JP2016539273A - タービンブレード - Google Patents

Abstract

本発明は、固定領域（１６０）と、固定領域に隣接し且つプラットフォーム（１６２）を備えるプラットフォーム領域（１５８）であって、外形断面並びに圧縮側壁部（１４８）及び吸引側壁部（１５０）を有するブレード翼が、プラットフォーム上に配置された、プラットフォーム領域（１５８）と、を備える、ガスタービン（１００）のためのタービンブレード（１２０，１３０）であって、圧縮側壁部（１４８）及び／又は吸引側壁部（１５０）の各外面が、外側が丸みを帯びたセクション（１６６）を介してプラットフォーム表面に移行している、タービンブレード（１２０，１３０）に関する。タービンブレードが、少なくとも１つのキャビティも備え、キャビティが、ブレード翼内に配置され、且つプラットフォーム領域（１５８）内に延在し、圧縮側壁部（１４８）を吸引側壁部（１５０）に接続する少なくとも１つのリブ（１５４）が、キャビティ内に設けられ、前記リブが、ブレード翼の長手方向に沿って延在してキャビティを分割している。タービンブレードが、技術的に簡素化された手段を使用して、より良好な寿命を有する。これは、少なくとも１つのスロット（１６８）が、プラットフォーム領域（１５８）においてリブ（１５４）内に導入され、リブ（１５４）を貫通し、且つ長手方向に配置されていることで達成される。

Description

本発明は、固定領域と、固定領域に隣接し且つプラットフォームを備えるプラットフォーム領域であって、外形断面並びに圧縮側壁部及び吸引側壁部を有するブレード翼が、プラットフォーム上に配置された、プラットフォーム領域と、を備える、ガスタービンのためのタービンブレードであって、圧縮側壁部及び／又は吸引側壁部の外側が、外側が丸みを帯びたセクションを介してプラットフォーム表面にそれぞれ結合し、少なくとも１つのキャビティを備え、キャビティが、ブレード翼内に配置され、且つプラットフォーム領域内に延在し、圧縮側壁部を吸引側壁部に接続する少なくとも１つのリブが、キャビティ内に設けられ、前記リブが、ブレード翼の長手方向に沿って延在し、キャビティをさらに分割している、タービンブレードに関する。

上述したタイプのタービンブレードは、高温のガス流のエネルギーを回転エネルギーに変換するために、ガスタービンで使用される。タービンブレードは、概して冷却空気をガイドするためのキャビティによって穿孔されたブレード翼を有しており、キャビティは、長手方向に沿って、すなわちプラットフォームからブレード先端までチャネルの方式で延在し、且つリブによって互いから分離されている。従って、リブは、圧縮側壁部から吸引側壁部まで延在している。

鋳造されたタービンブレードは、ブレード翼とプラットフォーム表面との間に移行領域を頻繁に有し、移行領域は、中空スロートのような丸みを帯びた部分により、この領域において圧縮側壁部及び吸引側壁部を厚くする。従って、移行領域では、材料が積み重ねられており、これは、ブレード翼の剛性における措置に付随しても起こる。従って、ブレード翼は、ブレード先端の方向における領域よりもプラットフォームの領域において剛性を有している。しかしながら、プラットフォームの領域において特にリブによって導入される温度勾配は、高い熱応力を引き起こし、このことは、タービンブレードの寿命を制限し、且つメンテナンスの出費を増大させる。

これに対する解決へのアプローチは、これまではプラットフォームの領域において断熱コーティングを強化することにあったが、これは、製造するための技術的出費及び従ってコストを増大させる。あるいは、例えば特許文献１で提案されたように、リブによるキャビティのさらなる分割がプラットフォーム領域まで延在しないように構成すること、又はこの領域においてリブに多くの開口部を提供することが提案された。しかしながら、これは、問題を他の領域にずらしたにすぎないか、又はブレード内での冷却空気のガイドをより乏しくさせる。

