特許 7370823 先端レール冷却インサートを含むタービンブレード先端冷却システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-10-20

(45)【発行日】2023-10-30

(54)【発明の名称】先端レール冷却インサートを含むタービンブレード先端冷却システム

(51)【国際特許分類】

   F01D 5/18 20060101AFI20231023BHJP

   F02C 7/18 20060101ALI20231023BHJP

【ＦＩ】

F01D5/18

F02C7/18 A

F02C7/18 E

【請求項の数】 10

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2019207649

(22)【出願日】2019-11-18

(65)【公開番号】P2020097930

(43)【公開日】2020-06-25

【審査請求日】2022-11-11

(31)【優先権主張番号】16/208001

(32)【優先日】2018-12-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】390041542

【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(72)【発明者】

【氏名】マーク・スティーブン・ホンコンプ

(72)【発明者】

【氏名】メフメト・スレイマン・チライ

(72)【発明者】

【氏名】マーク・ローレンス・ハント

【審査官】藤原 弘

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－５５５８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２４５６７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】欧州特許出願公開第２７４６５３６（ＥＰ，Ａ１）

【文献】米国特許第５６６０５２３（ＵＳ，Ａ）

【文献】独国特許出願公開第１９９４４９２３（ＤＥ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０３６０１５５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｄ ５／１８

Ｆ０２Ｃ ７／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

先端空洞（１５５）、前記先端空洞（１５５）の少なくとも一部を囲む先端レール（１５０）、および少なくとも１つの内部冷却空洞（１７４）を有するタービンブレード（１１５）であって、
前記先端レール（１５０）は、内側レール表面（１５７）、外側レール表面（１５９）、端部表面（１６０、２８８）、および前記端部表面（１６０、２８８）で開口し、冷却剤を運ぶ前記少なくとも１つの内部冷却空洞（１７４）に流体接続された少なくとも１つの先端レールポケット（２７０）を有するタービンブレード（１１５）と、
前記少なくとも１つの先端レールポケット（２７０）に取り付けられた先端レール冷却インサート（２８０）であって、前記先端レール冷却インサート（２８０）は、内部の少なくとも１つのインサート冷却チャネル（１８０）、および前記少なくとも１つの内部冷却空洞（１７４）から前記少なくとも１つのインサート冷却チャネル（１８０）に冷却剤を誘導するための冷却剤収集プレナム（２８４）を有する先端レール冷却インサート（２８０）と
を備える、タービンブレード先端冷却システム（２００）。

【請求項2】

前記冷却剤収集プレナム（２８４）は、前記少なくとも１つの内部冷却空洞（１７４）から前記先端レールポケット（２７０）の少なくとも１つの先端ポケット冷却剤開口部（２９０）に延びる少なくとも１つのブレード冷却チャネル（２７２）によって、前記少なくとも１つの内部冷却空洞（１７４）に流体接続される、請求項１に記載のタービンブレード先端冷却システム（２００）。

【請求項3】

前記少なくとも１つの先端レールポケット（２７０）は、前記先端レール冷却インサート（２８０）と係合するための少なくとも４つの表面（３１２Ａ～Ｅ）を含む、請求項１に記載のタービンブレード先端冷却システム（２００）。

【請求項4】

複数の先端レールポケット（２７０）と、前記複数の先端レールポケット（２７０）の各々に取り付けられた先端レール冷却インサート（２８０）とをさらに含む、請求項１に記載のタービンブレード先端冷却システム（２００）。

【請求項5】

前記複数の先端レールポケット（２７０）の少なくとも２つは、同じ幾何学的形状および寸法を有する、請求項４に記載のタービンブレード先端冷却システム（２００）。

【請求項6】

前記先端レール冷却インサート（２８０）は、モノリシック構造である、請求項１に記載のタービンブレード先端冷却システム（２００）。

【請求項7】

前記先端レール冷却インサート（２８０）は、複数の材料層（３００）から積層される、請求項１に記載のタービンブレード先端冷却システム（２００）。

【請求項8】

前記材料層（３００）の少なくとも１つは、予備焼結プリフォームである、請求項７に記載のタービンブレード先端冷却システム（２００）。

【請求項9】

前記少なくとも１つのインサート冷却チャネル（１８０）は、前記それぞれの先端レール冷却インサート（２８０）の前記端部表面（１６０、２８８）に少なくとも１つの冷却剤出口開口（２８６）を含む、請求項１に記載のタービンブレード先端冷却システム（２００）。

【請求項10】

タービンブレード先端（１３７、２３７）を冷却する方法であって、
先端空洞（１５５）、前記先端空洞（１５５）の少なくとも一部を囲む先端レール（１５０）、および冷却剤を送達するように構成された少なくとも１つの内部冷却空洞（１７４）を有するタービンブレード（１１５）を設けることであって、前記先端レール（１５０）は、内側レール表面（１５７）、外側レール表面（１５９）、および端部表面（１６０、２８８）を有することと、
前記先端レール（１５０）の前記端部表面（１６０、２８８）に先端レールポケット（２７０）を形成することであって、前記先端レールポケット（２７０）は、前記少なくとも１つの内部冷却空洞（１７４）と流体連通する先端ポケット冷却剤開口部（２９０）を含むことと、
前記先端ポケット冷却剤開口部（２９０）と流体連通するように構成された冷却剤収集プレナム（２８４）、および前記冷却剤収集プレナム（２８４）と流体連通する少なくとも１つのインサート冷却チャネル（１８０）を有する先端レール冷却インサート（２８０）を形成することであって、前記先端レール冷却インサート（２８０）は、前記先端レールポケット（２７０）に係合するようなサイズおよび形状であることと、
前記先端レール冷却インサート（２８０）を前記先端レールポケット（２７０）に取り付け、前記冷却剤収集プレナム（２８４）を前記内部冷却空洞（１７４）に流体接続することと
を含む、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、一般に、タービン構成要素に関し、より具体的には、先端レール冷却インサートを含むタービンブレード先端冷却システムに関する。

【背景技術】

【0002】

ガスタービンシステムでは、空気が圧縮機で加圧され、燃焼器の燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスの流れを生成することがよく知られており、このようなガスが１つまたは複数のタービンを通って下流に流れ、エネルギーをそこから抽出することができる。このようなタービンによれば、一般に、円周方向に間隔を置いて配置されたタービンブレードの列が支持ロータディスクから半径方向外側に延びる。各ブレードは、典型的には、ロータディスクにおける対応するダブテールスロットのブレードの組立および分解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びる翼形部を含む。

