JP2014114814A

JP2014114814A - タービンから熱を除去するためのシステムおよび方法

Info

Publication number: JP2014114814A
Application number: JP2013253732A
Authority: JP
Inventors: Gary Michael Itzel; ゲイリー・マイケル・イッツェル; R Kirtley Kevin; ケビン・アール・カートリー; Lee Vandervort Christian; クリスティアン・リー・ヴァンダーボート; Ronald Scott Bunker; ロナルド・スコット・バンカー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2014-06-26
Also published as: CN203879556U; EP2740900A3; US9297267B2; US20140157792A1; EP2740900A2

Abstract

【課題】タービン内の高温ガス路に沿った構成要素から熱を除去する閉鎖ループ冷却システムを提供する。
【解決手段】タービンから熱を除去するためのシステムは、その中に供給プリナム１２４、１２６と、戻りプリナム１２２とを有するタービン内の構成要素を含む。構成要素の形状を画定する基板１１０は、内部面１１２と外部面１１４とを有する。基板１１０の外部面１１４に塗布されるコーティング１１６は、基板１１０の外部面１１４に面する内側面１１８と、内側面１１８に対向する外側面１２０とを有する。第１の流体チャネル６２は、基板１１０の外部面１１４と、コーティング１１６の外側面１２０の間にある。第１の流路６２は、供給プリナム１２４から基板１１０を貫通して第１の流体チャネル６２へと進み、第２の流路１３２は、第１の流体チャネル６２から基板１１０を貫通して戻りプリナム１２２へと進む。
【選択図】図７

Description

本開示は一般に、タービンから熱を除去するためのシステムおよび方法に関連する。特定の実施形態において、システムおよび方法は、タービン内の高温ガス路に沿った構成要素から熱を除去する閉鎖ループ冷却システムを含むことができる。

タービンは、様々な航空機産業、工業および発電用途において広く利用されて仕事を成し遂げている。各々のタービンは一般に、周辺方向に設置された静翼と回転ブレードの交互の段を含んでいる。静翼は、タービンを囲むケーシングなどの固定構成要素に装着されてよく、回転ブレードは、タービンの軸方向の中心線に沿って配置されたロータに取り付けられてよい。圧縮作用流体、例えば蒸気、燃焼ガスまたは空気などが、高温ガス路に沿ってタービン内を通って流れることで仕事をもたらす。静翼は、圧縮作用流体を加速させ、その後に続く回転ブレードの段へと誘導して回転ブレードに動作を与え、これによりロータを回転させシャフトの仕事をもたらす。

作用流体の動作温度が高くなると一般に、熱力学的効率が改善する、および／または動力出力が増大することになる。しかしながらより高温の動作温度はまた、高温ガス路に沿った様々な構成要素の腐食、クリープ、および低サイクル疲労にもつながる。その結果、高温ガス路に関連する高温に曝される種々の構成要素に対して冷却作用を行なうための種々のシステムおよび方法が開発されてきた。例えばいくつかのシステムおよび方法は、冷却媒体を構成要素内の内部キャビティを通るように循環させることで、構成要素の対流式かつ伝導式の冷却作用を実現する。他のシステムおよび方法では、冷却媒体はまた、内部キャビティから冷却路を通り構成要素から外に流れることで、構成要素の外部面にわたってフィルム冷却を行なう場合もある。現行のシステムおよび方法は、より高温の動作温度を可能にする点においては効果的であるが、タービンから熱を除去するための改良されたシステムおよび方法は、有効となるであろう。

本発明の態様および利点は、以下の記載において以下に列記される、またはこの記載から明白であり得る、または本発明の実施を通して理解される可能性もある。

米国特許出願公開第２０１２／０１６３９８４号明細書

本発明の一実施形態は、タービンから熱を除去するためのシステムである。システムは、その中に供給プリナムと、戻りプリナムとを有するタービン内の構成要素を含んでいる。構成要素の形状を画定する基板は、内部面と外部面とを有する。基板の外部面に塗布されるコーティングは、基板の外部面に面する内側面と、内側面に対向する外側面とを有する。第１の流体チャネルは、基板の外部面と、コーティングの外側面の間にある。第１の流路は、供給プリナムから基板を貫通して第１の流体チャネルへと進み、第２の流路は、第１の流体チャネルから基板を貫通して戻りプリナムへと進む。

本発明の別の実施形態は、タービンから熱を除去するためのシステムであり、このタービンは、前縁と、前縁から下流の後縁と、前縁と後縁の間の凸面に対向する凹面とを有するエーロフォイルを含んでいる。エーロフォイルの少なくとも一部を画定する基板は、内部面と外部面とを有する。基板の外部面に塗布されるコーティングは、基板の外部面に面する内側面と、内側面に対向する外側面とを有する。第１の流体チャネルは、基板の外部面と、コーティングの外側面の間にある。第１の流路は、基板を貫通し第１の流体チャネルへと進み、第２の流路は、第１の流体チャネルから基板を貫通する。

