(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼形部（２５）を含むガスタービン（１０）のタービン用ロータブレード（１６）であって、前記翼形部（２５）は、前縁（２８）と、後縁（２９）と、外側先端部（３１）と、前記ロータ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根元部（２１）に取り付けられる内側端部と、を有し、前記翼形部（２５）は、前記翼形部（２５）を通って冷媒を受け入れ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、前記ロータブレードは、
前記翼形部（２５）の前記外側先端部（３１）に接続された先端シュラウド（５５）と、
前記先端シュラウド（５５）の外側表面（６０）を貫通して画定され、かつ前記ロータブレードから冷媒を排出するために前記冷却チャネル（３３）と流体連通する出口ポート（３７）と、
前記先端シュラウド（５５）の前記外側表面（６０）上に形成され、かつ前記出口ポート（３７）から排出される前記冷媒の流れに影響を及ぼすように前記出口ポート（３７）の正圧側に配置され、負圧側に配置されない流れ誘導構造体と、を含むタービン用ロータブレード（１６）。
【請求項２】
翼形部（２５）を含むガスタービン（１０）のタービン用ロータブレード（１６）であって、前記翼形部（２５）は、前縁（２８）と、後縁（２９）と、外側先端部（３１）と、前記ロータ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根元部（２１）に取り付けられる内側端部と、を有し、前記翼形部（２５）は、前記翼形部（２５）を通って冷媒を受け入れ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、前記ロータブレードは、
前記翼形部（２５）の前記外側先端部（３１）に接続された先端シュラウド（５５）と、
前記先端シュラウド（５５）の外側表面（６０）を貫通して画定され、かつ前記ロータブレードから冷媒を排出するために前記冷却チャネル（３３）と流体連通する複数の出口ポート（３７）と、
前記先端シュラウド（５５）の前記外側表面（６０）上に形成され、かつ前記複数の出口ポート（３７）から排出される前記冷媒の流れに影響を及ぼすように前記複数の出口ポート（３７）を完全に包囲する流れ誘導構造体と、を含み、
前記先端シュラウド（５５）は、前記翼形部（２５）の前記外側先端部（３１）で前記翼形部（２５）によって支持される、軸方向かつ円周方向に延在する実質的に平面の構成要素を含み、
前記流れ誘導構造体はシュラウドフェンス（９１）を含み、前記シュラウドフェンス（９１）は、前記先端シュラウド（５５）の前記外側表面（６０）から半径方向に突出し、かつ前記先端シュラウド（５５）の前記外側表面（６０）上に画定された経路に沿って延在する細長いフェンス状構造体を含む、タービン用ロータブレード（１６）。
【請求項３】
前記先端シュラウド（５５）は、前記翼形部（２５）の前記外側先端部（３１）で前記翼形部（２５）によって支持される、軸方向かつ円周方向に延在する実質的に平面の構成要素を含み、
前記流れ誘導構造体はシュラウドフェンス（９１）を含み、前記シュラウドフェンス（９１）は、前記先端シュラウド（５５）の前記外側表面（６０）から半径方向に突出し、かつ前記先端シュラウド（５５）の前記外側表面（６０）上に画定された経路に沿って延在する細長いフェンス状構造体を含む、請求項１に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項４】
前記先端シュラウド（５５）は、前記先端シュラウド（５５）の前記外側表面（６０）から半径方向外側に突出し、かつ前記ロータブレードの回転方向（６４，８４）に円周方向に延在するシールレール（５７）を含み、
前記シュラウドフェンス（９１）は、先端シュラウド（５５）の前記外側表面（６０）に対してほぼ垂直に配置された急峻な側面を含み、
前記シュラウドフェンス（９１）の半径方向の高さは、前記シールレール（５７）の半径方向の高さの半分よりも小さい、請求項３に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項５】
前記シュラウドフェンス（９１）の前記経路は、後端部と前端部との間に画定された長さの間に軸方向に延在し、
前記シュラウドフェンス（９１）の前記半径方向の高さは、前記シールレール（５７）の前記半径方向の高さの０．０５〜０．２５を含み、
前記シュラウドフェンス（９１）の前記厚さは、前記シュラウドフェンス（９１）の前記半径方向の高さよりも小さい、請求項４に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項６】
前記先端シュラウド（５５）の前記外側表面（６０）は、前記翼形部（２５）の前記前縁（２８）にオーバーハングす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、前記翼形部（２５）の前記後縁（２９）にオーバーハングするように前記シールレール（５７）から後方に延在する後行部分（６７）と、を含み、
前記シュラウドフェンス（９１）は前記先端シュラウド（５５）の前記先行部分（６６）に配置され、前記シュラウドフェンス（９１）は、前記シールレール（５７）の近くに配置された後端部から前記先端シュラウド（５５）の周縁部（６３）の近くに配置された前端部まで延在する、請求項４に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項７】
前記先端シュラウド（５５）の前記外側表面（６０）は、前記翼形部（２５）の前記前縁（２８）にオーバーハングす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、前記翼形部（２５）の前記後縁（２９）にオーバーハングするように前記シールレール（５７）から後方に延在する後行部分（６７）と、を含み、
前記シュラウドフェンス（９１）は、前記外側表面（６０）の先行部分（６６）および後行部分（６７）の各々の上に配置されたシュラウドフェンス（９１）を含み、
前記先行部分（６６）に配置された前記シュラウドフェンス（９１）は、前記シールレール（５７）の近くに配置された後端部から前記先端シュラウド（５５）の周縁部（６３）の近くに配置された前端部まで延在し、
前記後行部分（６７）に配置された前記シュラウドフェンス（９１）は、前記シールレール（５７）の近くに配置された前端部から前記先端シュラウド（５５）の周縁部（６３）の近くに配置された後端部まで延在する、請求項４に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項８】
前記外側表面（６０）の前記先行部分（６６）の前記シュラウドフェンス（９１）は、前記シールレール（５７）に接続する後端部から、前記翼形部（２５）の前記前縁（２８）にほぼオーバーハングする位置の点に向かって先細になる前端部まで軸方向に延在し、
前記外側表面（６０）の前記後行部分（６７）の前記シュラウドフェンス（９１）は、前記シールレール（５７）に接続する前端部から、前記翼形部（２５）の前記後縁（２９）にほぼオーバーハングする位置の点に向かって先細になる後端部まで軸方向に延在する、請求項７に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項９】
前記外側表面（６０）の前記先行部分（６６）および前記後行部分（６７）は、それぞれ前記出口ポート（３７）のうちの複数を含み、
前記外側表面（６０）の前記先行部分（６６）上のシュラウドフェンス（９１）は、外側表面（６０）の前記先行部分（６６）上に配置された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跨がっており、
前記外側表面（６０）の前記後行部分（６７）上のシュラウドフェンス（９１）は、外側表面（６０）の前記後行部分（６７）上に配置された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跨がっている、請求項７に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項１０】
前記外側表面（６０）の前記先行部分（６６）上の前記シュラウドフェンス（９１）は、前記最も前方の出口ポート（３７）の周りで湾曲するラッピングテール（９２）を含み、
前記外側表面（６０）の前記後行部分（６７）上の前記シュラウドフェンス（９１）は、前記最も後方の出口ポート（３７）の周りで湾曲するラッピングテール（９２）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１１】
前記先端シュラウド（５５）は、前記翼形部（２５）の前記外側先端部（３１）で前記翼形部（２５）によって支持される、軸方向かつ円周方向に延在する実質的に平面の構成要素を含み、
前記流れ誘導構造体はシュラウドフェンス（９１）を含み、前記シュラウドフェンス（９１）は、前記先端シュラウド（５５）の前記外側表面（６０）から半径方向に突出し、かつ前記先端シュラウド（５５）の前記外側表面（６０）上に画定された経路に沿って延在する細長いフェンス状構造体を含み、
前記シュラウドフェンス（９１）は、前記シュラウドフェンス（９１）が前記出口ポート（３７）を回転して追跡するように前記外側表面（６０）上に配置され、
前記冷却チャネル（３３）の各々の上流側端部は、前記冷媒の供給を前記冷却チャネル（３３）の各々に送達するために前記ロータブレードの前記根元部（２１）を貫通して形成された冷媒供給部（３５）に接続され、
前記流れ誘導構造体は、前記翼形部（２５）のプロファイルと一致するように配置される、請求項１乃至１０のいずれかに記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項１２】
前記シュラウドフェンス（９１）の前記経路は、前記翼形部（２５）のプロファイルの延長部分とほぼ一致する、請求項１１に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項１３】
