JP2013245676A - ガスタービンシステム用タービンシュラウド冷却用組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンシステム用のタービンシュラウド冷却用組立体を提供すること。
【解決手段】ガスタービンシステム用のタービンシュラウド冷却用組立体が、ガスタービンシステムのタービンセクション内に高温ガス経路に近接して配設された内側シュラウド部品を含み、内側シュラウド部品は、高温ガス経路と直接接触している基部を含む。また、基部から半径方向に突出した１以上のリブであって、冷却源からの冷却流を受け入れるように構成された１以上のキャビティの近傍に配設されたリブが含まれており、冷却流は、内側シュラウド部品を冷却するためにリブの主通路を通過する。
【選択図】図１

Description

本明細書において開示されている主題は、ガスタービンシステムに関し、より詳細には、そのようなガスタービンシステムのタービンシュラウドを冷却するタービンシュラウド冷却用組立体に関する。

ガスタービンシステムでは、燃焼器が、燃料又は空気−燃料混合物の化学エネルギーを熱エネルギーに変換する。熱エネルギーは、圧縮機からの圧縮空気であることが多い流体により、熱エネルギーが機械エネルギーに変換されるタービンへ運ばれる。変換工程の一部として、高温ガスが、高温ガス経路としてのタービンの部分上を通過して流動する。高温ガス経路に沿った高温がタービン部品を加熱して、部品の劣化を引き起こす可能性がある。

タービンシュラウド組立体が、高温ガス経路に晒される部品の例であり、内側シュラウドと外側シュラウドのような２つの別体を含むことが多い。内側シュラウドが高温ガス経路の直近にあることに基づき、内側シュラウドの構造的完全性及び所期の機能を維持するために、種々の冷却構想が採用されてきた。そのような冷却構想は、通常、冷却源からの過剰な冷却流を招き、それにより、ガスタービンシステムの全体的な効率性が犠牲になっている。

米国特許出願公開第２０１０／０１１１６７１号

本発明の一態様によれば、ガスタービンシステム用のタービンシュラウド冷却用組立体が、ガスタービンシステムのタービンセクション内に高温ガス経路に近接して配設された内側シュラウド部品を含み、内側シュラウド部品は、高温ガス経路と直接接触している基部を含む。また、基部から半径方向に突出したリブであって、冷却源からの冷却流を受け入れるように構成された１以上のキャビティの近傍に配設されたリブが含まれており、冷却流は、内側シュラウド部品を冷却するためにリブの主通路を通過する。

本発明の別の態様によれば、ガスタービンシステム用のタービンシュラウド冷却用組立体が、ガスタービンシステムのタービンセクション内に高温ガス経路に近接して配設された内側シュラウド部品を含み、内側シュラウド部品は、前縁と、前縁に対して内側シュラウド部品の後方位置に配設されている後縁とを含む。また、前縁から後縁まで延在している基部が含まれており、基部は、高温ガス経路と直接接触している。さらに、第１の側方部から第２の側方部まで、基部から半径方向外側に延在しているリブが含まれており、リブは、第１の側方部と第２の側方部との間に延在していて冷却源からの冷却流を受け入れるように構成されている主通路を含む。

本発明のさらに別の態様によれば、ガスタービンシステムは、高圧で冷却流を分配する圧縮機を含む。また、内部で冷却するために冷却流を受け入れるタービンシュラウド組立体を動作可能に支持するタービンケーシングが含まれている。さらに、前縁と、前縁の後方に軸方向に離間されている後縁と、前縁を後縁に接続する基部とを含む内側シュラウド部品が含まれている。さらに、前縁と後縁との間に配設されておりかつ第１の側方部と第２の側方部と間に延在しているリブが含まれており、リブは、内側シュラウド部品を冷却するために冷却流を受け入れるように構成されている主通路を含む。

