(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン翼形部であって、
前記タービン翼形部内部で流体を受けるよう構成された第１のキャビティと、
前記タービン翼形部内部の第２のキャビティと、
前記タービン翼形部内を正圧面側から負圧面側まで通り、第１及び第２のキャビティ間を流体連通する通路と、
を備え、
前記通路は、正圧面側から負圧面側に向かって、直線部と、Ｕ字部分と、湾曲部分とが順次配置され、
前記通路は、
前記流体が前記湾曲部分を通って流れるときに、前記流体の流れによって引き起こされる遠心力により粒状物を前記湾曲部分の半径方向外壁に向けて付勢して、前記流体から前記粒状物を分離し、
前記粒状物の量が低減された清浄な流体を前記湾曲部分の半径方向内側壁内の通路を通って前記第２のキャビティに提供し、
残留する流体を前記湾曲部分の下流部分に近接する通路を通って前記タービン翼形部の外側部分に配向する
ように構成される、
タービン翼形部。
【請求項２】
前記清浄な流体が、前記タービン翼形部の壁内の通路を通って配向されて、前記タービン翼形部の温度を制御する、請求項１に記載のタービン翼形部。
【請求項３】
前記流体が空気を含み、前記粒状物が塵埃を含む、請求項１または２に記載のタービン翼形部。
【請求項４】
タービン部品内を流れる流体から粒状物を分離する方法であって、
前記タービン部品内を第１のキャビティから、前記タービン部品内を正圧面側から負圧面側まで通って延在する通路に流体を受けるステップであって、
前記通路は、正圧面側から負圧面側に向けて順次配置された、直線部と、Ｕ字部分と、湾曲部分とを順次流れる前記流体を生じさせ、
前記流体が前記湾曲部分を通って流れるときに、前記流体の流れによって引き起こされる遠心力により前記粒状物を前記湾曲部分の半径方向外壁に向けて付勢して、前記流体から粒状物を分離し、
前記粒状物の量が低減された清浄な流体を前記湾曲部分の半径方向内側壁内の通路を通って前記第２のキャビティに提供し、
残留する流体を前記湾曲部分の下流部分に近接する通路を通って前記タービン翼形部の外側部分に配向する、
ステップと、
前記通路から粒状物の量が低減された清浄な流体を前記タービン部品内の第２のキャビティに配向するステップと、
を含む、方法。
【請求項５】
第２のキャビティの壁内の小さな通路を通って前記清浄な流体を配向し、前記部品の温度を制御するステップを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記流体を受けるステップが空気を受けるステップを含み、前記粒状物が塵埃を含む、請求項４または５に記載の方法。
【請求項７】
圧縮機と、
燃焼器と、
タービンと、
請求項１乃至３のいずれかに記載のタービン翼形部と、
を備える、タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、タービンエンジンに関し、より詳細には、タービンエンジンにおいて流体から粒状物を分離するための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンでは、燃焼器は、燃料又は空気燃料混合気の化学エネルギーを熱エネルギーに変換する。熱エネルギーは、流体（多くの場合、圧縮機からの加圧空気）によってタービンに運ばれ、ここで熱エネルギーが機械エネルギーに変換される。変換プロセスの一部として、高温ガスがタービンの一部にわたって通過して流れる。高温ガス経路に沿った高い温度は、タービン部品を加熱し、劣化を引き起こす可能性がある。冷却流体は、部品内に形成されたチャンネル又はキャビティを通って流れ、該部品を冷却することができる。場合によっては、冷却流体は、流れ通路内に蓄積して流れを妨げる可能性がある塵埃又は土砂などの粒状物を含む場合がある。冷却流体の流れの低下又は制限は、タービン部品に対する温度及び熱応力の増大をもたらす可能性がある。
【発明の概要】
【０００３】
本発明の１つの態様によれば、タービン翼形部は、流体を受けるよう構成されたタービン翼形部内部の第１のキャビティと、タービン翼形部内部の第２のキャビティとを含む。タービン翼形部はまた、第１及び第２のキャビティ間を流体連通する通路をタービン翼形部内部に含み、該通路は、流体が通路を通って流れるときに流体から粒状物を分離するよう構成された湾曲部分を含む。
【０００４】
本発明の別の態様によれば、タービン部品内を流れる流体から粒状物を分離する方法は、タービン部品内の第１のキャビティからタービン部品内の通路に流体を受けるステップを含み、該通路は、流体が通路を通って流れるときに流体から粒状物を分離するよう構成された湾曲部分を含む。本方法はまた、通路から粒状物の量が低減された清浄な流体をタービン部品内の第２のキャビティに配向するステップを含む。
【０００５】
これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。
【０００６】
本発明とみなされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】燃焼器、燃料ノズル、圧縮機及びタービンを含むガスタービンエンジンの一実施形態の概略図。
【図２】例示的な翼形部の断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。
【０００９】
図１は、ガスタービンシステム１００の一実施形態の概略図である。本システム１００は、圧縮機１０２、燃焼器１０４、タービン１０６、シャフト１０８及び燃料ノズル１１０を含む。一実施形態では、本システム１００は、複数の圧縮機１０２、燃焼器１０４、タービン１０６、シャフト１０８及び燃料ノズル１１０を含むことができる。圧縮機１０２及びタービン１０６は、シャフト１０８によって結合される。シャフト１０８は、単一のシャフト、或いは共に結合されてシャフト１０８を形成する複数のシャフトセグメントとすることができる。
【００１０】
１つの態様において、燃焼器１０４は、エンジンを稼働させるために、天然ガス又は水素リッチ合成ガスのような液体及び／又はガス燃料を用いる。例えば、燃料ノズル１１０は、空気供給源及び燃料供給源１１２と流体連通している。燃料ノズル１１０は、空気燃料混合気を生成して、該空気燃料混合気を燃焼器１０４内に吐出し、これにより加圧ガスを加熱する燃焼を引き起こす。燃焼器１０４は、移行部品を通じて高温加圧排出ガスをタービンノズル（又は「第１段ノズル」）、次いでタービンバケットに配向して、タービン１０６を回転させるようにする。タービン１０６の回転は、シャフト１０８を回転させ、これによって空気が圧縮機１０２内に流れるときに該空気を加圧する。燃焼温度が上昇すると、高温ガス経路部品は、耐用期間を延ばすために適切に冷却する必要がある。一実施形態では、高温ガスは、タービン１０６を含むガスタービンシステム１００の一部にわたって通過して流れる。高温ガス経路に沿った高温は、タービン１０６の部品を加熱し、劣化を引き起こす可能性がある。一実施形態では、冷却流体は、部品内に形成されたチャンネル又はキャビティを通って流れ、部品を冷却することができる。場合によっては、冷却流体は、塵埃、地上金属粉塵、塗料片及びコーティング片などの粒状物を含む場合があり、流れ通路を蓄積し、流れを妨げる可能性がある。冷却流体の流れから粒状物を除去する改善された構成を備えた部品並びにこのような部品を用いた方法を、図２を参照しながら以下で詳細に考察する。
【００１１】
本明細書で用いる用語「下流」及び「上流」は、タービンを通る作動流体の流れに対する方向を示す用語である。従って、「下流」という用語は、一般的に作動流体の流れの方向に対応する方向を意味し、「上流」又は「前方」という用語は一般的に、作動流体の流れの方向の反対方向を意味する。「半径方向」という用語は、軸線に対して垂直方向の移動又は位置を意味する。この用語は、軸線に対して異なる半径方向位置にある要素を表すのに有用とすることができる。このようなケースでは、第１の部品が第２の部品よりも軸線に対してより近接して存在する場合には、本明細書では、第１の部品は第２の部品の「半径方向内側」にあると表すことができる。これに対して、第１の部品が第２の部品よりも軸線から遠くに存在する場合には、本明細書では、第１の部品は第２の部品の「半径方向外側」にあると表すことができる。用語「軸方向」は、軸線に平行な移動又は位置を指す。最後に、用語「周方向」は、軸線を中心とした移動又は位置を指す。以下の考察では、主としてガスタービンに焦点を当てているが、考察される本発明の概念は、ガスタービンに限定されず、蒸気タービンを含む、他の回転機械にも適用することができる。
【００１２】
図２は、翼形部２００などのタービン部品の一実施形態の断面図である。翼形部２００は、前縁（ＬＥ）キャビティ２０４及び後縁（ＴＥ）キャビティ２０６を含む外壁２０２を含み、これらキャビティは、翼形部２００の一部の温度を制御するために流体を受けるよう構成される。一実施形態では、ＬＥキャビティ２０４は、翼形部２００の一部を冷却するのに使用される流体２０８（空気など）を受ける。通路２１０は、流体２０８を受けて、流体が通路２１０を通って流れるときに該流体２０８から粒状物を分離する。通路２１０は、実質的に直線部分２１２と、実質的に湾曲部分２１４とを含み、Ｕ字形部２１６が実質的に直線部分２１２を実質的に湾曲部分２１４に接続している。流体２０８が湾曲部分２１４を通って流れると、遠心力が流動する流体２０８に働き、流体に対して粒状物の質量がより大きいことに起因して、湾曲部分２１４の半径方向外壁２１８に向かって粒状物が流れるように又は付勢する。従って、半径方向内側壁２２０に近接する流体２０８は、粒状物の量が低減される。一実施形態では、半径方向内側壁２２０に近接した粒状物の量が低減された流体２０８を含む清浄な流体２２２は、半径方向内側壁２２０における通路２２４を通って流れる。残留する流体２０８は、増大した粒状物の量を含み、通路２１０の端部又は下流部部分に近接した外壁２０２における通路２２８を通って流れる流体２２６（「残留流体」とも呼ばれる）を形成する。一実施形態では、流体２２６は、通路２２８を通って流れ、外壁２０２の表面２３０を冷却するフィルムを形成する。
