(57)【要約】【課題】１以上のタービン部品にフィルム冷却を提供する方法及び装置を提供すること。【解決手段】冷却ガス流路（２００）は、タービンの高温ガス通路を有するタービン部品（１００）に冷却ガスを提供する。冷却ガス流路（２００）は、タービン部品（１００）に関連する１以上の冷却ガス区画（１１０）から冷却ガスを受け取るように動作し得る１以上の送給開口（２０２）を含む。冷却ガス流路（２００）はまた、第１の開口（２１０）及び第２の開口（２１２）を有する収束部（２０８）を備えた１以上のスロット（２０６）を含み、第１の開口（２１０）は送給開口（２０２）から冷却ガスを受け取り、第２の開口（２１２）は、タービン部品（１００）の外側表面（１０２）の少なくとも一部に冷却ガスを供給する。【選択図】      図２ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンと共に使用するための冷却ガス流路（２００）であって、
タービン部品（１００）に関連する１以上の冷却ガス区画（１１０）から冷却ガスを受け取るように動作し得る１以上の送給開口（２０２）と、
第１の開口（２１０）及び第２の開口（２１２）を有する収束部（２０８）を含む１以上のスロット（２０６）と、
を備え、
第１の開口（２１０）が前記送給開口（２０２）から前記冷却ガスを受け取り、第２の開口（２１２）が前記タービン部品（１００）の外側表面（１０２）の少なくとも一部に前記冷却ガスを供給する、
冷却ガス流路（２００）。
【請求項２】
前記１以上の送給開口（２０２）と前記１以上のスロット（２０６）との間に形成される角度が約３０°から約１８０°の範囲にある、請求項１記載の冷却ガス流路（２００）。
【請求項３】
前記収束部（２０８）が前記１以上の送給開口（２０２）から受け取った冷却ガスに関連する流れの正常化を促進する、請求項１記載の冷却ガス流路（２００）。
【請求項４】
前記１以上のスロット（２０６）が更に、
前記収束部（２０８）と前記タービン部品（１００）の外側表面（１０２）との間に延びる発散部（２１４）を含み、
前記発散部（２１４）が前記タービン部品（１００）の外側表面に供給される冷却ガスの速度の低下を促進する、請求項１記載の冷却ガス流路（２００）。
【請求項５】
前記収束部（２０８）の長さが前記発散部（２１４）の長さに略等しい、請求項４記載の冷却ガス流路（２００）。
【請求項６】
前記１以上の送給開口（２０２）と前記収束部（２０８）との間に設けられた膨張キャビティ（２０４）を更に備える、請求項１記載の冷却ガス流路（２００）。
【請求項７】
前記膨張キャビティ（２０４）に関連する直径が前記１以上の送給開口（２０２）に関連する直径よりも約２倍から約６倍大きい、請求項５記載の冷却ガス流路（２００）。
【請求項８】
前記１以上のスロット（２０６）の長さが前記１以上の送給開口（２０２）の長さの約７倍から約１０倍である、請求項１記載の冷却ガス流路（２００）。
【請求項９】
冷却されたタービン部品（１００）であって、
高温ガスストリームに曝されるように適合された外側表面（１０２）と、
冷却ガスを受け取るための冷却ガス区画（１１０）の少なくとも一部を画成する内側表面と、
前記内側表面と前記外側表面との間に形成される１以上の開口（２００）と
を備え、
前記１以上の開口（２００）が、
前記冷却ガス区画（１１０）から冷却ガスを受け取るように動作し得る送給開口（２０２）と、
収束部（２０８）及び発散部（２１４）を有するスロット（２０６）と
を含み、
前記収束部（２０８）が前記送給開口（２０２）から冷却ガスを受け取り、該冷却ガスの少なくとも一部を前記発散部（２１４）に供給し、
前記発散部（２１４）が前記収束部（２０８）から前記冷却ガスの一部を受け取り、該冷却ガスの一部を前記外側表面（１０２）に供給する、
冷却されたタービン部品（１００）
【請求項１０】
高温ガス流に曝されるタービン部品（１００）に冷却ガスを供給する方法（３００）であって、
前記タービン部品（１００）に関連する冷却ガス区画（１１０）から冷却ガスを受け取るように動作し得る送給開口（２０２）を形成する段階と、
第１の開口（２１０）及び第２の開口（２１２）を有する収束部（２０８）を備えたスロット（２０６）を形成する段階と
