JP2001511864A - タービン翼およびそのガスタービン設備への利用 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、流入縁（８）、流出縁（９）、流入縁（８）と流出縁（９）との間において互いに反対側にある羽根の腹（１０）と背（１１）、および流体（１８）で洗流される壁構造体（２）を有しているタービン翼（１）に関する。その壁構造体（２）は、冷却流体（６）を案内する内室（２１）を包囲し、冷却流体（６）の出口（１６）を有する外側壁（３）を含んでいる。外側壁（３）には、出口（１６）の範囲に内室（２１）に向いて突出した厚肉部（１４）が設けられている。本発明は更に、このようなタービン翼（１）のガスタービンへの利用に関する。

Description

【発明の詳細な説明】 タービン翼およびそのガスタービン設備への利用 本発明は、流入縁、流出縁、流入縁と流出縁との間において互いに反対側にあ る羽根の腹と背、および流体で洗流される壁構造体を有しているタービン翼に関 する。この壁構造体は冷却流体を案内する内室を包囲し、冷却流体の出口を有す る外側壁を含んでいる。本発明は更に、このようなタービン翼の用途に関する。 冷却用の冷却ガスが案内される構造のガスタービンの静翼は、米国特許第５４ １９０３９号明細書に記載されている。その静翼は単一の鋳造部品として作られ ているか、２つの鋳造部片から組み立てられている。この静翼はその内部にガス タービン設備の圧縮機からの冷却空気の入口を有している。ガスタービンの高温 ガス流に曝され前記入口を包囲する静翼の壁構造体に、片側開放冷却ポケットが 鋳造によって設けられている。この冷却ポケットは壁構造体の外側面に、高温ガ スの流れ方向並びに高温ガスの流れ方向に対して垂直に、静翼の主広がり方向に 沿って配置されている。各冷却ポケットにおいて、冷却空気入口から壁構造体に ある多数の孔を介して冷却ポケットに冷却空気が流入する。冷却ポケットは高温 ガスの流れ方向に冷却空気で貫流され、この冷却空気は静翼の鋳造によって既に 形成されている開口から高温ガスの流れの中に流れ出る。これによって壁構造体 の外側表面に、ある程度の膜冷却が達成される。熱伝導を向上するためにその冷 却ポケットに、特記されていない１つの台座あるいは特記されていない複数の台 座が設けられる。 本発明の課題は冷却可能な壁構造体を有するタービン翼を提供することにある 。本発明のもう１つの課題はこのようなタービン翼の用途を挙げることにある。 タービン翼に向けられた課題は、本発明に基づいて、請求項１の前文に記載の タービン翼において、外側壁が出口の範囲に内室に向いて突出した厚肉部を有し ていることによって解決される。外側壁に厚肉部が結合されていることによって 、外側壁が非常に薄くても、出口の長さと直径の比を大きくすること並びに外側 壁に対する出口の傾斜角度を小さくすることができる。従ってその出口を通って 、 外側壁の膜冷却を形成するのに十分な量の冷却流体、特に冷却空気が流れる。出 口の傾斜角度が小さいことによって、出口のすぐ下流で冷却流体流は外側壁に当 たり、これによって特に有効な冷却が達成される。 特にこのようなタービン翼は、タービン翼が高温ガスで洗流されるガスタービ ンへの採用に適している。高温ガスの温度がタービン翼の母材の融点より高い場 合、タービン翼で達成できる冷却によって、タービン翼の損傷は防止される。外 側壁における温度、即ち表面温度は、膜冷却並びに内室を介しての冷却によって 、タービン翼にとって危険のない温度レベルまで下げられる。内室からの冷却空 気は、対流移行および外側壁を通っての熱伝導を生じ、これによって外側壁の表 面が十分に冷却される。 被冷却外側壁ができるだけ薄く作られている場合、特に効果的な冷却が得られ る。好ましくは外側壁は、少なくとも部分的に２．５ｍｍより小さな平均壁厚、 特に約１ｍｍの平均壁厚を有している。 タービン翼の内室を貫流する冷却空気は加熱され、孔として、特に冷却膜孔と して作られた出口を通って、タービン翼を洗流する流体、特に高温ガスの流れの 中に到達する。出口、特に孔は、好ましくは流体の主流れ方向に対して鋭角を成 している軸に沿って延びている。これによって流体、特に高温ガスに比べて比較 的冷たい出口から流出する冷却空気が、タービン翼の周りに冷たい冷却流体膜を 形成することが保証される。これはタービン翼を有効に保護するために貢献する 。 出口は好ましくは外側壁に対して１０°〜４５°、特に２５°〜３５°の角度 αを成す。