JP4502517B2 - 流体機械の案内羽根及び案内羽根リング - Google Patents

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Description

【0001】
この発明は、流体機械、特にタービン、特に火力発電所において使用されるガスタービンの案内羽根に関する。この発明は、またこのような案内羽根からなる案内羽根リングにも関する。
【0002】
このようなガスタービンは軸或いは回転子を備え、これに所謂可動羽根が固く結合されている。可動羽根は半径方向にタービンの通流路に突出して延びている。この可動羽根のいくつかで回転子の周囲方向に1つの可動羽根リングを形成している。回転子の長手方向に複数の可動羽根リングが互いに間隔をおいて配置されている。タービンケーシングには所謂案内羽根が配置されており、これは外側から通流路に半径方向に延びている。案内羽根は同様に案内羽根リングに配置され、その際個々の案内羽根リングは可動羽根リングに櫛の歯状に嵌り合っている。可動羽根とは異なり、案内羽根はケーシングに強固にかつ不動に固定されている。可動羽根と案内羽根との間に形成された通流路は案内羽根及び可動羽根によって境界付けられ、外部に向かって封止される。このために、通常、可動羽根もまた案内羽根も、それらが回転子もしくはケーシングに固定されているその羽根脚部の範囲に所謂プラットホームを備えている。このプラットホームは、半径方向に通流路に突出するブレードに対してほぼ垂直に延びている。
【0003】
特に発電分野において使用されるガスタービンにおいては非常に高い温度が発生する。効率を上げる開発途上で、益々高いガス温度が追求されている。これによりガスタービンに使用される材料や、その個々の構造部の通常必要とされる冷却に対する要求が益々高くなっている。
【0004】
ドイツ特許出願公開第2628807号明細書にはガスタービン羽根のバッフル冷却システムを開示する。ガスタービンの羽根は羽根軸に沿って向けられており、羽根軸に沿ってブレード部とプラットホーム部を備えている。プラットホーム部においてプラットホームは羽根軸に対して直角方向にブレードから離れてほぼ垂直に外部に向かって延びている。プラットホームは、その場合、ガスタービンを貫流する作動流体(高温ガス)に対する通流路の一部を形成する。このプラットホームの表面は高温ガスに曝されるため、通流路における非常に高い温度により著しい熱的負担を受ける。このプラットホームを冷却するために、プラットホームの高温ガスと反対側の前方に孔の開いた壁部材が配置されている。この壁部材の孔を介して冷却空気が流入し、プラットホームの高温ガスの反対側に当たる。これにより効率的なバッフル冷却が達成される。
【0005】
国際特許出願公開97/12125号明細書はガスタービン装置の構造部品間の間隙を封止する封止要素を開示する。羽根リング内で互いに隣接する2つの羽根は、そのプラットホームの対向する縁部に、互いに対向する溝を備える。この溝には封止部材が挿入されている。この封止部材によりプラットホームの間の間隙は封止される。しかし、同時にプラットホームは互いに剛直には結合されていないので、特に熱的な膨張に対する遊びを残している。この封止部材は溝をつけた表面を持ち、これにより封止効果を一層改善する。
【0006】
熱的負荷の問題に加えて、可動羽根は運転中の回転子の回転速度に基づく大きな遠心力にも耐えねばならない。このことは、特に、例えば航空機の分野において駆動原動機或いは駆動タービンとして使用するタービンについて当てはまる。このような駆動タービンに対しては特に高い回転数が予定されている。この高速回転に伴う大きな遠心力に基づき、特にこれらの駆動タービンにおいては可動羽根の質量をできるだけ小さくすべく努力されている。米国特許第3294364号明細書は、このために、プラットホームを個々の可動羽根から分離することを提案している。即ち、可動羽根とプラットホームとからなる一体ユニット構造を諦めて、その利点を放棄しようとしている。何となれば、分割構成は一体構造に較べてタービンにおいて可動羽根の組立て時により大きな経費を、即ちより長い時間と高いコストを要するからである。プラットホームと本来の可動羽根との分割は、例えば米国特許第5244345号明細書からも公知である。
【0007】
この発明の課題は、容易にかつコスト的に有利に製造可能な流体機械の案内羽根を提示することにある。この発明の他の課題は、かかる案内羽根からなる案内羽根リング及び流体機械の通流路を制限する構造部品を提示することにある。
【0008】
この発明によれば、案内羽根に関する課題は、流体機械のタービン案内羽根の軸に沿って設けられたブレード部と、固定部と、プラットホーム部とを備え、前記プラットホーム部がタービン案内羽根から破壊なしに分離可能な分離部を受け入れるように構成され、前記分離部が流体機械における通流路を制限するための、プラットホーム部に属するプラットホームの部分であり、前記分離部が羽根側の縁部で前記プラットホーム部に接合可能であるタービン案内羽根において、
