(57)【要約】      （修正有）【課題】空力及び冷却性能を向上させるロータブレードの先端構造を提供する。【解決手段】ガスタービンシステムのタービンのためのロータブレードは、外周を定める正圧側壁２６及び負圧側壁２７を含む翼形部２５を備え、翼形部の正圧側壁２６及び負圧側壁２７が、前縁２８及び後縁２９に沿って接続され、ロータブレードが更に、翼形部２５の外側半径方向端部を定めて、外寄りに突出するレール５３が先端キャビティを定めるキャップ５１を含む先端と、レールの後方セクションを通って形成されるレールギャップ９０と、を備える。【選択図】図１１
2017048789.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンシステム（１０）のタービン（１２）のためのロータブレード（１６）であって、該ロータブレードが、外周を定める正圧側壁（２６）及び負圧側壁（２７）を含む翼形部（２５）を備え、
前記翼形部の正圧側壁及び負圧側壁が、前縁（２８）及び後縁（２９）に沿って接続され、根元（２１）と先端（５０）の間を半径方向に延びており、前記先端が前記翼形部の外側半径方向端部を定め、該先端は、外寄りに突出するレール（５３）が先端キャビティ（５２）を定めるキャップ（５１）を含み、前記翼形部が、該翼形部の先端付近に位置付けられるウィングレット（８０）を含み、前記レールの後方セクションを通ってレールギャップ（９０）が形成される、ロータブレード（１６）。
【請求項２】
前記レールが、前記翼形部の正圧側壁及び負圧側壁にそれぞれ対応する正圧レール（５４）と負圧レール（５５）とを含み、前記ウィングレットが、前記負圧側壁上に形成され、前記レールギャップが、前記負圧レールを通って形成される、請求項１に記載のロータブレード（１６）。
【請求項３】
前記負圧レールが、前記翼形部の前縁付近の位置と、前記翼形部の後縁から所定距離だけ離れた位置との間で延びる切頂レール（５５）を含み、前記所定距離が、前記レールギャップの幅に相当し、前記正圧レールが、前記翼形部の前縁付近の位置と前記翼形部の後縁付近の位置との間で連続的に延びる非切頂レール（５４）を含み、前記ウィングレットは、前記負圧側壁が半径方向に対して外向きに角度が付けられた翼形部の半径方向セクションを含む、請求項２に記載のロータブレード（１６）。
【請求項４】
前記負圧レールが、前記翼形部の前縁の位置と、前記翼形部の後縁から所定距離だけ離れた位置との間で延びる切頂レール（５５）を含み、前記所定距離が、前記レールギャップの幅に相当し、前記正圧レールが、前記翼形部の前縁の位置と前記翼形部の後縁の位置との間で連続的に延びる非切頂レール（５４）を含み、前記ウィングレットは、前記負圧側壁が半径方向に対して外向きに角度が付けられた翼形部の半径方向セクションを含む、請求項２に記載のロータブレード（１６）。
【請求項５】
前記負圧レール及び前記正圧レールが前記翼形部の前縁にて接続され、前記ウィングレットは、前記先端キャビティが前記キャップと前記レールの外寄り半径方向面との間で外寄り方向に延びるときに前記先端キャビティが拡大するように構成され、前記レールギャップが、前方境界（９２）と後方境界（９３）との間に定められ、
前記レールギャップの前方境界が、前記切頂負圧レールの後端を含み、前記レールギャップの後方境界が、前記非切頂正圧レールの後端を含む、請求項４に記載のロータブレード（１６）。
【請求項６】
前記正圧レールが、前記正圧側壁の輪郭とほぼ一致する経路に沿って前記翼形部の前縁から後方に延び、前記負圧レールが、前記負圧側壁の輪郭とほぼ一致する経路に沿って前記翼形部の前縁から後方に延びる、請求項５に記載のロータブレード（１６）。
【請求項７】
前記キャップが、軸方向及び円周方向に延びて、前記負圧側壁の外側半径方向縁部を前記正圧側壁の外側半径方向縁部に接続するように構成され、前記レールは、前記キャップの外周に配置される、請求項６に記載のロータブレード（１６）。
【請求項８】
前記翼形部を貫通して定められる冷却通路（３６）と、
前記冷却通路と流体連通し、前記キャップ、前記翼形部の正圧側壁、及び負圧側壁のうちの少なくとも１つを通って配置される出口ポート（３５）と、
を更に備える、請求項７に記載のロータブレード（１６）。
【請求項９】
前記冷却通路が、作動中に前記翼形部の内部を通って冷却剤を循環させるように構成され、前記冷却通路は、前記ロータブレードの根元を通って形成された接続チャンネルと、前記出口ポートの各々との接続部との間で半径方向に延び、前記先端がスクイーラ先端を含む、請求項８に記載のロータブレード（１６）。
【請求項１０】
前記キャップが、前記先端キャビティのフロアを形成し、前記キャップが、該キャップ上に形成された前記先端キャビティ内に排出される冷却剤を配向するよう前記キャップの厚さを貫通して形成される複数の出口ポート（３５）を含む、請求項８に記載のロータブレード（１６）。
【請求項１１】
前記レールが、内向きに面し且つ前記先端キャビティを定める内側レール面（５６）と、外向きに面するように前記内側レール面に対向する外側レール面（５７）と、外寄り方向に面する外寄りレール面（５８）と、を含み、
前記レールギャップが、
前記レールの厚さを貫通して、前記外側レール面上に形成された開口から前記内側レール面上に形成された開口まで延びるギャップと、
前記先端キャップの外寄り面にほぼ同一平面上にある内寄り境界から半径方向に延びるギャップと、
