JP2023174527A

JP2023174527A - 応力緩和冷却回路を備えるタービンｈｇｐ部品

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Publication number: JP2023174527A
Application number: JP2023064765A
Authority: JP
Inventors: リーコックス、ブランドン; Lee Cox Brandon
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2022-05-27
Filing date: 2023-04-12
Publication date: 2023-12-07
Also published as: EP4283094A3; KR20230165705A; EP4283094A2; US11566536B1; CN117128050A

Abstract

【課題】冷却回路を備えるタービン高温ガス経路ＨＧＰ部品の応力を緩和する。【解決手段】タービン高温ガス経路ＨＧＰ部品２０２は、本体２１０と冷却剤源と流体結合する冷却回路２００とを含む。冷却回路２００は、互いに離間しているが流体接続している複数のセクション２２０を含む。各セクション２２０は、１以上の冷却通路２３０を画成する壁２２２と、複数のセクション２２０の第１のセクション２６０の壁２２２と複数のセクション２２０の隣接する第２のセクション２６２の壁２２２とを結合するコネクタ壁２５８とを含む。第１のセクション２６０の壁２２２と隣接する第２のセクション２６２の壁２２２とは離間しており、セクション２２０間で応力を分離する。コネクタ壁２５８は、第１のセクション２６０の壁２２２、隣接する第２のセクション２６２の壁２２２及び本体２１０よりも可撓性が高く、セクション２２０間の応力を緩和できる。【選択図】図７

Description

本開示は、一般にタービンに関し、特に、応力を緩和する離間セクションを含む冷却回路を含むタービン高温ガス経路（ＨＧＰ）部品に関する。

タービンは、タービンの高温ガス（蒸気又は燃焼ガス流など）に暴露される部品を含む。高温ガス経路（ＨＧＰ）部品は、例えば、ノズルの翼形部、タービンブレードの翼形部、ノズル段とブレード段の間のシュラウドなど、様々な形態をとり得る。ＨＧＰ部品は、通例、部品の温度を下げるための冷却剤を供給する様々な冷却回路を含んでいる。ＨＧＰ部品は、それらが暴露される動力学及び温度差のために高い応力を経験する。ＨＧＰ部品における冷却回路の存在は、応力緩和をもたらす能力を制限する。

以下に挙げるすべての態様、具体例及び特徴は、技術的に可能な方法で組合せることができる。

本開示の一態様は、高温ガス経路に露出される外表面を有する本体と、本体の内表面に沿って画成され、かつ冷却剤源と流体結合する冷却回路であって、互いに離間しているが流体接続している複数のセクションを含む冷却回路とを備えるタービン高温ガス経路（ＨＧＰ）部品を提供するが、各セクションは、第１の転向部で結合する第１の側壁及び第２の側壁を含んでいて第１の側壁と第２の側壁との間に第１の冷却通路を画成する第１の壁部であって、第１の転向部が第１及び第２の側壁の各々の第１の端部に結合し、第１の壁部の第１の側壁の第２の端部が、本体の内表面に結合して、第１の側壁と本体の内表面との間に第２の冷却通路を画成する、第１の壁部と、複数のセクションの第１のセクションの第１の壁部の第２の側壁の第２の端部を、複数のセクションの隣接する第２のセクションの第１の壁部に離間して結合する第１のコネクタ壁と、第１の側壁に画成され、かつ第１の冷却通路を第２の冷却通路と流体結合する１以上の開口部とを含む。

本開示の別の態様は、上述の態様を包含し、第１のコネクタ壁は、第１の壁部及び本体よりも可撓性が高い。

本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、第２の側壁及び第１の側壁を貫通し、かつ本体の内表面で終端する複数の管をさらに備える。

本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、第１の側壁を第２の側壁から離間させる第１の複数の柱と、第１の側壁を本体の内表面から離間させる第２の複数の柱とをさらに備える。

本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、第１のコネクタ壁は、複数のセクションの第１のセクションの第１の冷却通路を複数のセクションの隣接する第２のセクションの第２の冷却通路に流体結合する第３の冷却通路を部分的に画成する。

本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、第３の冷却通路は、複数のセクションの第１のセクションと隣接する第２のセクションとの間で応力を隔離する。

本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、第１のコネクタ壁は、本体の内表面から遠ざかるように湾曲している。

本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、本体は、タービンブレード及びタービンノズルの一方の翼形部である。

本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、本体は、タービンブレード段とタービンノズル段との間のシュラウドである。

本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、複数のセクションの第１の最端セクションをさらに含んでおり、第１の最端セクションは、第２の転向部で結合する第３の側壁及び第４の側壁を含んでいて第３の側壁と第４の側壁との間に第３の冷却通路を画成する第２の壁部であって、第２の転向部が第３及び第４の側壁の各々の第１の端部に結合し、第２の壁部の第３の側壁の第２の端部が、本体の内表面に結合して、第３の側壁と本体の内表面との間に第４の冷却通路を画成する、第２の壁部と、複数のセクションの第２の壁部の第４の側壁の第２の端部を冷却剤源に結合する第２のコネクタ壁とを含む。

本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、複数のセクションの第１の最端セクションとは反対側の複数のセクションの第２の最端セクションをさらに含んでおり、第２の最端セクションは、第３の転向部で結合する第５の側壁及び第６の側壁を含んでいて第５の側壁と第６の側壁との間に第５の冷却通路を画成する第３の壁部であって、第３の転向部が第５及び第６の側壁の各々の第１の端部に結合し、第３の壁部の第５の側壁の第２の端部が、本体の内表面に結合して、第５の側壁と本体の内表面との間に第６の冷却通路を画成する、第３の側壁と、第３の壁部の第６の側壁の第２の端部を、複数のセクションの第２の最端セクションに隣接する複数のセクションの最後から２番目のセクションに結合する第３のコネクタ壁と、第３の転向部を本体の内表面に結合する終端壁とを含む。

