JP2020002950A - 重なり合う表面近傍冷却チャネル - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンの被冷却構造を提供する。【解決手段】被冷却構造は、前縁と、後縁と、前縁および後縁の各々に直交する第１の側部と、第１の側部の反対側であり、前縁および後縁の各々に実質的に直交する第２の側部とを有する。被冷却構造は、前縁、後縁、第１の側部および第２の側部を含む境界によって画定された基板表面を含む。基板表面下の第１の組の冷却チャネルは、第１の側部に近接する第１の組の入口から第２の側部に近接する第１の組の出口に延びる。基板表面下の第２の組の冷却チャネルは、第２の側部に近接する第２の組の入口から第１の側部に近接する第２の組の出口に延びる。各第１の入口は、第２の組の出口の１つの出口と重なり合う。【選択図】図５

Description

本開示は、一般に、ガスタービンの被冷却構造に関し、より具体的には、構造の縁部冷却を強化するように経路設定された重なり合う冷却チャネルに関する。

大型の強力な産業用ガスタービンエンジンでは、燃焼器内で発生した高温ガス流がタービンを通過して機械的仕事を生じる。タービンは、次第に低下する温度で高温ガス流と反応するステータベーンおよびロータブレードの１つまたは複数の列または段を含む。タービン、ひいてはエンジンの効率は、より高温のガス流をタービンに通すことによって高めることができる。しかしながら、タービン入口温度は、タービンの材料特性、特に第１段のベーンおよびブレード、ならびにこれらの第１段の翼形部に対するある程度の冷却能力に制限されることがある。

第１段のロータおよびステータ構成要素は、最も高いガス流温度に曝され、ガス流がタービン段を通過するにつれて温度が徐々に低下する。冷却空気を内部冷却通路に通し、冷却空気を膜冷却孔を介して排出して冷却空気のブランケット層を提供し、高温ガス流から被冷却表面を保護することによって、第１および第２段の翼形部（ブレードおよびベーン）を冷却しなければならない。

タービンロータブレードは、ブレード先端とのギャップを形成するシュラウドによって形成された被冷却表面内で回転する。シュラウドは、リングキャリア内に固定された多数のセグメントで形成される。ギャップを通過する漏れを含む第１段のノズルからの高温ガス流は、タービン効率を低下させるだけでなく、シュラウド上にホットスポットを形成し、それが侵食または他の熱的に誘発される損傷をもたらして部品寿命を短くする。

本開示の態様および利点は、以下の説明に一部が記載されるか、または本開示の実施を通じて理解することができる。

一実施形態では、被冷却構造は、前縁と、後縁と、前縁および後縁の各々に直交する第１の側部と、第１の側部の反対側であり、前縁および後縁の各々に実質的に直交する第２の側部とを有する。被冷却構造は、前縁、後縁、第１の側部および第２の側部を含む境界によって画定された基板表面を含む。基板表面下の第１の組の冷却チャネルは、第１の側部に近接する第１の組の入口から第２の側部に近接する第１の組の出口に延びる。基板表面下の第２の組の冷却チャネルは、第２の側部に近接する第２の組の入口から第１の側部に近接する第２の組の出口に延びる。各第１の入口は、第２の組の出口の少なくとも１つの出口と重なり合い、第２の組の出口の少なくとも１つの出口よりも基板表面に近い。第１の入口の少なくとも１つは、第１および第２の組の冷却空気マイクロチャネルの少なくとも１つの冷却空気マイクロチャネルのチャネル側部に供給を行う。チャネル側部は、基板の半径方向内側表面に向かって傾斜した移行部を含む。

別の実施形態では、構造は、前縁と、前縁の反対側の後縁と、前縁および後縁の各々に実質的に直交する第１の側部と、第１の側部の反対側であり、前縁および後縁の各々に実質的に直交する第２の側部とを含む。構造は、前縁、後縁、第１の側部および第２の側部を含む境界によって画定された基板表面を含む。基板表面は、高温流体に曝される。基板表面下の第１の組の冷却チャネルは、第１の側部に近接する第１の組の入口から第２の側部に近接する第１の組の出口に延びる。各冷却チャネルは、第１の側部に隣接するチャネル側部を含む。各チャネル側部は、隣接するチャネル側部の少なくとも部分的に半径方向内向きまたは半径方向外向きにある。

別の実施形態では、上述の被冷却構造は、圧縮機セクションと、圧縮機から下流に配置された燃焼セクションの複数の燃焼器と、燃焼セクションから下流に配置されたタービンセクションとを有するガスタービンの一部である。

本開示のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下の説明およ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て、本明細書の一部を構成し、本開示の実施形態を例示し、説明と共に本開示の原理を説明するのに役立つ。

その最良の形態を含み、当業者を対象とする、完全かつ実施可能な程度の開示が本明細書に記載され、以下の添付の図を参照する。

本明細書の実施形態を組み込むことができる典型的なガスタービンの概略図である。 本開示の様々な実施形態による、例示的なロータブレードおよび第２段のシュラウドブロックアセンブリの一部を含むタービンセクションの一部の拡大断面側面図である。 ガスタービンの第１段に典型的な、タービンシュラウドブロックアセンブリを形成するために外側タービンシュラウドセグメントに結合された内側タービンシュラウドセグメントの一実施形態の斜視図である。 本開示の様々な実施形態による、マイクロチャネルを有する内側タービンシュラウドセグメントの斜視図である。 予備焼結プリフォーム（ＰＳＰ）層のない内側タービンシュラウドセグメントマイクロチャネルの一実施形態の底面図である。 マイクロチャネルの湾曲部と織り合わされた排気端を示す拡大底面図である。 湾曲部と重なり合うように燃焼ガス側面から概ね半径方向外向きに延びる排気端を示す第１のスラッシュ面の拡大底面図である。 重なり合う特徴を示す拡大側面図である。 重なり合う特徴および重ならない特徴を示す底面図である。 Ｊ字形の冷却チャネルを示す拡大底面図である。 重なり合うＪ字形の冷却チャネルを示す拡大底面図である。

