JP2014181715A - タービン翼型アセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】翼型部材の冷却構成を機械に合わせて速やかにカスタマイズする。
【解決手段】タービン翼型アセンブリが、内壁、外壁、前縁及び後縁を備えた翼型を有している。翼型は、当該翼型の実質的に翼弦方向に延在する１又は複数の小室を有している。挿入材が、複数の衝突孔を有しており、小室の一つの内部に挿入されるように構成されている。挿入材は、複数の衝突孔を介して翼型を冷却するように構成されている。仕切要素が、挿入材にのみ取り付けられており、当該仕切要素によって画定される境界区域の外部の区域に対して境界区域の内部に増大した冷却ガス圧力を提供するように構成されている。間隙が、翼型の内壁と仕切要素との間に存在しており、冷却ガスを境界区域から流出させて境界区域の外部の区域に流入させる。
【選択図】図１

Description

本書に記載される発明は一般的には、タービン翼型アセンブリに関する。さらに具体的には、本発明は、冷却性能の改善のために構成されたタービン翼型アセンブリに関する。

タービン翼型アセンブリは、ガス流を導いてガス・タービンの内部のロータ・アセンブリに通過させる。例えば、静翼（ベーン）アセンブリが、内外プラットフォームの間に半径方向に延在する１又は複数の静翼翼型を含み得る。静翼翼型を通過するコア・ガス流（core gas flow）の温度は典型的には、静翼の内部の冷却を必要とし、この冷却は静翼の寿命を延ばす助けになる。

多くのガス・タービンにおいて、動作寿命を延ばすためには幾つかの構成要素を冷却しなければならない。コア・ガスよりも低温及び高圧にある冷却空気が典型的には静翼の内部空洞に導入され、ここで熱エネルギを吸収する。続いて、冷却空気は翼壁面の開口を介して翼を出て、熱エネルギを翼から運び去る。翼壁面に跨がる差圧、及び冷却空気が翼を出るときの流量は、特に温度が高まり得る前縁に沿って重要である。従来、翼内部構造は、先ず前縁に沿った任意の点での最小の許容可能な差圧（内圧対外圧）を設定し、続いて最小の許容可能な差圧が前縁全体に沿って存在するように、前縁全体に沿って翼内部構造を操作することにより画定されていた。このアプローチの問題は、翼の前縁に沿ったコア・ガス流圧力勾配が、前縁に沿った勾配の残部よりも著しく高い圧力にある１又は複数の微小領域（すなわち「スパイク」）を有し得ることである。このことは、動翼（ブレード）と静翼との間の相対的な運動がコア・ガス流プロファイルに大きく影響し得るようなロータ・アセンブリの後方に配設された静翼について特に当てはまる。スパイクに対処するように最小の許容可能な圧力を増大させると、過剰な量の冷却空気を消費する。

従来のアプローチは翼内部構造を改変しているが、このアプローチはカスタマイズを許さない。タービンは広範な位置（例えば熱暑地、寒冷地、乾燥地、及び多湿地等）に設置される場合があり、極寒多湿環境の同じタービンが、熱暑乾燥環境に設置されたタービンとは著しく異なるコア・ガス流圧力勾配を蒙り得る。

本発明の一観点では、タービン翼型アセンブリが、内壁、外壁、前縁及び後縁を備えた翼型を有している。翼型は、当該翼型の実質的に翼弦方向に延在する１又は複数の小室（chamber）を有している。挿入材が、複数の衝突（インピンジメント）孔を有しており、小室の一つの内部に挿入されるように構成されている。挿入材は、複数の衝突孔を介して翼型を冷却するように構成されている。仕切要素（chambering element）が、挿入材にのみ取り付けられており、当該仕切要素によって画定される境界区域の外部の区域に対して境界区域の内部に増大した冷却ガス圧力を提供するように構成されている。間隙が、翼型の内壁と仕切要素との間に存在しており、冷却ガスを境界区域から流出させて境界区域の外部の区域に流入させる。

