JP2011202655A - 冷却システム用のインピンジメント構造 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却システムの劣化を軽減する改良型インピンジメント冷却装置及びシステムを提供する。
【解決手段】インピンジメント冷却システムのインピンジメント構造３０２であって、インピンジメント構造３０２は、クーラントの流れをインピンジすると共に得られたクーラント噴流をターゲット面２１０に向けて導くように構成された複数のインピンジメント開口２１４を有し、このターゲット面２１０は、インピンジメント構造３０２との間に形成されたインピンジメントキャビティ２１２を挟んで、インピンジメント構造３０２に対向している。インピンジメント構造３０２は、波形状を有する。
【選択図】図６

Description

本出願は、概してインピンジメント冷却の効率及び／又は働きを改善するための装置及び／又はシステムに関する。より詳細には、これに限定するものではないが、本出願は、新規形状のインピンジメントスリーブを用いた、クーラントの流れの循環及びインピンジメントによる、燃焼エンジンの部品を冷却するための装置及び／又はシステムに関し、より具体的には、燃焼タービンエンジンの燃焼システムに使用する改良型のインピンジメントスリーブに関する（燃焼タービンエンジンの燃焼システムにおける好ましい用法の１つに関連して、本発明を以下に説明するが、燃焼タービンエンジンのその他の部材のインピンジメント冷却用途にも、その他の種類の産業機械又は燃焼機関のインピンジメント冷却システムにも、本発明の用法を適用できるので、本明細書に記述する本発明の用法がこれに限定されないことは、当業者には明らかであろうことに留意されたい）。

多くの種類の工業機械やエンジンでは、その構築に使用する材料の温度限界が既に上昇している。しかし、機械／エンジンを更に高い動作温度に耐え得るように作製できれば、性能への利益がもたらされることが多い。例えば、燃焼タービンエンジンの場合、どんな熱機関とも同様、燃焼温度が高いほど相関的にエンジンの動作効率が高くなる。このような高温を得るための一つの方法は、エンジンの関連部品を冷却して、これらの部品が更に高温に耐えられるようにすることである。燃焼タービンエンジンに広く適用されている冷却方法の１つは、加圧クーラントの流れを用いるもので、このクーラントは、内部通路を通ってそれを必要とする部材へと送られる。燃焼タービンエンジンの場合、クーラントは大抵、圧縮機から取り出された加圧空気である。

クーラントがもたらされると、幾つかの方法でこれを用いて部品が冷却される。一般的なシナリオの１つには、クーラントを、その外側が極端な温度にさらされる部品の内壁に沿って適用することを含む。部品の壁を比較的狭くすることによって、内面に適用されたクーラントで、壁の外面を許容可能な温度に維持できる。即ち、クーラントが壁から熱を除去することによって、大抵は、部品を比較的低温に維持し、部品が効果的により高温に耐えられるようになる。当業者には理解できるように、クーラントの効果は、壁に対して高圧高速噴流として適用された場合に高くなる。この種類の冷却は、インピンジメント冷却とよばれることが多く、以下で詳述するが、インピンジメントインサート又はスリーブともよばれるインピンジメント構造を含む。大抵の場合、インピンジメントスリーブは、加圧クーラントの流れを受け取り、次いで、一般にインピンジメント開口とよばれる複数の狭い開口を通してその流れをインピンジすることによって、所望の態様でクーラントを加熱された面に適用する構造である。

しかし、従来のインピンジメント構造の配置及び形状では、インピンジされたクーラントの冷却効果が、既に使用済みのクーラント（即ち、加熱された面に既に適用されたインピンジメント後のクーラントで、出口に向かって流れているクーラント）のクロスフローによって悪影響を受ける。以下で詳述するが、使用済みのクーラントの流れは、新たに到来するクーラントの効果を、部品表面に向かうその流れの方向を変えるか又は流れを妨害することによって低下させるので、新たに到来するクーラントの流れが冷却効果の点で理想的な態様で表面に衝突しなくなる。使用済みのクーラントは、新たに到来する未使用のクーラントの冷却効果に更に悪影響を及ぼす、境界層を創出することもある。

要するに、従来のインピンジメント冷却は大抵、インピンジメント後のクロスフローによる悪影響を被る。結果として、このような種類の冷却システムの劣化を軽減する改良型インピンジメント冷却装置及びシステムが必要である。

したがって、本出願は、インピンジメント冷却システムのインピンジメント構造を説明する。このインピンジメント構造は、クーラントの流れをインピンジすると共に得られたクーラント噴流をターゲット面に向けて導くように構成された複数のインピンジメント開口を含み、ターゲット面は、インピンジメント構造との間に形成されたインピンジメントキャビティを挟んで、インピンジメント構造に対向している。インピンジメント構造は、波形状を有する。インピンジメント構造は、ターゲット面から離れて存在する。一部の実施形態では、燃焼タービンエンジンの燃焼器において、ターゲット面がライナの外面を含み、且つインピンジメント構造がフロースリーブを有する。一部の実施形態では、燃焼タービンエンジンの燃焼器において、ターゲット面がトランジションピースの外面を含み、且つインピンジメント構造がインピンジメントスリーブを有する。

