JP6632219B2

JP6632219B2 - 固定ブレード用の冷却構造体

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Publication number: JP6632219B2
Application number: JP2015103297A
Authority: JP
Inventors: デビッド・ウェイン・ウェーバー; ダスティン・マイケル・アーンハート; グレゴリー・トーマス・フォスター; ミッシェル・ジェシカ・イドゥエイト
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2020-01-22
Anticipated expiration: 2035-05-21
Also published as: JP2015224633A; DE102015107850A1; US9638045B2; CN105298550B; CH709639A2; US20150345300A1; CN105298550A

Description

本開示は、全体的に、固定ブレードに関し、より詳細には、固定ブレード用の冷却構造体に関する。

固定ブレード（ＳｔａｔｉｏｎａｒｙＢｌａｄｅ）は、タービン用途において、高温のガス流を移動ブレードに配向して動力を発生させるのに使用される。蒸気及びガスタービン用途において、固定ブレードはノズルと呼ばれ、ケーシングなどの外部構造体及び／又は内部シール構造体に端壁により装着される。各端壁は、固定ブレードの翼形部部分の端部に結合される。各端部は、翼形部の端部から外向きに延びるコアを含む。

翼形部及び端壁は、過酷な温度設定環境において動作するために冷却を必要とする。例えば、一部の設定環境において、冷却流体は、ホイールスペースから引き出されて、冷却のため内部端壁に配向される。対照的に、多くのガスタービン用途において、より後段のノズルには、圧縮機から抽出された冷却流体（例えば、空気）を送給することができる。外径の端壁は、冷却流体を直接受け取り、他方、内径の端壁は、外径から冷却流体を受け取り、その後、該冷却流体が翼形部を通じて送られる。従来では、この配向は、冷却流体を翼形部のコア開口内のインピンジメント・インサート（バッフルとしても知られる）を通って加圧ダイアフラム（端壁から分離され且つ半径方向内部に位置する）に流入させることにより実施される。冷却流体がダイアフラム内に達すると、冷却流体は、端壁内の冷却回路に半径方向外向きに配向される。端壁の冷却回路は、ピン−基台構成及び／又は端壁内の蛇行通路などの様々な形態をとることができ、冷却流体をコアの必要とされる部分まで配向する。

ダイアフラム構成には幾つかの課題がある。１つの課題は、ダイアフラムを生成する部品に要求される物理的スペースによりタービンをより長くする必要があり、そうでなければ近接流路シールのようなホイールスペースシールのための空間が無くなる可能性があることである。ダイアフラムの生成はまた、極めて短い／小さいスペースに収めなければならず、固定ブレードの鋳造の後に複雑な機械加工（又は他の製造工程）を必要とする点で複雑なプロセスである。

米国特許第８，２３１，３２９号明細書

本開示の第１の態様は、固定ブレード用の冷却構造体を提供し、該冷却構造体は、第１の冷却流体を固定ブレードから第１の冷却回路に配向する、固定ブレードの端壁における第１のチャンバと、第２の冷却流体を固定ブレードから第１の冷却回路と異なる第２の冷却回路に配向する、固定ブレードの端壁における第２のチャンバと、を備え、第１の冷却流体が第２の冷却流体よりも低温である。

本開示の第２の態様は、固定ブレードを提供し、該固定ブレードは、側壁を貫通する複数のインピンジメント孔と端部にてインサート通路とを含むインピンジメント・インサートをコア開口において有する翼形部と、前記翼形部の端壁におけて冷却構造体と、を備え、前記冷却構造体が、第１の冷却流体を翼形部から第１の冷却回路に配向する、固定ブレードの端壁における第１のチャンバと、第２の冷却流体を翼形部から第１の冷却回路と異なる第２の冷却回路に配向する、固定ブレードの端壁における第２のチャンバと、を含み、第１の冷却流体が、複数のインピンジメント孔を通過せずに翼形部を通過し、第２の冷却流体が、複数のインピンジメント孔を通過して翼形部を冷却し、その結果、第１の冷却流体が第２の冷却流体よりも低温であるようになる。

本開示の第３の態様は、蛇行翼形部冷却回路を内部に有する翼形部を含む固定ブレード用の冷却構造体を提供し、該冷却構造体が、第１の冷却流体を固定ブレードから第１の冷却回路に配向する、固定ブレードの端壁における第１のチャンバと、第２の冷却流体を固定ブレードから第１の冷却回路と異なる第２の冷却回路に配向する、固定ブレードの端壁における第２のチャンバと、を含み、第１の冷却流体が第１の位置において蛇行翼形部冷却回路から取り出され、第２の冷却流体が第２の位置において蛇行翼形部冷却回路から取り出され、第２の位置が第１の位置から下流側にあり、第１の冷却流体が第２の冷却流体よりも低温であるようにし、冷却構造体が更に、固定ブレードの端壁において、第１のチャンバから第１の冷却回路に延びる第１の冷却流体通路と、固定ブレードの端壁において、第２のチャンバから第２の冷却回路に延びる第２の冷却流体通路と、を含む。

本開示の例示的な態様は、本明細書で記載される問題及び／又は考察していない他の問題を解決するように意図されている。

本開示のこれらの及びその他の特徴は、本開示の様々な実施形態を示す添付図面と関連させてなした本開示の様々な態様の以下の詳細な説明から一層容易に理解されるようになるであろう。

本開示による冷却構造体を含む固定ブレードの１つの実施形態の概略断面図。図１の固定ブレードの端部の半径方向外向きの透視斜視図。２つの固定ブレード構成の半径方向外向き断面図。端壁コア開口の１つの代替の実施形態の概略断面図。冷却構造体を含む固定ブレードの別の実施形態の概略断面図。冷却構造体を含む固定ブレードの代替の実施形態の概略断面図。蛇行翼形部冷却回路を有し且つ冷却構造体を含む固定ブレードの別の実施形態の概略断面図。蛇行翼形部冷却回路を有し且つ冷却構造体を含む固定ブレードの代替の実施形態の概略断面図。端壁コア開口の代替の実施形態の概略断面図。端壁コア開口の代替の実施形態の概略断面図。

