JP2002195005A - ガスタービンスのテータノズルのための冷却システム - Google Patents
ガスタービンスのテータノズルのための冷却システムInfo
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Abstract
システムに関する。 【解決手段】 ガスタービンのノズルに備えられるベー
ン(10)の各々が、ベーン(10)の外形形状を形成
するために組合わされる、凹状表面(11)とそれに対
向する凸状表面(12)とを有し、ベーン(10)の表
面が、ベーン(10)の表面自体の適当な位置に複数の
冷却孔(13)を有する、ガスタービンのステータノズ
ルのための冷却システム。このシステムにおいて、ベー
ン(10)の出口縁(16)に係わる冷却孔(17)
は、冷却孔(17)が該ベーン(10)に関して半径方
向である方向に変化する断面を持つような形状にされた
取入部分(18)と排出部分(19)とを備える。
Description
ータノズルのための冷却システムに関する。
は、1つ又はそれ以上の段をもつ圧縮機とタービンとか
ら成る機械であって、これらの構成要素は回転シャフト
によって互いに接続されており、また圧縮機とタービン
の間には燃焼室が設けてある。
得された空気が圧縮機に供給され、加圧される。
流れるが、各予混合室は先細部で終わっており、また各
予混合室には燃料噴射器から燃料が供給される。燃料は
空気と混合されて、燃焼させるための空気燃料混合気を
形成する。
させるために適当なスパークプラグによって点火され
る。燃焼が温度と圧力を高め、従ってガスのエンタルピ
ーを高めるように設計されている。
ナの両方を通って流れるように加圧空気を供給し、この
加圧空気を用いて燃焼を行うことができる。
はタービンの異なる段に到達し、タービンはガスのエン
タルピーをユーザが使用できる機械的エネルギーへと変
換する。
能を得るために、ガスはできるだけ高温である必要があ
るが、タービンの稼動中に達成可能な最高温度の値は、
タービンを形成する材料ゆえに限界があることも知られ
ている。
層明瞭にするために、公知技術によるガスタービンの高
圧段のステータに関し、以下に簡単に述べる。
ロータを備えている。ステータは適当な状態の燃焼ガス
流をロータの吸気口へ送り、特に、このガス流をロータ
ブレードのベーンまで相応して運び、ガス流がブレード
の背面すなわち凸状表面と腹面すなわち凹状表面とに直
接衝突するのを防ぐために使用される。
され、これらステータブレードの各々の対の間が対応す
るノズルとなる。
り、その外端部はタービンケースに接続され、内端部は
対応する支持部材に接続されている。
にステータに関わる第一の技術的問題は、ステータベー
ン内で膨張する流体の圧力低下によって生じる高圧負荷
がステータに加わるという事実にあることが指摘でき
る。
得する高温ガス流と、熱的観点から最も大きな応力を受
ける部品を冷却するためにタービン内部に導入される冷
たい空気流とによって生じる高い温度勾配の影響を受け
る。
使用されるステータブレードは冷却されなくてはならな
い。そしてこの目的のために、ステータブレードの表面
には、ステータブレード内部での空気循環のために使用
される孔が相応して設けられている。
スタービンの性能向上に対する絶え間ない要求から、タ
ービンエンジン内部における全ての流れを最適化させる
必要があるということを指摘すべきであろう。
ように処理されて熱力学サイクルが著しく増大している
ので、最も重要な高温区域において非常に必要とされる
冷却機能のために使用するのに代えて、可能な限り燃焼
のために用いるのが有利である。
的問題は、機能状態、タービンエンジンとその部品の使
用年数、タービンエンジンとその部品の磨耗または汚損
のレベル、および一時的な作動状態の間におけるエンジ
ン構成要素の寸法変化に従って、必要とされる空気の量
が変わるという事実を考慮に入れて、様々な区域におけ
るこの空気の正確な計量を行なうことにある。
テータノズルであって、その設計はこの機械の高レベル
の流体力学的効率を得るために必要な流体力学的諸要求
に適合するものでなくてはならない。
温度をそれらに用いられている材料によって決まる一定
の値(900℃であろう)以下に制限し、第二には材料
内部の温度勾配を制限するために、熱に関する諸要求を
満たすものでなくてはならない。
に、特に図1を参照する。この図1は公知技術によるガ
スタービンノズルに備えられているベーン20を長手方
向断面で示している。
と、それに対向する凸状すなわち背面表面22とを有
し、これら両面でベーン20の外形形状を形成してい
