JP6496543B2 - タービンブレードの内部冷却回路 - Google Patents

Description

本発明は、タービンエーロフォイルに関し、より詳細には、エーロフォイルを冷却するために空気などの流体を通すための内部導管を有する回転子ブレードまたは固定子ブレードなどの中空タービンエーロフォイルに関する。

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。本分野において良く知られているように、圧縮機において圧縮された空気は、燃料と混合され、燃焼器において点火され、その後タービンを通って膨張して、動力を生み出す。タービン内部の構成要素、特に円周方向に配列した回転子ブレードおよび固定子ブレードは、それらによって消費される燃焼生成物の極端に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、能動的に冷却されなければならない。

認識されるように、タービン回転子ブレードおよび固定子ブレードは、冷却システムを形成する内部通路または回路を多くの場合に含み、内部通路または回路を通して冷却剤を、典型的には圧縮機から流れ出る空気を循環する。このような冷却回路は内部リブによって典型的には形成され、内部リブは、エーロフォイルに対して要求される構造的な支持を与え、許容可能な温度プロファイル内にエーロフォイルを維持するように設計された複数の流路を含む。これらの冷却回路を通過する空気を、エーロフォイルの前縁、後縁、吸引側、および加圧側に形成した膜冷却アパーチャを介して多くの場合に放出する。

ガスタービンの効率は着火温度が上昇するにつれて向上することを認識するであろう。このために、タービンブレードがこれまでにない高い温度に耐えることを可能にする技術的な進歩が絶えず求められている。これらの進歩は、時には高温に耐えることができる新材料を含むが、同時に多くの場合に、これらの進歩は、ブレード構造および冷却能力を高めるようにエーロフォイルの内部構成を改善することを含む。しかしながら、冷却剤を使用することがエンジンの効率を低下させるという理由で、冷却剤使用量のレベルの増加に余りに強く依存する新しい配列は、１つの非効率性をもう１つのものに単に交換するにすぎない。その結果として、内部エーロフォイル構成および冷却剤効率を向上させる冷却剤循環を提供する新しいエーロフォイル設計に対する要求が継続している。

内部冷却型エーロフォイルの設計をさらに複雑にする検討事項は、動作中にエーロフォイル内部構造と外部構造との間に現れる温度差である。すなわち、高温ガス通路に露出するという理由で、エーロフォイルの外壁は、例えば、典型的に、内部リブの各々の側に画定される通路を通って流れる冷却剤を有することができる内部リブの多くよりも動作中にはるかに高い温度にある。事実、一般的なエーロフォイル構成は、長い内部リブが加圧側外壁および吸引側外壁に平行に延びる「四重壁（ｆｏｕｒ−ｗａｌｌ）」配置を含む。四重壁配置内に形成された壁に近い流路によって高い冷却効率を達成することができるが、外壁は、内壁よりも著しく大きなレベルの熱膨張を経験することが知られている。この不均衡な膨張は、内部リブと外壁とが接触する点のところで応力を発達させ、これがブレードの寿命を短くすることがある低サイクル疲労を引き起こすことがある。したがって、より効率的に冷却剤を使用する一方で、内部領域と外部領域との間での不均衡な熱膨張によって引き起こされる応力をやはり減少させるエーロフォイル構造の開発には、重大な技術産業上の難題が残されている。

本出願は、したがって、凹形状をした加圧側外壁および凸形状をした吸引側外壁が前縁および後縁に沿って接続し、外壁の間に冷却剤の流れを受けるための半径方向に延びるチャンバを形成する外壁によって画定されるエーロフォイルを備えるタービンブレードを記述する。タービンブレードは、チャンバを半径方向に延びる流路へと仕切るリブ構成をさらに含む。リブ構成は、外壁との間に壁に近い流れチャンバを画定するように外壁のうちの一方に並んで延びるカンバ線リブと、壁に近い流れチャンバを連続して積み重なった流路へと分割するようにカンバ線リブと外壁のうちの一方との間に延びるトラバースリブであって、流路の各々がカンバ線リブのセグメントによって内側に画定される、トラバースリブとを含むことができる。流路のうちの１つのカンバ線リブのセグメントは、対向する端部から端部の間に配置されたネックに向けて狭くなるプロファイルを含むくびれプロファイルを有することができる。

本出願のこれらの特徴および他の特徴は、図面および特許請求の範囲とともに検討すると好ましい実施形態の下記の詳細な説明を精査することで明らかになるであろう。

本発明のこれらの特徴および他の特徴は、添付した図面とともに検討して本発明の例示的な実施形態の下記のより詳細な説明を注意深く吟味することによって、より完全に理解され、認識されるであろう。

本出願のある種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模式図である。 図１の燃焼タービンエンジンの圧縮機部の断面図である。 図１の燃焼タービンエンジンのタービン部の断面図である。 本発明の実施形態を利用することができるタイプのタービン回転子ブレードの斜視図である。 従来型の設計による内壁構成またはリブ構成を有するタービン回転子ブレードの断面図である。 本発明の実施形態による内壁構成を有するタービン回転子ブレードの断面図である。 本発明の代替実施形態による内壁構成またはリブ構成を有するタービン回転子ブレードの断面図である。 本発明の代替実施形態による内壁構成またはリブ構成を有するタービン回転子ブレードの断面図である。

初期事項として、現在の発明を明確に記述するために、ガスタービン内部の関係する機械部品を呼ぶときおよび記述するときに、ある種の用語を選択することが必要になるであろう。これを行うときに、可能な場合には、一般的な産業用語を、認められている意味と整合する様式で使用し利用するであろう。別段述べない限り、このような用語は、本出願の文脈および別記の特許請求の範囲の範囲と整合する幅広い解釈を与えるはずである。多くの場合に、特定の構成要素を、いくつかの異なる用語または重なる用語を使用して呼ぶことがあることを当業者なら認識するであろう。単一部品であるとして本明細書において記述することができるものは、複数の構成要素から構成されるもう１つの状況を含むことができ、もう１つの状況において参照されることがある。あるいは、複数の構成要素を含むとして本明細書において記述することができるものが、どこかでは単一部品として呼ばれることがある。したがって、本発明の範囲を理解する際に、本明細書において提供される用語および記述だけでなく、構成要素の構造、構成、機能、および／または使用にも注意を払うべきである。

