JP7005135B2 - 物品及び物品を冷却する方法 - Google Patents

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Description

本発明は、物品及び物品を冷却する方法に関する。より具体的には、本発明は、冷却式物品及び冷却式物品を冷却する方法に関する。
タービンシステムは、効率を高めかつコストを低減するように継続的に改修されている。タービンシステムの効率を高める1つの方法としては、タービンシステムの作動温度を高くすることを挙げることができる。温度を高くするために、タービンシステムは、連続作動時にこのような温度に耐える材料で構成する必要がある。
構成要素の材料及びコーティングを改修することに加えて、構成要素の温度性能を高める1つの共通の方法としては、冷却特徴部の使用を挙げることができる。例えば、多くのタービン構成要素は、内部キャビティの中に配置されたインピンジメントスリーブ又はインピンジメントプレートを含む。インピンジメントスリーブ又はプレートは、冷却流体をタービン構成要素の内面に向かわせて、タービン構成要素のインピンジメント冷却を可能にする複数の冷却通路を含む。しかしながら、タービン構成要素の中に位置決めするために別個の独立したインピンジメントスリーブを形成することは製造時間及びコストが増加する。加えて、インピンジメントスリーブは、典型的に、インピンジメントスリーブとタービン構成要素との間に有意な直交流を生じ、かつ同時に冷却通路の各々を通る流体流をもたらすために十分な冷却流体を必要とし、いずれもシステムの効率を低下させる。
タービン構成要素を冷却する他の方法としては、蛇行路冷却の利用を挙げることができる。蛇行路冷却は、冷却流体をタービン構成要素の中の通路を通過させて構成要素の正圧側壁及び負圧側壁の両方を同時に冷却する。両壁の同時冷却は、他方の壁を十分に冷却するために一方の壁の過剰な冷却をもたらす場合がある。一方の壁の過剰な冷却は、温度勾配、並びに不必要なヒートピックアップにつながり、いずれも下流冷却有効性及び冷却効率を低下させる。
米国特許第8070442号明細書
1つの実施形態において、物品は、内面及び外面を有し、内面が内部領域を定める本体部分と、各々が内部領域を横切って延びる、本体部分の中の複数の隔壁と、複数の隔壁の各々において、流体を本体部分の内面に向かって送るように配列及び配置された少なくとも1つの開口部とを含む。複数の隔壁は、少なくとも1つのアップパスキャビティ及び少なくとも1つのリユースキャビティを形成し、少なくとも1つのリユースキャビティは、隔壁の1つにおける少なくとも1つの開口部から流体を受け入れるように配列及び配置される。
他の実施形態において、物品は、内面及び外面を有し、内面が内部領域を定める、本体部分と、各々が物品の正圧側面壁から負圧側面壁まで内部領域を横切って延び、内部領域の中にアップパスキャビティ及び少なくとも1つのリユースキャビティを形成する、複数の一体隔壁と、一体隔壁の各々に形成され、本体部分の内面に向けて流体を送るように配列及び配置された少なくとも1つの開口部と、を含む。アップパスキャビティは、物品の外部から流体を受け入れるように配列及び配置され、少なくとも1つのリユースキャビティの各々は、隔壁のうちの1つの少なくとも1つの開口部からポストインピンジメント流体を受け入れるように構成される。
別の実施形態において、物品を冷却するための方法は、内面及び外面を有し、内面が内部領域を定める本体部分と、内部領域を横切って延び、内部領域の中にアップパスキャビティを形成するアップパス隔壁と、内部領域を横切って延び、内部領域の中にリユースキャビティを形成するリユース隔壁と、アップパス隔壁及びリユース隔壁の各々に形成され、本体部分の内面に向けて流体を送るように配列及び配置された少なくとも1つの開口部とを備える物品を準備する段階と、流体をアップパスキャビティに送る段階と、アップパス隔壁の少なくとも1つの開口部通じて流体流れを発生させる段階と、本体部分の内面に第1の流体流れを接触させる段階であって、内面との接触が、内面を冷却して第1のポストインピンジメント流体を形成する、段階と、リユースキャビティの中に第1のポストインピンジメント流体を受け入れる段階と、リユース隔壁の少なくとも1つの開口部を通じてリユース流体流れを発生させる段階と、本体部分の内面にリユース流体流れを接触させる段階であって、内面との接触が、内面を冷却してリユースポストインピンジメント流体を形成する、段階と、を含む。リユース流体流れは、少なくとも1つのリユースキャビティの中に受け入れられた第1のポストインピンジメント流体から生じる。
