特開 2021-195950 前縁の内面に熱伝達突起を有する鋳造タービンノズル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2021-195950(P2021-195950A)

(43)【公開日】2021年12月27日

(54)【発明の名称】前縁の内面に熱伝達突起を有する鋳造タービンノズル

(51)【国際特許分類】

   F01D 9/02 20060101AFI20211129BHJP

【ＦＩ】

   F01D9/02 102

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2021-89500(P2021-89500)

(22)【出願日】2021年5月27日

(31)【優先権主張番号】202011024646

(32)【優先日】2020年6月11日

(33)【優先権主張国】IN

(71)【出願人】

【識別番号】390041542

【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(72)【発明者】

【氏名】ステファン・ウォルター・ニューマン

(72)【発明者】

【氏名】ブライアン・デビット・ルイス

(72)【発明者】

【氏名】デブドゥラル・ダース

【テーマコード（参考）】

3G202

【Ｆターム（参考）】

3G202GA08

3G202GB01

3G202JJ02

3G202JJ15

3G202JJ31

3G202JJ32

(57)【要約】      （修正有）

【課題】鋳造タービンノズル、タービンノズルセクション、およびタービンを提供する。
【解決手段】鋳造タービンノズルは、本体であって、負圧側面、負圧側面に対向する正圧側面、正圧側面と負圧側面との間にまたがる前縁、前縁に対向し、正圧側面と負圧側面との間にまたがる後縁、および本体の内面によって画定された冷却空洞を含む本体を有する翼形部を含む。ノズルはまた、負圧側面、正圧側面、後縁、および前縁に沿って翼形部と接続された少なくとも１つの端壁と、本体内で内面から内側に延びる複数の熱伝達突起であって、半径方向に互い違いの柱状パターンで前縁から負圧側面および正圧側面に沿って延びる複数の熱伝達突起とを含む。内面は、隣接する熱伝達突起の間に延びる平面を含む。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

本体（１２８）であって、負圧側面（１３２）、前記負圧側面（１３２）に対向する正圧側面（１３４）、前記正圧側面（１３４）と前記負圧側面（１３２）との間にまたがる前縁（１３６）、前記前縁（１３６）に対向し、前記正圧側面（１３４）と前記負圧側面（１３２）との間にまたがる後縁（１３８）、および前記本体（１２８）の内面（１５２）によって画定された冷却空洞（１５０）を含む本体（１２８）を有する翼形部（１３０）と、
前記負圧側面（１３２）、前記正圧側面（１３４）、前記後縁（１３８）、および前記前縁（１３６）に沿って前記翼形部（１３０）と接続された少なくとも１つの端壁（１２０、１２２）と、
前記冷却空洞（１５０）内で前記本体（１２８）の前記内面（１５２）から内側に延びる複数の熱伝達突起（１６０）であって、半径方向に互い違いの柱状パターンで前記前縁（１３６）から前記負圧側面（１３２）および前記正圧側面（１３４）に沿って延びる複数の熱伝達突起（１６０）と
を備え、
前記内面（１５２）は、隣接する熱伝達突起（１６０）の間に延びる平面（１６４）を含む、
鋳造タービン（１０８）ノズル（１１２）。

【請求項2】

前記タービン（１０８）ノズル（１１２）は、第２段ノズル（１１２）を含む、請求項１に記載の鋳造タービン（１０８）ノズル（１１２）。

【請求項3】

前記複数の熱伝達突起（１６０）の各熱伝達突起（１６０）は、その高さ（Ｈ）を通る円錐台形の断面を有する、請求項１に記載の鋳造タービン（１０８）ノズル（１１２）。

【請求項4】

前記複数の熱伝達突起（１６０）の各熱伝達突起（１６０）は、隣接する熱伝達突起（１６０）の間の前記冷却空洞（１５０）の前記内面（１５２）と平行な最内面（１７０）を有する、請求項３に記載の鋳造タービン（１０８）ノズル（１１２）。

【請求項5】

各熱伝達突起（１６０）は、その幅を通る円形の断面を有する、請求項３に記載の鋳造タービン（１０８）ノズル（１１２）。

【請求項6】

前記冷却空洞（１５０）内にインピンジメントスリーブ（１５４）をさらに備え、前記インピンジメントスリーブ（１５４）は、前記内面（１５２）に対しておよび前記複数の熱伝達突起（１６０）の周りに冷却剤を導くように構成された複数の孔（１５６）を含む、請求項１に記載の鋳造タービン（１０８）ノズル（１１２）。

