JP2013249835A - タービンシステムのバケット用冷却組立体及び冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンシステムのバケット用冷却組立体及び冷却方法を提供すること。
【解決手段】タービンシステムのバケット用冷却組立体が、タービンセクションの外側ケーシングに動作可能に結合したシュラウド組立体を備える。また、この冷却組立体は、１以上のキャビティを有する翼形部も備え、１以上のキャビティが、冷却源からシュラウド組立体内に設けられた１以上のチャネルを通して冷却源から冷却流を受けるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示する主題は、タービンシステムに関し、より詳細には、そのようなタービンシステムのバケット用冷却組立体、並びにバケットを冷却する方法に関する。

ガスタービンシステムなどのタービンシステムでは、燃焼器が、燃料又は空気と燃料の混合物の化学エネルギーを熱エネルギーに転換する。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って、タービンに搬送され、タービンで熱エネルギーが機械的エネルギーに転換される。転換工程の一部として、高温ガスが、高温ガス経路としてタービンの部分を越えて、及びタービンの部分を通って流される。高温ガス経路に沿って温度が高いために、タービンの部品が加熱され、部品を劣化させる原因になる可能性がある。

冷却を必要とするそのような部品の１つは、タービンシステムの作動中、高温ガス経路に直接影響を受けるバケットである。様々な冷却機構が、効果的かつ効率的にバケットを冷却する目的で採用されてきた。冷却が、半径方向の内側根元領域からバケットのキャビティ内に冷却流を注入することによって達成されることが多いが、その根元領域もまた、タービンセクションの大きい最終段のバケットに対して特に、バケットの外側先端部でバケットにかかる高い応力負荷を支持するために、相対的に大きい金属部分を含まねばならない。根元に空気を供給することと、金属部分を支持することとの間で空間を競い合うことによって、タービンセクションの空気力学的設計に関する問題がもたらされる。

米国特許第７６８２１３３号

本発明の一態様によれば、タービンシステムのバケット用冷却組立体が、タービンセクションの外側ケーシングに動作可能に結合したシュラウド組立体を備える。また、このバケット用冷却組立体は、１以上のキャビティを有する翼形部も備え、１以上のキャビティが、冷却源からシュラウド組立体内に設けられた１以上のチャネルを通して冷却源から冷却流を受けるように構成されている。

本発明の別の態様によれば、タービンシステムのバケット用冷却組立体が、前縁、後縁及びそれらの間に１以上のキャビティを有する回転翼形部を備える。また、この冷却組立体は、回転翼形部の外側先端近傍に配置された１以上のシールレールも備える。さらに、冷却組立体は、タービンセクションの外側ケーシングに動作可能に結合したシュラウド組立体を備え、シュラウド組立体が、１以上のシールレールをその近傍に収容するように構成された１以上の凹部を含んでいて、冷却源から冷却流を受ける１以上のキャビティの外側領域近傍に、加圧プレナムを形成し、冷却流が、シュラウド組立体内の１以上のチャネルを通って、加圧プレナムに移送される。

本発明の別の態様によれば、タービンシステムのバケットを冷却する方法が提供される。その方法は、翼形部の１以上の外側先端を半径方向外側に位置するシュラウド組立体近傍に配置するステップであって、翼形部が１以上のキャビティを有する、ステップを含む。また、この方法は、１以上のキャビティの外側領域近傍に位置し、シュラウド組立体内に設けられた１以上のチャネルの１以上の出口に相対的に隣接するプレナムを加圧するステップを含む。さらに、方法は、１以上のチャネルを通って、プレナム内に冷却流を注入するステップを含む。

これら並びに他の利点及び特徴が、添付の図面と併せて解釈すれば、以下の説明からより明らかになるであろう。

本発明と考えられる主題を具体的に指摘し、本明細書の結びにおける特許請求の範囲の中で明確に特許請求する。本発明の上記並びに他の特徴及び利点が、添付の図面と併せて解釈すれば、以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。

