JP2013245674A - タービンロータブレード先端における冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジン用のタービンロータブレードを提供すること。
【解決手段】タービンロータブレードは、半径方向外側端に先端を含む翼形部を含む。先端は、先端キャビティを画成するレールを含み、レールは、外接レールマイクロチャネルを含む。外接レールマイクロチャネルは、レール内側面の長さの少なくとも大部分の周りに延在するマイクロチャネルである。
【選択図】図１

Description

本願は、一般に、ガスタービンロータブレードの先端を冷却する装置、方法及び／又はシステムに関する。より詳細には、本願は、タービンブレード先端でのマイクロチャネルの設計及び実施に関連する装置、方法及び／又はシステムに関する。

ガスタービンエンジンでは、空気は、圧縮機で圧縮され、燃焼器で燃料を燃焼するのに用いられて高温の燃焼ガスの流れを生成し、その流れは、生成されるや否や下流へと流れて１以上のタービンを通過し、その結果タービンからエネルギーを抽出することができることはよく知られている。そのようなタービンにおいては、一般に、周方向に離間され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在する。各ブレードは、通常、ロータディスクの対応するダブテールスロットへのブレードの組込み及び取外しを可能にするダブテール、並びにダブテールから半径方向外向きに延在する翼形部を含んでいる。

翼形部は、対応する前縁と後縁との間で軸方向に延在し、かつ、根元と先端との間で半径方向に延在する、概して凹状の正圧側面及び概して凸状の負圧側面を有する。燃焼ガスは、タービンブレード間を下流へと流れており、ブレード先端は、半径方向外側のタービンシュラウドとの間での燃焼ガスの漏れを最小とするために、そのタービンシュラウドに近接した状態で離間している。エンジンの最大効率は、先端の間隔すなわち隙間を、漏れが防止されるように最小とすることによって得られるが、この方策は、ロータブレードとタービンシュラウドとの間での熱的並びに機械的な膨張率及び収縮率の差異や、運転中に先端がシュラウドに過度に擦れるという望ましくない状況を回避したいとの意図によって、いくらか制限される。

加えて、タービンブレードは、高温の燃焼ガスに曝されるため、実用的な部品の耐用年数を確保するためには、効果的な冷却が必要とされる。通常、ブレード翼形部は、圧縮機から抽出された加圧空気の一部が翼形部の冷却に使用するために受け入れられるように、中空であって、圧縮機と流れが連通する状態で配置される。翼形部の冷却は、非常に洗練されており、冷却空気を排出するための翼形部の外壁を貫通する冷却孔とともに、様々な形態の内部冷却用流路及び特徴部を用いて使用することができる。それにもかかわらず、翼形部の先端は、タービンシュラウドに直接に隣接して配置されており、先端の隙間を通過する高温の燃焼ガスによって加熱されるため、冷却するのが特に難しい。したがって、ブレードの翼形部の内部に導かれる空気の一部は、通常、先端を通って排出されて、先端を冷却する。

ブレード先端の従来の設計は、漏れを防止して冷却効果を増加させることを意図したいくつかの異なる形状及び構成を含むことは理解されるであろう。例となる特許には、Ｂｕｔｔｓ他の米国特許第５２６１７８９号、Ｂｕｎｋｅｒの米国特許第６１７９５５６号、Ｍａｙｅｒ他の米国特許第６１９０１２９号及び、Ｌｅｅの米国特許第６０５９５３０号が含まれる。しかしながら、ブレード先端の従来の設計はすべて、概して、漏れを適切に低減できない、及び／又は、効率を悪化させる圧縮機バイパス空気の使用を最小とする効率的な先端の冷却ができない等の、ある程度の不備を有している。加えて、以下でより詳細に説明するが、従来のブレード先端の設計は、特に「スキーラ先端」を有する場合には、マイクロチャネルの冷却の恩恵を活用できない又は、その恩恵を効果的に統合できなかった。そのため、この領域に向かわされた冷却剤の全体的な有効性を高める、タービンブレード先端の改良された設計が、非常に望まれている。

米国特許出願公開第２０１０／０１８３４２７号

本発明の一態様によれば、本願は、翼形部と、翼形部の半径方向外側端に先端とを含む、ガスタービンエンジン用のタービンロータブレードについて説明する。先端は、先端キャビティを画成するレールを含むことができる。レールは、レール内側面の長さの少なくとも大部分の周りに延在するマイクロチャネルを含み得る外接レールマイクロチャネルを含むことができる。

本発明と見なされる主題は、本明細書の最後にある特許請求の範囲で具体的に指示され、かつ明確に特許請求されている。本発明の前述の並びに他の特徴及び利点は、添付の図面とともに以下の詳細な説明から明らかとなる。

ターボ機械システムの実施形態の概略図である。 ロータ、タービンブレード及び静止シュラウドを含む、例示のロータブレード組立体の斜視図である。 本願の実施形態を用いることができるロータブレードの先端の斜視図である。 本願の実施形態を用いることができる代わりのロータブレードの先端の後縁の斜視図である。 本願の実施形態を用いることができる別の代わりのロータブレードの先端の後縁の斜視図である。 本発明の一態様による、例示の冷却用流路を備えるロータブレードの先端の斜視図である。 図６の例示的な実施形態の、線７−７に沿った断面の斜視図である。 図６の例示的な実施形態の、線７−７に沿った断面の側面図である。 本発明の一態様による例示の冷却用流路構成の、先端キャビティ内からの側面図である。 図９の例示的な実施形態の、線１０−１０に沿った断面図である。 図９の例示的な実施形態の、線１１−１１に沿った断面図である。 図９の例示的な実施形態の、線１２−１２に沿った断面図である。 先端板供給流路を備える例示の外接レールマイクロチャネルを備えるロータブレードの先端の斜視図である。 本発明の別の態様による、例示の冷却用流路を備えるロータブレードの先端の斜視図である。 図１３のロータブレードの先端の拡大した斜視図である。