加えて、いくつかの説明的な用語を、本明細書においては定常的に使用することがあり、この項のはじめにこれらの用語を定義することは役立つはずである。これらの用語およびその定義は、別段述べない限り、次の通りである。本明細書において使用するように、「下流（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）」および「上流（ｕｐｓｔｒｅａｍ）」は、タービンエンジンを通る作動流体などの流体の流れ、または例えば、燃焼器を通る空気の流れもしくはタービンの構成要素システムのうちの１つを通る冷却剤の流れに対して相対的な方向を示す用語である。「下流」という用語は、流体の流れの方向に対応し、「上流」という用語は、流れに反対の方向を呼ぶ。「前方（ｆｏｒｗａｒｄ）」および「後（ａｆｔ）」という用語は、何らかのさらなる特定がない場合、「前方」が前またはエンジンの圧縮機端を呼び、「後」が後方またはエンジンのタービン端を呼ぶことをともなう方向を呼ぶ。中心軸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、しばしば必要である。「半径方向（ｒａｄｉａｌ）」という用語は、軸に対して垂直な動きまたは位置を呼ぶ。このようなケースでは、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸の近くに存在する場合には、第１の構成要素は、第２の構成要素の「半径方向の内側（ｒａｄｉａｌｌｙ ｉｎｗａｒｄ）」または「内側寄り（ｉｎｂｏａｒｄ）」であることを、本明細書においては述べるであろう。その一方で、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸から遠くに存在する場合には、第１の構成要素は、第２の構成要素の「半径方向の外側（ｒａｄｉａｌｌｙ ｏｕｔｗａｒｄ）」または「外側寄り（ｏｕｔｂｏａｒｄ）」であることを、本明細書においては述べることができる。「軸方向（ａｘｉａｌ）」という用語は、軸に平行な動きまたは位置を呼ぶ。最後に、「円周方向（ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ）」という用語は、軸の周りの動きまたは位置を呼ぶ。このような用語を、タービンの中心軸に関連して適用することができることを認識するであろう。

背景として、ここで図を参照して、図１から図４は、本出願の実施形態をその中で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図示する。本発明がこの特定のタイプの使用に限定されないことを、当業者なら理解するであろう。本発明を、発電において使用するものなどの燃焼タービンエンジン、航空機、ならびに他のエンジンタイプにおいて使用することができる。提供する例は、別段述べない限り限定することを意味しない。

図１は、燃焼タービンエンジン１０の模式的な表示である。一般に、燃焼タービンエンジンは、圧縮された空気の流れの中で燃料を燃焼させることによって生成される高温ガスの加圧された流れからエネルギーを取り出すことによって動作する。図１に図示したように、燃焼タービンエンジン１０を、軸流圧縮機１１を用いて構成することができ、軸流圧縮機を、下流タービン部またはタービン１３および圧縮機１１とタービン１３との間に位置する燃焼器１２へ共通シャフトまたは回転子によって機械的に連結する。

図２は、図１の燃焼タービンエンジンにおいて使用することができる例示的な多段軸流圧縮機１１の図を例示する。示したように、圧縮機１１は、複数の段を含むことができる。各段は、圧縮機回転子ブレード１４の列に続いて圧縮機固定子ブレード１５の列を含むことができる。このように、第１の段は、中央シャフトの周りを回転する圧縮機回転子ブレード１４の列に続いて動作中には静止したままである圧縮機固定子ブレード１５の列を含むことができる。

図３は、図１の燃焼タービンエンジンにおいて使用することができる例示的なタービン部またはタービン１３の部分図を例示する。タービン１３は、複数の段を含むことができる。３つの例示的な段を図示するが、より多くの段またはより少ない段が、タービン１３内に存在する場合がある。第１の段は、動作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またはタービン回転子ブレード１６、および動作中には静止したままである複数のノズルまたはタービン固定子ブレード１７を含む。タービン固定子ブレード１７は、一般的に、相互に円周方向に間隔を空けて設置され、回転軸の周りに固定される。タービン回転子ブレード１６を、シャフト（図示せず）の周りの回転用のタービンホイール（図示せず）上に載置することができる。タービン１３の第２の段をやはり図示する。第２の段は、同様に、複数の円周方向に間隔を空けて設置されたタービン固定子ブレード１７に続いて回転用のタービンホイール上にやはり載置され、複数の円周方向に間隔を空けて設置されたタービン回転子ブレード１６を含む。第３の段をやはり図示し、同様に複数のタービン固定子ブレード１７および回転子ブレード１６を含む。タービン固定子ブレード１７およびタービン回転子ブレード１６がタービン１３の高温ガス通路内に置かれることを認識するであろう。高温ガス通路を通る高温ガスの流れの方向を、矢印によって示す。当業者なら認識するように、タービン１３は、図３に図示したものよりも多くの段、またはいくつかのケースでは少ない段を有することができる。各々の追加の段は、タービン固定子ブレード１７の列に続いてタービン回転子ブレード１６の列を含むことができる。

動作の一例では、軸流圧縮機１１内部の圧縮機回転子ブレード１４の回転は、空気の流れを圧縮することができる。燃焼器１２では、圧縮空気を燃料と混合し、点火すると、エネルギーを放出することができる。燃焼器１２からの得られた高温ガス、これを作動流体と呼ぶことができる、の流れを、次に、タービン回転子ブレード１６の上方に向け、作動流体の流れがシャフトの周りのタービン回転子ブレード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を、回転するブレード、および回転ブレードとシャフトとの間の接続によって回転するシャフトの機械的エネルギーへと変換する。シャフトの機械的エネルギーを、次に、圧縮機回転子ブレード１４を回転させるために使用することができ、その結果、圧縮空気の必要な供給を作り、そしてやはり、例えば、発電機を回転させて電力を作るために使用することができる。

