JP2017110654A - タービンシュラウドを冷却するためのシステム及び方法 - Google Patents

タービンシュラウドを冷却するためのシステム及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】タービンシュラウドを冷却するためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】シュラウドセグメント（４０）は、前縁（４４）と、後縁（４６）と、第１の側縁（４８）と、第２の側縁（５０）と、一対の対向する側面（５２、５４）とを有する本体（４２）を有する。第１の側面（５２）は冷却流体を有するキャビティ（５６）と面し、第２の側面（５４）は高温ガス流路（４７）に向かって配向している。シュラウドセグメント（４０）は、第１の端部と第２の端部とを有して本体（４２）内に配置される第１のチャネル（７４）、及び第３の端部と第４の端部とを有して本体（４２）内に配置される第２のチャネル（７４）を有する。第１及び第２のチャネル（７４）は、本体（４２）を冷却するためにキャビティ（５６）から冷却流体を受け入れる。第１の端部及び第４の端部は各々、自由端（８０）を有するフック形状部（７８）を有する。
【選択図】図１

Description

ここで開示される主題はガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンのためのタービンシュラウドに関する。
ガスタービンエンジンのようなターボ機械は、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを有する場合がある。ガスは圧縮機内で圧縮され、燃料と混合され、気体／燃料混合物を燃焼させる燃焼器内に供給される。そして高温かつ高エネルギーの排出流体は、高温ガス経路に沿って、流体のエネルギーを機械的エネルギーに変換するタービンに供給される。高温ガス経路に沿う高い温度により、タービン部品（例えば、タービンシュラウド）は加熱され、部品の劣化を引き起こす。
米国特許第９１２７５４９号明細書
本来特許請求された本主題の範囲に相応する特定の実施形態を以下に要約する。これらの実施形態は、特許請求された本主題の範囲を限定することを意図するものではなく、むしろ本主題の取り得る形態の簡潔な要約を提供することのみを意図している。実際、本主題は、以下に記載する実施形態と類似する、又は異なる様々な形態を包含することができる。
第１の実施形態によれば、ガスタービンエンジンのタービンセクションで使用するためのシュラウドセグメントが提供される。シュラウドセグメントは、前縁と、後縁と、第１の側縁と、第２の側縁と、前後縁と第１及び第２の側縁との間に一対の対向する側面とを有する本体を有する。一対の対向する側面の第１の側面は、冷却流体を有するキャビティに面し、また一対の対向する側面の第２の側面は、高温ガス流路に向かって配向されている。シュラウドセグメントはまた、本体内に配置された第１のチャネルを含む。第１のチャネルは、第１の端部及び第２の端部を有する。第１の端部は第１の側縁の近傍に配置され、第２の端部は第２の側縁の近傍に配置される。シュラウドセグメントはさらに、本体内に配置された第２のチャネルを有し、第２のチャネルは、第３の端部と第４の端部を有する。第３の端部は第１の側縁の近傍に配置され、第４の端部は第２の側縁の近傍に配置される。第１及び第２のチャネルは、本体を冷却するためにキャビティからの冷却流体を受け入れる。第１の端部及び第４の端部は各々、自由端を有するフック形状部を有する。
第２の実施形態によれば、ガスタービンエンジンが提供される。ガスタービンエンジンは、圧縮機と、燃焼システムと、タービンセクションとを有する。タービンセクションは、外側筐体と、外側筐体に連結された外側シュラウドセグメントと、圧縮機からの冷却流体を受け入れるためのキャビティを形成するために、外側シュラウドセグメントに連結された内側シュラウドセグメントとを有する。内側シュラウドセグメントは、前縁と、後縁と、第１の側縁と、第２の側縁と、前後縁と第１及び第２の側縁との間に一対の対向する側面を有する本体を有する。一対の対向する側面の第１の側面はキャビティに面し、また一対の対向する側面の第２の側面は高温ガス流路に向かって配向している。内側シュラウドセグメントは、本体の中に配置されて第１の側縁の近傍から第２の側縁の近傍へ延在する複数のチャネルを有する。複数のチャネルの各々は、フック形状部を有する第１の端部と、第２の端部を有する。複数のチャネルは、本体を冷却するためにキャビティから冷却流体を受け入れる。
第３の実施形態によれば、ガスタービンエンジンのタービンセクションで使用するためのシュラウドセグメントが提供される。シュラウドセグメントは、前縁と、後縁と、第１の側縁と、第２の側縁と、前後縁と第１及び第２の側縁との間に一対の対向する側面とを有する本体を有する。一対の対向する側面の第１の側面は、冷却流体を有するキャビティに面し、また一対の対向する側面の第２の側面は、高温ガス流路に向かって配向されている。シュラウドセグメントはまた、本体の中に配置されて第１の側縁の近傍から第２の側縁の近傍へ延在する複数のチャネルを有し、複数のチャネルの各々は、フック形状部を有する第１の端部、及び第２の端部を有する。シュラウドセグメントはさらに、各々の自由端に接続されてその自由端から第１の側面に延在する、複数の入口通路の各々の入口通路を有し、複数の入口通路は冷却流体をキャビティから複数のチャネルの各々のチャネルに供給する。
以下の詳細な説明が、図面全体を通じて同じ符号が同じ要素を表す添付の図面を参照して読まれれば、本主題におけるこれら及びその他の特徴と、態様と、利点とが、よりよく理解されるであろう。
冷却チャネルを備えるタービンシュラウドを有するタービンシステムの実施形態のブロック図である。 外側タービンシュラウドセグメントに連結された内側タービンシュラウドセグメントの実施形態の斜視図である。 内側タービンシュラウドセグメントの実施形態の底面図（例えば、高温ガス流路に向かって配向している側面の図）である。 内側タービンシュラウドセグメントの実施形態の上面図（例えば、キャビティと面する側面の図）である。 図４の内側タービンシュラウドセグメントの実施形態の５―５線に沿った斜視断面図（破線で示す入口通路及びチャネルを含む）である。 内側タービンシュラウドセグメントの一部分の実施形態の斜視図である。 内側タービンシュラウドセグメントの製造方法の実施形態のフローチャートである。
