JP4477032B2 - 閉ループ蒸気冷却式タービンシュラウド - Google Patents

Description

本出願は、総括的にはタービンシュラウドの冷却に関し、より具体的には、ガスタービン用の閉ループ蒸気冷却式内側シュラウドに関する。

ガスタービン内の高温ガスは、しばしば金属構成部品の融点よりも高い温度になる可能性がある。回転タービンバケットの先端部上方で高温ガスを保有するためには、一般的には冷却式セグメント固定シュラウドが必要になる。従って、運転時にこれら構成部品を保護するための冷却方式を確立することが必要である。

タービンシュラウドは多くの場合、伝導冷却、インピンジメント冷却、フィルム冷却又はそれらの組み合わせによって冷却される。一つの冷却方式が、本出願と同一出願人の米国特許第６，３９０,７６９号に示されている。図示されているように、このシュラウドは、一連の４つのインピンジメント冷却チャンバを使用する。各チャンバは、内側シュラウド鋳造品に溶接されたインピンジメントバッフルを有する。この構成により、チャンバの各々内でガス流路壁の背面上に噴霧され、回収され、かつこれが反復されることになる蒸気冷却媒体の経路及び配分の制御が得られる。この方法は冷却には有効であるが、シュラウドは、数多くの部品及びそれに伴う製造法の工程を有する。米国特許第６，３９０,７６９号は、参考文献として本明細書に組み入れている。
米国特許第６，３９０,７６９号公報

従って、簡易な製造方法及び技術的方法で効果的な冷却を行うことができる改良型の内側シュラウドに対する要望が存在する。シュラウドは、総じてタービンの全体効率を低下させるものであってはならない。

従って、本出願は、ガスタービン用の閉ループ内側シュラウド組立体について記述する。本シュラウド組立体は、シュラウド本体と、カバープレートと、カバープレートを通してのシュラウド本体への入口と、シュラウド本体を通る蛇行通路と、シュラウド本体からカバープレートへの出口とを含むことができる。

シュラウド組立体はさらに、シュラウド本体に施工された内側皮膜を含むことができる。内側皮膜は、幾つかのセラミック及び金属層を含むことができる。内側皮膜は、シュラウド本体を高温ガスへの直接的暴露から保護するための断熱皮膜を含むことができ、またプラズマ溶射法で施工することができる。

シュラウド本体は、単結晶超合金金属又は等軸晶ニッケル基超合金金属を含むことができる。シュラウド本体は、内部中子鋳造法により製造される。シュラウド本体は、蒸気入口及び出口空洞を含むことができる。カバープレートは、コバルト基合金を含むことができる。

蛇行通路は、幾つかの約９０度方向転換部を含むことができる。蛇行通路は、その中における円滑かつ良好な分配蒸気流のための所定の寸法を含むことができ、またさらに複数の平行路を含むこともできる。蛇行通路は、その中に幾つかのタービュレータを含むことができる。

本出願はさらに、ガスタービン用の閉ループ内側シュラウド組立体について記述する。本シュラウド組立体は、シュラウド本体と、カバープレートと、カバープレートを通してのシュラウド本体への入口と、シュラウド本体を通る蛇行通路とを含むことができる。蛇行通路は、幾つかの約９０度方向転換部を含むことができる。

蛇行通路は、その中における円滑かつ良好な分配蒸気流のための所定の寸法を含むことができ、またさらに複数の平行路を含むことができる。蛇行通路は、その中に幾つかのタービュレータを含むことができる。

本出願のこれら及びその他の特徴は、図面及び特許請求の範囲と関連させて以下の詳細な記載を検討することにより当業者には明らかになるであろう。

次に、幾つかの図全体を通して同じ符号が同様の要素を示す図面を参照すると、図１は、本明細書で説明するシュラウド組立体１００を示す。シュラウド組立体１００は、従来型の第一段バケット又はこれに類似したタイプの前方タービン段の周りに配置することができる。シュラウド組立体１００は、タービンシェル接合部及びフックノズル接合部、つまり外側シュラウドハウジング（図示せず）と関連させることができる。本明細書で使用する冷却媒体として蒸気について説明することにするが、シュラウド組立体１００には、あらゆるタイプの冷却媒体を使用することができる。

シュラウド組立体１００は、内側シュラウド本体１１０と、内側皮膜１２０と、カバープレート２００とを含むことができる。シュラウド本体１１０は、優れた耐熱冶金特性を有する単結晶超合金金属、等軸晶ニッケル基超合金金属又はこれに類似したタイプの材料で製造することができる。シュラウド本体１１０は、セラミック内部中子１７０を使用して鋳造法によって内部流路１８０を形成するように製造することができる。内側皮膜１２０は、非常に高い温度環境内で長期間耐えることができかつシュラウド本体１１０と高温ガスとの間に断熱層を形成することができるセラミック及び金属層の両方又はこれに類似したタイプの材料で製造することができる。カバープレート２００は、コバルト基合金のような優れた摩耗特性を有する超合金金属で製造することができ、鋳造法により製造するか又は全て機械加工してその形状にすることができる。シュラウド本体１１０及びカバープレート２００は、電子ビーム溶接、ロウ付け又はそれに類似した技術的方法によって接合することができる。内側皮膜１２０は、高温度プラズマ溶射として施工することができる。内側皮膜１２０の使用は、任意選択的である。

