JP2011052687A

JP2011052687A - 非軸対称翼形部プラットフォーム成形

Info

Publication number: JP2011052687A
Application number: JP2010187743A
Authority: JP
Inventors: Andrew Ray Kneeland; アンドリュー・レイ・ニーランド; Andres Jose Garcia-Crespo; アンドレス・ジョセ・ガルシア−クレスポ; Bradley T Boyer; ブラッドレー・ティ・ボーヤー; Thomas William Vandeputte; トーマス・ウィリアム・ヴァンデプット; Sylvain Pierre; シルベイン・ピエール
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-09-01
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2011-03-17
Also published as: CH701814A2; US20110052387A1; CH701814A8; US9039375B2; CN102003218A; DE102010037053A1; CH701814B1

Abstract

【課題】タービンのタービンブレード組立体を提供する。
【解決手段】本ブレード組立体は、基部（４５）に設けられた翼形部（４０）を含む。基部の前縁部（４７）及び／又は後縁部（４９）には、湾曲部が設けられる。同様に、湾曲部は、タービンブレード組立体のエンジェルウィング（３２／３３／３４／３５）の前端縁部及び／又は後端縁部に設けることができる。湾曲部はまた、タービンのノズル組立体の前縁部（５７）及び／又は後縁部（５９）に設けることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、タービンの回転シャフトに連結されたタービンブレードと蒸気又は燃焼ガスをブレードに導くノズルとを含むタービンに関する。

電力産業で用いられる典型的なタービンでは、燃料が、燃焼ゾーン内で燃焼され、高温燃焼ガスが次に、タービンセクションに導かれる。タービンセクションにおいては、図１に示すように、複数のブレード組立体が、回転シャフト１６に植設されている。ブレード組立体は、回転シャフト１６の外周部の周りに植設される。各ブレード組立体の列は、隣接するノズル又はベーン１８、２０の列の対間に配置される。図１に示すように、第１のタービンブレード２２の列は、隣接するノズル１８及び２０の対間に配置されている。

第１のノズル１８の列は、高温燃焼ガスがタービンブレード２２に衝突するように該高温燃焼ガスを所望の方向に導く。タービンブレードでの燃焼ガスの流れは、ブレードに力を作用させ、この力により、取付けシャフト１６を回転させる。図２は、タービンの回転シャフトに植設されることになる典型的なブレード組立体を示している。ブレード組立体は、該ブレード組立体を回転シャフトに物理的に結合する植設部１０を含む。基部４５が、植設部１０の上端に設けられる。ブレード４０は、基部４５の上面から上方に延びる。

タービンの中心部に近設してノズル及びブレードの内側に設置された空間は一般に、ホイルスペース１５と呼ばれる。上記のように、高温燃焼ガスは、図１に示すように矢印３８の方向に流れる。ブレード及びノズルを横切るガス流路内の圧力は、ホイルスペース１５内の圧力よりも低くなる傾向がある。その結果、ホイルスペース１５内に位置するあらゆるガスは、外向きにかつ高温ガス路３８内に移動する傾向になる。

高温ガス流路内の周囲圧力には、局所的変動が存在する。例えば、ブレード４０の各々の前縁における圧力は、該ブレード４０の両側面の圧力よりも高くなる傾向がある。場合によっては、タービンブレードの前縁に隣接する圧力が、ホイルスペース１５内の圧力よりも大きくなる結果となる可能性がある。このようなことが生じると、ガス流路３８からの高温燃焼ガスは、下方にホイルスペース１５内に侵入する可能性がある。これは、本質的にホイルスペース内への高温燃焼ガスの損失を意味し、これにより、タービンの全体効率が低下する。

米国特許第６５５８１２１号明細書

高温燃焼ガスが下方にホイルスペース内に侵入するのを防止する１つの試みは、ブレード組立体の基部の前縁部及び後縁部にエンジェルウィング３２、３３、３４、３５を付加することであった。対応する突出部３６が、ノズル組立体の前縁部及び後縁部に形成される。ブレード組立体のエンジェルウィング及びノズル組立体の対応する突出部は、高温燃焼ガスが下方にホイルスペース内に侵入するのを防止するのに役立つ。それにも拘わらず、高温燃焼ガスの損失に関わる問題が依然として存在し、これは、タービンの望ましくない非効率を意味する。

