(57)【要約】  タービンブレードを冷却するための装置および方法が教示される。ここでは、少なくとも１つの回路がブレードの低温の負圧側に沿って隔離され、回路は後縁に向かって後方へ転向する。空冷タービンブレードは、前縁と後縁との間に延在する正圧側と負圧側とを有するブレードであって、中空のキャビティを有するブレードと、前記ブレードを通って半径方向に延在する複数のチャンバであって、前記チャンバのグループが前記タービンブレードを通過する複数の回路を画定する、複数のチャンバと、前記負圧側に沿って上向きに延在する前記回路の内の第１の回路であって、前記回路の内の第２の回路によって前記正圧側から隔離された前記回路の内の第１の回路と、前記回路の内の前記第１の回路の一部と前記回路の内の前記第２の回路との間に配置された背骨リブと、を備える。【選択図】図３
2015531449.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
最適化された冷却回路を有するガスタービンエンジン用ロータブレードであって、
ブレード翼根部とブレード先端を有するブレードであって、前記ブレード翼根部から前記ブレード先端まで半径方向に延在し、前記ブレードの周囲および概して中空のキャビティを実質的に画定する少なくとも１つの側壁によって形成され、正圧側と負圧側を有する、ブレードと、
少なくとも４つの隔離された冷却回路であって、前記隔離された冷却回路のそれぞれが、少なくとも２つのチャンバを有し、前記少なくとも２つのチャンバが、前記ブレード翼根部から前記ブレード先端に向かって前記半径方向に延在し、かつ前記少なくとも２つのチャンバの間を空気が流れるのに適する少なくとも１つの連通孔によって接続された、少なくとも４つの隔離された冷却回路と、
前記少なくとも一方の側の側壁の複数の出口孔であって、前記隔離された冷却回路の少なくとも１つに接続され、空気流が前記ブレードを出るのに適する複数の出口孔と
を備え、
少なくとも１つの前記チャンバが、前記正圧側から前記負圧側までの、かつ背骨リブに対して横断方向の前記キャビティにわたって延在し、
前記回路の少なくとも１つが先端フラグ回路であり、前記先端フラグ回路が、前記ブレード翼根部から負圧側に沿って上向きに延在し、かつ前記チャンバとは別のチャンバによって前記正圧側から分離され、前記先端フラグ回路が転向して前記後縁に向かって延在する、ロータブレード。
【請求項２】
前記少なくとも１つの側壁が、凸状の第１の側壁と凹状の第２の側壁とを含み、前記凸状の第１の側壁および前記凹状の第２の側壁が前縁から後縁まで軸方向に延在する、請求項１記載のロータブレード。
【請求項３】
前記複数の冷却回路が、背骨リブによって分離された一対の平行なチャンバを含み、前記背骨リブが前記ブレード内に配置され、前記ブレード翼根部から前記ブレード先端まで前記半径方向に延在し、かつ第１のチャンバと第２のチャンバとの間を前記軸方向に延在する、請求項２記載のロータブレード。
【請求項４】
前記背骨リブが、前記凸状の第１の側壁から前記凹状の第２の側壁まで延在する横断方向チャンバによって分断される、請求項３記載のロータブレード。
【請求項５】
ガスタービンエンジン用の最適化された冷却回路を有するロータブレードであって、
ブレード翼根部からブレード先端まで半径方向に延在する凸状の第１の側壁と、
ブレード翼根部からブレード先端まで前記半径方向に延在する凹状の第２の側壁と、
前縁で接続してから、広がって、後縁で再び接続して、内部キャビティの周囲を形成する前記凸状の第１の側壁および前記凹状の第２の側壁と、
前記内部キャビティ内に配置された５つの冷却回路であって、前記冷却回路のそれぞれが、前記ロータブレード内に半径方向に延在し、かつ空気流が前記ブレード翼根部から前記ブレード先端に向かって通過するのに適した少なくとも１つのチャンバを有する、５つの冷却回路と、
第１のチャンバと第２のチャンバとを有する第１の冷却回路であって、これらのチャンバの少なくとも１つが前記前縁の近くに配置され、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバが、前記半径方向に対して横断方向に延在する少なくとも１つの第１の連通孔によって接続された、第１の冷却回路と、
前記凸状の第１の側壁の近くに配置された第３のチャンバと、第４のチャンバと、第５のチャンバとを有する第２の冷却サーペンタイン回路であって、前記第３のチャンバと前記第４のチャンバが、前記ブレード先端の近くに配置され、かつ前記半径方向に対して横断方向に延在する連通孔によって接続され、前記第４のチャンバと前記第５のチャンバが、前記ブレード翼根部の近くに配置され、かつ前記半径方向に対して横断方向に延在する第２の連通孔によって接続された、第２の冷却サーペンタイン回路と、
第６のチャンバと第７のチャンバとを有する第３の冷却回路であって、前記第６のチャンバが、前記凸状の第１の側壁によって第１の側に、かつ前記凹状の第２の側壁によって第２の側に、少なくとも部分的に画定され、前記第６のチャンバと前記第７のチャンバが、前記ブレード先端の近くに配置され、かつ前記半径方向に対して横断方向に延在する第３の連通孔によって接続された、第３の冷却回路と、
