JP2022041963A - 冷却空気供給源からデブリを除去するための排出回路を備えたガスタービン構成要素 - Google Patents

冷却空気供給源からデブリを除去するための排出回路を備えたガスタービン構成要素 Download PDF

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Abstract

【課題】冷却空気供給源からデブリを除去するための排出回路を備えたガスタービン構成要素を提供する。【解決手段】ガスタービン構成要素は、ガスタービン構成要素を通って流れる冷却空気１２０からデブリ１４２を除去するための排出回路１３０を備え、構成要素の空洞１０２内に配置され、端部壁１４４および空洞の壁に対して冷却空気を導くための分配孔１１４を含むインピンジメントインサート１００と、インピンジメントインサートの内部と空洞の端部セクションを流体結合する、端部壁に画定されたバイパス開口１３２、および空洞の端部セクションをホイールスペース空洞１４０または高温ガス経路６４に流体結合する排出チャネル１３８を含む。インピンジメントインサートの内部とホイールスペース空洞または高温ガス経路との間の圧力差は、冷却空気中のデブリをバイパス開口および排出チャネルを通して導く。【選択図】図４

Description

本開示は、一般に、ガスタービンシステムに関し、より詳細には、ガスタービンシステムの構成要素（例えば、第１段ノズル）を通って流れる冷却空気の供給源からデブリを除去するための排出回路に関する。
ガスタービンシステムは、発電などの分野で広く利用されているターボ機械の一例である。従来のガスタービンシステムは、一般に、圧縮機セクションと、燃焼器セクションと、タービンセクションとを含む。ガスタービンシステムの動作中、ノズルベーン、タービンブレード、およびシュラウドセグメントなどのシステム内の様々な構成要素が高温のガス流に曝され、構成要素を故障させる可能性がある。より高温のガス流は、一般に、ガスタービンシステムの性能、効率、および出力の向上をもたらすため、高温のガス流に曝される構成要素を冷却し、ガスタービンシステムをより高い温度で動作させ、かつガスタービンシステムの構成要素の寿命を延ばすことが有益である。
冷却（例えば、インピンジメント冷却、対流冷却など）は、ガスタービンシステムの構成要素に形成された内部通路を通して冷却流体（例えば、空気）の加圧された流れを導くことによって提供されることが多い。多くの場合、冷却流体は、ガスタービンシステムの圧縮機セクションによって放出された加圧空気の一部を抽気することによって提供される。多くの場合、ガスタービンシステムの構成要素（例えば、ノズルのベーン）内の空洞には、一般にインサート（例えば、インピンジメントインサート）と呼ばれる薄肉容器が取り付けられ、これは、空洞の壁に対して冷却空気を分配してインピンジメント冷却を提供するように構成される。そのようなインサートは、典型的には、インサートの壁の周りに分散された複数の小さな分配孔を含む。
ガスタービンシステムの動作中、インサートに入る冷却空気に含まれる小さな粒子は、インサートの壁の小さな分配孔に蓄積し、分配孔を潜在的に閉塞する可能性がある。このような閉塞は、インサートの冷却効率を低下させ、インサートの一部の酸化または他の損傷をもたらす場合がある。
本開示の一態様は、ガスタービン構成要素であって、ガスタービン構成要素を通って流れる冷却空気からデブリを除去するための排出回路を備え、ガスタービン構成要素の空洞内に配置されたインピンジメントインサートであって、端部壁、および空洞の壁に対して冷却空気を導くための複数の分配孔を含むインピンジメントインサートと、インピンジメントインサートの端部壁に画定されたバイパス開口であって、インピンジメントインサートの内部と空洞の端部セクションを流体結合するバイパス開口、およびガスタービン構成要素の後方セクションに画定され、空洞の端部セクションとホイールスペース空洞を流体結合する排出チャネルであって、ホイールスペース空洞は、ガスタービン構成要素の半径方向内側にある排出チャネルを含むデブリ排出回路とを含み、
ガスタービン構成要素の内部とホイールスペース空洞との間の圧力差は、冷却空気中のデブリをバイパス開口および排出チャネルを通してホイールスペース空洞に導く、
ガスタービン構成要素を対象とする。
