JP2015075118A

JP2015075118A - ガスタービンの高温ガス通路内の構成部材を冷却するための配置形式

Info

Publication number: JP2015075118A
Application number: JP2014208235A
Authority: JP
Inventors: ブランドルヘアベアト; Brandl Herbert; アナトリエヴィチセドロフアンドレイ; Anatolievich Sedlov Andrey; イヴァノフアルテム; Ivanov Artem
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2013-10-10
Filing date: 2014-10-09
Publication date: 2015-04-20
Also published as: US9822654B2; CN104564350A; EP2860359A1; EP2860359B1; US20150110612A1; EP2860358A1; KR20150042137A; CN104564350B

Abstract

【課題】ガスタービンの高温ガス通路内の壁セグメント、特にステータヒートシールドの冷却効率を向上させ、且つ、摩擦の発生又は亀裂に基づく表面損傷が生じた場合に、ガスタービンの高温ガス通路内の壁セグメントの緊急時の寿命を延ばす、ガスタービンの高温ガス通路内の壁セグメント、特にステータヒートシールドを冷却するための配置形式を提供する。
【解決手段】少なくとも１つの冷却通路（１４，１４′，１４″）は、少なくとも２つの熱伝達区分（１８，２２）を有しており、（冷却媒体（１５）の流れ方向に見て）第１の熱伝達区分（１８）は、比較的高温の表面（１１）に対して実質的に平行に、第１の間隔（１９）をあけて延在しており、第２の熱伝達区分（２２）は、比較的高温の表面（１１）に対して実質的に平行に、第２の間隔（２３）をあけて延在しており、第２の間隔（２３）は、第１の間隔（１９）よりも小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンの分野に関するものであり、特にガスタービンの高温ガス通路内の冷却式のステータ構成部材に関する。このような構成部材、例えばステータヒートシールドは、これらの構成部材の熱的な損傷を避け且つ十分な耐用年数を保証するために、適切に冷却されねばならない。

ステータヒートシールドの冷却は、困難な仕事である。ヒートシールドは、ガスタービン内の高温ガス通路の高温で攻撃的なガスに曝される。高温ガスに曝されるヒートシールド表面の膜冷却は少なくとも、回転翼先端部とは反対の側に配置された表面領域では不可能である。これには２つの理由がある。第１に、ヒートシールドと翼先端部との間の間隙における複雑な流れ場が、前記構成部材の表面全体にわたる冷却膜の形成を許さない。第２に、摩擦が発生した場合に、この発生に基づき冷却開口が頻繁に閉じられて、確実な膜形成のための、冷却媒体の十分な流出を妨げ、その結果、ヒートシールド部材の過熱が生ぜしめられる。このリスクを軽減するために、翼先端部とヒートシールドとの間の間隙は、増大されねばならない。

現在、前記構成部材の側面において噴射される冷却空気による衝突冷却法が、ステータヒートシールドを冷却するために汎用されている手段である。

特許文献１に記載のガスタービンはステータヒートシールドを備えており、これらのステータヒートシールドは衝突冷却により冷却され、衝突冷却では圧力をかけられた冷却媒体、特に冷却空気が、外側の環状キャビティから、穿孔された衝突冷却板を介して、ヒートシールドセグメントの衝突冷却キャビティに流入して、ヒートシールドの壁を画定している高温ガス通路を冷却する。ヒートシールドの側面の噴射孔を介して、使用済みの冷却媒体が、高温ガス通路内に噴射される。

特許文献２では、衝突冷却構造が、複数のヒートシールド部材を有しており、これらのヒートシールド部材は、互いに周方向に連結されていて、高温ガス通路を取り囲む環状シュラウドと、シュラウドの半径方向外面に取り付けられ、その間に中空のキャビティを形成するシュラウドカバーとを形成している。前記カバーは衝突孔を有しており、これらの衝突孔は、前記キャビティに連通していて、冷却空気をキャビティ内側表面に噴射することにより、ヒートシールドの半径方向内側の壁が衝突冷却される。孔付きフィンが、キャビティを複数のサブキャビティに分割する。冷却空気は、冷却孔を通ってフィンに流入し、フィンを通って第１のサブキャビティから第２のサブキャビティに流入する。

