JP2505693B2

JP2505693B2 - ガスタ―ビン

Info

Publication number: JP2505693B2
Application number: JP4308676A
Authority: JP
Inventors: グレイドン・レイン・ウィドゥン
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1991-11-21
Filing date: 1992-11-18
Publication date: 1996-06-12
Anticipated expiration: 2011-06-12
Also published as: ITMI922517A0; US5201847A; DE4238659C2; ITMI922517A1; DE4238659A1; JPH05214958A; CA2083437A1; IT1256169B

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】本発明は、ガスタービンに関するもので
ある。さらに詳しく言うと、本発明は囲い部と、囲い部
の運転温度を維持するために使用される冷却空気との間
の伝熱効率を向上させるために改良された囲い部構造に
関するものである。

【０００２】

【従来技術の説明】ガスタービンの運転は周知である。
近年、エンジン効率を向上させ、また燃料を最大使用す
るために、タービンの運転温度が上昇されてきた。ター
ビンの温度限界は、これら高温燃焼ガスにさらされるタ
ービンの各種の構成部材に用いられている構造材料によ
って制限される。

【０００３】ガスタービンのタービン部の環状ガス流路
部の一部分は、ロータの周囲に円周方向に配設された数
多の羽根セグメントから形成されている。各羽根セグメ
ントは、通常、内側囲い部と外側囲い部という２個の囲
い部で定められた、囲い部組立体により境界が定められ
ている。羽根および囲い部組立体は、燃焼ガスに直接さ
らされているため、通常はタービン部の他の部分から供
給される冷却空気を用いて冷却されなければならない。

【０００４】従来、冷却空気を最大限に有効利用するた
めに、囲い部と羽根とを横切る冷却空気用の各種の空気
経路を設計することについて、技術努力がなされてき
た。これらの技術努力には、例えば、スムランド（Ｓｍ
ｕｌａｎｄ）他の米国特許第３，６２８，８８０号明細
書に記載されているような中空の羽根構造、およびヒシ
ア（Ｈｓｉａ）他の米国特許第４，５７３，８６５号明
細書、ノース（Ｎｏｒｔｈ）の米国特許第４，９０２，
１９８号明細書で記載されているような囲い部組立体の
内部で空気流を再方向付けする構造が含まれている。

【０００５】囲い部組立体の代表的な冷却構造は、衝突
冷却技術で具体化されている。衝突冷却の間、冷却空気
は囲い部の外側表面、即ち高温燃焼ガスに面する側と反
対側の面に向けられている。冷却空気は、通常、圧縮機
から供給される。現行の衝突構造では、材料表面温度を
適切に維持するために、比較的大容量のこのような冷却
空気が要求される。従って、かかる特別の冷却空気を供
給するために、圧縮機は高出力レベルで運転されなけれ
ばならず、結果としてエンジンの総合効率が低下する。

【０００６】上記の構造研究により、冷却構造における
改良がなされたが、運転効率は最大効率からかけ離れて
いる。従来技術で研究されなかった一領域は、囲い部と
冷却空気との間の熱伝達を大きくするように囲い部表面
を設計する領域である。例えば、従来技術では、冷却空
気が通過する囲い部の外側表面は平滑である。従来技術
で研究されずに残っているものは、囲い部の表面におい
て冷却空気を更に効率的に利用するための新しい囲い部
構造である。従って、本発明は、衝突冷却空気の効率を
増大させる、新規な囲い部の外側表面の構造に向けられ
ている。