本開示の別の態様は、ガスタービンシステムの構成要素を通って流れる冷却空気からデブリを除去するための排出回路を有するガスタービン構成要素であって、ガスタービン構成要素の空洞内に配置されたインピンジメントインサートであって、端部壁、および空洞の壁に対して冷却空気を導くための複数の分配孔を含むインピンジメントインサートと、インピンジメントインサートの端部壁に画定されたバイパス開口であって、インピンジメントインサートの内部と空洞の端部セクションを流体結合するバイパス開口、およびガスタービン構成要素の後方セクションに画定された排出チャネルであって、バイパス開口を介してインピンジメントインサートとガスタービン構成要素の外部の高温ガス経路を流体結合する排出チャネルを含むデブリ排出回路とを含み、インピンジメントインサートの内部とガスタービン構成要素の外部との間の圧力差は、冷却空気中のデブリをバイパス開口および排出チャネルを通してガスタービン構成要素の外部の高温ガス経路に導く、ガスタービン構成要素を対象とする。
本開示の例示的な態様は、本明細書で説明される問題および／または論じられていない他の問題を解決する。
本開示のこれらおよび他の特徴は、本開示の様々な実施形態を図示する添付の図面と併せて、本開示の様々な態様に関する以下の詳細な説明から、さらに容易に理解されるであろう。
本明細書に記載の実施形態による、ガスタービンシステムの概略図である。 本明細書に記載の実施形態による、デブリ排出回路を含むガスタービンシステムのタービンセクションの一部の側面図である。 本明細書に記載の実施形態による、インピンジメントインサートの斜視図である。 本明細書に記載の実施形態による、デブリ排出回路およびその動作の拡大図を概略的に図示する図である。 本明細書に記載の追加の実施形態による、デブリ排出回路およびその動作の拡大図を概略的に図示する図である。
本開示の図面は、必ずしも原寸に比例しないことに留意されたい。図面は、本開示の典型的な態様だけを図示することを意図しており、したがって、本開示の範囲を限定するものと考えるべきではない。図面では、類似する符号は、図面間で類似する要素を表す。
ここで、添付の図面に示される代表的な実施形態を詳細に参照する。以下の説明は、実施形態を１つの好ましい実施形態に限定することを意図するものではないことを理解されたい。それとは反対に、本開示は、添付の特許請求の範囲によって定義される説明された実施形態の趣旨および範囲内に含まれ得る代替例、改変例、および均等例をカバーすることを意図している。
最初の問題として、現在の開示を明確に説明するために、本開示の範囲内の関連する機械構成要素を参照して説明するときに、特定の専門用語を選択することが必要になる。可能な限り、一般的な工業専門用語が、その受け入れられた意味と同じ意味で使用および利用される。別途記載のない限り、このような専門用語は、本出願の文脈および添付の特許請求の範囲と一致する広義の解釈を与えられるべきである。当業者であれば、多くの場合、特定の構成要素がいくつかの異なるまたは重複する用語を使用して参照されることがあることを理解するであろう。単一の部品であるとして本明細書に記載され得るものは、複数の構成要素からなるものとして別の文脈を含み、かつ別の文脈で参照されてもよい。あるいは、複数の構成要素を含むものとして本明細書に記載され得るものは、単一の部品として他の場所で参照されてもよい。
加えて、本明細書ではいくつかの記述的用語を規則通りに使用することができ、このセクションの始めにこれらの用語を定義することが有用であることがわかるはずである。これらの用語およびその定義は、別途記載のない限り、以下の通りである。本明細書で使用する場合、「下流」および「上流」とは、タービンエンジンを通る作動流体、または例えば、燃焼器を通る空気の流れ、もしくはタービンの構成要素システムの１つを通る冷却剤などの流体の流れに対する方向を示す用語である。「下流」という用語は、流体の流れの方向に対応し、「上流」という用語は、流れの反対の方向を指す。「前方」および「後方」という用語は、別途指定のない限り、方向を指し、「前方」はエンジンの前部または圧縮機端部を指し、「後方」はエンジンの後部またはタービン端部を指す。加えて、「先導する」および「後続する」という用語は、それぞれ、「前方」および「後方」という用語と同様の記述で使用され、および／または理解することができる。
多くの場合、異なる半径方向、軸方向、および／または円周方向の位置にある部品を説明することが要求される。「Ａ」軸線は、軸方向の配向を表す。本明細書で使用する場合、「軸方向の」および／または「軸方向に」という用語は、ガスタービンシステム（特に、ロータセクション）の回転軸と実質的に平行な軸線Ａに沿った物体の相対的な位置／方向を指す。さらに本明細書で使用する場合、「半径方向の」および／または「半径方向に」という用語は、軸線Ａと実質的に垂直でありかつただ１つの場所において軸線Ａと交差する方向「Ｒ」（図１および図２参照）に沿った物体の相対的な位置／方向を指す。最後に、「円周方向の」という用語は、軸線Ａの周囲の移動または位置を指す（例えば、方向「Ｃ」）。
