JP2015525853A - タービン翼 - Google Patents

Abstract

タービン翼は、外側表面、および外側表面の少なくとも一部分を取り囲むリムを含む。リム内のトレンチは、外側表面の少なくとも一部分の周りに延在する。【選択図】図１

Description

本発明は一般に、タービン翼およびタービン翼を冷却する方法に関する。

タービンは、工業および商業活動で広く使用されている。発電用に使用される典型的な商用の蒸気タービンまたはガスタービンは、静止および回転するエーロフォイルまたは翼の段を交互に含む。例えば、静翼は、タービンを取り囲むケーシングなどの静止構成部品に取り付けることができ、回転翼は、タービンの軸方向中心線に沿って配置されたロータに取り付けることができる。例えば、限定するものではないが、蒸気、燃焼ガス、または空気などの圧縮作動流体はタービンを通って流れるが、静翼は圧縮作動流体を加速して次に続く回転翼の段へ向かわせて回転翼に運動を与え、その結果、ロータを回転させて仕事を行う。

タービン翼の周りで漏れる、またはタービン翼を迂回する圧縮作動流体はタービンの効率を低下させる。回転翼を迂回する圧縮作動流体の量を低減するために、ケーシングは、回転翼の各段を取り囲む静止シュラウドセグメントを含むことができ、また各回転翼は、シュラウドセグメントと回転翼との間の隙間を小さくする先端キャップを半径方向外側先端に含むことができる。回転翼周りの漏れを低減、または防止するのには有効であるが、シュラウドセグメントと先端キャップとの間の相互作用は、局部的に温度を上昇させ、先端キャップでの低サイクル疲労限度を下げる、および／またはクリープを増大させる可能性がある。その結果、冷却媒体が供給され、各回転翼内部を流れ、その後冷却通路を通って流れて、回転翼の先端キャップ上部でフィルム冷却をすることができる。

特定の設計では、各先端キャップは、リムによって少なくとも部分的に囲まれる外側表面を含むことができる。リムと外側表面は、リムと外側表面とその周囲のシュラウドセグメントとの間にスキーラ先端キャビティとしても知られる先端キャビティを少なくとも部分的に画定することができる。このようにして、冷却媒体は先端キャビティへ供給されて先端キャップから熱を除去し、その後、リムを越えて先端キャビティから流れ出ることができる。しかしながら、回転翼の負圧面側の上を流れる冷却媒体は、回転翼を覆う圧縮作動流体の流れを乱す、および／または回転翼の作動効率を下げる可能性がある。その結果、タービン翼およびタービン翼を冷却する方法を改良すれば有益となるであろう。

米国特許第５，６６０，５２３号明細書

本発明の態様および利点は、次の説明において以下で明らかにされ、あるいはその説明から自明なものとすることができ、あるいは本発明の実施を通じて学ぶことができる。

本発明の１つの実施形態は、外側表面、および外側表面の少なくとも一部分を取り囲むリムを含むタービン翼である。リム内のトレンチは、少なくとも外側表面の周りを延在する。

本発明の別の実施形態は、外側表面を含むタービン翼である。圧力面側の壁は、前縁から後縁まで外側表面の第１の部分に沿って延在する。圧力面側の壁の反対側の負圧面側の壁は、前縁から後縁まで外側表面の第２の部分に沿って延在する。圧力面側の壁または負圧面側の壁のうちの少なくとも１つ壁の中の溝は、外側表面の少なくとも一部分の周りに延在する。

本発明はまた、外側表面を含むタービン翼を含む。第１の壁は、外側表面の少なくとも一部分を取り囲む。第２の壁は、第１の壁の少なくとも一部分を取り囲んで、第１の壁と第２の壁との間にトレンチを画定し、トレンチは外側表面の少なくとも一部分の周りに延在する。

本明細書を吟味すれば、当業者は、これらおよび他の実施形態の特徴および態様をよりよく理解するであろう。

添付図面を参照することを含む本明細書の残り部分において、当業者に対する本発明の最良の態様を含む本発明の完全で有効な開示をより詳細に説明する。

本発明の範囲内の例示的なタービン段の斜視図である。 本発明の１つの実施形態による、図１に示すタービン翼の上面図である。 本発明の１つの実施形態による、図１に示すタービン翼の上面斜視図である。 本発明の１つの実施形態による、図１に示すタービン翼の半径方向の断面図である。 本発明の代替の実施形態による、図１に示すタービン翼の半径方向の断面図である。

