JP6010295B2 - タービンロータブレードのプラットフォーム領域を冷却するための装置及び方法 - Google Patents

Description

本出願は、総括的には、本明細書で使用する場合及び特に記載のない限り、発電及び航空機エンジンで使用するもののようなあらゆるタイプの燃焼タービンエンジンを含む燃焼タービンエンジンに関する。より具体的には、限定ではないが、本出願は、タービンロータブレードのプラットフォーム領域を冷却するための装置、システム及び／又は方法に関する。

ガスタービンエンジンは通常、圧縮機、燃焼器及びタービンを含む。圧縮機及びタービンは一般的に、多段で軸方向にスタックされた翼形部又はブレードの列を含む。各段は通常、固定された円周方向に間隔を置いて配置されるステータブレードの列と、中心軸線又はシャフトの周りで回転する円周方向に間隔を置いて配置されるロータブレードのセットとを含む。作動中に圧縮機内のロータブレードは、シャフトの周りで回転して空気の流れを加圧する。加圧した空気は次に、燃焼器内で使用されて供給燃料を燃焼させる。燃焼プロセスにより結果として生じた高温ガスの流れは、タービンを通って膨張し、これによりロータブレードが当該ブレードを取り付けたシャフトを回転させる。このようにして、燃料内に含有されるエネルギーが回転シャフトの機械的エネルギーに変換され、次いで、この回転シャフトの機械エネルギーは、例えば、発電のため発電機のコイルを回転させるのに使用することができる。

図１及び図２を参照すると、タービンロータブレード１００は一般的に、翼形部分又は翼形部１０２と、根元部分又は根元１０４とを含む。翼形部１０２は、凸面形負圧面１０５及び凹面形正圧面１０６を有するものとして説明することができる。翼形部１０２は更に、前方端縁部である前縁１０７と、後方端縁部である後縁１０８とを有するものとして説明することができる。根元１０４は、ブレード１００をロータシャフトに固定するための構造体（図示するように、通常はダブテール１０９を含む）と、そこから翼形部１０２が延びるプラットフォーム１１０と、ダブテール１０９及びプラットフォーム１１０間に構造体を含むシャンク１１２とを有するものとして説明することができる。

図示するように、プラットフォーム１１０は、ほぼ平面とすることができる。（本明細書で使用する場合の「平面」とは、ほぼ又は実質的に平面形状であることを意味する点に留意されたい。例えば、プラットフォームは、ロータブレードの半径方向位置におけるタービンの外周に相当する曲率を有する状態で僅かに湾曲し且つ凸面形になった外側表面を有するように構成することができる点は当業者には分かるであろう。本明細書で使用する場合には、このタイプのプラットフォーム形状は、曲率の半径がそのプラットフォームを平坦な外観にするのに十分なほど大きいので平面と見なされる。）より具体的には、プラットフォーム１１０は、平面上側面１１３を有することができ、この平面上側面１１３は、図１に示すように軸方向及び円周方向に延びる平坦面を含むことができる。図２に示すように、プラットフォーム１１０は、平面下側面１１４を有することができ、この平面下側面１１４もまた、軸方向及び円周方向に延びる平坦面を含むことができる。プラットフォーム１１０の上側面１１３及び底側面（下側面）１１４は、その各々が他方に対してほぼ平行になるように形成することができる。図示するように、プラットフォーム１１０は通常、薄い半径方向輪郭を有し、すなわち該プラットフォーム１１０の上側面１１３及び底側面１１４間に比較的短い半径方向距離が存在することは当業者には理解されるであろう。

一般的に、プラットフォーム１１０は、タービンブレード１００上で使用して、ガスタービンの高温ガス通路セクションの内側流路境界を形成する。プラットフォーム１１０は更に、翼形部１０２に対して構造的支持を与える。作動中に、タービンの回転速度は、プラットフォーム１１０に沿って高応力領域を発生させる機械的荷重を誘起し、該高応力領域は、高温と相まって最終的には酸化、クリープ、低サイクル疲労割れ及びその他のような作動上の欠陥部の形成を引き起こす。言うまでもなく、これらの欠陥は、ロータブレードの有効寿命に悪影響を与える。これらの過酷な作動条件、すなわち高温ガス通路の極度な温度への露出、及び回転ブレードに関連する機械的荷重は、良好に作動し且つ製造上の費用効果があり、耐久性があり長持ちするロータブレードプラットフォーム１１０の設計において大きな課題を生じさせることは理解されるであろう。

プラットフォーム領域１１０の耐久性を向上させる１つの一般的な解決法は、作動時に該プラットフォーム領域１１０を加圧空気又は他の冷却媒体の流れにより冷却することであり、また種々のこれらのタイプのプラットフォーム設計は公知である。しかしながら、当業者には理解されるように、プラットフォーム領域１１０は、このようにする冷却を困難にさせる特定の設計課題を提示する。大部分において、このことは、上述のようにプラットフォーム１１０がロータブレードの中心コア部から離れて存在する周辺構成要素であり且つ典型的には構造的に安定しているが薄い半径方向厚さを有するように設計されているので、この領域の扱い難い幾何形状に起因している。

冷却媒体を循環させるために、ロータブレード１００は通常、根元１０４及び翼形部１０２を貫通することを含む、ブレード１００の内部を貫通して半径方向に延びる１以上の中空冷却通路１１６（図３、図４、及び図５を参照）を含む。以下でより詳細に説明するように、熱交換を増大させるために、このような冷却通路１１６は、ブレード１００の中心領域を通って曲がりくねった蛇行通路を有する状態で形成することができるが、他の構成も実施可能である。作動中、冷却媒体は、根元１０４の内寄り面内に形成された１以上の入口１１７を介して内部冷却通路に流入することができる。冷却媒体は、ブレード１００を通って循環し、翼形部上に形成された出口（図示せず）を通って及び／又は根元１０４内に形成された１以上の出口（図示せず）を介して流出することができる。冷却媒体は、加圧することができ、また例えば、加圧空気、水と混合した加圧空気、蒸気及び同様のものを含むことができる。多くのケースでは、冷却媒体は、エンジンの圧縮機から分流された加圧空気であるが、他の供給源も実施可能である。以下により詳細に説明するように、これらの内部冷却通路は通常、高圧冷却媒体領域及び低圧冷却媒体領域を含む。高圧冷却媒体領域は通常、より高い冷却媒体圧力を有する冷却通路の上流部分に対応し、一方、低圧冷却媒体領域は、比較的より低い冷却媒体圧力を有する下流部分に対応する。