前記ブレード翼根部近くの第４の連通孔によってお互いに接続された第８のチャンバと第９のチャンバとを有する第４の冷却回路であって、前記第８のチャンバと前記第９のチャンバが、前記半径方向に延在する第４の冷却回路壁によって部分的に分離され、前記第８のチャンバと前記第９のチャンバが、前記第４の冷却回路壁より前記ブレード先端のより近くの位置で合体し、前記後縁に向かって転向する、第４の冷却回路と、
前記後縁の近くに配置され、かつ前記ブレード翼根部から前記ブレード先端に向かって前記半径方向に延在する第１０のチャンバを有する第５の冷却回路と
を備えるロータブレード。
【請求項６】
前記第１の冷却回路から、前記前縁の近くの前記凸状の第１の側壁および前記凹状の第２の側壁によって形成された前記周囲を貫通して、前記半径方向に対して横断方向に延在する複数の前縁の孔であって、空気流が、前記第１の冷却回路から前記周囲によって形成された前記内部の外側へ通過するのに適した前縁の孔をさらに備える、請求項５記載のロータブレード。
【請求項７】
前記第５の冷却回路から、前記後縁の近くの前記凸状の第１の側壁および前記凹状の第２の側壁によって形成された前記周囲を貫通して、前記半径方向に対して横断方向に延在する複数の後縁の孔であって、空気流が、前記第５の冷却回路から前記周囲によって形成された前記内部の外側へ通過するのに適した後縁の孔をさらに備える、請求項５記載のロータブレード。
【請求項８】
前記第３の冷却回路が、前記周囲を通って延在し、かつ空気流が、前記第３の冷却回路から前記周囲によって形成された前記内部の外側へ通過するのに適した少なくとも１つの通路を含む、請求項７記載のロータブレード。
【請求項９】
前記第４の冷却回路が、前記周囲を通って延在し、かつ空気流が、前記第４の冷却回路から前記周囲によって形成された前記内部の外側へ通過するのに適した少なくとも１つの通路を含む、請求項７記載のロータブレード。
【請求項１０】
前縁と後縁との間に延在する正圧側と負圧側とを有するブレードであって、中空のキャビティを有するブレードと、
前記ブレードを通って半径方向に延在する複数のチャンバであって、前記チャンバのグループが前記タービンブレードを通過する複数の回路を画定する、複数のチャンバと、
前記負圧側に沿って上向きに延在する前記回路の内の第１の回路であって、前記回路の内の第２の回路によって前記正圧側から隔離された前記回路の内の第１の回路と、
前記回路の内の前記第１の回路の一部と前記回路の内の前記第２の回路との間に配置された背骨リブと
を備える空冷タービンブレード。
【請求項１１】
前記正圧側と前記負圧側との間に延在する横断方向チャンバをさらに備える、請求項１０記載の空冷タービンブレード。
【請求項１２】
少なくとも２つのチャンバを有する前記回路の内の前記第１の回路をさらに備える、請求項１０記載の空冷タービンブレード。
【請求項１３】
前記少なくとも２つのチャンバが、前記後縁を冷却するために、前記後縁に向かって後方へ転向して合体する、請求項１２記載の空冷タービンブレード。
【請求項１４】
前記少なくとも２つのチャンバが真直ぐな上向き経路チャンバである、請求項１２記載の空冷タービンブレード。
【請求項１５】
前記真直ぐな上向き経路チャンバがマニホールドに合体する、請求項１４記載の空冷タービンブレード。
【請求項１６】
前記回路の内の前記第１の回路が先端フラグ回路である、請求項１５記載の空冷タービンブレード。
【請求項１７】
前記回路の内の前記第１の回路が、前記背骨リブおよび前記回路の内の前記第２の回路によって隔離された、請求項１０記載の空冷タービンブレード。
【請求項１８】
前記ブレードの曲率の大きな部分に沿うサーペンタイン回路をさらに備える、請求項１０記載の空冷タービンブレード。
【請求項１９】
前記ブレードの前記前縁に沿って配置された複数の冷却フィルム孔をさらに備える、請求項１０記載の空冷タービンブレード。
【請求項２０】
前記負圧側に沿って配置された複数の冷却フィルム孔をさらに備える、請求項１０記載の空冷タービンブレード。
【請求項２１】
前縁と、後縁と、負圧側と、正圧側と、回路を画定する複数のチャンバとを有するタービンブレードを冷却する方法であって、
空気を、前記タービンブレードの負圧側に沿って位置する前記チャンバの内の２つのチャンバを通して流すステップと、
前記負圧側に沿う前記チャンバの内の前記２つのチャンバを少なくとも１つの回路で隔離するステップであって、前記少なくとも１つの回路が前記正圧側と前記負圧側との間に延在する横断方向チャンバを含む、ステップと、
前記チャンバの内の前記２つのチャンバをブレード先端近くで先端フラグチャンバに合体させるステップと、
前記先端フラグチャンバを前記後縁に向かって後方へ延在させるステップと