様々な実施形態において、互いに「流体結合された」または「流体連通する」と記載された構成要素は、１つまたは複数の界面に沿って接合することができる。いくつかの実施形態では、これらの界面は、別個の構成要素の間の接合部を含むことができ、他の場合には、これらの界面は、強固におよび／または一体的に形成された相互接続を含むことができる。すなわち、いくつかの場合には、互いに「結合された」構成要素は、単一の連続した部材を画定するように同時に形成することができる。しかし、他の実施形態では、これらの結合された構成要素は、別々の部材として形成することができ、その後公知のプロセス（例えば、締結、超音波溶接、接着）により接合することができる。
ある要素または層が別の要素に対して「上に」、「係合される」、「接続される」、または「結合される」と言及される場合には、他の要素に対して直接上に、係合され、接続され、または結合されてもよいし、あるいは介在する要素が存在してもよい。逆に、ある要素が別の要素に対して「直接上に」、「直接係合される」、「直接接続される」、または「直接結合される」と言及される場合には、介在する要素または層は存在しなくてもよい。要素間の関係について説明するために使用される他の語も、同様に解釈されるべきである（例えば、「～の間に」に対して「直接～の間に」、「～に隣接して」に対して「直接～に隣接して」など）。本明細書で使用する場合、「および／または」という用語は、関連する列挙された項目のうちの１つまたは複数のありとあらゆる組み合わせを含む。
図１は、様々な実施形態によるガスタービンシステム１０の概略図を図示する。示すように、ガスタービンシステム１０は、流入する空気流１４を圧縮し、圧縮空気１６の加圧された流れを燃焼器セクション１８に送達するための圧縮機セクション１２を含む。燃焼器セクション１８は、圧縮空気１６の流れを燃料２０の加圧された供給物と混合し、混合物に点火して燃焼ガス２２の流れを生み出す。単一の燃焼器セクション１８のみが示されているが、ガスタービンシステム１０は、任意の数の燃焼器セクション１８を含むことができる。燃焼ガス２２の流れは、次いでタービンセクション２４に送達される。燃焼ガス２２の流れは、タービンセクション２４を駆動して機械的仕事を発生する。タービンセクション２４で発生された機械的仕事は、シャフト２６を介して圧縮機セクション１２を駆動し、さらに発電機などの外部負荷２８を駆動するために使用されてもよい。
図２は、少なくとも１つのタービン段３０を含む、ガスタービンシステム（例えば、図１のガスタービンシステム１０）のタービンセクション２４の一部の側面図を図示する。タービン段３０は、タービンブレード３２（１つのブレード３２が示されている）のセットと、タービンセクション２４のケーシング３８内に位置決めされた対応するノズル３６（１つのノズル３６が示されている）のセット３４とを含む。例えば、図２に図示されるように、タービンブレード３２の段３０は、タービンブレード３２の第１段３０およびタービンセクション２４内のノズル３６であってもよい。動作中、第１段ノズル３６のセット３４は、燃焼ガス２２の流れを第１タービン段３０のタービンブレード３２上に導くように構成される。ノズル３６の第１のセット３４内の各ノズル３６は、圧縮機セクション１２（図１）によって発生された領域６２内の高圧圧縮空気と、高温ガス経路６４に沿ってタービンセクション２４内の第１段３０のタービンブレード３２に流入する低圧高温燃焼ガス２２を分離するために、ノズル３６と内側支持リング（図示せず）との間にシールを形成するように構成された内側翼弦ヒンジシール６０を含むことができる。
特定の段（例えば、第１段３０）のタービンブレード３２は、ロータ２６に結合され、その周りに円周方向に位置決めされ、ガスタービンシステムの燃焼器セクション１８（図１）によって発生された燃焼ガス２２によって駆動される複数のタービンブレード３２を含むことができる。第１段３０内のノズル３６のセット３４は、タービンセクション２４のケーシング３８に結合され、その周りに円周方向に位置決めされた複数の静止ノズル３６を含む。図２に示す実施形態では、各ノズル３６は、外側プラットフォーム４２と内側プラットフォーム４４との間に位置決めされたベーン４０を含み得る。ノズル３６と同様に、タービンセクション２４の各タービンブレード３２は、ロータ２６から半径方向に延びる翼形部４６を含んでもよい。各翼形部４６は、先端部分４８と、先端部分４８の反対側に位置決めされたプラットフォーム５０とを含むことができる。
タービンブレード３２およびノズル３６は、ケーシング３８内で互いに隣接して軸方向に位置決めすることができる。図２では、例えば、タービン段３０内のタービンブレード３２のセットに隣接して軸方向に上流に位置決めされたノズル３６のセット３４が示されている。タービンセクション２４は、ケーシング３８全体にわたって軸方向に位置決めされたタービンブレード３２およびノズル３６の複数の段３０を含むことができる。
