JP2008506061A - タービンの翼と少なくとも１個の冷却通路を備えた翼車 - Google Patents

Abstract

少なくとも１個の翼（１０）を備え、この翼（１０）の翼脚（１２）がタービン円板（２２）に保持され、タービン円板（２２）と翼脚（１２）との間に少なくとも１個の冷却通路（２８）が存在するタービンの翼車において、本発明に基づき、冷却通路（２８）の少なくとも１つの壁に、冷却通路（２８）を流れる冷却流体の乱流およびそれに伴って熱伝達を高めるように形成した多数の乱流発生体（２６）を設ける。この結果、大量の熱の排出が可能となる。

Description

本発明は、翼を備え、その翼脚がタービン円板に保持され、タービン円板の外周面と翼脚との間に少なくとも１個の冷却通路が存在するタービンの翼車に関する。また本発明はかかる翼車の翼に関する。

上述の形式の翼車は、例えば定置形ガスタービンの動翼車として利用される。該動翼車は、高温ガス（燃焼ガス）の流れ方向に、ガスタービンの燃焼器の下流に配置され、そこで高温に曝される。かかる高温負荷を受けるガスタービン翼の翼形部（羽根部）と特に翼脚の冷却は、そのために必要な複雑な冷却流体ガイドと、大きな遠心力負荷下での難しい漏れ止めのため、特に複雑化する。現時点では、タービン動翼に、対流冷却と、翼脚に在る冷却通路を通して流れる冷却流体と翼脚との間の熱伝達を強化するための別の処置を講じている。しばしば比較的少量の冷却流体しか使用できず、これでは、翼脚の翼台座を経て僅かな熱流しか排出できない。このため、翼台座表面温度を僅かしか下げられない。

米国特許出願公開第２００４／００８１５５６号明細書で、翼脚と翼台座と翼形部を備えたガスタービン翼が公知である。該翼台座は、ガスタービンを軸方向に貫流する高温ガスの流れ方向に沿い入口縁から出口縁迄延びている。翼台座は出口側にタービン円板の円周方向に延びる出口縁を有し、該出口縁は、タービン円板の軸方向幅を越えて樋の形で突出している。翼台座の出口縁の下側面に、冷却空気に影響を与える複数の組織要素が設けられている。ロータと一緒に高速回転する案内リブは、多かれ少なかれ冷却空気がそれを越えて移動し、冷却空気の円周方向から軸方向への流れ転向を生じさせる。更に、翼台座の下側面に、乱流発生体状の局所的べース域並びに軸方向に延びるリブが設けられている。該べース域およびリブは、翼台座の出口縁から下側を通過する冷却空気への熱伝達を局所的に高める。

本発明の課題は、翼脚ないし翼形部を強力に冷却でき、比較的大きな熱流を排出できるタービンの翼車を提供することにある。また本発明の課題は、かかる翼車の製造方法を提供することにある。この第１の課題は、本発明に基づいて、翼車の冷却通路の少なくとも１つの壁に、冷却通路を流れる冷却流体の乱流を高めるように形成した多数の乱流発生体を形成することによって解決される。

タービン動翼の翼脚や翼形部の公知の冷却方式と異なり、タービン円板の外周面と翼の翼台座下側面との間で軸方向又は高温ガスの主流れ方向に延びる少なくとも１個の冷却通路において、冷却流体が多かれ少なかれ平坦な壁に沿って流れるのではなく、本発明の目的に応じて、冷却通路の少なくとも１つの壁に形成され冷却通路の内部における冷却流体の乱流を高める多数の乱流発生体又は乱流発生要素を利用する。この乱流発生体により、渦巻き冷却流体と冷却通路の全壁、特に乱流発生体に属する冷却通路壁との間における熱伝達を向上し、もって翼脚を強力に冷却できる。乱流発生体ないし乱流発生要素は、その翼に高温ガス側の最高材料温度が的確に設定されるように所望の熱伝達に合わされ、冷却通路を通る冷却流体流量が相応して定められる。

乱流発生体として、リブないし突起或いは窪みを利用できる。

本発明に基づく翼車の有利な実施態様では、多数の乱流発生体を、翼脚の翼台座の下側面に形成する。翼脚とタービン円板の外周面との間の隙間において乱流を増大させる翼台座下側面への乱流発生体ないし乱流発生要素の形成により翼台座壁における熱流が増大し、翼台座表面温度が低下する。

多数の乱流発生体は、冷却通路の少なくとも１つの壁を形成する材料に成形したポケットの形にするとよい。該ポケットは既存の翼に後からでも形成でき、この結果本発明に基づく所望の翼脚における熱伝達が増大する。

