JP2014047782A - タービンロータブレードのプラットフォームの冷却 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼タービンエンジンのタービン内のロータブレード内のプラットフォームまたはステータブレード内の側壁の冷却装置を提供すること。
【解決手段】冷却装置は、入口から出口へ冷却媒体を流すように構成される冷却チャンバと、冷却チャンバ内に配置されるリブとを含むことができる。リブは、スイッチバックを形成するために冷却チャンバを部分的に分割することができる。リブは、スイッチバックが、狭くなり続けるチャネルを有するように冷却チャンバに対して傾斜することができる。
【選択図】図１

Description

本出願は、一般に燃焼タービンエンジンに関し、このエンジンは、本明細書では、また別段特に記載のない限り、発電および航空機エンジンで使用するものなどあらゆるタイプの燃焼タービンエンジンを含む。より詳細には、制限としてではないが、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およびタービンステータブレードの側壁領域を冷却するための装置、システム、および／または方法に関する。

ガスタービンエンジンは、通常、圧縮機、燃焼器、およびタービンを含む。圧縮機およびタービンは、一般的に、軸方向に多段にスタックされているエーロフォイルまたはブレードの列を含む。各段は、通常、固定されている円周方向に離間したステータブレードの列および中心軸線またはシャフト周りで回転する円周方向に離間したロータブレードのセットを含む。運転中に圧縮機内のロータブレードは、シャフト周りで回転して空気の流れを圧縮する。圧縮された空気は次に、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生じた高温ガスの流れは、タービンを通って膨張され、ロータブレードが取り付けられるシャフトを、ロータブレードが回転させる。こうして、燃料内に含まれるエネルギーが、回転シャフトの機械エネルギーに変換され、この機械エネルギーは、たとえば、電気を発生する発電機のコイルを回転させるために使用することができる。

図１および図２を参照すると、タービンロータブレード１００は、一般的に、エーロフォイル部分またはエーロフォイル１０２および翼根部分または翼根部１０４を含む。エーロフォイル１０２は、凸形の負圧面１０５および凹形の正圧面１０６を有するものとして述べることができる。エーロフォイル１０２はさらに、前方縁部である前縁１０７および後方縁部である後縁１０８を有するものとして述べることができる。翼根部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、ダブテール１０９を含む）、そこからエーロフォイル１０２が延在するプラットフォーム１１０、およびダブテール１０９とプラットフォーム１１０との間の構造体を含むシャンク１１２を有するものとして述べることができる。

図示するように、プラットフォーム１１０は、実質的に平面とすることができる。より具体的には、プラットフォーム１１０は、平面上側１１３を有することができ、この平面上側１１３は、図１に示すように軸方向かつ円周方向に延在す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、軸方向かつ円周方向に延在す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１１３および下側１１４は、その各々が他方に対して実質的に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、薄い半径方向プロファイルを有する、すなわち、プラットフォーム１１０の上側１１３と下側１１４との間に比較的短い半径方向距離が存在することを理解されたい。

一般的に、プラットフォーム１１０は、タービンロータブレード１００上で使用され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、さらに、エーロフォイル１０２に対して構造的支持を提供する。運転中に、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生成する機械的負荷作用を誘起し、高応力領域は、高温に結合されると最終的に、酸化、クリープ、低サイクル疲労割れおよびその他など運転中の欠陥の形成を引き起こす。もちろん、これらの欠陥は、ロータブレード１００の有効寿命に悪影響を与える。これらの過酷な運転条件、すなわち高温ガス通路の極度の温度への露出および回転ブレードに関連する機械的負荷作用は、良好に作動すると共に製造するのに費用効果的である、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を設計するときにかなりの課題を生じることを理解されたい。

プラットフォーム領域１１０の耐久性を向上させる１つの一般的な解決策は、運転中にプラットフォーム領域１１０を圧縮空気または他の冷却媒体の流れで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が知られている。しかし、当業者なら理解するように、プラットフォーム領域１１０は、こうして冷却するのを困難にするいくつかの設計上の課題をもたらす。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から離れて存在する周辺構成要素であり、また、通常、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理由から、この領域の厄介な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、最低でも翼根部１０４およびエーロフォイル１０２を通ることを含めて、ブレード１００のコアを通って半径方向に延在する１つまたは複数の中空冷却通路１１６（図３、図４、図５、および図９参照）を含む。以下でより詳細に述べるように、熱交換を増大させるために、こうした冷却通路１１６は、ブレード１００の中心領域を通って曲がりくねる蛇行通路を有する状態で形成されることができるが、他の構成も可能である。運転中に、冷却媒体は、翼根部１０４の内寄り部分に形成された１つまたは複数の入口１１７を介して中心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、エーロフォイル上に形成された出口（図示せず）を通っておよび／または翼根部１０４に形成された１つまたは複数の出口（図示せず）を介して流出することができる。冷却媒体は、加圧されることができ、またたとえば、加圧空気、水と混合した加圧空気、蒸気および同様のものを含むことができる。多くの場合、冷却媒体は、エンジンの圧縮機から分流された圧縮空気であるが、他の供給源も可能である。以下でより詳細に論じるように、これらの冷却通路は、通常、高圧冷却媒体領域およ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、比較的低い冷却媒体圧力を有する下流部分に対応する。