国際公開第２００９／１０６４６２号パンフレット

従って、本発明の目的は、技術的にシンプルな手段により長寿命を示す、冒頭で述べたタイプのタービンブレードを規定することである。

本発明によれば、この目的は、少なくとも１つのスロットが、プラットフォーム領域においてリブ内に導入され、前記リブを貫通し且つ長手方向に配置されていることで達成される。

本発明は、冷却空気の良好なガイドのためには、タービンブレードのプラットフォーム領域においてリブの多くの遮断又は短縮が提供されるべきではないという思想に基づいている。とはいうものの、この領域の剛性は減少させられるべきであり、且つここで生じる温度勾配は分離されるべきである。これは、リブに導入されるスロットであって、温度勾配に対して直角に、すなわち圧縮側壁部及び吸引側壁部に対して略平行に延在する、スロットによって可能である。スロットは、さまざまな熱膨張を許容し、且つさまざまな熱負荷を有する個々の領域を分離する。有利な改良では、リブを貫通し且つ長手方向に配置された複数の平行スロットが、プラットフォーム領域において前記リブ内に導入される。

このように、剛性はそれでもなおさらに減少させられ、熱的分離がさらに強化される。さらに、これは、スロット幾何学形状の、実際に生じる引張荷重への改善された適合を許容する。

ガスタービンの稼働中に生じる引張荷重へのさらなる適合は、有利には中心からスタートして圧縮側壁部と吸引側壁部との間で減少する、複数の平行スロットの長さからもたらされる。結果として、タービンブレードの中央で剛性がより強く減少させられる。

さらなる有利な改良又は代替的な有利な改良では、リブを貫通する横断スロットが、それぞれのスロットの長い側の端部に配置されている。このような横断スロットは、メインスロットとともに、Ｔの形状を形成し、同様に、熱的分離に関する特別なブレード幾何学形状に有利である。このような構成により、所定の周囲環境の下では、多数の平行スロットの導入を省略することも可能である。

有利な改良では、それぞれのスロットは、固定領域に面するリブの終端縁部を貫通し、すなわち、スロットは、終端縁部からスタートして導入されている。結果として、終端縁部の櫛のような遮断部が設けられ、これは、剛性の望ましい減少を作り出す。

ここで、終端縁部は、有利には、プラットフォーム領域と固定領域との間に配置されている。従って、プラットフォーム領域における個々の冷却空気チャネルのさらに比較的良好なさらなる分割が、可能となる。

有利には、タービンのためのステータ又はロータは、ガイドベーン又はロータブレードとして上記のタービンブレードを備えている。

有利には、タービンは、上記のステータ及び／又はロータを備えている。

有利には、タービンは、ガスタービンとして構成されている。厳密には、それは、熱的及び機械的負荷が特に高く、このため、説明されたタービンブレードの形態が冷却及び従って効率に関して特別な利点を提供するガスタービンである。

有利には、発電所は、上記のタービンを備えている。

本発明を使用することによって達成される利点は、特に、プラットフォーム領域におけるタービンブレードの冷却チャネルを区切るリブにスロットを導入する結果として、剛性の減少及び温度勾配の分離が達成されるという事実にある。従って、熱負荷は、タービンブレードの引張荷重が全体的により小さくなるように、減少させられる。これは、寿命を増大させ、より小さな摩耗と、メンテナンスに関する出費の減少と、を導く。同時に、この手段は、比較的少ない技術的出費を必要とし、上述した利点の経済的な実現を可能にする。

本発明の例示的な実施形態が、図面を使用することによってより詳細に説明されるであろう。

ガスタービンを通る部分的な長手方向断面図を示す。 ロータブレードの外形を示す。 ロータブレードを通る長手方向断面図を示す。 横断スロットとともにスロットを有するリブを示す。 多数の平行スロットを有するリブを示す。

