(57)【要約】【課題】  固定ブレード（２００）用の冷却構造体を提供する。【解決手段】  固定ブレード（２００）用の冷却構造体は、翼形部（１５０）の半径方向端部に結合された端壁（２０４）と、端壁（２０４）内に配置され、翼形部（１５０）の後縁（１５４）から半径方向に変位されたチャンバ（２１８）であって、一対の対向するチャンバ壁（２２２）を含み、チャンバ壁（２２２）の一方は、翼形部（１５０）の正圧側面（１５６）の近位に配置され、その他方は、翼形部（１５０）の負圧側面（１５８）及び後縁（１５４）の近位に配置され、チャンバ（２１８）内の冷却流体は、翼形部（１５０）の正圧側面（１５６）及び後縁（１５４）の近位に配置された端壁（２０４）と熱連通している、チャンバ（２１８）と、チャンバ（２１８）内に配置された複数の熱伝導性固定物（２６０）と、を備える。【選択図】      図４
2017025907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定ブレード（２００）用の冷却構造体であって、
正圧側面（１５６）、負圧側面（１５８）、前縁（１５２）、及び後縁（１５４）を含む翼形部（１５０）の、ターボ機械（１００）のロータ軸線に対して半径方向端部に結合された端壁（２０４）と、
冷却流体源からの冷却流体を受け入れる、前記端壁（２０４）内に配置されかつ前記翼形部（１５０）の前記後縁（１５４）から半径方向に変位したチャンバ（２１８）であって、一対の対向するチャンバ壁（２２２）を含み、前記一対の対向するチャンバ壁（２２２）の一方は、前記翼形部（１５０）の前記正圧側面（１５６）の近位に配置され、前記一対の対向するチャンバ壁（２２２）の他方は、前記翼形部（１５０）の前記負圧側面（１５８）及び前記後縁（１５４）の近位に配置され、前記チャンバ（２１８）内の前記冷却流体は、前記翼形部（１５０）の前記正圧側面（１５６）及び前記後縁（１５４）の近位に配置された前記端壁（２０４）の少なくとも一部と熱連通している、チャンバ（２１８）と、
前記チャンバ（２１８）内に配置され、前記チャンバ（２１８）全体を通して実質的に均一に分布した複数の熱伝導性固定物（２６０）と、
を備える、冷却構造体。
【請求項２】
前記複数の熱伝導性固定物（２６０）は、前記翼形部（１５０）の前記後縁（１５４）から実質的に半径方向に変位したペデスタルを含む、請求項１に記載の冷却構造体。
【請求項３】
前記端壁（２０４）内に配置され、前記一対の対向するチャンバ壁（２２２）の一方を通って延び、前記チャンバ（２１８）と流体連通している第１の複数の通路（２３０）と、
前記端壁（２０４）内に配置され、前記一対の対向するチャンバ壁（２２２）の他方を通って延び、前記チャンバ（２１８）と流体連通している第２の複数の通路（２３２）と、
をさらに含む、請求項１に記載の冷却構造体。
【請求項４】
前記第１の複数の通路（２３０）及び前記第２の複数の通路（２３２）の各々は、それぞれの冷却流体入口（２４０）及びそれぞれの冷却流体出口（２４２）をさらに含む、請求項３に記載の冷却構造体。
【請求項５】
前記チャンバ（２１８）は、前記翼形部（１５０）の前記後縁（１５４）及び前記正圧側面（１５６）に隣接した前記固定ブレード（２００）の高マッハ領域から半径方向に変位したキャビティ（２５０）をさらに含み、前記複数の熱伝導性固定物（２６０）の少なくとも１つが前記キャビティ（２５０）内に配置される、請求項３に記載の冷却構造体。
【請求項６】
前記固定ブレード（２００）は、ターボ機械（１００）のシングレット第１段ノズルを含む、請求項１に記載の冷却構造体。
【請求項７】
前記翼形部（１５０）は、内部にインピンジメント冷却回路を有さない、請求項１に記載の冷却構造体。
【請求項８】
固定ブレード（２００）用の冷却構造体であって、
正圧側面（１５６）、負圧側面（１５８）、前縁（１５２）、及び後縁（１５４）を含む翼形部（１５０）の、ターボ機械（１００）のロータ軸線に対して半径方向端部に結合された端壁（２０４）と、
冷却流体源からの冷却流体を受け入れる、前記端壁（２０４）内に配置され、かつ前記翼形部（１５０）の前記後縁（１５４）から半径方向に変位されたチャンバ（２１８）であって、一対の対向するチャンバ壁（２２２）を含み、前記一対の対向するチャンバ壁（２２２）の一方は、前記翼形部（１５０）の前記正圧側面（１５６）の近位に配置され、前記一対の対向するチャンバ壁（２２２）の他方は、前記翼形部（１５０）の前記負圧側面（１５８）に配置され、かつ前記翼形部（１５０）の前記後縁（１５４）から実質的に半径方向に変位し、前記チャンバ（２１８）内の前記冷却流体は、前記翼形部（１５０）の前記正圧側面（１５６）及び前記後縁（１５４）の近位に配置された前記端壁（２０４）の少なくとも一部と熱連通しており、前記チャンバ（２１８）は、前記翼形部（１５０）の前記後縁（１５４）及び前記正圧側面（１５６）に隣接した前記固定ブレード（２００）の高マッハ領域から半径方向に変位したキャビティ（２５０）をさらに含む、チャンバ（２１８）と、
前記キャビティ（２５０）内に配置された少なくとも１つの熱伝導性固定物（２６０）と、
を備える、冷却構造体。
【請求項９】
前記チャンバ（２１８）内に配置され、前記翼形部（１５０）の前記後縁（１５４）から実質的に半径方向に変位した第２の熱伝導性固定物（２６０）をさらに備える、請求項８に記載の冷却構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に固定ブレードに関し、より具体的には固定ブレード用の冷却構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