本明細書および図面における符号の反復使用は、本開示の同じまたは類似の特徴もしくは要素を表すことを意図している。

以下、本発明の本実施形態について詳しく説明するが、その１つまたは複数の例が、添付の図面に示されている。詳細な説明は、図面の特徴を参照するために、数字および文字の符号を使用する。図面および説明における類似または同様の符号は、本発明の類似または同様の部分を指して使用されている。本明細書で使用する場合、「第１の」、「第２の」、および「第３の」という用語は、ある構成要素を別の構成要素から区別するために交換可能に使用することができ、個々の構成要素の位置または重要性を示すことを意図するものではない。「上流」または「後方」、ならびに「下流」または「前方」という用語は、流体経路における流体の流れに関する相対的な方向を指す。例えば、「上流」または「後方」は、流体が流れてくる方向を指し、「後部」と呼ばれることもある。「下流」または「前方」は、流体が流れていく方向を指し、「前部」と呼ばれることもある。「半径方向に」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線に実質的に垂直な相対方向を指し、「軸方向に」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線に実質的に平行な相対方向を指す。「円周方向の」および「接線方向の」という用語は、回転タービンまたは圧縮機ロータの円周方向と整列した方向を指すことがある。

本明細書および特許請求の範囲を通してここで使用される、近似を表す文言は、関連する基本的機能に変化をもたらすことなく、差し支えない程度に変動できる任意の量的表現を修飾するために適用することができる。したがって、「およそ（ａｂｏｕｔ）」、「約（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」、および「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」などの用語で修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの例では、近似を表す文言は、値を測定するための機器の精度に対応することができる。ここで、ならびに本明細書および特許請求の範囲の全体を通じて、範囲限界を組み合わせてもよいし、および／または置き換えてもよい。文脈または文言が特に指示しない限り、このような範囲は識別され、本明細書に含まれるすべての部分範囲を含む。

各例は、本発明の限定としてではなく、本発明の例示として提示される。実際、本発明の範囲または趣旨を逸脱せずに、修正およ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または説明された特徴を別の実施形態で使用し、さらに別の実施形態を得ることができる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲に含まれるような修正および変更を、包含するように意図されている。本発明の例示的な実施形態は、説明の目的でガスタービンに関して一般的に説明されるが、当業者であれば、本発明の実施形態を任意のターボ機械に適用することができ、特許請求の範囲に具体的に列挙しない限り、産業用ガスタービンに限定されないことを容易に理解するであろう。産業用、舶用、また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開示は、特許請求の範囲に特に明記されない限り、陸上用および／または産業用、および／または舶用のガスタービンに限定されない。例えば、本明細書に記載される本開示は、限定はしないが、航空機転用タービンまたは舶用ガスタービンならびに航空機エンジンタービン、および／または航空用エンジンを含む任意のタイプのタービンに使用され得る。

本明細書の被冷却構造は、構造の完全性を保つために、強制冷却空気源との直接接触を必要とする任意の構造として定義される。これらの構造は、タービンシュラウド、ノズル、ブレード、およびタービンの任意の他の高温ガス経路構成要素の部分を含むことができる。

ここで図面を参照すると、同じ参照符号は同じ構成要素を指し、図１は、本発明の様々な実施形態を組み込むことができるガスタービン１０の例を示している。示すように、ガスタービン１０は、一般に、圧縮機セクション１２を有し、圧縮機セクション１２は、ガスタービン１０の上流端に配置された入口１４と、圧縮機セクション１２を少なくとも部分的に取り囲むケーシング１６とを有する。ガスタービン１０は、圧縮機セクション１２から下流に少なくとも１つの燃焼器２０を有する燃焼セクション１８と、燃焼セクション１８から下流のタービンセクション２２とをさらに含む。示すように、燃焼セクション１８は、複数の燃焼器２０を含むことができる。シャフト２４は、ガスタービン１０を通って軸方向に延びる。

動作中、空気２６は、圧縮機セクション１２の入口１４に引き込まれ、次第に圧縮されて圧縮空気２８を燃焼セクション１８に提供する。圧縮空気２８は、燃焼セクション１８に流入し、燃焼器２０の燃料と混合されて可燃性混合物を形成する。可燃性混合物は、燃焼器２０で燃焼され、それにより燃焼器２０からタービンノズル３４の第１段３２を横切ってタービンセクション２２に流れる高温ガス３０を発生させる。タービンセクションは、一般に、タービンノズル３４の隣接する列によって軸方向に分離されたロータブレード３６の１つまたは複数の列を含む。ロータブレード３６は、ロータディスクを介してロータシャフト２４に結合される。ロータシャフト２４は、エンジン中心線ＣＬを中心に回転する。タービンケーシング３８は、ロータブレード３６およびタービンノズル３４を少なくとも部分的に包囲する。ロータブレード３６の列の各々またはいくつかは、タービンケーシング３８内に配置されるシュラウドブロックアセンブリ４０によって円周方向に取り囲まれてもよい。高温ガス３０は、タービンセクション２２を通って流れる際に急速に膨張する。熱および／または運動エネルギーが高温ガス３０からロータブレード３６の各段に伝達され、それによりシャフト２４が回転して機械的仕事が生じる。シャフト２４は、発電機（図示せず）などの負荷に結合されて電気を生成することができる。加えて、または代わりに、シャフト２４を使用して、ガスタービンの圧縮機セクション１２を駆動することができる。

図２は、本開示の様々な実施形態による、例示的なロータブレード３６および第２段のシュラウドブロックアセンブリ４０の一部を含むタービンセクション２２の一部の拡大断面側面図である。図２に示すように、シュラウドブロックアセンブリ４０は、一般に、タービンケーシング３８（図示せず）とロータブレード３６の先端部４２との間で半径方向９４に延びる。シュラウドブロックアセンブリ４０は、通常、タービンケーシング３８（図示せず）内のロータブレード３６の周りに環状アレイで円周方向９０に配置される複数のシュラウドブロックセグメント１００にシュラウドブロックアセンブリ４０を固定するための取り付けハードウェア４６を含む。

