(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】  冷却構造体は、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、冷却回路（２１６）からの冷却流体を受け入れる、端壁（２０４）内に配置され、かつ翼形部（１５０）の後縁（１５４）から半径方向に変位された三日月形のチャンバ（２１８）を備え、三日月形のチャンバ（２１８）は、翼形部（１５０）の正圧側面（１５６）及び負圧側面（１５８）の一方の近位に配置された前方セクション（２２２）から、翼形部（１５０）の後縁（１５４）並びに翼形部（１５０）の正圧側面（１５６）及び負圧側面（１５８）の他方の近位に配置された後方セクション（２２４）へ延び、三日月形のチャンバ（２１８）の後方セクション（２２４）は、前方セクション（２２２）と流体連通している。【選択図】      図４
2017025906.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）（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、
冷却回路（２１６）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実質的に三日月形のチャンバ（２１８）であって、前記翼形部（１５０）の前記正圧側面（１５６）及び前記負圧側面（１５８）の一方の近位に配置された前方セクション（２２２）から、前記翼形部（１５０）の前記後縁（１５４）並びに前記翼形部（１５０）の前記正圧側面（１５６）及び前記負圧側面（１５８）の他方の近位に配置された後方セクション（２２４）へ延びる、実質的に三日月形のチャンバ（２１８）と、
を備え、
前記前方セクション（２２２）内の前記冷却流体は、前記翼形部（１５０）の前記正圧側面（１５６）及び前記負圧側面（１５８）の一方の近位で前記端壁（２０４）の一部と熱連通しており、前記後方セクション（２２４）内の前記冷却流体は、前記翼形部（１５０）の前記後縁（１５４）の近位で前記端壁（２０４）の一部と熱連通しており、前記実質的に三日月形のチャンバ（２１８）の前記後方セクション（２２４）は、前記実質的に三日月形のチャンバ（２１８）の前記前方セクション（２２２）と流体連通している、
冷却構造体。
【請求項２】
前記実質的に三日月形のチャンバ（２１８）の前記後方セクション（２２４）は、前記実質的に三日月形のチャンバ（２１８）の前記前方セクション（２２２）の一端から実質的に垂直に延びる、請求項１に記載の冷却構造体。
【請求項３】
前記実質的に三日月形のチャンバ（２１８）の前記前方セクション（２２２）及び前記後方セクション（２２４）の少なくとも一方を貫通して延びる複数の熱伝導性固定物（２３０）をさらに備える、請求項１に記載の冷却構造体。
【請求項４】
前記実質的に三日月形のチャンバ（２１８）は、周壁（２３２）をさらに含み、前記冷却構造体は、前記実質的に三日月形のチャンバ（２１８）の前記周壁（２３２）に実質的に沿って配置された複数のアクセスゾーン（２３４）をさらに備え、前記複数のアクセスゾーン（２３４）の各々は、その中に熱伝導性固定物（２３０）を有さない、請求項３に記載の冷却構造体。
【請求項５】
前記実質的に三日月形のチャンバ（２１８）は、前記翼形部（１５０）の前記後縁（１５４）と実質的に半径方向で整列しかつ前記実質的に三日月形のチャンバ（２１８）の前記前方セクション（２２２）と前記後方セクション（２２４）との間に配置された移行セクション（２３６）をさらに含み、前記移行セクション（２３６）は、その中に熱伝導性固定物（２３０）を有さない、請求項３に記載の冷却構造体。
【請求項６】
前記実質的に三日月形のチャンバ（２１８）の前記前方セクション（２２２）の軸線方向長さ成分は、前記翼形部（１５０）の前記正圧側面（１５６）及び前記負圧側面（１５８）の一方の軸線方向長さ成分の少なくとも約半分である、請求項１に記載の冷却構造体。
【請求項７】
前記実質的に三日月形のチャンバ（２１８）は、前記翼形部（１５０）の前記後縁（１５４）と実質的に半径方向で整列しかつ前記実質的に三日月形のチャンバ（２１８）の前記前方セクション（２２２）と前記後方セクション（２２４）との間に配置された移行セクション（２３６）をさらに含み、前記冷却構造体は、前記移行セクション（２３６）の半径方向表面から延びる突起部（２３８）をさらに備え、前記突起部（２３８）は、前記冷却流体を前記実質的に三日月形のチャンバ（２１８）の前記前方セクション（２２２）から前記後方セクション（２２４）へ導くように構成される、請求項１に記載の冷却構造体。
【請求項８】
前記前方セクション（２２２）と前記後方セクション（２２４）との間の前記移行セクション（２３６）の幅は、前記翼形部（１５０）の前記後縁（１５４）の軸線方向幅とほぼ等しい、請求項７に記載の冷却構造体。
