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技術 固定ブレード用の冷却構造体

出願人 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
発明者 クリストファー・ドナルド・ポータークリストファー・リー・ゴールデン
出願日 2016年7月8日 (5年1ヶ月経過) 出願番号 2016-135587
公開日 2017年2月2日 (4年7ヶ月経過) 公開番号 2017-025910
状態 特許登録済
技術分野 タービンロータ・ノズル・シール ガスタービン、高圧・高速燃焼室
主要キーワード 外側端壁 部分構成要素 外部構造体 下流側チャンバ 作動構成要素 初期接触点 内側端壁 後方チャンバ
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (8)

課題

冷却空気の全体量を低減する。

解決手段

固定ブレード用の冷却構造体は、冷却回路(216)を有する翼形部(150)と、翼形部(150)の半径方向端部に結合された端壁(204,205)と、冷却回路(216)から冷却流体を受け取る、端壁(204,205)内のチャンバ(218)とを備え、冷却流体は、端壁(204,205)から熱を吸収し、上流側領域(222)の冷却流体の温度は、下流側領域(224)の冷却流体の温度よりも低く、冷却構造体が更に、端壁(204,205)内で、チャンバ(218)の上流側領域(222)を端壁(204,205)とタービンホイール(122)との間に位置付けられたホイールスペース(208)に流体接続する第1の通路(226)と、端壁(204,205)内で、チャンバ(218)の下流側領域(224)をホイールスペース(208)に流体接続する第2の通路(228)とを備える。

概要

背景

固定ブレードは、タービン用途において、高温ガス流可動ブレード動翼)に配向して動力を発生させるのに使用される。蒸気及びガスタービン用途において、固定ブレード(静翼)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装着される。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、ターボ機械作動構成要素から熱を吸収する冷却流体循環させるための通路又は他の特徴要素を含むことができる。

過酷な温度設定にて作動するために、翼形部及び端壁を冷却する必要がある。例えば、一部の設定において、冷却流体は、冷却のためホイールスペースから引き込まれて固定ブレードの内部端壁に配向される。対照的に、多くのガスタービン用途において、後段のノズルには、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)を送給することができる。直径方向外側の端壁は、冷却流体を直接受け取ることができるが、直径方向内側の端壁は、直径方向外側から翼形部を通じて配向された後に冷却流体を受け取ることができる。冷却効果に加えて、固定ブレード及びその構成要素の構造体は、製造容易性検査の容易さ、及びターボ機械の耐久性などの他の要因に影響を及ぼす可能性がある。

概要

冷却空気の全体量を低減する。固定ブレード用の冷却構造体は、冷却回路(216)を有する翼形部(150)と、翼形部(150)の半径方向端部に結合された端壁(204,205)と、冷却回路(216)から冷却流体を受け取る、端壁(204,205)内のチャンバ(218)とを備え、冷却流体は、端壁(204,205)から熱を吸収し、上流側領域(222)の冷却流体の温度は、下流側領域(224)の冷却流体の温度よりも低く、冷却構造体が更に、端壁(204,205)内で、チャンバ(218)の上流側領域(222)を端壁(204,205)とタービンホイール(122)との間に位置付けられたホイールスペース(208)に流体接続する第1の通路(226)と、端壁(204,205)内で、チャンバ(218)の下流側領域(224)をホイールスペース(208)に流体接続する第2の通路(228)とを備える。

目的

例えば、本開示の実施形態は、翼形部の半径方向端部に位置する端壁内に位置付けられるチャンバを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

固定ブレード(200)用の冷却構造体であって、冷却回路(216)を有する翼形部(150)と、ターボ機械(100)の回転軸に対して前記翼形部(150)の半径方向端部に結合された端壁(204,205)と、前記冷却回路(216)から冷却流体を受け取るため前記端壁(204,205)内に位置付けられ、上流側領域(222)及び下流側領域(224)を含むチャンバ(218)と、を備え、前記冷却流体は、前記端壁(204,205)から熱を吸収し、前記上流側領域(222)における前記冷却流体の温度は、前記下流側領域(224)における前記冷却流体の温度よりも低く、前記冷却構造体が更に、前記端壁(204,205)内において、前記チャンバ(218)の上流側領域(222)を前記端壁(204,205)とタービンホイール(122)との間に位置付けられたホイールスペース(208)に流体接続し、前記上流側領域(222)における前記冷却流体の第1の部分が通過する第1の通路(226)と、前記端壁(204,205)内において、前記チャンバ(218)の下流側領域(224)を前記ホイールスペース(208)に流体接続する第2の通路(228)と、を備え、前記下流側領域(224)における前記冷却流体の第2の部分が前記第2の通路(228)を通過し、前記冷却流体の残りの部分は、前記ホイールスペース(208)に流入することなく前記第1の通路(226)及び前記第2の通路(228)をバイパスする、冷却構造体。

