(57)【要約】      （修正有）【課題】内部リブが四壁配置のエーロフォイルにおいて、冷却と耐久性とをバランスさせるように最適化された内部リブの湾曲形状を提供する。【解決手段】ブレードエーロフォイル用の内部リブ１６０は、耐久性を確保し、所望の熱伝達を与えるように画定された凹面１６２を有する。凹面１６２は、圧力側外壁２６または負圧側外壁２７に面する。幅Ｗは、第１の端部１７０と第２の端部１７２との間隔であり、奥行Ｄは、凹面１６２の中間点Ｍと、奥行線ＤＬと圧力側外壁２６または負圧側外壁２７との交点との間の垂直な奥行線ＤＬの長さである。変則的な弧は、交点ＩＰを中心とする弧の角度α内に画定され、変則的な弧は、凹面１６２の中間点Ｍにおける奥行Ｄに相当する第１の弧の半径Ｒ１、および弧の角度αで凹面１６２と交差する、奥行Ｄと形状係数ＳＦとの積に相当する第２の弧の半径Ｒ２を有する。形状係数ＳＦは、アスペクト比と実質的に線形の関係を有する。【選択図】図７
2017203455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前縁（２８）および後縁（２９）に沿って接続する凹状の圧力側外壁（２６、２７）および凸状の負圧側外壁（２６、２７）内に冷却剤の流れを受け入れるための半径方向に延在するチャンバを、所定の断面積を有する通路（４０）に仕切る、ブレードエーロフォイル（２５）用の内部リブ（１６０）であって、
前記凹面（１６２）の第１の端部（１７０）と対向する前記凹面（１６２）の第２の端部（１７２）との間の幅、および、前記第１の端部（１７０）と前記対向する第２の端部（１７２）との間の前記凹面（１６２）の中間点と、奥行線と前記圧力側外壁（２６、２７）および前記負圧側外壁（２６、２７）のうちの選択された一方との交点との間を延在する前記奥行線の長さとして定義される奥行と、
前記奥行で割った前記幅として定義されるアスペクト比と、
前記交点を中心とする弧の角度内に画定され、前記凹面（１６２）の前記中間点における前記奥行に相当する第１の弧の半径、および前記弧の角度で前記凹面（１６２）と交差する、前記奥行と形状係数との積に相当する第２の弧の半径を有する変則的な弧であって、前記形状係数が前記アスペクト比と実質的に線形の関係を有する、変則的な弧と
によって画定される、前記圧力側外壁（２６、２７）または前記負圧側外壁（２６、２７）のうちの前記選択された一方に面する凹面（１６２）であって、
前記幅、前記奥行、前記形状係数、および前記弧の角度が、前記通路（４０）に前記所定の断面積を与えるように構成された、凹面（１６２）を備える内部リブ（１６０）。
【請求項２】
前記弧の角度が、６０度より小さくなく、かつ１２０度より大きくなく延在し、前記凹面（１６２）の前記中間点を中心とする、請求項１記載の内部リブ（１６０）。
【請求項３】
前記凹面（１６２）の前記第１の端部（１７０）が、前記前縁（２８）または前記後縁（２９）のうちの一方に最も近い前記凹面（１６２）上の点（１７４、１７６）として定められ、前記凹面（１６２）の前記対向する第２の端部（１７２）が、前記前縁（２８）または前記後縁（２９）のうちの他方に最も近い前記凹面（１６２）上の点（１７４、１７６）として定められる、請求項１記載の内部リブ（１６０）。
【請求項４】
前記アスペクト比が、前記形状係数と傾きとの積と、ｙ切片との和として定義され、前記傾きがほぼ＋３．２９で、前記ｙ切片が−０．８９から−１．８９の範囲にある、請求項１記載の内部リブ（１６０）。
【請求項５】
前縁（２８）および後縁（２９）に沿って接続する凹状の圧力側外壁（２６、２７）および凸状の負圧側外壁（２６、２７）内に冷却剤の流れを受け入れるための半径方向に延在するチャンバを、所定の断面積を有する通路（４０）に仕切る、ブレードエーロフォイル（２５）用の内部リブ（１６０）であって、
前記凹面（１６２）の第１の端部（１７０）と前記凹面（１６２）の対向する第２の端部（１７２）との間の幅、および、前記第１の端部（１７０）と前記対向する第２の端部（１７２）との間の前記凹面（１６２）の中間点と、奥行線と前記圧力側外壁（２６、２７）および前記負圧側外壁（２６、２７）のうちの選択された一方との交点との間を延在する前記奥行線の長さとして定義される奥行と、
前記奥行で割った前記幅として定義されるアスペクト比と、
前記交点を中心とする弧の角度内に画定され、前記凹面（１６２）の前記中間点における前記奥行に相当する第１の弧の半径、および前記弧の角度で前記凹面（１６２）と交差する、前記奥行と形状係数との積に相当する第２の弧の半径を有する変則的な弧であって、前記形状係数が前記アスペクト比と実質的に線形の関係を有し、前記弧の角度が、６０度より小さくなく、かつ１２０度より大きくなく延在し、前記凹面（１６２）の前記中間点を中心とする、変則的な弧と
によって画定される、前記圧力側外壁（２６、２７）または前記負圧側外壁（２６、２７）のうちの前記選択された一方に面する凹面（１６２）であって、
前記アスペクト比が、前記形状係数と傾きとの積と、ｙ切片との和として定義され、前記傾きがほぼ＋３．２９で、前記ｙ切片が−０．８９から−１．８９の範囲にあり、
前記幅、前記奥行、前記形状係数、および前記弧の角度が、前記通路（４０）に前記所定の断面積を与えるように構成された、凹面（１６２）を備える内部リブ（１６０）。
【請求項６】
