JP2012149641A

JP2012149641A - タービン部品用の湾曲冷却通路

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Publication number: JP2012149641A
Application number: JP2012004728A
Authority: JP
Inventors: Benjamin Paul Lacy; ベンジャミン・ポール・レーシー; Brian Peter Arness; ブライアン・ピーター・アーネス; John Morgan Victor; ヴィクター・ジョン・モルガン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2012-08-09
Anticipated expiration: 2032-01-13
Also published as: JP6001862B2; FR2970502B1; FR2970502A1; US20120183412A1; CN102606221B; DE102012100266A1; DE102012100266B4; CN102606221A; US8753083B2

Abstract

【課題】必要とされる冷却孔の量及び空気を低減しながら翼形部の一部を効果的に冷却するタービン部品を提供すること。
【解決手段】湾曲冷却通路を有するタービン部品が開示される。タービン部品は、一般に、ベースと、該ベースの反対側に配置された先端とを有する翼形部を備えることができる。翼形部は更に、前縁と後縁との間に延在する正圧側面及び負圧側面を含むことができる。翼形部冷却回路は、翼形部内に少なくとも部分的に配置することができ、翼形部を通って冷却媒体を供給するよう構成することができる。湾曲冷却通路は一般に、翼形部冷却回路と流れ連通し、該翼形部冷却回路を通って流れる冷却媒体が冷却通路の内部に配向できるようにすることができる。加えて、湾曲冷却通路は、一般に、翼形部の正圧側面及び負圧側面の一方の少なくとも一部に沿って前縁と後縁との間で翼形部内の長さ方向に延在することができる。
【選択図】図３

Description

本発明の主題は、全体的に、タービン部品の冷却に関し、より詳細には、部品の翼形部を通って冷却媒体を供給するための湾曲冷却通路を有するタービン部品に関する。

ガスタービンでは、高温の燃焼ガスが、燃焼器の環状アレイからトランジションピースを通って流れ、環状の高温ガス経路に沿って流れるようになっている。タービン段は通常、高温の燃焼ガスがトランジションピースから第１段ノズル及びバケットを通り、後続のタービン段のノズル及びバケットを通って流れるように高温ガス経路に沿って配置される。タービンバケットは、タービンロータを備えた複数のタービンホイールに固定することができ、各タービンホイールは、これと共に回転するようにロータシャフトに取り付けられる。

タービンバケットは一般に、実質的に平坦なプラットフォームから半径方向上向きに延在する翼形部と、プラットフォームから半径方向下向きに延在する中空シャンク部とを含む。シャンク部は、タービンロータのタービンホイールにバケットを固定するダブテール又は他の手段を含むことができる。一般に、ガスタービンの運転中、燃焼器から流れる高温の燃焼ガスは、全体的にタービンバケットの翼形部を覆い且つその周りに存在している。部品を高温から保護するために、バケット翼形部は通常、翼形部全体を通って冷却媒体（空気など）を提供して翼形部の正圧側面と負圧側面との間の温度差を低減するよう構成された翼形部冷却回路を含む。加えて、翼形部は、翼形部の先端に空気を供給するための冷却方式又は構成を有することができる。

現在のところ、バケット翼形部の先端は、翼形部の周囲に沿って先端付近に画成された一連の直線状のフィルム冷却孔を用いて冷却されている。具体的には、フィルム孔は、先端付近の翼形部表面から翼形部の冷却回路内に半径方向下向き及び内向きに孔開けされ、冷却回路を通って流れる空気が先端に沿って配向できるようにされる。しかしながら、この冷却構成は、最適とはいえない冷却をバケット先端に提供する。加えて、このような冷却構成は、冷却孔の過剰な量を必要とし、また、過剰な量の空気の使用を必要とする。

従って、必要とされる冷却孔の量及び空気を低減しながら、翼形部先端のような翼形部の一部を効果的に冷却するタービン部品の翼形部の冷却構成が当該技術において望ましいことになる。

米国特許第６３９０７７４号明細書

本発明の態様及び利点は、その一部を以下の説明に記載しており、又はその説明から自明なものとすることができ、或いは本発明を実施することにより知ることができる。

１つの態様において、本発明の主題は、ベースと、該ベースの反対側に配置された先端とを有する翼形部タービン部品を開示している。翼形部は更に、前縁と後縁との間に延在する正圧側面及び負圧側面を含むことができる。翼形部冷却回路は、翼形部内に少なくとも部分的に配置することができ、翼形部を通って冷却媒体を配向するよう構成することができる。湾曲冷却通路は一般に、翼形部冷却回路と流れ連通し、該翼形部冷却回路を通って流れる冷却媒体が冷却通路の内部に配向できるようにすることができる。加えて、湾曲冷却通路は、一般に、翼形部の正圧側面及び負圧側面の一方の少なくとも一部に沿って前縁と後縁との間で翼形部内の長さ方向に延在することができる。

別の態様において、本発明の主題は、ベースと、該ベースの反対側に配置された先端とを有する翼形部タービン部品を開示している。翼形部は更に、前縁と後縁との間に延在する正圧側面及び負圧側面を含む。翼形部冷却回路は、翼形部内に少なくとも部分的に配置することができ、翼形部を通って冷却媒体を配向するよう構成することができる。加えて、複数の湾曲冷却通路を翼形部先端にほぼ隣接して翼形部内に定めることができる。冷却通路は、翼形部冷却回路と流れ連通し、該翼形部冷却回路を通って流れる冷却媒体が冷却通路の内部に配向できるようにすることができる。更に、冷却通路の各々は、一般に、翼形部の正圧側面及び負圧側面の一方の少なくとも一部に沿って前縁と後縁との間で翼形部内の長さ方向に延在することができる。

本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、以下の説明及び添付の請求項を参照するとより理解できるであろう。本明細書に組み込まれ且つその一部を構成する添付図面は、本発明の実施形態を例証しており、本明細書と共に本発明の原理を説明する役割を果たす。

