JP7053183B2 - インピンジメント冷却のための外壁凹部を有する部品 - Google Patents

Description

本開示の分野は、一般に、内部インピンジメント冷却を含む部品に関し、より具体的には、インピンジメント冷却および／または破砕緩和を改善するために、外壁の内面に凹部のアレイを含む部品に関する。

ガスタービンの高温ガス流路部品などのいくつかの部品は高温に曝される。少なくともいくつかのこのような部品は、限定はしないが、プレナムおよび流路のネットワークなどの内部冷却回路が画定されており、それは冷却流体を外壁の内面に衝突させて、動作中に外壁をしきい値温度より下に維持する。しかしながら、少なくともいくつかの場合には、そのような内部インピンジメント冷却の有効性は、外壁の厚さによって制限される。

さらに、そのような部品のいくつかは、動作中に外壁を高温からさらに保護するために外壁の外面に断熱コーティングを含む。しかしながら、高温動作中に断熱コーティングが破砕または劣化して、高温環境下で部品の外面が酸化され、したがって部品の動作寿命が短縮する可能性がある。

米国特許第８７５７９７４号明細書

一態様では、インピンジメント冷却のために構成された部品が提供される。部品は、貫通して延在する複数の開口部を画定する内壁を含む。複数の開口部の各開口部は、各開口部を通して冷却流体を放出するように構成される。部品はまた、外面と、反対側の内面と、外面と内面との間に画定された厚さと、を含む外壁を含む。部品は、外壁内に画定された複数の凹部をさらに含む。複数の凹部の各凹部は、凹部の第１の端部から反対側の凹部の第２の端部まで延在する。凹部の第２の端部は内面に画定され、凹部の第１の端部は、外壁内に厚さよりも小さい深さで配置される。各凹部は、複数の開口部の対応する開口部と位置合わせされ、対応する開口部から冷却流体を受け取る。

別の態様では、回転機械が提供される。回転機械は、燃焼ガスを生成するように構成された燃焼器部と、燃焼器部から燃焼ガスを受け取り、燃焼ガスから機械的回転エネルギーを生成するように構成されたタービン部と、を含む。回転機械を通る燃焼ガスの流路は、高温ガス流路を画定する。回転機械はまた、高温ガス流路に近接する部品を含む。部品は、貫通して延在する複数の開口部を画定する内壁を含む。複数の開口部の各開口部は、各開口部を通して冷却流体を放出するように構成される。部品はまた、外面と、反対側の内面と、外面と内面との間に画定された厚さと、を含む外壁を含む。部品は、外壁内に画定された複数の凹部をさらに含む。複数の凹部の各凹部は、凹部の第１の端部から反対側の凹部の第２の端部まで延在する。凹部の第２の端部は内面に画定され、凹部の第１の端部は、外壁内に厚さよりも小さい深さで配置される。各凹部は、複数の開口部の対応する開口部と位置合わせされ、対応する開口部から冷却流体を受け取る。

例示的な回転機械の概略図である。 図１に示す回転機械で用いられる例示的な部品の概略斜視図である。 図２に示す部品の、図２に示す線３－３に沿った概略断面図である。 図３の部分４として示す、図２および図３に示す部品の一部の概略斜視断面図である。 図２および図３に示す部品の外壁内に画定された第１の例示的な凹部の斜視図である。 例示的な破砕領域を含む、図５に示す部品の断面図である。 図２および図３に示す部品の外壁の一部の斜視図であり、そこに画定された凹部の第２の例示的な実施形態を含む。 図７に示す外壁の破砕領域の斜視図である。 図２および図３に示す部品の外壁の一部の内面の平面図であり、そこに画定される凹部の第３の例示的な実施形態を含む。

以下の明細書および特許請求の範囲において、いくつかの用語に言及するが、これらは以下の意味を有すると規定する。

単数形「１つの（ａ、ａｎ）」、および「この（ｔｈｅ）」は、文脈が特に明確に指示しない限り、複数の言及を含む。

「任意の」または「任意に」は、続いて記載された事象または状況が生じてもよいし、また生じなくてもよいことを意味し、かつ、その説明が、事象が起こる場合と、起こらない場合とを含むことを意味する。

近似する文言は、本明細書および特許請求の範囲全体にわたってここで使用する場合、関連する基本的機能に変更をもたらすことなく許容的に変化し得る定量的表現を修飾するために適用することができる。したがって、「およそ」、「約」、および「実質的に」などの用語で修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの例では、近似する文言は、値を測定するための機器の精度に対応することができる。ここで、ならびに明細書および特許請求の範囲の全体を通じて、範囲限界を特定することができる。このような範囲は、組み合わせおよび／または置き換えが可能であり、文脈または文言が特に指示しない限り、本明細書に含まれるすべての部分範囲を含む。

本明細書に記載される例示的な部品は、部品の内部インピンジメント冷却のための公知のシステムに関連する少なくともいくつかの欠点を克服する。本明細書に記載の実施形態は、部品の外壁の内面に画定された複数の凹部を含む。各凹部は、対応するインピンジメント噴流開口部に位置合わせされ、そこから冷却流体を受け取る。凹部は、冷却流体を外壁の外面に近づいて受け取ることを可能にし、それによって冷却を改善し、外面上の断熱コーティングの破砕または他の劣化の可能性を低減する。さらに、外壁の焼け落ちが凹部に達する深さまで発生すると、冷却流体が影響を受けた領域の凹部を通って逃げて、劣化した領域の膜冷却を提供し、それにより部品の動作寿命を増加させる。場合によっては、凹部は、凹部内のインピンジメントターゲットから離れるように延びる少なくとも１つのトラフを含み、少なくとも１つのトラフは、排出された冷却流体を隣接する凹部のそれぞれのインピンジメントターゲットから離れるように導き、それによって、隣接するインピンジメント噴流との干渉を低減する。

