(57)【要約】【課題】ステータとロータとを含むターボ機械を含むシステムを提供すること。【解決手段】ロータは、ステータに対して回転軸線の周りに回転するように構成されている。さらに、ロータは、少なくとも１つの回転ブレードを含み、そして、少なくとも１つの回転ブレードは、ビームおよびキャビティのパターン化された構造体を有する。【選択図】図１
2013194733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械を含むシステムであって、前記ターボ機械は、
ステータと、
前記ステータに対して回転軸線の周りに回転するように構成されたロータであって、ビームおよびキャビティのパターン化された構造体を有する少なくとも１つの回転ブレードを含むロータと
を含むシステム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの回転ブレードは、前記パターン化された構造体を有する先端部分を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記先端部分は、前記パターン化された構造体を有する先端シュラウドを含み、前記先端シュラウドは、前記ブレード部分の長手方向軸線に対して交差方向に、前記少なくとも１つの回転ブレードのブレード部分から離れるように突出している、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記パターン化された構造体は、前記交差方向に配向させられた前記ビームを有する、請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記先端シュラウドは、前記パターン化された構造体の周りに配設されている半径方向内側のプレート部分および半径方向外側のプレート部分を含む、請求項３記載のシステム。
【請求項６】
前記パターン化された構造体の周りに配設されている前記半径方向内側のプレート部分および前記半径方向外側のプレート部分を有するワンピース構造体を含む、請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記パターン化された構造体は、前記半径方向内側のプレート部分および前記半径方向外側のプレート部分から分離され、前記半径方向内側のプレート部分と前記半径方向外側のプレート部分との間に固定されている、請求項５記載のシステム。
【請求項８】
前記パターン化された構造体は、前記先端シュラウドの外部表面に沿って延在する前記ビームおよびキャビティの少なくとも一部分を有する、請求項３記載のシステム。
【請求項９】
前記少なくとも１つの回転ブレードは、前記先端部分および前記ブレード部分を有するワンピース構造体を含む、請求項３記載のシステム。
【請求項１０】
前記パターン化された構造体は、前記ビームおよび前記キャビティの複数の層を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
前記パターン化された構造体は、応力および／またはたわみの方向に配向させられた前記ビームおよび前記キャビティを有する、請求項１記載のシステム。
【請求項１２】
前記ターボ機械は、タービン、圧縮機、または、それらの組み合わせを含む、請求項１記載のシステム。
【請求項１３】
ブレード部分および先端部分を有する少なくとも１つの回転ブレードであって、前記先端部分は、ビームおよびキャビティのパターン化された構造体を含む、少なくとも１つの回転ブレード
を含むシステム。
【請求項１４】
前記パターン化された構造体は、応力および／またはたわみの方向に配向させられた前記ビームおよび前記キャビティを有する、請求項１３記載のシステム。
【請求項１５】
前記先端部分は、前記パターン化された構造体を有する先端シュラウドを含み、前記先端シュラウドが、前記ブレード部分の長手方向軸線に対して交差方向に、前記ブレード部分から離れるように突出している、請求項１３記載のシステム。
【請求項１６】
前記パターン化された構造体は、前記交差方向に配向させられた前記ビームを有する、請求項１５記載のシステム。
【請求項１７】
前記先端シュラウドは、前記パターン化された構造体の周りに配設されている半径方向内側のプレート部分および半径方向外側のプレート部分を含む、請求項１５記載のシステム。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの回転ブレードを有するターボ機械を含む、請求項１３記載のシステム。
【請求項１９】
回転ブレードの先端部分であって、前記回転ブレードの前記先端部分は、ビームおよびキャビティのパターン化された構造体を有する先端シュラウドを含み、前記先端シュラウドは、前記ブレード部分の長手方向軸線に対して交差方向に、前記回転ブレードのブレード部分から離れて突出するように構成されており、前記パターン化された構造体は、応力および／またはたわみを低減させるために、前記交差方向に配向させられた前記ビームを有しており、前記パターン化された構造体は、前記先端部分の重量を低減させるために、前記キャビティを有する、回転ブレードの先端部分
を含む、システム。
【請求項２０】
前記先端部分を備えた前記回転ブレードを有するターボ機械を含む、請求項１９記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示されている主題は、ターボ機械に関し、より詳細には、剛性対重量比率が向上したターボ機械ブレードに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ機械システムは、ガスタービン、蒸気タービン、水力タービン、圧縮機、および、他の回転機械を含む。一般に、そのようなターボ機械は、ガス、蒸気、または水などのような流体流れからエネルギーを取り出すために、回転ブレードを使用するように構成されている。例えば、回転ブレードは、支持ロータから半径方向外側に延在することが可能であり、流体流れが回転ブレードを横切って通過すると、回転ブレードは、ロータを回転させることが可能である。剛性および安定性の追加のために、特定のターボ機械は、回転ブレードを含み、回転ブレードは、ロータから延在するそれぞれの回転ブレードの先端部分に位置付けられている先端シュラウドを有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６４７１４８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