添付図を参照した本明細書において、当業者に対してなしたその最良の形態を含む本発明の完全且つ有効な開示を説明する。

ガスタービンの概略図。タービンバケットの一実施形態の斜視図。本発明の主題の態様による、複数の湾曲冷却通路が内部に画成されたタービンバケットの翼形部の一実施形態の部分斜視図。図３に示す翼形部の上面図。本発明の主題の態様による、複数の湾曲冷却通路が内部に画成されたタービンバケットの翼形部の別の実施形態の部分斜視図。図５に示す翼形部の上面図。本発明の主題の態様による、複数の湾曲冷却通路が内部に画成されたタービンバケットの翼形部の一実施形態の部分側面図。図７に示す翼形部の上面図。本発明の主題の態様による、乱流発生形状の湾曲冷却通路の一実施形態の断面図。

以下、本発明の実施形態について詳しく説明するが、その１以上の実施例を図面に示す。各実施例は例示にすぎず、本発明を限定するものではない。実際、本発明の技術的範囲又は技術的思想から逸脱せずに、本発明に様々な修正及び変形をなすことができることは当業者には明らかであろう。例えば、ある実施形態の一部として例示又は説明した特徴を、別の実施形態に用いてさらに別の実施形態としてもよい。従って、本発明は、かかる修正及び変形を特許請求の範囲で規定される技術的範囲及びその均等の範囲に属するものとして包含する。

一般に、本発明の主題は、タービン部品の翼形部のための冷却構成に関する。詳細には、本発明の主題は、翼形部の特定の区域に冷却媒体を供給するための１以上の湾曲冷却通路を有するタービン部品に関する。幾つかの実施形態では、湾曲冷却通路は、部品の先端上又はこれに隣接して冷却媒体を供給するよう構成することができる。例えば、湾曲冷却通路は、翼形部先端にほぼ隣接した区域において外周部（例えば、翼形部の正圧側面及び／又は負圧側面の湾曲形状又は輪郭に沿って）に沿った翼形部に定めることができる。従って、冷却通路の曲率及び翼形部先端の外周部に沿った冷却通路の配置に起因して、冷却通路を通って流れる冷却媒体は、冷却を必要とする翼形部先端上及び／又はこれに隣接した区域に効率的に供給することができる。従って、翼形部先端を十分に冷却するのに必要な空気の量並びに冷却孔の数は、有意に低減することができる。

全体的に、本明細書では本発明の主題の湾曲冷却通路は、ガスタービンのタービンバケットに関連して説明する。しかしながら、開示される冷却通路は、一般的に、冷却を必要とする翼形部を有するあらゆるタービン部品において定めることができる点は当業者であれば容易に理解されるはずである。従って、例えば、湾曲冷却通路はまた、ガスタービンの圧縮機セクションの圧縮機ロータブレード内に定めることができる。加えて、本発明の主題の用途は、必ずしもガスタービンに限定される必要はなく、蒸気タービンでも利用することができる。更に、湾曲冷却通路は、発電用に使用されるタービンの部品、並びに航空機推進用に使用される部品において定めることができる点は理解されたい。

図面を参照すると、図１は、ガスタービン１０の概略図を示している。ガスタービン１０は、一般に、圧縮機セクション１２、燃焼器セクション１４内の複数の燃焼器、及びタービンセクション１６を含む。圧縮機セクション１２及びタービンセクション１６は、シャフト１８によって結合することができる。ガスタービン１０の運転中、圧縮機セクション１２は、加圧空気を燃焼器セクション１４の燃焼器に供給する。各燃焼器内で空気及び燃料が混合されて燃焼し、高温の燃焼ガスが高温ガス経路において燃焼器セクション１４からタービンセクション１６に流れ、ここで燃焼ガスからエネルギーが抽出されて仕事を産出する。

次に、図２を参照すると、ガスタービン１０のタービンセクション１６内で使用するのに好適なタービンバケット２０の一実施形態が図示されている。図示のように、バケット２０は、一般に、シャンク部２２と、実質的に平面的なプラットフォーム２６から延在する翼形部２４とを含む。プラットフォーム２６は一般に、ガスタービン１０のタービンセクション１６を通って流れる高温の燃焼ガスに対する半径方向内向き境界の役割を果たす。バケット２０のシャンク部２２は、一般に、プラットフォーム２６から半径方向内向きに延在するよう構成することができ、側部２８と、該側部により部分的に画成される中空キャビティ３０と、各側部２８から水平方向に延在する１以上のエンジェルウィング３２とを含むことができる。シャンク部２２はまた、バケット２０をガスタービン１０のタービンセクション１６のタービンホイール（図示せず）に固定するよう構成された、ダブテールのような根元構造体（図示せず）を含むことができる。

タービンバケット２０の翼形部２４は、一般に、プラットフォーム２６から半径方向外向きに延在する翼形部基部３４と、基部３４の反対側に配置された翼形部先端３６とを含むことができる。従って、翼形部先端３６は、一般に、タービンバケット２０の半径方向最外部を定めることができる。翼形部先端３６はまた、前縁４２と後縁４４との間に延在する正圧側面３８及び負圧側面４０（図４）を含むことができる。正圧側面３８は、一般に、翼形部２４の凹状の空気力学的外側表面を定めることができる。同様に、負圧側面４０は、一般に、翼形部２４の凸状の空気力学的外側表面を定めることができる。

