(57)【要約】【課題】タービンロータブレード用のプラットフォーム冷却装置を提供すること。【解決手段】エーロフォイルと取付手段を有する翼根部との間の境界にプラットフォームを有し、かつ、シャンクを有するタービンロータブレード用のプラットフォーム冷却装置であり、プラットフォームは、エーロフォイル基部から負圧側スラッシュ面に延びる上側部を有する負圧側部を有し、かつ、シャンク空洞に張り出す。プラットフォーム冷却装置は、プラットフォームの下方領域に形成され、シャンク空洞と流体連通する口部を有するポケットと、負圧側スラッシュ面から正圧側スラッシュ面へと延び、ポケットへの接続部を有する多岐管と、ポケットと多岐管との一方と作られた接続部からポートに延びる冷却開口部とを有し得る。【選択図】図１
2013139795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エーロフォイルと取付手段を有する翼根部との間の境界にプラットフォームを有し、かつ、前記取付手段と前記プラットフォームとの間で延びるシャンクを有するタービンロータブレード用のプラットフォーム冷却装置であり、前記プラットフォームは、前記エーロフォイルの負圧面と一致する前記プラットフォームの側面に沿って、エーロフォイル基部から負圧側スラッシュ面に延びる上側部を有する負圧側部を有し、かつ、前記シャンクに形成されたシャンク空洞に張り出すプラットフォーム冷却装置であって、
前記プラットフォームの下方領域に形成され、前記シャンク空洞と流体連通する口部を有するポケットと、
前記負圧側スラッシュ面の近くの第１端部から前記プラットフォームの正圧側スラッシュ面の近くの第２端部へと延び、多岐管の前記第１端部の近くで前記ポケットへの接続部を有する多岐管と、
前記プラットフォーム内に形成され、前記ポケットと前記多岐管との一方と作られた接続部から、前記負圧側スラッシュ面と前記プラットフォームの後縁部との一方において形成されたポートに延びる冷却開口部と
を備えるプラットフォーム冷却装置。
【請求項２】
前記冷却開口部は、前記多岐管に接続し、前記プラットフォームの前記後縁部に形成されたポートへと延びる開口部を有し、
前記冷却開口部は、前記ポケットに接続し、前記プラットフォームの前記負圧側スラッシュ面に形成されたポートへと延びる開口部を有する、請求項１記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項３】
前記多岐管は、前記負圧側スラッシュ面の近くに配置された前記第１端部から、前記プラットフォームの前記正圧側スラッシュ面の近くに配置された前記第２端部へとほぼ直線的に延び、
前記多岐管は、前記プラットフォームの前記後縁部に対して離間する関係で前記第１端部から前記第２端部へと延び、
前記ポケットは前記プラットフォームの後ろ半分内の位置を有する、請求項２記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項４】
前記離間する関係は、短いオフセットを含んでおり、
前記多岐管は、前記プラットフォームの前記後縁部にほぼ並列となって延び、
前記多岐管は、前記プラットフォームの前記後縁部の円周方向の長さの少なくとも０．７５倍の円周かつ軸方向の長さを有する、請求項３記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項５】
前記多岐管は前記正圧側スラッシュ面から延び、その正圧側スラッシュ面で前記多岐管は、前記正圧側スラッシュ面に形成されたポートを有する正圧側出口を有し、
前記多岐管は前記負圧側スラッシュ面から延び、その負圧側スラッシュ面で前記多岐管は、前記負圧側スラッシュ面に形成されたポートを有する負圧側出口を有し、
前記負圧側出口は、その断面流路面積を減少させる非一体のプラグを有し、前記正圧側出口は、その断面流路面積を減少させる非一体のプラグを有している、請求項３記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項６】
前記負圧側出口の前記非一体のプラグは、予想される運転条件を考えて所望の冷却剤衝突特性に対応する、前記負圧側出口を通る所定の断面流路面積を提供するように構成され、
前記正圧側出口の前記非一体のプラグは、予想される運転条件を考えて運転中の所望の冷却剤衝突特性に対応する、前記正圧側出口を通る所定の断面流路面積を提供するように構成されている、請求項５記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項７】
前記翼根部の前記取付手段はダブテールを含み、
前記シャンクは上流側壁部および下流側壁部を有し、
前記シャンク空洞は、前記プラットフォームの前記負圧側部の張出部内に形成された大きな空洞を有し、前記シャンクの前記上流側壁部の内側面と前記シャンクの前記下流側壁部の内側面とによって軸方向に画定される、請求項３記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項８】
前記ロータブレードは、取り付けのときに、前記プラットフォームの前記負圧側スラッシュ面、ならびに、前記シャンクの前記上流側壁部および前記下流側壁部の縁に沿って、隣接するロータブレードと望ましくは係合するように構成され、
前記隣接するロータブレード同士の前記望ましい係合によって、前記隣接するロータブレード同士の間で組み合わされたシャンク空洞が形成され、
前記結合したシャンク空洞は実質的に囲繞される、請求項７記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項９】
複数のポートが前記プラットフォームの前記負圧側スラッシュ面の後ろ半分に沿って離間され、前記負圧側スラッシュ面の前記後ろ半分に沿って離間された前記ポートの各々は、前記ポートを前記ポケットに接続する冷却開口部に相当し、
複数のポートが前記プラットフォームの前記後縁部に沿って離間され、前記プラットフォームの前記後縁部に沿って離間された前記ポートの各々は、前記ポートを前記多岐管に接続する冷却開口部に対応する、請求項３記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項１０】