タービンシステムの概略図である。 冷却流が半径方向に整列して供給される、タービンシステムのタービンセクション内のバケットの第１の実施形態の横断面図である。 バケットの第２の実施形態の横断面図である。 冷却流が軸方向に整列して供給されるバケットの横断面図である。 バケットの冷却方法を示す流れ図である。

詳細な説明により、図面を参照して例によって、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、参照符号１０を用いて概略的に示されている。ガスタービンシステム１０は、圧縮機セクション１２、燃焼器セクション１４、タービンセクション１６、シャフト１８及び燃料ノズル２０を含む。ガスタービンシステム１０の一実施形態は、複数の圧縮機１２、燃焼器１４、タービン１６、シャフト１８及び燃料ノズル２０を含むことができると理解されたい。圧縮機セクション１２及びタービンセクション１６は、シャフト１８によって結合されている。シャフト１８は、単一のシャフトであっても、又はシャフト１８を形成するように一体に結合されている複数のシャフトセグメントであってもよい。

燃焼器セクション１４は、天然ガス又は富水素合成ガスなど、燃焼可能な液体、及び／又はガス燃料を使用して、ガスタービンシステム１０を作動する。例えば、燃料ノズル２０は、空気供給源及び燃料供給源２２と流体連通している。燃料ノズル２０は、空気と燃料の混合物を生成し、空気と燃料の混合物を燃焼器セクション１４内に放出し、それによって、高温の加圧された排気ガスを生成する燃焼を起こす。燃焼器セクション１４は、トランジションピースを通ってタービンノズル（又は「１段目のノズル」）内に高温の加圧されたガスを導き、他の段のバケット及びノズルが、タービンセクション１６の外側ケーシング２４内のタービンバケットを回転させることになる。タービンバケットの回転により、シャフト１８が回転し、それによって、空気が圧縮機セクション１２内に流れ込むにつれて、空気を圧縮する。一実施形態では、高温ガス経路部品がタービンセクション１６内に位置し、タービンセクション１６内では部品を横切る高温ガス流によって、タービン部品のクリープ、酸化、摩耗及び熱疲労が引き起こされる。高温ガス部品の例には、バケット組立体（ブレード又はブレード組立体としても知られている）、ノズル組立体（静翼又は静翼組立体としても知られている）、シュラウド組立体、トランジションピース、保持リング及び圧縮機排気部品が含まれる。列挙した部品は例示に過ぎず、高温ガスの影響を受ける例示的部品を網羅的に列挙すると意図するものではない。高温ガス部品の温度を制御することによって、部品の中の疲労状態を低減することができる。

図２を参照すると、第１の実施形態のバケットの横断面図が、部分的に図示されており、バケットは互換的に翼形部２６と呼ぶことができる。具体的には、翼形部２６の半径方向外側領域が図示されている。上記に述べたように、翼形部２６は、タービンセクション１６の外側ケーシング２４の内部でシャフト１８の周りに回転するように構成されている。翼形部２６は、前縁３０及び後縁３２を含み、前縁３０及び後縁３２は一体に収束して（図示せず）、その間に１以上のキャビティ３４を形成する。１以上のシールレール３６が、１以上の前縁３０及び後縁３２の先端部３８に沿って配置され、先端部３８は、翼形部２６に沿って半径方向の先端位置に位置する。図示のように、１以上のシールレール３６は、典型的には、前縁３０及び後縁３２の両方の先端部３８に沿って配置されることになり、先端部３８から略半径方向外側に延在する。１以上のシールレール３６が、主流路４０に沿ってタービンセクション１６を通過する作動流体の漏出を低減し、翼形部２６と同じ材料、又は任意の他の適切な材料から作製され得る。１以上のシールレール３６が、翼形部２６と一体に形成可能であり、又は翼形部２６に作動可能に結合され得るが、その場合、１以上の部品を１以上のシールレール３６と翼形部２６の先端部３８との間に配置することができる。

