JP2010025110A

JP2010025110A - ガスタービン用封止要素、該封止要素を備えるガスタービン、及び該封止要素の冷却方法

Info

Publication number: JP2010025110A
Application number: JP2009167852A
Authority: JP
Inventors: Stefano Traverso; トラベルソステファノ
Original assignee: Ansaldo Energia SpA
Current assignee: Ansaldo Energia SpA
Priority date: 2008-07-17
Filing date: 2009-07-16
Publication date: 2010-02-04
Also published as: US20100014986A1; EP2146055B2; EP2146055A1; EP2146055B1

Abstract

【課題】製造が容易でコスト効果があり、上部エッジの適切な冷却を確保することができる形状の、封止要素を製造する。
【解決手段】ガスタービン（１）の封止要素（２２）であって、ガスタービン（１）が、少なくとも１つの回転環（２）と、回転環（２）に対して半径方向に配置され、回転環（２）に固定される翼根部（７）を有する、少なくとも複数の動翼（３）と、を備え、封止要素（２２）が、壁部（２３）を備え、壁部（２３）が、回転環（２）及び少なくとも１つの動翼（３）に結合され、更に、封止要素（２２）が、ガスタービン（１）の高温作動流体と接触するように配置された外表面（２４）と、ガスタービン（１）の冷却流体と接触するように配置された内表面（２５）と、冷却流体が通って流れるようにした隙間（２９）と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービン用封止要素、該封止要素を備えるガスタービン、及び該封止要素の冷却方法に関する。

従来のガスタービンは、一般に、長手方向軸に沿って延びる回転軸を備え、回転軸には、それぞれが長手方向軸を中心として接続された、複数の回転環が接続されている。各回転環は、回転環周りに半径方向に配置された複数の動翼と結合されている。

特に、各回転環には、複数の等間隔の座部が備えられ、座部は、回転環の円周端に沿って軸方向に延びている。各座部は、軸方向にスライドする三角柱状の結合によって、対応する動翼の翼根部が係合するように形成されている。翼と回転環との間のこのタイプの結合は、タービンの運転中の、翼の半径方向の適切な固定を確保するが、翼根部は軸方向に動くことができる。従って、翼根部の軸方向の動きを防止しなければならない。この目的は、普通、封止要素の利用によって達成され、封止要素は、円周上に並べて配置され、封止リングを形成し、回転環の環状面の一方の面又は両面上で、回転環及び１以上の動翼に固定される。

封止要素は、ガスタービン内の高温の作動流体から動翼の翼根部を保護するので、動翼を冷却する一助となる。各封止要素は、ガスタービン内の高温の作動流体と接触する外面と、ガスタービンの冷却流体と接触する内面と、を有する壁部を備える。しかし、封止要素は、内面に沿っての冷却流体との接触が封止要素全体の適切な冷却を確保するのに十分ではないという理由で、しばしば過熱に晒される。すなわち、封止要素は、動翼と結合するようにされた上部エッジを備え、上部エッジは、高温の作動流体の流れ領域に近い位置にあって高熱の負荷に晒されるので、特に過熱に晒される。このような上部エッジは、非常に高温となり、過熱と同時に遠心力が作用するため、塑性変形し、封止要素を動翼に対して、一種の溶接をすることになる。このことは、例えば、封止要素の分解作業中に、封止要素を損傷し同時に動翼をも損傷する危険性のある作業が必要となるので、非常に困難性を伴う。

本発明の目的は、本書に明示した従来の欠点がない封止要素を製造することであり、特に、製造が容易でコスト効果があり、上部エッジの適切な冷却を確保することができる形状の、封止要素を製造することである。

この目的により、本発明は、ガスタービンの封止要素に関し、ガスタービンは、少なくとも１つの回転環と、回転環周りに半径方向に配置され、回転環に固定される翼根部を有する、少なくとも複数の動翼と、を備え、封止要素は、回転環及び少なくとも１つの動翼に結合され、ガスタービンの作動流体と接触する外面と、ガスタービンの冷却流体と接触する内面と、を備え、封止要素は、壁部に、冷却流体が通過するようにした隙間を備えることを特徴とする。