これらのかつ他の利点及び特徴が、図面と併用されている以下の記載から明らかになるであろう。

本発明と見なされる主題は、本明細書の終わりに、特許請求の範囲において、詳細に指摘され明確に特許請求されている。本発明の上記の並びに他の特徴及び利点は、添付図面と併用されている以下の詳細な説明から明らかである。

ガスタービンシステムの概略図である。 タービンシュラウド組立体の内側シュラウド部品の上面斜視図である。 リブを貫通して延在している通路を有する内側シュラウド部品の側面横断面図である。 内側シュラウド部品の上面平面図である。

詳細な説明は、図面を参照して、例として、利点及び特徴と共に本発明の実施形態を説明する。

図１を参照すると、ガスタービンシステムが、参照番号１０を付されて概略的に示されている。ガスタービンシステム１０は、圧縮機１２と、燃焼器１４と、タービン１６と、シャフト１８と、燃料ノズル２０とを含む。ガスタービンシステム１０の一実施形態が、複数の圧縮機１２と、燃焼器１４と、タービン１６と、シャフト１８と、燃料ノズル２０とを含んでいてもよいことを理解されたい。圧縮機１２とタービン１６とは、シャフト１８により連結されている。シャフト１８は、単一のシャフト又は結合されてシャフト１８を形成する複数のシャフト部分であってもよい。

燃焼器１４は、可燃性液体及び／又は天然ガスもしくは水素リッチ合成ガスなどの気体燃料を使用して、ガスタービンシステム１０を稼動させる。例えば、燃料ノズル２０が空気供給部及び燃料供給部２２と流体連通している。燃料ノズル２０は、空気−燃料混合物を生成し、空気−燃料混合物を燃焼器１４内に放出し、それにより、高温加圧排ガスを生成する燃焼を生じさせる。燃焼器１４は、トランジションピースを通ってタービンノズル（すなわち「第１段ノズル」）内に入るように高温加圧ガスを方向付け、バケット及びノズルの他の段が、タービンケーシング２４の内部でタービン１６を回転させる。タービン１６の回転によりシャフト１８が回転し、それにより空気が圧縮機１２に流入すると、空気を圧縮する。ある実施形態では、高温ガス経路部品がタービン１６内に配置されており、部品を横断する高温ガス流が、タービン部品のクリープ、酸化、磨耗、及び熱疲労を引き起こす。高温ガス経路部品の温度を制御することにより、部品の損傷状態を軽減することができ、燃焼温度の上昇に伴ってガスタービンシステム１０の効率が高まる。燃焼温度が上昇するので、高温ガス経路部品は、適切に冷却されて耐用年数にかないかつ所期の機能を効率的に実施する必要がある。

図２〜図４を参照すると、タービンシュラウド冷却用組立体３０が示されている。シュラウド組立体が、タービンケーシング２４に近接していて詳細に前述されている高温ガス経路に晒されているタービン１６内に配設されている部品の例であり、高温ガス経路は、参照番号３２を付して参照されている。タービンシュラウド冷却用組立体３０は、タービン１６の内部で高温ガス経路３２に近接した内面３６を備えた内側シュラウド部品３４を含む。タービンシュラウド冷却用組立体３０はまた、タービン１６内の比較的冷たい流体及び／又は空気にほぼ近接した外側シュラウド部品（図示せず）を含み、内側シュラウド部品３４は、外側シュラウド部品に動作可能に結合されている。タービンシュラウド冷却用組立体３０全体の冷却を向上させるために、冷却源により供給される冷却流３８が、外側シュラウド部品内に導入され、内側シュラウド部品３４の方へ方向付けられる。具体的には、外側シュラウド部品の内部のプレナムが、冷却流３８を吸い込み、内側シュラウド部品３４の方へ方向付けるために存在していてもよい。

