JP2017015091A - ガスタービンブレード - Google Patents
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Abstract
【課題】ガスタービンブレードを提供する。【解決手段】ガスタービンブレード10は、ブレード根元部12およびブレード翼14を有し、ブレード根元部は、ブレード翼の第1の端部に取り付けられ、ブレード翼の第2の端部に取り付けられたブレード先端部16を有し、ブレード根元部、ブレード翼およびブレード先端部を貫いてガスタービンブレード内に延びる冷却流体プレナム20を有し、ブレード根元部内の冷却流体プレナムにおけるブレード根元部インピンジメントプレート22と、ブレード先端部内の冷却流体プレナムブレード先端部インピンジメントプレート24とを有し、ブレード先端部インピンジメントプレートは、冷却流体がブレード先端部からブレード翼内へ1つまたは複数の冷却流体孔28を通って流れる構成および配置され、冷却流体プレナムにおいてインピンジメントプレートからブレード先端部インピンジメントプレート24まで延びる管30を有する。【選択図】図1
Description
本開示は、ガスタービンブレード、特に、ガスタービンブレード内に延びる冷却流体プレナムを有するガスタービンブレードに関する。
発明の背景
ガスタービンの様々な場所において、数百度の温度に曝され、材料に激しいひずみを生じさせる。このようなひずみに耐えるために、ガスタービン製造者によって様々な解決策が実施されてきた。これらの解決策は、高温で機能することができる材料の使用、およびガスタービンの最高温度領域における広範囲の冷却システムの使用を含む。
ガスタービンの様々な場所において、数百度の温度に曝され、材料に激しいひずみを生じさせる。このようなひずみに耐えるために、ガスタービン製造者によって様々な解決策が実施されてきた。これらの解決策は、高温で機能することができる材料の使用、およびガスタービンの最高温度領域における広範囲の冷却システムの使用を含む。
ガスタービンにおける最も高温で、かつ最も苛酷な環境のうちの幾つかが、圧縮機およびタービンにおける高温ガス流に隣接するところで見られる。その結果、これらの領域において使用されるブレードおよびベーンは、ブレード/ベーン(回転するブレード/固定のブレード)の温度を低下させるために冷却システムを有する。
ベーン冷却システムの一例は、Alstom Technology Ltd.の欧州特許第2256297号明細書に見ることができる。これは、ベーンに有効な冷却を提供するが、さらなる改良を成すことができると認識されている。
発明の概要
本発明は、ここで参照すべき添付の独立請求項に規定されている。発明の有利な特徴は従属請求項に示されている。
本発明は、ここで参照すべき添付の独立請求項に規定されている。発明の有利な特徴は従属請求項に示されている。
第1の態様によれば、ガスタービンブレードであって、ブレード根元部およびブレード翼を有し、ブレード根元部は、ブレード翼の第1の端部に取り付けられており、ブレード翼の第2の端部に取り付けられたブレード先端部を有し、ブレード根元部、ブレード翼およびブレード先端部を貫いてガスタービンブレード内に延びる冷却流体プレナムを有し、ブレード根元部内の冷却流体プレナムにおけるブレード根元部インピンジメントプレートと、ブレード先端部内の冷却流体プレナムにおけるブレード先端部インピンジメントプレートとを有し、ブレード先端部インピンジメントプレートは、冷却流体がブレード先端部からブレード翼内へ1つまたは複数の冷却流体孔を通って流れることを可能にするように構成および配置されており、冷却流体プレナムにおいてブレード根元部インピンジメントプレートからブレード先端部インピンジメントプレートまで延びている管を有し、管は、冷却流体をブレード根元部からブレード先端部まで搬送するように構成および配置されており、ブレード根元部インピンジメントプレートは、冷却流体をブレード根元部から管へ方向付けるように構成および配置されている、ガスタービンブレードが提供される。これは、冷却流体の流れの需要を減じることによって、冷却方式の効率を改良することができる。これは、ブレード先端部における冷却流体孔の数および/またはサイズを減じることができる。これは、ブレード先端部における逆流マージンを増大させることもでき、これは、よりフレキシブルなガスタービン運転を許容することができる。これは、部分負荷柔軟性を高めることもできる。