【請求項7】

前記少なくとも１つの端壁（１２０、１２２）は、内側端壁（１２２）または外側端壁（１２０）を含む、請求項１に記載の鋳造タービン（１０８）ノズル（１１２）。

【請求項8】

前記内面（１５２）に対する各熱伝達突起（１６０）の最内幅（Ｗ１）と各熱伝達突起（１６０）の最外幅（Ｗ２）の比は、０．２〜０．９の範囲である、請求項１に記載の鋳造タービン（１０８）ノズル（１１２）。

【請求項9】

各熱伝達突起（１６０）の前記最内幅（Ｗ１）は、０．２ミリメートル〜０．８ミリメートルの範囲である、請求項８に記載の鋳造タービン（１０８）ノズル（１１２）。

【請求項10】

前記内面（１５２）からの各熱伝達突起（１６０）の高さ（Ｈ）は、０．５ミリメートル〜１．０ミリメートルの範囲である、請求項１に記載の鋳造タービン（１０８）ノズル（１１２）。

【請求項11】

前記複数の熱伝達突起（１６０）の前記半径方向に互い違いの柱状パターンは、互いに対して半径方向に互い違いに配置された複数の半径方向に延びる列（１７６）を含み、同じ半径方向に延びる列（１７６）における熱伝達突起（１６０）の中心間の第１の半径方向距離（Ｒ１）は、０．９ミリメートル〜１．４ミリメートルの範囲であり、隣接する半径方向に延びる列（１７６）における軸方向に隣接する熱伝達突起（１６０）の中心間の第２の半径方向距離（Ｒ２）は、０．３ミリメートル〜０．９ミリメートルの範囲であり、
前記熱伝達突起（１６０）の隣接する半径方向に延びる列（１７６）の間の軸方向距離（ＡＤ）は、０．８ミリメートル〜１．３ミリメートルの範囲である、
請求項１に記載の鋳造タービン（１０８）ノズル（１１２）。

【請求項12】

前記複数の熱伝達突起（１６０）は、負圧側面（１３２）に沿ってキャンバ長さ（ＣＬ）の２８％〜３２％の範囲で延び、正圧側面（１３４）に沿って前記キャンバ長さ（ＣＬ）の９％〜１３％の範囲で延びる、請求項１に記載の鋳造タービン（１０８）ノズル（１１２）。

【請求項13】

タービン（１０８）用のノズル（１１２）セクションであって、前記ノズル（１１２）セクションは、
一組のノズル（１１２）であって、前記一組のノズル（１１２）は、
本体（１２８）であって、負圧側面（１３２）、前記負圧側面（１３２）に対向する正圧側面（１３４）、前記正圧側面（１３４）と前記負圧側面（１３２）との間にまたがる前縁（１３６）、前記前縁（１３６）に対向し、前記正圧側面（１３４）と前記負圧側面（１３２）との間にまたがる後縁（１３８）、および前記本体（１２８）内に画定された内面（１５２）を有する冷却空洞（１５０）を含む本体（１２８）を有する翼形部（１３０）と、
前記負圧側面（１３２）、前記正圧側面（１３４）、前記後縁（１３８）、および前記前縁（１３６）に沿って前記翼形部（１３０）と接続された少なくとも１つの端壁（１２０、１２２）と、
前記本体（１２８）内で前記内面（１５２）から内側に延びる複数の熱伝達突起（１６０）であって、半径方向に互い違いの柱状パターンで前記前縁（１３６）から前記負圧側面（１３２）および前記正圧側面（１３４）に沿って延びる複数の熱伝達突起（１６０）と
を有する少なくとも１つの鋳造ノズル（１１２）を含み、
前記内面（１５２）は、隣接する熱伝達突起（１６０）の間に延びる平面（１６４）を含む、
一組のノズル（１１２）
を備える、ノズル（１１２）セクション。

【請求項14】

前記静的ノズル（１１２）セクションは、第２段ノズル（１１２）セクションである、請求項１３に記載のノズル（１１２）セクション。

【請求項15】

前記複数の熱伝達突起（１６０）の各熱伝達突起（１６０）は、その高さ（Ｈ）を通る円錐台形の断面を有する、請求項１３に記載のノズル（１１２）セクション。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、一般に、ターボ機械に関し、より詳細には、翼形部における冷却空洞の前縁の内面に熱伝達突起を有する鋳造タービンノズルに関する。

【背景技術】

【0002】

タービンノズルは、冷却剤を導いて翼形部を冷却するために翼形部本体内に冷却空洞を含む。冷却空洞は、冷却空洞を画定する翼形部本体の内面に対して冷却剤を導くインピンジメント冷却スリーブのための空間を提供する。特定のノズル段では、タービンノズルの前縁の半径を小さくすることが有利であり、これにより翼形部が狭くなる。より狭い翼形部は、従来のインピンジメント冷却による冷却の維持をより困難にする。