前記凹面（１６２）の前記第１の端部（１７０）が、前記前縁（２８）または前記後縁（２９）のうちの一方に最も近い前記凹面（１６２）上の点（１７４、１７６）として定められ、前記凹面（１６２）の前記対向する第２の端部（１７２）が、前記前縁（２８）または前記後縁（２９）のうちの他方に最も近い前記凹面（１６２）上の点（１７４、１７６）として定められる、請求項５記載の内部リブ（１６０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示はブレードエーロフォイルに関し、より詳細には、空気などの流体を通してエーロフォイルを冷却するための内部チャネルを有する、ロータブレードまたはステータブレードなどの中空のタービンエーロフォイルに関する。より詳細には、本開示は、耐久性および所望の熱伝達を確保するように標準に構成された凹面または凹状の曲率を有する内部リブに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼タービンエンジンまたはガスタービンエンジン（以降、「ガスタービン」）は、圧縮機、燃焼器、およびタービンを含む。当技術分野でよく知られているように、圧縮機内で圧縮された空気は、燃料と混合されて燃焼器内で点火され、次いで、タービンを通って膨張して動力を発生する。タービン内の構成部品、特に、周方向に配列されたロータブレードおよびステータブレードは、それらを通って消費される燃焼生成物の極めて高い温度および圧力によって特徴付けられる好ましくない環境に曝される。繰り返しの熱サイクル、ならびにこの環境の極端な温度および機械的応力に耐えるために、エーロフォイルは堅固な構造を有し、能動的に冷却しなければならない。
【０００３】
認識されるように、タービンロータブレードおよびステータブレードはしばしば、冷却剤、典型的には、圧縮機から抽気された空気が循環する冷却システムを形成する内部通路または回路を含む。このような冷却回路は、典型的には、エーロフォイルに必要な構造的な支持を与える内部リブによって形成され、エーロフォイルを許容可能な温度プロファイル内に維持するために多数の流路配置を含む。これらの冷却回路を通る空気はしばしば、エーロフォイルの前縁、後縁、負圧側、および圧力側に形成されたフィルム冷却開口を通して放出される。
【０００４】
燃焼温度の上昇につれてガスタービンの効率が向上することは認識されよう。このため、ブレードがさらに高い温度に耐えられるようにする技術的進歩が絶えず求められている。これらの進歩はときどき、より高い温度に耐えることができる新しい材料を含むが、同様に多くの場合、ブレードの構造および冷却能力を向上するようにエーロフォイルの内部構成の改善を伴う。しかしながら、冷却剤を使用するとエンジンの効率が下がるので、冷却剤使用量のレベルの増加に強く依存しすぎる新しい配置は、１つの非効率性を別の非効率性と引き換えにすることにすぎない。その結果、冷却剤の効率を改善する内部エーロフォイル構成および冷却剤循環を提供する新しいエーロフォイル配置が引き続き要求されている。
【０００５】
内部冷却されるエーロフォイルの配置をさらに複雑にする検討事項は、作動中にエーロフォイルの内部構造と外部構造との間に生じる温度差である。すなわち、エーロフォイルの外壁は高温ガス通路に曝されているので、例えば、内部リブのそれぞれの側に画定された通路を通って冷却剤が流れることができる内部リブの多くよりも、作動中、典型的には、はるかに高い温度にある。実際、一般的なエーロフォイル構成は、長い内部リブが圧力側および負圧側の外壁に平行に走る「四壁」配置を含む。四壁配置に形成された壁近傍流路によって高い冷却効率を達成できることは知られている。壁近傍流路に伴う課題は、外壁が内壁よりもかなり大きなレベルの熱膨張を受けることである。様々なリブ構成が、これらの課題に対処するために考案されてきた。特に、内部リブの湾曲形状は、冷却と耐久性とをバランスさせるように最適化しなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１５／０１８４５１９号明細書
【発明の概要】
【０００７】
本開示の第１の態様は、前縁および後縁に沿って接続する凹状の圧力側外壁および凸状の負圧側外壁内に冷却剤の流れを受け入れるための半径方向に延在するチャンバを、所定の断面積を有する通路に仕切る、ブレードエーロフォイル用の内部リブを提供する。内部リブは、圧力側外壁および負圧側外壁のうちの選択された一方に面する凹面を備える。凹面は、幅および奥行と、アスペクト比と、変則的な弧とによって画定される。幅は、凹面の第１の端部と凹面の対向する第２の端部との間隔であり、奥行は、第１の端部と対向する第２の端部との間の凹面の中間点と、奥行線と圧力側外壁および負圧側外壁のうちの選択された一方との交点との間を延在する奥行線の長さとして定義される。アスペクト比は、奥行で割った幅として定義される。変則的な弧は、交点を中心とする弧の角度内に画定され、変則的な弧は、凹面の中間点における奥行に相当する第１の弧の半径、および弧の角度で凹面と交差する、奥行と形状係数との積に相当する第２の弧の半径を有する。形状係数はアスペクト比と実質的に線形の関係を有する。幅、奥行、形状係数、および弧の角度は、通路に所定の断面積を与えるように構成される。
【０００８】
本開示の第２の態様は、前縁および後縁に沿って接続する凹状の圧力側外壁および凸状の負圧側外壁内に冷却剤の流れを受け入れるための半径方向に延在するチャンバを、所定の断面積を有する通路に仕切る、ブレードエーロフォイル用の内部リブを提供する。内部リブは、圧力側外壁または負圧側外壁のうちの選択された一方に面する凹面を備える。凹面は、幅および奥行と、アスペクト比と、変則的な弧とによって画定される。幅は、凹面の第１の端部と凹面の対向する第２の端部との間隔であり、奥行は、第１の端部と対向する第２の端部との間の凹面の中間点と、奥行線と圧力側外壁および負圧側外壁のうちの選択された一方との交点との間を延在する奥行線の長さとして定義される。アスペクト比は、奥行で割った前記幅として定義される。変則的な弧は、交点を中心とする弧の角度内に画定され、変則的な弧は、凹面の中間点における奥行に相当する第１の弧の半径、および弧の角度で凹面と交差する、奥行と形状係数との積に相当する第２の弧の半径を有する。形状係数はアスペクト比と実質的に線形の関係を有する。弧の角度は、６０度より小さくなく、かつ１２０度より大きくなく延在し、凹面の中間点を中心とする。アスペクト比は、形状係数と傾きとの積と、ｙ切片との和として定義され、傾きはほぼ＋３．２９で、ｙ切片は−０．８９から−１．８９の範囲にある。幅、奥行、形状係数、および弧の角度は、通路に所定の断面積を与えるように構成される。
【０００９】