詳細な記載によって、図面を参照しつつ例を用いて、利点及び特徴とともに本発明の実施形態を説明する。

図１は、ガスタービンシステム１００などのターボ機械システムの実施形態の概略図である。システム１００は、圧縮機１０２、燃焼器１０４、タービン１０６、軸１０８及び燃料ノズル１１０を含む。ある実施形態では、システム１００は、複数の圧縮機１０２、燃焼器１０４、タービン１０６、軸１０８及び燃料ノズル１１０を含んでいてもよい。圧縮機１０２及びタービン１０６は、軸１０８によって連結されている。軸１０８は、単一の軸であっても又は共に連結されて軸１０８を形成する複数の軸であってもよい。

ある態様において、燃焼器１０４は、天然ガス又は水素を多く含む合成ガスなどの、液体及び／又は気体の燃料を用いてエンジンを運転する。例えば、燃料ノズル１１０は、空気供給部及び燃料供給部１１２と流体連通している。燃料ノズル１１０は、空気燃料混合物を生成し、その空気燃料混合物を燃焼器１０４に吐出することで、高温圧縮排ガスを生成する燃焼を引き起こす。燃焼器１０４は、高温圧縮ガスを、トランジションピースを通過させて、タービンノズル（又は「第１段ノズル」）、並びにタービン１０６を回転させる他の段のバケット及びノズルへと向かわせる。タービン１０６が回転すると、軸１０８を回転させ、それによって圧縮機１０２内を流れるときに空気を圧縮する。ある実施形態では、シュラウド、ダイアフラム、ノズル、バケット、トランジションピースを含むがそれらに限定されることのない高温ガス経路構成部品が、タービン１０６内に配置され、タービン１０６内で高温のガス流がそれらの構成部品を通過すると、タービン部品のクリープ、酸化、摩耗及び熱疲労を引き起こす。高温ガス経路構成部品の温度を制御することで、それらの構成部品の傷み方を緩和させることができる。ガスタービンの効率は、タービンシステム１００における燃焼温度の上昇に伴って増加する。燃焼温度が上昇するにつれて、高温ガス経路構成部品は、耐用年数を満たすように適切に冷却される必要がある。高温ガス経路に隣接する領域を冷却するために改良された装置の構成部品及び、このような構成部品を製作する方法が、図２から図１２を参照しつつ以下に詳細に説明される。以下の説明は、主にガスタービンに的を絞っているが、説明される概念はガスタービンに限定されることはない。

図２は、例示の高温ガス経路構成部品、ガスタービン又は燃焼エンジンのタービンに配置されるタービンロータブレード１１５の斜視図である。タービンは、燃焼器から高温の燃焼ガス１１６を受け入れるために、燃焼器のすぐ下流側に設置されることは理解されるであろう。軸方向中心軸線の周りに軸対称であるタービンは、ロータディスク１１７と、半径方向軸線に沿って、ロータディスク１１７から半径方向外向きに延在している周方向に離間された複数のタービンロータブレード（そのうちの１つだけが図示されている）とを含む。環状のタービンシュラウド１２０は、静止ステーターケーシング（図示せず）に適切に連結されロータブレード１１５を取り囲み、それにより比較的小さな間隔又は隙間をステーターケーシングとロータブレード１１５との間に保って運転中の燃焼ガスの漏れを抑える。

各ロータブレード１１５は、概して、従来からの任意の種類であり得る根元すなわちダブテール１２２を含み、ダブテール１２２は、ロータディスク１１７の周囲の対応ダブテールスロットに取り付けられるように構成された軸方向ダブテールなどである。中空の翼形部１２４は、ダブテール１２２に一体に連結され、ダブテール１２２から半径方向すなわち長手方向において外向きに延在している。また、ロータブレード１１５は、燃焼ガス１１６のための半径方向内側の流れの経路の一部を画成するために、翼形部１２４とダブテール１２２との接合部に配置された一体型のプラットフォーム１２６を含む。ロータブレード１１５は、従来からの任意の方法で形成することができ、典型的には、一体成型の鋳物であることは理解されるであろう。翼形部１２４は、前縁１３２及び後縁１３４の両方の間で軸方向にそれぞれ延在している、概して凹状の正圧側壁１２８と、周方向すなわち横方向において反対にある概して凸状の負圧側壁１３０とを含むのが好ましい。また、側壁１２８及び１３０は、プラットフォーム１２６から半径方向外側のブレード先端すなわち先端１３７へと半径方向に延在している。

図３は、本発明の実施形態が採用され得る例示のブレード先端１３７の拡大図である。概して、ブレード先端１３７は、正圧側壁１２８の半径方向外側縁部及び負圧側壁１３０の半径方向外側縁部の上に配置された先端板１４８を含む。先端板１４８は、典型的には、翼形部１２４の正圧側壁１２８と負圧側壁１３０との間に画成される内部冷却通路（本明細書では単に「翼形部チャンバ」と呼ばれる）の境界となっている。圧縮機から抽出された圧縮された空気などの冷却剤は、運転中に翼形部チャンバ内で循環させることができる。場合によっては、先端板１４８は、運転中に冷却を行い、ロータブレード１１５の表面上にフィルム冷却を促進するフィルム冷却排出路１４９を含んでいてもよい。先端板１４８は、ロータブレード１１５に一体化されていてもよく、或いは、図に示すように、ブレードが成型された後に、その部分（影付きの領域として示されている）が所定の位置に溶接／ろう付けされてもよい。