【００１３】
ＴＥキャビティ２０６は、粒状物の量が低減された清浄な流体２２２を受け、該清浄な流体２２２は、翼形部２００内の温度を制御するために通路、チャンネル及び／又は他のキャビティなどの他の位置に配向される。図示するように、外壁２０２内の通路２３２は、清浄な流体２３４をＴＥキャビティ２０６から流すことを可能にし、該清浄な流体２３４は、通路２３２に近接する外壁を冷却する。清浄な流体２３４における粒状物量が低減されることにより、流体の流れを制限する可能性がある粒状物の蓄積を生じることなく、チャンネル又は通路（通路２３２など）を流体が流れることができる。一実施形態では、通路２３２は、小直径の冷却通路である。小直径の冷却通路（例えば、通路２３２）は、タービン部品の選択部分についての冷却制御を向上させ、よって閉塞を生じやすい。これに応じて、流れチャンネル及び／又は通路を通って流れる流体内の粒状物蓄積を低減することにより、タービン部品温度の制御の向上がもたらされ、熱疲労、摩耗及び／又は損傷が阻止される。
【００１４】
一実施形態では、金属発泡体２３６などの多孔質材料が、清浄な流体２２２を受け取ることができ、ここで発泡体中の細孔は、翼形部２００の一部を冷却するための流体流れ通路である。金属発砲体２３６の接続された細孔通路は、冷却空気などの清浄な流体２２２がＴＥキャビティ２０６の少なくとも一部を充填し、従って、冷却空気が流れる表面積を増大させることができる。清浄な流体２２２中に粒状物の量が低減されることにより、金属発砲体２３６中の細孔通路の閉塞を低減し、従って、冷却を改善することができる。一実施形態では、通路２１０は、Ｕ字形部分２１６に近接した外壁２０２における通路２４０を含み、ここで流体２３８の流れは、粒状物の増大した量を含む。従って、流体２０８の流れにおける転回及びこれに伴う遠心力によって、粒状物の少なくとも一部の分離を引き起こし、冷却に使用される流体２０８中に粒状物の量の低減をもたらす。
【００１５】
翼形部２００における通路２１０の図示の配列を用いて、限定ではないが、翼形部、シュラウド及びバルクヘッドを含む、あらゆる好適なタービン部品内部の流体から粒状物などのより高質量の材料を分離することができる点に留意されたい。さらに、実質的に湾曲部分２１４を有する通路２１０は、タービン部品内のあらゆる好適な場所に配置することができ、ここで通路は、粒状物を有する流体を受けて、遠心力によって粒状物を分離し、また、更なる部品の冷却のために清浄な流体２２２が別の場所に流れる。Ｕ字形通路は、極めて鋭角の内側転回を有する流路を含み、相当な量の流体流れ転回をほぼ１８０°にして通路に沿った流れを継続させる。実質的に湾曲した経路で流れる湾曲通路の流体はまた、遠心力を引き起こし、高質量材料を通路の半径方向外側壁に付勢するようにする。湾曲通路幾何形状の実施例には、円弧、半円及び小さな角度を間に有する複数の直線上部分が挙げられる。図示した部品の通路２１０は、タービン部品の内部又は外部にあるキャビティ、チャンネル又は通路と流体連通することができ、ここで通路２１０は、流体２０８内の粒状物の量を低減し、第２のキャビティ（すなわち、ＴＥキャビティ２０６）に清浄な流体２２２を提供するよう構成される。
【００１６】
限られた数の実施形態のみに関して本発明を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は理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。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、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００１７】
２００  翼形部
２０４  前縁（ＬＥ）キャビティ
２０６  後縁（ＴＥ）キャビティ
２０２  外壁
２０８  流体
２１０  通路
２１２  実質的に直線部分
２１４  実質的に湾曲部分
２１６  Ｕ字形部
２１８  半径方向外壁
２２０  半径方向内側壁
２２２  清浄な流体
２２４  通路
２２６  残留流体
２２８  通路
２３０  表面
２３２  通路
２３４  清浄な流体
２３６  金属発泡体
２３８  流体
２４０  通路
【図１】
0006405077.tif 000002
【図２】
0006405077.tif 000003