JP2771430B2 - ガスタービンおよびタービンブレード - Google Patents
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Description
ン、及びセラミック製外コーティングを備えた内部冷却
式タービンブレードに関する。
発電設備の効率を上げるためには、通常は、効率の上昇
にしたがってこれらの装置の作動温度及び圧力を上昇さ
せなければならない。超合金でできた構成要素及び被覆
材料は作動パラメータを増大させてある。
気により高いタービン入口温度で作動できる。空冷によ
り、先進のタービン設計において、冷却が行われていな
いブレードについての1100℃(2012゜F)から
空冷ブレードについての1450℃(2542゜F)ま
で入口温度を上昇させることができる。設計によって
は、空気は、ブレード、ブレードの基部、ベーン、又は
ベーンの基部に設けられた多くの小さな穴を通して排出
される。議論の目的のため、特に表示しない場合でも、
「ブレード」という用語及び「ベーン」という用語は相
互交換的に使用される。高温の膨張済みのタービンガス
よりも低温の冷却空気は、ブレードの膜冷却並びに内部
冷却を行う。他の設計では、冷却空気はブレード本体を
通って内部に通される。これらの設計の例は、米国特許
第4,415,310号、米国特許第3,275,29
4号、米国特許第4,040,767号、米国特許第
3,909,412号、米国特許第3,782,852
号、米国特許第3,584,458号、米国特許第2,
618,120号、米国特許第3,647,313号、
及び米国特許第2,487,514号にみられる。他の
設計がカナダ特許第991,829号及び英国特許第6
02,530号に開示されている。上述の英国特許は、
熱障壁コーティングを使用し、冷却空気を後縁から排出
する。
は、約930℃(1706゜F)で作動する。冷却式の
ブレード、ベーン(即ちステータ)及びディスクは13
16℃乃至1450℃(2400゜F乃至2642゜
F)の範囲で作動する。冷却空気は、コーティングから
流出し、迂回してブレード及びベーンの周りに通され
る。冷却は、膜、蒸散、対流の態様で行われる。
ガス流内に出るという欠点がある。これは、冷却空気に
コンプレッサの全力の圧力を使用する必要がある。更に
熱障壁コーティングを備えたブレード又はブレードの基
部の剥き出しになった穴は、セラミックコーティングの
早期破損につながる。ブレードの冷却の程度は、主とし
て、ブレードを通って流れる冷却空気の質量流量の関数
であり、空気の圧力によっては特に影響を受けない。熱
障壁コーティングを備えたブレードの性能は、冷却空気
によって制限されるということが決定された。ガスター
ビンを高性能にするのに必要なことは、ブレード及びベ
ーン上に熱障壁コーティングを使用すること、及び内部
空冷システムを変更してこれをタービンシステムと一体
化することである。
640号には、膨張率調整合金上にセラミック製の熱障
壁コーティングを使用し、合金の熱膨張率(CTE)を
上側のセラミックの熱膨張率とほぼ一致させるという概
念が開示されている。熱膨張率を一致させると、セラミ
ックは、熱が周期的に加わる状況で金属から剥げ落ちな
い。更に、一致させた熱膨張率を使用することによっ
て、従来の熱膨張率が一致していない場合よりも厚い断
熱特性に優れたセラミックを使用することができる。厚
い熱障壁コーティングは、本明細書中に開示し且つ特許
請求の範囲した新たな内部冷却装置に加えて、タービン
の性能を改善する。
は、熱障壁がコーティングされた低熱膨張率合金ででき
た内部冷却式ブレードを持つガスタービンエンジンを提
供することである。コンプレッサからの空気は、ブレー
ドに通される。
プレッサと、タービン部と、これらの間に配設された燃
焼室部と、コンプレッサとタービン部とを連結する回転
自在のシャフトと、このシャフトを通してコンプレッサ
からタービン部に向う流体の一部を分流する手段とを有
するガスタービンエンジンにおいて、前記シャフトに連
結され、膨張率を調整された合金で形成され、熱障壁で
被覆された内部が冷却されるタービンブレードと、前記
シャフトから半径方向に延出するディスク状のタワーと
を有し、前記シャフトは内方中空シャフトと外方中空シ
ャフトからなり、外方中空シャフトは内方中空シャフト