漏れ量の低減などの、ある性能上の優位性のため、ブレード先端１３７は、先端レールすなわちレール１５０をしばしば含む。正圧側壁１２８及び負圧側壁１３０と合わせて、レール１５０は、正圧側レール１５２及び負圧側レール１５３をそれぞれ含んでいるとして説明されることがある。概して、正圧側レール１５２は、先端板１４８から半径方向外向きに延在し（つまり、先端板１４８に９０°又はそれに近い角度を成す）、翼形部１２４の前縁１３２から後縁１３４へと延在する。図示するように、正圧側レール１５２の経路は、正圧側壁１２８の半径方向外側縁部に隣接又は近接している（つまり、先端板１４８の周囲が正圧側壁１２８の半径方向外側縁部と並ぶようにして先端板１４８の周囲にある、もしくは、周囲の近くにある）。同様に、図示するように、負圧側レール１５３は、先端板１４８から半径方向外向きに延在し（つまり、先端板１４８と約９０°の角度を成す）、翼形部の前縁１３２から後縁１３４へと延在する。負圧側レール１５３の経路は、負圧側壁１３０の半径方向外側縁部に隣接又は近接している（つまり、先端板１４８の周囲が負圧側壁１３０の半径方向外側縁部と並ぶようにして先端板１４８の周囲にある、もしくは、周囲の近くにある）。正圧側レール１５２及び負圧側レール１５３の両方は、内側面１５７及び外側面１５９を備えるとして説明することができる。レールは、正圧側レール又は負圧側レールに必ずしも沿っていなくてもよいことは理解されるはずである。つまり、本発明が用いられ得る代わりの種類の先端では、先端レール１５０は、先端板１４８の縁部から離れる方に移動されてもよい。この方法で形成された場合、先端レール１５０は、ロータブレード１１５の先端１３７に、先端ポケットすなわちキャビティ１５５を画成することは理解されるであろう。当業者が理解するように、この方法で構成された先端１３７、つまり、この種類のキャビティ１５５を有する先端１３７は、「スキーラ先端」、つまり、「スキーラポケット又はキャビティ」を有する先端と称されることがある。正圧側レール１５２及び／又は負圧側レール１５３の高さ及び幅（ひいては、キャビティ１５５の深さ）は、タービン組立体全体の最良の性能及び大きさに基づいて変えることができる。先端板１４８はキャビティ１５５の床面（つまり、キャビティの半径方向内側境界）を形成し、先端レール１５０はキャビティ１５５の側壁を形成し、また、キャビティ１５５は、半径方向外側面において開放されており、タービンエンジン内に設置されると、半径方向において若干オフセットされた静止するシュラウド１２０（図２参照）が密接した境界となることは理解されるであろう。

図４及び図５は、ロータブレード先端の後縁についての、公知の先端レール設計の別のものを示す。いくつかの例示的な実施形態が、ある先端レール設計に関連して主に説明されているが、本発明は、異なる種類の先端レール設計においての使用にも適合させることができることは理解されるであろう。図４では、例えば、先端レール１５０は、翼形部１２４の後縁１３４の近くで、負圧側レール１５３に沿ってレール隙間１６１を有している。図５では、先端レール１５０は、翼形部１２４の後縁１３４の近くで、正圧側レール１５２に沿ってレール隙間１６１を有している。

翼形部１２４内では、正圧側壁１２８及び負圧側壁１３０は、周方向及び軸方向において、翼形部１２４のほとんど又は全体の半径方向全長に渡って離間されており、翼形部１２４内を通る１以上の内部翼形部チャンバ１５６を画成することは理解されるであろう。翼形部チャンバ１５６は、翼形部１２４が運転中に高温ガス経路に曝されることで過熱しないように、概して、ロータブレードの根元における連結部から翼形部１２４内を通すように冷却剤を導く。冷却剤は、典型的には、圧縮機１０２から抽出された圧縮された空気であり、従来からの多くの方法によって実現することができる。翼形部チャンバ１５６は、多くの任意の構成を取ることができ、その中には、例えば、冷却空気の効果を高めるために内部に様々な撹拌器を備え、冷却空気が、先端板１４８に示されるフィルム冷却排出路１４９などの、翼形部１２４に沿って配置された様々な孔を通じて排出される、蛇行する流路が含まれる。以下により詳細に説明されるように、上記の翼形部チャンバ１５６は、形成された表面冷却流路又は表面冷却マイクロチャネルに翼形部チャンバ１５６を接続する、機械加工又は穿孔された通路或いは接続部によって、本発明の表面冷却流路又は表面冷却マイクロチャネルとともに構成又は使用され得ることは理解されるであろう。これは、従来からの任意の方法で行うことができる。この種類の接続部は、定量或いは所望の量の冷却剤がそれの供給されるマイクロチャネル内を流れるように、大きさが決められ得るか構成され得ることは理解されるであろう。また、以下により詳細に説明されるように、本明細書で説明されるマイクロチャネルは、既存の冷却剤排出路（フィルム冷却排出路１４９など）と交差するように形成することができる。この方法では、マイクロチャネルは、冷却の供給に伴って供給され得る。つまり、交差する位置でロータブレードをすでに出た冷却剤は、マイクロチャネル内を循環し、別の位置でロータブレードから出ていくように向きが変えられる。

