JP3824324B2 - 冷却式プラットホームを備えたガスタービン翼 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、ガスタービンの回転翼に関する。特に、本発明はガスタービン翼のプラットホーム部分を冷却するための技術に関する。
ガスタービンは代表的には、圧縮空気を生じさせるための圧縮機区分を含む。燃料がこの圧縮空気の一部と混合して一または二以上の燃焼器内で燃焼させ、それにより高温圧縮ガスを生じさせる。次に高温が圧縮ガスをタービン区分内で膨張させて回転軸出力を生じさせる。
タービン区分は代表的には、複数の交互に並んだ静翼列と回転翼（以下、「動翼」という場合がある）列を採用している。回転翼は各々、翼幹部及び回転翼をロータに取り付けるための翼根部を有する。翼根部は、プラットホームを有し、このプラットホームから翼幹部が延びている。
静翼及び動翼は燃焼器から排出される高温圧縮ガスにさらされるので、これら構成部品を冷却することが最重要である。従来、冷却を行うには、圧縮機からの圧縮空気の一部を抽出し（これを次に冷却しても或いは冷却しなくてもよい）、これをタービン区分に差し向け、それにより燃焼器をバイパスさせている。タービンへの導入後、冷却用空気は、静翼及び動翼の翼幹部に形成された半径方向通路を通って流れる。代表的には、多くの小さな軸方向通路が、静翼及び動翼の翼幹部の内側に形成され、これらは半径方向通路のうち１又は２以上と連結されて、冷却用空気が翼幹部の表面上に、例えば前縁及び後縁、或いは負圧面及び正圧面に差し向けられるようになっている。冷却用空気が静翼又は動翼を出た後、タービン区分を通って流れる高温ガスに入りこれと混じり合う。
上述の翼冷却手法は、動翼の翼幹部に関して適当な冷却を可能にしたが、従来、特に、翼根部のプラットホームを冷却する際に用いられる冷却用空気はなく、プラットホームの上面は燃焼器からの高温ガスの流れにさらされている。上流側の静翼から排出された冷却用空気の一部は翼根部のプラットホームの上面上を流れてフィルム冷却の手段となるが、経験の示すところによれば、このフィルム冷却はプラットホームを適度に冷却するには不十分である。その結果、酸化及び亀裂がプラットホーム中に生じる場合がある。
考えられる一解決策は、上流側静翼から排出される冷却用空気の空気を増大させることによってフィルム冷却作用を強めることにある。しかしながら、かかる冷却用空気はタービン区分を通って流れる高温ガスに入るが、冷却用空気は燃焼区分内で昇温作用を受けないので、冷却用空気から得られる有益な仕事はほとんどない。かくして、高い効率を達成するためには、冷却用空気の使用を最小限にすることが重要である。
米国特許第４，０１２，１６７号は、冷却剤キャビティが設けられた冷却式プラットホームを有する静翼又は動翼を開示しており、キャビティ内には複数の冷却用流体のインピンジメントジェットが注入されてプラットホームの壁に当たり、衝突後にプラットホームの壁に沿って流れてこれを冷却し、最終的にはプラットホーム表面に沿って冷却用キャビティから出るようになっている。ダム部材が、インピンジメントジェットに隣接して冷却用キャビティ内へ延び、それによりインピンジメントジェットを、衝突後に冷却用キャビティを通過する冷却用流体から隔離する。プラットホームは、４つの別個独立の冷却構造体によって４つの互いに異なる領域中で互いに異なる仕方で冷却される。これは、プラットホームの複雑な冷却方式を必要とする。
従って、最小限の冷却用空気を用いてガスタービン中の回転翼のプラットホーム部分を冷却する装置を提供することが望ましい。
発明の概要
従って、本発明の目的は、最小限の冷却用空気を用いてガスタービン中の回転翼のプラットホーム部分を冷却するための装置を提供することにある。
