JP3894974B2

JP3894974B2 - 閉回路蒸気冷却動翼

Info

Publication number: JP3894974B2
Application number: JP01480196A
Authority: JP
Inventors: アリエル・シーザー−プレペナ・ジャカラ; リチャード・モロリー・デイビス; マイケル・アデルバート・サリバン; ロン−シー・ポール・チウ; フレッド・ストーブ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1995-03-31
Filing date: 1996-01-31
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2016-01-31
Also published as: JPH08319803A; EP0735240A1; KR100393725B1; US5536143A; DE69612319T2; DE69612319D1; EP0735240B1; IN186935B; KR960034690A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は単純サイクルまたは複合サイクル形状の新しい陸上ガスタービンに関し、このガスタービンは、最少の構成部変更で高温ガスタービン部品の空気冷却または水蒸気冷却をなすように用い得るものであり、また５０および６０Ｈｚガスタービンにおいて幾つかのタービン構成部を変更なしに用い得るようにする設計変更を包含する。本発明は特に、４段複合サイクルガスタービンの第１段と第２段におけるガスタービン動翼の冷却用蒸気回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン動翼は、歴史的に、許容可能な使用温度を得るために圧縮機抽出空気を冷却媒体として用いてきた。この設計技術と関連する冷却通路は、通例、動翼の平均反り線に沿う蛇行構成のものである。反り線は翼形部の低圧側と高圧側間の点の軌跡である。隣合う半径方向通路が１８０度戻りＵベンドにより頂部と底部で交互に接続されて単一連続通路または独立蛇行通路を構成し、冷却用空気は次の諸手段、すなわち、（ａ）前縁孔、（ｂ）後縁に沿う出口孔、（ｃ）動翼の翼形部の高圧側と低圧側の出口孔および（ｄ）先端キャップ孔のうちの一手段または複合手段によりガス通路内に流出する。
【０００３】
各半径方向通路は通例動翼の翼形部の高圧側と低圧側を冷却する。各半径方向冷却通路の特定形状は、少ない圧力降下と高い熱伝達率という矛盾した要件の均衡を取るように設計される。熱伝達率を高めるために当該技術において用いられる手段は、隆起リブ形乱流促進体（トリップストリップまたはタービュレータとしても知られる）と、通路クロスオーバ衝突と、衝突挿入体の使用と、ピン列の使用とを包含する。これらの手段は流れにおける局所乱流を増し、従って熱伝達率を高める。開回路空気冷却の効果は、動翼の翼形部表面の開口を経て抽出された絶縁用空気膜で翼形部を覆うことによりさらに改善される。しかし、圧縮機抽気流の使用の欠点はそれが元来寄生的てあることである。換言すれば、タービン構成部冷却はガスタービンの熱力学的効率を犠牲にして達成される。他方、水蒸気のような高圧高密度流体を含む冷却手段はまだ動翼冷却に用いられておらずまた商用ガスタービンにおいて実用化されていない。
【０００４】
【発明の開示】
本発明の目的は、非常に高い外部燃焼ガス温度（約２４００゜Ｆ）のガスタービン状態と、複合サイクル蒸気・ガスタービン原動所の蒸気タービンサイクルから得られる抽出蒸気に特有の内部高圧冷却媒体供給状態（６００〜１０００ｐｓｉ）とで使用し得るタービン動翼の設計を提供することである。本件出願人が所有する「動翼先端間隙を制御し得る除去自在タービン内殻（Removable Inner Turbine Shell With Bucket Tip Clearance Control)」と題した同時係属米国特許出願第０８／４１４６９８号は、接近しやすくそして第１段と第２段のステータ構成部とロータ構成部の冷却を空気冷却から蒸気冷却に変換し得る取外し可能な内殻を開示する。本件出願人が所有する「タービンロータ構成部の閉または開回路冷却（Closed Or Open Circuit Cooling Of Turbine Rotor Components)」と題した同時係属米国特許出願第０８／４１４６９５号は、冷却用蒸気を第１段と第２段の動翼に供給する方式を開示する。両米国特許出願は参照によりここに包含される。
【０００５】
本発明は第１段と第２段のタービン動翼自体に関し、そしてガスタービンの第１段と第２段、すなわち、冷却が最も過酷な段のために、ガスタービン圧縮機から抽出される空気の代わりに蒸気をタービン動翼冷却媒体として用いることにより、ガスタービンサイクルの熱力学的効率を最大にしようとするものである。所望目標の達成に当たり、閉回路蒸気冷却動翼と関連冷却媒体通路の設計を次の追加基準により決定する。