ガスタービンシステム１０のタービンセクション２４は、ケーシング３８全体にわたって軸方向に位置決めされたシュラウド５４の複数の段５２（図２に示す１つの段）を含むことができる。図２では、例えば、シュラウド５４の段５２が、タービン段３０のタービンブレード３２に隣接して半径方向に位置決めされ、タービンブレードを実質的に囲むかまたは包含するように示されている。シュラウド５４の段５２はまた、ノズル３６のセット３４に隣接して軸方向におよび／または下流に位置決めされてもよい。さらに、シュラウド５４の段５２は、タービン段３０のタービンブレード３２の両側に位置するノズル３６の２つの隣接するセット３４の間に位置決めすることができる。シュラウド５４の段５２は、各々がシュラウド５４の対応するセクションを受け入れるように構成された開口部５８を含む延長部５６のセットを使用して、タービンセクション２４のケーシング３８の周りに結合され得る。
図２～図４を参照すると、インピンジメントインサート１００が、タービンセクション２４内のノズル３６の少なくとも１つのセット３４の少なくとも１つのノズル３６のベーン４０に形成された空洞１０２内に位置決めされ得る。図３に詳細に示すように、インピンジメントインサート１００は、本体１０４を含むことができ、これは、前縁壁１０６と、後縁壁１０８と、本体１０４の前縁壁１０６と後縁壁１０８との間に延びる第１および第２の側壁１１０、１１２とを有する。複数の分配孔１１４が、前縁壁１０６、後縁壁１０８、第１の側壁１１０、および／または第２の側壁１１２の１つまたは複数を通して形成されてもよく、インピンジメントインサート１００の内面１１６からインピンジメントインサート１００の外面１１８に延びてもよい。ガスタービンシステム１０（図１）の圧縮機セクション１２によって放出された圧縮空気１６の一部を抽気することによって提供することができる冷却空気１２０の加圧された流れは、開口部１２２を通してインピンジメントインサート１００の内部１５０に導くことができる。
次に、本開示によるデブリ排出回路１３０を図２～図４に関して説明する。ノズル３６（例えば、タービンセクション２４の第１段３０のノズル３６）のセット３４内の少なくとも１つのノズル３６は、デブリ排出回路１３０を含むことができる。示すように、デブリ排出回路１３０は、インピンジメントインサート１００の内部１５０と、インピンジメントインサート１００の下に配置された空洞１０２の底部（例えば、端部）セクション１３６を流体結合するために、インピンジメントインサート１００の底部（例えば、端部）壁１３４を通って延びる少なくとも１つのバイパス開口１３２を含むことができる。デブリ排出回路１３０は、ノズル３６の内側プラットフォーム４４を通って延び、インピンジメントインサート１００の下に配置された空洞１０２の底部セクション１３６と、タービンセクション２４のホイールスペース空洞１４０を流体結合する排出チャネル１３８（図２および図４）をさらに含み得る。
ガスタービンシステム１０（図１）の動作中、インピンジメントインサート１００に入る冷却空気１２０に含まれる小さな粒子（例えば、圧縮機セクションのケーシングからの錆片、砂など）は、インピンジメントインサート１００の壁１０６、１０８、１１０、および／または１１２の小さな分配孔１１４に蓄積し、分配孔を潜在的に閉塞する可能性がある。このような閉塞は、インピンジメントインサート１００の冷却効率を低下させ得、インピンジメントインサート１００の一部の酸化または他の損傷をもたらす場合がある。有利には、そのようなデブリは、本実施形態によるデブリ排出回路１３０によってインピンジメントインサート１００から除去される。
図４は、デブリ排出回路１３０およびその動作の拡大図を図示する。図４に示す実施形態では、デブリ排出回路１３０は、第１タービン段３０内のノズル３６の第１のセット３４のノズル３６に設けられてもよい。この実施形態のインピンジメントインサート１００は、インピンジメントインサート１００の後縁壁１０８に形成された複数の分配孔１１４を介して、インピンジメント冷却を空洞１０２の後端部１３１に提供する。この点において、インピンジメントインサート１００に入る冷却空気１２０の流れは、インピンジメントインサート１００の内部１５０へと下方に流れ、そしてインピンジメントインサート１００の本体１０４の後縁壁１０８に形成された複数の分配孔１１４に向かって流れる。