を含み、第１の開口（２１０）が前記送給開口（２０２）から冷却ガスを受け取り、第２の開口（２１２）が前記冷却ガスの少なくとも一部を前記タービン部品（１００）の外側表面（１０２）に供給する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的にタービンに関し、より具体的にはタービンにフィルム冷却を提供することに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンは、航空機、産業、及び発電の様々な用途に利用されている。一般にタービンは、１以上の高温ガスなどの流体動作を利用して仕事を行う回転装置とすることができる。従来のガスタービンにおいては、ガスタービンの駆動力として１以上の加圧された高温ガスが利用されるのが一般的である。典型的なガスタービンは、３つの主要部品、すなわち圧縮機、燃焼器、及びタービンを含む。ガスタービンの標準的な運転では、圧縮機が流入空気（又はガス）を高圧に加圧し、燃焼器が燃料を点火し、燃料と高圧空気とを混合して高速の高温ガスを生成する。次いで、タービンは通常、高温高速ガスからエネルギーを抽出し、ガスによって回転タービンブレードの１以上のセットが回転されるようにする。
【０００３】
従来のガスタービンの出力及び／又は効率を高めるために、タービン動作温度は通常高くされる。従来のガスタービンにおいてより高温のガスを使用することにより、一般に、高いエネルギーポテンシャルがもたらされる。しかしながら、高い温度に起因して、高温ガス通路に沿って又はその内部に置かれたガスタービンの種々の部品は、極めて高い熱負荷を受けることが多い。例えば、タービンで利用されるタービンブレードは、高温ガスに連続して暴露されることによって損傷を受け、或いは劣化するおそれがある。一部のタービンでは、ガスの温度は、タービンブレードの構築で利用される材料に関する融点よりも高くなる。
【０００４】
高い動作温度を利用する従来のタービンでは、タービンブレードなど、高温のガス通路に沿った又はその内部にある部品の温度を制御して低下させる取り組みの一環として、様々な内部及び外部冷却技術を利用することができる。内部冷却では通常、比較的低温の空気が、圧縮機から分岐されて他の部品に、或いは外部供給源から受け取られて高温ガス通路内のタービン部品の内部の１以上の通路に通る。外部冷却（フィルム冷却とも呼ばれる）では、通常、比較的低温の空気が圧縮機、他のタービン部品、又は外部供給源から受け取られて、高温ガス通路内のタービン部品の表面に沿った離散的位置にある小孔を通り、又は小孔から外に出る。この比較的低温の空気は、高温ガス通路内のタービン部品を高温環境から護る保護ブランケットを生成する。
【０００５】
フィルム冷却において、高温ガス通路と共にあるタービン部品は、通常、タービン部品内部に１以上の内部通路を設け（又は、１以上の中空区画を含めるように部品を構築する）、次いで内部通路と高温ガス通路に曝される部品の表面との間に１以上のスロットを作製することにより冷却される。比較的低温の空気は通常、内部通路又は中空区画に供給され、次いで、そこから１以上のスロットを貫通して出て行く。
【０００６】
１以上のスロットから出る比較的低温の空気は、タービンを駆動している高温ガスよりも遙かに低い温度であることが多い。従って、比較的低温の空気を導入することにより、タービンの効率の低下を招くことが多い。よって、高温ガス通路に入る比較的低温の空気の量を増やすことなく、高温ガス通路内のタービン部品を覆うフィルム保護範囲の区域を増大することが望ましい。フィルム保護範囲を増大するために、スロットを通過する空気量を調整するのに使用される種々の従来型の流量調整開口が開発されている。しかしながら、これらの従来の流量調整開口は通常、スロット表面に対して角度が付けられ、スロットの背面上で比較的低温の空気が衝突するようになり、スロット内部の乱流を生じさせることになる。この乱流により、較的低温の空気が高温ガス通路内に出る前に均一性を達成することが困難になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４６０１６３８号明細書
【特許文献２】米国特許第４６５０９４９号明細書
【特許文献３】米国特許第４６６９９５７号明細書
【特許文献４】米国特許第４６７２７２７号明細書
【特許文献５】米国特許第４６７６７１９号明細書
【特許文献６】米国特許第４７２６７３５号明細書
【特許文献７】米国特許第５３８２１３３号明細書
【特許文献８】米国特許第５７０２２３２号明細書
【特許文献９】米国特許第６０５０７７７号明細書
【特許文献１０】米国特許第６１６４９１２号明細書
【特許文献１１】米国特許第６２１０１１２号明細書
【特許文献１２】米国特許第６２３４７５５号明細書
【特許文献１３】米国特許第６３４７６６０号明細書
【特許文献１４】米国特許第６９５５５２２号明細書
