(57)【要約】      （修正有）【課題】タービンブレードの、圧力側外壁と負圧側外壁とによって画定されたエーロフォイルを提供する。【解決手段】圧力側外壁２６と負圧側外壁２７とは、前縁２８および後縁２９に沿って接続し、冷却剤の流れを受け入れるために半径方向に延在するチャンバを形成する。リブ構成は前縁横リブを含むことができる。前縁横リブは、圧力側外壁と負圧側外壁とに接続し、半径方向に延在するチャンバから前縁通路を仕切る。リブ構成はまた第１の中央横リブを含むことができる。第１の中央横リブは、圧力側外壁と負圧側外壁とに接続し、前縁通路の直ぐ後方の半径方向に延在するチャンバから中間通路を仕切る。中間通路は、圧力側外壁と、負圧側外壁と、前縁横リブと、第１の中央横リブとによって画定され、したがって、その外壁間のエーロフォイルにわたる。【選択図】図４
2017207063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹状の圧力側外壁（２６）と凸状の負圧側外壁（２７）とによって画定されたエーロフォイル（２５）を備えるブレードであって、前記圧力側外壁（２６）と前記負圧側外壁（２７）とが、前縁（２８）および後縁（２９）に沿って接続し、冷却剤の流れを受け入れるためにそれらの間に半径方向に延在するチャンバを形成し、
前記圧力側外壁（２６）と前記負圧側外壁（２７）とに接続し、前記半径方向に延在するチャンバから前縁通路（４２）を仕切る前縁横リブ（７０）と、
前記圧力側外壁（２６）と前記負圧側外壁（２７）とに接続し、前記前縁通路（４２）の直ぐ後方の前記半径方向に延在するチャンバから中間通路（４６）を仕切る第１の中央横リブ（７２）であって、     前記中間通路（４６）が、前記圧力側外壁（２６）と、前記負圧側外壁（２７）と、前記前縁横リブ（７０）と、前記第１の中央横リブ（７２）とによって画定される、第１の中央横リブ（７２）と
を含むリブ構成をさらに備えるブレード。
【請求項２】
前記圧力側外壁（２６）の近くにあり、前記第１の中央横リブ（７２）の後側（７４）に接続された圧力側キャンバラインリブ（６３）と、
前記負圧側外壁（２７）の近くにあり、前記第１の中央横リブ（７２）の前記後側（７４）に接続された負圧側キャンバラインリブ（６４）と
をさらに備える、請求項１記載のブレード。
【請求項３】
前記圧力側外壁（２６）と、前記圧力側キャンバラインリブ（６３）と、前記第１の中央横リブ（７２）とが、それらの間に圧力側流路（４８）を画定し、前記負圧側外壁（２７）と、前記負圧側キャンバラインリブ（６４）と、前記第１の中央横リブ（７２）とが、それらの間に負圧側流路（５０）を画定し、
前記中間通路（４６）が、前記圧力側流路（４８）および前記負圧側流路（５０）の前方にある、請求項２記載のブレード。
【請求項４】
前記第１の中央横リブ（７２）の後方にあり、前記圧力側キャンバラインリブ（６３）と前記負圧側キャンバラインリブ（６４）とに接続して、前記中間通路（４６）の後方の前記半径方向に延在するチャンバから中央通路（９０）を仕切る第２の中央横リブ（７８）をさらに備える、請求項２記載のブレード。
【請求項５】
前記第１の中央横リブ（７２）が前記前縁横リブ（７０）を向く方向に凹状である、請求項１記載のブレード。
【請求項６】
前記前縁横リブ（７０）が、前記前縁通路（４２）と前記中間通路（４６）との間の交差通路（４４）を含む、請求項１記載のブレード。
【請求項７】
前記キャンバラインリブ（６２）が波形プロファイルを有する、請求項１記載のブレード。
【請求項８】
前記ブレードが、タービンロータブレード（１６）またはタービンステータブレード（１７）のうちの１つを含む、請求項１記載のブレード。
【請求項９】
凹状の圧力側外壁（２６）と凸状の負圧側外壁（２７）とによって画定されたエーロフォイル（２５）を備えるタービンロータブレード（１６）であって、前記圧力側外壁（２６）と前記負圧側外壁（２７）とが、前縁（２８）および後縁（２９）に沿って接続し、冷却剤の流れを受け入れるためにそれらの間に半径方向に延在するチャンバを形成し、
前記圧力側外壁（２６）と前記負圧側外壁（２７）とに接続し、前記半径方向に延在するチャンバから前縁通路（４２）を仕切る前縁横リブ（７０）と、
前記圧力側外壁（２６）と前記負圧側外壁（２７）とに接続し、前記前縁通路（４２）の直ぐ後方の前記半径方向に延在するチャンバから中間通路（４６）を仕切る第１の中央横リブ（７２）であって、前記中間通路（４６）が、前記圧力側外壁（２６）と、前記負圧側外壁（２７）と、前記前縁横リブ（７０）と、前記第１の中央横リブ（７２）とによって画定される、第１の中央横リブ（７２）と
を含むリブ構成をさらに備えるタービンロータブレード（１６）。
【請求項１０】
