JP5513746B2

JP5513746B2 - タービン動翼先端シュラウド

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Publication number: JP5513746B2
Application number: JP2009002143A
Authority: JP
Inventors: ロバート・エイ・ブリッティンガム
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-01-10
Filing date: 2009-01-08
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2029-01-08
Also published as: US7946817B2; DE102008055590A1; CH698338B1; CH698338A2; DE102008055590B4; US20090180893A1; CN101482029A; JP2009168018A; CN101482029B

Description

本発明は、例えば航空機エンジン、ガスタービン、蒸気タービン等の動翼に関する。より詳細には、本発明は中空キャビティ先端シュラウドおよび該中空キャビティ内の冷却剤の循環を用いたタービン動翼先端シュラウドの冷却に関する。非限定的な例として、本発明およびその背景はガスタービンに関して説明する。

産業ガスタービンおよび航空機エンジンのタービン動翼は、極端な温度環境で動作する。この環境に伴う熱応力および金属温度は、タービン動翼の有効動作寿命を減らす可能性がある。動作中のタービン動翼、およびその構成部品の冷却は、有効動作寿命を延ばすことができる。

多くのタービン動翼は、翼形と、翼形の先端に取り付けられた一体型先端シュラウドとを含む。翼形の外縁に取り付ける先端シュラウドは、翼形表面と実質的に垂直に延びる表面領域を形成する。先端シュラウドの表面領域は翼形上にタービン排気を保持する（すなわち、排気が翼形羽根の端部を滑ることがないようにする）のに役立ち、タービン排気のより大きな割合のエネルギーをタービン動翼によって機械的エネルギーに変換することができる。先端シュラウドは、このようにガスタービンエンジンの性能を向上させる。さらに、翼形の外面全体が先端シュラウドによって覆われることが望ましい。しかしながら、先端シュラウドおよびその翼形への接続部は、タービンの回転速度によって加えられる機械力のため、動作中に高い応力が加えられる。これらの機械的応力がタービンの極端な高温環境に伴う熱応力および金属温度と結び付くと、先端シュラウドを翼形の全有効寿命にわたって目的の機能を果たすように設計することが難しくなる。

この問題を解決するために考えられる方法は、１）先端シュラウドの重量を軽くすることにより、加えられる機械的応力を減らすこと、または２）先端シュラウドが受ける金属温度を下げることの２つのどちらかである。１つ目に関して、先端シュラウドの重量を軽くするための１つの一般的な方法は、張り出している先端シュラウドを「スカラップする（波形模様に切る）」（すなわち、くぼみすなわち一部を取り除く）ことである。先端シュラウド材の削減は、動作中に先端シュラウドと翼形の接続部に加えられる負荷の低減につながる。しかしながら、表面領域の小さな先端シュラウドはタービン翼形上にタービン排気を保持する能力が減少する（すなわち、表面領域が小さくなった先端シュラウドを有する翼形の先端をより多くの排気が滑る）ので、スカラップによって先端シュラウドの表面領域を減らすことは、タービンエンジンの性能を低下させるという犠牲を払うことになる。２つ目の選択肢に関して、ガスタービンの動作温度を下げることによって先端シュラウドが受ける金属温度を下げることも望ましくない解決法である。当業者であればわかるように、タービンの動作温度の低下はタービン効率の悪化につながる。しかしながら、動作中に先端シュラウドを冷却することによって先端シュラウドが受ける金属温度を下げると、部品の有効寿命を延ばすことができる。

したがって、高温のタービン環境に伴う金属温度が下がるようにタービン動翼先端シュラウドを冷却する改良型システムが必要である。金属温度の低下により、部品が大きな表面領域の先端シュラウド（すなわち、スカラップされていない先端シュラウド）に伴う大きな機械的応力に耐えることができるようになる。そのようなシステムによって、先端シュラウドはスカラップなし、またはできるだけ小さなスカラップでタービンの高温環境においてうまく動作することができる。さらに、そのようなシステムが先端シュラウドの重量も軽くしながら先端シュラウドを冷却することができれば、さらなる効率向上が実現できるであろう。

したがって、本出願は、先端シュラウドと、該先端シュラウド内に形成された１つ以上の冷却キャビティと、少なくとも１つの該冷却キャビティ内に形成された少なくとも１つのリブとを含んでおり、該リブが該冷却キャビティを横切る距離の一部分に延在するように寸法決めおよび配向されるタービン動翼を説明する。一部の実施形態では、該リブは、該冷却キャビティを横切る距離の少なくとも大部分に延在するように寸法決めおよび配向してもよい。該冷却キャビティを横切る距離の大部分は、該冷却キャビティを横切る距離の少なくとも７５％である。

一部の実施形態では、第１の内壁は該冷却キャビティを全体で第２の内壁に対向しており、該少なくとも１つのリブは複数のリブであり、該リブは、一部のリブが該冷却キャビティの該第１の内壁を始点として、該冷却キャビティの該第２の内壁に向かって延在し、一部のリブが該冷却キャビティの該第２の内壁を始点として、該冷却キャビティの該第１の内壁に向かって延在するように構成されており、該冷却キャビティの該第１の内壁を始点とする該リブは、少なくとも一部が該冷却キャビティを横切る距離の少なくとも大部分に延在するように配向および寸法決めされており、該冷却キャビティの該第２の内壁を始点とする該リブは、少なくとも一部が該冷却キャビティを横切る距離の少なくとも大部分に延在するように配向および寸法決めされる。

