JP5738640B2 - 内部冷却流路 - Google Patents

Description

本出願は、全体的に、高温で作動する工業機械の部品を冷却するために形成された内部冷却流路に関する。より具体的には、特に限定されないが、本出願は、壁の構造的健全性を維持しながら効果的な冷却を提供する薄壁用途において形成された内部冷却流路に関する。

以下に示すように、本発明は、燃焼タービンエンジンでの例示的な用途に関連して記載される。本発明はこの特定のタイプの用途に好適であるが、これに限定されない点は当業者には理解されるであろう。他のタイプの高温工業用エンジン又は機械への他の用途も可能である。

燃焼タービンエンジン内での例示的な用途に関して継続すると、これらのエンジンは一般に、圧縮機、燃焼器及びタービンを含む点は理解されるであろう。圧縮機及び燃焼器セクションは、一般に、各段において軸方向にスタックされたブレードの列を含む。各段は、固定される円周方向に離間したステータブレードの列と、中心軸又はシャフトの周りを回転するロータブレードの列とを含む。作動時には、一般に、圧縮機ロータブレードは、シャフトの周りを回転し、ステータブレードと協働して機能し、空気流を加圧する。供給加圧空気は、燃焼器において供給燃料を燃焼させるために使用される。結果として燃焼により得られる高温膨張ガス、すなわち作動流体の流れは、エンジンのタービンセクションを通って膨張される。タービンを通る作動流体の流れは、ロータブレードの回転を誘起する。ロータブレードは、中心シャフトに接続され、ロータブレードの回転によりシャフトを回転させるようにする。

このようにして、燃料に内在するエネルギーは、回転シャフトの機械的エネルギーに変換され、これを用いて、例えば、圧縮機のロータブレードを回転させて、燃焼に必要とされる供給加圧空気を生成し、さらに、発電機のコイルを回転させて電力を生成することができる。作動時には、一般に上述のような回転ロータブレード及び円周方向に間隔を置いて配置された静止ステータブレードの両方を含むタービンブレードは、高温ガス通路の過酷な温度、作動流体の速度及びエンジンの回転速度に起因して過度の機械的及び熱的負荷により高応力を受ける。

エネルギー需要が増え続けていることで、より効率的な燃焼タービンエンジンを設計する目標は継続的で重要なものとなる。タービンエンジンの効率を向上させる幾つかの方策が知られているが、これらの代替策は、例えば、エンジンサイズの増大、高温ガス通路にわたる温度の上昇及びロータブレードの回転速度の増大を必然的に伴い、一般に、例えばタービンロータ及びステータブレードなどの既に高応力を受けている部品にさらに負担をかけるので、依然として厳しい目標である。結果として、タービンブレードにかかる負担を軽減し、或いはタービンブレードがこれらの応力に良好に耐えることを可能にする改善された装置、方法及び／又はシステムに対する大きな需要がある。

当業者であれば理解されるように、ブレードへの熱応力を軽減する方策は、作動中にこれらを冷却することによる。効果的に冷却することにより、例えば、ブレードは、より高温の燃焼温度に耐えること、高い作動温度でより大きな機械的応力に耐えること及び／又はブレードの部品寿命を延ばすことを可能にすることができ、これらの全ては、タービンエンジンのコスト効率を高くし、その作動時の効率を高めることを可能にする。作動時にブレードを冷却する手法は、内部冷却通路又は回路を使用することによる。一般に、これは、相対的に低温の供給加圧空気を通過させることを伴い、この空気は、タービンエンジンの圧縮機によってブレード内の内部冷却流路を通じて供給することができる。加圧空気がブレードを通過すると対流によってブレードが冷却され、これにより部品は、他の場合では不可能な燃焼温度に耐えることが可能になる。

幾つかの理由により、これらの冷却流路の構成の設計及び製造には十分に留意する必要がある点は理解されるであろう。第１に、冷却空気の使用は高価である。すなわち、冷却用に圧縮機からエンジンのタービンセクションに分流される空気は燃焼器をバイパスし、従って、エンジン効率が低下する。このため、冷却通路は、極めて効果的な方法で空気を使用し、すなわち必要なカバレージ及び／又は冷却効率をもたらし、この目的のために必要な空気を最小量にするように設計しなければならない。第２に、より新しくよりアグレッシブな形状の空力ブレード構成はより薄肉で且つ湾曲しており、タービンブレードの長さを伸ばす線形冷却流路の使用が阻止されることが多い。ブレードの厚みは、コンパクトな設計を有しながら良好に機能するような冷却通路を必要とする。第３には、機械的荷重を軽減するために、冷却通路は、ブレードから不必要な重みを除去するように形成すべきであるが、ブレードは、依然として大きな機械的荷重に耐える強度を維持しなければならない。従って、タービンブレードは軽量で且つ強固な構造を有するが、冷却流路は、ブレードの弾性に悪影響を及ぼす応力集中を回避するように設計しなければならない。要するに、よりアグレッシブな形状の薄肉の空力ブレード構成で良好に機能し、より軽量のブレード内部構造を促進し、タービンブレードの構造的支持を維持しながら高い冷却効果をもたらすタービンブレード冷却構成が求められている。

