JP5603552B2 - タービンブレード先端シュラウド - Google Patents

Description

本発明は、例えば航空機エンジン、ガスタービン、蒸気タービン等のようなタービン用のブレードに関する。より具体的には、本発明は、中空空洞先端シュラウド及び該中空空洞を通しての循環冷却媒体の使用によりタービンブレード先端シュラウドを冷却する方法に関する。本発明及びその背景技術は、非限定的な実施例としてガスタービンに関連して説明する。

産業用ガスタービン及び航空機エンジンのタービンブレードは、極端な温度環境内で作動する。この環境に関連した熱応力及び金属温度により、タービンブレードの有効作動寿命が短縮する可能性がある。運転時にタービンブレード及びその構成要素部品を冷却することにより、それらの有効作動寿命を延長させることができる。

多くのタービンブレードは、翼形部と該翼形部の先端に取付けられた一体形の先端シュラウドとを含む。翼形部の外側端部に取付けられた先端シュラウドは、翼形部表面に対して略垂直に広がる表面積を備える。先端シュラウドの表面積は、タービン排気ガスを翼形部上に保持するのを助けて（つまり、排気ガスが翼形部ブレードの端部上を難なく越えるのを許さないようにして）、タービン排気ガスからのエネルギーのより大きなパーセンテージをタービンブレードによって機械的エネルギーに変換することができるようにする。従って、先端シュラウドは、ガスタービンエンジンの性能を向上させる。さらに、翼形部の外側表面全体を先端シュラウドで覆うことが望ましい。しかしながら、先端シュラウド及びそれらの翼形部に対する連結部は、タービンの回転速度によって加わる機械的力のために、運転時に高い応力状態になる。これらの機械的応力がタービンの極度に高い温度環境に関連した熱応力及び金属温度と組合さる場合には、翼形部の全有効寿命にわたってその意図した機能を果す先端シュラウドを設計することは、困難な課題となる。

この課題を解決する２つの可能な方法は、１）その重量を軽減することによって、先端シュラウドに加わる機械的応力を低減することか、又は２）先端シュラウドが受ける金属温度を低下させることかのいずれかである。第１の方法について言えば、先端シュラウドの重量を軽減させる１つの一般的方法は、張出し先端シュラウドを「スカラップ加工する」（つまり、張出し先端シュラウドに窪みを設けること又は該張出し先端シュラウドの一部分を除去する）ことである。先端シュラウド材料を減少させることにより、運転中に先端シュラウド及び翼形部間に設けた連結部に加わる荷重が減少する。しかしながら、スカラップ加工により先端シュラウドの表面積を減少させることは、より小さな表面積の先端シュラウドはタービン排気ガスをタービン翼形部上で保持する能力が低下する（つまり、排気ガスのより多くが、表面積の減少した先端シュラウドを有する翼形部の頂部上を難なく越える）ので、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。これに代わる第２の方法に関して言えば、ガスタービンの運転温度を低下させることによって先端シュラウドが受ける金属温度を低下させることもまた、望ましくない解決法である。当業者には分かるように、タービンの運転温度を低下させることは、タービン効率の低下を引き起こす。しかしながら、運転時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低下させることにより、その部品の有効寿命を延長させることができる。

従って、高温度のタービン環境に関連した金属温度を低下させるように、タービンブレード先端シュラウドを冷却するためのシステムの改善に対する必要性が存在する。金属温度の低下は次に、より大きな表面積の先端シュラウド（つまり、スカラップ加工していない先端シュラウド）に関連した大きな機械的応力に、その部品がより良好に耐えるのを可能にする。そのようなシステムは、
先端シュラウドが、何らのスカラップも有しないか又はできるだけ小さなスカラップしか有しない状態で、タービンの高温度環境においてより良好に作動することを可能にする。さらに、そのようなシステムが先端シュラウドを冷却すると同時に先端シュラウドの重量も軽減することができる場合には、更なる効率改善を実現することができる。

従って、本出願は、タービンブレードについて記述しており、本タービンブレードは、先端シュラウドと、先端シュラウド内に形成された１以上の冷却空洞と、冷却空洞の少なくとも１つ内に形成された少なくとも１つの離散構造要素とを含む。離散構造要素は、冷却空洞の床を該冷却空洞の天井に構造的に連結するが、該冷却空洞の内部壁又は先端シュラウドの外縁部から始まることなく、そこで終端することなく、或いはそこに連結することがない要素を含むことができる。冷却空洞の内部壁は、冷却媒体チャンバを形成した壁、該冷却空洞の外側壁、及び内部中央壁の１つを含むことができる。離散構造要素は、該構造要素と冷却空洞の床及び天井との連結部を除けば、該冷却空洞の中空区域によって囲まれた構造要素を含むことができる。

幾つかの実施形態では、離散構造要素は、離散仕切りリブ２０２を含むことができ、離散仕切りリブは、冷却空洞を横断する距離の少なくとも大部分にわたって延びるリブを含むことができる。幾つかの実施形態では、冷却空洞を横断する距離の大部分は、該冷却空洞を横断する距離の少なくとも７５％を含むことができる。

幾つかの実施形態では、離散仕切りリブは、該離散仕切りリブが冷却空洞の略中央部において始まりかつ該冷却空洞の２つの対向する外側壁に向って外向きに延びるように形成することができる。離散仕切りリブは、該離散仕切りリブの第１の端部と冷却空洞の対向する外側壁の一方との間に第１のギャップが形成されまた該離散仕切りリブの第２の端部と冷却空洞の対向する外側壁の他方との間に第２のギャップが形成されるような長さのものとすることができる。第１のギャップ及び第２のギャップは各々、約０．１０〜０．７５インチの横断方向距離を含むことができる。幾つかの実施形態では、第１のギャップ及び第２のギャップは各々、少なくとも約０．１０インチの横断方向距離を含むことができる。離散構造要素は、離散切頭リブを含むことができ、離散切頭リブは、冷却空洞を横断する距離の大部分よりも少ない距離にわたって延びるリブを含むことができる。