固定ブレードは、タービン用途において、熱ガス流を可動ブレードに導いて動力を発生させるために用いられる。蒸気及びガスタービン用途において、固定ブレードは、ノズルと呼ばれ、端壁により、ケーシングなどの外部構造体及び／又は内部シール構造体に固定される。各端壁は、固定ブレードの翼形部の対応する端部に接合される。固定ブレードは、またターボ機械の作動構成要素からの熱を吸収する冷却流体を循環させるための通路又はその他の特徴部も含むことができる。
【０００３】
過酷な温度設定において動作するために、翼形部及び端壁は冷却する必要がある。例えば、幾つかの設定において、冷却流体は、ホイールスペースから引き込まれて、冷却のために固定ブレードの内側端壁へ導かれる。対照的に、多くのガスタービン用途では、ガスタービンの圧縮機から抽出された冷却流体、例えば空気を後段ノズルに供給することができる。外径端壁は、冷却流体を直接受けることができるが、内径端壁は、冷却流体が外径端壁から翼形部を通って送られた後にこれを受けることができる。固定ブレードの構造及びその構成要素は、冷却効率に加えて、製造性、検査の容易さ、及びターボ機械の耐久性などのその他の要因に影響を与えることがある。
【発明の概要】
【０００４】
本開示の第１の態様は、固定ブレード用の冷却構造体を提供し、該冷却構造体は、正圧側面、負圧側面、前縁、及び後縁を含む翼形部の、ターボ機械のロータ軸線に対して半径方向端部に結合された端壁と、冷却流体源からの冷却流体を受け入れる、端壁内に配置され、かつ翼形部の前記後縁から半径方向に変位されたチャンバであって、一対の対向するチャンバ壁を含み、一対の対向するチャンバ壁の一方は、翼形部の正圧側面の近位に配置され、一対の対向するチャンバ壁の他方は、翼形部の負圧側面及び後縁の近位に配置され、チャンバ内の冷却流体は、翼形部の正圧側面及び後縁の近位に配置された端壁の少なくとも一部と熱連通している、チャンバと、チャンバ内に配置され、チャンバ全体を通して実質的に均一に分布した複数の熱伝導性固定物と、を備える。
【０００５】
本開示の第２の態様は、固定ブレード用の冷却構造体を提供し、該冷却構造体は、正圧側面、負圧側面、前縁、及び後縁を含む翼形部の、ターボ機械のロータ軸線に対して半径方向端部に結合された端壁と、冷却流体源からの冷却流体を受け入れる、端壁内に配置され、かつ翼形部の後縁から半径方向に変位されたチャンバであって、一対の対向するチャンバ壁を含み、前記一対の対向するチャンバ壁の一方は、前記翼形部の前記正圧側面の近位に配置され、前記一対の対向するチャンバ壁の他方は、前記翼形部の前記負圧側面に配置さて前記翼形部の前記後縁から実質的に半径方向に変位し、チャンバ内の冷却流体は、翼形部の正圧側面及び後縁の近位に配置された端壁の少なくとも一部と熱連通しており、チャンバは、翼形部の後縁及び正圧側面に隣接した固定ブレードの高マッハ領域から半径方向に変位したキャビティをさらに含む、チャンバと、キャビティ内に配置された少なくとも１つの熱伝導性固定物と、を備える。
【０００６】
本開示の第３の態様は、固定ブレード用の冷却構造体を提供し、該冷却構造体は、正圧側面、負圧側面、前縁、及び後縁を含む翼形部の、ターボ機械のロータ軸線に対して半径方向端部に結合された端壁と、冷却流体源からの冷却流体を受け入れる、端壁内に配置され、かつ翼形部の後縁から半径方向に変位されたチャンバであって、一対の対向するチャンバ壁を含み、一対の対向するチャンバ壁の一方は、翼形部の正圧側面の近位に配置され、一対の対向するチャンバ壁の他方は、翼形部の負圧側面に配置され、かつ翼形部の後縁から実質的に半径方向に変位し、チャンバ内の前記冷却流体は、翼形部の正圧側面及び後縁の近位に配置された端壁の少なくとも一部と熱連通しており、チャンバは、翼形部の後縁及び正圧側面に隣接した固定ブレードの高マッハ領域から半径方向に変位したキャビティをさらに含む、チャンバと、チャンバ内に配置され、チャンバ全体を通して実質的に均一に分布した複数の熱伝導性固定物と、を備える。
【０００７】
本開示のこれら及び他の特徴は、本発明の種々の態様を表した添付図面を参照しながら本発明の種々の態様に関する以下の詳細な説明から容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来のターボ機械の略図。
【図２】本開示の実施形態による作動流体の流路内に配置された固定ブレードの翼形部の断面図。
【図３】ターボ機械のタービンセクション内の２つのロータブレード間の固定ブレードの断面図。
【図４】本開示の実施形態による固定ブレード用冷却構造体の部分切取図。
【図５】本開示の実施形態による端壁内のチャンバの部分切取斜視図。
【図６】本開示の実施形態による固定ブレード用冷却構造体の部分切取斜視図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の図面は必ずしも縮尺通りではない点に留意されたい。当該図面は、本発明の典型的な態様のみを描くことを意図しており、従って、本発明の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面では、同じ参照符号は、複数の図面にわたり同じ要素を示している。
【００１０】