前記圧力側外壁（２６）の近くにあり、前記第１の中央横リブ（７２）の後側（７４）に接続された圧力側キャンバラインリブ（６３）と、
前記負圧側外壁（２７）の近くにあり、前記第１の中央横リブ（７２）の前記後側（７４）に接続された負圧側キャンバラインリブ（６４）と
をさらに備える、請求項９記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項１１】
前記圧力側外壁（２６）と、前記圧力側キャンバラインリブ（６３）と、前記第１の中央横リブ（７２）とが、それらの間に圧力側流路（４８）を画定し、前記負圧側外壁（２７）と、前記負圧側キャンバラインリブ（６４）と、前記第１の中央横リブ（７２）とが、それらの間に負圧側流路（５０）を画定し、
前記中間通路（４６）が、前記圧力側流路（４８）および前記負圧側流路（５０）の前方にある、請求項１０記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項１２】
前記第１の中央横リブ（７２）の後方にあり、前記圧力側キャンバラインリブ（６３）と前記負圧側キャンバラインリブ（６４）とに接続して、前記中間通路（４６）の後方の前記半径方向に延在するチャンバから中央通路（９０）を仕切る第２の中央横リブ（７８）をさらに備える、請求項１０記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項１３】
前記第１の中央横リブ（７２）が前記前縁横リブ（７０）を向く方向に凹状である、請求項９記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項１４】
前記前縁横リブ（７０）が、前記前縁通路（４２）と前記中間通路（４６）との間の交差通路（４４）を含む、請求項９記載のタービンロータブレード（１６）。
【請求項１５】
前記キャンバラインリブ（６２）が波形プロファイルを有する、請求項９記載のタービンロータブレード（１６）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示はタービン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。
【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、タービン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。このアンバランスな膨張によって、内部リブが接続する点において応力が生じ、これは、ブレードの寿命を短縮する可能性のある低サイクル疲労を引き起こす場合がある。
【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、凹状の圧力側外壁と凸状の負圧側外壁とによって画定されたエーロフォイルを備えるブレードを提供し、圧力側外壁と負圧側外壁とは、前縁および後縁に沿って接続し、冷却剤の流れを受け入れるためにそれらの間に半径方向に延在するチャンバを形成する。ブレードはさらにリブ構成を備える。リブ構成は、前縁横リブと第１の中央横リブとを含む。前縁横リブは、圧力側外壁と負圧側外壁とに接続し、半径方向に延在するチャンバから前縁通路を仕切る。第１の中央横リブは、圧力側外壁と負圧側外壁とに接続し、前縁通路の直ぐ後方の半径方向に延在するチャンバから中間通路を仕切る。中間通路は、圧力側外壁と、負圧側外壁と、前縁横リブと、第１の中央横リブとによって画定される。
【０００８】
本開示の第２の態様は、凹状の圧力側外壁と凸状の負圧側外壁とによって画定されたエーロフォイルを備えるタービンロータブレードを提供し、圧力側外壁と負圧側外壁とは、前縁および後縁に沿って接続し、冷却剤の流れを受け入れるためにそれらの間に半径方向に延在するチャンバを形成する。タービンロータブレードはさらにリブ構成を備える。リブ構成は、前縁横リブと第１の中央横リブとを含む。前縁横リブは、圧力側外壁と負圧側外壁とに接続し、半径方向に延在するチャンバから前縁通路を仕切る。第１の中央横リブは、圧力側外壁と負圧側外壁とに接続し、前縁通路の直ぐ後方の半径方向に延在するチャンバから中間通路を仕切る。中間通路は、圧力側外壁と、負圧側外壁と、前縁横リブと、第１の中央横リブとによって画定される。
【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７】本開示の実施形態による、エーロフォイルの外壁にわたる中間中央通路を有するタービンロータブレードの断面図である。
【図８】代替の本開示の実施形態による、交差通路がないエーロフォイルの外壁にわたる中間中央通路を有するタービンロータブレードの断面図である。