本出願のこれらの及びその他の特徴は、図面及び特許請求の範囲と関連させてなした以下の好ましい実施形態の詳細な説明を精査することにより明らかになるであろう。

先端シュラウドを備えた従来型のタービンブレードの概略斜視図。 先端シュラウドスカラップ加工を示す、従来型の先端シュラウドの概略平面図。 本発明の実施形態による、冷却空洞を有する先端シュラウドの部分断面斜視図。 本発明の別の実施形態による、冷却空洞を有する先端シュラウドの部分断面斜視図。 本発明の別の実施形態による、冷却空洞を有する先端シュラウドの部分断面斜視図。 本発明の別の実施形態による、冷却空洞を有する先端シュラウドの部分断面斜視図。 本発明の別の実施形態による、冷却空洞を有する先端シュラウドの部分断面斜視図。 本発明の別の実施形態による、冷却空洞を有する先端シュラウドの部分断面斜視図。 本発明の別の実施形態による、冷却空洞を有する先端シュラウドの部分断面斜視図。

本発明のこれらの及びその他の目的及び利点は、添付図面と関連させてなした
本発明の現時点での好ましい例示的な実施形態についての以下の一層詳細な説明を注意深く検討することによって一層完全に理解されかつ認識されるであろう。

次に図を参照すると、そこでは様々な参照符号が幾つかの図を通して同様な部品を表しており、図１は、冷却媒体通路がブレード先端に出口を有して冷却媒体が先端シュラウドを越えて流れる典型的なブレードを示している。そこに概略的に示すように、各タービンブレード１０は、翼形部１２と根元１４とを含む。翼形部１２は、前縁と後縁とを有する。略凹面形の正圧面及び略凸面形の負圧面が、翼形部１２の対向する側面上において前縁及び後縁間で延びる。この図示した実施例では、根元１４は、シャンク１６とダブテール１８とを含み、ダブテール１８は、ロータ上の対応するダブテール溝に係合して、タービンブレード１０をロータに固定する。

図１及び図２に示すように、先端シュラウド２０が、翼形部１２の先端に形成され、該翼形部１２の表面から垂直方向外向きに延びている。先端シュラウド２０は、半径方向内向き及び半径方向外向き表面を有しており、タービンセクションを通って流れる高温加圧ガスに曝される。各先端シュラウド２０は、当接面２２、２４を有しており、この当接面全体にわたって該先端シュラウドが隣接するブレードの先端シュラウドと接し、それによってブレード振動を抑制する。さらに、一般的にシールレール２６が、先端シュラウド２０の半径方向外向き表面から半径方向外向きに延びて、それぞれのブレード列の周りにおける高温ガスの漏洩を防止する。幾つかの従来型のタービンブレード構造では、複数の冷却空気通路が、ブレードを半径方向外向きに貫通してブレード先端内に延びる。他の従来型のタービンブレード構造では、冷却媒体通路は、翼形部内に形成することができる。図２に示すように、冷却媒体通路は、従来通りに、先端シュラウド２０の半径方向外向き表面において冷却空気を吐出するのを可能にする空気吐出孔２８で終端することができる。

図３は、本発明の例示的な実施形態を示している。図示するように、先端シュラウド２０は、その中に形成された中空空間（これには、チャンバ、空洞、開口及び／又は通路を含むことができる）を含むことができる。先端シュラウド２０内に形成された中空空間の全ては、互いに流体連通状態にして、これらの中空空間が連続的な冷却空洞（以下においては、「冷却空洞１３０」と呼ぶ）を形成するようにすることができる。（本明細書に開示した例示的な実施形態は全体的に、それを通して冷却媒体を流す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していることに注目されたい。この機能は、単に例示的なものであり、限定することを意図するものではない。本明細書に記載した実施形態の全ては一般的に、冷却以外の理由で採用することもできる。例えば、中空空洞と構造支持体構成の全ては、軽量かつ構造的に健全な先端シュラウドを形成するために使用することができる。説明を簡潔にするために、先端シュラウド内に中空空洞を形成することに関連した構造要素は、本明細書ではその「冷却」機能に関してのみ説明している。しかしながら、本明細書に記載したように、全てのそのような説明はまた、冷却機能とは別個の利点を得るために中空空洞及び／又はその構造要素のいずれかを使用する可能性も含んでいると解釈されたい。従って、例えば、「冷却空洞」及び／又はその記述した構造要素のいずれかは、先端シュラウドを冷却する目的のためではなく、軽量かつ構造的に健全な中空先端シュラウドを形成する機能のために使用することができる。このことは、冷却機能に対する説明が本明細書の詳細な説明又は特許請求の範囲或いはその他のあらゆる部分においてなされていようといまいと、当てはまる。）幾つかの実施形態では、冷却空洞１３０は、正圧側冷却空洞１３２と負圧側冷却空洞１３４とを含むことができ、これら冷却空洞は、それぞれ翼形部１２の正圧側面及び負圧側面と一致している。図示すように、正圧側冷却空洞１３２及び負圧側冷却空洞１３４は、翼形部１２の後縁つまり後方端縁部１３６に沿って互いに流体連通状態にすることができる。