本発明のもう一つの観点では、タービン翼型アセンブリが、内壁を備えた翼型を有している。翼型は、当該翼型の実質的に翼弦方向に延在する１又は複数の小室を有している。挿入材が、複数の衝突孔を含んでおり、小室の一つの内部に挿入されるように構成されている。挿入材は、複数の衝突孔を介して翼型を冷却するように構成されている。仕切要素が、挿入材にのみ又は翼型にのみ取り付けられている。仕切要素は、当該仕切要素によって画定される境界区域の外部の区域に対して境界区域の内部に増大した冷却ガス圧力を提供するように構成されている。間隙が、仕切要素と翼型の内壁又は挿入材との間に存在している。間隙は、冷却ガスを境界区域から流出させて境界区域の外部の区域に流入させる。

本発明の一観点によるタービン翼型アセンブリの等角図である。 本発明の一観点による翼型の概略破断遠近図である。 本発明の一観点による仕切要素の部分遠近図である。 本発明の一観点による仕切要素の断面図である。 本発明の一観点による仕切要素の断面図である。 本発明の一観点によるライナに取り付けられた仕切要素の断面図である。 本発明の一観点による溶接又は鑞付けを介して挿入材に取り付けられた仕切要素の断面図である。 本発明の一観点による翼型に取り付けられた仕切要素の断面図である。

以下、本発明の１又は複数の特定の観点／実施形態について説明する。これらの観点／実施形態の簡潔な説明を掲げる試みにおいて、実際の具現化形態の全ての特徴が本明細書に記載されている訳ではない。任意のかかる実際の具現化形態の開発時には、あらゆる工学プロジェクト又は設計プロジェクトと同様に、具現化形態毎に異なり得る機械関連、システム関連及び業務関連の制約の遵守のような開発者の特定の目標を達成するために多数の特定具現化形態向け決定を下さなければならないことを認められたい。また、かかる開発の試みは複雑であり時間も掛かるが、それでも本開示の利益を享受する当業者にとっては設計、製造及び製品化の通常業務的な作業であることを認められたい。

本発明の様々な実施形態の要素を提示するときに、単数不定冠詞、定冠詞、「該」、「前記」等の用語は、当該要素の１又は複数が存在することを意味するものとする。また「備えている（comprising）」、「含んでいる（including）」及び「有している（having）」等の用語は内包的であるものとし、また所載の要素以外に付加的な要素が存在し得ることを意味するものとする。動作パラメータ及び／又は環境条件の如何なる例も、開示される実施形態の他のパラメータ／条件を排除しない。加えて、本発明の「一実施形態」若しくは「一観点」、又は「実施形態」若しくは「観点」に対する参照は、所載の特徴を同様に組み入れている追加の実施形態又は観点の存在を排除しないものと解釈されたい。

図１は、本発明の一観点によるタービン翼型アセンブリ１００の等角図、及びシナリオ例における圧力対スパン百分率（％スパン）を表わすグラフを示す。タービン翼型アセンブリ１００は、内壁１１２、外壁１１４、前縁１１６及び後縁１１８を有する翼型１１０を含んでいる。コア・ガスが全体的に前縁から後縁へ、又は全体的に図１の右から左へ走行する。翼型１１０はまた、当該翼型１１０の実質的に翼弦方向に延在する１又は複数の小室１１１、１１３を含んでいる。この例では、タービン翼型アセンブリ１００はガス・タービンの静翼ノズルであってよい。翼型１１０は、半径方向内側プラットフォーム１２０と半径方向外側プラットフォーム１２２との間に延在している。

小室１１１、１１３は、翼型１１０を冷却するのに用いられる挿入材（図１には不図示）を受け入れるように構成され得る。前述のように、タービン翼型アセンブリ１００を通過するコア・ガスは高められた温度にあり、これらの温度は翼型のスパンにわたりばらつき得る。例えば、スパン百分率（Ｙ軸）は翼型の高さを参照しており、圧力（Ｘ軸）は翼型の様々なスパン位置（又は高さ）に沿ったコア・ガスの圧力を参照している。ゼロ％スパンは翼型の底（プラットフォーム１２０に近い）を参照しており、１００％スパンは翼型の頂上（プラットフォーム１２２に近い）を参照している。様々な動作条件のため、圧力は翼型のスパンにわたって大きくばらつき得る。図示の例では、圧力は翼型の頂上の近くに第一のスパイク１３０を有し、約７０％スパン領域に第二の低めのスパイク１４０を有し、翼型の底の近くに第三のさらに低いスパイク１５０を有する。