図３は、シュラウドハンガ６２に結合されてタービンシュラウドブロックアセンブリ４０を形成するシュラウドブロックセグメント１００の一実施形態の斜視図であり、これは第１のガスタービン回転段（すなわち、第１段のロータ）と共に使用することができる。タービン１０は、それぞれのタービン段を中心にリングを共に形成する複数のタービンシュラウドブロックアセンブリ４０を含む。特定の実施形態では、タービン１０は、タービン１０の回転軸を中心に円周方向９０に配置された各タービンシュラウドセグメント４０のそれぞれのシュラウドハンガ６２に結合された複数のシュラウドブロックセグメント１００を含んでもよい。他の実施形態では、タービン１０は、シュラウドハンガ６２に結合されてタービンブロックアセンブリ４０を形成する複数のシュラウドブロックセグメント１００を含むことができる。いくつかの実施形態では、予備焼結プリフォーム（ＰＳＰ）層５８は、燃焼ガス側面１１２に配置する（例えば、ろう付けする）ことができ、それによりＰＳＰ層５８の第１のＰＳＰ表面６４が本体１０２と共にチャネルを画定し（例えば、覆う）、ＰＳＰ層５８の第２のＰＳＰ表面６６が高温ガス流路３０と接合する。ＰＳＰ層５８は、超合金、ろう付け材料、またはそれらの混合で形成することができる。特定の実施形態では、ＰＳＰ層５８の代替物として、本体１０２と共にチャネルを画定する非ＰＳＰ金属シートを燃焼ガス側面１１２に配置することができる。いくつかの実施形態では、ＰＳＰ層５８の代替物として、バリアコーティングまたは遮熱コーティングを利用して、本体１０２内のチャネルを囲むことができる。

図示のように、シュラウドブロックセグメント１００は、上流または前縁１０４および下流または後縁１０６を有する本体１０２を含み、その両方が高温ガス流路３０と接合する。本体１０２はまた、前縁１０４および後縁１０６に略垂直に配置された第１の側部１０８（例えば、第１のスラッシュ面）および第２の側部１１０（例えば、第２のスラッシュ面）を含む。本体１０２は、一対の対向する側面をさらに含み、燃焼ガス側面１１２は、前縁１０４と後縁１０６との間に延び、裏面１１４は、第１の側部１０８と第２の側部１１０との間に延びる。本体１０２の燃焼ガス側面１１２の各々は、高温ガス流路３０の境界または周囲を画定する。特定の実施形態では、本体１０２（特に、対向する側面１１２、１１４）は、第１の側部１０８と第２の側部１１０との間の円周方向９０において、および／または前縁１０４と後縁１０６との間の軸方向９２において、円弧形状であってもよい。裏面１１４は、シュラウドブロックセグメント１００とシュラウドハンガ６２との間に画定されたキャビティ１１８と接合するように構成される。

図４および図５に見られるように、本体１０２は、燃焼ガス側面１１２内に配置された複数の冷却空気マイクロチャネル７４（例えば、冷却チャネルまたはマイクロチャネル）を含み、高温ガス流路構成要素（例えば、タービンシュラウド４０、シュラウドブロックセグメント１００など）を冷却するのを助けることができる。特定の実施形態では、これらのチャネルのいくつかは、本体１０２の第１および第２の側部１０８、１１０内に配置された他のチャネルの有無にかかわらず、後縁１０６または前縁１０４に隣接して配置される。

いくつかの実施形態では、被冷却構造およびマイクロチャネルは、全体が鋳造されてもよく、液体ジェット誘導レーザ技術（液体マイクロジェットと呼ばれることもある）で切削されてもよく、付加製造プロセスによって「３Ｄ印刷」されてもよく、または燃焼ガス側面１１２の近くの本体１０２内で精密に機械加工されてもよい。付加製造構築方法は、結合剤噴射、指向性エネルギー堆積、材料押出、選択的レーザ溶融、材料噴射、粉末床溶融結合、シート積層、および液槽光重合のうちの任意の形態を含むことができる。より具体的には、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）、および電子ビーム溶融（ＥＢＭ）を使用して、被冷却構造およびマイクロチャネルを製造することができる。

図４および図５に示す例示的な実施形態は、互いに隣接して配置された湾曲部７８を含む本体１０２を有する。シュラウドブロックセグメント１００は、一般に、圧縮機１２からタービン１０の冷却媒体または空気に近接している（すなわち、高温ガス流路３０の燃焼ガス側面１１２の温度よりも低い）。シュラウドブロックセグメント１００は、冷却流体をキャビティ１１８に提供する圧縮機１２から冷却流体または空気を受け取るための吸気端７６を含む。冷却媒体は、裏面１１４から冷却チャネル７４に延びる本体１０２内に配置された吸気端７６を介してシュラウドブロックセグメント１００の本体１０２内の冷却チャネル７４に流れる。

各冷却チャネル７４は、吸気端７６および排気端８２を有する湾曲部７８を含む。排気端８２は、冷却チャネル７４内の冷却流体の流れを調節するための調量特徴（例えば、チャネルの隣接する断面積に対してチャネルの一部の断面積を狭める、チャネルに延びる本体１０２の一部）を含むことができる。特定の実施形態では、各冷却チャネル７４自体（排気端部を除く）は、調量特徴（例えば、チャネルに延びる本体１０２の一部を含む）として作用する。他の実施形態では、湾曲部７８に結合された吸気端７６は、調量特徴（例えば、吸気端７６に延びる本体１０２の一部）を含むことができる。特定の実施形態では、冷却チャネル７４自体、排気端８２、または吸気端７６、またはそれらの組合せは、調量特徴を含む。加えて、冷却流体は、第１の側部１０８および／または第２の側部１１０において排気端８２を介して冷却チャネル７４（および本体１０２）から出る。特定の実施形態では、チャネルは、第１の側部１０８に隣接して配置された吸気端７６を有する第１の組のチャネルと、第２の側部１１０に隣接して配置された第２の組のチャネルとの交互パターンで配置することができ、隣接するチャネルは、反対の配向を有する。