請求項2

前記端壁(204,205)から前記冷却流体に熱を伝達するため前記チャンバ(218)内に熱伝導性固定具(230)を更に備える、請求項1に記載の冷却構造体。

請求項3

前記第1の通路(226)が、前記熱伝導性固定具(230)の上流側に位置付けられ、前記第2の通路(228)が、前記熱伝導性固定具(230)の下流側に位置付けられる、請求項2に記載の冷却構造体。

請求項4

前記第1の通路(226)が、前記チャンバ(218)の上流側領域(222)を前記ホイールスペース(208)の第1の位置に流体接続し、前記第2の通路(228)が、前記チャンバ(218)の下流側領域(224)を前記ホイールスペース(208)の第2の位置に流体接続する、請求項1に記載の冷却構造体。

請求項5

前記チャンバ(218)の上流側領域(222)が、前記翼形部(150)の前縁(152)に近接して位置付けられ、前記チャンバ(218)の下流側領域(224)が、前記翼形部(150)の後縁(154)に近接して位置付けられる、請求項1に記載の冷却構造体。

請求項6

前記チャンバ(218)が更に、前記端壁(204,205)内に位置付けられた前方チャンバ(218A)及び後方チャンバ(218B)を含み、前記前方チャンバ(218A)が、前記翼形部(150)の前縁(152)に近接して位置付けられ、前記後方チャンバ(218B)が、前記翼形部(150)の後縁(154)に近接して位置付けられ、前記上流側領域(222)が前記前方チャンバ(218A)内に位置付けられ、前記下流側領域(224)が前記後方チャンバ(218B)内に位置付けられる、請求項1に記載の冷却構造体。

請求項7

前記チャンバ(218)を前記ホイールスペース(208)に流体接続する第3の通路を更に備え、前記第3の通路における冷却流体の温度は、前記チャンバ(218)の上流側領域(222)における冷却流体の温度及び前記チャンバ(218)の下流側領域(224)における冷却流体の温度とは異なる、請求項1に記載の冷却構造体。

請求項8

前記翼形部(150)が、前記端壁(204,205)から延びる複数の翼形部(150)を含み、前記翼形部(150)のうちの1つが、前記チャンバ(218)と流体連通した前記冷却回路(216)を含む、請求項1に記載の冷却構造体。

技術分野

0001

本開示は、全体的に、固定ブレードに関し、より詳細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、高温ガス流可動ブレード動翼)に配向して動力を発生させるのに使用される。蒸気及びガスタービン用途において、固定ブレード(静翼)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装着される。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、ターボ機械作動構成要素から熱を吸収する冷却流体循環させるための通路又は他の特徴要素を含むことができる。

0003

過酷な温度設定にて作動するために、翼形部及び端壁を冷却する必要がある。例えば、一部の設定において、冷却流体は、冷却のためホイールスペースから引き込まれて固定ブレードの内部端壁に配向される。対照的に、多くのガスタービン用途において、後段のノズルには、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)を送給することができる。直径方向外側の端壁は、冷却流体を直接受け取ることができるが、直径方向内側の端壁は、直径方向外側から翼形部を通じて配向された後に冷却流体を受け取ることができる。冷却効果に加えて、固定ブレード及びその構成要素の構造体は、製造容易性検査の容易さ、及びターボ機械の耐久性などの他の要因に影響を及ぼす可能性がある。

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、該冷却構造体が、冷却回路を有する翼形部と、ターボ機械の回転軸に対して翼形部の半径方向端部に結合された端壁と、冷却回路から冷却流体を受け取るため端壁内に位置付けられ、上流側領域及び下流側領域を含むチャンバと、を備え、冷却流体は、端壁から熱を吸収し、上流側領域における冷却流体の温度は、下流側領域における冷却流体の温度よりも低く、冷却構造体が更に、端壁内において、チャンバの上流側領域を端壁とタービンホイールとの間に位置付けられたホイールスペースに流体接続し、上流側領域における冷却流体の第1の部分が通過する第1の通路と、端壁内において、チャンバの下流側領域をホイールスペースに流体接続する第2の通路と、を備え、下流側領域における冷却流体の第2の部分が第2の通路を通過し、冷却流体の残りの部分は、ホイールスペースに流入することなく第1の通路及び第2の通路をバイパスする。