の外周に同心的に離間して設けられ、両者間に環状空間
が形成され、前記タービンブレードはタワーに対して固
定され、前記タワーは出口プレナムとその出口プレナム
を外側から取囲む入口プレナムとを有し、出口プレナム
は前記シャフトの内方中空シャフトと連通するとともに
入口プレナムはコネクタを介して前記シャフトの外方中
空シャフトと連通しており、さらに、外方中空シャフト
と内方中空シャフト間の環状空間に連通する冷却流体源
と、外方中空シャフト及び出口プレナムを取囲む入口プ
レナムを通り、出口プレナムから内方中空シャフト内に
流出させる冷却通路を有し、前記タービンブレードはセ
ラミック層、中間接合コーティング、及び膨張率調整合
金基材を有する外部コーティングを有し、上記合金及び
セラミック層はほぼ同じ熱膨張率を有し、上記膨張率調
整合金基材は超合金内スキンに装着されていることを特
徴とする。第2の発明は鉄−ニッケル含有膨張率調整合
金基材、ZAl(Zは、Ni、Fe、Co、Cr、Yお
よびこれらの混合物からなる群から選択した)を含む中
間接合コーティング、酸化イットリウム及び酸化ジルコ
ニウムを含む、前記合金の熱膨張率とほぼ同じセラミッ
ク製外コーティングと、合金基材に対して接合された耐
酸化合金と、タービンブレード内に配置された翼状中空
体と、この翼状中空体と外表面との間に配置された入口
側内部冷却室と、最初に入口側内部冷却室に入り翼状中
空体内に配置された出口側内部冷却室を通して流出する
冷却通路と、外方中空シャフトと内方中空シャフトから
なる二重の中空シャフトに接続されたタービンブレード
とを有し、前記入口側内部冷却室は外方中空シャフトに
連通し、出口側内部冷却室は内方中空シャフトに連通
し、前記冷却通路は外方中空シャフトと入口側内部冷却
室を通り次いで出口側内部冷却室から内方中空シャフト
へと通ずることを特徴とする。
す。最新型のガスタービンの設計及び作動は、タービン
が据置型発電装置又は動力装置(図示のような)のいず
れで使用されようと周知である。ガスタービン10は、
本質的には、前空気ファン68、コンプレッサ52、中
間燃焼室部54、及び後部のタービン部56からなり、
このタービン部56は、代表的には、高圧タービン58
及び低圧タービン60を有する。中央回転シャフト66
がコンプレッサ52とタービン部56とを連結する。前
空気ファン68及びコンプレッサ52は連結されていて
もよいし連結されていなくてもよく、高圧タービン58
及び低圧タービン60は同じシャフト66に固定されて
いてもよいし固定されていなくてもよい。構成によって
は、低圧タービン60が前空気ファン68に別に連結さ
れ、高圧タービン58がコンプレッサ52に別に連結さ
れている。コンプレッサ52及びタービン部56は、固
定ベーン(即ちステータ)62及び70と回転ブレード
64及び72の交互の密な列を有する。ブレード64及
び72は、シャフト66とともに回転するディスク(図
示せず)に取付けられている。
度に圧縮される。圧縮空気は、燃焼室部54内に差し向
けられ、この燃焼室内で燃料と燃焼され、空気の温度を
上げ、結果的に燃焼ガスを得る。加熱された空気/ガス
混合物は、多数のタービンベーン62及びブレード64
に対して膨張し、タービン部56を回転させる。シャフ
ト66により、コンプレッサ52及びファン68が同時
に回転される。冷却式タービンでは、種々のベーン及び
ブレードを冷却するため、コンプレッサ52からの空気
の一部を流出させる。
断面を示す。複数の熱障壁がコーティングされたタービ
ンブレード14が、二重シャフト46を中心に配設され
ている。コンプレッサ(図示せず)に連結されたシャフ
ト46は、外方中空シャフト16及び同心の内方中空シ
ャフト18を含む。コンプレッサから通常の方法で流出
させた空気は、方向矢印22で示すように、内方中空シ
ャフト18と外方中空シャフト16との間に形成された
環状空間20を通して圧送される。
ャフト46から半径方向に延びる連続したディスク状タ
ワー24に取付けられている。タワー24は、内方中空
シャフト18と直接連通した円形の出口プレナム26を
有する。出口プレナム26は、部材28を介してブレー
ド14内に延びている。複数のコネクタ30が外方中空
シャフト16から枝状に延び、これらのコネクタは円形
の入口プレナム32に取付けられている。ライザ34が
入口プレナム32とブレード14とを橋渡しする。空気
