特許 6924011 内側バンド及び外側バンド冷却を備えたタービンノズル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6924011

(24)【登録日】2021年8月3日

(45)【発行日】2021年8月25日

(54)【発明の名称】内側バンド及び外側バンド冷却を備えたタービンノズル

(51)【国際特許分類】

   F01D 9/02 20060101AFI20210812BHJP

【ＦＩ】

   F01D9/02 102

【請求項の数】9

【外国語出願】

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2016-195327(P2016-195327)

(22)【出願日】2016年10月3日

(65)【公開番号】特開2017-101654(P2017-101654A)

(43)【公開日】2017年6月8日

【審査請求日】2019年9月24日

(31)【優先権主張番号】14/880,565

(32)【優先日】2015年10月12日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【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

(74)【代理人】

【識別番号】100129779

【弁理士】

【氏名又は名称】黒川 俊久

(74)【代理人】

【識別番号】100113974

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 拓人

(72)【発明者】

【氏名】サンディップ・ダッタ

(72)【発明者】

【氏名】ベンジャミン・ポール・レイシー

(72)【発明者】

【氏名】ジョセフ・アンソニー・ウェーバー

(72)【発明者】

【氏名】ピーター・ギャレン・スティーヴンス

【審査官】 山崎 孔徳

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第０８６３２２９８（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／００２５８４２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００１−０５９４０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１０２７３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０２３９４３２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平０８−０８２２０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０１３５７７２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｄ ９／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

タービンノズル（１００）であって、
内側バンド（２００）から外側バンド（３００）までスパン方向に延びる翼形部（４００）であって、前記内側バンド（２００）及び外側バンド（３００）が当該タービンノズル（１００）の内側及び外側流れ境界を定める翼形部（４００）と、
前記内側バンド（２００）のガス側表面（２１６）を少なくとも部分的に覆う１又はそれ以上の内側プレート（２２６）と、
前記内側バンド（２００）のガス側表面（２１６）内で前記１又はそれ以上の内側プレート（２２６）の真下に形成される複数の冷却チャンネル（２１４）と、
前記外側バンド（３００）のガス側表面（２１６）を少なくとも部分的に覆う１又はそれ以上の外側プレート（３２６）と、
前記外側バンド（３００）のガス側表面（２１６）内で前記１又はそれ以上の外側プレート（３２６）の真下に形成される複数の冷却チャンネル（３１４）であって、前記外側バンド（３００）の複数の冷却チャンネル（３１４）が、前記翼形部（４００）の正圧側壁（４１２）と前記外側バンド（３００）の正圧側壁（３１２）との間に定められる少なくとも１つの蛇行形状の冷却チャンネル（３２０）、及び前記翼形部（４００）の正圧側壁（４１２）の湾曲に沿うように配向した少なくとも１つの冷却チャンネルを含む、複数の冷却チャンネル（３１４）と、
冷却媒体を前記少なくとも１つの蛇行形状の冷却チャンネル（３２０）に流入させるための流路を定める第１のアパーチャ（３２２）と、
冷却媒体を前記翼形部（４００）の正圧側壁（４１２）の湾曲に沿うように配向した少なくとも１つの冷却チャンネルに流入させるための流路を定める第２のアパーチャ（３２２）と、
前記１又はそれ以上の内側プレート（２２６）に定められる複数の排気ポート（２２８）であって、該複数の排気ポート（２２８）の各々が、前記内側バンド（２００）の複数の冷却チャンネル（２１４）のうちの対応する冷却チャンネル（２１４）から前記１又はそれ以上の内側プレート（２２６）のうちの対応する内側プレート（２２６）を貫通して半径方向外側に延びる、複数の排気ポート（２２８）と、
前記１又はそれ以上の外側プレート（３２６）に定められる複数の排気ポート（３２８）であって、該複数の排気ポート（３２８）の各々が、前記外側バンド（３００）の複数の冷却チャンネル（３１４）のうちの対応する冷却チャンネル（３１４）から前記１又はそれ以上の外側プレート（３２６）のうちの対応する外側プレート（３２６）を貫通して半径方向内側に延びる、複数の排気ポート（３２８）と
を備えるタービンノズル（１００）。

【請求項2】

前記外側バンド（３００）の複数の冷却チャンネル（３１４）が、前記翼形部（４００）の前縁部分（４０６）と、前記外側バンド（３００）の前方壁（３０６）との間に定められる少なくとも１つの蛇行形状の冷却チャンネル（３１８）を含む、請求項１に記載のタービンノズル（１００）。

【請求項3】

前記内側バンド（２００）の複数の冷却チャンネル（２１４）が、少なくとも１つの蛇行形状の冷却チャンネル（２２０，２２２）を含む、請求項１又は請求項２に記載のタービンノズル（１００）。

【請求項4】

前記内側バンド（２００）の複数の冷却チャンネル（２１４）が、前記翼形部（４００）の前縁部分（４０６）と、前記内側バンド（２００）の前方壁（２０６）との間に定められる少なくとも１つの蛇行形状の冷却チャンネル（２２０）を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のタービンノズル（１００）。

【請求項5】

前記内側バンド（２００）の複数の冷却チャンネル（２１４）が、前記翼形部（４００）の正圧側壁（４１２）と、前記内側バンド（２００）の正圧側壁（２１２）との間に定められる少なくとも１つの蛇行形状の冷却チャンネルを含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のタービンノズル（１００）。

【請求項6】

前記内側バンド（２００）の複数の冷却チャンネル（２１４）が、前記内側バンド（２００）の前縁部分（２１８）に沿って配置され且つ前記内側バンド（２００）の正圧側壁（２１０）と負圧側壁（２１２）との間に延びる少なくとも１つの冷却チャンネル（２１４）を含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のタービンノズル（１００）。

【請求項7】

前記外側バンド（３００）の複数の冷却チャンネル（３１４）が、高密度に離間した冷却チャンネル（３１４ａ）のグループと、疎密度に離間した冷却チャンネル（３１４ｂ）のグループとを含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のタービンノズル（１００）。

