JP2005351277A

JP2005351277A - ガスタービンロータブレードを冷却するための方法及び装置

Info

Publication number: JP2005351277A
Application number: JP2005169330A
Authority: JP
Inventors: Edward Lee Mcgrath; エドワード・リー・マクグラス; Benjamin A Lagrange; ベンジャミン・エー・ラグランジュ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-06-10
Filing date: 2005-06-09
Publication date: 2005-12-22
Also published as: US7165940B2; US20050276697A1; CN1707069A; DE102005026525A1; CN1707069B

Abstract

【課題】ガスタービンロータブレードを冷却するための方法及び装置を提供する。
【解決手段】ガスタービン（２０）用の翼形部（４２）は、前縁（４８）と、後縁（５０）と、先端プレート（５４）と、翼形部根元（５２）と先端プレートとの間で半径方向スパンにわたって延びる第１の側壁（４４）と、前縁及び後縁において第１の側壁に結合されてその中に冷却空洞（５６）を形成した第２の側壁（４６）とを含む。この側壁は、翼形部根元と先端プレートとの間で半径方向スパンにわたって延びる。翼形部はまた、第１の側壁を貫通して縦列の形態で配置された複数の縦方向に間隔を置いた後縁冷却スロット（７０）を含む。スロットは、冷却空洞と流れ連通状態になっており、かつ後縁の少なくとも１つの部分におけるスロットの数が該後縁の異なる部分よりも多くなるように、後縁に沿って一様でない分布で配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンエンジンロータ組立体を冷却するための方法及び装置に関する。

少なくとも幾つかの公知のロータ組立体は、少なくとも１つの列の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレードを含む。各ロータブレードは、前縁及び後縁で互いに結合された正圧側面及び負圧側面を備えた翼形部を含む。各翼形部は、ロータブレードプラットホームから半径方向外向きに延びる。各ロータブレードはまた、ダブテールを含み、ダブテールは、プラットホームとダブテールとの間で延びるシャンクから半径方向内向きに延びる。ダブテールは、ロータ組立体内部でロータブレードをロータディスク又はスプールに取付けるために用いられる。公知のブレードは、翼形部、プラットホーム、シャンク及びダブテールによって内部冷却空洞が少なくとも部分的に形成されるように中空である。

運転時、ブレードの翼形部の一部分は、該ブレードの他の部分よりも高い温度に曝される。時の経過と共に、このような温度差及び熱歪みにより、ブレード内に熱応力が生じることになる。このような熱歪みは、翼形部に対して熱変形、例えば局所的クリープ変形を生じさせる可能性があり、またロータブレードの有効寿命を短縮するおそれがある翼形部低サイクル疲労のような他の問題を引き起こす可能性がある。

少なくとも幾つかの公知のロータブレード内での高温の影響を少なくするのを可能にするために、ロータブレード翼形部の少なくとも幾つかは、後縁スロットと該スロットを均一に間隔を置いたチャネルに分割した状態にするカットバック正圧側壁とを含み、このチャネルが翼形部の露出した背面上全体にわたって冷却空気のフィルムを吐出する。しかしながら、後縁に沿った異なる点での温度差のために、均一に間隔を置いたスロットからの空気は、翼形部の後縁に沿った異なる点の間の温度差を取り除くのに十分なほどには後縁を冷却しない。
特開２００１−０２７１０２号公報

１つの態様では、ガスタービン用翼形部を提供する。本翼形部は、前縁と、後縁と、先端プレートと、翼形部根元と先端プレートとの間で半径方向スパンにわたって延びる第１の側壁と、前縁及び後縁において第１の側壁に結合されてその中に冷却空洞を形成した第２の側壁とを含む。この側壁は、翼形部根元と先端プレートとの間で半径方向スパンにわたって延びる。本翼形部はまた、第１の側壁を貫通して縦列の形態で配置された複数の縦方向に間隔を置いた後縁冷却スロットを含む。スロットは、冷却空洞と流れ連通状態になっており、かつ後縁の少なくとも１つの部分におけるスロットの数が該後縁の異なる部分よりも多くなるように、該後縁に沿って一様でない分布で配置される。

別の態様では、タービンブレードを提供する。本タービンブレードは、プラットホームと、ダブテールと、プラットホーム及びダブテールに結合されたシャンクと、前縁、後縁、正圧側壁及び負圧側壁を備えた翼形部とを含む。翼形部は、プラットホームに結合される。本タービンブレードはまた、正圧側壁及び負圧側壁間に配置された少なくとも１つの冷却空洞と、後縁に沿って延びる複数の縦方向に間隔を置いた後縁冷却スロットとを含む。後縁冷却スロットは、冷却空洞と流れ連通状態になっており、かつ後縁の少なくとも１つの部分における後縁冷却スロットの数が該後縁の異なる部分よりも多くなるように、該後縁に沿って一様でない分布で配置される。

