JP2017219042A - ガスタービンエンジン用ノズル冷却システム - Google Patents

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Abstract

【課題】ガスタービンエンジン用ノズル冷却システムを提供する。
【解決手段】インピンジメントプレート１０２は、ノズルの内側側壁４６の半径方向内面５４から半径方向内側に配置される。インピンジメントプレート及び内側側壁は、内側チャンバ１０８を集合的に画成する。インピンジメントプレートは、１以上のインピンジメント開口部１０４を画成する第１の部分と、１以上のポストインピンジメント開口部を画成する第２の部分とを含む。ダクトプレート１１０は第１の部分を囲む。ダクトプレート、第１の部分及び内側側壁は、１以上のインピンジメント開口部を通して内側チャンバと流体連通する外側チャンバ１１２を集合的に画成する。外側チャンバからの圧縮空気３８は、１以上のインピンジメント開口部を通って内側チャンバに流入し、１以上のポストインピンジメント開口部を通って内側チャンバから出る。
【選択図】図８

Description

本開示は、一般にはガスタービンエンジンに関する。より詳細には、本開示は、ガスタービンエンジン用のノズル冷却システムに関する。
ガスタービンエンジンは、一般に、圧縮機セクション、燃焼セクション、タービンセクション、及び排気セクションを含む。圧縮機セクションは、ガスタービンエンジンに流入する作動流体の圧力を徐々に増加させ、この圧縮された作動流体を燃焼セクションに供給する。圧縮された作動流体及び燃料（例えば、天然ガス）は、燃焼セクション内で混合され、燃焼チャンバ内で燃焼して、高圧及び高温の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、燃焼セクションからタービンセクションに流れ、そこで膨張して仕事を発生させる。例えば、タービンセクションにおける燃焼ガスの膨張は、例えば発電機に接続されたロータシャフトを回転させて、電気を発生させることができる。次いで、燃焼ガスは、排気セクションを介してガスタービンから排出される。
タービンセクションは、１以上のタービンロータブレード上に燃焼ガスの流れを導く、１以上のタービンノズルを含む。１以上のタービンロータブレードは、次に燃焼ガスから運動エネルギー及び／又は熱エネルギーを抽出し、それによってロータシャフトを駆動する。一般に、１以上のタービンノズルの各々は、燃焼ガスと接触する半径方向外面と、燃焼ガスから隔離された半径方向内面とを有する内側側壁を含む。内側側壁の各々の半径方向外面は、燃焼ガスと直接接触しているので、冷却空気をそこに供給することが必要な場合がある。
特定の構成では、ガスタービンエンジンは、冷却空気を内側側壁の半径方向内面に導くシステムを含むことができる。使用済みの冷却空気は、通常、内側側壁を通って延在する１以上の開口部を通して排出される。それにもかかわらず、内側側壁によって画成される開口部は、形成するのが高価であり、ガスタービンエンジンの全体的なコストを増加させる。
米国特許第９０１１０７９号明細書
本技術の態様及び利点は、その一部を以下の説明に記載しており、或いはその説明から明らかになり、或いは本技術の実施により学ぶことができる。
一態様では、本開示は、内側側壁を有するノズルを含むガスタービンエンジンのノズル冷却システムに関する。内側側壁は、半径方向内面及び半径方向外面を含む。インピンジメントプレートは、内側側壁の半径方向内面から半径方向内側に配置される。インピンジメントプレート及び内側側壁は、内側チャンバを集合的に画成する。インピンジメントプレートは、１以上のインピンジメント開口部を画成する第１の部分と、１以上のポストインピンジメント開口部を画成する第２の部分とを含む。ダクトプレートは、インピンジメントプレートの第１の部分を囲む。ダクトプレート、インピンジメントプレートの第１の部分、及び内側側壁は、１以上のインピンジメント開口部を通して内側チャンバと流体連通する外側チャンバを集合的に画成する。外側チャンバからの圧縮空気は、１以上のインピンジメント開口部を通って内側チャンバに流入し、１以上のポストインピンジメント開口部を通って内側チャンバから出る。
本開示のさらなる態様は、圧縮機セクションと、燃焼セクションと、タービンセクションとを含むガスタービンエンジンに関する。タービンセクションは、内側側壁、外側側壁、及び内側側壁と外側側壁との間に延在する翼形部を有するノズルを含む。内側側壁は、半径方向内面及び半径方向外面を含む。インピンジメントプレートは、内側側壁の半径方向内面から半径方向内側に配置される。インピンジメントプレート及び内側側壁は、内側チャンバを集合的に画成する。インピンジメントプレートは、１以上のインピンジメント開口部を画成する第１の部分と、１以上のポストインピンジメント開口部を画成する第２の部分とを含む。ダクトプレートは、インピンジメントプレートの第１の部分を囲む。ダクトプレート、インピンジメントプレートの第１の部分、及び内側側壁は、１以上のインピンジメント開口部を通して内側チャンバと流体連通する外側チャンバを集合的に画成する。外側チャンバからの圧縮空気は、１以上のインピンジメント開口部を通って内側チャンバに流入し、１以上のポストインピンジメント開口部を通って内側チャンバから出る。
本技術のこれら及び他の特徴、態様及び利点は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲を参照して、よりよく理解されよう。添付の図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成するものであるが、本技術の実施形態を例示し、また説明とともに本技術の原理を説明する働きをする。
本技術の完全かつ可能な開示は、その最良の形態を含み、当業者に向けられて、本明細書に記載されており、それは以下の添付の図面を参照している。