同じパーツには、全ての図において同じ参照符号が付されている。

図１は、タービン１００、本実施形態ではガスタービンを部分的な長手方向断面図で示している。タービン１００は、流れる流体（液体又はガス）の内部エネルギー（エンタルピー）を回転エネルギー及び最終的には機械的駆動エネルギーに変換する流体機械である。

ガスタービン１００は、内部において、回転軸１０２（軸方向）周りに回転することができるように取り付けられたロータ１０３を有しており、ロータ１０３は、タービンロータとも称される。ロータ１０３に沿って、インテークハウジング１０４と、コンプレッサ１０５と、多数の同軸的に配置されたバーナー１０７を有するトーラス状の燃焼チャンバ１１０、特に環状の燃焼チャンバ１０６と、タービン１０８と、排ガスハウジング１０９と、が、互いに続いている。

環状の燃焼チャンバ１０６は、リング状の高温ガスチャネル１１１と連通している。高温ガスチャネル１１１では、互いに接続された、例えば４つのタービン段１１２が、タービン１０８を形成している。各タービン段１１２は、２つのブレードのリングから形成されている。作動媒体１１３の流れの方向で見ると、一列のガイドベーン１１５が、ロータブレード１２０から形成された列１２５によって高温ガスチャネル１１１内で続いている。ブレード１２０，１３０は、航空機の翼と同様に若干湾曲するような外形とされている。

本実施形態では、ガイドベーン１３０は、ステータ１４３に固定されている一方で、列１２５のロータブレード１２０は、タービンディスク１３３によりロータ１０３に嵌合されている。従って、ロータブレード１２０は、ロータ１０３の構成要素を形成する。発電機又は作動機械（図示せず）が、ロータ１０３に連結されている。

ガスタービン１００の稼働中に、空気１３５は、コンプレッサ１０５によってコンプレッサ１０５内にインテークハウジング１０４を通って吸引されて圧縮される。コンプレッサ１０５のタービン側端部で提供された圧縮空気は、バーナー１０７に導かれてそこで燃焼作用物質と混合される。そして、混合物は、燃焼チャンバ１１０内で燃やされ、作動媒体１１３を形成する。前記燃焼チャンバから、作動媒体１１３は、高温ガスチャネル１１１に沿ってガイドベーン１３０及びロータブレード１２０を通り過ぎるように流れる。

内部エネルギーの一部は、タービンブレード１２０，１３０の周りで起こり得るほとんど渦のない層流によって流体流れから抽出され、且つタービン１０８のロータブレード１２０に運ばれる。ロータブレード１２０を介して、その後、ロータ１０３は回転し、この結果として、まずコンプレッサ１０５が駆動される。使用可能な動力は、図示しない作動機械への出力である。

ガスタービン１００の稼働中に、高温の作動媒体１１３にさらされる構成要素は、熱負荷を受ける。第１タービン段１１２におけるガイドベーン１３０及びロータブレード１２０は、作動媒体１１３の流れの方向で分かるように、環状の燃焼チャンバ１０６を被覆する熱遮蔽ブロックに加えて、最も熱負荷のかかる部分である。高い負荷は、非常に耐久性のある材料を必要とさせる。従って、タービンブレード１２０，１３０は、チタン合金、ニッケル超合金又はタングステン−モリブデン合金から補強されている。温度と、例えば“孔食”のような浸食と、へのより高い耐性のために、ブレードは、腐食に対抗するコーティング（ＭＣｒＡｌＸ；Ｍ＝Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，レアアース）及び熱に対抗するコーティング（熱絶縁層、例えばＺｒＯ２，Ｙ２Ｏ４−ＺｒＯ２）によって保護されている。熱遮蔽のためのコーティングは、遮熱コーティング又は略してＴＢＣと呼ばれる。ブレードをより耐熱にさせるためのさらなる手段は、高機能の冷却チャネルシステムにある。この技術は、ガイドベーン及びロータブレード１２０，１３０の双方に適用される。

