JP2014114816A - Turbine component having cooling passages with varying diameter - Google Patents

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シューツァン・ジェイムズ・ツァン
Adebukola Oluwaseun Benson
アデブコラ・オルワセウン・ベンソン
Ryan Pilson Richard
リチャード・ライアン・ピルソン
Stephen William Tesh
スティーブン・ウィリアム・テシュ
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    • F05D2250/323—Arrangement of components according to their shape convergent

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide systems and devices configured to cool turbine components in a turbine by passing a cooling flow throughout the turbine component via a cooling passage with a variable diameter.SOLUTION: In one embodiment, a turbine component includes: at least one elongated cooling passage 110 extending from a root 120 of the bucket 100 to a tip 132 of the bucket 100, where the elongated cooling passage 110 has a variable diameter along the length of the bucket 100.

Description

本明細書に開示の主題は、タービン部品の冷却流路に関し、特に、（例えば、収束形状、発散形状等の）可変径式の成形チューブ電解加工（ＳＴＥＭ）冷却穴を有する、タービンノズル、シュラウド、及び／又はバケットに関する。   The subject matter disclosed herein relates to turbine component cooling flow paths, and in particular, turbine nozzles, shrouds having variable diameter shaped tube electrolytic machining (STEM) cooling holes (eg, convergent shapes, divergent shapes, etc.). And / or buckets.

一部のタービン（例えばガスタービン）の効率は、高温のガスパスを流れる、タービンブレードを駆動させるタービンガスの温度に正比例する。これらのガスタービンの動作温度は、通常、華氏約２７００度（セ氏１４８２度）程度であるが、この温度は、（例えば、タービンバケット、シュラウド、ノズル等の）タービン部品に応力及び／又は損傷を与える可能性がある。これらの高温に耐えるために、部品は先端材料から作製され、通常は、（大抵はバケットを介したコンプレッサ排気である）冷却媒体を流すための、一定の直径を有するスムースボア冷却流路を有する。これらの流路は、通常、半径方向内方のバケットルートから半径方向外方のバケットチップへと、一貫した直径を有して延在している。   The efficiency of some turbines (eg, gas turbines) is directly proportional to the temperature of the turbine gas that drives the turbine blades through the hot gas path. The operating temperature of these gas turbines is typically on the order of about 2700 degrees Fahrenheit (1482 degrees Celsius), but this temperature can cause stress and / or damage to turbine components (eg, turbine buckets, shrouds, nozzles, etc.). There is a possibility to give. In order to withstand these high temperatures, the parts are made from advanced materials and usually have a smooth bore cooling channel with a constant diameter for flowing a cooling medium (usually compressor exhaust via a bucket). . These channels typically extend with a consistent diameter from the radially inner bucket root to the radially outward bucket tip.

発電用タービンのバケットの多くが、成形チューブ電解加工（ＳＴＥＭ）で穿孔された円形の穴を用いて、タービンエアフォイル内側に半径方向の冷却流路を形成している。ＳＴＥＭを用いて、導電材料に、３００：１といった高いアスペクト比（例えば、穴の直径等の最大の横寸法に対する、穴の長さ又は深さの比。一部の特定の用途では、数ミリメートル程度と小さい）で、小さく深い穴を非接触で穿孔する。ＳＴＥＭプロセスでは、電極とワークピースの間の電流を利用して、介在する空間を流れる電解液を介して、電解溶解によってストックを除去し、半径方向の冷却流路を形成する。   Many power generation turbine buckets use a circular hole drilled by molded tube electrolytic machining (STEM) to form a radial cooling flow path inside the turbine airfoil. Using STEM, conductive materials can have a high aspect ratio such as 300: 1 (for example, the ratio of the length or depth of the hole to the largest lateral dimension such as the diameter of the hole. For some specific applications, several millimeters. Small and deep holes) in a non-contact manner. In the STEM process, the current between the electrode and the workpiece is used to remove the stock by electrolytic dissolution through the electrolytic solution flowing through the intervening space, thereby forming a radial cooling channel.

スムースボア流路を利用するものの、ガスタービンバケットの多くにおいて、（例えばタービュレーター等の）乱流プロモータも、内側熱伝達係数の増進に用いられている。こうした熱伝達の促進によって、同じ冷却流量に対して、スムースボア流路に比べて熱伝達係数が２倍超に増大する。タービュレーターは、従来的に、冷却流路の内側表面に沿って内側縁部又は粗化表面を有する。しかし、これらのスムースボア流路及び／又はタービュレーターの形成は、特に、通常は非常に小さい／薄い寸法を有するタービンバケットのチップ及び／又は後縁付近において、タービンバケット内の壁厚の要件によって制限されることがある。これらの制限の結果、チップの壁厚要件を満たすために、タービンバケットのルート付近のスムースボア流路の直径は小さくなる。   Although utilizing a smooth bore channel, turbulent promoters (eg, turbulators, etc.) are also used to enhance the inner heat transfer coefficient in many gas turbine buckets. By promoting such heat transfer, the heat transfer coefficient increases more than twice as compared with the smooth bore channel for the same cooling flow rate. Turbulators conventionally have an inner edge or roughened surface along the inner surface of the cooling channel. However, the formation of these smooth bore channels and / or turbulators is a requirement for wall thickness within the turbine bucket, especially near the tip and / or trailing edge of the turbine bucket, which typically has very small / thin dimensions. May be limited. As a result of these limitations, the diameter of the smooth bore channel near the root of the turbine bucket is reduced to meet the tip wall thickness requirements.

米国特許第７９０１１８０号US Pat. No. 7,901,180

（例えば、収束形状、発散形状等の）可変径の成形チューブ電解加工（ＳＴＥＭ）冷却穴を有するタービン部品（例えば、タービンノズル、シュラウド、及び／又はバケット）を開示する。   Disclosed are turbine components (e.g., turbine nozzles, shrouds, and / or buckets) having variable diameter shaped tube electrolytic machining (STEM) cooling holes (e.g., convergent shapes, divergent shapes, etc.).