【請求項8】

前記内側バンド（２００）の複数の冷却チャンネル（２１４）が、高密度に離間した冷却チャンネル（２１４ａ）のグループと、疎密度に離間した冷却チャンネル（２１４ｂ）のグループとを含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のタービンノズル（１００）。

【請求項9】

ガスタービン（１０）であって、当該ガスタービンが、
圧縮機（１６）と、
前記圧縮機（１６）の下流側にある燃焼器（２０）と、
前記燃焼器（２０）の下流側にあるタービン（２４）と
を備え、前記タービン（２４）が、タービンノズル（１００）の列と、タービンロータブレード（３４）の列とを含み、前記タービンノズル（１００）の少なくとも１つが請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のタービンノズル（１００）である、ガスタービン（１０）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、全体的に、ガスタービン用のタービンノズルに関する。より詳細には、本発明は、内側バンド及び外側バンド冷却を備えたタービンノズルに関する。

【背景技術】

【0002】

産業用、航空機用、又は船舶用ガスタービンなどのガスタービンは、一般に、直列流れ順に、圧縮機、燃焼器、及びタービンを含む。タービンは、複数の段を有し、各段が、タービンノズルの列と、タービンノズルから下流側に配置されたタービンロータブレードの隣接する列とを含む。タービンノズルは、タービン内で静止状態に保持され、タービンロータブレードは、ロータシャフトと共に回転する。種々のタービン段は、タービンを通る高温ガス経路を定める。

【0003】

作動中、圧縮機は、燃焼器に圧縮空気を提供する。圧縮空気は、燃料と混合され、燃焼器内に定められる燃焼室又は反応ゾーンにおいて燃焼し、高温ガスの高速ストリームを生成する。高温ガスは、燃焼器からタービン入口を介してタービンの高温ガス経路に流入する。高温ガス流が連続する各段を通って流れると、高速の高温ガスからの運動エネルギーがタービンロータブレードの列に伝達され、このようにして、ロータシャフトの回転を生じさせ、機械的仕事を生成するようになる。

【0004】

タービン効率は、少なくとも１つには、タービン高温ガス経路を流れる高温ガスの温度に関係付けることができる。例えば、高温ガスの温度が高い程、タービンの全体効率が高くなる。高温ガスの最大温度は、少なくとも部分的には、タービンノズル及びタービンロータブレードなどのタービン構成要素の材料特性によって、並びに種々のタービン構成要素に冷却を提供するための種々の冷却回路及び該冷却回路を通って循環する冷却媒体の有効性によって制限される。

【0005】

タービンノズル及びタービンロータブレードの第１の段は、タービン入口に最も近接して位置付けられ、従って、最も高いガス温度に晒される。第１段タービンノズルは、内側バンド又はシュラウドと外側バンド又はシュラウドとの間でスパン方向に延びる翼形部を含む。内側バンド及び外側バンドは、高温ガス経路の内側及び外側流れ境界を定め、高温ガスに晒される。

【0006】

第１段タービンノズルは通常、タービンノズルの翼形部分を通って半径方向に延びる中央又はコア冷却チャンネルに圧縮空気などの冷却媒体を通過させることにより冷却される。冷却媒体の一部は、翼形部に沿って定められる種々のフィルム孔を通って流れ、このようにして翼形部にフィルム冷却を提供する。タービンノズルの内側バンド及び外側バンドは、背面又はインピンジメント冷却を介して冷却される。しかしながら、背面冷却の恩恵は限定的な場合がある。従って、冷却が改善されたタービンノズルが有用となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】米国特許第９，０１５，９４４号明細書

【発明の概要】

【0008】

本発明の態様及び利点は、以下の説明において記載され、又は本説明から明らかになることができ、或いは、本発明を実施することによって理解することができる。

【0009】

本発明の１つの実施形態は、タービンノズルである。タービンノズルは、内側バンドから外側バンドまでスパン方向で延びる翼形部を含む。内側バンド及び外側バンドが共に、タービンノズルの内側及び外側流れ境界を定める。内側バンドが、１又はそれ以上の内側プレートによって少なくとも部分的に覆われるガス側表面を有する。内側バンドはまた、１又はそれ以上の内側プレートの真下のガス側表面内に形成される複数の冷却チャンネルを含む。外側バンドは、１又はそれ以上の外側プレートによって少なくとも部分的に覆われるガス側表面を有する。外側バンドはまた、１又はそれ以上の外側プレートの真下のガス側表面内に形成される複数の冷却チャンネルを含む。

【0010】

本発明の別の実施形態は、ガスタービンである。ガスタービンは、圧縮機と、圧縮機から下流側にある燃焼器と、燃焼器から下流側にあるタービンと、を含む。タービンは、直列流れ順にタービンノズルの列とタービンロータブレードの列とを有する段を備える。少なくとも１つのタービンノズルは、内側バンドから外側バンドまでスパン方向で延びる翼形部を備え、上記内側バンド及び外側バンドがタービンノズルの内側及び外側流れ境界を定める。内側バンドは、１又はそれ以上の内側プレートによって少なくとも部分的に覆われるガス側表面を含む。内側バンドはまた、１又はそれ以上の内側プレートの真下のガス側表面内に形成される複数の冷却チャンネルを含む。外側バンドは、１又はそれ以上の外側プレートによって少なくとも部分的に覆われるガス側表面を有する。外側バンドはまた、１又はそれ以上の外側プレートの真下のガス側表面内に形成される複数の冷却チャンネルを含む。

【0011】

当業者であれば、本明細書を精査するとこのような実施形態の特徴及び態様、並びにその他がより理解されるであろう。

【0012】

添付図面を参照することを含めて、本明細書の残りの部分において、当業者にとって最良の形態を含む本発明の完全且つ有効な開示が記載される。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の種々の実施形態を包含することができる例示的なガスタービンの概略図。

