JP2016211556A - ガスタービンのためのロータブレード - Google Patents

Abstract

【課題】より良好なスキーラ冷却性、安定性、耐用期間を有するロータブレードを提供すること。【解決手段】ガスタービン１００のためのロータブレード１であって、圧力側壁２と吸引側壁４と、先端部キャップ６と、壁２，４および先端部キャップ６の内面２０，２２，２４によって形成されるキャビティ１８と、壁２，４から半径方向に延在するスキーラ８と、を備え、先端部キャップ６の外側表面とスキーラ８とによって半空間１０が形成され、かつ、キャビティ１８からスキーラ８の外側へ向かって冷却チャネル１２が延びている、ロータブレード１は、より良好なスキーラ冷却性と安定性と耐用期間とを有するよう設計される。このために、先端部キャップ６は、半空間１０から先端部キャップ６内に広がる凹部を有し、凹部１６が、冷却チャネル１２を、キャビティ１８と連通する第１の部分２８と、外側空間１４と連通する第２の部分３０とに区分する。【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンのためのロータブレードであって、圧力側壁および吸引側壁と、先端部キャップと、圧力側壁の内面と吸引側壁の内面と先端部キャップの内面とによって形成されるキャビティと、圧力側壁および吸引側壁から半径方向に延在するスキーラと、先端部キャップの外面とスキーラの外面とによって形成される半空間と、キャビティからスキーラへ延びる冷却チャネルと、を備えるロータブレードに関するものである。

上述のタイプのロータブレードは、高温ガス流のエネルギーを回転エネルギーに変換するためのガスタービンで使用される。これらロータブレードは一般的にブレード翼形を有しており、冷却空気を供給するための１つ以上のキャビティが該ブレードエアフォイルを貫通する。ブレードエアフォイルは、圧力側壁と吸引側壁とを有しており、その先端部は先端部キャップによって閉じられる。多くの場合に、先端部キャップには（ガスタービンの軸に対して）半径方向に広がる周辺スキーラが設けられている。スキーラは、半径方向に圧力側壁および吸引側壁を延長する。

現在、タービンロータブレードは、一体構造となるように鋳造によって製造されており、１つの材料から形成される。これらタービンロータブレードは、ブレード材料を高温ガス温度から保護するためにかつブレード材料の酸化を防止するために、作動中は基本的に冷却されている。タービンブレードのための実績のある成功した冷却構造として内部冷却が挙げられる。これに関して、液体のまたは気体の冷却流体−通常はタービンの圧縮機から供給される空気−が、上述のキャビティ内を流動する。

これには、上記スキーラが、比較的薄手の壁を有しかつブレード内部の冷却空気から比較的遠くなると言う問題がある。こうした理由から、スキーラはとりわけ高温のガス流に曝されてしまう。先端部領域の冷却を確実にするために、冷却チャネルが、ブレード内のキャビティから先端部キャップを通ってスキーラの外側まで延びている。冷却流体はこれら冷却チャネルを通って流出し、それによってスキーラは冷却される。そうした構造は例えば特許文献１から公知となっている。

さらに特許文献２には、内面への、つまりスキーラのうち冷却チャネルを中断する凹部からなる半空間に面する側へ導入することが開示されている。これは実際に冷却効果を高める。しかしながら、スキーラの安定性を低減するとの欠点を有する。これによって凹部の利用可能な長さが制限される。

欧州特許第１０５７９７０号明細書 欧州特許第１２６７０４１号明細書

本発明は、ここでは、冒頭で述べたタイプの、スキーラのより良好な冷却性を有すると同時にさらに良好な安定性および耐用期間を有するロータブレードを特定することを目的とする。

この目的は、先端部キャップが、半空間から先端部キャップ内に延在する凹部を有しており、該凹部が、冷却チャネルを、キャビティと連通する第１の部分と外側空間と連通する第２の部分とに区分する、本発明によって達成される。

本発明は、冷却チャネルを中断するがスキーラの安定性を低減させない凹部を提供することによってロータブレードの耐用期間をさらに向上できるという考察に基づく。このため、凹部は先端部キャップへ向けて半径方向に広がっており、スキーラの厚さを低減させない。凹部は、ブレード内のキャビティからスキーラの外側へ向けて延びる冷却チャネルへ向けて広がっており、それにより冷却チャネルは第１の部分と第２の部分とに区分されている。

