(57)【要約】【課題】タービンブレードの先端部における冷却効果を高める。【解決手段】タービンブレード先端部プレナムは、冷却通路から極度な高熱にさらされている冷却すべき領域に、冷却空気を優先的に案内または偏向させる手段を備えている。上記プレナムに蓋板が取り付けられると、蓋板の前縁部分（１８０）が、部分的にウェブ前縁開口部（１１０）を部分的に塞ぐことになる。上記開口部（１１０）を覆う前縁部分（１８０）の大部分が中心線（５２０）から負圧側の開口部を塞ぎ、正圧側に比べてはるかに負圧側の開口部面積を覆うことになる。上記構成の結果、板前縁部分（１８０）は優先的に正圧側へ空気流を導き、正圧側の冷却を促進させることになる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部冷却通路、および、上記冷却通路と複数の孔を介して連通した本体先端部ポケット、を備えた翼本体と、
上記本体先端部ポケット内に僅かに凹んで固定された少なくとも一つの板と、
を含むブレードであって、
上記板は、ブレード先端部プレナムを生じるように、上記複数の孔の少なくとも幾つかを、少なくとも部分的に遮断し、かつ、上記本体先端部ポケット壁の負圧側前縁部に比べて、上記本体先端部ポケット壁の正圧側前縁部に優先的に空気流を案内する手段を備えていることを特徴とするブレード。
【請求項２】
上記手段は、上記複数の孔のうち、前側の孔を部分的に遮断し、この前側の孔からの流れを本体先端部ポケット壁の前縁部の正圧側に沿って優先的に案内するように位置決めされた上記板の前縁部を含むことを特徴とする請求項１に記載のブレード。
【請求項３】
上記板の前縁部は、翼断面の局所的な中心線に対し前方に傾斜していることを特徴とする請求項２に記載のブレード。
【請求項４】
中心線から負圧側において上記板が遮断する上記孔の面積が、上記中心線から正圧側において上記板が遮断する上記孔の面積に対し、２〜６倍となることを特徴とする請求項２に記載のブレード。
【請求項５】
中心線から負圧側において上記板が遮断する上記孔の面積が、上記中心線から正圧側において上記板が遮断する上記孔の面積に対し、４〜５倍となることを特徴とする請求項２に記載のブレード。
【請求項６】
上記板よりも前方となるブレード先端部ポケット壁の正圧側の長さが、上記板よりも前方となるブレード先端部ポケット壁の負圧側の長さに対し、１．１〜４．０倍となることを特徴とする請求項１に記載のブレード。
【請求項７】
上記板よりも前方となるブレード先端部ポケット壁の正圧側の長さが、上記板よりも前方となるブレード先端部ポケット壁の負圧側の長さに対し、１．５〜２．０倍となることを特徴とする請求項１に記載のブレード。
【請求項８】
上記内部冷却通路の後縁部通路から上記本体先端部ポケット壁正圧側に、流れを優先的に案内する手段をさらに備えた請求項１に記載のブレード。
【請求項９】
上記壁は、正圧側の後縁部に隙間を備え、かつ上記隙間に応力集中を抑える手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のブレード。
【請求項１０】
内部冷却通路、および複数の孔を介して上記冷却通路と連通した本体先端部ポケットを備えた翼本体と、
上記本体先端部ポケット内に取り付けられ、かつ、先端部に隣接してブレード先端部ポケットを生じるように上記先端部とほぼ平坦をなし、かつ、複数の孔の少なくとも幾つかを部分的に遮断し、かつ、上記内部冷却通路の後縁部通路からの流れを本体先端部ポケット壁の負圧側に比べて上記壁の正圧側に優先的に案内する手段を備えた少なくとも１つの板と、
を備えたブレード。
【請求項１１】
上記手段は、上記複数の孔の少なくとも１つを部分的に遮断し、かつ、上記少なくとも１つの孔からの流れを本体先端部ポケット壁の正圧側に優先的に案内するように位置決めされた上記板の後縁部を備えることを特徴とする請求項１０に記載のブレード。
