周側表面６０のエーロフォイル部分７２と称することができる。普通の配置によれば、さらに図示のように、出口ポート３７は、ほぼエーロフォイルのキャンバ線に沿って配置することができる。例示的な実施形態によれば、シュラウドフェンス９１は、エーロフォイルプロファイルまたはそのセクションまたはセグメントとほぼ一致する経路に沿って構成することができる。図１６に示すように、好ましい実施形態によれば、シュラウドフェンス９１は、エーロフォイル２５の圧力側２６のプロファイルと一致する経路に沿ってシールレール５７から延在する。認識されるように、回転方向を考えると、この構成によってシュラウドフェンス９１は、出口ポート３７を回転方向に跡追いすることになる（すなわち、作動中、ロータブレード１６が回転すると、シュラウドフェンス９１は出口ポート３７を跡追いする）。好ましい実施形態によれば、シュラウドフェンス９１は、出口ポート３７のそれぞれ、または、少なくとも複数の出口ポート３７を回転方向に跡追いするように構成することができる。図１６に示すように、先端シュラウド５５の先行部分６６のシュラウドフェンス９１は、最も前方の出口ポート３７と最も後方の出口ポート３７との間に画定された軸方向範囲の端から端まで延在する、またはその範囲にわたるものとして説明することができる。同様に、先端シュラウド５５の跡追い部分６７に関しては、シュラウドフェンス９１は、最も前方の出口ポート３７と最も後方の出口ポート３７との間に画定された軸方向範囲にわたることができる。他の構成もまた可能である。
【００３７】
次に、図１８および図１９を参照すると、シュラウドフェンス９１の代替の構成が示されている。図示のように、シュラウドフェンス９１の端部は、出口ポート３７の１つの周りを回り込む、またはその周りを湾曲する回り込み尾部９２を含むことができる。好ましい実施形態によれば、この出口ポート３７は、シールレール５７から最も離れて配置されたものとすることができる。したがって、先端シュラウド５５の先行部分６６のシュラウドフェンス９１に関しては、シュラウドフェンス９１は、シールレール５７の近くに配置された後方端から、先端シュラウド５５の縁６３の近くで終端となることができる回り込み尾部９２を含む前方端まで延在することができる。特定の好ましい実施形態によれば、シュラウドフェンス９１は、シールレール５７に当接する、または接続する後方端から、最も前方の出口ポート３７の周りを少なくとも部分的に回り込む前方端まで軸方向に延在する。先端シュラウド５５の跡追い部分６７のシュラウドフェンス９１に関しては、シュラウドフェンス９１は、シールレール５７の近くに配置された前方端から、先端シュラウド５５の縁６３の近くで終端となることができる回り込み尾部９２を含む後方端まで延在することができる。特定の好ましい実施形態によれば、シュラウドフェンス９１は、シールレール５７に当接する、または接続する前方端から、最も後方の出口ポート３７を少なくとも部分的に回り込む後方端まで軸方向に延在することができる。
【００３８】
次に、図２０および図２１を参照すると、シュラウドフェンス９１の別の代替の構成が示されている。図示のように、この場合は、外周側表面６０のシュラウドフェンス９１の経路は、それで画定された領域を取り囲み、実質的に封鎖する。この封鎖される領域は、シールレール５７のどちらの側にも配置することができる。したがって、外周側表面６０の先行部分６６に関しては、シュラウドフェンス９１は、シールレール５７の近くに配置された第１の端部から、先端シュラウド５５の縁６３に向かって延在し、そこから折り返して、これもシールレール５７の近くに配置された第２の端部まで延在する。より詳細には、先行部分６６のシュラウドフェンス９１は、シールレール５７に当接する、または接続する第１の端部から、エーロフォイル２５の前縁２８の上をほぼ覆いかぶさる外周側表面６０の位置まで軸方向に延在することができる。その位置から、シュラウドフェンス９１は、シールレール５７に向かって戻るように鋭く曲がって続き、シールレール５７に当接する、または接続する第２の端部まで延在する。同様に、先端シュラウド５５の跡追い部分６７に関しては、シュラウドフェンス９１は、シールレール５７の近くに配置された第１の端部から、先端シュラウド５５の縁６３に向かって延在し、そこから折り返して、シールレール５７の近くに配置された第２の端部まで延在することができる。より詳細には、図示のように、シュラウドフェンス９１は、シールレール５７に当接する、または接続する第１の端部から、エーロフォイル２５の後縁２９の上をほぼ覆いかぶさる外周側表面６０の位置まで軸方向に延在することができる。その位置から、シュラウドフェンス９１は、シールレール５７に向かって戻るように鋭く曲がって、シールレール５７に当接する、または接続する第２の端部まで延在して続く。特定の好ましい実施形態によれば、シュラウドフェンス９１によって外周側表面６０に封鎖される領域は、エーロフォイルプロファイルと一致することができる。すなわち、シールレール５７のそれぞれの側に対して、折り返すシュラウドフェンス９１の経路はエーロフォイルプロファイルと一致することができる。したがって、先端シュラウド５５の先行部分６６では、シュラウドフェンス９１は、エーロフォイル２５の先行する半分の形状に近く、一方、先端シュラウド５５の跡追い部分６７では、シュラウドフェンス９１は、エーロフォイル２５の跡追いする半分の形状に近い。特定の好ましい実施形態によれば、シュラウドフェンス９１によって封鎖される領域は、半径方向に延在する冷却チャネル３３の出口ポート３７のいくつかを含むことができる。