一部の実施形態では、該冷却キャビティの該第１の内壁を始点とする該リブと該第２の内壁は第１の隙間を画定しており、該冷却キャビティの該第２の内壁を始点とする該リブと該第１の内壁は第２の隙間を画定しており、該第１の隙間および該第２の隙間は各々が少なくとも約０．１０〜０．２５インチの距離を有する。一部の実施形態では、該冷却キャビティの該第１の内壁を始点とする該リブと該第２の内壁は第１の隙間を画定しており、該冷却キャビティの該第２の内壁を始点とする該リブと該第１の内壁は第２の隙間を画定しており、該第１の隙間および該第２の隙間は各々が少なくとも約０．１０インチの距離を有する。

一部の実施形態では、該冷却キャビティの該第１の内壁を始点とする該リブおよび該冷却キャビティの該第２の内壁を起点とする該リブは交互配置されており、該交互配置は、該冷却キャビティの該第１の内壁を始点とする１つのリブの配置と、該冷却キャビティの該第２の内壁を始点とする１つのリブの配置とが交互になっている。一部の実施形態では、該冷却キャビティの該第１の内壁を始点とする該リブおよび該冷却キャビティの該第２の内壁を始点とする該リブは、互いに実質的に平行である。一部の実施形態では、該１つ以上の冷却キャビティのすべてが互いに流体連通している。一部の実施形態では、該タービン動翼は、翼形と、該翼形内に画定された少なくとも１つの冷却剤通路とをさらに含む。そのような実施形態では、該１つ以上の冷却キャビティは、正圧面側冷却キャビティと、負圧面側冷却キャビティと、冷却剤チャンバとを含んでおり、該冷却剤チャンバは、実質的に該正圧面側冷却キャビティと該負圧面側冷却キャビティの間にあるチャンバである。該冷却剤チャンバは、該冷却剤通路と流体連通している。また、該冷却剤チャンバは、複数の冷却剤チャンバ開口を介して該正圧面側冷却キャビティおよび負圧面側冷却キャビティと流体連通している。

本発明のこれらおよびその他の特徴は、図面および添付の特許請求の範囲を参照しながら以下の好適な実施形態の詳細な説明を検討することによって明らかとなるであろう。

本発明のこれらおよびその他の目的および利点は、添付図面を参照しながら以下の本発明の現時点で好適な例示的実施形態のより詳細な説明を慎重に検討することによって、より完全に理解および評価されるであろう。

先端シュラウドを備えた従来のタービン動翼の概略斜視図である。従来の先端シュラウドの概略平面図であり、先端シュラウドのスカラップを示す。本発明の一実施形態にしたがった冷却キャビティを有する先端シュラウドの部分断面斜視図である。本発明の代替的実施形態にしたがった冷却キャビティを有する先端シュラウドの部分断面斜視図である。本発明の代替的実施形態にしたがった冷却キャビティを有する先端シュラウドの部分断面斜視図である。本発明の代替的実施形態にしたがった冷却キャビティを有する先端シュラウドの部分断面斜視図である。本発明の代替的実施形態にしたがった冷却キャビティを有する先端シュラウドの部分断面斜視図である。本発明の代替的実施形態にしたがった冷却キャビティを有する先端シュラウドの部分断面斜視図である。本発明の代替的実施形態にしたがった冷却キャビティを有する先端シュラウドの部分断面斜視図である。

次に、各図にわたって各種番号が同様の部品を表す図面を参照すると、図１は、先端シュラウドを流れて翼端に出る冷却剤通路を備えた典型的な動翼を示す。そこに概略的に示すように、各タービン動翼１０は、翼形１２と、根元１４とからなっている。翼形１２は、前縁および後縁を有する。略凹状正圧面および略凸状負圧面は、翼形１２の対向辺の前縁と後縁の間に延在する。図示の例では、根元１４は、シャンク１６と、ロータの対応するダブテール溝と係合してタービン動翼１０をロータに固定するダブテール１８とからなっている。

図１および図２に示すように、先端シュラウド２０は翼形１２の先端に形成され、翼形１２の表面から外側に垂直に延在する。先端シュラウド２０は、半径方向内側対向面および半径方向外側対向面を有しており、タービン部分を流れる高温圧縮ガスにさらされる。各先端シュラウド２０は、隣接する動翼の先端シュラウドに接触する支持面２２、２４を有しており、それによって翼振動が抑えられる。さらにまた、シールレール２６は、通常、先端シュラウド２０の半径方向外側対向面から半径方向外側に延在して、各翼列の周りの高温ガスの漏出を防止する。一部の従来のタービン動翼構造では、複数の冷却用空気通路が動翼内を翼端まで半径方向外側に延在する。その他の従来のタービン動翼構造では、冷却剤通路が翼形内に画定される。図２に示すように、冷却剤通路は従来通り排気孔２８を終点として、冷却用空気を先端シュラウド２０の半径方向外面において排出することができる。