【図９】代替の本開示の実施形態による、図７〜８のようなキャンバラインリブの波形プロファイルがないエーロフォイルの外壁にわたる中間中央通路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】
【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、例示的なものである。）
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となることである。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構造の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の一例を示すように、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。
【００２８】
しかしながら、上記の配置にもかかわらず、前縁横リブ７０のキャンバラインリブ６３および６４に接続する点８０にはまだ、高応力領域が生じる場合がある。それは、例えば、キャンバラインリブ６３、６４の荷重経路が、十分に冷却されていない接続点８０で作用するからである。図５および６の両方に示すように、この応力は、前縁通路４２と、直ぐ後方の中央通路４６との間に交差通路４４が使用された場合、より厳しくなる場合がある。特に、交差通路４４を設けた場合、キャンバラインリブ６３、６４の荷重経路は、交差通路４４が配置された接続点８０に作用し、それによって、より高い応力が生じる。
【００２９】
図７〜９は、本開示の実施形態による内壁またはリブ構成を有するタービンロータブレード１６の断面図を示す。本開示は、構造支持および仕切りの両方として典型的に使用されるリブの構成を含み、仕切りは、中空のエーロフォイル２５を、実質的に分離された半径方向に延在する流路４０に分割し、流路４０は望むように相互接続して冷却回路を生成することができる。リブが形成するこれらの流路４０および回路を使用して、的を絞ってより効率的に冷却剤を使用するような特定の態様で、エーロフォイル２５を通る冷却剤の流れを導く。本明細書で提示する例は、タービンロータブレード１６に使用されるとして示されているが、同じ概念は、タービンステータブレード１７にも使用することができることは認識されよう。
【００３０】
詳細には、図７〜９に対して説明するように、本開示の実施形態によるリブ構成は、エーロフォイル２５の外壁２６、２７にわたる中間中央通路を提供することができる。このために、リブ構成は、圧力側外壁２６および負圧側外壁２７に接続する前縁横リブ７０を含むことができる。したがって、前縁横リブ７０は、エーロフォイル２５内の半径方向全体に延在するチャンバから前縁通路４２を仕切る。加えて、第１の中央横リブ７２は圧力側外壁２６および負圧側外壁２７に接続する。第１の中央横リブ７２は、半径方向に延在するチャンバから中間通路４６を仕切る。中間通路４６は前縁通路４２の直ぐ後方にある、すなわち、それらの間には他のリブはない。図示のように、従来の中央通路とは対照的に、中間通路４６は、圧力側外壁２６と、負圧側外壁２７と、前縁横リブ７０と、第１の中央横リブ７２とによって画定され、したがって、外壁２６、２７の間をわたる。すなわち、中間通路４６は、エーロフォイル２５の半径方向に延在するチャンバを外壁２６から外壁２７までわたり、接続点８０（図５〜６）および前縁横リブ７０に隣接する他の構造の応力を解放する。この配置は、交差通路４４を使用する場合、応力を解放するのに特に有利である。中間中央通路４６は、エーロフォイル２５の中央内に位置決めされているので、「中央」と考えられる。図７に示される一実施形態では、第１の中央横リブ７２もまた前縁横リブ７０を向く方向に凹状とすることができる。この凹面は、中間中央通路４６およびその周りの隅肉部の近くの応力を下げることが見いだされた。前縁横リブ７０および第１の中央横リブ７２は両方とも前縁２８に面して凹状であるので、中間中央通路４６は弧状の形状を有することができる。他の実施形態では、第１の中央横リブ７２は凹状にする必要がないことが強調される。
【００３１】
図示のように、図７ではオプションとして、冷却剤が前縁通路４２と、直ぐ後方の中間中央通路４６との間を流れることができるように、前縁横リブ７０内に交差通路４４を設けることができる。交差通路４４は、すべての実施形態に必要ではなく、例えば、図８は交差通路４４なしの例を示す。しかしながら、交差通路４４を設けた場合、本開示は、前縁横リブ７０内の交差通路４４に隣接する応力、および隣接する構造体の応力を解放することを教示する。
【００３２】
