JP2015522127A - ガスタービンのための空冷タービン動翼 - Google Patents

Abstract

本発明は、翼根（１２）と、翼根（１２）に隣接した空気力学的に湾曲した翼ブレード（１６）であって、共通の前縁（１８）から後縁（２０）まで翼弦方向と、翼根側端部（２２）から翼先端側端部（２４）までの全翼幅を有する翼幅方向と、に延伸した吸引側の側壁と圧縮側の側壁とを備えた翼ブレード（１６）と、を有する、ガスタービンのためのタービン動翼（１０）であって、翼ブレード（１６）内には、冷媒を運ぶために冷媒路（２８）が備わっている、タービン動翼（１０）に関する。プロファイル厚が比較的小さい、充分に冷却可能なタービン動翼（１０）を提供するために提案されるのは、翼ブレード（１６）の翼根側端部（２２）から測定して、全翼幅の７５％以降好適には全翼幅の６０％以降の翼幅で、翼ブレード（１６）に冷媒路がないことである。

Description

本発明は、翼根と、翼根に隣接する空気力学的に湾曲した翼ブレードであって、前縁から後縁まで翼弦方向と、翼根側端部から翼先端側端部までの全翼幅を有する翼幅方向と、に延伸した、吸引側の側壁と圧縮側の側壁とを備えた翼ブレードと、を有する、ガスタービンのための空冷タービン動翼であって、翼ブレード内には、冷媒を運ぶために冷媒路が備わっている、空冷タービン動翼に関する。

そのようなタービン動翼は、広範囲にわたって利用可能な従来技術から非常によく知られている。大抵は鋳造法で作られるタービン動翼は、鋳造装置において用いられる鋳造用中子を使って中空に形成されているので、内部には、駆動時に冷媒少なくとも冷却空気が流れ得る冷却路がある。ガスタービンの駆動時にタービン翼の周囲で生じる高い周囲温度にもかかわらず、タービン翼の材料が、予め決められて見込まれている耐久年数に達することができるように、冷媒は、タービン翼の材料を充分に冷却させる。

タービン翼は、ますます高くなる周囲温度に持続的に耐えなくてはならないので、現在のところ、タービン翼の内部形状の複雑性が増している。その点において、冷却路はそのうちに、幾重にも波形の形状に変わってきている。同時に翼外壁の内側にはしばしば、タービン翼の材料から冷却空気への伝熱を高めるために、タービュレイターも備わっている。タービン動翼の材料から熱エネルギーをうまく受け取った後は、それから加熱された冷却空気は、翼ブレードの後縁であるいは翼ブレードの先端部であるいは翼ブレードの前縁の領域において、場合によってはフィルム冷却孔としても形作られていてよい、対応する開口部を通って吐出され、高温ガス流に混合される。

従ってタービン動翼の構成は、特にプロファイル厚が小さい場合には、特別難しい形をしている。その結果、小さいプロファイル厚に対する要求を満たすことができるように、翼ブレードの壁厚と、内部に備わっている冷却路とは、比較的繊細に形作られなくてはならない。しかしながら、冷却路の断面が小さければ鋳造用中子の壁厚が小さくなるので、鋳造装置の取り扱いと装備に際して、余計に壊れやすくなる。

この理由から、プロファイル厚が比較的小さいがそれでも充分に冷却されて前述の欠点が回避される空冷タービン動翼を提供する必要がある。

本発明の基になっている課題は、請求項１の特徴に従った空冷タービン動翼によって解決される。タービン動翼の有利なさらなる形態は、任意のやり方で互いに組み合わせできる従属請求項で挙げられる。