本明細書で開示される様々な実施形態を組み込むことができる例示的なガスタービンエンジンの概略図である。 図１に示すガスタービンエンジンに組み込むことができ、本明細書で開示される様々な実施形態を組み込むことができる例示的なタービンセクションの断面図である。 図２に示すタービンセクションに組み込むことができ、本明細書で開示される様々な実施形態を組み込むことができる例示的なノズルの斜視図である。 図３に示すノズルの内側側壁の底面図であり、本明細書で開示されるノズル冷却システムの一実施形態を示している。 図３に示すノズルの内側側壁の代替的な底面図であり、ノズル冷却システムの特徴をさらに示している。 ノズル冷却システムのインピンジメントプレートの底面図であり、１以上のインピンジメント開口部並びに１以上のポストインピンジメント開口部を示している。 概ね図６の線７−７で得られるインピンジメントプレートの断面図であり、その特徴をさらに示している。 概ね図５の線８−８で得られるノズル冷却システムの断面図であり、その動作を示している。 概ね図５の線９−９で得られるノズル冷却システムの断面図であり、さらにその動作を示している。
本明細書及び図面における符号の反復使用は、本技術の同じ又は類似の特徴もしくは要素を表すことを意図している。
本技術の実施形態を示すために、ここで詳細に参照を行うが、それの１以上の実施例を添付の図面に示す。詳細な説明は、図面の特徴を参照するために、数字及び文字の符号を用いる。図面及び説明の同様の又は類似の符号は、本技術の同様の又は類似の部材を指すために用いている。本明細書において、用語は、「第１の」、「第２の」、及び「第３の」という用語は、１つの構成部品と別の構成部品とを区別するために交換可能に用いることができ、個々の構成部品の位置又は重要性を示すことを意図しない。「上流」及び「下流」という用語は、流体経路における流体の流れについての相対的方向を示す。例えば、「上流」は流体がそこから流れる方向を示し、「下流」は流体がそこへ流れる方向を示す。
各実施例は本技術の説明のために提供するものであって、本技術を限定するものではない。実際、本技術の範囲又は趣旨を逸脱せずに、修正及び変更が本発明において可能であることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として図示又は記載する特徴は、さらに別の実施形態を与えるために、別の実施形態で用いることができる。したがって、本技術は、添付の請求の範囲及びそれらの等価物の範囲に入るこのような修正及び変更を包括することが意図されている。産業用又は陸上用のガスタービンが本明細書に示され説明されているが、本明細書に示され説明される本技術は、特許請求の範囲に特に明記されない限り、陸上及び／又は産業用ガスタービンに限定されない。例えば、本明細書に記載の技術は、航空ガスタービン（例えば、ターボファンなど）、蒸気タービン、及び海洋ガスタービンを含むが、これに限定されない任意のタイプのタービンに使用することができる。
ここで図面を参照すると、図１は、本明細書で開示される様々な実施形態を組み込むことができる例示的なガスタービンエンジン１０の概略図である。図示するように、ガスタービンエンジン１０は、一般に、圧縮機１６（例えば、軸流圧縮機）の上流端に配置された入口１４を有する圧縮機セクション１２を含む。ガスタービンエンジン１０はまた、圧縮機１６の下流に配置された１以上の燃焼器２０を有する燃焼セクション１８を含む。ガスタービンエンジン１０は、燃焼セクション１８の下流に配置されたタービン２４（例えば、膨張タービン）を有するタービンセクション２２をさらに含む。ロータシャフト２６は、ガスタービンエンジン１０の軸方向中心線２８に沿って圧縮機１６及びタービン２４を軸方向に貫通して延在する。
図２は、本明細書で開示される様々な実施形態を組み込むことができるタービン２４の断面側面図である。図２に示すように、タービン２４は複数のタービン段を含むことができる。例えば、タービン２４は、第１段３０Ａ、第２段３０Ｂ、及び第３段３０Ｃを含むことができる。ただし、タービン２４は、必要に応じて又は所望されるように、より多く又はより少ないタービン段を含んでもよい。
各段３０Ａ〜３０Ｃは、流れの順に、ロータシャフト２６（図１）に沿って軸方向に間隔を置いて配置された、タービンノズル３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃの対応する列と、タービンロータブレード３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃの対応する列とを含む。タービンノズル３２Ａ〜３２Ｃの各々は、ガスタービンエンジン１０の動作中、タービンロータブレード３４Ａ〜３４Ｃに対して静止したままである。タービンノズル３２Ｂ、３２Ｃの各列は、対応するダイアフラム４２Ｂ、４２Ｃにそれぞれ結合されている。図２には示していないが、タービンノズル３２Ａの列はまた、ダイアフラムに結合されてもよい。各タービンノズル３２Ｂ、３２Ｃ及び対応するダイアフラム４２Ｂ、４２Ｃは、それらの間の対応するダイアフラムキャビティ４４Ｂ、４４Ｃを集合的に画成する。ケーシング又はシェル３６は、タービンノズル３２Ａ〜３２Ｃ及びタービンロータブレード３４Ａ〜３４Ｃの各段３０Ａ〜３０Ｃを円周方向に取り囲んでいる。
図１及び図２に示すように、圧縮機１６は、圧縮空気３８を燃焼器２０に供給する。圧縮空気３８は、燃焼器２０内の燃料（例えば、天然ガス）と混合して燃焼し、燃焼ガス４０を生成し、燃焼ガス４０はタービン２４に流入する。タービンノズル３２Ａ〜３２Ｃ及びタービンロータブレード３４Ａ〜３４Ｃは、燃焼ガス４０からの運動エネルギー及び／又は熱エネルギーを抽出する。このエネルギー抽出によりロータシャフト２６が駆動される。次に燃焼ガス４０は、タービン２４及びガスタービンエンジン１０から出る。以下により詳細に説明するように、圧縮空気３８の一部は、とりわけタービンノズル３２Ａ〜３２Ｃを含むタービン２４の様々な部品を冷却するための冷却媒体として使用することができる。