図２は、本発明の一観点による翼型２１０の概略破断遠近図を示す。翼型２１０は多数の小室２１１、２１２、２１３、２１４、２１５、２１６、２１７、２１８を有し、これらの小室の幾つかが挿入材２２１、２２２、２２３、２２４、２２５、２２６、２２７を有し得る。挿入材は、小室の内部に挿入されるように構成されている。例えば、挿入材２２１は、小室２１１の内部に挿入されるようなサイズを有する。挿入材の幾つか又は全てが、翼型を冷却するための衝突孔のアレイを有する。例えば、前縁挿入材２２１は複数の衝突孔２３０を有する。冷却空気（例えばガス・タービン応用では圧縮機からのもの）が挿入材の内部に強制的に送り込まれ、次いで衝突孔２３０から出て小室２１１（又は翼型２１０）の内壁２３１にぶつかる（すなわち衝突する）。

コア・ガス圧力の高い領域の影響を減殺するために、仕切要素２４０が挿入材２２１に取り付けられており、当該仕切要素２４０によって画定される境界区域２５０の外部の区域２６０に対して境界区域２５０の内部に増大した冷却ガス圧力を提供するように構成されている。境界区域２５０は、仕切要素の境界の内部の空間の領域であり、区域２６０は、境界区域２５０に対して外部の空間の領域である。境界区域２５０において高められた内圧はまた、高い外圧の位置において翼型壁に亀裂が生じたときに助けになる場合がある。というのは、翼型の構造的破損を生じ得る亀裂を通した熱いコア・ガスの取り込みを起こさなくなるからである（内圧が増大しているため）。仕切要素２４０は、ワイヤ、又は内部領域２５０を外部領域２６０から部分的に隔離する物理的部材で構成され得る。仕切要素２４０は、溶接、鑞付け、機械的接続又は接着によって挿入材２２１に取り付けられ得る。

内壁２３１と挿入材２２１との間には間隙２７５が存在している。衝突後の冷却ガスは、この間隙に沿って走行した後に翼型２１０を出る。複数の離隔体（standoff）２７０が、この間隙を保つように構成され得る。離隔体は、挿入材２２１に取り付けられる（例えば溶接によって）か、又は内壁２３１に鋳造形成されて、予め決められた高さ及び／又は間隔を有する。例えば、望まれる間隙は２ｍｍであってよく、従って１又は複数の離隔体２２１の高さは約２ｍｍであってよい。

図３は、仕切要素２４０の部分遠近図を示す。この例では、仕切要素２４０は、実質的に一定の断面積を有する実質的に中実の部材（例えばワイヤ）である。図４は、冷却ガスの逃がしを容易にするように切込み部分４４２を有する実質的に中実の部材である仕切要素４４０の部分断面図を示す。仕切要素４４０は挿入材２２１に取り付けられている。翼型２１０の内壁２３１と仕切要素４４０の頂上との間には間隙２７５が存在してる。図５は、隣り合った区画の間に空間５４１を有する区分型部材である仕切要素５４０の部分断面図を示しており、空間５４１は冷却ガスの逃がしを容易にしている。図６は、挿入材６２１に取り付けられた仕切要素２４０の部分断面図を示す。挿入材６２１は、仕切要素２４０の下方を通過するように構成されている複数のチャネル６２２を含んでおり、チャネル６２２は冷却ガスの逃がしを容易にするように構成されている。

図７は、仕切要素及び挿入材接続の断面図を示す。仕切要素２４０は、溶接７１０によって挿入材２２１に取り付けられ得る。溶接７１０は鑞付けであってもよい。溶接７１０は、仕切要素２４０／挿入材２２１の境界面の全部又は一部にわたり形成され得る。代替的には、溶接７１０は、機械的接続によって置き換えられてもよい（例えば仕切要素が挿入材の全部又は一部に被さるスリーブに取り付けられる場合）し、又は用いられる接着剤がタービンの動作条件に耐え得ると想定して接着接続によって置き換えられてもよい。仕切要素２４０はまた、挿入材の壁の局所押出しによって挿入材に形成されてもよい。

