JP6209609B2 - 動翼 - Google Patents

Description

本発明は、全体的に、ガスタービンの動翼の先端を冷却するための装置およびシステムに関する。限定しないが、より詳細には、本出願は、冷却性能を向上させる動翼先端レールの構成に関する。

ガスタービンエンジンでは、圧縮機内で空気が加圧され、燃焼器内で燃料を燃焼するために使用されて、高温の燃焼ガス流を生成すると、そのようなガスが１つまたは複数のタービンを通って下流に流れて、その結果、そこからエネルギーを抽出することができるとよく知られている。そのようなタービンによって、一般的に、円周方向に離隔配置された動翼の列が、支持ロータディスクから半径方向外側に延在する。通常、各ブレードは、ロータディスク内の対応するダブテールのスロット内に翼を組み付けまたは取り外すことを可能にするダブテール、ならびにダブテールから半径方向外側に延在する翼形部を備える。

翼形部は、対応する前縁と後縁との間に軸方向に、かつ根元と先端との間に半径方向に延在する、全体的に凹形の正圧側および全体的に凸型の負圧側を有する。タービン翼の間を下流に流れる燃焼ガスがその間から漏出することを最小にするために、翼先端が半径方向外側のタービンシュラウドに接近して離隔配置されることが理解されよう。エンジンの最大効率は、漏出が防止されるように、先端隙間または間隙を最小にすることによって得られるが、しかし、動翼とタービンシュラウドとの間の異なる熱的膨張、機械的膨張、および収縮率、ならびに運転中にシュラウドに対して過剰に先端が擦れるという望ましくない状況を避けるという動機付けによって、この手法はいくらか制限される。

タービン翼が高温燃焼ガスの中に浸されるので、有用な部品寿命を保証するために効率的冷却が必要となる。通常、翼の翼形部は中空であり、圧縮機に流体連通して配置され、その結果、圧縮機から抽出される圧縮空気の部分が翼形部を冷却する際に使用するために受け取られる。動翼の特定領域内の翼形部冷却は、極めて複雑であり、様々な形態の内部冷却導管、ならびに冷却空気を排出するために翼形部の外側壁を通る冷却出口を使用して利用され得る。それでもやはり、翼形部先端は、タービンシュラウドに直接隣接して配置され、先端間隙を通って流れる高温燃焼ガスによって加熱されるので、翼形部先端を冷却するのが困難である。したがって、翼の翼形部内部に導かれる空気の一部が、通常、その冷却のために先端を通って排出される。

従来の翼先端設計は、漏出を防止し、冷却効果を向上させるように意図されるいくつかの異なる幾何形状および構成を含む。代表的な特許には、Ｂｕｔｔｓらによる米国特許第５，２６１，７８９号、Ｂｕｎｋｅｒによる米国特許第６，１７９，５５６号、Ｍａｙｅｒらによる米国特許第６，１９０，１２９号、およびＬｅｅによる米国特許第６，０５９，５３０号が含まれる。しかし、従来の翼先端冷却設計、特に「スキーラ先端」設計を有する設計は、圧縮機バイパス空気の非効率な使用を含む特定の欠点を有し、それによってプラントの効率が低下する。その結果、この領域に導かれる冷却材の全体的効果を向上させる、改良されたタービン翼先端設計が非常に所望されるであろう。

特開平０９−１９５７０４号公報

したがって、本発明は、燃焼タービンエンジンのタービン用動翼を説明する。動翼が、外側周囲を画定する正圧側壁および負圧側壁、ならびに半径方向外側端部を画定する先端部分を備えることができる。先端部分が、先端空洞を画定するレールを含むことができる。翼形部が、運転中に翼形部を通って冷却材を循環させるように構成された内部冷却通路を含むことができる。動翼が、レールのスロット付部分と、翼形部の正圧側壁および負圧側壁の少なくとも１つの内部に配置される少なくとも１つのフィルム冷却出口とを更に含むことができる。フィルム冷却出口が、先端部分に隣接し、レールのスロット付部分の近傍にある位置を備えることができる。

本発明は、燃焼タービンエンジンのタービン用動翼を更に説明する。動翼が、外側周囲を画定する正圧側壁および負圧側壁、ならびに半径方向外側端部を画定する先端部分を備えることができる。先端部分が、先端空洞を画定するレールを含むことができ、翼形部が、運転中に翼形部を通って冷却材を循環させるように構成された内部冷却通路を含む。動翼が、レールのスロット付部分であって、その上に離隔配置された複数のスロットを含むレールのスロット付部分と、翼形部の正圧側壁および／または負圧側壁の内部に配置される複数のフィルム冷却出口とを備え、各複数のフィルム冷却出口が、先端部分に隣接し、レールのスロット付部分の近傍にある位置を備えることができ、複数の溝が、レールのスロット付部分と複数のフィルム冷却出口との間に形成される。各複数の溝が、複数のフィルム冷却出口の１つの位置またはちょうど外周側から、複数のスロットの１つの内周縁部の位置またはちょうど内周側まで略半径方向外側方向に延在するように、複数のスロット、複数のフィルム冷却出口および複数の溝が構成され得る。

図面および添付の特許請求の範囲と併せて考察される場合、好適な実施形態の以下の詳細な説明を再考すれば、本出願のこれら、および他の形態が明らかになるであろう。

本発明として見なされる主題は、本明細書の結論部で特許請求の範囲の中で詳細に指摘し、明確に特許請求する。本発明の前述および他の形態、ならびに利点は、添付の図面と併せて考察される以下の説明から明確になる。