図３は、第２段３０Ｂのタービンノズル３２Ｂの斜視図であり、業界では第２段ノズル又はＳ２Ｎとしても知られている。他のタービンノズル３２Ａ、３２Ｃは、タービンノズル３２Ｂの特徴と同様の特徴を有しているが、これについては後に詳述する。図３に示すように、タービンノズル３２Ｂは、内側側壁４６と、内側側壁４６から半径方向に離間された外側側壁４８とを含む。一対の翼形部５０が、内側側壁４６から外側側壁４８にわたって延在する。この点で、図３に示すタービンノズル３２Ｂは、業界ではダブレットと呼ばれている。それにもかかわらず、タービンノズル３２Ｂは、ただ１つの翼形部５０（すなわち、シングレット）、３つの翼形部５０（すなわち、トリプレット）、又はより多くの翼形部５０を有してもよい。
図３に示すように、内側側壁４６及び外側側壁４８は様々な表面を含む。より具体的には、内側側壁４６は、半径方向外面５２と、半径方向外面５２から半径方向内側に配置された半径方向内面５４とを含む。同様に、外側側壁４８は、半径方向内面５６と、半径方向内面５６から半径方向外側に向いた半径方向外面５８とを含む。図２及び図３に示すように、外側側壁４８の半径方向内面５６及び内側側壁４６の半径方向外面５２は、高速でタービン２４を流れる燃焼ガス４０の内側及び外側半径方向流れ境界をそれぞれ画成する。内側側壁４６はまた、前方表面６０と、前方表面６０の下流に位置する後方表面６２とを含む。内側側壁４６は、第１の円周面６４と、第１の円周面６４から円周方向に離間した第２の円周面６６とをさらに含む。同様に、外側側壁４８は、前方表面６８と、前方表面６８の下流に位置する後方表面７０とを含む。外側側壁４８はまた、第１の円周面７２と、第１の円周面７２から離間した第２の円周面７４とを含む。内側側壁４６及び外側側壁４８は、好ましくは、ニッケル系超合金又は燃焼ガス４０に耐えることができる別の適切な材料から構成される。
上述したように、２つの翼形部５０は、内側側壁４６から外側側壁４８まで延在する。各翼形部５０は、内側側壁４６及び外側側壁４８の前方表面６０、６８に近接して配置された前縁７６を含む。各翼形部５０はまた、内側側壁４６及び外側側壁４８の後方表面６２、７０に近接して配置された後縁７８を含む。さらに、各翼形部５０は、前縁７６から後縁７８まで延在する正圧側壁８０及び対向する負圧側壁８２を含む。翼形部５０は、好ましくは、ニッケル系超合金又は燃焼ガス４０に耐えることができる別の適切な材料から構成される。
図４は、内側側壁４６の底面図であり、一対の翼形部通路８４をさらに示している。より具体的には、翼形部５０の各々は、それを貫通して延在する対応する翼形部通路８４を画成する。翼形部通路８４はまた、内側側壁４６及び外側側壁４８を貫通して延在する。この点で、図２に示すタービンノズル３２Ｂから半径方向外側に配置された圧縮空気３８の一部は、翼形部通路５０を通ってダイアフラムキャビティ４４Ｂに流れることができる。図４に示す実施形態では、コア８６が翼形部通路５０の各々に配置されている。このように、翼形部通路５０は、図４に示す実施形態では環状形状を有する。それにもかかわらず、翼形部通路５０は、コア８６を欠いていてもよく、他の実施形態では任意の適切な断面形状を有してもよい。
図４〜図９は、ガスタービンエンジン１０に組み込むことができるノズル冷却システム１００の実施形態を示す。図示するように、ノズル冷却システム１００は、軸方向Ａ、半径方向Ｒ、及び円周方向Ｃを画成する。一般に、軸方向Ａは軸方向中心線２８（図１）に平行に延在し、半径方向Ｒは軸方向中心線２８から直交して外向きに延在し、円周方向Ｃは軸方向中心線２８の周りに同心状に延在する。
以下により詳細に説明するように、ノズル冷却システム１００は、タービンノズル３２Ａの内側側壁４６を冷却する。より具体的には、ノズル冷却システム１００は、１以上のインピンジメント開口部１０４と１以上のポストインピンジメント開口部１０６とを画成するインピンジメントプレート１０２を含む。インピンジメントプレート１０２は、内側側壁４６の半径方向内面５４から半径方向内側に配置され、少なくとも部分的に半径方向に離間している。この点で、インピンジメントプレート１０２及び内側側壁４６は、これらの間に内側チャンバ１０８を画成する。ダクトプレート１１０は、インピンジメントプレート１０２の第１の部分１３０を囲む。したがって、ダクトプレート１１０、第１の部分１３０、インピンジメントプレート１０２、及び内側側壁４６は、それらの間に外側チャンバ１１２を画成する。翼形部通路８４を通って流れる圧縮空気３８は、外側チャンバ１１２に入る。圧縮空気３８は、次いで、インピンジメントプレート１０２内の１以上のインピンジメント開口部１０４を通って内側チャンバ１０８に流入する。１以上のインピンジメント開口部１０４は、圧縮空気３８を内側側壁４６の半径方向内面５４に導き、それによって内側側壁４６を冷却する。次いで、圧縮空気３８は、１以上のポストインピンジメント開口部１０６を通って内側チャンバ１０８から出て、ダイアフラムキャビティ４４Ｂに流入する。
図４に示す実施形態では、内側側壁４６は窪み１１４を画成する。このように、内側側壁４６の半径方向内面５４の一部（すなわち、窪み１１４に配置された部分）は、図９に示すように、半径方向内面５４の別の部分（すなわち、窪み１１４に配置されていない部分）から半径方向に離間してもよい。図４に示す実施形態では、窪み１１４は内側側壁４６と同じ形状を有する。ただし、窪み１１４は他の形状を有してもよい。翼形部５０は、窪み１１４と軸方向及び円周方向に整列している。このように、翼形部通路８４は窪み１１４と流体連通している。内側側壁４６の他の実施形態は、窪み１１４を画成しなくてもよい。