1つの実施の形態では、管は、ブレード先端部インピンジメントプレートに取り付けられており、ブレード根元部インピンジメントプレートに摺動可能に取り付けられている。別の実施の形態では、管は、ブレード先端部インピンジメントプレートに摺動可能に取り付けられており、ブレード根元部インピンジメントプレートに取り付けられている。摺動可能な取付けを提供することは、異なる熱膨張による部材間の相対移動を許容することができる。別の実施の形態では、管は、中央キャビティシールによって摺動可能に取り付けられている。これは、接合部を通る漏れを減じるのを助けるために、摺動可能な接合部にシールを提供することができる。
1つの実施の形態では、少なくとも1つの冷却流体孔が、ブレード根元部インピンジメントプレートに設けられている。これは、例えばインピンジメント冷却によってブレード根元部を冷却することを助けることができる。
1つの実施の形態では、ブレード先端部に後縁冷却流体孔が設けられており、後縁冷却流体孔は、高温ガス流れ方向でガスタービンブレードの下流の別のガスタービンブレードを冷却するように冷却流体の一部を方向付けるように構成および配置されている。これは、冷却方式の効率を高めることを助けることができる。
1つの実施の形態では、翼インピンジメントシートが冷却流体プレナムに配置されており、かつガスタービンブレードの壁部に取り付けられており、翼インピンジメントシートは、インピンジメント冷却流体孔を有し、インピンジメント冷却流体孔は、ブレード翼に衝突するように冷却流体を方向付けるように構成および配置されている。これは、ブレード翼を冷却することを助けることができる。
1つの実施の形態では、中央キャビティシールは、翼インピンジメントシートに摺動可能に取り付けられており、かつガスタービンブレードの壁部に取り付けられている。これは、異なる熱膨張による部材間の相対移動を許容することができ、接合部を通る漏れを減じることを助けることができる。1つの実施の形態では、ガスタービンブレードは、ガスタービンベーンである。
第2の態様は、上述のガスタービンブレードを含むガスタービンを提供する。
第3の態様は、上述のガスタービンブレードを冷却する方法を提供し、この方法は、冷却流体をブレード根元部からブレード先端部へ管を通って方向付けるステップと、冷却流体をブレード先端部からブレード翼へブレード先端部インピンジメントプレートを通って方向付けるステップとを含む。1つの実施の形態では、この方法は、冷却流体の一部を、ブレード根元部に衝突するようにブレード根元部インピンジメントプレートを通って方向付けることを含む。
図面の簡単な説明
ここで発明の1つの実施の形態を、添付の図面に関して例としてのみ説明する。
ここで発明の1つの実施の形態を、添付の図面に関して例としてのみ説明する。
好適な実施の形態の詳細な説明
ベーンにおける発明の例をここで説明する。本発明は、一般的にブレードにも適用することができる。ベーンは、ブレードの一形式であり、ブレードとは一般的に、ロータにおける回転するブレードと、ステータにおける固定のブレード(ベーン)とを含む。
ベーンにおける発明の例をここで説明する。本発明は、一般的にブレードにも適用することができる。ベーンは、ブレードの一形式であり、ブレードとは一般的に、ロータにおける回転するブレードと、ステータにおける固定のブレード(ベーン)とを含む。
図1および図2に示したように、ガスタービンベーン10は、ベーン根元部12(外径プラットフォーム)と、ベーン翼14と、ベーン先端部16(内径プラットフォーム)とを有する。ベーン根元部12は、ベーン翼14の第1の端部に取り付けられており、ベーン先端部16は、第1の端部から遠い方のベーン14の第2の端部に取り付けられている。図1は、吸込側100から圧力側102までの断面を示しており、図2は、後縁104から前縁106までの断面を示している。使用時には、高温ガスは前縁106から後縁104へ向かう方向に流れる。
