JP4143363B2 - 翼形部内の冷却媒体流を制御するための方法、流れ制御構造体及びその構造体を組込んだ翼形部 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に発電用などのガスタービンに関する、より具体的には、タービンのノズル翼形部のフィレット領域を効果的に冷却するための冷却媒体流の制御に関する。
【０００２】
【従来技術】
ガスタービンは、通常、圧縮機セクション、燃焼器、及びタービンセクションを含む。圧縮機セクションは、周囲空気を吸入して該空気を加圧する。燃焼器内で加圧空気に燃料が加えられ、空気と燃料の混合物は燃焼される。得られた高温流体はタービンセクションに入り、該タービンセクションで回転軸に取付けられたタービンブレードによりエネルギーが取り出される。回転軸は、圧縮機セクションの圧縮機を駆動し、また例えば電気を発生させるための発電機を駆動するかあるいは他の機能のために使用される。高温流体からタービンブレードへのエネルギー移動の効率は、翼形部形状の非回転のベーン又はノズルを用いて、タービンブレード上へのガスの経路の角度を制御することにより向上される。これらの翼形部は、高温のガス又は流体の流れを、単なる平行流から、ブレードへのほぼ円周方向の流れに方向付ける。高温流体は、翼形部と接触するときは非常に高温であるので、翼形部は必然的に長期間にわたって高温に曝される。従って、従来のガスタービンにおいては、翼形部は、一般的に、例えば翼形部を通して冷却媒体を導入することにより内部冷却される。
【０００３】
翼形部の内部には、通常、翼形部の凸形側面と凹形側面との間を延びるリブが設けられ、翼形部の凸形側面と凹形側面との間の機械的な支持を与える。リブは、ノズルの完全性を維持し、翼形部の正圧側面及び負圧側面上のバルーニング応力を減少させるために必要とされる。このバルーニング応力は、翼形部の内部壁面と外部壁面との間の圧力差の結果として生じる。リブは、翼形部内に複数の空洞を形成し、該空洞が翼形部を通る冷却媒体流路の少なくとも一部を形成する。空洞は、インピンジメントインサートを用いたインピンジメント冷却、あるいはリブ及び／又は翼形部壁面上のタービュレータを用い又は用いずに対流冷却されることができる。しかしながら、翼形部において翼形部空洞の出口端部における側壁のフィレット領域への必要な冷却効果を達成することは困難である。空洞がインピンジメント冷却される場合には、インサートは、挿入性の制約のためインピンジメント冷却間隙を維持する必要があり、張り出すことができない。この領域が対流冷却される場合には、大きい流れ面積のために、熱伝達係数はこの領域での必要な部品寿命を実現するためには不十分である。従って、加圧空気による冷却技法を用いるこれまでの設計では、この領域を冷却するためにフィルム冷却を使用した。
【０００４】
最新式のガスタービン設計においては、タービン構成部品を通過して流れる高温ガスの温度は、金属の融点よりも高温になる場合があることが考慮された。従って、作動の間、高温ガスに曝される構成部品をより確実に保護する冷却方式を確立することが必要であった。この点に関して、蒸気は、特に複合サイクルプラント用のガスタービンノズル（ステータベーン）において好ましい冷却媒体であることを示した。例えば、米国特許第５、２５３、９７６号を参照されたく、その開示内容は本明細書に引用文献として組み込まれる。しかしながら、蒸気は燃焼ガスよりも大きい熱容量を有しているので、冷却媒体用蒸気を高温ガス流に混合させることは非効率である。従って、冷却用蒸気を閉回路の高温ガス経路構成部品の内部に維持することが望ましい。結果として、このような閉ループ冷却システムにおいては、フィレット領域のフィルム冷却は可能でなく、そのためこの領域の効率的な冷却には問題が残っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、部品が部品寿命の要求を満たすためには、翼形部が側壁に連結されるフィレット領域において、タービン翼形部に大きな背面冷却が要求される。設計には、必要とする冷却流れの量を最小にしながら望ましい冷却効率を達成することが要求される。また、翼形部側壁の下流側の他の区域の冷却が阻害されてはならない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、フィレット領域へ冷却用媒体を導く冷却媒体流れ制御構造体において具体化される。より具体的には、本発明は、フィレット領域と共にギャップを形成し、部品寿命の要求を満たすために、この領域における必要な熱伝達係数が得られるようにする流れ制御構造体において具体化される。