図４は、内側側壁４６の半径方向内面５４上のインピンジメントプレート１０２の配置の一実施形態を示す。より具体的には、インピンジメントプレート１０２は、内側側壁４６の前方表面６０と後方表面６２との間に軸方向に配置され、かつ、２つの翼形部５０の間に円周方向に配置される。インピンジメントプレート１０２はまた、半径方向内面５４から半径方向内側に配置される。一実施形態では、インピンジメントプレート１０２は、図７に示すように、１以上のポスト１１６によって半径方向内面５４から全体的に半径方向に離間している。しかしながら、図９に示すように、インピンジメントプレート１０２は、他の実施形態では、窪み１１４によって半径方向内面５４の一部分のみから半径方向に離間してもよい。すなわち、インピンジメントプレート１０２は、窪み１１４に位置する半径方向内面５４の一部から半径方向に離間していてもよく、インピンジメントプレート１０２は、窪み１１４の外側に配置された半径方向内面５４の一部と接触している。１以上のポスト１１６はまた、窪み１１４に加えて、又は窪み１１４の代わりに使用されて、インピンジメントプレート１０２を半径方向内面５４から部分的に半径方向に離間させることができる。それにもかかわらず、インピンジメントプレート１０２は、内側側壁４６の半径方向内面５４に対して同様に他の構成又は向きに配置されてもよい。
図６及び図７は、インピンジメントプレート１０２をより詳細に示す。より具体的には、インピンジメントプレート１０２は、半径方向外面１１８と、半径方向外面１１８から半径方向内側に配置された半径方向内面１２０とを含む。インピンジメントプレート１０２の半径方向外面１１８は、インピンジメントプレート１０２の半径方向内面１２０と内側側壁４６の半径方向内面５４との間に半径方向に配置される。インピンジメントプレート１０２は、前方表面１２２と、前方表面１２２の下流に位置する後方表面１２４とを含む。インピンジメントプレート１０２の前方表面１２２は、内側側壁４６の前方表面６０に近接して配置され、インピンジメントプレート１０２の後方表面１２４は、内側側壁４６の後方表面６２に近接して配置される。インピンジメントプレート１０２はまた、第１の円周面１２６と、第１の円周面１２６から円周方向に離間した第２の円周面１２８とを含む。インピンジメントプレート１０２の第１の円周面１２６は、内側側壁４６の第１の円周面６４に近接して配置され、インピンジメントプレート１０２の第２の円周面１２８は、内側側壁４６の第２の円周面６６に近接して配置される。図４及び図６に示す実施形態では、第１及び第２の円周面１２６、１２８は曲線状である。それにもかかわらず、前方表面１２２、後方表面１２４、第１の円周面１２６、及び第２の円周面１２８は、直線状又は曲線状であってもよい。インピンジメントプレート１０２は、好ましくは、適切なシートメタルから形成される。
図６に最もよく示すように、インピンジメントプレート１０２は、第１の部分１３０及び第２の部分１３２を含む。特に、図６に示す実施形態では、第１及び第２の部分１３０、１３２は、線１３４、１３６、１３８によって分離されている。この点において、第１の部分１３０は、翼形部５０の後縁７８及び内側側壁４６の後方表面６２に近接して配置される。逆に、第２の部分１３２は、翼形部５０の前縁７６及び内側側壁４６の前方表面６０に近接して配置される。それにもかかわらず、第１及び第２の部分１３０、１３２は、他の実施形態では、インピンジメントプレート１０２の異なる領域を占めることができる。図５に示すように、ダクトプレート１１０は、インピンジメントプレート１０２の第１の部分１３０を囲むが、その第２の部分１３２は囲まない。いくつかの実施形態では、１以上のポスト１１６は、線１３４、１３６、１３８の１以上に沿って配置されてもよい。好ましくは、第１の部分１３０は第２の部分１３２よりも大きいが、ただし、第１の部分１３０は、第２の部分１３２と同じ大きさであってもよいし、第２の部分１３２より小さくてもよい。
上述のように、インピンジメントプレート１０２は、１以上のインピンジメント開口部１０４並びに１以上のポストインピンジメント開口部１０６を画成する。図６及び図７に示す実施形態では、複数のインピンジメント開口部１０４はインピンジメントプレート１０２の第１の部分１３０を通って半径方向に延在し、複数のポストインピンジメント開口部１０６はインピンジメントプレート１０２の第２の部分１３２を通って半径方向に延在する。１以上のインピンジメント開口部１０４は、好ましくは、内側側壁４６上の高い熱負荷の領域と軸方向及び円周方向に整列している。１以上のポストインピンジメント開口部１０６は、インピンジメント開口部１０４と干渉しないように、インピンジメント開口部１０４から軸方向及び円周方向に離間している。図６に示す実施形態では、インピンジメントプレート１０２は、ポストインピンジメント開口部１０６よりも多くの（例えば、２倍以上、３倍以上など）インピンジメント開口部１０４を画成することができる。１以上のインピンジメント開口部１０４並びに１以上のポストインピンジメント開口部１０６は、好ましくは円形の断面を有する。ただし、インピンジメント開口部１０４及びポストインピンジメント開口部１０６は、任意の適切な断面を有してもよい。
図７〜図９に示すように、インピンジメントプレート１０２及び内側側壁４６は、それらの間に内側チャンバ１０８を画成する。具体的には、内側チャンバ１０８は、内側側壁４６の半径方向内面５４とインピンジメントプレート１０２の半径方向外面１１８との間に半径方向に配置される。図９に示すように、１以上のポストインピンジメント開口部１０６は、内側チャンバ１０８とダイアフラムキャビティ４４Ｂ（図２）との間の流体連通を可能にする。
