JP2022104882A - ターボ機械構成要素のためのバイパス導管を有する冷却回路 - Google Patents

Abstract

【課題】流れのない領域を減らしつつ、後縁の根元部に充分な冷却をもたらすことができるロータブレード冷却回路を提供する。【解決手段】ターボ機械構成要素が、プラットフォームと、シャンクと、翼形部とを含む。プラットフォームは、正圧側スラッシュ面および負圧側スラッシュ面を含む。シャンクは、プラットフォームから半径方向内側に延びる。翼形部は、プラットフォームから半径方向外側に延びる。翼形部は、前縁および後縁を含む。冷却回路が、シャンクおよび翼形部の内部に定められる。冷却回路は、翼形部の後縁に沿って配置された複数の出口チャネルをさらに含む。冷却回路は、冷却回路内に配置された入口から正圧側スラッシュ面に位置する出口まで延びる少なくとも１つのバイパス導管をさらに含む。少なくとも１つのバイパス導管は、複数の出口チャネルの半径方向内側に位置する。【選択図】図２

Description

本開示は、広くには、ターボ機械構成要素のための冷却回路に関する。とくには、本開示は、ターボ機械のロータブレード冷却回路に関する。

ターボ機械は、発電などの分野において広く利用されている。例えば、従来のガスタービンシステムは、圧縮機セクションと、燃焼器セクションと、少なくとも１つのタービンセクションとを含む。圧縮機セクションは、空気が圧縮機セクションを通って流れるときに空気を圧縮するように構成される。次いで、空気は圧縮機セクションから燃焼器セクションに導かれ、そこで燃料と混合されて燃焼し、高温ガス流を生成する。高温ガス流はタービンセクションに提供され、タービンセクションは、高温ガス流からエネルギーを抽出して圧縮機、発電機、および／または他のさまざまな負荷に動力を供給する。

タービンセクションは、典型的には、高温ガス経路に沿って配置された複数の段を含み、したがって高温ガスは、第１段のノズルおよびロータブレードを通り、さらに後続のタービン段のノズルおよびロータブレードを通って流れる。タービンロータブレードを、タービンロータを含む複数のロータディスクに固定することができ、各々のロータディスクは、ロータシャフトに取り付けられ、ロータシャフトと共に回転する。

タービンロータブレードは、一般に、実質的に平坦なプラットフォームに結合した根元部から半径方向外側に延びる翼形部と、ロータブレードをロータディスクのうちの１つに固定するためにプラットフォームから半径方向内側に延びるシャンク部とを含む。冷却回路がロータブレードに定められ、圧縮機セクションからの冷却空気が、高温ガス流の高温に曝される翼形部のさまざまな部分を通って流れてこれらを冷却するための経路を提供する。多くのロータブレードにおいて、ピンバンクを冷却回路内に配置することができる。ピンバンクは、圧縮機空気に曝される全表面積を増加させることによって、ロータブレード内の対流冷却の量を増すように機能する。

しかしながら、冷却回路内での急な進路変更は、効率の低下につながる流れのない領域を生じさせる可能性がある。例えば、圧縮機空気が、冷却回路内で渦を巻き、かつ／または滞留して、望ましくない高温スポットを生じさせ、全体的なガスタービンの性能を低下させる可能性がある。さらに、翼形部の根元部、とりわけ後縁の根元部が、一般に、動作時により大きな熱応力を被り、歴史的に、ロータブレードの冷却困難部分であり続けている。したがって、流れのない領域を減らしつつ、後縁の根元部に充分な冷却をもたらすことができるロータブレード冷却回路が、当技術分野において望まれている。

本開示によるターボ機械構成要素およびターボ機械の態様および利点が、一部は以下の説明に記載され、あるいは説明から明らかになり、あるいは本技術の実施を通じて習得可能である。

一実施形態によれば、ターボ機械構成要素が提供される。ターボ機械構成要素は、プラットフォームと、シャンクと、翼形部とを含む。プラットフォームは、正圧側スラッシュ面および負圧側スラッシュ面を含む。シャンクは、プラットフォームから半径方向内側に延びる。翼形部は、プラットフォームから半径方向外側に延びる。翼形部は、前縁および後縁を含む。冷却回路が、シャンクおよび翼形部の内部に定められる。冷却回路は、冷却回路を横切って延びる複数のピンを含む。冷却回路は、翼形部の後縁に沿って配置された複数の出口チャネルをさらに含む。冷却回路は、冷却回路内に配置された入口から正圧側スラッシュ面に位置する出口まで延びる少なくとも１つのバイパス導管をさらに含む。少なくとも１つのバイパス導管は、複数の出口チャネルの半径方向内側に位置する。

別の実施形態によれば、ターボ機械が提供される。ターボ機械は、圧縮機セクションと、燃焼器セクションと、タービンセクションとを含む。複数のロータブレードが、タービンセクションに設けられる。複数のロータブレードの各々は、プラットフォーム、シャンク、および翼形部を含む。プラットフォームは、正圧側スラッシュ面および負圧側スラッシュ面を含む。シャンクは、プラットフォームから半径方向内側に延びる。翼形部は、プラットフォームから半径方向外側に延びる。翼形部は、前縁および後縁を含む。冷却回路が、シャンクおよび翼形部の内部に定められる。冷却回路は、翼形部の後縁に沿って配置された複数の出口チャネルをさらに含む。冷却回路は、冷却回路内に配置された入口から正圧側スラッシュ面に位置する出口まで延びる少なくとも１つのバイパス導管をさらに含む。少なくとも１つのバイパス導管は、複数の出口チャネルの半径方向内側に位置する。

