JP2017002906A - 粒子収集チャンバを有する高温ガス経路構成要素冷却システム - Google Patents
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Abstract
【課題】粒子収集チャンバを有する高温ガス経路構成要素冷却システムを提供すること。
【解決手段】高温ガス経路構成要素用の冷却システムは、外面８０及び内面を備える基材７８を含む。内面は、少なくとも１つの内部空間を定める。通路は、基材７８の外面８０と内面との間に形成される。アクセス通路は、基材７８に形成され、外面８０から少なくとも１つの内部空間まで延びる。アクセス通路９４は、通路に対して第１の鋭角で形成されて粒子収集チャンバ９８を含む。アクセス通路９４は、冷却流体を通路７６に送るように構成される。さらに、通路７６は、その内部を通して冷却流体を送り、基材７８を冷却するように構成される。
【選択図】図６
【解決手段】高温ガス経路構成要素用の冷却システムは、外面８０及び内面を備える基材７８を含む。内面は、少なくとも１つの内部空間を定める。通路は、基材７８の外面８０と内面との間に形成される。アクセス通路は、基材７８に形成され、外面８０から少なくとも１つの内部空間まで延びる。アクセス通路９４は、通路に対して第１の鋭角で形成されて粒子収集チャンバ９８を含む。アクセス通路９４は、冷却流体を通路７６に送るように構成される。さらに、通路７６は、その内部を通して冷却流体を送り、基材７８を冷却するように構成される。
【選択図】図６
Description
本開示の分野は、一般にタービンエンジンに関し、より具体的には、タービンエンジンの高温ガス経路構成要素を冷却するためのシステムに関する。
ガスタービンシステムは、発電などの分野で広範に利用されている。従来のガスタービンシステムは、圧縮機、燃焼器、及びタービンを含む。ガスタービンシステムの動作中、システム内の種々の高温ガス経路構成要素は高温流を受け、これは高温ガス経路構成要素を故障させる場合がある。より高温の流れほど、一般にガスタービンシステムの性能、効率、及び出力を向上させるので、ガスタービンシステムにおいて望ましく、ガスタービンシステムが高温流で動作することを可能にするために、高温流を受ける高温ガス経路構成要素を冷却する必要がある。
従来から高温流れにさらされる構成要素を冷却するための方法が知られている。これらの構成要素は、一般に高温ガス経路構成要素として知られている。例えば、高温ガス経路構成要素内に一連の内部冷却通路を形成することができる。冷却流体は、プレナムから通路に供給することができ、冷却流体は、この通路を通過して高温ガス経路構成要素の基材及びコーティングを冷却することができる。しかしながら、冷却流体には種々のタイプの粒子が混入する場合があり、これは、冷却流体が冷却する高温ガス経路構成要素内に形成された内部冷却通路の閉塞又は蛇行をもたらす可能性がある。このような閉塞によって、これらの構成要素の寿命が短くなる可能性がある。
１つの態様において、高温ガス経路構成要素用の冷却システムが提供される。冷却システムは、外面及び内面を備える基材を含む。内面は、少なくとも１つの内部空間を定める。冷却システムは、基材の外面と内面との間に延びる通路を含む。さらに、冷却システムは、基材に形成され、外面から少なくとも１つの内部空間まで延びるアクセス通路を含む。アクセス通路は、通路に対して第１の鋭角で形成される。加えて、アクセス通路は、粒子収集チャンバを含む。アクセス通路は、冷却流体を通路に送るように構成される。さらに、通路は、その内部を通して冷却流体を送り、基材を冷却するように構成される。
別の態様において、ガスタービンエンジンが提供される。ガスタービンエンジンは、圧縮機、該圧縮機に結合したタービン、及び圧縮機とタービンのうちの少なくとも一方に配置された高温ガス経路構成要素とを含む。高温ガス経路構成要素は、外面及び内面を備える基材を含む。内面は、少なくとも１つの内部空間を定める。また、高温ガス経路構成要素は、基材の外面と内面との間に延びる通路を含む。さらに、高温ガス経路構成要素は、基材に形成され、外面から少なくとも１つの内部空間まで延びるアクセス通路を含む。アクセス通路は、通路に対して第１の鋭角で形成される。アクセス通路は、粒子収集チャンバを含む。アクセス通路は、冷却流体を通路に送るように構成される。通路は、その内部を通して冷却流体を送り、基材を冷却するように構成される。
本開示のこれら及びその他の特徴、態様、及び利点は、以下の詳細な説明を添付の図面を参照して読むとより良く理解され、全図面を通じて同様の符号は同様の部分を表す。
別途指定のない限り、ここで提供される図面は、本開示の実施形態の特徴を例証することを意図したものである。これらの特徴は、本開示の１又は２以上の実施形態を含む多様なシステムに適用することができるものと考えられる。従って、図面は、本明細書で開示される実施形態の実施に必要であることが当業者に知られた全ての従来の特徴を含むことを意図していない。