上で簡単に述べたように、ノズル冷却システム１００はまた、インピンジメントプレート１０２の第１の部分１３０を囲むダクトプレート１１０を含む。図５及び図８〜図９に示す実施形態では、ダクトプレート１１０は、ドーム部分１４０と、ドーム部分１４０の周辺部の周りに配置されたフランジ１４２とを含む。ドーム部分１４０は、インピンジメントプレート１０２の第１の部分１３０を囲み、フランジ１４２は、ダクトプレート１１０を内側側壁４６の半径方向内面５４に結合する。図５に示す実施形態では、ダクトプレート１１０は、インピンジメントプレート１０２の第２の部分１３２の隙間を提供するノッチ１４６を画成する。すなわち、ノッチ１４６は、第２の部分１３２がダクトプレート１１０の外側にあることを可能にし、それにより、内側チャンバ１０８とダイアフラムキャビティ４４Ｂ（図２）との間の流体連通を１以上のポストインピンジメント開口部１０６を通して可能にする。それにもかかわらず、ダクトプレート１１０は、ダクトプレート１１０がインピンジメントプレート１０２の第１の部分１３０を囲むが、その第２の部分１３２は囲まないようにする他の形状及び／又は構成を有してもよい。
図８〜図９に示すように、ダクトプレート１１０、インピンジメントプレート１０２、及び内側側壁４６は、それらの間に外側チャンバ１１２を画成する。具体的には、外側チャンバ１１２は、ダクトプレート１１０と、内側側壁４６の半径方向内面５４及びインピンジメントプレート１０２の半径方向外面１１８の組合せと、の間に半径方向に配置される。図８に示すように、翼形部通路８４は、外側チャンバ１１２と流体連通している。さらに、１以上のインピンジメント開口部１０４は、外側チャンバ１１２と内側チャンバ１０８との間の流体連通を可能にする。
ここで図５及び図８を参照すると、ダクトプレート１１０のフランジ１４２は、それを貫通して延在する１以上の出口開口部１４４を任意選択的に画成することができる。特に、出口開口部１４４は、外側チャンバ１１２とダイアフラムキャビティ４４Ｂとの間の流体連通を可能にする。出口開口部１４４は、好ましくは、内側側壁４６上の低熱負荷領域と軸方向及び円周方向に整列している。図５に示す実施形態では、第１の円周面６４に近接するフランジ１４２の一部は、複数の出口開口部１４４を画成する。この点において、１以上の出口開口部１４４は、１以上のインピンジメント開口部１０４並びに１以上のポストインピンジメント開口部１０６から円周方向に離間してもよい。実際には、１以上の出口開口部１４４は、翼形部５０のうちの１つによって、１以上のインピンジメント開口部１０４並びに１以上のポストインピンジメント開口部１０６から円周方向に離間してもよい。それにもかかわらず、フランジ１４２は、任意の数の出口開口部１４４を画成することができ、出口開口部１４４を、フランジ１４２に沿った任意の適切な位置に配置することができる。
動作中、本明細書に開示するノズル冷却システム１００は、タービンノズル３２Ａの内側側壁４６を冷却する。上述したように、内側側壁４６の半径方向外面５２は、タービン２４（図１）を通って流れる燃焼ガス４０に曝される。半径方向外面５２によって吸収された熱は、内側側壁４６を通って半径方向内面５４に伝導し、それにより、その温度を上昇させる。この点において、ノズル冷却システム１００は、圧縮空気３８を半径方向内面５４に導く。このようにして、圧縮空気３８は、半径方向内面５４から熱を吸収することによって内側側壁４６を冷却する。
ここで図８を参照すると、翼形部通路８４は圧縮空気３８をノズル冷却システム１００に供給する。図４に示す翼形部通路８４内に配置されたコア８６は、明瞭化のために図８では省略されている。上述したように、図２に示すように、タービンノズル３２Ｂから半径方向外側に配置された圧縮空気３８は、翼形部通路８４を通って流れる。図８に示すように、翼形部通路８４内の圧縮空気３８は、外側チャンバ１１２に流入する。この点で、外側チャンバ１１２は、インピンジメントプレート１０２を通って延在する１つもしくは複数のインピンジメント開口部１０４及び／又はダクトプレート１１０を通って延在する１つもしくは複数の出口開口部１４４に、加圧空気（例えば、圧縮空気３８）を供給するプレナムとして働く。
１以上のインピンジメント開口部１０４は、内側側壁４６の一部のインピンジメント冷却を促進する。より具体的には、外側チャンバ１１２内の圧縮空気３８は、インピンジメントプレート１０２内の１以上のインピンジメント開口部１０４を通って内側チャンバ１０８に流入する。すなわち、１以上のインピンジメント開口部１０４は、圧縮空気３８を外側チャンバ１１２から内側側壁４６の半径方向内面５４上に導く。図９に示すように、圧縮空気３８は、１以上のポストインピンジメント開口部１０６を通って内側チャンバ１０８から出て、ダイアフラムキャビティ４４Ｂに流入する。この点で、圧縮空気３８は、インピンジメントプレート１０２を通って流れることによって、内側チャンバ１０８に出入りする。このように、１以上のポストインピンジメント開口部１０６は、半径方向内面５４のインピンジメント冷却を妨害しないように、１以上のインピンジメント開口部１０４から離間されるべきである。好ましくは、ノズル冷却システム１００は、高い熱負荷を受ける内側側壁４６の一部（例えば、翼形部５０の後縁７８に近接する領域）にインピンジメント冷却を提供する。
１以上の出口開口部１４４は、内側側壁４６の一部のダクト冷却を容易にする。より具体的には、外側チャンバ１１２内の圧縮空気３８は、内側側壁４６の半径方向内面５４の一部に曝される。図８に示す実施形態では、外側チャンバ１１２内の圧縮空気３８は、第１及び第２の円周面６４、６６に近接する半径方向内面５４の一部と接触し、それによりダクト冷却を提供する。それにもかかわらず、外側チャンバ１１２内の圧縮空気３８は、半径方向内面５４の任意の部分にも曝されてもよい。図８に示すように、圧縮空気３８は、１以上の出口開口部１４４を通って外側チャンバ１１２から出て、ダイアフラムキャビティ４４Ｂに流入する。インピンジメントプレート１０２を貫通して延在する１以上のポストインピンジメント開口部１０６は、半径方向内面５４のダクト冷却を妨害しないように、１以上の出口開口部１４４から離間されるべきである。好ましくは、ノズル冷却システム１００は、低い熱負荷を受ける内側側壁４６の一部（例えば、第１及び第２の円周面６４、６６に近接する領域）にダクト冷却を提供する。