本発明のターボ機械構成要素およびターボ機械のこれらの特徴、態様、および利点、ならびに他の特徴、態様、および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照して、よりよく理解されよう。本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、本技術の実施形態を例示し、明細書における説明と併せて本技術の原理を説明する役に立つ。

当業者へと向けられた本発明のシステムおよび方法の製作および使用の最良の態様を含む本発明のターボ機械構成要素およびターボ機械の充分かつ実施可能な開示が、添付の図面を参照して本明細書に記載される。

本開示の実施形態によるターボ機械の概略図である。 本開示の実施形態によるロータブレードの斜視図を示している。 本開示の実施形態によるロータブレードの断面上面図を示している。 本開示の実施形態によるロータブレードの拡大側面図を示している。 本開示の実施形態によるロータブレードの断面図を示している。

ここで、本発明のターボ機械構成要素およびターボ機械の実施形態を詳細に参照するが、その１つ以上の例が図面に示されている。各々の例は、本技術の説明として提示されており、本技術を限定するものではない。実際に、特許請求される技術の範囲または趣旨から逸脱することなく、修正および変更が本技術において可能であることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、或る実施形態の一部として図示または記載された特徴を別の実施形態において使用して、またさらなる実施形態をもたらすことが可能である。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内にあるそのような修正および変更を包含することを意図している。

詳細な説明は、図面の特徴を参照するために、数字および文字の符号を使用する。図面および説明における類似または同様の符号は、本発明の類似または同様の部分を指すために使用されている。本明細書において使用されるとき、「第１の」、「第２の」、および「第３の」という用語は、或る構成要素を別の構成要素から区別するために交換可能に使用することができ、個々の構成要素の位置または重要性を示すことを意図するものではない。

本明細書において使用されるとき、「上流」（または、「前方」）、および「下流」（または、「後方」）という用語は、流体経路における流体の流れに関する相対的な方向を指す。例えば、「上流」は、流体が流れてくる方向を指し、「下流」は、流体が流れていく方向を指す。「半径方向に」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線に実質的に垂直な相対的方向を指し、「軸方向に」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線に実質的に平行であり、かつ／または同軸に整列する相対的方向を指し、「円周方向に」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線を取り巻いて延びる相対的方向を指す。「おおむね」または「約」などの近似の用語は、記載された値のプラスマイナス１０パーセントの範囲内の値を含む。そのような用語は、角度または方向の文脈において使用されるとき、記載された角度または方向のプラスマイナス１０度の範囲を含む。例えば、「おおむね垂直」は、垂直から例えば時計回りまたは反時計回りなどの任意の方向に１０度の範囲内の方向を含む。

ここで図面を参照すると、図１が、図示の実施形態においてはガスタービン１０であるターボ機械の一実施形態の概略図を示している。産業用または陸上用のガスタービンが本明細書に示されて説明されているが、本開示は、特許請求の範囲にとくに明記されない限り、産業用および／または陸上用ガスタービンに限定されない。例えば、本明細書に記載のターボ機械構成要素は、限定はしないが、蒸気タービン、航空機用ガスタービン、または船舶用ガスタービンを含む任意の種類のターボ機械に使用することが可能である。

図示のように、ガスタービン１０は、一般に、入口セクション１２と、入口セクション１２の下流に配置された圧縮機セクション１４と、圧縮機セクション１４の下流に配置された燃焼器セクション１６内の１つ以上の燃焼器（図示せず）と、燃焼器セクション１６の下流に配置されたタービンセクション１８と、タービンセクション１８の下流に配置された排気セクション２０とを含む。加えて、ガスタービン１０は、圧縮機セクション１４とタービンセクション１８との間に結合した１つ以上のシャフト２２を含むことができる。

圧縮機セクション１４は、一般に、複数のロータディスク２４（そのうちの１つが図示されている）と、各々のロータディスク２４から半径方向外向きに延び、各々のロータディスク２４に接続された複数のロータブレード２６とを含むことができる。次いで、各々のロータディスク２４は、圧縮機セクション１４を通って延びるシャフト２２の一部分に結合でき、あるいはそのような一部分を形成することができる。

タービンセクション１８は、一般に、複数のロータディスク２８（そのうちの１つが図示されている）と、各々のロータディスク２８から半径方向外向きに延び、各々のロータディスク２８に相互接続された複数のロータブレード３０とを含むことができる。次いで、各々のロータディスク２８は、タービンセクション１８を通って延びるシャフト２２の一部分に結合でき、あるいはそのような一部分を形成することができる。タービンセクション１８は、シャフト２２の一部分およびロータブレード３０の周囲を取り囲むことによってタービンセクション１８を通る高温ガス経路３２を少なくとも部分的に画定する外側ケーシング３１をさらに含む。

動作時に、空気などの作動流体が、入口セクション１２を通って圧縮機セクション１４に流入し、圧縮機セクション１４において空気が徐々に圧縮され、したがって加圧空気が燃焼器セクション１６の燃焼器へともたらされる。加圧空気は、燃料と混合され、各々の燃焼器において燃やされて、燃焼ガス３４を生成する。燃焼ガス３４は、高温ガス経路３２を通って燃焼器セクション１６からタービンセクション１８に流入し、タービンセクション１８において、エネルギー（運動エネルギーおよび／または熱エネルギー）が燃焼ガス３４からロータブレード３０へと伝達され、シャフト２２を回転させる。次いで、この機械的な回転エネルギーを、圧縮機セクション１４の動力および／または発電に使用することができる。次いで、タービンセクション１８を出る燃焼ガス３４を、排気セクション２０を介してガスタービン１０から排気することができる。