幾つかのケースでは、冷却媒体は、内部冷却通路１１６から隣り合うロータブレード１００のシャンク１１２及びプラットフォーム１１０間に形成されたキャビティ１１９内に導くことができる。ここから、冷却媒体を使用して、ブレードのプラットフォーム領域１１０を冷却することができ、この従来型の設計を図３に提示している。このタイプの設計は通常、内部冷却通路１１６の１つから空気を取り出して、当該空気を使用してシャンク１１２／プラットフォーム１１０間に形成されたキャビティ１１９を加圧する。加圧されると、このキャビティ１１９は次に、プラットフォーム１１０を貫通して延びる冷却チャンネルに冷却媒体を供給する。プラットフォーム１１０を横断した後に、冷却空気は該プラットフォーム１１０の上側面１１３内に形成されたフィルム冷却孔を通してキャビティから流出することができる。

しかしながら、このタイプの従来型の設計は、幾つかの欠点を有することが分かるであろう。第１に、冷却回路は２つの隣り合うロータブレード１００が組み立てられた後にのみ形成されるので、冷却回路は１つの部品内に内蔵されるものではない。このことにより、据え付け及び据え付け前の流れテストが極めて困難で複雑なものになる。第２の欠点は、隣り合うロータブレード１００間に形成されたキャビティ１１９の一体性が、該キャビティの周囲を如何に良好にシールするかに依存していることである。不適切なシールにより、不十分なプラットフォーム冷却及び／又は冷却空気の浪費が生じる可能性がある。第３の欠点は、高温ガス通路ガスがキャビティ１１９又はプラットフォーム１１０自体内に吸込まれる可能性があるという内在するリスクである。これは、キャビティ１１９が作動中に十分高い圧力に維持されていない場合に発生する可能性がある。キャビティ１１９の圧力が高温ガス通路内の圧力を下回った場合には、高温ガスがシャンクキャビティ１１９又はプラットフォーム１１０自体内に吸込まれることになり、これにより、典型的には、これらの構成要素が高温ガス通路条件への露出に耐えるように設計されていなかった場合には、これら構成要素が損傷を受けることになる。

図４及び図５は、プラットフォーム冷却用の別のタイプの従来型の設計を示している。このケースでは、冷却回路は、図示するように、ロータブレード１００内に内蔵され且つシャンクキャビティ１１９を含まない。冷却空気は、ブレード１００のコア部を貫通して延びる内部冷却通路１１６の１つから取り出され、且つプラットフォーム１１０内に形成された冷却チャンネル１２０（すなわち、「プラットフォーム冷却チャンネル１２０」）を通って後方に導かれる。幾つかの矢印で示すように、冷却空気は、プラットフォーム冷却チャンネル１２０を通って流れて、プラットフォーム１１０の後方端縁部１２１内の出口を通して又は負圧側面端縁部に沿って配置された出口から流出する。（矩形プラットフォーム１１０の端縁部又は面を説明する又は言及する上で、これら端縁部又は面の各々は、翼形部１０２の負圧面１０５及び正圧面１０６に対するその位置に基づいて、及び／又はブレード１００を据え付けた場合にはエンジンの前方及び後方方向に基づいて図に表現することができる点に留意されたい。従って、当業者には理解されるように、プラットフォームは、図３及び図４に示すように、後方端縁部１２１、負圧側面端縁部１２２、前方端縁部１２４及び正圧側面端縁部１２６を含むことができる。加えて、負圧側面端縁部１２２及び正圧側面端縁部１２６はまた、一般的には「スラッシュ面」と呼ばれ、また隣り合うロータブレード１００が据え付けた場合にこれらの間に形成された狭いキャビティは、「スラッシュ面キャビティ」と呼ぶことができる。）
図４及び図５の従来型の設計は、これらが組み立て又は据え付け状態における変動によって影響を受けない点において、図３の設計に勝る利点を有することが分かるであろう。しかしながら、この種の従来型の設計は、幾つかの限界又は欠点を有する。第１に、図示するように、翼形部１０２の各側面上には単一の回路のみが設けられ、従って、プラットフォーム１１０内の異なる位置で使用される冷却空気の量の制御には限界があるという欠点が存在する。第２に、このタイプの従来型の設計は、一般的に限られたカバレッジ範囲を有する。図５の蛇行通路は、図４に勝るカバレッジ範囲に関する改良であるが、プラットフォーム１１０内には非冷却状態のままのデッド区域が依然として存在する。第３に、複雑に形成したプラットフォーム冷却チャンネル１２０によって良好なカバレッジ範囲を得るために、特に冷却チャンネルが形成するのに鋳造プロセスを必要とする形状を有する場合には、製造コストが大幅に増加する。第４に、これらの従来型の設計は通常、使用後で且つ冷却媒体が完全に排出される前に冷却媒体を高温ガス通路内に放出し、このことは、エンジンの性能に悪影響を与える。第５に、この種の従来型の設計は一般的に自由度が殆どない。すなわち、チャンネル１２０は、プラットフォーム１１０の一体形部分として形成され、作動条件が変化したときにこれらの機能又は構成を変更する機会を殆ど又は全く提供しない。これらのタイプの従来型の設計は、補修又は改修するのが困難である。

加えて、当業者であれば理解されるように、これらのタイプの冷却構成に関連する別の問題は、プラットフォーム冷却回路すなわちプラットフォームの内部を通して形成される内部冷却通路を、主冷却回路すなわち根元及び翼形部の内部を通って形成される内部冷却通路に接続していることである。このことの１つの理由は、通常必要とされる接続がブレードの高応力領域を介して形成しなければならないことである。別の理由は、プラットフォーム冷却回路のコアを鋳造プロセス中に主冷却回路のコアに接続されていないままにさせることに伴う利点に関連している。例えば、通常、プラットフォーム冷却回路は、プラットフォームの外面に対する内部冷却通路の配置に伴う厳しい公差要件を有する。その長さに起因して、主冷却回路のコアは、鋳造プロセス中に鋳物が充填されたときに移動する傾向がある。この移動は、主冷却回路の配置に対しては許容されるが、主コアの移動がプラットフォームコアに対して並進する場合にプラットフォーム冷却回路の厳しい配置公差を満足することは困難である。鋳造プロセスを通じて２つのコアが接続されていないままにすることは、主コアの移動がプラットフォーム冷却回路の最終配置に影響を与えないことを意味する。勿論、これには、鋳造後に接続することが必要である。高応力の領域が存在すると、この接続は、構造的一体性が維持されるように形成されなければならない。