【請求項１２】
上記板の負圧側後縁部分が、板の前方部分に比べて突き出していることを特徴とする請求項１１に記載のブレード。
【請求項１３】
上記板の正圧側後縁部分が、板の前方部分に比べてくぼんでいることを特徴とする請求項１１に記載のブレード。
【請求項１４】
プラットフォームと、
翼と、
を備えたブレードであって、
上記翼は、
上記プラットフォームの根元部から先端部までの長さを有し、かつ、
正圧面と負圧面とを区画する分割する前縁と後縁とを備え、かつ、
冷却通路を備え、かつ、
上記冷却通路と連通した先端部ポケットを備え、かつ、
上記先端部ポケットは、上記正圧面および負圧面の少なくとも一部に沿った壁により囲まれており、かつ、上記壁は上記正圧側および負圧側のうち、第１の側の後縁部分に隙間を有し、かつ、上記隙間は深さと長さとを有し、かつ、この隙間において上記壁は後縁を有し、上記壁は隙間の前縁方向の内側角において０．１００インチ（約２．５４ｍｍ）〜０．３００インチ（約７．６２ｍｍ）となる曲率半径を有することを特徴とするブレード。
【請求項１５】
上記第１の側が正圧側であることを特徴とする請求項１４に記載のブレード。
【請求項１６】
上記翼は、
上記プラットフォームと一体的に結合した翼本体と、
上記先端部ポケットの底部をなしかつ上記先端部に対しほぼ平坦となりかつ上記翼本体に溶接された少なくとも１枚の板と、
を備えることを特徴とする請求項１４に記載のブレード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はターボ機械に関する。具体的には、冷却用タービンブレードに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンブレードの製造や技術開発においては、熱管理は考慮すべき重要事項である。ブレードは、通常、冷却通路を備えた構成となる。通常の通路はブレードプラットフォームから冷却空気を受け入れる。上記冷却空気は翼内の屈曲した通路を通過し、少なくとも一部は、翼内の開口部を介してブレードから流出する。これらの開口部は、孔（例えば、翼の正圧面および負圧面に沿って分布した「フィルム孔」およびこれらの面が接合する翼の前縁や後縁に位置する孔）も含む。付加的な開口部がブレード先端部に設けられることもある。従来の製造技術においては、ブレードの主要部は鋳造および機械加工の製造工程により作られる。鋳造工程では、冷却通路における少なくとも主要な部分を形成するために犠牲となるコアが用いられる。ブレード先端部におけるコアの適切な支持は、上記鋳造品の先端部部内を通るコア突出部と関連があり、コアの除去時に付随して穴を残すことになる。それゆえ、コアにより生ずる穴を少なくとも部分的に遮るように板が挿入されるような先端部ポケットを備えた鋳造品の形成が知られている。これにより、所望の性能を達成するように先端部部内を通過する流量や流量分布の調整がなされる。かかる構造の例示が特許文献１〜６に開示されている。上記記載のブレードの多くは、鋳造品の先端部ポケット内に板が下位平面に置かれることにより、ブレード先端部にポケットやプレナムが形成されている。
【特許文献１】米国特許第３，５３３，７１２号明細書
【特許文献２】米国特許第３，８８５，８８６号明細書
【特許文献３】米国特許第３，９８２，８５１号明細書
【特許文献４】米国特許第４，０１０，５３１号明細書
【特許文献５】米国特許第４，０７３，５９９号明細書
