(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のリブ（１８）の第１のリブ側面（２８）と第１の底面（２６）とによって画定された第１のポケット（２４）を有する基板と、
前記第１のリブ側面に形成された第１の部分（１１２）と、
第１のインピンジメント板（１０２）と、を有する冷却装置（１００）であって、
設置状態では、前記第１のインピンジメント板の弾性により、該第１のインピンジメント板と、該第１のインピンジメント板を設置位置でロックする前記第１の部分とが嵌合することができ、
前記設置状態の前記第１のインピンジメント板の弾性圧縮により、前記嵌合が解除され、
前記基板は、前記第１のポケットに隣接する第２のポケット（２４）をさらに有し、該第２のポケットは、前記第１のリブの第２のリブ側面（２８）と第２の底面（２６）とによって画定され、前記第２のリブ側面は前記第１のリブ側面の反対側を向いており、
当該冷却装置は、前記第２のリブ側面に形成された第２の部分（１１２）をさらに有し、
当該冷却装置は、第２のインピンジメント板（１０２）をさらに有し、
設置状態では、前記第２のインピンジメント板の弾性により、該第２のインピンジメント板と、該第２のインピンジメント板を設置位置でロックする前記第２の部分とが嵌合することができ、
前記設置状態の前記第２のインピンジメント板の弾性圧縮により、前記嵌合が解除される
ことを特徴とする、冷却装置（１００）。
【請求項２】
前記第１のリブ（１８）はさらに、リブ上面に隣接する冷却流体に直接露出しているリブ上面（３０）を有している、請求項１記載の冷却装置（１００）。
【請求項３】
前記第１のインピンジメント板（１０２）が設置位置にあるとき、前記第１のリブ側面（２８）の大部分が、前記冷却流体に直接露出している、請求項２記載の冷却装置（１００）。
【請求項４】
前記第１のインピンジメント板（１０２）は、周辺部（１０８）と、インピンジメント部分（１０４）と、前記周辺部と前記インピンジメント部分とを接続する移行領域（１０６）とを有しており、前記設置位置にあるときは、前記周辺部は、前記インピンジメント部分よりも、前記第１の底面（２６）の近くに配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の冷却装置（１００）。
【請求項５】
前記第１のインピンジメント板（１０２）の弾性圧縮は、前記嵌合を解除するための、前記移行領域（１０６）の弾性変形を含む、請求項４記載の冷却装置（１００）。
【請求項６】
前記移行領域（１０６）は、前記第１の底面（２６）と、少なくとも６０度の角度（１３０）を形成する、請求項４記載の冷却装置（１００）。
【請求項７】
前記第１のインピンジメント板（１０２）はさらに、該第１のインピンジメント板に係合し、該第１のインピンジメント板を圧縮工具内に保持するように構成された圧縮支援部材（１２４）をさらに有している、圧縮工具と組み合わされる請求項４記載の冷却装置（１００）。
【請求項８】
前記第１のリブ側面（２８）に形成された前記第１の部分（１１２）は、前記第１のリブ側面に沿って延在するスロット（１１２）である、請求項１から７までのいずれか１項記載の冷却装置（１００）。
【請求項９】
前記第１のインピンジメント板（１０２）が設置位置にあるとき、該第１のインピンジメント板の周辺部（１０８）は前記スロット（１１２）内に嵌められている、請求項８記載の冷却装置（１００）。
【請求項１０】
前記第１のインピンジメント板（１０２）は、該第１のインピンジメント板の弾性圧縮を可能にするスリット（１７２）を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の冷却装置（１００）。
【請求項１１】
請求項１から１０までのいずれか１項記載の冷却装置（１００）を備えたガスタービンエンジン構成要素（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦政府支援の開発に関する記載
本発明のための開発は、米国エネルギー省によって与えられた契約番号ＤＥ−ＦＣ２６−０５ＮＴ４２６４４によって部分的に支援された。従って、米国政府は本発明において一定の権利を有することができる。
【０００２】
技術分野
本発明は、ガスタービンエンジン構成要素用の冷却装置に関する。特に、本発明は、ポケット内の表面のインピンジメント冷却と、前記ポケットを画定する幾何学形状を有する部分の改善された対流冷却とを含む。
【０００３】
背景技術
