(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス・タービンの第１の側壁（２０４）と第２の側壁（２０６）との間に配置される翼（２０２）であって、
前記翼（２０２）の前縁（２１０）と、
前記翼（２０２）の後縁（２１２）であって、前記後縁（２１２）が前記第１の側壁（２０４）に結合される第１の境界面（２１４）を備える後縁（２１２）と、
前記第１の境界面（２１４）に隣接する第１の通路（２１９、３０２）であって、冷却流体（３１２）を受け取るように構成された第１の通路（２１９、３０２）と、
前記第１の通路（２１９、３０２）と流体連絡している第１のディフューザ（２２０）であって、前記第１の境界面（２１４）を冷却するとともに、前記第１の側壁（２０４）の表面（２２４、３１８）に冷却流体の膜を形成することによって前記第１の側壁（２０４）の表面（２２４、３１８）を冷却するように前記冷却流体（３１２）を送る成形開口部として構成された第１のディフューザ（２２０）と
を備える翼（２０２）。
【請求項２】
前記第１の通路（２１９、３０２）を含む複数の通路（２１９）であって、前記後縁（２１２）に隣接する複数の通路（２１９）を備え、前記冷却流体（３１２）は前記複数の通路（２１９、３０２）を通って流れて前記後縁（２１２）を冷却する請求項１に記載の翼（２０２）。
【請求項３】
前記第１のディフューザ（２２０）は、前記第１の側壁（２０４）の前記表面（２２４）と前記翼後縁（２１２）とを冷却して前記第１の側壁（２０４）および翼（２０２）の損耗を減らすように構成されている請求項１に記載の翼（２０２）。
【請求項４】
前記冷却流体（３１２）は、前記第１の側壁（２０４）の前記表面（２２４）上に膜を形成して前記表面（２２４）を冷却する圧縮ガスを含む請求項１に記載の翼（２０２）。
【請求項５】
前記第１のディフューザ（２２０）は、三角形ディフューザ（５０２）または楕円形ディフューザ（４０２）からなる群から選択されるものを含む請求項１に記載の翼（２０２）。
【請求項６】
翼（２０２）の後縁（２１２、３０６）とガス・タービンの側壁（２０４、２０６）との境界面（２１４、２１６、３０４）を冷却するための方法であって、
冷却流体（３１２）を前記後縁（２１２、３０６）内の少なくとも１つの通路（２１９、３１０）へ送ることと、
前記冷却流体（３１２）を前記少なくとも１つの通路（２１９、３１０）から前記後縁（２１２、３０６）と前記側壁（２０４、２０６、３０８）との前記境界面（２１４、２１６、３０４）に隣接する成形開口部として構成されたディフューザ（２２０、２２２、３０２）へ送ることと、
前記冷却流体（３１４）を前記ディフューザ（３０２）から流して前記側壁（２０４、２０６、３０８）の表面（２２４、２２６、３１８）上に膜を形成することによって、前記側壁（２０４、２０６、３０８）を冷却するとともに前記境界面（２１４、２１６、３０４）を冷却することと
を含む方法。
【請求項７】
前記冷却流体（３１２）を送ることは、前記冷却流体（３１２）を前記後縁（２１２、３０６）に隣接する複数の通路（２１９、３１０）へ送ることを含み、前記複数の通路（２１９、３１０）は前記少なくとも１つの通路（２１８、３１０）を含み、前記冷却流体（３１２）は前記複数の通路（２１８、３１０）を通って流れて前記後縁（２１２、３０６）を冷却する請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記冷却流体（２１８、３１０）を前記ディフューザから流すことは、前記冷却流体を、前記側壁の高温領域であって前記境界面に隣接する高温領域へ流すことを含む請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記冷却流体（３１２）を送ることは、圧縮機（１０２）から圧縮ガスを送ることを含む請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記冷却流体（３１２）を前記少なくとも１つの通路（２１９、３１０）から前記ディフューザ（２２０、２２２、３０２）へ送ることは、前記冷却流体（３１２）を、三角形ディフューザ（５０２）または楕円形ディフューザ（４０２）の群から選択されるものへ送ることを含む請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する主題は、タービンに関する。