本主題の１つ以上の具体的な実施形態を以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供する取り組みにおいて、実際の実装の全ての特徴が本明細書で説明されるとは限らない。あらゆるそのような実際の実装のための開発において、どの工学プロジェクトにおいてでも、システム関連及びビジネス関連の制約へ適合することなどの、実装毎に変わるであろう開発者固有の目標を達成するためには、実装に固有の数多くの決定がなされなければならないことを理解されたい。さらにこうした開発の取り組みは、複雑で時間を要することがあるが、それにもかかわらず、この開示の恩恵を受ける当業者にとっては制作や製造といった日常的な事業活動であることを理解されたい。
本主題の種々の実施形態の要素を導入する時、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「この（ｔｈｅ）」及び「前記（ｓａｉｄ）」は、それらの要素が１つ以上あることを意味するものとする。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」及び「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は包括的であることを意図し、列記した要素以外の追加的な要素があり得ることを意味する。
本開示は、高温ガス流路に沿って配置されたタービンの部品（例えば、タービンシュラウド）を冷却するためのシステム及び方法を対象とする。特に、内側タービンシュラウドセグメントは、高温ガス流路に向かって配向された側面に配置された表面近傍チャネル（例えば、マイクロチャネル）を有する本体を有する。チャネルを備える側面に渡って配置された（例えば、ろう付けされた）予備焼結プリフォーム層が、本体と連携してチャネルを画成する。各チャネルは、フック形状部を有する第１の端部、及び第２の端部を有する。特定の実施形態では、第２の端部は調量機構を有する。特定の実施形態では、各チャネル自体（第２の端部を除く）が調量機構として機能する。他の実施形態では、フック形状部に連結された入口通路が調量機構を有する場合がある。特定の実施形態では、チャネル自体、第２の端部、又は入口通路、或いはそれらの組合せが調量機構を有する。チャネルは、対向する側縁（例えば、スラッシュ面）との間に延在する。特定の実施形態では、チャネルは、フック形状部を有する１つのチャネルが１つの側縁の近傍に配置され、その第２の端部が反対側の側縁の近傍に配置され、そのチャネルに隣接するチャネルが逆向きに配置されるという、互い違いのパターンで本体内に配置される。チャネルは、内側タービンシュラウドセグメント、及び内側タービンシュラウドセグメントのキャビティに面する側面（すなわち、高温ガス流路に向かって配向している側面と反対側の側面）に連結された入口通路を通じて、内側タービンシュラウドセグメントに連結された外側タービンシュラウドセグメントによって画成されたキャビティ（例えば、バスタブ）から、冷却流体（例えば、圧縮機からの排気空気すなわち衝突後の空気）を受け入れる。チャネルの出口通路は、出口孔を介して、本体から冷却流体（例えば、使用済みの冷却流体）を排出する。チャネルのフック形状部は、スラッシュ面近傍の冷却チャネルを長くすることにより、流量を最小限に抑えながら、より大きな冷却領域（例えば、タービンシュラウドの典型的な冷却システムよりも大きい）を提供する。さらに、フック形状部はチャネルの直線部の間隔を改善する。チャネルの形状はまた、チャネルの目詰まりの発生時に、十分な冷却を提供するように最適化されている。開示された内側タービンシュラウドセグメントの実施形態は、より少ない空気（例えば、タービンシュラウドの典型的な冷却システムより少ない）で内側タービンシュラウドセグメントの冷却を可能にし、冷却において使用される有料の空気に関連するコストを低減することができる。
図面を参照すると、図１は、タービンシステム１０の実施形態のブロック図である。以下に詳細に説明するように、開示されるタービンシステム１０（例えば、ガスタービンエンジン）は、高温ガス経路構成部品のストレスモードを低減しタービンシステム１０の効率を向上することが可能な、後述する冷却チャネルを有するタービンシュラウドを利用する場合がある。タービンシステム１０は、その駆動のために天然ガス及び／又は水素リッチ合成ガスなどの、液体又はガスの燃料を使用する場合がある。図示するように、燃料ノズル１２は燃料供給１４を取り入れて、その燃料を、空気、酸素、酸素富化空気、酸素低減空気、又はそれらの任意の組合せのようなオキシダントと混合する。以下の説明はオキシダントを空気として言及するが、開示される実施形態は任意の適切なオキシダントを使用することができる。燃料及び空気が混合されたならば、燃料ノズル１２はその燃料／空気混合体を、最適な燃焼、排出、燃料消費、及び動力出力のために適切な比率で燃焼器１６内に供給する。タービンシステム１０は、１つ以上の燃焼器１６内部に位置する１つ以上の燃料ノズル１２を有する場合がある。燃料／空気混合体は、燃焼器１６内のチャンバの中で燃焼し、それにより高温の加圧排気ガスを生成する。燃焼器１６は、その排気ガス（例えば、高温の加圧ガス）をトランジションピースを介して、タービンノズル（又は、「第１段ノズル」）及び、タービン筐体１９（例えば、外側筐体）内のタービン１８を回転させるバケット（又は、ブレード）及びノズルの他の段に送る。排気ガスは排気口２０に向かって流れる。排気ガスはタービン１８を通過すると、ガスはタービンバケット（又は、ブレード）にシャフト２２をタービンシステム１０の軸に沿って回転させる。図示されるように、シャフト２２は、圧縮機２４のような、タービンシステム１０の種々の部品につながれる場合がある。圧縮機２４はまた、シャフト２２に連結されたブレードを含む。