場合によっては、冷却媒体は、冷却通路１１６から隣接するロータブレード１００のシャンク１１２とプラットフォーム１１０との間に形成されたキャビティ１１９内に送られることができる。そこから、冷却媒体は、ブレードのプラットフォーム領域１１０を冷却するために使用することができ、その従来の設計が図３に示されている。このタイプの設計は、通常、冷却通路１１６の１つから空気を取り出し、その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を通って延在する冷却チャ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、プラットフォーム１１０の上側１１３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、このタイプの従来設計は、いくつかの欠点を有することを理解されたい。第１に、冷却回路は、２つの隣接するロータブレード１００が組み立てられた後に形成されるだけであるため、冷却回路は１つの部品内に内蔵されない。このことは、据付けおよび据付け前流れ試験に対して大きな程度の困難さおよび複雑さを付加する。第２の欠点は、隣接するロータブレード１００間に形成されたキャビティ１１９の完全性が、キャビティ１１９の周囲がどれほど上手くシールされるかに依存することである。不適切なシールにより、不十分なプラットフォーム冷却および／または無駄な冷却空気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またはプラットフォーム１１０自体内に吸い込まれる可能性がある内在リスクである。これは、キャビティ１１９が運転中に十分高い圧力に維持され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またはプラットフォーム１１０自体内に吸い込まれ、それにより、これら構成要素が高温ガス通路条件に対する暴露に耐えるように設計されていない場合には、これらの構成要素が損傷を受けることになる。

図４および図５は、プラットフォーム冷却用の別のタイプの従来設計を示す。この場合、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、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のコアを通って延在する冷却通路１１６の１つから取り出され、プラットフォーム１１０内に形成された冷却チャネル１２０（すなわち、「プラットフォーム冷却チャネル１２０」）を通して後方に送られる。いく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ネル１２０を通って流れ、プラットフォーム１１０の後方縁部１２１内の出口を通してまたは負圧側縁部１２２に沿って配設された出口から流出する。（矩形プラットフォーム１１０の縁部または面を述べるまたは参照するときに、縁部または面はそれぞれ、エーロフォイル１０２の負圧面１０５および正圧面１０６に関するその位置に基づいて、および／またはブレード１００が据え付けられる場合にはエンジンの前方および後方方向に基づいて正確に説明されることができる点に留意されたい。したがって、当業者なら理解するように、プラットフォームは、図３および図４に示すように、後方縁部１２１、負圧側縁部１２２、前方縁部１２４、および正圧側縁部１２６を含むことができる。さらに、負圧側縁部１２２および正圧側縁部１２６はまた一般的に「スラッシュ面」と呼ばれ、隣接するロータブレード１００が据え付けられたときこれらの間に形成される狭いキャビティは、「スラッシュ面キャビティ」と呼ばれることができる。）
図４および図５の従来設計は、これらが組立てまたは据付け状態の変動によって影響を受けない点で、図３の設計に勝る利点を有することを理解されたい。しかし、この種の従来設計は、いくつかの制限または欠点を有する。第１に、図示するように、エーロフォイル１０２の各面上に単一回路だけが設けられ、したがって、プラットフォーム１１０内の異なる場所で使用される冷却空気の量の制御に限界があるという欠点が存在する。第２に、このタイプの従来設計は、一般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内に依然として冷却されないままのデッド区域が存在する。第３に、複雑に形成されたプラットフォーム冷却チャネル１２０によって良好なカバレッジを得るために、特に冷却チャ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、製造コストが劇的に増加する。第４に、これらの従来設計は、通常、使用後でか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、エンジンの効率に悪影響を与える。第５に、この種の従来設計は一般的に、柔軟性がほとんどない。すなわち、チャネル１２０は、プラットフォーム１１０の一体部分として形成され、運転条件が変化するときにその機能または構成を変更する機会をほとんどまたは全く提供しない。さらに、これらのタイプの従来設計は、補修または改造するのが困難である。

場合によっては、プラットフォーム冷却通路はスイッチバック構成で構成される。こうした設計の例は図６に示される。図示するように、スイッチバック設計は、入口１３２および出口１３４を含む冷却チャンバ１３０と、冷却媒体が出口１３４に達する前に迂回ルートを進むように強制されるようにチャンバ１３０を分割するリブ１３５とを含むことができる。こうして、冷却媒体は、周囲領域を対流冷却できるように、冷却チャンバ１３０の全体に露出される。このタイプのスイッチバックの１つの欠点は、冷却媒体が、スイッチバックを通して移動するにつれて熱を吸収するため、下流セクションが上流セクションより少ない冷却を受取り、そのことが、プラットフォームにわたる不均等冷却およびコンポーネント損傷ホットスポットの生成をもたらす。ロータブレードプラットフォーム冷却に関する上述した問題は、タービンステータブレード内の側壁領域に適用可能であることがさらに理解されるであろう。

結果として、ロータブレードプラットフォームおよびステータブレード側壁冷却構成の従来の設計は、１つまたは複数の重要なエリアを欠いている。これらのブレード領域を効果的かつ効率的に冷却し、一方で同様に、構築するのが費用効果的であり、アプリケーションに柔軟性があり、耐久性がある、改良型の装置、システム、および／または方法についての必要性が依然として存在する。

米国特許第８０１１８８１号公報

１つの例示的な実施形態では、本出願は、燃焼タービンエンジンのタービン内のロータブレード内のプラットフォーム内の冷却装置を述べる。冷却装置は、入口から出口へ冷却媒体を流すように構成される冷却チャンバと、冷却チャンバ内に配置されるリブとを含むことができる。リブは、スイッチバックを形成するために冷却チャンバを部分的に分割することができる。リブは、スイッチバックが、狭くなり続けるチャネルを有するように冷却チャンバに対して傾斜することができる。

