JP6967844B2 - タービン部品の温度調整のための物品及びマニホルド - Google Patents

Description

本発明は、タービン部品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変更構造を含む、タービン部品の熱調整のための物品及びマニホルドに関する。

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温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、作動温度の上昇及び高温ガス経路の圧力の上昇を始めとする技術の進歩によってさらに過酷になる。そのため、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ポストインピンジメントキャビティに流入し、次いで、ノズルの外壁の開口を通ってポストインピンジメント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。

しかしながら、ポストインピンジメントキャビティにおけるクロスフロー及び最適化されていない流路は、ポストインピンジメント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、このポストインピンジメントキャビティにおけるクロスフロー及び最適化されていない流路の問題を持続又はさらに悪化させる。

米国特許第７，０５２，２３３号明細書

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、ポストインピンジメント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、１以上のインピンジメント開口とを画成する。プレナムは、プレナム表面を含み、１以上のインピンジメント開口は、プレナムと吸気開口にて境界を接する。物品壁は、１以上の外部開口を含む。ポストインピンジメントキャビティは、マニホルドと物品壁との間に配置され、該ポストインピンジメントキャビティは、流体をプレナムから１以上のインピンジメント開口を通して受けて、該流体が１以上の外部開口を通過するように構成されている。１以上のインピンジメント開口は、流れ変更構造を含み、１以上のインピンジメント開口及び流れ変更構造は排気開口を画成する。

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、１以上のインピンジメント開口とを画成する。プレナムは、プレナム表面を含み、１以上のインピンジメント開口は、プレナムと吸気開口にて境界を接する。１以上のインピンジメント開口は、流れ変更構造を含み、１以上のインピンジメント開口と流れ変更構造とは、排気開口を画成する。マニホルドは、流体をプレナムから吸気開口に流入させ、１以上のインピンジメント開口を通して排気開口から流出させるよう構成される。

別の例示的な実施形態において、タービン部品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、１以上のインピンジメント開口とを画成する。１以上のインピンジメント開口は、流れ変更構造を含む。本方法はさらに、流体の流れを１以上のインピンジメント開口を通して分散させるステップと、流れ変更構造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。流れ変更構造による流体の流れの変更により、流れ変更構造によって妨げられない同じ流れと比べて、流体とタービン部品の一部との熱接触が増大する。

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。

本開示の実施形態に係る物品の断面図。 本開示の実施形態に係る図１の物品の切り欠き斜視図。 本開示の実施形態に係る図１の方向３−３から見た１以上のインピンジメント開口の断面図。 本開示の実施形態に係る図２の領域４の拡大図。 本開示の実施形態に係る図２の領域５の拡大図。 本開示の実施形態に係る図２の領域６の拡大図。 本開示の実施形態に係る図２の領域７の拡大図。 本開示の実施形態に係る図２の領域８の拡大図。 本開示の実施形態に係る図２の領域９の拡大図。 本開示の実施形態に係る図２の領域１０の拡大斜視図。 本開示の実施形態に係る図２の領域１１の拡大斜視図。

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。

例示的な物品、翼形部部品、並びに物品及び翼形部部品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。

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ポストインピンジメントキャビティ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、１以上のインピンジメント開口１１２とを画成する。物品壁１０４は、１以上の外部開口１１４を含む。プレナム１１０は、プレナム表面１１６を含む。ポストインピンジメントキャビティ１０６は、プレナム１１０から１以上のインピンジメント開口１１２を通して流体１１８を受けて、該流体１１８を１以上の外部開口１１４に通過させるように構成される。

別の実施形態において、物品１００は、タービン部品１２０である。タービン部品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）又はこれらの組合せを含む、任意の好適な部品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合せを含む、任意の好適なマニホルドとすることができる。

図３を参照すると、１つの実施形態において、１以上のインピンジメント開口１１２は、プレナム１１０と吸気開口３００にて境界を接する。１以上のインピンジメント開口１１２は、流れ変更構造３０２を含む。１以上のインピンジメント開口１１２及び流れ変更構造３０２は、排気開口３０４を画成する。排気開口３０４は、任意の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から吸気開口３００に流入させ、１以上のインピンジメント開口１１２を通して排気開口３０４から流出させるよう構成される。