図２および図５に最も良好に見られるように、ガスタービン１０は、軸方向Ａ、および軸方向Ａを取り巻いて延びる円周方向Ｃを定めることができる。さらに、ガスタービン１０は、軸方向Ａに垂直な半径方向Ｒを定めることができる。本明細書において使用されるとき、ターボ機械構成要素は、いくつかの実施形態において、ロータブレード２６および／または３０であってよい。他の実施形態において、ターボ機械構成要素は、ステータベーン（図示せず）であってよい。ステータベーンの機能および構造は十分理解されているため、本明細書では説明しない。

図２が、本開示の１つ以上の実施形態を取り入れることができる例示的なロータブレード３０の斜視図である。図２に示されるように、ロータブレード３０は、一般に、蟻ほぞまたは取付体３８を有する取付部またはシャンク部３６と、プラットフォーム４２から実質的に半径方向外向きに延びる翼形部４０とを含む。図２～図５に示されるように、プラットフォーム４２は、半径方向においてシャンク部３６と翼形部４０との間に位置することができる。多くの実施形態において、プラットフォーム４２は、タービンセクション１８（図１）の高温ガス経路３２を通って流れる燃焼ガス３４の半径方向内側の境界として機能することができるプラットフォーム表面４３をさらに含むことができる。

いくつかの実施形態において、プラットフォーム表面４３は、プラットフォーム４２の半径方向最外面であってよく、翼形部４０との直接交差部を形成することができる。プラットフォーム４２は、一般に、翼形部４０を取り囲むことができ、翼形部４０とシャンク部３６との間の交差部または移行部に位置することができる。同様に、プラットフォーム表面４３は、プラットフォーム４２と翼形部４０との交差部に位置することができる。多くの実施形態において、プラットフォーム４２は、シャンク部３６を越えて軸方向に延びてよい。

さらに、プラットフォーム４２は、燃焼ガス３４に面する前方プラットフォーム面１１４と、前方プラットフォーム面１１４から軸方向に離れた後方プラットフォーム面１１６とを含むことができる。後方プラットフォーム面１１６は、前方プラットフォーム面１１４の下流にあってよい。図２に示されるように、プラットフォーム４２は、軸Ａの方向において、それぞれの前方プラットフォーム面１１４および後方プラットフォーム面１１６で終わることができる。シャンク部３６の取付体３８は、プラットフォーム４２から半径方向内向きに延びてよく、（図１に示されるように）ロータブレード３０をロータディスク２８に相互接続または固定するように構成された蟻ほぞなどの根元部構造を含むことができる。

翼形部４０は、一般に、空気力学的な輪郭を有することができ、正圧側壁４４と、反対側の負圧側壁４６とを含むことができる。（図３に示されるような）キャンバ軸７０を、正圧側壁４４と負圧側壁４６との間に定めることができ、キャンバ軸７０は、一般に、湾曲していてよく、あるいは弓形であってよい。種々の実施形態において、正圧側壁４４および負圧側壁４６は、翼長方向において、プラットフォーム４２から実質的に半径方向外向きに、翼形部４０の根元部４８から翼形部４０の先端部５０まで延びてよい。翼形部４０の根元部４８を、翼形部４０とプラットフォーム表面４３との間の交差部に定めることができる。正圧側壁４４は、一般に、翼形部４０の空気力学的な凹状の外面を備える。同様に、負圧側壁４６は、一般に、翼形部４０の空気力学的な凸状の外面を定めることができる。

翼形部４０は、互いに離れて位置して軸方向Ａにおける翼形部４０の末端部を定める前縁５２および後縁５４を含むことができる。翼形部４０の前縁５２は、高温ガス経路３２において燃焼ガス３４に関与し、すなわち曝される翼形部４０の最初の部分であってよい。燃焼ガス３４を、後縁５４において排気される前に、翼形部４０の空気力学的輪郭に沿い、すなわち負圧側壁４６および正圧側壁４４に沿って導くことができる。

先端部５０は、根元部４８の半径方向反対側に配置される。したがって、先端部５０は、一般に、ロータブレード３０の半径方向最外部を定めることができ、したがって、ガスタービン１０の不動のシュラウドまたはシール（図示せず）に隣接して位置するように構成されてよい。

プラットフォーム４２は、正圧側スラッシュ面６２と、負圧側スラッシュ面６４とを含むことができる。正圧側スラッシュ面６２は、負圧側スラッシュ面６４から円周方向に離れて位置することができる。いくつかの実施形態において、正圧側スラッシュ面６２および／または負圧側スラッシュ面６４は、おおむね平面であってよい（従来どおりに平面または斜めであってよい）。他の実施形態においては、正圧側スラッシュ面６２および／または負圧側スラッシュ面６４、あるいは正圧側スラッシュ面６２および／または負圧側スラッシュ面６４の少なくとも一部分が、曲面（ｃｕｒｖｉｐｌａｎａｒ）であってよい。例えば、図２に示される実施形態において、正圧側スラッシュ面６２または負圧側スラッシュ面６４は、軸方向、半径方向、および／または接線方向に対して湾曲していてもよい。多くの実施形態において、プラットフォーム４２の正圧側スラッシュ面６２および負圧側スラッシュ面６４の各々は、プラットフォーム４２の前縁プラットフォーム面１１４および後縁プラットフォーム面１１６に対しておおむね垂直であってよい。このようにして、プラットフォーム４２は、おおむね長方形の形状を定めることができる。

シャンク部３６は、後縁面７８から軸方向に離れて位置した前縁面７６をさらに含むことができる。いくつかの実施形態において、前縁面７６を、燃焼ガス３４の流れへと配置することができ、後縁面７８を、前縁面７６の下流に配置することができる。多くの実施形態においては、図示のように、前縁面７６および後縁面７８の各々を、それぞれ前方プラットフォーム面１１４および後方プラットフォーム面１１６の半径方向内側に配置することができる。

