(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼形部（３４）用の熱シールド装置（１００）であって、
前記翼形部（３４）の前縁から後縁に向かう方向への移動により前記翼形部（３４）に取付け可能な壁（１１０）を含み、
前記壁（１１０）が、
前記翼形部（３４）に隣接するベース層（１０２）と、
前記翼形部（３４）に隣接する温度層（１０３）と、を含み、
前記温度層（１０３）が、前記翼形部（３４）の外形に整合する、
熱シールド装置（１００）。
【請求項２】
前記壁（１１０）は、前記翼形部（３４）の前記前縁、正圧側面の大部分及び負圧側面のキャンバ部分まで覆い、前記翼形部（３４）の前記後縁を覆わない、請求項１記載の熱シールド装置（１００）。
【請求項３】
前記ベース層（１０２）が、前記翼形部（３４）及び温度層（１０３）間に配置され、前記ベース層（１０２）に結合された波形層（１０１）をさらに含む、請求項１または２に記載の熱シールド装置（１００）。
【請求項４】
前記波形層（１０１）が、前記翼形部（３４）と機械的接触状態になっている、請求項３記載の熱シールド装置（１００）。
【請求項５】
前記ベース層（１０２）及び波形層（１０１）が、単一一体形部品である、請求項３または４に記載の熱シールド装置（１００）。
【請求項６】
前記波形層（１０１）が、空気通路を形成した１つ又はそれ以上の波形線（１０７）系列を含む、請求項３乃至５のいずれかに記載の熱シールド装置（１００）。
【請求項７】
前記波形層が、構造的一体性のために波形線（１０７）の第１の密度及び第１の間隔を含み、前記波形層（１０１）が、空気流のために波形線（１０７）の第２の密度及び第２の間隔を含む、請求項３乃至６のいずれかに記載の熱シールド装置（１００）。
【請求項８】
タービン（２０）のケーシング（３８）に沿って配置された上方ケーシング壁及び下方ケーシング壁を含み、
前記壁（１１０）は、前記上方ケーシング壁と前記下方ケーシング壁の間に配置され、
前記上方及び下方ケーシング壁は、前記翼形部（３４）の湾曲に整合した湾曲を有する切取り部（１０６）を含む、請求項１乃至７のいずれかに記載の熱シールド装置（１００）。
【請求項９】
前記温度層（１０３）が、正圧側面と、負圧側面を含む、請求項１乃至８のいずれかに記載の熱シールド装置（１００）。
【請求項１０】
摩耗した請求項１乃至８のいずれかに記載の熱シールド装置（１００）を前記翼形部（３４）の前記後縁から前記前縁に向かう方向への移動させることにより、前記摩耗した熱シールド装置（１００）を前記翼形部（３４）から取外す工程と、
請求項１乃至８のいずれかに記載の新たな熱シールド装置（１００）を前記翼形部（３４）の前記前縁から前記後縁に向かう方向への移動させることにより、前記新たな熱シールド装置（１００）を前記翼形部（３４）に取付ける工程と、
を含む、
熱シールド装置の交換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示した主題は、タービン翼形部に関し、より具体的には、翼形部熱シールドに関する。
【背景技術】
【０００２】
翼形部（つまり、ベーン及びブレード）は一般的に、ガスタービンの高温ガス通路内に配置される。「バケット」又は「ロータ」とも呼ぶことができるブレードは、ホイール、ディスク又はロータに取付けられてシャフトの周りで回転するようになった翼形部を含むことができる。「ノズル」又は「ステータ」と呼ぶことができるベーンは、その周りでブレードが回転するシャフトを囲む又は覆うケーシング内に取付けられた翼形部を含むことができる。一般的に、一連のブレードは、シャフトに沿った特定の位置においてホイールの周りに取付けられる。一連のベーンは、一連のブレードの上流（ほぼ流れ方向に対して）に取付けて、ガス流の効率を改善するようにするなどすることができる。ブレードが後続したベーンは、ガスタービンの段と呼ばれる。圧縮機の段は、ガスを加圧し、加圧したガスは、例えば燃料と混合されかつ点火燃焼されて、ガスタービンの入口に送給されるようになる。ガスタービンは、点火燃焼されたガス及び燃料から仕事を取出すようになった段を含むことができる。加圧ガスへの燃料の添加は、燃焼反応へのエネルギーの貢献を生じさせることができる。この燃焼反応の生成物は次に、ガスタービンを通って流れる。