JP4170400B2 - タービン翼、その用途ならびにタービン翼の冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体流入部と、流体流出部と、これらの間で互いに相対する加圧面及び吸引面と、作動流体が周囲を流れる壁構造体とを有するタービン翼に関する。壁構造体は冷却流体通流用の内部空間を取り囲む外壁を含む。本発明は、さらに、この種のタービン翼の用途、ならびに高温の作動流体が周囲を流れるタービン翼の冷却方法に関する。
米国特許第5,419,039号明細書に、冷却用に冷却空気を通流させるガスタービンの静翼が記載されている。この静翼は１個の鋳物で形成されるか、あるいは２個の鋳物を組み合わせて構成される。この静翼は内部に当該ガスタービン装置の圧縮機からの冷却空気の供給部を備えている。ガスタービンの高温ガス流に曝され冷却空気供給部を取り囲むその壁構造体は、注型され一方向に開口する冷却ポケットを備えている。この冷却ポケットは、壁構造体の外面に、高温ガスの通流方向で高温ガスの通流方向に垂直に静翼の主広がり方向に沿って配列されている。それぞれの冷却ポケットにおいて、冷却空気供給部から壁構造体の多数の孔を通して冷却ポケット内へ冷却空気が流入する。冷却ポケットには高温ガスの通流方向に冷却空気が通流する。この冷却空気は、静翼の鋳造の際に予め形成された開口部を通して高温ガスの流れの中へ排出される。この方法により、壁構造体の外表面において一定量の膜冷却が達成される。冷却ポケットには、熱伝導を良好にするための詳しくは説明されていない１個あるいは複数個の基台が備えられる。
英国特許第21 12 869号明細書には、二つの冷却空気供給室と一つの冷却空気排出室とを持つ翼形状に定められた壁構造体を備えたガスタービン翼が記載されている。壁構造体の外には流れの方向に冷却通路が配列されている。この冷却通路は長く延びる溝の形状の窪みとして壁構造体に取り込まれている。このとき冷却通路は一方では冷却空気供給室に、他方では冷却空気排出室に流体的に結合されている。冷却通路を外部から分離するために、タービン翼を完全に取り囲む金属薄板が配されている。
本発明の課題は、冷却可能な壁構造体を備えたタービン翼を提供することにある。他の課題は、この種のタービン翼の用途、さらには、高温の作用流体に曝されるタービン翼の冷却方法を提供することにある。
本発明によれば、タービン翼についての課題は、請求項１の前文にあるタービン翼において、外壁に熱的に結合され冷却流体用の流入口及び流出口を備えた少なくとも１個の冷却室と、内部空間に備えられた少なくとも１個の冷却流体供給部及び少なくとも１個の冷却流体排出部とが設けられることによって解決される。冷却室は、流入口を介して冷却流体供給部と、流出口を介して冷却流体排出部と流体的に連通する。必要な冷却能力に応じて、またタービン翼の形状に応じて各冷却室に対して複数の流入口及び流出口を備えてもよい。
この種のタービン翼は、タービン翼の内部を満たして流れる冷却流体によって冷却可能となる。したがって、タービン翼の内部に閉じた冷却循環系が成立する。タービン翼の中を通流して温度の上昇した冷却流体は、別のタービン翼や、このタービン翼が配されたタービン装置の他の部品、例えば燃焼室の壁面等へ新たな冷却目的のために供給される。このように閉じた冷却循環系によって、例えばタービン翼の周囲に流れる作動流体中に流入するべきではない蒸気のごとき冷却流体を使用することができる。軸線方向に交互に配設された静翼及び動翼を備えたタービン装置においては、この冷却流体によって、先ず熱的に負荷の高い静翼が、続いてこの静翼の後段に軸線方向に配置された動翼が冷却される。さらに、タービン翼中の閉じた冷却循環系によって、タービン翼の周囲に流れる高温の作動流体への影響が回避され、これによって空気力学的な効率が高くなる。
