JP2006083859A

JP2006083859A - タービンの動翼プラットフォームを冷却する装置および方法

Info

Publication number: JP2006083859A
Application number: JP2005264924A
Authority: JP
Inventors: Ariel Caesar Prepena Jacala; アリエル・シーザー・プレペナ・ジャッカラ; Gary M Itzel; ゲーリー・エム・イツェル
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2005-09-13
Publication date: 2006-03-30
Also published as: DE102005042621A1; CN1749533A; US7147439B2; US20060056970A1

Abstract

【課題】ガスタービンの蒸気冷却式または空気冷却式の動翼の耐久性要件を満たすのに必要なレベルまでプラットフォームの温度を低下させる冷却システムを提供する。
【解決手段】動翼（１０）は、エーロフォイル（１２）と、翼根部（１４）と、エーロフォイルと翼根部の間のプラットフォーム（１６）とを有する。エーロフォイルは蛇行形状の冷却回路（１８）を含み、プラットフォームは複数の空洞（４０、６２、５４）を含み、１つまたは複数の空洞（４０、６２）は、それぞれ蛇行した冷却回路を有する。冷却媒体は、エーロフォイル冷却回路の通路（２０、３０、２２）の１つから引き込まれ、プラットフォーム冷却回路内を流れて、エーロフォイル回路の別の通路（２４、３４）または後端部の出口（３６）に戻る。このようにして、プラットフォーム冷却回路は、プラットフォームの高圧側および低圧側の両方を対流冷却する。
【選択図】図２

Description

本発明はタービンの動翼に関し、特に、動翼エーロフォイルと動翼翼根部とを接続するプラットフォームを冷却する冷却システムに関する。

ここ何年もの間、ガスタービンは、出力効率およびエンジン効率を向上させるために、入口燃焼温度が高くなる傾向にある。ガス経路の温度が上昇するにつれて、動翼プラットフォームは、ますます酸化やクリープ、低サイクル疲労による亀裂などの問題を生じるようになっている。閉路蒸気冷却が行われるようになったことで、例えば、産業用ガスタービンの最初の２ステージの動翼およびノズルでは、ブレード列のピーク入口温度に近い温度にプラットフォームがさらされるような入口形状になっている。これにより、動翼プラットフォームが高温になるにつれて、動翼プラットフォームの潜在的な問題が悪化する。

多くの従来の動翼の設計では、燃焼温度が低いため、プラットフォームを能動的に冷却する必要がない。また、上流側のノズル側壁からの膜冷却のキャリーオーバにより、プラットフォーム付近の温度が、その結果生じる入口温度プロフィルの「ピッチラインバイアス」から低下する傾向がある。設計によっては、膜冷却を利用して、プラットフォームを貫通する孔をドリルで形成し、コンプレッサの排気を利用して冷却絶縁膜の層をプラットフォーム表面に形成して、プラットフォーム表面を高いガス流路温度から保護している。これは、膜を注入するのに十分な圧力が存在する領域に限られるが、現在の多くの設計で得られる圧力は、プラットフォーム全体を膜冷却するには不十分である。したがって、ガスタービンの蒸気冷却式または空気冷却式の動翼において発生する酸化、クリープおよび低サイクル疲労による亀裂も含めた部品寿命または耐久性の要件を満たすのに必要なレベルまでプラットフォームの温度を低下させる冷却システムが必要とされている。
特開平０８−３１９８０３号

本発明の好ましい態様では、エーロフォイルと、翼根部と、エーロフォイルと翼根部の接続部分に位置するプラットフォームとを有する動翼であって、該エーロフォイルが、冷却媒体を受け入れて冷却媒体をエーロフォイルに沿って流してエーロフォイルを冷却する複数の通路を含む冷却回路を有し、該プラットフォームが、その下面に沿って位置する空洞を含む冷却回路を有する動翼が提供される。空洞は、上記通路の１つと連絡した、上記１つの通路から冷却媒体の少なくとも一部を引き込み、引き込んだ冷却媒体を当該空洞のプラットフォーム冷却回路内に流してプラットフォームを冷却するための吸入口を有し、また、この空洞は、エーロフォイルの別の冷却通路と連絡した吐出口を有する。