【0003】

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びる略凹状の正圧側壁および略凸状の負圧側壁を有する。ブレード先端は、半径方向外側のタービンシュラウドに密接して間隔を置いて配置され、その間においてタービンブレード間を下流に流れる燃焼ガスの漏れを最小限に抑えることが理解されよう。先端隙間またはギャップを最小限に抑えて漏れを防止することによってシステムの最大効率が得られるが、この戦略は、タービンブレードとタービンシュラウドとの間の異なる熱的および機械的膨張および収縮率、ならびに動作中に過度に先端がシュラウドに擦れるという望ましくないシナリオを回避するという動機によって幾分制限される。

【0004】

加えて、タービンブレードは高温の燃焼ガスに浸されるので、有用な部品寿命を確保するためには有効な冷却が必要である。典型的には、ブレード翼形部は中空であり、圧縮機と流体連通して配置され、そこから抽気された加圧空気の一部が、冷却剤として翼形部の冷却に使用されるように受け入れられる。翼形部の冷却は非常に精巧であり、様々な形態の内部冷却チャネルおよび特徴、ならびに冷却剤を放出するための翼形部の外側レール表面を通る冷却孔を使用して行うことができる。それにもかかわらず、翼形部先端は、それらがタービンシュラウドに隣接して直接位置し、先端ギャップを通って流れる高温の燃焼ガスによって加熱されるので、冷却することが特に困難である。したがって、ブレードの翼形部の内側に導かれる空気の一部は、典型的には、その冷却のために先端を通って放出される。

【0005】

従来のブレード先端は、漏れを防止し、冷却効果を高めることを目的としたいくつかの異なる幾何学的形状および構成を含むことが理解されよう。しかしながら、従来のブレード先端はすべて、漏れを適切に低減すること、および／または効率を低下させる圧縮機バイパス空気の使用を最小限に抑える効率的な先端冷却を可能にすることの一般的な失敗を含む、いくつかの欠点を有する。「スキーラ先端」配置と呼ばれる１つのアプローチは、先端シュラウドに擦れる可能性がある半径方向に延びるレールを設ける。レールは漏れを低減し、したがってタービンエンジンの効率を高める。

【0006】

しかしながら、スキーラ先端のレールは、高い熱負荷を受け、効果的に冷却することが困難であり、しばしばブレードの最も高温の領域の１つとなる。先端レールの衝突冷却は、レールの頂部を通して冷却剤を送達し、レール冷却の有効な方法であることが実証されている。しかしながら、レールの頂部を通して冷却剤を排出することに関連する多くの課題がある。例えば、逆流圧力マージンの要件は、この配置を満たすことは困難である（特に、それぞれレールの頂部および正圧側壁である低圧および高圧領域に接続された孔が存在する正圧側壁において）。したがって、冷却剤流を背圧にし、同時にレールを十分に冷却するには先端通路に損失が生じることが課題であり、損失はこの領域で使用される冷却剤の量を減少させてしまう。さらに、出口孔は耐擦性を示しながら十分な冷却をレールに提供しなければならない。例えば、出口孔は、先端の擦れに耐えなければならないが、ダストがそれらを詰まらせることがないように十分に大きいものでなければならない。また、例えば、補助冷却チャネルを露出させることによって、先端の摩耗後に冷却を維持することが望ましい。

【0007】

理想的には、レール冷却通路は、付加製造を使用して形成することもできるが、さらなる課題を提示する。付加製造（ＡＭ）は、材料の除去ではなく、材料の連続的な層形成により構成要素を製造する多種多様なプロセスを含む。そのため、付加製造では、いかなる種類の工具、金型または固定具も使用することなく、かつ材料をほとんどまたは全く無駄にすることなく、複雑な幾何学的形状を形成することができる。大半が切除されて廃棄される材料の固体ビレットから構成要素を機械加工する代わりに、付加製造に使用される材料は、構成要素を成形するために必要とされる材料のみである。先端レール冷却通路に関して、レール内の従来の円形の冷却孔は、（公称構築方向に垂直に）付加製造を使用して構築することが非常に困難であり、製造中にひどく変形または崩壊し得る。

【0008】

先端冷却による別の課題は、先端レールの異なるエリアで観察される異なる温度に対応することである。例えば、正圧側壁のレールおよび負圧側壁の後方領域は、典型的には、他のエリアよりも高温である。別の課題は、最初に先端冷却通路を含んでいなかった使用済みのタービンブレードを冷却することである。

【発明の概要】

【0009】

本開示の第１の態様は、先端空洞、先端空洞の少なくとも一部を囲む先端レール、および少なくとも１つの内部冷却空洞を有するタービンブレードであって、先端レールは、内側レール表面、外側レール表面、端部表面、および端部表面で開口し、冷却剤を運ぶ少なくとも１つの内部冷却空洞に流体接続された少なくとも１つの先端レールポケットを有するタービンブレードと、少なくとも１つの先端レールポケットに取り付けられた先端レール冷却インサートであって、先端レール冷却インサートは、少なくとも１つのインサート冷却チャネル、および少なくとも１つの内部冷却空洞から少なくとも１つのインサート冷却チャネルに冷却剤を誘導するための冷却剤収集プレナムを有する先端レール冷却インサートとを備える、タービンブレード先端冷却システムを提供する。

【0010】

本開示の第２の態様は、タービンブレード先端を冷却する方法であって、先端空洞、先端空洞の少なくとも一部を囲む先端レール、および冷却剤を送達するように構成された少なくとも１つの内部冷却空洞を有するタービンブレードを設けることであって、先端レールは、内側レール表面、外側レール表面、および端部表面を有することと、先端レールの端部表面に先端レールポケットを形成することであって、先端レールポケットは、少なくとも１つの内部冷却空洞と流体連通する先端ポケット冷却剤開口部を含むことと、先端ポケット冷却剤開口部と流体連通するように構成された冷却剤収集プレナム、および冷却剤収集プレナムと流体連通する少なくとも１つのインサート冷却チャネルを有する先端レール冷却インサートを形成することであって、先端レール冷却インサートは、先端レールポケットに係合するようなサイズおよび形状であることと、先端レール冷却インサートを先端レールポケットに取り付け、冷却剤収集プレナムを内部冷却空洞に流体接続することとを含む。

【0011】

第３の態様は、回転ブレードを有するガスタービンを提供し、ガスタービンは、先端空洞、先端空洞の少なくとも一部を囲む先端レール、および少なくとも１つの内部冷却空洞を有するタービンブレードであって、先端レールは、内側レール表面、外側レール表面、端部表面、および端部表面で開口する少なくとも１つの先端レールポケットを有し、少なくとも１つの先端レールポケットは、少なくとも１つの内部冷却空洞に流体接続されたタービンブレードと、少なくとも１つの先端レールポケットに取り付けられた先端レール冷却インサートであって、先端レール冷却インサートは、少なくとも１つのインサート冷却チャネル、および少なくとも１つの内部冷却空洞から少なくとも１つのインサート冷却チャネルに冷却剤を誘導するための冷却剤収集プレナムを有する先端レール冷却インサートとを備える。

