JP2015127538A

JP2015127538A - タービン・ノズルおよびガスタービン・エンジンのタービン・ノズルを冷却する方法

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Publication number: JP2015127538A
Application number: JP2014261430A
Authority: JP
Inventors: ミシェル・ジェシカ・イデュエイト; Jessica Iduate Michelle; グレゴリー・トーマス・フォスター; Gregory Thomas Foster; デービッド・ウェイン・ウェバー; Wayne Weber David
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2014-12-25
Publication date: 2015-07-09
Anticipated expiration: 2034-12-25
Also published as: CH709086A2; US20150184530A1; DE102014118697A1; JP6489823B2; CN204532441U; US9562439B2

Abstract

【課題】本願および本願に付与される特許は、ガスタービン・エンジンのタービン・ノズルを提供する。
【解決手段】このタービン・ノズルは、第１のノズル・ベーンと、第２のノズル・ベーンと、第１のノズル・ベーンと第２のノズル・ベーンを連結するプラットフォームとを含み得る。このプラットフォーム内には、第１の冷却通路と、それとは別の第２の冷却通路とが画定され得る。第１の冷却通路は冷却流体の第１の流れを第１の方向に誘導するように構成され得、第２の冷却通路は冷却流体の第２の流れを第１の方向とはほぼ逆の第２の方向に誘導するように構成され得る。本願および本願に付与される特許は、ガスタービン・エンジンのタービン・ノズルを冷却する方法をさらに提供する。
【選択図】図１

Description

本願および本願に付与される特許は、概してガスタービン・エンジンに関し、より詳細にはタービン・ノズルおよび高動作温度時にガスタービン・エンジンのタービン・ノズルを冷却する方法に関する。

ガスタービン・エンジンにおいては、高温の燃焼ガスが一般には１つまたは複数の燃焼器からトランジション・ピースを経て高温ガス経路に沿って流れる。典型的には複数のタービン段を高温ガス経路に沿って連続的に配置でき、その結果燃焼ガスはタービンの第１の段のノズルとバケットを通過してから後段のノズルとバケットを通過することになる。こうしてノズルはそれぞれのバケットへと燃焼ガスを誘導できるので、バケットを回転させて発電機などの負荷を駆動できる。燃焼ガスはバケットを取り囲む周方向のシュラウドによって収容され得る。シュラウドはまた、燃焼ガスを高温ガス経路に沿って誘導する補助もできる。このようにタービン・ノズル、バケット、およびシュラウドは高温ガス経路に沿って流れる燃焼ガスに由来する高温に晒されることがあり、その結果としてこれらの構成要素内にホットスポットや高熱応力が形成され得る。ガスタービン・エンジンの効率は動作温度にかかっているので、高温ガス経路内で該経路に沿って配置されたタービン・ノズル、バケット、シュラウドなどの構成要素は、劣化、故障、または耐用年数の短縮なく、上昇し続ける温度に耐えられることが現在も求められている。

特定のタービン・ノズル、特に真ん中および後半のタービン段のタービン・ノズルは、冷却目的でノズル内に画定された１つまたは複数の通路またはキャビティを含むことがある。たとえば、冷却通路は、タービンの段ごとに異なるかもしれないが、そのノズル固有の冷却の必要性に応じて、タービン・ノズルの内側プラットフォーム、外側プラットフォーム、および／またはベーンの内部に画定され得る。ある構成によると、冷却通路はタービン・ノズルの高温ガス経路の表面付近に画定され得る。こうすれば冷却通路は圧縮機の抽気などの冷却流体をタービン・ノズルを通じて運び熱交換することができるので、高温ガス経路の表面付近の領域の温度は許容可能な範囲内に維持される。冷却可能領域を最大化したいという要望から、冷却通路を長くしたり、複数の方向転換や曲げを含む曲がりくねった蛇行形状など複雑な形状にすることができる。しかし、複雑な形状の長い冷却通路の製造は困難で高コストになる可能性があり、また、冷却通路に沿って不本意な圧力降下をもたらす可能性もある。さらに、そのような冷却通路の熱伝導率には大きなばらつきが生じる可能性があるので、それを用いるタービン段の冷却通路の最適化は非常に困難となり得る。

このように、高動作温度時にタービン・ノズルを冷却する冷却通路構成を含む改良されたタービン・ノズルが望まれている。具体的には、そのような冷却通路構成は、冷却可能領域を最大化するが、一方で冷却通路の長さと複雑さは最小限に止めるべきである。そうすれば、そのような冷却通路構成により、タービン・ノズルの製造コストおよび製造に関する複雑さならびに冷却通路に沿っての圧力降下は最小限に抑えられるはずである。さらに、そのような冷却通路構成により、冷却通路の熱伝導率のばらつきも最小限に抑えられるはずなので、それを用いるタービン段の冷却通路の最適化は容易になるはずである。

米国特許出願公開第２０１３／０１７５３５７号明細書

したがって、本願および本願に付与される特許は、ガスタービン・エンジンのタービン・ノズルを提供する。このタービン・ノズルは、第１のノズル・ベーンと、第２のノズル・ベーンと、第１のノズル・ベーンと第２のノズル・ベーンを連結するプラットフォームとを含み得る。このプラットフォーム内には、第１の冷却通路と、それとは別の第２の冷却通路とが画定され得る。第１の冷却通路は冷却流体の第１の流れを第１の方向に誘導するように構成され得、第２の冷却通路は冷却流体の第２の流れを第１の方向とはほぼ逆の第２の方向に誘導するように構成され得る。