次に、その１つまたは複数の実施例を添付図面に示している本発明の現在の実施形態を詳細に参照することにする。詳細な説明では、図面における要素を指すために数字表示および文字表示を使用する。図面および説明における同様または類似の表示は、本発明の同様または類似の部品を指すために使用されている。本明細書で使用しているように、用語「第１」、「第２」、および「第３」は、ある部品を別の部品と区別するために交換可能に使用することができ、個々の構成部品の位置または重要性を表すことを意図したものではない。さらに、用語「上流」および「下流」は流体経路における構成部品の相対位置を指す。例えば、流体が構成部品Ａから構成部品Ｂへと流れる場合、構成部品Ａは構成部品Ｂの上流にある。反対に、構成部品Ｂが構成部品Ａからの流体流れを受ける場合、構成部品Ｂは構成部品Ａの下流にある。

各実施例は、本発明を説明するために提示されるものであり、本発明を限定するものではない。実際に、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、本発明に修正および変更を加えることができることは当業者には明らかであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示または説明した特徴は、別の実施形態で使用してさらに別の実施形態を生み出すことができる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの同等物の範囲にあるような、修正および変更を含むことを意図している。

本発明の様々な実施形態は、タービン翼およびタービン翼を冷却するための方法を含む。タービン翼は一般に、リムによって少なくとも部分的に囲まれるスキーラ先端またはキャビティを有する先端キャップを含む。リム内の溝またはトレンチは、少なくともリムの一部分に沿って延びる。特定の実施形態では、リムは、溝またはトレンチを画定する外壁および内壁を含むことができ、外壁は内壁よりも高くすることができる。他の実施形態では、内壁は、溝またはトレンチからキャビティまでを流体連通する１つまたは複数の切欠きを含むことができる。さらなる実施形態では、溝またはトレンチは、トレンチの中へ開けられた１つまたは複数の冷却通路または冷却孔を含み、内部キャビティから先端キャップを通って流体連通して、溝またはトレンチにフィルム冷却を供給することができる。本発明の例示的な実施形態は、全体として、ガスタービンの中に組み込まれたタービン翼という文脈で説明されるが、本発明の実施形態は、特許請求の範囲に明記されていなければ、ガスタービンに限定されるものではないことは、当業者であれば、本明細書の教示から容易に理解されよう。

次に、全体を通して同一の数字が同じ要素を示している図面を参照すると、図１は、本発明の範囲内の例示的なタービン段の斜視図である。図示のように、タービン段は一般に、ロータホイール１２から半径方向に延在する複数のタービン翼１０を含む。各タービン翼１０は、ダブテール翼根１６を有するプラットフォーム１４に結合することができる。ダブテール翼根１６は、ロータホイール１２の相補的なダブテール溝１８の中に軸方向に滑り込ませて、プラットフォーム１４およびタービン翼１０を半径方向定位置に保持することができる。ロータホイール１２と環状のシュラウド２０が、燃焼ガスまたは別の圧縮作動流体２４が流れることができる高温ガス通路２２を少なくとも部分的に画定するように、環状のシュラウド２０、または複数のシュラウドセグメントはタービン翼１０を周方向に囲むことができる。

各タービン翼１０は一般には、前縁３０、および前縁３０の下流の後縁３２を有する翼形状をしている。凹面すなわち圧力面側の壁３４は、タービン翼１０の一方の側を前縁３０と後縁３２との間で延在し、凸面すなわち負圧面側の壁３６は、タービン翼１０の他方の側を前縁３０と後縁３２との間で延在する。圧力面側および負圧面側の壁３４、３６は一般に、高温ガス通路２２内でプラットフォーム１４から環状のシュラウド２０まで半径方向に延在してタービン翼１０の翼形状を形成する。

本発明の１つの実施形態による図１のタービン翼１０の上面図、上面斜視図、半径方向の断面図をそれぞれ図２、図３、および図４に示す。図２〜４に示すように、各タービン翼１０は、環状のシュラウド２０に近接する外側表面４０を含む。圧力面側および負圧面側の壁３４、３６は、半径方向に外側表面４０を超えて延在して、外側表面４０の少なくとも一部分を取り囲むリム４２を形成することができる。このようにして、リム４２および外側表面４０は、環状のシュラウド２０に隣接してタービン翼１０の半径方向外側部分に、スキーラキャビティとしても知られるキャビティを少なくとも部分的に画定する。