１つの態様では、本発明は、タービン用のブレード組立体として具現化することができ、本ブレード組立体は、タービンの回転シャフトに結合されるように構成された植設部と、植設部の上端に形成されかつその前縁部と後縁部の少なくとも一方が湾曲部を有する基部と、基部の上面から上方に延びるブレードとを含む。

別の態様では、本発明は、固定ノズル組立体として具現化することができ、本固定ノズル組立体は、タービンケーシングの内部に植設されるように構成された第１の植設部と、第１の植設部に設けられた第１の端部を有するノズルブレードと、ノズルブレードの第２の端部に設けられた第２の植設部とを含み、第２の植設部は、前縁部及び後縁部を有するノズル基部を含み、またノズル基部の前縁部と後縁部の少なくとも一方が湾曲部を含む。

タービンの一部分の断面図。タービンブレード組立体の斜視図。２つの隣接するノズル列間に配置されたタービンブレード列を示す部分断面図。２つの隣接するノズル列間に配置されたタービンブレード列を示す部分断面図。２つの隣接するノズル列間に配置されたタービンブレード列を示す部分断面図。２つの隣接するノズル列間に配置されたタービンブレード列を示す部分断面図。２つの隣接するノズル列間に配置されたタービンブレード列を示す部分断面図。２つの隣接するノズル列間に配置されたタービンブレード列を示す部分断面図。２つの隣接するノズル列間に配置されたタービンブレード列を示す部分断面図。ブレード組立体の上面図。基部の前縁部及び後縁部とエンジェルウィングの前端縁部及び後端縁部とが湾曲部を含むブレード組立体の上面図。基部の前縁部及び後縁部が直線状でありかつエンジェルウィングの前端縁部及び後端縁部が湾曲部を有するブレード組立体の上面図。基部の前縁部及び後縁部とエンジェルウィングの前端縁部及び後端縁部とが互いにオフセットした湾曲部を有するブレード組立体の上面図。基部の前縁部及び後縁部が湾曲部を有するブレード組立体の上面図。

上記に説明したように、タービンブレード組立体に対して図２に示すようにエンジェルウィングを付加して、高温ガス流路からの高温燃焼ガスが下方にタービンのホイルスペース内に侵入するのを防止するのに役立ててきた。図２に示すブレード組立体では、２つのエンジェルウィング３２及び３３が、ブレード組立体の前側面に形成され、また２つのエンジェルウィング３４及び３５が、ブレード組立体の後側面に形成される。加えて、その上にブレードが設けられた基部は、前縁部４７及び後縁部４９を含む。ブレード４０は、基部４５から上方に延び、かつこれもまた前縁４２及び後縁４６を含む。キャップ４３が、ブレード４０の先端に形成される。

図３は、図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿って取った部分断面図である。断面は、タービンの回転シャフトに植設された３つの隣接するタービンブレードを通って切断している。タービンブレードの列は、２つの隣接するノズルの列間に配置される。図３において、左側のノズル列は、タービンブレードの上流側に相当しており、また右側のノズル列は、タービンブレードの下流側に相当している。矢印３８は、高温燃焼ガス流の方向を示す。これもまた図３に示すように、高温燃焼ガスが高温ガス流路を通って流れる時に、燃焼ガスは、タービンブレード２２を指示矢印の方向に回転させることになる。

図３に示すように、必然的に上流ノズルの基部の後縁部５９とタービンブレード組立体の基部の前縁部４７との間に設置された非常に小さいギャップが存在する。同様に、タービンブレード組立体の後縁部４９と下流ノズルの基部の前縁部５７との間にも小さいギャップが存在する。隣接するノズルとタービンブレード組立体との間のギャップは、上記に説明したようにその中に高温ガスが漏出する可能性がある流路を形成する。これもまた上記に説明したように、ブレード組立体の前側面及び後側面のエンジェルウィングとノズル組立体の対応する突出部とは、これらギャップ内への高温燃焼ガスの漏出を減少させることを意図するものである。