【請求項９】
前記実質的に三日月形のチャンバ（２１８）は、前記端壁（２０４）内に配置された少なくとも２つの実質的に三日月形のチャンバ（２１８）のうちの１つを含み、前記翼形部（１５０）は、前記端壁（２０４）から実質的に半径方向に突出した一対の翼形部（１５０）の一方を含む、請求項１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、そ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、冷却回路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実質的に三日月形のチャンバであって、翼形部の正圧側面及び負圧側面の一方の近位に配置された前方セクションから、翼形部の後縁並びに翼形部の正圧側面及び負圧側面の他方の近位に配置された後方セクションへ延びる、実質的に三日月形のチャンバと、を備え、前方セクション内の冷却流体は、翼形部の正圧側面及び負圧側面の一方と熱連通しており、後方セクション内の冷却流体は、翼形部の後縁の近位で端壁の一部と熱連通しており、実質的に三日月形のチャンバの後方セクションは、実質的に三日月形のチャンバの前方セクションと流体連通している。
【０００５】
本開示の第２の態様は、固定ブレードを提供し、該固定ブレードは、正圧側面、負圧側面、前縁、及び後縁を含む翼形部であって、その中に冷却回路をさらに含む翼形部と、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、冷却回路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実質的に三日月形のチャンバであって、翼形部の正圧側面及び負圧側面の一方の近位に配置された前方セクションから、記翼形部の後縁並びに翼形部の正圧側面及び負圧側面の他方の近位に配置された後方セクションへ延びる、実質的に三日月形のチャンバと、を備え、前方セクション内の冷却流体は、翼形部の正圧側面及び負圧側面の一方と熱連通しており、後方セクション内の冷却流体は、翼形部の後縁の近位で端壁の一部と熱連通しており、実質的に三日月形のチャンバの後方セクションは、実質的に三日月形のチャンバの前方セクションと流体連通している。
【０００６】
本開示の第３の態様は、ダブレット・タービンノズルを提供し、該ダブレット・タービンノズルは、内部に第１の冷却回路を有する第１の翼形部と、第１の翼形部の、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、第１の翼形部と実質的に平行に配向された、内部に第２の冷却回路を有する第２翼形部であって、端壁は、翼形部の、ターボ機械の前記ロータ軸線に対して半径方向端部に結合され、第１の翼形部及び第２の翼形部の各々は、正圧側面、負圧側面、前縁、及び後縁をさらに含む、第２の翼形部と、端壁内に配置され、かつ第１の翼形部の後縁から半径方向に変位された第１の実質的に三日月形のチャンバであって、第１の冷却回路からの第１の冷却流体を受け入れ、第１の翼形部の正圧側面及び負圧側面の一方の近位に配置された前方セクションから、第１の翼形部の後縁並びに第１の翼形部の正圧側面及び負圧側面の他方の近位に配置された後方セクションへ延びており、第１の実質的に三日月形のチャンバの前方セクション内の第１の冷却流体は、第１の翼形部の正圧側面及び負圧側面の一方と熱連通しており、第１の実質的に三日月形のチャンバの後方セクション内の第１の冷却流体は、第１の翼形部の後縁の近位で端壁の一部と熱連通しており、第１の実質的に三日月形のチャンバの後方セクションは、第１の実質的に三日月形のチャンバの前方セクションと流体連通している、第１の実質的に三日月形のチャンバと、端壁内に配置され、かつ第２の翼形部の後縁から半径方向に変位され第２の実質的に三日月形のチャンバであって、第２の冷却回路からの第２の冷却流体を受け入れ、第２の翼形部の正圧側面及び負圧側面の一方の近位に配置された前方セクションから、第２の翼形部の後縁並びに第２の翼形部の正圧側面及び負圧側面の他方の近位に配置された後方セクションへ延びており、第２の実質的に三日月形のチャンバの前方セクション内の第２の冷却流体は、第２の翼形部の正圧側面及び負圧側面の一方と熱連通しており、第２の実質的に三日月形のチャンバの後方セクション内の第２の冷却流体は、第２の翼形部の後縁の近位で端壁の一部と熱連通しており、第２の実質的に三日月形のチャンバの後方セクションは、第２の実質的に三日月形のチャンバの前方セクションと流体連通している、第２の実質的に三日月形のチャンバと、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】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チャンバの移行セクションの部分切取斜視図。
