JP2016138553A - ホイールスペースパージ用空気の制御のためのタービンバケット - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンにおけるホイールスペースパージ用空気の制御のためのタービンバケットを提供する。
【解決手段】タービンバケットは４０、プラットフォーム部と、プラットフォーム部から半径方向外向きに延びる翼形部と、プラットフォーム部から半径方向内向きに延びるシャンク部６０と、シャンク部６０の面から軸方向に延び、翼形部に向かって半径方向上向きに延びるエンゼルウイングリム７４を含む少なくとも１つのエンゼルウイング７０と、エンゼルウイングリム７４に沿って配置された複数の空隙１１０と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、一般的に、回転機械に関し、より具体的には、ガスタービンにおけるホイールスペースパージ用空気の制御に関する。

本技術分野で知られているように、ガスタービンは、ロータ組立体のホイール／ディスク上に、ステータ又はノズル組立体上の固定ベーン列と交互の、バケット列を使用する。これらの交互の列は、ロータ及びステータに沿って軸方向に延び、燃焼ガスが交互の列を通って流れると、ロータを回転させることができる。

回転バケットと固定ノズルとの間の境界における軸方向／半径方向の開口部は、高温の燃焼ガスが高温ガス経路から出て、バケット列の間に介在するホイールスペースに半径方向に入ることを可能にする。高温ガスのかかる侵入を制限するために、バケット構造は、典型的には、軸方向に突出するエンゼルウイングを採用しており、これは、隣接するステータ又はノズルから軸方向に延びる阻止部材と協働する。これらのエンゼルウイングと阻止部材は、オーバラップするが接触せず、高温ガスがホイールスペースに侵入するのを制限する役割を果たす。

加えて、冷却空気つまり「パージ用空気」は、バケット列の間のホイールスペースに導入されることが多い。このパージ用空気は、ホイールスペース内及びバケットの半径方向内側の他の領域の構成要素及び空間を冷却する役割を果たし、さらに冷却空気を逆流させて高温ガスがホイールスペースに侵入するのをさらに制限する役割を果たす。従って、エンゼルウイングシールは、さらにパージ用空気が高温ガス流路に漏出するのを制限するように設計される。

それにもかかわらず、ほとんどのガスタービンでは、パージ用空気の相当量が高温ガス流路に漏出してしまう。例えば、第１段及び第２段ホイールスペースにおけるパージ用空気の漏出が０．１％から０．３％の間である可能性がある。その結果、より冷たいパージ用空気と高温ガス流路との混合により、温度差だけでなく、流れ方向の相違又はパージ用空気及び高温ガスの渦流に起因して、混合が大きく損なわれる。

米国特許第８４１９３５６号明細書

１つの実施形態において、本発明はタービンバケットを提供し、このタービンバケットは、プラットフォーム部と、プラットフォーム部から半径方向外向きに延びる翼形部と、プラットフォーム部から半径方向内向きに延びるシャンク部と、シャンク部の面から軸方向に延び、翼形部に向かって半径方向上向きに延びるエンゼルウイングリムを含む少なくとも１つのエンゼルウイングと、エンゼルウイングリムに沿って配置された複数の空隙と、を備える。

別の実施形態において、本発明はタービンバケットを提供し、このタービンバケットは、プラットフォーム部と、プラットフォーム部から半径方向外向きに延びる翼形部と、プラットフォーム部から半径方向内向きに延びるシャンク部と、シャンク部の面から軸方向に延び、翼形部に向かって半径方向上向きに延びるエンゼルウイングリムを含む少なくとも１つのエンゼルウイングと、エンゼルウイングリムに沿って配置された複数の空隙と、エンゼルウイングリムからシャンク部の面に向かって軸方向内向きに延びる複数のダム部材と、を備える。

さらに他の実施形態において、本発明はガスタービンを提供し、このガスタービンは、回転シャフトから半径方向外向きに延びる少なくとも１つのタービンバケットを備え、１つのタービンバケットは、プラットフォーム部から半径方向外向きに延びる翼形部と、プラットフォーム部から半径方向内向きに延びるシャンク部と、シャンク部の面から軸方向に延び、翼形部に向かって半径方向上向きに延びるエンゼルウイングリムを含む少なくとも１つのエンゼルウイングシールと、少なくとも１つのエンゼルウイングシールから半径方向外側に配置され、エンゼルウイングリムに隣接した半径方向内側に向いた浸食可能部を有するノズル面と、を含み、運転時、エンゼルウイングリムは、ノズル面の浸食可能部に溝を浸食で形成する。