これもまた上記に説明したように、タービンブレード及びノズルの両方の前縁の前に形成された高圧領域は、高温燃焼ガスがホイルスペース内に下方に流れることを引き起こす或いは生じさせるおそれがある要因の１つである。従って、発明者達は、高温燃焼ガスが下方にホイルスペース内に侵入している範囲では、侵入はおそらく、タービンブレード及びノズルブレードの前縁に隣接して発生していると考えている。

高温燃焼ガスが下方にホイルスペース内に侵入するのを防止するのに役立てるために、発明者達は、タービンブレード組立体の基部の前縁部及び／又は後縁部に湾曲部を付加することを提案する。図４は、タービンブレード組立体の各々の基部の前縁部４７に湾曲部６０を形成した１つの実施形態を示している。図４に示す実施形態では、タービンブレード組立体の前縁部４７の湾曲部６０は、タービンブレード４０自体の前縁に隣接して設置される。

タービンブレード組立体の前縁部４７の湾曲部６０は、高温ガス流路内の高温燃焼ガスが下方にホイルスペース内に侵入するのを防止するのに役立てることができる。この作用は、湾曲部が、タービンブレード組立体の基部の上面をタービンブレード４０の前縁４２から離れるように前方方向に延ばすので生じることになる。加えて、タービンブレードはタービン内で回転するので、湾曲部６０は実際には、タービンブレード組立体の前縁部と上流ノズル組立体の後縁部との間に位置するガスの中を通過することになる。湾曲部は、本質的に翼形部として作用し、それによって湾曲部の位置における圧力を低下させることになる。湾曲部は、高温燃焼ガスがホイルスペース内に侵入しがちになる丁度その位置であるタービンブレード４０の前縁４２の直ぐ前方に設置されるので、この位置に湾曲部６０が存在することは、高温燃焼ガスがホイルスペース内に侵入するのを防止するのにさらに役立つ筈である。

図４に示す実施形態はまた、タービンブレード組立体の基部の後縁部４９に設置された湾曲部６２を含む。図４に示すように、湾曲部６２は、タービンブレード４０の後縁４６に隣接して設置される。高温燃焼ガスはまた、タービンブレード４０の後縁４６に隣接する位置においてホイルスペース内に侵入する傾向になる可能性がある。従って、タービンブレード組立体の基部の後縁部４９に湾曲部６２を設置することもまた、高温燃焼ガスがホイルスペース内に侵入するのを防止するのに役立てることができる。

上記と同じ理由で、ノズルの前縁２５の前方に位置する圧力もまた、通常よりも高くなりがちであり、このことにより、高温燃焼ガスが下方にノズル組立体の前縁部５７に隣接するホイルスペース内に侵入することになる可能性がある。従って、ノズル組立体の前縁部５７に湾曲部７０を設けることは有利であるといえる。図４に示すように、幾つかの実施形態では、湾曲部７０が、ノズルブレードの前縁２５の直ぐ前方に設置されることになる。同様に、湾曲部７２もまた、ノズルの後縁２７に対応する位置においてノズル組立体の後縁部５９に形成されることになる。

図５は、湾曲部がタービンブレード組立体の前縁部及び後縁部のみに形成されているさらに別の実施形態を示している。図５に示すように、湾曲部６０は、タービンブレードの前縁に対応する位置においてタービンブレード組立体の前縁部４７に形成される。同様に、湾曲部６２は、タービンブレードの後縁に対応する位置においてタービンブレード組立体の後縁部４９に形成される。

図６は、湾曲部６０がタービンブレードの前縁に対応する位置においてタービンブレード組立体の前縁部４７のみに形成されているさらに別の実施形態を示している。

図７は、湾曲部がタービンブレード組立体及びノズル組立体の両方の前縁部のみに形成されているさらに別の実施形態を示している。図７に示すように、湾曲部６０は、タービンブレードの前縁に対応する位置においてタービンブレード組立体の前縁部４７に形成される。また、湾曲部７０は、ノズルブレードの前縁に対応する位置においてノズル組立体の前縁部に形成される。

