(57)【要約】【課題】タービン・システムの熱ガス経路構成要素の冷却特徴を改善する。【解決手段】タービン・システムのための熱ガス経路構成要素が開示される。この熱ガス経路構成要素は、シェルと、外面及び内面を有しシェルに隣接して配置された１又は複数の多孔質媒体とを含んでいる。１又は複数の多孔質媒体は、軸方向、半径方向、軸方向と半径方向、軸方向と円周方向、半径方向と円周方向、又は軸方向と半径方向と円周方向の一つにおいて変化する浸透性を含むように構成されており、この多孔質媒体はシェルに隣接して配置されている。１又は複数の多孔質媒体はさらに、当該媒体を通して流れる冷媒について軸方向、半径方向、軸方向と半径方向、軸方向と円周方向、半径方向と円周方向、又は軸方向と半径方向と円周方向の一つでの流れを制御するように構成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外面及び内面を有するシェルと、
外面及び内面を有する１又は複数の多孔質媒体であって、軸方向、半径方向、軸方向と半径方向、軸方向と円周方向、半径方向と円周方向、又は軸方向と半径方向と円周方向の一つにおいて変化する浸透性を含むように構成されており、前記シェルに隣接して配置されている１又は複数の多孔質媒体と
を備えたタービン・システムのための熱ガス経路構成要素であって、
前記１又は複数の多孔質媒体は、当該媒体を通して流れる冷媒について軸方向、半径方向、軸方向と半径方向、軸方向と円周方向、半径方向と円周方向、又は軸方向と半径方向と円周方向の一つでの冷却材流れ分布を制御するように構成されている、熱ガス経路構成要素。
【請求項２】
前記１又は複数の多孔質媒体は、変化する浸透性を有する複数の多孔質媒体挿入材を含んでいる、請求項１に記載の熱ガス経路構成要素。
【請求項３】
前記１又は複数の多孔質媒体の外面は、前記シェルの前記内面に隣接して配置されている、請求項１に記載の熱ガス経路構成要素。
【請求項４】
前記多孔質媒体の前記内面に隣接して配置されている衝突スリーブをさらに含んでいる請求項３に記載の熱ガス経路構成要素。
【請求項５】
前記多孔質媒体の前記内面は処理されている、請求項３に記載の熱ガス経路構成要素。
【請求項６】
前記１又は複数の多孔質媒体の内面は、前記シェルの前記外面に隣接して配置されている、請求項１に記載の熱ガス経路構成要素。
【請求項７】
前記１又は複数の多孔質媒体の前記内面は、前記シェルの前記外面に接触している、請求項６に記載の熱ガス経路構成要素。
【請求項８】
前記多孔質媒体の前記外面に隣接して配置されている衝突スリーブをさらに含んでいる請求項６に記載の熱ガス経路構成要素。
【請求項９】
前記多孔質媒体の前記外面は処理されている、請求項６に記載の熱ガス経路構成要素。
【請求項１０】
前記多孔質媒体は、金属発泡材、セラミック発泡材、又は炭素繊維発泡材の一つから形成されている、請求項１に記載の熱ガス経路構成要素。
【請求項１１】
ノズルである請求項１に記載の熱ガス経路構成要素。
【請求項１２】
外面及び内面を有するシェルと、
外面及び内面を有する１又は複数の多孔質媒体であって、長軸に沿って、当該多孔質媒体の厚みを通して、長軸に沿って且つ当該多孔質媒体の厚みを通して、短軸に沿って且つ当該多孔質媒体の厚みを通して、長軸と短軸に沿って、又は長軸と短軸に沿って且つ当該多孔質媒体の厚みを通しての一つに沿って変化する浸透性を含むように構成されており、前記シェルに隣接して配置されている１又は複数の多孔質媒体と
を備えたタービン・システムのための熱ガス経路構成要素であって、
前記１又は複数の多孔質媒体は、当該媒体を通して流れる冷媒について長軸に沿って、当該多孔質媒体の厚みを通して、長軸に沿って且つ当該多孔質媒体の厚みを通して、短軸に沿って且つ当該多孔質媒体の厚みを通して、長軸と短軸に沿って、又は長軸と短軸に沿って且つ当該多孔質媒体の厚みを通しての一つに沿って冷却材流れ分布を制御するように構成されている、熱ガス経路構成要素。
【請求項１３】
圧縮機と、
該圧縮機に結合されているタービンと、
前記圧縮機又は前記タービンの少なくとも一方に配設された複数の熱ガス経路構成要素と
を備えたタービン・システムであって、前記熱ガス経路構成要素の少なくとも一つは、
外面及び内面を有するシェルと、
外面及び内面を有する１又は複数の多孔質媒体であって、軸方向、半径方向、軸方向と半径方向、軸方向と円周方向、半径方向と円周方向、又は軸方向と半径方向と円周方向の一つにおいて変化する浸透性を含むように構成されており、前記シェルに隣接して配置されている１又は複数の多孔質媒体と
を含んでおり、
該１又は複数の多孔質媒体は、当該媒体を通して流れる冷媒について軸方向、半径方向、軸方向と半径方向、軸方向と円周方向、半径方向と円周方向、又は軸方向と半径方向と円周方向の一つでの冷却材流れ分布を制御するように構成されている、
タービン・システム。
【請求項１４】
前記１又は複数の多孔質媒体は、軸方向及び半径方向の１又は複数において変化する流れ抵抗を有する複数の多孔質媒体挿入材を含んでいる、請求項１３に記載のタービン・システム。
【請求項１５】
前記１又は複数の多孔質媒体の外面は、前記シェルの前記内面に隣接して配置されている、請求項１３に記載のタービン・システム。