留意されるように、キャンバラインリブ６２は、上記のように、典型的には、エーロフォイル２５の前縁２８近くの位置から後縁２９の方へ典型的に延在する長いリブのうちの１つである。これらのリブは、これらがたどる経路が、エーロフォイル２５のキャンバラインにほぼ平行であるので、「キャンバラインリブ」と呼ばれる。キャンバラインは、凹状の圧力側外壁２６と凸状の負圧側外壁２７との間で等間隔となる一群の点を通って、エーロフォイル２５の前縁２８と後縁２９との間を延在する基準線である。図示のように、本開示の実施形態によるリブ構成はさらに、第１の中央横リブ７２の後側７４に接続された、圧力側外壁２６の近くにある圧力側キャンバラインリブ６３を含むことができる。加えて、負圧側キャンバラインリブ６４は、負圧側外壁２７の近くにあり、第１の中央横リブ７２の後側７４に接続することができる。図示のように、圧力側外壁２６と、圧力側キャンバラインリブ６３と、第１の中央横リブ７２とはそれらの間に圧力側流路４８を画定し、負圧側外壁２７と、負圧側キャンバラインリブ６４と、第１の中央横リブ７２とはそれらの間に負圧側流路５０を画定する。この構造を見ると、中間中央通路４６は、圧力側流路４８および負圧側流路５０の前方にある。この配置により、より多くの冷却剤が、前縁横リブ７０および交差通路４４（設けている場合）の近くを流れるので、これらの応力はさらに下がる。図７〜８に示す一実施形態では、本開示のリブ構成は、本明細書に参照によって援用する米国特許公開第２０１５／０１８４５１９号に記載されたような波形プロファイルを有するキャンバラインリブ６２を含む。（用語「プロファイル」は、本明細書で使用するとき、図７〜８の断面図でリブが有する形状を指すことを意図している。）本願によれば、「波形プロファイル」は、示されたように、顕著に湾曲し正弦波状の形状であるプロファイルを含む。言い換えれば、「波形プロファイル」は、前後に「Ｓ字」プロファイルを提示するプロファイルである。図９に示すような別の実施形態では、本開示のリブ構成は、波形でないプロファイルを有するキャンバラインリブ６３、６４を含むことができる。
【００３３】
本開示の別の実施形態では、第１の中央横リブ７２の後方の第２の中央横リブ７８は、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に接続して、中間通路４６の後方の半径方向に延在するチャンバから中央通路９０を仕切ることができる。図示のように、第２の横リブ７８はまた、エーロフォイルの半径方向に延在するチャンバから別の中央通路９２を仕切ることができる。中央通路９０、９２は、他の通路内、例えば、キャンバラインリブ６３、６４と対応する外壁２６、２７との間に形成された通路内の中央に配置されるので、「中央」と呼ばれる。図５および６の例示とは対照的に、第２の中央横リブ７８は、さらに後方に位置決めされて、中央キャビティ９０、９２内の空気流のバランスをとることができ、かつ、おそらく、中間通路４６、前縁通路４２などの他の通路間でバランスをとることができる。第２の中央横リブ７８もまた、第１の中央横リブ７２に向かって前方を向く方向に凹状とすることができる。
【００３４】
図９は代替の実施形態を示し、キャンバラインリブ６２に波形プロファイルを使用しないことを除いては、図７と同様である。図７および８の教示はまた、波形でないプロファイルを有するリブ構成にも使用することができることが強調される。さらに、本開示の教示は、本明細書で説明したように、前縁通路４２、および直ぐ後方の、外壁２６、２７の間をわたる中央通路４６を有する広範囲なリブ構成に適用することができる。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【符号の説明】
【００３８】
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  圧力側外壁
２７  負圧側外壁
２８  前縁
２９  後縁
３１  外周側先端
４０  流路
４２  前縁通路
４４  交差通路
４６  後方の中間中央通路
４８  圧力側流路
５０  負圧側流路
６０  リブ
６２  キャンバラインリブ
６３  圧力側キャンバラインリブ
６４  負圧側キャンバラインリブ
６６  横リブ
６７  横リブ
６８  負圧側横リブ
６９  横リブ
７０  前縁横リブ
７２  第１の中央横リブ
７４  後側
７８  第２の中央横リブ
８０  接続点
９０  中央通路
９２  中央通路
【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】
2017207063.tif 000009
【図８】
2017207063.tif 000010
【図９】
2017207063.tif 000011
【外国語明細書】
2017207063000001.pdf