本開示の別の態様は、高温ガス経路に露出される外表面を有する本体と、本体の内表面に沿って画成され、かつ冷却剤源と流体結合する冷却回路であって、互いに離間しているが流体接続している複数のセクションを含む冷却回路とを備えるタービン高温ガス経路（ＨＧＰ）部品を包含するが、各セクションは、１以上の冷却通路を画成する壁と、複数のセクションの第１のセクションの壁と複数のセクションの隣接する第２のセクションの壁とを結合する第１のコネクタ壁を含んでおり、第１のセクションの壁と隣接する第２のセクションの壁とは離間しており、第１のコネクタ壁は、第１のセクションの壁、隣接する第２のセクションの壁及び本体よりも可撓性が高い。

本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、壁は、第１の転向部で結合する第１の側壁及び第２の側壁を含んでいて第１の側壁と第２の側壁との間に第１の冷却通路を画成する第１の壁部を含んでおり、第１の転向部は、第１及び第２の側壁の各々の第１の端部に結合し、第１の壁部の第１の側壁の第２の端部は、本体の内表面に結合して、第１の側壁と本体の内表面との間に第２の冷却通路を画成しており、第１のコネクタ壁は、複数のセクションの第１のセクションの第１の壁部の第２の側壁の第２の端部を、複数のセクションの隣接する第２のセクションンの第１の壁部に結合する。

本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、第１の側壁に画成され、かつ第１の冷却通路を第２の冷却通路と流体結合する１以上の開口部をさらに備える。

本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、第１のコネクタ壁は、複数のセクションの第１のセクションを複数のセクションの隣接する第２のセクションから離間させる第３の冷却通路であって、複数のセクションの第１のセクションの第１の冷却通路を複数のセクションの隣接する第２のセクションの第２の冷却通路に流体結合する第３の冷却通路を部分的に画成する。

本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、本体は、タービンブレードの翼形部、タービンノズルの翼形部、及びタービンブレード段とタービンノズル段との間のシュラウドのいずれかである。

この発明の概要の欄に記載した態様も含めて、本開示に記載した２以上の態様を組合せて、本明細書に具体的に記載されていない実施態様としてもよい。

１以上の実施態様の詳細を、添付の図面及び以下の説明に記載する。その他の特徴、目的及び利点は、発明の詳細な説明、図面並びに特許請求の範囲から明らかになろう。

本開示の上記その他の特徴については、本開示の様々な実施形態について記載する添付図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができよう。
ガスタービンシステムの形態の例示的なターボ機械の概略図。図１のガスタービンシステムで使用し得る例示的なガスタービンアセンブリの断面図。本開示の実施形態で使用し得るタイプのタービン動翼の斜視図。本開示の実施形態で使用し得るタイプのタービンノズルの斜視図。本開示の実施形態で使用し得るタイプのタービンシュラウドの斜視図。本開示の実施形態に係る複数のセクションを含む冷却回路を含む例示的なＨＧＰ部品の断面図。本開示の実施形態に係る冷却回路の例示的セクションの拡大断面図。本開示の他の実施形態に係る冷却回路のセクションの斜視図。本開示のさらに他の実施形態に係る冷却回路のセクションの斜視図。本開示の他の実施形態に係る冷却回路を含む例示的なＨＧＰ部品の断面図。本開示の追加実施形態に係る冷却回路を含む例示的なＨＧＰ部品の断面図。

なお、図面は必ずしも縮尺通りではない。図面は、本開示の典型的な態様を例示するものにすぎず、本開示の技術的範囲を限定するものではない。図面において、同様の符号は複数の図面間で同様の構成要素を表す。

まず、本開示の技術的内容を明確に説明するため、ターボ機械内の関連する機械部品について言及及び説明する際に、用語を選択する必要がある。できるだけ、当技術分野で一般的な用語を、その通常の意味と一致するように用いる。別途記載されていない限り、かかる用語は、本願の文脈及び添付の特許請求の範囲に則して広義に解釈すべきである。ある部品について幾つかの異なる又は重複する用語を用いて言及されることが多々あることは当業者には明らかであろう。本明細書において、単一の部材として記載したものであっても、別の文脈では複数の部品からなるものとして記載することもある。或いは、本明細書のある箇所で複数の部品を含むものとして記載したものであっても、別の箇所では単一の部材として記載することもある。

さらに、本明細書では幾つかの記述的用語を繰返し用いるが、本欄の冒頭でこれらの用語を定義しておくと有用であろう。これらの用語及びその定義は、別途明記しない限り、以下の通りである。本明細書で用いる「下流」及び「上流」という用語は、流体の流れ（例えばタービンエンジンを通る作動流体の流れ、或いは燃焼器を通る空気又はタービンの部品系の１つを通る冷却剤の流れなど）に関する方向を示す用語である。「下流」という用語は流体が流れていく方向に対応し、「上流」という用語は流れと反対の方向（すなわち、流れて来る方向）をいう。「前方」及び「後方」という用語は、それ以上は特定されない方向をいい、「前方」はエンジンの前方又は圧縮機端を示し、「後方」はエンジンの後方セクションを示す。

中心軸に対して異なる半径方向位置に配置された部品について説明する必要が多々ある。「半径方向」という用語は、軸に垂直な運動又は位置をいう。例えば、第１の部品が第２の部品よりも軸に近い場合、本明細書では第１の部品は第２の部品の「半径方向内側」又は「中心軸近位側」と記載される。一方、第１の部品が第２の部品よりも軸から遠く位置する場合、本明細書では第１の部品は第２の部品の「半径方向外側」又は「中心軸遠位側」と記載される。「軸方向」という用語は、軸に平行な運動又は位置をいう。最後に、「周方向」という用語は、軸を中心とした運動又は位置をいう。自明であろうが、かかる用語は、タービンの中心軸に対して適用される。

さらに、本明細書では、以下に記載する通り、幾つかの記述的用語を繰返し用いる。「第１」、「第２」及び「第３」という用語は、ある部品を他の部品と区別するために互換的に用いられ、個々の部品の位置又は重要性を示すものではない。