本開示の実施形態は、一般に固定ブレード用冷却構造体に関する。固定ブレードにおいて、ノズルスロートの上流に位置する、翼形部の正圧側面に隣接する端壁の一部は、対応する流路内で高速の空気を受ける場合がある。これらの端壁及び固定ブレードの上流領域は、端壁の外周に近いこと及び端壁の取付け器具の上方に位置していることに起因して、例えば固定ブレードがインピンジメント冷却回路を含むことができないため、冷却することが困難である場合がある。作動中の温度上昇を緩和するために、本開示の実施形態は、この領域を貫通するフィルム孔の穿孔のためのより大きなアクセスを提供する冷却チャンバを端壁内に設けることができる。ノズル後縁もまた、比較的高い熱応力を受ける場合がある。本開示の実施形態はまた、端壁と交差する翼形部後縁の最も薄い部分の下に対流冷却をもたらす内部チャンバ構成により、ノズル翼形部の後縁の応力を軽減することができる。
【００１１】
特に、本開示の実施形態は、固定ブレードの、正圧側面、負圧側面、前縁、及び後縁を含む翼形部の半径方向端に結合した端壁を設けることができる。端壁は、翼形部の半径方向端部から半径方向に変位したチャンバを含むことができ、該チャンバは、専用の供給源から冷却流体を受け入れる。チャンバは、一対の対向するチャンバ壁を含むことができる。少なくとも一方のチャンバ壁は、翼形部の正圧側面の近位に配置することができ、対向するチャンバ壁は、翼形部の負圧側面及び後縁の近位に配置することができる。チャンバを通過する冷却流体は、翼形部の正圧側面及び後縁の近位の端壁の少なくとも一部と熱連通することができる。冷却構造体はまた、熱連通をもたらすための付加的な構造体も含むことができる。熱伝導性固定物は、チャンバ全体にわたって実質的に均一に分布することができる。付加的に又は代替的に、チャンバは、翼形部の後縁及び正圧側面に隣接する高マッハ領域から半径方向に変位したキャビティを含むことができる。
【００１２】
「内」、「外」、「真下（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「下方」、「下部」、「上部」、「入口」、「出口」及び同様の空間的関係を示す用語は、本明細書において、図面内に示される１つの要素又は特徴の、別の要素又は特徴に対する関係を説明するための説明を容易にするために用いることができる。空間的関係を示す用語は、図面に描かれた方向に加えて、使用時又は動作時の装置の異なる方向を包含することを意図することができる。例えば、図面内の装置が反転された場合、他の要素又は特徴の「下方」又は「真下」と記載された要素は、他の要素又は特徴の「上方」に向くことになる。それゆえ、例示的な用語「下方」は、上方及び下方の両方向を包含することができる。装置は、それ以外に方向付けられる（９０度回転される又はその他の方向に向けられる）場合があり、本明細書で用いられる空間的関係記述子は、それに応じて解釈される。
【００１３】
本開示の実施形態は、ターボ機械の固定ブレード用の冷却構造体を提供する。１つの実施形態において、冷却構造体は、端壁内に、翼形部の後縁の半径方向端部から半径方向に変位したチャンバを含むことができる。チャンバ内の冷却流体は、翼形部の正圧側面及び後縁の近位に配置された端壁の一部と熱連通することができる。チャンバは、随意的に、チャンバ全体にわたって実質的に均一に分布した複数の熱伝導性固定物及び／又は固定ブレードの高マッハ領域から半径方向に変位したキャビティを含むことができる。図１は、共通の圧縮機／タービン軸１０６を介してタービン部分１０４に作動的に結合された圧縮機部分１０２を含む、従来のターボ機械１００を示す。圧縮機部分１０２はまた、燃焼器組立体１０８を介してタービン部分１０４と流体的に接続する。燃焼器組立体１０８は、１又は２以上の燃焼器１１０を含む。燃焼器１１０は、缶アニュラアレイで配置されることを含むがこれに限定されない様々な構成で、ターボ機械１００に取り付けることができる。圧縮機部分１０２は、複数の圧縮機ロータホイール１１２を含む。ロータホイール１１２は、各々が関連付けられた翼形部部分１１８を有する複数の第１段圧縮機ロータブレード１１６を有する、第１段圧縮機ロータホイール１１４を含む。同様に、タービン部分１０４は、複数の第１段タービンロータブレード１２４を有する第１段タービンホイール１２２を含む。例示的な実施形態によれば、本開示の実施形態による冷却構造体を有する固定ブレード２００（図３）は、例えばタービン部分１０４内に配置された端壁及び翼形部に対する冷却を行うことができる。しかしながら、本明細書に記載の固定ブレード２００及び種々の冷却構造体の実施形態は、ターボ機械１００の他の構成要素又は領域に配置できることを理解されたい。
【００１４】
図２を参照すると、内部に作動流体のための流路１３０を有する翼形部１５０の断面図を示す。翼形部１５０は、固定ブレード２００（図３）の一部とすることができ、本明細書に記載の構成要素及び／又は基準点をさらに含むことができる。図２に示され本明細書で論ずる翼形部１５０上の位置は、例として与えられるものであり、本開示の実施形態による翼形部１５０に関して可能性のある位置及び／又は幾何学的形状を限定することを意図しない。種々の部分構成要素の位置、配置、及び方向は、意図される用途及び本開示による冷却構造体が用いられる動力発生システムのタイプに基づいて変更することができる。翼形部１５０の形、曲率、長さ、及び／又はその他の幾何学的特徴もまた、具体的なターボ機械１００（図１）の用途に基づいて変えることができる。翼形部１５０は、ターボ機械１００などの動力発生システムの一連のタービンロータブレード１２４の間に配置することができる。
【００１５】