本発明の他の特徴及び利点は、例証として本発明の原理を示す添付図面を参照しながら、以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。
本開示の実施形態による、物品の正面斜視図。 本開示の実施形態による、図1の物品の線2-2に沿った断面図。 隔壁を取り除いた図2の断面図。 本開示の実施形態による、図2の物品の中の流れプロフィールの概略図。 本開示の別の実施形態による、図1の物品の線2-2に沿った断面図。
可能な限り、図面全体を通じて同じ要素を示すために同じ参照符号が使用される。
物品及び物品を冷却する方法が提供される。本開示の実施形態は、例えば、本明細書に開示された特徴部の1又は2以上が無いコンセプトに比べて、物品の過剰な冷却を低減し、物品の過剰な冷却に起因する冷却流体の温度上昇を低減し、冷却効率を高め、温度勾配の形成を低減し、下流冷却有効性を高め、冷却流体の再利用を促進し、高い冷却流分配制御を促進し、物品温度の高い安定性を可能にし、直交流を低減し、直交流勾配を低減し、物品寿命を延ばし、高いシステム温度の使用を促進し、システム効率を高め、膜供給圧に対する高い制御を可能にし、又はこれらを組み合わせたものをもたらす。
図1を参照すると、1つの実施形態において、物品100は、限定されるものではないが、タービンバケット101又はブレードを含む。タービンバケット101は、根元部分103、プラットフォーム105、及び翼形部分107を有する。根元部分103は、タービンバケット101をロータホイール等のタービンシステムの中に固定するように構成される。加えて、根元部分103は、タービンシステムからの流体を受け入れ、この流体を翼形部分107に送るように構成される。本明細書ではタービンバケットに関して記載されているが、当業者であれば理解できるように、物品100はタービンバケットに限定されず、中空構成要素、高温ガス通路構成要素、シュラウド、ノズル、ベーン、又はこれらを組み合わせたもの等の冷却流体を受け入れるのに適した何らかの他の物品を含むことができる。
翼形部分107の断面を示す図2に例示するように、物品100は、外面203、内面205、及び内部に形成された1又は2以上の隔壁210を有する本体部分201を含む。1又は2以上の隔壁210の各々は、物品100の第1の側面から物品100の第2の側面まで内部領域207を横切って延び、さらに障壁を貫通して形成された少なくとも1つの開口部220を含む。例えば、1つの実施形態において、隔壁210の各々は、翼形部分107の負圧側面208の内面205から、翼形部分107の正圧側面209の内面205まで延びる。内面205及び該内面205で規定される内部領域207をより明瞭に示すために、図3は、図2の隔壁210を取り外した状態で翼形部分107を示す。
図2に戻ると、1又は2以上の隔壁210は、本体部分201と一体で及び/又は別体で形成することができる。1つの実施形態において、1又は2以上の隔壁210を本体部分201と一体形成すると、本体部分201と別体で形成して後で固定する1又は2以上の隔壁210と比較すると、1又は2以上の隔壁210と本体部分201との間の流体通路が減少するか又はなくなる。他の実施形態において、1又は2以上の隔壁210を本体部分201と一体形成すると、本体部分201と別体で形成して後で固定する1又は2以上の隔壁210と比較すると、ポストインピンジメントへの漏洩が減少するか又はなくなる。本体部分201及び/又は1又は2以上の隔壁210を形成するための適切な方法としては、限定されるものではないが、直接金属レーザー溶融(DMLM)、直接金属レーザー焼結(DMLS)、選択的レーザー溶融(SLM)、選択的レーザー焼結(SLS)、熱溶解積層造形(FDM)、何らかの他の付加製造法、又はこれらの組み合わせを挙げることができる。