図１は、本開示の実施形態を用いることができる部品を有する例示的な回転機械１０の概略図である。この例示的な実施形態では、回転機械１０は、吸気部１２、吸気部１２の下流側に結合された圧縮機部１４、圧縮機部１４の下流側に結合された燃焼器部１６、燃焼器部１６の下流側に結合されたタービン部１８、およびタービン部１８の下流側に結合された排気部２０を含むガスタービンである。ほぼ管状のケーシング３６は、吸気部１２、圧縮機部１４、燃焼器部１６、タービン部１８、および排気部２０のうちの１つまたは複数を少なくとも部分的に取り囲む。代替的な実施形態では、回転機械１０は、本明細書で説明するように、内部流路を備えて形成された部品が適切である任意の回転機械である。さらに、本開示の実施形態は、例示の目的のために回転機械の文脈で説明するが、本明細書で説明する実施形態は、高温環境に曝される部品を含む任意の文脈について適用可能であることを理解されたい。

例示的な実施形態では、タービン部１８は、ロータシャフト２２を介して圧縮機部１４に結合される。本明細書で使用される「結合する」という用語は、部品間の直接的な機械的、電気的、および／または通信接続に限定されず、多くの部品間の間接的な機械的、電気的、および／または通信接続も含むことができることに留意されたい。

ガスタービン１０の動作中には、吸気部１２は、圧縮機部１４に向かって空気を送る。圧縮機部１４は、空気を圧縮してより高い圧力および温度にする。より具体的には、ロータシャフト２２は、圧縮機部１４内のロータシャフト２２に結合された圧縮機ブレード４０の少なくとも１つの円周方向列に回転エネルギーを与える。例示的な実施形態では、圧縮機ブレード４０の各列に先行して、ケーシング３６から半径方向内側に延在する圧縮機ステータベーン４２の円周方向の列が設けられ、圧縮機ブレード４０内に空気流を導く。圧縮機ブレード４０の回転エネルギーは、空気の圧力および温度を上昇させる。圧縮機部１４は、燃焼器部１６に向けて圧縮空気を排出する。

燃焼器部１６では、圧縮空気が燃料と混合され、点火されて、タービン部１８に向けて送られる燃焼ガスを発生する。より具体的には、燃焼器部１６は少なくとも１つの燃焼器２４を含み、そこでは、例えば、天然ガスおよび／または燃料オイルなどの燃料が空気流内に噴射され、燃料空気混合気が点火されて、タービン部１８に向けて送られる高温の燃焼ガスを発生する。

タービン部１８は、燃焼ガス流の熱エネルギーを機械的な回転エネルギーに変換する。より具体的には、燃焼ガスは、タービン部１８内のロータシャフト２２に結合されたロータブレード７０の少なくとも１つの円周方向の列に回転エネルギーを与える。例示的な実施形態では、ロータブレード７０の各列に先行して、ケーシング３６から半径方向内側に延在するタービン・ステータ・ベーン７２の円周方向の列が設けられ、ロータブレード７０内に燃焼ガスを導く。ロータシャフト２２は、限定はしないが、発電機および／または機械的駆動用途などの負荷（図示せず）に結合することができる。排出された燃焼ガスは、タービン部１８から下流へ流れ、排気部２０に入る。回転機械１０を通る燃焼ガスの流路は、回転機械１０の高温ガス流路を画定する。回転機械１０の部品を、部品８０として示す。高温ガス流路に近接する部品８０は、回転機械１０の動作中に高温に曝される。代替的な実施形態では、部品８０は、高温環境に曝される任意の用途における任意の部品である。

図２は、例示的な部品８０の概略斜視図であり、回転機械１０（図１に示す）で用いられるように示す。図３は、線３－３（図２に示す）に沿った、部品８０の概略断面図である。図４は、図３の部分４として示す、部品８０の一部の概略斜視断面図である。図２～図４を参照すると、部品８０は、予め選択された厚さ１０４を有する外壁９４を含む。さらに、例示的な実施形態では、部品８０は、内部に画定された少なくとも１つの内部空隙１００を含む。例えば、回転機械１０の動作中には内部空隙１００に冷却流体が提供されて、部品８０を高温燃焼ガスの温度より低く維持することを容易にする。

部品８０は、部品材料７８から形成される。例示的な実施形態では、部品材料７８は、好適なニッケル基超合金である。代替的な実施形態では、部品材料７８は、コバルト基超合金、鉄基合金、およびチタン基合金のうちの少なくとも１つである。他の代替的な実施形態では、部品材料７８は、本明細書で説明するように部品８０が機能することを可能にする任意の好適な材料である。

例示的な実施形態では、部品８０は、ロータブレード７０またはステータベーン７２のうちの１つである。代替的な実施形態では、部品８０は、回転機械１０の別の適切な部品である。さらに他の実施形態では、部品８０は、高温環境に曝される任意の用途における任意の部品である。

例示的な実施形態では、ロータブレード７０、またはステータベーン７２は、正圧側面７４および反対側の負圧側面７６を含む。正圧側面７４および負圧側面７６の各々は、前縁８４から反対側の後縁８６まで延在する。さらに、ロータブレード７０、またはステータベーン７２は、根元端部８８から反対側の先端部９０まで延在する。部品８０の長手方向軸８９は、根元端部８８と先端部９０との間に画定される。代替的な実施形態では、ロータブレード７０、またはステータベーン７２は、本明細書で説明する予め選択された外壁厚さで形成され得る任意の適切な構成を有する。

外壁９４は、部品８０の外面９２と、外面９２の反対側の内面９３と、を少なくとも部分的に画定する。例示的な実施形態では、外壁９４は、前縁８４と後縁８６との間で円周方向に延在し、根元端部８８と先端部９０との間で長手方向に延在する。別の実施形態では、外壁９４は、部品８０がその意図する目的のために機能することを可能にする任意の適切な程度まで延在する。外壁９４は部品材料７８から形成される。