を含む、請求項５に記載のロータブレード（１６）。
【請求項１２】
前記レールギャップが、前記負圧レールから切頂されたセクションを含む、請求項２に記載のロータブレード（１６）。
【請求項１３】
前記負圧レールから切頂されたセクションが、前記負圧レールの翼弦方向長さの０％〜４０％を含む、請求項１２に記載のロータブレード（１６）。
【請求項１４】
前記負圧レールから切頂されたセクションが、前記負圧レールの翼弦方向長さの１０％〜３０％を含む、請求項１２に記載のロータブレード（１６）。
【請求項１５】
前記負圧レールから切頂されたセクションが、翼弦方向長さの約２０％を含む、請求項１２に記載のロータブレード（１６）。
【請求項１６】
前記ウィングレットが、前記負圧側壁が前記半径方向に対して外向きに角度を付けられた前記翼形部の半径方向セクションを含む、請求項１４に記載のロータブレード（１６）。
【請求項１７】
前記ウィングレットが、前記翼形部の側壁の外向きに広がった半径方向セクションを含み、該半径方向セクションにおいて相対的に小さな外周を有する内寄り境界（８３）が相対的に大きな外周を有する外寄り境界（８４）に移行し、前記ウィングレットが、前記半径方向セクションの前記内寄り境界と前記外寄り境界との間に凹面状の曲線輪郭を含む、請求項１６に記載のロータブレード（１６）。
【請求項１８】
前記ウィングレットの半径方向セクションが、前記負圧レールの半径方向高さとほぼ一致し、これにより前記ウィングレットの内寄り境界が前記キャップとほぼ同一平面上にあり、前記ウィングレットの外寄り境界が前記負圧レールの外寄りレール面とほぼ同一平面上にあるようになる、請求項１６に記載のロータブレード（１６）。
【請求項１９】
前記ウィングレットが前端と後端との間に延び、前記ウィングレットの前端が、前記前縁から翼弦方向距離の約２０％〜４０％に位置付けられ、前記後端が、前記前縁から翼弦方向距離の約７０％〜９０％に位置付けられ、前記ウィングレットの後端が前記レールギャップの前方境界を含む、請求項１６に記載のロータブレード（１６）。
【請求項２０】
タービン（１２）の中心軸線の周りに列を成して配列されたロータブレード（１６）を有する燃焼タービンエンジンであって、
前記ロータブレードの各々が、
外周を定める正圧側壁（２６）及び負圧側壁（２７）を含む翼形部（２５）を備え、
前記翼形部の正圧側壁及び負圧側壁が、前縁（２８）及び後縁（２９）に沿って接続され、根元（２１）と先端（５０）の間を半径方向に延びており、前記先端が前記翼形部の外側半径方向端部を定め、該先端は、外寄りに突出するレール（５３）が先端キャビティ（５２）を定めるキャップ（５１）を含み、前記レールが、前記翼形部の正圧側壁及び負圧側壁にそれぞれ対応する正圧レール（５４）と負圧レール（５５）とを含み、
前記ロータブレードの各々が更に、
翼形部の先端付近に位置付けられ且つ前記負圧側壁上に形成されたウィングレット（８０）と、
前記負圧レールの後方セクションを通って形成されるレールギャップ（９０）と、
を含み、前記レールギャップが前記負圧レールから切頂されたセクションを有し、該セクションが、前記負圧レールの翼弦方向長さの１０％〜３０％を含む、燃焼タービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、全体的に、ロータブレードの先端の設計に関する。より具体的には、限定ではないが、本出願は、空力及び冷却性能を向上させるロータブレードの先端構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンにおいて、空気は、圧縮機において加圧され、該空気を用いて燃焼器において燃料を燃焼し、高温の燃焼ガスの流れを生成し、その結果、このようなガスは、１又はそれ以上のタービンを通って下流側に流れ、そこからエネルギーを抽出することができることは周知である。このようなタービンによれば、一般に、円周方向に離間したロータブレードの列は、支持ロータディスクから半径方向外向きに延びる。各ブレードは通常、ロータディスクに形成された対応するスロットにおけるブレードの組み立て及び分解を可能にする根元と、半径方向外向き方向で根元から離れて延びる翼形部と、を含む。翼形部は、略凹面状の正圧側面と、略凸面状の負圧側面とを有し、これらは、対応する前縁及び後縁間で軸方向に且つ根元と先端間で半径方向に延びる。ブレード先端は、タービンブレード間で下流側に流れる燃焼ガスのこれらの間の漏洩を最小限にするため半径方向外側タービンシュラウドに狭間隔で配置されることは理解されるであろう。エンジンの最大効率は、漏洩が阻止されるように先端クリアランス又はギャップを最小限にすることによって得られるが、この方式は、ロータブレードとタービンシュラウドとの間の熱的及び機械的膨張及び収縮率が異なることにより、及び作動中のシュラウドに対する過剰な先端摩擦を有する望ましくない状況を避けようとする目的で、幾分制限される。
【０００３】
タービンブレードが高温燃焼ガスに浸されていることに起因して、有効部品寿命を確保するために効果的な冷却が必要となる。通常、ブレード翼形部は、中空であり、圧縮機と流れ連通して配置され、そこから抽気される加圧空気の一部が受けられて、翼形部の冷却に使用されるようになる。ロータブレードの特定の領域における翼形部冷却は、極めて複雑なものであり、様々な形態の内部冷却チャンネル及び特徴要素、並びに冷却空気を排出する翼形部の外壁を貫通した冷却出口を用いて利用することができる。それでもなお、翼形部先端は、タービンシュラウドに直近に配置され、先端ギャップを通って流れる高温燃焼ガスによって加熱されるので、冷却が特に困難である。従って、ブレードの翼形部内部に送られる空気の一部は、通常、その冷却のため先端を通って排出される。
