JP2015048847A

JP2015048847A - 多孔質冷却特徴部を有するガスタービン構成要素

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Publication number: JP2015048847A
Application number: JP2014172137A
Authority: JP
Inventors: ベンジャミン・ポール・レイシー; Benjamin Paul Lacy; スリカンス・チャンドリュドュ・コッティリンガム; Srikanth Chandrudu Kottilingam; デイビッド・エドワード・シック; Edward Schick David; ブライアン・ブルゼック; Bulzeck Brian
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2015-03-16
Also published as: CN104420893A; DE102014111837A1; CH708570A2; CH708570A8; US20150064019A1

Abstract

【課題】本出願は、ガス・タービン・エンジンとともに使用するための高温ガス通路構成要素を提供する。
【解決手段】高温ガス通路構成要素は、翼と、内部冷却空洞と、直接金属レーザ溶融技法によって作成される多孔質区画とを含んでもよい。多孔質区画は、翼に組み込まれてもよく、または、多孔質区画は、別個に構築されて、翼に取り付けられてもよい。
【選択図】図１

Description

本出願およびその結果の特許は、一般的にはガス・タービン・エンジンに関し、より具体的には、直接金属レーザ溶融製造技法などによって作成される、多孔質冷却特徴部を有するガスタービン構成要素に関する。

ガス・タービン・システムは、発電のような分野において広く利用されている。全体的なガスタービン性能および効率は、一般的に、内燃温度を増大させることによって増大し得る。しかしながら、高温ガス通路内の高温を受ける構成要素は、冷却されなければならない。たとえば、翼およびノズル内の他の構成要素などは、高温ガス通路内に配置され、相対的に高い内燃温度にさらされる場合がある。それゆえ、冷却流が圧縮機または他の箇所から送られて、高温ガス通路内の様々な構成要素に提供され得る。

翼および他の構成要素を冷却するのに様々な方法が使用され得る。これらの方法は、冷却流を構成要素の内側に流すことと、内部の熱伝達率を増大させるように、構成要素の裏側の流れに衝突するインピンジメントスリーブを通して冷却流を流すことと、対流によって冷却するために、冷却孔を通して構成要素の外部に冷却剤を流すことと、外部温度を低減するように、外部にわたって冷気の層をもたらすために、冷却剤をフィルムとして冷却孔から排出することとを含み得る。これらの方法を使用することによって翼の適当な冷却を可能にすることができるが、冷却効率をさらに増大させることが所望される。そのような効率の増大によって、翼および他の構成要素を冷却するのに必要とされる冷却流を低減することが可能になり、排出物を低減すること、および／または燃焼温度の増大をも可能にすることができる。

米国特許出願公開第２０１３／０１３９５１０号明細書

したがって、本出願およびその結果の特許は、ガス・タービン・エンジンとともに使用するための高温ガス通路構成要素を提供する。高温ガス通路構成要素は、翼と、内部冷却空洞と、直接金属レーザ溶融技法によって作成される多孔質区画とを含んでもよい。多孔質区画は、翼に組み込まれてもよく、または、多孔質区画は、別個に構築されて、翼に取り付けられてもよい。

本出願およびその結果の特許は、ガス・タービン・エンジンとともに使用するための高温ガス通路構成要素を冷却する方法をさらに提供する。本方法は、高温ガス通路構成要素に内部冷却空洞を設けるステップと、直接金属レーザ溶融技法によって多孔質区画を作成するステップと、内部冷却空洞に冷却媒体を流すステップと、トランスピレーション冷却を可能にするために多孔質区画を通して冷却媒体を流すステップとを含んでもよい。作成ステップは、高温ガス通路構成要素上に多孔質区画を構築するステップ、または、多孔質区画を別個に構築して、多孔質区画を高温ガス通路構成要素に取り付けるステップを含んでもよい。

