JP2017015091A - ガスタービンブレード - Google Patents

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。

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。

本発明による吸込側から圧力側までのベーンの断面図を示している。 後縁から前縁までの、図１のベーンの断面図を示している。 図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図を示している。 図１に示したベーンのベーン根元部の拡大図を示している。 図１に示したベーンのベーン先端部の拡大図を示している。

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。

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

Claims (11)

1. 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）。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。