【図2】本発明の種々の実施形態を包含することができるタービンの例示的なタービンセクションの側断面図。

【図3】本発明の１又はそれ以上の実施形態を包含することができる例示的なタービンノズルの側方斜視図。

【図4】図４は、本発明の少なくとも１つの実施形態による、図３に示す切断線４−４に沿って見た内側バンドを含むタービンノズルの一部の上面断面図。

【図5】図５は、本発明の少なくとも１つの実施形態による、図３に示す切断線５−５に沿って見た外側バンドを含むタービンノズルの一部の下部断面図。

【図6】本発明の少なくとも１つの実施形態による、図３に示すタービンノズルの外側バンド部分の部分斜視図。

【図7】本発明の少なくとも１つの実施形態による、図３に示すタービンノズルの内側バンド部分の部分斜視図。

【図8】本発明の少なくとも１つの実施形態による、図４及び５にそれぞれ示されるタービンノズルの内側バンド又は外側バンド何れかに形成することができる例示的な冷却チャンネルの断面図。

【図9】本発明の少なくとも１つの実施形態による、図４及び５にそれぞれ示されるタービンノズルの内側バンド又は外側バンド何れかに形成することができる隣接する冷却チャンネルの上面図。

【図10】本発明の少なくとも１つの実施形態による、図４に示すタービンノズルの一部の上方断面図。

【図11】本発明の少なくとも１つの実施形態による、図５に示すタービンノズルの一部の下方断面図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

ここで、その１つ又はそれ以上の実施例が添付図面に例示されている本発明の実施形態について詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴部を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様の又は類似の要素を示すために、図面及び説明において同様の又は類似の記号表示を使用している。

【0015】

本明細書で使用される用語「第１」、「第２」、及び「第３」は、ある構成要素を別の構成要素と区別するために同義的に用いることができ、個々の構成要素の位置又は重要性を意味することを意図したものではない。用語「上流」及び「下流」は、流体通路における流体流れに対する相対的方向を指す。例えば、「上流」は、流体がそこから流れる方向を指し、「下流」は流体がそこに向けて流れ込む方向を指す。用語「半径方向」は、特定の構成要素の軸方向中心線に実質的に垂直な相対方向を指し、用語「軸方向」は、特定の構成要素の軸方向中心線に実質的に平行な及び／又は同軸に整列された相対方向を指す。

【0016】

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本発明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。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。

【0017】

各実施例は、本発明の限定ではなく、例証として提供される。実際に、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、修正形態及び変形形態を本発明において実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。

【0018】

本発明の例示的な実施形態は、例示の目的で陸上ベースの発電用ガスタービンのためのタービンノズルに関して全体に説明しているが、請求項に別途規定のない限り、本発明の実施形態は、あらゆる型式又はタイプのガスタービンに適用することができ、陸上ベースの発電用ガスタービンに限定されないことは、当業者であれば容易に理解されるであろう。

【0019】

ここで図面を参照すると、図１は、本発明の種々の実施形態を包含することができる例示的なガスタービン１０の概略図を示す。図示のように、ガスタービン１０は、一般に、軸流圧縮機１６の上流側端部に配置された入口１４を有する圧縮機セクション１２を含む。ガスタービン１０は更に、圧縮機１６から下流側に位置付けられた１又はそれ以上の燃焼器２０を有する燃焼セクション１８と、燃焼セクション１８から下流側に配置された膨張タービンのようなタービン２４を含むタービンセクション２２と、を含む。シャフト２６は、ガスタービン１０の軸方向中心線２８に沿って圧縮機１６及びタービン２４を通って軸方向に延びる。

【0020】

図２は、本発明の種々の実施形態を包含することができる例示的なタービン２４の側断面図を示す。図２に示すように、タービン２４は、複数のタービン段３０を含むことができる。例えば、タービン２４は、第１段３０（ａ）、第２段３０（ｂ）及び第３段３０（ｃ）を含む、３つのタービン段３０を含むことができる。タービン段３０の総数は、３つよりも多くても少なくてもよく、本発明の実施形態は、請求項に別途記載のない限り、３つのタービン段に限定されない。

【0021】

図２に示すように、各段３０（ａ−ｃ）は、直列流れ順で、シャフト２６（図１）に沿って軸方向に離間して配置された、タービンノズル３２（ａ），３２（ｂ）及び３２（ｃ）の対応する列と、タービンロータブレード３４（ａ），３４（ｂ）及び３４（ｃ）の対応する列と、を含む。ケーシング又はシェル３６は、タービンノズル３２（ａ−ｃ）及びタービンロータブレード３４（ａ−ｃ）からなる各段３０（ａ−ｃ）を円周方向に囲む。タービンノズル３２（ａ−ｃ）は、ガスタービン１０の作動中にタービンロータブレード３４（ａ−ｃ）に対して静止している。

【0022】

作動時には、図１及び２に全体的に示すように、圧縮機１６からの圧縮空気３８は、燃焼器２０に提供され、ここで圧縮空気が燃料と混合されて燃焼して、高温燃焼ガス４０のストリームをもたらし、これが燃焼器２０からタービン２４に流入する。圧縮空気３８の少なくとも一部は、タービンノズル３２（ａ−ｃ）及びタービンロータブレード３４（ａ−ｃ）などのタービンの種々の構成要素を冷却するための冷却媒体として用いることができる。

【0023】

図３は、図２に示すようなタービン２４に組み込むことができ、本発明の種々の実施形態を包含することができる例示的なタービンノズル１００の斜視図を示す。タービンノズル１００は、タービンノズル３２（ａ−ｃ）の何れかに相当し、又は何れかの代わりに設置することができる。特定の実施形態において、タービンノズル１００は、当該産業分野において第１段ノズルすなわちＳ１Ｎとしても知られている第１段３０（ａ）のタービンノズル３２（ａ）に相当する。