米国特許第６６９５５８２号明細書

機械部品の内部を通る冷却流路は、第１の平面内に位置する複数の平行流路を含む第１の組の冷却流路と、第２の平面内に位置する複数の平行流路を含む第２の組の冷却流路とを備える。第１及び第２の組の冷却流路の冷却流路は、長手方向軸線に沿って、交互拡大縮小構成であって、一連の広いチャンバ部が一連の狭いスロート部で連結したものを形成している。第１の組の冷却流路及び第２の組の冷却流路は、側面からみて複数の交差点を有する十字交差パターンをなすように構成し得る。第１の平面は第２の平面と離間した関係にあって、第１の組の冷却流路の複数のチャンバ部が第２の組の冷却流路の複数のチャンバ部と接続するように、第１の平面が第２の平面からオフセットしている。

幾つかの実施形態では、機械部品は、タービンロータブレード、タービンステータブレード、静止シュラウド、燃焼器ライナ又は燃焼器トランジションピースなど、燃焼タービンエンジンの部品とすることができる。

本出願のこれら及び他の特徴は、図面及び請求項を参照しながら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って明らかになるであろう。

本発明のこれら及び他の特徴は、添付図面を参照しながら、本発明の例示的な実施形態の以下の詳細な説明を詳細に検討することによって完全に理解され認識されるであろう。

本発明の特定の実施形態を利用し得る例示的なタービンエンジンの概略図。 図１の燃焼タービンエンジンの圧縮機セクションの断面図。 図１の燃焼タービンエンジンのタービンセクションの断面図。 本発明の一実施形態に係る構成を有する冷却流路を示す切欠き部を有するタービンロータブレードの側面図。 図４の冷却流路の輪郭図。 図４の矢視６−６断面図。 図４の矢視７−７断面図。 本発明の一実施形態に係る代替の構成を有する冷却流路を示す切欠き部を有するタービンロータブレードの側面図。 図８の冷却流路の輪郭図。 図８の矢視１０−１０断面図。 図８の矢視１１−１１断面図。 図８の矢視１２−１２断面図。 本発明の例示的な実施形態に係る冷却流路の拡大図。 本発明の例示的な実施形態に係る冷却流路の斜視図。 本発明の例示的な実施形態に係る冷却流路の拡大側面図。 使用時に冷却流路を燃焼タービンエンジンの静止シュラウド内に位置付けることができる本出願の一実施形態に係る冷却流路の輪郭図。 使用時に冷却流路を燃焼タービンエンジンのステータブレードの中空タービンステータブレード内に位置付けることができる本出願の一実施形態に係る冷却流路の輪郭図。 図１７の冷却流路の側面図。 使用時に冷却流路を中空タービンステータブレードの側壁内に位置付けることができる本出願の一実施形態に係る冷却流路の輪郭図。

最初に、本出願の発明の説明において、タービンエンジン及び関連システムの特定の要素又は機械部品に言及しこれを説明する用語を選択する必要がある。可能な限り、一般的な工業用語はその受け入れられた意味と同じ意味で使用及び利用される。しかしながら、一般に、このような用語は広義に与えられ、本明細書で意図する意味及び添付の請求項の範囲が不当に制限されるような狭義に解釈されないものとする。当業者であれば、特定の部品が複数の異なる名称で呼ばれる場合が多いことは理解されるであろう。加えて、本明細書で単一の要素として説明できる事柄は、別の状況では複数の部品を含み又は複数の部品からなるものとして言及することができ、或いは、本明細書で複数の部品を含むものとして説明できる事柄は、単一要素に構築され、場合によっては単一の要素として言及することができる。従って、本明細書で記載される本発明の範囲の理解では、提供される用語及び説明にのみ留意するのではなく、本明細書で記載される部品の構造、構成、機能及び／又は使用に対しても留意すべきである。

加えて、本明細書では幾つかの記述上の用語を定常的に使用する場合があり、この点についてこれらの用語を定義することが有用とすることができる。本明細書で使用するこれらの用語及びその定義は、次の通りである。別途記載しない限り、「ロータブレード」という用語は、圧縮機又はタービンのいずれかの動翼を意味し、動翼には、圧縮機ロータブレード及びタービンロータブレードの両方が含まれる。別途記載しない限り、「ステータブレード」という用語は、圧縮機又はタービンのいずれかの静翼を意味し、静翼には、圧縮機ステータブレード及びタービンステータブレードの両方が含まれる。本明細書では、「ブレード」という用語は、いずれかのタイプのブレードを意味する。従って、別途記載しない限り、「ブレード」という用語は、圧縮機ロータブレード、圧縮機ステータブレード、タービンロータブレード及びタービンステータブレードを含む全てのタイプのタービンエンジンブレードを包含する。さらに、本明細書で使用する場合、「下流」及び「上流」、並びに「前方」及び「後方」とは、タービンを通る作動流体の流れに対する方向を示す用語である。従って、「下流」という用語は、一般に作動流体の流れの方向に対応する方向を意味し、「上流」又は「前方」という用語は一般に、作動流体の流れの方向の反対方向を意味する。「トレーリング（後）」又は「後方」及び「リーディング（前）」又は「前方」という用語は一般に、作動流体の流れに関する位置を意味している。場合によっては、本明細書を考慮して明確になるように、「トレーリング（後）」及び「リーディング（前）」という用語は、回転部品の回転方向を意味することがある。これが当てはまる場合、回転部品の「リーディングエッジ（前縁）」は、部品の回転方向からみた前部又は前方の縁部であり、回転部品の「トレーリングエッジ（後縁）」は、部品の回転方向からみた後部又は後方の縁部である。