燃焼タービンエンジンの概略図である。 ロータ、タービン翼、および静止シュラウドを含む例示的な動翼組立体の斜視図である。 翼形部に沿って、翼先端キャップを通る冷却出口を含むスキーラ先端を有するタービン動翼の斜視図である。 本発明に係るスキーラ先端を有し、冷却配置を組み込むタービン動翼の斜視図である。 図４のスキーラ先端の線５−５に沿った横断面図である。 本発明に係るスキーラ先端を有し、別の冷却配置を組み込むタービン動翼の斜視図である。 本発明に係る別の冷却配置を組み込むスキーラ先端レールの斜視図である。 本発明に係る別の冷却配置を組み込むスキーラ先端レールの斜視図である。 本発明に係る別の冷却配置を組み込むスキーラ先端レールの斜視図である。 本発明に係る別の冷却配置を組み込むスキーラ先端レールの斜視図である。 本発明に係る別の冷却配置を組み込むスキーラ先端レールの斜視図である。 本発明に係る別の冷却配置を組み込むスキーラ先端レールの斜視図である。 本発明に係る別の冷却配置を組み込むスキーラ先端レールの斜視図である。

詳細な説明は、図面を参照して実施例として、利点および形態と共に、本発明の実施形態を説明する。

図１は、ガスタービンシステム１００などのターボ機械システムの実施形態の概略図である。システム１００は、圧縮機１０２、燃焼器１０４、タービン１０６、シャフト１０８および燃料ノズル１１０を含む。一実施形態では、システム１００は、複数の圧縮機１０２、燃焼器１０４、タービン１０６、シャフト１０８および燃料ノズル１１０を含むことができる。圧縮機１０２およびタービン１０６は、シャフト１０８によって連結されている。シャフト１０８は、単一のシャフト、またはシャフト１０８を形成するために一体に連結された複数のシャフトセグメントであることができる。

一態様では、燃焼器１０４は、エンジンを運転するために、天然ガスまたは水素リッチ合成ガスなどの液体および／またはガス燃料を使用する。例えば、燃料ノズル１１０は、空気供給源および燃料供給源１１２と流体連通する。燃料ノズル１１０は、混合気を生成し、混合気を燃焼器１０４の中に排出し、それによって高温圧縮排気ガスを生成する燃焼を発生させる。燃焼器１０４は、高温圧縮ガスをトランジションピースを通ってタービンノズル（または「第１段ノズル」）内に導き、バケットおよびノズルの他の段はタービン１０６を回転させる。タービン１０６の回転によって、シャフト１０８が回転し、それによって、空気が圧縮機１０２の中に流れるにつれて、その空気を圧縮する。一実施形態では、限定しないが、シュラウド、隔壁、ノズル、バケットおよびトランジションピースを含む高温ガス通路構成要素が、タービン１０６内に配置され、その構成要素を横切る高温ガス流が、タービン部品のクリープ、酸化、摩耗および熱疲労を引き起こす。高温ガス通路構成要素の温度を制御することによって、構成要素内の損傷状態を低減することができる。タービンシステム１００内の燃成温度の上昇に伴って、ガスタービンの効率が向上する。燃成温度が上昇するにつれて、高温ガス通路構成要素は、使用寿命を満たすために適切に冷却される必要がある。高温ガス通路近傍の領域を冷却するために改善された配置を有する構成要素、およびそのような構成要素を作製するための方法が、図２から図１２を参照して以下に詳細に考察される。以下の考察は、主にガスタービンに焦点を合わせるが、考察する概念は、ガスタービンに限定されない。

更に説明を続ける前に、現行の出願の本発明を明確に伝えるために、特定の機械的構成要素またはタービンエンジンの部品に言及し、説明する用語を選択することが必要となる場合があることに留意されたい。可能な場合はいつでも、当産業で使用される用語は、その通義と矛盾しない態様で選択され、採用されるであろう。しかし、この用語は広義の意味を与えられるべきであり、本明細書で意図される意味、および添付の特許請求の範囲が限定されるように狭義に解釈するべきではないということを意図する。当業者は、特定の構成要素がいくつかの異なる名称で呼ばれることが多いことを理解するであろう。加えて、本明細書で単一の部品として説明され得るものが、いくつかの構成要素部品を含み、別の文脈で、いくつかの構成要素部品として参照される場合があり、または本明細書で多数の構成要素部品を含むと説明され得るものが、いくつかの場合、単一部品に作り上げられ、単一部品として呼ばれる場合がある。そういうわけで、本明細書に記載する本発明の範囲を理解する上で、提供された用語および説明だけに注意を払うばかりではなく、構成要素の構造、構成、機能および／または使用法にも注意を払うべきである。