翼形部１５０は、作動流体のための流路内で１つのタービンロータブレード１２４（図１）の下流かつ後続の別のタービンロータブレード１２４（図１）の上流に配置することができる。流体は、１つのタービンロータブレード１２４から別のタービンロータブレード１２４へ移動しながら、翼形部１５０を横切って、例えば流路Ｆに沿って流れることができる。翼形部１５０の前縁１５２は、流路１３０の作動流体と翼形部１５０との間の初期接触点に位置付けることができる。対照的に、後縁１５４は、翼形部１５０の反対側に位置付けることができる。さらに、翼形部１５０は、前縁１５２を実質的に二等分して後縁１５４の頂点へ延びる横線により区別される、正圧側面１５６及び／又は負圧側面１５８を含むことができる。正圧側面１５６及び負圧側面１５８はまた、流路１３０内の流体が翼形部１５０に対して正又は負どちらの合成圧力を及ぼすかに基づいて互いに区別することもできる。正圧側面１５６の、後縁１５４の近位に配置された部分は、翼形部１５０の「高マッハ領域」として認識され、そのように呼ぶことができる。高マッハ領域は一般に、作動流体が、例えば翼形部１５０の正圧側面１５６及び負圧側面１５８の幾何学的形状に基づいて、翼形部１５０の他の表面での又は他の表面の近傍での作動流体の流れよりも高速で流れる位置を指す。
【００１６】
図３を参照すると、タービン部分１０４内に配置された固定ブレード２００を通る流路１３０の断面を示す。作動流体（例えば、高温燃焼ガス、蒸気、等）は、流路１３０を通って（例えば流れ線Ｆに沿って）流れることができ、固定ブレード２００の位置及び輪郭に従って、さらなるタービンロータブレード１２４へ流れることができる。タービン部分１０４は、（例えば、軸１０６（図１）と同軸の）タービンホイール１２２のロータ軸線Ｚに沿って延びるように示されており、半径方向軸線Ｒは、そこから外方かつ垂直に延びる。固定ブレード２００は、半径方向軸線Ｒに実質的に沿って配向する（すなわち、平行な方向に延びる）翼形部１５０を含むことができる。図２の断面図には１つの固定ブレード２００が示されているが、複数のタービンロータブレード１２４及び固定ブレード２００は、タービンホイール１２２から半径方向に延びること、例えばページの中へ及び／又はページの外へ向かって側方に延びることができることを理解されたい。固定ブレード２００の翼形部１５０は、翼形部１５０の半径方向内側端部に結合した内側端壁２０４と、翼形部１５０の外側の対向する半径方向端部に結合した外側端壁２０６とを含むことができる。本開示の実施形態は、ターボ機械１００（図１）のシングレット、第１段ノズルのための冷却構造体を備えることができる。「シングレット」タービンノズルは、内側端壁２０４と外側端壁２０６との間に翼形部１５０が１つだけ延びる固定ブレード２００のタイプを指す。「第１段」タービンノズルは、燃焼器１１０（図１）の直ぐ下流でタービンセクション１０４（図１）内に含まれるノズルを指す。シングレットタービンノズルは、１又は２以上の構造的な相違点、例えば各ノズルがターボ機械１００内に機械的に支持される構造、に基づいて、後段のタービンノズルとは異なるものとすることができる。例えば、後段タービンノズルは、カンチレバー型固定ブレードを含むものとすることができ、他方、シングレットタービンノズルは、単純に支持することができる。単純支持構造において、固定ブレード２００は、翼形部１５０と、内側及び外側端壁２０４、２０６との間の反対側の接触面において直接支持することができる。
【００１７】
内側端壁２０４は、タービンホイール１２２に隣接して配置することができ、他方、外側端壁２０６は、タービンシュラウド２１２に隣接して配置することができる。作動中、流れ線Ｆに沿って移動する高温燃焼ガスは、例えば固定ブレード２００の翼形部１５０及び端壁２０４、２０６に接触する作動流体により、翼形部１５０及び端壁２０４、２０６へ熱を伝達することができる。幾つかの状況において、固定ブレード２００の翼形部１５０は、内部冷却回路（図示せず）を含むことができる。詳細には、幾つかのタイプの翼形部１５０は、冷却流体を、例えば端壁２０４、２０６の間に延びる翼形部本体２１６を通して、翼形部１５０の半径方向に通過させるための、内部キャビティ又は他の冷却回路を含むことができる。このタイプのシステムにおいて、翼形部本体２１６内を流れる冷却流体は、流路１３０内の作動流体から翼形部１５０の熱伝導性材料組成物を介して熱を吸収することができる。しかしながら、他の実施形態（例えば第１段シングレットタービンノズル）において、翼形部１５０の断面は、内部冷却回路を含む必要はない。翼形部１５０内に冷却回路を有さない固定ブレード２００の場合、冷却は、翼形部１５０内のインピンジメント冷却回路及び／又は翼形部１５０内の冷却回路と端壁２０４、２０６との間の流体連通なしに、代わりに内側及び外側端壁２０４、２０６内の冷却回路によって提供することができる。各端壁２０４、２０６は、固定ブレード２００内で冷却流体を循環させるためのチャンバ２１８を内部に含むことができる。内側端壁２０４又は外側端壁２０６のチャンバ内２１８の冷却流体は、流路１３０内の作動流体から各端壁２０４、２０６及び翼形部１５０の熱伝導性材料組成物を介して熱を吸収することができる。本開示の実施形態において、流路１３０内の作動流体から翼形部１５０へ伝達される熱は、固定ブレード２００の材料組成物を通じて内側及び外側端壁２０４、２０６のチャンバ２１８へ伝達されることができる。従って、翼形部１５０及び端壁２０４、２０６を含む固定ブレード２００は、工業用鋼、超合金、等のような熱伝導性材料で構成することができる。
【００１８】
