(57)【要約】【課題】  タービンブレードの後縁先端部における冷却効果を高める。【解決手段】  タービンブレードは、プラットフォームと、プラットフォームにおける根部から先端部まで延在するエアフォイルとを有する。エアフォイルは、少なくとも１つの後縁キャビティ（４８）を含む内部冷却通路網を有する。後縁孔の群（５０，５０Ａ〜５０Ｆ）が後縁（４２）から後縁キャビティ（４８）まで延び、かつ先端孔（７０Ａ〜７０Ｄ）の群が、先端部から後縁キャビティ（４８）まで延びている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラットフォームと、エアフォイルと、を有するブレードであって、
前記エアフォイルは、前記プラットフォームにおける根部と、先端部と、前縁および後縁と、内部冷却通路網と、を含み、
前記内部冷却通路網は、
少なくとも１つの後縁キャビティと、
前記後縁から前記後縁キャビティまで延びる複数の後縁孔と、
前記先端部から前記後縁キャビティまで延びる複数の先端孔と、を含むことを特徴とするブレード。
【請求項２】
前記先端孔および前記後縁孔の中で先端部寄りの孔の群は、前記後縁キャビティから外向きに広がるように配置されていることを特徴とする請求項１記載のブレード。
【請求項３】
前記先端孔は、直径が０．３〜２．０ｍｍの円状の断面を有することを特徴とする請求項１記載のブレード。
【請求項４】
各々の先端孔は、直径の少なくとも５倍の長さの円状の円筒面を有することを特徴とする請求項１記載のブレード。
【請求項５】
前記ブレードは、本体と先端部インサートとを有するとともに、先端部プレナムを備えており、この先端部プレナムは、前記冷却通路網と連通しているとともに、前記エアフォイルの正圧面および負圧面に沿う鋳物の壁部分と、前記壁部分のリムの下側で延在する先端部インサートの外側面と、によって境界づけられていることを特徴とする請求項１記載のブレード。
【請求項６】
前記壁部分は、前記プレナムの後縁部分に沿って連続するとともに前記正圧面および前記負圧面に亘って延在していることを特徴とする請求項５記載のブレード。
【請求項７】
前記先端部は、正圧面に沿って除去された領域を有し、この除去された領域は、前記先端孔の開口部の一部に亘って延びていることを特徴とする請求項１記載のブレード。
【請求項８】
プラットフォームと、エアフォイルと、を有するブレードであって、
前記エアフォイルは、前記プラットフォームにおける根部と、先端部と、前縁および後縁と、内部冷却通路網と、を含み、
前記内部冷却通路網は、
後縁キャビティと、
前記エアフォイルの後縁側先端部の角部の冷却手段と、を含むことを特徴とするブレード。
【請求項９】
前記冷却手段は、前記後縁キャビティから延びる複数の先端孔を含み、
前記ブレードは、前記先端孔が接触によって塞がるのを防止する手段をさらに含むことを特徴とする請求項８記載のブレード。
【請求項１０】
前記冷却手段は、前記後縁キャビティから前記後縁および前記先端部まで外向きに広がって配置された複数の先端孔を含むことを特徴とする請求項８記載のブレード。
【請求項１１】
ブレードの製造方法であって、
プラットフォームとエアフォイルとを有するタービン要素の原型を鋳造することを含み、
前記エアフォイルは、前記プラットフォームにおける近位の根部から遠位の先端部まで長手方向に延在するとともに、正圧面と負圧面とを分離する前縁および後縁を有し、かつ、少なくとも１つの後縁キャビティを含む冷却通路網を有しており、
前記後縁から前記後縁キャビティまで延びる第１の複数の孔を前記エアフォイルに機械加工するとともに、
前記先端部から前記後縁キャビティまで延びる第２の複数の孔を前記エアフォイルに機械加工することを含むことを特徴とするブレードの製造方法。
【請求項１２】
前記先端部の後縁側正圧面部分に面取部を形成することをさらに含み、この面取部は、前記第２の複数の孔の開口部の一部を通って延びていることを特徴とする請求項１１記載のブレードの製造方法。
【請求項１３】
前記先端部の後縁側正圧面部分に凹状の面取部を形成することをさらに含むことを特徴とする請求項１１記載のブレードの製造方法。
【請求項１４】