加えて、いくつかの説明的用語を本明細書で使用することができる。これらの用語の意味は、以下の定義を含むものである。「動翼（ｒｏｔｏｒ ｂｌａｄｅ）」という用語は、追加の特定をせずに、圧縮機１１８またはタービン１０６のいずれかの回転翼への参照であり、それらは、圧縮機動翼１２０およびタービン動翼１１５の両方を含む。「静翼（ｓｔａｔｏｒ ｂｌａｄｅ）」という用語は、追加の特定をせずに、圧縮機１１８またはタービン１０６のいずれかの静翼への参照であり、それらは、圧縮機静翼１２２およびタービン静翼１２８の両方を含む。「翼（ｂｌａｄｅｓ）」という用語は、本明細書ではどちらかのタイプの翼を呼ぶために使用される。したがって、追加の特定をせずに、「翼」という用語は、圧縮機動翼１２０、圧縮機静翼１２２、タービン動翼１１５、およびタービン静翼１２８を含むすべてのタイプのタービンエンジン翼を含む。更に、本明細書で使用する場合、「下流」および「上流」は、タービンを通る作動流体の流れに関する方向を示す用語である。そういうわけで、「下流」という用語は、流れの方向を意味し、「上流」という用語は、タービンを通る流れの反対の方向を意味する。これらの用語に関連して、「後方」および／または「後縁」という用語は、下流方向、下流端部、および／または説明する構成要素の下流端部の方向を指示する。更に、「前方」および／または「前縁」という用語は、上流方向、上流端部、および／または説明する構成要素の上流端部の方向を指示する。「半径方向」という用語は、軸線に対して垂直な動きまたは位置を指示する。軸線に関して、異なる半径方向の位置にある部品を説明する必要があることが多い。この場合、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線により接近して位置する場合、本明細書では第１の構成要素が、第２の構成要素の「内周側」または「半径方向内側」であると述べることができる。一方、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線から離れて位置する場合、本明細書では第１の構成要素が、第２の構成要素の「外周側」または「半径方向外側」であると述べることができる。「軸方向」という用語は、軸線に対して平行な動きまたは位置を指示する。更に、「円周方向」という用語は、軸線を中心とする動きまたは位置を指示する。

図２は、例示的な高温ガス通路構成要素である、タービン動翼１１５の斜視図であり、タービン動翼１１５は、ガスタービンまたは燃焼エンジンのタービン内に配置されている。高温燃焼ガス１１６を燃焼器から受け取るために、タービンは燃焼器から直接下流に取り付けられていることが理解されよう。軸方向の中心軸線を中心として軸対称であるタービンは、ロータディスク１１７、およびロータディスク１１７から半径方向の軸線に沿って半径方向外側に延在する、複数の円周方向に離隔配置されたタービン動翼（その１つだけが図示されている）を含む。環状タービンシュラウド１４０は、静止固定子ケーシング（図示せず）に適切に結合され、運転中に燃焼ガスの漏出を制限する相対的に小さい間隙または隙間がその間に残るように、動翼１１５を取り囲む。

各動翼１１５は、ロータディスク１１７の周囲の中の対応するダブテールスロット内に取り付けるように構成されている軸方向のダブテールなど、一般に、任意の従来の形状を有することができる根元またはダブテール１２２を含む。中空の翼形部１２４は、ダブテール１２２に一体に結合され、軸方向に、またはダブテール１２２から長手方向外側に延在する。動翼１１５は、燃焼ガス１１６のための半径方向内側流路の部分を画定するために、翼形部１２４とダブテール１２２との接合点に配置される一体型プラットフォーム１２６を更に含む。動翼１１５は、任意の従来の態様で形成可能であり、通常は一体型ケーシングであることが理解されよう。好適には、翼形部１２４が、対向する前縁１３２と後縁１３４との間に軸方向に延在する、略凹形正圧側壁１２８、および円周方向または横方向に反対側の略凸型負圧側壁１３０を含む。側壁１２８および１３０は、プラットフォーム１２６から、半径方向外側先端部分または翼先端１３８まで半径方向にも延在する。

一般に、翼先端１３８は、正圧側壁１２８および負圧側壁１３０の半径方向外側縁部の上方に配置される先端キャップ１４８を含む。先端キャップ１４８は、通常、翼形部１２４の正圧側壁１２８と負圧側壁１３０との間に画定される内部冷却通路（以下に更に考察するように、本明細書で「内部冷却通路１５６」と呼ばれる）に接する。圧縮機から抽出された圧縮空気などの冷却材は、運転中に内部冷却通路を通って循環することができる。先端キャップ１４８は、通常、運転中に冷却材を吐出し、翼先端１３８の表面上にフィルム冷却を促進する複数のフィルム冷却出口１４９を含む。先端キャップ１４８は、動翼１１５に一体化されることができ、または図示のように、翼が鋳造される後に、一部分が定位置に溶接／ロウ付けされることが可能である。

漏出流の低減など、特定の性能利点によって、翼先端１３８は取り囲む先端レールまたはレール１５０を含むことが多い。このタイプの翼先端は、一般に「スキーラ先端」と呼ばれ、または別法として、「スキーラポケット」または「スキーラ空洞」を有する翼先端と呼ばれる。正圧側壁１２８および負圧側壁１３０に一致して、レール１５０は、それぞれ正圧側レール１５２および負圧側レール１５３を含むと説明することができる。一般に、正圧側レール１５２は、先端キャップ１４８から半径方向外側に延在し（すなわち、先端キャップ１４８に対して約９０°の角度、またはそれに近い角度を形成する）、翼形部１２４の前縁１３２（レールの場合、「前縁レール」と呼ぶことができる）から後縁１３４（レールの場合、「後縁レール」と呼ぶことができる）まで延在する。図示のように、正圧側レール１５２の通路は、正圧側壁１２８の半径方向外側縁部に隣接し、またはその近傍に（すなわち、正圧側レール１５２が正圧側壁１２８の半径方向外側縁部に整列するように、先端キャップ１４８に、またはその周囲近傍に）ある。同様に、図示のように、負圧側レール１５３は、先端キャップ１４８から半径方向外側に突出し（すなわち、先端キャップ１４８と約９０°の角度を形成する）、レールの前縁レールから後縁レールまで延在する。負圧側レール１５３の通路は、負圧側壁１３０の半径方向外側縁部に隣接し、またはその近傍に（すなわち、負圧側レール１５３が負圧側壁１３０の半径方向外側縁部に整列するように、先端キャップ１４８に、またはその周囲近傍に）ある。正圧側レール１５２および負圧側レール１５３の両方が、内側に先端空洞１５５を画定する内側レール面１５７、およびレール１５０の対向する側部上にあり、したがって先端空洞１５５の外側に、先端空洞１５５から離れて面する外側レール面１５９を有すると説明することができる。半径方向外側端部で、レール１５０は、外側方向に面する外周レール面１６１を有すると説明することができる。

