JP2017082793A - 高温ガス経路構成要素用の冷却パッチ - Google Patents

Abstract

【課題】高温ガス経路構成要素と共に用いるための冷却装置及び方法を改善すること。
【解決手段】本出願は、ガスタービンエンジン（１０）の高温ガス経路構成要素（１１０）と共に用いるための冷却パッチ（１００）を提供する。冷却パッチ（１００）は、複数の冷却チャンネル（１４０）が貫通して延びたベース層（１２０）と、ベース層（１２０）上に位置付けられるカバー層（１３０）と、を含むことができる。ベース層（１２０）及びカバー層（１３０）は、予備焼結プリフォーム材料を含むことができる。
【選択図】 図１

Description

本出願及び結果として得られる特許は、全体的に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、タービンの高温ガス経路構成要素及び同様のものの冷却を向上させる冷却パッチに関する。

ガスタービンエンジンにおいて、高温燃焼ガスは、一般に、燃焼器から移行部品を通り、高温ガス経路に沿ってタービンに流入して、有用な仕事を生成する。一般的には燃焼流の温度が高いほどガスタービンエンジンの性能、効率及び全体の出力の向上をもたらすので、高温燃焼流に晒される構成要素は、ガスタービンエンジンが損傷を受け又は耐用年数が短縮されることなく、かかる高温で作動できるようにするために、冷却される必要がある。同様に、局所的過熱又はホットスポットはまた、そこに高い熱応力を生成する可能性がある。

例えば、冷却をすべき高温ガス経路構成要素は、燃焼器ライナである。具体的には、燃焼器内の燃料／空気混合気の燃焼によって生じた高温流は、燃焼器ライナを通じて配向される。燃焼器ライナの下流側部分は、移行部品及び同様のものなどの燃焼器の他の構成要素に接続することができ、従って、残りの構成要素を冷却することができる種々の空気流には晒されない可能性がある。このような冷却の欠如により、上述の損傷、故障、又は耐用年数の短縮化が引き起こされる可能性がある。

従って、高温ガス経路構成要素及び同様のものと共に用いるための冷却装置及び方法を改善することが望ましい。このような改善された装置及び方法は、局所的なホットスポット及び／又は必要に応じて他の場所に適用することができる。このような改善された装置及び方法は、全体のシステム出力及び効率に影響を及ぼすことなく冷却を提供することができる。

米国特許第８，５４９，８６１号明細書

従って、本出願及び結果として得られる特許は、ガスタービンエンジンの高温ガス経路構成要素と共に用いる冷却パッチを提供する。冷却パッチは、複数の冷却チャンネルが貫通して延びたベース層と、ベース層上に位置付けられるカバー層と、を含むことができる。ベース層及びカバー層は、予備焼結プリフォーム材料を含むことができる。

本出願及び結果として得られる特許は更に、高温ガス経路構成要素に追加の冷却を供給する方法を提供する。本方法は、高温ガス経路構成要素上の複数の冷却孔と冷却パッチを整列させるステップと、冷却パッチを高温ガス経路構成要素に取り付けるステップと、冷却パッチを所定位置で熱処理するステップと、高温ガス経路構成要素を冷却するための冷却パッチを通る空気の流れを提供するステップと、空気を高温ガス経路構成要素上の複数の冷却孔に流すステップと、を含むことができる。

本出願及び結果として得られる特許は更に、ガスタービンエンジンと共に用いる高温ガス経路構成要素を提供する。高温ガス経路構成要素は、低温側表面から高温側表面まで貫通して延びる複数の冷却孔と、該冷却孔に隣接して低温側表面上に位置付けられる冷却パッチと、を含むことができる。冷却パッチは、複数の冷却チャンネルを含み、空気の流れが冷却チャンネル及び冷却孔を通過して冷却を提供するようにすることができる。

本出願及び結果として得られる特許のこれら及び他の特徴並びに改善は、当業者には、幾つかの図面及び添付の請求項を参照しながら以下の詳細な説明を精査することによって明らかになるであろう。

圧縮機、燃焼器、タービン、及び負荷を示すガスタービンエンジンの概略図。 図１のガスタービンエンジンと共に用いることができる燃焼器の概略図。 高温ガス経路構成要素に位置付けるように本明細書で記載される冷却パッチの概略図。 高温ガス経路構成要素に位置付けられた図３の冷却パッチのベース層の平面図。

