JP2017008926A - ブレード - Google Patents

Abstract

【課題】従来のブレードよりも、ポンピング効果のためのエネルギ消費を減じるとともに、ブレードにおける温度差によって誘発される応力が減じられたブレードを提供する。【解決手段】ガスタービン用のブレード１は、根元部２と、プラットフォーム３と、翼４とを有する。ブレード１は、さらに、根元部２またはプラットフォーム３に配置された入口６と、出口７とを備える冷却通路５を有し、冷却通路５の出口７は、プラットフォーム３に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ブレードに関する。特に、本発明は、ガスタービンのブレードに関する。ブレードは、ガスタービンの下流部分に配置された長いブレードであり、例えば、ブレードは、ガスタービンの最終段のブレードである。

背景
ガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機と、燃料を圧縮空気とともに燃焼させ、高温ガスを発生する燃焼室と、高温ガスを膨張させるタービンとを有する。

タービンは、通常、２つ以上の段を有し、各段は、固定のベーンと、回転するブレードとを含む。燃焼室に近い方の上流段はより短いブレードを有するのに対し、ガスタービンから遠い方の下流のブレードは長いブレードを有する（これらのブレードは１ｍまたはそれ以上の長さであることがある）。

長いブレードは、ロータに接続された根元部と、高温ガス通路を画成するプラットフォームと、高温ガス通路を通過する高温ガスに曝される翼とを有する。

苛酷な作動条件に耐えるために、ブレードには冷却通路が設けられており、この冷却通路を冷却空気が通過させられる。

従来、冷却通路は、ブレードの根元部に入口を、先端部に出口を有する半径方向通路によって形成されている。

これらの従来のブレードは幾つかの欠点を有する。

実際には、ブレードの根元部に入口を、先端部に出口を備える冷却通路の半径方向構成は、冷却空気の圧縮を伴うポンピング効果を生じる（すなわち、冷却通路は、冷却空気用の遠心圧縮機を形成する）。このポンピング効果の結果、ガスタービン軸における有効な仕事を提供する代わりに、圧縮のためのエネルギ消費を生じる。例えば、ポンピング効果によって消費されるエネルギ量は、１ＭＷ以上となる可能性がある。

加えて、プラットフォームに近い方の翼部分が、先端部に近い方の翼部分よりも、より低温空気によって冷却されるので、ブレード（特に翼）における応力が発生する。

概要
発明の１つの態様は、従来のブレードよりも、ポンピング効果のためのエネルギ消費を減じるブレードを提供することである。

発明の別の態様は、従来のブレードよりも、ブレードにおける温度差によって誘発される応力が減じられたブレードを提供することである。

これらの態様およびその他の態様は、添付の請求項に記載のブレードを提供することによって達成される。

図面の簡単な説明
別の特徴および利点は、添付の図面における非制限的な例によって示された、ブレードの好適な、しかしながら非排他的な実施の形態の説明からさらに明らかになるであろう。

発明の１つの実施の形態におけるブレードの例を示している。 発明の１つの実施の形態におけるブレードの例を示している。 発明の１つの実施の形態におけるブレードの例を示している。 図１および図２の拡大された部分を示している。 図１および図２の拡大された部分を示している。 冷却フィンの様々な構成を示している。 冷却フィンの様々な構成を示している。 冷却フィンの様々な構成を示している。 冷却フィンの様々な構成を示している。 冷却フィンの様々な構成を示している。 冷却フィンの様々な構成を示している。 ブレードの様々な実施の形態を示している。 ブレードの様々な実施の形態を示している。 ブレードの様々な実施の形態を示している。

典型的な実施の形態の詳細な説明
図面を参照すると、これらの図面は、ガスタービン用のブレード１を示している。ブレード１は、根元部２と、プラットフォーム３と、翼４とを有する。ブレード１は、根元部またはプラットフォームに配置された入口６と、１つまたは複数の出口７とを備える冷却通路５を有する。

出口７は、有利にはプラットフォーム３に配置されている。

例えば、冷却通路５は、Ｕ字形であることができる。冷却通路は、入口６を形成するように開放した一方の端部と、プレート２５によって閉鎖された他方の端部とを有することができるが、出口７はプラットフォーム３に形成されている。もちろん、様々な実施の形態が可能であり、例えば、冷却通路は、入口６を形成するように開放した一方の端部のみを有することができる。

プラットフォーム３は、１つまたは複数の孔８を有する。これらの孔８は、冷却通路５の出口７に接続されており、プラットフォーム３の側部において開放している。

特に、翼４は、圧力側４ａと、吸込側４ｂとを規定しており、プラットフォーム３は、翼４によって規定された圧力側４ａに面したプラットフォーム圧力側３ａと、翼によって規定された吸込側４ｂに面した吸込側３ｂとを有する。孔８は、プラットフォーム圧力側３ａにおいて開放している。