本発明のさらに別の実施形態において、ガスタービンは、圧縮機と、圧縮機から下流の燃焼器と、燃焼器から下流のタービンとを含む。タービンの少なくとも一部を画定する基板は、内部面と外部面とを有する。基板の外部面に塗布されるコーティングは、基板の外部面に面する内側面と、内側面に対向する外側面とを有する。第１の流体チャネルは、基板の外部面と、コーティングの外側面の間にある。第１の流路は、基板を貫通し第１の流体チャネルへと進み、第２の流路は、第１の流体チャネルから基板を貫通する。

当業者は、この明細書を精査することで、このような実施形態および他の実施形態特徴および態様をより適切に認識するであろう。

本発明の完全なかつ可能な開示は、当業者にとってその最適な態様を含めて、明細書の残りの部分により詳細に記載されており、添付の図面の参照も含まれている。

本発明の範囲における一例のガスタービンの機能的なブロック図である。本発明の種々の実施形態を組み込む可能性のある一例のタービンの一部の簡素化された側部断面図である。本発明の一実施形態によるタービンから熱を除去するためのシステムの斜視図である。一例の流体チャネルと、冷却媒体流を備えた、図３に示されるシステムの平面図である。本発明の代替の一実施形態によるタービンから熱を除去するためのシステムの斜視図である。一例の流体チャネルと、冷却媒体流を備えた、図５に示されるシステムの平面図である。本発明の一実施形態による一例のエーロフォイルの断面図である。本発明の代替の一実施形態による一例のエーロフォイルの断面図である。本発明の一実施形態による基板に埋め込まれた流体チャネルの拡大された断面図である。本発明の別の実施形態によるコーティング内に埋め込まれた流体チャネルの拡大された断面図である。本発明の別の実施形態によるコーティングによって囲まれた流体チャネルの拡大された断面図である。本発明の別の実施形態によるボンディングコートと遮熱コーティングの間の流体チャネルの拡大された断面図である。

ここで本発明の本実施形態を詳細に参照すると、その１つまたは複数の例が、添付の図面に例示されている。詳細な記載は、図面中の特徴を指すのに数字および文字名称を使用している。図面および記載における同様のまたは同じ名称は、本発明の同様のまたは同じ部品を指すのに使用されている。本明細書で使用されるように、用語「第１の（ｆｉｒｓｔ）」、「第２の（ｓｅｃｏｎｄ）」および「第３の（ｔｈｉｒｄ）」は、ある要素を別の要素から区別するのに用いられてよく、個々の構成要素の場所または重要性を表すことは意図されていない。これに加えて、用語「上流（ｕｐｓｔｒｅａｍ）」および「下流（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）」は、流体の経路における構成要素の相対的な位置を指している。例えば、流体が構成要素Ａから構成要素Ｂに流れる場合、構成要素Ａは構成要素Ｂから上流にある。逆に、構成要素Ｂが構成要素Ａから流体を受け取る場合、構成要素Ｂは、構成要素Ａから下流にある。

各々の例は、本発明を説明することを目的に提供されており、本発明を限定するものではない。実際には、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、本発明に対して修正形態または変形形態を作成することができることは当業者には明らかである。例えば、一実施形態の一部として図示され記載される特徴は、別の実施形態に対して利用されることでさらに別の実施形態を生み出す。よって本発明は、このような修正形態および変形形態を添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内にあるものとして網羅することが意図されている。

本発明の種々の実施形態は、タービンから熱を除去するためのシステムおよび方法を含んでいる。システムおよび方法は一般に、タービン内の高温ガス路に沿って位置する構成要素の外部面に埋め込まれた１つまたは複数の流体チャネルを含む。特定の実施形態において、この流体チャネルは、構成要素の形状を画定する基板内に埋め込まれることがあるが、他の実施形態では、流体チャネルは、基板に塗布された１つまたは複数のコーティング内に埋め込まれるまたはそれによって囲まれる場合もある。冷却媒体が、供給プリナムを介して構成要素に供給され、戻りプリナムを介して流れる前に、高温ガス路へと排出されずに流体チャネルを取り抜けるように流れることができる。このようにして、本明細書に記載されるシステムおよび方法は、構成要素から対流式および／または伝導式に熱を除去するための閉鎖ループ冷却回路を提供する。本発明の種々の例示の実施形態は、ガスタービンに組み込まれたタービンの文脈で記載され得るが、本発明の特定の実施形態は、特許請求の範囲に特別に説明されない限り、ガスタービンに組み込まれたタービンに限定されるものではないことを当業者は容易に認識するであろう。

