(57)【要約】【課題】タービンロータブレードのプラットフォーム領域を効果的かつ効率的に冷却する。【解決手段】エーロフォイルと翼根部との間に配置されたプラットフォームを有するタービンロータブレードは、エーロフォイルの正圧側に一致する側に沿って、エーロフォイルベースから正圧側スラッシュ面まで延在する上側を含むプラットフォームの正圧側を含む。プラットフォーム冷却装置は、プラットフォームの正圧側の上側の直ぐ内寄りに存在する主プレナムであって、後方位置を有する上流端部から前方位置を有する下流端部までプラットフォームを通って延在する、主プレナムと、冷却開口とを含む。上流端部の近くで、主プレナムは、後方スイッチバックを、また、後方スイッチバックと下流端部との間に前方円弧を含む。冷却開口はそれぞれ、主プレナムから正圧側スラッシュ面上に形成されたポートまで延在する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エーロフォイルと翼根部との間に配置されたプラットフォームを有するタービンロータブレード内のプラットフォーム冷却装置であって、前記ロータブレードが、前記翼根部における冷却媒体源との接続部から半径方向に外側に延在する内部冷却通路を含み、前記エーロフォイルの正圧側に一致する側に沿って、前記プラットフォームの正圧側が、エーロフォイルベースから正圧側スラッシュ面まで延在する上側を含む、プラットフォーム冷却装置において、
前記プラットフォームの前記正圧側の前記上側の直ぐ内寄りに存在する主プレナムであって、後方位置を有する上流端部から前方位置を有する下流端部まで前記プラットフォームを通って延在する、主プレナムと、
冷却開口とを備え、
前記上流端部の近くで、前記主プレナムが、後方スイッチバックを、また、前記後方スイッチバックと前記下流端部との間に前方円弧を含み、
前記冷却開口がそれぞれ、前記主プレナムから前記正圧側スラッシュ面上に形成されたポートまで延在する、プラットフォーム冷却装置。
【請求項２】
前記主プレナムの前記上流端部を前記内部冷却通路に接続するように構成される供給プレナムと、
それぞれが前記主プレナムを前記プラットフォームの前記上側上に形成されたポートに接続する複数のフィルム冷却開口とをさらに備え、
前記プラットフォームの前記上側は平面であり、前記主プレナムが、前記平面上側にほぼ平行である長手方向軸を備える、請求項１記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項３】
前記主プレナムの前記上流端部が、前記プラットフォームの円周上中央領域に近い位置を備え、
前記主プレナムの前記下流端部が、前記プラットフォームの前記正圧側スラッシュ面に近い位置を備える、請求項１記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項４】
前記上流端部から始めて、前記後方スイッチバックが、第１のセクション、第２のセクション、および前記第１のセクションと前記第２のセクションとの間配置されたスイッチバックセクションを含むように構成され、
前記第１のセクションが、前記正圧側スラッシュ面に向かって円周方向に延在し、
前記スイッチバックセクションが、前記正圧側スラッシュ面の近くに配設され、少なくとも１５０°の急激な転回（ｓｈａｒｐ  ｔｕｒｎ）を含み、
前記第２のセクションが、前記スイッチバックセクションから前記プラットフォームの前記円周上中央領域に向かって円周方向に延在する、請求項３記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項５】
前記スイッチバックセクションが、約１８０°の急激な転回を備え、
前記第２のセクションが、前記第１のセクションの前方であり、
前記後方スイッチバックが、前記第１のセクションを前記第２のセクションから分離する、ほぼ一定の幅を有する分離構造を含むように構成され、
前記上流端部と前記下流端部との間で、前記主プレナムが、ほぼ一定の幅を備え、
前記分離構造の前記ほぼ一定の幅が、前記主プレナムの前記ほぼ一定の幅より著しく小さい、請求項４記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項６】
前記後方スイッチバックが、前記プラットフォームの前記正圧側の後方１／３に制限される、請求項４記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項７】
前記後方スイッチバックが、前記後方スイッチバックを通して流れる冷却媒体と前記プラットフォームとの間の熱伝達を促進するように構成される熱伝達構造を含み、
前記主プレナムが、床と天井との間に画定された半径方向高さを備え、前記天井が前記床に対して外寄りであり、
前記半径方向高さが、前記主プレナムの前記上流端部から前記下流端部までほぼ一定であり、
前記主プレナムが、前記天井が、前記プラットフォームの前記正圧側の前記上側に非常に接近して存在するように構成される、請求項４記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項８】
前記後方スイッチバック内の前記熱伝達構造が、前記冷却媒体内で乱流を増加させるように構成された突き出る突出部を備える、請求項７記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項９】
前記後方スイッチバックの前記第２のセクションが、前記プラットフォームの円周上中央領域の近くで前記前方円弧に接続し、
