JP2015092074A

JP2015092074A - インピンジメント冷却およびペデスタル冷却を伴う高温ガス構成部品

Info

Publication number: JP2015092074A
Application number: JP2014213285A
Authority: JP
Inventors: ウィリアム・スティーブン・クヴァスナック; William Stephen Kvasnak; スコット・エドモンド・エリス; Scott Edmond Ellis
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2014-10-20
Publication date: 2015-05-14
Also published as: DE102014115476A1; US10001018B2; CN104564184A; CH708781A2; US20150118013A1

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンの高温ガス通路に使用する高温ガス通路構成部品に関し、効率と構成部品の寿命の改善のために組み合わされたインピンジメント冷却およびペデスタル冷却を伴うタービンバケットプラットフォームなどの高温ガス通路構成部品に関を提供する。
【解決手段】高温ガス通路構成部品は、内壁１４０と、高温ガス通路に面する外壁１５０と、インピンジメント壁１６０と、内壁１４０とインピンジメント壁１６０との間に位置する多数の内壁ペデスタル１８０と、外壁１５０とインピンジメント壁１６０との間に位置する多数の外壁ペデスタル１９０とを含み得る。
【選択図】図３

Description

本出願およびその結果として得られる特許は、一般にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、効率と構成部品の寿命の改善のために組み合わされたインピンジメント冷却およびペデスタル冷却（ｐｅｄｅｓｔａｌｃｏｏｌｉｎｇ）を伴うタービンバケットプラットフォームなどの高温ガス通路構成部品に関する。

周知のガスタービンエンジンは、一般に、円周方向に離間したノズルおよびバケットの列を含む。タービンバケットは、圧力側と吸引側とを有し、かつプラットフォームから半径方向上方に延びる翼形部を含む。中空のシャンク部は、プラットフォームから半径方向下方に延びることができ、タービンバケットをタービンホイールに固定するためにダブテールなどを含むことができる。プラットフォームは、一般に、高温ガス通路を通って流れる高温燃焼ガスに対する内側境界面を画定する。このように、プラットフォームは、高温燃焼ガスおよびプラットフォームにかかる機械的負荷のため、高い応力が集中する場所である可能性がある。タービンバケットは、熱誘起応力の一部を緩和する目的で、プラットフォームの上部と底部との間の温度差を低減するために、いくつかの種類のプラットフォーム冷却方式または他の形態を含み得る。

様々な種類のプラットフォーム冷却方式が知られている。例えば、インピンジメント冷却は、第１段ノズル冷却方式などでよく知られている。しかしながら、インピンジメント冷却回路での圧力降下の大部分がインピンジメント板の前後で生じることに起因して、インピンジメント孔が一般に比較的小さくなければならないか、または圧力を調整するために、冷却回路が全体の冷却要件で必要とされ得るよりも多くの流れを必要とする可能性がある。他の種類のプラットフォーム冷却の例としては、ペデスタル冷却の使用が挙げられる。ペデスタル冷却は、例えば、第１段バケット後縁部などにおいて知られている。他の種類の高温ガス通路構成部品も、同様の種類の冷却を必要とする可能性がある。

それゆえ、ガスタービンエンジンで使用するタービンバケットなどの改良された高温ガス通路構成部品が望まれている。好ましくは、かかるタービンバケットは、効率的な運転および構成部品の長寿命化のために、冷却媒体の過剰な損失なしにバケットのプラットフォームおよび他の構成部品を冷却することができる。

米国特許出願公開第２０１３／０１１５０９０号明細書

したがって、本出願およびその結果として得られる特許は、ガスタービンエンジンの高温ガス通路に使用する高温ガス通路構成部品を提供する。高温ガス通路構成部品は、ペデスタル冷却とインピンジメント冷却が組み合わされるように、内壁と、高温ガス通路に面する外壁と、インピンジメント壁と、内壁とインピンジメント壁との間に位置する多数の内壁ペデスタルと、外壁とインピンジメント壁との間に位置する多数の外壁ペデスタルとを含み得る。