本出願は、燃焼タービンエンジンのタービン内のステータブレード内の側壁内の冷却装置をさらに述べる。冷却装置は、入口から出口へ冷却媒体を流すように構成される冷却チャンバと、冷却チャンバ内に配置されるリブとを含むことができる。リブは、スイッチバックを形成するために冷却チャンバを部分的に分割することができる。リブは、スイッチバックが、狭くなり続けるチャネルを有するように冷却チャンバに対して傾斜することができる。

本発明のこれらのまた他の特徴は、添付図面と併せて、本発明の例示的な実施形態の以下のより詳細な説明を注意深く検討することによって、より完全に理解されかつ認識されるであろう。

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である。 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面図である。 従来設計による冷却システムを有する隣接するタービンロータブレードの断面図である。 従来設計による内部冷却チャ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平面図である。 代替の従来設計による内部冷却チャ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平面図である。 従来の設計による、スイッチバック構成を有する内部冷却チャネルを有するプラットフォームを有するタービンロータブレードの部分断面図を有する平面図である。 本発明の例示的な実施形態による冷却構成を有するタービンロータブレードのプラットフォームの上部の部分断面図である。 図７のライン８−８に沿う側断面図である。 本発明の代替の実施形態による冷却構成を有するタービンロータブレードのプラットフォームの部分断面図を有する平面図である。 本発明の代替の実施形態による冷却構成を有するタービンロータブレードのプラットフォームの部分断面図を有する平面図である。 本発明の代替の実施形態による冷却構成を有するタービンロータブレードのプラットフォームの部分断面図を有する平面図である。 本発明の実施形態に関する実験データによる、「流れパラメータ（Flow Parameters）」対「スイッチバックを通る総流れ距離（Total Flow Distance Through Switchback）」を示すグラフである。 本発明の代替の実施形態による冷却構成の配置を示すタービンステータブレードの側面図である。 本発明の代替の実施形態による冷却構成を有するタービンステータブレードの側壁の部分断面図を有する平面図である。

先に論じたように、種々の従来設計の内部冷却通路１１６は、ロータブレード１００内のある領域を冷却するのにある程度有効である。しかし、当業者なら理解するように、プラットフォーム領域はより難しいことが分かっている。これは、プラットフォームの厄介な幾何形状、すなわち、プラットフォームの狭い半径方向高さおよびプラットフォームがロータブレード１００のコアまたは主本体から離れて突出する方式に、少なくとも部分的に起因する。それでも、高温ガス通路の極端な温度への暴露および高い機械的負荷作用がある場合には、プラットフォーム１１０の冷却要件はかなり大きくなる。上述したように、従来のプラットフォーム冷却設計は、領域の特定の課題に対処できないために有効でなく、これらの冷却媒体の使用に関して非効率的であり、かつ／または作製するのに費用がかかる。ステータブレードの側壁が、図１２および図１３に関連してより詳細に論じられることになる、従来のアプローチに関する同様な問題および欠点を呈することがさらに理解されるであろう。

いくつかの特定の説明用語は、本出願の例示的な実施形態を述べるために使用することができる。これらの用語についての意味は、以下の定義を含むものとする。用語「下流（downstream）」および「上流（upstream）」は、タービンを通る作動流体、または、場合によって、冷却通路を通る冷却媒体の流れに関する方向を示す用語である。したがって、用語「下流」は、流れの方向を意味し、用語「上流」は、流れの反対方向を意味する。用語「半径方向の（radial）」は、軸に垂直な移動または位置を指す。この軸に関していろいろな半径方向位置にある部分（part）を述べることが必要とされることが多い。これらの場合、第１のコンポーネントが第２のコンポーネントより軸の近くに存在する場合、第１のコンポーネントが第２のコンポーネントの「内寄り（inboard）」または「半径方向内向き（radially inward）」にあると本明細書で述べることができる。一方、第１のコンポーネントが第２のコンポーネントより軸から遠くに存在する場合、第１のコンポーネントが第２のコンポーネントの「外寄り（outboard）」または「半径方向外向き（radially outward）」にあると本明細書で述べることができる。用語「軸の（axial）」は、軸に平行な移動または位置を指す。そして、用語「円周の（circumferential）」は、軸の周りの移動または位置を指す。別段特に記載のない限り、用語「半径方向の」、「軸の」、または「円周の」が使用されるとき、それらは、タービンエンジンの中心軸を参照して使用される。

ここで図７〜図１１を参照すると、本発明の例示的な実施形態のいくつかの図が提供される。特に、本発明の好ましい実施形態によるプラットフォーム冷却構成１３０を有するロータブレード１００が示される。図示するように、ロータブレード１００は、エーロフォイル１０２と翼根部１０４との間の界面に存在するプラットフォーム１１０を含む。冷却チャンバ１３０は、プラットフォーム１１０内に形成することができる。たとえば、図７に示すように、冷却チャンバ１３０は、プラットフォーム１１０の前方縁部１２４の近くに配置することができる。冷却チャンバ１３０は入口１３２および出口１３４を含むことができる。入口１３２は、ロータブレード１１０を通る内部冷却媒体通路を通して、または、シャンクキャビティ１１９を介してなど、種々の方法によって冷却媒体を供給されることができる。運転中、冷却媒体は、冷却チャンバ１３０を通して送られ、入口１３２から出口１３４へ進む。リブ１３５は、冷却チャンバ１３０内に配置することができる。リブ１３５は、蛇行通路またはスイッチバック通路（以降で「スイッチバック（switchback）１３１」）が形成されるように冷却チャンバ１３０を部分的に分割するように構成することができる。以下でより詳細に論じるように、リブ１３５は、冷却チャンバ１３０に対して傾斜することができる。本発明の実施形態によれば、リブ１３５は、スイッチバック１３１が狭くなり続けるチャネルを有するような角度で傾斜することができる。

