(57)【要約】高温流体（２９）で作動するターボ機械（２０）のための冷却可能なセグメント（１）に関する。このセグメントは、軸方向（３７）および該方向と直交する円周方向（３６）に延在する冷却壁（２）と、高温流体（２９）に曝される高温流体表面（３）とを備える。壁と表面との間には、冷却流体（５）に対し透過性があり、放射による熱伝導によって冷却を行う冷却表面（６）を提供する冷却構造（４）が配置されている。冷却構造はネット、特にワイヤネット或いは多孔質材料を備える。また本発明は冷却可能なセグメントを備えた燃焼タービン（２０）に関する。
2004534178.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温流体（２９）で作動するターボ機械のための冷却可能なセグメント（１）であって、
軸方向（３７）および前記軸方向（３７）と直交する円周方向（３６）に延在する冷却壁（２）と、
前記高温流体（２９）に曝される高温流体表面（３）と、
前記冷却壁（２）と前記高温流体表面（３）との間に、冷却流体（５）に対し透過性があり、放射による熱伝導によって冷却を行う冷却表面（６）を供する冷却構造（４）と
を備えるセグメント。
【請求項２】
前記冷却構造（４）がネット、特にワイヤネットを備える請求項１記載のセグメント。
【請求項３】
前記冷却構造（４）が多孔質材料を備える請求項１記載のセグメント。
【請求項４】
前記冷却構造（４）の前記多孔質材料が孔を伴った鋳造により製造される請求項３記載のセグメント。
【請求項５】
前記高温流体表面（３）が高温流体壁（９）により形成される請求項１から４の１つに記載のセグメント。
【請求項６】
前記高温流体壁（９）が保護層（１０）、特に熱遮断層および／又は腐食保護層で覆われている請求項５記載のセグメント。
【請求項７】
前記冷却構造（４）が熱伝導性材料、特に金属或いは炭化珪素（ＳｉＣ）等の熱伝導性セラミックスを備えた請求項１から６の１つに記載のセグメント。
【請求項８】
熱が前記冷却構造（４）から前記冷却壁（２）へ伝導するように、前記冷却構造（４）が前記冷却壁（２）に連結、特に前記冷却壁（２）に溶接或いはろう付け又は前記冷却壁（２）と共に鋳造された請求項１から７の１つに記載のセグメント。
【請求項９】
前記冷却壁（２）と前記高温流体表面（３）との間に形成され、冷却流体（５）が前記軸方向（３７）に沿って流れるようにする少なくとも二つの冷却流路（１５）を備え、そのうちの少なくとも一つの冷却流路（１５）が前記冷却構造（４）を備える請求項１から８の１つに記載のセグメント。
【請求項１０】
前記冷却壁（２）と前記高温流体表面（３）との間に形成され、冷却流体（５）が前記冷却壁（２）から前記高温流体表面（３）に流れるようにする少なくとも二つの冷却室（３８）を備える請求項１から９の１つに記載のセグメント。
【請求項１１】
冷却流体（５）が前記冷却構造（４）に入るための、前記冷却壁（２）を貫通する冷却流体供給通路（１６）を備える請求項１から１０の１つに記載のセグメント。
【請求項１２】
前記冷却流体供給通路（１６）が、前記冷却構造（４）内よりも圧力損失を大きくするスロッスルとして作用する請求項１１項記載のセグメント。
【請求項１３】
冷却流体供給通路（１６）が前記軸方向（３７）に沿っている請求項１１又は１２記載のセグメント。
【請求項１４】
冷却流体（５）が前記冷却構造（４）から流出するための前記高温流体表面（３）に形成された孔（１３）が前記軸方向（３７）に沿っている請求項１から１４の１つに記載のセグメント。
【請求項１５】
前記冷却流体（５）が前記セグメント（１）を出る迄の移動期間を延長するために、冷却流体（５）を一方の方向に導き反対の方向に戻す仕切り（３５）を備えた請求項１から１４の１つに記載のセグメント。
【請求項１６】
燃焼室の熱シールド要素、タービン翼の側板部分或いは回転タービンブレード（２６）と対向する壁部分を形成する案内リング（３２）である上記請求項１から１５の１つに記載のセグメント。
【請求項１７】
燃焼タービン（２０）、特にジェットエンジン用のタービン或いは固定ガスタービンに設けられる請求項１から１６の１つに記載のセグメント。
【請求項１８】
高温ガス（２９）が流れる高温ガス流域（２３、２４、３０）と、
前記高温ガス流域（３０、２３）を取り囲む壁構造（２８、３９）であり、軸方向（３７）および前記軸方向（３７）に直交する円周方向（３６）に延在する冷却壁（２）と、前記高温ガス（２９）に曝される高温流体表面（３）と、前記冷却壁（２）と前記高温流体表面（３）との間に形成され冷却流体（５）に対し透過性があり放射による熱伝導によって冷却を行うための冷却表面（６）を供する冷却構造（４）とを備えた冷却可能なセグメント（１）を含む前記壁構造（２８、３９）と
を備える燃焼タービン。
【請求項１９】
前記冷却可能なセグメント（１）が、軸方向（３７）に沿って冷却流体（５）を冷却構造（４）に入れるための、前記冷却壁（２）を貫通する冷却流体供給通路（１６）と、冷却流体（５）が前記軸方向（３７）に沿って前記冷却構造（４）から出るための、前記高温流体表面（３）に形成された孔（１３）とを備える請求項１８記載の燃焼タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はターボ機械の冷却可能なセグメントに関し、特に燃焼タービンの側板或いは案内ブレード板（案内リングセグメント）に関する。また本発明は、冷却可能なセグメントを有する燃焼タービンにも関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ機械、特にガスタービンエンジンや蒸気タービンの設計において重要な点は、エンジンの種々の部材を安全な作動温度に確実に保つことである。これはエンジン中で最も高温の作動温度に曝され、かつタービンノズル又はタービン翼、タービンバケット又は回転ブレードおよび側板を含んだ燃焼器やタービン部等のガスタービン要素について特に当てはまる。タービンノズルは環状のガス通路内の高温ガスを導いて隣接する後続のバケット列を回転させ、動力を発生させる。側板により、ガス通路の一部が回転バケット列の半径方向外側に形成される。