本願および本願に付与される特許は、ガスタービン・エンジンのタービン・ノズルを冷却する方法をさらに提供する。この方法には、第１のノズル・ベーンと、第２のノズル・ベーンと、第１のノズル・ベーンと第２のノズル・ベーンを連結するプラットフォームとを含むタービン・ノズルを設けるステップが含まれ得、このプラットフォーム内には第１の冷却通路と、それとは別の第２の冷却通路とが画定されている。この方法には、冷却流体の第１の流れを第１の冷却通路内で第１の方向に送るステップも含まれ得る。この方法には、冷却流体の第２の流れを第２の冷却通路内で第１の方向とはほぼ逆の第２の方向に送るステップもさらに含まれ得る。

さらに、本願および本願に付与される特許は、ガスタービン・エンジンを提供する。このガスタービン・エンジンは、圧縮機と、この圧縮機と連通した燃焼器と、この燃焼器と連結したタービンとを含み得る。このタービンは、周方向のアレイとして配置された複数のタービン・ノズルを含み得る。各タービン・ノズルは、第１のノズル・ベーンと、第２のノズル・ベーンと、第１のノズル・ベーンと第２のノズル・ベーンを連結するプラットフォームとを含み得る。このプラットフォーム内には、第１の冷却通路と、それとは別の第２の冷却通路とが画定され得る。第１の冷却通路は冷却流体の第１の流れを第１の方向に誘導するように構成され得、第２の冷却通路は冷却流体の第２の流れを第１の方向とはほぼ逆の第２の方向に誘導するように構成され得る。

本願および本願に付与される特許の上記のおよび他の特徴ならびに改良点は、以下の詳細な説明をいくつかの図面および添付の特許請求の範囲と合わせて考察すると、当業者には明白になろう。

圧縮機と、燃焼器と、タービンとを含むガスタービン・エンジンの概略図である。複数のタービン段が示されている、図１のガスタービン・エンジンで使用され得るタービンの一部の概略図である。図２のタービンで使用され得るタービン・ノズルの概略図である。隠れ線で表された冷却通路が示されている、本明細書に記載され得かつ図２のタービンで使用され得るタービン・ノズルの一実施形態の概略図である。隠れ線で表された冷却通路が示されている、本明細書に記載され得かつ図２のタービンで使用され得るタービン・ノズルの別の実施形態の概略図である。隠れ線で表された冷却通路が示されている、本明細書に記載され得かつ図２のタービンで使用され得るタービン・ノズルの別の実施形態の概略図である。隠れ線で表された冷却通路が示されている、本明細書に記載され得かつ図２のタービンで使用され得るタービン・ノズルの別の実施形態の概略図である。

次に図面を参照すると（これらの図では同じ要素を同じ番号で表す）、本明細書で使用され得るガスタービン・エンジン１０の概略図が図１に示されている。ガスタービン・エンジン１０は、圧縮機１５を含み得る。圧縮機１５は取り込んだ空気流２０を圧縮する。圧縮機１５は圧縮した空気流２０を燃焼器２５に送達する。燃焼器２５では、この圧縮された空気流２０を加圧した燃料の流れ３０と混合した混合物を燃焼させて、燃焼ガスの流れ３５を発生する。図では燃焼器２５を１つしか示していないが、ガスタービン・エンジン１０は燃焼器２５をいくつ含んでもよい。燃焼ガスの流れ３５は次にタービン４０に送達される。燃焼ガスの流れ３５はタービン４０を駆動し、機械的仕事を生み出す。タービン４０で生じた機械的仕事によって、シャフト４５を介し圧縮機１５および発電機などの外部負荷５０が駆動される。ここでは他の構成や他の構成要素も使用できる。

ガスタービン・エンジン１０は、天然ガス、あらゆる種類の合成ガス、および／または他の種類の燃料を使用できる。ガスタービン・エンジン１０は、ニューヨーク州スキネクタディのゼネラル・エレクトリック・カンパニイ社（General Electric Company）が提供する、７シリーズまたは９シリーズのヘビー・デューティー・ガスタービン・エンジンなど（ただしこれらに限定されない）、多数の多様なガスタービン・エンジンのいずれであってもよい。ガスタービン・エンジン１０は、別の構成を有してもよいし、他の種類の構成要素を用いてもよい。ここでは他の種類のガスタービン・エンジンも使用できる。ここではまた、複数のガスタービン・エンジン、他の種類のタービン、他の種類の発電装置を一緒に用いてもよい。図ではガスタービン・エンジン１０を示すが、本願はあらゆる種類のターボ機械に応用できる。