これは好ましくは一定した横断面積の孔として形成されている。ある いはまた出口は、内室の側にある一定した横断面積の絞り部位および高温ガス流 に向けて広がっている減速部位を有している。この絞り部位によって、冷却流体 が流量調整される。広がっている減速部位によって、冷却流体の流速が減少され 、これによって冷却流体は出口のすぐ下流で外側壁に当たる。 出口は好ましくは０．３ｍｍ〜１．５ｍｍ、特に約０．６ｍｍ〜０．７ｍｍの 最小直径を有している。そのような直径は、厚肉部が設けられていることによっ て、出口の長さと直径との比を２〜５にした状態で製造技術的に支障なしに製造 できる。従って、内室から外側壁の外側表面への冷却流体の十分な供給が保証さ れるほかに、外側壁に対する出口の小さな傾斜角も保証される。 厚肉部は外側壁に、好ましくは局所的な丘状隆起部として形成されている。こ の丘状隆起部を貫通して出口、即ち孔が導かれている。これは、外側壁がたとえ 薄くても、適切な傾斜角にすることおよび出口の長さと直径の比を大きくするこ とを可能にする。丘状隆起部は、好ましくは出口に向けて丸められている。従っ てこの隆起部は、出口の範囲において、この出口への冷却流体の良好な流入を達 成する曲率半径を有している。これによって出口、即ち孔内において冷却流体の 流れが一様にされる。これは外側壁に形成される冷却流体膜の改善に貢献する。 厚肉部は線状隆起部として形成することもできる。この隆起部は複数の出口を 含むことができる。 壁構造体は、外側壁のほかに内室に面した内側壁を持つこともでき、その場合 、内側壁と外側壁との間に、冷却流体が貫流するための冷却部位が設けられる。 各冷却部位は内側壁に冷却流体の入口を有している。この入口は内室に導入され た冷却流体の冷却部位への流入を保証する。冷却流体は冷却部位から出口を通っ て外側壁の外側表面に到達する。冷却部位は、好ましくは外側壁および内側壁に よって包囲された冷却室として形成されている。これは、出口および入口を製造 する際の柔軟性を高め、冷却流体の入口および出口をタービン翼の要求に応じて 追加的に変更することも可能にする。出口は漏斗状開口（減速部位）を有し、こ れは追加的に腐食加工によって、あるいはレーザービームによる切削加工で作れ る。 そのような漏斗状開口の横断面形状は、例えば円形、矩形あるいは他の単純な幾 何学形状にされる。 入口は、好ましくは流入する冷却流体が外側壁に衝突するように、外側壁に対 してほぼ垂直に形成され、これによって、少なくとも入口の範囲において外側壁 の追加的な衝突冷却が達成される。特に羽根の背における冷却部位の出口は、好 ましくは冷却空気の入口とタービン翼の流入縁との間に配置されている。これは 、冷却部位内において冷却流体がタービン翼を洗流する高温ガス流の流れ方向と 逆に流れるような、いわゆる対向流冷却を保証する。これは、特にこのタービン 翼が静翼として採用される場合に膜冷却を向上する。外側壁と内側壁との間に配 置された、少なくとも１つの冷却部位を有する壁構造体をしたタービン翼は、全 体 が鋳造によって一回の作業工程で製造される。勿論、タービン翼を２つ以上の鋳 造部片から、これらの鋳造部片を鋳造後に適当な方式（接合法）で互いに結合す ることによって構成することもできる。好ましくは入口も鋳造によって形成され る。タービン翼は、好ましくは多数の冷却部位をその主軸に沿ってかつ主軸に対 して垂直な平面内に有している。定置形ガスタービンの静翼は羽根の背並びに腹 に３×３個の冷却室を有し、且つ得るべき熱伝達に応じてより多くのあるいはよ り少数の冷却室を持つことができる。 冷却部位において、冷却流体で洗流される熱伝達要素が、冷却流体の主流れ方 向に連続して配置され、これらの熱伝達要素は外側壁に冶金学的に結合されてい る。これによって、冷却部位における長い通流距離にわたり冷却流体の有効な加 熱が保証される。熱伝達要素と外側壁との冶金学的な結合によって、外側壁から 冷却流体への有効な熱伝達が生ずる。 更に、壁構造体の設計構想を外側壁および内側壁に分担させることによって、 壁構造体の機能的特性を切り離すことができ、その場合、外側壁には機械的安定 性について内側壁よりも小さな要求が課せられる。従って内側壁には、これが直 接高温ガス流に曝されないことから、外側壁より大きな壁強度を与えることがで きる。この内側壁はタービン翼の機械的支持機能を実質的に担うことができる。 これに反して外側壁は薄く作られ、これによって、外側壁は熱伝達要素を介して 特に効果的に冷却される。