【特許文献１５】米国特許第６９９４５２１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、高温ガス通路内のタービンの部品に冷却空気又は冷却ガスを供給するための改善された冷却通路に対する必要性がある。加えて、高温ガス通路に曝されるタービン部品のより有効なフィルム冷却を促進する冷却通路を提供するための改善された冷却通路に対する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１つの実施形態によれば、タービンと共に使用するための冷却ガス流路が開示される。冷却ガス流路は、タービン部品に関連する１以上の冷却ガス区画から冷却ガスを受け取るように動作し得る１以上の送給開口を含む。冷却ガス流路はまた、第１の開口及び第２の開口を有する収束部を備えた１以上のスロットを含み、第１の開口は送給開口から冷却ガスを受け取り、第２の開口は、タービン部品の外側表面の少なくとも一部に冷却ガスを供給する。
【００１０】
本発明の別の実施形態によれば、冷却されるタービン部品が開示される。高温ガスストリームに曝されるように適合された外側表面と、冷却ガスを受け取るための冷却ガス区画の少なくとも一部を画成する内側表面とを含む。内側表面と外側表面との間には、１以上の開口が形成される。１以上の開口は、冷却ガス区画から冷却ガスを受け取るように動作し得る送給開口を含む。１以上の開口は更に、収束部及び発散部を有するスロットを含み、収束部が、送給開口から冷却ガスを受け取り、該冷却ガスの少なくとも一部を発散部に供給し、発散部が、収束部から冷却ガスの一部を受け取り、該冷却ガスの一部を外側表面に供給する。
【００１１】
本発明の更に別の実施形態によれば、高温ガス流に曝されるタービン部品に冷却ガスを供給する方法が開示される。タービン部品に関連する冷却ガス区画から冷却ガスを受け取るように動作し得る送給開口を形成する。第１の開口及び第２の開口を有する収束部を備えたスロットを形成する。この第１の開口が、送給開口から冷却ガスを受け取り、第２の開口が、冷却ガスの少なくとも一部をタービン部品の外側表面に供給する。
【００１２】
本発明の他の実施形態、態様、特徴、及び利点は、以下の詳細な説明、添付図面、並びに添付の請求項から当業者には明らかになるであろう。
【００１３】
以上で本発明を概略的に説明してきたが、ここで必ずしも縮尺通りではない添付図面について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の種々の実施形態に従って利用することができるタービン部品の１つの実施例の斜視図。
【図２ａ】本発明の例示的な実施形態による、冷却ガス通路の断面図。
【図２ｂ】本発明の例示的な実施形態による、冷却ガス通路の断面図。
【図３】本発明の例示的な実施形態による、冷却ガスにタービン部品を提供する方法の１つの実施例を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、本発明の実施形態の全てではなくその一部が示された添付図面を参照しながら、本発明の例示的な実施形態を以下でより詳細に説明する。
【００１６】
実際に、本発明は、多くの異なる形態で具現化することができ、本明細書で記載する実施形態に限定されるものと解釈すべきではなく、むしろこれらの実施形態は、本明細書が適用可能な法的要件を満足するように提供されるものである。全体を通じて同じ参照符号は同じ要素を示す。
【００１７】
フィルム冷却又は冷却ガスをタービン部品に提供する方法及び装置が開示される。冷却ガス流路は、高温ガス通路内にあるタービン部品を冷却するために、本発明の種々の実施形態に従って利用することができる。タービン部品は、冷却ガス供給源から冷却ガスを受け取る冷却ガス区画とも呼ばれる、１以上の内部区画を含むことができる。その結果、冷却ガス流路は、タービン部品のフィルム冷却を促進することができる。冷却ガス流路は、冷却ガス区画から冷却ガスを受け取るよう動作する１以上の送給開口と、１以上のスロットとを含むことができる。１以上のスロットは、第１の開口及び第２の開口を備えた収束部を含むことができ、第１の開口が送給開口から冷却ガスを受け取り、第２の開口がタービン部品の外側表面の少なくとも一部に冷却ガスを供給する。
【００１８】
