(57)【要約】【課題】非直線状冷却コンジットを有するタービンノズルを提供すること。【解決手段】非直線状冷却コンジットを有するタービンノズルを開示する。一実施形態ではタービンノズルは、エアフォイルと、エアフォイルに隣接する少なくとも１つの端部壁と、これらエアフォイルと少なくとも１つの端部壁とを接続している外側表面を含むフィレット領域と、を含む。このタービンノズルはさらに、フィレット領域の内部でかつフィレット領域の外側表面に隣接して配置された非直線状冷却コンジットを含んでおり、この非直線状冷却コンジットによってフィレット領域を通過する流体フローが可能となる。この非直線状冷却コンジットは、エアフォイルのアキシャル長方向に実質的に沿ってエアフォイルの前縁とエアフォイルの後縁の間に及んでいる。さらにこの非直線状冷却コンジットは、エアフォイルの弧状プロフィールと実質的に同様の弧状プロフィールを含む。【選択図】図１
2014098386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアフォイルと、
エアフォイルに隣接する少なくとも１つの端部壁と、
エアフォイルと少なくとも１つの端部壁とを接続している外側表面を含むフィレット領域と、
フィレット領域の内部でかつフィレット領域の外側表面に隣接して配置された非直線状冷却コンジットであってフィレット領域を通過する流体フローを可能にするための非直線状冷却コンジットと、
を備えるタービンノズル。
【請求項２】
前記エアフォイルは、
前縁と、
前縁の反対にある後縁であって、非直線状冷却コンジットはエアフォイルのアキシャル長方向に実質的に沿って該前縁と後縁の間に及んでいる後縁と、
を含んでいる、請求項１に記載のタービンノズル。
【請求項３】
前記エアフォイルは圧力フェースを含んでおり、かつ前記非直線状冷却コンジットはエアフォイルの該圧力フェースの近傍に配置されている、請求項１に記載のタービンノズル。
【請求項４】
前記エアフォイルは吸収フェースを含んでおり、かつ前記非直線状冷却コンジットはエアフォイルの該吸収フェースの近傍に配置されている、請求項１に記載のタービンノズル。
【請求項５】
前記非直線状冷却コンジットはエアフォイルの弧状プロフィールと実質的に同様の弧状プロフィールを含む、請求項１に記載のタービンノズル。
【請求項６】
前記エアフォイルは、非直線状冷却コンジットに流体接続された、内側表面を含んだ少なくとも１つのキャビティを含む、請求項１に記載のタービンノズル。
【請求項７】
前記非直線状冷却コンジットは、
少なくとも１つのキャビティの内側表面の上に配置されたインレットと、
フィレット領域の外側表面の上に配置されたアウトレットと、
を含む、請求項６に記載のタービンノズル。
【請求項８】
前記アウトレットは、
タービンノズルの上を流れるタービン流体の流路と、
タービンノズルのエアフォイルの内部に配置された排出キャビティと、
のうちの一方に流体接続されている、請求項７に記載のタービンノズル。
【請求項９】
前記非直線状冷却コンジットはさらに、
内側表面と、
非直線状冷却コンジットの内側表面の上に形成させた、非直線状冷却コンジットを通過する流体フローを変更するための少なくとも１つのタービュレータと、
を含む、請求項１に記載のタービンノズル。
【請求項１０】
フィレット領域の内部でかつフィレット領域の外側表面に隣接して配置された複数の非直線状冷却コンジットをさらに含む請求項１に記載のタービンノズル。
【請求項１１】
エアフォイルと、
エアフォイルの内部に配置されている、内側表面を含んだ少なくとも１つのキャビティと、
エアフォイルに隣接する少なくとも１つの端部壁と、
エアフォイルと少なくとも１つの端部壁とを接続している外側表面を含むフィレット領域と、
エアフォイル内部でフィレット領域の外側表面を通過してキャビティまで延びる開口部と、
少なくとも１つのキャビティの内側表面の一部の上に開口部と実質的に隣接して形成された溝と、
開口部及び少なくとも１つのキャビティの内側表面の上に形成された溝の一部の上に位置決めされたカバープレートであって、該衝突プレートは該キャビティとフィレット領域の外側表面の間で非直線状冷却コンジットを形成しているカバープレートと、
を備えるタービンノズル。
【請求項１２】
前記エアフォイルは、
前縁と、
後縁と、を含んでおり、
前記溝は、エアフォイルのアキシャル長方向に実質的に沿って該前縁と後縁の間に及んでいる、請求項１１に記載のタービンノズル。
【請求項１３】
前記エアフォイルは圧力フェースを含んでおり、かつ前記非直線状冷却コンジットはエアフォイルの該圧力フェースの近傍に配置されている、請求項１１に記載のタービンノズル。
【請求項１４】
前記エアフォイルは吸収フェースを含んでおり、かつ前記非直線状冷却コンジットはエアフォイルの該吸収フェースの近傍に配置されている、請求項１１に記載のタービンノズル。
【請求項１５】
前記キャビティは、非直線状冷却コンジットを介してタービンノズルのフィレット領域を冷却するための冷却用流体を含む、請求項１１に記載のタービンノズル。
【請求項１６】
前記非直線状冷却コンジットは、
キャビティの内側表面の上に配置されたインレットと、
フィレット領域の外側表面の上に配置されたアウトレットと、
を含む、請求項１１に記載のタービンノズル。
【請求項１７】
前記非直線状冷却コンジットのアウトレットは、
タービンノズルの上を流れるタービン流体の流路と、
タービンノズルのエアフォイルの内部に配置された排出キャビティと、
のうちの一方に流体接続されている、請求項１６に記載のタービンノズル。
【請求項１８】
コンプレッサと、
コンプレッサと流体連通する燃焼器と、
燃焼器と流体連通している少なくとも１つのタービンノズルを含んだタービンと、
を備えるタービンシステムであって、該少なくとも１つのタービンノズルは、
エアフォイルと、
エアフォイルに隣接する少なくとも１つの端部壁と、
エアフォイルと少なくとも１つの端部壁とを接続している外側表面を含むフィレット領域と、
フィレット領域の内部でかつフィレット領域の外側表面に隣接して配置された非直線状冷却コンジットであってタービンシステムの動作時においてフィレット領域を通過する流体フローを可能にするための非直線状冷却コンジットと、