以下の明細書及び請求項において幾つかの用語を参照するが、これらは以下の意味を有すると定義される。単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、前後関係から別段の明確な指示がない限り、複数形態を含む。本明細書及び請求項全体を通じてここで使用される近似表現は、関連する基本的機能の変更をもたらすことなく、許容範囲内で変わることのできるあらゆる定量的表現を修飾するのに適用することができる。従って、「約」及び「実質的に」などの１又は複数の用語により修飾される値は、指定される厳密な値に限定されるものではない。少なくとも幾つかの事例において、近似表現は、値を測定するための計器の精度に対応することができる。ここで、及び明細書及び請求項全体を通じて、範囲限界は組み合わせ及び／又は置き換えが可能であり、このような範囲は前後関係又は表現がそうでないことを示していない限り、識別され、ここに包含される部分範囲全てを含む。
本明細書及び請求項全体を通じてここで使用される近似表現は、関連する基本的機能の変更をもたらすことなく、許容範囲内で変わることのできるあらゆる定量的表現を修飾するのに適用することができる。従って、「約」、「およそ」及び「実質的に」などの１又は複数の用語により修飾される値は、指定される厳密な値に限定されるものではない。少なくとも幾つかの事例において、近似表現は、値を測定するための計器の精度に対応することができる。ここで、及び明細書及び請求項全体を通じて、範囲限界は組み合わせ及び／又は置き換えが可能であり、このような範囲は前後関係又は表現がそうでないことを示していない限り、識別され、ここに包含される部分範囲全てを含む。
図１は、回転機械、すなわちターボ機械、より詳細には、タービンエンジンの概略図である。例示的な実施形態において、タービンエンジンは、ガスタービンエンジン１０である。代替的に、回転機械は、限定ではないが、蒸気タービンエンジン、遠心圧縮機、及びターボチャージャを含む、他の任意のタービンエンジン及び／又は回転機械である。例示的な実施形態において、ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１２、燃焼器１４、タービン１６、及び燃料ノズル２０の各々の少なくとも１つを含む。燃料ノズル２０は、燃料（図示せず）を燃焼器１４内の加圧空気２４に注入して混合するように構成される。燃焼器１４は、燃料−空気混合物（図示せず）を点火及び燃焼させ、次いで高温ガス流２２をタービン１６へ送る。タービン１６は、固定ベーン又はブレード（図１には示さず）を有する１又は２以上のステータと、ステータに対して回転するブレード又はバケット（図１には示さず）を有する１又は２以上のロータとを含む。高温ガス流２２は、タービンロータブレード上を通過することによりタービンロータを駆動回転させる。タービン１６は、単一の回転シャフト１８に結合されており、高温ガス流２２がタービンブレード上を通過するときにシャフトを回転させるようになっている。代替的な実施形態において、回転シャフト１８は、互いに結合して回転シャフト１８を形成する複数のシャフトセグメントである。例示的な実施形態において、回転シャフト１８は、圧縮機１２に結合している。圧縮機１２は、回転シャフト１８により回転駆動されるロータ（図示せず）に剛に取り付けられたブレード（図示せず）を含む。空気が回転しているブレード上を通過する際に、空気圧が上昇し、それにより燃焼器１４に適正な燃焼に十分な加圧空気２４が供給される。
図２は、図１に示すガスタービンエンジン１０のタービン１６の一部の概略図である。例示的な実施形態において、タービン１６は、タービンブレード２６及びステータベーン２８等の高温ガス経路構成要素を含む。ステータベーン２８と共に使用される翼形部３０は、高温ガス流２２に直接曝される前縁３２を含む。ステータベーン２８は、圧縮機１２の１又は２以上の段からガスタービンエンジン１０のケーシング３４を通って送られる空気によって冷却することができる。高温ガス経路構成要素２６と共に用いられる翼形部３６は、高温ガス流２２に直接曝される前縁３８と、軸方向で反対側の後縁４０とを含む。同様に、高温ガス経路構成要素２６は、圧縮機１２の１又は２以上の段からガスタービンエンジン１０のケーシング３４を通って送られる加圧空気２４によって冷却することができる。
例示的な実施形態において、加圧空気２４は、高温ガス流２２に曝される構成要素、例えばステータベーン２８及び高温ガス経路構成要素２６を冷却するために用いられる冷却流体として説明される。代替的な実施形態において、加圧空気２４以外の流体を、高温ガス流２２に曝される構成要素を冷却するために用いることができる。「流体」という用語は、本明細書で用いられる場合、ガス、蒸気、及び空気を含むがそれらに限定されない、流動する任意の媒体又は材料を含むこともまた理解されたい。例示的な実施形態において、高温ガス経路構成要素２６内に定められた少なくとも１つの冷却システム４２は、冷却流体供給導管４４と流体連通結合される。例示的な実施形態において、冷却流体供給導管４４は、圧縮機１２に流体的に接続される。
動作中、ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１２内に空気を吸い込む。高回転速度で回転する圧縮機１２は、空気を圧縮又は加圧して、加圧空気２４の一部を燃焼器１４に送り、かつ加圧空気２４の一部を、ガスタービンエンジン１０により生成された熱に曝される構成要素を冷却するのに使用するためにガスタービンエンジン１０の他の領域に送る。加圧空気２４は、燃焼器１４内で燃料と混合され、点火されて、高温ガス流２２を生成する。高温ガス流２２は、燃焼器１４からタービン１６に向けて送られ、そこで高温ガス流２２は、高ステータベーン２８上を通過して、ロータホイール４６に連結された高温ガス経路構成要素２６に衝突する。ロータホイール４６は、高温ガス経路構成要素２６に衝突する高温ガス流２２により回転される。高温ガス流２２はまた、ステータベーン２８及び高温ガス経路構成要素２６に熱を伝達する。加圧空気２４の一部は、少なくとも高温ガス経路構成要素２６内に形成された冷却システム４２を通して送られ、構成要素の冷却を促進する。