内側シュラウド部品３４は、外面４２、及び前述の通り高温ガス経路３２に直接露出される内面３６を有する基部４０を含む。基部４０は、通常、内側シュラウド部品３４の前縁４４と後縁４６との間に弓状に延在している。前縁４４及び後縁４６はどちらも、例えばレール又はクリップなどの１以上の締結装置４８を含み、締結装置は、内側シュラウド部品３４を外側シュラウド部品と動作可能に結合する。内側シュラウド部品３４はまた、前縁４４と後縁４６との間に、それらに接続して、基部４０に沿って延在している第１の側方部５０と第２の側方部５２とを含む。基部４０の外面４２は、外側シュラウド部品と結合してインピンジメントキャビティなどの１以上のキャビティ５４を形成し、冷却流３８はその方へかつその中へ方向付けられる。

多数の内部通路が、冷却流３８が通過することを可能にするために、内側シュラウド部品３４の内部に形成されている。第１の側方部通路６０が、第１の側方部５０に近接して配設されており、第２の側方部通路６２が、第２の側方部５２の近傍に配設されている。さらに、前方通路６４が前縁４４に近接した位置に、後方通路６８が後縁４６に近接した位置に含まれていてもよい。多数の他の内部通路が、前述の内部通路に加えて、又はそれらの代わりに設けられていてもよい。図示の実施形態では、第１の側方部通路６０、第２の側方部通路６２、前方通路６４、及び後方通路６８は、内側シュラウド部品３４の周囲の近傍に配設されている。

基部４０と一体的に形成されているリブ７０が、基部４０の外面４２の残部から離れて半径方向に突出しており、第１の側方部５０と第２の側方部５２との間に延在している。当然のことながら、他の実施形態では、リブ７０が前縁４４から後縁４６まで延在している図示のものに対して相対的に垂直の場合を含めて、リブ７０は基部４０を横断して様々な角度で延在していてもよい。リブ７０の正確な位置及び配向に関係なく、周囲に近接した部分ではなく内側シュラウド部品３４の部分を効果的かつ効率的に冷却するために、リブ７０の内部に主通路７２が形成されている。図示の実施形態では、主通路７２は、第１の側方部通路６０と第２の側方部通路６２との間に延在しており、それらに接続しており、それにより、冷却流３８が主通路７２、第１の側方部通路６０、及び第２の側方部通路６２を任意の方向に通って移動することを可能にしている。さらに、前方通路６４及び後方通路６８は、第１の側方部通路６０と第２の側方部通路６２との間に延在しており、それらに接続しており、それにより、連続した相互接続冷却流回路７４を形成している。当然のことながら、主通路７２、第１の側方部通路６０、第２の側方部通路６２、前方通路６４及び／又は後方通路６８を含む通路のいずれかにおいて１以上の中断部を含むことにより、不連続回路が形成されていてもよい。

内側シュラウド部品３４の冷却が、冷却流３８を供給する冷却源（図示せず）からの冷却流３８の気流を吸い込むことにより達成され、冷却流は、空気、水溶液及び／又はガスを含んでいてもよい。冷却流３８は、内側シュラウド部品３４を冷却する任意の適切な流体である。例えば、冷却源は、圧縮機１２からの圧縮空気の供給部であり、圧縮空気は、燃焼器１４に送られる空気供給から迂回させられる。このように、圧縮空気の供給は燃焼器１４を迂回し、タービンシュラウド冷却用組立体３０を冷却するのに使用される。内側シュラウド部品３４は、１以上のキャビティ５４で冷却流３８を受け入れ、冷却流３８を、第１の側方部通路６０、第２の側方部通路６２、前方通路６４、及び後方通路６８の１以上の中に導入する。そのような構成により、冷却流３８が、内部で冷却するために主通路７２に移動することができる。さらに、主通路７２は、冷却流３８が内部通路内に入る唯一の又は付加的な吸込み点であってもよい。例えば、主通路７２は、リブ７０に形成されており１以上のキャビティ５４と主通路７２とを流体接続する、１以上のしかし通常は複数のチャネル７６を含んでいてもよい。複数のチャネル７６は、任意の適切な方法で、ドリルで穴を開けられるか又は形成されていてもよい。冷却流３８のための１以上の出口経路が、内側シュラウド部品３４の１以上の部分の全体に亘って形成されて、高温ガス経路３２などの外部領域への冷却流３８の放出を可能にしてもよい。出口経路の１つの検討される配置として、内側シュラウド部品３４の内面３６を貫通しているものがある。