は、ブレード14に到るまで、コネクタ30を通って入
口プレナム32及びライザ34内に流れ続ける。次い
で、空気は方向を転じて部材28に流入し、その後、出
口プレナム26を通る。空気は、コンプレッサ52に向
かって内方中空シャフト18を通って(矢印36が示す
ように)再び戻され、(矢印38が示すように)排出さ
れる。
ては、高圧タービン区分及び低圧タービン区分を収容
し、これらのタービン区分を最終的にコンプレッサ及び
ダクテッドファン区分に連結するのに、追加の同軸のシ
ャフト(図示せず)を使用するのがよい。
示す。参考のため本願に組み込んだ米国特許第4,90
0,640号で論じられているように、ブレード14
は、インコロイ合金909(インコロイ(INCOLO
Y)は登録商標である)のような低膨張率合金40でで
きており、ZAlのような(Zは、Ni、Fe、Co、
Cr、及びYからなる群から選択した1つ乃至5つの元
素である)耐酸化中間接合コーティング及び部分的に安
定化した8%酸化イットリウム−酸化ジルコニウム(8
YZ)のような断熱セラミック製の外層からなる熱障壁
コーティング38Aを備えている。
した900シリーズの熱膨張率調整合金であり、約38
%のニッケルと、約13%のコバルトと、約4.7%の
ニオブと、約1.5%のチタニウムと約45%の鉄とを
含有する。この特定の合金は、約649℃で1m当たり
約10μmと線膨張率が低く、この線膨張率は、8%Y
203−ZrO2のセラミックコーティングの線膨張率
とほぼ適合する。現存の、又は考えられる他の膨張率調
整合金をこれに代えてもよい。
718(インコネル(INCONEL)は登録商標であ
る)のような超合金内スキン42が取り付けられる。合
金40とスキン42との間を拡散接合するのが好ましい
取付け態様である。この内スキン42は、高温での使用
中に合金909の内面が酸化しないようにする。
な耐酸化合金の薄いコーティングを接合コーテイングと
合金909の外面との間、並びに合金909の内面上に
配置することを含む。これは、合金909に酸化に対す
る極めて大きな保護を与える。勿論、合金718の厚さ
は、合金718−合金909−合金718のサンドイッ
チ構造の複合熱膨張率に影響しないように、合金909
に関して薄くなければならない。
れ、入口側内部冷却室48及び出口側内部冷却室50を
ブレード14とともに構成する。円形の入口プレナム3
2、ライザ34、及び入口側内部冷却室48は、冷却空
気をブレード14に提供するため、全て相互連結されて
いる。冷却空気22は、入口側内部冷却室48を通って
移動し、次いで出口側内部冷却室50、部材28、及び
円形の出口プレナム26を通って別経路で送出される。
び下にある合金基材40に受容可能に適合する熱膨張率
を有する。断熱が施されたブレード14は、コーティン
グを備えていないブレード14よりも高温のガス流中で
作動できる。ブレードは、溶接及び/又は機械的な連結
のような従来の手段でタワー28に取付けられている。
壁コーティングの試験が米国特許第4,900,640
号に記載されている。この特許で明らかにされた結果に
よれば、セラミック製の熱障壁コーティングと基材金属
の熱膨張率が同じである場合には、熱障壁でコーティン
グしたピンの剥げ落ち抵抗が優れているということが示
されている。しかしながら、これらの結果は、タービン
の用途での熱障壁コーティングの利点を示すことができ
なかった。これは、使用された繰り返し炉には高温の側
方ガス流がないためである。従って、バーナーリグをつ
くった。バーナーリグは、天然ガス/空気バーナーを使
用し、このバーナーは、内径が50.8mm(2イン
チ)で長さが508mm(20インチ)のアルミナファ
イバ製シリンダ内に火炎を差し向ける。試験ピンは、バ
ーナーからシリンダ直径330mm(13インチ)に亘
ってシリンダの軸線に対して直角に位置決めされた。試
験ピンは、熱膨張率調整合金909からつくられてい
た。これらのピンは、長さが76mm(3.0イン
チ)、外径が15.88mm(0.63インチ)、内径
が6.53mm(0.26インチ)で丸味のある肩部を
備えているように機械加工されていた。熱電対を配置す
るため、直径2.1mm(0.083インチ)で深さ4
0mm(1.6インチ)の穴を金属製環体の中央に穿孔
してある。これらのピンを、(外径6.35mm(0.