【０００６】
（１）最少冷却媒体圧力損失
（２）予知可能な適切な熱伝達
（３）部品の目標寿命に適合する金属温度
（４）２次流れ効果の最少化
（５）製造しやすさ
追加的な背景として、ガスタービンの熱力学的効率を最大にするのに必要な高いガス入口温度は、ガスタービン動翼構造に用いる金属を十分溶かし得る。最初の少数段において用いる動翼は、溶融と、応力破断と、過度のクリープと酸化とを防止するために冷却される。この冷却を適切に施さなければ低サイクル疲労による過早割れを防止できない。ガスタービン入口温度の絶えざる上昇と、原動所の熱効率を最大にするための複合サイクルの使用とに応じて、蒸気をガスタービン高温ガス流路構成部用の冷却媒体として用いることが考えられる。
【０００７】
蒸気をガスタービン動翼冷却用の冷却媒体として用いることは幾つかの利点をもたらし得る。一つの利点は優れた熱伝達が可能になることである。例えば、代表的な高圧抽出蒸気を圧縮機抽出空気と比べた場合、（他の要目が等しいとすれば）蒸気はその比較的高い比熱によりダクト乱流における熱伝達率が７０％まで有利である。より重要な利点はガスタービン熱効率が比較的高いことである。圧縮機抽出空気はもはや第１および第２段の冷却に必要でないので、ガス流路内の流れの増加分として利用されて軸仕事に変換され、同量の燃料熱の取入れに対してタービン出力を高め得る。しかし、冷却媒体としての蒸気と関連して幾つかの問題があり、これらは、閉回路を維持する必要性と、蒸気原動所内の再熱抽出に特有の既述の高い供給圧力とから発生する。閉回路冷却において、冷却媒体は動翼のシャンクに供給されかつ除去され、また多数の半径方向外向きおよび内向き流路を含む単一蛇行回路が動翼内に設けられる。
【０００８】
（空気が冷却媒体である時通例用いられる開回路冷却に対して）閉回路冷却は好適である。なぜなら、（ａ）さもなければ、（複合サイクル構成を仮定した場合）多量の補給水が蒸気タービンサイクルに必要になるからであり、さらに、（ｂ）蒸気を抽出しそしてガス流路に混入することは、蒸気の熱容量が比較的高いので蒸気の冷却能力が比較的大きく高温燃焼ガスの仕事能力をそれだけ減らすので、（空気に比べ）熱力学的効率に比較的有害であるからである。
【０００９】
蒸気タービンサイクルの熱力学的効率を最適にするために再熱蒸気を通常高圧で抽出するので、高い冷却蒸気圧力が必要である。冷却のために通常必要な薄い翼形部壁は、内部冷却媒体すなわち蒸気とガス流路との圧力差に対して十分でないかもしれず、その結果過度の機械的応力が生じ得る。蒸気圧力は代表的な圧縮機抽出空気圧の３〜５倍（例えば、空気圧２００ｐｓｉに対し蒸気圧６００〜１０００ｐｓｉ）以上になり得る。従って、高い熱流束と高い供給圧力が同時に生ずる状態で機能し得る新しい設計が必要である。
【００１０】
冷却媒体として用いる高圧高密度蒸気から他の問題が発生する。例えば、１０００ｐｓｉａの蒸気の密度は２００ｐｓｉａの空気の密度の３倍である（ただし同じ温度例えば８００゜Ｆの時）。同時に、蒸気の熱容量は同じ状態において空気のそれのほぼ２倍である。これは、同等の対流冷却に対して比較的少ない蒸気質量流量が必要であることを意味する。浮力対強制対流の慣性力の比から得られる浮力数B₀は、グラスホフ数をレイノルズ数の２乗で割って得たもの（Gr/Re²）により定義される。空気冷却動翼の場合、望ましくない浮力効果は通例小さい、すなわち、B₀＜＜１。蒸気の場合、浮力効果はより大きく、そして浮力数B₀が１に近づくにつれ、望ましくない効果はさらに重大となる。従って、蒸気冷却系の内部冷却媒体通路は、以下に詳述するコリオリ効果と浮力効果を減らすように設計されなければならない。これらの効果は２次流効果としても知られている。
【００１１】
さらに詳述すると、蒸気の比較的高い密度と低い流量（所与の通路断面積に対して比較的低い流速）では、動翼内部冷却通路内の冷却流体はコリオリの力と遠心浮力から２次流を比較的発達させやすく、これらの２次流は、（ａ）熱伝達の予知可能性に影響しそして（ｂ）不均等吸熱または起こり得る逆流により熱伝達を損ねる。動翼が軸の中心線の周りを回転する時、翼形部の片側は回転方向において他側の前方にある。前方にある翼形部の片側は先導側でありそして後方にある側は後続側である。文献（例えば、論文(Paper) ＨＴＤ第１８８巻のプラカシュ(Prakash) とザークル(Zerkle)著「半径方向回転正方形ダクト内の乱流と熱伝達の予知 (Prediction of Turbulent Flow and Heat Transfer in a Radially Rotating Square Duct)」参照）に示されているように、空気が冷却媒体である時、流れは冷却媒体通路断面の面内で先導側近くの高圧域から後続側近くの低圧域へ移動する傾向を示す。このような効果は蒸気が冷却媒体である時比較的過酷である。