冷却流体プレナム20は、ベーン10内に、ベーン根元部12と、ベーン翼14と、ベーン先端部16とを貫いて延びている。ベーン根元部インピンジメントプレート22が、ベーン根元部12内の冷却流体プレナム20に設けられており、ベーン先端部インピンジメントプレート24が、ベーン先端部16内の冷却流体プレナム20に設けられている。ベーン先端部インピンジメントプレート24は、1つまたは複数の冷却流体孔28を有する。冷却流体孔28は、冷却流体が(冷却流体プレナム20において)ベーン先端部16からベーン翼14内へ1つまたは複数の冷却流体孔28を通って流れることを可能にするように構成および配置されている。
管30も設けられており、管30は、冷却流体プレナム20においてベーン根元部インピンジメントプレート22からベーン先端部インピンジメントプレート24まで延びており、管30は、冷却流体をベーン根元部12からベーン先端部16へ搬送するように構成および配置されている。ベーン根元部インピンジメントプレート22は、冷却流体をベーン根元部12から管30へ方向付けるように構成および配置されている。
図3は、図1における点線で示されたIII−IIIから見た図を示しており、ベーン先端部インピンジメントプレートにおける冷却流体孔28の1つの可能な構成を示している。ベーン翼の形状は、参照のために点線で示されている。
図4は、ベーン根元部12の拡大図を示しており、図5は、後縁冷却流体孔40およびピン42を含むベーン先端部14の拡大図を示している。翼インピンジメントシート44も示されている。
管30は、好適には、ベーン根元部インピンジメントプレートおよびベーン先端部インピンジメントプレートのうちの一方に固定して取り付けられており、他方に摺動可能に取り付けられている。図5には、管がベーン先端部インピンジメントプレート24に摺動可能に取り付けられて示されている。管とベーン先端部インピンジメントプレート24との間の摺動可能な接続部においてシールを維持するために、中央キャビティシール46などのシール(中央を貫く孔を備える円筒状のシール)を設けることができる。
上述のベーンを使用する方法において、冷却流体は、管30を通じてベーン根元部12からベーン先端部16へ、次いで、ベーン先端部16から、ベーン先端部インピンジメントプレート24に設けられた冷却流体孔28を通ってベーン翼へ方向付けられる。
ベーン根元部12に入る冷却流体の一部は、ベーン根元部12の冷却を助けるためにベーン根元部インピンジメントプレート22を通過することができ、ベーン根元部12に入る冷却流体の一部は、ベーン根元部12の冷却を助けるためにベーン根元部12に設けられた冷却流体孔を通過することができる(これらのベーン根元部冷却流体孔は、後でさらに詳しく説明する)。
ベーン先端部16に入る冷却流体の一部は、ベーン先端部16の冷却を助けるためにベーン先端部16に設けられた冷却流体孔を通過することができる(これらのベーン先端部冷却流体孔は、後でさらに詳しく説明する)。これらの冷却流体の一部は、後縁冷却流体孔40(後で詳しく説明する)を通過することができる。
冷却流体がベーン翼14に入ると、冷却流体の一部または全部は、翼インピンジメントシート44を通じた噴射によってベーン翼14を冷却するために使用される。これに加えてまたは代えて、冷却流体は、ベーン翼14における冷却流体孔を通過し、これにより、冷却流体プレナム20から出てもよい。
本発明によるガスタービンブレードは、通常、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを有するガスタービンのタービンにおいて使用されるが、圧縮機において使用することもできる。例えば、本発明によるガスタービンベーンは、タービンにおけるベーン2のために使用することができ、このベーン2は、圧縮機端部から見てタービンの第2のベーンである。本発明は、ベーン1またはベーン3などのその他のタービンベーン、およびブレード2などの回転するブレードにおいて使用することもでき、ブレード2は、圧縮機端部から見てタービンにおける第2の回転するブレードである。
曖昧さを回避するために、ベーン根元部12、ベーン翼14およびベーン先端部16の範囲を示すために図1に点線が示されている。