を含んでいる、タービンシステム。
【請求項１９】
前記少なくとも１つのタービンノズルのエアフォイルは、
前縁と、
前縁の反対にある後縁であって、エアフォイルのアキシャル長方向に実質的に沿って非直線状冷却コンジットが該前縁と後縁の間に及んでいる後縁と、
を含んでいる、請求項１８に記載のタービンシステム。
【請求項２０】
前記非直線状冷却コンジットはエアフォイルの弧状プロフィールと実質的に同様の弧状プロフィールを含む、請求項１８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】
本明細書に開示した主題はタービンシステムに関する。具体的には本明細書に開示した主題は、タービンノズル及び／または翼、並びにこうしたノズル及び／または翼を有するタービンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃焼タービンシステムは典型的には、取り入れた空気を圧縮しその圧縮空気を燃焼器デバイスに送るためのコンプレッサデバイスを含んでおり、この燃焼器デバイスで圧縮空気が燃料と混合される。圧縮空気が燃料と混合されると、その空気−燃料混合物に点火し高温の気体フローを発生させ、これをタービンデバイスに提供して機械的仕事を実行させることが可能である。このタービンデバイスは、複数の固定子翼の上に高温気体を通過させてタービンデバイスのブレードを回転させることによってパワーを発生させている。静止した翼と回転するブレードは、高温の気体フローがタービンデバイスを通過するように導くことによってパワー発生を支援することができる。
【０００３】
従来のタービンシステムの効率は、タービンデバイスを通過させる高温の気体フローの温度を上昇させることによって高めることが可能である。しかし、高温の気体フローの温度を上昇させる能力は、固定子翼と回転ブレードがその高温気体フローの高い温度に耐える能力によって制限される。より具体的には、翼／ブレードのフィレット領域（例えば、エアフォイルと端部壁の間の幾何学的な移行ゾーン）は、タービンデバイス内部で高温の気体フローの温度を上昇させたときに機械的な不良を生じる最初の部分となることが典型的である。従来では、翼／ブレードによって冷却機能が利用されていた。より具体的には、従来のタービン翼／ブレードは、翼／ブレードのフィレット領域またはエアフォイル部分内まで直接開けた複数の冷却用穴を含む。この冷却用穴は、エアフォイルのキャビティと翼／ブレードの外部表面との間に冷却用通路を形成している。この経路は、従来のタービンシステムの動作時にその温度を低下させるために翼／ブレード全体に冷却用流体（例えば、冷却用空気）を提供している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７９２７０７３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、こうした穴は翼／ブレード内に表面に対してある浅い角度で直接穿たれているため、製造中に破砕（ｓｐａｌｌａｔｉｏｎ）（例えば、材料層の断片化（ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ））を生じるのが典型的である。翼／ブレードの上に形成されたセラミック層の破砕は、機械的強度を低下させる可能性があり、これにより翼／ブレードの早期の機械的不良を生じさせかねない。破砕はさらに、翼／ブレード内に機械的欠陥を生じさせる可能性もあり、こうなるとこの不良の翼／ブレードを従来のタービンシステムで用いることはできない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
非直線状冷却コンジットを有するタービンノズルを開示する。一実施形態ではそのタービンノズルは、エアフォイルと、エアフォイルに隣接する少なくとも１つの端部壁と、これらエアフォイルと少なくとも１つの端部壁とを接続している外側表面を含むフィレット領域と、フィレット領域の内部でかつフィレット領域の外側表面に隣接して配置された非直線状冷却コンジットであってフィレット領域を通過する流体フローを可能にするための非直線状冷却コンジットと、を含む。
【０００７】
本発明の第１の態様は、エアフォイルと、エアフォイルに隣接する少なくとも１つの端部壁と、これらエアフォイルと少なくとも１つの端部壁とを接続している外側表面を含むフィレット領域と、フィレット領域の内部でかつフィレット領域の外側表面に隣接して配置された非直線状冷却コンジットであってフィレット領域を通過する流体フローを可能にするための非直線状冷却コンジットと、を含んだタービンノズルを含む。
【０００８】
本発明の第２の態様は、エアフォイルと、エアフォイルの内部に配置されている内側表面を含んだキャビティと、エアフォイルに隣接する少なくとも１つの端部壁と、これらエアフォイルと少なくとも１つの端部壁とを接続している外側表面を含むフィレット領域と、エアフォイル内部でフィレット領域の外側表面を通過してキャビティまで延びる開口部と、少なくとも１つのキャビティの内側表面の一部の上に開口部と実質的に隣接して形成された溝と、開口部及び少なくとも１つのキャビティの内側表面の上に形成された溝の一部の上に位置決めされたカバープレートであってキャビティとフィレット領域の外側表面の間で非直線状冷却コンジットを形成しているカバープレートと、を含んだタービンノズルを含む。
【０００９】
本発明の第３の態様は、コンプレッサと、コンプレッサと流体連通する燃焼器と、燃焼器と流体連通している少なくとも１つのタービンノズルを含んだタービンと、を有するタービンシステムを含む。この少なくとも１つのタービンノズルは、エアフォイルと、エアフォイルに隣接する少なくとも１つの端部壁と、これらエアフォイルと少なくとも１つの端部壁とを接続している外側表面を含むフィレット領域と、フィレット領域の内部でかつフィレット領域の外側表面に隣接して配置された非直線状冷却コンジットであってタービンシステムの動作時にフィレット領域を通過する流体フローを可能にするための非直線状冷却コンジットと、を含む。