本発明のこの目的及び他の目的は、圧縮空気を生じさせるための圧縮機区分と、圧縮空気の第１の部分を加熱して高温圧縮ガスを生じさせるための燃焼区分と、高温圧縮ガスを膨張させるためのタービン区分とを有し、タービン区分内にはロータが配置され、ロータには複数の翼が取り付けられ、翼の各々は、翼幹部及び翼根部を有し、翼根部はプラットホームを有し、プラットホームは上流側フェース及び下流側フェースと、高温圧縮ガスにさらされる第１の表面及び第１の表面とは反対側に位置する第２の表面とを有し、前記翼は翼根部のプラットホームを冷却するための手段を有し、プラットホーム冷却手段は、冷却用流体をプラットホームの第２の表面に当てるよう差し向ける手段（９９）を含み、プラットホーム冷却手段は第２の表面から間隔を置いて配置された部材を有し、該部材と第２の表面との間にはキャビティが形成され、前記部材には複数の冷却用流体用孔が設けられ、冷却用流体は前記孔を通ってキャビティに流入し、プラットホーム冷却手段は、プラットホームの長手方向の大部分を貫通して延びる通路を更に有し、該通路は前記キャビティと流体連通する入口及び前記下流側フェースに設けられ高温圧縮ガスと流体連通する出口を有し、それにより前記通路は冷却用流体を前記キャビティから高温圧縮ガスに差し向けることを特徴とするガスタービンにより達成される。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明のガスタービンの一部の部分概略縦断面図である。
図２は、第１列の翼の付近における図１に示すタービン区分の一部の詳細図である。
図３は、図２に示す第１列の翼の流れの方向と逆に見た等角図である。
図４は、翼のプラットホーム部分を通る断面を示す図３に示すIV−IV線における横断面図である。なお、翼幹部は実際には横断面を取った位置の上方にのみ延びるが、見る人のためにこの図では翼幹部は想像線で示されている。
図５は、図４に示す５−５線のおける断面図であり、翼幹部の凹状面と反対側のプラットホームの部分を示す図である。
図６は、図４に示す６−６線における横断面図であり、翼幹部の凸状面と反対側のプラットホームの部分を示す図である。
図７は、図４に示すVII−VII線における横断面図であり、２つの隣り合う翼を示す図である。
図８は、図６のVIII−VIII線における横断面図であり、プラットホームの下側を示す図である。
図９は、インピンジメント板の等角図である。
図１０は、Ｘで示し円で囲んだ図７の部分の詳細図である。
好ましい実施例の説明
図面を参照すると、図１には、ガスタービンの一部の縦断面が示されている。ガスタービンの主要構成要素は、圧縮機区分１、燃焼区分２及びタービン区分３である。ロータ４が、これら３つの区分の中央に配置された状態でこれらを貫通していることが分かる。圧縮機区分１は、交互に配置された静翼の列１２と動翼又は回転翼１３を筒体７，８で包囲したものである。静翼１２は筒体８に固定され、回転翼１３はロータ４に取り付けられたディスクに固定されている。
燃焼区分２は、筒体８の後部と一緒に室１４を形成するほぼ円筒形のシェル９とロータ４の一部を包囲するハウジング２２で構成される。複数の燃焼器１５及びダクト１６が、室１４内に収納されている。ダクト１６は燃焼器１５をタービン区分３に連結している。燃料（これは、液体又はガスの形態、例えば、留出燃料油又は天然ガスであるのが良い）が、燃料ノズル３４を通って各燃焼器１５に入り、この中で燃やされて高温圧縮ガス３０が生じる。
タービン区分３は、外側筒体１０で内側筒体１１を包囲して構成される。内側筒体１１は、静翼列及び回転翼列を包囲する。静翼は内側筒体１１に固定され、回転翼はロータ４のタービン区分の一部を形成するディスクに固定されている。
作動の説明をすると、圧縮機区分１は、周囲空気を取り入れてこれを圧縮する。圧縮機区分１からの圧縮空気５は室１４に入り、次に燃焼器１５の各々に分配される。燃焼器１５内では、燃料３５は圧縮空気と混合されて燃やされ、それにより高温圧縮ガス３０を生じさせる。高温圧縮ガス３０はダクト１６を通り、次にタービン区分３の静翼列及び回転翼列中を流れ、この過程において、ガスは膨張し、ロータ４を駆動させる動力を発生させる。次に、膨張ガス３１をタービン３から排出する。
圧縮機１からの圧縮空気５の一部１９は、シェル９に連結されたパイプ３９によって室１４から抽気される。その結果、圧縮空気１９は燃焼器１５をバイパスし、ロータ４のための冷却用空気となる。所望ならば、冷却用空気１９を外部冷却装置３６によって冷却するのが良い。冷却された冷却用空気３２は冷却装置３６から、次にパイプ４１によりタービン区分３に差し向けられる。パイプ４１は冷却用空気３２をハウジング２２に形成された開口部３７に差し向け、それにより冷却用空気３２がロータ４を包囲している冷却用空気マニホルドに入ることができるようにする。