本開示の図面は縮尺通りではない点に留意されたい。当該図面は、本開示の典型的な態様のみを描くことを意図しており、従って、本開示の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面では、同じ参照符号は、複数の図面にわたり同じ要素を示している。

上述のように、本開示は、固定ブレード用の冷却構造体を提供する。冷却構造体は、本明細書で記載されるように、様々な形態をとることができる。１つの実施形態において、冷却構造体は、固定ブレードから第１の冷却回路まで第１の冷却流体を配向するための固定ブレードの端壁における第１のチャンバと、第１の冷却回路とは異なる第２の冷却回路まで固定ブレードから第２の冷却流体を配向するための固定ブレードの端壁における第２のチャンバと、を含むことができる。第１の冷却流体は、第２の冷却流体よりも低い温度を有する。各チャンバは端壁の内部、詳細にはブレードの鋳造中に作製される端壁コア開口内にあるので、本開示では、比較的大型で漏れが生じやすい加圧ダイアフラムを備える必要がない。各チャンバは、取り外された後に翼形部鋳造コアにより残される端壁コア開口容積を閉蓋する（例えば、溶接シート金属部材により）ことによって形成することができる。インピンジメント・インサートが使用される場合、冷却構造体は、翼形部インピンジメント・インサート後冷却流体及び／又は翼形部から流出する新しいインピンジメント・インサート前冷却流体を用いることができる。このようにして、冷却構造体は、必要な場合にだけより低温（冷却能力がより高い）のインピンジメント前の冷却流体を使用し、適切な場合にはより温度の高い（冷却能力がより低い）インピンジメント後の冷却流体を用いることを可能にし、特定の用途に対して全体として冷却流の配向を節減する。同様の利点は、翼形部の冷却回路の異なる場所から冷却流体を引き出すことによって、蛇行翼形部冷却回路を利用する固定ブレードにおいても得ることができる。

図１〜３を参照すると、固定ブレード１０２の冷却構造体１００が概略断面で示されている。固定ブレード１０２は、タービンエンジンのケーシング（図示せず）のような固定構造体に装着することができる外側半径方向端部１０４を含む。固定ブレード１０２の内側半径方向端部１０６は、ロータ（図示せず）に対する従来の方式でシールすることができる。固定ブレード１０２は、使用される用途に適切な現在公知の又は将来開発される何らかの材料（例えば、高温鋼鉄）を含むことができ、鋳造により形成することができる。固定ブレード１０２は、端壁１１０に結合された翼形部１０８を含む。翼形部１０８は、固定ブレード１０２に隣接したロータ（図示せず）に装着される複数の回転ブレード（図示せず）に向かって作動流体流を配向する役割を果たす。説明の目的で図示されるように、端壁１１０は、コア１１３の部分に複数の冷却回路１１２を含む固定ブレード１０２の内側半径方向端部にて拡大した領域を含む。同様の端壁もまた、固定ブレード１０２の外側半径方向端部１０４に位置付けることができ、本開示の教示は、外側半径方向端部１０４に位置付けられる端壁に等しく適用されることは強調しておくべきである。

図２及び３を参照すると、複数の例示的な冷却回路１１２が示される。図２は、種々の冷却回路１１２を内部に備えた単一の固定ブレード１０２を示し、図３は、端壁１１０を共用し、種々の冷却回路１１２を内部に備えた固定ブレード１０２のペアを示している。冷却回路１１２は、端壁１１０の何れかの部分を通り、場合によっては翼形部１０８の一部又は固定ブレード１０２に隣接するホイールスペース１２０（図１）内に延びることができる。当該技術分野で周知であり、図２において最もよく分かるように、各冷却回路１１２は、端壁１１０の特定部分、例えば、前縁部１１０ＬＥ、後縁部１１０ＴＥ、正圧側面部１１０ＰＳ及び／又は負圧側面部１１０ＳＳを通る蛇行経路をとることができる。或いは、図３に示すように、各冷却回路１１２は、端壁１１０の特定部分、例えば、前縁部１１０ＬＥ、後縁部１１０ＴＥ、正圧側面部１１０ＰＳ及び／又は負圧側面部１１０ＳＳに位置付けられた種々のピン−基台冷却構造体１１４を利用することができる。必要とされる場合、図２に示すように、蛇行経路及びピン−基台構造体を共に利用することができる。端壁１１０において冷却回路１１２に加えて、翼形部１０８はまた、本明細書で説明するように、様々な形態をとることができる翼形部冷却回路１１２を含むことができる。

図１を再度参照すると、１つの実施形態において、翼形部冷却回路１１２は、１又はそれ以上のインピンジメント・インサート１２６（インピンジメントバッフルとしても知られる）を利用することができる。より詳細には、１つの実施形態において、固定ブレード１０２が鋳造物であるときには、取り外し可能コア（図示せず）が設けられ、翼形部１０８を貫通するコア開口１２２と、端壁１１０における端壁コア開口１２４とを生成する。図１〜３の実施形態において、単一のインピンジメント・インサート１２６がコア開口１２２に位置付けられる。インピンジメント・インサート１２６の半径方向外側端部１２７は、第１の冷却流体１４０を受けるために開放される。インピンジメント・インサート１２６はまた、端壁１１０に隣接する端部にてインサート通路１３２を含むことができる。図示のように、インサート通路１３２は、端壁コア開口１２４内に延びるが、これは全ての状況において必須なことではない。インピンジメント・インサート１２６は、コア開口１２２内に位置付けて、該コア開口１２２の外面と内面との間に翼形部通路１４５を生成することを可能にするような断面形状を有することができる。インサート１２６はまた、コア開口１２２の内部に実質的に似た形状（断面及び長さ方向が）にすることができる。