したがって、リブ７０の内部の主通路７２により、内側シュラウド部品３４の周囲から離れて配設されているリブ７０を通って冷却流３８が流動することが可能になり、それにより、内側シュラウド部品３４全体の冷却の向上がもたらされる。そのような特徴が、リブ７０の後縁部を含む内側シュラウド部品３４の様々な領域の高温を最終的に低下させる。ガスタービンシステム１０の全体的な効率性が、内側シュラウド部品３４を効率的に冷却するために必要な冷却流３８の減少に基づいて向上する。さらに、内側シュラウド部品３４の耐用年数が、高温ガス経路３２に露出する間の温度の低下により増加する。

限られた数の実施形態のみに関連して本発明を詳細に記載したが、本発明がそのような開示されている実施形態に限定されないことが容易に分かるはずである。むしろ、本発明は、これまでに記載されていないが本発明の精神及び範囲に見合う任意の数の変形形態、修正形態、置換形態、又は等価の装置を組み込むように修正することができる。さらに、本発明の種々の実施形態を記載したが、本発明の態様が記載された実施形態のいくつかのみを含んでいてもよいことは言うまでもない。したがって、本発明は、上述の記載により限定されると見なされるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

１０ ガスタービンシステム
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ タービン
１８ シャフト
２０ 燃料ノズル
２２ 燃料供給部
２４ タービンケーシング
３０ タービンシュラウド冷却用組立体
３２ 高温ガス経路
３４ 内側シュラウド部品
３６ 内面
３８ 冷却流
４０ 基部
４２ 外面
４４ 前縁
４６ 後縁
４８ 締結装置
５０ 第１の側方部
５２ 第２の側方部
５４ キャビティ
６０ 第１の側方部通路
６２ 第２の側方部通路
６４ 前方通路
６８ 後方通路
７０ リブ
７２ 主通路
７４ 冷却流回路
７６ チャネル

Claims (20)