図３は、例示的なロータホイール組立体４８を示すガスタービンエンジン１０の部分等角断面図であり、ロータホイール４６に結合された２つの高温ガス経路構成要素２６を含む。例示的な実施形態において、高温ガス経路構成要素２６は、タービン１６の内部に結合されている。ガスタービンエンジン１０は、複数の高温ガス経路構成要素２６を含む。本明細書ではタービンブレードが説明されるが、高温ガス経路構成要素は、ガスタービンエンジン１０を通る高温ガス流２２に少なくとも部分的に曝されるガスタービンエンジン１０の任意の構成要素であり、例えば、ここで高温ガス流２２の動作温度は、一例において華氏２５００度（°Ｆ）（摂氏〜１３７１度（℃））を超える。例えば、高温ガス経路構成要素２６は、限定ではないが、バケット組立体（ブレード又はブレード組立体としても知られる）、ノズル組立体（ベーン又はベーン組立体としても知られる）、シュラウド組立体、移行部品、保持リング、及び圧縮機排出構成要素を含む。高温ガス経路構成要素２６は、上記の例には限定されず、高温ガス流２２に少なくとも部分的に曝される任意の構成要素である。さらに、高温ガス経路構成要素２６は、ガスタービンエンジン１０の構成要素には限定されず、高温流に曝される任意のタイプの構成要素とすることができる。
例示的な実施形態において、翼形部３６は、少なくとも部分的に中空であり、かつプラットフォーム５２でダブテール５０に結合している。プラットフォーム５２は、ガスタービンエンジン１０の内部の高温ガス流２２の半径方向内側境界を定める。翼形部３６は、前縁３８と後縁４０との間に延びる凹形の正圧側面５４と、反対側の凸形の負圧側面５６とを含む。ダブテール５０は、横方向すなわち円周方向で反対側の、典型的なモミの木様の配置で構成される上側及び下側ペアを含む。ダブテールタング５８は、ロータホイール４６の外周に形成されたダブテールスロット６０において高温ガス経路構成要素２６を支持する。それぞれの高温ガス経路構成要素２６のダブテール５０がそれぞれのダブテールスロット６０に挿入されるので、高温ガス経路構成要素２６は、ロータホイール４６に対してしっかりと結合することができる。組み立て時、高温ガス経路構成要素２６は、ロータホイール４６の外周を円周方向に延びるブレードのアレイを形成する。例示的な実施形態においてダブテールスロット６０の各々は、円周方向に離間したロータホイールポスト６２の各ペアの間に形成される。ダブテールスロット６０は、タービンブレードタング５８と相補的に嵌合して圧力接触面をもたらすようになっているスロットタング６４を含み、スロットタング６４を介して少なくとも高温ガス経路構成要素２６の遠心荷重がロータホイール４６に伝達される。
例示的な実施形態において、ダブテール５０は、下側ダブテールタング５８の間で円周方向に延びる一体根元部６６を含む。根元部６６は、下側ダブテールタング５８の一体伸長部でありかつ下側ダブテールタング５８の半径方向内側にある。高温ガス経路構成要素２６は、例えばタービン１６内で発生する温度及び応力に耐えることができる超合金を鋳込むことにより、一体成形することができる。例示的な実施形態において、根元部６６は、ダブテール５０の前方端壁７０の離隔に定められた切り欠き６８を含む。もしくは、根元部６６は、前方端壁７０から反対側の後方端壁７２に延びること、前方端壁７０において半径方向内向きに延びるリップ（図示せず）を含むこと、又はガスタービンエンジン１０が本明細書で説明するように作動することを可能にする何らかの形状に形成することができる。例示的な実施形態において、根元部６６は、ダブテール５０の構造的完全性及び強度を高めるのを助長する。
例示的な実施形態において、翼形部３６は、少なくとも部分的に中空であり、内部冷却システム４２を含む。ダブテール５０は、複数の軸方向に整列した入口開口部７４を含み、この入口開口部７４は、ダブテール５０を貫通して長手方向に延びかつ翼形部３６内に形成された冷却システム４２と流体連通結合する。圧縮機１２から抽気された加圧空気２４は、ダブテールスロット６０を通って入口開口部７４に送られ、加圧空気２４がダブテール５０を通って翼形部３６に供給される。
図４は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）で使用するための内部に形成された冷却システム４２を含む高温ガス経路構成要素２６（図３に示す）の概略断面図である。高温ガス経路構成要素２６が高温ガス流２２に曝されると、高温ガス経路構成要素２６は、高温ガス流２２によって加熱され、高温ガス経路構成要素２６が急速に劣化し得る温度に達する可能性がある。高温ガス経路構成要素２６のための冷却システム４２は、ガスタービンエンジン１０が、ガスタービンエンジン１０の効率及び性能を高める高温の高温ガス流２２と共に機能することを可能にする。