この場合、第１の部分は有利には凹部において流出開口を有しており、かつ／または第２の部分は有利にはスキーラの外側において流出開口を有する。そのためロータブレード内のキャビティからの冷却流体の流れは、初めに凹部に入り、半空間の内側を冷却する。ここでの冷却は非常に効率的である。冷却流体の流れは続いて第２の部分を通ってスキーラの外側まで流れる。運転中に優勢となる圧力差に起因して、逆流が発生するリスクつまり高温ガスが第２の部分を通って半空間に進入するリスクは存在しない。

ロータブレードの有利な１つの構造では、冷却チャネルは直線的なものである。この場合、冷却チャネル全体つまり第１および第２の部分は共通の直線上にある。これによって一方では、冷却チャネルの第１の部分から第２の部分への冷却流体の良好な貫流が可能となり、他方では、冷却チャネルをとりわけ簡単に導入でき、具体的には好ましくはレーザードリルを用いて第１および第２の部分の両方を１工程で導入できる。レーザーは、スキーラの外側に取り付けられ、ロータブレード内のキャビティへ向かう凹部に穴をあける。

ロータブレードの別の有利な実施形態では、凹部は、ロータブレードの圧力側壁に沿ってまたは吸引側壁に沿って溝の形態で延在する。冷却流体が冷却チャネルから溝の長さに沿って拡散可能となりかつスキーラの均等な冷却を提供できるため、とりわけ均一な冷却が実現される。凹部が吸引側壁に沿って延在することは、圧力状況に関して特に有利となる。

この場合、有利には、凹部の１つの側壁が圧力側壁または吸引側壁の内面へと直線的に移行する。これはとりわけ簡単な成形鋳造を可能にする一方で、凹部またはスキーラにおける溝における冷却流体の冷却作用をさらに向上させる。

１つの有利な構造において、ロータブレードは、キャビティからスキーラの外面まで延びる複数の冷却チャネルを有しており、凹部は、複数の冷却チャネルの各々を、キャビティと連通する第１の部分と、外側空間と連通する第２の部分とに区分する。このとき複数の冷却チャネルは同一である。こうしたタイプの複数の冷却チャネルを提供することによって冷却効果がさらに向上される。

ガスタービンのためのロータは有利にはそうしたロータブレードを備える。

ガスタービンは有利にはそうしたロータを備える。

発電施設は有利にはそうしたガスタービンを備える。

本発明によって得られる利点は特に、冷却チャネルをスキーラの外側へと分割する半径方向凹部を先端部キャップに導入することによって、とりわけ良好な冷却効果と同時にスキーラの高い安定性を実現するという点にある。凹部は、ロータブレードの製造中の発生し得るケーシングの格差もかかわらず、冷却流体流出部を保証するよう役立つ。加えて、冷却流体はより少ない圧力損失しか受けない。半空間に開口する冷却チャネルが凹部に開口し、それによって外部の高温ガスからさらに良好に保護されるため、耐用期間がさらに増大する。

本発明の例示的な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

第１の実施形態におけるロータブレードの先端部の、半径方向から見た図を示す。 図１による、ロータブレードの先端部領域の線Ｉ−Ｉに沿った断面図である。 第２の実施形態におけるロータブレードの先端部領域の断面図である。 ガスタービンを通る部分的な長手方向断面図を占めす。

すべての図面において同じ部分には同じ参照符号が付与される。

図１は、半径方向外側から見たロータブレード１の図である。このロータブレードは、圧力側壁２と、吸引側壁４と、ロータブレード１の半径方向端部における先端部キャップ６と、を有する。先端部キャップ６の内面と圧力側壁２の内面と吸引側壁４の内面とが、ロータブレード１内にキャビティを形成する（ここでは図示せず）。冷却流体（一般的にはタービンの圧縮機から供給される空気）が、キャビティ内を循環して、対流によって圧力側壁２および吸引側壁４を内側から冷却する。

図１には特に、ロータブレード１の先端部領域が、ガスタービンのケーシングとの接触時にブレードの先端部領域が破損することを防止するスキーラ８を備えることが示される。スキーラ８は、同じ周辺高さにおいて圧力側壁２および吸引側壁４から半径方向に延在する。スキーラ８は、先端部キャップ６とともに半空間１０を形成する。

複数の冷却チャネル１２が、ロータブレード内部のキャビティからスキーラ８を通って、スキーラ８のうち外側空間１４に面する側まで延在する。これは図１には図示しないが、図２により明瞭に図示する。冷却流体は、これらチャネル１２を通って流れ、内部冷却によってスキーラ８を冷却する。続いて冷却流体は、冷却チャネル１２から外面における流出開口を通るように流れ、スキーラ８の外側周囲を流れることによってスキーラ８を冷却し、最終的にガスタービンの漏出流と混ざり合う。