ここで図面を参照すると、同一の数字は、図面を通して同様の要素を指しており、図１は、本発明の範囲における一例のガスタービン１０の機能的なブロック図を提供している。示されるようにガスタービン１０は一般に、入り口セクション１２を含んでおり、これは、一連のフィルタ、冷却コイル、水分分離器および／またはガスタービン１０に進入する作用流体１４（例えば空気）を浄化する、およびそうでなければ調整する他の装置を含む可能性がある。作用流体１４は、圧縮機１６へと流れ、圧縮機１６は、作用流体１４に徐々に動的エネルギーを付与することで、より高度にエネルギーが付与された状態で圧縮作用流体１８を生成する。圧縮作用流体１８は、１つまたは複数の燃焼器２０へと流れ、そこでそれは、燃料２２と混ざり合った後に燃焼し、高温高圧の燃焼ガス２４を生成する。燃焼ガス２４は、タービン２６を通って流れることで仕事をもたらす。例えばシャフト２８は、圧縮機１６をタービン２６に接続することができ、それによりタービン２６の回転により圧縮機１６を駆動させ、圧縮作用流体１８を生成する。代替としてまたは追加として、シャフト２８は、タービン２６を発電機３０に接続することで電気を生成する場合もある。タービン２６からの排ガス３２は、タービン排気プリナム３４を通って流れ、この排気プリナム３４は、タービン２６をタービン２６から下流の排気スタック３６に接続することができる。排気スタック３６は、例えば熱回収蒸気生成器（図示せず）を含むことで、環境に放出する前に排ガス３２を浄化し追加の熱を抜き取ることができる。

図２は、本発明の種々の実施形態を組み込む可能性のあるタービン２６の一部の簡素化された側部断面図を提供している。図２に示されるように、タービン２６は一般に、ロータ３８と、タービン２６を通る高温ガス路４２を少なくとも部分的に画定するケーシング４０とを含む。ロータ３８は、ボルト４８によって一緒に接続されることで揃って回転するロータホイール４４と、ロータスペーサ４６の交互のセクションを含むことができる。ケーシング４０はロータ３８の少なくとも一部を円周方向に囲むことで、高温ガス路４２を通って流れる燃焼ガス２４または他の圧縮作用流体を収容する。タービン２６はさらに、回転ブレード５０と、静翼５２の交互の段を含んでおり、これはケーシング４０の内側にロータ３８を囲むように円周方向に配列され、ロータ３８とケーシング４０の間に半径方向に延在している。回転ブレード５０は、当分野で既知の種々の手段を利用してロータホイール４４に接続され、静翼５２は、ロータスペーサ４６から反対側でケーシング４０の内側を囲むように円周方向に配列される。燃焼ガス２４は、図２に示されるように高温ガス路４２に沿ってタービン２６を通り抜けるように左から右に流れる。燃焼ガス２４が回転ブレード５０の第１の段を越えて進む際、燃焼ガス２４が膨張することで、回転ブレード５０、ロータホイール４４、ロータスペーサ４６、ボルト４８およびロータ３８を回転させる。燃焼ガス２４はその後、静翼５２の次の段を横切るように流れ、この静翼が燃焼ガス２４を加速させ、次の段の回転ブレード５０へと誘導し、この工程は次の段のために繰り返される。図２に示される例示の実施形態では、タービン２６は、３つの段の回転ブレード５０の間に２つの段の静翼５２を有するが、回転ブレード５０および静翼５２の段数は、特許請求の範囲に特別に説明されなければ、本発明を限定しないことを当業者は容易に認識するであろう。

図３は、本発明の一実施形態によるタービン２６から熱を除去するためのシステム６０の斜視図を提供しており、図４は、一例の流体チャネル６２および冷却媒体流６４を備えた、図３に示されるシステム６０の平面図を提供している。システム６０は一般に、高温ガス路４２に曝される任意の構成要素に対して閉鎖ループ冷却作用を提供する。閉鎖ループ冷却作用によって供給される冷却媒体６４には、例えば、圧縮機１６から迂回した圧縮作用流体１８、再生式熱交換器（図示せず）によって生成された飽和または過熱された蒸気、あるいは好適な熱伝達特性を有する任意の他の容易に入手可能な流体（例えば、オフボードシステムから調整され送られた）が含まれてよい。冷却媒体６４は、構成要素の外層にある流体チャネル６２を通り抜けるように流れ（これは総称してマイクロチャネルとしても知られている）、構成要素の外部面から対流式および／または伝導式に熱を除去する。流体チャネル６２は、冷却される充填材によって、様々な形状、サイズ、長さおよび幅を有する場合がある。例えば流体チャネル６２は、任意の幾何学形状の断面を有する場合があり、およそ０．０００５〜０．０５インチの直径の範囲内にあってよく、構成要素の外層の内部で水平方向、対角線上にまたは蛇行方向（すなわち半径方向）に延在する可能性があり、これは特定の構成要素に左右される。流体チャネル６２を通り抜けて流れた後、冷却媒体６４は、高温ガス路４２へと流れるのではなく、外部処理のために構成要素の中を通って戻るように排出される。

図３および図４に示される特定の実施形態では、冷却される構成要素は、高温ガス路４２に曝される静翼５２である。静翼５２は、外部フランジ６６と、内部フランジ６８とを含むことができる。外部フランジ６６は、シュラウド部分（図示せず）またはケーシング４０に結合された他の構造体に接続することで、静翼５２を所定の場所に固定式に保持するように構成されてよい。外部および内部フランジ６６、６８は組み合わさって高温ガス路４２の少なくとも一部を画定し、外部フランジ６６と内部フランジ６８の間に挟まれたエーロフォイル７０が、図２に関して先に記載したように燃焼ガス２４を加速させ、次の段の回転ブレード５０へと向け直す。エーロフォイル７０は一般に、当分野で知られるように、前縁７２と、前縁７２から下流の後縁７４と、前縁７２と後縁７４の間の凸面７８に対向する凹面７６とを含む。

