JP2012500932A - ガスタービンのためにタービンガイドベーンサポートおよびガスタービンを作動するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、軸流ガスタービンのためのタービンガイドベーンサポート（１０）であって、流入端部（１６）と、タービンガイドベーンサポート（１０）の内部（４０）へのガスタービン流れ経路内に高温ガスが流れるための流出端部（１８）と、を備えた環状壁（２０）を具備し、冷媒のための少なくとも１つの冷却チャネルが壁（２０）に設けられ、その冷却チャネルは冷媒流入口（３２）から冷媒流出口（３６）へと個々に延在している。タービンガイドベーサポート（１０）が特に高い作動温度に耐えるように設計するために、少なくとも１つの流入口（３２）と少なくとも１つの流出口（３６）とがタービンガイドベーンサポート（１０）の流出端部（１８）に個々に配置されることが提案されており、個々の流入口（３２）および流出口（３６）に接続された冷却チャネル（２６）はタービンガイドベーンサポート（１０）の流入端部（１６）へと延在しそこで転換領域（３４）に遷移して、そこから個々の冷却チャネルは流出端部（１８）へと延在している。

Description

本発明はガスタービンのためのタービンガイドベーンサポートに関し、そのサポートは流入端部と、タービンガイドベーンサポートの内部に高温ガスが流れるために、流入端部に対向して位置した流出端部と、を備えた環状壁を具備している。本発明はガスタービンを作動するための方法にも関する。

固定ガスタービンのための、序説に記載されたタイプのタービンガイドベーンサポートは、現在はおおむね２つの同一の半管状サポート要素から形成されており、その要素はフランジ態様で共にねじ固定されることによっておおむね環状の空間を形成する。その内側面には溝が形成されており、その溝は周に沿って形成され、ガスタービンのタービンユニットのガイドベーンを受容し且つ固定するためである。

ガスタービンのタービンユニットは、軸の範囲に沿って断面積が増加した流れ経路も備え、この流れ経路の外径も連続的に増加している。タービンガイドベーンの翼はタービンガイドベーンサポートの内側に固定されており、流れ経路内に突出している。流れ経路の径が軸方向において増加しているために、このタイプのガスタービンのタービンガイドベーンサポートはそれに対応した形態であり、すなわち、流れの方向において連続的に平均して増加する径を備えている。したがって、それは円錐の形態である。序説に記載されたタイプのガイドベーンサポートは高温ガスのための流入端部と流出端部とを備え、それらはタービンセクションの流れ経路を通過する流れの方向において見られている。タービンガイドベーンサポートの流入端部は環状の断面であり、流出端部の半径よりも小さい半径とされている。

タービンガイドベーンサポートの流入端部において、燃焼チャンバで生成された高温ガスはガスタービンの管状流れ経路内に案内され、その経路はタービンガイドベーンサポートの内部を通じて軸方向に延在している。流れ経路は高温ガスを運搬し、タービンガイドベーンサポートの流出端部に送り込む。この工程の間、高温ガスは流れ経路内において膨張し、発電作業がタービンガイドベーンにおいて行われ、その周囲に熱を放出する。さらに、高温ガスの温度は冷却空気の供給によってさらに低下される。これは高温ガスの出口温度よりも入口温度の方が高いという結果から知られる。

このことは、タービンガイドベーンサポートの材料温度が流出端部における温度よりも流入端部における温度の方が著しく高くなることを導き、タービンガイドベーンサポートの軸方向において温度勾配が確立され、異なった熱応力および異なった熱膨張を引き起こす。

しかしながら、タービン流入温度のさらなる増加に向いた一般的な傾向は、ガスタービンのハウジング部品、特にタービンガイドベーンサポートにさらなる熱的および機械的応力を引き起こす。このことは温度勾配も増加する。さらに入口温度が高められたガスタービンのためのタービンガイドベーンサポートに関する十分なサービス寿命を達成するために、材料は長期間にわたってより高温に耐えることが可能でなければならないので、タービンガイドベーンサポートが形成される材料を変更する必要がある。しかしながら、耐高温特性を備えた材料は、より低い耐熱性の従来型の材料よりも通常は大幅に高価である。