本出願およびその結果として得られる特許は更に、ガスタービンエンジンの高温ガス通路における高温ガス通路構成部品を冷却する方法を提供する。方法は、ペデスタル冷却とインピンジメント冷却が組み合わされるように、多数の内壁ペデスタルを有する内壁ペデスタル冷却領域を通して冷却媒体を流すステップと、多数のインピンジメント孔を有するインピンジメント冷却領域を通して冷却媒体を流すステップと、多数の外壁ペデスタルを有する外壁ペデスタル冷却領域を通して冷却媒体を流すステップとを含み得る。

本出願およびその結果として得られる特許は更に、ガスタービンエンジンの高温ガス通路に使用するバケットプラットフォームを提供する。バケットプラットフォームは、ペデスタル冷却とインピンジメント冷却が組み合わされるように、内壁と、高温ガス通路に面する外壁と、内部に多数のインピンジメント孔を備えたインピンジメント壁と、内壁とインピンジメント壁との間に位置する多数の内壁ペデスタルと、外壁とインピンジメント壁との間に位置する多数の外壁ペデスタルとを含み得る。

本出願およびその結果として得られる特許のこれらおよび他の特徴ならびに改良点は、複数の図面および添付の特許請求の範囲と併せて以下の詳細な説明を精査すれば、当業者には明らかになるであろう。

圧縮機と、燃焼器と、タービンとを備えたガスタービンエンジンの概略図である。プラットフォームから延びる翼形部を備えたタービンバケットの斜視図である。ここで説明することができるタービンバケットのプラットフォームの一部の側断面図である。図４は、インピンジメント孔およびペデスタルを示す図３のプラットフォームの一部の上部断面図である。

次に、複数の図を通して類似の符号が類似の要素を示す、図面を参照すると、図１は、ここで使用することができるガスタービンエンジン１０の概略図を示している。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含み得る。圧縮機１５は、流入する空気２０の流れを圧縮する。圧縮機１５は、圧縮空気２０の流れを燃焼器２５に送給する。燃焼器２５は、圧縮空気２０の流れを加圧燃料３０の流れと混合し、この混合気に点火して、燃焼ガス３５の流れを作り出す。単一の燃焼器２５のみが示されているが、ガスタービンエンジン１０は、任意の数の燃焼器２５を含み得る。次に、燃焼ガス３５の流れがタービン４０に送給される。燃焼ガス３５の流れは、タービン４０を駆動して、機械的仕事を生成する。タービン４０で生成された機械的仕事は、シャフト４５を介して圧縮機１５を駆動し、発電機などの外部負荷５０を駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、液体燃料、様々な種類の合成ガス、および／または他の種類の燃料、ならびにそれらの混合物を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、限定されるものではないが、７または９シリーズの重荷重ガスタービンエンジンなどのガスタービンエンジンを含む、ゼネラル・エレクトリック社（ニューヨーク州スケネクタディ市）が提供する多数の異なるガスタービンエンジンのうちのいずれか１つとすることができる。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成を有することができ、他の種類の構成部品を使用することができる。ここでは、他の種類のガスタービンエンジンも使用することができる。ここでは、複数のガスタービンエンジン、他の種類のタービン、および他の種類の発電設備も一緒に使用することができる。航空用途でも使用することができる。

図２は、タービン４０で使用することができるタービンバケット５５の一例を示している。一般的に説明すると、タービンバケット５５は、翼形部６０と、シャンク部６５と、翼形部６０とシャンク部６５との間に配置されたプラットフォーム７０とを含む。翼形部６０は、一般に、プラットフォーム７０から半径方向上方に延び、かつ前縁部７２と後縁部７４とを含む。翼形部６０はまた、圧力側７６を画定する凹面壁と、吸引側７８を画定する凸面壁とを含み得る。プラットフォーム７０は、実質的に水平かつ平面状とすることができる。同様に、プラットフォーム７０は、上部表面８０と、圧力面８２と、吸引面８４と、前方面８６と、後方面８８とを含み得る。プラットフォーム７０の上部表面８０は、高温燃焼ガス３５の流れにさらされる可能性がある。シャンク部６５は、プラットフォーム７０が概して翼形部６０とシャンク部６５との間の境界面を画定するように、プラットフォーム７０から半径方向下方に延びることができる。シャンク部６５は、内部にシャンク空洞９０を含み得る。シャンク部６５はまた、１つまたは複数のアングル翼９２と、ダブテールなどの根元構造９４とを含み得る。根元構造９４は、タービンバケット５５をシャフト４５に固定するように構成することができる。