上昇する高温ガス温度に基づき、金属温度を許容可能なレベルに低下させるために、高温ガスに曝される構成部材の壁厚の減少が必要とされる。更に、最新のガスタービンの効率要求に基づき、回転翼の先端部とヒートシールドとの間の小さな間隙が必要とされる。しかしながらこの要求は、益々洗練され、その結果より高価になるこれらの部材の設計及び製造に妥協するものであると共に、高温ガスに曝される表面の耐摩擦性の要求に妥協するものである。なぜならば、薄い壁は摩擦が生じた場合に損傷のリスクを高めるからである。

特許文献３には、ガスタービンの高温ガス通路の冷却式の構成部材、例えば壁セグメントが記載されている。この壁セグメントは、冷却媒体用の複数の平行な冷却通路を有している。冷却通路の内側表面には、壁に隣接して、熱伝達を高める効果を有する乱流を発生させるために、特定の形状及び寸法の突出部材が設けられている。

特許文献４に記載のガスタービンの冷却式の壁部材は、複数の別個の対流冷却式の長手方向冷却ダクトを有しており、これらの長手方向冷却ダクトは、内壁の近くで内壁に対して平行に延びており、隣接する長手方向冷却ダクトは、いずれも中間リブを介して互いに接続されている。長手方向冷却ダクトの下流側の端部には、変向装置が設けられており、この変向装置は、壁部材において外壁の近くに配置された少なくとも１つの戻り流冷却ダクトに接続されており、戻り流冷却ダクトからは、複数の小管が冷却式の壁部材の内壁に向かって延びており、これらの小管は、中間リブの分割部に配置されている。この壁部材によって、冷却媒体を、冷却（対流冷却、滲出冷却、膜冷却）のために多重に使用することができる。

特許文献５にはガスタービン用のヒートシールドセグメントが記載されており、前記セグメントは、第１の表面と、第１の表面の反対側に配置された背面と、前縁及び後縁を規定する一対の軸方向縁部と、前縁に隣接するとともに背面から延びる第１の支持手段と、後縁に隣接するとともに背面から延びる第２の支持手段と、蛇行チャンネルと、を含み、蛇行チャンネルは、一方の縁部に沿って延びるとともに該縁部に隣接して延びる支持手段の外方に位置する外側通路と、この外側通路の内側に位置する内側通路と、外側通路倒置側通路との間に延びて、内側通路を外側通路に流体接続させる曲がり通路と、この曲がり通路からシュラウドセグメントの外部へと延び、曲がり通路から冷却流体を放出するパージ孔と、隣接する支持手段の内方の位置から内側通路へと延びたダクトと、を含み、ダクトは、背面に噴射された冷却流体の一部が蛇行チャンネルを通流するように、シュラウドセグメントの背面と蛇行チャンネルとの間の流体接続を可能にしており、運転時に、パージ孔へ向かって冷却流体が引き寄せられることにより、曲がり通路における冷却流体の剥離が阻止される。

特許文献６は、冷却通路のネットワークに基づいた、ガスタービンの高温ガス通路内の被覆壁を冷却するための配置形式に関する。ガスタービン壁は、表面と裏面とを有する金属基材を含む。断熱被膜が表面上に接合される。流路のネットワークは、基材と被膜との間に積層され、空気冷媒をそれらの間に運び、断熱被膜を冷却する。

ヒートシールドの緊急時における十分な寿命を保証するためには、高温ガスに曝される壁を、十分な厚さを備えて設計する必要があるか、又は過渡的な運転状態の間は摩擦接触が排除されるように、翼先端部とステータヒートシールドとの間の間隙を増大させる必要がある。しかしながら、これは冷却効率をネガティブに損なうものである。

ＷＯ２０１０／００９９９７ＣＡ２６４４０９９ＷＯ２００４／０３５９９２ＤＥ４４４３８６４ＤＥ６９６０１０２９ＥＰ１５１７００８

本発明の課題は、ガスタービンの高温ガス通路内の壁セグメント、特にステータヒートシールドの冷却効率を向上させることにある。本発明の別の課題は、摩擦の発生又は亀裂に基づく表面損傷が生じた場合に、ガスタービンの高温ガス通路内の壁セグメントの緊急時の寿命を延ばす、ガスタービンの高温ガス通路内の壁セグメント、特にステータヒートシールドを冷却するための配置形式を提供することにある。