1又は2以上の隔壁210は、少なくとも1つのアップパス及び少なくとも1つのリユースキャビティ213を形成する。少なくとも1つのアップパスキャビティ211は、限定されるものではないが、根元部分103から翼形部分107に送られた流体といった、物品100の外部から流体を受け入れるように配置される。リユースキャビティ213の各々は、限定されるものではないが、アップパスキャビティ211、及び/又はアップパスキャビティ211とリユースキャビティ213との間に何らかの他のリユースキャビティ213を形成する隔壁210の1又は複数の開口部220を通過する流体といった、1又は2以上の隔壁210の1又は複数の開口部220を通過する流体を受け入れるように構成される。例えば、図2に示すように、物品100の外部からの流体は、順次、少なくとも1つのアップパスキャビティ211から、物品100の少なくとも1つのアップパスキャビティ211と前縁240及び/又は後縁250との間の、1又は2以上のリユースキャビティ213の各々を通って移動する。
1つの実施形態において、物品100は、内部領域207の中の隔壁210の1つによって形成された2つのアップパスキャビティ211を含む。他の実施形態において、一方のアップパスキャビティ211は前縁240に向かって延び、他方のアップパスキャビティ211は後縁250に向かって延びる。前縁240に向かって延びるアップパスキャビティ211、並びにアップパスキャビティ211と前縁240との間に形成された何らかのリユースキャビティ213は、前縁経路241を定める。後縁250に向かって延びるアップパスキャビティ211、並びにアップパスキャビティ211と後縁250との間に形成された何らかのリユースキャビティ213は、後縁経路251を定める。
前縁経路241及び後縁経路251の各々は、何らかの適切な数のリユースキャビティ213を含む。例えば、図2及び4に示すように、前縁経路241及び後縁経路251の両方は、2つのリユースキャビティ213を含む。他の実施例において、図5に示すように、前縁経路241は3つのリユースキャビティ213を含み、後縁経路251は2つのリユースキャビティ213を含む。当業者であれば理解できるように物品100は前記の実施例に限定されるものではなく、何らかの他の適切な数のアップパスキャビティ211及び/又はリユースキャビティ213を含むことができ、前縁経路241及び後縁経路251は同じ又は異なる数のキャビティを有することができる。
図2、4、及び5を参照すると、1又は2以上の隔壁210の各々に成形された少なくとも1つの開口部220は、そこを通る流体流れをもたらす。1つの実施形態において、アップパスキャビティ211を形成する隔壁210の少なくとも1つの開口部220は、アップパスキャビティ211から1又は2以上のリユースキャビティ213までの流体流れをもたらす。他の実施形態において、リユースキャビティ213の各々を形成する隔壁210の少なくとも1つの開口部220は、リユースキャビティ213から1又は2以上の他のリユースキャビティ213への流体流れをもたらす。別の実施形態において、本体部分201は、その中に形成された1又は2以上の通路230を含み、通路230の各々は、流体を1つのアップパスキャビティ211及び/又は1つのリユースキャビティ213から外面203へ送るように構成されている。
各キャビティを通る流体流れをもたらすことに加えて、各隔壁210の開口部220の1又は2以上は、本体部分201の内面205に向かって流体を送るように構成されている。例えば、開口部220の各々は、内面205に向けられたインピンジメント流体流れを生じるように構成することができる。追加的に又は代替的に、1又は2以上の通路230の各々は、そこを通る流体からフィルム流を生じるように構成することができる。1又は2以上の開口部220及び/又は1又は2以上の通路230の適切な形状及び/又は幾何形状としては、限定されるものではないが、直線、湾曲、円形、略円形、半円形、山形、正方形、三角形、星形、不規則形、又はこれらの組み合わせを挙げることができる。
1つの実施形態において、1又は複数の開口部220は、所望の壁温度分布をもたらすように構成される。例えば、隔壁210は、負圧側面208又は正圧側面209のいずれかに向けられた比較的多い数の開口部220を含むことができ、1つの側面に向けられた比較的多い数の開口部220は、この側面のより良好な冷却を可能にする。追加的に又は代替的に、より多い数の開口部220は、他方の隔壁210と比較すると一方の隔壁210に形成することができ、より多い数の開口部220を含む隔壁210は、物品100の対応する部分のより良好な冷却を可能にする。1又は複数の開口部220の構成によりもたらされる所望の壁温度は、物品100の過剰な冷却を低減し、下流冷却効率を高め、システム性能を高め、構成要素の過剰な冷却領域以外によるフィルム冷却流の形成前の流体の不必要なヒートピックアップを低減し、物品寿命を延ばし、壁温度の変動を低減し、壁温度の均一性を高め、又はこれらを組み合わせたものをもたらす。
