JP2000297604A - ガスタービンバケット及びチップシュラウド用の冷却回路 - Google Patents

ガスタービンバケット及びチップシュラウド用の冷却回路

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 【解決手段】 翼形部（３０）とチップシュラウド（３
２）とを有するガスタービンバケット用の開放冷却回路
が、複数の半径方向冷却孔（３４，３６）を含み、これ
らの冷却孔は翼形部を貫通しチップシュラウド内の内部
拡大部（４２，４４）と連通した後チップシュラウド
（３２）の外に通じており、従って、翼形部（３０）の
冷却に用いられた冷却媒体がその後チップシュラウド
（３２）の冷却に用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】本発明はガスタービンバケ
ットチップシュラウドの冷却に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンバケットは、半径方向内端
がルート部に結合され半径方向外端がチップ（翼先端
部）に結合された翼形部を有している。幾つかのバケッ
トは半径方向最外端のチップにシュラウドを備えてお
り、シュラウドは、チップから高温ガスが漏れるのを防
止するとともに振動を軽減すべく、隣接バケットに設け
られた同様のシュラウドと協働する。しかし、チップシ
ュラウドは、遠心力による曲げ応力と高温の組合せによ
るクリープ損傷を受け易い。米国特許第５４８２４３５
号には、ガスタービンバケットのシュラウドを冷却する
ためのコンセプトが記載されているが、その冷却設計は
シュラウド冷却のための専用の空気に頼ったものであ
る。バケット翼形部又は固定ノズル静翼用の別の冷却構
造が米国特許第５４８０２８１号、同第５３９１０５２
号及び同第５３５０２７７号に開示されている。
【０００３】
【発明の概要】本発明では、翼形部自体から排出された
使用済み冷却空気を利用してバケットの付属チップシュ
ラウドを冷却する。具体的には、本発明は、ガスタービ
ンチップシュラウドのクリープ損傷の危険性を低減する
とともに、バケット翼形部とシュラウドに要する冷却流
を最小限にするためのものである。すなわち、本発明
は、既にバケット翼形部の冷却に用いられた空気ではあ
るがその温度がタービン流路内のガスよりも低い空気を
使用することを提案するものである。
【０００４】本発明の一つの例示的実施形態では、翼形
部内部に翼形部の前縁と後縁にほぼ沿って前縁側の一群
の冷却孔と後縁側の一群の冷却孔が半径方向外向きに延
在する。上記冷却孔群の各々は、翼形部の半径方向に最
も外側の部分にあるそれぞれのキャビティ（つまりプレ
ナム）と連通している。半径方向冷却通路から使用済み
冷却空気が上記一対のプレナムに流入し、チップシュラ
ウド内の複数の孔を通って高温ガス流路へと排出され
る。チップシュラウド内の孔はチップシュラウドの平面
内に延在してシュラウドの外周縁に沿って開いていても
よいし、或いはある角度をもって延在してシュラウドの
上面を貫いて開いていてもよい。
【０００５】第二の例示的実施形態では、複数の比較的
小さなフィルム冷却孔が、翼形部の正圧側面と負圧側面
それぞれの半径方向プレナム壁を貫通するように形成さ
れている。これらの孔はシュラウド下面のシュラウド隅
肉部で開いている。この構成の一変形では、上述の前縁
側プレナムと後縁側プレナムは内部連通キャビティで連
通している。好ましくは、冷却孔の大多数は動翼の正圧
側面及び負圧側面の前縁部で開いていて、比較的少数の
冷却孔が後縁部で開いている。各プレナムを閉じるため
カバーがシュラウドに結合され、冷却空気の排出量を制
御するため各カバーに１以上の流量調整孔が形成され
る。
【０００６】第三の例示的実施形態では、翼形部内部の