更に図２を参照すると、タービンバケット２０はまた、空気、水、蒸気、又は他の何れかの好適な流体を翼形部２４全体に流すために、翼形部先端３６の方向でシャンク部２２から半径方向外向きに延在する翼形部冷却回路４６を含むことができる。一般に、翼形部冷却回路４６は、当該技術分野で公知のあらゆる好適な構成を有することができる点は理解されたい。例えば、図示の実施形態では、冷却回路４６は、１以上の冷却媒体供給通路５６から翼形部先端３６にほぼ隣接した翼形部２４の区域まで半径方向外向きに延在する複数の冷却チャネル４８、５０、５２、５４を含む。具体的には、図示のように、翼形部冷却回路４６は、供給通路５６から供給される冷却媒体を翼形部２４全体に流すように構成された４つの半径方向に延在する冷却チャネル４８、５０、５２、５４を含む。しかしながら、当業者であれば、翼形部冷却回路４６はあらゆる数の冷却チャネル４８、５０、５２、５４を含むことができる点は理解されるはずである。加えて、冷却チャネル４８、５０、５２、５４は、別個のチャネルとして翼形部先端３６に向かって半径方向に延在するように図示されているが、冷却チャネル４８、５０、５２、５４はまた、互いに連通することもできる点は理解されたい。例えば、翼形部冷却回路４６は、マルチパス冷却回路として構成することができ、翼形部２４内で半径方向内向き及び半径方向外向きに延在する複数の相互接続された冷却チャネル４８、５０、５２、５４を含むことができる。具体的には、一実施形態では、冷却チャネル４８、５０、５２、５４は、冷却チャネル４８、５０、５２、５４内の冷却媒体が翼形部２４全体にわたって半径方向外向き及び半径方向内向きに交互に流れるように蛇行状経路を定めることができる。その上、翼形部冷却回路４６は、開放冷却回路及び閉鎖冷却回路を備えることができる点は理解されたい。例えば、一実施形態では、翼形部冷却回路４６は、シャンク部２２を通して冷却媒体を排出し冷却媒体源（図示せず）に戻すための戻り通路（図示せず）を含むことができる。或いは、翼形部冷却回路４６を通じて供給される冷却媒体は、翼形部２４内に画成される任意の数の出口又は孔を通じて排出することができる。

図３及び４を参照すると、本発明の主題の態様による、翼形部先端３６にほぼ隣接したバケットの翼形部２４の区域を冷却するために複数の湾曲冷却通路６２、６２を有するタービンバケット２０の一実施形態が示されている。具体的には、図３は、内部に画成される複数の湾曲冷却通路６２、６２を含むバケットの翼形部２４の部分斜視図を示す。図４は、図３に示す翼形部２４、詳細には翼形部先端３６の表面６４を示す翼形部２４の上面図を示している。

一般に、本発明の主題の湾曲冷却通路６２、６２は、翼形部２４の外周部の少なくとも一部に沿って冷却媒体を配向するよう構成することができる。例えば、幾つかの実施形態では、湾曲冷却通路６２、６２は、翼形部先端３６にほぼ隣接した区域において翼形部２４の外周部に沿って冷却媒体を配向するよう構成することができる。従って、図示の実施形態では、第１の冷却通路６０は、翼形部先端３６にほぼ隣接して定めることができ、翼形部２４の正圧側面３８に沿って長さ方向に延在することができる。加えて、第２の湾曲冷却通路６２は、翼形部先端３６にほぼ隣接して定めることができ、翼形部２４の負圧側面４０に沿って長さ方向に延在することができる。しかしながら、代替の実施形態では、正圧側面３８又は負圧側面４０上に、及び／又は翼形部２４の正圧側面３８及び負圧側面４０間に延在する複数の湾曲冷却通路を定めることができる点は理解されたい。更に、別の実施形態では、翼形部２４は、正圧側面３８又は負圧側面４０上に画成され、或いは翼形部２４の正圧側面３８及び負圧側面４０間に延在する単一の湾曲冷却通路だけを含むことができる。

上記で示すように、第１及び第２の冷却通路６０、６２は、翼形部先端３６上及び／又は翼形部先端３６に隣接した翼形部２４の一部に冷却媒体を供給できるように、翼形部２４内に定めることができる。従って、幾つかの実施形態では、冷却通路６０、６２は、翼形部先端３６の表面６４によって定められる実質的に水平面上に又はこれにほぼ隣接して冷却媒体を配向できるあらゆる好適な半径方向位置及び／又は向きを翼形部２４内に有することができる。例えば、図示の実施形態では、冷却通路６０、６２の各々は、実質的に平面的な向きを有することができ、先端表面６４に実質的に平行に翼形部２４内で長さ方向に延在することができる。このような実施形態では、各冷却通路６０、６２から先端表面６４までの半径方向距離６６は、冷却通路６０、６２の上流側及び下流側端部６８、７０間でほぼ一定のままにすることができる点は理解されたい。

別の実施形態では、冷却通路６０、６２の各々は、先端表面６４までの半径方向距離６６が冷却通路６０、６２の上流側及び下流側端部６８、７０間でほぼ増大又は減少するように、翼形部２４内で平面的な角度付き方向を有することができる。加えて、代替の実施形態では、冷却通路６０、６２は別個の平面内に定めることができ、及び／又は冷却通路６０、６２の一方又は両方が翼形部２４内の非平面的向きを有することができる点は理解されたい。また、第１の冷却通路６０と先端表面６４との間に定められる半径方向距離６６は、第２の冷却通路６２と先端表面６４との間に定められる半径方向距離６６と同じ又は異なることができる点は理解されたい。

加えて、本発明の主題の幾つかの実施形態では、第１及び第２の冷却通路６０、６２の曲率は、一般に、翼形部２４の正圧及び負圧側面３８、４０それぞれの空気力学的輪郭に共形になるよう構成され、その結果、冷却媒体は、翼形部２４の高温の外側表面にほぼ隣接して配向することができるようになる。例えば、図示の実施形態では、第１の冷却通路６０は、翼形部２４の正圧側面３８の実質的部分に沿って長さ方向に延在することができ、正圧側面３８の凹状の形状又は輪郭にほぼ一致する様々な曲率半径を定めることができる。同様に、第２の冷却通路６２は、翼形部２４の負圧側面４０の実質的部分に沿って長さ方向に延在することができ、負圧側面４０の凸状形状又は輪郭にほぼ一致する様々な曲率半径を定めることができる。翼形部２４の正圧及び／又は負圧側面３８、４０の実質的部分に沿って長さ方向に延在するとは、前縁及び後縁４２、４４間の幅の７５％よりも大きい、又は前縁及び後縁４２、４４間の幅の９０％よりも大きいなど、翼形部２４の前縁及び後縁４２、４４間に定められる（すなわち、半径方向に対してほぼ横断する方向で測定して）正圧及び／又は負圧側面３８、４０の幅の５０％を超えて沿って長さ方向に延在することができることを意味する。このため、冷却通路６０、６２を通って配向される冷却媒体は、翼形部２４の外周部の実質的部分にほぼ隣接した翼形部先端３６の区域に供給することができる。他の実施形態では、冷却通路６０、６２は、正圧及び／又は負圧側面３８、４０の実質的部分に沿って延在するよう必ずしも構成する必要はない点は理解されたい。例えば、冷却通路６０、６２は、前縁及び後縁４２、４４間の幅の５０％以下である正圧及び／又は負圧側面３８、４０の一部だけに沿って延在することができる。このような実施形態では、冷却通路６０、６２は、全体的に、これに沿って冷却通路６０、６２が画成される翼形部２４の一部にほぼ一致する曲率を定めることができる。本発明の主題の別の実施形態では、冷却通路６０、６２は、あらゆる好適な曲率を有するよう構成され、従って、必ずしも翼形部２４の空気力学的輪郭にほぼ一致する曲率を定める必要はない点は理解されたい。