【００１０】
本発明のこれらの特徴及びその他の特徴については、本発明の様々な実施形態を図示した添付の図面に関連して取り上げた本発明の様々な態様に関する以下の詳細な説明からより容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に従った非直線状冷却コンジットを含んだタービンノズルの切開斜視概要図である。
【図２】本発明の実施形態に従った非直線状冷却コンジットを含んだタービンノズルの断面図である。
【図３】本発明の代替的実施形態に従った非直線状冷却コンジットを含んだタービンノズルの断面図である。
【図４】本発明の実施形態に従った非直線状冷却コンジットを含んだタービンノズルの一部分の断面図である。
【図５】本発明の別の代替的実施形態に従った非直線状冷却コンジットを含んだタービンノズルの断面図である。
【図６】本発明のさらに別の代替的実施形態に従った非直線状冷却コンジットを含んだタービンノズルの断面図である。
【図７】本発明の実施形態に従ったタービュレータを有する非直線状冷却コンジットを含んだタービンノズルの一部分の断面図である。
【図８】本発明の実施形態に従った非直線状冷却コンジット及びカバープレートを含んだタービンノズルの一部分の断面図である。
【図９】本発明の実施形態に従った非直線状冷却コンジット及びカバープレートを含んだタービンノズルの断面図である。
【図１０】本発明の代替的実施形態に従った非直線状冷却コンジット及びカバープレートを含んだタービンノズルの断面図である。
【図１１】本発明のさらに別の代替的実施形態に従った非直線状冷却コンジット及び衝突プレートを含んだタービンノズルの一部分の断面図である。
【図１２】本発明の実施形態に従ったタービンノズルを含んだタービンシステムの概要図である。
【図１３】本発明の実施形態に従ったタービンノズルを含んだタービンの一部分の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の図面は必ずしも縮尺通りでないことに留意されたい。本図面は、本発明の典型的な態様を図示するだけの意図であり、したがって本発明の趣旨を制限するものと考えるべきではない。これらの図面において、図面同士で同じ要素を同じ番号付けによって表している。
【００１３】
本明細書に記載したように本発明の態様は、タービンシステムに関する。具体的には本発明の態様は、非直線状冷却コンジットを有するタービンノズル並びにこうしたノズルを利用するタービンに関する。
【００１４】
図１を見ると、非直線状冷却コンジットを含んだタービンノズルの切開斜視概要図を本発明の様々な実施形態に従って表している。タービンノズル１００は、静止ノズルアセンブリ内の固定子翼（静止ノズル）、あるいは従来の任意のタービンシステム（例えば、ガスタービンシステム、蒸気タービン、システム、その他）向けの１組の回転子エアフォイル内部の非静止の（例えば、回転する）エアフォイルを含むことが可能である。様々な実施形態ではタービンノズル１００は、ガスタービン静止ノズルアセンブリ（例えば本明細書に記載したタービンノズル１００と同様の特徴を含むことがある複数のタービンノズルを含む）の一部である。
【００１５】
タービンノズル１００は、エアフォイル１０２と、エアフォイル１０２に隣接する少なくとも１つの端部壁１０４と、エアフォイル１０２と少なくとも１つの端部壁１０４を接続するフィレット領域１０６と、を含むことがある。フィレット領域１０６は、タービンノズル１００の製造中に形成されることがある。より具体的にはエアフォイル１０２と端部壁１０４は、例えば溶接、ろう付け、締付その他といった現在知られている任意の機械的結合方法あるいは将来開発されるであろう方法によって機械的に結合された別々の構成要素とすることがある。この例ではフィレット領域１０６が、互いに結合させ得ることがあるエアフォイル１０２と端部壁１０４のそれぞれの界面の位置に形成されることがある。タービンノズル１００を単一のタービン構成要素として作成する代替的な一実施形態では、フィレット領域１０６はタービンノズル１００の鋳造過程中に作成されることがある。より具体的にはフィレット領域１０６を、例えば一体鋳造、鍛造、フライス切削、射出成形その他など現在知られている任意の形成技法あるいは将来開発されるであろう技法によって単一構成要素タービンノズル１００に対する同じ形成過程中に形成することがある。タービンノズル１００は、従来の燃焼タービンシステムで使用されるノズルを作成するために用いられる従来の任意の材料（例えば、チタン合金）から製作されることがある。さらにタービンノズル１００は、タービンノズル１００の形成に使用される材料と比較してより低熱伝導率のセラミック層や別の任意の従来式の熱障壁材料でコーティングされることがある。タービンノズル１００のコーティングは、当技術分野で周知のような従来の燃焼タービンシステムの高温に耐えるために用いられることがある。
【００１６】
タービンノズル１００が固定子翼である実施形態では、エアフォイル１０２は従来の固定子エアフォイルとすることがあり、また端部壁１０４は翼側壁とすることがある。タービンノズル１００を回転式のエアフォイルとし得るような代替的な一実施形態では、エアフォイル１０２を従来の動翼エアフォイルとすることがあり、また端部壁１０４を従来の動翼ベースまたはプラットフォームとすることがある。
【００１７】
一実施形態では図１に示したようにタービンノズル１００はさらに、フィレット領域１０６の内部でかつフィレット領域１０６の外側表面１１０に隣接して配置された非直線状冷却コンジット１０８を含むことがある。非直線状冷却コンジット１０８はタービンノズル１００のフィレット領域１０６を通過する流体フローを可能とし得る。より具体的には非直線状冷却コンジット１０８は、高温の気体フロー１１２がタービンノズル１００の上を通過する際にフィレット領域１０６を冷却するために非直線状冷却コンジット１０８の長さ方向に冷却用流体を運ぶことができる。
【００１８】