例示的な実施形態において、冷却システム４２は、基材７８内に形成された一連の小さい通路、又はマイクロチャネル７６を含む。本明細書で用いられる場合、「小さい」又は「マイクロ」チャネル寸法は、約０．０１０インチ（０．２５ミリメートル（ｍｍ））と約０．１００インチ（２．５４ｍｍ）との間の範囲内の幅を含む。基材７８は、外面８０及び内面８２を含む。マイクロチャネル７６は、基材７８の外面８０に形成される。高温ガス経路構成要素２６は、１又は２以上の材料層を有することができるコーティング８４を含む。例示的な実施形態において、コーティング８４は、熱障壁コーティング（ＴＢＣ）である。別の実施形態において、高温ガス経路構成要素２６は、高温セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）から形成することができ、１又は２以上の層を含む環境障壁コーティング（ＥＢＣ）系を含む。
例示的な実施形態において、高温ガス経路構成要素２６は、マイクロチャネル７６の少なくとも一部を覆う１又は２以上のカバー又はろう付けシート８６をさらに含む。もしくは、高温ガス経路構成要素２６にはろう付けシート８６が使用されず、マイクロチャネル７６は、高温ガス経路構成要素２６の内部に、又は高温ガス経路構成要素２６の表面に形成され、マイクロチャネルを通過する流れを妨害することなくコーティング８４がマイクロチャネル７６を覆うようになっている。例示的な実施形態において、加圧空気２４（図４には示されていない）は、少なくとも１つのプレナム８８からマイクロチャネル７６に供給され、加圧空気２４は、マイクロチャネル７６を通ってコーティング８４を冷却する。例示的な実施形態において、冷却システム４２は、背面対流冷却を利用して加圧空気２４をマイクロチャネル７６に供給し、加圧空気２４がイクロチャネル７６を通って高い熱伝達率及び比較的均一な温度プロフィールでもってコーティング８４を冷却することを可能にする。
一般的に、基材７８は、基材７８の外面８０にマイクロチャネル７６を形成する前に鋳造される。もしくは、マイクロチャネル７６は、製造中に基材７８内に鋳造することができる。基材７８は、高温ガス経路構成要素２６の企図された用途に応じて任意の適切な材料、例えば、限定ではないが、Ｎｉ基、Ｃｏ基、及びＦｅ基超合金などから形成することができる。ある種のＮｉ基超合金は、高温強度及び高温クリープ耐性を含む望ましい性質の組合せゆえに有利であることが知られている。基材７８を形成するために用いられる材料はまた、ＮｉＡｌ金属間合金を含むものであってもよく、なぜなら、これらの合金もまた航空機用に用いられるタービンエンジン用途での使用に有利な高温強度及び高温クリープ耐性を含む優れた性質を有するものとして知られているからである。代替的な実施形態において、基材７８は、該基材７８が本明細書で説明するように機能することを可能にする任意の材料から形成される。
例示的な実施形態において、ろう付けシート８６は外面８０の外形に一致してマイクロチャネル７６を覆い、結果的に冷却通路９０を形成する。コーティング８４は、基材７８の外面８０及びろう付けシート８６の少なくとも一部に沿って延びて、高温ガス経路構成要素２６上に保護材料層を形成する。１つの実施形態において、コーティング８４は、ボンドコート及びＴＢＣといった１又は２以上の材料層を含む。例えば、コーティング８４は、イットリア安定化ジルコニアであり、本明細書で説明するように物理蒸着プロセス又は溶射プロセスにより高温ガス経路構成要素２６に施工することができる。もしくは、コーティング８４は、セラミック、例えば、限定ではないが、ＩＶ族、Ｖ族及びＶＩ族元素から形成された酸化物又はＬａ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｙｂ等のランタノイド系列元素により修飾された酸化物などの、他の耐火性酸化物により修飾されたジルコニアの薄層とすることができる。具体的な構成に関して、コーティング８４は、工業用ガスタービン構成要素用には、０．１から２．０ミリメートルの範囲、より特定すると０．１から１ミリメートルの範囲、さらに特定すると、０．１から０．５ミリメートルの範囲の厚さを有する。しかしながら、特定の高温ガス経路構成要素２６に対する要件に応じて他の厚さを利用することができる。
コーティング８４は、種々の技術を用いて高温ガス経路構成要素２６上に堆積する。１つの実施形態において、コーティング８４は、イオンプラズマ堆積を行うことにより基材７８の外面８０の少なくとも一部の上に配置される。簡単に述べると、イオンプラズマ堆積は、コーティング材料で形成されたカソードを真空チャンバ内の真空環境の中に配置することと、基材７８を真空環境内に準備することと、カソードに電流を供給してカソード表面上にカソード電弧を形成し、その結果、カソード表面からのコーティング材料の消耗又は蒸発をもたらすことと、カソードからのコーティング材料を基材の外面８０に堆積することと、を含む。１つの実施形態において、イオンプラズマ堆積プロセスは、プラズマ蒸着プロセスを含む。コーティング８４の非限定的な例は、構造コーティング、接合コーティング、耐酸化性コーティング、及び熱障壁コーティングを含む。代替的な実施形態において、コーティング８４は、溶射プロセスを行うことにより基材７８の外面８０の少なくとも一部の上に配置される。例えば、限定ではないが、溶射プロセスは、燃焼溶射及び／又はプラズマ溶射を含む。燃焼溶射プロセスは、高速酸素燃料溶射（ＨＶＯＦ）又は高速空気燃料溶射（ＨＶＡＦ）を含む。プラズマ溶射プロセスは、雰囲気（例えば空気又は不活性ガス）プラズマ溶射、又は真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）としても知られる低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）を含む。代替的に、コーティング８４の１又は２以上の層を堆積するための技術は、限定ではないが、スパッタリング、電子ビーム物理蒸着、無電解めっき、電解めっき、及びコーティング８４が本明細書で説明するように機能することを可能にする他の任意のプロセスを含む。