【０００７】
従って、本発明の第１の態様においては、ノズルベーンの壁部と、ノズルセグメントの壁との間の移行部に形成されたフィレット領域へ冷却用媒体流を導き、該フィレット領域を冷却するための流れ制御構造体が提供され、該流れ制御構造体は、基部と、本体部とを備え、該本体部が、基部のほぼ横方向中央部分に頂上部を形成し、且つ頂上部から基部の縦方向側縁部に向かう傾斜壁面を形成し、それによりフィレット領域と共にギャップを形成し、フィレット領域に沿って冷却媒体流を導くように構成されている。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、タービンのノズル段の部分を形成するためのタービンベーンセグメントが提供され、該ベーンセグメントは、互いに間隔を置いて配置された内側及び外側壁と、該内側及び外側壁の間を延び、前縁及び後縁を有し、また該前縁及び後縁の間においてその長さ方向に延びてそれを通して冷却用媒体を流す複数の分離した空洞を備えるタービンベーンと、内側及び外側壁の１つに隣接して形成され、ベーンの空洞の少なくとも１つとベーンの半径方向端部の開口部を介して流体連通されて、少なくとも１つの空洞からの冷却用媒体の通過を可能にするプレナムと、ベーンの壁部と１つの壁との間の移行部に形成されたフィレット領域へ冷却用媒体流を導き、該フィレット領域を冷却するための流れ制御構造体とを備える。
【０００９】
本発明の更に別の態様によれば、ノズルのフィレット領域を冷却する方法が提供され、該方法は、互いに間隔を置いて配置された内側及び外側壁と、該内側及び外側壁の間を延び、前縁及び後縁を有し、また該前縁及び後縁の間においてその長さ方向に延びてそれを通して冷却用媒体を流す複数の分離した空洞を備えるタービンベーンと、内側及び外側壁の１つに隣接して形成され、ベーンの空洞の少なくとも１つとベーンの半径方向端部の開口部を介して流体連通されて、少なくとも１つの空洞からの冷却用媒体の通過を可能にするプレナムとを備えるノズルベーンセグメントを準備する段階と、開口部に流れ制御構造体を配置する段階と、空洞を通して冷却媒体を流す段階と、流れ制御構造体を用いて、出口における冷却媒体を、ベーンの壁部と１つの壁との間の移行部に形成されたフィレット領域へ導き、該フィレット領域を冷却する段階とを含む。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の上記のそして他の目的及び利点は、添付図面と関連してなされる本発明の現在好ましい例示的な実施形態についての以下のより詳細な説明を入念に検討することによって、更に完全に理解され評価されるであろう。
【００１１】
上記で要約したように、本発明は、具体的には、例えばタービンの第１段ノズルのための冷却回路に関するものであり、タービン、その構造、及び操作方法の種々の他の態様の開示については、先に特定した特許が参照される。さて、図１を参照すれば、例えば第１段ノズルの円周方向に配列された複数のセグメントの１つを含むベーンセグメント１０が、側面図として概略的に示されている。該セグメントは互いに接続されて、タービンの第１段ノズルを通る高温ガス通路を構成するセグメントの環状配列を形成することが分かるであろう。各セグメントは、半径方向に間隔を置いて配置された内側及び外側壁１２、１４を備え、１つ又はそれ以上のノズルベーン１６が、外側及び内側壁の間を延びている。セグメントは、タービン軸線（図示せず）のまわりに支持され、隣接するセグメントは互いにシールされる。説明の目的のために、ベーン１６はセグメントの単独のベーンを形成するものとして描かれている。
