JP7051362B2 - 正圧側蛇行キャビティを備えた部分的にラップされた後縁冷却回路 - Google Patents

正圧側蛇行キャビティを備えた部分的にラップされた後縁冷却回路 Download PDF

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Description

本開示は、一般にタービンシステムに関し、より詳細には、互いに流体結合された様々な内部キャビティを含むタービンブレード翼形部に関する。
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。従来からのガスタービンシステムは、圧縮機部分、燃焼器部分、およびタービン部分を含む。ガスタービンシステムの運転中に、タービンブレードおよびノズル翼形部などのシステム内の種々の部品が、部品を故障させかねない高温の流れに曝される。より高温の流れは、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、ガスタービンシステムをより高い温度で動作させることができるよう、高温の流れに曝される構成部品を冷却することが好都合である。
タービンブレード用の多壁翼形部は、通常、複雑な迷路の内部冷却流路を含む。例えば、ガスタービンシステムの圧縮機によって提供される冷却空気(または他の適切な冷却剤)は、冷却流路を通って出入りして、多壁翼形部および/またはタービンブレードの様々な部分を冷却することができる。多壁翼形部の1つまたは複数の冷却流路によって形成される冷却回路は、例えば、内部壁近傍冷却回路、内部中央冷却回路、先端冷却回路、および多壁翼形部の前縁および後縁に隣接する冷却回路を含むことができる。
米国特許出願公開第2016/0177741号明細書
第1の実施形態は、タービンブレード用の翼形部を含むことができる。翼形部は、正圧側面に隣接して配置され、冷却剤を受け取るように構成された第1の正圧側キャビティと、第1の正圧側キャビティに隣接して配置され、第1の正圧側キャビティに流体結合された少なくとも1つの別個の正圧側キャビティと、正圧側面と負圧側面との間に配置された後縁と、後縁に隣接して配置され、第1の正圧側キャビティと直接流体連通する後縁冷却システムと、を含み、後縁冷却システムは、第1の正圧側キャビティから冷却剤の一部を受け取るように構成される。
別の実施形態は、タービンブレードを含むことができ、タービンブレードは、シャンクと、シャンクの半径方向上方に形成されたプラットフォームと、プラットフォームの半径方向上方に形成された翼形部と、を含み、翼形部は、正圧側面に隣接して配置され、冷却剤を受け取るように構成された第1の正圧側キャビティと、第1の正圧側キャビティに隣接して配置され、第1の正圧側キャビティに流体結合された少なくとも1つの別個の正圧側キャビティと、翼形部の正圧側面と負圧側面との間に配置された後縁と、後縁に隣接して配置され、第1の正圧側キャビティと直接流体連通する後縁冷却システムと、を含み、後縁冷却システムは、第1の正圧側キャビティから冷却剤の一部を受け取るように構成される。
さらなる実施形態は、タービンシステムを含むことができ、タービンシステムは、複数のタービンブレードを含むタービン部品を含み、複数のタービンブレードの各々は、翼形部と、正圧側面に隣接して配置され、冷却剤を受け取るように構成された第1の正圧側キャビティと、第1の正圧側キャビティに隣接して配置され、第1の正圧側キャビティに流体結合された少なくとも1つの別個の正圧側キャビティと、翼形部の正圧側面と負圧側面との間に配置された後縁と、後縁に隣接して配置され、第1の正圧側キャビティと直接流体連通する後縁冷却システムと、を含み、後縁冷却システムは、第1の正圧側キャビティから冷却剤の一部を受け取るように構成される。
本開示の例示の態様は、本明細書に記載の問題および/または論じられない他の問題を解決する。
本開示のこれらの特徴および他の特徴は、本開示の様々の態様の以下の詳細な説明を本開示の種々の実施形態を示す添付の図面と併せて検討することで、より容易に理解されよう。
様々な実施形態による多壁翼形部を有するタービンブレードの斜視図である。 様々な実施形態による、図1の線X-Xに沿った図1のタービンブレードの断面図である。 様々な実施形態による、後縁冷却システムおよび様々な翼形部キャビティの冷却回路の側面図である。 様々な実施形態による、図3の様々な翼形部キャビティおよび後縁冷却システムの冷却回路を含む翼形部の後縁部分の上面断面図である。 様々な実施形態によるガスタービンシステムの概略図である。
本開示の図面は必ずしも一定の比率では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示すことを目的としており、したがって、本開示の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面においては、図面間で類似する符号は類似する要素を示す。
ここで、添付の図面に示す代表的な実施形態を参照して詳細に説明する。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ものではないことを理解されたい。それどころか、添付の特許請求の範囲によって規定される記載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が意図される。
上述したように、本開示は、一般にタービンシステムに関し、より詳細には、互いに流体結合された様々な内部キャビティを含むタービンブレード翼形部に関する。本明細書で使用されるように、タービンブレードの翼形部は、例えば、回転タービンブレード用の多壁翼形部、またはタービンシステムによって利用される固定ベーン用のノズルもしくは翼形部を含むことができる。
