JP2017025910A - 固定ブレード用の冷却構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却空気の全体量を低減する。
【解決手段】固定ブレード用の冷却構造体は、冷却回路（２１６）を有する翼形部（１５０）と、翼形部（１５０）の半径方向端部に結合された端壁（２０４，２０５）と、冷却回路（２１６）から冷却流体を受け取る、端壁（２０４，２０５）内のチャンバ（２１８）とを備え、冷却流体は、端壁（２０４，２０５）から熱を吸収し、上流側領域（２２２）の冷却流体の温度は、下流側領域（２２４）の冷却流体の温度よりも低く、冷却構造体が更に、端壁（２０４，２０５）内で、チャンバ（２１８）の上流側領域（２２２）を端壁（２０４，２０５）とタービンホイール（１２２）との間に位置付けられたホイールスペース（２０８）に流体接続する第１の通路（２２６）と、端壁（２０４，２０５）内で、チャンバ（２１８）の下流側領域（２２４）をホイールスペース（２０８）に流体接続する第２の通路（２２８）とを備える。
【選択図】 図１

Description

本開示は、全体的に、固定ブレードに関し、より詳細には固定ブレード用の冷却構造体に関する。

固定ブレードは、タービン用途において、高温ガス流を可動ブレード（動翼）に配向して動力を発生させるのに使用される。蒸気及びガスタービン用途において、固定ブレード（静翼）は、ノズルと呼ばれ、端壁によりケーシングなどの外部構造体及び／又は内部シール構造体に装着される。各端壁は、固定ブレードの翼形部の対応する端部に接合される。固定ブレードはまた、ターボ機械の作動構成要素から熱を吸収する冷却流体を循環させるための通路又は他の特徴要素を含むことができる。

過酷な温度設定にて作動するために、翼形部及び端壁を冷却する必要がある。例えば、一部の設定において、冷却流体は、冷却のためホイールスペースから引き込まれて固定ブレードの内部端壁に配向される。対照的に、多くのガスタービン用途において、後段のノズルには、ガスタービンの圧縮機から抽出された冷却流体（例えば、空気）を送給することができる。直径方向外側の端壁は、冷却流体を直接受け取ることができるが、直径方向内側の端壁は、直径方向外側から翼形部を通じて配向された後に冷却流体を受け取ることができる。冷却効果に加えて、固定ブレード及びその構成要素の構造体は、製造容易性、検査の容易さ、及びターボ機械の耐久性などの他の要因に影響を及ぼす可能性がある。

本開示の第１の態様は、固定ブレード用の冷却構造体を提供し、該冷却構造体が、冷却回路を有する翼形部と、ターボ機械の回転軸に対して翼形部の半径方向端部に結合された端壁と、冷却回路から冷却流体を受け取るため端壁内に位置付けられ、上流側領域及び下流側領域を含むチャンバと、を備え、冷却流体は、端壁から熱を吸収し、上流側領域における冷却流体の温度は、下流側領域における冷却流体の温度よりも低く、冷却構造体が更に、端壁内において、チャンバの上流側領域を端壁とタービンホイールとの間に位置付けられたホイールスペースに流体接続し、上流側領域における冷却流体の第１の部分が通過する第１の通路と、端壁内において、チャンバの下流側領域をホイールスペースに流体接続する第２の通路と、を備え、下流側領域における冷却流体の第２の部分が第２の通路を通過し、冷却流体の残りの部分は、ホイールスペースに流入することなく第１の通路及び第２の通路をバイパスする。

本開示の第２の態様は、固定ブレード用の冷却構造体を提供し、該冷却構造体が、冷却回路を有する翼形部と、ターボ機械の回転軸に対して翼形部の半径方向端部に結合された端壁と、冷却流体を受け取るため端壁内に位置付けられ、上流側領域及び下流側領域を含むチャンバと、を備え、冷却流体は、端壁から熱を吸収し、上流側領域における冷却流体の温度は、下流側領域における冷却流体の温度よりも低く、冷却構造体が更に、端壁内において、チャンバの上流側領域を端壁とタービンシュラウドとの間に位置付けられたシュラウドスペースに流体接続し、上流側領域における冷却流体の第１の部分が通過する第１の通路と、端壁内において、チャンバの下流側領域をシュラウドスペースに流体接続する第２の通路と、を備え、下流側領域における冷却流体の第２の部分が第２の通路を通過し、冷却流体の残りの部分は、翼形部の冷却回路に流入することなく第１の通路及び第２の通路をバイパスする。