【００１２】
図１に概略的に示されるように、ベーン１６は、前縁１８及び後縁２０を有し、外側サイドレール（図示せず）、前側レール２２及び後側レール２４が、外側カバープレート（図示せず）と共にプレナム２６を形成し、外側壁をインピンジメント冷却するために、該外側壁に対して間隔を置いてプレナム内に配置されたインピンジメントプレート（図示せず）を備える。本明細書で使用されるとき、「外向きに」及び「内向きに」或いは「外側」及び「内側」という用語は、タービンの軸線に対してほぼ半径方向の方向を意味する。
【００１３】
この例示的な実施形態において、ノズルベーン１６は、複数の空洞、例えば前縁空洞２８、後縁空洞３０及び中間空洞３２、３４を有する。しかしながら、本発明は、示された空洞の数及び形状に限定されるものではない。
【００１４】
冷却媒体は、外側プレナム２６からインピンジメント冷却及び／又は対流冷却のための１つ又はそれ以上のノズル空洞２８、３０、３２、３４を通って、内側壁１２と下側カバープレート（図示せず）とによって形成された内側プレナム３６へと流れる。構造リブ３８が、内側壁のインピンジメントプレート４０を該内側壁に対して間隔を置いて支持するために、内側壁と一体に鋳造される。衝突後の冷却媒体は、残りの戻り空洞を通して蒸気出口（図示せず）に流れる。図示した例示的な実施形態においては、冷却蒸気流のために４つの空洞が設けられる。説明の目的だけのために、第１の前縁空洞２８及び第２の中間空洞３２を半径方向内向きの降下流空洞として説明し、第３及び第４の空洞３４、３０を半径方向外向きの冷却媒体の戻り空洞として説明することにする。
【００１５】
前述のように、本発明は、特にノズルベーンの翼形部フィレットの区域における例えば蒸気冷却などの冷却の頑健性の目的のために開発された。本発明は、特に、必要とする冷却流れの量を最小にしながらベーンのフィレット領域における望ましい冷却を達成する流れスプリッタの配置と構成に関するものである。
【００１６】
冷却媒体流れスプリッタ４２の例示的な実施形態を、図４〜図６に示す。図示した実施形態において、流れスプリッタは翼形部の第２の中間冷却媒体空洞３２の出口端部に取付けられているが、本発明を具体化する流れスプリッタは、フィレット領域の冷却を強化することが必要あるいは望ましいと思われる何れの冷却媒体空洞の出口端部に取付けてもよいことを理解されたい。
【００１７】
流れスプリッタ４２は、流れスプリッタを翼形部空洞３２に対して取付けるための基部４４を含む。基部は、底面又は内面４６及び外面４８と、前縁部５０及び後縁部５２と、それらの間を延びる縦方向側縁部５４、５６とを有する。図３に概略的に示すように、例示的な実施形態において、流れスプリッタ構造体４２は、その基部４４により、内側壁１２と一体に鋳造されている構造リブ３８に固定される。
【００１８】
流れスプリッタ基部４４の外面４８から流れスプリッタ４２の本体部５８が突出し、該本体部５８は、図３に具体的に示すように、翼形部のそれぞれの冷却媒体空洞のフィレット領域６０内に突出するようになっている。図示した実施形態における流れスプリッタの本体部５８は、それぞれの冷却媒体空洞内への本体部の突出部のピークである頂上部又は隆線部６２を形成し、且つ頂上部から流れスプリッタ基部の隣接する縦方向側縁部までのそれぞれ正圧側スロープ及び負圧側スロープ６４、６５を形成する。図示した実施形態においては、流れスプリッタ４２の頂上部６２は、それぞれの負圧側及び正圧側フィレット領域に形成されたギャップ６５、６７に向けて流れを偏向させるように全体的に滑らかに輪郭付けられている。
【００１９】