本出願およびその結果の特許は、ガス・タービン・エンジンとともに使用するための翼をさらに提供する。翼は、圧力側と、吸引側と、内部冷却空洞と、直接金属レーザ溶融技法によって作成される多孔質媒体を有する多孔質区画とを含んでもよい。

本出願およびその結果の特許のこれらのおよび他の特徴ならびに改善は、当業者には、いくつかの図面および添付の特許請求の範囲とともに取り上げる場合に、以下の詳細な説明を検討するときに明らかとなろう。

圧縮機、燃焼器、およびタービンを示すガス・タービン・エンジンの概略図である。翼の一部の断面図である。本明細書において説明され得るものとしての翼の一部の断面図である。図３の翼の一部の拡大図である。本明細書において説明され得るものとしての翼の代替的な実施形態の断面図である。図５の翼の一部の拡大図である。本明細書において説明され得るものとしての翼の代替的な実施形態の概略図である。図７の翼の一部の拡大図である。図７の翼の一部の代替的な実施形態の拡大図である。本明細書において説明され得るものとしての翼の代替的な実施形態の断面図である。図１０の翼の一部の拡大図である。

ここで図面を参照すると、いくつかの図全体を通じて同様の参照符号は同様の要素を指しているが、図１は、本明細書において使用され得るものとしてのガス・タービン・エンジン１０の概略図を示す。ガス・タービン・エンジン１０は、圧縮機１５を含んでもよい。圧縮機１５は、入来する空気流２０を圧縮する。圧縮機１５は、圧縮された空気流２０を燃焼器２５に送達する。燃焼器２５は、圧縮された空気流２０を加圧された燃料流３０と混合し、混合物に点火して燃焼ガス流３５を生成する。単一の燃焼器２５のみが図示されているが、ガス・タービン・エンジン１０は、任意の数の燃焼器２５を含んでもよい。燃焼ガス流３５は、次いでタービン４０に送達される。燃焼ガス流３５は、機械的作用を生成するようにタービン４０を駆動する。タービン４０において生成される機械的作用は、シャフト４５および発電機などのような外部負荷５０を介して圧縮機１５を駆動する。

ガス・タービン・エンジン１０は、天然ガス、液体燃料、様々なタイプの合成ガス、ならびに／または他のタイプの燃料およびそれらの組合せを使用してもよい。ガス・タービン・エンジン１０は、限定ではないが、７または９系列重構造ガス・タービン・エンジンなどのようなものを含む、ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｍｐａｎｙｏｆＳｃｈｅｎｅｃｔａｄｙによって提供されるいくつかの異なるガス・タービン・エンジンのうちのいずれか１つであってもよい。ガス・タービン・エンジン１０は、異なる構成を有してもよく、他のタイプの構成要素を使用してもよい。他のタイプのガス・タービン・エンジンも、本明細書において使用されてもよい。複数のガス・タービン・エンジン、他のタイプのタービン、および、他のタイプの発電設備も、本明細書においてともに使用されてもよい。

図２は、高温ガス通路構成要素５５の一例の断面図である。この例において、高温ガス通路構成要素５５は翼６０であってもよい。翼６０は、ノズル、バケット、または、シュラウドなどのような任意の他のタイプの高温ガス通路構成要素５５の一部であってもよい。翼６０は、外殻６５を含んでもよい。翼６０は、圧力側７０から吸引側７５に延伸してもよい。翼６０はまた、前縁８０から後縁８５まで延伸してもよい。翼６０は、全体的に空気力学的形状を有してもよい。外殻６５は、外殻６５を通じて延伸するいくつかのフィルム冷却孔９２と連通するいくつかの内部冷却空洞９０を画定してもよい。いくつかのピンバンク９４も、内部冷却空洞９０に延伸してもよい。空気流２０の一部が翼６０を冷却するように、圧縮機１５から方向転換されてもよい。空気流２０は内部冷却空洞９０を通して延伸してもよく、フィルム冷却孔９２の周囲または他の場所へ出てもよい。ピンバンク９４は、空気流２０に乱流をもたらしてもよい。多くの他のタイプの高温ガス通路構成要素５５および翼６０が使用されてもよい。同様に、多くの異なるタイプの冷却方式および構成要素も使用されてもよい。

