JP2001507776A - ガスタービン翼の冷却システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 蒸気または空気の何れでも冷却可能なタービン翼を有するガスタービンが、空気を圧縮する圧縮機と、シェル内に収納されていて、圧縮機と流体連通状態にある燃焼器と、燃焼器と流体連通状態にあり、燃焼器及びタービン翼から高温ガスを受け入れるタービンとを有する。タービン翼は、翼幹部、シュラウド、及び蒸気または空気の何れかで翼幹部及びシュラウドを冷却する冷却回路を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 ガスタービン翼の冷却システム発明の属する技術分野 本発明は、空気又は蒸気の何れかを用いてタービン翼を冷却するガスタービン 及び空気又は蒸気の何れでも冷却できるタービン翼に関する。従来の技術及び発明が解決しようとする課題 米国政府は、本発明に関して完納実施権を有すると共に、限定的状況において 、米国エネルギー省により付与された契約第ＤＥ−ＦＣ２１−９５ＭＣ３２２６ ７号の条項によって規定されているように妥当な条件で第三者に実施権を許諾す るよう特許権者に命じる権利を有している。 当業者には理解されるように、典型的なガスタービンは、圧縮機、燃焼器及び タービンを有している。圧縮機内で空気が圧縮され、この空気は次に燃焼器に流 れる。燃焼器内で空気は燃料と一緒に燃焼して高温ガスが生じる。高温ガスは燃 焼器から出てタービン内へ流入する。タービンを流れている間にガスが膨張し、 それによりロータシャフトが回転する。シャフトの回転により有用な仕事が得ら れる。たとえば、シャフトは、発電機を駆動して発電を行わせることができる。 ロータの周りに円周方向に配置された複数本の静翼が、タービン部内に納めら れている。ロータの周りに円周方向に配置されるだけでなく、タービン翼は一連 の列を形成するように配置されている。燃焼器から排出された高温ガスはこれら 翼を通過するので、これら翼を冷却すること必要がある。 従来の冷却法としては、「閉ループ」と「開ループ」の両方式がある。当該技 術分野で知られているように、一般的に空気か蒸気の何れかがこれらのシステム に冷却剤として用いられる。空気を用いる開ループシステムは通常、圧縮機から の空気を翼に設けた孔を介して翼内部に導き、次に翼外面上に流す。翼の外面上 を流れた後、空気はタービンを流れているガスと混ざり、タービンから排出され る。熱伝達は典型的には、フィルム冷却と呼ばれているプロセスで行われる。フ ィルム冷却は、冷却剤がタービン翼の外面上を流れ、それにより該表面上に冷却 フィルムを形成する冷却プロセスのことである。 米国特許第５，３９４，６８７号に開示されているタイプの閉ループシステム では、空気も又、圧縮機の出口から取り出され、翼中へ送られる。しかしながら 、閉ループシステムでは、加熱された空気は、翼の孔を流れることがないので排 出されることはない。というよりも、空気は翼の内部領域を流れてシステム内へ 戻されるので空気中のエネルギーを利用できる。たとえば、翼を流れた後の空気 を圧縮機の出口に差し向けて燃焼器に送り込むか、或いは翼冷却システムへ送り 戻すことができる。大抵の用途では、閉ループシステムを用いることが好ましい 。というのは、閉ループシステムは、熱力学的効率が良いからである。より詳細 には、開ループシステムにおける冷却剤と高温ガスの混合の結果として、空気力 学的損失が生じる。さらに、開ループシステムでは排気された空気中に含まれる エネルギーは回収されないが、閉ループシステムではこのエネルギーは空気の再 循環中に回収される。 蒸気を冷却剤として用いるシステムが米国特許第５，５３６，１４３号に記載 されている。蒸気を冷却媒体として用いるシステムでは、蒸気は、タービン排ガ ス中に含まれる熱により発生させるのが一般的である。空気ではなく蒸気を冷却 媒体として用いると有利であるが、その理由は、一般に、蒸気システムは空気シ ステムよりも熱力学的効率が非常に良いからである。たとえば、蒸気冷却システ ムでは冷却用空気は圧縮機から抽出されることはないので、空気（空気システム では冷却用空気として用いられる空気）は燃焼器へ送られて仕事をする。当業者 には分かるように、これが一層効率的である理由は、空気中のエネルギーが燃焼 に用いられ、空気が冷却剤として用いられている間、このエネルギーが抽出され ないからである。 蒸気は熱容量が高いという顕著な利点があるが、欠点もある。具体的に述べる と、蒸気はタービン排ガスにより得られるので、蒸気は、タービンを起動する際 タービン構成部品の冷却には当初は使えない。タービンの起動中、高温ガスか生 じ、次に蒸気が高温ガスから生じる。タービン構成部品を冷却するのに十分な量 の蒸気がいったん生じると、タービンを完全に起動させて稼働状態にすることが できる。この方式の説明から明らかなように、タービンの起動の際十分な量の蒸 気が得られるまでに遅れがある。この遅れは、非効率的であり、その結果、稼働 時間が少なくなる。これとは対照的に、空気を冷却媒体として用いるシステムは 、圧縮空気を直ぐに使えるので比較的迅速に起動できる。しかしながら、上述し たように、空気冷却システムは、蒸気システムよりも熱容量が著しく低いという 欠点をもっている。 上述したように、タービン翼は蒸気か空気かの何れかによって冷却される。蒸 気と空気は比熱が互いに異なるので、所要の熱伝達率を達成するためには、蒸気 を冷却剤として用いる翼と、空気を冷却剤として用いる翼とでは設計が異なる。 より詳細に説明すると、比熱の相違により、同一の冷却量を得るために必要な流 量が蒸気と空気とでは異なる。使用する冷却媒体に基づき種々の冷却剤流路を備 えた翼を設計することにより、種々の流量が得られる。