【０００４】
従来のブレード先端設計は、幾つかの異なる幾何形状及び構成を含み、これは、漏洩の阻止及び冷却効果の向上、並びに空力性能の改善及び混合損失の低減を意図していることは理解されるであろう。しかしながら、従来のブレード先端冷却設計、特に「スクイーラ先端」設計を有するものは、圧縮機バイパス空気の不十分な使用を含む、特定の欠点があり、プラント効率の低下となる。結果として、この領域に向けられる冷却剤の全体の有効性を向上させる改善されたタービンブレード先端設計が、大変望ましいことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，９２３，６２３号明細書
【発明の概要】
【０００６】
従って、本出願は、ガスタービンシステムのタービンのためのロータブレードを記載している。ロータブレードは、外周を定める正圧側壁及び負圧側壁を含む翼形部を備え、翼形部の正圧側壁及び負圧側壁が、前縁及び後縁に沿って接続され、該ロータブレードが更に、翼形部の外側半径方向端部を定めて、外寄りに突出するレールが先端キャビティを定めるキャップを含む先端と、レールの後方セクションを通って形成されるレールギャップと、を備えることができる。
【０００７】
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。
【０００８】
本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【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ガスタービンの概略図。
【図２】図１のガスタービンの圧縮機セクションの断面図。
【図３】図１のガスタービンのタービンセクションの断面図。
【図４】ロータ、タービンブレード、及び固定シュラウドを含む例示的なロータブレード組立体の斜視図。
【図５】図４のロータブレードの斜視図。
【図６】図４のロータブレードのスクイーラ先端の拡大斜視図。
【図７】図４のロータブレードのスクイーラ先端の代替の斜視図。
【図８】図７の線８−８に沿った断面図。
【図９】本発明の特定の態様に対応するウィングレットを含むタービンロータブレードの側面図。
【図１０】図９のウィングレットの上面図。
【図１１】本発明の例示的な実施形態によるブレード先端構成の斜視図。
【図１２】本発明の代替の実施形態による、ブレード先端構成の斜視図。
【図１３】本発明の代替の実施形態による、ブレード先端構成の斜視図。
【図１４】本発明の代替の実施形態による、ブレード先端構成の斜視図。
【図１５】本発明の代替の実施形態による、ブレード先端構成の斜視図。
【図１６】本発明の代替の実施形態による、ブレード先端構成の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。
【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。本明細書で記載される範囲及び限度は、別途記載のない限り、その限度自体を含めて規定の限度内にある部分範囲を含む点を理解されたい。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、参照され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、特定のタイプのガスタービン又は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】
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。従って、これらの用語の各々は、機械の長手方向軸線に沿った移動又は相対位置を指すのに用いることができる。「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。理解されるように、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特定の導管を通ることが予想される流れに対する方向を基準としている。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端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端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。
【００１３】
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、圧縮機吐出空気は通常、燃焼器の後端（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。更に別の関連では、冷却チャンネル又は通路を通る冷却材の流れは、同様にして処理することができる。
【００１４】
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。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。
