(57)【要約】【課題】構成要素の構造的支持を維持しながら、高い冷却効果をもたらすタービンブレード冷却構成を提供する。【解決手段】ガスタービンエンジンのタービンのブレードの翼形部が、前縁と、後縁と、外寄り先端と、内寄り端部とを有する。翼形部は更に、冷却剤を受け取り且つ配向する複数の冷却チャンネルを有する冷却構成を含むことができる。冷却チャンネルは、線形冷却チャンネルと湾曲冷却チャンネルとを含むことができる。ブレードはまた、内寄り端部と外寄り先端との間で翼形部によって定められる曲線輪郭形状を含むことができ、該曲線輪郭形状は、翼形部の内寄り端部での位置から半径方向に延びる線形基準線にアクセスできない目標区域を含むように構成されている。湾曲冷却チャンネルは、上流側端部と下流側端部との間に延びて、これらの間の目標区域を交差するように構成することができる。【選択図】      図１
2016125484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼形部（２５）を含むガスタービンエンジン（１０）のタービン（１２）のブレードであって、前記翼形部が、前縁（２８）と、後縁（２９）と、外寄り先端（３１）と、前記タービンブレードをロータディスクに結合するよう構成された根元（２１）に前記翼形部が取り付けられる内寄り端部とを有し、前記翼形部が、前記翼形部を通って冷却剤を受け取り且つ配向する複数の細長冷却チャンネルを有する冷却構成を含み、
前記ブレードが更に、
前記内寄り端部と前記外寄り先端との間で前記翼形部により定められ、前記翼形部を通って半径方向に延びる線形基準線にアクセスできない目標領域を含むように構成された曲線輪郭形状と、
上流側端部と下流側端部との間に延びて、これらの間で目標区域を交差するよう構成された湾曲冷却チャンネル（３４）と、
前記湾曲冷却チャンネルの下流側端部と流体連通するよう構成された冷却時送給部（３５）と、
を備える、ブレード（１６）。
【請求項２】
前記冷却剤送給部が、冷却剤供給源に接続するよう前記ブレードの根元を通って延び、前記ブレードがロータブレード（１６）を含み、前記湾曲冷却チャンネルが鋳造後特徴要素を含み、前記線形基準線が、前記翼形部の外寄り先端と内寄り端部との間に延びるものを含む、請求項１に記載のブレード（１６）。
【請求項３】
前記翼形部の曲線輪郭形状が、
前記前縁及び後縁に沿って接続する凹面状の正圧側面及び凸面状の負圧側面と、
前記翼形部の長手方向軸線に沿って円弧が定められる半径方向に曲がった構成要素と、
のうちの少なくとも１つを含む、請求項２に記載のブレード（１６）。
【請求項４】
前記翼形部の曲線輪郭形状が、前記翼形部の長手方向軸線の周りで捩れを含み、前記捩れが、前記内寄り端部と前記外寄り先端との間で前記翼形部の食い違い角を漸次的に変えるように構成される、請求項３に記載のブレード（１６）。
【請求項５】
前記翼形部の曲線輪郭形状が、前記翼形部の長手方向軸線に沿ってテーパ付けを含み、前記テーパ付けが、
前記前縁と前記後縁の間の距離が前記翼形部の内寄り端部と前記外寄り先端との間で漸次的に減少する軸方向テーパ付けと、
前記正圧側面と前記負圧側面との間の厚さが前記翼形部の内寄り端部と前記外寄り先端との間で漸次的に減少する円周方向テーパ付けと、
のうちの少なくとも１つを含む、請求項４に記載のブレード（１６）。
【請求項６】
前記目標区域の線形アクセス不能の構成が、前記翼形部の長手方向軸線の周りの捩れ、前記翼形部の長手方向軸線の周りのテーパ付け、前記翼形部の長手方向軸線に沿って円弧が定められる半径方向に曲がった構成要素のうちの少なくとも２つの組み合わせを含み、前記湾曲冷却チャンネルの湾曲が、前記翼形部の曲線輪郭形状の湾曲に相当するように構成される、請求項５に記載のブレード（１６）。
【請求項７】
前記湾曲冷却通路の下流側端部が、前記翼形部の外側表面を通って形成された出口ポートに接続され、前記出口ポートが、前記外寄り先端、前記正圧側面、前記負圧側面、前記前縁、及び前記後縁のうちの少なくとも１つの上に位置付けられる、請求項６に記載のブレード（１６）。
【請求項８】
前記上流側端部において、前記湾曲冷却通路が、前記冷却剤送給部との接続部を含み、前記接続部が、前記翼形部の内寄り端部付近の位置を含む、請求項７に記載のブレード（１６）。
【請求項９】
前記上流側端部において、前記湾曲冷却通路が、前記線形冷却チャンネルの下流側端部との接続部を含み、前記接続部が、前記翼形部内の位置を含み、線形冷却通路は、前記湾曲冷却通路との接続部と前記冷却剤送給部との接続部との間に延びる、請求項７に記載のブレード（１６）。
【請求項１０】
前記翼形部が、翼形部キャンバ線の中間点を接続する軸方向中心線の各側面に定められる前縁半部分及び後縁半部分を含み、前記翼形部が、前記翼形部の半径方向中心線の内寄り及び外寄りに定められる２つの半径方向にスタックされたセクションを含み、内寄りセクションが前記根元と前記半径方向中心線との間に延び、外寄りセクションが、前記半径方向中心線と前記外寄り先端との間に延び、前記冷却構成が、複数の湾曲冷却チャンネルを含む、請求項７に記載のブレード（１６）。