本発明の第１の態様はタービン部品を含み、このタービン部品は、バケット部分のルートからバケットのチップへと延在する、少なくとも１つの細長い冷却流路を有し、この細長い冷却流路は、バケットの長さに沿って可変径を有する。   A first aspect of the invention includes a turbine component that has at least one elongate cooling channel that extends from the root of the bucket portion to the tip of the bucket, the elongate cooling channel comprising: Has a variable diameter along the length of the bucket.

本発明の第２の態様はタービンバケットを含み、このタービンバケットは、タービンに接続するように構成されたルートと、ルート上に配置され、タービン流路へと延在するように構成されたベースであって、エアフォイル形状を有し且つチップを有するベースと、ルートとベースに形成された少なくとも１つの細長い冷却流路であって、ルート付近に配置され、この少なくとも１つの細長い冷却流路の終端に開口を有し、ベースへと延在する第１のセクションと、第１のセクションに流体的に接続され、チップ付近に配置された第２のセクションと、を有し、第２のセクションの第２の直径が第１のセクションの第１の直径よりも小さい、少なくとも１つの細長い冷却流路と、を有する。   A second aspect of the invention includes a turbine bucket, the turbine bucket being configured to connect to the turbine, and a base disposed on the route and configured to extend to the turbine flow path. A base having an airfoil shape and having a tip, and at least one elongate cooling channel formed in the root and the base, and disposed near the root, and the at least one elongate cooling channel A first section having an opening at the end and extending to the base; and a second section fluidly connected to the first section and disposed near the chip, the second section At least one elongate cooling channel having a second diameter smaller than the first diameter of the first section.

本発明の第３の態様はタービンを含み、このタービンは、ステータと、ステータによって実質的に囲繞される作動流体流路と、ステータの半径方向内方且つ作動流体流路内に配置されたロータと、ロータに接続されたタービンバケットであって、タービンバケットのルートからタービンバケットのチップへと延在し、タービンバケットの長さに沿って可変径を有する、少なくとも１つの細長い冷却流路を有するタービンバケットとを有する。   A third aspect of the invention includes a turbine that includes a stator, a working fluid flow path substantially surrounded by the stator, and a rotor disposed radially inward of the stator and within the working fluid flow path. A turbine bucket connected to the rotor having at least one elongate cooling channel extending from the turbine bucket root to the tip of the turbine bucket and having a variable diameter along the length of the turbine bucket A turbine bucket.

本発明の様々な実施形態を示した添付図面に関連する、本発明の様々な態様の以下の詳細な説明から、本発明のこれら及びその他の特徴をより明確に理解できよう。   These and other features of the invention will be more clearly understood from the following detailed description of various aspects of the invention, taken in conjunction with the accompanying drawings, which illustrate various embodiments of the invention.

本発明の実施形態に従ったタービン部品の図である。FIG. 3 is a diagram of a turbine component according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に従ったタービン部品の図である。FIG. 3 is a diagram of a turbine component according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に従った冷却流路の図である。FIG. 4 is a diagram of a cooling channel according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に従った冷却流路の図である。FIG. 4 is a diagram of a cooling channel according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に従った冷却流路の図である。FIG. 4 is a diagram of a cooling channel according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に従った冷却流路の図である。FIG. 4 is a diagram of a cooling channel according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に従った冷却流路の図である。FIG. 4 is a diagram of a cooling channel according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に従った冷却流路の断面図である。It is sectional drawing of the cooling flow path according to embodiment of this invention. 本発明の実施形態に従った冷却流路の断面図である。It is sectional drawing of the cooling flow path according to embodiment of this invention. 本発明の実施形態に従った冷却流路の断面図である。It is sectional drawing of the cooling flow path according to embodiment of this invention. 本発明の実施形態に従った複合サイクルパワープラントシステムの一部を示した略ブロック図である。1 is a schematic block diagram illustrating a portion of a combined cycle power plant system according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に従った一軸複合サイクルパワープラントシステムの一部を示した略ブロック図である。1 is a schematic block diagram illustrating a portion of a uniaxial combined cycle power plant system according to an embodiment of the present invention.

本発明の図面は必ずしも縮尺通りではないことに留意されたい。図面では、本発明の典型的な態様のみを示すことを意図しているので、本発明の範囲を限定するものとみなされるべきではない。図面間で同様の符号の要素は、相互を参照して実質的に同様であると説明できる。また、図１〜１２を参照して図示及び記述する実施形態においても、同様の符号は同様の要素を示している。明瞭性のために、これらの要素を冗長に説明することはしない。最後に、図１〜１２の部品及びこれに伴う説明は、本明細書に記載のいずれの実施形態にも適用可能である。   It should be noted that the drawings of the present invention are not necessarily to scale. The drawings are intended to show only typical embodiments of the invention and should not be considered as limiting the scope of the invention. Elements of the same reference symbol between the drawings can be described as being substantially similar with reference to each other. Also, in the embodiments shown and described with reference to FIGS. 1 to 12, like reference numerals denote like elements. For clarity, these elements are not redundantly described. Finally, the components of FIGS. 1-12 and the accompanying description are applicable to any of the embodiments described herein.

本発明の態様は、（例えば、収束、発散等の）可変径型のＳＴＥＭ成形冷却流路を有する（例えば、ノズル、シュラウド、バケット等の）タービン部品に関する。   Aspects of the invention relate to turbine components (eg, nozzles, shrouds, buckets, etc.) having variable diameter STEM shaped cooling channels (eg, convergence, divergence, etc.).

本明細書で記載しているように、タービン部品を通る冷却流路は、従来的に、ルートからチップまで実質的に一定の直径を有する円筒形状の流路である。クーラント流路の直径は一定なので、タービン部品の最も薄い部分によって制限される（例えば、ブレードチップ、後縁、ノズル後縁等）。   As described herein, the cooling flow path through the turbine component is traditionally a cylindrical flow path having a substantially constant diameter from the root to the tip. Since the diameter of the coolant channel is constant, it is limited by the thinnest part of the turbine component (eg, blade tip, trailing edge, nozzle trailing edge, etc.).