作動時には、第１の冷却回路１４０が、冷却流体供給源からインピンジメント・インサート１２６に流入する。供給源は、例えば、圧縮機（図示せず）からの抽出、ケーシングからの抽出、又はタービンの別の部分からの抽出など、固定ブレード１０２への冷却流体の現在公知の又は将来開発される何らかの提供方法とすることができる。冷却流体は、特定のタービン用途において通常は冷却に使用される空気、蒸気、及び他のガスのような何らかの適切な材料を含むことができる。１つの供給源１４０を例示しているが、冷却流体１４０は、複数の流れ、すなわち、温度、圧力、流量、その他などの異なる特性を有する複数の冷却流体を設けてもよいことは強調すべきであろう。各冷却流体１４０は、当該技術分野で公知の固定ブレード１０２の端部１０４において、例えば、ブレードの半径方向外側端壁において種々の通路及びチャンバを介してインピンジメント・インサート１２６に対して配向することができる。何れにしても、第１の冷却回路１４０の一部は、複数のインピンジメント孔１２８を通過して、すなわち、翼形部１０８のコア開口１２２の内面に冷却流体１４０を衝突させることによって翼形部１０８を冷却する。この際に、第２の冷却流体１４４（インサート１２６の両側上の破線矢印）が生成され、該第２の冷却流体１４４は、翼形部１０８から熱を吸収する手段として、第１の冷却流体１４０よりも高い温度を有する。第２の冷却流体１４４は、インピンジメント・インサート１２６と翼形部コア開口１２２との間で翼形部通路１４５を通って流れる。第１の冷却流体１４０の残りの部分１４６は、複数のインピンジメント孔１２８を通過することなく、端壁コア開口１２４内のインサート通路１３２を通過し、従って、第２の冷却流体１４４よりも低い温度が保持される。すなわち、インサート通路１３２は、低温の第１の冷却流体１４０を端壁コア開口１２４に供給する。インピンジメント孔１２８との相互作用に基づいて、第１の冷却流体１４０（１４６）は、「インピンジメント前の」冷却流体と呼ぶことができ、第２の冷却流体は、「インピンジメント後の」冷却流体と呼ぶことができる。

従来のシステムにおいて、両方の冷却流体１４２、１４４は、端壁１１０の半径方向内部に位置付けられた加圧ダイアフラムにて受け取られ、次いで、冷却回路１１２に再配向して戻される。対照的に、本開示の実施形態による冷却構造体１００は、固定ブレード１０２から第１の冷却回路（例えば、１１２ＬＥ）に第１の冷却流体１４０を配向するための固定ブレード１０２の端壁１１０における第１のチャンバ１５０と、第１の冷却回路１１２ＬＥとは異なる第２の冷却回路（例えば、１１２ＴＥ）に固定ブレード１０２から第２の冷却流体１４４を配向するための固定ブレード１０２の端壁１１０における第２のチャンバ１５２と、を含む。上述のように、第１の冷却流体１４０は、第２の冷却流体１４４よりも低い温度を有する。チャンバ１５０，１５２を使用することによって、適切なより高い冷却要求に対しては高冷却能力の第１の冷却流体１４０を使用し、より低い冷却要求に対しては低冷却能力の第２の冷却流体を使用することが可能になる。図示の実施例において、第１の冷却回路１１２ＬＥは、端壁１１０の前縁部１１０ＬＥ（図２〜３）に位置付けられ、第２の冷却回路１１２ＴＥは、端壁１１０の後縁部１１０ＴＥ（図２〜３）に位置付けられる。このようにして、端壁１１０の後縁にて第２の冷却回路１１２ＴＥよりもより多くの冷却を必要とする可能性がある第１の冷却回路ＬＥは、より高い冷却能力の第１の冷却流体１４０を受け取る。同様に、このような高い冷却能力の冷却流体を必要としない部分は、より低い冷却能力の冷却流体を受け取る。全体的な効果として、利用可能な冷却流体を効率的に使用できることであり、従って、タービン全体の効率が向上する。端壁１１０の前縁及び後縁において第１及び第２の冷却回路１１２ＬＥ及び１１２ＴＥがそれぞれ図示されているが、これらは、端壁１１０の他の部分に配置されるか、又は他の部分まで延びてもよいことは強調しておくべきである。

各チャンバ１５０，１５２は、それぞれの冷却回路１１２に何らかの方式で流体結合することができる。１つの実施形態において、各チャンバ１５０，１５２は、それぞれの冷却回路に単に開放されており、すなわち、回路の一部とみなすことができる。他の実施形態において、チャンバ１５０，１５２をそれぞれの冷却回路に流体結合するために、冷却流体通路が必要となる場合がある。例えば、図１の実施形態において、固定ブレード１０２の端壁１１０における第１の冷却流体通路１６０は、第１のチャンバ１５０から第１の冷却回路１１２ＬＥに延び、固定ブレード１０２の端壁１１０における第２の冷却流体通路１６２は、第２のチャンバ１５２から第２の冷却回路１１２ＴＥに延びる。２つの通路が例示されているが、特定の冷却流体を何れかの冷却回路に供給するために、あらゆる数の通路を設けることができることは理解される。例えば、図３を参照すると、左側の固定ブレード１０２には、３つの通路１６０、１６２が１又はそれ以上のチャンバ（符号なし）から延びている。更に、各通路は、必ずしも、チャンバから図１に示す方向ですなわち前縁及び後縁に向けて延びる必要はない。例えば、図２及び３は、端壁１１０の種々の側面に向かって延びた通路１６０、１６２を示している。