本開示の第３の態様は、固定ブレードを提供し、該固定ブレードは、冷却回路を有する翼形部と、ターボ機械の回転軸に対して翼形部の半径方向端部に結合された第１の端壁と、冷却流体を受け取るため端壁内に位置付けられ、冷却回路と流体連通している第１のチャンバと、を備え、該冷却流体が端壁から熱を吸収し、冷却流体の温度が第１のチャンバ内で上昇し、固定ブレードが更に、第１の端壁内で、第１の端壁とタービンシュラウドとの間に位置付けられたシュラウドスペースに第１のチャンバを流体接続する複数のシュラウド通路を備え、複数のシュラウド通路のうちの少なくとも１つにおける冷却流体の温度が、複数のシュラウド通路のうちの別の通路における冷却流体の温度よりも低く、冷却流体の残りの部分は、複数のシュラウド通路の各々をバイパスして翼形部の冷却回路に流入し、固定ブレードが更に、翼形部の対向する半径方向端部に結合された第２の端壁と、翼形部の冷却回路から冷却流体を受け取るため第２の端壁内に位置付けられる第２のチャンバと、を備え、冷却流体は、第２の端部から熱を吸収して、第２のチャンバ内を通過したときに冷却流体の温度が上昇するようになり、固定ブレードが更に、第２の端壁において、該第２の端壁とタービンホイールとの間に位置付けられたホイールスペースに第２のチャンバを流体接続する複数のホイール通路を備え、複数のホイール通路のうちの少なくとも１つにおける冷却流体の温度が、複数のホイール通路のうちの別の通路における冷却流体の温度よりも低い。

本発明のこれら及び他の特徴は、本発明の種々の実施形態を描いた添付図面を参照しながら、本発明の種々の態様に関する以下の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。

本発明の図面は必ずしも縮尺通りではない点に留意されたい。当該図面は、本発明の典型的な態様のみを描くことを意図しており、従って、本発明の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面では、同じ参照符号は、複数の図面にわたり同じ要素を示している。

従来のターボ機械の概略図。 本開示の実施形態による２つのタービンロータブレード間に位置付けられた翼形部の断面図。 ターボ機械のタービンセクションにおける翼形部、端壁のペア、ホイール、及びシュラウドの断面図。 本開示の実施形態による固定ブレードのための冷却構造体の部分斜視図。 本開示の実施形態による冷却構造体のチャンバに接続された通路を有するホイール又はシュラウドスペースの別の断面図。 本開示の実施形態による冷却構造体内の熱伝導性固定具の拡大断面図。 本開示の実施形態による固定ブレードのための冷却構造体における例示的なチャンバの断面図。

本開示の実施形態は、全体的に、固定ブレード用の冷却構造体に関する。詳細には、本開示の実施形態は、タービンシステムの固定ブレードとシュラウド及び／又は固定ブレードとホイールとの間で半径方向に位置付けられるスペースの冷却及び加圧制御（「調整」としても知られる）を可能にする。例えば、本開示の実施形態は、翼形部の半径方向端部に位置する端壁内に位置付けられるチャンバを提供する。チャンバは、端壁を通って延びて、チャンバをホイールスペース又はシュラウドスペースに接続する２又はそれ以上の通路を含むことができる。チャンバにおける冷却流体の一部は、通路を通って流れ、ホイール又はシュラウドスペースを更に冷却することができる。

本明細書で議論するように、本発明の態様は、全体的に、固定ブレード用の冷却構造体に関する。詳細には、本開示の実施形態は、２つの端壁の間でターボ機械のロータ軸に対して実質的に半径方向に位置付けられた翼形部を含むことができる。各端壁は、ターボ機械のシュラウド又はホイールから翼形部を離隔することができる。翼形部は、端壁内に位置付けられたチャンバと流体連通した冷却回路を含むことができる。冷却流体は、チャンバを通って、翼形部の冷却回路に流入する（例えば、半径方向外側端壁内に位置付けられるチャンバに向けて）か、又は翼形部の冷却回路から流出（例えば、半径方向内側端壁内に位置付けられるチャンバに向けて）することができる。チャンバは、ターボ機械のホイールスペース又はシュラウドスペースにチャンバの上流側領域を接続する第１の通路を含むことができる。第１の通路をバイパスする冷却流体の一部は、チャンバの下流側領域をホイールスペース又はシュラウドスペースに接続する第２の通路に到達する前に、例えば、チャンバ内の周囲壁及び／又は熱伝導性特徴要素を通じて端壁から熱エネルギーを吸収することができる。冷却流体の異なる部分は、第２の通路に流入し、ホイール又はシュラウドスペースに冷却を提供し、該第２の通路が、第１の通路を通過する冷却流体とは異なる温度及び圧力を有する冷却流体を提供するようになる。冷却流体の残りの部分は、第１の通路及び第２の通路をバイパスし、冷却を必要とする他の下流側チャンバ及び／又は構成要素に到達することができる。

「内側」、「外側」、「真下」、「下方」、「下側」、「上方」、「上側」、「入口」、「出口」及び同様のものなどの空間的関係を示す用語は、説明を容易にするために、図に例示されたある要素又は特徴要素と別の１又は複数の要素又は特徴要素との関係を記述するのに用いることができる。空間的な相対用語は、図面で描かれた向きに加えて、装置の使用時又は作動時の様々な向きを包含することを意図することができる。例えば、図の装置が上下逆にされた場合には、他の要素又は特徴要素の「下方」又は「真下」として記述された要素は、他の要素又は特徴要素の「上方」に向けられることになる。従って、例示の「下方」という用語は、上方と下方の向きの両方を包含することができる。装置は、他の向き（９０度又は他の向きに回転）にすることができ、本明細書で記述される空間的な相対記述は、これに応じて解釈することができる。