【発明の概要】

【0003】

本開示の第１の態様は、本体であって、負圧側面、負圧側面に対向する正圧側面、正圧側面と負圧側面との間にまたがる前縁、前縁に対向し、正圧側面と負圧側面との間にまたがる後縁、および本体の内面によって画定された冷却空洞を含む本体を有する翼形部と、負圧側面、正圧側面、後縁、および前縁に沿って翼形部と接続された少なくとも１つの端壁と、冷却空洞内で本体の内面から内側に延びる複数の熱伝達突起であって、半径方向に互い違いの柱状パターンで前縁から負圧側面および正圧側面に沿って延びる複数の熱伝達突起とを含み、内面は、隣接する熱伝達突起の間に延びる平面を含む、鋳造タービンノズルを提供する。

【0004】

本開示の第２の態様は、タービン用のノズルセクションであって、ノズルセクションは、一組のノズルであって、一組のノズルは、本体であって、負圧側面、負圧側面に対向する正圧側面、正圧側面と負圧側面との間にまたがる前縁、前縁に対向し、正圧側面と負圧側面との間にまたがる後縁、および本体の内面によって画定された冷却空洞を含む本体を有する翼形部と、負圧側面、正圧側面、後縁、および前縁に沿って翼形部と接続された少なくとも１つの端壁と、冷却空洞内で本体の内面から内側に延びる複数の熱伝達突起であって、半径方向に互い違いの柱状パターンで前縁から負圧側面および正圧側面に沿って延びる複数の熱伝達突起とを有する少なくとも１つの鋳造ノズルを含み、内面は、隣接する熱伝達突起の間に延びる平面を含む、一組のノズルを有する、ノズルセクションを提供する。

【0005】

本開示の第３の態様は、複数の鋳造タービンノズルを含むタービンであって、鋳造タービンノズルの各々は、負圧側面、負圧側面に対向する正圧側面、正圧側面と負圧側面との間にまたがる前縁、前縁に対向し、正圧側面と負圧側面との間にまたがる後縁、および本体の内面によって画定された冷却空洞を含む本体を有する翼形部と、負圧側面、正圧側面、後縁、および前縁に沿って翼形部と接続された少なくとも１つの端壁と、冷却空洞内で本体の内面から内側に延びる複数の熱伝達突起であって、半径方向に互い違いの柱状パターンで前縁から負圧側面および正圧側面に沿って延びる複数の熱伝達突起とを備え、内面は、隣接する熱伝達突起の間に延びる平面を含む、タービンを提供する。

【0006】

本開示の例示的な態様は、本明細書で説明される問題および／または論じられていない他の問題を解決するように設計されている。

【0007】

本開示のこれらおよび他の特徴は、本開示の様々な実施形態を図示する添付の図面と併せて、本開示の様々な態様に関する以下の詳細な説明から、さらに容易に理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本開示の実施形態による、燃焼タービンまたはガスタービン（ＧＴ）システムの形態の例示的なターボ機械の概略図である。

【図2】図１のターボ機械と共に使用することができる４段タービンを有する例示的なガスタービンアセンブリの断面図である。

【図3】本開示の様々な実施形態による、熱伝達突起を有する翼形部を含む例示的な一対のタービンノズルの概略斜視図である。

【図4】本開示の実施形態による、タービンノズルと共に使用するための例示的なインピンジメントスリーブの斜視図である。

【図5】本開示の実施形態による、タービンノズルセクションにおける一対の鋳造タービンノズルの俯瞰斜視図である。

【図6】本開示の実施形態による、鋳造タービンノズルのわずかに拡大された俯瞰斜視図である。

【図7】本開示の実施形態による、いくつかの熱伝達突起の斜視図である。

【図8】本開示の実施形態による、熱伝達突起の頂部を見た冷却空洞の内面の平面図である。

【図9】本開示の実施形態による、図８の線９−９に沿った熱伝達突起の断面側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本開示の図面は、必ずしも原寸に比例しないことに留意されたい。図面は、本開示の典型的な態様だけを図示することを意図しており、したがって、本開示の範囲を限定するものと考えるべきではない。図面では、類似する符号は、図面間で類似する要素を表す。

【0010】

最初の問題として、本開示の主題を明確に説明するために、ターボ機械内の関連する機械構成要素を参照して説明するときに、特定の専門用語を選択することが必要になる。可能な限り、一般的な工業専門用語が、その受け入れられた意味と同じ意味で使用および利用される。別途記載のない限り、このような専門用語は、本出願の文脈および添付の特許請求の範囲と一致する広義の解釈を与えられるべきである。当業者であれば、多くの場合、特定の構成要素がいくつかの異なるまたは重複する用語を使用して参照されることがあることを理解するであろう。単一の部品であるとして本明細書に記載され得るものは、複数の構成要素からなるものとして別の文脈を含み、かつ別の文脈で参照されてもよい。あるいは、複数の構成要素を含むものとして本明細書に記載され得るものは、単一の部品として他の場所で参照されてもよい。