内側壁と外側壁との間の冷却部位における横断面厚さ は、好ましくは冷却流体の流速を高くするために小さく形成され、特に外側壁の 壁厚以内とされる。冷却部位の小さな貫流断面積およびこれによって生ずる冷却 流体の高い流速によって、非常に高い熱伝達係数が得られる。冷却部位における 流れ方向は、好ましくはタービン翼を洗流する流体、特に高温ガスの流れ方向に 対応しているか、あるいはこれと全く逆向きにされる。熱伝達要素は、好ましく は柱状あるいは台座状に形成され、外側壁から内側壁まで達している。この熱伝 達要素は内側壁に固く結合することもできる。熱伝達要素の横断面形状は、熱伝 達に係る要求および流れ技術的な要求に合わされ、例えば横断面円形、多角形に あるいは流れ形状の形に形成される。 タービン翼の用途に向けられた課題は、タービン翼がガスタービン設備におけ る、特にタービンを洗流する高温ガスが１０００℃をかなり越えるようなガスタ ービンにおける静翼あるいは動翼として利用されることによって解決される。 以下図に示した実施例を参照して、本発明に基づくタービン翼を詳細に説明す る。図には本発明の説明に利用される構造的および機能的な特徴が概略的に示さ れている。 図１はガスタービンの本発明に基づくタービン翼の横断面図、 図２は図１における部分ＩＩの（タービン翼の壁構造体の）拡大断面図、 図３はガスタービンの本発明に基づくタービン翼の異なった実施例の横断面図 、 図４は図３における部分ＩＶの（タービン翼の壁構造体の）拡大断面図である 。 すべての図において、同一部分には同一符号が付されている。 図１には、主軸１９に沿って延びるガスタービンのタービン翼１が示されてい る。このタービン翼１は流入縁８、流出縁９および互いに反対側にある羽根の腹 １０と背１１を備えた壁構造体２を有している。この壁構造体２は内室２１を包 囲する外側壁３を有している。その内室２１は部分域（詳細に図示せず）に分割 されている。外側壁３は内室２１に向けて突出した厚肉部１４を有している。分 かり易くするために、図には２つの厚肉部１４しか示されていない。孔１７とし て形成された出口１６が各厚肉部１４を貫通している。この出口１６は、内室２ １に導入された冷却流体６、即ち冷却空気が内室２１から厚肉部１４を通って外 側壁３に流れることを可能にしている。冷却空気６はタービン翼１の外で、ター ビン翼１を洗流する流体、特に高温ガスの流れ１８（図２参照）と混り合う。孔 １７は外側壁３に対して、特に４５°より小さな鋭角αを成している。これによ って、冷却空気６が出口１６のすぐ下流で外側壁３に当てられ、外側壁３が効果 的に膜冷却されるようになる。厚肉部１４は、好ましくは丘状の単一隆起部とし て形成され、出口１６に向けて丸められている。従って、厚肉部１４は冷却流体 が出口１６に流入する場所において、出口１６への冷却流体６の支障のない流入 を保証する曲率半径Ｒを有している。これはまた、出口６、即ち孔１７内におけ る冷却流体の流れを一様にするためにも貢献する。 図３および図４にも同様に、主軸９に沿って延びるガスタービンのタービン翼 １が示されている。このタービン翼１の壁構造体２において、羽根の背１１並び に腹１０に、それぞれ冷却室２０として形成された３つの中空冷却部位５、５ａ が設けられている。これらの冷却部位５、５ａは、外側壁３と内側壁４との間の 壁構造体２内に配置されている。内側壁４は外側壁３と同様に、仕切られた内室 ２１を包囲している。冷却部位５、５ａの長さはその横断面厚さより非常に大き く、例えばその横断面厚さの１０倍より大きくなっている。外側壁３の厚さは内 側壁４の厚さより非常に薄く、例えば外側壁３の厚さは１．０ｍｍで、内側壁４ の厚さは１．５ｍｍである。冷却部位５、５ａの横断面厚さは外側壁３の壁厚の 範囲内にあり、例えば約１．０ｍｍである。冷却部位５、５ａの長さにわたって 、特に５つを越える多数の熱伝達要素７が配置されている。内室２１から各冷却 部位５、５ａにそれぞれの入口１５が通じている。これらの入口１５は、特に１ つあるいは多数の孔として形成され、好ましくは鋳造で成形されている。入口１ ５は外側壁３に対して垂直に延びている。これによって入口１５の範囲において 、外側壁３の補助的な衝突冷却が達成される。各冷却部位５、５ａからそれぞれ の出口１６が壁構造体２の外側表面に通じている。外側壁３は出口１６の部位に 厚肉部１４を有している。従って、冷却室２０は出口１６の範囲において、更に 内室２１の方向に入り込んでいる。出口１６は、好ましくは孔１７として形成さ れている。この孔１７は冷却室２０と直に境を接する一定横断面積の絞り部位２ ３を有している。