JP2014051981A

JP2014051981A - ノズル端壁の蛇行冷却

Info

Publication number: JP2014051981A
Application number: JP2013185809A
Authority: JP
Inventors: Daniel Jackson Dillard; ダニエル・ジャクソン・ディラード; Christopher Donald Porter; クリストファー・ドナルド・ポーター
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2014-03-20
Also published as: CH706962A2; CH706962B1; CH706962A8; US20140072400A1; DE102013109150A1; US9194237B2

Abstract

【課題】ガスタービンのノズルの前縁を冷却する。
【解決手段】ガスタービンのガスタービンノズルセクション１１０が、前縁１１５を備えた内端壁１１４を有する。実質的に前縁１１５内に、蛇行流路１１６が構成される。蛇行流路１１６は、入口１１８及び出口１１９を有する。空気を入口１１８で受け取り、出口１１９で排出することによって、前縁１１５を冷却する。
【選択図】図１

Description

本開示は、概してガスタービンに関し、特に、ガスタービンのノズルの前縁の冷却方法及びシステムに関する。

燃焼タービンとも称されるガスタービンは内燃機関を有し、この内燃機関は、ガスを加速させて燃焼室に送り込み、燃焼室では、熱を加えることでガスの容積を増大させる。その後、膨張したガスはタービンへと導かれ、この膨張したガスにより生成させるエネルギーが抽出される。ガスタービンには、ジェットエンジンとしての使用や産業用発電システムでの使用をはじめ、数多くの実用的な用途がある。

ガスタービンの部品において、１つ以上のノズルが、ガス流をタービンブレード（「バケット」とも称される）に向けて加速させ、ガスタービンの中心軸のまわりでブレードを回転させる。こうしたノズルは、固定されており、ガスタービンの外端壁と内端壁との間で半径方向に延在するエアフォイルの形状である。高温のガスが、この外端壁及び内端壁とエアフォイル壁によって形成される流路を流れる。各端壁の前縁は、かかるエアフォイルの各々から上流に延在するオーバーハングを形成する。明らかなように、この前縁と端壁は非常に高温に達し、過熱はタービン性能に影響を与えることがある。したがって、大抵の場合、ガスタービンのこれらの部分を冷却する方策をとる。端壁の中央部分にはインピンジメント冷却が可能であるが、ノズルエアフォイル端壁の前縁部は、前縁の下方の空間をガスが流れないように、設計上、タービンブレードの各部（例えば、タービンブレードの「エンジェルウィング」）と重なっている。このような、ノズル端壁の前縁のオーバーハング構造の冷却は特に困難である。また、この部分は特に高温に曝され、場合によっては、ブレード部分がノズルエアフォイルの前縁部に直接的に近接する際の応力が、前縁を摩擦することがある。インピンジメントプレートの設計は、ブレードとノズルエアフォイル端壁との接触に耐えるほど通常は強固ではないので、この部分の冷却にはさほど適当ではないことがある。

米国特許第６２５４３３３号

ガスタービンのノズルの前縁を冷却する。

例示的且つ非限定的な実施形態において、ガスタービンノズルセクションが、前縁を備えた内端壁を有する。実質的に前縁内に、蛇行流路が構成される。蛇行流路は、入口及び出口を有し、空気を入口で受け取り、出口で排出することによって、前縁を冷却する。

例示的且つ非限定的な別の実施形態において、ガスタービンノズルセクションの内端壁の前縁内に実質的に構成される蛇行流路の入口で空気を受け取り、蛇行流路に空気を通し、蛇行流路の出口から空気を排出することにより、ガスタービンノズルセクションを冷却する方法を開示する。

上記の概要並びに下記の詳細な説明を図面と組み合わせて読むと、その理解が深まる。特許請求の主題を図示する目的で、様々な実施形態を示した図面の例を示すが、本発明が、開示した具体的なシステム及び方法に限定されることはない。

添付図面を参照して下記の詳細な説明を読むと、本主題のこれら及びその他の特徴、態様、及び利点の理解が深まるであろう。

非限定的且つ例示的なガスタービンのノズル及びタービンブレード部分の側断面図である。非限定的且つ例示的なガスタービンのノズル部分の断面の平面図である。非限定的且つ例示的なガスタービンノズル前縁の３つの側断面図である。非限定的且つ例示的なガスタービンノズル前縁の断面の平面図である。非限定的且つ例示的な別のガスタービンノズル前縁の断面の平面図である。非限定的且つ例示的な別のガスタービンノズル前縁の断面の平面図である。非限定的且つ例示的な別のガスタービンノズル前縁の断面の平面図である。非限定的且つ例示的な別のガスタービンノズル前縁の断面の平面図である。非限定的且つ例示的な別のガスタービンノズル前縁の断面の平面図である。