図３および図４に示されるように、システム６０はさらに、静翼５２の内側の１つまたは複数のキャビティへの冷却媒体６４の供給と、そこからの冷却媒体６４の排気を交互に行なう供給プリナム８０と、戻りプリナム８２とを含むことができる。各々の流体チャネル６２は、冷却媒体６４が流体チャネル６２に流れ込み、そこを通り抜けて、流体チャネル６２から外に出て行くための経路を提供する入り口ポート８６と、出口ポート８８とを含むことができる。流体チャネル６２ならびに種々の入り口ポート８６および出口ポート８８の位置によって、静翼５２を通る流路の多くの可能な組み合わせを提供することができる。その結果、冷却媒体６４は、戻りプリナム８２から排出される前に、外部フランジ６６および内部フランジ６８および／または静翼５２の層内にある流体チャネル６２に対して対流式および／または伝導式の冷却作用を提供することができる。

図５は、本発明の代替の一実施形態によるタービン２６から熱を除去するためのシステム６０の斜視図を提供しており、図６は、一例の流体チャネル６２および冷却媒体流６４を備えた、図５に示されるシステム６０の平面図を提供している。この特定の実施形態において、冷却される構成要素は回転ブレード５０である。回転ブレード５０は一般に、プラットフォーム９２に接続されたエーロフォイル９０を含む。エーロフォイル９０は、図３および図４に示される静翼５２に関して先に記載したように、前縁９４と、前縁９４から下流の後縁９６と、前縁９４と後縁９６の間の凸面１００に対向する凹面９８とを有する。プラットフォーム９２は、少なくとも一部の高温ガス路４２を画定し、根元１０２に接続している。根元９２は、当分野で一般的に知られるように、ロータホイール４４内のスロット内に摺動し、回転ブレード５０を半径方向に制限することができる。

図５および図６に示されるように、システム６０はここでもまた、根元１０２およびエーロフォイル９０内に１つまたは複数のキャビティ１０４を含むことで冷却媒体６４を回転ブレード５０に供給し、そこから排出する。これに加えて、流体チャネル６２ならびに種々の入り口ポート８６および出口ポート８８の位置は、ここでもまた、回転ブレード５０を通る流路の多くの可能な組み合わせを提供することができる。その結果、冷却媒体６４は、根元１０２から外へ排出される前に、プラットフォーム９２および／または回転ブレード５０内の層内にある流体チャネル６２に対して対流式および／または伝導式の冷却作用を提供することができる。

図７および図８は、図３および図４に示される静翼５２に組み込まれる可能性のある一例のエーロフォイル９０の断面図を提供しており、これらの図面および教示は、図５および図６に示される回転ブレード５０に等しく適用可能であってよい。各々の図面に示されるように、基板１１０は一般に、エーロフォイル９０の形状を画定しており、基板１１０は、エーロフォイル９０の内側のキャビティ１０４に面する内部面１１２と、高温ガス路４２に面する外部面１１４とを有する。基板１１０は、当分野で既知の従来式の方法を使用してキャスト、鋳造、押出成型および／または機械加工されたニッケル、コバルトまたは鉄ベースの超合金を含んでよい。このような超合金の例には、ＧＴＤ−１１１、ＧＴＤ−２２２、Ｒｅｎｅ８０、Ｒｅｎｅ４１、Ｒｅｎｅ１２５、Ｒｅｎｅ７７、ＲｅｎｅＮ４、ＲｅｎｅＮ５、ＲｅｎｅＮ６、第４世代単結晶超合金ＭＸ−４、ハステロイＸおよびコバルトベースのＨＳ−１８８が含まれる。

基板１１０の外部面１１４に塗布されるコーティング１１６は、基板１１０の外部面１１４に面する内側面１１８と、内側面１１８に対向し高温ガス路４２に曝される外側面１２０とを有する。コーティング１１６は、例えば１つまたは複数のボンディングコートおよび／または遮熱コーティングを含むことができ、これは、図９から１２に示される特定の実施形態に関してより詳細に記載される。図７および図８に示されるように、各々の流体チャネル６２は、基板１１０の外部面１１４と、コーティング１１６の外側面１２０の間にある。その結果、流体チャネル６２は、エーロフォイル９０の層を通り抜けるように流れる冷却媒体６４のための流路を提供することで、エーロフォイル９０の外部面から対流式および／または伝導式に熱を除去する。