これは、米国特許第５， ３９４，６８７号に開示されている空気を冷却剤として用いる翼と、米国特許第 ５，５３６，１４３号に開示されている蒸気を冷却剤として用いる翼とを比較す ると分かる。 空気と蒸気の何れも冷却剤として利用できる翼を設計できたとすれば、タービ ンの起動の際、翼を冷却するに十分な量の蒸気が得られようになるまで空気を供 給して翼を冷却することができる。これにより、タービン起動の際の冷却用蒸気 に付随する遅れが無くなる。 空気を用いる翼と蒸気を用いる翼とでは設計が異なるので、これらには互換性 がない。このため、蒸気冷却式の翼と空気冷却式の翼の両方の所有者は、両形式 の翼を調達しなければならず、在庫コストが著しく増大する。 そこで、（1）蒸気を用いるが、冷却に必要な少なくとも十分な量の蒸気が得 られるようになるまで空気も使用できるガスタービン冷却システム、及び(2)蒸 気と空気の何れによっても冷却可能なタービン翼の開発が要望されていながら、 長年の間未解決の課題として存在することは明らかである。課題を解決するための手段 したがって、本発明の目的は、蒸気の高い熱容量を有するが、この蒸気が得ら れるまでは空気を冷却剤として使用できるガスタービン用冷却システムを提供す ることにある。本発明の別の目的は、蒸気と空気の何れによっても冷却できるタ ービン翼を提供することにある。本発明のもう一つの目的は、蒸気冷却式システ ムと空気冷却式システムとで互換性のあるタービン翼を提供することにある。 本発明の上記目的及び他の目的を達成するため、ガスタービン翼は、翼幹部及 び翼幹部を冷却する冷却回路を有している。冷却回路は、冷却剤として蒸気と空 気の何れでも使用できる。 本発明の別の特徴によれば、ガスタービン翼は、翼幹部の端に設けられたシュ ラウドと、翼幹部及びシュラウドを冷却剤としての蒸気と空気の何れかで冷却す る冷却回路とを有している。 本発明の第３の特徴として、本発明はまた、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機 と連通状態でシェル内に納められていて、高温ガスを発生させる燃焼器と、燃焼 器と流体連通状態にあるタービンとを有する。タービン内には、翼幹部を有する 翼、シュラウド及び冷却回路が設けられている。冷却回路は、翼幹部中を半径方 向に延びる入口プレナム、翼幹部中を半径方向に延びる出口プレナム、及び入口 プレナムから出口プレナムまで延びる複数の冷却チャンネルとを有し、冷却剤は 入口プレナムから冷却チャンネルを通り出口プレナムへ流れることができる。 本発明を特徴づける新規な技術的事項の上記利点及び特徴並びに他の種々の利 点及び特徴は、本明細書に添付されていてその一部となっている請求の範囲に具 体的に記載されている。しかしながら、本発明の内容、その利点及びその使用に より達成される目的の一層の理解のために、本願の一部を形成し、本発明の好ま しい実施形態が記載されている図面及びその説明を参照されたい。図面の簡単な説明 図１は、本発明の好ましい実施形態のガスタービンの一部の部分横断面図であ る。 図２は、空気を翼の冷却剤として用いる単純サイクルガスタービンの略図であ る。 図３は、蒸気を翼の冷却剤として用いる複合サイクルガスタービンの略図であ る。 図４は、図１に示すタービン翼のうち一つの略図である。 図５は、図４に示す翼の一部のネガの像を示す図である。 図６は、図４の６−６線に沿う断面図である。 図７は、図４の７−７線に沿う断面図である。 図８は、図４に示す翼の一部の等角図である。 図９は、図４に示すタービン翼の等角図である。 図１０は、翼冷却チャンネルの等角図である。発明の実施の形態 図面を参照し（図中、同一の符号は対応の構造を示す）、特に図１を参照する と、ガスタービン８は主要部として、圧縮機１６、タービン１４及び燃焼器１２ を有している。当業者には理解されるように、タービン８は一般的に、単純サイ クルタービン又は複合サイクルタービンと呼ばれている。したがって、圧縮機１ ６、燃焼器１２及びタービン１４の作動を各サイクルの説明と関連させて説明す る。図２は、単純サイクルガスタービン１０の略図を示す。空気が符号３２のと ころで圧縮機の入口に入り、圧縮機１６を移動する際に圧縮される。圧縮機１６ の通過後、空気２０は燃焼器１２に流入し、ここで燃料、例えば天然ガスを燃焼 させる。高温ガスは燃焼器１２を出て、タービン１４を流れる。タービン１４内 で、ガスが膨張し、高温ガスのエネルギーがロータシャフト３０を駆動するため の仕事に変換される。詳説すると、ロータシャフト３０が回転すると、圧縮機１ ６及び別の負荷１８を駆動することができる。この負荷１８は代表的には発電機 である。高温ガスは、符号３４のところでタービン１４から排出される。 図２に示す単純サイクルガスタービン１０とは対照的に、図３は複合サイクル ガスタービン１１を示す。複合サイクルガスタービン１１のタービン１４、圧縮 機１６及び燃焼器１２は、単純サイクルガスタービン１０のものと同様な働きを する。しかしながら、複合サイクルガスタービン１１では、タービン排出ガス３ ４中のエネルギーが有益な仕事に変換される。例えば、図２に示すような排出ガ ス３４を排熱回収熱交換器（ＨＲＳＧ）２６へ送り、そこれ水を蒸気２４に変換 することが可能である。次に、蒸気２４により蒸気タービン２８を駆動し、この タービン２８が別の負荷１９、例えば発電機を駆動する。別法として、蒸気２４ が、タービン１４によって駆動される負荷１８を駆動するようにしてもよい。タ ービン排ガス３４中の熱は追加の仕事を行わせるために用いられるので、複合サ イクルタービン１１は一般的に、単純サイクルタービン１０よりも格段に効率が 良い。 図１は、圧縮機１６、燃焼器１２及びタービン１４をより詳細に示す。