冷却室は流れ方向及びこの方向に垂直な方向（すなわち、ほぼタービン翼の主軸線方向）に延びており、特に流れ方向に垂直な方向への広がりを、流れ方向とほぼ同等かあるいはより大きくすることができる。このように冷却室を二次元に広げることにより均等な冷却能力が得られる。個々の冷却通路を備えた場合に特に冷却通路間に必然的に備えられる幅広い中実のブリッジによって生じる高温度勾配が回避されることによって、特に均一な温度分布が得られるので、タービン翼の長寿命化がもたらされる。また、流入口と流出口の形態、位置、大きさ、ならびに個数を選定することによって、冷却流体を冷却需要に合わせて冷却室に導入することができる。これによって、所定の冷却能力を得るに必要な冷却流体の量は、多数の個別の冷却通路を用いる場合に比べて著しく少量となる。
冷却室は特に壁構造体の中に鋳込まれる。これによって、閉じた冷却循環系が確実に形成される。鋳込んだ冷却室を用いれば、大きな機械的、熱的負荷によって冷却系を形成するケーシングが分離する危険性が確実に回避される。さらに、冷却室は、鋳造によって容易にかつタービン翼と共に一つの作業工程で高精度に製作することができる。
タービン翼は主軸線に沿って延びており、冷却室内の冷却流体の流れが主軸線に対してほぼ垂直に形成されるように、流入口と流出口が配されている。これは、例えば完全に三次元的な周囲の流れを生じるタービン翼の場合のような、主軸線に沿って延び主軸線に対して曲げられ、ねじられ、あるいはねじ曲げられるすべてのタービン翼にあてはまる。
タービン翼の加圧面および／あるいは吸引面には特に複数の冷却室が備えられる。それによって、複雑な形状のタービン翼の場合でも外壁の効果的な冷却が保証される。定置形ガスタービンの静翼には、吸引面にもまた加圧面にも３×３個の冷却室が、また得られる熱伝達に応じてより多数のあるいはより少数の冷却室が備えられる。冷却室には、特に少なくとも２個の冷却流体供給部より冷却流体が供給され、この冷却流体は同じく少なくとも２個の冷却流体排出部を介してタービン翼より排出される。冷却流体供給部及び冷却流体排出部は特に流体的にそれぞれ互いに並列とする。冷却流体供給部及び冷却流体排出部は主軸線に対して垂直の方向に交互に前後して配列される。それによって、前後して配される冷却室には僅かな構成費用で冷却流体が供給可能になる。
冷却される外壁を可能な限り薄く形成すれば、特に効果的に冷却することができる。外壁が少なくとも領域的に平均壁厚2.5mm以下、特に約１mmの壁厚を有すると好ましい。壁構造体を外壁と内壁とに概念的に分割すれば、壁構造体の機能的特性を切り離すことができ、内壁に比べて外壁では機械的安定性に対する要求を低くすることができる。内壁は高温の作動流体、特に高温ガスに直接曝されないので、外壁に比べて厚い壁厚を有することができる。内壁は主としてタービン翼の機械的支持機能を担っている。これに対し外壁はより薄い壁厚により形成され、熱伝達要素によって効果的な冷却が可能となる。
各冷却室の内部には、特に冷却流体の主通流方向に、この冷却流体が周囲を流れる熱伝達要素が前後して配列され、外壁に熱的に連結されている。したがって、冷却流体は冷却室の内部において長い区間を通ることとなり、冷却流体は効果的に加熱される。このように熱伝達要素を外壁と熱的に連結することによって、外壁から冷却流体へ効果的に熱の伝達が行われる。
内壁と外壁との間の冷却領域の断面は冷却流体の速度を速くするために薄く形成され、特に外壁の壁厚の範囲に配される。冷却室の通流断面積を小さくして冷却流体の速度を速くすることにより、大きい熱伝達率が得られる。冷却室内の主通流方向は、特にタービン翼の周囲に流れる作動流体の流れ方向と一致させるか、あるいはこれと逆方向にされる。熱伝達要素は、特に柱状あるいは台座状に形成され、外壁から内壁へ達する。また、この熱伝達要素は内壁に固定されていてもよい。熱伝達要素の断面は、熱伝達上の必要条件ならびに流れとしての必要条件にそれぞれ適合され、例えば円状、多角形状、あるいは流れのパターン形態に形成される。