より詳細には、主題は、タービン内に位置する翼に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス・タービン・エンジンでは、燃焼器によって、燃料または空気燃料混合気の化学的エネルギーが熱エネルギーに変換される。熱エネルギーは、流体（多くの場合に圧縮機からの空気）によってタービンに伝えられ、そこで熱エネルギーが機械的エネルギーに変換される。複数の因子が、熱エネルギーから機械的エネルギーへの変換効率に影響を及ぼす。因子には、以下のものが含まれている場合がある。翼通過周波数、燃料供給変動、燃料タイプおよび反応性、燃焼器正面側容積、燃料ノズル・デザイン、空気燃料プロファイル、火炎形状、空気燃料混合、保炎、燃焼温度、タービン構成部品デザイン、熱ガス経路温度希釈、および排気温度。たとえば、選択された箇所（たとえば燃焼器およびタービン・ノズル領域）における燃焼温度が高いと、燃焼効率および発電の改善が可能になる場合がある。場合によっては、ある特定の燃焼器およびタービン領域において高温であると、ある特定の構成部品の寿命が短くなって損耗および裂けが増加する場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５，３４４，２８３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、タービン内の温度を管理して、タービン構成部品の磨耗を減らし寿命を延ばすことが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
したがって、タービン内の温度を管理して、タービン構成部品の損耗を減らし寿命を延ばすことが望ましい。
【０００６】
本発明の一態様によれば、タービンは、第１の側壁と、第１の側壁と第２の側壁との間に位置する翼と、高温領域に隣接する翼内の第１の通路であって冷却流体を受け取るように構成された第１の通路とを備え、高温領域は第１の側壁と翼の後縁との境界面の付近にある。タービンはさらに、第１の通路と流体連絡している第１のディフューザであって、第１の側壁の表面上に膜を形成するように冷却流体を送るように構成された第１のディフューザを備えている。
【０００７】
本発明の別の態様によれば、翼の後縁とガス・タービンの側壁との境界面を冷却するための方法が開示される。本方法は、冷却流体を後縁内の少なくとも１つの通路へ送ることと、冷却流体を少なくとも１つの通路から後縁と側壁との境界面に隣接するディフューザへ送ることと、ディフューザから冷却流体を流して側壁の表面上に膜を形成することによって側壁を冷却することとを含む。
【０００８】
主題は、本発明とみなされるものであるが、明細書の終わりの請求項において詳細に指摘され明確に請求される。本発明の前述および他の特徴および優位性は、以下の詳細な説明とともに添付図面から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃焼器、燃料ノズル、圧縮機、およびタービンを備えるガス・タービン・エンジンの実施形態の概略図面である。
【図２】タービン・ノズル部分の実施形態の斜視図である。
【図３】タービン翼の一部の実施形態の詳細な概略図面である。
【図４】タービン翼の一部の実施形態の詳細な斜視図である。
【図５】タービン翼の一部の別の実施形態の詳細な斜視図である。
【００１０】
詳細な説明では、本発明の実施形態とともに優位性および特徴を、一例として図面を参照して説明する。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、ガス・タービン・システム１００の実施形態の概略図である。システム１００は、圧縮機１０２、燃焼器１０４、タービン１０６、シャフト１０８、および燃料ノズル１１０を備えている。一実施形態においては、システム１００は、複数の圧縮機１０２、燃焼器１０４、タービン１０６、シャフト１０８、および燃料ノズル１１０を備えていても良い。図示したように、圧縮機１０２およびタービン１０６は、シャフト１０８によって結合されている。シャフト１０８は、単一シャフトであっても良いし、複数のシャフト・セグメントが互いに結合されてシャフト１０８を形成するものであっても良い。