25インチ)で内径4.57mm(0.18インチ))
のインコネル合金600(インコネル(INCONE
L)は登録商標である)製の金属製内チューブ上に嵌め
た。試験中、冷却空気をこの内チューブに通した。この
チューブは、耐酸化性が劣った合金909基材を保護す
るために必要とされた。次いで、ピン及びチューブの構
成を所望のコーティングでプラズマスプレーする。
00μm乃至1000μmの8重量%酸化イットリウム
−酸化ジルコニウム(8YZ)コーティングで被覆した
厚さ180μmのNiCrAlY製(22重量%のC
r、10重量%のAl、1重量%のY、残りがNi)中
間接合コーティングからなる。中間接合コーティング
は、合金909基材に耐酸化保護を与えるため、及び8
YZ層を機械的に接合するための粗い表面を提供するた
め、必要とされる。ピンは、8YZコーティングの厚さ
に応じて、バーナーリグの断面積の40%乃至45%を
占有する。
示す。ピンの前方約25mm(0.9インチ)、ピンの
上方の高温のガス流内に13mm(0.5インチ)に配
置したシースのないタイプR熱電対でバーナー温度を計
測した。バーナー速度は、ピン(ピンによって占有され
ていない断面積)を通過する速度について算出した値で
ある。算出に当たり、完全燃焼が起こっているというこ
と、圧力が1気圧であるということ、及びガスが理想的
な挙動を示すことを仮定した・金属温度は・上文中で言
及した基材の穴に挿入したタイプK熱電対で計測され
た。ピンは、金属熱電対が、バーナーに面して高温のガ
ス流の中央に配置されるように配向されている。冷却空
気流ΔTは、ピンに進入する冷却空気の温度(22℃乃
至25℃(71゜F乃至77゜F)とガス流中に挿入し
たタイプK熱電対で計測したピンを出る空気の温度との
差である。熱伝達は、計測したΔT及び冷却空気流量か
ら、平均温度での空気の熱力学的性質を使用して算出さ
れる。
YZセラミック層で被覆した合金909チューブからな
る複合シリンダに亘る定常状態での温度分布を算出する
ため、数学的モデルを準備した。熱は、輻射及び対流で
システムに進入する。コーティングの輻射率及び吸収率
は、温度の関数である。外部対流熱伝達は、単一のシリ
ンダに亘る流れについての平均熱伝達率を使用して算出
した。算出した対流熱伝達率を使用すると、全ての熱が
チューブの内側から除去された。これらの値及び等式は
標準的な熱伝達テキストブックで見つけることができ
る。8YZセラミック層の熱伝達率は0.80W/mK
とされ、NiCrAlY製接合コーティングの伝達率は
7.0W/mKとされる。大まかな平均値が公開されて
いる。温度の関数としてのインコロイ合金909の伝達
率は、製造者である米国ウェストバージニア州ハンチン
トンのインコ合金インターナショナル社が発行した刊行
物で見つけることができる。
表1の試験A及び試験Bを比較して例示する。試験Bで
は、セラミックコーティングが削り取ってあるが、その
他の状態は不変である。金属温度は、セラミックが存在
しない場合には、191℃(376゜F)下がる。試験
Cと試験Dとを比較すると、バーナー速度を40m/s
から(毎秒131フィート)乃至72.2m/sから
(毎秒237フィート)まで高めると、金属が熱障壁コ
ーティングで覆われている場合、金属温度に及ぼされる
影響が最小であるということがわかる。コーティングの
厚さの重要な効果は、試験Dと試験Eとを比較すること
によってわかる。しかしながら、二つの異なるピンにつ
いて値が得られているため、直接的に比較するのは困難
である。これらの値は、合金600冷却チューブと合金
909基材との間の界面間の相違によって影響を受け
る。実際には、この界面では、拡散接合が行われ、熱流
に対する障害がない。計算によれば、試験を行った形状
及び状態について、冷却チューブと基材との界面が存在
することによる金属温度に及ぼされる影響は、界面が存
在しない場合よりも100℃(212゜F)高い。ガス
タービンエンジンの熱障壁コーティングに対する経済的