実施形態によれば、タービンシステム(例えば、ガスタービンシステム)のタービンブレード、特に多壁翼形部を冷却するために、流れ再利用を伴う後縁冷却回路が提供される。冷却剤の流れは、後縁冷却回路を通過した後に再利用される。後縁冷却回路を通過した後に、冷却剤の流れを回収して、翼形部および/またはタービンブレードの他の部分を冷却するために使用することができる。例えば、冷却剤の流れは、対流冷却および/または膜冷却のために、タービンブレードの多壁翼形部の正圧側面または負圧側面の少なくとも一方に導くことができる。さらに、冷却剤の流れは、先端部およびプラットフォーム冷却回路を含む、タービンブレード内の他の冷却回路に供給することができる。
従来の後縁冷却回路は、通常、冷却剤の流れが後縁冷却回路を通過した後にタービンブレードからそれを排出する。これは、冷却剤がタービンブレードから排出される前にその最大熱容量まで使用されていない可能性があるので、冷却剤の効率的な使用ではない。対照的に、実施形態によれば、後縁冷却回路を通過した後の冷却剤の流れは、多壁翼形部および/またはタービンブレードのさらなる冷却に使用される。
図面(例えば、図1を参照)において、「A」軸は、軸方向を表す。本明細書で使用されるように、「軸方向」および/または「軸方向に」という用語は、タービンシステム(特に、ロータ部)の回転軸に実質的に平行な軸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されるように、「半径方向」および/または「半径方向に」という用語は、軸Aに実質的に垂直であって、ただ1つの位置において軸Aと交差する軸「R」(例えば、図1を参照)に沿った物体の相対位置/方向を指す。最後に、「円周方向」という用語は、軸A(例えば、軸「C」)周りの運動または位置を指す。
図1を参照すると、タービンブレード2の斜視図が示されている。タービンブレード2は、シャンク4と、シャンク4の上に半径方向に形成されたプラットフォーム5と、シャンク4に結合され、シャンク4から半径方向外方に延在する多壁翼形部6と、を含む。多壁翼形部6はまた、プラットフォーム5の上に半径方向に配置または形成することができ、プラットフォーム5がシャンク4と多壁翼形部6との間に形成される。多壁翼形部6は、正圧側面8と、反対側の負圧側面10と、先端領域18と、を含む。多壁翼形部6は、正圧側面8と負圧側面10との間の前縁14と、前縁14の反対側の正圧側面8と負圧側面10との間の後縁16と、をさらに含む。本明細書で説明するように、多壁翼形部6はまた、内部に形成された後縁冷却システムを含むこともできる。
タービンブレード2のシャンク4および多壁翼形部6は、1つまたは複数の金属(例えば、ニッケル、ニッケルの合金など)から形成することができ、従来の手法によって形成(例えば、鋳造、鍛造、または機械加工)することができる。シャンク4および多壁翼形部6は、一体に形成(例えば、鋳造、鍛造、三次元印刷など)してもよいし、あるいは別々の部品として形成して、後で(例えば、溶接、ろう付け、接着、または他の結合機構によって)接合してもよい。
図2は、図1の線X-Xに沿った多壁翼形部6の断面図を示す。図示するように、多壁翼形部6は、複数の内部流路またはキャビティを含むことができる。実施形態では、多壁翼形部6は、少なくとも1つの前縁キャビティ20と、多壁翼形部6の中央部分24に形成された少なくとも1つの表面(壁近接)キャビティ22と、を含む。多壁翼形部6はまた、少なくとも1つの表面キャビティ22に隣接する、多壁翼形部6の中央部分24に形成された少なくとも1つの内部キャビティ26を含むことができる。
図2に示す非限定的な例では、多壁翼形部6はまた、多壁翼形部6の後縁部分30に形成された複数の正圧側キャビティ28を含むこともできる。複数の正圧側キャビティ28は、第1の正圧側キャビティ28A、第2の正圧側キャビティ28B、および第3の正圧側キャビティ28C(集合的に、「正圧側キャビティ28」)を含むことができる。複数の正圧側キャビティ28の各々は、多壁翼形部6の正圧側面8に隣接して形成および/または配置されてもよい。第1の正圧側キャビティ28Aは、多壁翼形部6の後縁16に隣接して配置されてもよく、および/または第2の正圧側キャビティ28Bと後縁16との間に配置されてもよい。第2の正圧側キャビティ28Bは、第1の正圧側キャビティ28Aおよび第3の正圧側キャビティ28Cに隣接して、および/またそれらの間に配置されてもよい。本明細書で説明するように、複数の正圧側キャビティ28は、互いに流体連通することができる。図2に示すように、第1の正圧側キャビティ28Aは、以下で詳細に説明するように、後縁16に隣接する多壁翼形部6の後縁部分30内に形成および/または配置することができる後縁冷却システム32に直接隣接して配置され、および/または後縁冷却システム32と流体連通することができる。
多壁翼形部6はまた、少なくとも1つの負圧側キャビティ34を含むことができる。図2に示す非限定的な例において、多壁翼形部6の後縁部分30は、多壁翼形部6の負圧側面10に隣接して配置および/または形成された負圧側キャビティ34を含むことができる。負圧側キャビティ34は、多壁翼形部6の正圧側キャビティ28に隣接して配置されてもよいが、それから離間されてもよい。本明細書で説明するように、負圧側キャビティ34は、多壁翼形部6の後縁部分30内に形成および/または配置された後縁冷却システム32に直接隣接して配置され、および/または後縁冷却システム32と流体連通することができる。