図４は、本発明の実施形態を利用することができるタイプのタービン回転子ブレード１６の斜視図である。タービン回転子ブレード１６は、付け根２１を含み、これによって回転子ブレード１６を回転子ディスクに取り付ける。付け根２１は、回転子ディスクの周囲の対応するダブテールスロット内に載置するために構成されたダブテールを含むことができる。付け根２１は、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さらに含むことができ、プラットフォームは、エーロフォイル２５と付け根２１との接合部のところに配置され、タービン１３を通る流路の内側寄り境界の一部を画定する。エーロフォイル２５が、作動流体の流れを途中で捕え、回転子ディスクを回転させる回転子ブレード１６の能動部品であることを認識するであろう。この例のブレードはタービン回転子ブレード１６であるが、タービン固定子ブレード１７を含むタービンエンジン１０内部の他のタイプのブレードに本発明をやはり適用することができることを認識するであろう。回転子ブレード１６のエーロフォイル２５が、対向する前縁２８と後縁２９との間で軸方向にそれぞれ延びる凹型加圧側外壁２６および円周方向にまたは横方向に対向する凸型吸引側外壁２７を含むことを理解するであろう。側壁２６および２７は、プラットフォーム２４から外側寄り先端３１まで半径方向にやはり延びる。（本発明の用途は、タービン回転子ブレードに限定されないだけでなく、固定子ブレードにもやはり適用可能であり得ることを認識するであろう。本明細書において説明するいくつかの実施形態における回転子ブレードの使用は、別段述べない限り例示的である。）
図５は、従来型の設計を有する回転子ブレードエーロフォイル２５に見出すことができるような内部壁構成を示す。示したように、エーロフォイル２５の外側表面を、比較的薄い加圧側外壁２６および吸引側外壁２７によって画定することができ、これらの外壁を、複数の半径方向に延び交差するリブ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に対する構造的支持を与える一方で、複数の半径方向に延び実質的に分離された流路４０をやはり画定するように構成される。典型的には、リブ６０は、エーロフォイル２５の半径方向の高さの大部分にわたり流路４０を仕切るように半径方向に延びるが、下記により詳細に論じるように、冷却回路を画定するように、流路をエーロフォイルの周辺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の外側寄り端部または内側寄り端部のところで、ならびに多数の小さな交差通路または交差通路の間に位置することができるインピンジメントアパーチャ（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のうちのあるものは一緒に、曲がりくねったまたは蛇行する冷却回路を形成することができる。加えて、冷却剤を流路４０からエーロフォイル２５の外側表面上へと通して放出する出口を形成する膜冷却ポート（図示せず）を含むことができる。

リブ６０は、２つの異なるタイプを含むことができ、これらを次に、本明細書において行うように、さらに細分割することができる。第１のタイプ、カンバ線リブ６２は、典型的には、エーロフォイルのカンバ線に平行またはほぼ平行に延びる長いリブであり、カンバ線は、前縁２８から後縁２９まで伸び、加圧側外壁２６と吸引側外壁２７との間の中間点を接続する基準線である。しばしばあるように、図５の従来型構成は、２つのカンバ線リブ６２、すなわち加圧側外壁２６からオフセットし、近接する様式で与えられる加圧側内壁ともやはり呼ばれることがある加圧側カンバ線リブ６３、吸引側外壁２７からオフセットし、近接する様式で与えられる吸引側内壁ともやはり呼ばれることがある吸引側カンバ線リブ６４を含む。述べたように、このタイプの設計は、２つの側壁２６、２７および２つのカンバ線リブ６３、６４を含む行きわたる４つの主要な壁のために、「四重壁」構成を有するとしばしば呼ばれる。

第２のタイプのリブは、本明細書においてはトラバースリブ６６と呼ばれる。トラバースリブ６６は、四重壁構成の壁および内部リブを接続するように示された短いリブである。示したように、４つの壁を、多数のトラバースリブ６６によって接続することができ、トラバースリブ６６を、どの壁を各々が接続するかにしたがってさらに分類することができる。本明細書において使用するように、加圧側外壁２６を加圧側カンバ線リブ６３に接続するトラバースリブ６６は、加圧側トラバースリブ６７と呼ばれる。吸引側外壁２７を吸引側カンバ線リブ６４に接続するトラバースリブ６６は、吸引側トラバースリブ６８と呼ばれる。最後に、加圧側カンバ線リブ６３を吸引側カンバ線リブ６４に接続するトラバースリブ６６は、中央トラバースリブ６９と呼ばれる。

一般的に、エーロフォイル２５内の四重壁内部構成の目的は、効率的な壁に近い冷却を与えることであり、この中では、冷却空気が、エーロフォイル２５の外壁２６、２７に隣接する導管内を流れる。冷却空気がエーロフォイルの熱い外側表面のすぐそばにあり、狭い導管を通る流れを制約することによって実現される大きな流速のために、得られる熱伝達係数が大きいという理由で、壁に近い冷却が有利であることを認識するであろう。しかしながら、このような設計は、エーロフォイル２５内で経験する異なるレベルの熱膨張のために低サイクル疲労を経験しがちであり、これが結局は、回転子ブレードの寿命を短くすることがある。例えば、動作では、吸引側外壁２７は、吸引側カンバ線リブ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のカンバ線の長さを増加させる傾向にあり、これによって、これらの構造のそれぞれの間に、ならびにこれらを接続するこれらの構造間に応力を生じさせる。加えて、加圧側外壁２６は、より冷たい加圧側カンバ線リブ６３よりもやはり大きく熱膨張する。このケースでは、差は、エーロフォイル２５のカンバ線の長さを減少させる傾向にあり、これによって、これらの構造の各々の間に、ならびにこれらを接続するこれらの構造間に応力を生じさせる。１つのケースではエーロフォイルカンバ線を減少させる傾向があり、他方ではこれを増加させるエーロフォイル内の反対の力が、さらなる応力集中をもたらすことがある。エーロフォイルの特定の構造的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い補償される様式は、回転子ブレード１６の部品寿命の重要な決定的要因になる。