本発明が使用されるスキーラ先端は、前述の特徴とはいくらか異なる可能性があるということを当業者は理解するであろう。例えば、レール１５０は、正圧側壁１２８および／または負圧側壁１３０の半径方向外側縁部の形状に必ずしも正確に従わない場合がある。すなわち、本発明が使用され得る別のタイプの先端では、先端キャップ１４８の外側周囲から離れて先端レール１５０を移動することができる。加えて、先端レール１５０は、先端空洞を完全に囲まない場合があり、特定の場合、その中に、特に翼先端１３８の後縁レール１３４の方に配置されたレールの部分内に形成された大きい間隙を含むことができる。いくつかの場合、レール１５０は、先端１３８の正圧側または負圧側から取り外されることが可能である。別法として、１つまたは複数のレールが、正圧側レール１５２と負圧側レール１５３との間に配置可能である。

先端レール１５０は、図示のように一般に、先端ポケットまたは空洞１５５が先端部分１３８の中に画定されるように、先端キャップ１４８の周囲を囲むように構成される。正圧側レール１５２および／または負圧側レール１５３の高さおよび幅（したがって、空洞１５５の深さ）は、タービン組立体全体の最良の性能および寸法に依存して変化させることができる。先端キャップ１４８が空洞１５５のフロア（すなわち、空洞の半径方向内側の境界）を形成し、先端レール１５０が空洞１５５の側壁を形成すること、および先端空洞１５５が半径方向外側面を通して開いた状態であり、半径方向外側面は、タービンエンジン内に一旦取り付けられると、そこから半径方向にわずかにずれている静止シュラウド１４０（図２参照）に接近して隣接することが理解されよう。

図３に示すように、複数のフィルム冷却出口１４９が、翼先端１３８および翼形部１２４の面上に配置され得る。通常、フィルム冷却出口１４９は、翼形部１２４の正圧側壁１２８ならびに先端キャップ１４８を通って設けられる。いくつかの設計は、正圧側先端領域を冷却材で充満させる努力により、利用可能な限定された空間内にできるだけ多くのフィルム出口１４９を使用する。正圧側壁１２８上に配置された出口に関して、冷却材の吐出後、次いで冷却材がスキーラ先端のレール１５０の上方へ、先端空洞１５５の中に達して、その中に冷却を提供し、次いで先端１３８の負圧側面上方に達して、この領域に冷却を提供することが所望される。この目的に向かって、フィルム出口１４９が半径方向外側へ配向される。更に、フィルム冷却出口１４９を翼形部１２４の面に対して傾斜させることができる。この傾斜した冷却材の導入によって、ある程度混合を制限することができる。それでもやはり、実際には、冷却流が主流の動的高温ガスと混合するので、冷却流の複雑な性質によって、翼先端１３８を冷却することがやはり非常に困難である。

高温空気流（全体に矢印１６３によって図示する）は、翼形部１２４の上方に流れ、翼形部１２４の外面上に推進力を及ぼし、次々にタービンを駆動し、動力を生成する。冷却流（全体に矢印１６４によって図示する）は、フィルム出口１４９を出て、高温空気流１６３によって、翼形部１２４の後縁１３４の方へ、先端空洞１５５から離れて押し流される。通常、これによって混合効果が生じ、冷却空気の一部分が捕捉され、混合ガスと混合され、一部分は先端空洞１５５の中に入り、一部分が軸方向に翼形部に沿って後縁１３４まで到達する。これには、この領域を冷却するために過剰な冷却空気の使用が必要になり、それによって、説明の通りにプラントの効率が低下することにつながる。

ここで図４および図５に目を向けると、本発明に一致する冷却配置を組み込むスキーラ先端を有するタービン動翼の図が提供される。図示のように、冷却配置は、レール１５０内にスロット付領域を含むことができる。スロット付領域は通常複数のスロット１７０を含むが、スロット付領域は少なくとも１つのスロット１７０を含む。各スロット１７０は、スキーラ先端のレール１５０を通って形成される。一般に、スロット１７０はレール１５０の厚さを通って延在する通路である。すなわち、スロット１７０は、レール１５０を横切って内側レール面１５７内に形成される開口まで延びる外側レール面１５９の中に形成される開口を含む。図示のように、好適な実施形態では、スロット１７０は、レール１５０の外周レール面１６１を通して開いた状態であることができる。すなわち、スロット１７０は、内周縁部１７１から外周レール面１６１に形成された開口まで延在することができる。図４に示すように、好適な実施形態では、スロット１７０は、スキーラ先端の正圧側レール１５２上に形成され得る。しかし、図６に示すように、スロット１７０は、負圧側レール１５３上にもまた形成可能である。

翼形部１２４内で、正圧側壁１２８および負圧側壁１３０が、円周方向および軸方向に、翼形部１２４の半径方向のほとんどに亘って、または半径方向全長に亘って離隔配置されて、翼形部１２４を通る内部冷却通路１５６の少なくとも１つを画定することができることが理解されよう。図５に示すように、内部冷却通路１５６は、一般に動翼の根元での結合部から翼形部１２４を通って冷却材を導き、その結果、翼形部１２４は高温ガス通路に曝されることによって運転中に加熱することはない。通常、冷却材は、いくつかの従来の方法で実施され得る、圧縮機１０２から抽出された圧縮空気である。内部冷却通路１５６は任意の数の構成を有することができ、例えば、冷却空気の効果を向上させるために、その中に様々なタービュレータを含む蛇状流路を含み、冷却空気が、先端キャップ１４８および翼形部面上に図示されているフィルム冷却出口１４９など、翼形部１２４に沿って配置された様々な出口を通って排出される。