デブリ排出回路１３０は、インピンジメントインサート１００の底部壁１３４を通って延びる少なくとも１つのバイパス開口１３２（図示の実施形態では３つのバイパス開口１３２が図示されている）を含むことができる。各バイパス開口１３２は、インピンジメントインサート１００の内部１５０と、インピンジメントインサート１００の下に配置された空洞１０２の底部セクション１３６を流体結合するように構成される。実施形態によれば、各バイパス開口１３２は、ガスタービンシステムの動作中にインピンジメントインサート１００に入ると予想され得るあらゆるデブリ１４２のサイズ（例えば、幅、直径など）よりも大きい直径を有することができる。例えば、非限定的な例では、バイパス開口１３２は、約０．１０インチ～約０．１５インチ（約２．５４ｍｍ～約３．９１ｍｍ）の直径を有してもよい。図２～図４には３つのバイパス開口１３２が示されているが、より少数またはより多数のバイパス開口１３２を使用することができる。さらに、バイパス開口１３２はすべて同じ直径を有してもよく、またはバイパス開口１３２は２つ以上の異なる直径を有してもよい。
図４に示すように、冷却空気１２０の流れは、デブリ１４２をインピンジメントインサート１００の内部１５０に輸送する（例えば、運ぶ）ことができる。デブリ１４２の運動量（例えば、冷却空気１２０の流れの速度に起因する）は、デブリ１４２がインピンジメントインサート１００の本体１０４の後縁壁１０８に形成された分配孔１１４に方向転換されず、代わりにインピンジメントインサート１００の底部壁１３４に向かって移動するように十分に高い。デブリ１４２は、インピンジメントインサート１００の底部壁１３４内のバイパス開口１３２を通過して空洞１０２の底部セクション１３６に入る前に、インピンジメントインサート１００の底部で短時間再循環することができる。
図４に図示されるように、冷却空気１２０は、インピンジメントインサート１００の内部１５０に流入し、インピンジメントインサート１００の本体１０４の後縁壁１０８に形成された分配孔１１４に流入し、それを通って流れる。この点において、デブリ１４２は、デブリ１４２がインピンジメントインサート１００の底部壁１３４に向かって移動する際、冷却空気１２０の流れによって後縁壁１０８に向かって偏向され得る。実施形態によれば、バイパス開口１３２は、インピンジメントインサート１００の本体１０４の後縁壁１０８に向かって（例えば、可能な限り近く）底部壁１３４に位置決めされ、デブリ１４２がバイパス開口１３２によって捕捉され、バイパス開口を通過して空洞１０２の底部セクション１３６に入る確率を高めることができる。
デブリ排出回路１３０は、ノズル３６の内側プラットフォーム４４を通って延びる排出チャネル１３８をさらに含むことができる。排出チャネル１３８は、インピンジメントインサート１００の下に配置された空洞１０２の底部セクション１３６と、タービンセクション２４のホイールスペース空洞１４０を流体結合する。排出チャネル１３８は、バイパス開口１３２の直径以上の直径を有してもよい。
様々な実施形態によれば、排出チャネル１３８は、空洞１０２の底部セクション１３６からのデブリ１４２の排出を容易にするために、バイパス開口１３２の後方（例えば、矢印Ａによって示される方向の下流）に位置決めすることができる。さらに、排出チャネル１３８は、デブリ１４２の排出を容易にするために、ノズル３６のプラットフォーム４４を通ってノズル３６の後縁１４４に向かってある角度で延びることができる。他の実施形態では、排出チャネル１３８は、ノズル３６のプラットフォーム４４を通って垂直に延びてもよい。第１段ノズル３６で使用される場合、排出チャネル１３８は、内側翼弦ヒンジシール６０の後方に位置決めされ、デブリ１４２がタービンセクション２４のホイールスペース空洞１４０に流入することを可能にすることができる。図４に想像線で図示される代替の実施形態では、排出チャネル１３８’をノズル３６の後縁壁１４４に形成し、デブリ１４２をホイールスペース空洞１４０ではなく高温ガス経路６４に直接排出させることができる。
デブリ１４２を空洞１０２の底部セクション１３６からタービンセクション２４のホイールスペース空洞１４０に引き込む圧力差が、排出チャネル１３８にわたって存在する。例えば、本明細書に記載の実施形態によれば、インピンジメントインサート１００に入る冷却空気１２０の流れによる空洞１０２の底部セクション１３６内の圧力は、ホイールスペース空洞１４０内の圧力よりも大きい。この圧力差は、デブリ１４２を空洞１０２の底部セクション１３６からホイールスペース空洞１４０に推進する、排出チャネル１３８を通る空気の流れを生成する。ホイールスペース空洞１４０から、デブリ１４２は、タービンセクション２４の高温ガス経路６４に流入し、最終的にガスタービンシステムから流出することができる。
いくつかの実施形態によれば、排出チャネル１３８にわたる圧力比は、約１．１～約１．８の範囲内であってもよい。しかし、圧力比は、例えば、バイパス開口１３２の数、載置、および／もしくは直径、排出チャネル１３８の載置、角度、および／もしくは直径、ならびに／または他の要因（例えば、冷却空気１２０の流量、ホイールスペース空洞１４０内の圧力など）に基づいて変化してもよい。