シャフト２２が回転すると、圧縮機２４内のブレードも回転し、それにより空気取入れ口２６からの空気を、圧縮機２４を介し、燃料ノズル１２及び／又は燃焼器１６の中に圧縮する。圧縮機２４からの圧縮空気の一部（例えば、排出空気）は、燃焼器１６を通過せずにタービン１８又はその部品に転送される場合がある。排出空気（例えば、冷却流体）は、ローター上のバケットと、ディスクと、スペーサーとに加えて、ステーター上のシュラウド及びノズルなどのタービン部品を冷却するために利用される場合がある。シャフト２２はまた、車両、又は発電所の発電機や航空機のプロペラなどのような定常負荷である、負荷２８に接続される場合がある。負荷２８は、タービンシステム１０の回転出力によって駆動され得る、いかなる適切な装置であってよい。タービンシステム１０は、その軸線すなわち方向３０、軸３０に対して接離する半径方向３２、及び軸３０を中心とする周方向３４に沿って拡張してもよい。一実施形態では、高温ガス部品（例えば、タービンシュラウドやノズルなど）は、タービン１８の中に位置し、そこでは高温ガスがそれらの部品を渡って流れて、タービン部品のクリープ、酸化、摩耗、及び熱疲労を引き起こす。タービン１８は、部品のストレスモードを低減するために、（例えば、シュラウドの典型的な冷却システムより少ない冷却空気を使用して）高温ガス通路部品の温度の制御を可能にし、部品の（所定の機能を遂行しながらの）稼働寿命を延ばし、タービンシステム１０の稼働に関連するコストを削減し、そしてガスタービンシステム１０の効率を向上するための冷却通路（例えば、表面近傍マイクロチャネル）を有する、１つ以上のタービンシュラウドセグメント（例えば、内側タービンシュラウドセグメント）を有する場合がある。
図２は、タービンシュラウドセグメント４０を形成するために、外側タービンシュラウドセグメント３８に連結された内側タービンシュラウドセグメント３６の実施形態の斜視図である。タービン１８は、連携して各タービン段の各リングを形成する複数のタービンシュラウドセグメント４０を有する。特定の実施形態では、タービン１８は、タービン１８（及びタービン段）の回転軸を中心とする周方向３４に配置された各タービンシュラウドセグメント４０のための、各外側タービンシュラウドセグメント３８に連結された複数の内側タービンシュラウドセグメント３６を有している場合がある。他の実施形態では、タービン１８は、タービンシュラウドセグメント４０を形成するために、外側タービンシュラウドセグメント３８に連結された複数の内側タービンシュラウドセグメント３６を有している場合がある。
図示されるように、内側タービンシュラウドセグメント３６は、上流側すなわち前縁４４及び下流側すなわち後縁４６を有する本体４２を有し、その両方は高温ガス流路４７に面する。本体４２はまた、第１の側縁４８（例えば、第１のスラッシュ面）、及び第１の側縁４８に対向して配置された第２の側縁５０（例えば、第２のスラッシュ面）を有し、その両方は前縁４４及び後縁４６の間に延在している。本体４２はさらに、前後縁４４、４６と第１及び第２の側縁４８、５０との間に広がる、一対の対向する側面５２、５４を有する。特定の実施形態では、本体４２（特に、側面５２、５４）は、第１及び第２の側縁４８、５０の間の周方向３４に、及び／又は前後縁４４、４６の間の軸方向３０に、円弧形状である場合がある。側面５２は、内側タービンシュラウドセグメント３６及び外側タービンシュラウドセグメント３８の間に画成されたキャビティ５６に面する。側面５４は、タービン１８内の高温ガス流路４７に向かって配向する。
以下で詳述するように、本体４２は、高温ガス流路構成要素（例えば、タービンシュラウド４０、内側タービンシュラウドセグメント３６など）の冷却を助けるために、側面５４内に配置される複数のチャネル（例えば、冷却チャネルすなわちマイクロチャネル）を有する場合がある。予備焼結プリフォーム（ＰＳＰ）層５８が、ＰＳＰ層５８の第１の表面６０が本体４２と連携してチャネルを画成し（例えば、包み囲んで）、そしてＰＳＰ層５８の第２の表面６２が高温ガス流路４７と面するように、側面５４の上に配置される（例えば、ろう付けされる）場合がある。ＰＳＰ層５８は、超合金及びろう材で形成されてもよい。特定の実施形態では、ＰＳＰ層５８の代替として非ＰＳＰ金属板が、本体４２と連携してチャネルを画成する側面５４の上に配置されてもよい。特定の実施形態では、チャネルは側面５４の近くの本体４２内の全体に鋳造されてもよい。特定の実施形態では、チャネルを本体４２内に包み囲むために、ＰＳＰ層５８の代替として遮断皮膜又は熱遮断皮膜ブリッジングが使われてもよい。
特定の実施形態では、本体４２は、内側タービンシュラウドセグメント３６の外側タービンシュラウドセグメント３８への連結を可能にするフック部を有する。上述したように、内側タービンシュラウドセグメント３６の側面５２及び外側タービンシュラウドセグメント３８がキャビティ５６を画成する。外側タービンシュラウドセグメント３８は一般に、タービン１８内で圧縮機２４からの比較的低温の流体すなわち空気（すなわち、高温ガス流路４７の温度より低温の）に最も近い。外側タービンシュラウドセグメント３８は、冷却流体をキャビティ５６に供給する圧縮機２４からの冷却流体すなわち空気を受け入れるための通路（図示せず）を有する。以下で詳述するように、冷却流体は、内側タービンシュラウドセグメント３６の本体４２内で側面５２からチャネルに延在するように配置された入口通路を介して、本体４２内のチャネルへと流れる。各チャネルは、自由端を持つフック形状部を有する第１の端部、及び第２の端部を有する。第２の端部は、チャネル内の冷却流体の流量を調節するための調量機構（例えば、近傍のチャネルの断面積に対しチャネルの一部の断面積を小さくする、チャネルの中に広がる本体４２の一部）を有してもよい。特定の実施形態では、各々のチャネル自体（第２の端部を除く）が調量機構（例えば、チャネル内に広がる本体４２の一部を含む）として機能する。他の実施形態では、フック形状部に連結された入口通路が調量機構（例えば、入口通路内に広がる本体４２の一部）を有してもよい。特定の実施形態では、チャネル自体、第２の端部、又は入口通路、或いはそれらの組合せが調量機構を有する。