個々の半径方向冷却孔はチップシュラウド端において幾
分大きめの寸法に穿孔される。換言すれば、各冷却孔が
独自のプレナムもしくはチャンバを有しているといえ
る。プラグもしくはインサートを冷却孔に結合して孔の
端をシールし、一方では、シュラウド冷却孔を個々のプ
レナムに直接通じるように穿孔してシュラウド上面又は
シュラウド下面で外に出る。適切な流れ分布を確保する
ため、流量調整孔が各種半径方向冷却孔プラグに必要と
されることもあろう。
【０００７】本発明は、一つの態様では、翼形部とチッ
プシュラウドとを有するガスタービンバケット用の開放
冷却回路であって、当該冷却回路は翼形部を貫通した複
数の半径方向冷却孔を含んでおり、これらの冷却孔は、
翼形部の冷却に用いられた冷却媒体が次いでチップシュ
ラウドの冷却に用いられるように、チップシュラウドの
外に出る前にチップシュラウド内の内部拡大部と連通し
ている、冷却回路に関する。
【０００８】本発明は、別の態様では、ガスタービン翼
形部と付属チップシュラウド用の開放冷却回路であっ
て、翼形部内部で半径方向外向きに延在する複数の冷却
孔；翼形部の半径方向外側部分にある１以上の第一プレ
ナムチャンバで、上記複数の冷却孔の少なくとも幾つか
と連通している第一プレナムチャンバ；及びチップシュ
ラウド内の複数の追加冷却孔で、上記プレナムと連通し
かつチップシュラウドを貫通して外に通じている複数の
追加冷却孔、を含んでなる冷却回路に関する。
【０００９】本発明は、さらに別の態様では、ガスター
ビン翼形部と付属チップシュラウドを冷却する方法であ
って、ａ）翼形部内に複数の半径方向孔を設けて該半径
方向孔に冷却空気を供給すること、ｂ）冷却空気を翼形
部内部のプレナムに導くこと、及びｃ）冷却空気を上記
プレナムからチップシュラウドに通すこと、を含んでな
る方法に関する。
【００１０】本発明のその他の目的及び利点は以下の詳
細な説明から明らかとなろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１は、ガスタービンのタービン
部１０を部分的に示したものである。ガスタービンのタ
ービン部１０はタービン燃焼器１１の下流にあり、ロー
タ軸アセンブリに装着されその一部をなして共に回転す
るタービンホイール１２，１４，１６，１８を含む一連
の４段のロータ（全体を符号Ｒで示す）を含んでいる。
各ホイールは１列のバケットＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４を
担持しており、その翼は半径方向外向きにタービンの燃
焼ガス通路内に突出している。バケットは固定ノズルＮ
１，Ｎ２，Ｎ３，Ｎ４と交互に配置されている。別法と
して、タービンホイール間に、前方から後方の順にスペ
ーサ２０，２２，２４が存在していて、各スペーサは対
応ノズルの半径方向内側に配置されている。ホイールと
スペーサは、従来のガスタービン構造と同様、複数の周
方向に隔設された軸方向延在ボルト２６（１本だけ図
示）によって互いに固定されることが理解されるであろ
う。
【００１２】図２及び図３について説明すると、タービ
ンバケットは動翼もしくは翼形部３０と付属の半径方向
外側チップシュラウド３２とを含んでいる。翼形部３０
は第一組の半径方向延在内部冷却孔３４と、第二組の５
つの半径方向延在冷却孔３６とを有する。第一組の冷却
孔３４は翼形部の前縁３８の比較的近い前半分に配置さ
れ、他方、第二組の冷却孔３６は翼形部の後縁４０近く
に配置される。第一組の前縁側冷却孔３４は翼形部の半
径方向最外部で第一キャビティ又はプレナム４２と通じ
ており、後縁側冷却孔３６は翼形部の後縁４０近くの第
二プレナム４４と通じている。プレナム４２，４４は翼
形部の形状と略合致する形状に形成され、半径方向にチ
ップシュラウド３２内部に延在している。プレナム４