を備えるタービンブレードを冷却する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発実施形態は一般に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、限定するものではないが、ガスタービンエンジンのロータ組立体を冷却するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジン内で、空気は、圧縮機で加圧され、燃焼器で燃料と混合されて高温燃焼ガスを生成して、タービン段を通って下流に流れる。これらのガスタービン段は燃焼ガスからエネルギーを取り出す。高圧タービンは、第１段ノズルおよびロータ組立体を含み、ロータ組立体はディスクおよび複数のタービンブレードを有する。高圧タービンは、燃焼器からの高温ガスを最初に受け入れ、第１段ステータノズルを含む。第１段ステータノズルは、燃焼ガスを、第１のロータディスクから半径方向外向きに延在する１列の高圧タービンロータブレードを通るように下流に向ける。２段タービンでは、第２段ステータベーンが第１段ブレードの下流に配置され、その後ろに第２のロータディスクから半径方向外向きに延在する１列の第２段タービンロータブレードが続く。ステータノズルは、下流の隣接するタービンブレードでエネルギーを最大限取り出すように高温燃焼ガスを方向づける。
【０００３】
第１段および第２段のロータディスクは、対応するロータ軸によって圧縮機に結合されて、運転中、圧縮機に動力を与える。これらは通常、高圧タービンと称される。タービンエンジンは、通常、ベーンと称される静止翼のいくつかの段を含むことができ、それらは、通常、ブレードと称される回転翼の間にエンジン軸方向に配置される。飛行中の航空機に動力を与えるための典型的なターボファン航空機用エンジンの構成では、多段低圧タービンが２段高圧タービンの後に続き、通常、第２の軸によって圧縮機から上流に配置されたファンに結合される。
【０００４】
燃焼ガスがタービン段を通って下流に流れるにつれて、エネルギーが取り出され、燃焼ガスの圧力は下がる。燃焼ガスは、圧縮機に動力を与えるとともに、動力用または舶用ではタービン出力軸に動力を与え、航空機用では推力を与えるために使われる。このようにして、燃料のエネルギーは回転軸の機械的エネルギーに変換されて、圧縮機に動力を与え、プロセスを継続するために必要な圧縮空気を供給する。
【０００５】
タービンロータ組立体は典型的には、少なくとも１列の周方向に間隔を置いて配置されたロータブレードを含む。各ロータブレードは、前縁および後縁で互いに接続する正圧側および負圧側を有するエーロフォイルを含む。各エーロフォイルはロータブレードプラットフォームから半径方向外向きに延在する。各ロータブレードはまたダブテールを含むことができ、ダブテールは、プラットフォームとダブテールとの間を延在するシャンクから半径方向内向きに延在する。ダブテールは、ロータ組立体内のロータブレードをロータディスクまたはスプールに取り付けるために用いられる。公知のブレードは、内部冷却キャビティがエーロフォイル、プラットフォーム、シャンク、およびダブテールによって少なくとも部分的に画定されるように、中空となっている。
【０００６】
エーロフォイルが高温の燃焼ガスに曝されて損傷することを防ぎやすくするために、公知のエーロフォイルは、エーロフォイルを通る冷却流体の通路となる内部冷却回路を含む。少なくともいくつかの公知の高圧タービンブレードでは、冷却気体の通路がブレード先端まで半径方向外向きに続き、ブレード先端で流れの向きが反転し、ブレード翼根部へ向かって半径方向内向きに戻るように蛇行する内部冷却キャビティが含まれる。この流れは、翼根部を通ってブレードから出ることができる。あるいは、後縁を冷却するために、流れは後縁の孔に向けられて、気体を後縁の表面全体にわたって流すことができる。特に、少なくともいくつかの公知のロータブレードでは、圧縮機の抽気が側壁間に画定されたキャビティ内へ流れて側壁を対流冷却する通路がある。インピンジメント冷却を用いて追加の冷却を行うことができ、ここでインピンジメントインサートは、冷却流体がインピンジメントジェット列を通ってエーロフォイルの前縁の内側表面に衝突する通路を作り、前縁に沿ってエーロフォイルを冷却しやすくすることができる。しかしながら、製造上の制限によって制約されるこれらの回路は、冷却流体がエーロフォイルの壁から熱を取り去るには効果的でないキャビティの中心を通るので、これらの回路は非効率である。
【０００７】
上記から分かるように、これらの、および他の欠点は、ロータブレード組立体を通る冷却空気の流れを改善するように克服されるべきである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】欧州特許第０８９６１２７（Ａ２）号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
例示的な実施形態によれば、空冷タービンブレードは、前縁と後縁との間に延在する正圧側と負圧側とを有するブレードであって、中空のキャビティを有するブレードと、ブレードを通って半径方向に延在する複数のチャンバであって、チャンバのグループがタービンブレードを通過する複数の回路を画定する、複数のチャンバと、前記負圧側に沿って上向きに延在する前記回路の内の第１の回路であって、前記回路の内の第２の回路によって前記正圧側から隔離された前記回路の内の第１の回路と、前記回路の内の前記第１の回路の一部と前記回路の内の前記第２の回路との間に配置された背骨リブとを備える。