【0012】

本開示の例示的な態様は、本明細書で説明される問題および／または論じられていない他の問題を解決するように設計される。

【0013】

本開示のこれらおよび他の特徴は、本開示の様々な実施形態を示す添付の図面と併せて、本開示の様々な態様の以下の詳細な説明から、より容易に理解されよう。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】ターボ機械システムの一実施形態の概略図である。

【図2】ロータディスク、タービンブレード、および静止シュラウドを含むタービンブレードアセンブリの形態の例示的なタービン構成要素の斜視図である。

【図3】本開示の実施形態を使用することができる、タービンブレードの形態のタービン構成要素の先端の拡大立体斜視図である。

【図4】本開示の実施形態による、先端レール冷却インサートを含むタービンブレードの形態のタービン構成要素の先端の拡大透視斜視図である。

【図5】本開示の実施形態による、先端レールの先端ポケットの拡大透視斜視図である。

【図6】本開示の実施形態による、先端レールの先端ポケットの平面図である。

【図7】本開示の実施形態による、先端レール冷却インサートの斜視図である。

【図8】本開示の実施形態による、先端レール冷却インサートの斜視図である。

【図9】本開示の実施形態による、先端レールの先端レール冷却インサートの斜視図である。

【図10】本開示の実施形態による、先端レール冷却インサートの図９の線１０－１０に沿った断面図である。

【図11】本開示の実施形態による、先端レール冷却インサートの斜視図である。

【図12】図１１の先端レール冷却インサートの分解斜視図である。

【図13】本開示の実施形態による、先端ポケットおよび先端レール冷却インサートの分解斜視図である。

【図14】図１３の先端ポケットの先端レール冷却インサートの斜視図である。

【図15】本開示の実施形態による、先端レール冷却インサートの斜視図である。

【図16】本開示の実施形態による、先端レールの先端レール冷却インサートの斜視図である。

【図17】本開示の実施形態による、先端レール冷却インサートの斜視図である。

【図18】本開示の実施形態による、先端レール冷却インサートの内側層の斜視図である。

【図19】本開示の実施形態による、先端レール冷却インサートの内側層の斜視図である。

【図20】本開示の実施形態による、側部出口開口を含む先端レール冷却インサートの斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本開示の図面は、必ずしも原寸に比例しないことに留意されたい。図面は、本開示の典型的な態様だけを示すことを目的としており、したがって、本開示の範囲を限定するものと考えるべきではない。図面では、図面間で類似する符号は、類似する要素を表す。

【0016】

最初の問題として、本開示を明確に説明するために、ターボ機械システム内の、およびタービンブレードに関連した関連する機械構成要素を参照して説明するときに、特定の専門用語を選択することが必要になる。これを行う場合、可能な限り、一般的な工業専門用語が、その受け入れられた意味と同じ意味で使用および利用される。別途記載のない限り、このような専門用語は、本出願の文脈および添付の特許請求の範囲と一致する広義の解釈を与えられるべきである。当業者であれば、多くの場合、特定の構成要素がいくつかの異なるまたは重複する用語を使用して参照されることがあることを理解するであろう。単一の部品であるとして本明細書に記載され得るものは、複数の構成要素からなるものとして別の文脈を含み、かつ別の文脈で参照されてもよい。あるいは、複数の構成要素を含むものとして本明細書に記載され得るものは、単一の部品として他の場所で参照されてもよい。

【0017】

さらに、本明細書ではいくつかの記述的用語を規則通りに使用することができ、このセクションの開始時にこれらの用語を定義することが有用であることがわかる。これらの用語およびその定義は、別途記載のない限り、以下の通りである。本明細書で使用する場合、「下流」および「上流」は、タービンエンジンを通る燃焼ガスまたは、例えば、燃焼器を通る空気の流れ、またはタービンの構成要素の１つを通るもしくはタービンの構成要素の１つによる冷却剤のような作動流体の流れに対する方向を示す用語である。「下流」という用語は、流体の流れの方向に相当し、「上流」という用語は、流れの反対の方向を指す。「前方」および「後方」という用語は、さらに詳細な記載がない限り、方向を指し、「前方」は、参照されている部品の上流部分、すなわち、圧縮機に最も近い部分を指し、「後方」は、参照されている部品の下流部分、すなわち、圧縮機から最も遠い部分を指す。多くの場合、中心軸線に関して異なる半径方向位置にある部品を記述することが要求される。「半径方向」という用語は、軸線に垂直な移動または位置を指す。このような場合、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線に近接して位置する場合には、本明細書では、第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向内側」または「内側」にあると述べる。一方、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線から遠くに位置する場合には、本明細書では、第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向外側」または「外側」にあると述べることができる。「軸方向」という用語は、軸線に平行な移動または位置を指す。最後に、「円周方向」という用語は、軸線周りの移動または位置を指す。このような用語は、タービンの中心軸線に関連して適用することができることが理解されよう。

【0018】

ある要素または層が別の要素または層に対して「上に」、「係合される」、「係合解除される」、「接続される」または「結合される」と言及される場合には、他の要素または層に対して直接上に、係合され、接続され、または結合されてもよいし、あるいは介在する要素または層が存在してもよい。逆に、ある要素が別の要素または層に対して「直接上に」、「直接係合される」、「直接接続される」または「直接結合される」と言及される場合には、介在する要素または層は存在しなくてもよい。要素間の関係について説明するために使用される他の語も、同様に解釈されるべきである（例えば、「～の間に」に対して「直接～の間に」、「～に隣接して」に対して「直接～に隣接して」など）。本明細書で使用する場合、「および／または」という用語は、関連する列挙された項目のいずれかおよび１つまたは複数のすべての組合せを含む。

【0019】

上述のように、本開示の実施形態は、先端レール冷却インサートを含むタービンブレード用のタービンブレード先端冷却システムを提供する。タービンブレードは、先端空洞、先端空洞の少なくとも一部を囲む先端レール、および少なくとも１つの内部冷却空洞、すなわち、翼形部内に配置された冷却剤を運ぶ内部冷却空洞を有する。先端空洞は、先端プレートおよび先端レールによって形成することができる。先端レールは、内側レール表面、外側レール表面、端部表面、および端部表面で開口する少なくとも１つの先端レールポケットを有する。すなわち、先端レールは、内部に先端空洞を画定する内側レール表面、外側レール表面、および内側レール表面と外側レール表面との間の端部表面（例えば、半径方向外側に面するレール表面）を含むことができる。先端レールは、先端プレートから半径方向に延びる。先端レールポケットは、冷却剤を運ぶ少なくとも１つの内部冷却空洞に流体接続される。先端レール冷却インサートは、少なくとも１つの先端レールポケットに取り付けられ、インサート冷却チャネル、および少なくとも１つの内部冷却空洞からインサート冷却チャネルに冷却剤を誘導するための冷却剤収集プレナムを有する。インサート冷却チャネルは、様々な形態を取り、多種多様な所望の冷却を提供することができる。先端レール冷却インサートにより、使用済みまたは新しいタービンブレードの先端レールを選択的に冷却することが可能である。すなわち、先端レール冷却インサートは、先端の他の部分と比較して追加の冷却を必要とする、先端および／または先端レールのそれらのエリア、例えば、その負圧側の後方部分に冷却剤を送達することができる。先端レール冷却インサートはまた、通過する冷却剤を計量しながら先端レールの冷却を向上させることが可能である。先端レール冷却インサートはまた、ダストの目詰まりにも対応することができる。