「半径方向」という用語は、軸線に対して垂直方向の移動又は位置を意味する。「半径方向」という用語は、軸線に関して異なる半径方向位置にある部分を記述するために必要となることが多い。このようなケースでは、第１の部品が第２の部品よりも軸線に対してより近接して存在する場合には、本明細書では、第１の部品が、第２の部品の「半径方向内向き」又は「内寄り」にあると記述することができる。これに対して、第１の部品が第２の部品よりも軸線からさらに遠くに存在する場合には、本明細書では、第１の部品が、第２の部品の「半径方向外向き」又は「外側寄り」にあると記述することができる。「軸方向」という用語は、軸線に平行な移動又は位置を意味する。最後に、「円周方向」という用語は、軸線周りの移動又は位置を意味する。

背景技術として、ここで図面を参照すると、図１〜図３は、本出願の実施形態を使用することができる例示的な燃焼タービンエンジンを示す。本発明がこのタイプでの使用に限定されるものではないことは、当業者には分かるであろう。上述の通り、本発明は、発電及び航空機で使用するエンジンのような燃焼タービンエンジン、蒸気タービンエンジン、他のタイプの回転エンジン、並びに他のタイプの工業機械で使用し得る。図１は、燃焼タービンエンジン１０の概略図である。一般に、ガスタービンエンジンは、加圧空気流内で燃料を燃焼させることで発生する加圧高温ガス流からエネルギーを取り出すことによって作動する。図１に示すように、ガスタービンエンジン１０は、共通シャフト又はロータによって下流のタービンセクションすなわちタービン１１に対して機械的に結合された軸流圧縮機１１と、軸流圧縮機１１及びタービン１２間に位置付けられた燃焼器１３とを備えるように構成することができる。

図２は、図１の燃焼タービンエンジンで使用し得る例示的な多段式軸流圧縮機１１の図を示す。図示するように、軸流圧縮機１１は複数の段を含むことができる。各段は、圧縮機ロータブレード１４の列及びその後に続く圧縮機ステータブレード１５の列を含むことができる。従って、第１段は、中心シャフトの周りで回転する圧縮機ロータブレード１４の列と、これに続いて運転中に静止状態を維持する圧縮機ステータブレード１５の列とを含むことができる。圧縮機ステータブレード１５は一般に、互いに円周方向に間隔を置いて配置され、且つ回転軸線の周りに固定される。圧縮機ロータブレード１４は、円周方向に間隔を置いて配置され且つシャフトに取り付けられ、運転時にシャフトが回転すると、圧縮機ロータブレード１４は、シャフトの周りを回転する。当業者には分かるように、圧縮機ロータブレード１４は、シャフトの周りで回転すると、圧縮機１１を通って流れる空気又は流体に運動エネルギーを与えるように構成される。圧縮機１１は、図２に示した段以外の他の段を有することができる。付加的な段は、複数の円周方向に間隔を置いて配置された圧縮機ロータブレード１４と、次いで複数の円周方向に間隔を置いて配置された圧縮機ステータブレード１５とを含むことができる。

図３は、図１の燃焼タービンエンジンで使用し得る例示的なタービンセクションつまりタービン１１の部分図を示す。タービン１１はまた複数の段を含むことができる。３つの例示的な段を示しているが、これよりも多い又は少ない段をタービン１１内に設けることができる。第１段は、運転時にシャフトの周りで回転する複数のタービンバケットつまりタービンロータブレード１６と、運転時に静止状態を維持する複数のノズルつまりタービンステータブレード１７とを含む。タービンステータブレード１７は一般に、互いに円周方向に間隔を置いて配置され且つ回転軸線の周りに固定される。タービンロータブレード１６は、タービンホイール（図示せず）上に取り付けてシャフト（図示せず）の周りで回転させることができる。また、タービン１１の第２段も示されている。第２段も同様に、複数の円周方向に間隔を置いて配置されるタービンステータブレード１７と、次いでタービンホイール上に同様に取り付けられて回転するようになった複数の円周方向に間隔を置いて配置されるタービンロータブレード１６とを含む。第３段もまた示されており、同様に複数のタービンステータブレード１７及びロータブレード１６を含む。タービンステータブレード１７及びタービンロータブレード１６はタービン１１の高温ガス通路内に位置していることが分かるであろう。高温ガス通路を通る高温ガスの流れの方向は、矢印によって示している。当業者には分かるように、タービン１１は、図３に示した段以外の他の段を有することができる。各付加的な段は、タービンステータブレード１７の列と、次いでタービンロータブレード１６の列とを含むことができる。図示のように、ロータブレード１６の外寄りには静止シュラウド１８を位置付けることができる。

使用時には、軸流圧縮機１１内での圧縮機ロータブレード１４の回転は、空気の流れを加圧することができる。燃焼器１３において、加圧空気が燃料と混合されて点火されるとエネルギーを放出することができる。次に、作動流体とも呼ぶことができる、結果として得られる燃焼器１３からの高温ガスの流れは、タービンロータブレード１６上に案内され、作動流体の流れは、シャフトの周りでタービンロータブレード１６の回転を引き起こす。これによって、作動流体の流れのエネルギーは、動翼及びロータブレードとシャフトとの間の連結により回転シャフトの機械的エネルギーに変換される。次にシャフトの機械的エネルギーを使用して、圧縮機ロータブレード１４の回転を駆動して加圧空気の必要な供給をもたらし、さらに、例えば発電機を駆動して電気を発生させることができる。

