JP2007516375A - ガスタービンの静止リングのための冷却回路 - Google Patents

Abstract

本発明は、ガスタービンの高温ガスの流路１４を包囲する静止リングに関し、前記静止リングは、少なくとも１つの冷却空気供給オリフィス２８に現れる環状冷却室２６を画定するように、静止環状ハウジング２によって包囲され、前記静止リングは、複数のリングセグメント１６から構成され、各リングセグメント１６は、上部内側冷却回路Ａと下部内側冷却回路Ｂとを含み、前記下部冷却回路Ｂは、前記上部冷却回路Ａとは無関係であり、かつ、前記上部冷却回路Ａに対して径方向にずれている。

Description

本発明は、ガスタービンにおけるガス流路を包囲している静止リングに関するものであり、より詳細には、ガスタービンにおける冷却静止リングに関するものである。

ガスタービン、特にターボ機械の高圧タービンは、ターボ機械の燃焼室から生じる高温ガスのための流路に、複数の可動ブレードと交互に配されている複数の静止ベーンを備えているのが普通である。タービンにおける可動ブレードは、その全周にわたって、一般に複数のリングセグメントから構成された静止リングによって包囲されている。これらのリングセグメントは、タービンのブレードを通過する高温ガスのための流路の部分を画定している。

タービンのリングセグメントは、このため、ターボ機械の燃焼室から生じる高温ガスの高温にさらされる。タービンリングがさらされる温度および機械的応力に、タービンリングが耐えることができるようにするためには、リングセグメントに冷却装置を設けることが必要である。

冷却の知られている方法の１つは、冷却空気を、リングセグメントの本体に取り付けられた衝突板へ供給することからなっている。衝突板には、衝突によってリングセグメントを冷却する空気を板の両側での圧力差で通すための、複数のオリフィスが設けられている。冷却空気は、その後、リングセグメントを貫通して形成された穴を通って高温ガス流路に排出される。

このような方法では、リングセグメント、特に、高温ガスに特にさらされる区域を構成するリングセグメントの上流側端部での、効果的で均一な冷却を得ることはできない。それゆえ、これは、リングセグメントの寿命に影響を及ぼす。さらにまた、この技術では、あまりにも大量の冷却空気を取得する必要があり、それによって、タービンの性能が低下する。

従って、本発明は、このような短所を、ガスタービンのための静止リングを提案することによって軽減することを目的とし、それぞれのリングセグメントに空気のわずかな流れだけが必要な内部冷却回路が設けられ、リングセグメントを、熱対流によって効果的に冷却することのできる。

この目的を達成するために、本発明は、ガスタービンの高温ガス流路を包囲する静止リングを提供し、静止リングは、少なくとも１つの冷却空気供給オリフィスに通じている環状冷却室を画定するために、静止環状ハウジングと協働するように、静止環状ハウジングによって包囲され、静止リングは、複数のリングセグメントから構成され、各リングセグメントは、頂部内側冷却回路と底部内側冷却回路とを含み、底部冷却回路は、頂部冷却回路とは無関係であり、かつ、頂部冷却回路に対して径方向にずれていることを特徴とする。

頂部内側冷却回路および底部内側冷却回路は、各リングセグメントの効果的で均一な冷却をもたらすために、高い熱交換係数の利益を受ける。これらの回路によれば、高温ガスに最もさらされるリングセグメント区域を、特に冷却することができる。従って、タービン作動の過酷な熱力学的条件の下であっても、リングセグメントを冷却するために必要とされる空気流れを減少させることが可能である。

その結果、タービンの静止リングの寿命が延ばせると共に、タービンの性能は、リングセグメントを冷却するために取得される空気によってほとんど影響を受けない。

頂部冷却回路は、特にリングセグメントの上流側端部を冷却するように作用すると共に、底部冷却回路の効率を改善する。底部冷却回路は、リングセグメントの内側表面を、また場合によっては隣接するリングセグメントの内側表面を冷却するように作用する。