る。
は、複数の冷却孔23が設けられている。
ノズル自体の端部を冷却する働きをする。
24、25すなわち多孔板要素が設けられ、これらは熱
交換率を現行の装置で受容できる値(3,000W/m2
K)まで高める。
された温度に保たれねばならないが、同時に、機械全体
の性能レベルを落とさないために、圧縮機から取得され
る比較的冷たい空気の消費も制限されなければならない
(例えば、5〜10%でなければならない)。
取入部分28と排出部分29とを有する冷却孔27も存
在する。
の冷却孔近傍において、材料の厚みが大き過ぎるという
問題を有する。
量は、その内部に温度勾配を持つのが普通である。この
温度勾配は、局所的な熱交換率を非常に高い値にまで高
めることはできるが、これを排除することは難しい。
において拡大された場合、高い温度勾配を有する材料は
除去されるが、同時に、ベーン20の冷却孔またはスロ
ット内での冷却空気の速度が低下し、その結果熱交換率
が低下するということを指摘しておく。なお、この比較
は冷却空気の同一流速に対してなされる必要があるとの
理解に基づいている。
性に関して言えば、金属を高温にし過ぎることによって
生じる危険性があることを示している。
は、ガスタービンのノズルベーンの最適な温度制御を行
うことができる、ガスタービンのステータノズルのため
の冷却システムを提供することである。
ましくない温度勾配を排除することができる、ガスター
ビンのステータノズルのための冷却システムを提供する
ことである。
の冷却孔近傍における材料の大きな厚みを減少させるこ
とができる、ガスタービンのステータノズルのための冷
却システムを提供することである。
びその他の目的は、ガスタービンのノズルに備えられる
各ベーンに適用でき、該ベーンの各々が、ベーンの外形
形状を形成するために組合わされる、凹状表面と対向す
る凸状表面とを有し、ベーンの表面が、ベーンの表面の
適当な位置に複数の冷却孔を有する、ガスタービンのス
テータノズルのための冷却システムであって、該ベーン
の出口縁に係わる冷却孔は、冷却孔が該ベーンに関して
半径方向である方向に変化する断面を持つような形状に
された取入部分と排出部分とを備えるノズルのための冷
却システムよって達成される。
ーンの出口縁にある冷却孔の、ベーンの半径方向に沿っ
た取入部分の高さ(図4のHin)が、排出部分の対応
する高さ(図3のHout)より小さい。
ーンの熱交換率を高めるために、ベーンの内部に波動要
素が設けられる。
沿って高い熱交換率を有し、ベーンの金属内部に温度勾
配が存在しない。
は、常に高い値の熱交換率を確保するために、冷却孔自
体の壁に沿って複数の乱流発生要素を備える。
は、該冷却孔の開口域において調整空気の全圧力の一部
が浪費されるのを回避し、冷却孔と乱流発生要素との負
荷損失を克服するために冷却流体により多くのエネルギ
ーを残存させるように、該冷却孔の開口域に集中する負
荷損失が低められる。
中に溶融合金の取り入れを容易にするような形状寸法で
あることを指摘しておく。
した特許請求の範囲に記載した通りである。
参照しながら、本発明を限定するものではない実施例に
よってなされる、以下に述べる典型的な実施形態につい
ての説明から一層明確になるであろう。
とは、特に機械内で膨張するガスの流れに対して垂直な
方向を指す。
方向でもある。
発明によるガスタービンのノズルに備えられるベーンの
長手方向概略断面図を示し、ベーンは全体を符号10で
示されている。
理されるガスに対する所要の空気力学特性を備えるよう
に設計されており、凹状すなわち背面表面11と、それ
に対向する凸状すなわち腹面表面12とを有し、これら
両面でベーン10の外形形状を形成している。
は、複数の冷却孔13が設けられている。
14、15すなわち多孔板要素が設けられ、これらは熱
交換率を現行の装置に受容できる値まで高める。
ン10の出口縁16であって、この出口縁の内部には冷
却孔17が設けてある。冷却孔17は公知技術と比較し
て拡大された取入部分18を有する。
にある冷却孔17の排出部分19を示す。
の冷却孔17の拡大された取入部分18が得られる。
の断面を有する冷却孔は、半径方向に変化する高さを持
つことができる。
でより広いならば(図2の区域18)、この平面に対し
て直角方向の(機械において半径方向)寸法は従来装置
におけるよりも小さくすることができる。
られた冷却孔17の取入部分18は、排出部分19の対
応する寸法(図3にHoutで示す)より小さい寸法
(図4にHinで示す)を有する。
がまた、ベーンの出口縁の近く(図1の区域29および
図2の区域19)の冷却孔が同じ寸法を持つことによっ