本明細書で用いる用語は、特定の実施形態を説明するためのものにすぎず、開示内容を限定するものではない。本明細書において、単数形で記載したものであっても、前後関係から明らかでない限り、複数の場合も含めて意味する。本明細書において、「備える」及び／又は「含む」という用語は、記載した特徴、整数、ステップ、操作、構成要素及び／又は部品が存在することを示し、他の１以上の特徴、整数、ステップ、操作、構成要素、部品及び／又はこれらの群の存在又は追加を除外するものではない。「任意」又は「適宜」という用語は、その用語に続いて記載された事象又は状況が起きても起きなくてもよいこと或いはその用語に続いて記載された部品又は構成要素が存在しても存在しなくてもよいことを意味しており、かかる記載はその事象が起こる場合と起こらない場合並びにその部品又は構成要素が存在する場合と存在しない場合とを包含する。

ある構成要素又は層が別の構成要素又は層「の上」、「に係合」、「に接続」又は「に結合」しているという場合、その別の構成要素又は層の上に直接位置していても、その別の構成要素又は層に直接係合、接続又は結合していてもよいし、或いは介在する構成要素又は層が存在していてもよい。対照的に、ある構成要素が別の構成要素又は層「の直接上」、「に直接係合」、「に直接接続」又は「に直接結合」しているという場合、介在する構成要素又は層は存在しない。構成要素間の関係について説明するために用いられる他の用語（例えば、「～の間」と「直接～の間」、「隣接」と「直接隣接」など）も同様に解釈される。本明細書で用いる「及び／又は」という用語は、記載されたものの１以上のあらゆるすべての組合せを包含する。

上述の通り、本開示は、タービン高温ガス経路（ＨＧＰ）部品を提供する。ＨＧＰ部品は、高温ガス経路に露出した外表面を有する本体と、本体の内表面に沿って画成され、かつ冷却剤源と流体結合する冷却回路とを含む。冷却回路は、互いに離間しているが流体接続している複数のセクションを含む。各セクションは、１以上の冷却通路を画成する壁と、複数のセクションの第１のセクションの壁と複数のセクションの隣接する第２のセクションの壁とを結合するコネクタ壁とを備える。第１のセクションの壁と隣接する第２のセクションの壁とは離間して配置され、セクション間の応力伝達を防ぐ。コネクタ壁は、第１及び第２のセクションの壁並びに本体よりも可撓性があり、セクション間の応力を緩和できる。

図１は、例示的な産業機械の概略説明図を示しており、そのＨＧＰ部品は、本開示の教示内容に則した冷却回路を含むことができる。本例では、機械は、燃焼又はガスタービンシステムの形態のターボ機械１００を含む。ターボ機械１００は、圧縮機１０２と燃焼器１０４とを備える。燃焼器１０４は、燃焼領域１０６と燃料ノズルアセンブリ１０８とを含む。ターボ機械１００は、タービン１１０及び共通の圧縮機／タービンシャフト１１２（ロータ１１２とも呼ばれる）も含む。

一実施形態では、ＧＴシステム１００は、ＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃ社（米国サウスカロライナ州グリーンビル）から市販の７ＨＡ．０３エンジンである。本開示は、いかなるＧＴシステムに限定されるものではなく、例えば、ＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃ社の他のＨＡ、Ｆ、Ｂ、ＬＭ、ＧＴ、ＴＭ及びＥクラスエンジンモデル、並びに他社のエンジンモデルを始めとする、他のエンジンに関しても実施し得る。本開示は、いかなるタービン又はターボ機械に限定されるものではなく、例えば、蒸気タービン、ジェットエンジン、圧縮機、ターボファンなどにも適用し得る。さらに、本開示は、いかなるターボ機械に限定されるものではなく、高温ガス経路に暴露され、冷却及び応力緩和を必要とするあらゆる形態の部品に適用し得る。

運転中、空気が圧縮機１０２を流れ、圧縮空気が燃焼器１０４に供給される。具体的には、圧縮空気は、燃焼器１０４に内蔵される燃料ノズルアセンブリ１０８に供給される。アセンブリ１０８は、燃焼領域１０６と流体連通している。燃料ノズルアセンブリ１０８は、燃料源（図示せず）とも流体連通しており、燃料及び空気を燃焼領域１０６に導く。燃焼器１０４は、燃料を点火して燃焼させる。燃焼器１０４はタービンアセンブリ１１０と流体連通しており、タービンアセンブリ１１０内でガス流の熱エネルギーが機械の回転エネルギーへと変換される。タービンアセンブリ１１０は、ロータ１１２に回転可能に結合してロータ１１２を駆動するタービン１１１を含む。圧縮機１０２も、ロータ１１２に回転可能に結合されている。図に示す実施形態では、複数の燃焼器１０６及び燃料ノズルアセンブリ１０８が存在する。

図２は、図１のガスタービンシステムで使用し得るターボ機械１００（図１）の例示的なタービンアセンブリ１１０の断面図である。タービンアセンブリ１１０のタービン１１１は、ターボ機械１００の静止ケーシング１２２に結合したノズル１２０の列又は段を含んでおり、軸方向に動翼１２４の列又は段に隣接している。ノズル１２６（ベーンとしても知られる）は、半径方向外側プラットフォーム１２８及び半径方向内側プラットフォーム１３０によってタービンアセンブリ１１０内に保持し得る。タービンアセンブリ１１０内のブレード１２４の各段は、ロータ１１２に結合してロータと共に回転する動翼１３２を含む。動翼１３２は、ロータ１１２に結合した半径方向内側プラットフォーム１３４（ブレードの根元）と、半径方向外側先端１３６（ブレードの先端）とを含むことができる。シュラウド１３８は、ノズル１２６及び動翼１３２の隣接する段を分離し得る。