図１に 示し、そして当該技術分野で公知のように、圧縮機は、交互に並んだ静翼２１の 列と回転翼２３の列が納められたシリンダ１７を有している。静翼２１は、シリ ンダ１７の内側部分に取り付けられ、回転翼２３は、ロータ３０の一部を形成す るディスク２７に連結されている。ロータ３０は、圧縮機からタービン１４内へ 延びている。 図１にも示すように、燃焼器１２は、室１５を形成するシェル１３を備えてい る。複数の燃焼器１２及びダクト３１が室１５内に納められている。燃焼器２９ とダクト３１をそれぞれ１つしか示していないが、これらと同一の燃焼器２９と ダクト３１がシェル１３内に複数個設けられている。ダクト３１は、燃焼器２９ をタービン１４に連結している。 内側シリンダ３５を包囲する外側シリンダ３３がタービン１４に設けられてい る。列状配置の静翼５０及び列状配置の回転翼３９が内側シリンダ３５内に納め られている。静翼５０は、内側シリンダ３５に取り付けられ、各回転翼３９は、 ロータ３０の一部を形成するディスク４１に取り付けられている。さらに、必ず しも必要条件ではないが、圧縮機１６及びタービン１４は、共通のロータ３０に 取り付けられている。 詳説すると、ガスタービン８が作動されると、空気が圧縮機１６を通って流れ るにつれて圧縮される。さらに詳しくは、ロータ３０が回転すると、圧縮機の回 転翼２３が空気を圧縮し、静翼２１は空気の流れを方向づける。圧縮機１６の通 過後、空気は符号４０のところで流出して燃焼器の室１５に流入する。空気は、 室１５から燃焼器１２へ流れ、そこで燃料２２と共に燃焼する。次に、燃焼器１ ２で生じた高温ガスが、ダクト３１を通ってタービン１４へ流れる。タービン１ ４では、高温ガスが膨張してタービンの回転翼３９を駆動する。これら回転翼３ ９は、取り付けられた状態のロータシャフト３０を回転させる。静翼５０は、タ ービン１４内で高温ガスの流れを方向づける。高温ガスはタービン１４を流れた 後排出されるか、或いは上述のように追加の仕事を行われるために送られる。 また、図２には、米国特許第５，３９４，６８７号に開示されているように、 タービン翼５０を冷却するための閉ループ空気冷却システム３６が略示されてい る。閉ループシステム３６は、圧縮機１６の出口からの冷却用空気３８が、ター ビン翼５０へ送られてこれらを冷却する。翼５０を流れた後、加熱された状態の 冷却剤４０が、圧縮機１６の出口に戻される。冷却用空気は次に、圧縮機１６の 出口から、翼５０へ戻されるか、或いは燃焼器１２に送られる。冷却用空気は必 ず最初に燃焼器１２を通過してからタービン１４から排出されるので、閉ループ システムは、熱力学的に効率が良いと考えられる。これとは対照的に、開ループ システムでは、冷却用空気は燃焼器１２には戻らない。それどころか、冷却用空 気は翼５０に設けられた孔を通って符号３４のところで排気される。 タービン翼の閉ループ蒸気冷却システムを、図３に略示する。蒸気冷却システ ムでは、蒸気４４はＨＲＳＧ２６の出口から取り出され、タービン翼５０中へ送 られてこれらを冷却する。翼５０の通過後、蒸気４６は、追加の仕事をこの蒸気 に行わせるために戻される。 上述のように、蒸気と空気の比熱は著しく異なるので、蒸気で冷却されるよう に設計された翼５０は、空気を冷却剤として用いることはできない。逆に、空気 を冷却剤として用いるように設計された翼５０は、蒸気を用いることができない 。かくして、蒸気と空気の何れでも冷却可能な翼を備えた公知のタービンは存在 しない。 本発明の好ましい実施形態では、タービン翼５０の冷却は、空気又は蒸気の何 れかを翼５０の内部に再循環させることにより行う。冷却剤として蒸気を用いる 場合、流路は、上述したような代表的な蒸気冷却システムで用いる流路と同一で ある。同様に、空気を冷却剤として用いる場合も、流路は上述の流路と同一であ る。 図４及び図９で分かるように、本発明の好ましい実施形態によれば、翼５０は 、内側シュラウド５４と外側シュラウド５６との間に設けられた翼幹部５２を有 している。ロータ３０に関して言えば、内側シュラウド５４は翼５０の半径方向 内端部のところに設けられ、外側シュラウド５６は翼５０の半径方向外端部のと ころに位置している。翼５０を１つだけ示しているが、タービン１４はこれと同 一 の翼を複数本有していることは理解されよう。好ましくは、シュラウド５４、５ ６及び翼幹部５２を有する翼５０は、単結晶ニッケル合金で作られている。代表 的には、翼５０は、鋳造法で製造される。 図４を参照して、翼幹部５２は前縁５８及び後縁６０を有している。さらに、 翼５０及びシュラウド５４、５６内には、冷却剤として蒸気と空気の何れでも使 用できる冷却回路（以下、「冷却剤回路」という場合がある）６６が設けられて いる。図４に示す好ましい実施形態の冷却回路６６は、２つの互いに異なる冷却 回路、即ち、翼幹部用冷却回路７０及びシュラウド用冷却回路７２を有している 。別法として、冷却回路は、翼幹部５２及びシュラウド５４、５６に通じた単一 の回路を設けてもよい。 翼幹部用冷却回路７０は、好ましくは、３つの入口プレナム６２、２つの出口 プレナム６４、６５及び翼幹部５２内に設けられた冷却チャンネル（以下、「冷 却剤チャンネル」という場合がある）６８を有している。図５は、翼幹部５２の 一部の陰画像を示す。この像には、入口プレナム６２、出口プレナム６４、６５ 及び冷却チャンネル６８の陰画像が示されている。プレナム６２、６４、６５及 び冷却チャンネル６８の別の図を、図９に示す等角図として示す。図１０は、冷 却チャンネル６８のうちの１つの等角図である。翼幹部用冷却回路７０は、種々 の組合せの入口プレナム６２及び出口プレナム６５で構成できることを理解され たい。例えば、図示しないが、回路７０は、２つの入口プレナム６２及び１つの 出口プレナム６５を備えるようにしてもよい。