【特許文献６】米国特許第５，５６４，９０２号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の一つの態様では、通路の前縁分岐口から上記プレナムを生じるリムの正圧側に沿って、冷却空気を優先的に案内（配向）もしくは迂回させる手段を備えたプレナムを有する。かかる実施例は、先端部板を用いて上記鋳造品内の開口部を部分的にのみ遮ることにより実現できる。この板は優先的に上記開口部を介し圧縮（正圧）面に沿うように流れを案内する前縁を備えうる。上記板の前縁部分は、翼断面の局所的な中心線に対し前方に向かって傾斜している。上記板は、中心線から正圧側の開口部面積に比べ、中心線から負圧側の開口部面積をより遮断しうる。上記板より前方にあるブレード先端部ポケット部分の正圧側の長さは、負圧側の長さよりも大きくなる。
【０００４】
本発明の他の態様においては、後縁部通路から優先的に流れを正圧側に案内する手段がブレードに設けられている。上記手段は、後縁部開口部の負圧側に沿って延びるが、隣接した正圧側に沿って延びない板後縁部分を備えることにより実現する。上記負圧側の後縁部は、それより前方の部分に比べ、突き出していることもある。上記正圧側の後縁部は、それより前方の部分に比べ、くぼんでいることもある。
【０００５】
他の態様においては、先端部プレナムの壁の片側（例えば、正圧側）に、応力集中を抑える手段を備えた後縁部隙間を有している。上記手段は、上記隙間における前縁方向の内側角に、熱的／機械的応力を効果的に逃がす曲率半径を備えることにより実現できる。
【０００６】
本発明にかかる二以上の実施例が以下に添付した図面や説明において詳細に示されている。本発明にかかる他の特徴、目的および長所は、本明細書、図面、特許請求の範囲から明白であろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、内側プラットフォーム４６における根元近接部４４から遠心端の先端部４８に向かって延びた翼４２を備えたタービンブレード４０を示す。多数の上記ブレードはそれぞれの内側プラットフォームとともに並行して組み付けられ、上記プラットフォームによって、環状流路の内周が規定される。実施例として、ブレード主要部は合金（例えば、鋳造品）から一体的に作られる。上記鋳造品には先端部コンパートメントが備わっており、ここに別の蓋板５０が取り付けられる。
【０００８】
翼は前縁６０から後縁６２に向かって延びている。上記の前縁および後縁は、タービンブレードを正圧側と負圧側とに、すなわち正圧面６４と負圧面６６とに分ける。上記ブレードの冷却用に、ブレードには、プラットフォーム内のポート（図示せず）と結合する冷却通路が備えつけられている。典型的な冷却通路として、翼の長手方向にほぼ沿って延びた一連のキャビティを含まれる。前縁とほぼ並行に延びた前縁部キャビティを最前部のキャビティとし、後縁とほぼ並行に延びた後縁部キャビティを最後部のキャビティとする。これらのキャビティ同士は、一端もしくは両端ともに結合していてもよいし、長手方向の所定の位置で結合していてもよい。高温の外部温度に対しなお一層の冷却・断熱を促進するために、上記通路に、さらに、正圧面６４と負圧面６６とに延びた孔を備えてもよい。上記孔には、後縁部キャビティと後縁の周辺とをつなぐ一連の後縁部孔８０が含まれてもよい。
【０００９】
実施例において、ブレード主要部は鋳造および機械加工によって作られる。上記鋳造においては、コアを犠牲として上記通路を構成する。通常の鋳造工程により、前述の鋳造品先端部コンパートメント１００（図２）を備えた鋳造品が作られる。上記コンパートメントは、鋳造された先端部コンパートメントの底部となる外側表面１０３を備えたウェブ１０２を含む。上記外側表面１０３は、最終的に翼の正圧側と負圧側とになる部分１０５と部分１０６とを備えた壁構造のリム１０４より低いところに位置する。上記ウェブ１０２には、前縁から後縁にかけて一連の開口部１１０，１１２，１１４，１１６，１１８および１２０が設けられる。上記開口部は外側鋳型に支持された上記犠牲コアの一部により形成されうる。上記開口部は上記冷却通路と連通している。