例えばガスタービンにおける燃焼ガスを始めとする作動流体１４０は、高温ガス経路（以下、「ＨＧＰ」と略す）と呼ばれるものに沿ってタービン１１１を通過する。ＨＧＰは、高温に暴露されるタービン１１１の任意の領域とすることができる。ＨＧＰに露出されるタービン１１１その他の機械の部品は、「ＨＧＰ部品」と呼ばれる。例えばタービン１１１、ノズル１２６、ブレード１３２及びシュラウド１３８はすべて、本開示の教示内容による恩恵を受け得るＨＧＰ部品の具体例である。ＨＧＰに露出されるタービン１１１の他の部分もＨＧＰ部品とみなすことができる。

図３～図５は、本開示の教示内容を利用し得るタービン１１１の例示的ＨＧＰ部品の斜視図である。図３は、本開示の実施形態で使用し得るタイプのタービン動翼１３２の斜視図である。タービン動翼１３２は根元１４２（図２）を備えており、根元１４２によって動翼１３２はロータ１１２に取り付けられる。根元１４２は、ロータ１１２（図２）のロータホイール１４６（図２）の外周の対応ダブテールスロットに取り付けられるように構成されたダブテール１４４を含んでいてもよい。根元１４２は、ダブテール１４２とプラットフォーム１３４との間に延在するシャンク１４８をさらに含んでもよく、プラットフォーム１３４は、翼形部１５２と根元１４２の連結部に配置され、タービンアセンブリ１１０を通るＨＧＰの半径方向近位側境界の一部を画成する。翼形部１５２は、作動流体１４０（図２）の流れを受け止めて、ロータホイール１４６の回転を惹起させる動翼１３２の能動部品である。動翼１３２の翼形部１５２は、凹面状正圧側（ＰＳ）外壁１５４と、周方向又は横方向に反対側の凸面状負圧側（ＳＳ）外壁１５６とを含んでおり、軸方向に前縁１５８と後縁１６０の間に延在する。側壁１５４及び１５６は、半径方向にプラットフォーム１３４から半径方向外側先端１３６まで延在する。先端１３６は、現在公知の又は将来開発される任意の先端シュラウド（図示せず）を含んでいてもよい。本開示の実施形態に係る冷却回路２００（図６～図１１）は、例えば、翼形部１５２、プラットフォーム１３４又は動翼１３２の他の部分で使用できる。

図４は、本開示の実施形態で使用し得るタイプの静止ノズル１２６の斜視図である。静止ノズル１２６は半径方向外側プラットフォーム１２８を含んでおり、半径方向外側プラットフォーム１２８によって静止ノズル１２６はターボ機械の静止ケーシング１２２（図２）に取り付けられる。外側プラットフォーム１２８は、ケーシングの対応マウントに取り付けるための現在公知の又は将来開発される任意の取付け構成を含んでいてもよい。静止ノズル１２６は、隣接タービン動翼１３２（図３）のプラットフォーム１３４間に配置される半径方向内側プラットフォーム１３０をさらに含んでいてもよい。外側及び内側ノズルプラットフォーム１２８，１３０は、タービンアセンブリ１１０を通るＨＧＰの外側及び内側境界のそれぞれの部分を画成する。

翼形部１７６は、作動流体１４０（図２）の流れを受け止めて、その流れをタービン動翼１３２（図３）に向ける静止ノズル１２６の能動部品である。静止ノズル１２６の翼形部１７６は、凹面状正圧側（ＰＳ）外壁１７８と、周方向又は横方向に反対側の凸面状負圧側（ＳＳ）外壁１８０とを含んでおり、軸方向に前縁１８２と後縁１８４との間に延在する。側壁１７８及び１８０は、半径方向にプラットフォーム１２８からプラットフォーム１３０まで延在する。本開示の実施形態に係る冷却回路２００（図６～図１１）は、例えば、翼形部１７６、プラットフォーム１２８，１３０又は静止ノズル１２６の他の部分で使用できる。

図５は、本開示の実施形態で使用し得るタイプのシュラウド１３８の斜視図である。シュラウド１３８は、タービン動翼１３２（図２～図３）の先端１３６（図２～図３）とノズル１２６（図２及び図４）の半径方向外側プラットフォーム１２８（図２及び図４）との間に配置されるプラットフォーム１９０を含んでいてもよい。シュラウド１３８は、ケーシング１２２（図２）に任意の態様で固定し得る。本開示の実施形態に係る冷却回路２００（図６～図１１）は、例えば、内表面１９２又はシュラウド１３８の他の部分で使用できる。

図３～図５を参照すると、上述の通り、本明細書に記載される実施形態は、タービン１１１（図２）の任意のＨＧＰ部品、例えばタービン動翼１３２（図３）、静止ノズル１２６（図４）及び／又はシュラウド１３８（図５）に適用し得る。ＨＧＰ部品は、タービン１１１のＨＧＰに露出される部品に冷却剤を送ってそれらの部品を冷却するための冷却回路（図３～図５には図示せず）を含むことが多々ある。図６～図１１を参照すると、説明の便宜上、本開示の実施形態に係る冷却回路２００を、動翼１３２又はノズル１２６の翼形部１５２，１７６に関連して図示し、説明する。ただし、本開示の教示内容は、任意のＨＧＰ部品に適用し得る。

図６は、本開示の実施形態に係る例示的なタービンＨＧＰ部品２０２の断面図である。図６に示すように、ＨＧＰ部品２０２は、ＨＧＰに露出される外表面２１２を有する本体２１０を含んでいてもよい。本体２１０は、ＨＧＰ部品の種類に応じて任意の形態を取り得る。翼形部１５２，１７６に関して、本体２１０は翼形断面を有する。図に示す例では、本体２１０は、内部に１以上の冷却剤源２１４を含む。冷却剤源２１４は、冷却回路２００のため本体２１０を通る専用の通路であってもよいし、或いは開示の実施形態に係る冷却回路２００の上流の他の冷却回路であってもよい。任意の数の冷却剤源２１４を使用し得る。