さらに、冷却流体は第１の側縁４８及び／又は第２の側縁５０の第２の端部を介してチャネル（及び本体４２）から出る。特定の実施形態では、チャネルは、あるチャネルが第１の側縁４８の近傍に配置された第１の端部及び第２の側縁５０の近傍に配置された第２の端部を有し、そのチャネルに隣接するチャネルが逆向きである（すなわち、第２の側縁５０の近傍に配置された第１の端部及び第１の側縁４８の近傍に配置された第２の端部）という、互い違いのパターンで配置されてもよい。チャネルのフック形状部は、スラッシュ面近傍の冷却チャネルを長くすることにより、流量を最小限に抑えながら、より大きな冷却領域（例えば、タービンシュラウドの典型的な冷却システムよりも大きい）を提供する。さらに、フック形状部はチャネルの直線部の間隔を改善する。また、チャネルの形状は、チャネルの目詰まりの発生時に十分な冷却を提供するように最適化されている。開示された内側タービンシュラウドセグメントの実施形態は、より少ない空気（例えば、タービンシュラウドの典型的な冷却システムより少ない）で内側タービンシュラウドセグメントの冷却を可能にし、冷却において使用される有料の空気に関連するコストを低減する。
図３は、ＰＳＰ層５８を除いた内側タービンシュラウドセグメント３６の実施形態の底面図（例えば、高温ガス流路に向かって配向された本体４２の側面５４の図）である。図示されるように、本体４２は側面５４内に配置される複数のチャネル７４（例えば、冷却チャネルすなわちマイクロチャネル）を有する。本体４２は２個から４０個以上のチャネル７４を有する場合がある（図では、本体４２は２３個のチャネル７４を有する）。各チャネル７４は、キャビティ５６から冷却流体を受け入れる。各チャネル７４は、自由端８０を備えたフック形状部７８を有する第１の端部７６を有する。各フック形状部７８は、概０．０５ミリメートル（ｍｍ）から４ミリメートル、０．１ミリメートルから３ミリメートル、１．１４ミリメートルから２．５ミリメートル、及びそれらの間の全ての副範囲であるフック旋回半径を有する。以下に詳述するように、各フック形状部７８の自由端８０は、チャネル７４がキャビティ５６からの冷却流体を受け入れることを可能にする入口通路に連結される。フック形状部７８の曲率は、側面５４内により多くのチャネル７４が配置されることを可能にする。また、フック形状部７８は、側縁４８、５０近傍の冷却チャネル７４を長くすることにより、流量を最小限に抑えながら、より大きな冷却領域（例えば、タービンシュラウドの典型的な冷却システムよりも大きい）を提供する。さらに、フック形状部７８はチャネル７４の直線部の間隔を改善する。さらに、フック形状部７８の折り返し部は、シュラウドセグメント３６の本体４２の主要部を冷却するために、チャネルの直線部を隣接するチャネルから均等に離間させる。特定の実施形態では、フック形状部７８はチャネル７４の直線部の間隔を、より高温に加熱された負荷ゾーンに対して、より密に詰まるように調整され得る。概して、チャネル７４の形状はまた、チャネル７４の目詰まりの発生時に、十分な冷却を提供するように最適化されている。各チャネル７４はまた、使用済みの冷却流体が矢印８４で示すように側縁４８、５０及び出口孔を介して本体４２から出ることを可能にする第２の端部８２を有する。特定の実施形態では、第２の端部８２は、各チャネル７４内の冷却流体の流量を調節する（例えば、調量する）ための調量機構を有する。特定の実施形態では、各チャネル７４は、第２の端部８２においてセグメント化されたチャネルを形成する場合がある。特に、本体４２のブリッジ部は、ブリッジ部の上流側のチャネル７４の一部及びブリッジ部の下流側のチャネル７４の一部を備える第２の端部８２内の各チャネル７４に渡って（例えば、前縁４４から後縁４６への方向に）広がる場合がある。通路が、ブリッジ部の上流側及び下流側のチャネル７４の部分を流体連結するブリッジ部の下に延在してもよい。特定の実施形態では、各々のチャネル７４自体（第２の端部８２を除く）が調量機構（例えば、チャネル内に広がる本体４２の一部を含む）として機能する。他の実施形態では、フック形状部７８に連結された入口通路が調量機構（例えば、入口通路内に広がる本体４２の一部）を有してもよい。特定の実施形態では、チャネル７４自体、第２の端部８２、又は入口通路、或いはそれらの組合せが調量機構を有する。
図示されるように、一部のチャネル７４（例えば、チャネル８６）は、側縁５０の近傍に配置された第１の端部７６のフック形状部７８及び側縁４８の近傍に配置された第２の端部８２を有する一方、一部のチャネル７４（例えば、チャネル８８）は、側縁４８の近傍に配置された第１の端部７６のフック形状部７８及び側縁５０の近傍に配置された第２の端部８２を有する。特定の実施形態では、１つのチャネル７４のフック形状部７８が側縁４８又は５０の１つの近傍に配置され、その第２の端部８２（例えば、特定の実施形態では調量機構を有する）が反対側の側縁４８又は５０に近傍に配置されており、そのチャネルに隣接するチャネル７４は逆向きであるように、チャネル７４は互い違いのパターン（例えば、チャネル８６、８８）で配置される。図示されるように、チャネル７４は前縁４４の近傍から後縁４６の近傍まで、側縁４８、５０の間に延在する。特定の実施形態では、チャネル７４は、本体４２の前縁４４と後縁４６の間の長さ９０の概５０％から９０％、５０％から７０％、７０％から９０％、及びそれらの全ての副範囲をカバーして、側縁４８、５０の間に広がる場合がある。例えば、チャネル７４は、長さ９０の概５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、又は９０％をカバーして、側縁４８、５０の間に広がる場合がある。これにより、前縁４４と後縁４６の両方及び側縁４８、５０の間の、本体４２（特に、高温ガス流路４７に向かって配向している側面５４）の相当な部分の冷却だけでなく、側縁４８、５０の両方に沿った冷却が可能になる。
