(57)【要約】【課題】タービンロータブレード内の内部冷却構成を提供すること。【解決手段】凹状正圧面と側方で対向する凸状負圧面との間に画定されたエーロフォイルと、冷却剤を受容しロータブレードの内部を通して導くための冷却チャネルを含む冷却構成と、を含むタービンロータブレード。冷却チャネルは、流体接続された区間を含むことができ、この場合、供給区間がエーロフォイルを通って放射方向に延在し、出口区間が、ロータブレードから、タービンを通る作動流体の流れ方向に対して浅い角度で冷却剤を放出し、肘区間が、供給区間を出口区間に接続し、エーロフォイルの機外側先端部の近くに位置付けられる。肘区間を、供給区間と出口区間との間の方向の変化に対処するように構成することができる。【選択図】図１
2017110656.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹状正圧面（２６）と側方において対置された凸状負圧面（２７）との間に画定されたエーロフォイル（２５）であって、前記正圧面（２６）および前記負圧面（２７）が、軸方向において、対向する前縁（２８）と後縁（２９）との間に、かつ、放射方向において、機外側先端部（３１）と、ロータブレード（１６）をロータディスクに結合するように構成された根元（２１）に取り付けられる機内側端部との間に延在する、エーロフォイル（２５）と、
冷却剤を受容し前記ロータブレード（１６）の内部を通して導くための複数の冷却チャネル（３７）を含む冷却構成（３６）であって、前記冷却チャネル（３７）が、
供給区間（７２）が前記エーロフォイル（２５）を通って放射方向に延在し、
出口区間（７４）が、前記ロータブレード（１６）から、前記タービン（１２）を通る作動流体の流れ方向に対して浅い角度で前記冷却剤を放出し、
肘区間（７３）が、前記供給区間（７２）を前記出口区間（７４）に接続し、前記エーロフォイル（２５）の前記機外側先端部（３１）の近くに位置付けられ、前記肘区間（７３）が、前記供給区間（７２）と前記出口区間（７４）との間の方向の変化に対処するように構成される、流体接続された連続した区間を各々含む、冷却構成（３６）と、
を含む、ガスタービン（１０）のタービン（１２）内で使用するためのロータブレード（１６）。
【請求項２】
先端シュラウド（４１）が前記エーロフォイル（２５）の前記機外側先端部（３１）に接続され、前記先端シュラウド（４１）が、前記エーロフォイル（２５）の前記機外側先端部（３１）によって支持された軸方向および周方向に延在する実質的に平面状の構成要素を備え、
前記出口区間（７４）が、前記肘区間（７３）に接続する上流端部と、前記ロータブレード（１６）の外側表面上の出口ポート（７５）が形成される場所である下流端部との間に延在し、
前記冷却チャネル（３７）の各々の前記出口ポート（７５）が、前記先端シュラウド（４１）に近い機内側の場所を構成し、
前記エーロフォイル（２５）の後方半部が、前記エーロフォイル（２５）の軸方向中央の後方であるエーロフォイル部分（６５）として画定される、請求項１記載のロータブレード（１６）。
【請求項３】
前記冷却チャネル（３７）の各々の前記出口ポート（７５）が、前記ロータブレード（１６）の標的の表面領域を通して形成され、
前記冷却チャネル（３７）の各々の前記肘区間（７３）が、前記ロータブレード（１６）の標的の内部領域を通過するように配され、
前記エーロフォイル（２５）の表面と前記先端シュラウド（４１）の機内側表面（４５）との間で滑らかに移行するように構成された機内側隅肉領域（４９）をさらに備え、前記機内側隅肉領域（４９）が、前記エーロフォイル（２５）の前記正圧面（２６）および前記負圧面（２７）にそれぞれ対応する、正圧面機内側隅肉領域および負圧面機内側隅肉領域を備える、
請求項２記載のロータブレード（１６）。
【請求項４】
前記出口区間（７４）の前記標的の表面領域が、前記エーロフォイル（２５）の前記機外側先端部（３１）の近くの前記エーロフォイル（２５）の前記負圧面（２７）を備え、
前記標的の内部領域が、前記エーロフォイル（２５）の前記負圧面（２７）の近くの前記エーロフォイル（２５）の内側領域を備える、請求項３記載のロータブレード（１６）。
【請求項５】
前記出口区間（７４）の前記標的の表面領域が、前記エーロフォイル（２５）の前記機外側先端部（３１）の近くの前記エーロフォイル（２５）の前記負圧面（２７）の後方半部を備え、
前記標的の内部領域が、前記エーロフォイル（２５）の前記負圧面（２７）の前記後方半部の近くの前記エーロフォイル（２５）の内側領域を備える、請求項３記載のロータブレード（１６）。
【請求項６】
前記出口区間（７４）の前記標的の表面領域が、前記負圧面機内側隅肉領域に対応する表面領域を備え、
前記標的の内部領域が前記負圧面機内側隅肉領域を備える、請求項３記載のロータブレード（１６）。
【請求項７】
前記出口区間（７４）の前記標的の表面領域が、前記負圧面機内側隅肉領域に対応する表面領域の後方半部を備え、
前記標的の内部領域が、前記負圧面機内側隅肉領域の後方半部を備える、請求項３記載のロータブレード（１６）。
【請求項８】
前記出口区間（７４）の前記標的の表面領域が、前記エーロフォイル（２５）の前記機外側先端部（３１）の近くの前記エーロフォイル（２５）の前記負圧面（２７）の後方半部、および前記負圧面機内側隅肉領域に対応する表面領域の後方半部の、少なくとも一方を備え、
前記標的の内部領域が、前記エーロフォイル（２５）の前記機外側先端部（３１）の近くの前記エーロフォイル（２５）の前記負圧面（２７）の前記後方半部の近くの前記エーロフォイル（２５）の内側領域、および前記負圧面機内側隅肉領域の後方半部の、少なくとも一方を備える、請求項３記載のロータブレード（１６）。
【請求項９】
前記冷却チャネル（３７）の各々の前記供給区間（７２）が、前記ロータブレード（１６）の前記根元（２１）を通って形成された、前記供給区間（７４）が冷却剤源に流体接続する場所である上流端部、および、前記肘区間（７３）に流体接続する下流端部を備え、
前記供給区間（７２）が、前記エーロフォイル（２５）を通って形成された、放射方向に配向された直線状の通路を備える、請求項８記載のロータブレード（１６）。
【請求項１０】
前記冷却チャネル（３７）の各々の中の前記冷却剤の期待される流れ方向に対して、前記供給区間（７２）が前記肘区間（７３）に対して上流にあり、前記肘区間（７３）が前記出口区間（７４）に対して上流にある、請求項９記載のロータブレード（１６）。
【請求項１１】
前記肘区間（７３）を通した前記方向の変化が、６０から１２０度の間を含む、請求項８記載のロータブレード（１６）。
【請求項１２】
前記肘区間（７３）を通した前記方向の変化が、８０から１００度の間を含む、請求項８記載のロータブレード（１６）。
【請求項１３】
前記肘区間（７３）を通した前記方向の変化が９０度を含む、請求項８記載のロータブレード（１６）。
【請求項１４】
前記肘区間（７３）の長さに沿った曲率半径が、前記肘区間（７３）を通る流れの断面積の直径の少なくとも２倍超の大きさである、請求項１２記載のロータブレード（１６）。
【請求項１５】
前記冷却チャネル（３７）の前記供給区間（７２）が、前記エーロフォイル（２５）を通って放射方向において互いに対してほぼ平行に延在し、前記エーロフォイル（２５）の前記後方半部内でグループ化され、
前記出口ポート（７５）が、前記エーロフォイル（２５）の前記機外側先端部（３１）の近くの前記エーロフォイル（２５）の前記負圧面（２７）の前記後方半部、および前記負圧面機内側隅肉領域に対応する前記表面領域の前記後方半部の、少なくとも一方に沿って形成される列を備える、
請求項１４記載のロータブレード（１６）。
【請求項１６】
前記冷却チャネル（３７）の前記供給区間（７２）が、前記エーロフォイル（２５）の翼形中心線（３５）に沿って規則正しく離間され、
前記出口ポート（７５）の前記列が前記先端シュラウド（４１）とほぼ平行である、請求項１５記載のロータブレード（１６）。
【請求項１７】
前記出口区間（７４）の各々に関する放出方向（７９）が、そこから吐出される流体が進む方向を備え、
軸方向基準線（８０）が、前記タービン（１２）の中心軸と平行であり前記タービン（１２）を通る前記作動流体の前記流れ方向の方に向けられる、基準線を備え、
放出角度（８１、８２）が、前記出口区間（７４）の各々の前記放出方向（７９）と前記軸方向基準線（８０）との間に形成された基準角度であり、前記放出角度（８１、８２）が、前記放出方向（７９）と前記軸方向基準線（８０）との間の接線方向の傾斜を示す接線方向の放出角度（８１）、および、前記放出方向（７９）と前記軸方向基準線（８０）との間の放射方向の傾斜を示す放射方向の放出角度（８２）を備え