上記で示されるように、本開示は、ターボ機械の固定ブレードのための冷却構造体を提供する。１つの実施形態において、冷却構造体は、端壁内に位置付けられたチャンバから固定ブレードとターボ機械のシュラウド又はホイールの何れかとの間のスペースに冷却空気を送ることができる。図１は、共用圧縮機／タービンシャフト１０６を通ってタービン部分１０４に動作可能に結合された圧縮機部分１０２を含むターボ機械１００を示している。圧縮機部分１０２はまた、燃焼器組立体１０８を通じてタービン部分１０４に流体接続される。圧縮機組立体１０８は、１又はそれ以上の燃焼器１１０を含む。燃焼器１１０は、限定ではないが、缶アニュラ型アレイで配列されることを含む、広範囲の構成でターボ機械１００に装着することができる。圧縮機部分１０２は、複数の圧縮機ロータホイール１１２を含む。ロータホイール１１２は、複数の第１段圧縮機ロータブレード１１６を有する第１段圧縮機ロータホイール１１４を含み、該第１段圧縮機ロータブレード１１６は各々、関連の翼形部部分１１８を有する。同様に、タービン部分１０４は、複数の第１段タービンロータブレード１２４を有する第１段タービンホイール１２２を備えた複数のタービンホイール１２０を含む。例示的な実施形態によれば、本開示の実施形態による冷却構造体を有する固定ブレード２００（図３）は、例えばタービンセクション１０４に配置される端壁及び翼形部に冷却を提供することができる。しかしながら、本明細書で記載される固定ブレード２００及び種々の冷却構造体の実施形態は、ターボ機械１００の他の構成要素に位置付けることができることは理解されるであろう。

図２を参照すると、流体を作動させるための流路１３０を有する翼形部１５０の断面図が示される。翼形部１５０は、固定ブレード２００（図３）の一部とすることができ、更に、本明細書で記載される構成要素及び／又は基準点を含むことができる。図２に規定され且つ本明細書で議論される翼形部１５０上の位置は、実施例として提供され、本開示の実施形態による翼形部１５０の実施可能な位置及び／又は幾何形状を限定することを意図するものではない。様々な部分構成要素の配置、配列、及び配向は、本開示による冷却構造体が使用される発電システムの目的とする用途及びタイプに基づいて変えることができる。翼形部１５０の形状、曲率、長さ、及び／又は他の幾何学的特徴はまた、特定のターボ機械１００（図１）の用途に基づいて変えることができる。翼形部１５０は、ターボ機械１００などの発電システムの連続するタービンロータブレード１２４（図１）の間に位置付けることができる。

翼形部１５０は、作動流体のための流路において、１つのタービンロータブレード１２４（図１）の下流側で且つ別の後続のタービンロータブレード１２４（図１）の上流側に位置付けることができる。流体は、１つのタービンロータブレード１２４（図１）から別のタービンロータブレード１２４に移動している間に、例えば、経路Ｆに沿って翼形部１５０にわたって流れることができる。翼形部１５０の前縁１５２は、流路１３０中の作動流体と翼形部１５０との初期接触点に位置付けることができる。対照的に、後縁１５４は、翼形部１５０の対向する側部に位置付けることができる。加えて、翼形部１５０は、前縁１５２を実質的に二分し且つ後縁１５４の頂点まで延びる横断線により区別される正圧側面１５及び／又は負圧側面１５８を含むことができる。正圧側面１５６及び負圧側面１５８はまた、流路１３０内の流体の翼形部１５０に対して結果として加えられる圧力が正であるか又は負であるかに基づいて、互いに区別することができる。負圧側面１５８及び後縁１５４に隣接して位置付けられる流路１３０の一部は、翼形部１５０の他の面に対してこの区域で高速で流動する流体に基づいて、翼形部１５０の「高マッハ領域」として知られ且つ呼ばれる場合がある。

図３に移ると、タービン部分１０４内に位置付けられた固定ブレード２００を通過する流路１３０の断面図が示される。作動流体（例えば、高温燃焼ガス、蒸気、その他）は、流路１３０を通って（例えば、流れラインＦに沿って）流れて、固定ブレード２００の位置及び輪郭により配向される別のタービンロータブレード１２４に到達することができる。タービン部分１０４は、タービンホイール１２２のロータ軸Ｚに沿って（例えば、シャフト１０６（図１）と同軸に）延びるように図示され、半径方向軸Ｒは、そこから外向きに延びている。固定ブレード２００は、実質的に半径方向軸Ｒに沿って配向された（すなわち、半径方向軸Ｒと平行の方向又は最大でも約１０度の方向で延びる）翼形部１５０を含むことができる。図３の断面図には１つの固定ブレード２００が図示されているが、複数のタービンロータブレード１２４及び固定ブレード２００がタービンホイール１２２から半径方向に延び、例えば、紙面の平面の内外に横方向に延びることができることは理解される。固定ブレード２００の翼形部１５０は、２つの端壁２０４，２０５を含むことができる。１つの端壁２０４は、タービンダイアフラム２０６上に位置付けられた翼形部１５０の内側半径方向端部に結合することができ、別の端壁２０５は、翼形部１５０の対向する外側半径方向端部に結合することができる。