本開示の例示的な態様は、本明細書で記載する問題、および／または他の論じない問題を解決するための配置である。
【００１０】
本開示のこれらのおよび他の特徴は、本開示の様々な実施形態を示す添付の図面と併せて本開示の様々な態様の以下の詳細な説明から、より容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本願の特定の実施形態を使用することができる例示的なタービンエンジンの概略図である。
【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である。
【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である。
【図４】本開示の実施形態を利用することができるタイプのタービンロータブレードの斜視図である。
【図５】従来の配置による内壁構成またはリブ構成を有するタービンロータブレードの断面図である。
【図６】従来の配置による内壁構成を有するタービンロータブレードの断面図である。
【図７】本開示の実施形態による内部リブの概略図である。
【図８】本開示の実施形態による、内部リブを画定するために使用される、アスペクト比と形状係数との間の関係のグラフ表示である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本開示の図面は原寸に比例したものではないことに留意されたい。図面は、本開示の典型的な態様のみを示すことを意図されており、したがって、本開示の範囲を限定するものと見なすべきではない。図面において、同様の番号付けは図面間で同様の要素を表わす。
【００１３】
初期事項として、本開示を明確に説明するために、ガスタービン内の関連する機械構成部品に言及し説明するときに特定の専門用語を選択することが必要になる。これを行うときに、可能ならば、共通の工業用語をその受け入れられている意味と矛盾しないように使用し利用する。特に明記しない限り、そのような用語には、本願の文脈および添付の特許請求の範囲と矛盾しない広義の解釈を与えるべきである。当業者は、特定の構成部品がしばしば、いくつかの異なる用語または重複する用語を使用して言及される場合があることを理解するであろう。本明細書で単一の部品として記述されるものが、別の文脈では複数の構成部品を含み、また、複数の構成部品から構成されると言及されることがある。その代わりに、本明細書で複数の構成部品を含むと記述されるものが、別のところでは単一の部品として言及されることがある。
【００１４】
加えて、本明細書ではいくつかの説明的な用語を定常的に使用することがあり、この項の始めにこれらの用語を定義することは役立つことが分かるはずである。これらの用語およびそれらの定義は、特に明記しない限り、次の通りである。「下流」および「上流」は、本明細書で使用するとき、タービンエンジンを通る作動流体などの流体の流れ、あるいは、例えば、燃焼器を通る空気、またはタービンの構成部品システムの１つを通る冷却剤の流れに対する方向を示す用語である。用語「下流」は流体の流れの方向に相当し、用語「上流」はその流れとは反対の方向を指す。用語「前方」および「後方」は、さらに特定しなければ、方向を指しており、「前方」はエンジンの前部または圧縮機端を指し、「後方」はエンジンの後部またはタービン端を指す。中心軸線に関して異なる半径方向位置にある部品を説明することがしばしば必要になる。用語「半径方向」は、軸線に対して直角な動きまたは位置を指す。このような場合に、第１の構成部品が第２の構成部品よりも軸線に対しより近くにあるならば、本明細書では、第１の構成部品は第２の構成部品の「半径方向内側に」または「内周側に」あると述べる。他方では、第１の構成部品が第２の構成部品よりも軸線からより遠くあるならば、本明細書では、第１の構成部品は第２の構成部品の「半径方向外側に」または「外周側に」あると述べることができる。用語「軸方向」は、軸線と平行な動きまたは位置を指す。最後に、用語「周方向」は、軸線の周りの動きまたは位置を指す。このような用語を、タービンの中心軸線に関して適用することができることは理解されよう。
【００１５】
背景として、次に、図を参照すると、図１から４は、本願の実施形態を使用することができる例示的な燃焼タービンエンジンを示す。当業者は、本開示がこの特定のタイプの使用に限定されないことを理解するであろう。本開示は、発電、航空機などで使用される燃焼タービンエンジン、ならびに他のエンジンまたはターボ機械のタイプに使用することができる。提示する例は、特に明記しない限り、限定することを意味しない。
【００１６】
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、圧縮空気の流れの中で燃料を燃焼させて生じる高温ガスの加圧流からエネルギーを取り出すことによって作動する。図１に示すように、燃焼タービンエンジン１０は、下流のタービンセクションまたはタービン１３に共通のシャフトまたはロータによって機械的に結合された軸流圧縮機１１と、圧縮機１１とタービン１３との間に位置決めされた燃焼器１２とで構成することができる。
【００１７】
図２は、図１の燃焼タービンエンジンで使用す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の列に続いて圧縮機ステータブレード１５の列を含むことができる。したがって、第１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の列に続いて、作動中、静止したままの圧縮ステータブレード１５の列を含むことができる。
【００１８】