図2に示すように、少なくとも1つの負圧側キャビティ34は、少なくとも1つの閉塞部36を含むことができる。閉塞部36は、多壁翼形部6の負圧側キャビティ34の全体にわたって形成および/または配置されてもよい。図2に示す非限定的な例では、負圧側キャビティ34の閉塞部36は、本明細書で説明するように、後縁冷却システム32から負圧側キャビティ34に流入することができる冷却剤の流れを変更(例えば、阻害)することができるピンバンクであってもよい。非限定的な例では、負圧側キャビティ34の閉塞部36は、多壁翼形部6の半径方向長さ(L)全体(例えば、図1参照)に延在してもよい。別の非限定的な例では、負圧側キャビティ34の閉塞部36は、多壁翼形部6内で部分的に半径方向にのみ延在してもよいし、プラットフォーム5および/または先端領域18に直接隣接して配置された翼形部6の一部に達する前に半径方向に終端してもよい。閉塞部36は、形状および/またはサイズが実質的に一様であるように描かれているが、閉塞部36の形状および/またはサイズは、負圧側キャビティ34内の閉塞部36の相対位置および/または多壁ブレード6内の閉塞部36の半径方向位置に基づいて変化してもよいことが理解される。さらに、負圧側キャビティ34内に閉塞部36を形成する際には、様々な形状(例えば、円形、正方形、長方形など)を使用することができることが理解される。本明細書ではピンバンクとして説明したが、閉塞部36は、例えば、バンプ、フィン、プラグなどを含んでもよいことが理解される。
図示していないが、閉塞部36は、多壁翼形部6の他の部分に形成されてもよいことが理解される。非限定的な例では、第1の正圧側キャビティ28Aは、第1の正圧側キャビティ28A内を流れることができる冷却剤の流れを変更(例えば、阻害)することができるピンバンクとして形成された閉塞部36を含むことができる。具体的には、後縁冷却システム32に隣接する第1の正圧側キャビティ28Aの一部に、閉塞部36(例えば、ピンバンク)を形成することができる。後縁冷却システム32に隣接して形成された閉塞部は、本明細書で説明するように、第1の正圧側キャビティ28Aから後縁冷却システム32に流れることができる冷却剤の流れを変更する(例えば、阻害する)ことができる。負圧側キャビティ34に形成され、図2に関して詳細に説明した閉塞部36と同様に、第1の正圧側キャビティ28Aに形成された閉塞部36は、多壁翼形部6の半径方向長さ(L)全体(例えば、図1参照)に延在してもよい。あるいは、第1の正圧側キャビティ28Aの閉塞部36は、多壁翼形部6内で部分的に半径方向にのみ延在してもよいし、プラットフォーム5および/または先端領域18に直接隣接して配置された翼形部6の一部に達する前に半径方向に終端してもよい。
図2に示すように、タービンブレード2(例えば、図1を参照)および/または多壁翼形部6は、複数の膜孔を含むことができる。具体的には、タービンブレード2は、多壁翼形部6の正圧側面8に隣接して形成された少なくとも1つの正圧側膜孔38(破線で示す)を含むことができる。1つの非限定的な例では、正圧側膜孔38は、多壁翼形部6の正圧側面8の一部を直接貫通して形成されてもよい。別の非限定的な例では、正圧側膜孔38は、多壁翼形部6の隣接する正圧側面8のタービンブレード2のプラットフォーム5の一部(例えば、図1参照)に形成されてもよい。いずれの非限定的な例においても、正圧側膜孔38は、複数の正圧側キャビティ28のうちの少なくとも1つに流体連通および/または流体結合することができる。図2に示すように、正圧側膜孔38は、後縁冷却システム32の反対側の第3の正圧側キャビティ28Cと流体連通および/または流体結合することができる。本明細書で説明するように、正圧側膜孔38は、1つまたは複数の正圧側キャビティ28から冷却剤を排出し、放出し、および/または取り除き、冷却剤を多壁翼形部6の正圧側面8の少なくとも一部の上に流すように構成することができる。
図2に示すように、タービンブレード2は、少なくとも1つの負圧側膜孔40(破線で示す)を含むこともできる。負圧側膜孔40は、多壁翼形部6の負圧側面10に隣接して形成することができる。正圧側膜孔38と同様に、非限定的な例では、負圧側膜孔40は、多壁翼形部6の負圧側面10の一部を直接貫通して形成されてもよく、逆に、負圧側面10に隣接するタービンブレード2(例えば、図1を参照)のプラットフォーム5の一部を貫通して形成されてもよい。いずれの非限定的な例においても、負圧側膜孔40は、少なくとも1つの負圧側キャビティ34と流体連通および/または流体結合して圧迫することができる。図2に示すように、また正圧側膜孔38と同様に、負圧側膜孔40は、後縁冷却システム32の反対側の負圧側キャビティ34と流体連通および/または流体結合することができる。負圧側膜孔40は、本明細書で説明するように、負圧側キャビティ34から冷却剤を排出し、放出し、および/または取り除き、冷却剤を多壁翼形部6の負圧側面10の少なくとも一部の上に流すように構成することができる。
多壁翼形部6内に形成されるキャビティの数は、当然ながら、例えば多壁翼形部6の具体的な構成、サイズ、使用目的などに応じて変化してもよい。この限りにおいて、本明細書に開示の実施形態に示すキャビティの数は限定を意味しない。
後縁冷却システム32を含む一実施形態を、図3および図4に示す。その名称が示すように、後縁冷却システム32は、多壁翼形部6の正圧側面8と負圧側面10との間で、多壁翼形部6の後縁16に隣接して配置される。負圧側キャビティ34は、図3の第1の正圧側キャビティ28Aによって視界から遮断されているので、明瞭化のために省略されている。
後縁冷却システム32は、半径方向に離間した(すなわち、「R」軸(例えば図1を参照)に沿った)複数の冷却回路42を含み(2つのみを示す)、各々が外向き脚部44、転回部46、および戻り脚部48を含む。外向き脚部44は、多壁翼形部6の後縁16に向かって軸方向に、および/または実質的に垂直に延在する。戻り脚部48は、多壁翼形部6の前縁14(例えば、図1を参照)に向かって軸方向に延在する。さらに、図2に示すように、戻り脚部48は、多壁翼形部6の後縁16から軸方向に離れて、および/または実質的に垂直に延在する。このように、外向き脚部44および戻り脚部48は、例えば、互いに平行に配置および/または配向されてもよい。後縁冷却システム32を形成する各冷却回路42の戻り脚部48は、戻り脚部48と流体連通する対応する外向き脚部44よりもタービンブレード2のシャンク4の下方および/または近くに配置することができる。いくつかの実施形態では、後縁冷却システム32および/または後縁冷却システム32を形成する複数の冷却回路42は、多壁翼形部6の後縁16の半径方向長さ(L)(例えば、図1を参照)全体に沿って延在することができる。他の実施形態では、後縁冷却システム32は、多壁翼形部6の後縁16の1つまたは複数の部分に沿って部分的に延在してもよい。