少なくとも３つのポートが、前記プラットフォームの前記負圧側スラッシュ面の後ろ半分に沿って離間され、少なくとも７つのポートが、前記プラットフォームの前記後縁部に沿って離間されている、請求項９記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項１１】
前記負圧側スラッシュ面に沿って離間された前記ポートを前記ポケットに接続する前記冷却開口部は、ほぼ円周方向において直線的に延び、
前記プラットフォームの前記後縁部に沿って離間された前記ポートを前記多岐管に接続する前記冷却開口部は、ほぼ軸方向において直線的に延びる、請求項９記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項１２】
前記ポケットは供給領域を有し、前記ポケットの前記供給領域は、前記ポケットの他の領域に対して外部位置を有する前記ポケットの天井部を含み、
前記負圧側スラッシュ面の前記後ろ半分に沿って離間された前記複数のポートは、前記冷却開口部を介して前記ポケットの前記供給領域に接続する、請求項９記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項１３】
前記外部位置は、前記プラットフォームの前記上側部に近接近する位置を含み、
前記ポケットの前記供給領域は、その供給領域に接続する前記冷却開口部が、前記負圧側スラッシュ面に形成された前記ポートに向かって延びるにつれてほぼ一定の径方向高さを維持するように構成されている、請求項１２記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項１４】
前記冷却開口部の前記一定の径方向高さは、前記プラットフォームの前記上側部からの所望の距離に相当し、前記所望の距離は、予想される運転特性を考えて、前記プラットフォームの前記上側部の適切な冷却を促進する距離を含む、請求項１３記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項１５】
前記ポケットの前記口部は、前記シャンク空洞と流体連通する大きく開いた開口を提供するように構成され、前記ポケットは、前記口部から前記ロータブレードに延びるにつれて滑らかに細くなる形状を有している、請求項３記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項１６】
前記ポケットは、前記口部から前記供給領域に延び、前記供給領域は、前記ポケットの最外部の径方向高さを含む、請求項１５記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項１７】
前記ポケット、前記多岐管、および前記冷却開口部は、前記シャンク空洞からの加圧された冷却剤が、前記ポケットを通って前記冷却装置に入り、前記ポケットからそのポケットに直接接続する冷却開口部に流入し、前記ポケットから前記多岐管に流入し、前記多岐管からその多岐管に直接接続する冷却開口部に流入し、前記負圧側スラッシュ面および前記プラットフォームの前記後縁部に沿って形成されたポートを通っての前記プラットフォームから出るように促されるように構成されている、請求項３記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項１８】
前記ポケットを、前記プラットフォームの前記上側部を通るように形成されたポートに接続する膜冷却開口部をさらに有する、請求項３記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項１９】
前記冷却開口部の各々が前記多岐管よりも小さな断面流路面積を有し、
前記冷却開口部が直線的である、請求項３記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項２０】
前記冷却開口部およびポートは、各々が、予想される運転条件を考えて、所望の衝突した冷却剤の流れを、取り付けられたときに前記タービンロータブレードおよび隣接するタービンロータブレードの間に形成されるスラッシュ面空洞へと排出するように構成されている、請求項１２記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項２１】
前記多岐管は、前記正圧側スラッシュ面から前記負圧側スラッシュ面へとほぼ円周方向において直線的に延び、前記多岐管の前記直線的な経路は、前記多岐管が途中で前記ポケットを分岐するようにあらかじめ定められている、請求項３記載のプラットフォーム冷却装置。
【請求項２２】
エーロフォイルと取付手段を有する翼根部との間の境界にプラットフォームを有し、かつ、前記取付手段と前記プラットフォームとの間で延びるシャンクを有するタービンロータブレードにおけるプラットフォーム冷却装置を製造する方法であり、前記プラットフォームは、前記エーロフォイルの負圧面と一致する前記プラットフォームの側面に沿って、エーロフォイル基部から負圧側スラッシュ面に延びる上側部を有する負圧側部を有し、かつ、前記シャンクに形成されたシャンク空洞に張り出す方法であって、
前記プラットフォームの下方領域に、前記シャンク空洞と流体連通する口部を有するポケットを形成するステップと、
掘削加工によって多岐管を機械削りするステップであって、前記多岐管は、前記正圧側スラッシュ面から前記負圧側スラッシュ面へとほぼ円周方向において直線的に延び、前記多岐管の前記直線的な経路は、オフセットが前記プラットフォームの前記後縁部から維持されるように、かつ、前記多岐管が途中で前記ポケットを分岐するようにあらかじめ定められているステップと、
前記プラットフォーム内に冷却開口部を機械削りするステップであって、前記冷却開口部は、前記ポケットに作られた接続部から、前記負圧側スラッシュ面において形成された対応するポートに延びるステップと、
前記プラットフォーム内に冷却開口部を機械削りするステップであって、前記冷却開口部は、前記多岐管に作られた接続部から、前記プラットフォームの前記後縁部において形成された対応するポートに延びるステップと
を含む方法。
【請求項２３】
前記ポケットは鋳造加工によって形成され、
前記ポケットは前記プラットフォームの後ろ半分内の位置を有し、
前記多岐管を機械削りするステップは、前記多岐管と前記プラットフォームの前記後縁部との間の前記オフセットを最小とするステップを含み、