図４〜図１９は、本出願の例示的な実施形態に係るタービンブレード及び他のタービンエンジン部品用の冷却流路の構成を示す。本発明は、例えば、タービンロータブレード、タービンステータブレード、静止シュラウド又は燃焼器のライナ及びトランジションピースを始めとする、いずれかのタービンエンジン用途に使用し得る。図４、図８、図１３及び図１５は、本発明による冷却流路２４，２６を含むタービンブレード２０の側面図を示す点は理解されるであろう。本明細書で使用される「側面図」は、これらの図で示すような冷却流路の透視図であり、「輪郭図」は図５及び図９に示す透視図である。また、ブレード２０は、タービンロータブレードとして図示されているが、本発明はまたタービンステータブレード１７、並びに静止シュラウド１８などの燃焼タービンエンジン内で高温に曝される他の部品にも適用できる点は理解されるであろう。タービンブレード２０は、エンジンのタービンセクション１２を通る高温ガスの流れと相互作用する翼形部２１と、タービンブレード２０をロータディスク（図示せず）に接続するのに用いることができるシャンク２２とを含むことができる点は理解されるであろう。

本発明の冷却流路は、一般に、第１の組の冷却流路２４及び第２の組の冷却流路２６を含む。第１の組の冷却流路２４は、冷却剤を運ぶように構成された流路を含むことができる。第１の組の冷却流路２４の流路は、一般に、内側半径方向／前縁位置から外側半径方向／後縁位置まで対角方向に延在する。第２の組の冷却流路は、冷却剤を運ぶように構成された流路を含むことができる。第２の組の冷却流路２６の流路は、一般に、内側半径方向／後縁位置から外側半径方向／前縁位置まで対角方向に延在する。第１の組の冷却流路２４及び第２の組の冷却流路２６は、側面からみて、第１の組の冷却流路２４の長手方向軸線が第２の組の冷却流路２６の長手方向軸線に対し略垂直であるように構成することができる。図示の一実施形態では、第１の組の冷却流路２４及び第２の組の冷却流路２６は、十字交差パターンをなす。

第１の組の冷却流路２４及び第２の組の冷却流路２６は、略平行な平面に位置することができる。第１の組の冷却流路２４は、第１の平面に位置する複数の平行流路を含むことができる。第２の組の冷却流路２６は、第２の平面に位置する複数の平行流路を含むことができる。長手方向軸線に沿って、第１の組の冷却流路２４の冷却流路は、交互拡大縮小構成を有することができる。同様に、長手方向軸線に沿って、第２の組の冷却流路２６の冷却流路は、交互拡大縮小構成を有することができる。図８及び図１３〜図１５により明確に示すように、交互拡大縮小構成は一般に、一連のチャンバ部３０を形成し、これらの間に位置付けられるスロート部３２により接続される。チャンバ部３０は、スロート部３２よりも大きな断面積の流路を含む。スロート部３２は、最小スロート領域４４に向かって狭くなる縮小部と、この後に続いて、最小スロート領域から広がって隣接するチャンバ部３０につながる拡大部とを含むことができる。ここから、チャンバ部３０は、スロート部３２との接続部から最大チャンバ領域４６に向かって広くなる拡大部を含むことができる。その結果、チャンバ部３０は、最大チャンバ領域４６から狭くなる縮小部を有することができる。スロート部３２及びチャンバ部３０の拡大部及び縮小部は、滑らかな輪郭で形成することができる。円滑で丸みのある本発明の輪郭は、部品が使用中であるときに相当な応力集中が発生するのを防ぐ。

最小スロート領域４４と最大チャンバ領域４６との間の一定の比率が良好な性能を促進することが分かった。好ましくは、幾つかの実施形態では、最小スロート領域４４及び最大チャンバ領域４６は、最小スロート領域４４の断面積が、最大チャンバ領域４６の断面積の約０．８〜０．２となるように構成される。より好ましくは、幾つかの実施形態では、最小スロート領域４４及び最大チャンバ領域４６は、最小スロート領域４４の断面積が最大チャンバ領域４６の断面積の約０．６〜０．４倍となるように構成される。使用時には、スロート部３２を狭めることにより、冷却流路２４，２６を通って流れる冷却剤の速度が増大する点は理解されるであろう。

上述のように、第１の組の冷却流路２４及び第２の組の冷却流路２６は、側面からみて十字交差パターンが形成されるように構成される。この十字交差パターンは、複数の交差点３６を含む。本明細書で使用される交差点３６は、冷却流路パターンを側面からみて生じる重なり領域である。これらの重なり領域では、第１の組の冷却流路２４は、第２の組の冷却流路２６と接続することができる（すなわち、第１の組の冷却流路２４は第２の組の冷却流路２６と流体連通することができる）。第１の平面（第１の組の冷却流路２４の）は一般に、第２の平面（第２の組の冷却流路２６の）と離間した関係にある。第１の平面は、第１の組の冷却流路２４の複数のチャンバ部３０が第２の組の冷却流路２６の複数のチャンバ部３０と接続するように第２の平面から所定又は所要の距離だけオフセットすることができる。これらの接続は図１４において最も容易に見ることができる。