各冷却回路42において、外向き脚部44は、転回部46によって戻り脚部48に対して「R」軸に沿って半径方向にオフセットされている。この限りにおいて、本明細書で説明するように、転回部46は、冷却回路42の外向き脚部44を冷却回路42の戻り脚部48に流体結合する。図2に示す非限定的な実施形態では、例えば、外向き脚部44は、冷却回路42の各々の戻り脚部48に対して半径方向外側に配置される。他の実施形態では、冷却回路42の1つまたは複数において、戻り脚部48に対する外向き脚部44の半径方向の配置は、外向き脚部44が戻り脚部48に対して半径方向内側に位置するように逆転されてもよい。
半径方向のオフセットに加えて、図4で簡単に説明すると、外向き脚部44は、複数の転回脚部46によって、戻り脚部48に対してある角度(α)だけ円周方向にオフセットすることができる。この構成では、外向き脚部44は多壁翼形部6の正圧側面8に沿って延在することができ、戻り脚部48は多壁翼形部6の負圧側面10に沿って延在することができる。半径方向および円周方向のオフセットは、例えば、後縁冷却システム32の幾何学的制約および熱容量の制約ならびに/あるいは他の要因に基づいて変化してもよい。
図3に戻ると、後縁冷却システム32は、第1の正圧側キャビティ28Aに流体結合されてもよく、および/または直接流体連通してもよい。具体的には、後縁冷却システム32の冷却回路42は、第1の正圧側キャビティ28Aと直接流体連通することができる。第1の正圧側キャビティ28Aは、第1の正圧側キャビティ28Aと後縁冷却システム32とを流体結合するために、側壁52を貫通して形成された少なくとも1つの開口部50を含むことができる。図3に示す非限定的な例では、複数の開口部50が、後縁冷却システム32の各冷却回路42を流体結合するために、第1の正圧側キャビティ28Aの側壁52を貫通して形成されてもよい。すなわち、第1の正圧側キャビティ28Aの側壁52を貫通して形成された複数の開口部50の各々は、後縁冷却システム32の別個の冷却回路42に軸方向に隣接して形成されてもよく、および/またはそれに対応してもよく、各開口部50は、対応する冷却回路42を第1の正圧側キャビティ28Aに流体結合することができる。さらに、各冷却回路42の外向き脚部44は、開口部50を介して第1の正圧側キャビティ28Aと直接流体連通することができる。
タービンブレード2(例えば、図1を参照)の動作中には、冷却剤62の流れ、例えばガスタービンシステム102(図5)の圧縮機104によって生成された空気は、第1の正圧側キャビティ28Aに流入する。図3に示す非限定的な実施形態では、冷却剤62は、第1の正圧側キャビティ28Aを通って(半径方向に)、および/または第1の正圧側キャビティ28Aに流入してもよく、2つの異なる部分に分割されてもよい。具体的には、冷却剤62が第1の正圧側キャビティ28Aを通って流れる際に、冷却剤62は、第1の部分64と第2の部分66とに分割されてもよい。冷却剤62の第1の部分64および第2の部分66の各々は、多壁翼形部6の別個の部分を通って、および/またはそれに流れて、多壁翼形部6の一部(例えば、後縁16、後縁部分30)の熱伝達および/または冷却を提供する。多壁翼形部6の別個の部分を通って流れる第1の部分64および第2の部分66の体積は、実質的に同様であってもよく、あるいは、互いに異なっていてもよいことが理解される。
冷却剤62の第1の部分64は、第1の正圧側キャビティ28Aに流入し、および/またはそれに受け取られてもよい。具体的には、冷却剤62の第1の部分64は、本明細書で説明するように、多壁翼形部6の第1の正圧側キャビティ28A内に留まってもよく、第1の正圧側キャビティ28Aを通って流れ、その後に、多壁翼形部6の別個の部分(例えば、第2の正圧側キャビティ28B)を通って流れてもよい。図3に示す非限定的な例では、冷却剤62の第1の部分64は、多壁翼形部6の第1の正圧側キャビティ28Aを通って、軸方向に、半径方向に、円周方向に、またはこれらの任意の組み合わせに流れてもよい。最終的には、以下に詳細に説明するように、冷却剤62の第1の部分64のすべては、後縁16および/または側壁52から第2の正圧側キャビティ28Bに向かって軸方向に流れることができる。本明細書で説明するように、第1の正圧側キャビティ28A内を流れる冷却剤62の第1の部分64は、第1の正圧側キャビティ28Aおよび/または多壁翼形部6の他の部分の内部の冷却および/または熱伝達を助けることができる。
各冷却回路42において、冷却剤62の第2の部分66は、冷却回路42の外向き脚部44内を通り、多壁翼形部6の転回脚部46および/または後縁16に向かって軸方向に流れる。すなわち、冷却剤62は、第1の正圧側キャビティ28A内で分割されてもよく、および/または冷却剤62の第2の部分66は、側壁52を貫通して形成された開口部50を通って流れ、続いて各冷却回路42の外向き脚部44の中におよび/または軸方向に通って流れることによって形成される。冷却剤62の第2の部分66が冷却回路42の転回脚部46を通って流れる際に、冷却剤62の第2の部分66が方向転換し、かつ/または移動する。具体的には、冷却回路42の転回脚部46は、冷却剤62の第2の部分66を、多壁翼形部6の後縁16から軸方向に離れるように方向転換させる。冷却剤62の第2の部分66は、続いて転回脚部46から冷却回路42の戻り脚部48に流入し、後縁16から軸方向に離れるように流れる。後縁16から離れるように軸方向に流れることに加えて、冷却回路42の戻り脚部48を流れる冷却剤62の第2の部分66はまた、負圧側キャビティ34に向かって軸方向に流れることもできる(例えば、図4を参照)。各外向き脚部44に入る冷却剤62の第2の部分66は、後縁冷却システム32の各冷却回路42について同じであってもよい。あるいは、各外向き脚部44に入る冷却剤62の第2の部分66は、冷却回路42の異なるセット(すなわち、1つまたは複数)について異なっていてもよい。