更に、本発明の目的は、効率の良いガスタービンを製造することである。この目的により、本発明は、少なくとも１つの回転環と、回転環周りに半径方向に配置され、回転環に固定される翼根部を有する、少なくとも複数の動翼と、を備えるガスタービンに更に関し、ガスタービンは、請求項１から１５のいずれか１項に記載の少なくとも１つの封止要素を備えることを特徴とする。

更に、本発明の目的は、ガスタービンの封止要素を冷却する、簡単で効果的な方法を提供することである。この目的により、本発明は、ガスタービンの封止要素を冷却する方法に関し、ガスタービンは、少なくとも１つの回転環と、回転環周りに半径方向に配置され、回転環に固定される翼根部を有する、少なくとも複数の動翼と、を備え、封止要素は、回転環及び少なくとも１つの動翼に結合され、ガスタービンの作動流体と接触する外面と、ガスタービンの冷却流体と接触する内面と、を備え、この方法は、冷却流体を封止要素の壁部の隙間に輸送する工程を含むことを特徴とする。

本発明の、更なる特徴及び利益は、添付図面を参照した以下の実施形態の記載によって明らかとなろうが、以下の実施形態に限定するものではない。

本発明によるガスタービンの第１の詳細を示す斜視図であり、断面の部品を示すが、部品の一部は図面の明確化のために省略されている。本発明によるガスタービンの第２の詳細を示す斜視図であり、部品の一部は図面の明確化のために省略されている。本発明による封止要素の斜視図である。本発明の別の実施形態によって製造された封止要素の詳細を示す斜視図であり、部品の一部は図面の明確化のために省略されている。

図１で、符号１は、回転環２（一部のみ図示）を備えるガスタービンの一部を示し、回転環２は、長手方向軸（図示せず）を中心軸とし、回転環２の周りに半径方向に配置された複数の動翼３と結合されている。

回転環２には、複数の等間隔の座部５が設けられ、座部５は、回転環２の外周エッジ６に沿っており、軸方向に延びている。各座部５は、スライドする三角柱状の結合によって、対応する動翼３の翼根部７が係号するように形成されており、特に、各座部５は、２つのスライド壁８を有し、スライド壁はそれぞれ３段の軸方向アンダーカット９を備え、タービン１の運転中に、動翼３の翼根部７が半径方向に動くことを防止するようにされている。

各動翼３は、上述のように、翼根部７と、翼根部７に一体に結合されたプラットフォーム１１と、細長い動翼本体１２と、を備え、細長い動翼本体１２は、プラットフォーム１１から、翼根部７に対して反対側に延びている。

各動翼３の翼根部７は、回転環２の対応する座部５に、回転環２の軸に対して平行な方向に、挿入することができる。特に、翼根部７は、回転環２の対応する座部５の形状に相補的な形状を有し、座部５の半径方向高さよりは低い半径方向高さを有し、座部５に係号した場合に、翼根部７が、冷却流体の通路となる通路１４を形成するが、冷却流体は、ガスタービン１のコンプレッサー（図示せず）から抽気された空気が好ましい。

各動翼３の翼根部７は、１以上の内部流路（図示せず）を更に備え、この内部流路は、通路１４に面し、翼根部７自身に冷却流体を送り、また、動翼本体１２の冷却通路１５（図１に一部のみ示す）の複雑なシステムに冷却流体を送る。

各動翼３のプラットフォーム１１は、軸方向に互いに反対の側の２つの周辺突出し部１９を有し、周辺突出し部１９は、翼根部７に対して軸方向に突出している。プラットフォーム１１の周辺突出し部１９は、翼根部７に面する側に、円周溝２０を備える。本発明の変形（図示せず）は、翼根部７に面する側に、円周溝２０を備える周辺突出し部１９を、両側に備えている。