図３は、図１の燃焼タービンエンジンで使用することができる例示的なタービンセクションまたはタービン１３の部分図を示す。タービン１３は複数の段を含むことができる。３つの例示的な段を示しているが、タービン１３には、これより多い、または少ない段が存在することもできる。第１段は、作動中、シャフトの周りを回転する複数のタービンバケットまたはタービンロータブレード１６と、作動中、静止したままの複数のノズルまた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は一般に、互いに周方向に間隔を置いて配置され、回転の軸線の周りに固定される。タービンロータブレード１６は、タービンホイール（図示せず）に取り付けられて、シャフト（図示せず）の周りを回転することができる。タービン１３の第２段もまた示されている。第２段も同様に、周方向に間隔を置いて配置された複数のタービンステータブレード１７に続いて、周方向に間隔を置いて配置され、やはりタービンホイールに取り付けられて回転する複数のタービンロータブレード１６を含む。第３段もまた示されており、同様に、複数のタービンステータブレード１７およびロータブレード１６を含む。タービンステータブレード１７およびタービンロータブレード１６がタービン１３の高温ガス通路内にあることは認識されよう。高温ガスが高温ガス通路を通って流れる方向は矢印で示されている。当業者であれば、タービン１３が、図３に示した段より多い、またはいくつかの場合では、少ない段を有することができることを認識するであろう。追加の各段は、タービンステータブレード１７の列に続いてタービンロータブレード１６の列を含むことができる。
【００１９】
１つの作動例では、圧縮機ロータブレード１４が軸流圧縮機１１内で回転することによって、空気流を圧縮することができる。燃焼器１２では、圧縮空気が燃料と混合され点火されると、エネルギーを放出することができる。燃焼器１２から生じた高温ガス流は作動流体と呼ぶことができ、これは、次いで、タービンロータブレード１６上に向けられ、この作動流体の流れはタービンロータブレード１６をシャフトの周りに回転させる。これによって、作動流体の流れのエネルギーは回転ブレードの機械エネルギーに変換され、ロータブレードとシャフトとの間が接続されているので、回転シャフトが回転する。次いで、シャフトの機械エネルギーを使用して圧縮機ロータブレード１４の回転を駆動することができ、その結果、圧縮空気の必要な供給が生成され、また、例えば、発電機を駆動して電力を発生させることができる。
【００２０】
図４は、本開示の実施形態を使用することができるタイプのタービンロータブレード１６の斜視図である。タービンロータブレード１６は翼根２１を含み、ロータブレード１６はそれによってロータディスクに取り付いている。翼根２１はダブテールを含むことができ、ダブテールは、ロータディスクの周囲にある対応するダブテールスロット内に取り付くように構成される。翼根２１はさらに、ダブテールとプラットフォーム２４との間を延在するシャンクを含むことができ、プラットフォーム２４は、エーロフォイル２５と翼根２１との接合部に配置され、タービン１３を通る流路の内周側の境界の一部分を画定する。エーロフォイル２５は、作動流体の流れを捕らえてロータディスクを回転させるロータブレード１６の能動的な構成部品であることは認識されよう。この例のブレードはタービンロータブレード１６であるが、本開示はまた、タービンステータブレード１７（ベーン）を含む、タービンエンジン１０内の他のタイプのブレードにも適用することができることは認識されよう。ロータブレード１６のエーロフォイル２５は、凹状の圧力側（ＰＳ：ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｓｉｄｅ）外壁２６と、その周方向または横方向反対側の凸状の負圧側（ＳＳ：ｓｕｃｔｉｏｎ  ｓｉｄｅ）外壁２７を含み、それらは、それぞれ、反対側にある前縁２８と後縁２９との間を軸方向に延在していることが分かる。側壁２６および２７もまた、プラットフォーム２４から外周側先端３１まで半径方向に延在している。（本開示はタービンロータブレードに限定して適用されるものではなく、ステータブレード（ベーン）にも適用可能であることは認識されよう。本明細書で説明するいくつかの実施形態でのロータブレードの使用は、特に明記しない限り、例示的なものにすぎない。）
図５および６は２つの例示的な内部壁構造を示し、これらは、従来の配置を有するロータブレードエーロフォイル２５に見られるようなものである。図示のように、エーロフォイル２５の外側表面は、比較的薄い圧力側（ＰＳ）外壁２６と負圧側（ＳＳ）外壁２７とによって画定することができ、これらは、半径方向に延在して交差する複数のリブ６０を介して接続することができる。リブ６０は、エーロフォイル２５に構造的支持を与えるように構成され、一方では、半径方向に延在して実質的に分離された複数の流路４０も画定している。典型的には、リブ６０は、エーロフォイル２５の半径方向のかなり高さにわたって流路４０を仕切るように半径方向に延在するが、流路は、冷却回路を画定するようにエーロフォイルの周囲に沿って接続することができる。すなわち、流路４０は、エーロフォイル２５の外周側または内周側の縁において流体連通することができ、ならびに、それらの間に位置決めすることがあるいくつかのより小さい交差通路４４またはインピンジメント開口（図示せず）を介して流体連通することができる。このようにして、流路４０のうちのいくつかは一緒に、曲がりくねった、または蛇行した冷却回路を形成することができる。さらに、フィルム冷却口（図示せず）を設けることができ、冷却剤は、このフィルム冷却口が与える出口を通って流路４０からエーロフォイル２５の外側表面上に放出される。
【００２１】
