JP2016098823A - ロータリムを衝突冷却するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンバケットにおける冷却通路を用いたロータリムの冷却を提供すること。【解決手段】タービンホイールのロータホイールポストの半径方向外面並びにタービンバケットとロータホイールポストとの間のロータホイールスペースを冷却するシステム及び方法であって、タービンバケットが、タービンバケットの内側冷却チャンネルと、ロータホイールポストの半径方向上面に直面するタービンバケットのシャンク部の外面との間に延びる少なくとも１つの冷却通路を有し、該冷却通路を用いて、ロータホイールポストの半径方向上面に向けて冷却流を配向するようにする。【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービン内部のロータリムを冷却するためのシステム及び方法に関し、詳細には、タービンバケットにおける冷却通路を用いたロータリムの冷却に関する。

ガスタービンは、入口セクション、圧縮機セクション、タービンセクション、燃焼セクション、及び排気セクションを含む。動作中、ガスタービンは、例えば、入口セクションを通って周囲空気を吸い込み、空気が圧縮機セクションによって圧縮されて、燃焼セクションに供給されて、高温の排気ガスを発生する。高温の排気ガスは、タービンセクションに向けて下流側に送給され、該タービンセクションは、排気ガスからエネルギーを引き出して、圧縮機セクションを機械的に駆動し、また、例えば、電力として提供できる出力を生成する。

タービンセクションは、円周方向に離間され且つロータホイール上のスロット内に係合された複数のタービンブレードを備えた少なくとも１つのロータ組立体を含み、該スロットは、複数のロータホイールポストによって形成される。タービンブレードは、翼形部セクション、プラットフォームセクション、シャンクセクション、及び根元セクションを有し、また、シャンクセクションから軸方向外向きに延びる複数のエンジェルウィング又はシールを備えることができる。高温の排気ガスは、翼形部部分及び上側プラットフォーム部分にわたって流れ、タービンブレードとロータホイールとの間のロータホイールスペース、並びに総称してタービンの固定構造に流入することができる。ホイールスペース内に流れる高温ガスは、バケットシャンク及びタービンの他の近隣の構成部品を加熱する。

最近のガスタービン設計において、排気ガス温度が上昇すると、高温排気ガスのロータホイールスペースへの可能性のある漏洩に起因して、ホイールスペースの空気温度もまた上昇する。ロータホイールは、多くの場合、ホイールスペースにおいて空気の温度の影響を受け易いので、ロータホイールを形成するのに用いることができる材料は、ホイールスペースにおける空気の温度によって決まる。最近のタービン設計は、ロータホイールを形成するのに従来使用されている材料の最大許容可能温度を押し進めており、或いは、ホイールスペースの空気温度の上昇に起因して動作中のロータホイール温度の上昇に対応するためより高価な材料を用いている。

従来、パッシブ冷却方式を利用して、例えば、ロータホイールスペースをプラットフォーム及びエンジェルウィングでシールすることによりホイールリムを冷却している。別の従来の方式は、ホイールスペースキャビティのパージ及び／又はタービンブレードシャンクキャビティの加圧である。しかしながら、高温の排気空気が依然としてホイールスペース内に漏洩して、ホイールスペースの空気温度の上昇を引き起こし、ロータホイールの温度が、ロータホイール材料の最大許容可能温度を上回る可能性がある。

米国特許第８，６２２，７０１Ｂ１号明細書

ロータホイールスペースにおいてロータリムを冷却するアクティブホイールリム冷却システム及び方法が考案され、本明細書で開示される。アクティブホイールリム冷却システム及び方法は、タービンバケットの内部の冷却ポケット及び／又は通路からの冷却空気を配向し、該冷却空気をロータホイールのデッドリム部分上に衝突させて該デッドリムを冷却する。

翼形部部分、翼形部部分の半径方向内向きにあるプラットフォーム部、プラットフォーム部の半径方向内向きにあるシャンク部、及びシャンク部の半径方向内向きにある根元部を含むタービンバケットが本明細書で開示される。シャンク部は、タービンバケットの内部の内側冷却チャンネルと、シャンク部の外面との間に延びる少なくとも１つの内部冷却通路を含み、外面がシャンク部と根元部との間の接合部に隣接している。