半径方向内側端部２０４は、間にスペースを設けることによってタービンホイール１２２又はダイアフラム２０６から離隔することができる。具体的には、端壁２０４とタービンホイール１２２との間のスペースは、「タービンホイールスペース」として知られ、端壁２０４とダイアフラム２０６との間のスペースは、「ダイアフラムスペース」として知られている。これらのスペース領域は、本明細書では総称してホイールスペース２０８と呼ばれており、両方のスペース領域の一方又は両方（すなわち、端壁２０４とタービンホイール１２２との間のスペース、又は端壁２０４とダイアフラム２０６との間のスペース）を指すことができる。詳細には、ホイールスペース２０８は、例えば、ほぼ端壁２０４の位置からダイアフラム２０６に隣接する及び／又はダイアフラム２０６の下方のスペースまで半径方向に延びることができる。シュラウド２１２は、固定ブレード２００の半径方向端部に配置することができる。シュラウドスペース２１４は、シュラウド２１２から固定ブレード２００を離隔することができる。作動中、流れラインＦに沿って移動する高温燃焼ガスの流れは、タービンホイール１２２及び／又はシュラウド２１２に熱を伝達することができる。加えて、ホイールスペース２０８及び／又はシュラウドスペース２１４は、固定ブレード２００から、又はホイールスペース２０８及び／又はシュラウドスペース２１４に流入する分流作動流体からの直接の熱伝達に起因して、作動中に温度が上昇する可能性がある。

固定ブレード２００の翼形部１５０は、冷却回路２１６を含むことができる。インピンジメントキャビティの形態とすることができる冷却回路２１６は、固定ブレード２００の２つの端壁２０４，２０５間で翼形部１５０の部分的に中空の内部を通って冷却流体を循環することができる。インピンジメント冷却回路は一般に、冷却される構成要素の一部（例えば、翼形部１５０の半径方向横断部材）の周りに冷却流体のフィルム（薄膜）を生成し、これにより冷却構成要素の外部の物質から冷却構成要素の内部容積への熱エネルギーの伝達を軽減するよう構成された冷却回路と呼ばれる。冷却回路２１６における冷却流体は、１つの端壁２０４又は２つの半径方向に離隔された端壁２０４，２０５内に位置付けられたチャンバ２１８（２つのチャンバ２１８Ａ，２１８Ｂのうちの一方として識別される）から発生し、及び／又は該チャンバ２１８に流れることができる。１又は複数のチャンバ２１８において冷却回路２１６を通って移動していない冷却流体は、「インピンジメント前」冷却流体として知られ、１又は複数のチャンバ２１８において冷却回路２１６を通って既に移動した冷却流体は、「インピンジメント後」冷却流体として知られる。とりわけ、本開示の実施形態は、様々な温度及び圧力値で１又は複数のチャンバ２１８内の冷却空気をホイールスペース２０８及び／又はシュラウドスペース２１４に送られる冷却流体として使用及び／又は再使用することを可能にする。

図４に移ると、４つのチャンバ（２つの前方チャンバ２１８Ａ、２つの後方チャンバ２１８Ｂ）を備えた、固定ブレード２００における１つの端壁２０４の切り欠き図が示される。図４では実施例として半径方向内側端壁２０４が示されているが、本明細書で記載される種々の特徴及び構成要素はまた、固定ブレード２００の半径方向外側端壁２０５にも存在することができることは理解される。すなわち、これら２つの代替形態の間の実質的な差違は、固定ブレード２００（図３）に対する半径方向位置のみとすることができる。図４においては、実施例として、４つのチャンバ２１８Ａ，２１８Ｂが、１つの端壁２０４に結合された２つの翼形部１５０の冷却回路２１６と流体連通して図示されているが、翼形部１５０及び／又はチャンバ２１８の想起可能なあらゆる数を用いることができることは理解される。１つの実施形態において、固定ブレード２００の端壁２０４は、任意選択的に翼形部１５０の前縁１５２に近接して位置付けられた１又はそれ以上の前方チャンバ２１８Ａを含むことができる。固定ブレード２００の端壁２０４はまた、各々が前方チャンバ２１８Ａの下流側で且つ任意選択的に翼形部１５０の後縁１５４に近接して位置付けられた１又はそれ以上の後方チャンバ２１８Ｂを含むことができる。１又は複数の前方チャンバ２１８Ａ及び後方チャンバ２１８Ｂの両方は、半径方向軸Ｒに沿って翼形部１５０から変位（すなわち、「半径方向に変位」することができ、チャンバ２１８Ａ，２１８Ｂ内の冷却流体が翼形部１５０の真下を通過するようになる。

