(57)【要約】【課題】起伏のある表面に使用するインピンジメント冷却システムを提供すること。【解決手段】インピンジメント冷却システムは、インピンジメントプレナム、および起伏のある表面に面する直線形状のインピンジメントプレートを含むことができる。インピンジメント表面は、寸法および間隔が可変の多数のインピンジメント孔がある多数の投影領域を含むことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
起伏のある表面に使用するインピンジメント冷却システムであって、
インピンジメントプレナムと、
前記起伏のある表面に面するインピンジメントプレートと
を備え、
前記インピンジメントプレートが直線形状を有し、
前記インピンジメントプレートがその上に複数の投影領域を有し、
前記複数の投影領域が、寸法および間隔が可変の複数のインピンジメント孔を有する、
インピンジメント冷却システム。
【請求項２】
前記複数の投影領域が、第１の寸法のインピンジメント孔がある第１の領域と、第２の寸法のインピンジメント孔がある第２の領域とを備える、請求項１記載のインピンジメント冷却システム。
【請求項３】
前記複数の投影領域が、第１の間隔のインピンジメント孔がある第１の領域と、第２の間隔のインピンジメント孔がある第２の領域とを備える、請求項１記載のインピンジメント冷却システム。
【請求項４】
前記複数の投影領域が、第１の寸法および第１の間隔のインピンジメント孔がある第１の領域と、第２の寸法および第２の間隔のインピンジメント孔がある第２の領域とを備える、請求項１記載のインピンジメント冷却システム。
【請求項５】
前記起伏のある表面が、複数の起伏のある領域を備え、前記複数の起伏のある領域が、前記インピンジメントプレートから複数の距離に配置される、請求項１記載のインピンジメント冷却システム。
【請求項６】
前記複数の投影領域のそれぞれにある前記複数のインピンジメント孔の寸法および間隔が、対向する起伏のある領域までの距離によって変化する、請求項５記載のインピンジメント冷却システム。
【請求項７】
前記インピンジメントプレナムが、前記インピンジメントプレートとカバープレートの間に画成されるキャビティを備える、請求項１記載のインピンジメント冷却システム。
【請求項８】
前記インピンジメントプレナムが、冷却導管の冷却流と連通している、請求項１記載のインピンジメント冷却システム。
【請求項９】
前記インピンジメントプレートが、前記起伏のある表面全体にわたって熱伝達係数を実質的に一定に維持する、請求項１記載のインピンジメント冷却システム。
【請求項１０】
タービンであって、
タービンノズルと、
複数の寸法および間隔の複数のインピンジメント孔を有する、インピンジメント冷却システムと、
前記インピンジメント冷却システムまわりに配置されるタービン構成要素であり、起伏のある表面を有する、タービン構成要素と
を備える、タービン。
【請求項１１】
前記インピンジメント冷却システムが、前記複数のインピンジメント孔を中に備えたインピンジメントプレートを有するインピンジメントプレナムを備える、請求項１０記載のタービン。
【請求項１２】
前記インピンジメントプレートが、直線形状を備える、請求項１１記載のタービン。
【請求項１３】
前記インピンジメントプレートが、複数の投影領域があるグリッドを備える、請求項１１記載のタービン。
【請求項１４】
前記複数の投影領域が、前記複数のインピンジメント孔を中に備える、請求項１３記載のタービン。
【請求項１５】
前記複数の投影領域が、第１の寸法のインピンジメント孔がある第１の領域と、第２の寸法のインピンジメント孔がある第２の領域とを備える、請求項１３記載のタービン。
【請求項１６】
前記複数の投影領域が、第１の間隔のインピンジメント孔がある第１の領域と、第２の間隔のインピンジメント孔がある第２の領域とを備える、請求項１３記載のタービン。
【請求項１７】
前記複数の投影領域が、第１の寸法および第１の間隔のインピンジメント孔がある第１の領域と、第２の寸法および第２の間隔のインピンジメント孔がある第２の領域とを備える、請求項１３記載のタービン。
【請求項１８】
前記起伏のある表面が、複数の起伏のある領域を備え、前記複数の起伏のある領域が、前記インピンジメントプレートから複数の距離に配置される、請求項１３記載のタービン。
【請求項１９】
前記インピンジメント冷却システムが、前記起伏のある表面全体にわたって熱伝達係数を実質的に一定に維持する、請求項１０記載のタービン。
【請求項２０】
タービンであって、
タービンノズルと、
複数の寸法および間隔の複数のインピンジメント孔がある直線状のインピンジメントプレートを有する、インピンジメント冷却システムと、