図７に示される特定の実施形態において、エーロフォイル９０は、前方供給プリナム１２４と、尾翼供給プリナム１２６の間に位置する戻りプリナム１２２を含むことができる。少なくとも１つの流体チャネル６２が、エーロフォイル９０の凹面９８と凸面１００両方の内側で前縁９４と後縁９６の間に延在することができ、各々の流体チャネル６２のための入り口ポート８６と出口ポート８８の位置によって、エーロフォイル９０の外部面ほぼ全体にわたって流体チャネル６２に流れ込み、そこから出て行く多くの流路を提供することができる。例えば前方供給プリナム１２４にある入り口ポート８６は、凹面９８と凸面１００両方の内側で、前方供給プリナム１２４から基板１１０を貫通して流体チャネル６２へと流れる流路１２８を提供することができる。代替としてまたはこれに加えて、尾翼供給プリナム１２６にある入り口ポート８６は、尾翼供給プリナム１２６から基板１１０を貫通して流体チャネル６２へと流れる別の流路１３０を提供することで、冷却媒体６４が、後縁９６から前縁９４に向かってエーロフォイル９０の凹面９８と凸面１００の内側を流れることができる。流路１２８、１３０のいずれかまたは両方に関して、戻りプリナム１２２にある出口ポート８８が、流体チャネル６２から基板１１０を貫通して戻りプリナム１２２へと流れるさらに別の流路１３２を提供することができる。このようにしてシステム６０は、平行して、いずれかの方向で、および／またはエーロフォイル９０の外部面のほぼ全体にわたってエーロフォイル９０の外部層を通り抜ける冷却媒体流６４を提供することができる。

いくつかの実施形態において、システム６０は、エーロフォイル９０から冷却媒体６４を排出する前に、冷却媒体６４を複数の流体チャネル６２を連続して通るように循環させる場合もある。図８に示されるように、例えばエーロフォイル９０は、図７に関して先に記載した戻りプリナム１２２、前方供給プリナム１２４および尾翼供給プリナム１２６の他に中間プリナム１３４を含む場合がある。この特定の実施形態では、凹面９８にある流体チャネル６２は、凸面１００にある流体チャネル６２から上流にある。具体的には前方供給プリナム１２４にある入り口ポート８６は、前方供給プリナム１２４から基板１１０を貫通して凹面９８の内側の流体チャネル６２へと流れる流路１２８を提供することができる。中間プリナム１３４にある出口ポート８８はこのとき、流体チャネル６２から基板１１０を貫通して中間プリナム１３４へと流れる別の流路１３６を提供することができ、中間プリナム１３４にある入り口ポート８６および戻りプリナム１２２にある出口ポート８８が、戻りプリナムナム１２２へと流れエーロフォイル９０から外に流れ出る前に、凸面１００の内側の流体チャネル６２を通り抜けるように流れる冷却媒体６４の流体連通を実現することができる。尾翼供給プリナム１２６にある入り口ポート８６は、尾翼供給ポート１２６から基板１１０を貫通して流体チャネル６２へと流れる流路１３０を提供することで、図７に関して先に記載したように、冷却媒体６４が、後縁９６から前縁９４に向かってエーロフォイル９０の凹面９８と凸面１００に沿って流れることができる。

図９から１２は、本発明の種々の実施形態の範囲における多様な流体チャネル６２の拡大された断面図を提供している。図９から１２に示される各々の実施形態では。流体チャネル６２は、基板１１０および／またはコーティング１０６内に埋め込まれるか、あるいはコーティング１１６によって囲まれるかのいずれかである。本明細書で使用されるように、用語「埋め込まれる」は、流体チャネル６２の一部分のみが、特定された構造体の内部にあることを意味しており、特定された構造体によって完全に囲まれた流体チャネル６２は含まれない。米国特許第６，５５１，０６１号および６，６１７，００３号ならびに米国特許公開第２０１２／０１２４８３２号および２０１２／０１４８７６９号は、本出願と同一の譲受人に譲渡されており、各々が、図９から１２に示される流体チャネル６２を作製するための種々のシステムおよび方法を開示しており、各々の特許および出願の全体は、全ての目的のために本明細書に組み込まれている。

図９に示される特定の実施形態では、流体チャネル６２は、基板１１０の外部面１１４に埋め込まれており、流体チャネル６２の残りの部分は、コーティング１１６によって覆われている。流体チャネル６２ならびに入り口ポート８６および出口ポート８８は、プログラムされたまたはそうでなければ自動化された工程、例えばロボットにより制御された工程の誘導または制御下において形成または機械加工されることで、基板１１０の外部面１１４における所望のサイズ、位置および／または構成を実現することができる。例えば流体チャネル６２ならびに／あるいは入り口ポート８６および出口ポート８８は、レーザドリル工程、研磨液体マイクロジェット工程、電解加工（ＥＣＭ）、プランジ電解加工（プランジＥＣＭ）、放電加工（ＥＤＭ）、回転電極による放電加工（ミリングＥＤＭ）または所望のサイズ、形状および製造公差を備えた流体チャネル６２を形成することが可能な任意の他の工程によって機械基板１１０の外部面１１４内に形成されてよい。