出口７は、翼４の後縁１４よりも、前縁１３により近い。

プラットフォーム圧力側３ａと、プラットフォーム吸込側３ｂとは、シール用の座部１５を有する（シールは図示されていないが、通常、シールは、隣接するブレード１のプラットフォーム圧力側３ａとプラットフォーム吸込側３ｂとの座部１５に挿入された金属バーによって形成される）。

孔８は、翼４と座部１５との間のプラットフォーム３の領域１７（すなわちプラットフォーム圧力側３ａ）において開放している。

ブレード１は、好適には、さらに、冷却通路５と、翼４の先端部１９との間に１つまたは複数の第２の孔１８を有する。これらの第２の孔１８は、先端部１９を冷却するために使用される。

冷却を高めるために、冷却通路５は冷却フィン２０を有することができる。フィン２０は、冷却通路５に突出している。冷却フィンの様々な構成が可能であり、例えば、図６〜図１１は、冷却フィン２０の様々な可能な構成を示している。

冷却通路５の入口６は、冷却通路５を部分的に妨害する突出部２２を有することができる。突出部２２は、冷却通路５の入口６における冷却空気の再循環ゾーンの形成を防止または阻止し、これにより、圧力損失を低減する。

様々な実施の形態（図１２）において、ブレード１は、翼の長手方向長さに対して部分的に延びた冷却通路５を有することができる。図１２は、ブレード１の長手方向軸線Ｌを示しており、冷却通路５が長手方向軸Ｌの方向にブレード１の翼４を通って部分的にのみ延びていることを示している。

別の実施の形態（図１３）において、冷却通路５は、１つまたは複数の絞り部２３を有する。絞り部２３は、様々な量の冷却空気を翼４の様々な部分に通過させることができる。

好適には、冷却通路５は、入口６に接続された第１の経路５ａと、出口７に接続された第２の経路５ｂとを有する。第１および第２の経路５ａおよび５ｂは、第１および第２の経路５ａおよび５ｂの端部（すなわち先端部）において接続されている。絞り部２３は、第２の経路５ｂに形成されている。

さらに別の実施の形態（図１３および図１４）において、第１の経路５ａを第２の経路５ｂに接続する中間通路２４が設けられている。

ブレード１は、長いブレード、例えば、ガスタービンの下流の段のブレードである。ブレードの長手方向長さ（すなわち軸線Ｌに沿った長さ）は、例えば、少なくとも６０ｃｍ、好適には少なくとも７５ｃｍ、より好適には９０〜１２０ｃｍのサイズを有することができる。

ブレード１の作動は、説明および例示されたものから明らかであり、引き続き以下で説明される。

作動中、ブレード１は、高温ガスに曝されながら回転する。

（例えば圧縮機から吐き出された）冷却空気Ｆ１は、ブレードとロータＲとの間に供給され、冷却通路５に進入する（矢印Ｆ２）。冷却通路５に進入しながら、突出部２２は、圧力損失を減じるのを助ける。

これにより、冷却空気は、冷却通路５の第１の経路５ａを通過し、翼を冷却する（矢印Ｆ３）。一部の冷却空気（冷却空気のより少ない部分）は、第２の孔１８を通過し、先端部１９を冷却する。

これにより、冷却空気は、冷却通路５の第２の経路５ｂを通過し（矢印Ｆ４）、出口７に到達する。出口７から、冷却空気は冷却通路５の外へ排出される。

第１の経路５ａを通過しながら、冷却空気は、エネルギ消費とともに圧縮される（ポンピング効果）。これに対して、第２の経路５ｂを通過しながら、冷却空気は、エネルギ供給とともに膨張させられる。したがって、入口６が根元部２またはプラットフォーム３にあり、出口７がプラットフォーム３にあるので、冷却通路５を通る冷却空気の通過は実質的に中立的であり、すなわち、全体としてポンピング効果（すなわち冷却通路５を通過する冷却空気の圧縮）による実質的なエネルギ消費は生じない。なぜならば、入口６と出口７は、ロータＲに対して同じ半径方向位置もしくは近い半径方向位置にあり、実質的なポンピング効果が発生し得ないからである。

冷却通路５の出口７を通って孔８に進入した後、冷却空気は孔８を通過し、プラットフォーム３（特に翼４の圧力側４ａに面したプラットフォームの部分、矢印Ｆ５）を冷却する。次いで、冷却空気は孔８から排出される。冷却空気は、座部１５に収容されたシールと翼４との間に排出されるので、冷却空気は、隣接するブレードのプラットフォームの上方を移動し、隣接するブレード１の、翼の吸込側４ｂに面したプラットフォームの部分を冷却する（矢印Ｆ６）。