吸引側壁４に平行な溝の様式で半径方向内側に延在する凹部１６が、先端部キャップ６に導入される。凹部１６は吸引側壁４に近接する冷却チャネル１２を分割する。これについて以下では図２を参照して説明する。

図２には、圧力側壁２および吸引側壁４を備えるロータブレード１の先端部領域の、線Ｉ−Ｉに沿った断面図を示す。図２から明らかなように、ロータブレード１内のキャビティ１８は、圧力側壁２の内面２０と吸引側壁４の内面２２と先端部キャップ６の内面２４とによって形成される。冷却チャネル１２は上述のようにキャビティ１８からスキーラ８の外側まで延在する。冷却チャネル１２は全体的に直線的でありかつレーザードリルによって導入される。冷却チャネル１２は、凹部１６によって、キャビティ１８から凹部１６における流出開口３２まで延在する第１の部分２８と、凹部１６からスキーラ８の外側における流出開口３４まで延在する第２の部分３０とに分割されている。

図１に示される冷却チャネル１２のすべてが同一であり、凹部１６に向けて開口される。この場合には、凹部１６は、ケーシングによって最も適切に製造される丸みのあるまたは湾曲した側壁を考慮して設計されている。

図３に示される第２の実施形態は、図２とは異なる部分に関してのみ説明すると、チップ除去形成法を用いて最も経済的に製造される矩形状の凹部１６を有する。どちらの形状も冷却流体の流れおよび冷却の有効性の観点から見ると適切である。図３の実施形態では、凹部１６の１つの側壁３６が吸引側壁４におけるスキーラ８の内側３８へと直線的に移行する。

最後に、図４にガスタービン１００の部分的な長手方向断面図を示す。タービンは、流動する流体（液体または気体）の内部エネルギー（エンタルピー）を回転エネルギーへ、最終的には機械的な駆動エネルギーへと変換するターボ機械である。

その内部ではガスタービン１００が、タービンロータとも称されるロータ１０３を有しており、ロータ１０３は、ロータ１０３が回転軸１０２（軸方向）の周りで回転可能なように取り付けられている。ロータ１０３に沿って、吸気ハウジング１０４、圧縮機１０５、複数の同軸状に配置されたバーナー１０７を備えるトロイダル燃焼チャンバ１１０（とりわけ環状燃焼チャンバ１０６）、タービン１０８、および排ガスハウジング１０９が連続的に配置される。

環状燃焼チャンバ１０６は環状高温ガスダクト１１１に連通している。そこでは例えば４つの直列接続されたタービン段１１２がタービン１０８を形成する。各タービン段１１２は２つのブレードリングから形成される。作動媒体１１３の流動方向から見ると、高温ガスダクト１１１内には、１列のステータブレード１１５に続いてロータブレード１から形成される列１２５が配置される。ブレード１２０、１３０は航空機翼形と同様のわずかに湾曲した形状を有する。

これに関して、ステータブレード１３０はステータ１４３に固定される一方で、列１２５のロータブレード１２０はタービンディスク１３３を用いてロータ１０３に係合されている。そのためロータブレード１はロータまたはスプール１０３の一部を構成する。発電機（図示せず）がロータ１０３に連結される。

ガスタービン１００の運転中に、圧縮機１０５は吸気ハウジング１０４を介して空気１３５を吸入して圧縮する。圧縮機１５０のタービン側の端部に提供された圧縮空気は、バーナー１０７へ供給され、そこで燃料と混合される。続いてこの混合物は燃焼チャンバ１１０で燃焼されて、作動媒体１１３が形成される。そこから作動媒体１１３は高温ガスダクト１１１に沿って流動して、ステータブレード１３０およびロータブレード１を通過する。

流体の流れが−できる限り乱流のない層流となるように−タービンブレード１，１３０の周りを流れると、流体の流れの内部エネルギーの一部がそこから抽出されて、タービン１０８のロータブレード１によって取り出される。続いてこれらロータブレード１はロータ１０３を回転させ、それによって初めて圧縮機１０５が駆動される。利用可能なパワーが発電機（図示せず）に提供される。