一実施形態では図１及び２に示したようにエアフォイル１０２はさらに、前縁１１３と、前縁１１３の反対にある後縁１１４と、を含むことがある。より具体的には、前縁１１３はその上に高温の気体フロー１１２を通過させ得るタービンノズル１００の第１の部分とすることがある。前縁１１３は、当技術分野で周知のようにタービンノズル１００のエアフォイル１０２の周りのフローを得るように高温気体フロー１１２を実質的に２つの別々の流路（例えば、圧力側と吸収側）に分割することがある。後縁１１４は、高温の気体フロー１１２がタービンノズル１００のエアフォイル１０２から離れるように流れる際に高温の気体フロー１１２を所望の方向に導くことがある。さらに図１及び２に示したように、非直線状冷却コンジット１０８は実質的にエアフォイル１０２のアキシャル長さ（Ｌ）方向で前縁１１３と後縁１１４の間に及ぶことがある。より具体的に非直線状冷却コンジット１０８は、エアフォイル１０２のアキシャル長さの大部分（例えば、５０％より大きい）に及ぶことがある。直線錐もみ（例えば、直線的コンジット）によって形成されかつ従来のエアフォイルのフェース（ｆａｃｅ）と実質的に直交して形成されるのが典型的であるような従来の冷却用穴と異なり、非直線状冷却コンジット１０８はフィレット領域１０６内部においてタービンノズル１００のエアフォイル１０２のアキシャル長さ（Ｌ）の大部分に沿って位置決めされることがある。一実施形態では図１及び２に示したようにエアフォイル１０２は、圧力フェース１１５及び吸収フェース１１６を含むことがある。図１及び２に示したように非直線状冷却コンジット１０８は、エアフォイル１０２の圧力フェース１１５に接近して配置されることがある。図３に示したような代替的な一実施形態では、非直線状冷却コンジット１０８をエアフォイル１０２の吸収フェース１１６に接近して配置させることがある。
【００１９】
図１〜３に示したように非直線状冷却コンジット１０８は、エアフォイル１０２の弧状プロフィールと実質的に同様の弧状プロフィールを含むことがある。すなわち非直線状冷却コンジット１０８は、アキシャル長（Ｌ）を基準として実質的に非直線状とすることがあり、またエアフォイル１０２のそれぞれのフェース（例えば、圧力フェース１１５、吸収フェース１１６）と実質的に同様の弧状プロフィールを有する弧状プロフィールを含むことがある。一実施形態では図２に示したように、非直線状冷却コンジット１０８は、エアフォイル１０２の圧力フェース１１５の弧状プロフィールと実質的に同様の弧状プロフィールを有する部分を含むことがある。非直線状冷却コンジット１０８を吸収側１１６に接近して配置させるような図３に示した代替的な一実施形態では、非直線状冷却コンジット１０８は、エアフォイル１０２の吸収フェース１１６の弧状プロフィールと実質的に同様の弧状プロフィールを有する部分を含むことがある。
【００２０】
図１〜２に示したようにエアフォイル１０２は、内側表面１２０を有する少なくとも１つの冷却用流体キャビティ１１８を含むことがある。少なくとも１つの冷却用流体キャビティ１１８は、非直線状冷却コンジット１０８に流体接続させることがあり、また非直線状冷却コンジット１０８に冷却用流体（例えば、冷却用空気）を提供することがある。冷却用流体キャビティ１１８は、冷却用流体キャビティ１１８に冷却用流体を提供するために、従来の任意の内部流路または外部流路から冷却用流体を受け取ることがある。一実施形態では図４に最適に示したように端部壁１０４は、冷却用流体キャビティ１１８に冷却用流体を提供するために冷却用流体キャビティ１１８と流体連通する端部壁開口部１２２を含むことがある。すなわち冷却用流体キャビティ１１８の下方に位置決めされた冷却用流体は、端部壁開口部１２２を介して端部壁１０４を通過して冷却用流体キャビティ１１８内に流れ込むことがある。エアフォイル１０２は、少なくとも１つのキャビティ（例えば、冷却用流体キャビティ１１８、排出キャビティ１２８（図５））を含むことがあること、より具体的には複数のキャビティを含むことがあることに留意されたい。エアフォイル１０２のキャビティはエアフォイル１０２内部に任意の幾何学的寸法で構成させることができ、キャビティがエアフォイル１０２内に形成されているためにエアフォイル１０２の一部分を実質的に中空とすることができる。このように、エアフォイル１０２のキャビティ（例えば、冷却用流体キャビティ１１８、排出キャビティ１２８（図５））に関して図示した寸法及び数は単に例示的な実施形態に過ぎず、かつエアフォイル１０２のキャビティは本明細書に記載した実施形態に従った任意の数の構成を含み得ることにも留意されたい。
【００２１】
図１及び２を見ると、非直線状冷却コンジット１０８はさらに、冷却用流体キャビティ１１８の内側表面１２０上に配置されたインレット１２４を含むことがある。非直線状冷却コンジット１０８のインレット１２４は冷却用流体キャビティ１１８から冷却用流体を受け取ることがある。より具体的には、図２に最適に示したようにインレット１２４は、非直線状冷却コンジット１０８を通過する冷却用流体の動きを得るために冷却用流体キャビティ１１８から冷却用流体を連続して受け取ることがある。
【００２２】
一実施形態では、図１及び２に最適に示したように非直線状冷却コンジット１０８はさらに、フィレット領域１０６の外側表面１１０上に配置されたアウトレット１２６を含むことがある。非直線状冷却コンジット１０８のアウトレット１２６は、非直線状冷却コンジット１０８から冷却用流体を排出することがある。より具体的には図１及び２に示したようにアウトレット１２６は、非直線状冷却コンジット１０８を通って流れる冷却用流体を受け取ることがあり、またタービンノズル１００から冷却用流体を排出することがある。一実施形態では図１及び２に示したように、アウトレット１２６はタービンノズル１００の上を流れるタービン流体の流路（例えば、高温の気体フロー１１２）と流体接続させることがある。より具体的にはアウトレット１２６は、高温の気体フロー１１２がタービンノズル１００の上を通過する際に冷却用流体を高温の気体フロー１１２の流路に排出することがある。
【００２３】