さらに別の態様では、ガスタービン用ロータ組立体を提供する。本ロータ組立体は、ロータシャフトと該ロータシャフトに結合された複数の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレードとを含む。各ロータブレードは、プラットホームと、ダブテールと、プラットホーム及びダブテールに結合されたシャンクと、前縁、後縁、正圧側壁及び負圧側壁を備えた翼形部とを含む。翼形部は、プラットホームに結合される。本タービンブレードはまた、正圧側壁及び負圧側壁間に配置された少なくとも１つの冷却空洞と、後縁に沿って延びる複数の縦方向に間隔を置いた後縁冷却スロットとを含む。後縁冷却スロットは、冷却空洞と流れ連通状態になっており、かつ後縁の少なくとも１つの部分における後縁冷却スロットの数が該後縁の異なる部分よりも多くなるように、該後縁に沿って一様でない分布で配置される。

さらに別の態様では、ロータブレード翼形部の後縁を冷却する方法を提供する。翼形部は、前縁と、後縁と、正圧側壁及び負圧側壁と、正圧側壁と負圧側壁との間の少なくとも１つの冷却空洞と、後縁に沿って延びる複数の縦方向に間隔を置いた後縁冷却スロットとを含む。後縁冷却スロットは、冷却空洞と流れ連通状態になっており、かつ後縁の少なくとも１つの部分における後縁冷却スロットの数が該後縁の異なる部分よりも多くなるように、該後縁に沿って一様でない分布で配置される。本方法は、冷却空気を冷却空洞に供給する段階と、冷却空気の一部分を複数の冷却スロットを通して向ける段階とを含む。

縦列の形態で配置された複数の縦方向に間隔を置いた後縁冷却スロットを含むガスタービンロータブレード用翼形部を、以下に詳述に説明する。冷却スロットは、後縁の少なくとも１つの部分におけるスロットの数が該後縁の異なる部分よりも多くなるように、後縁に沿って一様でない分布で配置される。この一様でない冷却スロット分布によって、最も高温の外部温度に曝される後縁の部分に冷却空気を向けて、これらの区域の冷却を向上させることが可能になる。後縁の冷却を向上させることにより、翼形部の局所的クリープ発生の可能性、酸化発生の可能性及び低サイクル疲労発生の可能性が軽減される。

図面を参照すると、図１は、ガスタービン２０を含むガスタービンシステム１０の破断側面図である。ガスタービン２０は、圧縮機セクション２２と、複数の燃焼器缶２６を備えた燃焼器セクション２４と、シャフト２９を用いて圧縮機セクション２２に結合されたタービンセクション２８とを含む。複数のタービンブレード３０が、タービンシャフト２９に結合される。タービンブレード３０の間には、複数のタービンノズル３２を含む複数の回転しないタービンノズル段３１が配置される。タービンノズル３２は、タービンブレード３０及びノズル３２を囲むハウジング又はシェル３４に結合される。高温ガスが、ノズル３２によってブレード３０に衝突するように向けられて、ブレード３０をタービンシャフト２９と共に回転させる。

運転中、周囲空気は圧縮機セクション２２内に流れ、圧縮機セクション２２において周囲空気は該周囲空気よりも大きい圧力に加圧される。加圧空気は、その後燃焼器セクション２４内に流され、燃焼器セクション２４において加圧空気と燃料とが混合されて、比較的高圧、高速ガスを発生する。タービンセクション２８は、燃焼器セクション２４から流れるこの高圧、高速ガスからエネルギーを取り出すように構成される。ガスタービンシステム１０は、一般的にガスタービンシステム１０に装着された自動及び／又は電子制御システム（図示せず）によって様々な制御パラメータを介して制御される。

図２は、ガスタービンエンジン２０（図１に示す）に用いることができるロータブレード４０の概略斜視図である。図３は、ロータブレード４０の内部概略図である。図２及び図３を参照すると、例示的な実施形態では、複数のロータブレード４０が、ガスタービンエンジン２０の高圧タービンロータブレード段（図示せず）を形成する。各ロータブレード４０は、中空の翼形部４２と該翼形部４２を公知の方法でロータディスク（図示せず）に取付けるために用いる一体形のダブテール４３とを含む。