第１の組の冷却流路２４及び第２の組の冷却流路２６の交互拡大縮小構成は、規則的間隔を含むことができ、すなわち、同じ冷却流路に沿って隣接するチャンバ部３０間の距離が実質的に規則的な又は同じ距離である。同様に、同じ冷却流路に沿った隣接するスロート部３２間の距離は、実質的に規則的又は同じ距離である。第１の組の冷却流路２４及び第２の組の冷却流路２６用の規則的間隔は、略同じとすることができる。このようにして、第１の組の冷却流路２４及び第２の組の冷却流路２６は、チャンバ部３０が重なるように構成することができる点は理解されるであろう。この重なりを考慮とすると、チャンバ部３０は、チャンバ３０が接続するように第１の平面と第２の平面との間のオフセットをもつように構成することができる。図５において最も明確に示すように、第１の組の冷却流路２４は、タービンブレード２０の第１の面４０に近接して位置することができ、第２の組の冷却流路２６は、タービンブレード２０の第２の面４２に近接して位置することができる。第１の平面は、タービンブレード２０の第１の面４０と離間した関係にあることができ、第２の平面は、タービンブレード２０の第２の面４２と離間した関係にあることができる。幾つかの実施形態では、第１の面４０は、翼形部の正圧面とすることができ、第２の面４２は、タービンブレード２０の翼形部２１の負圧面とすることができる。幾つかの実施形態では、第１の面４０は、タービンブレードの外面とすることができ、第２の面は、タービンブレードの内面とすることができる点は理解されるであろう。このタイプの実施形態は、薄い外壁により囲まれる中空中央キャビティを有するタービンブレードにおいて想定することができ、この実施例を図１７、図１８及び図１９に示してある。

図５に示すように、冷却流路２４，２６の輪郭の幅は、冷却流路２４，２６がロータブレード２０に沿って半径方向外向きに延在するときに相対的に一定とすることができる。図８〜図１２に示すように、冷却流路２４，２６の輪郭の幅を変えることができる。図示のように、好ましい実施形態では、冷却流路２４，２６の輪郭の幅は、冷却流路が外向きに延在するにつれて狭くなる。この狭幅化は、ロータブレード２０の狭幅化と正比例し、ロータブレード２０の表面からの冷却流路２４，２６の距離が比較的一定のままであるようにすることができる。

幾つかの実施形態では、第１の組の冷却流路２４は、第１の面４０に面する外側部と、第２の組の冷却流路２６に面する内側部とを含むことができる。同様に、第２の組の冷却流路２６は、第２の面４２に向けて外向きに面する外側部と、第１の組の冷却流路２４に面する内側部とを含むことができる。

図１３及び図１５の側面図に最も良好に示すように、幾つかの実施形態では、冷却流路２４，２６の第１及び第２の組の十字交差パターンは、複数の中実領域５０が形成されるように構成することができる。冷却流路２４，２６の繰り返す十字交差パターンを考慮すると、中実領域５０は規則的な繰り返しパターンで配置され、図示のように中実領域５０が、４つの隣接又は周囲交差点３６間に位置付けられる領域で生じるようにすることができる。冷却流路２４，２６の組の異なる平面を考慮すると、中実領域５０は一般に、第１の平面及び第２の平面に対し略垂直に延在する。中実領域５０はまた、冷却流路２４，２６が周囲に形成される中実材料の領域として説明することができる。

好ましい実施形態では、中実領域５０は、側面からみて略円形の形状である。この場合、中実領域５０は、第１の平面及び第２の平面を通って延在するときに略円筒の形状を含む。好ましい実施形態では、側面からみて中実領域５０の円形形状は、特定の中実領域５０を囲む４つの交差点３６のチャンバ部３０を接続するスロート部３２の縮小部及び拡大部の輪郭を形成する。図１５に示すように、中実領域５０は、長円又は楕円形とすることができる。好ましい実施形態では、中実領域５０の長円又は楕円形は、主軸又は長軸がブレードスパン基準線５５と実質的に整列するように構成される。この向きは、中実領域５０の長円又は楕円形を整列させて、使用中に作動流体によりブレードに加わる大きな機械的荷重（すなわち、ブレードスパン基準線５５から実質的に垂直な方向から作動流体の高速の流れがブレードに衝突する）に良好に耐えるようにする点は理解されるであろう。

図１３及び図１５に示すように、第１の組の冷却流路２４は、ブレードスパン基準線５５に対して第１の角度５３で配置され、第２の組の冷却流路２６は、ブレードスパン基準線５５に対して第２の角度５４で配置される。幾つかの実施形態では、第１の角度５３及び第２の角度５４は、所要の十字交差パターンをなすように構成することができる。好ましい実施形態では、第１の角度５３は約２５°〜約６５°であり、第２の角度５４は約−２５°〜約−６５°である。さらに好ましい実施形態では、第１の角度は約３５°〜約５５°であり、第２の角度は約−３５°〜約−５５°である。幾つかの理想的な実施形態では、第１の角度５３は約４５°の値を有し、第２の角度５４は約−４５°の値を有する。勿論、第１の角度５３及び第２の角度５４の値は逆にしてもよく、別の好ましい実施形態をなす。従って、幾つかの好ましい実施形態では、第１の角度５３は約−２５°〜約−６５°であり、第２の角度５４は約２５°〜約６５°である。幾つかの好ましい実施形態では、第１の角度５３は約−３５°〜約−５５°であり、第２の角度５４は約３５°〜約５５°である。また、理想的な実施形態では、第１の角度５３は約−４５°の値を有し、第２の角度５４は約４５°の値を有する。

本発明の実施形態は、タービンブレード内の比較的薄い壁を冷却するのに用いることができる点は理解されるであろう。幾つかの実施形態では、上述のように、本発明を用いて、タービンブレードの正圧面及び負圧面、特に狭い又は薄い空力形状を有するタービンブレードを冷却することができる。このような実施形態では、第１の組の冷却流路２４及び第２の組の冷却流路２６は、タービンブレード２０の外面全体の大部分又は実質的に全てが内部冷却流路２４，２６により冷却されるように構成することができる。すなわち、幾つかの実施形態では、第１の組の冷却流路２４及び第２の組の冷却流路２６は、図４に全体的に示すように、少なくとも翼形部２１の後縁５７付近の位置から前縁５８付近の位置まで延在し、さらに少なくとも翼形部２２のシャンク２２付近の位置から外側半径方向先端５９付近の位置まで延在する。