【0020】

先端レール冷却インサートの特定の実施形態は、本明細書に記載されるように、他の製造プロセスの中でも付加製造を可能にする。付加製造（ＡＭ）は、材料の除去ではなく、材料の連続的な層形成により構成要素を製造する多種多様なプロセスを含む。付加製造技術は、典型的には、形成される構成要素の三次元コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ファイルを取得することと、構成要素を例えば、１８～１０２マイクロメートル厚の層に電子的にスライスすることと、ベクトル、画像または座標を含む各層の二次元画像を有するファイルを作成することとを含む。次いで、構成要素を異なるタイプの付加製造システムによって構築することができるように、ファイルを解釈する準備ソフトウェアシステムにこのファイルをロードしてもよい。３Ｄ印刷、ラピッドプロトタイピング（ＲＰ）、および直接デジタル製造（ＤＤＭ）の付加製造形式では、材料層を選択的に分配し、焼結し、形成し、堆積させるなどして構成要素を形成する。直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）（選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）とも呼ばれる）などの金属粉末付加製造技術では、金属粉末層を共に順次溶融して構成要素を形成する。より具体的には、金属粉末床上のアプリケータを使用して微細な金属粉末層を均一に分与した後、これらを連続的に溶融させる。各アプリケータは、金属、プラスチック、セラミック、炭素繊維またはゴム製のリップ、ブラシ、ブレードまたはローラの形態であり、金属粉末をビルドプラットフォーム上に均一に広げるアプリケータ要素を含む。金属粉末床は、垂直軸線に沿って移動させることができる。プロセスは、正確に制御された雰囲気を有する処理チャンバで行われる。各層が形成されると、金属粉末を選択的に溶融することによって、構成要素の幾何学的形状の各二次元スライスを融着させることができる。溶融は、１００ワットのイッテルビウムレーザなどの高出力溶融ビームによって実行することができ、金属粉末を完全に溶接（溶融）して固体金属を形成する。溶融ビームは走査ミラーを使用してＸ－Ｙ方向に移動し、金属粉末を完全に溶接（溶融）して固体金属を形成するのに十分な強度を有する。後続の二次元層ごとに金属粉末床を下げてもよく、構成要素が完全に形成されるまでプロセスを繰り返す。

【0021】

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一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によって結合される。シャフト１０８は、単一のシャフト、またはシャフト１０８を形成するように共に結合された複数のシャフトセグメントであってもよい。

【0022】

一態様では、燃焼器１０４は、天然ガスまたは水素富化合成ガスなどの液体および／またはガス燃料を使用してエンジンを作動させる。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、空気燃料混合気を生成し、空気燃料混合気を燃焼器１０４に放出し、それによって燃焼を引き起こして高温の加圧排気ガスを生成する。燃焼器１０４は、高温の加圧ガスをトランジションピースを通してタービンノズル（または「第１段ノズル」）、ならびにバケットおよびノズルの他の段に誘導してタービン１０６を回転させる。タービン１０６の回転は、シャフト１０８を回転させ、それによって圧縮機１０２に流れる空気を圧縮する。一実施形態では、限定はしないが、シュラウド、ダイアフラム、ノズル、ブレードおよびトランジションピースを含む高温のガス経路構成要素がタービン１０６に位置し、そこで構成要素を横切る高温の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。高温のガス経路構成要素の温度を制御することにより、構成要素の危機モードを低減することができる。ガスタービンの効率は、タービンシステム１００の焼成温度の上昇と共に増加する。焼成温度が上昇するにつれて、高温のガス経路構成要素は、耐用年数を満たすために適切に冷却される必要がある。高温のガス経路に近接した領域を冷却するための配置を向上した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については、本明細書で詳細に論じる。以下の解説はガスタービンに主として焦点を当てているが、論じられる概念はガスタービンに限定されない。

【0023】

図２は、タービンブレード１１５がガスタービンシステムのタービンに位置決めされる、例示的な従来のタービン構成要素の斜視図である。タービンは、燃焼器から下流に装着されて高温の燃焼ガス１１６をそこから受け入れることが理解されよう。軸方向中心軸線の周りで軸対称であるタービンは、ロータディスク１１７と、半径方向軸線に沿ってロータディスク１１７から半径方向外側に延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたタービンブレード（そのうちの１つのみが示されている）とを含む。ロータディスク１１７は、シャフト１０８（図１）に結合される。環状の静止タービンシュラウド１２０は、静止ステータケーシング（図示せず）に適切に接合されてタービンブレード１１５を囲むので、動作中の燃焼ガスの漏れを制限する比較的小さい隙間またはギャップがその間に残る。

【0024】

各タービンブレード１１５は、一般に、ロータディスク１１７の周囲の対応するダブテールスロットに装着されるように構成された軸方向ダブテールのような、任意の従来の形態を有することができる基部１２２（根元またはダブテールとも呼ばれる）を含む。中空の翼形部１２４は、基部１２２に一体的に接合され、そこから半径方向または長手方向外側に延びる。タービンブレード１１５はまた、燃焼ガス１１６の半径方向内側流路の一部を画定するために、翼形部１２４と基部１２２との接合部に配置された一体型プラットフォーム１２６を含む。タービンブレード１１５は、任意の従来の方法で形成することができ、典型的には、ワンピース鋳造、付加製造された部品、または鋳造ブレード基部セクションに接合された付加製造先端であることが理解されよう。翼形部１２４は、好ましくは、対向する前縁１３２と後縁１３４との間にそれぞれ軸方向に延びる、略凹状の正圧側壁１２８および円周方向または横方向に対向する略凸状の負圧側壁１３０を含む。側壁１２８および１３０はまた、プラットフォーム１２６から半径方向外側のブレード先端、または単に先端１３７へと半径方向に延びる。