加えて、図４に示すように、翼形部１５０は、端壁２０４から実質的に半径方向に延びる翼形部のペアとして設けることができ、その１つ又は両方は、１又は複数の冷却回路２１６を含むことができる。図４には、例証として、２つの翼形部１５０が端壁２０４に結合されて（すなわち、ダブレット（二重）タービンノズル構成で）描かれているが、様々なターボ機械設計及び用途に適合するように、あらゆる望ましい数の翼形部１５０を端壁２０４に結合することができることは理解される。１又は複数のチャンバ２１８Ａ，２１８Ｂの各々は、翼形部１５０のペアのうちの１つと流体連通することができる。チャンバ２１８Ａ，２１８Ｂは、冷却回路２１６と流体連通し、又は、１又は複数の冷却回路２１６と１又は複数のチャンバ２１８Ａ，２１８Ｂとの間に他の何れかの想起可能な流体接続が存在することができる。開口２２０は、１又は複数の冷却回路２１６と１又は複数のチャンバ２１８Ａ，２１８Ｂとの間に熱連通を提供し、入口又は出口として作動中に冷却流体が１又は複数のチャンバ２１８に流入又はチャンバ２１８から流出できるようにすることができる。１又は複数のチャンバ２１８Ａ，２１８Ｂは、熱伝導性材料（例えば、金属、熱伝導性の合成材料、複合材料、その他）から構成することができる端壁２０４内に位置付けることができ、１又は複数のチャンバ２１８Ａ，２１８Ｂを通って移動する冷却流体が端壁２０４から熱を吸収するようになる。端壁２０４から１又は複数のチャンバ２１８Ａ，２１８Ｂ内の冷却流体への熱伝達により、移動中に冷却流体の温度及び圧力が漸次的に増大することができるようになる。より具体的には、他の領域又はチャンバから下流側に位置付けられた１又は複数のチャンバ２１８Ａ，２１８Ｂの領域における冷却流体は、作動流体から端壁２０４を通る冷却流体への熱伝達に起因して、より高い温度及び圧力を有することができる。

１つの実施形態において、１又は複数のチャンバ２１８Ａ，２１８Ｂの各々は、上流側領域２２２と下流側領域２２４とを含む。一般に、用語「上流側」は、冷却流体が１又は複数のチャンバ２１８Ａ，２１８Ｂを通過する結果としての方向とは反対方向に延びる基準経路を指す。用語「下流側」は、冷却流体が１又は複数のチャンバ２１８Ａ，２１８Ｂを通過する結果としての方向と同じ方向に延びる基準経路を指す。下流側領域２２４は、一般に、有意に温かい冷却流体を有することにより上流側領域２２２から区別され、端壁２０４内の物理的位置によってはある程度しか区別することはできない。１又は複数の前方チャンバ２１８Ａが１又は複数の後方チャンバ２１８Ｂに流体接続された代替の実施形態において、１又は複数の前方チャンバ２１８Ａは、少なくとも１つの上流側領域２２２として機能し、１又は複数の後方チャンバ２１８Ｂは、少なくとも１つの下流側領域２２４として機能することができる。更に、１又は複数のチャンバ２１８Ａ，２１８Ｂの各々がそれぞれの上流側領域２２２及び下流側領域２２４を有して、１又は複数の前方チャンバ２１８Ａが１又は複数の後方チャンバ２１８Ｂに流体接続することができることは理解される。各上流側領域２２２は、冷却流体の温度及び圧力の差違に基づいて対応する下流側領域２２４と区別可能である。更に、図４に示すように、上流側領域２２２は、翼形部１５０の前縁１５２に近接して位置付けることができ（例えば、後縁１５４から離隔距離未満だけ前縁から離隔される）、下流側領域２２４は、翼形部１５０の後縁１５４に近接して位置付けることができる。

各チャンバ２１８すなわち１又は複数の上流側領域２２２における冷却流体の初期温度は、例えば、約３１５°Ｃ〜約４２７°Ｃの間とすることができる。後続の１又は複数のチャンバ２１８又は１つのチャンバ２１８の後続の領域、すなわち下流側領域２２４における冷却流体の温度は、例えば、約８１５°Ｃ〜約８７０°Ｃの間とすることができる。１又は複数の上流側領域２２２における冷却流体の圧力は、約１，０００キロパスカル（ｋＰａ）〜約１，３８０ｋＰａの間とすることができ、１又は複数の下流側領域２２４における冷却流体の圧力は、約８６０ｋＰａ〜約１，２００ｋＰａの間とすることができる。特定の用途における圧力値に関係なく、１又は複数の下流側領域２２４における冷却流体の圧力は、１又は複数の上流側領域２２２における冷却流体の圧力の約５パーセント〜約２０パーセントとすることができる。特定の数値（ベースとなる数値のパーセンテージを含む）に関連して本明細書で使用される用語「約」は、特定の数値又はパーセンテージの１０パーセント点以内（すなわち、それを上回る、又は下回る）の全ての値、及び／又は修正値と列挙値の間に実質的に動作上の差違を引き起こさない他の全ての値を含むことができる。用語「約」はまた、指定された場合には他の特定の値又は範囲を含むことができる。