従来的なアプローチとは対照的に、本発明の態様は、可変径の冷却流路（例えば、タービンバケットの一部では第１の直径を有し、この第１の直径は、タービンバケット、収束型の冷却流路、発散型の冷却流路等の第２の部分における冷却流路の第２の直径とは異なる）を有する（例えば、タービンバケット、タービンノズル、ノズル後縁、シュラウド等）のタービン部品を含む。一実施形態において、冷却流路の直径は、収束的に、冷却流路の長さ全体にわたって（例えば、徐々に、入れ子式に、段階的に）減少／漸減する。一実施形態において、冷却流路の可変径は、タービンバケットのチップ付近の冷却流路の直径に対して、タービン部品（例えばバケット）のルート付近の方が大きい（例えば、冷却流路の直径が、タービンバケットのチップ付近で小さく、タービンバケットのエアフォイルの長さにおいて中間及び下方部分になるにつれて直径が大きくなる）。冷却流路の厚さ／直径を、タービンバケットのルートよりも、冷却流体が導入される場所で大きくすることにより、ルート付近の断面積を増大させ、流路を流れる冷却媒体の流れを増大させることができる。一実施形態において、冷却流路は、この冷却流路を流れる冷却流の特性を操作／制御するように構成されたノズル後縁全体に開口（例えば、メータリング機構）を含む。   In contrast to conventional approaches, aspects of the present invention have a variable diameter cooling flow path (eg, a portion of the turbine bucket has a first diameter that is the turbine bucket, converging (E.g., different from the second diameter of the cooling channel in the second part of the mold cooling channel, the divergent cooling channel, etc.) (e.g., turbine bucket, turbine nozzle, nozzle trailing edge, shroud, etc.) Includes turbine components. In one embodiment, the diameter of the cooling channel decreases / decreases convergently (eg, gradually, nested, stepwise) over the entire length of the cooling channel. In one embodiment, the variable diameter of the cooling channel is greater near the root of the turbine component (eg, bucket) than the diameter of the cooling channel near the tip of the turbine bucket (eg, the diameter of the cooling channel is greater). , Smaller near the tip of the turbine bucket and increases in diameter as it reaches the middle and lower portions of the length of the turbine bucket airfoil). Increase the thickness / diameter of the cooling channel at the location where the cooling fluid is introduced, rather than the turbine bucket route, thereby increasing the cross-sectional area near the route and increasing the flow of cooling medium through the channel be able to. In one embodiment, the cooling channel includes an opening (eg, a metering mechanism) across the nozzle trailing edge that is configured to manipulate / control characteristics of the cooling flow through the cooling channel.

図１に戻ると、実施形態に従った一組の冷却流路１１０を含むタービンバケット１００が示されている。タービンバケット１００は、タービンシステムに接続するように構成されたルート１２０に接続されたベース（例えばエアフォイル）１３０を含む。一実施形態において、一組の冷却流路１１０は、成形チューブ電解加工（ＳＴＥＭ）によって形成／成形される。一組の冷却流路１１０は、ベース１３０のルート１２０からチップ１３２に向けて実質的に半径方向に延在している。ベース１３０は、エアフォイルとして成形され、比較的薄肉の後縁１３４を含む。一組の冷却流路１１０は、冷却流７０をタービン部品１００に流し、可変径（例えば、集束、発散等）を有し得る。一実施形態において、一組の冷却流路１１０の直径は、タービンバケット１００の厚みに比例して／関連して変化する。冷却流路１１０は、タービンバケット１００の内側面によって画定されており、冷却流７０をタービンの流路に流入させる開口１１８を含む。   Returning to FIG. 1, a turbine bucket 100 is shown that includes a set of cooling channels 110 according to an embodiment. Turbine bucket 100 includes a base (eg, an airfoil) 130 connected to a route 120 configured to connect to a turbine system. In one embodiment, the set of cooling channels 110 is formed / formed by formed tube electrochemical machining (STEM). The set of cooling channels 110 extends substantially radially from the root 120 of the base 130 toward the tip 132. Base 130 is shaped as an airfoil and includes a relatively thin trailing edge 134. The set of cooling channels 110 allows the cooling flow 70 to flow through the turbine component 100 and have a variable diameter (eg, converging, diverging, etc.). In one embodiment, the diameter of the set of cooling channels 110 varies proportionally / related to the thickness of the turbine bucket 100. The cooling flow path 110 is defined by the inner surface of the turbine bucket 100 and includes an opening 118 that allows the cooling flow 70 to flow into the flow path of the turbine.

ここで使用する場合、「軸方向の」及び／又は「軸方向に」という表現は、実質的にターボ機関（特にロータセクション）の回動軸に対して垂直の軸Ａに沿った物体の相対位置／方向を指す。また、ここで使用する場合、「半径方向の」及び／又は「半径方向に」という表現は、実質的に軸Ａに対して垂直且つ唯一のロケーションにおいて軸Ａと交差する軸（ｒ）に沿った物体の相対位置／方向を指す。更に「周方向の」及び／又は「周方向に」という表現は、軸Ａを囲繞するもののいずれのロケーションにおいても軸Ａに交差しない円周に沿った、物体の相対位置／方向を指す。   As used herein, the expressions “axial” and / or “axially” are relative to the object along axis A that is substantially perpendicular to the rotational axis of the turbomachine (especially the rotor section). Refers to position / direction. Also, as used herein, the expressions “radial” and / or “radially” are along an axis (r) that is substantially perpendicular to axis A and intersects axis A at a unique location. Refers to the relative position / direction of the object. Furthermore, the expressions “circumferential” and / or “circumferentially” refer to the relative position / direction of the object along a circumference that surrounds axis A but does not intersect axis A at any location.

