JP2004521219A - タービンバケットのプラットホームのインピンジメント冷却方式 - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
本発明は、ガスタービン部品の冷却に関し、より具体的には、ガスタービンバケットのプラットホーム区域の冷却に関する。
【背景技術】
【0002】
タービンバケットは、翼形部領域と、該翼形部とそれによってバケットがタービンロータホイールに固定されるダブテールのような組立体端部との間の半径方向位置にある中空の基部すなわちシャンク部分とを含む。比較的平坦なプラットホームが、翼形部の基部に置かれて、中空のシャンク部分の上側表面又は壁面を形成する。
【0003】
翼形部は、前縁及び後縁と、正圧側面及び負圧側面とを有する。翼形部は、高温の燃焼ガスに曝されるので、一般的に翼形部自体の内部の内部冷却回路が用いられるが、本発明の一部ではない。ここでは、関心があるのはバケットプラットホームの冷却である。
【0004】
低サイクル疲労(LCF)は、全てのガスタービン高圧バケットに共通の破損メカニズムの1つである。低サイクル疲労は、応力及び温度の両方の関数である。応力は、機械的負荷から生じる場合があり、或いは熱的に引き起こされる場合がある。最適の冷却方式を組み込むことによって温度勾配を減少させて部品のLCF寿命を増大させることが、ガスタービン部品の設計者が直面する課題である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
バケットの外側ガス流路側のプラットホーム区域は、高温のガス温度に曝されているが、プラットホームの底面は、ラジアルピンを通して前方ロータホイール空間から漏洩する空気のために比較的低温に曝される。プラットホームの底面と上面との間のこの温度差により、大きな熱勾配及び高い応力場が生じることになるので、プラットホーム区域における熱応力を減少させる最適の冷却方式が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、バケットプラットホーム下方の中空のバケットシャンク内部に配置されたインピンジメントプレートを含む、バケットプラットホームの必要とされる冷却ハードウェアの設計における独特な方法に関する。インピンジメントプレートは、表面(すなわち、ターゲット表面)からほぼ均一な間隔を置いて配置され、かつリブによって分割された最適化されたインピンジメント冷却孔の配列を含み、それによってバケットプラットホームの正圧側面上にインピンジメント区域を形成する。
【0007】
この冷却方法は、ホイール空間の流れにより供給される空気から成り、該空気は、インピンジメント後の流れが、プラットホーム壁面を貫通して穿孔された最適に配置されたフィルム孔の列を通して吐出されるように、プレートの方向にかつ該プレートを通して、更にバケットの正圧側面上に圧送される。
【0008】
本発明は、孔の直径、孔の間隔、及びインピンジメントプレートの冷却されるプラットホーム底面からの最適な離間距離の最も効果的な組合せを系統的に形成することを含む。インピンジメント区域を二叉に分けるリブは、二次元クロスフローの崩壊が局部的な熱伝達率に与える影響を減少させるよう設計される。ターゲット表面を3つの異なるインピンジメント区域に細分割することは、以下の点にも役立つ。
【0009】
(a)インピンジメント後の領域内の静圧変化を制御すること。
【0010】
(b)噴流とクロスストリーム流との間の運動量フラックスを制御すること。
【0011】
(c)必要とされる熱伝達率の大きさをターゲット表面の熱応力分布の変化に基づいて最適化すること。
【0012】
インピンジメントプレートにおける冷却構成及び最適化された噴流口配列に加えて、プラットホーム壁面自体は、該壁面の厚さ構成が変化するように最適化される。プラットホームの正圧側面及び翼形部−プラットホーム間のフィレット区域における応力分布を均衡させるために、プラットホーム厚さは軸方向に沿って変化させられる。プラットホームの前縁側の厚さを一様により薄くしまたプラットホームの後縁の厚さを一様により厚くすることが、最良の構成であることが実験による検討に基づいて明らかになった。接線方向に沿ったプラットホームの厚さは、変化させてもよいし、変化させなくてもよい。
【0013】
従って、1つの態様において、本発明は、タービンバケットに関し、該バケットは、プラットホームから延び、高圧側面及び低圧側面を有する翼形部と、ホイール取付け部分と、プラットホームとホイール取付け部分との間の半径方向位置に配置された中空のシャンク部分とを含み、プラットホームが底面を有し、複数のインピンジメント冷却孔を有するインピンジメント冷却プレートが、該底面から間隔を置いて中空のシャンク部分の内部に配置されている。