また、乱流発生体やポケットは、各々冷却通路を流れる冷却流体の流れ方向に対し略直角或いは斜めに向けるとよい。かかる乱流発生体は、冷却通路を流れる冷却流体を特に強く渦巻かせる。

乱流発生体が、冷却通路を流れる冷却流体の流れ方向に対して斜めに、冷却流体を翼脚の首部の方向に転向するように向けることで、翼台座の特に一様で良好な冷却が可能となる。この結果、断面が一般に楔形又は三角形の冷却通路の貫流が目的に適う。

熱的に大きく負荷される翼車の特別な被冷却部での、本発明に基づき強化した冷却の利用を可能とすべく、かかる大きな熱負荷部に単位面積毎に設ける乱流発生体の数を、小さな熱負荷部に比べて増大するとよい。

更に本発明による翼車では、少なくとも１個の翼の翼脚が翼台座を備え、該台座に翼脚の長く延びた首部に沿って各々冷却通路が存在し、多数の乱流発生体が、翼台座の下側面で前記冷却通路内を延びる列の形に形成するとよい。翼台座の下側面のこの乱流発生体により、本発明による翼車の翼は、大きな構造的変更なしに高温での使用が可能となる。

本発明に基づく乱流発生体は、翼と特にその翼形部を形成する１つの作業工程で、一緒に形成でき、この結果製造のための追加的費用は殆ど生じない。

その代わりに或いはそれに加えて、乱流発生体は、翼と特にその翼形部を形成する少なくとも１回の作業工程後に、別個の作業工程で形成できる。この処置によって、特に既存のタービンの翼車に、本発明に応じて、上述したように翼脚における熱伝達を向上させる乱流発生体ないしポケットを追加装備できる。

更に本発明の課題は、高温ガスで洗流される翼形部と翼脚とを備え、翼脚が翼台座を有し、該翼台座が、高温ガスの主流れ方向に関し、入口縁から出口縁迄翼台座長手縁に沿って延びているタービン、特にガスタービンの翼車の翼において、翼台座の翼形部とは反対側の下側面に、翼台座長手縁に沿って多数の乱流発生体を形成し、これら乱流発生体が、翼の組立状態において、翼台座下側面に沿って流れる冷却流体の乱流を高めるように形成することで解決される。

本発明に基づくこの翼では、上述の如く翼脚の箇所で良好な熱放出と冷却が達成され、この結果、殆ど経費をかけずに機械の販売価値を高め得る。

同様に上述のように、多数の乱流発生体は、翼台座の材料に成形されたポケットの形に形成できる。

方法に関する課題の解決のために、乱流発生体を、翼形部を形成する作業工程で、一緒に成形する。これにより、乱流発生体を、新しい翼の製造時に直接一緒に形成できる。

乱流発生体を、翼形部を形成する少なくとも１回の作業工程後に、別個の作業工程で成形することで、利用中の既存の翼に、ガスタービンの点検期間中に乱流発生体を追加装備できる。この結果翼の寿命が一層延び、同時に冷却空気を節約でき、更に、これはガスタービンの効率向上に資する。

以下、図を参照して、本発明に基づく翼車の実施例を詳細に説明する。

図１は、翼脚１２とそれに続く翼形部１４を有する従来の翼１０を示す。翼脚１２は翼台座１６付きの断面クリスマスツリー状脚として形成され、翼台座１６の翼形部１４とは反対の側に首部１８と更に離れて歯２０が配置されている。翼台座１６と首部１８と歯２０は長い形状物として形成され、該形状物は、翼１０の組立状態において、タービンロータのタービン円板２２に在る溝（図示せず）の中にはめ込み配置され、そこで翼形部１４を保持し、かつ特に遠心力を受けるために利用できる。

かかるタービン円板２２における翼１０の組立状態を、図３に原理的に示す。

図１から解るように、公知の翼１０の場合、翼台座１６の首部１８と歯２０の側に向いた下側面は、ほぼ平らな表面になっている。

図２に示す翼１０は、翼脚１２について基本的に図１の例のように形成されているが、翼台座１６の下側面２４に多数の乱流発生体２６が形成されている。これらの乱流発生体２６は、首部１８の両側に各々列を成して配置されている。