外壁と内壁との間に配された冷却室を少なくとも一つ備えた壁構造体を持つタービン翼は、鋳造によって一つの作業工程により一体として製作することができる。当然のことながら、タービン翼は二つあるいはそれ以上の鋳造部品を持つことができ、鋳造後、適切な方法（接合方法）によって互いに強固に結合することもできる。特に流出口および流入口は鋳造によって製作できる。特にタービン翼は、主軸線に沿ってかつ主軸線に垂直な面に、複数の冷却室を有する。
特に、流入口を外壁にほぼ垂直に構成すれば、流入する冷却流体は外壁にぶつかり、少なくとも流入口の領域において外壁を補助的に衝突冷却することが可能となる。
特に、流体流入部および／あるいは流体流出部に、少なくとも１個の流出口を通して外壁の外表面につながる補助冷却流体供給部が設けられる。この補助冷却流体供給部、冷却流体供給部および冷却流体排出部は、タービン翼の主軸線に対してほぼ並列に向けられる。タービン翼は、特に流体流入部に例えば穿孔によって構成される多数の流出口を備える。この流出口を通してタービン翼の外表面へ送られる冷却流体によって、外表面への冷却流体膜の形成が可能となる。したがって、熱的負荷の大きい流体流入部は、タービン翼の内部からの熱伝達に基づく冷却に加えて、いわゆる膜冷却の原理にしたがって外部からも冷却できる。流体流入部ならびに流体流出部は分離された冷却流体供給系によって冷却されるので、吸引面および加圧面の領域の外壁とは異なる冷却流体によって冷却される。ガスタービン用のタービン翼の流体流出部及び流体流入部の冷却には、冷却空気、特にガスタービンに付設された圧縮機から供給される冷却空気が適している。冷却室の冷却用には、冷却ガスの他、特にガスタービン装置の圧縮機からの冷却空気や、空気に対して熱伝達量の割合が高い水蒸気が適している。
このタービン翼はタービン翼の周囲に高温ガスが流れるガスタービン内で使用するのに適している。高温ガスの温度がタービン翼の基材の融解温度より高い温度にある場合、この冷却によってタービン翼の故障が回避される。外壁の温度は閉じた冷却循環系による冷却によって安全な温度レベルに下げられる。内部空間からの冷却流体は、対流熱伝達と外壁を通る熱伝導とを生じ、これによって外壁の表面は十分に冷却される。タービン翼は動翼としてもよく、また静翼としてもよい。これらはいずれも、適当な取付け装置、例えば翼根元部によってタービンのケーシングあるいはタービンのロータに結合される。
したがって、本発明によるタービン翼は、ガスタービン装置における、特にタービン翼の周囲に流れる高温ガスが明らかに1000℃以上の温度となるガスタービンにおける動翼あるいは静翼としての用途に適している。
タービン翼の冷却方法についての課題は、周囲に高温の作動流体が流れる壁構造体を有し、この壁構造体が内部空間を取り囲む外壁を含むタービン翼において、第１の冷却流体を冷却流体供給部を通して内部空間の中へ流入させ、そこから外壁と熱的に連結された冷却室へ流し、内部空間の冷却流体排出部を通してタービン翼から再び流出させることによって解決される。
このように冷却することによって、高温の作動流体の流れの中へ冷却流体が到達し、作動流体の流れに悪影響を及ぼして効率低下をもたらす事態が回避される。これによって、効率の上昇が達成される。さらに、閉じた冷却プロセスによって高温の作動流体とは異なる冷却流体を用いることができる。特に、作動ガスが高温ガスであるガスタービンの場合には、冷却流体として蒸気が使用できる。この蒸気は、複合形ガス・蒸気タービン装置の場合、ガスタービンの後段に接続された蒸気タービンから容易に取り出すことができる。