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、該冷却構造体が、冷却回路を有する翼形部と、ターボ機械の回転軸に対して翼形部の半径方向端部に結合された端壁と、冷却流体を受け取るため端壁内に位置付けられ、上流側領域及び下流側領域を含むチャンバと、を備え、冷却流体は、端壁から熱を吸収し、上流側領域における冷却流体の温度は、下流側領域における冷却流体の温度よりも低く、冷却構造体が更に、端壁内において、チャンバの上流側領域を端壁とタービンシュラウドとの間に位置付けられたシュラウドスペースに流体接続し、上流側領域における冷却流体の第1の部分が通過する第1の通路と、端壁内において、チャンバの下流側領域をシュラウドスペースに流体接続する第2の通路と、を備え、下流側領域における冷却流体の第2の部分が第2の通路を通過し、冷却流体の残りの部分は、翼形部の冷却回路に流入することなく第1の通路及び第2の通路をバイパスする。

0006

本開示の第3の態様は、固定ブレードを提供し、該固定ブレードは、冷却回路を有する翼形部と、ターボ機械の回転軸に対して翼形部の半径方向端部に結合された第1の端壁と、冷却流体を受け取るため端壁内に位置付けられ、冷却回路と流体連通している第1のチャンバと、を備え、該冷却流体が端壁から熱を吸収し、冷却流体の温度が第1のチャンバ内で上昇し、固定ブレードが更に、第1の端壁内で、第1の端壁とタービンシュラウドとの間に位置付けられたシュラウドスペースに第1のチャンバを流体接続する複数のシュラウド通路を備え、複数のシュラウド通路のうちの少なくとも1つにおける冷却流体の温度が、複数のシュラウド通路のうちの別の通路における冷却流体の温度よりも低く、冷却流体の残りの部分は、複数のシュラウド通路の各々をバイパスして翼形部の冷却回路に流入し、固定ブレードが更に、翼形部の対向する半径方向端部に結合された第2の端壁と、翼形部の冷却回路から冷却流体を受け取るため第2の端壁内に位置付けられる第2のチャンバと、を備え、冷却流体は、第2の端部から熱を吸収して、第2のチャンバ内を通過したときに冷却流体の温度が上昇するようになり、固定ブレードが更に、第2の端壁において、該第2の端壁とタービンホイールとの間に位置付けられたホイールスペースに第2のチャンバを流体接続する複数のホイール通路を備え、複数のホイール通路のうちの少なくとも1つにおける冷却流体の温度が、複数のホイール通路のうちの別の通路における冷却流体の温度よりも低い。

0007

本発明のこれら及び他の特徴は、本発明の種々の実施形態を描い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より容易に理解されるであろう。

0008

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。

図面の簡単な説明

0009

従来のターボ機械の概略図。
本開示の実施形態による2つのタービンロータブレード間に位置付けられた翼形部の断面図。
ターボ機械のタービンセクションにおける翼形部、端壁のペア、ホイール、及びシュラウドの断面図。
本開示の実施形態による固定ブレードのための冷却構造体の部分斜視図。
本開示の実施形態による冷却構造体のチャンバに接続された通路を有するホイール又はシュラウドスペースの別の断面図。
本開示の実施形態による冷却構造体内の熱伝導性固定具の拡大断面図。
本開示の実施形態による固定ブレードのための冷却構造体における例示的なチャンバの断面図。

実施例

0010

本開示の実施形態は、全体的に、固定ブレード用の冷却構造体に関する。詳細には、本開示の実施形態は、タービンシステムの固定ブレードとシュラウド及び/又は固定ブレードとホイールとの間で半径方向に位置付けられるスペースの冷却及び加圧制御(「調整」としても知られる)を可能にする。例えば、本開示の実施形態は、翼形部の半径方向端部に位置する端壁内に位置付けられるチャンバを提供する。チャンバは、端壁を通って延びて、チャンバをホイールスペース又はシュラウドスペースに接続する2又はそれ以上の通路を含むことができる。チャンバにおける冷却流体の一部は、通路を通って流れ、ホイール又はシュラウドスペースを更に冷却することができる。

0011

本明細書で議論するように、本発明の態様は、全体的に、固定ブレード用の冷却構造体に関する。詳細には、本開示の実施形態は、2つの端壁の間でターボ機械のロータ軸に対して実質的に半径方向に位置付けられた翼形部を含むことができる。各端壁は、ターボ機械のシュラウド又はホイールから翼形部を離隔することができる。翼形部は、端壁内に位置付けられたチャンバと流体連通した冷却回路を含むことができる。冷却流体は、チャンバを通って、翼形部の冷却回路に流入する(例えば、半径方向外側端壁内に位置付けられるチャンバに向けて)か、又は翼形部の冷却回路から流出(例えば、半径方向内側端壁内に位置付けられるチャンバに向けて)することができる。チャンバは、ターボ機械のホイールスペース又はシュラウドスペースにチャンバの上流側領域を接続する第1の通路を含むことができる。第1の通路をバイパスする冷却流体の一部は、チャンバの下流側領域をホイールスペース又はシュラウドスペースに接続する第2の通路に到達する前に、例えば、チャンバ内の周囲壁及び/又は熱伝導性特徴要素を通じて端壁から熱エネルギーを吸収することができる。冷却流体の異なる部分は、第2の通路に流入し、ホイール又はシュラウドスペースに冷却を提供し、該第2の通路が、第1の通路を通過する冷却流体とは異なる温度及び圧力を有する冷却流体を提供するようになる。冷却流体の残りの部分は、第1の通路及び第2の通路をバイパスし、冷却を必要とする他の下流側チャンバ及び/又は構成要素に到達することができる。