さらに、特定の実施形態では、部品８０は内壁９６を含む。内壁９６は、外壁９４の内部に配置され、少なくとも１つの内部空隙１００は、内壁９６およびその内部によって少なくとも部分的に画定される少なくとも１つのプレナム１１０を含む。例示的な実施形態では、各プレナム１１０は、根元端部８８から先端部９０の近くまで延在する。代替的な実施形態では、各プレナム１１０は、部品８０が本明細書に記載するように機能することを可能にする任意の適切な方法で、かつ任意の適切な程度に部品８０内に延在する。例示的な実施形態では、少なくとも１つのプレナム１１０は、複数のプレナム１１０を含み、各々は、内壁９６と、少なくとも部分的に正圧側面７４と負圧側面７６との間で延在する少なくとも１つの隔壁９５と、によって画定される。例えば、図示する実施形態では、各隔壁９５は、正圧側面７４の外壁９４から負圧側面７６の外壁９４まで延在する。代替的な実施形態では、少なくとも１つの隔壁９５は、正圧側面７４の内壁９６から負圧側面７６の内壁９６まで延在する。追加的または代替的に、少なくとも１つの隔壁９５は、正圧側面７４の内壁９６から外壁９４まで、および／または負圧側面７６の内壁９６から外壁９４まで延在する。他の代替的な実施形態では、少なくとも１つの内部空隙１００は、任意の適切な方法で画定された任意の適切な数のプレナム１１０を含む。内壁９６は、部品材料７８から形成される。

さらに、いくつかの実施形態では、内壁９６の少なくとも一部は、外壁９４の少なくとも一部に円周方向かつ長手方向に隣接して延在し、そこからオフセット距離９８だけ分離され、少なくとも１つの内部空隙１００はまた、内壁９６と外壁９４との間に画定された少なくとも１つのチャンバ１１２を含む。例示的な実施形態では、少なくとも１つのチャンバ１１２は、各々が外壁９４、内壁９６、および少なくとも１つの隔壁９５によって画定される複数のチャンバ１１２を含む。代替的な実施形態では、少なくとも１つのチャンバ１１２は、任意の適切な方法で画定された任意の適切な数のチャンバ１１２を含む。例示的な実施形態では、内壁９６は、貫通する複数の開口部１０２を画定し、そのようにして各チャンバ１１２が少なくとも１つのプレナム１１０と流体連通する。

例示的な実施形態では、オフセット距離９８は、プレナム１１０を通って供給され、内壁９６に画定された開口部１０２を通って外壁９４の内面９３に向かって放出される冷却流体によって、外壁９４の効果的なインピンジメント冷却を促進するように選択される。例えば、限定しないが、オフセット距離９８は、部品８０に沿って円周方向および／または長手方向に変化し、外壁９４のそれぞれの部分に沿った局所的な冷却要件を容易にする。代替的な実施形態では、オフセット距離９８は、任意の適切な方法で選択される。例示的な実施形態においても、開口部１０２は、外壁９４の効果的なインピンジメント冷却を促進するように選択されたパターン１０３で配置される。例えば、限定しないが、パターン１０３は、部品８０に沿って円周方向および／または長手方向に変化し、外壁９４のそれぞれの部分に沿った局所的な冷却要件を容易にする。代替的な実施形態では、パターン１０３は、任意の適切な方法で選択される。

いくつかの実施形態では、開口部１０２は、それぞれ内面９３に向かって噴流で冷却流体を放出するような大きさおよび形状である。例えば、開口部１０２はそれぞれ、実質的に円形または卵形の断面を有する。代替的な実施形態では、開口部１０２は、それぞれ、本明細書に記載するように開口部１０２が機能することを可能にする任意の適切な形状およびサイズを有する。

例示的な実施形態では、内壁９６および隔壁９５は、部品８０の動作荷重を実質的に担う部品８０のスケルトン構造の少なくとも一部を画定し、一方、外壁９４は、内壁９６および／または隔壁９５と一体化されているが、荷重を担うことはほとんどない。例えば、内壁９６の厚さ１０７および／または隔壁９５の厚さ（符号は付していない）は、荷重支持を容易にするように選択される。代替的な実施形態では、内壁９６および／または隔壁９５の厚さは、任意の適切な方法で選択される。

また、例示的な実施形態では、外壁９４は、部品８０と高温ガス環境との間の境界を画定し、外壁９４の効果的な冷却を容易にするように選択された非常に薄い厚さ１０４を有し、より厚い外壁を有する部品と比較して冷却流体の流れの量が少なくなる。代替的な実施形態では、外壁の厚さ１０４は、部品８０がその意図する目的のために機能することを可能にする任意の適切な厚さである。特定の実施形態では、外壁の厚さ１０４は外壁９４に沿って変化する。代替的な実施形態では、外壁の厚さ１０４は外壁９４に沿って一定である。

特定の実施形態では、少なくとも１つの内部空隙１００は、少なくとも１つのチャンバ１１２と流体連通する少なくとも１つの戻りチャネル１１４をさらに含み、各戻りチャネル１１４は、外壁９４のインピンジメント冷却に使用される流体のための戻り流体流路を提供する。例えば、例示的な実施形態では、各戻りチャネル１１４は、内壁９６によって少なくとも部分的に画定される。また、例示的な実施形態では、各戻りチャネル１１４は、根元端部８８から先端部９０まで延在する。代替的な実施形態では、各戻りチャネル１１４は、部品８０が本明細書に記載するように機能することを可能にする任意の適切な方法で、かつ任意の適切な程度に部品８０内に延在する。例示的な実施形態では、少なくとも１つの戻りチャネル１１４は、チャンバ１１２の１つに隣接する内壁９６によって各々が画定される複数の戻りチャネル１１４を含む。代替的な実施形態では、少なくとも１つの戻りチャネル１１４は、任意の適切な方法で画定された任意の適切な数の戻りチャネル１１４を含む。他の代替的な実施形態では、部品８０は、戻りチャネル１１４を含まない。例えば、外壁９４はまた、貫通して延在する開口部（図示せず）を含み、開口部はチャンバ１１２から流体を導いて、外壁９４の外面の膜冷却を提供する。

少なくとも１つの内部空隙１００は、ロータブレード７０またはステータベーン７２のうちの１つである冷却部品８０に使用するプレナム１１０、チャンバ１１２、および戻りチャネル１１４を含むものとして示しているが、代替的な実施形態では、部品８０は、任意の適切な用途のための任意の適切な部品であり、部品８０が意図する目的のために機能することを可能にする任意の適切な数、タイプ、および配置の内部空隙１００を含む。

例示的な実施形態では、部品８０は、外壁９４の外面９２に隣接して結合されたコーティング２００をさらに含む。コーティング２００は、外壁９４を高温環境から保護するために選択された少なくとも１つの材料から形成される。例えば、断熱コーティング２００は、外面９２に隣接して付着するように構成された適切なボンドコート層と、ボンドコート層に隣接する適切な断熱外層と、を含む。代替的な実施形態では、コーティング２００は、任意の適切な材料から形成される。コーティング２００は、厚さ２０４を有する。