翼根と、翼根に隣接する空気力学的に湾曲した翼ブレードであって、共通の前縁から後縁まで翼弦方向と、翼根側端部から翼先端側端部までの全翼幅を有する翼幅方向と、に延伸した、吸引側の側壁と圧縮側の側壁とを備えた翼ブレードと、を有する、ガスタービンのための本発明に係るタービン動翼であって、翼ブレード内には、冷媒を運ぶために冷媒路が備わっているタービン動翼で意図されているのは、翼ブレードの翼幅の０％に等しい翼ブレードの翼根側端部から測定して、全翼幅の６０％以降の翼幅、好適には全翼幅の７５％以降で、翼ブレードに冷媒路がないことである。好適には、タービン動翼は一体に形作られており、ひいては鋳造法で作られている。

そのようなタービン動翼は、現在考えられ得る最高の高温ガス温度に耐える必要は確かにないが、たとえば大型の定置式ガスタービンで第２あるいは第３のタービン段において生じ得るようなより低い温度には耐えなくてはならないという認識に、本発明は基づいている。本発明に係るタービン動翼で特別なのは、このタービン動翼が先端側でソリッドに形成され得るので、翼幅方向で翼プロファイルの中間領域と翼ブレードのプロファイルの翼根側領域のみが冷却され得るということである。その際本発明は、翼幅方向で見て、最高温度は翼幅の中間領域において生じ、それに対して外縁辺部つまり翼先端側と翼根側においては、より低い温度が生じるという認識を考慮に入れている。その限りにおいて、翼ブレードの翼先端側の冷却は必要なく、それゆえ冷媒路がなくてよい。冷媒路のない領域によって、プロファイル厚が比較的小さいタービン動翼を作ることを可能にしている。なぜならこの領域は、翼ブレード全体の剛性と強度とを高めるからである。

冷媒の供給は、タービン動翼の翼根を介して行われるので、どうしても必要というわけではないが、ほとんど翼ブレードの翼根側領域も冷却される。

翼ブレードの翼先端側領域には冷媒路がないので、翼先端部では冷却空気の吐出は起こらない。好適には、翼ブレードの後縁全体で、同様に冷却空気の吐出はあまり起こらない。言い換えると、翼ブレードの後縁上流の、プロファイル翼弦方向に延伸した領域も、翼ブレードの翼幅全体にわたって冷媒路がない。このことも翼ブレードの強度を高める。なぜなら、他の場合では存在する冷媒路が、支持断面をこの箇所で弱めるであろうからである。

有利なさらなる形態に従えば、冷媒路は、翼根に設けられた冷媒用入口と少なくとも１つの冷媒出口とを備え、この冷媒出口ももっぱら、翼根に設けられている。これによって、本発明は、まったく新しい構成を提案する。翼ブレード内で加熱された冷却空気は、翼ブレードを介してタービンの高温ガス路の高温ガス流に直接取り込まれず、ガスタービンの高温ガス路の外側の領域で吐出される。この場合、高温ガス路を区切った部材の温度勾配を減少できる。なぜなら部材の冷たい方の側を、吐出されるが予熱された冷却空気を使って温度調節できるからである。それで、翼根から冷却空気を流出側で吐出することも可能であるが、たとえば冷媒出口が流入側に備わっていてよい。

さらなる利点と特徴とは、実施例に基づいてより詳細に説明される。図に示されたのは以下である。

タービン動翼の縦断面図である。

図１は、タービン動翼１０の縦断面図を示している。タービン動翼１０は、定置式ガスタービンの、平均的にあるいは低温に冷却されるタービン段のために備わっている。その限りにおいて、タービン動翼１０は、第２あるいは第３あるいは第４のタービン段において用いられ得る。タービン動翼１０は、図１において下方に表わされた翼根１２を備えている。その際翼根１２はプラットフォーム１４を備え、当該プラットフォーム１４で翼幅方向に翼ブレード１６が延伸している。翼ブレード１６は、プロファイル翼弦方向に前縁１８から後縁２０まで延伸している。ガスタービンで使用されるタービン翼１０では、駆動時に、翼ブレード１６を高温ガスが環流するので、前縁１８は流入側に、後縁２０は流出側に位置している。