【請求項１６】
前記１又は複数の多孔質媒体の内面は、前記シェルの前記外面に隣接して配置されている、請求項１３に記載のタービン・システム。
【請求項１７】
前記多孔質媒体に隣接して配置されている衝突スリーブをさらに含んでいる請求項１３に記載のタービン・システム。
【請求項１８】
前記多孔質媒体の表面が処理されている、請求項１３に記載のタービン・システム。
【請求項１９】
前記熱ガス経路構成要素はノズルである、請求項１３に記載のタービン・システム。
【請求項２０】
前記多孔質媒体は、金属発泡材、セラミック発泡材、又は炭素繊維発泡材の一つから形成される、請求項１３に記載のタービン・システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本書に開示される主題は一般的には、タービン・システムに関し、さらに具体的には、タービン・システムのための熱ガス経路構成要素に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン・システムは、発電、航空機エンジン、及び他の形式のタービンのような諸分野に広く用いられている。例えば、従来のガス・タービン・システムは、圧縮機、燃焼器、及びタービンを含んでいる。ガス・タービン・システムの動作時には、システムの様々な構成要素が高温の流れに晒されて、構成要素に故障を招く場合がある。一般的には、流れの温度が高いほどガス・タービン・システムの性能、効率、及び動力出力が高まるので、高温の流れに晒される構成要素を冷却して、ガス・タービン・システムを高められた温度、高められた効率、及び／又は減少した放出において動作させることを可能にしなければならない。
【０００３】
様々なガス・タービン・システム構成要素を冷却するための様々な方策が当技術分野で公知である。例えば、冷媒を圧縮機から送り出して様々な構成要素に提供することができる。システムの圧縮機区画及びタービン区画では、この冷媒を用いて様々な圧縮機構成要素及びタービン構成要素を冷却することができる。
【０００４】
冷却しなければならない熱ガス経路構成要素の一例がノズルである。例えば、翼型のようなノズルの様々な部品が熱ガス経路に配設されており、相対的に高い温度に晒されるため、冷却を必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ノズルを冷却する一つの解決法は、翼型の内部に衝突スリーブ（インピンジメント・スリーブ）を含めるものである。冷媒はノズルの内部に流入し、次いで衝突スリーブを通過して翼型の内面まで流れる。このアプローチは翼型の衝突冷却を促進する。しかしながら、衝突スリーブはノズルの十分な冷却を提供するが、冷却効率を高めることが望まれる。このように効率を高めると、ノズルを冷却するのに必要とされる冷媒の減少が可能になり、従って放出の減少及び／又は発火温度の上昇が可能になる。
【０００６】
従って、タービン・システムのための改善されたノズルのような改善された熱ガス経路構成要素を提供できると望ましい。例えば、改善された冷却特徴を備えた熱ガス経路構成要素があれば有利である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従来技術のこれらの短所及び他の短所が本開示によって扱われ、タービン・システムのための熱ガス構成要素を提供する。
【０００８】
一実施形態によれば、タービン・システムのための熱ガス経路構成要素が提供される。この熱ガス経路構成要素は、外面及び内面を有するシェル（殻）と、外面及び内面を有する１又は複数の多孔質媒体とを含んでいる。１又は複数の多孔質媒体は、軸方向、半径方向、軸方向と半径方向、軸方向と円周方向、半径方向と円周方向、又は軸方向と半径方向と円周方向の一つにおいて変化する浸透性を含むように構成されており、この多孔質媒体はシェルに隣接して配置されている。１又は複数の多孔質媒体は、当該媒体を通して流れる冷媒について軸方向、半径方向、軸方向と半径方向、軸方向と円周方向、半径方向と円周方向、又は軸方向と半径方向と円周方向の一つでの冷却材流れ分布を制御するように構成されている。
【０００９】
もう一つの実施形態では、タービン・システムのための熱ガス経路構成要素が提供される。この熱ガス経路構成要素は、外面及び内面を有するシェルと、外面及び内面を有する１又は複数の多孔質媒体とを含んでいる。１又は複数の多孔質媒体は、長軸に沿って、多孔質媒体の厚みを通して、長軸に沿って且つ多孔質媒体の厚みを通して、短軸に沿って且つ厚みを通して、長軸と短軸に沿って、又は長軸と短軸に沿って且つ多孔質媒体の厚みを通しての一つに沿って変化する浸透性を含むように構成されており、この多孔質媒体はシェルに隣接して配置されている。１又は複数の多孔質媒体は、当該媒体を通して流れる冷媒について長軸に沿って、多孔質媒体の厚みを通して、長軸に沿って且つ多孔質媒体の厚みを通して、短軸に沿って且つ厚みを通して、長軸と短軸に沿って、又は長軸と短軸に沿って且つ多孔質媒体の厚みを通しての一つに沿って冷却材流れ分布を制御するように構成されている。
【００１０】
