JP2016053361A - タービンバケット - Google Patents

Abstract

【課題】
ガスタービンエンジンに使用されるタービンバケット内の冷却通路の圧力管理を行うこと。
【解決手段】
タービンバケットは、前縁、後縁、根元部、及び先端部を含む。また、タービンバケットは、タービンバケットの本体を通って延び、入口及び出口を含み、タービンバケットを通って冷却流体流を送るように構成された、少なくとも１つの冷却通路を含む。さらに、タービンバケットは、先端部の内部に定められたプレナムを含み、プレナムは、該プレナムに冷却流体流を排出するために少なくとも１つの冷却通路の出口に直接流体連通し、プレナムは、タービンバケットの後縁の近くに少なくとも１つの出口孔を備える。
【選択図】 図２

Description

本明細書に記載の主題は、タービンバケットに関し、詳細には、例えば、ガスタービンエンジンに使用される当該タービンバケット内の冷却通路の圧力管理に関する。

タービンバケットは、タービンバケット領域のあらゆる場所に送られる冷却流体流で冷却される場合が多く、タービンバケットが動作する過酷な熱的条件を管理するようになっている。典型的に、冷却流は、タービンバケットの先端部から半径方向外方へタービンの主流路に排出される。しかしながら、軽負荷のタービンにおける第１段バケット等のタービンバケット上の静圧は、タービンバケット内の冷却流と、冷却流が排出される場所での主流路との間で十分な差圧を形成する能力を妨げる可能性がある。このような状况では、主流路に排出されることになる冷却流のための十分な駆動力を得る能力が不能になるか又は低下することになる。

発明の１つの態様によれば、タービンバケットは、前縁、後縁、根元部、及び先端部を含む。また、タービンバケットは、タービンバケットの本体を通って延び、入口及び出口を含み、タービンバケットを通って冷却流体流を送るように構成された、少なくとも１つの冷却通路を含む。さらに、タービンバケットは、先端部の内部に定められたプレナムを含み、プレナムは、該プレナムに冷却流体流を排出するために少なくとも１つの冷却通路の出口に直接流体連通し、プレナムは、タービンバケットの後縁の近くに少なくとも１つの出口孔を備える。

本発明の他の態様によれば、ガスタービンエンジンのタービンセクションは、各々が複数の円周方向に離間したタービンバケットを有し、複数の第１段タービンバケットを有する第１段を含む複数の段を含む。また、ガスタービンエンジンのタービンセクションは、複数の第１段タービンバケットの各々の本体を通って延び、入口及び出口を含み、タービンバケットを通って冷却流体流を送るように構成された、少なくとも１つの冷却通路を含む。さらに、ガスタービンエンジンのタービンセクションは、複数の第１段タービンバケットの各々の先端部の内部に定められたプレナムを含み、プレナムは、該プレナムに冷却流体流を排出するために少なくとも１つの冷却通路の出口に直接流体連通し、プレナムは、複数の第１段タービンバケットの各々の後縁の近くに少なくとも１つの出口孔を含む。

本発明のさらに他の態様によれば、ガスタービンエンジンは、圧縮機セクション、燃焼器組立体、及びタービンセクションを含む。タービンセクションは、タービンバケットの本体を通って延び、各々が入口及び出口を含み、タービンバケットを通って冷却流体流を送るように構成された、複数の冷却通路を含む。また、タービンセクションは、先端部の内部に定められたプレナムを含み、プレナムは、該プレナムに実質的に全ての冷却流体流を排出するために複数の冷却通路の各々の出口に直接流体連通し、プレナムは、タービンバケットの後縁の近くに少なくとも１つの出口孔を備える。

これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。

本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。

ガスタービンエンジンの概略図。 ガスタービンエンジンのタービンバケットの斜視図。 前縁から後縁へのタービンバケット先端部の翼弦に沿った静圧プロット。

この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。

図１を参照すると、本発明の例示的な実施形態により構成されるガスタービンエンジン１０等のタービンシステムが概略的に示されている。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機セクション１２及びそのうちの１つが１４で示されている缶アニュラ配列の複数の燃焼器組立体を含む。燃焼器組立体は、燃料供給源（図示せず）からの燃料及び圧縮機セクション１２からの加圧空気を受け取るように構成される。燃料及び加圧空気は、燃焼器チャンバ１８に流入して着火されて、タービン２４を駆動するために使用される高温高圧の燃焼生成物又は空気流が発生する。タービン２４は、複数の段２６−２８を含み、各段は、圧縮機／タービンシャフト３０（ローターとも呼ばれる）を介して圧縮機１２に作動的に結合する。

作動時、空気は圧縮機１２に流入して高圧ガスに加圧される。高圧ガスは、燃焼器組立体１４に供給され、燃焼器チャンバ１８内で天然ガス、燃料油、プロセスガス、及び／又は合成ガス（シンガス）等の燃料と混合される。燃料／空気、すなわち可燃性混合気は、着火されて高圧高温の燃焼ガス流を生じ、燃焼ガス流はタービン２４に供給され、熱的エネルギから機械的な回転エネルギに変換される。