【００１５】
最後に、用語「ロータブレード」は、特に別途指定のない限り、圧縮機ロータブレード及びタービンロータブレードの両方を含む圧縮機又はタービンの何れかの回転ブレードを指す。用語「ステータブレード」は、特に別途指定のない限り、圧縮機ステータブレード及びタービンステータブレードの両方を含む圧縮機又はタービンの何れかの固定ブレードを指す。用語「ブレード」は、本明細書では、何れのブレードを指すのにも使用されることになる。従って、特に別途指定のない限り、用語「ブレード」は、圧縮機ロータブレード、圧縮機ステータブレード、タービンロータブレード及びタービンステータブレードを含む、全てのタイプのタービンエンジンブレードを包含する。
【００１６】
背景として、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ガスタービンを示している。本発明は、このタイプの用途に限定されないことは、当業者には理解されるであろう。本発明は、発電及び航空機で使用されるエンジンのようなガスタービン、蒸気タービンエンジン、及び他のタイプの回転エンジンで用いることができる。従って、別途記載のない限り、提供される実施例は、特定のタイプのタービンエンジンに限定されることを意味するものではない。従って、別途記載のない限り、提供される実施例は、特定のタイプのタービンエンジンに限定されることを意味するものではない。図１は、ガスタービンシステム１０の概略断面図である。一般に、ガスタービンシステムは、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取り出すことにより作動する。図１に例示されるように、ガスタービンシステム１０は、共通のシャフト又はロータによって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る軸流圧縮機１１と、圧縮機１１とタービン１２との間に位置付けられる燃焼器１３と、を含むことができる。図１に例示されるように、ガスタービンシステム１０は、共通の中心軸線１８の周りに形成することができる。
【００１７】
図２は、図１のガスタービンシステム１０で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、各段は、圧縮機ロータブレード１４の列と、その後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段は、中心シャフトの周りに回転する圧縮機ロータブレード１４の列と、その後に、作動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。図３は、図１のガスタービンシステム１０で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つの例示的な段が図示されているが、より多くの段又はより少ない段がタービン１２に存在することができる。第１段は、作動中にシャフトの周りに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、作動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、一般に、互いに円周方向に離間して配置され、回転軸線の周りに固定される。タービンロータブレード１６は、中心シャフト（図示せず）の周りに回転するようロータホイールディスク（図示せず）上に装着することができる。タービン１２の第２段及び第３段もまた図示されている。これらの各々はまた、複数の円周方向に離間して配置されたタービンステータブレード１７と、その後に、中心シャフトに接続するためロータディスク上に同様に装着された複数の円周方向に離間して配置されたタービンロータブレード１６と、を含むことができる。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は、矢印で示されている。当業者であれば理解されるように、タービン１２は、図３に示したものよりも多い又は少ない段を有することができる。
【００１８】
作動の１つの実施例において、軸流圧縮機１１内のロータブレードの回転により、空気流が圧縮される。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が放出される。次いで、燃焼器１３から結果として生じる高温ガスの流れ（作動流体と呼ぶことができる）は、タービンロータブレード１６にわたって配向され、これにより作動流体の流れがシャフトの周りのロータブレード１６の回転を引き起こす。このようにして、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との間が連結されていることを前提として）の機械的エネルギーに変換することができる。次いで、このシャフトの機械的エネルギーを用いて、圧縮機ロータブレードの回転を引き起こして、必要とされる供給圧縮空気が生成されるようになり、また例えば、電力を生成するため発電機を駆動することができる。
【００１９】