インピンジメント構造のクーラント側に、クーラントキャビティが存在してもよく、運転時、このクーラントキャビティを通ってクーラントの流れが方向付けられ、クーラントが、インピンジメント構造のクーラント側へと押し進められることで、インピンジメント開口を通ってインピンジされる。インピンジメント構造のインピンジメント側に、インピンジメントキャビティが存在してもよい。

波形状は、複数の平行且つ交番のリッジと溝部とから成る。リッジは、ターゲット面に向かって延在する波形状の一部を含む。溝部は、リッジが溝部よりもターゲット面に近接して存在するように、ターゲット面に対して凹み位置に存在する波形状の一部を含む。少なくともインピンジメント開口の大部分が、リッジ上に配される。

インピンジメント構造のインピンジメント側に沿って、リッジはリッジ表面を有し、このリッジ表面は、リッジの長さに延在すると共にターゲット面にほぼ平行な、リッジの外側領域に形成された幅広面を有する。インピンジメント構造のクーラント側に沿って、リッジは、導入口を介してクーラントキャビティに流体連通するリッジチャネルを有し、このリッジチャネルは、導入口からリッジ表面へとターゲット面の方向に延在する。インピンジメント構造のインピンジメント側に沿って、溝部は溝部チャネルを有し、この溝部チャネルは、流出口から開始しターゲット面と反対方向に床部まで延在し、この床部は、リッジ表面よりもターゲット面から離れた位置に配される。

リッジチャネルは、運転時、クーラントがこのリッジチャネルに導入口から流入し、リッジ表面に向かって流れ、インピンジメント開口を通ってリッジチャネルから出るように構成される。溝部チャネルは、クーラントがターゲット面に衝突した後の使用済みのクーラントを収集するように構成され、これにより使用済みのクーラントが、溝部チャネルに流出口から流入し、溝部チャネルに集まり、次いで溝部チャネルの長手方向軸に沿って出口に向かって流れる。溝部の長手方向軸は、出口の方向を指し示すように配置される。側壁が、導入口の各側面からリッジ表面の対応側面まで延在しており、導入口からリッジ表面に至るリッジチャネルを画定する。側壁は、流出口の各側面から床部の対応側面まで延在しており、流出口から床部に至る溝部チャネルを画定する。

一部の実施形態では、ほぼ全てのインピンジメント開口がリッジ表面上に配される。リッジ表面は、ほぼ平坦又は僅かに湾曲している。床部は、ほぼ平坦又は僅かに湾曲している。リッジは、リッジ表面がターゲット面に極めて接近して存在するように構成される。

波形状にはフレア形状が含まれ、このフレア形状は、リッジチャネルが導入口において狭まっており、リッジチャネルの側壁がこの狭まった導入口から外側に向かって広がることにより、リッジチャネルがリッジ表面の裏面に近づくにつれて広くなるような形状、及び、溝部チャネルが流出口において狭まっており、溝部チャネルの側壁がこの狭まった流出口から外側に向かって広がることにより、溝部チャネルが床部に近づくにつれて広くなるような形状である。波形状には、長方形状又は正弦曲線形状が含まれる。波形状が正弦曲線形状を含む場合、リッジ表面がインピンジメントキャビティに対して湾曲した凸表面を呈し、床部が溝部チャネルに対して湾曲した凹表面を呈する。

好適な実施形態の以下の詳細な説明を、図面と添付の特許請求の範囲に関連して検討すると、本出願のこれら及びその他の特徴を理解できよう。

添付図面に関連して本発明の例示的な実施形態の以下の詳細な説明を入念に検討することにより、本発明のこれら及びその他の態様の理解が更に深まり、明らかになるであろう。

本出願の実施形態に使用可能な例示的なタービンエンジンの概略図である。 図１のガスタービンエンジンに使用可能な例示的な圧縮機の断面図である。 図１のガスタービンエンジンに使用可能な例示的なタービンの断面図である。 図１のガスタービンエンジンに使用可能な例示的な缶型燃焼器の断面図である。 従来のインピンジメント冷却配置の横断面図である。 本出願の例示的な実施形態によるインピンジメント構造の横断面図である。 図６のインピンジメント構造の斜視図である。 図６のインピンジメント構造の上面図である。 本出願の代替的な実施形態によるインピンジメント構造の横断面図である。 タービンエンジンの缶型燃焼器を用いたトランジションピースに適用可能な図９のインピンジメント構造の斜視図である。 本出願の代替的な実施形態によるインピンジメント構造の横断面図である。

上記及び下記のように、燃焼タービンエンジンの燃焼システムの好適な用法の１つに関連して、本発明を記述する。これより、主にこの用法に関連して本発明を説明するが、この説明は例示にすぎず、厳密にこの説明通りのものだけに限定する意図はない。燃焼タービンエンジンのその他の部材のインピンジメント冷却用途にも、その他の種類の産業機械又は燃焼機関のインピンジメント冷却システムにも、本発明の用法を適用できることは、当業者に明らかであろう。

ここで図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジン１００の概略図を示す。大抵の場合、ガスタービンエンジンは、圧縮空気の流れの中の、燃料の燃焼によって生じる高温ガスの圧縮された流れからエネルギーを取り出すことによって動作する。図１に示すように、ガスタービンエンジン１００は、一般的なシャフト又はロータで下流のタービン部分又はタービン１１０に機械的に連結された軸流圧縮機１０６と、図示のように、圧縮機１０６とタービン１１０との間に配された缶型燃焼器である燃焼システム１１２とを備えて構成される。