従来型の方式では、空気は、ダブテール１８又はシャンク１６区域付近でタービンブレード１０内に取り込み、かつ翼形部１２内を通して先端シュラウド２０に向って流すことができる。この図示した実施例では、正圧側冷却空洞１３２及び負圧側冷却空洞１３４を介して先端シュラウド２０内に冷却媒体を分配する冷却媒体（一般的には加圧空気）溜めとして、先端シュラウド２０の略中央部に（正圧側冷却空洞１３２と負圧側冷却空洞１３４とを実質的に分離した状態で）冷却媒体チャンバ１３８を形成することができる。これに代わるものとして、冷却媒体チャンバ１３８は、翼形部１２の先端内に形成することができる（この実施形態は、図示していない）。これに代わるさらに別のものとして、翼形部１２を貫通して延びる複数の冷却媒体通路を正圧側冷却空洞１３２及び負圧側冷却空洞１３４に直接結合して、冷却媒体チャンバ１３８が全く存在しないようにすることもできる（図４の実施形態に関連した下記の説明を参照されたい）。

冷却媒体は次に、冷却媒体チャンバ１３８又はそれぞれの冷却媒体通路から冷却空洞１３２、１３４にかつこれら冷却空洞１３２、１３４を通って流れることができる。この図示した実施例では、冷却媒体チャンバ１３８と冷却空洞１３２、１３４との間には、複数の冷却媒体チャンバ開口１４０が形成される。従って、冷却媒体チャンバ１３８、正圧側冷却空洞１３２及び負圧側冷却空洞１３４は、全て互いに流体連通状態になっている。従って、本明細書において形成しかつ使用する場合には、冷却媒体チャンバ１３８、正圧側冷却空洞１３２及び負圧側冷却空洞１３４は、先端シュラウド２０内に単一の冷却空洞又は連続的冷却空洞（つまり、先端シュラウド２０内の形成した空洞／チャンバ／開口／通路の全てが互いに流体連通状態になっているので）を形成する。冷却空洞１３２、１３４を冷却媒体チャンバ１３８に連結している冷却媒体チャンバ開口１４０は、単に冷却空洞１３２、１３４を冷却媒体チャンバ１３８に連結するために使用することができるだけはなく、冷却空洞１３２、１３４内への流量を調量又は制御して先端シュラウド２０全体にわたる望ましい冷却媒体の分配が実現するようにすることもできる。別の実施形態では、冷却媒体チャンバ１３８は、後述するように冷却空洞１３２、１３４に対して開放した状態にすることもできる。

冷却空洞１３０は、その中に形成された複数の支持リブ又はリブ１４２、１４４を有することができる。一般的に、リブ１４２、１４４は、幾つかの図に示すように、冷却空洞１３０の床（又は、半径方向の床）を該冷却空洞１３０の天井（又は、半径方向の天井）に連結する細長い構造体である。（本明細書で使用する場合に、冷却空洞１３０の床は、幾つかの図において、リブの周りの区域として示している。冷却空洞１３０の天井は、該冷却空洞１３０の内部を見ることができるように、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、冷却空洞１３０の形状を有利な形状に形成することである。また、リブ１４２、１４４は、中空先端シュラウド２０の構造的強度を維持して、タービンブレード１０の有効寿命が悪影響を受けないようにする。リブ１４２、１４４は、冷却空洞１３０の中空区域を支持し、これにより、先端シュラウド２０を軽量にするのを可能にする。軽量な先端シュラウド２０は、運転時に先端シュラウド２０及び翼形部１２の両方における機械的応力を減少させるので、有利である。一般的に、以下で一層詳細に説明するように、リブ１４２、１４４は、それらが設置されている冷却空洞１３０にわたって部分的に延びる。幾つかの実施形態では、複数のリブ１４２、１４４は、冷却空洞１３０を横断する距離の大部分にわたって延びることができる。幾つかの実施形態では、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、複数の切頭リブ１４２を含むことができる。切頭リブ１４２は一般的に、より短いリブであり、それらリブは、幾つかの実施形態では（また、図示するように）、出口開口１４７を形成する。それに加えて、リブ１４２、１４４は、切頭リブ１４２よりも実質的に長い複数の仕切りリブ１４４を含むことができる。（幾つかの実施形態は、複数の仕切りリブ１４４のみを含むことができることに注目されたい。そのような実施形態では、先端シュラウド２０の縁部に穿孔した孔は、出口開口１４７を形成することができる。）一般的に、また図示するように、仕切りリブ１４４は、それら仕切りリブ１４４がそれぞれの冷却空洞１３２、１３４を横断する距離の少なくとも大部分にわたって延びるが、その距離全体にわたっては延びないような長さのものである。幾つかの実施形態では、仕切りリブ１４４は、冷却空洞１３０を横断する幅の少なくとも７５％にわたって延びることができる。従って、仕切りリブ１４４は、分離した空洞を形成しない。言い換えると、仕切りリブ１４４の両側の中空空間は、仕切りリブ１４４の少なくとも一端部の周りで流体連通状態を保つ。