前記後方スイッチバックとの接続部から前方に延在して、前記前方円弧が、エーロフォイルベースの前記正圧側のプロファイルの曲率に対応する曲率を備え、前記エーロフォイルベースの前記正圧側の下で前記前方円弧が延在し、
前記主プレナムの前記下流端部が、前記プラットフォームの前記正圧側スラッシュ面に存在する、請求項４記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項１０】
前記主プレナムが、後方出口および前方出口を備え、
前記後方出口が、前記後方スイッチバックの前記スイッチバックセクションを前記正圧側スラッシュ面に形成されたポートに接続するように構成され、
前記前方出口が、前記主プレナムの前記下流端部を前記正圧側スラッシュ面に形成されたポートに接続するように構成され、
前記前方出口が、前記前方出口の前記断面流れ面積を減少させる非一体プラグを含み、
前記後方出口が、前記後方出口の前記断面流れ面積を減少させる非一体プラグを含む、請求項４記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項１１】
前記前方出口および前記後方出口がそれぞれ、前記主プレナムの鋳造中に形成されたプリントアウトを備え、
前記前方出口の前記非一体プラグが、運転中に所望の冷却媒体インピンジメント特性に対応する前記前方出口を通る所定の断面流れ面積を提供するように構成され、
前記後方出口の前記非一体プラグが、運転中に所望の冷却媒体インピンジメント特性に対応する前記後方出口を通る所定の断面流れ面積を提供するように構成される、請求項１０記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項１２】
前記冷却開口の前記ポートが、前記正圧側スラッシュ面に沿って離間し、
少なくとも複数の前記冷却開口が、前記ポートのうちの１つのポートを前記主プレナムの前記前方円弧に接続し、少なくとも複数の前記冷却開口が、前記ポートのうちの１つのポートを前記主プレナムの前記後方スイッチバックに接続し、
前記主プレナムが、前記エーロフォイルの軸方向長さの少なくとも０．７５の前記軸方向長さを備える、請求項４記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項１３】
少なくとも５つの冷却開口が、別個の対応するポートを前記主プレナムの前記前方円弧に接続し、少なくとも３つの冷却開口が、対応するポートを前記主プレナムの前記後方スイッチバックに接続する、請求項１２記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項１４】
前記冷却開口が、ほぼ円周方向に前記正圧側スラッシュ面から前記主プレナムまで延在する、請求項１２記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項１５】
前記冷却開口がそれぞれ、前記主プレナムより小さい断面流れ面積を備え、
前記冷却開口が直線状である、請求項１４記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項１６】
前記冷却開口および前記ポートが、運転中にそれぞれが、据え付けられたとき前記タービンロータブレードと隣接するタービンロータブレードとの間に形成されるスラッシュ面キャビティに入るように冷却媒体の所望の衝突を受けた流れを排気するように構成される、請求項１２記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項１７】
エーロフォイルと翼根部との間の界面にプラットフォームを有するタービンロータブレードにおいてプラットフォーム冷却装置を作製する方法であって、前記ロータブレードが、前記翼根部における冷却媒体源との接続部から前記プラットフォームまで延在する、前記ロータブレードに形成された内部冷却通路を含み、前記エーロフォルの正圧側に一致する側に沿って、前記プラットフォームの正圧側が、エーロフォイルベースから正圧側スラッシュ面まで円周方向に延在する上側を備える、方法において、
鋳造プロセスによって前記プラットフォームの前記正圧側で主プレナムを形成するステップであって、前記主プレナムが、後方位置を有する上流端部から前方位置を有する下流端部まで前記プラットフォームを通って延在するように構成される、ステップと、
冷却開口を機械加工するステップとを含み、
前記上流端部の近くで、前記主プレナムが、後方スイッチバックを、また、前記後方スイッチバックと前記下流端部との間に前方円弧を含み、
前記冷却開口がそれぞれ、前記主プレナムから前記正圧側スラッシュ面上に形成されたポートまで延在する、方法。
【請求項１８】
前記主プレナムの前記上流端部を前記内部冷却通路に接続するように構成される供給プレナムを形成するステップをさらに含み、
前記主プレナムを形成するステップが、前記プラットフォーム内で前記主プレナムを鋳造することを含み、
前記主プレナムが、前記主プレナムの前記上流端部が前記プラットフォームの円周上中央領域に近い位置を備え、前記主プレナムの前記下流端部が前記プラットフォームの前記正圧側スラッシュ面に近い位置を備えるように構成され、
前記上流端部から始めて、前記後方スイッチバックが、第１のセクション、第２のセクション、および前記第１のセクションと前記第２のセクションとの間に配置されたスイッチバックセクションを含むように構成され、
前記第１のセクションが、前記正圧側スラッシュ面に向かって円周方向に延在し、
前記スイッチバックセクションが、前記正圧側スラッシュ面の近くに配設され、少なくとも１８０°の急激な転回を含み、