図２は、ガスタービンエンジン１００で使用可能な軸流圧縮機１０６の図である。図示のように、圧縮機１０６は、複数の段を含み得る。各段は、１列の圧縮機ロータブレード１２０と、それに続いて１列の圧縮機ステータブレード１２２を含む。このように、第１の段は、中心シャフト周りを回転する１列の圧縮機ロータブレード１２０と、それに続いて、運転時は静止状態である１列の圧縮機ステータブレード１２２を含む。圧縮機ステータブレード１２２は大抵、円周方向に互いに離間して配され、回転軸周りに固定される。圧縮機ロータブレード１２０は、ロータの軸周りに円周方向に離間して配され、運転時はシャフト周りを回転する。当業者には明らかなように、圧縮機ロータブレード１２０は、シャフト周りを回転すると、圧縮機１０６を通って流れる空気又は作動流体に運動エネルギーが与えられるように構成される。当業者には明らかなように、圧縮機１０６は、図２に示す段数を超える、その他多数の段を有してもよい。それぞれの追加的な段は、円周方向に離間した複数の圧縮機ロータブレード１２０と、それに続く、円周方向に離間した複数の圧縮機ステータブレード１２２を含み得る。

図３は、ガスタービンエンジン１００に使用可能な、例示的なタービン区画又はタービン１１０の部分図を示す。タービン１１０は、複数の段を含み得る。３つの例示的な段を図示するが、これよりも多数又は少数の段がタービン１１０に存在してもよい。第１の段は、運転時にシャフト周りを回転する複数のタービンバケット又はタービンロータブレード１２６と、運転時に静止状態を維持する複数のノズル又はタービンステータブレード１２８を含む。タービンステータブレード１２８は大抵、円周方向に互いに離間して配され、回転軸周りに固定される。タービンロータブレード１２６が、シャフト（図示せず）周りを回転するタービンホイール（図示せず）上に取り付けられていてもよい。タービン１１０の第２の段も図示されている。第２の段も同様に、円周方向に離間した複数のタービンステータブレード１２８と、それに続く、円周方向に離間した、これもまた回転用のタービンホイール上に取り付けられた、複数のタービンロータブレード１２６を含む。第３の段も図示されているが、これも同様に、円周方向に離間した複数のタービンステータブレード１２８とタービンロータブレード１２６を含む。タービンステータブレード１２８とタービンロータブレード１２６が、タービン１１０の高温ガス経路に位置することは、明らかであろう。高温ガス経路を通る高温ガスの流れの方向は、矢印で示されている。当業者には明らかなように、タービン１１０は、図３に図示する段数を超える、その他多数の段を有してもよい。それぞれの追加的な段は、円周方向に離間した複数のタービンステータブレード１２８と、それに続く、円周方向に離間した複数のタービンロータブレード１２６とを含み得る。

概略的に上述した特性のガスタービンエンジンは、下記のように動作する。軸流圧縮機１０６内の圧縮機ロータブレード１２０の回転が空気の流れを圧縮する。燃焼器１１２では、以下で詳述するように、圧縮空気が燃料と混ざり合って点火すると、エネルギーが放出される。燃焼器１１２から得られた高温ガスの流れは、次いでタービンロータブレード１２６全体に向けて導かれ、これによって、タービンロータブレード１２６がシャフト周りを回転し、これに伴って高温のガスの流れの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る。次いで、シャフトの機械的エネルギーは、圧縮機ロータブレード１２０を回転させるために用いられ、これによって、必要な供給量の圧縮空気が生成され、例えば、発電機も駆動されて発電が行われる。

図４は、ガスタービンエンジンで使用可能な例示的な缶型燃焼器１３０を示す。以下で詳述するが、本発明の好適な実施形態では、缶型燃焼器１３０の態様を用いる。当業者には明らかなように、缶型燃焼器１３０は、大抵は缶型燃焼器に必要な空気と燃料を供給する種々のマニホルドを含むヘッド端部１３４と、端部カバー１３６とを含む。複数の燃料ノズル１３８が端部カバー１３６に固定される。燃料ノズル１３８は、燃焼用の燃料と空気の混合物を提供する。例えば、燃料は、天然ガスであってよく、空気は、ガスタービンエンジンの一部である軸流圧縮機（図４には図示せず）から供給される圧縮空気であってよい。燃料ノズル１３８は、端部カバー１３６に取り付けられると共に燃料ノズル１３８を取り囲む、前方ケース１４０内に配されている。当業者には明らかなように、燃料ノズル１３８の下流において、大抵の場合、後方ケース１４２がフロースリーブ１４４を取り囲んでいる。同様に、フロースリーブ１４４は、ライナ１４６を取り囲み、フロースリーブ１４４とライナ１４６との間にチャネルを形成する。ライナ１４６からは、トランジションピース１４８が流れを運搬し、流れがタービン１１０（図４には図示せず）側の下流側へと進むにつれて、流れがライナの円形区画から環状区画に推移する。トランジションピースのインピンジメントスリーブ１５０（以下「インピンジメントスリーブ１５０」）が、トランジションピース１４８を取り囲み、このインピンジメントスリーブ１５０とトランジションピース１４８との間にチャネルが形成されている。トランジションピース１４８の下流側では、トランジションピース後方フレーム１５２が、タービン１１０の第１の段に位置するエアフォイルに向かって、作動流体の流れを導く。