図１は、本発明の種々の実施形態に従って利用することができるタービン部品の１つの実施例の斜視図である。図１は、ガスタービンエンジン（図示せず）で利用することができるタービンブレード１００の１つの実施例を示している。ガスタービンエンジンは、３つの主要部品、すなわち圧縮機、燃焼室、及びタービン（図示せず）を含むことができる。作動時には、圧縮機は、空気などの流入ガスを比較的高圧に圧縮することができ、燃焼器は、燃料を点火し、及び該燃料を比較的高圧のガスと混合して比較的高温で比較的高速のガスを生成することができ、このガスは本明細書では「高温ガス」と呼ぶ。タービンは、ロータ（図示せず）の周縁部上に装着されたタービンブレード１００などの複数のタービンブレードを含むことができる。ロータは、燃焼室から出て複数のタービンブレード１００上に衝突する高温ガスのモーメントにより回転することができる。
【００１９】
図１は更に、タービンブレード１００の２つの表面の１つとすることができる、タービンブレード１００の翼形部表面１０２を示している。タービンブレード１００の他の表面は、翼形部表面１０２の反対側にあることができる。翼形部表面１０２はまた、正圧面又は外側表面とも呼ばれることがあり、タービンブレード１００の他の表面はまた、負圧面とも呼ばれることがある。本明細書において、用語「翼形部表面」、「正圧面」及び「外側表面」は同義的に利用することができる。ガスタービンの運転中、燃焼室からの比較的高温のガスが前縁１０４でタービンブレード１００に接触して、タービンブレード１００の正圧面１０２及び負圧面（図示せず）の両方を越えて流れることができる。次いで、比較的高温のガスが後縁１０６から出ることができる。燃焼器からの比較的高温のガスのストリームは、タービンブレード１００の後縁１０６で２つの別個の流路に分かれることができ、その後、ストリームは、タービンブレード１００のいずれかの表面をそれぞれ越えて流れる。負圧面を越えて流れるストリームは、正圧面１０２を越えて流れるストリームに比べてより長い距離を移動することができる。一方のストリームの他方に対する相対速度は、表面間の長さ差違に依存することができる。従って、負圧面を越えて流れるストリームは、正圧面１０２を越えて流れるストリームに比べてより高速度で流れることができる。本発明の１つの実施形態では、両方の表面上の対応する圧力が逆相関になるベルヌーイの法則に従うと仮定することができ、この結果、負圧面上のより低圧の区域と比べると、正圧面１０２により高圧の区域を生じることができる。この圧力差により、タービンブレード１００上に加わる正味の力を生じることができる。複数のタービンブレード１００が同様の流れを受けるので、これらのタービンブレード１００は、複数のタービンブレード１００上の個々の力が合計されてロータ上に正味ゼロの力と正味非ゼロのトルクとを与えることになるように、ロータの周りに円周方向に配列することができる。このトルクは、ロータの回転を促すモーメントをロータに与えることができる。
【００２０】
本発明の種々の実施形態において、タービン段で抽出されるモーメントは、高温ガスの温度に少なくとも一部基づいて決定することができる。ガスタービンの動作温度が上昇すると、ガスタービンの出力及び効率を高くすることができる。しかしながら、高温ガス通路に沿って配置されたタービンブレード１００は、高温ガスに対して脆弱な場合があり、比較的高温のガスの連続した流れに曝されると比較的高い熱負荷を受ける可能性がある。例えば、本発明の幾つかの実施形態において、比較的高温のガスは、約８５０℃と約１７００℃の間の温度を有することができるが、本発明の他の実施形態において他の温度及び／又は温度範囲を要望に応じて利用することができる。比較的高温のガスの温度は、タービンブレード１００及び／又は高温ガス通路内の他のタービン部品を構築するのに利用される材料の融点を上回る場合がある。
【００２１】
本発明の一態様によれば、フィルム冷却技術を利用して、高温ガス通路内のタービンブレード１００のような１以上のタービン部品の温度を下げる、低下させる、或いは制御することができる。タービン部品の温度は、本発明の種々の実施形態において要望通りに制御することができる。例えば、高温ガス通路内のタービン部品の温度は、タービンを構築するのに利用される材料の融点をよりも低くする又は下げることができる。
【００２２】
図１を更に参照すると、冷却空気のような冷却ガスをタービン部品に提供することができる外部フィルム冷却機構が図示されている。本発明の幾つかの実施形態では、冷却ガス（例えば、空気）は、タービン段を通って流れる比較的高温のガスよりも比較的高い圧力及び／又は比較的低い温度でタービンの圧縮機からタービン段に迂回させることができる。この冷却ガスの流れは、タービンブレード１００などのタービン部品の中空区画又は冷却ガス区画に通すことができる。排出された冷却ガスは、比較的高温のガスに曝されるタービン区画の表面を覆う比較的低温の薄いフィルムを形成することができる。この点に関して、排出冷却ガスは、比較的高温のガスの極端な温度からタービン部品を保護するのを助けることができる。