【００１０】
他の例示的な実施形態によれば、前縁と、後縁と、負圧側と、正圧側と、回路を画定する複数のチャンバとを有するタービンブレードを冷却する方法は、圧縮空気を、タービンブレードの負圧側に沿って位置するチャンバの内の２つのチャンバを通すように向けるステップと、負圧側に沿うチャンバの内の２つのチャンバを少なくとも１つの回路で隔離するステップであって、少なくとも１つの回路が正圧側と負圧側との間に延在する横断方向チャンバを含む、ステップと、チャンバの内の２つのチャンバをブレード先端近くで先端フラグチャンバに合体させるステップと、先端フラグチャンバを後縁に向かって後方へ延在させるステップとを備える。
【００１１】
上記に概説した特徴のすべては、単に例示的なものとして理解されるべきであり、本発明の多くのさらなる特徴および目的は、本明細書での開示から得ることができる。したがって、ここに含まれる明細書全体、特許請求の範囲、および図面をさらに読むことなしに、この発明の概要が非限定的なものであると理解されたい。
【００１２】
上記および他の本発明の特徴および利点、ならびにそれらを達成するための方法は、より明らかになり、ガスタービンロータブレードの冷却は、添付の図面と併せて、実施形態の以下の説明を参照することによって、よりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】例示的なガスタービンエンジンの概略図である。
【図２】図１に示すガスタービンで用いることができる例示的なロータブレードの斜視図である。
【図３】図２に示したロータブレードの断面図である。
【図４】図３とは異なる高さでのロータブレードの第２の断面図である。
【図５】様々なチャンバおよび冷却回路を示すために部分的に切り取ったタービンブレードの下から等角図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、図面で示される１つまたは複数の例を与えられた実施形態を詳細に参照する。各例は、本開示の実施形態を限定するためではなく、説明するために提供される。実際、本開示の範囲または趣旨から逸脱せずに、本実施形態において様々な修正および変形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、１つ実施形態の一部分としての図示または記載した特徴を、さらなる実施形態を得るために別の実施形態と共に使用することができる。したがって、本発明は、このような修正および変更を、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ものとして包含することが意図される。
【００１５】
次に、図１〜５を参照すると、ガスタービンロータブレードを冷却するための方法および装置の様々な実施形態が描かれている。例示的なタービンブレードは、タービンブレードを冷却するために高圧の圧縮機排出空気を供給する回路を画定する複数のチャンバを備える。ブレードの回路は、より高温の正圧側の空気からより低温部のキャビティを断熱する少なくとも１つのチャンバを含む。加えて、チャンバの少なくとも１つは、正圧側と負圧側との間に延在して、背骨リブまたは仕切壁を分断する。
【００１６】
用語の前方および後方は、エンジン軸線に対して使用され、一般には、エンジンの軸方向に、タービンエンジンの前部に向かうこと、またはタービンエンジンの後部に向かうことを意味する。
【００１７】
本明細書で使用されるとき、用語「軸方向の」または「軸方向に」は、エンジンの長手方向軸線に沿った次元を示す。「軸方向の」または「軸方向に」と併せて使用される用語「前方」は、エンジン入口、または別の構成部品と比較してエンジン入口に相対的に近い構成部品に向かう方向に移動することを示す。「軸方向の」または「軸方向に」と併せて使用される用語「後方」は、エンジンノズル、または別の構成部品と比較してエンジンノズルに相対的に近い構成部品に向かう方向に移動することを示す。
【００１８】
本明細書で使用されるとき、用語「半径方向の」または「半径方向に」は、エンジンの長手方向中心軸線とエンジン外周との間を延在する次元を示す。用語「近位の」または「近位に」の使用は、これらの用語だけで、または用語「半径方向の」または「半径方向に」と併せて、長手方向中心軸線、または別の構成部品と比較して長手方向中心軸線に相対的に近い構成部品に向かう方向に移動することを示す。用語「遠位の」または「遠位に」の使用は、これらの用語だけで、または用語「半径方向の」または「半径方向に」と併せて、エンジン外周、または別の構成部品と比較してエンジン外周に相対的に近い構成部品に向かう方向に移動することを示す。本明細書で使用されるとき、用語「横方向の」または「横方向に」は、軸方向および半径方向の両方に垂直な次元を示す。
【００１９】