前記出口区間（７４）の各々に関して、
前記接線方向の放出角度（８１）が±３０度の間の範囲を含み、
前記放射方向の放出角度（８２）が±３０度の間の範囲を含む、
請求項１４記載のロータブレード（１６）。
【請求項１８】
前記出口区間（７４）の各々に関して、
前記接線方向の放出角度（８１）が±１０度の間の範囲を含み、
前記放射方向の放出角度（８２）が±１０度の間の範囲を含む、請求項１７記載のロータブレード（１６）。
【請求項１９】
前記出口区間（７４）の各々に関する放出方向（７９）が、そこから吐出される流体が進む方向を備え、
軸方向基準線（８０）が、前記タービン（１２）の中心軸と平行であり前記タービン（１２）を通る前記作動流体の前記流れ方向の方に向けられる、基準線を備え、
前記出口区間（７４）の各々に関して、前記放出方向（７９）が前記軸方向基準線（８０）とほぼ平行である、
請求項１４記載のロータブレード（１６）。
【請求項２０】
タービン（１２）内にロータブレード（１６）の列を有するガスタービン（１０）であって、前記ロータブレード（１６）の列が、
凹状正圧面（２６）と側方において対置された凸状負圧面（２７）との間に画定されたエーロフォイル（２５）であって、前記正圧面（２６）および前記負圧面（２７）が、軸方向において、対向する前縁（２８）と後縁（２９）との間に、かつ、放射方向において、機外側先端部（３１）と、前記ロータブレード（１６）をロータディスクに結合するように構成された根元（２１）に取り付けられる機内側端部との間に延在する、エーロフォイル（２５）と、
前記エーロフォイル（２５）の前記機外側先端部（３１）に接続された先端シュラウド（４１）であって、前記エーロフォイル（２５）の前記機外側先端部（３１）によって支持された、軸方向および周方向に延在する実質的に平面状の構成要素を備える、先端シュラウド（４１）と、
冷却剤を受容し前記ロータブレード（１６）の内部を通して導くための複数の冷却チャネル（３７）を含む冷却構成（３６）であって、前記冷却チャネル（３７）が、
供給区間（７２）が前記エーロフォイル（２５）を通って放射方向に延在し、
出口区間（７４）が、前記ロータブレード（１６）から、前記タービン（１２）を通る作動流体の流れ方向とほぼ平行に前記冷却剤を放出し、前記出口区間（７４）の各々が、前記エーロフォイル（２５）の正圧面（２６）と前記先端シュラウド（４１）との間に形成された機内側隅肉領域（４９）を通って延在し、
肘区間（７３）が、前記供給区間（７２）を前記出口区間（７４）に接続し、前記エーロフォイル（２５）の前記機外側先端部（３１）の近くに位置付けられ、前記肘区間（７３）が、前記供給区間（７２）と前記出口区間（７４）との間の８０から１００度の間の方向の変化に対処するように構成される、流体接続された連続した区間を各々含む、冷却構成（３６）と、を各々含む複数のロータブレード（１６）を備える、ガスタービン（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、内部冷却チャネル、およびガスタービンエンジン内のブレードの構成に関する。より具体的には、ただし限定するものではないが、本出願は、内部冷却チャネル、およびタービンロータブレードの外側放射方向先端部の近くに形成された構造構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼エンジンまたはガスタービンエンジン（「ガスタービン」）は、中でブレードの列が複数の段として軸方向に積み重ねられる、圧縮機区域およびタービン区域を含むことが諒解されるであろう。各段は、固定されている、周方向に離間された固定子ブレードの列、および、中心タービン軸またはシャフトを中心に回転する、ロータブレードの列を含む。動作時は一般に、圧縮機ロータブレードはシャフトを中心に回転し、固定子ブレードと協調して働いて、空気の流れを圧縮する。次いで供給された圧縮空気が、供給された燃料を燃焼させるために燃焼器内で使用される。燃焼の結果生じる高温の膨張するガスの流れ、すなわち作動流体が、エンジンのタービン区域を通って膨張する。タービンを通る作動流体の流れは、固定子ブレードによってロータブレード上へと方向を変えられて、回転を誘起する。ロータブレードは中心シャフトに接続され、この結果、ロータブレードの回転によりシャフトが回転する。このようにして、燃料中に含まれるエネルギーは回転するシャフトの機械的エネルギーに変換され、たとえばこのエネルギーを使用して、燃焼のために必要な供給量の圧縮空気を生み出すために圧縮機のロータブレードを、および電力を生成するために発電機のコイルを、回転させることができる。動作中、高温ガス経路の極端な温度、作動流体の速度、およびエンジンの回転速度に起因して、タービン内のブレードは、極端な機械的負荷および熱的負荷により高い応力を受けた状態になる。
【０００３】
効率的で費用効果の高いガスタービンのエンジニアリングは、現在進行中の重要な目標である。ガスタービンの効率を高めるためのいくつかの方策が知られているが、これは依然として困難な目標である。その理由は、そのような代替策−たとえば、エンジンのサイズを大きくすること、高温ガス経路にわたる温度を高くすること、およびロータブレードの回転速度を高めることを含む−が一般に、既に高い応力を受けているブレードおよび他の高温ガス経路の構成要素の部品を追加的にひずませるからである。結果として、タービンブレードに加えられる動作応力を低減し、またはタービンブレードがこれらの応力により良く耐えることを可能にし、この結果、エンジンがより効率的に動作可能となるような、改善された装置、方法、またはシステムは、技術改善に関して依然として重要な領域である。
【０００４】
ブレードに対する応力を緩和するための１つの方策は、動作中にそれらを能動的に冷却することによる。そのような冷却により、より高い燃焼温度および機械的応力にブレードがより良く耐えることが可能になり、このことは、ブレードの寿命を延ばし、一般にエンジンをより高い費用効果で効率的に動作させることができる。動作中にブレードを冷却するための１つの方法は、内側冷却チャネルまたは回路の使用による。一般に、このことは、圧縮機から内側冷却チャネルを通してもたらされた、供給された比較的低温の圧縮空気を通過することを含む。諒解されるであろうが、いくつかの理由により、これらの内部冷却チャネルの設計および製造においては、大きな配慮が必要である。
【０００５】
第１に、冷却空気の使用により、エンジンの効率が低減する。具体的には、冷却目的に流用される圧縮機からの空気は、そうでなければ燃焼工程において使用できた空気である。結果として、そのような空気の使用は燃焼に利用可能な空気を必然的に減らし、このことにより全体効率が低下する。このことは、冷却のための空気使用が最小となるように、冷却チャネルが高効率であることを要求する。第２に、より新しいタービンブレード設計は、より薄くかつより湾曲したまたはねじれた、積極的な形状の空力学的構成を必要とする。これらの新しいブレード構成は、コンパクトで効率的なチャネルの価値をさらに高める。これらの新しい設計は、従来型の冷却チャネル構成の製造を妨げるかまたは制約する空間的制約ももたらす。第３に、内部冷却チャネルは、極端な負荷に耐えるのに十分強固な構造を依然として提供しつつ、軽量のロータブレードを助長するように構成されねばならない。すなわち、冷却チャネル設計は、ブレードの全体重量を低減するための効果的な方法である−これは効率を促進し機械的負荷を低減する−が、同時に、ブレードは依然として、高い弾性を有したままでなければならない。冷却チャネルはしたがって、材料および重量を除去し同時に依然として構造的弾性を促進するという両方であるように設計されねばならない。内側の配置構成はさらに、部品寿命にマイナスの影響を与え得る、応力集中または冷却が不十分な領域（もしくは「ホットスポット」）を回避しなければならない。第４に、冷却構成はさらに、放出された冷却剤が、表面冷却および効率的な空力学的動作を促進するように設計されねばならない。具体的には、冷却チャネルは通常、内側冷却チャネルを通る循環の後で作動流体流路内に冷却剤を放出したので、別の設計考慮では、放出された冷却剤を、表面冷却ならびにこれと関連する空力学的損失の最小化のために使用することに注目する。吐出された冷却剤は多くの場合、その放出後にブレードの外側の表面または領域を冷却するものと期待され、またこれは、内側冷却方策と合致せねばならないとともに、空力学的性能を考慮に入れねばならない。