タービンバケット５５は、圧縮機１５から、または別の供給源から、空気などの冷却媒体９８を流すために、タービンバケット５５を貫通して延びる１つまたは複数の冷却回路９６を含み得る。冷却回路９６および冷却媒体９８は、翼形部６０、シャンク部６５、およびプラットフォーム７０の少なくとも一部を任意の順序、方向、または経路で循環することができる。ここでは、多くの異なる種類の冷却回路および冷却媒体を使用することができる。ここで説明するタービンバケット５５は、単に例示を目的とするものであり、ここでは多くの他の構成部品および他の構成も使用することができる。

図３および図４は、ここで説明することができる高温ガス通路構成部品１００の一部を示している。この例では、高温ガス通路構成部品１００は、タービンバケット１１０とすることができる。より詳細には、高温ガス通路構成部品１００は、バケットプラットフォーム１２０とすることができる。タービンバケット１１０およびプラットフォーム１２０は、上で説明したものと同様とすることができる。プラットフォーム１２０は、冷却媒体１３０で冷却することができる。ここでは、任意の種類の冷却媒体１３０を任意の供給源から使用することができる。ここでは、他の種類の高温ガス通路構成部品を使用することができる。例えば、高温ガス通路構成部品１００は、ノズル、シュラウド、ライナ、および／または移行部品を含み得る。高温ガス通路構成部品１００は、任意のサイズ、形状、または構成を有し得る。高温ガス通路構成部品１００は、任意の適切な種類の耐熱材料から作ることができる。

プラットフォーム１２０は、内壁１４０を含み得る。内壁１４０は、プラットフォーム１２０の低温側に位置することができる。プラットフォーム１２０はまた、外壁１５０を含み得る。外壁１５０は、燃焼ガス３５の流れにより形成された高温ガス通路におけるプラットフォーム１２０の上部表面または高温側に位置することができる。プラットフォーム１２０は更に、中間のインピンジメント壁１６０を含み得る。壁１４０、１５０、１６０は、任意のサイズ、形状、または構成を有し得る。

インピンジメント壁１６０は、インピンジメント壁１６０を貫通するインピンジメント孔１７０の配列を含み得る。インピンジメント孔１７０は、任意のサイズ、形状、または構成を有し得る。任意の数のインピンジメント孔１７０を使用することができる。内壁１４０は、多数の内壁ペデスタル１８０によりインピンジメント壁１６０に連結することができる。同様に、外壁１５０は、多数の外壁ペデスタル１９０を介してインピンジメント壁１６０に連結することができる。ペデスタル１８０、１９０は、任意のサイズ、形状、または構成を有し得る。任意の数のペデスタル１８０、１９０を使用することができる。ここでは、他の構成部品および他の構成を使用することができる。

使用時に、冷却媒体１３０は、内壁ペデスタル冷却領域２００内において内壁１４０とインピンジメント壁１６０との間の内壁ペデスタル１８０を通って流れることができる。内壁ペデスタル１８０は、熱伝達率を向上させるために内壁ペデスタル１８０での冷却媒体１３０の均一な分散を促進し、インピンジメント壁１６０から内壁１４９に熱を伝達し、インピンジメント壁１６０から内壁１４０に応力を分散させることができる。そして、冷却媒体１３０は、インピンジメント冷却領域２１０の形態のインピンジメント壁１６０のインピンジメント孔１７０を通って流れることができる。冷却媒体１３０は、外壁１５０に関して裏面の熱伝達の向上をもたらすために、多数のインピンジメント噴流の形態でインピンジメント壁１６０を通って流れることができる。そして、冷却媒体１３０は、外壁ペデスタル冷却領域２２０の形態のインピンジメント壁１６０と外壁１５０との間の外壁ペデスタル１９０を通って流れることができる。外壁ペデスタル１９０を通って流れる冷却媒体１３０は、熱伝達率を高めるために外壁ペデスタル１９０内での冷却媒体１３０の均一な分散を促進し、外壁１５０からインピンジメント壁１６０に熱を伝達し、外壁１５０からインピンジメント壁１６０に応力を分散させることができる。

