JP2007224919A - タービン動翼及びタービン動翼のプラットフォームを冷却する方法 - Google Patents

タービン動翼及びタービン動翼のプラットフォームを冷却する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】動翼プラットフォームの応力及び温度を低減するように設計されたプラットフォームの構成を提供する。
【解決手段】翼部と、該翼部と根元部とその境界のプラットフォームとプラットフォーム冷却部とを備えたタービン動翼において、プラットフォーム冷却部は、プラットフォームにおいて形成されかつ翼部の凹面の圧力側228の少なくとも一部に沿って延びる冷却通路224,226と、翼部の軸方向における中心近傍の翼冷却媒体空洞230,244から延びて冷却通路に通じる冷却媒体吸入口と、冷却通路から冷却媒体を放出する出口開口部242,248と、を備える。
【選択図】図3

Description

本発明はタービン動翼の耐用年数を長くするための新規な冷却システムに関する。
ガスタービンは、(i)圧縮空気を生成するための圧縮部と、(ii)圧縮空気の第1の部分を加熱する燃焼部と、を備え、これにより高温圧縮ガスを生成し、さらに、(iii)生成した高温圧縮ガスを膨張させるためのローターを有するタービン部を備えている。ローターは、円周上に配設された複数のタービン動翼から構成される。
図1に示すように、各タービン動翼10は、吸引面及び圧力面を有する翼部12と、ブレードをローター軸に固定する構造部18を有する根元部14と、翼部がここから延びるプラットフォーム16と、シャンク部20と、を備えている。
プラットフォームはタービン動翼に用いられて、ガスタービンの高温ガス経路部を介した内部流体通路の境界を形成する。設計条件(ガス経路の温度及び機械的負荷)によっては、動翼プラットフォームがエンジンで所望の期間持続することを著しく困難にする場合がしばしばある。これに関して、タービン動翼により生じる負荷は、動翼プラットフォームに応力の大きな領域を生成し、該プラットフォームは、上昇する温度と相まって、所望の設計寿命に至る前に機能しなくなることがある。
米国特許第6,190,130号明細書 米国特許第5,639,216号明細書
従来、種々なプラットフォーム冷却設計が使用され、あるいは開示されている。図2に示す従来のプラットフォーム冷却設計の一つは、冷却回路と一体化した部分としての、隣接するバケットシャンク120及びプラットフォーム116によって形成された空洞122を用いることに基づいている。この種の設計では、バケットの内部冷却通路の1つから空気を取り出し、この空気を用いて、上述のように、隣接するバケットシャンク120とプラットフォーム116によって形成された空洞122を加圧する。加圧されると、この空洞はプラットフォームの殆どあらゆる場所を冷却することができる。この種の設計にはインピンジメント(衝突)冷却が導入されることが多く、これは熱伝達を強化するためである。冷却用空気は、プラットフォームのフィルム冷却穴を通して空洞から出るか、又は軸方向の冷却穴を通して空洞から出ることができ、これらの穴は空気をシャンク空洞の外部へと導く。しかしながら、この設計はいくつかの欠点を有する。第一に、冷却回路は一つの部分に内蔵されているのではなく、少なくとも2つのバケット110が近接して組み立てられた場合にだけ形成される。このことは、据付前の流れ試験を著しく困難にしている。第2の欠点は、隣接するバケット110の間で形成される空洞122の完全性が空洞周辺部のシールの如何に依存することである。シーリングが十分でないと、プラットフォームの冷却が不十分となり、冷却用空気の無駄をもたらすことがある。
他の従来の技術設計が、米国特許第6,190,130号明細書の図1(a)及び図5(a)に開示されている。この設計では、単一のバケットに完全に包含された冷却回路を使用する。この設計によって、冷却用空気は、翼前縁の冷却通路から取り出され、プラットフォームを介して後部に導かれる。冷却用空気は、動翼プラットフォーム後部の出口穴を通して放出されるか、又は隣接する動翼プラットフォーム間のスラッシュ面の空洞から放出される。この設計のものは、組み立て条件のばらつきにより影響を受けないという点で上述した図2に示すものよりも有利である。しかしながら、図示されるように、翼のそれぞれの側に一つの冷却回路が設けられているため、プラットフォームの異なる場所で使用する冷却用空気量の調整が限定されるという不都合を有している。また、この設計では前縁の空洞への冷却用空気の供給が制限されるという不都合もある。