【０００３】
ガスタービンエンジンのタービン部における熱効率は、タービンの入口温度が高いか否かに左右される。ところがその入口温度は、タービンノズルやバケット、側板を形成する材料が安全に耐えられる温度範囲内に限定される。ガス通路温度が材料の制限値を超える場合、これら部材のガス通路表面を冷却して耐え得るようにせねばならない。従って、これら部材の作成に用いる材料の種類や被膜を改良するのに加え、タービンの環境作動温度が部材を形成する材料の融点を超えてもそれらに影響を与えることがないよう、従来から空気冷却を連続的に行う方法を実施してきた。
【０００４】
ガスタービンエンジンのタービン部や燃焼器その他の部分の部材を効率的且つ均一に冷却するための、数多くの流体冷却技術、特に空気冷却技術が従来用いられてきた。
【０００５】
ティーマンらの欧州特許出願公開第ＥＰ１０２２４３７号明細書は、内部に冷却可能部分を有する壁要素を備えた燃焼タービンの要素を開示する。それら２つの壁要素間に、熱膨張の補正ができるようシール要素により間隙をあけている。内部の冷却可能部分には冷却空気が供給され、該空気が間隙に開口している孔を通って壁要素から出る際に、孔を出て行く冷却空気が衝突冷却により隣接する壁要素の壁を冷却する。冷却空気は間隙から出た後壁要素の外部表面に沿って流れ、それにより燃焼タービン内に流れる高温ガス流から外部表面を遮蔽する。
【０００６】
ティーマンらの国際公開第００／６０２１９号パンフレットには、一連の冷却可能な壁要素および一連の壁要素の冷却方法が記載されている。この方法は第一要素、特にタービン翼の未加工部分を衝突冷却にて冷却する工程と、第一部材の下流に位置する第二部材の冷却に同じ冷却流体を使用する工程とを含む。冷却流体の漏れによる損失を低減すべく、冷却流体が第一部材を冷却した後で流れる冷却通路を第一、第二部材の間に形成する。好ましくは側板である第二部材を、対流冷却法で冷却流体により冷却する。
【０００７】
クレープスの独国特許出願公開第１９７２７４０７号明細書は、ガスタービンの燃焼器のための熱シールド板を開示している。燃焼器の内壁に板を設け、燃焼器壁と共に空洞を形成している。燃焼器の壁内に、冷却流体流路を壁表面に対し直角に配置し、ノズルとして空洞へ通じる孔を形成している。これらノズルは、板に送られる冷却流体による衝突冷却効果を高める働きをする。板自体は、空洞から板外側表面に通じ、板の外側表面に対し約３０度傾いた多数の拡散冷却流路を備える。
【０００８】
グロスらの国際公開第９８／１３６４５号パンフレットは、閉ループの空気で冷却される熱シールド部材を開示している。この部材は、冷却流体の戻り管、冷却すべき高温ガス壁、冷却流体を導く入口ダクトおよび冷却流体を戻す出口ダクトを備える。入口ダクトは高温ガス壁に向けて配置されており、高温ガス壁の方向に幅広になっている。
【０００９】
ベッカーらの国際公開第９９／４７８７４号パンフレットは、高温燃焼ガスに曝される燃焼室の壁セグメントを開示している。この壁セグメントは金属製支持構造およびそこに固定された熱保護要素を備える。金属製支持構造は、少なくとも部分的に覆う薄い耐熱分離層を有している。分離層は金属製支持構造と熱保護要素の間に配置される。熱保護要素は更に冷却ガスにより冷却される。
【００１０】
プレッドモアらの米国特許第５８２３７４１号明細書は、ノズル構造の部材がガスタービンエンジンのセグメントに区分された部材をシーリングするためのシール部材を含み、シールジョイントによりシールされるガスタービン装置を開示している。このジョイントは、より効率良く冷却するためガス路から間隔をあけて配置される。セグメントは半径方向に延在するフランジを含み、ガス路からシールジョイントを分離している。セグメントに区分けされた部材を冷却するため、開又は閉回路衝突或いは対流冷却およびフィルム冷却を行うための冷却配列を示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、高温流体に曝されるターボ機械のための、冷却性能を高めた冷却可能なセグメントを提供することである。本発明の他の目的は、燃焼タービンを作動させる高温流体に曝されるセグメントの冷却性能を高めた燃焼タービンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記やその他の目的に応じて、本発明では高温流体で作動するターボ機械のための冷却可能なセグメントを設ける。該セグメントは、軸方向およびこの方向と直交する円周方向に延在する冷却壁と、前記高温流体に曝される高温流体表面を備える。前記冷却壁と高温流体表面との間に、冷却流体に対し透過性があり、放射による熱伝導によって冷却を行う冷却表面を供する冷却構造が設けられる。
【００１３】