代替的な実施形態では図５及び６に示したように、タービンノズル１００のエアフォイル１０２はさらに排出キャビティ１２８を含むことがある。排出キャビティ１２８は、タービンノズル１００のエアフォイル１０２の内部に配置させることがあり、また冷却用流体キャビティ１１８に実質的に隣接させることがある。さらに排出キャビティ１２８は、排出される冷却用流体を非直線状冷却コンジット１０８から受け取ることがある。一実施形態では図５及び６に示したように、アウトレット１２６を排出キャビティ１２８に流体接続させることがある。より具体的には、アウトレット１２６を排出キャビティ１２８の内側表面１３０上に配置させることがあり、また冷却用流体を非直線状冷却コンジット１０８のアウトレット１２６からタービンノズル１００の排出キャビティ１２８に排出させることがある。
【００２４】
図４に戻ると、本発明の実施形態に従った非直線状冷却コンジット１０８を含むタービンノズル１００の一部分の断面図を提示している。図面においては、実質的に同様の方式で機能し得る実質的に同様の構成要素を、同様に番号付けした構成要素で示すことがあることに留意されたい。これらの構成要素に関しては明瞭にするため重複して説明していない。図４に示したようにタービンノズル１００はさらに、外側表面１１０の上に少なくとも１つの熱障壁コーティング１３２を含むことがある。熱障壁コーティング１３２によってタービンノズル１００がさらに冷却されることがある。より具体的には熱障壁コーティング１３２はまた、タービンノズル１００の隔絶体の役割をさせ、これによりタービンノズルの外側表面１１０が高温の気体フローと直接接触するのを熱障壁コーティング１３２によって防止させることができる。さらに、インレット１２４によって冷却用流体が受け取られて非直線状冷却コンジット１０８を通って移動する前に冷却用流体キャビティ１１８内部で冷却用流体の温度が上昇しないように熱障壁コーティング１３２によって実質的に防止することがある。
【００２５】
図７を見ると、本発明の実施形態に従った少なくとも１つのタービュレータ１３４を有する非直線状冷却コンジット１０８を含んだタービンノズル１００の一部分の断面図を提示している。一実施形態では図７に示したように非直線状冷却コンジット１０８はさらに、内側表面１３６と、非直線状冷却コンジット１０８の内側表面１３６上に形成させた少なくとも１つのタービュレータ１３４と、を含むことがある。タービュレータ１３４は図７に示したように、非直線状冷却コンジット１０８を通過する流体フローに変更を加えることがある。より具体的にはタービュレータ１３４によって非直線状冷却コンジット１０８の内側表面１３６にざらつき（ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）を与え、これが冷却をより効率的にするように表面積及び乱流混合を増加させることによって、非直線状冷却コンジット１０８内部の熱転送を部分的に強化させることができる。最後に、タービュレータ１３４を含めることによって、非直線状冷却コンジット１０８を通って冷却用流体が流れる際に冷却用流体にフィレット領域１０６をより効率的に冷却させることが可能となる。タービュレータ１３４は、現在知られている従来の任意の技法や将来開発されるであろう技法によって内側表面１３６上に形成されることがある。例えばタービュレータ１３４は、非直線状冷却コンジット１０８の形成のときに電極を利用することによって内側表面１３６上に形成されることがある。電極に対して放電加工法（ＥＭＤ）の放電率を変更して加える、あるいは電界加工法（ＥＣＭ）の化学反応速度を変更して加えることによって、非直線状冷却コンジット１０８の内側表面１３６上に変化（例えば、タービュレータ１３４）を形成することができる。
【００２６】
図８を見ると、本発明の実施形態に従った非直線状冷却コンジット１０８及びカバープレート１３８を含んだタービンノズル１００の断面図を示している。一実施形態では図８及び９に示したように、タービンノズル１００は、エアフォイル１０２と、エアフォイル１０２の内部に配置された内側表面１２０を含んだキャビティ１１８と、エアフォイル１０２に隣接する少なくとも１つの端部壁１０４と、エアフォイル１０２と端部壁１０４を接続するフィレット領域１０６（フィレット領域１０６が外側表面１１０を含む場合）と、を含むことがある。図８及び９に示したようにタービンノズル１００はさらに、フィレット領域１０６上に配置された開口部１４０を含むことがある。開口部１４０はフィレット領域１０６の外側表面１１０を通過してエアフォイル１０２の内部に配置された冷却用流体キャビティ１１８まで延びることがある。より具体的には図８及び９に示したように開口部１４０は、フィレット領域１０６の外側表面１１０上に形成させることがあり、またエアフォイル１０２を通過して冷却用流体キャビティ１１８の内側表面１２０まで延びることがある。開口部１４０は、現在知られている任意の技法や将来開発されるであろう技法（より詳細には以下で検討することにする）によって形成させることができる。
【００２７】
一実施形態では図８及び９に示したように、タービンノズル１００はさらに、フィレット冷却用流体キャビティ１１８の内側表面１２０の開口部１４０に実質的に隣接する部分上に形成させた溝１４２を含むことがある。より具体的には図９に示したように溝１４２は、冷却用流体キャビティ１１８の内側表面１２０の上に形成させた第１の端部１４４と、溝１４２の第１の端部１４４からアキシャル長（Ｌ）方向である所定の距離だけ離して形成させた第２の端部１４６と、を含むことがある。溝１４２の第２の端部１４６はタービンノズル１００の開口部１４０と交差することがあり、より具体的には第２の端部１４６は開口部１４０で終わっており開口部１４０と一体であることがある。図９に示したように溝１４２は、図１及び２に関して説明したのと同様に、実質的にエアフォイル１０２のアキシャル長さ（Ｌ）に沿って前縁１１３と後縁１１４の間に及ぶことがある。溝１４２は、現在知られている任意の技法や将来開発されるであろう技法（より詳細には以下で検討することにする）によって形成させることができる。
【００２８】
