JP4154509B2 - ガスタービンスのテータノズルのための冷却システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービンのステータノズルのための冷却システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
よく知られているように、ガスタービンは、１つ又はそれ以上の段をもつ圧縮機とタービンとから成る機械であって、これらの構成要素は回転シャフトによって互いに接続されており、また圧縮機とタービンの間には燃焼室が設けてある。
【０００３】
これらの機械においては、外部環境から取得された空気が圧縮機に供給され、加圧される。
【０００４】
加圧された空気は一連の予混合室を通って流れるが、各予混合室は先細部で終わっており、また各予混合室には燃料噴射器から燃料が供給される。燃料は空気と混合されて、燃焼させるための空気燃料混合気を形成する。
【０００５】
燃料は燃焼室内部に導入され、燃焼を起こさせるために適当なスパークプラグによって点火される。燃焼が温度と圧力を高め、従ってガスのエンタルピーを高めるように設計されている。
【０００６】
同時に、圧縮機は、バーナと燃焼室のライナの両方を通って流れるように加圧空気を供給し、この加圧空気を用いて燃焼を行うことができる。
【０００７】
その後適当な管を通して、高温高圧のガスはタービンの異なる段に到達し、タービンはガスのエンタルピーをユーザが使用できる機械的エネルギーへと変換する。
【０００８】
この時、特定のガスタービンから最大の性能を得るために、ガスはできるだけ高温である必要があるが、タービンの稼動中に達成可能な最高温度の値は、タービンを形成する材料ゆえに限界があることも知られている。
【０００９】
本発明によって解決される技術的課題を一層明瞭にするために、公知技術によるガスタービンの高圧段のステータに関し、以下に簡単に述べる。
【００１０】
タービンは燃焼室の下流に高圧ステータとロータを備えている。ステータは適当な状態の燃焼ガス流をロータの吸気口へ送り、特に、このガス流をロータブレードのベーンまで相応して運び、ガス流がブレードの背面すなわち凸状表面と腹面すなわち凹状表面とに直接衝突するのを防ぐために使用される。
【００１１】
ステータは一連のステータブレードで構成され、これらステータブレードの各々の対の間が対応するノズルとなる。
【００１２】
一群のステータブレードは環状を成しており、その外端部はタービンケースに接続され、内端部は対応する支持部材に接続されている。
【００１３】
この点に関して言えば、特に高圧段の場合にステータに関わる第一の技術的問題は、ステータベーン内で膨張する流体の圧力低下によって生じる高圧負荷がステータに加わるという事実にあることが指摘できる。
【００１４】
これに加えて、ステータは、燃焼室から取得する高温ガス流と、熱的観点から最も大きな応力を受ける部品を冷却するためにタービン内部に導入される冷たい空気流とによって生じる高い温度勾配の影響を受ける。
【００１５】
これらの高温度の故に、タービン高圧段で使用されるステータブレードは冷却されなくてはならない。そしてこの目的のために、ステータブレードの表面には、ステータブレード内部での空気循環のために使用される孔が相応して設けられている。
【００１６】
しかしながら、この点に関して言えば、ガスタービンの性能向上に対する絶え間ない要求から、タービンエンジン内部における全ての流れを最適化させる必要があるということを指摘すべきであろう。
【００１７】
特に、圧縮段から取得した空気は、上述のように処理されて熱力学サイクルが著しく増大しているので、最も重要な高温区域において非常に必要とされる冷却機能のために使用するのに代えて、可能な限り燃焼のために用いるのが有利である。
【００１８】
この点に関連して生じる１つの重要な技術的問題は、機能状態、タービンエンジンとその部品の使用年数、タービンエンジンとその部品の磨耗または汚損のレベル、および一時的な作動状態の間におけるエンジン構成要素の寸法変化に従って、必要とされる空気の量が変わるという事実を考慮に入れて、様々な区域におけるこの空気の正確な計量を行なうことにある。
【００１９】
熱的観点からの応力を特に受ける部品はステータノズルであって、その設計はこの機械の高レベルの流体力学的効率を得るために必要な流体力学的諸要求に適合するものでなくてはならない。