リブ６０は２つの異なるタイプを含むことができ、これらは、これから本明細書で提示するように、さらに細分することができる。第１のタイプであるキャンバラインリブ６２は、典型的には、エーロフォイルのキャンバラインに平行、または、ほぼ平行に延在する長いリブである。キャンバラインは、前縁２８から後縁２９まで延び、圧力側外壁２６と負圧側外壁２７との間の中間点をつなぐ基準線である。多くの場合、図５および６の例示的な従来の構成は、２つのキャンバラインリブ６２、すなわち、圧力側キャンバラインリブ６３および負圧側キャンバラインリブ６４を含む。圧力側キャンバラインリブ６３は、圧力側内壁とも呼ばれ、圧力側外壁２６からずらして、かつそれに接近するように与えられ、負圧側キャンバラインリブ６４は、負圧側内壁とも呼ばれ、負圧側外壁２７からずらして、かつそれに接近するように与えられる。前述のように、これらのタイプの配置は、２つの外壁２６、２７、および２つのキャンバラインリブ６３、６４を含む４つの主な壁が広く行きわたっているので、しばしば、「四壁」構成を有すると呼ばれる。外壁２６、２７、およびキャンバラインリブ６２は、現在知られている、または今後開発される任意の技法、例えば、鋳造または付加製造を使用して一体構成部品として形成することができることは認識されよう。
【００２２】
第２のタイプのリブは、本明細書では横リブ６６と呼ばれる。横リブ６６は、四壁構成の壁と内部リブとを接続するように示されているより短いリブである。図示のように、４つの壁は、いくつかの横リブ６６によって接続することができ、横リブ６６は、それぞれがどの壁を接続するかにしたがってさらに分類することができる。圧力側外壁２６を圧力側キャンバラインリブ６３に接続する横リブ６６は、本明細書で使用するとき、圧力側横リブ６７と呼ばれる。負圧側外壁２７を負圧側キャンバラインリブ６４に接続する横リブ６６は、負圧側横リブ６８と呼ばれる。圧力側キャンバラインリブ６３を負圧側キャンバラインリブ６４に接続する横リブ６６は、中央横リブ６９と呼ばれる。最後に、圧力側外壁２６と負圧側外壁２７とを前縁２８の近くで接続する横リブ６６は、前縁横リブ７０と呼ばれる。前縁横リブ７０はまた、図５および６においては、圧力側キャンバラインリブ６３の前縁端と負圧側キャンバラインリブ６４の前縁端とを接続する。
【００２３】
前縁横リブ７０は、圧力側外壁２６と負圧側外壁２７とを結合するので、これもまた、本明細書で前縁通路４２と呼ぶ通路４０を形成する。前縁通路４２は、本明細書で説明するように、他の通路４０と同様の機能性を有することができる。図示のように、オプションとして、また、本明細書で特記するように、交差通路４４は、冷却剤が、前縁通路４２に流れる、かつ／または前縁通路４２から、直ぐ後方の中央通路４６に流れることを可能にする。交差口４４は、通路４０、４２間で半径方向に間隔を置いた関係で位置決めされた、任意の数の交差口を含むことができる。
【００２４】
概して、エーロフォイル２５のすべての内部構成の目的は、効率的な壁近傍冷却を提供することであり、ここでは、冷却空気はエーロフォイル２５の外壁２６、２７に近接するチャネル内を流れる。冷却空気がエーロフォイルの高温の外側表面に極めて近接しており、かつ、狭いチャネルを通るように流れを制限することによって達成される高流速により、得られる熱伝達係数が高いので、壁近傍冷却は有利であることは認識されよう。しかしながら、このような配置は、エーロフォイル２５内で生じる熱膨張のレベルが異なることによって、低サイクル疲労を受けやすく、最終的にロータブレードの寿命を短くする場合がある。例えば、作動時、負圧側外壁２７は、負圧側キャンバラインリブ６４よりも大きく熱膨張する。この膨張差はエーロフォイル２５のキャンバラインの長さを延ばそうとし、それによって、これらの構造体のそれぞれの間に、およびそれらを接続する構造体の間に応力が生じる。加えて、圧力側外壁２６もまた、より低温の圧力側キャンバラインリブ６３より大きく熱膨張する。この場合、この差はエーロフォイル２５のキャンバラインの長さを縮めようとし、それによって、これらの構造体のそれぞれの間に、ならびにそれらを接続する構造体の間に応力が生じる。一方では、エーロフォイルキャンバラインを縮めようとし、他方では、延ばそうとする、エーロフォイル内のこの反対の力は、応力集中をもたらす可能性がある。エーロフォイルの特定の構造の構成が与えられると、これらの力が現れる様々な形態、および力がその後つり合って補償される態様は、ロータブレード１６の部品の寿命の重要な決定的要因になる。
【００２５】
より詳細には、共通するシナリオでは、負圧側外壁２７は、高温ガス通路の高温に曝されて熱膨張させられるので、その湾曲の頂点で外側に撓もうとする。負圧側キャンバラインリブ６４は内部壁であり、同じレベルの熱膨張を受けず、したがって、同じようには外側に撓もうとしないことは認識されよう。すなわち、キャンバラインリブ６４および横リブ６６、ならびにそれらの接続点は、外壁２７の熱膨張に抵抗する。
【００２６】
一例を図５に示している従来の配置は、伸展性が小さい、または伸展性がない曲がりにくい幾何形状で形成されたキャンバラインリブ６２を有する。それから生じる抵抗および応力集中は大きい可能性がある。この問題を悪化させるのは、キャンバラインリブ６２を外壁２７に接続するために使用される横リブ６６が、直線状の形状で形成され、概ね、接続する壁に対して直角の配向されることである。このような場合、横リブ６６は、加熱された構造体がかなり異なる速度で膨張するとき、外壁２７とキャンバラインリブ６４との間の「冷態時の」空間的関係を、基本的にしっかりと保持するように働く。「弾性」がほとんどない、または全くないこの状態は、構造体の特定の領域に集中する応力を緩和することを妨げる。熱膨張差は、構成部品の寿命を短縮する低サイクル疲労の問題を結果としてもたらす。
【００２７】