本発明は、高温に曝されるセグメントを有するターボ機械において、セグメントの機械的強度条件を確実に満たすべく、冷却のために望ましい厚さよりもより厚い壁を備えた壁構造を有するセグメントを考案したものであり、高温流体の所定の内部／外部熱伝導率と温度で、材料の温度、特に冷却壁の温度が、壁の厚みが増せば増す程上昇するという事実を考慮している。これは一方で、各セグメントがより高温に耐えねばならず、機械的強度の低下や寿命の縮小をもたらす。他方、所定の限界値以内に材料温度を調節すべく、より多くの冷却流体を供給する必要が生じる。より多くの冷却流体、特に冷却空気を使用すると、冷却空気は通常大気から分離され燃焼器に供給されるため、燃焼タービン全体の効率が下がってしまう。従ってより多量の冷却空気の使用は避けるべきである。
【００１４】
本発明は、対流による冷却を含む全体的な冷却処理に役立つ、放射による熱伝導に基づく冷却処理を追加して行う冷却構造を導入することでこの課題を解決する。高温流体に曝される高温流体表面と、冷却構造内のより低温の内部表面を持つセグメントでは、熱放射が一方の表面から隣接配置された他方の表面へ生じる。対向する表面が略同温になると、熱放射の授受によるセグメント内の温度変化はなくなる。隣接する表面をより低温に保つ冷却構造を導入することで、高温流体に曝される高温流体表面から冷却壁に向いたセグメントへの熱の伝導を更に増大できる。伝導可能な熱量は、各温度の４乗の差（Ｔwall4―Ｔsurface4）に比例する。これは、放射により伝導できる熱量が、隣接する表面間の温度差だけでなく、実際の表面温度自体にも左右されることを意味する。従って熱放射による冷却処理を、衝突冷却および／又は対流冷却等の他の冷却処理に追加することで、全体の冷却効率を著しく向上できる。冷却構造は、熱放射による高い冷却能力を引き出すため、高温流体に曝される高温流体表面の近傍に“低温の”冷却表面を供する。
【００１５】
その他の特徴によれば、冷却構造はネット、特にワイヤネットを備える。ネットは内部熱伝導を増大する。冷却壁の内部表面による冷却に加え、冷却流路或いは冷却室全体にわたる熱放射による冷却が得られるように、冷却流体が供給される空洞或いは室にネットを詰めても良い。ネット状の冷却構造は多数の追加冷却表面、即ちワイヤやファイバの表面を供し、他の表面との熱放射の授受を行う。従って高温流体表面付近の冷却表面は、放射により熱を受け取り、ネットのその他のより低温の冷却表面にその熱を伝導する。こうしてワイヤからワイヤへ放射による連続的な熱伝導を行うことで、ネット全体の熱流を高温流体表面から冷却壁に向ける。ネットの冷却表面により流体衝突表面を集中的に冷却することで、高温流体表面と冷却壁の間の温度差が増大する。冷却流体は、ワイヤに沿って通過する際に透過性のあるネット内を流れて熱を吸収することで、冷却処理に更に役立つ。
【００１６】
更にその他の特徴によれば、冷却構造は多孔質材料を備える。この材料もまた、放射による熱の授受が可能で、そのため高温流体表面から冷却壁への熱の流れを生じさせ得る多数の冷却表面を供する。この多孔性により冷却流体は多孔質材料内を流れ、よって対流冷却を行う。多孔率の値は使用する冷却流体、即ち冷却空気や、高温流体表面の予想される温度や冷却壁温度、並びに冷却流体の速度や一定時間に多孔質材料内を流れる冷却流体の量等の、関連するパラメータに合わせて調節できる。
【００１７】
更に追加の特徴によれば、冷却構造の多孔質材料を鋳造で製造し、鋳造した材料を多孔質にすべく孔を残す。多孔質とするためのこれら孔は種々の方法、即ち鋳造した冷却構造が冷却流体に対し透過性を持つよう、冷却構造の鋳造の後で取り外される別個の小さな核を用いて形成できる。多孔質冷却構造は、冷却壁と、それ自体が高温流体壁の一部となり得る高温流体表面との両方又は一方と機械的に接触してよい。この結果冷却壁と多孔質構造との間および／又は高温流体表面と冷却構造との間の熱の連結が生じ、壁と高温流体表面との間の直接的な熱の連結が生じ、その結果対流冷却が向上する。冷却構造自体も、高温流体表面と連結することでフィンや舌片として機能し、対流冷却を更に高める。
【００１８】
ネットへの冷却流体の透過性と多孔質材料の多孔率は、ターボ機械内の予想される温度等の制約に従って予め調節してよい。ターボ機械の好適な作動条件に合う冷却構造の選択に際し、質量密度が減る程、例えば多孔率が増す程、熱放射による冷却も低減するが、それは熱の授受に有効な冷却表面が減るためであることを考慮せねばならない。一方、質量密度が増加すると、冷却構造内を流れる冷却流体の圧力損失が増し、冷却構造内を流れる冷却流体、即ち冷却空気の量が減少する。この際、より多くの冷却流体を冷却構造内に流す必要があるため、冷却効率の改善により生ずる利益は低下する。これら二つの極端な状態の間に、ターボ機械内の温度に基づいた、熱放射による効率的な追加的冷却の範囲が定められる。理論上では、熱放射による冷却効率が最も高いのは、より高温の表面から放出される熱がより低温の表面に確実に吸収されるような多孔率／透過性を有する冷却構造の場合である。冷却構造の単位体積毎の熱放出面積（表面）は、できるだけ大きくした方が好ましい。これは、放射の吸収に対する吸光係数Ｋtを体積あたりの熱伝導面積（Ａv）と熱伝導係数（α）との積で割ることにより表すことができ、これをできるだけ小さい値にする（Ｋt／αＡvが小さい）。
【００１９】
その他の特徴によれば、高温流体表面を高温流体壁により形成する。好ましくはこの高温流体壁と冷却壁との間に空洞、流路或いは一般的には空間を設け、それを少なくとも部分的に冷却構造で満たす。更に、多孔質材料を冷却構造に用いる場合、高温流体表面自体が高温流体に曝される多孔質材料の一部を形成してもよい。高温流体壁と冷却壁との間の空間は、異なる方法で異なる程度に冷却構造で満たすことができる。更に、二つ或いはそれ以上の別個の冷却構造、特に各々冷却流体に対する別個の透過性或いは別個の多孔率を持つ冷却構造を配置できる。また、高温流体壁と冷却壁の間に、流路側壁或いは室側壁の内側に多数の別個の室又は流路を形成でき、そこに異なる冷却構造を満たすか、幾つかの室或いは流路には冷却構造を入れなくとも良い。従って、冷却可能なセグメントの冷却能力および冷却効率を調節する様々な方法が可能である。