燃焼によって発生した高温に耐えるために、タービン内の翼形部は、冷却する必要がある。不十分な冷却により、翼形部上に過度の応力が生じ、時間の経過と共にこの応力は、翼形部の疲労又は損傷に至るか又はそれらの一因になる。作動温度により生じるガスタービンエンジン内のタービンブレードの損傷を防止するために、ブレード設計内には、フィルム冷却が組込まれてきた。フィルム冷却では、冷却空気が、圧縮機段から抽気され、タービンブレードの内部チャンバにダクトで送られ、かつブレード壁内の小孔を通して吐出される。この空気は、タービンブレードの外部表面に沿って薄くかつ低温の絶縁ブランケットを形成する。フィルム冷却は、孔の近くではフィルム温度が孔から離れた場所よりも遙かに低温であり、不均一な冷却を生じる可能性があるので、非効率的なものとなるおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７，２８１，８９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、翼形部の冷却の改善の必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１つの態様によると、翼形部用の熱シールド装置を記述する。本熱シールド装置は、翼形部に隣接するベース層と、ベース層に結合された温度層とを含むことができ、ベース層及び温度層は、翼形部の外形に整合する。
【０００６】
本発明の別の態様によると、翼形部システムを記述する。本翼形部システムは、前縁、インピンジメント孔、後縁通路、正圧側面及び負圧側面を有する翼形部と、翼形部を覆って配置された熱シールドとを含むことができる。
【０００７】
本発明のさらに別の態様によると、ガスタービンを開示する。本ガスタービンは、圧縮機セクションと、圧縮機セクションに作動結合された燃焼セクションと、燃焼セクションに作動結合されたタービンセクションと、タービンセクション内に配置された翼形部と、翼形部上に配置された複数層熱シールドとを含むことができる。
【０００８】
これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。
【０００９】
本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】その中で例示的な翼形部熱シールドを実施することができるガスタービンシステムを示す図。
【図２】図１に示すタービンを示す図。
【図３】例示的な熱シールドの側面斜視図。
【図４】例示的な熱シールドを備えた、図２の翼形部を示す図。
【図５】例示的な熱シールドを有する翼形部の上面断面図。
【図６】翼形部に近接して例示的な熱シールドを有する翼形部の上面断面図。
【図７】例示的な熱シールドの断面図。
【図８】熱シールドの波形層を分離して示す。
【図９】ダブテール取付け構成を有する熱シールドの例示的な実施形態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。
【００１２】
図１は、その中で例示的な翼形部熱シールドを実施することができるガスタービンシステム１０を示している。本明細書に説明する例示的な翼形部熱シールドは、ガスタービンに関して記述している。他の例示的な実施形態では、本明細書に説明する例示的な翼形部熱シールドは、その中では熱シールド保護が望ましい、それに限定されないが蒸気タービン及び圧縮機のような他のシステムで実施することができる。ガスタービンシステム１０は、エンジン中心線１２の周りに円周方向に配置された状態で示している。ガスタービンシステム１０は、直列流れ関係で、圧縮機１６と、燃焼セクション１８と、タービン２０とを含むことができる。燃焼セクション１８及びタービン２０は、タービンエンジン１０の高温セクションと呼ばれることが多い。ロータシャフト２６が、タービン２０を圧縮機１６に作動結合する。燃料は、燃焼セクション１８内で燃焼して、例えば約３０００〜約３５００°Ｆの範囲とすることができる高温ガス流２８を生成する。高温ガス流２８は、タービン２０を通して導かれて、ガスタービンシステム１０に動力を供給する。
【００１３】