【００１２】
一態様において、燃焼器１０４は、液体および／または気体燃料（たとえば天然ガスまたは水素リッチ合成ガス）を用いて、タービン・エンジンを回転させる。たとえば、燃料ノズル１１０は、燃料供給物および圧縮機１０２からの加圧空気と流体連絡している。燃料ノズル１１０は、空気燃料混合物を形成して、空気燃料混合物を燃焼器１０４内に放出する。その結果、燃焼が発生して、高温加圧排気ガスが形成される。燃焼器１０４が、高温加圧排気ガスを、尾筒を通してタービン・ノズル（または「第１段ノズル」）内に送る結果、タービン１０６の回転が、ガスがノズルまたは静翼を出てタービン動翼またはブレードへ送られるときに起きる。タービン１０６の回転によってシャフト１０８が回転する結果、空気の圧縮が、空気が圧縮機１０２に流れ込むときに行なわれる。一実施形態においては、翼（またノズルまたは動翼）が、タービンの種々の部分内（たとえば圧縮機１０２またはタービン１０６内）に配置されており、翼を横断するガス流が生じると、タービン部品の損耗および熱疲労が、温度不均一が原因で生じる。タービン翼の部品および近くの側壁の温度を制御すれば、損耗を減らして燃焼器内の燃焼温度を高くすることができるため、性能が向上する。図２〜５を参照して、タービンの翼と側壁とに隣接する領域を冷却することについて、以下に詳細に説明する。以下の説明では、主にガス・タービンに焦点を当てているが、説明する考え方はガス・タービンに限定されない。
【００１３】
図２は、タービン・ノズル部分２００の実施形態の斜視図である。ノズル２００は、外側側壁２０４と内側側壁２０６との間に位置する翼２０２を備える。タービン・ノズル２００は、燃焼器から熱ガス流２０８を受け取る。この流れによって、タービン動翼（「動翼の翼：ｂｕｃｋｅｔ  ａｉｒｆｏｉｌ」とも言われる）の回転が起こる。一態様においては、熱ガス流２０８は、翼２０２の前縁２１０および後縁２１２を過ぎて流れるときに加圧される。後縁２１２は、外側側壁２０４および内側側壁２０６に、境界面２１４および２１６において、それぞれ結合されている。熱ガス２０８が翼２０２を横断して流れるときに、冷却通路２１９から冷却流体２０９が熱ガス内に送られ、その結果、ノズル２００の選択された領域（たとえば後縁２１２）が冷却される。一実施形態においては、冷却通路２１９の列が翼２０２内に配置されていて、冷却流体２０９を用いて、翼２０２と側壁２０４および２０６とを冷却している。
【００１４】
図示したように、翼２０２は、後縁２１２に沿って配置された通路２１９を備えている。ディフューザ２２０が、後縁２１２と外側側壁２０４との境界面２１４に隣接する少なくとも１つの通路２１９に結合されている。同様に、ディフューザ２２２が、後縁２１２と内側側壁２０６との境界面２１６に隣接する少なくとも１つの通路２１９に結合されている。ディフューザ２２０および２２２は、冷却流体の流れによる境界面２１４および２１６付近の領域の冷却を起こす任意の好適な構成および形状であっても良い。一実施形態においては、図４について後述するように、ディフューザ２２０および２２２の少なくとも一方は楕円形状である。別の実施形態においては、図５について後述するように、ディフューザ２２０および２２２の少なくとも一方は三角形状である。加えて、ディフューザ２２０および２２２の形状は、側壁（２０４、２０６）上への冷却流体の膜の形成を促進する成形開口部（ｃｏｎｔｏｕｒｅｄ  ｏｐｅｎｉｎｇ）であると言っても良い。図２に示すように、ディフューザ２２０および２２２は、側壁２０４および２０６の表面２２４および２２６の温度をそれぞれ制御するように構成されている。加えて、ノズル２００は、冷却流体の流れを側壁裏面２２８および２３０に沿って用いて、側壁２０４および２０６の温度をそれぞれ制御しても良い。
【００１５】