【0025】

図３は、本開示の実施形態を用いることができる、例示的なタービンブレード先端１３７の拡大斜視図を示す。一般に、タービンブレード１１５は、先端空洞１５５、先端空洞１５５の少なくとも一部を囲む先端レール１５０、および少なくとも１つの内部冷却空洞１７４を有する。ブレード先端１３７は、基部１２２（図２）に対向して配置され、正圧側壁１２８と負圧側壁１３０との間に外側に面する先端端部１５１を画定する先端プレート１４８を含む。先端プレート１４８は、典型的には、翼形部１２４内に配置された内部冷却通路（本明細書では「内部冷却空洞」１７４（「翼形部チャンバ」とも呼ばれる）として単に参照される）に接し、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。内部冷却空洞１７４は、翼形部１２４を通して、例えば、半径方向に冷却剤を供給するように構成される。すなわち、圧縮機から抽気された圧縮空気のような冷却剤は、動作中に内部冷却空洞を通して循環させることができる。内部冷却空洞は、限定はしないが、冷却通路、衝突スリーブまたは要素、接続通路、空洞、ペデスタルなどを含む任意の現在知られているまたは後に開発される冷却剤搬送通路または回路を含むことができる。先端プレート１４８は、タービンブレード１１５と一体であってもよく、ブレードを鋳造した後に定位置に溶接／ろう付けされてもよい。

【0026】

漏れ流量の低減などの特定の性能上の利点のために、ブレード先端１３７は、先端レール１５０を含むことがある。正圧側壁１２８および負圧側壁１３０と同時に、先端レール１５０は、それぞれ正圧側壁レール１５２および負圧側壁レール１５４を含むものとして説明することができる。一般に、正圧側壁レール１５２は、先端プレート１４８から半径方向外側に延び、翼形部１２４の前縁１３２から後縁１３４に延びる。図示されているように、正圧側壁レール１５２の経路は、正圧側壁１２８の外側半径方向縁部に隣接しているかまたはその近傍にある（すなわち、正圧側壁１２８の外側半径方向縁部と整列するように、先端プレート１４８の周辺にまたは近傍にある）。同様に、図示されているように、負圧側壁レール１５４は、先端プレート１４８から半径方向外側に延び、翼形部１２４の前縁１３２から後縁１３４に延びることができる。負圧側壁レール１５４の経路は、負圧側壁１３０の外側半径方向縁部に隣接しているかまたはその近傍にある（すなわち、負圧側壁１３０の外側半径方向縁部と整列するように、先端プレート１４８の周辺にまたは近傍にある）。正圧側壁レール１５２と負圧側壁レール１５４の両方は、内側レール表面１５７、外側レール表面１５９、および内側レール表面１５７と外側レール表面１５９との間の端部表面１６０、例えば、半径方向外側に面するレール表面を有するものとして説明することができる。レールが必ずしも正圧または負圧側壁レールに沿っていなくてもよいことを理解されたい。すなわち、本開示を使用することができる代替のタイプの先端では、先端レール１５０は、先端プレート１４８の縁部から離れるように移動してもよく、後縁１３４に延びなくてもよい。

【0027】

このように形成されて、先端レール１５０は、タービンブレード１１５の先端１３７に先端空洞１５５を画定することが理解されよう。当業者であれば理解されるように、このように構成された、すなわち、このタイプの先端空洞１５５を有する先端１３７は、「スキーラ先端」または「スキーラポケットまたは空洞」を有する先端と呼ばれることもある。正圧側壁レール１５２および／または負圧側壁レール１５４の高さおよび幅（したがって先端空洞１５５の深さ）は、最良の性能およびタービンアセンブリ全体のサイズに応じて変化させることができる。先端プレート１４８は、先端空洞１５５の床（すなわち、空洞の内側半径方向境界）を形成し、先端レール１５０は、先端空洞１５５の側壁を形成し、先端空洞１５５は、タービンエンジン内に設置されると、そこからわずかに半径方向にオフセットされる環状の静止タービンシュラウド１２０（図２参照）が密接して隣接する外側半径方向面を通して開いたままであることが理解されよう。先端レール１５０の端部表面１６０（半径方向外側に面するレール表面）は、環状の静止タービンシュラウド１２０に擦れることがある。

【0028】

当技術分野で理解されているように、先端レール１５０は、先端レールを冷却するために貫通して延びる様々な冷却通路（図示せず）のいずれかを有することができる。それらの冷却通路のいくつかの出口１６２は、例えば、図３および図４に示されている。本開示によるブレード先端冷却システム２００は、そのような冷却通路を含まない先端レール１５０で使用することができる。この場合、ブレード先端冷却システム２００は、設けられる唯一の冷却システムであり得る。あるいは、本開示によるブレード先端冷却システム２００は、そのような冷却通路を既に含むが、例えば、その特定のエリアにおいて補助冷却を必要とする先端レールに追加されてもよい。

【0029】

図４は、本開示の実施形態による、タービンブレード先端２３７用の例示的なタービンブレード先端冷却システム２００（以下「システム２００」）の拡大斜視図を示す。当技術分野で理解されているように、先端レール２５０は、先端レールを冷却するために貫通して延びる様々な冷却通路（図示せず）のいずれかを有することができる。それらの冷却通路のいくつかの出口１６２は、例えば、図３および図４に示されている。本開示によるブレード先端冷却システム２００は、そのような冷却通路を含まない先端レール２５０で使用することができる。この場合、ブレード先端冷却システム２００は、設けられる唯一の冷却システムであり得る。あるいは、本開示によるブレード先端冷却システム２００は、そのような冷却通路を既に含むが、例えば、その特定のエリアにおいて補助冷却を必要とする先端レールに追加されてもよい。

【0030】

引き続き図４を参照すると、先端２３７は、先端レール冷却インサート２８０が先端レール２５０に設けられていることを除いて、図３の先端１３７と実質的に同様である。先端レール２５０は、内側レール表面１５７、外側レール表面１５９、および端部表面１６０を有する。従来の先端レールとは対照的に、先端レール２５０はまた、端部表面１６０で開口する少なくとも１つの先端レールポケット２７０を有する。図５は、内部に先端レール冷却インサート２８０がない例示的な先端レールポケット２７０の拡大透視図を示し、図６は、その平面図を示す。各先端レールポケット２７０は、例えば、ブレード冷却チャネル２７２を介して、冷却剤を運ぶ少なくとも１つの内部冷却空洞１７４に流体接続される。