前記インピンジメント冷却システムまわりに配置されるタービン構成要素であり、起伏のある表面を有し、したがって前記インピンジメント冷却システムが、前記起伏のある表面全体にわたって熱伝達係数を実質的に一定に維持するようになる、タービン構成要素と
を備える、タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許出願および結果として得られる特許は、一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンおよび他の場所の起伏のある表面を均一に冷却する、簡素化された設計のインピンジメント冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン機械では、ケーシング、バケットおよびノズルなどの様々なタイプの構成要素を冷却するのにインピンジメント冷却システムが使用されている。インピンジメント冷却システムは、空気流によってタービン構成要素を冷却して構成要素間の適切なクリアランスを維持し、構成要素の寿命を適切に向上させる。既知のインピンジメント冷却システムにおける１つの論点には、不均一な表面または起伏のある表面全体にわたって熱伝達係数を均一に維持する能力がある。一般的に、熱伝達係数を一定に維持するには、インピンジメントプレートの全体的な形状が、冷却されるべき表面の起伏に追従する必要がある。しかし、起伏のあるインピンジメントプレートの生産は費用がかかり、また内部の冷却流が不均一になることもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／００１４０５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、改良されたインピンジメント冷却システムが望まれている。そうした改良されたインピンジメント冷却システムは、起伏のある表面にわたって一定の熱伝達係数を実現することができ、適切な冷却効率を維持しつつ構造は簡素化されコストが安い。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
したがって、本特許出願および結果として得られる特許は、起伏のある表面に使用するインピンジメント冷却システムを提供する。インピンジメント冷却システムは、インピンジメントプレナムおよび起伏のある表面に面する直線形状のインピンジメントプレートを含むことができる。インピンジメントプレートは、寸法および間隔が可変の多数のインピンジメント孔がある多数の投影領域（ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ  ａｒｅａ）を含むことができる。
【０００６】
さらに、本特許出願および結果として得られる特許は、タービンを提供する。タービンは、タービンノズル、多数の寸法および間隔の多数のインピンジメント孔があるインピンジメント冷却システム、およびインピンジメント冷却システムまわりに配置される起伏のある表面を有するタービン構成要素を含むことができる。
【０００７】
さらに、本特許出願および結果として得られる特許は、タービンを提供する。タービンは、タービンノズル、多数の寸法および間隔の多数のインピンジメント孔を有する直線形状のインピンジメント冷却システム、およびインピンジメント冷却システムまわりに配置される起伏のある表面を有するタービン構成要素でありしたがってインピンジメント冷却システムが起伏のある表面全体にわたって熱伝達係数を実質的に一定に維持するようになるタービン構成要素を含むことができる。
【０００８】
いくつかの図面および添付の特許請求の範囲と併せて以下にある詳細な説明を読めば、当業者には、本特許出願および結果として得られる特許の上記その他の特徴および改良点が明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】圧縮機、燃焼器およびタービンを示す、ガスタービンエンジンの概略図である。
【図２】インピンジメント冷却システムが内部にあるノズルベーンの部分側面図である。
【図３】本明細書に記載され得るようなインピンジメント冷却システムを有するノズルベーンの部分側面図である。
【図４】図３の起伏のある表面の上に載せられているインピンジメントグリッドの斜視図である。
【図５】図３のインピンジメント冷却プレートの一部の平面図である。