【００１２】
コリオリの力と遠心浮力の影響は、蛇行冷却回路の半径方向外向き流路において、特に（動翼のハブと先端との中間にある）ピッチ線から動翼の先端までの区域において最も重大であることもわかっている。従って、本発明の重点は動翼の半径方向外向き流路の設計にある。任意のこのような設計は、これらの力による不利な再循環流を生成する流れ状態の予備知識を必要とし、この知識を得た時点で通路の寸法と形状を用いて悪影響を最少にすることができる。
【００１３】
このような任意の設計過程において考慮すべきパラメータは、（ａ）ガスタービンに入る燃焼ガスの質量流量、（ｂ）冷却媒体の熱伝達率、（ｃ）冷却すべき表面積、（ｄ）動翼前縁における燃焼ガスの温度、（ｅ）動翼の温度、および（ｆ）熱流束を包含する。
加えて、幾つかの材料制限により設計上幾つかの観点が必要になる。例えば、一実施態様では、ロータ自体が、ロータを形成する材料例えばインコネルの特性により、タービンを出る冷却媒体の温度を約１０５０゜Ｆ以下にすることを必要とする。この場合、（圧力が約６００〜１０００ｐｓｉであれば）タービンに入る冷却用蒸気を約６９０゜〜７６０゜Ｆにすべきである。冷却蒸気がタービンの第１段と第２段に達するまでに、蒸気の温度は幾分高くなり（約１０００゜Ｆ）そして圧力は幾分低くなる（約７００ｐｓｉ）。
【００１４】
この新しいガスタービンの予想運転パラメータによれば、燃焼ガスは第１段に約２４００゜Ｆで流入する可能性があり、そして最高金属温度は約１８００゜Ｆ以下に下げる必要がある。これらに対応して生じ得る第２段温度はそれぞれ２０００゜Ｆと１６５０゜Ｆである。
これらの条件を設定すると、冷却媒体の質量流量と冷却媒体通路面積を決定できる。同時に、冷却媒体の質量流量と入口温度（Ｔ_IN）が与えられれば、通路はコリオリ効果と浮力効果に対応する（すなわち両効果を最少にする）ように設計できる。
【００１５】
従って、本発明によるタービン動翼設計の新しい特徴は、動翼冷却通路に存するとともに、ガスタービンの第１段と第２段において高圧蒸気だけを動翼冷却流体として用いることにある。第３段は空気で冷却されるままであり、そして第４段は、従来のように、冷却されない。
第１実施態様では、タービン動翼内の半径方向通路が単一蛇行閉回路に形成され、蒸気が動翼の後縁に沿って流入しそして動翼の前縁に沿って流出する。半径方向内向きおよび外向き流路の数は、上述の設計基準の要求に基づく任意の数でよい。半径方向通路は１８０度戻りＵベンドにより交互に接続されており、そして各通路は４５度の角度をなす隆起リブ形乱流促進体を含む。
【００１６】
翼形部のピッチ線における横断面において、半径方向外向き流路は、翼形部の前縁に沿う半径方向内向き流路（流出路）を除外して半径方向内向き流路より小さく設計される。この除外の理由については後述する。
比較的小さな半径方向外向き流路は、冷却流体に作用する遠心浮力の結果として半径方向２次流再循環が発生する傾向を抑制する。この不利な傾向は、製造可能性と圧力降下の限界内で半径方向外向きの流れの体積流速をなるべく大きくすることにより抑制される。半径方向外向き流路は、試験結果によって実証されたように浮力パラメータが外向き流路の先導側で熱伝達率を最高にするような縦横比（通路断面の長さ対幅の寸法比）をもつように設計される。半径方向外向きの流れにおける作用の目標範囲は、縦横比が３．３対１の通路に対して浮力数が０．１５より小さいかまたは０．８０より大きい範囲である。前述のように、コリオリの力と浮力の悪影響は、空気を冷却媒体として用いる時、半径方向内向き流路では比較的少ないことが知られている。（例えば、１９９０年のＡＳＭＥ論文(Paper) ９０−ＧＴ−３３１のワグナー(Wagner, J.H.)とジョンソン(Johnson, B.) とコッパー(Kopper, F.)著「滑らかな壁を有する回転蛇行通路内の熱伝達 (Heat Transfer in Rotating Serpentine Passages with Smooth Walls)」参照。）本発明者はこれが蒸気の場合にも当てはまることを確認した。従って半径方向内向き流路は所望熱伝達率の範囲と圧力降下限度内で比較的大きく保たれる。
【００１７】
上記実施態様はまた、熱伝達率を高めるために乱流促進用隆起リブまたはトリップ帯片を用いることを特徴とする。このような特徴は、局所乱流が２次流傾向を打破するので、浮力とコリオリ力の悪影響を減らすという別の利点を有する。この効果も文献（例えば、ワグナー(Wagner, J.H.)とスチューバー(Steuber, G.) とジョンソン(Johnson, B.) とイエイ(Yeh, F.) 著「流れに対して傾斜したトリップを有する回転蛇行通路内の熱伝達 (Heat Transfer in Rotating Serpentine Passages with Trips Skewed to the Flow)」参照）に（空気に関して）記載されている。ピン列も機械的強度と熱伝達のために後縁通路内で用い得る。