米国特許第７，４１６，３９１号明細書

従来型のプラットフォーム冷却設計は、これらの重要な要件を満たすことはできない。タービンロータブレードのプラットフォーム領域を効果的且つ効率的に冷却すると同時に、構成するのに費用効果があり、適用の自由度があり、構造的に安定し、且つ耐久性のある改良された装置、システム及び方法に対する必要性が存在する。

従って、本出願は、翼形部と根元との接合部にプラットフォームを含むタービンロータブレードの内部を通る冷却チャンネル構成を記載する。一実施形態では、冷却チャンネル構成は、根元における冷却媒体源との接続部から翼形部の内部に延びるよう構成された内部冷却通路と、プラットフォームの少なくとも一部を横断するプラットフォーム冷却チャンネルと、プラットフォーム冷却チャンネルとの接続部を有する第１のセクションと、半径方向に配向した冷却チャンネルを有する第２のセクションとを含むターンダウン延長部と、根元の外側面を通って形成されたコネクタ開口から内部冷却通路との接続部まで延びて、これらの間でターンダウン延長部の第２のセクションを二分するコネクタとを含む。

翼形部と根元との接合部にプラットフォームを含むタービンロータブレードの内部を通る冷却チャンネル構成を製造する方法が提供される。一実施形態では、本方法は、根元において冷却媒体源との接続部から翼形部の内部まで延びるように構成された内部冷却通路を形成するステップと、プラットフォームの少なくとも一部を横断するプラットフォーム冷却チャンネルを形成するステップと、プラットフォーム冷却チャンネルとの接続部を形成する第１のセクション及び半径方向に配向した冷却チャンネルを含む第２のセクションを備えたターンダウン延長部を形成するステップと、根元の外側面を通って形成される開口から内部冷却通路との接続部まで延び且つこれらの間でターンダウン延長部の第２のセクションを二分するコネクタを形成するステップとを含む。

本出願のこれらの及び他の特徴は、図面及び特許請求の範囲を参照しながら好ましい実施形態の以下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。

本発明のこれらの及び他の特徴は、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注意深く検討することによって完全に理解され且つ認識されるであろう。

その中で本発明の実施形態を使用することができる例示的なタービンロータブレードの斜視図。 その中で本発明の実施形態を使用することができるタービンロータブレードの下側面図。 従来型の設計による、冷却システムを有する隣り合うタービンロータブレードの断面図。 従来型の設計による、内部冷却チャンネルを備えたプラットフォームを有するタービンロータブレードの上面図。 別の従来型の設計による、内部冷却チャンネルを備えたプラットフォームを有するタービンロータブレードの上面図。 本出願の一実施形態による、冷却チャンネルの構成を有するタービンロータブレードの部分断面上面図。 本出願の一実施形態による、冷却チャンネルの構成を有するタービンロータブレードの断面図。 本出願の一実施形態による、プラットフォーム冷却チャンネルの断面図。 本出願の一実施形態による、冷却チャンネルの構成を有するタービンロータブレードの断面図。

複数の従来の冷却設計に関連して上記で説明されたように、冷却媒体の内部循環により冷却されるタービンブレードは通常、根元から半径方向外向きにプラットフォーム領域を貫通して翼形部内に延びる主又は内部冷却通路を含むことが分かるであろう。本発明の一部の実施形態は、従来型の内部冷却通路と組み合わせて使用して、効率的な能動プラットフォーム冷却を強化又は可能にすることができ、また本発明は、共通の設計すなわち曲がりくねった又は蛇行した構成を有する内部冷却通路１１６に関して検討することが分かるであろう。図６に図示するように、蛇行通路は通常、冷却媒体の一方向流れを可能にするように構成され、且つ冷却媒体と周囲のロータブレード１００との間の熱交換を促進する特徴要素を含む。作動中、通常は圧縮機から抽気した加圧空気である加圧冷却媒体（本発明の実施形態では、蒸気のような他のタイプの冷却媒体を使用してもよいが）は、根元１０４を貫通して形成された接続部を通して内部冷却通路１１６に供給される。圧力により内部冷却通路１１６を通って冷却媒体が押し進められ、該冷却媒体は周囲の壁から対流により熱を移動させる。

冷却媒体が内部冷却通路１１６を通って移動すると、冷却媒体は圧力を喪失して、内部冷却通路１１６の上流部分内の冷却媒体が、下流部分内の冷却媒体よりも高い圧力を有するようになることが分かるであろう。以下でより詳細に説明するように、本発明の幾つかの実施形態では、この圧力差を使用して、プラットフォーム内に形成された内部冷却通路にわたって又は該内部冷却通路を通して冷却媒体を押し進めることができる。本発明は、異なる構成の内部冷却通路を有するロータブレード１００で使用することができ、蛇行形態を有する内部冷却通路に限定されるものではないことは分かるであろう。従って、本明細書で使用する場合の用語「内部冷却通路」又は「冷却通路」とは、冷却媒体が通ってロータブレード内を循環できるあらゆる通路又は中空チャンネルを含むことを意図している。本明細書で示すように、本発明の内部冷却通路１１６は、少なくともプラットフォーム１１０のほぼ半径方向高さまで延びており、比較的より高い冷却媒体圧力の少なくとも１つの領域（この領域は今後、「高圧領域」と呼び、幾つかのケースでは蛇行通路内の上流セクションとすることができる。）と、比較的より低い冷却媒体圧力の少なくとも１つの領域（この領域は今後、「低圧領域」と呼び、高圧の領域に対して蛇行通路内の下流セクションとすることができる。）とを含むことができる。