さらに他の実施形態において、本発明はガスタービンを提供し、このガスタービンは、ディフューザと、ディフューザに隣接した最終段タービンバケットとを備え、最終段タービンバケットは、プラットフォーム部から半径方向外向きに延びる翼形部と、プラットフォーム部から半径方向内向きに延びるシャンク部と、シャンク部の面から軸方向に延び、翼形部に向かって半径方向上向きに延びるエンゼルウイングリムを含む少なくとも１つのエンゼルウイングと、エンゼルウイングリムに沿って配置された複数の空隙と、を備える。

本発明のこれら及び他の特徴は、本発明の各種実施形態を示す添付図面と併用される本発明の各種態様の以下の詳細な説明から容易に理解されるであろう。

公知のタービンの一部の概略断面図。 公知のタービンバケットの斜視図。 本発明の実施形態のタービンバケットの一部の斜視図。 タービンバケットの一部の半径方向内向きの図。 本発明の別の実施形態によるタービンバケットの一部の斜視図。 本発明の他の実施形態によるタービンバケットの一部の斜視図。 図６のタービンバケットの断面側面図。 公知のタービンバケットにおけるパージ用空気流の概略図。 本発明の実施形態によるタービンバケットにおけるパージ用空気流の概略図。 本発明の実施形態による最終段タービンバケット及びディフューザの概略図。 公知のタービン及び本発明の実施形態によるタービンのディフューザ入口平面における渦流スパイクプロファイルのグラフ。 公知のタービン及び本発明の実施形態によるタービンのディフューザ入口平面における全圧力スパイクプロファイルのグラフ。 本発明の実施形態による蒸気タービンバケットの概略断面側面図。

本発明の図面は、縮尺通りでないことに留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様を示すことのみを意図しており、従って、本発明の範囲を限定すると考えるべきではない。図面において、各図面の間で同様の番号は同様の要素を表す。

ここで図面を参照すると、図１は、第１段ノズル２０と第２段ノズル２２との間に配置されたバケット４０を含むガスタービン１０の一部の概略断面図を示す。当業者であれば理解できるように、バケット４０は、軸方向に延びるロータ（図示せず）から半径方向外向きに延びる。バケット４０は、概ね平面のプラットフォーム４２、プラットフォーム４２から半径方向外向きに延びる翼形部、プラットフォーム４２から半径方向内向きに延びるシャンク部６０を含む。

シャンク部６０は、第１段ノズル２０に向かって軸方向外向きに延びる１対のエンゼルウイングシール７０、７２と、第２段ノズル２２に向かって軸方向外向きに延びるエンゼルウイングシール７４とを含む。異なる数及び配置のエンゼルウイングシールが可能であり、本発明の範囲内であることを理解されたい。本明細書で説明されるエンゼルウイングシールの数及び配置は、例示目的のためだけに提供されている。

図１から分かるように、ノズル表面３０及び阻止部材３２は、第１段ノズルから軸方向に延び、かつ、それぞれエンゼルウイングシール７０及び７２の半径方向外側に配置される。このように、ノズル表面３０はエンゼルウイングシール７０にオーバラップするが接触せず、阻止部材３２はエンゼルウイングシール７２にオーバラップするが接触しない。第２段ノズル２２の阻止部材３２及びエンゼルウイングシール７４についても類似の配置が示される。図１に示す配置において、タービンの運転中、例えば、大量のパージ用空気をノズル表面３０、エンゼルウイングシール７０及びプラットフォームリップ４４の間に供給することができ、これにより、パージ用空気が高温ガス流路２８へ漏出すること及び高温ガスが高温ガス流路２８からホイールスペース２６に侵入することの両方が制限される。

図１に示すように、ノズル面３０及び阻止部材３２の各々は、パージ用空気の漏出及び高温ガスの進入を制限する機能を果たす。本発明の他の実施形態において、阻止部材３２に類似した別個の阻止部材をエンゼルウイングシール７０とノズル面３０との間に設けてこのような機能を与えることができる。

図１では、バケット４０が第１段ノズル２０と第２段ノズル２２との間に配置され、バケット４０が第１段バケットを表すように示されるが、これは図示及び説明の目的のためだけである。本明細書で説明される本発明の原理及び実施形態は、タービンの任意の段のバケットに適用して類似の結果を達成することが期待できる。

図２は、バケット４０の一部の斜視図を示す。図示のように、翼形部５０は、前縁５２と、後縁５４とを含む。シャンク部６０は、エンゼルウイング７０とプラットフォームリップ４４との間に配置された、後縁５４より前縁５２に近い面６２を含む。