特定の構成において、翼形部４０は、根元部４８に近接してプラットフォーム４２と翼形部４０との間に形成されたフィレット４１を含むことができる。より具体的には、フィレット４１を、根元部４８においてプラットフォーム表面４３と翼形部４０との間に形成することができる。フィレット４１は、従来からのＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接、ろう付け、などによって形成できる溶接またはろう付けフィレットを含むことができ、フィレット４１の存在の結果としての流体力学的損失を低減できる輪郭付けられた外形を含むことができる。特定の実施形態においては、プラットフォーム４２、シャンク３６、翼形部４０、およびフィレット４１を、鋳造および／または機械加工および／または３Ｄ印刷および／または現時点において知られており、あるいは後に開発および／または発見される任意の他の適切な技法などによって、単一の構成要素として形成することができる。例示的な実施形態において、フィレット４１は、翼形部４０の後縁５４の周りに延びる後縁部分４５を含むことができる。

図２に示されるように、ロータブレード３０は、少なくとも部分的に中空であってよく、例えば、冷却回路５６（図２に一部分が破線で示されている）が、冷却剤５８（圧縮空気または他の適切な冷却材など）を正圧側壁４４と負圧側壁４６との間で翼形部４０を通って導くことによって対流冷却をもたらすために、翼形部４０内に定められてよい。冷却回路５６は、シャンク部３６、プラットフォーム４２、および翼形部４０に定められてよく、ロータブレード３０のさまざまな部分を通って冷却剤５８を導くための１つ以上の冷却通路８０、８２、８３、８４を含むことができる。例えば、冷却回路は、１つ以上の前縁通路８０と、１つ以上の中央本体通路８２、８３と、１つ以上の後縁通路８４とを含むことができる。冷却剤５８は、圧縮機セクション１４（図１）からの圧縮空気の一部ならびに／あるいは翼形部４０を冷却するための蒸気または任意の他の適切な流体もしくはガスを含むことができる。１つ以上の冷却通路入口６０が、ロータブレード３０に沿って配置される。いくつかの実施形態において、１つ以上の冷却通路入口６０は、取付体３８内に形成され、取付体３８に沿って形成され、あるいは取付体３８によって形成される。冷却通路入口６０は、少なくとも１つの対応する冷却通路８０、８２、８３、８４に流体連通する。

種々の実施態様において、後縁通路８４は、１つ以上の冷却通路入口６０に直接的または間接的に連通することができる。例えば、いくつかの実施形態において、冷却回路５６は、冷却剤５８がいずれのリブ８６の周りも移動することなく後縁通路８４に直接進入できるように、後縁通路８４に直接連通する後縁入口６１を含むことができる。他の実施形態において、冷却回路５６は、冷却剤５８が後縁通路８４に進入する前に中央本体通路８２、８３を通って１つ以上のリブ８６の周りを移動することができるように、後縁通路８４と間接的に連通する中央本体入口５９を含むことができる。特定の実施形態（図示せず）において、後縁通路８４は、中央本体入口５９から間接的にのみ冷却剤５８を受け取ることができ、したがって冷却回路５６が後縁入口６１を含まない。他の実施形態（図示せず）において、後縁通路８４は、中央本体入口５９から直接的にのみ冷却剤５８を受け取ることができ、したがって中央本体入口５９は後縁通路８４に流体連通しない。

図３が、本開示の実施形態によるロータブレード３０の断面上面図を示している。図示のように、冷却回路５６は、リブ８６によって隔てられた複数の冷却通路８０、８２、８３、８４を含むことができる。例えば、ロータブレード３０は、燃焼ガス流３４の方向に対して、１つ以上の前縁通路８０と、前縁通路８０の下流の１つ以上の中央本体通路８２、８３と、中央本体通路８２、８３の下流の１つ以上の後縁通路８４とを含むことができる。図３に破線で示され、図２にも示されているように、冷却通路８０、８２、８３、および８４の各々は、ロータブレード３０のプラットフォーム４２およびシャンク部３６へと半径方向に延びてよい。

図示のように、前縁通路８０を、ロータブレード３０内で、翼形部４０上を流れる燃焼ガス３４の方向に対して翼形部４０の前縁５２のすぐ下流に定めることができる。同様に、後縁通路８４を、ロータブレード３０内で、翼形部４０上を流れる燃焼ガス３４の方向に対して翼形部４０の後縁５４のすぐ上流に定めることができる。中央本体通路８２、８３を、ロータブレード３０内で、キャンバ軸７０に関する軸方向における前縁通路８０と後縁通路８４との間に定めることができる。

図２に最も良好に示されるように、冷却剤５８は、ロータブレード３０のさまざまなすき間、空洞、および部位を好都合に冷却するように、冷却回路５６および冷却通路８０、８２、８３、８４を通っておおむね半径方向に内側および外側の両方に移動することができる。例えば、図２に示される実施形態において、冷却剤５８は、取付体３８内に定められた冷却通路入口６０を介してロータブレード３０に進入し、翼形部４０の先端部５０に達するまで、中央本体通路８２を通っておおむね半径方向外側に移動することができる。この時点で、冷却剤５８は、１つ以上のリブ８６の周囲で向きを変え、方向を反転させて、別の中央本体空気通路８３を通っておおむね半径方向内側へと移動を続けることができる。冷却剤５８は、後縁通路８４に進入するときに再び方向を反転させ、複数のピン６８上を複数の出口チャネル６６に向かっておおむね半径方向外側へと移動することができる。