図２は、ガスタービン・エンジン１０の高温ガス経路５４内に配置された複数の段５２を含むタービン４０の一部の概略図を示している。第１の段５６は、周方向に離間した複数の第１の段のノズル５８と、周方向に離間した複数の第１の段のバケット６０とを含み得る。第１の段５６は、周方向に延びて第１の段のバケット６０を取り囲んでいる第１の段のシュラウド６２も含み得る。第１の段のシュラウド６２は、互いに隣接するように配置された環状構成の複数のシュラウド・セグメントを含み得る。同様にして、第２の段６４は、複数の第２の段のノズル６６と、複数の第２の段のバケット６８と、第２の段のバケット６８を取り囲む第２の段のシュラウド７０とを含み得る。さらに、第３の段７２は、複数の第３の段のノズル７４と、複数の第３の段のバケット７６と、第３の段のバケット７６を取り囲む第３の段のシュラウド７８とを含み得る。図ではタービン４０の一部は３つの段５２を含んでいるが、タービン４０は段５２をいくつ含んでもよい。

図３は、タービン４０の段５２のうちの１つにおいて使用され得るタービン・ノズル８０の概略図である。一般的な説明をすると、ノズル８０は、内側プラットフォーム８４と外側プラットフォーム８６の間に延びるノズル・ベーン８２を含み得る。いくつかの実施形態では、ノズル８０は、内側プラットフォーム８４と外側プラットフォーム８６の間に延びる２つ以上のノズル・ベーン８２を含み得る。上述したように、タービン４０の段５２内で複数のノズル８０を周方向アレイとして構成することができる。そうすると、ノズル・ベーン８２はタービン４０の中心軸線に対し放射状に延びることができ、内側プラットフォーム８４と外側プラットフォーム８６はタービン４０の中心軸線に対し周方向に延びることができる。隣接するノズル８０の内側プラットフォーム８４は互いに当接して高温ガス経路５４の半径方向内側境界を形成し得る。隣接するノズル８０の外側プラットフォーム８６も同様に互いに当接して高温ガス経路５４の半径方向外側境界を形成し得る。

図示のように、タービン・ノズル８０は、ノズル・ベーン８２内に画定されて冷却源と連通している、少なくとも１つの冷却キャビティ８８を含み得る。タービン・ノズル８０は、内側プラットフォーム８４内に画定されて冷却キャビティ８８と連通している、冷却プレナム９２も含み得る。タービン４０の運転中、圧縮機１５からの吐出気または抽気の流れなどの冷却流体の流れは冷却キャビティ８８内に送られ、次いで冷却プレナム９２に入ってタービン・ノズル８０の所望の部分を冷却することができる。ここでは他の構成や他の構成要素も使用できる。

図４は、本明細書に記載され得るタービン・ノズル１００の一実施形態の概略図を示す。タービン・ノズル１００は、タービン４０の段５２のうちの１つにおいて使用され得、上述のタービン・ノズル８０と概ね同じように構成され配置され得るが、その構造と機能に以下に述べるようないくつかの違いがある。タービン・ノズル１００は、第１のノズル・ベーン１０２と第２のノズル・ベーン１０４とを含み得、それぞれが内側プラットフォーム１０６と外側プラットフォーム（図示せず）の間に延在している。こうして内側プラットフォーム１０６は第１のノズル・ベーン１０２および第２のノズル・ベーン１０４を連結でき、外側プラットフォームも第１のノズル・ベーン１０２および第２のノズル・ベーン１０４を連結できる。図示のように、内側プラットフォーム１０６は前縁部１０８と、後縁部１１０と、側縁部１１１とを含み得る。外側プラットフォームも同様にして構成できる。

タービン・ノズル１００は、内側プラットフォーム１０６内に画定された、第１の冷却通路１１２と、それとは別の第２の冷却通路１１４とを含み得る。このように第１の冷却通路１１２と第２の冷却通路１１４とは互いに独立することができるので、第１の冷却通路１１２は第２の冷却通路１１４と流体連通していない。図示のように、第１の冷却通路１１２は、第１のノズル・ベーン１０２内に画定された第１の冷却キャビティ１２２と流体連結でき、第２の冷却通路１１４は、第２のノズル・ベーン１０４内に画定された第２の冷却キャビティ１２４と流体連結できる。このように、第１の冷却通路１１２は第１の冷却キャビティ１２２から冷却流体を受けるように構成でき、第２の冷却通路１１４も同様に第２の冷却キャビティ１２４から冷却流体を受けるように構成できる。いくつかの実施形態では、複数の第１の冷却キャビティ１２２を第１のノズル・ベーン１０２内に画定でき、複数の第２の冷却キャビティ１２４を第２のノズル・ベーン１０４内に画定できる。ここでは第１の冷却通路１１２と第２の冷却通路１１４が内側プラットフォーム１０６に画定されたものとして記載できるが、冷却通路１１２、１１４はあるいはタービン・ノズル１００の外側プラットフォーム内に同様にして画定してもよい。

タービン４０の運転中、圧縮機１５からの吐出気または抽気などの冷却流体は、タービン・ノズル１００の第１の冷却キャビティ１２２および第２の冷却キャビティ１２４それぞれに誘導され得る。第１の冷却キャビティ１２２内に誘導された冷却流体の少なくとも一部は第１の冷却通路１１２内に入りそこを通過して冷却流体の第１の流れ１３２を形成し得る。第２の冷却キャビティ１２４内に誘導された冷却流体の少なくとも一部は、同様に第２の冷却通路１１４内に入りそこを通過して冷却流体の第２の流れ１３４を形成し得る。こうして冷却流体の第１の流れ１３２および冷却流体の第２の流れ１３４は、第１の冷却通路１１２と第２の冷却通路１１４を取り囲んでいる内側プラットフォーム１０６の諸領域と熱交換してそれらの領域の温度を許容可能範囲内に維持できる。

