JP2021076115A - 衝突冷却によってガスタービン／ターボ機械の構成部品を冷却するための装置 - Google Patents

衝突冷却によってガスタービン／ターボ機械の構成部品を冷却するための装置 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、ガスタービン／ターボ機械の構成部品（１）を冷却するための装置であって、高温ガスが衝突する外面（２）と一体化された冷却通路（３）とを具備する装置に関する。
【解決手段】冷却通路（３）の内部には、少なくとも１つの衝突冷却ボア（５）を具備する衝突冷却要素（４）が配置されており、衝突冷却要素（４）が、冷却すべき構成部品（１）の標的表面（６）から離隔配置されており、且つ、衝突冷却噴流が標的表面（６）に導かれる場合に冷却流体で構成部品（１）を冷却するようになっており、表面構造体（８）が、衝突冷却噴流が衝突する標的表面（６）に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温ガスが衝突する外面を具備するガスタービン／ターボ機械の構成部品を冷却するための装置であって、少なくとも１つの衝突冷却ボアを具備する衝突冷却要素が内蔵されている装置に関する。
ガスタービンの複数の構成部品、例えばブレードは、燃焼室の燃焼ガスの高温に曝されている。さらに、ガスタービンの効率は、燃焼室で実現される燃焼温度を高めることによって、さらに改善可能とされる。しかしながら、このような温度の上昇には、高温ガスに曝される構成部品の熱容量に起因して、限界が存在する。このことは、特に燃焼室の下流に位置するタービン段の案内ブレード及び可動ブレードに当て嵌まる。当該案内ブレード及び可動ブレードには、機械的主応力も作用するからである。
このような理由のため、特定の冷却方法が、構成部品の破損を防止するために、且つ、材料に起因する温度限界を超えないために必要とされる。関連する構成部品と、特に高い熱応力を受ける当該関連する構成部品の領域とが、既知の方法で圧縮機から分岐された冷却空気によって冷却される。従来技術では、これらブレードの翼部は、冷却空気を供給するための冷却装置を装備している。圧縮空気の一部を圧縮機から抽出し、抽出された圧縮空気をタービン部分に通すことによって、ブレードの冷却が実現される。圧縮空気をタービン部分に導入することに続いて、この冷却空気は、ブレードのブレード翼部に形成された通路を通じて流れる。
特許文献１は、主応力を受けるブレード先端キャップの領域におけるメタル温度を低減させるために、局所化され且つ方向づけられた衝突冷却によってブレード先端キャップを一層効率的に冷却することを開示している。
これとは別に、例えば特許文献2に開示されるタービンブレードのための衝突冷却において、長手方向に延在している分離壁が、例えば細長い冷却空気供給路と冷却空気分配チャンバとを、冷却空気供給路及び冷却空気分配チャンバに隣接している複数の衝突冷却空気チャンバと同様に側壁部分と共に形成している、２つの側壁によって形成されている中空ブレードの内部に配置されている。衝突空気通路によって、冷却空気チャンバに導入された冷却空気が、隣接する衝突空気冷却チャンバに到達する。これにより、内側から高い熱応力を受けるタービンブレードの外壁の領域の内面を冷却することができる。ひいては、高効率で材料を損傷させること無く、好ましくは高い燃焼温度でガスタービンを動作させることができる。分離壁では、衝突空気通路が、外壁の内面に衝突する衝突冷却空気にとって望ましい角度を確保するために、直線的であるが斜めに方向づけられている。さらに、タービンブレードの側壁の空気通路を介して衝突空気冷却チャンバから流出した空気は、ブレード材料と高温ガスとの間に絶縁層を形成するので、タービンブレードに作用する熱応力をさらに低減させることができる。
独国特許出願公開第１０２００８００３４１２号明細書 欧州特許出願公報第１００１１３５号明細書
本発明の目的は、冷却効率がさらに改善されたガスタービン／ターボ機械の構成部品を冷却するための装置を提供することである。
当該に目的は、本願請求項１に係る特徴の組み合わせによって解決される。
本発明は、高温ガスが衝突する外面と内蔵された冷却通路とを具備する、ガスタービン／ターボ機械の構成部品を冷却するための装置を提供する。冷却通路の内部には、少なくとも１つの衝突冷却ボアを具備する衝突冷却要素が配置されている。当該衝突冷却要素は、当該冷却すべき構成要素の標的表面から離隔配置されており、且つ、衝突冷却噴流が衝突冷却ボアを通じて標的表面に導通可能とされている場合に冷却流体で冷却すべき構成要素を冷却するようになっている。さらに、衝突冷却噴流が衝突する表面構造体が、標的表面に形成されている。
このような構造の優位点は、標的表面の微細構造が適切に形成された表面構造体を介して熱伝達を改善することである。これにより、冷却媒体を滞留させる冷却効果によって冷却媒体の消費が低減され、ひいては冷却媒体の滞留に起因する冷却媒体の消費によって冷却能力が改善される。その結果として、本発明は、冷却空気を節約するように、ひいては冷却効率を高めるという主目的を達成するように機能する。