絞り部２３が設けられている場合、絞り部２３は、絞り部２３を通過する冷却空気の流量を決定することができる。図１３は、絞り部２３と、中間通路２４とが、同時に設けられている例を示している。この場合、冷却通路５の様々な部分を通過する冷却空気の流量は、冷却の必要性に従って最適化することができる。

当然、前記特徴は互いに独立して提供されてもよい。

１ ブレード
２ 根元部
３ プラットフォーム
３ａ プラットフォーム圧力側
３ｂ プラットフォーム吸込側
４ 翼
４ａ 圧力側
４ｂ 吸込側
５ 冷却通路
５ａ 第１の経路
５ｂ 第２の経路
６ 入口
７ 出口
８ 孔
１３ 前縁
１４ 後縁
１５ 座部
１７ 領域
１８ 第２の孔
１９ 先端部
２０ 冷却フィン
２２ 突出部
２３ 絞り部
２４ 中間通路
Ｌ 長手方向軸線
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６ 冷却空気

Claims (14)

1. ガスタービン用のブレード（１）であって、根元部（２）と、プラットフォーム（３）と、翼（４）とを備え、前記ブレード（１）は、前記根元部（２）または前記プラットフォーム（３）に配置された入口（６）と、少なくとも１つの出口（７）とを備える冷却通路（５）を有する、ガスタービン用のブレード（１）において、
   前記少なくとも１つの出口（７）は、前記プラットフォーム（３）に配置されていることを特徴とする、ガスタービン用のブレード（１）。
2. 前記プラットフォーム（３）は、前記冷却通路（５）の前記少なくとも１つの出口（７）に接続された少なくとも１つの孔（８）を有し、該少なくとも１つの孔（８）は、前記プラットフォーム（３）の一方の側において開放している、請求項１記載のブレード（１）。
3. 前記翼（４）は、圧力側（４ａ）と、吸込側（４ｂ）とを規定しており、前記プラットフォーム（３）は、前記翼（４）によって規定された前記圧力側（４ａ）に面したプラットフォーム圧力側（３ａ）と、前記翼（４）によって規定された前記吸込側（４ｂ）に面したプラットフォーム吸込側（３ｂ）とを有し、前記少なくとも１つの孔（８）は、前記プラットフォーム圧力側（３ａ）において開放している、請求項２記載のブレード（１）。
4. 前記少なくとも１つの出口（７）は、前記翼（４）の後縁（１４）よりも、前縁（１３）に近い、請求項１記載のブレード（１）。
5. 前記プラットフォーム圧力側（３ａ）は、シール用の座部（１５）を有し、前記少なくとも１つの孔（８）は、前記翼（４）と前記座部（１５）との間の前記プラットフォーム（３）の領域（１７）において開放している、請求項３記載のブレード（１）。
6. 前記翼（４）の前記冷却通路（５）と、前記先端部（１９）との間に少なくとも１つの第２の孔（１８）をさらに有する、請求項１記載のブレード（１）。
7. 前記冷却通路（５）は、冷却フィン（２０）を有する、請求項１記載のブレード（１）。
8. 前記冷却通路（５）の前記入口（６）は、前記冷却通路（５）を部分的に妨害する突出部（２２）を有する、請求項１記載のブレード（１）。
9. 前記冷却通路（５）は、翼長手方向長さに対して部分的に延びている、請求項１記載のブレード（１）。
10. 前記冷却通路（５）は、少なくとも１つの絞り部（２３）を有する、請求項１記載のブレード（１）。
11. 前記冷却通路（５）は、前記入口（６）に接続された第１の経路（５ａ）と、前記少なくとも１つの出口（７）に接続された第２の経路（５ｂ）とを有し、前記絞り部（２３）は、前記第２の経路（５ｂ）に形成されている、請求項１０記載のブレード。
12. 前記冷却通路（５）は、前記入口（６）に接続された第１の経路（５ａ）と、前記少なくとも１つの出口（７）に接続された第２の経路（５ｂ）とを有し、前記第１の経路と前記第２の経路（５ａ，５ｂ）は、前記第１の経路および前記第２の経路（５ａ，５ｂ）の端部において接続されており、前記第１の経路（５ａ）を前記第２の経路（５ｂ）に接続する中間通路（２４）が設けられている、請求項１記載のブレード（１）。
13. 前記ブレードの長手方向サイズは、少なくとも６０ｃｍである、請求項１記載のブレード（１）。
14. 前記ブレードの長手方向サイズは、少なくとも７５ｃｍ、好適には９０〜１２０ｃｍである、請求項１記載のブレード（１）。