２，４４は凹み付きカバー（例えば、図４にそれぞれ４
６，４８で示すもの）でシールされる。カバーは、高温
ガス通路内への冷却空気の排出速度を制御するための流
量調整孔５０，５２を有していてもよい。
【００１３】加えて、プレナム４２，４４は、チップシ
ュラウド内部の冷却通路を通して直接排気し得る。例え
ば、図３に示す通り、チャンバ４２からの使用済み冷却
空気は通路５４，５６，５８を通じてチップシュラウド
の縁から排出できる。これらの通路はシュラウド３２の
平面内にあって、冷却空気をシュラウド内に分布させて
シュラウドをフィルム冷却及び対流冷却する。同様に、
プレナム４４はシュラウド３２の後縁部の同様の通路６
０と通じている。
【００１４】翼形部内の半径方向孔の数及び直径が設計
上の要件及び製造プロセス能力に依存することは自明で
あろう。そこで、図２では４つの半径方向孔の群３４と
３つの半径方向孔の群３６を示したが、図３ではこれら
の群をそれぞれ５つの半径方向孔からなるものとして示
した。
【００１５】図４に示すこの例示的実施形態の一変形で
は、チップシュラウド内部に前縁側プレナム４２と連通
した冷却孔６２，６４，６６，６８，７０，７２を有し
ているが、これらの冷却孔はチップシュラウドの平面に
対して傾斜していてチップシュラウド縁からではなくシ
ュラウド上面７４から排気する。同様に、後縁側プレナ
ム４４と連通した冷却孔７６，７８，８０もシュラウド
の上面７４から排気する。
【００１６】図５及び図６は本発明の第二の例示的実施
形態を示すが、図５及び図６では、便宜上、図２及び図
３で用いた符号と同様の符号に接頭辞「１」を付加した
ものを対応構成部の表示に適宜使用した。第一組の半径
方向延在内部冷却孔１３４は翼形部の前縁１３８の比較
的近傍で半径方向外向きに翼形部内を貫通してプレナム
１４２と通じている。同様の第二組の冷却孔１３６は翼
形部の後縁１４０の比較的近傍で翼形部内部を半径方向
外向きに貫通し、プレナム１４４と通じている。第一群
のシュラウド冷却孔１６２，１６４，１６６及びシュラ
ウド冷却孔１６８，１７０，１７２，１７４はそれぞれ
プレナム１４２の負圧側面及び正圧側面から延在し、チ
ップシュラウド１３２の下面をフィルム冷却及び対流冷
却するが、これらの冷却孔はチップシュラウド隅肉部８
２で翼形部の外に通じている。第二群のシュラウド冷却
孔１７６，１７８はプレナム１４４から延在し、それぞ
れ翼形部の正圧側面及び負圧側面で開いており、同じく
チップシュラウドの下面に通じている。また、前の例示
的実施形態と同様に、プレナムカバー１４６の外に出る
流れは１以上の流量調整孔１５０（図７）で流量調節し
得る。シュラウドの正圧側面及び負圧側面で外に通じて
いるシュラウド冷却孔の数は必要に応じて変更し得る。
【００１７】図７は図５と同様の図であるが、前縁側プ
レナム１４２と後縁側プレナム１４４の間に延在する内
部の連通キャビティ８４を含んでいる。両プレナムから
の冷却孔は前記と同様にチップシュラウドの下面から排
出される。連通キャビティ８４によって大半の冷却空気
が前縁側プレナム１４２に流れ、主として翼形部の前縁
部で翼形部の負圧側面及び正圧側面それぞれに沿って配
設された冷却孔１６２，１６４，１６６及び冷却孔１６
８，１７０，１７２，１７４を経て排出される。図５と
同様に、翼形部の後縁部で外に通じる冷却孔は２つだけ
（１７６，１７８）である。この構成で、望ましくは冷
却空気の大半が翼形部の前縁部に導かれ、高温燃焼ガス
によって後縁部に押し戻され、かくしてシュラウドの望
ましい冷却をもたらす。カバー１４６内の流量調整孔１
５０は、チップシュラウド下面でのシュラウドの直接冷
却に使用されるもの以外の使用済み冷却空気を全て排出
して、シュラウド上面を流れる高温ガスを希釈する。
【００１８】図８〜図１１は本発明の第三の例示的実施