ここで図２を参照すると、タービンバケット４０（「タービンブレード翼形部」等とも呼ばれる）の一部の斜視図が示されている。タービンバケット４０は、タービン２４の任意の段に配置できることを理解されたい。１つの実施形態において、タービンバケット４０は、図示のタービン２４の第１段（つまり段２６）の内部に配置される。３つの段だけが示されているが、３段よりも多い又は少ない段が存在できることを理解されたい。いずれの場合でも、タービンバケット４０は、先端部４２及び根元部４４を含み、これらの間には本体４５が定められる。タービンバケット４０の本体４５は、外面４６並びに正圧側面４８及び負圧側面５０を含み、タービンバケット４０の幾何学的形状は、流体がタービンバケット４０を通過する際にタービン２４に回転力を付与するように構成される。図示のように、負圧側面５０は凸形状であり、正圧側面４８は凹形状である。タービンバケット４０は、前縁５２及び後縁５４をさらに含む。以下の説明は、主としてタービンを対象としているが、説明される概念は、ガスタービンエンジンに限定されない。

タービンバケット４０は、能動的温度管理を用いて作動時にタービンバケット４０が晒される過酷な条件の影響を低減するようになっている。詳細には、タービンバケット４０は、少なくとも１つ、典型的には複数の冷却通路５６を含み、各々はタービンバケット４０の本体４５の全体にわたって延びる。複数の冷却通路５６は、多数の予定経路に延びることができる。例えば、複数の冷却通路５６は、タービンバケット４０に対して実質的に半径方向に向いた直線方向に延びることができる。もしくは、蛇行冷却経路を設けることができる。複数の冷却通路５６の各々は、入口５８及び出口６０を含み、本体４５を通って空気等の流体冷却流６２を送ってタービンバケット４０を冷却するように構成される。

タービンバケット４０の先端部４２の近くには、内部に定められたプレナム６４が配置される。詳細には、プレナム６４は、該プレナム６４の外周の周り及び該プレナム６４の先端面６８で大部分が取り囲まれた容積部である。複数の冷却通路５６の各々の出口６０は、流体冷却流６２をプレナム６４に放出するように構成される。プレナム６４の実質的に取り囲まれた構成は、以下に詳細に説明するように、冷却流６２がプレナム６４に流入して、実質的にタービン２４の主流路に流入するのを十分に助長する圧力降下をもたらす。１つの実施形態において、冷却流６２の全てがプレナム６４に排出され、さらにタービン２４の主流路に送られる。加えて、一部の実施形態において、冷却流６２は、先端面６８を冷却するようになった衝突噴流として使用される。

プレナム６４は、冷却流６２のプレナム６４からタービン２４の主流路への逃げ経路をもたらす出口孔７０を含む。一部の実施形態において、複数の出口孔が設けられる。多くの出口孔７０の位置が想定されるが、この位置は（１つの又は複数の）タービンバケット４０の先端部４２の「低静圧領域」と呼ばれる位置に対応する。出口孔７０を先端部４２の低静圧領域に近くに配置すると、複数の冷却通路５６及びプレナム６４といったタービンバケット４０の内部位置と、低静圧領域位置での主流路との間の十分な差圧に起因して、タービン２４の主流路への冷却流６２の排出が好都合に助長される。典型的に、図３に示すように、静圧は先端部４２の翼弦長に沿って低下する。

例示の実施形態において、出口孔７０は、先端部４２の後縁５４の近くに配置される。単一の孔が示されているが、後縁５４の近くに配置された孔の群又は列といった２つ以上の孔が存在できることを理解されたい。別の実施形態において、プレナムの１つ又はそれ以上の出口孔は、先端部４２の負圧側面５０に配置される。また、負圧側面の出口孔と先端部４２の後縁５４の近くの出口孔との組み合わせを含み得ることを理解されたい。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 圧縮機セクション
１４ 燃焼器組立体
１８ 燃焼器チャンバ
２４ タービン
２６−２８ 複数の段
４０ タービンバケット
４２ 先端部
４４ 根元部
４５ 本体
４６ 外面
４８ 正圧側面
５０ 負圧側面
５２ 前縁
５４ 後縁
５６ 複数の冷却通路
５８ 入口
６０ 出口
６２ 冷却流
６４ プレナム
６８ 先端面
７０ 出口孔

Claims (20)