図２に示すように、タービン区分３内では、燃焼区分２からの高温圧縮ガス３０はまず最初に初段静翼１７の翼幹部上を流れる。圧縮機１からの圧縮空気の一部２０′が初段静翼の翼幹部を通って流れてこれを冷却する。初段静翼の翼幹部に設けられた複数の孔（図示せず）が、冷却用空気′を複数の小さな流れ４５として放出し、これら流れは次に高温ガス３０中に混入する。次に、冷却用空気４５と高温ガス３０の混合気は翼１８から成る第１列の翼幹部上を流れる。
上述したように、初段静翼１７からの冷却用空気の流れ４５の半径方向最も内側の部分は、列中の翼のプラットホーム４６について或る量のフィルム冷却を行うことが見込めるが、経験の示すところによれば、この冷却手段は不十分である。したがって、本発明は、プラットホーム４６の冷却を別途行うための手段に関する。
図２に示すように、ロータの冷却用空気７０は、ハウジング２２に設けられた円周方向スロット３８を経てキャビティ２４を出て、その後、ハウジング２２と、一般に「エアセパレータ」と呼ばれるロータの部分２６との間に形成された環状通路６５に入る。環状通路６５から、冷却用空気７０のうち大部分４０は、孔６３を経てエアセパレータ２６に入り、最終的には、ロータディスク２０、次に種々の動翼列に至る冷却用空気となる。
冷却用空気７０のうち小さな部分３２は、通路６５を通り多数のラビリンスシール６４上へ下流に流れる。冷却用空気３２は次に、通路６５から半径方向外方に流れる。ハニカムシール６６が、ハウジング２２と列の１つの動翼１８の前方に延びるリップとの間に形成されている。シール６６は、冷却用空気３２が高温ガス流路中に直接流出するのを防止する。その代わり、本発明によれば、冷却用空気３２は、各列の１つの翼１８のプラットホーム４８に形成された２つの通路（これについては以下に詳細に説明する）を通って流れ、それにより、プラットホームを冷却すると共に、過度に高い温度に起因する劣化、例えば酸化及び亀裂を防止する。使用された冷却用空気３３は、プラットホーム冷却用空気通路から出た後、タービン区分３内で膨張中の高温ガス３０に入る。
図３、図５及び図６に示すように、各列の１つのタービン翼１８は、翼幹部４２及び翼幹部４４で構成されている。翼幹部４２は、前縁５６及び後縁５７を有する。凹状の正圧面５４及び凸状の負圧面５５が、翼根部４２の両側で前縁５６と後縁５７の間に延びている。翼根部４４は、その下部に沿って延びる複数のセレーション５９を有し、これらセレーションは、ロータディスク２０に形成された溝４７のセレーションと嵌合し、それにより翼をディスクに固定している。
プラットホーム部分４６が、翼根部４４の上部に形成されている。翼幹部４２は、プラットホーム４６に連結されると共にこれら半径方向外方に延びている。半径方向外方に延びるシャンク部分５８が、翼根部４４の下部のセレーション付き部分とプラットホーム４６とを連結している。プラットホーム４６は、半径方向に延びる上流側フェース６０及び下流側フェース６１を有している。さらに、プラットホーム４６の一部４８は、翼幹部から横方向に延びていて、翼幹部４２の凸状面５４と反対側でシャンク５８から張り出している。張出し部分４８は横方向に延びる縁５０で終端している。プラットホームの別の部分４９が、翼幹部から横方向に延びていて、翼幹部４２の凹状面５５と反対側でシャンク５８から張り出している。張出し部分４９は横方向に延びる縁５１で終端している。
図４、図６及び図７に最も良く示されているように、３つのキャビティ９６，９７，９８が、プラットホーム４６の張出し部分４８内に形成されている。キャビティ９６〜９８は、支持リブ９４，９５で分離されている。孔７５，７６が支持リブ９４，９５にそれぞれ形成されていて、キャビティ９６〜９８が流体連通状態になっている。
図４、図５及び図７に示すように、冷却用空気通路７０，７１が、プラットホーム４６の張出し部分４８，４９内に形成されている。冷却用空気通路７０，７１が、高温ガス３０にさらされる半径方向外方に向いたプラットホーム表面６７の真下に位置していて、これと実質的に平行に延びる長手方向部分を有する。図４に示すように、冷却用空気通路７０はキャビティ９６に形成された入口８０を有する。通路７０は、入口８０からプラットホーム４６の側縁部５９に向かって横方向に延び、次に９０°曲がり、そして側縁部５０のすぐ内側で、図４にＬで示すプラットホーム４６の長手方向の大部分を貫通して長手方向に延びている。本明細書において、「長手方向」という用語は、プラットホーム４６の側縁部５０と実質的に平行な方向をさすものとする。通路７０は、最終的には、プラットホーム４６の下流側フェース６１に設けられた出口８８を形成する。好ましい実施形態では、通路７０はプラットホーム４６の長さＬの少なくとも９０％にわたって延びている。