外側表面４０を貫通する１つまたは複数の冷却開口（図示せず）は、タービン翼１０内のキャビティからスキーラ先端キャビティへ冷却媒体を供給することができる。冷却媒体は、周囲を流れる作動流体２４の厳しい温度から外側表面４０を部分的に隔離しながら、外側表面４０から熱を除去することができる。このようにして、タービン翼１０の先端は、運転中、許容温度に維持することができる。当業者であれば理解するように、タービン翼１０の先端は冷却するのが困難な領域であり、したがって、一般には、スキーラ先端キャビティを通る高水準の冷却媒体流量が必要である。特に、タービン翼１０の後縁３２は、冷却媒体のほとんどが、タービン翼１０の後縁３２の到達する前に負圧面側の壁３６を超えて通りすぎるので、従来のシステムでは冷却するのが困難である。負圧面側の壁３６を越えて流れる冷却媒体は、タービンエンジンの空力効率にはマイナスの効果を有し、したがって、この流路を最小にすることはエンジン性能を向上させる。

図２〜４に最も明瞭に示されるように、リム４２は、少なくとも外側表面４０の一部分の周りを延在する溝またはトレンチ４４を含むことができる。例えば、リム４２は、少なくとも外側表面４０の一部分を取り囲む内壁４６、および少なくとも内壁４６の一部分を取り囲む外壁４８を含んで、内壁４６と外壁４８との間に溝またはトレンチ４４を画定することができる。溝またはトレンチ４４の断面形状、深さ、幅は、特定の用途およびタービン翼１０での位置によって変えることができる。例えば、溝またはトレンチ４４は、深さおよび幅が前縁３０から後縁３２まで徐々に減少する、弓形、四角形、三角形、または他の断面形状を有することができる。例えば、特定の実施形態では、溝またはトレンチ４４の深さは、スキーラ先端キャビティの深さの約１０％から７５％とすることができる。しかしながら、本発明は、特許請求の範囲に明記されていなければ、溝またはトレンチ４４に対していかなる特定の断面、深さ、幅に限定されるものではないことは、当業者であれば、本明細書の教示から容易に理解されよう。

特定の実施形態では、図２〜４に示すように、溝またはトレンチ４４は、外側表面４０全体の周りを連続的にリム４２内に延在することができる。これに代えて、またはこれに加えて、溝またはトレンチ４４は、冷却媒体がタービン翼１０内部の１つまたは複数のキャビティ５２から溝またはトレンチ４４へ流入するように流体連通する複数の冷却通路５０を含むことができる。図３に最も明瞭に示すように、タービン翼１０内部のキャビティ５２は、例えば、冷却媒体の有効性を強化するために内部に様々なタービュレータを有するサーペンタイン流れチャネルを含む任意の構成を有することができる。さらに、冷却通路５０は、タービン翼１０の後縁３２の方へ向かって傾けられて、冷却媒体の流れ、およびトレンチ４４での熱除去を強化することができる。このようにして、冷却媒体は、キャビティ５２から冷却通路５０を通って溝またはトレンチ４４の中へ流れて、熱を除去し、かつ／または高温ガス通路２２内の作動流体２４に関連する過度の温度からリム４２の表面を保護することができる。

図２〜４に示す特定の実施形態では、トレンチ４４の内壁４６は、溝またはトレンチ４４からスキーラ先端キャビティの外側表面４０までを流体連通する１つまたは複数の切欠き５４を含むことができる。この付加の流路は、リム４２の外壁４８を超えて漏れる冷却媒体の量を減少させながら、スキーラ先端キャビティの外側表面４０に供給される冷却空気の体積を増大させることができる。これに代えて、またはこれに加えて、図５に示す特定の実施形態に示すように、リム４２の外壁４８は内壁４６よりもわずかに高くして、リム４２の外壁４８を超えて漏れる冷却媒体の量を減少させながら、スキーラ先端キャビティに流入する冷却媒体流れを同様に強化することができる。

図１〜５に関して示され、説明されているタービン翼１０は、タービン翼１０を冷却する１つまたは複数の方法もまた提供することができることは、当業者であれば、本明細書の教示から容易に理解されよう。それらの方法は、例えば、冷却媒体をタービン翼１０内部のキャビティ５２から冷却通路５０を通じて溝またはトレンチ４４に流すことを含むことができる。特定の実施形態では、その方法は、冷却媒体をリム４２内の溝またはトレンチ４４を通じて外側表面４０の全周囲の周りに流すことをさらに含むことができる。他の特定の実施形態では、その方法は、冷却媒体を溝またはトレンチ４４の内壁４６の切欠き５４を通じて、および／または内壁４６を超えて流し、外側表面４０全体にわたって流すことを含むことができる。

図１〜５に示され、説明された様々な実施形態は、リム４２を超えて高温ガス通路２２に流入する冷却媒体の量を減少させながら、リム４２への冷却を強化することが予想される。その結果、本明細書で説明された実施形態は、タービン翼１０、特に半径方向外側部分の周りの温度を降下させ、それによって、これらの構成部品の低サイクル疲労限界を改善し、過度の温度による局所的なクリープを低減する。