【0014】
別の態様において、本発明は、ガスタービンバケットに関し、該ガスタービンバケットは、プラットホームから延び、高圧側面及び低圧側面を有する翼形部と、ホイール取付け部分と、底面を有するプラットホームとホイール取付け部分との間の半径方向位置に配置された中空のシャンク部分と、該底面のインピンジメント冷却を可能にするための手段と中空のシャンク部分から冷却空気を吐出するための手段とを含む。
【0015】
更に別の態様において、本発明は、翼形部と取付け部分との間の半径方向位置に配置され、かつ中空のシャンク部分の半径方向外側壁面を形成するタービンバケット・プラットホームを冷却する方法に関し、該方法は、複数のインピンジメント冷却孔を有するインピンジメント冷却プレートを、プラットホームの底面から間隔を置いて中空のシャンク部分の内部に固定する段階と、プラットホームに吐出孔を設ける段階と、インピンジメント冷却孔とプラットホームの吐出孔とを通してタービンホイール空間の空気流を導く段階とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
図1及び図2を参照すると、タービンバケット10は、水平でほぼ平らなプラットホーム14から垂直方向上向きに延びる翼形部12を含む。翼形部分は、前縁15及び後縁17を有する。プラットホーム14の下方には、バケットの根元すなわちシャンク部分24の前縁側面20及び後縁側面22から反対方向に延びる2対のいわゆる「天使の翼」がある。プラットホーム14は、シャンク部分24に結合されかつ該シャンク部分の一部を形成し、該シャンク部分24はまた、側壁又はスカート26を含む。中空のシャンク部分の下方には、ダブテール28(一部のみが図示される)があり、該ダブテール28によってバケットがタービンホイール(好ましい実施形態において、ガスタービンの第1段又は第2段ホイール)に固定される。
【0017】
翼形部12は、高圧側面30及び低圧側面32を有し、従って、プラットホーム14もまた高圧側面34及び低圧側面36を有する。中空のシャンク部分26が、プラットホームのすぐ半径方向下方に配置され、この中空のシャンク部分の内部において、インピンジメントプレート38が、プラットホームの底面44上の、該プレートの外周に一致する一体の棚部又は肩部40、42(図4参照)に沿って、シャンク部分の内部に固定(ろう付け又は他の適当な手段により)される。図3に示すように、インピンジメントプレートは、プラットホーム14の底面44に比較的に近接し、また該底面44にほぼ一致しており、インピンジメントプレート38とプラットホーム14の底面44との間の間隔が、ほぼ一定に保たれるようになっている。
【0018】
インピンジメントプレート38は、その平面図を示す図3に最も良く見られる。プレート40は、その厚さがプラットホーム底面と該プレートとの間の間隔に一致している直立リブ46によりほぼ二叉に分けられている。このような間隔は、約0.10インチから0.30インチの間、好ましくは約0.20インチとすることができる。
【0019】
プレート38には、翼形部に最も近接するインピンジメント孔又は噴流口48の第1の配列又は区域と、翼形部から遠く離れたリブ46の他方側におけるインピンジメント孔又は噴流口50の第2の配列又は区域と、翼形部の後縁17の直近にあるプレート38のコーナ部におけるインピンジメント孔又は噴流口52の第3の配列又は区域とが形成される。図3から分かるように、これら3つの孔の配列は、プラットホーム14に形成されたフィルム冷却孔56の配列のすぐ下方に位置するプレートの空白域54を囲んでおり、このフィルム冷却孔56の配列は、プレート38のインピンジメント孔とプラットホーム14のフィルム孔との間の空間的関係の理解を容易にするために、図3において仮想線で示されている。図3には、インピンジメント孔の全てが示されているわけではなく、またそれら孔が一定の尺度で図示されてもいないことを理解されたい。それにもかかわらず、線58、60、及び62の配列は、それぞれの配列の各々における孔の列の中心線を表す。流れの矢印64は、インピンジメントプレート38を通過した後にプラットホームの底部に沿ってプラットホーム14のフィルム冷却孔56における吐出位置に向かう冷却空気の流れの方向を示す。
【0020】
各配列内の孔は、所定の列において「翼幅」方向に互いに間隔を置いて配置されると同時に、列自体は「流線」方向に間隔を置いて配置される。特定の用途に応じて、両方向における間隔を変えることができる。1つの実施例では、流線方向における列の間隔は、0.16から0.43インチの間で変えることができる。翼幅方向における孔の間隔は、0.14から0.27インチの間で変えることができる。