外壁９４は、内部に画定された複数の凹部１２０を含む。凹部１２０は、それぞれ、第１の端部１２２から反対側の第２の端部１２４まで、表面９３にほぼ垂直な方向に延在する。第２の端部１２４は、内面９３に画定され、一方、第１の端部１２２は、深さ１０５が外壁の厚さ１０４よりも小さくなるように、内面９３から深さ１０５で外壁９４内に配置される。凹部１２０は、各凹部１２０が開口部１０２と位置合わせされるように、外壁９４に配置される。より具体的には、各凹部１２０は、動作中に対応する開口部１０２から冷却流体の噴流を受け取るように配置される。このように、外壁９４に画定された深さ１０５を有する凹部１２０は、冷却流体を、外面９２およびコーティング２００により近い位置で外壁９４に衝突させる。

例えば、動作中に、冷却流体は部品８０の根元端部８８を通してプレナム１１０に供給される。冷却流体が概して先端部９０に向かって流れると、冷却流体の一部は、開口部１０２を通ってチャンバ１１２内に流入し、外壁９４の内面９３に画定された対応する凹部１２０に衝突する。特定の実施形態では、外面９２およびコーティング２００に近いところで凹部１２０に冷却流体を衝突させることで、外壁９４の冷却を改善し、コーティング２００の破砕または他の劣化の可能性を低減することを容易にする。例示的な実施形態では、使用済みの冷却流体は、戻りチャネル１１４に流入し、概して根元端部８８に向かって流れ、部品８０から流出する。いくつかのこのような実施形態では、少なくとも１つのプレナム１１０、少なくとも１つのチャンバ１１２、および少なくとも１つの戻りチャネル１１４の配置は、回転機械１０の冷却回路の一部を形成し、使用済みの冷却流体は、燃焼器部１６（図１に示す）の上流の回転機械１０を通る作動流体の流れに戻される。プレナム１１０およびチャンバ１１２を通るインピンジメント流およびチャネル１１４を通る戻り流は、部品８０がロータブレード７０および／またはステータベーン７２である実施形態に関して記載しているが、プレナム１１０、チャンバ１１２、および戻りチャネル１１４の回路は、回転機械１０の任意の部品８０に適しており、さらに、部品を通る閉回路流体流に適した任意の他の用途のための任意の適切な部品８０に適している。このような実施形態は、使用済み冷却流体を部品８０からタービン部１８内の作動流体に直接排出する冷却システムと比較して、回転機械１０の改善された動作効率を提供する。

代替的な実施形態では、少なくとも１つの内部空隙１００は戻りチャネル１１４を含まない。例えば、限定はしないが、凹部１２０に加えて、外壁９４は、完全に貫通して延在する所定の開口部（図示せず）を含み、冷却流体は、外壁開口部を通って作動流体中に排出され外面９２の膜冷却を容易にする。他の代替的な実施形態では、部品８０は、戻りチャネル１１４と、外壁９４を貫通して延在する所定の開口部（図示せず）と、の両方を含み、冷却流体の第１の部分は、燃焼器部１６（図１に示す）の上流の回転機械１０を通る作動流体の流れに戻され、冷却流体の第２の部分は、外壁開口部を通って作動流体中に排出されて、外面９２の膜冷却を容易にする。

図５は、部品８０の外壁９４に画定された第１の例示的な凹部１２０の斜視図である。凹部１２０の断面積１２６は、深さ１０５に対して垂直に規定される。特定の実施形態では、断面積１２６は、第１の端部１２２と第２の端部１２４との間で概して増加する。例えば、例示的な実施形態では、凹部１２０は、第１の端部１２２と第２の端部１２４との間でほぼ円形の断面積１２６が増加するように、外壁９４内にほぼ円錐台形の形状を画定する。代替的な実施形態では、各凹部１２０は、凹部１２０が本明細書に記載するように機能することを可能にする任意の適切な形状を画定する。

図６は、例示的な破砕領域２５０を含む部品８０の断面図である。例えば、領域２５０は、コーティング２００が破砕されるか、あるいは高温環境によって劣化すると形成され、外壁９４の外面９２の一部が、少なくとも１つの凹部１２０の第１の端部１２２を越える深さまで酸化される、すなわち「焼け落ちる」。したがって、このような凹部１２０は、外壁９４の外側の高温ガス２２０と流体連通する。より具体的には、内壁９６の開口部１０２を通って破砕領域２５０内の凹部１２０に向かって強制的に流れる冷却流体２１０の一部は、外壁９４を完全に通過する。いくつかの実施形態では、流出した冷却流体２１０は、破砕領域２５０の上で膜冷却を提供し、さらなる焼け落ちの低減または排除を容易にし、したがって部品８０の改善された動作寿命を容易にする。さらに、断面積１２６が第１の端部１２２と第２の端部１２４（図５に示す）との間で概して増加する実施形態では、外面９２から内面９３に向かう外壁９４の酸化量の増加は、それに応じて破砕領域２５０内の凹部１２０の露出した断面積を増加させ、それにより露出した凹部１２０を通る冷却流体２１０の流出を増加させ、膜冷却効果を高める。いくつかのそのような実施形態では、凹部１２０の形状は、外壁９４の劣化の重大性（例えば、幅または深さ）に応じて提供される膜冷却の量を自動的に「調整」する変化する断面積１２６を提供するように予め選択される。例えば、材料が外面９２から焼け落ちるにつれて、断面積１２６は、露出した凹部１２０から十分な冷却流が放出されて外壁材料のさらなる焼け落ちを止めるまで、より大きく開いていく。破砕領域２５０の下に位置していない開口部１０２から放出された冷却流体２１０は、概して、対応する凹部１２０の第１の端部１２２に衝突し続ける。