図８は、仕切要素８４０及び翼型８１０の接続の断面図を示す。仕切要素８４０は、溶接又は鑞付けによって翼型８１０の内壁８３１にのみ取り付けられてもよい。溶接は、仕切要素８４０／翼型８１０の境界面の全部又は一部にわたり形成され得る。代替的には、仕切要素８４０は翼型８１０に、機械的接続によって取り付けられてもよいし、用いられる接着剤がタービンの動作条件に耐え得ると想定して接着接続によって取り付けられてもよい。仕切要素８４０は、挿入壁の局所押出し又は鋳造によって翼型８４０に形成されていてもよい。仕切要素８４０と挿入材８２１との間には間隙８７５が存在している。衝突後の冷却ガスは、この間隙に沿って走行した後に翼型を出る。複数の離隔体（図８には不図示）が、この間隙を保つように構成され得る。離隔体は、挿入材８２１、内壁８３１／翼型８１０、又は仕切要素８４０の何れに取り付けられてもよく、予め決められた高さ及び／又は間隔を有し得る。

本発明の一観点によるタービン翼型アセンブリ１００は、ガス・タービン、蒸気タービンのバケット、ブレード、ノズル、シュラウド若しくはベーンとして構成されてもよいし、又は冷却を必要とする他の任意のターボ機械設備構成要素として用いられるように構成されてもよい。前述のように、ガス・タービン及び蒸気タービン（又は他の任意のターボ機械若しくはターボ・エンジン）は、様々な広範な環境条件で動作し、用いられる燃料も大きくばらつき得る。個々の動作条件及び環境条件に合わせて各々のタービンを「カスタマイズ」することが可能であると極めて有益であり、このことは従来は可能ではなかった。本発明は、冷却ガスを最も必要とする区域に付加的な冷却ガスを導いて保つようにあらゆる問題区域（例えば翼型の熱スポット）を構成し得るように、ターボ機械を速やかにカスタマイズし又は修理することを可能にする。

この書面の記載は、最適な態様を含めて発明を開示し、また任意の装置又はシステムを製造して利用すること及び任意の組み込まれた方法を実行することを含めてあらゆる当業者が発明を実施することを可能にするように実例を用いている。特許付与可能な発明の範囲は特許請求の範囲によって画定されており、当業者に想到される他の実例を含み得る。かかる他の実例は、特許請求の範囲の書字言語に相違しない構造要素を有する場合、又は特許請求の範囲の書字言語と非実質的な相違を有する等価な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあるものとする。

１００：タービン翼型アセンブリ
１１０、８１０：翼型
１１１、１１３：小室
１１２：内壁
１１４：外壁
１１６：前縁
１１８：後縁
１２０：半径方向内側プラットフォーム
１２２：半径方向外側プラットフォーム
１３０、１４０、１５０：スパイク
２１０：翼型
２１１、２１２、２１３、２１４、２１５、２１６、２１７、２１８：小室
２２１、２２２、２２３、２２４、２２５、２２６、２２７、５２１、６２１、８２１：挿入材
２３０：衝突孔
２３１：内壁
２４０、４４０、５４０、８４０：仕切要素
２５０：境界区域
２６０：外部の区域
２７０：離隔体
２７５、８７５：間隙
４４２：切込み部分
５４１：空間
６２２：チャネル
７１０：溶接
８３１：内壁

Claims (20)