【０００６】
諒解されるであろうが、これらのおよび他の基準によれば、タービンブレード内の内側冷却構成の設計は、多くの複雑な、多くの場合競合する考慮事項を含む。１つまたは複数の所望の性能基準を最適化するかまたは向上させる−と同時に、構造の強固さ、部品寿命の長さ、費用効果の高いエンジン動作、および冷却剤の効率的な使用を依然として十分に促進する−様式で、これらの考慮事項のバランスをとる新規な設計は、著しい技術的進歩を表している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６１５２６９５号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
したがって本出願は、凹状正圧面と側方において対置された凸状負圧面との間に画定されたエーロフォイルと、冷却剤を受容しロータブレードの内部を通して導くための冷却チャネルを含む冷却構成と、を含むタービンロータブレードについて記述する。冷却チャネルは、流体接続された区間を含むことができ、この場合、供給区間がエーロフォイルを通って放射方向に延在し、出口区間が、ロータブレードから、タービンを通る作動流体の流れ方向に対して浅い角度で冷却剤を放出し、肘区間が、供給区間を出口区間に接続し、エーロフォイルの機外側先端部の近くに位置付けられる。肘区間を、供給区間と出口区間との間の方向の変化に対処するように構成することができる。
【０００９】
本出願のこれらのおよび他の特徴は、続く好ましい実施形態の詳細な説明を、図面および付属の特許請求の範囲と併せて解釈して精察するとき、明らかになるであろう。
【００１０】
本発明のこれらのおよび他の特徴は、以下の添付の図面と併せて解釈される、続く本発明の例示の実施形態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諒解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本出願の態様および実施形態によるタービンブレードを含み得る例示のガスタービンを概略的に表したものである。
【図２】図１のガスタービンの圧縮機区域の断面図である。
【図３】図１のガスタービンのタービン区域の断面図である。
【図４】本出願の態様および実施形態による内側冷却構成および構造配置構成を含み得る例示のタービンロータブレードの側面図である。
【図５】図４の視線５−５に沿った断面図である。
【図６】図４の視線６−６に沿った断面図である。
【図７】図４の視線７−７に沿った断面図である。
【図８】本出願の態様および実施形態による先端シュラウドおよび構成を含み得る例示のタービンロータブレードの斜視図である。
【図９】図８の先端シュラウドの拡大斜視図である。
【図１０】本出願の態様および実施形態による先端シュラウドおよび構成を含み得る例示のタービンロータブレードの設置後の配置構成を、機外側に離れて見た図である。
【図１１】本出願の態様および実施形態による構成を含み得る先端シュラウドの機外側の外形である。
【図１２】本出願の実施形態による、先端シュラウドおよび内側冷却構成を含むエーロフォイルの、一部を透視した斜視図である。
【図１３】図１２の冷却構成の出口ポートを離れて見た図である。
【図１４】本出願の態様および実施形態による先端シュラウドおよび内側冷却構成を含むエーロフォイルの、一部を透視した機外側に離れて見た図である。
【図１５】本出願の実施形態による、先端シュラウドおよび内側冷却構成を含むエーロフォイルの、一部を透視した側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本出願の態様および利点は、以下の続く説明において記述されるか、または説明から明白であり得るか、または本発明の実施を通して知ることができる。以下では詳細な参照を行って本発明の実施形態を提示し、これらのうちの１つまたは複数は、添付の図面において例示される。詳細な説明は、数字による指定を使用して図面における特徴を参照する。本発明の実施形態の同様のまたは類似の部品を参照するために、図面および説明において同様のまたは類似の指定を使用する場合がある。諒解されるであろうが、各例は、本発明の限定ではなく本発明の説明として提供される。実際には、本発明においてその範囲または精神から逸脱することなく修正および変更を行い得ることが、当業者には明らかとなるであろう。たとえば、ある実施形態の一部として例示または記述される特徴を、別の実施形態に対して使用して、さらに別の実施形態を生むことができる。本発明が、付属の特許請求の範囲およびそれらの等価物の範囲内に収まるような修正形態および変更形態を包含することが、意図されている。本明細書において記述される範囲および境界値は、規定された境界値内に配されたあらゆる下位範囲を含み、そうではないと述べられていない限りはこれらの境界値自体を含むことを、理解されたい。加えて、一部の用語は、本発明ならびにその構成要素下位システムおよび部品について記述するように選択されている。可能な限りおいて、これらの用語は、本技術分野にとって一般的な専門用語に基づいて選ばれている。さらに、そのような用語が多くの場合、様々な解釈を受けることが諒解されるであろう。たとえば、本明細書において単一の構成要素として言及され得るものが、別の箇所で複数の構成要素から成るものとして言及され得るか、または、本明細書において複数の構成要素を含むものとして言及され得るものが、別の箇所では単一の構成要素として言及され得る。本発明の範囲を理解する際には、使用される特定の専門用語にだけでなく、それに伴う説明および文脈、ならびに、用語がいくつかの図と関連している様式を含む、言及され記述されている構成要素の構造、構成、機能、および／または使用、ならびに、当然ながら付属の特許請求の範囲における専門用語の精確な用法にも、注意を払うべきである。さらに、続く例はある型のガスタービンまたはタービンエンジンに関連して提示されているものの、本出願の技術は、関連技術における当業者には理解されるであろうが、限定されることなく、他の範疇のタービンエンジンにも適用可能である場合がある。したがって、そうではないと述べられていない限りは、「ガスタービン」という用語の本明細書における用法は、広く、かつ様々な型のタービンエンジンへの本発明の適用可能性として限定するように意図されていることが、理解されるべきである。
【００１３】
ガスタービンがどのように動作するかの性質が所与である場合、それらの機能のある態様について記述する際に、いくつかの用語が特に有用であることが分かる。これらの用語およびそれらの定義は、そうではないと特定的に述べられていない限り、以下の通りである。理解されるであろうが、そのような用語は、ガスタービンまたはその主要な下位システム−すなわち圧縮機、燃焼器、もしくはタービン−のうちの１つを記述または特許請求する際に、ならびに、これらの中で使用するための構成要素または下位構成要素を記述または特許請求するために、の両方において使用することができる。後者の場合、これらの専門用語は、これらの構成要素を、これらがガスタービンエンジンまたは主要な下位システム内で適正に設置されかつ／または機能しているものとして記述していると理解されるべきである。
【００１４】
したがって、「前方」および「後方」という用語は、ガスタービンの配向、より具体的にはエンジンの圧縮機区域およびタービン区域の相対的な位置付けに対する、方向を指す。したがって、そのように使用される場合、「前方」という用語は圧縮機端を指し、一方、「後方」はタービン端を指す。これらの用語の各々を、エンジンの中心軸に沿った移動の方向または相対位置を示すために使用できることが、諒解されるであろう。上述したように、これらの用語を、ガスタービンまたはその主要な下位システムのうちの１つの、ならびにこれらの中に位置付けられた構成要素または下位構成要素に関する、属性を記述するために使用できる。したがって、たとえば、ロータブレードなどの構成要素が「前方面」を有するものとして記述または特許請求されるとき、これは、ガスタービンの配向（すなわち燃焼器下位システムおよびタービン下位システムの位置付け）によって規定されるような前方向に配向された面を指すものとして、理解され得る。そうではないと述べられていない限りは、この前提は、続く記述用語にも当てはまる。
【００１５】