好適な実施形態では、図７により詳細に示されるように、各スロット１７０は、１つまたは複数の近傍のフィルム冷却出口からスロット１７０の中に吐出される冷却空気を導くように近傍に構成された溝１７２を有することができる。溝１７２は、図示のように、翼形部１２４、外側レール面１５９、または先端１３８の特定の構成に依存してその組合せに沿って延在する細長い凹部であることができる。説明のように、フィルム冷却出口１４９は、翼形部１２４のこの領域、すなわちスロット１７０の内周側に配置可能である。各溝１７２は、フィルム冷却出口１４９の位置またはそのちょうど外周側からスロット１７０の内周縁部１７１の位置またはちょうど内周側まで、半径方向外周に延在するように構成可能である。好適な実施形態では、図７に最も明確に示すように、溝１７２がフィルム冷却出口１４９を直接スロット１７０に結合するように、溝１７２を配置することができる。そのような場合、溝１７２は、冷却材をスロット１７０の方へ導くことができる。すなわち、フィルム冷却出口１４９およびスロット１７０の両方によって形成される結合部の間に延びるように、溝１７２を構成することができる。このように、溝１７２は、出口１４９を出る冷却材をスロット１７０の方へ導くことができ、その結果、吐出された冷却材のほとんどがスロット１７０に到達する。一旦スロット１７０に到達すると、冷却材はスロット１７０を通って先端空洞１５５の中に流れることができる。このように、冷却材が、非常に正確にフィルム冷却出口１４９から先端空洞１５５まで導かれることができ、それによって、翼１１５の先端領域の冷却を改善することが理解されよう。

好適な実施形態が本明細書で考察され、好適には特定の基準に従うことができるが、当業者は、スロット１７０、溝１７２を有するスキーラ先端の構成および／または前述の形態他の構成が運転状態に依存して変化することができることを理解するであろう。したがって、いくつかの好適な実施形態が、図８から図１２に提供されるスロット付レールのいくつかの斜視図と併せて考察されるが、本発明の要素のすべての可能な組合せが図示されず、詳細に考察されないが、それは現行の目的のためには網羅的すぎるからであるということを当業者は理解するであろう。本明細書で詳細に考察しない場合でも、添付の特許請求の範囲によって定義されるように、互いに包括的ではない要素および他の特徴を組み合わせることができることを理解するべきである。

図８および図９に図示するような特定の実施形態では、スロット１７０は溝１７２なしで機能することができる。そのような場合、フィルム冷却出口１４９は、図８に示すようにスロット１７０のちょうど内周側に配置することができ、または図９に示すようにスロット１７０の内周縁部１７１の中に組み込まれることができる。溝１７２を含むことは特定の実施形態では好ましい可能性があるが、スロット１７０によって生成される流れのパターンは、増加した量の冷却材を動翼の先端領域に向かって誘導するために適切である可能性がある。

図１０に示すように、特定の実施形態では、溝１７２対スロット１７０の比率は１対１である必要はない。特定の実施形態では、例えば、単一のスロット１７０のために２つの溝１７２を設けることができる。他の比率もまた、使用可能である。

スロット１７０および溝１７２は、矩形の形状である。詳細には、溝１７２の幅は、フィルム冷却出口１４９近傍または隣接する上流端部から、スロット１７０近傍または隣接する下流端部まで一定であることができる。図１１に示すように、別の実施形態では、溝１７２は、スロット１７０の方へ延在するにつれて幅広くなることができる。同様に、スロット１７０は、スキーラ先端の外周レール面１６１の方へ半径方向に延在するにつれて幅広くなることができる。このタイプの構成は、スロット１７０および／または溝１７２が、運転中に増加した量の冷却材を捕捉し、導くことを可能にする。性能および製造基準に従う形状に溝１７２を最適化することができる。例えば、溝１７２のフロアは図示のように湾曲することができ、または平坦であることができる。

図１２は、本発明に係る別の冷却配置を組み込むスキーラ先端レールの近接斜視図である。図示のように、特定の実施形態では、スロット１７０および溝１７２は、半径方向に対して傾斜することができる。スロット１７０および溝１７２は、上流方向に傾斜することができ、好適な実施形態では、スロット１７０および溝１７２は、下流方向に傾斜することができる。この領域を通る作動流体の所定の流路、下流方向に傾斜したスロット１７０および溝１７２によって、スロット１７０および／または溝１７２は、吐出された冷却材の流れの方向により効果的に影響を与え、および／または冷却材が作動流体によって後方に駆動されるので、より多くの量の冷却材を先端空洞１５５の中に導くことができる。別法として、スロット１７０および溝１７２の対は、異なる角度の配向を維持することができ、または特定の場合、湾曲することができる。

加えて、説明するように、吐出方向と翼形部面との間に小さい角度が形成されるように、フィルム冷却出口１４９を構成することができる。このことによって、フィルム層の下、または吐出される冷却材によって構成されるフィルムジェットの下に入る高温ガス作動流体の能力を制限することができることが理解されよう。面上の正弦方向のフィルム冷却が、角度をもって吐出されるフィルム冷却よりも効率的であるということは、確立した事実である。好適な実施形態では、フィルム冷却出口１４９は、冷却材が吐出される溝１７２および／またはスロット１７０の方向に一致するような方向性に冷却材を吐出するように構成されている。