より具体的に、一般的なシナリオでは、高温ガス通路の高温に曝すことが吸引側外壁を熱膨張させるので、吸引側外壁２７は、その湾曲の頂点のところで外側にたわむ傾向がある。内部壁である吸引側カンバ線リブ６４が、同じレベルの熱膨張を経験せず、これゆえ、外方にたわむ同じ傾向を有することがないことを認識するであろう。カンバ線リブ６４は、次に、外壁２７の熱膨張に抗する。従来型の設計が、ほとんどまたはまったくコンプライアンスのない硬い幾何学的形状で形成されたカンバ線リブ６２を有するという理由で、この抗性およびこれからもたらされる応力集中を、実体的なものとする場合がある。問題を悪化させると、カンバ線リブ６２を外壁２７に接続するために使用するトラバースリブ６６は、直線プロファイルで形成され、一般に、トラバースリブが接続する壁に対して直角に向けられる。こういう状況であれば、加熱された構造が著しく異なる速度で膨張するので、トラバースリブ６６は、外壁２７とカンバ線リブ６４との間の「冷たい」空間的関係を基本的に早く保持するように動作する。したがって、「弾力性」が構造中にほとんどまたはまったく作られないと、従来型の配列は、構造のある領域に集中する応力を取り除くことに不適当である。差異のある熱膨張バスは、構成要素寿命を短くする低サイクル疲労問題を結果としてもたらす。

多くの異なる内部エーロフォイル冷却システムおよび構造的構成を、過去に評価してきており、この問題を直すための試みを行ってきている。１つのそのような取り組みは、外壁２６、２７を過冷却することを提案し、その結果、温度差および、これによって熱膨張差を減少させる。とはいえ、これを典型的に達成する方法は、エーロフォイルを通って循環する冷却剤の量を増加させることであることを認識するであろう。冷却剤が典型的には圧縮機から流れ出る空気であるという理由で、冷却剤の使用量の増加は、エンジンの効率への負の影響を有し、したがって、好ましくは避ける解決策である。製造方法の改善および／または同じ量の冷却剤を使用するが冷却剤をより効率的に使用するさらに複雑な内部冷却構成を使用する他の解決策が、提案されている。これらの解決策がいくぶんか効率的であることを証明しているとはいえ、それぞれが、エンジンの動作または部品の製造のいずれかに追加コストをもたらし、動作中にエーロフォイルがどのように熱膨張するかの観点から従来型の設計の幾何学形状の欠点である根本問題に直接対処することに対して何も行わない。

本発明は、全体として、タービンブレードのエーロフォイル内にしばしば生じる熱応力の不均衡を緩和するある種の湾曲したまたは気泡を形成したまたはサイン波形のまたは波形の内部リブ（以降「波形リブ」）を教示する。この一般的なアイデア内で、本出願は、このアイデアを実現することができるいくつかの方法を記述し、これらの方法は、波形のカンバ線リブ６２および／またはトラバースリブ６６、ならびにこれらの間のあるタイプの角度を付けた接続部および接続しているトラバースリブ６６間にくびれプロファイルを有するカンバ線リブ６２を含む。これらの新規な構成−これを、別記の特許請求の範囲に正確に記述したように、別々にまたは組み合わせて利用することができる−は、目標とする柔軟性を与えるようにエーロフォイル２５の内部構造の硬さを減少させ、これによって、応力集中を分散させ、応力にさらに耐えることが可能な別の構造的な領域に歪を移動させることを認識するであろう。これは、例えば、大きな面積の全体にわたり歪を分散させる領域に移動させること、または、おそらく、引張り応力の代わりに、典型的にはより好ましい圧縮負荷に移動する構造を含むことができる。このようにして、寿命を短くする応力集中および歪を回避することができる。

図６から図８は、本発明のある種の態様による、内部壁構成を有するタービン回転子ブレード１６の断面図を提供する。本発明は、構造的支持体ならびに仕切りの両者として使用されるリブ６０の構成を含み、仕切りは、中空のエーロフォイル２５を相互接続された半径方向に延びる流路４０へと分割する。これらの流路４０は、特定の方式でエーロフォイル２５を通る冷却剤の流れを管理し、その結果、冷却剤の使用は、的を絞られ、より効率的である。本明細書において提供する例を、タービン回転子ブレード１６において使用することができるように示すが、同じ概念をやはりタービン固定子ブレード１７において利用することができることを認識するであろう。図６は、波形プロファイルを持つカンバ線リブ６２を有する本発明のリブ構成を図示する。（本明細書において使用するように、「プロファイル」という用語は、リブが図６から図８の断面図において有する形状を呼ぶものとする。）カンバ線リブ６２は、上に説明したように、エーロフォイル２５の前縁２８の近くの位置から後縁２９に向かって延びる長い方のリブの１つである。カンバ線リブが描く経路が、エーロフォイル２５のカンバ線にほぼ平行であるという理由で、これらのリブを「カンバ線リブ」と呼び、カンバ線は、凹型加圧側外壁２６と凸型吸引側外壁２７との間の等距離である点の集合を通りエーロフォイル２５の前縁２８と後縁２９との間に延びる基準線である。本出願によれば、「波形プロファイル」は、示したように、形状で顕著に湾曲しているおよびサイン波形であるプロファイルを含む。言い換えると、「波形プロファイル」は、前後への「Ｓ字」プロファイルを示すプロファイルである。