各通路１６０、１６２は、適所での機械加工又は鋳造のような何れかの既知の方式で形成することができる。図４に示す本開示による特定の１つの実施形態において、第１及び第２の冷却流体通路１６０、１６２のうちの少なくとも１つは、第１及び第２のチャンバ１５０，１５２のそれぞれのチャンバから横方向に延びる第１の通路１６４と、第１の通路１６４と交差し、端壁１１０の外面７３２にある開放端部からそれぞれの第１の冷却回路１１２ＴＥ又は第２の冷却回路１１２ＬＥに延びる第２の通路１６８とを有する２部通路を含む。第１及び第２の通路１６４、１６８の各々は、何らかのボーリングプロセス（例えば、ドリル加工など）を用いて容易に形成することができる。第２の通路１６６の開放端部は、プラグ１６８及びカバー部材１７０（図４には両方が示されているが、１つだけが必要である）のうちの少なくとも１つによって閉鎖され、従って、それぞれの冷却流体通路１６０，１６２を形成することができる。図示のように、カバー部材１７０は、本明細書でより詳細に示される１又は複数のチャンバ１５０，１５２を形成するのに使用されるシートメタル部材の一部とすることができ、或いは、別個の要素であってもよい。

第１及び第２のチャンバ１５０，１５２は、幾つかの方法で形成することができる。図１に示す１つの実施形態において、第１のチャンバ閉鎖部１７４は、少なくとも端壁コア開口１２４に結合されて第１のチャンバ１５０を形成することができる。本明細書で述べるように、第１のチャンバ１５０は、インピンジメント・インサート１２６においてインサート通路１３２と流体連通しており、第１の冷却流体１４０（その一部１４６）が第１のチャンバ１５０に流入できるようになる。加えて、閉鎖部１７６は、少なくとも端壁コア開口１２４に結合されて第２のチャンバ１５２を形成することができる。本明細書で述べるように、第２のチャンバ１５２は、翼形部１０８において第２の冷却流体１４４を供給する翼形部通路１４５と流体連通している。この実施例において、図３で最もよく認められるように、第１のチャンバ閉鎖部１７４は、端壁コア開口１２４を密閉するよう成形されたシートメタル部材又は他の要素の形態の部材を含むことができる。すなわち、第１のチャンバ閉鎖部１７４は、端壁コア開口１２４を閉鎖する部材を含み、この部材により第１のチャンバ１５０を生成する。例えば、図３に示すように、第１のチャンバ閉鎖部１７４は、涙滴形状とすることができる。また、この実施例において、第２のチャンバ閉鎖部１７６は、例えば、端壁コア開口１２４を密閉し（すなわち、閉鎖部１７４に対して半径方向外向きの位置で）て、インサート通路１３２が貫通できるように加工されたシートメタル部材の形態の部材を含むことができる。すなわち、インサート通路１３２がインピンジメント・インサート１２６の端部から所定長を延びる場合、第２のチャンバ閉鎖部１７６は、所定長のインサート通路１３２及び端壁コア開口１２４の内面に結合されて第２のチャンバ１５２を形成する部材を含む。インピンジメント・インサート１２６が端壁コア開口１２４内に延びていない場合、閉鎖部１７６は、単に通路１３２と嵌合するだけである。図２は、第１のチャンバ閉鎖部１７４（図１及び３）が取り外されて第２のチャンバ閉鎖部１７６並びに端壁コア開口１２４及びインサート通路１３２との相互作用が明らかにされた、第１のチャンバ１５０を示している。ここで、第２のチャンバ閉鎖部１７６もまた、幾らか涙滴の外形を有することができる。各閉鎖部１７４，１７６は、例えば、溶接（溶接位置スポットを参照）により端壁コア開口１２４に固定して取り付け可能な材料から作ることができる。

図５は、第１及び第２のチャンバ２５０，２５２それぞれをどのようにして形成できるかに関する別の実施形態を示している。図５の実施形態は、以下のことを除いて図１の実施形態と同様であり、すなわち、第１のチャンバ閉鎖部及び第２のチャンバ閉鎖部が、全体として、インピンジメント・インサート１２６においてインサート通路１３２から第１の冷却流体１４０（その一部１４６はインピンジメント・インサート１２６を通過しない）を受け取る第１の領域２８２と、翼形部１０８において翼形部通路１４５から第２の冷却流体１４４を受け取る第２の領域２８４との間で端壁コア開口１２４のスペースを分割する第１の部材２８０を含むことである。第１の部材２８０は、翼形部１０８及び端壁１１０と共に所定位置にて鋳造することができ、或いは、例えば溶接により後で付加することもできる。第２の部材２８６は、第２の冷却流体１４４の流れが翼形部１０８における翼形部通路１４５から第１の領域２８２に流入するのを阻止する。更に、第３の部材２８８は、第１の部材２８０に結合して端壁コア開口１２４を閉鎖し、第１の領域２８２に第１のチャンバ２５０を、第２の領域２８４に第２のチャンバ２５２を形成する。各部材２８６，２８８は、シートメタル部材を含み、その位置に収まって周囲の構造体に結合できるのに必要な何らかの形状を有することができる。例えば、部材２８６は、インサート通路１３２に対する開口を備えた形状の部分的に涙滴とすることができ、部材２８８は、閉鎖部１７６に類似した形状の幾らか涙滴とすることができる。各部材２８６，２８８は、例えば、溶接（溶接位置スポットを参照）により端壁コア開口１２４に固定して取り付け可能な材料から作ることができる。

ここまで説明してきた冷却構造体は、異なる温度を有する冷却流体を適切な冷却回路に配向するために２つのチャンバを備えている。図６を参照すると、別の実施形態において、本開示による冷却構造体１００はまた、第３のチャンバ３５０及び第４のチャンバ３５２を含むことができ、各チャンバは、異なる温度を有する冷却流体を異なる冷却回路に配向するようにする。すなわち、固定ブレード１０２の端壁１１０における第３のチャンバ３５０は、第３の冷却流体３４０（その一部は３４６）を固定ブレード１０２から、第１及び第２の冷却回路（例えば、１１２ＬＥ、１１２Ｘ）とは異なる第３の冷却回路３１２Ｘに配向する。第２の冷却回路１１２Ｘ及び第３の冷却回路３１２Ｘは、ページの内外への、例えば、図３に示すように端壁負圧側面部１１０ＳＳ内への複数の位置に延びるように仮想円で示されている。更に、固定ブレード１０２の端壁１１０における第４のチャンバ３５２は、第４の冷却流体３４４を固定ブレード１０２から、第１の冷却回路（例えば、１１２ＬＥ）、第２の冷却回路（例えば、１１２Ｘ）及び第３の冷却回路３１２Ｘとは異なる第４の冷却回路３１２ＴＥに配向する。第１及び第４の冷却回路１１２ＬＥ及び３１２ＴＥはそれぞれ、端壁１１０の前縁及び後縁にあるものと図示されているが、これらは、端壁１１０の他の部分に配置されるか、又は他の部分まで延びてもよいことは理解される。