図３は、本発明の実施形態によるタービンバケット４０の一部の斜視図を示す。図３から分かるように、複数の空隙１１０はエンゼルウイング７０の遠位端７８でエンゼルウイングリム７４に沿って配置される。各空隙１１０は、エンゼルウイングリム７４に沿って間隔を置いて配置され、エンゼルウイングリム７４の残余部が複数の柱状部材７５を形成する。図３に示すように、空隙１１０は、半径方向に角度がついている、すなわちタービンバケット４０の放射軸（Ａｒ）に対して角度がついていが、このことは必要でも必須でもない。本発明の他の実施形態において、空隙は、タービンバケットの放射軸に実質的に平行とすることができる。

タービンバケット４０を半径方向内向きに見た図４に明示するように、柱状部材７５（及び対応する空隙１１０）は、アーチ形面を含む。詳細には、柱状部材７５は、凹面７５Ａ（空隙１１０では凸面）及び凸面７５Ｂ（空隙１１０では凹面）を含む。従って、空隙１１０は、エンゼルウイングリム７４の軸方向内側面７４Ａに沿って第１の開口１１０Ａを含み、第１の開口１１０Ａは、エンゼルウイングリム７４の軸方向外側面７４Ｂに沿った第２の開口１１０Ｂに対して横方向に配置される。もちろん、柱状部材及び空隙は他の形状にできることを理解されたい。例えば、柱状部材及び空隙は、長方形、台形、又は何らかの他の断面形状を含むことができる。

図５は、本発明の他の実施形態によるタービンバケット４０の一部の斜視図を示す。この場合、複数のダム部材７７は、シャンク部６０から複数の柱状部材７５の各々まで軸方向に延びる。いくつかの実施形態では、ダム部材７７は、タービンバケット４０の放射軸に対して角度付けされること、すなわちタービンバケット４０の回転方向に対して順方向に又は逆方向に角度付けすることができる。同様に、いくつかの実施形態では、ダム部材７７は、柱状部材７５のように１又は２以上のアーチ形面を含むこと、又は前述のような長方形、台形、又は何らかの他の断面形状を含むことができる。

図６は、本発明の他の実施形態によるタービンバケット１４０の一部の斜視図を示す。この場合、連続的なエンゼルウイングリム１７４は、エンゼルウイングシール１７０から上向きに延びており、複数のダム部材１７７は、リム１７４から面１６２に向かって軸方向に延びるが、面１６２には接触せず、この面１６２に隣接したギャップ１６４が残る。

図７は、本発明の実施形態による、ノズル面１３０に関する図６のタービンバケット１４０の断面側面図を示す。図７において、ノズル面１３０は、少なくとも半径方向内側面に多孔性又は浸食部分を備えるか又は含み、エンゼルウイングリム１７４は、ノズル面１３０に溝１３１を切り込むか又は摩擦で穿つことができる。ノズル面１３０の多孔性又は浸食部分は、「ハニカム」又は類似のパターンのノズル面１３０の材料を含むことができ、多孔性又は浸食部分は、エンゼルウイングリム１７４による摩損又は浸食を受ける。本発明の他の実施形態において、ノズル面１３０の多孔性又は浸食部分は、ノズル面１３０の他の材料よりも軟質の材料を備えるか又は含むことができ、多孔性又は浸食部分は、同様に、エンゼルウイングリム１７４による摩損又は浸食を受ける。

作動時、パージ用空気１８０は、ノズル面１３０の溝１３１に流入し、次に、各ダム部材１７７の間を下って面１６２に向かう。次に、タービンバケット１４０が回転している場合、パージ用空気１８０は、面１６２に隣接したギャップ１６４内で周方向に流れ、パージ用空気１８０に対して強化された渦流を与える。

図８は、公知のタービンバケットにおけるパージ用空気流の概略図を示す。パージ用空気８０は、面６２の近くで、領域８２に集結し、より高い渦流速度を有する。対照的に、図９は、本発明の種々の実施形態による、パージ用空気８０に対する空隙１１０の作用を示す概略図である。ここで、パージ用空気８０が集結し、より高い渦流速度を示す領域８３は、図８と比較すると、面６２からプラットフォームリップ４４の遠位端に向かって、より遠ざかっている。事実上、これが領域８７においてカーテン作用をもたらし、高温ガス流路２８からの高温ガス９５の侵入を制限し、同時にホイールスペース２６から高温ガス流路２８へ漏出するパージ用空気８０の量を低減させる。