前記ポケットは供給領域を有し、前記ポケットの前記供給領域は、前記ポケットの他の領域に対して外部位置を有する前記ポケットの天井部を有し、
前記負圧側スラッシュ面に形成されたポートに接続する前記冷却開口部は、前記ポケットの前記供給領域に接続する、請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記ポケットは機械加工によって形成され、
前記ポケットは前記プラットフォームの後ろ半分内の位置し、
前記多岐管を機械削りするステップは、前記多岐管と前記プラットフォームの前記後縁部との間の前記オフセットを最小とするステップを含み、
前記ポケットは供給領域を有し、前記ポケットの前記供給領域は、前記ポケットの他の領域に対して外部位置を有する前記ポケットの天井部を有し、
前記負圧側スラッシュ面に形成されたポートに接続する前記冷却開口部は、前記ポケットの前記供給領域に接続する、請求項２２記載の方法。
【請求項２５】
前記タービンロータブレードは、既存のタービンロータブレードを有し、前記プラットフォーム冷却装置を製造することは、前記既存のタービンロータブレードを前記プラットフォーム冷却装置でレトロフィットすることを含み、
前記供給領域の前記外部位置は、前記プラットフォームの前記上側部に近接近する位置を含み、
前記ポケットの前記供給領域は、その供給領域に接続する前記冷却開口部が、前記負圧側スラッシュ面に形成された前記ポートに向かって延びるにつれてほぼ一定の径方向高さを維持するように構成されている、請求項２４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、概して、本明細書で別段具体的に述べられていない限り、発電用エンジンおよび航空機用エンジンで使用されるものなど、すべてのタイプを含む燃焼タービンエンジンに関する。より詳細には、限定ではないが、本出願は、装置、システム、および／また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方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、一般的に、圧縮機、燃焼器、およびタービンを備えている。圧縮機およびタービンは、一般的に、軸方向に段になって重ねられたエーロフォイルまたはブレードの列を有している。各段は、一般的に、円周方向で離間された固定のステータブレードの列と、中心軸またはシャフト周りで回転する、円周方向で離間されたロータブレードの組合せとを有している。運転中は、圧縮機内のロータブレードは、シャフト周りで回転されて空気の流れを圧縮する。圧縮された空気は次に、燃焼器内で利用され、供給された燃料を燃焼させる。燃焼過程から生じた高温ガスの流れは、タービンを通って膨張され、それによりロータブレードが、それらが取り付けられたシャフトを回転させる。このようにして、燃料に含まれるエネルギーが、回転シャフトの機械的なエネルギーに変換され、次いで、例えば、発電機のコイルを回転させて電力を発生させるのに用いることができる。
【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、概して、エーロフォイル部分またはエーロフォイル１０２と、翼根部分または翼根部１０４を有している。エーロフォイル１０２は、凸状の負圧面１０５と凹状の正圧面１０６と有するとして説明され得る。エーロフォイル１０２はさらに、前側の縁である前縁１０７と、後側の縁である後縁１０８とを有するとして説明され得る。翼根部１０４は、ブレード１００をロータシャフトに取り付けるための構造（図に示すように、一般的にダブテール１０９を有する）と、エーロフォイル１０２が延び出すプラットフォーム１１０と、ダブテール１０９およびプラットフォーム１１０の間の構造を有するシャンク１１２とを有するとして説明され得る。
【０００４】
図のように、プラットフォーム１１０は、実質的に平面であり得る。より具体的には、プラットフォーム１１０は、図１に示すように、軸方向および円周方向に延びる平らな面を含み得る、平面状の上側部１１３を有し得る。図２に示すように、プラットフォーム１１０は、軸方向および円周方向に延びる平らな面をまた含み得る、平面状の下側部１１４を有し得る。プラットフォーム１１０の上側部１１３および底側部１１４は、それぞれが他方に実質的に平行となるように形成され得る。図に示すように、プラットフォーム１１０は、一般的に、径方向に薄い形状、つまり、プラットフォーム１１０の上側部１１３および底側部１１４の間の径方向の距離が比較的短い距離であ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に用いられ、ガスタービンの高温ガス経路部分の内部流れ経路の境界を形成する。プラットフォーム１１０はさらに、エーロフォイル１０２に対する構造的な担体を提供する。運転中、タービンの回転速度は、プラットフォーム１１０に沿って非常に応力の高い領域を作り出す機械的荷重を引き起こし、高温であることと結びついた場合に、酸化、クリープ、低サイクル疲労亀裂など運転上の欠陥の形成を最終的に引き起こすことになる。これらの欠陥は、当然ながら、ロータブレード１００の耐用寿命に悪影響を与えることになる。これらの厳しい運転条件、つまり、高温ガス経路の極端な温度への曝露、および、回転するブレードに係る機械的荷重は、性能が優れ、かつ、製造におけるコスト効率がよく、耐久性があって長持ちするロータブレードのプラットフォーム１１０を設計する上で大きな課題を与えることを理解されたい。
【０００６】
プラットフォーム領域１１０の耐久性を高くする一般的な解決法の一つは、プラットフォーム領域１１０を、圧縮された空気または他の冷却剤の流れで運転中に冷却することであり、様々なタイプのプラットフォームの設計が知られている。しかしながら、当業者には理解されるように、プラットフォーム領域１１０は、この方法で冷却するのを難しくさせるある設計上の問題をもたらす。かなりの部分において、これは、この領域の厄介な形状によるものであり、厄介な形状とは、説明したように、プラットフォーム１１０が、ロータブレードの中央コアから離れて位置する周囲部分であり、かつ、一般的には、構造的に信頼できる一方で径方向の厚みを薄くするように設計されるという点である。