図１は、ノズルセクションとブレードセクションとを有する非限定的且つ例示的なガスタービン部分１００を側断面図で示す。なお、図１は、説明を目的とした前記のガスタービン部分の略図であり、本明細書で記載する実施形態のいずれかに係るガスタービンに存在し得る部品及びシステムの多くを省略している。当業者には明らかなように、ここで開示する実施形態は、あらゆるタイプ及び構造の幅広いガスタービンにおいて実装可能である。かかる実施形態は全て、本開示の範囲内であるものとする。

部分１００は、エアフォイル１２２を有するタービンブレード１２０を有する。タービンブレード１２０は、軸１４０の周りを回転する。部分１００は更に、固定され、外端壁１１３と内端壁１１４とを有するノズルセクション１１０を有する。外端壁１１３と内端壁１１４との間にエアフォイル１１２が結合されている。内端壁１１４は、エアフォイル１１２の上流にある前縁１１５を有する。部分１００内の気流は、方向１３０へと流れ、ブレード１２０上を通過した後、ノズルセクション１１０上を通過する。

前縁１１５の下方の空間を流れるガスの流れを最小限にするために、タービンブレード１２０は、タービンブレード１２０とノズルセクション１１０との間にシールを創出するように設計された部分１２４（例えば「エンジェルウィング」）を有する。内端壁１１４の中央部分１１７はインピンジメントにより空気が通過する際に冷却可能であるが、ノズルセクション１１０のエアフォイル１１２と前縁１１５とは、冷却が困難である。したがって、一実施形態では、１つ以上の流路１１６を実質的に前縁１１５内に構築することにより、内端壁１１４の中央部分１１７のインピンジメント冷却が行われた後に流路入口１１８でこの空気を受け取る（図１の矢印で示す気流方向）。入口１１８から受け取った空気が流路１１６を通過することにより前縁１１５を冷却する。流路１１６は、空気が流路１１６を通過した後に、この空気が流路出口１１９からガスタービン部分１００のホイール空間に排出されるように構成される。なお、流路１１６等の流路の入口及び出口のいかなる構成、設計、数、及び位置も、本開示の範囲内であるものとする。

図２は、一実施形態に係る、前縁２１０を含むノズルセクション２００の断面平面図である。なお、図２〜図９は、縮尺通りではなく、これらの断面の説明がより詳細に図示されている。一対の流路２３０及び２４０が前縁２１０に構成される。エアフォイル２２０が、ノズルセクション２００の流路の位置及び配向を参照するために、鎖線で図示されている。本図面からわかるように、流路２３０及び２４０は、前縁２１０の内部にある。なお、図２は、例示目的において単一のエアフォイルを図示しているが、複数のエアフォイルが本実施形態を実施可能などのノズルセクションに存在してもよく、かかる実施形態は全て、本開示の範囲内であるものとする。

一実施形態において、流路２３０及び２４０は、実質的に同じ寸法及び形状で蛇行しており、前縁２１０のフロントエッジ又は最外部、即ちエアフォイル２２０から最も離れた部分に沿って延びる蛇行流路の第１のパスの後、エアフォイル２２０により近い位置に延びる蛇行流路の第２のパスを通過する。このように、前縁部は流路によって冷却される。図２に示すように、第１のパス及び第２のパスは、その他のパスによって接続され、蛇行流路２３０及び２４０の全体が形成される。例えば、空気が入口パス２３１及び２４１からそれぞれ、流路２３０及び２４０の各々に流入し（図２に矢印で示す気流）、流路２３０及び２４０の流路を通過した後、流路２３０及び２４０のそれぞれ出口パス２３２及び２４２から流出する。入口パス２３１及び２４１で受け取る空気は、ノズルセクションのインピンジメント冷却領域又は端壁のインピンジメント領域からのものである。或いは、これらの入口で受け取る空気は、エアフォイルのインピンジメント冷却領域及び非インピンジメント領域を含むガスタービンのその他いかなる部分からのものでもよい。なお、本開示の範囲において、出口、入口、及びその他の関連するパスは、前縁２１０のいかなる位置、又はノズルセクション２００のどこにあってもよく、１つの流路に対して複数の出口及び／又は入口を実装できる。例えば、図２に示すように、入口をノズルセクションのエアフォイル部分に向けて配置して（その他の例として、図１の入口１１８及び図３の入口３１１も参照）、端壁のインピンジメント後の空気を受け入れるように構成すること、並びに、出口をホイール空間に向けて配置する（その他の例として、図１の出口１１９及び図３の出口３３１も参照）こともできる。なお、流路２３０及び２４０が相互接続されている実施形態もあるが、流路２３０及び２４０が相互接続されていない実施形態もある。