前記第１の複数の孔の中で前記先端部側の終端の群の前記機械加工は、前記後縁キャビティから広がるように配置される前記終端の群を形成するように、ドリルの向きを連続的に徐々に変えることを特徴とする請求項１１記載のブレードの製造方法。
【請求項１５】
前記第２の複数の孔の機械加工は、前記後縁キャビティから広がるように配置される前記第２の複数の孔を形成するように、ドリルの向きを連続的に徐々に変えることを特徴とする請求項１１記載のブレードの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ機械に関し、特に冷却される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エンジニアリングおよび製造では、熱管理が重要な検討事項である。ブレードは、一般に冷却通路網を含むように構成されている。典型的な通路網は、ブレードのプラットフォームを通して冷却空気を受け入れる。冷却空気は、エアフォイルを通る複雑な通路を通って流れ、冷却空気の少なくとも一部は、エアフォイルの開口部を通ってブレードから流出する。これらの開口部は、エアフォイルの正圧面および負圧面に沿って設けられた“フィルム孔”や、これらの面の接合部つまり前縁および後縁に設けられた孔などの孔を含みうる。ブレードの先端部に追加の開口部を設けることもできる。
【０００３】
一般的な製造技術では、ブレードの主要部は、鋳造および機械加工の工程によって形成される。鋳造工程では、少なくとも冷却通路網の主要部を形成するために犠牲コアが使用される。ブレードの先端部における適切なコア支持部が、鋳物の先端部を通って突出するコア部分と関連づけられており、コアが取り除かれたときに上記コア部分によって対応する孔が形成される。従って、コアによって形成される孔を少なくとも部分的に塞ぐために、プレートを挿入できる先端部ポケットを含む鋳物を形成することが知られている。これにより、先端部を通る流れの量および配分を調整して、所望の性能を達成することが可能となる。
【０００４】
このような構成の例は、特許文献１〜６に開示されている。このようなブレードの中には、ブレードの先端部ポケットすなわちプレナムを残すように、プレートが鋳物の先端部ポケットの下側で延在しているものがある。
【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】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、ブレードの後縁先端部における冷却効果を高めることである。
【０００６】
本発明の他の目的は、ブレードの先端部がシュラウドと接触した場合でも、後縁先端部が確実に冷却されるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの形態は、プラットフォームと、プラットフォームにおける根部と先端部とを備えるエアフォイルと、を有するブレードに関する。エアフォイルは、前縁および後縁と、少なくとも１つの後縁キャビティを含む冷却通路網と、を有する。後縁孔が、後縁から後縁キャビティまで延びており、かつ先端孔が、先端部から後縁キャビティまで延びている。
【０００８】
種々の実施例では、先端孔と後縁孔の中の遠位の孔の群は、後縁キャビティから外向きに広がるように配置することができる。各先端孔は、円状の断面を有し、０．３〜２．０ｍｍの直径を有しうる。各々の先端孔は、直径の少なくとも５倍の長さの円状の円筒面を有しうる。このような先端孔が２〜６個含まれうる。各々の先端孔は、ブレードの鋳物を通って延びる。ブレードは、本体と先端部インサートとを有するとともに、冷却通路網と連通する先端部プレナムを備えうる。このプレナムは、エアフォイルの正圧面および負圧面に沿う鋳物の壁部分と、上記壁部分のリムの下側で延在する先端部インサートの外側面と、によって境界づけることができる。壁部分は、プレナムの後縁部分に沿って連続するとともに正圧面および負圧面に亘って延在してもよい。先端部は、正圧面に沿って除去された領域を有してもよく、この除去された領域は、先端孔の開口部の一部に亘って延びていてもよい。
【０００９】