特定の実施形態では、凹部１２０の形状は、冷却流体２１０のインピンジメント噴流のインピンジメント熱伝達係数を増大させるように少なくとも部分的に選択される。例えば、図７は、内部に画定された凹部１２０の第２の例示的な実施形態を含む外壁９４の一部の斜視図である。図示する実施形態では、各凹部１２０は、対応する開口部１０２とパターン１０３（図４に示す）で位置合わせされたインピンジメント点１３０を含み、各開口部１０２から放出される冷却流体が、対応するインピンジメント点１３０に導かれる。例示的な実施形態では、各インピンジメント点１３０は、凹部１２０の第１の端部１２２に配置される。代替的な実施形態では、少なくとも１つの凹部１２０は、第１の端部１２２以外の場所に配置されたインピンジメント点１３０を含む。

さらに、図示する実施形態では、各凹部１２０は、外壁９４内で第２の端部１２４からトラフの第１の端部１３６まで延在し、インピンジメント点１３０から内面９３に沿って延在する少なくとも１つのトラフ１３２を含む。トラフ１３２は、インピンジメント点１３０およびチャンバ１１２と流体連通し、インピンジメント点１３０で受け取った冷却流体を、隣接するインピンジメント点１３０から離れるように導くように方向付けられている。例えば、図示する実施形態では、各凹部１２０の少なくとも１つのトラフ１３２は、インピンジメント点１３０を中心とする十字パターンに配置された４つのトラフ１３２を含み、各トラフは、排出された冷却流体を、隣接する凹部１２０のそれぞれのインピンジメント点１３０に向かってではなく、それらの間に導くように方向付けられている。より具体的には、凹部１２０の１つを第１の凹部１２１として指定すると、トラフ１３２は、第１の凹部１２１のインピンジメント点１３０から排出された冷却流体を、隣接する凹部１２３のそれぞれのインピンジメント点１３０から離れるように導くように方向付けられている。排出された冷却流体を隣接する凹部１２３のインピンジメント点１３０から離れるように導くようにトラフ１３２を方向付けることで、排出された冷却流体と、隣接する凹部１２３のインピンジメント点１３０で導かれるインピンジメント噴流との干渉を低減し、それによって隣接するインピンジメント噴流のインピンジメント熱伝達係数を改善する。

トラフの深さ１３５は、トラフの第１の端部１３６と凹部の第２の端部１２４との間に画定され、トラフの深さ１３５は、外壁の厚さ１０４よりも小さい。例示的な実施形態では、トラフの深さ１３５は、凹部深さ１０５より小さい。代替的な実施形態では、トラフの深さ１３５は、凹部の深さ１０５と等しいか、および／またはそれを画定し、トラフの第１の端部１３６が凹部の第１の端部１２２を画定する。特定の実施形態では、各凹部１２０は、深さ１０５に垂直な断面積を再び画定し、それは第１の端部１２２と第２の端部１２４との間で概して増加する。例えば、いくつかのそのような実施形態では、深さ１０５に垂直に画定される各トラフの断面積は、トラフの第１の端部１３６と凹部の第２の端部１２４との間で概して増加する。特に、図示する実施形態では、各トラフ１３２は、内面９３から外壁９４内に延在する逆Ｖ字形を画定し、深さ１０５に垂直に画定されるトラフの断面積は、トラフの第１の端部１３６と凹部の第２の端部１２４との間で、それに応じて増加する。代替的な実施形態では、各トラフ１３２は、凹部１２０が本明細書に記載するように機能することを可能にする任意の適切な形状を画定する。

図８は、図７に示す外壁９４の破砕領域２５０の斜視図であり、外壁９４の外面９２の一部が、第１の端部１２２を越えて、いくつかの凹部１２０のトラフの第１の端部１３６を越える深さまで酸化されている、すなわち「焼け落ち」ている。ディンプル形状のインピンジメント点１３０とトラフ１３２の比較的小さな断面は、外壁９４の外側の高温ガス２２０に露出しており、対応するインピンジメント噴流が外壁９４を通って流れ、破砕領域２５０の近くで膜冷却を提供する。再び、外面９２から内面９３に向かう外壁９４の酸化量の増加は、それに応じて破砕領域２５０内の凹部１２０の露出した断面積を増加させる傾向があり、それにより露出した凹部１２０を通る冷却流体の流出を増加させ、膜冷却効果を高める。

さらなる非限定的な例として、図９は、内部に画定された凹部１２０の第３の例示的な実施形態を含む、外壁９４の一部の内面９３の平面図である。図示する実施形態では、各凹部１２０の少なくとも１つのトラフ１３２は、インピンジメント点１３０から出る「半Ｘ」パターンで配置された２つのトラフ１３２を含み、各トラフは、排出された冷却流体２１０を、隣接する凹部１２０のそれぞれのインピンジメント点１３０に向かってではなく、それから離れるように導くように方向付けられており、それによって、隣接するインピンジメント噴流のインピンジメント熱伝達係数をさらに改善する。さらに、図示する実施形態では、凹部１２０の各行１４０から排出された冷却流体２１０が、凹部１２０の隣接する行１４０から排出された冷却流体と相互作用して、排出された冷却流体２１０を凹部１２０の隣接する行１４０の間に継続して導くように、トラフ１３２が方向付けられており、排出された冷却流体２１０と、隣接する凹部１２０のインピンジメント点１３０で導かれるインピンジメント噴流との干渉をさらに低減し、それによって隣接するインピンジメント噴流のインピンジメント熱伝達係数をさらに改善する。

代替的な実施形態では、各凹部１２０は、任意の適切なパターンで配置された任意の適切な数のトラフ１３２を含む。

例示的な実施形態では、凹部１２０は、外壁９４内に一体的に形成される。例えば、限定ではないが、部品８０は、鋳型内に鋳造することによって少なくとも部分的に形成され、内面９３を画定するように鋳型内に配置されたセラミックコアは、鋳造される外壁９４内に相補的に凹部１２０を形成するように形成された突起部を含む。限定ではないが、別の例として、部品８０は、適切な積層造形プロセスによって少なくとも部分的に形成され、そこでは、凹部１２０が内部に画定された外壁９４が層ごとに「印刷」される。代替的な実施形態では、外壁９４は、最初に凹部１２０なしで形成され、凹部１２０は、限定ではないが、機械的穿孔、放電加工、またはレーザ穿孔などの後続のプロセスで外壁９４に付加される。他の代替的な実施形態では、凹部１２０は、本明細書に記載するように凹部１２０を機能させることができる任意の適切な方法で、外壁９４内に形成される。