上述のような冷却流路２４，２６を考慮すると、複数の方向転換点６２が冷却流路２４，２６の流れ場の軸方向先端付近に形成される点は理解されるであろう。図４に示すように、一実施形態では、冷却流路の流れ場の軸方向先端は、翼形部２１の後縁５７付近の位置と、翼形部２１の前縁５８付近の位置とを含む。他の構成も実施可能である点は理解されるであろう。方向転換点６２は一般に、第１の組の冷却流路２４及び第２の組の冷却流路２６のいずれかからの冷却流路が終端し、他方の組からの冷却流路が始まる接合部を含む。方向転換点６２において、第１の組の冷却流路２４からのチャンバ部３０及び第２の組の冷却流路２６からのチャンバ３０は、接合部を形成し又は接続を行う。すなわち、方向転換点６２において、冷却流路２４，２６の組の各々からの２つのチャンバ３０は、互いに対して開いており、互いに流体連通している。このようにして、冷却剤は、方向転換点６２にて終端点に到達するまで冷却流路の一方の組から冷却流路を通って流れることができ、次いで、冷却剤は、冷却流路の他方の組内のチャンバ３０内に流れることによって流れ平面を切り換えることができる。このようにして平面を切り換えると、冷却剤は、出口に向かう方向を「ジグザグ」に進むことができる。

幾つかの実施形態では、方向転換点６２では、冷却剤出口６５を形成することができる。本明細書で使用される場合、冷却剤出口６５は、冷却流路２４，２６と接続したタービンブレード２０の表面に沿った出口又はアパーチャである。冷却剤出口６５は、冷却剤が冷却流路２４，２６から出ることができる出口を提供する。図示のように、冷却剤出口６５は、翼形部２１の後縁５７付近に位置付けることができる。冷却剤出口６５は、図８に示すように前縁５８のような翼形部２１の他の領域、並びに図１１に示すようなタービンブレード２０の正圧面に沿って位置付けることもできる。冷却剤出口６５は、重要領域にフィルム冷却を提供するように構成し位置付けることができる。幾つかの実施形態では、冷却剤出口は、エンジン作動中に所要のレベルの冷却剤が放出されるように流量調整することができる。流量調整は一般に、内部冷却流路２４，２６を通る冷却剤の流れに十分な圧力が維持され、翼形部２１の全長に沿って冷却剤を確実に供給するために行われる。

第１の組の冷却流路２４及び第２の組の冷却流路２６は、シャンク２２内に形成された流路から冷却剤の流れを受けるように構成された１つ又はそれ以上の入口を通って冷却剤を供給することができる。上述のように、従来手段において、加圧空気の形態の冷却剤を圧縮機１１からブリードし、タービン１２を通って所定位置に供給し、冷却剤がシャンク２２を通って冷却流路に送給できるようにする。冷却剤出口６５はまた、翼形部２１の外側半径方向先端５９付近に形成してもよい。これらの出口６５はまた、所要の冷却剤量がこれらから放出されるように流量調整することができる。

作動時には、本出願による冷却流路２４，２６は、特にアグレッシブな形状にされた薄い空力ブレード構成において性能の向上をもたらす。さらに、本発明の冷却流路２４，２６は、有意な量の材料を除去することによってブレードの軽量化を促進する。しかしながら、冷却流路２４，２６の構成を考慮すると、ブレードは堅牢で強固である。詳細には、湾曲輪郭及び丸みのある中実領域は、安定し強固な構造を維持しながら、応力集中を発散させる。

加えて、冷却流路２４，２６は、効率的且つ効果的な冷却を促進する。第１に、交互拡大縮小構成は、冷却流路２４，２６を通る乱流をもたらす。詳細には、冷却剤の速度は、変化する断面サイズのセクション（すなわち、チャンバ部３０とスロート部３２）を通過するときに繰り返して増減される。乱流が冷却剤の冷却効果を高める点は理解されるであろう。

第２に、冷却流路２４，２６の２つの組において隣接するチャンバ部３０間に形成される接続によってさらに乱流が誘起され、これにより冷却効果が高くなる。隣接チャンバ部３０（すなわち、第２の組の冷却流路２６内のチャンバ部３０に隣接する第１の組の冷却流路２４のチャンバ部３０）は各々、半径方向流れ成分を有する冷却剤を有するが、半径方向流れ成分に関しては、チャンバ部３０の冷却剤が上流の軸方向流れ成分を有し、他のチャンバ部３０の冷却剤が下流の軸方向流れ成分を有する点は理解されるであろう。隣接するチャンバ間に形成される接続は、一定のレベルの混合を促進し、２つの流れの異なる軸方向流成分を考慮すると、これによりチャンバ部の各々内に乱流混合及び／又は渦流パターンが誘起される。この乱流混合及び／又は渦流パターンにより何らかの形成された境界層の結果として生じる遮断により、冷却効率がさらに向上する。

図１６〜図１９は、冷却流路２４，２６の代替の用途を示す。図１６は、使用時に冷却流路を燃焼タービンエンジンの静止シュラウド１８内に位置付けることができる本出願の一実施形態に係る冷却流路２４，２６の輪郭図である。このタイプの用途において、冷却剤チャンバ６９からの冷却剤は、冷却剤チャンバ６９を通って、冷却剤チャンバ６９とエンジンの高温ガス流に曝される静止シュラウド１８の外側表面との間に配置される冷却流路２４，２６に流れることができる。従って、この用途において、第１の面４０は静止シュラウド１８の外面とすることができ、第２の面は、冷却剤チャンバ６９の表面とすることができる。