１つの実施形態において、吸気開口３００は、プレナム１１０にて吸気面積３０６を含み、排気開口３０４は、ポストインピンジメントキャビティ１０６にて１以上の排気面積３１２を含む。１以上の排気面積３１２は、ポストインピンジメントキャビティ１０６での１以上のインピンジメント開口１１２のインピンジメント面積３０８と、ポストインピンジメントキャビティ１０６での流れ変更構造面積３１０との間では差異が存在する。別の実施形態において、１以上の排気面積３１２は、吸気面積３０６の約１０％〜約５００％又は吸気面積３０６の約１０％〜約１００％又は吸気面積３０６の約５０％〜約１５０％又は吸気面積３０６の約１００％〜約２００％又は吸気面積３０６の約１５０％〜約２５０％又は吸気面積３０６の約２００％〜約３００％又は吸気面積３０６の約２５０％〜約３５０％又は吸気面積３０６の約３００％〜約４００％又は吸気面積３０６の約３５０％〜約４５０％又は吸気面積３０６の約４００％〜約５００％である。

別の実施形態において、１以上のインピンジメント開口１１２は、プレナム表面１１６に対するインピンジメント角３１４を画成する。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、任意の好適な角度とすることができる。排気開口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度の偏向角３１６だけインピンジメント角から偏向することができる。本明細書で使用される用語「偏向角３１６」は、排気開口３０４の全体にわたって必ずしも一定ではなく、排気開口３０４の周りで変化することができるパラメータである。

図４を参照すると、１つの実施形態において、排気開口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合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、環状の排気開口３０４は、１以上のインピンジメント開口１１２及び流れ変更構造３０２のうちの１以上が多角形構造を有する。図７を参照すると、さらに別の実施形態では、環状排気開口３０４は、１以上のインピンジメント開口１１２及び流れ変更構造３０２のうちの１以上が不規則な幾何形状を有する。

図８を参照すると、１つの実施形態において、流れ変更構造３０２は、複数の流れ分配開口８００を含む。

図９を参照すると、１つの実施形態において、流れ変更構造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、１以上のベーン９０２を含む。図１０を参照すると、さらに別の実施形態において、１以上のベーンは、捻れ構造を含むことができる。

図１１を参照すると、１つの実施形態において、流れ変更構造３０２は、方向性ノズル１１００を含む。方向性ノズル１１００は、流体１１８の流れを任意の好適な方向でポストインピンジメントキャビティ１０６内に配向することができる。

１つの実施形態において、限定ではないがタービン部品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１以上のインピンジメント開口１１２とを画成し、該１以上のインピンジメント開口１１２は、流れ変更構造３０２を含む。流体１１８は、プレナム１１０から１以上のインピンジメント開口１１２を通して分散される。１以上のインピンジメント開口１１２における流体１１８の流れは、流れ変更構造３０２との相互作用によって変更される。流れ変更構造３０２によって変えられた流体の流れの変更により、流れ変更構造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。

流れ変更構造３０２は、限定ではないが、付加製造技法、鋳造又はこれらの組合せを含む、任意の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合せを含む、任意の好適な方法を含むことができる。

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。

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であって、上記インピンジメントプレートが、プレナム及び１以上のインピンジメント開口を画成し、上記プレナムがプレナム表面を有し、上記１以上のインピンジメント開口が、上記プレナムと吸気開口にて境界を接する、マニホルドと、
１以上の外部開口を含む物品壁と、
上記マニホルドと上記物品壁との間に配置されるポストインピンジメントキャビティであって、上記プレナムから上記１以上のインピンジメント開口を通して流体を受けて、該流体が上記１以上の外部開口を通過するように構成されたポストインピンジメントキャビティと
を備えており、上記１以上のインピンジメント開口が流れ変更構造を含んでおり、上記インピンジメント開口及び上記流れ変更構造が排気開口を画成する、物品。
［実施態様２］
上記吸気開口が吸気面積を含み、上記排気開口が１以上の排気面積を含み、上記１以上の排気面積が上記吸気面積の約１０％〜約５００％である、実施態様１に記載の物品。
［実施態様３］
上記１以上のインピンジメント開口が、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画成する、実施態様１に記載の物品。
［実施態様４］
上記排気開口が、上記インピンジメント角から最大で約６０度の偏向角で偏向する、実施態様３に記載の物品。
［実施態様５］
上記排気開口が環状である、実施態様１に記載の物品。
［実施態様６］
上記が流れ変更構造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、１以上のベーンを含む、実施態様６に記載の物品。
［実施態様８］
上記１以上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］
上記流れ変更構造が、複数の流れ分配開口を含む、実施態様１に記載の物品。
［実施態様１０］
上記流れ変更構造が、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合せからなる群から選択されるタービン部品である、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１以上のインピンジメント開口を画成す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１以上のインピンジメント開口が、上記プレナムと吸気開口にて境界を接し、上記１以上のインピンジメント開口が、流れ変更構造を含み、上記インピンジメント開口及び上記流れ変更構造が排気開口を画成し、
上記マニホルドが、流体を上記プレナムから上記吸気開口に流入させ、上記１以上のインピンジメント開口を通して上記排気開口から流出させるよう構成される、マニホルド。
［実施態様１３］
上記吸気開口が吸気面積を含み、上記排気開口が、１以上の排気面積を含み、上記１以上の排気面積が、上記吸気面積の約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１以上のインピンジメント開口が、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画成する、実施態様１２に記載のマニホルド。
［実施態様１５］
上記排気開口が、上記インピンジメント角から最大で約６０度の偏向角で偏向する、実施態様１４に記載のマニホルド。
［実施態様１６］
上記排気開口が環状である、実施態様１２に記載のマニホルド。
［実施態様１７］
上記流れ変更構造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］
上記流れ変更構造が、複数の流れ分配開口を含む、実施態様１２に記載のマニホルド。
［実施態様１９］
上記流れ変更構造が、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合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。

