JP2002512334A - タービン翼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、羽根（５）と台座部位（７）とを備えた鋳造タービン翼（１）特にガスタービン翼に関する。台座部位は高温ガス側台座（９）とこの高温ガス側台座の反対側に位置する荷重支持台座（１１）とによって形成されている。荷重支持台座が専ら荷重を受けるので、高温ガス側台座は薄く形成できる。従って本発明に基づくタービン翼にはほんの僅かな熱応力しか生じない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は羽根と台座部位とを備えた鋳造タービン翼に関する。

【０００２】 ドイツ特許出願公開第２６２８８０７号明細書から、ガスタービン翼に対する
衝突冷却装置が知られている。ガスタービン翼は翼軸に沿って延びており、かつ
翼軸に沿う羽根と台座部位とを備えている。台座部位において翼軸に対し横方向
に、台座が羽根から半径方向外側に張り出している。そのような台座はガスター
ビンを貫流する作動媒体に対する流路の一部を形成し、タービン翼に組み込まれ
ている。ガスタービンの場合、その流路内に非常な高温が生じている。このため
に台座の高温ガスに曝される表面は大きな熱負荷を受ける。台座を冷却するため
に、台座の反高温ガス側面の前に孔開き壁要素が配置される。この壁要素の孔を
通して冷却空気が流入し、台座の反高温ガス側面に衝突する。これによって効果
的な衝突冷却が達成される。

【０００３】 英国特許第１２８９４３５号明細書に、ガス流の案内要素、特にガスタービン
翼が記載されている。その場合鋳造部品上に、発散作用での冷却のため層状に構
成した案内要素を配置している。この構成は鋳造タービン翼には利用できない。

【０００４】 ドイツ特許出願公開第２６４３０４９号明細書に、タービン翼の台座を冷却す
るための冷却装置が記載されている。この場合も前記ドイツ特許出願公開第２６
２８８０７号明細書における装置に対応して、台座の反高温ガス側面の前に、台
座に向けて冷却空気を流す開口を備えた板を設けている。

【０００５】 本発明の課題は、台座部位にほんの僅かな熱応力しか生じないような、熱的に
大きく負荷できる鋳造タービン翼を提供することにある。

【０００６】 この課題は本発明によれば、翼軸に沿う羽根と台座部位とを備え、かつ翼軸に
沿って延びている鋳造タービン翼において、台座部位が翼軸に対して横方向に延
びて羽根に接している高温ガス側台座と、この高温ガス側台座に対向して位置す
る荷重支持台座とを有し、荷重支持台座が、羽根の周囲を流れる作動媒体によっ
てひき起こされる力を受けるべく設計されていることによって解決される。

【０００７】 タービン翼は台座部位を介してタービン車室に固定される。このため台座は、
羽根に作用する力によりひき起こされる荷重を受けねばならない。そのような力
はタービンを貫流する高温作動媒体、例えば高温ガスあるいは蒸気の圧力により
生ずる。この荷重を支持するため、台座は変形することなく力をタービン車室に
伝達するための最小厚さを有する必要がある。同時に上述のとおり、台座は高温
ガスが貫流する流路を境界づける。本発明に従い、鋳造タービン翼の台座部位に
新たな構造が採用される。即ち、台座部位は互いに対向して位置する２つの台座
から成る二重台座として形成される。これにより、流路を境界づけ高温ガスに曝
される高温ガス側台座を薄く形成することができる。２つの台座を有する本発明
の構造の場合、台座の機能分離が生ずる。高温ガス側の台座は主に流路を境界づ
ける働きをし、従って高温ガスを案内する働きをする。高温ガスに曝されない反
対側の荷重支持台座は、羽根に作用する力によりひき起こされる荷重を受ける働
きをする。この機能分離により、高温ガス側台座は殆ど力を受ける必要がないの
で、高温ガスの案内を保証する程度に薄く形成することができる。そのように薄
くされた高温ガス側台座によって、高温ガス側台座に非常に僅かな熱応力しか生
じないという利点が生ずる。単一形の台座を反高温ガス側面のリブによって補強
している従来構造の場合、そのリブと台座との間の移行個所に非常に大きな熱応
力が生ずる。従ってこの従来の構造に比べて、台座部位を二重台座として形成す
る構造は非常に有利である。

【０００８】 高温ガス側台座を荷重支持台座より薄くするのがよい。高温ガス側台座は発生
する荷重のほんの一部を受けるだけでよいので、これは荷重支持台座よりも薄く
形成できる。荷重支持台座は発生する力の大部分を受ける。