また別の従来技術の冷却回路構成が、米国特許第6,190,130号の図3(a)及び米国特許第5,639,216号明細書に開示されている。この設計でも単一のバケット内に完全に包含された冷却回路を使用するが、プラットフォーム下部から、すなわち、シャンクポケットの空洞又は前方のホィールスペース(ディスク状空洞)から空気が供給される。
本発明は、動翼プラットフォームの応力及び温度を低減するように設計されたプラットフォームの構成を提案する。
このために、本発明は、翼部と、この翼部と根元部との間の境界でプラットフォームと一体にされた当該根元部と、プラットフォーム冷却部と、を有するタービン動翼において具現化され、プラットフォーム冷却部は、プラットフォーム内に形成される冷却通路であって、翼部の凹面の圧力側における少なくとも一部に沿って延びる冷却通路と、翼部の軸方向における中心近傍の翼冷却媒体用空洞から延びる前記冷却通路への一つ以上の冷却媒体吸入口と、前記冷却通路から冷却媒体を放出するための一つ以上の出口開口部と、を含む。
また、本発明は、翼部及び根元部を有するタービン動翼のプラットフォームを冷却する方法において具現化され、この翼部はプラットフォームに結合され、該プラットフォームは根元部に及んでおり、前記方法は、前記翼部の凹面の圧力側における少なくとも一部に冷却通路を設けるステップと、翼部の軸方向における中心近傍の冷却媒体用空洞から、穴を通して前記冷却通路へと冷却媒体を流すステップと、前記冷却通路から一つ以上の出口開口部を通して冷却媒体を放出するステップと、を有する。
本発明の上述の目的及び他の目的、さらに本発明の利点については、添付図面を参照しつつ以下の本発明の好ましい例示的な実施形態の詳細な説明を入念に検討することによって完全に理解される。
本発明の実施形態の一例によると、図3、図6、図7、図8、図9、図10及び図11において略図で示すように、一つ以上の優先冷却通路が、翼部の凹面の、圧力側で動翼プラットフォーム内に形成される。これらの冷却通路には、翼の冷却回路、すなわち、詳しくは各々の翼の軸方向における中心又は中間部の近傍から、冷却媒体(例えば、空気)が供給される。複数の冷却通路が設けられた図示の例において、それぞれの冷却通路には、各翼の冷却回路の空洞又は通路から空気が供給される。
冷却通路はそれぞれ、少なくとも二つの目的を達成するための大きさ及び形状をもつ。第一に、通路は、プラットフォームの優先冷却を可能とするために形成される。優先冷却により、プラットフォーム上の様々な位置で、的確な量の冷却を行うことが可能となる。
一例として図3に示す実施形態を参照すると、本実施形態では、2つの通路224、226が、翼212の凹面の、つまり圧力側228で規定されることが分かる。第1冷却通路224は、翼の軸方向における中心又は中点近傍において、翼212の冷却回路の空洞又は通路230と流体連通し、そして、冷却用空気の流体通路を規定するように配設されており、この流体通路は、第1の蛇行経路232に沿ってプラットフォーム216の前縁234の方へと延び、次に周経路部分236に沿って翼の圧力側のスラッシュ面238の方へ延びるとともに、最終的にはスラッシュ面238とほぼ平行に延びる、実質的に直線状の長手冷却経路240に沿って、プラットフォーム216の後縁へと延びている。図示の実施形態では、第1冷却通路224が、軸方向において、空気などの冷却媒体をプラットフォームの流体通路に向けて放出する複数のフィルム冷却穴242で終端されているため、更なる冷却の利点が得られる。
また、図3の実施形態において、第2冷却通路226は、翼212の凹面の圧力側228に設けられ、これもまた翼212の軸方向における中心又は中点近傍で冷却用空気の空洞244と流体連通するように配設される。第2冷却通路226は、蛇行経路246に沿ってプラットフォーム216の後部、つまり後縁へと延びる。図示の実施形態では、第2冷却流通路もまた、軸方向において複数のフィルム冷却穴248で終端となる。本実施形態の蛇行経路232、246は各々、複数の部分円状をした部分を有しており、これらの部分は、優先冷却の目的で、プラットフォームを介して冷却媒体を分配させるための、軸方向の一部分と相互に連結される。この点に関して、各流体通路の、冷却用空気の供給通路の直径及び寸法を選択することによって、プラットフォームの各部の優先冷却のために差分の質量流量及び速度を実現できることは明らかである。
