(57)【要約】      （修正有）【課題】タービンの高温ガスチャネル用壁部に関し、耐久性がありかつより良好に冷却される高温ガス面を提供する。【解決手段】前側１４において高温流体に曝される高温ガスチャネル用の壁部１０は、後側１６に取り付けられた、後側１６とインピンジメントシート２８との間に延びるピン１８の配列を有し、壁部１０は、さらに、後側１６に取り付けられた複数のリブ２０を有し、各リブは、後側１６においてセル２２の配列を画定するように２つのピン１８の間に延びている、および／または後側１６において区画を画定するように後側１６に取り付けられた少なくとも１つの区画壁部を有し、インピンジメント冷却穴３０および冷却出口穴を備えるインピンジメントシート２８を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンにおける高温ガスチャネル用の壁部（１０）であって、該壁部（１０）は、後側（１６）と、前側（１４）と、インピンジメント冷却穴（３０）を有するインピンジメントシートとを有しており、前記壁部（１０）は、前記前側（１４）において高温流体に曝されるためのものであり、前記壁部は、前記後側（１６）に取り付けられた、該後側（１６）と前記インピンジメントシート（２８）との間に延びるピン（１８）の配列を有し、前記壁部（１０）は、さらに、
前記後側（１６）に取り付けられた複数のリブ（２０）を有し、各リブは、前記後側（１６）においてセル（２２）の配列を画定するように２つの前記ピン（１８）の間に延びている、および／または
前記後側（１６）において区画を画定するように前記後側（１６）に取り付けられた少なくとも１つの区画壁部（３２）を有することを特徴とする、ガスタービンにおける高温ガスチャネル用の壁部（１０）。
【請求項２】
各セルのために別個のインピンジメント冷却穴が設けられている、請求項１記載の壁部（１０）。
【請求項３】
さらに、前側縁部（４０）、後側縁部（４２）および側縁部（４４）のうちの１つにおいて冷却出口穴（５０）を有し、前記前側縁部（４０）、前記後側縁部（４２）および前記側縁部（４４）は、前記壁部（１０）の冷却領域を画定している、請求項１または２記載の壁部（１０）。
【請求項４】
前記壁部（１０）に取り付けられかつ該壁部（１０）に対して垂直な第２の壁部（２４）をさらに有する、請求項１または２記載の壁部（１０）。
【請求項５】
各区画は、ピン（１８）の配列およびセル（２２）の配列を有する、請求項１から４までのいずれか１項記載の壁部（１０）。
【請求項６】
前記壁部の後側（１６）、前記ピン（１８）および前記リブ（２０）は一体的に鋳造されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の壁部（１０）。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１項記載の壁部（１０）を備えるガスタービン。
【請求項８】
ガスタービンにおける高温ガスチャネル用の壁部（１０）を冷却する方法であって、該壁部（１０）は、後側（１６）と、前側（１４）と、インピンジメント冷却穴（３０）を有するインピンジメントシートとを有しており、前記壁部（１０）は、前記前側（１４）において高温流体に曝されるためのものであり、前記壁部は、前記後側（１６）に取り付けられた、該後側（１６）と前記インピンジメントシート（２８）との間に延びるピン（１８）の配列を有し、前記壁部（１０）は、さらに、前記後側（１６）に取り付けられた複数のリブ（２０）を有し、各リブは、前記後側（１６）においてセル（２２）の配列を画定するように２つの前記ピン（１８）の間に延びている、および／または前記後側（１６）において区画を画定するように前記後側（１６）に取り付けられた少なくとも１つの区画壁部（３２）を有し、前記方法は、
前記壁部（１０）の前記後側に冷却流体を衝突させるステップを含むことを特徴とする、ガスタービンにおける高温ガスチャネル用の壁部（１０）を冷却する方法。
【請求項９】
前記壁部（１０）は、さらに冷却出口穴（５０）を有し、前記方法は、
前記インピンジメントシート（２８）における冷却穴（３０）を通じて前記壁部の前記後側（１６）に冷却流体を衝突させ、