特定の実施形態において、リユースキャビティ213の各々は、アップパスキャビティ211及び/又はリユースキャビティ213を形成する隔壁210の1又は複数の開口部220からポストインピンジメント流体を受け入れるように構成される。本明細書で使用される場合、「ポストインピンジメント流体」は、本体部分201の内面205に向けられた流体を指し、内面205に接触又はインピンジメントする流体、並びに1又は2以上の開口部220を通って送られるが内面205に接触しない流体の両方を含む。例えば、図2に示す翼形部分107の2つのリユースキャビティ213は、第1のリユースキャビティ及び第2のリユースキャビティを構成する。アップパスキャビティ211と第2のリユースキャビティとの間の第1のリユースキャビティは、アップパスキャビティ211の1又は複数の開口部220を通じて生じるインピンジメント流体流れからのポストインピンジメント流体を受け入れるように構成される。第1のリユースキャビティと翼形部分107の前縁240との間に配置された第2のリユースキャビティは、第1のリユースキャビティの1又は複数の開口部220を通じて生じたインピンジメント流体流れからのポストインピンジメント流体を受け入れるように構成される。また、物品100は、1又は2以上の追加のリユースキャビティを含むことができ、追加のリユースキャビティの各々は、何らかの上流キャビティを形成する隔壁210の1又は複数の開口部220からのポストインピンジメント流体を受け入れるように構成されており、この上流キャビティは、限定されるものではないが、アップパスキャビティ211、及び/又はアップパスキャビティ211と追加のリユースキャビティとの間に配置されたいずれかのリユースキャビティ213を含む。
本明細書に記載の1又は2以上の実施形態によれば、各リユースキャビティ213の隔壁210の1又は複数の開口部220を通じて生じるインピンジメント冷却流は、リユースキャビティ213が受け入れるポストインピンジメント流体から構成されるか又は実質的に構成される。例えば、図2、4、及び5に示される物品の前縁経路241において、第1のリユースキャビティは、アップパスキャビティ211から受け入れたポストインピンジメント流体で構成される又は実質的に構成される、その1又は複数の開口部220を通じてインピンジメント冷却流れを生じるように構成される。第2のリユースキャビティは、その1又は複数の通路230を通じてフィルム冷却流を生じるように(図2、4、及び5を参照)、及び/又は第1のリユースキャビティからのポストインピンジメント流体で構成される又は実質的に構成される、その1又は複数の開口部220を通じてインピンジメント冷却流れを生じるように(図5参照)構成される。本明細書で使用される場合、用語「実質的に構成される」とは、インピンジメント冷却流れが、少なくとも90%のポストインピンジメント流体で構成されることを意味する。
ポストインピンジメント流体から構成される又は実質的に構成されるインピンジメント冷却流れを生じることで、リユースキャビティ213は、物品100の連続したインピンジメント冷却を可能にする。物品100の連続したインピンジメント冷却は、少なくとも1つのアップパスキャビティ211が受け入れた流体を実質的に又は完全に供給する1又は2以上の流路を含み、これにより物品100の冷却効率が高くなり、物品100に向けられる流体量が減少し、ポストインピンジメント流体流れが減少し、直交流縮小が減少し、フィルム孔圧力比に対する改善された制御をもたらすことで及び/又はフィルム列吹き出し比に対する改善された制御をもたらすことでフィルム冷却効率が改善する。