図４及び図５を共に参照すると、端壁２０４，２０５は、位置付けられた１又はそれ以上の第１の通路２２６を含むことができ、その各々は、それぞれの上流側領域２２２をホイールスペース２０８又はシュラウドスペース２１４（図３）に接続することができる。図５は、タービンホイール１２２と端壁２０４，２０５との間に位置付けられたホイールスペース２０８を示しているが、第１の通路２２６は、これに加えて、又は代替として、１又は複数のチャンバ２１８Ａ，２１８Ｂのそれぞれの上流側領域２２２をシュラウドスペース２１４に接続することができることは理解される。作動時には、１又は複数のチャンバ２１８の上流側領域２２２における冷却流体の第１の部分は、１又は複数の第１の通路２２６に流れてホイールスペース２０８又はシュラウドスペース２１４に流入することができる。各第１の通路２２６は、１又は複数のチャンバ２１８における冷却流体の一部だけ（例えば、最大で約５０％）を分流するようなサイズにされ、１又は複数のチャンバ２１８における冷却流体の大部分は、１又は複数の第１の通路２２６をバイパスして１又は複数の下流側領域２２４に移動できるようにする。

１又は複数の第１の通路２２６に加えて、端壁２０４，２０５はまた、位置付けられた１又はそれ以上の第２の通路２２８を含むことができる。各第２の通路２２８は、それぞれの下流側領域２２４をホイールスペース２０８（図３）又はシュラウドスペース２１４に接続することができる。ターボ機械１００（図１）が作動すると、１又は複数のチャンバ２１８の下流側領域２２４において１又は複数の第１の通路２２６をバイパスしていた冷却流体の第２の部分は、１又は複数の第２の通路２２８に入り、これによりホイールスペース２０８又はシュラウドスペース２１４に移動することができる。１又は複数の第２の通路２２８に入る冷却流体の部分は、例えば、１又は複数のチャンバ２１８を通る全冷却流体の流れの５０％又はそれ以上とすることができる。また、代替の実施形態において、冷却空気の大部分（例えば、約５０％又はそれ以上）は、１又は複数の第１の通路２２６を流れることができ、冷却空気の小部分（例えば、最大で約５０％）は、第２の通路２２８を流れることができることは理解される。１又は複数の第２の通路２２８は、１又は複数の下流側領域２２４をホイールスペース２０８（図３）又はシュラウドスペース２１４の様々な位置に流体接続することができ、ここから１又は複数の第１の通路２２６は、ホイールスペース２０８又はシュラウドスペース２１４を１又は複数の上流側領域２２２に流体接続する。ホイールスペース２０８の場合、様々な位置は、例えば、端壁２０４とタービンホイール１２２（図１、３）の間、又は端壁２０４とダイアフラム２０６（図３）の間に位置付けられたホイールスペース２０８の領域を含むことができる。何れの場合においても、第１及び第２の通路２２６，２２８の各々の位置は、ホイールスペース２０８又はシュラウドスペース２１４を変更可能に冷却することができ、高温の流体に晒される位置は、第１の通路２２６から低温の冷却流体を受けるようになっている。

各第２の通路２２８はまた、１又は複数のチャンバ２１８における冷却流体の一部だけを分流するようなサイズにされ、１又は複数のチャンバ２１８における冷却流体の残りの部分が、第１及び第２の通路をバイパスできるようにする。１又は複数の第１及び第２の通路２２６，２２８をバイパスする冷却流体の残りの部分は、１又は複数のチャンバ２１８又は固定ブレード２００の端壁２０４，２０５と流体連通した他の下流側チャンバ２１８及び／又は他の構成要素に流れ続けることができる。何れの場合においても、冷却流体の残りの部分は、ホイールスペース２０８又はシュラウドスペース２１４に流入することなく、下流側構成要素、チャンバ、固定具、その他に流れることができる。

本開示を更に別の実施形態において提供できることは理解される。例えば、固定ブレード２００は、２つの端壁２０４，２０５を含むことができ、各々が、翼形部１５０の冷却回路２１６によって互いに流体接続されたチャンバ２１８を含む。外部の供給源からの冷却流体は、最初に半径方向外側端壁２０５のチャンバ２１８を通過した後、インピンジメント流体として冷却回路２１６を通過し、次いで、半径方向内側端壁２０４のチャンバ２１８に流入することができる。各チャンバ２１８においける冷却流体の一部は、第１及び第２の通路２２６，２２８を通過してホイールスペース２０８又はシュラウドスペース２１４に流入することができる。より具体的には、半径方向外側端壁２０５からの第１及び第２の通路２２６，２２８は、シュラウドスペース通路として機能することができ、他方、半径方向内側端壁２０４からの第１及び第２の通路２２６，２２８は、ホイールスペース通路として機能することができる。固定ブレード２００の各チャンバ２１８はまた、例えば、同じ２つの端壁２０４，２０５間に半径方向に延びる追加の翼形部１５０、翼形部１５０の前縁１５２及び後縁１５４それぞれに近接した前方チャンバ２１８Ａ及び後方チャンバ２１８Ｂの使用、その他など、必要に応じて本明細書で他の場所で記載された１又はそれ以上の追加の構造体及び／又は特徴を含むことができる。