前記第２のセクションが、前記スイッチバックセクションから前記エーロフォイルに向かって円周方向に延在する、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記主プレナムを鋳造するステップが、運転中に、後方出口および前方出口を備えるプリントアウトを構成することを含み、
前記後方出口が、前記後方スイッチバックの前記スイッチバックセクションを前記正圧側スラッシュ面に形成されたポートに接続するように構成され、
前記前方出口が、前記主プレナムの前記下流端部を前記正圧側スラッシュ面に形成されたポートに接続するように構成される、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記前方出口用の第１のプラグを形成するステップであって、前記第１のプラグが、前記前方出口が、運転中に前記前方出口を通る所望の冷却媒体インピンジメント特性に対応する所定の断面流れ面積を備えるように、前記前方出口の前記断面流れ面積を減少させるように構成される、ステップと、
前記第１のプラグを前記前方出口に入るように据え付けるステップと、
前記後方出口用の第２のプラグを形成するステップであって、前記第２のプラグが、前記後方出口が、運転中に前記後方出口を通る所望の冷却媒体インピンジメント特性に対応する所定の断面流れ面積を備えるように、前記後方出口の前記断面流れ面積を減少させるように構成される、ステップと、
前記第２のプラグを前記後方出口内に据え付けるステップとをさらに含む、請求項１９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、一般に燃焼タービンエンジンに関し、このエンジンは、本明細書では、また別段特に記載のない限り、発電および航空機エンジンで使用するものなどあらゆるタイプの燃焼タービンエンジンを含む。より詳細には、限定としてではないが、本出願は、タービンロータブレードのプラットフォーム領域を冷却するための装置、システムおよび／または方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、通常、圧縮機、燃焼器、およびタービンを含む。圧縮機およびタービンは、一般的に、軸方向に多段にスタックされているエーロフォイルまたはブレードの列を含む。各段は、通常、固定されている円周方向に離間したステータブレードの列および中心軸線またはシャフト周りで回転する円周方向に離間したロータブレードのセットを含む。運転中に圧縮機内のロータブレードは、シャフト周りで回転して空気の流れを圧縮する。圧縮された空気は次に、燃焼器内で使用されて供給燃料を燃焼させる。燃焼プロセスにより生じた高温ガスの流れは、タービンを通って膨張され、ロータブレードが取り付けられるシャフトを、ロータブレードが回転させる。こうして、燃料内に含まれるエネルギーが、回転シャフトの機械エネルギーに変換され、この機械エネルギーは、たとえば、電気を発生する発電機のコイルを回転させるために使用することができる。
【０００３】
図１および図２を参照すると、タービンロータブレード１００は、一般的に、エーロフォイル部分またはエーロフォイル１０２および翼根部分または翼根部１０４を含む。エーロフォイル１０２は、凸形の負圧面１０５および凹形の正圧面１０６を有するものとして述べることができる。エーロフォイル１０２はさらに、前方縁部である前縁１０７および後方縁部である後縁１０８を有するものとして述べることができる。翼根部１０４は、ブレード１００をロータシャフトに固定するための構造体（図示するように、通常、ダブテール１０９を含む）、そこからエーロフォイル１０２が延在するプラットフォーム１１０、およびダブテール１０９とプラットフォーム１１０との間の構造体を含むシャンク１１２を有するものとして述べることができる。
【０００４】
図示するように、プラットフォーム１１０は、実質的に平面とすることができる。より具体的には、プラットフォーム１１０は、平面上側１１３を有することができ、この平面上側１１３は、図１に示すように軸方向かつ円周方向に延在する平坦面を含むことができる。図２に示すように、プラットフォーム１１０は、平面下側面１１４を有することができ、この平面下側面１１４もまた、軸方向かつ円周方向に延在する平坦面を含むことができる。プラットフォーム１１０の上側１１３および下側１１４は、その各々が他方に対して実質的に平行になるように形成することができる。図示するように、プラットフォーム１１０は、通常、薄い半径方向プロファイルを有する、すなわち、プラットフォーム１１０の上側１１３と下側１１４との間に比較的短い半径方向距離が存在することを理解されたい。
【０００５】
一般的に、プラットフォーム１１０は、タービンロータブレード１００上で使用されてガスタービンの高温ガス通路セクションの内側流路境界を形成する。プラットフォーム１１０は、さらに、エーロフォイル１０２に対して構造的支持を提供する。運転中に、タービンの回転速度は、プラットフォーム１１０に沿って高応力領域を生成する機械的負荷作用を誘起し、高応力領域は、高温に結合されると最終的に、酸化、クリープ、低サイクル疲労割れおよびその他など運転中の欠陥の形成を引き起こす。もちろん、これらの欠陥は、ロータブレード１００の有効寿命に悪影響を与える。これらの過酷な運転条件、すなわち高温ガス通路の極度の温度への露出および回転ブレードに関連する機械的負荷作用は、良好に作動すると共に製造するのに費用効果的である、耐久性があり長持ちするロータブレードプラットフォーム１１０を設計するときにかなりの課題を生じることを理解されたい。
【０００６】