冷却チャネル７４の湾曲部７８は、冷却空気流を減少させながら、スラッシュ面１０８、１１０に隣接する冷却チャネル７４の長さを増加させることによって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。各組のチャネルにおいて、湾曲部７８は、互いに隣接して配置され、反対側の冷却チャネル７４と織り合わされているかまたは重なり合っている排気端８２を組み込んでもよい。湾曲部７８は、湾曲部７８から概して半径方向外向きに配置された複数の排気ポート８０から冷却空気を排出するように構成される、対向する排気端８２の周りまたはその上に延びる。織り合わされた排気端８２は、半径方向外向き、軸方向前方、軸方向後方、およびそれらの混合など、湾曲部７８の周りのほとんどの方向に延びることができる。特定の実施形態では、本体１０２は、本体１０２の残りの部分に配置されたチャネルとは異なる形状の後縁１０６および前縁１０４に隣接して配置されたチャネルを含む。例えば、後縁１０６または前縁１０４に隣接するチャネルは、各々蛇行パターンを含むことができる。冷却チャネル７４の形状はまた、閉塞したチャネルの場合に適切な冷却を提供するように強化される。内側タービンシュラウドセグメントの開示された実施形態は、（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）少ない空気でシュラウドブロックセグメント１００の冷却を可能にし、その結果、冷却に利用される装入可能な空気に関連するコストを低減することができる。

図４は、様々な実施形態による、冷却チャネル７４を有する例示的なシュラウドブロックセグメント１００の斜視図である。図４に示すように、シュラウドブロックセグメント１００は、前縁部１０４と、後縁部１０６と、第１の側部１０８と、対向する第２の側部１１０とを有する本体１０２を含む。第１および第２の側部１０８、１１０は、前縁部１０４と後縁部１０６との間で軸方向に延びる。本体１０２は、対向する裏面１１４から半径方向に分離された燃焼ガス側面１１２をさらに含む。燃焼ガス側面１１２は、シュラウドブロックセグメント１００の軸方向中心線１１６（ＣＬ）に対してほぼ円弧状または円周状の形状を有する。燃焼ガス側面１１２は、遮熱コーティングなどのような耐熱コーティングでコーティングすることができる。冷却ポケットまたはキャビティ１１８は、裏面１１４に画定される。キャビティ１１８は、前縁部１０４と、後縁部１０６と、第１の側部１０８と、対向する第２の側部１１０との間に少なくとも部分的に画定される。キャビティ１１８は、燃焼ガス側面１１２から半径方向外向きに配置され、傾斜した外周壁１２０をさらに画定する。傾斜した外周壁１２０は、約０度〜約９０度の、半径方向９４から測定した任意の適切な角度で配置することができ、冷却チャネル７４（またはマイクロチャネル）の吸気端７６においてキャビティ１１８の周りに冷却空気を適切に分布させることができる。

図５は、ＰＳＰ層５８のないシュラウドブロックセグメント１００に配置された冷却空気マイクロチャネル７４の一実施形態の底面図である。図示のように、本体１０２は、燃焼ガス側面１１２内に配置された複数の冷却チャネル７４（例えば、冷却チャネルまたはマイクロチャネル）を含む。本体１０２は、２〜４０個以上の冷却チャネル７４を含むことができる。各冷却チャネル７４は、キャビティ１１８から冷却流体を受け取るように構成される。各冷却チャネル７４は、互いに隣接して配置された湾曲部７８を含む吸気端部７６を含む。各湾曲部７８は、約０．０５〜約１３ミリメートル（ｍｍ）、約０．１〜約１０ｍｍ、約１．１４〜約７ｍｍ、およびそれらの間のすべての部分範囲の範囲の折り返し半径８４を有する。各湾曲部７８の吸気端７６は、キャビティ１１８に流体的に結合され、キャビティ１１８から冷却流体を受け取る。湾曲部７８の曲率および織り合わされたおよび／または重なり合う（以下に説明する）半径方向に変位した排気端８２により、冷却チャネル７４および湾曲部７８を第１および第２の側部１０８、１１０内で互いに隣接しかつ半径方向に重なり合うように配置することが可能になる。加えて、湾曲部７８は、側部１０８、１１０に隣接する冷却チャネル７４の長さを増大させながら冷却流を減少させることによってより大きな冷却領域を提供する。湾曲部７８および織り合わされたおよび／または重なり合う（以下に説明する）半径方向に変位した排気端８２は、冷却チャネル７４の直線部のより良好な間隔を可能にする。さらに、湾曲部７８および織り合わされた半径方向に変位した排気端８２のループ形状により、冷却チャネル７４の直線部を隣接する冷却チャネル７４から一様に離して温度勾配を回避し、シュラウドセグメント４０の本体１０２の主要部を均一に冷却することが可能になる。

特定の実施形態では、湾曲部７８は、より高い熱負荷ゾーンを収容するために、冷却チャネル７４の直線部の間隔をより密に詰めることができるように調整することができる。全体として、冷却チャネル７４の形状はまた、閉塞した冷却チャネル７４の場合に適切な冷却を提供するように強化される。特定の実施形態では、排気端８２は、それぞれの冷却チャネル７４内の冷却流体の流れを調節（例えば、調量）するように構成された調量特徴を含む。特定の実施形態では、各冷却チャネル７４は、排気端８２においてセグメント化チャネルを形成することができる。特定の実施形態では、排気端８２を除いて、各冷却チャネル７４自体が調量特徴として作用する。他の実施形態では、湾曲部７８に結合された吸気端７６は、調量特徴（例えば、吸気端７６に延びる本体１０２の一部）を含むことができる。特定の実施形態では、冷却チャネル７４自体、排気端８２、または吸気端７６、またはそれらの組合せは、調量特徴を含む。