スロット１７０の半径方向の深さは変化することができる。レール１５０の半径方向の高さは、先端キャップ１４８の半径方向の位置から外周レール面１６１の半径方向の位置までの距離として説明することができる。同様に、スロット１７０の半径方向の高さは、図５に図示するように、スロット１７０の内周縁部１７１の半径方向の位置から外周レール面１６１の半径方向の位置までの距離として説明することができる。好適な実施形態では、各スロット１７０の半径方向の高さは、レール１５０の半径方向の高さの少なくとも半分（０．５）であることができる。

スロット１７０および溝１７２は、様々な構成、深さおよび／または形状であることができる。スロット１７０および溝１７２は、フィルム冷却を包含し、高温ガスと混合することからフィルム冷却を保護し、一方で領域の冷却の必要がより効率的に満たされるように、好適な経路に沿ってフィルム冷却を導く働きをすることが理解されよう。スロット１７０および溝１７２は、フィルム冷却によって覆われる外部面領域を増加させるように働くこともできる。スロット１７０および溝１７２は、翼先端に鋳造された形態、または鋳造後に機械加工されることができ、あるいはフィルム出口１４９自体を形成する工程の一部としてレーザ、水噴射、または放電加工（ＥＤＭ）穿孔によって更に簡単に形成され得る。説明するように、スロット１７０および溝１７２は、一定の断面から成る必要はなく、またフィルム冷却出口１４９からの距離によって寸法が内側または外側に広がることができ、それによって追加の性能上の利点をもたらすことができる。面内への溝１７２の深さは変化することができるが、このことはフィルム冷却出口１４９の寸法によって制限されない。特定の実施形態では、２つ以上の溝１７２が単一のフィルム冷却出口１４９から生じることができて、冷却を拡散させることを助け、一方で冷却材が高温ガスと混合することから保護することもできる。

図１３に示すように、シェルフ１７５が、スロット１７０の内周縁近傍に、正圧側壁または負圧側壁上に形成可能である。そのような場合、フィルム冷却出口１４９はシェルフ１７５上に配置可能である。この構成によって、半径方向への冷却の吐出が可能になり、それによって、より多くの冷却材が各スロット１７０内に吸収されることにつながる可能性があることが理解されよう。

本発明を限定された数の実施形態だけに関連して詳細に説明したが、本発明はそのような開示する実施形態に限定されないということを容易に理解するべきである。むしろ、本発明は修正されて、任意の数の変形形態、修正形態、代替形態または上記に説明されなかったが本発明の精神および範囲に相応する均等な配置を組み込むことができる。加えて、本発明の様々な実施形態を説明したが、本発明の態様は説明した実施形態のいくつかだけを含むことができることを理解されたい。したがって、本発明は、上記の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

１００ システム
１０２ 圧縮機
１０４ 燃焼器
１０６ タービン
１０８ シャフト
１１０ 燃料ノズル
１１２ 空気供給源および燃料供給源
１１５ 動翼
１１６ 高温燃焼ガス
１１７ ロータディスク
１１８ 圧縮機
１２０ 圧縮機動翼
１２２ ダブテール／圧縮機静翼
１２４ 翼形部
１２６ プラットフォーム
１２８ 正圧側壁／タービン静翼
１３０ 負圧側壁
１３２ 前縁（レール）
１３４ 後縁（レール）
１３８ 翼先端／先端部分
１４０ タービンシュラウド
１４８ 先端キャップ
１４９ フィルム冷却出口
１５０ レール
１５２ 正圧側レール
１５３ 負圧側レール
１５５ 先端空洞
１５６ 内部冷却通路
１５７ 内側レール面
１５９ 外側レール面
１６１ 外周レール面
１６３ 高温空気流
１６４ 冷却流
１７０ スロット
１７１ 内周縁部
１７２ 溝
１７５ シェルフ

Claims (16)