翼形部（２５）を含むガスタービン（１０）のタービン用ロータブレード（１６）であって、前記翼形部（２５）は、前縁（２８）と、後縁（２９）と、外側先端部（３１）と、前記ロータ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根元部（２１）に取り付けられる内側端部と、を有し、前記翼形部（２５）は、前記翼形部（２５）を通って冷媒を受け入れ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、前記ロータブレードは、
前記翼形部（２５）の前記外側先端部（３１）に接続された先端シュラウド（５５）と、
前記先端シュラウド（５５）の外側表面（６０）を貫通して画定され、かつ前記ロータブレードから冷媒を排出するために前記冷却チャネル（３３）と流体連通する複数の出口ポート（３７）と、
前記先端シュラウド（５５）の前記外側表面（６０）上に形成され、かつ前記複数の出口ポート（３７）から排出される前記冷媒の流れに影響を及ぼすように前記複数の出口ポート（３７）を完全に包囲する流れ誘導構造体と、を含み、
前記先端シュラウド（５５）は、前記翼形部（２５）の前記外側先端部（３１）で前記翼形部（２５）によって支持される、軸方向かつ円周方向に延在する実質的に平面の構成要素と、前記先端シュラウド（５５）の前記外側表面（６０）から半径方向外側に突出し、かつ前記ロータブレードの回転方向（６４，８４）に円周方向に延在するシールレール（５７）とを含み、
前記流れ誘導構造体はシュラウドフェンス（９１）を含み、前記シュラウドフェンス（９１）は、前記先端シュラウド（５５）の前記外側表面（６０）から半径方向に突出し、かつ前記先端シュラウド（５５）の前記外側表面（６０）上に画定された経路に沿って延在する細長いフェンス状構造体を含み、
前記先端シュラウド（５５）の前記外側表面（６０）は、前記翼形部（２５）の前記前縁（２８）にオーバーハングす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、前記翼形部（２５）の前記後縁（２９）にオーバーハングするように前記シールレール（５７）から後方に延在する後行部分（６７）と、を含み、
前記シュラウドフェンス（９１）は、前記外側表面（６０）の前記先行部分（６６）上に配置され、前記先行部分（６６）上に画定される領域を実質的に囲むように構成される、タービンロータブレード（１６）。
【請求項１４】
前記外側表面（６０）の前記先行部分（６６）上の前記シュラウドフェンス（９１）は、前記シールレール（５７）の近くに配置された第１の端部から前記先端シュラウド（５５）の前記先端シュラウド（５５）の周縁部（６３）に近い位置に向かって延在し、かつ、前記先端シュラウド（５５）の前記周縁部（６３）に近い位置から、前記シールレール（５７）の近くに配置された第２の端部まで環状に戻る、請求項１３に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項１５】
前記外側表面（６０）の前記先行部分（６６）上の前記囲まれた領域は、前記外側表面（６０）の前記先行部分（６６）上の前記翼形部（２５）のプロファイルと実質的に一致するプロファイルを含み、
前記外側表面（６０）の前記先行部分（６６）上の前記囲まれた領域は、前記冷却チャネル（３３）に接続される前記出口ポート（３７）のうちの複数を含む、請求項１４に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項１６】
前記シュラウドフェンス（９１）は、前記外側表面（６０）の先行部分（６６）および後行部分（６７）の各々の上に配置された前記シュラウドフェンス（９１）のうちのいくつかを含み、
前記後行部分（６７）上の前記シュラウドフェンス（９１）は、前記外側表面（６０）の前記後行部分（６７）に画定された領域を実質的に囲むように構成される、請求項１３に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項１７】
前記外側表面（６０）の前記先行部分（６６）上の前記シュラウドフェンス（９１）は、前記シールレール（５７）に接続する第１の端部から前記翼形部（２５）の前記前縁（２８）にほぼオーバーハングする前記外側表面（６０）上の位置まで軸方向に延在し、前記翼形部（２５）の前記前縁（２８）にほぼオーバーハングする前記外側表面（６０）上の前記位置から、湾曲して前記シールレール（５７）に向かって、前記シールレール（５７）に接続する第２の端部まで軸方向に延在して戻り、
前記後行部分（６７）上の前記シュラウドフェンス（９１）は、前記シールレール（５７）に接続する第１の端部から前記翼形部（２５）の前記後縁（２９）にほぼオーバーハングする前記外側表面（６０）上の位置まで軸方向に延在し、前記翼形部（２５）の前記後縁（２９）にほぼオーバーハングする前記外側表面（６０）上の前記位置から、湾曲して前記シールレール（５７）に向かって、前記シールレール（５７）に接続する第２の端部まで軸方向に延在して戻る、請求項１６に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項１８】
前記外側表面（６０）の前記先行部分（６６）上の前記囲まれた領域は、前記外側表面（６０）の前記先行部分（６６）上の前記翼形部（２５）のプロファイルと実質的に一致するプロファイルを含み、
前記外側表面（６０）の前記先行部分（６６）上の前記囲まれた領域は、前記冷却チャネル（３３）に接続される前記出口ポート（３７）のうちの複数を含み、
前記外側表面（６０）の前記後行部分（６７）上の前記囲まれた領域は、前記外側表面（６０）の前記後行部分（６７）上の前記翼形部（２５）のプロファイルと一致し、
前記外側表面（６０）の前記後行部分（６７）上の前記囲まれた領域は、前記冷却チャネル（３３）に接続される前記出口ポート（３７）のうちの複数を含む、請求項１７に記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項１９】
翼形部（２５）を含むガスタービン（１０）のタービン用ロータブレード（１６）であって、前記翼形部（２５）は、前縁（２８）と、後縁（２９）と、外側先端部（３１）と、前記ロータ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根元部（２１）に取り付けられる内側端部と、を有し、前記翼形部（２５）は、前記翼形部（２５）を通って冷媒を受け入れ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、前記ロータブレードは、
前記翼形部（２５）の前記外側先端部（３１）に接続された先端シュラウド（５５）と、
前記先端シュラウド（５５）の外側表面（６０）を貫通して画定され、かつ前記ロータブレードから冷媒を排出するために前記冷却チャネル（３３）と流体連通する複数の出口ポート（３７）と、
前記先端シュラウド（５５）の前記外側表面（６０）上に形成され、かつ前記複数の出口ポート（３７）から排出される前記冷媒の流れに影響を及ぼすように前記複数の出口ポート（３７）を完全に包囲する流れ誘導構造体と、を含み、
前記先端シュラウド（５５）の前記外側表面（６０）上の前記流れ誘導構造体は、前記先端シュラウド（５５）の前記外側表面（６０）に形成された窪んだポケットを含むシュラウド凹部（９３）を含み、
前記シュラウド凹部（９３）は、凹部床（９４）を前記先端シュラウド（５５）の前記外側表面（６０）に接続する急峻な側壁（９５）を含み、
前記凹部床（９４）は、前記冷却チャネル（３３）に接続する前記出口ポート（３７）のうちの複数を含み、 凹部カバープレートは前記シュラウド凹部（９３）を囲み、前記凹部カバープレート（９６）は、前記凹部床（９４）を介して形成された前記出口ポート（３７）によって供給される前記冷媒を排出するための複数の穿孔（９７）を含む、タービンロータブレード（１６）。
【請求項２０】
前記シュラウド凹部（９３）のフットプリントは、前記翼形部（２５）のプロファイルと実質的に一致する、請求項１９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）は、前記先端シュラウド（５５）の前記外側表面（６０）から半径方向外側に突出し、かつ前記ロータブレードの回転方向（６４，８４）に円周方向に延在するシールレール（５７）を含み、
前記ロータブレードは、前記先端シュラウド（５５）の前記外側表面（６０）と前記シールレール（５７）との間で移行する外側フィレット領域（７０）を含み、
前記穿孔（９７）は、前記外側フィレット領域（７０）に向かって傾斜している、請求項１９または２０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におけるブレードの内部冷却チャネルおよび構成に関する。より具体的には、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部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が理解されよう。圧縮機部およびタービン部は、一般的に、段に軸方向にスタックされたブレードの列を含む。各段は、円周方向に間隔をおいて配置される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。動作中、一般に、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して空気流を圧縮する。圧縮空気の供給は、燃料供給を燃焼するために燃焼器において使用される。燃焼により生じた高温膨張ガスの流れ、すなわち作動流体は、エンジンのタービン部を通って膨張する。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。ロータブレードの回転によりシャフトが回転するように、ロータブレードは中心シャフトに接続される。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エネルギーに変換され、例えば、圧縮機のロータブレードを回転させるために用いることができ、燃焼のために必要な圧縮空気を供給し、発電機のコイルを回転させて電力を生成することができる。動作中、高温ガス経路の極端な温度、作動流体の速度、およびエンジンの回転速度のために、タービン内のブレードは極度の機械的負荷および熱的負荷によって高度に応力を受けるようになる。