背景として、図４〜７は、本発明の態様を実施することができるタービンロータブレード１６の図を示す。これらの図は、タービンロータブレードの特定の共通する構成、特にこのようなブレードの外寄り先端を例示するため、並びに全体設計に影響を与える様々な空力、構造的、幾何学的、及び他の制約事項を明らかにするために提示される。これらに加えて、作動中にロータブレードの冷却を維持することは、別の重要な設計考慮事項である。理解されるように、これには、熱負荷を低減し、有効寿命を延ばし、エンジンにおける燃焼温度をより高くすることを可能にするための手段として、作動中にブレードを通して冷却剤を能動的に循環させることが含まれる場合が多い。ガスタービンエンジンの効率は、燃焼温度が高くなるほど改善されるので、このような設計を改善及び最適化する必要性が継続的にあり、ロータブレードの外寄り先端において、この領域に対応する設計が本来的に困難であることに起因して、改善された構成に対して特定の要求がある。能動的冷却は通常、ロータブレード先端及びここを囲む領域を通る大きな冷却剤の流れを放出することを含むので、このような設計は、放出された冷却剤と作動流体の流れの混合に伴う損失を考慮しなければならない。これらの損失を低減する設計は、放出冷却剤の冷却作用に悪影響を及ぼさない一方で、システムの更なる効率の向上をもたらす。勿論、何らかの新しい冷却及び空力構成はまた、高温ガス経路及びエンジンの回転速度に伴う過酷な機械的負荷に耐えることができる堅牢な構造を提供しなければならない。
【００２０】
図４は、燃焼又はガスタービンシステムの高温ガス経路内の例示的なロータブレード組立体の斜視図である。このようなロータブレードは、単一構成の鋳造プロセス又は鋳造プロセスと鋳造後プロセスの何らかの組み合わせなど、何れかの従来の方式で形成することができることは理解されるであろう。図示されるように、図４の組立体は、タービンロータブレード１６並びに周囲の内寄り及び外寄り構成要素を含む。より具体的には、組立体は、ロータブレード１６の内寄りにロータディスク１９を含む。ロータディスク１９は、該ロータディスク１９の外周部の周りに円周方向に離間して配置することができるロータブレードの列を保持する回転構造を提供することは理解されるであろう。ロータディスク１９は、ロータブレード１６をタービン１２の中心シャフトに接続する。このようにしてロータディスク１９内に装着されたロータブレード１６は、そこからタービン１２内に半径方向に向けられた長手方向軸線に沿って半径方向外向きに延びることができる。外寄り方向では、環状タービンシュラウド２０は、作動中の燃焼ガスの漏洩を制限する比較的小さなクリアランス又はギャップが間に残存するように、ロータブレード１６を囲むことができる。
【００２１】
図５〜８を更に参照すると、ロータブレード１６は、ロータディスク１９にロータブレード１６を取り付けるためのコネクタ２２を含む、何らかの従来の形態を有することができる根元２１を含むことができる。コネクタ２２は、例えば、ロータディスク１９の外周に形成された対応するダブテールスロット内に装着するように構成されたダブテール構成を有することができる。図示するように、根元２１は更に、コネクタ２１のダブテールをプラットフォーム２４に接続するシャンク２３を含むことができる。プラットフォームから延びるロータブレード１６は更に、根元２１に一体的に接合される翼形部２５を含むことができる。翼形部２５は、図示のように、プラットフォーム２４から半径方向外向きに延びることができる。理解されるように、ロータブレード１６は、プラットフォーム２４が翼形部２５と根元２１の接合部に配置され、これによりタービン１２を通過する流路の半径方向内側境界の一部を定めるように構成することができる。翼形部２５は、略凹面状の正圧側壁２６と、円周方向又は横方向に対向する略凸面状の負圧側壁２７とを含むことができる。図示のように、正圧側壁２６及び負圧側壁２７は、対向する前縁２８と後縁２９との間に軸方向に延びることができる。側壁２６，２７はまた、プラットフォーム２４からロータブレードの半径方向外側部分（本明細書ではブレード先端５０と呼ばれる）まで半径方向に延びることができる。
【００２２】
一般に、ロータブレードは、シュラウド付き又は図示のようにシュラウドなしのブレード先端を含むことができる。シュラウドなしの先端の場合、ブレード先端５０は、図示のように、正圧側壁２６及び負圧側壁２７の半径方向外側縁部上に配置される先端キャップ又はキャップ５１を含むことができる。キャップ５１は通常、翼形部２５の正圧側壁２６及び負圧側壁２７間に定めることができる内部冷却通路（以下で定められるように、本明細書では「冷却通路３６」と呼ばれる）を境界付ける。典型的には、圧縮機から抽気される圧縮空気のような冷却剤は、作動中に冷却通路３６を通って循環することができる。冷却通路３６は、ロータブレード１６の根元２１を通って形成されるコネクタチャンネル（図示せず）を介して冷却剤を供給することができる。キャップ５１は通常、冷却通路３６に接続される複数の出口ポート３５を含む。作動中、出口ポート３５は、冷却剤が翼形部２５の内部を通過して循環した後に冷却剤を放出し、ブレード先端５０の表面にわたるフィルム冷却を促進させるように位置付けることができる。キャップ５１は、ロータブレード１６に一体化することができ、或いは、ロータブレードの鋳造後に一部を所定位置に溶接／ろう付けすることができる。
【００２３】