タービンバケットとロータホイールポストとの間のホイールリムギャップを冷却する方法が本明細書で開示され、本方法は、タービンバケットのシャンク部の長さに沿って、タービンバケットの内部にある少なくとも１つの内側冷却ポケット又はチャンネルと、タービンバケットの根元部に半径方向に直近のシャンク部の外面とを流体接続する複数の冷却通路を形成するステップと、冷却通路に接続されたタービンバケットの内部上で内側冷却チャンネルに冷却ガス流を供給するステップと、冷却通路に直接当接したタービンホイール上のロータホイールポストの半径方向外面上で冷却通路を通過させるよう冷却ガス流を再配向するステップと、冷却通路により再配向された冷却ガス流を用いてロータホイールポストの半径方向外面を冷却するステップと、を含む。

タービンホイールが及びバケット組立体が開示され、タービンホイールの半径方向外側リム上にロータホイールスロットを形成する複数のロータホイールポストを含むタービンホイールと、ロータホイールの外側リムから半径方向外向きに延び、各々が翼形部、シャンクセクション及び根元を含み、該根元がロータホイールスロットのうちの１つに嵌装されるタービンバケットと、タービンバケットの各々のシャンクにおける冷却通路と、を備え、冷却通路が、タービンバケットにおける内側冷却チャンネルと、ロータホイールポストの半径方向外面に当接するシャンクの領域においてタービンバケットのシャンクの外面との間に延びており、タービンホイール及びバケット組立体が更に、タービンバケットとロータホイールポストとの間にホイールリムギャップを含む。冷却通路は、ロータホイールポストの半径方向外面上に及びホイールリムギャップ内に冷却流を配向するよう適合されている。

冷却通路を可視化した、ロータホイール上でロータホイールポストと係合したタービンバケットの概略部分断面図。 冷却通路を可視化したタービンバケットの１つの実施形態の斜視図。 冷却通路を可視化したタービンバケットの１つの実施形態の別の斜視図。 冷却通路を可視化したシャンクキャビティの側方から見たタービンバケットの１つの実施形態の正面図。 タービンバケットの１つの実施形態の外面の斜視図。

従来知られているように、タービンバケットはまた、タービンブレード又はロータブレードとも呼ばれ、ロータホイールはまた、タービンホイールとも呼ばれ、タービンバケットのシャンク部は、ネック部とも呼ばれ、タービンバケットの根元部は、タービンバケットのダブテールとも呼ばれ、ホイールリムギャップは、リムポストギャップとも呼ばれる。これらの説明の文脈において、用語「約」は、記載される数値の上下１０％を含む。

図１は、タービンホイール２００上でロータホイールポスト１９０と係合したタービンバケット１００の断面を示している。タービンバケット１００は、翼形部１０２、プラットフォーム１０４、シャンク部１０６、及び根元部１０８を有する。シャンク部１０６は、シャンク部１０６上に位置する軸方向に延びたエンジェルウィング１１２又は何らかの好適なタイプのシールを含むことができる。タービンバケット１００は、バケット１００の内部に位置する少なくとも１つの内側冷却チャンネル１１０を含み、該内側冷却チャンネル１１０が、根元部１０８の半径方向内側部分上に位置する開口１２０を通じてタービンバケット１００に冷却流１２２を供給するようにする。タービンバケット１００は、タービンホイール２００上に位置するロータホイールポスト１９０と係合される。