頂部内側冷却回路および底部内側冷却回路は、互いに無関係であり、それぞれの冷却回路によって行われる冷却を無関係にすることができると共に、それぞれの回路へ供給される空気流れをそれに適合するようにすることができるという利点を呈する。例えば、リングセグメントの上流側端部（すなわち、リングセグメントの最も熱い区域）を効果的に冷却するために、頂部回路に大量の空気流れが使用され、底部回路のためにより少量の空気流れが使用されることができる。冷却回路間の無関係性によって、無関係な方式での冷却を最適化することもできる。

本発明における他の特徴および利点は、限定的性質をまったく有していない実施形態を示す添付図面を参照して与えられた、以下の説明から明らかになる。

ターボ機械の高圧タービン１の部分を示す図１を、初めに参照する。

高圧タービン１は、ターボ機械のケーシングを構成している静止環状ハウジング２を特に含む。静止タービンリング４が、ハウジング１に固定されて、タービンの複数の可動ブレード６を包囲している。これらの可動ブレード６は、ターボ機械の燃焼室１２から生じると共にタービンを通過する高温ガスの流れ方向１０に対して、静止ベーン８の下流側に配置されている。このように、タービンのリング４は、高温ガスのための流路１４を包囲している。

一般に、タービンリング４は、連続する環状表面を形成するように、タービンの軸（図示せず）の周りに円周方向に配置された複数のリングセグメントを備える。それにもかかわらず、タービンリングは、単一の連続部品によって構成されていてもよい。本発明は、単一のタービンリングにもタービンリングのセグメントにも、等しく良好に適用される。

図２を参照すると、静止リングを形成している各リングセグメント１６は、内側環状面１８と、内側面１８に対して径方向へずれている外側環状面２０とを呈する。内側面１８は、高温ガス流路１４に面している。各リングセグメント１６は、その上流側横断壁１６ａに上流側フック部２２と、その下流側横断壁１６ｂに下流側フック部２４とを呈する。上流側フック部２２および下流側フック部２４によって、リングセグメント１６を、タービンの静止環状ハウジング２に固定することが可能になる。

静止環状ハウジング２と、リングセグメント１６から構成されたタービンリングとによって、これらの間に、静止環状ハウジング２を貫通する少なくとも１つのオリフィス２８を通って冷却空気が供給される、環状冷却室２６が画定されている。この冷却室２６に供給される冷却空気は、ファンを通過すると共にターボ機械の燃焼室の周りを流れるわずかな外気を含むのが普通である。

本発明によれば、各リングセグメント１６には、頂部内側冷却回路Ａと底部内側冷却回路Ｂ、Ｂ’とが設けられており、底部冷却回路Ｂ、Ｂ’は、頂部冷却回路Ａとは無関係であると共に、頂部冷却回路Ａに対して径方向にずれている。これらの頂部冷却回路Ａおよび底部冷却回路Ｂ、Ｂ’は、熱対流によってリングセグメントを冷却するように作用する。

もっと正確に言えば、頂部冷却回路Ａは、外側環状面２０と、高温ガスに最もさらされるリングセグメントの端部である、リングセグメント１６の上流側端部とを冷却するためのものである。底部冷却回路Ｂ、Ｂ’は、高温ガスの流れに最もさらされる表面であるリングセグメント１６の内側環状面１８を冷却するように作用する。頂部冷却回路Ａによれば、底部冷却回路Ｂ、Ｂ’によって行われる冷却の効率を改善することもできる。

本発明のリングセグメントの実施形態が、図２から図４を参照して以下に説明される。

これらの図では、頂部冷却回路Ａは、リングセグメント１６の長手方向壁１６ｃ、１６ｄ間で円周方向に延びる、少なくとも１つの第１の内部空洞３２を備える。この第１の空洞３２は、その上流側横断壁１６ａと下流側横断壁１６ｂとの間に画定されたリングセグメント１６の軸方向長さのわずかの部分だけにわたって、さらに延びている。