図５は、追加の実施形態によるデブリ排出回路２３０およびその動作の拡大図を図示する。図４に図示される実施形態に関して前述したように、デブリ１４２は、１）インピンジメントインサート１００の底部壁１３４内のバイパス開口１３２を通過して空洞１０２の底部セクション１３６に入り、２）空洞１０２の底部セクション１３６から排出チャネル１３８を通ってホイールスペース空洞１４０に入る。しかし、図５に示すように、デブリ排出回路２３０は、排出チャネル２３８を含むことができ、これは、インピンジメントインサート１００の底部から延びる管状構造として構成され、（バイパス開口２３２を介して）インピンジメントインサート１００と、デブリ１４２を除去するためのホイールスペース空洞１４０を直接流体結合する。
デブリ排出回路２３０は、インピンジメントインサート１００の底部壁１３４を通って延びる少なくとも１つのバイパス開口２３２を含むことができる。複数のバイパス開口２３２が使用される場合、バイパス開口２３２のすべてが同じ排出チャネル２３８に流体結合されてもよい。そのような実施形態によれば、バイパス開口２３２は、ガスタービンシステムの動作中にインピンジメントインサート１００に入ると予想され得るあらゆるデブリ１４２のサイズ（例えば、幅、直径など）よりも大きい直径を有することができる。例えば、非限定的な例では、バイパス開口２３２は、約０．１０インチ～約０．１５インチ（約２．５４ｍｍ～約３．９１ｍｍ）の直径を有してもよい。図５には１つのバイパス開口２３２が図示されているが、より多数のバイパス開口２３２を使用することができる。さらに、バイパス開口２３２はすべて同じ直径を有してもよく、またはバイパス開口２３２は２つ以上の異なる直径を有してもよい。排出チャネル２３８は、バイパス開口２３２の直径以上の直径を有してもよい。
図５に示すように、冷却空気１２０の流れは、デブリ１４２をインピンジメントインサート１００の内部１５０に輸送することができる。ここでも、デブリ１４２の運動量は、デブリ１４２がインピンジメントインサート１００の壁に形成された分配孔１１４に方向転換されず、代わりにインピンジメントインサート１００の底部壁１３４に向かって移動するように十分に高い。デブリ１４２は、インピンジメントインサート１００の底部壁１３４内のバイパス開口２３２を通過して排出チャネル２３８に入る前に、インピンジメントインサート１００の底部で短時間再循環することができる。
デブリ１４２を排出チャネル２３８を通してタービンセクション２４のホイールスペース空洞１４０に引き込むように構成された圧力差が、排出チャネル２３８にわたって存在する。例えば、実施形態によれば、インピンジメントインサート１００に入る冷却空気１２０の流れによるインピンジメントインサート１００内の圧力は、ホイールスペース空洞１４０内の圧力よりも大きい。この圧力差は、デブリ１４２をバイパス開口２３２に、そして排出チャネル２３８を通してホイールスペース空洞１４０に推進する、排出チャネル２３８を通る空気の流れを生成する。ホイールスペース空洞１４０から、デブリ１４２は、タービンセクション２４の高温ガス経路６４に流入し、最終的にガスタービンシステムから流出することができる。図５に想像線で図示される代替の実施形態では、排出チャネル２３８’をノズル３６の後縁壁１４４に形成し、デブリ１４２をホイールスペース空洞１４０ではなく高温ガス経路６４に直接排出させることができる。
様々な実施形態によれば、排出チャネル２３８は、デブリ１４２の排出を容易にするために、ノズル３６のプラットフォーム４４を通ってノズル３６の後縁１４４に向かってある角度で延びることができる。他の実施形態では、排出チャネル２３８は、ノズル３６のプラットフォーム４４を通って垂直に延びてもよい。第１段ノズル３６で使用される場合、排出チャネル２３８は、内側翼弦ヒンジシール６０の後方に位置決めされ、デブリ１４２がタービンセクション２４のホイールスペース空洞１４０に流入することを可能にすることができる。
本開示の様々な構成要素は、付加製造プロセスを使用して形成することができる。有利には、付加製造は、よりカスタマイズ可能で複雑な特徴の設計および製造を可能にする。
本明細書で使用する場合、付加製造は、従来のプロセスの場合である材料の除去ではなく、材料の連続した層形成を通して物体を製造する任意のプロセスを含んでもよい。付加製造は、あらゆる種類のツール、金型、または器具を使用することなく、かつ廃棄材料をほとんどまたは全く伴わずに複雑な幾何学的形状を形成することができる。その多くは切り取られ廃棄されることになるプラスチックまたは金属の固体ビレットから構成要素を機械加工する代わりに、付加製造に使用される材料は、部品を成形するために必要とされる材料のみである。付加製造プロセスは、限定はしないが、３Ｄ印刷、ラピッドプロトタイピング（ＲＰ）、直接デジタル製造（ＤＤＭ）、バインダジェッティング、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）、および直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）を含んでもよい。現在の設定では、ＤＭＬＭまたはＳＬＭが有利であることがわかっている。