プラットフォーム領域１１０の耐久性を向上させる１つの一般的な解決策は、運転中にプラットフォーム領域１１０を圧縮空気または他の冷却媒体の流れで冷却することであり、また種々のこれらのタイプのプラットフォーム設計が知られている。しかし、当業者なら理解するように、プラットフォーム領域１１０は、こうして冷却するのを困難にするいくつかの設計上の課題をもたらす。大部分において、このことは、上述のようにプラットフォーム１１０がロータブレードの中心コアから離れて存在する周辺構成要素であり、また、通常、構造的に安定しているが薄い半径方向厚さを有するように設計されている理由から、この領域の厄介な幾何形状に起因している。
【０００７】
冷却媒体を循環させるために、ロータブレード１００は、通常、最低でも翼根部１０４およびエーロフォイル１０２を通ることを含めて、ブレード１００のコアを通って半径方向に延在する１つまたは複数の中空冷却通路１１６（図３、図４、図５、および図９参照）を含む。以下でより詳細に述べるように、熱交換を増大させるために、こうした冷却通路１１６は、ブレード１００の中心領域を通って曲がりくねる蛇行通路を有する状態で形成されることができるが、他の構成も可能である。運転中に、冷却媒体は、翼根部１０４の内寄り部分に形成された１つまたは複数の入口１１７を介して中心冷却通路に流入することができる。冷却媒体は、ブレード１００を通って循環し、エーロフォイル上に形成された出口（図示せず）を通っておよび／または翼根部１０４に形成された１つまたは複数の出口（図示せず）を介して流出することができる。冷却媒体は、加圧されることができ、またたとえば、加圧空気、水と混合した加圧空気、蒸気および同様のものを含むことができる。多くの場合、冷却媒体は、エンジンの圧縮機から分流された圧縮空気であるが、他の供給源も可能である。以下でより詳細に論じるように、これらの冷却通路は、通常、高圧冷却媒体領域および低圧冷却媒体領域を含む。高圧冷却媒体領域は、通常、より高い冷却媒体圧力を有する冷却通路の上流部分に対応し、一方、低圧冷却媒体領域は、比較的低い冷却媒体圧力を有する下流部分に対応する。
【０００８】
場合によっては、冷却媒体は、冷却通路１１６から隣接するロータブレード１００のシャンク１１２とプラットフォーム１１０との間に形成されたキャビティ１１９内に送られることができる。そこから、冷却媒体は、ブレードのプラットフォーム領域１１０を冷却するために使用することができ、その従来の設計が図３に示されている。このタイプの設計は、通常、冷却通路１１６の１つから空気を取り出し、その空気を使用してシャンク１１２／プラットフォーム１１０間に形成されたキャビティ１１９を加圧する。加圧されると、このキャビティ１１９は、次に、プラットフォーム１１０を通って延在する冷却チャネルに冷却媒体を供給する。プラットフォーム１１０を横断した後に、冷却空気は、プラットフォーム１１０の上側１１３に形成されたフィルム冷却孔を通してキャビティから流出することができる。
【０００９】
しかし、このタイプの従来設計は、いくつかの欠点を有することを理解されたい。第１に、冷却回路は、２つの隣接するロータブレード１００が組み立てられた後に形成されるだけであるため、冷却回路は１つの部品内に内蔵されない。このことは、据付けおよび据付け前流れ試験に対して大きな程度の困難さおよび複雑さを付加する。第２の欠点は、隣接するロータブレード１００間に形成されたキャビティ１１９の完全性が、キャビティ１１９の周囲がどれほど上手くシールされるかに依存することである。不適切なシールにより、不十分なプラットフォーム冷却および／または無駄な冷却空気が生じる可能性がある。第３の欠点は、高温ガス通路ガスがキャビティ１１９またはプラットフォーム１１０自体内に吸い込まれる可能性がある内在リスクである。これは、キャビティ１１９が運転中に十分高い圧力に維持されない場合に発生する可能性がある。キャビティ１１９の圧力が高温ガス通路内の圧力を下回った場合には、高温ガスがシャンクキャビティ１１９またはプラットフォーム１１０自体内に吸い込まれ、それにより、これら構成要素が高温ガス通路条件に対する暴露に耐えるように設計されていない場合には、これらの構成要素が損傷を受けることになる。
【００１０】
図４および図５は、プラットフォーム冷却用の別のタイプの従来設計を示す。この場合、冷却回路は、図示するように、ロータブレード１００内に内蔵され、シャンクキャビティ１１９を含まない。冷却空気は、ブレード１００のコアを通って延在する冷却通路１１６の１つから取り出され、プラットフォーム１１０内に形成された冷却チャネル１２０（すなわち、「プラットフォーム冷却チャネル１２０」）を通して後方に送られる。いくつかの矢印で示すように、冷却空気は、プラットフォーム冷却チャネル１２０を通って流れ、プラットフォーム１１０の後方縁部１２１内の出口を通してまたは負圧側縁部１２２に沿って配設された出口から流出する。（矩形プラットフォーム１１０の縁部または面を述べるまたは参照するときに、縁部または面はそれぞれ、エーロフォイル１０２の負圧面１０５および正圧面１０６に関するその位置に基づいて、および／またはブレード１００が据え付けられる場合にはエンジンの前方および後方方向に基づいて正確に説明されることができる点に留意されたい。したがって、当業者なら理解するように、プラットフォームは、図３および図４に示すように、後方縁部１２１、負圧側縁部１２２、前方縁部１２４、および正圧側縁部１２６を含むことができる。さらに、負圧側縁部１２２および正圧側縁部１２６はまた一般的に「スラッシュ面」と呼ばれ、隣接するロータブレード１００が据え付けられたときこれらの間に形成される狭いキャビティは、「スラッシュ面キャビティ」と呼ばれることができる。）