図4を参照し、また引き続き図3を参照すると、後縁冷却システム32は、負圧側キャビティ34と直接流体連通することができる。具体的には、冷却回路42の戻り脚部48(例えば、図3を参照)は、負圧側キャビティ34と直接流体連通および/または流体結合することができる。図4に示すように、戻り脚部48は、負圧側キャビティ34を貫通して形成された開口部54を介して、負圧側キャビティ34に延在し、かつ/または直接結合されてもよい。冷却回路42の各戻り脚部48は、負圧側キャビティ34の壁を貫通して形成された対応する開口部54(図示された)と流体結合し、流体連通し、かつ/または結合している。本明細書で説明するように、戻り脚部48は、冷却剤62の第2の部分66を、負圧側キャビティ34内にまたは負圧側キャビティ34を貫通して形成された開口部54を通して負圧側キャビティ34に提供することができる。戻り脚部48および負圧側キャビティ34は、別個の部品から形成されてもよいし、あるいは、互いに一体化されて形成されてもよいことが理解される。
多壁翼形部6を通る冷却剤62の第1の部分64および第2の部分66(図3を参照)のそれぞれの流れを、図3および図4を参照して説明する。図4は、後縁冷却システム32を含む多壁翼形部6の後縁部分30の上面断面図を示す。図4に示し、図3に関して本明細書で説明するように、冷却剤62および/または冷却剤62の第1の部分64は、第1の正圧側キャビティ28Aを通って(例えば、紙面手前の方向に)半径方向に流れることができ、第1の正圧側キャビティ28A内の第1の部分64と第2の部分66とにそれぞれ分割され得る。さらに、本明細書で説明するように、冷却剤62の第1の部分64は、第1の正圧側キャビティ28Aを通って軸方向に流れ、および/または多壁翼形部6の後縁16から軸方向に離れるように流れることができる。さらに、冷却剤62の第1の部分64は、第2の正圧側キャビティ28Bに向かって軸方向に流れることができる。
複数の正圧側キャビティ28は、互いに流体連通し、および/または互いに流体結合してもよい。その結果、冷却剤62の第1の部分64は、多壁翼形部6の複数の正圧側キャビティ28の間および/またはそれを通って流れることができる。非限定的な例では、冷却剤62の第1の部分64は、すべて互いに流体結合された複数の正圧側キャビティ28の間を蛇行したパターンで流れることができる。図3に関して本明細書で説明し、また図4に示すように、冷却剤62の第1の部分64は、タービンブレード2の先端領域18(例えば、図1を参照)に向かって半径方向上方に(例えば、紙面手前の方向に)流れることができる。そこから、冷却剤62の第1の部分64は、第2の正圧側キャビティ28Bに向かって軸方向に流れ、それに流入することができる。第2の正圧側キャビティ28Bに入ると、冷却剤62の第1の部分64は、先端領域18から半径方向下方に(例えば、紙面奥の方向に)流れ、および/またはタービンブレード2のプラットフォーム5に向かって半径方向に流れることができる。続いて、冷却剤62の第1の部分64は、第3の正圧側キャビティ28Cに向かって軸方向に流れ、第3の正圧側キャビティ28Cに入ると、タービンブレード2の先端領域18に向かって半径方向上方に(例えば、紙面手前の方向に)もう1回流れることができる。冷却剤62の第1の部分64の蛇行流パターンは、複数のキャビティ28および/または周囲壁面および/または多壁翼形部6の各部分に冷却および/または熱伝達を提供することができる。
さらに、冷却剤62の第1の部分64が第3の正圧側キャビティ28Cに流れた後に、第1の部分64は、第3の正圧側キャビティ28Cに流体結合することができる正圧側膜孔38を通って流れることができる。正圧側膜孔38は、多壁翼形部6から冷却剤62の第1の部分64を排出および/または流すことができる。具体的には、冷却剤62の第1の部分64は、正圧側膜孔38を介して多壁翼形部6内部から排出されおよび/または除去され、多壁翼形部6の外面または正圧側面8の上および/または上方を流れることができる。非限定的な例では、多壁翼形部6から正圧側膜孔38を介して排出される冷却剤62の第1の部分64は、多壁翼形部6の正圧側面8に沿って、後縁16に向かって軸方向に流れることができ、多壁翼形部6の外面または正圧側面8に膜冷却を提供することができる。
図4に示し、図3に関して本明細書で説明するように、冷却剤62の第2の部分66は、負圧側キャビティ34を通って軸方向に流れ、および/または多壁翼形部6の後縁16から離れて軸方向に流れることができる。冷却剤62の第2の部分66はまた、第2の部分66が負圧側キャビティ34を通って、および/または負圧側キャビティ34内に形成された閉塞部36の上を流れる際に、後縁冷却システム32から離れて軸方向に流れることができる。負圧側キャビティ34を通って(例えば、軸方向、半径方向に)流れる冷却剤62の第2の部分66は、負圧側キャビティ34および/または周囲壁面および/または多壁翼形部6の各部分に冷却および/または熱伝達を提供することができる。
さらに、図4に示すように、冷却剤62の第2の部分66は、負圧側膜孔40に向かって軸方向に流れることができる。具体的には、冷却剤62の第2の部分66は、負圧側キャビティ34に流体結合することができる負圧側膜孔40に向かって流れ、続いて負圧側膜孔40を通って軸方向に流れることができる。正圧側膜孔38および第1の部分64と同様に、負圧側膜孔40は、冷却剤62の第2の部分66を多壁翼形部6から排出および/または流すことができる。具体的には、冷却剤62の第2の部分66は、負圧側膜孔40を介して多壁翼形部6内部から排出されおよび/または除去され、多壁翼形部6の外面または負圧側面10の上および/または上方を流れることができる。非限定的な例では、第1の部分64と同様に、多壁翼形部6から負圧側膜孔40を介して排出される冷却剤62の第2の部分66は、多壁翼形部6の負圧側面10に沿って、後縁16に向かって軸方向に流れることができ、多壁翼形部6の外面または負圧側面10に膜冷却を提供することができる。