【００２０】
本発明の他の特徴によれば、高温流体壁は保護層、特に熱遮断層および／又は腐食保護層で覆われる。高温流体壁に保護層を付加することで、セグメントの寿命を延ばすばかりか、セグメントを冷却する必要性をなくしたりその冷却量を減らしたりできる。腐食或いは侵食保護層は更に、腐食その他の化学的効果により高温流体壁が機械的又は化学的に破壊されたり、その材料組成が変化したりするのを防ぐ。これは更に、冷却可能なセグメントの寿命を延ばす。燃焼タービンの部材に保護層を付加する方法は、当業者によく知られている。熱遮断層は、イットリウムやアルミナ等で部分的に安定化された酸化ジルコニウム等のセラミックス材料からなるのが望ましい。腐食および侵食保護層は、ＭＣｒＡｌＹ合金層として広く知られている材料や、アルミナイドその他から形成してよい。また保護層は、二つ或いは三つの異なる層を含んでもよい。更に、セラミックス層を高温流体壁に接着するための接着或いは結合層を設けても良い。
【００２１】
更にその他の特徴によれば、冷却構造は熱伝導材料、特に金属や熱伝導セラミックスを含む。好ましい熱伝導セラミックスは炭化珪素（ＳｉＣ）である。炭化珪素は熱伝導性が高く、高温状態に耐える。適切な金属としては、ターボ機械内で生じる温度に耐えるものであれば全て使用可能である。ネットを備えた冷却構造を形成するには、ワイヤやファイバに簡単に加工できる金属を使用するのが好ましい。多孔質の鋳造材料を備えた冷却構造を形成するには、鋳造の簡単な金属を選択するのが好ましい。
【００２２】
更に追加的な特徴によれば、冷却構造から冷却壁に熱が伝導するように、冷却構造を冷却壁に連結する。冷却構造、特にネットは、冷却壁に溶接或いはブレーズ溶接される。鋳造多孔質材料を含む冷却構造は、一つの製造工程で冷却壁と共に鋳造されるのが好ましい。冷却壁にブレーズ（braise）されたネットは冷却フィン或いは冷却片の役目を果たし、熱放射による冷却だけでなく対流冷却にも役立つ。通常のフィンとは異なり、ネットは高い熱伝導性を示す新しい境界層を形成する。更に、通常の冷却フィンに比べ、高温流体表面と冷却壁との間の全空間にわたって熱伝導を得てもよい。
【００２３】
更なる特徴によれば、少なくとも二つの冷却流路を冷却壁と高温流体表面の間に設け、もって冷却流体を軸方向に沿って流通可能とし、そのうち少なくとも一つの冷却流路に冷却構造を設ける。高温流体がターボ機械内に広がる方向と同じ方向に冷却流体の流れを供給する軸方向又は長手方向の冷却流路である少なくとも二つの冷却流路は、高温流体表面と冷却壁との間の空間に長手方向の側壁を導入することで生ずる。これら軸方向流路は簡単で製造コストが安い。これら冷却流路を用いると、特に冷却流体が冷却流路の端部でも対流冷却で十分な熱を吸収可能な温度迄、放射による効率的な追加冷却が可能となる。
【００２４】
付随的な特徴によれば、冷却セグメントは冷却壁と高温流体表面との間に形成された少なくとも二つの冷却室を備え、それにより冷却流体が冷却壁から高温流体表面へ、つまり冷却壁とほぼ直交して流れることが可能となる。この冷却室は、円周方向に延在するか或いはほぼ四角形の断面を有する冷却流路として形成してよい。冷却室内の冷却流体は、冷却壁から高温流体表面にほぼ直接的に向けられ軸方向に沿っていないが、このことはそれが冷却壁から高温流体表面に流れることを意味する。従って冷却流体が冷却壁から高温流体表面迄移動する距離が十分短いので、冷却流体は高温流体表面へ移動している間ターボ機械内で生じた関連する全ての温度に対して低温を保ち熱を吸収する。その温度は１３００℃或いはそれ以上迄可能である。二つ又はそれ以上の冷却室を有するため、全セグメントに低温の冷却流体を冷却室に供給できる。よって少量の冷却流体のみで高い冷却効率が達成される。更に、冷却流体が軸方向に長距離を移動する時に生じる冷却流体の温度上昇の問題も避けられる。従って特に高温の場合、冷却流体の流れは軸方向よりも冷却壁に対し直角の方向である方が適している。
【００２５】
ほぼ四角形の断面を有する冷却室を設けることにより、冷却壁と高温流体表面との間に空間が生じ、それは円周および軸方向の側壁により形成される略立方体の形をしている。冷却構造の温度は冷却壁から高温ガス表面へ向かって上昇し、その上昇はほぼ連続的である。また、冷却壁から高温流体表面へ移動する冷却流体の温度も上昇し、同様にその上昇も連続的である。従って、冷却壁と高温ガス表面との間のいかなる位置においても冷却構造と冷却流体とは温度差があり、その差はほぼ一定である。それにより、冷却構造内で大量の対流冷却が可能となる。冷却流体の垂直の流れのための多数の冷却室および／又は冷却流体の軸方向の流れのための多数の冷却流路を備えるため、冷却流体に対しある透過性或いは多孔率を有する冷却構造を選択することにより、冷却効率をタービン機械の作動状態に合わせて調節できる。更に、１秒毎に冷却流体が流路や室を流れる流量は、室又は流路および高温流体表面の局部的な熱の状態に合わせて局部的に調節できる。冷却流体の垂直の流れに対し冷却室を用いることで、多孔率や冷却流体の量等のパラメータを、セグメントの最も危険な部分での熱の状態に制限されることなく、幅広い範囲から選択できる。
【００２６】