さらにもう一つの実施形態によれば、タービン・システムが提供される。このタービン・システムは、圧縮機と、該圧縮機に結合されているタービンと、圧縮機又はタービンの少なくとも一方に配設された複数の熱ガス経路構成要素とを含んでいる。熱ガス経路構成要素の少なくとも一つは、外面及び内面を有するシェルと、外面及び内面を有する１又は複数の多孔質媒体とを含んでいる。１又は複数の多孔質媒体は、軸方向、半径方向、軸方向と半径方向、軸方向と円周方向、半径方向と円周方向、又は軸方向と半径方向と円周方向の一つにおいて変化する浸透性を含むように構成されており、この多孔質媒体はシェルに隣接して配置されている。多孔質媒体はシェルに隣接して配置されている。１又は複数の多孔質媒体は、当該媒体を通して流れる冷媒について軸方向、半径方向、軸方向と半径方向、軸方向と円周方向、半径方向と円周方向、又は軸方向と半径方向と円周方向の一つでの冷却材流れ分布を制御するように構成されている。
【００１１】
本開示の他の目的及び利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を読むと明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本開示の上述の特徴、観点及び利点、並びに他の特徴、観点及び利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むとさらに十分に理解されよう。図面では、全体を通して類似の符号は類似の部材を表わす。
【図１】公知のガス・タービン・システムの概略図である。
【図２】本開示の一実施形態による熱ガス経路構成要素の一部の遠近図である。
【図３】本開示のもう一つの実施形態による熱ガス経路構成要素の一部の遠近図である。
【図４】本開示の一実施形態による熱ガス経路構成要素の上面断面図である。
【図５】本開示の一実施形態による図４の熱ガス経路構成要素の一部の拡大スパン方向断面図である。
【図６】本開示のもう一つの実施形態による熱ガス経路構成要素の上面断面図である。
【図７】本開示の一実施形態による図６の熱ガス経路構成要素の一部の拡大スパン方向断面図である。
【図８】本開示のもう一つの実施形態による熱ガス経路構成要素の上面断面図である。
【図９】本開示の一実施形態による図８の熱ガス経路構成要素の一部の拡大スパン方向断面図である。
【図１０】本開示のもう一つの実施形態による熱ガス経路構成要素の上面断面図である。
【図１１】本開示の一実施形態による図１０の熱ガス経路構成要素の一部の拡大スパン方向断面図である。
【図１２】本開示のもう一つの実施形態による熱ガス経路構成要素の上面断面図である。
【図１３】本開示の一実施形態による図１２の熱ガス経路構成要素の一部の拡大スパン方向断面図である。
【図１４】本開示の一実施形態による熱ガス経路構成要素の図３の線１−１４に沿って見た拡大スパン方向断面図である。
【図１５】本開示の一実施形態による熱ガス経路構成要素の図２の線１５−１５に沿って見た拡大スパン方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
ここで開示の各実施形態を詳細に参照し、実施形態の１又は複数の例が図面に示されている。各々の例は開示の説明のために掲げられており、開示の制限のためではない。実際に、当業者には、開示の範囲又は要旨から逸脱することなく本開示において様々な改変及び変形を施し得ることは明らかとなろう。例えば、一つの実施形態の一部として図示され又は記載される各特徴をもう一つの実施形態と共に用いて、さらに他の実施形態を得てもよい。このように、本開示は、特許請求の範囲及び均等構成の範囲内にあるようなかかる改変及び変形を網羅するものとする。
【００１４】
図１は、公知のガス・タービン・システム１０の概略図である。システム１０は、圧縮機１２と、燃焼器１４と、タービン１６とを含み得る。圧縮機１２及びタービン１６はシャフト１８によって結合され得る。シャフト１８は単一のシャフトであってもよいし、シャフト１８を形成するように共に結合された複数のシャフト切片であってもよい。
【００１５】
タービン１６は、複数のタービン段を含み得る。例えば、一実施形態では、タービン１６は３段を有し得る。タービン１６の第一段は、複数の円周方向に隔設されたノズル及びバケットを含み得る。ノズルは、シャフト１８の周囲に円周方向に配設されて固定され得る。バケットは、シャフトの周囲に円周方向に配設されてシャフト１８に結合され得る。タービン１６の第二の段は、複数の円周方向に隔設されたノズル及びバケットを含み得る。ノズルは、シャフト１８の周囲に円周方向に配設されて固定され得る。バケットは、シャフト１８の周囲に円周方向に配設されてシャフト１８に結合され得る。タービン１６の第三の段は、複数の円周方向に隔設されたノズル及びバケットを含み得る。ノズルは、シャフト１８の周囲に円周方向に配設されて固定され得る。バケットは、シャフト１８の周囲に円周方向に配設されてシャフト１８に結合され得る。タービン１６の様々な段は、タービン１６において熱ガス経路に少なくとも部分的に配設されてよく、また熱ガス経路を少なくとも部分的に画定し得る。タービン１６は３段に限らず、任意の数の段が本開示の範囲及び要旨に含まれることを理解されたい。