図３は、本発明の例示的実施形態を示す。図示するように、先端シュラウド２０は内部に画定された中空空間（チャンバ、キャビティ、開口、および／または通路を包含し得る）を有する。先端シュラウド２０内に画定されたすべての中空空間は、中空空間が連続する冷却キャビティ（以下、「冷却キャビティ１３０」）を形成するように互いに流体連通している。（なお、本明細書に開示した例示的実施形態は、概して冷却剤が内部を通過することによって先端シュラウドを冷却する機能に関して説明する。この機能は単に例示であり、限定するためのものではない。本明細書に記載したすべての実施形態は、概して冷却以外の目的で使用してもよい。例えば、中空キャビティおよび構造的支持体の構造はすべて、軽量の構造的に頑丈な先端シュラウドを作製するために用いてもよい。簡潔にするために、先端シュラウドに中空キャビティを形成するのに使われる構成要素は、本明細書ではその「冷却」機能だけに関して説明する。しかしながら、本明細書で定義されるように、そのような参照はすべて、冷却機能とは別の目的の中空キャビティおよび／またはそのあらゆる構成要素を用いる可能性も含むと解釈するものとする。したがって、例えば、「冷却キャビティ」および／または記載したそのあらゆる構成要素は、先端シュラウドを冷却する目的ではなく、軽量の構造的に頑丈な中空先端シュラウドを作製する機能のために用いてもよい。このことは、冷却機能の参照が本出願の詳細な説明、特許請求の範囲、またはその他の部分で行なわれていても当てはまる。）一部の実施形態では、冷却キャビティ１３０は、翼形１１２の正圧面側および負圧面側にそれぞれ一致する正圧面側冷却キャビティ１３２および負圧面側冷却キャビティ１３４を含む。図示するように、正圧面側冷却キャビティ１３２および負圧面側冷却キャビティ１３４は、翼形１１２の後縁すなわち後部縁１３６に沿って互いに流体連通している。

従来の方法では、空気がダブテール１８またはシャンク１６の領域付近のタービン動翼１０に取り入れられて、翼形１２を先端シュラウド２０に向かって流れる。図示の例では、冷却剤チャンバ１３８は、正圧面側冷却キャビティ１３２および負圧面側冷却キャビティ１３４を介した先端シュラウド２０への分配用の冷却剤（通常は圧縮空気）タンクとして、先端シュラウド２０の略中央に（実質的に正圧面側冷却キャビティ１３２および負圧面側冷却キャビティ１３４を分離して）画定される。別の方法として、冷却剤チャンバ１３８は翼形１２の先端に画定してもよい（この実施形態は図示せず）。さらに別の方法として、翼形１２内に延在する複数の冷却剤通路は、冷却剤チャンバ１３８が存在しないように正圧面側冷却キャビティ１３２および負圧面側冷却キャビティ１３４に直接連結してもよい（図４の実施形態に関する以下の説明を参照のこと）。

冷却剤は、冷却剤チャンバ１３８または各冷却剤通路から冷却キャビティ１３２、１３４まで、さらにその中を流れる。図示の例では、複数の冷却剤チャンバ開口１４０は、冷却剤チャンバ１３８と冷却キャビティ１３２、１３４の間に画定される。したがって、冷却剤チャンバ１３８、正圧面側冷却キャビティ１３２、および負圧面側冷却キャビティ１３４はすべて、互いに流体連通している。そのため、本明細書において定義され使用されるように、冷却剤チャンバ１３８、正圧面側冷却キャビティ１３２、および負圧面側冷却キャビティ１３４は先端シュラウド２０内に単一の冷却キャビティすなわち連続する冷却キャビティを形成する（すなわち、先端シュラウド２０内に画定されたキャビティ／チャンバ／開口／通路のすべてが互いに流体連通している）。冷却キャビティ１３２、１３４を冷却剤チャンバ１３８に接続する冷却剤チャンバ開口１４０は、単純に冷却キャビティ１３２、１３４を冷却剤チャンバ１３８に接続するために使用するだけでなく、先端シュラウド２０全体への冷却剤の望ましい分配が実現されるように、冷却キャビティ１３２、１３４への流量を測定すなわち制御するのに適応させてもよい。別の方法では、後述するように、冷却剤チャンバ１３８は冷却キャビティ１３２、１３４に対して開放させてもよい。

冷却キャビティ１３０は、内部に画定された複数の支持リブまたはリブ１４２、１４４を有する。一般に、リブ１４２、１４４は、各図で示すように、冷却キャビティ１３０の床（すなわち半径方向床）を冷却キャビティ１３０の天井（半径方向天井）に接続する細長構造体である。（本明細書において、冷却キャビティ１３０の床はリブの周りの領域として各図で示される。冷却キャビティ１３０の天井は、冷却キャビティ１３０の内部が見えるように先端シュラウド２０から取り除かれた部分である。）リブ１４２、１４４の機能の１つは、冷却キャビティ１３０の形状を都合良く画定することである。また、リブ１４２、１４４は、タービン動翼１０の有効寿命が悪影響を受けることがないように、中空先端シュラウド２０の構造強度を維持する。リブ１４２、１４４は、先端シュラウド２０を軽量化することができる冷却キャビティ１３０の中空領域を支持する。軽量の先端シュラウドは、動作中の先端シュラウド２０と翼形１２両方の機械的応力を減らすので好都合である。一般的に、後でより詳しく述べるように、リブ１４２、１４４は、それらが位置する冷却キャビティ１３０を横切って部分的に延在する。一部の実施形態では、複数のリブ１４２．１４４は、冷却キャビティ１３０を横切る距離の大部分にわたって延在する。一部の実施形態では、リブ１４２、１４４は互いに略平行である。