より優れた空力及び冷却効率に関連するような特定の性能上の利点により、ロータブレードの先端５０は、一般的に、キャップ５１から半径方向に突出する１又はそれ以上のレール５３を介して形成される先端キャビティ５２を含む。このタイプのブレード先端は、一般に、「スクイーラ先端」又は代替として、「スクイーラポケット」もしくは「スクイーラキャビティ」を有する先端と呼ばれる。１又はそれ以上のレール５３の位置決めは、翼形部２５の正圧側壁２６及び負圧側壁２７の輪郭とほぼ一致することができる。正圧レール５４は、図示のように、キャップ５１から半径方向外向きに延びることができ、これに対して約９０°の角度をなすことができる。正圧レール５４は、翼形部２５の前縁２８付近の位置から後縁２９付近の位置まで延びることができる。図示のように、正圧レール５４の経路は、正圧側壁２６の輪郭とほぼ一致することができる。同様に、図示のように、負圧レール５５は、キャップ５１から半径方向外向きに突出することができ、これとの間にほぼ垂直とすることができる。負圧レール５５は、翼形部２５の前縁２８付近の位置から後縁２９付近の位置まで延びることができる。図示のように、負圧レール５５の経路は、負圧側壁２７の輪郭とほぼ一致することができる。更に、図８に示すように、正圧レール５４及び負圧レール５５は共に、先端キャビティ５２を定め且つこれに面する内側レール面５６と、レールの反対の面上にあり、すなわち、先端キャビティ５２から離れて外向きに面する外側レール面５７とを有するように説明することができる。レール５３の外側半径方向端部において、外寄りレール面５８は、外寄り方向に面することができる。理解されるように、キャップ５１は、先端キャビティ５２のフロアを定めるものとして説明することができる。
【００２４】
本発明が利用されるロータブレードのスクイーラ先端は、上述の特性とは幾分異なる可能性があることは、当業者には理解されるであろう。例えば、レール５３は、必ずしも正圧側壁２６及び／又は負圧側壁２７の外側半径方向縁部の輪郭を正確に辿る必要はない。すなわち、ブレード先端の代替のタイプにおいて、先端レール５３は、キャップ５１の外周から離れて移動することができる。加えて、本明細書で提供されるように、先端レール５３は、先端キャビティを完全には囲まなくてもよく、特定の事例では、本明細書で提供されるように、先端レール５３内に、詳細には翼形部の後縁２９に向かって位置付けられたレール５３の一部において大きなギャップを形成することができる。場合によっては、レール５３のセクションは、先端５０の正圧側面又は負圧側面の何れかから取り除くことができる。或いは、１又はそれ以上の内部レール又はリブは、正圧レール５４と負圧レール５５との間に位置付けることができる。
【００２５】
図示のように、先端レール５３は一般に、先端キャビティ５２が定められるようにキャップ５１の周りを囲むように構成される。正圧レール５４及び／又は負圧レール５５の高さ及び幅（すなわち、先端キャビティ５２の深さ）は、全体のタービン組立体の最良の性能及びサイズに応じて変わることができる。キャップ５１が先端キャビティ５２のフロア（すなわち、先端キャビティの内側半径方向境界）を形成し、先端レール５３が先端キャビティ５２の側壁を形成すること、及び先端キャビティ５２は、外側半径方向面を通じて開いたままであり、タービンエンジン内に設置されると、短い距離で半径方向にオフセットした固定シュラウド２０（図４に示す）の直ぐ傍に隣接することは理解されるであろう。
【００２６】
複数の出口ポート３５は、ブレード先端５０上に並びに翼形部２５の他の外側面を通って配置することができる。通常、出口ポート３５は、翼形部２５の正圧側壁２６を通って且つキャップ５１を通って設けられる。一部の設計では、正圧側壁先端領域を冷却剤で満たす目的で、先端３５にて利用可能な限定的なスペースに多くのこのような出口ポート３５を位置付けている。正圧側壁２６上に配置された出口ポート３５に関して、冷却剤は、放出後に正圧レール５４にわたって先端キャビティ５２内に運ばれて冷却を提供し、次いで、負圧レール５５にわたってこの領域で冷却を提供することが望ましいとすることができる。このため、出口ポート３５は、冷却剤がそこから半径方向外向き方向で排出されるような向きにすることができる。図８に示すように、出口ポート３５はまた、翼形部２５の外側面に対して傾けることができる。冷却剤のこの角度付き取り込みは、放出後の冷却剤のフィルム冷却効果を促進しながら、混合をある程度にまで制限し、これによりこれに伴う混合損失を低減する。それでも尚、実際には、主ストリームの流れの動的高温ガスと混合するときに冷却流の複雑な性質に起因して、ブレード先端５０を冷却することは依然として極めて困難であり、更なる技術的進歩が必要とされる。例えば、図５に示すように、作動流体の高温ガス（全体として矢印６３で示される）は、翼形部２５を超えて配向して、翼形部２５の外側面上に駆動力を作用させることができ、その結果、タービンを駆動して出力を生成する。冷却流（全体として矢印６４で示される）は、出口ポート３５から出て、高温空気流６３により先端キャビティ５２から離れて翼形部２５の後縁２９に向けて流される。通常は、これにより混合作用がもたらされ、ここで冷却空気の一部は取り込まれて高温ガスと混合され、一部は先端キャビティ５２に入り、また一部は、翼形部に沿って後縁２９まで軸方向に進む。このことは、この領域を冷却するために過剰な冷却空気を使用することになる可能性があり、上述のように、プラント効率の低下をもたらす結果となる。理解されるように、別途記載のない限り、本明細書で記載される実施形態は、半径方向冷却通路又は蛇行路を有するロータブレードに適用可能とすることができる。
【００２７】