図４に示すように、第１の冷却通路１１２は、少なくともその一部が、冷却流体の第１の流れ１３２を第１の方向に誘導するように構成され得る。たとえば、第１の冷却通路１１２は、少なくともその一部が、冷却流体の第１の流れ１３２を第２のノズル・ベーン１０４に向けて第１の方向に誘導するように構成され得る。第２の冷却通路１１４は、少なくともその一部が、冷却流体の第２の流れ１３４を第１の方向とはほぼ逆の第２の方向に誘導するように構成され得る。たとえば、第２の冷却通路１１４は、少なくともその一部が、冷却流体の第２の流れ１３４を第１のノズル・ベーン１０２に向けて第２の方向に誘導するように構成され得る。

いくつかの実施形態では、第１の冷却通路１１２と第２の冷却通路１１４は、内側プラットフォーム１０６の高温ガス経路の表面付近に配置され得る。たとえば、第１の冷却通路１１２と第２の冷却通路１１４は、内側プラットフォーム１０６の半径方向外表面１４０付近に配置され得る。さらに、いくつかの実施形態では、第１の冷却通路１１２と第２の冷却通路１１４は、図示のように、内側プラットフォーム１０６の前縁部１０８付近に配置され得る。図４の実施形態によると、第１の冷却通路１１２は第２の冷却通路１１４の上流で延在し得るが、この構成は他の実施形態では逆であってもよい。いくつかの実施形態では、第１の冷却通路１１２と第２の冷却通路１１４は、タービン４０の中心軸線に対し半径方向に少なくとも部分的に互いに重なることができる。

第１の冷却通路１１２と第２の冷却通路１１４は、それぞれ１つまたは複数の排気アパーチャ１４２、１４４を通じて冷却流体の第１の流れ１３２と冷却流体の第２の流れ１３４を排気するように構成できる。図示のように、排気アパーチャ１４２、１４４は内側プラットフォーム１０６の半径方向外表面１４０に画定できるので、冷却流体の流れ１３２、１３４を半径方向外表面１４０のフィルム冷却に用いることができる。いくつかの実施形態では、排気アパーチャ１４２、１４４は、内側プラットフォーム１０６の前縁部１０８、後縁部１１０、または側縁部１１１に沿って画定できるので、その周りに冷却流体の流れ１３２、１３４を追い出すことができる。

図５は、本明細書に記載され得るタービン・ノズル２００の別の実施形態の概略図を示す。タービン・ノズル２００は、タービン・ノズル１００に関して記載した特徴に相当するさまざまな特徴を含む。そのような特徴は図５では相当する数字で特定し、以下に詳述しない。タービン・ノズル２００はタービン４０の段５２のうちの１つにおいて使用され得、第１のノズル・ベーン２０２と、第２のノズル・ベーン２０４と、前縁部２０８と後縁部２１０と側縁部２１１とを含む内側プラットフォーム２０６とを含み得る。内側プラットフォーム２０６は、第１の冷却キャビティ２２２と流体連通した第１の冷却通路２１２と、それとは別の第２の冷却キャビティ２２４と流体連通した第２の冷却通路２１４とを含み得る。いくつかの実施形態では、複数の第１の冷却キャビティ２２２を第１のノズル・ベーン２０２内に画定でき、複数の第２の冷却キャビティ２２４を第２のノズル・ベーン２０４内に画定できる。

図５に示すように、第１の冷却通路２１２は、少なくともその一部が、冷却流体の第１の流れ２３２を第１の方向に誘導するように構成され得る。たとえば、第１の冷却通路２１２は、少なくともその一部が、冷却流体の第１の流れ２３２を第２のノズル・ベーン２０４に向けて第１の方向に誘導するように構成され得る。さらに、第１の冷却通路２１２は、少なくともその一部が、冷却流体の第１の流れ２３２を内側プラットフォーム２０６の前縁部２０８に向けて第１の方向に誘導するように構成され得る。第２の冷却通路２１４は、少なくともその一部が、冷却流体の第２の流れ２３４を第１の方向とはほぼ逆の第２の方向に誘導するように構成され得る。たとえば、第２の冷却通路２１４は、少なくともその一部が、冷却流体の第２の流れ２３４を第１のノズル・ベーン２０２に向けて第２の方向に誘導するように構成され得る。さらに、第２の冷却通路２１４は、少なくともその一部が、冷却流体の第２の流れ２３４を内側プラットフォーム２０６の後縁部２１０に向けて第２の方向に誘導するように構成され得る。

いくつかの実施形態では、冷却通路２１２、２１４は、内側プラットフォーム２０６の高温ガス経路の表面付近、たとえば内側プラットフォーム２０６の半径方向外表面２４０付近に配置され得る。さらに、いくつかの実施形態では、冷却通路２１２、２１４の少なくとも一部が、内側プラットフォーム２０６の前縁部２０８付近に配置され得る。いくつかの実施形態では、第２の冷却通路２１４は、第１の冷却通路２１２の上流で延在し得るが、この構成は他の実施形態では逆であってもよい。図５の実施形態によると、第１の冷却通路２１２と第２の冷却通路２１４は少なくとも部分的に互いにかみ合っていてもよい。たとえば、図示のように、第１の冷却通路２１２の諸部分が第２の冷却通路２１４の対応する部分と組み合わせられていてもよい。