典型的には現代のガスタービンエンジンは２５００°Ｆを超過する温度で燃料と空気を燃焼することができる。これらの燃焼ガスは、燃焼室内で点火され、燃焼され、タービン入口へと送られ、ガイドベーンによってタービン内を案内されてよく、これによりロータブレードが回されて、燃焼ガスのエネルギーが取り出される。これら高温ガス経路の構成要素を形成する材料はしばしばその熱容量の限界にあり、その使用期間を長くするためには冷却されなければならない。
【０００４】
インピンジメント冷却は、冷却の１つの形態であり、冷却流体の流れが、冷却すべき面に向かって方向付けられているものである。流れ（又はジェット）は、インピンジメントオリフィスを有する、冷却すべき面から間隔を置いて配置されたシートによって形成されて良い。インピンジメントシートの外面上の比較的高い圧力は、インピンジメントオリフィスを通る冷却流体を駆動し、これにより、冷却すべき面に対して垂直を含む角度までの角度を成して、冷却すべき面に衝突する噴流が形成される。しかしながら、燃焼温度の上昇は、構成要素や冷却装置の限界を押し広げ続け、これに関しては改善の余地が残っている。
【０００５】
以下に、図面に照らして本発明を説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】先行技術による構成要素の断面図である。
【図２】インピンジメント装置の例示的な実施形態を示す断面図である。
【図３】インピンジメント板の例示的な実施形態を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
発明の詳細な説明
本発明者は、構成要素の低温面上における比較的深いポケットの面を十分にインピンジメント冷却することができる、効果的でありながらシンプルなインピンジメント装置を考案した。このインピンジメント作用により、冷却面は、構成要素の比較的高温な面を伝導により良好に冷却することができる。この装置はさらに、ポケットを画定し、構成要素のために構造的な支持を与えるリブ又はその他の部材の改善された冷却を提供し、このように向上された伝導冷却は、構造的なリブの下方にある高温面も良好に冷却する。特に、本発明者は、スナップインされるインピンジメント板を利用するインピンジメント装置を考案しており、このインピンジメント板は、インピンジメント板を損傷することなく、かつ構成要素を分解することなく、インピンジメント冷却すべき面に隣接するポケット内に設置することができ、かつ取り外すことができる。ポケット内に下降されるインピンジメント板により、構造的なリブは露出されたままとなり、対流冷却により良好に冷却される。伝導により対流冷却されたリブは、今度は、インピンジメント冷却の恩恵を得ることができない構造的なリブの下方にある構成要素の高温面を良好に冷却する。
【０００８】
新たなガスタービンエンジン技術は、シャロン（Charron）他による米国特許公開第２０１２／０１２１３８１号明細書及びリー（Lee）他による米国特許公開第２０１２／０２７２５２１号明細書に開示されたような装置を含む。この新たな技術では、トランジションダクトは、個別のカン形燃焼器からの燃焼ガスを含み、燃焼ガスを加速し、適正に方向付けながら、タービン入口へと方向付ける。これにより燃焼ガスは、タービンロータブレードの第１の列へと直接分配されるように、適当な速度で、適切に方向付けられて、トランジションダクトを離れる。このような構成により、タービンブレードの第１の列に分配するためにガスを加速し方向付けるための、以前の燃焼装置で使用されていたタービン入口前のベーン列の必要はなくなる。
【０００９】
燃焼ガスを加速した結果の１つとして、トランジションダクト内の加速された燃焼ガスにおける静圧が減じられる。トランジションダクトは、比較的遅い動きの圧縮空気で満たされたプレナム内に配置されているので、トランジションダクトにわたって、圧縮空気の静圧から、加速する及び加速された燃焼ガスの静圧まで極めて大きな圧力差が存在している。以前の燃焼装置は、燃焼ガスを同様の速度に加速したが、これが生じるベーンの列の構造は、より堅固であり、差圧に良好に耐えうるものだった。しかしながら、トランジションダクト内での極めて高温の燃焼ガスの比較的高速で動く流れにより高温が生じるために、トランジションダクトは、熱的考慮のため、比較的薄く維持されなければならない。比較的大きな差圧を克服するために十分な構造的強度を提供するために、構造上のリブが使用された。しかしながら、これらの構造上のリブは、トランジションダクト内にポケットを形成している。勿論、プレナムからの冷却空気の流れは、ポケット内へと流れずに、ポケットの底面と側面とを冷却する。結果として、ポケット内の比較的よどんだ空気が加熱され、従って、ポケットの材料が加熱され、これにより構成要素の使用期間が短縮される。
【００１０】