タービン翼の流体流入部および／あるいは流体流出部に、別の冷却流体を供給し、壁構造体を通流させて作動流体中へ導入することもできる。これにより、流体流入部および／あるいは流体流出部の内部からの冷却に加えて、タービン翼の外表面での膜冷却が保証される。補助冷却流体供給部に供給される冷却流体も、また流体流入部および／あるいは流体流出部に供給される冷却流体も、内部空間をタービン翼の主軸線に対して特に平行に流れ、それぞれ分流が冷却室内へ、もしくは流体流入部及び流体流出部の流出口を通して高温ガスへ供給される。
図面に示された実施例に基づいて、本発明によるタービン翼ならびにタービン翼の冷却方法を詳しく説明する。
図１および２は、いずれも、説明に用いられている構造的、機能的特徴を模式的に示したガスタービンのタービン翼の横断面である。
図１には、主軸線１９に沿って延びるガスタービンのタービン翼１が示されている。このタービン翼１は主軸線１９に沿って曲げられ、ねじられ、また捻じ曲げられており、図に示されたタービン翼１の断面は主軸線１９に関して変化している。タービン翼１は図示されていない端部に、固定のための翼根元部を持つ。タービン翼１は、流体流入部８と流体流出部９と相対して配された加圧面１０及び吸引面１１とからなる壁構造体２を持つ。さらに、壁構造体２は内部空間２１を取り囲む外壁３を持つ。この内部空間２１の内部には、流体的に互いに分離され並列に配された冷却流体供給部２２，２２ａ、冷却流体排出部２３，２３ａ、ならびに補助冷却流体供給部２５，２５ａが備えられており、いずれも主軸線１９に対してほぼ平行に向けられている。上記の冷却流体供給部２２，２２ａ，２５，２５ａおよび冷却流体排出部２３，２３ａは、図示されていない根元部から、タービン翼１の第１の端部に相対する図示されていない第２の端部まで延び、この部分で閉じている。タービン翼１の周囲には高温ガス１８（作動流体）が流れるので、外壁３の外表面１４には高温ガス１８がぶちあたることとなる。この高温ガス１８はタービン翼１の流体流入部８に流れ込み、タービン翼１に沿って流体流出部９まで流れる。内部空間２１には、高温ガス１８の流れ方向に、順次、流体流入部８の冷却流体供給部２５と、冷却流体排出部２３と、冷却流体供給部２２と、冷却流体排出部２３ａと、冷却流体供給部２２ａと、流体流出部９の冷却流体供給部２５ａとが配列されている。壁構造体２は、吸引面１０及び加圧面１１に、前後して配された複数の冷却室２０を持つ。図示されていない別の冷却室２０が吸引面１０及び加圧面１１に主軸線１９の方向に備えられている。冷却室２０は内部空間２１側の内壁４と外壁３との間に配されている。各冷却室２０はそれぞれ冷却流体供給部２２，２２ａに連通した冷却流体６用の流入口１５を備えている。各冷却室２０の流入口１５は、外壁３に対してほぼ垂直方向に位置する流入口軸線２４に沿って伸びている。これによって、冷却室２０に冷却流体６が流入する際、外壁３の付加的な衝突冷却が達成される。さらに、各冷却室２０は、冷却室２０と冷却流体排出部２３，２３ａとを流体的に連通させる流出口１６を持つ。冷却室２０には、いずれも、冷却流体６が高温ガスの通流方向あるいはその逆方向に通流する。いずれの冷却室２０にも、冷却流体６の通流方向１２に互いに前後して配された複数の熱伝達要素７が配列されている。軸線１９に沿って冷却室内に配置された他の熱伝達要素７は図示されていない。これらは通流方向１２における熱伝達要素７に比べて位置をずらされており、これによって冷却室２０内に高い熱伝達が得られる。流体流入部８の補助冷却流体供給部２５は複数の流出口１６を持ち、これを通して冷却流体６ａがタービン翼１の外表面１４へ達する。これにより、冷却流体６ａによるタービン翼の補助的な膜冷却が保証される。流体流出部９の補助冷却流体供給部２５ａは同様に冷却流体６ａを排出するための流出口１６ａを持ち、その場合吸引面１１と加圧面１０との外壁の間に熱伝達要素７が配されている。