本発明の実施形態を用いて達成されるタービン効率の向上は、多くの要因に起因する。第１に、上述のように、渦流速度の増大は、パージ用空気の高温ガス流路２８への漏出を減少させ、渦流の増大は、漏出するパージ用空気に起因する混合損を減少させ、本発明による空隙により生じるカーテン作用は、高温ガス９５がホイールスペース２６に侵入するのを減少させるか又は防止する。これらの各々が、観察される効率の向上に寄与する。

加えて、必要とされるパージ用空気の全体量は、少なくとも２つの理由により減少する。第１に、漏出するパージ用空気の減少は、必然的に置換する必要があるパージ用空気を減少させ、タービン効率に直接、好ましい作用をもたらす。第２に、高温ガス９５のホイールスペース２６への侵入の減少は、ホイールスペース２６内の温度上昇、及び追加のパージ用空気を導入することにより温度を下げるために必要な付随物を減少させる。必要な総パージ用空気に対するこれらの低減の各々は、パージ用空気を提供する圧縮機等の他のシステム構成要素に対する必要性を減少させる。

上記では、エンゼルウイングリム空隙が、ホイールスペース内、特にタービンバケットの前段に隣接するホイールスペース内でのパージ用空気の渦流速度を変化させる能力について参照したが、エンゼルウイングリム空隙を任意の段のタービンバケットに採用して、パージ用空気渦流速度及び角度を同様に変化させることができることに留意されたい。事実、本出願人は、エンゼルウイングリム空隙を最終段バケット（ＬＳＢ）に採用する場合に非常に有効な結果を得られることに気付いた。

ディフューザ入口の内側半径領域における全圧力（Ｐ_Ｔ）及び渦流プロファイルの各スパイクは、高温ガス流とＬＳＢに隣接するホイールスペースを出るパージ用空気の渦流との間の不一致の結果である。本出願人は、本発明の各種実施形態によるエンゼルウイングリム空隙は、内側半径に近いディフューザ入口におけるＰ_Ｔスパイクの増大させることができるが、同時に、同一位置における又はその近くの渦流スパイクを減少させることができることを発見した。これらのそれぞれがディフューザ性能を改善させる。例えば、エンゼルウイングリム空隙は、ＬＳＢホイールスペースを出るパージ用空気の渦流角度を１〜３度だけ変化させるが、Ｐ_Ｔスパイクを１５〜３０％だけ増加させることが分かっている。

図１０は、ディフューザ３００に隣接するＬＳＢ１４０の概略図を示す。高温ガス１９５は、ディフューザ入口平面３１０においてディフューザ３００に入り、ストラット３２０に向かう。本発明の実施形態による空隙は、パージ用空気が高温ガス１９５と混合する際のパージ用空気の渦流不一致を減少させ、高温ガス１９５がストラット３２０に入る際の高温ガス１９５の分離を防止する。同時に、空隙は、Ｐ_Ｔスパイクを増大させる。

図１１は、ディフューザ入口平面高さの関数としての渦流スパイクのグラフを示す。プロファイルＡは、本発明の実施形態によるエンゼルウイングリム空隙を有するタービンに対する渦流スパイクを表す。プロファイルＢは、本技術分野で公知のエンゼルウイングを有するタービンに対する渦流スパイクを表す。プロファイルＡは、ディフューザ入口平面の半径方向内側位置で渦流スパイクが著しく減少することを示す。

図１２は、ディフューザ入口平面高さの関数としてのＰ_Ｔスパイクのグラフを示す。プロファイルＡは、本発明の実施形態によるエンゼルウイングリム空隙を有するタービンに対するＰ_Ｔスパイクを表す。プロファイルＢは、本技術分野で公知のエンゼルウイングを有するタービンに対するＰ_Ｔスパイクを表す。プロファイルＡは、ディフューザ入口平面の半径方向内側位置でＰ_Ｔスパイクが増大することを示す。

上述の空隙の動作原理は、蒸気タービンの運転にも適用することができる。例えば、図１３は、翼形部２５０と、ディスク２９０に固定されたシャンク２６０とを有する蒸気タービンバケット２４０の概略断面図を示す。ディスク２９０の拡大図が提示され、これに沿って、空隙２１０（想像線で示す）を、上記の図面に示す空隙と同様に配置することができる。

本明細書で説明するような本発明の実施形態を使用する蒸気タービンは、通常、例えば、漏れ流及び特徴部を用いる段に応じて、０．１％から０．５％の間の効率改善を実現する。