て特徴付けられるとしたら、このことは図3および図4
に示す取入部分18および排出部分19が純粋な3次元
形状になっていることを意味する。
全体に沿って高い熱交換率を得ることが可能であり、そ
の結果ベーンの金属内部における温度勾配を排除するこ
とができる。
値の熱交換率を確保するために、冷却孔自体の壁に沿っ
て乱流を発生させる要素を用いることによって達成でき
る。
に集中する負荷損失の減少によって表され、これによ
り、この区域における調整空気の全圧力の一部を浪費し
ないことが可能となり、その結果冷却孔と乱流発生要素
との負荷損失を克服するために、冷却流体により多くの
エネルギーを残しておくことが可能となる。
ベーン鋳造時には、話題の寸法形状により、スロットの
開口域内に一種の漏斗が形成され、この漏斗が溶融合金
の取り入れを容易にする。
足すべきものであり、この冷却システムは広く利用可能
な新しいガスタービンのために使用することができる。
ビンのステータノズルのための冷却システムの特徴と利
点を明らかにした。
述した利点を一層明確かつ正確に述べる。
的は、ベーンの出口縁に設けられた冷却孔近傍の材料の
大きな厚みを減らすことである。
を持つ区域を排除し、同時にそれに対応した温度勾配を
排除することにある。
冷却孔17の開口に集中する負荷損失が低減され、特に
重要なこの区域における調整空気の全圧力の一部が浪費
されるのが回避されるという利点が高められる。
造中に溶融合金の取り入れを容易にするような寸法形状
である。
のステータノズルのための冷却システムに対しては、本
発明の概念に固有の新規な原理から離れることなく、多
くの他の変更が可能であることは明白である。
て、任意の材料、寸法および形状を用いることが可能で
あり、また構成要素それ自体も技術的に等価な別の構成
要素で置き換え可能であることも明らかである。
範囲によって特定される。
られるベーンの長手方向概略断面図。
れるベーンの長手方向概略断面図。
排出部分の半径方向断面図。
取入部分の半径方向断面図。
Claims (7)
- 【請求項1】 ガスタービンのノズルに備えられる各ベ
ーン(10)に適用でき、該ベーン(10)の各々が、
該ベーン(10)の外形形状を形成するために組合わさ
れる、凹状表面(11)とそれに対向する凸状表面(1
2)とを有し、該ベーン(10)の前記表面が、該ベー
ン(10)の前記表面自体の適当な位置に複数の冷却孔
(13)を有する、ガスタービンのステータノズルのた
めの冷却システムであって、 前記ベーン(10)の出口縁(16)に係わる前記冷却
孔(17)は、該冷却孔(17)が半径方向に変化する
断面を持つような形状にされた取入部分(18)と排出
部分(19)とを備える、ことを特徴とするノズルのた
めの冷却システム。 - 【請求項2】 前記ベーン(10)の前記出口縁(1
6)にある前記冷却孔(17)の、前記ベーン(10)
の半径方向に沿った前記取入部分(18)の高さが、前
記排出部分(19)の対応する高さより小さいことを特
徴とする、請求項1に記載のノズルのための冷却システ
ム。 - 【請求項3】 前記ベーン(10)の熱交換率を高める
ために、前記ベーン(10)の内部に多孔板要素(1
4、15)が設けられることを特徴とする、請求項1ま
たは請求項2に記載のノズルのための冷却システム。 - 【請求項4】 前記冷却孔(17)の全体に沿って高い
熱交換率を有し、前記板状ベーン(10)の金属内部に
温度勾配が存在しないことを特徴とする、請求項1から
請求項3までのいずれか1項に記載のノズルのための冷
却システム。 - 【請求項5】 常に高い値の熱交換率を確保するため
に、前記冷却孔自体の壁に沿って複数の乱流発生要素を
備えることを特徴とする、請求項1から請求項4までの
いずれか1項に記載のノズルのための冷却システム。 - 【請求項6】 前記冷却孔(17)の開口域において調
整空気の全圧力の一部が浪費されるのを回避し、前記冷
却孔と前記乱流発生要素との負荷損失を克服するために
冷却流体により多くのエネルギーを残存させるように、
前記冷却孔(17)の開口域に集中する負荷損失が低減
されることを特徴とする、請求項1から請求項5までの
いずれか1項に記載のノズルのための冷却システム。 - 【請求項7】 前記孔(17)の形状寸法が、前記ベー
ン(10)の鋳造中に溶融合金の取り入れを容易にする
ような形状寸法であることを特徴とする、請求項1から
請求項6までのいずれか1項に記載のノズルのための冷
却システム。
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