更に、図３及び／又は４に示すように、第１及び第２の冷却通路６０、６２は、一般に、翼形部冷却回路４６と流れ連通し、冷却回路４６内に流れる冷却媒体を冷却通路６０、６２に配向できるようにすることができる。従って、図３及び４に示すように、１以上の交差通路７２は、各冷却通路と翼形部冷却回路４６の冷却チャネル４８、５０、５２、５４の１以上との間の翼形部２４内に定めることができる。このため、翼形部冷却回路４６を通って流れる冷却媒体は、交差通路７２を用いて冷却通路６０、６２内に配向することができる。一実施形態では、交差通路７２は、翼形部２４の正圧側面及び／又は負圧側面から冷却通路６０、６２を通って冷却チャネル４８、５０、５２、５４のうちの１つ内まで孔開けすることによって翼形部２４内に形成することができ、該孔は、その後、正圧側面及び／又は負圧側面にて塞がれる（例えば、溶接充填により）点は理解されたい。

或いは、冷却通路６０、６２は、冷却通路６０、６２が翼形部冷却回路４６の冷却チャネル４８、５０、５２、５４と直接流れ連通した状態になるように翼形部２４内に定めることができる。例えば、図５及び６に示す冷却通路１６１、１６２と同様に、第１及び第２の冷却通路６０、６２の上流側端部６８は、翼形部冷却回路４６の冷却チャネル４８、５０、５２、５４の１以上（例えば、前縁冷却チャネル４８）に直接延在して、冷却媒体を翼形部冷却回路４６から冷却通路６０、６２内に直接的に流すことができるように構成することができる。

加えて、冷却通路６０、６２の各々を通って流れる冷却媒体は、一般に、当該技術分野で公知のあらゆる好適な手段及び／又は方法を用いて冷却通路６０、６２から排出することができる。一実施形態では、冷却通路６０、６２は、冷却通路６０、６２の上流側及び／又は下流側端部６８、７０が翼形部２４の外面で終端するように翼形部内に定めることができる。例えば、図３及び４に示すように、各冷却通路６０、６２は、翼形部２４の前縁４２にほぼ隣接して配置される冷却媒体出口７４を定める上流側端部６８と、翼形部２４の後縁４４に配置される第２の共有冷却媒体出口７６を定める下流側端部７０とを含むことができる。従って、冷却通路６０、６２を通って流れる冷却媒体は、このような出口７４、７６を通って翼形部２４の前縁及び後縁４２、４４の表面上に排出することができる。しかしながら、上述のように、冷却通路６０、６２は、必ずしも翼形部２４の前縁及び後縁４２、４４間に完全に延在する必要はなく、一般に、翼形部２４の正圧及び負圧側面３８、４０の何れかの部分に沿って延在するよう構成することができる。すなわち、冷却通路６０、６２の上流側及び下流側端部６８、７０は、全体的に、翼形部２４の外周部に沿ったあらゆる好適な位置にて冷却媒体出口７４、７６を定めることができる点は理解されたい。加えて、別の実施形態では、冷却通路６０、６２の一方又は両方は、単一の冷却媒体出口だけを含むことができる。例えば、冷却通路６０、６２は、各冷却通路６０、６２の上流側又は下流側端部６８、７０が翼形部２４の内部内で終端するように構成することができる。

冷却通路６０、６２の端部６８、７０を通じて冷却媒体を排出することに加えて、或いはこれの代替として、冷却媒体は、翼形部２４に画成された複数のフィルム冷却孔７８、８０を通じて排出することができる。例えば、図３及び４に示すように、複数のフィルム冷却孔７８は、冷却通路６０、６２の一方又は両方（例えば、第１の冷却通路６０）と、翼形部２４の正圧側面３８及び／又は負圧側面４０（例えば、正圧側面３８）との間で翼形部内に画成され、冷却媒体を正圧及び／又は負圧側面上のフィルムとして排出できるようにすることができる。或いは、複数のフィルム冷却孔８０は、冷却通路６０、６２の一方又は両方（例えば、第２の冷却通路６２）と、翼形部先端３６の表面との間で翼形部内に画成され、冷却媒体を先端表面６４上に排出できるようにすることができる。このような実施形態では、冷却通路６０、６２を通って流れる冷却媒体は、フィルム冷却孔７８、８０を通して完全に排出できる点は理解されたい。例えば、冷却通路６０、６２は、各冷却通路６０、６２の上流側及び下流側端部６８、７０が翼形部２４内で終端するように定めることができる。或いは、冷却通路６０、６２の上流側及び下流側端部６８、７０にて形成された出口７４、７６は、溶接充填によって、或いは物理的プラグを端部６８、７０内に溶接又はろう付けすることなどによって、簡単に塞ぐことができる。フィルム冷却孔７８、８０は、一般に、軸方向後方及び／又は半径方向上向きに向けることなどにより、あらゆる好適な方向に向けることができる点は理解されたい。