「下流」および「上流」という用語は、本明細書においては、指定された導管または流路内での、これを通って移動する流れの方向（以下「流れ方向」）に対する位置を示すものとして使用される。したがって、「下流」という用語は、指定された導管を通って流体が流れている方向を指し、一方「上流」は、これと反対の方向を指す。これらの用語は、当業者であれば正常なまたは予期される動作が所与である場合の導管を通る流れ方向として理解するものに関連するものとして解釈することができる。諒解されるであろうが、ガスタービンの圧縮機区域およびタービン区域内では、作動流体は下流へと、通常はガスエンジンの中心の共通の軸を中心に画定される、環状の形状の作動流体流路を通って導かれる。したがって、エンジンの圧縮機区域およびタービン区域内では、「流れ方向」という用語は、本明細書で使用される場合、期待されるまたは正常な動作の状態の間にエンジンの作動流体流路を通る作動流体の、理想的なまたは一般化された流れの方向を表す、基準方向を指す。したがって、圧縮機区域およびタービン区域内では、「流れ方向」という専門用語は、ガスタービンの中心軸と平行でありかつ下流のまたは後方の方向に配向される流れを指している。
【００１６】
したがって、たとえば、ガスタービンの作動流体流路を通る作動流体の流れは、圧縮機を通して流れ方向に従って加圧された空気として始まり、燃料とともに燃焼されて燃焼器内で燃焼ガスになり、最後にこれがタービンを通過する際に流れ方向に従って膨張するものとして記述することができる。同様に、作動流体の流れは、ガスタービンの前方のまたは上流の端部に向かう前方のまたは上流の場所において始まり、全体に下流のまたは後方の方向へと移動し、最後にガスタービンの後方のまたは下流の端部に向かう後方のまたは下流の場所において終わるものとして記述することができる。
【００１７】
圧縮機ブレードおよびタービンロータブレードなどのガスタービンの多くの構成要素が動作中に回転するので、エンジン内での期待される回転に従う下位構成要素または下位領域の相対的な位置付けを叙述するために、回転の前側となる（ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｌｙ  ｌｅａｄ）および回転の後側となる（ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｌｙ  ｔｒａｉｌ）という用語を使用する場合がある。したがって、諒解されるであろうが、これらの用語は、圧縮機またはタービン内での回転の方向（以下「回転方向」）に従い、位置を区別することができる。本明細書で使用される場合、そのような回転方向は、ガスタービンの正常なまたは予期される動作が所与である場合に構成要素に関して期待される回転の方向として理解することができる。
【００１８】
加えて、ガスタービンの構成、特に共通のシャフトまたはロータを中心とした圧縮機区域およびタービン区域の配置構成、ならびに多くの燃焼器の型に共通の円筒形の構成が所与である場合、軸に対する位置を記述する用語が、本明細書において規則正しく使用され得る。この点に関して、「放射方向」という用語が、軸に対して垂直な移動または位置を指すことが諒解されるであろう。これに関連して、中心軸からの相対距離を記述することが要求される場合がある。そのような場合、たとえば、第１の構成要素が第２の構成要素よりも中心軸に近いところに存在する場合、第１の構成要素は、第２の構成要素から「放射方向内側」または「機内側」のいずれかであるとして記述されることになる。他方で、第１の構成要素が中心軸からより遠くに存在する場合、第１の構成要素は、第２の構成要素から「放射方向外側」または「機外側」のいずれかであるとして記述されることになる。本明細書で使用される場合、「軸方向」という用語は軸と平行な移動または位置を指し、一方、「周方向」は、軸の周囲の移動または位置を指す。そうではないと述べられていないかまたは明白に文脈上明らかでない限りは、これらの用語は、これらの用語がガスタービンの圧縮機区域および／またはタービン区域内で機能する一体でない構成要素の属性−ロータブレードまたは固定子ブレードなど−を記述または特許請求している場合であっても、各々を通って延在するロータによって規定されるような、ガスタービンの圧縮機区域および／またはタービン区域の中心軸に関連するものとして解釈されるべきである。そうではないと述べられているときは、これらの用語を、たとえば従来の円筒形のまたは「缶」燃焼器が通常周囲に配置される長手軸などの、ガスタービン内のある構成要素または下位システムの長手軸に関連して使用する場合がある。
【００１９】
最後に、「ロータブレード」という用語は、それ以上特定されない場合、圧縮機またはタービンのいずれかの回転するブレードを指すものであり、したがって、圧縮機ロータブレードおよびタービンロータブレードの両方を含み得る。「固定子ブレード」という用語は、それ以上特定されない場合、圧縮機またはタービンのいずれかの固定的なブレードを指すものであり、したがって、圧縮機固定子ブレードおよびタービン固定子ブレードの両方を含み得る。「ブレード」という用語は、一般にいずれの型のブレードを指すのにも使用することができる。したがって、それ以上特定されない場合、「ブレード」という用語は、圧縮機ロータブレード、圧縮機固定子ブレード、タービンロータブレード、およびタービン固定子ブレードなどを含む、あらゆる型のタービンエンジンブレードを含んでいる。
【００２０】
背景として、ここで図を特定的に参照すると、図１から図３は、本発明によるかまたは本発明を中で使用できる、例示のガスタービンを例示している。本発明がこの種類の使用に限定されない場合があることが、当業者には理解されるであろう。述べたように、本発明を、発電および航空機において使用されるエンジン、蒸気タービンエンジン、ならびに当業者であれば認識するような他の種類のロータリエンジンなどの、ガスタービン内で使用することができる。提供される例はしたがって、そうではないと述べられていない限りは、限定的であることを意図されていない。図１は、ガスタービン１０を概略的に表したものである。一般に、ガスタービンは、圧縮空気の気流における燃料の燃焼によって生み出された高温ガスの加圧された流れから、エネルギーを抽出することによって動作する。図１に例示されるように、ガスタービン１０を、共通のシャフトまたはロータによって下流のタービン区域またはタービン１２に機械的に結合される軸方向圧縮機１１、および圧縮機１１とタービン１２との間に位置付けられた燃焼器１３を有するように構成することができる。図１に例示されるように、ガスタービンを、共通の中心軸１９を中心に形成することができる。
【００２１】
図２は、図１のガスタービンにおいて使用できる例示の多段軸方向圧縮機１１の図を例示している。図示されるように、圧縮機１１は複数の段を有することができ、これらの各々は、圧縮機ロータブレード１４の列および圧縮機固定子ブレード１５の列を含む。この場合、第１の段は、中心シャフトを中心に回転する圧縮機ロータブレード１４の列を含むことができ、これに、動作中固定されたままである圧縮機固定子ブレード１５の列が続く。図３は、図１のガスタービンにおいて使用できる例示のタービン区域またはタービン１２の部分的な図を例示している。タービン１２も、複数の段を含み得る。３つの例示の段が例示されているが、より多数またはより少数が存在し得る。各段は、動作中固定されたままである複数のタービンノズルまたは固定子ブレード１７を含むことができ、これに、動作中シャフトを中心に回転する複数のタービンバケットまたはロータブレード１６が続く。タービン固定子ブレード１７は一般に、互いから周方向に離間され、回転の軸を中心にして外側ケーシングに固定される。タービンロータブレード１６を、中心軸を中心に回転するように、タービンホイールまたはロータディスク（図示せず）上に装着することができる。タービン固定子ブレード１７およびタービンロータブレード１６が、タービン１２を通る高温ガス経路または作動流体流路内に存在することが、諒解されるであろう。作動流体流路内での燃焼ガスまたは作動流体の流れの方向を、矢印で示す。
【００２２】
ガスタービン１０に関する動作の１つの例では、軸方向圧縮機１１内での圧縮機ロータブレード１４の回転により、空気の流れ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点火されるとき、エネルギーが放出され得る。この結果生じる燃焼器１３からの高温ガスまたは作動流体の流れは次いで、タービンロータブレード１６にわたって導かれ、このことにより、シャフトを中心としたタービンロータブレード１６の回転が誘起される。このようにして、作動流体の流れのエネルギーは、回転するブレード、およびロータブレードとシャフトとの間の接続が与えられる場合は回転するシャフトの、機械的エネルギーへと変換される。次いでシャフトの機械的エネルギーを使用して、必要な供給量の圧縮空気が生み出されるように圧縮機ロータブレード１４の回転を駆動することができ、またたとえば、電気を生み出すために発電機を駆動することができる。