【0011】

加えて、本明細書ではいくつかの記述的用語を規則通りに使用することができ、このセクションの始めにこれらの用語を定義することが有用であることが分かるはずである。これらの用語およびその定義は、別途記載のない限り、以下の通りである。本明細書で使用する場合、「下流」および「上流」は、翼形部内のポストインピンジメント空間内の冷却剤などの流体の流れ、または例えば、燃焼器を通る空気の流れに対する方向を示す用語である。「下流」という用語は、流体の流れの方向に対応し、「上流」という用語は、流れの反対の方向を指す。「前方」および「後方」という用語は、別途指定のない限り、方向を指し、「前方」はエンジンの前部または圧縮機端部を指し、「後方」はターボ機械の後部セクションを指す。

【0012】

多くの場合、中心軸線に関して異なる半径方向位置に配置された部品を記述することが要求される。「半径方向」という用語は、軸線に垂直な移動または位置を指す。例えば、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線に近接して位置する場合には、本明細書では、第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向内側」または「内方」にあると述べる。一方、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線から遠くに位置する場合には、本明細書では、第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向外側」または「外方」にあると述べることができる。「軸方向」という用語は、軸線に平行な移動または位置を指す。最後に、「円周方向」という用語は、軸線周りの移動または位置を指す。このような用語は、タービンの中心軸線に関連して適用することができることが理解されよう。

【0013】

加えて、以下に記載のように、本明細書ではいくつかの記述的用語を規則通りに使用することができる。「第１の」、「第２の」、および「第３の」という用語は、ある構成要素を別の構成要素から区別するために交換可能に使用することができ、個々の構成要素の場所または重要性を示すことを意図するものではない。

【0014】

本明細書で使用される専門用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものにすぎず、本開示を限定することを意図するものではない。本明細書で使用する場合、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「この（ｔｈｅ）」は、特に明示しない限り、複数形も含むことを意図している。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および／または「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書で使用する場合、記載した特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素が存在することを明示するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの組が存在することまたは追加することを除外しないことがさらに理解されよう。「任意選択の」または「任意選択で」は、後で述べられる事象もしくは状況が起こる場合も起こらない場合もあること、または後で述べられる要素もしくは特徴が存在する場合もしない場合もあることを意味し、この記述は、その事象が起こる（または特徴が存在する）事例と、起こらない（または存在しない）事例とを含むことを意味する。

【0015】

ある要素または層が別の要素または層に対して「上に」、「係合される」、「接続される」、または「結合される」と言及される場合には、他の要素または層に対して直接上に、係合され、接続され、または結合されてもよいし、あるいは介在する要素または層が存在してもよい。逆に、ある要素が別の要素または層に対して「直接上に」、「直接係合される」、「直接接続される」、または「直接結合される」と言及される場合には、介在する要素または層は存在しなくてもよい。要素間の関係について説明するために使用される他の語も、同様に解釈されるべきである（例えば、「〜の間に」に対して「直接〜の間に」、「〜に隣接して」に対して「直接〜に隣接して」など）。本明細書で使用する場合、「および／または」という用語は、関連する列挙された項目のいずれかおよび１つまたは複数のすべての組み合わせを含む。

【0016】

本開示の実施形態は、鋳造タービンノズル、タービンノズルセクション、およびタービンを提供する。タービンノズルは、その翼形部における冷却空洞の内面に複数の熱伝達突起を含む。熱伝達突起は、部品寿命、タービン効率、および動力出力を維持するための改善された冷却効果を提供する。より詳細には、熱伝達突起（または「バンプ」）は、翼形部の内部の表面積を増加させ、空気流および「トリッピング」境界層の流れを乱すことによって追加の熱伝達効果を提供し、平坦で強化されていない表面と比較してエネルギーの交換（熱伝達）を増加させる。熱伝達突起は、翼形部本体の一部、すなわち前縁を含んで前縁を囲むエリアにのみ適用され、より狭い翼形部に対する前縁から下流の過熱を防止する。