図３は、例えば図２に示すような蛇行流路を備えた前縁の３つの側断面図である。断面３１０は、蛇行流路の入口部分の側断面であり、入口３１１により、空気が流路に流入して流路部分３１２から前縁の最外部へと流れる。断面３２０は、蛇行流路の中間部分の側断面であり、空気が流路部分３１２から、流路部分３１２よりもノズルセクションのエアフォイルセクションに近い流路部分３２１へと流れる。断面３３０は、蛇行流路の出口部分の側断面であり、出口３３１は、流れている空気を流路部分３２１から出口３３１を通してタービンのホイール空間へと排出する。本図面からわかるように、出口が前縁の側部又は底部にあり、空気がタービンのホイール空間へと排出されるようになっており、入口が、ノズルセクションのインピンジメント冷却区画付近の領域の、前縁の側部にある。別の実施形態では、出口及び／又は入口をそれぞれどこに配置してもよく、かかる実施形態は全て、本開示の範囲内にあるものとする。

図４〜図９は、ガスタービンのノズルセクションの前縁の冷却に使用する蛇行流路の別の実施例を示す。なお、ここで説明するこれら及びその他の実施形態において、かかる流路はいかなる形状、寸法、数量、配向、構成のものであってもよく、かかる実施形態は全て、本開示の範囲内にあるものとする。

図４は、流路が図２のものとほぼ同じ形状であるが、流路の寸法が異なる実施形態を示す。なお、図４〜図９では、実施形態の説明を明瞭にするために、ガスタービンノズルセクションの内端壁の前縁部のみを示している。

図４では、前縁４００が蛇行流路４３０及び４４０を有し、蛇行流路４３０及び４４０は各々、前縁４００の最外部（即ち、前縁４００付近のエアフォイルから最も遠い部分）に沿って延びる蛇行流路の第１のパスと、この後に、関連するエアフォイルにより近い位置に延びる蛇行流路の第２のパスとを有する。本実施形態では、流路の内径又は幅は可変である。例えば、流路４３０及び４４０の第１のパスの幅４３３及び４４３はそれぞれ、流路４３０及び４４０の第２のパスの幅４３４及び４４４よりも小さい。或いは、別の実施形態では、第１のパスの幅が流路の第２のパスの幅よりも大きくてもよい。どの流路が、いかなる幅、直径、寸法、及びそのバリエーションであっても、本開示の範囲内であるものとする。図２の流路と同様に、空気が流路４３０及び４４０の各々に入口４３１及び４４１からそれぞれ流入し（図４の気流を示す矢印。明瞭性のため（図２のような）入口パス及び出口パスの全容は示していない）、両方の流路を通った後、流路４３０及び４４０のそれぞれの出口４３２及び４４２を出ると、前縁４００は流路４３０及び４４０により冷却される。なお、ここで開示する全ての実施形態について、出口及び入口を前縁のいかなる位置又はノズルセクションのいかなるその他の位置に設置してもよく、１つの流路に複数の出口及び／又は入口があっても、本開示の範囲内にあるものとする。