図５に示すように、冷却チャンネ ル６８は、一端が入口プレナム６２の１つに連結され、他端が出口プレナム６４ 、６５のうちの１つに連結されている。冷却チャンネル６８は、好ましくは、翼 幹部５２の周囲に円周方向に、互いに密に間隔を置いて設けられている。チャン ネル６８を密に間隔を置いて配置するため、翼幹部５２の冷却の大部分はこの領 域で起こる。 作用を説明すると、冷却剤は、矢印７４で示すように入口プレナム６２を流下 し、矢印７６で示すように冷却チャンネルを通って、出口プレナム６４、６５に 至る。冷却剤がこの経路を辿っているときに、熱が翼５０から冷却剤に伝達され る。 図４に示すように、翼幹部用冷却回路７０は、冷却剤供給ライン９７、冷却剤 戻りライン９８、供給マニホルド９３、排出マニホルド９４及び翼幹部スロット ９６を更に有している。好ましい実施形態では、供給マニホルド９３は、半径方 向外側部分内に配置されていて、供給ライン９７を入口プレナム６２に連結して いる。作用を説明すると、冷却剤は、供給ライン９７から供給マニホルド９３に 流入することにより入口プレナム６２に送られる。供給マニホルド９３は、この 冷却剤を入口プレナム６２に差し向ける。 各シュラウド５４、５６は、冷却剤を、冷却チャンネル６８の通過後、翼５０ から排出させるように翼幹部スロット９６と連携して働く排出マニホルド９４を 有している。さらに詳細に説明すると、図４に示すように、出口プレナム６４の 各半径方向端部のところで、翼幹部スロット９６が前縁５８及び後縁６０に対し て横方向の出口プレナム６４の各側に設けられている。さらに、出口プレナム６ ５は、前縁５８及び後縁６０に対して横方向に差し向けられた半径方向外端部の ところに翼幹部スロット９６を有している。出口プレナム６４、６５の半径方向 外端部のスロット９６が図６にも示されている。図４に示すように、両方の出口 プレナム６４、６５の半径方向外端部のところの翼幹部スロット９６は、外側シ ュラウド５６の排出マニホルド９４と流体連通状態にあり、出口プレナム６４の 半径方向内端部のところの翼幹部スロット９６は、半径方向内端部のところで排 出マニホルド９４と流体連通状態にある。 図４に示すように、出口プレナム６４のうちの１つは、冷却剤戻りライン９８ に連結されている。上述のように、作用を説明すると、冷却剤はチャンネル６８ を流れて出口プレナム６４、６５に流入する。出口プレナム６５内の冷却剤は、 図４及び図６に示すように、次にそのスロット９６を流れて、外側シュラウド５ ６の排出マニホルド９４へ流入する。冷却剤は次に、排出マニホルド９４から、 出口プレナム９４のスロット９６に流入し、この出口プレナム６４内の冷却剤と 合流する。最終的に、冷却剤は冷却剤戻りライン９８に流れ、代表的な閉ループ 冷却システムにつき上述したような閉ループパターンを形成するように流れる。 好ましい実施形態では、翼幹部用冷却回路７０の流路は、単一通路であるとし て説明できる。されに詳しくは、冷却剤は、翼５０を通過中、チャンネル６８を １回だけ通る。 図１０に示すように、冷却剤チャンネル６８は、好ましくは、乱流発生手段８ ０を有している。チャンネル６８を１つしか図示していないが、他の冷却チャン ネルもこれと同一であることを理解されたい。図１０に示すように、乱流発生手 段８０は、タービン内のガスに最も近いチャンネル６８の外側部６９上に設けら れている。この実施形態では、乱流発生手段８０は、チャンネル６８の隆起部で あり、これらは、矢印１００で示すような流れ方向に対し横断方向にチャンネル ６８を横切って延びる。作用を説明すると、冷却剤は乱流発生手段８０の上を流 れると、その流路を変化させる。このため、翼幹部用冷却回路７０の中に乱流が 生じやすくなり、それにより高い熱伝達率が得られる。その上、この実施形態で は、各冷却剤チャンネル６８の長さ、横断面形状及び半径方向ピッチを変えると 、最適な熱伝達率を達成することができる。 上述したように、冷却回路６６は、好ましくは、シュラウド用冷却回路７２を 有している。内側シュラウド５４と外側シュラウド５６は共に、シュラウド用冷 却回路７２を有している。図４、図５〜図８には、シュラウド用冷却回路７２の 構成要素が示されている。これら構成要素としては、シュラウド５４、５６の周 囲８８の周りに設けられたインピンジメント穴８６、シュラウド５４，５６の周 囲８８と翼幹部５２との間に配置されたペデスタルバンク８４、及び翼幹部５２ の周りに円周方向に設けられた排出穴９０が挙げられる。インピンジメント穴８ ６の名称の由来は、冷却剤が穴８６に衝突し、翼幹部５２の半径方向軸線に対し て横断方向から翼幹部５２の軸線に沿う方向に方向転換し、次に翼幹部５２の半 径方向軸線に対し再び逆向きの横断方向に方向転換することにある。冷却剤を衝 突させることにより、冷却剤に乱流が生じやすくなり、それによりその熱伝達性 が向上する。 作用を説明すると、冷却剤は、インピンジメント穴８６に流入し、ペデスタル バンク８４を通って内方へ流れ、次に排出穴９０から出る。冷却剤がこれら構成 要素を流れている間、熱がシュラウド５４、５６から冷却剤に伝達される。冷却 の大部分は、冷却剤がペデスタルバンク８４を流れている時に起こる。ペデスタ ルバンク８４の幾何学的形状を変えることにより、シュラウド用冷却回路７２の 効率及び有効性を最大限に高めることができる。例えば、ペデスタルバンク８４ の密集状態、直径又は高さのいずれかを変えることにより、熱伝達率を変えるこ とができると共に冷却回路７２の効率を変えることができる。 図４に示すように、外側シュラウド５６及び内側シュラウド５４は、排気マニ ホルド９４を備えてもよい。外側シュラウド５６の排気マニホルド９４が図６に 示されている。