翼形部２６の先端部３８、及び、より具体的には、１以上のシールレール３６は、先端部３８の半径方向外側に位置するシュラウド組立体５０の極めて近傍に配置されている。シュラウド組立体５０は固定されており、タービンセクション１６の外側ケーシング２４に作動可能に結合されている。シュラウド組立体５０の半径方向内側部分５２に沿って、１以上のシールレール３６を接近して受けるために、１以上の凹部５４が存在する。１以上の凹部５４は、シュラウド組立体５０の内部に事前に作製可能であり、又はガスタービンシステム１０の作動中に生じる場合がある。具体的には、ガスタービンシステム１０の作動中に１以上の凹部５４を形成する場合、翼形部２６の回転により、１以上のシールレール３６がシュラウド組立体５０の半径方向内側部分５２に位置する材料と相互に作用することになり、シュラウド組立体５０は、翼形部２６の回転中に、１以上のシールレール３６と接触すると、容易に摩耗するように構成されている。そのような配置は「ハニカム」構造と呼ぶことができ、ハニカム構造は、１以上のシールレール３６に一致して、１以上のシールレール３６とシュラウド組立体５０との間に緊密な嵌合関係を保証する。

次に、図３を参照すると、翼形部２６の第２の実施形態が考察され、第２の実施形態は、翼形部２６の先端部３８から半径方向外側ではなく、シュラウド組立体５０の内側部分５２から半径方向内側に突出している１以上のシールレール１３６を含む。１以上のシールレール１３６は、翼形部２６とシュラウド組立体５０との間にシールを提供する。１以上のシールレール１３６は、シュラウド組立体５０に作動可能に結合可能であり、又はシュラウド組立体５０と一体に形成可能である。図２に関連して記載する他の構造上の部品を第２の実施形態に含むことができる。

上記に考察するように、タービンセクション１６内の特定の部品は、部品がガスタービンシステム１０の作動中に受ける熱的条件に起因して、冷却が必要である。一般に、翼形部２６は、より具体的には翼形部２６の先端部３８は、冷却が必要な部品である。そのような冷却方法の１つは、シュラウド組立体５０内に位置する１以上のチャネル６０を通って、１以上のキャビティ３４の中に冷却流５８を注入するステップを含む。冷却流５８は、冷却供給源によって供給され、冷却供給源は複数の供給源を含むことができ、１つの例示的な供給源は、圧縮機セクション１２によって供給され、シュラウド組立体５０に導かれる圧縮空気を含む。シュラウド組立体５０内の１以上のチャネル６０は、冷却流５８を１以上のキャビティ３４の半径方向外側領域２８に配置されているプレナム６２の中に導く。プレナム６２は、少なくとも部分的に、前縁３０、後縁３２及び１以上のシールレール３６によって形成される。したがって、翼形部２６上に冷却効果をもたらすために、冷却流５８は、１以上のキャビティ３４に入り、より具体的には、１以上のチャネル６０の出口６４を通ってプレナム６２に入る。１以上のチャネル６０の出口６４は、シュラウド組立体５０内に複数の角度で配向可能であり、図２に示すように、実質的に半径方向の整列を含み、又は別法として、実質的に軸方向の整列（図４）、並びに円周方向の配列を含んで、流入流に対して円周方向の速度の部品をもたらし、より効率的に冷却流を利用するようになることを理解されたい。さらに、冷却流５８が１以上のキャビティ３４を脱出するために、少なくとも１つ、しかし、典型的には、複数の出口穴６８が後縁３２内に配置され、１以上のキャビティ３４から後縁３２を通って延在する。複数の出口穴６８が、例えば、前縁３０など、様々な他の領域内に配置可能であることもまた熟考されたい。複数の出口穴６８の正確な配置にかかわらず、複数の出口穴６８は、冷却流５８が１以上のキャビティ３４から主流路４０内に出る経路を提供する。