【図７】本開示の実施形態によるチャンバの移行セクションの拡大部分切取斜視図。
【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。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備える。端壁は、実質的に三日月形のチャンバを内部に含むことができ、これは翼形部から半径方向に変位される。実質的に三日月形のチャンバは、本明細書でさらに説明するように、そこから半径方向に変位され、正圧側面、後縁、及び／又は負圧側面の近位に配置され、その結果、チャンバが翼形部の外部輪郭の周りを部分的に囲むようになっている。作動中、冷却流体は、チャンバに入ってそこを通って流れることができ、翼形部の対応する表面（すなわち、正圧側面、後縁、及び／又は負圧側面）の近位に配置された端壁の部分から熱を吸収する。チャンバは、翼形部の正圧側面又は負圧側面の近位に配置された前方セクションと、少なくとも翼形部の後縁並びに翼形部の正圧側面及び負圧側面の他方の近位に配置された後方セクションとを含むことができる。前方セクション及び後方セクションが一緒になって、チャンバの三日月形幾何学的形状の分離部分を形成することができる。
【００１１】
「内」、「外」、「下」、「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「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。
【００１２】
前述のように、本開示は、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、翼形部の正圧側面又は負圧側面の近位に前方セクションを有する実質的に三日月形のチャンバを含むことができる。実質的に三日月形のチャンバは、前方セクションから、後縁及び翼形部の反対側の正圧側面又は負圧側面の近位の後方セクションへ延びることができる。図１は、共有の圧縮機／タービン軸１０６によってタービン部分１０４に作動的に結合された圧縮機部分１０２を含む、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。
【００１３】
図２を参照すると、翼形部１５０を含む作動流体のための流路１３０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。
【００１４】
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、流体がこの領域内で翼形部１５０の他の表面と比べて高速で流れることに基づいて、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。
【００１５】
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、固定ブレード２００の位置及び輪郭により導かれて、さらなるタービンロータブレード１２４に達することができる。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、そこから外方に延びた半径方向軸線Ｒを有する。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、ほぼ平行な方向に、すなわち同じ角度の面のほぼ１０度以内で延びる、）翼形部１５０を含むことができる。図３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がタービンホイール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が理解される。固定ブレード２００の翼形部１５０は、２つの端壁２０４を含むことができ、一方は、翼形部１５０の半径方向内側端部に結合し、他方は、反対側の翼形部１５０の半径方向外側端部に結合する。
【００１６】
１つの端壁２０４は、実質的に半径方向内側面に位置するタービンホイール１２２の近位に配置することができるが、もう１つの端壁２０４は、実質的に半径方向外側面に位置するタービンシュラウド２１２の近位に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に接触する作動流体により、翼形部１５０及び端壁２０４へ熱を伝達することができる。固定ブレード２００の翼形部１５０は、その中に冷却回路２１６を含むことができる。冷却流体を翼形部１５０の半径方向に通して送るための冷却回路２１６は、翼形部１５０内のキャビティを含むこと又はキャビティとして設けることができ、冷却流体は、流路１３０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。