本発明の別の好ましい態様では、エーロフォイルと、翼根部と、エーロフォイルと翼根部の接続部分に位置するプラットフォームとを有する動翼であって、該エーロフォイルが、冷却媒体を受け入れて冷却媒体をエーロフォイルに沿って流してエーロフォイルを冷却する複数のほぼ径方向に延びる通路を含む冷却回路を有する動翼、ならびにプラットフォームを冷却する方法であって、プラットフォームの内部、またはその下面に沿って空洞を設けるステップと、上記エーロフォイル冷却通路の１つから冷却媒体の少なくとも一部を引き込むステップと、引き込んだ冷却媒体を当該空洞のプラットフォーム冷却回路内に流してプラットフォームを対流冷却するステップと、エーロフォイルの別の冷却通路と連絡した吐出口を介して使用済みの冷却媒体を上記空洞から排出するステップとを含む方法が提供される。

図面、特に図１を参照すると、エーロフォイル１２と動翼翼根部１４とを含む、参照番号１０でその全体を示すガスタービンの動翼が示してある。動翼プラットフォーム１６は、エーロフォイル１２と翼根部１４の接続部分に位置する。エーロフォイル１２は、冷却媒体を受け入れ、エーロフォイル１２に沿って冷却媒体を流してエーロフォイルを冷却する、ほぼ径方向に延びる複数の通路を含む、図２において参照番号１８でその全体を示す冷却回路を有する。冷却媒体が蒸気または空気であってもよいこと、および任意数の冷却通路をエーロフォイル１２内に構成することができることは理解されるであろう。例えば、図２に示すように、８本の通路を設けてエーロフォイル冷却回路を構成する。これらの通路は、例えば、特開平０８−３１９８０３号に記載のような蒸気冷却用閉路の構成であっても良いし、あるいはこれらの通路のうちの１つまたは複数がエーロフォイルの先端において例えば図１に示す脱出孔２０のような脱出孔として終端する開路構成であっても良い。エーロフォイル内の冷却回路は、全体的に蛇行した形状であることが好ましい。

図２を参照すると、エーロフォイル冷却回路１８は、ほぼ径方向に延びる通路２０、２２、２４、２６、２８、３０、３２および３４を含む。図２において、通路２０、２４、２８および３２に示す上向きの三角形は、冷却媒体がほぼ径方向外向きに流れることを示し、通路２２、２６、３０および３４に示す逆三角形は、冷却媒体がほぼ径方向内向きに流れることを示す。例えば閉路蒸気冷却など、冷却媒体の流路が蛇行流路である場合には、冷却媒体は先頭の通路２０に進入し、様々なエーロフォイル通路内を径方向外向きおよび径方向内向きに交互に流れて、最終的に後端の通路３４を通って戻り、冷却媒体出口３６に排出される。

再度図２を参照すると、各動翼のプラットフォーム１６は、その下面に沿って、またはその内部に形成された少なくとも１つの空洞を含み、またプラットフォームを冷却するための冷却回路を含む。プラットフォームを冷却するための冷却回路をそれぞれ有する３つの空洞を、各プラットフォームに設けることが好ましい。第１のプラットフォーム冷却回路の全体を、参照番号３８で示す。回路３８では、冷却媒体は吸入口からエーロフォイル１２の第１の径方向外向き通路２０に取り込まれる。したがって、第１の冷却回路の冷却媒体吸入口４２は、図２において矢印４４で示す全体的に蛇行した形状の冷却通路に冷却空気を供給する。空洞４０は、一般にプラットフォーム１６内に位置し、壁面部分４６および４８と、空洞の外側壁面とによって、この全体的に蛇行した形状の冷却通路が画定されている。例えば、冷却媒体が蒸気である場合には、蛇行冷却通路４４も、蒸気の一部を後端の冷却通路３４に排出する吐出口５０を有する。後端の通路３４と出口３６とは、エーロフォイルの翼根部内で結合し、使用済みの冷却蒸気を例えば排熱回収ボイラ（図示せず）に戻す。図２を参照すれば、プラットフォーム１６の空洞４０内の冷却回路３８が、プラットフォームの低圧側、すなわちエーロフォイルの正圧側の下に位置するプラットフォームの側面を対流冷却していることは理解されるであろう。