したがって、ここで説明するプラットフォーム１２０は、ガスタービン出力と効率の改善のため、ならびに全体的な保守上の利点のために冷却媒体の必要量を低減することができる。プラットフォーム１２０または他の種類の高温ガス通路構成部品１００は、ペデスタル冷却領域２００、２２０とインピンジメント冷却領域２１０の組み合わせによる構造的完全性を伴って高速の対流冷却をもたらす。具体的には、プラットフォーム１２０では、ペデスタル冷却領域２００、２２０での熱応力分散の利点とインピンジメント冷却領域２１０のより高い熱伝達特性とが組み合わされている。プラットフォーム内の全体の圧力降下は、プラットフォーム１２０では、内壁ペデスタル冷却領域２００での圧力降下が３分の１、インピンジメント冷却領域２１０での圧力降下が３分の１、および外壁ペデスタル冷却領域２２０での圧力降下が３分の１を占める点において調整することができる。同様に、ペデスタル冷却領域２２０、２００は、構成部品のライフサイクルの改善のためにそれら冷却領域内の熱応力を再分散させることができる。高温ガス通路構成部品１００をバケット１１０およびプラットフォーム１２０との関連で説明してきたが、ここでは、ノズル、シュラウド、ライナ、移行部品などを含む、任意の種類の高温ガス構成部品を使用することができる。

前述の説明が本出願およびその結果として得られる特許の特定の実施形態にのみ関するものであることは明らかであろう。当業者であれば、以下の特許請求の範囲およびその均等物により定義される本発明の一般的な精神および範囲から逸脱することなく、ここでは数多くの変更および修正を行うことができる。

１０ガスタービンエンジン
１５圧縮機
２０圧縮空気
２５燃焼器
３０加圧燃料
３５燃焼ガス
４０タービン
４５シャフト
５０外部負荷
５５タービンバケット
６０翼形部
６５シャンク部
７０プラットフォーム
７２前縁部
７４後縁部
７６圧力側
７８吸引側
８０上部表面
８２圧力面
８４吸引面
８６前方面
８８後方面
９０シャンク空洞
９２アングル翼
９４根元構造
９６冷却回路
９８冷却媒体
１００高温ガス通路構成部品
１１０タービンバケット
１２０バケットプラットフォーム
１３０冷却媒体
１４０内壁
１５０外壁
１６０インピンジメント壁
１７０インピンジメント孔
１８０内壁ペデスタル
１９０外壁ペデスタル
２００内壁ペデスタル冷却領域
２１０インピンジメント冷却領域
２２０外壁ペデスタル冷却領域