図４および図５の従来設計は、これらが組立てまたは据付け状態の変動によって影響を受けない点で、図３の設計に勝る利点を有することを理解されたい。しかし、この種の従来設計は、いくつかの制限または欠点を有する。第１に、図示するように、エーロフォイル１０２の各面上に単一回路だけが設けられ、したがって、プラットフォーム１１０内の異なる場所で使用される冷却空気の量の制御に限界があるという欠点が存在する。第２に、このタイプの従来設計は、一般に限られたカバレッジ範囲を有する。図５の蛇行通路は、図４に勝るカバレッジ範囲に関する改良であるが、プラットフォーム１１０内に依然として冷却されないままのデッド区域が存在する。第３に、複雑に形成されたプラットフォーム冷却チャネル１２０によって良好なカバレッジを得るために、特に冷却チャネルが形成するのに鋳造プロセスを必要とする形状を有する場合には、製造コストが劇的に増加する。第４に、これらの従来設計は、通常、使用後でかつ冷却媒体が完全に排出される前に冷却媒体を高温ガス通路内に放出し、このことは、エンジンの効率に悪影響を与える。第５に、この種の従来設計は一般的に、柔軟性がほとんどない。すなわち、チャネル１２０は、プラットフォーム１１０の一体部分として形成され、運転条件が変化するときにその機能または構成を変更する機会をほとんどまたは全く提供しない。さらに、これらのタイプの従来設計は、補修または改造するのが困難である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
結果として、従来のプラットフォーム冷却設計は、１つまたは複数の重要な範囲が欠けている。タービンロータブレードのプラットフォーム領域を効果的かつ効率的に冷却し、一方で同様に、構築するのが費用効果的であり、アプリケーションに柔軟性があり、耐久性がある、改良型の装置、システム、および方法についての必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
１つの例示的な実施形態では、本出願は、エーロフォイルと翼根部との間に配置されたプラットフォームを有するタービンロータブレード内のプラットフォーム冷却装置を述べる。ロータブレードは、翼根部における冷却媒体源との接続部から半径方向に外側に延在する内部冷却通路を含み、エーロフォイルの正圧側に一致する側に沿って、プラットフォームの正圧側は、エーロフォイルベースから正圧側スラッシュ面まで延在する上側を含む。プラットフォーム冷却装置は、プラットフォームの正圧側の上側の直ぐ内寄りに存在する主プレナムであって、後方位置を有する上流端部から前方位置を有する下流端部までプラットフォームを通って延在する、主プレナムと、冷却開口とを含む。上流端部の近くで、主プレナムは、後方スイッチバックを、また、後方スイッチバックと下流端部との間に前方円弧を含む。また、冷却開口はそれぞれ、主プレナムから正圧側スラッシュ面上に形成されたポートまで延在する。
【００１３】
別の例示的な実施形態では、本発明は、エーロフォイルと翼根部との間の界面にプラットフォームを有するタービンロータブレードにおいてプラットフォーム冷却装置を作製する方法を述べる。ロータブレードは、翼根部における冷却媒体源との接続部からプラットフォームまで延在する、ロータブレードに形成された内部冷却通路を含み、エーロフォルの正圧側に一致する側に沿って、プラットフォームの正圧側は、エーロフォイルベースから正圧側スラッシュ面まで円周方向に延在する上側を備える。方法は、鋳造プロセスによってプラットフォームの正圧側で主プレナムを形成するステップであって、主プレナムは、後方位置を有する上流端部から前方位置を有する下流端部までプラットフォームを通って延在するように構成される、形成するステップと、冷却開口を機械加工するステップとを含む。上流端部の近くで、主プレナムは、後方スイッチバックを、また、後方スイッチバックと下流端部との間に前方円弧を含む。また、冷却開口はそれぞれ、主プレナムから正圧側スラッシュ面上に形成されたポートまで延在する。
【００１４】
本出願のこれらのまた他の特徴は、図面および特許請求の範囲と併せて、好ましい実施形態の以下の詳細な説明を検討すると明らかになるであろう。
【００１５】
本発明のこれらのまた他の特徴は、添付図面と併せて、本発明の例示的な実施形態の以下のより詳細な説明を注意深く検討することによって、より完全に理解されかつ認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態を使用することができる例示的なタービンロータブレードの斜視図である。
【図２】本発明の実施形態を使用することができるタービンロータブレードの下面図である。
【図３】従来設計による冷却システムを有する隣接するタービンロータブレードの断面図である。
【図４】従来設計による内部冷却チャネルを備えたプラットフォームを有するタービンロータブレードの平面図である。
【図５】代替の従来設計による内部冷却チャネルを備えたプラットフォームを有するタービンロータブレードの平面図である。
【図６】本発明の例示的な実施形態によるプラットフォーム冷却構成を有するタービンロータブレードの斜視図である。
【図７】本発明の例示的な実施形態による冷却構成を有するタービンロータブレードのプラットフォームの上部の部分断面図である。
【図８】本発明の例示的な実施形態による冷却構成を有するタービンロータブレードのプラットフォームの上部の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