このような点を克服するために、ポケットの底面を冷却するためにポケット内にインピンジメント空気の噴流を方向付けるように差圧を利用するインピンジメント冷却が提案された。冷却されたポケット底面は、高温面からの構成要素を介した伝導冷却を増加させ、これによりこの構成要素をより低温に保つ。インピンジメント噴流は、この構成要素の表面にわたってシートを配置することによって形成された。このことは図１に示されている。図１には、構成要素１０（この例示的な実施形態ではトランジションダクト）の断面が見える図が示されていて、この構成要素１０は、燃焼ガス流１４を案内する加熱面１２と、この加熱面１２の反対側の冷却面１６と、構造上の突出したリブ１８と、インピンジメントオリフィス２２を有した連続シート２０とを有している。リブ１８は、底面２６と側面２８とを有したポケット２４を画定している。リブ１８は、連続シート２０によって覆われたリブ上面３０を有している。底面２６、側面２８、リブ上面３０は、比較的低温の面、即ち、冷却面１６を構成している。インピンジメント冷却された底面２６の下方にある加熱面１２の一部４０は、構成要素によって伝導的に冷却される。しかしながら、リブ１８の下方にある部分４２は、リブ１８が設けられているので、インピンジメント冷却効果の恩恵を受けられない。従って、インピンジメント冷却される底面２６の下方にある部分４０と、リブ１８の下方にある部分４２とは、フィルム冷却されることができる（図示せず）が、リブ１８の下方にある部分４２は、インピンジメント冷却される底面２６の下方にある部分４０のように伝導的に冷却されるのではない。従って、補足的により多くのフィルム冷却空気を使用しなければならず、かつ／又は、フィルム冷却装置のパターンを、これに適応するように構成しなければならない。
【００１１】
本発明者は、リブ１８を背面の冷却空気に露出させることにより、リブ１８の下方にある部分４２の熱伝導を改善することができることを理解した。特に、連続シート２０は、底面２６から間隔を置いて配置されたインピンジメント部分５０と、このインピンジメント部分５０を定置に支持する支持部分５２と、リブ上面３０に隣接し、リブ上面３０にわたって位置し、これにより支持部分５２を接続しているスパニング部分５４とを有している。リブ上面３０に直接配置されているスパニング部分５４は、リブ上面３０と、構成要素１０を取り巻くあらゆる冷却流体との間に位置している。従って、リブ上面３０を冷却するために、冷却流体はまず、連続シート２０を冷却しなければならず、これにより冷却効率が下がる。さらに、シートは、インピンジメント噴流が流入するキャビティ６０を形成し、加熱された使用済みのインピンジメント空気が、リブ１８の側面２８に隣接したキャビティ６０のサブ領域６２内に集まる。側面２８に隣接してこの比較的高温の使用済みのインピンジメント空気を有することはさらに、リブ１８の冷却を妨げ、リブ１８の下方にある加熱面１２の部分４２の冷却を妨げる。これらの作用を総合すると、結果としてガスタービンエンジンの寿命の間に温度と熱膨張が変動する加熱面１２が生じることになる。従って、構成要素の耐用寿命も短くなる。これに似た作用は、リブ１８と、加熱面１２と底面２６との間の構成要素壁とを含む構成基板自体においても生じ、これにより構成要素１０内で望ましくない熱勾配が生じる。
【００１２】
これらの作用をふまえ、本発明者は、図２に示したように、これらの作用を軽減するように設計された革新的な冷却装置を提案している。この独自の冷却装置１００は、図１の装置と同様の構造を含んでいるが、連続シート２０は有していない。その代わりに、冷却装置１００は、インピンジメント部分１０４を有する不連続のインピンジメント板１０２を有している。しかしながら、インピンジメント板１０２は、リブ上面３０にわたって位置しているのではなく、移行領域１０６と周辺部１０８とを有している。周辺部１０８の縁部１１０は、側面２８に設けられた連結部分１１２に嵌められる。一実施形態では、連結部分１１２は、ポケット２４の周囲の一部又は全周を囲んで延在していて良い溝又はスロットであって良い。代替的に、連結部分は、１つ又は複数の隆起部であって良く、又はインピンジメント板１０２を定置にロックすることができる任意の部材であって良い。例えば、インピンジメント板１０２を安定化させるために対向壁の間に底面２６へと延在する「脚部」がインピンジメント板１０２に形成されている場合、インピンジメント板１０２を定置に保持するためには、対向壁上に設けられた１つ又は複数の隆起部で十分であろう。別の例では、連結部分１１２は、ポケット２４の中心に向かって傾斜する側面２８であって良い。
【００１３】