多壁翼形部/ブレードの後縁のさらなる冷却を提供するため、および/または後縁に冷却膜を直接提供するために、排出流路(図示せず)は、本明細書に記載する冷却回路のいずれかの任意の部分から後縁を通って後縁の外へ、および/または後縁に隣接する翼形部/ブレードの側面の外に出る。各排出流路は、特定の冷却回路を流れる冷却剤の一部(例えば、半分未満)のみを受け取るように、サイズが決められ、および/または後縁内に配置されてもよい。排出流路を含む場合であっても、冷却剤の大部分(例えば、半分以上)が依然として冷却回路、特にその戻り脚部を通って流れてもよく、その後に、本明細書に記載の他の目的、例えば膜冷却および/または衝突冷却のために、多壁翼形部/ブレードの異なる部分に供給されてもよい。
図5は、本明細書において使用することができるガスターボ機械102の概略図を示す。ガスターボ機械102は、圧縮機104を含むことができる。圧縮機104は、流入する空気106の流れを圧縮する。圧縮機104は、圧縮空気108の流れを燃焼器110に供給する。燃焼器110は、圧縮空気108の流れを燃料112の加圧された流れと混合し、この混合物に点火して、燃焼ガス114の流れを生成する。単一の燃焼器110のみが示されているが、ガスタービンシステム102は、任意の数の燃焼器110を含むことができる。次いで、燃焼ガス114の流れは、通常、複数のタービンブレード2(図1)を含むタービン116に供給される。燃焼ガス114の流れは、タービン116を駆動して機械的仕事を発生する。タービン116で発生された機械的仕事は、シャフト118を介して圧縮機104を駆動し、さらに発電機などの外部負荷120を駆動するために用いることができる。
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において、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、堅固および/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、場合によっては、互いに「結合された」構成要素は、単一の連続した部材を画成するように同時に形成することができる。しかしながら、他の実施形態において、これらの結合した構成要素は、別々の部材として形成された後に公知のプロセス(例えば、締め付け、超音波溶接、接着)によって結び付けられてよい。
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的に上に、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、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、同様に解釈すべきである(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)。本明細書で用いられる「および/または」という用語は、関連する列挙された項目のいずれかおよび1つもしくは複数のすべての組み合わせを含む。
本明細書で用いる用語は、特定の実施形態を説明することだけを目的とし、本開示を限定することを目的とするものではない。本明細書で用いられるように、文脈で別途明確に指示しない限り、単数形「1つの(a)」、「1つの(an)」および「前記(the)」は複数形も含むものとする。「含む(comprises)」および/または「含む(comprising)」という用語は、本明細書で使用される場合に、記載した特徴、整数、ステップ、動作、要素、および/または構成部品の存在を示すが、1つもしくは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成部品、および/またはこれらのグループの存在もしくは追加を排除するものではないことがさらに理解されるであろう。
この明細書は、本発明を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本発明を実施することができるように実施例を用いており、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んでいる。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、当業者が想到するその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。
[実施態様1]
タービンブレード(2)用の翼形部(6)であって、
正圧側面(8)に隣接して配置され、冷却剤(62)を受け取るように構成された第1の正圧側キャビティ(28A)と、
前記第1の正圧側キャビティ(28A)に隣接して配置され、前記第1の正圧側キャビティ(28A)に流体結合された少なくとも1つの別個の正圧側キャビティ(28)と、
前記正圧側面(8)と負圧側面(10)との間に配置された後縁(16)と、
前記後縁(16)に隣接して配置され、前記第1の正圧側キャビティ(28A)と直接流体連通する後縁冷却システム(32)と、を含み、前記後縁冷却システム(32)は、前記第1の正圧側キャビティ(28A)から前記冷却剤(62)の一部を受け取るように構成される、翼形部(6)。
[実施態様2]
前記負圧側面(10)に隣接して配置された少なくとも1つの負圧側キャビティ(34)をさらに含む、実施態様1に記載の翼形部(6)。