次に、図５及び６を参照すると、本発明の主題の態様による、翼形部先端３６にほぼ隣接したバケットの翼形部２４の区域を冷却するための複数の湾曲冷却通路１６０、１６１を有するタービンバケット２０の別の実施形態が図示されている。具体的には、図５は、内部に画成された複数の湾曲冷却通路１６０、１６１、１６２を含む、バケットの翼形部２４の部分斜視図を示している。図６は、翼形部先端３６の表面６４を特に示す、図５に示される翼形部２４の上面図を示している。

図３及び４に関して上記で説明された実施形態と同様に、湾曲冷却通路１６０、１６１、１６２は、翼形部先端３６上及び／又はこれに隣接した翼形部２４の一部に冷却媒体を供給できるように翼形部２４内に定めることができる。従って、図示のように、湾曲冷却通路１６０、１６１、１６２は、翼形部先端３６にほぼ隣接した翼形部２４内に延在するよう構成することができる。例えば、湾曲冷却通路１６０、１６１、１６２は、実質的に平面的な向きを有することができ、各冷却通路１６０、１６１、１６２から先端表面６４までの半径方向距離１６６が、各冷却通路１６０、１６１、１６２の上流側及び下流側端部１６８、１７０間でほぼ一定のままであるように、先端表面６４に実質的に平行な翼形部２４内で長さ方向に延在することができる。或いは、冷却通路１６０、１６１、１６２は、翼形部２４内で延在するにつれて半径方向距離１６６が増大又は減少するように平面的で角度付きの向きを有することができる。別の実施形態では、各冷却通路１６０、１６１、１６２は、別個の平面内に定めることができ、及び／又は冷却通路１６０、１６１、１６２の一部又は全てが翼形部２４内で非平面的な向きを有することができる。その上、特定の冷却通路１６０、１６１、１６２と先端表面６４との間に定められる半径方向距離１６６は、他の冷却通路１６０、１６１、１６２と先端表面６４との間に定められる半径方向距離１６６と同じとすることができ、或いは、異なることができる。

加えて、本発明の主題の幾つかの実施形態では、冷却通路１６０、１６１、１６２の曲率は、一般に、冷却媒体が翼形部２４の外周部の少なくとも一部に沿って配向できるように、翼形部２４の空気力学的輪郭に共形であるように構成することができる。従って、図示の実施形態では、冷却通路１６０、１６１、１６２は、翼形部２４の正圧側面３８に沿って配向することができ、翼形部２４の正圧側面３８の凹状の形状又は輪郭に共形であるように構成することができる。例えば、各冷却通路１６０、１６１、１６２は、該通路１６０、１６１、１６２がこれに沿って画成される正圧側面３８の一部の形状又は輪郭に応じて異なる曲率半径を定めることができる。具体的には、図６に詳細に示すように、前縁４２に近接して配置される冷却通路１６０は、前縁４２から直接延在する正圧側面３８の一部の急な曲率にほぼ対応する比較的小さな曲率半径を定めることができる。対照的に、翼形部２４の後縁４０に向かって延在する冷却通路１６２は、翼形部２４のそのような部分の緩やかな曲率にほぼ対応する比較的大きな曲率半径を有することができる。従って、冷却通路１６０、１６１、１６２を通って配向される冷却媒体は、翼形部２４の正圧側面３８の高温の外側表面にほぼ隣接した翼形部２４の区域に供給することができる。

他の実施形態では、１以上の冷却通路１６０、１６１、１６２はまた、翼形部２４の負圧側面４０上に画成され、冷却媒体を負圧側面４０の外側表面に沿って配向できるようにすることができる点は理解されたい。加えて、３つの冷却通路１６０、１６１、１６２が図５及び６に図示されているが、一般に、翼形部２４の正圧側面３８及び／又は負圧側面４０に沿ってあらゆる数の冷却通路を定めることができる点は理解されたい。

更に、冷却通路１６０、１６１、１６２は一般に、翼形部冷却回路４６と流れ連通し、冷却媒体を冷却通路１６０、１６１、１６２に供給できるように構成することができる。例えば、図示のように、冷却通路１６０、１６１、１６２の全て又は一部は、冷却通路１６０、１６１、１６２の上流側端部１６８は翼形部冷却回路４６の冷却チャネル４８、５０、５２、５４の１以上と直接流れ連通するように翼形部２４内に定めることができる。別の実施形態では、１以上の交差通路１７２は、冷却通路１６０、１６１、１６２のうちの１つを通って流れる冷却媒体の一部が別の冷却通路１６０、１６１、１６２に分流できるように、冷却通路１６０、１６１、１６２の２以上の間で翼形部２４内に定めることができる。例えば、図６に詳細に図示するように、交差通路１７２は、翼形部２４の前縁３８に近接して画成された冷却通路１６０と隣接する冷却通路１６１との間で、隣接する冷却通路１６１を通って流れる冷却媒体の一部が前縁冷却通路１６０に分流できるように定めることができる。一実施形態では、交差通路１７２は、翼形部２４の正圧側面から冷却通路１６０を通って隣接する冷却通路１６１内まで孔開けすることによって翼形部２４内に形成することができ、該孔は、その後、正圧側面にて塞がれる（例えば、溶接充填による）点は理解されたい。

或いは、１以上の交差通路（図示せず）は、冷却媒体を翼形部冷却回路４６から冷却通路１６０、１６１、１６２に配向できるように、翼形部冷却回路４６の冷却チャネル４８、５０、５２、５４と各冷却通路１６０、１６１、１６２との間に翼形部２４内に定めることができる。更に別の実施形態では、冷却通路１６０、１６１、１６２の２以上は、冷却媒体がこのような冷却通路１６０、１６１、１６２間で直接移送できるように、翼形部２４内で交差するよう構成することができる。

加えて、上述の実施形態と同様に、冷却通路１６０、１６１、１６２の各々を通って流れる冷却媒体は、当該技術分野で公知のあらゆる好適な手段及び／又は方法を用いて冷却通路から排出することができる。例えば、図示のように、冷却通路１６０、１６１、１６２は、冷却媒体が種々の異なる位置にて翼形部２４の外面上に排出できるように上流側及び／又は下流側端部１６８、１７０にて冷却媒体出口１７４を定めることができる。このような冷却媒体出口１７４に加えて、或いは、この代替として、冷却媒体は、冷却通路１６０、１６１、１６２と翼形部２４の正圧側面３８及び／又は負圧側面４０との間、及び／又は冷却通路１６０、１６１、１６２と翼形部２４の先端表面６４との間で翼形部２４内に画成された複数のフィルム冷却孔７８、８０（図３及び４）を通じて排出され、該冷却媒体をこのような外面上にフィルムとして排出できるようにすることができる。