な用途において、何が定常状態の温度であるかを算出す
ることができる。このような計算によれば、タービンの
入口ガス流が1600℃(2912゜F)で圧力が40
気圧で、相対的ガス速度が500m/s(毎秒1651
フィート)のガスタービン内で作動する場合、一段のブ
レードを冷却して合金909の温度を850℃(156
2゜F)以下に保つのにコンプレッサ区分からの空気の
1%以下を必要とする。しかしながら、熱障壁でコーテ
ィングされたブレードに新たな冷却空気経路を使用する
のがよい。多数の可能な経路を表2で探す。全ての場合
において、コンプレッサ効率は87%であり、タービン
効率は85%である。全ての場合において、コンプレッ
サガスの公称10%が、ブレード、ベーン、及びシュラ
ウド等の冷却に使用される。
タービン入口温度を1450℃(2692゜F)から1
600℃(2912゜F)まで上昇させることができ
る。例2と例1とを比較するとわかるように、これは熱
効率を1.8%改善し、更に重要なことには、タービン
を通過する空気の正味仕事を1.62×107Joul
es/kg moleから1.97×107Joule
s/kg moleまで(6981BTU/lb mo
leから8489BTU/lb moleまで)上昇
(21.6%上昇)する。エンジンの最大推力は正味仕
事に正比例する。本明細書の最初の方で述べたように、
従来の設計では、冷却空気は、金属製ブレードに膜冷却
を行うように、シャフトを通りブレードの穴を通って出
る。
場合には、冷却空気を内シャフト18に後方に差し向け
ることができ、適当な低圧降下通路が使用される場合、
かなりの低圧降下が必要とされる。この場合、冷却空気
は、タービンシャフト14から外に周囲に放出される
(方向矢印78)だけである。この場合(例3対例
2)、タービンの効率は42.2%から44.3%まで
上昇し、タービンを通る空気の質量モル当たりの正味仕
事は、1.97×107Joules/kg mole
から2.07×107Joules/kg moleま
で(8489BTU/lb moleから8914BT
U/lb moleまで)上昇し、又は更に5%上昇さ
せる。排気冷却空気をシャフト18の中央部分に戻すダ
クトを備えているように形成した場合には、冷却空気を
コンプレッサ入口に(方向矢印36が示すように)差し
向け戻すことができる。これによって、タービンの効率
が改善される。タービン効率は、ブレードを通る冷却空
気の温度上昇に左右される。ブレードを通過する冷却空
気の温度上昇が333℃(631゜F)である場合、冷
却空気をコンプレッサに戻すようにダクトを形成すると
効率が44.3%から45.5%まで上昇するが、空気
の質量モル当たりの正味仕事は、2.07×107Jo
ules/kg moleから2.0×107Joul
es/kg moleに(8914BTU/lb mo
leから8620BTU/lb moleまで)減少す
る(例4対例3)。温度上昇が期待した166℃(33
1゜F)に近い場合には、例6に示すように、効率は4
4.9%であり、空気の質量モル当たりの正味仕事は
2.04×107Joules/kg mole(87
68BTU/lb mole)である。
圧力上昇に基づいて算出されている。これは、この圧力
上昇が、タービンを通る空気の質量モル当たりの正味仕
事を最大値(最大推力)にするためである。例5に示す
ような最大推力についての最適の圧力上昇での正味仕事
の選択の自由を常に有する。コンプレッサでの圧力上昇
を増大することによって、効率を47.5%まで上昇さ
せることができるが、空気の質量モル当たりの正味仕事
は1.98×107Joules/kg mole(8
538BTU/lb mole)まで減少する。
ビンが設けられ、一方のタービンはコンプレッサに直接
取付けられ、他方のタービンは動力駆動装置又はファン
に取付けられている。通常は、コンプレッサに取付けら
れたタービンが最も高温であるが、動力タービン即ちフ
ァンベーン及びブレードもまた熱障壁コーティングを有