ある好ましい実施形態では、本発明の狭くなり続けるチャネルは、冷却チャンバ１３０の入口１３２から出口１３４にチャネルが延びるにつれて一定のレートで狭くなるチャネルである。他の好ましい実施形態では、本明細書で使用される場合、狭くなり続けるチャネルは、リブ１３５のフランクの両方に沿って一定のレートで狭くなるチャネルとして定義される。より具体的には、スイッチバック１３１は、リブ１３５の各フランク上に配置される経路を有するものとして述べることができる。これらの経路は、上流経路１３８（入口１３２が位置するリブ１３５の辺に一致するため）および下流経路１３９（出口１３４が位置するリブ１３５の辺に一致するため）と呼ぶことができる。さらに、上流経路１３８と下流経路１３９との間で、スイッチバック１３１は、転回セクション１４２を有するものとして述べることができることが理解されるであろう。転回セクション１４２は、約１８０°の転回を画定することができる。

冷却チャンバ１３０は、プラットフォーム１１０またはプラットフォーム１１０の特定の領域に整列し、その中に含まれる平面構成を有することができる。本明細書で使用される場合、冷却チャンバ１３０の「外寄りプロファイル（outboard profile）」は、プラットフォーム１１０の外寄りの位置から見たプロファイルを指し、そのプロファイルは、図７および図９〜図１１に示す斜視図であることが理解されるであろう。ある実施形態では、冷却チャンバ１３０は、より顕著な曲率のエリアを含む上側１１３を有するプラットフォーム１１０などの湾曲表面からオフセットする場合があることが理解されるであろう。ある実施形態では、冷却チャンバ１３０の外寄りプロファイルは、四辺形（すなわち、４つの直線状の辺を有する）の外寄りプロファイルとすることができる。図示するようなリブ１３５は、構成が直線状とすることができる。ある実施形態では、冷却チャンバ１３０の外寄りプロファイルは平行四辺形である。より具体的には、冷却チャンバ１３０の外寄りプロファイルは、正方形、菱形、または長方形の外寄りプロファイルとすることができる。

図８により明確に示すように、プラットフォーム１１０は、平面上側１１３を含む。（本明細書で使用される場合、「平面（planar）」は、ほぼまたは実質的に平面の形状にあることを意味することに留意されたい。たとえば、プラットフォームは、ロータブレードの半径方向場所においてタービンの円周に対応する曲率を有する状態で、わずかに湾曲および凸形の外寄り表面を有するように構成することができることを当業者なら理解するであろう。本明細書で使用する場合に、このタイプのプラットフォーム形状は、曲率半径がプラットフォームに平坦な外観を与えるのに十分に大きいため平面と見なされる。）冷却チャンバ１３０は、プラットフォーム１１０の上側１１３の直ぐ内寄りの平面天井１６８ならびに天井１６８から半径方向にオフセットした平面床１６９を含むことができる。冷却チャンバ１３０の半径方向高さは、天井１６８と床１６９との間の半径方向オフセットとして述べることができる。示すように、好ましい実施形態では、冷却チャンバ１３０の半径方向高さは、実質的に一定である。リブ１３５は、冷却チャンバ１３０の床１６９から天井１６８延びる。

冷却チャンバ１３０の四辺形プロファイルは、対向辺または縁部の第１の対および第２の対を含むものとして述べることができ、各対は、冷却チャンバ１３０にわたって互いに対向する四辺形の２つの縁部を含む。対向縁部の第１の対は第１の縁部１５１および第２の縁部１５２を含み、対向縁部の第２の対は第３の縁部１５３および第４の縁部１５４を含む。

ある好ましい実施形態では、入口１３２および出口１３４は、冷却チャンバ１３０の第１の縁部１５１に沿って配置され、入口１３２と出口１３４との間には、入口１３２を出口１３４から分離するリブ１３５の第１の端部１５７を配置することができる。第１の端部１５７から、リブ１３５は、冷却チャンバ１３０の第２の縁部１５２に向かって延在するが、第２の縁部１５２の手前で終端する。その終端点は、本明細書でリブ１３５の第２の端部１５８と呼ばれることになる。すなわち、リブ１３５の第２の端部１５８は、第２の縁部１５２からある距離だけオフセットし、それにより、冷却媒体の流れを出口１３４に向かって向け直す転回セクション１４２を形成する。述べたリブ１３５は、冷却チャンバ１３５に対して傾斜する。図７に示すように、リブ１３５の傾斜は、冷却チャンバ１３０の縦軸に対するものとすることができる。好ましい実施形態では、リブ１３５は、上流経路１３８が入口１３２からリブ１３５の第２の端部１５８に延びるにつれて、上流経路１３８のチャネル幅が直線的レートで減少するように傾斜する。さらに、リブ１３５は、下流経路１３９がリブ１３５の第２の端部１５８から出口１３４に延びるにつれて、下流経路１３９のチャネル幅が直線的レートで減少するように傾斜する。上流経路１３８の下流端のチャネル幅は、下流経路１３９の上流端のチャネル幅よりわずかに大きいとすることができる好ましい実施形態では。リブ１３５が、第１の縁部１５１から第２の縁部１５２に向かって延びるにつれて、リブ１３５と第３の縁部１５３との距離が減少し、一方、リブ１３５と第４の縁部１５４との距離が増加するように、リブ１３５が第３の縁部１５３に向かって傾斜することが理解されるであろう。