航空機のガスタービンに関しては、タービンガイドベーンサポートのためにより高価な材料を使用することが、それらが軸方向の冷却気流を利用して冷却されることによって回避されることが可能であり、それは例えば特許文献１および特許文献２から公知である。局所的に増大された冷却効率はタービンガイドベーンサポートの軸領域に供与され、そこではガイドベーンのためのフック係合接続が提供されている。この目的のために、特許文献１においては、周囲の前方向で稼動するかくはん器が設けられており、特許文献２においては、狭窄された流れ端面が設けられている。しかしながら、側面の軸方向冷却気流が、異なった圧力の冷却空気のための分離したチャンバを設けるという理由から形成することが不可能であるので、これらの装置は固定ガスタービンに配備されることが不可能である。

さらに、ガイドリング部を冷却する様々な方法が特許文献３〜５に開示されている。

欧州特許出願公開第１ ００４ ７５９号明細書 国際公開第９２／１７６８６号パンフレット 欧州特許出願公開第０ ９７４ ７３４号明細書 欧州特許出願公開第１ ２１３ ４４２号明細書 英国特許出願公開第２ ３７８ ７３０号明細書

したがって、本発明の目的は固定ガスタービンのためのタービンガイドベーンサポートを提供することであり、そのサポートはより高負荷となる温度状態においてさえも比較的安価な材料から生産され続けることが可能である。本発明のさらなる目的は、ガスタービン部品を冷却するための効率的な方法を提供することである。

本発明の基となる目的は、本願請求項１の特徴を備えたタービンガイドベーンサポートによって達成される。方法に関する目的は、本願請求項９の特徴を備えた方法によって達成される。

本発明は、熱膨張および圧縮応力に関する臨界位置がガイドベーンサポートの前部、すなわち流入端部において配置されていることを発見したことに基づいている。さらに、１つのタービンステージ、例えば第４タービンステージのガイドベーンを冷却するために使用された冷媒がタービンガイドベーンサポートを冷却する前に使用され、これによって問題のタービンステージのガイドベーンの冷却、機能およびサービス寿命を損なうことがないことが発見された。

タービンガイドベーンサポートを冷却するために、冷媒のための少なくとも１つの冷却チャネルが必要であり、冷却チャネルはいずれの場合にも冷媒流入口から冷媒流出口へと延在し、タービンガイドベーンサポートを少なくとも部分的に形成する壁内に設けられている。

したがって、本発明によれば、流入口を流出口へと接続した冷却チャネルは、流入口からタービンガイドベーンサポートの流入端部に配置された転換領域へと軸方向に延在し、そこから流出口へと前方に延在している。

したがって、本発明は冷媒に存在し、冷媒は通常はタービンガイドベーンサポートの下流に配置されたガイドベーンを冷却するか、または部品間に存在するギャップを塞ぎ、タービンガイドベーンサポートの最も熱い領域、すなわち流入端部も冷却するために使用されている。第４タービンステージのタービンガイドベーンを冷却することを意図された冷媒は、好適に最初にタービンガイドベーンサポート内に配置された冷却チャネルを通される。これは最も高い熱応力が発生する流入領域を冷却するためである。タービンガイドベーンサポートの流入領域を冷却した後、冷媒はタービンガイドベーンサポートの流出口に向かって戻るように案内される。そこから、冷媒は、タービンガイドベーンサポートの内面とそこに固定されたガイドベーンとの間の内部に配置された前チャンバへと内部に向かって案内される。次いで、冷媒はガイドベーン自身の内部に流れ、それらを冷却する。代替的にまたは追加的に、冷媒はそこに存在するギャップを塞ぐために使用されてもよい。後方ステージのタービンガイドベーンのために必要とされる冷却が前方ガイドベーンのために必要とされるよりも狭い範囲となるので、そこでの冷媒の冷却能力はこれまでは完全に利用されておらず、冷媒の温度のいくらかの上昇は問題なく、タービンガイドベーンデザインを顕著に変化することなく、および不十分な冷却の危険性なく受け入れられることが可能である。しかしながら、本発明によれば、第２または第３タービンステージのガイドベーンを冷却しようと意図された冷媒は、（高温ガスの流れ方向に基づいて）冷却チャネルを上流へ通過する。これはガイドベーンサポートを冷却するためである。