【００２３】
背景的な目的で、図４から図７は、本発明の態様によるかまたは本発明の態様を中で実施可能な、タービンロータブレード１６の図を提供する。諒解されるであろうが、これらの図は、後の参照のために、ロータブレードの一般的な構成を例示し、そのようなブレード内の構成要素および領域の間の空間的関係を叙述し、同時に、さらにその内側および外側の設計に影響する幾何学的制約および他の基準を記述するために、提供されている。この例のブレードはロータブレードであるが、そうではないと述べられていない限り、本発明は、ガスタービン内の他の種類のブレードにも適用可能であることが諒解されるであろう。上述したように、そのような構成要素の説明は、ガスタービンエンジン、より具体的には作動流体流路の、配向および機能に基づいて意味が導出される、専門用語を含む場合があり、したがって、その文脈で理解されるべきである、すなわち、そのような説明は、ロータブレードがエンジン内で予期されるまたは正常な条件下で適正に設置され動作していることを前提としている。
【００２４】
ロータブレード１６は、例示されるように、ロータディスクに装着されるように構成される根元２１を含み得る。根元２１は、たとえば、ロータディスクの周囲の対応するダブテールスロット内に装着されるように構成された、ダブテール２２を含み得る。根元２１は、ダブテール２２とプラットフォーム２４との間に延在する、胴部２３をさらに含み得る。プラットフォーム２４は、図示されるように、根元２１とエーロフォイル２５との間の接合部を全体に形成し、このエーロフォイル２５は、タービン１２を通る作動流体の流れを捕捉し所望の回転を誘起する、ロータブレード１６の作用構成要素である。プラットフォーム２４は、エーロフォイル２５の機内側端部を画定し得る。プラットフォームは、タービン１２を通る作動流体流路の機内側の境界の一部も画定し得る。
【００２５】
ロータブレードのエーロフォイル２５は通常、凹状正圧面２６、および周方向または側方において対向する凸状負圧面２７を含む。正圧面２６および負圧面２７は、軸方向において、対向する前縁２８と後縁２９との間にそれぞれ、かつ、放射方向において、プラットフォーム２４との接合部に画定され得る機内側端部と機外側先端部３１との間に、延在することができる。エーロフォイル２５は、所望の空力学的性能を促進するように設計される、湾曲したまたは輪郭決定された形状を含み得る。図４および図５において例示されるように、エーロフォイル２５の形状は、これがプラットフォーム２４と機外側先端部３１との間に延在するにつれて、徐々に先細りとすることができる。この先細りは、図４において例示されるような、エーロフォイル２５の前縁２８と後縁２９との間の距離を狭める軸方向の先細り、ならびに、図５において例示されるような、正圧面２６および負圧面２７との間で規定されるようなエーロフォイル２５の厚さを低減する周方向の先細りを含み得る。図６および図７に図示されるように、エーロフォイル２５の輪郭決定された形状は、プラットフォーム２４から延在するにつれてのエーロフォイル２５の長手軸を中心としたねじれを、さらに含み得る。諒解されるであろうが、このねじれは、機内側端部と機外側先端部３１との間で、エーロフォイル２５に関する食い違い角を徐々に変えるために含まれている場合がある。
【００２６】
説明上の目的で、図４において図示されるように、ロータブレード１６のエーロフォイル２５を、軸方向中央線３２の各側に画定された前縁の区域すなわち半部および後縁の区域すなわち半部を含むものとして、さらに記述することができる。軸方向中央線３２は、本明細書におけるその使用によれば、プラットフォーム２４と機外側先端部３１との間でエーロフォイル２５の翼形中心線３５の中間点３４同士を接続することによって、形成することができる。加えて、エーロフォイル２５を、エーロフォイル２５の放射方向中央線３３の機内側および機外側に画定された、２つの放射方向に積み重ねられた区域を含むものとして記述することができる。したがって、本明細書で使用される場合、エーロフォイル２５の機内側の区域すなわち半部は、プラットフォーム２４と放射方向中央線３３との間に延在し、一方、機外側の区域すなわち半部は、放射方向中央線３３と機外側先端部３１との間に延在する。最後に、エーロフォイル２５を、諒解されるであろうがエーロフォイル２５の翼形中心線３５の両側に画定される、正圧面の区域すなわち半部および負圧面の区域すなわち半部、ならびにエーロフォイル２５の対応する面２６、２７を含むものとして、記述することができる。
【００２７】
ロータブレード１６は、動作中に冷却剤が中を通って循環される１つまたは複数の冷却チャネル３７を有する、内側冷却構成３６をさらに含み得る。そのような冷却チャネル３７は、ロータブレード１６の根元２１を通って形成される供給源への接続部から放射方向外向きに延在し得る。冷却チャネル３７は、直線状、曲線状、またはこれらの組み合わせであってよく、冷却剤が中を通ってロータブレード１６から作動流体流路内へと排出される、１つまたは複数の出口ポートまたは表面ポートを含み得る。
【００２８】
図８から図１１は、本発明によるかまたは本発明を中で使用できる、先端シュラウド４１を有するタービンロータブレード１６を例示する。諒解されるであろうが、図８は、先端シュラウド４１を含む例示のタービンロータブレード１６の斜視図であり、一方、図９は、先端シュラウド４１の一部分を拡大した図である。図１０は、先端シュラウドの設けられたロータブレード１６の例示の設置後の配置構成の、機外側に離れた視点からの外形を提供する。最後に、図１１は、続く考察において先端シュラウド内の様々な領域を描くのに使用され得る、先端シュラウド４１の拡大された機外側の外形の図を提供する。
【００２９】
図示されるように、先端シュラウド４１を、エーロフォイル２５の機外側端部の近くにまたは機外側端部に、位置付けることができる。先端シュラウド４１は、軸方向および周方向に延在する平坦なプレートまたは平面状の構成要素を含むことができ、これは、その中心に向かってエーロフォイル２５によって支持される。説明上の目的で、先端シュラウド４１は、機内側表面４５、機外側表面４４、および縁部４６を含み得る。例示されるように、機内側表面４５は、先端シュラウド４１の薄い放射方向厚さを挟んで機外側表面４４と対置され、一方、縁部４６は、機内側表面４５を機外側表面４４に接続し、本明細書で使用される場合、先端シュラウド４１の周縁のまたは機外側の外形を画定する。
【００３０】
先端シュラウド４１の機外側表面４４に沿って、封止レール４２を位置付けることができる。一般に、例示されるように、封止レール４２は、先端シュラウド４１の機外側表面４４から放射方向外向きに延在する、フィン様の突出部である。封止レール４２は、ロータブレード１６の回転の方向または「回転方向」において、先端シュラウド４１の対向する端部間で周方向に延在し得る。諒解されるであろうが、封止レール４２を使用して、先端シュラウド４１と、タービンを通る作動流体流路の機外側の境界を画定する周囲の固定的な構成要素と、の間に通常存在する放射方向の間隙を通した作動流体の漏れを、抑止することができる。従来の設計によれば、封止レール４２は、この間隙を挟んで封止レール１２と対置される摩耗性の固定的なハニカムシュラウド内へと、放射方向に延在し得る。封止レール４２は、先端シュラウド４１の機外側表面４４の周方向長さの実質的に全体にわたって延在し得る。本明細書で使用される場合、先端シュラウド４１の周方向長さは、回転方向５０における先端シュラウド４１の長さである。説明上の目的で、封止レール４２は、対置されるレール面を含むことができ、この場合、前方面５６はガスタービンの前方向に対応し、後方面５７は後方向と対応する。諒解されるであろうが、前方面５６はしたがって、作動流体の流れ方向に向かってまたはこの方向へと面を向け、一方、後方面５７は、この方向から離れるように面を向ける。封止レール４２の前方面５６および後方面５７の各々を、先端シュラウド４１の機外側表面４４に対して急勾配の角度を形成するように配置することができる。
【００３１】