この実施形態において、翼形部１０８の前縁部（図６の左側）は、図１のものと実質的に同様であるが、翼形部１０８はまた、追加のコア開口３２２を、すなわちコア開口１２２に加えて含むことができる。各コア開口１２２，３２２を分離するために、翼形部１０８内にディバイダ３９０を設けることができる。ディバイダ３９０は、固定ブレード１０２と共に鋳造するか、又は鋳造後に付加することができる。翼形部冷却回路３２１は更に、翼形部１０８の第２のコア開口３２２において第２のインピンジメント・インサート３２６を含むことができる。第２のインピンジメント・インサート３２６は、側壁３３０を通って延びる複数の第２のインピンジメント孔３２８と、端壁１１０に隣接した端部にて第２のインサート通路３３２とを含む。第３の冷却流体３４０の一部は、複数の第２のインピンジメント孔３２８を通過して翼形部１０８を冷却し、第４の冷却流体３４４（破線矢印、翼形部通路３４５の右側）を生成し、第３の冷却流体３４０の残りの部分３４６は、複数の第２のインピンジメント孔３２８を通過せずに第２のインサート通路３３２を通過する。第１の冷却流体１４０及び第３の冷却流体３４０は、異なる供給源から、例えば、圧縮機抽出とケーシング抽出により生じ、異なる温度を有することができる。この場合、第１の冷却流体１４０は、第３の冷却流体３４０よりも低い温度を有することができる。第２の冷却流体１４４は、第３の冷却流体３４０よりも高温又は低温とすることができ、第４の冷却流体３４４は、第２の冷却流体１４４よりも高温又は低温とすることができる。図６において分かるように、ディバイダ３９０は、端壁コア開口１２４を、第１及び第２のチャンバ閉鎖部１７４，１７６及び３７４，３７６の２つのセットそれぞれによってセグメント化することができる２つの領域に分割することができる。各閉鎖部は、端壁コア開口のそれぞれの部分（例えば、ディバイダ３９０、第１のインサート通路１３２、及び／又は第２のインサート通路３３２）を密閉するような形状にされたシートメタル部材の形態の部材を含むことができる。第１のチャンバ閉鎖部１７４，３７４は、２つの部材から形成することができ、或いは１つの部材であってもよい。

図７及び８を参照すると、本開示の実施形態による冷却構造体１００を実施した固定ブレード１０２用の翼形部冷却回路４２１の代替の実施形態を示している。この実施形態において、図７に示すように、翼形部冷却回路４２１は、１又は複数のインピンジメント・インサートを含むのではなく、単一の冷却流体経路４９２を含む。図示の実施形態において、翼形部冷却回路４２１は、従来の蛇行冷却回路、すなわち、翼形部１０８内の対向する経路において移動している冷却回路を含む。しかしながら、蛇行したもの以外の経路も実施可能とすることができる点に留意されたい。ここで、冷却流体４２８は、翼形部冷却回路４２１の第１の端部に配向され、次いで、経路４９２に沿って配向され、流体が進むにつれて翼形部１０８を冷却する。その結果、冷却流体４２８が経路４９２を通って進むにつれて流体が高温になる。ここで、上述の実施形態と同様に、冷却構造体１００は、第１の冷却流体４４０を固定ブレード１０２から第１の冷却回路（例えば、通路１６０を介して１１２ＬＥ）に配向するための固定ブレード１０２の端壁１１０における第１のチャンバ４５０と、第２の冷却流体４４４を固定ブレード１０２から、第１の冷却回路第とは異なる２の冷却回路（例えば、通路１６２を介して１１２ＴＥ）に配向するための固定ブレード１０２の端壁１１０における第２のチャンバ４５２とを含む。固定ブレード１０２の端壁１１０における第１の冷却流体通路１６０は、第１のチャンバ４５０から第１の冷却回路（例えば、１１２ＬＥ）まで延び、固定ブレード１０２の端壁１１０における第２の冷却流体通路１５２は、第２のチャンバ４５２から第２の冷却回路（例えば、１１２ＴＥ）まで延びる。各チャンバ４５０，４５２は、端壁コア開口１２４内に形成され、鋳造コアが端壁１１０から取り出された後に形成される。しかしながら、この場合、第１の冷却流体４４０は、第１の位置４３２にて翼形部冷却回路４２１から取り出され、第２の冷却流体４４４は、第１の位置４３２から下流側にある第２の位置にて翼形部冷却回路４２１から取り出され、第１の冷却流体４４０が第２の冷却流体４４４よりも低温であるようにされる。チャンバ４５０，４５２は、場合によっては端壁コア開口１２４を２つの領域に分離するコア開口ディバイダ４８０を使用して、１又はそれ以上の閉鎖部４７４、４７６より本明細書で記載されるように形成することができる。１つの閉鎖部４７４が端壁コア開口１２４全体にわたって延びて、例えば溶接によって固定され、場合によってはディバイダ４８０に対して溶接部を有してチャンバ４５０，４５２を形成することができ、或いは、複数の閉鎖部４７４，４７６を利用してもよい。閉鎖部４７４，４７６は、シートメタル部材を含むことができる。ディバイダ４８０は、翼形部１０８と共に鋳造され、或いは、例えば溶接を介して後で付加してもよい。各取り出し位置４３２，４３４は、端壁コア開口１２４内で経路４９２からそれぞれのチャンバまでの開口を生成することにより形成することができる。