図３に示すように、仕切りリブ１４４は、外向きに延びる仕切りリブ１４５を含むことができる。外向きに延びる仕切りリブ１４５は一般的に、冷却媒体チャンバ１３８を形成した壁から冷却空洞１３０の外側壁の手前の位置まで外向きに延び、従って外向きに延びる仕切りリブ１４５と冷却空洞１３０の外側壁との間に空間又はギャップを形成することができる。幾つかの実施形態では、冷却空洞１３０の外側壁は、切頭リブ１４２の１つによって形成することができる。そのような実施形態では、外向きに延びる仕切りリブ１４５は、冷却媒体チャンバ１３８を形成した壁からその位置において冷却空洞１３０の外側壁を形成した切頭リブ１４２の手前の位置まで延び、従って外向きに延びる仕切りリブ１４５と切頭リブ１４２との間にギャップを形成することができる。仕切りリブ１４４はまた、内向きに延びる仕切りリブ１４６を含み、この内向きに延びる仕切りリブ１４６は一般的に、冷却空洞１３０の外側壁から冷却媒体チャンバ１３８を形成した壁の手前の位置まで延び、従って内向きに延びる仕切りリブ１４６と冷却媒体チャンバ１３８を形成した壁との間にギャップを形成することができる。幾つかの実施形態では、１）外向きに延びる仕切りリブ１４５と冷却空洞１３０の外側壁とによって形成されたギャップ、及び２）内向きに延びる仕切りリブ１４６と冷却媒体チャンバ１３８を形成した壁とによって形成されたギャップの両方は、約０．１０〜０．２５インチの寸法を有することができる。他の実施形態では、１）外向きに延びる仕切りリブ１４５と冷却空洞１３０の外側壁とによって形成されたギャップ、及び２）内向きに延びる仕切りリブ１４６と冷却媒体チャンバ１３８を形成した壁とによって形成されたギャップの両方は、少なくとも０．１０インチの寸法を有することができる。

図示するように、冷却空洞１３２、１３４の各々は、複数の仕切りリブ１４４を含むことができる。幾つかの実施形態では（また、図示するように）、冷却空洞１３２、１３４の各々は、４〜７個の仕切りリブ１４４を含むことができる。さらに、図示するように、仕切りリブ１４４は、交互配列として構成することができる。交互配列では、外向きに延びる仕切りリブ１４５の配置は一般的に、内向きに延びる仕切りリブ１４６の配置と交互にされる。本明細書で使用する場合に、「交互配列」というのは、幾つかの異なる交互構成を含むと広義に解釈すべきであり、厳密な「１対１」の交互配列（つまり、各々の外向きに延びる仕切りリブ１４５が内向きに延びる仕切りリブ１４６とのみ隣接していることを必要とする配列）に限定されることを意味するものではない。本明細書で使用する場合に、「交互配列」というのはまた、例えば下記の仕切りリブの順序配列、つまり外向きに延びる仕切りリブ１４５−外向きに延びる仕切りリブ１４５−内向きに延びる仕切りリブ１４６−外向きに延びる仕切りリブ１４５−外向きに延びる仕切りリブ１４５−内向きに延びる仕切りリブ１４６を表していると解釈すべきである。別のケースでは、例えば、「交互配列」というのは、内向きに延びる仕切りリブ１４６−外向きに延びる仕切りリブ１４５−外向きに延びる仕切りリブ１４５−内向きに延びる仕切りリブ１４６−内向きに延びる仕切りリブ１４６−外向きに延びる仕切りリブ１４５−外向きに延びる仕切りリブ１４５という順序配列を表すために使用することができる。「交互配列」というのは、その他の同様な順序配列を表すために使用することもできる。この交互配列戦略により、その中を通る冷却媒体の循環によって先端シュラウド２０を冷却する上で有利なものとすることができる、冷却空洞１３２、１３４を通る蛇行又はラビリンス冷却回路を効果的に形成することができる。本明細書で使用する場合に、ラビリンス回路というのは一般的に、以下で一層詳細に説明するように、運転時に先端シュラウド２０全体にわたり冷却媒体を効果的に分配するために有利に使用することができる、流れを妨げるように曲がりくねった又は回り道の経路を表すと定義される。

上に指摘したように、隣接する切頭リブ１４２間には、タービンブレード１０から冷却媒体を流出させるための出口開口１４７を形成することができる。図示するように、冷却空洞１３２、１３４は、主として先端シュラウド２０の平面内に配置される。

図４は、本出願の別の実施形態を示しており、この実施形態は、上述した実施形態の冷却媒体チャンバ１３８を含んでいない。図４の実施形態は一般的に、図３に関連して前述したのと同様な配列で複数の切頭リブ１４２と仕切りリブ１４４を含むことができる。しかしながら、冷却媒体チャンバ１３８を形成した壁の代わりに、図４の実施形態は、内部中央壁１５２を有することができる。内部中央壁１５２は、冷却空洞１３０をほぼ二分し、従って（図３の実施形態では冷却媒体チャンバ１３８がそうしたように）その各側に正圧側冷却空洞１３２と負圧側冷却空洞１３４とを形成する。冷却媒体チャンバ１３８がない場合には、翼形部１２を貫通して延びる冷却媒体通路は、複数の入口開口１５４を通して正圧側冷却空洞１３２及び負圧側冷却空洞１３４に直接結合することができる。図示するように、入口開口１５４は、内部中央壁１５２の壁に沿って設置することができる。冷却空洞１３２、１３４の床のようなその他の位置も可能である。