第２の冷却用空気通路７１は、図５に示すように、半径方向外向き表面６７と反対側に位置したプラットホーム４６の半径方向内方に向いた表面６８に形成された入口８１を有する。通路７１は、入口８１からプラットホーム４６の半径方向外向き表面６７に向かって半径方向外方へ延び、次に約９０°曲がり、そしてプラットホーム４６の上流側フェース６０に向かって長手方向に延びている。図４に示すように、通路７１は次にプラットホームの側縁部５１に向かって約80°曲がり、そして側縁部５１のすぐ内側で、長さＬのプラットホーム４６の大部分を貫通して長手方向に延びている。通路７１は、最終的には、プラットホーム４６の下流側フェース６１に設けられた出口８９を形成する。好ましい実施形態では、通路７１はプラットホーム４６の長さＬの少なくとも９０％にわたって延びている。
また、プラットホーム４６内には、側縁部５０，５１に対して斜めに延びる３つの冷却用空気通路７２〜７４が形成されている。図５に示すように、通路７２〜７４はそれぞれ、プラットホーム４６の張出し部分４９の半径方向内向き表面６８に形成された入口８２〜８４を有する。通路７２〜７４は、入口８２〜８４からプラットホーム４６の半径方向外向き表面６７に向かって半径方向外方へ延び、次に約９０°曲がり、そして図４に示すように、凸状翼幹部表面５５の下流側でプラットホーム４６の一部を斜めに貫通して延びている。通路７２〜７４はそれぞれ、図３及び図４に示すように、プラットホーム４６の下流側フェース６１内に設けられた９０〜９２を形成する。
好ましくは、長手方向及び斜め方向に延びる冷却用空気通路７０〜７４の部分は、プラットホーム４６の半径方向外向き表面６７の下に1.３cm（0.５インチ）以下にところに、最適には約0.７cm（0.２５インチ）のところに位置している。
図６〜図１０に示すように、全体として矩形のインピンジメント板９９が、キャビティ９６〜９８を覆った状態でプラットホーム４６の張出し部分４８の下側に取り付けられている。インピンジメント板９９は好ましくは、キャビティ９６〜９８を包囲している半径方向内向き表面６８の一部に対して縁部の４つ全てに沿って支持され、溶接によってこれに取り付けられている。加うるに、リブ９４，９５は遠心力に起因するインピンジメント板９９の過度の撓みを防止する中間支持体となる。インピンジメント板９９は、その表面上に分散して配置された複数の小さな孔１００を有する。好ましくは、キャビティ９６〜９８の半径方向深さと孔１００の直径の比は、少なくとも約３：１である。これにより、インピンジメント板９９は、これと反対側のキャビティの端部を形成する表面６８の一部から半径方向に十分に間隔を置いて位置し、それにより孔１００が表面６８に当たる冷却用空気３２″のジェットを形成できるようにする。好ましい実施形態では、キャビティ９６〜９８の半径方向深さは、約0.１２cm（0.４５インチ）であり、孔１００の直径は、約0.４cm（0.１５インチ）である。
作用を説明すると、ロータ４から冷却用空気３２は、図７に示すように、隣り合う翼の各対のシャンク５８の間に形成された空間１０１に入る。空間１０１から、冷却用空気３２の部分３２′は、図５に示すように、翼幹部の凹状表面５４とは反対側のプラットホーム４６の張出し部分４９に形成された通路７１〜７４の入口８１〜８４に入る。次に、冷却用空気３２′は、図３及び図４に示すように、プラットホーム４６の側フェース６１に形成された出口８９−９０へ張出し部分４９の通路７１〜３７４を通って流れ、それによりプラットホームの一部の対流冷却を行う。使用済み冷却用空気３３′は次に、上述したようにタービン区分３を通って流れる。