【０００７】
冷却剤を循環させるために、ロータブレード１００は、一般的に、１つまたは複数の中空の冷却通路１１６（図３、図４、図５、および図９を参照）を有しており、その冷却通路１１６は、少なくともブレード１００の中央を通って径方向に延び、翼根部１０４およびエーロフォイル１０２を通過する場合もある。下記により詳細に説明するように、熱交換を促進するため、この冷却通路１１６は、ブレード１００の中心領域を曲がりくねって通る蛇行経路となるように形成されてもよいが、他の構成も可能である。運転中、冷却剤は、翼根部１０４の内側部に形成された１つまたは複数の入口１１７を通じて中央の冷却通路に入ることができる。冷却剤は、ブレード１００を通って循環し、エーロフォイルに形成された出口（図示せず）を通過して、ならびに／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）を通って出ていく。冷却剤は、加圧されてもよく、例えば、圧縮空気、水と混合された圧縮空気、蒸気などが含まれ得る。多くの場合、冷却剤は、エンジンの圧縮機から迂回される圧縮空気であるが、他の供給源も可能である。下記により詳細に説明するように、これらの冷却通路は、一般的に、高圧の冷却剤領域および低圧の冷却剤領域を有している。高圧の冷却剤領域は、一般的に、冷却剤の圧力がより高い冷却通路の上流側の部分に相当し、一方、低圧の冷却剤領域は、冷却剤の圧力が比較的低い冷却通路の下流側の部分に対応する。
【０００８】
場合によっては、冷却剤は、冷却通路１１６から、隣接するロータブレード１００同士のシャンク１１２とプラットフォーム１１０との間に形成された空洞１１９へと向けられることがある。そこから、冷却剤は、ブレードのプラットフォーム領域１１０を冷却するように使用することができ、その使用の従来の設計が図３に示されている。このタイプの設計は、一般的に、冷却通路１１６の一方から空気を抽出し、その空気を用い、シャンク１１２／プラットフォーム１１０の間に形成された空洞１１９を加圧する。加圧されると、空洞１１９は次に、冷却剤をプラットフォーム１１０を通って延びる冷却路に供給する。プラットフォーム１１０を越えた後、冷却空気は、プラットフォーム１１０の上側部１１３に形成された膜冷却孔を通って空洞から出ていくことができる。
【０００９】
しかしながら、このタイプの従来の設計は、いくつかの欠点を有していることを理解されたい。第１に、冷却回路が２つの隣り合うロータブレード１００が組み合わされた後にだけ形成されるため、冷却回路が一つの部品に含まれていないことである。そのため、取付、および、取付前の流れの試験における難易度や複雑度が非常に高くなってしまう。第２の欠点は、隣接するロータブレード１００の間で形成される空洞１１９の完全性が、空洞１１９の周辺がどれだけぴったりとシールされているかどうかに依存することである。不適切なシールの場合、不適切なプラットフォームの冷却、および／または、冷却空気の浪費となってしまう可能性がある。第３の欠点は、高温ガス経路のガスが、空洞１１９またはプラットフォーム１１０に取り込まれる可能性があるというリスクが内在することである。これは、動作中に空洞１１９が十分に高い圧力に維持されていない場合に発生する可能性がある。空洞１１９の圧力が高温ガス経路内の圧力を下回った場合に、高温ガスがシャンク空洞１１９またはプラットフォーム１１０自体に取り込まれることになり、高温ガス経路の条件への曝露に耐えるように設計されていないため、一般的にこれらの構成部品を傷めることになる。
【００１０】
図４および図５は、プラットフォーム冷却の別のタイプの従来設計を例示するものである。この場合、冷却回路は、描写されるように、ロータブレード１００内に含まれており、シャンク空洞１１９を必要としない。冷却空気は、ブレード１００の中央を通って延びる冷却通路１１６の一方から抽出され、プラットフォーム１１０内に形成された冷却路１２０（すなわち、「プラットフォーム冷却路１２０」）を通って後部へと向けられる。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路１２０を通って流れ、プラットフォーム１１０の後縁部１２１にある出口を通って、または、負圧側縁部１２２に沿って配置された出口から出ていく。（長方形のプラットフォーム１１０の縁または面の説明または参照においては、各々は、ブレード１００が取り付けられたときに、エーロフォイル１０２の負圧面１０５および正圧面１０６、ならびに／または、エンジンの前方向および後方向に対する各々の位置に基づいて描かれているであろうことに注意されたい。したがって、当業者には理解されるように、プラットフォームは、図３および図４に示すように、後縁部１２１、負圧側縁部１２２、前縁部１２４、および正圧側縁部１２６を含み得る。また、負圧側縁部１２２および正圧側縁部１２６は、一般的に、「スラッシュ面」といわれ、隣接するロータブレード１００が取り付けられた後で、それらの間に形成される狭い空洞は、「スラッシュ面空洞」といわれることがある。）
図４および図５の従来の設計は、図３の設計に対して、組立におけるばらつきや、取付条件によって影響されないという点において有利であることを理解されたい。しかしながら、従来のこの種の設計には、いくつかの制限や難点がある。第１に、例示のように、エーロフォイル１０２の両側にそれぞれ一つだけ回路が設けられており、そのため、プラットフォーム１１０における異なる位置で用いられる冷却空気の量を限定的に制御するという欠点がある。第２に、従来のこのタイプの設計は、適用範囲が概して限定されている。図５の蛇行経路は、適用範囲の点で図４に優る改善であるが、プラットフォーム１１０内には、依然として冷却されずに残る非適用範囲がある。第３に、複雑に形成されたプラットフォーム冷却路１２０でより広い適用範囲を得るためには、特に、その形成のために冷却路が鋳造加工を必要とする形状を有している場合には、製造コストが劇的に増加する。第４に、これらの従来の設計は、一般的に、冷却剤の使用後であるが完全に排出される前に、冷却剤を高温ガス経路に捨ててしまうため、エンジンの効率に悪影響を与えてしまう。第５に、従来のこの種の設計には、概して、ほとんど融通性がなかった。つまり、冷却路１２０は、プラットフォーム１１０の一体品として形成され、運転条件が変化しても、冷却路１２０の機能または構成を変える機会はほとんどまたはまったくなかった。また、従来のこれらのタイプの設計は、修理または補修するのが難しかった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