【００１６】
同様に、圧縮機１２も複数の圧縮機段（不図示）を含み得る。圧縮機１２の段の各々が、複数の円周方向に隔設されたノズル及びバケットを含み得る。
【００１７】
タービン１６及び／又は圧縮機１２に含まれ得る熱ガス経路構成要素の一例を図２に参照番号３０によって示す。図示のような実施形態の例では、熱ガス経路構成要素３０はノズルである。しかしながら、代替的には、本開示による熱ガス経路構成要素３０は、バケット、シュラウド・ブロック、又はタービン・システム１０を流れる熱ガスの経路に配設され得る他の任意の適当な構成要素であってよい。ノズル３０は、シェル（殻）３２を含み得る。実施形態の各例では、シェル３２は、端キャップ３４と端キャップ３４との間に延在する翼型であってよい。シェル３２が翼型であるような実施形態では、シェル３２は全体的に空力外形を有し得る。例えば、シェル３２は、外面３６と内面３８（図４）とを有し得る。シェル３２が翼型であるような実施形態では、外面３６は、前縁４６と後縁４８との間に各々延在する正圧面（pressure side）４２及び負圧面（suction side）４４、又は他の任意の適当な空力外形を画定し得る。端キャップ３４の１又は複数は、開口（不図示）を画定し得る。開口は、当技術分野で周知のように、内面３８によって画定されるシェル３２の内部５２に冷媒５０を流すことができる。
【００１８】
図２に示すように、本開示による熱ガス経路構成要素３０はさらに、１又は複数の多孔質媒体６０を含んでいる。図示の実施形態では、１又は複数の多孔質媒体６０は複数の多孔質媒体挿入材６２で構成されており、挿入材６２はシェル３２の内部３８に隣接して配置されており、軸（ｘ）方向に（短軸に沿って）、半径（ｚ）方向に（長軸に沿って）、且つ円周（ｙ）方向に（厚みを通して）変化する浸透性を含むように構成されている（後述）。１又は複数の多孔質媒体６０は、矢印６４によって示すように、当該媒体６０を通して流れる冷媒５０について軸方向（短軸に沿って）、半径方向（長軸に沿って）及び円周方向（厚みを通して）での冷却材流れ分布を制御するように構成されている。１又は複数の多孔質媒体６０の各々は、図示のようなシェル３２の空力外形のような外形の方向又は他の任意の適当な方向等において、１又は複数の多孔質媒体６０の他のものから隔設されていてもよいし、１又は複数の多孔質媒体６０の他のものと当接し又は他の方法で接触していてもよい。代替的な実施形態では、単一の多孔質媒体６０が含まれて、本書に記載しているような変化する浸透性を有するように構成されていてもよい。
【００１９】
タービン１６及び／又は圧縮機１２に含まれ得る熱ガス経路構成要素のもう一つの例を図３に参照番号７０によって示す。様々な開示されている実施形態の全体にわたり類似の構成要素は類似の参照番号を有していることを理解されたい。図示の実施形態の例では、熱ガス経路構成要素７０は、図２の熱ガス経路構成要素３０と全体的に類似したノズルである。代替的には、本開示による熱ガス経路構成要素７０は、バケット、シュラウド・ブロック、又はタービン・システム１０を流れる熱ガスの経路に配設され得る他の任意の適当な構成要素であってよい。ノズル７０はシェル３２を含み得る。前述のように、シェル３２は、端キャップ３４と端キャップ３４との間に延在する翼型であってよい。シェル３２が翼型であるような実施形態では、シェル３２は、外面３６と内面３８（図４）とを含む全体的に空力外形を有し得る。外面３６は、前縁４６と後縁４８との間に各々延在する正圧面４２及び負圧面４４、又は他の任意の適当な空力外形を画定し得る。端キャップ３４の１又は複数は、開口（不図示）を画定し得る。開口は、当技術分野で周知のように、内面３８によって画定されるシェル３２の内部５２（図４）に冷媒５０を流すことができる。
【００２０】
図３に示すように、本開示による熱ガス経路構成要素７０はさらに、１又は複数の多孔質媒体６０を含んでいる。図示の実施形態では、１又は複数の多孔質媒体６０は複数の多孔質媒体挿入材６２で構成されており、挿入材６２は、シェル３２の内部３８に隣接して配置されており、軸（ｘ）方向に、半径（ｚ）方向に、且つ円周（ｙ）方向に変化する浸透性を含むように構成されている（後述）。図２に示す実施形態とは対照的に、この特定の実施形態では、１又は複数の多孔質媒体６０は、熱ガス経路構成要素７０の内部の既知の熱スポット７２及び既知の冷スポット７４の周囲に構成されている。さらに具体的には、１又は複数の多孔質媒体６０は、既知の熱スポット７２及び既知の冷スポット７２の周囲で矢印６４に示すような軸方向、半径方向、及び円周方向での冷却材流れ分布を制御して、当該媒体６０を通して流れる冷媒５０の流れを最適化し、また構成要素３０の熱い部分に最適化された冷却を提供するように構成されている。
【００２１】