フロースリーブ１４４とインピンジメントスリーブ１５０は、これらを貫通して形成されたインピンジメント開口（図４には図示せず）を有し、このインピンジメント開口によって、圧縮機からの圧縮空気のインピンジされた流れが、フロースリーブ１４４とライナ１４６との間、並びにインピンジメントスリーブ１５０とトランジションピース１４８との間に形成されたキャビティに流入することが理解できよう。以下で詳述するが、圧縮空気の流れを用いて、ライナ１４６とトランジションピース１４８の外面を対流冷却できる。

使用時、缶型燃焼器１３０は、以下のように動作する。圧縮機１０６から供給された圧縮空気は、フロースリーブ１４４とインピンジメントスリーブ１５０の周囲の空間に向かって導かれる。圧縮空気は、次いで、フロースリーブ１４４とインピンジメントスリーブ１５０を貫通して形成されたインピンジメント開口を通ってインピンジされ、缶型燃焼器１３０に流入する。圧縮空気のインピンジされた流れは、フロースリーブ１４４とトランジションピース１４８の外面に向けて導かれ、これらの部材を冷却する。圧縮空気は、次いで、インピンジメントスリーブ１５０とトランジションピース１４８との間に形成されたチャネルを通り、そこからフロースリーブ１４４とライナ１４６との間に形成されたチャネルを通って、ヘッド端部１３４の方向に移動する。圧縮空気は、次いで、前方ケース１４０によって囲まれた容積に流入し、フローコンディショナを通って燃料ノズル１３８に流入する。燃料ノズル１３８では大抵、供給された圧縮空気が、端部カバー１３６を介して燃料ノズル１３８に接続する燃料マニホルドによって供給された燃料と混合される。供給された圧縮空気と燃料は、燃料ノズル１３８に存在した状態で燃焼し、これによって、下流側に向かってライナ１４６とトランジションピース１４８とを通ってタービン１１０に導かれる極めて高温のガスが高速で移動する流れが創出され、タービン１１０において、この高温ガスのエネルギーがタービンブレードを回転させる機械的エネルギーに変換される。

図５を参照すると、従来のインピンジメント冷却配置２００が示されている。このような配置は大抵、インピンジされたクーラントの流れによって冷却される構造を含む（この冷却される構造は、壁部２０２で示されている）。壁部２０２から離れた位置に、インピンジメント構造２０４がある。壁部２０２が、一方の側面では極端な温度に露出されるが他方の側面では冷却される任意の部分又は構造を呈してもよく、インピンジメント構造２０４が、クーラントの流れを受け入れ、クーラントをインピンジし、インピンジされた流れを壁部２０２へと導く部分又は構造を呈してもよいことは、理解できよう。例えば、上述のように、壁部２０２はトランジションピース１４８を呈してもよく、インピンジメント構造はインピンジメントスリーブ１５０を呈してもよい。別の実施形態では、壁部２０２はライナ１４６を呈してもよく、インピンジメント構造２０４はフロースリーブ１４４を呈してもよい。いずれの場合も、矢印２０６は、燃焼器１３０を通る高温ガスの流れを示す。壁部２０２が、高温ガスの極端な温度に露出される側である加熱された面２０８と、大抵は壁部２０２の加熱された面２０８とは反対側にあり、インピンジメント構造２０４に対向すると共にクーラントが向けられる面であるターゲット面２１０とを有するものとして説明できることは、理解できよう。

従来の配置では、図５に示すように、インピンジメント構造２０４は、平坦又はほぼ平坦のいずれかであり、典型的には、壁部２０２からほぼ一定の距離をおいて存在するように構成される。このように、インピンジメント構造２０４は、壁部２０２との間にインピンジメントキャビティ２１２を形成する。図示のように、インピンジメント構造２０４は、複数のインピンジメント開口２１４を含む。インピンジメント構造２０４の他方の側面には、クーラントキャビティ２１６が設けられていることが、理解できよう。クーラントキャビティ２１６は、加圧されたクーラントがインピンジメント開口２１４を通って押し進められるか又はインピンジされるように、加圧クーラントの供給（その流れを矢印２１８で示す）を導くキャビティである。クーラントは、このように強化され、壁部２０２に向かう複数の高速クーラント噴流（その流れを矢印２２０で示す）へと変わる。この冷却技術の中心となる考えは、高熱伝導係数（ＨＴＣ）の使用であり、クーラント噴流が近傍のターゲット面に向けられると、熱がターゲット面から高速で対流することは、理解できよう。

クーラント噴流が壁部２０２へと排出された後、次いで使用済みのクーラントが、インピンジメントキャビティ２１２に設けられた出口へと流れることは、理解できよう。図５では、キャビティ出口２２２が、インピンジメントキャビティ２１２の出口となる。記述のように、使用済みのクーラント（その流れを矢印２２４で示す）のこのような全体のクロスフローが、到来する未使用のクーラントの冷却効果を低下させる。より具体的には、図５において、クーラント噴流を示す矢印の向きと使用済みのクーラントのクロスフローを示す矢印の大きさとによって図示するように、使用済みのクーラントのクロスフローの強度は大抵、キャビティ出口２２２に近付くにつれて強くなる。強まったクロスフローによって、クーラント噴流の向きが変わり、クーラント噴流がもはや垂直角又は垂直に近い角度で壁部２０２に衝突しないことがある。このことが、クーラント噴流の冷却効果に悪影響を及ぼすことは、理解できよう。この種類の劣化は、噴流−ベクトル変化（ｊｅｔ−ｖｅｃｔｏｒ ａｌｔｅｒａｔｉｏｎ）とよばれることが多い。使用済みのクーラントのクロスフローによって、クーラント噴流の向きが変わり、噴流がもはや垂直にターゲット面に衝突しないことで、冷却効果が低下する。