1. タービンバケット（４０）であって、
   前縁（５２）と、
   後縁（５４）と、
   根元部（４４）と、
   先端部（４２）と、
   前記タービンバケットの本体を通って延び、入口（５８）及び出口（６０）を含み、前記タービンバケットを通って冷却流体流を送るように構成された、少なくとも１つの冷却通路（５６）と、
   前記先端部の内部に定められたプレナム（６４）と、
   を備え、
   前記プレナムは、該プレナムに冷却流体流を排出するために前記少なくとも１つの冷却通路の前記出口に直接流体連通し、前記プレナムは、前記タービンバケットの低静圧領域の近くに少なくとも１つの出口孔（７０）を備える、タービンバケット。
2. 前記プレナムは、該プレナムの外周の周り及び該プレナムの先端面において完全に取り囲まれており、前記冷却流は、前記先端面を冷却するための衝突噴流を成す、請求項１に記載のタービンバケット。
3. 前記プレナムは、前記少なくとも１つの冷却通路の前記出口と、前記プレナムの前記少なくとも１つの出口孔との間で、前記冷却流体流の圧力降下をもたらし、前記少なくとも１つの出口孔は、前記後縁の近くに配置される、請求項１に記載のタービンバケット。
4. 前記タービンバケットの前記本体を通って延びる複数の冷却通路をさらに備え、前記複数の冷却通路の各々は、前記入口及び前記出口を含む、請求項１に記載のタービンバケット。
5. 前記複数の冷却通路の各々の内部を流れる前記冷却流体流の全ては、前記プレナムの前記少なくとも１つの出口孔を通って排出される、請求項４に記載のタービンバケット。
6. 前記プレナムは、前記タービンバケットの負圧側面に出口孔を備える、請求項１に記載のタービンバケット。
7. 前記プレナムは、前記タービンバケットの負圧側面に複数の出口孔を備える、請求項６に記載のタービンバケット。
8. 前記プレナムの前記出口孔は、前記タービンバケットの前記先端部の低静圧領域に配置される、請求項１に記載のタービンバケット。
9. ガスタービンエンジン（１０）のタービンセクション（２４）であって、
   各々が複数の円周方向に離間したタービンバケット（４０）を有し、複数の第１段タービンバケットを有する第１段を含む複数の段（２６−２８）と、
   前記複数の第１段タービンバケットの各々の本体（４５）を通って延び、入口（５８）及び出口（６０）を含み、前記複数の第１段タービンバケットの各々を通って冷却流体流を送るように構成された、少なくとも１つの冷却通路（５６）と、
   前記複数の第１段タービンバケットの各々の前記先端部の内部に定められたプレナム（６４）と、
   を備え、
   前記プレナムは、該プレナムに冷却流体流を排出するために前記少なくとも１つの冷却通路の前記出口に直接流体連通し、前記プレナムは、前記複数の第１段タービンバケットの各々の後縁（５４）の近くに少なくとも１つの出口孔（７０）を含む、タービンセクション。
10. 前記プレナムは、該プレナムの外周の周り及び該プレナムの先端面において完全に取り囲まれており、前記冷却流は、前記先端面を冷却するための衝突噴流を成す、請求項９に記載のタービンセクション。
11. 前記プレナムは、前記少なくとも１つの冷却通路の前記出口と、前記プレナムの前記少なくとも１つの出口孔との間で、前記冷却流体流の圧力降下をもたらす、請求項９に記載のタービンセクション。
12. 前記複数の第１段タービンバケットの各々の前記本体を通って延びる複数の冷却通路をさらに備え、前記複数の冷却通路の各々は、前記入口及び前記出口を含む、請求項９に記載のタービンセクション。
13. 前記複数の冷却通路の各々の内部を流れる前記冷却流体流の全ては、前記プレナムの前記少なくとも１つの出口孔を通って排出される、請求項１２に記載のタービンセクション。
14. 前記プレナムは、前記複数の第１段タービンバケットの各々の負圧側面に出口孔を備える、請求項９に記載のタービンセクション。
15. 前記プレナムは、前記複数の第１段タービンバケットの各々の負圧側面に複数の出口孔を備える、請求項１４に記載のタービンセクション。
16. 前記プレナムの前記少なくとも１つの出口孔は、前記複数の第１段タービンバケットの各々の前記先端部の低静圧領域に配置される、請求項９に記載のタービンセクション。
17. 圧縮機セクション（１２）と、
    燃焼器組立体（１４）と、
    タービンセクション（２４）と、
    を備えるガスタービンエンジン（１０）であって、
    前記タービンセクションは、
    前記タービンバケットの本体を通って延び、各々が入口（５８）及び出口（６０）を含み、前記タービンバケットを通って冷却流体流を送るように構成された、複数の冷却通路（５６）と、
    先端部（４２）の内部に定められたプレナム（６４）と、
    を備え、前記プレナムは、該プレナムに実質的に全ての冷却流体流を排出するために前記複数の冷却通路の各々の前記出口に直接流体連通し、前記プレナムは、前記タービンバケットの後縁（５４）の近くに少なくとも１つの出口孔（７０）を備える、ガスタービンエンジン。
18. 前記複数の冷却通路の各々の内部を流れる前記全ての冷却流体流は、前記プレナムの前記少なくとも１つの出口孔を通って排出される、請求項１７に記載のガスタービンエンジン。
19. 前記プレナムは、前記タービンバケットの負圧側面に少なくとも１つの出口孔を備える、請求項１７に記載のガスタービンエンジン。
20. 前記プレナムは、前記複数の冷却通路の各々の前記出口と、前記プレナムの前記少なくとも１つの出口孔との間で、前記冷却流体流の圧力降下をもたらし、前記少なくとも１つの出口孔は、前記タービンバケットの前記先端部の低静圧領域に配置される、請求項１７に記載のガスタービンエンジン。