冷却回路２００は、本体２１０の内表面２１６に沿って画成され、かつ１以上の冷却剤源２１４に流体結合される。本体２１０の内表面２１６は、例えば、ＨＧＰに直接露出されていない表面とすることができる。冷却回路２００は、互いに離間しているが流体接続している複数のセクション２２０を含む。任意の数のセクション２２０を使用できる。説明の便宜上、セクション２２０は、単に符号「２２０」で示す「通常セクション」と、通常セクション２２０に類似しているが、冷却回路２００をＨＧＰ部品２０２の他の部分に結合できるようにする別の構造を含む「最端セクション」３２０，４２０とを含んでいてもよい。図６では、４つのセクション２２０が用いられているが、後述の通り、２超の「通常」セクション２２０も可能である。

図７は、本開示の実施形態に係る２つのセクション２２０の拡大断面図である。図６及び図７を参照すると、各セクション２２０は、１以上の冷却通路を画成する壁２２２を含んでいてもよい。壁２２２は、様々な形態を取り得る。一例では、壁２２２は、略Ｕ字型であり得る（その側面に敷設して示される）。本例では、壁２２２は、転向部２３８で結合する第１の側壁２３４及び第２の側壁２３６に第１の冷却通路２３０を画成する。転向部２３８は、第１及び第２の側壁２３４，２３６の各々の第１の端部２４０に結合する。側壁２３４，２３６は、概ね平面で平行なものとして示してあるが、非平面であってもよく、非平行であってもよい。側壁２３４，２３６は、適宜、例えば流れ方向、流量、流速又は背圧に関して所望の流れを生じるのに必要な構造を含んでいてもよい。

壁２２２の第１の側壁２３４の第２の端部２４４は、本体２１０の内表面２１６に結合して、第１の側壁２３４と本体２１０の内表面２１６との間に第２の冷却通路２４６を画成する。第２の冷却通路２４６は、内表面２１６に接しており、ＨＧＰに近い。第１の冷却通路２３０は、第２の冷却通路２４６に比べると、本体２１０の相対的内側にある。本例では、第１の（内側）冷却通路２３０を第２の（外側）冷却通路２４６に流体結合するための１以上の開口部２５０が第１の側壁２３４に画成されている。こうして、冷却通路２３０，２４６の一方を流れる冷却剤を、他方の冷却通路に通すことができる。図６及び図７では１つの開口部２５０が示してあるが、任意の数の開口部２５０を（例えばこれら２つの図の紙面の内側又は外側に）使用することができる。第１の側壁２３４の長さに沿って複数の開口部２５０が用いられている図８～図９も参照されたい。

図６～図７に示すように、各セクション２２０の各々の壁２２２は、隣接するセクション２２０の壁２２２から離間している。この間隔は、セクション２２０間での並びに冷却回路２００に沿った及び本体２１０に沿った応力伝達を防止する。

冷却回路２００のセクション２２０は、複数のセクション２２０の下流（第１の）セクション２６０の壁２２２と複数のセクション２２０の隣接する上流（第２の）セクション２６２の壁２２２とを結合するコネクタ壁２５８も含んでいる。図に示す例では、コネクタ壁２５８は、複数のセクション２２０の下流セクション２６０の壁２２２の第２の側壁２３６の第２の端部２６４を、複数のセクション２２０の隣接する上流セクション２６２の壁２２２に離間した状態で結合する。図に示すように、下流セクション２６０の壁２２２と隣接する上流セクション２６２の壁２２２とは離間したままである。換言すると、下流セクション２６０のＵ字型壁２２２（ＨＧＰ部品２０２の内表面２１６に接続する第２の端部２４４を有する第１の側壁２３４、転向部２３８、及び第２の側壁２３６を含む）は、上流セクション２６２のＵ字型壁２２２の各構造物とは接触しない。

さらに具体的には、一方の壁２２２の第１の側壁２３４の第２の端部２４４と、その一方の壁２２２の上流側の隣接する別の壁２２２の転向部２３８との間に第３の冷却通路２６６が画成される。第３の冷却通路２６６は、半径方向に、コネクタ壁２５８と第１の側壁２３４の第２の端部２４４との間に画成される。かかる構成で、第３の冷却通路２６６は、複数のセクション２２０の上流セクション２６２の第２（外側）の冷却通路２４６を、複数のセクション２２０の下流セクション２６０の第１（内側）の冷却通路２３０に流体結合する。こうして、上流セクション２６２の第２の外側冷却通路２４６内の冷却剤を、下流セクション２６０の第１の内側冷却通路２３０に流すことができる。第３の冷却通路２６６は、複数のセクション２２０の下流セクション２６０と隣接する上流セクション２６２との間で応力を隔離する。この配置は、所望に応じて、冷却回路２００のセクション２２０の数及び長さだけ繰り返すことができる。

コネクタ壁２５８は、セクション２２０内の他の壁と同じ可撓性を有し得る。この場合、第３の冷却通路２６６でもたらされる間隔は、ＨＧＰ部品２０２のセクション２２０（例えば隣接セクション２６０，２６２）間及び本体２１０に沿った応力伝達を防止する。他の実施形態では、コネクタ壁２５８は、ＨＧＰ部品２０２の応力緩和をさらに高めるため、冷却回路２００内の他の構造よりも可撓性が高い。例えば、コネクタ壁２５８は、隣接セクション２６０，２６２の壁２２２よりも可撓性が高くてもよいし、本体２１０よりも可撓性が高くてもよい。換言すると、コネクタ壁２５８は、下流セクション２６０の株２２２、隣接する上流セクション２６２の壁２２２及び本体２１０よりも可撓性が高くてもよい。コネクタ壁２５８の可撓性は、様々なやり方でもたらすことができ、例えば、限定されるものではないが、壁２５８内の空隙、壁２５８を他の壁よりも薄くすること、及び／又は湾曲もしくは円弧形部分のような撓ませることのできる構造を設けることなどによってもたらすことができる。

図に示す例では、コネクタ壁２５８は、本体２１０の内表面２１６から遠ざかるように湾曲している。例示した翼形部では、翼形部の中心に向かって内側に湾曲する。コネクタ壁２５８の可撓性は応力をさらに隔離して、応力伝達を防止する。コネクタ壁２５８は、単純な曲線以外の形状を有していてもよい。