加えて、図５に示すような、従来のインピンジメント冷却配置の一般的な流れのパターンの場合、かなりの量の使用済みのクーラントが、他のインピンジメント開口２１４の手前（即ち、インピンジメント開口２１５及び壁部２０２との間）を横断し、使用済みのクーラントがキャビティ出口２２２に向かうにつれ、特に流れが出口２２２に近付くにつれて、冷却効果を更に低下させる高温クーラントの境界層が創出される。より具体的には、使用済みのクーラントは壁部２０２から既に熱を吸収しているので、使用済みのクーラントのクロスフローは、インピンジメント噴流の１つとしてキャビティ２１６に流入する未使用のクーラントよりも高温である。当業者には明らかなように、使用済みのクーラントのクロスフローが未使用のクーラントと混ざり合うことによって、壁部２０２の冷却が妨げられ、その結果、クーラント噴流の温度が上昇し、壁部２０２とそれに対するクーラントの流れとの間の温度差が小さくなる。このような境界層の影響によって、クーラントと壁部２０２との間の熱伝導係数が小さくなり、冷却効果が低下する。

クーラントキャビティ２１６内における使用済みのクーラントのクロスフローを減少させることができれば、或いは、未使用のクーラントの壁部２０２への直接的な流れを妨害しないように且つ未使用のクーラントが突き抜けなければならない使用済みのクーラントの境界層が創出されないように、使用済みのクーラントのクロスフローの方向を変えることができれば、流体クーラントと壁部との間の熱変換は、全体的に改善するであろう。当業者には明らかなように、冷却効果をこのように改善すると、壁部２０２を所望の温度に維持するために必要なクーラントの量を減らすことができよう。タービンステータブレードを冷却するための圧縮空気の使用等、ある一定の用途においては、クーラントの使用が燃焼タービンエンジンの効率に悪影響を及ぼすことは、理解できよう。したがって、クーラントの使用量を減少させることは、エンジンの効率を増大させることになる。

ここで、図６〜８を参照すると、本出願の例示的な実施形態による波形状を含む、インピンジメント構造３０２の図が幾つか示されている。図示のように、波形状ごとに、インピンジメント構造３０２は、複数の平行且つ交番のリッジ３０４と溝部３０６とを含む。リッジ３０４は、本明細書で使用する場合、ターゲット面２１０に向かって延在する波形状の一部である。それに対し、溝部３０６は、ターゲット面２１０に対して凹み位置に存在する、波形状の一部である。リッジ３０４は大抵、溝部３０６よりもターゲット面２１０に近接して存在することは、理解できよう。更に、本発明の実施形態によると、複数のインピンジメント開口２１４が、インピンジメント構造３０２のリッジ３０４上に配されている。

インピンジメント構造３０２を、クーラントが供給される（矢印２１８で示すように）側であるクーラント側と、クーラント噴流２２０がインピンジメント開口２１４から放出される（矢印２２０で示すように）側であるインピンジメント側とを有するものとして説明できる。インピンジメント構造３０２のインピンジメント側がターゲット面２１０に面し、両者間にインピンジメントキャビティ２１２が形成されていることは、理解できよう。

インピンジメント構造３０２のクーラント側に沿って、リッジ３０４がリッジチャネル３１０を含んで形成されており、このリッジチャネルを通って、クーラントがインピンジメント開口２１４へと流入する。より具体的には、リッジチャネル３１０は、運転時、クーラントがリッジチャネル３１０に導入口３１２から流入し、リッジチャネルの反対側端部に向かって流入し、次いでここでインピンジメント開口２１４を通って出ていくように構成される。インピンジメント構造３０２のインピンジメント側に沿って、リッジ３０４がリッジ表面３１６を含むように形成されてもよい。リッジ表面３１６は大抵、ターゲット面２１０にほぼ平行な、リッジ３０４の外側領域に形成された幅広面を有する。リッジ表面３１６は、図６に示すように平坦でもよく、図１１にその例を示すように僅かに湾曲していてもよい。大抵の場合、リッジ３０４は、リッジ表面３１６がターゲット面２１０に極めて近接して存在するように構成される。また、インピンジメント開口２１４の大部分又は全てが、図５に示すように、リッジ表面３１６に配される。側壁３１８は、導入口３１２の各側面からリッジ表面３１６の対応側面まで延在する。側壁３１８は大抵、導入口３１２とリッジ表面３１６との間のリッジチャネル３０４を画定する。