【００１８】
閉回路冷却動翼の先端部の冷却は別の問題を提起する。代表的な高技術開回路空気冷却設計は翼端近くに冷却空気を抽出して翼形部の先端周囲の熱流束を減らす。減少した熱流束は壁の温度勾配と、関連熱応力を減らす。閉回路冷却では、問題を解決する機構は単に内部対流冷却によるものである。
翼端冷却は動翼先端キャップの下側に隆起リブを設けることにより施される。これらのリブは局所乱流を増し、従って熱伝達率を高める。
【００１９】
他の特徴は、リブが壁および先端キャップと合う接合部に抽気孔を設けることである。この特徴は、コーナ域が比較的低温のリブに拘束されないことにより、高い熱応力の除去に役立つ。この状況は、翼形部壁と先端キャップとの接合部における外側コーナの面取りまたは丸み付けをすることによりさらに改善される。これは有効壁厚を減らすとともに、先端キャップの周囲における翼形部の壁内の温度勾配を減らす。
【００２０】
上記設計の一改変例では流れは逆向きにされる。すなわち、流れは半径方向外向きに前縁通路を通り次いで同様の蛇行通路を逆にたどり後縁通路を通って流出する。
動翼温度を許容限度内に保つためには、諸開示実施態様を実際の動翼設計に組込むことに加えて、動翼外面に遮熱材を被覆する必要があり得ることもわかっている。
【００２１】
従って、本発明は一態様において、シャンク部と、半径方向先端部と、前縁と後縁と圧力側と吸引側を有する翼形部と、内部流体冷却回路とを有するガスタービン動翼において、内部流体冷却回路が複数の半径方向外向き流路と複数の半径方向内向き流路とを含む蛇行形状を有し、そして半径方向外向き流路が約３．３対１の縦横比と０．１５より小さいかまたは０．８０より大きい浮力数を有するように形成されることを特徴とするガスタービン動翼からなるものと定義され得る。
【００２２】
他の態様において、本発明は、シャンク部と、半径方向先端部と、シャンク部と半径方向先端部との間に延在しそして前縁と後縁と圧力側と吸引側を有する翼形部と、内部流体冷却回路とを有するガスタービン動翼において、内部流体冷却回路が複数の半径方向外向き流路と複数の半径方向内向き流路とを含む蛇行形状を有し、そして半径方向外向き流路が平均して半径方向内向き流路より小さい断面積をもつことを特徴とするガスタービン動翼からなるものと定義され得る。
【００２３】
他の態様において、本発明は、ガスタービン内の一動翼段の水蒸気冷却通路の形状を決定する方法であって、（ａ）前記ガスタービン段を通る燃焼ガスの入口温度と質量流量を決定する段階と、（ｂ）前記動翼段の回転により冷却用蒸気に生ずるコリオリおよび浮力流れ効果を考慮する段階と、（ｃ）半径方向外向き冷却媒体流路の縦横比を約３．３対１そして同流路内の浮力数を０．１５より小さいかまたは０．８０より大きくする寸法と形状を有するように半径方向内向きおよび外向き冷却媒体流路を形成する段階とからなる方法に関係する。
【００２４】
本発明から生ずる諸利点は次のように要約できる。
１．高圧水蒸気を用いる閉回路蒸気冷却により達成されるバルク冷却効果が開回路空気冷却のそれより大きい。
２．タービン動翼の閉回路蒸気冷却は、タービン動翼冷却用の寄生的な圧縮機抽気流をなくすることによりガスタービンの熱力学的効率を高める。
【００２５】
３．回転によるコリオリの力と浮力の悪影響と、外向き流れの逆流のおそれが、特に半径方向外向き流路内の冷却媒体の流量に関する適切な通路設計により減少した。
４．回転によるコリオリ力と浮力の悪影響と逆流のおそれは、乱流促進リブまたはトリップ帯片の使用によりさらに減少した。
【００２６】
５．冷却媒体空洞の周囲に沿う熱伝達率の均等分布が通路設計により最善となった。
６．先端転向部内の流れ渋滞域が、転向羽根および（または）隆起リブ形乱流促進体の使用により除去された。
７．先端冷却は先端キャップの下側に隆起リブ形乱流促進体を使用することにより改善された。
【００２７】
８．先端キャップの外周における熱応力は、リブと翼形部壁と先端キャップとの接合部に配設した抽気孔により除去される。
９．通路は熱伝達を最大にしそして高い内部圧力を保つように設計された。
上記の利点以外の利点は以下の詳述から明らかとなろう。
【００２８】
【実施例の記載】
図１は単純サイクル単軸強力ガスタービン１０の概略図である。このガスタービンは、ロータ軸１４を有する多段軸流圧縮機１２を含むものと考えてよい。１６において圧縮機の入口に入った空気が、軸流圧縮機１２により圧縮された後排出されて燃焼器１８に達し、そこで天然ガスのような燃料が燃やされて高エネルギー燃焼ガスが発生しタービン２０を駆動する。タービン２０において、高温ガスのエネルギーが仕事に変換され、その一部分は軸１４を介して圧縮機１２の駆動に使用され、残部はロータ軸２４（軸１４の延長軸）により発電機２２のような負荷を駆動する有用仕事として発電に利用される。典型的な単純サイクルガスタービンは、燃料による入力の３０〜３５％を軸出力に変換する。入力残部は１〜２％を除く全てが排気熱の形態で２６においてタービン２０を出る。