その上、翼ブレード１６は、翼根側端部２２と翼先端側端部２４とを備えている。中間の全翼幅は、前縁１８の翼幅と後縁２０の翼幅との算術平均から決定され、１００％の値に標準化されている。翼幅の原点は、プラットフォーム１４から翼ブレード１６の翼根側端部２２への移行部に設けられているので、全翼幅の１００％は翼先端部に見られている。翼ブレードの５０％のところにある翼幅の中心は、参照符号２６を備えている。

タービン動翼１０は、翼根側入口３０を備えた唯一の冷媒路２８を有して、中空に形作られている。冷媒路２８は、唯一の方向転換部分３２の下流に前縁部分３４を備え、当該前縁部分３４の出口３６は、図１においてプラットフォーム１４の下方ひいては翼根１２に設けられている。冷媒路がない翼先端側領域３８と、同様に冷媒路がなく翼幅全体にわたって延伸した後縁領域４０と、によって、タービン動翼１０は、プロファイル厚が比較的小さいにもかかわらず、充分な耐久性と強度とを備えることができる。同時にタービン動翼１０は、必要とされる耐久年数に達するのに充分に冷却される。

もちろん、内部に設けられた冷媒路２８は別の形状をしていてもよく、流出側の出口３６を備えてもよい。

それゆえ、全体として本発明は、翼根１２と、翼根１２に隣接した空気力学的に湾曲した翼ブレード１６であって、共通の前縁１８から後縁２０まで翼弦方向と、翼根側端部２２から翼先端側端部２４までの全翼幅を有する翼幅方向と、に延伸した吸引側の側壁と圧縮側の側壁とを備えた翼ブレード１６と、を有する、ガスタービンのためのタービン動翼１０であって、翼ブレード１６内には、冷媒を運ぶために冷媒路２８が備わっている、タービン動翼１０に関する。プロファイル厚が比較的小さくてよい、充分に冷却可能なタービン動翼１０を提供するために提案されるのは、翼ブレード１６の翼根側端部２２から測定して、全翼幅の７５％以降好適には全翼幅の６０％以降の翼幅で、翼ブレード１６に冷媒路がないことである。

１０ タービン動翼
１２ 翼根
１４ プラットフォーム
１６ 翼ブレード
１８ 前縁
２０ 後縁
２２ 翼根側端部
２４ 翼先端側端部
２６ 翼幅の中心
２８ 冷媒路
３０ 入口
３２ 方向転換部分
３４ 前縁部分
３６ 出口
３８ 翼先端側領域
４０ 後縁領域

Claims (5)

1. 翼根（１２）と、
   前記翼根（１２）に隣接した空気力学的に湾曲した翼ブレード（１６）であって、共通の前縁（１８）から後縁（２０）まで翼弦方向と、翼根側端部（２２）から翼先端側端部（２４）までの全翼幅を有する翼幅方向と、に延伸した、吸引側の側壁と圧縮側の側壁とを備えた翼ブレード（１６）と、を有する、ガスタービンのための空冷タービン動翼（１０）であって、
   前記翼ブレード（１６）内には、冷媒を運ぶために冷媒路（２８）が備わっている、空冷タービン動翼（１０）において、
   前記翼ブレード（１６）の前記翼根側端部（２２）から測定して、全翼幅の７５％以降、好適には全翼幅の６０％以降の翼幅で、前記翼ブレード（１６）に冷媒路がないことを特徴とする空冷タービン動翼（１０）。
2. 一体に形作られている、請求項１に記載のタービン動翼（１０）。
3. 前記冷媒路（２８）は、少なくとも１つの方向転換領域（３２）を備えている、請求項１あるいは２に記載のタービン動翼（１０）。
4. 前記冷媒路（２８）は、翼根側の冷媒用入口（３０）と少なくとも１つの冷媒出口（３６）とを備え、該少なくとも１つの冷媒出口（３６）はもっぱら翼根側に設けられている、請求項１から３のいずれか１項に記載のタービン動翼（１０）。
5. 前記少なくとも１つの冷媒出口が流入側に設けられている、請求項１から３のいずれか１項に記載のタービン動翼（１０）。

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