図２に示した実施形態などの多数の実施形態において、翼形部４０は、冷却回路５６に流体に関して結合した複数の出口チャネル６６を後縁５４に沿って定めることができる。いくつかの実施形態においては、出口チャネル６６を、翼形部４０の後縁５４に沿って定め、後縁通路８４に流体に関して直接結合させることができる。出口チャネルは、半径方向Ｒに沿って互いに間隔を空けて位置することができ、冷却回路５６を通って移動する冷却剤５８のための出口を好都合に提供することができる。複数の出口チャネル６６を、翼形部４０の正圧側壁４４と負圧側壁４６との間に定められた互いに間隔を空けて位置する実質的に中空のシリンダとして形作ることができる。さらに、図３に示されるように、複数の出口チャネル６６を、キャンバ軸７０に沿って配向させることができる。出口チャネル６６は、翼形部４０を通って移動する冷却剤５８を冷却回路５６から出すための出口を提供することができる。多くの実施形態においては、冷却剤５８を出口チャネル６６から排気して、タービンセクション１８を通って移動する燃焼ガス３４と混合することができる。多くの実施形態において、複数の出口チャネル６６は、冷却剤５８が後縁５４に沿って均一に分布する（したがって、冷却効果が高まる）ように、互いにおおむね平行であってよい。

図２および図３に示されるように、複数のピンまたはピン６８を、冷却回路５６内の冷却剤５８の流れの方向に対して複数の出口チャネル６６のすぐ上流で、冷却回路５６内に配置することができる。いくつかの実施形態において、ピン６８は、後縁通路８４を横切って延びてよい。複数のピン６８は、冷却回路５６を横切って延びてよく、冷却回路５６内にアレイまたはパターンにて配置されてよい。多くの実施形態において、複数のピン６８を、冷却剤５８がピン６８の間および周囲を通過することができるように配置することができる。いくつかの実施形態において、複数のピン６８は、冷却回路５６を通過する冷却剤５８の対流冷却に曝される表面積を増加させるように機能することができる。複数のピン６８の各ピン６８は、実質的に円形の断面を有することができる。しかしながら、他の実施形態（図示せず）において、各ピン６８は、楕円形、正方形、長方形、または任意の他の多角形の断面形状を有してもよい。

図２～図５に示される実施形態などのいくつかの実施形態において、複数のピン６８は、３つのピン列１０６、１０８、１１０を含むことができ、各々のピン列は、ロータブレード３０のシャンク部３６と先端部５０との間を延びる。いくつかの実施形態（図示せず）において、複数のピン６８は、３つよりも多数または少数（例えば、１、２、４、５、またはそれ以上）のピン列を含むことができる。図２～図５に示されるように、第１のピン列１０６、第２のピン列１０８、および第３のピン列１１０を、ロータブレード３０内で互いに隣接させて配置することができる。図２～図５に示されるように、第１のピン列１０６は、３つのピン列１０６、１０８、１１０のうちの軸方向において最も内側のピン列であってよい。さらに、第２のピン列１０８は、第１のピン列１０６から軸方向外側に位置でき、第３のピン列１１０は、第２のピン列１０８の軸方向外側に位置できる。図示のとおり、第３のピン列１１０の少なくとも一部は、冷却回路５６において出口チャネル６６に直接隣接することができる。

複数のピン６８は、複数の出口チャネル６６の上流の冷却回路５６内に配置されてよい。複数のピン６８は、プラットフォーム表面４３から半径方向外側に配置され、複数のピンがプラットフォーム表面４３の半径方向内側には延在しないように、翼形部４０内に定められてよい。複数のピン６８は、翼形部４０を横切って延びてよく、例えば、複数のピンは、翼形部４０の正圧側壁４４と負圧側壁４６との間に延在することができる。

図２および図３に示される実施形態などの多数の実施形態において、複数のピン６８は、後縁通路８４内に配置されてよく、正圧側壁４４から負圧側壁４６までキャンバ軸７０におおむね垂直に延びてよい。図３に示されるように、複数の出口チャネル６６は、キャンバ軸７０におおむね平行に流れる燃焼ガス３４の方向に対して複数のピン６８のすぐ下流に位置することができる。

図２～図５にまとめて示されるように、ロータブレード３０は、冷却回路５６内に配置された入口９０から正圧側スラッシュ面６２上に配置された出口９２まで延びる１つ以上のバイパス導管８８をさらに含むことができる。１つ以上のバイパス導管８８を、冷却回路５６の後縁通路８４と正圧側スラッシュ面６２（高温ガス経路３２に近接）との間の（例えば、冷却剤５８のための）通路を各々が提供する中空シリンダとして形作ることができる。

バイパス導管８８は、図示のように円形の断面形状を有することができ、あるいは、他の実施形態（図示せず）において、バイパス導管８８は、楕円形、正方形、長方形、または任意の他の多角形の断面形状を有してもよい。

１つ以上のバイパス導管８８は、複数の出口チャネル６６の半径方向内側に配置されてよい。いくつかの実施形態において、１つ以上のバイパス導管８８は、少なくとも部分的に、プラットフォーム表面４３の半径方向外側かつ複数の出口チャネル６６および複数のピン６８の半径方向内側に配置されてよい。例示的な実施形態において、１つ以上のバイパス導管８８は、翼形部４０およびプラットフォーム４２の両方の内部に定められてよい。例えば、１つ以上のバイパス導管８８は、少なくとも部分的に翼形部４０のフィレット４１内に延在でき、したがってガスタービン１０の動作時にフィレット４１に冷却をもたらすことができる。他の実施形態において、バイパス導管８８は、完全にプラットフォーム４２内に定められ、プラットフォーム表面４３の半径方向内側に配置されてよい。

