(57)【要約】【課題】タービン構成要素の熱調整のための物品及びマニホルドを提供する。【解決手段】マニホルド（１０２）は、マニホルド（１０２）有するプレナム（１１０）と、インピンジメントアパーチャ（１１２）とを定めるインピンジメントプレート（１０８）を含む。インピンジメントアパーチャ（１１２）が、吸入アパーチャ（３００）にてプレナム（１１０）と接続され、流れマニホルド構造体（３０２）を含み、該流れマニホルド構造体（３０２）がインピンジメントアパーチャ（１１２）と共に排気アパーチャ（３０４）を定める。マニホルド（１０２）は、流体（１１８）をプレナム（１１０）から吸入アパーチャ（３００）に排出し、インピンジメントアパーチャ（１１２）を通って排気アパーチャ（３０４）から流出させて、インピンジメント後キャビティ（１０６）に流入して、外部アパーチャ（１１４）に通過させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物品（１００）であって、
インピンジメントプレート（１０８）を含むマニホルド（１０２）を備え、前記インピンジメントプレート（１０８）が、プレナム（１１０）及び少なくとも１つのインピンジメントアパーチャ（１１２）を定め、前記プレナム（１１０）がプレナム表面（１１６）を有し、前記少なくとも１つのインピンジメントアパーチャ（１１２）が、吸入アパーチャ（３００）にて前記プレナム（１１０）と接続され、
前記物品（１００）が更に、
少なくとも１つの外部アパーチャ（１１４）を含む物品壁（１０４）と、
前記マニホルド（１０２）と前記物品壁（１０４）との間に配置されるインピンジメント後キャビティ（１０６）と、
を備え、
前記インピンジメント後キャビティ（１０６）が、前記プレナム（１１０）から前記少なくとも１つのインピンジメントアパーチャ（１１２）を通って流体（１１８）を受けて、該流体（１１８）を前記少なくとも１つの外部アパーチャ（１１４）に通過させるように構成されており、前記少なくとも１つのインピンジメントアパーチャ（１１２）が、流れマニホルド構造体（３０２）を含み、前記インピンジメントアパーチャ（１１２）及び前記流れマニホルド構造体（３０２）が排気アパーチャ（３０４）を定める、物品（１００）。
【請求項２】
前記吸入アパーチャ（３００）が吸入区域（３０６）を含み、前記排気アパーチャ（３０４）が、少なくとも１つの排気区域（３１２）を含み、前記少なくとも１つの排気区域（３１２）が、前記吸入区域（３０６）の約１０％〜約５００％である、請求項１に記載の物品（１００）。
【請求項３】
前記少なくとも１つのインピンジメントアパーチャ（１１２）が、前記プレナム表面（１１６）に対して約３０度〜約９０度のインピンジメント角（３１４）を定める、請求項１に記載の物品（１００）。
【請求項４】
前記排気アパーチャ（３０４）が、前記インピンジメント角（３１４）から最大で約６０度の偏位角（３１６）で偏位する、請求項３に記載の物品（１００）。
【請求項５】
前記排気アパーチャ（３０４）が環状である、請求項１に記載の物品（１００）。
【請求項６】
前記が流れマニホルド構造体（３０２）がタービュレータ（９００）を含む、請求項１に記載の物品（１００）。
【請求項７】
前記タービュレータ（９００）が、少なくとも１つのベーン（９０２）を含む、請求項６に記載の物品（１００）。
【請求項８】
前記少なくとも１つのベーン（９０２）が捻れ構造を含む、請求項７に記載の物品（１００）。
【請求項９】
前記流れマニホルド構造体（３０２）が、複数の流れ分配アパーチャ（８００）を含む、請求項１に記載の物品（１００）。
【請求項１０】
前記流れマニホルド構造体（３０２）が、方向性ノズル（１１００）を含む、請求項１に記載の物品（１００）。
【請求項１１】
前記物品（１００）が、翼形部（１２２）、バケット、ノズル（１２４）、シュラウド、燃焼器、及びこれらの組み合わせからなる群から選択されるタービン構成要素（１２０）である、請求項１に記載の物品（１００）。
【請求項１２】
インピンジメントプレート（１０８）を備え、該インピンジメントプレート（１０８）がプレナム（１１０）及び少なくとも１つのインピンジメントアパーチャ（１１２）を定めるマニホルド（１０２）であって、
前記プレナム（１１０）がプレナム表面（１１６）を含み、前記少なくとも１つのインピンジメントアパーチャ（１１２）が、吸入アパーチャ（３００）にて前記プレナム（１１０）と接続され、前記少なくとも１つのインピンジメントアパーチャ（１１２）が、流れマニホルド構造体（３０２）を含み、前記インピンジメントアパーチャ（１１２）及び前記流れマニホルド構造体（３０２）が排気アパーチャ（３０４）を定め、