図１は、ファン組立体１２、高圧圧縮機１４、および燃焼器１６を含むガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０はまた、高圧タービン１８、低圧タービン２０、およびブースタ２２を含む。ファン組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外向きに延在する１列のファンブレード２４を含む。エンジン１０は、吸気側２８および排気側３０を有する。１つの実施形態において、エンジン１０は、オハイオ州Ｃｉｎｃｉｎｎａｔｉ所在のＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ａｉｒｃｒａｆｔ  Ｅｎｇｉｎｅｓから市販されているＣＴ７エンジンである。
【００２０】
作動時には、空気は、ファン組立体１２を通って流れ、圧縮された空気が高圧圧縮機１４に供給される。高圧の圧縮空気は燃焼器１６に送られる。燃焼器１６からの空気流（図１には図示せず）は、タービン１８および２０を駆動し、タービン２０はファン組立体１２を駆動する。
【００２１】
図２は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）で用いることができるロータブレード４０の斜視図である。図３は、ロータブレード４０の断面図である。各ロータブレード４０は、中空のエーロフォイル４２、および公知の方法でエーロフォイル４２をロータディスク（図示せず）に取り付けるために用いられる一体型ダブテール４３を含む。１つの実施形態では、複数のロータブレード４０はガスタービンエンジン１０の高圧タービンロータブレード段（図示せず）を形成する。例示的なブレードは本実施形態を参照するが、本明細書で説明する冷却回路およびチャンバは様々なタイプのエーロフォイルで利用することができ、タービンブレードに限定するものではない。
【００２２】
エーロフォイル４２は、第１の側壁４４および第２の側壁４６を含む。第１の側壁４４は、凸状でエーロフォイル４２の負圧側を画定し、第２の側壁４６は、凹状でエーロフォイル４２の正圧側を画定する。側壁４４および４６は、エーロフォイル４２の前縁４８において、かつ前縁４８から下流で軸方向に離間した後縁５０において互いに接続される。エーロフォイル４２は、側壁４４および４６に沿って、かつエーロフォイル先端５４とブレード根元５２との間に半径方向に間隔を置いて配置された複数のフィルム孔５１を含み、エーロフォイル４２からの冷却流体を放出してエーロフォイル４２の外側表面５３を冷却するのを促進する。エーロフォイル４２はまた、後縁５０に沿ってエーロフォイル先端５４とブレード根元５２との間に半径方向に間隔を置いて配置された複数の後縁スロット５５を含み、エーロフォイル４２からの冷却流体を放出してエーロフォイル後縁５０を冷却するのを促進する。フィルム孔５１および後縁スロット５５によって強化される熱伝達は、エーロフォイルの外側表面５３に沿った冷却を促進する。
【００２３】
第１および第２の側壁４４および４６はそれぞれ、ダブテール４３に隣接して配置されるブレード根元５２から、内部キャビティ５６の半径方向外側境界を画定するエーロフォイル先端５４まで半径方向に延在する。キャビティ５６は、側壁４４と側壁４６との間でエーロフォイル４２内に画定される。例示的な実施形態では、キャビティ５６は、複数の冷却チャンバ５８に分割され、これらのチャンバは、エーロフォイル４２の特定区域を対象とする冷却回路６０を形成する。冷却チャンバ５８によって、流体は、翼根部５２と先端５４との間を半径方向に、かつ通常はキャビティ間通路を通って流れて回路６０を画定することができる。例示的な実施形態では、５つの冷却回路６０が設けられる。しかしながら、これは限定されるものではなく、様々な数の回路は様々な寸法のキャビティで形成することができる。例示的な実施形態では、具体的に、冷却回路６０は、冷却回路３３０、３４０、３５０、３６０、および３７０を含む。代替の実施形態では、エーロフォイル４２は、５つよりも多い冷却回路を有する。
【００２４】
この冷却タービンブレードは、５つの異なった冷却回路に分離され、エーロフォイル４２全体をカバーする。全体としてチャンバ５８と呼ぶチャンバは、具体的にはＡ〜Ｊまでの名前が付けられる。インピンジメントチャンバＡは、ブレード４０の前縁すなわち前面の近くに配置される。インピンジメントチャンバＡは真直ぐ上を向く供給経路のチャンバＢと流体連通する。上向き経路のチャンバＢは、翼根部５２から先端５４までブレード４０を通って半径方向に延在する。チャンバＣ、ＤおよびＥは、曲率の大きな領域のチャンバで、お互いに流体連通する。より具体的には、チャンバＥは上向き経路のチャンバ、チャンバＦは下向きのチャンバ、チャンバＧは上向きの経路である。これらのチャンバＥ、Ｄ、Ｃは先端５４近く、および翼根部５２近くで流体連通するサーペンタイン回路３４０を画定する。
【００２５】
チャンバＡ〜Ｅはキャビティの前方部分を画定する。前方のキャビティは、負圧側４４から正圧側４６まで延在する横断方向チャンバＫによって後方キャビティから分離される。チャンバＦおよびＪは、ブレード４０の後縁５０に向かって配置され、ブレード４０の負圧側に隣接する。ブレード４０のこの区域は、この領域で空気が加速することによって、作動中は、より低温であり、したがって、チャンバＦおよびＪはブレード翼根部５２から半径方向に延在し、さらに後縁に向かって延在して、ブレード４０の高温域である後縁先端５０を冷却する。チャンバＨは、チャンバＦおよびＪの反対側で、チャンバＫの後方にあり、より高温の正圧側に隣接する。チャンバＩおよびＧは、後縁の方向に、チャンバＨの後方にある。