図４は、内側タービンシュラウドセグメント３６の実施形態の上面図（例えば、キャビティ５６に面する側面５２の図）である。図示されるように、本体は、冷却流体が入口通路を介してキャビティ５６からチャネル７４内に流れることを可能にする複数の開口部すなわちアパーチャ９２を有する。図５は、図４の内側タービンシュラウドセグメント３６の実施形態の５―５線に沿った斜視断面図である。図示されるように、入口通路９４（破線で示す）は、冷却流体をチャネル７４内に流すために、一般にチャネル７４のフック形状部７８の自由端８０から側面５２へ、半径方向３２に延在する。特定の実施形態ではは、入口通路９４は側面５４に対して傾斜している場合がある。例えば、入口通路９４の角度は、概４５度から９０度の間、４５度から７０度の間、７０度から 度の間、及びそれらの全ての副範囲である場合がある。
図６は、内側タービンシュラウドセグメント３６（例えば、ＰＳＰ層５８を除く）の実施形態の一部分の斜視図であり、チャネル７４の第２の端部８２に対するセグメント化されたチャネル９６を示す。特定の実施形態では、第２の端部８２はブリッジ部９８を有する。特に、ブリッジ部９８の上流側のチャネル７４の部分１００、及びブリッジ部９８の下流側のチャネル７４の部分１０２でセグメント化されたチャネル９６を形成するために、本体４２のブリッジ部９８は第２の端部８２内で各チャネル７４を（例えば、前縁４４から後縁４６へ向かう方向（例えば、軸方向３０）に）渡って広がる場合がある。シュラウドセグメント３６の製造（出口孔１０５の削孔又は放電加工に先立つ）時に、本体４２上への層（例えば、ＰＳＰ層５８、遮断皮膜、熱遮断皮膜等）の堆積によるチャネルの出口の目詰まりを避けるために、ブリッジ部９８は軸方向３０及び半径方向３２の両方にチャネル７４を全体に渡って広がる場合がある。本体４２上に層を堆積させた後、通路１０４を形成するために、出口孔１０５がブリッジ部９８内に削孔又は放電加工される。出口孔１０５を形成した後に、ブリッジ部９８はチャネル７４内に部分的にのみ広がる場合がある。冷却流体が出口孔１０５を介して出て行くことを可能にするために、通路１０４がチャネル７４の上流側及び下流側の部分１００、１０２を流体連結するブリッジ部９８の下に延在する場合がある。部分１００のチャネル７４（具体的には、断面積）に対する通路１０４又は出口孔１０５の断面積によっては、通路１０４又は出口孔１０５は、各チャネル７４で冷却流体の流量を調節する（例えば、調量する）調量機構として機能する場合がある。特定の実施形態では、各々のチャネル７４自体（第２の端部８２を除く）が調量機構（例えば、チャネル内に広がる本体４２の一部を含む）として機能する。他の実施形態では、フック形状部７８に連結された入口通路９４が調量機構（例えば、入口通路内に広がる本体４２の一部）を有する場合がある。特定の実施形態では、チャネル７４自体、第２の端部８２、又は入口通路９４、或いはそれらの組合せが調量機構を有する。
図７は、内側タービンシュラウドセグメント３６を製造するための方法１０６の実施形態のフローチャートである。方法１０６は、本体４２を鋳造する工程を有する（ブロック１０８）。方法１０６はまた、本体４２上にガス経路を研削する工程を有する（ブロック１１０）。特に、高温ガス流路４７に向かって配向する側面５４は、第１、第２の側縁４８、５０の間の周方向３４に、及び／又は前後縁４４、４６の間の軸方向３０に、円弧形状に研削される場合がある。方法１０６はさらに、本体４２の側面５４内にチャネル７４を形成（例えば、切削加工、放電加工等）する工程を有する（ブロック１１２）。方法１０６はさらに、チャネル７４の第２の端部８２の中で、出口孔１０５が削孔或いは放電加工されるべき位置を示す出口機構又は出口マーキング機構（例えば、ブリッジ部９８）を形成（例えば、切削加工、放電加工等）する工程を有する（ブロック１１４）。方法１０６はさらに、側面５２からチャネル７４の第１の端部７６のフック形状部７８の自由端８０まで、入口通路９４を形成（例えば、切削加工、放電加工等）する工程を有する（ブロック１１６）。方法１０６は、内側タービンシュラウドセグメント３６の製造時に破片がチャネル７４内に入るのを阻止するために、入口通路９４の開口部すなわちアパーチャ９２をマスクする工程を有する（ブロック１１８）。方法１０６は、ＰＳＰ層５８の第１の表面６０が本体４２と連携してチャネル７４を画成（例えば、包み囲む）し、そしてＰＳＰ層５８の第２の表面６２が高温ガス流路４７に面するように、ＰＳＰ層５８を側面５４上にろう付けする工程を有する（ブロック１２０）。特定の実施形態では、本体４２と連携してチャネル７４を画成する側面５４の上に、ＰＳＰ層５８の代替として、非ＰＳＰ金属板が配置される場合がある。特定の実施形態では、チャネル７４を本体４２内に包み囲むために、ＰＳＰ層５８の代替として、遮断皮膜又はＴＢＣブリッジングが利用される場合がある。方法１０６はまた、ＰＳＰ層５８の本体４２へのろう付けを検査する工程を有する（ブロック１２２）。方法１０６はまた、スラッシュ面（例えば、側縁４８、５０）を切削加工する工程を有する（ブロック１２４）。方法１０６はまた、入口通路９４の開口部９２からマスキングを削除する工程を有する（ブロック１２６）。方法１０６はまた、冷却流体が側縁４８、５０から出て行くことを可能にするために、チャネル７４の第２の端部８２の出口孔１０５を形成（例えば、切削加工、放電加工等）する工程を有する（ブロック１２８）。特定の実施形態では、チャネル７４、調量機構、及び入口通路９４が、本体４２の中に鋳造される場合がある。
開示された実施形態における技術的な効果により、内側タービンシュラウドセグメント３６を冷却するためのシステム及び方法が提供される。特に、内側タービンシュラウドセグメント３６は、側面５４上に、ＰＳＰ層５８を介して本体４２内に包み囲まれた表面近傍マイクロチャネル７４を有する。チャネル７４は、内側タービンシュラウドセグメント３６を冷却するために、冷却流体がチャネル７４内を流れることを可能にする入口通路９４に連結されたフック形状部７８を有する。チャネル７４はまた、チャネル７４内の冷却流体の流量を調節するための調量機構を有する場合がある。チャネル７４のフック形状部７８は、流量を最小限に抑えながら、スラッシュ面（例えば、側縁４８、５０）近傍に、より大きな冷却領域（例えば、タービンシュラウドの典型的な冷却システムよりは大きい）を提供する。チャネル７４の形状はまた、チャネル７４の目詰まりの発生時に、十分な冷却を提供するように最適化されている。開示された内側タービンシュラウドセグメント３６の実施形態は、より少ない空気（例えば、タービンシュラウドの典型的な冷却システムより少ない）での内側タービンシュラウドセグメント３６の冷却を可能にし、冷却において使用される有料の空気に関連するコストを低減する。