ベーン根元部12は、2つの側部114と共に後縁110および前縁112を有する(図1および図2参照)。同様に、ベーン先端部16は、2つの側部124と共に後縁120および前縁122を有する。
1つまたは複数の冷却流体孔を、ベーン根元部およびベーン先端部のうちの少なくとも一方に設けることができる。これらの冷却流体孔は、ベーン根元部/先端部の冷却を助けることができる。ベーン根元部12は、前縁112を貫く冷却流体孔を有してもよい。ベーン根元部12は、後縁110および側部114のうちの1つまたは複数を貫く冷却流体孔を有してもよい。ベーン根元部冷却流体孔50の位置の一例が、図4に示されている。同様に、ベーン先端部16は、後縁120を貫く冷却流体孔(後でさらに詳しく説明される孔40など)を有してもよい。ベーン先端部16は、前縁122および側部124のうちの1つまたは複数を貫く冷却流体孔を有してもよい。
さらに、上述のピン42および翼インピンジメントシート44などの別の冷却部分を、冷却流体プレナムのベーン翼セクションに配置することができる。インピンジメントシート44は、インピンジメント冷却流体孔(図示せず)を有する。翼インピンジメントシート44は、ベーン翼の一方の端部に中央キャビティシール48などのシールを有してもよい。これにより、翼インピンジメントシート44は、ベーン翼の一方の端部に摺動可能に取り付けられている(例えば図5参照)。翼インピンジメントシート44は、ベーン翼の他方の端部に取り付けられてもよい(例えば図4参照)。翼インピンジメントシートは、一方の端部においてはベーン根元部またはベーン根元部の近くのベーン翼に、他方の端部においてはベーン先端部またはベーン先端部の近くのベーン翼に取り付けることができる。概して、翼インピンジメントシート44はガスタービンベーンの壁部に取り付けられている。ベーン翼における冷却流体は通常、ベーン翼における冷却流体孔を通ってベーン翼から出ていく。ベーン翼冷却流体孔52の位置の一例が、図5に示されている。
冷却流体プレナム20は、実際上、ベーンを貫通して延びるキャビティである。したがって、ベーン根元部と、ベーン翼と、ベーン先端部とは、実際上、冷却流体プレナムを包囲する壁部を有し、この壁部は、冷却流体プレナムに隣接した内面と、タービンにおける高温ガス流に隣接した外面とを有する。
ベーン根元部インピンジメントプレート22は、通常、冷却流体プレナム20を完全に二分し、冷却流体が管に入り込むための間隙のみを残す。冷却流体孔26がベーン根元部インピンジメントプレートに設けられてもよい(図1参照)。次いで、冷却流体は、ベーン根元部から直接にベーン翼へ流入することができる。冷却流体孔26を通過する冷却流体は、インピンジメント冷却によってベーン根元部の一部を冷却することができる。
同様に、ベーン先端部インピンジメントプレート24は、通常、冷却流体プレナム20を完全に二分し、冷却流体が管30からベーン先端部16まで冷却流体プレナム20を通って流れるための間隙のみを残す。ベーン先端部インピンジメントプレート24もまた、冷却流体孔28を有し、この冷却流体孔28を通って冷却流体が流れる。冷却流体孔28を通過する冷却流体は、インピンジメント冷却によってベーン先端部16の一部を冷却することができる。
ベーン根元部インピンジメントプレート22またはベーン先端部インピンジメントプレート24における冷却流体孔26,28の量および配置は、様々な実施の形態において変化してもよい。
管30は、例えばベーン根元部インピンジメントプレート22および/またはベーン先端部インピンジメントプレート24にろう付けまたは溶接されてもよい。同様に、中央キャビティシール46は、例えば、ベーン先端部インピンジメントプレート24にろう付けまたは溶接されてもよい。
冷却流体の一部は、後縁冷却流体孔40を通ってベーン先端部から出てもよい。次いで、後縁冷却流体孔を通ってベーンから出た冷却流体は、本明細書において説明されたベーンの(高温ガス流れ方向で)すぐ下流のブレードなどの、ガスタービンの他の部分を冷却するために使用することができる。ブレード内への冷却流体移行を助けるために、ブレードにスクープを設けることができ、これにより、次いで、ベーンから冷却流体の一部は、ブレードにおける冷却のために使用することができる。ベーン先端部および対応するブレードの形状は、冷却流体移行を最適化するように調節することもできる。後縁冷却流体孔の提供は選択的であり、1つまたは複数の後縁冷却流体孔を提供することができる。