【０００３】
ますます高まるエネルギー需要のために、より効率的なガスタービンの設計が継続的かつ重要な目的になっている。ガスタービンの効率を高めるためのいくつかの戦略は公知であるが、そのような代替手段は、例えば、エンジンのサイズの増大、高温ガス経路を通る温度の上昇、およびロータブレードの回転速度の増加を含み、一般的には既に多くの応力がかかっている部品にさらなる歪みを加えることになる。その結果、タービンブレードに作用する応力を低減するか、あるいはタービンブレードがこれらの動作応力に良好に耐えるか、またはより効率的に動作することを可能にする、改良された装置、方法および／またはシステムが非常に求められている。
【０００４】
ブレード上の熱応力を緩和するための１つの戦略は、動作中にそれらを積極的に冷却することである。このような冷却は、例えば、ブレードがより高い燃焼温度に耐え、高い動作温度でより大きな機械的応力に耐え、かつ／またはブレードの部品寿命を延ばすことを可能にし、これらのすべてがガスタービンのコスト効率を高め、動作を効率的にすることができる。動作中にブレードを冷却する１つの方法は、内部冷却通路、チャネルまたは回路を使用することである。一般に、これは、ガスタービンの圧縮機によって供給することができる、圧縮空気の比較的低温の供給物を、ブレード内の内部冷却チャネルに通すことを含む。多くの理由から、理解されるように、これらの内部冷却チャネルの構成の設計および製造には非常に注意が必要である。第１に、冷却空気の使用は高価になる。すなわち、冷却のために圧縮機からエンジンのタービン部に迂回される空気は、燃焼器をバイパスし、したがって、エンジンの効率を低下させる。第２に、より新しい、より積極的な形状の空気力学的ブレード構成は、より薄く、より湾曲しているかまたは捻れており、冷却チャネルがコンパクトな設計をしながら良好に機能することを要求する。第３に、機械的負荷を低減するために、ブレードから不要な重量を除去するように冷却チャネルを形成することができる。しかし、極端な機械的負荷に耐えるためにはブレードは依然として強くなければならない。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堅固であり、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領域を効果的に冷却するように設計されなければならない。第４に、冷却構成は、ブレードから出る冷媒が効率的な動作を高めるように構成することができる。具体的には、冷却チャネルから出る冷媒は、ガス経路を通る流れを乱すので、空気力学的損失が生じる。さらに、冷媒が放出される方法は、一旦放出された冷却効果、すなわちブレードの外側表面に影響を及ぼすことがある。したがって、冷却効果を高めつつ、空気力学的損失が最小限に抑えられるように冷媒を放出する冷却構成が望ましい。したがって、構造的堅牢性、部品の寿命および冷媒の効率的な使用を促進する方法で、これらのいくつかの競合する基準を満たす冷却構成が商業的に要求されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】中国特許出願公開第１０４７９１０１８号明細書
【発明の概要】
【０００６】
このように、本出願は、ガスタービンのタービン部用のロータブレードを記載する。ロータブレードは、前縁、後縁、外側先端部、および内側端部を含む翼形部を有することができる。内側端部において、翼形部は、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根元部に取り付けることができる。翼形部は、翼形部を通って冷媒を受け入れて導くための細長い冷却チャネルを含む内部冷却構成を有することができる。ロータブレードは、翼形部の外側先端部に接続された先端シュラウドと、冷却チャネルと流体連通する先端シュラウドの外側表面を貫通して形成された出口ポートと、先端シュラウドの外側表面上に形成された流れ誘導構造体と、をさらに含むことができる。流れ誘導構造体は、出口ポートに対して配置され、出口ポートから排出される冷媒を導くように構成することができる。
【０００７】
本出願のこれらのおよびその他の特徴は、図面および添付した特許請求の範囲と併せて、以下の好ましい実施形態の詳細な説明を検討することにより明らかになろう。
【０００８】
本発明のこれらのおよびその他の特徴は、以下の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よう。
【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用い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部の断面図である。
【図３】図１のガスタービ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用い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に沿った断面図である。
【図６】図４の視線６−６に沿った断面図である。
【図７】図４の視線７−７に沿った断面図である。
【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設置された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に沿った断面斜視図である。
【図１３】本発明の代替的な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】本発明の代替的な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に沿った断面斜視図である。
【図１６】本発明の代替的な実施形態に従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】本発明の代替的な実施形態に従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】本発明の代替的な実施形態に従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】本発明の代替的な実施形態に従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】本発明の代替的な実施形態に従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、以下の説明に記述されるか、またはその説明から明らかにすることができ、あるいは本発明の実施を通じて理解することができる。本発明の実施形態を示すために、ここで詳細に参照を行うが、それの１つまたは複数の実施例を添付の図面に示す。詳細な説明は、図面中の特徴を参照するために、数字の符号を用いる。図面および説明の同様のまたは類似の符号は、本発明の実施形態の同様のまたは類似の部品を指すために用いることができる。理解されるように、各実施例は本発明の説明のために提供するものであって、本発明を限定するものではない。実際、本発明の範囲または趣旨を逸脱せずに、修正および変更が本発明において可能であることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として図示または記載する特徴は、さらに別の実施形態を与えるために、別の実施形態で用いることができる。よって、本発明は、添付の請求項およびそれらの均等物の範囲内にある、そのような修正形態および変形形態をカバーすることを意図している。本明細書で述べる範囲および限界は、特に断らない限り、その限界自体を含み、所定の限界内にあるすべての下位範囲を含むことを理解されたい。さらに、特定の用語は、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選択されている。可能な範囲で、これらの用語は、当該技術分野に共通する専門用語に基づいて選択されている。それにもかかわらず、そのような用語は、しばしば異なる解釈を受けることが理解されよう。例えば、本明細書で単一の構成要素として言及することができるものが、他では複数の構成要素から成るものとして言及されることがあり、あるいは、本明細書で複数の構成要素を含むものとして言及することができるものが、他では単一の構成要素として言及されることがある。本発明の範囲を理解する際には、使用される特定の専門用語だけでなく、用語がいくつかの図面に関係するようにして、添付の明細書および文脈、ならびに構成、機能、および／または参照され説明される構成要素の使用についても注意を払うべきであり、そして当然のことながら、添付の特許請求の範囲における専門用語の正確な使用についても注意を払うべきである。さらに、以下の実施例は、ガスタービンまたはタービンエンジンの特定のタイプに関連して提示されているが、本発明の技術は、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば理解するように、他のタイプのタービンエンジンにも適用可能である。
【００１１】