【0031】

図４に示すように、システム２００はまた、各先端レールポケット２７０に取り付けられた先端レール冷却インサート２８０を含む。図７および図８は、例示的な先端レール冷却インサート２８０の斜視図を示す。図示されているように、各先端レール冷却インサート２８０は、内部の少なくとも１つのインサート冷却チャネル２８２、および内部冷却空洞１７４からインサート冷却チャネル２８２に冷却剤を誘導するための冷却剤収集プレナム２８４を含む。より詳細に説明されるように、インサート冷却チャネル２８２は、先端レール冷却インサート２８０（以下、単に「インサート２８０」）を通る様々な経路を取ることができる。インサート冷却チャネル２８２の１つまたは複数は、それぞれのインサート２８０の端部表面２８８の少なくとも１つの冷却剤出口開口２８６を通って出ることができる。複数の先端レールポケットの各々に取り付けられた任意の数の先端レールポケット２７０およびそれぞれのインサート２８０は、先端レール２５０に設けることができる。このようにして、後述するように、必要に応じて冷却を行うことができる。先端レールポケット２７０は、任意の現在知られているまたは後に開発される方法で作製することができる。例えば、新しいブレードの場合、先端レールポケット２７０は、鋳造または付加製造によって形成することができる。使用済みブレードの場合、先端レールポケット２７０は、例えば、放電加工（ＥＤＭ）によって、すなわち、先端レール２５０の一部を切断してポケットを形成することによって、先端レールの端部表面１６０に形成することができる。まだ提供されていない場合、ブレード冷却チャネル２７２は、例えば、少なくとも１つの内部冷却空洞１７４との流体連通を形成するために穿孔され得る。

【0032】

図９は、それぞれの先端レールポケット２７０の例示的なインサート２８０の斜視透視図を示し、図１０は、その半径方向断面図を示す。各インサート２８０は、例えば、寸法、湾曲など、それぞれの先端レールポケット２７０を補完するような形状およびサイズである。さらに、先端レールポケット２７０およびインサート２８０は、インサート２８０の端部表面２８８が先端レール２５０の端部表面１６０と実質的に平面になるように構成されてもよい。複数の先端レールポケット２７０の少なくとも２つは、同じ幾何学的形状および寸法を有することができ、特定の形状およびサイズのインサート２８０を多数の先端レールポケット２７０で使用可能にする。あるいは、先端レール上の場所に合わせて、各インサートとポケットの組合せをカスタマイズすることができる。図９に示すように、インサート２８０の冷却剤収集プレナム２８４は、内部冷却空洞１７４から先端レールポケット２７０の少なくとも１つの先端ポケット冷却剤開口部２９０（図５、図６および図１０参照）に延びるブレード冷却チャネル２７２によって、内部冷却空洞１７４に流体接続される。先端ポケット冷却剤開口部２９０は先端レールポケット２７０の底部に示されているが、冷却剤収集プレナム２８４との流体連通を可能にする任意の場所にあってもよい。冷却剤収集プレナム２８４は、本明細書に示される実施形態の多くにおいて、インサート２８０の長さの大部分にわたって延びるように示されている。しかしながら、そのような位置決めはすべての場合に必要なわけではなく、プレナム２８４は様々な形態、例えば図１９参照を取ることができることが認識される。

【0033】

一実施形態では、例えば図７および図８に示すように、インサート２８０は、モノリシック構造である。この場合、インサート２８０は、インサート冷却チャネル２８２と、内部に形成された冷却剤収集プレナム２８４とを有する本体２９４を含む。インサート２８０は、材料のブロックを設け、内部でチャネル２８２およびプレナム２８４を機械加工することによって作製することができる。あるいは、インサート２８０は、付加製造することができる。インサート２８０は、超合金を含むことができる。本明細書で使用する場合、「超合金」は、限定はしないが、Ｎ４００またはＮ５００、Ｒｅｎｅ １０８、ＣＭ２４７、ヘインズ合金、Ｉｎｃａｌｌｏｙ、ＭＰ９８Ｔ、ＴＭＳ合金、ＣＭＳＸ単結晶合金のような高い機械的強度、高い熱クリープ変形抵抗など、従来の合金と比較して多数の優れた物理的特性を有する合金を指す。一実施形態では、本開示の教示が特に有利であり得る超合金は、高いガンマプライム（γ’）値を有する超合金である。「ガンマプライム」（γ’）は、ニッケル基合金の主要な強化相である。例示的な高ガンマプライム超合金は、限定はしないが、Ｒｅｎｅ １０８、Ｎ５、ＧＴＤ ４４４、ＭａｒＭ ２４７およびＩＮ ７３８を含む。

【0034】

別の実施形態では、例えば図１１の斜視図および図１２の関連する部分分解斜視図に示すように、先端レール冷却インサート２８０は、積層された複数の材料層３００を含むことができる。すなわち、インサート２８０は、複数の材料層３００を積層することによって形成される。例えば、内側層（本体）３０２は、内部に冷却チャネル２８２を画定する開放冷却剤経路領域３０８を含んでもよい。内側層３０２は、一対の外側層３０４の間に挟まれて冷却チャネル２８２を形成することができる。すなわち、インサート２８０を形成することは、内部に開放冷却剤経路領域３０８を有する内側層３０２を設けることと、隣接する外側層３０４の間に内側層３０２を挟んで開放冷却剤経路領域３０８からインサート冷却チャネル２８２を形成することとを含む。内側層３０２は、任意の数のピース、例えば、１つまたは複数を含むことができる。一対の端部キャップ層３０６もまた、必要または望ましい場合、内側層３０２の端部を包むために使用され得る。内側層３０２は、例えば、超合金を含むことができ、材料層３００の１つまたは複数、例えば、外側層３０４、３０６は、予備焼結プリフォーム（ＰＳＰ）を含むことができる。

【0035】

図９および図１０に戻ると、インサート２８０を先端レールポケット２７０に取り付けることで冷却剤収集プレナム２８４が内部冷却空洞１７４に流体接続され、それにより冷却剤がプレナム２８４を通って冷却チャネル２８２に流れ、先端レール２５０を冷却することができる。冷却剤は、出口開口２８６（図９）を通って出ることができる。一実施形態では、先端レール冷却インサート２８０は、インサート２８０をポケットにろう付けすることによって、先端レールポケット２７０に取り付けられる。ここで、冷却剤収集プレナム２８４は、過剰なろう付けのためのろう付けレセプタクルとして作用し、先端レールポケット２７０の先端ポケット冷却剤開口部２９０の偶発的な充填を防止することができる。ＰＳＰが用いられる場合、インサート２８０を取り付けることは、ＰＳＰ材料層を加熱することを含み得る。このようにして、ＰＳＰが軟化し、簡単に設置されるようになり、その後冷却時にポケット２７０に強く付着することが可能になり得る。インサート２８０をポケット２７０に結合する必要がある場合、例えば、挿入を容易にするために熱を加えるなど、任意の現在知られているまたは後に開発される製造技術をさらに適用することができる。