図４及び図６で最もよく示されるように、流れスプリッタの本体部５８は、異なる半径方向高さの、少なくとも第１及び第２の部分６８、７０を有する。図示した実施形態においては、流れスプリッタの前縁部から本体部の長さの約１／３だけ延びる第１の部分６８は、最も大きい半径方向高さを有し、次に移行部分７２を経由して第２の部分７０に移行し、この第２の部分７０は相対的に小さい半径方向高さを有し、流れスプリッタの本体部の長さの残りの部分の大半にわたって延びる。図示した実施形態においては、別の半径方向高さ移行部分７４が、流れスプリッタ本体部の後縁部に形成される。理解されるように、流れスプリッタの外形は、流れスプリッタとフィレット領域との間のギャップを変化させることによって、流れスプリッタがフィレット領域における望ましく且つ必要とされる熱伝達係数を達成し、部品寿命の要求を満たすことを可能にする。このことは、望ましい熱伝達係数を得るための単位面積当りの望ましい冷却媒体流量を実現する。
【００２０】
図示するように、それぞれの空洞を出る冷却流のために、第１及び第２の縦方向スロット７６、７８が、流れスプリッタの基部の縦方向側縁部５４、５６の各々に沿って形成される。上述のように、設計には、必要な冷却流れの量を最小としながら冷却効率を達成することが要求される。前述の流れスプリッタ構造体は、必要な冷却効率を達成するためにギャップを変化させることを可能にする。
【００２１】
この設計の第２の望ましい特性は、フィレット領域６０を出る冷却用媒体が、流れスプリッタ４２の存在のために、翼形部側壁部の下流側の他の区域の冷却を阻害しないことである。出口側冷却用媒体が、翼形部側壁部の下流側の他の区域の冷却を阻害しない又は最低限しか阻害しないようにするために、本発明の例示的な実施形態においては、流れスプリッタ基部４４の冷却流スロット７６、７８に隣接した縦方向側縁部の各々に沿って半径方向内向きに突出する流れシールド８０、８２が設けられる。この流れシールドは、側壁インピンジメントプレート孔から出口側冷却媒体流を分離し、その結果、下流側の冷却との干渉を最小化する。
【００２２】
本発明を具体化する流れスプリッタ４２は、上述のように基部４４及び本体部５８を備えるものとして特徴付けられている。基部及び本体部は、一体に形成されてもよいし、或いは鋳造により別々に形成され次いで溶接され又は、保持機構８４として概略的に示されるような別の機械的方法で固定されて、流れスプリッタ組立体を形成してもよい。
【００２３】
本発明は、ベーンの半径方向内端部に配置された流れ制御構造体において具体化されたものとして上述してきたが、本発明を具体化する流れ制御構造体は、ノズルベーンの半径方向外端部の戻り空洞の出口端部に配置してもよいことを理解されたい。
【００２４】
本発明を、現在最も実用的で好ましい実施形態と考えられるものに関連して説明してきたが、本発明はここに開示した実施形態に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を具体化した冷却用媒体出口流れスプリッタを備えるノズルベーンの概略正面図。
【図２】 図１の２−２線に沿った、ノズルベーンの概略断面図。
【図３】 本発明を具体化した冷却媒体流れスプリッタ構造体を示す、図１の３−３線に沿った概略断面図。
【図４】 本発明を具体化した、例示的な冷却媒体流れスプリッタ構造体の斜視図。
【図５】 図４の流れスプリッタ構成部品の下側からの斜視図。
【図６】 図４及び図５の流れスプリッタの概略側面図。
【符号の説明】
１０ ベーンセグメント
１２ 内側壁
１４ 外側壁
１６ ノズルベーン
１８ 前縁
２０ 後縁
２２ 前側レール
２４ 後側レール
２６ 外側プレナム
３６ 内側プレナム
４２ 流れ制御構造体

Claims (10)

1. タービンのノズル段の部分を形成するためのタービンベーンセグメント（１０）であって、
   互いに間隔を置いて配置された内側及び外側壁（１２、１４）と、
   該内側及び外側壁の間を延び、前縁及び後縁（１８、２０）を有し、また該前縁及び後縁の間においてその長さ方向に延びてそれを通して冷却用媒体を流す複数の分離した空洞（２８、３０、３２、３４）を備えるタービンベーン（１６）と、
   前記内側及び外側壁の１つに隣接して形成され、前記ベーンの前記空洞（２８、３０、３２、３４）の少なくとも１つと前記ベーンの半径方向端部の開口部を介して流体連通されて、前記少なくとも１つの空洞からの冷却用媒体の通過を可能にするプレナム（２６、３６）と、