好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことができ且つ本発明の要素を均等物で置き換えることができる点は理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。従って、本開示は、本開示を実施するよう企図される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本開示は請求項の範囲に属する全ての実施形態を含むことになるものとする。加えて、詳細な説明で特定される全ての数値は、厳密な値及び近似値の両方が明示的に特定されると解釈されるものとする。
100 物品
101 タービンバケット
103 根元部分
105 プラットフォーム
107 翼形部分
201 本体部分
203 外面
205 内面
207 内部領域
208 負圧側面
209 正圧側面
210 隔壁
211 アップパスキャビティ
213 リユースキャビティ
220 開口部
230 通路
240 前縁
241 前縁経路
250 後縁
251 後縁経路

Claims (8)

  1. 内面(205)及び外面(203)を有し、前記内面(205)が内部領域を定める翼形の本体部分(201)と、
    各々が前記内部領域を横切って延びる、前記本体部分(201)の中の複数の隔壁(210)と、
    前記複数の隔壁(210)の各々において、流体を前記本体部分(201)の前記内面(205)に向けて送るように配列及び配置された複数の開口部(220)と、
    を備える物品(100)であって
    前記複数の隔壁(210)は、少なくとも1つのアップパスキャビティ(211)と少なくとも1つの第1のリユースキャビティ(213)の間に配置されたアップパス隔壁と、前記少なくとも1つの第1のリユースキャビティ(213)と少なくとも1つの追加のリユースキャビティ(213)との間に、前記アップパス隔壁と前記翼形の翼厚方向でオーバーラップせず、前記翼形の前縁から後縁に向かう翼弦線に沿った方向で前記アップパス隔壁から離れて配置された少なくとも1つのリユース隔壁を含み、
    前記複数の開口部(220)の内の前記アップパス隔壁に設けられた開口部(220)は、前記本体部分(201)の負圧側及び正圧側の前記内面(205)に向けられた一次インピンジメント流体流れを生成し、
    前記一次インピンジメント流体流れは、前記第1のリユースキャビティ(213)内で一次ポストインピンジメント流体を生成し、
    前記複数の開口部(220)の内の前記少なくとも1つのリユース隔壁に設けられた開口部(220)は、前記一次ポストインピンジメント流体を受け入れて、前記本体部分(201)の負圧側及び正圧側の前記内面(205)に向けられた二次インピンジメント流体流れを生成し、
    前記二次インピンジメント流体流れは、前記少なくとも1つの追加のリユースキャビティ(213)内で二次ポストインピンジメント流体を生成する、物品(100)。
  2. 物品(100)であって、
    負圧側面(208)、正圧側面(209)、内面(205)及び外面(203)を有し、前記内面(205)が内部領域を定める、本体部分(201)と、
    前記本体部分(201)内に配置された複数の一体隔壁(210)であって、前記複数の一体隔壁(210)の各々が前記本体部分(201)の正圧側と前記本体部分(201)の負圧側に一体的に接続され、前記複数の一体隔壁(210)の各々が前記内部領域を横切って延びる、複数の一体隔壁(210)と、
    前記複数の一体隔壁(210)の各々に形成され、前記本体部分(201)の前記内面(205)に向かって流体を送るように配列及び配置された複数の開口部(220)と、
    を備え、
    前記複数の一体隔壁(210)が、前記負圧側面(208)の前記内面(205)と前記正圧側面(209)の前記内面(205)との間に延びる第1の一体アップパス隔壁と、少なくとも一部が前記第1の一体アップパス隔壁により画定され、前記物品(100)の外部から流体を受け入れるように配列及び配置された少なくとも1つのアップパスキャビティ(211)と少なくとも1つの第1のリユースキャビティ(213)との間に配置された第2の一体アップパス隔壁と、少なくとも1つの第1のリユースキャビティ(213)と少なくとも1つの追加のリユースキャビティ(213)との間に配置された少なくとも1つの一体リユース隔壁を含み、
    前記第2の一体アップパス隔壁の一端が、前記第1の一体アップパス隔壁に接続され、
    前記第2の一体アップパス隔壁の他端が、前記第1の一体アップパス隔壁に接続され、