図５は、図４に示す高温ガス経路構成要素２６の一部の概略斜視図であり、基材７８の外面８０に沿って部分的に延びて冷却流体をそれぞれの気膜冷却孔９２に送る、３つのマイクロチャネル７６を示している。図６は、図５に示すマイクロチャネル７６のうちの１つの概略断面図であり、加圧空気２４をプレナムアクセス通路９４から１又は２以上の気膜冷却孔９２に送るマイクロチャネル７６を示している。例示的な実施形態において、マイクロチャネル７６は、加圧空気２４をそれぞれのプレナムアクセス通路９４からそれぞれの流出気膜冷却孔９２又は排出通路へ送る。しかしながら、代替的な実施形態は、気膜冷却孔９２を備えていない。１つの特定の実施形態において、図５の１つのマイクロチャネル７６に関連して示すように、２つ以上の気膜冷却孔９２は、マイクロチャネル７６の長さに沿って相隔たり、トレンチ出口マイクロチャネルを形成する。冷却孔９２がない実施形態において、マイクロチャネル７６は、基材７８の外面８０に沿って延びて、後縁又はバケット先端といった高温ガス経路構成要素２６の端部から、又は端壁の端部１０４（図３に示す）から流出する。加えて、図５では気膜冷却孔９２は円形で示されているが、これは単なる非限定的な例であることに留意されたい。気膜冷却孔９２は、該気膜冷却孔９２が本明細書に説明するように機能するのを可能にする任意の形状の孔とすることができる。
例示的な実施形態において、マイクロチャネル７６は、基材７８の外面８０に形成される。プレナムアクセス通路９４は、基材７８を貫通して外面８０から内面８２に延びかつマイクロチャネル７６に対して鋭角で形成されている。例えば、例示的な実施形態において、マイクロチャネル７６は、水平方向かつ実質的に直線状のチャネルとして示されており、端部外面８０に対して実質的に平行である。プレナムアクセス通路９４は、マイクロチャネル７６に対して角度αで形成されており、角度αは９０度未満である。プレナムアクセス通路９４はマイクロチャネル７６と交差しないが、調節通路９６によってマイクロチャネル７６に流体連通結合する。さらに、プレナムアクセス通路９４は、調節通路９６に対して鋭角で形成される。例えば、例示的な実施形態において、調節通路９６は、プレナムアクセス通路９４とマイクロチャネル７６との間で延びてこれらを流体連通する、実質的に直線状のチャネルとして示されている。プレナムアクセス通路９４は、調節通路９６に対して角度βで形成されており、角度βは９０度未満である。
例示的な実施形態において、マイクロチャネル７６、プレナムアクセス通路９４、及ぶ調節通路９６は、種々の技術を利用して形成することができる。例えば、限定ではないが、これらの特徴部を形成するための技術としては、レーザー加工、ウォータージェット加工、電解加工（ＥＣＭ）、放電加工（ＥＤＭ）、フォトリソグラフィー、又は適度な寸法及び公差のチャネルをもたらすことができる任意の他のプロセスを挙げることができる。１つの特定の実施形態において、高圧水流に懸濁された高速流の研磨粒子（例えば、研磨「グリット」）を利用するウォータージェット加工を使用する。水圧はかなり変化するが、多くの場合、約３５−６２０ＭＰａの範囲である。ガーネット、アルミナ、炭化ケイ素、及びガラスビーズといった多くの研磨材を使用することができる。可能性のある研磨液体ジェット加工技術は、チャネル形状の制御に関して、段階的に様々な深さに除去することを容易にする。例えば、限定ではないが、このプロセスによって、プレナムアクセス通路９４及びマイクロチャネル７６に繋がる調節通路９６は、一定断面積の真っ直ぐな孔、成形孔（楕円形等）、又は縮小又が拡大孔としてドリル加工される。加えて、研磨液体ジェットシステムは、多軸コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）ユニットを含むことができる。ＣＮＣユニットにより、Ｘ、Ｙ、及びＺ軸の複数の軸に沿った又は回転軸の周りの切削工具の移動が可能になる。
例示的な実施形態において、マイクロチャネル７６は、加圧空気２４をプレナムアクセス通路９４から出口気膜冷却孔９２へ送る。典型的に、マイクロチャネル７６の長さは気膜冷却孔９２の直径の１０から１０００倍の範囲にあり、より具体的には、気膜冷却孔９２の直径の２０から１００倍の範囲にある。マイクロチャネル７６は、高温ガス経路構成要素２６の外面８０の任意の場所で使用することができる。加えて、マイクロチャネル７６は、例えば、直線、湾曲、又は多重曲線の任意の構成とすることができる。