頂部冷却回路Ａは、リングセグメント１６の長手方向壁１６ｃ、１６ｄ間で円周方向に延びる、少なくとも１つの第２の内部空洞３４をさらに有する。この第２の空洞３４は、第１の空洞３２よりも上流側で軸方向に、すなわち、第１の空洞３２の上流側横断壁とリングセグメント１６の上流側横断壁１６ａとの間に設けられている。第２の空洞３４の軸方向長さ（すなわち、その横断壁間の距離）は、第１の空洞３２の軸方向長さよりも実質的に短い。

頂部回路Ａに冷却空気を供給するために、少なくとも１つの冷却空気供給オリフィス３６が、冷却室２６から第１の空洞３２に通じている。もっと正確に言えば、この供給オリフィス３６は、冷却室２６から第１の空洞３２の下流側端部に通じている。

複数の排出穴３８も、また、第１の空洞３２から第２の空洞３４に通じるように設けられている。これらの排出穴３８によって、第２の空洞３４を空気衝突で冷却することが可能になる。

頂部冷却回路Ａは、リングセグメント１６の上流側端部で、第２の空洞３４から高温ガス流路１４に導かれている、複数の出口穴４０ａ、４０ｂをさらに含む。このため、頂部冷却回路Ａを流れる冷却空気は、これらの出口穴４０ａ、４０ｂを経て排出される。

もっと正確に言えば、第１の組の出口穴４０ａが、リングセグメント１６の内側環状面１８で高温ガス流路１４に通じるように設けられ、第２の組の出口穴４０ｂが、リングセグメントの上流側横断壁１６ａで高温ガス流路１４に通じるように設けられている。この目的のために、第１の組の出口穴４０ａは、高温ガスの流れ方向１０に対して傾斜していてもよく、一方、第２の組の出口穴４０ｂは、前記流れ方向に対して実質的に平行であってもよい。

頂部冷却回路Ａについては、リングセグメント１６の上流側端部で、高温ガス流路に通じている他の組の出口穴を呈していてもよいことは、いうまでもない。

図３では、出口穴４０ａ、４０ｂが、第１の空洞３２から第２の空洞３４に通じる排出穴３８に対して、軸方向に実質的に位置合わせされている、ということもまた分かる。このような配置は、ヘッド損失を減少させるように作用する。それにもかかわらず、出口穴４０ａ、４０ｂが、排出穴３８に対して位置合わせされていないことも可能であろう。

図２から図４に示された実施形態では、底部内側冷却回路Ｂには、リングセグメント１６の長手方向壁１６ｃ、１６ｄ間で円周方向に延びる、少なくとも３つの内部空洞４２、４４、４６が設けられている。

これら３つの空洞４２、４４、４６は、また、頂部冷却回路Ａの第１の空洞３２に対して径方向にずれており、すなわち、これら３つの空洞４２、４４、４６は、頂部回路Ａの第１の空洞３２とリングセグメント１６の内側環状面１８との間に配置されている。

もっと正確に言えば、少なくとも１つの第１の内部空洞４２が、リングセグメント１６の下流側端部に配置されている。少なくとも１つの第２の内部空洞４４が、第１の空洞４２よりも上流側で軸方向に配置されている。同じように、少なくとも１つの第３の内部空洞４６が、第２の空洞４４よりも上流側で軸方向に配置されている。

図２および図４では、これら３つの空洞４２、４４、４６は、実質的に同一であり、かつ、互いに実質的に等しい距離で間隔を置いて配置されている軸方向長さ（すなわち、これらのそれぞれの横断壁間の距離）のものである、ということが分かる。

底部冷却回路Ｂには、冷却室２６から第１の空洞４２に通じている少なくとも１つの供給オリフィス４８を介して、冷却用空気が供給される。

底部冷却回路Ｂは、第１の空洞４２と第２の空洞４４とを連通させる少なくとも１つの第１の流路５０と、第２の空洞４４と第３の空洞４６とを連通させる少なくとも１つの第２の流路５２をさらに有する。

複数の出口穴５４が、リングセグメント１６の上流側端部で、リングセグメント１６を冷却する目的のために、第３の空洞４６から高温ガス流路１４に通じている。出口穴５４は、その内側環状面１８を介して、リングセグメントの上流側端部に開放されている。例えば、それら出口穴５４は、高温ガスの流れ方向１０に対して傾斜している。このため、底部回路Ｂを流れる冷却空気は、出口穴５４を経て排出される。