上述の例における様々な構成部材の形状は単に典型的なものであり、発明の特定の実施の形態において変化してもよい。例えば、管は、円形の横断面を有する円筒状として示されているが、矩形の横断面を有することができ、管は直線的である必要はない。冷却流体孔は円形として示されているが、正方形、矩形、または別の規則的または不規則な形状であることができる。
冷却流体は、空気またはあらゆるその他の適切な気体または液体であってよい。例えば、冷却流体は、圧縮機から抽出されてベーン根元部へ供給される圧縮空気であってもよい。
以下の請求項によって規定される発明から逸脱することなく前記実施の形態に対する様々な変更が可能であり、当業者に想起されるであろう。
10 ガスタービンベーン
12 ベーン根元部
14 ベーン翼
16 ベーン先端部
20 冷却流体プレナム
22 ベーン根元部インピンジメントプレート
24 ベーン先端部インピンジメントプレート
26 ベーン根元部インピンジメントプレート冷却流体孔
28 ベーン先端部インピンジメントプレート冷却流体孔
30 管
40 ベーン先端部後縁冷却流体孔
42 ピン
44 翼インピンジメントシート
46 中央キャビティシール
48 インピンジメントシート中央キャビティシール
50 ベーン根元部冷却流体孔
52 ベーン翼冷却流体孔
100 吸込側
102 圧力側
104 後縁
106 前縁
110 ベーン根元部後縁
112 ベーン根元部前縁
114 ベーン根元部側
120 ベーン先端部後縁
122 ベーン先端部前縁
124 ベーン先端部側
12 ベーン根元部
14 ベーン翼
16 ベーン先端部
20 冷却流体プレナム
22 ベーン根元部インピンジメントプレート
24 ベーン先端部インピンジメントプレート
26 ベーン根元部インピンジメントプレート冷却流体孔
28 ベーン先端部インピンジメントプレート冷却流体孔
30 管
40 ベーン先端部後縁冷却流体孔
42 ピン
44 翼インピンジメントシート
46 中央キャビティシール
48 インピンジメントシート中央キャビティシール
50 ベーン根元部冷却流体孔
52 ベーン翼冷却流体孔
100 吸込側
102 圧力側
104 後縁
106 前縁
110 ベーン根元部後縁
112 ベーン根元部前縁
114 ベーン根元部側
120 ベーン先端部後縁
122 ベーン先端部前縁
124 ベーン先端部側
Claims (11)
- ガスタービンブレード(10)において、
ブレード根元部(12)およびブレード翼(14)を有し、前記ブレード根元部(12)は、前記ブレード翼(14)の第1の端部に取り付けられており、
前記ブレード翼(14)の第2の端部に取り付けられたブレード先端部(16)を有し、
前記ブレード根元部(12)、前記ブレード翼(14)および前記ブレード先端部(16)を貫いて前記ガスタービンブレード(10)内に延びる冷却流体プレナム(20)を有し、
前記ブレード根元部(12)内の前記冷却流体プレナム(20)におけるブレード根元部インピンジメントプレート(22)と、前記ブレード先端部(16)内の前記冷却流体プレナム(20)におけるブレード先端部インピンジメントプレート(24)とを有し、該ブレード先端部インピンジメントプレート(24)は、冷却流体が前記ブレード先端部(16)から前記ブレード翼(14)内へ1つまたは複数の前記冷却流体孔(28)を通って流れることを可能にするように構成および配置されており、
前記冷却流体プレナム(20)において前記ブレード根元部インピンジメントプレートから前記ブレード先端部インピンジメントプレート(24)まで延びている管(30)を有し、該管(30)は、前記冷却流体を前記ブレード根元部(12)から前記ブレード先端部(16)まで搬送するように構成および配置されており、