その結果、従来のプラットフォーム冷却の設計は、１つまたは複数の範囲において欠落していた。タービンロータブレードのプラットフォーム領域を効率的かつ効果的に冷却しつつ、また、作るのにコスト効率がよく、適用に融通性があり、そして耐久性のある改善された装置、システム、および方法に対する必要性が依然としてある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
したがって、本出願は、エーロフォイルと取付手段を有する翼根部との間の境界にプラットフォームを有し、かつ、前記取付手段と前記プラットフォームとの間で延びるシャンクを有するタービンロータブレード用のプラットフォーム冷却装置であり、前記プラットフォームは、前記エーロフォイルの負圧面と一致する前記プラットフォームの側面に沿って、エーロフォイル基部から負圧側スラッシュ面に延びる上側部を有する負圧側部を有し、かつ、前記シャンクに形成されたシャンク空洞に張り出すプラットフォーム冷却装置について説明する。プラットフォーム冷却装置は、プラットフォームの下方領域に形成され、シャンク空洞と流体連通する口部を有するポケットと、負圧側スラッシュ面の近くの第１端部からプラットフォームの正圧側スラッシュ面の近くの第２端部へと延び、第１端部の近くでポケットへの接続部を有する多岐管と、プラットフォーム内に形成され、ポケットと多岐管との一方で作られた接続部から、負圧側スラッシュ面とプラットフォームの後縁部との一方において形成されたポートに延びる冷却開口部とを有し得る。
【００１３】
本発明はさらに、エーロフォイルと取付手段を有する翼根部との間の境界にプラットフォームを有し、かつ、取付手段とプラットフォームとの間で延びるシャンクを有するタービンロータブレードにおけるプラットフォーム冷却装置を製造する方法であり、プラットフォームは、エーロフォイルの負圧面と一致するプラットフォームの側面に沿って、エーロフォイル基部から負圧側スラッシュ面に延びる上側部を有する負圧側部を有し、かつ、シャンクに形成されたシャンク空洞に張り出す方法を含む。プラットフォーム冷却装置を製造する方法は、プラットフォームの下方領域に、シャンク空洞と流体連通する口部を有するポケットを形成するステップと、掘削加工によって多岐管を機械削りするステップであって、多岐管は、正圧側スラッシュ面から負圧側スラッシュ面へとほぼ円周方向において直線的に延び、多岐管の直線的な経路は、オフセットがプラットフォームの後縁部から維持されるように、かつ、多岐管が途中でポケットを分岐するようにあらかじめ定められているステップと、プラットフォーム内に冷却開口部を機械削りするステップであって、冷却開口部は、ポケットに作られた接続部から、負圧側スラッシュ面において形成された対応するポートに延びるステップと、プラットフォーム内に冷却開口部を機械削りするステップであって、冷却開口部は、多岐管に作られた接続部から、プラットフォームの後縁部において形成された対応するポートに延びるステップとを含み得る。
【００１４】
本出願のこれらの特徴および他の特徴は、好ましい実施形態の以下の詳細な説明を、図面および添付の請求の範囲と併せて検討することで明らかとなるであろう。
【００１５】
本発明のこれらの特徴および他の特徴は、添付の図面と併せて、本発明の例示の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でより完全に理解および評価されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態が採用された例示のタービンロータブレードの斜視図である。
【図２】本発明の実施形態が用いられたタービンロータブレードの下側の図である。
【図３】従来の設計による冷却システムを備えた隣接するタービンロータブレードの断面図である。
【図４】従来の設計による内部冷却路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】代替の従来の設計による内部冷却路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】本発明の例示の実施形態によるプラットフォーム冷却装置を有するタービンロータブレードの一部が断面とされた平面図である。
【図７】本発明の代替の実施形態によるプラットフォーム冷却装置および下側部のポケットを有するロータブレードのシャンク空洞内部の斜視図である。
【図８】本発明の代替の実施形態によるプラットフォーム冷却装置を有するタービンロータブレードの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図３に関連して上記で検討したように、タービンロータブレードは、シャンク空洞１１９を冷却剤で加圧することで冷却され得る。より具体的には、本発明は、冷却方法および冷却システムを提供し、それらによって、シャンク空洞１１９内の加圧された冷却剤は、プラットフォーム１１０内の冷却が難しい領域に効果的かつ効率的に用いられ得る。
【００１８】
図を再び参照すると、本発明の例示の実施形態の図がいくつか提供されている。特に図６から図８は、好ましい実施形態によるプラットフォーム冷却構造１３０を有するタービンロータブレード１００を例示する。図に示すように、ブレード１００は、エーロフォイル１０２と翼根部１０４との間の境界にあるプラットフォーム１１０を有する。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の側面で、プラットフォーム１１０が、エーロフォイル１０２と正圧側スラッシュ面１２６との間で延びる平面状の上側部１１３を有し得ることを理解されたい。プラットフォーム１１０は、径方向内側面に配置された平面状の下側部１１４を有し得る。（なお、本明細書で使用される場合、「平面状」とは、近似的にまたは実質的に平面の形状であることを意味する。例えば、当業者であれば、プラットフォームは、ロータブレードの径方向位置においてタービンの周囲に対応する曲率を有する、若干凸状に曲げられた外側面となるように構成され得ることは理解されよう。本明細書で使用される場合、曲率の半径がプラットフォーム１１０を平面に見えるだけの十分な大きさを持っているため、このタイプのプラットフォームの形状は平面状とみなされる。）エーロフォイル１０２の負圧面１０５に対応するプラットフォーム１１０の側面で、プラットフォーム１１０がプラットフォーム負圧側部１２９を有し得ることを理解されたい。この面では、プラットフォーム１１０の上側部１１３が、エーロフォイル１０２から負圧側スラッシュ面１２２へと延びており、内側の面に沿って下側部１１４がある。