図９及び１０は、翼形部２５の先端５０又はその近傍に含めることができるウィングレット８０を示す。ウィングレット８０は、正圧側壁２６及び負圧側壁２７のうちの少なくとも一方に位置付けることができる。図示のように、好ましい構成によれば、ウィングレット８０は、負圧側壁２７の外寄り領域上に位置付けられる。ウィングレット８０は、内寄り境界８３と外寄り境界８４との間に定められる半径方向セクション８２内で生じるものとして説明することができる。このセクション内では、ウィングレット８０は、半径方向に対して外向きに角度付け又は湾曲する翼形部側壁の領域を含むことができる。より具体的には、ウィングレット８０は、翼形部の側壁の一方又は両方の外向きに広がった又は拡大した半径方向セクションを含むことができ、より小さい外周を有する内寄り境界８３がより大きな外周を有する外寄り境界８４に移行している。外向きに広がったウィングレットの半径方向セクションにおけるこの差違は、図１０において厚さ８５として示されている。図９に示されるように、ウィングレット８０は、半径方向セクション８２の内寄り境界８３と外寄り境界８４との間に滑らかな凹面状の曲線輪郭を含むことができる。他の構成もまた実施可能である。
【００２８】
ウィングレット８０は更に、前端８６と後端８７との間に延びるように説明することができる。図示のように、ウィングレット８０の前端８６は、翼形部２５の前縁２８に向かって位置付けることができ、他方、後端８７は、翼形部２５の後縁２９付近に位置付けることができる。例示的な実施形態によれば、ウィングレット８０の前端８６は、翼形部２５の前縁２８から翼弦方向距離の約０％〜５０％に位置付けることができ、ウィングレット８０の後端８７は、翼形部２５の前縁２８から翼弦方向距離の約５０％〜１００％に位置付けることができる。より好ましくは、ウィングレットの前端は、前縁から翼弦方向距離の約２０％〜４０％に位置付けることができ、後端は、前縁から翼弦方向距離の約７０％〜９０％に位置付けることができる。
【００２９】
加えて、図示のように、複数の冷却出口３５は、先端キャビティ５２内で冷却剤を放出するために、キャップ５１を貫通して形成することができる。冷却出口３５は、翼形部２５を貫通して形成された１又はそれ以上の冷却通路に接続することができる。冷却出口３５は、図示のように、矩形断面形状を有することができ、或いは、必要に応じて円形、卵形、もしくは他の形状であってもよい。他の構成もまた実施可能であるが、ウィングレット８０の半径方向セクション８２は、先端レール５３とほぼ一致することができる。このような事例では、理解されるように、ウィングレット８０の内寄り境界８３は、キャップ５１とほぼ同一平面上に存在することができるが、ウィングレット８０の外寄り境界８４は、レール５３の外寄りレール面５８とほぼ同一平面上に存在することができる。別の実施形態によれば、ウィングレット８０は、キャップ５１の内寄り又は外寄りにある半径方向位置から始まるよう構成することができる。
【００３０】
ウィングレット８０は、半径方向から外向きに傾斜しているので、これを含めることで、先端キャビティ５２が外寄り方向でキャップ５１から延びたときに先端キャビティ５２が拡大される結果をもたらすことができることを理解されたい。この結果として、作動時において正圧レール５４の特定の領域に漏洩するガスが、大きな幅を有する先端キャビティ５２の領域に遭遇することになる。理解されるように、先端キャビティ５２のこの幅の増大は、溢れ出たガスが先端キャビティ内に再度付着するより多くの状況を可能にし、そのため先端５０とより長く接触し続け、これにより冷却性能及び空力性能を改善することができる。以下で検討するように、ウィングレット８０特徴要素は、以下で検討する本発明の他の特定の態様と共に用いて、より優れた性能上の利点が得られるようにすることができる。
【００３１】
ここで図１１〜１６を参照すると、ロータブレード性能の面を向上させることが明らかになった方式でレールギャップ９０が負圧レール５５を通って形成された本発明の例示的な実施形態が示されている。図示のように、好ましい実施形態によれば、負圧レール５５は、翼形部２５の後縁２９又はその近傍にレールギャップ９０を生成するために切頂状、すなわち、セクションを取り除くことにより短縮化される。図示のように、特定の好ましい実施形態によれば、正圧レール５４は、切頂状又は中断されていないものとして形成される。すなわち、正圧レール５４は、翼形部２５の前縁２８と後縁２９に相当する位置の間で中断することなく連続的に延びるように構成することができる。負圧レール５５及び正圧レール５４のこれらの構成を前提として、レールギャップ９０は、前方境界９２（すなわち、切頂負圧レール５５の後端）と後方境界９３（翼形部２５の後縁２９付近の位置に延びる非切頂正圧レール５４の後端）との間に定められるものとして説明することができる。別の実施形態によれば、非切頂正圧レール５４は、翼形部２５の後縁２９の直ぐ手前の位置まで、後縁２９の直ぐ先の位置まで、又は後縁２９にある位置まで延びることができる。図１１に示す実施形態によれば、翼形部２５は、図９及び１０に関して上述したようなウィングレット８０を含むことができ、レールギャップ９０と共に用いると更なる利点を提供する。理解されるように、レールギャップ９０はまた、ウィングレット特徴要素８０を含まない翼形部２５で用いてもよい。
【００３２】