この課題は、独立請求項に記載の壁セグメント、例えばステータヒートシールドによって解決される。

本発明によるガスタービンの高温ガス通路用の壁セグメント、特にステータヒートシールドは少なくとも、比較的高温の媒体に曝される第１の表面と、比較的低温の媒体に曝される第２の表面と、前記第１の表面と前記第２の表面とを接続し且つ前記壁セグメントの高さを規定する側面と、前記壁セグメントを通って延在する、冷却媒体通流用の少なくとも１つの冷却通路とを有しており、該少なくとも１つの冷却通路は、（冷却媒体の流れ方向に見て）入口区分と、前記壁セグメントの前記第１の表面に対して実質的に平行に、該第１の表面に対して第１の間隔をあけて延在する第１の熱伝達区分と、前記第１の表面に向かう方向ベクトルを有する移行区分と、前記第１の表面に対して実質的に平行に、該第１の表面に対して第２の間隔をあけて延在する第２の熱伝達区分と、冷却媒体の出口とを有しており、前記第２の間隔は、前記第１の間隔よりも小さい。

第１の構成では、入口は、比較的低温の媒体に曝される第２の表面に配置されている。

別の構成では、第１の高温の表面に対して第１の間隔をあけて延在する冷却通路の第１の熱伝達区分と、第１の表面に対して第２の間隔をあけて延在する第２の熱伝達区分とは、互いに平行に延在している。

好適には、２つの平行な熱伝達区分は、冷却媒体の流れ方向が逆になるように配置されている。

本発明の好適な構成では、壁セグメントが複数（即ち少なくとも２つ）の冷却通路を有しており、いずれの場合も２つの冷却通路が互いに横方向に反転されて配置されている。

冷却通路は、好適には方形の断面又は台形の断面を有しており、この場合、台形の基底面は、比較的高温の媒体に曝される表面に向けられている。

択一的な構成では、少なくとも１つの冷却通路の断面形状は、全長にわたって変化している。

本発明による壁セグメントの重要な特徴は、冷却通路が２つ（又はそれ以上）の異なる熱伝達区分を有している点にあり、この場合、これらの異なる熱伝達区分は、壁セグメント内の異なる平面に配置されている、即ち、ガスタービンの高温ガス通路に曝される表面に対して異なる間隔をあけて配置されている。第２の冷却区分は第１の冷却区分よりも、高温の表面の近くに延在している。この区分は、ヒートシールドを最適に冷却するように形成されている。第１の区分は、より大きく離間しているので、壁セグメントの冷却に対する貢献度は、比較的低い。

連続的な超過歪みに基づく摩擦の発生又は異常な摩耗の結果、壁セグメント、特にステータヒートシールドの表面が破壊されて冷却通路が損傷され、例えば漏れやすくなる恐れがある。このようなことが生じると、損傷された領域からより大きく離間して配置された、冷却通路の損傷されていない第１の区分が、ある程度の冷却機能を引き継ぐ。これにより、ヒートシールドの緊急時の寿命を著しく延ばすことができる。

以下に、本発明を様々な実施形態により、添付図面を参照してより詳しく説明する。

本発明による、組み込まれた１つの冷却通路を備える壁セグメントの基本的な特徴を概略的に示す斜視図である。横方向に反転されて配置された、２つの冷却通路を備える壁セグメントを、同じく斜視図で示した図である。本発明の別の実施形態の断面図である。本発明の更に別の実施形態の断面図である。本発明の更に別の実施形態の断面図である。１つの実施形態において熱伝達強化手段を備える冷却通路を示した図である。横方向に反転されて配置された複数の冷却通路を備えるステータヒートシールドを示す図である。

図１に概略的に示すガスタービンのステータヒートシールド１０は、ガスタービンの高温ガス通路内の高温ガスに曝される第１の内側表面１１と、第２の外側表面１２（図３〜図５参照）と、４つの側面１３とを備えている。冷却媒体１５、一般には冷却空気、のための少なくとも１つの冷却通路１４が、ヒートシールド１０の内部に延在している。冷却媒体１５を冷却通路１４に流入させるための入口開口１６が、ヒートシールド１０の外側表面１２上に配置されている。図１には典型的な形式で、外側表面１２に対して直交する流体入口１６が示されているが、傾斜するように方向付けられた入口１６も、もちろん可能である。入口１６は、できるだけ長い熱伝達区分を有するように、側面の近くに配置されている。一般に、側面までの間隔は、壁セグメント１０の長さの５％〜２０％の範囲内であってよい。入口区分１６は、内側表面１１に対して実質的に平行に方向付けられた通路区分１８に接続しており、通路区分１８は、内側表面１１に対して所定の第１の間隔１９をあけている。前記区分１８は、冷却通路１４の第１の熱伝達区分として働く。区分１８の終端部には、移行区分２０が続いている。この区分２０は、高温ガスに曝される内側表面１１により近い、第２の平面上に、冷却通路１４を移行させることを目的としたものである。好適には、冷却通路１４は２回、直角に９０度曲がって、表面１１により近い他方の平面内に移行し、且つその流れ方向を逆の方向に変化させる。その後には第２の熱伝達区分２２が続いていて、長手方向にヒートシールド１０を通って、且つ高温ガスに曝される内側表面１１に対して一定の間隔２３をあけて延在している。この区分２２は一般に、長手方向に延在する第１の区分１８に対して平行であるが、表面１１により近い平面内に延在している。冷却通路１４のこの部分が、高温ガスに曝される表面１１の冷却に、主に寄与する部分である。所定の側面１３において、使用済みの冷却媒体１５が、出口１７を介してヒートシールドセグメント１０から流出する。