【００１７】
冷却回路２１６は、インピンジメント・キャビティの形態をとることができ、２つの端壁２０４の間の翼形部１５０の部分的に中空の内部を通して、冷却流体を循環させることができる。インピンジメント冷却回路は、一般に、被冷却構成要素（例えば、翼形部１５０の横方向半径方向部材（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｒａｄｉａｌ  ｍｅｍｂｅｒ））の周りに冷却流体の膜を作り出し、それにより被冷却構成要素の外部の物体から被冷却構成要素の内部容積への熱エネルギーの伝達を減少させるように構造化された冷却回路を指す。冷却回路２１６内の冷却流体は、一方の端壁２０４又は両方の端壁２０４内に配置されたチャンバ２１８から流出する、及び／又はチャンバ２１８に流入することができる。まだ冷却回路２１６を通って移動していないチャンバ２１８内の冷却流体は、「インピンジメント前」冷却流体として認識することができ、一方、既に冷却回路２１６を通って移動したチャンバ２１８内の冷却流体は、「インピンジメント後」冷却流体として認識することができる。とりわけ、本開示の実施形態は、翼形部１５０が端壁２０４と交わる位置の近位で端壁２０４の複数の表面から熱を吸収するためのチャンバ２１８を有する、固定ブレード２００のための冷却構造体を提供することができる。
【００１８】
図４を参照すると、２つの翼形部１５０の断面の近位に２つのチャンバ２１８を備えた１つの端壁２０４の切取斜視図を示す。各翼形部１５０は、端壁２０４から半径方向に、すなわちターボ機械１００（図１）のロータ軸線に対して実質的に垂直に突出することができる。本明細書において用いられる場合、「実質的に垂直な」又は「実質的に垂直に」という用語は、角度９０度、又は９０度から僅かな量だけ異なる、例えば約８５度と約９５度との間の範囲内の角度を指す。実施例として、図４では２つの翼形部１５０が端壁２０４に結合している（すなわちダブレット・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が端壁２０４に結合することができることを理解されたい。各翼形部１５０は、多様な翼形部の設計及び／又は実装のうちの１つとすることができ、例として、ターボ機械１００のカンチレバー型タービンノズル及び／又は第２段ノズルの翼形部１５０とすることができる。同様に、端壁２０４は、その中に、各々がダブレット構成における１つの翼形部１５０に対応することができる２つのチャンバ２１８、又は多様な用途に適合する任意の所望の数のチャンバ２１８を含むことができる。
【００１９】
１又は２以上の入口２２０は、各チャンバ２１８と冷却流体源、例えば冷却回路２１６との間に流体連通を提供することができる。各チャンバ２１８は、実質的に三日月形にすることができる。本明細書において用いられる場合、「実質的に三日月形」という用語は、同じ収束点から発して少なくとも１つの共有方向に延びる２つの分岐した独立経路を含む、任意の幾何学的形状を含むことができる。例として、この定義に従う三日月形は、Ｃ形、Ｖ形、Ｊ形、円弧、ブーメラン型形状、鉤形、等を含むことができる。実質的な三日月形のタイプにかかわらず、チャンバ２１８の１つの端部は、翼形部１５０の正圧側面１５６又は負圧側面１５８の近位に配置することができ、チャンバ２１８の反対側の端部は、翼形部１５０の反対側の正圧又は負圧側面１５６、１５８の近位に配置することができる。従って、チャンバ２１８は、翼形部１５０の後縁１５４の周り又は下（ｕｎｄｅｒｎｅａｔｈ）に延びることができる。さらに、チャンバ２１８の２つのセクションは、翼形部１５０の後縁１５４の半径方向の真下（ｂｅｎｅａｔｈ）で収束することができる。チャンバ２１８の実質的に三日月形の幾何学的形状は、このようにして正圧側面１５６及び／又は負圧側面１５８の一部には沿って翼形部１５０の輪郭に実質的に追従することができるが後縁１５４の半径方向の真下を通る、回り込み（ｗｒａｐ−ａｒｏｕｎｄ）型の幾何学的形状をもたらすことができる。
【００２０】
各チャンバ２１８は、その中に前方セクション２２２及び後方セクション２２４を含むことができる。前方セクション２２２は、正圧側面１５６又は負圧側面１５８の近位に、すなわちそこから端壁２０４の材料組成物のみで隔てられて、配置することができる。前方セクション２２２は、例として図４においては正圧側面１５６の近位にあるものとして示されているが、代替的な実施形態では負圧側面１５８の近位にあるものとすることができる。さらに、図４に示すように、チャンバ２１８の前方セクション２２２は、対応する翼形部１５０の正圧側面１５６の近位に配置することができるが、別の翼形部１５０の負圧側面１５８の近位にも配置することができる。後方セクション２２４は、後縁１５４、並びに前方セクション２２２に対して反対側の正圧側面１５６又は負圧側面１５８の両方の近位に配置することができる。前方セクション２２２及び後方セクション２２４は、翼形部１５０の表面に対するそれらの相対位置のみに基づいて互いに区別することができるが、付加的な構造的特徴、例えば、本明細書の別の箇所で論じる前方セクション２２２と後方セクション２２４との間に配置される付加的なセクション又は構造体は、チャンバ２１８の前方セクション２２２をチャンバ２１８の後方セクション２２４からさらに区別することができる。