【0024】

図３に示すように、タービンノズル１００は、内側バンド２００と、該内側バンド２００から半径方向に離間した外側バンド３００と、内側バンド２００から外側バンド３００までスパン方向で延びる翼形部４００と、を含む。内側バンド２００は、ガス側面２０２と、ガス側面２０２から半径方向内向きに配向された裏面２０４とを含む。外側バンド３００は、ガス側面３０２と、該ガス側面３０２から半径方向外向きに配向された裏面３０４とを含む。図２及び３に全体的に示すように、外側バンド３００のガス側面３０２及び内側バンド２００のガス側面２０２は、燃焼器２０からタービン２４を通って高速度で流れる高温燃焼ガス４０のストリームの内側及び外側流れ境界を定める。

【0025】

図４は、図３に示す切断線４−４に沿って見たタービンノズル１００の一部の上部断面図を示し、本発明の１つの実施形態による翼形部４００及び内側バンド２００の一部を含む。図５は、図３に示す切断線５−５に沿って見たタービンノズル１００の一部の下部断面図を示し、本発明の１つの実施形態による翼形部４００及び外側バンド３００の一部を含む。

【0026】

図４及び５に示すように、翼形部４００は、内側及び外側バンド２００，３００それぞれの前方壁２０６，３０６に近接して配置された前縁部分４０６と、内側及び外側バンド２００，３００それぞれの後方壁２０８，３０８に近接して配置された後縁部分４０８と、負圧側壁４１０と、正圧側壁４１２と、を含む。

【0027】

図４に示すように、内側バンド２００は、負圧側壁２１０及び正圧側壁２１２を含む。図５に示すように、外側バンド３００は、負圧側壁３１０及び正圧側壁３１２を含む。種々の実施形態において、図３、４及び５に全体的に示されるように、タービンノズル１００は、一次冷却チャンネル１０２を含む、及び／又は少なくとも部分的に定める。１つの実施形態において、一次冷却チャンネル１０２は、外側バンド３００、翼形部４００及び内側バンド２００を通って半径方向に延びる。

【0028】

１つの実施形態において、図４に示すように、内側バンド２００は、該内側バンド２００の上部又はガス側表面２１６に機械加工、鋳造、又は他の方法で形成された複数の冷却チャンネル２１４を定め、また、図５に示すように、外側バンド３００は、該外側バンド３００の上部又はガス側表面３１６に機械加工、鋳造、又は他の方法で形成された複数の冷却チャンネル３１４を定める。

【0029】

内側バンド２００に関して、図４に示すように、冷却チャンネル２１４は、内側バンド２００の特定の冷却要件に応じて様々な位置でガス側表面２１６に沿って配置することができる。例えば、特定の実施形態において、複数の冷却チャンネル２１４のうちの少なくとも一部は、翼形部４００の前縁部分４０６、負圧側壁４１０、後縁部分４０８及び正圧側壁４１２のうちの１又はそれ以上のものの湾曲又は輪郭に沿う又は実質的に沿うような配列又は配向にすることができる。冷却チャンネル２１４の少なくとも一部は、内側バンド２００の負圧側壁２１０又は後方壁２０８に近接して配置することができる。１つの実施形態において、冷却チャンネル２１４の少なくとも１つは、負圧側壁２１０と正圧側壁２１２との間で内側バンド２００の前縁部分２１８に沿って延びる。

【0030】

１つの実施形態において、図４に示すように、複数の冷却チャンネル２１４のうちの１又はそれ以上の冷却チャンネルは、蛇行又は「Ｓ字」形状にされる。特定の実施形態において、少なくとも１つの蛇行形状の冷却チャンネル２２０は、内側バンド２００の前方壁２０６と翼形部４００の前縁部分４０６との間に配置される。特定の実施形態において、少なくとも１つの蛇行形状又は「Ｓ字」形状の冷却チャンネル２２２は、翼形部の負圧側壁４１０と内側バンド２００の後方壁２０８との間に配置される。特定の実施形態において、「Ｓ字」形状の冷却チャンネル２２０は、冷却特性を最適化するため、冷却チャンネルの長さ又は管路に沿って深さＤの変動を有することができる。例えば、「Ｓ字」形状の冷却チャンネル２２０は、中央でより深くなり、「Ｓ字」形状の冷却チャンネル２２０の両端においてより浅くすることができる。

【0031】

複数のアパーチャ２２４は、裏面２０４（図３）から内側バンド２００を通って冷却チャンネル２１４のうちの１又はそれ以上に流れるように、圧縮空気３８のような冷却媒体用の流路を定める。冷却チャンネル２１４のうちの１又はそれ以上は、内側バンド２００の負圧側壁２１０及び正圧側壁２１２に沿って冷却媒体を排出するよう構成することができる。「Ｓ字」形状の冷却チャンネル２２０は、複数のアパーチャ２２６及び出口を有することができる。例えば、「Ｓ字」形状の冷却チャンネル２２０のうちの１又はそれ以上は、「Ｓ字」形状の冷却チャンネル２２０の中間部分に近接して定められたアパーチャ２２４と、「Ｓ字」形状の冷却チャンネル２２０の両端に定められた出口と、を有することができ、或いは、両端にて２つのアパーチャ２２２と、「Ｓ字」形状の冷却チャンネル２２０の中間部分に近接した出口と、を有することができる。

【0032】

外側バンド３００に関して、図５に示すように、冷却チャンネル３１４は、内側バンド３００の特定の冷却要件に応じて様々な位置でガス側表面３１６に沿って配置することができる。例えば、特定の実施形態において、複数の冷却チャンネル３１４のうちの少なくとも一部は、翼形部４００の前縁部分４０６、負圧側壁４１０、後縁部分４０８及び正圧側壁４１２のうちの１又はそれ以上のものの湾曲又は輪郭に沿う又は実質的に沿うような配列又は配向にすることができる。冷却チャンネル３１４の少なくとも一部は、外側バンド３００の負圧側壁３１０又は後方壁３０８に近接して配置することができる。