0012

「内側」、「外側」、「真下」、「下方」、「下側」、「上方」、「上側」、「入口」、「出口」及び同様のものなどの空間的関係を示す用語は、説明を容易にするために、図に例示されたある要素又は特徴要素と別の1又は複数の要素又は特徴要素との関係を記述するのに用いることができる。空間的な相対用語は、図面で描かれた向きに加えて、装置の使用時又は作動時の様々な向きを包含することを意図することができる。例えば、図の装置が上下逆にされた場合には、他の要素又は特徴要素の「下方」又は「真下」として記述された要素は、他の要素又は特徴要素の「上方」に向けられることになる。従って、例示の「下方」という用語は、上方と下方の向きの両方を包含することができる。装置は、他の向き(90度又は他の向きに回転)にすることができ、本明細書で記述される空間的な相対記述は、これに応じて解釈することができる。

0013

上記で示されるように、本開示は、ターボ機械の固定ブレードのため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、端壁内に位置付けられたチャンバから固定ブレードとターボ機械のシュラウド又はホイールの何れかとの間のスペースに冷却空気を送ることができる。図1は、共用圧縮機/タービンシャフト106を通ってタービン部分104に動作可能に結合された圧縮機部分102を含むターボ機械100を示している。圧縮機部分102はまた、燃焼器組立体108を通じてタービン部分104に流体接続される。圧縮機組立体108は、1又はそれ以上の燃焼器110を含む。燃焼器110は、限定ではないが、アニュラ型アレイで配列されることを含む、広範囲の構成でターボ機械100に装着することができる。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、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を含み、該第1段圧縮機ロータブレード116は各々、関連の翼形部部分118を有する。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を備えた複数のタービンホイール120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、例えばタービンセクション104に配置される端壁及び翼形部に冷却を提供することができる。しかしながら、本明細書で記載される固定ブレード200及び種々の冷却構造体の実施形態は、ターボ機械100の他の構成要素に位置付けることができることは理解されるであろう。

0014

図2を参照すると、流体を作動させるための流路130を有する翼形部150の断面図が示される。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、更に、本明細書で記載される構成要素及び/又は基準点を含むことができる。図2に規定され且つ本明細書で議論される翼形部150上の位置は、実施例として提供され、本開示の実施形態による翼形部150の実施可能な位置及び/又は幾何形状を限定することを意図するものではない。様々な部分構成要素の配置、配列、及び配向は、本開示による冷却構造体が使用される発電ステムの目的とする用途及びタイプに基づいて変えることができる。翼形部150の形状、曲率、長さ、及び/又は他の幾何学的特徴はまた、特定のターボ機械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などの発電システムの連続するタービンロータブレード124(図1)の間に位置付けることができる。

0015

翼形部150は、作動流体のための流路において、1つのタービンロータブレード124(図1)の下流側で且つ別の後続のタービンロータブレード124(図1)の上流側に位置付けることができる。流体は、1つのタービンロータブレード124(図1)から別のタービンロータブレード124に移動している間に、例えば、経路Fに沿って翼形部150にわたって流れることができる。翼形部150の前縁152は、流路130中の作動流体と翼形部150と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の対向する側部に位置付けることができる。加えて、翼形部150は、前縁152を実質的に二分し且つ後縁154の頂点まで延びる横断線により区別される正圧側面15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内の流体の翼形部150に対して結果として加えられる圧力が正であるか又は負であるかに基づいて、互いに区別することができる。負圧側面158及び後縁154に隣接して位置付けられる流路130の一部は、翼形部150の他の面に対してこの区域高速流動する流体に基づいて、翼形部150の「高マッハ領域」として知られ且つ呼ばれる場合がある。

0016

図3に移ると、タービン部分104内に位置付けられた固定ブレード200を通過する流路130の断面図が示される。作動流体(例えば、高温燃焼ガス、蒸気、その他)は、流路130を通って(例えば、流れラインFに沿って)流れて、固定ブレード200の位置及び輪郭により配向される別のタービンロータブレード124に到達することができる。タービン部分104は、タービンホイール122のロータ軸Zに沿って(例えば、シャフト106(図1)と同軸に)延びるように図示され、半径方向軸Rは、そこから外向きに延びている。固定ブレード200は、実質的に半径方向軸Rに沿って配向された(すなわち、半径方向軸Rと平行の方向又は最大でも約10度の方向で延びる)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が図示されているが、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、例えば、紙面の平面の内外に横方向に延びることができることは理解される。固定ブレード200の翼形部150は、2つの端壁204,205を含むことができる。1つの端壁204は、タービンダイアフラム206上に位置付けられた翼形部150の内側半径方向端部に結合することができ、別の端壁205は、翼形部150の対向する外側半径方向端部に結合することができる。