図３および図４は、本明細書において説明され得るものとしての高温ガス通路構成要素１００を示す。この例において、高温ガス通路構成要素１００は翼１１０であってもよい。翼１１０は、ノズルまたはバケットの一部であってもよい。シュラウドなどのような他のタイプの高温ガス通路構成要素１００も、本明細書において使用されてもよい。翼１１０は、殻１２０を含んでもよい。殻１２０は、内面１３０および外面１４０を有してもよい。内面１３０は、インピンジメントスリーブ１３５、インピンジメントプレート、またはそれに隣接する同様のタイプの構造を有してもよい。殻１２０は、圧力側１５０から吸引側１６０に延伸してもよい。同様に、殻１２０は、前縁１７０から後縁１８０に延伸してもよく、実質的な空気力学的形状を規定してもよい。殻１２０は、その内面１３０の周囲にいくつかの内部冷却空洞１９０を画定してもよい。いくつかのフィルム冷却孔２００が殻１２０から延伸してもよい。いくつかのピンバンク２１０も、内部冷却空洞１９０内に位置付けられてもよい。他の構成要素および他の構成も、本明細書において使用されてもよい。

翼１１０は、多孔質後縁区画２２０をも有してもよい。多孔質後縁区画２２０には、多孔質媒体２３０が充填されてもよい。多孔質媒体２３０は、いくつかの空隙を内部に有するマトリックスを有する１つまたは複数の任意の適切な多孔質材料から形成されてもよい。多孔質媒体２３０は、金属発泡体、金属合金発泡体、セラミックマトリックス複合発泡体のようなセラミック発泡体、炭素繊維発泡体、および同様のタイプの多孔質材料から形成されてもよい。特定の材料の非限定例は、Ｒｅｎｅ１４２、Ｒｅｎｅ１９５、ＭａｒＭ２４７、ＧＴＤ１１１、ＧＴＤ４４４、ＩＮ７３８、Ｈ２８２、Ｈ２３０、ＩＮ６２５などを含んでもよい。発泡体は、一般的に、金属、セラミック、炭素繊維などの材料を別の物質と混合し、その後、その物質を多孔質発泡体を残すように溶融することによって形成されてもよい。多孔質媒体２３０は、直接金属レーザ溶融（「ＤＭＬＭ」）工程などを介して「印刷」または構築されてもよい。異なるタイプの焼結技法および他のタイプの製造技法も、本明細書における構成要素を作成するために本明細書において使用されてもよい。多孔質媒体は、それを通る冷却流の最適化に基づいて、全体を通じて気孔率／浸透性が変化してもよい。たとえば、浸透性は、熱負荷が最も高い領域において最も低くてもよく、それによって、熱負荷および冷却剤需要がより場合がある領域と比較して、これらの領域を通じてより多くの冷却剤が流れる。高効率の冷却を可能にするように、冷却媒体２４０が多孔質媒体２３０内の空隙を通じて流れることができる。