代替の実施形態によれば、図１２〜１６のレールギャップ９０の漸次的に大きくなる幅寸法により例示されるように、レールギャップ９０は、ある範囲のサイズ及び関連寸法を含むことができる。例えば、特定の好ましい実施形態によれば、レールギャップ９０は、負圧レール５５の翼弦方向長さの０％〜４０％の間で負圧レール５５の後方部分を切頂又は削減することにより形成されるギャップを含むことができる。すなわち、図１２及び１３の事例において図示された実施例のような好ましい設計範囲による領域の一方端において、削減は、負圧レール５５の翼弦方向長さのそれぞれ約１０％又は１５％とすることができる。図１５及び１６の事例において図示された実施例のような好ましい設計範囲による領域の端部において、削減は、負圧レール５５の翼弦方向長さのそれぞれ約２５％〜３５％とすることができる。より好ましくは、スクイーラ先端設計の多くの共通するタイプに関して、削減は、より最適には所与の範囲の中間付近とすることができることを、実験データから確認された。１つのこのような事例の実施例が図１４に提供され、ここでは、負圧レール５５の翼弦方向長さの約２０％の削減を示している。
【００３３】
代替の実施形態によれば、レールギャップ９０は、図１１に描かれるように、負圧側面ウィングレット８０と組み合わされる。負圧側面ウィングレット８０は、図９及び１０を参照して上記でより詳細に提示されたように、前端８６と後端８７との間に延びるように説明することができる。１つの好ましい実施形態によれば、例えば、ウィングレット８０の前端８６は、翼形部２５の前縁２８から翼弦方向距離の約０％〜５０％に位置付けられ、ウィングレット８０の後端８７は、翼形部２５の前縁２８から翼弦方向距離の約５０％〜１００％に位置付けられる。より好ましくは、ウィングレットの前端は、前縁から翼弦方向距離の約２０％〜４０％に位置付けることができ、後端は、前縁から翼弦方向距離の約７０％〜９０％に位置付けることができる。特定の好ましい実施形態によれば、後端８７は、レールギャップ９０の前方境界９２と一致するよう構成することができる。
【００３４】
従って、本発明は、スクイーラ先端の正圧レール上に完全又はほぼ完全なレールが設けられると共に、スクイーラ先端の負圧レール上に最適に切頂されたレールが設けられたブレード先端構成を提供する。理解されるように、切頂レールは、ブレード先端からの冷却剤の流出を有利に制御すると共に、翼形部の負圧側面の後方部分に向かって流れるブレード先端漏洩に対して影響を及ぼすよう構成することができるレールギャップを形成する。レールギャップ特徴要素とウィングレットを組み合わせることにより、ウィングレットの外向きの広がりが先端キャビティを半径方向で拡大する（先端キャビティがキャップと外側レール面との間に延びるときに）ようにすることで、先端キャビティの閉鎖領域からの断面流れ面積がより大きくなることは理解されるであろう。この流れ面積を増大させることにより、レールギャップは、好ましい実施形態によれば、１５％前後に最適化することができる。この設計点において、先端キャビティの閉鎖部分からの流れ面積は、ウィングレットによって取り込まれ及び／又は出口ポートを通じて供給される追加の流れの全てを処理して所望の流路に沿って流れを誘導し、最終的にレールギャップを通じて流出するため基本的には先端キャビティ内にあるようにするのに十分な程依然として大きい。理解されるように、ウィングレット特徴要素なしでは、同じ流れ面積は、レールギャップのサイズを大きくすることによってのみ達成することができ、これは、性能に悪影響を及ぼすことになる。従って、本明細書で提供された実施形態に合致するレールギャップは、特にウィングレット特徴要素と組み合わされたときに、先端キャビティと翼形部の負圧側壁と関連する低圧領域との間で空力連通を達成するので、混合損失の減少、冷却効率の向上、ロータブレードトルクの改善、スクイーラ先端の先端キャビティ内でより低い圧力を提供することが、実験データを通じて示された。理解されるように、この特徴要素による先端キャビティ圧力の低減は、一般に、ブレード先端冷却回路に対して比較的低い供給圧力を維持し、逆流マージンを改善する助けとすることができ、結果として、全体のタービン効率の改善と、ロータブレードの吸込み及び過熱のリスクの低減をもたらすことができる。例えば、実験データは、本明細書で開示されたようなレールギャップを利用して、先端キャビティ圧力に５〜１０ｐｓｉの恩恵をもたらすことができることを示唆している。加えて、このようなレールギャップに伴う効率上の恩恵は、全体システム効率を約０．１〜０．２ポイント改善すると同時に、可変スクイーラキャビティ深さ及びウィングレット特徴要素を含む様々なブレード先端構成にわたってこのような恩恵を実現する融通性を有することが示されている。
【００３５】
限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００３６】
１０  ガスタービンシステム
１２  タービン
１６  ロータブレード
２５  翼形部
２６  正圧側壁
２７  負圧側壁
２８  前縁
２９  後縁
【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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【外国語明細書】
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