図４及び図６を共に参照すると、本開示の実施形態は、１又は複数のチャンバ２１８内の冷却流体に固定ブレード２００から熱を伝達するための１又は複数のチャンバ２１８内のあらゆる数の熱伝導性固定具（「固定具」）２３０（受台のような）を含むことができる。より具体的には、各固定具２３０は、１又は複数のチャンバ２１８を通過する冷却流体と、端壁２０４，２０５の材料組成物質との間の接触面積を増大させることにより、端壁２０４から冷却流体への熱伝達を行うことができる。固定具２３０は、冷却流体と熱伝導性面との間の接触面積を増大させるあらゆる想定可能な固定具として設けることができ、例えば、受け台、ディンプル、突出部、ピン、壁、及び／又は他の形状及びサイズの固定具の形態とすることができる。更に、固定具２３０は、円筒形幾何形状、実質的にピラミッド幾何形状、４又はそれ以上の面を有する不規則な幾何形状、その他を含む、様々な形状をとることができる。何れの場合においても、１又はそれ以上の熱伝導性固定具２３０は、１又は複数の上流側領域２２２及び１又は複数の第１の通路２２６の下流側で且つ１又は複数の下流側領域２２４及び１又は複数の第２の通路２２８の上流側に配置された冷却流体流路の位置にて１又は複数のチャンバ２１８内に位置付けることができる。第１及び第２の通路間の熱伝導性固定具２３０の位置決めは、端壁２０４，２０５と冷却流体との間の熱連通を改善し、１又は複数の第１の通路２２６及び１又は複数の第２の通路２２８を通じて分流される冷却空気のより大きな温度差をもたらすようにすることができる。

図７に移ると、別の実施形態による固定ブレード２００におけるチャンバ２１８の簡易断面図が図示される。本明細書で他の場所で議論したように、後方チャンバ２１８Ｂの上流側領域２２２は、該上流側領域２２２をホイールスペース２０８（図３，５）又はシュラウドスペース２１４（図３）に流体接続する第１の通路２２６のグループを含むことができる。１又は複数のチャンバ２１８の下流側領域２２４は、同様に、下流側領域２２４をホイールスペース２０８又はシュラウドスペース２１４（図３）に流体接続する第２の通路２２８のグループを含むことができる。加えて、１又は複数のチャンバ２１８は、任意選択的に、末端領域２３２と、末端領域２３２をホイールスペース２０８、シュラウドスペース２１４、又は固定ブレード２００から冷却流体を受ける別の構成要素に流体接続する複数の第３の通路２３４と、を含むことができる。末端領域２３２及び第３の通路２３４における冷却流体の温度は、上流側領域２２２及び下流側領域２２４両方における冷却流体の温度よりも高くなり、対応する圧力は、上流側領域２２２及び下流側領域２２４における冷却流体の圧力よりも低くなることができる。末端領域２３２は、例えば、翼形部１５０の後縁１５４及び／又は正圧側面１５６に近接して配置することができる。第３の通路２３４の追加は、最少量の冷却が必要とされる場所に対して端壁２０４，２０５（図３〜５）内で最も高温の冷却流体を提供することによって、ホイールスペース２０８又はシュラウドスペース２１４に対する冷却温度のより優れた可変性をもたらすことができる。第３の通路２３４はまた、冷却空気の残りの部分が１又は複数のチャンバ２１８からターボ機械の他の領域（例えば、セグメント間のギャップ、シュラウド構成要素、その他）に渡される経路を提供することができる。

本開示の実施形態は、複数の技術的及び商業的利点を提供することができる。例えば、本開示の実施形態は、ある温度でのインピンジメント前流体及び別の温度でのインピンジメント後流体の配送に限定されず、ターボ機械のホイール又はシュラウドスペース内の様々な場所に複数の温度及び圧力の冷却流体の配送を提供する。より多くの温度により、ホイールスペース及びシュラウドスペースにおける冷却要求の微細な調整を可能にし、これによりこれら構成要素に必要とされる冷却空気の全体量を低減することができる。本明細書で記載される冷却構造体の結果として得られる利点は、とりわけ、廃熱の可能性の低減、高圧の冷却空気に通常伴う漏洩の削減、及びこれらの改善点に基づくターボ機械の効率の向上を含むことができる。

本開示の装置及び方法は、何れか１つの特定のガスタービン、燃焼エンジン、発電システム又は他のシステムに限定されず、他の発電システム及び／又はシステム（例えば、複合サイクル、単純サイクル、原子炉、その他）と共に用いることができる。加えて、本発明の装置は、本明細書で記載されていない他のシステムと共に用いてもよく、これにより本明細書で記載される装置の作動範囲、効率、耐久性及び信頼性の向上により恩恵を受けることができる。加えて、単一ノズルに対して、又は単一発電システムの異なる部分での異なるノズルで様々な噴射システムを共に用いることができる。必要に応じて、あらゆる数の異なる実施形態を加えて、又は共に用いることができ、例証として本明細書で記載された実施形態は、互いに排他的であることを意図していない。