次に、図７及び８を参照すると、本発明の主題の態様による、翼形部先端３６にほぼ隣接したバケットの翼形部２４の区域を冷却するための複数の湾曲冷却通路２６０、２６１、２６２を有するタービンバケット２０の別の実施形態が図示されている。具体的には、図７は、内部に画成された複数の湾曲冷却通路２６０、２６１、２６２を含む、バケットの翼形部２４の部分側面図を示している。図８は、翼形部先端３６の表面６４を特に示す、図７に示される翼形部２４の上面図を示している。

図７及び８に示すように、複数の湾曲冷却通路２６０、２６１、２６２は、翼形部先端３６にほぼ隣接した翼形部２４の正圧側面３８上に定めることができる。従って、図５及び６に関して上記で説明した実施形態と同様に、冷却通路２６０、２６１、２６２は、一般に、翼形部２４の正圧側面３８の凹状形状又は輪郭に共形であるように構成することができる。例えば、各冷却通路２６０、２６１、２６２は、該冷却通路２６０、２６１、２６２がこれに沿って画成される正圧側面３８の一部の形状又は輪郭に応じて異なる曲率半径を定めることができる。このため、冷却通路２６０、２６１、２６２を通って配向される冷却媒体は、翼形部２４の正圧側面３８の高温外側表面にほぼ隣接した翼形部２４の区域に供給することができる。また、代替の実施形態では、１以上の冷却通路２６０、２６１、２６２を翼形部２４の負圧側面４０上に定め、負圧側面４０の外側表面に沿って冷却媒体を配向できるようにすることができる点は理解されたい。

加えて、図７に詳細に示すように、冷却通路２６０、２６１、２６２の各々は、下流側及び上流側端部２６８、２７０間で翼形部２４内に半径方向に角度を付けるることができる。従って、各冷却通路２６０、２６１、２６２と先端表面６４との間の半径方向距離２６６は、一般に、冷却通路２６０、２６１、２６２が翼形部２４内で長さ方向に延在するときに変化することができる。例えば、図示の実施形態では、冷却通路２６０、２６１、２６２は、上流側及び下流側端部２６８、２７０間に半径方向上向きに角度が付けられ、冷却媒体出口２７４が各冷却通路２６０、２６１、２６２の下流側端部２７０において翼形部先端３６の表面６４内に画成されるようにすることができる。このため、冷却通路２６０、２６１、２６２を通って配向される冷却媒体は、冷却媒体出口２７４を通って先端表面６４上にフィルムとして排出することができる。或いは、冷却通路２６０、２６１、２６２は、上流側及び下流側端部２６８、２７０間に半径方向下向きに角度が付けられ、冷却媒体出口２７４が各冷却通路２６０、２６１、２６２の上流側端部２６９において画成されるようにすることができる。一実施形態では、冷却通路２６０、２６１、２６２の各々の上流側及び下流側端部２６８、２７０は、翼形部２４の内部内で終端し、冷却媒体が先端表面６４上に排出されることなく、先端表面６４にほぼ隣接して配向できるようにすることができる。また、幾つかの実施形態では、冷却通路２６０、２６１、２６２の各々は、必ずしも先端表面６４に対して角度を付けた向きを有するように翼形部２４内に画成される必要はない点は理解されたい。例えば、特定の実施形態では、複数の冷却通路２６０、２６１、２６２の一部は、先端表面６４に実質的に平行に翼形部２４内で長さ方向に延在することができ、他の冷却通路２６０、２６１、２６２は、先端表面６４に向けて半径方向上向きに、又は先端表面６４から離れて半径方向下向きに延在することができる。

加えて、上述の実施形態と同様に、冷却媒体は、あらゆる好適な手段及び／又は方法を用いて冷却通路２６０、２６１、２６２に供給され、また、冷却通路２６０、２６１、２６２から排出することができる点は理解されたい。例えば、図示の実施形態では、冷却通路２６０、２６１、２６２は、翼形部冷却回路４６の冷却チャネル４８、５０、５２、５４と直接流れ連通した状態にある。或いは、１以上の交差通路（図示せず）を利用して、翼形部冷却回路４６と冷却通路２６０、２６１、２６２との間、及び／又は冷却通路２６０、２６１、２６２の各々間で冷却媒体を配向することができる。別の実施形態では、冷却通路２６０、２６１、２６２は、冷却媒体が冷却通路２６０、２６１、２６２間で移送できるように、互いに対して交差するよう構成することができる。加えて、上記で示したように、冷却媒体は、先端表面６４内で画成される冷却媒体出口２７４を通って排出されるよう構成することができる。或いは、冷却媒体は、冷却通路２６０、２６１、２６２と翼形部２４の正圧側面３８及び／又は負圧側面４０との間、及び／又は冷却通路２６０、２６１、２６２と先端表面６４との間で翼形部２４内に画成される複数のフィルム冷却孔（図示せず）を通って排出することができる。