第２のプラットフォーム冷却回路５２は、プラットフォーム１６内、またはプラットフォーム１６の下面に沿って形成された第２の空洞５４を含む。第２の空洞５４は、エーロフォイル１２の径方向内向きの冷却通路、すなわち第２の冷却通路２２内を流れる冷却媒体と連絡した吸入口５６と、第３のエーロフォイル冷却通路２４内を径方向外向きに流れる冷却媒体と連絡した吐出口５８とを含む。通路２２から空洞５４内に引き込まれた冷却媒体は、第２のプラットフォーム冷却回路を流れる際にプラットフォーム１６の高圧側の一部を対流冷却した後に、第３の通路２４内に排出される。

その全体を参照番号６０で示す第３のプラットフォーム冷却回路は、プラットフォーム１６内、またはプラットフォーム１６の下面に沿って形成された空洞６２を含む。第３の空洞６２は、エーロフォイル１２の第６の通路３０内を径方向内向きに流れる冷却媒体と連絡した吸入口６４を含む。また、空洞６２は、エーロフォイル１２の後端の通路３４内を径方向内向きに流れる冷却媒体と連絡した吐出口６６も含む。さらに、空洞６２は壁面６８および７０を含み、これらの壁面と空洞の外側壁面とによって、第３のプラットフォーム冷却回路内の蛇行した冷却媒体流７２が画定される。したがって、第３のプラットフォーム冷却回路は、エーロフォイルの吸込み側に隣接した、プラットフォームの高圧側の一部を対流冷却する。したがって、プラットフォーム冷却回路を少なくとも２つ、好ましくは３つすべてを結合することにより、プラットフォームの低圧側および高圧側の両方が、冷却媒体によって対流冷却される。動翼では、必要に応じてこれらの冷却回路のうちの１つ、２つまたは３つすべてを利用することができることは理解されるであろう。

次に図３を参照すると、本発明の１態様によるプラットフォーム冷却回路の別の例が示してある。この態様では、第１の空洞４０内の第１の冷却回路は、上述したものと同じであり、同じ部分は同じ参照番号で示してある。同様に、図３に示す第２の空洞５４も、図２に示す空洞５２と同様であり、同じ部分は同じ参照番号で示してある。ただし、第２のプラットフォーム冷却回路からの吐出口が、エーロフォイルの冷却回路通路を通らずに直接第３の冷却回路６０に抜けており、第３の冷却回路６０に冷却媒体を供給している点が異なる。詳細には、図３に示す実施形態の第２の空洞５４は、第３の空洞６２と直接連絡した吐出口８０を含み、この吐出口８０が、空洞６２の吸入口８２の役割を果たしている。第３の空洞においても、図２に示す実施形態と同じ部分は同じ参照番号で示し、プラットフォーム冷却回路の残りの部分は、図２に示して説明したものとまったく同じである。

プラットフォーム内の通路は、セラミックコアを用いて形成することもできるし、ロストワックス法、すなわちインベストメント鋳造法でセラミックコアを蝋で形成することによって形成することもできる。後者の方法では、溶接または蝋付けによって動翼に接合したプレート（図示せず）によって通路を封止して、冷却回路を形成する。回路の構成は、図２および図３に示した例に限定されないことは理解されるであろう。例えば、回路内の圧力が、十分に高速な熱伝達が通路内で達成されるのに十分な圧力であれば、主要なエーロフォイル蛇行通路のうちの任意の通路から冷却媒体を引き込み、主要なエーロフォイル蛇行冷却回路のうちの任意の通路に排出することもできる。

最も実用的かつ好ましいと現在考えられる実施形態に関連して本発明について説明したが、本発明は開示の実施形態に限定されるものではなく、また、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。

本発明の好ましい態様によるプラットフォーム冷却システムを組み込んだタービンの動翼を示す斜視図である。本発明のプラットフォーム冷却システムの一例を示す、ほぼ動翼の径方向外向きの方向に見たプラットフォームを示す断面図である。本発明の別の態様を示す、図２と同様の図である。