リブ１３５の角度または傾斜は、リブ１３５が冷却チャンバ１３０の縦軸に対して維持する関係によって述べることができる。第３の縁部１５３および第４の縁部１５４が平行である場合、第３の縁部１５３と第４の縁部１５４との間の中間点を通って延在する基準線は、冷却チャンバ１３０の縦軸であり、図７で縦軸基準線１５９として示されることが認識されるであろう。ある好ましい実施形態では、リブ１３５が冷却チャンバ１３０の縦軸基準線１５９によって画定する角度１７６は０°と６０°との間である。より好ましくは、リブ１３５と冷却チャンバ１３０の縦軸基準線１５９との間で画定される角度１７６は０°と３０°との間である。

図７に示すように、スイッチバック１３１によって画定される冷却媒体通路は、ａ）入口１３２におけるスイッチバック１３１のチャネル幅を表す入口チャネル幅１６０、ｂ）リブ１３５の第２の端部１５８と第３の縁部１５３との間のスイッチバック１３１のチャネル幅を表す転回前チャネル幅１６１、ｃ）リブ１３５の第２の端部１５８と第４の縁部１５４との間のスイッチバック１３１のチャネル幅を表す転回後チャネル幅１６２、およびｄ）出口１３４におけるスイッチバック１３１通路のチャネル幅を表す出口チャネル幅１６３を含むものとして述べることができる。狭くなり続けるチャネルは、入口チャネル幅１６０が転回前チャネル幅１６１より大きく、転回前チャネル幅１６１が転回後チャネル幅１６２より大きく、転回後チャネル幅１６２が出口チャネル幅１６３より大きい構成を含む。図７にさらに示すように、転回前チャネル幅１６１と転回後チャネル幅１６２との間で、スイッチバック１３１は、転回セクション１４２を含み、転回セクション１４２内で、転回セクションチャネル幅１６４は、リブ１３５の第２の端部１５８と冷却チャンバ１３０の第２の縁部１５２との間のスイッチバック１３１のチャネル幅を表す。本出願の実施形態によれば、スイッチバック１３１の狭くなり続けるチャネルは、転回セクションチャネル幅１６４が転回前チャネル幅１６１より小さくかつ転回後チャネル幅１６２より大きい構成を含む。リブ１３５のフランクの両方に沿う狭くなり続けるチャネルは、入口チャネル幅１６０と転回前チャネル幅１６１との間で一定の直線的レートで減少するスイッチバック１３１のチャネル幅と、転回後チャネル幅１６２と出口チャネル幅１６３との間で一定の直線的レートで減少するスイッチバック１３１のチャネル幅とを含むものとしてさらに述べることができる。

述べたように、タービンブレード内の冷却通路は、種々の方法で冷却媒体を供給されることができる。通常、冷却通路は、ブレードの翼根部を通して冷却媒体源に接続する内部通路を介して冷却媒体を受取る、または、シャンクキャビティとの接続部を通して冷却媒体を供給されることができる。別段特に記載のない限り、本出願は、冷却媒体を入口１３２に送出するためのまたは冷却媒体を冷却チャンバ１３０の出口１３４から除去するための任意の特定の方法または構成に限定されるべきでない。

いくつかの従来の冷却設計に関連して上述したように、冷却媒体の内部循環によって冷却されるタービンブレードは、通常、翼根部から半径方向外向きにプラットフォーム領域を通りかつエーロフォイル内に延在する内部冷却通路１１６を含むことが理解されるであろう。本発明のある好ましい実施形態が、効率的な能動プラットフォーム冷却を向上する、または使用可能にするために従来の冷却媒体通路と連携して使用することができること、また、本発明の態様が、曲がりくねった構成または蛇行構成を有する内部冷却通路１１６などの１つの一般的な設計に関連して論じることができるが、その態様が、その用途に限定されないことがさらに理解されるであろう。図に示すように、内部冷却通路１１６の蛇行通路は、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、また、冷却媒体と周囲のエーロフォイル１０２との間の熱交換を促進する特徴部を含む。運転中、通常、圧縮機から抽気された圧縮空気である加圧冷却媒体（しかし、本発明の実施形態では、蒸気など他のタイプの冷却媒体も使用できる）は、翼根部１０４を通っ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。圧力は、冷却媒体を、内部冷却通路１１６を通して押し進め、冷却媒体は、周囲壁から熱を対流移動させる。

冷却媒体が冷却通路１１６を通って移動するにつれて、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高い圧力を有することが理解されるであろう。以下でより詳細に論じるように、この圧力差を使用して、プラットフォーム内に形成される冷却通路にわたってまたは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ないことが理解されるであろう。したがって、本明細書で使用する場合に、用語「内部冷却通路（internal cooling passage）」または「冷却通路（cooling passage）」は、それを通って冷却媒体がロータブレード内を循環することができるあらゆる通路または中空チャネルを含むことが意図される。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在し、比較的より高い冷却媒体圧力の少なくとも１つの領域（以降で、「高圧の領域（region of high pressure）」と呼ばれ、場合によっては、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（以降で、「低圧の領域（region of low pressure）」と呼ばれ、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）を含むことができる。