図２は、図１のタービン２０を示している。タービン２０は、タービンベーン３０とタービンブレード３２とを含むことができる。翼形部３４は、ベーン３０において実施することができ、ここで翼形部３４は、圧縮機１６の一部分、燃焼セクション１８の一部分、又はタービンの一部分内に配置することができる。ベーン３０は、高温ガス流２８に曝される外壁３６（つまり、前縁）を有する。タービンベーン３０は、圧縮機１６の１つ又はそれ以上の段から機械１０のケーシング３８を通して送られた空気によって冷却することができる。さらに、翼形部３４の外壁３６には、次に説明するような例示的な使い捨て熱シールドを取付けることができる。
【００１４】
図３は、例示的な熱シールド１００の側面斜視図を示している。例示的な実施形態では、熱シールド１００は、上述したように翼形部３４に取付けるように構成された単一一体形部品とすることができる。本明細書でさらに説明するように、熱シールドは、単一一体形部品であるが、複数層設計とすることができる。熱シールド１００はまた、熱保護を必要とするガスタービンシステム１０の他の部分に取付けることができる。例示的な実施形態では、熱シールド１００は、熱シールドが翼形部３４のモジュラ部品であるので、ガスタービンシステム１０に対して最小休止時間で取付け及び取外しするように構成され、かつ本明細書で説明するように取外すことができる。例示的な実施形態では、熱シールド１００は、翼形部に対して摩擦で取付けることができる。従って、熱シールド１００は、幾つかの摩擦部品を含む。例示的な実施形態では、熱シールド１００は、ガスタービンシステム１０のケーシング３８に機械的に係合するように構成されたケーシング壁１０５（つまり、上方及び下方）を含む。ケーシング３８は、多様な形状及び湾曲を含むことができる。従って、ケーシング壁１０５は、ケーシング３８の形状に応じて対応する形状及び湾曲を含むことができる。熱シールド１００はさらに、ケーシング壁１０５間に配置された壁１１０を含むことができる。壁１１０は、ケーシング壁１０５に対して垂直に配向することができる。さらに、ケーシング壁１０５は、翼形部３４の湾曲に整合した湾曲を有する切取り部１０６を含む。切取り部１０６はさらに、壁１１０の湾曲に整合する。例示的な実施形態では、壁１１０はさらに、前縁１１１と後縁１１２とを含む。前縁１１１は、様々な迎え角度で高温ガス流２８を最初に受ける壁１１０の外側凸状部分である。当業者には分るように、前縁１１１は、翼形部３４の前縁を覆っている。
【００１５】
図４は、例示的な熱シールド１００を備えた、図２の翼形部３４を示している。本明細書に説明するように、熱シールド１００は、ケーシング３８及びケーシング壁１０５間の並びに翼形部３４及び壁１１０間の摩擦力を介して翼形部３４に対して機械的に取付けられる。他の例示的な実施形態では、それに限定されないがボルトのような機械的締結具を実装して、翼形部３４に対して熱シールド１００を取付けることができる。例示的な実施形態では、ケーシング３８の一部に対して、上端プラグ１１５をさらに取付けることができる。上端プラグ１１５は、翼形部３４に隣接して配置された一連の突起１１６を含むことができる。熱シールド１００は、翼形部３４に対して取付けるときに、突起１１６を覆って取付け、それによって熱シールド１００及び翼形部３４間の摩擦力を増大させることができる。例示的な実施形態では、幾つかの他の摩擦表面及び装置を翼形部３４及び熱シールド上に備えるようにして、熱シールド１００の取付け及び取外しを支援することができる。例えば、翼形部３４及び熱シールド１００の上に、一連の嵌合いダブテールを配置することができる。
【００１６】
本明細書に説明するように、熱シールド１００は、燃焼の合間に現地で複製可能とすることができる。取付け容易な熱シールド１００は、翼形部３４の内側壁及び外側壁の前縁と同時に正圧側面の大部分及び負圧側面の高いキャンバ部分まで覆う。熱シールド１００は、ノズル上の陥凹部と接合した正圧側面後縁突起１１６並びに負圧側面高キャンバポイント上のピンの組合せで保持することができる。あらゆるタイプのポシティブ留置装置を実装することができるが、一連の湾曲ダブテールにより、翼形部３４の内側壁及び／又は外側壁を覆うことができる。翼形部３４は次に、熱シールド１００上の一連の嵌合いダブテールと組合せることができる。ダブテールは、ノズルの方向に湾曲させて、交換可能な熱シールド１００の取付け容易性を可能にすることができる。さらに、翼形部３４の前縁における移行部品シール（燃焼器１８と接合する）上に、ボルトを配置することができる。従って、熱シールド１００は、燃焼器１８の移行部品及びライナを取外すことにより、まさに燃焼の合間において交換可能にすることができる。