【図６】図３のインピンジメント冷却プレートの一部の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に図面を参照すると、いくつかの図面を通して同様の番号は同様の要素を示しており、図１は、本発明に使用可能なガスタービンエンジン１０の概略図である。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５は、流入する空気流２０を圧縮する。圧縮機１５は、圧縮された空気流２０を燃焼器２５に送達する。燃焼器２５は、圧縮された空気流２０を加圧された燃料流３０と混合し、その混合物に点火して燃焼ガス流３５を発生させる。図には１つだけしか燃焼器２５が示されていないが、ガスタービンエンジン１０は、任意の個数の燃焼器２５を含むことができる。燃焼ガス流３５は、次に、タービン４０に送達される。燃焼ガス流３５は、タービン４０を駆動して機械仕事を生成する。タービン４０で生成された機械仕事は、シャフト４５を介して圧縮機１５を駆動し、また発電機などのような外部負荷５０を駆動する。
【００１１】
ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、様々なタイプの合成ガスおよび／または他のタイプの燃料を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、これらに限定されるわけではないが、７または９シリーズ（ｓｅｒｉｅｓ）重構造ガスタービンエンジンのようなものを含む、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙ  ｏｆ  Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋが提供する多数の異なるガスタービンエンジンのうちのいずれかであってよい。ガスタービンエンジン１０は、構成が異なってもよく、他のタイプの構成要素を使用してもよい。他のタイプのガスタービンエンジンを本発明に使用することもできる。マルチプルガスタービンエンジン、他のタイプのタービンおよび他のタイプの発電装置も本発明と一緒に使用することができる。
【００１２】
図２は、上述のタービン４０に使用可能なノズル５５の一例を示している。大まかに説明すると、ノズル５５は、内側プラットフォーム６５と外側プラットフォーム７０の間に延在するノズルベーン６０を含むことができる。多数のノズル５５は、組み合わされて環状アレイをなし多数のロータブレード（図示せず）と相まって段を形成する。ノズル５５は、さらに、インピンジメントプレナム８０の形のインピンジメント冷却システムを含むことができる。インピンジメントプレナム８０は、内部に形成される多数のインピンジメント開口８５を有することができる。インピンジメントプレナム８０は、冷却導管９０を介して圧縮機１５または他の供給源からの空気流２０と連通していてよい。空気流２０は、ノズルベーン６０を通って流れ、インピンジメントプレナム８０に入り、インピンジメント開口８５から出てノズル５５の一部または他の場所をインピンジメント冷却する。他のタイプのインピンジメントプレナム８０も既知である。
【００１３】
多くの他のタイプのインピンジメント冷却システムが知られている。しかし、それらの既知のインピンジメント冷却システムは、一般的に、上述のように寸法および形状が一律である。あるいは、冷却されるべき表面全体にわたって熱伝達係数を一定にするように、インピンジメントプレートをその表面の輪郭に追従するように形成することもできる。
【００１４】
図３、４は、本明細書に記載され得るようなインピンジメント冷却システム１００の一例を示している。インピンジメント冷却システム１００は、インピンジメントプレナム１１０を含むことができる。インピンジメントプレナム１１０は、インピンジメントプレート１３０およびカバープレート１４０によって画成されるキャビティ１２０を含むことができる。インピンジメントプレナム１１０は、冷却導管１６０を介して冷却流１５０と連通していてよい。冷却導管１６０は、圧縮機１５または冷却流１５０の他の供給源と連通していてよい。
【００１５】
インピンジメントプレナム１１０のインピンジメントプレート１３０は、実質的に平坦すなわち直線状の表面１７０を有することができる。インピンジメントプレート１３０は、さらに、多数のインピンジメント孔１８０を有することができる。インピンジメント孔１８０の寸法、形状、構成および位置は、以下により詳細に説明するように可変である。他の構成要素および他の構成も本明細書で使用することができる。
【００１６】
インピンジメント冷却システム１００は、あらゆるタイプのタービン構成要素または冷却が必要なあらゆる構成要素に使用することができる。本例では、インピンジメント冷却システム１００は、波状すなわち起伏のある表面２００に使用することができる。起伏のある表面２００は、任意の所望の形状または構成を有することができる。本例では、起伏のある表面２００は、インピンジメント冷却システム１００から様々な距離にある多数の起伏のある領域を含むことができる。