前記ブレード根元部インピンジメントプレート(22)は、前記冷却流体を前記ブレード根元部(12)から前記管(30)へ方向付けるように構成および配置されていることを特徴とする、ガスタービンブレード(10)。 - 前記管(30)は、前記ブレード先端部インピンジメントプレート(24)に取り付けられておりかつ前記ブレード根元部インピンジメントプレート(22)に摺動可能に取り付けられている、または、前記管(30)は、前記ブレード先端部インピンジメントプレート(24)に摺動可能に取り付けられておりかつ前記ブレード根元部インピンジメントプレート(22)に取り付けられている、請求項1記載のガスタービンブレード。
- 前記管(30)は、中央キャビティシール(46)によって摺動可能に取り付けられている、請求項2記載のガスタービンブレード。
- 前記ブレード根元部インピンジメントプレート(22)に少なくとも1つの冷却流体孔(26)を有する、請求項1から3までのいずれか1項記載のガスタービンブレード。
- 前記ブレード先端部(16)に後縁冷却流体孔(40)を有し、該後縁冷却流体孔(40)は、高温ガス流れ方向で前記ガスタービンブレード(10)の下流のガスタービンブレードを冷却するように冷却流体の一部を方向付けるように構成および配置されている、請求項1から4までのいずれか1項記載のガスタービンブレード。
- 前記冷却流体プレナム(20)に配置されかつ前記ガスタービンブレード(10)の壁部に取り付けられた翼インピンジメントシート(44)を有し、該翼インピンジメントシート(44)は、インピンジメント冷却流体孔を有し、該インピンジメント冷却流体孔は、前記ブレード翼(14)に衝突するように前記冷却流体を方向付けるように構成および配置されている、請求項1から5までのいずれか1項記載のガスタービンブレード。
- 前記翼インピンジメントシート(44)に摺動可能に取り付けられかつ前記ガスタービンブレード(10)の壁部に取り付けられた中央キャビティシール(48)を有する、請求項6記載のガスタービンブレード。
- 前記ガスタービンブレードは、ガスタービンベーンである、請求項1から7までのいずれか1項記載のガスタービンブレード。
- 請求項1記載のガスタービンブレード(10)を含むガスタービン。
- ブレード根元部(12)およびブレード翼(14)を有し、前記ブレード根元部(12)は、前記ブレード翼(14)の第1の端部に取り付けられており、
前記ブレード翼(14)の第2の端部に取り付けられたブレード先端部(16)を有し、
前記ブレード根元部(12)、前記ブレード翼(14)および前記ブレード先端部(16)を貫いて前記ガスタービンブレード(10)内に延びる冷却流体プレナム(20)を有し、
前記ブレード根元部(12)内の前記冷却流体プレナム(20)におけるブレード根元部インピンジメントプレート(22)と、前記ブレード先端部(16)内の前記冷却流体プレナム(20)におけるブレード先端部インピンジメントプレート(24)とを有し、該ブレード先端部インピンジメントプレートは、冷却流体が前記ブレード先端部(16)から前記ブレード翼(14)内へ1つまたは複数の前記冷却流体孔(28)を通って流れることを可能にするように構成および配置されており、
前記冷却流体プレナム(20)において前記ブレード根元部インピンジメントプレート(22)から前記ブレード先端部インピンジメントプレート(24)まで延びている管(30)を有し、該管(30)は、前記冷却流体を前記ブレード根元部(12)から前記ブレード先端部(16)まで搬送するように構成および配置されており、
前記ブレード根元部インピンジメントプレート(22)は、前記冷却流体を前記ブレード根元部(12)から前記管(30)へ方向付けるように構成および配置されている、ガスタービンブレードを冷却する方法において、
前記冷却流体を前記ブレード根元部から前記ブレード先端部へ前記管を通って方向付けるステップと、
前記冷却流体を前記ブレード先端部から前記ブレード翼へ前記ブレード先端部インピンジメントプレートを通って方向付けるステップと、を含むことを特徴とする、ガスタービンブレードを冷却する方法。 - 前記冷却流体の一部を、前記ブレード根元部に衝突するように前記ブレード根元部インピンジメントプレートを通って方向付けるステップを含む、請求項10記載の方法。
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