次に、幾つかの図全体を通して同様の参照符号が同様の要素を表す図面を参照すると、図１は、本明細書で用いることができるガスタービンエンジン１０の概略図を示している。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５は、流入する空気２０の流れを圧縮する。圧縮機１５は、圧縮した空気２０の流れを燃焼器２５に送給する。燃焼器２５は、圧縮した空気２０の流れと燃料の加圧流とを混合し、この混合気を点火して燃焼ガス３５の流れを生成する。単一の燃焼器２５が図示されているが、ガスタービンエンジン１０は、あらゆる数の燃焼器２５を含むことができる。次いで、燃焼ガス３５の流れは、タービン４０に送給される。燃焼ガス３５の流れは、タービン４０を駆動して、機械的仕事を生成するようにする。タービン４０において生成された機械的仕事は、圧縮機１５及びシャフト４５を介して発電機及び同様のものなどの外部負荷５０を駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、種々のタイプのシンガス液体燃料、及び／又は他のタイプの燃料及びその配合物を用いることができる。ガスタービンエンジン１０は、限定ではないが、７及び９シリーズ高出力ガスタービンエンジン及び同様のものなどを含む、ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙによって提供される様々なガスタービンエンジンの何れかとすることができる。ガスタービンエンジン１０は、多くの異なる構成を有することができ、他のタイプの構成要素を用いることもできる。他のタイプのガスタービンエンジンもまた、本明細書で使用することができる。また、複数のガスタービンエンジン、他のタイプのタービン、及び他のタイプの発電設備を本明細書で共に用いることもできる。

図２は、ガスタービンエンジン１０及び同様のものと共に用いることができる燃焼器２５の１つの実施例を示す。一般的に言えば、燃焼器２５は、その上流側端部にてカバープレート５５を含むことができる。カバープレート５５は、幾つかの燃料ノズル６０を少なくとも部分的に支持することができる。あらゆる数の燃料ノズル６０を本明細書で用いることができる。カバープレート５５は、燃料ノズル６０への空気２０の流れ及び燃料３０の流れのための通路を提供する。燃料ノズル６０は、燃焼器キャップ６３に向かって延びることができる。

燃焼器２５は、流れスリーブ７０内に配置された燃焼器ライナ６５を含むことができる。ライナ６５及び流れスリーブ７０の配列は、実質的に同心とすることができ、これらの間に環状流路７５を定めることができる。流れスリーブ７０は、幾つかの流れスリーブ入口８０を含むことができる。流れスリーブ入口８０は、圧縮機１５からの空気２０の流れの少なくとも一部のための通路を提供することができる。流れスリーブ７０は、所定パターンの入口８０又は他の方法で有孔にすることができる。燃焼器キャップ６３及び燃焼器ライナ６５は、燃料ノズル６０の下流側で空気２０の流れと燃料３０の流れの燃焼のための燃焼室８５を定めることができる。燃焼器２５の後端は、移行部品９０を含むことができる。移行部品９０は、タービン４０に隣接して位置付けることができ、燃焼ガス３５の流れをそこに配向することができる。本明細書で記載される燃焼器２５は、単に例証を目的としている。他の多くの燃焼器及び燃焼器構成要素が知られている。

図３及び４は、本明細書で記載される冷却パッチ１００の１つの実施例を示す。冷却パッチ１００は、あらゆる好適なサイズ、形状、又は構成を有することができる。冷却パッチ１００は、高温ガス経路構成要素１１０及び同様のものと共に用いることができる。高温ガス経路構成要素１１０は、上述のような燃焼器キャップ６３、燃焼器ライナ６５及び／又は移行部品９０と同様又は他のタイプの構成要素とすることができる。具体的には、追加の冷却を必要とする又は追加の冷却から恩恵を受けることができるあらゆるタイプの構成要素１１０を本明細書で用いることができる。

冷却パッチ１００は、ベース層１２０及びカバー層１３０を含むことができる。ベース層１２０及びカバー層１３０は、あらゆる好適なサイズ、形状、又は構成を有することができる。これらの層１２０，１３０は、予備焼結プリフォーム（「ＰＳＰ」）材料から作ることができる。予備焼結プリフォーム材料は、高融点合金粉体、低融点合金粉体及び結合剤の混合物を含むことができる。高融点合金粉体の実施例は、限定ではないが、Ｉｎｃｏｎｅｌ７３８、Ｒｅｎｅ１４２、ＭＡＲ−Ｍ２４７、ＧＴ−３３及び同様のものなどの構造合金及び環境コーティングを含む。低融点合金粉体の実施例は、限定ではないが、Ｄ１５、ＤＦ４Ｂ、ＢＮＩ−９、ＢＮｉ−５、Ｂ９３、及び同様のものなどのろう付け用合金を含む。高融点合金粉体と低融点合金粉体との割合は変えることができる。他のタイプの融点及び割合を本明細書で用いることができる。材料の他のタイプ及び組み合わせも本明細書で用いることができる。