更にその他の特徴によれば、冷却可能なセグメントは冷却流体が冷却構造に流入する冷却流体供給通路を冷却壁内に備える。該通路は冷却壁に形成した孔でもよい。冷却壁と高温流体表面との間の空間、特に軸方向の冷却流路、円周方向冷却流路や立方体状の冷却室として形成された空間の幾何学的形状に従い、流体供給通路の数や場所を選択できる。
【００２７】
更にその他の特徴によれば、冷却流体供給通路は冷却構造内よりも高い圧力損失を生じさせる絞り弁として機能する。冷却構造内の冷却流体の圧力損失は、冷却構造からの熱の吸収により冷却流体温度が上昇すると共に増加し、そのため冷却流体が流れて冷却する必要のある冷却構造のより高温の部分に、より低温の部分よりも少量の冷却流体しか流れない状態が生じる。この状態を避けるには、冷却流体の通過流を左右する圧力損失が一定の冷却温度となる場所で生じるよう、最も小さい流体断面を冷却構造の入口に移せばよい。こうすることで冷却構造内の冷却通路の詰まりを回避し、高温や低温の場所に関係なく冷却構造全体にわたり略均一の冷却流体の分布が得られる。更に、流体供給通路内の絞り弁により、高温流体が高温流体表面に付加する圧力に合わせて冷却構造を通過する冷却流体の流量を調節できる。これは例えば冷却可能なセグメントが案内リングである燃焼タービンの場合に重要である。なぜなら案内リングは比較的短い形状のため、高温流体により加えられる圧力量の差が案内リング全体にわたり比較的大きいからである。
【００２８】
更に追加される特徴によれば、冷却流体通路は軸方向に沿って配置される。冷却流体を軸方向に流す冷却流路の場合、冷却流体が軸方向流路の全ての場所で対流熱伝導或いは熱放射のいずれかによって熱を十分に吸収できるように、低温の新鮮な冷却流体を冷却流体供給通路を経て冷却流路に導入できる。多数の円周方向の冷却流路や軸方向に沿って配置された多数の立方体状の冷却室が形成される場合、少なくとも一つの供給通路を通してそれらの冷却流路や冷却室の各々に冷却流体を供給できる。
【００２９】
更に追加的な特徴によれば、高温流体表面は冷却流体が冷却構造から出るための軸方向に沿った少なくとも一つの孔を備える。軸方向に沿って延在する冷却流路の場合、複数或いは少なくとも一つの孔を、冷却流路の下流端部の場所に配置する。従って冷却流体を冷却可能なセグメント、即ち高温流体表面をこの流路に沿って冷却しつつ冷却流路の上流端から下流端に向かって流してもよい。冷却室、特に円周方向に延在する冷却流路や立方体状の冷却室の場合、少なくとも一つ、好ましくは三つ以上の孔を円周方向又は冷却室の断面に配置する。軸方向に配置された多数の冷却室に対し、多数の孔もまた各冷却室に与えられて軸方向に沿って配置され、その結果冷却流体が高温流体表面全体から出ることが可能となる。これにより高温流体表面のフィルム冷却が向上し、高温流体表面と壁との間に冷却効率を高めるような種々のパターンで冷却室を配置可能となる。
【００３０】
これらの室は、特に円周方向に向いた側壁と軸方向に延在する側壁との間に形成され、多数の冷却流体供給通路を経て冷却流体を供給される。冷却流体供給通路は、特に冷却壁に形成された孔である。更に、冷却流体が冷却構造から流出する多数の冷却流体出口を高温流体表面に配置してもよい。従って、冷却流体の流れを予め垂直に定めておくと冷却効率が向上する。また室を円周方向および軸方向の側壁で形成すると、放射による熱伝導に用いる表面積が増加し、よって冷却効率が更に高まる。
【００３１】
高温流体表面に多数の出口（高温流体壁の多数又は１個の孔により形成される）を形成する代わりに、高温流体表面自体が冷却構造の多孔質材料の表面或いは高温流体に曝されるネットの表面であってもよい。この場合は、高温流体表面は冷却構造自体により供される。従って、冷却流体は限られた数の個々の出口、特に孔を通って冷却構造から出るのではなく、全て異なる大きさ、異なる開口角度等を持つ冷却構造自体の複数の孔或いは空間を通って出て行く。これは更に高温流体表面に沿って過熱点が形成されるのを低減し、しみ出し冷却により非常に少量の冷却流体の消費量で非常に高い冷却効率を達成する。冷却構造の透過性および多孔率は幅広い範囲から選択可能なため、立方体を形成する各冷却室について、高温流体表面に作用する高温流体の局部的な圧力に対して室を流れる冷却流体の流量を調節することが可能である。
【００３２】
また、円周方向に延在する側壁と軸方向に延在する側壁を、冷却壁と高温流体表面との間で、冷却室を、冷却流体の流れを冷却流路の近傍に配置された冷却壁に対し直角の方向に向け、冷却流路を冷却流体の流れを軸方向に向けるように配置できる。冷却流体を軸方向に流れるようにする冷却室に対し、壁に二つ以上の冷却供給孔を軸方向に設け、第一供給孔から下流に新しい冷却流体を導入し、冷却室内の冷却流体温度が常に十分低温であるようにできる。冷却室および冷却流路の位置や分布、数は、タービン機械の作動状態や達成すべき冷却効率に従い、この技術分野の通常の知識を有する当業者は予め決定できる。
【００３３】
更にその他の特徴によれば、冷却流体がセグメントを出る迄の移動期間を延長すべく、冷却可能なセグメントは冷却流体の流れを一方向に向け、逆方向に戻すための仕切りを備える。仕切りは軸方向に延在するのが好ましい。仕切りは冷却壁と高温流体表面との間のスペースを二つのスペースに区切り、一方は冷却壁と仕切りとの間にあり、他方は仕切りと高温流体表面との間に位置する。この場合、冷却流体は軸方向に第一部分を下流に向かい、第二部分を上流に戻るように移動してもよい。また、冷却流体の温度がゆっくりと上昇するように、冷却壁と高温流体表面との間の空間を三つ以上の部分に分ける二つ以上の仕切りを設けてもよい。これにより、より低温の冷却壁とより高温の高温流体表面との温度の分離が一層拡大する。これはある望ましい条件の下に可能である。