流入端部におけるタービンガイドベーンサポートの冷却の結果、そこでの熱応力は減少される。さらに、熱エネルギが冷媒の補助によってタービンガイドベーンサポートの流出端部へと運搬された結果、この端部は少なくともわずかに加熱される。このことは流出端部における熱応力を低下させるが、これらの応力はいずれの場合でも許容される応力レベル内で全体的に残存する。このことは特に、タービンガイドベーンサポートの軸の範囲にわたってより均一な熱応力とすることに帰結する。温度勾配は減少される。

タービンガイドベーンサポートのこの適切な温度制御の結果として、耐高温材料を使用することなく形成することが可能である。このことはコストを削減した材料のより良い利用を可能にしている。

上述の動的温度制御のさらなる利点は、一時的な起動および停止モードに際、すなわち、制御された冷却がこの作動段階の際にギャップ最適化を達成する態様においてガスタービンのシステム力学に作用する場合にも発生し得る。同時に、ガスタービンの一時的な特性が、タービンガイドベーンサポートがより素早く且つより均一に加熱され及び冷却される効力によって改良され得る。

現行のガスタービンに関しては、より高温用にそれらを準備するために、タービンガイドベーンサポートの設計変更のみが必要である。

本発明による冷却チャネルの多数は、壁の周囲に渡って分配されている。これらの冷却経路の流入口は壁の外側面に便宜上配列され、タービンガイドベーンサポートを通じた冷媒の供給は通常は外側面から行われる。これは、冷却空気流入口がタービンガイドベーンサポート壁の外側面に配列されていることが好都合であり、その壁は管状断面であることを意味している。

有利な形態は従属請求項において与えられている。

タービンガイドベーンサポートを貫流する冷媒は、一般的にタービンガイドベーンサポート内に配列されたタービンガイドベーンを冷却するため、および／またはそこに存在するギャップを塞ぐために使用され、流出口が壁の内側面において穴として配列されている場合に有利である。特にこれは冷媒を後続の使用場所に放出することを容易にしている。

冷却チャネル内を流れる冷却空気をさらに混合するためのかくはん器が少なくとも１つの冷却チャネル壁に配置された場合に、特に効率的な熱伝達が達成されることが可能である。

好適に、溝がタービンガイドベーンサポートの壁の外側面に各々の冷却チャネルのために設けられており、溝はその大部分がカバーによって覆われ、関連した冷却チャネルを形成している。冷媒流入口がカバーに設けられていない場合、カバーは冷却チャネル全体を覆うことが可能である。

タービンガイドベーンサポートの流出端部から流入端部へと延在し再度戻っている冷却チャネルは、タービンガイドベーンサポートの外側輪郭内に鋳造によって成型されることが可能であり、単一部品として成型されている。したがって、この蛇行したチャネル形状は比較的単純であり、安価に生産される。

チャネルは流入口を除いて好適にカバーによって覆われている。この目的のために、カバーは気密態様においてタービンガイドベーンサポートに溶接されている。カバーは便宜的に金属カバープレートとして形成されている。必要であれば、これらのプレート状カバーは冷却チャネル内に冷媒を入れるための流入口を形成する供給ポートを支持することが可能である。

本発明は特に円錐タービンガイドベーンサポートに使用されることが可能であり、２つの半管状のガイドベーンサポート要素から形成されて、フランジの態様で順にねじ固定されている。２つの同一のガイドベーンサポート要素へのこの分割は固定ガスタービンに関して特に有利であり、一般的に水平面に平行に伸びた分割面を備えている。

