(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
壁のガス側表面（１４）が高温燃焼ガス（１２）にさらされる燃焼タービンの部品（１０）を該壁に冷却流体を供給することにより冷却する方法であって、
部品（１０）の壁をガス側表面（１４）の下方において貫通し、入口（２２）と出口（２４）を有する第１の表面下冷却通路（２０）を形成し、
部品（１０）の壁をガス側表面（１４）の下方において貫通し、入口（２８）と出口（３０）を有し、出口（３０）が第１の表面下冷却通路（２０）と、その入口（２２）と出口（２４）の間の合流点（３２）で流体接続された第２の表面下冷却通路（２６）を形成し、
第１の冷却流体の流れを第１の表面下冷却通路（２０）の入口（２２）に供給し、
第２の冷却流体の流れを第２の表面下冷却通路（２６）の入口（２８）に供給して、合流点（３２）で第１の冷却流体と合流させ、
第１及び第２の冷却流体を壁を通して第１の表面下冷却通路（２０）の出口（２４）へ差し向けるステップより成り、
第１の冷却流体の温度が最高値になる、第１の表面下冷却通路（２０）の合流点（３２）の上流部分に乱流発生表面（３４）を設けるステップをさらに含むことを特徴とする燃焼タービンの部品（１０）の冷却方法。
【請求項２】
部品（１０）は、第１の部分と、該第１の部分より低い熱負荷を有する第２の部分とを有し、第１の表面下冷却通路（２０）及び第２の表面下冷却通路（２６）のうち少なくとも一方が第１の部分を貫通するように選択して、第１の部分からの熱除去率が第２の部分よりも大きくなるようにするステップを含むことを特徴とする請求項１の方法。
【請求項３】
第１の表面下冷却通路（２０）及び第２の表面下冷却通路（２６）のうち少なくとも一方の、それぞれの冷却流体の流路に沿う、流れ断面積を変化させることにより、ガス側表面（１４）の選択された点（１６，１８）において所定の冷却率が得られるようにするステップをさらに含むことを特徴とする請求項１の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は、一般的に、高温環境にさらされる部品の冷却分野に関し、さらに詳細には、高温の燃焼ガスにさらされる燃焼またはガスタービン部品の冷却に関する。
【０００２】
【発明の背景】
最新式の燃焼タービンエンジンは、効率改善のため、ますます高い燃焼ガス温度で運転されるように設計されつつある。燃焼温度が１０００℃を超えると、新しい超合金材料、熱障壁被覆及び改良式部品冷却方法を使用しなければならない。当該技術分野では、圧縮機により発生される圧縮空気の一部を冷却空気として使用してタービンの選択部分を対流冷却することが知られている。しかしながら、この目的で圧縮空気を使用するとエンジン効率が低下するため、かかる冷却空気の量を最小限に抑えるように設計することが望ましい。典型的な従来型タービンは、圧縮機からの冷却空気が流れる冷却通路が形成されている。しかしながら、空気が冷却通路を流れて部品から熱エネルギーを除去するにつれて、冷却流体の温度が上昇し、その結果、冷却空気の冷却効果が冷却通路の入口端部で高く、出口端部で低くなる。この温度勾配は、部品内の応力負荷を増加させる可能性がある。冷却通路の出口端部を適切に冷却するためには、冷却通路の流速を入口端部で必要な値よりも大きくする必要があるが、その結果、使用する冷却流体の量が過剰となり、入口端部の部品が過度に冷却されることになる。
【０００３】
１９９６年１２月１０日にReissへ発行された米国特許第５，５８１，９９４号は、熱負荷のかかる部品の冷却方法及び装置であって、冷却空気がこの部品の壁の方向に供給されて横方向に偏向され、冷却流の一部がインピジメント冷却効果がインピンジメント点で減少するように偏向される方法及び装置を開示している。１９８５年７月２日にHsia, et al.へ発行された米国特許第４，５２６，２２６号は、同一体積の冷却空気が冷却すべき部品の背面へ繰り返し差し向けられるマルチインピンジメント冷却構造を開示している。
【０００４】
１９９５年１２月５日にTaslim et al.へ発行された米国特許第５，４７２，３１６号は、流路に沿う所定場所の熱伝達効率を改善するために冷却通路の少なくとも一方の側壁に設けた乱流発生用リブを開示している。熱伝達効率の改善は、乱流効果と、流路断面積の減少による冷却流体の流速の加速との両方により得られる。かかる乱流発生手段を用いると、冷却通路に沿う冷却流体の温度上昇率が変化する。しかしながら、この方式は、冷却通路の出口端部における望ましくない冷却流体温度の上昇の問題も、この温度上昇に対処するため冷却流体の流速を増加させると入口端部に生ずる過度の冷却の問題も解決しない。