0017

半径方向内側端部204は、間にスペースを設けることによってタービンホイール122又はダイアフラム206から離隔することができる。具体的には、端壁204とタービンホイール122との間のスペースは、「タービンホイールスペース」として知られ、端壁204とダイアフラム206との間のスペースは、「ダイアフラムスペース」として知られている。これらのスペース領域は、本明細書では総称してホイールスペース208と呼ばれており、両方のスペース領域の一方又は両方(すなわち、端壁204とタービンホイール122との間のスペース、又は端壁204とダイアフラム206との間のスペース)を指すことができる。詳細には、ホイールスペース208は、例えば、ほぼ端壁204の位置からダイアフラム206に隣接する及び/又はダイアフラム206の下方のスペースまで半径方向に延びることができる。シュラウド212は、固定ブレード200の半径方向端部に配置することができる。シュラウドスペース214は、シュラウド212から固定ブレード200を離隔することができる。作動中、流れラインFに沿って移動する高温燃焼ガスの流れは、タービンホイール122及び/又はシュラウド212に熱を伝達することができる。加えて、ホイールスペース208及び/又はシュラウドスペース214は、固定ブレード200から、又はホイールスペース208及び/又はシュラウドスペース214に流入する分流作動流体からの直接の熱伝達に起因して、作動中に温度が上昇する可能性がある。

0018

固定ブレード200の翼形部150は、冷却回路216を含むことができる。インピンジメントキャビティの形態とすることができる冷却回路216は、固定ブレード200の2つの端壁204,205間で翼形部150の部分的に中空の内部を通って冷却流体を循環することができる。インピンジメント冷却回路は一般に、冷却される構成要素の一部(例えば、翼形部150の半径方向横断部材)の周りに冷却流体のフィルム薄膜)を生成し、これにより冷却構成要素の外部の物質から冷却構成要素の内部容積への熱エネルギーの伝達を軽減するよう構成された冷却回路と呼ばれる。冷却回路216における冷却流体は、1つの端壁204又は2つの半径方向に離隔された端壁204,205内に位置付けられたチャンバ218(2つのチャンバ218A,218Bのうちの一方として識別される)から発生し、及び/又は該チャンバ218に流れることができる。1又は複数のチャンバ218において冷却回路216を通って移動していない冷却流体は、「インピンジメント前」冷却流体として知られ、1又は複数のチャンバ218において冷却回路216を通って既に移動した冷却流体は、「インピンジメント後」冷却流体として知られる。とりわけ、本開示の実施形態は、様々な温度及び圧力値で1又は複数のチャンバ218内の冷却空気をホイールスペース208及び/又はシュラウドスペース214に送られる冷却流体として使用及び/又は再使用することを可能にする。

0019

図4に移ると、4つのチャンバ(2つの前方チャンバ218A、2つの後方チャンバ218B)を備えた、固定ブレード200における1つの端壁204の切り欠き図が示される。図4では実施例として半径方向内側端壁204が示されているが、本明細書で記載される種々の特徴及び構成要素はまた、固定ブレード200の半径方向外側端壁205にも存在することができることは理解される。すなわち、これら2つの代替形態の間の実質的な差違は、固定ブレード200(図3)に対する半径方向位置のみとすることができる。図4においては、実施例として、4つのチャンバ218A,218Bが、1つの端壁204に結合された2つの翼形部150の冷却回路216と流体連通して図示されているが、翼形部150及び/又はチャンバ218の想起可能なあらゆる数を用いることができることは理解される。1つの実施形態において、固定ブレード200の端壁204は、任意選択的に翼形部150の前縁152に近接して位置付けられた1又はそれ以上の前方チャンバ218Aを含むことができる。固定ブレード200の端壁204はまた、各々が前方チャンバ218Aの下流側で且つ任意選択的に翼形部150の後縁154に近接して位置付けられた1又はそれ以上の後方チャンバ218Bを含むことができる。1又は複数の前方チャンバ218A及び後方チャンバ218Bの両方は、半径方向軸Rに沿って翼形部150から変位(すなわち、「半径方向に変位」することができ、チャンバ218A,218B内の冷却流体が翼形部150の真下を通過するようになる。