多孔質後縁区画２２０は翼１１０上に直接構築されてもよく、または、多孔質後縁区画２２０は別個に構築されて、任意の数の異なる技法によって取り付けられてもよい。これらの技法は、ろう着、アーク溶接、レーザ溶接および電子ビーム溶接のような高エネルギー密度溶接、ＴＬＰ接合、拡散接合、または異なるタイプの機械的連結を含んでもよい。多孔質媒体２３０の構築は、既存の構成要素の上で、または全体的な構成要素の構築の一部として行われてもよい。ＤＭＬＭ工程を使用することによって、翼１１０と多孔質後縁区画２２０との間に高品質の接合をもたらしながら、多孔質媒体２３０を通じた高い熱伝達が可能になる。多孔質後縁区画２２０は、後縁の特定の１つまたは複数の区画のみにわたって出るように流れを方向付けるために全体または一部において延伸する外部スリーブ２５０を有してもよい。外部スリーブ２５０は、金属構成要素、遮熱コーティングなどであってもよい。コーティングは、その上に噴霧されたアルミニウムなどであってもよい。したがって、冷却媒体２４０は、翼１１０を通じて流れ、後縁１８０を冷却するように、多孔質後縁区画２２０を介して出る。他の構成要素および他の構成が、本明細書において使用されてもよい。

図５および図６は、高温ガス通路構成要素１００のさらなる例を示す。この例において、高温ガス通路構成要素１００は翼２６０であってもよい。翼２６０は、吸引側１６０に位置付けられている多孔質側部区画２７０を含んでもよい。多孔質側部区画２７０は、多孔質媒体２３０を含んでもよい。具体的には、多孔質媒体２３０は、インピンジメントスリーブ１３５に沿って、または、下層になる構造上の格子の周囲で、翼２６０の殻１２０内に構築または取り付けられてもよい。多孔質媒体２３０は、トランスピレーション冷却などを可能にするために殻と整列されてもよい。したがって、冷却流２４０は、多孔質側部区画２７０内の空隙を通じて漏れることができる。任意の数の多孔質側部区画２７０が、本明細書において任意のサイズまたは形状で使用されてもよい。上記のように、気孔率および浸透性は、冷却利用を最適化するように、多孔質片全体を通じて変化してもよい。他の構成要素および他の構成が、本明細書において使用されてもよい。

図７〜図９は、高温ガス通路構成要素１００のさらなる例を示す。この例において、高温ガス通路構成要素１００は翼２８０であってもよい。翼２８０は、吸引側１６０または翼２８０に沿った他の場所に位置付けられている多孔質外部区画２９０を含んでもよい。具体的には、多孔質外部区画２９０は、殻１２０上の多孔質媒体２３０の集合体を含んでもよい。代替的に、多孔質区画は、別個に構築されて、上述のものを含む任意の数の異なる技法によって取り付けられてもよい。殻１２０および多孔質外部区画２９０は、殻１２０を通じて延伸するフィルム冷却孔２００によって連通してもよい。図８に示すように、外部スリーブ３００が多孔質媒体２３０上で使用されてもよい。いくつかの外部フィルム冷却孔３１０が、外部スリーブ３００上に位置付けられてもよい。外部スリーブ３００は、金属、遮熱コーティングなどであってもよい。図９に示すように、外部スリーブ３００は任意選択であってもよく、それによって、多孔質媒体２３０は、いかなるタイプの被覆も必要としなくてもよい。外部スリーブ３００は、多孔質媒体２３０の全体、一部を被覆してもよく、または一切被覆しなくてもよい。したがって、冷却流２４０は、フィルム冷却孔２００、多孔質媒体２３０および／または外部フィルム冷却孔３１０を通じて流れることができる。フィルム冷却孔は、多孔質媒体内への流量分布を改善するために、部分的に多孔質媒体内に形成されてもよい。他の構成要素および他の構成も、本明細書において使用されてもよい。

図１０および図１１は、高温ガス通路構成要素１００のさらなる実施形態を示す。この例において、高温ガス通路構成要素１００は翼３２０であってもよい。翼３２０は、多孔質内部区画３３０を含んでもよい。多孔質内部区画３３０は、全体的にまたは部分的にフィルム冷却孔２００または殻１２０内の他の場所に沿った任意選択のインピンジメントスリーブ１３５の周囲の多孔質媒体２３０の集合体を含んでもよい。代替的に、多孔質媒体は別個に構築されて、上述したもののような様々な方法によって取り付けられてもよい。多孔質媒体の浸透性および気孔率は、冷却剤の利用を最適化するために必要に応じて変化してもよい。したがって、冷却流２４０は、インピンジメントスリーブ１３５、多孔質媒体２３０、およびフィルム冷却孔２００を通じて流れることができる。フィルム冷却孔は、フィルムの有効性を最大限にするために最適なフィルム孔形状を確保するために、部分的に多孔質媒体内に形成されてもよい。他の構成要素および他の構成が、本明細書において使用されてもよい。