【請求項１１】
前記湾曲冷却チャンネルの各々の上流側端部が、前記軸方向中心線及び前記翼形部の内寄り端部付近の位置を含み、前記湾曲冷却チャンネルが、前記翼形部の後縁及び前記翼形部の前縁のうちの少なくとも１つの上に形成された出口ポートに向かって撓んだ湾曲部を含む、請求項１０に記載のブレード（１６）。
【請求項１２】
前記湾曲冷却チャンネルの各々が、前記翼形部の後縁に向かって撓んだ湾曲部に添って他の湾曲冷却チャンネルに対して平行に延び、前記出口ポートが、前記翼形部の後縁に沿って半径方向の間隔を含む、請求項１０に記載のブレード（１６）。
【請求項１３】
前記湾曲冷却チャンネルの上流側端部が、前記の前縁半部分内に位置付けられ、前記出口ポートが、前記翼形部の後縁半部分の外側表面を通って形成される、請求項１０に記載のブレード（１６）。
【請求項１４】
前記ロータブレードが、多段タービンにおいてロータブレード（１６）の後方列で作動するよう構成され、前記目標区域が、前記翼形部の外寄りセクション内に位置付けられる、請求項１０に記載のブレード（１６）。
【請求項１５】
前記目標区域が、前記翼形部の後縁半部分内に位置付けられ、前記湾曲冷却チャンネルの各々が、前記翼形部の後縁に向かって撓んだ湾曲部を含む、請求項１４に記載のブレード（１６）。
【請求項１６】
前記冷却構成が、複数の線形冷却チャンネルと、前記翼形部の内寄り端部付近に位置付けられた上流側端部を各々が有する複数の湾曲冷却チャンネルとを含み、前記線形冷却チャンネル及び前記湾曲冷却チャンネルが、前記翼形部の半径方向高さの少なくとも大部分にわたって延びている、請求項１０に記載のブレード（１６）。
【請求項１７】
前記湾曲冷却チャンネルの各々が、正中接合部にて線形冷却チャンネルの１つに各々が接続している内寄り位置から、出口ポートの１つに各々が接続している外寄り位置まで平行に延びている、請求項１０に記載のブレード（１６）。
【請求項１８】
前記湾曲冷却チャンネルの１つが、前記翼形部の正圧側面の表面曲線輪郭に相当する湾曲部を含み、前記湾曲冷却チャンネルの各々が、前記翼形部の負圧側面の表面曲線輪郭に相当する湾曲部を含む、請求項１０に記載のブレード（１６）。
【請求項１９】
前記湾曲冷却チャンネルが、前記翼形部の外側表面の区域の湾曲部に対して半径方向に延びており、前記湾曲冷却チャンネルが、前記翼形部の外側表面の区域から実質的に一定のオフセットを維持している、請求項１０に記載のブレード（１６）。
【請求項２０】
前記湾曲冷却チャンネルが、前記ブレードの鋳造後に機械加工プロセスによって形成された鋳造後特徴要素を含み、前記機械加工プロセスが、操作可能電気化学機械加工プロセス及び放電加工プロセスのうちの１つを含む、請求項２に記載のブレード（１６）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、ガスタービンエンジンにおけるタービンブレードの内部冷却チャンネルに関する。より具体的には、限定ではないが、本出願は、タービンロータブレードの後方列内の長いロータブレード内に形成された非線形冷却チャンネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは一般に、圧縮機、燃焼器、及びタービンを含む点は理解されるであろう。圧縮機及びタービンセクションは一般に、軸方向に多段でスタックされたブレードの列を含む。各段は、固定の円周方向に離間したステータブレードの列と、中心タービン軸又はシャフトの周りを回転するロータブレードの列とを含む。作動時には、一般に、圧縮機ロータブレードは、シャフトの周りを回転し、ステータブレードと協働して作用して空気の流れを圧縮する。次いで、圧縮供給空気は、燃焼器において供給燃料を燃焼させるのに使用される。燃焼により結果として得られる高温膨張ガス（すなわち、作動流体）の流れは、エンジンのタービンセクションを通って膨張する。タービンを通過する作動流体の流れにより、ロータブレードの回転が誘起される。ロータブレードは、中心シャフトに接続され、該ロータブレードの回転によりシャフトが回転するようになる。
【０００３】
このようにして、燃料内に含有されるエネルギーは、回転シャフトの機械的エネルギーに変換され、例えば、これを用いて、圧縮機のロータブレードを回転させ、燃焼に必要とされる供給圧縮空気が生成されるようにし、更に、発電機のコイルを回転させて電力を生成するようにすることができる。作動時には、高温ガス通路の過酷な温度、作動流体の速度、及びエンジンの回転速度に起因して、上述のように一般には回転ロータブレード及び円周方向に離間した固定のステータブレードの両方を含むタービンブレードは過度の機械的及び熱的負荷により高応力を受ける。
【０００４】