【００２３】
更に図１を参照すると、上側表面１０８は、タービンブレード１００のベースとして働くことができ、正圧面１０２を支持することができる。冷却ガス区画１１０は、上側表面１０８上で見ることができる。タービンブレード１００は、幾つかの冷却ガス区画１１０を含むことができる。各冷却ガス区画１１０は、タービンブレード１００内に位置付けられ又は形成された内部中空区画とすることができる。１以上の冷却ガス流路１１２は、冷却ガス区画１１０と高温ガス通路内にあるタービンブレード１００の１以上の表面との間に形成することができる。この点に関して、比較的低温のガスは、タービンブレード１００に外部フィルム冷却を提供するために、冷却ガス区画１１０から高温ガス通路に放出することができる。
【００２４】
本発明の一態様によれば、冷却ガス区画１１０は、比較的低い温度で冷却ガスを受け取ることができる。例えば、ガスポンプ（図中には示していない）は、冷却空気などの冷却ガスを圧縮機から直接引き出すことができる。加えて、冷却ガス区画１１０は冷却ガスの加圧を促し、冷却ガスが１以上の冷却ガス通路を通って高温ガス通路に放出される必要なエネルギーをもつようにする。図２ａ及び２ｂに関して以下でより詳細に説明されるように、冷却ガスは、１以上の送給開口を介して冷却ガス区画１１０から引き出すことができる。各送給開口は、膨張キャビティに冷却ガスを供給することができる。膨張キャビティを通過又は貫流した後、冷却ガスはスロットに供給することができ、該スロットにより、冷却ガスを高温ガス通路に放出可能になる。
【００２５】
図２は、本発明の例示的な実施形態による、冷却ガス流路２００の１つの実施形態の断面図である。本発明の種々の実施形態において、図１に示すタービンブレード１００などのタービン部品に対して、冷却ガス流路２００のようなあらゆる数の冷却ガス流路を提供することができる。冷却ガス流路２００は、送給開口２０２、膨張キャビティ２０４、及びスロット２０６を含むことができる。
【００２６】
送給開口２０２は、図１に示す冷却ガス区画１１０などの冷却ガス区画から冷却ガスを受け取ることができ、更に、膨張キャビティ２０４に冷却ガスを供給することができる。送給開口２０２は、冷却ガス区画１１０から受け取って冷却ガス流路２００を介して高温ガス流路に供給される冷却ガスの流れを流量調整及び／又は導流する機械的装置とすることができる。流量調整装置は、貫流するガス量の制御を促す最小区域を備えた装置とすることができる。従って、タービン部品に提供される全ての送給開口２０２についての全てのこのような最小区域の合計は、タービン部品の高温ガス通路に供給される冷却ガスの総量を制御することができる。
【００２７】
送給開口２０２から受け取った冷却ガスに旋回を与えることができるように、膨張キャビティ２０４を設けることができる。旋回は、膨張キャビティ２０４の内側又は内部で冷却ガスの拡散を促すことができる。本発明の幾つかの実施形態では、冷却ガスは、膨張キャビティ２０４の長さに沿って均一に広がることができる。しかしながら、均一な膨張はまた、膨張キャビティ２０４の内側又は内部で冷却ガスの二次流れの形成に関連付けることができる。更に、冷却ガスが膨張キャビティ２０４の内部表面上に衝突すると、冷却ガス流内に乱流が発生及び／又は観測される場合がある。本発明の幾つかの実施形態では、膨張キャビティは、冷却ガス内の乱流を低減又は最小にするために不連続とすることができる。しかしながら、本発明の他の実施形態では、膨張キャビティ２０４は、冷却ガス内の均一性を維持及び／又は制御するために連続であってもよい。
【００２８】
本発明の１つの実施形態では、冷却ガスは、１以上のスロット２０６を介して膨張キャビティ２０４からタービンブレード１００などのタービン部品の表面に供給することができる。比較的乱流であるガスが高温ガス通路に供給された場合、主ガス流の境界層に乱流が導入され、タービンブレード１００において図１に示す外側表面１０２などのタービン部品の外側表面からの流れ剥離がもたらされる可能性がある。外側表面１０２からの流れ剥離は、流れの空気力学特性を悪化させ、フィルム冷却の効率低下を生じる可能性がある。従って、本発明の一態様によれば、収束部２０８は、冷却ガス流路２００内に形成されたスロット２０６に含めることができる。