不運なことには、そのような回転ブレードの先端シュラウドの既存設計は、ターボ機械システムの性能を限定する可能性がある。例えば、先端シュラウドのサイズ（すなわち、回転ブレードの先端部の被覆率）は、先端シュラウド重量に基づいて、先端シュラウドのために制限される可能性がある。結果的に、所望の剛性を適用するように設計された先端シュラウドの剛性対重量比率は、利用可能な回転ブレードの先端部の被覆率を限定する可能性があり、それによって、ターボ機械の効率が限定される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
最初に特許請求された発明の範囲に相応するいくつかの実施形態が、以下に要約されている。これらの実施形態は、特許請求された本発明の範囲を限定することを意図しておらず、むしろ、これらの実施形態は、単に、本発明の可能な形態の簡単な概要を提供することだけを意図している。実際に、本発明は、以下に記述される実施形態と同様であるか、または、それとは異なることが可能である様々な形態を包含することが可能である。
【０００６】
第１の実施形態では、システムは、ターボ機械を含み、ターボ機械は、ステータと、ステータに対して回転軸線の周りに回転するように構成されたロータとを含む。ロータは、ビームおよびキャビティのパターン化された構造体を有する少なくとも１つの回転ブレードを含む。
【０００７】
第２の実施形態では、システムは、ブレード部分および先端部分を有する少なくとも１つの回転ブレードを含む。先端部分は、ビームおよびキャビティのパターン化された構造体を含む。
【０００８】
第３の実施形態では、システムは、回転ブレードの先端部分を含み、回転ブレードの先端部分は、ビームおよびキャビティのパターン化された構造体を有する先端シュラウドを含む。先端シュラウドは、ブレード部分の長手方向軸線に対して交差方向に、回転ブレードのブレード部分から離れて突出するように構成されている。パターン化された構造体は、応力および／またはたわみを低減させるために、交差方向に配向させられたビームを有する。パターン化された構造体は、先端部分の重量を低減させるために、キャビティを有する。
【０００９】
本発明のこれらの特徴、観点、および利点、ならびに、他の特徴、観点、および利点は、添付の図面を参照して、以下の詳細な説明を読めば、より良く理解されるであろう。図面では、同様の文字は、全図面を通して、同様の部分を表している。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ビームおよびキャビティのパターン化された構造体を備えたタービンブレードを有するタービンを含むターボ機械システムの実施形態の概略図である。
【図２】線２−２の中から取り出した、図１のターボ機械システムの実施形態の垂直断面図であり、ビームおよびキャビティのパターン化された構造体を有する回転ブレードを図示する図である。
【図３】交差方向に配向させられたビームおよびキャビティのパターン化された構造体を備えた回転ブレードの実施形態の部分的な斜視図である。
【図４】先端シュラウドの外部部分に沿って延在するビームおよびキャビティのパターン化された構造体を備えた回転ブレードの実施形態の部分的な斜視図である。
【図５】線５−５の中から取り出した、図３の回転ブレードの実施形態の側面図であり、実質的に長方形のビームおよびキャビティのパターン化された構造体を図示する図である。
【図６】線５−５の中から取り出した、図３の回転ブレードの実施形態の側面図であり、ビームおよび実質的に円形のキャビティのパターン化された構造体を図示する図である。
【図７】線５−５の中から取り出した、図３の回転ブレードの実施形態の側面図であり、半径方向内側のプレート部分と半径方向外側のプレート部分との間に配設されている、実質的に長方形のビームおよび円形のキャビティのパターン化された構造体を図示する図である。
【図８】線８−８の中から取り出した、図４の回転ブレードの実施形態の上面図であり、実質的に長方形のビームおよびキャビティのパターン化された構造体を図示する図である。
【図９】線８−８の中から取り出した、図４の回転ブレードの実施形態の上面図であり、ビームおよびキャビティの交互のセットを有するパターン化された構造体を図示する図である。
【図１０】線１０−１０の中から取り出した、図４の回転ブレードの実施形態の側面図であり、横方向に突出するブレードの外部部分の中に配設されているビームおよびキャビティのパターン化された構造体を図示する図である。
【図１１】線１１−１１の中から取り出した、図３の回転ブレードの実施形態の正面断面図であり、回転ブレードの中のビームおよびキャビティのパターン化された構造体を通る空気流れを図示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の１つまたは複数の具体的な実施形態について、以下に説明される。これらの実施形態の簡潔な説明を提供する目的で、実際の実施の全ての特徴が、明細書の中に説明されてはいない可能性がある。任意のエンジニアリングまたは設計プロジェクトなどのような、任意の実際の実施の開発において、システム関連の制約およびビジネス関連の制約（それは、実施ごとに変化する可能性がある）を順守することなどのような、開発者の特定の目標を実現するために、多数の実施時固有の決断がなされなければならないということが認識されるべきである。そのうえ、そのような開発努力は、複雑であり、時間がかかるが、それにもかかわらず、この開示の利益を有する当業者にとっては、設計、組み立て、製造の日常的業務であるいうことが認識されるべきである。
【００１２】
本発明の様々な実施形態の要素を導入するとき、冠詞の「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「前記（ｔｈｅ）」、「前記（ｓａｉｄ）」は、要素のうちの１つまたは複数が存在するということを意味するように意図されている。用語の「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包含的であることが意図されており、リストアップされている要素以外の追加的な要素が存在し得るということを意味することが意図されている。
【００１３】