エネルギー需要が増え続けていることで、より効率的な燃焼タービンエンジンを設計することが継続的で重要な目標となる。タービンエンジンの効率を向上させる幾つかの方策が知られているが、例えば、エンジンサイズの増大、高温ガス通路にわたる温度の上昇、及びロータブレードの回転速度の増大を含むこれらの代替策は、一般的には、例えばタービンロータ及びステータブレードなどの既に高応力を受けている部品に更に応力をかけることになるので、タービンエンジンの効率の向上は、依然として厳しい目標である。結果として、タービンブレードに加わる作動上の応力を軽減し、或いはタービンブレードがこれらの応力に良好に耐えることを可能にする改善された装置、方法、及び／又はシステムに対する大きな需要がある。当業者であれば理解されるように、ブレードへの熱応力を軽減する１つの方策は、作動中にブレードを冷却することによる。効果的に冷却することにより、例えば、ブレードが、より高温の燃焼温度に耐えること、高い作動温度でより大きな機械的応力に耐えること、及び／又はブレードの部品寿命を延ばすことができ、これらの全ては、タービンエンジンのコスト効率を高くし、その作動効率を高めることを可能にする。作動時にブレードを冷却する１つの手法は、内部冷却通路又は回路を使用することによる。一般に、これは、相対的に低温の供給圧縮空気を通過させることを伴い、この圧縮空気は、タービンエンジンの圧縮機によってブレード内の内部冷却チャンネルを通じて供給することができる。圧縮空気がブレードを通過すると、ブレードが対流冷却され、これにより部品は、他の場合では不可能な燃焼温度に耐えることが可能になる。
【０００５】
幾つかの理由により、これらの冷却チャンネルの構成の設計及び製造に十分に留意する必要がある点は理解されるであろう。第１に、冷却空気の使用は高価である。すなわち、冷却用に圧縮機からエンジンのタービンセクションに分流される空気は燃焼器をバイパスするので、従ってエンジン効率が低下する。このため、冷却通路は、極めて効果的な方法で空気を使用し、すなわち必要なカバレージ及び／又は冷却効率をもたらし、この目的に必要な空気の量が最小にするように設計しなければならない。第２に、より新しいよりアグレッシブな形状の空力ブレード構成はより薄肉で湾曲又は捩れており、タービンブレードの長さを延伸する線形冷却チャンネルの使用が阻止されることが多いが、ブレードの厚みは、コンパクトな設計を有しながら良好に機能するような冷却通路を必要とする。第３には、機械的荷重を軽減するために、冷却通路は、ブレードから不必要な重量を排除するように形成することができるが、但し、ブレードは、依然として過大な機械的荷重に耐える強度を維持しなければならない。従って、冷却チャンネルは、タービンブレードが軽量で且つ強固な構造を有しながら、ブレードの弾性に悪影響を及ぼすことになる応力集中を回避するように設計しなければならない。このため、よりアグレッシブな形状の薄肉の空力ブレード構成で良好に機能し、より軽量のブレード内部構造を促進し、構成要素の構造的支持を維持しながら、高い冷却効果をもたらすタービンブレード冷却構成が商業的需要としてある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，２８１，０８４号明細書
【発明の概要】
【０００７】
従って、本出願は、翼形部を含むガスタービンエンジンのタービンのブレードを記載し、翼形部は、前縁と、後縁と、外寄り先端と、タービンブレードをロータディスクに結合するよう構成された根元に翼形部が取り付けられる内寄り端部とを有する。翼形部は更に、翼形部を通って冷却剤を受け取り且つ配向する複数の細長冷却チャンネルを有する冷却構成を含むことができる。複数の冷却チャンネルは、線形冷却チャンネルと湾曲冷却チャンネルとを含むことができる。ブレードはまた、内寄り端部と外寄り先端との間で翼形部により定められた曲線輪郭形状を含むことができ、曲線輪郭形状は、翼形部の内寄り端部での位置から半径方向に延びる線形基準線にアクセスできない目標区域を含むように構成される。湾曲冷却チャンネルは、上流側端部と下流側端部との間で延びて、これらの間で目標区域と交差するよう構成することができる。
【０００８】
本出願のこれら及び他の特徴は、図面及び請求項を参照しながら以下の好ましい実施形態の詳細な説明を精査することによって明らかになるであろう。
【０００９】
本発明のこれら及び他の特徴要素は、添付図面を参照しながら本発明の例示的な実施形態に関する以下のより詳細な説明を精査することによってより完全に理解され認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本出願の実施形態によるブレードを用いることができる例示的なタービンエンジンの概略図。
【図２】図１の燃焼タービンエンジンの圧縮機セクションの断面図。
【図３】図１の燃焼タービンエンジンのタービンセクションの断面図。
【図４】本発明の実施形態を用いることができる例示的なタービンブレードの側面図。
【図５】図４の線５−５に沿った断面図。
【図６】図４の線６−６に沿った断面図。
【図７】図４の線７−７に沿った断面図。