上でより詳細に説明したように、本明細書に開示したノズル冷却システム１００は、圧縮空気３８を内側側壁４６の半径方向内面５４に供給し、それにより、内側側壁４６を冷却する。特に、インピンジメントプレート１０２を貫通して延在する１以上のインピンジメント開口部１０４は、圧縮空気３８を内側チャンバ１０８内及び半径方向内面５４上に導く。インピンジメントプレート１０２はまた、内側側壁４６を冷却した後に圧縮空気３８が内側チャンバ１０８から出ることを可能にする、１以上のポストインピンジメント開口部１０６を画成する。１以上のインピンジメント開口部１０４と１以上のポストインピンジメント開口部１０６の両方がインピンジメントプレート１０２を貫通して延在しているので、ノズル冷却システム１００は、使用済み圧縮空気３８を内側チャンバ１０８から排出するために、内側側壁４６に形成された開口部を必要としない。このように、ノズル冷却システム１００は、従来のノズル冷却システムと比較して、ガスタービンエンジンの全体コストを低減する。
ノズル冷却システム１００は、第２段３０Ｂのタービンノズル３２Ｂの文脈で上述したが、ノズル冷却システム１００は、第１段３０Ａ及び第３段３０Ｃのタービンノズル３２Ａ、３２Ｃに組み込まれてもよい。実際、ノズル冷却システム１００は、タービンセクション２２内の任意のノズルに組み込まれてもよい。さらに、ノズル冷却システム１００は、圧縮機ノズルに組み込まれてもよい。
この明細書は、本技術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、いかなる当業者も本技術を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイス又はシステムを製造し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本技術の特許され得る範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到す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が請求項の字義通りの文言と異ならない構造要素を含む場合、又は、それらが請求項の字義通りの文言と実質的な差異がない等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。
［実施態様１］
ガスタービンエンジン（１０）用のノズル冷却システム（１００）であって、
内側側壁（４６）を含むノズル（３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ）であって、内側側壁（４６）は半径方向内面（５４）及び半径方向外面（５２）を含む、ノズルと、
内側側壁（４６）の半径方向内面（５４）から半径方向内側に配置されたインピンジメントプレート（１０２）であって、インピンジメントプレート（１０２）及び内側側壁（４６）は、内側チャンバ（１０８）を集合的に画成し、インピンジメントプレート（１０２）は、１以上のインピンジメント開口部（１０４）を画成する第１の部分（１３０）と、１以上のポストインピンジメント開口部（１０６）を画成する第２の部分（１３２）とを含む、インピンジメントプレート（１０２）と、
インピンジメントプレート（１０２）の第１の部分（１３０）を囲むダクトプレート（１１０）であって、ダクトプレート（１１０）、インピンジメントプレート（１０２）の第１の部分（１３０）、及び内側側壁（４６）は、１以上のインピンジメント開口部（１０４）を通して内側チャンバ（１０８）と流体連通する外側チャンバ（１１２）を集合的に画成する、ダクトプレート（１１０）とを含み、
外側チャンバ（１１２）からの圧縮空気（３８）は、１以上のインピンジメント開口部（１０４）を通って内側チャンバ（１０８）に流入し、１以上のポストインピンジメント開口部（１０６）を通って内側チャンバ（１０８）から出る、ノズル冷却システム（１００）。
［実施態様２］
ノズル（３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ）は、外側側壁（４８）と、外側側壁（４８）から内側側壁（４６）まで延在する翼形部（５０）とを含み、翼形部（５０）は、外側チャンバ（１１２）と流体連通する翼形部通路（５０）を画成する、実施態様１に記載のノズル冷却システム（１００）。
［実施態様３］
圧縮空気（３８）は、翼形部通路（５０）を通って外側チャンバ（１１２）に入る、実施態様２に記載のノズル冷却システム（１００）。
［実施態様４］
１以上のポストインピンジメント開口部（１０６）から出る圧縮空気（３８）は、ダイアフラムキャビティ（４４Ｂ，４４Ｃ）に流入する、実施態様１に記載のノズル冷却システム（１００）。
［実施態様５］
ダクトプレート（１１０）は、外側チャンバ（１１２）とダイアフラムキャビティ（４４Ｂ，４４Ｃ）との間の流体連通をもたらす１以上の出口開口部（１４４）を画成する、実施態様１に記載のノズル冷却システム（１００）。
［実施態様６］
１以上の出口開口部（１４４）は、１以上のインピンジメント開口部（１０４）並びに１以上のポストインピンジメント開口部（１０６）から円周方向に離間している、実施態様５に記載のノズル冷却システム（１００）。
［実施態様７］
１以上の出口開口部（１４４）は、翼形部（５０）によって、１以上のインピンジメント開口部（１０４）並びに１以上のポストインピンジメント開口部（１０６）から円周方向に離間している、実施態様６に記載のノズル冷却システム（１００）。
［実施態様８］