一般に、従来の内部冷却通路１１６の様々な設計は、ロータブレード１００内の特定の領域に対して能動冷却を行うのに有効である。しかしながら、当業者には理解されるように、プラットフォーム領域は、より困難な課題を提示している。この課題は、少なくともその一部は、プラットフォーム領域の扱い難い幾何形状、すなわち、その狭い半径方向高さ並びに該プラットフォームがロータブレード１００のコア部又は主本体から少し離れた状態であることに起因している。しかしながら、高温ガス通路の過度な温度への露出及び高い機械的荷重がある場合には、プラットフォームの冷却要求量は大きくなる。上記のように、従来型のプラットフォーム冷却設計は、このような領域の特定の課題に対処できない理由から効果的ではなく、これらの冷却媒体の使用が非効率的で、及び／又は製作するのに費用がかかる。

再度図面を参照すると、図６から図９は、本発明の例示的な実施形態の幾つかの図を示している。図示のように、本発明は、一般に、タービンロータブレード１００の内部を通る冷却チャンネルの構成を含む。タービンロータブレードは、翼形部１０２と根元１０４との接合部にプラットフォーム１１０を含むことができる。この構成は、根元１０４を通って翼形部１０２の内部にまで形成された、冷却媒体源との接続部から延びるよう構成される内部冷却通路１１６と、プラットフォームの少なくとも一部を横断するプラットフォーム冷却チャンネル１３２とを含むことができる。図示のように、プラットフォーム冷却チャンネル１３２は、蛇行形態を有することができるが、他の構成も実施可能である。本発明は、更に、ターンダウン延長部１３４を含むことができ、該ターンダウン延長部１３４は、プラットフォーム冷却チャンネル１３２との接続部を備えた第１のセクション１３６と、半径方向に配向した冷却チャンネルを備えた第２のセクション１３８とを含む。本発明は、更に、根元１０４の外側面を通って形成されたコネクタ開口１４２から内部冷却通路１１６との接続部まで延びて、図示のようにターンダウン延長部１３４の第２のセクション１３８を二分するコネクタ１４０を含むことができる。

上述のように、根元１０４は、ロータホイールに根元を接続する手段を含むことができ、通常はダブテール１０９及びシャンク１１２を含む。コネクタ開口１４２は、シャンクの外側面を通って形成することができる。コネクタ開口１４２は、プラットフォーム１１０のすぐ内寄りに位置付けることができる。幾つかの実施形態では、コネクタ開口１４２は、プラットフォームのすぐ内寄りに位置するシャンク内に形成されたフィレット領域内に位置付けられる。図示のように、コネクタ開口１４２は、プラグ１４４を含むことができる。プラグ１４４は、コネクタ開口１４２を完全に塞ぐために形成することができる。コネクタ１４０は、コネクタ開口１４２から、外寄り方向で対角線上に延びることができる。ターンダウン延長部１３４の第２のセクション１３８の内側半径方向端部では、ターンダウン延長部１３４は行止り部１４６を有することができる。

プラットフォーム１１０は、平面構成を有することができる。プラットフォーム冷却チャンネル１３２の長手方向軸線は、プラットフォーム１１０の平面とほぼ平行の関係を有することができる。ターンダウン延長部１３４の第１のセクション１３６は、軸方向／円周方向に配向した冷却チャンネル（すなわち、半径方向に配向した基準線にほぼ垂直）を有することができる。第１のセクション１３６は、接続されるプラットフォーム冷却チャンネル１３２にほぼ平行とすることができる。ターンダウン延長部１３４は、第１のセクション１３６から、第１のセクション１３６と第２のセクション１３８との間でほぼ９０℃の肘状移行部を有することができる。

コネクタ１４０は、ターンダウン延長部１３４の第２のセクション１３８を斜めに二分するように構成することができ、コネクタ１４０の断面形状は円形とすることができる。このようにして、斜め二分コネクタ１４０は、第２のセクション１３８内に楕円形の壁開口を形成する。この交差部は、通常は高い半径方向応力を生じる傾向がある領域内に位置付けられる。半径方向に配向した主軸を備えると、楕円入口幾何形状により、このようなコア間の機械加工による接続部を作成したときに生じるこれらの典型的な応力集中が軽減される。図７に示すように、コネクタ１４０は、直線状であり、長手方向軸線１５２を有することができる。ターンダウン延長部１３４の第２のセクション１３８もまた、直線状の形状であり、長手方向軸線１５４を有することができる。

上述のように、コネクタ１４０は、第２のセクション１３８を斜めに二分し、図示のように鋭角１５６を形成することができる。鋭角１５６が特定の寸法範囲内にある場合、性能上の利点が実現されることが分かっている。好ましい実施形態では、コネクタ１４０の長手方向軸線１５２とターンダウン延長部１３４の第２のセクション１３８の長手方向軸線１５４との間に形成される鋭角は、１５°〜７５°の範囲内に入る。更に好ましくは、コネクタ１４０の長手方向軸線１５２とターンダウン延長部１３４の第２のセクション１３８の長手方向軸線１５４との間に形成される鋭角は、３０°〜６０°である。更により好ましくは、コネクタ１４０の長手方向軸線１５２とターンダウン延長部１３４の第２のセクション１３８の長手方向軸線１５４との間に形成される鋭角は、およそ４５°である。

上述のように、第２のセクション１３８は、ほぼ半径方向の向きを有するように構成することができる。好ましい実施形態では、第２のセクション１３８の長手方向軸線１５４は、半径方向に配向した基準線と３０°〜−３０°の鋭角を形成する。より好ましくは、第２のセクション１３８は、該第２のセクション１３８の長手方向軸線１５４が半径方向に配向した基準線と１０°〜−１０°の鋭角を形成するように構成される。