   前記ベーンの壁部と前記１つの壁との間の移行部に形成されたフィレット領域（６０）へ冷却用媒体流を導き、該フィレット領域を冷却するための流れ制御構造体（４２）と、
   を備えることを特徴とするタービンベーンセグメント。
2. 前記流れ制御構造体（４２）が、前記フィレット領域（６０）と共にギャップ（６５、６７）を形成するように、前記ベーン（１６）及び前記１つの壁（１２、１４）のうちの１つに取付けられていることを特徴とする、請求項１に記載のタービンベーンセグメント。
3. 前記流れ制御構造体の縦方向側縁部（５４、５６）に沿って形成されて、前記空洞を出る冷却媒体流のための流路を形成する第１及び第２の出口流れスロット（７６、７８）を更に備えることを特徴とする、請求項２に記載のタービンベーンセグメント。
4. 前記流れ制御構造体が、基部（４４）と本体部（５８）とを備え、該本体部は、前記空洞の開口部内に突出していることを特徴とする、請求項１に記載のタービンベーンセグメント。
5. 前記本体部が、前記基部のほぼ横方向中央部分に頂上部（６２）を形成し、且つ該頂上部から前記基部の縦方向側縁部（５４、５６）に向かう傾斜壁面（６４、６６）を形成し、それにより前記空洞を出る流れを、前記ベーンの各側部上のそれぞれのフィレット領域に沿った流れに分割するように構成されることを特徴とする、請求項４に記載のタービンベーンセグメント。
6. ノズルのフィレット領域を冷却する方法であって、
   互いに間隔を置いて配置された内側及び外側壁（１２、１４）と、該内側及び外側壁の間を延び、前縁及び後縁（１８、２０）を有し、また該前縁及び後縁の間においてその長さ方向に延びてそれを通して冷却用媒体を流す複数の分離した空洞（２８、３０、３２、３４）を備えるタービンベーン（１６）と、前記内側及び外側壁の１つに隣接して形成され、前記ベーンの前記空洞の少なくとも１つと前記ベーンの半径方向端部の開口部を介して流体連通されて、前記少なくとも１つの空洞からの冷却用媒体の通過を可能にするプレナム（２６、３６）とを備えるノズルベーンセグメント（１０）を準備する段階と、
   前記開口部に流れ制御構造体（４２）を配置する段階と、
   前記空洞を通して冷却媒体を流す段階と、
   前記流れ制御構造体を用いて、前記空洞の出口における前記冷却媒体を、前記ベーンの壁部と前記１つの壁との間の移行部に形成されたフィレット領域（６０）へ導き、該フィレット領域を冷却する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
7. 前記開口部に流れ制御構造体を配置する前記段階が、前記フィレット領域（６０）と共にギャップ（６５、６７）を形成するように、前記流れ制御構造体（４２）を前記ベーン（１６）及び前記１つの壁（１２、１４）のうちの１つに取付ける段階を含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. ノズルベーン（１６）の壁部とノズルセグメントの壁（１２、１４）との間の移行部に形成されたフィレット領域（６０）へ冷却用媒体流を導き、該フィレット領域を冷却するための流れ制御構造体（４２）であって、
   基部（４４）と、
   本体部（５８）と、
   を備え、
   該本体部が、前記基部のほぼ横方向中央部分に頂上部（６２）を形成し、且つ該頂上部から前記基部の縦方向側縁部（５４、５６）に向かう傾斜壁面（６４、６６）を形成し、それにより前記フィレット領域（６０）と共にギャップ（６５、６７）を形成し、前記フィレット領域に沿って冷却媒体流を導くように構成されている、
   ことを特徴とする流れ制御構造体。
9. 前記本体部の頂上部の高さが、前記本体部の長さに沿って変化することを特徴とする、請求項８に記載の流れ制御構造体。
10. 前記基部の縦方向側縁部（５４、５６）に沿って形成されて、使用済みの冷却媒体流のための流路を形成する第１及び第２の出口流れスロット（７６、７８）を更に備えることを特徴とする、請求項８に記載の流れ制御構造体。

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