【００１７】
図５は、例示的な熱シールド１００を有する翼形部３４の上面断面図を示している。図６は、翼形部３４に近接して例示的な熱シールド１００を有する翼形部３４の上面断面図を示している。図５及び図６は、熱シールド１００が翼形部３４の外形に整合した外形を有することを示している。図示するように、翼形部３４は、該翼形部３４に沿って従来通りのインピンジメント孔４１を含むことができる。本明細書に説明するように、インピンジメント孔４１は、熱シールド１００の従来通りのインピンジメント冷却を行なうように実装することができる。翼形部３４はさらに、該翼形部３４及び熱シールド１００間に形成されたギャップ４２を含むことができる。ギャップ４２は、冷却空気を受けて、インピンジメント孔４１に流してフィルム冷却するようにすることができる。本明細書にさらに説明するように、熱シールド１００は、それを通って冷却空気が流れることができる波形層１０１を含む。翼形部３４はさらに、陥凹表面４３を含むことができる。陥凹表面４３は、翼形部３４上への熱シールド１００の取付けを可能にする。翼形部３４はさらに、冷却空気を受ける後縁冷却通路４４を含むことができる。本明細書にさらに説明するように、熱シールド１００の波形表面１０１の一部分は、後縁冷却通路４４のための流路を形成する。
【００１８】
例示的な実施形態では、熱シールド１００は、複数層を含む。上述したように、熱シールド１００は、波形層１０１を含み、波形層１０１は、翼形部３４に沿って一連の空気流路を形成してインピンジメント孔４１及び冷却通路４４のための幾つかの冷却空気流を供給し、冷却空気がギャップ４２内に受けられる。熱シールド１００はまた、外側（温度）層１０３を含むことができる。外側（温度）層１０３は、高温ガス流に対する耐熱性を備えた材料（例えば、熱絶縁セラミック皮膜又は断熱皮膜（ＴＢＣ））であり、これは、本明細書にさらに説明するように層上に溶射するか又はボンディング層により取付けることができる。波形層１０１は、ノズル及び熱シールド１００間にオフセットを保持すると共に、本明細書に説明するように熱シールド１００及び冷却空気通路系統に剛性を付加する。
【００１９】
図７は、例示的な熱シールド１００の断面図を示している。図７は、波形層１０１と機械的接触状態になった翼形部３４を示しており、波形層１０１は、該波形層１０１に強固に結合されたベース層１０２を含むことができる。例示的な実施形態では、波形層１０１及びベース層１０２は、単一一体形部品とすることができる。例示的な実施形態では、ベース層１０２は、熱シールド１００に構造的強度を与えかつ施工される外側（温度）層１０３のための空気力学的プロフィル及び平滑な非波形表面の両方を備えた高温（耐熱）超合金とすることができる。図７はさらに、外側層（例えば、ＴＢＣ上に溶射された）１０３を示しており、この外側層１０３は、ベース層１０２及び外側（温度）層１０３間に配置されたボンディング層１０４を含むことができる。
【００２０】
図８は、熱シールド１００の波形層１０１を示しており、波形線を示すために分離して示している。外側層１０１及び温度（外側）層１０３は、説明の目的のために図示していない。例示的な実施形態では、波形層１０１は、波形のセクションを含む。波形のセクションは、広範な種類のパターンを有することができる。例えば、熱シールド１００に高い構造的応力がかかると認識される領域が存在する場合には、波形線１０７のパターンは、より密集した状態つまり近接した間隔にすることができる一方、応力がより低いと認識される領域では、波形線１０７の密度は低い状態つまり一層離れた間隔にすることができる。加えて、波形線１０７のより低い密度及び増大した間隔は、熱シールド１００、従って翼形部３４の冷却を強化する。例示的な実施形態では、インピンジメント孔４１は、波形線に対して直角に配置される。波形線の第１の系列１０８及び第２の系列１０９を示している。上述したように、波形線の第１の系列１０８は、インピンジメント孔４１のための空気流を受け、また波形線の第２の系列１０９は、後縁冷却通路４４のための空気流を受ける。この図示した実施例では、第１の系列１０８は、第２の系列１０９に対して直角に配置される。他の例示的な実施形態では、波形線及び該波形線の系列の多様なその他の構成が、意図される。
【００２１】