【０００９】 羽根は台座部位を貫通して延びる翼形の一部であり、高温ガス側台座および荷
重支持台座は好適には各々翼形形状の開口縁を有し、これらの翼形形状の開口縁
によって翼形に結合される。また高温ガス側台座および荷重支持台座は各々外縁
を有し、高温ガス側台座および荷重支持台座はそれらの外縁を介して相互に結合
される。更にまた、高温ガス側台座および荷重支持台座は、好適には各々翼形形
状開口縁および外縁を介してだけ相互に結合される。この結果、高温ガス側台座
と荷重支持台座との間の結合面積は非常に小さくなる。この小さな結合面積およ
び各々の外縁を介しての結合によって、二重台座構造の機械的強度が大きくなる
一方で、僅かな熱応力しか生じない。また結合個所の数が少ないので、比較的自
由に熱膨張できる。

【００１０】 高温ガス側台座と荷重支持台座との間に、高温ガス側台座に向けて冷却媒体を
案内するための案内要素を配置すると有利である。その案内要素は例えば板金で
あり、これは台座間の空間を櫛状に分割するか、あるいは例えば台座間における
垂直の流路に分割する。その案内要素によって、冷却媒体、特に冷却空気が高温
ガス側台座の反高温ガス側面に向けて効果的に転向される。これに伴い、特に効
果的な衝突冷却が達成される。

【００１１】 案内要素は、高温ガス側台座の厚さより薄い壁厚を持つ壁として形成するのが
有利である。この案内要素が薄いことにより、追加的な熱応力は発生しない。

【００１２】 荷重支持台座に、高温ガス側台座に向いた多数の貫通孔を設けるのが有利であ
る。これによって、冷却媒体、特にガスタービンの圧縮機からの冷却空気が、荷
重支持台座を通って高温ガス側台座に向けて流れ、これを効果的に冷却する。

【００１３】 本発明に基づくタービン翼は、特に定置ガスタービン用の静翼として好適なも
のである。

【００１４】 以下図に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。各図において同一
部分には同一符号を付してある。

【００１５】 図１は、翼軸３に沿って延び、翼形２を備えた鋳造ガスタービン翼１の一部を
示す。この翼形２は、一部が羽根５を形成している。この一部だけを示す羽根５
に、翼軸３に沿って台座部位７が続いている。翼形２は台座部位７を貫通して延
びている。ガスタービン翼１は翼形２の内部に翼軸３に沿って貫通して延びる空
洞８を備える。この空洞８内を補強壁６が翼軸３に沿って延びている。

【００１６】 羽根５に対し、台座部位７に属する高温ガス側台座９が、翼軸３に対して横方
向に続いている。高温ガス側台座９に対向して、荷重支持台座１１が位置してい
る。高温ガス側台座９は翼形形状開口縁１３を有し、この翼形形状開口縁１３を
介して翼形２に結合されている。台座部位７は、ガスタービン翼１全体の鋳造に
より翼形２と一体に結合される。高温ガス側台座９はほぼ矩形の外側縁１５を有
している。高温ガス側台座９は翼軸３の方向に湾曲している。高温ガス側台座９
をこのように形成することによって、同じように構成した多数のガスタービン翼
を組み立てた際に、流れ方向に広がる流路が生ずる。

【００１７】 荷重支持台座１１は翼形形状の開口縁１７を有し、これも同様に翼形２により
境界づけられ、同時にタービン翼１を貫通して延びる空洞８の開口縁でもある。
荷重支持台座１１もほぼ矩形の外縁１９を有し、高温ガス側台座９とほぼ同じよ
うに湾曲している。高温ガス側台座９は厚さＤ１を有し、荷重支持台座１１は厚
さＤ２を有する。これらの厚さＤ１、Ｄ２は、場合により各々の台座内において
変化させることができ、その場合の厚さＤ１、Ｄ２は平均厚さを意味する。

【００１８】 荷重支持台座１１および高温ガス側台座９は、各々翼形形状の開口縁１３、１
７および翼形２を介して互いに結合されている。更に高温ガス側台座９および荷
重支持台座１１は結合要素２９によって結合されている。この結合要素２９は各
台座９、１１の外縁１５、１９の範囲に配置された第１部分２９Ａを有し、また
この第１部分２９Ａと反対側に同様に各台座９、１１の外縁１５、１９の範囲に
第２部分２９Ｂを有している。結合要素２９は高温ガス側台座９から両側の保持
台２１、２３を境界づけている。同様に荷重支持台座１１から保持台２５が境界
づけられている。荷重支持台座１１は保持台２５と反対側に階段状保持台２７を
有している。タービン翼１はこれらの保持台２１、２３、２５、２７によってガ
スタービン（図示せず）に保持される。その場合、高温ガス側台座９の高温ガス
側面１０（図２参照）によって、ガスタービンを通る作動媒体流れ経路が部分的
に境界づけられる。