インピンジメント構造３０２のインピンジメント側に沿って、溝部３０６は、溝部チャネル３２０を含むように形成されている。溝部チャネル３２０が、流出口３２２から開始し、ターゲット面２１０から離れる方向に床部３２４まで延在するチャネルを有することは、理解できよう。インピンジメント構造の波形状の場合、床部３２４が、リッジ表面３１６よりもターゲット面２１０から離れた位置に配されることは理解できよう。図５に示すように、溝部チャネル３２０は大抵、クーラントがターゲット面２１０に衝突した後、使用済みのクーラント（その流れを矢印２２４で示す）を収集するように構成される。より具体的には、使用済みのクーラントは、流出口３２２から溝部チャネル３２０に流入し、溝部チャネル３２０に集まり、次いで、溝部チャネル３２０の長手方向軸に沿って、出口２２２に関連するより低圧側へと流れる（図８に示す）。或る好適な実施形態では、リッジ３０４と溝部３２０の長手方向軸が、図７及び図９に示すように、それらが概ね出口２２２を指し示すように配置されることは、理解できよう。床部３２４は大抵、平坦又は僅かに湾曲している。側壁３１８は大抵、流出口３２２と床部３２４との間の溝部チャネル３０６を画定する。

一部の実施形態において、インピンジメント開口２１４の位置は、リッジ表面３１６上にパターンを有する。一部の実施形態では、図７及び８に示すように、２列のインピンジメント開口２１４が、リッジ表面３１６に沿って配される。この場合、２列のインピンジメント開口２１４がリッジ表面３１６の端部に配され、１列のインピンジメント開口２１４が２つの隣接し合う溝部３０６のそれぞれを縁どっている。即ち、リッジ表面３１６の一方の側に配された溝部３０６の流出口３２２に極めて近接してインピンジメント開口２１４が存在するように、インピンジメント開口２１４の一方の列がリッジ表面３１６の一方の側に配され、他方の列が、インピンジメント開口２１４が他方の側に配された溝部３０６の流出口３２２に極めて近接して存在するように、リッジ表面３１６の他方の側に配される。このように、各インピンジメント開口２１４は大抵、流出口３２２近傍に配される。

一部の実施形態において、インピンジメント開口２１４の列は、流出口近傍の縁部に対して、ほぼ平行で相対的に極めて近接して存在するが、この例は、図８に最もわかりやすく示されている。この種類の実施形態では、インピンジメント開口２１４の各列に関連して、インピンジメント後の流れ（即ち、使用済みのクーラントの流れ）がインピンジメント開口２１４の別の列からの流れの手前を横断することなく、流出口３２２に流入するので、運転時に生じるクロスフローの量を減少させ、クロスフローによる結果的な劣化を抑えられることが理解できよう。

一部の実施形態では、インピンジメント開口２１４の更なる列が、隣接する溝部３０６をそれぞれの側に分割する２つの列の間に配される。この場合、インピンジメント開口２１４を２列のみを有する実施形態と比較して、使用済みのクーラントのクロスフローの量が増大する可能性がある。しかし、当業者には明らかなように、この種類の実施形態には、それでもなお、従来の設計を上回る性能の利点がある。また、１列のインピンジメント開口２１４も可能である。この場合、インピンジメント開口２１４は、リッジ表面３１６のほぼ中央に配される。一列の実施形態（図示せず）でもまた、従来の設計と比較すると、使用済みのクーラントのクロスフローのレベルが減少する。

図８に示すように、各列において、インピンジメント開口２１４は、規則的に間隔を空けて配され、その間隔が両方の又は全ての列で同じであってもよい。このような場合、列間のインピンジメント開口２１４は、互いに同期して（ｂｅ ｃｌｏｃｋｅｄ ａｇａｉｎｓｔ ｅａｃｈ ｏｔｈｅｒ）いる。一実施形態では、図８のリッジ３０４ａに示すように、２つの隣接する列のインピンジメント開口２１４が直線状に配列される。この場合、１列のインピンジメント開口２１４のリッジ３０４ａの長手方向軸に沿った位置が、隣接する列の対応するインピンジメント開口２１４の位置とほぼ同じである。別の実施形態では、図８のリッジ３０４ｂに示すように、２つの隣接する列のインピンジメント開口２１４がジグザグになっていてもよい。この場合、対応するインピンジメント開口２１４の長手方向位置は、同じではない。例えば、好適な一実施形態では、リッジ３０４ｂで示すように、インピンジメント開口２１４の長手方向位置は、対応するペアの他方の列のほぼ中間点にある。

図９は、本出願の例示的な実施形態による代替の波形状を含むインピンジメント構造３０２を示す。本実施形態において、波形状はフレア状、即ち、リッジ表面３１６が幅広くなり、流出口３２２が狭くなるように形成されている。図示のように、リッジチャネル３１０は、導入口３１２において狭まっている。リッジチャネル３１０の側壁３１８は、リッジチャネル３１０がリッジ表面３１６の裏側に近付くにつれて広くなるように、狭い導入口３１２から外側に向かって広がるか又は角度付けされている。溝部チャネル３２０の形状も同様であるが、向きが反転している。即ち、溝部チャネル３２０は、流出口３２２で狭くなっている。溝部チャネル３２０の側壁３１８は、溝部チャネル３２０が床部３２４に近付くにつれて広くなるように、狭い流出口３２２から外側に向かって広がるか又は角度付けされている。図６〜８の波形状と比較して、図９に示すような形状によって、リッジ表面３１６の表面積が増加し、インピンジメント開口２１４を設けるための表面積が拡大すると共に、使用済みのクーラントを集めて出口へと流すチャネルが創出されることが理解できよう。