【００２９】
図２は、２６においてタービン２０を出た排気ガスのエネルギーが追加有用仕事に変換される最も簡単な複合サイクルを示す。排気ガスは熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）２８に入り、そこで水をボイラ方式で蒸気に変換する。こうして発生した蒸気は蒸気タービン３０を駆動し、そこで追加仕事が抽出され軸３２を介して第２発電機３４のような追加負荷を駆動し、これにより追加電力が発生する。ある構成では、タービン２０、３０が共通発電機を駆動する。電力だけを発生する複合サイクルは、比較的進んだガスタービンを用いる場合、５０〜６０％の熱効率範囲内にある。
【００３０】
本発明において、第１段と第２段のガスタービン動翼の冷却に用いる蒸気は、本件出願人が所有する１９９３年１２月３日付米国特許出願第０８／１６１０７０号に記載してある方法で複合サイクル装置から抽出され得る。本発明は複合サイクル自体に関するものではなく、上述に適応する第１および第２段ガスタービン動翼の内部蒸気冷却通路の形状に関するものである。
【００３１】
図３は本発明と関連するガスタービンの区域をより詳細に示す。圧縮機１２’から出た空気が、ガスタービンロータ１４’の周囲に配設された幾つかの燃焼器に通常の仕方で送られる。このような燃焼器の一つを３６で示す。燃焼により発生したガスはガスタービン２０’の駆動に用いられ、このガスタービンは本例では４つのホイール３８、４０、４２、４４により代表される４つの連続段を含み、これらのホイールはガスタービンロータにそれと共に回転するように装着され、そして各ホイールには複数の動翼が含まれ、それぞれ符号４６、４８、５０、５２で表され、これらの動翼は、静翼５４、５６、５８、６０により代表される固定ステータ間に交互に配設されている。本発明は特に、動翼４６、４８により代表される第１および第２段動翼の蒸気冷却と、動翼内部冷却通路内の２次的なコリオリの力と遠心浮力の影響を最少にすることとに関係する。
【００３２】
図４（Ａ）と（Ｂ）には、先導側（吸引側）６と後続側（圧力側）８とを有する動翼４内に代表的な通路２が示されている。コリオリにより誘起される２次流（矢印Ａの方向の回転を仮定）は比較的低温高運動量の流体をコアから後続側８に運び、これにより半径方向速度と温度勾配、従って対流効果が増大する。遠心浮力は後続側８近くの冷却流体の半径方向速度を高め、対流効果をさらに高める。先導側６では、状況は全く逆である。コリオリ誘起２次流により、流体は後続側８および側壁と熱を交換した後、先導側６に達する。先導側６近辺の流体は比較的高温でありそして流体内の温度勾配は比較的低く、対流効果を弱める。同じ理由で、コリオリ誘起流は先導側６近辺で半径方向速度を下げ、対流効果をさらに弱める。浮力効果は高密度比で強くなるので、通路２の先導側６近辺で逆流が起こり得る。本発明の目的の一つは、２次流の存在を解明することにより、動翼内の内部冷却通路、特に、２次流の影響が比較的過酷である半径方向外向き流路を適切に設計することによって２次流の悪影響を軽減することである。
【００３３】
図５は本発明によるガスタービン第１段動翼４６の外観を示す。動翼４６の外観は他のガスタービン動翼と比べて典型的なものであり、この動翼は翼台６４に取付けた翼形部６２からなり、翼台６４は、半径方向シールピン６８により動翼のシャンク６６を流路内の高温ガスから遮断する。シャンク６６は、軸方向シールピン（図示せず）によりシャンク部をホイール間空洞から遮断するために２つの一体板またはスカート７０（前後）により覆われている。シャンク６６はダブテール取付部７２によりロータディスクに取付けられる。エンジェルウイング（天使の翼）形シール７４、７６がホイール間空洞の密封をなす。本発明の新しい特徴はダブテールの底部シャンク下のダブテール付属部７８であり、これは、破線で示した軸方向配設通路８０、８２により冷却用蒸気を動翼に供給しかつそれから排除するものであり、両軸方向通路は軸方向ロータ通路（図示せず）と連通する。
【００３４】
図６は第１段動翼４６内の内部冷却通路を簡略に示す。通路８０を経て動翼に入った蒸気は単一蛇行閉回路を通流し、この回路は全部で８つの半径方向延在通路８４、８６、８８、９０、９２、９４、９６、９８を有し、これらの通路は１８０度戻りＵベンドにより交互に接続されている。流れは半径方向内向き流路９８を経てシャンクを通り、この流路は軸方向出口通路８２と連通している。外向き流路８４は通路１００を介して入口通路８０と連通し、内向き流路９８は半径方向通路１０２を介して出口通路８２と連通している。半径方向流路の全数は特定設計基準により可変である。
【００３５】