【００２６】
背骨リブ５７は、負圧側のチャンバＦおよびＪと正圧側のチャンバＨとの間に配置される。背骨リブ５７は、負圧側４４から正圧側４６まで延在するチャンバＫによって分断される。背骨リブ５７はさらに、より低温のチャンバＦおよびＪをブレード４０のより高温の正圧側４６から隔離する。
【００２７】
次に、複数のキャビティによって画定された回路を参照すると、第１の回路３３０では、高圧圧縮空気はキャビティＢ内を翼根部５２から半径方向上向きに流れ、翼根部から先端まで間のいくつかの連通孔（ｃｒｏｓｓ  ｏｖｅｒ  ｈｏｌｅ）を通ってキャビティＡの中へ流れる。次いで、空気はいくつかのフィルム孔５１を通ってキャビティＡから出る。これは、前縁４８の区域のブレード４０の前面にフィルムを生成する。フィルムは、タービンブレード４０の周りに断熱層を生成して、タービン２０に関わる高温燃焼ガスの危険な影響からブレードを保護する。
【００２８】
回路３４０は、ブレード４０の曲率の大きな区域に配置され、空気がチャンバＥからチャンバＤへ、さらにチャンバＣへ流れることによって形成されるサーペンタイン回路である。サーペンタイン回路３４０は概して、ブレード４０の片側、すなわち負圧側に隔離される。サーペンタイン回路３４０は、回路３３０に周方向に隣接し、冷却流はチャンバＥ内を翼根部５２から上方へ流れることから始まって、先端５４で１８０度転向し、チャンバＤ内で半径方向下方に流れ、翼根部５２でもう一度１８０度転向し、チャンバＣを上方に流れることによって終わって、サーペンタイン回路を画定する。空気は、負圧側４４に沿って配置されたいくつかのチャンバＣのフィルム孔５１から出る。
【００２９】
次の回路３５０は、エーロフォイルの中央において、空気がチャンバＫ内を翼根部５２から半径方向上方へ流れることから始まって、先端５４で１８０度転向し、チャンバＨ内を半径方向下方に流れ、翼根部５２でさらに１８０度転向し、チャンバＩ内を上方に流れることによって終わる。空気は、キャビティＨおよびＩ両方のいくつかのフィルム孔５１から出て、この区域のブレード４０の正圧側にわたって空気のフィルムを生成する。
【００３０】
４番目の回路すなわち先端フラグ回路３６０は、翼根部５２にある１つの供給部で始まり、そこから２つの別々のチャンバＦおよびＪに分岐し、空気を両キャビティを通って半径方向外向きに流すことができる。先端５４で、２つのチャンバＦおよびＪは、ブレード４０の後方端に向かって９０度転向し、ブレード４０の後縁５０に向かって延在する１つのチャンバまたはマニホールド５９（図５）を形成するように合体する。このチャンバまたはマニホールド５９は、チャンバＩの後ろを通過し、通路を収めるために寸法を小さくして、半径方向のより低い位置で終わるチャンバＧの上を通過する。空気は端部のフィルム孔およびスロットを通って出る。回路３６０は、取り囲んでいる回路３５０によって、隔離されるように示されている。回路３５０は回路３６０を完全に囲んでいる一方、回路３６０は、本明細書で教示される隔離の範囲内であるように、完全に囲まれる、または部分的に囲まれてもよい。
【００３１】
チャンバＦおよびＪはブレード４０の負圧側４４に沿って配置される。この区域は、表面４４を流れる空気が加速してブレード４０の温度を下げることにより、他の表面より低温である。その結果、これによって、翼根部のキャビティを配置する望ましい場所を提供し、チャンバＦおよびＪを通って流れる圧縮冷却空気はブレード４０の他の領域内より低温にとどまる。同様に、チャンバＫ、ＨおよびＩは、より低温のチャンバＦおよびＪを囲む。これは、より高温の正圧側４６をチャンバＦおよびＪから分離することによって、多少の追加の断熱特性を与え、したがって、チャンバＦおよびＪ内のより低温の空気が、ブレード４０を通って半径方向上方に流れ、後縁５０の高温域を冷却することができる。
【００３２】
最後の回路３７０は、チャンバＧのみよりなる。空気は、半径方向外向きに流れ、翼根部５２から先端５４まで広がる後縁５０へのいくつかのスロット５５を通って出る。この構成によって、冷却空気は、ブレードの特定の領域に、より効果的に使うことができる。エーロフォイルの２つの側の間を隔離することによって、冷却空気が高温ガス側の熱負荷に曝されることが減って、高温になりすぎることが避けられる。冷却空気をエーロフォイルの様々な領域の間で分けることによって、キャビティの寸法もまた最適化することができ、それによって、従来の設計よりもキャビティを多くすることができる。エーロフォイルの両側の間に延在するチャンバＫは、中央リブ５７を終わらせて、チャンバＢおよびＣからＥと、チャンバＦ、ＨおよびＪとの間を分断するように設計される。この設計の特徴によって、エンジン内でエーロフォイルの温度が上がるにつれて、エーロフォイルを発展させることができるので、エーロフォイルの熱負荷が下がる。