波形プロファイルで構成されたカンバ線リブ６２のセグメントまたは長さは、設計基準に依存して変わることがある。提供した例では、波形カンバ線リブ６２は、典型的には、エーロフォイル２５の前縁２８に近い位置からエーロフォイル２５のカンバ線の中間点を超える点まで延びる。カンバ線リブ６２の波形部分は、長さが短くてもよいが、本明細書において論じた同じタイプの性能の長所を依然として与えることを認識するであろう。カンバ線リブ６２の波形セグメントの湾曲の数ならびに長さを、最善の結果を実現するために変えることができる。ある種の実施形態では、本発明の波形カンバ線リブ６２は、カンバ線リブが含む完全な前後への「Ｓ字」形状の数によって定義される。このタイプの好ましい実施形態では、波形カンバ線リブ６２は、少なくとも１つの途切れない前後への「Ｓ字」形状を含む。別の一実施形態では、波形カンバ線リブ６２は、少なくとも２つの連続的であり途切れない前後への「Ｓ字」形状を含む。図６および図７に与えた例は、２つ以上の完全な「Ｓ字」形状を有する経路をそれぞれ描くことを認識するであろう。全体の長さに関して、カンバ線リブ６２の波形セグメントは、エーロフォイル２５のカンバ線の長さのかなりの部分にわたり延びることができる。例えば、図６および図７に示したように、好ましい実施形態では、カンバ線リブ６２の波形部分は、エーロフォイル２５のカンバ線の長さの少なくとも６９％である。言い換えると、カンバ線リブ６２の波形部分は、エーロフォイル２５の前縁２８の近くで始まり、後方に延び、エーロフォイル２５の湾曲の頂点を十分に超える。

曲がりくねったプロファイルを与えられると、波形カンバ線リブ６２は、その進行方向が変わる経路を描くことを認識するであろう。本発明の波形カンバ線リブ６２を、いたるところで経路が曲がりくねる一般的な円弧を描く経路を有するようにさらに記述することができ、しかも、経路は、典型的に、前縁２８に近い起点およびエーロフォイル２５の後縁２９に近い後端点から延びることを認識するであろう。波形カンバ線リブ６２のケースでは、これは、エーロフォイル２５のカンバ線に大雑把に平行であるこの一般的な円弧を描く経路である。

上に論じた図５の四重壁の例などの多くの知られているエーロフォイル２５構成は、２つのカンバ線リブ６２を含む。このタイプの構成では、加圧側外壁２６の近くに存在する加圧側カンバ線リブ６３、および吸引側外壁２７の近くに存在する吸引側カンバ線リブ６４を有するように記述することができる。本発明は、図６および図７に示したように、吸引側カンバ線リブ６４および加圧側カンバ線リブ６３の両者が波形リブとして形成される構成を含むことができる。代替実施形態では、これらのカンバ線リブ６２のうちの一方だけが、波形プロファイルを有することができる。本発明を、１つのカンバ線リブ６２だけを有する構成でもやはり利用することができることを認識するであろう。

２つのカンバ線リブ６２を含むエーロフォイル２５では、加圧側カンバ線リブ６３および吸引側カンバ線リブ６４が、中央流路４０を画定することを認識するであろう。加圧側カンバ線リブ６３および吸引側カンバ線リブ６４の各々についての波形プロファイルを、中央流路４０に面するカンバ線リブ６２の連続するセグメントによって取られる形状に関連して規定することができる。すなわち、例えば、中央流路４０に関連して、第１の凹形セグメントが第２の凸形セグメントに移行する２つの連続するセグメントを含むように、カンバ線リブ６２の波形プロファイルを記述することができる。代替実施形態では、波形プロファイルは、４つの連続するセグメントを含むことができ、そこでは、第１の凹形セグメントが第２の凸形セグメントに移行し、第２の凸形セグメントが第３の凹形セグメントに移行し、そして第３の凹形セグメントが第４の凸形セグメントに移行する。

ある種の実施形態では、本発明は、エーロフォイル２５のコンプライアンスを調整するために利用することができるトラバースリブ６６のある種の構成を教示する。本明細書において使用するように、トラバースリブ６６は、エーロフォイル２５を横切って延びる短い方のリブである。カンバ線リブ６２を、いずれか、他のカンバ線リブまたはエーロフォイル２５の外壁２６、２７のうちの一方に接続するために、トラバースリブ６６を使用する。このようにして構成すると、トラバースリブ６６が、外壁２６、２７とカンバ線リブ６２との間に形成された流路４０に対する仕切りとしてやはり働くことを認識するであろう。図示したように、加圧側外壁２６および加圧側カンバ線リブ６３は、これらの間に加圧側流路４０を画定するように構成される。同様に、吸引側外壁２７および吸引側カンバ線リブ６４は、これらの間に吸引側流路４０を画定するように構成される。吸引側カンバ線リブ６４と加圧側カンバ線リブ６３との間に、中央流路４０が画定される。示したように、これらの流路４０を次に、トラバースリブ６６によって細分割することができる。本発明のある種の実施形態では、いくつかの加圧側トラバースリブ６７は、加圧側外壁２６を加圧側カンバ線リブ６３に接続する。このようにして、加圧側トラバースリブ６７は、加圧側流路４０を多数の別々の、軸方向に積み重なった流路４０へと分割する。同じように、いくつかの吸引側トラバースリブ６８は、吸引側外壁２７を吸引側カンバ線リブ６４に接続し、吸引側流路４０を多数の別々の、軸方向に積み重なった流路４０へと分割する。中央トラバースリブ６９は、加圧側カンバ線リブ６３を吸引側カンバ線リブ６４に接続し、同様に中央流路を仕切る。

カンバ線リブ６２およびトラバースリブ６６を、半径方向に延びる壁として構成することができる。すなわち、これらのリブは、エーロフォイル２５の２つの端部の間に半径方向に延びる一方で、図６から図８の断面図に示したプロファイルを形成することができる。このようにして、加圧側流路、吸引側流路、および中央流路４０は、エーロフォイル２５とブレード付け根２１との間の界面の近くである内側寄り端部と、エーロフォイル２５の外側寄り先端３１の近くである外側寄り端部との間で半径方向に延びることができる。使用に際して、冷却剤の供給を、ブレード付け根２１を通って延びる供給通路を介して、流路４０の内側寄り端部のうちの１つまたは複数に配送することができる。エーロフォイル２５を通る蛇行冷却剤通路を作るために、流路４０を、その内側寄り端部または外側寄り端部のところで選択的に接続することができることを認識するであろう。