他の構成が可能であるが、封止レール４２は、ほぼ矩形の外形を有し得る。封止レール４２のリング前方面５６および後方面５７は、周方向に狭い縁部に沿って接続することができ、これは本明細書で使用される場合、対向するほぼ平行な機外側縁部および機内側縁部、ならびに対向するほぼ平行な回転前縁および回転後縁を含む。具体的には、封止レール４２の機内側縁部は、封止レール４２と先端シュラウド４１の機外側表面４４との間の接合部に画定され得る。諒解されるであろうが、封止レール４２と先端シュラウド４１との間に構造上の目的で形成される隅肉領域が与えられる場合、機内側縁部はある程度曖昧となるので、これを数字による識別子によって特定的には参照しない。封止レール４２の機外側縁部５９は、先端シュラウド４１の機外側表面４４から放射方向にオフセットされる。諒解されるであろうが、この放射方向のオフセットは一般に、封止レール４２の放射方向高さを表す。示されるように、封止レール４２の回転前縁６２が、エーロフォイル２５の負圧面２７の上に張り出す先端シュラウド４１の縁部４６から、放射方向に突き出る。このため、回転前縁６２は、動作中にロータブレード１６が回転する際に、封止レール４２の「前側となる（ｌｅａｄ）」構成要素である。封止レール４２の反対側の端部において、回転後縁６３が、エーロフォイル２５の正圧面２６の上に張り出す先端シュラウド４１の縁部４６から、放射方向に突き出る。この配置構成により、回転後縁６３は、動作中にロータブレード１６が回転する際に、封止レール４２の「後側となる（ｔｒａｉｌ）」構成要素である。
【００３２】
封止レール４２上にカッタ歯４３を配設することができる。諒解されるであろうが、カッタ歯４３は、固定的なシュラウドの摩耗性のコーティングまたはハニカムに、封止レール４２の幅よりも僅かに広い溝を切るために設けることができる。諒解されるであろうが、ハニカムは封止の安定性を高めるために設けることができ、また、カッタ歯４３の使用により、このより広い経路を空けることによる固定的な部品と回転する部品との間の溢出およびこすれを低減することができる。カッタ歯４３は一般に、封止レール４２の周方向長さに沿って幅が広くなった領域である。より具体的には、カッタ歯４３は、軸方向に広くなった封止レール４２の周方向の区域を含み得る。この軸方向に広くなった領域は、先端シュラウド４１の機外側表面４４と封止レール４２の機外側縁部との間で、放射方向に延在し得る。カッタ歯４３を、封止レール４２の中心または中央領域の近くに位置付けることができる。以下に提示するように、カッタ歯４３を、先端シュラウド４１の機外側表面４４のエーロフォイル部分内に配設することができる。カッタ歯４３はほぼ矩形の外形を有し得るが、他の外形も可能である。
【００３３】
先端シュラウド４１は、先端シュラウド４１およびエーロフォイル２５の異なる方向に延びる表面の間の滑らかな表面移行部、ならびに先端シュラウド４１と封止レール４２との間の滑らかな表面移行部を提供するように構成される、隅肉領域４８、４９を含み得る。したがって、先端シュラウド４１の構成は、先端シュラウド４１の機外側表面４４と、封止レール４２の前方面５６および後方面５７との間に形成される、機外側隅肉領域４８を含み得る。先端シュラウド４１は、先端シュラウド４１の機内側表面４５と、エーロフォイル２５の正圧面２６および負圧面２７との間に形成される、機内側隅肉領域４９をさらに含み得る。諒解されるであろうが、機内側隅肉領域４９を、より具体的に、エーロフォイル２５の正圧面２６と先端シュラウド４１の機内側表面４５との間に形成される部分である、正圧機内側隅肉領域、および、エーロフォイル２５の負圧面２７と先端シュラウド４１の機内側表面４５との間に形成される部分である、負圧機内側隅肉領域を含むものとして、記述することができる。機外側隅肉領域４８を、より具体的に、封止レール４２の前方面５６と先端シュラウド４１の機外側表面４４との間に形成される部分である、前方機外側隅肉領域、および、封止レール４２の後方面５７と先端シュラウド４１の機外側表面４４との間に形成される部分である、後方機外側隅肉領域を含むものとして、記述することができる。描写されるように、これらの隅肉領域４９、４８の各々を、急激なまたは急勾配の角度移行部を形成するいくつかの平面状表面間で、滑らかに湾曲する移行部を提供するように構成することができる。諒解されるであろうが、そのような隅肉領域は、空力学的性能、ならびに普通であればこれらの領域において発生するであろう応力集中を、改善し得る。その場合ですら、これらの領域は、先端シュラウド４１の張り出したまたは片持ち梁式の負荷、およびエンジンの回転速度に起因して、高い応力を受けたままである。諒解されるであろうが、十分に冷却されなければ、これらの領域における応力は、構成要素の有用寿命に対して大きな制限となる。
【００３４】
ここで図１０を特に参照すると、先端シュラウド４１を、動作中に隣り合うロータブレードの先端シュラウド４１上に形成される表面または縁部のような、接触表面または縁部同士が係合する場所である接触インタフェースを含むように構成することができる。諒解されるであろうが、このことはたとえば、漏れまたは有害な振動を低減するために行うことができる。図１０は、タービンロータブレード上の先端シュラウド４１の、これらが組み立てられた状態のときに見せるような、機外側の図を提供する。示されるように、回転方向５０に対して、先端シュラウド４１の縁部４６は、説明上の目的で、接触回転前縁５２および接触回転後縁５３を含み得る。こうして、図示されるように、回転の前側となる位置にある先端シュラウド４１を、これに対して回転の後側となる位置にある先端シュラウド４１の接触回転前縁５２に接触または密に近接する、接触回転後縁５３を有するように構成することができる。隣り合う先端シュラウド４１間のこの接触の領域は、一般に接触インタフェースと呼ぶことができるが、この例示の構成の外形が所与である場合、これを「Ｚ−ノッチ」インタフェースと呼ぶこともできる。他の構成も可能である。接触インタフェースを形成する際、先端シュラウド４１の縁部４６を、所定の方法で隣り合う同じように構成された先端シュラウド４１に協働的に接触または係合することを意図される、切り欠きのある区域を有するように構成することができる。
【００３５】
ここで図１１を特に参照すると、先端シュラウド４１の機外側の外形は、ホタテ貝形状を有し得る。他の構成が可能であるが、例示のホタテ貝形状は、漏れを低減しつつ重量も軽減するという点において、良好な性能を示す形状である。外形がどのようであれ、先端シュラウド４１を構成する領域または部分は、封止レール４２に対するこれらの位置および／またはその下にあるエーロフォイル２５の外形が与えられれば記述できることが、諒解されるであろう。したがって、本明細書で使用される場合、先端シュラウド４１のエーロフォイル部分６５は、先端シュラウド４１を通って放射方向に突出させた、エーロフォイル２５の外形内に画定される部分である。先端シュラウド４１の正圧部分６６は、エーロフォイル２５の正圧面２６から片持ち梁式に支持されその上に張り出す部分であり、一方、先端シュラウド４１の負圧部分６７は、エーロフォイル２５の負圧面２７から片持ち梁式に支持されその上に張り出す部分である。最後に、先端シュラウド４１の前側となる部分６８は、封止レール４２から前方向に延在してエーロフォイル２５の前縁２８の上に張り出す部分であり、一方で、先端シュラウド４１の後側となる部分６９は、封止レール４２から後方向に延在してエーロフォイル２５の後縁２９の上に張り出す部分である。
【００３６】
ここで図１２から図１５を参照すると、本発明の態様および例示の実施形態による、いくつかの内側冷却構成が提示されている。諒解されるであろうが、これらの例は、本明細書において既に提供されたシステム、構成要素、および関連する概念、特に先行する図に関連して検討されたものを参照し、これらを考慮して記述されている。
【００３７】
例示されるように、本発明は、ガスタービンロータブレード用の内部冷却構成を含み得る。以下で見るように、そのような冷却構成は、圧縮機から流される圧縮空気などの冷却剤を受容し、ロータブレードの内部を通して導くための、１つまたは複数の内側冷却チャネルを含み得る。本発明の構成によれば、ロータブレード内に冷却チャネルの１つまたは複数が形成された、内部冷却構成３６が提供され、これらの各々は、根元、エーロフォイル、および／または先端シュラウドの一部を通って延在する、流体接続された連続した区域または区間を含み得る。以下に提示するように、またいくつかの図を参照すると、これらの区間は、供給区間７２、肘区間７３、および出口区間７４を含み得る。
【００３８】