前記冷却出口穴（５０）を通じて前記壁部（１０）から前記冷却流体を排出することを含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記冷却流体を各セル（２２）に衝突させる、請求項８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン、特にガスタービンにおける高温ガスチャネル用の壁部に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの様々な部分は高温に曝され、その結果、劣化または崩壊を生じやすい。このような部分の１つのセットは、内側高温ガス面または壁部である。これらの面は、その寿命を延ばすために後側（低温側）から冷却することができる。しかしながら、寿命はいまだ限られており、一度破損が生じ始めると（例えばき裂）、損傷が急速に拡大しやすいので、その部分は即座に交換されなければならない。これは特に、いずれかのき裂が、著しい冷却空気が穴を通じて損失されるのに十分な大きさとなり、冷却効果を低下させるようなケースである。一例として、インピンジメント冷却される後側は、機能的であるためにその領域に供給する全てのインピンジメント穴の合計の最大面積のき裂または開口を許容する。
【０００３】
したがって、より耐久性がありかつより良好に冷却される高温ガス面を提供するように改良をなすことができると認識された。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、ここで参照すべき添付の独立請求項に規定されている。発明の有利な特徴は従属請求項に示されている。
【０００５】
発明の第１の態様によれば、ガスタービンにおける高温ガスチャネル用の壁部であって、この壁部は、後側（低温側）と、前側（高温側）と、インピンジメント冷却穴を有するインピンジメントシートとを有しており、壁部は、前側において高温流体に曝されるためのものであり、壁部は、後側に取り付けられた、後側とインピンジメントシートとの間に延びるピンの配列を有し、壁部は、さらに、後側に取り付けられた複数のリブを有し、各リブは、後側においてセルの配列を画定するように２つのピンの間に延びている、および／または少なくとも１つの区画壁が、後側において区画を画定するように後側に取り付けられている、ガスタービンにおける高温ガスチャネル用の壁部が提供される。
【０００６】
第１にセルの配列を画定し、第２に区画を画定するこれらの２つの異なるオプションは両方とも、複数の同様の問題を解決し、複数の同様の利点を提供する。セルを提供することは、き裂を制限しかつ穴のサイズを制限することによって高温ガス面への損傷の影響を制限する。区画もまた、同様に影響を局所的に制限することによって高温ガス面への損傷の影響を制限する。したがって、これらのオプションの双方は、部分の寿命を改良することができる。
【０００７】
部分の寿命は、欠陥許容（すなわちどれだけ多くの欠陥を許容することができるか）、およびどの部分が使用され続けることができるかまたは交換または修理を必要とするかについての評価の容易性が高められたことにより改良される。許容することができる欠陥の数も増大させることができる。高温ガス面における損傷（き裂、開口、穴）に対する許容度が高められる。緊急寿命期間の間の壁部分解を、よりよく制御し、局所化しかつ減速させることができる。
【０００８】
リブおよび／または区画を提供することは壁強度をも高める。特にリブは熱伝達、ひいては冷却を高めることができる。特に区画は、き裂または穴によって生ぜしめられる冷却破壊を閉じ込めることができ、これにより、冷却効果は局所的にのみ減じられる。特にリブは、き裂および／または穴の成長を制限することができる。
【０００９】
好適には、各セルのために別個のインピンジメント冷却穴が設けられている。これは、均一な冷却を許容することができる。
【００１０】
別の実施の形態では、壁部はさらに冷却出口穴を有する。これは、加熱された冷却空気の除去を能率化することができる。
【００１１】
別の実施の形態では、壁部はさらに、壁部に取り付けられかつ壁部に対して実質的に垂直な第２の壁部を有する。これは、壁部強度を高めることができる。
【００１２】
別の実施の形態では、各区画は、ピンの配列およびセルの配列を有する。
【００１３】
別の実施の形態では、壁の後側、ピンおよびリブは一体的に鋳造されている。これは、部分の寿命および安定性を高めることができる。
【００１４】
発明の第２の態様は、上述のような壁部を有するガスタービンを含む。
【００１５】
発明の第３の態様は、上述のような高温ガスチャネル用の壁部を冷却する方法であって、壁部の後側に冷却流体を衝突させるステップを含む方法を含む。
【００１６】
１つの実施の形態では、壁部は、さらに冷却出口穴を有し、方法は、インピンジメントシートにおける冷却穴を通じて壁部の後側に冷却流体を衝突させ、冷却出口穴を通じて壁部から冷却流体を排出することを含む。好適には、冷却流体は各セル内に衝突させられる。
【００１７】