Claims

ガスタービンエンジン（１０）の高温ガス通路に使用する高温ガス通路構成部品（１００）であって、
内壁（１４０）と、
前記高温ガス通路に面する外壁（１５０）と、
インピンジメント壁（１６０）と、
前記内壁（１４０）と前記インピンジメント壁（１６０）との間に位置する複数の内壁ペデスタル（１８０）と、
前記外壁（１５０）と前記インピンジメント壁（１６０）との間に位置する複数の外壁ペデスタル（１９０）と
を含む高温ガス通路構成部品（１００）。
前記高温ガス通路構成部品（１００）がバケットを含む、請求項１に記載の高温ガス通路構成部品（１００）。
前記高温ガス通路構成部品（１００）がプラットフォーム（７０）を含む、請求項１に記載の高温ガス通路構成部品（１００）。
前記インピンジメント壁（１６０）が、前記インピンジメント壁（１６０）を貫通する複数のインピンジメント孔を含む、請求項１に記載の高温ガス通路構成部品（１００）。
前記内壁（１４０）および前記インピンジメント壁（１６０）が、前記内壁（１４０）と前記インピンジメント壁（１６０）との間に内壁ペデスタル冷却領域（２００）を画定する、請求項１に記載の高温ガス通路構成部品（１００）。
前記インピンジメント壁（１６０）が、インピンジメント冷却領域（２１０）を画定する、請求項１に記載の高温ガス通路構成部品（１００）。
前記外壁（１５０）および前記インピンジメント壁（１６０）が、前記外壁（１５０）と前記インピンジメント壁（１６０）との間に外壁ペデスタル冷却領域（２２０）を画定する、請求項１に記載の高温ガス通路構成部品（１００）。
前記複数の内壁ペデスタル（１８０）、前記インピンジメント壁（１６０）、および前記複数の外壁ペデスタル（１９０）の周りを流れる冷却媒体を更に含む、請求項１に記載の高温ガス通路構成部品（１００）。
前記冷却媒体が、前記インピンジメント壁（１６０）を通って流れる複数のインピンジメント噴流を含む、請求項８に記載の高温ガス通路構成部品（１００）。
前記高温ガス通路構成部品（１００）が、ノズル、シュラウド、ライナ、および／または移行部品を含む、請求項１に記載の高温ガス通路構成部品（１００）。
ガスタービンエンジン（１０）の高温ガス通路における高温ガス通路構成部品（１００）を冷却する方法であって、
多数の内壁ペデスタル（１８０）を有する内壁ペデスタル冷却領域（２００）を通して冷却媒体を流すステップと、
多数のインピンジメント孔を有するインピンジメント冷却領域（２１０）を通して前記冷却媒体を流すステップと、
多数の外壁ペデスタル（１９０）を有する外壁ペデスタル冷却領域（２２０）を通して前記冷却媒体を流すステップと
を含む方法。
インピンジメント壁（１６０）から前記複数の内壁ペデスタル（１８０）を通して内壁（１４０）に熱を伝達するステップを更に含む、請求項１１に記載の方法。
インピンジメント壁（１６０）から前記複数の内壁ペデスタル（１８０）を通して内壁（１４０）へと応力を分散させるステップを更に含む、請求項１１に記載の方法。
前記インピンジメント冷却領域（２１０）を通して前記冷却媒体を流すステップが、前記外壁ペデスタル冷却領域（２２０）の外壁（１５０）における熱伝達を高めることを含む、請求項１１に記載の方法。
外壁（１５０）から前記複数の外壁ペデスタル（１９０）を通してインピンジメント壁（１６０）に熱を伝達しかつ応力を分散させるステップを更に含む、請求項１１に記載の方法。
ガスタービンエンジン（１０）の高温ガス通路に使用するバケットプラットフォーム（１２０）であって、
内壁（１４０）と、
高温ガス通路に面する外壁（１５０）と、
内部に複数のインピンジメント孔を備えたインピンジメント壁（１６０）と、
前記内壁（１４０）と前記インピンジメント壁（１６０）との間に位置する複数の内壁ペデスタル（１８０）と、
前記外壁（１５０）と前記インピンジメント壁（１６０）との間に位置する複数の外壁ペデスタル（１９０）と
を含むバケットプラットフォーム（１２０）。
前記内壁（１４０）および前記インピンジメント壁（１６０）が、前記内壁（１４０）と前記インピンジメント壁（１６０）との間に内壁ペデスタル冷却領域（２００）を画定する、請求項１６に記載のバケットプラットフォーム（１２０）。
前記インピンジメント壁（１６０）が、インピンジメント冷却領域（２１０）を画定する、請求項１６に記載のバケットプラットフォーム（１２０）。
前記外壁（１５０）および前記インピンジメント壁（１６０）が、前記外壁（１５０）と前記インピンジメント壁（１６０）との間に外壁ペデスタル冷却領域（２２０）を画定する、請求項１６に記載のバケットプラットフォーム（１２０）。
前記複数の内壁ペデスタル（１８０）、前記インピンジメント壁（１６０）、および前記複数の外壁ペデスタル（１９０）の周りを流れる冷却媒体を更に含む、請求項１６に記載のバケットプラットフォーム（１２０）。