【００３４】
更に追加的な特徴によれば、冷却可能なセグメントは燃焼タービンの一要素、特に燃焼室の熱シールド要素、タービン翼の側板部分或いは回転タービンブレードに対向する壁部分を形成する案内リングセグメントである。燃焼タービンのこれら部分は高温、例えば１３００℃或いはそれ以上の温度に曝されるため、上記のような冷却構造がこれら部材を確実に効果的に冷却し、これら部材に使用した材料の臨界温度以下に温度を十分に保つ。
【００３５】
更に追加的な特徴によれば、冷却可能なセグメントは燃焼タービン、特にジェットエンジン用のタービンや固定ガスタービン内に配置される。この固定ガスタービンは電力を発電するために用いてよい。また冷却可能なセグメントは、潜水艦や自動車やトラック等の陸地用の車両に使用される燃焼タービンにも設置できる。
【００３６】
本発明のその他の目的に従い、高温ガス流域を持つ高温ガス室を備えた燃焼タービンを提供する。このタービンは更に、高温ガス流域を取り囲み、軸方向および軸方向に対し直角をなす円周方向に延在する冷却壁を備えた冷却可能なセグメントを有する壁構造を備える。更に冷却可能なセグメントは高温ガスに曝される高温流体表面を有し、冷却壁と高温流体表面の間に放射による熱伝導により冷却を行う冷却表面を供する冷却構造が配置され、該構造は冷却流体に対し透過性を持つ。冷却構造並びに燃焼タービンを冷却する冷却処理について、上に記載したのと同様の利点が当てはまる。冷却セグメントは更に、冷却流体が冷却構造に入るための少なくとも一つの冷却流体供給通路を冷却壁内に備えた方が好ましく、この冷却流体供給通路は軸方向に配置される。更に、冷却流体が軸方向に沿って冷却構造を出るための高温流体表面に形成された孔或いは開口を備えるとよい。
【００３７】
本発明を冷却可能なセグメントと燃焼タービンについての実施例により説明するが、示した詳細に限定することを意図していない。なぜなら本発明の意図を逸脱することなく、特許請求の範囲内でそれらに種々の変形と構造的な変更が可能だからである。
【００３８】
しかしながら本発明の冷却可能なセグメントおよび燃焼タービンの構造、並びに付加的な目的やそれらの利点は、特定の実施例についての以下の説明を添付の図面と共に読めば最もよく理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
全ての図面において、類似の参照番号は同じ意味を指す。図面を詳細に説明するにあたり、特にまず図１について説明すると、主軸２１に沿って延在するターボ機械としての固定燃焼タービン２０の断面図を示している。燃焼タービン２０は、燃焼処理で使用する空気３３を圧縮するコンプレッサ２２と、液体又はガス燃料のための多数のバーナ３４を有する環状燃焼室２３と、コンプレッサ２２および電力を発生させる図示しない発電機を駆動するタービン部２４を備える。燃焼タービン２０はまた、タービン部２４内に主軸２１に沿って間隔をあけて配置された回転ブレード２６の四つの列が搭載されたタービンロータ３１を備える。タービン部２４は、更に案内ブレード２５の四つの列を円周方向に取り付けた内部タービンハウジング２８を備えている。案内ブレード２５の最初の列は回転ブレード２６の最初の列より上流に位置しており、回転ブレード２６の残りの列の間に案内ブレード２５の一つの列が配置されている。案内ブレード２５と回転ブレード２６の隣接する一対の列は、タービン段と呼ばれる。案内ブレード２５の各々は側板２７を有し、その側板２７は内部タービンハウジング２８に取り付けられている。回転ブレード２６の各列に対向して案内リング３２が円周方向に配置されており、内部タービンハウジング２８に取り付けられている。内部タービンハウジング２８に取り付けられた案内リング３２と側板２７は、タービン部２４の高温ガス流路３０を形成する。
【００４０】
燃焼タービン２０の作動中、大気中の空気３３がコンプレッサ２２に供給され、そこで圧縮される。この圧縮された空気３３のうちのごく一部（＜５％）がコンプレッサ２２から外側に分岐して、冷却流体、例えば冷却空気５となる。圧縮空気３３の残りの大部分は燃焼室２３へ送られる。燃焼室２３では、バーナ３４により図示しない燃料が圧縮空気３３を用いて燃焼し、高圧高温流体２９（高温ガス）となる。この高温ガス２９は高温ガス流路３０を流れて案内ブレード２５の列を通過し、該ブレード２５は高温ガス２９の流れを所定の方法で回転ブレード２６に向けるノズルとして働くので、回転ブレード２６は強制的に回転させられる。また高温ガス２９は、タービン部２４に配置された側板２７と案内リング３２に沿って流れる。従って側板２７と案内リング３２の各々は、高温の負荷、特に１２００℃を超える温度に曝されるターボ機械２０の要素である。図２についてより詳細に説明すると、案内リング３２は高温ガス２９に曝される高温流体表面３を持つ冷却可能なセグメント１である。冷却可能なセグメント１としての案内リング３２は、コンプレッサ２２を通過する空気流３３から分岐した空気である冷却流体５で冷却される。燃焼室２３と高温ガス流路３０を含むタービン部２４は各々高温ガス流域を示す。各高温ガス流域は各壁構造、例えば内部タービンハウジングや燃焼室壁３９で囲まれている。
【００４１】