図4及び図5を参照すると、本発明の実施形態では、プラットフォームの優先冷却を行う第1及び第2の通路の提供に加えて、プラットフォームが重量比に対して高い剛性をもつように構成される。この点に関して、図4を参照すると、例えば、「L」字型の断面を有する従来のプラットフォーム116は、曲げ軸についての剛性をもつように、厚みを大きくする必要がある。本発明の実施形態では、図5に示すように、冷却通路224、226の経路232、246、240が、プラットフォームを鋳造することで画定されるが、これは、プラットフォーム216の径方向における内面上の溝を規定するためであり、そして、各経路には底部プレート250を設けることで、それぞれの冷却通路224、226の底部が画定され、プラットフォーム構造部216が完成する。結果としてできる「箱」型の断面は、従来の「L」字型の断面に比して本質的に剛性が高く、その重量は、内部通路を画定するための材料を省くことで最小となる。このように、上述の冷却効果を高めることに加えて、プラットフォームの剛性及び強度を増強しつつ、重量が最小化される。さらには、プラットフォーム構造部が単純化され、所望の構成を有する通路の製造が容易になる。
本発明の他の実施形態を図6に示す。図示のように、第1及び第2の冷却通路は、本実施形態の第1冷却通路224がスラッシュ面238への出口穴252を有する点を除いて、図3で例示したものとほぼ同様である。スラッシュ面に出口穴を設けることによって、付加的な冷却が提供され、高温ガスの取り込みに対する部品の耐久性が高まる。図示の例では、スラッシュ面の出口穴252がフィルム冷却穴242の代わりに設けられているが、スラッシュ面の出口穴及びフィルム冷却穴を組み合わせても良いことは明らかである。
本発明の他の実施形態を図7に示す。ここに例示した実施形態では、2つの通路324、326が翼312の凹面、つまり圧力側328に形成されていることが分かる。第1冷却通路324は、翼312の冷却回路の空洞又は通路330と、翼の軸方向における中心又は中点近傍で流体連通し、そして、冷却用空気の流体通路を規定するように配設されており、この流体通路は、第1の周経路部分336に沿って翼の圧力側でスラッシュ面338へと延び、次に、スラッシュ面338とほぼ平行に延びる、実質的に直線状の長手冷却経路340に沿って、プラットフォーム316の前縁334へと延びている。図示の実施形態において、複数のフィルム冷却穴342は、空気などの冷却媒体を、フィルム冷却通路324からプラットフォームの流体経路面に向けて放出するように形成されているため、更なる冷却の利点が得られる。
また、図7の実施形態において、翼312の凹面の圧力側328には、第2冷却通路326が設けられ、翼312の軸方向における中心又は中点近傍で冷却用空気の空洞又は通路344と流体連通するように配置されている。この第2冷却通路326は、第1冷却通路324とほぼ鏡像関係にあり、スラッシュ面338へと向かう第1の周経路部分337を有し、プラットフォーム316の後縁へと向かうとともにスラッシュ面338とほぼ平行に延びる、実質的に直線状の長手冷却経路341を有している。図示の実施形態において、第2冷却通路もまた、複数のフィルム冷却穴348で終端とされる。また、各流体通路の、冷却用空気の供給通路の直径及び寸法を選択することによって、プラットフォームの各部の優先冷却のために差分の質量流量及び速度を実現できることは明らかである。
本発明のさらに別の実施形態を図8に示す。本実施形態において、第1及び第2冷却通路は、本実施形態の冷却通路がスラッシュ面338への出口穴352、353を有する点を除いて、図7で例示したものとほぼ同様である。スラッシュ面に出口穴を設けることにより、付加的な冷却が提供され、高温ガスの取り込みに対する部品の耐久性が高まる。図示の例では、スラッシュ面の出口穴352、353がフィルム冷却穴342、348の代わりに設けられているが、スラッシュ面の出口穴及びフィルム冷却穴を組み合わせてもよいことは明らかである。