上記開口部は、ブレードから流入する冷却空気の損失をもたらす不適切な通路となってしまう場合がある。そのため、蓋板５０（図３）によりいくつかの開口部もしくは全ての開口部を、完全にもしくは部分的に遮断することが望ましい。上記蓋板５０は、内側の板表面１３０と外側の板表面１３２（図４）を備える。上記内側板表面１３０はウェブ表面１０３上に平らに置かれ、かつ、上記外側板表面１３２は、ブレード先端部ポケットあるいはブレード先端部コンパートメントを生じるように、リム１０４より、低くくぼんだところに（下位の平面に）位置する。運転時においては、（以下に説明するくぼみを有する）リムは、隣接するシュラウドの内側と極めて近接する（例として、約０．１インチ（約２．５４ｍｍ）の隙間である。）
蓋板５０は、まず、正圧側の翼輪郭とほぼ対応した第１の部分１４０と、負圧側の翼輪郭とほぼ対応した第２の部分１４２とを備えた外周を有するように構成される。典型的な蓋板の材料はニッケル系の超合金（例として、ＵＮＳ  Ｎ０６６２５  厚さ０．０３インチ（約０．７６ｍｍ））。上記部分１４０，１４２は、（以下に述べる離脱箇所を有するが）壁構造の部分１０５，１０６の内側表面に近接した先端部コンパートメント内にぴったりとはめ込まれるよう寸法調整されている。実施例においては、外周部１４０，１４２とは、前縁までに渡ってずっと延びているわけではない。上記外周部は、連結部１４４の地点で末端をなし、実施例においては、上記連結部１４４は、正圧面側と負圧面側の双方とも、前縁から引っ込んでいる。後縁に向かって、上記両外周部は、後縁外周部１４６において連結する。以下に詳細に説明するように、上記第１の外周部１４０の後縁部分１４８は、その残りの部分から多少くぼんでいるのに対し、上記第２の外周部１４２の後縁部１５０はその残りの部分から多少突き出ている。蓋板はさらに開口部１６０，１６２，１６４を備える。
【００１０】
上記蓋板は、上記鋳造品コンパートメントの所定の位置に位置決めされ、外周部１４０，１４２の部分に沿って溶接されることによって、鋳造品に取り付けられる。具体的には、図示の実施例では、上記板は、ほぼ後方に向かって、つまり、鋳造品の最初の開口部１１０から上記くぼみ部１４８と突出し部１５０とのすぐ手前まで、レーザ溶接処理がなされる。その後、負圧側における外周部１４２の前縁部と突出し部１５０とに沿って、隅肉溶接（例として、ミグ溶接もしくはティグ溶接）がなされる。突出し部分の突出は、局所的に不支持の板と負圧側の壁部分１０６との間を埋める溶接をする際に役に立つ。
【００１１】
実施例においては、上記所定のとおり蓋板が取り付けられると、上記蓋板の前縁部分１８０（図６）が、上記前縁開口部１１０に部分的に蓋をすることになる。つまり、ブレード先端部コンパートメントないしブレード先端部プレナムと上記前縁部空洞との連通を部分的に遮断することになる。実施例においては、前縁部開口部１１０の後縁側の端面は、局所的な中心線５２０に対しほぼ垂直である。上記開口部１１０を覆う前縁部分１８０の大部分が中心線から負圧側の開口部を覆い、正圧側に比べてはるかに大きく負圧側の開口部面積を覆うことになる。この遮断の割合は、開口部形状および翼断面の影響を受ける。実施例においては、板が遮断する中心線から負圧側の開口部面積は、板が遮断する正圧側の開口部面積に比べて、２〜６倍（より限定すると、４〜５倍）となる。
【００１２】
前縁部１８０の形状は、変わることがある。実施例において、蓋板の外周部分１４４は、ほぼ直線をなしており、かつ、前縁方向の負圧側において中心線５２０とは９０°未満の角度θをなす。この傾斜により、負圧側の板外周部１４２は正圧側の板外周部１４０に比べて、前縁に近づくように延びている。上記構成の結果、板前縁部分１８０は優先的に正圧側へ空気流を導き、正圧側の冷却を促進させることになる。つまり、正圧側には高い冷却性能が必要とされているため、上記構成によりなお一層の空気流の有効利用が実現する。