図２は、燃焼タービン２０の主軸２１に沿う、冷却可能なセグメント１としての案内リング３２の拡大断面図を示す。案内リング３２は、これを内部タービンハウジング２８に取り付けるフック状端部８を備えた壁構造７を有する。それは更に、案内リング３２に機械的安定性を与え高温ガス流路３０から熱を奪って伝導する役目を果たす冷却壁２を備える。また案内リング３２は、高温ガス２９に曝される高温流体表面３を備える。高温流体表面３は、保護層１０で覆われた高温流体壁９からなる構造の表面である。保護層１０自体は二つ以上の層で形成でき、そのうちの一つの高温ガス２９に曝される層は熱遮断層であり、特にイットリウムで部分的に安定化された酸化ジルコニウム等のセラミックス材料からなる。その他の層の一つは、セラミックス層を高温流体壁９に接着する役目を果たし、好ましくは適切な耐熱金属からなる固定或いは接着層である。高温流体表面３と冷却壁２との間に、放射熱を授受する冷却表面６を持った多孔質冷却構造４が配置されている。これら冷却構造４は、冷却可能なセグメント１の壁構造７と共に鋳造してよい。冷却構造４が多孔質であることから、冷却流体５、即ち空気は、冷却構造４の上流端部分１１から主に軸方向３７に冷却構造４の下流端部分１２へ流れる。壁構造７の上流端部分１１の、特に冷却壁２には少なくとも一つの流体供給通路１６、特に孔を設けており、これを経て冷却流体５は冷却構造４に流入する。下流端部分１２の高温流体壁９、即ち高温流体表面３には少なくとも一つの孔１３が形成されており、これを通って冷却流体５が冷却構造４を出て高温ガス流路３０に流入し、そして高温ガス２９と混合する。孔１３は好ましくは高温流体壁９に対し小さな角度をなして傾斜し、冷却流体５が冷却構造４を出る際にフィルム冷却を行うようになっている。
【００４２】
多孔質冷却構造４は、同じ熱伝導物質、特に耐熱鋼等の金属を用いて壁構造７と共に鋳造してよい。またそれは、異なる方法で、炭化珪素等の熱伝導セラミックスのような異なる材料を用いて製造してよい。高温流体表面３を熱伝導で冷却すべく、冷却構造４は冷却壁２にも高温流体壁９にも直接連結させる。更に、熱を熱放射にてより高温の表面から低温の表面に伝達できる冷却表面６を形成する冷却構造４に設けた孔により、熱が高温流体表面３から冷却壁２の方向に移動する。従って多孔質冷却構造４は、高温流体表面３を冷却する二つの冷却処理を行うことになる。即ち接触による冷却と、多孔質冷却構造４内で起こるより高温な表面からより低温の表面への放射熱伝導による冷却である。多孔質構造４自体は冷却可能なセグメント１、例えば各案内リング３２の機械的安定性を向上させるものとし、高温流体壁９を冷却壁２よりかなり薄くしてもよい。
【００４３】
案内リング３２の機械的安定性を向上させるには、主軸２１の方向に延在する軸方向の側壁１４を高温流体壁９と冷却壁２との間に配置する（図３参照）。これら側壁１４は主軸２１の方向に案内リング３２の全長にわたって延在してよく、それにより少なくとも二つの冷却流路１５を形成し、それら流路１５を経て冷却流体５が冷却構造４の上流端部分１１から下流端部分１２に向かって軸方向３７に流れるようにしてもよい。
【００４４】
図４は、案内リング３２の形の冷却可能なセグメント１の、その他の実施例の拡大断面図である。図４の案内リング３２は、図２を参照して上に説明した案内リング３２と多くの特徴が極めて類似している。従ってそれら特徴のうち、以下の部分についてのみ言及する。図４に示す案内リング３２と図２に示す案内リング３２が特に異なるのは、高温流体壁９と冷却壁２の間に形成した冷却構造４についてである。冷却流体５が上流端部分１１から下流端部分１２へ流れる場所にスペース１９が存在する。このスペース１９は、金属ファイバからなるワイヤネットである冷却構造４で満たされている。スペース１９の上流端部分１１と下流端部分１２はカバー１７で閉じられている。カバー１７は、燃焼タービン２０の保守にあたり、燃焼タービン２０の修理や保守を行う間、冷却構造４、特にワイヤネットを新しいものと取り替えられるように、取り外し可能になっている。スペース１９（案内リング３２を示す図４の線Ｖ−Ｖに沿って切断した断片的断面図である図５参照）は軸方向側壁１４により、軸方向３７に延在する多数の冷却流路１５に分割される。これら各冷却流路１５は冷却構造４、例えばワイヤネットで満たされている。軸方向側壁１４は横断孔１８を備え、それにより冷却流体５、例えば空気が一つの冷却流路１５から隣接する冷却流路１５に流れるようになっている。
【００４５】
高温流体壁９は、案内リング３２の機械的安定性を高める必要がないので、冷却壁２よりもかなり薄くでき、そのため冷却壁２が案内リング３２に十分な機械的安定性を付与することができる。薄く形成された高温流体壁９は、所定量以上に曲がったり変形したりしないように、軸方向側壁１４により機械的に支持される。また軸方向側壁１４は、熱放射の伝導による冷却をもたらす表面を更に増やすような冷却フィンや冷却リブとしての役目も果たす。またこれらにより、高温流体壁９が万が一局所的に破損した場合でも、その他の冷却流路１５に覆われた部分で案内リング３２が引き続き確実に冷却される。
【００４６】
図６は、図２および図４で説明した案内リング３２に類似した案内リング３２の更にその他の実施例の断面図である。案内リング３２は、冷却流体５の流れをタービン２０の主軸２１に揃えた軸方向３７へ導くための仕切り３５を含む。冷却流体５は下流端部分１２で流れの向きを変えられ、上流端部分１１に向かって軸方向３７に沿って戻る。戻って来た冷却流体５は、孔１３を経てスペース１９と冷却構造４から流出する。仕切り３５はスペース１９を仕切り３５と冷却壁２との間の一方のサブスペースと、仕切り３５と高温流体壁９との間の他方のサブスペースとに分離する。上に説明したように、スペース１９と仕切り３５に分離されたサブスペースは、軸方向側壁１４で分離される冷却流路１５を含んでもよい。仕切り３５を導入することにより、冷却流体５の温度をゆっくりと上昇させるように冷却構造４内の冷却流体５の流路の長さを延長し、それにより高温流体壁９と冷却壁２との温度差をより一層大きくすることが可能となる。