【0017】

図面を参照すると、図１は、燃焼タービンまたはガスタービン（ＧＴ）システム１００（以下、「ＧＴシステム１００」）の形態の例示的なターボ機械９０の概略図である。ＧＴシステム１００は、圧縮機１０２と、燃焼器１０４とを含む。燃焼器１０４は、燃焼領域１０５と、１つまたは複数の燃料ノズルを含むヘッドエンドアセンブリ１０６とを含む。ＧＴシステム１００はまた、タービン１０８と、共通の圧縮機／タービンシャフト１１０（以下、「ロータ１１０」と呼ぶ）とを含む。一実施形態では、ＧＴシステム１００は、サウスカロライナ州グリーンビルのゼネラルエレクトリック社から市販されている、６Ｆ．０３ ＦＬ１８エンジンである。本開示は、いかなる特定のＧＴシステムに限定されるものではなく、例えば、ゼネラルエレクトリック社の他のＨＡ、Ｆ、Ｂ、ＬＭ、ＧＴ、ＴＭ、およびＥクラスのエンジンモデル、ならびに他社のエンジンモデルを含む他のエンジンと関連して実装することができる。さらに、本開示の教示は、必ずしもＧＴシステムのみに適用可能ではなく、他のタイプのターボ機械、例えば、蒸気タービン、ジェットエンジン、圧縮機などのブレードおよび／またはノズルに適用することができる。

【0018】

動作中、空気は圧縮機１０２を通って流れ、圧縮空気が燃焼器１０４に供給される。具体的には、圧縮空気は、燃焼器１０４に一体化されたヘッドエンドアセンブリ１０６内の燃料ノズルに供給される。ヘッドエンドアセンブリ１０６は、燃焼領域１０５と流れ連通する。ヘッドエンドアセンブリ１０６内の燃料ノズルはまた、燃料源（図１には図示せず）と流れ連通し、燃料ノズルは、燃料および空気を燃焼領域１０５に送る。燃焼器１０４は、燃料に点火して燃焼させ、燃焼生成物を生成する。例示的な実施形態では、ヘッドエンドアセンブリ１０６を有する複数の燃焼器１０４が存在し、ヘッドエンドアセンブリ１０６ごとに１つまたは複数の燃料ノズルがある。燃焼器１０４は、その中で燃焼生成物からのガス流熱エネルギーが機械的回転エネルギーに変換されるタービン１０８と流れ連通する。

【0019】

タービン１０８は、ロータ１１０に回転可能に結合されてロータ１１０を駆動する。圧縮機１０２はまた、ロータ１１０に回転可能に結合される。ロータ１１０の少なくとも１つの端部は、タービン１０８から離れて軸方向に延びてもよく、限定はしないが、発電機、負荷圧縮機、および／または別のタービンなどの負荷または機械（図示せず）に取り付けられてもよい。

【0020】

図２は、図１のＧＴシステム１００と共に使用することができる４つの段Ｌ０〜Ｌ３を有するタービン１０８の例示的な部分の断面図を示す。４つの段は、Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、およびＬ３と呼ばれる。段Ｌ０は、最初の段であり、４つの段のうちの（半径方向に）最小の段である。段Ｌ１は、軸方向において最初の段の次の２番目の段である。段Ｌ２は、３番目の段であり、軸方向において２番目の段の次の段である。段Ｌ３は、軸方向において最後の４番目の段であり、そのブレードは（半径方向に）最大である。４つの段は一例としてのみ示されており、各タービンは４つよりも多いまたは少ない段を有してもよいことを理解されたい。

【0021】

一組の静止ベーンまたはノズル１１２は、一組の回転ブレード１１４と協働してタービン１０８の各段Ｌ０〜Ｌ３を形成し、タービン１０８を通る流路の一部を画定する。各組の回転ブレード１１４は、回転ブレード１１４をロータ１１０（図１）に円周方向に結合するそれぞれのロータホイール１１６に結合される。すなわち、複数の回転ブレード１１４が、各ロータホイール１１６に円周方向に間隔を空けて機械的に結合される。静的ノズルセクション１１５が、ロータ１１０の周りに円周方向に間隔を空けて配置された複数の静止ノズル１１２を含む。各ノズル１１２は、翼形部１３０と接続された少なくとも１つの端壁（またはプラットフォーム）１２０、１２２を含むことができる。図示の例では、ノズル１１２は、半径方向外側端壁１２０と、半径方向内側端壁１２２とを含む。半径方向外側端壁１２０は、ノズル１１２をタービン１０８のケーシング１２４に結合する。特定の実施形態では、静的ノズルセクション１１５は、第２段ノズルセクション、すなわち、図２の段Ｌ１である。