図６は、第１の側部１０８を通って経路設定され、冷却チャネル７４の湾曲部７８と織り合わされた対向する排気端８２を示す拡大底面図（すなわち、半径方向外向き）である。排気端８２と湾曲部７８との織り合わされた幾何学的形状、ならびに異なる高さでの傾斜した外周壁１２０への吸気端７６の接続が示されている。各冷却チャネル７４はまた、矢印で示すように、冷却流体が排気ポート８０を通って側部１０８、１１０を介して本体１０２から出ることを可能にする排気端８２を含む。

図７は、本実施形態の重なり合う特徴を示す拡大底面図である。図６の実施形態は、重ならない湾曲部７８を示し、図７の実施形態は、重なり合う冷却チャネル７４を示す。図７に示すように、冷却チャネル７４の排気端８２は、一般に、吸気端７６の後方または半径方向外向きにある。冷却チャネル７４の湾曲部７８は、反対側に配置された冷却チャネル７４の排気端８２と完全に重なり合う第１の湾曲部７８Ａを含む。対照的に、図６の重ならない実施形態では、湾曲部７８は、反対側に配置された冷却チャネル７４の排気端８２と半径方向に部分的に重なり合い、隣接する冷却チャネル７４と半径方向に重ならない。排気端８２は、冷却チャネル７４の出口であり、直線状または線形状である。第１の湾曲部７８Ａは、第２の湾曲部７８Ｂに移行すると約１３０度〜約１９０度の角度で屈曲する。第２の湾曲部７８Ｂは、反対側に配置された冷却チャネル７４の排気端８２と隣接する冷却チャネル７４の第３の湾曲部７８Ｃの両方と重なり合う（その半径方向内向きにある）。第３の湾曲部７８Ｃは、第４の湾曲部７８Ｄに移行すると約８０〜約１００度旋回し、第４の湾曲部７８Ｄは次に冷却チャネル７４の吸気端７６に移行する。各排気端８２は、各冷却チャネル７４を通る流れを調節するための調量特徴１２２を含み得る。隆起したまたは半径方向外向きの排気端８２は、空間が重なり合うセクションを作り出すことを可能にする。

さらに図７を参照すると、冷却空気は、冷却チャネル７４の半径方向外向きに位置するキャビティ１１８に開口する吸気端７６において冷却チャネル７４に入る。空気は、冷却チャネル７４を通って流れ、第４の湾曲部７８Ｄで旋回し、また第３の湾曲部７８Ｃで旋回する。第３の湾曲部７８Ｃと第２の湾曲部７８Ｂとの間では、空気は、第５の湾曲部７８Ｅを通って流れながら冷却チャネル７４を通って半径方向内向きに流れる。第２の湾曲部７８Ｂに近接すると、冷却チャネル７４は反対側に配置された冷却チャネル７４’’の直線状の排気端８２と重なり合うので、第２の湾曲部７８Ｂは、反対側に配置された冷却チャネル７４’’の排気端８２の半径方向内向きにある。冷却チャネル７４は、第１の湾曲部７８Ａで旋回する。第１の湾曲部７８Ａと第２の湾曲部７８Ｂ（第１の湾曲部７８Ａと第２の湾曲部７８Ｂとの間の冷却チャネル７４の部分を含む）の両方に近接すると、冷却チャネル７４は隣接する冷却チャネル７４’と重なり合うので、第１の湾曲部７８Ａおよび第２の湾曲部７８Ｂは、隣接する冷却チャネル７４’の第３の湾曲部７８Ｃおよび第４の湾曲部７８Ｄの半径方向内向きにある。第１の湾曲部７８Ａを通過した後、空気は、冷却チャネル７４の長さを移動し、最終的にはシュラウドブロックセグメント１００の吸気端部７６を通って入った場所とは反対側の端部に位置する排気端８２を通って冷却チャネル７４から出る。第２の湾曲部７８Ｂ、第３の湾曲部７８Ｃ、および第５の湾曲部７８Ｅは、シュラウドブロックセグメント１００の円周縁１７０（またはスラッシュ面）に隣接するチャネル側部を集合的に形成する。

図８は、図７の重なり合う冷却チャネルの実施形態の側面または円周方向に見た図である。冷却チャネル７４の第２の湾曲部７８Ｂは、第５の湾曲部７８Ｅを介して第３の湾曲部７８Ｃに移行する。冷却チャネル７４の第５の湾曲部７８Ｅは、第３の湾曲部７８Ｃから第２の湾曲部７８Ｂに移行するときに冷却チャネルを半径方向内向きに運ぶ。半径方向外向きの方向９４が、図８に示されている。したがって、第３の湾曲部７８Ｃは、第２の湾曲部７８Ｂと比較して半径方向外向きの位置にある。図７および図８の配置は、各冷却チャネル７４の第２の湾曲部７８Ｂが隣接する冷却チャネル７４の第３の湾曲部７８Ｃと重なり合いかつ半径方向内向きにあることを可能にする。言い換えれば、第２の湾曲部７８Ｂは、燃焼ガスに曝されるシュラウドブロックセグメント１００の表面（燃焼ガス側面１１２）により近い。第５の湾曲部７８Ｅは、動作中に通常流れる方向１３８に流れる冷却空気の観点から、基板の半径方向内側表面または燃焼ガス側面１１２に向かって傾斜した移行部として作用する。他の実施形態では、第５の湾曲部７８Ｅは、冷却チャネル７４の構成および基準系に応じて、基板の半径方向内側表面から離れるように傾斜する。例えば、他の実施形態では、冷却空気が冷却チャネル７４内を移動する方向１３８の観点から、移行部７８Ｅは、シュラウド裏面１１４（図示せず）に向かって半径方向外向きの方向９４に傾斜する。