1. 燃焼タービンエンジンのタービン（１０６）用動翼（１１５）であって、前記動翼（１１５）が、外側周囲を画定する正圧側壁（１２８）および負圧側壁（１３０）、ならびに半径方向外側端部を画定する先端部分（１３８）を含む翼形部（１２４）を備え、前記先端部分（１３８）が、先端空洞（１５５）を画定するレール（１５０）を含み、前記翼形部（１２４）が、運転中に前記翼形部（１２４）を通って冷却材を循環させるように構成された内部冷却通路（１５６）を含み、前記動翼（１１５）が、
   前記レール（１５０）のスロット付部分と、
   前記翼形部（１２４）の前記正圧側壁（１２８）および前記負圧側壁（１３０）の少なくとも１つの内部に配置される少なくとも１つのフィルム冷却出口（１４９）と
   を備え、前記フィルム冷却出口（１４９）が、前記先端部分（１３８）に隣接し、前記レール（１５０）の前記スロット付部分の近傍にある位置を備え、
   前記内部冷却通路（１５６）が、前記動翼（１１５）の根元で冷却材供給源との結合部から延在し、
   前記フィルム冷却出口（１４９）が、前記内部冷却通路（１５６）と流体連通して配置されるポートを備え、
   先端キャップ（１４８）が前記先端空洞（１５５）のフロアを形成し、前記レール（１５０）が前記先端キャップ（１４８）から半径方向に延在し、
   前記フィルム冷却出口（１４９）が前記スロット（１７０）の内周側に、かつ近傍に配置され、
   前記正圧側壁（１２８）および前記負圧側壁（１３０）が、翼形部前縁（１３２）および翼形部後縁（１３４）で接合し、前記正圧側壁（１２８）および前記負圧側壁（１３０）が、前記根元から前記スキーラ先端まで延在し、その中に前記内部冷却通路（１５６）を画定し、
   前記レール（１５０）が、正圧側レール（１５２）および負圧側レール（１５３）を含み、
   前記正圧側レール（１５２）が、前縁レールおよび後縁レールで前記負圧側レール（１５３）に結合し、前記正圧側レール（１５２）が前記正圧側壁（１２８）の半径方向外側縁部の形状に概ね位置合わせするように、前記正圧側レール（１５２）が前記前縁レールから前記後縁レールまで延在し、
   前記負圧側レール（１５３）が前記負圧側壁（１３０）の半径方向外側縁部の形状に概ね位置合わせするように、前記負圧側レール（１５３）が前記前縁レールから前記後縁レールまで延在し、
   前記レール（１５０）が、内側に面し、前記先端空洞（１５５）を画定する内側レール面（１５７）と、外側に面する外側レール面（１５９）とを含み、
   前記レール（１５０）が、外周方向に面する外周レール面（１６１）を含み、
   前記スロット（１７０）が、前記レール（１５０）の前記厚さを通って切断された通路を備え、
   前記スロット（１７０）の前記通路が、前記外側レール面（１５９）上に形成された開口から前記内側レール面（１５７）上に形成された開口まで延在し、
   前記スロット（１７０）の前記通路が、前記スロット（１７０）の内周縁部（１７１）から前記外周レール面（１６１）を通って形成された開口まで延在し、
   前記レール（１５０）の前記スロット付部分が、複数の規則的に離隔配置されたスロッ
   ト（１７０）を備え、
   前記複数のスロット（１７０）が、前記正圧側上に平行に配置され、
   前記複数の溝（１７２）および前記複数のスロット（１７０）が、前記下流方向に向かって傾斜し、前記下流方向が前記タービン（１０６）を通る作動流体の流れ方向に関連し、
   各前記フィルム冷却出口（１４９）が、前記複数の溝（１７２）および前記複数のスロット（１７０）の前記傾斜に概ね相当する方向に冷却材を吐出するように構成される、動翼（１１５）。
2. 前記フィルム冷却出口（１４９）に隣接する位置から前記レール（１５０）の前記スロット付部分に向かって延在する溝（１７２）を更に備え、前記先端部分（１３８）が、スキーラ先端を備える、請求項１に記載の動翼（１１５）。
3. 前記正圧側壁（１２８）および前記負圧側壁（１３０）の１つの上の前記スロット（１７０）のちょうど内周側に形成されたシェルフ（１７５）を更に備え、
   前記フィルム冷却出口（１４９）が、前記シェルフ（１７５）上に配置され、そこから放出される冷却材が略半径方向を含むように配向される、請求項１または２に記載の動翼（１１５）。
4. 前記フィルム冷却出口（１４９）から前記スロット（１７０）まで延在する溝（１７２）を備える、請求項１乃至３のいずれかに記載の動翼（１１５）。
5. 前記先端キャップ（１４８）が、軸方向および円周方向に延在して、前記負圧側壁（１３０）の前記半径方向外側縁部を前記正圧側壁（１２８）の前記半径方向外側縁部に接続し、
   前記レール（１５０）が前記先端キャップ（１４８）の周囲に配置される、請求項１乃至４のいずれかに記載の動翼（１１５）。
6. 前記複数のスロット（１７０）が、前記負圧側上に平行に配置される、請求項１乃至５のいずれかに記載の動翼（１１５）。
7. 前記少なくとも１つのフィルム冷却出口（１４９）が、複数のフィルム冷却出口（１４９）を備え、前記複数のスロット（１７０）のそれぞれに対して、対応する少なくとも１つのフィルム冷却出口（１４９）が存在し、
   各前記対応するフィルム冷却出口（１４９）が、前記フィルム冷却出口（１４９）が対応する前記スロット（１７０）の内周側、かつ近傍の位置を備える、請求項１乃至６のいずれかに記載の動翼（１１５）。
8. 各１対の対応するフィルム冷却出口（１４９）、およびスロット（１７０）が、その間に延びる溝（１７２）を含み、前記溝（１７２）が前記フィルム冷却出口（１４９）から前記スロット（１７０）まで排出される冷却材の流れを導くように構成されている、請求項７に記載の動翼（１１５）。
9. 各前記複数の溝（１７２）が、前記動翼（１１５）の外側面に沿って延在する細長い凹部を備え、各前記複数の溝（１７２）が、前記フィルム冷却出口（１４９）を前記スロット（１７０）の前記内周縁部（１７１）に接続する、請求項８に記載の動翼（１１５）。
10. 前記少なくとも１つのフィルム冷却出口（１４９）が、複数のフィルム冷却出口（１４９）を備え、