カバープレート２００は、蒸気入口ポート１３０及び蒸気出口ポート１４０を含むことができる。同様に、シュラウド本体１１０は、カバープレート２００の蒸気入口ポート１３０と連通した蒸気入口空洞１５０及びカバープレート２００の蒸気出口ポート１４０と連通した蒸気出口空洞１６０を含むことができる。シュラウド本体１１０の蒸気入口及び出口１５０、１６０は次に、セラミック内部中子１７０を使用してシュラウド本体１１０内に一体形に鋳造された内部流路１８０に通じる。上記のように、流路１８０は、インベストメント鋳造法の一部分としてのセラミック内部中子１７０を取り除いた後にシュラウド本体１１０内に形成される。

図示するように、流路１８０は、主として蛇行形状の形態であり、冷却媒体が同時に流れるようになった複数の平行路を含むことができる。流路１８０は、シュラウド本体１１０の前方及び後方端部に設置されて冷却媒体が前方及び後方端縁部に向ってほとんど全体的に流れることを可能にするような幾つかの約９０度（９０°）方向転換部を有する。これらの方向転換部には、それを通る円滑かつ良好な分配蒸気流を可能にする幾つかの方向転換ベーン１８５が組み込まれる。流路１８０はまた、それを通って流れる蒸気の高い対流係数が得られかつ同時にコンパクトな通路高さが得られるような寸法にすることができる。さらに、このコンパクトな流路１８０により、フックの下方において障害がない状態で該流路を前方及び後方に容易に通すことが可能になる。

流路１８０は、その中に配置された幾つかのタービュレータ１９０を有することができる。あらゆる数のタービュレータ１９０を使用することができる。タービュレータ１９０は、蒸気冷却媒体の熱伝達特性を高める。タービュレータ１９０の使用は、任意選択的である。

使用中、カバープレート２００の蒸気入口１３０及び蒸気出口１４０は、前方及び後方フックとの干渉を回避するようにシュラウド組立体１００内の中央に配置される。流路１８０の蛇行の性質により、シュラウド組立体１００の中央領域における冷却媒体の同時的な前方及び後方流れが可能になると同時に、蒸気がこの同じ中央領域内に送り込まれかつ該中央領域から送り出されることも可能になる。従って、蒸気は、カバープレート２００の蒸気入口ポート１３０、シュラウド本体１１０の蒸気入口ポート１５０を通りかつ流路１８０を通って流れて、蒸気出口空洞１６０及び蒸気出口ポート１４０を介して再び流出して、対流冷却を行うが蒸気損失を全く生じさせないようになる。試験では、シュラウド組立体１００は、使用時に大きな圧力損失が生じないと同時に、依然として効果的な対流冷却を与えることを示した。

本シュラウド組立体１００は、ガスタービンの前方段で使用することができ、かつシュラウドの冷却時に蒸気に付与された熱エネルギーから仕事を取り出す手段（蒸気タービンのような）と組合せることができる。次に、この蒸気は、閉ループ方式でシュラウドに戻るように送られて冷却媒体として再度使用することができる。たとえば、本シュラウド組立体１００は、ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより販売されている複合サイクル９Ｈ型蒸気冷却式タービンで又はそれに類似したタイプの装置において使用することができる。

以上は本出願の好ましい実施形態にのみ関連するものであること、また特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の全体的技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに、当業者が本明細書において多数の変更及び改良を加えることができることを理解されたい。

本明細書に説明するシュラウド組立体の斜視図。 図１のシュラウド組立体で使用する内側シュラウド鋳造品の斜視図。 図２の内側シュラウド鋳造品の通路を形成するのに使用する内部中子の斜視図。 図３に示す内部中子の下面の斜視図。 図３及び図４のセラミック中子によって形成した通路を示す、図１のシュラウド組立体の破断斜視図。

符号の説明

１００ シュラウド組立体
１１０ シュラウド本体
１２０ 内側皮膜
１３０ 蒸気入口
１４０ 蒸気出口
１５０ 蒸気入口空洞
１６０ 蒸気出口空洞
１７０ 内部中子
１８０ 流路
１８５ 方向転換羽根
１９０ タービュレータ
２００ カバープレート

Claims (9)

1. ガスタービン用の閉ループ内側シュラウド組立体（１００）であって、
   シュラウド本体（１１０）と、
   カバープレート（２００）と、
   前記カバープレート（２００）を通しての前記シュラウド本体（１１０）への入口（１３０）と、
   前記シュラウド本体（１１０）を通る蛇行通路（１８０）と、
   前記シュラウド本体（１１０）から前記カバープレート（２００）への出口（１４０）と、
   を含むシュラウド組立体（１００）。
2. 前記シュラウド本体（１１０）に施工された内側皮膜（１２０）をさらに含む、請求項１記載のシュラウド組立体（１００）。
3. 前記シュラウド本体（１１０）が、単結晶超合金金属又は等軸晶ニッケル基超合金金属を含む、請求項１記載のシュラウド組立体（１００）。
4. 前記シュラウド本体（１１０）が、内部中子鋳造法により製造される、請求項３記載のシュラウド組立体（１００）。
5. 前記カバープレート（２００）がコバルト基合金を含む、請求項１記載のシュラウド組立体（１００）。
6. 前記シュラウド本体（１１０）が、蒸気入口空洞（１５０）及び蒸気出口空洞（１６０）を含む、請求項１記載のシュラウド組立体（１００）。
7. 前記蛇行通路（１８０）が、複数の約９０度方向転換部を含む、請求項１記載のシュラウド組立体（１００）。
8. 前記蛇行通路（１８０）が、複数の平行路を含む、請求項１記載のシュラウド組立体（１００）。
9. 前記蛇行通路（１８０）が、その中に複数のタービュレータ（１９０）を含む、請求項１記載のシュラウド組立体。