さらに、図４の実施形態では、外向きに延びる仕切りリブ１４５は一般的に、内部中央壁１５２から冷却空洞１３０の外側壁の手前の位置まで外向きに延びる。幾つかの実施形態では、また図示するように、冷却空洞１３０の外側壁は、切頭リブ１４２の１つによって形成することができる。そのような実施形態では、図４の外向きに延びる仕切りリブ１４５は、内部中央壁１５２からその位置において冷却空洞１３０の外側壁を形成した切頭リブ１４２の手前の位置まで延び、従って外向きに延びる仕切りリブ１４５と切頭リブ１４２との間にギャップを形成することができる。また、図４の実施形態では、内向きに延びる仕切りリブ１４６は一般的に、冷却空洞１３０の外側壁から内部中央壁１５２の手前の位置まで内向きに延び、従って内向きに延びる仕切りリブ１４６と内部中央壁１５２との間にギャップを形成する。最後に、図３の実施形態と同様に、仕切りリブ１４４は、外向きに延びる仕切りリブ１４５の配置が内向きに延びる仕切りリブ１４６の配置と交互になるように配列することができる。

図５〜図９には、別の実施形態を示している。これらの実施形態は、異なる構成の冷却空洞１３０内における上述の特徴形状部の幾つかの適用並びに以下に詳細に説明するような新規の要素の使用を示している。図３及び図４に示す両実施形態は、先端シュラウド２０の略中央に分割特徴形状部を有する（つまり、図３では、分割特徴形状部は冷却媒体チャンバ１３８であり、また図４では、分割特徴形状部は、内部中央壁１５２である）。図５〜図８の実施形態ではいずれも同様に、特徴形状部が存在しないものとすることができる。

図５は、複数の仕切りリブ１４４を備えた、先端シュラウド２０内の単一の又は連続的な冷却空洞１３０の別の実施形態を示している。複数の切頭リブ１４２もまた、存在することができる。切頭リブ１４２は、先端シュラウド２０の正圧側及び負圧側に沿って集中した出口開口１４７を形成することができる。冷却媒体チャンバ１３８がない場合には、翼形部１２を貫通して延びる冷却媒体通路は、複数の入口開口１５４を通して冷却空洞１３０に直接結合することができる。図示するように、入口開口１５４は、線を引いたとしたら先端シュラウド２０の負圧側を該先端シュラウド２０の正圧側と大まかに分離する該先端シュラウド２０の略中央線の両側に、該先端シュラウド２０の中央部に向けて設置することができるが、その他の開口位置も可能である。

さらに、図５の実施形態では、仕切りリブ１４４は、それら仕切りリブ１４４が冷却空洞１３０の外側壁（つまり、第１の内部壁）に沿って始まりかつ先端シュラウド２０にわたって冷却空洞１３０の対向する外側壁（つまり、第２の内部壁）に向って延びるように構成される。仕切りリブ１４４は、それら仕切りリブ１４４が冷却空洞１３０の対向する外側壁の手前の位置で終端するような長さのものとすることができる。従って、仕切りリブ１４４の端部において、該仕切りリブ１４４と冷却空洞１３０の対向する外側壁との間に狭い空間又はギャップを形成することができる。幾つかの実施形態では、また図示するように、冷却空洞１３０の外側壁は、切頭リブ１４２の１つによって形成することができる。そのような実施形態では、仕切りリブ１４４は、図５に示すように、その位置において冷却空洞１３０の外側壁を形成した該冷却空洞１３０の対向する反対側外側壁の切頭リブ１４２に向って、該切頭リブ１４２の手前の位置まで延びることができる。従って、仕切りリブ１４４の端部において、該仕切りリブ１４４及び対向する切頭リブ１４２間に狭い空間又はギャップを形成することができる。さらに、図５に示すように、仕切りリブ１４４は、交互配列として構成することができる。この配列では、冷却空洞１３０の外側壁の１つから延びる仕切りリブ１４４の配置は、冷却空洞１３０の対向する外側壁から始まる仕切りリブ１４４の配置と交互になる。上に述べた「交互配列」についての定義も参照されたい。前述したように、この冷却空洞１３０内での交互配列戦略により、その中を通る冷却媒体の循環によって先端シュラウド２０を冷却する上で有利なものとすることができる、蛇行又はラビリンス冷却回路を効果的に形成することができる。別の実施形態では、交互配置した仕切りリブ１４４は、それら仕切りリブ１４４が図５に示すように仕切りリブ１４４の配向に対して略垂直方向に整列するように配向することができることに注目されたい。当業者には分かるように、その他の配列もまた、可能である。

図６〜図８は、先端シュラウド冷却空洞１３０内に離散構造要素を含んだ幾つかの例示的な実施形態を示している。本明細書で使用する場合に、離散構造要素というのは、冷却空洞１３０の床を該冷却空洞１３０の天井に構造的に連結するが、冷却空洞１３０の内部壁又は先端シュラウド２０の外縁部又は外周部から始まることなく、そこで終端することなく、或いはそこに連結することがない要素である。この定義により、冷却空洞１３０の内部壁には、１）冷却媒体チャンバ１３８を形成した壁、２）冷却空洞１３０の外側壁、３）内部中央壁１５２、又は４）冷却空洞１３０内に形成することができるその他の同様な壁を含むことができる。また、本明細書で使用する場合に、また前述したように、冷却空洞１３０の天井は、冷却空洞１３０の内部を観察することができるように図３〜図９では除去された要素である。言い換えると、離散構造要素は一般的に、該構造要素と冷却空洞１３０の床及び天井との連結部を除けば、冷却空洞１３０の中空区域によって囲まれた構造要素である。