この明細書は、本主題を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も、任意のデバイス又はシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することにより、本主題を実践することができるように実施例を用いている。本主題の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義されるとともに、当業者に想起される他の実施例を含んでいてもよい。そのような他の実施例が、特許請求の範囲の文言と違わない構造要素を有する場合、又は特許請求の範囲の文言と実質的に差のない等価の構造要素を含む場合は、そのような他の実施例は特許請求の範囲内にあることが意図されている。
［実施態様１］
ガスタービンエンジン（１０）のタービンセクション（１８）で使用するためのシュラウドセグメント（４０）であって、
前縁（４４）と、後縁（４６）と、第１の側縁（４８）と、第２の側縁（５０）と、前後縁（４４、４６）と第１及び第２の側縁（４８、５０）の間の一対の対向する側面とを有し、一対の対向する側面の第１の側面（５２）は冷却流体を有するキャビティ（５６）に面し、一対の対向する側面の第２の側面（５４）は高温ガス流路（４７）に向かって配向している本体（４２）と、
本体（４２）内に配置された第１のチャネル（７４）であって、第１の側縁（４８）の近傍に配置された第１の端部（７６）と、第２の側縁（５０）の近傍に配置された第２の端部（８２）とを有する第１のチャネル（７４）と、
本体（４２）内に配置された第２のチャネル（７４）であって、第１の側縁（４８）の近傍に配置された第３の端部と、第２の側縁（５０）の近傍に配置された第２の端部とを有する第２のチャネル（７４）とを有し、
第１及び第２のチャネル（７４）は、本体（４２）を冷却するためにキャビティ（５６）から冷却流体を受け入れ、第１の端部（７６）及び第４の端部は各々自由端（８０）を有するフック形状部（７８）を有することを特徴とするシュラウドセグメント（４０）。
［実施態様２］
複数の第１のチャネル（７４）と複数の第２のチャネル（７４）を有する、実施態様１に記載のシュラウドセグメント（４０）。
［実施態様３］
複数の第１のチャネル（７４）と複数の第２のチャネル（７４）は、複数の第１のチャネル（７４）の各々の第１のチャネル（７４）が複数の第２のチャネル（７４）の各々の第２のチャネル（７４）に隣接して配置された、互い違いのパターンで配置される、実施態様２に記載のシュラウドセグメント（４０）。
［実施態様４］
各々の自由端（８０）に連結され、自由端（８０）から第１の側面（５２）へ半径方向（３２）に延在する各々の入口通路（９４）を有し、各々の入口通路（９４）は冷却流体をキャビティ（５６）から各々のチャネル（７４）に供給する、実施態様１に記載のシュラウドセグメント（４０）。
［実施態様５］
各々の入口通路（９４）は本体（４２）内に放電加工される、実施態様５に記載のシュラウドセグメント（４０）。
［実施態様６］
第２の端部（８２）に連結され、第２の端部（８２）から第２の側縁（５０）へ延在する第１の出口通路と、第３の端部に連結され、第３の端部から第１の側縁（４８）へ延在する第２の出口通路と有し、第１及び第２の出口通路は冷却流体をシュラウドセグメント（４０）から排出する、実施態様１に記載のシュラウドセグメント（４０）。
［実施態様７］
第１及び第２の出口通路は各々第１及び第２の出口通路内の冷却流体の流量を調量する、実施態様６に記載のシュラウドセグメント（４０）。
［実施態様８］
第１及び第２の出口通路は、本体（４２）内に放電加工される、実施態様６に記載のシュラウドセグメント（４０）。
［実施態様９］
第１及び第２のチャネル（７４）は、本体（４２）内に放電加工される、実施態様１に記載のシュラウドセグメント（４０）。
［実施態様１０］
第２の側面（５４）上にろう付けされた予備焼結プリフォーム層（５８）を有し、予備焼結プリフォーム層（５８）は、高温ガス流路（４７）に面する第１の表面（６０）、及び本体（４２）と連携して第１及び第２のチャネル（７４）を画成する第２の表面（６２）を有する、実施態様１に記載のシュラウドセグメント（４０）。
［実施態様１１］
圧縮機（２４）と、
燃焼システムと、
タービンセクション（１８）とを有するガスタービンエンジン（１０）であって、タービンセクション（１８）は、
外側筐体（１９）と、
外側筐体（１９）に連結された外側シュラウドセグメント（３８）と、
圧縮機（２４）からの冷却流体を受け入れるためのキャビティ（５６）を形成するために、外側シュラウドセグメント（３８）に連結された内側シュラウドセグメント（３６）とを有し、内側シュラウドセグメント（３６）は、
前縁（４４）と、後縁（４６）と、第１の側縁（４８）と、第２の側縁（５０）と、前後縁（４４、４６）と第１及び第２の側縁（５０）の間の一対の対向する側面とを有し、一対の対向する側面の第１の側面（５２）はキャビティ（５６）に面し、一対の対向する側面の第２の側面（５４）は高温ガス流路（４７）に向かって配向している本体（４２）と、
本体（４２）の中に配置され、第１の側縁（４８）の近傍から第２の側縁（５０）の近傍へ延在する複数のチャネル（７４）とを有し、複数のチャネル（７４）の各々のチャネル（７４）は、フック形状部（７８）を有する第１の端部（７６）、及び第２の端部（８２）を有し、
複数のチャネル（７４）は、本体（４２）を冷却するためにキャビティ（５６）から冷却流体を受け入れることを特徴とするガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１２］