【0022】

図３を参照すると、ノズルの部品をより良好に示す様々な実施形態による、鋳造タービンノズル（または単に、ノズル）１１２の概略斜視図が示されている。図３では、２つのノズル１１２が静的ノズルセクション１１５の一部として示されている。このようにして、各ノズル１１２は静止ノズルであり、前述のように、静的ノズルセクション１１５（図２）の一部を形成し、タービン（例えば、タービン１０８）の段で静止ノズルの環の一部を形成する。タービン（例えば、タービン１０８）の動作中、ノズル１１２は、作動流体（例えば、ガスまたは蒸気であり得る）の流れを１つまたは複数の可動ブレード（例えば、ブレード１１４）に導くために静止したままであり、これらの可動ブレードにロータ１１０の回転を開始させる。ノズル１１２は、複数の同様または別個のノズル（例えば、ノズル１１２または他のノズル）と結合（ファスナ、溶接、スロット／溝などを介して機械的に結合）し、タービン１０８の段Ｌ０〜Ｌ３でノズルの環を形成するように構成され得ることが理解される。

【0023】

各タービンノズル１１２は、凸状負圧側面１３２と、負圧側面１３２に対向する凹状正圧側面１３４（図３では遮られている）とを有する翼形部１３０を有する本体１２８を含むことができる。ノズル１１２はまた、正圧側面１３４と負圧側面１３２との間にまたがる前縁１３６と、前縁１３６に対向し、正圧側面１３４と負圧側面１３２との間にまたがる後縁１３８とを含むことができる。示すように、また前述したように、ノズル１１２はまた、負圧側面１３２、正圧側面１３４、後縁１３８、および前縁１３６に沿って翼形部１３０と接続された少なくとも１つの端壁１２０、１２２（２つを示す）を含むことができる。図示の例では、各ノズル１１２は、半径方向外側端壁１２０と、半径方向内側端壁１２２とを含む。半径方向外側端壁１２０は、静的ノズルセクション１１５（図２）の半径方向外側に整列し、それぞれのノズル１１２をタービン１０８（図２）のケーシング１２４（図２）に結合するように構成される。半径方向内側端壁１２２は、静的ノズルセクション１１５（図２）の半径方向内側に整列するように構成される。

【0024】

様々な実施形態において、各ノズル１１２は、翼形部１３０と各それぞれの端壁１２０、１２２を接続するフィレット１４０、１４２を含む。フィレット１４０は、従来の金属不活性ガス（ＭＩＧ）溶接、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接、ろう付けなどを介して形成することができる溶接またはろう付けフィレットを含むことができる。フィレット１４０、１４２は、翼形部１３０の一部に重なることができる。重なりの程度は、ノズルごと、段ごと、および／またはタービンごとに異なり得る。

【0025】

本開示の実施形態による各ノズル１１２は、鋳造され、例えば、鋳型に注がれ硬化された溶融材料によって形成される。ノズル１１２は、タービン１０８内の環境に耐えることが可能な、超合金などの任意の現在知られているまたは今後開発される金属または金属合金を含んでもよい。

【0026】

各ノズル１１２はまた、本体１２８内に画定された内面１５２を有する冷却空洞１５０を含むことができる。図４は、各冷却空洞１５０に挿入された例示的なインピンジメントインサートまたはスリーブ１５４の斜視図を示す。すなわち、動作中、インピンジメントスリーブ１５４は、冷却空洞１５０内に位置決めされる。図示のように、インピンジメントスリーブ１５４は、内面１５２に対しておよび複数の熱伝達突起１６０（図５〜図７に示す）の周りに冷却剤を導くように構成された複数の孔１５６を含む。当技術分野で理解されているように、冷却空洞１５０は、圧縮機１０２からの加圧空気などの冷却剤源に流体結合される。冷却剤は、インピンジメントインサート１５４における孔１５６を通過して内面１５２に衝突し、ノズル１１２を冷却する。ポジショナ１５８が、内面１５２からインピンジメントスリーブ１５４を離間させ、それらの間にインピンジメント冷却エリアを形成することができる。

【0027】

タービン１０８の特定の商業的実施形態では、異なる（例えば、より小さい）ガスタービン１００のタービン１０８で使用するためにノズル１１２をスケーリングすることが有利であることが分かっている。したがって、ノズル１１２のサイズ（特に、翼形部１３０）がより小さくおよび／またはより狭くなり、その結果、前縁１３６の半径がますます小さくなる。より狭い翼形部１３０は、従来のインピンジメント冷却による前縁１３６の冷却をより困難にする。例えば、タービンノズル１１２は、６列ガスタービン用の第２段ノズルを含み得る。