前記羽根側の縁部とプラットホーム部とが、前記分離部を接合する際に、溝とほぞとによって、羽根側の縁部の全長にわたり互いに嵌り合うように構成されている案内羽根によって解決される。
【0009】
この案内羽根は、それ故、従来から案内羽根で行われているように一体に形成するのではなく、分割可能なプラットホーム部、即ち分離部を備える。このような分割構造により、それ故、案内羽根構造における新しい道を選択するものである。このような分割構造が公知の、航空機用タービンの可動羽根とは異なり、発電分野で使用されるガスタービンの案内羽根に対してこのような構造は適切なものとは思われない。一つには、案内羽根においては当然に遠心力が発生しないし、また一つには、分割構造により組立て経費、従ってまた時間及びコスト経費も不利に作用するからである。
【0010】
しかし分割構造は、驚くべきことに、案内羽根自体の製作プロセスの明白な簡単化につながる。特に一体鋳造の案内羽根において、鋳造プロセスが著しく簡単になるからである。少なくとも、通常羽根軸に対し垂直に立つプラットホームを一緒鋳造する必要がないからである。従って、非常に簡単に扱え、かつ製作可能な鋳型が得られる。特に単結晶の或いは方向性をもって硬化された案内羽根に対し、この鋳造の簡単化は重要である。このような案内羽根は、非常に優れた材料特性を示す。発電分野に使用されるガスタービンでは、益々高い動作温度が求められるから、通常、このような高品質の案内羽根だけが使用可能である。
【0011】
分割構成の製作法のもう1つの本質的な利点は、個々の部分が一体構成に比較して明らかに簡単な形状を持つことにある。これにより、タービンの羽根を損傷、特に高温による熱的損傷から保護する、品質的に高度の皮膜の形成が可能になる。何となれば、特に一体構成の場合、ブレードとこれに対してほぼ垂直に延びるプラットホームとの間の移行部に、高価値かつ耐性のある皮膜を形成することは非常に困難である。この移行部では、皮膜を均一に形成することは、簡単な形状、特に平坦な構造物において可能なようには、殆どできないからである。
【0012】
さらに、一体構造では、材料の組み合わせも非常に限られた範囲に絞られる。コストの理由からも、また異なる羽根部分における、特に異なる熱的な要求によっても、異なる羽根部分を異なる材料で作ると有利である。特に、このことはプラットホームについて言える。プラットホームの少なくとも一部を分離部として自立的に構成することで、この分離部を普通の羽根材料とは異なる材料で形成できる。自立型の分離部を備えたこの構成は、プラットホームが、案内羽根を流体機械において使用したときに生ずる負担を、高々僅かな部分しか吸収する必要のない案内羽根において特に有利である。その場合、固定部がこの負担の大部分を吸収するように形成する。この結果分離部をプラットホーム部に接合する際に、特に安定したかつ強固な結合のための特別な対策は不要である。
【0013】
特に、分離部は羽根側の縁部にわたってプラットホーム部に接合可能であるのがよい。この場合、羽根側の縁部とプラットホーム部とは、分離部を接合する際に互いに、特に羽根側の縁部の全長にわたって嵌り合うように形成される。
【0014】
このような嵌め合いにより分離部はプラットホーム部に良好に固定される。その上、この嵌め合いにより、分離部とプラットホーム部との間には作動媒体或いは冷却媒体に対する封止ができる。作動媒体、特に高温ガスは流体機械の通流路内を案内されるが、これに対してプラットホームを冷却する冷却媒体は通流路側の反対側においてプラットホームの表面に沿って流れる。
【0015】
さらに、羽根側の縁部とプラットホーム部とは、その場合、溝とほぞのように互いに嵌り合うようにするのがよい。これは製造技術的に特に簡単であり、羽根を流体機械に簡単に組み込むことをも可能にする。
【0016】
さらに、プラットホーム部と羽根側の縁部との間に中間部材を挿入できるようにし、これにより分離部を接合した後にこの分離部とプラットホーム部との間に残る間隙を封止するのがよい。従ってこの中間部材により、プラットホーム部と分離部との間に残る間隙が通流路を流れる作動媒体の侵入に対して封止される。しかしまたこの部材により、冷却媒体が通流路に侵入することも減少或いは阻止される。さらに、この部材により分離部のプラットホーム部への機械的固定も達成される。特にこれは、羽根側の縁部も、またプラットホーム部も1つの溝を備えることにより可能となる。これらの溝は、分離部を接合する際互いに対向して存在する。中間部材は、この溝内に特にその全長にわたり挿入可能である。互いに対向して存在する両溝は分離部を接合する際に、それ故、この中間部材が挿入される通路を形成する。このことは、上述した国際特許出願公開97/12125号公開明細書から明らかな、隣接する2つの羽根のプラットホーム間における封止部材の構成に相当する。
【0017】
特にプラットホームは平面広がり部を備え、この部分が分離部の70%以上を占めるとよい。これによりプラットホームは大部分が分離部として形成される。特に好ましくはプラットホームの90%以上が分離部として形成される。プラットホームは、それ故、大部分或いは殆ど完全に自立型の構造部品である。
【0018】