底部冷却回路Ｂの第２の空洞４４には、熱伝達を増大させるためにバッフル５６が設けられているのが好ましい。図４に示されたように、これらのバッフル５６は、第２の空洞４４において、空気の流れ方向に対して長手方向に垂直に延びている薄板であってよい。これらのバッフルは、例えば、スタッドあるいはブリッジの形態をとるものでもよい。

有利には、底部回路Ｂの空気供給オリフィス４８および第２の流路５２は、リングセグメント１６の一方の長手方向壁１６ｃ（あるいは１６ｄ）に近接して配置され、一方、底部回路Ｂの第１の流路５０は、リングセグメントの他方の長手方向壁１６ｄ（あるいは１６ｃ）に近接して配置される。このような配置によれば、底部回路Ｂの内部における冷却空気流路を、熱伝達が増大するように長くすることができる。

本発明におけるリングセグメントの別の実施形態が、図５および図６を参照して以下に説明される。

この実施形態では、リングセグメントの頂部冷却回路Ａは、先に説明されたものと同一である。しかしながら、底部冷却回路Ｂ’は異なっている。

底部冷却回路Ｂ’は、リングセグメント１６の上流側横断壁１６ａと下流側横断壁１６ｂとの間で軸方向へ延びる、少なくとも４つの内部空洞５８、６０、６２、６４を備える。

これら４つの空洞５８、６０、６２、６４は、また、頂部冷却回路Ａの第１の空洞３２に対して径方向にずれており、すなわち、これら４つの空洞５８、６０、６２、６４は、頂部回路Ａの第１の空洞３２とリングセグメント１６の内側環状面１８との間に配置されている。

この底部冷却回路Ｂ’の第１の空洞５８は、リングセグメント１６の一方の長手方向壁１６ｃ（あるいは１６ｄ）に近接して配置されている。第２の空洞６０は、第１の空洞５８に対して円周方向にずれており、第３の空洞６２は、第２の空洞に対して円周方向にずれており、第４の空洞６４は、第３の空洞に対して円周方向にずれている。これらの空洞は、第４の空洞６４が、第１の空洞５８に近接する壁とは反対側の長手方向壁１６ｄ（あるいは１６ｃ）に近接して配置されるように、配置されている。

少なくとも第１の冷却空気供給オリフィス６６および第２の冷却空気供給オリフィス６８は、第２の空洞６０および第３の空洞６２に冷却空気を供給するために、冷却室２６からそれぞれ第２の空洞６０および第３の空洞６２に通じている。

底部冷却回路Ｂ’は、第２の空洞６０と第１の空洞５８とを連通させる少なくとも１つの第１の流路７０をさらに有する。同じように、少なくとも１つの第２の流路７２が、第３の空洞６２と第４の空洞６４とを連通させる。

最後に、底部冷却回路Ｂ’には、第１の空洞５８から、第１の空洞５８に近接して配置されたリングセグメント１６の長手方向壁１６ｃを介して高温ガス流路１４に通じている、少なくとも複数の第１の出口穴７４が設けられている。

同じように、第４の空洞６４から、リングセグメント１６の他方の長手方向壁１６ｂを介して高温ガス流路１４に通じている、少なくとも複数の第２の出口穴７６が設けられている。

その結果、２つの相互に関係する底部分岐回路が得られている。図６に示されたように、これらの分岐回路は、リングセグメントの中間長手軸に対して実質的に対称である。これらの底部分岐回路は、供給オリフィス６６、６８を介して無関係に供給され、また、これら底部分岐回路は、当該リングセグメントに隣接するリングセグメントを冷却するよう作用する、無関係な出口穴７４、７６を呈する。

底部冷却回路Ｂ’の第２の空洞６０および第３の空洞６２は、熱伝達を増大させるために、それぞれのバッフル７８を含むのが好ましい。これらのバッフル７８は、横断方向へ延びているリブの形態（図５および図６におけるような）、あるいはスタッドの形態、あるいは事実上、ブリッジの形態であってもよい。