図８は、タービンブレード組立体の前縁部４７に形成された湾曲部６０が、タービンブレードの前縁に対してオフセットしているさらに別の実施形態を示している。図８に示すように、湾曲部６０は、タービンブレードがタービン内で回転する時に該タービンブレードが移動する方向に位置するタービンブレードの側面に対応して設置される。他の別の実施形態では、湾曲部は、これもまたノズルの前縁からオフセットした位置においてノズル組立体の前縁部に形成することができる。同様に、タービンブレード組立体又はノズル組立体のいずれかの後縁部に形成された湾曲部もまた、タービンブレード及びノズルの対応する後縁からオフセットさせることができる。実験法を使用して、タービンブレード組立体とノズル組立体との前縁部及び／又は後縁部の湾曲部についての最適配置を決定することができる。従って、本発明の様々な実施形態は、タービンブレード組立体とノズル組立体との前縁部及び後縁部のあらゆる位置に湾曲部を設置することを含む。

加えて、各個々のタービンブレード組立体又はノズルブレード組立体に複数湾曲部を含むことが、有利であるといえる。図９は、２つの湾曲部６０がタービンブレード組立体の前縁部に設置されている実施形態を示している。他の別の実施形態では、各個々のタービンブレード組立体の前縁部に、２つよりも多い湾曲部を形成することができる。同様に、他の別の実施形態では、タービンブレード組立体の後縁部に、２つ又はそれ以上の湾曲部を形成することができる。さらに、個々のノズル組立体の前縁部及び後縁部には、２つ又はそれ以上の湾曲部を形成することができる。

図１０は、図２に示すものと同様の背景技術のタービンブレード組立体の上面図を示している。図１０に示すように、タービンブレード４０は、タービンブレード組立体の基部４５の上面に設けられる。基部４５は、前縁部４７及び後縁部４９を含む。図２及び図１０に示す実施形態では、基部４５の前縁部４７及び後縁部４９は、直線状である。加えて、タービンブレード組立体の前側面のエンジェルウィング３２、３３の前端縁部もまた、直線状である。同様に、タービンブレード組立体の後側面のエンジェルウィング３４、３５の後端縁部もまた、直線状である。

上記と同様の理由で、発明者達は、エンジェルウィングの前端縁部及び後端縁部に湾曲部を設けることもまた有利であるといえると考えている。図１１は、タービンブレード組立体の前側面のエンジェルウィング３２、３３の前端縁部が、該タービンブレード組立体の基部４５の前縁部４７の湾曲部に対応した湾曲部を含む実施形態を示している。同様に、タービンブレード組立体の後側面のエンジェルウィング３４、３５の後端縁部もまた、該タービンブレード組立体の基部４５の後縁部４９の湾曲部に対応した湾曲部を含む。

図１２は、さらに別の実施形態を示している。図１２において、タービンブレード組立体の基部４５の前縁部４７及び後縁部４９は両方共、直線状である。しかしながら、タービンブレード組立体の前縁部側面のエンジェルウィング３２、３３の前端縁部には、湾曲部が設けられる。同様に、タービンブレード組立体の後側面のエンジェルウィング３４、３５の後端縁部には、湾曲部が設けられる。

図１３は、湾曲部がタービンブレード組立体の基部４５の前縁部４７及び後縁部４９に設けられているさらに別の実施形態を示している。湾曲部はまた、タービンブレード組立体の前縁部側面のエンジェルウィング３２、３３の前端縁部に及び該タービンブレード組立体の後縁部側面のエンジェルウィング３４、３５の後端縁部に設けられる。しかしながら、これらの位置の各々に設けられた湾曲部は、互いにスタッガ配置されている。

図１４は、湾曲部がタービンブレード組立体の基部４５の前縁部４７及び後縁部４９のみに設けられているさらに別の実施形態を示している。タービンブレード組立体の前縁部側面又は後縁部側面のエンジェルウィングには、全く湾曲部が設けられていない。

図１１〜図１４は、タービンブレード組立体の基部の前縁部及び後縁部とエンジェルウィングの前端縁部及び後端縁部とに設けられた湾曲部の様々な異なる組合せを図示することを意図している。互いに整列しているか或いは互いにオフセットしているかのいずれかであるあらゆる湾曲部の組合せもまた、本発明の技術的範囲内にあることになる。