【００１９】
概して、本発明は、プラットフォーム１１０の負圧側部１２９内に形成された一連の対流通路、および、それらの対流通路を作り出す方法を含む。本発明は、下側部ポケット、つまりポケット１６０を作り出すことを提案する。具体的には、ある実施形態では、図６〜図８に示すように、プラットフォーム冷却構造１３０は、プラットフォーム１１０の下側部１１４の領域に形成され、シャンク空洞１１９と流体連通する口部を有するポケット１６０と、負圧側スラッシュ面の近くの第１端部からプラットフォーム１１０の正圧側スラッシュ面１２６の近くの第２端部へと延び、第１端部の近くでポケット１６０への接続部を有する後部多岐管、つまり多岐管１６２と、プラットフォーム１１０において形成され、ポケット１６０および／または多岐管１６２と作られた接続部から、負圧側スラッシュ面１２２および／またはプラットフォーム１１０の後縁部１２１において形成されたポートに延びるいくつかの冷却開口部１５６とを有し得る。一般的に、ポケット１６０、多岐管１６２、および冷却開口部１５６は、シャンク空洞１１９からの加圧された冷却剤が、ポケット１６０に入り、ポケット１６０からそのポケット１６０に直接接続する冷却開口部１５６に流入し、ポケット１６０から多岐管１６２に流入し、多岐管１６２からその多岐管１６２に直接接続する冷却開口部１５６に流入し、負圧側スラッシュ面１２２およびプラットフォーム１１０の後縁部１２１に沿って形成されたポートを通ってプラットフォーム１１０から出るように促されるように構成され得る。ある実施形態では、プラットフォームの上側部１１３を通って形成されたポートへとポケット１６０を接続するいくつかの膜冷却開口部１６６もまた形成され、冷却を促進し得る。
【００２０】
ある実施形態では、ポケット１６０は、図６に示すように、プラットフォームの負圧側部の角において、後部内に形成されている。ポケット１６０は、シャンク１１２およびプラットフォーム１１０内の既存の領域から機械加工することができ、それによりシャンク空洞１１９を掘り下げ、プラットフォーム１１０の上側部１１３に向かって延ばしていく。図６に示すように、未修正のシャンク基準線１７８は、ポケット１６０を形成する前のシャンク１１２の一般的な位置を示す。ポケット１６０は、プラットフォーム１１０の負圧側部１２９のちょうど後ろ半分内の位置を含み得る。ポケット１６０の口部は、シャンク空洞１１９と流体連通する大きく開いた開口を提供するように構成され得る。この口部から、ポケット１６０は、シャンク１１２およびプラットフォーム１１０へと延びるにつれて滑らかに細くなる形状を有し得る。
【００２１】
ポケット１６０は、ポケット１６０の天井部として説明され得る供給領域１９０を有し得る。具体的には、供給領域１９０は、ポケット１６０の他の領域に対して外部位置を維持する。つまり、供給領域１９０は、ポケット１６０内の他の領域よりもタービンエンジンの軸から径方向外側にある（軸から離れている）。供給領域１９０は、プラットフォーム１１０の上側部１１３に比較的に近接近するように、プラットフォーム１１０内へと延び得る。ある実施形態では、負圧側スラッシュ面１２２に沿って離間されたポートは、冷却開口部１５６を介してポケット１６０の供給領域１９０に接続し得る。供給領域１９０の径方向の高さは、冷却開口部１５６にこの接続をさせることができるように、各冷却開口部が、負圧側スラッシュ面１２２に形成されたそれぞれのポートに向かって延びるにつれて、ほぼ一定の径方向高さを維持するように構成され得る。冷却開口部１５６の一定の径方向高さは、プラットフォーム１１０の上側部１１３からの所望のオフセットに相当し得る。所望のオフセットは、比較的短い距離であってもよく、また、タービンエンジンの予想される運転特性と、必要な冷却の程度を考えて、プラットフォーム１１０の上側部１１３の所望の程度の冷却を促進するように構成されてもよい。これらを冷却開口部１５６をプラットフォームの上側部１１３に近づけることで、この領域を、膜冷却開口部１６６を使用することなく十分に冷却することができることは理解されるだろう。この有利性によって、この領域での膜冷却の必要性を排除または低減することができ、それによってこのタイプの冷却方策に伴う空力的損失を減少または排除することができる。
【００２２】
ある実施形態においては、多岐管１６２は、正圧側スラッシュ面１２６から負圧側スラッシュ面１２２へとほぼ円周方向において直線的に延び得る。多岐管１６２の経路は、多岐管１６２が、途中でポケット１６０を分岐するように、またはポケット１６０との接続部を形成するように、あらかじめ定められ得る。多岐管１６２は、プラットフォーム１１０のちょうど上側部１１３内に位置するように構成され得る。ある実施形態では、多岐管１６２は、負圧側スラッシュ面１２２の近くに配置された第１端部から、正圧側スラッシュ面１２６の近くに配置された第２端部へとほぼ直線的に延びるように構成され得る。多岐管１６２は、平面状の上側部１１３にほぼ平行な長手方向軸を有するように構成され得る。
【００２３】
ある実施形態では、多岐管１６２は、プラットフォーム１１０の後縁部１２１に対して平行に延在してもよい。多岐管１６２は、プラットフォーム１１０の後縁部１２１に離間する関係で延在してもよい。後縁部１２１からの離間するオフセットは、比較的短い距離であり得る。ある実施形態では、多岐管１６２は、プラットフォーム１１０の後縁部１２１の円周方向の長さの少なくとも０．７５倍の円周かつ軸方向の長さを有し得る。
【００２４】