【００２０】
ステータノズルの設計は、第一には金属の温度をそれらに用いられている材料によって決まる一定の値（９００℃であろう）以下に制限し、第二には材料内部の温度勾配を制限するために、熱に関する諸要求を満たすものでなくてはならない。
【００２１】
本発明の特徴に関する理解を助けるために、特に図１を参照する。この図１は公知技術によるガスタービンノズルに備えられているベーン２０を長手方向断面で示している。
【００２２】
ベーン２０は、凹状すなわち腹面表面２１と、それに対向する凸状すなわち背面表面２２とを有し、これら両面でベーン２０の外形形状を形成している。
【００２３】
また、ベーン２０の表面上の適当な位置には、複数の冷却孔２３が設けられている。
【００２４】
実際には、これらの孔またはスロットは、ノズル自体の端部を冷却する働きをする。
【００２５】
また、ベーン２０の内部には、小さな箱体２４、２５すなわち多孔板要素が設けられ、これらは熱交換率を現行の装置で受容できる値（３，０００Ｗ／m²Ｋ）まで高める。
【００２６】
実際には、ノズルベーンのこの部分は限定された温度に保たれねばならないが、同時に、機械全体の性能レベルを落とさないために、圧縮機から取得される比較的冷たい空気の消費も制限されなければならない（例えば、５〜１０％でなければならない）。
【００２７】
ベーン２０の出口縁２６には、図１に示す取入部分２８と排出部分２９とを有する冷却孔２７も存在する。
【００２８】
従って、公知技術は、ベーン２０の出口縁の冷却孔近傍において、材料の厚みが大き過ぎるという問題を有する。
【００２９】
図１に符号３０、３０'で示すこの材料の量は、その内部に温度勾配を持つのが普通である。この温度勾配は、局所的な熱交換率を非常に高い値にまで高めることはできるが、これを排除することは難しい。
【００３０】
しかしながら、冷却孔の取入部分が出口縁において拡大された場合、高い温度勾配を有する材料は除去されるが、同時に、ベーン２０の冷却孔またはスロット内での冷却空気の速度が低下し、その結果熱交換率が低下するということを指摘しておく。なお、この比較は冷却空気の同一流速に対してなされる必要があるとの理解に基づいている。
【００３１】
従って、このことは、ノズル材料の物理特性に関して言えば、金属を高温にし過ぎることによって生じる危険性があることを示している。
【特許文献１】
米国特許５，３３７，８０５号公報
【特許文献２】
特開平０９−１９５７０５号公報
【００３２】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、ガスタービンのノズルベーンの最適な温度制御を行うことができる、ガスタービンのステータノズルのための冷却システムを提供することである。
【００３３】
本発明のもう一つの目的は、ベーン内の望ましくない温度勾配を排除することができる、ガスタービンのステータノズルのための冷却システムを提供することである。
【００３４】
本発明の更に別の目的は、ベーンの出口縁の冷却孔近傍における材料の大きな厚みを減少させることができる、ガスタービンのステータノズルのための冷却システムを提供することである。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記の目的およびその他の目的は、ガスタービンのノズルに備えられる各ベーンに適用でき、該ベーンの各々が、ベーンの外形形状を形成するために組合わされる、凹状表面と対向する凸状表面とを有し、ベーンの表面が、ベーンの表面の適当な位置に複数の冷却孔を有する、ガスタービンのステータノズルのための冷却システムであって、該ベーンの出口縁に係わる冷却孔は、冷却孔が該ベーンに関して半径方向である方向に変化する断面を持つような形状にされた取入部分と排出部分とを備えるノズルのための冷却システムよって達成される。
【００３６】
本発明の好ましい一実施形態によれば、ベーンの出口縁にある冷却孔の、ベーンの半径方向に沿った取入部分の高さ（図４のＨｉｎ）が、排出部分の対応する高さ（図３のＨｏｕｔ）より小さい。
【００３７】
本発明の好ましい一実施形態によれば、ベーンの熱交換率を高めるために、ベーンの内部に波動要素が設けられる。
【００３８】
本発明によるシステムは、冷却孔の全体に沿って高い熱交換率を有し、ベーンの金属内部に温度勾配が存在しない。