インピンジメントプレート（１０２）の第１の部分（１３０）は、インピンジメントプレート（１０２）の第２の部分（１３２）より大きな面積を有する、実施態様１に記載のノズル冷却システム（１００）。
［実施態様９］
インピンジメントプレート（１０２）は、１以上のポスト（１１６）によって、内側側壁（４６）の半径方向内面（５４）から少なくとも部分的に離間している、実施態様１に記載のノズル冷却システム（１００）。
［実施態様１０］
インピンジメントプレート（１０２）は、曲面を含む、実施態様１に記載のノズル冷却システム（１００）。
［実施態様１１］
１以上のインピンジメント開口部（１０４）は、１以上のポストインピンジメント開口部（１０６）と内側側壁（４６）の後方表面（６２）との間に軸方向に配置される、実施態様１に記載のノズル冷却システム（１００）。
［実施態様１２］
インピンジメントプレート（１０２）は、シートメタルから形成される、実施態様１に記載のノズル冷却システム（１００）。
［実施態様１３］
ガスタービンエンジン（１０）であって、
圧縮機セクション（１２）と、
燃焼セクション（１８）と、
タービンセクション（２２）とを含み、タービンセクション（２２）は、
内側側壁（４６）、外側側壁（４８）、及び内側側壁（４６）と外側側壁（４８）との間に延在する翼形部（５０）を含むノズル（３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ）であって、内側側壁（４６）は、半径方向内面（５４）及び半径方向外面（５２）を含む、ノズルと、
内側側壁（４６）の半径方向内面（５６）から半径方向内側に配置されたインピンジメントプレート（１０２）であって、インピンジメントプレート（１０２）及び内側側壁（４６）は、内側チャンバ（１０８）を集合的に画成し、インピンジメントプレート（１０２）は、１以上のインピンジメント開口部（１０４）を画成する第１の部分（１３０）と、１以上のポストインピンジメント開口部（１０６）を画成する第２の部分（１３２）とを含む、インピンジメントプレート（１０２）と、
インピンジメントプレート（１０２）の第１の部分（１３０）を囲むダクトプレート（１１０）であって、ダクトプレート（１１０）、インピンジメントプレート（１０２）の第１の部分（１３０）、及び内側側壁（４６）は、１以上のインピンジメント開口部（１０４）を通して内側チャンバ（１０８）と流体連通する外側チャンバ（１１２）を集合的に画成する、ダクトプレート（１１０）とを含み、
外側チャンバ（１１２）からの圧縮空気（３８）は、１以上のインピンジメント開口部（１０４）を通って内側チャンバ（１０８）に流入し、１以上のポストインピンジメント開口部（１０６）を通って内側チャンバ（１０８）から出る、ガスタービンエンジン。（１０）
［実施態様１４］
翼形部（５０）は、外側チャンバ（１１２）と流体連通する翼形部通路（５０）を画成し、圧縮空気（３８）は翼形部通路（５０）を通って外側チャンバ（１１２）に入る、実施態様１３に記載のガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１５］
１以上のポストインピンジメント開口部（１０６）から出る圧縮空気（３８）は、ダイアフラムキャビティ（４４Ｂ，４４Ｃ）に流入する、実施態様１３に記載のガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１６］
ダクトプレート（１１０）は、外側チャンバ（１１２）とダイアフラムキャビティ（４４Ｂ，４４Ｃ）との間の流体連通をもたらす１以上の出口開口部（１４４）を画成する、実施態様１３に記載のガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１７］
１以上の出口開口部（１４４）は、１以上のインピンジメント開口部（１０４）並びに１以上のポストインピンジメント開口部（１０６）から円周方向に離間している、実施態様１６に記載のガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１８］
１以上の出口開口部（１４４）は、翼形部（５０）によって、１以上のインピンジメント開口部（１０４）並びに１以上のポストインピンジメント開口部（１０６）から円周方向に離間している、実施態様１７に記載のガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１９］
インピンジメントプレート（１０２）の第１の部分（１３０）は、インピンジメントプレート（１０２）の第２の部分（１３２）より大きな面積を有する、実施態様１３に記載のガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様２０］
インピンジメントプレート（１０２）は、１以上のポスト（１１６）によって、内側側壁（４６）の半径方向内面（５４）から少なくとも部分的に離間している、実施態様１３に記載のガスタービンエンジン（１０）。
１０ ガスタービンエンジン
１２ 圧縮機セクション
１４ 入口
１６ 圧縮機
１８ 燃焼セクション
２０ 燃焼器
２２ タービンセクション
２４ タービン
２６ ロータシャフト
２８ 軸方向中心線
３０Ａ 第１のタービン段
３０Ｂ 第２のタービン段
３０Ｃ 第３のタービン段
３２Ａ タービンノズル
３２Ｂ タービンノズル
３２Ｃ タービンノズル
３４Ａ タービンロータブレード
３４Ｂ タービンロータブレード
３４Ｃ タービンロータブレード
３６ シェル／ケーシング
３８ 圧縮空気
４０ 燃焼ガス
４２Ｂ ダイアフラム
４２Ｃ ダイアフラム
４４Ｂ ダイアフラムキャビティ
４４Ｃ ダイアフラムキャビティ
４６ 内側側壁
４８ 外側側壁
５０ 翼形部
５２ 内側側壁の半径方向外面
５４ 内側側壁の半径方向内面
５６ 外側側壁の半径方向内面
５８ 外側側壁の半径方向外面