図２を参照すると、第１のホイール１２及び第２のホイール１４を含む、ロータ１０の一部を示している。ホイール１２及び１４の各々は、それぞれ、バケット１６及び１８の円周方向アレイを担持している。第１及び第２段のノズルベーン２０及び２２の円周方向アレイも図示されている。バケット１６及び１８とノズルベーン２０及び２２は、タービンの作動流体流路２１にあることがわかるであろう。ノズルベーン２２は、流路中にノズルベーン２０及び２２を配置するインナーシェル２４によって担持されている。ノズルベーン２０及び２２の後縁は、液体の流れ（例えば、空気、コンプレッサ排気等）によって冷却され、この流れは、後縁キャビティ２６へと流入し、冷却流路１１０から後縁３４を通って流路に流入する。一実施形態において、一組の冷却流路１１０がノズル後縁３４へと延在しており、一組の冷却流路１１０の直径は、後縁３４の周辺部分に対して（例えば、収束的に、発散的に）縮小する。   Referring to FIG. 2, a portion of the rotor 10 is shown including a first wheel 12 and a second wheel 14. Each of the wheels 12 and 14 carries a circumferential array of buckets 16 and 18, respectively. A circumferential array of first and second stage nozzle vanes 20 and 22 is also shown. It will be appreciated that buckets 16 and 18 and nozzle vanes 20 and 22 are in the working fluid flow path 21 of the turbine. The nozzle vane 22 is carried by an inner shell 24 that arranges the nozzle vanes 20 and 22 in the flow path. The trailing edges of the nozzle vanes 20 and 22 are cooled by a liquid flow (eg, air, compressor exhaust, etc.) that flows into the trailing edge cavity 26 and flows from the cooling channel 110 through the trailing edge 34. Flows into the road. In one embodiment, a set of cooling channels 110 extends to the nozzle trailing edge 34, and the diameter of the set of cooling channels 110 is relative to the peripheral portion of the trailing edge 34 (eg, convergent). To divergently).

図３を参照すると、本発明の実施形態に従った、冷却流路２１０を含み一組のセクション２２０、２３０、２４０を可変径で有する、タービン部品２００の一部を示している。冷却流路２１０は、タービン部品２００の内側面２８０によって画定される。一実施形態において、冷却流路２１０は、第２のセクション２３０及び第３のセクション２４０に流体的に接続された第１のセクション２２０を有する。図示のように、第１のセクション２２０は第１の直径Ａを有し、第２のセクション２３０は第２の直径Ｂを有し、且つ／又は第３のセクション２４０は第３の直径Ｃを有する。本実施形態において、第１のセクション２２０、第２のセクション２３０、第３のセクション２４０は、（例えば、増分的、階層状、入れ子状等の）階段状の冷却流路２１０を形成し、これによって、冷却流路２１０がタービン部品２００を（例えば半径方向に）延在するにつれて、冷却流路２１０の直径が徐々に／段階的に減少するようになっている。一実施形態では、冷却流７０が収束方向に、第１のセクション２２０を通り第２のセクション２３０及び／又は第３のセクション２４０へと流れる。第１のセクション２２０の直径Ａは、第２のセクション２３０の直径Ｂよりも大きく、第２のセクション２３０の直径Ｂは、第３のセクション２４０の直径Ｃよりも大きい。一実施形態において、内側面２８０は冷却流路２１０を通じて、（例えば、金属、セラミック等の）実質的に均一な材料組成を有する。一実施形態において、内側面２８０はタービン部品２００の機械加工面を有する。実施形態の説明で参照しているのは特定の冷却流路であり、これらの実施形態は、冷却流路１１０、２１０、３１０、４１０等を含む、ここで説明するいずれの冷却流路にも組み合わせ及び／又は適用可能なことがわかる。   Referring to FIG. 3, a portion of a turbine component 200 is shown having a cooling passage 210 and a set of sections 220, 230, 240 with variable diameters, in accordance with an embodiment of the present invention. The cooling flow path 210 is defined by the inner surface 280 of the turbine component 200. In one embodiment, the cooling flow path 210 has a first section 220 that is fluidly connected to a second section 230 and a third section 240. As shown, the first section 220 has a first diameter A, the second section 230 has a second diameter B, and / or the third section 240 has a third diameter C. Have. In this embodiment, the first section 220, the second section 230, and the third section 240 form a stepped cooling channel 210 (eg, incremental, hierarchical, nested, etc.) As the cooling channel 210 extends through the turbine component 200 (eg, radially), the diameter of the cooling channel 210 decreases gradually / stepwise. In one embodiment, the cooling flow 70 flows in the convergence direction through the first section 220 to the second section 230 and / or the third section 240. The diameter A of the first section 220 is larger than the diameter B of the second section 230, and the diameter B of the second section 230 is larger than the diameter C of the third section 240. In one embodiment, the inner surface 280 has a substantially uniform material composition (eg, metal, ceramic, etc.) through the cooling channel 210. In one embodiment, the inner surface 280 has a machined surface of the turbine component 200. In the description of the embodiments, reference is made to specific cooling channels, and these embodiments may be applied to any of the cooling channels described herein, including cooling channels 110, 210, 310, 410, etc. It can be seen that combinations and / or applications are possible.

図４を参照すると、実施形態に従った、冷却流路３１０を含むタービン部品３００の一部を示している。冷却流路３１０は、（例えば、寸法Ｄ1、Ｄ2、．．．、Ｄ1+Nから）徐々に且つ収束的に変化する直径Ｄを有し、タービン部品３００のベース３０２をタービン部品３００のチップ３０４に向かって形成する。冷却流路３１０の内側面は、角度をなしていてもよく、実質的に円錐形／円錐台形であってもよい。 Referring to FIG. 4, a portion of a turbine component 300 that includes a cooling flow path 310 according to an embodiment is shown. The cooling flow path 310 has a diameter D that changes gradually and convergently (eg, from dimensions D 1 , D 2 ,..., D 1 + N ) to connect the base 302 of the turbine component 300 to the turbine component 300. It forms toward the chip | tip 304 of this. The inner surface of the cooling channel 310 may be angled and may be substantially conical / conical frustoconical.

図５を参照すると、実施形態に従った、冷却流路４１０を含むタービン部品４００の一部を示している。冷却流路４１０は、減少した直径Ｇを有する第２のセクション４３０に流体的に接続された、実質的に円錐形状の第１のセクション４２０を有する。第１のセクション４２０は、タービン部品４００のルート４０２と第２のセクション４３０との間で（例えば、Ｅ1から、Ｅ2へ、Ｅ1+Nへと）漸減する直径Ｅを有する。ここで説明する冷却流路セクションの記述及び／又は組み合わせは、あくまでも例示的なものであって、冷却流路セクションのいずれの組み合わせ、修正、配向、及び／又は配置も、実施形態に含まれる。 Referring to FIG. 5, a portion of a turbine component 400 that includes a cooling flow path 410 according to an embodiment is shown. The cooling channel 410 has a substantially conical first section 420 that is fluidly connected to a second section 430 having a reduced diameter G. The first section 420 has a diameter E that gradually decreases between the root 402 of the turbine component 400 and the second section 430 (eg, from E 1 to E 2 to E 1 + N ). The descriptions and / or combinations of cooling channel sections described herein are exemplary only, and any combination, modification, orientation, and / or arrangement of cooling channel sections are included in the embodiments.