乱流発生体２６は、翼台座１６の下側面２４とタービン円板２２の外周面との間に設けられた高温ガス（燃焼ガス）の主流れ方向に延びる冷却通路２８に面している。

冷却通路２８は、運転中にガスタービンを貫流する高温ガスの主流れ方向に関して、翼台座１６の入口縁３１から出口縁３３迄延びる翼台座長手縁２９に沿って延びている。

冷却通路２８は、ガスタービンの運転中、図示しない冷却流体で流れ方向３０に貫流される。乱流発生体２６は翼台座長手縁２９のみに沿って配置している。この乱流発生体２６は、冷却流体の流れに関し、流れ方向３０に対して直角或いは斜めに多数のポケットとして形成している。これらポケットは、翼台座１６の材料に成形され、翼台座下側面２４に向いて開く開口を有している。これらポケットにおいて、冷却通路２８を流れる冷却流体の追加的渦流と、これに伴って翼台座１６から冷却流体への良好な熱伝達が生じる。この結果、ポケットは翼脚１２と翼台座１６の熱放出の増大と冷却の向上を可能とする。

翼形部１４は、翼の腹側壁２７を有している。

タービン翼１０の、特に非対称形でかつ大きな翼台座１６の場合、乱流発生体２６を翼台座下側面に配置するとよい。両側の翼台座長手縁２９の一方、例えば翼形部１４に関する翼の腹側翼台座長手縁２９ａが、他方の、即ち翼の背側翼台座長手縁２９ｂより、タービン円板２２の円周方向に大きく突出しているなら、図３に示す如く、翼の腹側翼台座長手縁２９ａだけに、下側面２４に乱流発生体２６を設けるだけで十分である。この乱流発生体２６は冷却通路２８内の冷却流体を渦巻かせ、もって翼車の直近のタービン翼１０の翼の背側翼台座長手縁２９ｂに対しても、従来技術に比べ十分高い熱伝達を可能とする。

乱流発生体２６のポケットは、例えば翼台座１６の材料の浸食加工で形成される。その際、ポケット幅の約２〜７倍、特に３〜５倍、好適には４倍に相当する長さを有するとよい。ポケットの代わりに、翼台座１６の下側面２４に、乱流発生体２６がニップル或いはディンプルの形で形成される。かかる乱流発生体２６により翼台座下側面２４に各々スリットないしリブが形成され、これは、冷却通路２８内を流れる冷却流体に対する部分的流れ抵抗となり、このため冷却流体の内部に乱流が生じる。

また乱流発生体２６は、隣り合うタービン翼１０の互いに向かい合う両翼台座１６により形成された隙間３７から冷却流体を排出すべく、冷却流体流に対し斜めに向けるとよい。これに伴い冷却流体を乱流発生体２６により翼脚１２の首部１８に向けて導き得る。図３に示す如く、翼台座１６の下側に存在する冷却通路２８の断面３９は楔形をなす。即ちその断面３９の半径方向高さは、翼台座縁部から翼脚１２の首部１８に近づくに従い徐々に小さくなっている。かかる傾斜した乱流発生体２６が存在しない場合、冷却流体は、大きな断面積領域４１において、その局所的に小さな流れ抵抗のために、首部近くの小さな断面積領域４３におけるより増加する。この作用は、傾斜した乱流発生体２６の存在により効果的に抑えられ、冷却流体は小さな断面積領域４１において翼脚１２の首部１８に向けて強く導かれ、このため翼台座１６は一様に冷却される。好適には、流れ方向３０に関し４５°の角度で傾斜した乱流発生体２６により、冷却通路２８に沿って強制的に螺旋状の冷却流体流を発生させる。この冷却流体流は、翼台座１６の下側面２４の直下を旋回して流れ、翼脚１２の首部１８に向けて導かれる。

翼台座１６の下側面２４における浸食加工されたポケットの代わりに、肉盛溶接によって、翼台座１６の下側面２４に、乱流発生体２６用の追加材料を付けてもよい。この追加材料は、乱流発生体２６を形成すべく、後続の作業工程で少なくとも部分的に適当な方法で削除できる。

上述の製造方法に代えて、予め作った別個の乱流発生体２６付きモジュールを、タービン翼の鋳造と別個の作業工程で、かみ合い結合および／又は摩擦結合にて安価に取り付け得る。予め作ったモジュールは、修正作業時でも時間を節約して取り付け可能である。

乱流発生体モジュールは、例えば翼台座長手縁２９と同じ長さ寸法を有し、翼台座下側面２４に沿って延びる翼台座１６に在る対応した凹所の中に、キー継手方式で挿入し、続いて溶接或いはろう付けにより固定できる。