図７は図５に示した動翼の概略平面図であり、第１半径方向外向き流路後の半径方向内向きおよび外向き流路内に概して４５度に配向された一体隆起リブ１０４を示し、これらのリブは乱流促進体として役立つ。これらのリブはまた、様々な内向き流路と外向き流路を接続する１８０度Ｕベンド内で別の角度をなしている。図８Ａ〜Ｃに見られるように、乱流促進リブ１０４は動翼４６の先導側（低圧側）と後続側（圧力側）とに沿って設けられている。
【００３６】
後縁に隣接する半径方向外向き流路８４内に設けたピン１０６（図６、図７）が機械的強度と熱伝達特性を高める。これらのピンは、図６と図７の比較から明らかなように、相異なる断面形状を有し得る。
図８Ａは動翼４６の根部の横断面を示し、そして流れの矢印は様々な通路８４、８６、８８、９０、９２、９４、９６、９８内の半径方向内向きと外向きの流れを示す。冷却蒸気はまず後縁１０８に隣接する通路８４を経て動翼に流入し、そして前縁１０９に隣接する通路９８を経て流出することに再度注意されたい。半径方向外向き流路８４、８８、９２、９６は、後述の理由で、前縁１０９に隣接する半径方向内向き流路９８を除く半径方向内向き流路８６、９０、９４より小さくされる。既述のごとく、コリオリの力と浮力の悪影響は半径方向内向き流路内では比較的少ないので、これらの通路は比較的大きく保たれる。
【００３７】
前縁通路９８は高い熱伝達率を必要とする。このために、流れ面積を減らして体積流速を高める。こうすると、質量流量を周長の０．８乗で割った商に比例する熱伝達率が高まる。通路９８の断面を小さくする結果、周長が減るので、熱伝達率が高まる。
概して比較的小さな半径方向外向き流路８４、８８、９２、９６は、半径方向外向きに流れる流体に作用するコリオリの力と遠心浮力の結果として半径方向２次流再循環が発生する傾向を抑制する。この不利な傾向は、製造能力と圧力降下の限界内で半径方向外向きの流れの体積流速をなるべく大きくすることにより抑制される。従って、半径方向外向き流路８４、８８、９２、９６は、浮力パラメータが外向き流路の先導側で熱伝達率を高めるように設計される。
【００３８】
図８Ｂは同じ動翼４６を示すが、動翼のハブまたは根元と先端との中間のピッチ線における断面を示す。図８Ｃは同じ動翼の半径方向外端部を示す。これらの図から、翼根から翼端までの通路形状の相対変化を認識し得る。
半径方向外向き流路の縦横比（図８Ｂに示すような長さ寸法Ｌ対幅寸法Ｗの比）と断面積比の妥当な選定により、後述のように、所与の縦横比に対し、（蒸気に関する）浮力数を、２次流効果が過酷な半径方向外向き流路８４、８８、９２、９６において１より小さくそして０．１５程にも低くし得る。こうして、望ましくない２次流効果（浮力とコリオリ）を特に半径方向外向き流路内で最少にし得ると同時に、局所熱伝達を最大にし得る。この点に関し既に確定していることは、熱伝達増加因子（実際熱伝達÷滑らかな管内の熱伝達）をなるべく高くすることが望ましいということである。例えば、半径方向外向き流路が約３．３対１の縦横比をもつように形成された時、熱伝達増加因子と浮力数（B₀)に関し、０．１５のB₀に対して増加因子が２となり得ることが確定している。B₀が０．１５と０．８０の間にある場合、熱伝達増加因子は２より小さくなることがわかった。その結果として、半径方向外向き流路は、縦横比が約３．３対１の時、０．１５より小さいかまたは０．８０より大きくなるように設計されるべきである。
【００３９】
上述の解析のために、通路には乱流促進体１０４も設けた。
浮力数の同様な望ましくない範囲が他の縦横比に対して確認されることが期待されるが、これはまだ確認されていない。
これらの縦横比は、動翼の曲率とねじれの変化により、動翼のハブから先端まで翼長に沿って幾分変化することを認識されたい。同時に、ピッチ線における比較的大きな半径方向内向き流路（ただし前縁に沿う比較的小さな半径方向内向き流路を除く）対比較的小さな半径方向外向き流路の断面積比は、平均して約１．５対１となるべきである。
【００４０】
２次流効果は通例第１段動翼において比較的重大であるので、縦横比効果も第１段動翼において比較的重大である。従って、第２段動翼では、縦横比は１対１または２対１程度でよく、断面積比は第１段動翼の場合とほぼ同じでよい。ひとたび半径方向外向き流路の形状を決定したら、半径方向内向き流路は熱伝達率に関する要件と圧力降下限度とに合わせて形成され得る。
【００４１】
乱流促進リブまたは乱流促進体１０４も、局所乱流が２次流傾向を打破するので、浮力とコリオリ力の悪影響を減らす傾向をもつことに注意されたい。
図９と図１０Ａ〜Ｃは、第１段動翼を示した図６と図８Ａ〜Ｃにほぼ対応する第２段動翼の図である。第１段動翼における８つの冷却通路に対し、第２段動翼１１０は第２段における軽減された冷却要件に応じて６つの冷却通路を有する。すなわち、半径方向外向き流路１１２、１１６、１２０は半径方向内向き流路１１４、１１８、１２２と交互に配設されて単一蛇行閉回路をなしている。第１半径方向外向き流路１１２は通路１２６を介して軸方向供給通路１２４に接続され、最後の半径方向内向き流路１２２は通路１３０を介して軸方向戻り通路１２８に接続されている。ピン１３２が最後の半径方向内向き流路１２２に設けられ、また、図１０Ａ〜Ｃからわかるように、隆起リブ１３４が第１段動翼におけると同様に設けられている。浮力数と縦横比と断面積比は上述の通りである。