符号の説明

１０動翼
１２エーロフォイル
１４翼根部
１６プラットフォーム
１８冷却回路
３８冷却回路
４２吸入口
５０吐出口
５２冷却回路
５６吸入口
５８吐出口
６０冷却回路
６４吸入口
６６吐出口

Claims

エーロフォイル（１２）と、翼根部（１４）と、エーロフォイルと翼根部の接続部分に位置するプラットフォーム（１６）とを有する動翼（１０）であって、前記エーロフォイルが、冷却媒体を受け入れて該冷却媒体をエーロフォイルに沿って流してエーロフォイルを冷却するほぼ径方向に延びる複数の通路（２０、２２、２４、２６、２８、３０、３２、３４）を含む冷却回路（１８）を有し、前記プラットフォームが、その内部に位置する、またはその下面に沿って位置する空洞（４０、５４、６２）を含む冷却回路（３８、５２、６０）を有し、
前記空洞が、前記通路の１つ（２０、２２）と連絡した、前記１つの通路から冷却媒体の少なくとも一部を引き込み、引き込んだ冷却媒体をプラットフォーム冷却回路内の空洞に対流させてプラットフォームを冷却するための吸入口（４２、５６、６４、８２）を有し、
前記空洞が、エーロフォイルの別の冷却通路（３４、２４）と連絡した吐出口（５０、５８、６６）を有する、動翼（１０）。
前記プラットフォーム冷却回路が、前記空洞内に全体的に蛇行した形状の流路（４４、７２）を含む、請求項１記載の動翼。
前記別の通路（３４）が、後端の冷却通路の一部を構成する、請求項１記載の動翼。
前記プラットフォーム冷却回路（３８）が、前記空洞（４０）内に全体的に蛇行した形状の流路（４４）を含み、前記エーロフォイル冷却回路の前記複数の通路が、冷却媒体をエーロフォイルに沿ってほぼ径方向外向きに流す前記１つの通路（２０）および冷却媒体をほぼ径方向内向きに流す別の通路（３４）とともに全体的に蛇行した形状のエーロフォイル冷却回路を構成し、前記空洞の前記吸入口（４２）が前記１つの通路（２０）と連絡した、請求項１記載の動翼。
前記空洞からの前記吐出口（５０）が前記別の通路（３４）と連絡している、請求項４記載の動翼。
前記空洞（４０）が、プラットフォームの低圧側に沿って位置し、前記空洞（５４、６２）が、前記プラットフォームの高圧側に沿って位置する、請求項１記載の動翼。
前記プラットフォームが、その内部に位置する、またはその下面に沿って位置する第２の空洞（６２）を含み、前記第２の空洞が、前記通路のうちの第２の通路（３０）と連絡して、前記第２の通路から冷却媒体の少なくとも一部を引き込み、引き込んだ冷却媒体をプラットフォーム冷却回路の第２の空洞内に流してプラットフォームを対流冷却するための吸入口（６４）を有し、前記第２の空洞が、エーロフォイル冷却通路の別の通路（３４）と連絡した吐出口（６６）を有する、請求項１記載の動翼。
前記プラットフォーム冷却回路が、前記第１および第２の空洞（４０、６２）内に、それぞれ全体的に蛇行した形状の流路（４４、７２）を含む、請求項７記載の動翼。
前記プラットフォームが、その内部に位置する、またはその下面に沿って位置する第３の空洞（５４）を含み、前記第３の空洞が、前記通路のうちの第３の通路（２２）と連絡して、前記第３の通路から冷却媒体の少なくとも一部を引き込み、引き込んだ冷却媒体をプラットフォームの第３の空洞内に流してプラットフォームを対流冷却するための吸入口（５６）を有し、前記第３の空洞が、エーロフォイル冷却通路のさらに別の通路（２４）と連絡した吐出口（５８）を有する、請求項７記載の動翼。
前記プラットフォーム冷却回路が、少なくとも第１の空洞（４０）および第３の空洞（６２）内に、それぞれ全体的に蛇行した形状の流路（４４、７２）を含み、前記第１の空洞（４０）、第２の空洞（６２）および第３の空洞（５４）が、それぞれ前記プラットフォームの低圧側、高圧側、高圧側に位置する、請求項９記載の動翼。