図６は、複数の離散仕切りリブ２０２を備えた単一の又は連続的な冷却空洞１３０を示している。離散仕切りリブ２０２は、それら離散仕切りリブ２０２が冷却空洞１３０の床を該冷却空洞１３０の天井に連結するが、冷却空洞１３０の内部壁又は先端シュラウド２０の外縁部から始まることなく、そこで終端することなく、或いはそれに連結することがないので、離散構造要素である。幾つかの実施形態では、また図示するように、複数の切頭リブ１４２もまた、存在することができる。切頭リブ１４２は、先端シュラウド２０の正圧側及び負圧側に沿って集中した出口開口１４７を形成することができる。図６の実施形態におけるように冷却媒体チャンバ１３８がない場合には、翼形部１２を貫通して延びる冷却媒体通路は、複数の入口開口１５４を通して冷却空洞１３０に直接結合することができる。図示するように、入口開口１５４は、線を引いたとしたら先端シュラウド２０の負圧側を該先端シュラウド２０の正圧側とほぼ分離する該先端シュラウド２０の略中央線に沿って設置することができる。

さらに、図６の実施形態では、離散仕切りリブ２０２は、その各々が冷却空洞１３０の略中央部において始まりかつ該冷却空洞１３０の対向する両外側壁に向って外向きに延びるように構成することができる。離散仕切りリブ２０２は、冷却空洞１３０を横断する距離の少なくとも大部分にわたって延びることができる。幾つかの実施形態では、離散仕切りリブ２０２は、冷却空洞１３０の幅の少なくとも７５％にわたって延びることができる。他の実施形態では、離散仕切りリブ２０２は、それら離散仕切りリブ２０２が図６に示す離散仕切りリブ２０２に対して略垂直方向に整列するように配向することができる。当業者には分かるように、その他の配列もまた、可能である。離散仕切りリブ２０２は、一端部においてそれら離散仕切りリブ２０２が冷却空洞１３０の外側壁の手前の位置で終端し、また他端部においてそれら離散仕切りリブ２０２が該冷却空洞１３０の対向する反対側外側壁の手前の位置で終端するような長さのものとすることができる。従って、離散仕切りリブ２０２の各々の端部に、２つのギャップ（つまり、離散仕切りリブ２０２の端部と冷却空洞１３０の外側壁とによって形成された第１のギャップ、及び離散仕切りリブ２０２の他端部と冷却空洞１３０の対向する反対側外側壁とによって形成された第２のギャップ）を形成することができる。幾つかの実施形態では、第１及び第２のギャップは各々、ことができる。他の実施形態では、第１及び第２のギャップは各々、少なくとも０．１０インチの寸法を有することができる。幾つかの実施形態では、また図示するように、冷却空洞１３０の外側壁は、切頭リブ１４２の１つによって形成することができる。そのような実施形態では、離散仕切りリブ２０２は、図６に示すように、その位置において冷却空洞１３０の外側壁を形成した該冷却空洞１３０の対向する両外側壁に向って、該切頭リブ１４２の直ぐ手前の位置まで延びることができる。

図７は、複数の離散切頭リブ２０６を備えた単一の又は連続的な冷却空洞１３０を示している。離散切頭リブ２０６は、上で定義したように、それら離散切頭リブ２０６が冷却空洞１３０の床を該冷却空洞１３０の天井に連結するが、該冷却空洞１３０の内部壁又は先端シュラウド２０の外縁部から始まることなく、そこで終端することなく、或いはそれに連結することがないので、離散構造要素である。幾つかの実施形態では（図７には図示していないが）、出口開口１４７を形成した複数の切頭リブもまた、存在することができる。出口開口１４７を形成した切頭リブ１４２（前掲の実施形態に示すような）は、本明細書に定義したように、それら切頭リブ１４２が一般的に先端シュラウド２０の外縁部又は外周部内で終端するので離散構造要素とは見なさない。図７に示す実施形態のように冷却媒体チャンバ１３８がない場合には、翼形部１２を貫通して延びる冷却媒体通路は、複数の入口開口１５４を通して冷却空洞１３０に直接結合することができる。図示するように、入口開口１５４は、線を引いたとしたら先端シュラウド２０の負圧側を該先端シュラウド２０の正圧側と略分離する該先端シュラウド２０の略中央線に沿って設置することができる。

図７に示すように、複数の離散切頭リブ２０６は、その各々間に最小ギャップが維持されるように、冷却空洞１３０全体にわたって間隔を置いて配置することができる。離散切頭リブ２０６は、図７に示すように、その形状を矩形（幾つかの実施形態では、丸味のあるコーナ部を有する）とすることができる。幾つかの実施形態では、離散切頭リブ２０６は、約０．１０〜０．７５インチの長さ、及び０．０５〜０．２５インチの幅とすることができる。幾つかの実施形態では、また図７に示すように、冷却空洞１３０内には、１５〜２５個の離散切頭リブ２０６を形成することができる。

図８は、複数の離散コラム２０８を備えた単一の又は連続的な冷却空洞１３０を示している。離散コラム２０８は、上に定義したように、それら離散コラム２０８が冷却空洞１３０の床を該冷却空洞１３０の天井に連結するが、該冷却空洞１３０の内部壁又は先端シュラウド２０の外縁部から始まることなく、そこで終端することなく、或いはそこに連結することがないので、離散構造要素である。図８に示す実施形態におけるように冷却媒体チャンバ１３８がない場合には、翼形部１２を貫通して延びる冷却媒体通路は、複数の入口開口１５４を通して冷却空洞１３０に直接結合することができる。図示するように、入口開口１５４は、線を引いたとしたら先端シュラウド２０の負圧側を該先端シュラウド２０の正圧側と略分離する該先端シュラウド２０の略中央線に沿って設置することができる。