多くの様々なエーロフォイルの内部冷却システムおよびリブ構成が過去に評価され、この問題を是正するための試みがなされてきた。そのような手法の１つは、外壁２６、２７を過剰冷却して、温度差を小さくし、それによって熱膨張差を小さくすることを提案している。しかしながら、これを典型的に行う方法は、エーロフォイルを通って循環する冷却剤の量を増やすことであることは認識されよう。冷却剤は、典型的には、圧縮機からの抽気であるので、その使用を増やすと、エンジンの効率に悪い影響を与え、したがって、この解決策は避けるのが好ましい。他の解決策は、改良された製造方法、および／または、より複雑な内部冷却構造を使用して、同じ量の冷却剤をより効率的に使用することを提案している。これらの解決策はいくらか効果的であることが証明されているが、それぞれ、エンジンの運転または部品の製造のいずれかに追加のコストをもたらし、また、作動中のエーロフォイルの熱膨張の仕方の観点から、従来の配置の幾何形状の欠点である根本問題に直接何も対処しない。別の手法は、図６の一例に示すように、特定の湾曲した、気泡状の、正弦波状の、または波状の内部リブ（以下、「波状リブ」）を使用して、タービンブレードなどのブレードのエーロフォイルにしばしば生じるアンバランスな熱応力を緩和する。これらの構造体はエーロフォイル２５の内部構造の剛性を下げて、目標とする可撓性を与える。この可撓性によって、応力集中は分散され、歪は、歪によりよく耐えることができる他の構造領域に移される。これは、例えば、歪をより大きい面積にわたって拡散する領域に応力を移動させること、または、おそらく、通常はより好ましい、圧縮荷重に対して引張応力をなくす構造を含むことができる。このようにして、寿命を短縮する応力集中および歪を回避することができる。波形プロファイルのリブ構成の実装に伴う課題は、エーロフォイル２５の全寿命での機械的耐久性も与えるリブの最適な曲率を特定することを含む。現状の手法は、リブの曲線をモデル化し、冷却効率を分析し、次いで、モデルを修正することを繰り返すことを含み、これは、時間と費用がかかる。
【００２８】
本開示の実施形態によれば、内部リブは、所望の冷却効率および機械的耐久性に対してリブの曲率を最適化するように、そのいくつかの物理的特徴にしたがって構成される。本明細書で説明する特性を有する内部リブは、冷却および機械的寿命の要求に合致する所望のリブおよび通路形状を生成しながら、設計および製図のサイクル時間を大きく削減する。
【００２９】
図７は、本開示の実施形態による内部リブ１６０の概略図を示す。内部リブ１６０は、凹状の圧力側外壁２６または凸状の負圧側外壁２７内に冷却剤の流れを受け入れるための半径方向に延在するチャンバを仕切る、本明細書で説明した任意のリブ（例えば、６０、６２、６６など）とすることができる。説明したように、外壁２６、２７は前縁２８（図５〜６）および後縁２９（図５〜６）に沿って接続する。内部リブ１６０は、半径方向に延在するチャンバを、所定の断面積を有する通路４０（例えば、図６）に仕切る。各通路１４０の断面積は、現在知られている、または今後開発される任意の方法で決定することができる。例えば、外壁２６、２７の長さは、特定のエーロフォイル２５に対して特定することができ、各壁に沿って設けられる通路１４０の数は、例えば、４〜７つに選ぶことができる。加えて、各通路１４０の位置で必要な熱伝達を与えるように望まれる、通路を（紙面の中に、または紙面から外に）通る冷却剤の体積流量が従来の方法で計算されて、各通路１４０に対して望まれる所定断面積を得ることができる。
【００３０】
リブ１６０は、圧力側外壁２６および負圧側外壁２７のうちの選択された一方に面する凹面１６２を含む。本開示の実施形態によれば、凹面１６２は、通路１４０の所望の所定断面積およびリブ１６０の耐久性を確保するように画定される。より詳細には、凹面１６２は、所定の断面積の通路１４０を形成するリブ１６０が耐久性を確保するように設定されたいくつかの物理的属性または特性を有する。凹面１６２の形状は、圧力側外壁２６に適用するか負圧側外壁２７に適用するかに関わらず、同じように本開示の実施形態にしたがって配置されるので、図７では、外壁は、外壁２６、２７としてまとめて示されている。
【００３１】
初期事項として、本実施形態を明確に説明するため、凹面１６２の物理的属性に言及し説明するときに特定の専門用語を選択することが必要になる。このために、以下の定義が凹面１６２に関して適用される。「幅」Ｗは、凹面１６２の第１の端部１７０と、凹面１６２の対向する第２の端部１７２との間の距離として定義される。「第１の端部」１７０および「対向する第２の端部」１７２は、見る人の視点によって、前縁２８、または後縁２９に最も近い凹面１６２上のそれぞれの点として定めることができる。すなわち、凹面１６２の第１の端部１７０は、前縁２８（図６）および後縁２９（図６）のうちの一方に最も近い凹面１６２上の点１７４として定められ、凹面１６２の対向する第２の端部１７２は、前縁２８（図６）および後縁２９（図６）のうちの他方に最も近い凹面１６２上の点１７６として定められる。これらの点１７４、１７６は、本明細書で説明するように定められた、凹面１６２が終わる位置で、別の曲率に移行する位置とすることができる。すなわち、表面が、異なる半径などで凸状に壁２６、２７の方へ延在するのに十分転向した位置とすることができるが、これは、すべての例で当てはまるものではない。「奥行」Ｄは、第１の端部１７０と対向する第２の端部１７２との間の凹面１６２の中間点Ｍと、奥行線ＤＬと圧力側外壁２６および負圧側外壁２７のうちの選択された一方との交点ＩＰとの間を延在する奥行線ＤＬの長さとして定義される。奥行線ＤＬは、交点ＩＰにおいて、圧力側外壁２６および負圧側外壁２７のうちの選択された一方と直角である。「アスペクト比」は、奥行Ｄで割った幅Ｗとして定義される。
【００３２】
凹面１６２は変則的な弧を含み、それは一様な曲率半径を有しない弧である。本開示の実施形態では、弧の角度αは、交点ＩＰを中心とする。特定のエーロフォイル２５（図６）では、弧の角度αを選択して保つことができる。一実施形態では、弧の角度αは、６０度より小さくせず、かつ１２０度より大きくしないことができ、いかなる場合も奥行線ＤＬを中心とする。図示の例では、弧の角度αはほぼ９０度である。別の例では、弧の角度αはほぼ４５度とすることができる。凹面１６２の変則的な弧は、一態様では、凹面１６２の中間点Ｍにおける奥行Ｄに相当する第１の弧の半径Ｒ１を有するように画定される。別の態様では、変則的な弧は、弧の角度αで凹面１６２と交差する第２の弧の半径Ｒ２を有する。第２の弧の半径Ｒ２は、奥行Ｄと形状係数ＳＦとの積に相当する。
【００３３】