図９のような波形状の設計では、流出口３２２の幅に対して、リッジ表面３１６の幅に関する或る一定の比率が、性能を高めることがわかった。例えば、リッジ表面３１６の幅が流出口３２２の幅に比べて大きすぎると、流出口３２２は、十分な量の使用済みのクーラントの流れを溝部３０６に十分に収容できない可能性がある。このことによって、使用済みのクーラントのクロスフローのレベルが増大し得ることは、理解できよう。正反対の設計スペクトルの場合、リッジ表面３１６が狭すぎて、十分な数のインピンジメント開口２１４に充てる面積を有さず、これによって、冷却が不十分なターゲット面２１０の領域が残り得る。本発明の好適な実施形態では、リッジ表面３１６の幅は、流出口３２２の幅の２〜５倍であるべきとされる。より好適な実施形態では、リッジ表面３１６の幅は、流出口３２２の幅の３〜４倍であるべきである。

図１０は、図９の実施形態がどのようにして、燃焼タービンエンジンのトランジションピース１４８のインピンジメントスリーブ１５０として使用されるかを説明する切欠図である。図示のように、インピンジメントスリーブ１５０は、トランジションピース１４８の外面から離れて存在してもよい。リッジ３０４及び溝部３０６の長手方向軸は、トランジションピース１４８を通る流れの方向に平行に配されている。このように、溝部３０６によって、使用済みのクーラントの流れを、トランジションピース１４８の上流側縁部にある出口に向かって効率的に移動させることができる。

図１１は、代替的な波形状を有するインピンジメント構造３０２を示す。図７は、長方形の波形状を示す。図１１に示すように、本発明の波形状も、湾曲、蛇行、又は正弦曲線の形状を有していてもよい。本実施形態では、リッジ表面３１６が僅かに湾曲しており、大抵の場合、インピンジメントキャビティに対して凸面を呈していることが、理解できよう。溝部３０６の床部３２４もまた、この種類の実施形態では僅かに湾曲していてもよいが、床部３２４は大抵、インピンジメントキャビティに向かって凹面を呈していることがわかるであろう。別の実施形態では、図９に類似した実施形態ができるように（即ち、広いリッジ表面３１６と狭まった流出口３２２を有するように）、湾曲を大きくしてもよい。

以上の本発明の好適な実施形態の説明から、当業者にはその改良、改変、修正が想到されよう。添付の特許の範囲には、当業者に可能なこのような改良、改変、修正が含まれることを意図している。更に、上述のものは、本出願の記述した実施形態のみに関するものであり、ここでは、添付の特許請求の範囲とその等価物に定義されるような本出願の技術的範囲から逸脱することなく、数々の改変及び修正が可能であることが理解できよう。

１００ ガスタービンエンジン
１０６ 圧縮機
１１０ タービン
１１２ 燃焼器
１２０ 圧縮機ロータブレード
１２２ 圧縮機ステータブレード
１２６ タービンロータブレード
１２８ タービンステータブレード
１３０ 缶型燃焼器
１３４ ヘッド端部
１３６ 端部カバー
１３８ 燃料ノズル
１４０ 前方ケース
１４２ 後方ケース
１４４ フロースリーブ
１４６ ライナ
１４８ トランジションピース
１５０ インピンジメントスリーブ
１５２ トランジションピース後方フレーム
２００ 従来のインピンジメント冷却配置
２０２ 壁部
２０４ インピンジメント構造
２０６ 矢印（高温ガス）
２０８ 加熱された面
２１０ ターゲット面
２１２ インピンジメントキャビティ
２１４ インピンジメント開口
２１６ クーラントキャビティ
２１８ 矢印（クーラントの供給）
２２０ 矢印（クーラント噴流）
２２２ キャビティ出口
２２４ 矢印（使用済みのクーラント）
３０２ インピンジメント構造
３０４ リッジ
３０６ 溝部
３１０ リッジチャネル
３１２ 導入口
３１６ リッジ表面
３１８ 側壁
３２０ 溝部チャネル
３２２ 流出口
３２４ 床部

Claims (10)