本発明のさらなる有利な形態によれば、タービンガイドベーンサポートの内側面には、リング内に配列されたガスタービンのタービンユニットのガイドベーンがそこに固定され得るような態様で形成されている。便宜的に、タービンのガイドベーンが内部にフックされまたは押される溝は内側面において周方向に延在している。

本発明は図を参照して説明されている。さらなる特徴およびさらなる利点は記載から明らかになるだろう。

本発明による固定ガスタービンのためのタービンガイドベーンサポートの斜視図を示している。 図１に示された本発明によるタービンガイドベーンサポートの線ＩＩ−ＩＩにおける長手方向断面を示した図である。 図１に示された本発明によるタービンガイドベーンサポートの線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける長手方向断面を示した図である。

図１は、軸流ガスタービンのためのタービンガイドベーンサポート１０の概略の斜視図を示している。本発明に関連の無いタービンガイドベーンサポート１０の特徴は、図には示されていない。タービンガイドベーンサポート１０は２つの半管状のガイドベーンサポート要素１２、１４から形成されており、ガイドベーンサポート要素１２はタービンガイドベーンサポート１０の上半分を形成し、ガイドベーンサポート要素１４はその下半分を形成している。

ガイドベーンサポート要素１２、１４は分割面１５において一体にフランジ接続されている。

タービンガイドベーンサポート１０は軸方向の範囲備え、この範囲に沿って円錐形状である。したがって、管状ガイドベーンサポート１０は第１端部１６とその第１端部１６の向かい側の第２端部１８とを備えている。第１端部１６の内径Ｄは第２端部１８の内径よりも極めて小さい。外径についても同様である。

固定ガスタービン内において使用された場合、タービンガイドベーンサポート１０はガスタービンの圧力ケース内に配列され、第１端部１６が燃焼室（より詳細には図示略）の出口に向かい合うように位置している。したがって、タービンガイドベーンサポート１０の第２端部１８はガスタービンの出口拡散器に向かい合うように位置している。

流れ経路は適切な要素、すなわちタービンブレードのプラットフォームおよび／またはベーンならびにガイドリングによって径方向外側と径方向内側において区切られており、タービンガイドベーンサポート１０によって収容された内部４０内において軸方向に延在している。これらの要素は明確化のために図１には示されておらず、同様のものが流れ経路に応用されており、その流れ経路は燃焼室内で生成される高温ガスのためにタービンガイドベーンサポート１０内の断面において環状である。高温ガスとその流れ方向に基づいて、タービンガイドベーンサポート１０の第１端部１６は流入端部１６であり、第２端部１８は流出端部１８である。

タービンガイドベーンサポート１０は環状壁２０によって概略的に形成されている。複数の冷却チャネル２６は外周に分配され、環状壁２０の側の外側面２２、すなわち２つの半管状のガイドベーンサポート要素１２、１４の外側面に配列されている。図１に示された図は壁２０内に配列された冷却チャネル２６を示しているが、通常、冷却チャネル２６上に配置されているカバーを除外している。各々の冷却チャネル２６はＵ形状に延在しており、それらはその上流に配置された冷媒流入口３２から、タービンガイドベーンサポート１０の流入端部１６まで延在している。各々の冷却チャネル２６は転換領域３４内に統合され、したがって、そこから冷却チャネル２６は流出口３６に向かって戻るように延在している。図示された例示的な実施形態において、流入口３２と流出口３６とは双方とも流出端部１８、すなわち後方タービンステージの領域に配置されている。しかしながら、流入口３２と流出口３６とは中間タービンステージの領域にも配置されている。

図３は、図１に示されたタービンガイドベーンサポート１０のＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面を示した図である。しかしながら、図１には示されていないカバー３０は図２および３に示されている。冷却チャネル２６は他の外側に向かって開口されており、流入口３２を除いて大部分はカバー３０を利用して閉じられ、流入口を介して冷媒、好適に冷却空気が冷却チャネル２６に供給され得る。流入口３２はタービンガイドベーンサポート１０の流出端部１８に配置されている。