本開示は、回転ターボ機械コンポーネント（例えば、ターボ機械システムの回転ブレード）の剛性対重量比率を改善するためのシステムに関する。回転ブレード（例えば、タービンブレードまたは圧縮機ブレード）は、回転ブレードの先端シュラウドの剛性対重量比率を増加させるために、ビームおよびキャビティのパターン化された構造体を含む。パターン化された構造体は、先端シュラウドを通って形成されてもよいし、先端シュラウドの外部部分に沿って延在させられてもよいし、それらの組み合わせであってもよい。パターン化された構造体のビームおよびキャビティは、回転ブレードの長手方向軸線に対して交差方向に整合させることができる。いくつかの実施形態では、ビームおよびキャビティは、回転ブレードの応力および／またはたわみの方向に整合するように配向させることができる。実際に、キャビティが、パターン化された構造体の全体重量を低減させ、ビームが、パターン化された構造体の配向の方向に、回転ブレードの剛性を増加させることが可能である。回転ブレードの剛性対重量比率を増加させることによって、ビームおよびキャビティのパターン化された構造体は、パターン化された構造体がない回転ブレード上に存在することが可能であるようなものよりも相対的に大きい先端シュラウドに適用可能である。
【００１４】
次に図面を見てみると、図１は、ビームおよびキャビティのパターン化された構造体を含むタービンブレード１２および／または圧縮機ブレード３０を有するターボ機械システム１０（例えば、ガスタービンシステム）の実施形態のブロック図を図示している。以下に詳細に説明されるビームおよびキャビティのパターン化された構造体は、ハニカムパターン、交差ビームの格子、平行ビームのグリル、または、それらの組み合わせであることが可能である。システム１０は、圧縮機１４、燃料ノズル１８を有する燃焼器１６、およびタービン２０を含む。燃料ノズル１８は、天然ガスまたは合成ガスなどのような液体燃料および／またはガス燃料を燃焼器１６の中へ送る。燃焼器１６は、燃料−空気混合物を点火して燃焼させ、次いで、高温加圧燃焼ガス２２（例えば、排気）をタービン２０の中に渡す。図示されているように、タービンブレード１２が、ロータ２４に連結されており、ロータ２４も、ターボ機械システム１０を通して、いくつかの他のコンポーネントに連結されている。燃焼ガス２２が、タービン２０の中のタービンブレード１２を通過すると、タービン２０が駆動されて回転し、それが、ロータ２４を回転軸線２６の周りに回転させる。最終的に、燃焼ガス２２は、排気出口部２８を介してタービン２０を出ていく。
【００１５】
図示されている実施形態では、圧縮機１４は、圧縮機ブレード３０を含む。圧縮機１４の中の圧縮機ブレード３０は、ロータ２４に連結されており、上述のように、タービン２０によってロータ２４が駆動されて回転すると、圧縮機ブレード３０が回転する。圧縮機ブレード３０が圧縮機１４の中で回転すると、ブレード３０は、空気取り入れ口からの空気を加圧空気３２へと圧縮し、加圧空気３２は、燃焼器１６、燃料ノズル１８、および、ガスターボ機械システム１０の他の部分に送られることが可能である。次いで、燃料ノズル１８は、加圧空気および燃料を混合し、適切な燃料−空気混合物を生成することが可能であり、燃料−空気混合物は、燃焼器１６の中で燃焼し、タービン２０を駆動するための燃焼ガス２２を発生させる。さらに、ロータ２４は、負荷３４に連結可能であり、負荷３４は、ロータ２４の回転によって動力の供給を受けることができる。例として、負荷３４は、ターボ機械システム１０の回転出力を介して電力を発生させることが可能な任意の適切なデバイス、例えば、発電プラントまたは外部の機械的負荷などのようなものであることが可能である。例えば、負荷３４は、発電機、飛行機のプロペラなどを含むことが可能である。以下の議論では、ターボ機械システム１０の軸線方向すなわち軸線３６、半径方向すなわち軸線３８、および円周方向すなわち軸線４０などのような、様々な方向について言及され得る。
【００１６】
図２は、線２−２の中から取り出した、図１のターボ機械システム１０の実施形態の部分的な垂直断面図であり、ビーム５６およびキャビティ５８のパターン化された構造体５４を有する回転ブレード５２（例えば、タービンブレード１２または圧縮機ブレード３０）を図示している。図示されている実施形態は、タービン２０との関連において、回転ブレード５２を示しているが、パターン化された構造体５４は、任意のターボ機械（例えば、圧縮機１４、タービン２０、または、それらの組み合わせ）の回転コンポーネントに適用可能である。図２のタービン２０は、ロータ２４およびステータ６０（すなわち、タービン２０の静止コンポーネント）を含んでおり、ロータ２４は、ステータ６０に対して、回転軸線２６、３６の周りに円周方向４０に回転するように構成されている。ロータ２４は、回転ブレード５２（例えば、タービンブレード１２、圧縮機ブレード３０、または回転バケット）のうちの１つまたは複数を含むことが可能であり、それは、これらの回転ブレード５２は、ロータ２４から半径方向３８外側に延在しているからである。例えば、ロータ２４は、圧縮機１４および／またはタービン２０の１つまたは複数の段の中で、ロータ２４の軸線２６、３６の周りに円周方向４０に離して配置された１０〜１０００のブレード５２を含むことが可能である。前述のように、燃焼器１６の中の燃料−空気混合物の燃焼によって、加圧された燃焼ガス２２が、タービン２０へ放出され、これらのガス２２が、タービン２０を通って軸線方向３６に移動し、回転ブレード５２に接触して回転ブレード５２の周りを通過し、ロータ２４を回転駆動させる。
【００１７】
回転ブレード５２は、ブレード部分６２および先端部分６４を含んでおり、ブレード部分６２は、（半径軸線３８によって定義されているように）半径方向外側に延在しており、先端部分６４は、ロータ２４に対して、ブレード部分６２の遠位端に位置付けられている。ブレード部分６２（例えば、エーロフォイル）は、回転ブレード５２の一部分であることが可能であり、回転ブレード５２は、燃焼ガス２２によって回転軸線２６の周りに回転させられ、ステータ６０に対してロータ２４を回転駆動させる。ブレード部分６２は、燃焼ガス２２によって引き起こされるロータ２４の回転を最大化するように具体的に輪郭付けまたは形状付けすることができる。燃焼ガス２２が先端部分６４を超えて半径方向に漏れることを防止し、それによって、軸線方向３６の燃焼ガス２２の流れを維持するために、回転ブレード５２の先端部分６４が、回転ブレード５２から離れるように横方向に突出する先端シュラウド６６を含むことが可能である。例えば、先端シュラウド６６は、回転ブレード５２の長手方向軸線６３に対して、交差方向（例えば、垂直）に延在することが可能である。さらなる例として、先端シュラウド６６は、軸線６３に対して実質的に垂直な平面６５に沿って延在することが可能である。