【0036】

再び図６を参照し、さらに図１３の斜視図を参照して、先端レールポケット２７０およびインサート２８０の例示的な形状を説明する。一般に、先端レールポケット２７０は、対応するインサート２８０の形状およびサイズを収容するのに望ましい任意の形状を有することができる。記載された実施形態では、先端レールポケット２７０は、インサート２８０、すなわち、その端部表面２８８が先端レール２５０の端部表面１６０の空隙を満たすことができるように、端部表面１６０に開口している。いくつかの実施形態では、先端レールポケット２７０およびインサート２８０は、それらの長さおよび／または高さおよび／または幅に沿って相補的に湾曲してもよいが、これはすべての場合に必要ではない。寸法は、先端レール２５０のサイズによって異なる。一例では、インサート２８０および先端レールポケット２７０の長さは、１センチメートル程度に短くてもよい。図５および図６の実施形態では、先端レールポケット２７０には、１つの開口端部３１０、および５つの表面３１２Ａ～Ｅが形成されている。各表面３１２Ａ～Ｅは、インサート２７０の外側に一致するように構成される。しかしながら、先端レールポケット２７０は、様々な他の形状を有することができる。一実施形態では、図１３に示すように、先端レールポケット２７０は、インサート２８０と係合するための少なくとも４つの表面３１２Ａ～Ｄを含むように形成することができる。ここで、先端レール２５０の内側壁、すなわち、内側レール表面１５７を提供するものは取り除かれている。表面３１２Ｂおよび３１２Ｄは、表面３１２Ａに対して内側に角度付けすることができる（角度α１およびα２参照）。インサート２８０は、先端レールポケット２７０を補完するように、すなわち、インサート２８０の底部３１６に対してα１およびα２で角度付けされた側壁３１４を有する形状にすることができる。図１４に示すように、インサート２８０は、先端空洞１５５から定位置にスライドさせることができる。このようにして、インサート２８０は、角度付けされた表面３１２Ｂ、３１２Ｄおよび壁３１４によって定位置に半径方向にロックされ、ポケット２７０からのその移動を防止するために定位置にろう付けすることができる。この設定では、インサート２８０は、内側レール表面１５７の欠落部分３１８も提供し、すなわち、表面１５７を完成させる。当業者が認識するように、先端レールポケット２７０およびインサート２８０は、本明細書に記載されたもの以外の様々な代替の相補的形状に形成することができ、それらはすべて本開示の範囲内であると見なされる。

【0037】

図７～図９、図１３、および図１５～図２２を参照すると、インサート冷却チャネル２８２は、インサート２８０を通る多種多様な経路のいずれかを取ることができる。図７は、各々がプレナム２８４に結合され、各々が独自の出口開口２８６を有する、二乗正弦波パターンで延びる一対のチャネル３２０を含むインサート冷却チャネル２８２を示す。図８は、格子構成３２２を形成するためにプレナム２８４から交差パターンで延びるインサート冷却チャネル２８２を示す。この配置は、多数の出口開口２８６を有し、チャネル２８２が流体的に交差する場合もそうでない場合もあり、すなわち、チャネル２８２はその長さに沿って近接する。図１３は、プレナム２８４から単に半径方向に延びるインサート冷却チャネル２８２を示す。図１５は、螺旋パターン３２４でプレナム２８４から延びるインサート冷却チャネル２８２を示す。図１５の各チャネル２８２は、それ自体の出口開口２８６を有するが、これはすべての場合に必要ではない。図１５はまた、冷却剤収集プレナム２８４と少なくとも１つの出口開口２８６との間の中間インサート横断チャネル３３０を示す。中間インサート横断チャネル３３０は、２つ以上のインサート冷却チャネル２８２を相互接続してもよい。図１５の実施形態にのみ示されているが、本明細書に開示される任意の実施形態において、中間インサート横断チャネル３３０を用いることができることが認識される。図１６は、丸い正弦波パターン３２６で延びるインサート冷却チャネル２８２（１つの長いチャネルのみが用いられる）を示す。図１７は、内側レール表面１５７を通って開口する先端レールポケット２７０で使用されるタイプのインサート２８０、すなわち、図１３～図１４と同様のものを示す。ここで、内側冷却チャネル２８２は、一対のＵ字型パターンで、先端空洞１５５（図４）に面する細長い出口開口２８６に移動する。インサート２８０は、図１７に示すように、図１３に示すような角度付けされた側壁３１４を含まないが、所望に応じて、そのような角度付けされた壁を設けることができることが理解される。プレナム２８４は、インサートの裏側を通って延びる送達通路（図示せず）を有する。

【0038】

図１８および図１９は、内部にインサート冷却チャネル２８２を画定する異なる開放冷却剤経路領域３０８を有する積層された材料層の実施形態（図１１～図１２）の内側層３０２の代替の実施形態の斜視図を示す。図１８は、一対の蛇行パターン経路３５０を有する２つの部分の内側層３０２を示し、図１９は、一対の蛇行パターン経路３８２を有する１つの部分の内側層３０２を示す。多種多様な代替の開放冷却剤経路領域も可能であることが強調される。各内側層３０２は、本明細書に記載されるように、外側層３０４（図１２）の間に挟まれてインサート２８０を形成することができる。

【0039】

各異なる実施形態は特定のパターンでインサート冷却チャネル２８２を示しているが、異なる実施形態からのパターンを混合することができることが理解される。例えば、インサート２８０のインサート冷却チャネル２８２の少なくとも１つは、蛇行パターン、交差パターン、および螺旋パターンを有することができ、他の少なくとも１つは、他のパターンの１つを有することができる。本明細書に記載のインサート２８０のいくつかは付加製造されなければならないが、それ以外は、鋳造または材料除去技術を使用して、場合によっては放電加工（ＥＤＭ）、ワイヤＥＤＭおよび／またはレーザ切断によって形成され、特定の特徴、例えば、チャネル２８２、プレナム２８４などを作成することができる。インサート冷却チャネル２８２の特定の例を本明細書では示したが、他のものも可能であり、本開示の範囲内であると見なされることが理解される。本明細書に記載の、または他の方法で利用可能な様々な冷却チャネル配置のいずれかは、適応冷却チャネル、すなわち、破壊したまたは詰まったときに他の冷却チャネルを開放することができるものを含むことができる。このようにして、インサート冷却チャネル２８２は、先端レール材料を除去するか、または乱雑な上側チャネルおよび／もしくは出口開口２８６を詰まらせる摩擦中の継続的な冷却動作のために、様々な分岐冷却回路のいずれかを相互接続する再分配マニホールドを形成することができる。