１つの好ましい実施形態では、図６に示すように、内部冷却通路１１６は、作動中に高圧冷却媒体領域（又は相対的に高い圧力の区域）と低圧冷却媒体領域（又は相対的に低い圧力の区域）とを含むように構成することができる。このケースでは、プラットフォーム冷却チャンネル１３２は、上流側端部１６０及び下流側端部１６２を含むことができ、その各々が、近接して位置付けられるターンダウン延長部１３４を含む。従って、上流側ターンダウン延長部１３４は、プラットフォーム冷却チャンネル１３２の上流側端部１６０との接続部を形成する第１のセクション１３６を含むことができ、下流側ターンダウン延長部１３４は、プラットフォーム冷却チャンネル１３２の下流側端部１６２との接続部を形成する第１のセクション１３６を含むことができる。コネクタ１４０は、ターンダウン延長部１３４の各々において形成され、すなわち高圧コネクタ１４０及び低圧コネクタ１４０を形成することができる。高圧コネクタ１４０は、シャンク１１２の外側面を貫通して形成されたコネクタ開口１４２から内部冷却通路１１６の高圧冷却媒体領域との接続部まで延びることができ、これらの間で高圧コネクタ１４０は、上流側ターンダウン延長部１３４の第２のセクション１３８を二分することができる。低圧コネクタ１４０は、シャンク１１２の外側面を貫通して形成されたコネクタ開口１４２から内部冷却通路１１６の低圧冷却媒体領域との接続部まで延びることができ、これらの間で低圧コネクタ１４０は、下流側ターンダウン延長部１３４の第２のセクション１３８を二分することができる。コネクタ開口１４２は、冷却媒体が当該位置にて流出できないようにプラグで塞ぐことができる。使用時には、プラットフォーム冷却チャンネル１３２がどのような熱交換構造を含むにしても、高圧コネクタ１４０と低圧コネクタ１４０との間の圧力差が、プラットフォーム冷却チャンネル１３２にわたって冷却媒体を通過させることができることが分かるであろう。

一実施形態では、プラットフォーム冷却チャンネル１３２は、図６に示すように蛇行形態をとる。上述のように、翼形部１０２は、正圧面１０６及び負圧面１０５を含む。プラットフォームの正圧面は、翼形部１０２の正圧側面１０６に対応するプラットフォーム１１０の側面であり、正圧側スラッシュ面１２６は、プラットフォーム１１０の正圧側面の直線状縁部とすることができる。好ましい実施形態では、プラットフォーム冷却チャンネル１３２は、主として、図６に示すように、プラットフォームの正圧側面の内部を通して位置付けることができる。加えて、タービンロータブレード１００の前方及び後方の方向に対して、プラットフォーム冷却チャンネル１３２の上流側端部１６０は前方位置を有することができ、チャンネル１３２の下流側端部１６２は後方位置を有することができる。

好ましい実施形態では、図６に示すように、プラットフォーム冷却チャンネル１３２は、スラッシュ面セクション１６４を有することができる。スラッシュ面セクション１６４は、正圧側スラッシュ面１２６の長さの大部分に沿って該正圧側スラッシュ面１２６に近接し且つ平行に位置するプラットフォーム冷却チャンネル１３２のセクションとすることができる。スラッシュ面セクション１６４の上流側端部は、プラットフォーム冷却チャンネル１３２の上流側端部に近接して位置することができる。この構成、すなわちプラットフォーム冷却チャンネル１３２の上流側端部に近接してスラッシュ面セクション１６４を位置付けることにより、最も低温（プラットフォーム冷却チャンネル１３２の他のセクションに対して）の冷却媒体をこのセクションが受けることが可能になることが分かるであろう。正圧側スラッシュ面１２６は特に高い冷却要件を有する区域であるので、この構成は性能上の利点がある。スラッシュ面セクション１６４から、プラットフォーム冷却チャンネル１３２は、第１のスイッチバック部１６６と、該第１のスイッチバック部１６６の下流側にあり、プラットフォームの中央区域に位置する内部セクション１６８とを備える。図示のように、内部セクション１６８は、第１のスイッチバック部１６６のすぐ下流側にある直線状セクション１７０と、該直線状セクション１７０の下流側の第２のスイッチバック部とを含むことができる。第２のスイッチバック部は、プラットフォーム冷却チャンネル１３２の下流側端部１６２に近接して位置することができる。

幾つかの実施形態では、上流側ターンダウン延長部１３４は、プラットフォーム１１０とシャンク１１２との間で正圧側接合部に沿った前方位置を有することができる。上流側ターンダウン延長部１３４に対して、下流側ターンダウン延長部１３４は、プラットフォーム１１０とシャンク１１２との間で正圧側接合部に沿った後方位置を有することができる。プラットフォーム１１０とシャンク１１２の接合部に沿って位置付けることにより、ターンダウン延長部１３４の第２のセクション１３８と内部冷却通路１１６との接続部を比較的短い長さのコネクタ１４０により形成できることが分かるであろう。

図８に示すように、本発明によれば、プラットフォーム冷却チャンネル１３２は、プラットフォームとそこを流れる冷却媒体との間の熱伝達を向上させる特定の断面形状及び寸法を有するように構成することができる。好ましい実施形態では、プラットフォーム冷却チャンネル１３２は、図８に示すように実質的に矩形形状とすることができる。応力集中を低減するために、断面矩形形状のコーナにはフィレット領域が存在し、ほぼ長円の外観をもたらすことができる。矩形形状は、半径方向に高さ１７６と、軸方向／円周方向に幅１７８とを有するよう構成することができる。好ましい実施形態では、プラットフォーム冷却チャンネル１３２は、幅１７８が高さ１７６よりも大きいように構成することができる。これは、プラットフォーム冷却チャンネル１３２の全長に対して当てはめることができ、或いは、長さの大部分に適用することができる。別の好ましい実施形態では、プラットフォーム冷却チャンネル１３２は、幅１７８が高さ１７６よりも少なくとも２倍大きいように構成することができる。これはまた、プラットフォーム冷却チャンネル１３２の全長に対して当てはめることができ、或いは、長さの大部分に適用することができる。プラットフォーム領域の形状が平面である場合、より大きな幅１７８を有する構成であるほど、プラットフォーム冷却チャンネル１３２全体にわたり利用可能な表面積が増大し、周囲のプラットフォーム１１０と冷却チャンネル１３２を流れる冷却媒体との間の熱交換が増大することが分かるであろう。

図６は、本発明の別の態様を示している。幾つかの好ましい実施形態では、１以上の冷却アパーチャ１７９を設けることができる。図示の冷却アパーチャ１７９は、プラットフォーム冷却チャンネル１３２を通って流れる冷却媒体の所望の部分を作動中にプラットフォーム１１０上に形成された出口又は冷却アパーチャ１７９から放出する小チャンネルを含むことができる。図示のように、冷却アパーチャ１７９は、好ましい実施形態では、プラットフォーム１１０の正圧側スラッシュ面１２６又は上側面１１３上に位置付けられる。正圧側スラッシュ面１２６上に位置付けられた冷却アパーチャ１７９に関して、冷却アパーチャ１７９は、放出した冷却媒体が隣接するタービンブレード１００のスラッシュ面に対抗する速度で衝突されて配向されるように狭くすることができ、これにより一般的に冷却効果が向上するようになる。スラッシュ面キャビティ及びこれらを定めるスラッシュ面は、冷却するのが難しいプラットフォーム１１０の領域であり、冷却アパーチャ１７９がこれを実施する効果的な方法とすることができることは分かるであろう。冷却アパーチャ１７９は、所望の流量及び／又は調整流量が達成されるようなサイズにすることができる。