そのうえ、先端シュラウド６６は、ブレード部分６２から離れて、軸線方向３６の反対側および円周方向４０の反対側に、横方向に（例えば、平面６５の中で）突出することが可能である。燃焼ガス２２が回転ブレード５２のブレード部分６２から離れるように漏れることを低減させることによって、先端シュラウド６６は、タービン２０の効率を向上させることが可能である。図示されている先端シュラウド６６は、先端シュラウド６６からタービン２０のステータ６０に向かって半径方向３８に延在する補強レール６８およびシール歯部７０を含む。補強レール６８は、先端シュラウド６６の剛性を所望の方向に増加させることが可能であり、回転ブレード５２が回転するときの先端部分６４の特定の応力および／またはたわみの影響を低減させる。先端シュラウド６６のシール歯部７０は、相対的にステータ６０により近接して延在しており、回転ブレード５２を含む回転ロータ２４と、ターボ機械システム１０の非回転のステータ６０との間のシールを作り出している。これによって、さらに、燃焼ガス２２が、回転ブレード５２とステータ６０との間を通る代わりに、タービン２０を通って軸線方向に（例えば、軸線方向３６に）移動するようにさせることが可能である。
【００１８】
図示されている実施形態では、先端シュラウド６６は、ビーム５６およびキャビティ５８のパターン化された構造体５４を含んでおり、それは、以下で詳細に議論されている。上述のように、パターン化された構造体５４は、ハニカム構造体、交差キャビティ５８の格子、平行ビーム５６のグリル、または、他の同様に繰り返すパターンであることが可能である。パターン化された構造体５４（例えば、ハニカム、キャビティの格子、ビームのグリルなど）が、回転ブレード５２の様々な構成、パターン、配向、および場所に適用されてもよい。例えば、パターン化された構造体５４は、先端シュラウド６６を含まない、回転ブレード５２の先端部分６４（例えば、半径方向長さの最も外側の部分１〜５０％）に適用可能である。さらに、パターン化された構造体５４は、半径方向３８に次々と積層されたビーム５６およびキャビティ５８の任意の数の層（例えば、１〜１００層）を含むことが可能である。パターン化された構造体５４のビーム５６は、回転ブレード５２の先端部分６４の剛性を所望の方向に増加させるように配向させられることが可能であり、それによって、加圧燃焼ガス２２の力、回転機械の遠心力などによって引き起こされる応力および／またはたわみに対する回転ブレード５２の抵抗を向上させる。パターン化された構造体５４は、回転ブレード５２の先端シュラウド６６または先端部分６４の重量を低減させるために、キャビティ５８を特徴としている。したがって、パターン化された構造体５４は、回転ブレード５２の先端シュラウド６６または先端部分６４の剛性対重量比率を所望の方向に増加させることが可能である。この比率を増加させることによって、先端シュラウド６６の重量の低減に起因して、所望の剛性を実現するために相対的により大きい先端シュラウド６６が使用可能となり得る。そのうえ、先端シュラウド６６が大きいほど、回転ブレード５２の先端部分６４のより良好な被覆率を提供することが可能であり、回転ブレード５２から漏れる燃焼ガス２２の量をさらに低減させる。このように、ターボ機械システム１０のタービン段効率を改善することができる。さらに、先端シュラウド６６の中の剛性対重量の比率を増加させることによって、回転ブレード５２について、より軽い先端部分６４が使用可能となり得る。そのようなより軽い回転ブレード５２は、加速することがより容易であり、回転ブレード５２をバランシングするのに役立つことが可能である。回転ブレード５２の相対的により大きい重量が、ロータ２４に向かって集中することが可能であり、より少ない重量が、先端部分６４に集中することが可能である。結果として、回転ブレード５２の回転に起因する遠心力は小さくすることができ、これにより、回転ブレード５２のたわみの量を減少させることができる。
【００１９】
いくつかの実施形態では、パターン化された構造体５４は、任意の冷却材流れ（例えば、回転ブレード５２を通る空気流れ）と完全に独立し、または、無関係であることが可能である。他の実施形態では、パターン化された構造体５４は、冷却剤流れと関連して使用することができる。例えば、先端シュラウド６６の中に形成されたパターン化された構造体５４のキャビティ５８は、回転ブレード５２を冷却するための追加的なチャネルを提供することも可能である。加圧燃焼ガス２２からの熱は、ロータ２４の回転運動と組み合わせられて、回転ブレード５２の温度をかなり上昇させる可能性があり、ブレード５２の追加的な冷却が望まれる可能性がある。実際に、回転ブレード５２のブレード部分６２は、図２に図示されているように中空であることが可能であり、冷却剤（例えば、空気）が、矢印７２で示されているように、ロータ２４から回転ブレード５２の中へ流れることを可能にする。空気は、矢印７４で示されているように、回転ブレード５２を通って移動することが可能であり、強制空気対流によって、ブレード部分６２から先端部分６４までブレードを冷却する。次いで、冷却空気は、矢印７６で示されているように、先端シュラウド６６の中のパターン化された構造体５４のキャビティ５８を通って、回転ブレード５２から出ていくことが可能である。したがって、随意的な冷却が、回転ブレード５２の先端シュラウド６６およびブレード部分６２に提供されてもよい。
【００２０】
図３は、ターボ機械のロータ２４の一部を形成する回転ブレード５２の別の実施形態の部分的な斜視図である。回転ブレード５２は、ブレード部分６２と、先端シュラウド６６を有する先端部分６４とを含む。さらに、先端シュラウド６６は、回転する回転ブレード５２とターボ機械の非回転のステータ６０との間のシールを確立するために、シール歯部７０を含む。先端部分６４は、先端部分６４の長手方向軸線８４に沿って細長い形状を含んでおり、そして、この長手方向軸線８４は、軸線方向３６と整合させることができる。また、ブレード部分６２は、ブレード部分６２の長手方向軸線６３に沿って細長い形状を含んでおり、そして、この長手方向軸線６３は、半径方向３８と整合させることができる。先端シュラウド６６は、長手方向軸線６３および８４に対して、交差方向８６（例えば、円周方向４０）に、ブレード部分６２から離れるように突出している。実際に、先端シュラウド６６は、回転ブレード５２の長手方向軸線６３に対して、軸線方向３６の両側および交差方向８６の両側（例えば、円周方向４０の両側）に、ブレード部分６２から突出している。軸線方向３６と半径方向３８の両方に垂直であるように図示されているが、この交差方向８６は、軸線方向３６と交差する任意の方向に対応することが可能であり、一般的に、半径方向３８（例えば、図示されている方向３６および８６の平面６５の中の任意の方向）に対して角度が付けられている。