本発明の１つまたはそれ以上の実施例の詳細は、添付図面および以下の詳細な説明に開示されている。本発明の他の特徴、目的、および利点は、詳細な説明、図面、および請求項によって明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、内側プラットフォーム２６における近位の根部２４から遠位端部である先端部２８まで長手方向に延在するエアフォイル２２を有するタービンブレード２０を示している。複数のこのようなブレードを並行に組み合わせることができ、これらのブレードの各々の内側プラットフォームによって流路の内側部分を境界づけるリングが構成される。例示的な実施例では、ブレードの主要部は、（鋳物などとして）金属合金から一体に形成される。鋳物は、先端部コンパートメントを含むように形成され、この先端部コンパートメントには、下側で延在するように（ｓｕｂｆｌｕｓｈ）独立したカバープレートを固定することができる。これにより、先端部プレナム３０が残される。
【００１１】
エアフォイルは、前縁４０から後縁４２まで延在する。前縁４０および後縁４２は、正圧面と負圧面すなわち面４４，４６を離間させる。ブレードには、ブレードを冷却するために、プラットフォーム内のポート（図示省略）と連通する冷却通路網が設けられている。例示的な通路網は、エアフォイルに沿って実質的に長手方向に延びる連続するキャビティを含む。最も前方のキャビティは、前縁キャビティと呼ばれ、前縁に対して実質的に平行に延びる。最も後方のキャビティ４８（図２参照）は、後縁キャビティと呼ばれ、後縁に対して実質的に平行に延びる。これらのキャビティは、長手方向に沿った一方または両方の端部または位置で接続可能である。通路網は、さらに表面を冷却して外部の高温から保護するために、正圧面４４および負圧面４６へと延びる孔を含むことができる。これらの孔には、後縁キャビティ４８と後縁４２に近接する位置との間に延びる後縁孔５０の列が含まれうる。
【００１２】
例示的な実施例では、ブレードの主要部が鋳造および機械加工によって形成される。鋳造では、犠牲コアを使用して通路網を形成する。例示的な鋳造工程では、カバープレート５８（図２参照）が固定される、上述の先端部コンパートメントを含む鋳物が形成される。このコンパートメントは、先端部コンパートメントの基部を構成する外側面を備えるウェブ６０を有する。上記外側面は、エアフォイルの負圧面および正圧面の一部を含む壁構造体のリム６２の下側に位置する。ウェブ６０は、一連の開口部を含むように構成される。これらの開口部は、外側の鋳型に支持されるように取り付けられた犠牲コアの一部によって形成される場合もあり、通路網と連通している。このような開口部は、ブレードから冷却空気が失われる望ましくない通路となるおそれがある。従って、開口部のいくつかまたは全てをカバープレート５８によって塞ぐことが望ましいことがある。カバープレート５８は、鋳物のコンパートメント内の所定位置に配置するとともに鋳物に溶接することによって設置可能である。動作時には、（以下で説明するように凹状の）リムは、隣接するエンジンシュラウドの内部と（例えば、約１０ｍｍの間隙で）実質的に近接する。
【００１３】
図２は、軸５００を有し、かつ後縁４２から後縁キャビティ４８の後縁側端６８まで延びる円状の円筒形孔として例示的な後縁孔５０を示している。孔５０の第１の群は、互いに対して実質的に平行であり、比較的均等な間隔で配置することができる。孔５０の第２の群（すなわち遠位の群５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ，５０Ｅ，５０Ｆ）は、互いに対して平行ではなく、かつ後縁キャビティ４８から外向きに扇形に広がっている。図示の実施例では、孔５０Ａ〜５０Ｆは、終端の群として扇形に広がる連続する孔の群の一部であり、この群には、先端孔７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０Ｄも含まれる。先端孔７０Ａ〜７０Ｄは、後縁キャビティ４８の後縁側端６８に沿って入口端部（インレット）を有するとともに、ブレードの先端部に沿って出口端部（アウトレット）を有する。例示的な孔は、直径Ｄの円状断面を有する。例示的な孔５０Ａ〜５０Ｆおよび７０Ａ〜７０Ｄの入口端部は、キャビティの後縁側端６８に沿って実質的に均等な間隔（ピッチ）Ｓ1で配置されている。このピッチは、残りの孔５０の間の典型的なピッチ（例えば、隣接する孔５０の群のピッチＳ2）よりも僅かに小さいことが有利でありうる。孔は、徐々に扇形に広がり、その軸と後縁側端６８に沿った内側方向部分との間の角度θが、扇形に広がらない最後の孔５０における９０°を僅かに越える値から最終の孔７０Ｄにおけるほぼ４５°の値まで徐々に減少する。