セクション２２０の壁２２２は、図７に示すように自立性であってもよい。図８及び図９は、他の実施形態に係る冷却回路２００のセクション２２０の斜視図である。図６及び図８に示すように、第１の複数の柱２７２で、第１の側壁２３４を第２の側壁２３６から離間させてもよく、第２の複数の柱２７０で、第１の側壁２３４を本体２１０の内表面２１６から離間させてもよい。柱２７０，２７２は中実材料であってもよい。柱２７０，２７２は、整列した１対１の配置で例示したが、どのような数、配置及び間隔であってもよい。柱２７０，２７２は、壁２２２（例えば第１及び第２の側壁２３４，２３６）を、あらゆる態様で、所望の剛性／可撓性をもって配置できる。

図９は、柱２７０，２７２を用いるのではなく、複数の管２８０が第１及び第２の側壁２３４，２３６を貫通して本体２１０の内表面２１６で終端する別の実施形態に係るセクション２２０の斜視図である。管２８０は、柱２７０，２７２と同様に第１及び第２の側壁２３４，２３６（及びコネクタ壁２５８）を支持及び／又は配置することができる。ただし、管２８０は、追加の冷却をもたらすため、ＨＧＰ部品２０２の中心又はその他の位置から冷却剤を本体２１０の内表面２１６まで届けることができる。柱２７０，２７２及び管２８０は、任意の外断面を有することができ、管２８０は、任意の内断面を有することができる。他の実施形態では、柱と管を混合できる。柱２７０，２７２及び／又は管２８０は図６にも示してある。

図６に戻ると、冷却回路２００は、冷却回路２００のセクション２２０を他の冷却構造に結合する最端セクション３２０，４２０を含んでいてもよい。冷却回路２００は、複数のセクション２２０の一部として第１の最端セクション３２０を含んでいてもよい。第１の最端セクション３２０は、複数のセクション２２０の同じ列の第１の通常セクション２２０（冷却剤の流れに関して）又は２つのセクション２２０しか設けられていない場合の第２の最端セクション４２０に流体結合することができる（図１１参照）。第１の最端セクション３２０は、他の通常セクション２２０と同様に構成し得る。セクション３２０は、転向部３３８で結合する第３の側壁３３４及び第４の側壁３３６内に冷却通路３３０を画成する壁３２２を含んでいてもよい。転向部３３８は、第３及び第４の側壁３３４，３３６の各々の第１の端部３４０に結合する。壁３２２の第３の側壁３３４の第２の端部３４４は、本体２１０の内表面２１６に結合して、第３の側壁３３４と本体２１０の内表面２１６との間に別の冷却通路３４６を画成する。コネクタ壁３５８は、壁３２２の第４の側壁３３６の第２の端部３６４を冷却剤源２１４に結合する。コネクタ壁３５８は、本明細書でコネクタ壁２５８について説明したものと同じ可撓性及び構成を含むことができる。このようにして、冷却剤源２１４からの冷却剤を冷却回路２００の複数のセクション２２０に送ることができる。

同様に、冷却回路２００は、セクション２２０の第１の最端セクション３２０とは反対側に第２の最端セクション４２０を含んでいてもよい。第２の最端セクション４２０は、最後から２番目の通常セクション２２０（すなわち、同じ列の最端セクション４２０ではない最後の通常セクション２２０）又は２つのセクションしか設けられていない場合の第１の最端セクション３２０に流体結合することができる（図１１参照）。第２の最端セクション４２０は、転向部４３８で結合する第５の側壁４３４及び第６の側壁４３６内に冷却通路４３０を画成する壁４２２を含んでいてもよい。転向部４３８は、第５及び第６の側壁４３４，４３６の各々の第１の端部４４０に結合する。壁４２２の第５の側壁４３４の第２の端部４４４は、本体２１０の内表面２１６に結合して、第５の側壁４３４と本体２１０の内表面２１６との間に別の冷却通路４４６を画成する。壁４２２は、隣接するセクション２２０の壁２２２から離間して、冷却通路４６６を形成する。コネクタ壁４５０は、壁４２２の第６の側壁４３６の第２の端部４６４を、第２の最端セクション４２０に隣接する複数のセクション２２０の最後から２番目のセクション２２０に結合する。第２の最端セクション４２０は、転向部４３８を本体２１０の内表面２１６に結合する終端壁４９４を含んでいてもよい。

冷却回路２００内の冷却剤は、冷却回路の最後の最後端セクション４２０に達するまで、他の目的のため冷却剤の吸い上げることなく、冷却剤源２１４から冷却回路２００を通して閉回路で導くことができる。この場合、第２の最端セクション４２０の冷却通路４３０，４４６内の冷却剤は、これらの冷却通路から任意の用途、例えば、限定されるものではないが、本体２１０の内表面２１６に沿った他の冷却回路、後縁冷却通路、或いは例えばフィルム冷却孔２９８を介しての本体２１０の外表面２１２のフィルム冷却などに、送ってもよい。他の実施形態では、冷却剤は、冷却回路２００に沿った様々な位置、例えば複数のセクション２２０の任意のセクション２２０での本体２１０内のフィルム冷却孔（図示せず）などで、吸い上げることができる。冷却回路２００は、冷却剤の少なくとも一部をＨＧＰ部品２０２の別の領域に送るため或いは本体２１０の外表面２１２のフィルム冷却のため、冷却通路（例えば、２３０，２４６，２６６，３３０，３４６，３６６，４３０，４３６，４６６）と流体連通する他の様々な開口部及び／又は通路（図示せず）を含んでいてもよい。