本発明は更に、タービンロータブレードのプラットフォーム領域内に効果的な内部冷却チャンネルを効率的に形成する新規の方法を含む。より具体的には、本発明は、タービンロータブレードの内部を通る冷却チャンネルの構成を製造する方法を含む。タービンロータブレード１００は、翼形部１０２とロータ１０４との間の接合部においてプラットフォーム１１０を有することができる。１つの好ましい実施形態では、本方法は、根元１０４において冷却媒体源との接続部から翼形部１０２の内部まで延びるように構成された内部冷却通路１１６を形成するステップと、プラットフォーム１１０の少なくとも一部を横断するプラットフォーム冷却チャンネル１３２を形成するステップと、プラットフォーム冷却チャンネル１３２との接続部を形成する第１のセクション１３６及び半径方向に配向した冷却チャンネルを含む第２のセクション１３８を備えたターンダウン延長部１３４を形成するステップと、根元１０４の外側面を通って形成されるコネクタ開口１４２から内部冷却通路１１６との接続部まで延び且つこれらの間でターンダウン延長部１３４の第２のセクション１３８を二分するコネクタ１４０を形成するステップとを含むことができる。ターンダウン延長部１３４の形成は、鋳造プロセスを含むことができる。鋳造プロセスはまた、内部冷却通路１１６及びプラットフォーム冷却チャンネル１３２を形成するのに用いることができる。内部冷却通路１１６を形成するのに使用されるコアと、プラットフォーム冷却チャンネル１３２を形成するのに使用されるコアは、鋳造プロセスにより形成されている間は接続されないようにすることができ、これは上述のように有利とすることができる。コネクタ１４０は、ターンダウン延長部１３４及び内部冷却通路１１６が形成された後に形成することができる。

検討した実施可能な構成を仮定すると、コネクタの形成は、比較的複雑ではなく且つ費用効果のあるラインオブサイト機械加工プロセスで完成させることができる。１つの好ましい実施形態では、図８に示すように、ガイドロッド１８０は、鋳造プロセス中に位置付けることができ、機械的孔加工プロセスとすることができる、コネクタ１４０の鋳造後機械加工を誘導する役割を果たす。図８の破線は、機械加工プロセスが完了したときのコネクタ１４０の最終構成を表していることが分かるであろう。この幾何形状を仮定すると、コネクタ１４０は、単引きの面加工工程で効率的に形成することができる。プラグ１４４は、冷却チャンネル構成を完成するよう設置することができる。プラグ１４４は、機械的干渉、溶接、ろう付け、その他など、従来の方法を用いてコネクタ開口１４２内に設置することができる。これらの複数のステップを用いて、上記で検討した幾つかの代替の実施形態を生成できることは分かるであろう。

作動中、本出願の例示的な実施形態によれば、冷却媒体は、ダブテール１０９の前方区域を通って内部冷却通路１１６に流入し、翼形部１０２内に配向された後に、冷却媒体が後方に蛇行して流れるように蛇行構成の内部冷却通路１１６を通って半径方向外向き／内向きに流れることができる。図示のように、高圧コネクタ１４０は、内部冷却通路１１６の上流側（及び高圧）部分が上流側ターンダウン延長部１３４と流体連通し、その結果、プラットフォーム冷却チャンネル１３２の上流側端部１６０に冷却媒体を配向するように構成することができる。低圧コネクタ１４０は、内部冷却通路１１６の下流側（及び低圧）部分が下流側ターンダウン延長部１３４と流体連通するように構成することができる。下流側ターンダウン延長部１３４は、プラットフォーム冷却チャンネル１３２から流出する冷却媒体を集めて該冷却媒体を内部冷却通路１１６に戻すことができ、ここで冷却媒体は、他の下流側冷却用途に使用され、及び／又はロータブレード上の他の場所に位置する冷却アパーチャを通って排出することができる。

このようにして、本発明のプラットフォーム冷却構成は、内部冷却通路１１６から冷却媒体の一部を抽出し、該冷却媒体を用いてプラットフォーム１１０から熱を取り除き、次いで、内部冷却通路１１６に冷却媒体を戻すことができ、ここで冷却媒体を更に用いることができる。本発明は、製造が効率的で且つ費用効果あり、更にロータブレードの構造上の一体性を維持しながらこのことを達成することが分かるであろう。上述の特定の好ましい実施形態による、鋳造プロセス中のプラットフォームコアとメインコアの分離は、鋳造プロセス中の他の性能上の利点と効率性を提供する。

当業者には理解されるように、幾つかの例示的な実施形態に関して上述した多くの様々な特徴及び構成は、本発明の他の実施可能な実施形態を形成するように更に選択的に適用することができる。簡潔にするため及び当業者の能力を考慮して、実施可能な反復形態の全てを示し又は詳細に論じていないが、幾つかの特許請求項又は他に包含される全ての組み合わせ及び実施可能な実施形態は、本出願の一部であることを意図している。加えて、本発明の幾つかの例示的な実施形態の上記の説明から、当業者は、その改良、変更及び修正に気付くであろう。当技術の範囲内のこのような改善、変更及び修正もまた、特許請求の範囲によって保護されることを意図している。更に、上述の説明は本出願の記載した実施形態のみに関するものであること、並びに提出した特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本出願の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、本明細書において多くの変更及び修正を行うことができることは明らかであろう。

１０２ 翼形部
１０４ 根元
１０５ 負圧面
１０６ 正圧面
１１０ プラットフォーム
１１６ 内部冷却通路
１２１ 後方端縁部
１２２ 負圧側面端縁部
１２４ 前方端縁部
１２６ 正圧側面端縁部
１３２ プラットフォーム冷却チャンネル
１３４ ターンダウン延長部
１６０ 上流側端部
１６２ 下流側端部
１６４ スラッシュ面セクション
１６６ 第１のスイッチバック部
１６８ 内部セクション
１７０ 直線状セクション
１７２ 第２のスイッチバック部
１７９ 冷却アパーチャ