形態を示すが、図８〜図１１では、便宜上、前述の各例
示的実施形態の説明に用いた符号と同様の符号に接頭辞
「２」を付加したものを対応構成部の表示に適宜使用し
た。第一組の半径方向延在内部冷却孔２３４は翼形部の
前縁２３８の比較的近傍で半径方向外向きに翼形部を貫
通している。第二組の内部冷却孔２３６は翼形部の後縁
２４０の比較的近傍で翼形部内部を半径方向外向きに延
在している。個々の半径方向冷却孔２３４はその半径方
向外端で穿孔又は深座ぐりされて個別にプレナム２４２
を画成しており、他方、各半径方向冷却孔２３６は同様
に穿孔又は深座ぐりされ、同様のしかしもっと小さいプ
レナム２４４を形成している。各々の拡大チャンバもし
くはプレナム２４２，２４４はプラグもしくはカバー２
４６でシールされる（図８及び図９ではプラグ又はカバ
ー２４６は明瞭化のため省略した）。各プラグもしくは
カバーには適切な流れ分布を確保すべく流量調整孔２５
０を設けてもよい。
【００１９】第一群のシュラウドフィルム冷却孔２６
２，２６４，２６６，２６８，２７０，２７２は様々な
プレナム２４２からチップシュラウドを貫通してチップ
シュラウド上面に通じている。同様に、第二群のフィル
ム冷却孔２７４，２７６，２７８はプレナム２４４から
延在し、やはりチップシュラウド上面に通じている。な
お、フィルム冷却孔２６４，２６２は同一のプレナムか
ら延在しているが、フィルム冷却孔２７０，２７２は次
の隣接プレナムから延在している。ただし、この構成は
具体的用途に応じて変更し得る。
【００２０】図９には、プレナム２４２，２４４から延
在するフィルム冷却孔を示すが、この冷却孔はチップシ
ュラウド下面のほぼチップシュラウド隅肉部２８２に通
じている。フィルム冷却孔２８４，２８６，２８８，２
９０は２つのプレナム２４２から延在し、チップシュラ
ウド下面で翼形部の正圧側面及び負圧側面に通じてい
る。なお、フィルム冷却孔２８４，２９０は同一のプレ
ナムから延在しており、同様の構成が隣接プレナムから
延在するシュラウドフィルム冷却孔２８６，２８８につ
いても存在する。
【００２１】シュラウドフィルム冷却孔２９４，２９６
は、チップシュラウドシールの反対側の半径方向冷却孔
２３６が付随した１対の隣合うプレナム２４４から延在
しているが、これらの冷却孔もやはりチップシュラウド
下面に延在している。
【００２２】以上説明してきた構成は、ガスタービンシ
ュラウドのクリープ損傷の危険性を低減するとともに、
バケットに要する冷却流を最小限に抑え、翼形部の冷却
に使用した空気をチップシュラウドの冷却にも有効利用
するためのものである。
【００２３】以上、現時点で最も実用的で好ましいと思
料される実施形態に関して本発明を説明してきたが、本
発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、請
求項に規定される技術的思想及び技術的範囲に属する様
々な変更及び均等な構成を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 陸上ガスタービンのタービン部の部分側断面
図である。
【図２】 本発明の第一の例示的実施形態によるタービ
ン動翼及びチップシュラウドにおける半径方向冷却通路
群を示す概略部分側面図である。
【図３】 本発明の第一の例示的実施形態によるチップ
シュラウドの平面図である。
【図４】 図３に示す構成の変更例を示す平面図であ
る。
【図５】 本発明の第二の例示的実施形態によるタービ
ン翼形部及びチップシュラウドの平面図である。
【図６】 図５の矢視６−６断面図である。
【図７】 図５に類似した翼形部とチップシュラウドの
平面図であるが、内部プレナム相互間の連通キャビティ
を示す。
【図８】 本発明の第三の例示的実施形態によるチップ
シュラウドの平面図であり、チップシュラウド上面に開