ここで発明の実施の形態を、添付の図面に関して例としてのみ説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】発明の１つの実施の形態によるガスタービン用の壁部の平面図を示している。
【図１Ｂ】Ｂ−Ｂの周囲の点線で示されたセクションにおける図１の拡大された部分を示している。
【図１Ｃ】Ｃ−Ｃの周囲の点線で示されたセクションにおける図１の拡大された部分を示している。
【図２】図１におけるＢ−Ｂに沿った断面図を示している。
【図３】発明の別の実施の形態によるガスタービン用の壁部の平面図を示している。
【図３Ａ】Ａ−Ａの周囲の点線で示されたセクションにおける図３の拡大された部分を示している。
【図４】図３のＡ−Ａに沿った断面図を示している。
【図５】図１のＣ−Ｃに沿った断面図を示している。
【図６】発明の別の実施の形態によるガスタービン用の壁部の平面図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１および図２（図１におけるＢ−Ｂに沿った断面図）は、ガスタービン用の壁部１０を示しており、壁部は、前側１４において高温排ガスなどの高温流体に曝されるためのものである。壁部の後側１６にはピン１８の配列が取り付けられている。リブ２０はピンの間に延びており、ピンおよび壁部後側の双方に取り付けられている。リブは、壁部の後側にセル２２を画定している。
【００２０】
選択的に、壁部の後側１６に取り付けられ、かつ壁部の後側１６に対して実質的にまたは完全に垂直な第２の壁部２４が設けられていてもよい。補強リブ２６は、構造的支持のために壁部および第２の壁部に取り付けられていてもよい。
【００２１】
図２はさらに、ピンに隣接して付加されたインピンジメントシート２８を示している。インピンジメント冷却穴３０をインピンジメントシート２８に設けることができる。インピンジメント冷却穴は、通常はセル２２の中央に設けられ、これにより、図２に示されたインピンジメント冷却穴は実際には、図示された他の特徴よりも後方に後退させられている。
【００２２】
図２において、点線は、分かりやすくするために構成部材の輪郭を示しており、必ずしも物理的な特徴を示しているわけではない。
【００２３】
図３は、図１と同様の実施の形態を示しており、この実施の形態では、付加的な区画壁部３２が設けられている。これらの区画壁部は、壁部の後面を複数の区画に分割しており、各区画は複数のセルを含んでいる。
【００２４】
図４は、図３におけるＡ−Ａに沿った断面図を示している。図４では、区画壁部３２に隣接してインピンジメントシート２８が設けられている。択一的に、ピンに隣接してインピンジメントシートが設けられてもよく、各区画に対して別個のインピンジメントシートが設けられている。インピンジメント穴（図示せず）も、本明細書の他で説明されているようにインピンジメントシートに設けられている。
【００２５】
図５は、図１におけるＣ−Ｃに沿った断面図を示している。図１には、冷却領域の外縁部を画定する前側縁部４０（前縁）、後側縁部４２（後縁）および側縁部４４が示されている。これらの縁部のうちの１つまたは複数において、図５に示されているように、冷却出口穴５０が配置されていてもよい。図５における冷却システムは、図３の実施の形態において使用することもできる。
【００２６】
図６は、図２と同様の実施の形態を示しているが、この実施の形態では区画のみが設けられており、セルは設けられていない。
【００２７】
使用中、冷却空気などの冷却流体は、好適にはインピンジメントシート２８におけるインピンジメント穴３０を通じて提供される。冷却流体は次いで、壁部１０の後側１６に衝突し、壁部を冷却する。冷却流体は、次いで、（前側縁部、後側縁部、側縁部および／または第２の壁部における）セル２２の配列の縁部までピン１８の周囲を通り抜け、そこで冷却流体は、冷却出口穴５０を通じて出ていく。
【００２８】
ガスタービン検査の間、本発明の壁部の前側などのガスタービン部分を検査するために、ボアスコープを使用することができる。ガスタービン高温ガス壁部は、劣化しやすく、前側の検査時に、高温ガス壁部に対する損傷を見ることができる。
【００２９】
損傷、特にき裂または穴が存在する場合、本発明のリブは、損傷を制限し、き裂または穴が１つのセルの範囲を超えて拡大することを阻止することができる。これは、損傷が閉じ込められ、壁部は、き裂または穴が壁部の大きな領域を横切って拡大する恐れがあるリブを備えない壁部よりも、長期にわたって修理または交換なしに使用され続けてもよい。したがって、残りの緊急寿命（き裂または穴またはその他のタイプの故障の後の時間などの、損傷されたときでさえも構成部材が使用され続けてもよい時間）は、引き延ばすことができ、かつよりよく予測することができる。なぜならば、き裂伝播は通常、停止させられるからである。