【0033】

１つの実施形態において、図５に示すように、複数の冷却チャンネル３１４のうちの１又はそれ以上の冷却チャンネル３１８は、蛇行又は「Ｓ字」形状にされる。特定の実施形態において、複数の冷却チャンネル３１４は、外側バンド３００の前方壁３０６と翼形部４００の前縁部分４０６との間に配置された少なくとも１つの蛇行形状の冷却チャンネル３１８を含む。特定の実施形態において、複数の冷却チャンネル３１４は、翼形部４００の正圧側壁４１２と外側バンド３００の正圧側壁３１２との間に配置された少なくとも１つの蛇行形状の冷却チャンネル３２０を含む。特定の実施形態において、「Ｓ字」形状の冷却チャンネル３１８の１又はそれ以上は、冷却特性を最適化するため、冷却チャンネル３１８の長さ又は管路に沿って深さＤの変動を有することができる。例えば、「Ｓ字」形状の冷却チャンネル３１８は、中央でより深くなり、「Ｓ字」形状の冷却チャンネル３１８の両端においてより浅くすることができる。

【0034】

複数のアパーチャ３２２は、裏面３０４（図３）から外側バンド３００を通って冷却チャンネル３１４のうちの１又はそれ以上に流れるように、圧縮空気３８のような冷却媒体用の流路を定める。冷却チャンネル３１４のうちの１又はそれ以上は、外側バンド３００の負圧側壁３１０及び正圧側壁３１２又は後方壁３０８に沿って冷却媒体を排出するよう構成することができる。「Ｓ字」形状の冷却チャンネル３１８のうちの１又はそれ以上は、複数のアパーチャ３２２及び出口を有することができる。例えば、「Ｓ字」形状の冷却チャンネル３１８のうちの１又はそれ以上は、「Ｓ字」形状の冷却チャンネル３１８の中間部分に近接して定められたアパーチャ３２２と、「Ｓ字」形状の冷却チャンネル３２８の両端において定められた出口とを有することができ、或いは、両端にて２つのアパーチャ３２２と、「Ｓ字」形状の冷却チャンネル３１８の中間部分に近接した出口と、を有することができる。

【0035】

図６は、本発明の１つの実施形態による、図５に示す外側バンド３００の半径方向外向き断面図を示す。図７は、本発明の１つの実施形態による、図５に示す内側バンド２００の上方断面図を示す。種々の実施形態において、外側バンド３００（図５）のガス側表面３１６に沿って定められた冷却チャンネル３１４は、１又はそれ以上の外側プレート３２６によって覆われる。種々の実施形態において、内側バンド２００（図４）のガス側表面２１６に沿って定められる冷却チャンネル２１４は、１又はそれ以上の内側プレート２２６によって覆われる。特定の実施形態において、図６及び７に示すように、複数の排気ポート２２８，３２８が、１又はそれ以上の内側プレート２２６及び１又はそれ以上の外側プレート３２６のうちの１又はそれ以上によって定められる。各排気ポート２２８，３２８は、対応する冷却チャンネル２１４，３１４から対応する内側プレート２２６又は外側プレート３２６をそれぞれ通る流路を定め、ガスタービン１０の燃焼運転中に外側バンド３００のガス側面２０２及び外側バンド３００のガス側面３０２にフィルム冷却を提供するようにする。特定の実施形態において、排気ポート２２８，３２８の１又はそれ以上は、冷却媒体が燃焼ガス４０のストリームの流れ方向に対して実質的に垂直に冷却チャンネル２１４，３１４から流出するように形成することができる。特定の実施形態において、排気ポート２２８，３２８のうちの１又はそれ以上は、冷却媒体が燃焼ガス４０のストリームの流れ方向に対して所定角度で冷却チャンネル２１４，３１４から流出するように形成することができる。特定の実施形態において、排気ポート２２８，３２８のうちの１又はそれ以上は、少なくとも部分的に楕円、円形、三角形、矩形又は方形の形状を有することができる。１つの実施形態において、排気ポート２２８，３２８のうちの１又はそれ以上は、冷却媒体が対応するガス側面２０２，３０２の一部にわたって拡散又は分散されるように形成することができる。特定の実施形態において、複数の冷却チャンネル２１４，３１４は、冷却トレンチを介し共通の排気ポート２２８，３２８を通じて排出することができる。

【0036】

図８は、本発明の種々の実施形態による、冷却チャンネル２１４及び３１４の何れかを表すことができる例示的な冷却チャンネルの断面図を示す。図９は、本発明の種々の実施形態による、冷却チャンネル２１４及び３１４を表すことができる隣接する冷却チャンネルの上面図を示す。図８の例示的な冷却チャンネル２１４及び３１４には、略「Ｕ字」形状すなわち半円断面輪郭を有して図示されているが、冷却チャンネル２１４及び３１４は、あらゆる断面輪郭を有することができ、請求項に別途記載のない限り、図示の「Ｕ字」形断面輪郭に限定されないことは理解されたい。特定の実施形態において、冷却チャンネル２１４及び３１４は、実質的に方形、三角形、涙形、及び／又はダブテールもしくは他の断面輪郭を有することができる。断面輪郭の形状及び／又はサイズは、冷却チャンネル２１４，３１４のうちの１又はそれ以上のチャンネルの長さに沿って変わることができる。

【0037】

特定の実施形態において、図８に示すように、各冷却チャンネル２１４，３１４は、深さＤ及び幅Ｗを有し、各冷却チャンネル２１４，３１４の底部は、半径Ｒを有する。深さＤは、ガス側表面２１６，３１６それぞれから測定することができる。図９に示すように、複数の冷却チャンネル２１４，３１４のうちの隣接する冷却チャンネル、又は蛇行形状の冷却チャンネルのような単一の冷却チャンネルの複数の通路は、ピッチＰで離間して配置される。深さＤ、幅Ｗ、半径Ｒ、及び隣接する冷却チャンネル２１４，３１４間のピッチＰは、内側及び外側バンド２００，３００の壁厚及び／又は内側及び外側バンド２００，３００のガス側面２０２，３０２にわたる熱分布などの要因に少なくとも部分的に基づいて、ガス側表面２１６，３１６に沿って変化することができる。