【０００７】

【発明の概要】本発明は、ガスタービン内部で使用され
る、改良された囲い部構造を提供するものである。ガス
タービンは、高温ガスを生成する燃焼部と、ガスタービ
ン内部に配設された複数の羽根を有するタービン部とを
備えている。羽根は囲い部により境界が定められてい
る。各囲い部は外側表面と内側表面とを有し、タービン
部は囲い部の内側表面上を高温ガスが流れるように導く
ことができる。また、タービン部は、囲い部の外側表面
上を冷却空気が流れるように導くことができる。本発明
は、囲い部の少なくとも一つの外側表面上に格子パター
ンの突起部を設けるものであり、不均一な格子パターン
が冷却空気と囲い部の表面との間の相互作用を増大させ
るように設計されているので、囲い部と冷却空気との間
の熱伝達が促進される。格子パターンは、内側囲い部と
各羽根を保持する外側囲い部の両囲い部の外側表面に配
設されることが望ましい。格子パターンは、囲い部の外
面に非滑面を構成するような任意の全体形状とすること
もできる。格子パターンの形成に利用される突起部の典
型的な形状は、矩形、ピラミッド形および球形である。

【０００８】

【好適な実施例の説明】図１には、ガスタービンが示さ
れている。ガスタービンの主要構成要素は、ガスタービ
ンに空気を流入する吸気部３２、流入空気を圧縮する圧
縮部３３、燃焼器３８で燃料を燃焼させて圧縮部３３の
圧縮空気を加熱する燃焼部３４、燃焼部３４からの高温
圧縮ガスを膨張させることによって軸動力を生むタービ
ン部３５、および配設ロータ３６が延びている排気部３
７である。

【０００９】ガスタービンのタービン部３５は、固定羽
根および回転羽根の列を交互に備えている。各固定羽根
列は、ロータの周りに円周方向に配列されている。図２
は第一列目の羽根組立体付近でのタービン部３５の一部
を示す。羽根組立体は、代表的には、数多の羽根セグメ
ント１からなる。各羽根セグメント１は、内側囲い部３
と外側囲い部２とを有する羽根４３からなっている。あ
るいは、各羽根セグメント１は、共通の内側囲い部およ
び外側囲い部を有する複数の羽根エアフォイルで形成さ
れていてもよい。

【００１０】図２に示すように、羽根セグメント１は、
羽根輪と呼ばれるシリンダ１６に収容されている。ま
た、羽根セグメント１は、内側シリンダ構造体４８を包
囲している。また、内側シリンダ構造体４８はリング２
１を介して内側囲い部３に結合されている。羽根セグメ
ント１は組立部７を介して外側囲い部２でシリンダ１６
に固定されている。シリンダ１６もまたタービン外側シ
リンダ２２に連結されている。回転羽根６４は円板部６
３を介してロータ３６に連結されている。

【００１１】運転の間、燃焼部３４からの圧縮ガスであ
る高温ガス２６はダクト５８によってタービン部３５に
送り込まれる。高温ガス２６のガス流は外側囲い部２と
内側囲い部３との間に入れられ、囲い部２，３の内側表
面６に衝突する。

【００１２】外側囲い部２、内側囲い部３、羽根４３お
よび回転羽根６４は、タービン運転中、きわめて高温度
にさらされる。従って、高温およびそれに起因する熱膨
張によって強度を劣下させないようにするために、これ
らの構成部材を冷却しなければならない。これらのター
ビン構成部材の温度を低下させるには、通常、例えば圧
縮機からの冷却空気１０の一部冷却空気１１が間隙５を
通って該構成部材に送られる、冷却空気１０の送風が利
用される。間隙５の下縁によって定められる、冷却空気
ジェット部から外側囲い部２の外側表面４までの距離
は、約２．５cm(１in.) 〜約５cm(２in.)である。一部
冷却空気１１は、外側囲い部２の外側表面４に衝突す
る。冷却空気１０は、内側囲い部３の外側表面４にも衝
突するように導かれる。冷却空気１０は外側表面４に流
れた後、通常、羽根冷却空気８として羽根４３の空洞９
に向けられる。種々の空洞９は、冷却を最適化するよう
に羽根セグメント１領域のいたるところに冷却空気流を
再方向付けするために存在する。空洞９は、この発明の
一部ではなく、この発明は内側囲い部３および外側囲い
部２の外側部分の外側表面４の構造に関する。