上記の実施形態は、少なくともいくつかの公知のインピンジメント冷却システムと比較して、部品の改善された内部インピンジメント冷却、ならびに部品の外面の破砕または他の劣化の改善された緩和を可能にする。具体的には、本明細書に記載の実施形態は、部品の外壁の内面に画定された複数の凹部を含む。各凹部は、対応するインピンジメント噴流開口部に位置合わせされ、そこから冷却流体を受け取る。凹部は、冷却流体を外壁の外面に近づいて受け取ることを可能にし、それによって冷却を改善し、外面上の断熱コーティングの破砕または他の劣化の可能性を低減する。また具体的には、外壁の焼け落ちが凹部に達する深さまで発生すると、冷却流体が影響を受けた領域の凹部を通って逃げて、劣化した領域の膜冷却を提供し、それにより部品の動作寿命を増加させる。場合によっては、各凹部の断面積は、外面に近接する第１の端部と内面の第２の端部との間で概して増加するので、外面からの外壁の酸化量の増加は凹部の露出した断面積を増加させる傾向があり、それによって、露出した凹部を通る冷却流体の流出を増加させ、フィルムの冷却効果を高める。追加的または代替的に、場合によっては、凹部は、凹部内のインピンジメントターゲットから離れるように延びる少なくとも１つのトラフを含み、少なくとも１つのトラフは、排出された冷却流体を隣接する凹部のそれぞれのインピンジメントターゲットから離れるように導き、それによって、隣接するインピンジメント噴流との干渉を低減し、部品冷却システムのインピンジメント熱伝達率を改善する。

本明細書に記載した方法、システム、および装置の例示的な技術的効果は、（ａ）内部インピンジメント冷却部品の外面上の断熱コーティングの破砕または他の劣化を低減または除去すること、（ｂ）内部インピンジメント冷却部品の外壁の酸化すなわち「焼け落ち」を緩和すること、（ｃ）内部インピンジメント冷却部品の外壁の劣化の程度に応じて提供される膜冷却の量を自動的に「調整」すること、ならびに（ｄ）部品冷却システムのインピンジメント熱伝達係数を改善すること、のうちの少なくとも１つを含む。

以上、内部インピンジメント冷却部品の例示的な実施形態について詳細に説明した。部品、ならびにこのような部品を用いた方法およびシステムは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、システムの部品および／または方法のステップは、本明細書に記載した他の部品および／またはステップから独立してかつ別個に利用することができる。例えば、例示的な実施形態は、高温環境で部品を用いるように現在構成された他の多くの用途に関連して実現および利用することができる。

本開示の様々な実施形態の具体的な特徴をいくつかの図面には示してあって、他の図面には示していないが、これは単に便宜上のためである。本開示の原理によれば、図面の任意の特徴は、他の任意の図面の任意の特徴と組み合わせて参照および／または請求することができる。