いくつかの従来の冷却設計に関連して上述したように、冷却媒体の内部循環により冷却されるタービンブレードは、通常、翼根部１０４からプラットフォーム領域１１０を通りエーロフォイル１０２内に半径方向に外側に延在する内部冷却通路１１６を含むことを理解されたい。本発明のいくつかの実施形態は、効率的な能動プラットフォーム冷却を向上する、または使用可能にするために従来の冷却媒体通路と連携して使用することができ、また、本発明は、一般的な設計、すなわち曲がりくねったまたは蛇行した構成を有する内部冷却通路１１６に関連して論じられることを理解されたい。図７に図示するように、蛇行通路は、通常、冷却媒体の一方向流れを可能にするように構成され、また、冷却媒体と周囲のロータブレード１００との間の熱交換を促進する特徴部を含む。運転中、通常、圧縮機から抽気された圧縮空気である加圧冷却媒体（しかし、本発明の実施形態では、蒸気など他のタイプの冷却媒体も使用できる）は、翼根部１０４を通って形成された接続部を通して内部冷却通路１１６に供給される。圧力は、冷却媒体を、内部冷却通路１１６を通して押しやり、冷却媒体は、周囲の壁から熱を対流移動させる。
【００１８】
一般に、種々の設計の従来の内部冷却通路１１６は、ロータブレード１００内のいくつかの領域に対して能動冷却を提供するときにある程度効果的である。しかし、当業者なら理解するように、プラットフォーム領域はより課題であることがわかる。この課題は、少なくとも一部は、プラットフォームの厄介な幾何形状、すなわちその狭い半径方向高さおよびプラットフォームがロータブレード１００のコアまたは主本体から離れて突き出る方式に起因している。それでも、高温ガス通路の極端な温度への暴露および高い機械的負荷作用がある場合には、プラットフォームの冷却要件はかなり大きくなる。上述したように、従来のプラットフォーム冷却設計は、領域の特定の課題に対処できないために有効でなく、これらの冷却媒体の使用に関して非効率的であり、かつ／または作製するのに費用がかかる。
【００１９】
ここで図６〜図８を参照すると、本発明の例示的な実施形態のいくつかの図が提供される。特に、本発明の好ましい実施形態による、プラットフォーム冷却構成１３０を有するタービンロータブレード１００が提供される。図示のように、ロータブレード１００は、エーロフォイル１０２と翼根部１０４との間の界面に存在するプラットフォーム１１０を含む。ロータブレード１００は、翼根部１０４からプラットフォーム１１０の少なくともほぼ半径方向高さまで、ほとんどの場合エーロフォイル１０２内に延在する内部冷却通路１１６を含む。エーロフォイル１０２の正圧面１０６に対応するプラットフォーム１１０の側で、プラットフォーム１１０は、エーロフォイルベース１７２から正圧側スラッシュ面１２６まで延在する平面上側１１３を有することができる点を理解されたい。（本明細書で使用される「平面」は、平面の形状がほぼまたは実質的に平坦であることを意味することに留意されたい。たとえば、プラットフォームは、ロータブレードの半径方向場所においてタービンの円周に対応する曲率を有する状態で、わずかに湾曲および凸形の外寄り表面を有するように構成することができることを当業者なら理解するであろう。本明細書で使用されるように、このタイプのプラットフォーム形状は、曲率半径がプラットフォームに平坦な外観を与えるのに十分に大きいため平面と見なされる。）プラットフォーム１１０の内部に構成されると、本発明の例示的な実施形態は、後方スイッチバック１３３を含む主プレナム１３２、前方円弧１３４、および、冷却媒体が、そこを通ってプラットフォーム１１０の内部領域全体に分散されることができる複数の冷却開口１５６を含む。
【００２０】
いくつかの実施形態では、主プレナム１３２は、プラットフォーム１１０の上側の直ぐ内寄りに存在することができる。主プレナム１３２は、プラットフォーム１１０の正圧側１２８内に配置されることができる。主プレナム１３２は、後方位置を有する上流端部１７６から前方位置を有する下流端部１７８までプラットフォーム１１０を通って延在することができる。上流端部１７６の近くで、主プレナム１３２は、後方スイッチバック１３３を、後方スイッチバック１３３と下流端部１７８との間に前方円弧１３４を含むことができる。供給プレナム１４０は、主プレナム１３２の上流端部１７６を内部冷却通路１１６に接続することができる。主プレナム１３２は、平面上側にほぼ平行である長手方向軸を含むことができる。主プレナム１３２の上流端部１７６は、プラットフォーム１１０の円周上中央領域に近い位置を含むことができる。主プレナム１３２の下流端部１７８は、プラットフォーム１１０の正圧側スラッシュ面１２６に近い位置を含むことができる。主プレナム１３２は、エーロフォイルの軸方向長さの少なくとも０．７５の軸方向長さを含むことができる。
【００２１】
いくつかの実施形態では、上流端部１７６から始めて、後方スイッチバック１３３は、第１のセクション、第２のセクション、および第１のセクションと第２のセクションとの間に配置されたスイッチバックセクションを含むように構成することができる。第１のセクションは、正圧側スラッシュ面１２６に向かって円周方向に延在することができる。スイッチバックセクションは、正圧側スラッシュ面１２６の近くに配設され、少なくとも１５０°の急激な転回を含むことができる。第２のセクションは、スイッチバックセクションからプラットフォーム１１０の円周上中央領域に向かって円周方向に延在することができる。第２のセクションは、第１のセクションの前方とすることができる。いくつかの実施形態では、スイッチバックセクションは、約１８０°の急激な転回を含むことができる。