高温の排気ガスがタービンホイール２００上のタービンバケット１００を通過すると、排気ガスは、タービンバケット１００とロータホイールポスト１９０との間のホイールリムギャップ１３０内に漏洩する可能性がある。高温排気ガスは、ホイールリムギャップ１３０内の空気、ロータホイールポスト１９０及びタービンバケット１００の根元部１０８を加熱する。この加熱により、ロータホイールポスト及び根元部１０８における材料温度は、ロータホイール２００及びロータホイールポスト１９０を形成するのに使用される従来の材料の最大許容可能温度を超える可能性がある。ホイールリムギャップ１３０にアクティブ冷却を送給するシステム及び方法は、内側冷却チャンネル１１０と、タービンバケット１００上の根元部１０８に直近し且つロータホイールポスト１９０の上面であるデッドリム１１６に直面し又は直接当接したシャンクキャビティ１０５におけるシャンク部１０６の表面との間、或いは、デッドリム１１６に隣接した他の表面との間に延びる少なくとも１つの冷却通路１１４を使用する。冷却流１２２は、根元部１０８の半径方向内側部分にて開口１２０を通って内側冷却チャンネル１１０に流入して、冷却通路１１４に配向され、冷却流１２２をホイールリムギャップ１３０に提供する。シャンクキャビティ１０５は、冷却流１２２の一部が配向されて一連の冷却通路１１４を通って流れるように、冷却流１２２により加圧することができる。

ホイールリムギャップ１３０内の冷却流１２２は、デッドリム１１６と呼ばれるロータホイールポスト１９０の半径方向外面を含むロータホイールポスト１９０と、タービンバケット１００の根元部１０８の半径方向内側部分に最も近いロータホイールポスト１９０の半径方向内面とを冷却する。冷却流１２２はまた、デッドリム１１６上又はデッドリム１１６の半径方向内向きの表面上に衝突することができる。

ロータホイールポスト１９０の半径方向内面は、タービンホイールのライブリム１１８と呼ぶことができる。デッドリム１１６の冷却によりまた、冷却流１２２がタービンバケット１００の根元部１０８とロータホイールポスト１９０との間のホイールリムギャップ１３０を通って移動するときにライブリム１１８が冷却される。

冷却流１２２は、ガスタービンの圧縮機セクションの後方段からタービンバケット１００に再配向され、或いは、外部冷却流供給源から送給することができる。冷却流１２２をロータホイール２００に流入させることを可能にする少なくとも１つの開口が存在することができ、これにより冷却流１２２をタービンバケット１００の根元部１０８の半径方向内側部分にて開口１２０内に配向する。

内側冷却チャンネル１１０は、矩形、円形、三角形、長円、不規則な形状、或いはこれらの組み合わせの断面形状を有することができる。内側冷却チャンネル１１０はまた、該内側冷却チャンネル１１０の全半径方向長さにわたって実質的に同様の直径を有する直線状チャンネル又は蛇行チャンネルとすることができ、或いは、内側冷却チャンネル１１０は、半径方向長さにわたって異なる直径を有することができる。

別の実施形態において、タービンバケット１００の内部には複数の内側冷却チャンネル１１０が存在することができる。このような実施形態において、複数の内側冷却チャンネル１１０の各々は、冷却流１２２を少なくとも１つの冷却通路１１４に供給することができ、或いは、複数の内側冷却チャンネル１１０の一部だけが冷却流１２２を少なくとも１つの冷却通路１１４に供給することができる。

図２及び３は、内側冷却チャンネル１１０と冷却通路１１４の可視化を含むタービンバケット１００の斜視図を示している。冷却通路１１４は、タービンバケット１００のシャンクキャビティ１０５の軸方向内側部分に配置される。

冷却通路１１４のアプローチ角は、内側冷却チャンネル１１０状の冷却通路１１４の入口から、デッドリム１１６の表面に面した冷却通路１１４の出口まで測定される。冷却通路１１４のアプローチ角は、好ましくは、デッドリム１１６の表面に垂直である。具体的には、アプローチ角は、約３０度〜約９０度、好ましくは約４５度〜約９０度、より好ましくは約７０度〜約９０度である。

デッドリム１１６からの熱伝達を最適にするため、及び高温排気ガスからロータホイールをシールドするために、冷却通路１１４のサイズは、「Ｚ／Ｄ」の比にすることができ、「Ｚ」は冷却通路１１４の出口からデッドリム１１６に面するシャンク部１０６の表面までの距離、「Ｄ」は冷却通路１１４の直径である。好ましい比は、約１〜約９、より好ましくは約２〜約８、更に好ましくは約２から約６の間である。