0020

加えて、図4に示すように、翼形部150は、端壁204から実質的に半径方向に延びる翼形部のペアとして設けることができ、その1つ又は両方は、1又は複数の冷却回路216を含むことができる。図4には、例証として、2つの翼形部150が端壁204に結合されて(すなわち、ダブレット(二重)タービンノズル構成で)描かれているが、様々なターボ機械設計及び用途に適合するように、あらゆる望ましい数の翼形部150を端壁204に結合することができることは理解される。1又は複数のチャンバ218A,218Bの各々は、翼形部150のペアのうちの1つと流体連通することができる。チャンバ218A,218Bは、冷却回路216と流体連通し、又は、1又は複数の冷却回路216と1又は複数のチャンバ218A,218Bとの間に他の何れかの想起可能な流体接続が存在することができる。開口220は、1又は複数の冷却回路216と1又は複数のチャンバ218A,218Bとの間に熱連通を提供し、入口又は出口として作動中に冷却流体が1又は複数のチャンバ218に流入又はチャンバ218から流出できるようにすることができる。1又は複数のチャンバ218A,218Bは、熱伝導性材料(例えば、金属、熱伝導性の合成材料複合材料、その他)から構成することができる端壁204内に位置付けることができ、1又は複数のチャンバ218A,218Bを通って移動する冷却流体が端壁204から熱を吸収するようになる。端壁204から1又は複数のチャンバ218A,218B内の冷却流体への熱伝達により、移動中に冷却流体の温度及び圧力が漸次的に増大することができるようになる。より具体的には、他の領域又はチャンバから下流側に位置付けられた1又は複数のチャンバ218A,218Bの領域における冷却流体は、作動流体から端壁204を通る冷却流体への熱伝達に起因して、より高い温度及び圧力を有することができる。

0021

1つの実施形態において、1又は複数のチャンバ218A,218Bの各々は、上流側領域222と下流側領域224とを含む。一般に、用語「上流側」は、冷却流体が1又は複数のチャンバ218A,218Bを通過する結果としての方向とは反対方向に延びる基準経路を指す。用語「下流側」は、冷却流体が1又は複数のチャンバ218A,218Bを通過する結果としての方向と同じ方向に延びる基準経路を指す。下流側領域224は、一般に、有意に温かい冷却流体を有することにより上流側領域222から区別され、端壁204内の物理的位置によってはある程度しか区別することはできない。1又は複数の前方チャンバ218Aが1又は複数の後方チャンバ218Bに流体接続された代替の実施形態において、1又は複数の前方チャンバ218Aは、少なくとも1つの上流側領域222として機能し、1又は複数の後方チャンバ218Bは、少なくとも1つの下流側領域224として機能することができる。更に、1又は複数のチャンバ218A,218Bの各々がそれぞれの上流側領域222及び下流側領域224を有して、1又は複数の前方チャンバ218Aが1又は複数の後方チャンバ218Bに流体接続することができることは理解される。各上流側領域222は、冷却流体の温度及び圧力の差違に基づいて対応する下流側領域224と区別可能である。更に、図4に示すように、上流側領域222は、翼形部150の前縁152に近接して位置付けることができ(例えば、後縁154から離隔距離未満だけ前縁から離隔される)、下流側領域224は、翼形部150の後縁154に近接して位置付けることができる。

0022

各チャンバ218すなわち1又は複数の上流側領域222における冷却流体の初期温度は、例えば、約315°C〜約427°Cの間とすることができる。後続の1又は複数のチャンバ218又は1つのチャンバ218の後続の領域、すなわち下流側領域224における冷却流体の温度は、例えば、約815°C〜約870°Cの間とすることができる。1又は複数の上流側領域222における冷却流体の圧力は、約1,000キロパスカル(kPa)〜約1,380kPaの間とすることができ、1又は複数の下流側領域224における冷却流体の圧力は、約860kPa〜約1,200kPaの間とすることができる。特定の用途における圧力値に関係なく、1又は複数の下流側領域224における冷却流体の圧力は、1又は複数の上流側領域222における冷却流体の圧力の約5パーセント〜約20パーセントとすることができる。特定の数値ベースとなる数値のパーセンテージを含む)に関連して本明細書で使用される用語「約」は、特定の数値又はパーセンテージの10パーセント点以内(すなわち、それを上回る、又は下回る)の全ての値、及び/又は修正値と列挙値の間に実質的に動作上の差違を引き起こさない他の全ての値を含むことができる。用語「約」はまた、指定された場合には他の特定の値又は範囲を含むことができる。