【００２１】
先端シュラウド６６の図示されているパターン化された構造体５４は、交差方向８６に配向させられた（例えば、細長くされた）ビーム５６（およびキャビティ５８）を有している。ビーム５６は、回転ブレード５２に剛性を提供するように構成されているので、ビーム５６が、回転ブレード５２の応力および／またはたわみの方向に配向させられることが望ましい可能性がある。この応力および／またはたわみは、ブレード部分６２に対する燃焼ガス２２の衝撃、回転する回転ブレード５２の遠心力などによって引き起こされることがある。最大応力および／またはたわみの方向は、予期される負荷条件下での回転ブレード５２の経験的なテストおよび／またはシミュレーションによって決定することができる。実際に、応力および／またはたわみの方向は、先端シュラウド６６の交差方向８６に対応し得る。したがって、先端シュラウド６６は、ブレード部分６２の長手方向軸線８４に対して、交差方向８６の両側に、回転ブレード５２のブレード部分６２から離れるように突出することがあり、ビーム５６およびキャビティ５８のパターン化された構造体５４は、作動の間の回転ブレード５２の応力および／またはたわみを低減させるために、交差方向８６に配向させることができる。他の実施形態では、応力および／またはたわみの方向は、交差方向８６（交差方向８６に、先端シュラウド６６が、長手方向軸線６３および８４から離れるように突出している）に対応しないことも可能である。実際に、パターン化された構造体５４は、交差方向８６からおおよそ０〜９０°（例えば、長手方向軸線８４と交差方向８６の両方から４５°）配向させられた、応力および／またはたわみの方向と整合させることができる。パターン化された構造体５４を、予期される最も高い応力および／またはたわみの方向に配向させることによって、ビーム５６が所望の方向に剛性を提供し、キャビティ５８が重量を低減させるので、回転ブレード５２のより高い剛性対重量比率が実現可能である。
【００２２】
ビーム５６およびキャビティ５８のパターン化された構造体５４は、いくつかの異なる製造技術のうちの１つまたは複数を使用して、ターボ機械システム１０の回転ブレード５２に導入されてもよい。そのうえ、パターン化された構造体５４を製造するための望ましい技術は、回転ブレード５２の先端シュラウド６６の望ましい構造に基づいて決定することができる。例えば、一緒に固定される多数のコンポーネントから回転ブレード５２を組み立てることによって、製造することが若干容易になることが可能となり得る。しかし、回転ブレード５２の異なるコンポーネントをブレーシングまたは接続（例えば、溶接）する任意の場所が、内部応力集中の場所を提供する可能性があり、そこでは、追加的な剛性が望まれる可能性がある。したがって、回転ブレード５２にわたって応力集中を低減させるために、回転ブレード５２が、ワンピース構造体を含み、ワンピース構造体は、パターン化された構造体５４を含み、ブレード部分６２と先端部分６４の両方を有することが望ましい可能性がある。そのようなワンピース構造体は、型を使用して構造体を鋳造することによって、および／または、パターン化された構造体５４を回転ブレード５２の中にコアリングすることによって、および／または、プランジ放電加工（ＥＤＭ）技術を使用して、パターン化された構造体５４を回転ブレード５２の中に機械加工することによって作製可能である。プランジＥＤＭは、構造体から小さい金属の破片を取り除くために、反復的な放電を利用しており、この技術は、所望のパターン化された構造体５４のキャビティ５８を形成するために回転ブレード５２に適用することができる。実際に、プランジＥＤＭは、比較的小さく正確なビーム５６およびキャビティ５８のパターンが、回転ブレード５２の中に形成されることを可能にし得る。しかし、プランジＥＤＭ方法は、深さ（その深さまで、パターン化された構造体５４が、回転ブレード５２の先端シュラウド６６の中に形成可能である）に関して限定される可能性がある。例えば、いくつかのプランジＥＤＭ機械は、所与の材料の中へ特定の深さ（例えば、おおよそ２．５ｃｍ）突き刺すことだけが可能である可能性がある。しかし、プランジＥＤＭが、長手方向軸線８４から離れるように延在する先端シュラウド６６の円周方向両側の縁部９０および９２から、交差方向８６に、パターン化された構造体５４を形成するために使用可能であるように、その技術は、先端シュラウド６６の中の剛性対重量比率を増加させるために依然として使用することができる。パターン化された構造体５４は、両方の縁部９０および９２から伸びて、中間部で接続することが可能であり、または、２つのパターン化された構造体５４の間で、先端シュラウド６６の中央に向かって（例えば、軸線８４に沿って）中実の材料層が残っていてもよい。特定のキャビティ５８が、異なる深さまで先端シュラウド６６を通って形成され、その中の応力集中の予期されるレベルに基づいて、先端シュラウド６６にわたって所望の剛性の分布を実現するように、パターン化された構造体５４を作製することが可能であり得る。製造技術またはパターン化された構造体５４の深さにかかわらず、ビーム５６およびキャビティ５８によって提供される剛性対重量比率の増加によって、相対的により大きい先端シュラウド６６が使用され、回転ブレード５２の先端部分６４に対するより大きい被覆率を提供することが可能となり得る。
【００２３】
また、先端シュラウド６６は、回転ブレード５２を冷却するために、先端シュラウド６６の中に形成された多数の冷却孔を含むこともできる。図１に図示されているように、回転ブレード５２の中空ブレード部分６２の中に空気を流入させることができ、それによって、回転ブレード５２の温度が低減される。特定の回転ブレードの構成では、この空気は、半径方向３８に配向させられた冷却孔８８を通って、回転ブレード５２から出ていくことができる。図示されているように、冷却孔８８は、軸線８４に整合して、離れた間隔で配置されているが、冷却孔８８は、任意の他の構成であってもよい。パターン化された構造体５４は、交差方向８６（交差方向８６は、半径方向３８に対して垂直であることが可能である）に配向させられたキャビティ５８を含むので、キャビティ５８は、空気を冷却孔８８へ向かわせる内部通路と交差することが可能である。これによって、空気が先端シュラウド６６を通って交差方向８６にも流れることが可能となり、回転ブレード５２のより大きい部分が冷却される。しかし、いくつかの実施形態では、冷却孔８８は、パターン化された構造体５４と交差せず、したがって、冷却剤（例えば、冷却空気）は、パターン化された構造体５４の中を、キャビティ５８を通って流れることが可能ではない。