図９は、重ならない配置の第１の複数の冷却チャネル１５０および重なり合う配置の第２の複数の冷却チャネル１６０を示す底面または半径方向外向きの図である。本発明の実施形態は、重なり合うまたは重ならない配置のいずれを使用してもよい。図９に示すように重なり合うまたは重ならない構成の両方を使用する本実施形態の配置もまた、可能である。他の実施形態はまた、（半径方向内側のガス経路側から見たときに）Ｕ字形、Ｌ字形およびＪ字形の冷却チャネル７４、ならびにそれらの組合せを含むことができ、冷却チャネル７４は、燃焼ガス側面１１２から半径方向内向きに傾斜している。

図１０は、重なり合う構成で使用することができる冷却チャネル７４のＪ字形の実施形態を示す底面または半径方向外向きの図である。図７、図８および図９の実施形態はフック形状であるのに対して、図１０の実施形態は、Ｊ字形である。図１０は、湾曲部７８を含む冷却チャネル７４を示す。湾曲部７８は、実質的に直角、またはＪ字形の実施形態では約８５〜約９５度であり得る。他の配置では、湾曲部７８は、Ｊ字形の実施形態では約７５度〜約１０５度、または約６０度〜約１２０度とすることができる。図１０のＪ字形の冷却チャネル７４は、第５の湾曲部７８Ｅを含み、冷却チャネル７４は、冷却チャネルが冷却チャネル入口７６の方向に移行するにつれて基板表面から離れるように半径方向外向きに傾斜する。言い換えれば、チャネル入口７６から入ってチャネル７４を通って流れる冷却空気の観点から、第５の湾曲部７８Ｅは、基板表面（すなわち、シュラウドブロックセグメント１００の燃焼ガス側面１１２）に向かって半径方向内向きに傾斜する。冷却チャネル７４の吸気端７６に近接した部分は、第５の湾曲部７８Ｅの下流にある部分の半径方向外向きの位置に対応し、半径方向内側の場所と半径方向外側の場所との間の冷却チャネル７４の移行は、第５の湾曲部７８Ｅで生じることに留意されたい。半径方向内側の場所では、冷却チャネル７４は、シュラウドブロックセグメント１００の燃焼ガス側面１１２により近い。半径方向外側の場所では、冷却チャネル７４は、キャビティ１１８により近い（図２〜図５）。第５の湾曲部７８Ｅは、第４の湾曲部７８Ｄに移行し、冷却チャネルが約９０度旋回する（約６０度〜約１２０度、または別の実施形態では、約７５度〜約１０５度）。第４の湾曲部７８Ｄは、冷却チャネル入口７６に移行し、空気がキャビティ１１８（図示せず）から冷却チャネル７４に入る。

図１１は、Ｊ字形の重なり合う構成を有する複数の１６０個の冷却チャネル７４を示す底面または半径方向外向きの図である。供給部は、上方（半径方向外向き）から入り、ガス経路に隣接するチャネルをＪ字形にする。チャネルは、Ｕ字形またはＬ字形を同様に有することができる。供給部は、隣接する冷却チャネル７４の重なり合う部分を回避するために必要に応じてオフセットまたは傾斜してもよい。各冷却チャネル７４の湾曲部７８は、１つまたは複数の隣接する冷却チャネル７４の吸気端７６および第４の湾曲部７８Ｄと半径方向に重なり合い、それにより湾曲部７８は、冷却チャネル入口７６の半径方向内向きにあり、シュラウドブロックセグメント１００の燃焼ガス側面１１２に近くなる。各冷却チャネル７４の湾曲部７８はまた、反対側に配置された冷却チャネル７４の排気端８２と半径方向に重なり合い、それにより各湾曲部７８は、やはり半径方向内向きにあり、排気端８２よりも燃焼ガス側面１１２に近くなる。この配置により、複数の冷却チャネル１６０は、燃焼ガス側面１１２とシュラウドブロックセグメント１００のスラッシュ面または円周縁１７０の両方に近接してシュラウドブロックセグメント１００の半径方向内向き部に連続した冷却流を送達することが可能になる。同様の配置（冷却チャネル７４の最長部から約９０度に配向された入口７６と、ガス経路に隣接する表面を横切るように冷却チャネル７４によって利用される任意の他の配向とを有するＪ字形、Ｕ字形およびフック形状、ならびにＬ字形の冷却チャネル）をシュラウド冷却以外の実施形態でも使用することができ、表面または基板は、高温ガスおよび／または温度に曝され、基板表面と基板または表面の縁部の両方に近接して冷却を必要とする。各排気端８２は、図１１に示すように、各冷却チャネル７４を通る流れを調節するための調量特徴１２２を含み得る。

動作中、図７、図８、図９、図１０および図１１に示す重なり合う配置１６０は、冷却チャネル７４が構成要素のスラッシュ面または円周縁１７０に最も近い基板の増加部（燃焼ガス側面１１２）を覆い、同時に冷却流が望まれる構成要素の表面に最も近い半径方向内向きの場所を覆うことを可能にする。重なり合う配置１６０を使用しない実施形態は、スラッシュ面または円周縁１７０に近接する冷却チャネル７４の部分とスラッシュ面または円周縁１７０に近接する隣接する冷却チャネル７４の部分との間に軸方向のギャップを有する。軸方向のギャップは、シュラウドブロックセグメント１００の燃焼ガス側面１１２のホットスポットおよび／または過度の温度勾配をもたらす可能性がある。他の実施形態では、重なり合う冷却チャネル７４を使用して、下面冷却特徴が用いられ、基板の周囲または縁部の周りに十分な冷却を提供することが課題となる場合に、高温に曝される基板または表面を冷却することができる。本明細書に記載の実施形態は、冷却空気が最も冷却される入口７６の冷却チャネル７４の部分を使用して、シュラウドブロックセグメント１００の燃焼ガス側面１１２に最も近い冷却空気を送達する。同様に、本明細書に記載の実施形態（より高温または「使用済み」の冷却空気を分配する）における冷却チャネル出口８２は、燃焼ガス側面１１２からさらに離れており、それによって入口７６の近くの湾曲部７８が燃焼ガス側面１１２により近づくことを可能にする。