図６に図示したように、本発明のリブ構成は、エーロフォイル２５の加圧側および吸引側の各々においていくつかのトラバースリブ６６を含むことができる。好ましい実施形態では、少なくとも５つの加圧側トラバースリブ６７および５つの吸引側トラバースリブ６８を含むことができる。複数の中央トラバースリブ６９をやはり設けることができるが、１つのトラバースリブ６９を別の実施形態ではやはり使用することができる。示したように、好ましい実施形態では、本発明は、少なくとも２つの中央トラバースリブ６９を含むことができる。本発明は、接続アセンブリをさらに記述し、これによってトラバースリブ６６が外壁２６、２７および／またはカンバ線リブ６２に接続する。トラバースリブ６６がこのような壁２６、２７、６２と交差する角度を、「接続の角度」によって記述することができることを認識するであろう。（「接続の角度」が呼ぶものは、トラバースリブとこれが交差する壁との間のトラバースリブの各端部の両側に形成される２つの角度のうちの小さい方であることを認識するであろう。）従来型のエーロフォイル構成では、上に述べたように、接続の角度は、一般に９０°に近い急勾配のものである。このような急勾配の角度が強靭な構造に役立つことを認識するであろう。本発明は、エーロフォイル２５構造または構造の目標領域をよりコンプライアンスを有するようにすることができる方法として、９０°よりも著しく小さい角度を教示する。一実施形態によれば、図６および図７に示したように、加圧側トラバースリブ６７のうちの少なくとも２つを、６０°よりも小さい加圧側外壁２６との接続の角度を有するように構成することができる。別の実施形態によれば、示したように、吸引側トラバースリブ６８のうちの少なくとも２つを、６０°よりも小さい吸引側外壁２７との接続の角度を形成するように構成することができる。中央トラバースリブ６９を同様に構成することができ、本発明の構成は、吸引側カンバ線リブ６４および加圧側カンバ線リブ６３の各々のところで６０°よりも小さい少なくとも１つの接続の角度を有することを含む。より大きなコンプライアンスを要求されるところでは、実施形態は、６０°よりも小さい外壁２６、２７との接続の角度を有するように構成された加圧側トラバースリブ６７のうちの３つおよび吸引側トラバースリブ６８のうちの３つを有することを含むことができ、中央トラバースリブ６９のうちの少なくとも２つを、吸引側カンバ線リブ６４および加圧側カンバ線リブ６３の各々のところで６０°よりも小さい接続の角度を形成するように構成することができる。

本発明は、トラバースリブ６６が構造的コンプライアンスを高めることができるもう１つの様式をさらに記述する。トラバースリブ６６は、典型的には直線プロファイルを有することで形成され、これは認識されるように、強靭で屈曲しない構成をもたらす。本発明のある種の実施形態にしたがって、トラバースリブ６６は、湾曲したプロファイルを有することで構成される。具体的に、図６から図８における例の各々に示したように、中央トラバースリブ６９は、湾曲した、アーチ形の、または円弧を描くプロファイルを含むことができる。このプロファイルを用いると、トラバースリブ６６は、はるかにコンプライアンスを有するようになり、トラバースリブが接続する構造壁間の相対的な動きを調節することができる。トラバースリブの湾曲した円弧を描くプロファイルが向けられる方向を、予想される応力のタイプを調節するように操作することができる。好ましい実施形態によれば、図６に図示したように、中央トラバースリブ６９の凹面がエーロフォイル２５の前縁２８の方に向けられるように、中央トラバースリブ６９の円弧を向けることができる。この方向付けを、特定の構造またはその一部に含まれる中央トラバースリブ６９のすべてに行うことができる。代替実施形態では、図７に図示したように、トラバースリブの凸面がエーロフォイル２５の前縁２８から遠くに向けられるように、中央トラバースリブ６９の円弧を向けることができる。このタイプのプロファイルを、中央トラバースリブ６９のすべてにまたはその一部だけに使用することができる。

本発明によれば、エーロフォイルの内部構造は、エーロフォイルのカンバ線方向に沿って波形リブを含むことができる。カンバ線リブ６２をこのようにしてバネ状に作ることによって、エーロフォイルの内部バックボーンを、性能の優位性を実現することができるようによりコンプライアンスを有するようにすることができる。加えて、負荷通路をさらに柔軟にするために、ならびにリブ６２およびリブが接続する外壁２６、２７とのよりコンプライアンスのある接続を作るために、エーロフォイル構造のトラバースリブを湾曲させることができる。標準的な直線リブ設計が、内部冷却キャビティ壁とはるかに熱い外壁との間のサーマルファイト（ｔｈｅｒｍａｌ ｆｉｇｈｔ）に起因する大きな応力および低サイクル寿命を経験するのに対して、本発明は、応力集中をより上手く負担することができるバネ状構成を提供し、これを、本明細書において与えたように、構成部品の寿命を改善するために使用することができる。

図７および図８は、カンバ線リブ６２の１つまたは複数のセグメント７３を、くびれプロファイル７２を有するように形成した本発明の別の一態様を図示する。本出願にしたがって、そして本明細書において使用するように、「くびれプロファイル」は、リブ厚さがセグメント７３の対向する端部７５から狭くなり、そのため端部間にネックまたはくびれ領域を形成するプロファイルである。別の方法で記述すると、くびれプロファイル７２は、カンバ線リブセグメント７３がネック７４から外に向かって端部７５に延びるにつれて、両方の方向に徐々に広がるまたは厚くなる厚さを有するプロファイルである。この構成を与えられると、くびれプロファイル７２は砂時計形状に似ていることを認識するであろう。