【0028】

本開示の実施形態は、半径方向に互い違いの柱状パターンで本体１２８内の内面１５２から内側に延びる複数の熱伝達突起１６０を提供する。突起１６０は、翼形部１３０と一体である。図５は、熱伝達突起１６０を含む鋳造タービンノズル１１２の斜視図を示し、図６は、そのわずかに拡大された斜視図を示し、図７は、複数の熱伝達突起１６０の拡大斜視図を示す。熱伝達突起１６０は、半径方向に互い違いの柱状パターンで前縁１３６における内面１５２から負圧側面１３２および正圧側面１３４に沿って延びる。熱伝達突起１６０は従来のように各側面１３２、１３４の翼弦全長に沿って延びないが、これは、より狭い翼形部１３０を用いてそのように延びると、後縁１３８に近い下流エリアで過熱が生じることが発見されているためである。むしろ、複数の熱伝達突起は、負圧側面１３２に沿ってキャンバ長さの２８％〜３２％の範囲で延び、正圧側面１３４に沿ってキャンバ長さの９％〜１３％の範囲で延びる。「キャンバ長さ」は、負圧側面１３２と正圧側面１３４との間で等距離にある、翼形部１３０の中心を通る前縁１３６から後縁１３８までの距離を表す。キャンバ長さＣＬの概略を、図５に示す。キャンバ長さの記載された割合に基づく熱伝達突起１６０の範囲は、キャンバ長さに垂直な場所で各側面１３２、１３４に画定される。いずれにせよ、各側面１３２、１３４に沿った内面の一部のみが熱伝達突起１６０によって覆われ、熱伝達突起１６０の下流の内面１５２には、後縁１３８に向かう後方方向の冷却剤流に乱流を引き起こす突起または他の構造がない。熱伝達突起１６０は、所望の熱伝達を達成するために各側面１３２、１３４上の任意の半径方向範囲まで延びることができる。例えば、端壁１２０、１２２の間の半径方向長さ全体に及ぶことができる。対照的に、特定の実施形態では、熱伝達突起１６０は、半径方向に延びてもよいが、１つまたは複数の端壁１２０、１２２から８〜１３ミリメートルの範囲で停止してもよい。

【0029】

図８は、熱伝達突起１６０の頂部を見た内面１５２の平面図を示し、図９は、図８の線９−９に沿った熱伝達突起１６０の断面側面図を示す。図８および図９に示すように、内面１５２は、隣接する熱伝達突起１６０の間に延びる平面１６４を含む。すなわち、平面１６４は、隣接する熱伝達突起１６０を分離し、翼形部１３０を形成するために存在する以外の内面１５２の内側または外側への湾曲はない。加えて、図９に示すように、各熱伝達突起１６０は、その高さを通る円錐台形の断面を有することができる。各熱伝達突起１６０は、隣接する熱伝達突起１６０の間の冷却空洞１５０（図５〜図６）の内面１５２と平行な最内面１７０を有する。本明細書で使用する場合、「最内」は、翼形部１３０の中心に最も近い構造の部分を示し、「最外」は、翼形部１３０の中心から最も遠い構造の部分を示す。冷却空洞１５０の内面１５２から熱伝達突起１６０の最内面１７０までの各熱伝達突起１６０の高さＨは、０．５ミリメートル〜１．０ミリメートルの範囲であってもよい。

【0030】

熱伝達突起１６０は、０．２ミリメートル〜０．８ミリメートルの範囲の最内幅Ｗ１を有してもよい。熱伝達突起１６０は、０．６ミリメートル〜１．２ミリメートルの範囲の最外幅Ｗ２を有してもよい。最外幅Ｗ２は、最内幅Ｗ１よりも広い。内面１５２に対する各熱伝達突起１６０の最内幅Ｗ１と各熱伝達突起１６０の最外幅Ｗ２の比は、０．２〜０．９の範囲である。図９に示すように、各熱伝達突起１６０は、その幅を通る円形の断面を有することができる。しかし、他の非細長形状も可能であり得る。熱伝達突起１６０は、内面１５２から実質的に垂直な角度αで、すなわち、実質的に９０°で延びる。

【0031】

図６および図８に示すように、熱伝達突起１６０は、半径方向に互い違いの柱状パターンで配置される。図８に最もよく示すように、複数の熱伝達突起１６０の半径方向に互い違いの柱状パターンは、互いに対して半径方向に互い違いに配置された（紙面に垂直な）複数の半径方向に延びる列１７６（図８には３つが示されている）を含む。各側面１３２、１３４における翼弦長の所望の割合をカバーするのに必要な任意の数の列が、使用されてもよい。同じ半径方向に延びる列１７６における熱伝達突起１６０の中心間の第１の半径方向距離Ｒ１は、０．９ミリメートル〜１．４ミリメートルの範囲であってもよい。隣接する半径方向に延びる列における軸方向に隣接する熱伝達突起１６０の中心間の第２の半径方向距離Ｒ２は、０．３ミリメートル〜０．９ミリメートルの範囲であってもよい。熱伝達突起１６０の隣接する半径方向に延びる列１７６の間の軸方向距離ＡＤは、０．８ミリメートル〜１．３ミリメートルの範囲であってもよい。熱伝達突起１６０の間の角度オフセット距離ＯＦは、例えば、０．９ミリメートル〜１．４ミリメートルの範囲であってもよい。特定の半径方向に互い違いの柱状パターンが本明細書に記載されているが、熱伝達突起１６０は、所望の熱伝達を達成するために代替の互い違いの柱状パターンに配置されてもよい。他の実施形態では、隣接する熱伝達突起１６０の最内幅Ｗ１の部分は、交差しても重なっていてもよい。