図４を参照して、内部にチャンバ２１８を備える１つの端壁２０４の部分切取斜視図を示す。図４では例として１つの翼形部１５０が端壁２０４に結合している（すなわちシングレット単純支持タービンノズル構成である）ように示されているが、様々なターボ機械の設計及び用途に合わせて任意の所望の数の翼形部１５０を端壁２０４に結合することができることを理解されたい。ターボ機械のシングレット単純支持タービンノズルにおける固定ブレード２００用の冷却構造体は、他の手法、例えばインピンジメント冷却回路が利用できない又は実際的ではない翼形部１５０の後縁１５４及び他の端壁２０４の後方部分の冷却を提供することができる。
【００１９】
端壁２０４は、端壁２０４内の２つの位置の間で翼形部１５０の半径方向真下に延びる１つのチャンバ２１８を含むことができる。図４に示すように、チャンバ２１８は、主として翼形部１５０の負圧側面１５８の近位に配置することができ、翼形部１５０の後縁１５４の下方、例えば正圧側面１５６の近位の高流体加速領域の下に、円周方向に延びることができる。チャンバ２１８は、翼形部１５０とチャンバ２１８とが互いに構造的に区別されるように、ターボ機械１００のロータ軸線と翼形部１５０の後縁１５４との間に配置することができる。チャンバ２１８の実施形態は、端壁２０４、２０６（図３のみ）の正圧側面１５６に沿って又はその近傍にフィルム孔穿孔のためのより大きなアクセスを備えることができ、また、翼形部１５０の後縁１５４における応力を軽減するための構造を備えることもできる。図４には内側端壁２０４が例として示されているが、本開示の実施形態及び特徴の各々は、外側端壁２０６内に実装できることを理解されたい。端壁２０４、２０６は、随意的に、チャンバ２１８以外の、固定ブレード２００に対する別の冷却形態を提供する付加的なチャンバを含むことができる。
【００２０】
チャンバ２１８は、端壁２０４内でチャンバ２１８の周囲を定める複数のチャンバ壁２２０、２２２を含むことができる。チャンバ２１８は、翼形部１５０の半径方向内側端部から変位させること（例えば、翼形部１５０全体とは異なる円周方向面内にある）ができ、少なくとも１つのチャンバ壁２２０は、翼形部１５０の正圧側面１５６の近位に配置される。少なくとも１つの対向するチャンバ壁２２２は、負圧側面１５８及び後縁１５４の近位に配置することができる。「近位」という用語は、本明細書で用いられる場合、ある１つの要素が近位の要素から、例えば単一の介在要素のみ又は熱伝導性介在要素の群により隔てられていることを示す。本開示の実施形態において、対向するチャンバ壁２２２が翼形部１５０の後縁１５４及び負圧側面１５８の近位にあるということは、これらの要素が、内側又は外側端壁２０４、２０６の本体のみによって互いに構造的に分離されていることを示す。チャンバ壁２２０、２２２の位置は、チャンバ２１８内の冷却流体と、翼形部１５０の後縁１５４及び正圧側面１５６の近位に配置された端壁２０４の少なくとも一部との間に熱連通をもたらすことができ、例えば翼形部１５０のこれらの部分からチャンバ２１８内の冷却流体への端壁２０４を介した熱伝達を可能にする。
【００２１】
チャンバ２１８の内外へ冷却流体を循環させるために、固定ブレード２００の端壁２０４は、内部に第１の複数の通路２３０及び第２の複数の通路２３２を含むことができる。第１の複数の通路２３０及び第２の複数の通路２３２の各々は、チャンバ壁２２０又は対向するチャンバ壁２２２を貫通して延びることができ、第１及び第２の複数の通路２３０、２３２内の各通路は、チャンバ２１８と流体連通するようになっている。本開示の実施形態は、作動中にチャンバ２１８全体にわたる冷却流体の非線形流をもたらすことができる。すなわち、第１及び第２の複数の通路２３０、２３２の各々は、冷却流体が非排他的に第１の複数の通路２３０及び／又は第２の複数の通路２３２を通ってチャンバ２１８に出入りするように、少なくとも１つの入口２４０及び少なくとも１つの出口２４２を含むことができる。チャンバ２１８内の冷却流体は、複数の通路２３０、２３２の一方のみにおける通路を通ってチャンバ２１８に出入りすることができる。実施形態において、或る量の冷却流体は、入口２４０を通ってチャンバ２１８に入った後、後縁１５４、負圧側面１５８、又は正圧側面１５６の近位に配置されたチャンバ２１８の各部分のみを通って流れ、出口２４２を通ってチャンバ２１８から出ることができる。各複数の通路２４０、２４２の中に入口２４０及び出口２４２を含めることで、チャンバ２１８の、翼形部１５０及び端壁２０４のさらなる冷却が所望される部分において、チャンバ２１８と流体連通する冷却源（図示せず）からの冷却流体が高度に集中するのを可能にすることができる。例えば、冷却流体の大部分は、翼形部１５０の正圧側面１５６及び後縁１５４の近くでチャンバ２１８に出入りすることができ、例えばその一方で、冷却流体のごく一部を、他の位置でチャンバ２１８に出入りするような経路で送ることができる。いずれにしても、チャンバ２１８は、インピンジメント冷却回路以外の供給源から冷却流体を受け入れることができる。内側又は外側端壁２０４、２０６は、内部にインピンジメント冷却回路を有することなく、又は少なくとも翼形部１５０の後縁１５４を通って延びかつチャンバ２１８に流体連通するインピンジメント冷却回路を有することなく、固定ブレード２００の一部を形成することができる。
【００２２】
チャンバ２１８内の冷却流体と、高温高速作動流体の近位に位置する端壁２０４及び／又は翼形部１５０の部分との間の熱連通を高めるために、チャンバ２１８は、その中にキャビティ２５０を含むこともできる。キャビティ２５０は、例えば翼形部１５０の後縁１５４及び正圧側面１５６に隣接して位置する、固定ブレード２００の高マッハ領域の下方の端壁２０４、２０６（図３のみ）内に配置することができる。キャビティ２５０は、内部に冷却流体を集める及び／又は内部循環させるような寸法のセクション、ポケット、窪み、さもなければチャンバ２１８の別個のサブセクションとして設けることができ、チャンバ２１８のキャビティ２５０内の冷却流体と、翼形部１５０に隣接しかつキャビティ２５０から半径方向に変位した高マッハ領域内の冷却流体との間に、熱連通の増大をもたらす。キャビティ２５０は、チャンバ２１８を通る冷却流体の円周方向の引き込み（ｄｒａｗ）を引き起こす圧力シンク位置としての役割を果たすことに加えて、端壁２０４、２０６の高温領域と熱連通しているチャンバ２１８の領域内に付加的な冷却をもたらすことができる。