冷却流５８が脱出するための追加の経路が、１以上のシールレール３６の外側縁部７２と１以上の凹部５４との間の間隙７０によってもたらされる。１以上のシールレール３６は、１以上のキャビティ３４、より具体的には、プレナム６２を外部先端領域７４から分離する。間隙７０は、冷却流５８が１以上のキャビティ３４を出て、外部先端領域７４の近傍に放出されることを可能にする。冷却流５８が脱出する通路を提供する、間隙７０を通る経路などに加えて、冷却流５８は外部先端部７４に冷却効果を提供し、外部先端部７４は第１の圧力である。冷却流５８が複数の出口穴６８、及び／又は間隙７０を通って出ることを促進するために、１以上のキャビティ３４及びより具体的には、プレナム６２は、第１の圧力よりも大きい第２の圧力に加圧される。このことにより、冷却流５８がより低い圧力領域、具体的には、外部先端領域７４の方へ移動することを保証する。

図５の流れ図に示すように、並びに図１及び図２を参照して、タービンシステムのバケットを冷却する方法１００もまた提供される。翼形部２６及びシュラウド組立体５０は、上記に説明されており、具体的な構造上の部品はさらに詳細に説明する必要はない。冷却方法１００は、翼形部の１以上の外側先端をシュラウド組立体の近傍に、より具体的には、上記に考察したように、１以上の凹部５４近傍に配置するステップ（１０２）を含む。プレナムは、例えば、外部先端領域７４などのような外部領域の圧力よりも大きい圧力に加圧される（１０４）。冷却流は、シュラウド組立体５０の１以上のチャネル６０を通って、１以上のキャビティ３４内に注入され（１０６）、シュラウド組立体５０から冷却流が、上記に考察したように、複数の出口穴６８、及び／又は間隙７０など、１以上の出口経路を通って放出される（１０８）。

本発明を限定された数の実施形態のみに関連して説明したが、本発明は、そのような開示されている実施形態に限定されるのではないということをすぐに理解すべきである。むしろ、本発明は、これまでに記載しなかったが、本発明の精神及び範囲に一致する任意の数の変形形態、変更形態、代替形態、又は均等な配置を組み込むように修正可能である。加えて、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の態様は記載されている実施形態のいくつかのみを含むことができることを理解すべきである。したがって、本発明は、上述の記載に限定されると考えるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されると考えるべきである。

１０ ガスタービンシステム
１２ 圧縮機セクション
１４ 燃焼器セクション
１６ タービンセクション
１８ シャフト
２０ 燃料ノズル
２２ 燃料供給
２４ 外側ケーシング
２６ 翼形部
２８ 外側セクション
３０ 前縁
３２ 後縁
３４ キャビティ
３６ シールレール
３８ 先端部
４０ 主流路
５０ シュラウド組立体
５２ 内側部分
５４ 凹部
５８ 冷却流
６０ チャネル
６２ プレナム
６４ 出口
６８ 出口穴
７０ 間隙
７２ 外側縁部
７４ 外部先端領域
１００ 冷却方法

Claims (20)