    前記複数のスロット（１７０）のそれぞれに対して、対応する少なくとも１つのフィルム冷却出口（１４９）が存在し、各前記対応するフィルム冷却出口（１４９）が、前記フィルム冷却出口（１４９）が対応する前記スロット（１７０）の前記内周縁部（１７１）の中に一体化される、請求項１乃至９のいずれかに記載の動翼（１１５）。
11. 前記少なくとも１つのフィルム冷却出口（１４９）が、複数のフィルム冷却出口（１４９）を備え、前記複数のスロット（１７０）のそれぞれに対して、対応する少なくとも１つのフィルム冷却出口（１４９）が存在し、各前記２つの対応するフィルム冷却出口（１４９）が、各前記２つのフィルム冷却出口（１４９）が対応する前記スロット（１７０）の内周側、かつ近傍の位置を備える、請求項１乃至１０のいずれかに記載の動翼（１１５）。
12. 前記レール（１５０）の半径方向の高さが、前記先端キャップ（１４８）の前記半径方向の位置から前記レール（１５０）の前記外周面の前記半径方向の位置までの距離を含み、
    前記スロット（１７０）の半径方向の高さが、前記スロット（１７０）の前記内周縁部（１７１）の前記半径方向の位置から前記レール（１５０）の前記外周面の前記半径方向の位置までの距離を含み、
    各前記複数のスロット（１７０）の前記半径方向の高さが、前記レール（１５０）の前記半径方向の高さの少なくとも０．５である、請求項１乃至１１のいずれかに記載の動翼（１１５）。
13. 燃焼タービンエンジンのタービン（１０６）用動翼（１１５）であって、前記動翼（１１５）が、外側周囲を画定する正圧側壁（１２８）および負圧側壁（１３０）、ならびに半径方向外側端部を画定する先端部分（１３８）を備え、前記先端部分（１３８）が、先端空洞（１５５）を画定するレール（１５０）を含み、前記翼形部（１２４）が、運転中に前記翼形部（１２４）を通って冷却材を循環させるように構成された内部冷却通路（１５６）を含み、前記動翼（１１５）が、
    前記レール（１５０）のスロット付部分であって、その上に離隔配置された複数のスロット（１７０）を含む前記レール（１５０）のスロット付部分と、
    前記翼形部（１２４）の前記正圧側壁（１２８）および前記負圧側壁（１３０）の少なくとも１つの内部に配置される複数のフィルム冷却出口（１４９）と
    を備え、各前記複数のフィルム冷却出口（１４９）が、前記先端部分（１３８）に隣接し、前記レール（１５０）の前記スロット付部分の近傍にある位置を備え、各前記複数のフィルム冷却出口（１４９）が、前記内側冷却通路（１５６）と流体連通し、
    複数の溝（１７２）が、前記レール（１５０）の前記スロット付部分と前記複数のフィルム冷却出口（１４９）との間に形成され、
    各前記複数の溝（１７２）が、前記複数のフィルム冷却出口（１４９）の１つの位置またはちょうど外周側から、前記複数のスロット（１７０）の１つの内周縁部（１７１）の位置またはちょうど内周側まで略半径方向外側方向に延在するように、前記複数のスロット（１７０）、前記複数のフィルム冷却出口（１４９）および前記複数の溝（１７２）が構成され、
    各前記複数の溝（１７２）および各前記複数のスロット（１７０）が、半径方向に整列する基準線に関して傾斜しており、
    前記複数の溝（１７２）および前記複数のスロット（１７０）が、前記下流方向に向かって傾斜し、前記下流方向が前記タービン（１０６）を通る作動流体の流れ方向に関連し、
    各前記フィルム冷却出口（１４９）が、前記複数の溝（１７２）および前記複数のスロット（１７０）の前記傾斜に概ね相当する方向に冷却材を吐出するように構成される、動翼（１１５）。
14. 燃焼タービンエンジンのタービン（１０６）用動翼（１１５）であって、前記動翼（１１５）が、外側周囲を画定する正圧側壁（１２８）および負圧側壁（１３０）、ならびに半径方向外側端部を画定する先端部分（１３８）を備え、前記先端部分（１３８）が、先端空洞（１５５）を画定するレール（１５０）を含み、前記翼形部（１２４）が、運転中に前記翼形部（１２４）を通って冷却材を循環させるように構成された内部冷却通路（１５６）を含み、前記動翼（１１５）が、
    前記レール（１５０）のスロット付部分であって、その上に離隔配置された複数のスロット（１７０）を含む前記レール（１５０）のスロット付部分と、
    前記翼形部（１２４）の前記正圧側壁（１２８）および前記負圧側壁（１３０）の少なくとも１つの内部に配置される複数のフィルム冷却出口（１４９）と
    を備え、各前記複数のフィルム冷却出口（１４９）が、前記先端部分（１３８）に隣接し、前記レール（１５０）の前記スロット付部分の近傍にある位置を備え、各前記複数のフィルム冷却出口（１４９）が、前記内側冷却通路（１５６）と流体連通し、
    複数の溝（１７２）が、前記レール（１５０）の前記スロット付部分と前記複数のフィルム冷却出口（１４９）との間に形成され、
    各前記複数の溝（１７２）が、前記複数のフィルム冷却出口（１４９）の１つの位置またはちょうど外周側から、前記複数のスロット（１７０）の１つの内周縁部（１７１）の位置またはちょうど内周側まで略半径方向外側方向に延在するように、前記複数のスロット（１７０）、前記複数のフィルム冷却出口（１４９）および前記複数の溝（１７２）が構成され、
    前記溝（１７２）が前記半径方向に延在するにつれて、各前記複数の溝（１７２）が可変の幅を備え、
    前記スロット（１７０）が前記半径方向に延在するにつれて、各前記複数のスロット（１７０）が可変の幅を備え、
    前記複数の溝（１７２）および前記複数のスロット（１７０）が、前記下流方向に向かって傾斜し、前記下流方向が前記タービン（１０６）を通る作動流体の流れ方向に関連し、
    各前記フィルム冷却出口（１４９）が、前記複数の溝（１７２）および前記複数のスロット（１７０）の前記傾斜に概ね相当する方向に冷却材を吐出するように構成される、動翼（１１５）。
15. 各前記複数のフィルム冷却出口（１４９）が、前記溝（１７２）の内周縁部の中に組み込まれ、
    前記溝（１７２）が、前記複数のスロット（１７０）の１つの前記内周縁部（１７１）に接続する、請求項１３または１４に記載の動翼（１１５）。
16. 各前記複数の溝（１７２）および各前記複数のスロット（１７０）が、概ね一定の幅を含む矩形形状を備える、請求項１３乃至１５のいずれかに記載の動翼（１１５）。