冷却パッチ１００のベース層１２０は、幾つかの冷却チャンネル１４０をそこに形成させることができる。本明細書では、あらゆる数の冷却チャンネル１４０をあらゆる好適なサイズ、形状、又は構成で用いることができる。冷却チャンネル１４０は、ベース層１２０の一方端にて入口１５０から、他方端にてベース層１２０を通過する幾つかの出口孔１６０まで延びることができる。冷却チャンネル１４０は、高温ガス経路構成要素１１０又はその他の高温側表面に沿った主流路に垂直に延在することができる。この実施例では、冷却チャンネル１４０は、約０．０６５インチ（約１．６５ミリメートル）の幅を有することができ、或いは、約０．０５〜０．０８インチ（約１．２７〜２．０３ミリメートル）の範囲の幅とすることができる。冷却チャンネル１４０は、約１〜３インチ（約２．５４〜７．６２センチメートル）の長さを有することができる。他の好適な寸法を本明細書で用いることができる。本明細書では、あらゆる数の出口孔１６０をあらゆる好適なサイズ、形状、又は構成で用いることができる。出口孔１６０は、幾つかのフィルム孔１７０又は高温ガス経路構成要素１１０の周りに位置付けられた他のタイプのアパーチャと整列することができる。他の構成要素及び他の構成も本明細書で用いることができる。

冷却パッチ１００のカバー層１３０は、実質的に中実のプレートとすることができる。カバー層１３０は、ベース層１２０の冷却チャンネル１４０の上面を定めることができる。カバー層１３０は、ベース層１２０の入口１５０付近からベース層１２０の長さに沿って全体的に又は部分的に延びることができる。カバー層１３０は、ベース層１２０の入口１５０かの周りに位置付けられたフィルタ１８０を含むことができる。フィルタ１８０は、あらゆる好適なサイズ、形状、又は構成を有することができ、何れかの好適なタイプの濾過材料で作ることができる。他の構成要素及び他の構成も本明細書で用いることができる。

使用時には、冷却パッチ１００は、追加の冷却を必要とする又は追加の冷却から恩恵を受ける過熱ゾーン又は他の区域と反対側にある、高温ガス経路構成要素１１０の低温側表面に取り付けることができる。冷却パッチ１００は、高温ガス経路構成要素１１０の低温側表面にタック溶接又は他の方法で取り付けることができる。ベース層１２０の出口孔１６０は、高温ガス構成要素１１０を通って延びるフィルム孔１７０と整列することができる。冷却パッチ１００は、所定位置にて熱処理されて、予備焼結プリフォーム材料を高温ガス経路構成要素１１０に接合することができる。

圧縮機１５又はその他からの空気２０の流れの一部は、冷却パッチ１００に向けて配向することができる。空気２０の流れは、外部冷却され又は他の方法で調整されるのではなく、従来の圧縮機吐出温度とすることができる。空気２０の流れは、冷却パッチ１００に入り、フィルタ１８０を通って冷却チャンネル１４０に流入する。冷却チャンネル１４０を通る空気２０の流れは、裏側面の熱伝達を向上させ、全体の冷却効率を改善するようにする。次いで、空気２０の流れは、出口孔１６０及びフィルム孔１７０を介して高温ガス経路に配向され、高温ガス経路構成要素１１０の高温側表面にフィルム冷却及び同様のものを提供することができる。

従って、冷却パッチ１００を通るこの空気流は、これに沿った局所的温度及び熱伝達効率を低下させることにより、フィルム冷却及び改善された熱伝達を提供する。フィルタ１８０を使用することで、デブリが冷却チャンネル１４０への流れを抑制するのが防止される。高温ガス経路構成要素１１０の低温側表面と高温側側面との間の圧力差により、冷却チャンネル１４０を通ってフィルム孔１７０に流入する空気流が引き起こされる。冷却チャンネル１４０の長さが制限されることは、冷却効果及び利用可能な圧力低下での作動を維持するのを助ける。従って、本明細書で記載される冷却パッチ１００は、既存の高温ガス経路構成要素の有孔寿命を延長するのに使用し、及び／又は当初の設備の部品とすることができる。冷却パッチ１００は、いつでも追加することができる。更に、あらゆる数の冷却パッチ１００を本明細書で用いることができる。