【0032】

動作中、冷却剤はインピンジメントスリーブ１５４（図４）から出て、冷却空洞１５０の内面１５２に衝突する。前縁１３６の近くに存在する場合、熱伝達突起１６０は冷却剤流に乱流を引き起こし、その熱伝達能力を高める。熱伝達突起１６０は、前縁１３６に沿って、ならびに前縁１３６に近接する正圧側面１３４および負圧側面１３２のエリアにおいて所望の熱伝達および冷却を提供するために、任意の半径方向範囲および任意の翼弦の割合まで延びることができる。

【0033】

本開示の実施形態は、鋳造タービンノズル、タービンノズルセクション、およびタービンを提供する。本教示は、より小さい半径の前縁を有する特定の第２段ノズルに特に適用可能である。熱伝達突起は、製品仕様の部品寿命、タービン効率、および動力出力を維持するための改善された冷却効果を提供する。より詳細には、熱伝達突起または「バンプ」は、翼形部の内部の表面積を増加させ、空気流を乱すことによって追加の熱伝達効果を提供し、平坦で強化されていない表面と比較してエネルギーの交換（熱伝達）を増加させる。熱伝達突起が翼形部本体の一部にのみ適用されるため、この構成は、より狭い翼形部に対する前縁から下流の過熱を防止する。

【0034】

本明細書および特許請求の範囲を通してここで使用される、近似を表す文言は、関連する基本的機能に変化をもたらすことなく、差し支えない程度に変動し得る任意の量的表現を修飾するために適用することができる。したがって、「およそ」、「約」、および「実質的に」などの用語によって修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの例では、近似を表す文言は、値を測定するための機器の精度に対応することができる。ここで、ならびに本明細書および特許請求の範囲を通して、範囲の限定は組み合わせおよび／または置き換えが可能であり、文脈および文言が特に指示しない限り、このような範囲は識別され、それに包含されるすべての部分範囲を含む。範囲の特定の値に適用される「約」は、両端の値に適用され、値を測定する機器の精度に特に依存しない限り、記載された値の＋／−１０％を示すことができる。

【0035】

以下の特許請求の範囲におけるミーンズプラスファンクションまたはステッププラスファンクションの要素すべての、対応する構造、材料、動作、および均等物は、具体的に請求された他の請求要素と組み合わせてその機能を実施するための、一切の構造、材料、または動作を包含することを意図している。本開示の記述は、例示および説明の目的で提示されており、網羅的であることも、または本開示を開示した形態に限定することも意図していない。当業者には、本開示の範囲および趣旨から逸脱することなく、多くの修正および変形が明らかであろう。本開示の原理および実際の用途を最良に説明し、想定される特定の使用に適するように様々な修正を伴う様々な実施形態について本開示を他の当業者が理解することができるようにするために、本実施形態を選択し、かつ説明した。

【符号の説明】

【0036】

１００ ガスタービン（ＧＴ）システム
１０２ 圧縮機
１０４ 燃焼器
１０５ 燃焼領域
１０６ ヘッドエンドアセンブリ
１０８ タービン
１１０ ロータ、圧縮機／タービンシャフト
１１２ 静止ベーン、静止ノズル
１１４ 回転ブレード
１１５ 静的ノズルセクション
１１６ ロータホイール
１２０ 半径方向外側端壁
１２２ 半径方向内側端壁
１２４ ケーシング
１２８ 本体
１３０ 翼形部
１３２ 凸状負圧側面
１３４ 凹状正圧側面
１３６ 前縁
１３８ 後縁
１４０ フィレット
１４２ フィレット
１５０ 冷却空洞
１５２ 内面
１５４ インピンジメントインサート、インピンジメントスリーブ
１５６ 孔
１５８ ポジショナ
１６０ 熱伝達突起
１６４ 平面
１７０ 最内面
１７６ 半径方向に延びる列
９−９ 線
Ｈ 高さ
Ｌ０ 段
Ｌ１ 段
Ｌ２ 段
Ｌ３ 段
Ｒ１ 第１の半径方向距離
Ｒ２ 第２の半径方向距離
Ｗ１ 最内幅
Ｗ２ 最外幅
ＡＤ 軸方向距離
ＣＬ キャンバ長さ
ＯＦ 角度オフセット距離

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【外国語明細書】

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