流体チャネル６２の幅および／または深さは、基板１１０にわたってほぼ一定であってよい。あるいは流体チャネル６２は、基板１１０にわたって幅および／または深さが先細になる場合もある。これに加えて、流体チャネル６２は、任意の幾何学的断面を有することができ、例えば正方形、矩形、楕円、三角形または冷却媒体６４が流体チャネル６２を通って流れるのを促進する任意の他の幾何学形状であってよい。種々の流体チャネル６２が、特定の幾何学形状の断面を有することもあるが、他の流体チャネル６２は、別の幾何学形状を有する場合もあることを理解されたい。これに加えて、特定の実施形態において、流体チャネル６２の表面（すなわち側壁および／または床面）は、実質的に滑らかな面であってよいが、他の実施形態では、流体チャネル６２の全てまたは一部が、突起、凹部、表面組織または流体チャネル６２の面が滑らかでなくなるような他の特徴的な機構を含む場合もある。さらに流体チャネル６２は、冷却される構成要素に特有であることにより、構成要素の特定の部分が、他の部分より高い密度の流体チャネル６２を含む場合がある。いくつかの実施形態において、各々の流体チャネル６２は、単独かつ別個のものであってよく、その一方で他の実施形態では１つまたは複数の流体チャネル６２が分岐して別れ複数の流体チャネル６２を形成する場合もある。流体チャネル６２は、いくつかの実施形態において、他の流体チャネル６２と交差して、あるいは交差せずに、構成要素の外周全体の周りに巻きつく場合もあることをさらに理解されたい。

コーティング１１６が基板１１０の外部面１１４に塗布される前に、１つまたは複数のマスキングまたは充填材が、流体チャネル６２ならびに入り口ポート８６および出口ポート８８に挿入される場合がある。この充填材には、例えば銅、アルミニウム、モリブデン、タングステン、ニッケル、モネル、およびおよそ摂氏７００度を超えるまで加熱されたときに昇華する高蒸気圧酸化物を有するニクロム材料が含まれてよい。他の実施形態において、充填材は、元素のまたは合金金属材料および／または変形可能な材料、焼きなまされた金属ワイヤ（これは機械的に流体チャネル６２へと押し込まれると、流体チャネル６２の形状に適合するように変形する）などから形成されたソリッドワイヤ充填材の場合もある。他の実施形態において、充填材は、流体チャネル６２に適合するように流体チャネル６２に押し込まれることで、流体チャネル６２を実質的に満たす粉体の場合もある。流体チャネル６２から外に飛び出した（すなわち、あふれた）充填材の一部は、コーティング１１６を塗布する前に研磨されるまたは機械加工され得ることで、基板１１０の外部面１１４と充填材が、連続する滑らかな表面を形成し、この面上にその後の層およびコーティング１１６を塗布することができる。

基板１１０の外部面１１４がひとたび好適に清浄され準備されると、１つまたは複数のコーティング１１６が充填材と外部面１４の上に塗布されてよい。図９に示されるように、例えばコーティング１１６は、基板１１０の外部面１１４に塗布されたボンディングコート１４０と、ボンディングコート１４０に塗布された遮熱コーティング１４２とを含む場合がある。ボンディングコート１４０は、例えばＮｉＡｌまたはＰｔＡｌ、あるいはＭＣｒＡｌ（Ｘ）化合物などの拡散アルミナイドであってよく、この場合Ｍは、鉄、銅、ニッケルおよびそれらの組み合わせから成る群から選択された元素であり、（Ｘ）は、ガンマプライム形成物および／または固溶体強化材、例えばＴａ，Ｒｅなど、ならびに反応し易い元素、例えばＹ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉなど、ならびにＢ、Ｃおよびそれらの組み合わせから成る結晶粒強化材の群から選択された元素である。遮熱コーティング１４２は、１つまたは複数の以下の特徴を含むことができ、すなわち、熱に対する低い放射率または高い反射率、滑らかな仕上がりおよび下層のボンディングコート１４０に対する優れた接着性である。例えば当分野で既知の遮熱コーティング１４２には、例えばイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）によって部分的にまたは完全に安定化されたジルコニア（ＺｒＯ₂）、マグネシア（ＭｇＯ）または他の貴金属酸化物などの金属酸化物が含まれる。選択されたボンディングコート１４０および遮熱コーティング１４２は、エアープラズマ噴霧（ＡＰＳ）、低圧プラズマ噴霧（ＬＰＰＳ）または物理蒸着（ＰＶＤ）技法、例えば電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）（これは変形に耐性のある柱状結晶粒子構造を生じる）を利用して従来の方法によって蒸着させることができる。選択されたボンディングコート１４０および遮熱コーティング１４２はまた、先行する方法のいずれかの組み合わせを利用して塗布されることで１本のテープを形成する場合もあり、このテープは、下層の基板１１０に塗布するためにその後変質され、これは、本発明と同一の譲受人に譲受されたこれは米国特許第６，１６５，６００号に記載されている。ボンディングコート１４０および／または遮熱コーティング１４２は、およそ０．０００５〜０．０６インチの厚さまで塗布されてよく、マスキングまたは充填材がその後、例えば浸出工程、溶解工程、溶融工程、酸化工程、エッチングなどによって取り除かれることで、図９に示される断面図を残すことができる。

図１０は、本発明の別の実施形態による基板１１０の外部面１１４と、コーティング１６の内側面１１８両方に埋め込まれた流体チャネル６２の拡大された断面図を提供している。この実施形態では、流体チャネル６２ならびに入り口ポート８６および出口ポート８８は、図９に示される実施形態に関して先に記載したように基板１１０の外部面１１４の中に機械加工されてよい。マスキングまたは充填材がその後、流体チャネル６２ならびに入り口ポート８６および出口ポート８８に挿入されて流体チャネル６２を満たし、基板１１０の外部面１１４を越えて延在することができる。ボンディングコート１４０および／または遮熱コーティング１４２がその後充填材および基板１１０の外部面１１４の上に塗布されてよく、充填材が、図９に関して先に記載したように取り除かれて図１０に示される断面図を残すことができる。