前記マニホルド（１０２）が、流体（１１８）を前記プレナム（１１０）から前記吸入アパーチャ（３００）に排出し、前記少なくとも１つのインピンジメントアパーチャ（１１２）を通って前記排気アパーチャ（３０４）から流出させるよう構成される、マニホルド（１０２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン構成要素の熱調整のための物品及びマニホルドに関する。より詳細には、本発明は、インピンジメント流れマニホルド構造体を含む、タービン構成要素の熱調整のための物品及びマニホルドに関する。
【背景技術】
【０００２】
ノズルなどのガスタービン翼形部は、高温ガス経路において高熱及び高い外部圧力に晒される。これらの厳しい動作条件は、技術の進歩によって更に深刻になり、これには、作動温度の上昇及び高温ガス経路の圧力の上昇の両方を含むことができる。結果として、ガスタービンノズルは、ノズルのコアに挿入されるマニホルドに流体を流すことによって冷却される場合があり、該流体は、マニホルドからインピンジメント孔を通ってインピンジメント後キャビティに流入し、次いで、ノズルの外壁のアパーチャを通ってインピンジメント後キャビティから流出して、ノズルの外面上に流体のフィルム層を形成する。
【０００３】
しかしながら、インピンジメント後キャビティにおけるクロスフロー及び非最適な流路は、インピンジメント後キャビティにおける流体冷却を妨げる。厳しい動作条件、材料、及び製造技術は、このインピンジメント後キャビティにおけるクロスフロー及び非最適な流路を持続又は更に悪化させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７，０５２，２３３号明細書
【発明の概要】
【０００５】
例示的な実施形態において、物品は、マニホルドと、物品壁と、インピンジメント後キャビティとを含む。マニホルドは、インピンジメントプレートを含み、該インピンジメントプレートは、プレナムと、少なくとも１つのインピンジメントアパーチャとを定める。プレナムは、プレナム表面を含み、少なくとも１つのインピンジメントアパーチャは、吸入アパーチャにてプレナムと接続される。物品壁は、少なくとも１つの外部アパーチャを含む。インピンジメント後キャビティは、マニホルドと物品壁との間に配置され、該インピンジメント後キャビティは、流体をプレナムから少なくとも１つのインピンジメントアパーチャを通って受けて、該流体を少なくとも１つの外部アパーチャに通過させるように構成されている。少なくとも１つのインピンジメントアパーチャが、流れマニホルド構造体を含み、少なくとも１つのインピンジメントアパーチャ及び流れマニホルド構造体が排気アパーチャを定める。
【０００６】
別の例示的な実施形態において、マニホルドは、インピンジメントプレートを含む。インピンジメントプレートは、プレナムと、少なくとも１つのインピンジメントアパーチャとを定める。プレナムは、プレナム表面を含み、少なくとも１つのインピンジメントアパーチャは、吸入アパーチャにてプレナムと接続される。少なくとも１つのインピンジメントアパーチャは、流れマニホルド構造体を含み、少なくとも１つのインピンジメントアパーチャと流れマニホルド構造体とは、排気アパーチャを定める。マニホルドは、流体をプレナムから吸入アパーチャに排出し、少なくとも１つのインピンジメントアパーチャを通って排気アパーチャから流出させるよう構成される。
【０００７】
別の例示的な実施形態において、タービン構成要素を熱調整する方法は、インピンジメントプレートを有するマニホルドを提供するステップを含み、インピンジメントプレートは、プレナムと、少なくとも１つのインピンジメントアパーチャと、を定める。少なくとも１つのインピンジメントアパーチャは、流れマニホルド構造体を含む。本方法は更に、流体の流れを少なくとも１つのインピンジメントアパーチャを通って分散するステップと、流れマニホルド構造体と相互作用することにより流体の流れを変更するステップと、を含む。流れマニホルド構造体による流体の流れの変更により、流れマニホルド構造体によって妨げられない同じ流れと比べて、流体とタービン構成要素の一部との熱接触が増大する。
【０００８】
本発明の他の特徴及び利点は、例証として本発明の原理を示す添付図面を参照しながら、以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の実施形態による、物品の断面図。
【図２】本開示の実施形態による、図１の物品の切り欠き斜視図。
【図３】本開示の実施形態による、図１の方向３−３から見た少なくとも１つのインピンジメントアパーチャの断面図。
【図４】本開示の実施形態による、図２の区域４の拡大図。
【図５】本開示の実施形態による、図２の区域５の拡大図。
【図６】本開示の実施形態による、図２の区域６の拡大図。