本開示の実施形態によれば、形状係数ＳＦは、アスペクト比とは実質的に線形の関係を有する。このやり方では、通路１４０のアスペクト比が増大すると、すなわち、より浅くなり（奥行Ｄが減少し）、より幅広くなると（幅Ｄが増大すると）、形状係数ＳＦもまた増大して、凹面１６２の変則的な弧の広がりを増大させる。凹面１６２の変則的な弧の広がりが増大すると、リブ１６０は、その中心で丸みが少なくなり、第２の弧の半径Ｒ２で、すなわち、弧の角度αが凹面１６２に交差するところで丸みが増えるため、リブ１６０はより大きな可撓性、したがって耐久性を有することになる。一方、幅Ｗ、奥行Ｄ、形状係数ＳＦ、および弧の角度αは、所望の熱伝達を保つ所定の断面積を通路１４０に与えるように構成される。すなわち、幅Ｗ、奥行Ｄ、形状係数ＳＦ、および弧の角度αは、例えば、従来の繰り返しプロセスで選択されて、本明細書で説明するような形状の凹面１６２を使って所定の断面積を与えることができる。
【００３４】
実質的に線形の関係によって、アスペクト比は、形状係数ＳＦと傾きとの積と、ｙ切片との和として定めることができる。一実施形態では、傾きはほぼ＋３．２９で、ｙ切片は、±０．５の範囲をもって−１．３９、すなわち、ｙ切片は−０．８９から−１．８９の範囲とすることができる。このように、修飾語「実質的に」は、示された範囲によって与えられるものとして定義される。図８は、形状係数（ＳＦ）に対するアスペクト比（ＡＲ）の１つの例示的な関係のグラフを示す。アスペクト比はＹ軸で、形状係数はＸ軸である。ここでは、ベストフィット線（中心線）は、傾きが＋３．２９でｙ切片は−１．３９となっている。最も上の線では、ｙ切片は−０．８９で、最も下の線では、ｙ切片は−１．８９であり、したがって、ｙ切片に関して、実質的に線形の関係はいくらかの変動することを示す。
【００３５】
エーロフォイル２５内の各通路１４０は、本明細書で画定されるような凹面１６２を有することができるが、外壁２６、２７、および所望の熱伝達に対して望まれる通路１４０の数によって、すなわち所定の望まれる断面積によって決定される幅Ｗは異なる。一旦、凹面１６２が画定されると、凹面１６２から外壁２６、２７までの曲線は、現在知られている、または今後開発される任意の解決策を用いて画定することができる。
【００３６】
本開示の実施形態は内部リブ１６０の形状を標準化し、その結果、短い設計サイクル時間で、所望の熱伝達および耐久性を有するように最適化された通路が実装される。本明細書で説明したような内部リブ１６０の構成は、仕上げられた実際のリブ、または鋳物用中子に適用できる場合がある。
【００３７】
本明細書で使用する用語は、特定の実施形態を説明する目的のためだけであり、本開示を限定することを意図したものではない。単数形「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」は、本明細書で使用するとき、文脈においてそうでないこと明示しない限り、複数形も含むことを意図される。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、本明細書で使用するとき、述べられた特徴、完全体、ステップ、動作、要素、および／または構成要素が存在することを特定するが、１つまたは複数の他の特徴、完全体、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらのグループが存在すること、あるいはそれらが付加されることを排除しないことはさらに理解されよう。「任意の（ｏｐｔｉｏｎａｌ）」または「任意には（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）」は、それに続いて記述される事象または状況は起こる場合も起こらない場合もあるが、この記述は、この事象が起こる場合と起こらない場合とを含むことを意味する。
【００３８】
本明細書および特許請求の範囲を通じてここで用いるとき、近似表現は、関連する基本的機能に変化を生じさせることなく変化することが許容される任意の量的表示を修飾するために適用することができる。したがって、「約（ａｂｏｕｔ）」、「ほぼ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」、および「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」などの用語で修飾された値は、その特定された正確な値には限定されない。少なくともいくつかの場合には、近似表現はその値を測定するための機器の精度に対応することがある。ここで、および本明細書および特許請求の範囲を通して、範囲の限定は、組み合わせることができ、かつ／または交換することができ、このような範囲は、文脈または表現がそうでないことを示さない限り、そこに含まれるすべての部分範囲として特定され、かつすべての部分範囲を含む。「ほぼ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」は、ある範囲の特定の値に適用されるとき、両方の値に適用され、その値を測定する機器の精度に依存しない限り、述べられた値の±１０％を示すことができる。
【００３９】
以下の特許請求の範囲のすべてのミーンズまたはステッププラスファンクション要素の対応する構造、材料、行為、および均等物は、具体的に特許請求する他の特許請求された要素と組み合わせて機能を実行するための任意の構造、材料、または行為を含むことが意図されている。本開示の説明は、例示および説明の目的のために提示したが、網羅的であることを意図せず、または開示した形態に本開示を限定することは意図していない。本開示の範囲および趣旨から逸脱することなく、多くの修正および変形を行うことができることは当業者には明らかであろう。実施形態は、本開示の原理および実際的な用途を最もよく説明するため、また企図される特定の用途に適したような様々な修正と共に様々な実施形態に関して当業者が本開示を理解することを可能とするために、選択され、説明された。
【００４０】
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