複数のチャネル（７４）は、第１の側縁（４８）の近傍に配置された各々の第１の端部（７６）、及び第２の側縁（５０）の近傍に配置された各々の第２の端部（８２）を有して、本体（４２）内に配置された第１のチャネル（７４）と、第１の側縁（４８）の近傍に配置された各々の第１の端部（７６）、及び第２の側縁（５０）の近傍に配置された各々の第２の端部（８２）を有して、本体（４２）内に配置された第２のチャネル（７４）とを有する、実施態様１１に記載のガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１３］
複数のチャネル（７４）は、複数の第１のチャネル（７４）及び複数の第２のチャネル（７４）を有し、複数の第１のチャネル（７４）及び複数の第２のチャネル（７４）は、複数の第１のチャネル（７４）の各々の第１のチャネル（７４）が複数の第２のチャネル（７４）の各々の第２のチャネル（７４）に隣接して配置される、互い違いのパターンで配置される、実施態様１２に記載のガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１４］
各々の自由端（８０）に各々連結され、自由端（８０）から第１の側面（５２）に半径方向（３２）に延在する複数の入口通路（９４）を有し、複数の入口通路（９４）は、キャビティ（５６）から複数のチャネル（７４）の各々のチャネル（７４）に冷却流体を供給する、実施態様１２に記載のガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１５］
各々の第２の端部（８２）に連結され、第２の端部（８２）から第１の側縁（４８）又は第２の側縁（５０）へ延在する複数の出口通路を有し、複数の出口通路は、内側シュラウドセグメント（３６）から冷却流体を排出する、実施態様１２に記載のガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１６］
第２の側面（５４）上にろう付けされる予備焼結プリフォーム層（５８）を有し、予備焼結プリフォーム層（５８）は、高温ガス流路（４７）に面した第１の表面（６０）、及び本体（４２）と連携して複数のチャネル（７４）を画成する第２の表面（６２）を有する、実施態様１２に記載のガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１７］
タービンセクション（１８）の回転軸（３０）の周方向（３４）に配置された複数の内側シュラウドセグメント（３６）を有する、実施態様１２に記載のガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１８］
ガスタービンエンジン（１０）のタービンセクション（１８）で使用するためのシュラウドセグメント（４０）であって、
前縁（４４）と、後縁（４６）と、第１の側縁（４８）と、第２の側縁（５０）と、前後縁（４４、４６）と第１及び第２の側縁（４８、５０）の間の一対の対向する側面とを有し、一対の対向する側面の第１の側面（５２）は冷却流体を有するキャビティ（５６）に面し、一対の対向する側面の第２の側面（５４）は高温ガス流路（４７）に向かって配向している本体（４２）と、
本体（４２）の中に配置され、第１の側縁（４８）の近傍から第２の側縁（５０）の近傍へ延在する複数のチャネル（７４）とを有し、複数のチャネル（７４）の各々のチャネル（７４）は、フック形状部（７８）を有する第１の端部（７６）、及び第２の端部（８２）と、
各々の自由端（８０）に接続され、自由端（８０）から第１の側面（５２）に延在する、複数の入口通路（９４）の各々の入口通路（９４）とを有し、複数の入口通路（９４）は冷却流体をキャビティ（５６）から複数のチャネル（７４）の各々のチャネル（７４）に供給することを特徴とするシュラウドセグメント（４０）。
［実施態様１９］
第２の側面（５４）上にろう付けされる予備焼結プリフォーム層（５８）を有し、予備焼結プリフォーム層（５８）は、高温ガス流路（４７）に面した第１の表面（６０）、及び本体（４２）と連携して複数のチャネル（７４）を画成する第２の表面（６２）を有する、実施態様１８に記載のシュラウドセグメント（４０）。
［実施態様２０］
各々の第２の端部（８２）に連結され、第２の端部（８２）から第１の側縁（４８）又は第２の側縁（５０）へ延在する、複数の出口通路の各々の出口通路を有し、複数の出口通路はシュラウドセグメント（４０）から冷却流体を排出する、実施態様１８に記載のシュラウドセグメント（４０）。
１０ ガスタービンシステム
１２ 燃料ノズル
１４ 燃料供給
１６ 燃焼器
１８ タービン
１９ タービン筐体
２０ 排気口
２２ シャフト
２４ 圧縮機
２６ 空気取入れ口
２８ 負荷
３０ 軸方向、軸
３２ 半径方向
３４ 周方向
３６ 内側タービンシュラウドセグメント
３８ 外側タービンシュラウドセグメント
４０ タービンシュラウドセグメント、タービンシュラウド
４２ 本体
４４ 前縁
４６ 後縁
４７ 高温ガス流路
４８ 第１の側縁
５０ 第２の側縁
５２ 側面
５４ 側面
５６ キャビティ
５８ 予備焼結プリフォーム層
６０ 第１の表面
６２ 第２の表面
７４ 冷却チャネル、表面近傍マイクロチャネル
７６ 第１の端部
７８ フック形状部
８０ 自由端
８２ 第２の端部
８４ 矢印
８６ チャネル
８８ チャネル
９０ 長さ
９２ 開口部、アパーチャ
９４ 入口通路
９６ セグメント化されたチャネル
９８ ブリッジ部
１００ 部分
１０２ 部分
１０４ 通路
１０５ 出口孔
１０６ 方法
１０８ ステップ
１１０ ステップ
１１２ ステップ
１１４ ステップ
１１６ ステップ
１１８ ステップ
１２０ ステップ
１２２ ステップ
１２４ ステップ
１２６ ステップ
１２８ ステップ
１３０ ステップ
１３２ ステップ

Claims (15)

  1. ガスタービンエンジン（１０）のタービンセクション（１８）で使用するためのシュラウドセグメント（４０）であって、
    前縁（４４）と、後縁（４６）と、第１の側縁（４８）と、第２の側縁（５０）と、前後縁（４４、４６）と第１及び第２の側縁（４８、５０）の間の一対の対向する側面とを有し、一対の対向する側面の第１の側面（５２）が冷却流体を有するキャビティ（５６）に面し、一対の対向する側面の第２の側面（５４）が高温ガス流路（４７）に向かって配向している本体（４２）と、