ガスタービン動作の性質を考慮すると、本明細書中に含まれるエンジンおよび／またはいくつかのサブシステムもしくは部品の機能を説明するために、いくつかの記述上の用語を本出願全体にわたって使用することができ、このセクションの開始時にこれらの用語を定義することが有益であると分かる。したがって、これらの用語およびそれらの定義は、特に断らない限り、以下の通りである。「前方」および「後方」という用語は、さらなる特定性はなく、ガスタービンの向きに対する方向を示す。すなわち、「前方」はエンジンの前方または圧縮機端を指し、「後」はエンジンの後方またはタービン端を指す。これらの用語の各々は、エンジン内の動き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理解されよう。「下流側」および「上流側」という用語は、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用いられる。（これらの用語は、通常の動作中の予想される流れに対する方向を指しており、これは当業者には明らかであることが理解されよう。）したがって、「下流側」という用語は、流体が指定された導管を通って流れる方向を示し、「上流側」はそれと反対の方向を示す。このように、例えばガスタービンを通る作動流体の主要な流れは、圧縮機を通って移動する空気として開始され、次に燃焼器内の燃焼ガスとなり、さらに先へ進むが、圧縮機の上流側または前端部に向かって上流側位置で始まり、タービンの下流側または後端部に向かって下流側位置で終端するように説明することができる。一般的なタイプの燃焼器内の流れの方向を説明するために、以下に詳述するように、圧縮機の排出空気は、通常、燃焼器の後端部に向かって集中するインピンジメントポートを通って燃焼器に入る（燃焼器の長手方向軸、および前方／後方の区別を規定する上記の圧縮機／タービンの配置に対して）ことが理解されよう。燃焼器では、圧縮空気は、燃焼器の前端部に向かって内部チャンバの周りに形成された流れアニュラスにより導かれ、空気流が内部チャンバに入り、流れの方向を逆にして、燃焼器の後端部に向かって進む。さらに別の文脈では、冷却チャネルまたは流路を通る冷媒の流れを同様に扱うことができる。
【００１２】
さらに、「ロータブレード」という用語は、さらなる特定性はなく、圧縮機またはタービンのいずれかの回転するブレードを意味し、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。「ステータブレード」という用語は、さらなる特定性はなく、圧縮機またはタービンのいずれかの固定されたブレードを意味し、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。「ブレード」という用語は、本明細書では両方のタイプのブレードを指すために使用される。このように、さらなる特定性はなく、「ブレード」という用語は、すべてのタイプのタービンエンジンブレードを含み、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。
【００１３】
最後に、中央共通軸の周りの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構成であれば、軸に対する位置を記述する用語を本明細書で使用することができる。これに関連して、「半径方向」という用語は、軸に垂直な動きまたは位置を示すことが理解されよう。これと関連して、中心軸からの相対的な距離を記述することが必要となる場合がある。この場合には、例えば、第１の構成要素が第２の構成要素よりも中心軸に近接して存在する場合には、第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向内側」または「内側」のいずれかにあると記述する。一方、第１の構成要素が第２の構成要素よりも中心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「半径方向外側」または「外側」のいずれかにあると本明細書に記述する。さらに、理解されるように、「軸方向」という用語は、軸に平行な移動または位置を指す。最後に、「円周方向」という用語は、軸周りの移動または位置を指す。述べたように、これらの用語は、エンジンの圧縮機およびタービン部を貫通して延在する共通中心軸に関して適用することができるが、これらの用語は、エンジンの他の部品またはサブシステムに関しても用いることができる。
【００１４】
背景として、ここで図面を参照すると、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的なガスタービンを示す。本発明がこのタイプの使用に限定されないことは、当業者には理解されるであろう。述べたように、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、および他のタイプの回転式エンジンで用いることができる。提示する実施例は、そのタイプのタービンエンジンに限定されることを意味しない。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、圧縮空気のストリーム中で燃料が燃焼することにより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抽出することによって動作する。図１に示すように、ガスタービン１０は、共通シャフトまたはロータにより下流側のタービン部すなわちタービン１２に機械的に結合される軸流圧縮機１１と、圧縮機１１とタービン１２との間に配置された燃焼器１３と、を有するように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のガスタービンエンジンで用いることができる例示的な多段軸流圧縮機１１を示す。図示するように、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、その後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。このように、第１段は、中心シャフトの周りに回転する圧縮機ロータブレード１４の列と、それに続いて動作中に固定され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のガスタービンエンジンで用いることができる例示的なタービン部すなわちタービン１２の部分図である。タービン１２は、複数の段を含むことができる。３つの例示的な段を示しているが、これより多くの段またはこれより少ない段がタービン１２に存在してもよい。第１段は、動作中にシャフトの周りに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、動作中に静止している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、互いに円周方向に間隔をおいて配置され、かつ回転軸の周りに固定されている。タービンロータブレード１６は、シャフト（図示せず）の周りで回転するために、タービンホイール（図示せず）に取り付けることができる。またタービン１２の第２段も示してある。第２段も同様に、円周方向に間隔をおいて配置された複数のタービンステータブレード１７と、これに続く円周方向に間隔をおいて配置された複数のタービンロータブレード１６と、を含み、タービンロータブレード１６もまた回転するためにタービンホイールに取り付けられている。また第３段も示してあり、同様に、複数のタービンステータブレード１７およびロータブレード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１２の高温ガス経路内にあることが理解されよう。高温ガス経路を通る高温ガスの流れの方向を矢印で示す。当業者であれば分かるように、タービン１２は、図３に示すものより多くの、または場合によってはより少ない段を有してもよい。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】
動作の一例では、軸流圧縮機１１内の圧縮機ロータブレード１４の回転が、空気の流れ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、点火されて、エネルギーが放出される。この結果生じる燃焼器１３からの高温ガスの流れは、作動流体と呼ばれ、次にタービンロータブレード１６の上に導かれ、作動流体の流れによってタービンロータブレード１６がシャフトの周りを回転する。それによって、作動流体の流れのエネルギーは、回転するブレードの機械的エネルギーに変換され、さらにロータブレードとシャフトとの間の接続により、回転するシャフトの機械的エネルギーに変換される。シャフトの機械的エネルギーは、次に圧縮機ロータブレード１４の回転を駆動して必要な圧縮空気を供給することができ、また、例えば、発電機を駆動して電気を生成することもできる。
【００１７】
背景を説明するために、図４〜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を示す。理解されるように、これらの図は、図８〜図１０とともに、ロータブレードの一般的な構成および内部冷却構成に影響を及ぼす幾何学的制約を示すために提示してある。図示するように、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根元部２１を含む。例えば、根元部２１は、ロータディスクの外周部の対応するダブテールスロットに取り付けるように構成されたダブテール２２を含むことができる。根元部２１は、ダブテール２２とプラットフォーム２４との間に延在するシャンク２３をさらに含むことができる。プラットフォーム２４は、図示するように、翼形部２５と根元部２１との接合部に配置され、タービン１２を通る流路の内側境界の一部を画定するように構成することができる。翼形部２５は、タービン１２を通る作動流体の流れを遮断してロータディスクを回転させるロータブレード１６の能動部品であることが理解されよう。この実施例のブレードはロータブレード１６であるが、特に明記しない限り、本発明はステータブレード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できることを理解されたい。ロータブレードの翼形部２５は、対向する前縁２８と後縁２９との間にそれぞれ軸方向に延在する、凹状の正圧側面２６と、円周方向または横方向に対向する凸状の負圧側面２７と、を含むことが分かる。側面２６、２７はまた、プラットフォーム２４から翼形部２５の外側先端部３１まで半径方向に延在する。