上記のことは、本出願及びその結果として得られる特許の特定の実施形態にのみに関連している点を理解されたい。添付の請求項及びその均等物によって定義される本発明の全体的な技術的思想及び範囲から逸脱することなく、当業者であれば多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる。

最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
ガスタービンエンジンの高温ガス経路構成要素と共に用いるための冷却パッチであって、
ベース層と、
上記ベース層に沿って延びる複数の冷却チャンネルと、
上記ベース層上に位置付けられるカバー層と、
を備え、上記ベース層及び上記カバー層が、予備焼結プリフォーム材料を含む、冷却パッチ。
［実施態様２］
上記予備焼結プリフォーム材料が、高融点合金粉体、低融点合金粉体、及び結合剤を含む、実施態様１に記載の冷却パッチ。
［実施態様３］
上記ベース層が、上記複数の冷却チャンネルに隣接した入口を含む、実施態様１に記載の冷却パッチ。
［実施態様４］
上記高温ガス経路構成要素が、そこを通る複数の高温ガス経路構成要素孔を含み、上記ベース層が、上記高温ガス経路構成要素孔及び上記複数の冷却チャンネルと整列された複数の出口孔を含む、実施態様１に記載の冷却パッチ。
［実施態様５］
上記複数の冷却チャンネルが、約０．０５〜０．０８インチ（約１．２７〜２．０３ミリメートル）の幅及び約１〜３インチ（約２．５４〜７．６２センチメートル）の長さを含む、実施態様１に記載の冷却パッチ。
［実施態様６］
上記カバー層が、実質的に中実のプレートを含む、実施態様１に記載の冷却パッチ。
［実施態様７］
上記カバー層が、上記複数の冷却チャンネルの上面を構成する、実施態様１に記載の冷却パッチ。
［実施態様８］
上記カバー層が、その一方端にてフィルタを含む、実施態様１に記載の冷却パッチ。
［実施態様９］
上記冷却パッチが、圧縮機吐出温度で空気の流れと連通している、実施態様１に記載の冷却パッチ。
［実施態様１０］
高温ガス経路構成要素に追加の冷却を提供する方法であって、
上記高温ガス経路構成要素上の複数の冷却孔と冷却パッチを整列させるステップと、
上記冷却パッチを上記高温ガス経路構成要素に取り付けるステップと、
上記冷却パッチを所定位置で熱処理するステップと、
上記高温ガス経路構成要素を冷却するための上記冷却パッチを通る空気の流れを提供するステップと、
上記空気を上記高温ガス経路構成要素上の複数の冷却孔に流すステップと、
を含む、方法。
［実施態様１１］
上記冷却パッチを上記高温ガス経路構成要素に取り付けるステップが、上記冷却パッチを上記高温ガス経路構成要素に溶接するステップを含む、実施態様１０に記載の方法。
［実施態様１２］
上記冷却パッチを上記高温ガス経路構成要素に取り付けるステップが、上記高温ガス経路構成要素内のガス流に実質的に垂直な方向で上記冷却パッチを取り付けるステップを含む、実施態様１０に記載の方法。
［実施態様１３］
上記冷却パッチを所定位置で熱処理するステップが、予備焼結プリフォーム材料を熱処理するステップを含む、実施態様１０に記載の方法。
［実施態様１４］
上記高温ガス経路構成要素を冷却するための上記冷却パッチを通る空気の流れを提供するステップが、圧縮機吐出温度にて空気の流れを提供するステップを含む、実施態様１０に記載の方法。
［実施態様１５］
上記空気を上記高温ガス経路構成要素上の複数の冷却孔に流すステップが、上記空気を上記複数の冷却孔に流してフィルム冷却を提供するステップを含む、実施態様１０に記載の方法。
［実施態様１６］
ガスタービンエンジンと共に用いる高温ガス経路構成要素であって、
低温側表面から高温側表面まで高温ガスパッチ構成要素を貫通して延びる複数の冷却孔と、
上記複数の冷却孔に隣接して上記低温側表面上に位置付けられる冷却パッチと、
を備え、上記冷却パッチは、複数の冷却チャンネルを含み、空気の流れが上記複数の冷却チャンネル及び上記複数の冷却孔を通過するようにする、高温ガス経路構成要素。
［実施態様１７］
上記冷却パッチが予備焼結プリフォーム材料を含む、実施態様１６に記載の高温ガス経路構成要素。
［実施態様１８］
上記予備焼結プリフォーム材料が、高融点合金粉体、低融点合金粉体、及び結合剤を含む、実施態様１７に記載の高温ガス経路構成要素。
［実施態様１９］
上記冷却パッチが、複数の冷却チャンネルを備えたベース層と、該ベース層上に位置付けられたカバー層と、を含む、実施態様１６に記載の高温ガス経路構成要素。
［実施態様２０］
上記冷却パッチが、その一方端にてフィルタを含む、実施態様１６に記載の高温ガス経路構成要素。