図８に示すように、複数の離散コラム２０８は、それら離散コラムの各々間に最小ギャップが維持されるように、冷却空洞１３０全体にわたって間隔を置いて配置することができる。図示するように、離散コラム２０８は、円形断面を有することができる。そのような実施形態では、円形断面の直径は、約０．０５〜０．２５インチの寸法を有することができる。他の実施形態では、離散コラム２０８は、四角形状断面を有することができる。そのような実施形態では、四角形状断面の側辺の各々は、約０．０５〜０．２５インチの寸法を有することができる。幾つかの実施形態では、また図８に示すように、冷却空洞１３０内には、５〜５０個の離散コラム２０８を形成することができる。

図９は、先端シュラウド冷却空洞１３０と共に円形出口開口２１２及び非円形出口開口２１４の使用を例示する例示的な実施形態を示している。前述したように、隣接する切頭リブ１４２間に又は冷却空洞１３０の外側壁を貫通させて、冷却空洞１３０から流出する加圧冷却媒体のための複数の出口開口２１２、２１４を形成することができる。図９の例示的な実施形態に示すように、非円形出口開口２１４を形成することができる。これらの非円形出口開口２１４は、図示するようにその形状を矩形とすることができる（幾つかの実施形態は、丸味のあるコーナ部を有することができる）。図示していないが、非円形出口開口２１４はまた、その形状を楕円形又は長円形とすることができる。非円形出口開口２１４は、円形出口開口に勝る熱伝達性の利点をもたらすことができる。図９に示すように、円形出口開口２１２の１以上もまた、形成することができる。付加的な円形出口開口２１２及び非円形出口開口２１４を、設けることができる。当業者には分かるように、円形出口開口２１２及び非円形出口開口２１４の異なる配列もまた、可能である。

図３〜図９に示す実施形態は全て、単一の又は連続的な冷却空洞１３０を備えた先端シュラウドの実施例を示している。しかしながら、そこで説明した特徴形状部の一部は、単一の又は連続的な冷却空洞への使用に限定されるものではない（つまり、互いに流体連通状態になっていない複数の隔離した冷却空洞を有する先端シュラウド内で成功裏に使用することができる）。これらの特徴形状部には、１）それらがリブの端部及び対向する構造体間に通路を形成するように、冷却空洞にわたって部分的に延びるリブ、２）冷却空洞にわたって部分的に延びるリブの交互配列、３）離散構造要素、並びに４）非円形出口開口及び円形出口開口の使用が含まれる。単一の又は連続的な冷却空洞と関連するこれらの特徴形状部の説明は、単に例示的なものであり、限定することを意図するものではない。

使用中に、タービンブレード１０に対して冷却媒体（一般的には加圧空気）を分配することができる。冷却媒体は、冷却媒体通路を通って冷却媒体チャンバ１３８に移動することができる。冷却媒体は次に、冷却媒体チャンバ開口１４０を通して冷却空洞１３０に送給することができる。（図４〜図８に示す実施形態では、冷却媒体は、入口開口１５４を通して冷却空洞１３０に直接送給されることに注目されたい。）冷却空洞１３０内に流入すると、冷却媒体は、必要に応じてリブ１４２、１４４の周りを出口開口１４７に向って流れ、次に一般的に冷却空洞１３０の外側壁に沿って配置された出口開口１４７を通って先端シュラウド２０から流出する。冷却空洞１３０を通るこの冷却媒体の流れは、先端シュラウド２０を対流冷却する。

当業者には分かるように、先端シュラウド２０の縁部に存在する圧力状態は、タービンの運転の間に大きく変化する。外部圧力は、先端シュラウド２０の前端縁部（図３及び図４の両方に参照符号１７０として示す）において高く、先端シュラウド２０の後端縁部（図３及び図４の両方に参照符号１８０として示す）において低く、また前端縁部及び後端縁部間の先端シュラウド２０の縁部（図３及び図４の両方に参照符号１９０として示す）において中程度である。先端シュラウド２０の冷却空洞１３０は、外部圧力よりも高い圧力を有するが、冷却媒体の大部分は、外部圧力が最も低い先端シュラウド２０の後端縁部１８０付近で妨げられることなく流出する。この傾向は、先端シュラウド２０の前端縁部１７０から流出するには不十分な冷却媒体の量を生じ、その結果、それらの区域の温度を過度に上昇させて、タービンブレード１０の有効寿命に悪影響を及ぼす可能性がある。従って、冷却媒体がタービンブレード１０から流出する時に、冷却媒体を先端シュラウド２０全体にわたって選択的に分配するようにすることが望ましい。

上記の実施形態で説明したようなリブ１４２、１４４の配列は一般的に、先端シュラウド２０に流入した冷却媒体が流出する前に通って進まなくてはならない蛇行又はラビリンス冷却回路を形成する。例えば、前端縁部１７０付近で先端シュラウド２０に流入する冷却媒体は、圧力のより低い後端縁部１８０において流出するためにはラビリンス冷却回路を通って進まなくてはならない。このようにして、蛇行経路又はラビリンス冷却回路は、不均衡な量の冷却媒体が圧力の低い後端縁部１８０において流出しないようにする障害物を形成する。その結果、冷却媒体は、先端シュラウド２０の異なる圧力領域の全てに沿って該先端シュラウド２０から流出することになり、これが、運転時に先端シュラウド２０全体にわたる冷却媒体の選択的分配を形成する。この有益な結果は、先端シュラウド２０内に複数の独立した又は断絶した冷却空洞（つまり、互いに流体連通状態になっていない冷却空洞）を必要とせずに達成される。当業者には分かるように、中空冷却空洞を備えたタービンブレードは一般的に、インベストメント鋳造法によって製造される。複数の断絶した空洞の代わりに単一の又は連続的な冷却空洞を有することは、インベストメント鋳造法において一定の利点を実現するのを可能にする。