前述のように、ロータブレードのある領域及び、他の高温ガス経路部品を冷却するのに用いられる１つの方法は、構成部品の表面のすぐ近くに形成され、構成部品の表面と実質的に平行に延在する冷却通路を利用することである。このように位置されることで、冷却剤は構成部品の最も高温の位置により直接的に付与され、冷却効率を高め、また、ロータブレードの内部に極端な温度が伝わっていくのを防げる。しかしながら、当業者なら理解するように、前述のように、本明細書でマイクロチャネルと称されるこれらの表面冷却通路は、断面流路面積が小さいため、並びに、表面の近くにどれだけ近づけて配置しなければならないかということのため、製作するのが難しい。このようなマイクロチャネルを作ることができる方法の１つは、ロータブレードを形成する際にロータブレード内にマイクロチャネルを鋳造することによるものである。しかしながら、この方法では、非常にコストの高い鋳造技術を用いなければ、構成部品の表面の十分近くにマイクロチャネルを形成することは、典型的には難しい。このように、鋳造によるマイクロチャネルの形成は、典型的には、マイクロチャネルの近接性を、冷却される構成部品の表面に制限し、それによってマイクロチャネルの効率を制限する。そのため、このようなマイクロチャネルを形成することができる他の方法が開発された。これらの他の方法は、典型的には、構成部品の鋳造が完了した後に、構成部品の表面に形成された溝を包囲することを含み、次いで、中空通路が表面の非常に近くに形成されるように、何らかのカバーで溝を包囲することを含む。

これを行うための公知の方法の１つは、塗膜を用い、構成部品の表面に形成された溝を包囲することである。この場合、形成された溝は、典型的には、先ず充填材で満たされる。次いで、溝が塗膜によって包囲されるが塗膜によって満たされることがないように、充填材が塗膜を支えた状態で、塗膜は構成部品の表面上に塗布される。塗膜が乾燥すると、充填材を流路から浸出させることができ、構成部品表面に非常に近くて望ましい位置に、中空で包囲された冷却流路すなわちマイクロチャネルが作られる。同様の公知の方法では、溝は、構成部品の表面位置において、細い首部を備えて形成することができる。首部は、塗布するときに塗膜が溝内へと進入するのを防止するに足りるほど細くすることができ、最初に溝を充填材で満たす必要がない。

別の公知の方法は、金属の板を用い、溝が形成された後に構成部品の表面を覆っている。つまり、板又は箔が、表面に形成された溝が覆われるように、表面にろう付けされる。別の種類のマイクロチャネル及びマイクロチャネルを製作する方法は、前述のように、本明細書で援用される、同時継続中の特許出願ＧＥ２５２８３３に記載されている。本願では、改良されたマイクロチャネルの構成、並びに、表面冷却通路を製作することができる効率の良い低コストな方法が説明される。この場合、構成部品の表面に形成された浅い流路又は溝が、構成部品の表面に溶接又はろう付けされるカバー線材／条片で包囲される。カバー線材／条片は、縁部に沿って溶接／ろう付けされるときに、冷却剤が送られる内部領域を貫通する中空としつつ流路がしっかりと包囲されるように、大きさが決定され得る。

以下の米国特許出願及び米国特許は、このようなマイクロチャネル又は表面冷却通路が構成及び製作され得る具体的の方法を説明しており、それらの全体が本願において本明細書によって援用される。それら米国特許出願及び米国特許は、米国特許第７４８７６４１号、米国特許第６５２８１１８号、米国特許第６４６１１０８号、米国特許第７９００４５８号及び米国特許出願第２００２／０１０６４５７号である。説明のない限り、本願において及び、特に添付の特許請求の範囲において説明されるマイクロチャネルは、上記の言及した方法のいずれか又は関連する技術において公知の他の任意の方法又は工程によって形成されてもよいことは理解されるであろう。

図６は、本発明の好ましい実施形態による例示の外接冷却流路すなわちマイクロチャネル（以下、「外接レールマイクロチャネル１６６」と呼ぶ）を備えた先端レール１５０の内側面１５７の斜視図である。本明細書で用いられるとき、「外接レールマイクロチャネル」は、レール１５０上に配置され、かつ、レール内側面１５７の大部分に渡ることで先端キャビティ１５５の少なくとも相当の部分を包囲するマイクロチャネルのことを言う。ある好ましい実施形態では、用語「外接レールマイクロチャネル」は、レール内側面１５７全体を囲い、したがって先端キャビティ１５５全体を包囲するレールマイクロチャネルを示す。外接レールマイクロチャネル１６６は、図示するように、いくつかの入口供給路及び排出路をその上に備えた、環状の冷却回路を形成してもよい。図６は、流路カバー１６８が示されていない図であり、そのため、外接レールマイクロチャネル１６６は、レール内側面１５７に刻まれた、包囲されていない溝すなわち流路として図示されていることは理解されるであろう。他の図面で示されて以下で説明されるカバー１６８は、外接レールマイクロチャネル１６６の溝を包囲する構造である。