【0038】

図１０は、本発明の１つの実施形態による、図４に示す内側バンド２００の上方断面図を示す。図１１は、本発明の１つの実施形態による、図５に示す外側バンド３００の半径方向外向き断面図を示す。特定の実施形態において、図１１に示すように、外側バンド３００の複数の冷却チャンネル３１４は、高密度に実装された冷却チャンネル３１４（ａ）の１又はそれ以上のグループ及び疎密度に実装された冷却チャンネル３１４（ｂ）の１又はそれ以上のグループを含むことができる。

【0039】

特定の実施形態において、内側バンド２００に関して、高密度に実装された冷却チャンネル２１４（ａ）のグループを構成する冷却チャンネル２１４の幅Ｗは、半径Ｒの約２倍に等しい。疎密度に実装された冷却チャンネル２１４（ｂ）のグループを構成する冷却チャンネル２１４の幅Ｗは、半径Ｒの約２倍に等しい。疎密度に実装された冷却チャンネル２１４（ｂ）のグループを構成する冷却チャンネル２１４の深さＤは、高密度に実装された冷却チャンネル２１４（ａ）の深さＤの約１．３倍に等しい。隣接する疎密度に実装された冷却チャンネル２１４（ｂ）間のピッチＰ又は間隔は、隣接する高密度に実装された冷却チャンネル２１４（ａ）間のピッチＰの約２倍に等しい。

【0040】

１つの実施形態において、高密度に実装された冷却チャンネル２１４（ａ）のグループを構成する冷却チャンネル２１４の幅Ｗは、これらの冷却チャンネルの半径Ｒの約２倍に等しい。１つの実施形態において、疎密度に実装された冷却チャンネル２１４（ｂ）のグループを構成する冷却チャンネル２１４の幅Ｗは、これらの冷却チャンネルの半径Ｒの約２倍に等しい。１つの実施形態において、高密度に実装された冷却チャンネル２１４（ａ）のグループを構成する冷却チャンネル２１４の幅Ｗは、これらの冷却チャンネルの半径Ｒの１．８〜２．２倍に等しい。特定の実施形態において、疎密度に実装された冷却チャンネル２１４（ｂ）のグループを構成する冷却チャンネル２１４の幅Ｗは、冷却チャンネル２１４のうちの１又はそれ以上の冷却チャンネルの管路に沿って変化することができる。例えば、対応する冷却チャンネル２１４の側壁は、角度付き又は非垂直とすることができる。特定の実施形態において、疎密度に実装された冷却チャンネル２１４（ｂ）の１又はそれ以上の冷却チャンネル２１４の特定の位置における深さＤは、高密度に実装された冷却チャンネル２１４（ａ）の１又はそれ以上の冷却チャンネル２１４の特定の位置における深さＤの約１．３〜約２．５倍に等しい。１つの実施形態において、疎密度に実装された冷却チャンネル２１４（ｂ）の１又はそれ以上の冷却チャンネル２１４の特定の位置における深さＤは、高密度に実装された冷却チャンネル２１４（ａ）の深さＤの１．３〜２．５倍に等しい。１つの実施形態において、疎密度に実装された冷却チャンネル２１４（ｂ）の１又はそれ以上の冷却チャンネル２１４の特定の位置における深さＤは、高密度に実装された冷却チャンネル２１４（ａ）の深さＤの２．０〜５．０倍に等しい。１つの実施形態において、疎密度に実装された冷却チャンネル２１４（ｂ）の１又はそれ以上の冷却チャンネル２１４の特定の位置における深さＤは、高密度に実装された冷却チャンネル２１４（ａ）の深さＤの１．３倍に等しい。特定の実施形態において、深さＤは、疎密度に実装された冷却チャンネル２１４（ｂ）の１又はそれ以上の冷却チャンネル２１４の管路に沿って変化することができる。

【0041】

隣接する疎密度に実装された冷却チャンネル２１４（ｂ）間のピッチＰ又は間隔は、隣接する高密度に実装された冷却チャンネル２１４（ａ）間のピッチＰの約２倍〜５倍に等しい。特定の実施形態において、隣接する疎密度に実装された冷却チャンネル２１４（ｂ）間のピッチＰ又は間隔は、隣接する高密度に実装された冷却チャンネル２１４（ａ）間のピッチＰのピッチＰの２倍に等しい。

【0042】

特定の実施形態において、外側バンド３００に関して、高密度に実装された冷却チャンネル３１４（ａ）のグループを構成する冷却チャンネル３１４の幅Ｗは、半径Ｒの約２倍に等しい。疎密度に実装された冷却チャンネル３１４（ｂ）のグループを構成する冷却チャンネル３１４の幅Ｗは、半径Ｒの約２倍に等しい。疎密度に実装された冷却チャンネル３１４（ｂ）のグループを構成する冷却チャンネル３１４の深さＤは、高密度に実装された冷却チャンネル３１４（ａ）の深さＤの約１．３倍に等しい。隣接する疎密度に実装された冷却チャンネル３１４（ｂ）間のピッチＰ又は間隔は、隣接する高密度に実装された冷却チャンネル３１４（ａ）間のピッチＰの約２倍に等しい。