仕切りリブ１４４の交互配列のさらに別の利点は、該仕切りリブ１４４の各々の自由端１９４が、その各側部に対する仕切りリブ１４４によって遮蔽されて、先端シュラウド２０の構造健全性を増大させることである。仕切りリブ１４４の自由端１９４というのは、冷却空洞１３０内の開放区域において終端する端部を指している（図３、図４及び図５において参照符号１９４を付した自由端を参照されたい）。言い換えると、自由端１９４は、連続的冷却空洞１３０内の内部又は外部壁から始まる端部と対向した仕切りリブ１４４の端部である（連続的冷却空洞１３０の内部又は外部壁は、例えば、１）冷却空洞１３０の外側壁、２）冷却媒体チャンバ１３８の壁、又は３）内部中央壁１５２を含むことができる）。当業者には分かるように、仕切りリブ１４４を連続的冷却空洞１３０内の開放区域内で終端させることにより、増大した応力区域が発生する。しかしながら、この応力を生じさせる荷重は、仕切りリブ１４４の交互配列によって冷却空洞内の同一区域内で終端することがない隣接した仕切りリブ１４４によって対処することができる。このことは、そうでなければ仕切りリブ１４４の１つの終端部において生じたであろう応力の局所的集中を減少させる働きをする。

現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関連して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるべきものではなく、逆に、提出した特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に属する様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであ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に関連して説明してきたが、本明細書に開示した技術は、ブレードの先端に設置されていない先端シュラウド上でも使用することができる。これに関連して、幾つかのブレードは、翼形部の中間長さ付近に、該翼形部をその隣接するブレードに連結する先端シュラウドを有し、上記の冷却媒体通路はその先端シュラウド内に組み込むことができる。

１０ タービンブレード
１２ 翼形部
１４ 根元
１６ シャンク
１８ ダブテール
２０ 先端シュラウド
２２、２４ 当接面
２６ シールレール
２８ 空気吐出孔
１３０ 冷却空洞
１３２ 正圧側冷却空洞
１３４ 負圧側冷却空洞
１３６ 後縁
１１２ 翼形部
１３８ 冷却媒体チャンバ
１４０ 冷却媒体チャンバ開口
１４２ （切頭）リブ
１４４ （仕切り）リブ
１４５ 外向きに延びる仕切りリブ
１４６ 内向きに延びる仕切りリブ
１４７ 出口開口
１５２ 内部中央壁
１５４ 入口開口
１９４ 自由端
２０２ 離散仕切りリブ
２０６ 離散切頭リブ
２０８ 離散コラム
２１２ 円形出口開口
２１４ 非円形出口開口

Claims (9)

1. 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空洞（１３０）と、
   前記冷却空洞（１３０）内に形成された少なくとも１つの離散構造要素（２０２、２０６、２０８）と、
   を含み、
   前記離散構造要素（２０２、２０６、２０８）が、前記冷却空洞（１３０）の床を該冷却空洞（１３０）の天井に構造的に連結するが、該冷却空洞（１３０）の内部壁又は前記先端シュラウド（２０）の外縁部から始まることなく、そこで終端することなく、或いはそこに連結することがない要素を含む、
   タービンブレード（１０）。
2. 前記冷却空洞（１３０）の内部壁が、冷却媒体チャンバ（１３８）を形成した壁、該冷却空洞（１３０）の外側壁、及び内部中央壁（１５２）の１つを含む、請求項１に記載のタービンブレード（１０）。
3. 前記離散構造要素（２０２、２０６、２０８）が、該構造要素と前記冷却空洞（１３０）の床及び天井との連結部を除けば、該冷却空洞（１３０）の中空区域によって囲まれた構造要素を含む、請求項１に記載のタービンブレード（１０）。
4. 前記離散構造要素（２０２、２０６、２０８）が、離散仕切りリブ（２０２）を含み、
   前記離散仕切りリブ（２０２）が、前記冷却空洞（１３０）を横断する距離の少なくとも大部分にわたって延びるリブを含む、
   請求項３に記載のタービンブレード（１０）。
5. 前記冷却空洞を横断する距離の大部分が、該冷却空洞を横断する距離の少なくとも７５％を含む、請求項４に記載のタービンブレード（１０）。
6. 前記離散仕切りリブ（２０２）が、該離散仕切りリブ（２０２）が前記冷却空洞（１３０）の略中央部において始まりかつ該冷却空洞（１３０）の２つの対向する外側壁に向って外向きに延びるように形成され、
   前記離散仕切りリブ（２０２）が、該離散仕切りリブ（２０２）の第１の端部と前記冷却空洞（１３０）の対向する外側壁の一方との間に第１のギャップが形成されまた該離散仕切りリブ（２０２）の第２の端部と前記冷却空洞（１３０）の対向する外側壁の他方との間に第２のギャップが形成されるような長さのものである、
   請求項４に記載のタービンブレード（１０）。
7. 前記第１のギャップ及び第２のギャップが各々、２．５４〜１９．０５ｍｍの横断方向距離を含む、請求項６に記載のタービンブレード（１０）。
8. 前記第１のギャップ及び第２のギャップが各々、少なくとも２．５４ｍｍの横断方向距離を含む、請求項６に記載のタービンブレード（１０）。
9. 前記離散構造要素（２０２、２０６、２０８）が、離散切頭リブ（２０６）を含み、
   前記離散切頭リブ（２０６）が、前記冷却空洞（１３０）を横断する距離よりも短い長さのリブを含む、
   請求項３に記載のタービンブレード（１０）。
   

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