[実施態様3]
前記後縁冷却システム(32)は、前記少なくとも1つの負圧側キャビティ(34)に直接流体連通し、前記後縁冷却システム(32)は、前記冷却剤(62)の前記受け取った部分を前記少なくとも1つの負圧側キャビティ(34)に供給するように構成される、実施態様2に記載の翼形部(6)。
[実施態様4]
前記少なくとも1つの負圧側キャビティ(34)に流体結合され、前記少なくとも1つの負圧側キャビティ(34)から前記冷却剤(62)の前記受け取った部分を排出するように構成された負圧側膜孔(40)をさらに含む、実施態様3に記載の翼形部(6)。
[実施態様5]
前記少なくとも1つの負圧側キャビティ(34)は、少なくとも1つの閉塞部(36)をさらに含む、実施態様2に記載の翼形部(6)。
[実施態様6]
前記後縁冷却システム(32)は、前記後縁(16)に隣接して配置された複数の冷却回路(42)をさらに含む、実施態様1に記載の翼形部(6)。
[実施態様7]
前記第1の正圧側キャビティ(28A)は、前記複数の冷却回路(42)に軸方向に隣接する側壁(52)に形成された複数の開口部(50)を含み、前記複数の開口部(50)の各々は、前記複数の冷却回路(42)のうちの1つを前記第1の正圧側キャビティ(28A)に流体結合する、実施態様6に記載の翼形部(6)。
[実施態様8]
前記少なくとも1つの別個の正圧側キャビティ(28)に流体結合された正圧側膜孔(38)をさらに含み、前記正圧側膜孔(38)は、前記少なくとも1つの別個の正圧側キャビティ(28)によって受け取った前記冷却剤(62)の別個の部分を前記第1の正圧側キャビティ(28A)から排出するように構成される、実施態様1に記載の翼形部(6)。
[実施態様9]
タービンブレード(2)であって、
シャンク(4)と、
前記シャンク(4)の半径方向上方に形成されたプラットフォーム(5)と、
前記プラットフォーム(5)の半径方向上方に形成された翼形部(6)と、を含み、前記翼形部(6)は、
正圧側面(8)に隣接して配置され、冷却剤(62)を受け取るように構成された第1の正圧側キャビティ(28A)と、
前記第1の正圧側キャビティ(28A)に隣接して配置され、前記第1の正圧側キャビティ(28A)に流体結合された少なくとも1つの別個の正圧側キャビティ(28)と、
前記翼形部(6)の前記正圧側面(8)と負圧側面(10)との間に配置された後縁(16)と、
前記後縁(16)に隣接して配置され、前記第1の正圧側キャビティ(28A)と直接流体連通する後縁冷却システム(32)と、を含み、前記後縁冷却システム(32)は、前記第1の正圧側キャビティ(28A)から前記冷却剤(62)の一部を受け取るように構成される、タービンブレード(2)。
[実施態様10]
前記翼形部(6)は、前記負圧側面(10)に隣接して配置された少なくとも1つの負圧側キャビティ(34)をさらに含む、実施態様9に記載のタービンブレード(2)。
[実施態様11]
前記後縁冷却システム(32)は、前記少なくとも1つの負圧側キャビティ(34)に直接流体連通し、前記後縁冷却システム(32)は、前記冷却剤(62)の前記受け取った部分を前記少なくとも1つの負圧側キャビティ(34)に供給するように構成される、実施態様10に記載のタービンブレード(2)。
[実施態様12]
前記少なくとも1つの負圧側キャビティ(34)に流体結合され、前記少なくとも1つの負圧側キャビティ(34)から前記冷却剤(62)の前記受け取った部分を排出するように構成された負圧側膜孔(40)をさらに含む、実施態様11に記載のタービンブレード(2)。
[実施態様13]
前記翼形部(6)の前記少なくとも1つの負圧側キャビティ(34)は、少なくとも1つの閉塞部(36)をさらに含む、実施態様10に記載のタービンブレード(2)。
[実施態様14]
前記翼形部(6)の前記後縁冷却システム(32)は、前記翼形部(6)の前記後縁(16)に隣接して配置された複数の冷却回路(42)をさらに含む、実施態様9に記載のタービンブレード(2)。
[実施態様15]
前記翼形部(6)の前記第1の正圧側キャビティ(28A)は、前記複数の冷却回路(42)に軸方向に隣接する側壁(52)に形成された複数の開口部(50)を含み、前記複数の開口部(50)の各々は、前記複数の冷却回路(42)のうちの1つを前記第1の正圧側キャビティ(28A)に流体結合する、実施態様14に記載のタービンブレード(2)。
[実施態様16]
前記翼形部(6)の前記少なくとも1つの別個の正圧側キャビティ(28)に流体結合された正圧側膜孔(38)をさらに含み、前記正圧側膜孔(38)は、前記少なくとも1つの別個の正圧側キャビティ(28)によって受け取った前記冷却剤(62)の別個の部分を前記第1の正圧側キャビティ(28A)から排出するように構成される、実施態様9に記載のタービンブレード(2)。
[実施態様17]
タービンシステムであって、
複数のタービンブレード(2)を含むタービン部品を含み、前記複数のタービンブレード(2)の各々は、
翼形部(6)を含み、前記翼形部(6)は、
正圧側面(8)に隣接して配置され、冷却剤(62)を受け取るように構成された第1の正圧側キャビティ(28A)と、
前記第1の正圧側キャビティ(28A)に隣接して配置され、前記第1の正圧側キャビティ(28A)に流体結合された少なくとも1つの別個の正圧側キャビティ(28)と、
前記翼形部(6)の前記正圧側面(8)と負圧側面(10)との間に配置された後縁(16)と、
前記後縁(16)に隣接して配置され、前記第1の正圧側キャビティ(28A)と直接流体連通する後縁冷却システム(32)と、を含み、前記後縁冷却システム(32)は、前記第1の正圧側キャビティ(28A)から前記冷却剤(62)の一部を受け取るように構成される、タービンシステム。
[実施態様18]
前記翼形部(6)は、前記負圧側面(10)に隣接して配置された少なくとも1つの負圧側キャビティ(34)をさらに含み、前記少なくとも1つの負圧側キャビティ(34)は、前記後縁冷却システム(32)と直接流体連通する、実施態様17に記載のタービンシステム。