【0021】
インピンジメントプレートのインピンジメント冷却孔48、50、52の全てが、該プレートの上面及び下面に対して垂直に穿孔され、約0.020インチの直径を有することができる。フィルム冷却孔56は、ある角度で傾斜させてプラットホームを貫通して穿孔されて、プラットホーム表面への付着を促進し、従って付加的な冷却機能を与える。
【0022】
インピンジメント孔の直径、翼幅方向及び流線方向の両方向の間隔、並びにインピンジメントプレート38とプラットホーム14の底面44との間の最適な離間距離を賢明に選択することによって、幾つかの利点が得られる。例えば、インピンジメントプレートにわたる全圧力損失を、最小限にすることができ、また運動量フラックスを制御することによっても(噴流口の配列構成のクロスフローの崩壊への影響を減らすことにより)、ターゲット表面(すなわち底面44)における高い熱伝達率分布を達成することができる。
【0023】
更に、孔48、50、52のそれぞれの配列によって形成されるインピンジメント区域を二叉に分けるリブ46を組み込むことにより、二次元クロスフローの崩壊が局部的な熱伝達率に与える影響を減少させる。このことはまた、回転場の影響による遠心荷重だけでなく、プレート40にわたる圧力比による該プレートの変形を減少させるのにも役立つ。
【0024】
冷却構成及び最適化された噴流口配列及びインピンジメントプレート構成に加えて、プラットホーム14自体の壁面が、該壁面の厚さ構成を変化させることによって最適化される。プラットホームの正圧側面及び翼形部−プラットホーム間のフィレット区域における応力分布を均衡させるために、プラットホームの厚さが、図1に最も良く見られるように軸方向に沿って変化させられる。プラットホームの前縁側の厚さを一様により薄く(例えば、0.160インチ)し、プラットホームの後縁の厚さを一様により厚く(例えば、0.380インチ)し、プラットホームの中央部の周りではそれらの厚さの間で変化させることが、最良の構成であることが実験による検討に基づいて明らかになった。
【0025】
この特定のプラットホームの幾何学形状構成を上述の冷却配置に組み合わせることよって、最良のLCF寿命が得られると思われる。
【0026】
現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるもの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べきではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更形態及び均等の構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】バケットの中空のシャンク部分内部のインピンジメントプレートを示す、ガスタービンバケットの一部断面の部分正面図。
【図2】バケットのシャンク部分内部のインピンジメントプレートを全体的に仮想線で示す、図1に示したバケットの平面図。
【図3】本発明によるインピンジメントプレートの平面図。
【図4】図2に示したバケットの部分側面断面図。
【符号の説明】
【0028】
10 タービンバケット
12 翼形部
14 プラットホーム
15 翼形部前縁
16、18 天使の翼
17 翼形部後縁
24 シャンク部分
26 スカート
28 ダブテール
38 インピンジメント冷却プレート
44 プラットホームの底面
46 リブ
50 インピンジメント冷却孔
Claims (15)
- プラットホーム(14)から延び、高圧側面(30)及び低圧側面(32)を有する翼形部(12)と、
ホイール取付け部分(28)と、
前記プラットホーム(14)と前記ホイール取付け部分(28)との間の半径方向位置に配置された中空のシャンク部分(24)と、を含み、
前記プラットホームが底面(44)を有し、
複数のインピンジメント冷却孔(48、50、52)を有するインピンジメント冷却プレート(38)が、前記底面から間隔を置いて前記中空のシャンク部分の内部に配置されている、
ことを特徴とするタービンバケット(10)。 - 前記インピンジメントプレート(38)を複数のインピンジメント区域に分割する、前記底面(44)と該インピンジメントプレートとの間の細長いリブ(46)を更に含むことを特徴とする、請求項1に記載のタービンバケット。
- 前記インピンジメントプレート(38)には、前記インピンジメント冷却孔の複数の分離した配列が形成されていることを特徴とする、請求項1に記載のタービンバケット。
- 前記インピンジメント孔(48、50、52)が、前記インピンジメントプレート(38)の上面及び下面に対してほぼ垂直であることを特徴とする、請求項3に記載のタービンバケット。