各動翼３の動翼本体１２は、翼根部７とは反対の側に、翼先端部（添付図簡略化のため図示せず）、前縁１６、及び後縁１７を備えている。

ガスタービン１は、複数の封止要素２２を更に備え（図１には簡略化のため、１個のみを示す）、複数の封止要素２２は、回転環２及び動翼３に結合するように形成され、円周方向に隣同士に配置され、動翼３の翼根部７を軸方向に固定し、動翼３の翼根部７を適切に冷却するようにされている。添付図面の例示では、封止要素２２は、回転環２の１つの環状表面においてのみ、円周方向に隣同士に配置されているが、これに限定するものではない。本発明の封止要素２２の変形（図示せず）では、封止要素２２は、回転環２の両方の環状表面において、円周方向に隣同士に配置されている。

図１、図２を参照すると、各封止要素２２は、ほぼ長方形の形状の壁部２３を備え、壁部２３は、タービンの高温作動流体と接触して使用されるように配置された外表面２４と、通路１４から来る冷却流体と接触して使用されるように配置された内表面２５と、を有する。

図２を参照すると、壁部２３は、少なくとも１つの動翼３のプラットフォーム１１の円周溝２０に係号するようにされた、上部エッジ２６を有し、添付図の例では、封止要素２２は、２つの動翼３にまたがって配置され、従って、上部エッジ２６は、１つの動翼３の円周溝２０と、隣接する動翼３の円周溝２０と、に係号する。

壁部２３は、回転環２に設けられた円周座２８の対応する部位に係号するようにされた下部エッジ２７を有する。

図２及び図３を参照すると、壁部２３は隙間２９を有し、通路１４から流入し、封止要素２２とこれに面する動翼３の翼根部７との間の空間に流入する冷却流体が、隙間２９を通過する。

特に、隙間２９は、上部エッジ２６に近い外表面２４に設けられた１以上の出口３０（図１及び図３）を通してガスタービンの高温作動流体と連通し、上部エッジ２６に近い内表面２５に設けられた１以上の入口３１（図３）を通して冷却流体と連通している。

入口３１と出口３０とは、交互に、円周上にずらして配置されている。

本明細書で記載し、説明する例では、出口３０は、隣接した円形断面の３つの穴であり、入口３１は、隣接した円形断面の２つの穴であるが、これに限定するものではない。隙間２９に冷却流体を供給する入口３１の数や形状やサイズは、必要な冷却流体の量を調整するために変更することができる（高機能機の場合で、熱負荷のかかるタービンステージ等は多かれ少なかれこれに該当する）。同様に、出口３０の数や形状やサイズもまた、必要に応じて変更し得る。

本明細書で記載し、説明する例では、隙間２９は、壁部２３の上部エッジ２６で開口しており、壁部２３の中に深く延び、壁部２３の、上部エッジ２６と下部エッジ２７との間の全長の、約１/２５の長さまで延びることが好ましいが、これに限定するものではない。

各封止要素２２は、複数のリブ３３と１つのブロック要素３４とを更に含む。

リブ３３は、壁部２３の内表面２５から突出し、壁部２３の、上部エッジ２６と下部エッジ２７との間のほぼ全長に延び、相互に並行であり、壁部２３の上部エッジ２６に対してほぼ直交している。リブ３３は、封止要素２２を構造的に強固にし、ガスタービン１の運転中に封止要素２２が直面する遠心力と差圧の作用を支えるように、封止要素２２を十分強くする。

図１を参照すると、ブロック要素３４は、細長い薄片で、封止要素２２の壁部２３に一体に結合され、山頂の形状の端部３６を有し、対応する座部３７に配置されるようにされている。座部３７の形状は、端部３６と相補的であり、２つの隣接する動翼３のプラットフォーム１１の周辺突出し部１９によって形成されている。特に、ブロック要素３４は、Ｃ形に折り曲げられ、ブロック要素３４が、壁部２３の外表面２４の、２つの隣接するスロット３８を通って入るようにされている。ブロック要素３４は、封止要素２２の円周方向の動きを防止する。