本発明のくびれプロファイル７２を、カンバ線リブ６２によって内側に画定される流路４０内に含むことができる。好ましい実施形態では、示したように、カンバ線リブ６２とエーロフォイル２５の外壁２６、２７のうちの一方との間に形成される壁に近い流路４０の構成に関係して規定されるカンバ線リブセグメント７３に、くびれプロファイル７２を適用する。好ましい実施形態では、くびれプロファイル７２を有するセグメント７３を、連続するトラバースリブ６６間に規定する。具体的に、壁に近い流路が、エーロフォイルの外壁２６、２７をカンバ線リブ６２へ５つを用いて接続する２つの連続したトラバースリブ６６間に規定されることを認識するであろう。好ましい実施形態では、くびれプロファイル７２を適用するカンバ線リブセグメント７３は、これらの連続したトラバースリブ６６の各々がカンバ線リブ６２と交差する場所間で規定されるカンバ線リブ６２の長さである。このように規定すると、カンバ線リブセグメント７３を、トラバースリブ間セグメントと呼ぶことができる。

図８に示したように、くびれプロファイル７２を、形態が波形またはサイン波形であるカンバ線リブ６２とともに使用することができ、このケースでは、本発明の他の態様に関連して論じた構成のいずれかとともに使用することができる。くびれプロファイル７２は、しかしながら、このタイプの使用に限定されない。図７に示したように、くびれプロファイル７２を、伝統的な方法で形成したカンバ線リブ６２、すなわち、実質的に直線である軸を有するカンバ線リブと協働して使用することができる。好ましい実施形態では、くびれプロファイル７２を、２つ以上の連続的に形成した流路４０のカンバ線リブ６２において使用することができる。けれども、１つの流路４０のカンバ線セグメント７３において使用した場合に、くびれプロファイル７２が、ある種の性能の優位性を依然として提供することができることを認識するであろう。くびれプロファイル７２を、加圧側カンバ線リブ６２、吸引側カンバ線リブ６２、または両者のカンバ線セグメント７３において使用することができることをやはり認識するであろう。

図７および図８に与えたように、くびれプロファイル７２は、湾曲した形状または直線的な形状を含むことができる。好ましい実施形態では、くびれプロファイル７２は、ネック７４から徐々に広くなる輪郭形状を含む。示したように、好ましい実施形態では、ネック７４を、カンバ線リブ６２のセグメント７３の中間点のところにまたは近くに設置することができる。ネック７４は「ネック厚さ」を有するとして記述され、一方、セグメント７３の対向する端部７５の各々は、「端部厚さ」を有するとして記述されることができ、この厚さはそれぞれ、図７および図８において間隔７７および間隔７８として表されることを理解するであろう。例示的な実施形態では、端部７５の各々の端部厚さ７８は、ネック厚さ７７よりも少なくとも１．５倍厚い。代替実施形態では、端部７５の各々の端部厚さ７８は、ネック厚さ７７よりも少なくとも２倍厚い。対向する端部７５の各々とネック７４との間のくびれプロファイルは、滑らかな方式および／または一定の方式で狭くなることが可能であり、これが応力集中を最小にするであろう。

本発明のくびれプロファイル７２は、不均衡な熱膨張からもたらされる応力を最小にするまたは分散させるように、エーロフォイル構造のコンプライアンスを高めるまたはさらに調整することができるもう１つの方式を提供することを認識するであろう。好ましい実施形態では、波形リブが全体として形成する「バネ」のコンプライアンスを高めるために、くびれプロファイル７２を波形カンバ線リブ６２の態様と協働して使用することができる。このケースでは、くびれプロファイル７２が、波形壁のバネ効果を高め、これによって、エーロフォイル２５の内部構造が受ける応力を減少させることを理解するであろう。これらに倣って、図８をさらに参照すると、くびれプロファイル７２が、引張り負荷に応じて真っ直ぐになり、圧縮負荷に応じてさらに曲がるコンプライアンスを波形リブの湾曲したセグメント７３に与えることを認識するであろう。述べたように、エーロフォイル構造に少なくともあるレベル高めたコンプライアンスを与える手段として、数多くの従来型の直線的なタイプのカンバ線リブ６２とともに、くびれプロファイル７２をやはり使用することができる。これらのタイプのリブ構成が与える結果として得られる低い応力レベルを、構成部品のサイクル寿命を延ばすために使用することができる。

当業者なら認識するように、いくつかの例示的な実施形態に関連して上に記述した多くの変わる特徴および構成を、本発明の別の可能性のある実施形態を形成するために、さらに選択的に適用することができる。簡潔さのためにおよび当業者の能力を考慮して、可能性のある繰り返しのすべてを詳細には提供しないまたは論じないが、下記のいくつかの請求項によって包含されようがそうでなかろうがすべての組合せおよび可能性のある実施形態は、本出願の一部であるものとする。加えて、本発明のいくつかの例示的な実施形態の上の記述から、当業者なら、改善、変更、および修正に気付くであろう。本分野の技術内でのこのような改善、変更、および修正もやはり、別記の特許請求の範囲によって保護されるものとする。さらに、上記は、本出願の記述した実施形態だけに関係し、数多くの変更および修正を、別記の特許請求の範囲およびそ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せずにここに行うことができることを認識されたい。

１０ 燃焼タービンエンジン
１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ タービン
１４ 圧縮機回転子ブレード
１５ 圧縮機固定子ブレード
１６ タービン回転子ブレード
１７ タービン固定子ブレード
２１ 付け根
２４ プラットフォーム
２５ エーロフォイル
２６ 加圧側外壁
２７ 吸引側外壁
２８ 前縁
２９ 後縁
３１ 外側寄り先端
４０ 流路
４１ 中央流路
４２ 前縁流路
４３ 加圧側の壁に近い流路
４４ 吸引側の壁に近い流路
４５ 供給物供給装置
４６ ポート
４７ 交差通路
４８ インピンジメントコネクタ
４９ 表面出口
６０ リブ
６２ カンバ線リブ
６３ 加圧側カンバ線リブ
６４ 吸引側カンバ線リブ
６６ トラバースリブ
６７ 加圧側トラバースリブ
６８ 吸引側トラバースリブ
６９ 中央トラバースリブ
７２ くびれプロファイル
７３ カンバ線リブセグメント
７４ ネック
７５ セグメント端部
７７ ネック厚さ
７８ 端部厚さ

Claims (17)