やはり図２の実施形態を参照して、冷却流体が翼２０２内の通路２１９から流れており、境界面２１４および２１６に隣接する通路２１９は、冷却流体をディフューザ２２０および２２２をそれぞれ通して送っている。冷却流体によって、熱ガス経路のタービン領域またはゾーンとともにノズル２００構成部品（たとえば翼２０２と側壁２０４および２０６）が冷却される。たとえば、ディフューザ２２０および２２２は、側壁表面２２４および２２６上に冷却流体の膜を形成するように構成されている。膜によって、側壁２０４および２０６がそれぞれ冷却される。加えて、ディフューザ２２０および２２２の通路２１９によって、対流および伝導冷却が後縁２１２に与えられる。さらに、冷却流体の膜によって、側壁２０４および２０６が、境界面２１４および２１６付近のゾーン内に形成される高温から隔離される。高温は、熱ガスが翼２０２を過ぎて流れるときに生じる高圧に起因する。実施形態においては、冷却流体は、ノズル構成部品とガス流の選択された領域（たとえばノズル内の高温高圧領域）を冷却する任意の好適な流体である。たとえば、冷却流体は、圧縮機からの圧縮空気の供給物である。圧縮空気は、燃焼器に送られる空気供給物から分流される。このように、冷却流体は圧縮空気の供給物であり、燃焼器を迂回して、タービン・ノズル構成部品を冷却するために用いられる。したがって、境界面２１４および２１６の付近にそれぞれ配置されたディフューザ２２０および２２２によって、冷却用に用いる圧縮空気の量が、タービン構成部品と構成部品付近の領域との冷却を向上させることによって減少する。その結果、機械的出力に変換するために燃焼器に送られる圧縮空気の量が増加してタービン・エンジンの全体性能および効率が向上すると同時に、タービン・ノズル部品の寿命が、酸化および熱疲労が軽減されることで延びる。さらに、タービン・ノズル２００および冷却構成部品（２１９、２２０、２２２）の開示した配置によって、側壁２０４、２０６および後縁２１２の温度を下げることができるとともに、それらの間の温度配布をより均一にすることができる。態様においては、タービン部品（翼および側壁を含む）は、ステンレス鋼または合金から形成されている。部品は、エンジン動作中に適切に冷却されないと、熱疲労を受ける場合がある。なお、タービン・エンジン内の温度を制御するための装置および方法を、タービン・ノズルの冷却（図２〜５に示すように）だけでなく、動翼、圧縮機翼、またはタービン・エンジン内の任意の他の翼またはブレードの冷却に適用しても良い。
【００１６】
図３は、タービン・ノズル３００の一部の実施形態の詳細な概略図面である。タービン・ノズル３００は、翼後縁３０６と側壁３０８との境界面３０４に隣接するディフューザ３０２を備えている。冷却流体３１２が、通路３１０からディフューザ３０２を通って、流れ３１４で示すように、高温領域３１６に向けて送られる。一実施形態においては、高温領域３１６が指しているのは、タービン構成部品（たとえば側壁３０８の部分）だけでなく、構成部品としてタービンの同じ領域における他の構成部品と比べて温度および圧力の増加を受ける構成部品の付近の領域である。冷却流体によって、高温領域３１６および境界面３０４とともに後縁３０６および側壁３０８が冷却される。一実施形態においては、燃焼器からの熱ガス流によって、高温高圧領域がノズル３００内に、たとえば後縁３０６および側壁３０８の付近に形成される。ディフューザ３０２および通路３１０が境界面３０４に隣接して配置されていることによって、ノズル３００内の１つの高温領域の冷却が改善される。冷却流体は、ディフューザ３０２を通って流れる（矢印３１４で示す）。流れによって、冷却流体の膜が側壁３０８の表面３１８上に形成される。一実施形態においては、表面３１８は遮熱コーティング３２０を備えていても良い。遮熱コーティング３２０には任意の好適な熱保護材料が含まれていても良い。１つの非限定的な例では、遮熱コーティング３２０には、金属基板、金属ボンド・コート、およびセラミック・トップコートが含まれる。遮熱コーティング３２０によって、タービン構成部品（たとえば側壁３０８）を長期に渡る熱負荷から隔離することが、熱絶縁材料を用いることによって実現される。熱絶縁材料によって、構成部品の金属合金とコーティング表面との間に著しい温度差が生じることが可能になる。