図１１は、本発明の別の実施形態によるコーティング１１６によって囲まれた流体チャネル６２の拡大された断面図を提供している。この実施形態では、ボンディングコート１４０の１つまたは複数の層が、図９に関して先に記載したように比較的滑らかな基板１１０に塗布されてよい。マスキングまたは充填材がその後、先に記載したようにボンディングコート１４０上に配置されるまたはそこに塗布され、ボンディングコート１４０および／または遮熱コーティング１４２の１つまたは複数の追加の層によって覆われてよい。マスキングまたは充填材はその後、上記に記載したように取り除かれ、図１１に示されるようにコーティング１１６内に全体が含まれるように流体チャネル６２を残すことができる。

図１２は、本発明の別の実施形態によるボンディングコート１４０と遮熱コーティング１４２の間の流体チャネル６２の拡大された断面図を提供している。この実施形態は、マスキングまたは充填材が、ボンディングコート１４０と遮熱コーティング１４２の塗布の間に塗布されること以外は、図１１に先に記載され示されるものと同様のやり方で大半は形成されている。よって結果として生じる流体チャネル６２は、図１２に示されるようにボンディングコート１４０と遮熱コーティング１４２両方の中に埋め込まれている。

図１〜１２に関して示され記載される種々の実施形態はまた、タービン２６から熱を除去するための方法も提供している。方法は、例えば冷却媒体６４を供給プリナム８０を介して高温ガス路４２に沿った１つまたは複数の構成要素へと流すステップを含むことができる。方法はさらに、冷却媒体６４を構成要素から戻りプリナム８２を介して排出する前に、基板１１０の外部面１１４とコーティング１１６の外側面１２０の間に位置する１つまたは複数の流体チャネル６２を通るように冷却媒体６４を流すステップを含むことができる。特定の実施形態では、方法は、冷却媒体６４を平行してまたは連続して流体チャネル６２を通るように流す場合もある。

本明細書に記載されるシステム６０および方法は、高温ガス路４２に沿った構成要素に対するフィルム冷却作用を必要とせずに、タービン２６から熱を除去することができることを当業者は本明細書の教示から容易に認識するであろう。その結果、タービン２６内の動作温度を、フィルム冷却作用に関連する空気力学的混合損失を取り込むことなく上昇させることができる。これに加えて、閉鎖ループ冷却作用は、従来のフィルム冷却システムと比べて実質的に少量の冷却媒体６４しか必要とせず、閉鎖ループ冷却作用によってタービン２６から除去される熱は、サイクル全体に保持される、あるいはオフボードシステムによって再度取り込まれることで設備全体の効率を高めることができる。

この書面による記載は、本発明を開示することを目的とした最適な態様を含む例を利用しており、また任意の装置またはシステムを作製し利用すること、ならびに任意の採用された方法を実行することを含め、当業者が本発明を実施することができるようにするものである。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義されており、当業者が思い付く他の例を含むことができる。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの言い回しと相違ない構造上の要素を含む場合、あるいはそれらが特許請求の範囲の文字通りの言い回しとわずかな相違点を有する等価な構造上の要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図されている。

１０ガスタービン
１２入り口セクション
１４作用流体
１６圧縮機
１８圧縮作用流体
２０燃焼器
２２燃料
２４燃焼ガス
２６タービン
２８シャフト
３０発電機
３２排ガス
３４排気プリナム
３６排気スタック
３８ロータ
４０ケーシング
４２高温ガス路
４４ロータホイール
４６ロータスペーサ
４８ボルト
５０回転ブレード
５２静翼
６０システム
６２流体チャネル
６４冷却媒体流
６６外部フランジ
６８内部フランジ
７０エーロフォイル
７２前縁
７４後縁
７６凹面
７８凸面
８０供給プリナム
８２戻りプリナム
８４キャビティ
８６入り口ポート
８８出口ポート
９０エーロフォイル
９２プラットフォーム
９４前縁
９６後縁
９８凹面
１００凸面
１０２根元
１０４キャビティ
１１０基板
１１２基板の内部面
１１４基板の外部面
１１６コーティング
１１８コーティングの内側面
１２０コーティングの外側面
１２２戻りプリナム
１２４前方供給プリナム
１２６尾翼供給プリナム
１２８流路
１３０流路
１３２流路
１３４中間プリナム
１３６流路
１４０ボンディングコート
１４２遮熱コーティング