例示的な実施形態において、１つ以上のバイパス導管８８は、入口９０から、後縁５４に向かって、フィレット４１の後縁部分４５の内部を、出口９２まで延びてよい。このようにして、１つ以上のバイパス導管８８は、バイパス導管８８の長さに沿ってフィレット４１の縁部分４５に冷却をもたらすことができ、したがってロータブレード３０の寿命および動作効率を高めることができる。

多数の実施形態において、１つ以上のバイパス導管８８は、バイパス導管が出口チャネル６６に対して平行でも垂直でもなく、むしろ或る角度で延びるように、出口チャネル６６に対しておおむね斜めであってよい。このようにして、バイパス導管８８は、出口チャネル６６に対しておおむね傾けられ、あるいは斜面にされてよい。例示的な実施形態において、バイパスチャネル８８は、出口チャネル６６の直径よりも小さい直径を有することができ、これは、より少量の冷却剤５８をバイパスチャネル８８に通すことを好都合に可能にする。他の実施形態において、バイパスチャネル８８は、出口チャネル６６の直径よりも大きい直径を有してもよい。

図３～図５に示されるように、少なくとも１つのバイパス導管８８は、入口９０から、後縁プラットフォーム面１１６に向かって、正圧側スラッシュ面６２に配置された出口９２まで延びてよい。多数の実施形態においては、図３に示されるように、少なくとも１つのバイパス導管８８が、翼形部４０の負圧側壁４６および／または正圧側壁４４の少なくとも一部分におおむね平行に延びてよい。

図２に示されるように、１つ以上のバイパス導管８８の各バイパス導管の入口９０は、冷却回路５６内の冷却剤５８の流れに対して複数のピン６８のおおむね上流にあってよい。例えば、いくつかの実施形態において、バイパス導管８８の入口９０は、複数のピン６８から半径方向内側にあってよく、出口９２は、入口９０から半径方向内側に配置されてよい。このようにして、バイパス導管８８は、それぞれの入口９０からそれぞれの出口９２に延びるにつれて、半径方向内側に延びることができる。

１つ以上のバイパス導管８８の各バイパス導管８８は、入口９０から出口９２まで一定の直径を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態において、１つ以上のバイパス導管８８の各バイパス導管８８は、約０．０１インチ～約０．２インチの間の直径を有することができる。多数の実施形態において、１つ以上のバイパス導管８８の各バイパス導管８８は、約０．０２５インチ～約０．１７５インチの間の直径を有することができる。他の実施形態において、１つ以上のバイパス導管８８の各バイパス導管８８は、約０．０５インチ～約０．１５インチの間の直径を有することができる。さまざまな実施形態において、１つ以上のバイパス導管８８の各バイパス導管８８は、約０．０７５インチ～約０．１２５インチの間の直径を有することができる。いくつかの実施形態において、１つ以上のバイパス導管８８の各バイパス導管８８は、最大約０．１インチの直径を有することができる。

多数の実施形態において、バイパス導管８８は、翼形部４０およびプラットフォーム４２の内部に定められてよく、後縁通路８４内に位置する入口９０から、後方プラットフォーム面１１６に向かって、正圧側スラッシュ面６２に配置された出口９２まで延びてよい。このようにして、バイパス導管８８を、それぞれの入口９０からそれぞれの出口９２まで延びるときに後縁プラットフォーム面１１６に向かって斜めにし、あるいは傾斜させることができる。

特定の実施形態においては、図５に示されるように、１つ以上のバイパス導管８８が、第１のバイパス導管９４および第２のバイパス導管９６を含むことができ、その各々は、冷却回路５６内のそれぞれの入口９８、１００と、正圧側スラッシュ面６２に配置されたそれぞれの出口１０２、１０４とを有する。そのような実施形態において、バイパス導管８８は、それぞれの入口９８、１００とそれぞれの出口１０２、１０４との間を互いにおおむね平行に延びてよい。いくつかの実施形態において、バイパス導管８８は、翼形部５０（図３）の両側に配置されてよい。例えば、図３に示されるように、第１のバイパス導管９４を、正圧側壁４４に隣接させて（かつ、正圧側壁４４におおむね平行に）配置することができ、第２のバイパス導管９６を、負圧側壁４６に隣接させて（かつ、負圧側壁４６におおむね平行に）配置することができる。

図５が、本開示の実施形態によるロータブレード３０の簡略の断面図を示している。図示のように、バイパス導管８８は、複数のピン６８および複数の出口チャネル６６の半径方向内側の後縁通路８４内のそれぞれの入口９０から、それぞれの入口９０の半径方向内側の正圧側スラッシュ面６２に配置されたそれぞれの出口９２まで延びることができる。さらに、バイパス導管８８は、シャンク３６の完全に半径方向外側に、すなわち翼形部４４およびプラットフォーム４２の内部に定められてよい。各々のバイパス導管８８は、それぞれの入口９０からそれぞれの出口９２へとおおむね半径方向内側に延びることができる。例示的な実施形態において、バイパス導管は、好都合には、フィレット４１の後縁部分４５を少なくとも部分的に通って延びることで、ガスタービン１０の動作の最中にフィレット４１に冷却をもたらすことができる。加えて、バイパス導管８８は、冷却流の均一な分布のために冷却剤５８の少なくとも一部を後縁通路８４へと引き寄せる圧力低下を後縁通路８４内にもたらすように好都合に機能することができる。