[実施態様19]
前記翼形部(6)の前記第1の正圧側キャビティ(28A)は、前記後縁冷却システム(32)の複数の冷却回路(42)に軸方向に隣接する側壁(52)に形成された複数の開口部(50)を含み、前記複数の開口部(50)の各々は、前記複数の冷却回路(42)のうちの1つを前記第1の正圧側キャビティ(28A)に流体結合する、実施態様17に記載のタービンシステム。
[実施態様20]
前記複数のタービンブレード(2)の各タービンブレード(2)は、前記翼形部(6)の前記少なくとも1つの別個の正圧側キャビティ(28)に流体結合された正圧側膜孔(38)を含み、前記正圧側膜孔(38)は、前記少なくとも1つの別個の正圧側キャビティ(28)によって受け取った前記冷却剤(62)の別個の部分を前記第1の正圧側キャビティ(28A)から排出するように構成される、実施態様17に記載のタービンシステム。
2 タービンブレード
4 シャンク
5 プラットフォーム
6 多壁翼形部
8 正圧側面
10 負圧側面
14 前縁
16 後縁
18 先端領域
20 少なくとも1つの前縁キャビティ
22 壁キャビティ
24 中心部分
26 少なくとも1つの内部キャビティ
28 正圧側キャビティ
30 後縁部分
32 後縁冷却システム
34 負圧側キャビティ
36 閉塞部
38 正圧側膜孔
40 負圧側膜孔
42 冷却回路
44 外向き脚部
46 複数の転回脚部
48 戻り脚部
50 開口部
52 側壁
54 開口部
62 冷却剤
64 第1の部分
66 第2の部分
102 ガスタービンシステム
104 圧縮機
106 空気
108 圧縮空気
110 燃焼器
112 燃料
114 燃焼ガス
116 タービン
118 シャフト
120 外部負荷
28A 第1の正圧側キャビティ
28B 第2の正圧側キャビティ
28C 第3の正圧側キャビティ

Claims (7)

  1. タービンブレード(2)用の翼形部(6)であって、当該翼形部(6)が、
    正圧側面(8)に隣接して配置され、冷却剤(62)を受け取るように構成された第1の正圧側キャビティ(28A)と、
    前記第1の正圧側キャビティ(28A)に隣接して配置され、前記第1の正圧側キャビティ(28A)に流体結合された少なくとも1つの別個の正圧側キャビティ(28)と、
    前記正圧側面(8)と負圧側面(10)との間に配置された後縁(16)と、
    前記負圧側面(10)に隣接して配置された少なくとも1つの負圧側キャビティ(34)と、
    前記後縁(16)に隣接して配置され、前記第1の正圧側キャビティ(28A)と直接流体連通する後縁冷却システム(32)
    んでおり、前記後縁冷却システム(32)、前記第1の正圧側キャビティ(28A)から前記冷却剤(62)の一部を受け取るように構成され、前記後縁冷却システム(32)が、前記少なくとも1つの負圧側キャビティ(34)に直接流体連通し、前記後縁冷却システム(32)が、前記冷却剤(62)の前記受け取った部分を前記少なくとも1つの負圧側キャビティ(34)に供給するように構成される、翼形部(6)。
  2. 前記少なくとも1つの負圧側キャビティ(34)に流体結合された負圧側膜孔(40)であって、前記少なくとも1つの負圧側キャビティ(34)から前記冷却剤(62)の前記受け取った部分を排出するように構成された負圧側膜孔(40)をさらに含む、請求項に記載の翼形部(6)。
  3. 前記少なくとも1つの負圧側キャビティ(34)、少なくとも1つの閉塞部(36)をさらに含む、請求項1又は請求項2に記載の翼形部(6)。
  4. 前記後縁冷却システム(32)、前記後縁(16)に隣接して配置された複数の冷却回路(42)をさらに含んでおり、該複数の冷却回路(42)の各々が、
    前記後縁(16)と前記第1の正圧側キャビティ(28A)との間で軸方向に延在する外向き脚部(44)であって、前記第1の正圧側キャビティ(28A)と直接流体連通する外向き脚部(44)と、
    前記後縁(16)と前記少なくとも1つの負圧側キャビティ(34)との間で軸方向に延在する戻り脚部(48)であって、前記少なくとも1つの負圧側キャビティ(34)と直接流体連通する戻り脚部(48)と、
    前記後縁(16)に隣接して配置された転回部(46)であって、前記外向き脚部(44)と前記戻り脚部(48)とを流体結合する転回部(46)と
    を含む、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の翼形部(6)。
  5. 前記第1の正圧側キャビティ(28A)、前記複数の冷却回路(42)に軸方向に隣接する側壁(52)に形成された複数の開口部(50)を含み、前記複数の開口部(50)の各々、前記外向き脚部(44)を前記第1の正圧側キャビティ(28A)に流体結合する、請求項に記載の翼形部(6)。
  6. 前記少なくとも1つの別個の正圧側キャビティ(28)に流体結合された正圧側膜孔(38)をさらに含み、前記正圧側膜孔(38)、前記少なくとも1つの別個の正圧側キャビティ(28)によって受け取った前記冷却剤(62)の別個の部分を前記第1の正圧側キャビティ(28A)から排出するように構成される、請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の翼形部(6)。
  7. タービンブレード(2)であって、
    シャンク(4)と、
    前記シャンク(4)の半径方向上方に形成されたプラットフォーム(5)と、
    前記プラットフォーム(5)の半径方向上方に形成された請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の翼形部(6)
    タービンブレード(2)。
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