本明細書で使用される専門用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものにすぎず、本開示を限定することを意図するものではない。本明細書で使用する場合、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「この（ｔｈｅ）」は、文脈が別途明確に指示しない限り、複数形も含むことを意図している。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および／または「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書で使用する場合、記載した特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素が存在することを明示するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの組が存在することまたは追加することを除外しないことがさらに理解されよう。
本明細書は、最良の態様を含む本発明を開示するため、およびどのような当業者も、任意の装置またはシステムの作製および使用ならびに任意の組み込まれた方法の実行を含む本発明の実践を可能にするために、実施例を使用している。本発明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、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図している。
１０ ガスタービンシステム
１２ 圧縮機セクション
１４ 空気流
１６ 圧縮空気
１８ 燃焼器セクション
２０ 燃料
２２ 燃焼ガス
２４ タービンセクション
２６ シャフト、ロータ
２８ 外部負荷
３０ 第１タービン段
３２ タービンブレード
３４ 第１のセット
３６ 第１段ノズル、静止ノズル
３８ ケーシング
４０ ベーン
４２ 外側プラットフォーム
４４ 内側プラットフォーム
４６ 翼形部
４８ 先端部分
５０ プラットフォーム
５２ 段
５４ シュラウド
５６ 延長部
５８ 開口部
６０ 内側翼弦ヒンジシール
６２ 領域
６４ 高温ガス経路
１００ インピンジメントインサート
１０２ 空洞
１０４ 本体
１０６ 前縁壁
１０８ 後縁壁
１１０ 第１の側壁
１１２ 第２の側壁
１１４ 分配孔
１１６ 内面
１１８ 外面
１２０ 冷却空気
１２２ 開口部
１３０ デブリ排出回路
１３１ 後端部
１３２ バイパス開口
１３４ 底部壁、端部壁
１３６ 底部セクション、端部セクション
１３８ 排出チャネル
１３８’ 排出チャネル
１４０ ホイールスペース空洞
１４２ デブリ
１４４ 後縁、後縁壁
１５０ 内部
２３０ デブリ排出回路
２３２ バイパス開口
２３８ 排出チャネル
２３８’ 排出チャネル
Ａ 軸線、矢印

Claims (15)

  1. ガスタービン構成要素であって、前記ガスタービン構成要素を通って流れる冷却空気（１２０）からデブリ（１４２）を除去するための排出回路（１３０）を備え、
    前記ガスタービン構成要素の空洞（１０２）内に配置されたインピンジメントインサート（１００）であって、端部壁（１３４）、および前記空洞（１０２）の壁に対して冷却空気（１２０）を導くための複数の分配孔（１１４）を含むインピンジメントインサート（１００）と、
    前記インピンジメントインサート（１００）の前記端部壁（１３４）に画定されたバイパス開口（１３２、２３２）であって、前記インピンジメントインサート（１００）の内部（１５０）と前記空洞（１０２）の端部セクション（１３６）を流体結合するバイパス開口（１３２、２３２）、および
    前記ガスタービン構成要素の後方セクションに画定され、前記空洞（１０２）の前記端部セクション（１３６）とホイールスペース空洞（１４０）を流体結合する排出チャネル（１３８、２３８）であって、前記ホイールスペース空洞（１４０）は、前記ガスタービン構成要素の半径方向内側にある排出チャネル（１３８、２３８）
    を含むデブリ（１４２）排出回路（１３０）と
    を備え、
    前記ガスタービン構成要素の前記内部（１５０）と前記ホイールスペース空洞（１４０）との間の圧力差は、前記冷却空気（１２０）中のデブリ（１４２）を前記バイパス開口（１３２、２３２）および前記排出チャネル（１３８、２３８）を通して前記ホイールスペース空洞（１４０）に導く、