【００１３】通常のタービン運転環境においては、囲い
部に流れる高温ガス２６の温度は、約９００℃（１６５
０゜Ｆ）である。典型的には、温度約４００℃（７５０
゜Ｆ）の冷却空気１０、１１が外側表面４に衝突する
が、その表面は、高温ガス２６にさらされる内側表面６
と反対側にある。その結果、囲い部自体の平均温度は約
７００℃（１３００゜Ｆ）である。

【００１４】種々の空洞の構造は、外側囲い部２、内側
囲い部３、羽根４３を通る冷却空気流の操作および進路
変更のために存在する。ヒシア他の米国特許第４，５７
３，８６５号、ノースの米国特許第４，９０２，１９８
号、スムランド他の米国特許第３，６２８，８８０号の
ような特許は、いずれも、冷却効率を向上させるための
冷却空気流の方向付けの技術に関する。これらの構造で
は、いずれも囲い部として平滑な外側表面を採用してい
る。

【００１５】図３には、囲い部の外側表面４、この場合
には外側囲い部２の外側表面４が示されている。外側囲
い部２は羽根４３を囲っており、この羽根の場合には符
号９で示されているように、代表的な二空洞構造で示さ
れている。囲い部の外側表面４は、一般的に平滑な表面
として製造される。本発明によると、囲い部の外側表面
４上に格子パターン１２が配設されていることを特徴と
する。図３では格子パターン１２は外側囲い部２の外側
表面４上に示されているが、外側囲い部２に対する効果
ほど大きな効果が無いかもしれないが、内側囲い部３の
外側表面４上にも配設することができる。かかる格子パ
ターン１２は、囲い部外側表面上、または囲い部外側表
面上に配設された空気方向付け冷却装置の表面上に形成
することができる。

【００１６】外側表面４の厚さは一定ではなく、囲い部
の縁部および羽根４３付近が厚く、羽根４３と囲い部縁
部との間の領域では薄くなっていることが好ましい。こ
のように厚さを変えた構造により、囲い部の冷却効果は
高まり、囲い部全体の構造安定性も確保される。衝突し
た冷却空気は、通常、囲い部の薄肉領域に導かれる。格
子パターン１２は、直接衝突する冷却空気にさらされる
外側表面４の領域、即ち囲い部の薄肉部分に有している
ことが好ましい。羽根構造の安定化のために、格子パタ
ーン１２は羽根４３の縁から約０．６cm（０．２５in.)
〜約１．２cm（０．５in.）の距離に維持されることが
好ましい。また、囲い部構造の安定化のために、格子パ
ターン１２は囲い部の縁からも約０．６cm（０．２５i
n.）〜約１．２cm（０．５in.）の距離に維持されるこ
とが好ましい。

【００１７】格子パターン１２の形状は、突起部１４で
示したように構造的な繰り返しパターンであってもよい
し、不規則形状のパターンであってもよい。格子パター
ン１２は一連の突起部１４として一般的に定められ、該
突起部は外側表面４に種々の高さを付与する共通な思想
を有している。衝突空気が羽根４３内部の空洞９に向か
って直接流れる、阻止されない流れパターンを有しない
ように格子パターン１２が設計されることが好ましい。
また、格子パターン１２は、個々の突起部に代わるもの
として一連の列であってもよい。この場合、この列は衝
突空気が空洞９から離れるように羽根４３の長手方向に
対して平行に向くように整列されることが好ましい。従
って、格子パターン１２は、囲い部の熱伝達特性を向上
させる。平滑な外側表面４と比較して、格子パターン１
２は、冷却空気と外側表面４との間の表面積を増大させ
ることができる。このように表面積が増大することによ
って、外側表面４（従って囲い部）が冷却される割合が
増大する。

【００１８】格子パターン１２は、外側表面４の表面積
を増大させるのみならず、外側表面４に衝突する冷却空
気の衝突ジェットにおける乱流レベルも増大させる。こ
の乱流増加は、外側表面４から外側表面４に衝突する冷
却空気への熱伝達にとって有益である。