【００３９】
本発明によれば、ノズルの冷却システムは、常に高い値の熱交換率を確保するために、冷却孔自体の壁に沿って複数の乱流発生要素を備える。
【００４０】
これに加えて、このノズル冷却システムは、該冷却孔の開口域において調整空気の全圧力の一部が浪費されるのを回避し、冷却孔と乱流発生要素との負荷損失を克服するために冷却流体により多くのエネルギーを残存させるように、該冷却孔の開口域に集中する負荷損失が低められる。
【００４１】
最後に、該孔の形状寸法が、ベーンの鋳造中に溶融合金の取り入れを容易にするような形状寸法であることを指摘しておく。
【００４２】
本発明の上記以外の特徴は、本出願に添付した特許請求の範囲に記載した通りである。
【００４３】
本発明の特徴と利点は、添付の概略図面を参照しながら、本発明を限定するものではない実施例によってなされる、以下に述べる典型的な実施形態についての説明から一層明確になるであろう。
【００４４】
【発明の実施の形態】
本明細書において、「半径方向」とは、特に機械内で膨張するガスの流れに対して垂直な方向を指す。
【００４５】
ある場合には、ガス流の方向は機械の主軸方向でもある。
【００４６】
中でも特に図２を参照すると、この図は本発明によるガスタービンのノズルに備えられるベーンの長手方向概略断面図を示し、ベーンは全体を符号１０で示されている。
【００４７】
ベーン１０の形状は、タービンによって処理されるガスに対する所要の空気力学特性を備えるように設計されており、凹状すなわち背面表面１１と、それに対向する凸状すなわち腹面表面１２とを有し、これら両面でベーン１０の外形形状を形成している。
【００４８】
また、ベーン１０の表面の適当な位置には、複数の冷却孔１３が設けられている。
【００４９】
また、ベーン１０の内部には、小さな箱体１４、１５すなわち多孔板要素が設けられ、これらは熱交換率を現行の装置に受容できる値まで高める。
【００５０】
本発明の目的にとって特に重要なのはベーン１０の出口縁１６であって、この出口縁の内部には冷却孔１７が設けてある。冷却孔１７は公知技術と比較して拡大された取入部分１８を有する。
【００５１】
図２はまた、ベーン１０の薄くなった部分にある冷却孔１７の排出部分１９を示す。
【００５２】
結果的には、この構成により、ベーン１０の冷却孔１７の拡大された取入部分１８が得られる。
【００５３】
この不利な点を排除するために、普通一定の断面を有する冷却孔は、半径方向に変化する高さを持つことができる。
【００５４】
実際には、冷却孔の取入部分が図の平面内でより広いならば（図２の区域１８）、この平面に対して直角方向の（機械において半径方向）寸法は従来装置におけるよりも小さくすることができる。
【００５５】
実際には、ベーン１０の出口縁１６に設けられた冷却孔１７の取入部分１８は、排出部分１９の対応する寸法（図３にＨｏｕｔで示す）より小さい寸法（図４にＨｉｎで示す）を有する。
【００５６】
本発明によるノズルのための冷却システムがまた、ベーンの出口縁の近く（図１の区域２９および図２の区域１９）の冷却孔が同じ寸法を持つことによって特徴付けられるとしたら、このことは図３および図４に示す取入部分１８および排出部分１９が純粋な３次元形状になっていることを意味する。
【００５７】
従ってこの寸法形状によって、冷却孔１７全体に沿って高い熱交換率を得ることが可能であり、その結果ベーンの金属内部における温度勾配を排除することができる。
【００５８】
熱交換における別の改善がまた、常に高い値の熱交換率を確保するために、冷却孔自体の壁に沿って乱流を発生させる要素を用いることによって達成できる。
【００５９】
本発明のもう一つの利点は、冷却孔の開口に集中する負荷損失の減少によって表され、これにより、この区域における調整空気の全圧力の一部を浪費しないことが可能となり、その結果冷却孔と乱流発生要素との負荷損失を克服するために、冷却流体により多くのエネルギーを残しておくことが可能となる。
【００６０】
本発明の別の利点はベーン鋳造中に生じ、ベーン鋳造時には、話題の寸法形状により、スロットの開口域内に一種の漏斗が形成され、この漏斗が溶融合金の取り入れを容易にする。
【００６１】
本発明の理論的かつ実験的結果は非常に満足すべきものであり、この冷却システムは広く利用可能な新しいガスタービンのために使用することができる。