内側シュラウド５４内の排気マニホルド９４は、出口プレナム６ ５がこの端部に翼幹部スロットを有していないので出口プレナム６５と流体連通 していない点を除けば、外側シュラウド５６の排気マニホルドと同一である。冷 却剤は、各シュラウド５４、５６の排気穴９０を流れた後、それぞれのマニホル ド９４内へ流入する。シュラウド用冷却剤は、外側シュラウド５６のマニホルド ９４内において、出口プレナム６５を通ってマニホルド９４に流入した冷却剤と 合流する。冷却剤は、マニホルド９４から、翼幹部５２の出口プレナム６４に設 けられた翼幹部スロット９６を通って出口プレナム６４内に流入し、ここから、 加熱された状態で、冷却剤戻りライン９８を通り、そして上述したように代表的 な閉ループシステムを流れる。 図４及び図６を参照して、シュラウド用冷却回路７２は、冷却剤供給ライン９ ７及び供給マニホルド９３も備えた方がよい。この実施形態では、冷却剤は冷却 剤供給ライン９７から外側シュラウド５６の供給マニホルド９３に流入し、外側 シュラウド５６の供給穴８５を流れる。図４に示すように、冷却剤は次に、供給 穴８５からインピンジメント穴８６に流れる。図８は、これら供給穴８５とイン ピンジメント穴８６の関係を示す等角図である。 内側シュラウド５４の供給穴８５への冷却剤の流入経路は、最も好ましい実施 形態では、僅かに異なる。冷却剤は、冷却剤供給ライン９７から内側シュラウド ５４にも流入する。しかしながら、冷却剤は、内側シュラウド５４の供給穴８５ に流入する前に、先ず、供給ライン９７から翼幹部５２の入口プレナム６２を下 方に流れ、次に内側シュラウド５４の供給マニホルド９３に流入し、そしてその 供給穴８５に流入する。 図７に示すように、シュラウド用冷却剤回路７２は、フローガイド９２を更に 備えた方がよい。この実施形態では「リブ」であるフローガイド９２は、流れを ペデスタルバンク８４中へ差し向けて適正な流れ及び冷却分布状態が得られるよ うにする。 翼５０を適正に冷却するためには、冷却剤への所要の熱伝達率を達成しなけれ ばならない。蒸気と空気は熱容量が大きく異なるので、従来型の翼は、所要の冷 却を行うために空気と蒸気のそれぞれにつき互いに異なる流路を備えるよう設計 されていた。これら翼には互換性がない。空冷式の翼は蒸気では冷却できず、蒸 気冷却式の翼は空気では冷却できない。しかしながら、本明細書に開示した本発 明は、空気及び蒸気が同一翼中の同一流路を通って流れることができるので所要 の冷却を行うことができる。翼は、回路７０を流れる空気の速度及び蒸気の速度 が所要の冷却作用をもたらすように変化するような設計を冷却剤回路６６に施す ことより、これを達成している。詳細に説明すると、空気の熱容量は小さいので 、空気は、蒸気と同じ熱伝達率を達成するためには回路中を高速で移動しなけれ ばならない。このため、インピンジメント穴８６、排出穴９０の各々の寸法及び 各冷却剤チャンネル６８のパラメータをそれぞれ最適に設定する。各冷却剤チャ ンネル６８は、その入口及び出口のところの直径、ピッチ及び長さが蒸気と空気 の両方に適合するような適正な寸法となるように設計できる。かくして、流路の 寸法を設計することにより、冷却媒体が蒸気であれ空気であれ、いずれの場合で あっても、その速度は、適正な熱伝達率及び所要の冷却作用を得るに適したもの となる。 本発明の好ましい実施形態における冷却剤流路は、閉ループ方式の流路である 。フィルム冷却は用いていない。（フィルム冷却は、冷却剤が翼の表面上を流れ 、これを高温ガスから保護する方式であり、かかる冷却方法は、開ループシステ ムで用いられることが多い）。さらに、最も好ましい実施形態では、この翼５０ を、複合サイクルタービン１１に用いる。しかしながら、これは単純サイクルタ ービン１０にも用いることができる。 翼５０は、空気又は蒸気の何れをも冷却剤として用いることができるので、翼 ５０は、いずれのタイプの冷却システムとも交換使用が可能な標準部品を提供す る。両形式のタービン、即ち空冷式のタービンと蒸気冷却式のタービンの両方を 所有する者は、一つのタイプの翼５０を在庫するだけで十分である。このため、 これらの在庫コストが著しく軽減する。さらに、翼５０は、蒸気又は空気の何れ も使用できるので、タービンの始動の際、蒸気が発生する前に、空気を蒸気冷却 式タービンに用いることができる。これにより、タービン始動の際、翼５０を冷 却するのに十分な量の蒸気を発生させるために生じていた遅れが無くなる。 本発明の多くの特徴及び利点を本発明の構造及び機能の細部と共に上述したが 、この説明は例示に過ぎず、特に、各種部品の形状、寸法及び配置に関する細部 における変更は請求の範囲に記載された文言上の最も広い意味にわたる本発明の 原理に属する範囲内で想到できることは理解されるべきである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年１２月２８日（１９９８．１２．２８） 【補正内容】 フィルムを形成する冷却プロセスのことである。 米国特許第５，３９４，６８７号に開示されているタイプの閉ループシステム では、空気も又、圧縮機の出口から取り出され，翼中へ送られる。しかしながら 、閉ループシステムでは、加熱された空気は、翼の孔を流れることがないので排 出されることはない。というよりも、空気は翼の内部領域を流れてシステム内へ 戻されるので空気中のエネルギーを利用できる。たとえば、翼を流れた後の空気 を圧縮機の出口に差し向けて圧縮機に送り込むか、或いは翼冷却システムへ送り 戻すことができる。大抵の用途では、閉ループシステムを用いることが好ましい 。というのは、閉ループシステムは、熱力学的効率が良いからである。より詳細 には、開ループシステムにおける冷却剤と高温ガスの混合の結果として、空気力 学的損失が生じる。