本明細書で使用される用語は、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。本明細書で使用される場合、単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り複数形態も含む。更に、本明細書内で使用する場合に、用語「備える」及び／又は「備えている」という用語は、そこに述べた特徴部、完全体、ステップ、動作、要素及び／又は構成部品の存在を明示しているが、１つ又はそれ以上の他の特徴部、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことは理解されるであろう。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本明細書で記載されるシステムを開示しており、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること及びあらゆる包含の方法を実施することを含む本開示を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、又は請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１００ ターボ機械
１０２ 圧縮機部分
１０４ タービンセクション
１０６ シャフト
１０８ 燃焼器組立体
１１０ 燃焼器
１１２ ロータホイール
１１４ 第１段圧縮機ロータホイール
１１６ 第１段圧縮機ロータブレード
１１８ 翼形部分
１２０ タービンロータブレード
１２２ タービンホイール
１２４ タービンロータブレード
１３０ 流路
１５０ 翼形部
１５２ 前縁
１５４ 後縁
１５６ 正圧側面
１５８ 負圧側面
２００ 固定ブレード
２０４ 内側端壁
２０５ 外側端壁
２０６ タービンダイアフラム
２０８ ホイールスペース
２１２ シュラウド
２１４ シュラウドスペース
２１６ 冷却回路
２１８ チャンバ
２１８A 前方チャンバ
２１８B 後方チャンバ
２２０ 開口
２２２ 上流側領域
２２４ 下流側領域
２２６ 第１の通路
２２８ 第２の通路
２３０ 固定具
２３２ 末端領域
２３４ 第３の通路

Claims (8)

1. 固定ブレード（２００）用の冷却構造体であって、
   冷却回路（２１６）を有する翼形部（１５０）と、
   ターボ機械（１００）の回転軸に対して前記翼形部（１５０）の半径方向端部に結合された端壁（２０４，２０５）と、
   前記冷却回路（２１６）から冷却流体を受け取るため前記端壁（２０４，２０５）内に位置付けられ、上流側領域（２２２）及び下流側領域（２２４）を含むチャンバ（２１８）と、
   を備え、
   前記冷却流体は、前記端壁（２０４，２０５）から熱を吸収し、前記上流側領域（２２２）における前記冷却流体の温度は、前記下流側領域（２２４）における前記冷却流体の温度よりも低く、
   前記冷却構造体が更に、
   前記端壁（２０４，２０５）内において、前記チャンバ（２１８）の上流側領域（２２２）を前記端壁（２０４，２０５）とタービンホイール（１２２）との間に位置付けられたホイールスペース（２０８）に流体接続し、前記上流側領域（２２２）における前記冷却流体の第１の部分が通過する第１の通路（２２６）と、
   前記端壁（２０４，２０５）内において、前記チャンバ（２１８）の下流側領域（２２４）を前記ホイールスペース（２０８）に流体接続する第２の通路（２２８）と、
   を備え、
   前記下流側領域（２２４）における前記冷却流体の第２の部分が前記第２の通路（２２８）を通過し、前記冷却流体の残りの部分は、前記ホイールスペース（２０８）に流入することなく前記第１の通路（２２６）及び前記第２の通路（２２８）をバイパスする、冷却構造体。
2. 前記端壁（２０４，２０５）から前記冷却流体に熱を伝達するため前記チャンバ（２１８）内に熱伝導性固定具（２３０）を更に備える、請求項１に記載の冷却構造体。
3. 前記第１の通路（２２６）が、前記熱伝導性固定具（２３０）の上流側に位置付けられ、前記第２の通路（２２８）が、前記熱伝導性固定具（２３０）の下流側に位置付けられる、請求項２に記載の冷却構造体。
4. 前記第１の通路（２２６）が、前記チャンバ（２１８）の上流側領域（２２２）を前記ホイールスペース（２０８）の第１の位置に流体接続し、前記第２の通路（２２８）が、前記チャンバ（２１８）の下流側領域（２２４）を前記ホイールスペース（２０８）の第２の位置に流体接続する、請求項１に記載の冷却構造体。
5. 前記チャンバ（２１８）の上流側領域（２２２）が、前記翼形部（１５０）の前縁（１５２）に近接して位置付けられ、前記チャンバ（２１８）の下流側領域（２２４）が、前記翼形部（１５０）の後縁（１５４）に近接して位置付けられる、請求項１に記載の冷却構造体。
6. 前記チャンバ（２１８）が更に、前記端壁（２０４，２０５）内に位置付けられた前方チャンバ（２１８Ａ）及び後方チャンバ（２１８Ｂ）を含み、前記前方チャンバ（２１８Ａ）が、前記翼形部（１５０）の前縁（１５２）に近接して位置付けられ、前記後方チャンバ（２１８Ｂ）が、前記翼形部（１５０）の後縁（１５４）に近接して位置付けられ、前記上流側領域（２２２）が前記前方チャンバ（２１８Ａ）内に位置付けられ、前記下流側領域（２２４）が前記後方チャンバ（２１８Ｂ）内に位置付けられる、請求項１に記載の冷却構造体。
7. 前記チャンバ（２１８）を前記ホイールスペース（２０８）に流体接続する第３の通路を更に備え、前記第３の通路における冷却流体の温度は、前記チャンバ（２１８）の上流側領域（２２２）における冷却流体の温度及び前記チャンバ（２１８）の下流側領域（２２４）における冷却流体の温度とは異なる、請求項１に記載の冷却構造体。
8. 前記翼形部（１５０）が、前記端壁（２０４，２０５）から延びる複数の翼形部（１５０）を含み、前記翼形部（１５０）のうちの１つが、前記チャンバ（２１８）と流体連通した前記冷却回路（２１６）を含む、請求項１に記載の冷却構造体。