第１の冷却通路２１２と第２の冷却通路２１４は、それぞれ１つまたは複数の排気アパーチャ２４２、２４４を通じて冷却流体の第１の流れ２３２と冷却流体の第２の流れ２３４を排気するように構成できる。図示のように、排気アパーチャ２４２、２４４は内側プラットフォーム２０６の半径方向外表面２４０に画定できるので、冷却流体の流れ２３２、２３４を半径方向外表面２４０のフィルム冷却に用いることができる。いくつかの実施形態では、排気アパーチャ２４２、２４４は、内側プラットフォーム２０６の前縁部２０８、後縁部２１０、または側縁部２１１に沿って画定できるので、その周りに冷却流体の流れ２３２、２３４を追い出すことができる。

図６は、本明細書に記載され得るタービン・ノズル３００の別の実施形態の概略図を示す。タービン・ノズル３００は、タービン・ノズル１００に関して記載した特徴に相当するさまざまな特徴を含む。そのような特徴は図６では相当する数字で特定し、以下に詳述しない。タービン・ノズル３００はタービン４０の段５２のうちの１つにおいて使用され得、第１のノズル・ベーン３０２と、第２のノズル・ベーン３０４と、前縁部３０８と後縁部３１０と側縁部３１１とを含む内側プラットフォーム３０６とを含み得る。内側プラットフォーム３０６は、第１の冷却キャビティ３２２と流体連通した第１の冷却通路３１２と、それとは別の第２の冷却キャビティ３２４と流体連通した第２の冷却通路３１４とを含み得る。いくつかの実施形態では、複数の第１の冷却キャビティ３２２を第１のノズル・ベーン３０２内に画定でき、複数の第２の冷却キャビティ３２４を第２のノズル・ベーン３０４内に画定できる。

図６に示すように、第１の冷却通路３１２は、少なくともその一部が、冷却流体の第１の流れ３３２を第１の方向に誘導するように構成され得る。たとえば、第１の冷却通路３１２は、少なくともその一部が、冷却流体の第１の流れ３３２を第２のノズル・ベーン３０４に向けて第１の方向に誘導するように構成され得る。さらに、第１の冷却通路３１２は、少なくともその一部が、冷却流体の第１の流れ３３２を内側プラットフォーム３０６の前縁部３０８に向けて第１の方向に誘導するように構成され得る。第２の冷却通路３１４は、少なくともその一部が、冷却流体の第２の流れ３３４を第１の方向とはほぼ逆の第２の方向に誘導するように構成され得る。たとえば、第２の冷却通路３１４は、少なくともその一部が、冷却流体の第２の流れ３３４を第１のノズル・ベーン３０２に向けて第２の方向に誘導するように構成され得る。さらに、第２の冷却通路３１４は、少なくともその一部が、冷却流体の第２の流れ３３４を内側プラットフォーム３０６の後縁部３１０に向けて第２の方向に誘導するように構成され得る。

いくつかの実施形態では、冷却通路３１２、３１４は、内側プラットフォーム３０６の高温ガス経路の表面付近、たとえば内側プラットフォーム３０６の半径方向外表面３４０付近に配置され得る。さらに、いくつかの実施形態では、冷却通路３１２、３１４の少なくとも一部が、内側プラットフォーム３０６の前縁部３０８付近に配置され得る。いくつかの実施形態では、第１の冷却通路３１２は、第２の冷却通路３１４の上流で延在し得るが、この構成は他の実施形態では逆であってもよい。図６の実施形態によると、第１の冷却通路３１２と第２の冷却通路３１４は、タービン４０の中心軸線に対し半径方向に少なくとも部分的に互いに重なることができる。たとえば、図示のように、少なくとも第１の冷却通路３１２の諸部分が第２の冷却通路３１４の諸部分に対し半径方向外側に配置されていてもよい。

第１の冷却通路３１２と第２の冷却通路３１４は、それぞれ１つまたは複数の排気アパーチャ３４２、３４４を通じて冷却流体の第１の流れ３３２と冷却流体の第２の流れ３３４を排気するように構成できる。図示のように、排気アパーチャ３４２は内側プラットフォーム３０６の半径方向外表面３４０に画定できるので、冷却流体の第１の流れ３３２を半径方向外表面３４０のフィルム冷却に用いることができる。いくつかの実施形態では、排気アパーチャ３４２は内側プラットフォーム３０６の前縁部３０８付近に配置され得る。いくつかの実施形態では、排気アパーチャ３４４は、内側プラットフォーム３０６の前縁部３０８、後縁部３１０、または側縁部３１１に沿って画定できるので、その周りに冷却流体の第２の流れ３３４を追い出すことができる。