各ガイドベーン１３０は、タービン１０８の内側ハウジングに面し且つプラットフォームとも称されるガイドベーン基部（本実施形態では図示せず）と、ガイドベーン基部の反対側に配置されたガイドベーンヘッドと、を有している。ガイドベーンヘッドは、ロータ１０３に面しており、且つステータ１４３のシールリング１４０に固定されている。各シールリング１４０は、ロータ１０３のシャフトを包囲している。同様に、各ロータブレードは、以下の図３でさらに説明するようにこのようなロータブレード基部を有するが、ロータブレード先端で終端している。

ロータブレード１２０の外形は、図２に例として示してある。外形は、航空機の翼の外形と類似している。ロータブレード１２０は、丸みを帯びた外形ノーズ１４４と、外形後方縁部１４６と、を有している。ロータブレード１２０における凹形の圧縮側壁部１４８及び凸形の吸引側壁部１５０が、外形ノーズ１４４と外形後方縁部１４６との間で延在している。冷却空気チャネル１５２が、圧縮側壁部１４８と吸引側壁部１５０との間に導入されており、図２につながる、ロータブレード１２０の長手方向に沿って延在し、且つリブ１５４によって互いから画成されている。言い換えると、リブ１５４は、圧縮側壁部１４８と吸引側壁部１５０との間のキャビティを冷却空気チャネル１５２にさらに分割している。

図３は、ロータブレード１２０を外形ノーズ１４４の視点からの長手方向断面図で示している。圧縮側壁部１４８及び吸引側壁部１５０は、ブレード翼領域１５６で示してある。ブレード領域１５６は、プラットフォーム領域１５８及び固定領域１６０によって続けられている。プラットフォーム領域には、すでに言及した、横断方向に向けられたプラットフォーム１６２が配置されており、プラットフォーム１６２は、高温のガスに対してロータ１０３を密封するために使用される。外形セクションが、固定領域においてプラットフォーム１６２の下方で嵌合されており、これにより、ロータブレード１２０は、さねはぎ継ぎ接続の方式でロータ１０３に固定されている。

リブ１５４が、圧縮側壁部１４８と吸引側壁部１５０との間で見ることができる。前記リブは、ブレード翼領域１５６にわたって延在しており、且つプラットフォーム１６２の下面と略同一平面で終端している。従って、リブの終端縁部１６４は、プラットフォーム領域１５８と固定領域１６０との間に配置されている。冷却空気は、図３の下端部で入り、従ってリブ１５４によって境界を定められた冷却空気チャネル１５２内にガイドされる。

圧縮側壁部１４８及び吸引側壁部１５０の外側は、丸みを帯びたセクション１６６を介してプラットフォーム１６２の表面に結合する。この領域での、結果として得られる高い剛性及び温度勾配の結果として、特に材料の高い負荷が生じる。この問題は、図４及び図５によるリブ１５４の形態によって、具体的にリブ１５４内に導入されるスロット１６８によって解決される。

図４は、スロット１６８を有するリブ１５４の第１実施形態を示しており、スロット１６８は、圧縮側壁部１４８と吸引側壁部１５０との間の中央で創出され、終端縁部１６４からリブ１５４内に延在している。スロットの長さにおいて、前記スロットは、およそプラットフォーム領域１５８にわたって延在している。スロットは、外形ノーズ１４４から外形後方縁部１４６に向かう方向においてリブ１５４を完全に穿孔している。リブ１５４の内側リブ端部では、スロット１６８が、短い横断スロット１７０内に結合し、横断スロット１７０は、終端縁部１６４と平行に延在している。

図５は、５つのスロット１６８を有する代替的な一実施形態を示しており、５つのスロット１６８は、終端縁部１６４上で不均一に分配され、終端縁部１６４からスタートしてリブ１５４内に互いに平行に延在している。同様に、スロット１６８は、外形ノーズ１４４から外形後方縁部１４６への方向においてリブ１５４を完全に穿孔している。中央のスロット１６８は、リブ１５４内に最も遠く延在する一方で、圧縮側壁部１４８及び吸引側壁部１５０に向かって残りのスロット１６８の延在深さは、およそ線形に減少している。