図示するように、リブ１４２、１４４は複数の切頂リブ１４２を含む。切頂リブ１４２は一般的に、一部の実施形態において（図示するように）出口開口１４７を画定する短いリブである。加えて、リブ１４２、１４４は、切頂リブ１４２よりも実質的に長い複数の分割リブ１４４を含む。（なお、一部の実施形態は複数の分割リブ１４４のみを有する。そのような実施形態では、先端シュラウド２０の縁部に開けられた穴が出口開口１４７を画定する。）概して図示するように、分割リブ１４４は、各冷却キャビティ１３２、１３４を横切る距離の少なくとも大部分にわたって延在するが、全距離にわたって延在しない長さを有する。一部の実施形態では、分割リブ１４４は、冷却キャビティ１３０を横切る幅の少なくとも７５％にわたって延在する。したがって、分割リブ１４４は別個のキャビティを作らない。言い換えれば、分割リブ１４４の両側の中空空間は、分割リブ１４４の少なくとも一端の周囲と流体連通したままとなる。

図３に示すように、分割リブ１４４は、外側延在分割リブ１４５を包含する。外側延在分割リブ１４５は、概して、冷却剤チャンバ１３８を画定する壁から冷却キャビティ１３０の外壁の手前の位置まで外側に延在することによって、外側延在分割リブ１４５と冷却キャビティ１３０の外壁の間に空間すなわち隙間を画定する。一部の実施形態では、冷却キャビティ１３０の外壁は切頂リブ１４２の１つによって画定される。そのような実施形態では、外側延在分割リブ１４５は、冷却剤チャンバ１３８を画定する壁から、その場所に冷却キャビティ１３０の外壁を画定する切頂リブ１４２の手前の位置まで延在することによって、外側延在分割リブ１４５と切頂リブ１４２の間に隙間を画定する。分割リブ１４４はまた、通常は冷却キャビティ１３０の外壁から冷却剤チャンバ１３８を画定する壁の手前の位置まで内側に延在することによって、内側延在分割リブ１４６と冷却剤チャンバ１３８を画定する壁の間に隙間を画定する。一部の実施形態では、１）外側延在分割リブ１４５および冷却キャビティ１３０の外壁と、２）内側延在分割リブ１４６および冷却剤チャンバ１３８を画定する壁とによって画定される隙間の両方が、約０．１０〜０．２５インチである。その他の実施形態では、１）外側延在分割リブ１４５および冷却キャビティ１３０の外壁と、２）内側延在分割リブ１４６および冷却剤チャンバ１３８を画定する壁とによって画定される隙間の両方が、少なくとも０．１０インチである。

図示するように、冷却キャビティ１３２、１３４の各々は複数の分割リブ１４４を含んでいる。一部の実施形態において（図示するように）、冷却キャビティ１３２、１３４の各々は４〜７個の分割リブ１４４を含んでいる。さらに、図示するように、分割リブ１４４は交互配置で構成される。交互配置では、外側延在分割リブ１４５の配置が、通常は内側延在分割リブ１４６の配置と交互になっている。本明細書では、「交互配置」はいくつかの異なる交互構成を含むと広く解釈するものとし、厳密な「１対１」の交互（すなわち、各々の外側延在分割リブ１４５に内側延在分割リブ１４６だけが隣接する必要がある配置）に限定するつもりはない。本明細書では、「交互配置」はまた、例えば以下のシーケンスの分割リブ：外側延在分割リブ１４５−外側延在分割リブ１４５−内側延在分割リブ１４６−外側延在分割リブ１４５−外側延在分割リブ１４５−内側延在分割リブ１４６を説明すると解釈するものとする。別の場合、例えば、「交互配置」はこのシーケンス：内側延在分割リブ１４６−外側延在分割リブ１４５−外側延在分割リブ１４５−内側延在分割リブ１４６−内側延在分割リブ１４６−外側延在分割リブ１４５−外側延在分割リブ１４５を説明するために用いてもよい。「交互配置」は、その他の同様のシーケンスを説明するために用いてもよい。交互配置策により、冷却キャビティ１３２、１３４内の蛇行すなわちラビリンス冷却回路を効果的に画定することができ、そこを通って冷却剤が循環することによって先端シュラウド２０の冷却に好都合となる。本明細書では、ラビリンス回路は、一般に流れを遅らせる曲がりくねったまたは遠回り経路を説明すると定義されており、後でより詳しく述べるように、好都合に用いて、動作中に先端シュラウド２０全体にわたって冷却剤を効果的に分配することができる。

上記のように、隣接する切頂リブ１４２の間には、タービン動翼１０から流れ出る冷却剤のための出口開口１４７が画定される。冷却キャビティ１３２、１３４は、図示するように、主に先端シュラウド２０の平面に配置される。

図４は、上述の実施形態の冷却剤チャンバ１３８を含まない本出願の代替的実施形態を示す。図４の実施形態は、一般的に、図３に関して上述した実施形態と同様の配置の複数の切頂リブ１４２および分割リブ１４４を含む。しかしながら、冷却剤チャンバ１３８を画定する壁の代わりに、図４の実施形態は内部隔壁１５２を有する。内部隔壁１５２は一般的に冷却キャビティ１３０を二分することによって、その両側に正圧面側冷却キャビティ１３２および負圧面側冷却キャビティ１３４を（冷却剤チャンバ１３８が図３の実施形態で行なったように）形成する。冷却剤チャンバ１３８がないので、翼形１１２内を延在する冷却剤通路は、複数の入口開口１５４を介して正圧面側冷却キャビティ１３２および負圧面側冷却キャビティ１３４に直接連結される。図示するように、入口開口１５４は、内部隔壁１５２の壁に沿って位置している。冷却キャビティ１３２、１３４の床など、その他の場所も可能である。