いたシュラウド冷却孔を示す。
【図９】 図８に示すチップシュラウドの平面図である
が、チップシュラウド下面に開いたシュラウド冷却孔を
示す。
【図１０】 図８の矢視１０−１０断面図である。
【図１１】 図９の矢視１１−１１断面図である。
【符号の説明】
３０ バケット翼形部 ３２ チップシュラウド ３４，３６ 半径方向冷却孔 ４２，４４ プレナム ５０，５２ 流量調整孔 ５４，５６，５８，６０ シュラウド冷却孔 ６２，６４，６６，６８，７０，７２ シュラウド冷却
孔 ７６，７８，８０ シュラウド冷却孔 ８４ 連通キャビティ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゲーリー・マイケル・イトゼル アメリカ合衆国、ニューヨーク州、クリフ トン・パーク、シダー・ミル・ドライブ、 12番 (72)発明者 ディミトリオス・スタソポウロス アメリカ合衆国、ニューヨーク州、グレン モント、ウィンゲート・ロード、11番 (72)発明者 ラリー・ウェイン・プレモンズ アメリカ合衆国、オハイオ州、ハミルト ン、ロング・リッジ・トレイルズ、2900番 (72)発明者 ドイレ・シー・レウィス アメリカ合衆国、サウス・カロライナ州、 グリアー、リバー・ウェイ・ドライブ、 444番

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 翼形部（３０）とチップシュラウド（３
    ２）とを有するガスタービンバケット用の開放冷却回路
    であって、当該冷却回路は翼形部を貫通した複数の半径
    方向冷却孔（３４，３６）を含んでおり、これらの冷却
    孔は、翼形部（３０）の冷却に用いられた冷却媒体が次
    いでチップシュラウド（３２）の冷却に用いられるよう
    に、チップシュラウド（３２）の外に出る前にチップシ
    ュラウド内の内部拡大部（４２，４４）と連通してい
    る、冷却回路。
  2. 【請求項２】 ガスタービン翼形部と付属チップシュラ
    ウド用の開放冷却回路であって、 翼形部内部で半径方向外向きに延在する複数の冷却孔
    （３４，３６）、 翼形部の半径方向外側部分にある１以上のプレナム（４
    ２，４４）で、上記複数の冷却孔の少なくとも幾つかと
    連通しているプレナム（４２，４４）、及びチップシュ
    ラウド（３２）内の１以上のフィルム冷却孔（５４）
    で、プレナム（４２，４４）と連通しかつチップシュラ
    ウド（３２）を貫通して外に通じている１以上のフィル
    ム冷却孔（５４）を含んでなる冷却回路。
  3. 【請求項３】 半径方向冷却孔（２３４，２３６）の各
    々に対して個別にプレナム（２４２，２４４）を設け
    た、請求項１記載の冷却回路。
  4. 【請求項４】 ガスタービン翼形部と付属チップシュラ
    ウドを冷却する方法であって、 ａ）翼形部（３０）内に複数の半径方向孔（３４，３
    ６）を設けて該半径方向孔に冷却空気を供給すること、 ｂ）冷却空気を翼形部内部の１以上のプレナム（４２，
    ４４）に導くこと、及び ｃ）冷却空気を上記１以上のプレナム（４２，４４）か
    らチップシュラウド（３２）に通すことを含んでなる方
    法。
  5. 【請求項５】 段階ｂ）が、冷却空気を翼形部（３０）
    内部の１対のプレナム（４２，４４）に導くことによっ
    て行われる、請求項４記載の方法。
JP2000096068A 1999-04-01 2000-03-31 ガスタービンバケット及びチップシュラウド用の冷却回路 Expired - Lifetime JP4514885B2 (ja)

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