するのがよく、これらを冷却するのがよい。ブレードを
通して動力シャフトの下流に空気をパージし、動力シャ
フトの中央隔室を通して戻すことによって、低圧空気を
動力タービンブレードに通すことができる。
ーティングを使用することによって、ブレードに損傷を
与えることなくタービンの入口温度を1600℃(29
12゜F)にすることができる。熱障壁コーティングの
利点を最適化するため、タービンの設計を変更しなけれ
ばならない。中空シャフトを通ってブレードに到り、ブ
レードから中空シャフトの中央部分を通って戻る圧力降
下をできるだけ小さくするように設計された冷却空気通
路が効率を改善できる。この効率は、タービンの作動温
度を上昇させることによって得られる効率の改善とほぼ
同じである。中空シャフトの中央部分内の使用済みの冷
却空気をタービンの排気部にダクトで排出するか或いは
コンプレッサに戻すかのいずれかを行うという設計もま
た可能である。これによって、最大推力又は最大効率を
得るように飛行中にタービンを所望の通りに制御するこ
とができる。
て本明細書中に例示し且つ説明したが、特許請求の範囲
の範疇の本発明の形態を変更でき、本発明の特定の特徴
をこれに対応して他の特徴を使用することなく有利に使
用できるということは、当業者には理解されよう。
Claims (2)
- 【請求項1】流体コンプレッサと、タービン部と、これ
らの間に配設された燃焼室部と、コンプレッサとタービ
ン部とを連結する回転自在のシャフトと、このシャフト
を通してコンプレッサからタービン部に向う流体の一部
を分流する手段とを有するガスタービンエンジンにおい
て、前記シャフトに連結され、膨張率を調整された合金
で形成され、熱障壁で被覆された内部が冷却されるター
ビンブレードと、前記シャフトから半径方向に延出する
ディスク状のタワーとを有し、前記シャフトは内方中空
シャフトと外方中空シャフトからなり、外方中空シャフ
トは内方中空シャフトの外周に同心的に離間して設けら
れ、両者間に環状空間が形成され、前記タービンブレー
ドはタワーに対して固定され、前記タワーは出口プレナ
ムとその出口プレナムを外側から取囲む入口プレナムと
を有し、出口プレナムは前記シャフトの内方中空シャフ
トと連通するとともに入口プレナムはコネクタを介して
前記シャフトの外方中空シャフトと連通しており、さら
に、外方中空シャフトと内方中空シャフト間の環状空間
に連通する冷却流体源と、外方中空シャフト及び出口プ
レナムを取囲む入口プレナムを通り、出口プレナムから
内方中空シャフト内に流出させる冷却通路を有し、前記
タービンブレードはセラミック層、中間接合コーティン
グ、及び膨張率調整合金基材を有する外部コーティング
を有し、上記合金及びセラミック層はほぼ同じ熱膨張率
を有し、上記膨張率調整合金基材は超合金内スキンに装
着されていることを特徴とするガスタービンエンジン。 - 【請求項2】鉄−ニッケル含有膨張率調整合金基材、Z
Al(Zは、Ni、Fe、Co、Cr、Yおよびこれら
の混合物からなる群から選択した)を含む中間接合コー
ティング、酸化イットリウム及び酸化ジルコニウムを含
む、前記合金の熱膨張率とほぼ同じセラミック製外コー
ティングと、合金基材に対して接合された耐酸化合金
と、タービンブレード内に配置された翼状中空体と、こ
の翼状中空体と外表面との間に配置された入口側内部冷
却室と、最初に入口側内部冷却室に入り翼状中空体内に
配置された出口側内部冷却室を通して流出する冷却通路
と、外方中空シャフトと内方中空シャフトからなる二重
の中空シャフトに接続されたタービンブレードとを有
し、前記入口側内部冷却室は外方中空シャフトに連通
し、出口側内部冷却室は内方中空シャフトに連通し、前
記冷却通路は外方中空シャフトと入口側内部冷却室を通
り次いで出口側内部冷却室から内方中空シャフトへと通
ずることを特徴とするタービンブレード。
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