図１７は、使用時に冷却流路２４，２６を燃焼タービンエンジンのステータブレード１７の後縁内に位置付けることができる本出願の一実施形態に係る冷却流路２４，２６の輪郭図である。図１８は、図１７の冷却流路の側面図である。本発明の冷却流路２４，２６は一般に、後縁の狭幅化に起因してこのタイプの用途に好適である。図示のように、冷却剤は、中空チャンバ７３を通って冷却流路２４，２６に流入し、ブレードの後縁を通って流出することができる。この用途では、第１の面４０はステータブレード１７の後方部分の正圧面であり、第２の面は、ステータブレード１７の後方部分の負圧面である点は理解されるであろう。

図１９は、使用時に冷却流路を中空ステータブレード１７の側壁内に位置付けることができる本出願の一実施形態に係る冷却流路２４，２６の輪郭図である。図示のように、冷却流路２４，２６は、ステータブレード１７の円周に沿った複数のセクションに分離することができ、その各々に冷却剤を独立して供給することができる。図示しないが、このタイプの構成もまたタービンロータブレード１６に適用することができる。

当業者であれば理解されるように、複数の例示的な実施形態に関する上述の多くの異なる特徴部及び構成をさらに選択的に適用し、本発明の他の実施可能な実施形態をなす。簡潔にするため及び当業者の能力を考慮して、実施可能な繰り返しの全ては本明細書で詳細には提供され又は説明していないが、添付の複数の請求項又はその他によって包含される全ての組み合わせ及び可能な実施形態は、本出願の一部をなすものとする。加えて、本発明の複数の例示的な実施形態の上記の説明から、当業者であれば改善、変更及び修正が理解されるであろう。当技術分野の範囲内にあるこのような改善、変更及び修正はまた、添付の請求項によって保護されるものとする。さらに、上記のことは、本出願の好ましい実施形態にのみに関連しているが、添付の請求項及びその均等物によって定められる本出願の精神及び範囲から逸脱することなく、当業者によって多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる点を理解されたい。

２０ タービンブレード
２２ シャンク
２４，２６ 冷却流路
３０ チャンバ部
３２ スロート部
３６ 交差点
５０ 中実領域
５７ 翼形部２１の後縁
５８ 翼形部２１の前縁
５９ 外側半径方向先端
６２ 方向転換点
６５ 冷却剤出口

Claims (15)