図９および図１０に示すように、高圧コネクタ１７１は、入口１３２を内部冷却通路１１６の高圧冷却媒体領域に接続するように構成することができ、低圧コネクタ１７２は、出口１３４を内部冷却通路１１６の低圧冷却媒体領域に接続するように構成することができる。運転中、高圧領域と低圧領域との圧力差は、冷却チャンバ１３０を通して冷却媒体を押し進める。すなわち、高圧コネクタ１７１は、内部冷却通路１１６から冷却媒体の一部分を抽出し、その一部分は、プラットフォーム１１０から熱を除去するために冷却チャンバ１３０内で使用され、その後、低圧コネクタ１７２を介して内部冷却通路１１６に戻され、ロータブレードを冷却するためにさらに使用することができる。

他の場合には、図１１に示すように、入口１３２は、コネクタ（高圧コネクタ１７１など）を介して内部冷却チャネル１１６に冷却媒体を供給されることができ、一方、出口１３４は、プラットフォーム１１０の表面上に形成される複数のフィルム冷却ポートまたは表面ポート１７５と流体的に連通する。１つの好ましい実施形態では、示すように、表面ポート１７５は、正圧側スラッシュ面１２６に沿って配置される。他の実施形態では、表面ポート１７５は、負圧側スラッシュ面１２２上に配置することができる。

本出願は、それにより、より均等に分布した冷却を促進する角度付きまたは傾斜リブを含む、タービンロータブレードのプラットフォームで使用するための、２経路蛇行またはスイッチバック冷却媒体通路を述べる。図１２を参照すると、冷却媒体通路を通る流れ距離が増加するにつれて、傾斜リブが、冷却媒体流れ断面積の減少を生成することが理解されるであろう。具体的には、図１２は、「流れパラメータ（Flow Parameters）」対「スイッチバックを通る総流れ距離（Total Flow Distance Through Switchback）」のグラフ表現を提供する。図示するように、「流れ断面積（Cross sectional Flow Area）」が、傾斜リムのせいで直線的に減少する。冷却媒体流れ面積の減少は、冷却媒体の速度を増加させ、それが、冷却媒体の「熱伝達係数（Heat Transfer Coefficient）」を増加させる。この増加は、冷却媒体通路に沿って移動する熱を冷却媒体が吸収するときに起こる「冷却媒体温度（Coolant Temperature）」の上昇に起因する冷却効果の損失に対抗する。これは、冷却媒体通路の一端から他端へ冷却媒体が移動するときに、ほぼ一定の「熱伝達係数」をもたらし、プラットフォームにわたるより均等な冷却を促進し、コンポーネントの劣化を早めるホットスポットの生成を防止または予防する。

より具体的には、スイッチバックの２つの経路間でリブに角度付けすることによって、冷却媒体が通路を通って流れるにつれて、断面積が絶えず減少する。冷却媒体の質量流量が一定であるため、減少する面積は、より速い速度を生成しなければならない。ダクト流れ熱伝達係数が流体速度によって大幅に影響を受けるため、これは、流体が蛇行部を通って進むにつれてＨＴＣの増加をもたらす。冷却媒体がスイッチバックに沿って進むにつれて温度が増加し、ロータブレードからの熱を拾うため、冷却媒体が、通常の冷却媒体通路の下流部分を冷却することができなくなることが理解されるであろう。しかし、本出願は、温度上昇によるこの冷却媒体効果の損失が（速度の増加による熱伝達係数の増加によって）相殺されるため、速度の減少と対照的に、比較的一定の熱伝達レートが冷却媒体の長さに沿って維持される方法を述べる。当業者なら理解するように、対流熱伝達係数が低い、流れがより遅い（low）用途の場合、本出願の実施形態は、同じ流れの量でより大きな熱伝達を可能にする。これは、流れ制限による流れが遅いある用途においてスイッチバックコアの使用を可能にする場合がある。他の用途では、一定断面積コアから、提案される設計に変えると、流れがより効率的に使用され、それが、タービンエンジンに関して、エンジン効率の増加になるため、流量が減少しうる。別の利益は、場合によっては、蛇行コアにおいて望ましくない高い摩擦損失を生じる乱流翼が削減されうることである。さらに、２経路スイッチバック全体の総面積は不変とすることができ、そのとき、唯一の修正はリブの傾斜であり、それが、冷却媒体通路のサイズまたは冷却媒体の量を増加させることなくより大きな冷却を可能にする。

代替法では、上述した設計特徴を、ステータロータブレードの側壁領域に同様な方法で適用することができる。図１３は、本発明の代替の実施形態による冷却構成の配置を示すタービンステータブレードの側面図を示す。

図１４は、本発明の代替の実施形態による冷却構成を有するタービンステータブレード１８０の側壁の部分断面図を有す平面図を示す。ステータブレード１８０は、燃焼エンジンのタービンセクションの周囲の固定構造との取付け具から内寄りに突出するエーロフォイル１８１を含むことができる。エーロフォイル１８１の内寄り縁部において、ステータブレード１８０は、タービンを通る作動流体流路の内側半径方向縁部を画定する側壁１８４を含むことができる。側壁１８４は、ロータブレード１００のプラットフォーム１１０と形状が類似することが理解されるであろう。側壁１８４は、先に論じたのと実質的に同じ特徴部を有する冷却チャンバ１３０を含むことができる。図示するように、側壁１８４の冷却チャンバ１３０は、冷却チャンバ１３０の入口１３２と流体的に連通する入口コネクタ１８５ならびに冷却チャンバ１３０の出口１３４と流体的に連通する出口コネクタ１８６を有することができることが理解されるであろう。側壁１８４の冷却チャンバ１３０は、先に論じたように角度付けされるまたは傾斜するリブ１３５を有することができ、リブ１３５は、狭くなり続ける上流経路１３８および下流経路１３９をもたらすことができる。