【００２３】
図５を参照すると、本開示の実施形態は、チャンバ２１８内に、固定ブレード２００からチャンバ２１８内の冷却流体へ熱を伝達するためのペデスタル（ｐｅｄｅｓｔａｌ）などの熱伝導性固定物（「固定物」）２６０を含むことができる。より詳細には、各固定物２６０は、チャンバ２１８を通過する冷却流体と端壁２０４、２０６の材料組成物との間の接触面積を増大させることにより、端壁２０４からその中の冷却流体へ熱を伝達することができる。端壁２０４、２０６の、負圧側面１５８及び後縁１５４に実質的に半径方向に位置合わせされた領域から正圧側面１５６へ延びる単一の連続チャンバの形態のチャンバ２１８は、固定物２６０の総被覆範囲を増大させて、端壁２０４、２０６に隣接して配置される高マッハ領域に対する付加的な背面冷却をもたらすことができる。固定物２６０は、冷却流体と熱伝導性表面との間の接触面積を増大させるための考えられる任意の固定物として設けることができ、例としてペデスタル、ディンプル、突起、ピン、壁、及び／又はその他の形状及びサイズの他の固定物の形態とすることができる。さらに、固定物２６０は、円筒形の幾何学的形状、実質的にピラミッド形の幾何学的形状、４面以上を有する不規則な幾何学的形状等を含む、多様な形状をとることができる。いずれにしても、１又は２以上の固定物２６０は、対向するチャンバ壁２２０、２２２（図４）の間のチャンバ内に配置することができ、各々に含まれる入口２４０、及び／又は出口２４２は、チャンバ２１８を通過する冷却流体と接触することになる、
図６を参照すると、内部にチャンバ２１８及び固定物２６０を有する端壁２０４の部分斜視切取図を示す。本開示の実施形態は、チャンバ２１８内に実質的に均一な分布で固定物２６０を設けることができる。すなわち、チャンバ２１８内の各固定物２６０は、チャンバ２１８内の各々隣接する固定物２６０から実質的に同じ分離距離で隔てられるものとすることができる。固定物２６０が実質的に均一な分布で設けられた場合であっても、隣接する固定物２６０の間の幾つかの分離距離は、例えば製造変動に起因して、少しだけ又は僅かだけ他の分離距離と異なる場合があることが理解されたい。「実質的に均一な」分布は、作動中に均一分布と区別できない、すなわち最大５．０％の誤差限界内で同じ大きさの熱連通又は熱伝達をもたらす、何らかの分布を含む。従って、各固定物２６０は、チャンバ２１８内に配置され、チャンバ２１８全体にわたって実質的に均一に分布する複数の熱伝導性固定物の１つとすることができ、これにより端壁２０４、２０６全体にわたって固定物２６０の連続的なバンクが設けられる。隣接する固定物２６０の間の間隔は、内側及び外側端壁２０４、２０６のタイプで様々とすることができる。例示的な実施形態において、各隣接固定物２６０間の分離距離は、チャンバ２１８全体にわたる実質的に均一な分布において、例えば１ミリメートル（ｍｍ）と約２０ｍｍとの間とすることができる。
【００２４】
図６では複数の固定物２６０がチャンバ２１８内に設けられ、チャンバ２１８全体にわたって実質的に均一に分布しているが、本開示は代替的な実施形態を提供することも理解されたい。例えば、固定物２６０は、後縁１５４において翼形部１５０の構造体とは異なる円周方向面内でチャンバ２１８内に設けることができる。より詳細には、少なくとも１つの固定物２６０は、翼形部１５０の後縁１５４上で正圧側面１５６又は負圧側面１５８から例えば最大５．０ｍｍに位置する端壁２０４の一部と半径方向に位置合わせすることができる。付加的に又は代替的に、キャビティ２５０を中に有するチャンバ２１８の実施形態は、キャビティ２５０内に配置された少なくとも１つの固定物２６０を含むことができる。後縁１５４と実質的に半径方向に位置合わせされた及び／又はキャビティ２５０内に存在する、１又は２以上の固定物２６０は、冷却がより所望される領域、例えば翼形部１５０の後縁１５４及び正圧側面１５６に隣接した高マッハ領域内で、冷却流体と端壁２０４との間の熱連通の増大をもたらすことができる。チャンバ２１８全体にわたる固定物２６０の実質的に均一な分布は、チャンバ２１８内の冷却流体と、正圧側面１５６及び負圧側面１５８の近位の端壁２０４との間の熱伝達を、例えば、チャンバ２１８の冷却流体を通る対流冷却によって、端壁２０４、２０６を横切る熱勾配を小さくすることにより、さらに改善することができる。各複数の通路２３０、２３２内に含まれる入口２４０及び出口２４２は、より多くの冷却流体がキャビティ２５０内に入ることを可能にすることができる。例えば、冷却流体の大部分は、キャビティ２５０と流体連通している第１の複数の通路２３０内の入口２４０に送ることができ、これに対して、冷却流体の一部は、チャンバ２１８内の他の領域と流体連通している第１又は第２の複数の通路２３０、２３２内の他の入口２４０に送ることができる。
【００２５】