例示されるように、供給区間７２は、冷却チャネルの上流端部を形成することができ、この場合ロータブレード１６の根元２１を通って延在して、冷却構成３６を冷却剤源に接続することができる。冷却構成３６は冷却チャネルのいくつかを含むことができ、これらの各々は、エーロフォイル２５を通って放射方向外向きに延在する個別の分離した供給区間７２を含むことができる。例示の構成によれば、図１２から図１５において例示されるように、供給区間７２の各々を、エーロフォイル２５の内部を通って形成された、放射方向に配向された冷却剤通路として構成することができる。供給区間７２は直線状とすることができるが、他の構成も可能である。下流端部において、供給区間７２の各々は、肘区間７３のうちの１つに流体接続することができる。
【００３９】
本発明の構成によれば、肘区間７３は、通過する際に急激な方向の変化がもたらされる、冷却チャネルの区域である。肘区間７３は、例示されるように、供給区間７２を出口区間７４に接続することができ、同時に、これらの間で生じる方向の変化に対処する。例示されるように、この方向の変化は、急激で鋭いものである。例示の実施形態によれば、肘区間７３を通して生じる方向の変化は、約９０度の角度を含み得る。より一般的には、他の実施形態によれば、肘区間７３を通した方向の変化は、ある値の範囲内の角度である。たとえば、肘区間７３は、６０から１２０度の間の方向の変化を含み得る。他の実施形態によれば、肘区間７３は、８０から１００度の間の方向の変化をもたらすように構成される。この方向の変化を行うために、肘区間７３を、曲がりが漸進的ではなく鋭いものとなるように構成することができる。諒解されるであろうが、肘区間７３の鋭い曲がりを、肘区間７３の長さを通した曲率半径を肘区間７３の流れの断面積の直径に関連付けることを介して、記述することができる。好ましい実施形態によれば、曲率半径は、流れの断面積の直径の少なくとも２倍超の大きさである。
【００４０】
後で検討するように、肘区間７３が、ロータブレード１６の標的の内部領域で生じるように構成することができる。この標的の内部領域は、肘区間７３を通って移動する冷却剤を介して対流により冷却されるよう意図される領域である。諒解されるであろうが、肘区間７３を通した方向の変化により冷却剤流において乱流が誘起され、このことにより冷却剤流の有効性を高めることができる。ある好ましい実施形態によれば、肘区間７３が中に配される標的の内部領域は、先端シュラウド４１の近くにあるエーロフォイル２５の内側領域か、またはエーロフォイル２５と先端シュラウド４１との間の機内側隅肉領域４９の、いずれかから成る。他の好ましい実施形態によれば、標的の内部領域は、負圧面機内側隅肉領域４９である。ある好ましい実施形態では、標的の内部領域は、エーロフォイル２５の後方半部に限定される。さらにより好ましくは、標的の内部領域は、負圧面機内側隅肉領域４９の後方半部から成る。
【００４１】
出口区間７４は、図１２から図１５において例示されるように、肘区間７３と、ロータブレード１６の外側表面上に形成された出口ポート７５との間に延在する、冷却チャネルの部分である。この場合、出口区間７４は、冷却チャネル内を流れる冷却剤が作動流体流路に排出される際に通過する区域である。出口区間７４は、肘区間７３に接続する上流端部、および出口ポート７５として構成される下流端部を含み得る。例示されるように、肘区間７３と出口ポート７５との間で、出口区間７４は、直線状の経路に沿って延在し得るが、他の構成も可能である。冷却チャネルのうちの任意の１つの中で、出口区間７４および肘区間７３ならびに供給区間７２の流れの断面積は、ほぼ同じであってよいが、他の構成も可能である。諒解されるであろうが、出口ポート７５がロータブレード１６の外側表面上に形成されるので、出口区間７４により、本発明の冷却チャネルは、タービン１２を通る作動流体流路と流体接続することが可能となる。
【００４２】
好ましい実施形態によれば、出口区間７４の出口ポート７５を、所定の標的の表面領域上に形成することができる。これらの標的の表面領域は一般に、本明細書において既に検討されているエーロフォイル２５および／または先端シュラウド４１の、いくつかの表面領域のうちの任意のものを含み得る。例示の実施形態によれば、したがって、冷却構成３６に関する標的の表面領域は、以下のうちの１つまたは複数を含み得る：エーロフォイル２５の正圧面２６、エーロフォイル２５の負圧面２７、機内側隅肉領域４９に対応する表面領域、機外側隅肉領域４８に対応する表面領域、先端シュラウド４１の機内側表面４５、および先端シュラウド４１の縁部４６。好ましい実施形態によれば、出口ポート７５は、先端シュラウド４１のちょうど機内側でエーロフォイル２５の負圧面２７上に形成される。例示されるように、好ましい場所は、機内側隅肉領域４９の外側表面領域、および／またはエーロフォイル２５の負圧面２７の機外側領域（すなわち、エーロフォイル２５の負圧面２７の、先端シュラウド４１の近くの領域）をさらに含み得る。図示されるように、好ましい実施形態によれば、出口ポート７５を、エーロフォイル２５の負圧面２７の機内側隅肉領域４９の後方部分に沿って、列状に配列することができる。出口ポート７５の列を、先端シュラウド４１に対してちょうど機内側でこれとほぼ平行に形成することができる。
【００４３】
他の好ましい実施形態によれば、肘区間７３を、事前に選択された標的の内部領域を二分するかまたはこれを通って延在するように形成することができる。これらの標的の内部領域は、先端シュラウド４１および機内側隅肉領域４９の近くにあるかまたはこれらに当接する、エーロフォイル２５の機外側領域を含み得る。すなわち、好ましい実施形態によれば、肘区間７３は、先端シュラウド４１のちょうど機内側に形成される。諒解されるであろうが、この場所に位置付けられると、標的の内部領域は、負圧機内側隅肉領域４９および／またはエーロフォイル２５の負圧面２７の機外側内側領域を含み得る。
【００４４】
本発明の冷却構成３６は、ロータブレード１６を通って延在する冷却チャネルのうちの複数のものを含み得る。これらを、エーロフォイル２５内で中心に配置することができるか、またはエーロフォイル２５の負圧面２７に向かってずらすことができる。本明細書で使用される場合はエーロフォイル２５の軸方向中央線３２の後方にあるエーロフォイル２５の軸方向後方半部内で、冷却チャネルを、グループ化することもできる。好ましい実施形態によれば、複数の供給区間７２が存在してよく、これらは、例示されるように、エーロフォイル２５を通って放射方向において互いに対してほぼ平行に延在し得る。図示されるように、これらの供給区間７２を、エーロフォイル２５の後方半部内に位置付けることができる。好ましい実施形態によれば、供給区間７２を、エーロフォイル２５の翼形中心線３５に沿って規則正しく離間させることができる。さらに、供給区間７２の流れの断面積、ならびに接続する肘区間７３および出口区間７４の流れの断面積は、冷却チャネルがエーロフォイル２５の後縁２９のより近くに位置付けられるにつれて、減少し得る。諒解されるであろうが、冷却チャネル間のこの狭窄は、エーロフォイル２５の、これが後縁２９に向かって延在する際の狭窄と、比例的に一致し得る。
【００４５】
述べたように、冷却チャネルの各々の供給区間７２は、エーロフォイル２５における、先端シュラウド４１の近くかもしくはこれと密に近接する位置、または、エーロフォイル２５の外側放射方向端部へと、放射方向に延在し得る。供給区間７２の各々は、肘区間７３のうちの対応する１つと接続することができ、これらの肘区間７３は、述べたように、冷却チャネルを通る流れ方向を約９０度屈曲させる。例示されるように、出口区間７４を通る流れ方向がタービン１２を通る作動流体の流れ方向とほぼ配向を合わせるよう、冷却チャネルを曲げるように、肘区間７３を構成することができる。諒解されるであろうが、タービン１２を通る流れ方向は、封止レール４２の長手軸に対して全体に垂直であり、また指向性を有し、この結果、正圧面２６は、エーロフォイル２５の上流の面である。肘区間７３を起点として、各冷却チャネルは、これを出口ポート７５のうちの１つに接続する、出口区間７４を含み得る。好ましい実施形態によれば、出口ポート７５を、エーロフォイル２５の負圧面２７、またはエーロフォイル２５と先端シュラウド４１との間の負圧面機内側隅肉領域４９上に、形成することができる。図１３に最もはっきりと例示されるように、冷却構成３６は、負圧面２７の後方半部に沿って離間された列として配置されている、出口ポート７５を含み得る。
【００４６】