【００４７】
図７は、タービン２０の主軸２１にほぼ平行な軸方向３７および円周方向３６に沿って延びる案内リング３２の断片斜視図を示す。案内リング３２は多くの特徴が図２、図４、図６に示したものと類似しており、それらの点に関し特に冷却壁２の壁構造７、８、高温流体壁９、保護層１０および浸透性のある冷却構造４に用いられる材料についての特徴を説明する。図７に示す案内リング３２の高温流体壁９と冷却壁２の間のスペース１９は、多数の冷却室３８に分離されている。冷却室３８は、円周方向３６に延在する円周方向側壁４０と、軸方向３７に延在する軸方向側壁１４により形成される。全ての冷却室３８には、冷却構造４が高温流体壁９と冷却壁２との間に設けられるが、明瞭化のため図７では一つの冷却室３８のみに冷却構造４が示されている。上流端部分１１近傍に位置する冷却室３８には、軸方向３７に一つの冷却流体供給通路１６が、また円周方向３６に一つ或いは複数の冷却流体供給通路１６が形成されている。またこれら冷却室３８は、冷却流体５が冷却室３８から出て行くための孔１３が円周方向３６に沿って一列に並んで配置されている。従って上流端部分１１近傍に位置するこれら冷却室３８内では、冷却流体５は冷却室３８を出る前にほぼ軸方向３７へ流れる。軸方向３７に対して案内リング３２の中央に配置された冷却室３８および下流端部分１２近傍に配置された冷却室３８は、軸方向３７と円周方向３６の両方に多数の列の冷却流体供給通路１６を有する。またそれらは高温流体壁９に形成された孔１３を有し、円周方向３６および軸方向３７に分布している。冷却流体通路１６と孔１３のかかる配置により、冷却流体５の流れは冷却壁２と高温流体壁９に対し垂直に向けられる。従って、冷却流体５が冷却壁２の全表面にわたり供給され、温度が上昇した後の冷却流体５が全高温流体表面３にわたり冷却構造４から流出するので、これら冷却室３８における冷却流体５の温度は低温に維持される。この結果、少量の冷却流体５を用いて効率のよい冷却が行える。更に、高温流体壁９による衝突冷却も得られるように、孔１３は冷却流体供給通路１６から外して配置される。
【００４８】
図８は、図７の案内リング３２の冷却室３８の拡大図を示す。孔１３は冷却流体供給通路１６から外れて位置している。冷却流体５は、多孔質冷却構造４を通って冷却壁２に対して垂直の方向に流れる。冷却構造４が多孔質であるため多数の冷却表面６が形成されており、そこから熱が熱放射により他の冷却表面６へ伝導される。
【００４９】
図９は、冷却可能なセグメント１、例えば案内リング３２の幅Ｗに対する温度Ｔを示している。冷却流体の温度Ｔcおよび冷却構造４の温度Ｔsの両方が冷却壁２の位置で最も低い。冷却構造４の温度Ｔsと冷却流体５の温度Ｔcの温度差△Ｔは、冷却構造４の幅Ｗ全体にわたってほぼ一定している。これは、冷却流体５と冷却構造４の温度が冷却壁２から高温流体表面３に向けて同じ様に上昇するからである。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】燃焼タービンの断片的図式的長手方向断面図。
【図２】燃焼タービンの主軸に沿った案内リングの拡大断片断面図。
【図３】図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った案内リングの断片図。
【図４】燃焼タービンの主軸に沿った案内リングのその他の例の拡大断片断面図。
【図５】図４の案内リングの線Ｖ−Ｖに沿った断片断面図。
【図６】燃焼タービンの案内リングの更にその他の例の断片断面図。
【図７】燃焼タービンの案内リングの更に追加される例の断片斜視図。
【図８】図７の案内リングの拡大断片断面図。
【図９】図８の案内リング内の温度分布を概略的に示すプロット図。
【符号の説明】
【００５１】
１  冷却可能なセグメント、２  壁、３  高温流体表面、４  冷却構造、５  冷却流体、  ６  冷却表面、７  壁構造、８  フック状端部、９  高温流体壁、１０  保護層、１１  上流端部分、１２  下流端部分、１３  孔、１４  軸方向側壁、１５  冷却流路、１６  供給通路、１７  アクセスカバー、１８  横断孔、１９  冷却壁と高温ガス壁との間のスペース、２０  タービン機械、燃焼タービン、２１  タービン主軸、２２  コンプレッサ、２３  燃焼室、２４  タービン部、２５  案内ブレード、翼、２６  回転ブレード、  ２７  翼の側板、２８  内部タービンハウジング、２９  高温ガス、高温流体、３０  タービン部の高温ガス流路、３１  タービンロータ、３２  案内リング、３３  空気、３４  バーナ、３５  仕切り、３６  円周方向、３７  軸方向、３８  冷却室、３９  燃焼室壁、４０  円周方向側壁、Ｗ  セグメント幅、Ｔ  幅方向温度、Ｔc  冷却流体温度、Ｔs  冷却構造温度
【国際公開パンフレット】
2004534178.tif 000003
2004534178.tif 000004
2004534178.tif 000005
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【国際調査報告】
2004534178.tif 000035
2004534178.tif 000036
2004534178.tif 000037