0023

図4及び図5を共に参照すると、端壁204,205は、位置付けられた1又はそれ以上の第1の通路226を含むことができ、その各々は、それぞれの上流側領域222をホイールスペース208又はシュラウドスペース214(図3)に接続することができる。図5は、タービンホイール122と端壁204,205との間に位置付けられたホイールスペース208を示しているが、第1の通路226は、これに加えて、又は代替として、1又は複数のチャンバ218A,218Bのそれぞれの上流側領域222をシュラウドスペース214に接続することができることは理解される。作動時には、1又は複数のチャンバ218の上流側領域222における冷却流体の第1の部分は、1又は複数の第1の通路226に流れてホイールスペース208又はシュラウドスペース214に流入することができる。各第1の通路226は、1又は複数のチャンバ218における冷却流体の一部だけ(例えば、最大で約50%)を分流するようなサイズにされ、1又は複数のチャンバ218における冷却流体の大部分は、1又は複数の第1の通路226をバイパスして1又は複数の下流側領域224に移動できるようにする。

0024

1又は複数の第1の通路226に加えて、端壁204,205はまた、位置付けられた1又はそれ以上の第2の通路228を含むことができる。各第2の通路228は、それぞれの下流側領域224をホイールスペース208(図3)又はシュラウドスペース214に接続することができる。ターボ機械100(図1)が作動すると、1又は複数のチャンバ218の下流側領域224において1又は複数の第1の通路226をバイパスしていた冷却流体の第2の部分は、1又は複数の第2の通路228に入り、これによりホイールスペース208又はシュラウドスペース214に移動することができる。1又は複数の第2の通路228に入る冷却流体の部分は、例えば、1又は複数のチャンバ218を通る全冷却流体の流れの50%又はそれ以上とすることができる。また、代替の実施形態において、冷却空気の大部分(例えば、約50%又はそれ以上)は、1又は複数の第1の通路226を流れることができ、冷却空気の小部分(例えば、最大で約50%)は、第2の通路228を流れることができることは理解される。1又は複数の第2の通路228は、1又は複数の下流側領域224をホイールスペース208(図3)又はシュラウドスペース214の様々な位置に流体接続することができ、ここから1又は複数の第1の通路226は、ホイールスペース208又はシュラウドスペース214を1又は複数の上流側領域222に流体接続する。ホイールスペース208の場合、様々な位置は、例えば、端壁204とタービンホイール122(図1、3)の間、又は端壁204とダイアフラム206(図3)の間に位置付けられたホイールスペース208の領域を含むことができる。何れの場合においても、第1及び第2の通路226,228の各々の位置は、ホイールスペース208又はシュラウドスペース214を変更可能に冷却することができ、高温の流体に晒される位置は、第1の通路226から低温の冷却流体を受けるようになっている。

0025

各第2の通路228はまた、1又は複数のチャンバ218における冷却流体の一部だけを分流するようなサイズにされ、1又は複数のチャンバ218における冷却流体の残りの部分が、第1及び第2の通路をバイパスできるようにする。1又は複数の第1及び第2の通路226,228をバイパスする冷却流体の残りの部分は、1又は複数のチャンバ218又は固定ブレード200の端壁204,205と流体連通した他の下流側チャンバ218及び/又は他の構成要素に流れ続けることができる。何れの場合においても、冷却流体の残りの部分は、ホイールスペース208又はシュラウドスペース214に流入することなく、下流側構成要素、チャンバ、固定具、その他に流れることができる。

0026

本開示を更に別の実施形態において提供できることは理解される。例えば、固定ブレード200は、2つの端壁204,205を含むことができ、各々が、翼形部150の冷却回路216によって互いに流体接続されたチャンバ218を含む。外部の供給源からの冷却流体は、最初に半径方向外側端壁205のチャンバ218を通過した後、インピンジメント流体として冷却回路216を通過し、次いで、半径方向内側端壁204のチャンバ218に流入することができる。各チャンバ218においける冷却流体の一部は、第1及び第2の通路226,228を通過してホイールスペース208又はシュラウドスペース214に流入することができる。より具体的には、半径方向外側端壁205からの第1及び第2の通路226,228は、シュラウドスペース通路として機能することができ、他方、半径方向内側端壁204からの第1及び第2の通路226,228は、ホイールスペース通路として機能することができる。固定ブレード200の各チャンバ218はまた、例えば、同じ2つの端壁204,205間に半径方向に延びる追加の翼形部150、翼形部150の前縁152及び後縁154それぞれに近接した前方チャンバ218A及び後方チャンバ218Bの使用、その他など、必要に応じて本明細書で他の場所で記載された1又はそれ以上の追加の構造体及び/又は特徴を含むことができる。