移行領域１０６は柔軟性があり、移行領域１０６の弾力性により、周辺部１０８の縁部１１０は連結部分１１２内へと延在させられる。次いで、連結部分１１２のコーナ１１４が周辺部１０８と嵌合し、これにより、インピンジメント板１０２が図示されたような設置状態１１６にある場合、コーナ１１４が、インピンジメント板１０２を設置位置１１８でロックするような嵌合が形成される。設置状態１１６では、インピンジメント板１０２と柔軟な連結部分１１２とは、インピンジメント板１０２がポケット２４内で設置位置１１８にある場合、インピンジメント板１０２が所定の位置にロックされるように配置され、構成されている。ポケット２４内に設置されているとは、インピンジメント板１０２の少なくともいくつかの部分が、キャビティ６０を形成するために側面２８（及び底面２６）によって画定されたポケット２４内にあることを意味する。例えば、図２の例示的な実施形態では、周辺部１０８は、底面２６近傍でポケット２４内に配置されていて、これによりキャビティ６０が形成される。代替的には、周辺部１０８を、上面３０のより近くに配置することができ、これにより、より大きなキャビティ６０が形成される。
【００１４】
移行領域１０６は、圧縮力１２０が移行領域１０６の外面１２２に加えられたときに移行領域１０６がポケット２４の中心に向かって内側に屈曲する・曲がるように、十分柔軟に形成されているので、インピンジメント板１０２の取り付け及び取り外しが可能である。換言すると、塑性的な損傷なしにインピンジメント板１０２を取ることのできる様々な形状は、インピンジメント板１０２の設置、操作、除去を可能とするものを含む。移行領域１０６の弾性範囲内で、嵌合を解消させるために十分に移行領域１０６を撓ませるのに必要な程度まで、周辺部１０８の一部又は全体に、力とこの力に関連する圧縮とを加えることができ、これにより、インピンジメント板１０２は設置位置１１８からロック解除される。移行領域１０６は、設置、操作、及び除去を可能にするのに必要な全ての圧縮・撓みによる弾性変形範囲内にあるように構成されている。これにより、インピンジメント板１０２は、インピンジメント板１０２及び／又はポケット２４を損傷する必要なく任意に設置及び除去することができる。インピンジメント板１０２を、その周辺部１０８の周りで均一に圧縮することができ、インピンジメント板１０２が設置位置１１８にあるときに、インピンジメント部分１０４がインピンジメント部分１０４の位置に対して平行なままである場合に、ポケット内へ動かすことができる。代替的に、設置等を容易にするために、インピンジメント板１０２を傾けることができる。
【００１５】
移行領域１０６を保持し、圧縮するために使用することができる付加的な工具（図示せず）を係合させるために、付加的な圧縮支援部材１２４を使用することができる。外面１２２の平均勾配１３２と側面２８との間の角度１３０は少なくとも６０°であって良い。この構成は、側面２８からの移行領域１０６の距離が最大である場合に、圧縮を容易にすることがわかっている。特に、この構成では、工具と移行領域１０６との間に十分な摩擦が形成され、この摩擦により工具は移行領域１０６を曲げるが、滑脱させることはない。
【００１６】
運転中に、プレナム１４０内に存在している冷却流体は典型的には、燃焼ガス流１４よりも高い静圧を受ける。この比較的高い圧力により、冷却空気の一部はインピンジメントオリフィス１４２を通るように駆動され、これによりポケット２４の底面２６の衝突部分１４６に向けられたインピンジメント噴流１４４が形成される。使用済みのインピンジメント空気１４８は衝突部分１４６から移動するが、インピンジメント板１０２に含まれる、側面２８に隣接するサブ領域へと動くのではない。最終的に、使用済みのインピンジメント空気１４８は、フィルム冷却オリフィス１５０を通って流れ、フィルム冷却流体の層１５２に合流する。これは、燃焼ガス流１４と、高温面１２との間にバリアを形成するのに有効である。インピンジメント板１０２の固有の弾力性は、インピンジメント板１０２とポケット２４との間の適合しない熱膨張に対してインピンジメント板１０２を適合させ、従って、これらの不適合の結果として生じる形状を全て、インピンジメント板１０２の弾性範囲内とする。
【００１７】
このような形式で使用済みのインピンジメント空気１４８を含むことにより、リブ上面３０とリブ側面２８との両方を、プレナム１４０内の冷却空気に直接露出させることができる。このような直接的な露出により、これらの面の対流冷却が改善され、改善された対流冷却により、リブ１８の下方にある部分４２とリブ上面３０との間の第１の伝導冷却路１６０と、リブ１８の下方にある部分４２と側面２８との間の第２の伝導冷却路１６２とに沿った、リブ１８を通って行われる改善された伝導冷却が得られる。これにより今度は、リブ１８の下方にある部分４２が良好に冷却され、これにより、高温面１２は、エンジン運転中により均一な温度を有することとなる。このようなより均一な温度分布により、リブ１８の下方にある部分４２である高温スポットに対応するために前もって必要な冷却空気の使用がより少なくなるように構成されたフィルム冷却配置が得られる。冷却空気の使用が少ないことにより結果としてより効率の良いエンジン運転が得られる。上記理由により、側面２８をより多く露出させる構造を使用することができる。例えば、図示した実施形態では、連結部分１１２と周辺部１０８とは、底面２６近傍に配置されていて、側面２８の大部分を露出した状態に残している。