図６を参照すると、実施形態に従った、冷却流路５１０を含むタービン部品５００の一部が示されている。冷却流路５１０は、円錐形状／円錐台形状を有し、冷却流路５１０の表面５１８上に配置されたタービュレーター５５０を含む。タービュレーター５５０は冷却流７０の流路中へと延在しており、乱流を誘起及び／又は増進するように構成される。一実施形態において、タービュレーター５５０が、冷却流路５１０内に配置された一組のセクション（例えば、リング、タブ、突起等）を含む。一実施形態では、一組のセクションのタービュレーター５５０が、一組のタービュレーター５５０の各々の相対的な突起高さ（例えば、冷却流路５１０に対して各セクションがどれだけ突起しているか）の約７〜１３倍の範囲で互いに対して接近して配置される。一実施形態では、一組のセクションが、互いに対して実質的に一定の間隔で配置される。別の実施形態では、図７に示すように、実施形態に従った、冷却流路６１０を含むタービン部品６００の一部が示されている。冷却流路６１０は、実質的に旋回形状の構成を有する冷却流路６１０の表面上に配置されるタービュレーター６５０を有する。タービュレーター６５０は、タービン部品６００のルート部分６１２付近に配置された第１の端部６２２と、タービン部品６００のチップ部分６１４付近に配置された第２の端部６２４を含む。タービュレーター６５０は、冷却流路６１０を半径方向外方へと延在した状態で冷却流路６１０の周りで円周方向に配置される。一実施形態では、流れ７０は、発散方向に冷却流路６１０を（例えば、第１の直径を有する冷却流路６１０の第１のセクションから、この第１の直径よりも大きい第２の直径を有する冷却流路６１０の第２のセクションへと）チップ部分６１４からルート部分６１２に向かって流れる。ここでの実施形態で説明する冷却流７０はいずれの方向に流れてもよく、ここで説明する実施形態はあくまでも例示的であることがわかる。   Referring to FIG. 6, a portion of a turbine component 500 that includes a cooling flow path 510 is shown, according to an embodiment. The cooling channel 510 has a conical / conical shape and includes a turbulator 550 disposed on the surface 518 of the cooling channel 510. The turbulator 550 extends into the flow path of the cooling flow 70 and is configured to induce and / or enhance turbulence. In one embodiment, turbulator 550 includes a set of sections (eg, rings, tabs, protrusions, etc.) disposed within cooling channel 510. In one embodiment, a set of sections of the turbulator 550 may have a relative protrusion height of each of the set of turbulators 550 (eg, how much each section protrudes relative to the cooling channel 510). Are arranged close to each other within a range of about 7 to 13 times the same. In one embodiment, a set of sections are arranged at a substantially constant spacing relative to each other. In another embodiment, as shown in FIG. 7, a portion of a turbine component 600 that includes a cooling flow path 610 according to an embodiment is shown. The cooling flow path 610 includes a turbulator 650 disposed on the surface of the cooling flow path 610 having a substantially swirling shape. Turbulator 650 includes a first end 622 disposed near root portion 612 of turbine component 600 and a second end 624 disposed near tip portion 614 of turbine component 600. The turbulator 650 is disposed in the circumferential direction around the cooling flow path 610 with the cooling flow path 610 extending radially outward. In one embodiment, flow 70 moves cooling channel 610 in a diverging direction (e.g., from a first section of cooling channel 610 having a first diameter, to a second diameter that is greater than this first diameter). Flow from the tip portion 614 toward the root portion 612 (to the second section of the cooling flow path 610). It will be appreciated that the cooling flow 70 described in the embodiment herein may flow in any direction, and that the embodiment described herein is exemplary only.

図８を参照すると、実施形態に従った、冷却流路７１０を含むタービン部品７００の一部が示されている。本実施形態では、冷却流路７１０が、メータリング機構７１２に流体的に接続された第１の部分７１４を有する。メータリング機構７１２は、冷却流路７１０の終端部に配置された開口７１６を有する。一実施形態では、流れ７０（例えば空気）が冷却流路７１０を軸方向に（例えば、バケットの半径方向端部、ノズルの軸方向端部等を通って）流れる。メータリング機構７１２は、流体的に冷却流路７１０をタービンの流体流路へと接続する。一実施形態では、メータリング機構７１２が調節可能であり、且つ／又は開口７１６の直径が可変である。メータリング機構７１２及び／又は開口７１６は、冷却流路７１０中の及び／又は冷却流路７１０を通る冷却流７０を制御／メータリングできる。また、メータリング機構７１２及び／又は開口７１６は、技術者が（例えば、メンテナンス、診断、テスティング時、コールドフロー等に）改変／機械加工することで、冷却流路７１０の流れ特性を調節できる。一実施形態では、設計／公称量と結果的な流れを合わせるために、開口７１６及び／又はメータリング機構７１２を機械加工して冷却流路７１０をチューニングする。一実施形態では、製造ムラ／誤差を補正するために、部品のコールドテスティング時に、開口７１６及び／又はメータリング機構７１２を（例えば、増大、穿孔等で）調節する。   Referring to FIG. 8, a portion of a turbine component 700 that includes a cooling flow path 710 according to an embodiment is shown. In the present embodiment, the cooling channel 710 has a first portion 714 that is fluidly connected to the metering mechanism 712. The metering mechanism 712 has an opening 716 disposed at the end portion of the cooling channel 710. In one embodiment, the flow 70 (eg, air) flows axially (eg, through the radial end of the bucket, the axial end of the nozzle, etc.) through the cooling flow path 710. The metering mechanism 712 fluidly connects the cooling flow path 710 to the turbine fluid flow path. In one embodiment, the metering mechanism 712 is adjustable and / or the diameter of the opening 716 is variable. Metering mechanism 712 and / or opening 716 can control / meter cooling flow 70 in and / or through cooling flow path 710. Further, the metering mechanism 712 and / or the opening 716 can be modified / machined by an engineer (eg, for maintenance, diagnosis, testing, cold flow, etc.) to adjust the flow characteristics of the cooling channel 710. . In one embodiment, the aperture 716 and / or metering mechanism 712 is machined to tune the cooling flow path 710 to match the design / nominal amount with the resulting flow. In one embodiment, the aperture 716 and / or metering mechanism 712 is adjusted (eg, by augmentation, drilling, etc.) during cold testing of the part to correct for manufacturing irregularities / errors.