【００２４】
図４は、先端シュラウド６６の外部部分９８（例えば、半径方向外側面）に沿って延在するビーム５６およびキャビティ５８のパターン化された構造体５４を有する回転ブレード５２の実施形態の部分的な斜視図である。回転ブレード５２は、図３の回転ブレード５２の特定のコンポーネントと類似の形状および構成を有するが、パターン化された構造体５４は、先端シュラウド６６の上側外部部分９８に沿って延在するビーム５６およびキャビティ５８の少なくとも一部分を有する。ビーム５６およびキャビティ５８は、それぞれ、平行な突出部およびスロットであることが可能であり、それらは、両側の縁部９０と９２との間の全距離にわたって延在するか、または全距離よりも少ない距離にわたって延在している。パターン化された構造体５４のこの構成は、先端シュラウド６６の剛性対重量比率の所望の増加を提供しながら、パターン化された構造体５４（例えば、図３）のより内部的な構成よりも製造が容易であることが可能である。実際に、ビーム５６およびキャビティ５８は、前述のように、交差方向８６（例えば、円周方向４０）に配向させられ（例えば、細長くされ）、応力および／またはたわみの方向に先端シュラウド６６の剛性を増加させることが可能である。また、パターン化された構造体５４は、外部部分９８に沿って延在することに加えて、外部部分９８から離れた（例えば、半径方向に中へ埋め込まれた）位置において先端シュラウド６６を通って延在する、ビーム５６およびキャビティ５８の多数の層を含むこともできる。他の実施形態では、パターン化された構造体５４は、先端シュラウド６６の上側外部部分９８の代わりに、または、それに加えて、先端シュラウド６６の他の外部部分（例えば、側面周辺部分１００および／または下側部分１０２）に沿って延在することが可能である。側面周辺部分１００は、両側の縁部９０および９２を含むことが可能である。前述同様に、外部部分９８に沿って延在するビーム５６およびキャビティ５８は、回転ブレード５２の冷却孔８８と交差してもよいし、または、交差しなくてもよい。
【００２５】
図５〜図７は、線５−５の中から取り出した、図３の回転ブレード５２の異なる実施形態の側面図であり、回転ブレード５２の剛性対重量比率を改善するために利用することができる、ビーム５６およびキャビティ５８の異なるパターン化された構造体５４を図示している。前述のように、この比率を増加させることによって、より大きい先端シュラウド６６を有する回転ブレード５２をロータ２４と共に使用することができ、ターボ機械システム１０の性能が向上する（例えば、タービンまたは圧縮機の段効率が増加する）。そのうえ、この剛性対重量比率の増加は、ビーム５６およびキャビティ５８が回転ブレード５２の応力および／またはたわみの方向に整合しているときに、とりわけ効果的であり得る。図５〜図７は、ビーム５６およびキャビティ５８が整合している交差方向８６から見た、異なるパターン化された構造体５４を図示している。したがって、これらのパターン化された構造体５４は、側面図および／または断面図によって効果的に示されている。図５〜図７に示されているように、ビーム５６およびキャビティ５８のパターン化された構造体５４は、先端シュラウド６６の中に、ビーム５６およびキャビティ５８の多数の層を含むことが可能である。前述のように、先端シュラウド６６のパターン化された構造体５４は、半径方向３８に次々と積層されたビーム５６およびキャビティ５８の任意の数の層（例えば、１〜１００層）を含むことが可能であり、パターン化された構造体５４のそのような層状の構成が、図５〜図７において明らかとなろう。
【００２６】
図５は、実質的に長方形のビーム５６およびキャビティ５８を有するパターン化された構造体５４を図示している。ビーム５６は、パターン化された構造体５４の中で、Ｉビームとしての役割を果たすことが可能であり、交差方向８６に先端シュラウド６６にかかる外部および／または内部の力に応答した、先端シュラウド６６のたわみが低減させられる。より少ない材料を使用しながら、より大きい剛性を所望の場所に提供するために、ビーム５６およびキャビティ５８は、相対的に高い応力および／またはたわみの方向に整合させることができる。図示されている実施形態では、パターン化された構造体５４は、先端シュラウド６６の中に配置されたビーム５６およびキャビティ５８の多数の（例えば、次々と積層された）層を含む。このパターン化された構造体５４は、おおよそ同等のサイズであって、同等に間隔を空けて配置されており、垂直方向と水平方向の両方に整合された多数の層の中に配置されたビーム５６およびキャビティ５８を含む。しかし、以下で詳細に説明されるように、ビーム５６およびキャビティ５８のパターン化された構造体５４の他の構成を採用することができる。前述のように、パターン化された構造体５４は、プランジＥＤＭを使用して回転ブレード５２へと形成することができる。この技術によって、パターン化された構造体５４が、ビーム５６およびキャビティ５８の所望のサイズへと正確に作製可能となり得る。例えば、ビーム５６の所望の幅は、約０．０１０〜約０．０４０ｃｍ、約０．０１６〜約０．０３４ｃｍ、約０．０２０〜約０．０２８ｃｍの範囲内に入るか、または、おおよそ０．０２５ｃｍであることが可能である。さらに、キャビティの所望の幅は、約０．０１０〜約０．０４０ｃｍ、約０．０１２〜約０．０３０ｃｍ、約０．０１４〜約０．０２０ｃｍの範囲内に入るか、または、おおよそ０．０１８ｃｍであることが可能である。
【００２７】
図６は、実質的に円形のキャビティ５８を有するパターン化された構造体５４を図示している。この構成によって、キャビティ５８が、キャビティ５８の間に位置付けられている先端シュラウド６６の一部分として概略的にビーム５６を画定することが可能となる。キャビティ５８およびビーム５６は、おおよそ均等に互いに間隔を空けて配置されているが、垂直方向および水平方向に互い違いになっている。図示されている実施形態は、キャビティ５８が平面内で対角線的に配置されていることを示している。しかし、ビーム５６およびキャビティ５８は、先端シュラウド６６の中へ同じ方向に延在しており、どのような繰返しパターンが使用されても、互いに平行配列を維持している。前述のように、パターン化された構造体５４は、ビーム５６およびキャビティ５８の任意の数の層を含むことが可能である。
【００２８】