【００１８】
翼形部２５は、内側端部（すなわち、翼形部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）と外側先端部３１との間に延在する湾曲形状または輪郭形状を含むことができる。図４および図５に示すように、翼形部２５の形状は、プラットフォーム２４から外側先端部３１まで延在するにつれて徐々にテーパを付けることができる。テーパは、図４に示すように、翼形部２５の前縁２８と後縁２９との間の距離が狭くなる軸方向テーパ、および、図５に示すように、負圧側面２６と正圧側面２７との間に画定される翼形部２５の厚さが減少する円周方向テーパを含むことができる。図６および図７に示すように、翼形部２５の輪郭形状は、ガスタービンの中心軸に対して半径方向に延在するにつれて長手方向軸の周りの捻れをさらに含むことができる。捻れは、通常、内側端部と外側先端部３１との間で翼形部２５のスタガ角を徐々に変化させるように構成されている。同様に示すように、翼形部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の根元部２１を貫通して形成された冷媒供給部３５への接続部から半径方向外側に延在することができる。冷却チャネル３３の他端には、冷媒がロータブレード１６を通過した後に冷媒を排出するための出口ポート３７を形成することができる。冷却チャネル３３は、直線状、曲線状、またはこれらの組み合わせであってもよい。
【００１９】
図８〜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。理解されるように、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、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の例示的な設置構成の上面図である。図示するように、先端シュラウド５５は、翼形部２５の外側先端部３１に配置することができる。先端シュラウド５５は、軸方向および円周方向に延在する平坦または実質的に平坦なプレートを含むことができ、それは翼形部２５によってその中心に向かって支持されている。図示するように、先端シュラウド５５は、外側表面６０、内側表面６１、および外側表面６０と内側表面６１を接続する周縁部もしくは縁部６３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の上部に沿ってシールレール５７が配置されている。一般に、図示するように、シールレール５７は、先端シュラウド５５の外側表面６０から半径方向外向きに延在するフィン状の突起である。シールレール５７は、ロータブレード１６の回転の方向すなわち「回転方向」に先端シュラウド５５の対向する端部の間に円周方向に延在することができる。理解されるように、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の列を囲む固定部品との間に通常存在する半径方向の間隙を通る作動流体の流れを阻止するように形成することができる。いくつかの従来の設計では、シールレール５７は、それに対向する摩耗性の固定ハニカムシュラウド内に延在することができる。シールレール５７の中央に向かってカッター歯５８を配置して、シールレール５７の幅よりもわずかに広い固定シュラウドのハニカムの溝を切断することができる。
【００２０】
先端シュラウド５５は、先端シュラウド５５と翼形部２５との末広がりの表面の間の滑らかな移行、ならびに先端シュラウド５５とシールレール５７との間の滑らかな移行を提供するフィレット領域７０、７１を含むことができる。より具体的には、先端シュラウド５５は、先端シュラウド５５の内側表面６１と、翼形部２５の正圧側面２６および負圧側面２７との間に内側フィレット領域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の外側表面６０とシールレール５７の側面との間に外側フィレット領域７０を含むことができる。図示するように、フィレット領域７０、７１は、ほぼ垂直に配置された平面間に滑らかに湾曲した移行を提供する。理解されるように、このようなフィレット領域は、そうでなければそれらの領域で生じる応力集中を広げるように設けられる。それでもなお、これらの領域は、特に、先端シュラウド５５のオーバーハングする負荷およびエンジンの回転速度、内側フィレット領域７１を考慮すると、高応力領域のままである。理解されるように、適切な冷却なしでは、この領域における応力は、部品の耐用年数に著しく影響を及ぼす可能性がある。
【００２１】
図１０に示すように、先端シュラウド５５は、隣接するブレード１６の先端シュラウド５５が動作中に接触するように形成することができる。リークや有害な振動を低減するためにこれを行うことができる。先端シュラウド５５は、スカラップ形状とすることができる。図１０は、ロータディスク上に組み立てられたときに現れるタービンロータブレード１６の外側の図であり、隣接する先端シュラウド５５の間の接合面の従来の配置の例を示す。理解されるように、２つの完全に隣接する先端シュラウド５５が、回転方向６４を示す矢印と共に示されている。先行するシュラウドの後縁は、後行する先端シュラウドの前縁に接触するか、または近接する。（この文脈では、「後行」と「先行」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。）この接触領域は、一般に、接合面または接触面５９と呼ばれる。図１０の例示的な構成のプロファイルであれば、接触面５９はＺ接合面と呼ぶことができる。当業者であれば、図１０のタービンブレード１６および先端シュラウド５５への言及は例示的なものに過ぎず、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してもよいことを理解するであろう。
【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側表面６０を貫通して形成される出口ポート３７を含むことができる。出口ポート３７は、冷却チャネル３３を流れる冷媒を排出するように働くことができる。しかし、従来の設計によれば、出口ポート３７は、先端シュラウド５５の外側表面６０に対して急峻な角度または垂直になっている。先端シュラウド５５の構成およびその外側表面６０の向きが与えられると、出口ポート３７は、タービン１２を通る流れの方向に対して実質的に垂直な方向に冷媒を放出する。理解されるように、これは、出口ポート３７から流出する排出物が高温ガス経路を通る流れを乱し、妨害するので、先端シュラウド５５に空気力学的損失が生じる。
【００２３】
ここで図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。理解されるように、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に沿った断面斜視図である。図示するように、翼形部２５は、複数の内部冷却チャネル３３を含むことができ、既に説明したように、それは翼形部２５を通って先端シュラウド５５の外側表面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している。好ましい実施形態によれば、本発明は、冷却チャネル３３との接続部から分岐し、かつ／または本明細書に記載の方法で冷却空気を排出する、１つまたは複数の傾斜してまたは斜めに配置された冷却通路をさらに含むことができる。そ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。図示するように、分岐通路７５の各々は、冷却チャネル３３のうちの１つへ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との間で延長することができる。分岐通路７５は、それぞれが接続する冷却チャネル３３の断面流れ面積よりも小さい断面流れ面積を有することができる。分岐通路７５は、直線状であってもよいが、曲線状の形態も可能であり、各々は、先端シュラウド５５の外側表面６０の近くに内部冷却通路を画定するように構成することができる。理解されるように、このように配置されると、分岐通路７５は、そうでなければ可能であるよりも、先端シュラウド５５の外側表面６０の広い領域に対して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の外側表面６０に対して斜めのまたは浅い角度で冷媒を排出するように配向されてもよい。より具体的には、図１２に示すように、分岐通路７５は、出口ポート３７からの排出方向７９と先端シュラウド５５の外側表面６０との間に浅い排出角７８が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、分岐通路７５は、出口部分（すなわち、出口ポート３７で終端する外側表面６０に近い分岐通路７５の部分）が、先端シュラウド５５の外側表面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される。配置を説明する別の方法は、出口部分の中心軸の連続が、出口ポート３７を直接囲む外側表面６０に対して浅い角度を形成することである。理解されるように、排出角７８の特定のサイズは変化してもよく、最適値または範囲は、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してもよい。さらに、このような分岐通路７５の冷却性能は、特定の値または特定の範囲の排出角７８内で最適化または強化することができるが、望ましい性能の利点は、広範囲の値にわたって達成することができる。このことにより、先端シュラウドタービンブレードの多くの一般的な構成と組み合わせて使用する場合に特に有利ないくつかの好ましい実施形態が出願人によって決定され、これらの実施形態がここで開示されている。一実施形態によれば、例えば、分岐通路７５の排出角７８は、約１０°〜６０°の範囲を含む。別の好ましい実施形態によれば、排出角７８は、約２０°〜４５°の範囲を含む。別の実施形態によれば、排出角７８は４５°未満の範囲を含む。理解されるように、外側表面６０に対するこのような浅い角度での冷媒の排出は、排出される冷媒の半径方向外側の方向成分を低減させることができる。これは、タービンを通る軸方向の流れに対する妨害がより少なくなるので、空気力学的混合損失を減少させることができる。さらに、本発明の排出角７８は、このような冷媒が翼形部２５の正圧側の流路に入る傾向を低減し、これにより混合損失をさらに低減することができる。より半径方向に向けられた冷媒の排出はまた、シールレール５７上の作動流体のリーク流れを誘発する可能性があるが、本発明の浅い排出角７８はこの傾向を低減することができる。さらに、浅い排出角７８は、先端シュラウド５５の外側表面６０から排出される冷媒の膜冷却効果を促進または強化させることができる。