【００３０】
区画が設けられている実施の形態では、区画は、冷却空気分離によってさらなる損傷制御を可能にする。冷却流体流によって提供される冷却を無効にするのに十分なき裂または穴が区画におけるセル内に出現した場合であっても、冷却効果の損失はその区画のみに限定される。なぜならば、他の区画における冷却は事実上独立しているからである。これは損傷を制限し、さらなる緊急寿命の延長を可能にすることができる。許容限界は部分ごとに特定され、幾つかの実施の形態では、区画全体を包囲する壁部における開口でさえ許容され得る。
【００３１】
壁部１０は、例えばガスタービンの前段ステータヒートシールドにおいて、またはその他の冷却されるステータ部分またはヒートシールドにおいて使用することができる。壁部は、壁部が一方の側（前側）において高温流体を有し、かつ他方の側（後側）において冷却空気によって冷却することができる、ガスタービンの様々な他の部分において使用することもできる。幾つかの場合、セルおよび／または区画は、壁部の一部分のみにわたって延びていてもよい。
【００３２】
壁部は、壁部に取り付けられた様々な突出部（すなわちピン、リブおよび選択的に区画壁部）を備えた実質的に特徴のないベース構造である壁部分であると考えることもできる。壁部分は、ピンおよびリブとともに、好適には１つの構成部材として一体的に鋳造される。図２および図４において、これらの一体的に鋳造された部分を表すために点線が示されている。
【００３３】
前側１４は、耐熱層（サーマルバリヤコーティング）によって被覆されていてもよい。
【００３４】
図４におけるピン１８は、区画壁部よりも短く示されている。幾つかの実施の形態では、ピンは、区画壁部と同じ高さであってもよい。したがって、インピンジメントシートは、区画壁部だけではなく、区画壁部およびピンの双方に隣接している（間隙なしで、または例えば後側とインピンジメントシートとの間の距離の１０％までの小さな分離間隙を備えて）。別個のインピンジメントシートを各区画のために設けてもよい。
【００３５】
好適には、リブ２０は、ピンおよび壁部の後側の双方に取り付けられているが、幾つかの実施の形態では、ピンは、壁部の後側のみに取り付けられていてもよい。リブの高さは、前側と後側との間の壁部の厚さ（のオーダ）と同じであってもよい。択一的にまたは付加的に、リブの高さは、後側とインピンジメントシートとの間の距離の５０％未満、好適には３０％未満である。概して、全てのリブは同じ高さであるが、異なる高さのリブを使用することもできる。概して、リブは、区画壁部とは対照的に、冷却流体流を制限することは意図されていない。
【００３６】
ほとんどのセル２２は、図１および図３に菱形として示されているが、矩形、三角形、六角形および不規則形状を含む様々なその他の形状を用いることもできる。ほとんどのセルは好適には同じ形状であるが、縁部（前側縁部、後側縁部、区画壁部、または第２の壁部）に隣接するセルは異なる形状であってもよい。これは、縁部の周辺における多数の極めて小さなセルを回避することができる。小さなセルは冷却するのがより困難であり得る。
【００３７】
セルは、後側の画定された領域であり、各セルは、通常はリブによって包囲されており、リブは、セルの周囲に連続的な壁部を形成している。縁部（前側縁部、後側縁部、側縁部および／または第２の壁部）は、セルの一部分を画定していてもよい。これにより、き裂伝播は、既存の解決手段よりも制御されかつ予測可能な形式で制限されてもよく、き裂が検出されたときに最大き裂サイズの予測を可能にする。
【００３８】
第２の壁部２４は、構造的強度を提供し、区画を画定してもよい。第２の壁部に隣接して、インピンジメントシートは、壁部の後側から離れるように湾曲していてもよく、インピンジメントシートを（壁部に対して垂直な）第２の壁部の側部の方向に向かって傾斜させている。したがって、第２の壁部付近のインピンジメント穴は、第２の壁部に向かって傾斜させられ、壁部と第２の壁部との接合部の冷却を助ける。第２の壁部付近のインピンジメントシートは、引用によりその全体が本明細書に組み込まれる欧州特許出願公開第２７５４８５７号明細書として公開された欧州特許出願１３１５０８８２．２の特に図１および図４ならびに発明の詳細な説明における関連する説明に開示されているように配置されてもよい。第２の壁部は好適には壁部の一部分として一体的に鋳造される。補強リブ２６もまた好適には、壁部または第２の壁部の一部分として一体的に鋳造される。
【００３９】