【図７】本開示の実施形態による、図２の区域７の拡大図。
【図８】本開示の実施形態による、図２の区域８の拡大図。
【図９】本開示の実施形態による、図２の区域９の拡大図。
【図１０】本開示の実施形態による、図２の区域１０の拡大斜視図。
【図１１】本開示の実施形態による、図２の区域１１の拡大斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
可能な限り、図面全体を通じて同じ要素を示すために同じ参照符号が使用される。
【００１１】
例示的な物品、翼形部構成要素、並びに物品及び翼形部構成要素を形成する方法が提供される。本開示の実施形態は、本明細書で開示される１又はそれ以上の特徴を利用していない物品及び方法と比較して、異なる熱膨張への良好な対応、空力負荷の許容範囲の増大、冷却の改善、耐久性の改善、効率の向上、局所的逆流マージンの改善、及びフィルム効果の改善をもたらす。
【００１２】
図１及び２を参照すると、１つの実施形態において、物品１００は、マニホルド１０２と、物品壁１０４と、マニホルド１０２と物品壁１０４との間に配置されたインピンジメント後キャビティ１０６と、を含む。マニホルド１０２は、インピンジメントプレート１０８を含む。インピンジメントプレート１０８は、プレナム１１０と、少なくとも１つのインピンジメントアパーチャ１１２と、を定める。物品壁１０４は、少なくとも１つの外部アパーチャ１１４を含む。プレナム１１０は、プレナム表面１１６を含む。インピンジメント後キャビティ１０６は、プレナム１１０から少なくとも１つのインピンジメントアパーチャ１１２を通って流体１１８を受けて、該流体１１８を少なくとも１つの外部アパーチャ１１４に通過させるように構成される。
【００１３】
別の実施形態において、物品１００は、タービン構成要素１２０である。タービン構成要素１２０は、限定ではないが、翼形部１２２、バケット（図示せず）、ノズル１２４、シュラウド（図示せず）、燃焼器（図示せず）、又はこれらの組み合わせを含む、あらゆる好適な構成要素とすることができる。マニホルド１０２は、限定ではないが、タービン翼形部１２２のマニホルド、タービンバケット（図示せず）のマニホルド、タービンノズル１２４のマニホルド、タービンシュラウド（図示せず）のマニホルド、タービン燃焼器（図示せず）のマニホルド、又はこれらの組み合わせを含む、あらゆる好適なマニホルドとすることができる。
【００１４】
図３を参照すると、１つの実施形態において、少なくとも１つのインピンジメントアパーチャ１１２は、吸入アパーチャ３００にてプレナム１１０と接続される。少なくとも１つのインピンジメントアパーチャ１１２は、流れマニホルド構造体３０２を含む。少なくとも１つのインピンジメントアパーチャ１１２及び流れマニホルド構造体３０２は、排気アパーチャ３０４を定める。排気アパーチャ３０４は、あらゆる好適な形状を含むことができる。図１を再度参照すると、マニホルド１０２は、流体１１８をプレナム１１０から吸入アパーチャ３００に排出し、少なくとも１つのインピンジメントアパーチャ１１２を通って排気アパーチャ３０４から流出させるよう構成される。
【００１５】
１つの実施形態において、吸入アパーチャ３００は、プレナム１１０にて吸入区域３０６を含み、排気アパーチャ３０４は、インピンジメント後キャビティ１０６にて少なくとも１つの排気区域３１２を含む。少なくとも１つの排気区域３１２は、インピンジメント後キャビティ１０６での少なくとも１つのインピンジメントアパーチャ１１２のインピンジメント区域３０８と、インピンジメント後キャビティ１０６での流れマニホルド構造体区域３１０との間では差違が存在する。別の実施形態において、少なくとも１つの排気区域３１２は、吸入区域３０６の約１０％〜約５００％の間、又は吸入区域３０６の約１０％〜約１００％の間、又は吸入区域３０６の約５０％〜約１５０％の間、又は吸入区域３０６の約１００％〜約２００％の間、又は吸入区域３０６の約１５０％〜約２５０％の間、又は吸入区域３０６の約２００％〜約３００％の間、又は吸入区域３０６の約２５０％〜約３５０％の間、又は吸入区域３０６の約３００％〜約４００％の間、又は吸入区域３０６の約３５０％〜約４５０％の間、又は吸入区域３０６の約４００％〜約５００％の間である。
【００１６】
別の実施形態において、少なくとも１つのインピンジメントアパーチャ１１２は、プレナム表面１１６に対するインピンジメント角３１４を定める。インピンジメント角３１４は、限定ではないが、約３０度〜９０度、又は約３０度〜約６０度、又は約４５度〜約７５度、又は約６０度〜９０度、又は約３０度〜約４５度、又は約４５度〜約６０度、又は約６０度〜約７５度、又は約７０度〜９０度を含む、あらゆる好適な角度とすることができる。排気アパーチャ３０４は、最大で約６０度、又は最大で約４５度、又は最大で約３０度、又は最大で約１５度、又は０度〜約３０度、又は約１５度〜約４５度、又は約３０度〜約６０度の偏位角３１６だけインピンジメント角から偏位することができる。本明細書で使用される用語「偏位角３１６」は、排気アパーチャ３０４の全体にわたって必ずしも一定ではなく、排気アパーチャ３０４の周りで変化することができるパラメータである。