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 インピンジメント開口
１１６ プレナム表面
３００ 吸気開口

Claims (9)

1. 物品（１００）であって、当該物品（１００）が、
   インピンジメントプレート（１０８）を含むマニホルド（１０２）であって、前記インピンジメントプレート（１０８）がプレナム（１１０）及び１以上のインピンジメント開口（１１２）を画成し、前記プレナム（１１０）がプレナム表面（１１６）を有し、前記１以上のインピンジメント開口（１１２）が、前記プレナム（１１０）と吸気開口（３００）にて境界を接する、マニホルド（１０２）と、
   １以上の外部開口（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ポストインピンジメントキャビティ（１０６）であって、前記プレナム（１１０）から前記１以上のインピンジメント開口（１１２）を通して流体（１１８）を受けて、該流体（１１８）が前記１以上の外部開口（１１４）を通過するように構成されたポストインピンジメントキャビティ（１０６）と
   を備えており、前記１以上のインピンジメント開口（１１２）が、前記インピンジメントプレート（１０８）と接続した流れ変更構造（３０２）と、排気開口（３０４）とを含んでおり、前記排気開口（３０４）が前記１以上のインピンジメント開口（１１２）及び前記流れ変更構造（３０２）によって画成され、前記排気開口（３０４）が環状である、物品（１００）。
2. 前記吸気開口（３００）が吸気面積（３０６）を含み、前記排気開口（３０４）が１以上の排気面積（３１２）を含み、前記１以上の排気面積（３１２）が前記吸気面積（３０６）の１０％〜５００％である、請求項１に記載の物品（１００）。
3. 前記１以上のインピンジメント開口（１１２）が、前記プレナム表面（１１６）に対して３０度〜９０度のインピンジメント角（３１４）を画成する、請求項１又は請求項２に記載の物品（１００）。
4. 前記排気開口（３０４）が、前記インピンジメント角（３１４）から最大６０度の偏向角（３１６）で偏向する、請求項３に記載の物品（１００）。
5. 前記流れ変更構造（３０２）がタービュレータ（９００）を含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の物品（１００）。
6. 前記タービュレータ（９００）が１以上のベーン（９０２）を含む、請求項５に記載の物品（１００）。
7. 前記１以上のベーン（９０２）が捻れ構造を含む、請求項６に記載の物品（１００）。
8. 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合せからなる群から選択されるタービン部品（１２０）である、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の物品（１００）。
9. 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１以上のインピンジメント開口（１１２）を画成するマニホルド（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１以上のインピンジメント開口（１１２）が、前記プレナム（１１０）と吸気開口（３００）にて境界を接し、
   前記１以上のインピンジメント開口（１１２）が、前記インピンジメントプレート（１０８）と接続した流れ変更構造（３０２）と、排気開口（３０４）とを含み、
   前記排気開口（３０４）が前記１以上のインピンジメント開口（１１２）及び前記流れ変更構造（３０２）によって画成され、前記排気開口（３０４）が環状であり、
   前記マニホルド（１０２）が、流体（１１８）を前記プレナム（１１０）から、前記吸気開口（３００）に流入させ、前記１以上のインピンジメント開口（１１２）を通して前記排気開口（３０４）から流出させるよう構成される、マニホルド（１０２）。

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