いくつかの実施形態では、シュラウドブロックアセンブリ４０は、本明細書で開示する被冷却構造とみなすことができる。冷却チャネル７４は、燃焼ガス側面１１２に平行な流路を形成することができる。各冷却チャネル７４は、キャビティ１１８の傾斜した外周壁１２０の周りに、または冷却空気に曝されるシュラウドブロックアセンブリ４０の任意の他の位置に配置された吸気端７６を有することができ、吸気端７６は、冷却流路から圧縮冷却空気を受け入れるように構成される。

被冷却構造のいくつかの実施形態では、吸気端７６は、湾曲部７８と半径方向に重なり合う。これらの実施形態は、フック形状の冷却チャネル７４またはＪ字形の冷却チャネル７４のいずれか、あるいはその両方を含み得る。他の実施形態では、フック形状の冷却チャネル７４とＪ字形の冷却チャネル７４の両方が隣接する冷却チャネルと重なり合う程度は、１つの冷却チャネル７４の軸方向距離における重なり合いが少なくとも１つの他の冷却チャネル７４についての重なり合いよりも大きいかまたは小さいように変化し得る。同様に、他の実施形態では、冷却チャネル７４の曲率半径および傾斜は、冷却チャネル７４ごとに異なり得る。

本明細書は、最良の形態を含めて、本発明を開示するために実施例を用いており、また、任意のデバイスまた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を含めて、いかなる当業者も本発明を実施することが可能となるように実施例を用いている。本開示の特許可能な範囲は、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は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を含む場合、または特許請求の範囲の文言と実質的な差異を有さない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図している。

１０ ガスタービン
１２ 圧縮機セクション、圧縮機
１４ 入口
１６ ケーシング
１８ 燃焼セクション
２０ 燃焼器
２２ タービンセクション
２４ ロータシャフト
２６ 空気
２８ 圧縮空気
３０ 高温ガス流路、高温ガス
３２ 第１段
３４ タービンノズル
３６ ロータブレード
３８ タービンケーシング
４０ タービンシュラウドセグメント、タービンシュラウドブロックアセンブリ
４２ 先端部
４６ 取り付けハードウェア
５８ 予備焼結プリフォーム（ＰＳＰ）層
６２ シュラウドハンガ
６４ 第１のＰＳＰ表面
６６ 第２のＰＳＰ表面
７４ 冷却空気マイクロチャネル
７４’ 隣接する冷却チャネル
７４’’ 反対側に配置された冷却チャネル
７６ 吸気端、冷却チャネル入口
７８ 湾曲部
７８Ａ 第１の湾曲部
７８Ｂ 第２の湾曲部
７８Ｃ 第３の湾曲部
７８Ｄ 第４の湾曲部
７８Ｅ 第５の湾曲部、移行部
８０ 排気ポート
８２ 排気端、冷却チャネル出口
８４ 折り返し半径
９０ 円周方向
９２ 軸方向
９４ 半径方向
１００ シュラウドブロックセグメント
１０２ 本体
１０４ 前縁、前縁部
１０６ 後縁、後縁部
１０８ 第１の側部、スラッシュ面
１１０ 第２の側部、スラッシュ面
１１２ 燃焼ガス側面
１１４ シュラウド裏面
１１６ 軸方向中心線
１１８ キャビティ
１２０ 傾斜した外周壁
１２２ 調量特徴
１３８ 方向
１５０ 第１の複数の冷却チャネル
１６０ 第２の複数の冷却チャネル、重なり合う配置
１７０ 円周縁
ＣＬ エンジン中心線

Claims (20)