ある好ましい実施形態では、外接レールマイクロチャネル１６６は、レール１５０のレール内側面１５７を囲う或いは取り囲む２つの平行な流路を含む。前述のように、カバーがされていないため、図６の外接レールマイクロチャネル１６６は、ロータブレード１１５の表面に機械加工され得る細くて浅い溝に似ている。溝の断面形状は、長方形又は半円形とすることができるが、他の形状も可能である。好ましい実施形態では、外接レールマイクロチャネル１６６は、運転中の冷却効果がレール１５０を通じてより均等に及ぶように、平行となって先端キャビティ１５５の周りに延在し、レール１５０の基部とレール１５０の外縁部すなわち外側面との間で一定間隔とされている。外接レールマイクロチャネル１６６は、レール１５０の基部の近くに配置される内側マイクロチャネル１７１と、レール１５０の外縁部の近くに配置される外側マイクロチャネル１７３とを含んでいるとして説明することができる。

以下により詳細に説明するように、好ましい実施形態では、供給源接続部１６７が、外接レールマイクロチャネル１６６を翼形部チャンバ１５６内の冷却剤供給源に接続する。供給源接続部１６７は、内側マイクロチャネル１７１と翼形部チャンバ１５６との間で延在する内部通路であってもよい。供給源接続部１６７は、ロータブレードの鋳造が完了した後に機械加工されればよい。以下で説明する通り、他の冷却剤供給部も可能である。

代わりの実施形態では、レール内側面１５７を取り囲む単一の外接レールマイクロチャネル１６６が形成されてもよい。また、各々がレール内側面１５７を囲う、２つを超える数の外接レールマイクロチャネル１６６が設けられてもよい。外接レールマイクロチャネル１６６は、直線状であってもよいし、特にホットスポットが対処を必要とする場合や、レール内側面１５７に沿う湾曲経路がホットスポットに達する必要がある場合には、湾曲された部分（図示せず）を含んでいてもよい。１以上の外接レールマイクロチャネル１６６は、各々が先端板１４８に略平行となるように形成されてもよい。

図７及び図８は、図６の上記の切断線７−７に沿った断面図である。図６では、外接レールマイクロチャネル１６６がより明瞭に見えるように、流路カバーすなわちカバー１６８は省略されていることは理解されるであろう。図７及び図８では、流路カバー１６８が設けられている。流路カバー１６８は、流路１６６を包囲する構造、より正確には、マイクロチャネル１６６と先端キャビティ１５５との間にある構造であることは理解されるであろう。図７及び図８では、例えば、レール内側面１５７に機械加工された溝を包囲するのに塗膜を用いることができる。塗膜は、外接レールマイクロチャネル１６６が形成されるように溝を包囲する。塗膜は、対環境コーティングを含む、この目的のための任意適切な塗膜であればよい。他の実施形態では、カバー１６８は、ロータブレード１１５と一体の部品であってもよい。この場合、マイクロチャネル１６８は、ロータブレード１１５の形成中にロータブレード１１５内に鋳造されていたであろう。しかしながら、前述のように、この種類の鋳造に必要な精度は、コストを大幅に増加させてしまう。別の例では、図７及び図８のカバー１６８は、レール１５０に溶接又はろう付けされる薄い板又は箔であってもよい。別の例では、カバー１６８は、所定位置に溶接／ろう付けされる線材／条片であってもよい（その工程は、上記で参照された同時継続中の特許出願ＧＥ整理番号２５２８３３で説明される）。

図６〜図８には、鋳造の後又は使用の後に既存のロータブレードに効果的に追加され得るマイクロチャネルの構成が図示されることは理解されるであろう。つまり、既存のロータブレードは、燃焼温度又は燃焼条件を変えることで引き起こされ得るブレード先端１３７での冷却不足に対処するために、外接レールマイクロチャネル１６６の備え付けが従来から可能となっている。そのため、溝をレール１５０の内側面１５７に機械加工することができる。機械加工は、公知の任意の機械加工処理によって行うことができる。溝は、先端板１４８を貫通する、機械加工又は穿孔された通路によって、冷却剤供給源に接続することができ、その通路は、本明細書において供給源接続部１６７と称される。次いで、カバー１６８が、外接レールマイクロチャネル１６６が作られるように、溝を包囲するのに用いることができる。

マイクロチャネル排出路１７０は、外接レールマイクロチャネル１６６に沿って、間隔を置いて形成することができる。図示されるように、レール接続部１６９は、内側マイクロチャネル１７１を外側マイクロチャネル１７３に接続することができる。図示されるように、この好ましい構成によって、冷却剤は、翼形部チャンバ１５６内の供給源から内側マイクロチャネル１７１へと流れることができる。次いで、冷却剤は、内側マイクロチャネル１７１を通ってレール接続部１６９へと流れることができ、レール接続部１６９は、熱の除去に有益である曲がりくねった経路を推進するために、図示するように、供給源接続部１６７と千鳥になっていてもよい。そのため、冷却剤は、レール接続部１６９を介して、内側マイクロチャネル１７１から外側マイクロチャネル１７３へと流れることができる。外側マイクロチャネル１７３に流れると、冷却剤は、レール接続部１６９から千鳥とされ得る排出路１７０うちの１つへと流れることができる。

ある好ましい実施形態では、外接レールマイクロチャネル１６６は、本明細書において、ロータブレードの露出された外側面の非常に近くを略平行に延在する、包囲されて外接された内部通路となるように画成される。ある好ましい実施形態では、また本明細書では指示されて用いられるように、外接レールマイクロチャネル１６６は、ロータブレードの外側面から約０．０５０インチ未満にある冷却流路であり、これは、外接レールマイクロチャネル１６６がどのように形成されるかに依存するが、流路カバー１６８及び外接レールマイクロチャネル１６６を包囲する任意の塗膜の厚さに相当し得る。より好ましくは、このようなマイクロチャネルは、ロータブレードの外側面から約０．０４０〜０．０２０インチの間にある。