1. インピンジメント冷却システムのインピンジメント構造（３０２）であって、
   前記インピンジメント構造（３０２）は、クーラントの流れをインピンジすると共に得られたクーラント噴流をターゲット面に向かって導くように構成された複数のインピンジメント開口（２１４）を有し、
   前記ターゲット面は、前記インピンジメント構造（３０２）との間に形成されたインピンジメントキャビティ（２１２）を挟んで前記インピンジメント構造（３０２）に対向しており、
   前記インピンジメント構造（３０２）は波形状を有する、インピンジメント構造（３０２）。
2. 前記インピンジメント構造（３０２）は、前記ターゲット面（２１０）から離れて存在し、
   燃焼タービンエンジンの燃焼器において、前記ターゲット面がライナ（１４６）の外面を含み、且つ前記インピンジメント構造（３０２）がフロースリーブ（１４４）を有するか、或いは、
   燃焼タービンエンジンの燃焼器において、前記ターゲット面がトランジションピース（１４８）の外面を含み、且つ前記インピンジメント構造（３０２）がインピンジメントスリーブ（１５０）を有する、請求項１に記載のインピンジメント構造（３０２）。
3. 前記インピンジメント構造（３０２）のクーラント側に、クーラントキャビティ（２１６）が存在し、運転時、前記クーラントキャビティ（２１６）を通って前記クーラントの流れが方向付けられ、前記クーラントが、前記インピンジメント構造（３０２）の前記クーラント側へと押し進められることで、前記インピンジメント開口（２１４）を通ってインピンジされ、
   前記インピンジメント構造（３０２）のインピンジメント側に、前記インピンジメントキャビティ（２１２）が存在する、請求項１に記載のインピンジメント構造（３０２）。
4. 前記波形状は、平行且つ交番の複数のリッジ（３０４）と溝部（３０６）とから成り、
   前記リッジ（３０４）は、前記ターゲット面に向かって延在する前記波形状の一部を含み、
   前記溝部（３０６）は、前記リッジ（３０４）が前記溝部（３０６）よりも前記ターゲット面（２１０）に近接して存在するように、前記ターゲット面に対して凹み位置に存在する前記波形状の一部を含み、
   少なくとも前記インピンジメント開口（２１４）の大部分が、前記リッジ（３０４）上に配される、請求項３に記載のインピンジメント構造（３０２）。
5. 前記インピンジメント構造（３０２）の前記インピンジメント側に沿って、前記リッジ（３０４）はリッジ表面（３１６）を有し、前記リッジ表面（３１６）が、前記リッジ（３０４）の長さに延在すると共に前記ターゲット面にほぼ平行な、前記リッジ（３０４）の外側領域に形成される幅広面を有し、
   前記インピンジメント構造（３０２）の前記クーラント側に沿って、前記リッジ（３０４）は、導入口（３１２）を介して前記クーラントキャビティ（２１６）に流体連通するリッジチャネル（３１０）を有し、前記リッジチャネル（３１０）が、前記導入口（３１２）からリッジ表面（３１６）まで前記ターゲット面の方向に延在し、
   前記インピンジメント構造（３０２）の前記インピンジメント側に沿って、前記溝部（３０６）は溝部チャネル（３２０）を有し、前記溝部チャネル（３２０）が、流出口（３２２）から開始し前記ターゲット面と反対方向に床部（３２４）まで延在し、前記床部（３２４）が、リッジ表面（３１６）よりも前記ターゲット面から離れた位置に配される、請求項４に記載のインピンジメント構造（３０２）。
6. 前記リッジチャネル（３１０）は、運転時、前記クーラントが前記リッジチャネル（３１０）に前記導入口（３１２）から入り、前記リッジ表面（３１６）に向かって流れ、前記インピンジメント開口（２１４）を通って前記リッジチャネル（３１０）から出るように構成され、
   前記溝部チャネル（３２０）が、前記クーラントが前記ターゲット面に衝突した後の使用済みのクーラントを収集するように構成されており、これによって、前記使用済みのクーラントが、前記溝部チャネル（３２０）に前記流出口（３２２）から入り込み、前記溝部チャネル（３２０）に集まり、次いで前記溝部チャネル（３２０）の長手方向軸に沿って出口（２２２）に向かって流れ、
   前記溝部（３０６）の長手方向軸は、前記出口（２２２）の方向を指し示すように配置される、請求項５に記載のインピンジメント構造（３０２）。
7. 側壁（３１８）は、前記導入口（３１２）の各側面から前記リッジ表面（３１６）の対応側面まで延在すると共に、前記導入口（３１２）から前記リッジ表面（３１６）への前記リッジチャネル（３１０）を画定し、
   前記側壁（３１８）は、前記流出口（３２２）の各側面から前記床部（３２４）の対応側面まで延在すると共に、前記流出口（３２２）から前記床部（３２４）までの前記溝部チャネル（３２０）を画定する、請求項５に記載のインピンジメント構造（３０２）。
8. ほぼ全ての前記インピンジメント開口（２１４）が前記リッジ表面（３１６）上に配され、
   前記リッジ表面（３１６）は、ほぼ平坦又は僅かに湾曲のいずれかであり、
   前記床部（３２４）は、ほぼ平坦又は僅かに湾曲のいずれかであり、
   前記リッジは、前記リッジ表面（３１６）が前記ターゲット面に極めて接近して存在するように構成される、請求項５に記載のインピンジメント構造（３０２）。
9. 前記波形状がフレア形状を有し、前記フレア形状は、
   前記リッジチャネル（３１０）が前記導入口（３１２）において狭まっており、前記リッジチャネル（３１０）の前記側壁（３１８）が前記狭まった導入口（３１２）から外側に向かって広がることにより、前記リッジチャネル（３１０）が前記リッジ表面（３１６）の裏面に近付くにつれて広くなるような形状、及び
   前記溝部チャネル（３２０）が前記流出口（３２２）において狭まっており、前記溝部チャネル（３２０）の前記側壁（３１８）が前記狭まった流出口（３２２）から外側に向かって広がることにより、前記溝部チャネル（３２０）が前記床部（３２４）に近付くにつれて広くなるような形状である、請求項７に記載のインピンジメント構造（３０２）。
10. 前記波形状は、長方形状又は正弦曲線形状を含み、
    前記波形状が前記正弦曲線形状を含む場合、前記リッジ表面（３１６）が前記インピンジメントキャビティ（２１２）に対して湾曲した凸表面を呈し、前記床部（３２４）が前記溝部チャネル（３２０）に対して湾曲した凹表面を呈する、請求項５に記載のインピンジメント構造（３０２）。