    前記複数の開口部(220)の内の前記第2の一体アップパス隔壁に設けられた開口部(220)は、前記本体部分(201)の負圧側及び正圧側の前記内面(205)に向けられた一次インピンジメント流体流れを生成し、
    前記一次インピンジメント流体流れは、前記第1のリユースキャビティ(213)内で一次ポストインピンジメント流体を生成し、
    前記複数の開口部(220)の内の前記少なくとも1つの一体リユース隔壁に設けられた開口部(220)は、前記一次ポストインピンジメント流体を受け入れて、前記本体部分(201)の負圧側及び正圧側の前記内面(205)に向けられた二次インピンジメント流体流れを生成し、
    前記二次インピンジメント流体流れは、前記少なくとも1つの追加のリユースキャビティ(213)内で二次ポストインピンジメント流体を生成する、物品(100)。
  3. 前記少なくとも1つのアップパスキャビティ(211)は、第1のアップパスキャビティ(211)及び第2のアップパスキャビティ(211)を備える、請求項1または2に記載の物品(100)。
  4. 前記少なくとも1つのアップパスキャビティの各々は、前記物品(100)の外部から流体を受け入れるように配列及び配置される、請求項1乃至3のいずれかに記載の物品(100)。
  5. 前記内面(205)と前記外面(203)との間に延びる通路(230)をさらに備える、前記通路(230)は、前記本体部分(201)を貫通する流体流れをもたらす、請求項1乃至4のいずれかに記載の物品(100)。
  6. 前記複数の隔壁210のうちの1つに形成された前記開口部(220)の数は、少なくとも1つの他の隔壁の形成された開口部(220)の数よりも多く、
    前記複数の隔壁(210)の各々に形成された前記開口部(220)の数は、所望の膜供給圧または、所望の壁温度分布をもたらすように選択される、請求項1乃至5のいずれかに記載の物品(100)。
  7. 物品(100)を冷却するための方法であって、
    負圧側面(208)、正圧側面(209)、内面(205)及び外面(203)を有し、前記内面(205)が内部領域を定める、翼形の本体部分(201)と、
    前記内部領域を横切って延び、前記内部領域の中にアップパスキャビティ(211)と少なくとも1つの第1のリユースキャビティ(213)との間に配置されたアップパス隔壁と、
    前記内部領域を横切って延び、前記内部領域の中に前記第1のリユースキャビティ(213)と少なくとも1つの追加のリユースキャビティ(213)との間に、前記アップパス隔壁と前記翼形の翼厚方向でオーバーラップせず、前記翼形の前縁から後縁に向かう翼弦線に沿った方向で前記アップパス隔壁から離れて配置された少なくとも1つのリユース隔壁と、
    前記アップパス隔壁及び前記少なくとも1つのリユース隔壁の各々に形成され、前記本体部分(201)の前記内面(205)に向けて流体を送るように配列及び配置された複数の開口部(220)と、
    備える物品(100)を準備する段階と、
    流体を前記アップパスキャビティ(211)に送る段階と、
    前記アップパス隔壁の前記複数の開口部(220)を通じて前記本体部分(201)の負圧側及び正圧側の前記内面(205)に向けられた一次インピンジメント流体流れを発生させる段階と、
    前記一次インピンジメント流体流れを受け入れた前記第1のリユースキャビティ(213)内で一次ポストインピンジメント流体を形成する段階と、
    前記複数の開口部(220)の内の前記少なくとも1つのリユース隔壁に設けられた開口部(220)が、前記一次ポストインピンジメント流体を受け入れることにより、前記本体部分(201)の負圧側及び正圧側の前記内面(205)に向けられる二次インピンジメント流体流れを生成する段階と、
    前記二次インピンジメント流体流れが、前記少なくとも1つの追加のリユースキャビティ(213)内で二次ポストインピンジメント流体を形成する段階と、
    を含む、方法。
  8. 前記アップパス隔壁、前記第1のリユースキャビティ(213)及び前記少なくとも1つの追加のリユースキャビティ(213)のそれぞれは、前記本体部分(201)の前記内面(205)の前記負圧側と前記正圧側と一体に接続されている、請求項7に記載の方法。
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