従来におけるタービン翼の翼脚の斜視図。 本発明に基づくタービン翼の翼脚の斜視図。 図２における翼脚の組立状態の斜視図。

符号の説明

１０ タービン翼、１２ 翼脚、２２ タービン円板、２６ 乱流発生体、２８ 冷却通路

Claims (15)

1. 高温ガスで洗流される少なくとも１個の翼（１０）を備え、該翼（１０）の翼台座（１６）を有する翼脚（１２）がタービン円板（２２）に保持され、タービン円板（２２）の外周面と翼（１０）の翼台座（１６）との間に、高温ガスの主流れ方向に延びる少なくとも１個の冷却通路（２８）が存在するタービンの翼車において、
   冷却通路（２８）の少なくとも１つの壁に、冷却通路（２８）を流れる冷却流体の乱流を高めるように形成された多数の乱流発生体（２６）が形成されたことを特徴とするタービンの翼車。
2. 多数の乱流発生体（２６）が、翼脚（１２）の翼台座（１６）の下側面（２４）に形成されたことを特徴とする請求項１記載の翼車。
3. 多数の乱流発生体（２６）が、冷却通路（２８）の少なくとも１つの壁を形成する材料に設けられたポケットの形に形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の翼車。
4. 乱流発生体（２６）が、各々冷却通路（２８）を流れる冷却流体の流れ方向（３０）に対し直角又は斜めに向けられたことを特徴とする請求項１から３の１つに記載の翼車。
5. 乱流発生体（２６）が、冷却通路（２８）を流れる冷却流体の流れ方向（３０）に対して斜めに、乱流発生体（２６）が冷却流体を翼脚（１２）の首部（１８）の方向に転向するように向けられたことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の翼車。
6. 翼車の大きな熱負荷部に設けられる乱流発生体（２６）の単位面積毎の数が、小さな熱負荷部に比べ増大されたことを特徴とする請求項１から５の１つに記載の翼車。
7. 少なくとも１個の翼（１０）の翼脚（１２）が翼台座（１６）を備え、長い首部（１８）に沿う翼台座（１６）の両側縁に各々冷却通路（２８）が存在し、多数の乱流発生体（２６）が、翼台座（１６）の下側面（２４）において前記冷却通路（２８）内を延びる列の形に形成されたことを特徴とする請求項１から６の１つに記載の翼車。
8. 乱流発生体（２６）が、翼（１０）とその翼形部（１４）を形成する作業工程で、一緒に形成されたことを特徴とする請求項１から７の１つに記載の翼車。
9. 乱流発生体（２６）が、翼（１０）とその翼形部（１４）を形成する少なくとも１回の作業工程後に、別個の作業工程で形成されたことを特徴とする請求項１から８の１つに記載の翼車。
10. 高温ガスで洗流される翼形部（１４）と翼脚（１２）を備え、該翼脚（１２）が翼台座（１６）を有し、該翼台座（１６）が、高温ガスの主流れ方向に関して、入口縁（３１）から出口縁（３３）迄翼台座長手縁（２９）に沿って延びているタービンの翼車の翼（１０）において、
    翼台座（１６）の翼形部（１４）と反対側の下側面（２４）に、翼台座長手縁（２９）に沿って多数の乱流発生体（２６）が形成され、該乱流発生体（２６）が、翼（１０）の組立状態において、翼台座下側面（２４）に沿って流れる冷却流体の乱流を高めるように形成されたことを特徴とするタービンの翼車の翼。
11. 多数の乱流発生体（２６）が、翼台座（１６）の材料に設けられたポケットの形に形成されたことを特徴とする請求項１０記載の翼。
12. 乱流発生体（２６）が、翼台座長手縁（２９）に沿って流れる冷却流体の流れ方向に対し斜めに、乱流発生体（２６）が冷却流体を翼脚（１２）の首部（１８）の方向に少なくとも部分的に転向するように向けられたことを特徴とする請求項１０又は１１記載の翼。
13. 乱流発生体（２６）を、翼形部（１４）を形成する作業工程で一緒に形成することを特徴とする請求項１０から１２の１つに記載の翼車（１０）の製造方法。
14. 乱流発生体（２６）を、翼形部（１４）を形成する少なくとも１回の作業工程後に、別個の作業工程で形成することを特徴とする請求項１０から１２の１つに記載の翼車（１０）の製造方法。
15. 乱流発生体（２６）を別個のモジュール上に予め作り、該モジュールを、別個の作業工程で、翼台座（１６）の下側面（２４）にかみ合い結合および／又は摩擦結合により取り付けることを特徴とする請求項１４記載の方法。

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