【００６２】
以上の記述により、本発明によるガスタービンのステータノズルのための冷却システムの特徴と利点を明らかにした。
【００６３】
以下の最終的な解説及び所見によって、上述した利点を一層明確かつ正確に述べる。
【００６４】
本発明によって提案されている解決策の目的は、ベーンの出口縁に設けられた冷却孔近傍の材料の大きな厚みを減らすことである。
【００６５】
それ故、本発明は、この材料の大きな厚みを持つ区域を排除し、同時にそれに対応した温度勾配を排除することにある。
【００６６】
こうすることによって、前述したように、冷却孔１７の開口に集中する負荷損失が低減され、特に重要なこの区域における調整空気の全圧力の一部が浪費されるのが回避されるという利点が高められる。
【００６７】
冷却孔１７の寸法形状は、ベーン１０の鋳造中に溶融合金の取り入れを容易にするような寸法形状である。
【００６８】
最後に、本発明の主題であるガスタービンのステータノズルのための冷却システムに対しては、本発明の概念に固有の新規な原理から離れることなく、多くの他の変更が可能であることは明白である。
【００６９】
本発明の実施に当たっては、必要に応じて、任意の材料、寸法および形状を用いることが可能であり、また構成要素それ自体も技術的に等価な別の構成要素で置き換え可能であることも明らかである。
【００７０】
本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲によって特定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 公知技術によるガスタービンのノズルに備えられるベーンの長手方向概略断面図。
【図２】 本発明によるガスタービンのノズルに備えられるベーンの長手方向概略断面図。
【図３】 本発明によるガスタービンのノズル冷却孔の排出部分の半径方向断面図。
【図４】 本発明によるガスタービンのノズル冷却孔の取入部分の半径方向断面図。
【符号の説明】
１０ ベーン
１１ 凹状表面
１２ 凸状表面
１３ 冷却孔
１４、１５ 多孔板要素
１６ 出口縁
１７ 出口縁の冷却孔
１８ 取入部分
１９ 排出部分

Claims (5)

1. ガスタービンのステータノズルのための冷却システムであって、
   ガスタービンのための複数のノズルを形成する複数のベーン（１０）を備え、
   該ベーン（１０）の各々が、該ベーン（１０）の外形形状を形成するために組合わされる、凹状表面（１１）とそれに対向する凸状表面（１２）とを有し、
   該ベーン（１０）は、該ベーンの出口縁（１６）の内部に複数の冷却孔（１７）を有し、各冷却孔（１７）は、前記ベーン内の取入部分（１８）と前記凹状表面への排出部分（１９）とを備え、該冷却孔（１７）が半径方向に変化する断面を持ち、前記取入部分（１８）は、前記排出部分（１９）の半径方向高さ（Ｈ out ）よりも小さい半径方向高さ（Ｈ in ）を有し、前記排出部分（１９）の幅より前記取入部分（１８）の幅が拡大されていることを特徴とするノズルのための冷却システム。
2. 前記ベーン（１０）の熱交換率を高めるために、前記ベーン（１０）の内部に多孔板要素（１４、１５）が設けられることを特徴とする、請求項１に記載のノズルのための冷却システム。
3. 常に高い値の熱交換率を確保するために、前記冷却孔自体の壁に沿って複数の乱流発生要素を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載のノズルのための冷却システム。
4. 前記冷却孔（１７）の開口域において調整空気の全圧力の一部が浪費されるのを回避し、前記冷却孔と前記乱流発生要素との負荷損失を克服するために冷却流体により多くのエネルギーを残存させるように、前記冷却孔（１７）の開口域に集中する負荷損失が低減されることを特徴とする、請求項３に記載のノズルのための冷却システム。
5. 前記孔（１７）の形状寸法が、前記ベーン（１０）の鋳造中に溶融合金の取り入れを容易にするような形状寸法であることを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のノズルのための冷却システム。

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