【0043】

１つの実施形態において、高密度に実装された冷却チャンネル３１４（ａ）のグループを構成する冷却チャンネル３１４の幅Ｗは、これらの冷却チャンネルの半径Ｒの約２倍に等しい。１つの実施形態において、疎密度に実装された冷却チャンネル３１４（ｂ）のグループを構成する冷却チャンネル３１４の幅Ｗは、これらの冷却チャンネルの半径Ｒの約２倍に等しい。１つの実施形態において、高密度に実装された冷却チャンネル３１４（ａ）のグループを構成する冷却チャンネル３１４の幅Ｗは、これらの冷却チャンネルの半径Ｒの１．８〜２．２倍に等しい。特定の実施形態において、疎密度に実装された冷却チャンネル３１４（ｂ）のグループを構成する冷却チャンネル３１４の幅Ｗは、冷却チャンネル３１４のうちの１又はそれ以上の冷却チャンネルの管路に沿って変化することができる。例えば、対応する冷却チャンネル３１４の側壁は、角度付き又は非垂直とすることができる。

【0044】

特定の実施形態において、疎密度に実装された冷却チャンネル３１４（ｂ）の１又はそれ以上の冷却チャンネル３１４の特定の位置における深さＤは、高密度に実装された冷却チャンネル３１４（ａ）の１又はそれ以上の冷却チャンネル３１４の特定の位置における深さＤの約１．３〜約２．５倍に等しい。１つの実施形態において、疎密度に実装された冷却チャンネル３１４（ｂ）の１又はそれ以上の冷却チャンネル３１４の特定の位置における深さＤは、高密度に実装された冷却チャンネル３１４（ａ）の深さＤの１．３〜２．５倍に等しい。１つの実施形態において、疎密度に実装された冷却チャンネル３１４（ｂ）の１又はそれ以上の冷却チャンネル３１４の特定の位置における深さＤは、高密度に実装された冷却チャンネル３１４（ａ）の深さＤの２．０〜５．０倍に等しい。１つの実施形態において、疎密度に実装された冷却チャンネル３１４（ｂ）の１又はそれ以上の冷却チャンネル３１４の特定の位置における深さＤは、高密度に実装された冷却チャンネル３１４（ａ）の深さＤの１．３倍に等しい。特定の実施形態において、深さＤは、疎密度に実装された冷却チャンネル３１４（ｂ）の１又はそれ以上の冷却チャンネル３１４の管路に沿って変化することができる。

【0045】

隣接する疎密度に実装された冷却チャンネル３１４（ｂ）間のピッチＰ又は間隔は、隣接する高密度に実装された冷却チャンネル３１４（ａ）間のピッチＰの約２倍〜５倍に等しい。特定の実施形態において、隣接する疎密度に実装された冷却チャンネル３１４（ｂ）間のピッチＰ又は間隔は、隣接する高密度に実装された冷却チャンネル３１４（ａ）間のピッチＰのピッチＰの２倍に等しい。

【0046】

本明細書で提供される冷却チャンネル２１４，３１４は、タービンノズルの既存の冷却方式に優る様々な技術上の利点をもたらす。例えば、本明細書で提供される冷却チャンネルは、内側プレート２２６又は外側プレート３２６それぞれの真下にガス側表面２１６，３１６に沿って延在する。これにより、内側バンド２００及び外側バンド３００のバルクが燃焼ガス４０のストリームの高温に晒されるのが防止され、従って、ベース金属の軟化を防ぎ、長期間にわたる内側バンド２００及び外側バンド３００の材料寿命を改善することができる。本明細書で提示される冷却チャンネル２１４，３１４は、必要な冷却媒体の量を低減し、内側バンド２００及び外側バンド３００の動作温度を許容限度内に維持することができる。

【0047】

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、また、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並びにあらゆる組み込み方法を実施する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。