さらに、開ループシステムでは排気された空気中に含まれる エネルギーは回収されないが、閉ループシステムではこのエネルギーは空気を再 循環させているときに回収される。米国特許第５，３２０，４８３号は、翼中を 半径方向に延びる入口プレナム及び出口プレナムを有する閉ループシステムを開 示しており、半径方向中間プレナムが幾つかの半径方向位置で入口プレナム及び 出口プレナムに連結されている。 蒸気を冷却剤として用いるシステムが米国特許第５，５３６，１４３号に記載 されている。蒸気を冷却媒体として用いるシステムでは、蒸気は、タービン排ガ ス中に含まれる熱により発生させるのが一般的である。空気ではなく蒸気を冷却 媒体として用いると有利であるが、その理由は、一般に、蒸気システムは空気シ ステムよりも熱力学的効率が非常に良いからである。たとえば、蒸気冷却システ ムでは冷却用空気は圧縮機から抽出されることはないので、空気（空気システム では冷却用空気として用いられる空気）は燃焼器へ送られて仕事をする。当業者 には分かるように、これが一層効率的である理由は、空気中のエネルギーが燃焼 に用いられ、空気が冷却剤として用いられている間、このエネルギーが抽出され ないからである。 蒸気は熱容量が高いという顕著な利点があるが、欠点もある。具体的に述べる と、蒸気はタービン排ガスにより得られるので、蒸気は、タービンを起動する際 タービン構成部品の冷却には当初は使えない。タービンの起動中、高温ガスか生 じ、次に蒸気が高温ガスから生じる。タービン構成部品を冷却するのに十分な量 の蒸気がいったん生じると、タービンを完全に起動させて稼働状態にすることが できる。この方式の説明から明らかなように、タービンの起動の際十分な量の蒸 気が得られるまでに遅れがある。この遅れは、非効率的であり、その結果、稼働 時間が少なくなる。これとは対照的に、空気を冷却媒体として用いるシステムは 、圧縮空気を直ぐに使えるので比較的迅速に起動できる。しかしながら、上述し たように、空気冷却システムは、蒸気システムよりも熱容量が著しく低いという 欠点をもっている。 の翼を複数本有していることは理解されよう。好ましくは、シュラウド５４、５ ６及び翼幹部５２を有する翼５０は、単結晶ニッケル合金で作られている。代表 的には、翼５０は、鋳造法で製造される。 図４を参照して、翼幹部５２は前縁５８及び後縁６０を有している。さらに、 翼５０及びシュラウド５４、５６内には、冷却剤として蒸気と空気の何れでも使 用できる冷却回路（以下、「冷却剤回路」という場合がある）６６が設けられて いる。図４に示す好ましい実施形態の冷却回路６６は、２つの互いに異なる冷却 回路、即ち、翼幹部用冷却回路７０及びシュラウド用冷却回路７２を有している 。別法として、冷却回路は、翼幹部５２及びシュラウド５４、５６に通じた単一 の回路を設けてもよい。 翼幹部用冷却回路７０は、好ましくは、３つの入口プレナム６２、２つの出口 プレナム６４、６５及び翼幹部５２内に設けられた冷却チャンネル（以下、「冷 却剤チャンネル」という場合がある）６８を有している。図５は、翼幹部５２の 一部の陰画像を示す。この像には、入口プレナム６２、出口プレナム６４、６５ 及び冷却チャンネル６８の陰画像が示されている。プレナム６２、６４、６５及 び冷却チャンネル６８の別の図を、図９に示す等角図として示す。図１０は、冷 却チャンネル６８のうちの１つの等角図である。翼幹部用冷却回路７０は、種々 の組合せの入口プレナム６２及び出口プレナム６５で構成できることを理解され たい。例えば、図示しないが、回路７０は、２つの入口プレナム６２及び１つの 出口プレナム６５を備えるようにしてもよい。図５に示すように、冷却チャンネ ル６８は、一端が入口プレナム６２の１つに連結され、他端が出口プレナム６４ 、６５のうちの１つに連結されている。冷却チャンネル６８は、好ましくは、こ の場合も図９と関連して示すように、内側シュラウド５４と外側シュラウド５６ との間の翼幹部の外壁５３内に互いに密に間隔を置いて設けられた状態で翼幹部 ５２の周囲にぐるりと円周方向に差し向けられている。 チャンネル６８を外壁５ ３内に 密に間隔を置いて配置するため、翼幹部５２の冷却の大部分はこの領域で 起こる。 作用を説明すると、冷却剤は、矢印７４で示すように入口プレナム６２を流下 し、矢印７６で示すように冷却チャンネル６８を通って、出口プレナム６４、６ ５に至る。冷却剤がこの経路を辿っているときに、熱が翼５０から冷却剤に伝達 される。 請求の範囲 １．空気を圧縮する圧縮機（16）、 圧縮機（16）と流体連通状態でシェル内に納められていて、高温ガスを生じさ せる燃焼器（12）、 燃焼器（12）と流体連通状態にあるタービン部（14）、 タービン部（14）内に設けられていて、翼幹部（52）と、翼幹部（52）中を半 径方向に延びる入口プレナム（62）及び出口プレナム（64,65）及び冷却剤が入 口プレナム（62）から出口プレナム（64,65）に流れるようにする流路（76）を 備えた翼幹部用冷却回路（70）とから成る翼（50）を有するガスタービン（８） において、 冷却剤が入口プレナム（62）から出口プレナム（64,65）に流れるようにする 前記流路（76）は、前記入口プレナム（62）に連結された入口端部及び前記出口 プレナム（64,65）に連結された出口端部を有する複数の冷却チャンネル（68） を有し、前記冷却チャンネル（68）は、高温ガスの近くで翼幹部（52）の外壁（ 53）内に間隔を置いて設けられていることを特徴とするガスタービン（８）。 ２．翼幹部用冷却回路（70）は、冷却チャンネル（68）内に設けられていて、乱 流を冷却チャンネル（68）中を流れている冷却剤に生じさせる乱流発生手段（80 ）を更に有することを特徴とする請求項１記載のガスタービン（８）。 ３．