ガスタービン１００の運転中、高温の作動媒体１１３に曝される構成要素は熱応力を受ける。第１のタービン段１１２のステータブレード１３０およびロータブレード１は、作動媒体１１３の流れ方向から見て、環状燃焼チャンバ１０６のライニングである遮熱タイルとともに、最も大きな熱応力を受ける。高い負荷は非常に耐久性の高い材料を必要とする。そのためタービンブレード１，１３０はチタン合金、ニッケル超合金またはタングステン−モリブデン合金から形成される。これらブレードの温度に対する耐久性や孔食などのエロージョンに対する耐久性を高めるために、ブレードは、コロージョンに対するコーティング（ＭＣｒＡｌＸ；Ｍ＝Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，レアアース）および熱に対するコーティング（熱バリアコーティング、例えばＺｒＯ２，Ｙ２Ｏ４−ＺｒＯ２）を用いて保護される。熱保護のためのコーティングは熱バリアコーティングまたは略してＴＢＣと称される。高い耐熱性を有するブレードを提供するための他の手段は高機能な冷却チャネルシステムで構成される。この技術はステータブレードおよびロータブレード１，１３０のいずれにも使用される。

ステータブレード１３０の各々は、タービン１０８の内側ケーシング１３８に面するプラットフォームとも称されるステータブレードの翼根（ここでは図示せず）と、ステータブレードの翼根とは反対側に位置するステータブレード先端部とを有する。ステータブレード先端部は、ロータ１０３に面しており、かつステータ１４３のシーリングリング１４０に固定される。シーリングリング１４０の各々がロータ１０３のシャフトを包囲する。さらに各ロータブレード１はそのようなロータブレード翼根を有するが、ロータブレード先端部で終端している。この先端部は、図１から図３に図示される実施形態に基づいて構成される。

１ ロータブレード
２ 圧力側壁２
４ 吸引側壁
６ 先端部キャップ
８ スキーラ
１０ 半空間
１４ 外側空間
１６ 凹部
１８ キャビティ
２８ 第１の部分
３０ 第２の部分
３４ 流出開口
３６ 側面
１００ ガスタービン
１０３ ロータ
１０４ 吸気ハウジング
１０５ 圧縮機
１０６ 環状燃焼チャンバ
１０７ バーナー
１０８ タービン
１０９ 排ガスハウジング
１１０ トロイダル燃焼チャンバ
１１１ 高温ガスダクト
１１３ 作動媒体

Claims (10)

1. ガスタービン（１００）のためのロータブレード（１）であって、
   圧力側壁（２）および吸引側壁（４）と、先端部キャップ（６）と、前記圧力側壁（２）と前記吸引側壁（４）と前記先端部キャップ（６）との内面（２０，２２，２４）によって形成されるキャビティ（１８）と、前記圧力側壁および吸引側壁（２，４）から半径方向に延在するスキーラ（８）と、を備えており、
   前記先端部キャップ（６）の前記外側表面と前記スキーラ（８）とによって半空間（１０）が形成され、かつ、
   前記キャビティ（１８）から前記スキーラ（８）の前記外側へ向かって冷却チャネル（１２）が延びており、
   前記先端部キャップ（６）は、前記半空間（１０）から前記先端部キャップ（６）内に広がる凹部を有しており、前記凹部（１６）は、前記冷却チャネル（１２）を、前記キャビティ（１８）と連通する第１の部分（２８）と、前記外側空間（１４）と連通する第２の部分（３０）とに区分することを特徴とするロータブレード（１）。
2. 前記第１の部分（２８）は前記凹部（１６）において流出開口（３２）を有することを特徴とする請求項１に記載のロータブレード（１）。
3. 前記第２の部分（３０）は前記スキーラ（８）の前記外側に流出開口（３４）を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のロータブレード（１）。
4. 前記冷却チャネル（１２）は直線状であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のロータブレード（１）。
5. 前記凹部（１６）は、前記ロータブレード（１）の前記圧力側壁（２）に沿ってあるいは前記吸引側壁（４）に沿って溝の様式で延在していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のロータブレード（１）。
6. 前記凹部（１６）の１つの側面（３６）は、前記スキーラの前記内面（３８）に直線的に移行することを特徴とする請求項５に記載のロータブレード（１）。
7. 前記キャビティ（１８）から前記スキーラ（８）の前記外側へ延びる複数の冷却チャネル（１２）を有しており、
   前記凹部（１６）は、前記複数の冷却チャネル（１２）の各々を、前記キャビティ（１８）と連通する第１の部分（２８）と、前記外側空間（１４）と連通する第２の部分（３０）とに区分することを特徴とする請求項５または請求項６に記載のロータブレード（１）。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のロータブレード（１）を備えることを特徴とするガスタービン（１００）のためのロータ（１０３）。
9. 請求項８に記載のロータ（１０３）を有することを特徴とするガスタービン（１００）。
10. 請求項９に記載のガスタービン（１００）を有することを特徴とする発電施設。

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