【0048】

最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
タービンノズルであって、
内側バンドから外側バンドまでスパン方向で延び、上記内側バンド及び外側バンドが上記タービンノズルの内側及び外側流れ境界を定める翼形部を備え、
上記内側バンドが、１又はそれ以上の内側プレートによって少なくとも部分的に覆われるガス側表面を有し、上記内側バンドが、上記１又はそれ以上の内側プレートの真下の上記ガス側表面内に形成される複数の冷却チャンネルを含み、
上記外側バンドが、１又はそれ以上の外側プレートによって少なくとも部分的に覆われるガス側表面を有し、
上記外側バンドが、上記１又はそれ以上の外側プレートの真下の上記ガス側表面内に形成される複数の冷却チャンネルを含む、タービンノズル。
［実施態様２］
上記外側バンドの複数の冷却チャンネルが、少なくとも１つの蛇行形状の冷却チャンネルを含む、実施態様１に記載のタービンノズル。
［実施態様３］
上記外側バンドの複数の冷却チャンネルが、上記翼形部の前縁部分と上記外側バンドの前方壁との間に定められる少なくとも１つの蛇行形状の冷却チャンネルを含む、実施態様１に記載のタービンノズル。
［実施態様４］
上記外側バンドの複数の冷却チャンネルが、上記翼形部の正圧側壁と、上記外側バンドの正圧側壁との間に定められる少なくとも１つの蛇行形状の冷却チャンネルを含む、実施態様１に記載のタービンノズル。
［実施態様５］
上記内側バンドの複数の冷却チャンネルが、少なくとも１つの蛇行形状の冷却チャンネルを含む、実施態様１に記載のタービンノズル。
［実施態様６］
上記内側バンドの複数の冷却チャンネルが、上記翼形部の前縁部分と、上記内側バンドの前方壁との間に定められる少なくとも１つの蛇行形状の冷却チャンネルを含む、実施態様１に記載のタービンノズル。
［実施態様７］
上記内側バンドの複数の冷却チャンネルが、上記翼形部の正圧側壁と、上記外側バンドの正圧側壁との間に定められる少なくとも１つの蛇行形状の冷却チャンネルを含む、実施態様１に記載のタービンノズル。
［実施態様８］
上記内側バンドの複数の冷却チャンネルが、上記内側バンドの前縁部分に沿って配置され且つ上記内側バンドの正圧側壁と負圧側壁との間に延びる少なくとも１つの冷却チャンネルを含む、実施態様１に記載のタービンノズル。
［実施態様９］
上記外側バンドの複数の冷却チャンネルが、高密度に離間した冷却チャンネルのグループと、疎密度に離間した冷却チャンネルのグループとを含む、実施態様１に記載のタービンノズル。
［実施態様１０］
上記内側バンドの複数の冷却チャンネルが、高密度に離間した冷却チャンネルのグループと、疎密度に離間した冷却チャンネルのグループとを含む、実施態様１に記載のタービンノズル。
［実施態様１１］
ガスタービンであって、
圧縮機と、
上記圧縮機から下流側にある燃焼器と、
上記燃焼器から下流側にあるタービンと、
を備え、上記タービンが、タービンノズルの列とタービンロータブレードの列とを有する段を含み、
上記タービンノズルの少なくとも１つが、
内側バンドから外側バンドまでスパン方向で延び、上記内側バンド及び外側バンドが上記タービンノズルの内側及び外側流れ境界を定める翼形部を備え、
上記内側バンドが、１又はそれ以上の内側プレートによって少なくとも部分的に覆われるガス側表面を有し、上記内側バンドが、上記１又はそれ以上の内側プレートの真下の上記ガス側表面内に形成される複数の冷却チャンネルを含み、
上記外側バンドが、１又はそれ以上の外側プレートによって少なくとも部分的に覆われるガス側表面を有し、
上記外側バンドが、上記１又はそれ以上の外側プレートの真下の上記ガス側表面内に形成される複数の冷却チャンネルを含む、ガスタービン。
［実施態様１２］
上記外側バンドの複数の冷却チャンネルが、少なくとも１つの蛇行形状の冷却チャンネルを含む、実施態様１１に記載のガスタービン。
［実施態様１３］
上記外側バンドの複数の冷却チャンネルが、上記翼形部の前縁部分と。上記外側バンドの前方壁との間に定められる少なくとも１つの蛇行形状の冷却チャンネルを含む、実施態様１１に記載のガスタービン。
［実施態様１４］
上記外側バンドの複数の冷却チャンネルが、上記翼形部の正圧側壁と、上記外側バンドの正圧側壁との間に定められる少なくとも１つの蛇行形状の冷却チャンネルを含む、実施態様１１に記載のガスタービン。
［実施態様１５］
上記内側バンドの複数の冷却チャンネルが、少なくとも１つの蛇行形状の冷却チャンネルを含む、実施態様１１に記載のガスタービン。
［実施態様１６］
上記内側バンドの複数の冷却チャンネルが、上記翼形部の前縁部分と、上記内側バンドの前方壁との間に定められる少なくとも１つの蛇行形状の冷却チャンネルを含む、実施態様１１に記載のタービンノズル。
［実施態様１７］
上記内側バンドの複数の冷却チャンネルが、上記翼形部の正圧側壁と、上記外側バンドの正圧側壁との間に定められる少なくとも１つの蛇行形状の冷却チャンネルを含む、実施態様１１に記載のタービンノズル。
［実施態様１８］
上記内側バンドの複数の冷却チャンネルが、上記内側バンドの前縁部分に沿って配置され且つ上記内側バンドの正圧側壁と負圧側壁との間に延びる少なくとも１つの冷却チャンネルを含む、実施態様１１に記載のタービンノズル。
［実施態様１９］
上記外側バンドの複数の冷却チャンネルが、高密度に離間した冷却チャンネルのグループと、疎密度に離間した冷却チャンネルのグループとを含む、実施態様１１に記載のタービンノズル。
［実施態様２０］
上記内側バンドの複数の冷却チャンネルが、高密度に離間した冷却チャンネルのグループと、疎密度に離間した冷却チャンネルのグループとを含む、実施態様１１に記載のタービンノズル。

【符号の説明】

【0049】

１０ ガスタービン
１２ 圧縮機セクション
１４ 入口
１６ 圧縮機
１８ 燃焼セクション
２０ 燃焼器
２２ タービンセクション
２４ タービン
２６ ロータシャフト
２８ 軸方向中心線
３０ タービン段
３０（ａ） 第１タービン段
３０（ｂ） 第２タービン段
３０（ｃ） 第３タービン段
３２（ａ） タービンノズル
３２（ｂ） タービンノズル
３２（ｃ） タービンノズル
３４（ａ） タービンロータブレード
３４（ｂ） タービンロータブレード
３４（ｃ） タービンロータブレード
３６ シェル／ケーシング
３８ 圧縮空気
４０ 燃焼ガスのストリーム
１００ タービンノズル
１０２ 一次冷却チャンネル
２００ 内側バンド
２０２ ガス側面
２０４ 裏面
２０６ 前方壁／面
２０８ 後方壁／面
２１０ 正圧側壁／面
２１２ 負圧側壁／面
２１４ 冷却チャンネル
２１４（ａ） 高密度に実装された冷却チャンネル
２１４（ｂ） 疎密度に実装された冷却チャンネル
２１６ ガス側表面
２１８ 前縁部分（内側バンド）
２２０ Ｓ字形状の冷却チャンネル
２２２ Ｓ字形状の冷却チャンネル
２２４ アパーチャ
２２６ 内側プレート
２２８ 排気ポート
３００ 内側バンド
３０２ ガス側面
３０４ 裏面
３０６ 前方壁／面
３０８ 後方壁／面
３１０ 正圧側壁／面
３１２ 負圧側壁／面
３１４ 冷却チャンネル
３１４（ａ） 高密度に実装された冷却チャンネル
３１４（ｂ） 疎密度に実装された冷却チャンネル
３１６ ガス側表面
３１８ Ｓ字形状の冷却チャンネル
３２０ Ｓ字形状の冷却チャンネル
３２２ アパーチャ
３２６ 外側プレート
３２８ 排気ポート
４００ 翼形部
４０６ 前縁部分
４０８ 後縁部分
４１０ 負圧側壁
４１２ 正圧側壁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】