ここで図４から図１５を参照すると、軸「ｘ」方向及び円周「ｙ」方向の両方において変化する浸透性を含む１又は複数の多孔質媒体６０を示す複数の実施形態が図示されている。幾つかの実施形態では、熱ガス経路構成要素３０、７０はさらに、熱ガス構成要素３０について図４及び図５に示すような衝突スリーブ８０を含み得る。さらに明確に述べると、図４には、本開示の実施形態による熱ガス経路構成要素、さらに明確に述べるとノズルの上面断面図が示されている。図５は、本開示の実施形態による図４の熱ガス経路構成要素の一部の拡大されたスパン方向又は半径方向断面図を示す。図示の実施形態では、衝突スリーブ８０は、少なくとも部分的にシェル３２の内部５２に、内面３８から隔設されて配設され得る。衝突スリーブ８０は外面８２及び内面８４を有することができ、シェル３２の外形と相似の外形を有し得る。さらに、衝突スリーブ８０は、内面８４と外面８２との間に延在している１又は複数の衝突通路８６（図５）を画定し得る。シェル３２の内部５２に流入する冷媒５０はこれらの衝突通路８６を流れることができる。他の実施形態では、熱ガス経路構成要素３０、７０は、任意の適当なスリーブを内部に含み得る。例えば、スリーブは、複数の隔設された板を含んでいてよく、板と板との間に冷媒５０を流すことができる。
【００２２】
かかる衝突通路８６は、円形若しくは長円形、方形若しくは矩形、三角形、又は他の任意の適当な多角形形状のような任意の適当な断面形状を有し得る。例えば、実施形態の幾つかの例では、衝突通路８６は全体的に円形の断面形状を有していてもよいし、他の例では、衝突通路８６は全体的に矩形の断面形状を有してスロットとして特徴付けられるものであってもよい。
【００２３】
図４及び図５にさらに示すように、本開示による熱ガス経路構成要素３０は、前述のように、１又は複数の多孔質媒体６０、さらに具体的には１又は複数の多孔質媒体挿入材６２を含んでいる。本開示による１又は複数の多孔質媒体６０の各々が外面６６及び内面６８を有している。一実施形態では、図５に最も分かり易く示されているように、外面６６は、シェル３２の内面３８に隣接して配置されている。熱ガス経路構成要素３０が図示のもののような衝突スリーブ８０、又は他の適当なスリーブを含んでいるような実施形態では、１又は複数の多孔質媒体６０は、熱ガス経路構成要素３０のシェル３２の内面３８と衝突スリーブ８０又は他の適当なスリーブとの間に配置されて、衝突スリーブ８０の外面８２が多孔質媒体６０の内面６８に隣接して配置されるようにしている。
【００２４】
本開示による１又は複数の多孔質媒体６０は、シェル３２の冷却のような熱ガス経路構成要素３０の改善された冷却を可能にし得るので有利である。例えば、実施形態の各例では、１又は複数の多孔質媒体６０は、冷媒５０が当該１又は複数の多孔質媒体６０を全体的に流れるためシェル３２からの伝導性熱伝達を可能にする。さらに他の実施形態では、後述するように、１又は複数の多孔質媒体６０は加えて、シェル３２の衝突冷却を考慮しており、このようにして熱ガス経路構成要素３０の冷却をさらに改善することができる。
【００２５】
本開示による１又は複数の多孔質媒体６０は、母材９０と１又は複数の空孔９２とを有する任意の適当な多孔質材料（１又は複数）から形成され得る。例えば、幾つかの実施形態では、母材９０のような１又は複数の多孔質媒体６０は、金属若しくは金属合金発泡材、セラミック母材複合発泡材のようなセラミック発泡材、又は炭素繊維発泡材から形成され得る。発泡材は典型的には、金属、セラミック、又は炭素繊維のような材料をもう一つの物質と混合し、次いで後者の物質を溶融させて取り除き、多孔質発泡材を残すことにより形成される。他の実施形態では、１又は複数の多孔質媒体６０は、例えば複数の共に充填された適当な材料のビーズ、又は他の任意の適当な材料（１若しくは複数）から形成され得る。１又は複数の多孔質媒体６０はこのように、当該媒体６０に冷媒５０を流すように構成され得る。冷媒５０は、シェル３２の内面３８と接触する前に１又は複数の多孔質媒体６０の空孔９２を流れ、このようにしてこの実施形態の例では対流冷却を促進することができる。
【００２６】
図５に示すように、一実施形態では、１又は複数の多孔質媒体６０は、シェル３２の空力外形のような外形の方向に連続であり、内面３８の断面プロファイルの実質的に全てが多孔質媒体６０に隣接するようになっている。他の実施形態では、内面３８の断面プロファイルの一部のみが多孔質媒体に隣接していてもよい。
【００２７】
さらに、各図面に示されているように、１又は複数の多孔質媒体６０は、局所流れ抵抗を制御する多次元特性を有しており、必要とされる区域への冷媒５０の制御を可能にする。さらに具体的には、多孔質媒体６０は、軸方向、半径方向、軸方向と半径方向、軸方向と円周方向、半径方向と円周方向、又は軸方向と半径方向と円周方向の一つにおいて変化する浸透性を含むように構成されている。多孔質媒体６０の浸透性を変化させることにより、当該媒体６０を通して流れる冷媒５０について軸方向、半径方向、軸方向と半径方向、軸方向と円周方向、半径方向と円周方向、又は軸方向と半径方向と円周方向の一つでの冷却材流れ分布の制御が可能になる。１又は複数の多孔質媒体６０の局所流れ抵抗を制御する能力によって、所与の量の冷媒５０の潜在的冷却能力が最大になる。一実施形態では、１又は複数の多孔質媒体６０は、当該媒体６０を通して流れる冷媒５０について軸「ｘ」方向、半径「ｚ」方向及び円周方向での冷却材流れ分布において変化する浸透性を含むように構成されている。さらに具体的には、１又は複数の多孔質媒体６０は、冷却流５０の流れを構成要素表面の様々な区域に導くように、軸方向、半径方向、及び円周方向での壁浸透性及び／又は孔隙率を調整することにより、軸方向、半径方向、及び円周方向での流れ分布を制御するように構成されることができ、例えば区画の浸透性が大きいほど冷却材流れが多くなる。図示の実施形態では、１又は複数の多孔質媒体６０は、軸方向に優先的な浸透性特性を有する。一実施形態では、浸透性は、軸方向に優先的に偏向され得る。この半径方向及び円周方向に対しての軸方向の調整は、冷却を必要とする特定の位置に冷却を提供するようにカスタムに画定され得る。