一般に、本明細書で説明される湾曲冷却通路は、当該技術分野で公知のあらゆる好適な手段を用いて翼形部２４内に形成することができる点は理解されたい。例えば、湾曲冷却通路は、放電加工（「ＥＤＭ」）プロセス又は鋳造プロセスを用いて形成することができる。しかしながら、本発明の主題の特定の実施形態では、湾曲冷却通路は、湾曲成形チューブ電解加工（「ＳＴＥＭ」）プロセスを用いて形成することができる。湾曲ＳＴＥＭプロセスは、一般に、２００９年９月１８に出願され且つＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｍｐａｎｙに譲受された、名称「ＣｕｒｖｅｄＥｌｅｃｔｒｏｄｅａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＭａｃｈｉｎｉｎｇＭｅｔｈｏｄａｎｄＡｓｓｅｍｂｌｙＥｍｐｌｏｙｉｎｇｔｈｅＳａｍｅ」の米国特許出願シリアル番号１２／５６２，５２８において開示されている。一般に、従来のＳＴＥＭ孔開けプロセスとは異なり、湾曲ＳＴＥＭプロセスは、回転駆動体に動作可能に接続された湾曲ＳＴＥＭ電極を利用する。回転駆動体は、バケット翼形部２４のような、機械加工されることになる対象物内で湾曲した経路に沿って電極を移動させるよう構成される。回転駆動体が、湾曲経路に沿って湾曲電極を回転させると、電源から電極に供給されるパルス電圧によって、機械加工されることになる対象物の一部を電気浸食で除去し、対象物内に湾曲通路を定めることができる。

加えて、当業者であれば、本明細書で説明された実施形態に加えて、本発明の主題の範囲で様々な他の冷却パターン及び／又は構成を利用して、翼形部２４の一部にわたって冷却媒体を配向することができる点は理解されるはずである。従って、翼形部２４内の湾曲冷却通路の構成を大きく変更して通路の冷却性能を修正し、従って、翼形部２４の選択的冷却を可能にすることができる点は理解されたい。その上、本発明の主題の幾つかの実施形態では、湾曲冷却通路は、翼形部先端３６にほぼ隣接した位置以外の位置において翼形部２４内に定めることができる。例えば、特定の実施形態では、複数の列の湾曲冷却通路は、翼形部基部３４と翼形部先端３６との間に翼形部２４の半径方向全長に沿って翼形部２４の正圧及び／又は負圧側面３８、４０上に定めることができる。このため、湾曲冷却通路構成は、翼形部２４全体に設けることができる。

更に、本発明の主題の冷却通路は、一般に、あらゆる好適な断面形状を有することができる点は理解されたい。例えば、図示の実施形態では、冷却通路は一般に、円形の断面を有する。しかしながら、代替の実施形態では、冷却通路は、冷却通路の所望の冷却性能に応じて、楕円形、平坦、矩形、又は他の何れかの好適な非円形断面を有することができる。加えて、各冷却通路の断面積は、一定のままであってもよく、又は冷却通路の長さに沿って変えることもできる。例えば、冷却通路を形成するのに用いる工具のサイズを製造プロセス中に変更し、冷却通路の断面積を変更することができる。従って、一実施形態では、特定のサイズにされた湾曲ＳＴＥＭ電極を用いて、湾曲冷却通路の第１のセクションを形成することができ、次いで、より小さな湾曲ＳＴＥＭ電極を用いて冷却通路の残りの部分を形成することができる。

加えて、本発明の主題の特定の実施形態では、本発明の主題の特定の実施形態では、湾曲冷却通路は、これらの長さに沿って乱流発生形状にすることができる。本明細書で使用される用語「乱流発生形状」とは、冷却通路の表面が溝又はリッジを有することができ、或いは、冷却媒体の流れに乱流を誘起するような周期的表面を有することができることを意味する。従って、例えば、乱流発生形状にされた冷却通路３６０の一実施形態の断面図が図９に示されている。図示のように、乱流発生形状の冷却通路３６０は、冷却媒体流中に乱流を生成するように長さに沿って形成されたリッジ３９０を含む。この乱流により、冷却媒体と翼形部２４との間の熱伝達を向上させることによって冷却通路３６０の冷却性能を向上させることができる。リッジ３９０は、必ずしも図９に図示したものと全く同じ形状及び構成を有する必要はなく、一般に、冷却媒体流中に乱流を生じさせるよう設計されたあらゆる形状及び／又は構成を有することができる点は理解されたい。従って、代替の実施形態では、リッジ３９０は、実質的に方形の輪郭を有することができ、及び／又は冷却通路３６０ではなく翼形部２４内に突出するように形成してもよい。リッジ、溝、又は他の周期的表面起伏部は、当該技術分野において公知の手段を用いて冷却通路３６０の表面内に形成できる点は理解されたい。例えば、リッジ及び／又は溝は、冷却通路３６０を形成するのに使用される工具の工具送り速度を変えることによって形成することができる。或いは、別の実施形態では、湾曲ＳＴＥＭプロセスで使用される湾曲ＳＴＥＭ電極は、絶縁コーティングで部分的にだけ被覆され、これにより電極の電気的導通部分のセクションを冷却通路３６０の表面に露出させて表面起伏を生成することができる。

その上、本明細書で開示される湾曲冷却通路は、翼形部冷却回路４６以外の冷却媒体源から冷却媒体を供給することができる点は理解されたい。例えば、シャンク部２２の中空キャビティ３０は、空気などの冷却媒体で加圧され、高温ガス経路に流れる燃焼生成物がタービンバケット２０間に吸入されるのを防ぐことができる。このような場合、供給通路（図示せず）は、プラットフォーム２６を通って定めることができ、翼形部２４の先端３６の半径方向上向きに延在して、キャビティ３０内に配置される冷却媒体を冷却通路に供給できるようにすることができる。

本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。

１０ガスタービン
１２圧縮機セクション
１４燃焼器セクション
１６タービンセクション
１８シャフト
２０タービンバケット
２２シャンク部
２４翼形部
２６平面的なプラットフォーム
２８側部
３０中空キャビティ（シャンク部２２の）
３２エンジェルウィング
３４翼形部基部
３６翼形部先端
３８正圧側面
４０負圧側面
４２前縁
４４後縁
４６翼形部冷却回路
４８冷却チャネル
５０冷却チャネル
５２冷却チャネル
５４冷却チャネル
５６冷却媒体供給通路
６０第１の冷却通路
６２第２の冷却通路
６４先端表面（翼形部先端３６の）
６６半径方向距離
６８上流側端部
７０下流側端部
７２交差通路
７４冷却媒体出口
７６冷却媒体出口
７８フィルム冷却孔
８０フィルム冷却孔
１６０前縁冷却通路
１６１冷却通路
１６２冷却通路
１６６半径方向距離
１６８上流側端部
１７０下流側端部
１７２交差通路
１７４冷却媒体出口
２６０前縁冷却通路
２６１冷却通路
２６２冷却通路
２６６半径方向距離
２６８上流側端部
２７０下流側端部
３６０冷却通路
３９０リッジ