収束部２０８は、第１の開口２１０と第２の開口２１２とを含むことができる。第１の開口２１０は、送給開口２０２及び／又は膨張キャビティ２０４から冷却ガスを受け取ることができる。第２の開口２１２は、受け取った冷却ガスをスロット２０６の別の部分、セクション、又は部品に、或いは代替として、タービンブレード１００の外部又は外側表面（外側表面１０２など）の少なくとも一部に提供することができる。収束部２０８は、貫流する冷却ガスの乱流を少なくとも部分的に除去することができる。収束部２０８はまた、冷却ガスの速度を増大させることができる。この点に関して、収束部２０８は、冷却ガスからの二次流れの１以上を少なくとも部分的に除去し、冷却ガス流れの正常化を促すことができる。正常化された冷却ガスは、外側表面１０２に付着する傾向を相対的に高くすることができる。
【００２９】
１つの実施形態において、収束部２０８の第２の開口２１２は、冷却ガス流路２００の端部に配置することができ、冷却ガスは、収束部２０８の端部で高温ガス通路だけに排出することができる。しかしながら、本発明の別の実施形態では、発散部２１４は、冷却ガス流路２００に設けることができ、収束部２０８から冷却ガスを受け取り、高温ガス通路に排出することができる。発散部は、第１の開口２１６及び第２の開口２１８を含むことができる。第１の開口２１６は、収束部２０８の第２の開口２１２から冷却ガスを受け取ることができ、第２の開口２１８は、高温ガス流路内のタービン部品の外側表面１０２に冷却ガスを供給することができる。
【００３０】
発散部２１４は、高温ガス通路に供給される冷却ガスの速度又は速さの制御を促すことができる。高温ガス通路に供給されるときの冷却ガスの速度を制御することによって、外側表面１０２を覆う比較的大きなフィルム保護範囲が達成することができる。本発明の１つの態様において、発散部２１４は、収束部２０８から受け取られる冷却ガスの速度を高温ガス流路におけるガスの速度に略等しい速度まで低減することができる。従って、収束部２０８から受け取られる冷却ガスが、高温ガス流路内のガスの速度と比べてより高速である場合、発散部２１４は、冷却ガスの速度を高温ガス流路におけるガスの速度に略等しい速度まで低減することができる。この冷却ガスの速度低減により、高温ガス流路における高温ガスをタービン部品の外側表面１０２から剥離することによって、フィルム冷却の効率を相対的に高くすることができる。
【００３１】
図２ｂは、本発明の例示的な実施形態による、冷却ガス流路２０１の断面図である。図２ｂに示す冷却ガス流路２０１は、図２ａに示す冷却ガス流路２００と同様の部品を含むことができる。従って、２つの冷却ガス流路２００、２０１の部品の説明では同じ参照符号を利用することができる。
【００３２】
図２ｂを参照すると、冷却ガス流路２０１の種々の部品の寸法の１つの実施例が示されている。これら寸法は、送給開口２０２の直径Ｄを基準として定められる。冷却ガスは、直径Ｄを有する送給開口２０２に入ることができる。更に、送給開口２０２は、スロット２０６の方向に対して角度θを定めることができる。角度θは、膨張キャビティ２０４内への冷却ガスの適切な流れを供給できる。本発明の１つの実施形態において、送給開口２０２とスロット２０６との間の角度θは、約３０°と約１８０°の間とすることができる。その後、冷却ガスは膨張キャビティ２０４に入ることができる。膨張キャビティ２０４は、送給開口２０２の直径よりも相対的に大きな直径を有することができる。例えば、膨張キャビティ２０４の直径は、送給開口２０２の直径よりも約２倍から約８倍とすることができる。本発明の１つの態様によれば、膨張キャビティ２０４の直径は、送給開口２０２の直径の約４倍、すなわち約４Ｄとすることができる。膨張キャビティ２０４の直径が相対的に大きいことにより、送給開口２０２から受け取られる冷却ガスの膨張及び／又は拡散を促すことができる。
【００３３】
次いで、冷却ガスは、収束部２０８を通り、更に任意選択的に発散部２１４（スロット２０６の１つの実施形態において含まれる場合）を通過することができる。収束部２０８の第１の開口２１０の直径は、収束部２０８の第２の開口２１２又は出口開口の直径よりも大きいとすることができる。例えば、収束部２０８の第１の開口２１０の直径は、送給開口２０２の直径の約２倍から約４倍とすることができる。同様に、収束部２０８の第２の開口２１２の直径は、送給開口２０２の直径の約０．５倍から約１．５倍とすることができる。本発明の１つの実施形態によれば、収束部２０８の第１の開口２１０の直径は、送給開口２０２の直径の約３倍すなわち３Ｄとすることができ、収束部２０８の第２の開口２１２の直径は、送給開口２０２の直径の約０．６倍、すなわち０．６Ｄとすることができる。第２の開口２１２の直径が第１の開口２１０の直径と比べて相対的に小さいことにより、冷却ガスの加速を可能にし、冷却ガス流から乱流を少なくとも部分的に除去することが可能になる。この点に関して、収束部２０８は、冷却ガス流の正常化を促すことができる。