【００２８】
図５に示す実施形態では、多孔質媒体６０の浸透性は、前縁４６から後縁４８へ多孔質媒体６０を横断して軸方向「ｘ」において、且つ多孔質媒体６０の本体を横断して円周方向「ｙ」において変化する浸透性を含むように調整されている。この特定の実施形態では、流れ抵抗は、衝突スリーブ８０に隣接する多孔質媒体６０の部分、及び軸方向において前縁４６に近接した多孔質媒体６０の左手部分において相対的に大きい。多孔質媒体６０をこの態様で構成することにより、流れ抵抗が熱いシェル３２の近くで後縁４８へ向けて減少するため、多孔質媒体６０の内部では熱い構成要素壁、さらに具体的には熱いシェル３２、及び後縁４８へ向けて偏向される冷媒５０の非一様流れ分布が生ずる。この冷媒５０の非一様流れ分布は、多数の方向において浸透性が変化する単一の多孔質媒体挿入材６２を含めること、浸透性が変化する多数の多孔質媒体挿入材６２を含めること、又は冷媒５０の好ましい流れ方向に沿って配向された薄い固体（若しくは低浸透性多孔質媒体層）によって離隔された多数の多孔質媒体挿入材６２を含めることにより、達成され得ることが期待される。
【００２９】
上で示唆したように、一実施形態では、熱ガス経路構成要素３０は、１よりも多い多孔質媒体６０を含み得る。複数の多孔質媒体挿入材６２を含む一実施形態では、複数の多孔質媒体６０の各々が、図示のようなシェル３２の空力外形のような外形の方向等において又は他の任意の適当な方向において、１又は複数の多孔質媒体６０の他のものから隔設されていてもよいし、複数の多孔質媒体６０の他のものと当接し又は他の方法で接触していてもよい。
【００３０】
前述のように、図４及び図５に示す実施形態では、衝突スリーブ８０が、多孔質媒体６０の内面６８に対して離隔した関係で又は相接する等で隣接して配置され得る。これらの実施形態では、冷媒５０は、衝突スリーブ８０の衝突通路８６を通って１又は複数の多孔質媒体６０まで流れることができる。他の実施形態では、図６から図１３に示すように、衝突スリーブ８０が熱ガス経路構成要素３０に選択随意で含まれていてもよい。
【００３１】
実施形態の各例では、１又は複数の多孔質媒体６０は、シェル３２及び／又は選択随意要素の衝突スリーブ８０に接触し得る。このように、多孔質媒体６０の外面６６はシェル３２の内面３８に接触し得る。多孔質媒体６０の内面６８は、存在する場合には衝突スリーブ８０の外面８２に接触し得る。多孔質媒体６０がシェル３２及び／又は衝突スリーブ８０に接触しているような幾つかの実施形態では、１又は複数の多孔質媒体６０は圧入されていてもよいし、適当な接着剤若しくは結合工程等を通して接着させられていてもよいし、又は他の方法でシェル３２及び／若しくは衝突スリーブ８０に接続されていてよい。他の実施形態では、１又は複数の多孔質媒体６０は、シェル３２及び／又は衝突スリーブ８０から隔設されていてもよい。このように、本開示による１又は複数の多孔質媒体６０は、シェル３２及び衝突スリーブ８０の両方に接触していてもよいし、シェル３２及び衝突スリーブ８０の両方から隔設されていてもよいし、シェル３２又は衝突スリーブ８０の一方と接触してシェル３２又は衝突スリーブ８０の他方から隔設されていてもよい。
【００３２】
次に、図６及び図７を参照すると、図４から図１３に見られるようなこれらの実施形態の例では、図７に最も分かり易く示されているように、１又は複数の衝突通路８８が多孔質媒体６０にさらに画定され得る。衝突通路８８は、多孔質媒体６０の内面６８と外面６６との間に延在し得る。かかる衝突通路８８は、冷媒５０の各部分が当該衝突通路８８を通って流れてシェル３２の内面３８に衝突するようにして、シェル３２を衝突冷却することができる。さらに、冷媒５０の各部分は、衝突通路８６に入って衝突通路８８まで流れ、次いで衝突通路８８から多孔質媒体６０の空孔９２を通って流れて、このようにしてシェル３２の冷却を他の方法で促進することができる。
【００３３】
衝突通路８６と同様に、かかる衝突通路８８は、円形若しくは長円形、方形若しくは矩形、三角形、又は他の任意の適当な多角形形状のような任意の適当な断面形状を有し得る。例えば、実施形態の幾つかの例では、衝突通路８８は全体的に円形の断面形状を有していてもよいし、他の例では、衝突通路８８は全体的に矩形の断面形状を有してスロットとして特徴付けられるものであってもよい。衝突通路８８の断面積は、衝突通路８６の断面積よりも大きくても、同じでも、小さくてもよい。さらに、衝突通路８８は任意の適当な断面積を有することができ、この断面積は通路８８の全長に沿って一定であってもよいし、図７の最も左の衝突通路８８に示すように変化していてもよい。例えば、幾つかの実施形態では、通路８８は先細形であってもよいし、収斂した部分又は相対的に大きい部分を有していてもよい。