図８を参照すると、第３のチャンバ４５４を固定ブレード１０２の端壁１１０に設けて、第３の冷却流体４４６を固定ブレードから第１及び第２の冷却回路とは異なる第３の冷却回路（例えば、通路１６２を介して１１２ＴＥ）に配向することができる。ここで、固定ブレード１０２の端壁１１０の第２のチャンバ４５２は、固定ブレード１０２から、通路１６５を介してページの内外に向けて配置された第２の冷却回路（図示せず）に第２の冷却流体４４４を配向することができる。図３に示すように、第３の冷却回路は、固定ブレード１０２の負圧側面（例えば、１１０ＳＳ）上に配置することができる。第３のチャンバ４５４は、第１及び第２のチャンバ４５０，４５２に関して説明した通りに形成することができる。これは、場合によっては端壁コア開口１２４を３つの領域に分離する１又はそれ以上のコア開口ディバイダ４８０，４８２を使用して、１又はそれ以上の閉鎖部４７４，４７６，４７８を使用することに基づく。すなわち、１つの閉鎖部４７４が、端壁コア開口１２４全体にわたって延びて、例えば溶接によって固定され、場合によってはディバイダ４８０，４８２に対して溶接部を有してチャンバ４５０，４５２，４５４を形成することができ、或いは、複数の閉鎖部４７４，４７６，４７８を利用してもよい。閉鎖部４７４，４７６，４７８は、シートメタル部材を含むことができる。ディバイダ４８０，４８２は、翼形部１０８と共に鋳造され、或いは、例えば溶接を介して後で付加してもよい。図８の実施形態において、第２のチャンバ４５２は、第２の冷却回路への通路１６５を含むことができる。

ここまで、各端壁コア開口１２４は、直線状の内面すなわち側壁を含むものとして例示してきた。図９及び１０は、本明細書で記載される冷却構造体１００の実施形態の何れかにおいて利用できる端壁コア開口６２４，７２４それぞれの代替の実施形態の概略断面図を示す。図９において、端壁コア開口６２４は段付きの内面６３０を含み、図１０では、端壁コア開口７２４は、端壁１１０の外面７３２に対して角度が付けられた内面７３０を含む。種々の面の何れかは、必要に応じて、例えば、冷却回路への通路を生成するのに十分にアクセスできるように、及び／又は例えば溶接、着座、楔止めなどにより何れかの閉鎖部を確実に位置決めするために利用することができる。面の各々は、端壁１１０に使用される鋳造コアの適切な成形によって、及び／又は適切な機械加工によって鋳造中に生成することができる。

本明細書で記載される実施形態は、効率の向上を更に高めるために複数の代替の構造体を含むことができることは理解される。１つの実施例において、図１で仮想線で示されるように、冷却回路のうちの１つ（図示のように１１２ＬＥ）は、固定ブレード１０２に隣接したホイールスペース１２０への供給通路５００を含むことができる。供給通路５００は、冷却回路１１２のうちの何れかの内部の望ましい何れかの位置に存在し、何れかの実施形態において利用することができる。加えて、冷却流体のほとんどは、単一の供給源により提供されるか又はそこから引き出されるように説明してきたが、異なる冷却流体を異なる供給源から生じさせてもよいことは強調すべきである。例えば、図６の２つのインピンジメント・インサートの実施形態においては、冷却流体の流れ１４０及び３４０は、場合によっては異なる供給源、例えば、圧縮機抽出とケーシング抽出によるものとして説明されている。このような複数の供給源構成はまた、他の実施形態にも適用可能である。例えば、翼形部１０８において２つの翼形部蛇行冷却回路が利用される場合、２つ供給源を利用して、各経路につき１つで、異なる温度の冷却流体を生成することができ、１つのチャンバを設けて、それぞれの各経路から引き出すことができる。

本明細書では内側端壁である端壁１１０に関して本開示の教示を説明してきたが、本開示の教示は、端部１０４（図１）における外側端壁に対しても等しく適用できることは強調すべきである。更に、特定のチャンバからの通路は、特定の冷却回路に冷却流体を配向するためのものとして例示してきたが、特定のチャンバからの通路は、実際には固定ブレード１０２及び／又はホイールスペース１２０の何れかの冷却回路に配向できることは強調すべきである。チャンバからの各通路は、機械加工及び／又は鋳造することができる。後者の手法に関して、側壁コア又は翼形部コアの１又はそれ以上の一方又は両方に対して特徴要素を付加し、冷却回路及びチャンバを接続する鋳造後機械加工の作業をより再現可能でコスト効果のあるものにすることができる。例えば、同じ様式で重なり合うコアの１又はそれ以上の上にタブを生成し、それぞれの冷却回路に開放する孔開け作業をより容易にすることができる。

本明細書で使用される用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本開示を限定するものではない。本明細書で使用される単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り、複数形態も含む。更に、本明細書内で使用する場合に、「含む」及び／又は「備える」という用語は、そこに述べた特徴部、完全体、ステップ、動作、要素及び／又は構成部品の存在を明示しているが、１つ又はそれ以上の特徴部、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことは理解されるであろう。

特許請求の範囲における全ての手段又はステッププラス機能要素の対応する構造、材料、作用及びその均等物は、具体的に特許請求された他の特許請求した要素と組み合わせて機能を実行するあらゆる構造、材料又は作用を含むことを意図している。本開示の説明は、例示及び説明の目的で提示されており、開示された形態の開示内容のみを包含するものとすること、又はそれに限定することを意図するものではない。本開示の範囲及び技術的思想から逸脱することなく、多くの修正及び変形が当業者には明らかであろう。本実施形態は、本開示の原理及び実施可能な用途を最もよく説明するようにまた企図される特定の用途に適するような様々な修正を含む様々な実施形態の開示を当業者が理解するのを可能にするように選択し説明してきた。