前縁（２８）および後縁（２９）に沿って接続する凹状の圧力側外壁（２６、２７）および凸状の負圧側外壁（２６、２７）内に冷却剤の流れを受け入れるための半径方向に延在するチャンバを、所定の断面積を有する通路（４０）に仕切る、ブレードエーロフォイル（２５）用の内部リブ（１６０）であって、
前記凹面（１６２）の第１の端部（１７０）と前記凹面（１６２）の対向する第２の端部（１７２）との間の幅、および、前記第１の端部（１７０）と前記対向する第２の端部（１７２）との間の前記凹面（１６２）の中間点と、奥行線と前記圧力側外壁（２６、２７）および前記負圧側外壁（２６、２７）のうちの選択された一方との交点との間を延在する前記奥行線の長さとして定義される奥行と、
前記奥行で割った前記幅として定義されるアスペクト比と、
前記交点を中心とする弧の角度内に画定され、前記凹面（１６２）の前記中間点における前記奥行に相当する第１の弧の半径、および前記弧の角度で前記凹面（１６２）と交差する、前記奥行と形状係数との積に相当する第２の弧の半径を有する変則的な弧であって、前記形状係数が前記アスペクト比と実質的に線形の関係を有する、変則的な弧と
によって画定された、前記圧力側外壁（２６、２７）または前記負圧側外壁（２６、２７）のうちの前記選択された一方に面する凹面（１６２）であって、
前記幅、前記奥行、前記形状係数、および前記弧の角度が、前記通路（４０）に前記所定の断面積を与えるように構成された、凹面（１６２）を備える内部リブ（１６０）。
［実施態様２］
前記弧の角度が、６０度より小さくなく、かつ１２０度より大きくなく延在し、前記凹面（１６２）の前記中間点を中心とする、実施態様１に記載の内部リブ（１６０）。
［実施態様３］
前記凹面（１６２）の前記第１の端部（１７０）が、前記前縁（２８）または前記後縁（２９）のうちの一方に最も近い前記凹面（１６２）上の点（１７４、１７６）として定められ、前記凹面（１６２）の前記対向する第２の端部（１７２）が、前記前縁（２８）または前記後縁（２９）のうちの他方に最も近い前記凹面（１６２）上の点（１７４、１７６）として定められる、実施態様１に記載の内部リブ（１６０）。
［実施態様４］
前記アスペクト比が、前記形状係数と傾きとの積と、ｙ切片との和として定義され、前記傾きがほぼ＋３．２９で、前記ｙ切片が−０．８９から−１．８９の範囲にある、実施態様１に記載の内部リブ（１６０）。
［実施態様５］
前縁（２８）および後縁（２９）に沿って接続する凹状の圧力側外壁（２６、２７）および凸状の負圧側外壁（２６、２７）内に冷却剤の流れを受け入れるための半径方向に延在するチャンバを、所定の断面積を有する通路（４０）に仕切る、ブレードエーロフォイル（２５）用の内部リブ（１６０）であって、
前記凹面（１６２）の第１の端部（１７０）と前記凹面（１６２）の対向する第２の端部（１７２）との間の幅、および、前記第１の端部（１７０）と前記対向する第２の端部（１７２）との間の前記凹面（１６２）の中間点と、奥行線と前記圧力側外壁（２６、２７）および前記負圧側外壁（２６、２７）のうちの選択された一方との交点との間を延在する前記奥行線の長さとして定義される奥行と、
前記奥行で割った前記幅として定義されるアスペクト比と、
前記交点を中心とする弧の角度内に画定され、前記凹面（１６２）の前記中間点における前記奥行に相当する第１の弧の半径、および前記弧の角度で前記凹面（１６２）と交差する、前記奥行と形状係数との積に相当する第２の弧の半径を有する変則的な弧であって、前記形状係数が前記アスペクト比と実質的に線形の関係を有し、前記弧の角度が、６０度より小さくなく、かつ１２０度より大きくなく延在し、前記凹面（１６２）の前記中間点を中心とする、変則的な弧と
によって画定される、前記圧力側外壁（２６、２７）または前記負圧側外壁（２６、２７）のうちの前記選択された一方に面する凹面（１６２）であって、
前記アスペクト比が、前記形状係数と傾きとの積と、ｙ切片との和として定義され、前記傾きがほぼ＋３．２９で、前記ｙ切片が−０．８９から−１．８９の範囲にあり、
前記幅、前記奥行、前記形状係数、および前記弧の角度が、前記通路（４０）に前記所定の断面積を与えるように構成された、凹面（１６２）を備える内部リブ（１６０）。
［実施態様６］
前記凹面（１６２）の前記第１の端部（１７０）が、前記前縁（２８）および前記後縁（２９）のうちの一方に最も近い前記凹面（１６２）上の点（１７４、１７６）として定められ、前記凹面（１６２）の前記対向する第２の端部（１７２）が、前記前縁（２８）または前記後縁（２９）のうちの他方に最も近い前記凹面（１６２）上の点（１７４、１７６）として定められる、実施態様５に記載の内部リブ（１６０）。
【符号の説明】
【００４１】
１０  燃焼タービンエンジン
１１  軸流圧縮機
１２  燃焼器
１３  タービン
１４  圧縮機ロータブレード
１５  圧縮機ステータブレード
１６  タービンロータブレード
１７  タービンステータブレード
２１  翼根
２４  プラットフォーム
２５  エーロフォイル
２６  側壁／外壁
２７  側壁／外壁
２８  前縁
２９  後縁
３１  外周側先端
４０  通路
４２  通路
４４  交差通路
４６  後方の中央通路
６０  リブ
６２  キャンバラインリブ
６３  キャンバラインリブ
６４  キャンバラインリブ
６６  横リブ
６７  横リブ
６８  横リブ
６９  横リブ
７０  縁横リブ
１４０  通路
１６０  内部リブ
１６２  凹面
１７０  第１の端部
１７２  第２の端部
１７４  点
１７６  点
【図１】
2017203455.tif 000003
【図２】
2017203455.tif 000004
【図３】
2017203455.tif 000005
【図４】
2017203455.tif 000006
【図５】
2017203455.tif 000007
【図６】
2017203455.tif 000008
【図７】
2017203455.tif 000009
【図８】
2017203455.tif 000010
【外国語明細書】
2017203455000001.pdf