種々の実施形態において、少なくとも１つのバイパス導管８８は、キャンバライン７０の少なくとも一部分におおむね平行に延びてよい。例示的な実施形態において、少なくとも１つのバイパス導管８８は、翼形部４０の負圧側壁４６および正圧側壁４４の一方または両方の少なくとも一部分におおむね平行に延びてよい。例えば、図３に示されるように、少なくとも１つのバイパス導管８８は、翼形部４０の第１のピン列１０６と後縁５４との間において、正圧側壁４４および負圧側壁４６におおむね平行に延びてよい。このようにして、バイパス導管８８は、好都合なことに、後縁通路８４における冷却流の渦を低減しつつ、正圧側スラッシュ面６２およびフィレット４１の後縁部分４５（本来ならば高温の領域になると考えられる）にも冷却をもたらすことも可能にする。

バイパス導管８８の配向は、先行の設計を超える多数の利点をもたらすことができる。例えば、後縁通路８４内に圧力低下をもたらしてプラットフォーム４２およびシャンク３６における冷却剤の流れの渦を減少させる他に、バイパス導管８８の配向は、翼形部４０の後縁５４の冷却を向上させる。とくには、バイパス導管８８は、翼形部の内部から、フィレット４１の後縁部分４５の一部分を通って、正圧側スラッシュ面６２まで（翼形部の壁４４、４６におおむね平行でありつつ）延びる。このようにして、バイパス導管８８は、好都合なことに、フィレット４１の後縁部分４５に対流冷却をもたらしつつ、後縁通路８４内の流れの渦を減少させる出口チャネル６６の半径方向内側の圧力低下をもたらすことができる。多数の実施形態において、バイパス導管８８は、フィレット４１内を部分的に延びることによって、ガスタービン１０の動作時にフィレット４１を通って冷却剤５８を流してフィレット４１の冷却を可能にする唯一の冷却通路であってよい。

ガスタービン１０（図１）の動作時に、冷却流体が上述の通路、空洞、および開口を通って流れ、ロータブレード３０を冷却する。より具体的には、冷却剤５８（例えば、圧縮機セクション１４からの抽気）は、冷却通路入口６０（図２）を通ってロータブレード３０に進入する。この冷却剤５８は、冷却回路５６および種々の冷却通路８０、８２、８３、８４を通って流れ、ロータブレード３０のシャンク部３６および翼形部４０の両方に対流冷却をもたらす。冷却流体５８は、ピン６８の周囲およびピン６８の間を流れ、その後に出口チャネル６６および／または１つ以上のバイパス導管８８を通って冷却回路５６を出て、燃焼ガス３４（図１）へと流入することができる。複数の出口チャネル６６を、プラットフォーム４２から半径方向外側に配置することができ、冷却回路５６に流体に関して結合させることができる。冷却回路５６において出口チャネル６６が生じさせる圧力低下ゆえに、冷却回路５６を通って流れる冷却剤５８は、実質的に半径方向外側へと、出口チャネル６６に向かって移動することができる。１つ以上のバイパス導管８８は、冷却回路５６のうちの複数のピン６８および出口チャネル６６の半径方向内側に定められる部分に圧力低下を生じさせるように機能する。この１つ以上のバイパス導管８８が生じさせる圧力低下は、好都合なことに、冷却剤５８の少なくとも一部をピン６８および出口チャネル６６から半径方向内側に引き寄せることにより、後縁通路８４における冷却剤５８の流れの均一な分布およびフィレット４１の後縁部分４５の対流冷却を可能にする。

本明細書は、例を使用して本発明を最良の態様も含めて開示すると共に、あらゆる装置またはシステムの作製および使用ならびにあらゆる関連の方法の実行を含む本発明の実施を当業者にとって可能にする。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者であれば想到できる他の例を含むことができる。そのような他の例は、特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素を含む場合や、特許請求の範囲の文言から実質的には相違しない同等の構造要素を含む場合に、特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。

１０ ガスタービン
１２ 入口セクション
１４ 圧縮機セクション
１６ 燃焼器セクション
１８ タービンセクション
２０ 排気セクション
２２ シャフト
２４ ロータディスク
２６ ロータブレード
２８ ロータディスク
３０ ロータブレード
３１ 外側ケーシング
３２ 高温ガス経路
３４ 燃焼ガス流
３６ シャンク部
３８ 取付体
４０ 翼形部
４１ フィレット
４２ プラットフォーム
４３ プラットフォーム表面
４４ 翼形部、正圧側壁
４５ 後縁部分
４６ 負圧側壁
４８ 根元部
５０ 翼形部、先端部
５２ 前縁
５４ 後縁
５６ 冷却回路
５８ 冷却剤、冷却流体
５９ 中央本体入口
６０ 冷却通路入口
６１ 後縁入口
６２ 正圧側スラッシュ面
６４ 負圧側スラッシュ面
６６ 出口チャネル
６８ ピン
７０ キャンバ軸、キャンバライン
７６ 前縁面
７８ 後縁面
８０ 冷却通路、前縁通路
８２ 冷却通路、中央本体通路
８３ 冷却通路、中央本体通路
８４ 冷却通路、後縁通路
８６ リブ
８８ バイパス導管、バイパスチャネル
９０ 入口
９２ 出口
９４ 第１のバイパス導管
９６ 第２のバイパス導管
９８ 入口
１００ 入口
１０２ 出口
１０４ 出口
１０６ 第１のピン列
１０８ 第２のピン列
１１０ 第３のピン列
１１４ 前方プラットフォーム面、前縁プラットフォーム面
１１６ 後方プラットフォーム面、後縁プラットフォーム面

Claims (15)