【００１７】
起伏のある表面２００全体にわたって熱伝達係数を一定に維持するために、インピンジメントプレナム１１０のインピンジメントプレート１３０の孔１８０の間隔を、起伏のある表面２００の波形を補うように離散化する方法で調整することができる。起伏のある表面２００はグリッド２９０に分割することができ、その中には多数の起伏のある領域３００がある。起伏のある領域３００のそれぞれは、インピンジメントプレート１３０の関連の投影領域（ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ  ａｒｅａ）３０５に投影され得る。インピンジメントプレート１３０の投影領域３０５のそれぞれは、投影領域３０５からの対向する領域３００のずれに基づいて、その中に異なる寸法、形状および構成の多数のインピンジメント孔１８０を有する。したがって、投影領域３０５のそれぞれにあるインピンジメント孔１８０のグループは、寸法３１０および間隔３２０を有することができ、起伏のある表面２００の１つの離散化された領域３００にわたって平均した熱伝達係数を維持するように、寸法３１０および間隔３２０の両方をその局所的な投影領域３０５にわたって均一に調整することができる。したがって、インピンジメント孔１８０は、寸法３１０も間隔３２０も所与の投影領域３０５にわたって一定に保持されるかたちで、可変の寸法３１０および可変の間隔３２０またはそのサブセットをそれぞれ有することができる。例えば、第１の領域３３０は、狭い間隔を置いて配置される多数の小さい孔１８０を有し、一方第２の領域３４０は、広い間隔を置いて配置される多数の大きな孔１８０を有することができる。本明細書では、対向する表面までの距離に応じて任意の個数の投影領域３０５に任意の数の寸法および位置を使用することができる。
【００１８】
したがって、インピンジメント冷却システム１００は、コストをより低くし生産を増大させるように、簡素化されたインピンジメントプレート設計を有するインピンジメントプレナム１１０を使用して適切な冷却を実現する。具体的には、インピンジメント孔１８０は、孔の直径とインピンジメントプレート１３０の厚さとの比率、溝の高さと孔の直径との比率、および孔の列の直交間隔に関して変わってよい。有効性は、ｚ／ｄ必要事項（ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ）、式中、ｄは孔の直径、ｚは投影領域３０５から起伏のある領域３００までの平均距離、および／またはｘ／ｄ、式中、ｘはインピンジメントプレート１３０の長さに沿って測定、に照らして検討可能である。グリッド２９０の各投影領域３０５内において、インピンジメント孔１８０の寸法を相対的なｚ／ｄ必要事項を維持するように調整することができる。同じ領域３０５内において、孔の位置またはｘ／ｄも有効性を維持するように調整することができる。したがって、インピンジメントプレナム１１０のインピンジメントプレート１３０は、起伏のある表面と相対するものとして直線状の表面１７０を使用することで熱伝達係数を均一に維持することができる。
【００１９】
上述の説明は、本特許出願および結果として得られる特許の特定の実施形態しか説明していないことが明らかである。以下の特許請求の範囲およびその均等物により定義される本発明の一般的な精神および範囲から逸脱することなく、当業者なら本明細書に多数の変更および修正を加えることができる。
【符号の説明】
【００２０】
１０  ガスタービンエンジン
１５  圧縮機
２０  空気流
２５  燃焼器
３０  燃料流
３５  燃焼ガス流
４０  タービン
４５  シャフト
５０  負荷
５５  ノズル
６０  ベーン
６５  内側プラットフォーム
７０  上方プラットフォーム
８０  インピンジメントプレナム
８５  インピンジメント開口
９０  冷却導管
１００  インピンジメント冷却システム
１１０  インピンジメントプレナム
１２０  キャビティ
１３０  インピンジメントプレート
１４０  カバープレート
１５０  冷却流
１６０  冷却導管
１７０  平面
１８０  インピンジメント孔
１９０  タービン構成要素
２００  起伏のある表面
２９０  グリッド
３００  領域
３０５  投影領域
３１０  可変寸法
３２０  可変間隔
３３０  第１の領域
３４０  第２の領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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