【００１９】格子パターン１２は、外側表面４に機械的
に取付られ、鋳造、または削り加工で作られる。格子パ
ターン１２は囲い部と同材料で作られることが好まし
い。格子パターン１２は、少なくとも囲い部と同等以上
の大きさの熱伝導率を有するべきである。

【００２０】代表的な格子パターン１２のパターンの例
が図４に示されている。図４には、囲い部（図では外側
囲い部２）上に配設された均一な矩形パターンである突
起部１４からなる格子パターン１２のパターンが描かれ
ている。格子パターン１２は、ピラミッド形、球形、そ
の他の幾何学的形状で構成することもできる。

【００２１】突起部１４の寸法は、空気流速度、空気流
温度、空気流と突起部との間の距離、その他の運転パラ
メータによって変化させることができる。代表的には、
突起部は所定の高さ（ｈ）に対するピッチ（ｄ）比に基
づいて設計された規則的な繰返し列パターンで配設され
ている。この比率は、各々隣接した突起部の列の中心間
距離を突起部の平均高さで徐したものとして定義され
る。この比率の好ましい数値は、高さ範囲約０．０４cm
（０．０１５in.)〜約０．３cm（０．１３in.）で１〜
３０である。突起部は、列パターンではなく、円形パタ
ーンに配設することもできる。さらに、一様でない不規
則なパターンで配設することもできる。もし、格子パタ
ーン１２のパターンが均一な列の形のパターンでない場
合には、ピッチ（ｄ）は二つの隣接した突起部間の平均
距離と定義される。これは、例えば、１０個の突起部を
選択し、各突起部とその突起部に一番近い隣接した突起
部との間の距離の平均を出すことによって決定される。
非均一な高さ突起部を用いる場合にも、その高さが平均
化される。突起部の幅（ｗ）は、変更可能であるが、突
起部の高さより小さいことが好ましい。突起部の長さ
（ｌ）は変更可能で、列パターンの場合は、通常約１０
cm（４in.）〜約１５cm（６in.）の羽根４３の長さと同
じ寸法にすることもできる。好ましい幅寸法は約０．０
４cm（０．０１５in.)〜約５cm（２in.）、最も好まし
い幅寸法は約０．０４cm（０．０１５in.）〜約０．３c
m（０．１３in.)である。

【００２２】以上の説明は、典型的な突起部の格子パタ
ーンについて行ったが、本明細書で開示された原理は、
他の突起部の格子パターンに対しても同等に適用でき
る。また、上記説明は本発明の好適な実施例について行
われたが、特許請求の範囲に記載されている発明の精神
および範囲から逸脱することなく、当業者に知られてい
る変形例がなされるということが理解される。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガスタービンの一部切欠き等角図である。

【図２】第一列目の羽根近辺のガスタービンのタービン
部の一部断面図である。

【図３】図２の３-３線に沿って切断された、外側囲い
部および羽根の平面図である。

【図４】図３の４−４線に沿って切断された囲い部の一
部断面図であり、本発明による囲い部の各表面を示す図
である。

【符号の説明】

２外側囲い部３内側囲い部４外側表面６内側表面１０冷却空気１２格子パターン１４突起部２６高温ガス３４燃焼部３５タービン部４３羽根

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）高温ガスを生成する手段を有する
燃焼部と、（ｂ）内部に配設されているとともに外側表面と内側
表面とを有する囲い部によって境界が定められている複
数個の羽根を有するタービン部であって、少なくとも前
記内側表面の一つに高温ガスを送るためのガス送り手段
と、少なくとも前記外側表面の一つに衝突する冷却空気
を送るための空気送り手段とを有するタービン部と、（ｃ）少なくとも前記外側表面の一つに形成され外側
表面の面積を増大させるとともに、外側表面に衝突する
前記冷却空気の衝突ジェットにおける乱流レベルも増大
させる突起状の格子パターンと、を備えたガスタービン。