１つの実施形態において、冷却通路１１４は、軸方向に傾斜することなく設けることができ、シャンクキャビティ１０５の長さに沿って均一に分布することができる。別の実施形態において、冷却通路１１４は、シャンクキャビティ１０５の長さに沿って不均一に分布することができる。

図４は、シャンクキャビティ１０５の側方から見たタービンバケット１００の図を示している。冷却通路１１５は、軸方向に傾斜することができる。冷却通路１１５の傾斜により、内側冷却チャンネル１１０の様々な形状に対応する融通性が可能となり、また、デッドリム１１６上の所望の位置に向けて冷却空気を配向する能力が可能となる。

１つの実施形態において、冷却通路１１５の各々は、軸方向に異なる傾斜角を有して、冷却通路１１５が、図１に示されるようなロータホイールポスト１９０のデッドリム１１６上の何れかの所望の領域に冷却流を配向することができるようになる。別の実施形態において、単一のタービンバケット１００上の冷却通路１１５は、異なる長さ及び直径を有することができ、軸方向で異なるアプローチ角及び傾斜角度を有することができる。

タービンバケット１００の外側本体の図が図５に示される。冷却通路１１４は、シャンクキャビティ１０５におけるタービンバケット１００の外面と交差するそれぞれの出口孔の各々としてのみ見える。タービンバケット１００に形成できる冷却通路１１４の最大数は、タービンバケットが構造性能を維持するように孔形成後のタービンバケットの全体強度によって決まる。決定された最大数を上限として、あらゆる数の冷却通路１１４をタービンバケット１００上に形成することができる。

本発明の実施形態は、高温排気ガスが材料の最大許容温度に向けてロータホイールを加熱しないように、ロータホイールポストのタービンバケット間のデッドリムに沿ったホイールスペースにおいて空気の衝突冷却をもたらすシステム及び方法を提供する。

現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。

１００ タービンバケット
１０２ 翼形部
１０４ プラットフォーム
１０５ シャンクキャビティ
１０６ シャンク部
１０８ 根元部
１１０ 内側冷却チャンネル
１１２ エンジェルウィング
１１４ 冷却通路
１１５ 冷却通路
１１６ デッドリム
１１８ ライブリム
１２０ 開口
１２２ 冷却流
１３０ ホイールリムギャップ
１９０ ロータホイールポスト
２００ タービンホイール

Claims (20)