【００２２】
いくつかの実施形態では、後方スイッチバック１３３は、第１のセクションを第２のセクションから分離する分離構造１７４を含むように構成することができる。図示するように、分離構造１７４は、ほぼ一定の幅を含むことができる。上流端部１７６と下流端部１７８との間で、主プレナム１３２は、ほぼ一定の幅を含むことができる。分離構造１７４のほぼ一定の幅は、主プレナム１３２のほぼ一定の幅より著しく小さくすることができる。主プレナム１３２は、床と天井との間に画定された半径方向高さを含むことができ、天井は床に対して外寄りである。半径方向高さは、主プレナム１３２の上流端部１７６から下流端部１７８までほぼ一定であるとすることができる。主プレナム１３２は、天井が、プラットフォーム１１０の正圧側の上側に非常に接近して存在することができるように構成することができる。後方スイッチバック１３３は、プラットフォーム１１０の正圧側１２８の後方１／３（ｒｅａｒｗａｒｄ  ｔｈｉｒｄ）に制限されることができる。
【００２３】
いくつかの実施形態では、後方スイッチバック１３３は、後方スイッチバック１３３を通して流れる冷却媒体とプラットフォーム１１０との間の熱伝達を促進するように構成することができる熱伝達構造を含むことができる。後方スイッチバック１３３内の熱伝達構造は、冷却媒体内で乱流を増加させるように構成された任意の突き出る突出部および熱交換用の表面積を含むことができる。これらは、主プレナムの天井または床から流路内に延在するタービュレータ、リッジ、バンプなどを含む場合がある。
【００２４】
いくつかの実施形態では、後方スイッチバック１３３の第２のセクションは、プラットフォーム１１０の円周上中央領域の近くで前方円弧１３４に接続する。後方スイッチバック１３３との接続部から前方に延在して、前方円弧１３４は、エーロフォイルベース１７２の正圧側のプロファイルの曲率に対応する曲率を含むことができ、エーロフォイルベース１７２の正圧側の下で前方円弧１３４が延在する。主プレナム１３２の下流端部１７８は、プラットフォーム１１０の正圧側スラッシュ面１２６に存在することができる。
【００２５】
いくつかの実施形態では、主プレナム１３２は、後方出口１６０および前方出口１６２を含むことができる。後方出口１６０は、後方スイッチバック１３３のスイッチバックセクションを正圧側スラッシュ面１２６に形成されたポートに接続するように構成することができる。前方出口１６２は、主プレナム１３２の下流端部１７８を正圧側スラッシュ面１２６に形成されたポートに接続するように構成することができる。前方出口１６２は、前方出口１６２の断面流れ面積（ｆｌｏｗ  ａｒｅａ）を減少させる非一体プラグ１３８を含むことができる。後方出口１６０は、後方出口１６０の断面流れ面積を減少させる非一体プラグ１３８を含むことができる。前方出口１６２および後方出口１６０はそれぞれ、主プレナム１３２の鋳造中に使用されるプリントアウト（ｐｒｉｎｔｏｕｔ）から形成されることができる。前方出口１６２の非一体プラグ１３８は、運転中に所望の冷却媒体インピンジメント特性に対応する前方出口１６２を通る所定の断面流れ面積を提供するように構成することができる。後方出口１６０の非一体プラグ１３８は、運転中に所望の冷却媒体インピンジメント特性に対応する後方出口１６０を通る所定の断面流れ面積を提供するように構成することができる。
【００２６】
いくつかの実施形態では、冷却開口１５６はそれぞれ、主プレナム１３２から正圧側スラッシュ面１２６上に形成されたポートまで延在することができる。冷却開口１５６のポートは、正圧側スラッシュ面１２６に沿って離間することができる。少なくとも複数の冷却開口１５６は、ポートのうちの１つのポートを主プレナム１３２の前方円弧１３４に接続することができ、少なくとも複数の冷却開口１５６は、ポートのうちの１つのポートを主プレナム１３２の後方スイッチバック１３３に接続することができる。いくつかの実施形態では、少なくとも５つの冷却開口１５６は、対応するポートを主プレナム１３２の前方円弧１３４に接続し、少なくとも３つの冷却開口１５６は、対応するポートを主プレナム１３２の後方スイッチバック１３３に接続する。
【００２７】
いくつかの実施形態では、冷却開口１５６は、ほぼ円周方向に正圧側スラッシュ面１２６から主プレナム１３２まで延在する。冷却開口１５６はそれぞれ、主プレナム１３２より小さい断面流れ面積を含むことができる。冷却開口１５６は直線状とすることができる。冷却開口１５６およびポートは、運転中にそれぞれが、ロータブレードが据え付けられたときタービンロータブレードと隣接するタービンロータブレードとの間に形成されるスラッシュ面キャビティに入るように冷却媒体の所望の衝突を受けた流れを排気するように構成することができる。すなわち、冷却開口１５６は、放出される冷却媒体が、近傍のタービンロータブレード１００のスラッシュ面に対して比較的速い速度で衝突を受け送られるように狭くすることができ、それが、一般に、冷却媒体の冷却効果を高める。スラッシュ面キャビティおよびスラッシュ面キャビティを画定するスラッシュ面は、冷却するのが難しいプラットフォーム１１０の領域であること、および、こうして構成された冷却開口１５６は、このエリアに対して効果的な冷却を提供することができることを理解されたい。
【００２８】
いくつかの実施形態では、複数のフィルム冷却開口１６６は、プラットフォーム１１０の上側を通して形成されることができる。図示するように、各フィルム冷却開口１６６は、主プレナム１３２をプラットフォームの上側１１３上に形成されたポートに接続するように構成することができる。フィルム冷却開口１６６は、プラットフォーム１１０の上側１１３に対してフィルム冷却を提供することができることを理解されたい。