Claims (22)

1. 翼形部と根元との間の接合部にプラットフォームを含むタービンロータブレードの内部を通る冷却チャンネル構成であって、
   前記根元における冷却媒体源との接続部から前記翼形部の内部に延びるよう構成された内部冷却通路と、
   前記プラットフォームの少なくとも一部を横断するプラットフォーム冷却チャンネルと、
   前記プラットフォーム冷却チャンネルとの接続部を有する第１のセクションと、半径方向に配向した冷却チャンネルを有する第２のセクションとを含むターンダウン延長部と、
   前記根元の外側面を通って形成されたコネクタ開口から前記内部冷却通路との接続部まで延びるコネクタであって、前記コネクタの長手方向軸線と前記ターンダウン延長部の第２のセクションの長手方向軸線との間に形成される鋭角が３０°〜６０°の角度を含むように、前記ターンダウン延長部の第２のセクションを二分するコネクタと
   を備える冷却チャンネル構成。
2. 前記根元が、接続手段と、該接続手段及び前記プラットフォーム間にシャンクとを有し、前記コネクタ開口が前記シャンクの外側面を通って形成される、請求項１記載のタービンロータブレードの内部を通る冷却チャンネル構成。
3. 前記コネクタ開口がプラグを有し、前記ターンダウン延長部の第２のセクションの内側半径方向端部において前記ターンダウン延長部が行止り部を有している、請求項１または２に記載のタービンロータブレードの内部を通る冷却チャンネル構成。
4. 前記プラットフォームが平面構成を有し、前記プラットフォーム冷却チャンネルの長手方向軸線が、前記プラットフォームの平面とほぼ平行の関係を有し、前記コネクタ開口が、前記シャンク内に形成される、請求項１乃至３のいずれかに記載のタービンロータブレードの内部を通る冷却チャンネル構成。
5. 前記ターンダウン延長部の第１のセクションが軸方向／円周方向に配向した冷却チャンネルを有し、前記ターンダウン延長部が、前記第１のセクションと前記第２のセクションとの間にほぼ９０°の肘状移行部を有する、請求項１乃至４のいずれかに記載のタービンロータブレードの内部を通る冷却チャンネル構成。
6. 前記コネクタが、前記ターンダウン延長部の第２のセクションを斜めに二分する、請求項１乃至５のいずれかに記載のタービンロータブレードの内部を通る冷却チャンネル構成。
7. 前記コネクタの断面形状がほぼ円形形状であり、斜めに二分することによって、前記第２のセクション内に楕円形状を有する壁開口が形成されるように構成され、前記楕円形状が半径方向にほぼ整列した主軸を有する、請求項６記載のタービンロータブレードの内部を通る冷却チャンネル構成。
8. 前記コネクタが直線状で且つ長手方向軸線を有し、前記ターンダウン延長部の第２のセクションが直線状で且つ長手方向軸線を有し、前記ターンダウン延長部の第２のセクションが、二分したときに、前記コネクタの長手方向軸線と前記ターンダウン延長部の第２のセクションの長手方向軸線との間に形成される鋭角が１５°〜７５°の角度を含むように構成される、請求項１乃至７のいずれかに記載のタービンロータブレードの内部を通る冷却チャンネル構成。
9. 前記第２のセクションは、該第２のセクションの長手方向軸線が半径方向に配向した基準線と３０°〜−３０°の鋭角を形成するように構成される、請求項８記載のタービンロータブレードの内部を通る冷却チャンネル構成。
10. 前記内部冷却通路が、作動中に高圧冷却媒体領域と低圧冷却媒体領域とを含み、前記プラットフォーム冷却チャンネルが上流側端部と下流側端部とを有し、前記冷却チャンネル構成が、前記プラットフォーム冷却チャンネルの各端部にターンダウン延長部を含み、該ターンダウン延長部は、その第１のセクションが前記プラットフォーム冷却チャンネルの上流側端部と接続部を形成する上流側ターンダウン延長部と、その第１のセクションが前記プラットフォーム冷却チャンネルの下流側端部と接続部を形成する下流側ターンダウン延長部とを有し、前記冷却チャンネル構成が、前記ターンダウン延長部の各々にコネクタを有し、該コネクタは高圧コネクタ及び低圧コネクタであり、前記高圧コネクタが、前記シャンクの外側面を貫通して形成されたコネクタ開口から前記内部冷却通路の高圧冷却媒体領域との接続部まで延びて、これらの間で前記上流側ターンダウン延長部の第２のセクションを二分し、前記低圧コネクタが、前記シャンクの外側面を貫通して形成されたコネクタ開口から前記内部冷却通路の低圧冷却媒体領域との接続部まで延びて、これらの間で前記下流側ターンダウン延長部の第２のセクションを二分する、請求項２記載のタービンロータブレードの内部を通る冷却チャンネル構成。
11. 前記プラットフォーム冷却チャンネルが蛇行形態を有し、前記翼形部が正圧側面及び負圧側面を有し、前記プラットフォームの正圧側面が、前記翼形部の正圧側面と一致するする前記プラットフォームの側面を有し、前記正圧側面スラッシュ面が、前記プラットフォームの正圧側面の直線状縁部を有し、前記プラットフォーム冷却チャンネルが、主として前記プラットフォームの正圧側面の内部を通って位置付けられる、請求項１０記載のタービンロータブレードの内部を通る冷却チャンネル構成。
12. 前記タービンロータブレードの前方及び後方の方向に対して、前記プラットフォーム冷却チャンネルの上流側端部が前方位置を有し、前記プラットフォーム冷却チャンネルの下流側端部が後方位置を有し、前記プラットフォーム冷却チャンネルがスラッシュ面セクションを有し、該スラッシュ面セクションが、正圧側スラッシュ面の長さの大部分に沿って前記正圧側スラッシュ面に近接し且つ平行に位置するプラットフォーム冷却チャンネルのセクションを有し、前記スラッシュ面セクションの上流側端部が、前記プラットフォーム冷却チャンネルの上流側端部に近接して位置する、請求項１１記載のタービンロータブレードの内部を通る冷却チャンネル構成。
13. 前記プラットフォーム冷却チャンネルが、前記スラッシュ面セクションから第１のスイッチバック部と、該第１のスイッチバック部の下流側で前記プラットフォームの中央区域正圧側面内に位置する内部セクションとを有し、前記内部セクションが、前記第１のスイッチバック部のすぐ下流側の直線状セクションと、該直線状セクションの下流側の第２のスイッチバック部とを含み、前記第２のスイッチバック部が、前記プラットフォーム冷却チャンネルの下流側端部に近接して位置する、請求項１２記載のタービンロータブレードの内部を通る冷却チャンネル構成。