1. 機械部品の内部を通る冷却流路であって、当該冷却流路が、
   第１の平面内に位置する複数の平行流路を含む第１の組の冷却流路（２４）と、
   第２の平面内に位置する複数の平行流路を含む第２の組の冷却流路（２６）と
   を備えており、
   第１及び第２の組の冷却流路（２４，２６）の冷却流路が、長手方向軸線に沿って、交互拡大縮小構成であって、一連の広いチャンバ部（３０）が一連の狭いスロート部（３２）で連結したものを形成しており、
   第１の組の冷却流路（２４）及び第２の組の冷却流路（２６）が、側面からみて複数の交差点（３６）を有する十字交差パターンをなすように構成され、
   第１の平面が第２の平面と離間した関係にあって、第１の組の冷却流路（２４）の複数のチャンバ部（３０）が第２の組の冷却流路（２６）の複数のチャンバ部（３０）と接続するように、第１の平面が第２の平面からオフセットしている、冷却流路。
2. 前記機械部品が、燃焼タービンエンジン（１０）のタービンブレード（１６，１７）を含む、請求項１記載の冷却流路。
3. 第１の組の冷却流路（２４）の交互拡大縮小構成が、前記チャンバ部（３０）と前記スロート部（３２）との間の規則的間隔を含み、第２の組の冷却流路（２６）の交互拡大縮小構成が、前記チャンバ部（３０）と前記スロート部（３２）との間の規則的間隔を含み、第１の組の冷却流路（２４）の規則的間隔と第２の組の冷却流路（２６）の規則的間隔とが略同じであり、
   第１の組の冷却流路（２４）及び第２の組の冷却流路（２６）は、側面からみて第１の組の冷却流路（２４）のチャンバ部（３０）が第２の組の冷却流路（２６）のチャンバ部（３０）に重なって複数の交差点（３６）を形成するように構成され、
   第１の組の冷却流路（２４）が、前記タービンブレードの第１の面（４０）に近接して位置し、第２の組の冷却流路（２６）が、前記タービンブレードの第２の面（４２）に近接して位置し、
   第１の平面が、前記タービンブレードの第１の面（４０）と離間した関係にあって、第２の平面が、前記タービンブレードの第２の面（４２）と離間した関係にある、請求項２記載の冷却流路。
4. 第１の組の冷却流路（２４）が、第１の面（４０）に向いた外側部と、第２の組の冷却流路（２６）に向いた内側部とを含み、第２の組の冷却流路（２６）が、第２の面（４２）に向いた外側部と、第１の組の冷却流路（２４）に向いた内側部とを含み、第１の組の冷却流路（２４）のチャンバ部（３０）は、第１の組の冷却流路（２４）のチャンバ部（３０）の内側部及び第２の組の冷却流路（２６）のチャンバ部（３０）の内側部に沿って第２の組の冷却流路（２６）のチャンバ部（３０）と接続している、請求項３記載の冷却流路。
5. 第１の面（４０）が前記タービンブレードの正圧面をなし、第２の面（４２）が前記タービンブレードの負圧面をなす、請求項３記載の冷却流路。
6. 前記タービンブレードが中空チャンバを含み、前記中空チャンバに沿って、第１の面（４０）が前記タービンブレードの外面をなし、第２の面（４２）が前記タービンブレードの内面をなす、請求項３記載の冷却流路。
7. 前記チャンバ部（３０）が、前記スロート部（３２）よりも大きな平均断面積の流路を含み、前記スロート部（３２）が最小スロート領域に向かって狭くなる縮小部と、次いで最小スロート領域から広くなる拡大部とを含み、前記チャンバ部（３０）が、最大チャンバ領域に向かって広くなる拡大部と、次いで最大チャンバ領域から狭くなる縮小部とを含む、請求項２記載の冷却流路。
8. 前記最小スロート領域及び前記最大チャンバ領域は、最小スロート領域の断面積が最大チャンバ領域の断面積の０．６〜０．４倍となるように構成される、請求項７記載の冷却流路。
9. 第１及び第２の組の冷却流路（２４，２６）の十字交差パターンは、一群の周囲の交差点（３６）間に中実領域（５０）が形成されるように構成され、中実領域（５０）は、その周囲に第１の組の冷却流路（２４）及び第２の組の冷却流路（２６）が形成される中実材料の領域を含み、
   前記中実領域（５０）は、側面からみて略円形、長円又は楕円形をなし、一群の周囲の交差点（３６）が４つの隣接する交差点（３６）の群を含み、前記中実領域（５０）の略円形、長円又は楕円形が、前記一群の周囲の交差点（３６）のチャンバ部（３０）を接続する前記スロート部（３２）の縮小部及び拡大部の輪郭を形成する、請求項７記載の冷却流路。
10. 第１の組の冷却流路（２４）が、ブレードスパン基準線に対して第１の角度（５３）で配置され、第２の組の冷却流路（２６）が前記ブレードスパン基準線に対して第２の角度（５４）で配置されて前記十字交差パターンをなし、
    第１の組の冷却流路（２４）及び第２の組の冷却流路（２６）の冷却流路が、前記タービンブレードを通して冷却剤を流すように構成され、
    第１の角度（５３）が３５°〜５５°で第２の角度（５４）が−３５°〜−５５°であるか、或いは第１の角度（５３）が−３５°〜−５５°で第２の角度（５４）が３５°〜５５°である、請求項２記載の冷却流路。
11. 第１の組の冷却流路（２４）及び第２の組の冷却流路（２６）が、上流軸方向境界部及び下流軸方向境界部に含まれる流れ場を有しており、
    第１の組の冷却流路（２４）及び第２の組の冷却流路（２６）が、前記上流軸方向境界部及び下流軸方向境界部に少なくとも複数の方向転換点（６２）を形成し、前記方向転換点（６２）が、第１の組の冷却流路（２４）からのチャンバ部（３０）と第２の組の冷却流路（２６）からのチャンバとの間に接合部を含み、
    前記方向転換点において、第１の組の冷却流路（２４）からのチャンバ部（３０）と第２の組の冷却流路（２６）からのチャンバとが互いに流体連通しており、前記方向転換点（６２）が、第１の組の冷却流路（２４）又は第２の組の冷却流路（２６）のいずれかからの冷却流路が終端し且つ他方の前記組からの冷却流路が始まる接合部を含む、請求項２記載の冷却流路。
12. 前記タービンブレードがタービンロータブレードを含み、
    前記上流軸方向境界部が、前記タービンロータブレードの翼形部の前縁（５８）付近の位置を含み、前記下流軸方向境界部が、前記タービンロータブレードの翼形部の後縁（５７）付近の位置を含み、
    前記流れ場が、前記タービンロータブレードのシャンク部付近の位置から前記タービンロータブレードの外側半径方向先端（５９）付近の位置まで半径方向に延在する、請求項１１記載の冷却流路。
13. 複数の前記方向転換点（６２）が、作動中に所要のレベルの冷却剤が放出されるように流量制御される冷却剤出口を含み、
    第１の組の冷却流路（２４）及び第２の組の冷却流路（２６）が外向き半径方向に延在するにつれて、第１の組の冷却流路（２４）及び第２の組の冷却流路（２６）の輪郭が狭幅になり、狭幅が前記タービンロータブレードの狭幅に略正比例する、請求項１２記載の冷却流路。
14. 前記シャンク部付近の位置において、第１の組の冷却流路（２４）及び第２の組の冷却流路（２６）からの冷却流路が、前記シャンク部を通って形成された供給フィードからの冷却剤の流れを受け入れるように構成された入口を含み、
    前記外側半径方向先端（５９）付近の位置において、第１の組の冷却流路（２４）及び第２の組の冷却流路（２６）の冷却流路が、作動中に所要のレベルの冷却剤が放出されるように流量制御される冷却剤出口を含む、請求項１２記載の冷却流路。
15. 第１の組の冷却流路（２４）が、内側半径方向／前縁（５８）位置から外側半径方向／後縁（５７）位置まで対角方向に延在する冷却流路を含み、第２の組の冷却流路（２６）が、内側半径方向／後縁（５７）位置から外側半径方向／前縁（５８）位置まで対角方向に延在する冷却流路を含み、
    第１の組の冷却流路（２４）の長手方向軸線が第２の組の冷却流路（２６）の長手方向軸線に対し略垂直であり、
    第１の平面及び第２の平面が、作動中に、第１の組の冷却流路（２４）のチャンバ部（３０）と第２の組の冷却流路（２６）のチャンバ部（３０）との間に形成された接続部において所要の混合を促進するオフセットを含む、請求項２記載の冷却流路。