翼形部４２は、第１の側壁４４と第２の側壁４６とを含む。第１の側壁４４は、凸面形であり、翼形部４２の負圧側面を形成し、また第２の側壁４６は、凹面形であり、翼形部４２の正圧側面を形成する。側壁４４及び４６は、前縁４８と該前縁４８の下流に位置する翼形部４２の軸方向に間隔を置いた後縁５０とにおいて結合される。

第１及び第２の側壁４４及び４６は、それぞれ、ダブテール４３に隣接して配置されたブレード根元５２から内部冷却チャンバ５６の半径方向外側境界を形成する先端プレート５４までにわたるように縦方向又は半径方向外向きに延びる。冷却チャンバ５６は、側壁４４及び４６間で翼形部４２の内部に形成される。翼形部４２の内部冷却は、当技術分野では公知である。この例示的な実施形態では、冷却チャンバ５６は、圧縮機ブリード空気で冷却される蛇行通路５８を含む。

冷却空洞５６は、後縁５０に沿って長手方向（軸方向）に延びる複数の後縁スロット７０と流れ連通状態になっている。具体的には、後縁スロット７０は、正圧側壁４６に沿って後縁５０まで延びる。各後縁スロット７０は、第１の側部壁７４及び第２の側部壁７６によって正圧側壁４６から分離された陥凹壁７２を含む。冷却空洞出口開口７８は、冷却空洞５６から陥凹壁７２に隣接する各後縁スロット７０まで延びる。各陥凹壁面７２は、後縁５０から冷却空洞出口開口７８まで延びる。複数のランド部８０が、各後縁スロット７０を隣接する後縁スロット７０から分離する。側部壁７４及び７６は、ランド部８０から延びる。

後縁スロット７０は、後縁５０の第１の部分８２におけるスロット７０の数が該後縁５０の第２の部分８４よりも多くなるように、後縁５０に沿って一様でない分布で配置される。具体的には、後縁５０の第１の部分８２に設置された後縁冷却スロット７０間の距離は、該後縁５０の第２の部分８４に設置された後縁冷却スロット７０間の距離とは異なる。具体的には、後縁５０の第１の部分８２の後縁冷却スロット７０のインチ当たりの数は、該後縁５０の第２の部分８４の後縁冷却スロット７０のインチ当たりの数よりも多い。また、後縁５０の第１の部分８２における後縁冷却スロットの数は、該後縁５０の第３の部分８６における後縁冷却スロット７０の数よりも多い。図２及び図３に示す翼形部４２の例示的な実施形態は、異なる数の冷却スロット７０を有する後縁５０の３つの部分を含む。別の実施形態では、翼形部４２は、後縁５０に沿って一様でない冷却スロットの分布を備えた該後縁５０の２つ又はそれ以上の部分を含むことができる。

この一様でない冷却スロット分布によって、最も高温の外部温度に曝される後縁５０の部分に冷却空気を向けてこれらの区域の冷却を向上させることが可能になる。後縁の冷却を向上させることにより、翼形部の局所的クリープ発生の可能性、酸化発生の可能性及び低サイクル疲労発生の可能性が軽減される。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者は明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

ガスタービンを含むガスタービンシステムの破断側面図。図１に示すロータブレードの概略斜視図。図２に示すロータブレードの内部概略図。

符号の説明

４０ロータブレード
４２翼形部
４３ダブテール
４４翼形部の第１の側壁
４６翼形部の第２の側壁
４８翼形部の前縁
５０翼形部の後縁
５２ブレード根元
５４先端プレート
５６冷却チャンバ
７０後縁スロット
７８冷却空洞出口開口
８０ランド部
８２後縁の第１の部分
８４後縁の第２の部分
８６後縁の第３の部分