【００１９】 ガスタービンを貫流する高温の作動媒体は羽根５の周囲を流れる。これにより
羽根５に大きな力がかかり、この力は台座部位７を介してガスタービン車室（図
示せず）に伝達される。この荷重の大部分は荷重支持台座１１により受けられる
。これに伴い高温ガス側台座９は荷重支持台座１１より薄く形成でき、即ち、高
温ガス側台座９の厚さＤ１は荷重支持台座１１の厚さＤ２より小さくできる。こ
のために高温ガス側台座９には非常に僅かな熱応力しか生じない。

【００２０】 高温ガス側台座９の高温ガス側面１０と反対側の側面１２（図２参照）は、冷
却空気を供給して冷却できる。そのために荷重支持台座１１にある貫通孔３１（
図では１つの孔３１のみを示す）を通して冷却空気が導入される。そのように導
入された冷却空気は、案内要素３３によって高温ガス側台座９に向けて案内され
る。これにより高温ガス側台座９の効果的な衝突冷却が生ずる。

【００２１】 図２は、図１のガスタービン翼１の縦断面図を示す。ここでタービン翼１の空
洞８内を延びる補強壁６が理解できる。図２において、高温ガス側台座９および
荷重支持台座１１がほとんど互いに独立していることが理解できる。これによっ
て両台座９、１１の機能分離が達成される。即ち高温ガス側台座９は高温作動流
体を案内する働きをし、作動流体によって羽根５に与えられる力をほとんど受け
る必要がない。従って高温ガス側台座９は薄く形成できる。これにより高温ガス
側台座９の熱応力が極めて小さいという大きな利点が生ずる。荷重支持台座１１
は、作動流体によって羽根５に加わる力の大部分を受けることから厚く形成され
ている。しかしこの荷重支持台座１１は、高温ガス側台座９により高温作動媒体
から保護されているので、この荷重支持台座１１にも殆ど熱応力は生じない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に基づくガスタービン翼の部分斜視図。

【図２】 図２のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図。

【符号の説明】

１ タービン翼 ２ 翼形 ３ 翼軸 ５ 羽根 ７ 台座部位 ９ 高温ガス側台座 １１ 荷重支持台座 １３、１７ 翼形形状の開口縁 １５ 高温ガス側台座の外縁 １９ 荷重支持台座の外縁 ３３ 案内要素

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 翼軸（３）に沿う羽根（５）と台座部位（７）とを備え、か
   つ翼軸（３）に沿って延びている鋳造タービン翼（１）において、台座部位（７
   ）が、翼軸（３）に対して横方向に延びて羽根（５）に接している高温ガス側台
   座（９）と、この高温ガス側台座（９）に対向して位置する荷重支持台座（１１
   ）とを有し、荷重支持台座（１１）が羽根（５）の周囲を流れる作動媒体によっ
   てひき起こされる力を受けるべく設計されたことを特徴とするタービン翼。
2. 【請求項２】 高温ガス側台座（９）が、荷重支持台座（１１）より薄くさ
   れたことを特徴とする請求項１記載のタービン翼。
3. 【請求項３】 羽根（５）が台座部位（７）を貫通して延びる翼形（２）の
   一部であり、高温ガス側台座（９）および荷重支持台座（１１）が各々翼形形状
   の開口縁（１３、１７）を有し、これらの翼形形状の開口縁（１３、１７）によ
   り翼形（２）に結合されたことを特徴とする請求項１又は２記載のタービン翼。
4. 【請求項４】 高温ガス側台座（９）および荷重支持台座（１１）が各々外
   縁（１５、１６）を有し、高温ガス側台座（９）および荷重支持台座（１１）が
   それらの外縁（１５、１６）において相互に結合されたことを特徴とする請求項
   １ないし３のいずれか１つに記載のタービン翼。
5. 【請求項５】 高温ガス側台座（９）および荷重支持台座（１１）が、それ
   らの翼形形状の開口縁（１３、１７）およびそれらの外縁（１５、１９）だけで
   相互に結合されたことを特徴とする請求項１記載のタービン翼。
6. 【請求項６】 高温ガス側台座（９）と荷重支持台座（１１）との間に、高
   温ガス側台座（９）に向けて冷却媒体を案内するための案内要素（３３）が配置
   された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。
7. 【請求項７】 案内要素（３３）が、高温ガス側台座（９）の厚さ（Ｄ１）
   より薄い壁厚（Ｄ３）を持つ壁として形成されたことを特徴とする請求項６記載
   のタービン翼。
8. 【請求項８】 荷重支持台座（１１）が高温ガス側台座（９）に向けられた
   多数の貫通孔（３１）を有す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. 【請求項９】 特に定置ガスタービン用の静翼（１）として形成されたこと
   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。