優位な実施例では、表面構造体が、放射状に配置されたリブであって、標的表面から突出しているリブによって形成されている。本発明における標的表面の微細構造は、衝突冷却噴流に対してラジアル方向に配置されているリブを備えている。これら適切に形成されたリブによって、熱伝達を向上させる複数の物理的効果が利用される。第一に、標的表面の表面積がこのようにして大きくなり、リブが対応して配置されているので、流れの局所的加速を通じて熱流密度が高められる。さらに、熱伝達に悪影響を及ぼす横方向流れの冷却空気流が遮断され、流れの分離が防止される。
さらなる優位な実施例では、本発明における表面構造体が、放射状に配置されたリブであって、交互に異なる形状で標的表面から突出しているリブによって形成されている。特定用途では、複数列で標的表面に配置されているリブは、流れ特性ひいては冷却性能をさらに改善する。表面構造体は、冷却すべき構成要素の形状に最適に適応することができるからである。
好ましくは、表面構造体のリブが、衝突冷却ボアの反対側に配置されている中心点から離隔するようにラジアル方向外側に向かって延在するように、構成要素を冷却するための装置は形成されている。このことは、衝突冷却噴流の冷却性能にとって優位である。衝突冷却噴流は、標的表面に衝突した直後に表面構造体又はリブを通過して導かれるからである。
本発明の例示的な実施例では、リブは、外側に向かってテーパー状になっている液滴の形状を有している。特別に形成された外形であるので、冷却空気流れの流れ特性すなわち冷却性能が最適化される。
さらに、リブが直線棒状の形状を有している実施例が好ましい。具体的には、複数列に形成された表面構造体によって、交互に異なる形状で配置されたリブが、冷却空気流れの最適な冷却性能について望ましい。
本発明におけるガスタービン／ターボ機械の構成部品を冷却するための装置は、一の実地例では、標的表面の上に延在しているリブが異なる長さ及び／又は高さを有しているように形成されている。このことは、冷却空気の流れについて優位な効果を有しているので、その結果として冷却効率が向上する。
さらに、放射状に配置されたリブが標的表面において衝突冷却ボアの対応する列の反対側に列に形成されている場合に優位である。これにより、適切なリブを具備する特別な表面構造体は、冷却空気流れが衝突冷却ボアを通過し標的表面に衝突する領域それぞれの標的表面に配置されている。その結果として、ガスタービン／ターボ機械の構成部品の冷却性能が、これら領域それぞれにおいて高められる。
さらに、本発明に係る装置の代替的な実施例では、ラジアル方向内側に配置されたリブそれぞれの開始点と中心点との距離が、リブの長さの約７５％〜約１５０％に相当する。ここで、冷却性能を最適化するために、冷却空気流れが、最初に冷却表面に衝突した後に関連するリブを通過して流れることが望ましい。
本発明の好ましい実施例では、リブの側面が、少なくとも結合部において標的表面に対して直角に延在しており、好ましくは移行部においてのみシュラウド面に対して傾斜して又は丸められて形成されている。本発明におけるさらなる優位な実施例では、シュラウド面が平坦に且つ標的表面に対して平行に形成されている。これにより、リブの表面が最大化され、冷却のための最適な又は最大の表面を有している。
さらに、本発明は、上述のガスタービン／ターボ機械の構成部品を冷却するための装置を有しているガスタービン／ターボ機械を提供する。
本発明の他の優位なさらなる発展形態については、従属請求項に示されているか、又は図面を介して若しくは本発明の好ましい実施例の説明と共に以下に詳述される。
衝突冷却の標的表面に表面構造体を具備するガスタービン構成部品の断面図である・ 一列に配置されているリブを具備する標的表面の斜視図である。 複数列に配置されているリブを具備する標的表面の斜視図である。
図１は、衝突冷却装置の標的表面６に表面構造体８を備えている当該衝突冷却装置を有しているガスタービン構成部品の斜視図である。
ガスタービン構成部品１は、動作の際に高温ガスが衝突する外面２と、冷却のために内蔵された冷却通路３とを備えている。冷却通路３の内部に延在している衝突冷却要素４は、冷却通路３を、冷却剤を供給するための供給部１１と、冷却すべき標的表面６が配置されている冷却部１２とに分割している。衝突冷却要素４は、ガスタービン構成部品１の冷却部１２に配置された冷却すべき標的表面６から離隔配置されている。さらに、衝突冷却要素４は、４つの衝突冷却ボア５を図示の領域に備えており、冷却流体が、ガスタービン構成部品１を冷却するための衝突冷却噴流として、衝突冷却ボア５を介して、衝突冷却ボア５の反対側に配置された標的表面６の中心点Ｚに導通可能とされる。
図２は、複数列に配置されたリブ９を具備する標的表面６の斜視図である。表面構造体８は、図１に表わす代表物に対応しており、以下に説明される。