本開示の実施形態は、幾つかの技術的及び商業的利点を提供することができ、それらの幾つかを本明細書において例として論じる。例えば、本明細書で説明した要素の位置（例えば、キャビティ２５０の位置及び／又は固定物２６０の分布）は、端壁２０４内、及びチャンバ２１８と流体連通している冷却流体リザーバ内を流れる冷却流体の効率的な使用をもたらすことができる。さらに、本開示の実施形態は、翼形部１５０に隣接する高マッハ領域のように特に高温を受けやすい領域内で、固定ブレード２００に対する冷却の総量の増大をもたらすことができる。チャンバ２１８及び内部の構成要素の位置は、固定ブレード２００の機械的耐久性及び安定性を改善することができ、これにより、製造性の向上、並びに配備及び保守される機械に対する状態ベースの保守費用の削減がもたらされる。作動流体とチャンバ２１８内の冷却流体との間の改善された熱連通は、作動中に必要とされるノズル冷却流の総量を削減することができ、また、鋼などの物質内のアルミニウム、銅、鉄、鉛、及び／又はそれら材料の組合せなどの鋳造される鉄含有金属物質から内側及び外側端壁２０４、２０６を形成するために必要な設計の複雑さを低減すことができる。第１及び第２の複数の通路２３０、２３２内に入口２４０及び出口２４２が存在することは、作動中にチャンバ２１８全体を通じた冷却流体の非線形流をもたらすことができ、特に、高度に集中した冷却流体を翼形部１５０の後縁１５４及び正圧側面１５６の近位のチャンバ２１８の部分に送ることが。これらの領域内（例えば、チャンバ２１８のキャビティ２５０内）の高度に集中した冷却流体は、チャンバ２１８を通って流れる冷却流体の動的な調節を可能にすることができる。
【００２６】
本開示の装置及び方法は、いずれか１つの特定のガスタービン、燃焼エンジン、発電システム又はその他のシステムに限定されず、他の発電システム及び／又はシステム（例えば複合サイクル、単純サイクル、原子炉、等）と共に用いることができる。さらに、本発明の装置は、本明細書に記載の装置の改善された動作範囲、効率、耐久性及び信頼性からの利益を得ることができる、本明細書に記載されていない他のシステムと共に用いることができる。さらに、種々の注入システムを一緒に、単一ノズル上で、又は単一発電システムの異なる部分における異なるノズル上で／異なるノズルと共に用いることができる。所望により任意の数の異なる実施形態を付加すること又は一緒に用いることができ、本明細書で例示として説明する実施形態は、互いに排他的であることを意図していない。
【００２７】
本明細書で使用される用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本開示を限定するものではない。本明細書で使用される単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り、複数形態も含む。さらに、本明細書内で使用する場合に、用語「備える」及び／又は「備えている」という用語は、そこに述べた特徴部、整数、ステップ、動作、要素及び／又は構成部品の存在を明示しているが、１又は２以上の他の特徴部、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことは理解されるであろう。
【００２８】
本明細書は、最良の形態を含めて、実施例を用いて本発明を開示し、あらゆる当業者があらゆる装置又はシステムを作成すること及び使用すること並びにあらゆる包含の方法を行うことを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許を受けることができる範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、又は請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【００２９】
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
固定ブレード用の冷却構造体であって、
正圧側面、負圧側面、前縁、及び後縁を含む翼形部の、ターボ機械のロータ軸線に対して半径方向端部に結合された端壁と、
冷却流体源からの冷却流体を受け入れる、上記端壁内に配置されかつ上記翼形部の上記後縁から半径方向に変位したチャンバであって、一対の対向するチャンバ壁を含み、上記一対の対向するチャンバ壁の一方は、上記翼形部の上記正圧側面の近位に配置され、上記一対の対向するチャンバ壁の他方は、上記翼形部の上記負圧側面及び上記後縁の近位に配置され、上記チャンバ内の上記冷却流体は、上記翼形部の上記正圧側面及び上記後縁の近位に配置された上記端壁の少なくとも一部と熱連通している、チャンバと、
上記チャンバ内に配置され、上記チャンバ全体を通して実質的に均一に分布した複数の熱伝導性固定物と、
を備える、冷却構造体。
［実施態様２］
上記複数の熱伝導性固定物は、上記翼形部の上記後縁から実質的に半径方向に変位したペデスタルを含む、実施態様１に記載の冷却構造体。
［実施態様３］
上記端壁内に配置され、上記一対の対向するチャンバ壁の一方を通って延び、上記チャンバと流体連通している第１の複数の通路と、
上記端壁内に配置され、上記一対の対向するチャンバ壁の他方を通って延び、上記チャンバと流体連通している第２の複数の通路と、
をさらに含む、実施態様１に記載の冷却構造体。
［実施態様４］
上記第１の複数の通路及び上記第２の複数の通路の各々は、それぞれの冷却流体入口及びそれぞれの冷却流体出口をさらに含む、実施態様３に記載の冷却構造体。
［実施態様５］
上記チャンバは、上記翼形部の上記後縁及び上記正圧側面に隣接した上記固定ブレードの高マッハ領域から半径方向に変位したキャビティをさらに含み、上記複数の熱伝導性固定物の少なくとも１つが上記キャビティ内に配置される、実施態様３に記載の冷却構造体。
［実施態様６］