冷却流体６、特に冷却空気あるいは水蒸気は、タービン翼１の図示されていない第１の端部から流入し、同様に図示されていない第２の端部までタービン翼１を通流する。冷却流体６からの分流が、軸線方向に重なり合って配された冷却室２０へ排出される。それぞれの分流は、冷却室２０を通流し、外壁３ならびに熱伝達要素７との熱交換によって熱を取出し、これによって外壁３が冷却される。それぞれの分流は、冷却室２０を通流したのち、冷却流体排出部２３，２３ａへ入る。冷却流体排出部２３，２３ａで再び合流した冷却流体の流れは、図示されてない第１の端部を通してタービン翼１の外に達する。この冷却流体６は、さらにガスタービンの他の部品の冷却用として再使用することができる。例えば、最も高い温度の高温ガスに曝される第１列のタービン静翼に外部で冷却された冷却空気が通流し、ここで温められた冷却流体が、第１の静翼列の後段に直接連結された第１のタービン動翼列へ供給される。流体流入部８および／あるいは流体流出部９には、補助冷却流体供給部２５，２５ａを通して同一の冷却流体６あるいは異なる冷却流体６ａが供給される。この冷却流体６ａは流出口１６ａを介して高温ガス１８の流れに入る。これによって流体流入部８および流体流出部９の膜冷却が可能となる。
図２には、図１に類似した、冷却流体６用の閉じた冷却循環系を備えたタービン翼１が図示されている。図２のタービン翼１は図１のタービン翼１に類似して構成されている。図２のタービン翼１では、冷却室２０が流体流入部８の内部および流体流出部９の内部にまで広がっており、これらの領域８，９も、閉じた冷却循環系の冷却流体６により冷却される。図１における冷却流体の流れ、冷却室２０、冷却流体排出部２３，２３ａ、ならびに冷却流体供給部２２，２２ａに関する説明は、図２のタービン翼１においても一致して適用される。図２の参照符号の意味は図１の参照符号の意味と一致している。
本発明は、タービン翼の外壁が吸引面および加圧面で閉じた冷却循環系により冷却可能である点において特に優れている。冷却室には冷却流体供給部より冷却流体、特に冷却空気あるいは水蒸気が供給される。冷却室を通流した冷却流体は、タービン翼の周りに流れる高温の作動流体の流れに到達することなく、タービン翼に備えられた冷却流体排出部を通してこのタービン翼から再び取出される。これらに加えて、タービン翼の流体流入部および流体流出部は開口した冷却系により冷却することもできる。この場合、閉じた冷却循環系の冷却流体とは異なる冷却流体が使用可能である。

Claims (15)

1. 翼前縁部（８）と、翼後縁部（９）と、これらの間で互いに相対する加圧面（１０）及び吸引面（１１）と、作動流体（１８）が周囲を流れる壁構造体（２）とを有し、この壁構造体（２）が冷却流体（６）通流用の内部空間（２１）を取り囲む内壁（４）及び外壁（３）を含むタービン翼（１）において、
   前記内壁と外壁との間に設けられ、前記外壁（３）に熱的に結合され冷却流体（６）用の流入口（１５）及び流出口（１６）を備えた少なくとも１個の冷却室（２０）と、前記内部空間（２１）に備えられた少なくとも１個の冷却流体供給部（２２）及び少なくとも１個の冷却流体排出部（２３）とを備え、前記冷却流体供給部（２２）が流入口（１５）を介して、前記冷却流体排出部（２３）が流出口（１６）を介して前記冷却室（２０）に流体的に連通しており、
   前記冷却室（２０）の内部に、主通流方向（１２）の冷却流体（６）が周囲を流れる熱伝達要素（７）が前後して配され、これらの熱伝達要素（７）が外壁（３）に熱的に連結され、かつ前記内壁（４）まで達していることを特徴とするタービン翼（１）。