さらに、図４の実施形態では、外側延在分割リブ１４５は、通常、内部隔壁１５２から冷却キャビティ１３０の外壁の手前の位置まで外側に延在している。一部の実施形態において図示するように、冷却キャビティ１３０の外壁は切頂リブ１４２の１つによって画定される。そのような実施形態では、図４の外側延在分割リブ１４５は内部隔壁１５２から、その場所に冷却キャビティ１３０の外壁を画定する切頂リブ１４２の手前の位置まで延在することによって、外側延在分割リブ１４５と切頂リブ１４２の間に隙間を画定する。また、図４の実施形態では、内側延在分割リブ１４６が、通常、冷却キャビティ１３０の外壁から内部隔壁１５２の手前の位置まで内側に延在することによって、内側延在分割リブ１４６と内部隔壁１５２の間に隙間を画定する。最後に、図３の実施形態と同様に、分割リブ１４４は、１つの外側延在分割リブ１４５の配置が１つの内側延在分割リブ１４６の配置と交互になるように配置されている。

代替的実施形態を図５〜図９に示す。これらの実施形態は、異なる構成の冷却キャビティ１３０内への上述した特徴の一部の適用例と、後で詳しく述べるような新しい要素の使用例を示す。図３および図４に示す実施形態は共に、先端シュラウド２０の略中央に分割機構を有する（すなわち、図３における分割機構は冷却剤チャンバ１３８であり、図４における分割機構は内部隔壁１５２である）。一部の実施形態では、図５〜図８の実施形態のように、分割機構が存在しない。

図５は、複数の分割リブ１４４を備えた先端シュラウド２０単一すなわち連続する冷却キャビティ１３０の代替的実施形態を示す。複数の切頂リブ１４２も存在する。切頂リブ１４２は出口開口１４７を画定しており、それらは先端シュラウド２０の正圧面側および負圧面側に沿って集中している。冷却剤チャンバ１３８がないので、翼形１２内を延在する冷却剤通路は、複数の入口開口１５４を介して冷却キャビティ１３０に直接連結される。図示するように、入口開口１５４は、その他の場所も可能であるが、先端シュラウド２０の中央に向かって、描くならば、先端シュラウド２０の負圧面側を先端シュラウド２０の正圧面側と大まかに隔てる、先端シュラウド２０の略中心線の両側に位置している。

さらに、図５の実施形態では、分割リブ１４４は、冷却キャビティ１３０の外壁（すなわち、第１の内壁）に沿って始まり、冷却キャビティ１３０の対向する外壁（すなわち、第２の内壁）に向かって先端シュラウド２０を横切って延在するように構成される。分割リブ１４４は、冷却キャビティ１３０の対向する外壁の手前の位置で終わる長さを有する。したがって、狭い空間すなわち隙間が、分割リブ１４４と冷却キャビティ１３０の対向する外壁の間の分割リブ１４４の端部に画定される。一部の実施形態において図示するように、冷却キャビティ１３０の外壁は切頂リブ１４２の１つによって画定される。そのような実施形態では、図５に示すように、分割リブ１４４は、冷却キャビティ１３０の対向する外壁の切頂リブ１４２に向かって、その場所に冷却キャビティ１３０の外壁を画定する切頂リブ１４２の手前の位置まで延在する。したがって、狭い空間すなわち隙間が、分割リブ１４４と対向する切頂リブ１４２の間の分割リブ１４４の端部に画定される。さらに、図５に示すように、分割リブ１４４は交互配置で構成される。この配置では、冷却キャビティ１３０の外壁の１つから延在する１つの分割リブ１４４の配置が、冷却キャビティ１３０の対向する外壁から始まる１つの分割リブ１４４の配置と交互になっている。上記で定めた「交互配置」の定義も参照のこと。前述のように、冷却キャビティ１３０内の交互配置策により、蛇行すなわちラビリンス冷却回路を効果的に画定することができ、そこを通って冷却剤が循環することによって先端シュラウド２０の冷却に好都合となる。なお、代替的実施形態では、交互の分割リブ１４４は、図５に示すように、概して分割リブ１４４の方向に垂直に整列するように配向される。当業者であればわかるように、その他の配置も可能である。

図６〜図８は、先端シュラウドの冷却キャビティ１３０内に個別構成要素を含むいくつかの例示的実施形態を示す。本明細書では、個別構成要素は、冷却キャビティ１３０の床を冷却キャビティ１３０の天井と構造的に接続するものであって、冷却キャビティ１３０の内壁または先端シュラウド２０の外縁すなわち外周を始点とするのでも終点とするのでもなく、接続もされない要素である。この定義によって、冷却キャビティ１３０の内壁は、１）冷却剤チャンバ１３８を画定する壁、２）冷却キャビティ１３０の外壁、３）内部隔壁１５２、または４）冷却キャビティ１３０内に画定されるその他の同様の壁を包含する。また、本明細書では前述のように、冷却キャビティ１３０の天井は、冷却キャビティ１３０の内部が見えるように図３〜図９で取り除かれた要素である。言い換えれば、個別構成要素は一般的に、構成要素による冷却キャビティ１３０の床と天井の接続部を除く、冷却キャビティ１３０の中空領域によって取り囲まれる構成要素である。