Claims

ベース（３４）と、該ベース（３４）の反対側に配置された先端（３６）とを有し、前縁（４２）と後縁（４４）との間に延在する正圧側面（３８）及び負圧側面（４０）を含む翼形部（２４）と、
前記翼形部（２４）内に少なくとも部分的に配置され、前記翼形部（２４）を通って冷却媒体を供給するよう構成された翼形部冷却回路（４６）と、
前記翼形部（２４）内に画成され、前記翼形部冷却回路（４６）と流れ連通して該翼形部冷却回路（４６）を通って流れる冷却媒体が内部に配向されるようにした湾曲冷却通路（６０、６２）と
を備えるタービン部品、前記湾曲冷却通路（６０、６２）が、前記翼形部（２４）の正圧側面（３８）及び負圧側面（４０）の一方の少なくとも一部に沿って前記前縁（４２）と後縁（４４）との間で前記翼形部（２４）内の長さ方向に延在する、タービン部品。
前記湾曲冷却通路（６０、６２）が、前記先端（３６）にほぼ隣接して前記翼形部（２４）内に画成される、請求項１記載のタービン部品。
前記湾曲冷却通路（６０、６２）の曲率が、前記翼形部（２４）の正圧側面（３８）及び負圧側面（４０）の一方の空気力学的輪郭の少なくとも一部にほぼ一致するよう構成される、請求項１記載のタービン部品。
前記湾曲冷却通路（６０、６２）が、前記翼形部（２４）の正圧側面（３８）の実質的な部分に沿って長さ方向に延在し、前記湾曲冷却通路（６０、６２）が、前記正圧側面（３８）の空気力学的輪郭にほぼ一致する可変の曲率半径を定める、請求項１記載のタービン部品。
前記湾曲冷却通路（６０、６２）が、前記翼形部（２４）内に平面的な向きを有し、前記先端（３６）の表面に実質的に平行に前記翼形部（２４）内で長さ方向に延在する、請求項１記載のタービン部品。
前記湾曲冷却通路（６０、６２）が、前記湾曲冷却通路（６０、６２）の上流側端部（６８）と下流側端部（７０）との間で半径方向に角度が付けられる、請求項１記載のタービン部品。
前記湾曲冷却通路（６０、６２）は、前記翼形部（２４）の外面上に画成される冷却媒体出口（７４、７６）を含み、前記湾曲冷却通路（６０、６２）を通って配向される前記冷却媒体の少なくとも一部が前記冷却媒体出口（７４、７６）を通って排出されるようになる、請求項１記載のタービン部品。
複数のフィルム冷却孔（７８、８０）が、前記湾曲冷却通路（６０、６２）と前記翼形部（２４）の外面との間で前記翼形部（２４）内に画成され、前記湾曲冷却通路（６０、６２）を通って配向される前記冷却媒体の少なくとも一部が前記複数のフィルム冷却孔（７８、８０）を通じて排出されるようにする、請求項１記載のタービン部品。
ベース（３４）と、該ベース（３４）の反対側に配置された先端（３６）とを有し、前縁（４２）と後縁（４４）との間に延在する正圧側面（３８）及び負圧側面（４０）を含む翼形部（２４）と、
前記翼形部（２４）内に少なくとも部分的に配置され、前記翼形部（２４）を通って冷却媒体を供給するよう構成された翼形部冷却回路（４６）と、
前記翼形部（２４）内に画成され、前記翼形部冷却回路（４６）と流れ連通して該翼形部冷却回路（４６）を通って流れる冷却媒体が内部に配向されるようにした複数の湾曲冷却通路（６０、６２）と、
を備え、前記複数の湾曲冷却通路（６０、６２）の各々が、前記翼形部（２４）の正圧側面（３８）及び負圧側面（４０）の少なくとも一方の少なくとも一部に沿って前記前縁（４２）と後縁（４４）との間で前記翼形部（２４）内の長さ方向に延在する、タービン部品。
前記複数の湾曲冷却通路（６０、６２）の各々の曲率が、前記翼形部（２４）の正圧側面（３８）及び負圧側面（４０）の一方の空気力学的輪郭の少なくとも一部にほぼ一致するよう構成されている、請求項９記載のタービン部品。
前記複数の湾曲冷却通路（６０、６２）が、前記翼形部（２４）の正圧側面（３８）上に画成され、前記複数の湾曲冷却通路（６０、６２）の各々がそれに沿って画成される正圧側面（３８）の一部にほぼ一致する曲率半径を前記複数の湾曲冷却通路（６０、６２）の各々が定める、請求項９記載のタービン部品。
前記複数の湾曲冷却通路（６０、６２）の少なくとも１つが、前記翼形部（２４）内で平面的な向きを有し、前記先端（３６）の表面に実質的に平行に前記翼形部（２４）内に長さ方向に延在する、請求項９記載のタービン部品。
前記複数の湾曲冷却通路（６０、６２）の少なくとも１つが、前記湾曲冷却通路（６０、６２）の上流側端部（６８）と下流側端部（７０）との間に半径方向に角度が付けられる、請求項９記載のタービン部品。
前記複数の湾曲冷却通路（６０、６２）の少なくとも１つが、前記翼形部（２４）の外面上に画成される冷却媒体出口（７４、７６）を含み、前記湾曲冷却通路（６０、６２）を通って配向される冷却媒体の少なくとも一部が前記冷却媒体出口（７４、７６）を通って排出されるようになる、請求項９記載のタービン部品。
複数のフィルム冷却孔（７８、８０）が、前記湾曲冷却通路（６０、６２）の少なくとも１つと前記翼形部（２４）の外面との間で前記翼形部（２４）内に画成され、前記湾曲冷却通路（６０、６２）を通って配向される前記冷却媒体の少なくとも一部が前記複数のフィルム冷却孔（７８、８０）を通じて排出されるようにする、請求項９記載のタービン部品。