図１０及び図１１は、セクション２２０の数が異なり、図６～図９とは若干異なる形状の壁を生じる、冷却回路２００及びＨＧＰ部品２０２の実施形態の断面図を示す。図１０は、５つのセクション２２０、すなわち、第１の最端セクション３２０，３つの通常セクション２２０及び第２の最端セクション４２０を含む実施形態を示す。図１１は、２つのセクション２２０、すなわち、第１の最端セクション３２０及び第２の最端セクション４２０しか含まない実施形態を示す。図６、図１０及び図１１を対比観察すると、壁２２２，３２２，４２２は、所望の数のセクション２２０を収容するための望ましい長さを有することができる。図１０及び図１１は、自立式のセクション２２０を示している。図１０及び図１１の実施形態で、柱２７０，２７２（図６及び図８）及び／又は管２８０（図９）を使用できることは明らかであろう。

本開示の実施形態は、ＨＧＰ部品の他の冷却回路内に統合された冷却回路２００の可撓性セクション２２０によって、ＨＧＰ部品２０２内の応力を低減する。これらの可撓性セクション２２０は冷却剤を再利用スキームで導いて、ＨＧＰ部品２０２の予想寿命を縮めることなく、高性能多壁冷却回路アプローチを可能にする。冷却回路２００は、こうしてタービン全体の性能及び耐久性を高める。これらのセクションは、冷却剤を案内しつつ、剛性の本体２１０に沿って可撓性及び応力分散を高めることができ、依存するハードウェアのライフサイクル及びメンテナンスサイクルを延ばし、ＨＧＰ部品２０２における全体的な応力集中を低減する。冷却回路２００の位置は、必要に応じて応力を緩和すべく選択できる。例示した例では、応力緩和は翼形部１５２，１７６の負圧側の低温域にあるが、他の位置にすることもできる。

本明細書及び特許請求の範囲で用いる近似表現は、数量の修飾語であって、その数量が関係する基本機能に変化をもたらさない許容範囲内で変動し得る数量を表すために適用される。したがって、「約」、「略」及び「実質的に」のような用語で修飾された値はその厳密な数値に限定されない。場合によっては、近似表現は、その値を測定する機器の精度に対応する。本明細書及び特許請求の範囲において、数値限定の範囲は互いに結合及び／又は交換可能であり、かかる範囲は、前後関係等から別途明らかでない限り、その範囲に含まれるあらゆる部分範囲を特定しかつ包含する。範囲の特定の値に用いられる「約」は、上下限に適用され、その値を測定する機器の精度に依存する場合を除いて、記載された数値の±１０％を示すことがある。

以下の特許請求の範囲において機能的記載によって特定された構成要素の対応する構造、材料、行為及び均等物は、特許請求の範囲に具体的に記載された他の構成要素と組合せて機能を発揮するあらゆる構造、材料又は行為を包含する。本開示の記載は、例示及び説明を目的としたものであり、網羅的なものでもなければ、開示された形態に限定するものでもない。本開示の技術的範囲及び技術的思想から逸脱せずに、数多くの修正及び変形が当業者には明らかであろう。本開示の実施形態は、本開示の原理及び実用的用途の説明として最も適しかつ当業者が様々な実施形態に関する開示内容及び特定の用途に適した様々な修正について理解できるように、選択して記載したものである。

２００冷却回路
２０２高温ガス経路（ＨＧＰ）部品
２１０本体
２１２外表面
２１４冷却剤源
２１６内表面
２２０冷却回路の複数のセクション
２２２第１の壁部
２３０第１の冷却通路
２３４第１の側壁
２３６第２の側壁
２３８第１の転向部
２４０第１の側壁及び第２の側壁の第１の端部
２４４第１の側壁の第２の端部
２４６第２の冷却通路
２５０開口部
２５８第１のコネクタ壁
２６０第１のセクション
２６２第２のセクション
２６４第２の側壁の第２の端部