【００２９】
本発明は、さらに、費用効果的でかつ効率的な方法でロータブレードのプラットフォーム領域内に内部冷却チャネルを形成する新規な方法を含むことができる。主プレナム１３２の形状が比較的複雑でないため、主プレナム１３２は、従来の鋳造プロセスを使用して費用効果的に形成されることができることを理解されたい。したがって、以下でより詳細に論じるように、複雑な設計を形成するために使用されなければならない高価な鋳造プロセスが回避される場合がある。いくつかの実施形態では、方法は、鋳造プロセスによってプラットフォーム１１０の正圧側１２８で主プレナム１３２を形成するステップであって、主プレナム１３２は、後方位置を有する上流端部１７６から前方位置を有する下流端部１７８までプラットフォーム１１０を通って延在するように構成される、ステップと、冷却開口１５６を機械加工するステップとを含むことができる。方法は、さらに、主プレナム１３２の上流端部１７６を内部冷却通路１１６に接続するように構成される供給プレナム１４０を形成するステップを含むことができる。
【００３０】
いくつかの実施形態では、主プレナム１３２を形成するステップは、プラットフォーム内で主プレナム１３２を鋳造することを含むことができる。主プレナム１３２を鋳造するステップは、後方出口１６０および前方出口１６２として後で使用することができる所定の場所にプリントアウトを構成することを含むことができる。
【００３１】
いくつかの実施形態では、方法は、前方出口１６２用の第１のプラグ１３８を形成するステップであって、第１のプラグ１３８は、前方出口１６２が、運転中に前方出口１６２を通る所望の冷却媒体インピンジメント特性に対応する所定の断面流れ面積を含むように、前方出口１６２の断面流れ面積を減少させるように構成することができる、ステップと、第１のプラグ１３８を前方出口１６２に入るように据え付けるステップとを含むことができる。方法は、さらに、後方出口１６０用の第２のプラグ１３８を形成するステップであって、第２のプラグ１３８は、後方出口１６０が、運転中に後方出口１６０を通る所望の冷却媒体インピンジメント特性に対応する所定の断面流れ面積を含むように、後方出口１６０の断面流れ面積を減少させるように構成することができる、ステップと、第２のプラグ１３８を後方出口１６０内に据え付けるステップとを含むことができる。
【００３２】
当業者なら理解するように、本発明は、最適な冷却能力および防御可能性（ｔｅｎａｂｉｌｉｔｙ）のために少なくとも２つの冷却技術を戦略的に組み合わせ、一方同様に、鋳造複雑性を最小にするプラットフォーム冷却回路を提供する。蛇行冷却回路、すなわち後方スイッチバックは、高い熱負荷／高い機械的負荷エリアで利用されることができ、一方、調節可能な機械加工された冷却孔は、より低い熱負荷エリアで使用することができる。この手法は、冷却システムの総合効率を改善し、少ない冷却媒体の使用および費用の低減を可能にする。
【００３３】
当業者なら理解するように、いくつかの例示的な実施形態に関して上述した多くのいろいろな特徴および構成は、本発明の考えられる他の実施形態を形成するよう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、また当業者の能力を考慮して、考えられる反復の全てが提供されず、または詳細に論じられないが、添付のいくつかの特許請求項またはその他によって包含される全ての組合せおよび考えられる実施形態は、本出願の一部であることを意図される。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、当業者なら、その改善、変更、および修正に気付くであろう。当技術分野の技量内のこうした改善、変更、および修正もまた、添付特許請求の範囲によって保護されることを意図される。さらに、上記は本出願の述べた実施形態だけに関すること、および、添付特許請求の範囲およびその均等物によって規定される本出願の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書において多くの変更および修正が行われることができることが明らかであるはずである。
【符号の説明】
【００３４】
１００  タービンロータブレード
１０２  エーロフォイル
１０４  翼根部
１０５  凸形の負圧面
１０６  凹形の正圧面
１０７  前縁
１０８  後縁
１０９  ダブテール
１１０  プラットフォーム
１１２  シャンク
１１３  平面上側
１１４  平面下側面
１１６  内部冷却通路
１１７  入口
１１９  キャビティ
１２０  冷却チャネル
１２１  後方縁部
１２２  負圧側縁部またはスラッシュ面
１２４  前方縁部
１２６  正圧側縁部またはスラッシュ面
１２８  正圧側
１３０  プラットフォーム冷却構成
１３２  主プレナム
１３３  後方スイッチバック
１３４  前方円弧
１３８  非一体プラグ
１４０  供給プレナム
１４５  プラットフォーム冷却構成
１５６  冷却開口
１６０  後方出口
１６２  前方出口
１６６  フィルム冷却開口
１７２  エーロフォイルベース
１７４  分離構造
１７６  上流端部
１７８  下流端部
【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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