1. 凹形状をした加圧側外壁および凸形状をした吸引側外壁が前縁および後縁に沿って接続し、前記外壁の間に冷却剤の流れを受けるための半径方向に延びるチャンバを形成する外壁によって画定されるエーロフォイルを備えるタービンブレードであって、
   前記チャンバを半径方向に延びる流路へと仕切るリブ構成であり、
   壁に近い流れチャンバを間に画定するように前記外壁のうちの一方に並んで延びるカンバ線リブと、
   前記壁に近い流れチャンバを連続して積み重なった流路へと分割するように前記カンバ線リブと前記外壁のうちの前記一方との間に延びるトラバースリブで、前記流路の各々が前記カンバ線リブのセグメントによって内側に画定される、トラバースリブと、
   を備え、
   前記流路のうちの１つの前記カンバ線リブの前記セグメントが、くびれプロファイルを含み、前記くびれプロファイルが、対向する端部から前記端部の間に配置されたネックに向けて狭くなるプロファイルを含み、
   前記カンバ線リブの前記セグメントは、前記対向する端部の各々が前記トラバースリブとの交点のところで規定されるトラバースリブ間セグメントを含み、
   前記トラバースリブが、少なくとも２つの軸方向に積み重なった流路を形成し、
   前記トラバースリブによって形成される隣接する２つの流路間の距離は、当該トラバースリブの前記カンバ線リブから前記外壁までの長さより小さく、
   前記２つの軸方向に積み重なった流路の各々についての前記カンバ線リブの前記セグメントが、前記くびれプロファイルをそれぞれ含む、
   タービンブレード。
2. 前記トラバースリブが、３つの連続して積み重なった流路を形成し、
   前記３つの連続して積み重なった流路の各々についての前記カンバ線リブの前記セグメントが、前記くびれプロファイルをそれぞれ含む、
   請求項１に記載のタービンブレード。
3. 前記３つの連続して積み重なった流路の各々についての前記カンバ線リブの前記セグメントが、直線軸をそれぞれ含む、請求項２に記載のタービンブレード。
4. 前記３つの連続して積み重なった流路の各々についての前記カンバ線リブの前記セグメントが、波形軸を含む、請求項２に記載のタービンブレード。
5. 波形軸が、少なくとも１つの前後への「Ｓ字」形状を含む、請求項４に記載のタービンブレード。
6. 前記カンバ線リブが、前記加圧側外壁に並びかつ近くに延びる加圧側カンバ線リブを含み、
   前記トラバースリブが、前記３つの連続して積み重なった流路を形成するように、前記加圧側カンバ線リブと前記加圧側外壁との間に延び、前記流路の各々が、前記加圧側外壁、２つの対向するトラバースリブ、および前記加圧側外壁に対向する前記加圧側カンバ線リブの前記セグメントによって画定される、
   請求項２に記載のタービンブレード。
7. 前記加圧側カンバ線リブが、少なくとも２つの連続的な前後への「Ｓ字」形状を含む波形プロファイルを含む、請求項６に記載のタービンブレード。
8. 前記カンバ線リブが、前記吸引側外壁に並びかつ近くに延びる吸引側カンバ線リブを含み、
   前記トラバースリブが、前記３つの連続して積み重なった流路を形成するように、前記吸引側カンバ線リブと前記吸引側外壁との間に延び、前記流路の各々が、前記吸引側外壁、２つの対向するトラバースリブ、および前記吸引側外壁に対向する前記吸引側カンバ線リブの前記セグメントによって画定される、
   請求項２に記載のタービンブレード。
9. 前記吸引側カンバ線リブが、少なくとも２つの連続的な前後への「Ｓ字」形状を含む波形プロファイルを含む、請求項８に記載のタービンブレード。
10. 前記リブ構成が、２つのカンバ線リブ、すなわち、前記加圧側外壁に並んで延びかつ前記加圧側外壁との間に壁に近い流れチャンバを形成する加圧側カンバ線リブ、および前記吸引側外壁に並んで延びかつ前記吸引側外壁との間に壁に近い流れチャンバを形成する吸引側カンバ線リブを含み、
    前記トラバースリブが、少なくとも２つの連続して積み重なった流路を形成するように、前記加圧側カンバ線リブと前記加圧側外壁との間に延び、前記２つの連続して積み重なった流路の各々についての前記加圧側カンバ線リブの前記セグメントが、前記くびれプロファイルをそれぞれ含み、
    前記トラバースリブが、少なくとも２つの連続して積み重なった流路を形成するように、前記吸引側カンバ線リブと前記吸引側外壁との間に延び、前記２つの連続して積み重なった流路の各々についての前記吸引側カンバ線リブの前記セグメントが、前記くびれプロファイルをそれぞれ含む、
    請求項１に記載のタービンブレード。
11. 前記加圧側カンバ線リブおよび前記吸引側カンバ線リブのうちの少なくとも一方が、少なくとも２つの連続的な前後への「Ｓ字」形状を含む波形プロファイルを含む、請求項１０に記載のタービンブレード。
12. 前記くびれプロファイルの前記ネックが、前記カンバ線リブの前記セグメントの前記対向する端部間の中間点の近くに配置される、請求項１から１１のいずれかに記載のタービンブレード。
13. 前記対向する端部の各々が端部厚さを含み、前記ネックがネック厚さを含み、
    前記端部厚さが、前記ネック厚さよりも少なくとも１．５倍厚い、
    請求項１から１２のいずれかに記載のタービンブレード。
14. 前記対向する端部の各々が端部厚さを含み、前記ネックがネック厚さを含み、
    前記端部厚さが、前記ネック厚さよりも少なくとも２倍厚い、
    請求項１から１２のいずれかに記載のタービンブレード。
15. 前記対向する端部の各々と前記ネックとの間の前記くびれプロファイルが、一定の割合で変化する、請求項１３または１４に記載のタービンブレード。
16. 前記対向する端部の各々と前記ネックとの間の前記くびれプロファイルが、滑らかに変化する、請求項１３または１４に記載のタービンブレード。
17. 前記タービンブレードが、タービン回転子ブレードを備える、請求項１から１６のいずれかに記載のタービンブレード。