一実施形態では、技術者によって、メータリング機構７１２及び／又は開口７１６の直径を（例えば、穿孔、ボア、ＳＴＥＭ等で）増大させることで、冷却流路７１０内の熱伝達係数を調節できる。別の実施形態では、図９に示すように、タービン部品８００が、（例えば、発散形状、階段状等の）入れ子形状の冷却流路８１０と、メータリング機構８１２を有する。冷却流路８１０は、第２のセクション８１８の直径よりも大きい直径を有する第１のセクション８１４を有する。一実施形態では、冷却流路８１０が、第２のセクション８１８に流体的に接続されたメータリング機構８１２を有する。メータリング機構８１２は開口８１６を有し、これによって冷却流７０が冷却流路８１０に流入し且つ／又は冷却流路８１０から流出する。別の実施形態では、図１０に示すように、タービン部品８５０が、実質的に一定の直径を有する冷却流路８７０を有し、その表面上に配置された一組のタービュレーター８８０を有する。タービン部品８５０は、冷却流路８７０を通る冷却流７０をメータリング／制御するように構成された開口８７８を有する、メータリング機構８７４を有する。   In one embodiment, the heat transfer coefficient in the cooling flow path 710 can be adjusted by a technician by increasing the diameter of the metering mechanism 712 and / or the opening 716 (eg, with a drill, bore, STEM, etc.). In another embodiment, as shown in FIG. 9, the turbine component 800 includes a nested cooling channel 810 (eg, diverging shape, stepped shape, etc.) and a metering mechanism 812. The cooling flow path 810 has a first section 814 having a diameter that is larger than the diameter of the second section 818. In one embodiment, the cooling flow path 810 has a metering mechanism 812 that is fluidly connected to the second section 818. Metering mechanism 812 has an opening 816 that allows cooling flow 70 to flow into and / or out of cooling flow channel 810. In another embodiment, as shown in FIG. 10, turbine component 850 has a cooling flow path 870 having a substantially constant diameter and has a set of turbulators 880 disposed on the surface thereof. . Turbine component 850 has a metering mechanism 874 having an opening 878 configured to meter / control cooling flow 70 through cooling flow path 870.

図１１を参照すると、多軸複合サイクルパワープラント９００の部分略図が示されている。例えば、複合サイクルパワープラント９００は、ジェネレーター９７０に作用的に結合されたガスタービン９８０を有する。ジェネレーター９７０及びガスタービン９８０は、シャフト９１５によって機械的に結合されており、ガスタービン９８０のドライブシャフト（図示せず）とジェネレーター９７０の間でエネルギーが伝達される。図１１にも示すように、熱交換器９８６は、ガスタービン９８０及び蒸気タービン９９２に作用的に接続されている。熱交換器９８６は、従来的な導管（符号は省略）を介して、ガスタービン９８０と蒸気タービン９９２の両方に流体的に接続されている。ガスタービン９８０及び／又は蒸気タービン９９２は、図１又はここで説明した以外の実施形態の、部品１００及び／又は一組の冷却流路１１０を有する。熱交換器９８６は、従来の複合サイクルパワーシステムで使用されているような従来的な熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）であってよい。発電分野では既知のように、ＨＲＳＧ９８６はガスタービン９８０からの高温の排気を水分の供給と組み合わせて使用し、蒸気タービン９９２へと供給される蒸気を生成できる。蒸気タービン９９２を、任意で、（第２のシャフト９１５を介して）第２のジェネレーターシステム９７０に結合してもよい。ジェネレーター９７０及びシャフト９１５は、当該技術分野で既知のいずれのサイズ又はタイプであってもよく、その用途又はこれらが接続されるシステムに応じて異なっていてもよい。ジェネレーターとシャフトの番号が共通している場合は、明瞭性を目的としており、必ずしもこれらのジェネレーター又はシャフトが同一であることを示唆しているわけではない。別の実施形態では、図１２に示すように、一軸複合サイクルパワープラント９９０は、単一のシャフト９１５を介してガスタービン９８０と蒸気タービン９９２の両方に結合された、単一のジェネレーター９７０を含む。蒸気タービン９９２及び／又はガスタービン９８０は、図１又はここで説明した以外の実施形態の、一組の冷却流路１１０を有する。   Referring to FIG. 11, a partial schematic diagram of a multi-axis combined cycle power plant 900 is shown. For example, the combined cycle power plant 900 includes a gas turbine 980 that is operatively coupled to a generator 970. Generator 970 and gas turbine 980 are mechanically coupled by a shaft 915, and energy is transferred between a drive shaft (not shown) of gas turbine 980 and generator 970. As also shown in FIG. 11, the heat exchanger 986 is operatively connected to a gas turbine 980 and a steam turbine 992. The heat exchanger 986 is fluidly connected to both the gas turbine 980 and the steam turbine 992 via conventional conduits (not shown). The gas turbine 980 and / or the steam turbine 992 have a component 100 and / or a set of cooling channels 110 of the embodiment other than FIG. 1 or described herein. The heat exchanger 986 may be a conventional heat recovery boiler (HRSG) as used in conventional combined cycle power systems. As is known in the power generation field, the HRSG 986 can use the hot exhaust from the gas turbine 980 in combination with a moisture supply to produce steam that is supplied to the steam turbine 992. A steam turbine 992 may optionally be coupled to a second generator system 970 (via a second shaft 915). Generator 970 and shaft 915 may be of any size or type known in the art and may vary depending on their application or the system to which they are connected. The common generator and shaft numbers are for clarity and do not necessarily imply that these generators or shafts are identical. In another embodiment, as shown in FIG. 12, single shaft combined cycle power plant 990 includes a single generator 970 coupled to both gas turbine 980 and steam turbine 992 via a single shaft 915. . The steam turbine 992 and / or the gas turbine 980 has a set of cooling channels 110 of the embodiment other than that illustrated in FIG. 1 or described herein.