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 カバープレート
６０ 燃料ノズル
６５ ライナ
７０ 流れスリーブ
７５ 流路
８０ 入口
８５ 燃焼室
９０ 移行部品
１００ 冷却パッチ
１１０ 高温ガス経路構成要素
１２０ ベース層
１３０ カバー層
１４０ 冷却チャンネル
１５０ 入口
１６０ 出口孔
１７０ フィルム孔
１８０ フィルタ

Claims (15)

1. ガスタービンエンジン（１０）の高温ガス経路構成要素（１１０）と共に用いるための冷却パッチ（１００）であって、
   ベース層（１２０）と、
   前記ベース層（１２０）に沿って延びる複数の冷却チャンネル（１４０）と、
   前記ベース層（１２０）上に位置付けられるカバー層（１３０）と、
   を備え、前記ベース層（１２０）及び前記カバー層（１３０）が、予備焼結プリフォーム材料を含む、冷却パッチ（１００）。
2. 前記予備焼結プリフォーム材料が、高融点合金粉体、低融点合金粉体、及び結合剤を含む、請求項１に記載の冷却パッチ（１００）。
3. 前記ベース層（１２０）が、前記複数の冷却チャンネル（１４０）に隣接した入口（１５０）を含む、請求項１に記載の冷却パッチ（１００）。
4. 前記高温ガス経路構成要素（１１０）が、そこを通る複数の高温ガス経路構成要素孔（１７０）を含み、前記ベース層（１２０）が、前記高温ガス経路構成要素孔（１７０）及び前記複数の冷却チャンネル（１４０）と整列された複数の出口孔（１６０）を含む、請求項１に記載の冷却パッチ（１００）。
5. 前記複数の冷却チャンネル（１４０）が、約０．０５〜０．０８インチ（約１．２７〜２．０３ミリメートル）の幅及び約１〜３インチ（約２．５４〜７．６２センチメートル）の長さを含む、請求項１に記載の冷却パッチ（１００）。
6. 前記カバー層（１３０）が、実質的に中実のプレートを含む、請求項１に記載の冷却パッチ（１００）。
7. 前記カバー層（１３０）が、前記複数の冷却チャンネル（１４０）の上面を構成する、請求項１に記載の冷却パッチ（１００）。
8. 前記カバー層（１３０）が、その一方端にてフィルタ（１８０）を含む、請求項１に記載の冷却パッチ（１００）。
9. 前記冷却パッチ（１００）が、圧縮機吐出温度で空気の流れと連通している、請求項１に記載の冷却パッチ（１００）。
10. 高温ガス経路構成要素（１１０）に追加の冷却を提供する方法であって、
    前記高温ガス経路構成要素（１１０）上の複数の冷却孔（１７０）と冷却パッチ（１００）を整列させるステップと、
    前記冷却パッチ（１００）を前記高温ガス経路構成要素（１１０）に取り付けるステップと、
    前記冷却パッチ（１００）を所定位置で熱処理するステップと、
    前記高温ガス経路構成要素（１１０）を冷却するための前記冷却パッチ（１００）を通る空気の流れを提供するステップと、
    前記空気を前記高温ガス経路構成要素（１１０）上の複数の冷却孔（１７０）に流すステップと、
    を含む、方法。
11. 前記冷却パッチ（１００）を前記高温ガス経路構成要素（１１０）に取り付けるステップが、前記冷却パッチ（１００）を前記高温ガス経路構成要素（１１０）に溶接するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記冷却パッチ（１００）を前記高温ガス経路構成要素（１１０）に取り付けるステップが、前記高温ガス経路構成要素（１１０）内のガス流に実質的に垂直な方向で前記冷却パッチ（１００）を取り付けるステップを含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記冷却パッチ（１００）を所定位置で熱処理するステップが、予備焼結プリフォーム材料を熱処理するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
14. 前記高温ガス経路構成要素（１１０）を冷却するための前記冷却パッチ（１００）を通る空気の流れを提供するステップが、圧縮機吐出温度にて空気の流れを提供するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
15. 前記空気を前記高温ガス経路構成要素（１１０）上の複数の冷却孔（１７０）に流すステップが、前記空気を前記複数の冷却孔（１７０）に流してフィルム冷却を提供するステップを含む、請求項１０に記載の方法。