【００３３】
次に、図４を参照すると、ブレード４０の第２の断面が示される。この断面は、図３よりも高い位置で切断されており、その結果、先端フラグ回路３６０は、この図ではより完全に示されている。この図では、ロータブレード４０の様々なチャンバ５８が示され、また様々な回路を画定するチャンバ５８Ａ〜Ｊの関係も示されている。ブレード４０の前縁端から始めると、第１の回路３３０はチャンバＡを含み、チャンバＡはチャンバＢの貫通孔から圧縮冷却空気を受け入れる。これらの貫通孔は半径方向に延在し、１つまたは複数の孔を備えることができる。
【００３４】
サーペンタイン回路３４０はブレード４０の翼根部端５２（図２）から空気を受け入れ、空気はチャンバＥを通って上向きに流れ、ブレード先端近くで転向し、チャンバＤを通って下向きに流れる。空気は、チャンバＤの底部で再び転向し、チャンバＣを通って半径方向上向きに流れる。この回路では空気が前縁に向かって流れているが、冷却空気がチャンバＣからチャンバＥへ流れるのは、本実施形態の範囲内である。
【００３５】
後縁の方に向かって移動すると、次に遭遇する回路は回路３５０である。回路３５０は、チャンバＫ、ＨおよびＩを含む。ここでは、冷却空気は、チャンバＫを通って上向きに流れ、Ｈを通って下向きに流れ、さらに上向きに転向してチャンバＩへ入る。この場合も、空気の方向は半径方向および軸方向ともに逆にすることができる。
【００３６】
図４にはまた、先端フラグ回路３６０が示される。回路３６０は、チャンバＦおよびＪによって表わされる。チャンバＦおよびＪはブレード４０内で半径方向に延在し、冷却空気は翼根部５２からこれらのチャンバを通って半径方向上向きに流れる。チャンバＦおよびＪは、先端５４近くで後方へ転向し、合体してマニホール５９を形成する。このマニホールドは後縁に向かって延在して、後縁５０の近くを冷却する。
【００３７】
この図では、チャンバＫ、ＨおよびＩが回路３６０を囲んでいることをさらに示している。これは、先端フラグ回路３６０をブレードのより高温側３３０から隔離、または緩衝する。チャンバＫは、ブレード４０の負圧側と正圧側との間を完全に延在し、先端フラグ回路３６０の一方の側を隔離する。チャンバＩは、正圧側４６とチャンバＦおよびＪとの間に配置される。さらに、チャンバＩは、マニホールド５９の下から上向きに延在し、形状を変化させ、後縁５０に向かうマニホールド５９の通過を補償する。
【００３８】
次に図５を参照すると、例示的なブレード４０を下からの見た等角図が示されており、ブレードのダブテールの下部に空気を送る流路トランク７０、７２が描かれている。ブレード４０の底部から始めると、第１の回路トランク７０が描かれている。第１の回路トランク７０は、回路３３０、３４０に冷却空気を供給し、チャンバＢおよびＥに送るためにトランクから分岐する。同様に、第２の回路トランク７２は、回路３５０、３６０を含む後方のチャンバに送るために分岐する。この図では、前方および前縁位置のブレードのより高温の部分はトランク７０によって冷却され、一方、負圧側４４、および特に先端フラグ回路３６０に関係するより低温の空気は、第２の回路トランク７２から供給される。本実施形態に示されるように、チャンバＫ、ＨおよびＩは回路３５０を画定する。負圧側４４の一部は、様々なチャンバおよび回路を示すために、ブレード４０の上端に向かって取り除かれている。先端フラグ回路３６０が描かれており、ここでは、チャンバＦおよびＪは半径方向上向きに延在し、転向して、ブレード４０の後方へ延在するマニホールド５９に合体する。側４４の壁の一部を取り除いて描かれているように、先端フラグマニホールド５９は、チャンバＩおよびＧの上のキャビティ５４を通って後方に延在する。これに代えて、マニホールドはチャンバＧ内に送気して、その後、後縁５０から排出することができる。
【００３９】
上述のロータブレードは、費用効率が高く、信頼性が高い。ロータブレードは、エーロフォイルの前縁、正圧側、および負圧側への冷却を対象とするいくつかの冷却回路を有するエーロフォイルを含む。エーロフォイルの外部側壁を冷却するために、インピンジメント冷却および壁近傍冷却などのいくつかの冷却技法が用いられる。冷却回路内の様々なチャンバの配置は、冷却流体の隔離および断熱を促進し、さらに、より低温の冷却流体が様々なチャンバを通過する結果として、エーロフォイルの冷却を促進する。このような配置は、限定するものではないが、セラミックコアのラピッドプロトタイピングを含む、製造技法の進歩によって可能になる。より具体的には、従来の冷却方式は、冷却回路内の通路およびチャンバを作製するのに使用されるセラミックコアの製造に関連する製造上の制約によって制限される。新しいコア生産プロセスは、硬い工具類によって課せられるこのような制約を軽減し、コアが新しい形状およびサイズを取ることを可能にする。結果として、ロータブレード内のより低温の作動温度によって、費用効率が高く信頼のある方法でロータブレードの耐用寿命を延ばすことが促進される。
【００４０】