Claims

高温ガス経路に露出される外表面（２１２）を有する本体（２１０）と、
前記本体（２１０）の内表面（２１６）に沿って画成され、かつ冷却剤源（２１４）と流体結合する冷却回路（２００）であって、互いに離間しているが流体接続している複数のセクション（２２０）を含む冷却回路（２００）と
を備えるタービン高温ガス経路（ＨＧＰ）部品（２０２）であって、各セクション（２２０）が、
第１の転向部（２３８）で結合する第１の側壁（２３４）及び第２の側壁（２３６）内に第１の冷却通路（２３０）を画成する第１の壁部（２２２）であって、第１の転向部（２３８）が、第１及び第２の側壁（２３４，２３６）の各々の第１の端部（２４０）に結合し、第１の壁部（２２２）の第１の側壁（２３４）の第２の端部（２４４）が前記本体（２１０）の内表面（２１６）に結合して、第１の側壁（２３４）と前記本体（２１０）の内表面（２１６）との間に第２の冷却通路（２４６）を画成する、第１の壁部（２２２）と、
前記複数のセクション（２２０）の第１のセクション（２６０）の第１の壁部（２２２）の第２の側壁（２３６）の第２の端部（２６４）を、前記複数のセクションの隣接する第２のセクション（２６２）の第１の壁部（２２２）に離間して結合する第１のコネクタ壁（２５８）と、
第１の側壁（２３４）に画成され、かつ第１の冷却通路（２３０）を第２の冷却通路（２４６）と流体結合する１以上の開口部（２５０）と
を含む、タービンＨＧＰ部品（２０２）。
第１のコネクタ壁（２５８）が、第１の壁部（２２２）及び前記本体（２１０）よりも可撓性が高い、請求項１に記載のタービンＨＧＰ部品（２０２）。
第２の側壁（２３６）及び第１の側壁（２３４）を貫通し、かつ前記本体（２１０）の内表面（２１６）で終端する複数の管（２８０）をさらに備える、請求項１に記載のタービンＨＧＰ部品（２０２）。
第１の側壁（２３４）を第２の側壁（２３６）から離間させる第１の複数の柱（２７０）と、第１の側壁（２３４）を前記本体（２１０）の内表面（２１６）から離間させる第２の複数の柱（２７２）とをさらに備える、請求項１に記載のタービンＨＧＰ部品（２０２）。
第１のコネクタ壁（２５８）が、前記複数のセクション（２２０）の第１のセクション（２６０）の第１の冷却通路（２３０）を前記複数のセクション（２２０）の隣接する第２の冷却通路（２４６）に流体結合する第３の冷却通路（２６６）を画成する、請求項１に記載のタービンＨＧＰ部品（２０２）。
第３の冷却通路（２６６）が、第１のセクション（２６０）と隣接する第２のセクション（２６２）との間で応力を隔離する、請求項５に記載のタービンＨＧＰ部品（２０２）。
第１のコネクタ壁（２５８）が、前記本体（２１０）の内表面（２１６）から遠ざかるように湾曲している、請求項１に記載のタービンＨＧＰ部品（２０２）。
前記本体（２１０）が、タービンブレード（１２４）及びタービンノズル（１２６）の一方の翼形部（１５２）である、請求項１に記載のタービンＨＧＰ部品（２０２）。
前記本体（２１０）が、タービンブレード段（１２４）とタービンノズル段（１２６）との間のシュラウド（１３８）である、請求項１に記載のタービンＨＧＰ部品（２０２）。
前記複数のセクション（２２０）の第１の最端セクション（３２０）をさらに備えており、第１の最端セクション（３２０）が、
第２の転向部（３３８）で結合する第３の側壁（３３４）及び第４の側壁（３３６）内に第３の冷却通路（２６６）を画成する第２の壁部（３２２）であって、第２の転向部（３３８）が第３及び第４の側壁（３３４，３３６）の各々の第１の端部（３４０）に結合し、第２の壁部（３２２）の第３の側壁（３３４）の第２の端部（３４４）が、前記本体（２１０）の内表面（２１６）に結合して、第３の側壁（３３４）と前記本体（２１０）の内表面（２１６）との間に第４の冷却通路（３３０）を画成する、第２の壁部（３２２）と、
前記複数のセクション（２２０）の第２の壁部（３２２）の第４の側壁（３３６）の第２の端部（３４４）を冷却剤源（２１４）に結合する第２のコネクタ壁（２５８）と
を含んでいる、請求項１に記載のタービンＨＧＰ部品（２０２）
前記複数のセクション（２２０）の第１の最端セクション（３２０）とは反対側の前記複数のセクション（２２０）の第２の最端セクション（４２０）をさらに備えており、第２の最端セクション（４２０）が、
第３の転向部（４３８）で結合する第５の側壁（４３４）及び第６の側壁（４３６）内に第５の冷却通路（４３０）を画成する第３の壁部（４２２）であって、第３の転向部（４３８）が第５及び第６の側壁（４３４，４３６）の各々の第１の端部（４４０）に結合し、第３の壁部（４２２）の第５の側壁（４３４）の第２の端部（４４４）が、前記本体（２１０）の内表面（２１６）に結合して、第５の側壁（４３４）と前記本体（２１０）の内表面（２１６）との間に第６の冷却通路（４４６）を画成する、第３の壁部（４２２）と、
第３の壁部（４２２）の第６の側壁（４３６）の第２の端部（４６４）を、前記複数のセクション（２２０）の第２の最端セクション（４２０）に隣接する前記複数のセクション（２２０）の最後から２番目のセクション（４２０）に結合する第３のコネクタ壁（４５８）と、
第３の転向部（４３８）を前記本体（２１０）の内表面（２１６）に結合する終端壁（４９４）と
を含んでいる、請求項１０に記載のタービンＨＧＰ部品（２０２）。
高温ガス経路に露出される外表面（２１２）を有する本体（２１０）と、
前記本体（２１０）の内表面（２１６）に沿って画成され、かつ冷却剤源（２１４）と流体結合する冷却回路（２００）であって、互いに離間しているが流体接続している複数のセクション（２２０）を含む冷却回路（２００）と
を備えるタービン高温ガス経路（ＨＧＰ）部品（２０２）であって、各セクション（２２０）が、
１以上の冷却通路（２３０）を画成する壁（２２２）と、
前記複数のセクション（２２０）の第１のセクション（２６０）の壁（２２２）と前記複数のセクション（２２０）の隣接する第２のセクション（２６２）の壁（２２２）とを結合する第１のコネクタ壁（２５８）であって、第１のセクション（２６０）の壁（２２２）と隣接する第２のセクション（２６２）の壁（２２２）とが離間している、第１のコネクタ壁（２５８）と
を含んでおり、第１のコネクタ壁（２５８）が、第１のセクション（２６０）の壁（２２２）、隣接する第２のセクション（２６２）の壁（２２２）及び前記本体（２１０）よりも可撓性が高い、タービンＨＧＰ部品（２０２）。
前記壁（２２２）が、第１の転向部（２３８）で結合する第１の側壁（２３４）及び第２の側壁（２３６）内に第１の冷却通路（２３０）を画成する第１の壁部（２２２）を含んでおり、第１の転向部（２３８）が、第１及び第２の側壁（２３４，２３６）の各々の第１の端部（２４０）に結合し、第１の壁部（２２２）の第１の側壁（２３４）の第２の端部（２４４）が、前記本体（２１０）の内表面（２１６）に結合して、第１の側壁（２３４）と前記本体（２１０）の内表面（２１６）との間に第２の冷却通路（２４６）を画成しており、
第１のコネクタ壁（２５８）が、前記複数のセクション（２２０）の第１のセクション（２６０）の第１の壁部（２２２）の第２の側壁（２３６）の第２の端部（２４４）を、前記複数のセクション（２２０）の隣接する第２のセクション（２６２）の第１の壁部（２２２）に結合する、請求項１２に記載のタービンＨＧＰ部品（２０２）。
第１の側壁（２３４）に画成され、かつ第１の冷却通路（２３０）を第２の冷却通路（２４６）に流体結合する１以上の開口部（２５０）をさらに備える、請求項１３に記載のタービンＨＧＰ部品（２０２）。
第２の側壁（２３６）及び第１の側壁（２３４）を貫通し、かつ前記本体（２１０）の内表面（２１６）で終端する複数の管（２８０）をさらに備える、請求項１３に記載のタービンＨＧＰ部品（２０２）。