ある実施形態では、多岐管１６２は、多岐管１６２が正圧側出口１８２を有している正圧側スラッシュ面１２６から延在してもよい。正圧側出口１８２は、正圧側スラッシュ面１２６に形成されたポートを含み得る。多岐管１６２は、多岐管１６２が負圧側出口１８１を有している負圧側スラッシュ面１２２から延在してもよい。負圧側出口１８１は、負圧側スラッシュ面１２２に形成されたポートを含み得る。ある実施形態では、負圧側出口１８１は、負圧側出口１８１の断面流路面積を減少させる非一体のプラグ１３８を有してもよい。正圧側出口１８２もまた、正圧側出口１８２の断面流路面積を減少させる非一体のプラグ１３８を有してもよい。負圧側出口１８１の非一体のプラグ１３８は、予想される運転条件を考えて所望の冷却剤衝突特性に対応する、負圧側出口１８１を通る所定の断面流路面積を提供するように構成され得る。正圧側出口１８２の非一体のプラグ１３８は、予想される運転条件を考えて運転中に所望の冷却剤衝突特性に対応する、正圧側出口１８２を通る所定の断面流路面積を提供するように構成され得る。プラグ１３８は、任意適切な材料を含み得るものであり、適切な位置に溶接、機械的保持、またはろう付けされ得る。所望の冷却剤衝突特性は、隣接するロータブレード同士の間で形成されたスラッシュ面空洞内での必要な冷却に依存するものである可能性がある。
【００２５】
ある実施形態では、冷却開口部１５６は、多岐管１６２に接続し、プラットフォーム１１０の後縁部１２１に形成されたポートへと延びる開口部を有してもよい。冷却開口部１５６はまた、ポケット１６０に接続し、プラットフォーム１１０の負圧側スラッシュ面１２２に形成されたポートへと延びる開口部を有してもよい。ある実施形態では、複数のポートが、プラットフォーム１１０の負圧側スラッシュ面１２２の後ろ半分に沿って離間されてもよい。負圧側スラッシュ面１２２の後ろ半分に沿って離間されたポートの各々は、ポートをポケット１６０に接続する冷却開口部１５６に相当し得る。複数のポートは、プラットフォーム１１０の後縁部１２１に沿って離間されてもよい。プラットフォームの後縁部１２１に沿って離間されたポートの各々は、ポートを多岐管１６２に接続する冷却開口部１５６に相当し得る。ある実施形態では、少なくとも３つのポートが、プラットフォームの負圧側スラッシュ面１２２の後ろ半分に沿って離間されてもよく、また、少なくとも７つのポートが、プラットフォーム１１０の後縁部１２１に沿って離間されてもよい。負圧側スラッシュ面１２２に沿って離間されたポートをポケット１６０に接続する冷却開口部１５６は、ほぼ円周方向において直線的に延在してもよい。プラットフォームの後縁部１２１に沿って離間されたポートを多岐管１６２に接続する冷却開口部１５６は、ほぼ軸方向において直線的に延在してもよい。
【００２６】
ある実施形態では、複数の膜冷却開口部１６６が、プラットフォーム１１０の上側部１１３を通って形成された出口から、多岐管１６２またはポケット１６０で作られた接続部へと直線的に延在してもよい。これらの膜冷却開口部１６６は、上側部１１３の特定の領域において必要とされる冷却を増大させるのに使用され得る。
【００２７】
翼根部１０４は、ロータホイール内に形成された溝と係合するダブテール１０９を有し得る。ダブテール１０９の外側では、翼根部１０４が、ダブテール１０９とプラットフォーム１１０との間を跨ぐシャンク１１２を有し得る。シャンク１１２は、図６に例示するように、上流側壁部１７２および下流側壁部１７１を有し得る。一般的に、シャンク空洞１１９は、プラットフォーム１１０の負圧側部の張出部の内側に形成された大きな空洞である。シャンク空洞１１９は、シャンク１１２の上流側壁部１７２の内側面１７４と、シャンク１１２の下流側壁部１７１の内側面１７３とによって軸方向に画定される。このタイプの構成において、ロータブレードは、取付のときに、プラットフォーム１１０の負圧側スラッシュ面１２２に沿って、ならびに、シャンク１１２の上流側壁部１７２および下流側壁部１７１の縁に沿って、隣接するロータブレードと望ましくは係合または接触するように構成され得る。隣接するロータブレード同士の望ましい係合によって、隣接するロータブレード同士の間で組み合わされたシャンク空洞１１９が形成され得る。組み合わされたシャンク空洞１１９は、係合が完了すると、実質的に封じ込まれることになり得る。上記のように、シャンク空洞１１９は、加圧された冷却剤が通って供給されるポートを有し得る。冷却剤は、シャンク空洞１１９を満たし得るものであり、それによって運転中にシャンク空洞１１９を冷却する。シャンク空洞１１９内の冷却剤は、上記のように、ポケット１６０の口部を介して、本発明のプラットフォーム冷却構造に入ることができる。
【００２８】
本発明はさらに、上記の冷却システムおよび冷却構造を効果的かつ効率的に製造する方法を提供する。最初のステップとして、ポケット１６０が形成され得る。このステップは、既存のロータブレードを機械削りするなどの機械加工や、新たなロータブレードにおいて鋳造するなどの鋳造加工によって行われてもよい。ポケット１６０は、上記したように特徴を有し得る。第２に、多岐管１６２が形成され得る。ある実施形態では、後部多岐管１６２が穿孔される。この場合、多岐管１６２は、一方の側から塞がれるように成されてもよいし、または、正圧側部から負圧側部へと形成されてもよい、長くて大きな直径の円形の孔を穿孔することで形成され得る。（鋳造に反して）穿孔によって多岐管１６２を形成することの有利性の一つは、穿孔で実現され得る非常に厳密な精度であることを理解されたい。厳密な精度により、多岐管１６２をプラットフォーム１１０の後縁部１２１の非常に近くに位置させることが可能となり得る。それにより、この領域の冷却を高めることができる。ポケット１６０および後部多岐管１６２の形成は、上記のように、それらが交差するように成されてもよい。
【００２９】