本明細書で用いられる場合、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈がそうでないことを明確に示さない限り、複数形も含むことを意図している。さらに、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書で用いられる場合、記述された特徴、整数、ステップ、操作、要素、及び／又は構成要素の存在を指定するが、１つ又はそれ以上の他の特徴、整数、ステップ、操作、要素、構成要素、及び／又はそれらの群の存在又は追加を排除するものではないことが理解されるであろう。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること及びあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ ガスタービン
２０ 第１段ノズル
２２ 第２段ノズル
２６ ホイールスペース
２８ 高温ガス流路
３０ ノズル表面
３２ 阻止部材
４０ バケット
４２ プラットフォーム
４４ プラットフォームリップ
５２ 前縁
５４ 後縁
６０ シャンク部
６２ 面
７０ エンゼルウイング
７２ エンゼルウイングシール
７４ エンゼルウイングシール
７４Ａ 内面
７４Ｂ 外面
７５ 柱状部材
７５Ａ 凹面
７５Ｂ 凸面
７７ ダム部材
７８ 遠位端
８０ パージ用空気
８２ 領域
８３ 領域
８７ 領域
９５ 高温ガス
１１０ 空隙
１１０Ａ 第１の開口
１３０ ノズル面
１３１ 溝
１４０ 最終段バケット（ＬＳＢ）
１６２ 面
１６４ ギャップ
１７０ エンゼルウイングシール
１７４ エンゼルウイングリム
１７７ ダム部材
１８０ パージ用空気
１９５ 高温ガス
２１０ 空隙
２４０ 蒸気タービンバケット
２５０ 翼形部
２６０ シャンク
２９０ ディスク
３００ディフューザ
３１０ 入口平面
３２０ ストラット

Claims (10)

1. プラットフォーム部（４２）と、
   前記プラットフォーム部（４２）から半径方向外向きに延びる翼形部（５０）と、
   前記プラットフォーム部（４２）から半径方向内向きに延びるシャンク部（６０）と、
   前記シャンク部（６０）の面（６２）から軸方向に延び、前記翼形部（５０）に向かって半径方向上向きに延びるエンゼルウイングリム（７４）を含む少なくとも１つのエンゼルウイング（７０）と、
   前記エンゼルウイングリムに沿って配置された複数の空隙（１１０）と、
   を備えるタービンバケット（４０）。
2. 運転時、前記複数の空隙（１１０）は、前記少なくとも１つのエンゼルウイング（７０）から半径方向外向きにパージ用空気（８０）の渦流速度を変更するようになっている、請求項１に記載のタービンバケット。
3. 前記プラットフォーム部（４２）から軸方向に延びるプラットフォームリップ（４４）をさらに備える、請求項２に記載のタービンバケット。
4. 前記パージ用空気（８０）は、前記プラットフォームリップ（４４）と前記少なくとも１つのエンゼルウイング（７０）との間に供給される、請求項３に記載のタービンバケット。
5. 前記複数の空隙（１１０）のうちの少なくとも１つは、アーチ形断面形状を含む、請求項１に記載のタービンバケット。
6. 前記複数の空隙（１１０）のうちの少なくとも１つは、長方形断面形状を含む、請求項１に記載のタービンバケット。
7. 前記複数の空隙（１１０）のうちの少なくとも１つは、台形断面形状を含む、請求項１に記載のタービンバケット。
8. 前記複数の空隙（１１０）のうちの少なくとも１つは、前記タービンバケット（４０）の放射軸に対して角度がついている、請求項１に記載のタービンバケット。
9. 前記複数の空隙（１１０）は、前記エンゼルウイングリム（７４）に沿って不規則に分散している、請求項１に記載のタービンバケット。
10. 回転シャフトから半径方向外向きに延びる少なくとも１つのタービンバケット（１４０）を備えるガスタービンであって、
    前記１つのタービンバケット（１４０）は、
    プラットフォーム部（４２）から半径方向外向きに延びる翼形部（５０）と、
    前記プラットフォーム部（４２）から半径方向内向きに延びるシャンク部（６０）と、
    前記シャンク部（６０）の面（６２）から軸方向に延び、前記翼形部（５０）に向かって半径方向上向きに延びるエンゼルウイングリム（１７４）を含む少なくとも１つのエンゼルウイングシール（１７０）と、
    前記少なくとも１つのエンゼルウイングシール（１７０）から半径方向外側に配置され、前記エンゼルウイングリム（１７４）に隣接した半径方向内側に向いた浸食可能部を有するノズル面（１３０）と、
    を含み、
    運転時、前記エンゼルウイングリム（１７４）は、前記ノズル面（１３０）の前記浸食可能部に溝（１３１）を浸食で形成する、ガスタービン。