出口ポート７５は、述べたように、冷却チャネルの各々を通って流れる冷却剤を放出する役割を果たし得る。従来の設計に従えば、放射方向に配向された冷却チャネルは通常、先端シュラウドを通って続き、先端シュラウドの機外側表面上に位置付けられる出口ポートに接続するように構成される。この配置構成によれば、出口ポートから放出される冷却剤は、タービンを通る流れの方向に対して実質的に垂直な方向に放出される。諒解されるであろうが、この様式での冷却剤の送出は、大きな空力学的混合損失を引き起こす。すなわち、放出された冷却剤は一般に、タービンの流路を通る作動流体の流れを乱しまた阻害し、このことは、空力学的性能に、および最終的にはエンジンの効率に、悪影響を与える。
【００４７】
本発明の構成によれば、記述したように、含まれる肘区間７３は、冷却チャネルの各々を屈曲させるかまたは曲げ、この結果、そこから放出される冷却剤は、タービン１２を通る作動流体の流れ方向に対して浅いかまたは小さい角度で、あるいは、ある好ましい実質的によればこれと平行に、送出される。すなわち、好ましい実施形態によれば、肘区間７３を、そこから延在する出口区間７４が、タービン１２を通る流れの方向と密接に配向を合わせるか、またはこの流れの方向の好ましい角度範囲内にある方向に延在するように、構成することができる。
【００４８】
この角度の関係をより具体的に記述するために、いくつかの用語（「放出方向」、「軸方向基準線」、および「放出角度」を含む）を導入し、これらが本明細書においてどのように使用されることになるのかを定義することが有用であり得る。図１４および図１５において示されるように、放出方向７９は、出口区間７４が、そこから出る冷却を放出するために向けられる方向を表す。放出方向７９はこの場合、出口区間７４から吐出される流体が、これ以外に作用を受けていない場合に進む方向である。放出方向７９を、基準線の延長によって近似されるものとしてさらに理解することができ、この場合、この基準線は、出口区間７４の中心長手軸によって規定される。軸方向基準線８０は、本明細書で使用される場合、タービン１２を通る作動流体の流れの全体方向に追随しこれに配向が合わせられる、基準線である。軸方向基準線８０はしたがって、タービン１２を通る中心軸１９と実質的に平行で、下流方向に向けられる線であると想定することができる。最後に、放出角度８１、８２は、本明細書で使用される場合、出口区間７４のうちの１つの放出方向７９と軸方向基準線８０との間に形成された基準角度である。諒解されるであろうが、放出角度８１、８２を、接線方向および放射方向の両方において画定することができる。すなわち、放出角度８１、８２は、放出方向７９が、軸方向基準線８０に対して接線方向にまたは放射方向に傾けられる程度を記述することができる。したがって、図１４において示されるように、接線方向の放出角度８１は、放出方向７９と軸方向基準線８０との間の、接線方向の傾斜または角度を反映しており、一方で、図１５において図示されるように、放射方向の放出角度８２は、放出方向７９と軸方向基準線８０との間に発生する、放射方向の傾斜または角度を反映している。
【００４９】
本発明の冷却構成３６を、述べたように、放出角度８１、８２が比較的浅くなるように構成することができる。諒解されるであろうが、放出角度８１、８２の具体的なサイズは変動する場合があり、これは、最適な角度の値または範囲が、先端シュラウドもしくはエーロフォイルの構成などのいくつかの要因に、またはロータブレードの冷却の要件および戦略などの他の設計基準に、依存する場合があるからである。加えて、本発明の構成の冷却性能を、特定の値においてまたはある好ましい範囲内で、最適化するかまたは向上させることができるが、一方で、性能の利益は、放出角度８１、８２に関する値の幅広い範囲にわたって達成可能であることが理解されるべきである。このことを述べた上で、出願人は、一般的なロータブレード構成と併せて使用されるときに特に有利である、いくつかの好ましい実施形態を決定しており、これらの実施形態を以下で開示する。接線方向の放出角度８１−図１４において描写されるような−に関して、出口区間７４の例示の構成は、軸方向基準線８０に対して約±３０度の間の範囲内にある、接線方向の放出角度８１を含む。ある好ましい実施形態によれば、出口区間７４は、接線方向の放出角度８１が、軸方向基準線８０に対して約±１０度の間の範囲内にあるように形成される。さらに他の好ましい実施形態は、０度に接近する接線方向の放出角度８１を有する出口区間７４を含み、すなわち、放出方向７９が、軸方向基準線８０とほぼ平行である。放射方向の放出角度８２−図１５において描写されるような−に関して、出口区間７４の例示の構成は、軸方向基準線８０に対して約±３０度の間の範囲内にある、放射方向の放出角度８２を含む。ある好ましい実施形態によれば、出口区間７４は、放射方向の放出角度８２が、軸方向基準線８０に対して約±１０度の間の範囲内にあるように形成される。さらに他の好ましい実施形態は、０度に接近する放射方向の放出角度８２を有する出口区間７４を含み、すなわち、放出方向７９が、軸方向基準線８０とほぼ平行である。
【００５０】
諒解されるであろうが、下流の軸方向に対するそのような浅い角度での冷却剤の放出により、本明細書において記述されるように、空力学的混合損失を低減することができる。これは、作動流体に対する流れの妨害が最小化されることの結果もたらされる。さらに、本明細書において記述された様式での冷却剤の送出により、放出された冷却剤を作動流体の流れとより滑らかに混合することによって、２次的な渦の強度を低減することができる。このことにより、全体的な効率および性能を改善することができる。加えて、放出角度８１、８２、ならびにこれらに関連する冷却チャネルおよび出口ポート７５の提案された場所（すなわち、負圧面２７の後方部分に関連するエーロフォイル領域を通るおよびその表面の、ならびに先端シュラウド４１および負圧面機内側隅肉領域４９の近くの）は、冷却が困難な領域における冷却要件に対応でき、同時に、エーロフォイル２５のこの領域に作用する全体的なねじり力を、改善または低減する。
【００５１】
当業者は諒解するであろうが、いくつかの例示の実施形態に関連して上記された、多くの様々な特徴および構成を、さらに選択的に適用して、本発明のその他の可能な実施形態を形成することができる。簡潔さのために、また当業者の能力を考慮に入れて、可能な形態の全てを提供してはいない、または、詳細に議論してはいないが、以下のいくつかの請求項によってまたはその他の様式で包含される、全ての組み合わせおよび可能な実施形態は、本出願の一部であることが意図される。加えて、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、変更、および修正を認識するであろう。当技術範囲内のそのような改善、変更、および修正も、付属の特許請求の範囲によって対象とされることが意図される。さらに、前述したことが、本出願の記述された実施形態のみに関連すること、ならびに、以下の特許請求の範囲およびそれらの等価物によって規定されるような本出願の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書において多数の変更および修正を行い得ることが、明らかなはずである。
【符号の説明】
【００５２】
１０  ガスタービン
１１  圧縮機、軸方向圧縮機
１２  タービン
１３  燃焼器
１４  圧縮機ロータブレード
１５  圧縮機固定子ブレード
１６  ロータブレード
１７  固定子ブレード
１９  中心軸
２１  根元
２２  ダブテール
２３  胴部
２４  プラットフォーム
２５  エーロフォイル
２６  正圧面、凹状正圧面
２７  負圧面、凸状負圧面
２８  前縁
２９  後縁
３１  機外側先端部
３２  軸方向中央線
３３  放射方向中央線
３４  中間点
３５  翼形中心線
３６  内側冷却構成
３７  冷却チャネル
４１  先端シュラウド
４２  封止レール
４３  カッタ歯
４４  機外側表面
４５  機内側表面
４６  縁部
４８  機外側隅肉領域
４９  機内側隅肉領域
５０  回転方向
５２  接触回転前縁
５３  接触回転後縁
５６  前方面
５７  後方面
５９  機外側縁部
６２  回転前縁
６３  回転後縁
６５  エーロフォイル部分
６６  正圧部分
６７  負圧部分
６８  前側となる部分
６９  後側となる部分
７２  供給区間
７３  肘区間
７４  出口区間
７５  出口ポート
７９  放出方向
８０  軸方向基準線
８１  放出角度、接線方向の放出角度
８２  放出角度、放射方向の放出角度
【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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【外国語明細書】
2017110656000001.pdf