図７は、２つのプレート部分１１０と１１２との間に配設されたビーム５６およびキャビティ５８のパターン化された構造体５４を有する先端シュラウド６６を図示している。すなわち、先端シュラウド６６は、パターン化された構造体５４（例えば、ビーム５６およびキャビティ５８の多数の層）の周りに配設された半径方向内側のプレート部分１１０および半径方向外側のプレート部分１１２を含み、先端シュラウド６６に対して追加的な剛性を提供している。図示されているパターン化された構造体５４は、キャビティ５８の４つの層と交互になっているビーム５６の３つの層を含んでいるが、ビーム５６およびキャビティ５８の任意の数の層（例えば、１〜１００層）が可能であり得る。半径方向内側のプレート部分１１０は、相対的にロータ２４の回転軸線２６に向かって位置付けられたプレートであることが可能であり、半径方向３８内向きに先端シュラウド６６の下側表面を形成している。同様に、半径方向外側のプレート部分１１２は、相対的にロータ２４の回転軸線２６から離れるように位置付けられたプレートであることが可能であり、半径方向３８外向きに先端シュラウド６６の上側表面を形成している。半径方向内側のプレート部分１１０、ビーム５６およびキャビティ５８のパターン化された構造体５４、および、半径方向外側のプレート部分１１２は、ワンピース構造体を構成することが可能である。同様に、回転ブレード５２は、プレート部分１１０と１１２との間に配設された、パターン化された構造体５４を備えた先端シュラウド６６を有する完全なワンピース構造体であることが可能である。プレート部分１１０および１１２がビーム５６およびキャビティ５８のパターン化された構造体５４と一体化されるように、例えば、ＥＤＭプランジング技術が、先端シュラウド６６または回転ブレード５２の別の中実のピースにキャビティ５８を作り出すために使用されてもよい。他の実施形態では、パターン化された構造体５４は、プレート部分１１０および１１２から分離され、プレート部分１１０と１１２との間に固定されてもよい。これは、パターン化された構造体５４ならびにプレート部分１１０および１１２を単一の材料ピースから作製するよりも、非常に簡単に製造することを提供することが可能である。しかし、ワンピース構造体は、追加的な応力集中の原因となる可能性がある、個別のコンポーネントの間の接続がないので、先端シュラウド６６の応力および／またはたわみに抵抗するための剛性をさらに改善することが可能である。
【００２９】
半径方向内側のプレート部分１１０および半径方向外側のプレート部分１１２は、プレート部分１１０と１１２との間のパターン化された構造体５４のビーム５６よりも、厚いことが可能であり、または、薄いことが可能であるということに留意すべきである。そのうえ、プレート部分１１０と１１２との間のパターン化された構造体５４は、例えば、前述の図５の長方形のビーム５６およびキャビティ５８、図６の円形のキャビティ５８の対角線的な配置、ならびに、他の変形例および／またはこれらのパターン化された構造体５４の組み合わせなど、ビーム５６およびキャビティ５８の任意のパターンを含むことが可能である。パターン化された構造体５４が、プレート部分１１０および１１２から分離され、プレート部分１１０と１１２との間に固定されている実施形態では、プレート部分１１０および１１２は、様々な材料から、および／または、パターン化された構造体５４とは異なる材料から、作製することができる。そのうえ、先端シュラウド６６は、ビーム５６およびキャビティ５８のパターン化された構造体５４の多数のセクションの周りに設置された、より大きい数（例えば、３、４、５、６、７、８、９、または１０）の半径方向に配置されたプレート部分を含むことが可能である。例えば、先端シュラウド６６は、半径方向内側のプレート部分１１０と半径方向外側のプレート部分１１２との間に位置付けられた半径方向中間のプレート部分を含むことが可能であり、半径方向中間のプレート部分は、２つのパターン化された構造体５４の層の間に固定され、またはパターン化された構造体５４とのワンピースとして含まれている。追加的な変形例、および／または、図５〜図７に示されているパターン化された構造体５４の構成の組み合わせも、同様に可能であり得る。
【００３０】
図８および図９は、線８−８の中から取り出した、図４の回転ブレード５２の実施形態の上面図であり、回転ブレード５２の外部部分９８に沿って延在するパターン化された構造体５４を図示している。回転ブレード５２の外部部分９８に沿ったビーム５６およびキャビティ５８のパターン化された構造体５４を含むことによって、回転ブレード５２の重量が少し低減されるが、回転ブレード５２の剛性は、所望の方向（すなわち、ビーム５６およびキャビティ５８が沿って配向させられている方向）に維持することができる。図８は、実質的に長方形の列に配置されているビーム５６およびキャビティ５８を図示しており、ここで、ビーム５６は、外部部分９８からキャビティ５８よりも遠くへ（半径方向３８に）延在している。図示されている実施形態では、ビーム５６およびキャビティ５８は、おおよそ同じ幅であるが、ビーム厚さの他の変形例が可能であり得る。
【００３１】
図９は、ビーム５６およびキャビティ５８の複数の交互のセットを有するパターン化された構造体５４を図示している。すなわち、パターン化された構造体５４は、少なくとも、ビーム５６、１１６およびキャビティ５８、１１８の第１のセット、ならびに、ビーム５６、１２０およびキャビティ５８、１２２の第２のセットを含む。図示されている実施形態では、ビーム５６、１１６およびキャビティ５８、１１８の第１のセットは、回転ブレード５２の外部部分９８に沿って延在し、交差方向８６に配向させられており、ビーム５６、１２０およびキャビティ５８、１２２の第２のセットは、半径方向３８に配向させられている。さらに、キャビティ５８、１２２のうちのいくつかは、実質的に長方形であり、キャビティ５８、１２２のうちのいくつかは、実質的に円形である。したがって、多数のセットは、ビーム５６およびキャビティ５８の様々な構成および／または様々な配向を含むことが可能であり、回転ブレード５２の１つまたは複数の部分の所望の剛性対重量比率を実現するために組み合わせられることが可能である。さらに、多数のセットは、図示されているように異なる方向に配向させられている場合は、ビーム５６を使用して、回転ブレード５２の剛性を１つよりも多い方向（例えば、軸線方向３６、半径方向３８、および／または円周方向４０）に増加させることが可能であり、回転ブレード５２は、ターボ機械システム１０の作動中にわたって応力および／またはたわみを経験する可能性がある。
【００３２】