冷却通路１４の平行な熱伝達区分１８及び２２は、後で図３及び図４につきより詳細に説明するように、１つの垂直線上に配置されるか、又は互いにずらされて配置されてよい。

一般に、ステータヒートシールドには、２つ又はそれ以上の冷却通路１４が設けられている。１つの好適な実施形態では、図２に示したように、いずれの場合も２つの冷却通路１４′，１４″が、横方向では互いに位置を反転されて配置されている。両冷却通路１４′，１４″は、冷却媒体１５用の入口１６と、高温ガスに曝される表面１１に対して第１の間隔１９を有する第１の熱伝達区分１８と、表面１１に向かう方向ベクトルを有する移行区分２０と、表面１１に対して実質的に平行な第２の熱伝達区分２２と、側面１３に隣接した、冷却媒体１５用の出口１７とを有している。両冷却通路１４′，１４″の移行区分２０はそれぞれ、高温ガスに曝される表面１１に向かう垂直方向成分と、水平方向成分とを有している。水平方向成分は、互いに向かって方向付けられている。その結果、冷却通路１４′の第２の熱伝達区分２２は、冷却通路１４″の第１の熱伝達区分１８と、１つの垂直線上に配置されており、冷却通路１４″の第２の熱伝達区分２２は、冷却通路１４′の第１の熱伝達区分１８と、１つの垂直線上に配置されている（図３参照）。

図４、図５ａ及び図５ｂは、択一的な実施形態の断面図を示したものであり、いずれの場合も、冷却通路１４の第１の熱伝達区分１８と第２の熱伝達区分２２とが、互いにずらされている。

好適には、冷却通路１４は、それぞれ方形又は台形の流れ断面を備えている。

１つの択一的な実施形態では、冷却通路１４の断面形状は、例えば台形の断面から方形の断面に、全長にわたって変化してよい（図５ａ）。付加的な実施形態では、ステータヒートシールド１０の第２の表面１２（この表面１２は一般に冷却媒体１５に曝される）は、内部の冷却通路１４の構造に相応した構造２４を備えて形成されている。このことは、構成部材１０のサイクル寿命にとってそれ自体が有利な、高温金属体積に対する低温金属体積の比を増大させる。付加的に、この構成は、壁セグメント１０の質量を減少させるので、これにより、選択的レーザ溶融法（ＳＬＭ）のような、追加的な製造法で製造する場合に、この構成は、前記部分の製造価格を引き下げる。

１つの好適な実施形態では、図６に示したように、冷却通路１４′，１４″に熱伝達強化手段２５、好適にはリブが設けられている。特にこれらの熱伝達強化手段２５は、高温ガスに曝される表面１１に近い、第２の熱伝達区分２２内に配置されている。

図７には、複数の内部冷却通路１４を備えるステータヒートシールド１０の実施形態が示されている。冷却通路１４，１４′，１４″は、いずれの場合も図２に詳細に示したように、対を成して配置されている。

１０壁セグメント、ステータヒートシールド
１１高温ガス路に曝される、１０の表面
１２冷却媒体に曝される、１０の表面
１３１０の側面
１４，１４′，１４″ 冷却通路
１５冷却媒体、例えば冷却空気
１６１４の入口
１７１４の出口
１８１４の第１の熱伝達区分
１９表面１１に対する第１の間隔
２０第１の熱伝達区分と第２の熱伝達区分との間の移行区分
２２１４の第２の熱伝達区分
２３表面１１に対する第２の間隔
２４１２の表面構造
２５熱伝達強化手段