【００１７】
図４を参照すると、１つの実施形態において、排気アパーチャ３０４は環状である。本明細書で使用される用語「環状」は、略リング形状を示し、限定ではないが、規則的リング、不規則なリング、円形リング、楕円形リング、長円リング、対称的リング、非対称リング、又はこれらの組み合わせを含むことができる。本明細書で使用される用語「不規則なリング」は、リングの厚さ又は幅もしくはその両方がリングの外周の周りで変化することを示している。図５及び６を参照すると、別の実施形態において、環状の排気アパーチャ３０４は、少なくとも１つのインピンジメントアパーチャ１１２及び流れマニホルド構造体３０２のうちの少なくとも１つが多角形構造を有するようになっている。図７を参照すると、更に別の実施形態では、環状排気アパーチャ３０４は、少なくとも１つのインピンジメントアパーチャ１１２及び流れマニホルド構造体３０２のうちの少なくとも１つが不規則な幾何形状を有するようになっている。
【００１８】
図８を参照すると、１つの実施形態において、流れマニホルド構造体３０２は、複数の流れ分配アパーチャ８００を含む。
【００１９】
図９を参照すると、１つの実施形態において、流れマニホルド構造体３０２は、タービュレータ９００を含む。別の実施形態において、タービュレータ９００は、少なくとも１つのベーン９０２を含む。図１０を参照すると、更に別の実施形態において、少なくとも１つのベーンは、捻れ構造を含むことができる。
【００２０】
図１１を参照すると、１つの実施形態において、流れマニホルド構造体３０２は、方向性ノズル１１００を含む。方向性ノズル１１００は、流体１１８の流れをあらゆる好適な方向でインピンジメント後キャビティ１０６内に配向することができる。
【００２１】
１つの実施形態において、限定ではないがタービン構成要素１２０を含む物品１００の熱調整のための方法は、インピンジメントプレート１０８を有するマニホルド１０２を提供するステップを含み、インピンジメントプレート１０８は、プレナム１００と少なくとも１つのインピンジメントアパーチャ１１２とを定め、該少なくとも１つのインピンジメントアパーチャ１１２は、流れマニホルド構造体３０２を含む。流体１１８は、プレナム１１０から少なくとも１つのインピンジメントアパーチャ１１２を通って分散される。少なくとも１つのインピンジメントアパーチャ１１２における流体１１８の流れは、流れマニホルド構造体３０２との相互作用によって変更される。流れマニホルド構造体３０２によって変えられた流体の流れの変更により、流れマニホルド構造体３０２によって妨げられない同じ流れと比べて、流体１１８と物品１００の一部との熱接触が増大する。
【００２２】
流れマニホルド構造体３０２は、限定ではないが、付加製造技法、鋳造、又はこれらの組み合わせを含む、あらゆる好適な方法によって形成することができる。付加製造技法は、限定ではないが、直接金属レーザ溶融、直接金属レーザ焼結、選択レーザ溶融、選択レーザ焼結、電子ビーム溶融、レーザ金属堆積、又はこれらの組み合わせを含む、あらゆる好適な方法を含むことができる。
【００２３】
好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことができ且つ本発明の要素を均等物で置き換えることができる点は理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、また本発明は、提出した請求項の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含することになるものとする。
【００２４】
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
物品であって、
インピンジメントプレートを含むマニホルドを備え、上記インピンジメントプレートが、プレナム及び少なくとも１つのインピンジメントアパーチャを定め、上記プレナムがプレナム表面を有し、上記少なくとも１つのインピンジメントアパーチャが、吸入アパーチャにて上記プレナムと接続され、
上記物品が更に、
少なくとも１つの外部アパーチャを含む物品壁と、
上記マニホルドと上記物品壁との間に配置されるインピンジメント後キャビティと、
を備え、