【０００５】
従って、本発明の目的は、必要とされる冷却空気の量を最小限に抑え、冷却通路の入口端部における過度の冷却を回避する、燃焼タービンエンジンの一部の冷却方法を提供することにある。本発明のさらに別の目的は、部品の応力ピークレベルが最小となる、燃焼タービンエンジンの一部を冷却する方法を提供することにある。
【０００６】
【発明の概要】
上記及び他の目的を達成するために、本発明は、壁のガス側表面が高温燃焼ガスにさらされる燃焼タービンの部品を該壁に冷却流体を供給することにより冷却する方法であって、部品の壁をガス側表面の下方において貫通し、入口と出口を有する第１の表面下冷却通路を形成し、部品の壁をガス側表面の下方において貫通し、入口と出口を有し、出口が第１の表面下冷却通路と、その入口と出口の間の合流点で流体接続された第２の表面下冷却通路を形成し、第１の冷却流体の流れを第１の表面下冷却通路の入口に供給し、第２の冷却流体の流れを第２の表面下冷却通路の入口に供給して、合流点で第１の冷却流体と合流させ、第１及び第２の冷却流体を壁を通して第１の表面下冷却通路の出口へ差し向けるステップより成り、第１の冷却流体の温度が最高値になる、第１の表面下冷却通路の合流点の上流部分に乱流発生表面を設けるステップをさらに含むことを特徴とする燃焼タービンの部品の冷却方法を提供する。
【０００７】
本発明の方法は、さらに、部品の表面のピーク設計温度を決定し、合流点の場所と第１及び第２の冷却流体の流量とを、タービンの運転中該表面のいかなる点もピーク設計温度を超えないように、また第１及び第２の冷却流体の流量の総和が最小限に抑えられるように決定するステップを含む。
【０００８】
【好ましい実施例の説明】
燃焼またはガスタービンは、一部がタービンの運転中に高温の燃焼空気にさらされる多数の組立て部品より成ることが当該技術分野において知られている。これらの部品には、例えば、燃焼器の部品、燃焼器移行部の部品、ノズル、静翼、及び回転動翼が含まれる。図１は、別のかかる部品として、リングセグメントとしても知られる動翼の外側空気シール１０の断面図である。この部品１０は、回転動翼の半径方向外側位置でタービンに設けられており、高温の燃焼ガス流１２の流路境界の一部を画定する。従って、この部品１０の表面１４は、タービンの運転中は過酷な高温環境にさらされる複数の点１６、１８を含む。
【０００９】
この部品１０には、第１の冷却通路２０が形成されている。第１の冷却通路２０は、入口端部２２と、出口端部２４とを有する。第１の冷却通路２０は、表面１４から第１の冷却通路２０を流れる第１の冷却流体（図示せず）への熱の効率的伝達を促進するために、表面１４の近傍に形成することが好ましい。例えば、第１の冷却通路２０は、表面１４から０．０６インチのところに形成される。第１の冷却流体は任意の冷却媒体でよいが、当該技術分野で知られているように、蒸気または燃焼タービン装置の圧縮機から供給される圧縮空気であるのが好ましい。
【００１０】
部品１０には、第２の冷却通路２６も形成されている。第２の冷却通路２６は、入口端部２８と、出口端部３０とを有する。第２の冷却用通路の出口端部３０は、第１の冷却用通路２０の入口端部２２と出口端部２４の間の合流点３２において第１の冷却通路２０と流体接続されている。
【００１１】
部品１０には、第３の冷却通路３０も形成されている。この第３の冷却通路３０は、入口端部４０と、出口端部４２とを有する。第３の冷却通路の出口端部４２は、第１の冷却通路２０の入口端部２２と出口端部２４の間の合流点４４で第１の冷却通路２０と流体接続されている。図１にはそのように示されていないが、第３の冷却通路３０を第２の冷却通路２６に流体接続されるように形成してもよい。
【００１２】
乱流発生表面３４を、図示のように、第１の冷却通路２０の少なくとも一部に設けるか、あるいは、図示はしないが、第２または第３の冷却通路２６、３８の一部に設けてもよい。
【００１３】
冷却通路２０、２６、３８の流れ断面積はそれぞれ、各通路の長さ方向に一定でもよいし、流路に沿う点により異なるようにしてもよい。図１に示すように、冷却通路２０は入口端部において第１の流れ断面積を有し、また出口端部においてそれよりも大きい第２の流れ断面積を有する。この流れ断面積は、部品１０を簡単に製造できるようにするため、あるいは、当該技術分野で知られているように、通路を流れる冷却流体の流速を制御するために変化させ、これにより部品から冷却流体への熱伝達率に影響を与えるようにしてもよい。