Claims

ガスタービンの高温ガス通路用の壁セグメント、特にステータヒートシールドであって、少なくとも、比較的高温の媒体に曝される第１の表面（１１）と、比較的低温の媒体に曝される第２の表面（１２）と、前記第１の表面（１１）と前記第２の表面（１２）とを接続し且つ前記壁セグメント（１０）の高さを規定する側面（１３）と、前記壁セグメント（１０）を通って延在する、流体の冷却媒体（１５）の通流用の少なくとも１つの冷却通路（１４，１４′，１４″）とを有しており、各冷却通路（１４，１４′，１４″）には、前記冷却媒体（１５）用の入口（１６）と出口（１７）とが設けられているものにおいて、
前記少なくとも１つの冷却通路（１４，１４′，１４″）は、少なくとも２つの熱伝達区分（１８，２２）を有しており、前記冷却媒体（１５）の流れ方向に見て、第１の熱伝達区分（１８）は、比較的高温の前記表面（１１）に対して実質的に平行に、第１の間隔（１９）をあけて延在しており、第２の熱伝達区分（２２）は、比較的高温の前記表面（１１）に対して実質的に平行に、第２の間隔（２３）をあけて延在しており、該第２の間隔（２３）は、前記第１の間隔（１９）よりも小さいことを特徴とする、ガスタービンの高温ガス通路用の壁セグメント。
前記少なくとも１つの冷却通路（１４，１４′，１４″）は、前記冷却媒体（１５）の流れ方向に連続して、前記冷却媒体（１５）用の入口区分（１６）と、前記壁セグメント（１０）の前記第１の表面（１１）に対して実質的に平行に、前記第１の間隔（１９）をあけて延在する前記第１の熱伝達区分（１８）と、前記第１の表面（１１）に向かう方向ベクトルを有する移行区分（２０）と、前記第１の表面（１１）に対して実質的に平行に、前記第２の間隔（２３）をあけて延在する前記第２の熱伝達区分（２２）と、前記冷却媒体（１５）用の出口（１７）とを有している、請求項１記載の壁セグメント。
前記比較的低温の媒体は、冷却媒体、好適には冷却空気（１５）である、請求項１記載の壁セグメント。
前記入口（１６）は、前記比較的低温の媒体に曝される前記第２の表面（１２）に配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の壁セグメント。
前記表面（１１）に対して実質的に平行に、第１の間隔（１９）をあけて延在する前記冷却通路（１４）の前記第１の区分（１８）と、前記表面（１１）に対して実質的に平行に、第２の間隔（２３）をあけて延在する前記第２の区分（２２）とは、互いに平行に延在している、請求項１記載の壁セグメント。
前記第１の区分（１８）と、前記第２の区分（２２）とは、互いに平行に延在していて、前記冷却媒体（１５）の流れ方向が逆転している、請求項５記載の壁セグメント。
前記移行区分（２０）は、２つの直角曲げ箇所を有している、請求項２記載の壁セグメント。
前記移行区分（２０）は、高温ガスに曝される前記表面（１１）に向かう垂直方向成分と、水平方向成分とを有している、請求項２記載の壁セグメント。
前記壁セグメント（１０）は、２つ又はそれ以上の冷却通路（１４，１４′，１４″）を有しており、少なくとも２つの冷却通路（１４′，１４″）が、横方向では互いに位置を反転されて配置されている、請求項１記載の壁セグメント。
比較的低温の前記媒体に曝される前記壁セグメント（１０）の前記第２の表面（１２）は、内部の前記冷却通路（１４，１４′，１４″）の構造に相応した構造（２４）を備えて形成されている、請求項１記載の壁セグメント。
前記冷却通路（１４，１４′，１４″）は、方形の断面を有している、請求項１記載の壁セグメント。
前記冷却通路（１４，１４′，１４″）は、台形の断面を有しており、台形の基底面は、前記比較的高温の媒体に曝される前記第１の表面（１１）に向けられている、請求項１記載の壁セグメント。
少なくとも１つの冷却通路（１４，１４′，１４″）の断面形状が、全長にわたって変化している、請求項１記載の壁セグメント。
前記冷却通路（１４，１４′，１４″）には、部分的又は全体的に熱伝達強化手段（２５）が設けられている、請求項１記載の壁セグメント。
前記熱伝達強化手段（２５）は、リブである、請求項１４記載の壁セグメント。