【図８】図４の線８−８に沿った断面図。
【図９】本発明の実施形態を用いることができる捩れ構成、湾曲構成及びテーパ付け構成を含む例示的なタービンロータブレードの斜視図。
【図１０】図９の線１０−１０に沿った部分断面部分斜視図。
【図１１】従来の線形冷却チャンネルを描いたタービンロータブレードの側面図。
【図１２】図１１のタービンロータブレードの斜視図。
【図１３】本発明の例示的な実施形態による湾曲冷却チャンネルを描いたタービンロータブレードの側面図。
【図１４】図１３のタービンロータブレードの斜視図。
【図１５】本発明の代替の実施形態による湾曲冷却チャンネルを有するタービンロータブレードの斜視図。
【図１６】本発明の代替の実施形態による湾曲冷却チャンネルを有するタービンロータブレードの斜視図。
【図１７】本発明の代替の実施形態による湾曲冷却チャンネルを有するタービンロータブレードの斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の態様及び利点は、以下の説明において記載され、又は本説明から明らかになることができ、或いは、本発明を実施することによって理解することができる。ここで、その１つ又はそれ以上の実施例が添付図面に例示されている本発明の実施形態について詳細に説明する。以下の詳細な説明は、図面における特徴要素を指すために参照符号の表示を用いている。図面及び本明細書における同じ又は同様の参照符号は、本発明の実施形態の同じ又は同様の部品を指すのに用いることができる。理解されるように、各実施例は、本発明の限定ではなく説明の目的で提供される。実際に、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、修正形態及び変形形態を本発明において実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。本明細書で言及される範囲及び限度は、別途指示のない限り、当該限度自体を含めて規定の限度内にある全ての部分範囲を含むことを理解されたい。加えて、本発明並びに構成サブシステム及び要素を記述するために特定の用語が選択されている。可能な範囲内で、これらの用語は、技術分野において一般的な専門用語に基づいて選ばれている。更に、このような用語は様々な解釈を生じることが多いことは理解されるであろう。例えば、単一の構成要素として本明細書で参照されるものが、他の箇所では複数の構成要素からなるものとして参照される場合があり、又は、複数の構成要素として本明細書で参照されるものが、他の箇所では単一の構成要素として本明細書で参照され場合がある。本発明の範囲を把握する際に、使用される特定の専門用語にのみ留意するのではなく、本明細書及び関連状況に加えて、用語が複数の図に関係する様態並びに当然ながら添付の請求項における専門用語の厳密な使用を含む、参照及び記載されている構成要素の構造、構成、機能、及び／又は使用に対しても留意すべきである。更に、以下の実施例は、特定のタイプのタービンエンジンに関連して提示されているが、本発明の技術はまた、関連の技術分野における当業者が理解されるタービンエンジンの他のタイプにも適用することができる。
【００１２】
タービンエンジン運転の性質を考慮すると、エンジン及び／又はその内部に含まれる複数のサブシステム又は構成部品の機能を説明するために、本出願全体にわたって幾つかの記述用語を用いることができ、これらの用語をこのセクションの始めに定義することが有用であることは理解することができる。従って、これらの用語及びその定義は、別途規定のない限り、以下の通りとする。用語「前方」及び「後方」は、特に別途指定のない限り、ガスタービンの向きを基準とした方向を指す。すなわち、「前方」とは、エンジンの前方又は圧縮機側を指し、「後方」とは、エンジンの後方又はタービン側を指す。これらの用語の各々は、エンジン内の移動又は相対位置を指すのに用いることができることは理解されるであろう。「下流側」及び「上流側」という用語は、通過する流れの全体の方向を基準とした特定の導管内の位置を指すのに用いられる。（これらの用語は、当業者には明らかなはずの通常の作動中に予想される流れに対する方向を基準としていることは理解されるであろう。）「下流側」という用語は、流体が特定の導管内を流れる方向を指すのに対し、「上流側」は、反対の方向を指す。従って、例えば、圧縮機を通って移動する空気として始まり、その後に燃焼器内及びこれを越えて燃焼ガスとなる、タービンエンジンを通過する作動流体の１次流れは、圧縮機の上流側端部又は前方端部に向かう上流位置から始まって、タービンの下流側又は後方端部に向かう下流側位置で終端するものとして記述することができる。以下でより詳細に説明される一般的なタイプの燃焼器内の流れ方向の記述に関して、圧縮機吐出空気は通常、燃焼器の後方端部（燃焼器の長手軸線及び前方／後方の違いを定義する前述の圧縮機／タービンの位置を基準として）に向かって集中したインピンジメントポートを通って燃焼器に流入することは理解されるであろう。燃焼器に入ると、圧縮空気は、燃焼器の前方端部に向かって内部チャンバの周りに形成される流れアニュラス（環状空間）を介して案内され、この燃焼器の前方端部で空気流が内部チャンバに流入し、次いで流れ方向を反転させて、燃焼器の後方端部に向かって移動する。更に別の文脈において、冷却通路を通る冷却剤の流れは、同様にして処理することができる。