ここで使用した用語は、あくまでも特定の実施形態の説明を目的としているにすぎず、本開示の限定は意図していない。ここで使用する場合、単数名詞は、文脈上明記しない限り、同様に複数名詞も含むことを意図している。また、理解されるであろうが、本明細書で使用する場合に「有する」及び／又は「含む」という表現は、記載の機構、整数、ステップ、作用、要素、及び／又は部品の存在を明示しているものの、１つ以上の別の機構、整数、ステップ、作用、要素、部品、及び／又はそれらの組み合わせの存在又は追加を除外することはない。   The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the present disclosure. As used herein, singular nouns are intended to include plural nouns as well, unless the context clearly indicates otherwise. It will also be understood that the expressions “having” and / or “including” as used herein refer to the presence of the described mechanism, integer, step, action, element, and / or component. Although explicitly indicated, the presence or addition of one or more other mechanisms, integers, steps, actions, elements, parts, and / or combinations thereof is not excluded.

本明細書では、最良の態様を含む例を用いて本発明を開示し、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、当業者が本発明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。   This written description uses examples to include the best mode, and to enable any person skilled in the art to practice the invention, including the creation and use of any apparatus or system, and the implementation of any attendant methods. Discloses the present invention. The claims of the present invention are defined by the claims, but also include other examples that can occur to those skilled in the art. Such other examples are intended to be within the scope of the claims if they have components that do not differ from the claim language, or if they have equivalent components that do not substantially differ from the claim language. Yes.

１０ ロータ
１２ 第１のホイール
１４ 第２のホイール
１６ バケット
１８ バケット
２０ 第１段のノズルベーン
２１ 作動流体流路
２２ 第２段のノズルベーン
２４ インナーシェル
２６ 後縁キャビティ
３４ 後縁チップ
７０ 冷却流
１００ タービンバケット
１１０ 冷却流路
１１８ 開口
１２０ ルート
１３０ ベース
１３２ チップ
１３４ 後縁
２００ タービン部品
２１０ 冷却流路
２２０ 一組のセクション
２３０ 一組のセクション
２４０ 一組のセクション
２８０ 内側面
３００ タービン部品
３０２ ベース
３０４ チップ
３１０ 冷却流路
４００ タービン部品
４１０ 冷却流路
４２０ 第１のセクション
４３０ セクション
５００ タービン部品
５１０ 冷却流路
５５０ タービュレーター
５１８ 表面
６００ タービン部品
６１０ 冷却流路
６１２ ルート部分
６１４ チップ部分
６２２ 第１の端部
６２４ 第２の端部
６５０ タービュレーター
７００ タービン部品
７１０ 冷却流路
７１２ メータリング機構
７１４ 第１の部分
７１６ 開口
８００ タービン部品
８１０ 冷却流路
８１２ メータリング機構
８１４ 第１のセクション
８１８ 第２のセクション
８５０ タービン部品
８７０ 冷却流路
８７４ メータリング機構
８７８ 開口
８８０ タービュレーター
９００ 多軸複合サイクルパワープラント
９１５ シャフト
９７０ ジェネレーター
９８０ ガスタービン
９８６ 熱交換器
９９０ 一軸複合サイクルパワープラント
９９２ 蒸気タービン 10 rotor 12 first wheel 14 second wheel 16 bucket 18 bucket 20 first stage nozzle vane 21 working fluid flow path 22 second stage nozzle vane 24 inner shell 26 trailing edge cavity 34 trailing edge tip 70 cooling flow 100 turbine bucket 110 Cooling channel 118 Opening 120 Route 130 Base 132 Tip 134 Trailing edge 200 Turbine component 210 Cooling channel 220 Set of sections 230 Set of sections 240 Set of sections 280 Inner side surface 300 Turbine components 302 Base 304 Tip 310 Cooling flow Road 400 Turbine component 410 Cooling channel 420 First section 430 Section 500 Turbine component 510 Cooling channel 550 Turbulator 518 Surface 600 Turbine component 610 Cooling Road 612 Route portion 614 Tip portion 622 First end 624 Second end 650 Turbulator 700 Turbine component 710 Cooling flow path 712 Metering mechanism 714 First portion 716 Opening 800 Turbine component 810 Cooling flow path 812 Meter Ring mechanism 814 First section 818 Second section 850 Turbine component 870 Cooling flow path 874 Metering mechanism 878 Opening 880 Turbulator 900 Multi-shaft combined cycle power plant 915 Shaft 970 Generator 980 Gas turbine 986 Heat exchanger 990 Single-shaft combined Cycle power plant 992 Steam turbine

Claims (20)