流入口３２を介して供給される冷媒は冷却チャネル２６に沿って流入端部１６へと流れ、次にタービンガイドベーンサポート１０、特に転換領域３４近傍を冷却する。その後、冷媒は転換領域を介して流れ、それに続いた冷却チャネル領域内を流出端部１８に向かって流れる。転換領域３４に続く冷却チャネル２６の断面は図２に示されている。冷媒は、流出端部１８に配置された流出口３６を通じて冷却チャネル２６から内側に放出され得る。しかしながら、その前に、加熱された冷媒はタービンガイドベーンサポート１０の後方領域を温め、結果的に軸方向に沿ってより均等な温度としている。流出口３６は冷媒をタービンガイドベーンサポート１０の内部４０へと通し、そこから冷媒はタービンガイドベーンサポート１０の後方領域内に固定されたタービンガイドベーンのさらなる冷却に使用される。代替的に、冷媒はそこに存在するギャップをブロックすることにも使用され得る。ギャップのブロックは、この文脈においては、高温ガスがギャップ内に引き込まれてギャップを形成している部品を損傷させることを防止するために、冷媒がギャップから高温ガスの流れ経路内へと吹き付けられることを意味するものとして理解される。

本発明によって形成されたタービンガイドベーンサポート１０を備えたガスタービンが作動している間、前方において、すなわちタービンガイドベーンサポート１０の流入端部１６において生成された熱エネルギは、冷媒が流入口３２を介して冷却チャネル２６に供給された後に、壁２０内を流れる冷媒によって特に効率的に分散され得る。冷媒がタービンガイドベーンサポート１０の流入端部１６を冷却した後、冷却空気はタービンガイドベーンサポートの流出端部１８を介して内部４０内に通される。

この点で、上述したように、冷媒は最短の径方向経路を介してタービンガイドベーンサポート１０を外側から内側に向かって貫通しているのではなく、むしろ冷却ループをカバーしている。蛇行した冷却ループは、冷媒をタービンガイドベーンサポート１０の低温領域−流出端部１８−高温領域−流入端部１６−を通して戻す。ガイドベーンサポートの後方、流出領域は、ガイドベーンサポートの前方領域を冷却した際に加熱された冷媒によって温められる。これは、結果的にタービンガイドベーンサポートの軸方向においてより均等な熱応力を発生し、全体的に突出した熱応力を減少させる。これは、より高温のタービン入口温度に起因してタービンガイドベーンサポート１０の周囲温度をさらに増加させるにもかかわらず、比較的安価な材料をタービンガイドベーンサポート１０に使用することを可能にしている。

必要であれば、または好都合であれば、径方向内側において冷却チャネル２６を区切った壁４２には、熱伝達を改善するために、かくはん器４４も備わっていてもよい。したがって、これは、タービンガイドベーンサポート１０から冷媒およびその逆の比較的効率的な熱伝達を導く。

さらに、外周の無端溝４８は、その内部において様々なタービンステージのガイドベーンが組み付けられて固定されており、その溝はタービンガイドベーンサポート１０の内面４６に設けられている。しかしながら、これらの溝４８は非常に概略的にのみ示されている。

全体的に、本発明は軸流ガスタービンのためのタービンガイドベーンサポート１０に関し、そのサポートは、タービンガイドベーンサポート１０の内部４０のガスタービン流れ経路を流れる高温ガスのための、流入端部１６と流出端部１８とを備えた環状壁２０を具備し、いずれの場合にも冷媒流入口３２から冷媒流出口３６まで延在した冷媒のための少なくとも１つの冷却チャネル２６が、壁２０に設けられている。タービンガイドベーンサポート１０を特に高温で使用するために設計するために、流入口３２と流出口３６とは各々がタービンガイドベーンサポート１０の流出端部１８に配列され、一方で、流入口３２と流出口３６とに対して接続された冷却チャネル２６はタービンガイドベーンサポート１０の流入端部１６に向かって延在し、転換領域内に統合されて、そこから流出端部１８に向かって戻るように延在することが提案されている。