1. 内壁、外壁、前縁及び後縁を有する翼型であって、当該翼型の実質的に翼弦方向に延在する１又は複数の小室を有する翼型と、
   複数の衝突孔を有する挿入材であって、前記小室の一つの内部に挿入されるように構成されており、前記複数の衝突孔を介して前記翼型を冷却するように構成されている挿入材と
   を備えたタービン翼型アセンブリであって、
   仕切要素が、前記挿入材にのみ取り付けられており、当該仕切要素により画定される境界区域の外部の区域に対して前記境界区域の内部に増大した冷却ガス圧力を提供するように構成されており、間隙が、前記翼型の前記内壁と前記仕切要素との間に存在しており、冷却ガスを前記境界区域から流出させて前記境界区域の外部の前記区域に流入させる、タービン翼型アセンブリ。
2. 前記仕切要素は溶接を介して前記挿入材に取り付けられる、請求項１に記載のタービン翼型アセンブリ。
3. 前記仕切要素は、機械的接続、接着接続又は前記挿入材壁の局所押出しの少なくとも一つを介して前記挿入材に取り付けられる、請求項１に記載のタービン翼型アセンブリ。
4. 前記仕切要素は、実質的に一定の断面積を有する実質的に中実の部材である、請求項１に記載の前記タービン翼型アセンブリ。
5. 前記仕切要素は、前記冷却ガスの逃がしを容易にするように切込み部分を有する実質的に中実の部材である、請求項１に記載のタービン翼型アセンブリ。
6. 前記仕切要素は、隣り合った区画の間に空間を有する区分型部材であり、前記空間は前記冷却ガスの逃がしを容易にする、請求項１に記載のタービン翼型アセンブリ。
7. 前記挿入材は、前記仕切要素の下方を通過するように構成されている複数のチャネルであって、前記冷却ガスの逃がしを容易にするように構成されている複数のチャネルを含んでいる、請求項１に記載のタービン翼型アセンブリ。
8. ガス・タービン、蒸気タービン又は圧縮機の少なくとも一つにおいて用いられるように構成されている請求項１に記載のタービン翼型アセンブリ。
9. バケット、ブレード、ノズル、シュラウド及びベーンの少なくとも一つとして用いられるように構成されており、ガス・タービン、蒸気タービン又は圧縮機の少なくとも一つにおいて用いられるように構成されている請求項１に記載のタービン翼型アセンブリ。
10. 前記挿入材に取り付けられて、該挿入材と前記翼型の前記内壁との間に間隙を保つように構成されている複数の離隔体をさらに含んでいる請求項１に記載のタービン翼型アセンブリ。
11. 内壁を有する翼型であって、当該翼型の実質的に翼弦方向に延在する１又は複数の小室を有する翼型と、
    複数の衝突孔を有する挿入材であって、前記小室の一つの内部に挿入されるように構成されており、前記複数の衝突孔を介して前記翼型を冷却するように構成されている挿入材と
    を備えたタービン翼型アセンブリであって、
    仕切要素が、前記挿入材にのみ又は前記翼型にのみ取り付けられており、当該仕切要素により画定される境界区域の外部の区域に対して前記境界区域の内部に増大した冷却ガス圧力を提供するように構成されており、間隙が、前記仕切要素と前記翼型の前記内壁又は前記挿入材の少なくとも一方との間に存在しており、冷却ガスを前記境界区域から流出させて前記境界区域の外部の前記区域に流入させる、タービン翼型アセンブリ。
12. 前記仕切要素は溶接を介して前記挿入材又は前記翼型に取り付けられる、請求項１１に記載のタービン翼型アセンブリ。
13. 前記仕切要素は、機械的接続、接着接続、前記挿入材壁の局所押出し又は鋳造の少なくとも一つを介して前記挿入材又は前記翼型に取り付けられる、請求項１１に記載のタービン翼型アセンブリ。
14. 前記仕切要素は、実質的に一定の断面積を有する実質的に中実の部材である、請求項１１に記載のタービン翼型アセンブリ。
15. 前記仕切要素は、前記冷却ガスの逃がしを容易にするように切込み部分を有する実質的に中実の部材である、請求項１１に記載のタービン翼型アセンブリ。
16. 前記仕切要素は、隣り合った区画の間に空間を有する区分型部材であり、前記空間は前記冷却ガスの逃がしを容易にする、請求項１１に記載のタービン翼型アセンブリ。
17. 前記挿入材は、前記仕切要素の下方を通過するように構成されている複数のチャネルであって、前記冷却ガスの逃がしを容易にするように構成されている複数のチャネルを含んでいる、請求項１１に記載のタービン翼型アセンブリ。
18. ガス・タービン、蒸気タービン又は圧縮機の少なくとも一つにおいて用いられるように構成されている請求項１１に記載のタービン翼型アセンブリ。
19. バケット、ブレード、ノズル、シュラウド及びベーンの少なくとも一つとして用いられるように構成されており、ガス・タービン、蒸気タービン又は圧縮機の少なくとも一つにおいて用いられるように構成されている請求項１１に記載のタービン翼型アセンブリ。
20. 前記挿入材又は前記翼型に取り付けられて、前記挿入材と前記翼型の前記内壁との間に間隙を保つように構成されている複数の離隔体をさらに含んでいる請求項１１に記載のタービン翼型アセンブリ。