【００２１】
ターボ機械１００（図１）の作動中、冷却流体は、入口２２０を通ってチャンバ２１８に入り、後出口２２６を通ってチャンバ２１８を出る前に前方セクション２２２及び後方セクション２２４を順次通過することができる。各チャンバ２１８は、例えばそれぞれの翼形部１５０の１つの冷却回路２１６又は複数の冷却回路２１６からの、入口を含むことができる。チャンバ２１８の前方セクション２２２内の冷却流体は、そこを通過する間に、例えば翼形部１５０からチャンバ２１８までの端壁２０４を介した熱伝達によって、翼形部１５０の正圧側面１５６又は負圧側面１５８の近位に配置された端壁２０４の一部から熱を吸収することができる。チャンバ２１８の後方セクション２２４内の冷却流体は、そこを通過する間に、翼形部１５０の正圧側面１５６又は負圧側面１５８（前方セクション２２２に近位する面の反対側）の近位に配置された端壁２０４の一部及び翼形部１５０の後縁１５４から熱を吸収することができる。チャンバ２１８の前方セクション２２２及び後方セクション２２４は、翼形部１５０の後縁１５４の半径方向の真下で互いに収束することができる。他の実施形態において、本明細書でさらに詳述するように、前方セクション２２２及び後方セクション２２４は、移行セクション２３６（図６）において収束することができ、該移行セクションは、例えば翼形部１５０の後縁１５４と同じ軸線方向長さにわたって延びる。後方セクション２２４及び前方セクション２２２は、互いに及び／又は移行セクション２３６から、互いに対して実質的に垂直に延びることができ、端壁２０４と同じ半径方向面内に存在することができる。
【００２２】
チャンバ２１８の前方セクション２２２及び後方セクション２２４は、異なる寸法及び／又は輪郭を有するように形作ることができる。実施形態において、前方セクション２２２は、近位の正圧側面１５６又は負圧側面１５８に沿って翼形部１５０の軸線方向長さの少なくとも約半分の軸線方向長さ（例えば軸線Ｚに沿う）を有することができる。対照的に、後方セクション２２４は、翼形部１５０の反対側の正圧側面１５６又は負圧側面１５８の軸線方向長さの半分より短い長さにわたって延びることができる。後方セクション２２４の軸線方向長さを前方セクション２２２の軸線方向長さより短くすることにより、前方セクション２２２を後方セクション２２４より有意に大きくして、実質的に三日月形のチャンバ２１８がＪ型形状を示すようにすることができる。
【００２３】
図４及び図５を一緒に参照すると、本開示の実施形態は、チャンバ２１８内（例えば前方セクション２２２又は後方セクション２２４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任意の数のペデスタル（ｐｅｄｅｓｔａｌ）といった熱伝導性固定物（「固定物」）２３０を含むことができる。より詳細には、各固定物２３０は、チャンバ２１８を通過する冷却流体と端壁２０４の材料組成物との間の接触面積を増大させることによって、端壁２０４から内部の冷却流体へ熱を伝達することができる。固定物２３０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２３０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２３０を、チャンバ２１８内で入口２２０の下流かつ出口２２６の上流に位置決めされた冷却流体流路の位置に配置することができる。
【００２４】
固定物２３０を配置することで、端壁２０４と内部の冷却流体との間の熱伝達を改善することに加えて、前方セクション２２２内の冷却流体と後方セクション２２４内の冷却流体との間の温度差を大きくすることができる。隣接する固定物２３０間の間隔は、特定の器具による検査及び試験に適合する大きさとすることができる。固定ブレード２００の検査は、例えば、固定ブレード２００のプレキャスト構成要素及び／又は部分的に構築された固定ブレード２００又は端壁２０４をボアスコープ・レンズ又は材料の性質を試験するための他の機械と接触させることを含むことができる。例えば、隣接する固定物２３０は、ボアスコープ・レンズ又は他の検査機器部品がチャンバ２１８内で幾つかのペデスタル２３０の間に配置されるのに十分な分離距離を有するものとすることができる。ペデスタル間の間隔は、用途間で変えることができ、一例として、ボアスコープ直径の範囲に適合するために約１ミリメートル（ｍｍ）と約２０ｍｍとの間とすることができる。幾つかの実施形態において、ペデスタル２３０は、チャンバ２１８に部分的に又は完全に存在しない場合がある。チャンバ２１８はまた、端壁２０４の所定の半径方向長さにわたって延びることによりチャンバ２１８の高さ寸法を定める周壁２３２によって境界付けすることができる。チャンバ２１８が内部にペデスタル２３０を含む実施形態において、チャンバ２１８はまた、実質的に周壁２３２の一部に沿って配置される複数のアクセスゾーン２３４を含むことができる。各アクセスゾーン２３４は、その中にペデスタル２３０を有する必要がなく、ボアスコープ及び／又はその他の器具によるチャンバ２１８の検査を行うための付加的なスペースを提供する。