さらにまた、底部回路Ｂ’の第１の供給オリフィス６６および第２の供給オリフィス６８は、有利には、リングセグメント１６の一方の横断壁１６ａ、１６ｂに近接して（図６では下流側の壁１６ｂに近接して）に形成され、また、底部回路Ｂ’の第１の流路７０および第２の流路７２は、リングセグメント１６の他方の横断壁１６ｂまたは１６ａに近接して（図６では上流側の壁１６ａに近接して）に形成される。このような配置は、熱伝達を増大させるために、第２の底部回路Ｂ’を通る冷却空気流路を増大する作用をする。

可動ブレードの位置に対する静止リングの位置を示している、ガスタービンの部分の図である。 本発明の実施形態におけるリングセグメントの長手方向断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ面における断面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ面における断面図である。 本発明の別の実施形態におけるリングセグメントの長手方向断面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ面における断面図である。

Claims (8)

1. ガスタービン（１）の高温ガス流路（１４）を包囲する静止リング（４）であって、前記静止リング（４）が、少なくとも１つの冷却空気供給オリフィス（２８）に通じている環状冷却室（２６）を画定するために、静止環状ハウジング（２）と協働するように、静止環状ハウジング（２）によって包囲され、前記静止リング（４）が、複数のリングセグメント（１６）から構成され、各リングセグメント（１６）が、頂部内側冷却回路（Ａ）と底部内側冷却回路（Ｂ、Ｂ’）とを含み、前記底部冷却回路（Ｂ、Ｂ’）が、前記頂部冷却回路（Ａ）とは無関係であり、かつ、前記頂部冷却回路（Ａ）に対して径方向にずれていることを特徴とする、静止リング（４）。
2. 各リングセグメント（１６）の前記頂部冷却回路（Ａ）が、
   前記リングセグメント（１６）の長手方向壁（１６ｃ、１６ｄ）間で円周方向へ延びる、少なくとも１つの第１の内部空洞（３２）と、
   前記リングセグメント（１６）の長手方向壁（１６ｃ、１６ｄ）間で円周方向に延びると共に、前記第１の内部空洞から上流側で軸方向に配置される、少なくとも１つの第２の内側空洞（３４）と、
   前記第１の内部空洞に冷却空気を供給するために、冷却室（２６）から前記第１の内部空洞（３２）に通じている、少なくとも１つの冷却空気供給オリフィス（３６）と、
   前記第２の内部空洞（３４）を空気衝突によって冷却するように、前記第１の内部空洞（３２）から前記第２の内部空洞（３４）に通じる複数の排出穴（３８）と、
   前記リングセグメント（１６）の上流側端部で、前記第２の内部空洞（３４）から高温ガス流路（１４）に通じる複数の出口穴（４０ａ、４０ｂ）とを備えることを特徴とする、請求項１に記載のリング（４）。
3. 各リングセグメント（１６）の前記底部冷却回路（Ｂ）が、
   前記リングセグメント（１６）の長手方向壁（１６ｃ、１６ｄ）間で円周方向に延びると共に、前記リングセグメントの下流側端部に配置された、少なくとも１つの第１の内部空洞（４２）と、
   前記リングセグメント（１６）の長手方向壁（１６ｃ、１６ｄ）間で円周方向に延びると共に、前記第１の内部空洞から上流側で軸方向に配置された、少なくとも１つの第２の内側空洞（４４）と、
   前記リングセグメント（１６）の長手方向壁（１６ｃ、１６ｄ）間で円周方向に延びると共に、前記第２の内部空洞（４４）から上流側で軸方向に配置される、少なくとも１つの第３の内側空洞（４６）と、
   前記第１の内部空洞に冷却空気を供給するために、冷却室（２６）から前記第１の内部空洞（４２）に通じる、少なくとも１つの冷却空気供給オリフィス（４８）と、