【００１８】
図３には、インピンジメント板１０２の１つの実施形態が示されている。この実施形態では、インピンジメント部分１０４から複数のフレキシブル部分１７０が延在しており、これにより移行領域１０６と周辺部１０８とが形成されている。各フレキシブル部分１７０の間にはスリット１７２が設けられている。このスリット１７２は、フレキシブル部分１７０の圧縮屈曲に適応するように構成されていて、これによりインピンジメント板１０２を、連結部分１１２を通してポケット２４内に挿入するために圧縮することができる。フレキシブル部分１７０に隣接するスリット１７２がなければ、互いに妨害し合い、圧縮は不可能である。取り付け中から設置状態１１６へと移行するとき、フレキシブル部分１７０は、インピンジメント板１０２を定置にロックするために外側に向かって跳ね出す。フレキシブル部分１７０は、周辺部１０８が側面２８に対して押し付けられ、連結部分１１２内へと押し込まれる点に向かって跳ね出す。この移行が行われるとき、フレキシブル部分１７０が曲げられているときにはなくなっているスリット１７２は若干開かれる。スリット１７２のサイズは最小限であって良く、これにより冷却流がスリットを通過して流れるときに、エンジン効率及び／又は冷却に与える影響は最小限となる。代替的に、冷却ニーズが高いであろうポケット２４の角隅での冷却が望ましい場合には、スリットは二重の役割を提供し、冷却流及び／又はインピンジメント冷却流用の通路を形成するように設計することができる。スリットを絶対的に必要な程度に少なくするか、又はより多くのスリットを設けるかは、冷却装置１００の特別な要求と、冷却されるべきポケット２４の特別な形状による。同様に、フレキシブル部分１７０は、スリット１７２等よりも狭くて良い。さらに、連結部分１１２は、ポケット２４の周全体にわたって延在していて良く、又は、フレキシブル部分１７０の縁部１１０を受容する必要があるところにだけ設けられていて良い。
【００１９】
全てのポケット２４が同じ形状を有している必要はない。特に、いくつかのポケット２４はフラットであって良く、いくつかのポケット２４は構成要素１０の屈曲部にわたって延在していて良い。従って、いくつかのインピンジメント板１０２はフラットであって良く、その他のものは、底面２６の輪郭に沿うように曲げられていて良い。同様に、周辺部１０８の形状は、図示したように長方形であって良く、又は三角形、又は、冷却すべきポケット２４に適合するために必要な任意の形状をとることができる。構成要素が、円錐形管路のような、周方向に延在するリブを有する必要があるならば、環状のインピンジメント板を使用することができる。このようなインピンジメント板は、設置を容易にするためにピストンリングに似た端部を有していて良く、円錐の小さな端部から挿入することができる。
【００２０】
各インピンジメント板１０２は、一定量だけ底面２６から離れて設置されて良い。代替的に、底面２６からインピンジメント部分１０４までの距離の量は、所望の冷却効果の局所的な仕様を可能にするためにポケット２４内で変化して良い。各インピンジメント板１０２は、さらに、ガスタービンエンジンの運転中に外れて、燃焼装置とタービンを通るように引きずられて損傷することのないようにポケット内で固定されて良い。付加的な固定は、側面２８へのインピンジメント板１０２のろう接又は溶接を含んでいて良い。
【００２１】
前述した通り、本発明者は、既存の及び新技術のガスタービンエンジンにおけるインピンジメント冷却を改善する独自の冷却装置を開発したことが明らかである。開示された冷却装置はシンプルであり、従って比較的安価であるが、効果的で、さらに、ガスタービンエンジンの効率を改善することによりそれ自体のコストを減じる。従って、当該技術分野において改善を示す。
【００２２】
本発明の様々な実施形態を本明細書に示し説明してきたが、これらの実施形態は単に例示として提供されたものであることは明らかである。本発明の範囲から逸脱することなく、多くの変形、変更、代用が行われて良い。従って、本発明は添付の請求項の概念及び範囲によってのみ限定されるものである。
【図１】
0006461105.tif 000002
【図２】
0006461105.tif 000003
【図３】
0006461105.tif 000004