１００冷却構造体
１０２固定ブレード
１０４外側半径方向端部
１０６内側半径方向端部
１０８翼形部
１１０端壁
１１２冷却回路
１１３コア
１１４冷却構造体
１２１翼形部冷却回路
１２０ホイールスペース
１２２，１２４コア開口
１２６インピンジメント・インサート
１２７外側端部
１２８インピンジメント孔
１３２インサート通路
１４０第１の冷却流体
１４４第２の冷却流体
１４５翼形部通路
１４６残りの部分
１５０，１５２チャンバ
１６０第１の冷却流体通路
１６２第２の冷却流体通路
１６４第１の通路
１６８第２の通路
１７４第１のチャンバ閉鎖部
１７６第２のチャンバ閉鎖部
２５０，２５２第１及び第２のチャンバ
２７６部材
２８０第１の部材
２８２第１の領域
２８４第２の領域
２８６第２の部材
２８８第３の部材
３１２第４の冷却回路
３２１翼形部冷却回路
３２２コア開口
３２６第２のインピンジメント・インサート
３２８インピンジメント孔
３３０側壁
３３２第２のインサート通路
３４０第３の冷却流体
３４４第４の冷却流体
３４５翼形部通路
３４６残りの部分
３５０第３のチャンバ
３５２第４のチャンバ
３９０ディバイダ
４２１翼形部冷却回路
４２８冷却流体
４３２，４３４取り出し位置
４４０第１の冷却流体
４４４第２の冷却流体
４４６第３の冷却流体
４５０第１のチャンバ
４５２第２のチャンバ
４５４第３のチャンバ
４７４，４７６，４７８閉鎖部
４８０，４８２コア開放ディバイダ
４９２冷却流体経路
５００供給通路
６２４，７２４端壁コア開口
６３０内面
７３０内面
７３２外面