1. タービンバケット（１００）であって、
   翼形部部分（１０２）と、
   前記翼形部部分の半径方向内向きにあるプラットフォーム部（１０４）と、
   前記プラットフォーム部の半径方向内向きにあるシャンク部（１０６）と、
   前記シャンク部の半径方向内向きにある根元部（１０８）と、
   を備え、前記シャンク部が、前記タービンバケットの内部の内側冷却ポケット又はチャンネル（１１０）と前記シャンク部の外面との間に延びる少なくとも１つの内部冷却通路（１１４）を含み、前記外面が前記シャンク部と前記根元部との間の接合部に隣接している、タービンバケット（１００）。
2. 前記タービンバケットの根元部が、タービンホイール（２００）上でロータホイールポスト（１９０）を係合するよう構成されている、請求項１に記載のタービンバケット（１００）。
3. 前記冷却通路が、前記ロータホイールポストの上面及び／又は隣接する面に向かって冷却流を配向するよう適合されている、請求項１に記載のタービンバケット（１０）。
4. 前記冷却通路があるサイズの比Ｚ／Ｄを有し、Ｚが前記冷却通路の出口から前記シャンク部の表面までの距離、Ｄが前記冷却通路の直径である、請求項１に記載のタービンバケット（１０）。
5. 前記冷却通路の比が約１〜約９である、請求項４に記載のタービンバケット（１０）。
6. 前記冷却通路が、約３０度〜約９０度の間のアプローチ角を有する、請求項１に記載のタービンバケット（１０）。
7. 前記冷却通路が軸方向に傾斜している、請求項１に記載のタービンバケット（１０）。
8. 前記シャンク部の長さに沿って均一に又は不均一に分布された複数の冷却通路（１１４，１１５）を更に備える、請求項１に記載のタービンバケット（１０）。
9. 前記シャンク部の長さに沿って不均一な長さ及び不均一な軸方向傾斜を有する複数の冷却通路（１１４，１１５）を更に備える、請求項１に記載のタービンバケット（１０）。
10. タービンバケット（１００）とロータホイールポスト（１９０）との間のホイールリムギャップ（１３０）を冷却する方法であって、
    タービンバケット（１００）のシャンク部（１０６）の長さに沿って、前記タービンバケットの内部にある少なくとも１つの内側冷却ポケット又はチャンネル（１１０）と、前記タービンバケットの根元部（１０８）の直近の半径方向外向きのシャンク部の外面とを流体接続する複数の冷却通路（１１４，１１５）を形成するステップと、
    前記冷却通路に接続されたタービンバケットの内部上で前記内側冷却チャンネルに冷却ガス流を供給するステップと、
    前記冷却通路に直接当接したタービンホイール上のロータホイールポストの半径方向外面上で前記冷却通路を通過させるよう前記冷却ガス流を再配向するステップと、
    前記冷却通路により再配向された前記冷却ガス流を用いてロータホイールポストの半径方向外面を冷却するステップと、
    を含む、方法。
11. 前記ロータホイールポストの半径方向外面が、前記タービンホイールのデッドリム（１１６）である、請求項１０に記載の方法。
12. 前記冷却通路が、あるサイズの比Ｚ／Ｄを有し、Ｚが前記冷却通路の出口から前記シャンク部の表面までの距離、Ｄが前記冷却通路の直径である、請求項１０に記載の方法。
13. 前記冷却通路の比が約１〜約９である、請求項１０に記載の方法。
14. 前記冷却通路が、約３０度〜約９０度の間のアプローチ角を有する、請求項１０に記載の方法。
15. タービンホイール及びバケット組立体であって、
    前記タービンホイールの半径方向外側リム上にロータホイールスロットを形成する複数のロータホイールポストを含むタービンホイールと、
    前記ロータホイールの外側リムから半径方向外向きに延び、各々が翼形部、シャンクセクション及び根元を含み、該根元が前記ロータホイールスロットのうちの１つに嵌装されるタービンバケットと、
    前記タービンバケットの各々のシャンクにおける冷却通路と、
    を備え、
    前記冷却通路が、前記タービンバケットにおける内側冷却チャンネルと、前記ロータホイールポストの半径方向外面に当接する前記シャンクの領域において前記タービンバケットのシャンクの外面との間に延び、
    前記タービンホイール及びバケット組立体が更に、
    前記タービンバケットと前記ロータホイールポストとの間にホイールリムギャップを備え、前記冷却通路が、前記ロータホイールポストの半径方向外面上に及び前記ホイールリムギャップ内に冷却流を配向するよう適合されている、タービンホイール及びバケット組立体。
16. 前記ロータホイールポストの半径方向外面が、前記タービンホイールのデッドリム（１１６）である、請求項１５に記載のタービンホイール及びバケット組立体。
17. 前記冷却通路が、あるサイズの比Ｚ／Ｄを有し、Ｚが前記冷却通路の出口から前記シャンク部の表面までの距離、Ｄが前記冷却通路の直径である、請求項１５に記載のタービンホイール及びバケット組立体。
18. 前記冷却通路の比が約１〜約９である、請求項１５に記載のタービンホイール及びバケット組立体。
19. 前記冷却通路が、約３０度〜約９０度の間のアプローチ角を有する、請求項１５に記載のタービンホイール及びバケット組立体。
20. 前記タービンホイールの内側部分から前記タービンバケットの内側冷却チャンネル内に吸い込まれる冷却流の供給源を更に備える、請求項１５に記載のタービンホイール及びバケット組立体。