【００１３】
加えて、共通の中心軸線の周りにある圧縮機及びタービンの構成並びに多くの燃焼器タイプに共通した円筒形構成を考慮すると、軸線を基準とした位置を記述する用語を本明細書で用いることができる。この点に関して、用語「半径方向」は、軸線に垂直な移動又は位置を指すことは理解されるであろう。これに関連して、中心軸線からの相対距離を記載することが必要となる場合がある。この場合、例えば、第１の構成部品が第２の構成部品よりも中心軸線に近接して位置する場合、第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向内向き」又は「内寄り」にあると記述されることになる。他方、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線から遠くに位置する場合には、本明細書では、第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向外向き」又は「外側寄り」にあると記述されることになる。加えて、理解されるように、用語「軸方向に」は、軸線に平行な移動又は位置を指す。最後に、用語「円周方向」は、軸線の周りの移動又は位置を示す。上述のように、これらの用語は、エンジンの圧縮機セクション及びタービンセクションを通って延びる共通の中心軸線に関連して用いることができるが、これらの用語はまた、エンジンの他の構成部品又はサブシステムに関連して用いることもできる。背景技術としてここで図面を参照すると、図１〜３は、本出願の実施形態を用いることができる例示的な燃焼タービンエンジンを示している。当業者であれば、本発明はこのタイプの用途に限定されないことは理解されるであろう。上述のように、本発明は、発電及び航空機で使用するエンジン、蒸気タービンエンジン、及び他のタイプの回転エンジンなど、燃焼タービンエンジンで用いることができる。提供される実施例は、タービンエンジンのタイプに限定するものではない。
【００１４】
図１は、燃焼タービンエンジン１０の概略図である。一般に、燃焼タービンエンジンは、圧縮空気のストリーム中での燃料の燃焼によって生成される高温ガスの加圧流からエネルギーを抽出することにより作動する。図１に示すように、燃焼タービンエンジン１０は、共通シャフト又はロータにより下流側のタービンセクション又はタービン１２に機械的に結合された軸流圧縮機１１と、該圧縮機１１とタービン１２との間に位置付けられた燃焼器１３とを備えて構成することができる。
【００１５】
図２は、図１の燃焼タービンエンジンにおいて用いることができる例示的な多段軸流圧縮機１１の図を示す。図示のように、圧縮機１１は、複数の段を含むことができる。各段は、圧縮機ロータブレード１４の列と、これに続く圧縮機ステータブレード１５の列とを含むことができる。すなわち、第１の段は、中央シャフトの周りを回転する圧縮機ロータブレード１４の列と、これに続いて、運転中に静止している圧縮機ステータブレード１５の列とを含むことができる。
【００１６】
図３は、図１の燃焼タービンエンジンにおいて用いることができる例示的なタービンセクション又はタービン１２の部分図を示す。タービン１２は複数の段を含むことができる。３つの例示的な段が示されているが、これよりも多いか又はより少ない段がタービン１２に存在してもよい。第１の段は、運転中にシャフトの周りを回転する複数のタービンバケット又はタービンロータブレード１６と、運転中に静止している複数のノズル又はタービンステータブレード１７とを含む。タービンステータブレード１７は、全体的に、互いに円周方向に間隔を置いて配置され、回転軸の周りに固定される。タービンロータブレード１６は、シャフト（図示せず）の周りを回転するようタービンホイール（図示せず）上に取り付けることができる。タービン１２の第２の段もまた図示されている。第２の段は同様に、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたタービンステータブレード１７と、これに続いて回転のため同様にタービンホイール上に取り付けられる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたタービンロータブレード１６とを含む。第３の段もまた図示されており、同様に、複数のタービンステータブレード１７と、ロータブレード１６とを含む。タービンステータブレード１７及びタービンロータブレード１６は、タービン１２の高温ガス経路内にあることは理解されるであろう。高温ガス経路を通る高温ガスの流れ方向が矢印で示されている。当業者には理解されるように、タービン１２は、図３に示すよりも多くの段、或いは場合によっては少ない段を有することができる。追加の各段は、タービンステータブレード１７に列と、これに続くタービンロータブレード１６の列とを含むことができる。