0027

図4及び図6を共に参照すると、本開示の実施形態は、1又は複数のチャンバ218内の冷却流体に固定ブレード200から熱を伝達するための1又は複数のチャンバ218内のあらゆる数の熱伝導性固定具(「固定具」)230(受台のような)を含むことができる。より具体的には、各固定具230は、1又は複数のチャンバ218を通過する冷却流体と、端壁204,205の材料組成物質との間の接触面積を増大させることにより、端壁204から冷却流体への熱伝達を行うことができる。固定具230は、冷却流体と熱伝導性面との間の接触面積を増大させるあらゆる想定可能な固定具として設けることができ、例えば、受け台ディンプル、突出部、ピン、壁、及び/又は他の形状及びサイズの固定具の形態とすることができる。更に、固定具230は、円筒形幾何形状、実質的にピラミッド幾何形状、4又はそれ以上の面を有する不規則な幾何形状、その他を含む、様々な形状をとることができる。何れの場合においても、1又はそれ以上の熱伝導性固定具230は、1又は複数の上流側領域222及び1又は複数の第1の通路226の下流側で且つ1又は複数の下流側領域224及び1又は複数の第2の通路228の上流側に配置された冷却流体流路の位置にて1又は複数のチャンバ218内に位置付けることができる。第1及び第2の通路間の熱伝導性固定具230の位置決めは、端壁204,205と冷却流体との間の熱連通を改善し、1又は複数の第1の通路226及び1又は複数の第2の通路228を通じて分流される冷却空気のより大きな温度差をもたらすようにすることができる。

0028

図7に移ると、別の実施形態による固定ブレード200におけるチャンバ218の簡易断面図が図示される。本明細書で他の場所で議論したように、後方チャンバ218Bの上流側領域222は、該上流側領域222をホイールスペース208(図3,5)又はシュラウドスペース214(図3)に流体接続する第1の通路226のグループを含むことができる。1又は複数のチャンバ218の下流側領域224は、同様に、下流側領域224をホイールスペース208又はシュラウドスペース214(図3)に流体接続する第2の通路228のグループを含むことができる。加えて、1又は複数のチャンバ218は、任意選択的に、末端領域232と、末端領域232をホイールスペース208、シュラウドスペース214、又は固定ブレード200から冷却流体を受ける別の構成要素に流体接続する複数の第3の通路234と、を含むことができる。末端領域232及び第3の通路234における冷却流体の温度は、上流側領域222及び下流側領域224両方における冷却流体の温度よりも高くなり、対応する圧力は、上流側領域222及び下流側領域224における冷却流体の圧力よりも低くなることができる。末端領域232は、例えば、翼形部150の後縁154及び/又は正圧側面156に近接して配置することができる。第3の通路234の追加は、最少量の冷却が必要とされる場所に対して端壁204,205(図3〜5)内で最も高温の冷却流体を提供することによって、ホイールスペース208又はシュラウドスペース214に対する冷却温度のより優れた可変性をもたらすことができる。第3の通路234はまた、冷却空気の残りの部分が1又は複数のチャンバ218からターボ機械の他の領域(例えば、セグメント間のギャップシュラウド構成要素、その他)に渡される経路を提供することができる。

0029

本開示の実施形態は、複数の技術的及び商業的利点を提供することができる。例えば、本開示の実施形態は、ある温度でのインピンジメント前流体及び別の温度でのインピンジメント後流体の配送に限定されず、ターボ機械のホイール又はシュラウドスペース内の様々な場所に複数の温度及び圧力の冷却流体の配送を提供する。より多くの温度により、ホイールスペース及びシュラウドスペースにおける冷却要求微細な調整を可能にし、これによりこれら構成要素に必要とされる冷却空気の全体量を低減することができる。本明細書で記載される冷却構造体の結果として得られる利点は、とりわけ、廃熱の可能性の低減、高圧の冷却空気に通常伴う漏洩の削減、及びこれらの改善点に基づくターボ機械の効率の向上を含むことができる。

0030

本開示の装置及び方法は、何れか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、その他)と共に用いることができる。加えて、本発明の装置は、本明細書で記載されていない他のシステムと共に用いてもよく、これにより本明細書で記載される装置の作動範囲、効率、耐久性及び信頼性の向上により恩恵を受けることができる。加えて、単一ノズルに対して、又は単一発電システムの異なる部分での異なるノズルで様々な噴射システムを共に用いることができる。必要に応じて、あらゆる数の異なる実施形態を加えて、又は共に用いることができ、例証として本明細書で記載された実施形態は、互いに排他的であることを意図していない。

0031

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場合、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。更に、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、完全体、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つ又はそれ以上の他の特徴部、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。

0032

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記載されるシステムを開示しており、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること及びあらゆる包含の方法を実施することを含む本開示を実施することを可能にする。本発明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、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。

0033

100ターボ機械
102圧縮機部分
104タービンセクション
106シャフト
108燃焼器組立体
110燃焼器
112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翼形部分
120タービンロータブレード
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
205外側端壁
206タービンダイアフラム
208ホイールスペース
212シュラウド
214 シュラウドスペース
216冷却回路
218チャンバ
218A前方チャンバ
218B後方チャンバ
220 開口
222上流側領域
224下流側領域
226 第1の通路
228 第2の通路
230固定具
232末端領域
234 第3の通路

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