図７は、本明細書に記載され得るタービン・ノズル４００の別の実施形態の概略図を示す。タービン・ノズル４００は、タービン・ノズル１００に関して記載した特徴に相当するさまざまな特徴を含む。そのような特徴は図７では相当する数字で特定し、以下に詳述しない。タービン・ノズル４００はタービン４０の段５２のうちの１つにおいて使用され得、第１のノズル・ベーン４０２と、第２のノズル・ベーン４０４と、前縁部４０８と後縁部４１０と側縁部４１１とを含む内側プラットフォーム４０６とを含み得る。内側プラットフォーム４０６は、第１の冷却キャビティ４２２と流体連通した第１の冷却通路４１２と、それとは別の第２の冷却キャビティ４２４と流体連通した第２の冷却通路４１４とを含み得る。いくつかの実施形態では、複数の第１の冷却キャビティ４２２を第１のノズル・ベーン４０２内に画定でき、複数の第２の冷却キャビティ４２４を第２のノズル・ベーン４０４内に画定できる。

図７に示すように、第１の冷却通路４１２は、少なくともその一部が、冷却流体の第１の流れ４３２を第１の方向に誘導するように構成され得る。たとえば、第１の冷却通路４１２は、少なくともその一部が、冷却流体の第１の流れ４３２を第２のノズル・ベーン４０４に向けて第１の方向に誘導するように構成され得る。さらに、第１の冷却通路４１２は、少なくともその一部が、冷却流体の第１の流れ４３２を第１のノズル・ベーン４０２に向けて第１の方向に誘導するように構成され得る。第２の冷却通路４１４は、少なくともその一部が、冷却流体の第２の流れ４３４を第１の方向とはほぼ逆の第２の方向に誘導するように構成され得る。たとえば、第２の冷却通路４１４は、少なくともその一部が、冷却流体の第２の流れ４３４を第１のノズル・ベーン４０２に向けて第２の方向に誘導するように構成され得る。さらに、第２の冷却通路４１４は、少なくともその一部が、冷却流体の第２の流れ４３４を第２のノズル・ベーン４０４に向けて第２の方向に誘導するように構成され得る。

いくつかの実施形態では、冷却通路４１２、４１４は、内側プラットフォーム４０６の高温ガス経路の表面付近、たとえば内側プラットフォーム４０６の半径方向外表面４４０付近に配置され得る。さらに、いくつかの実施形態では、冷却通路４１２、４１４の少なくとも一部が、内側プラットフォーム４０６の前縁部４０８付近に配置され得る。いくつかの実施形態では、第１の冷却通路４１２は、第２の冷却通路４１４の上流で延在し得るが、この構成は他の実施形態では逆であってもよい。図７の実施形態によると、第１の冷却通路４１２と第２の冷却通路４１４は、タービン４０の中心軸線に対し半径方向に少なくとも部分的に互いに重なることができる。たとえば、図示のように、少なくとも第２の冷却通路４１４の諸部分が第２の冷却通路４１４の諸部分に対し半径方向外側に配置されていてもよい。さらに、図７の実施形態によると、第１の冷却通路４１２と第２の冷却通路４１４は少なくとも部分的に互いに絡み合っていてもよい。たとえば、第１の冷却通路４１２と第２の冷却通路４１４はそれぞれ蛇行形状を有していてもよく、図示のように、第１の冷却通路４１２の諸部分が第２の冷却通路４１４の対応する部分の間に配置されるように、冷却通路４１２、４１４の正弦曲線はオフセットしていてもよい。

第１の冷却通路４１２と第２の冷却通路４１４は、それぞれ１つまたは複数の排気アパーチャ４４２、４４４を通じて冷却流体の第１の流れ４３２と冷却流体の第２の流れ４３４を排気するように構成できる。いくつかの実施形態では、排気アパーチャ４４２、４４４は、内側プラットフォーム４０６の前縁部４０８、後縁部４１０、または側縁部４１１に沿って画定できるので、その周りに冷却流体の流れ４３２、４３４を追い出すことができる。他の実施形態では、排気アパーチャ４４２、４４４は内側プラットフォーム４０６の半径方向外表面４４０に画定できるので、冷却流体の流れ４３２、４３４を半径方向外表面４４０のフィルム冷却に用いることができる。

このように、本明細書に記載の実施形態は、高動作温度時にタービン・ノズルを冷却する冷却通路構成を含む改良されたタービン・ノズルを提供している。上述したように、タービン・ノズルは、プラットフォーム内に画定された第１の冷却通路と、それとは別の第２の冷却通路とを含み得、第１のノズル・ベーンと第２のノズル・ベーンを連結している。第１の冷却通路は冷却流体の第１の流れを第１の方向に誘導するように構成され得、第２の冷却通路は冷却流体の第２の流れを第１の方向とは逆の第２の方向に誘導するように構成され得る。したがって、冷却通路は、冷却流体の流れが反対方向に流れる構成を提供することができ、これによって冷却可能範囲は最大限となり、一方で各冷却通路の長さと複雑さは最小限に抑えることができる。このように、この冷却通路構成により、タービン・ノズルの製造コストおよび製造に関する複雑さならびに冷却通路に沿っての圧力降下を最小限に抑えることができる。さらに、この冷却通路構成により、冷却通路の熱伝導率のばらつきも最小限に抑えることができるので、それを用いるタービン段の冷却通路の最適化が容易になるはずである。最終的には、この冷却通路構成により、タービン・ノズルは劣化、故障、または耐用年数の短縮なく高動作温度に耐えられるようになり、タービンおよびガスタービン・エンジン全体の効率が改善され得る。