原理的には、スロット１６８のさらなる配置が可能であり、且つブレード１２０，１３０の実際の引張荷重に基づいて選択されるべきである。特にプラットフォーム領域１５８におけるリブ１５４の説明した構造は、ロータブレード１２０の例を使用することによって明らかにされた。スロット１６８を有するまさにこのような構造は、ガイドベーン１３０において対応する方法で提供することができる。

１００ ガスタービン、１０３ ロータ、１２０，１３０ タービンブレード、１４３ ステータ、１４８ 圧縮側壁部、１５０ 吸引側壁部、１５４ リブ、１５８ プラットフォーム領域、１６０ 固定領域、１６２ プラットフォーム、１６４ 終端縁部、１６６ セクション、１６８ スロット、１７０ 横断スロット

Claims (10)

1. 固定領域（１６０）と、前記固定領域に隣接し且つプラットフォーム（１６２）を備えるプラットフォーム領域（１５８）であって、外形断面並びに圧縮側壁部（１４８）及び吸引側壁部（１５０）を有するブレード翼が、前記プラットフォーム上に配置された、プラットフォーム領域（１５８）と、を備える、ガスタービン（１００）のためのタービンブレード（１２０，１３０）であって、
   前記圧縮側壁部（１４８）及び／又は前記吸引側壁部（１５０）の外側が、外側が丸みを帯びたセクション（１６６）を介して前記プラットフォーム表面にそれぞれ結合し、
   少なくとも１つのキャビティを備え、前記キャビティが、前記ブレード翼内に配置され、且つ前記プラットフォーム領域（１５８）内に延在し、前記圧縮側壁部（１４８）を前記吸引側壁部（１５０）に接続する少なくとも１つのリブ（１５４）が、前記キャビティ内に設けられ、前記リブが、前記ブレード翼の長手方向に沿って延在し、前記キャビティをさらに分割しており、
   少なくとも１つのスロット（１６８）が、前記プラットフォーム領域（１５８）において前記リブ（１５４）内に導入され、前記リブ（１５４）を貫通し、且つ前記長手方向に配置されていることを特徴とするタービンブレード（１２０，１３０）。
2. 前記リブ（１５４）を貫通し且つ前記長手方向に配置された複数の平行スロット（１６８）が、前記プラットフォーム領域（１５８）において前記リブ（１５４）内に導入されていることを特徴とする請求項１に記載のタービンブレード（１２０，１３０）。
3. 前記複数の平行スロット（１６８）の長さが、中心からスタートして圧縮側壁部（１４８）と吸引側壁部（１５０）との間で減少していることを特徴とする請求項２に記載のタービンブレード（１２０，１３０）。
4. 前記リブ（１５４）を貫通する横断スロット（１７０）が、それぞれの前記スロット（１６８）の長い側の端部に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のタービンブレード（１２０，１３０）。
5. 前記リブ（１５４）が、前記固定領域（１６０）に面する終端縁部（１６４）を有し、
   それぞれの前記スロット（１６８）が、前記終端縁部（１６４）を貫通していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のタービンブレード（１２０，１３０）。
6. 前記終端縁部（１６４）が、前記プラットフォーム領域（１５８）と前記固定領域（１６０）との間に配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のタービンブレード（１２０，１３０）。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載のタービンブレード（１２０，１３０）を備える、タービン（１００）のためのステータ（１４３）又はロータ（１０３）。
8. 請求項７に記載のステータ（１４３）及び／又はロータ（１０３）を備えるタービン（１００）。
9. ガスタービンとして構成されたことを特徴とする請求項８に記載のタービン（１００）。
10. 請求項８又は９に記載のタービン（１００）を備える発電所。

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