図４は、別の封止要素２２を示し、ここでは隙間２９は、複数のフィン３９を備え、複数のフィン３９は、壁部２３の内表面２５に平行な２つの内部表面４０から突き出しており、熱交換表面を増加させている。

図４に示す例では、フィン３９は、対応する内部表面４０を横断するように配置されている。

封止要素２２が対応する動翼３及び回転環２に結合されると、使用中は、各動翼３の通路１４から来る冷却流体は、入口３１を通って各封止要素２２の隙間２９に入り、隙間２９から出口３０を通って流出する。冷却流体は、隙間２９の内部を通過する場合に、上部エッジ２６に近い領域の対流による冷却（フィン３９があるために冷却は増加される）と、動翼３のプラットフォーム１１の対流による冷却と、ブロック要素３４の座部３７の対流による冷却と、を決定し、出口３０から流出する。

本発明には、以下の利点がある。

第１に、本発明による封止要素２２の特別な形状のおかげで、封止要素２２の上部エッジ２６の適切な冷却が、上部エッジ２６の塑性変形に関する問題を解消するので、動翼３の分解が容易となり、より早く行うことができ、コスト効果の大きなものとなる。

更に、本発明による封止要素２２のおかげで、ガスタービン１内の作動流体の運転温度を増加させることができ、従って、ガスタービン１の全体の効率を向上させることができる。

更に、封止要素２２の製造コストは、上部エッジ２６の優れた冷却のおかげで低減される可能性があるが、これは、もはや高い機械的特性を有する材料をしなくてよいという、封止要素２２の特別な形状によって達成されるものである。

更に、熱的、機械的変形に基づいて、封止要素２２が座からはみ出ることによる、ガスタービン１全体の故障のリスクは、最小となる。このことは、更に、封止要素２２の保守と保守との間の時間間隔を、長くすることができるということになる。

更に、本発明の封止要素２２は、どのようなタイプのガスタービンにも取り付けることができ、また、既設のガスタービンにも適用することができる。

本明細書に記載した封止要素、ガスタービン、封止要素を冷却する方法に対して、添付した請求項の範囲から逸脱することなく、変更や、変形を行うことができることは、明らかである。

１ガスタービン
２回転環
３動翼
５座部
６外周エッジ
７翼根部
８スライド壁
９アンダーカット
１１プラットフォーム
１２細長い動翼本体
１４通路
１５冷却通路
１６前縁
１７後縁
１９周辺突出し部
２０円周溝
２２封止要素
２３壁部
２４外表面
２５内表面
２６上部エッジ
２７下部エッジ
２８円周座
２９隙間
３０出口
３１入口
３４ブロック要素
３７座部
３９フィン
４０内部表面