上記が本願および本願に付与される特許の特定の実施形態のみに関することは明らかであろう。以下の特許請求の範囲により定義される本発明およびその均等物の一般的な精神と範囲を逸脱することなく、当業者により数々の変更および変形がなされ得る。

１０ガスタービン・エンジン
１５圧縮機
２０空気流
２５燃焼器
３０燃料の流れ
３５燃焼ガスの流れ
４０タービン
４５シャフト
５０外部負荷
５２タービン４０の段
５４高温ガス経路
５６第１の段
５８第１の段のノズル
６０第１の段のバケット
６２第１の段のシュラウド
６４第２の段
６６第２の段のノズル
６８第２の段のバケット
７０第２の段のシュラウド
７２第３の段
７４第３の段のノズル
７６第３の段のバケット
７８第３の段のシュラウド
８０タービン・ノズル、ノズル
８２ノズル・ベーン
８４内側プラットフォーム
８６外側プラットフォーム
８８冷却キャビティ
９２冷却プレナム
１００タービン・ノズル
１０２第１のノズル・ベーン
１０４第２のノズル・ベーン
１０６内側プラットフォーム
１０８前縁部
１１０後縁部
１１１側縁部
１１２第１の冷却通路
１１４第２の冷却通路
１２２第１の冷却キャビティ
１２４第２の冷却キャビティ
１３２冷却流体の第１の流れ
１３４冷却流体の第２の流れ
１４０半径方向外表面
１４２排気アパーチャ
１４４排気アパーチャ
２００タービン・ノズル
２０２第１のノズル・ベーン
２０４第２のノズル・ベーン
２０６内側プラットフォーム
２０８前縁部
２１０後縁部
２１１側縁部
２１２第１の冷却通路
２１４第２の冷却通路
２２２第１の冷却キャビティ
２２４第２の冷却キャビティ
２３２冷却流体の第１の流れ
２３４冷却流体の第２の流れ
２４０半径方向外表面
２４２排気アパーチャ
２４４排気アパーチャ
３００タービン・ノズル
３０２第１のノズル・ベーン
３０４第２のノズル・ベーン
３０６内側プラットフォーム
３０８前縁部
３１０後縁部
３１１側縁部
３１２第１の冷却通路
３１４第２の冷却通路
３２２第１の冷却キャビティ
３２４第２の冷却キャビティ
３３２冷却流体の第１の流れ
３３４冷却流体の第２の流れ
３４０半径方向外表面
３４２排気アパーチャ
３４４排気アパーチャ
４００タービン・ノズル
４０２第１のノズル・ベーン
４０４第２のノズル・ベーン
４０６内側プラットフォーム
４０８前縁部
４１０後縁部
４１１側縁部
４１２第１の冷却通路
４１４第２の冷却通路
４２２第１の冷却キャビティ
４２４第２の冷却キャビティ
４３２冷却流体の第１の流れ
４３４冷却流体の第２の流れ
４４０半径方向外表面
４４２排気アパーチャ
４４４排気アパーチャ