1. ロータブレード（２６）であって、
   正圧側スラッシュ面（６２）と負圧側スラッシュ面とを有するプラットフォーム（４２）と、
   前記プラットフォーム（４２）から半径方向内側に延びるシャンク（３６）と、
   前記プラットフォーム（４２）から半径方向外側に延び、前縁（５２）および後縁（５４）を含んでいる翼形部（４０）と、
   前記ロータブレード（２６）内に定められた冷却回路（５６）と
   を備えており、
   前記冷却回路（５６）は、
   前記翼形部（４０）の前記後縁（５４）に沿って配置された複数の出口チャネル（６６）と、
   前記冷却回路（５６）内に配置された入口（１００）から前記正圧側スラッシュ面（６２）に位置する出口（１０２）まで延びる少なくとも１つのバイパス導管（８８）と
   を備え、
   前記少なくとも１つのバイパス導管（８８）は、前記複数の出口チャネル（６６）の半径方向内側に位置している、ロータブレード（２６）。
2. 前記翼形部（４０）の負圧側壁（４６）から前記冷却回路（５６）を横切って前記翼形部（４０）の正圧側壁（４４）まで延びる複数のピン（６８）
   をさらに備える、請求項１に記載のロータブレード（２６）。
3. 前記複数のピン（６８）は、前記翼形部（４０）内を半径方向に延びる列にて配置されている、請求項２に記載のロータブレード（２６）。
4. 前記少なくとも１つのバイパス導管（８８）は、前記翼形部（４０）のキャンバ軸（７０）の少なくとも一部分におおむね平行に延びている、請求項１に記載のロータブレード（２６）。
5. 前記少なくとも１つのバイパス導管（８８）は、第１のバイパス導管（９４）および第２のバイパス導管（９６）を含み、前記第１のバイパス導管（９４）および前記第２のバイパス導管（９６）の各々は、前記冷却回路（５６）内に配置されたそれぞれの入口（１００）と、前記正圧側スラッシュ面（６２）に配置されたそれぞれの出口（１０２）とを有する、請求項１に記載のロータブレード（２６）。
6. 前記冷却回路（５６）は、前縁（５２）通路と、中央本体通路（８２）と、後縁通路（８４）とを含み、前記少なくとも１つのバイパス導管（８８）の前記入口（１００）は、前記後縁通路（８４）内に配置されている、請求項１に記載のロータブレード（２６）。
7. 前記翼形部（４０）は、根元部（４８）と先端部（５０）との間を半径方向に延び、前記翼形部（４０）は、前記根元部（４８）にフィレット（４１）を含み、前記少なくとも１つのバイパス導管（８８）は、前記入口（１００）から、前記後縁（５４）に向かって、前記翼形部（４０）の前記フィレット（４１）内を少なくとも部分的に、前記出口（１０２）まで延びている、請求項１に記載のロータブレード（２６）。
8. 前記少なくとも１つのバイパス導管（８８）は、前記フィレット（４１）および前記プラットフォーム（４２）の内部に定められている、請求項７に記載のロータブレード（２６）。
9. 前記少なくとも１つのバイパス導管（８８）は、約０．０１インチ～約０．２インチの間の直径を有する、請求項１に記載のロータブレード（２６）。
10. 前記少なくとも１つのバイパス導管（８８）は、前記出口チャネル（６６）の直径よりも小さい直径を有する、請求項１に記載のロータブレード（２６）。
11. 圧縮機セクション（１４）と、
    前記圧縮機セクション（１４）から圧縮空気を受け取る燃焼器セクション（１６）と、
    前記燃焼器セクション（１６）から燃焼ガス（３４）を受け取るタービンセクション（１８）と、
    前記タービンセクション（１８）に設けられた複数のロータブレード（２６）と
    を備えており、
    前記複数のロータブレード（２６）の各々は、
    正圧側スラッシュ面（６２）と負圧側スラッシュ面とを有するプラットフォーム（４２）と、
    前記プラットフォーム（４２）から半径方向内側に延びるシャンク（３６）と、
    前記プラットフォーム（４２）から半径方向外側に延び、前縁（５２）および後縁（５４）を含んでいる翼形部（４０）と、
    前記ロータブレード（２６）内に定められた冷却回路（５６）と
    を備え、
    前記冷却回路（５６）は、
    前記翼形部（４０）の前記後縁（５４）に沿って配置された複数の出口チャネル（６６）と、
    前記冷却回路（５６）内に配置された入口（１００）から前記正圧側スラッシュ面（６２）に位置する出口（１０２）まで延びる少なくとも１つのバイパス導管（８８）と
    を備え、
    前記少なくとも１つのバイパス導管（８８）は、前記複数の出口チャネル（６６）の半径方向内側に位置している、ターボ機械。
12. 前記翼形部（４０）の負圧側壁（４６）から前記冷却回路（５６）を横切って前記翼形部（４０）の正圧側壁（４４）まで延びる複数のピン（６８）
    をさらに備える、請求項１１に記載のターボ機械。
13. 前記複数のピン（６８）は、前記翼形部（４０）内を半径方向に延びる列にて配置されている、請求項１２に記載のターボ機械。
14. 前記少なくとも１つのバイパス導管（８８）は、前記翼形部（４０）のキャンバ軸（７０）の少なくとも一部分におおむね平行に延びている、請求項１１に記載のターボ機械。
15. 前記少なくとも１つのバイパス導管（８８）は、第１のバイパス導管（９４）および第２のバイパス導管（９６）を含み、前記第１のバイパス導管（９４）および前記第２のバイパス導管（９６）の各々は、前記冷却回路（５６）内に配置されたそれぞれの入口（１００）と、前記正圧側スラッシュ面（６２）に配置されたそれぞれの出口（１０２）とを有する、請求項１１に記載のターボ機械。

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