    ガスタービン構成要素。
  2. 前記ガスタービン構成要素は、ガスタービンシステム（１０）のノズル（３６）を備える、請求項１に記載のガスタービン構成要素。
  3. 前記ノズル（３６）は、前記ガスタービンシステム（１０）のタービンの第１段（３０）にノズル（３６）を備える、請求項２に記載のガスタービン構成要素。
  4. 前記排出チャネル（１３８、２３８）は、前記ノズル（３６）のプラットフォーム（５０）を通過して前記ホイールスペース空洞（１４０）に入り、前記排出チャネル（１３８、２３８）は、前記ノズル（３６）の下流端部に向かって傾斜している、請求項２に記載のガスタービン構成要素。
  5. 前記排出チャネル（１３８、２３８）は、前記ノズル（３６）の内側翼弦ヒンジシール（６０）の下流の前記ホイールスペース空洞（１４０）への出口を有する、請求項４に記載のガスタービン構成要素。
  6. 前記排出チャネル（１３８、２３８）は、前記インピンジメントインサート（１００）の前記端部壁（１３４）から前記ノズル（３６）の前記プラットフォーム（５０）に延びる管状構造によって部分的に画定される、請求項４に記載のガスタービン構成要素。
  7. 前記空洞（１０２）の壁に対して冷却空気（１２０）を導くための前記複数の分配孔（１１４）は、前記インピンジメントインサート（１００）の後縁（１４４）壁に形成され、前記インピンジメントインサート（１００）の前記端部壁（１３４）に画定された前記バイパス開口（１３２、２３２）は、前記後縁（１４４）壁に隣接して位置決めされる、請求項２に記載のガスタービン構成要素。
  8. 前記インピンジメントインサート（１００）の前記端部壁（１３４）に複数の前記バイパス開口（１３２、２３２）をさらに備える、請求項１に記載のガスタービン構成要素。
  9. 前記バイパス開口（１３２、２３２）は、約２．５４ｍｍ～約３．９１ｍｍの直径を有する、請求項１に記載のガスタービン構成要素。
  10. 前記排出チャネル（１３８、２３８）は、前記バイパスチャネルの直径以上の直径を有する、請求項１に記載のガスタービン構成要素。
  11. 前記ガスタービン構成要素の前記内部（１５０）と前記ホイールスペース空洞（１４０）との間の圧力比は、約１．１～約１．８である、請求項１に記載のガスタービン構成要素。
  12. ガスタービンシステム（１０）の構成要素を通って流れる冷却空気（１２０）からデブリ（１４２）を除去するための排出回路（１３０）を有するガスタービン構成要素であって、
    前記ガスタービン構成要素の空洞（１０２）内に配置されたインピンジメントインサート（１００）であって、端部壁（１３４）、および前記空洞（１０２）の壁に対して冷却空気（１２０）を導くための複数の分配孔（１１４）を含むインピンジメントインサート（１００）と、
    前記インピンジメントインサート（１００）の前記端部壁（１３４）に画定されたバイパス開口（１３２、２３２）であって、前記インピンジメントインサート（１００）の内部（１５０）と前記空洞（１０２）の端部セクション（１３６）を流体結合するバイパス開口（１３２、２３２）、および
    前記ガスタービン構成要素の後方セクションに画定された排出チャネル（１３８、２３８）であって、前記バイパス開口（１３２、２３２）を介して前記インピンジメントインサート（１００）と前記ガスタービン構成要素の外部の高温ガス経路（６４）を流体結合する排出チャネル（１３８、２３８）
    を含むデブリ（１４２）排出回路（１３０）と
    を備え、
    前記インピンジメントインサート（１００）の前記内部（１５０）と前記ガスタービン構成要素の前記外部との間の圧力差は、前記冷却空気（１２０）中のデブリ（１４２）を前記バイパス開口（１３２、２３２）および前記排出チャネル（１３８、２３８）を通して前記ガスタービン構成要素の前記外部の前記高温ガス経路（６４）に導く、
    ガスタービン構成要素。
  13. 前記ガスタービン構成要素は、前記ガスタービンシステム（１０）のノズル（３６）を備える、請求項１２に記載のガスタービン構成要素。
  14. 前記ノズル（３６）は、前記ガスタービンシステム（１０）のタービンの第１段（３０）にノズル（３６）を備える、請求項１３に記載のガスタービン構成要素。
  15. 前記排出チャネル（１３８、２３８）は、前記インピンジメントインサート（１００）の前記端部壁（１３４）から前記ノズル（３６）の後縁（１４４）に延びる管状構造によって部分的に画定される、請求項１３に記載のガスタービン構成要素。
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