【００２５】
以下でより詳細に説明するように、代替的な実施形態によれば、分岐通路７５の出口ポート３７の排出方向７９は、動作中にロータブレード１６の回転方向６４に対して位置合わせされてもよい。本明細書で使用する「回転方向」とは、一旦ガスタービンに設置されると通常のまたは予想される動作中のロータブレードの回転方向を指す。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、回転方向６４に対して浅い角度で平行または整列する方向に冷媒を排出するように構成することができる。より具体的には、図示するように、特定の実施形態によれば、分岐通路７５は、分岐通路７５の出口ポート３７からの排出方向７９と回転方向６４の基準線８２との間に浅い排出角８１が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、分岐通路７５は、図示するように、回転方向６４としておおよその方向に向けられた中心軸を有する外側表面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の排出角８１は約４５°未満である。排出角８１は、基準線８２のいずれの側に形成されてもよい。好ましい実施形態によれば、図示するように、排出角８１は、空気力学的混合損失をさらに低減させることができるので、下流方向に傾斜させてもよい。別の実施形態によれば、排出角８１は、基準線８２のいずれかの側に対して約２０°未満である。あるいは、排出角８１は基準線８２から５°以内にある。翼形部２５の前縁２８にオーバーハングした先端シュラウド５５の側面に形成された図１１の分岐通路７５の場合のように、浅い排出角８１は、回転方向８４を指している基準線８２と共に形成されてもよい。あるいは、翼形部２５の後縁２９にオーバーハングした先端シュラウド５５の側面に形成された図１１の分岐通路７５の場合のように、浅い排出角８１は、回転方向８４の反対方向を指している基準線８２と共に形成されてもよい。
【００２６】
説明を目的として、図１１および図１２に示すように、先端シュラウド５５の外側表面６０は、シールレール５７に対する領域の相対的な位置および／またはその領域がオーバーハングする翼形部２５の構造に基づいて、異なる領域または範囲を有するものとして説明することができる。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と後行部分６７とに分割するものとして説明することができ、先行部分６６は、本明細書で使用されるように、翼形部２５の前縁２８にオーバーハングするようにシールレール５７から前方方向に延在する部分であり、後行部分６７は、本明細書で使用されるように、翼形部２５の後縁２９にオーバーハングするようにシールレール５７から後方方向に延在する部分である。さらに、（図１１などの）いくつかの上面図に示すように、翼形部のプロファイルすなわち「翼形部プロファイル」は、先端シュラウド５５を正圧側部分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、正圧側部分６８は、本明細書で使用されるように、翼形部２５の正圧側面２６から外方に片持ち状態にある先端シュラウド５５の部分であり、負圧側部分６９は、本明細書で使用されるように、翼形部２５の負圧側面２７から外方に片持ち状態にある先端シュラウド５５の部分である。最後に、翼形部分７２は、翼形部プロファイル内で一致する外側表面６０の中央領域である。本明細書で使用するように、「翼形部プロファイル」は、図１１および図１４に破線で示す、翼形部２５の輪郭を指す。
【００２７】
例示的な実施形態によれば、複数の分岐通路７５およびそれに関連する出口ポート３７は、先端シュラウド５５の先行部分６６および後行部分６７のそれぞれに含まれてもよい。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の各々は、冷却チャネル３３との接続部から、回転方向６４に延在することができる。この配置および先端シュラウド５５の異なる領域の定義が与えられると、出口ポート３７は、先行部分６６と負圧側部分６９との交差によって画定される先端シュラウド５５の外側表面６０の領域内に位置するものとして説明することができる。この構成の１つの利点は、このようにして排出された冷媒が、翼形部２５の負圧側面２７に向かって導かれ、したがって、翼形部２５の負圧側面２７にオーバーハングする先端シュラウド５５の縁部に沿って流路に入る可能性が高いことである。理解されるように、これは、正圧側面２６に沿った再突入がより大きな流路破壊をもたらすことを考慮すると、空気力学的損失を低減する。さらに、翼形部２５の負圧側面２７の近くの低圧領域に近いところに導入された冷媒は、タービン１２を通る作動流体の流れの一部となりやすく、シールレール５７上にリーク流れを誘発しにくい。好ましい実施形態によれば、先端シュラウド５５の後行部分６７の分岐通路７５は、冷却チャネル３３との接続部から回転方向６４の反対方向に向かって、または回転方向６４に延在することができる。理解されるように、この配置は、（図示するように）特に成形された先端シュラウド５５の幾何学的制約により幾分必要とされることがある。理解されるように、先端シュラウド５５の後行部分６７の空気力学的条件は、先行部分６６の空気力学的条件と異なる場合があり、これらの差異は、通常、回転方向との整列に関して上述した空気力学的利点のインパクトが小さいことを意味する。
【００２８】
本発明の別の態様によれば、分岐通路７５のうちの１つまたは複数は、内側フィレット領域７１と交差す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、先端シュラウド５５の内側表面６１と翼形部２５の負圧側面２６との間に通常形成される内側フィレット領域７１を通って延在するように構成することができる。上述したように、フィレット領域は冷却するのが困難な領域であるが、動作中に非常に応力がかかる領域であるため、この配置は特に有利であり得る。図１３に示すように、フィレット領域７１およびその周辺領域の冷却要件は、第２の分岐通路７５を追加することによってさらに対処することができる。そのような場合、図示するように、分岐通路７５の出口ポート３７は、先端シュラウド５５の縁部６３を貫通して形成することができる。これは、領域に対するさらなる冷却効果を実現し、フィレット領域７１内のより広い適用範囲を可能にする方法として行うことができる。理解されるように、フィレット領域７１などの高い応力またはクリープが重大になる場所での先端シュラウド温度を改善することによって、部品の寿命が長くなり、冷媒の効率的な使用により空気力学的な段の効率が向上する。出願人は、熱プロファイル研究、構造クリープ解析、および計算流体力学解析を通じて、このような性能上の利点を確認した。
【００２９】
理解されるように、本出願の冷却構成は、本発明の他の態様による製造のための効率的な製造プロセスを可能にすることができる。当業者には明らかであるが、これらの方法は、鋳造プロセス中に製造される機構を、鋳造後プロセスによってロータブレードの鋳造が完了した後に作成することができる他の特徴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、ドリル加工、機械加工、鋳造部品に非一体部品を取り付けることなどを含むことができる。これらの異なるプロセスは、本明細書に記載された複雑な冷却装置をコスト効率良く製造するために、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。このような技術は、本明細書に記載された構成に適合するように、新しい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が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、分岐通路７５は鋳造後の機構として構成することができ、鋳造後の機構には、従来の機械的穿孔プロセスならびに制御可能な電気化学または放電加工プロセスが含まれてもよい。
【００３０】
図１１および図１２に示すように、また図１３〜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、先端シュラウド５５を通って冷媒流を望ましく分配するための様々な出口ポート３７の機構を含むことができる。理解されるように、これらの機構は、鋳造プロセスがロータブレード１６を形成するために使用され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の機構と呼ぶことができる。例えば、出口ポート３７は、タービンブレード１６およびそこに画定された冷却チャネル３３が従来の鋳造プロセスによって製造された後に、溶接、ろう付け、または機械的嵌合などの従来の手段により取り付けられた非一体型プラグ８５によって覆うことができる。より具体的には、１つまたは複数の冷却チャネル３３は、取り付け時に、プラグ８５の表面が先端シュラウド５５の外側表面６０に対して面一になるように構成された非一体型プラグ８５によって覆うことができ、それによって、その表面の部分を画定する。代替的な実施形態によれば、プラグ８５は、それに対応する冷却チャネル３３を部分的または完全に覆うことができる。例えば、図１２に示すように、プラグ８５は、冷却チャネル３３を部分的に覆う。そのような場合、プラグ８５は、冷却チャネル３３の覆われていない出口ポート３７によって画定されるであろう断面流れ面積よりも小さい断面流れ面積を有するプラグポート８６を画定するように構成される。あるいは、図１３は、プラグ８５がそれに対応する冷却チャネル３３を完全に覆う代替的な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の断面斜視図を提供する。より具体的には、プラグ８５は、実質的に冷媒の全供給が冷却チャネル３３に接続された１つまたは複数の分岐通路７５に導かれるように、冷却チャネル３３の開口部を塞ぐように構成される。図示するように、図１３はまた、複数の分岐通路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一例を提供する。