Claims

タービンから熱を除去するためのシステムであって、
ａ．その中に供給プリナムと、戻りプリナムとを有する前記タービン内の構成要素と、
ｂ．前記構成要素の形状を画定し、内部面と外部面とを有する基板と、
ｃ．前記基板の前記外部面に塗布されるコーティングであって、前記基板の前記外部面に面する内側面と、前記内側面に対向する外側面とを有するコーティングと、
ｄ．前記基板の前記外部面と、前記コーティングの前記外側面の間にある第１の流体チャネルと、
ｅ．前記供給プリナムから前記基板を貫通して前記第１の流体チャネルへと進む第１の流路と、
ｆ．前記第１の流体チャネルから前記基板を貫通して前記戻りプリナムへと進む第２の流路とを備えるシステム。
前記構成要素がエーロフォイルである、請求項１記載のシステム。
前記コーティングが前記基板の前記外部面に塗布されるボンディングコートと、前記ボンディングコートに塗布される遮熱コーティングとを備える、請求項１記載のシステム。
前記第１の流体チャネルが、前記ボンディングコートと前記遮熱コーティングの間にある、請求項３記載のシステム。
前記第１の流体チャネルが、前記基板の前記外部面内に埋め込まれる、請求項１記載のシステム。
前記第１の流体チャネルが、前記コーティングの前記内側面内に埋め込まれる、請求項１記載のシステム。
前記第１の流体チャネルが前記コーティングによって囲まれる、請求項１記載のシステム。
ａ．前記基板の前記外部面と、前記コーティングの前記外側面の間にある第２の流体チャネルと、
ｂ．前記基板を貫通し前記第２の流体チャネルへと進む第３の流路と、
ｃ．前記第２の流体チャネルから前記基板を貫通する第４の流路とをさらに備え、
ｄ．前記第１の流体チャネルが、前記第２の流体チャネルから上流にある、請求項１記載のシステム。
タービンから熱を除去するためのシステムであって
ａ．前縁と、前記前縁から下流の後縁と、前記前縁と前記後縁の間の凸面に対向する凹面とを備えるエーロフォイルと、
ｂ．前記エーロフォイルの少なくとも一部を画定し、内部面と外部面とを有する基板と、
ｃ．前記基板の前記外部面に塗布されるコーティングであって、前記基板の前記外部面に面する内側面と、前記内側面に対向する外側面とを有するコーティングと、
ｄ．前記基板の前記外部面と、前記コーティングの前記外側面の間にある第１の流体チャネルと、
ｅ．前記基板を貫通し前記第１の流体チャネルへと進む第１の流路と、
ｆ．前記第１の流体チャネルから前記基板を貫通する第２の流路とを備えるシステム。
前記コーティングが前記基板の前記外部面に塗布されるボンディングコートと、前記ボンディングコートに塗布される遮熱コーティングとを備える、請求項９記載のシステム。
前記第１の流体チャネルが、前記ボンディングコートと前記遮熱コーティングの間にある、請求項１０記載のシステム。
前記第１の流体チャネルが、前記基板の前記外部面内に埋め込まれる、請求項９記載のシステム。
前記第１の流体チャネルが、前記コーティングの前記内側面内に埋め込まれる、請求項９記載のシステム。
前記第１の流体チャネルが前記コーティングによって囲まれる、請求項９記載のシステム。
前記第１の流体チャネルが、前記後縁から前記前縁に向かって前記エーロフォイルの前記凹面に沿って流体連通を実現する、請求項９記載のシステム。
ａ．前記基板の前記外部面と、前記コーティングの前記外側面の間にある第２の流体チャネルと、
ｂ．前記基板を貫通し前記第２の流体チャネルへと進む第３の流路と、
ｃ．前記第２の流体チャネルから前記基板を貫通する第４の流路とをさらに備え、
ｄ．前記第１の流体チャネルが、前記エーロフォイルの前記凹面の内側で流体連通を実現し、前記第２の流体チャネルが、前記エーロフォイルの前記凸面の内側で流体連通を実現する、請求項９記載のシステム。
前記第１の流体チャネルが、前記第２の流体チャネルから上流にある、請求項１６記載のシステム。
ａ．圧縮機と、
ｂ．前記圧縮機から下流の燃焼器と、
ｃ．前記燃焼器から下流のタービンと、
ｄ．前記タービンの少なくとも一部を画定し、内部面と外部面とを有する基板と、
ｅ．前記基板の前記外部面に塗布されるコーティングであって、前記基板の前記外部面に面する内側面と、前記内側面に対向する外側面とを有するコーティングと、
ｆ．前記基板の前記外部面と、前記コーティングの前記外側面の間にある第１の流体チャネルと、
ｇ．前記基板を貫通し前記第１の流体チャネルへと進む第１の流路と、
ｈ．前記第１の流体チャネルから前記基板を貫通する第２の流路とを備えるガスタービン。
ａ．前記基板の前記外部面と、前記コーティングの前記外側面の間にある第２の流路と、
ｂ．前記基板を貫通し前記第２の流体チャネルへと進む第３の流路と、
ｃ．前記第２の流体チャネルから前記基板を貫通する第４の流路とをさらに備え、
ｄ．前記第１流体チャネルが、前記エーロフォイルの前記凹面の内側で流体連通を実現し、前記第２の流体チャネルが、前記エーロフォイルの前記凸面の内側で流体連通を実現する、請求項１８記載のガスタービン。
前記第１の流体チャネルが、前記第２の流体チャネルから上流にある、請求項１９記載のガスタービン。