さらに図８及び９に示すようにタービンノズル１００は、開口部１４０を覆うように位置決めしたカバープレート１３８と、溝１４２の冷却用流体キャビティ１１８の内側表面１２０の上に形成させた部分と、を含むことがある。一実施形態では図８及び９に示したように、カバープレート１３８がエアフォイル１０２の冷却用流体キャビティ１１８とフィレット領域１０６の外側表面１１０の間で非直線状冷却コンジット１０８を形成することがある。一実施形態では図９に示したように非直線状冷却コンジット１０８は、冷却用流体キャビティ１１８の冷却用流体がフィレット領域１０６の冷却のために溝１４２の第１の端部１４４（カバープレート１３８に覆われないことがある）によって受け取られると共に、タービンノズル１００のエアフォイル１０２のアキシャル長さ（Ｌ）に沿ってカバープレート１３８と溝１４２の間を移動できるようにして形成されることがある。図１及び２に関連して上で検討したように冷却用流体キャビティ１１８は、非直線状冷却コンジット１０８を介してタービンノズル１００のフィレット領域１０６を冷却するための冷却用流体を含むことがある。
【００２９】
図８に示したようにカバープレート１３８は、冷却用流体キャビティ１１８の内側表面１２０に結合させ、カバープレート１３８と溝１４２の間に気密封止を形成し、これにより冷却用流体が形成させた非直線状冷却コンジット１０８を通って移動できるようにすることがある。一実施形態では図９に示したように、カバープレート１３８はアキシャル方向の曲線を含み、非直線状冷却コンジット１０８が確実に実質的に湾曲する（例えば、非直線状となる）ように形成させることある。図９に示したようにカバープレート１３８は、エアフォイル１０２の弧状プロフィールと実質的に同様の弧状プロフィールを含む。より具体的にカバープレート１３８は、エアフォイル１０２のフェース（例えば、圧力フェース１１５）と結合させることがあり、またエアフォイル１０２の当該フェース（例えば、圧力フェース１１５）の弧状プロフィールと実質的に同様の弧状プロフィールを含むことがある。
【００３０】
一実施形態では図９に示したように、非直線状冷却コンジット１０８をフィレット領域１０６の内部でエアフォイル１０２の圧力フェース１１５の近傍に配置させることがある。このことは、図１及び２に示したような一実施形態と同様である。代替的な一実施形態（図示せず）では、図３に示したような一実施形態と同様に非直線状冷却コンジット１０８を、フィレット領域１０６の内部でエアフォイル１０２の吸収フェース１１６の近傍に配置させることがある。
【００３１】
さらに図９に示したように非直線状冷却コンジット１０８はまた、キャビティ１１８の内側表面１２０上に配置させたインレット１２４（上で検討したのと同様）を含むことがある。インレット１２４は溝１４２によって形成されることがある。さらに非直線状冷却コンジット１０８は図９に示したように、フィレット領域１０６の外側表面１１０の上に配置させたアウトレット１２６を含むことがある。一実施形態では図９で最もよく理解できるように、アウトレット１２６を開口部１４０により形成された溝１４２によって形成させることがある。より具体的にはアウトレット１２６は、溝１４２の第２の端部１４６及び開口部１４０をカバープレート１３８で覆うことによって形成されることがある。開口部１４０及び溝１４２の一部分（第１の端部１４４を除く）を覆うことによって、カバープレート１３８は冷却用流体キャビティ１１８及びフィレット領域１０６の外側表面１１０と流体連通するコンジット（例えば、非直線状冷却コンジット１０８）を形成することになる。上述したのと同様に非直線状冷却コンジット１０８のアウトレット１２６は、図９に最適に示したようにタービンノズル１００の上を流れるタービン流体（例えば、高温の気体フロー１１０）の流路と流体接続されている。
【００３２】
代替的な一実施形態では図１０に示したように、カバープレート１３８により形成された非直線状冷却コンジット１０８のアウトレット１２６を排出キャビティ１２８に流体接続させることがある。より具体的には図５及び６に関連して上述したように、エアフォイル１０２が冷却用流体キャビティ１１８と排出キャビティ１２８を含むことがあり、これにより非直線状冷却コンジット１０８はタービンノズル１００のフィレット領域１０６を冷却するように冷却用流体を冷却用流体キャビティ１１８から排出キャビティ１２８まで移動させることができる。図１０に示したように開口部１４０は、エアフォイル１０２の外側表面１１０を通過して冷却用流体キャビティ１１８に至るように形成されることがある。開口部１４０は冷却用流体キャビティ１１８の内側表面１２０の上に非直線状冷却コンジット１０８のインレット１２４を形成することがある。より具体的には図１０に示したように開口部１４０は、以下で説明するように非直線状冷却コンジット１０８の形成を支援するために、エアフォイル１０２を部分的に通過するように形成させることがある。図１０に示したように冷却用流体キャビティ１１８は、非直線状冷却コンジット１０８によって排出キャビティ１２８と流体連通することがある。より具体的には、エアフォイル１０２内に冷却用流体キャビティ１１８と排出キャビティ１２８を流体接続するための経路１４７を形成させることがある。
【００３３】
一実施形態では図１０に示したように、排出キャビティ１２８の内側表面１３０の上に経路１４７と実質的に隣接して溝１４２を形成させることがある。より具体的には溝１４２は、経路１４７と実質的に隣接した第１の端部１４４と、溝１４２の第１の端部１４４から排出キャビティ１２８のアキシャル長（Ｌ）方向に所定の距離だけ離して形成した第２の端部１４６と、を含むことがある。カバープレート１３８は、図１０に示したように図９と異なり、排出キャビティ１２８の内側表面１３０に結合させることがあり、また第１の端部１４４を覆いかつ溝１４２の第２の端部１４６は覆わないことがある。このように、溝１４２のうちの第２の端部１４６にある覆われていない部分によってアウトレット１２６を形成させることがある。図５及び６を参照しながら上で検討したように非直線状冷却コンジット１０８のアウトレット１２６は、タービンノズル１００を利用するタービンシステムの動作時に冷却用流体を排出キャビティ１２８内に連続して排出させることができる。
【００３４】