上述した実施形態では、タービンブレード組立体とノズルブレード組立体との前縁部及び後縁部に対して、湾曲面を付加することができる。上記した実施形態では、湾曲は基本的に、弓状形状である。別の実施形態では、湾曲部は、その性能を改善するために、ベジエ曲線並びに急変かつ／又は非線形形状を始めとする種々異なる形状を含むことができる。加えて、タービンブレード組立体及びノズル組立体は互いに隣接して配置されるので、２つの個々のタービンブレード組立体又は２つの個々のノズル組立体の隣接部分は、協働して前縁部及び後縁部に全体的湾曲面を形成することができる。

さらに、ノズルブレード組立体とタービンブレード組立体との前縁部及び後縁部の湾曲部は、複雑な３次元形状を有することができる。ここでも同様に、実験法を行なって、湾曲面の形状及び構成を決定することができる。しかしながら、前縁部及び後縁部にこれら湾曲面を設けることにより、ホイルスペース内に侵入する高温燃焼ガスの量を減少させ、それによってタービンの効率全体を高める働きをさせることができる。

現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明が開示した実施形態に限定されるべきものではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

１０植設部
１５ホイルスペース
１６回転シャフト
１８ノズル又はベーン
２０ノズル又はベーン
２２タービンブレード
２４タービンブレード
２５ノズルの前縁
２７ノズルの後縁
３２ブレード組立体の基部の前縁部のエンジェルウィング
３３ブレード組立体の基部の前縁部のエンジェルウィング
３４ブレード組立体の基部の後縁部のエンジェルウィング
３５ブレード組立体の基部の後縁部のエンジェルウィング
３６突出部
３８高温燃焼ガス流の方向
４０ブレード
４２ブレードの前縁
４３キャップ
４５ブレード組立体の基部
４６ブレードの後縁
４７ブレード組立体の基部の前縁部
４９ブレード組立体の基部の後縁部
５７ノズル組立体の基部の前縁部
５９ノズル組立体の基部の後縁部
６０ブレード組立体の前縁部の湾曲部
６２ブレード組立体の後縁部の湾曲部
７０ノズル組立体の前縁部の湾曲部
７２ノズル組立体の後縁部の湾曲部

Claims

タービン用のブレード組立体であって、
タービンの回転シャフトに結合されるように構成された植設部と、
植設部の上端に形成されかつその前縁部と後縁部の少なくとも一方が湾曲部を有する基部と、
基部の上面から上方に延びるブレードと
を含むブレード組立体。
基部の前縁部及び後縁部の両方が湾曲部を含む、請求項１記載のブレード組立体。
湾曲部が基部の前縁部に形成され、湾曲部が基部の前縁部から前方に延びる凸状部を含む、請求項１記載のブレード組立体。
凸状部がブレードの前縁近傍の基部に位置する、請求項３記載のブレード組立体。
凸状部がブレードの前縁側の基部の側面に位置する、請求項３記載のブレード組立体。
凸状部が、該ブレード組立体がタービン内で回転する際のその移動方向側にある、ブレードの前縁の側面に位置する、請求項５記載のブレード組立体。
湾曲部が、複数の凸状部又は凹状部を含む、請求項１記載のブレード組立体。
基部が、
該基部の前側面に形成された前エンジェルウィングと、
該基部の後側面に形成された後エンジェルウィングと
をさらに含んでいて、前エンジェルウィング及び後エンジェルウィングの少なくとも１つの外側端縁部が湾曲部を含む、請求項１記載のブレード組立体。
前エンジェルウィング及び後エンジェルウィングの両方の外側端縁部が湾曲部を含む、請求項８記載のブレード組立体。
湾曲部が基部の前縁部及び後縁部の両方に形成され、湾曲部が前エンジェルウィング及び後エンジェルウィングの両方の外側端縁部に形成され、基部の前縁部と前エンジェルウィングの湾曲部が同様の形状及び対応する位置を有し、基部の後縁部と後エンジェルウィングの湾曲部が同様の形状及び対応する位置を有する、請求項９記載のブレード組立体。