当業者なら理解するように、いくつかの例示的な実施形態に関して上述した多くのいろいろな特徴および構成は、本発明の考えられる他の実施形態を形成するようにさらに選択的に適用することができる。簡潔にするため、また当業者の能力を考慮して、考えられる反復の全てが提供されず、または詳細に論じられないが、添付のいくつかの特許請求項またはその他によって包含される全ての組合せおよび考えられる実施形態は、本出願の一部であることを意図される。さらに、本発明のいくつかの例示的な実施形態の上記の説明から、当業者なら、その改善、変更、および修正に気付くであろう。当技術分野の技量内のこうした改善、変更、および修正もまた、添付特許請求の範囲によって保護されることを意図される。さらに、上記は本出願の述べた実施形態だけに関すること、および、添付特許請求の範囲およびその均等物によって規定される本出願の趣旨および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および修正が行われることができることが明らかであるはずである。

１００ タービンロータブレード
１０２ ロータエーロフォイルまたはエーロフォイル
１０４ 翼根部
１０５ 負圧面
１０６ 正圧面
１０７ 前縁
１０８ 後縁
１０９ ダブテール
１１０ プラットフォーム
１１２ シャンク
１１３ プラットフォーム上側
１１４ プラットフォーム下側
１１６ 内部冷却通路
１１７ 入口
１１９ キャビティ
１２０ プラットフォーム冷却チャネル
１２１ 後方縁部
１２２ 負圧側縁部またはスラッシュ面
１２４ 前方縁部
１２６ 正圧側縁部またはスラッシュ面
１２８ プラットフォームの正圧側
１３０ 冷却チャンバ
１３１ スイッチバック
１３２ 入口
１３４ 出口
１３５ リブ
１３８ 上流経路
１３９ 下流経路
１４２ 転回セクション
１５１ 第１の縁部
１５２ 第２の縁部
１５３ 第３の縁部
１５４ 第４の縁部
１５７ 第１の端部
１５８ 第２の端部
１５９ 縦軸基準線
１６０ 入口チャネル幅
１６１ 転回前チャネル幅
１６２ 転回後チャネル幅
１６３ 出口チャネル幅
１６４ 転回セクションチャネル幅
１６８ （冷却チャンバの）天井
１６９ （冷却チャンバの）床
１７１ 高圧コネクタ
１７２ 低圧コネクタ
１７５ 表面ポート
１７６ 角度
１８０ ステータブレード
１８１ ステータエーロフォイルまたはエーロフォイル
１８４ 側壁
１８５ 入口コネクタ
１８６ 出口コネクタ

Claims (21)