【００２５】
図６を参照すると、内部にチャンバ２１８を有する端壁２０４の部分斜視切取図を示す。端壁２０４の１又は２以上のチャンバ２１８は、チャンバ２１８の前方セクション２２２と後方セクション２２４との間に配置された移行セクション２３６をさらに含むことができる。翼形部１５０からチャンバ２１８内の冷却流体への熱伝達率を高めるために、移行セクション２３６は、翼形部１５０の後縁１５４と実質的に半径方向に整列することができる。さらに、移行セクション２３６を通る冷却流体の流速を高めるために、移行セクション２３６は、随意的に内部に固定物２３０を含むことができる。代替的な実施形態において、移行セクション２３６は、内部に固定物２３０を含まないものとすることができる。後方セクション２２４において熱が吸収されなかった冷却流体の一部を分流するために、１又は２以上の出口２２６は、移行セクション２３６と少なくとも部分的に流体連通することができる。翼形部１５０の後縁１５４からの熱伝達をさらに高めるために、前方セクション２２２と後方セクション２２４との間の移行セクション２３６の軸線方向幅は、後縁１５４の軸線方向幅とほぼ等しくして、後縁１５４の半径方向の下に固定物２３０が実質的に存在しないようにすることができる。
【００２６】
図７を参照すると、移行セクション２３６の部分斜視図をさらに詳細に示す。移行セクション２３６は、チャンバ２１８の前方セクション２２２内の冷却流体を後方セクション２２４へ導くために、随意的に、内部に例えばチャンバ２１８の上部又は下部半径方向面から延びる突起部２３８を含むことができる。突起部２３８は、図７の例で示されるように細長い固定物の形態をとることができ、端壁２０４と同じ熱伝導性材料又は異なる熱伝導性材料で構成することができる。図７にさらに示すように、突起部２３８は、冷却流体の少なくとも一部をチャンバ２１８の後方セクション２２４内へ導くために、固定物２３０とは異なる形状のもの、例えば細長いバッフル、スワーラ、ノズル等とすることができる。作動時、突起部２３８は、移行セクション２３６内でさらなる熱吸収が望まれるか否かに基づいて、熱伝導性又は断熱性とすることができる。突起部２３８は作動中に、チャンバ２１８内の冷却空気の一部もまた、後方セクション２２４へ導くことができ、及び／又は出口２２６を介して他の構成要素へ導くことができる。
【００２７】
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、端壁２０４内に実質的に三日月形のチャンバを設けることで、翼形部１５０の異なる表面と端壁２０４内の冷却流体との間の熱連通を改善することができる。とりわけ、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、アルミニウム、銅、鉄、鉛、及び／又はそれら材料の組合せなど鋳造される鉄系金属物質から端壁２０４を形成するために必要な設計の複雑さを低減することができる。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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、
冷却回路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実質的に三日月形のチャンバであって、上記翼形部の上記正圧側面及び上記負圧側面の一方の近位に配置された前方セクションから、上記翼形部の上記後縁並びに上記翼形部の上記正圧側面及び上記負圧側面の他方の近位に配置された後方セクションへ延びる、実質的に三日月形のチャンバと、
を備え、
上記前方セクション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負圧側面の一方の近位で上記端壁の一部と熱連通しており、上記後方セクション内の上記冷却流体は、上記翼形部の上記後縁の近位で上記端壁の一部と熱連通しており、上記実質的に三日月形のチャンバの上記後方セクションは、上記実質的に三日月形のチャンバの上記前方セクションと流体連通している、
冷却構造体。
［実施態様２］