図５は、図２及び図４で示す実施形態とは異なり、それぞれが２つ以上のパスを有する蛇行流路５３０及び５４０を有する、非限定的且つ例示的な前縁５００を示す。流路５３０及び５４０の第１のパス５３５及び５４５がそれぞれ、前縁５００の最外部（即ち、前縁５００付近のエアフォイルから最も遠い部分）に沿って延び、その後、流路５３０及び５４０の第２のパス５３６及び５４６がそれぞれ、他の２つのパスの中間に配置されており、更に流路５３０及び５４０の第３のパス５３７及び５４７がそれぞれ、関連するエアフォイルの最も近くに延びている。本実施形態において、流路の内径又は幅は、ここで開示するその他の実施形態全てと同様に可変である。パスの数が幾つであっても、いかなる構成のこうしたパスも、本開示の範囲内であるものとする。前縁５００に構成される流路に対してより多数のパスを使用することにより、空気が流路５３０及び５４０のそれぞれに入口５３１及び５４１の各々に流入し（図５の気流を示す矢印）、流路を通過した後、流路５３０及び５４０の出口５３２及び５４２からそれぞれ出ると、前縁５００を流路５３０及び５４０により更に容易且つ十分に冷却できる。なお、ここで開示した全ての実施形態と同様に、出口及び入口を前縁のいかなる位置又はノズルセクションの他のいかなる位置に設置してもよく、１つの流路に対して複数の出口及び／入口があっても、本開示の範囲内であるものとする。

図６は、２つ以上の蛇行流路を有する非限定的且つ例示的な前縁６００を示すが、流路の数が幾つであっても本開示の範囲内であるものとする。図示の実施形態において、３つの流路６３０、６４０、６５０が前縁６００に各々構成され、各々が幾つのパス、いかなる内径、又は幅を有してもよい。パスの数が幾つであっても、流路６３０、６４０、６５０の各々についてこうしたパスの構成がいかなるものでも、本開示の範囲内であるものとする。前縁６００により多数の流路を用いることにより、前縁６００をより容易且つ十分に冷却できる（図６の流路を示す矢印）。

複数の流路ではなく、一実施形態では、単一の（任意で更に長尺の）流路を前縁に使用することがある。図７に、かかる実施形態を示す。前縁７００は、幾つのパスを有してもよく、パスの各々がいかなる内径又は幅を有してもよい、単一の流路７３０を有する。流路７３０に対してパスの数が幾つであっても、かかるパスのいかなる構成も、本開示の範囲内であるものとする。単一の（任意で更に大型の）流路を前縁７００に用いることにより、流路７３０で前縁７００を十分に冷却できる（図７の気流を示す矢印）。

流路が互いに対して、及び／又はガスタービンのノズルセクションのその他のいかなる部分に対して、いかなる配向であっても、本開示の範囲内であるものとする。例えば、図８に示すように、前縁８００の流路８３０及び８４０の各々を鏡像の向きに配向してもよい。別の例では、図９に示すように、前縁９００の流路９３０及び９４０の各々を、流路の長い方のパスが、例えば図４、図７、図８のように前縁のフロント部に対して実質的に平行ではなく、実質的にフロント部（即ち、関連するエアフォイルから遠い部分）に対して垂直になるように構成する。

ここで記載するシステム及び方法の技術的効果は、インピンジメント冷却空気の使用による、ガスタービンノズルの前縁部分の冷却改善である。当業者には明らかなように、開示のプロセス及びシステムの使用により、主要なガスタービン部品における温度低下又は必要な冷却流の削減が可能になるので、当該部品の性能が向上し、寿命が延びる。開示の実施形態の製造においては、鋳造後の作業の一部が不要になるので、コスト削減に繋がる。当業者であれば、開示の端壁冷却システム及び方法をその他の冷却システム及び技術と組み合わせて、更に優れた温度低下又は冷却流削減を行ってもよいことが理解できよう。かかる実施形態は全て、本開示の範囲内であるものとする。

本明細書では、最良の態様を含む例を用いて本明細書に含まれる主題を開示し、更に、あらゆる装置又はシステムの作製及び使用、並びにあらゆる付随の方法の実施を含め、当業者が本明細書に含まれる主題を実施できるように本発明を開示している。本発明の特許請求の範囲は、請求項によって定義されるが、当業者に想到可能なその他の例もこれに含まれる。かかるその他の例は、請求項の文言と相違ない構成要素を有する場合、又は請求項の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を有する場合、特許請求の範囲内であることを意図している。