【００１４】
扇形の広がりとピッチの減少によって、単に連続する孔５０の平行な列に比べてブレードの後縁先端部における冷却効果が高まる。例示的な実施例では、孔７０Ａ〜７０Ｄの出口端部は、コンパートメント３０の後方に位置するリム６２の後縁部分７２に沿って設けられる。例示的な実施例では、リム６２の後縁部分７２は、孔７０Ａ〜７０Ｄの出口の少なくとも一部に亘って延びる正圧側面取部８０を有する。この面取部８０によって、後縁部分７２の完全な状態の負圧側部分８２に対して先端部の一部が下側に凹む。タービンの動作時には、完全な部分８２は、シュラウドの隣接面（図示省略）に平行に面してこの面に近接し、面取部８０によって提供される凹部は、孔７０Ａ〜７０Ｄの出口からの流れを面取部８０の面に沿って後方に導いて、後縁に隣接する先端部の正圧側を冷却する。
【００１５】
例示的な製造方法では、孔５０，５０Ａ〜５０Ｆ，７０Ａ〜７０Ｄは、ドリリング（例えばレーザドリリング）によって機械加工することができる。これは、ブレードを鋳造または他の方法で製造した後に行われ、選択的に鋳造後の初期機械加工の後に行われる。少なくとも扇形に広がる孔は、単一刃ドリル（ｓｉｎｇｌｅ−ｂｉｔ  ｄｒｉｌｌ）（レーザドリリングの場合には、単一ビームドリル）の向きを連続的に徐々に変えることによって穿孔することができる。孔の穿孔後に、最終機械加工の一部として面取部８０をリムに研削することができる。面取部によって提供される凹部は、先端孔が塞がるのを防止する役割も果たす。凹部がなければ、リム部７２とシュラウドとの偶発的な接触によって、先端孔に材料が押し込まれて先端孔が塞がるおそれがある。孔の出口の少なくとも正圧側部分を完全な部分の下側に凹ませることによって、上述のように塞がるのを防止できる。例示的な面取部は、凹状であり、完全な部分８２に対する正圧側における深さＲ1と、正圧側における孔７０Ａ〜７０Ｄと面取部との交差部の深さＲ2と、を有する。例示的な実施例では、これらの深さＲ1，Ｒ2は、後縁から前方に向かって少しずつ増加する。例示的な深さＲ1は、孔の直径のおおよそ０．５〜３．０倍であり、例示的な深さＲ2は、孔の直径のおおよそ０．２５〜２．０倍である。
【００１６】
例示的な実施例では、２〜６個の先端孔および２〜１０個の扇形に広がる後縁孔が含まれることが有利でありうる。ブレードの寸法を含む要因によって、それより多くの孔が含まれる可能性もある。より詳細な実施例では、３〜５個の先端孔および４〜８個の扇形に広がる後縁孔が含まれうる。例示的な孔の直径は、０．３〜２．０ｍｍである。例示的な孔の長さは、孔の直径の１０〜３０倍（より詳細には、１５〜２５倍）である。例示的な実施例では、扇形に広がる孔の角度θは、扇形に広がらない孔に対して３０〜６０°の正味角度で変化する。
【００１７】
本発明の１つまたはそれ以上の実施例を説明したが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、種々の改良を行うことができる。例えば、多くの詳細は、特定の用途によって決まる。本発明の原理が既存の用途、特に既存のブレードの改良に適用される場合には、これらの用途または既存のブレードの特徴によって本発明の実施に影響が及びうる。従って、本願の請求項の範囲には、他の実施例も含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係るタービンブレードの斜視図である。
【図２】図１のブレードの後縁先端部を示す部分断面図である。
【図３】図１のブレードの正圧面の後縁先端部を示す部分説明図である。
【符号の説明】
【００１９】
３０…コンパートメント
４２…後縁
４８…後縁キャビティ
５０…後縁孔
５０Ａ〜５０Ｆ…後縁孔の第２の群
５８…カバープレート
６０…ウェブ
６２…リム
６８…後縁側端
７０Ａ〜７０Ｄ…先端孔
７２…後縁部分
５００…軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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