1. 燃焼タービンエンジンのタービン内のステータブレードの側壁およびロータブレード内のプラットフォームの一方の中の冷却装置であって、
   入口から出口へ冷却媒体を流すように構成される冷却チャンバと、
   前記冷却チャンバ内に配置され、スイッチバックを形成するように前記冷却チャンバを部分的に分割するリブとを備え、
   前記リブが、狭くなり続けるチャネルを前記スイッチバックが含むように、前記冷却チャンバに対して傾斜する冷却装置。
2. 前記狭くなり続けるチャネルが、前記冷却チャンバの前記入口から前記出口に前記チャネルが延びるにつれて一定のレートで狭くなるチャネルを含む請求項１記載の冷却装置。
3. 前記狭くなり続けるチャネルが、前記リブの両方のフランクに沿って一定のレートで狭くなるチャネルを含む請求項１記載の冷却装置。
4. 前記スイッチバックが、前記リブの各フランク上に配置される経路、すなわち、前記入口に一致する前記リブのフランク上に配設される上流経路および前記出口に一致する前記リブのフランク上に配設される下流経路を備え、
   前記上流経路と前記下流経路との間で、前記スイッチバックが、約１８０°の転回を画定する転回セクションを備える請求項３記載の冷却装置。
5. 前記冷却チャンバが、第１の縁部および第２の縁部を備え、前記第２の縁部は前記冷却チャンバにわたって前記第１の縁部に対向し、
   前記リブが、前記入口と前記出口との間で前記冷却チャンバの前記第１の縁部上に配置される第１の端部と、前記冷却チャンバの前記第２の縁部からある距離だけオフセットした第２の端部との間で直線的に延在する請求項４記載の冷却装置。
6. 前記上流経路が前記入口から前記リブの前記第２の端部に延びるときに、前記上流経路のチャネル幅が直線的なレートで減少し、前記下流経路が前記リブの前記第２の端部から前記出口に延びるときに、前記下流経路のチャネル幅が直線的なレートで減少するように、前記リブが傾斜し、
   前記上流経路の下流端のチャネル幅が、前記下流経路の上流端のチャネル幅よりわずかに大きい請求項５記載の冷却装置。
7. 前記冷却チャンバが、平面構成および四辺形の外寄りプロファイルを備え、
   前記リブが直線状である請求項１記載の冷却装置。
8. 前記四辺形が、対向縁部の第１の対および第２の対を備え、各対が、前記冷却チャンバにわたって互いに対向する前記四辺形の辺のうちの２つの辺を備え、
   対向縁部の前記第１の対が第１の縁部および第２の縁部を含み、対向縁部の前記第２の対が第３の縁部および第４の縁部を含み、
   前記入口および前記出口が、前記第１の縁部上に配設され、前記入口と前記出口との間で、前記リブの第１の端部が前記第１の縁部上に配置される請求項７記載の冷却装置。
9. 前記第１の端部から、前記リブが前記第２の縁部に向かって延在し、前記リブが前記第２の端部で終端し、
   前記リブの前記第２の端部が、前記第２の縁部からある距離だけオフセットし、
   前記第３の縁部が、前記第４の縁部に平行であり、
   前記リブが、前記第３の縁部と前記第４の縁部との間で画定される中間点によって画定される前記冷却チャンバの縦軸の方向に対して傾斜する請求項８記載の冷却装置。
10. 前記リブが、前記第１の縁部から前記第２の縁部に向かって延びるにつれて、前記リブと前記第３の縁部との距離が直線的レートで減少し、一方、前記リブと前記第４の縁部との距離が直線的レートで増加するように前記リブが前記第３の縁部に向かって傾斜する請求項９記載の冷却装置。
11. 前記リブと前記冷却チャンバの前記縦軸の方向との間で画定される角度が、０°と３０°との間である請求項１０記載の冷却装置。
12. 前記リブと前記冷却チャンバの前記縦軸との間で画定される角度が、０°と６０°との間であり、
    前記スイッチバックが、ａ）前記入口における前記スイッチバックのチャネル幅を表す入口チャネル幅、ｂ）前記リブの前記第２の端部と前記第３の縁部との間の前記スイッチバックの前記チャネル幅を表す転回前チャネル幅、ｃ）前記リブの前記第２の端部と前記第４の縁部との間の前記スイッチバックの前記チャネル幅を表す転回後チャネル幅、およびｄ）前記出口における前記スイッチバック通路のチャネル幅を表す出口チャネル幅を含み、
    前記狭くなり続けるチャネルが、前記入口幅が前記転回前チャネル幅より大きく、前記転回前チャネル幅が前記転回後チャネル幅より大きく、前記転回後チャネル幅が前記出口チャネル幅より大きい構成を備える請求項１０記載の冷却装置。
13. 前記転回前チャネル幅と前記転回後チャネル幅との間で、前記スイッチバックが、転回セクションを備え、前記転回セクション内で、転回セクションチャネル幅が、前記リブの前記第２の端部と前記冷却チャンバの前記第２の縁部との間の前記スイッチバックのチャネル幅を表し、
    前記狭くなり続けるチャネルが、前記転回セクションチャネル幅が前記転回前チャネル幅より小さくかつ前記転回後チャネル幅より大きい構成を備える請求項１２記載の冷却装置。
14. 前記リブの前記フランクの両方に沿う前記狭くなり続けるチャネルが、
    前記入口チャネル幅と前記転回前チャネル幅との間で一定の直線的レートで減少する前記スイッチバックの前記チャネル幅と、
    前記転回後チャネル幅と前記出口チャネル幅との間で一定の直線的レートで減少する前記スイッチバックの前記チャネル幅とを含む請求項１２記載の冷却装置。
15. 前記冷却チャンバの前記外寄りプロファイルが、平行四辺形を含む請求項９記載の冷却装置。
16. 前記プラットフォームおよび前記側壁の一方が、平面構成を備え、前記冷却チャンバが、前記プラットフォームおよび前記側壁の一方の前記平面構成に整列し、前記平面構成に含まれる平面構成を備える請求項９記載の冷却装置。
17. 前記プラットフォームおよび前記側壁の一方が、平面上側を備え、
    前記冷却チャンバが、前記上側面の直ぐ内寄りの平面天井および前記天井から半径方向にオフセットした平面床を備え、
    前記冷却チャンバの半径方向高さが、前記天井と前記床との間の前記半径方向オフセットを含み、
    前記冷却チャンバの半径方向高さが一定である請求項９記載の冷却装置。
18. 冷却装置が前記ロータブレードの前記プラットフォーム内に配設され、
    前記ロータブレードが、前記ロータブレード内に形成された内部冷却通路を含み、前記内部冷却通路が、翼根部の冷却媒体源との接合部からほぼ半径方向高さの前記プラットフォームまで延在し、運転中、前記内部冷却通路が高圧冷却媒体領域および低圧冷却媒体領域を備え、
    前記入口を前記内部冷却通路の前記高圧冷却媒体領域に接続する高圧コネクタと、
    前記出口を前記内部冷却通路の前記低圧冷却媒体領域に接続する低圧コネクタとをさらに備える請求項９記載の冷却装置。
19. 冷却装置が前記ロータブレードの前記プラットフォーム内に配設され、
    前記ロータブレードが、前記ロータブレード内に形成された内部冷却通路を含み、前記内部冷却通路が、前記翼根部の冷却媒体源との接合部からほぼ半径方向高さの前記プラットフォームまで延在し、
    前記入口を前記内部冷却通路に接続するコネクタと、
    前記出口に流体的に連通するポートを冷却する複数のフィルムをさらに備える請求項９記載の冷却装置。
20. 燃焼タービンエンジンのタービン内のロータブレードのプラットフォームの冷却装置であって、
    入口から出口へ冷却媒体を流すように構成される冷却チャンバと、
    前記冷却チャンバ内に配置され、スイッチバックを形成するように前記冷却チャンバを部分的に分割するリブとを備え、
    前記リブが、狭くなり続けるチャネルを前記スイッチバックが含むように、前記冷却チャンバに対して傾斜する冷却装置。
21. 燃焼タービンエンジンのタービン内のステータブレードの側壁の冷却装置であって、
    入口から出口へ冷却媒体を流すように構成される冷却チャンバと、
    前記冷却チャンバ内に配置され、スイッチバックを形成するように前記冷却チャンバを部分的に分割するリブとを備え、
    前記リブが、狭くなり続けるチャネルを前記スイッチバックが含むように、前記冷却チャンバに対して傾斜する冷却装置。