この絞り部位２３には、外側壁３の外側表面の方向に広がって いる減速部位２４が続いている。孔１７は、図１および図２について既に述べた ように、外側壁３に対して鋭角αを成している軸線２２に沿って延びている。特 に羽根の背１１において、出口１６は同じ冷却室に付属する入口１５よりも流入 縁８の近くに配置されている。これによって、冷却空気１６は冷却室２０内にお いて高温ガス１８の流れと逆向きに導かれる。 熱伝達要素７は主軸１９の方向において、好ましくは交互に配置され、これに よって冷却空気６と外側壁３に接続された熱伝達要素７との間の、熱伝達のため の接触時間が増大される。外側壁３が薄く形成されていることによって、冷却効 果がなお一層高められる。更に、高温ガス１８に直接曝されない支持内側壁４の 冷却も行われる。 本発明は、高温ガスで曝される外側壁が内室に向けて突出した厚肉部を有し、 この厚肉部を貫通して冷却空気を案内するための出口が導かれているような壁構 造体をしたタービン翼によって特徴づけられろ。この厚肉部が設けられているこ とによって、特に外側壁が約１ｍｍの非常に薄い壁厚を有していても、出口の長 さと直径の比を良好にし、且つ出口の外側壁に対する傾斜角を小さくすることが できる。これによって外側壁の効果的な膜冷却が達成される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．流入縁（８）、流出縁（９）、流入縁（８）と流出縁（９）との間において 互いに反対側にある羽根の腹（１０）と背（１１）、および流体（１８）で洗流 される壁構造体（２）を有し、この壁構造体（２）が、冷却流体（６）を案内す る内室（２１）を包囲し冷却流体（６）の出口（１６）を有する外側壁（３）を 含んでいるタービン翼（１）において、外側壁（３）が出口（１６）の範囲に内 室（２１）に向いて突出した厚肉部（１４）を有していることを特徴とするター ビン翼。 ２．出口（１６）が、外側壁（３）に対して１０°〜４５°、特に２５°〜３５ °の角度（α）を成している軸線（２２）に沿って延びていることを特徴とする 請求項１記載のタービン翼。 ３．出口（１６）が一定した横断面積の孔（１７）であることを特徴とする請求 項２記載のタービン翼。 ４．出口（１６）が内室（２１）の側に一定した横断面積の絞り部位（２３）を 有し、この絞り部位（２３）が、横断面積の広がっている減速部位（２４）に移 行していることを特徴とする請求項２記載のタービン翼。 ５．厚肉部（１４）が局所的な丘状隆起部として形成されていることを特徴とす る請求項１ないし４のいずれか１つに記載のタービン翼。 ６．厚肉部（１４）が出口（１６）に向けて丸められていることを特徴とする請 求項５記載のタービン翼。 ７．厚肉部（１４）が線状隆起部として形成されていることを特徴とする請求項 １ないし５のいずれか１つに記載のタービン翼。 ８．外側壁（３）が少なくとも部位的に２．５ｍｍより小さな平均壁厚、特に約 １ｍｍの平均壁厚を有していることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１ つに記載のタービン翼。 ９．出口（１６）の長さと直径との比が２〜５、特に３〜４であることを特徴と する請求項１ないし８のいずれか１つに記載のタービン翼。 １０．出口（１６）０．３ｍｍ〜１．５ｍｍ、特に約０．６ｍｍ〜０．７ｍｍの 最小直径を有している請求項１ないし９のいずれか１つに記載のタービン翼。 １１．壁構造体（２）が内側壁（４）およびこの内側壁（４）と外側壁（３）と の間に配置された冷却流体（６）が貫流するための冷却部位（５）を有し、各冷 却部位（５）が内側壁（４）に冷却流体（６）の入口（１５）を有していること を特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載のタービン翼。 １２．冷却部位（５）に冷却流体（６）で主流れ方向に洗流される熱伝達要素（ ７）が連続して配置され、これらの熱伝達要素（７）が冶金学的に結合されてい ることを特徴とする請求項１１記載のタービン翼。 １３．外側壁（３）、内側壁（４）および熱伝達要素（７）が、一回の作業工程 で鋳造によって作られていることを特徴とする請求項１１又は１２記載のタービ ン翼。 １４．ガスタービンの動翼（１ａ）あるいは静翼（１ｂ）であることを特徴とす る請求項１ないし１２のいずれか１つに記載のタービン翼。 １５．ガスタービン設備に利用されることを特徴とする請求項１ないし１４のい ずれか１つに記載のタービン翼の用途。