【００１３】
実施例においては、第２のウェブ開口部１１２と第１の蓋板開口部１６０とは、同一の広がりを有するが、上記蓋板はその他のウェブ開口部をほぼ、もしくは、より完全に遮断する場合がある。実施例において、蓋板開口部１６２と１６４とはそれぞれウェブ開口部１１４と１１６とに整列しているが、上記ウェブ開口部に比べて十分に小さいため、かかる蓋板開口部を通過する空気流は大幅に減少する。実施例においては、上記蓋板は十分にウェブ開口部１１８を塞いでおり、以下に詳細に説明するように、部分的に後縁ウェブ開口部１２０に渡って延びている。上記開口部１１２を通過する流れは比較的に絞られていないため、冷却空気の有効利用を可能となる、例えば、後縁に向かうより先端部コンパートメントに向かう空気がはるかに多くなることが期待できる。
【００１４】
図７は、鋳造品の後縁開口部１２０を部分的に覆う蓋板の後縁部分１９０を示す。具体的には、上記後縁部分１９０は上記開口部の負圧側の前側部分を覆い、くぼみ部分１４８は上記開口部の正圧側外周部分と間隔をあけている。上記構成も同様に、後縁部空洞から上記開口部１２０を通過する空気を優先的に圧力側に導く。
【００１５】
図４は、ほぼ後縁６２までに延びた負圧側先端部の壁部１０６を示す。正圧側の壁部１０５は、そのままの状態で延びていない。この壁部１０５は位置２００まで完全な状態で延びているが、そこから後縁に至るまでは、壁１０６の隣接する場所と比べてくぼんでいる。実施例においては、位置２００は後縁から前方に所定の距離５４０にある。実施例においては、上記壁部１０５は後縁部空洞における後縁端の位置から後部が消失している。上記壁部１０５は、表面部１０６に沿うリム部１０４から所定の距離５４２だけくぼんだ底部表面２０２に接続する。所定距離５４２は、通常、リム表面１０４に対する上記ウェブ表面１０３のくぼみ量とほぼ同等である。上記壁部１０５の後縁部分は、通常、表面２０２に至る連続した凹曲面移行部２０４を有する。上記移行部は所定の曲率半径を有し、直角の移行部とは対照的に熱的／機械的な応力集中を抑え、ひいては応力集中の結果生じる破損の頻度を抑えるには十分な大きさである。
【００１６】
以上、本発明にかかる複数の実施例の説明がなされた。それにも拘わらず、本発明の趣旨および内容から逸脱せずに種々な改良がなされよう。例えば、特定用途向けの細部改良である。既存の実施例あるいは既存のブレードにおける上記特性は、本発明の原理が応用される範囲まで、例えば、既存の実施例の範囲、より具体的には、既存ブレードの改良品にまで、実施に際し影響が及ぶのである。それ故、その他の実施態様も添付した特許請求の範囲の内容に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の原理によるタービンブレードの図
【図２】図１のブレード鋳造品先端部の図
【図３】図１のブレードにおける先端部コンパートメント用の蓋板の図
【図４】図１のブレードにおける正圧面の後縁先端部の部分図
【図５】図１のブレード先端部の図
【図６】図１のブレード先端部前縁部分の部分図
【図７】図１のブレードにおける先端部コンパートメントの後縁部分の部分図
【符号の説明】
【００１８】
１１０…（ブレード本体の）ウェブ前縁開口部
１１２…ウェブ開口部
１１４…ウェブ開口部
１４０…正圧側の板外周部
１４２…負圧側の板外周部
１４４…蓋板の前縁外周部
１６０…蓋板の開口部
１６２…蓋板の開口部
１８０…蓋板の前縁部分
５２０…翼断面の局所中心線
【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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