本明細書は、実施形態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、いかなる当業者も実施形態を実施することができるように実施例を用いており、任意の装置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。本開示の特許され得る範囲は、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。このような他の例が特許請求の範囲の文字通りの言葉と異ならない構造要素を有する場合、または、それらが特許請求の範囲の文字通りの言葉と実質的な差異のない等価な構造要素を含む場合には、このような他の例は特許請求の範囲内であることを意図している。
［実施態様１］
インピンジメント冷却のために構成された部品（８０）であって、前記部品（８０）は、
貫通して延在する複数の開口部（１０２）を画定する内壁（９６）であって、前記複数の開口部（１０２）の各開口部（１０２）は、前記各開口部（１０２）を通して冷却流体（２１０）を放出するように構成される、内壁（９６）と、
外面（９２）と、反対側の内面（９３）と、前記外面（９２）と前記内面（９３）との間に画定された厚さ（１０７）と、を含む外壁（９４）と、
前記外壁（９４）内に画定された複数の凹部（１２０）と、を含み、前記複数の凹部（１２０）の各凹部（１２０）は、凹部の第１の端部（１２２）から反対側の凹部の第２の端部（１２４）まで延在し、前記凹部の第２の端部（１２４）は前記内面（９３）に画定され、前記凹部の第１の端部（１２２）は、前記外壁（９４）内に前記厚さ（１０７）よりも小さい深さ（１０５）で配置され、前記各凹部（１２０）は、前記複数の開口部（１０２）の対応する開口部（１０２）と位置合わせされ、前記対応する開口部（１０２）から冷却流体（２１０）を受け取る、部品（８０）。
［実施態様２］
前記内壁（９６）と前記内壁（９６）の内部とによって少なくとも部分的に画定される少なくとも１つのプレナム（１１０）をさらに含み、前記少なくとも１つのプレナム（１１０）は、前記開口部（１０２）に前記冷却流体（２１０）を供給するように構成される、実施態様１に記載の部品（８０）。
［実施態様３］
前記内壁（９６）と前記外壁（９４）との間に画定される少なくとも１つのチャンバ（１１２）と、
前記少なくとも１つのチャンバ（１１２）と流体連通する少なくとも１つの戻りチャネル（１１４）と、をさらに含み、前記少なくとも１つの戻りチャネル（１１４）は前記冷却流体（２１０）のための戻り流路を提供する、実施態様１に記載の部品（８０）。
［実施態様４］
前記外面（９２）に隣接して結合されたコーティング（２００）をさらに含む、実施態様１に記載の部品（８０）。
［実施態様５］
前記各凹部（１２０）の断面積（１２６）は、前記深さ（１０５）に垂直に画定され、前記断面積（１２６）は、前記凹部の第１の端部（１２２）と前記凹部の第２の端部（１２４）との間で概して増加する、実施態様１に記載の部品（８０）。
［実施態様６］
前記各凹部（１２０）は、前記対応する開口部（１０２）から放出された前記冷却流体（２１０）がインピンジメント点（１３０）の方に導かれるように、前記対応する開口部（１０２）と位置合わせされた前記インピンジメント点（１３０）を含む、実施態様１に記載の部品（８０）。
［実施態様７］
前記各凹部（１２０）は、前記インピンジメント点（１３０）と流体連通する少なくとも１つのトラフ（１３２）をさらに含み、前記少なくとも１つのトラフ（１３２）は、前記インピンジメント点（１３０）で受け取られた前記冷却流体（２１０）を、前記複数の凹部（１２０）のうちの隣接する凹部（１２３）のそれぞれのインピンジメント点（１３０）から離れるように導くように方向付けられている、実施態様６に記載の部品（８０）。
［実施態様８］
前記少なくとも１つのトラフ（１３２）は、前記凹部の第２の端部（１２４）からトラフの第１の端部（１３６）まで前記外壁（９４）内に延在し、前記少なくとも１つのトラフ（１３２）の断面積（１２６）は、前記深さ（１０５）に垂直に画定され、前記トラフの第１の端部（１３６）と前記凹部の第２の端部（１２４）との間で概して増加する、実施態様７に記載の部品（８０）。
［実施態様９］
前記少なくとも１つのトラフ（１３２）は、前記内面（９３）から前記外壁（９４）まで延在する逆Ｖ字形を画定する、実施態様７に記載の部品（８０）。
［実施態様１０］
前記少なくとも１つのトラフ（１３２）は、
前記インピンジメント点（１３０）を中心とする十字パターンに配置された４つのトラフ（１３２）と、
前記インピンジメント点（１３０）から出る半Ｘパターンに配置された２つのトラフ（１３２）と、のうちの少なくとも１つを含む、実施態様７に記載の部品（８０）。
［実施態様１１］
回転機械（１０）であって、
燃焼ガスを生成するように構成された燃焼器部（１６）と、
前記燃焼器部（１６）から燃焼ガスを受け取り、前記燃焼ガスから機械的回転エネルギーを生成するように構成されたタービン部（１８）であって、前記回転機械（１０）を通る燃焼ガスの流路が高温ガス流路を画定する、タービン部（１８）と、
前記高温ガス流路に近接する部品（８０）と、を含み、前記部品（８０）は、
貫通して延在する複数の開口部（１０２）を画定する内壁（９６）であって、前記複数の開口部（１０２）の各開口部（１０２）は、前記各開口部（１０２）を通して冷却流体（２１０）を放出するように構成される、内壁（９６）と、
外面（９２）と、反対側の内面（９３）と、前記外面（９２）と前記内面（９３）との間に画定された厚さ（１０７）と、を含む外壁（９４）と、
前記外壁（９４）内に画定された複数の凹部（１２０）と、を含み、前記複数の凹部（１２０）の各凹部（１２０）は、凹部の第１の端部（１２２）から反対側の凹部の第２の端部（１２４）まで延在し、前記凹部の第２の端部（１２４）は前記内面（９３）に画定され、前記凹部の第１の端部（１２２）は、前記外壁（９４）内に前記厚さ（１０７）よりも小さい深さ（１０５）で配置され、前記各凹部（１２０）は、前記複数の開口部（１０２）の対応する開口部（１０２）と位置合わせされ、前記対応する開口部（１０２）から冷却流体（２１０）を受け取る、回転機械（１０）。
［実施態様１２］
前記部品（８０）は、前記内壁（９６）と前記内壁（９６）の内部とによって少なくとも部分的に画定される少なくとも１つのプレナム（１１０）をさらに含み、前記少なくとも１つのプレナム（１１０）は、前記開口部（１０２）に前記冷却流体（２１０）を供給するように構成される、実施態様１１に記載の回転機械（１０）。
［実施態様１３］
前記部品（８０）は、
前記内壁（９６）と前記外壁（９４）との間に画定される少なくとも１つのチャンバ（１１２）と、
前記少なくとも１つのチャンバ（１１２）と流体連通する少なくとも１つの戻りチャネル（１１４）と、をさらに含み、前記少なくとも１つの戻りチャネル（１１４）は前記冷却流体（２１０）のための戻り流路を提供する、実施態様１１に記載の回転機械（１０）。
［実施態様１４］
前記部品（８０）は、前記外面（９２）に隣接して結合されたコーティング（２００）をさらに含む、実施態様１１に記載の回転機械（１０）。
［実施態様１５］
前記各凹部（１２０）の断面積（１２６）は、前記深さ（１０５）に垂直に画定され、前記断面積（１２６）は、前記凹部の第１の端部（１２２）と前記凹部の第２の端部（１２４）との間で概して増加する、実施態様１１に記載の回転機械（１０）。
［実施態様１６］
前記各凹部（１２０）は、前記対応する開口部（１０２）から放出された前記冷却流体（２１０）がインピンジメント点（１３０）の方に導かれるように、前記対応する開口部（１０２）と位置合わせされた前記インピンジメント点（１３０）を含む、実施態様１１に記載の回転機械（１０）。
［実施態様１７］
前記凹部（１２０）は、前記インピンジメント点（１３０）と流体連通する少なくとも１つのトラフ（１３２）をさらに含み、前記少なくとも１つのトラフ（１３２）は、前記インピンジメント点（１３０）で受け取られた前記冷却流体（２１０）を、前記複数の凹部（１２０）のうちの隣接する凹部（１２３）のそれぞれのインピンジメント点（１３０）から離れるように導くように方向付けられている、実施態様１６に記載の回転機械（１０）。
［実施態様１８］
前記少なくとも１つのトラフ（１３２）は、前記凹部の第２の端部（１２４）からトラフの第１の端部（１３６）まで前記外壁（９４）内に延在し、前記少なくとも１つのトラフ（１３２）の断面積（１２６）は、前記深さ（１０５）に垂直に画定され、前記トラフの第１の端部（１３６）と前記凹部の第２の端部（１２４）との間で概して増加する、実施態様１７に記載の回転機械（１０）。
［実施態様１９］
前記少なくとも１つのトラフ（１３２）は、前記内面（９３）から前記外壁（９４）まで延在する逆Ｖ字形を画定する、実施態様１７に記載の回転機械（１０）。
［実施態様２０］
前記少なくとも１つのトラフ（１３２）は、
前記インピンジメント点（１３０）を中心とする十字パターンに配置された４つのトラフ（１３２）と、
前記インピンジメント点（１３０）から出る半Ｘパターンに配置された２つのトラフ（１３２）と、のうちの１つを含む、実施態様１７に記載の回転機械（１０）。