図６は、複数の個別分割リブ２０２を備えた単一すなわち連続する冷却キャビティ１３０を示す。個別分割リブ２０２は、冷却キャビティ１３０の床を冷却キャビティ１３０の天井に接続するものであって、冷却キャビティ１３０の内壁または先端シュラウド２０の外縁を始点とするのでも終点とするのでもなく、接続もされない個別構成要素である。一部の実施形態において示すように、複数の切頂リブ１４２も存在する。切頂リブ１４２は出口開口１４７を画定しており、それらは先端シュラウド２０の正圧面側および負圧面側に沿って集中している。図６の実施形態では冷却剤チャンバ１３８がないので、翼形１２内を延在する冷却剤通路は、複数の入口開口１５４を介して冷却キャビティ１３０に直接連結される。図示するように、入口開口１５４は、描くならば、先端シュラウド２０の負圧面側を先端シュラウド２０の正圧面側と大まかに隔てる、先端シュラウド２０の略中心線に沿って位置している。

さらに、図６の実施形態では、個別分割リブ２０２は、各々が冷却キャビティ１３０の略中央を始点とし、冷却キャビティ１３０の対向する外壁に向かって外側に延在するように構成される。個別分割リブ２０２は、冷却キャビティ１３０を横切る距離の少なくとも大部分にわたって延在する。一部の実施形態では、個別分割リブ２０２は、冷却キャビティ１３０の幅の少なくとも７５％にわたって延在する。その他の実施形態では、個別分割リブ２０２は、図６に示す個別分割リブ２０２にほぼ垂直に整列するように配向される。当業者であればわかるように、その他の配置も可能である。個別分割リブ２０２は、一端が冷却キャビティ１３０の外壁の手前の位置を終点とし、他端が冷却キャビティ１３０の対向する外壁の手前の位置を終点とするような長さを有する。したがって、個別分割リブ２０２の各々の端部に２つの隙間（すなわち、個別分割リブ２０２の一端と冷却キャビティ１３０の外壁によって画定される第１の隙間と、個別分割リブ２０２の他端と冷却キャビティ１３０の対向する外壁によって画定される第２の隙間）が画定される。一部の実施形態では、第１および第２の隙間の各々が約０．１０〜０．７５インチである。その他の実施形態では、第１および第２の隙間の各々が少なくとも０．１０インチである。一部の実施形態において図示するように、冷却キャビティ１３０の外壁は切頂リブ１４２の１つによって画定される。そのような実施形態では、個別分割リブ２０２は、図６に示すように、冷却キャビティ１３０の対向する外壁に向かって、その場所に冷却キャビティ１３０の外壁を画定する切頂リブ１４２のちょうど手前の位置まで延在する。

図７は、複数の個別切頂リブ２０６を備えた単一すなわち連続する冷却キャビティ１３０を示す。個別切頂リブ２０６は、上記に定義したように、冷却キャビティ１３０の床を冷却キャビティ１３０の天井に接続するものであって、冷却キャビティ１３０の内壁または先端シュラウド２０の外縁を始点とするのでも終点とするのでもなく、接続もされない個別構成要素である。一部の実施形態では、（図７には示さないが）出口開口１４７を画定する複数の切頂リブも存在する。出口開口１４７を（前述の実施形態に示すように）画定する切頂リブ１４２は、概して先端シュラウド２０の外縁すなわち外周を終点とするので、本明細書で定義したように、個別構成要素とはみなさない。図７に示す実施形態では冷却剤チャンバ１３８がないので、翼形１２内を延在する冷却剤通路は、複数の入口開口１５４を介して冷却キャビティ１３０に直接連結される。図示するように、入口開口１５４は、描くならば、先端シュラウド２０の負圧面側を先端シュラウド２０の正圧面側と大まかに隔てる、先端シュラウド２０の略中心線に沿って位置している。

図７に示すように、複数の個別切頂リブ２０６は、各々の間に最小隙間が維持されるように、冷却キャビティ１３０全体にわたって離間配置される。個別切頂リブ２０６の各々の間に維持される隙間は、少なくとも０．０５インチである。個別切頂リブ２０６は、図７に示すように、事実上（一部の実施形態では角が丸い）長方形である。一部の実施形態では、個別切頂リブ２０６は、約０．１０〜０．７５インチの長さと０．０５〜０．２５インチの幅である。一部の実施形態において図７に示すように、冷却キャビティ１３０内に１５〜２５個の個別切頂リブ２０６が画定される。

図８は、複数の個別円柱２０８を備えた単一すなわち連続する冷却キャビティ１３０を示す。個別円柱２０８は、上記に定義したように、冷却キャビティ１３０の床を冷却キャビティ１３０の天井に接続するものであって、冷却キャビティ１３０の内壁または先端シュラウド２０の外縁を始点とするのでも終点とするのでもなく、接続もされない個別構成要素である。図８に示す実施形態では冷却剤チャンバ１３８がないので、翼形１２内を延在する冷却剤通路は、複数の入口開口１５４を介して冷却キャビティ１３０に直接連結される。図示するように、入口開口１５４は、描くならば、先端シュラウド２０の負圧面側を先端シュラウド２０の正圧面側と大まかに隔てる、先端シュラウド２０の略中心線に沿って位置している。

図８に示すように、複数の個別円柱２０８は、個別円柱の各々の間に最小隙間が維持されるように、冷却キャビティ１３０全体にわたって離間配置される。個別円柱２０８の各々の間に維持される最小隙間は、少なくとも０．０５インチである。図示するように、個別円柱２０８は円形断面を有する。そのような実施形態では、円形断面の直径は約０．０５〜０．２５インチである。その他の実施形態では、個別円柱２０８は正方形断面を有する。そのような実施形態では、正方形断面の各々の辺は約０．０５〜０．２５インチである。一部の実施形態において図８に示すように、冷却キャビティ１３０内に５〜５０個の個別円柱２０８が画定される。