Claims

前縁（４８）と、
後縁（５０）と、
先端プレート（５４）と、
翼形部根元（５２）と前記先端プレートとの間で半径方向スパンにわたって延びる第１の側壁（４４）と、
前記翼形部根元と先端プレートとの間で半径方向スパンにわたって延び、かつ前記前縁及び後縁において前記第１の側壁に結合されてその中に冷却空洞（５６）を形成した第２の側壁（４６）と、
前記第１の側壁を貫通して縦列の形態で配置された複数の縦方向に間隔を置いた後縁冷却スロット（７０）と、を含み、
前記スロットが、前記冷却空洞と流れ連通状態になっており、かつ前記後縁の少なくとも１つの部分（８２）、（８４）、（８６）におけるスロットの数が該後縁の異なる部分よりも多くなるように、該後縁に沿って一様でない分布で配置されている、
ガスタービン（２０）用翼形部（４２）。
前記後縁（５０）の第１の部分（８２）内に設置された後縁冷却スロット（７０）間の第１の距離と、
前記後縁の第２の部分（８４）内に設置された後縁冷却スロット間の第２の距離と、をさらに含み、
前記第１の距離が、前記第２の距離とは異なる、
請求項１記載の翼形部（４２）。
前記後縁（５０）が複数の部分（８２）、（８４）、（８６）を含み、各前記部分がその中に設置された前記後縁冷却スロット（７０）のインチ当たりの数を含み、選択した部分における前記後縁冷却スロットのインチ当たりの数が、隣接する部分における該後縁冷却スロットのインチ当たりの数とは異なる、請求項１記載の翼形部（４２）。
前記後縁（５０）が、
前記後縁冷却スロット（７０）のインチ当たりの第１の数を含む第１の部分（８２）と、
前記後縁冷却スロットのインチ当たりの第２の数を含む第２の部分（８４）と、
前記後縁冷却スロットのインチ当たりの第３の数を含む第３の部分（８６）と、を含み、
前記第３の部分が、前記翼形部根元（５２）から前記第１の部分まで延び、前記第１の部分が、前記第３の部分から前記第２の部分まで延び、前記第２の部分が、前記第１の部分から前記先端プレート（５４）まで延びており、
前記後縁冷却スロットのインチ当たりの第１の数が、前記後縁冷却スロットのインチ当たりの第２及び第３の数よりも多い、
請求項３記載の翼形部（４２）。
前記後縁が、
第１の後縁冷却スロット（７０）と、
第２の後縁冷却スロットと、
第３の後縁冷却スロットと、
前記第１及び第２の後縁冷却スロット間の第１の距離と、
前記第２及び第３の後縁冷却スロット間の第２の距離と、を含み、
前記第１の距離が、前記第２の距離とは異なる、
請求項１記載の翼形部（４２）。
プラットホームと、
ダブテール（４３）と、
前記プラットホーム及びダブテールに結合されたシャンクと、
前縁（４８）、後縁（５０）、正圧側壁（４６）及び負圧側壁（４４）を含み、かつ前記プラットホームに結合された翼形部（４２）と、
前記正圧側壁及び負圧側壁間に配置された少なくとも１つの冷却空洞（５６）と、
前記後縁に沿って延びる複数の縦方向に間隔を置いた後縁冷却スロット（７０）と、を含み、
前記後縁冷却スロットが、前記冷却空洞と流れ連通状態になっており、かつ前記後縁の少なくとも１つの部分における後縁冷却スロットの数が該後縁の異なる部分よりも多くなるように、該後縁に沿って一様でない分布で配置されている、
タービンブレード（３０）。
前記翼形部（４２）が、
前記後縁（５０）の第１の部分（８２）内に設置された後縁冷却スロット（７０）間の第１の距離と、
前記後縁の第２の部分（８４）内に設置された後縁冷却スロット間の第２の距離と、をさらに含み、
前記第１の距離が、前記第２の距離とは異なる、
請求項６記載のタービンブレード（３０）。
前記翼形部後縁（５０）が複数の部分（８２）、（８４）、（８６）を含み、各前記部分が、その中に設置された前記後縁冷却スロット（７０）のインチ当たりの数を含み、選択した部分における前記後縁冷却スロットのインチ当たりの数が、隣接する部分における該後縁冷却スロットのインチ当たりの数とは異なる、
請求項６記載のタービンブレード（３０）。
前記翼形部後縁（５０）が、
前記後縁冷却スロット（７０）のインチ当たりの第１の数を含む第１の部分（８２）と、
前記後縁冷却スロットのインチ当たりの第２の数を含む第２の部分（８４）と、
前記後縁冷却スロットのインチ当たりの第３の数を含む第３の部分（８６）と、を含み、
前記第３の部分が、前記翼形部根元（５２）から前記第１の部分まで延び、前記第１の部分が、前記第３の部分から前記第２の部分まで延び、前記第２の部分が、前記第１の部分から前記先端プレート（５４）まで延びており、
前記後縁冷却スロットのインチ当たりの第１の数が、前記後縁冷却スロットのインチ当たりの第２及び第３の数よりも多い、
請求項８記載のタービンブレード（３０）。
前記翼形部後縁（５０）が、
第１の後縁冷却スロット（７０）と、
第２の後縁冷却スロットと、
第３の後縁冷却スロットと、
前記第１及び第２の後縁冷却スロット間の第１の距離と、
前記第２及び第３の後縁冷却スロット間の第２の距離と、を含み、
前記第１の距離が、前記第２の距離とは異なる、
請求項６記載のタービンブレード（３０）。