【００４２】
代替的な設計変更をやはり図９に示す。詳述すると、冷却蒸気流路が逆になっている。すなわち、蒸気は動翼１１０に入って前縁通路１１２内を半径方向外方に流れそして後縁通路１２２を経て動翼を出る。この構成はある状況では有利である。
第１および第２タービン段において、動翼先端は、図１１〜図１３に示す先端キャップの下側に隆起リブを設けることにより冷却される。例えば、図１１において、動翼１３８の先端キャップ１３６には一体リブ１４０が半径方向外向き流路１４２と半径方向内向き流路１４４との間のＵベンド内においてキャップの下側に形成されている。転向羽根１４６を外向き流路１４２内に配設して流れを転向空洞コーナ１４８に導入することができる。このコーナは流れの渋滞と不十分な冷却の典型的な箇所である。図１２では、直角形状の一体リブ２４０を先端キャップ２３６の下側に設け、これらのリブと組み合わせて転向羽根２４６、２４６’をそれぞれ外向き流路２４２と内向き流路２４４内に設けてある。図１３では、先端キャップ３３６の下側に設けた丸いリブ３４０と共に、乱流促進隆起リブまたはトリップ帯片１４９が１８０度Ｕベンド域内と先端キャップ３３６の下側に設けられている。これらの特徴も局所乱流を増すが、少なくとも転向羽根１４６と乱流促進体１４９に関しては、熱伝達を促進し得ない。
【００４３】
図１４ＡとＢに見られるように、通路分割リブ１５２が翼壁１５４、１５６および先端キャップ１５８と合う所に抽出孔１５０を設け得る。この特徴は、コーナ域がリブに拘束されないことにより、高い熱応力を除去しやすい。１６０で示すように動翼の外側コーナの面取りまたは丸み付けをすることにより別の利点が得られる。これは有効壁厚を減らすとともに、先端キャップ１５８の周囲における翼形部の壁内の温度勾配を減らす。
【００４４】
図１５〜図１８は第１段タービン動翼の代替設計形状を示す。これらの形状は、（断面が）概して３角形の後縁冷却通路内の熱伝達を促進するものである。後縁近辺の流れは境界層間のコア流の絞りにより層流である。第２段動翼は、後縁くさび角度が約１２度以下である限り、同じ後縁現象を起こさないことに注意されたい。
【００４５】
特に図１５を参照するに、平行な流路１６２、１６４が動翼１６８の後縁１６６の近くに設けられ、同一流入路１７０から蒸気を供給される。一方の流路１６４は対向邪魔板１７２、１７４の配設により後縁における熱伝達を高めるものである。他の分岐路または通路１６２は、バイパスを設けて総合圧力降下を最少にすることにより、高流量を通し得るものである。両通路は翼端近くで合して蛇行回路、特に半径方向内向き流路１７６に連通する。本実施例において、邪魔板１７２、１７４を配設した後縁通路１６４は、通路１６４の両側から交互に突出した隣合う邪魔板間のＵ形戻りベンド（翼端における戻りベンドと類似）によって生ずる渦により後縁域で乱流を通す。通路１６４は、全てのＵベンドにおける圧力損失により流れ抵抗が高いので、流入路１７０からの全流量の１０〜２０％を通す。本実施例では、約１０のこのようなＵベンドが存在する（１１個の邪魔板１７２、１７４を図示）。
【００４６】
試験によれば、翼端のＵベンドにおいて得られる熱伝達増加因子は１．５〜２である。通路１６４に１０個の邪魔板を設けた場合、Ｕベンド前の流出ハイドローリック直径が約０．３５インチであれば、滑らかな壁の熱伝達率は約５００ＢＴＵ／ｆｔ² になる。乱流促進により有効熱伝達率は約１０００ＢＴＵ／ｆｔ² になる。加えて、本実施例では蛇行形の内向きおよび外向き流路の数を６本に減らすことにより全流量を３０ｐｐｓ以上に保つことができる。全流量を約３０ｐｐｓ以上に保つことは、流出温度を１０５０゜Ｆ以下に保ちそして前縁熱伝達を最大にするのに重要である。
【００４７】
動翼１６８の後縁１６６に沿う分流と、総合圧力降下は、幾つかの変数、例えば、（ａ）バイパス半径方向外向き流路の相対寸法、（ｂ）邪魔板１７２、１７４の重ね合わせの程度、（ｃ）邪魔板の数、（ｄ）邪魔板、特に半径方向最内邪魔板の傾斜角度、（ｅ）後縁流の入口絞りおよび（または）出口絞りにより制御される。
【００４８】
上記後縁通路形状の一変形を図１６に示す。この場合、２つの平行なバイパス通路１７８、１８０が後縁通路１８２と平行に延在する。この場合も、半径方向外向き流路１７８、１８０、１８２は、図１５の実施例の通路１７０と同様な共通流入路または供給路（図示せず）から分かれている。この構成は後縁通路１８２をバイパスする冷却媒体の割合を高める。
【００４９】
図１７では、半径方向外向き流路構成において平行通路１８４、１８６が動翼１９０の後縁１８８に沿って存在する。半径方向外向き流路１８６からの流れは翼端で分かれ、流れの一部は狭径流入後縁通路１８４に入り、そして流れの他部は蛇行閉回路の内部半径方向内向き流路１９２に入る。後縁通路１８４の出口は、動翼を出る通路１９４に通じている。