したがって、遮熱コーティング３２０によって、動作温度を高めながらタービン構成部品（たとえば側壁３０８）の熱暴露を抑えることができる。図示した実施形態においては、ディフューザ３０２および通路３１０は、遮熱コーティング３２０の厚さと同様の寸法の縁３２２を形成するような位置に配置されている。遮熱コーティング３２０が側壁３０８に施されると、縁３２２が充填されて、その結果、冷却流３１４がディフューザ３０２を出るときに、冷却流３１４に対する滑らかな移行が実現される。このような配置によって、境界面３０４の改善を行なうための付加的な製造工程が不要になると同時に、冷却流３１４によって冷却流体の膜を側壁３０８の表面３１８上に形成することができる。
【００１７】
図４は、タービン・ノズル４００の一部の実施形態の詳細な斜視図である。ノズル４００は、後縁４０６と側壁４０８との境界面４０４に位置するかまたは境界面４０４に隣接する楕円形ディフューザ４０２を備えている。楕円形ディフューザ４０２は、冷却流体通路に結合されている。冷却流体は、楕円形ディフューザ４０２から流れて、境界面４０４付近のノズル部品および近くの高温領域の温度を制御する。楕円形ディフューザ４０２は、側壁４０８の表面４１０上に膜を形成するように構成しても良い。膜の形成によって表面４１０が冷却される。また楕円形ディフューザ４０２の冷却流体通路によって、後縁４０６の冷却が、対流および伝導によって行なわれる。図示したように、翼後縁４０６は、翼を冷却する複数の通路４１２を備えている。一実施形態においては、冷却流体供給物によって、圧縮空気または任意の他の好適な冷却流体が、翼上および側壁４０８の背面上の複数の通路または経路に送られる。楕円形ディフューザ４０２によって、側壁４０８、後縁４０６、および境界面４０４の冷却が改善される結果、ノズル構成部品（たとえば翼および側壁４０８）の寿命が延びる。
【００１８】
図５は、タービン・ノズル５００の一部の別の実施形態の詳細な斜視図である。ノズル５００は、後縁５０６と側壁５０８との境界面５０４に位置する三角形ディフューザ５０２を備える。三角形ディフューザ５０２は、少なくとも１つの冷却流体通路に結合されている。ディフューザ５０２からの冷却流体流れによって、境界面５０４付近のノズル部品および近くの高温領域５１２の温度が制御される。翼後縁５０６は、翼を冷却する複数の通路５１０を備えている。なお、ディフューザ５０２の開口部の形状は、タービンの選択された部品を冷却するための任意の好適な形状であっても良い。ディフューザ５０２の形状は、用途固有のパラメータ、製造上の制約および／またはコストに基づいて選択しても良い。一実施形態においては、通路５１０を翼内に穿孔し、ディフューザ５０２の形成を、開口部を選択された形状に電気化学機械ミリングまたは研磨することによって行なう。別の実施形態においては、通路５１０およびディフューザ５０２を、選択された形状に鋳造する。
【００１９】
本発明を限られた数の実施形態に関してのみ詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されるはずである。むしろ、これまで説明してはいないが本発明の趣旨および範囲に見合う任意の数の変形、変更、置換、または均等な配置を取り入れるように、本発明を変更することができる。さらに加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様には、説明した実施形態の一部のみが含まれる場合があることを理解されたい。したがって本発明は、前述の説明によって限定されると考えるべきではなく、添付の請求項の範囲のみによって限定される。
【図１】
0005947512.tif 000002
【図２】
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【図３】
0005947512.tif 000004
【図４】
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【図５】
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