【００３４】
さらにまた、衝突通路８８は、直線であってもよいし、曲線であってもよいし、他の任意の適当な経路を有していてもよい。例えば、幾つかの実施形態では、衝突通路８８は曲線であってよいし、図７の最も右の衝突通路８８に示すように全体的に蛇行する経路を有していてもよい。他の実施形態では、衝突通路８８は単に直線経路を有し得る。
【００３５】
本開示による衝突通路８８は、多孔質媒体６０に穿孔されてもよいし、他の方法で形成されてもよい。衝突スリーブ８０が多孔質媒体６０に隣接しているような実施形態では、衝突スリーブ８０の衝突通路８６は、多孔質媒体６０の衝突通路８８と全体的に整列していてよい。多孔質媒体６０の内面６８が処理されているような実施形態（後述）では、衝突通路８８がこの処理表面を通して延在していてよい。
【００３６】
本開示によるシェル３２はさらに、図４から図１１に示すように１又は複数の冷却路９６を画定し得る。冷却路９６は、図５、図７、及び図９に示すようにシェル３２の内面３８と外面３６との間に延在していてもよいし、皮膜層（後述）の内面と外面との間に延在していてもよい。かかる冷却路９６は、任意の適当な断面形状、断面積、及び断面経路を有し得る。図７及び図９に最も分かり易く示されているように、幾つかの実施形態では、冷却路９６は、フィルム冷却路であってもよいし、角度付きであってもよいし、また当該冷却路９６を流れて排出される冷媒５０が次いでシェル３２の皮膜層（後述）及び／又は外面３６にフィルム冷却を提供するように形成されていてもよい。
【００３７】
１又は複数の冷却路９６は、図７に示すように多孔質媒体６０と整列していてもよく、すなわち内部に画定されている衝突通路８８と整列していてよい。衝突通路８６及び／又は８８並びに多孔質媒体６０を通して流れる冷媒５０は、冷却路９６に流入して、通過して流れることができる。幾つかの実施形態では、図５に示すように、冷却路９６は内面３８と外面３６との間でシェル３２のみを通過して延在する。他の実施形態では、図９に示すように、冷却路９６はさらに、多孔質媒体６０の内部まで少なくとも部分的に延在して多孔質媒体６０に少なくとも部分的に画定されていてもよい。例えば、冷却路９６は、図示のように多孔質媒体６０の外面６６を通して延在し得る。
【００３８】
図６及び図７にさらに示すように、幾つかの実施形態では、多孔質媒体６０の内面６８は、研削、充填、鑞付け、溶接、はんだ付け、被覆、又は内面６８を適当に封止する他の任意の適当な処理手法等で処理され得る。かかる処理は内面６８を封止して、多孔質媒体６０に画定されている空孔９２が内面６８まで延在しないようにする。次いで、衝突通路８６のような通路が処理表面を通して形成され得る。冷却路９６はまた、当該冷却路９６に冷媒５０を流すように、前述のようにシェル３２を通して形成され得る。加えて、前述のような１又は複数の衝突通路８８がさらに多孔質媒体６０に画定され得る。衝突通路８８は多孔質媒体６０の内面６８と外面６６との間に延在していてよい。
【００３９】
図８から図１１にさらに示すように、幾つかの実施形態では、１又は複数の多孔質媒体６０は、シェル３２の外面３６に配設されていてもよい。一実施形態では、図８及び図９に最も分かり易く示されているように、１又は複数の多孔質媒体６０は、ＴＢＣ接着皮膜９４又は他の皮膜層等によって処理され得る。かかる処理は１又は複数の多孔質媒体６０の外面６６を封止して、１又は複数の多孔質媒体６０に画定されている空孔９２が外面６６まで延在しないようにする。衝突通路８６のような通路は、当該衝突通路８８に冷媒５０を流すように、シェル３２を通して形成されていてもよいし、且つ／又は衝突通路８８は前述のように処理された外面６６を通して形成されていてもよい。１又は複数の冷却路９６は、前述のような皮膜層９４を通して形成され得る。外面６６の処理はさらに、研削、充填、鑞付け、溶接、はんだ付け、又は外面６６を適当に封止する他の任意の適当な処理手法を含み得る。
【００４０】
一実施形態では、図１０及び図１１に最も分かり易く示されているように、１又は複数の多孔質媒体６０を露出させたままにして、前述の衝突スリーブ８６のようなスリーブを含まず、また前述のような研削、充填、鑞付け、溶接、はんだ付け、若しくはＴＢＣ接着皮膜９４等による被覆等、又は他の皮膜層による表面処理も含まないようにする。所載の実施形態では冷媒５０の流れは１又は複数の多孔質媒体６０を通して浸出冷却として流出する。
【００４１】
さらにもう一つの実施形態では、図１２及び図１３に最も分かり易く示されているように、多孔質媒体６０はシェル３２と直列に配設されて、複数の不連続的な多孔質帯９８を含んでいてもよい。この実施形態では、冷媒５０の流れは浸出冷却として多孔質媒体６０を通して流出する。一実施形態では、複数の不連続的な多孔質帯９８の各々の多孔質帯９８の内部での浸透性及び／又は孔隙率は、浸出冷却が最も必要とされる箇所に最大浸出冷却を配置するように調節され得る。一実施形態では、翼型３０の一つの区画が比較的高い熱負荷を有する場合には、この領域の多孔質媒体６０は最低の浸透性を有し得る。さらに、この多孔質媒体６０の最も下流の部分は、最大量の冷却材媒体５０がこの領域において流出するように最低の浸透性を有し得る。