【００１４】
部品１０の設計者は、部品の所与の部分へ供給される冷却流体の量と、除去しなければならない熱エネルギーの量とを協調させることにより、部品のその部分を所定のピーク設定温度以下にする本発明の冷却方法を選択することができる。設計者は、従来式冷却方法と比較して少量の冷却空気を用いることにより、この作用効果を得ることができる。
【００１５】
特定の部品１０を冷却する最適の冷却方法を選択するには、まず、部品の物理的設計、構成材料、温度過渡現象を含む運転温度、及び部品の機械的及び熱的応力を理解する。部品１０のピーク設計温度は、主として、構成材料の関数である。部品の運転環境の温度が許容可能なピーク設計温度を超える場合、第１の冷却通路２０を部品１０に、好ましくは最高温度となる表面１４の近傍に形成すればよい。設計者はまた、冷却流体のピーク設計温度をシステム効率または熱効率基準に基づき求めることができる。第１の冷却通路２０へ送られる第１の冷却流体の温度が所望のレベル以上に上昇することがわかった場合、第１の冷却流体の流れの中に温度の低い冷却流体を注入するために、第２の冷却通路２６を部品１０に形成することができる。第２の冷却通路２６は、合流点３２において第１の冷却通路２０と流体接続されるように形成する。第２の冷却通路２６を介して第２の冷却流体を流す目的は、２つある。その１つは、第２の冷却通路２６に隣接する部品部分を冷却することであり、もう１つは第１の冷却通路２０に沿う冷却の均一性を改善することである。冷却の均一性の改善は、２つのメカニズムにより得られる。第１に、必要とされる流速が小さいため、入口端部２１における冷却効果が減少し、第２に、第１の冷却通路２０の合流点３２の下流部分において温度が低下し流速が増加するために、出口端部２４における冷却効果が促進される。合流点３２における第１の冷却流体と第２の冷却流体の合流により生じる流量増加に対処するため、あるいは部品１０と冷却流体の間の熱伝達率に影響を与えるようにするため、第１の冷却通路２０の流れ断面積を合流点３２で増加してもよい。合流点３２の位置は、部品１０の動作時に、部品１０の表面１４の如何なる点１６、１８においても温度がピーク設計温度を超えないように選択すればよい。同様に、合流点３２の位置を適切に選ぶことにより、冷却流体のピーク温度を最大設計温度以下に維持する共に入口端部２２近くの部品１０の部分が過度に冷却されないようにすることができる。部品１０の任意の部分の過度の冷却を回避することにより、第１及び第２の冷却流体の流量の総和を最小限に抑えることができる。
【００１６】
部品１０の冷却を最適化するためには、設計者は第１、第２及び第３の冷却流体に必要とされる最適の相対流量を計算すればよい。例えば、第２の冷却通路２６により冷却される部品１０の部分に大きな応力が生じているか、あるいは該部分が比較的高い熱負荷を有する場合、相対的に大きい流量の第２の冷却流体を第２の冷却通路２６に供給することが望ましい。逆に、その周辺領域が比較的低い熱負荷にさらされるか、あるいは他の熱エネルギー除去手段により部分的に冷却される場合は、比較的低い流量の第３の冷却流体を第３の冷却用通路３８に供給するのが望ましい。
【００１７】
部品１０の冷却方法の１つとして、冷却通路２６、３８の任意の部分に乱流発生表面を設けるようにしてもよい。かかる乱流発生表面は、必要とされる場所、例えば、合流点３２のすぐ上流の第１の冷却通路２０における熱伝達を増加する働きがある。この領域に乱流発生表面を設ける理由は、第１の冷却流体の温度がここで最高になるからである。
【００１８】
本願の方法は、長い冷却通路の全長に亘って高い冷却効率を維持する手段を提供する。これは、冷却通路の１またはそれ以上の選択した下流の場所へ補充用冷却流体を注入することにより達成される。注入場所、主流に対する注入される流量の比率、第１の流路の流れ断面積の最適な選択及び通路内における乱流発生手段または他の表面活性手段の使用により、補充用冷却流体を用いない設計と比較して温度均一性に優れ、冷却流体消費量が少ない冷却方式の設計が得られる。
【００１９】
本発明の他の目的及び利点は、図面及び本明細書の記載及び頭書の特許請求の範囲を検討すれば明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明により冷却される燃焼タービンの動翼の外側空気シールを示す断面図である。
【図１】
0004508426.tif 000002