加えて、断面流路面積は、典型的には上記のマイクロチャネルにおいて制限されており、それにより、構成部品の表面に渡って多くのマイクロチャネルを形成することができ、冷却剤をより効率的に使用することができる。ある好ましい実施形態では、また本明細書では指示されて用いられるように、外接レールマイクロチャネル１６６は、約０．００３６平方インチ未満の断面流路面積を有するとして画成される。より好ましくは、このようなマイクロチャネルは、約０．００２５〜０．００９平方インチの間の断面流路面積である。ある好ましい実施形態では、外接レールマイクロチャネル１６６の平均高さは、約０．０２０〜０．０６０インチであり、外接レールマイクロチャネル１６６の平均幅は、約０．０２０〜０．０６０インチである。

図９は、本発明の別の態様による外接レールマイクロチャネル１６６の例示の構成の、先端キャビティ１５５内からの側面図である。図１０は、図９の例示的な実施形態の、線１０−１０に沿った断面図である。図１１は、図９の例示的な実施形態の、線１１−１１に沿った断面図である。図１２は、図９の例示的な実施形態の、線１２−１２に沿った断面図である。図９では、外接レールマイクロチャネル１６６を形成する溝がより明瞭に見えるように、通路カバー１６８は再び取り外されている。前述のように、一対の外接レールマイクロチャネル１６６は、離間した関係でレール内側面１５７の周りに延在することができる。供給源接続部１６７は、内側外接レールマイクロチャネル１７１を翼形部チャンバ１５６の冷却剤供給弁に接続することができる。レール接続部１６９は、内側外接レールマイクロチャネル１７１を外側外接レールマイクロチャネル１７３に接続することができる。排出路１７０は、外側外接レールマイクロチャネル１７３に形成することができる。他の構成もまた可能であり、また、前述の例は、ある好ましい実施形態が特許請求される場合に、以下に特許請求の範囲で具体的に示されることを除いて限定しようとしているのではないことは理解されるであろう。

図１３は、本発明の他の態様による、例示の外接レールマイクロチャネル１６６を備えるブレード先端１３７の斜視図である。この場合、外接レールマイクロチャネル１６６には、供給源接続部１６７に代えて、既存のフィルム冷却剤排出路１４９を介して供給される。これまでのように、図１３では、カバー１６８は説明の目的のために示されていないことは理解されるであろう。図１３では、代わりに、接続溝、具体的には、レール１５０に形成された第１の溝１７５及び、先端板１４８に形成されて第１の溝１７５に接続する第２の溝１７６が示されている。第１の溝１７５及び第２の溝１７６、並びに適切に包囲するカバー１６８の組合せによって、外接レールマイクロチャネル１６６に、フィルム冷却剤排出路１４９を通じてタービンブレード１１５をすでに出た冷却剤を供フィルム冷却剤出口１４９給することができることは理解されるであろう。具体的には、上流側において、第２の溝１７６は既存のフィルム冷却排出路１４９と交差することができる。次いで、第２の溝１７６は、図示するように、第１の溝１７５の上流端に向かって延在し、その上流端と接続することができる。さらに、第１の溝１７５は、外接レールマイクロチャネル１６６に向かって延在し、外接レールマイクロチャネル１６６と接続することができる。前述のように、ある例示的な実施形態では、外接レールマイクロチャネル１６６が１つだけレール１５０内に形成される。また、レールマイクロチャネルの長さに沿った異なる位置でレールマイクロチャネル１６６に供給するように、複数の第２の溝１７６を形成することもできる。

好ましい実施形態では、複数の冷却剤供給部が、各外接レールマイクロチャネル１６６に設けられてもよい。適用可能な場合、複数のレール接続部１６９がいくつかの経路を提供することができ、それら経路によって、外接レールマイクロチャネル１６６は互いに流体連通する。また、複数の排出路１７０は、各々が循環する冷却剤を吐き出すように、各外接レールマイクロチャネル１６６に含まれてもよい。これら複数の通路は、製造不良や詰まりによって内部接続流路の１つが意図したように機能することが妨げられる場合でも、先端板１３７が引き続き冷却されるように、多重性をもたらすことは理解されるであろう。

図１４及び図１５には、本発明の代わりの実施形態が図示される。図１４は、本発明の別の態様による例示の外接レールマイクロチャネル１６６を備えるロータブレード１１５の先端１３７の斜視図であり、図１５は、図１４のブレード先端１３７の拡大した斜視図である。図１４の外接レールマイクロチャネル１６６は、通路カバー１６８が取り外された状態で示されており、一方、図１５では、外接レールマイクロチャネル１６６は、通路カバー１６８が所定位置にある状態で示されていることは理解されるであろう。図示されるように、この実施形態では、外接レールマイクロチャネル１６６は、レール１５０の内側面１５７の周りに断続的形成が為されている。つまり、外接レールマイクロチャネル１６６は、先端レール１５０の内側面１５７上で外接経路に沿って延在し、外接経路上に、外接レールマイクロチャネル１６６が途切れる一定間隔の間隙部を含む。この構成は、レール１５０に沿って、各々の間に間隙部が形成された状態で延在する多くの「個別マイクロチャネルスパン」を形成するとして説明することができる。図示されるように、各個別マイクロチャネルスパンは隣の個別マイクロチャネルスパンと接続されていないため、各々が専用の冷却剤供給部を備えている。上記より詳細に説明したように、供給部は、供給源接続部１６７（図１４及び図１５に示すように）、以前からあるフィルム冷却排出路１４９からのマイクロチャネル供給部、それらの組合せ又は他の種類の供給部であり得る。図１５に示すように、外接レールマイクロチャネル１６６の各個別マイクロチャネルスパンは、１以上の排出路１７０を備えることができる。好ましい実施形態では、各個別マイクロチャネルスパンは、図示されるように、各端部にある、もしくは、各端部の近くにある排出路１７０を備えることができる。