図９は、先端シュラウドの冷却キャビティ１３０での丸型出口開口２１２および非丸型出口開口２１４の使用例を実証する例示的実施形態を示す。前述したように、隣接する切頂リブ１４２の間または冷却キャビティ１３０の外壁内に、複数の出口開口２１２、２１４が画定されて、加圧された冷却剤が冷却キャビティ１３０から出る。図９の例示的実施形態に示すように、非丸型出口開口２１４が画定される。これらの非丸型出口開口２１４は、図示するように、形状が長方形である（一部の実施形態は角が丸い）。図示しないが、非丸型出口開口２１４は、形状が楕円形または卵形であってもよい。非丸型出口開口２１４は、丸型出口開口よりも熱伝達に効果をもたらす。図９に示すように、１つ以上の丸型出口開口２１２も画定される。追加の丸型出口開口２１２および非丸型出口開口２１４を設けてもよい。当業者であればわかるように、丸型出口開口２１２および非丸型出口開口２１４のさまざまな配置も可能である。

なお、図３〜図９で説明した実施形態はすべて、単一すなわち連続する冷却キャビティを備えた先端シュラウドの例である。しかしながら、そこで述べた特定の特徴は、単一すなわち連続する冷却キャビティへの使用に限定されない（すなわち、互いに流体連通していない複数の離間配置された冷却キャビティを有する先端シュラウドにおいてうまく利用することもできる）。これらの特徴としては、１）リブの端部と対向する構造の間に通路を形成するように冷却キャビティを横切って部分的に延在するリブ、２）冷却キャビティを横切って部分的に延在するリブの交互配置、３）個別構成要素、および４）非丸型出口開口および丸型出口開口の使用がある。単一すなわち連続する冷却キャビティに関するこれらの特徴の説明は単に例示であり、限定するためではない。

使用時、冷却剤（通常は圧縮空気）がタービン動翼１０に分配される。冷却剤は、冷却剤通路を通って冷却剤チャンバ１３８に移動する。冷却剤は、冷却剤チャンバ開口１４０を介して冷却キャビティ１３０に運ばれる。（なお、図４〜図８で説明した実施形態では、冷却剤は入口開口１５４を介して冷却キャビティ１３０に直接運ばれる。）冷却キャビティ１３０内で、冷却剤はリブ１４２、１４４の周りを必要に応じて出口開口１４７に向かって流れて、一般的に冷却キャビティ１３０の外壁に沿って配置される出口開口１４７を介して先端シュラウド２０から出る。冷却キャビティ１３０内のこの冷却剤の流れは、先端シュラウド２０を対流的に冷却する。

当業者であればわかるように、先端シュラウド２０の縁部に存在する圧力条件はタービンの動作中に大きく変化する。外圧は、先端シュラウド２０の前縁（図３および図４において１７０で示される）では高く、先端シュラウド２０の後縁（図３および図４において１８０で示される）では低く、前縁および後縁の間の先端シュラウド２０の縁部（図３および図４において１９０で示される）では中くらいである。先端シュラウド２０の冷却キャビティ１３０は外圧よりも高い圧力を有しており、介入なしであっても、外圧が最も低い先端シュラウド２０の後縁１８０付近から多くの冷却剤が出ることになる。この傾向は、先端シュラウド２０の前縁１７０から出る冷却剤の量が不十分になる原因となり、タービン動翼１０の有効寿命に悪影響を与える可能性のあるそれらの領域の過温を招くことになる。したがって、冷却剤がタービン動翼１０から出る際に、冷却剤を先端シュラウド２０全体にわたって優先的に分配させることが望ましい。

リブ１４２、１４４の配置によって、上記の実施形態で説明したように、通常、先端シュラウド２０に入る冷却剤が出る前に通過しなければならない、蛇行すなわちラビリンス冷却回路が形成される。例えば、前縁１７０付近で先端シュラウド２０に入る冷却剤は、ラビリンス冷却回路を通過して低圧後縁１８０から出なければならない。このようにして、蛇行経路すなわちラビリンス冷却回路は、過度の冷却剤が低圧の後縁１８０から出るのを防ぐ障害を作り出す。その結果、冷却剤が先端シュラウド２０のさまざまな圧力領域のすべてに沿って先端シュラウド２０から出ることになり、動作中に先端シュラウド２０全体にわたって冷却剤の優先的な分配が行なわれる。この有益な結果は、先端シュラウド２０内に複数の独立すなわちバラバラの冷却キャビティ（すなわち、互いに流体連通していない冷却キャビティ）を必要とすることなく達成される。当業者であればわかるように、中空冷却キャビティを備えたタービン動翼は、一般的にインベストメント鋳造法によって製造される。複数のバラバラのキャビティの代わりに単一すなわち連続する冷却キャビティを有することによって、ある種の利点をインベストメント鋳造法で実現することができる。

分割リブ１４４の交互配置のさらなる利点は、分割リブ１４４の各々の自由端１９４がその両側を分割リブ１４４によって保護されて、先端シュラウド２０の構造的完全性が増すことである。分割リブ１４４の自由端１９４は、冷却キャビティ１３０内の開放領域が終わる端部を指す（図３、図４および図５に示された自由端１９４を参照のこと）。言い換えれば、自由端１９４は、連続する冷却キャビティ１３０の内壁または外壁が始まる端部と反対側の分割リブ１４４の端部である（「連続する冷却キャビティ１３０の内壁または外壁」としては、例えば、１）冷却キャビティ１３０の外壁、２）冷却剤チャンバ１３８の壁、または３）内部隔壁１５２のどれかが挙げられる）。当業者であればわかるように、分割リブ１４４が連続する冷却キャビティ１３０内の開放領域で終わることによって、応力の増加領域が形成される。しかしながら、この応力によって生じる負荷は、分割リブ１４４の交互配置のため、冷却キャビティ内の同じ領域で終端することのない隣接する分割リブ１４４によって処理することができる。このことは、分割リブ１４４の１つの終端で起こり得る応力の局部集中を緩和するのに役立つ。