【００３１】
図１４は、本発明の代替的な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に沿った断面斜視図を提供する。図示するように、この場合には、供給プレナム８７が、先端シュラウド５５の外側表面６０の近くに形成されてもよい。供給プレナム８７は、それに接続されそこから延在する複数の分岐通路７５に冷媒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は、翼形部２５を貫通して延在する１つまたは複数の冷却チャネル３３によって冷媒が供給され得る。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に冷媒を分配し、計量供給することが望ましい。図１５に示すように、供給プレナム８７に接続する複数の分岐通路７５は、いくつかの異なる大きさおよび整列を含むことができる。分岐通路７５のうちのいくつかは、先に説明したように、先端シュラウド５５の外側表面６０と交差し、その上に出口ポート３７を形成することができる。分岐通路７５の他の部分は、先端シュラウド５５の縁部６３に形成された出口ポート３７まで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、非一体型プレナムカバー８９によって囲まれてもよい。プレナムカバー８９は、非一体型プラグ８５が冷却チャネル３３に対して機能するのと同様に、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するように部分的に囲むことができる。より具体的には、プレナムカバー８９は、供給プレナム８７に供給される冷媒の一部を解放するためのいくつかのカバーポート９０を含むことができる。理解されるように、プレナムカバー８９を通るカバーポート９０、先端シュラウド５５の外側表面６０を貫通して形成された出口ポート３７まで延在する分岐通路７５、および／または、先端シュラウド５５の縁部６３を貫通して形成された出口ポート３７まで延在する分岐通路７５の相対的な断面の大きさは、先端シュラウドを通りその周りに所望の冷媒分布を生成するように構成することができる。そのような分布は、先端シュラウド５５の外部領域に沿って冷却するために必要な分岐通路７５を通る流れレベルおよび排出レベルを考慮に入れることができる。これらの例示的な実施形態の各々と同様に、性能上の利点は、部品寿命の増加、故障のリスクの低減、および強制停止のリスク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、構成要素を所望の温度レベルに維持するのに必要な冷媒供給を減少させることによって、局所的な先端シュラウド温度を低下させるとともに段の空気力学的効率を改善するように働くことができる。
【００３３】
次に図１６から図２４を参照すると、本発明の代替的な態様が開示されている。理解されるように、図１６および図１７はそれぞれ、先端シュラウド５５の外側表面６０から排出される冷媒を有益に導くために使用することができる流れ誘導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を示す。特定の実施形態によれば、流れ誘導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、混合または空気力学的損失を制限するとともに、先端シュラウドからの冷媒の放出に伴う冷却非効率性を低減するように構成することができる。より具体的には、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、図示するように、出口ポート３７のうちの１つまたは複数の近くの先端シュラウド５５の外側表面６０上に構成することができる。理解されるように、シュラウドフェンス９１は、図１１〜図１５に関連して上述した先端シュラウド冷却機構と共に使用することができる。あるいは、シュラウドフェンス９１は別個に使用してもよい。
【００３４】
例示的な実施形態によれば、シュラウドフェンス９１は、先端シュラウド５５の外側表面６０上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構造を含むことができる。シュラウドフェンス９１は、外側表面６０に対して急峻な側面を含むことができる。図示するように、シュラウドフェンス９１は、シュラウドフェンス９１の経路長に対して、比較的短い高さ（すなわち、ほぼ半径方向に延在する寸法）と狭い厚み（すなわち、ほぼ円周方向に延在する寸法）を有することができる。一例として、シュラウドフェンス９１の半径方向の高さは、シールレール５７の半径方向の高さと比較することによって説明することができる。図示するように、シュラウドフェンス９１の半径方向の高さは、シールレール５７の半径方向の高さの半分よりも小さい。好ましい実施形態によれば、シュラウドフェンス９１の半径方向の高さは、シールレール５７の半径方向の高さの約０．３未満であってもよい。より好ましくは、シュラウドフェンス９１の半径方向の高さは、シールレール５７の半径方向の高さの約０．０５〜０．２５であってもよい。例示的な実施形態によれば、シュラウドフェンス９１の厚さは、半径方向の高さよりも小さくてもよい。シュラウドフェンス９１の半径方向の高さおよび厚さは、シュラウドフェンス９１が先端シュラウド５５の外側表面６０に沿って延在するのと同じまたはほぼ同じであってもよい。理解されるように、可変な高さおよび厚さを含む構成も可能である。例えば、図示するように、シュラウドフェンス９１は、一端でテーパ状になっていてもよい。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、それが外側表面６０上に形成する経路に沿って、すなわち中断することなく一端から他端まで連続的に延在することができる。あるいは、シュラウドフェンス９１に断続的な中断を含む構成も可能である。
【００３５】
図示するように、シュラウドフェンス９１は、図１６においてシールレール５７の整列によって示されるロータブレード１６の回転方向に対してほぼ垂直にまたは急峻な角度で整列されてもよい。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および後行部分６７の一方または両方に含まれてもよい。先端シュラウド５５の先行部分６６に関して、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端部から先端シュラウド５５の周縁部または縁部６３の近くに配置された前端部まで延在することができる。より具体的には、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端部から、縁部６３の近くに位置する点に向かってテーパ状になる前端部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、前端部のテーパ点は、翼形部２５の前縁２８にオーバーハングするように配置されてもよい。先端シュラウド５５の後行部分６７のシュラウドフェンス９１は、シールレール５７の近くに位置する前端部から先端シュラウド５５の縁部６３の近くに位置する後端部まで延在してもよい。より具体的には、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端部から、先端シュラウド５５の縁部６３の近くに配置された点に向かってテーパ状になる後端部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、後端部のテーパ点６３は、翼形部２５の後縁２９にオーバーハングするように配置されてもよい。
【００３６】
前述したように、先端シュラウド５５の外側表面６０は、翼形部２５を貫通し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。図示するように、これらの出口ポート３７は、先端シュラウド５５の外側表面６０を横切って配列されてもよく、通常、外側表面６０の翼形部プロファイル内に配置される。上述のように、翼形部プロファイルは、図１６および図１７で破線で示されている、翼形部の輪郭を指し、先端シュラウド５５の外側表面６０の翼形部分７２と呼ぶことができる。一般的な構成によれば、さらに図示するように、出口ポート３７は、翼形部のほぼキャンバーラインに沿って配置されてもよい。例示的な実施形態によれば、シュラウドフェンス９１は、翼形部プロファイルまたはその一部分またはセグメントとほぼ一致する経路に沿って構成されてもよい。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、翼形部２５の正圧側面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。理解されるように、回転の方向が与えられると、この構成により、シュラウドフェンス９１は出口ポート３７の後を追って回転する（すなわち、動作時にロータブレード１６が回転すると、シュラウドフェンス９１が出口ポート３７の後を追う）。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の各々または少なくとも複数の出口ポート３７の後を追って回転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を横切って延在するように、または軸方向範囲に跨がるように説明することができる。同様に、先端シュラウド５５の後行部分６７に関して、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跨がってもよい。他の構成もまた可能である。