いくつかの代替的な高温ガス通路構成要素１００も、本明細書において使用されてもよい。具体的には、高温ガス通路構成要素１００の多孔質特徴部および中実の特徴部の両方を構築するのにＤＭＬＭが使用されてもよい。これらのＤＭＬＭ技法は、多孔質媒体２３０内の異なる箇所においては気孔率および／または浸透性を変化させるのに使用されてもよい。したがって、ＤＭＬＭ技法は、内側または外側に複数の異なる別個の多孔質構造を構築するのに使用することができる。多孔質材料を作成し取り付ける他の方法もまた、使用されてもよい。

高温ガス通路構成要素１００は、より良好な熱伝達を可能にするとともに、トランスピレーション冷却を可能にするように、これらの一体的な多孔質特徴部を提供する。したがって、多孔質媒体２３０を使用することによって、全体的な冷却負荷要件は低減するはずである。具体的には、多孔質媒体は、既知の翼材料と比較して著しく高い熱伝達係数を有するように示されているとともに、その部分にわたる冷却剤に拡散に対して優れた制御を可能にする。複数の箇所における高温ガス通路構成要素に対するそのような工程を使用することによって、冷却流要件を低減しながら、熱伝達能力を増大させることができる。その上、ＤＭＬＭ工程を使用することによって、多孔質発泡体に、その部分に直接構築されるときに、またはその部分とともに全体的に基材に対する一体的接合が提供される。ＤＭＬＭ工程は、その部分全体を通じた気孔率および浸透性に対する制御も可能にする。

上記は本出願およびその結果の特許の特定の実施形態のみに関することが諒解されるべきである。添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義されるような本発明の全般的な精神および範囲から逸脱することなく、当業者によって多数の変更および修正が行われてもよい。

１０ガス・タービン・エンジン
１５圧縮機
２０空気
２５燃焼器
３０燃料
３５燃焼ガス
４０タービン
４５シャフト
５０負荷
５５高温ガス通路構成要素
６０翼
６５外殻
７０圧力側
７５吸引側
８０前縁
８５後縁
９０冷却空洞
９２フィルム冷却孔
９４ピンバンク
１００高温ガス通路構成要素
１１０翼
１２０殻
１３０内面
１３５インピンジメントスリーブ
１４０外面
１５０圧力側
１６０吸引側
１７０前縁
１８０後縁
１９０冷却空洞
２００フィルム冷却孔
２１０ピンバンク
２２０多孔質後縁区画
２３０多孔質媒体
２４０冷却媒体
２５０外部スリーブ
２６０翼
２７０多孔質側部区画
２８０翼
２９０多孔質外部区画
３００外部スリーブ
３１０外部冷却孔
３２０翼
３３０多孔質内部区画