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、さらに、任意の装置またはシステムの作製および使用、ならびに任意の組み入れられた方法の実施を含め、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。本発明の特許性を有する範囲は、請求項によって定義され、当業者が想到する他の例も含むことができる。そのような他の例は、請求項の文言と相違ない構成要素を含む場合、または請求項の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図されている。

１０ タービン翼
１２ ロータホイール
１４ プラットフォーム
１６ ダブテール翼根
１８ ダブテール溝
２０ シュラウド
２２ 高温ガス通路
２４ 作動流体
３０ 前縁
３２ 後縁
３４ 圧力面側の壁
３６ 負圧面側の壁
４０ 外側表面
４２ リム
４４ トレンチ
４６ 内壁
４８ 外壁
５０ 冷却通路
５２ キャビティ
５４ 切欠き

Claims (18)

1. ａ．外側表面と、
   ｂ．前記外側表面の少なくとも一部分を取り囲むリムと、
   ｃ．前記リム内のトレンチであって、前記外側表面の少なくとも一部分の周りに延在するトレンチと
   を備えるタービン翼。
2. 前記トレンチが前記外側表面全体の周りを連続的に前記リム内に延在する、請求項１記載のタービン翼。
3. 前記リムが、前記トレンチの外側部分を画定する外壁と、前記トレンチの内側部分を画定する内壁とを含み、前記外壁が前記内壁よりも高い、請求項１記載のタービン翼。
4. 前記リムが、前記トレンチの外側部分を画定する外壁と、前記トレンチの内側部分を画定する内壁とを含み、前記内壁が、前記トレンチから前記外側表面までを流体連通する１つまたは複数の切欠きを含む、請求項１記載のタービン翼。
5. 前記タービン翼内部からの流体連通を与える複数の冷却通路を前記トレンチ内にさらに備える、請求項１記載のタービン翼。
6. 前記トレンチ内の前記複数の冷却通路が、前記タービン翼の後縁に向かって傾けられた、請求項５記載のタービン翼。
7. ａ．外側表面と、
   ｂ．前縁から後縁まで前記外側表面の第１の部分に沿って延在する圧力面側の壁と、
   ｃ．前記圧力面側の壁の反対側の負圧面側の壁であって、前記前縁から前記後縁まで前記外側表面の第２の部分に沿って延在する、負圧面側の壁と、
   ｄ．前記圧力面側の壁または前記負圧面側の壁のうちの少なくとも一方の壁の中の溝であって、前記外側表面の少なくとも一部分の周りに延在する溝と
   を備えるタービン翼。
8. 前記溝が、前記外側表面全体の周りを前記圧力面側の壁および前記負圧面側の壁に連続的に延在する、請求項７記載のタービン翼。
9. 前記圧力面側の壁が、前記溝の外側部分を画定する外壁、および前記溝の内側部分を画定する内壁を含み、前記外壁が前記内壁よりも高い、請求項７記載のタービン翼。
10. 前記圧力面側の壁が、前記溝の外側部分を画定する外壁、および前記溝の内側部分を画定する内壁を含み、前記内壁が、前記溝から前記外側表面までを流体連通する１つまたは複数の切欠きを含む、請求項７記載のタービン翼。
11. 前記タービン翼の内部からの流体連通を与える複数の冷却通路を前記溝内にさらに備える、請求項７記載のタービン翼。
12. 前記トレンチ内の前記複数の冷却通路が、前記タービン翼の後縁に向かって傾けられた、請求項１１記載のタービン翼。
13. ａ，外側表面と、
    ｂ．前記外側表面の少なくとも一部分を取り囲む第１の壁と、
    ｃ．前記第１の壁の少なくとも一部分を取り囲む第２の壁であって、前記第１の壁と前記第２の壁との間にトレンチを画定し、前記トレンチが前記外側表面の少なくとも一部分の周りに延在する、第２の壁と
    を備えるタービン翼。
14. 前記トレンチが、前記外側表面全体の周りを連続的に延在する、請求項１３記載のタービン翼。
15. 前記第１の壁が前記第２の壁よりも短い、請求項１３記載のタービン翼。
16. 前記第１の壁が、前記トレンチから前記外側表面までを流体連通する１つまたは複数の切欠きを含む、請求項１３記載のタービン翼。
17. 前記タービン翼の内部からの流体連通を与える複数の冷却通路を前記トレンチの中にさらに備える、請求項１３記載のタービン翼。
18. 前記トレンチ内の前記複数の冷却通路が、前記タービン翼の後縁に向かって傾けられた、請求項１７記載のタービン翼。