本発明の更なる実施形態を図9に示す。ここに例示した実施形態では、2つの通路424、426が翼412の凹面の圧力側428に形成されていることが分かる。第1冷却通路424は、翼412の冷却回路の空洞又は通路430と、翼の軸方向における中心又は中点近傍で流体連通し、そして、冷却用空気の流体通路を形成するように配設されており、この流体通路は、第1の周経路部分436に沿って翼の圧力側のスラッシュ面438へと延び、次に、スラッシュ面438とほぼ平行に延びる、実質的に直線状の長手冷却経路440に沿って、プラットフォーム416の前縁434へと延びている。冷却用空気のための流体通路は、翼412の一部の方へ、そして、翼412の一部に沿って、かぎ状に曲がっている。図示の実施形態において、複数のフィルム冷却穴442は、空気などの冷却媒体を、第1冷却通路424からプラットフォームの流体経路面に向けて放出するように形成されているため、更なる冷却の利点が得られる。
また、図9に示す実施形態において、翼412の凹面の圧力側428には、第2冷却通路426が設けられ、翼412の軸方向における中心又は中点近傍で冷却用空気の空洞又は通路444と流体連通するように配置されている。第2冷却通路426は、第1冷却通路424とほぼ鏡像関係にあり、スラッシュ面438に向かう第1の周経路部分437を有し、プラットフォーム416の後縁に向かうとともにスラッシュ面438とほぼ平行に延びる、実質的に直線状の長手冷却経路441を有している。第2冷却通路は、翼412の一部の方へ、そして、翼412の一部に沿って、かぎ状に曲がっている。図示の実施形態において、第2冷却通路もまた、複数のフィルム冷却穴448で終端とされている。また、各流体通路の、冷却用空気の供給通路の直径及び寸法を選択することによって、プラットフォームの各部の優先冷却のために差分の質量流量及び速度を実現できることは明らかである。
本発明の更なる実施形態を図10に示す。本実施形態において、第1及び第2冷却通路は、本実施形態の冷却通路がスラッシュ面438への出口穴452、453を有する点を除いて、図9で例示したものとほぼ同様である。スラッシュ面に出口穴を設けることにより、付加的な冷却が提供され、高温ガスの取り込みに対する部品の耐久性が高まる。図示の例では、スラッシュ面の出口穴452、453がフィルム冷却穴442、448の代わりに設けられているが、スラッシュ面の出口穴及びフィルム冷却穴を組み合わせてもよいことは明らかである。
本発明の更なる実施形態を図11に示す。ここに例示した実施形態では、2つの通路524、526が翼512の凹面の圧力側528に形成されていることが分かる。第1冷却通路524は、翼412の冷却回路の空洞又は通路530と、翼の軸方向における中心又は中点近傍で流体連通し、そして、冷却用空気の流体通路を形成するように配設されており、この流体通路は、第1の周部分の主供給経路536に沿って、翼の圧力側のスラッシュ面538の方へ延びている。図示の実施形態において、主供給経路536は、計測穴542でスラッシュ面538に終端して質量流量レベルを制御する。更なる冷却の利点が冷却穴又は通路552により得られ、この冷却穴又は通路は、プラットフォーム516を通って、第1冷却通路524の主供給通路536から、スラッシュ面538へと斜めに延びている。図11には2つの冷却穴552を示しているが、プラットフォームを優先冷却するために、これ以上又はこれ以下の数の分岐通路などを設けても構わないことは明らかである。
図11に示す実施形態において、翼512の凹面の圧力側528には、さらに第2冷却通路526が設けられ、翼512の軸方向における中心又は中点近傍で冷却用空気源544と流体連通するように配置されている。この第2冷却通路526は、第1冷却通路524とほぼ鏡像関係にあり、スラッシュ面538へと延びる、第1の周経路部分537を有している。図示の実施形態において、第2冷却流体通路もまた、スラッシュ面538における計測穴548で終端となる。そして、主供給通路537からスラッシュ面538へと斜めに延びる冷却穴又は通路553により、更なる冷却の利点が得られる。また、各流体通路の、冷却用空気の供給通路の直径及び寸法を選択することによって、プラットフォームの各部の優先冷却のために差分の質量流量及び速度を実現できることは明らかである。
本発明について、現時点で最も現実的かつ好ましいとされる実施形態に関して説明したが、本発明は開示した実施形態に限定されることなく、添付の特許請求の範囲の精神と範囲内において様々な変形及び等価な構成を網羅するものであることは明らかである。