別のステップは、（多岐管１６２がどのように形成されたかに依存して）多岐管１６２の形成の際に、負圧側スラッシュ面１２２、正圧側スラッシュ面１２６、またはそれら両方において形成されるかもしれない多岐管１６２の開口する端部を塞ぐことを含み得る。これらの開口は１つまたは複数のプラグ１３８を用いて塞がれ得る。プラグ１３８は、これらの開口全体を塞ぐ、または、それぞれの断面流路面積を減少させるように構成され得るものであり、その結果、それら開口を通る流れが望ましく計測または制限される。プラグ１３８は、所定の位置にろう付けまたは溶接され得る。もう一つのステップは、冷却開口部１５６を形成することを含む。これら冷却開口部１５６は、穿孔加工／機械加工によって効果的に形成され得る。前に述べたように、冷却開口部１５６は、プラットフォーム１１０の上側部１１３にほぼ平行であって若干下方に位置し得る。このようにして、上側部１１３は、膜冷却孔に対する必要性が排除または低減されるように十分に冷却され得るため、膜冷却孔があることで引き起こされる空力的損失を減少させることになる。上記のように、冷却開口部１５６は、ポケット１６０または多岐管１６２から供給され得る。代替として、限定された数の膜冷却開口部１６６もまた、プラットフォーム１１０の上側部１１３を通って形成されてもよい。
【００３０】
ある実施形態では、本発明の方法は、既存のロータブレードを改良されたプラットフォーム冷却構造でレトロフィットするように用いられてもよい。この方法は、１）プラットフォーム１１０の下側部１１４に、シャンク空洞１１９と流体連通する口部を有するポケット１６０を機械削りするステップと、２）穿孔加工によって直線的な多岐管１６２を機械加工するステップであって、多岐管１６２は、正圧側スラッシュ面１２６から負圧側スラッシュ面１２２へとほぼ円周方向に延び、多岐管１６２の直線的な経路は、多岐管１６２が途中でポケット１６０を分岐するようにあらかじめ定められているステップと、３）プラットフォーム１１０において冷却開口部１５６を機械加工するステップであって、冷却開口部１５６は、ポケット１６０に作られた接続部から、負圧側スラッシュ面１２２において形成された対応するポートに延びるステップと、４）プラットフォーム内に冷却開口部１５６を機械削りするステップであって、冷却開口部１５６は、多岐管１６２に作られた接続部から、プラットフォーム１１０の後縁部１２１において形成された対応するポートに延びるステップとを含み得る。多岐管１６２を機械加工するステップは、多岐管１６２とプラットフォーム１１０の後縁部１２１との間の距離を最小とするステップを含んでいてもよい。ポケット１６０は、供給領域１９０を含むように機械加工されてもよい。上記のように、ポケット１６０の供給領域１９０は、ポケット１６０の天井部を含んでいてもよい。負圧側スラッシュ面１２２に形成されたポートに接続する冷却開口部１５６は、ポケット１６０の供給領域１９０に接続するように構成されてもよい。供給領域１９０の外部位置は、プラットフォーム１１０の上側部１１３に近接近する位置の１つを含み得る。ポケット１６０の供給領域１９０は、その供給領域１９０に接続する冷却開口部１５６が、負圧側スラッシュ面１２２に形成されたポートに向かって延びるにつれてほぼ一定の径方向高さを維持するように構成されてもよい。
【００３１】
当業者には理解されるように、ここで説明した本発明は、タービンロータブレードのプラットフォーム負圧側部、特に後部負圧側部を冷却するための効果的な解決策を提供することを理解されたい。また、プラットフォーム冷却構造を製造および作り出すための方法が説明され、その方法は、既存のブレードを、より高度な、または、より的を絞ったプラットフォーム冷却構造でレトロフィットするように用いることができる。ある実施形態は、シャンク空洞１１９からの加圧された冷却剤が、空力的な混合損失を最小としつつ、負圧側部プラットフォームの上側部、特にこの領域の最後部を冷却するように仕向けられる方策を網羅している。本発明はさらに、この冷却するのが一般的に難しい領域を幅広く網羅する。また、本発明は、条件の変化や冷却の要件に見合うことができるように都合よく機械削りされているという特徴によって、効果的に調整され得るように構成されている。要するに、本発明は、いくつかの方策を共に行い、難しくて厳しい領域を効果的に幅広く網羅する冷却システムおよび冷却方法を提供する。さらに、本発明の冷却の解決策は、（先行技術のいくつかの複雑な鋳造による特徴と比較して）効果的で低コスト／低リスクな製造技術を用いて提供され得る。その製造技術はまた、従来の鋳造用具を再製作することなく、一度試験すれば最適な冷却が機械加工によって都合よく達成され得るように、高度に調整可能である。
【００３２】
当業者には理解されるように、いくつかの例示の実施形態に関連する上記の多くの異なる特徴および構成は、本発明の別の可能な実施形態を形成するために、さらに選択的に適用されてもよい。手短にするため、かつ、当業者の能力を考慮にしたため、繰り返され得るものすべてが提供されてはおらず、また、詳細に説明されてはいないが、以下のまたは別の方法によるいくつかの請求項によって包含されるすべての組合せおよび可能な実施形態は、本出願の一部であると意図される。また、本発明のいくつかの例示の実施形態の上記の説明から、当業者は改善、変形、および改良を思い付くであろう。そのような技術的な能力内における改善、変形、および改良もまた、添付の請求項による範囲内にあると意図されている。さらに、前述したことは、本出願の説明した実施形態だけに関していることは明らかであり、多くの変形および改良は、以下の請求項およびそれら請求項と同等のものによって定義される本出願の精神および範囲から逸脱することなく本明細書において成され得ることは明らかである。
【符号の説明】
【００３３】
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  凸状の負圧面
１０６  凹状の正圧面
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  上側部
１１４  底側部
１１６  冷却通路
１１９  空洞
１２０  プラットフォーム冷却路
１２１  後縁部
１２２  負圧側縁部
１２４  前縁部
１２６  正圧側縁部
１２９  プラットフォーム負圧側部
１３８  プラグ
１５６  冷却開口部
１６０  ポケット
１６２  多岐管
１６６  膜冷却開口部
１７１  下流側壁部
１７２  上流側壁部
１７３  内側面
１７４  内側面
１７８  未修正のシャンク基準線
１８１  負圧側出口
１８２  正圧側出口
１９０  供給領域
【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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