1. ガスタービンシステム用のタービンシュラウド冷却用組立体であって、
   ガスタービンシステムのタービンセクション内に高温ガス経路に近接して配設された内側シュラウド部品であって、高温ガス経路と直接接触した基部を含む内側シュラウド部品と、
   基部から半径方向に突出した１以上のリブであって、冷却源からの冷却流を受け入れるように構成された１以上のキャビティの近傍に配設された１以上のリブと
   を備えており、冷却流が、１以上のリブの主通路を通過して内側シュラウド部品を冷却する、タービンシュラウド冷却用組立体。
2. 第１の側方部内に配設された第１の側方部通路と、第２の側方部内に配設された第２の側方部通路とをさらに含む、請求項１記載のタービンシュラウド冷却用組立体。
3. 前記主通路が第１の側方部通路から第２の側方部通路まで延在しており、冷却流が主通路を通過して第１の側方部通路と第２の側方部通路との間を移動する、請求項２記載のタービンシュラウド冷却用組立体。
4. 内側シュラウド部品の前縁と内側シュラウド部品の後縁とをさらに含む、請求項２記載のタービンシュラウド冷却用組立体。
5. 前縁の近傍に配設された１以上の前方通路と、後縁の近傍に配設された１以上の後方通路とをさらに含み、主通路が、１以上の前方通路から１以上の後方通路まで延在している、請求項２記載のタービンシュラウド冷却用組立体。
6. １以上の前方通路が、第１の側方部通路から第２の側方部通路まで延在しており、１以上の後方通路が第１の側方部通路から第２の側方部通路まで延在している、請求項５記載のタービンシュラウド冷却用組立体。
7. 冷却流は、連続した相互接続冷却流回路の第１の側方部通路、第２の側方部通路、１以上の前方通路、１以上の後方通路、及び主通路の間で自由に移動する、請求項５記載のタービンシュラウド冷却用組立体。
8. １以上のキャビティから主通路まで延在しており、冷却流を主通路内へ方向付ける複数のチャネルをさらに含む、請求項１記載のタービンシュラウド冷却用組立体。
9. 主通路が１以上の中断部を含んでいて複数の主通路を形成する、請求項１記載のタービンシュラウド冷却用組立体。
10. ガスタービンシステム用のタービンシュラウド冷却用組立体であって、
    ガスタービンシステムのタービンセクション内に高温ガス経路に近接して配設された内側シュラウド部品であって、前縁及び前縁に対して内側シュラウド部品の後方位置に配設されている後縁を含む、内側シュラウド部品と、
    前縁から後縁まで延在している基部であって、高温ガス経路と直接接触する基部と、
    第１の側方部から第２の側方部まで基部から半径方向外側に延在しているリブであって、第１の側方部と第２の側方部との間に延在していて冷却源からの冷却流を受け入れるように構成されている主通路を含むリブと
    を備えるタービンシュラウド冷却用組立体。
11. リブが、冷却源からの冷却流を受け入れるように構成された１以上のキャビティによって少なくとも部分的に取り囲まれている、請求項１０記載のタービンシュラウド冷却用組立体。
12. １以上のキャビティから主通路まで延在していて冷却流を主通路内に方向付ける複数のチャネルをさらに含む、請求項１１記載のタービンシュラウド冷却用組立体。
13. 複数のチャネルが穿孔貫通孔である、請求項１２記載のタービンシュラウド冷却用組立体。
14. 第１の側方部内に配設された第１の側方部通路と第２の側方部内に配設された第２の側方部通路とをさらに含んでおり、主通路が第１の側方部通路から第２の側方部通路まで延在しており、冷却流が、主通路を通過して第１の側方部通路と第２の側方部通路との間で移動する、請求項１２記載のタービンシュラウド冷却用組立体。
15. 前縁の近傍に配設された前方通路と後縁の近傍に配設された後方通路とをさらに含む、請求項１４記載のタービンシュラウド冷却用組立体。
16. 前方通路が第１の側方部通路から第２の側方部通路まで延在しており、後方通路が第１の側方部通路から第２の側方部通路まで延在している、請求項１５記載のタービンシュラウド冷却用組立体。
17. 冷却流が、連続した相互接続冷却流回路の第１の側方部通路、第２の側方部通路、前方通路、後方通路、及び主通路の間で自由に移動する、請求項１５記載のタービンシュラウド冷却用組立体。
18. 高圧で冷却流を分配する圧縮機と、
    内部で冷却するために冷却流を受け入れるタービンシュラウド組立体を動作可能に支持するタービンケーシングと、
    前縁、前縁の後方に軸方向に離間されている後縁、前縁を後縁に接続する基部を含む内側シュラウド部品と、
    前縁と後縁との間に配設されておりかつ第１の側方部と第２の側方部との間に延在しているリブであって、内側シュラウド部品を冷却するために冷却流を受け入れるように構成されている主通路を含むリブと
    を含む、ガスタービンシステム。
19. 第１の側方部内に配設された第１の側方部通路と第２の側方部内に配設された第２の側方部通路とをさらに含み、主通路は、第１の側方部通路から第２の側方部通路まで延在しており、冷却流は、主通路を通過することにより第１の側方部通路と第２の側方部通路との間で移動する、請求項１８記載のガスタービンシステム。
20. リブは、冷却流を受け入れるように構成されているインピンジメントキャビティにより少なくとも部分的に取り囲まれており、インピンジメントキャビティから主通路まで延在していて冷却流を主通路内に方向付ける複数のチャネルをさらに含む、請求項１８記載のガスタービンシステム。