2. 冷却室（２０）内の冷却流体（６）の流れが主軸線（１９）に対して垂直方向に形成されるように、流入口（１５）と流出口（１６）が配されていることを特徴とする主軸線（１９）に沿って延びる請求項１に記載のタービン翼（１）。
3. 加圧面（１０）および／あるいは吸引面（１１）に複数の冷却室（２０）が備えられていることを特徴とする請求項１または２に記載のタービン翼（１）。
4. それぞれ互いに流体的に並列な、少なくとも２個の冷却流体供給部（２２，２２ａ）ならびに少なくとも２個の冷却流体排出部（２３，２３ａ）が備えられていることを特徴とする請求項３に記載のタービン翼（１）。
5. 外壁（３）が少なくとも領域的に平均壁厚2.5mm以下の壁厚を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載のタービン翼（１）。
6. 前記外壁（３）の平均壁厚が１mmであることを特徴とする請求項５に記載のタービン翼（１）。
7. 外壁（３）、内壁（４）及び冷却室（２０）が、鋳造によって、一つの作業工程によって製作されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載のタービン翼（１）。
8. 外壁（３）、内壁（４）、冷却室（２０）および熱伝達要素（７）が、鋳造によって、一つの作業工程によって製作されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載のタービン翼（１）。
9. 流入口（１５）が、外壁（３）に対して約90°の角度で傾斜した流入口軸線（２４）に沿って配置されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一つに記載のタービン翼（１）。
10. 翼前縁部（８）あるいは翼後縁部（９）に、少なくとも１個の流出口（１６ａ）を通して外壁（３）の外表面につながる補助冷却流体供給部（２５，２５ａ）が付設されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一つに記載のタービン翼（１）。
11. ガスタービン用の静翼あるいは動翼であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一つに記載のタービン翼（１）。
12. 請求項１乃至１１のいずれか一つに記載のタービン翼（１）を備えたことを特徴とするガスタービン装置。
13. 周囲に高温の作動流体（１８）が流れる壁構造体（２）を有し、この壁構造体（２）が内部空間（２１）を取り囲む内壁（４）及び外壁（３）を含むタービン翼（１）の冷却方法であって、第１の冷却流体（６）を冷却流体供給部（２２）を通して内部空間（２１）の中へ流入させ、そこから外壁（３）と熱的に連結された冷却室（２０）へ流し、内部空間（２１）の冷却流体排出部（２３）を通してタービン翼（１）から再び流出させるタービン翼（１）の冷却方法において、
    前記冷却室（２０）の内部に、主通流方向（１２）の冷却流体（６）が周囲を流れる熱伝達要素（７）が前後して配され、これらの熱伝達要素（７）が外壁（３）に熱的に連結され、かつ前記内壁（４）まで達していることを特徴とするタービン翼（１）の冷却方法。
14. タービン翼（１）の翼前縁部（８）および／あるいは翼後縁部（９）に第２の冷却流体（６ａ）が供給され、前記外壁（３）を通してタービン翼（１）から作動流体（１８）中へ排出されることを特徴とする請求項１３に記載の冷却方法。
15. 第１の冷却流体（６）が冷却空気あるいは水蒸気であり、第２の冷却流体（６ａ）が冷却空気であることを特徴とする請求項１４に記載の冷却方法。

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