タービン動翼及びプラットフォームの斜視図である。 隣接したバケットシャンク間の空洞を利用した従来技術の冷却回路を示す概略図である。 本発明の実施形態としてのバケットについて上面で見た図である。 従来のプラットフォーム構造部の断面図である。 本発明の実施形態によるプラットフォーム設計の断面図である。 図3の実施形態の修正態様によるバケットについて上面で見た図である。 本発明の他の実施形態によるバケットについて上面で見た図である。 図7の実施形態の修正態様によるバケットについて上面で見た図である。 本発明の他の実施形態によるバケットについて上面で見た図である。 図9の実施形態の修正態様によるバケットについて上面で見た図である。 本発明の他の実施形態によるバケットについて上面で見た図である。
符号の説明
10 タービン動翼
12 翼部
14 根元部
16 構造部
18 プラットフォーム
20 シャンク部
110 バケット
116 プラットフォーム
120 バケットシャンク
122 空洞
212 翼
116 従来のプラットフォーム
224 第1冷却通路
226 第2冷却通路
228 凹面又は圧力側
230 冷却回路の空洞又は通路
232 第1の,蛇行経路
234 前縁
236 周経路部分
238 スラッシュ面
240 長手冷却経路
242 フィルム冷却穴
244 冷却用空気の空洞
246 蛇行経路
248 フィルム冷却穴
250 底部プレート
252 出口穴
312 翼
316 プラットフォーム
324 第1冷却通路
326 第2冷却通路
328 凹面又は圧力側
330 冷却回路の空洞又は通路
334 前縁
336 第1の, 周経路部分
337 第1の, 周経路部分
338 スラッシュ面
340 長手冷却経路
341 長手冷却経路
342 フィルム冷却穴
344 冷却用空気の空洞
348 フィルム冷却穴
352, 353 出口穴
412 翼
416 プラットフォーム
424 第1冷却通路
426 第2冷却通路
428 凹面又は圧力側
430 冷却回路の空洞又は通路
434 前縁
436 第1, 周経路部分
437 第1の,周経路部分
438 スラッシュ面
440 長手冷却経路
441 長手冷却経路
442 フィルム冷却穴
444 冷却用空気の空洞
448 フィルム冷却穴
452, 453 出口穴
512 翼
516 プラットフォーム
524 第1冷却通路
526 第2冷却通路
528 凹面又は圧力側
530 冷却回路の空洞又は通路
536 第1の,周部分の,主供給通路
537 第1の,周部分の,主供給通路
538 スラッシュ面
542 計測穴
544 冷却用空気の空洞
548 計測穴
552 冷却穴又は通路
553 冷却穴又は通路

Claims (10)

  1. 翼部(12)と根元部(14)とプラットフォーム冷却部とを備え、前記根元部が前期翼部と根元部との境界にあるプラットフォーム(16)を有するタービン動翼(10)において、
    前記プラットフォーム冷却部は、
    プラットフォーム(216,316,416,516)内に形成され、翼部(212,312,412,512)の凹面の圧力側(228,328,428,528)における少なくとも一部に沿って延びる冷却通路(224,226;324,326;424,426;524,526)と、
    翼部の軸方向における中心近傍の翼冷却媒体用空洞(230,244;330,344;430,444;530,544)から延びる前記冷却通路への一つ以上の冷却媒体吸入口と、
    前記冷却通路から冷却媒体を放出するための一つ以上の出口開口部(242,248,252;342,348,352,353;442,448,452,453;542,548,552,553)と、
    を含むことを特徴とするタービン動翼(10)。
  2. 前記冷却通路が、翼からプラットフォームのスラッシュ面(238,338,438,538)の方向へ延びる第1の、周部分(236;386,337;436,437;536,537)と、該第1の周部分から角度をもって延びる第2の、略直線状部分(240;340,341;440,441;552,553)と、を有することを特徴とする請求項1に記載のタービン動翼。