タービン部品であって、
ベース部分と、
前記ベース部分のルートから前記ベース部分のチップへと延在する、少なくとも１つの細長い冷却流路であって、該タービン部品の長さに沿って可変径を有する細長い冷却流路と、
を有するタービン部品。 A turbine component,
A base part,
At least one elongate cooling channel extending from a root of the base portion to a tip of the base portion, the elongate cooling channel having a variable diameter along the length of the turbine component;
Turbine parts having. 前記少なくとも１つの細長い冷却流路が、成形チューブ電解加工（ＳＴＥＭ）穿孔流路を含む、請求項１のタービン部品。   The turbine component of claim 1, wherein the at least one elongate cooling channel includes a formed tube electrochemical machining (STEM) perforated channel. 前記少なくとも１つの細長い冷却流路の直径が、前記タービン部品の前記ルートと前記タービン部品の前記チップとの間で徐々に変化する、請求項１のタービン部品。   The turbine component of claim 1, wherein a diameter of the at least one elongate cooling channel gradually varies between the root of the turbine component and the tip of the turbine component. 前記少なくとも１つの細長い冷却流路が円錐台形状を有する、請求項１のタービン部品。   The turbine component of claim 1, wherein the at least one elongated cooling flow path has a frustoconical shape. 前記少なくとも１つの細長い冷却流路が、
第１の直径を有する、前記ルート付近の第１のセクションと、
前記第１のセクションに流体的に接続され、前記チップ付近に配置され、第２の直径を有する、第２のセクションと、
を有する、請求項１のタービン部品。 The at least one elongate cooling channel is
A first section near the route having a first diameter;
A second section fluidly connected to the first section, disposed near the tip and having a second diameter;
The turbine component of claim 1, comprising: 前記第１の直径が前記第２の直径よりも大きい、請求項５のタービン部品。   The turbine component of claim 5, wherein the first diameter is greater than the second diameter. 前記少なくとも１つの細長い冷却流路が、前記細長い冷却流路の表面上に配置された少なくとも１つのタービュレーターを有する、請求項１のタービン部品。   The turbine component of claim 1, wherein the at least one elongate cooling channel has at least one turbulator disposed on a surface of the elongate cooling channel. 前記少なくとも１つのタービュレーターが、セグメント化されたタービュレーター及び旋回形状のタービュレーターのうち少なくとも１つである、請求項７のタービン部品。   The turbine component of claim 7, wherein the at least one turbulator is at least one of a segmented turbulator and a swirl shaped turbulator. 前記少なくとも１つの細長い冷却流路が、実質的に前記タービン部品の前記チップ付近に配置されたメータリング機構を有する、請求項１のタービン部品。   The turbine component of claim 1, wherein the at least one elongate cooling flow path includes a metering mechanism disposed substantially near the tip of the turbine component. タービンに接続するように構成されたルートと、
前記ルート上に配置され、タービン流路へと延在するように構成されたベースであって、エアフォイル形状を有し、チップを有するベースと、
前記ルートと前記ベースに形成された少なくとも１つの細長い冷却流路であって、
前記ルート付近に配置され、該少なくとも１つの細長い冷却流路の終端に開口を有し、前記ベースへと延在する第１のセクションと、
前記第１のセクションに流体的に接続され、前記チップ付近に配置された第２のセクションと、を有し、
前記第２のセクションの第２の直径が前記第１のセクションの第１の直径よりも小さい、
少なくとも１つの細長い冷却流路と、
を有する、タービンバケット。 A route configured to connect to the turbine;
A base disposed on the route and configured to extend to a turbine flow path, having an airfoil shape and having a tip;
At least one elongate cooling channel formed in the route and the base,
A first section disposed near the route, having an opening at the end of the at least one elongate cooling channel, and extending to the base;
A second section fluidly connected to the first section and disposed near the chip;
The second diameter of the second section is smaller than the first diameter of the first section;
At least one elongated cooling channel;
Having a turbine bucket. 前記少なくとも１つの細長い冷却流路が、成形チューブ電解加工（ＳＴＥＭ）穿孔流路を含む、請求項１０のタービンバケット。   The turbine bucket of claim 10, wherein the at least one elongate cooling channel includes a formed tube electrochemical machining (STEM) perforated channel. 前記少なくとも１つの細長い冷却流路の直径が、前記第１のセクションと前記第２のセクションとを通じて徐々に変化する、請求項１０のタービンバケット。   The turbine bucket of claim 10, wherein a diameter of the at least one elongate cooling channel gradually changes through the first section and the second section. 前記少なくとも１つの細長い冷却流路が円錐台形状の流路を含み、メータリング機構を有する、請求項１０のタービンバケット。   The turbine bucket of claim 10, wherein the at least one elongate cooling channel includes a frustoconical channel and has a metering mechanism. 前記第１の直径が前記第２の直径よりも大きい、請求項１０のタービンバケット。   The turbine bucket of claim 10, wherein the first diameter is greater than the second diameter. 前記少なくとも１つの細長い冷却流路が、前記細長い冷却流路の表面上に配置された少なくとも１つのタービュレーターを有する、請求項１０のタービンバケット。   The turbine bucket of claim 10, wherein the at least one elongate cooling channel has at least one turbulator disposed on a surface of the elongate cooling channel. 前記少なくとも１つのタービュレーターが、セグメント化されたタービュレーター及び旋回形状のタービュレーターのうちの少なくとも１つを含む、請求項１０のタービンバケット。   The turbine bucket of claim 10, wherein the at least one turbulator includes at least one of a segmented turbulator and a swirl shaped turbulator. タービンであって、
ステータと、
前記ステータによって実質的に囲繞される作動流体流路と、
前記ステータの半径方向内方且つ前記作動流体流路内に配置されたロータと、
前記ロータに接続されたタービンバケットであって、
前記タービンバケットのルートから前記タービンバケットのチップへと延在し、前記タービンバケットの長さに沿って可変径を有する、少なくとも１つの細長い冷却流路を有する、タービンバケットと、
を有する、タービン。 A turbine,
A stator,
A working fluid flow path substantially surrounded by the stator;
A rotor disposed radially inward of the stator and in the working fluid flow path;
A turbine bucket connected to the rotor,
A turbine bucket having at least one elongate cooling channel extending from a root of the turbine bucket to a tip of the turbine bucket and having a variable diameter along the length of the turbine bucket;
Having a turbine. 前記少なくとも１つの細長い冷却流路が円錐台形状の流路であり、実質的に前記タービンバケットのチップ付近に配置されたメータリング機構を有する、請求項１７のタービン。   The turbine of claim 17, wherein the at least one elongate cooling channel is a frustoconical channel and has a metering mechanism disposed substantially near a tip of the turbine bucket. 前記少なくとも１つの細長い冷却流路が、
第１の直径を有する、前記ルート付近の第１のセクションと、
前記第１のセクションに流体的に接続され、第２の直径を有し、前記チップに近接する第２のセクションと、
を有し、前記第１の直径が前記第２の直径よりも大きい、請求項１７のタービン。 The at least one elongate cooling channel is
A first section near the route having a first diameter;
A second section fluidly connected to the first section, having a second diameter and proximate to the chip;
The turbine of claim 17, wherein the first diameter is greater than the second diameter. 前記少なくとも１つの細長い冷却流路が、該少なくとも１つの細長い冷却流路の表面上に配置された少なくとも１つのタービュレーターを有し、該少なくとも１つのタービュレーターが、セグメント化されたタービュレーター及び旋回形状のタービュレーターのうちの少なくとも１つを含む、請求項１７のタービン。   The at least one elongate cooling channel has at least one turbulator disposed on a surface of the at least one elongate cooling channel, the at least one turbulator being a segmented turbulator. The turbine of claim 17, comprising at least one of a turbulator and a swirl shaped turbulator.
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