図９は、ダブテール取付け構成を有する熱シールド１００の例示的な実施形態を示している。説明の目的のために、熱シールド１００の波形層１０１及びベース層１０２のみを図示している。本明細書に説明するように、あらゆるタイプのポジティブ留置装置を実装することができるが、ダブテール１１３は、翼形部３４の内側壁及び／又は外側壁を覆うことができる。翼形部３４ダブテール１１３は、熱シールド１００上の嵌合い熱シールドダブテール１１７と組合せることができる。例示的な実施形態では、熱シールドダブテール１１７は、波形層１０１上の波形に隣接してベース層１０２上に配置することができる。他の例示的な実施形態では、熱シールドダブテール１１７は、波形層１０１上に配置することができる。
【００２２】
技術的効果には、本明細書に説明する熱シールドを実装した翼形部の迅速な現場補修が含まれる。そのような現場補修は、燃焼の合間に行なうことができる。その中で例示的な熱シールドを実施する可能性がある１つに実施例には、Ｓ１Ｎと呼ばれることが多いガスタービンの段１がある。ガスタービンの第１段は、燃焼器後方の流れ及び高温ガス流を集束させかつ加速し、その結果、流れは先細に、つまり出口におけるよりも入口における方が幅広になる。上記したように、熱シールドは、翼形部の前縁及び正圧側面の大部分上においてＳ１Ｎを覆うことができ、翼形部の負圧側面上の高いキャンバポイントに達する。Ｓ１Ｎと関連させて本明細書に説明した熱シールドでは、Ｓ１Ｎシステムは、従来型のシステムにおけるような単一部品設計ではなく、モジュラ／複製可能システムとすることができる。従って、保守費用が低下しかつノズルの耐用年数を増大させることができる、つまり熱シールドが摩耗し始めると、熱シールドは、取外しかつ交換することができる。
【００２３】
加えて、熱シールドの複数層構成は、ノズルの高温セクション及び該ノズルの構造的／荷重支持部分間の結合を切離す。上述のように、ノズルの外壁は、高い耐熱材料を含み、この耐熱材料は次に、熱シールドに空気流を供給しかつ該熱シールドに対する構造体を形成した波形層に取付けられる。ノズルの高温セクション及び該ノズルの構造的／荷重支持部分間の結合を切離すことによって、温度勾配によるかなり大きな応力が低減される。熱シールドの複数層設計は、ベース層及び熱伝達高温層並びに翼形部間に冷却空気流を捕捉する。この冷却の方法は、フィルム冷却空気が孔出口から下流に移動するときになるように高温ガス通路空気と混合して冷却効率を低下させるのではなくて冷却媒体空気が２つの層間で捕捉されるので、フィルム冷却よりもさらに一層効率的である。Ｓ１Ｎのための減少した冷却空気を使用して、同じ出力の燃焼温度を低下させることができ、それによってＮＯｘ生成を低減しかつガスタービン効率を増大させることができる。熱シールドの複数層設計はまた、翼形部内の歪のない作動を可能にし、また熱伝達シールドからベース金属までの緩やかな増大を可能にすることによってかつ熱シールド及びベース金属間に冷却空気を捕捉することによって、ノズル構造構成要素のバルク金属温度を大幅に低下させる。従って、ノズルのために少量の冷却空気しか必要とせず、それによってエンジンの効率を支援しかつＮＯｘ生成を低減させる。
【００２４】
限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２５】
１０  ガスタービンシステム
１２  エンジン中心線
１６  圧縮機
１８  燃焼セクション
２０  タービン
２６  ロータシャフト
２８  高温ガス流
３０  タービンベーン
３２  タービンブレード
３４  翼形部
３６  外壁
３８  ケーシング
４１  インピンジメント孔
４２  ギャップ
４３  陥凹表面
４４  後縁冷却通路
１００  熱シールド
１０１  波形層
１０２  ベース層
１０３  外側（温度）層
１０４  ボンディング層
１０５  ケーシング壁
１０６  切取り部
１０７  波形線
１０８  第１の系列
１０９  第２の系列
１１０  壁
１１１  前縁
１１２  後縁
１１３  ダブテール
１１５  上端プラグ
１１６  突起
１１７  熱シールドダブテール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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