【００１７】
１つの作動の実施例において、軸流圧縮機１１内の圧縮機ロータブレード１４の回転により空気流を圧縮することができる。燃焼器１３において、圧縮空気が燃料と混合されて点火されたときにエネルギーを放出することができる。作動流体と呼ばれる場合がある燃焼器１３から結果として得られる高温ガス流は、タービンロータブレード１６にわたって配向され、この作動流体の流れが、シャフトの周りのタービンロータブレード１６の回転を引き起こす。これにより、作動流体の流れのエネルギーは、回転ブレード及び回転シャフト（ロータブレードとシャフト間の接続に起因して）の機械エネルギーに変換される。次いで、シャフトの機械エネルギーを用いて圧縮機ロータブレード１４を回転駆動し、その結果、必要な圧縮供給空気が生成され、また、例えば、発電機が電気を生成するようになる。
【００１８】
理解されるように、ガスタービンの後段におけるロータブレードは、高温ガス流から抽出されるエネルギーを最大にするよう細長にされる。ロータブレードの長さが増大すると、翼形部２５は、ブレードの回転軸線の周りで捩れ、上記で検討したように、空力性能の改善のため他の湾曲した表面輪郭を含むことができる。より大型のタービンロータブレードに関する別の問題は、極高温下でのブレードの回転に起因したこのような比較的大きな質量の影響である。これに対処するために、翼形部２５は、重量低減のためテーパを付けることができる。しかしながら、翼形部２５の能動的内部冷却は、依然として、これら大型の回転ブレードが遭遇する過大な熱及び機械的荷重に対処する際の重要な要素である。理解されるように、これらの負荷は、クリープ問題につながり、及び／又は変形に起因したブレードの捻れ戻りをもたらし、これらはブレードの空力性能及び構成要素の寿命に悪影響を及ぼす可能性がある。
【００１９】
しかしながら、より大型のロータブレードに付随する空力的な考慮事項及びこれらに課せられる幾何学的限界により、特定の従来のタイプの冷却機構の生成が困難で、高価で及び／又は実行不能なものとなる。理解されるように、従来技術の大型の冷却は、通常、外寄り先端又は根元から翼形部２５内に半径方向の孔を孔開けすることにより達成される。但し、より大型のロータブレードに付随する高度に捩れテーパが付けられた輪郭により、長い半径方向の見通し線孔開けが不可能になるか、又は高価なものになることが多い。具体的には、従来の手法で形成された線形又は線形の半径方向冷却チャンネルは、プラットフォームから先端まで延びたときに翼形部２５の湾曲しテーパ付きの輪郭に起因して、先端から根元までの翼形部２５の特定の領域を対象として孔開けすることはできない。このような冷却チャンネルの鋳造は、冷却チャンネルを鋳造するのに使用されるコアタイは鋳型内で損傷を受けやすく、その結果欠陥のある鋳造となることを含め、幾つかの理由から極めて高価なものとなる。これには、高度に目標とされ且つ効率的な冷却の解決策が要求される。半径方向の孔開けをするための断面積にわたる利用可能な翼形部の減少は、ブレードの捩れ及びテーパと相関がある。翼形部の捩れ及びテーパがより大きくなるほど、半径方向冷却孔開けのために利用可能な断面積がより小さくなる。見通し線孔開けを用いることによる大型の高度に捩れテーパが付けられたブレードの冷却は、最適なブレード冷却効果を達成しない可能性がある。特に不足しているのは、ブレードの前縁及び後縁の冷却である。これにより、高い燃焼温度用途並びに低い冷却流設計でのこのようなブレードの使用ができなくなる。
【００２０】
図４〜８は、本発明の実施形態を利用することができる上述のタイプのタービンロータブレード１６の図を示している。理解されるように、これらの図は、図９及び１０と共に、内部冷却構成を制限するようになる一般的な幾何学的制約を例示するために提供される。図示のように、ロータブレード１６は、該ロータブレード１６がロータディスクに取り付けられる根元２１を含む。根元２１は、ロータディスクの周囲で対応するダブテールスロットにて装着するよう構成されたダブテールを含むことができる。根元２１は更に、ダブテールとプラットフォーム２４との間に延びるシャンクを含むことができ、プラットフォーム２４は、翼形部２５と根元２１の接合部に配置され、タービン１２を通る流路の内寄り境界の一部を定める。翼形部２５は、作動流体の流れを遮り、ロータディスクが回転誘導するロータブレード１６の能動的構成要素であることは理解されるであろう。ロータブレード１６の翼形部２５は、ことは理解される。凹面状の正圧側面２６と、円周方向又は横方向で対向する凸面状の負圧側面２７とを含み、これらは、対向する前縁２８及び後縁２９間をそれぞれ半径方向に延びる。側面２６，２７はまた、プラットフォーム２４から外寄り先端３１まで半径方向に延びる。
【００２１】