１００ガスタービンセクション
１１０ノズル
１１２エアフォイル
１１３外端壁
１１４内端壁
１１５前縁
１１６流路
１１７端壁部分
１１８流路入口
１１９流路出口
１２０タービンブレード
１２２エアフォイル
１２４タービンブレード部分
１４０軸
２００ノズルセクション
２１０前縁
２３０流路
２３１流路入口
２３２流路出口
２４０流路
２４１流路入口
２４２流路出口
３１０前縁断面
３１１流路入口
３１２流路部分
３２０前縁断面
３２１流路部分
３３０前縁断面
３３１流路出口
４００前縁
４３０流路
４３２流路出口
４３３流路幅
４３４流路幅
４４０流路
４４２流路出口
４４３流路幅
４４４流路幅
５００前縁
５３０流路
５３１流路入口
５３２流路出口
５３５流路パス
５３６流路パス
５３７流路パス
５４０流路
５４１流路入口
５４２流路出口
５４５流路パス
５４６流路パス
５４７流路パス
６００前縁
６３０流路
６４０流路
６５０流路
７００前縁
７３０流路
８００前縁
８３０流路
８４０流路
９００前縁
９３０流路
９４０流路

Claims

内端壁と、

前記内端壁の前縁と、

実質的に前記前縁内に構成される蛇行流路であって、空気を受け取る入口と該空
気を排出する出口とを有する蛇行流路と、

を有する、ガスタービンノズルセクション。
前記出口が、空気をガスタービンのホイール空間へと排出するように構成される
、請求項１に記載のガスタービンノズルセクション。
前記入口が、ガスタービンのインピンジメント冷却部分からの空気を受け取るよ
うに構成される、請求項１に記載のガスタービンノズルセクション。
前記蛇行流路の第１のパスが、前記前縁のフロントエッジに対して実質的に平行で
ある、請求項１に記載のガスタービンノズルセクション。
前記蛇行流路の第２のパスが、前記前縁の前記フロントエッジに対して実質的に
平行に、前記第１のパスと該ガスタービンノズルセクションのエアフォイルセクシ
ョンとの間にある、請求項４に記載のガスタービンノズルセクション。
前記蛇行流路が少なくとも２つの蛇行流路である、請求項１に記載のガスタービ
ンノズルセクション。
前記少なくとも２つの蛇行流路が相互接続されていない、請求項６に記載のガス
タービンノズルセクション。
前記少なくとも２つの蛇行流路が実質的に同じ寸法及び形状を有する、請求項６
に記載のガスタービンノズルセクション。
前記少なくとも２つの蛇行流路が、実質的に鏡像の向きに構成された２つの蛇行
流路である、請求項６に記載のガスタービンノズルセクション。
前記蛇行流路が、該ガスタービンノズルセクションのエアフォイルに対して実質
的に垂直に配向される、請求項１に記載のガスタービンノズルセクション。
ガスタービンノズルセクションの冷却方法であって、

実質的に前記ガスタービンノズルセクションの内端壁の前縁内に構成された蛇行
流路の入口で空気を受け取ることと、

前記蛇行流路に前記空気を通すことと、

前記蛇行流路の出口から前記空気を排出することを含む、方法。
前記蛇行流路の前記出口から空気を排出することが、ガスタービンのホイール空
間へと前記空気を排出することである、請求項１１に記載の方法。
前記蛇行流路の前記入口で空気を受け取ることが、ガスタービンのインピンジメ
ント冷却部分から空気を受け取ることである、請求項１１に記載の方法。
前記蛇行流路の第１のパスが、前記前縁のフロントエッジに対して実質的に平行
である、請求項１１に記載の方法。
前記蛇行流路の第２のパスが、前記前縁の前記フロントエッジに対して実質的に
平行に、前記第１のパスと前記ガスタービンノズルセクションのエアフォイルセク
ションとの間にある、請求項１４に記載の方法。
実質的に前記ガスタービンノズルセクションの前記内端壁の前記前縁内に構成さ
れた、第２の蛇行流路の第２の入口で第２の空気を受け取ることと、

前記第２の空気を前記第２の蛇行流路に通すことと、

前記第２の空気を前記第２の蛇行流路の第２の出口から排出することを更に含む
、請求項１１に記載の方法。
前記蛇行流路と前記第２の蛇行流路が相互接続されていない、請求項１６に記載
の方法。
前記蛇行流路と前記第２の蛇行流路が実質的に同じ寸法及び形状を有する、請求
項１６に記載の方法。
前記蛇行流路及び前記第２の蛇行流路が、実質的に鏡像の向きに構成される、請
求項１６に記載の方法。
前記蛇行流路が前記ガスタービンノズルセクションのエアフォイルに対して実質
的に垂直に配向される、請求項１１に記載の方法。