図１１を見ると、本発明の一実施形態に従った非直線状冷却コンジット１０８及び衝突プレート１４８を含んだタービンノズル１００の一部分の垂直断面図を示している。一実施形態では図１１に示したように衝突プレート１４８は、衝突プレート１４８の中心に位置決めされた隆起部１５０を含むことがある。隆起部１５０は実質的に、衝突プレート１４８及び溝１４２により形成される非直線状冷却コンジット１０８の中心まで延びることがある。図１１に示したように衝突プレート１４８はさらに、衝突プレート１４８の長さ方向に沿って位置決めされた少なくとも１つの冷却用穴１５２を含むことがある。冷却用穴１５２は、衝突プレート１４８を実質的に通過して延びることがあり、また非直線状冷却コンジット１０８と流体連通することがある。冷却用穴１５２は、非直線状冷却コンジット１０８を通るように冷却用流体を移動させる際にエアフォイル１０２のアキシャル長（Ｌ）に沿って非直線状冷却コンジット１０８に追加的な冷却用流体を提供することがある。すなわち冷却用穴１５２は、タービンノズル１００の上を高温の気体フロー１１２（図１）が流れる際にフィレット領域１０６に対して追加的な冷却を提供するためにアウトレット１２６に至る前に冷却用流体を非直線状冷却コンジット１０８内まで流すための追加的なインレットを提供することがある。タービンノズル１００が冷却用穴１５２を使用することによって、フィレット領域１０６に対する形態特異的な部分冷却が可能となる。より具体的には冷却用穴１５２は、フィレット領域１０６のうちのタービンノズル１００の上を流れる高温の気体フロー１１０のために追加の冷却を要するような特定の箇所にある非直線状冷却コンジット１０８の特定の部分に追加的な冷却用流体を提供することができる。
【００３５】
図１２及び１３を見ると、本発明の実施形態に従ったタービンシステムの概要図並びにそのタービンシステムのタービンの一部分の断面図を表している。一実施形態では図１２に示したようにタービンシステム２００は、パワーを発生させるために従来の任意の燃焼タービンシステムを含むことがある。このように図１２に示したタービンシステム２００及びタービンシステム構成要素の大部分の基本的機能について以下で明瞭に示すことにする。タービンシステム２００は、コンプレッサ２０２と、コンジット２０６を介してコンプレッサ２０２と流体連通する燃焼器２０４と、燃焼器２０４と流体連通するタービン２０８と、を含むことがある。タービン２０８はさらに、シャフト２１０を介してコンプレッサ２０２と結合させることがある。図１３に最適に示したようにタービンシステム２００のタービン２０８は少なくとも１つのタービンノズル１００を含むことがある。より具体的に一実施形態では図１３に示したように、タービンノズル１００を、タービンシステム２００のシャフト２１０に結合させた回転式のエアフォイルとすることがある。図１３に示したように、従来のガスタービン（例えば、タービン２０８）内に含まれる様々な動翼段を提供するために、シャフト２１０に対して複数のタービンノズル１００を結合させることがある。一実施形態では図１３に示したように、端部壁１０４を動翼ベースとすることがありかつエアフォイル１０２をタービンシステム２００内に含まれる動翼ブレードとすることがあり、これによりタービンノズル１００はタービンシステム２００を通過するような高温の気体フロー１１０の移動を支援することができる。タービンノズル１００を固定子翼（図示せず）とし得るような代替的な一実施形態では、タービン２０８を通過するようにタービン流体（例えば、高温の気体フロー１１０）を導くために、タービンノズル１００をタービン２０８のハウジング（図示せず）に結合させることがある。
【００３６】
図１３に示すと共に上に記載したように、タービンノズル１００は、エアフォイル１０２と、エアフォイル１０２に隣接する少なくとも１つの端部壁１０４と、エアフォイル１０２と外側表面１１０を含む端部壁１０４を接続するフィレット領域１０６と、を含むことがあり、これについては図１及び２を参照しながら上で検討したのと同様である。上述したのと同様にタービンノズル１００はさらに、フィレット領域１０６内部でフィレット領域１０６の外側表面１１０に隣接して配置させた非直線状冷却コンジット１０８を含むことがある。非直線状冷却コンジット１０８によってタービンシステム２００の動作時におけるフィレット領域１０６を通過する流体フローが可能となる。図１及び２を参照しながら図示しかつ説明したのと同様に、非直線状冷却コンジット１０８はエアフォイル１０２の実質的にアキシャル長（Ｌ）に沿って前縁１１３と後縁１１４の間に及んでいる。さらに非直線状冷却コンジットは、エアフォイル１０２の弧状プロフィールと実質的に同様の弧状プロフィールを含む。
【００３７】
エアフォイル１０２の圧力フェース１１５（図２）または吸収フェース１１６（図３）の弧状プロフィールと実質的に同様の弧状プロフィールを含めることによって、タービンシステム２００の動作時に冷却フィレット領域１０６を通過する流体フローを可能にするように、非直線状冷却コンジット１０８をフィレット領域１０６の外側表面１１０に隣接して位置決めすることができる。すなわち、実質的にエアフォイル１０２のアキシャル長さ（Ｌ）に沿いかつフィレット領域１０６の外側表面１１０に隣接して位置決めされた単一の非直線状冷却コンジット１０８によってタービンシステム２００の動作時においてフィレット領域１０６に改良型の冷却手段を提供することができる。さらにフィレット領域１０６の内部に非直線状冷却コンジット１０８を含めた結果として、タービンシステム２００の動作時において非直線状冷却コンジット１０８を通過して伝達させる冷却用流体の必要性を低下させることができる。より具体的には、非直線状冷却コンジットが実質的にエアフォイル１０２のアキシャル長さ（Ｌ）に沿って位置決めされているため、非直線状冷却コンジット１０８内の冷却用流体は非直線状冷却コンジット１０８から排出される前にフィレット領域１０６を冷却するようにその最大熱容量を利用することができる。
【００３８】