翼形部２５は、翼形部２５の内寄り端部（すなわち、翼形部２５がプラットフォーム２４から半径方向に延びる場合）と外寄り先端３１との間に延びる湾曲又は曲線輪郭の形状を含むことができる。理解されるように、翼形部２５の湾曲又は曲線輪郭の形状がより顕著になると、翼形部内の特定の領域又は区域（又は「目標区域４１」として本明細書で使用される）が、線形経路又は基準線に沿って延びる半径方向に整列した冷却チャンネルにアクセスできなくなる。このような目標区域４１は、最新の空力設計によって課せられる幾何学的制限に起因して、翼形部２５の外寄り区域及び内寄り区域の両方に存在する。これらの目標区域４１は、以下でより詳細に説明するように、翼形部２５の前縁及び後縁、特に後縁に向けて、翼形部輪郭がより顕著に狭窄しているので、この縁部に向けて広くいきわたって存在することができる。図４及び５に示すように、翼形部２５のテーパは、プラットフォーム２４から外寄り先端３１まで延びるにつれて漸次的であり、この区域への線形冷却チャンネル３３の使用を制限する。テーパ付けは、図４に示すような翼形部２５の前縁２８と後縁２９との間の距離を狭める軸方向テーパ付けと、負圧側面２６と正圧側面２７との間に定められる翼形部２５の厚さを低減する円周方向テーパ付けとを含む。図６〜８に示すように、翼形部２５の曲線輪郭形状は更に、翼形部２５の長手方向軸線周りの捩れ（すなわち、翼形部がタービンに対して半径方向に延びるとき）を含むことができる。捩れは通常、内寄り端部と外寄り先端との間で翼形部２５の食い違い角を漸次的に変えるよう構成される。しかしながら、理解されるように、テーパ付けと捩れ構成の組み合わせ効果は、図５に示される線形冷却チャンネル３３のような線形に形成された冷却チャンネルを用いて到達可能な翼形部内の区域を更に制約し、図示のように、ロータブレード１６の中心背柱内にだけ位置付けられなければならない。線形冷却通路３３は、図示のように、ロータブレード１６の根元２１を通って延びる冷却剤送給部３５間を延びることができる。線形冷却通路３３の他の端部では、ロータブレード１６を通って移動する冷却剤の開放のため、外側ポート３７を形成することができる。
【００２２】
便宜上、図４において更に示されるように、翼形部２５は、軸方向中心線４５の各側面に定められる前縁半部分及び後縁半部分を含むものとして説明することができる。軸方向中心線４５は、本明細書での使用によれば、翼形部２５のキャンバ線４７（図６を参照）の中間点４６を接続することにより形成することができる。加えて、翼形部２５は、該翼形部２５の半径方向中心線４８の内寄り及び外寄りに定められる２つの半径方向にスタックされたセクションを含むものとして説明することができる。従って、本明細書で使用されるように、内寄りセクションは、根元と半径方向中心線４８との間を延び、外寄りセクションは、半径方向中心線４８と外寄り先端３１との間を延びる。
【００２３】
図９及び１０に示されるように、翼形部２５はまた、翼形部２５の長手方向軸線に沿って円弧又は更なる湾曲部が定められる半径方向に曲がった構成要素を含む。理解されるように、図９及び１０はまた、捩れ及びテーパ付けを含み、曲がり構成要素の追加の湾曲と共に考慮したときに、タービンエンジンの作動中に能動的冷却を必要とする翼形部２５の内部領域の全てに到達するのに線形冷却チャンネル３３を使用した場合に明白に固有障害物として立証される翼形部構成を描いている。
【００２４】
図１１及び１２はそれぞれ、従来の線形冷却チャンネル３３を描いたロータブレード１６の側面図と斜視図であり、他方、比較のために、図１３及び１４はそれぞれ、例示的な実施形態による湾曲冷却チャンネル３４を描いたロータブレード１６の側面図と斜視図を示している。図１１及び１２に示すように、テーパ付け及び湾曲翼形部２５内で線形的に孔開けするためのアクセス可能な範囲は、翼形部２５の中心部分に制限される。従って、線形冷却チャンネル３３にアクセス可能でない目標区域４１は、特に前縁及び後縁の両方に沿って考慮すべきである。対照的に、図１３及び１４は、本発明の湾曲冷却チャンネル３４によって可能にされた冷却カバレッジの有意に拡張された区域を示している。図示のように、湾曲冷却チャンネル３４は、翼形部２５の後縁に隣接し高度に湾曲した狭窄区域内にまで延びることができる。更に、これらの湾曲冷却チャンネル３４は、正圧側面又は負圧側面の表面に近接して下方に延びるように形成することができる。より具体的には、湾曲冷却チャンネル３４の湾曲構成により、これらが翼形部２５の湾曲表面区域の何れかに相当してその湾曲部により密接に追従することができるようになる。このことは、線形構成で実施可能であったものに比べて、翼形部２５の多くの曲線輪郭表面に対して遙花に緊密で近接した配置を可能にすることができる。理解されるように、表面付近に内部冷却回路を配置できることにより、冷却剤の冷却効率が向上する。
【００２５】