    本体（４２）内に配置された第１のチャネル（７４）であって、第１の側縁（４８）の近傍に配置された第１の端部（７６）と、第２の側縁（５０）の近傍に配置された第２の端部（８２）とを有する第１のチャネル（７４）と、
    本体（４２）内に配置された第２のチャネル（７４）であって、第１の側縁（４８）の近傍に配置された第３の端部と、第２の側縁（５０）の近傍に配置された第２の端部とを有する第２のチャネル（７４）と
    を備えており、第１及び第２のチャネル（７４）が、本体（４２）を冷却するためにキャビティ（５６）から冷却流体を受け入れるように構成されており、第１の端部（７６）及び第４の端部が各々自由端（８０）を有するフック形状部（７８）を備える、シュラウドセグメント（４０）。
  2. 複数の第１のチャネル（７４）と複数の第２のチャネル（７４）を有する、請求項１に記載のシュラウドセグメント（４０）。
  3. 複数の第１のチャネル（７４）と複数の第２のチャネル（７４）が、複数の第１のチャネル（７４）の各々の第１のチャネル（７４）が複数の第２のチャネル（７４）の各々の第２のチャネル（７４）に隣接して配置された、互い違いのパターンで配置される、請求項２に記載のシュラウドセグメント（４０）。
  4. 各々の自由端（８０）に連結され、自由端（８０）から第１の側面（５２）へ半径方向（３２）に延在する各々の入口通路（９４）を有していて、各々の入口通路（９４）が冷却流体をキャビティ（５６）から各々のチャネル（７４）に供給する、請求項１に記載のシュラウドセグメント（４０）。
  5. 各々の入口通路（９４）が本体（４２）内に放電加工される、請求項５に記載のシュラウドセグメント（４０）。
  6. 第２の端部（８２）に連結され、第２の端部（８２）から第２の側縁（５０）へ延在する第１の出口通路と、第３の端部に連結され、第３の端部から第１の側縁（４８）へ延在する第２の出口通路と有しており、第１及び第２の出口通路が冷却流体をシュラウドセグメント（４０）から排出する、請求項１に記載のシュラウドセグメント（４０）。
  7. 第１及び第２の出口通路は各々第１及び第２の出口通路内の冷却流体の流量を調量する、請求項６に記載のシュラウドセグメント（４０）。
  8. 第１及び第２の出口通路が本体（４２）内に放電加工される、請求項６に記載のシュラウドセグメント（４０）。
  9. 第１及び第２のチャネル（７４）が本体（４２）内に放電加工される、請求項１に記載のシュラウドセグメント（４０）。
  10. 第２の側面（５４）上にろう付けされた予備焼結プリフォーム層（５８）を有し、予備焼結プリフォーム層（５８）が、高温ガス流路（４７）に面する第１の表面（６０）、及び本体（４２）と連携して第１及び第２のチャネル（７４）を画成する第２の表面（６２）を有する、請求項１に記載のシュラウドセグメント（４０）。
  11. 圧縮機（２４）と、
    燃焼システムと、
    タービンセクション（１８）と
    を備えるガスタービンエンジン（１０）であって、タービンセクション（１８）が、
    外側筐体（１９）と、
    外側筐体（１９）に連結された外側シュラウドセグメント（３８）と、
    圧縮機（２４）からの冷却流体を受け入れるためのキャビティ（５６）を形成するために、外側シュラウドセグメント（３８）に連結された内側シュラウドセグメント（３６）と
    を備えており、内側シュラウドセグメント（３６）が、
    前縁（４４）と、後縁（４６）と、第１の側縁（４８）と、第２の側縁（５０）と、前後縁（４４、４６）と第１及び第２の側縁（５０）の間の一対の対向する側面とを有し、一対の対向する側面の第１の側面（５２）はキャビティ（５６）に面し、一対の対向する側面の第２の側面（５４）は高温ガス流路（４７）に向かって配向している本体（４２）と、
    本体（４２）の中に配置され、第１の側縁（４８）の近傍から第２の側縁（５０）の近傍へ延在する複数のチャネル（７４）と
    を備えており、複数のチャネル（７４）の各々のチャネル（７４）が、フック形状部（７８）を有する第１の端部（７６）及び第２の端部（８２）を備えており、複数のチャネル（７４）が、本体（４２）を冷却するためにキャビティ（５６）から冷却流体を受け入れるように構成されている、ガスタービンエンジン（１０）。
  12. 複数のチャネル（７４）が、本体（４２）内に配置された第１のチャネル（７４）であって、第１の側縁（４８）の近傍に配置された各々の第１の端部（７６）と、第２の側縁（５０）の近傍に配置された各々の第２の端部（８２）とを有する第１のチャネル（７４）と、本体（４２）内に配置された第２のチャネル（７４）であって、第１の側縁（４８）の近傍に配置された各々の第１の端部（７６）と、第２の側縁（５０）の近傍に配置された各々の第２の端部（８２）とを有する第２のチャネル（７４）とを備える、請求項１１に記載のガスタービンエンジン（１０）。
  13. 複数のチャネル（７４）が、複数の第１のチャネル（７４）及び複数の第２のチャネル（７４）を備えており、複数の第１のチャネル（７４）及び複数の第２のチャネル（７４）が、複数の第１のチャネル（７４）の各々の第１のチャネル（７４）が複数の第２のチャネル（７４）の各々の第２のチャネル（７４）に隣接して配置される、互い違いのパターンで配置される、請求項１２に記載のガスタービンエンジン（１０）。
  14. 各々の自由端（８０）に各々連結され、自由端（８０）から第１の側面（５２）に半径方向（３２）に延在する複数の入口通路（９４）を備えていて、複数の入口通路（９４）が、キャビティ（５６）から複数のチャネル（７４）の各々のチャネル（７４）に冷却流体を供給する、請求項１２に記載のガスタービンエンジン（１０）。
  15. 各々の第２の端部（８２）に連結され、第２の端部（８２）から第１の側縁（４８）又は第２の側縁（５０）へ延在する複数の出口通路を備えていて、複数の出口通路が、内側シュラウドセグメント（３６）から冷却流体を排出する、請求項１２に記載のガスタービンエンジン（１０）。
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