【００４２】
ここで図１４及び図１５を参照すると、１又は複数の多孔質媒体６０のスパン方向部分が示されており、媒体６０は、当該媒体６０を通して流れる冷却流体５０の流れを調整して制御するように変化する浸透性及び／又は孔隙率を含んでいる。１又は複数の多孔質媒体６０は、前述のように、局所流れ抵抗を制御する多次元的特性を含んでおり、これにより必要とされる区域への冷媒５０の制御を可能にする。１又は複数の多孔質媒体６０の浸透性及び／又は孔隙率を調整することにより、流れ抵抗は、所与の量の冷媒５０のための冷却材の潜在的能力を最大にするように制御されることが可能である。さらに具体的には、図１４には、熱ガス構成要素３０又は７０と全体的に類似した熱ガス構成要素１００の中央のスパン方向部分が示されており、１又は複数の多孔質媒体６０は、矢印「ｚ」によって示すようにスパン方向に変化する浸透性及び／又は孔隙率を示している。１又は複数の多孔質媒体６０は図示のように、熱ガス構成要素１００のスパンの外側部分１０４に隣接した区域に増大した流れ抵抗１０２を含んでおり、熱ガス構成要素１００のスパンの中央部分１０８に隣接した区域に減少した流れ抵抗１０６を含んでいる。矢印１１０によって示すように、１又は複数の多孔質媒体６０の浸透性及び／又は孔隙率の調整は、内向きの流れ、及び中央部分１０８での冷却材媒体５０の流れの増大を提供する。
【００４３】
ここで図１５を参照すると、熱ガス構成要素３０又は７０に全体的に類似した熱ガス構成要素２００のスパン方向部分が示されており、１又は複数の多孔質媒体６０は、矢印「ｚ」によって示すようにスパン方向に変化する浸透性及び／又は孔隙率を示している。この特定の実施形態では、１又は複数の多孔質媒体６０は図示のように、スパンの外側部分１０４に隣接した区域に減少した流れ抵抗１０６を含んでおり、スパンの中央部分１０８に隣接した区域に増大した流れ抵抗１０２を含んでいる。矢印１１０によって示すように、１又は複数の多孔質媒体６０の変化する浸透性及び／又は孔隙率は、外向きの流れ、及び外側部分１０４での冷却材媒体５０の流れの増大を提供する。
【００４４】
従って、１又は複数の多孔質媒体を含む熱ガス構成要素の各実施形態が記載されており、この実施形態では、浸透性及び／又は孔隙率に関する１又は複数の多孔質媒体の調整によって、熱ガス構成要素の特定の区域における増大した冷却を可能にしている。さらに具体的には、多孔質媒体の浸透性及び／又は孔隙率をスパン方向（半径方向）及び軸方向（前縁から後縁へ流れる熱ガス経路の流れ）に調整することにより、翼型に対する冷却材媒体の流れの方向制御が達成される。多孔質媒体の浸透性及び／又は孔隙率を、厚みの方向又は円周方向（多孔質媒体が前縁／後縁に垂直な側面に配設されている場合）、及び／又は軸方向（多孔質媒体が前縁に配設されている場合）、及び／又は半径方向（多孔質媒体が端部壁に配設されている場合）において変化させることにより、どれだけの冷却材が翼型表面に隣接しているかの制御が達成される。
【００４５】
この書面の記載は、最適な態様を含めて各実施形態を開示し、また任意の装置又はシステムを製造して利用すること及び任意の組み込まれた方法を実行することを含めてあらゆる当業者が本書に開示されている実施形態を実施することを可能にするように実例を用いている。特許付与可能な本開示の範囲は特許請求の範囲によって画定されており、当業者に想到される他の実例を含み得る。かかる他の実例は、特許請求の範囲の書字言語に相違しない構造要素を含む場合、又は特許請求の範囲の書字言語と非実質的な相違を有する等価な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００４６】
１０：ガス・タービン・システム
１２：圧縮機
１４：燃焼器
１６：タービン
１８：シャフト
２０：熱ガス経路
３０：熱ガス経路構成要素
３２：シェル
３４：端キャップ
３６：外面
３８：内面
４０：熱ガス経路構成要素
４２：正圧面
４４：負圧面
４６：前縁
４８：後縁
５０：冷媒
５２：内部
６０：多孔質媒体
６２：複数の挿入材
６４：矢印
６６：外面
６８：内面
７０：熱ガス経路構成要素
７２：熱スポット
７４：冷スポット
７６：矢印
８０：衝突スリーブ
８２：外面
８４：内面
８６、８８：衝突通路
９０：母材
９２：空孔
９４：ＴＢＣ接着皮膜
９６：冷却路
９８：多孔質帯
１００：熱ガス構成要素
１０２：増大した流れ抵抗
１０４：外側部分
１０６：減少した流れ抵抗
１０８：中央部分
１１０：空気流
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2014206154.tif 000014
【図１３】
2014206154.tif 000015
【図１４】
2014206154.tif 000016
【図１５】
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【外国語明細書】
2014206154000001.pdf