上記実質的に三日月形のチャンバの上記後方セクションは、上記実質的に三日月形のチャンバの上記前方セクションの一端から実質的に垂直に延びる、実施態様１に記載の冷却構造体。
［実施態様３］
上記実質的に三日月形のチャンバの上記前方セクション及び上記後方セクションの少なくとも一方を貫通して延びる複数の熱伝導性固定物をさらに備える、実施態様１に記載の冷却構造体。
［実施態様４］
上記実質的に三日月形のチャンバは、周壁をさらに含み、上記冷却構造体は、上記実質的に三日月形のチャンバの上記周壁に実質的に沿って配置された複数のアクセスゾーンをさらに備え、上記複数のアクセスゾーンの各々は、その中に熱伝導性固定物を有さない、実施態様３に記載の冷却構造体。
［実施態様５］
上記実質的に三日月形のチャンバは、上記翼形部の上記後縁と実質的に半径方向で整列しかつ上記実質的に三日月形のチャンバの上記前方セクションと上記後方セクションとの間に配置された移行セクションをさらに含み、上記移行セクションは、その中に熱伝導性固定物を有さない、実施態様３に記載の冷却構造体。
［実施態様６］
上記実質的に三日月形のチャンバの上記前方セクションの軸線方向長さ成分は、上記翼形部の上記正圧側面及び上記負圧側面の一方の軸線方向長さ成分の少なくとも約半分である、実施態様１に記載の冷却構造体。
［実施態様７］
上記実質的に三日月形のチャンバは、上記翼形部の上記後縁と実質的に半径方向で整列しかつ上記実質的に三日月形のチャンバの上記前方セクションと上記後方セクションとの間に配置された移行セクションをさらに含み、上記冷却構造体は、上記移行セクションの半径方向表面から延びる突起部をさらに備え、上記突起部は、上記冷却流体を上記実質的に三日月形のチャンバの上記前方セクションから上記後方セクションへ導くように構成される、実施態様１に記載の冷却構造体。
［実施態様８］
上記前方セクションと上記後方セクションとの間の上記移行セクションの幅は、上記翼形部の上記後縁の軸線方向幅とほぼ等しい、実施態様７に記載の冷却構造体。
［実施態様９］
上記実質的に三日月形のチャンバは、上記端壁内に配置された少なくとも２つの実質的に三日月形のチャンバのうちの１つを含み、上記翼形部は、上記端壁から実質的に半径方向に突出した一対の翼形部の一方を含む、実施態様１に記載の冷却構造体。
［実施態様１０］
固定ブレードであって、
正圧側面、負圧側面、前縁、及び後縁を含む翼形部であって、その中に冷却回路をさらに含む翼形部と、
上記翼形部の、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、
上記冷却回路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実質的に三日月形のチャンバであって、上記翼形部の上記正圧側面及び上記負圧側面の一方の近位に配置された前方セクションから、上記翼形部の上記後縁並びに上記翼形部の上記正圧側面及び上記負圧側面の他方の近位に配置された後方セクションへ延びる、実質的に三日月形のチャンバと、
を備え、
上記前方セクション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負圧側面の一方の近位で上記端壁の一部と熱連通しており、上記後方セクション内の上記冷却流体は、上記翼形部の上記後縁の近位で上記端壁の一部と熱連通しており、上記実質的に三日月形のチャンバの上記後方セクションは、上記実質的に三日月形のチャンバの上記前方セクションと流体連通している、
固定ブレード。
［実施態様１１］
上記実質的に三日月形のチャンバの上記後方セクションは、上記実質的に三日月形のチャンバの上記前方セクションの一端から実質的に垂直に延びる、実施態様１０に記載の固定ブレード。
［実施態様１２］
上記実質的に三日月形のチャンバの上記前方セクション及び上記後方セクションの少なくとも一方を貫通して延びる複数の熱伝導性固定物をさらに備える、実施態様１０に記載の固定ブレード。
［実施態様１３］
上記実質的に三日月形のチャンバは、上記翼形部の上記後縁と実質的に半径方向で整列しかつ上記実質的に三日月形のチャンバの上記前方セクションと上記後方セクションとの間に配置された移行セクションをさらに含み、上記移行セクションは、その中に熱伝導性固定物を有さない、実施態様１２に記載の固定ブレード。
［実施態様１４］
上記前方セクションと上記後方セクションとの間の上記移行セクションの幅は、上記翼形部の上記後縁の軸線方向幅とほぼ等しい、実施態様１３に記載の固定ブレード。
［実施態様１５］
上記実質的に三日月形のチャンバは、周壁をさらに含み、上記固定ブレードは、上記実質的に三日月形のチャンバの上記周壁に実質的に沿って配置された複数のアクセスゾーンをさらに備え、上記複数のアクセスゾーンの各々は、その中に熱伝導性固定物を有さない、実施態様１２に記載の固定ブレード。
［実施態様１６］