   前記第１の内部空洞（４２）を前記第２の内部空洞（４４）に連通させ、かつ前記第２の内部空洞（４４）を前記第３の内部空洞（４６）に連通させる、少なくとも第１および第２の流路（５０、５２）と、
   前記リングセグメント（１６）の上流側端部で、前記第３の内部空洞（４６）から高温ガス流路（１４）に通じる複数の出口穴（５４）とを備えることを特徴とする、請求項１または２に記載のリング（４）。
4. 底部冷却回路（Ｂ）の前記第２の内部空洞（４４）が、熱伝達を増大させるようにバッフル（５６）が設けられることを特徴とする、請求項３に記載のリング（４）。
5. 底部冷却回路（Ｂ）の前記空気供給オリフィス（４８）および前記第２の流路（５２）が、リングセグメント（１６）の一方の長手方向壁（１６ｃ、１６ｄ）に近接して形成され、かつ底部冷却回路（Ｂ）の前記第１の流路（５０）が、冷却空気流路の長さを増大させるように、リングセグメント（１６）の他方の長手方向壁（１６ｄ、１６ｃ）に近接して形成されることを特徴とする、請求項２または３に記載のリング（４）。
6. 各リングセグメント（１６）の前記底部冷却回路（Ｂ’）が、
   前記リングセグメント（１６）の上流側および下流側の横断壁（１６ａ、１６ｂ）間で軸方向に延びていると共に、前記リングセグメント（１６）の一方の長手方向壁（１６ｃ、１６ｄ）に近接して配置された、少なくとも１つの第１の内部空洞（５８）と、
   前記リングセグメント（１６）の上流側および下流側の横断壁（１６ａ、１６ｂ）間で軸方向に延びていると共に、前記第１の内部空洞（５８）に対して円周方向へずれている、少なくとも１つの第２の内側空洞（６０）と、
   前記リングセグメント（１６）の上流側および下流側の横断壁（１６ａ、１６ｂ）間で軸方向に延びていると共に、前記第２の内部空洞（６０）に対して円周方向へずれている、少なくとも１つの第３の内側空洞（６２）と、
   前記リングセグメント（１６）の上流側および下流側の横断壁（１６ａ、１６ｂ）間で軸方向に延びていると共に、前記第３の内部空洞（６２）に対して円周方向へずれている、少なくとも１つの第４の内側空洞（６４）と、
   前記第２および第３の内部空洞に冷却空気を供給するために、冷却室（２６）から前記第２および第３の内部空洞（６０、６２）にそれぞれ通じている、少なくとも第１および第２の冷却空気供給オリフィス（６０、６８）と、
   前記第２の内部空洞（６０）を前記第の内部１空洞（５８）に連通させ、かつ前記第３の内部空洞（６２）を前記第４の内部空洞（６４）に連通させる、少なくとも第１および第２の流路（７０、７２）と、
   前記第１の内部空洞（５８）が配置された場所に近接して、前記リングセグメント（１６）の長手方向壁（１６ｃ、１６ｄ）を介して、前記第１の内部空洞（５８）から高温ガス流路（１４）に通じている、複数の第１の出口穴（７４）と、
   前記リングセグメント（１６）の他方の長手方向壁（１６ｄ、１６ｃ）を介して、前記第４の内部空洞（６４）から高温ガス流路（１４）に通じている、複数の第２の出口穴（７６）とを備えることを特徴とする、請求項１または２に記載のリング（４）。
7. 底部冷却回路（Ｂ’）の各前記第２および第３の内部空洞（６０、６２）が、熱伝達を増大させるためのバッフル（７８）を含んでいることを特徴とする、請求項６に記載のリング（４）。
8. 底部冷却回路（Ｂ’）の前記第１および第２の冷却空気供給オリフィス（６６、６８）が、前記リングセグメント（１６）の一方の横断壁（１６ｂ、１６ａ）に近接して形成され、かつ、底部冷却回路（Ｂ’）の前記第１および第２の流路（７０、７２）が、冷却用空気流路の長さを増大させるように、前記リングセグメント（１６）の他方の横断壁（１６ａ、１６ｂ）に近接して形成されることを特徴とする、請求項６または７に記載のリング（４）。

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