１０ 回転機械、ガスタービン
１２ 吸気部
１４ 圧縮機部
１６ 燃焼器部
１８ タービン部
２０ 排気部
２２ ロータシャフト
２４ 少なくとも１つの燃焼器
３６ ケーシング
４０ 圧縮機ブレード
４２ 圧縮機ステータベーン
７０ ロータブレード
７２ ステータベーン
７４ 正圧側面
７６ 負圧側面
７８ 部品材料
８０ 冷却部品
８４ 前縁
８６ 後縁
８８ 根元端部
８９ 長手方向軸
９０ 先端部
９２ 外面
９３ 内面、表面
９４ 外壁
９５ 隔壁
９６ 内壁
９８ オフセット距離
１００ 内部空隙
１０２ 開口部
１０３ パターン
１０４ 外壁の厚さ
１０５ 深さ
１０７ 厚さ
１１０ 少なくとも１つのプレナム
１１２ チャンバ
１１４ 戻りチャネル
１２０ 凹部
１２１ 第１の凹部
１２２ 凹部の第１の端部
１２３ 隣接する凹部
１２４ 凹部の第２の端部
１２６ 断面積
１３０ インピンジメント点
１３２ トラフ
１３５ トラフの深さ
１３６ トラフの第１の端部
１４０ （凹部の）行
２００ 断熱コーティング
２０４ 厚さ
２１０ 冷却流体
２２０ 高温ガス
２５０ 破砕領域
２２０ 高温ガス
２５０ 破砕領域

Claims (11)

1. インピンジメント冷却のために構成された部品（８０）であって、当該部品（８０）が、
   内壁（９６）を貫通する複数の開口部（１０２）を画定する内壁（９６）であって、前記複数の開口部（１０２）の各開口部（１０２）がその開口部（１０２）を通して冷却流体（２１０）を放出するように構成されている、内壁（９６）と、
   外面（９２）とその反対側の内面（９３）とを含む外壁（９４）であって、前記外面（９２）と前記内面（９３）との間に画定された厚さ（１０７）を有する外壁（９４）と、
   前記外壁（９４）内に画定された複数の凹部（１２０）であって、該複数の凹部（１２０）の各凹部（１２０）が、凹部の第１の端部（１２２）から反対側の凹部の第２の端部（１２４）まで延在し、前記凹部の第２の端部（１２４）が前記内面（９３）に画定され、前記凹部の第１の端部（１２２）が、前記外壁（９４）内で前記厚さ（１０７）よりも小さい深さ（１０５）に位置し、前記各凹部（１２０）が、前記複数の開口部（１０２）の対応する開口部（１０２）から冷却流体（２１０）を受け取るように前記対応する開口部（１０２）と位置合わせされている、複数の凹部（１２０）と、
   複数のトラフ（１３２）であって、該複数のトラフ（１３２）の各々が、前記複数の凹部（１２０）の１つから外向きにかつ前記外壁（９４）内で前記凹部の第２の端部（１２４）から第１のトラフ端部（１３６）まで延在し、該複数のトラフ（１３２）の各々が、前記各凹部（１２０）で受け取った冷却流体（２１０）が前記内面（９３）に関して前記複数の凹部（１２０）のうちの隣接する凹部（１２３）に向かって流れないように前記冷却流体（２１０）を導くように方向付けられている、複数のトラフ（１３２）と
   を備える、部品（８０）。
2. 前記内壁（９６）とその内部とによって少なくとも部分的に画定される少なくとも１つのプレナム（１１０）をさらに含み、前記少なくとも１つのプレナム（１１０）が、前記開口部（１０２）に前記冷却流体（２１０）を供給するように構成される、請求項１に記載の部品（８０）。
3. 当該部品（８０）が、
   前記内壁（９６）と前記外壁（９４）との間に画定される少なくとも１つのチャンバ（１１２）と、
   前記少なくとも１つのチャンバ（１１２）と流体連通する少なくとも１つの戻りチャネル（１１４）と
   をさらに含み、前記少なくとも１つの戻りチャネル（１１４）が前記冷却流体（２１０）のための戻り流路を提供する、請求項１に記載の部品（８０）。
4. 前記外面（９２）に隣接して結合されたコーティング（２００）をさらに含む、請求項１に記載の部品（８０）。
5. 前記各凹部（１２０）の断面積（１２６）が、前記深さ（１０５）に垂直に画定され、前記断面積（１２６）が、前記凹部の第１の端部（１２２）と前記凹部の第２の端部（１２４）との間で概して増加する、請求項１に記載の部品（８０）。
6. 前記各凹部（１２０）が、前記対応する開口部（１０２）から放出された冷却流体（２１０）がインピンジメント点（１３０）の方に導かれるように、前記対応する開口部（１０２）と位置合わせされたインピンジメント点（１３０）を含む、請求項１に記載の部品（８０）。
7. 前記複数のトラフ（１３２）の各々が、前記インピンジメント点（１３０）と流体連通している、請求項６に記載の部品（８０）。
8. 前記複数のトラフ（１３２）の各々の断面積（１２６）が、前記深さ（１０５）に垂直に画定され、第１のトラフ端部（１３６）と前記凹部の第２の端部（１２４）との間で増加する、請求項７に記載の部品（８０）。
9. 前記複数のトラフ（１３２）の少なくとも２つが、前記内面（９３）から前記外壁（９４）まで延在する逆Ｖ字形を画定する、請求項７に記載の部品（８０）。
10. 前記複数のトラフ（１３２）の少なくとも２つが、前記インピンジメント点（１３０）を中心とする十字パターン又は前記インピンジメント点（１３０）から出る半Ｘパターンを画定する、請求項７に記載の部品（８０）。
11. 回転機械（１０）であって、
    燃焼ガスを生成するように構成された燃焼器部（１６）と、
    前記燃焼器部（１６）から燃焼ガスを受け取り、前記燃焼ガスから機械的回転エネルギーを生成するように構成されたタービン部（１８）であって、前記回転機械（１０）を通る燃焼ガスの流路が高温ガス流路を画定する、タービン部（１８）と、
    前記高温ガス流路に近接する請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の部品（８０）と
    を含む、回転機械（１０）。

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