上記実質的に三日月形のチャンバは、上記翼形部の上記後縁と実質的に半径方向で整列しかつ上記実質的に三日月形のチャンバの上記前方セクションと上記後方セクションとの間に配置された移行セクションをさらに含み、上記固定ブレードは、上記移行セクションの半径方向表面から延びる突起部をさらに備え、上記突起部は、上記冷却流体を上記実質的に三日月形のチャンバの上記前方セクションから上記後方セクションへ導くように構成される、実施態様１０に記載の固定ブレード。
［実施態様１７］
ダブレット・タービンノズルであって、
内部に第１の冷却回路を有する第１の翼形部と、
上記第１の翼形部の、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、
上記第１の翼形部と実質的に平行に配向された、内部に第２の冷却回路を有する第２の翼形部であって、上記端壁は、上記翼形部の、上記ターボ機械の上記ロータ軸線に対して半径方向端部に結合され、上記第１の翼形部及び上記第２の翼形部の各々は、正圧側面、負圧側面、前縁、及び後縁をさらに含む、第２の翼形部と、
上記端壁内に配置され、かつ上記第１の翼形部の上記後縁から半径方向に変位された第１の実質的に三日月形のチャンバであって、上記第１の冷却回路からの第１の冷却流体を受け入れ、
上記第１の翼形部の上記負圧側面の近位に配置された前方セクションから、上記第１の翼形部の上記後縁並びに上記第１の翼形部の上記正圧側面及び上記負圧側面の他方の近位に配置された後方セクションへ延びており、上記第１の実質的に三日月形のチャンバの上記前方セクション内の上記第１の冷却流体は、上記第１の翼形部の上記正圧側面及び上記負圧側面の一方の近位で上記端壁の一部と熱連通しており、上記第１の実質的に三日月形のチャンバの上記後方セクション内の上記第１の冷却流体は、上記第１の翼形部の上記後縁の近位で上記端壁の一部と熱連通しており、上記第１の実質的に三日月形のチャンバの上記後方セクションは、上記第１の実質的に三日月形のチャンバの上記前方セクションと流体連通している、第１の実質的に三日月形のチャンバと、
上記端壁内に配置され、かつ上記第２の翼形部の上記後縁から半径方向に変位された第２の実質的に三日月形のチャンバであって、上記第２の冷却回路からの第２の冷却流体を受け入れ、
上記第２の翼形部の上記負圧側面の近位に配置された前方セクションから、上記第２の翼形部の上記後縁並びに上記第２の翼形部の上記正圧側面及び上記負圧側面の他方の近位に配置された後方セクションへ延びており、上記第２の実質的に三日月形のチャンバの上記前方セクション内の上記第２の冷却流体は、上記第２の翼形部の上記正圧側面及び上記負圧側面の一方の近位で上記端壁の一部と熱連通しており、上記第２の実質的に三日月形のチャンバの上記後方セクション内の上記第２の冷却流体は、上記第２の翼形部の上記後縁の近位で上記端壁の一部と熱連通しており、上記第２の実質的に三日月形のチャンバの上記後方セクションは、上記第２の実質的に三日月形のチャンバの上記前方セクションと流体連通している、第２の実質的に三日月形のチャンバと、
を備える、ダブレット・タービンノズル。
［実施態様１８］
上記第１及び第２の実質的に三日月形のチャンバの一方を通って、その上記前方セクション及び上記後方セクションの一方の中に延びる、複数の熱伝導性固定物をさらに備える、実施態様１７に記載のダブレット・タービンノズル。
［実施態様１９］
上記第１及び第２の実質的に三日月形のチャンバは、その上記前方セクションと上記後方セクションとの間に配置されかつ上記第１の翼形部及び上記第２の翼形部の一方の上記後縁と実質的に半径方向で位置合わせされ移行セクションをさらに含み、上記移行セクションは、その中に熱伝導性固定物を有さない、実施態様１８に記載のダブレット・タービンノズル。
［実施態様２０］
上記移行セクションの軸線方向面から延びる突起部をさらに備え、上記突起部は、上記冷却流体を上記実質的に三日月形のチャンバの上記前方セクションから上記後方セクションへ導くように構成される、実施態様１９に記載のダブレット・タービンノズル。
【符号の説明】
【００３２】
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：端壁
２１２：タービンシュラウド
２１６：冷却回路
２１８：チャンバ
２２０：入口
２２２：前方セクション
２２４：後方セクション
２２６：出口
２３０：熱伝導性固定物
２３２：周壁
２３４：アクセスゾーン
２３６：移行セクション
２３８：突起部
【図１】
2017025906.tif 000003
【図２】
2017025906.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2017025906.tif 000008
【図７】
2017025906.tif 000009
【外国語明細書】
2017025906000001.pdf