【００３９】
図２２から図２４に示すように、先端シュラウド５５の外周側表面６０の流れ案内構造体の代替の構成が示されている。認識されるように、すでに説明したシュラウドフェンス９１に関連した特定の機能および性能の利点が、凹状ポケット（本明細書では「シュラウド凹部９３」と称する）によって達成される。シュラウド凹部９３は、先端シュラウド５５の外周側表面６０の内部に入るように形成することができ、凹んだ床部９４を先端シュラウド５５の外周側表面６０に接続する急峻な側壁９５を含むことができる。特定の好ましい実施形態によれば、図示のように、シュラウド凹部９３が占める領域はエーロフォイルプロファイルと一致することができる。半径方向に延在する冷却チャネル３３は、凹んだ床部９４を貫通して形成された出口ポート３７を含むことができる。凹んだ床部９４に多数の出口ポート３７を含むことができる。
【００４０】
代替の構成によれば、図２４に示すように、凹部のカバープレート９６がシュラウド凹部９３を塞ぐことができる。凹部のカバープレート９６は、冷却チャネル３３によってシュラウド凹部９３に送られた冷却剤を吐き出すための多数の穴９７を含むことができる。認識されるように、凹部のカバープレート９６は、冷却チャネルから吐出された冷却剤の流れを弱め、さらに、広い領域にわたって吐出された冷却剤を減速させ、分散することによって混合損失の負の影響を低減するフィルタキャップとして機能することができる。前に説明した実施形態に関して示したように、穴９７は、混合損失をさらに低減するように角度を付ける、または傾けることができる。例えば、好ましい実施形態によれば、穴９７は、ロータブレード１６の回転方向に傾けることができる。別の実施形態によれば、穴９７は下流方向に傾けることができる。先端シュラウド５５の先行部分６６に配置された穴９７の場合、これは、シールレール５７の方へ向けることができ、より詳細には、シールレール５７と先端シュラウド５５の外周側表面６０とを接続する外周側隅肉領域７０の方へ向けることができる。認識されるように、このような構成は、吐出された冷却剤とエーロフォイルの外周側先端の二次流れとの混合をさらに低減することができる。
【００４１】
作動中、認識されるように、シュラウドフェンス９１および／またはシュラウド凹部９３は、先端シュラウド５５の外周側表面６０から吐出される冷却剤の混合損失を低減するように機能することができる。さらに、本発明は、特定の外部領域に対する冷却効果を強化するように、かつ／または、望ましくない他の領域への移動を低減するように、吐出される冷却剤の流れを導くように使用することができる。このようにして、冷却不足に対処することができ、かつ／または、吐出される冷却剤を、混合損失を最小にする流路への再流入に向けて導くことができる。
【００４２】
当業者であれば認識するように、いくつかの例示的な実施形態に関する上記の多くの異なる特徴および構成をさらに選択的に適用して、本発明の他の可能な実施形態を形成することができる。簡潔にするため、かつ当業者の能力を考慮して、本明細書では、起こり得る繰り返しの部分のすべてを提供していない、または詳しく説明していないが、下記のいくつかの請求項またはその他に包含されるすべての組合せおよび考えられる実施形態は本出願の一部であることを意図する。さらに、本発明のいくつかの例示的な実施形態についての上記の説明から、当業者は、改良、変更、および修正を認識するであろう。当該技術分野の範囲内にあるこのような改良、変更、および修正はまた、添付の特許請求の範囲によって包含されるように意図される。さらに、以上の説明は、本出願で説明した実施形態に関するものにすぎず、以下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本出願の精神および範囲から逸脱することなくここで多くの変更および修正を行うことができることは明らかなはずである。
【符号の説明】
【００４３】
１０  ガスタービン
１１  軸流圧縮機
１２  タービン
１３  燃焼器
１４  圧縮機ロータブレード
１５  圧縮機ステータブレード
１６  タービンロータブレード
１７  タービンステータブレード
２１  翼根
２２  ダブテール
２３  シャンク
２４  プラットフォーム
２５  エーロフォイル
２６  圧力側の面
２７  負圧側の面
２８  前縁
２９  後縁
３１  外周側先端
３３  冷却チャネル
３５  冷却剤送出部
３７  出口ポート
５５  先端シュラウド
５７  シールレール
５８  カッタ歯
５９  接触面
６０  外周側表面
６１  内周側表面
６３  縁
６４  回転方向
６６  先行部分
６７  跡追い部分
６８  圧力側部分
６９  負圧側部分
７０  外周側隅肉領域
７１  内周側隅肉領域
７２  エーロフォイル部分
７５  分岐通路
７８  吐出角度
７９  吐出方向
８１  吐出角度
８２  基準線
８５  プラグ
８６  プラグポート
８７  供給プレナム
８９  プレナムカバー
９０  カバーポート
９１  シュラウドフェンス
９２  回り込み尾部
９３  シュラウド凹部
９４  凹んだ床部
９５  側壁
９６  凹部のカバープレート
９７  穴
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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