1. 前縁（１０４）と、
   前記前縁（１０４）の反対側の後縁（１０６）と、
   前記前縁（１０４）および前記後縁（１０６）の各々に実質的に直交する第１の側部（１０８）と、
   前記第１の側部（１０８）の反対側であり、前記前縁（１０４）および前記後縁（１０６）の各々に実質的に直交する第２の側部（１１０）と、
   前記前縁（１０４）、前記後縁（１０６）、前記第１の側部（１０８）および前記第２の側部（１１０）を含む境界によって画定され、高温流体に曝される基板表面と、
   前記基板表面下にあり、前記第１の側部（１０８）に近接する第１の組の入口（７６）から前記第２の側部（１１０）に近接する第１の組の出口（８２）に延びる第１の組の冷却空気マイクロチャネル（７４）と、
   前記基板表面下にあり、前記第２の側部（１１０）に近接する第２の組の入口（７６）から前記第１の側部（１０８）に近接する第２の組の出口（８２）に延びる第２の組の冷却空気マイクロチャネル（７４）と
   を備え、
   前記第１の組の入口（７６）の各入口（７６）は、前記第２の組の出口（８２）の少なくとも１つの出口（８２）と重なり合い、前記第２の組の出口（８２）の少なくとも１つの出口（８２）よりも前記基板表面の近くに配置され、
   前記第１および第２の組の入口（７６）の少なくとも１つの入口（７６）は、前記第１および第２の組の冷却空気マイクロチャネル（７４）の少なくとも１つの冷却空気マイクロチャネル（７４）のチャネル側部に供給を行い、
   前記チャネル側部は、移行部（７８Ｅ）を備え、前記移行部（７８Ｅ）は、前記基板の半径方向内側表面に向かって傾斜する、構造。
2. 前記第１および第２の組の出口（８２）の少なくとも１つの出口（８２）が、線形状である、請求項１に記載の構造。
3. 前記第２の組の入口（７６）の各入口（７６）が、前記第１の組の出口（８２）の少なくとも１つの出口（８２）と重なり合い、前記第１の組の出口（８２）の少なくとも１つの出口（８２）よりも前記基板表面の近くに配置される、請求項１に記載の構造。
4. 前記第１の組の冷却空気マイクロチャネル（７４）の各冷却チャネル（７４）が、２つ以上の折り返しを含むフック形状である、請求項１に記載の構造。
5. 前記第１の組の冷却空気マイクロチャネル（７４）の各冷却チャネル（７４）が、単一の折り返しを含むＪ字形である、請求項１に記載の構造。
6. キャビティ（１１８）をさらに備え、前記第１および第２の組の入口（７６）の各入口（７６）が、前記キャビティ（１１８）から供給される、請求項１に記載の構造。
7. 前記キャビティ（１１８）が、少なくとも１つの冷却流路から圧縮冷却空気を供給される、請求項６に記載の構造。
8. 複数のチャネル側部をさらに備え、前記チャネル側部が、前記基板表面に直交する方向に互いに重なり合う、請求項１に記載の構造。
9. 前縁（１０４）と、
   前記前縁（１０４）の反対側の後縁（１０６）と、
   前記前縁（１０４）および前記後縁（１０６）の各々に実質的に直交する第１の側部（１０８）と、
   前記第１の側部（１０８）の反対側であり、前記前縁（１０４）および前記後縁（１０６）の各々に実質的に直交する第２の側部（１１０）と、
   前記前縁（１０４）、前記後縁（１０６）、前記第１の側部（１０８）および前記第２の側部（１１０）を含む境界によって画定され、高温流体に曝される基板表面と、
   前記基板表面下にあり、前記第１の側部（１０８）に近接する第１の組の入口（７６）から前記第２の側部（１１０）に近接する第１の組の出口（８２）に延びる第１の組の冷却チャネル（７４）と
   を備え、
   前記第１の組の冷却チャネル（７４）の各冷却チャネル（７４）は、前記第１の側部（１０８）に隣接するチャネル側部を備え、
   各チャネル側部は、隣接するチャネル側部の少なくとも部分的に半径方向内向きまたは半径方向外向きにある、構造。
10. 請求項１に記載の被冷却構造を、結合剤噴射、指向性エネルギー堆積、材料押出、材料噴射、粉末床溶融結合、シート積層、液槽光重合、直接金属レーザ溶融、直接金属レーザ焼結、選択的レーザ溶融、電子ビーム溶融、およびそれらの混合の少なくとも１つによって付加構築することを含む、被冷却構造を製造する方法。
11. ガスタービン（１０）であって、
    圧縮機セクション（１２）と、
    前記圧縮機（１２）から下流に配置された燃焼セクション（１８）と、
    前記燃焼セクション（１８）から下流に配置されたタービンセクション（２２）と
    を備え、
    前記ガスタービン（１０）は、複数の被冷却構造を備え、各被冷却構造は、
    前縁（１０４）、後縁（１０６）、第１の側部（１０８）、第２の側部（１１０）、およびキャビティ（１１８）を有する本体（１０２）と、
    前記第１の側部（１０８）に近接する第１の複数のチャネル入口（７６）から延び、前記第２の側部（１１０）に近接する第１の複数の直線状の出口（８２）を備える第１の組の冷却チャネル（７４）と、
    前記第２の側部（１１０）に近接する第２の複数のチャネル入口（７６）から延び、前記第１の側部（１０８）に近接する第２の複数の直線状の出口（８２）を備える第２の組の冷却チャネル（７４）と
    を備え、
    前記第１の複数のチャネル入口（７６）は、前記第２の複数の直線状の出口（８２）と重なり合い、
    前記第２の複数のチャネル入口（７６）は、前記第１の複数の直線状の出口（８２）と重なり合う、ガスタービン（１０）。
12. 前記第１の組の冷却チャネル（７４）および前記第２の組の冷却チャネル（７４）の各々が、前記それぞれの第１の複数のチャネル入口（７６）および第２の複数のチャネル入口（７６）に近接する複数の湾曲部（７８）をさらに備える、請求項１１に記載のガスタービン（１０）。
13. 前記複数の湾曲部（７８）の各湾曲部（７８）が、フック形状である、請求項１２に記載のガスタービン（１０）。
14. 前記複数の湾曲部（７８）の各湾曲部（７８）が、Ｊ字形である、請求項１２に記載のガスタービン（１０）。
15. 前記第１の複数のチャネル入口（７６）および前記第２の複数のチャネル入口（７６）の各々が、冷却流路から圧縮冷却空気を受け入れるように配置される、請求項１１に記載のガスタービン（１０）。
16. 前記第１の組の冷却チャネル（７４）および前記第２の組の冷却チャネル（７４）の各々の前記湾曲部（７８）が、それぞれ前記第２の複数の直線状の出口（８２）および前記第１の複数の直線状の出口（８２）と重なり合い、前記第２の複数の直線状の出口（８２）および前記第１の複数の直線状の出口（８２）の半径方向内向きにある、請求項１２に記載のガスタービン（１０）。
17. 前記本体（１０２）が、ガスタービン流路の境界を画定する半径方向内側表面をさらに備え、
    前記第１の複数のチャネル入口（７６）および前記第２の複数のチャネル入口（７６）の各々の前記湾曲部（７８）が、それぞれ前記第２の複数の直線状の出口（８２）および前記第１の複数の直線状の出口（８２）と重なり合い、前記第２の複数の直線状の出口（８２）および前記第１の複数の直線状の出口（８２）よりも前記半径方向内側表面に近い、請求項１２に記載のガスタービン（１０）。
18. 前記第１の組の冷却チャネル（７４）および前記第２の組の冷却チャネル（７４）の各々が、前記それぞれの湾曲部（７８）を介して、約７５〜約１０５度の方向変化を含む、請求項１２に記載のガスタービン（１０）。
19. 前記第１の組の冷却チャネル（７４）および前記第２の組の冷却チャネル（７４）の各々が、前記それぞれの湾曲部（７８）を介して、約１３０〜約１９０度の方向変化を含む、請求項１２に記載のガスタービン（１０）。
20. 前記湾曲部（７８）が、約０．０５〜１３ミリメートルの範囲の折り返し半径を有する、請求項１１に記載のガスタービン（１０）。

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