６０ 内側側壁の前方表面
６２ 内側側壁の後方表面
６４ 内側側壁の第１の円周面
６６ 内側側壁の第２の円周面
６８ 外側側壁の前方表面
７０ 外側側壁の後方表面
７２ 外側側壁の第１の円周面
７４ 外側側壁の第２の円周面
７６ 前縁
７８ 後縁
８０ 正圧側壁
８２ 負圧側壁
８４ 翼形部通路
８６ コア
１００ ノズル冷却システム
１０２ インピンジメントプレート
１０４ インピンジメント開口部
１０６ ポストインピンジメント開口部
１０８ 内側チャンバ
１１０ ダクトプレート
１１２ 外側チャンバ
１１４ 窪み
１１６ ポスト
１１８ インピンジメントプレートの半径方向外面
１２０ インピンジメントプレートの半径方向内面
１２２ インピンジメントプレートの前方表面
１２４ インピンジメントプレートの後方表面
１２６ インピンジメントプレートの第１の円周面
１２８ インピンジメントプレートの第２の円周面
１３０ インピンジメントプレートの第１の部分
１３２ インピンジメントプレートの第２の部分
１３４ 線
１３６ 線
１３８ 線
１４０ ドーム部分
１４２ フランジ
１４４ 出口開口部
１４６ ノッチ

Claims (15)

  1. ガスタービンエンジン用のノズル冷却システムであって、
    内側側壁を含むノズルであって、内側側壁は半径方向内面及び半径方向外面を含む、ノズルと、
    内側側壁の半径方向内面から半径方向内側に配置されたインピンジメントプレートであって、インピンジメントプレート及び内側側壁は、内側チャンバを集合的に画成し、インピンジメントプレートは、１以上のインピンジメント開口部を画成する第１の部分と、１以上のポストインピンジメント開口部を画成する第２の部分とを含む、インピンジメントプレートと、
    インピンジメントプレートの第１の部分を囲むダクトプレートであって、ダクトプレート、インピンジメントプレートの第１の部分、及び内側側壁は、１以上のインピンジメント開口部を通して内側チャンバと流体連通する外側チャンバを集合的に画成する、ダクトプレートと
    を備えており、外側チャンバからの圧縮空気が、１以上のインピンジメント開口部を通って内側チャンバに流入し、１以上のポストインピンジメント開口部を通って内側チャンバから出る、ノズル冷却システム。
  2. ノズルが、外側側壁と、外側側壁から内側側壁まで延在する翼形部とを含んでおり、翼形部が、外側チャンバと流体連通する翼形部通路を画成する、請求項１に記載のノズル冷却システム。
  3. 圧縮空気が翼形部通路を通って外側チャンバに入る、請求項２に記載のノズル冷却システム。
  4. １以上のポストインピンジメント開口部から出る圧縮空気が、ダイアフラムキャビティに流入する、請求項１に記載のノズル冷却システム。
  5. ダクトプレートが、外側チャンバとダイアフラムキャビティとの間の流体連通をもたらす１以上の出口開口部を画成する、請求項１に記載のノズル冷却システム。
  6. １以上の出口開口部が、１以上のインピンジメント開口部並びに１以上のポストインピンジメント開口部から円周方向に離間している、請求項５に記載のノズル冷却システム。
  7. １以上の出口開口部が、翼形部によって、１以上のインピンジメント開口部並びに１以上のポストインピンジメント開口部から円周方向に離間している、請求項６に記載のノズル冷却システム。
  8. インピンジメントプレートの第１の部分が、インピンジメントプレートの第２の部分より大きな面積を有する、請求項１に記載のノズル冷却システム。
  9. インピンジメントプレートが、１以上のポストによって、内側側壁の半径方向内面から少なくとも部分的に離間している、請求項１に記載のノズル冷却システム。
  10. インピンジメントプレートが曲面を含む、請求項１に記載のノズル冷却システム。
  11. １以上のインピンジメント開口部が、１以上のポストインピンジメント開口部と内側側壁の後方表面との間に軸方向に配置される、請求項１に記載のノズル冷却システム。
  12. インピンジメントプレートがシートメタルから形成される、請求項１に記載のノズル冷却システム。
  13. ガスタービンエンジンであって、
    圧縮機セクションと、
    燃焼セクションと、
    タービンセクションと
    を備えており、タービンセクションが、
    内側側壁、外側側壁、及び内側側壁と外側側壁との間に延在する翼形部を含むノズルであって、内側側壁は、半径方向内面及び半径方向外面を含む、ノズルと、
    内側側壁の半径方向内面から半径方向内側に配置されたインピンジメントプレートであって、インピンジメントプレート及び内側側壁は、内側チャンバを集合的に画成し、インピンジメントプレートは、１以上のインピンジメント開口部を画成する第１の部分と、１以上のポストインピンジメント開口部を画成する第２の部分とを含む、インピンジメントプレートと、
    インピンジメントプレートの第１の部分を囲むダクトプレートであって、ダクトプレート、インピンジメントプレートの第１の部分、及び内側側壁は、１以上のインピンジメント開口部を通して内側チャンバと流体連通する外側チャンバを集合的に画成する、ダクトプレートと
    を備えており、外側チャンバからの圧縮空気が、１以上のインピンジメント開口部を通って内側チャンバに流入し、１以上のポストインピンジメント開口部を通って内側チャンバから出る、ガスタービンエンジン。
  14. 翼形部が、外側チャンバと流体連通する翼形部通路を画成し、圧縮空気が翼形部通路を通って外側チャンバに入る、請求項１３に記載のガスタービンエンジン。
  15. ダクトプレートが、外側チャンバとダイアフラムキャビティとの間の流体連通をもたらす１以上の出口開口部を画成する、請求項１３に記載のガスタービンエンジン。
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