マイクロチャネル７６は、約０．０１０インチ（０．２５ミリメータ（ｍｍ）から約０．１００インチ（２．５４ｍｍ）の範囲の深さＡ及び幅Ｂ（図示せず）を有する。もしくは、マイクロチャネル７６は、該マイクロチャネル７６が本明細書で説明したように機能するのを可能にする任意の深さ及び幅を有することができる。例示的な実施形態において、マイクロチャネル７６は半円であり、深さＡは半径寸法を表す。代替的な実施形態において、マイクロチャネル７６は、該マイクロチャネル７６が本明細書で説明したように機能するのを可能にする、限定ではないが、例えば、正方形、長方形、三角形、及び半卵形である任意の断面形状を有することができる。いくつかのマイクロチャネル７６は特定の幾何学的形状の断面を有するが、他のマイクロチャネル７６は他の幾何学的形状の断面を有することが想定されている。
例示的な実施形態において、マイクロチャネル７６は、略直線状とすること、又は略湾曲、正弦曲線、又は蛇行状とすることができる。マイクロチャネル７６は、加圧空気２４がマイクロチャネル７６を通って高温ガス流２２に対して任意の方向に流れるように向きを定めることができる。例えば、限定ではないが、加圧空気２４は、マイクロチャネル７６又はその一部を通って、高温ガス流２２に対して下流方向に流れること又は高温ガス流２２に対して上流方向に流れること、又は高温ガス流２２に対して任意の方向に流れることができる。一部の実施形態において、マイクロチャネル７６は、単一、個別のマイクロチャネルとすることができる。他の実施形態において、マイクロチャネル７６、又はマイクロチャネル７６の一部は、マイクロチャネル７６から分岐して複数のマイクロチャネル分岐を形成することができる。一部の実施形態において、マイクロチャネル７６は、高温ガス経路構成要素２６の全周囲に配置されること、又は高温ガス経路構成要素２６の周囲の一部のみに配置されることが想定されている。しかしながら、マイクロチャネル７６の各々は、全体的に他のマイクロチャネル７６と交差しないことを理解されたい。
例示的な実施形態において、調節通路９６は、気膜冷却孔９２とは反対側のマイクロチャネル７６の端部とプレナムアクセス通路９４との間に流体連通状態で延びる。図６に示すように、調節通路９６は、基材７８の外面８０の下方の距離Ｄにおいてプレナムアクセス通路９４と交差する。これは粒子収集チャンバ９８を定めるのを助ける。例示的な実施形態において、収集チャンバ９８は、ろう付けシート８６と調節通路９６の交差点との間に示されている。もしくは、収集チャンバ９８は、コーティング８４又は外面８０と調節通路９６の交差点との間に形成される。１つの実施形態において、収集チャンバ９８は、出口通路１０６を含み、堆積した微粒子１００を収集チャンバ９８から除去できるようになっている。一般に、出口通路１０６の断面積はマイクロチャネル７６の断面積よりも小さいが、出口通路１０６は、冷却システム４２が本明細書に説明したように機能できる任意のサイズである。例示的な実施形態において、調節通路９６は、約０．０２５インチ（０．６ミリメートル（ｍｍ））から約０．０３５インチ（０．９ｍｍ）の範囲の断面幅Ｂを有する。例示的な実施形態において、調節通路９６は円形であり、幅Ｂは、直径寸法を表す。別の実施形態において、調節通路９６は、調節通路９６が本明細書に説明したように機能できる、例えば、限定ではないが、正方形、長方形、三角形、又は半卵形の任意の断面形状を有することができる。いくつかの調節通路９６は特定の幾何学的形状を有するが、他の調節通路９６は他の幾何学的形状を有することが想定されている。
例示的な実施形態において、プレナムアクセス通路９４は、調節通路９６の断面幅Ｂよりも大きい断面幅Ｃを有する。詳細には、幅Ｃは、約０．０４０インチ（１．０ミリメートル（ｍｍ））から約０．０６０インチの（１．５ｍｍ）の範囲にある。例示的な実施形態において、プレナムアクセス通路９４は円形であり、幅Ｃは、直径寸法を表す。従って、例示的な実施形態において、調整孔通路９６の直径に対するプレナムアクセス通路９４の直径の比率は、約１．１４から約２．４の間である。別の実施形態において、プレナムアクセス通路９４は、該プレナムアクセス通路９４が本明細書に説明したように機能できる、例えば、限定ではないが、正方形、長方形、三角形、又は半卵形の任意の断面形状を有することができる。いくつかのプレナムアクセス通路９４は特定の幾何学的形状の断面を有するが、他のプレナムアクセス通路９４は他の幾何学的形状の断面を有することが想定されている。
前述のように、プレナムアクセス通路９４は粒子収集チャンバ９８を含む。例示的な実施形態において、粒子収集チャンバ９８は、マイクロチャネル７６及び気膜冷却孔９２が閉塞する可能性を軽減するように機能する。加圧空気２４に混合された微粒子１００は、気膜冷却孔９２及びマイクロチャネル７６が閉塞するリスクを引き起こす。このような閉塞は、マイクロチャネル７６を通る流れを低減するか、又はマイクロチャネル７６を完全に塞ぐので、冷却性能が低下して高温ガス経路構成要素２６の温度が設計限界を超えて上昇する。粒子収集チャンバ９８は、流路の幾何形状を変更することで、冷却システム４２の調節通路９６を通る微粒子１００の量を低減する手段を提供する。１つの実施形態において、収集チャンバ９８は、微粒子１００を高温ガス流２２の中に排出することができる出口通路１０６を含む。