Claims

固定ブレード（１０２）用の冷却構造体（１００）であって、
第１の冷却流体（１４０）を前記固定ブレード（１０２）のインピンジメント・インサート（１２６）から端壁コア開口内の第１の冷却回路（１２１）に配向する、前記固定ブレード（１０２）の端壁コア開口における第１のチャンバ（１５０）であって、前記第１のチャンバ（１５０）が、前記固定ブレード（１０２）に隣接するホイールスペースと流体連通する、前記第１のチャンバ（１５０）と、
第２の冷却流体（１４４）を前記固定ブレード（１０２）から前記第１の冷却回路（１２１）と異なる端壁コア開口内の第２の冷却回路（２２１）に配向する、前記固定ブレード（１０２）の端壁コア開口における第２のチャンバ（１５２）と、
前記端壁コア開口内に配置された第１の部材（２８０）と、
前記第１の部材（２８０）に結合された第２の部材（２８６）と、
前記固定ブレード（１０２）の前記端壁コア開口内に配置され、第３の冷却流体（３４０）を前記固定ブレード（１０２）から第３の冷却回路に配向する、第３のチャンバ（３５０）と、
前記固定ブレード（１０２）の前記端壁コア開口内に配置され、第４の冷却流体（３４４）を前記固定ブレード（１０２）から第４の冷却回路に配向する、第４のチャンバ（３５２）と、
を備え、
前記第１の冷却流体（１４０）の一部が、前記インピンジメント・インサート（１２６）から前記固定ブレード（１０２）のインピンジメント孔を通って流れて前記固定ブレード（１０２）を冷却し、前記第１の冷却流体（１４０）が前記第２の冷却流体（１４４）よりも低温となるように前記第２の冷却流体（１４４）を生成し、
前記固定ブレード（１０２）の翼形部通路（１４５）と流体連通した前記第２のチャンバ（１５２）が、前記インピンジメント孔から前記端壁コア開口へ前記第２の冷却流体（１４４）を供給し、
前記第２の冷却回路（２２１）が、前記固定ブレード（１０２）に隣接する前記ホイールスペースと流体連通し、
前記第１の部材（２８０）は、前記第１のチャンバ（１５０）と前記第２のチャンバ（１５２）との間で前記端壁コア開口を分割し、
前記第２の部材（２８６）は、前記第２の冷却流体（１４４）の流れが前記固定ブレード（１０２）の前記翼形部通路（１４５）から前記第１のチャンバ（１５０）に流入するのを阻止し、
前記第３の冷却回路が、前記第１及び第２の冷却回路とは異なり、
前記第４の冷却回路が、前記第１乃至第３の冷却回路とは異なる、冷却構造体（１００）。
固定ブレード（１０２）用の冷却構造体（１００）であって、
第１の冷却流体（１４０）を前記固定ブレード（１０２）から第１の冷却回路（１２１）に配向する、前記固定ブレード（１０２）の端壁（１１０）における第１のチャンバ（１５０）と、
第２の冷却流体（１４４）を前記固定ブレード（１０２）から前記第１の冷却回路（１２１）と異なる第２の冷却回路（２２１）に配向する、前記固定ブレード（１０２）の端壁（１１０）における第２のチャンバ（１５２）と、
を備え、
前記固定ブレード（１０２）が、翼形部冷却回路（１２１）を内部に有する翼形部（１０８）を含み、前記第１の冷却流体（１４０）が、第１の位置において前記翼形部冷却回路（１２１）から取り出され、前記第２の冷却流体（１４４）が第２の位置において前記翼形部冷却回路（１２１）から取り出され、前記第２の位置が前記第１の位置から下流側にあり、前記第１の冷却流体（１４０）が前記第２の冷却流体（１４４）よりも低温であるようにする、冷却構造体（１００）。
第３の冷却流体（３４０）を前記固定ブレード（１０２）から第３の冷却回路に配向する、前記固定ブレード（１０２）の端壁（１１０）における第３のチャンバ（３５０）を更に備える、請求項２に記載の冷却構造体（１００）。
前記翼形部冷却回路（３２１）が、蛇行冷却回路（１１２）を含む、請求項２に記載の冷却構造体（１００）。
前記固定ブレード（１０２）が、翼形部冷却回路（１２１）を内部に有する翼形部（１０８）を含み、前記翼形部冷却回路（１２１）が、前記翼形部（１０８）の第１のコア開口（１２２）において第１のインピンジメント・インサート（１２６）を含み、該第１のインピンジメント・インサート（１２６）が、側壁（３３０）を貫通して延びる第１の複数のインピンジメント孔（１２８）と、前記端壁（１１０）に隣接した端部において第１のインサート通路（１３２）とを含み、前記第１の冷却流体（１４０）の一部が、前記第１の複数のインピンジメント孔（１２８）を通過して、前記翼形部（１０８）を冷却し、前記第２の冷却流体（１４４）を生成するようにし、前記第１の冷却流体（１４０）の残りの部分が、前記第１の複数のインピンジメント孔（１２８）を通過せずに前記第１のインサート通路（１３２）を通過する、請求項２に記載の冷却構造体（１００）。
前記端壁（１１０）が更に端壁コア開口（３２２）を含み、前記インサート通路（１３２）が、前記第１の冷却流体（１４０）を前記端壁コア開口（３２２）に供給する、請求項５に記載の冷却構造体（１００）。
前記端壁コア開口（３２２）が、前記端壁（１１０）の外面に対して段付き及び角度付きの何れかにされた内面を含む、請求項６に記載の冷却構造体（１００）。
少なくとも前記端壁コア開口（３２２）に結合されて、前記第１のインピンジメント・インサート（１２６）において前記インサート通路（１３２）と流体連通した第１のチャンバ（２５０）を生成する第１のチャンバ閉鎖部（１７４）と、
少なくとも前記端壁コア開口（６２４）に結合されて、前記第２の冷却流体（１４４）を供給する前記翼形部（１０８）における翼形部通路（１４５）と流体連通した第２のチャンバ（１５２）を生成する第２のチャンバ閉鎖部（１７６）と、
を更に備える、請求項６に記載の冷却構造体（１００）。
前記インサート通路（１３２）が、前記第１のインピンジメント・インサート（１２６）の端部から所定長を延び、前記第２のチャンバ閉鎖部（１６８）が、前記所定長のインサート通路（１３２）及び前記端壁コア開口の内面に結合されて前記第２のチャンバ（１５２）を生成する第１の部材（２８０）を含み、前記第１のチャンバ（１５０）の閉鎖部が、前記端壁コア開口（６２４）を閉鎖して前記第１の部材（２８０）と共に前記第１のチャンバ（１５０）を生成する第２の部材（２８６）を含む、請求項８に記載の冷却構造体（１００）。
固定ブレード（１０２）用の冷却構造体（１００）であって、
第１の冷却流体（１４０）を前記固定ブレード（１０２）から第１の冷却回路（１２１）に配向する、前記固定ブレード（１０２）の端壁（１１０）における第１のチャンバ（１５０）と、
第２の冷却流体（１４４）を前記固定ブレード（１０２）から前記第１の冷却回路（１２１）と異なる第２の冷却回路（２２１）に配向する、前記固定ブレード（１０２）の端壁（１１０）における第２のチャンバ（１５２）と、
を備え、前記第１の冷却流体（１４０）が前記第２の冷却流体（１４４）よりも低温であり、
前記端壁（１１０）が端壁コア開口（３２２）を含み、
前記固定ブレード（１０２）が、翼形部冷却回路（１２１）を内部に有する翼形部（１０８）を含み、前記翼形部冷却回路（１２１）が、前記翼形部（１０８）の第１のコア開口（１２２）において第１のインピンジメント・インサート（１２６）を含み、該第１のインピンジメント・インサート（１２６）が、側壁（３３０）を貫通して延びる第１の複数のインピンジメント孔（１２８）と、前記端壁（１１０）に隣接した端部において第１のインサート通路（１３２）とを含み、前記第１の冷却流体（１４０）の一部が、前記第１の複数のインピンジメント孔（１２８）を通過して、前記翼形部（１０８）を冷却し、前記第２の冷却流体（１４４）を生成するようにし、前記第１の冷却流体（１４０）の残りの部分が、前記第１の複数のインピンジメント孔（１２８）を通過せずに前記第１のインサート通路（１３２）を通過し、
前記冷却構造体（１００）は、
少なくとも前記端壁コア開口（３２２）に結合されて、前記第１のインピンジメント・インサート（１２６）において前記インサート通路（１３２）と流体連通した第１のチャンバ（２５０）を生成する第１のチャンバ閉鎖部（１７４）と、
少なくとも前記端壁コア開口（６２４）に結合されて、前記第２の冷却流体（１４４）を供給する前記翼形部（１０８）における翼形部通路（１４５）と流体連通した第２のチャンバ（１５２）を生成する第２のチャンバ閉鎖部（１７６）と、
を更に備え、
前記第１のチャンバ閉鎖部（１７４）及び前記第２のチャンバ閉鎖部（１７６）が全体として、
前記端壁コア開口（６２４）のスペースを、前記第１のインピンジメント・インサート（１２６）における前記インサート通路（１３２）から前記第１の冷却流体（１４０）を受け取る第１の領域（２８２）と、前記翼形部（１０８）において前記翼形部通路（３４５）から前記第２の冷却流体（１４４）を受け取る第２の領域（２８４）と、に分割する第１の部材（２８０）と、
前記第２の冷却流体（１４４）の流れが前記翼形部（１０８）において前記翼形部通路（３４５）から前記第１の領域（２８２）に流入するのを阻止する第２の部材（２８６）と、
前記第１の部材（２８０）に結合され、前記端壁コア開口（６２４）を閉鎖して前記第１の領域（２８２）に第１のチャンバ（１５０）を形成し、且つ前記第２の領域（２８４）に第２のチャンバ（１５２）を形成する第３の部材（２８８）と、
を含む、冷却構造体（１００）。