【0040】

図２０は、本開示の実施形態による、１つまたは複数の側部出口開口２８７を含む先端レールポケット２７０の先端レール冷却インサート２８０の斜視図である。この実施形態では、インサート冷却チャネル２８２は、蛇行しているように示されている。しかしながら、本明細書に記載の任意の形態を取ることができることが強調される。この実施形態では、端部表面２８８（例えば、図７～図８）から出るのではなく、インサート冷却チャネル２８２は、それぞれの先端レール冷却インサート２８０の側部表面に少なくとも１つの冷却剤側部出口開口２８７を含む。ここで、インサート冷却チャネル２８２からの冷却剤は、側部出口開口２８７を介して、先端レール冷却インサート２８０の側部、すなわち、先端レールポケット２７０に対して面するか、または先端空洞１５５に面する表面に出ることができる（図１３に提供されるように）。側部出口開口２８７は、先端空洞１５５に開口していてもよく（例えば、図１３の実施形態で使用するとき）、または適応冷却方式の一部として開口される先端レールポケット２７０の内側表面（例えば、図１３の３１２Ｃ）に対して閉じられてもよい。あるいは、外部冷却剤通路４００は、先端レール２５０の外部表面から、例えば、凹状の正圧側壁１２８または凸状の負圧側壁１３０から側部出口開口２８７にまで設けられ、例えば、側壁１２８、１３０に冷却フィルムを形成することを可能にし得る。すなわち、冷却フィルムを先端レール冷却インサート２８０から側壁１２８、１３０にまで設けることができる。外部冷却剤通路４００はまた、所望に応じて、先端レール２５０の内側レール表面１５７を通過して先端空洞１５５に出ることができる。側部出口開口２８７は、例えば、その付加製造中に先端レール冷却インサート２８０の一部として形成されてもよい。あるいは、側部出口開口２８７は、例えば、先端レール冷却インサート２８０の外部表面からインサート冷却チャネル１８０に穿孔することによって、または側壁１２８もしくは１３０などの先端レール２５０の外部表面から側壁を通って、インサート冷却チャネル２８２（図２０に示す）および／もしくは冷却剤収集プレナム２８４に穿孔することによって、外部冷却剤通路４００と共に形成することができる。任意の数の側部出口開口２８７（外部冷却剤通路４００の有無にかかわらず）を設けることができる。このようにして、必要に応じて冷却フィルムを設けることができる。

【0041】

本開示の実施形態は、向上した選択可能なブレード先端冷却を提供し、冷却流要件を低減する。インサート冷却チャネルは、様々な形態を取り、多種多様な所望の冷却を提供することができる。先端レール冷却インサートにより、使用済みまたは新しいタービンブレードの先端レールを選択的に冷却することが可能である。すなわち、先端レール冷却インサートは、先端の他の部分と比較して追加の冷却を必要とする、先端および／または先端レールのそれらのエリア、例えば、その負圧側の後方部分に冷却剤を送達することができる。先端レール冷却インサートはまた、通過する冷却剤を計量しながら先端レールの冷却を向上させることが可能である。先端レール冷却インサートはまた、ダストの目詰まりにも対応することができる。翼形部１２４、先端１３７、２３７、およびインサート２８０は、鋳造および付加製造などの任意の現在知られているまたは後に開発されるプロセスを使用して製造することができる。しかしながら、インサート２８０の多くの実施形態は、特に付加製造に適していることに留意されたい。

【0042】

本明細書で使用している専門用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本開示を限定するものではない。本明細書で使用する場合、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「この（ｔｈｅ）」は、特に明示しない限り、複数形も含むことが意図される。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および／または「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書で使用する場合、記載した特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素が存在することを明示するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの組が存在することまたは追加することを除外しないことがさらに理解されよう。「任意の（ｏｐｔｉｏｎａｌ）」または「任意により（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）」は、後で述べられる事象または状況が起こってもよいし、または起こらなくてもよいことを意味し、またこの説明が、その事象が起こる場合と、起こらない場合とを含むことを意味する。

【0043】

本明細書および特許請求の範囲を通してここで使用される、近似を表す文言は、関連する基本的機能に変化をもたらすことなく、差し支えない程度に変動できる任意の量的表現を修飾するために適用することができる。したがって、「およそ」、「約」および「実質的に」などの用語によって修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの例では、近似を表す文言は、値を測定するための機器の精度に対応することができる。ここで、ならびに本明細書および特許請求の範囲を通して、範囲の限定は組合せおよび／または置き換えが可能であり、文脈および文言が特に指示しない限り、このような範囲は識別され、それに包含されるすべての部分範囲を含む。範囲の特定の値に適用される「約」は、両方の値に適用され、値を測定する機器の精度に特に依存しない限り、記載された値の＋／－１０％を示すことができる。

【0044】

以下の特許請求の範囲におけるミーンズプラスファンクションまたはステッププラスファンクションの要素すべての、対応する構造、材料、動作および均等物は、具体的に請求された他の請求要素と組み合わせてその機能を遂行するための、一切の構造、材料または動作を包含することを意図している。本開示の記述は、例示および説明の目的で提示されたもので、網羅的であることも、または本開示を開示した形態に限定することも意図していない。当業者には、本開示の範囲および趣旨から逸脱することなく多くの変更および変形が明らかであろう。本開示の原理および実際の応用を最良に説明し、想定される特定の用途に適するように様々な変更を伴う様々な実施形態の開示を他の当業者が理解できるようにするために、本実施形態を選択し、かつ説明した。

【符号の説明】

【0045】

１００ ガスタービンシステム
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 タービンブレード
１１６ 燃焼ガス
１１７ ロータディスク
１２０ 環状の静止タービンシュラウド
１２２ 基部
１２４ 翼形部
１２６ 一体型プラットフォーム
１２８ 正圧側壁
１３０ 負圧側壁
１３２ 前縁
１３４ 後縁
１３７ タービンブレード先端
１４８ 先端プレート
１５０ 先端レール
１５１ 先端端部
１５２ 正圧側壁レール
１５４ 負圧側壁レール
１５５ 先端空洞
１５７ 内側レール表面
１５９ 外側レール表面
１６０ 端部表面
１６２ 出口
１７４ 内部冷却空洞
１８０ インサート冷却チャネル
２００ タービンブレード先端冷却システム
２３７ タービンブレード先端
２５０ 先端レール
２７０ 先端レールポケット、インサート
２７２ ブレード冷却チャネル
２８０ 先端レール冷却インサート
２８２ インサート冷却チャネル、内側冷却チャネル
２８４ 冷却剤収集プレナム
２８６ 冷却剤出口開口
２８７ 冷却剤側部出口開口
２８８ 端部表面
２９０ 先端ポケット冷却剤開口部
２９４ 本体
３００ 材料層
３０２ 内側層
３０４ 外側層
３０６ 端部キャップ層、外側層
３０８ 開放冷却剤経路領域
３１０ 開口端部
３１２Ａ 表面
３１２Ｂ 表面
３１２Ｃ 表面
３１２Ｄ 表面
３１２Ｅ 表面
３１４ 側壁
３１６ 底部
３１８ 欠落部分
３２０ チャネル
３２２ 格子構成
３２４ 螺旋パターン
３２６ 丸い正弦波パターン
３３０ 中間インサート横断チャネル
３５０ 蛇行パターン経路
３８２ 蛇行パターン経路
４００ 外部冷却剤通路
α１ 角度
α２ 角度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】