動作中、加圧空気２４は、プレナムアクセス通路９４、調節通路９６、及びマイクロチャネル７６の圧力よりも概して高い圧力で、冷却システム４２、詳細にはプレナム８８を通過する。差圧によって、冷却システム４２の内部に閉じ込められた加圧空気２４の一部がプレナムアクセス通路９４に流入して通過し、さらにプレナムアクセス通路９４から調節通路９６及びマイクロチャネル７６に流入して通過する。プレナムアクセス通路９４は調節通路９６及びマイクロチャネル７６に対して鋭角で形成されるので、加圧空気２４及び何らかの微粒子１００は、粒子収集チャンバ９８に流入することになる。加圧空気２４が調節通路９６に向かって急旋回する際に、微粒子１００の慣性により微粒子は粒子収集チャンバ９８に運ばれ、微粒子は粒子収集チャンバ９８に収集されてより小さな断面積の調節通路９６に入るのが妨げられる。加えて、１つの実施形態において、収集チャンバ９８は、出口通路１０６を含み、収集された微粒子１００は高温ガス流２２の中に排出される。
例示的な実施形態において、プレナムアクセス通路９４は、基材７８及びコーティング８４に対する対流冷却をもたらすように構成される。例えば、限定ではないが、プレナムアクセス通路９４は、概して加圧空気２４がろう付けシート８６、基材７８、又はコーティング８４に衝突するのを可能にする角度で方向付けされるので、加圧空気２４の冷却効率が高くなる。加圧空気２４はプレナムアクセス通路９４を通過して調節通路９６及びマイクロチャネル７６に供給されるので、加圧空気２４は高温ガス経路構成要素２６の冷却を可能にする。加圧空気２４がマイクロチャネル７６を通過して基材７８のコーティング８４及び外面８０を冷却した後、加圧空気２４はマイクロチャネル７６から排出することができる。例えば、限定ではないが、１つの実施形態において、図５-６に示すように、加圧空気２４は、コーティング８４の外面１０２の付近から排出することができる。もしくは、加圧空気２４は、翼形部３６の後縁４０又は前縁３８、又は高温ガス経路構成要素２６の端壁の端部１０４（図３に示す）といった、高温ガス経路構成要素２６の端部から高温ガス流２２の経路に排出することができる。
本明細書に説明するシステム及び方法は、高い熱伝達率及び比較的均一な温度プロフィールでの高温ガス経路構成要素２６の冷却を助長する。従って、本開示の冷却システム４２は、高温ガス経路構成要素２６の寿命を延ばすことができ、さらに高温ガス経路構成要素２６を高温ガス流２２において使用することができるので、ガスタービンエンジン１０の性能及び効率が向上する。
本明細書で説明したシステム及び方法は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されない。例えば、各装置及びシステムの構成要素は、本明細書で説明される他の構成要素から独立して別個に利用することができる。例えば、システム及び方法は、他のタービンシステムとの組合せで用いることもでき、本明細書で説明したようなガスタービンエンジンとの実施のみに限定されない。むしろ例示的な実施形態は、他の多くの用途との関連で実装され利用されることができる。
本開示の種々の実施形態の特定の特徴は、幾つかの図面内に示されており他の図面内には示されてない場合もあるが、これは便宜上に過ぎない。本開示の原理に従い、ある図面の何らかの特徴が他の図面のいずれかの特徴との組合せにおいて参照され及び／又は特許請求される場合がある。
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本明細書で説明されるシステムを開示し、また、当業者が、任意のデバイス又はシステムを作成すること及び使用すること並びに任意の組み込まれた方法を行うことを含めて、本開示を実施することを可能にする。本開示の特許保護される範囲は、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、或いは、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。
様々な特定の実施形態に関して本開示を説明してきたが、請求項の精神及び範囲から逸脱することなく、種々の変更を実施することができることは、当業者であれば理解されるであろう。
１０ ガスタービンエンジン
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ タービン
１８ 回転シャフト
２０ 燃料ノズル
２２ 高温ガス流
２４ 加圧空気
２６ 高温ガス経路構成要素
２８ ステータベーン
３０ 翼形部
３２ 前縁（ステータベーン）
３４ ケーシング
３６ 翼形部
３８ 前縁（タービンブレード）
４０ 後縁（タービンブレード）
４２ 冷却システム
４４ 冷却流体供給導管
４６ ロータホイール
４８ ロータホイール組立体
５０ ダブテール
５２ プラットフォーム
５４ 正圧側面
５６ 負圧側面
５８ タング
６０ ダブテールスロット
６２ ロータホイールポスト
６４ スロットタング
６６ 根元部
６８ 切り欠き
７０ 前方端壁
７２ 後方端壁
７４ 入口開口部
７６ マイクロチャネル
７８ 基材
８０ 外面
８２ 内面
８４ コーティング
８６ ろう付けシート
８８ 少なくとも１つのプレナム
９０ 冷却通路
９２ 気膜冷却孔
９４ プレナムアクセス通路
９６ 調節通路
９８ 収集チャンバ
１００ 微粒子
１０２ 外面
１０４ 端壁の端部
１０６ 出口通路
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ タービン
１８ 回転シャフト