1. タービンシステムのバケット用冷却組立体であって、
   タービンセクションの外側ケーシングに動作可能に結合したシュラウド組立体と、
   １以上のキャビティを有する翼形部であって、１以上のキャビティが、冷却源からシュラウド組立体内に設けられた１以上のチャネルを通して冷却源から冷却流を受けるように構成されている、翼形部と
   を備える冷却組立体。
2. 翼形部の先端部から半径方向外側に延在する１以上のシールレールをさらに備えており、シュラウド組立体が、１以上のシールレールをその近傍に収容するように構成された１以上の凹部を含む、請求項１記載の冷却組立体。
3. １以上のシールレールとシュラウド組立体によって、１以上のキャビティの外側領域の近傍に形成されるプレナムをさらに備える、請求項１記載の冷却組立体。
4. 翼形部の先端部近傍の外部領域をさらに備え、外部領域が１以上のシールレールによってプレナムから分離されていて第１の圧力であり、プレナムが第２の圧力に加圧され、第２の圧力が第１の圧力よりも大きい、請求項３記載の冷却組立体。
5. １以上のシールレールの外側縁部とシュラウド組立体の間に設けられた間隙をさらに備え、冷却流が、先端部を冷却するために、間隙を通過して外部領域に流れる、請求項４記載の冷却組立体。
6. シュラウド組立体の内側部分から半径方向内側に延在する１以上のシールレールをさらに備える、請求項１記載の冷却組立体。
7. １以上のキャビティをそれらの間に画成する前縁及び後縁と、
   １以上のキャビティ内の冷却流がタービンセクションの主流路に出れるように１以上のキャビティから翼形部を通して延びる１以上の出口穴と
   をさらに備える、請求項１記載の冷却組立体。
8. シュラウド組立体内に設けられた１以上のチャネルが、軸方向に配向しているとともに、プレナム内に冷却流を注入するためプレナム近傍に出口を有している、請求項１記載の冷却組立体。
9. シュラウド組立体内に設けられた１以上のチャネルが、半径方向に配向しているとともに、プレナム内に冷却流を注入するためプレナム近傍に出口を有している、請求項１記載の冷却組立体。
10. 冷却源がタービンシステムの圧縮機を含む、請求項１記載の冷却組立体。
11. タービンシステムのバケット用冷却組立体であって、
    前縁、後縁及びそれらの間に１以上のキャビティを有する回転翼形部と、
    回転翼形部の外側先端近傍に配置された１以上のシールレールと、
    タービンセクションの外側ケーシングに動作可能に結合したシュラウド組立体であって、シュラウド組立体が、１以上のシールレールをその近傍に収容するように構成された１以上の凹部を含んでいて、冷却源から冷却流を受ける１以上のキャビティの外側領域近傍に加圧プレナムを形成し、冷却流がシュラウド組立体内の１以上のチャネルを通して加圧プレナムに移送される、シュラウド組立体と
    を備える冷却組立体。
12. 回転翼形部の先端部近傍の外部領域をさらに備え、外部領域が、１以上のシールレールによって加圧プレナムから分離されている、請求項１１記載の冷却組立体。
13. 外部領域が第１の圧力であって、加圧プレナムが第２の圧力であり、第２の圧力が第１の圧力よりも大きい、請求項１２記載の冷却組立体。
14. １以上のシールレールの外側縁部とシュラウド組立体の間に設けられた間隙をさらに備え、冷却流が先端部を冷却するために間隙を通過して外部領域に流れる、請求項１３記載の冷却組立体。
15. １以上のキャビティ内の冷却流がタービンセクションの主流路に出れるように１以上のキャビティから回転翼形部を通して延びる１以上の出口穴をさらに備える、請求項１１記載の冷却組立体。
16. シュラウド組立体内に設けられた１以上のチャネルが半径方向に配向しているとともに、加圧プレナム内に冷却流を注入するためプレナム近傍に出口を有している、請求項１１記載の冷却組立体。
17. タービンシステムのバケットを冷却する方法であって、
    翼形部の１以上の外側先端を、翼形部半径方向外側に位置するシュラウド組立体近傍に配置するステップであって、翼形部が１以上のキャビティを有する、ステップと、
    １以上のキャビティの外側領域近傍に位置し、シュラウド組立体内に設けられた１以上のチャネルの１以上の出口に相対的に隣接するプレナムを加圧するステップと、
    １以上のチャネルを通って、プレナム内に冷却流を注入するステップと
    を含む方法。
18. 外側先端部を冷却するために、シールレールを越えて翼形部の外側先端部に、冷却流を流すステップをさらに含む、請求項１７記載の方法。
19. １以上のキャビティから、翼形部内部に配置されている１以上の出口穴を通って、冷却流を放出するステップをさらに含む、請求項１７記載の方法。
20. 冷却流に、タービンシステムの圧縮機セクションから圧縮空気を供給するステップをさらに含む、請求項１７記載の方法。