前記複数の冷却チャンネル（68）は、前記外壁（53）内を円周方向に延びて いることを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービン（８）。 ４．前記翼幹部（52）の半径方向内端部のところに設けられた内側シュラウド（ 54）と、前記翼幹部（52）の半径方向外端部のところに設けられた外側シュラウ ド（56）とを更に有し、前記内側シュラウド（54）と前記外側シュラウド（56） のうち少なくとも一方は、インピンジメント穴（86）、排出穴（90）及びインピ ンジメント穴（86）と排出穴（90）との間に位置したペデスタルバンク（84）を 含むシュラウド用冷却回路（72）を有し、冷却剤の流路が、インピンジメント穴 （86）を通り、ペデスタルバンク（84）を通り、そして排出穴（90）を通って延 びるようになっていることを特徴とする請求項１記載のガスタービン（８）。 ５．前記シュラウド用冷却回路（72）は、翼幹部（52）の周囲の少なくとも一部 の周りに延びると共に排出穴（90）及び出口プレナム（64,65）と流体連通して いる排出マニホルド（94）を更に有し、冷却剤の流路が更に、排出穴（90）から 排気マニホルド（94）を通り、そして出口プレナム（64,65）内に延びるように なっていることを特徴とする請求項４記載のガスタービン（８）。 ６．前記シュラウド用冷却回路（72）は、前記冷却剤の流れをインピンジメント 穴（86）と排出穴（90）との間のペデスタルバンク（84）中へ差し向けるよう設 けられたフローガイド（92）を有していることを特徴とする請求項４又は５記載 のガスタービン（８）。 ７．冷却剤は、蒸気であることを特徴とする請求項１〜６のうち何れか一に記載 のガスタービン（８）。 ８．冷却剤は、空気であることを特徴とする請求項１〜６のうち何れか一に記載 のガスタービン（８）。 ９．冷却剤は、空気及びこれに続いて用いられる蒸気であることを特徴とする請 求項１〜６のうち何れか一に記載のガスタービン（８）。 【図１】【図２】【図３】 【図４】【図９】【図１０】【手続補正書】 【提出日】平成１１年７月８日（１９９９．７．８） 【補正内容】 請求の範囲 １．空気を圧縮する圧縮機（16）、 圧縮機（16）と流体連通状態でシェル内に納められていて、高温ガスを生じさ せる燃焼器（12）、 燃焼器（12）と流体連通状態にあるタービン部（14）、 タービン部（14）内に設けられていて、翼幹部（52）と、翼幹部（52）中を半 径方向に延びる入口プレナム（62）及び出口プレナム（64,65）及び冷却剤が入 口プレナム（62）から出口プレナム（64,65）に流れるようにする流路（76）を 備えた翼幹部用冷却回路（70）とから成る翼（50）を有するガスタービン（８） において、 冷却剤が入口プレナム（62）から出口プレナム（64,65）に流れるようにする 前記流路（76）は、前記入口プレナム（62）に連結された入口端部及び前記出口 プレナム（64,65）に連結された出口端部を有する複数の冷却チャンネル（68） を有し、前記冷却チャンネル（68）は、高温ガスの近くで翼幹部（52）の外壁（ 53）内に間隔を置いて設けられていることを特徴とするガスタービン（８）。 ２．翼幹部用冷却回路（70）は、冷却チャンネル（68）内に設けられていて、乱 流を冷却チャンネル（68）中を流れている冷却剤に生じさせる乱流発生手段（80 ）を更に有することを特徴とする請求項１記載のガスタービン（８）。 ３．前記翼幹部（52）の半径方向内端部のところに設けられた内側シュラウド（ 54）と、前記翼幹部（52）の半径方向外端部のところに設けられた外側シュラウ ド（56）とを更に有し、前記内側シュラウド（54）と前記外側シュラウド（56） のうち少なくとも一方は、インピンジメント穴（86）、排出穴（90）及びインピ ンジメント穴（86）と排出穴（90）との間に位置するペデスタルバンク（84）を 含むシュラウド用冷却回路（72）を有し、冷却剤の流路が、インピンジメント穴 （86）を通り、ペデスタルバンク（84）を通り、そして排出穴（90）を通って延 びるようになっていることを特徴とする請求項１記載のガスタービン（８）。 ４．冷却剤は、空気、蒸気、及び空気とそれに続いて用いられる蒸気のうちの一 つであることを特徴とする請求項１〜３のうち何れか一に記載のガスタービン（ ８）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ノードランド，レイモンド，エス アメリカ合衆国，フロリダ州 32828 オ ーランド，ウッドベリー・ロード 1700 ナンバー 904 (72)発明者 サウスオール，レスリー，アール アメリカ合衆国，フロリダ州 32779 ロ ングウッド，ティンバー・リッジ・ドライ ブ 450 (72)発明者 ノース，ウィリアム，イー アメリカ合衆国，フロリダ州 32708 ウ ィンター・スプリングス，カユガ・ドライ ブ 656 (72)発明者 シノット，ザッハリー アメリカ合衆国，フロリダ州 32789 ウ ィンター・パーク，テンプル・ドライブ 1900 【要約の続き】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．空気を圧縮する圧縮機と、 圧縮機と流体連通状態でシェル内に納められていて、高温ガスを生じさせる燃 焼器と、 燃焼器と流体連通状態にあるタービン部と、 タービン内に設けられた翼とを有し、 該翼は、翼幹部と、翼幹部の半径方向外端部に設けられた外側シュラウドと、 翼幹部中を半径方向に延びる入口プレナム及び出口プレナム、及び入口プレナム から延び、そして出口プレナムに延びる複数の冷却チャンネルを含む冷却回路と を有し、該冷却回路は、冷却剤が入口プレナムから冷却チャンネルを通り、そし て出口プレナムに流れるようにするための流路を構成していることを特徴とする ガスタービン。 ２．冷却回路は、冷却チャンネル内に設けられていて、乱流を冷却チャンネル中 を流れている冷却剤に生じさせる乱流発生手段を更に有することを特徴とする請 求項１記載のガスタービン。 ３．冷却剤は、蒸気から成ることを特徴とする請求項１記載のガスタービン。 ４．冷却剤は、空気から成ることを特徴とする請求項１記載のガスタービン。 ５．外側シュラウドは、入口穴と、排出穴と、入口穴と排出穴との間に位置した ペデスタルバンクとを更に有し、冷却剤の流路が入口穴を貫通し、ペデスタルバ ンクを貫通し、そして排出穴を貫通して延びるようになっていることを特徴とす る請求項１記載のガスタービン。 ６．外側シュラウドの中に設けられていて、翼幹部の半径方向外端部の周囲の少 なくとも一部の周りに延びると共に排出穴及び出口プレナムと流体連通している マニホルドを更に有し、冷却剤の流路が、排出穴からマニホルドを通り、そして 出口プレナム内に延びるようになっていることを特徴とする請求項５記載のガス タービン。 ７．冷却回路は、入口穴と排出穴との間に設けられていて、入口穴からの冷却剤 の流れを排出穴に差し向けるフローガイドを更に有していることを特徴とする請 求項５記載のガスタービン。 ８．翼幹部の半径方向内端部のところに設けられた内側シュラウドを更に有する ことを特徴とする請求項１記載のガスタービン。 ９．内側シュラウドは、入口穴と、排出穴と、入口穴と排出穴との間に位置した ペデスタルバンクとを更に有し、冷却剤の流路が入口穴を貫通し、ペデスタルバ ンクを貫通し、そして排出穴を貫通して延びるようになっていることを特徴とす る請求項８記載のガスタービン。 １０．内側シュラウド内に設けられていて、翼幹部の半径方向内端部の周囲の少 なくとも一部の周りに延びると共に内側シュラウドの排出穴及び出口プレナムと 流体連通しているマニホルドを更に有し、冷却剤の流路は、排出穴からマニホル ドを通り、そして出口プレナム内に延びるようになっていることを特徴とする請 求項９記載のガスタービン。 １１．空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機と流体連通状態でシェル内に納められて いて、高温ガスを生じさせる燃焼器と、燃焼器と流体連通状態にあるタービン部 と、タービン内に設けられた翼とを有し、該翼は、翼幹部と、翼幹部の半径方向 外端部に設けられた外側シュラウドと、翼幹部の半径方向内端部に設けられた内 側シュラウドと、翼幹部中を半径方向に延びる入口プレナム及び出口プレナム、 及び入口プレナムから延び、そして出口プレナムに延びる複数の冷却チャンネル を含む冷却回路とを有し、該冷却回路は、冷却剤が入口プレナムから冷却チャン ネルを通り、そして出口プレナムに流れるようにするための流路を構成している ことを特徴とするガスタービン。 １２．冷却回路は、冷却チャンネル内に設けられていて、乱流を冷却チャンネル 中を流れている冷却剤に生じさせる乱流発生手段を更に有することを特徴とする 請求項１１記載のガスタービン。 １３．冷却剤は、蒸気と空気のうち一方であることを特徴とする請求項１１記載 のガスタービン。 １４．内側シュラウド及び外側シュラウドは各々、入口穴と排出穴との間に位置 したペデスタルバンクを有し、冷却剤の流路が入口穴を貫通し、ペデスタルバン クを貫通し、そして排出穴を貫通して延びるようになっていることを特徴とする 請求項１１記載のガスタービン。 １５．前記シュラウドの各々の中に設けられていて、翼幹部のそれぞれの半径方 向端部の周囲の少なくとも一部の周りに延びると共にそれぞれのシュラウドの排 出穴及び出口プレナムと流体連通しているマニホルドを更に有し、冷却剤の流路 は更に、排出穴からそれぞれのマニホルドを通り、そして出口プレナム内に延び るようになっていることを特徴とする請求項１４記載のガスタービン。 １６．冷却回路は、入口穴と排出穴との間に設けられていて、入口穴からの冷却 剤の流れを排出穴に差し向けるフローガイドを更に有していることを特徴とする 請求項１４記載のガスタービン。 １７．空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機と流体連通状態でシェル内に納められて いて、高温ガスを生じさせる燃焼器と、燃焼器と流体連通状態にあるタービン部 と、タービン内に設けられていて、翼幹部、翼幹部の半径方向外端部に設けられ た外側シュラウド、及び翼幹部の半径方向内端部に設けられた内側シュラウドか ら成る翼と、翼幹部中を半径方向に延びる入口プレナム及び出口プレナム、及び 入口プレナムから延び、そして出口プレナムに延びる複数の冷却チャンネルから 成り、冷却剤が入口プレナムから冷却チャンネルを通り、そして出口プレナムに 流れるようにするための流路を構成している翼幹部用冷却回路と、シュラウド内 に設けられていて、入口穴、排出穴、及び入口穴と排出穴との間に位置したペデ スタルバンクから成り、冷却剤が入口穴からペデスタルバンクを通り、そして排 出穴を通って流れるようにするための流路を構成しているシュラウド用冷却回路 とを有することを特徴とするガスタービン。 １８．翼幹部用冷却回路は、冷却チャンネル内に設けられていて、乱流を冷却チ ャンネル中を流れている冷却剤に生じさせる乱流発生手段を更に有することを特 徴とする請求項１７記載のガスタービン。 １９．冷却剤は、蒸気と空気のうち一方であることを特徴とする請求項１７記載 のガスタービン。 ２０．出口プレナムの各半径方向端部に設けられたスロットを更に有し、冷却剤 の流路は更に、シュラウド用冷却回路の排出穴から翼幹部のそれぞれの端部のス ロットを通り、そして出口プレナムに延びるようになっていることを特徴とする 請求項１７記載のガスタービン。