好ましい実施形態では、断続的な境界マイクロチャネル１６６は、内側外接レールマイクロチャネル１７１及び外側外接レールマイクロチャネル１７３を含む。これらの各々の個別スパンは、内側外接レールマイクロチャネル１７１の個別スパンと外側外接レールマイクロチャネル１７３の個別スパンとが、図１４及び図１５に示すように、重なるようにして千鳥とされていてもよい。この方法では、効果的な冷却の範囲が領域にもたらされつつ、個別スパンのいずれかが製造不良や運転上の異常によって機能しなくなった場合には、所望の程度の多重性又は重複した冷却範囲が可能とされることは理解されるであろう。

マイクロチャネルの効果がもたらされると、領域を冷却する、つまり、ロータブレードのスキーラ先端を冷却するのに難しいとされたことが、少ない量の冷却剤の使用によって対処でき、タービンの全体の効率を改善する。このようなマイクロチャネル冷却の構成によって、新規及び既存のロータブレードにおいて、上記のシステムを効率の良い構造にすることができる。

発明は、限られた数の実施形態だけに関連して詳細に説明されたが、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容易に理解されるはずである。むしろ、本発明は、ここまで説明しなかったが、本発明の精神及び範囲に見合う変形形態、代替形態、置換形態又は均等な構成形態をいくつでも組み入れるように改良することができる。また、本発明の様々な実施形態が説明されたが、本発明の態様は、説明した実施形態の一部だけを含むことができることは理解されるものである。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されると理解されるのではなく、添付の特許請求の範囲によって限定されるだけである。

１００ ガスタービンシステム
１０２ 圧縮機
１０４ 燃焼器
１０６ タービン
１０８ 軸
１１０ 燃料ノズル
１１２ 燃料供給部
１１５ ロータブレード
１１６ 燃焼ガス
１１７ ロータディスク
１２０ シュラウド
１２２ 根元又はダブテール
１２４ 翼形部
１２６ プラットフォーム
１２８ 正圧側壁
１３０ 負圧側壁
１３２ 前縁
１３４ 後縁
１３７ ブレード先端
１４８ 先端板
１４９ フィルム冷却排出路
１５０ レール
１５２ 正圧側レール
１５３ 負圧側レール
１５５ 先端キャビティ
１５６ 翼形部チャンバ
１５７ レール内側面
１５９ レール外側面
１６１ レール隙間
１６６ 外接レールマイクロチャネル
１６７ 供給源接続部
１６８ 流路カバー（塗膜、板、線材など）
１６９ レール接続部
１７０ マイクロチャネル排出路
１７１ 内側外接レールマイクロチャネル
１７３ 外側外接レールマイクロチャネル
１７５ 第１の溝
１７６ 第２の溝

Claims (24)