冷却用空気３２の他の部分３２″は、凸状翼幹部表面５４と反対側のプラットホーム４６の張出し部分４８上のインピンジメント板９９の孔１００を通って空間１０１からキャビティ９６〜９８に流れる。図１０に示すように、インピンジメント板９９により、冷却用空気３２″は、プラットホーム４６の張出し部分４８の表面６８に当たり、それによりインピンジ冷却を行う高速ジェットを形成する。表面６８に当たったあと、キャビティ９６〜９８は、冷却用空気３２″のジェットを収集する。冷却用空気３２″は、図４及び図１０に示すように、支持リブ９４，９５の孔７５を経てキャビティ９６〜９８を通り、通路７０の入口８０に至る。入口８０から、冷却用空気３２″はプラットホーム４６の張出し部分４８の通路７０を通って、プラットホームの下流側フェース６１に形成された出口８８まで流れ、それにより、対流冷却を行う。かくして、本発明によれば、冷却用空気３２″は、プラットホーム４６インピンジ冷却と対流冷却の両方を可能にする最後に、使用済み冷却用空気３２″はタービン区分３を通って流れている高温ガス３０と混ざる。
理解できるように、本発明の冷却方式は、例えば、もし冷却用空気通路の一つの静翼１７から出る冷却用空気４５の最も内側の流れの流量を増加させることによりフィルム冷却を増大させることによって冷却の強化を行う場合のように多量の冷却用空気を用いることなく、翼根部プラットホーム４６の強力な冷却を行う。
図１０に示すように、当該技術分野で周知の形式の断熱被膜１０２を高温ガス３０の流れにさらされるプラットホーム４６の半径方向外向き表面６７に被着させ、それによりプラットホームへの熱伝達を妨げるのが良い。
本発明を第１列の翼に関して説明したが、本発明は他の翼列にも適用できる。

Claims (8)

1. 圧縮空気を生じさせるための圧縮機区分（１）と、圧縮空気の第１の部分を加熱して高温圧縮ガスを生じさせるための燃焼区分（２）と、高温圧縮ガスを膨張させるためのタービン区分（３）とを有し、タービン区分内にはロータ（４）が配置され、ロータには複数の翼（１８）が取り付けられ、翼の各々は、翼幹部（４２）及び翼根部（４４）を有し、翼根部はプラットホーム（４６）を有し、プラットホームは上流側フェース及び下流側フェースと、高温圧縮ガスにさらされる第１の表面（６７）及び第１の表面とは反対側に位置する第２の表面（６８）とを有し、前記翼は翼根部のプラットホームを冷却するための手段を有し、プラットホーム冷却手段は、冷却用流体（３２”）をプラットホームの第２の表面に当てるよう差し向ける手段（９９）を含み、プラットホーム冷却手段は第２の表面（６８）から間隔を置いて配置された部材（９９）を有し、該部材と第２の表面との間にはキャビティ（９６、９７、９８）が形成され、前記部材（９９）には複数の冷却用流体用孔（１００）が設けられ、冷却用流体（３２”）は前記孔を通ってキャビティに流入し、プラットホーム冷却手段は、プラットホームの長手方向の大部分を貫通して延びる通路（７０）を更に有し、該通路は前記キャビティと流体連通する入口（８０）及び前記下流側フェースに設けられ高温圧縮ガスと流体連通する出口（８８）を有し、それにより前記通路は冷却用流体を前記キャビティから高温圧縮ガスに差し向けることを特徴とするガスタービン。
2. 前記部材は、板であることを特徴とする請求項１記載のガスタービン。
3. 翼幹部（４２）は凸状表面（５５）及び凹状表面（５４）を有し、プラットホーム（４６）の第１の部分（４８）は翼幹部の凸状表面の反対側に位置し、キャビティ（９６、９７、９８）はプラットホームの第１の部分に設けられていることを特徴とする請求項１記載のガスタービン。
4. プラットホーム（４６）の第２の部分（４９）は凹状表面（５４）の反対側に位置し、プラットホーム冷却手段はプラットホームの第２の部分を貫通して延びる第１の通路（７１）を更に有することを特徴とする請求項３記載のガスタービン。
5. プラットホーム冷却手段はプラットホームの第１の部分（４８）を貫通して延び、キャビティ（９６、９７、９８）と流体流通状態にある入口（８０）を備えた第２の通路（７０）を更に有することを特徴とする請求項４記載のガスタービン。
6. 翼根部（４４）はプラットホーム（４６）に連結された半径方向に延びるシャンク部分（５８）を有し、プラットホームの第１及び第２の部分（４８、４９）はシャンク部分を越えて構方向に延びることを特徴とする請求項５記載のガスタービン。
7. プラットホーム冷却手段は、プラットホーム（４６）を斜めに貫通して延びる第１の冷却用流体通路（７２）を更に有することを特徴とする請求項１記載のガスタービン。
8. プラットホーム冷却手段は、プラットホーム（４６）を長手方向に貫通して延びる第２の冷却用流体通路（７０）を更に有することを特徴とする請求項７記載のガスタービン。

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