14. 前記上流側ターンダウン延長部が、前記プラットフォームと前記シャンクとの間で前記正圧側面に沿った前方位置を有し、前記下流側ターンダウン延長部が、前記プラットフォームと前記シャンクとの間で前記正圧側面に沿った後方位置を有する、請求項１１乃至１３のいずれかに記載のタービンロータブレードの内部を通る冷却チャンネル構成。
15. 前記プラットフォーム冷却チャンネルが高さと幅を有し、該高さが前記プラットフォーム冷却チャンネルの半径方向高さを有し、前記幅が前記プラットフォーム冷却チャンネルにわたる軸方向／円周方向幅を有し、前記プラットフォーム冷却チャンネルの大部分が、前記幅が前記高さよりも大きいように構成される、請求項１０記載のタービンロータブレードの内部を通る冷却チャンネル構成。
16. 前記プラットフォーム冷却チャンネルの実質的に全ては、前記幅が前記高さよりも少なくとも２倍大きいように構成される、請求項１５記載のタービンロータブレードの内部を通る冷却チャンネル構成。
17. 翼形部と根元との間の接合部にプラットフォームを含むタービンロータブレードの内部を通る冷却チャンネル構成を製造する方法であって、
    前記根元において冷却媒体源との接続部から前記翼形部の内部まで延びるように構成された内部冷却通路を形成するステップと、
    前記プラットフォームの少なくとも一部を横断するプラットフォーム冷却チャンネルを形成するステップと、
    前記プラットフォーム冷却チャンネルとの接続部を形成する第１のセクション及び半径方向に配向した冷却チャンネルを含む第２のセクションを備えたターンダウン延長部を形成するステップと、
    前記根元の外側面を通って形成される開口から内部冷却通路との接続部まで延び且つコネクタの長手方向軸線と前記ターンダウン延長部の第２のセクションの長手方向軸線との間に形成される鋭角が３０°〜６０°の角度を含むように、前記ターンダウン延長部の第２のセクションを二分する前記コネクタを形成するステップと
    を含む方法。
18. 翼形部と根元との間の接合部にプラットフォームを含むタービンロータブレードの内部を通る冷却チャンネル構成を製造する方法であって、
    前記根元において冷却媒体源との接続部から前記翼形部の内部まで延びるように構成された内部冷却通路を形成するステップと、
    前記プラットフォームの少なくとも一部を横断するプラットフォーム冷却チャンネルを形成するステップと、
    前記プラットフォーム冷却チャンネルとの接続部を形成する第１のセクション及び半径方向に配向した冷却チャンネルを含む第２のセクションを備えたターンダウン延長部を形成するステップと、
    前記根元の外側面を通って形成される開口から内部冷却通路との接続部まで延び且つこれらの間で前記ターンダウン延長部の第２のセクションを二分するコネクタを形成するステップとを含み、
    前記ターンダウン延長部を形成するステップが、前記コネクタの形成における目的とする機械加工の経路に一致する所定位置にてガイドロッドを位置付けることを含み、前記コネクタを形成するステップが、前記ガイドロッドを用いて前記機械加工のプロセスを誘導することを含む、方法。
19. 翼形部と根元との間の接合部にプラットフォームを含むタービンロータブレードの内部を通る冷却チャンネル構成を製造する方法であって、
    前記根元において冷却媒体源との接続部から前記翼形部の内部まで延びるように構成された内部冷却通路を形成するステップと、
    前記プラットフォームの少なくとも一部を横断するプラットフォーム冷却チャンネルを形成するステップと、
    前記プラットフォーム冷却チャンネルとの接続部を形成する第１のセクション及び半径方向に配向した冷却チャンネルを含む第２のセクションを備えたターンダウン延長部を形成するステップと、
    前記根元の外側面を通って形成される開口から内部冷却通路との接続部まで延び且つこれらの間で前記ターンダウン延長部の第２のセクションを二分するコネクタを形成するステップとを含み、
    前記根元が、接続手段と、該接続手段と前記プラットフォームとの間にシャンクとを有し、
    前記内部冷却通路が、作動中に高圧冷却媒体領域と低圧冷却媒体領域とを有するように形成され、前記プラットフォーム冷却チャンネルが、上流側端部及び下流側端部を含むように形成され、前記ターンダウン延長部が、前記プラットフォーム冷却チャンネルの各端部において形成され、該ターンダウン延長部は、その第１のセクションが前記プラットフォーム冷却チャンネルの上流側端部と接続部を形成する上流側ターンダウン延長部と、その第１のセクションが前記プラットフォーム冷却チャンネルの下流側端部と接続部を形成する下流側ターンダウン延長部とを有し、前記コネクタが、前記ターンダウン延長部の各々にて形成された、高圧コネクタ及び低圧コネクタを有し、前記高圧コネクタが、前記シャンクの外側面を貫通して形成された開口から前記内部冷却通路の高圧冷却媒体領域との接続部まで延びて、これらの間で前記上流側ターンダウン延長部の第２のセクションを二分し、前記低圧コネクタが、前記シャンクの外側面を貫通して形成された開口から前記内部冷却通路の低圧冷却媒体領域との接続部まで延びて、これらの間で前記下流側ターンダウン延長部の第２のセクションを二分する、方法。
20. 前記ターンダウン延長部を形成するステップが鋳造プロセスを含み、前記コネクタが前記ターンダウン延長部の後に形成される、請求項１７乃至１９のいずれかに記載の方法。
21. 前記根元が、接続手段と、該接続手段と前記プラットフォームとの間にシャンクとを有し、前記コネクタが、前記シャンクの外側面上に位置付けられたスタート位置から機械加工され、前記方法が更に、プラグが前記シャンクの外面に近接して位置するように前記プラグを用いて前記コネクタを塞ぐステップを含む、請求項１７乃至２０のいずれかに記載の方法。
22. 前記コネクタが直線状で、前記ターンダウン延長部の第２のセクションが直線状である、請求項１７乃至２１のいずれかに記載の方法。