１０ ・・・タービンガイドベーンサポート、 １２、１４ ・・・ガイドベーンサポート要素、 １５ ・・・分割面、 １６ ・・・第１端部、 １８ ・・・第２端部、 ２０ ・・・環状壁、 ２６ ・・・冷却チャネル、 ２０ ・・・カバー、 ３２ ・・・冷媒流入口、 ３４ ・・・転換領域、 ３６ ・・・流出口、 ４４ ・・・かくはん器、 ４８ ・・・無端溝

Claims (10)

1. ガスタービンのためのタービンガイドベーンサポート（１０）であって、
   流入端部（１６）と、前記タービンガイドベーンサポート（１０）の内部（４０）へのガスタービン流れ経路内に高温ガスが流れるために前記流入端部（１６）に対向して位置した流出端部（１８）と、を備えた環状壁（２０）を具備し、
   冷媒のための複数の冷却チャネルが前記環状壁（２０）に設けられ、前記冷却チャネルは外周に渡って分配され、各々が冷媒流入口（３２）から冷媒流出口（３６）まで延在したタービンガイドベーンサポートにおいて、
   前記冷媒流入口（３２）と冷媒流出口（３６）とは前記タービンガイドベーンサポート（１０）の前記流出端部（１８）にそれぞれ配置されており、前記冷媒流入口（３２）を前記冷媒流出口（３６）に接続した前記冷却チャネル（２６）は、軸方向において前記冷媒流入口から転換領域（３４）まで延在し、且つ前記冷媒流出口（３６）に戻るように延在し、該転換領域は前記タービンガイドベーンサポート（１０）の前記流入端部（１６）に配置されていることを特徴とするタービンガイドベーンサポート（１０）。
2. 少なくとも１つの前記冷媒流入口（３２）が、前記壁（２０）の外側面（２２）に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のタービンガイドベーンサポート（１０）。
3. 少なくとも１つの前記冷媒流出口（３６）が、前記壁（２０）の内側面（４６）に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のタービンガイドベーンサポート（１０）。
4. かくはん器（４４）が少なくとも１つの冷却チャネルの壁（４２）に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のタービンガイドベーンサポート（１０）。
5. 各々の前記冷却チャネルのため溝が前記壁（２０）の外側面（２２）に設けられ、
   前記溝はカバー（３０）によって大部分を閉じられており、関連した冷却チャネル（２６）を形成していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のタービンガイドベーンサポート（１０）。
6. 前記タービンガイドベーンサポート（１０）は略円錐形状を成し、
   ２つの半管状ガイドベーンサポート要素（１２、１４）から形成され、
   該ガイドベーンサポート要素はフランジの態様で互いに接続されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のタービンガイドベーンサポート（１０）。
7. 前記タービンガイドベーンサポート（１０）の内側面（４６）は、リング内に配列されたタービンのガイドベーンを固定するための、円周に形成された溝（４８）を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のタービンガイドベーンサポート（１０）。
8. ケーシングを備え、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載のタービンガイドベーンサポート（１０）が配列されていることを特徴とするタービン。
9. タービンブレードおよび／もしくはベーンもしくは壁部分を冷却するために、ならびに／または高温ガスの経路内において開くギャップを塞ぐために冷媒が使用されるガスタービンを作動する方法において、
   前記冷媒は前記タービンブレードおよび／もしくはベーンもしくはガイドリング部分を冷却するために使用される前、ならびに／またはギャップを塞ぐ前に、タービンガイドベーンサポートを冷却する前に使用されることを特徴とするガスタービンを作動する方法。
10. 冷却されたタービンガイドベーンサポートのセクションは、タービンブレードおよび／もしくはベーン、ガイドリング部分ならびに／またはギャップの軸方向上流に配置されていることを特徴とする請求項９に記載のガスタービンを作動する方法。

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