Claims

ガスタービン・エンジン（１０）のタービン・ノズル（８０）であって、
第１のノズル・ベーン（１０２）と、
第２のノズル・ベーン（１０４）と、
前記第１のノズル・ベーン（１０２）と前記第２のノズル・ベーン（１０４）を連結するプラットフォームであって、第１の冷却通路（１１２）と、それとは別の第２の冷却通路（１１４）が内部に画定されている、プラットフォームとを含み、
前記第１の冷却通路（１１２）は冷却流体の第１の流れ（１３２）を第１の方向に誘導するように構成され、
前記第２の冷却通路（１１４）は冷却流体の第２の流れ（１３４）を前記第１の方向とはほぼ逆の第２の方向に誘導するように構成されている、
タービン・ノズル（８０）。
前記第１の冷却通路（１１２）が前記第１のノズル・ベーン（１０２）内に画定された第１の冷却キャビティ（１２２）と連通し、前記第２の冷却通路（１１４）が前記第２のノズル・ベーン（１０４）内に画定された第２の冷却キャビティ（１２４）と連通している、請求項１に記載のタービン・ノズル（８０）。
前記第１の冷却通路（１１２）と前記第２の冷却通路（１１４）が少なくとも部分的に互いにかみ合っている、請求項１に記載のタービン・ノズル（８０）。
前記第１の冷却通路（１１２）と前記第２の冷却通路（１１４）が少なくとも部分的に互いに重なっている、請求項１に記載のタービン・ノズル（８０）。
前記第１の冷却通路（１１２）と前記第２の冷却通路（１１４）が少なくとも部分的に互いに絡み合っている、請求項１に記載のタービン・ノズル（８０）。
前記第１の冷却通路（１１２）と前記第２の冷却通路（１１４）が前記プラットフォームの高温ガス経路の表面付近に配置されている、請求項１に記載のタービン・ノズル（８０）。
前記第１の冷却通路（１１２）と前記第２の冷却通路（１１４）が前記プラットフォームの前縁部付近に配置されている、請求項１に記載のタービン・ノズル（８０）。
前記第１の冷却通路（１１２）と前記第２の冷却通路（１１４）が、前記第１のノズル・ベーン（１０２）の負圧面側と前記第２のノズル・ベーン（１０４）の正圧面側、つまり前記第１のノズル・ベーン（１０２）と前記第２のノズル・ベーン（１０４）の間に配置されている、請求項１に記載のタービン・ノズル（８０）。
前記第１の冷却通路（１１２）が前記冷却流体の第１の流れ（１３２）を前記第２のノズル・ベーン（１０４）に向けて前記第１の方向に誘導するように構成され、前記第２の冷却通路（１１４）が前記冷却流体の第２の流れ（１３４）を前記第１のノズル・ベーン（１０２）に向けて前記第２の方向に誘導するように構成されている、請求項１に記載のタービン・ノズル（８０）。
前記第１の冷却通路（１１２）が前記冷却流体の第１の流れ（１３２）を前記プラットフォームの前縁部に向けて前記第１の方向に誘導するように構成され、前記第２の冷却通路（１１４）が前記冷却流体の第２の流れ（１３４）を前記プラットフォームの後縁部に向けて前記第２の方向に誘導するように構成されている、請求項１に記載のタービン・ノズル（８０）。
前記第１の冷却通路（１１２）が前記冷却流体の第１の流れ（１３２）を前記プラットフォームの高温ガス経路の表面に沿って排気するように構成され、前記第２の冷却通路（１１４）が前記冷却流体の第２の流れ（１３４）を前記プラットフォームの前記高温ガス経路の表面に沿って排気するように構成されている、請求項１に記載のタービン・ノズル（８０）。
前記第１の冷却通路（１１２）が前記冷却流体の第１の流れ（１３２）を前記プラットフォームの縁部に沿って排気するように構成され、前記第２の冷却通路（１１４）が前記冷却流体の第２の流れ（１３４）を前記プラットフォームの高温ガス経路の表面に沿って排気するように構成されている、請求項１に記載のタービン・ノズル（８０）。
前記プラットフォームが内側プラットフォームであり、前記第１の冷却通路（１１２）と前記第２の冷却通路（１１４）は前記内側プラットフォームの半径方向外表面付近に配置されている、請求項１に記載のタービン・ノズル（８０）。
前記プラットフォームが外側プラットフォームであり、前記第１の冷却通路（１１２）と前記第２の冷却通路（１１４）は前記外側プラットフォームの半径方向内表面付近に配置されている、請求項１に記載のタービン・ノズル（８０）。
ガスタービン・エンジン（１０）のタービン・ノズル（８０）を冷却する方法であって、
第１のノズル・ベーン（１０２）と、第２のノズル・ベーン（１０４）と、前記第１のノズル・ベーン（１０２）と前記第２のノズル・ベーン（１０４）を連結するプラットフォームとを含むタービン・ノズル（８０）を設けることであって、前記プラットフォーム内には第１の冷却通路（１１２）と、それとは別の第２の冷却通路（１１４）とが画定されている、設けることと、
冷却流体の第１の流れ（１３２）を第１の冷却通路（１１２）内で第１の方向に送ることと、
冷却流体の第２の流れ（１３４）を第２の冷却通路（１１４）内で前記第１の方向とはほぼ逆の第２の方向に送ることとを含む、方法。
ガスタービン・エンジン（１０）であって、
圧縮機（１５）と、
前記圧縮機（１５）と連通した燃焼器（２５）と、
前記燃焼器（２５）と連通したタービン（４０）であって、周方向アレイとして配置された複数のタービン・ノズル（８０）を含む、タービン（４０）とを含み、前記タービン・ノズル（８０）は、それぞれが、
第１のノズル・ベーン（１０２）と、
第２のノズル・ベーン（１０４）と、
前記第１のノズル・ベーン（１０２）と前記第２のノズル・ベーン（１０４）を連結するプラットフォームであって、第１の冷却通路（１１２）と、それとは別の第２の冷却通路（１１４）が内部に画定されている、プラットフォームとを含み、
前記第１の冷却通路（１１２）は冷却流体の第１の流れ（１３２）を第１の方向に誘導するように構成され、
前記第２の冷却通路（１１４）は冷却流体の第２の流れ（１３４）を前記第１の方向とはほぼ逆の第２の方向に誘導するように構成されている、
ガスタービン・エンジン（１０）。
前記第１の冷却通路（１１２）が前記第１のノズル・ベーン（１０２）内に画定された第１の冷却キャビティ（１２２）と連通し、前記第２の冷却通路（１１４）が前記第２のノズル・ベーン（１０４）内に画定された第２の冷却キャビティ（１２４）と連通している、請求項１６に記載のガスタービン・エンジン（１０）。
前記第１の冷却通路（１１２）と前記第２の冷却通路（１１４）が少なくとも部分的に互いにかみ合っている、請求項１６に記載のガスタービン・エンジン（１０）。
前記第１の冷却通路（１１２）と前記第２の冷却通路（１１４）が少なくとも部分的に互いに重なっている、請求項１６に記載のガスタービン・エンジン（１０）。
前記第１の冷却通路（１１２）と前記第２の冷却通路（１１４）が少なくとも部分的に互いに絡み合っている、請求項１６に記載のガスタービン・エンジン（１０）。