Claims

ガスタービン（１）の封止要素（２２）であって、
前記ガスタービン（１）が、少なくとも１つの回転環（２）と、前記回転環（２）に対して半径方向に配置され、前記回転環（２）に固定される翼根部（７）を有する少なくとも複数の動翼（３）と、を備え、
前記封止要素（２２）が、壁部（２３）を備え、前記壁部（２３）が、前記回転環（２）及び少なくとも１つの動翼（３）に結合され、前記ガスタービン（１）の高温作動流体と接触するように配置された外表面（２４）と、前記ガスタービン（１）の冷却流体と接触するように配置された内表面（２５）と、を備え、
前記壁部（２３）が、隙間（２９）を有し、前記隙間（２９）が、前記冷却流体が通って流れるようにされていることを特徴とする、封止要素。
前記壁部（２３）が、動翼（３）の対応する円周溝（２０）に係号するようにされた上部エッジ（２６）を有し、前記隙間（２９）が、前記上部エッジ（２６）の近くまで延びることを特徴とする、請求項１に記載の要素。
前記壁部（２３）が、前記回転環（２）に設けられた円周座（２８）に係号するようにされた下部エッジ（２７）を有することを特徴とする、請求項１から２のいずれか１項に記載の要素。
前記壁部（２３）の内表面（２５）が、前記隙間（２９）にガスタービン（１）の冷却流体を供給する少なくとも１つの入口（３１）を備えることを特徴とする、請求項２又は３に記載の要素。
前記入口（３１）が、前記内表面（２５）上の、前記上部エッジ（２６）のほぼ近くに配置されたことを特徴とする、請求項４に記載の要素。
前記壁部（２３）の外表面（２４）が、前記隙間（２９）をガスタービン（１）の高温作動流体と連通させる少なくとも１つの出口（３０）を備えることを特徴とする、請求項４又は５に記載の要素。
前記出口（３０）が、前記外表面（２４）上の、前記上部エッジ（２６）のほぼ近くに配置されたことを特徴とする、請求項６に記載の要素。
前記入口（３１）と前記出口（３０）とが、円周上にずらして配置されていることを特徴とする、請求項６又は７に記載の要素。
前記隙間（２９）が、前記壁部（２３）の前記上部エッジ（２６）で開口している、請求項２から８のいずれか１項に記載の要素。
前記隙間（２９）が、前記壁部（２３）の、上部エッジ（２６）と下部エッジ（２７）との間の全長の、約１/２５に等しい長さまで、前記壁部（２３）の中に深く延びることを特徴とする、請求項３から９のいずれか１項に記載の要素。
前記壁部（２３）の前記内表面（２５）から延びる複数のリブ（３３）を備えることを特徴とする、請求項３から１０のいずれか１項に記載の要素。
前記リブ（３３）が互いに平行で、前記壁部（２３）の前記上部エッジ（２６）に対してほぼ直交し、前記リブ（３３）が、前記上部エッジ（２６）と前記下部エッジ（２７）との間の前記壁部（２３）の全長にわたって延びることを特徴とする、請求項１１に記載の要素。
前記封止要素（２２）の前記壁部（２３）に一体に結合され、２つの隣接する動翼（３）によって形成される対応する座部（３７）に配置されるようにされた、山頂の形状の端部（３６）を有するブロック要素（３４）を備えたことを特徴とする、請求項２から１２のいずれか１項に記載の要素。
前記隙間（２９）が、前記隙間（２９）の２つの対応する内部表面（４０）から延びる複数のフィン（３９）を備えることを特徴とする、請求項２から１３のいずれか１項に記載の要素。
前記フィン（３９）が、対応する内部表面（４０）に対して横断して配置されている、請求項１４に記載の要素。
ガスタービンであって、前記ガスタービンが、少なくとも１つの回転環（２）と、前記回転環（２）周りに半径方向に配置され、前記回転環（２）に固定される翼根部（７）を有する、少なくとも複数の動翼（３）と、を備え、更に前記ガスタービン（１）が、少なくとも１つの、請求項１から１５のいずれか１項に記載の封止要素（２２）を備えることを特徴とする、ガスタービン。
ガスタービン（１）の封止要素（２２）を冷却する方法であって、前記ガスタービン（１）が、少なくとも１つの回転環（２）と、前記回転環（２）周りに半径方向に配置され、前記回転環（２）に固定された翼根部（７）を有する、少なくとも複数の動翼（３）と、を備え、前記封止要素（２２）が、前記回転環（２）及び少なくとも１つの動翼（３）に結合するようにされた壁部（２３）を備え、前記壁部（２３）が、前記ガスタービン（１）内の高温作動流体と接触するように配置された外表面（２４）と、前記ガスタービン（１）の冷却流体と接触するように配置された内表面（２５）と、を備え、前記方法が、前記冷却流体を、前記封止要素（２２）の前記壁部（２３）の隙間（２９）の中に送る工程を備えることを特徴とする、方法。