- 前記インピンジメントプレート(38)が、前記インピンジメント孔を備えていない空白域(54)を含み、前記プラットホームには、前記中空のシャンク部分(24)から空気を吐出するようになっているフィルム冷却孔(56)の配列が形成されており、該フィルム冷却孔(56)の配列が、前記インピンジメントプレート(38)の前記空白域(54)と実質的に整列されていることを特徴とする、請求項3に記載のタービンバケット。
- 前記インピンジメントプレート(38)が、前記プラットホームの底面(44)から約0.10インチから約0.30インチだけ間隔を置いて配置されていることを特徴とする、請求項1に記載のタービンバケット。
- 前記インピンジメント冷却孔が、約0.020インチの直径を有することを特徴とする、請求項1に記載のタービンバケット。
- 前記インピンジメントプレートが、前記翼形部(12)の前記高圧側面(30)の半径方向内側に配置されていることを特徴とする、請求項1に記載のタービンバケット。
- 前記インピンジメントプレート(38)には、前記インピンジメント冷却孔の複数の分離した配列が形成され、また前記インピンジメントプレート(38)が、前記インピンジメント孔を備えていない空白域(54)を含み、前記プラットホームには、前記中空のシャンク部分(24)から空気を吐出するようになっているフィルム冷却孔(56)の配列が形成されており、該フィルム冷却孔(56)の配列が、前記インピンジメントプレート(38)の前記空白域(54)と実質的に整列され、更に前記インピンジメントプレートが、前記翼形部(12)の前記高圧側面(30)の半径方向内側に配置されていることを特徴とする、請求項1に記載のタービンバケット。
- プラットホーム(14)から延び、高圧側面(30)及び低圧側面(32)を有する翼形部(12)と、
ホイール取付け部分(28)と、
底面(44)を有する前記プラットホーム(14)と前記ホイール取付け部分(28)との間の半径方向位置に配置された中空のシャンク部分(24)と、
前記底面のインピンジメント冷却を可能にするための手段と前記中空のシャンク部分から冷却空気を吐出するための手段と、
を含むことを特徴とするガスタービンバケット(10)。 - 翼形部(12)と取付け部分(28)との間の半径方向位置に配置され、かつ中空のシャンク部分(24)の半径方向外側壁面を形成するタービンバケット・プラットホーム(14)を冷却する方法であって、
複数のインピンジメント冷却孔(48、50、52)を有するインピンジメント冷却プレート(38)を、前記プラットホームの底面(44)から間隔を置いて前記中空のシャンク部分(24)の内部に固定する段階と、
前記プラットホームに吐出孔(56)を設ける段階と、
前記インピンジメント冷却孔(48、50、52)と前記プラットホーム(14)の前記吐出孔(56)とを通してタービンホイールスペースの空気流を導く段階と、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記インピンジメントプレート(38)には、前記インピンジメント冷却孔の複数の分離した配列が形成されていることを特徴とする、請求項11に記載の方法。
- 前記インピンジメント孔(48、50、52)が、前記インピンジメントプレート(38)の上面及び下面に対してほぼ垂直であることを特徴とする、請求項11に記載の方法。
- 前記インピンジメントプレート(38)が、前記インピンジメント孔を備えていない空白域(54)を含み、前記プラットホームには、前記中空のシャンク部分(24)から空気を吐出するようになっているフィルム冷却孔(56)の配列が形成されており、該フィルム冷却孔(56)の配列が、前記インピンジメントプレート(38)の前記空白域(54)と実質的に整列されていることを特徴とする、請求項12に記載の方法。
- 前記インピンジメントプレート(38)には、前記インピンジメント冷却孔の複数の分離した配列が形成され、また前記インピンジメントプレート(38)が、インピンジメント孔を備えていない空白域(54)を含み、前記プラットホームには、前記中空のシャンク部分(24)から空気を吐出するようになっているフィルム冷却孔(56)の配列が形成されており、該フィルム冷却孔(56)の配列が、前記インピンジメントプレート(38)の前記空白域(54)と実質的に整列され、更に前記インピンジメントプレートが、前記翼形部(12)の前記高圧側面(30)の半径方向内側に配置されていることを特徴とする、請求項14に記載の方法。
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