本発明は、現時点で最も現実的かつ好適と思われる実施形態に関連して説明してきたが、本発明は開示の実施形態に限定されることなく、それどころか、添付の特許請求の範囲の精神および範囲内のさまざまな変更および同等の構成を含むことが意図されていることを理解されたい。例えば、特に先端シュラウドの冷却を参照してきたが、本明細書に開示した技術は動翼の先端に位置しない先端シュラウドで使用することができる。この場合、一部の動翼は隣接する動翼に接続する翼形の中間の長さ程度の先端シュラウドを有しており、上述の冷却剤通路はその中に組み込むことができる。

１０タービン動翼
１２翼形
１４根元
１６シャンク
１８ダブテール
２０先端シュラウド
２２、２４支持面
２６シールレール
２８排気孔
１３０冷却キャビティ
１３２正圧面側冷却キャビティ
１３４負圧面側冷却キャビティ
１３６後部縁
１１２翼形
１３８冷却剤チャンバ
１４０冷却剤チャンバ開口
１４２、１４４リブ
１４７出口開口
１４５外側延在分割リブ
１４２切頂リブ
１４４分割リブ
１４６内側延在分割リブ
１５２内部隔壁
１５４入口開口
２０２個別分割リブ
２０６個別切頂リブ
２０８個別円柱
２１２丸型出口開口
２１４非丸型出口開口
１９４自由端

Claims

先端シュラウド（２０）と、
前記先端シュラウド（２０）内に形成された単一の冷却キャビティ（１３０）と、
前記冷却キャビティ（１３０）内に形成された複数のリブ（１４２、１４４）と、
を備え、
第１の内壁は前記冷却キャビティ（１３０）全体で第２の内壁にほぼ対向しており、
前記リブ（１４２、１４４）は、一部のリブ（１４２、１４４）が前記冷却キャビティ（１３０）の前記第１の内壁を始点として、前記冷却キャビティ（１３０）の前記第２の内壁に向かって延在し、一部のリブ（１４２、１４４）が前記冷却キャビティ（１３０）の前記第２の内壁を始点として、前記冷却キャビティ（１３０）の前記第１の内壁に向かって延在するように構成されており、
前記冷却キャビティ（１３０）の前記第１の内壁を始点とする前記リブ（１４２、１４４）は、少なくとも一部が前記冷却キャビティ（１３０）を横切る距離の少なくとも大部分に延在するように配向および寸法決めされており、
前記冷却キャビティ（１３０）の前記第２の内壁を始点とする前記リブ（１４２、１４４）は、少なくとも一部が前記冷却キャビティ（１３０）を横切る距離の少なくとも大部分に延在するように配向および寸法決めされ、
前記冷却キャビティ（１３０）は、前記第１の内壁を始点とする前記リブ（１４２、１４４）と前記第２の内壁を始点とする前記リブ（１４２、１４４）とにより画成される通路により流体連通している、
タービン動翼（１０）。
前記冷却キャビティ（１３０）を横切る距離の大部分は、前記冷却キャビティ（１３０）を横切る距離の少なくとも７５％である、請求項１に記載のタービン動翼（１０）。
前記冷却キャビティ（１３０）の前記第１の内壁を始点とする前記リブ（１４２、１４４）と前記第２の内壁は第１の隙間を画定しており、
前記冷却キャビティ（１３０）の前記第２の内壁を始点とする前記リブ（１４２、１４４）と前記第１の内壁は第２の隙間を画定しており、
前記第１の隙間および前記第２の隙間は各々が２．５４〜６．３５ｍｍの距離を有する、請求項１に記載のタービン動翼（１０）。
前記冷却キャビティ（１３０）の前記第１の内壁を始点とする前記リブ（１４２、１４４）と前記第２の内壁は第１の隙間を画定しており、
前記冷却キャビティ（１３０）の前記第２の内壁を始点とする前記リブ（１４２、１４４）と前記第１の内壁は第２の隙間を画定しており、
前記第１の隙間および前記第２の隙間は各々が少なくとも２．５４ｍｍの距離を有する、請求項１に記載のタービン動翼（１０）。
前記冷却キャビティ（１３０）の前記第１の内壁を始点とする前記リブ（１４２、１４４）および前記冷却キャビティ（１３０）の前記第２の内壁を始点とする前記リブ（１４２、１４４）は交互配置されており、前記交互配置は、前記冷却キャビティ（１３０）の前記第１の内壁を始点とする１つのリブ（１４２、１４４）の配置と、前記冷却キャビティ（１３０）の前記第２の内壁を始点とする１つのリブ（１４２、１４４）の配置とが交互になっている、請求項１に記載のタービン動翼（１０）。
前記冷却キャビティ（１３０）の前記第１の内壁を起点とする前記リブ（１４２、１４４）および前記冷却キャビティ（１３０）の前記第２の内壁を起点とする前記リブ（１４２、１４４）は、互いに実質的に平行である、請求項５に記載のタービン動翼（１０）。