図１５、１６、及び１７は、本発明の複数の代替の実施形態による、湾曲冷却チャンネル３４を有するロータブレード１６の斜視図である。図示のように、湾曲冷却チャンネル３４は、間に位置付けられた所定の目標区域４１（すなわち、線形冷却チャンネル３３にアクセスできない領域）と交差するように上流側端部と下流側端部との間に延びるよう構成することができる。好ましい実施形態によれば、複数の湾曲冷却チャンネル３４を設けることができる。或いは、１又はそれ以上の湾曲冷却チャンネル３４は、１又はそれ以上の線形冷却チャンネル３３と併せて用いることができる。図１５に示されるように、１つの実施形態によれば、湾曲冷却チャンネル３４は、該湾曲冷却チャンネル３４の１又はそれ以上が線形セグメント又は線形冷却チャンネル３３への正中接続を形成する内寄り位置から平行に延びることができる。正中接続３９から、湾曲冷却チャンネル３４は、各々が出口ポート３７に接続される外寄り位置まで延びることができる。
【００２６】
図１５及び１６に示すように、湾曲冷却チャンネル３４は、中心に位置付けられる、すなわち、軸方向中心線付近に位置付けられる上流側端部を含むことができる。湾曲冷却チャンネル３４の上流側端部はまた、冷却剤送給部３５に接続できる翼形部２５の内寄り端部上又はその付近に位置付けることができる。冷却剤送給部３５は、冷却剤供給源に接続するようロータブレード１６の根元２１を通って延びる中空通路として構成することができる。上流側端部から、湾曲冷却チャンネル３４は、翼形部２５の曲線輪郭形状に従って撓む湾曲部を含みながら、略半径方向に延びることができる。図示のように、湾曲冷却チャンネル３４は、翼形部２５の後縁２９に沿って形成された出口ポート３７に向かって撓んだ湾曲部を含むことができる。出口ポート３７は、翼形部２５の後縁２９に沿って半径方向に離間して配置することができる。湾曲冷却チャンネル３４の１又はそれ以上の湾曲冷却チャンネルの上流側端部は、翼形部２５の前縁半部分内に位置付けることができ、湾曲冷却チャンネル３４を接続する出口ポート３７は、翼形部２５の後縁半部分上に配置される外側表面を通って形成することができる。理解されるように、このタイプの構成は、その効率的使用に影響を及ぼすような冷却剤の長い従来の経路を提供する。図１７に示すように、出口ポート３７はまた、翼形部２５の外寄り先端で形成することができる。加えて、理解されるように、出口ポート３７は、翼形部２５の正圧側面２６又は負圧側面２７上に位置付けられるフィルム冷却出口として形成された出口ポートを含む、翼形部２５の何れかの外表面上に必要に応じて形成することができる。図示されていないが、１又はそれ以上の出口ポート３７は、湾曲冷却チャンネルをこの領域に接続するよう翼形部２５の前縁２８上に構成することができる。
【００２７】
好ましい実施形態によれば、湾曲冷却チャンネル３４は、鋳造後特徴要素として構成することができる。本明細書で使用される場合、鋳造後特徴要素は、従来の鋳造プロセスが構成要素に対して主本体を形成した後にブレードに取り付けられる特徴要素である。特定の実施形態によれば、湾曲冷却チャンネル３４は、操作可能又は制御可能な電気化学機械加工プロセスを用いて形成される。他の実施形態によれば、本発明の湾曲冷却チャンネル３４は、制御可能放電加工プロセス及び／又は３Ｄプリンティング法を用いて形成することができる。特定の実施形態によれば、湾曲冷却チャンネル３４が使用されるロータブレード１６は、多段タービンで使用されるような長いロータブレードの後方又は下流側列において動作するよう構成されたものとすることができる。
【００２８】
当業者であれば理解されるように、幾つかの例示的な実施形態に関して上述された多くの様々な特徴及び構成は、本発明の他の実施可能な実施形態を形成するよう更に選択的に適用することができる。簡潔にするため、及び当業者の能力を考慮して、各々の可能な繰り返しは本明細書で詳細には述べていないが、添付の複数の請求項によって包含される全ての組み合わせ及び可能な実施形態は、本出願の一部をなすものとする。加えて、本発明の複数の例示的な実施形態の上記の説明から、当業者であれば改善、変更、及び修正が理解されるであろう。当該技術分野の範囲内にあるこのような改善、変更、及び修正はまた、添付の請求項によって保護されるものとする。更に、上記のことは、本出願の好ましい実施形態にのみに関連しているが、添付の請求項及びその均等物によって定められる本出願の精神及び範囲から逸脱することなく、当業者によって多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる点を理解されたい。
【符号の説明】
【００２９】
１０  ガスタービンエンジン
１２  タービン
１６  ブレード
２１  根元
２５  翼形部
２８  前縁
２９  後縁
３１  外寄り先端
３３  線形冷却チャンネル
３４  湾曲冷却チャンネル
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【外国語明細書】
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