図１０は、線１０−１０の中から取り出した、図４の回転ブレード５２の実施形態の側面図であり、回転ブレード５２の外部部分９８から延在するビーム５６およびキャビティ５８のパターン化された構造体５４を図示している。図示されているパターン化された構造体５４の側面図は、パターン化された構造体５４が延在する交差方向８６の図である。この特定のパターン化された構造体５４は、図８のパターン化された構造体５４に対応することが可能であり、ここで、ビーム５６およびキャビティ５８は、おおよそ同じ幅である。図示されている実施形態は、回転ブレード５２の外部部分９８に沿って、および、外部部分９８の下に形成されたキャビティ５８に沿って延在するパターン化された構造体５４のビーム５６を示している。したがって、キャビティ５８は、回転ブレード５２の重量を低減させ、ビーム５６は、延在する交差方向８６の回転ブレード５２の所望の支持および剛性を維持する。
【００３３】
図１１は、線１１−１１の中から取り出した、図３の回転ブレード５２の実施形態の部分的な正面断面図であり、回転ブレード５２の中のビーム５６およびキャビティ５８のパターン化された構造体５４を通る空気流れを図示している。空気は、回転軸線２６の近くで、回転ブレード５２の中空ブレード部分６２に進入することが可能であり、ブレード部分６２を通って半径方向３８外向きに移動する（矢印７４）。この空気の運動は、回転ブレード５２のブレード部分６２に対して対流冷却を提供することが可能であり、それは、比較的高い温度（例えば、おおよそ５４０℃）に耐えるように設計可能である。ビーム５６およびキャビティ５８のパターン化された構造体５４は、先端シュラウド６６を全体的に通って交差方向８６に延在し、先端部分６４の中空のセクション１３０と交差し、先端部分６４を通って空気が冷却孔８８に向かって流れる。図示されている断面は、冷却孔８８を含んでいないが、回転ブレード５２の他の断面は、空気が先端シュラウド６６の上側外部部分９８を通って漏れることを可能にする１つまたは複数の冷却孔８８を含むことが可能である。また、空気は、パターン化された構造体５４のキャビティ５８を通って流れることも可能であり、先端シュラウド６６のより大きな内側表面領域に対して対流冷却を提供する。次いで、空気は、矢印７６で示されているように、先端シュラウド６６の中のパターン化された構造体５４のキャビティ５８から排出される。このパターン化された構造体５４の構成は、回転ブレード５２の上側外部部分９８の中の冷却孔８８だけを通る空気流れを有する先端シュラウド６６の中で一般的に利用可能なものよりも、多大な冷却を提供することが可能である。繰返しになるが、パターン化された構造体５４の他の実施形態は、中空のセクション１３０と交差しておらず、したがって、いかなる冷却剤の流れも通過させない。
【００３４】
本発明の技術的な効果は、中でも、回転ブレードの先端シュラウドの中に形成されたビームおよびキャビティのパターン化された構造体によって、ターボ機械システムの中の回転ブレードの剛性対重量比率を増加させることを含む。パターン化された構造体（例えば、ハニカム、キャビティの格子、ビームのグリルなど）のビームは、応力および／またはたわみに抵抗するための所望の剛性を効果的に提供するために、先端シュラウドによって経験される応力および／またはたわみの方向に整合させることができる。さらに、パターン化された構造体のキャビティは、先端シュラウドの重量を低減し、相対的により大きい先端シュラウドが、同じ剛性量および回転ブレード重量をターボ機械システムに提供するために使用可能であるようになっている。回転ブレードの上で、より大きい先端シュラウドを使用することによって、その中で回転ブレードが回転するタービンシステムの性能を向上させることができる。すなわち、より大きい先端シュラウドは、回転ブレード先端部の被覆率の増加を提供することが可能であり、そして、より多くの量の燃焼ガスを、タービンブレードを通して、軸線方向に向かわせるためのシールの改善を提供することが可能であり、それによって、ターボ機械の効率が増加させられる。剛性対重量比率の改善に加えて、ビームおよびキャビティのパターン化された構造体は、回転ブレードを通る追加的な冷却通路を提供することが可能である。空気は、ブレード部分に進入し、先端シュラウドの中に形成されたパターン化された構造体のキャビティを通って出ていくことが可能であり、回転ブレードが回転するときに、先端シュラウドに対して、より広範囲に及ぶ冷却を提供する。
【００３５】
この書面による説明は、本発明を開示するために、また、任意の当業者が本発明を実施（任意のデバイスまたはシステムを製造および使用すること、ならびに任意の組み込まれた方法を実行することを含む）することができるように、例（最良の形態を含む）を使用している。本発明の特許の範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が考え付く他の例を含むことが可能である。そのような他の例が、特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を含んでいる場合には、または、特許請求の範囲の文言とわずかに異なる、均等な構造的要素を含んでいる場合には、そのような他の例は、特許請求の範囲内に含まれるということが意図されている。
【符号の説明】
【００３６】
１０  ターボ機械システム
１２  タービンブレード
１４  圧縮機
１６  燃焼器
１８  燃料ノズル
２０  タービン
２２  燃焼ガス
２４  ロータ
２６  回転軸線
２８  排気出口部
３０  ブレード
３２  加圧空気
３４  負荷
３６  回転軸線、軸線方向
３８  半径軸線、半径方向
４０  軸線、円周方向
５２  ブレード
５４  構造体
５６  ビーム
５８  キャビティ
６０  ステータ
６２  ブレード部分
６３  長手方向軸線
６４  先端部分
６５  平面
６６  先端シュラウド
６８  補強レール
７０  シール歯部
７２  矢印
７４  矢印
７６  矢印
８４  長手方向軸線
８６  交差方向
８８  冷却孔
９０  縁部
９２  縁部
９８  外部部分
１００  側面周辺部分
１０２  下側部分
１１０  プレート部分
１１２  プレート部分
１１６  ビーム
１１８  キャビティ
１２０  ビーム
１２２  キャビティ
１３０  中空のセクション
【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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