1. ガスタービンエンジン用のタービンロータブレードであって、半径方向外側端に先端を含む翼形部を備えており、先端が先端キャビティを画成するレールを含んでいて、レールが外接レールマイクロチャネルを含んでいる、タービンロータブレード。
2. 翼形部が、翼形部の前縁と後縁で互いに接合する正圧側壁及び負圧側壁であって、根元から先端まで延在し、翼形部チャンバを内部に画成する正圧側壁及び負圧側壁を含んでおり、先端が先端板であって、レールが先端板の近傍又は周囲に配置される先端板を含んでおり、レールが、先端キャビティの方に内側を向くレール内側面と、レール外側面とを含む、請求項１記載のタービンロータブレード。
3. 外接レールマイクロチャネルは、レール内側面の少なくとも相当の長さの周りに延在するマイクロチャネルを備える、請求項２記載のタービンロータブレード。
4. 外接レールマイクロチャネルは、レール内側面の長さの少なくとも大部分の周りに延在するマイクロチャネルを備える、請求項２記載のタービンロータブレード。
5. 外接レールマイクロチャネルは、レール内側面の周りに延在して先端キャビティを包囲するマイクロチャネルを備え、外接レールマイクロチャネルは、環状の冷却剤経路を備える、請求項２記載のタービンロータブレード。
6. 正圧側壁は半径方向外側縁部を備え、かつ、負圧側壁は半径方向外側縁部を備え、翼形部は、先端板が、負圧側壁の半径方向外側縁部を正圧側壁の半径方向外側縁部に繋げるように軸方向かつ周方向に延在するように構成され、レールは、正圧側レール及び負圧側レールを含み、正圧側レールは、翼形部の前縁と後縁で負圧側レールに繋がり、正圧側レールは、先端板から半径方向外向きに延在し、正圧側レールが正圧側壁の半径方向外側縁部と略並ぶように前縁から後縁へと渡り、負圧側レールは、先端板から半径方向外向きに延在し、負圧側レールが負圧側壁の半径方向外側縁部と略並ぶように前縁から後縁へと横断する、請求項４記載のタービンロータブレード。
7. 正圧側レール及び負圧側レールは、翼形部の前縁から後縁への間で実質的に連続しており、前縁と後との間で先端キャビティを画成し、翼形部チャンバは、運転中に冷却剤を循環させるように構成された内部チャンバを備える、請求項６記載のタービンロータブレード。
8. 外接レールマイクロチャネルを翼形部チャンバに流体接続する中空通路を備える供給源接続部と、外接レールマイクロチャネルをレール内側面に形成されたポートに流体接続する中空通路を備える排出路とをさらに備える、請求項７記載のタービンロータブレード。
9. 外接レールマイクロチャネルは、機械加工された溝を包囲する非一体型のカバーを備え、非一体型のカバーは、塗膜、シート、箔及び線材のうちの１つを含む、請求項４記載のタービンロータブレード。
10. 外接レールマイクロチャネルは、既知のホットスポットであるレール上の領域を横断して配置される、請求項４記載のタービンロータブレード。
11. 外接レールマイクロチャネルは、レールのレール内側面の近くで、かつレール内側面に略平行に延在する包囲された中空通路を備え、外接レールマイクロチャネルは、先端板と離間した関係でレール内側面の周りに延在する、請求項４記載のタービンロータブレード。
12. 外接レールマイクロチャネルは、レール内側面から約０．０５インチ未満にあり、外接レールマイクロチャネルは、約０．００３６平方インチ未満の断面流路面積であり、外接レールマイクロチャネルは、０．０２〜０．０６インチの間の平均高さであり、かつ、０．０２〜０．０６インチの間の平均幅である、請求項１１記載のタービンロータブレード。
13. 外接レールマイクロチャネルは、レール内側面から約０．０４〜０．０２インチの間にあり、外接レールマイクロチャネルは、約０．００２５〜０．０００９平方インチの間の断面流路面積であり、外接レールマイクロチャネルは、０．０２〜０．０６インチの間の平均高さであり、かつ、０．０２〜０．０６インチの間の平均幅である、請求項１１記載のタービンロータブレード。
14. 先端板及びレールの一部に渡って延在し、先端板に配置される上流端と、レールに配置される下流端とを備える供給マイクロチャネルをさらに備え、供給マイクロチャネルの上流端は、先端板を通って翼形部チャンバへと通じる冷却剤通路に接続し、下流端は、外接レールマイクロチャネルに流体接続する、請求項７記載のタービンロータブレード。
15. 先端板を通る冷却剤通路は、フィルム冷却剤排出路として機能するように構成されている排出路を備え、供給マイクロチャネルは、タービンブレードを出ていたであろう冷却剤を、フィルム冷却剤排出路から外接レールマイクロチャネルへと向かわせるように構成されている、請求項１４記載のタービンロータブレード。
16. レールのレール内側面が、レールの基部により近く配置された内側外接レールマイクロチャネルと、レールの外縁部により近く配置された外側外接レールマイクロチャネルとを含むように、第２の外接レールマイクロチャネルをさらに備える、請求項７記載のタービンロータブレード。
17. 内側外接レールマイクロチャネル及び外側外接レールマイクロチャネルは、レールの基部と外縁部との間で平行かつ一定の間隔となっている、請求項１６記載のタービンロータブレード。
18. 内側外接レールマイクロチャネルを翼形部チャンバに流体接続するように構成された複数の供給源接続部をさらに備え、供給源接続部の各々は、内側外接レールマイクロチャネルと翼形部チャンバとの間で延在する内部通路を備える、請求項１６記載のタービンロータブレード。
19. 複数のレール接続部をさらに備え、レール接続部の各々は、内側外接レールマイクロチャネルを外側外接レールマイクロチャネルに流体接続する内部通路を備え、外側外接レールマイクロチャネルは、外側外接レールマイクロチャネルに沿って間隔を置いて形成される複数の排出路を備え、排出路の各々は、外側外接レールマイクロチャネルをレール内側面に形成されたポートに流体接続する中空通路を備える、請求項１８記載のタービンロータブレード。
20. 外接レールマイクロチャネルは、レール内側面の長さの少なくとも大部分に沿った断続的形成が為され、断続的形成は、少なくとも複数の個別マイクロチャネルスパンを含む、請求項７記載のタービンロータブレード。
21. 断続的形成の為された外接レールマイクロチャネルは、複数の個別マイクロチャネルスパンの各々の間に形成された間隙部を備え、複数の個別マイクロチャネルスパンの各々は、専用の冷却剤供給部を含む、請求項２０記載のタービンロータブレード。
22. 個別マイクロチャネルスパンの各々は、１以上の排出路を備え、排出路の各々は、レール内側面に配置されたポートを備える、請求項２１記載のタービンロータブレード。
23. 個別マイクロチャネルスパンの各々は、２以上の排出路を備え、２つの排出路のうちの一方は、個別マイクロチャネルスパンの一端の近くに配置され、２つの排出路のうちの他方は、個別マイクロチャネルスパンの他端に配置される、請求項２２記載のタービンロータブレード。
24. 断続的形成の為された外接レールマイクロチャネルは、断続的形成の為された外側外接レールマイクロチャネルと、断続的形成の為された内側外接レールマイクロチャネルとを含み、断続的形成された外側外接レールマイクロチャネル及び断続的形成された内側外接レールマイクロチャネルは、各々の間隔部が一致せず、かつ、各々のマイクロチャネルが重なるように千鳥とされている、請求項２２記載のタービンロータブレード。