Claims

ガス・タービン・エンジン（１０）とともに使用するための高温ガス通路構成要素（５５、１００）であって、翼（６０、１１０、２６０、２８０、３２０）と、内部冷却空洞（９０、１９０）と、直接金属レーザ溶融技法によって作成される多孔質区画とを備える、高温ガス通路構成要素（５５、１００）。
前記多孔質区画は前記翼（６０、１１０、２６０、２８０、３２０）の中に構築される、請求項１に記載の高温ガス通路構成要素（５５、１００）。
前記多孔質区画は別個に構築されて、前記翼（６０、１１０、２６０、２８０、３２０）に取り付けられる、請求項１に記載の高温ガス通路構成要素（５５、１００）。
前記翼（６０、１１０、２６０、２８０、３２０）は、圧力側（７０、１５０）および吸引側（７５、１６０）を備え、前記多孔質区画は前記吸引側（７５、１６０）の中にある、請求項１に記載の高温ガス通路構成要素（５５、１００）。
前記多孔質区画に隣接するインピンジメントスリーブ（１３５）をさらに備える、請求項１に記載の高温ガス通路構成要素（５５、１００）。
前記多孔質区画に隣接する複数のフィルム冷却孔（９２、２００）をさらに備える、請求項１に記載の高温ガス通路構成要素（５５、１００）。
前記多孔質区画は内部に多孔質媒体（２３０）を備える、請求項１に記載の高温ガス通路構成要素（５５、１００）。
前記多孔質媒体（２３０）は、金属発泡体、セラミック発泡体、および／または炭素繊維発泡体を含む、請求項７に記載の高温ガス通路構成要素（５５、１００）。
前記多孔質区画は、内部に全体的にまたは部分的に外部スリーブ（２５０、３００）を有する多孔質後縁区画（２２０）を含む、請求項１に記載の高温ガス通路構成要素（５５、１００）。
前記多孔質区画は、１つまたは複数の多孔質側部区画（２７０）を含む、請求項１に記載の高温ガス通路構成要素（５５、１００）。
前記多孔質区画は、多孔質外部区画（２９０）を含む、請求項１に記載の高温ガス通路構成要素（５５、１００）。
前記多孔質外部区画（２９０）は、複数の外部フィルム冷却孔（９２、２００）を有する外部スリーブ（２５０、３００）を備える、請求項１１に記載の高温ガス通路構成要素（５５、１００）。
前記多孔質区画は、多孔質内部区画（３３０）を含む、請求項１に記載の高温ガス通路構成要素（５５、１００）。
ガス・タービン・エンジン（１０）とともに使用するための高温ガス通路構成要素（５５、１００）を冷却する方法であって、前記高温ガス通路構成要素（５５、１００）に内部冷却空洞（９０、１９０）を設けるステップと、直接金属レーザ溶融技法によって多孔質区画を作成するステップと、前記内部冷却空洞（９０、１９０）に冷却媒体（２４０）を流すステップと、トランスピレーション冷却を可能にするために前記多孔質区画を通して前記冷却媒体（２４０）を流すステップとを含む、方法。
前記作成するステップは、前記高温ガス通路構成要素（５５、１００）上に前記多孔質区画を構築するステップ、または、前記多孔質区画を別個に構築して、前記多孔質区画を前記高温ガス通路構成要素（５５、１００）に取り付けるステップを含む、請求項１４に記載の方法。
ガス・タービン・エンジン（１０）とともに使用するための翼（６０、１１０、２６０、２８０、３２０）であって、圧力側（７０、１５０）と、吸引側（７５、１６０）と、内部冷却空洞（９０、１９０）と、直接金属レーザ溶融技法によって作成される多孔質区画とを備える、翼（６０、１１０、２６０、２８０、３２０）。
前記多孔質区画は前記翼（６０、１１０、２６０、２８０、３２０）の中に構築され、または、前記多孔質区画は別個に構築されて、前記翼（６０、１１０、２６０、２８０、３２０）に取り付けられる、請求項１６に記載の翼（６０、１１０、２６０、２８０、３２０）。
前記多孔質区画は多孔質後縁区画（２２０）を含む、請求項１６に記載の翼（６０、１１０、２６０、２８０、３２０）。
前記多孔質区画は１つまたは複数の多孔質側部区画（２７０）を含む、請求項１６に記載の翼（６０、１１０、２６０、２８０、３２０）。
前記多孔質区画は多孔質外部区画（２９０）および／または多孔質内部区画（３３０）を含む、請求項１６に記載の翼（６０、１１０、２６０、２８０、３２０）。