本発明の様々な別の実施形態は、タービンノズル（例えば、タービンノズル１００）を冷却する方法を含むことが可能である。幾つかの実施形態ではその冷却方法は、タービンノズル１００を提供する工程を含むことがある。図１及び２を参照しながら上述したようにタービンノズル１００は、エアフォイル１０２と、エアフォイル１０２の内部に配置されたキャビティ１１８と、エアフォイル１０２に隣接する端部壁１０４と、エアフォイル１０２と端部壁１０４を接続しているフィレット領域１０６と、フィレット領域１０６内でかつフィレット領域１０６の外側表面１１０に隣接して配置された非直線状冷却コンジット１０８と、を含むことがある。タービンノズル１００の非直線状冷却コンジット１０８はさらに、キャビティ１１８の内側表面１２０の上に配置されたインレット１２４と、フィレット領域１０６の外側表面１１０の上に配置されたアウトレット１２６と、を含むことがある。タービンノズル１００の冷却方法はさらに、端部壁開口部１２２を介してキャビティ１１８に冷却用流体を提供する工程を含むことがある。本冷却方法はさらに、タービンシステム２００の動作時にキャビティ１１８から非直線状冷却コンジット１０８のインレット１２４に冷却用流体を連続して提供する工程と、実質的にエアフォイル１０２のアキシャル長さ（Ｌ）に沿って非直線状冷却コンジット１０８を通過して冷却用流体を移動させる工程と、を含むことがある。最後に、このノズル１００の冷却方法は。非直線状冷却コンジット１０８のアウトレット１２６からの冷却用流体を、タービンノズル１００の上を流れるタービン流体（例えば、高温の気体フロー１１２）の流路とタービンノズル１００のエアフォイル１０２の内部に配置された排出キャビティ１２８のうちの一方に排出する工程を含むことがある。
【００３９】
上述したようにタービンノズル１００は、ガスタービンシステム（例えば、タービンシステム２００）内に含まれることがある。しかしタービンノズル１００が静止ノズルアセンブリ内の固定子翼（静止ノズル）、あるいは従来の任意の蒸気タービンシステム向けの１組の回転子エアフォイルの内部の非静止の（例えば、回転式の）エアフォイルを含むことがある場合は、タービンノズル１００が蒸気タービンシステムによって利用されることもあることが理解されよう。
【００４０】
タービンノズル１００内に含まれる非直線状冷却コンジット１０８をただ１つだけとしているが、フィレット領域１０６の冷却のためにタービンノズル１００が複数の非直線状冷却コンジット１０８を利用し得ることに留意されたい。より具体的には、タービンノズル１００のフェース（例えば、圧力フェース１１５、吸収フェース１１６）に沿って複数の非直線状冷却コンジット１０８を互いに直列及び／または並列に位置決めし得ることに留意されたい。複数の非直線状冷却コンジット１０８によれば、フィレット領域１０６を実質的に冷却するためにタービンノズル１００のフィレット領域１０６に沿って冷却用流体を提供することができ、さらにまたタービンノズル１００のうち追加的な冷却を要するような特定区画または箇所の冷却も提供することができる。すなわちこの複数の非直線状冷却コンジットは、フィレット領域１０６の特定の箇所に位置決めされた複数のアウトレット１２６を有し、タービンノズル１００のこの特定箇所に追加的な冷却用流体を提供することができる。
【００４１】
本明細書で用いている用語は具体的な実施形態の説明のみを目的としたものであり、本開示を制限することを意図していない。本明細書で使用する場合に、単数形で「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」を付けていてもその複数形も含むように意図している（コンテクストが明瞭に複数形も含まないことを指示する場合を除く）。さらに、本明細書で使用している「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」及び／または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」という表現は、提示した特徴、整数、工程、操作、要素及び／または構成要素の存在を指定するものであり、１つまたは複数の別の特徴、整数、工程、操作、要素、構成要素及び／またはこれらからなる群の存在や追加を排除するものでないことに留意されたい。
【００４２】
この記載では、本発明（最適の形態を含む）を開示するため、並びに当業者による任意のデバイスやシステムの製作と使用及び組み込んだ任意の方法の実行を含む本発明の実施を可能にするために例を使用している。本発明の特許性のある範囲は本特許請求の範囲によって規定していると共に、当業者により行われる別の例を含むことができる。こうした別の例は、本特許請求の範囲の文字表記と異ならない構造要素を有する場合や、本特許請求の範囲の文字表記と実質的に差がない等価的な構造要素を有する場合があるが、本特許請求の範囲の域内にあるように意図したものである。
【符号の説明】
【００４３】
１００  タービンノズル
１０２  エアフォイル
１０４  端部壁
１０６  フィレット領域
１０８  非直線状冷却コンジット
１１０  外側表面
１１２  高温の気体フロー
１１３  前縁
１１４  後縁
１１５  圧力フェース
１１６  吸収フェース
１１８  冷却用流体キャビティ
１２０  内側表面
１２２  端部壁開口部
１２４  インレット
１２６  アウトレット
１２８  排出キャビティ
１３０  内側表面
１３２  熱障壁コーティング
１３４  タービュレータ
１３６  内側表面
１３８  カバープレート
１４０  開口部
１４２  溝
１４４  第１の端部
１４６  第２の端部
１４７  経路
１４８  衝突プレート
１５０  隆起部
１５２  冷却用穴
２００  タービンシステム
２０２  コンプレッサ
２０４  燃焼器
２０６  コンジット
２０８  タービン
２１０  シャフト
【図１】
2014098386.tif 000003
【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】
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【図１３】
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