第２の壁部２４を備える実施の形態では、第２の壁部のそれぞれの側の２つの領域は、異なる圧力の冷却空気を有してもよい。典型的には、第２の壁部に対して平行な方向で、圧力は実質的に変化しない。
【００４０】
インピンジメントシート２８は、図２に示したようにピンに隣接していてもよいか、または択一的に、異なる熱膨張による移動などの相対移動を許容するようにピンとインピンジメントシートとの間に僅かな間隙が存在してもよい。インピンジメントシートとピンとは好適には互いに自由に移動し、互いに直接に取り付けられていない。ピンは好適には、後側１６からインピンジメントシート２８までの距離の少なくとも９０％だけ延びている。
【００４１】
インピンジメント冷却穴３０は、少なくともほとんどのセルのために設けられており、好適にはインピンジメント穴は各セルのために設けられている。インピンジメント穴は好適には、各セルの中心に配置されている。
【００４２】
冷却流体は、いずれか一方の側へ通り抜けてもよいが、好適には全ての側へ通り抜ける。なぜならば、これは、一方の側への通り抜けよりも均一な冷却効果を提供するからである。冷却出口穴５０は、前側縁部、後側縁部、側縁部、区画壁部および／または第２の壁部に配置することができる。１つまたは複数の冷却出口穴が設けられてもよい。壁部の縁部、区画壁部および／または第２の壁部に隣接する各セルのために１つの冷却出口穴を設けることができる。縁部を対流冷却するために、冷却出口穴は、縁部（前側縁部、後側縁部、側縁部）における冷却チャネルに通じることもできる。例えば図２に示されたような２つのパネル（壁部）が互いに隣接して配置されている場合、隣接するパネルの間の間隙をパージするために、冷却空気は、冷却出口から直接に（例えば冷却空気出口方向５２へ）または冷却チャネルを通じて出ていくことができる。冷却出口穴は、図５において円形の横断面で示されているが、その他の形状であってもよい。
【００４３】
区画壁部３２は、複数のセルを含む区画を少なくとも部分的に画定している。区画壁部は、冷却流体流を停止させることを意図されていないリブとは対照的に、冷却流体流を完全にまたはほぼ制限する。したがって、区画壁部は好適には後側からインピンジメントシートまでの距離の少なくとも８０％または少なくとも９０％だけ延びている。区画壁部は、インピンジメントシートに取り付けられてもよいか、または択一的に取り付けられず、互いに自由に移動してもよい。
【００４４】
区画は、複数の形式で画定することができる。図３の例では、幾つかの区画は、２つの側において区画壁部によって、第３の側において第２の壁部によって、第４の側において前側縁部または後側縁部によって画定されている。他の区画は、１つの側における区画壁部と、第２の側における第２の壁部と、第３の側における前側縁部または後側縁部と、第４の側における側縁とによって画定されている。区画は、区画壁部によって全体を画定することもできる。区画のサイズおよび数、ならびに１つまたは複数の第２の壁部が設けられているかどうかに応じて、様々なその他の組合せが可能である。
【００４５】
前側縁部４０と、後側縁部４２と、側縁部４４とは、第２の壁部２４のように、冷却領域または冷却流体流れ領域を画定している。壁部の幾何学的形状に応じて、管壁などの側壁特徴部は不要であってもよい。側壁特徴部は、インピンジメントシートを支持し、インピンジメントシートを壁部の他の特徴部に接続してもよいまたは接続することを補助してもよい。概して、これらの側壁特徴部は、あらゆる冷却出口穴を除き、完全にまたはほとんど冷却流を制限する。
【００４６】
フィルム冷却用の冷却穴（図示せず）が壁部を貫通して設けられてもよい。これらの冷却穴は、後側から前側へ延びている。
【００４７】
以下の請求項によって規定される発明から逸脱することなく前記実施の形態に対する様々な変更が可能であり、当業者に想起されるであろう。
【符号の説明】
【００４８】
１０  壁部
１４  前側
１６  後側
１８  ピン
２０  リブ
２２  セル
２４  第２の壁部
２６  補強リブ
２８  インピンジメントシート
３０  インピンジメント冷却穴
３２  区画壁部
４０  前側縁部
４２  後側縁部
４４  側縁部
５０  冷却出口穴
５２  冷却空気出口方向
【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図１】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図６】
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【外国語明細書】
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