衝突冷却噴流が衝突する表面構造体８は、標的表面６に形成されている。表面構造体８は、放射状に配置されたリブ９によって形成されており、リブ９それぞれが、交互に異なる形状で標的表面６から突出している。リブ９は、衝突冷却ボア５の反対側に配置されている中心点Ｚから離隔するように、ラジアル方向外側に向かって延在している。標的表面６におけるリブ９のラジアル方向配置は、衝突冷却ボア５の対応する列の反対側に位置する列に形成及び配置されている。リブ９の側面は、結合部において標的表面６に対して直角に延在しており、移行部においてシュラウド面１０に向かって傾斜して且つ丸められて形成されている。このこととは別に、交互に配置されたリブ９それぞれが、リブとは異なる長さ及び高さを有しており、標的表面６の上に延在している。２つのラジアル方向配置のうち一のラジアル方向配置は、外側に向かってテーパー状になっている液滴形状のリブ９を備えており、ラジアル方向内側に配置されているリブ９それぞれの開始点と中心点Ｚとの距離が、当該リブ９の長さの約７５％に相当する。対照的に、他方のラジアル方向配置のリブ９は、直線棒状の形態を有しており、ラジアル方向内側に配置されているリブ９それぞれの開始点と中心点Ｚとの距離が、当該リブ９の長さの約１５０％に相当する。リブ９のシュラウド面１０は、平坦に且つ標的表面６に対して平行に形成されている。
図２は、一列に配置されているリブ９を具備する標的表面６の斜視図である。表面構造体８は、上述の放射状に配置された液滴形状のリブ９であって、標的表面６から突出しているリブ９によって形成されている。
１ ガスタービン構成部品
２ （ガスタービン構成部品１の）後面
３ （ガスタービン構成部品１の）冷却通路
４ 衝突冷却要素
５ 衝突冷却ボア
６ 標的表面
８ 表面構造体
９ リブ
１０ シュラウド面
１１ 供給部
１２ 冷却部
Ｚ 中心点

Claims (12)

  1. ガスタービン／ターボ機械の構成部品（１）を冷却するための装置であって、高温ガスが衝突する外面（２）と一体化された冷却通路（３）とを具備する前記装置において、
    前記冷却通路（３）の内部には、少なくとも１つの衝突冷却ボア（５）を具備する衝突冷却要素（４）が配置されており、
    前記衝突冷却要素（４）が、冷却すべき前記構成部品（１）の標的表面（６）から離隔配置されており、且つ、衝突冷却噴流が前記標的表面（６）に導かれる場合に冷却流体で前記構成部品（１）を冷却するようになっており、
    表面構造体（８）が、前記衝突冷却噴流が衝突する前記標的表面（６）に形成されていることを特徴とする装置。
  2. 前記表面構造体（８）が、放射状に配置されたリブ（９）であって、前記標的表面（６）から突出している前記リブ（９）によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 前記表面構造体（８）が、放射状に配置されたリブ（９）であって、少なくとも交互に異なる形状で前記標的表面（６）から延在している前記リブ（９）によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  4. 前記表面構造体（８）の前記リブ（９）が、前記衝突冷却ボア（５）の反対側に配置されている中心点（Ｚ）から離隔するように、ラジアル方向外側に向かって延在していることを特徴とする請求項２又は３に記載の装置。
  5. 前記リブ（９）が、外側に向かってテーパー状になっている液滴状の形状を有していることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の装置。
  6. 前記リブ（９）が、直線棒状の形状を有していることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の装置。
  7. 前記標的表面（６）の上に延在している前記リブ（９）が、異なる長さ及び／又は高さを有していることを特徴とする請求項２〜６のいずれか一項に記載の装置。
  8. 前記リブ（９）から成る星形の配置が、前記標的表面（６）において、前記衝突冷却ボア（５）の対応する列の反対側に位置する列に形成及び配置されていることを特徴とする請求項２〜７のいずれか一項に記載の装置。
  9. ラジアル方向内側に配置されている前記リブ（９）それぞれの開始点と中心点（Ｚ）との距離が、前記リブ（９）の長さの約７５％〜約１５０％に相当することを特徴とする請求項２〜８のいずれか一項に記載の装置。
  10. 前記リブ（９）の側面が、少なくとも接続部において前記標的表面（６）に対して直角に延在しており、好ましくは移行部においてのみシュラウド面（１０）に対して傾斜して又は丸められて形成されていることを特徴とする請求項２〜９のいずれか一項に記載の装置。
  11. シュラウド面（１０）が、平坦に且つ前記標的表面（６）に対して平行に形成されていることを特徴とする請求項２〜１０のいずれか一項に記載の装置。
  12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載のガスタービン／ターボ機械の構成部品（１）を冷却するための装置を有していることを特徴とするガスタービン／ターボ機械。
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