２０ 燃料ノズル
２２ 高温ガス流
２４ 加圧空気
２６ 高温ガス経路構成要素
２８ ステータベーン
３０ 翼形部
３２ 前縁（ステータベーン）
３４ ケーシング
３６ 翼形部
３８ 前縁（タービンブレード）
４０ 後縁（タービンブレード）
４２ 冷却システム
４４ 冷却流体供給導管
４６ ロータホイール
４８ ロータホイール組立体
５０ ダブテール
５２ プラットフォーム
５４ 正圧側面
５６ 負圧側面
５８ タング
６０ ダブテールスロット
６２ ロータホイールポスト
６４ スロットタング
６６ 根元部
６８ 切り欠き
７０ 前方端壁
７２ 後方端壁
７４ 入口開口部
７６ マイクロチャネル
７８ 基材
８０ 外面
８２ 内面
８４ コーティング
８６ ろう付けシート
８８ 少なくとも１つのプレナム
９０ 冷却通路
９２ 気膜冷却孔
９４ プレナムアクセス通路
９６ 調節通路
９８ 収集チャンバ
１００ 微粒子
１０２ 外面
１０４ 端壁の端部
１０６ 出口通路
Claims (20)
- 外面（８０）と、少なくとも１つの内部空間を定める内面（８２）とを含む基材（７８）と、
前記基材の前記外面と前記内面との間に形成された通路（７６）と、
前記基材に形成され、前記外面から前記少なくとも１つの内部空間に延び、前記通路に対して第１の鋭角で形成され、粒子収集チャンバ（９８）を含む、アクセス通路（９４）と、
を備える高温ガス経路構成要素（２６）用の冷却システム（４２）であって、
前記アクセス通路は、冷却流体（２４）を前記通路に送るように構成され、
前記通路は、その内部を通して前記冷却流体を送り、前記基材を冷却するように構成される、冷却システム。 - 前記通路と前記アクセス通路との間に延びる調節通路（９６）をさらに備える、請求項１に記載の冷却システム。
- 前記調節通路は、前記アクセス通路に対して第２の鋭角で形成され、前記第１の鋭角は、前記第２の鋭角よりも大きい、請求項２に記載の冷却システム。
- 前記調節通路は、前記基材の前記外面の下方の所定の距離においてアクセス通路と交差する、請求項２に記載の冷却システム。
- 前記粒子収集チャンバは、前記基材の前記外面と、前記調節通路の前記交差点との間に定められる、請求項４に記載の冷却システム。
- 前記調節通路は、第１の直径で構成され、前記アクセス通路は、前記第１の直径よりも大きな第２の直径で構成される、請求項２に記載の冷却システム。
- 前記第１の直径に対する前記第２の直径の比率は、１．１４から２．４の間である、請求項６に記載の冷却システム。
- 前記調節通路は、約０．０２５インチ（０．６ｍｍ）から約０．０３５インチ（０．９ｍｍ）の直径を有する円形断面を備える、請求項６に記載の冷却システム。
- 前記アクセス通路は、約０．０４０インチ（１．０ｍｍ）から約０．０６０インチ（１．５ｍｍ）の間の直径を有する円形断面を備える、請求項６に記載の冷却システム。
- 前記粒子収集チャンバに流体連通結合する出口通路（１０６）をさらに備える、請求項１に記載の冷却システム。
- 圧縮機（１２）と、
前記圧縮機に結合したタービン（１６）と、
前記圧縮機と前記タービンのうちの少なくとも一方に配置された高温ガス経路構成要素（２６）と、
を備えるガスタービンエンジン（１０）であって、
前記高温ガス経路構成要素は、
外面（８０）と、少なくとも１つの内部空間を定める内面（８２）とを含む基材（７８）と、
前記基材の前記外面と前記内面との間に形成された通路（７６）と、
前記基材に形成され、前記外面から前記少なくとも１つの内部空間に延び、前記通路に対して第１の鋭角で形成され、粒子収集チャンバ（９８）を含む、アクセス通路（９４）と、
を備え、
前記アクセス通路は、冷却流体（２４）を前記通路に送るように構成され、
前記通路は、その内部を通して前記冷却流体を送り、前記基材を冷却するように構成される、ガスタービンエンジン。 - 冷却流体供給導管（４４）を含むケーシング（３４）をさらに備える、請求項１１に記載のガスタービンエンジン。
- 前記冷却流体供給導管は、前記少なくとも１つの内部空間に流体連通結合する、請求項１２に記載のガスタービンエンジン。
- 前記高温ガス経路構成要素は、前記基材の前記外面の少なくとも一部に沿って配置されたコーティングをさらに備える、請求項１１に記載のガスタービンエンジン。
- 前記コーティングを貫通して形成され、かつ前記粒子収集チャンバに流体連通結合する出口通路（１０６）をさらに備える、請求項１４に記載のガスタービンエンジン。
- 前記通路と前記アクセス通路との間に延びる調節通路（９６）をさらに備える、請求項１１に記載のガスタービンエンジン。
- 前記調節通路は、前記アクセス通路に対して第２の鋭角で形成され、前記第１の鋭角は、前記第２の鋭角よりも大きい、請求項１６に記載のガスタービンエンジン。
- 前記調節通路は、前記基材の前記外面の下方の所定の距離においてアクセス通路と交差する、請求項１６に記載のガスタービンエンジン。
- 前記粒子収集チャンバは、前記基材の前記外面と、前記調節通路の前記交差点との間に定められる、請求項１６に記載のガスタービンエンジン。
- 前記調節通路は、第１の直径で構成され、前記アクセス通路は、前記第１の直径よりも大きな第２の直径で構成される、請求項１６に記載のガスタービンエンジン。
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