【００３７】
ここで図１８および図１９を参照すると、シュラウドフェンス９１の代替的な構成が示されている。図示するように、シュラウドフェンス９１の端部は、出口ポート３７のうちの１つを包むまたはその周りで湾曲するラッピングテール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から最も遠くに位置するものであってもよい。したがって、先端シュラウド５５の先行部分６６上のシュラウドフェンス９１に関して、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端部から、先端シュラウド５５の縁部６３の近くで終端することができるラッピングテール９２を含む前端部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端部から、最も前方の出口ポート３７を少なくとも部分的に包む前端部まで軸方向に延在する。先端シュラウド５５の後行部分６７上のシュラウドフェンス９１に関して、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端部から、先端シュラウド５５の縁部６３の近くで終端することができるラッピングテール９２を含む後端部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端部から、最も後方の出口ポート３７を少なくとも部分的に包む後端部まで軸方向に延在することができる。
【００３８】
ここで図２０および図２１を参照すると、シュラウドフェンス９１の別の代替的な構成が示されている。図示するように、この場合には、外側表面６０上のシュラウドフェンス９１の経路は、その上に画定された領域を取り囲み、実質的に包囲する。この囲まれた領域は、シールレール５７のいずれの側面に位置してもよい。したがって、外側表面６０の先行部分６６に関して、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の縁部６３に向かって延在し、そこから、シールレール５７の近くに配置された第２の端部まで環状に戻る。より具体的には、先行部分６６のシュラウドフェンス９１は、シールレール５７に当接または接続する第１の端部から、翼形部２５の前縁２８にほぼオーバーハングする外側表面６０上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に向かって急に曲がって戻り、シールレール５７に当接または接続する第２の端部まで延在する。同様に、先端シュラウド５５の後行部分６７に関して、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の縁部６３に向かって延在し、そこからシールレール５７の近くに配置された第２の端部まで環状に戻ることができる。より具体的には、図示するようにシュラウドフェンス９１は、シールレール５７に当接または接続する第１の端部から、翼形部２５の後縁２９にほぼオーバーハングする外側表面６０上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に向かって急に曲がって戻り、シールレール５７に当接または接続する第２の端部まで延在する。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によって外側表面６０上に囲まれた領域は、翼形部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の各側面に対して、環状シュラウドフェンス９１の経路が翼形部プロファイルに一致してもよい。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は翼形部２５の先行する半分の形状に近似し、一方、先端シュラウド５５の後行部分６７では、シュラウドフェンス９１は翼形部２５の後行する半分の形状に近似している。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によって囲まれた領域は、半径方向に延在する冷却チャネル３３の出口ポート３７のうちのいくつかを含むことができる。
【００３９】
図２２〜図２４に示すように、先端シュラウド５５の外側表面６０上の流れ誘導構造体の代替的な構成が提示される。理解されるように、既に説明したシュラウドフェンス９１に関連する特定の機能性および性能上の利点は、窪んだポケット（本明細書では「シュラウド凹部９３」と呼ぶ）により達成される。シュラウド凹部９３は、先端シュラウド５５の外側表面６０に形成することができ、凹部床９４を先端シュラウド５５の外側表面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、図示するように、シュラウド凹部９３のフットプリントは、翼形部プロファイルと一致してもよい。半径方向に延在する冷却チャネル３３は、凹部床９４を貫通して形成された出口ポート３７を含んでもよい。複数の出口ポート３７が凹部床９４に含まれてもよい。
【００４０】
代替的な構成によれば、図２４に示すように、凹部カバープレート９６がシュラウド凹部９３を覆うことができる。凹部カバープレート９６は、冷却チャネル３３によってシュラウド凹部９３に供給された冷媒を排出するための複数の穿孔９７を含むことができる。理解されるように、凹部カバープレート９６は、冷却チャネルから排出される冷媒の流れを弱めるフィルタキャップとして機能することができ、排出された冷媒をより大きな領域にわたってゆっくりと広げて混合損失の悪影響をさらに低減することができる。先に説明した実施形態に関連して説明したように、穿孔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斜させることができる。例えば、好ましい実施形態によれば、穿孔９７は、ロータブレード１６の回転方向に傾斜されてもよい。別の実施形態によれば、穿孔９７は、下流方向に傾斜することができ、先端シュラウド５５の先行部分６６に配置された穿孔９７の場合には、シールレール５７に向かうことができ、より具体的には、シールレール５７と先端シュラウド５５の外側表面６０とを接続する外側フィレット領域７０に向かうことができる。理解されるように、このような構成は、排出された冷媒と翼形部の外側先端部の二次流れとの混合をさらに低減することができる。
【００４１】
動作時には、理解されるように、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の外側表面６０から排出される冷媒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、排出される冷媒の流れを導いて、特定の外部領域の冷却効果を強化し、かつ／または他の領域への望ましくない移動を低減するために使用することができる。このようにして、冷却の不具合が解決され、かつ／または排出された冷媒を、混合損失を最小限にする流路の再入り口に導くことができる。
【００４２】
当業者には理解されるように、いくつかの例示的な実施形態に関して上述した多くの様々な特徴および構成は、本発明の他の可能な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。簡潔にするため、および当業者の能力を考慮に入れるために、可能な繰り返しのすべてについては詳細に提示または説明しないが、以下のまたはそれ以外のいくつかの請求項に包含されるすべての組み合わせおよび可能な実施形態は本出願の一部であることが意図されている。さらに、本発明のいくつかの例示的な実施形態の上記の説明から、当業者は、改良、変更、および変形を認識するであろう。また当業者の範囲内のこのような改良、変更、および変形は、添付した特許請求の範囲に含まれることを意図している。さらに、前述の記載は本発明の記載された実施形態のみに関係しており、以下の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、多くの変更および変形が可能であることは明らかである。
【符号の説明】
【００４３】
５−５  視線
６−６  視線
７−７  視線
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  根元部
２２  ダブテール
２３  シャンク
２４  プラットフォーム
２５  翼形部
２６  正圧側面
２７  負圧側面
２８  前縁
２９  後縁
３１  外側先端部
３３  冷却チャネル
３５  冷媒供給部
３７  出口ポート
５５  先端シュラウド
５７  シールレール
５８  カッター歯
５９  接触面
６０  外側表面
６１  内側表面
６３  縁部
６４  回転方向
６６  先行部分
６７  後行部分
６８  正圧側部分
６９  負圧側部分
７０  外側フィレット領域
７１  内側フィレット領域
７２  翼形部分
７５  分岐通路
７８  浅い排出角
７９  排出方向
８１  浅い排出角
８２  基準線
８４  回転方向
８５  非一体型プラグ
８６  プラグポート
８７  供給プレナム
８９  非一体型プレナムカバー
９０  カバーポート
９１  シュラウドフェンス
９２  ラッピングテール
９３  シュラウド凹部
９４  凹部床
９５  急峻な側壁
９６  凹部カバープレート
９７  穿孔
【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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