複数の発明の実施形態を本明細書で説明および図示してきたが、当業者であれば、本明細書で説明された機能を実行し、かつ／あるいは、結果および／または１つもしくは複数の利点を得るための様々な他の手段および／または構造を容易に想到し、そのような変形および／または変更のそれぞれは、本明細書で説明された実施形態の発明の範囲内にあるとみなされる。より一般的には、本明細書で説明されたすべてのパラメータ、寸法、材料および構成は例示的であることを意味し、実際のパラメータ、寸法、材料、および／または構成は、本発明の教示が使用される特定の１つまたは複数の用途に依存することを、当業者であれば容易に理解するであろう。当業者は、決まり切った実験だけを使用して、本明細書で説明された特定の発明の実施形態の多くの等価物を認識し、または確認することができるであろう。したがって、上記の実施形態は単なる一例として提示され、添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内では、発明の実施形態は、具体的に記載および請求されるものとは異なるように実施することができることを理解されたい。本開示の発明の実施形態は、本明細書で説明されたそれぞれの個々の特徴、システム、物品、材料、キットおよび／または方法を対象としている。加えて、２つ以上のそのような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法のいかなる組み合わせも、そのような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が互いに矛盾しないならば、本開示の発明の範囲内に含まれる。
【００４１】
最良の態様を含む例を用いて本実施形態を開示し、さらに、任意の装置またはシステムの作製および使用、ならびに任意の組み入れられた方法の実施を含め、当業者が装置および／または方法を実行できるようしている。これらの例は、網羅的であることを意図していないし、または開示されたまさにそのステップおよび／または形式とまったく同じステップおよび／または方法に本開示を限定することを意図するものでもなく、上記の教示を考慮して多くの修正および変形が可能である。本明細書で説明された特徴は、任意の組み合わせで組み合わせることができる。本明細書に説明された方法のステップは、物理的に可能であれば、いかなる順序で実行してもよい。
【００４２】
本明細書で規定され、使用されるすべての定義は、辞書の定義、参照によって組み込まれた文献における定義、および／または定義された用語の通常の意味より優先されると理解されるべきである。本明細書および特許請求の範囲内に使用されるとき、不定冠詞「１つの（ａおよびａｎ）」は、明らかに反対の示されない限り、「少なくとも１つの」を意味すると理解されるべきである。本明細書および特許請求の範囲内で使用される句「および／または」は、そのように結合される要素の「いずれか１つまたは両方」、すなわち、ある場合において接続的に存在し、他の場合において選言的に存在する要素を意味すると理解されるべきである。
【００４３】
明らかに反対の示されない限り、複数のステップまたは行為を含むと、ここで特許請求されたいかなる方法においても、その方法のステップまたは行為の順序は、その方法のステップまたは行為が列挙される順序に必ずしも限定されるわけではないことも理解されるべきである。
【００４４】
特許請求の範囲においては、上記の詳述と同様に、例えば、「備える」、「含む」、「担持する」、「有する」、「保持する」、「構成される」などのすべての移行句は、非限定的、すなわち、含むが限定されるものではないことを意味すると理解されたい。移行句「からなる」および「本質的に〜からなる」のみが、それぞれ、限定的または半限定的な移行句として解釈される。
【符号の説明】
【００４５】
１０  ガスタービンエンジン
１２  ファン組立体
１４  高圧圧縮機
１６  燃焼器
１８  高圧タービン
２０  低圧タービン
２２  ブースタ
２４  ファンブレード
２６  ロータディスク
２８  吸気側
３０  排気側
４０  ロータブレード
４２  エーロフォイル
４３  ダブテール
４４  負圧側
４６  正圧側
４８  前縁
５０  後縁
５１  フィルム孔
５２  ブレード根元
５３  エーロフォイルの外側表面
５４  エーロフォイル先端
５５  後縁スロット
５６  内部キャビティ
５７  背骨リブ
５８  冷却チャンバ
５９  先端フラグマニホールド
６０  冷却回路
７０  流路トランク
７２  流路トランク
３３０  冷却回路
３４０  冷却回路
３５０  冷却回路
３６０  冷却回路
３７０  冷却回路
Ａ  チャンバ
Ｂ  チャンバ
Ｃ  チャンバ
Ｄ  チャンバ
Ｅ  チャンバ
Ｆ  チャンバ
Ｇ  チャンバ
Ｈ  チャンバ
Ｉ  チャンバ
Ｊ  チャンバ
Ｋ  チャンバ
【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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【国際調査報告】
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