【００３４】
冷却ガスは更に、発散部２１４を通過することができる。発散部２１４は、第１の開口２１６及び第２の開口２１８を有することができる。本発明の幾つかの実施形態によれば、第１の開口２１６の直径は、収束部２０８の第２の開口２１２の直径に略等しいか、又は実質的に同様とすることができる。加えて、発散部２１４の第２の開口２１８の直径は、発散部２１４の第１の開口２１６の直径よりも大きいとすることができる。例えば、第２の開口２１８の直径は、送給開口２０２の直径の約２倍から約４倍とすることができる。本発明の１つの実施形態において、発散部２１４の第２の開口２１８の直径は、送給開口２０２の直径の約０．９倍すなわち０．９Ｄとすることができる。約０．６Ｄの第１の開口２１６の直径を考えると、第２の開口２１８の直径は、第１の開口２１６の直径よりも大きいとすることができる。この点に関して、発散部２１４は、冷却ガスの減速及び／又は速度の低下を促すことができる。幾つかの実施形態において、冷却ガスの速度は、高温ガス流路内の高温ガスのおおよその速度にまで低下させることができる。
【００３５】
本発明の種々の実施形態によれば、必要に応じて、収束部２０８及び発散部２１４について様々な長さに設定することができる。例えば、収束部２０８の長さは、送給開口２０２の長さの約２倍から約５倍とすることができ、発散部２１４の長さは、送給開口２０２の長さの約２倍から約５倍とすることができる。
【００３６】
本発明の１つの実施形態によれば、収束部２０８の長さは、発散部２１４の長さに略等しいとすることができる。
【００３７】
加えて、本発明の種々の実施形態によれば、スロット２０６の様々な全体長さを設定することができる。例えば、スロット２０６の長さは、送給開口２０２の長さの約７倍から約１０倍とすることができる。
【００３８】
上記の実施形態において与えられた値の範囲は例示的なものに過ぎず、本発明の範囲を限定又は逸脱するものではないことは、当業者には理解されるであろう。
【００３９】
図３は、本発明の例示的な実施形態による、タービン部品に冷却ガスを提供する方法３００の１つの実施例を示すフローチャートである。以下のステップは、本質的に機械的なものとすることができ、本発明の種々の実施形態においてあらゆる機械加工技術及び／又は必要に応じて機械加工技術の組み合わせにより実施及び／又は実行することができる点は、当業者には理解されるであろう。
【００４０】
通常、スロット２０６の種々の部品を形成するのに使用される機械加工技術は、限定ではないが、レーザドリル、水ジェット、及びＥＤＭ（放電加工技術）を含むことができる。効果的なフィルム冷却のためにより大きな表面区域にわたりガス流又は空気流を広げるように設計されたスロット２０６の特定の形状、冷却ガス流路２００、及び送給開口２０２は、関係する部品の複雑な幾何形状に起因して、鋳造上の大きな課題があることが分かった。ＥＤＭのようなプロセスは、放電を利用してスロットを迅速且つ正確に作り、アクセスし難い成型部品の幾何形状の区域に到達して、スロットを複雑な出口輪郭に形成することができる。同様に、レーザドリルはレーザパルスを用いることができ、一方、水ジェット加工は、スロット２０６の種々の部品を機械加工するために水流を利用することができる。
【００４１】
方法３００はブロック３０５から始まることができる。ブロック３０５では、開口２０２のような、タービン部品に関連する冷却ガス区画から冷却ガスを受け取るよう動作する送給開口を形成することができる。送給開口２０２は、該送給開口２０２に流入及び貫流する冷却ガスの流量調整及び／又は制御を促す所望の直径で形成することができる。作動中、送給開口２０２を通過する冷却ガスは、キャビティ２０４のような膨張キャビティに入ることができ、ここで冷却ガスが拡散することができる。本発明の特定の実施形態において、膨張キャビティは、任意選択的に方法３００において形成することができる。ブロック３０５での送給開口２０２の形成に続いて、
工程はブロック３１０に進むことができる。
【００４２】