上記インピンジメント後キャビティが、上記プレナムから上記少なくとも１つのインピンジメントアパーチャを通って流体を受けて、該流体を上記少なくとも１つの外部アパーチャに通過させるように構成されており、上記少なくとも１つのインピンジメントアパーチャが、流れマニホルド構造体を含み、上記インピンジメントアパーチャ及び上記流れマニホルド構造体が排気アパーチャを定める、物品。
［実施態様２］
上記吸入アパーチャが吸入区域を含み、上記排気アパーチャが、少なくとも１つの排気区域を含み、上記少なくとも１つの排気区域が、上記吸入区域の約１０％〜約５００％である、実施態様１に記載の物品。
［実施態様３］
上記少なくとも１つのインピンジメントアパーチャが、上記プレナム表面に対して約３０度〜約９０度のインピンジメント角を定める、実施態様１に記載の物品。
［実施態様４］
上記排気アパーチャが、上記インピンジメント角から最大で約６０度の偏位角で偏位する、実施態様３に記載の物品。
［実施態様５］
上記排気アパーチャが環状である、実施態様１に記載の物品。
［実施態様６］
上記が流れマニホルド構造体がタービュレータを含む、実施態様１に記載の物品。
［実施態様７］
上記タービュレータが、少なくとも１つのベーンを含む、実施態様６に記載の物品。
［実施態様８］
上記少なくとも１つのベーンが捻れ構造を含む、実施態様７に記載の物品。
［実施態様９］
上記流れマニホルド構造体が、複数の流れ分配アパーチャを含む、実施態様１に記載の物品。
［実施態様１０］
上記流れマニホルド構造体が、方向性ノズルを含む、実施態様１に記載の物品。
［実施態様１１］
上記物品が、翼形部、バケット、ノズル、シュラウド、燃焼器、及びこれらの組み合わせからなる群から選択されるタービン構成要素である、実施態様１に記載の物品。
［実施態様１２］
インピンジメントプレートを備え、該インピンジメントプレートがプレナム及び少なくとも１つのインピンジメントアパーチャを定めるマニホルドであって、
上記プレナムがプレナム表面を含み、上記少なくとも１つのインピンジメントアパーチャが、吸入アパーチャにて上記プレナムと接続され、上記少なくとも１つのインピンジメントアパーチャが、流れマニホルド構造体を含み、上記インピンジメントアパーチャ及び上記流れマニホルド構造体が排気アパーチャを定め、
上記マニホルドが、流体を上記プレナムから上記吸入アパーチャに排出し、上記少なくとも１つのインピンジメントアパーチャを通って上記排気アパーチャから流出させるよう構成される、マニホルド。
［実施態様１３］
上記吸入アパーチャが吸入区域を含み、上記排気アパーチャが、少なくとも１つの排気区域を含み、上記少なくとも１つの排気区域が、上記吸入区域の約１０％〜約５００％である、実施態様１２に記載のマニホルド。
［実施態様１４］
上記少なくとも１つのインピンジメントアパーチャが、上記プレナム表面に対して約３０度〜約９０度のインピンジメント角を定める、実施態様１２に記載のマニホルド。
［実施態様１５］
上記排気アパーチャが、上記インピンジメント角から最大で約６０度の偏位角で偏位する、実施態様１４に記載のマニホルド。
［実施態様１６］
上記排気アパーチャが環状である、実施態様１２に記載のマニホルド。
［実施態様１７］
上記が流れマニホルド構造体がタービュレータを含む、実施態様１２に記載のマニホルド。
［実施態様１８］
上記流れマニホルド構造体が、複数の流れ分配アパーチャを含む、実施態様１２に記載のマニホルド。
［実施態様１９］
上記流れマニホルド構造体が、方向性ノズルを含む、実施態様１２に記載のマニホルド。
［実施態様２０］
上記マニホルドが、タービン翼形部のマニホルド、タービンバケットのマニホルド、タービンノズルのマニホルド、タービンシュラウドのマニホルド、タービン燃焼器のマニホルド、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、実施態様１２に記載のマニホルド。
【符号の説明】
【００２５】
１００  物品
１０８  インピンジメントプレート
１０２  マニホルド
１１０  プレナム
１１２  インピンジメントアパーチャ
１１６  プレナム表面
３００  吸入アパーチャ
【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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【図７】
2017040259.tif 000009
【図８】
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【図９】
2017040259.tif 000011
【図１０】
2017040259.tif 000012
【図１１】
2017040259.tif 000013
【外国語明細書】
2017040259000001.pdf