上記固定ブレードは、ターボ機械のシングレット第１段ノズルを含む、実施態様１に記載の冷却構造体。
［実施態様７］
上記翼形部は、内部にインピンジメント冷却回路を有さない、実施態様１に記載の冷却構造体。
［実施態様８］
固定ブレード用の冷却構造体であって、
正圧側面、負圧側面、前縁、及び後縁を含む翼形部の、ターボ機械のロータ軸線に対して半径方向端部に結合された端壁と、
冷却流体源からの冷却流体を受け入れる、上記端壁内に配置され、かつ上記翼形部の上記後縁から半径方向に変位されたチャンバであって、一対の対向するチャンバ壁を含み、上記一対の対向するチャンバ壁の一方は、上記翼形部の上記正圧側面の近位に配置され、上記一対の対向するチャンバ壁の他方は、上記翼形部の上記負圧側面に配置され、かつ上記翼形部の上記後縁から実質的に半径方向に変位し、上記チャンバ内の上記冷却流体は、上記翼形部の上記正圧側面及び上記後縁の近位に配置された上記端壁の少なくとも一部と熱連通しており、上記チャンバは、上記翼形部の上記後縁及び上記正圧側面に隣接した上記固定ブレードの高マッハ領域から半径方向に変位したキャビティをさらに含む、チャンバと、
上記キャビティ内に配置された少なくとも１つの熱伝導性固定物と、
を備える、冷却構造体。
［実施態様９］
上記チャンバ内に配置され、上記翼形部の上記後縁から実質的に半径方向に変位した第２の熱伝導性固定物をさらに備える、実施態様８に記載の冷却構造体。
［実施態様１０］
上記端壁内に配置され、上記一対の対向するチャンバ壁の一方を通って延び、上記チャンバと流体連通している第１の複数の通路と、
上記端壁内に配置され、上記一対の対向するチャンバ壁の他方を通って延び、上記チャンバと流体連通している第２の複数の通路と、
をさらに含む、実施態様８に記載の冷却構造体。
［実施態様１１］
上記第１の複数の通路及び上記第２の複数の通路の各々は、それぞれの冷却流体入口及びそれぞれの冷却流体出口をさらに含む、実施態様１０に記載の冷却構造体。
［実施態様１２］
上記少なくとも１つの熱伝導性固定物は、上記チャンバ内に配置され、上記チャンバ全体を通して実質的に均一に分布した複数の熱伝導性固定物を含む、実施態様８に記載の冷却構造体。
［実施態様１３］
上記固定ブレードは、ターボ機械のシングレット第１段ノズルを含む、実施態様８に記載の冷却構造体。
［実施態様１４］
上記翼形部は、その中にインピンジメント冷却回路を有さない、実施態様８に記載の冷却構造体。
［実施態様１５］
固定ブレード用の冷却構造体であって、
正圧側面、負圧側面、前縁、及び後縁を含む翼形部の、ターボ機械のロータ軸線に対して半径方向端部に結合された端壁と、
冷却流体源からの冷却流体を受け入れる、上記端壁内に配置され、かつ上記翼形部の上記後縁から半径方向に変位されたチャンバであって、一対の対向するチャンバ壁を含み、上記一対の対向するチャンバ壁の一方は、上記翼形部の上記正圧側面の近位に配置され、上記一対の対向するチャンバ壁の他方は、上記翼形部の上記負圧側面に配置され、かつ上記翼形部の上記後縁から実質的に半径方向に変位され、上記チャンバ内の上記冷却流体は、上記翼形部の上記正圧側面及び上記後縁の近位に配置された上記端壁の少なくとも一部と熱連通しており、上記チャンバは、上記翼形部の上記後縁及び上記正圧側面に隣接した上記固定ブレードの高マッハ領域から半径方向に変位したキャビティをさらに含む、チャンバと、
上記チャンバ内に配置され、上記チャンバ全体を通して実質的に均一に分布した複数の熱伝導性固定物と、
を備える、冷却構造体。
［実施態様１６］
上記端壁内に配置され、上記一対の対向するチャンバ壁の一方を通って延び、上記チャンバと流体連通している第１の複数の通路と、
上記端壁内に配置され、上記一対の対向するチャンバ壁の他方を通って延び、上記チャンバと流体連通している第２の複数の通路と、
をさらに含む、実施態様１５に記載の冷却構造体。
［実施態様１７］
上記第１の複数の通路及び上記第２の複数の通路の各々は、それぞれの冷却流体入口及びそれぞれの冷却流体出口をさらに含む、実施態様１６に記載の冷却構造体。
［実施態様１８］
上記固定ブレードは、ターボ機械のシングレット第１段ノズルを含む、実施態様１５に記載の冷却構造体。
［実施態様１９］
上記翼形部は、その中にインピンジメント冷却回路を有さない、実施態様１５に記載の冷却構造体。
［実施態様２０］
上記複数の熱伝導性固定物は、上記翼形部の上記後縁から実質的に半径方向に変位したペデスタルを含む、実施態様１５に記載の冷却構造体。
【符号の説明】
【００３０】
１００：ターボ機械
１０２：圧縮機部分
１０４：タービン部分
１０６：圧縮機／タービン軸
１０８：燃焼器組立体
１１０：燃焼器
１１２：圧縮機ロータホイール
１１４：第１段圧縮機ロータホイール
１１６：第１段圧縮機ロータブレード
１１８：翼形部部分
１２０：タービンロータホイール
１２２：タービンホイール
１２４：タービンロータブレード
１３０：流路
１５０：翼形部
１５２：前縁
１５４：後縁
１５６：正圧側面
１５８：負圧側面
２００：固定ブレード
２０４：内側端壁
２０６：外側端壁
２１２：タービンシュラウド
２１６：翼形部本体
２１８：チャンバ
２２０：チャンバ壁
２２２：対向するチャンバ壁
２３０：第１の複数の通路
２３２：第２の複数の通路
２４０：入口
２４２：出口
２５０：キャビティ
２６０：熱伝導性固定物
【図１】
2017025907.tif 000003
【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】
2017025907.tif 000008
【外国語明細書】
2017025907000001.pdf