ブロック３１０において、図２ａに示す収束部２０８のようなスロットの収束部を形成及び／又は設けることができる。作動中、膨張キャビティ２０４及び／又は送給開口２０２を出る冷却ガスは、収束部２０８に入ることができ、冷却ガスは加速することができ、冷却ガスに関連する乱流は低減及び／又は最小にすることができる。ブロック３１０での収束部２０８の形成に続いて、工程はブロック３１５に進むことができる。
【００４３】
ブロック３１５では、本発明の特定の実施形態では任意選択とすることができ、図２ａに示す発散部２１４などのスロットの発散部を形成及び／又は設けることができる。作動中、発散部２１４は、高温ガス通路内のタービン部品の外側表面に供給される冷却ガスの速度を制御可能にすることができる。発散部２１４は、スロットの対応する収束部から受け取った冷却ガスの速度を低減及び／又は最小にすることができる。冷却ガスの速度は、高温ガス流路内の比較的高温のガスの速度に略等しい発散部によって制御することができる。従って、本発明の任意選択の実施形態では、ステップ３１５で発散部２０５を形成することができる。
【００４４】
方法３００は次の３１５で終了することができる。
【００４５】
図３の方法３００で説明される工程は、必ずしも図３に記載された順序で形成する必要はなく、どのような好適な順序で実施することができる。加えて、本発明の特定の実施形態において、図３に記載した工程の全てよりも多いか又は少ない工程を実施することができる。
【００４６】
フィルム冷却を用いて、燃焼室から出てくる高温ガスの高い温度からタービン部品を保護することができる。フィルム冷却の機構は、冷却空気などの冷却ガスを圧縮段からタービンの部品に抽気することを含むことができる。比較的低温の冷却ガスの制御された量は、タービンの効率を維持するために抽気できる。消費される比較的低温のガスの量を増加させることなくフィルム冷却区域を最大にするために、収束部を有して特別に準備されたスロットを用いて、所望のフィルム冷却を達成することができる。収束スロットは、抽気される比較的低温のガスを均一にすると同時に、二次渦流が無い清浄な流れの維持とタービン部品の表面への付着とを同時に可能にすることができる。加えて、スロットは、タービン部品の表面に供給される比較的低温のガスの速度制御を促す発散部を含むことができる。
【００４７】
本発明の特定の実施形態は、高温ガス流に曝され、高温ガスに曝される表面の背面から冷却することができるあらゆるデバイスに適用可能である。こうしたデバイスの幾つかの実施例は、限定ではないが、燃焼室、ロケットノズル、その他を含む。上記の明細書で提供されたあらゆる実施例は、単に説明の目的で提供されたものであり、本発明の範囲をどのようにも限定するものではない点は、理解されるであろう。
【００４８】
本発明は、現在最も有用で且つ様々な実施形態と考えられるものについて説明してきたが、本発明は、開示された実施形態に限定されず、むしろ添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正及び均等な構成を対象とすることを意図している点は理解されたい。
【００４９】
本明細書は、実施例を用いて最良の形態を含む本発明の実施形態を開示し、更に、あらゆるデバイス又はシステムを製作及び使用し、並びにあらゆる組み込まれた方法を実行することを含む、本発明を当業者が実施できるようにしている。本発明の実施形態の特許保護される範囲は、請求項において定められ、当業者が想起する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、請求項の文言と相違しない構成要素を有する場合、或いは請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構成要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００５０】
１００  タービンブレード
１０２  外側表面
１０４  前縁
１０６  後縁
１０８  上側表面
１１０  冷却ガス区画
１１２  冷却ガス流路
２００  冷却ガス流路
２０２  送給開口
２０４  膨張キャビティ
２０６  スロット
２０８  収束部
２１０  収束部の第１の開口
２１２  収束部の第２の開口
２１４  発散部
２１６  発散部の第１の開口
２１８  発散部の第２の開口
３００  方法
３０５  ブロック
３１０  ブロック
３１５  ブロック
【図１】
2010019259.tif 000003
【図２ａ】
2010019259.tif 000004
【図２ｂ】
2010019259.tif 000005
【図３】
2010019259.tif 000006