  3. 前記冷却通路が、第1の、蛇行部分(232)及び第2の、略直線状部分を有し、当該略直線状部分(240)は前記プラットフォームのスラッシュ面(238)に対してほぼ平行に延びることを特徴とする請求項1に記載のタービン動翼。
  4. 前記一つ以上の出口開口部が、前記冷却通路の近傍に形成されたフィルム冷却穴(242,248;342,348;442,448)を含むことを特徴とする請求項1に記載のタービン動翼。
  5. 前記一つ以上の出口開口部(252;352,353;452,453;542,548,552,55)が、前記プラットフォームのスラッシュ面に形成されることを特徴とする請求項1に記載のタービン動翼。
  6. 前記プラットフォーム(216,316,416,516)内に形成され、翼部(212,312,412,512)の凹面の圧力側(228,328,428,528)における少なくとも一部に沿って延びる第2冷却通路(224,226;324,326;424,426;524,526)と、翼部の軸方向における中心近傍の翼冷却媒体空洞(230,244;330,344;430,444;530,544)から延びる前記冷却通路への少なくとも一つの冷却媒体吸入口と、前記冷却通路から冷却媒体を放出するための少なくとも一つの出口開口部(242,248,252;342,348,352,353;442,448,452,453;542,548,552,553)と、をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載のタービン動翼(10)。
  7. 前記冷却通路が、翼からプラットフォームのスラッシュ面(238,338,438,538)の方向へ延びる第1の、周部分(236;386,337;436,437;536,537)と、該第1の周部分から角度をもって延びる第2の、略直線状部分(240;340,341;440,441;552,553)と、を有することを特徴とする請求項6に記載のタービン動翼。
  8. 翼部(12)及び根元部(14)を有し、該翼部がプラットフォームに結合され、該プラットフォームが根元部に及んでいるタービン動翼(10)のプラットフォームを冷却する方法において、
    翼部(212,312,412,512)の凹面の圧力側(228,328,428,528)における少なくともに一部に沿って延びる冷却通路(224,226;324,326;424,426;524,526)を設けるステップと、
    翼部の軸方向における中心近傍の冷却媒体用空洞(230,244;330,344;430,444;530,544)から、穴を通して前記冷却通路へと冷却媒体を流すステップと、
    前記冷却通路から一つ以上の出口開口部を通して、冷却媒体を放出させる放出ステップと、を有する方法。
  9. 前記一つ以上の出口開口部が、(1)複数のフィルム冷却穴(242,248,342,348,442,448)と、(2)前記プラットフォームのスラッシュ面(238,338,438,538)における少なくとも一つの開口部(242;352,353;452,453;542,548,552,553)とのうち、少なくとも一つを備えており、前記放出ステップは、前記冷却通路から、前記少なくとも一つの前記フィルム冷却穴及び前記プラットフォームの前記スラッシュ面における少なくとも一つの開口部を通して、冷却媒体を放出可能とするステップを含むことを特徴とする請求項8に記載の方法。
  10. 前記冷却通路を提供するステップは、前記翼部の凹面の圧力側における少なくとも一部に沿って延びる第2冷却通路(224,226;324,326;424,426;524,526)を提供するステップを更に含み、前記冷却通路が、翼からプラットフォームのスラッシュ面(238,338,438,538)の方向へ延びる第1の、周部分(236;386,337;436,437;536,537)と、該周部分から角度をもって延びる第2の、略直線状部分(240;340,341;440,441;552,553)と、を有しており、前記方法は更に、前記翼部の軸方向における中心近傍の別の冷却媒体用空洞から前記第2冷却通路まで穴を通して冷却媒体を流すステップと、前記第2冷却通路から少なくとも一つの出口開口部を通して冷却媒体を放出させるステップと、を含むこと特徴とする請求項8に記載の方法。
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