【００５０】
図１８は図１５に示すものの変形であり、翼１９６を後縁通路１６４′内に邪魔板１７２、１７４の代りに用いて、乱流を促進している。ここでも、流れの分布は、図１５に関して説明した変数により制御される。
図１５〜図１８に示したような山形乱流促進体１９８は、特定状況では、先に述べた実施例における４５度乱流促進体１０４より好適であるかもしれないということにも注意されたい。これは、この種の乱流促進体の場合、同じ圧力降下に対して熱伝達の増加がより大きいことから言えることである。しかし、もし特定通路が小さ過ぎて山形乱流促進体を収容できなければ、幾つかの４５度乱流促進体を残し得る。様々な形状の４５度乱流促進体と山形乱流促進体が含まれ得ることを認識されたい。流入点から測定して通路長の最初の３分の１は、圧力降下を最少にするために乱流促進なしに残し得ることもわかっている。加えて、入口の乱流は必要な進展をなすので、通路長のこの部分では乱流促進体は必要でない。
【００５１】
以上、本発明の最適実施例と考えられるものについて説明したが、本発明は開示した実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で様々な改変と対等構成が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】単純サイクル単軸強力ガスタービンの概略図である。
【図２】最も簡単な形態の複合サイクルガスタービン蒸気タービン装置の概略図である。
【図３】本発明によるガスタービンの一部分の部分断面図である。
【図４】図４Ａは内部冷却通路を有する代表的なタービン動翼の断面図である。
図４Ｂは図４Ａの一流路の拡大平面図で、２次流効果を示す。
【図５】本発明による第１段タービン動翼の斜視図である。
【図６】図５と類似の斜視図であるが、内部冷却通路を示すために破断してある。
【図７】図５に示した動翼の側面図であり、内部通路を破線で示す。
【図８】図８Ａ〜図８Ｃは本発明による第１段ガスタービン動翼の断面図で、それぞれ動翼のハブとピッチ線と先端とにおける断面図である。
【図９】本発明による第２段タービン動翼の部分断面斜視図である。
【図１０】図１０Ａ〜図１０Ｃはそれぞれ第２段動翼のハブとピッチ線と先端とにおける断面図である。
【図１１】動翼先端の部分拡大断面図で、本発明による翼端内部冷却を示す。
【図１２】図１１と類似の図であるが、代替的な翼端冷却構造を示す。
【図１３】図１１と類似の図であるが、本発明による他の翼端冷却構造を示す。
【図１４】図１４Ａは動翼の断面図で、本発明による通路分割体内の抽気孔を示す。
図１４Ｂは図１４Ａの線１４Ｂ−１４Ｂに沿う部分断面図である。
【図１５】本発明の他の実施例による第１段タービン動翼の部分断面図である。
【図１６】本発明の他の実施例による第１段タービン動翼の部分断面図である。
【図１７】本発明の他の実施例による第１段タービン動翼の部分断面図である。
【図１８】図１５の一変形を示す。
【符号の説明】
２通路
４ガスタービン動翼
６先導側（吸引側）
８後続側（圧力側）
４６ガスタービン第１段動翼
６２翼形部
６６シャンク
８４、８８、９２、９６半径方向外向き流路
８６、９０、９４、９８半径方向内向き流路
１０４リブ
１０６ピン
１０８後縁
１０９前縁
１１０第２段動翼
１１２、１１６、１２０半径方向外向き流路
１１４、１１８、１２２半径方向内向き流路
１３４リブ
１３６先端キャップ
１３８動翼
１４０リブ
１５０抽気孔
２４０、３４０リブ

Claims

シャンク部と、先端部と、前縁と後縁と圧力側と吸引側を有する翼形部と、内部流体冷却回路とを有するガスタービン動翼において、
前記内部流体冷却回路は複数の半径方向外向き流路と複数の半径方向内向き流路とを含む蛇行形状を有し、
ピッチ線において、前記半径方向外向き流路が平均して前記半径方向内向き流路より小さい断面積をもつことを特徴とするガスタービン動翼。
動翼前縁に隣接する半径方向内向き流路が前記半径方向外向き流路より小さな断面積を有する請求項１記載のガスタービン動翼。
前記半径方向外向き流路は動翼ピッチ線における縦横比が約３．３対１であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービン動翼。
前記半径方向内向き流路の断面積対前記半径方向外向き流路の断面積の比が平均して約１．５対１である請求項１記載のガスタービン動翼。
前記半径方向外向き流路内の浮力数を０．１５より小さいかまたは０．８０より大きくする寸法と形状を有するように前記半径方向外向き流路を形成する請求項１乃至請求項４のいずれか一項記載のガスタービン動翼。
前記動翼段における冷却蒸気温度が約４８２６．８ＫＰａ（７００ｐｓｉ）の圧力において約５３８°Ｃ（１０００゜Ｆ）である請求項１乃至請求項５のいずれか一項記載の方法。