また、好ましくは、分離部から補強リブが、特に分離部の平面に対しほぼ直角に延びている。この補強リブは分離部を接合する際に固定部と結合される。かかる補強リブは、流体機械において、プラットホームの付加的な機械的安定化に役立つ。補強リブは特に固定部に、そして特に、分離部とプラットホーム部とについて記載したように、溝とほぞの形成により或いは対向する溝に挿入された中間部材により嵌り合うとよい。これにより分離部はプラットホームに加えて固定部にも固定される。補強リブが分離部の平面延長に対しほぼ垂直に延びることで、プラットホーム部において固定方向にほぼ垂直方向の機械的固定ができる。
【0019】
この案内羽根は、火力発電所で使用するガスタービンの案内羽根として構成すのがよい。既に述べたように、ガスタービンの案内羽根は通流路、即ち高温ガス通路に流れる高温ガスにより特に高い熱負荷にさらされる。プラットホームもまたこの高い熱負荷を受ける。プラットホームを固有の構造部品、即ち分離部として少なくとも部分的に別に構成することにより、同時に、多数の利点が得られる。これについて、以下に、主なものを簡単にもう一度総括する。
【0020】
1.分離部は、通常の案内羽根と一緒に鋳造する必要がないので、通常の案内羽根の材料とは異なる材料から作ることができる。例えば、分離部はセラミック材料から作ることができる。分離部はまた通常の案内羽根の材料とは異なる金属材料或いは合金から作ることもできる。
【0021】
2.ガスタービンの案内羽根は、しばしば酸化及び/又は腐食を防ぎ、かつ過熱から保護するために皮膜系を備えている。分離部を別部品として構成することで、異なる熱負荷に合わせて分離部とその他の羽根部分とに異なる皮膜系を設けられる。さらに、この皮膜は、羽根と分離部とに各々別々に被着できるので、簡単にかつ質的に高度に行える。特にプラズマ溶射の場合、被着すべき表面をプラズマ流に対しできるだけ垂直に配列することが重要である。斜めにして溶射すると皮膜の多孔度が上がり、従って剥離に対する抵抗力が低くなる。案内羽根とプラットホームを分離部により別々に構成することで、案内羽根もまた分離部も、被着の際にプラズマ流に対して殆ど垂直に向けることができる。
【0022】
3.プラットホームの冷却は、しばしば、高温ガス通路と反対のプラットホーム側にバッフル冷却板を配置して行う。かかる冷却板は、冷却空気をプラットホームの被冷却側に垂直に導く開口を備える。この冷却板を取り付けることは、完全な一体構成の案内羽根では困難である。問題は、特に二重プラットホームを設けるときに生ずる。二重プラットホームの場合、高温側のプラットホーム部分は高温ガスの遮蔽を引き受け、他方この高温ガス側のプラットホーム部分に半径方向に対向する負荷プラットホーム部分が負荷の吸収を引き受けている。このような二重プラットホーム構想においては、プラットホーム部分間に比較的僅かな場所しか残っておらず、バッフル冷却板の溶接が面倒で困難である。別設の分離部では、分離部を他の羽根部分から離し、簡単にバッフル冷却板或いはその他の手段、例えば乱流器やリブを設けられるので、かかる困難は生じない。
【0023】
4.熱負荷に関して臨界的な部分は、ブレード部とプラットホーム部との間の移行部である。この部分は丸くなっており、従って材料が堆積しているからである。この移行部は冷却も難しく、また同時に材料の堆積により特に強い熱応力を受ける。分離部を別構成とすることで、この移行部も効果的にかつ簡単に冷却できる。この冷却は分離部とプラットホーム部との間の間隙に冷却空気を冷却通流させることで行う。冷却空気は、それ故、この間隙を通して直接臨界的な移行部の傍を流れ、その際この部分を冷却する。
【0024】
この発明によれば、案内羽根リングに関する課題は、上述の構成の1つによる案内羽根を備え、そして各々1つの案内羽根に対応する分離部が直接互いに隣接する2つの案内羽根の間に配置されている案内羽根リングによって解決される。
【0025】
即ち、各々隣接する2つの案内羽根の間にあるプラットホームの部分が、分離部として構成される。全体の案内羽根リングは、それ故、その間に別に挿入された分離部を備えた案内羽根から構成される。このような構造の利点は案内羽根の利点についての上述の構成に応じて生ずる。
【0026】
特に互いに隣接する2つの案内羽根に、各々唯一の共通の分離部を設けるとよい。これにより各2つの案内羽根が、両者間にある1つの分離部を共有する。換言すれば、各2つの案内羽根は、それらの間にある1つの共通のプラットホーム部を持っている。この結果部品点数が減少し、製造技術的な簡素化をもたらす。
【0027】
この発明によれば、構造部品に関する課題は、1つの案内羽根リングの2つの直接隣接する案内羽根の間に挿入可能で、これらの案内羽根に結合可能な、流体機械における通流路を制限する構造部品によって解決される。
【0028】
この発明の実施例を図面を参照して詳しく説明する。なお、図は部分的に概略化しかつ寸法的に必ずしも正確には示していない。また、同じ記号は各図において同じ部品を示す。
【0029】
図1は、例えば発電所において発電の分野で使用されるガスタービン1を示す。タービン軸3に沿って以下の部分、即ち圧縮機5、燃焼室7及びタービン部9が順次配置されている。圧縮機5及びタービン部9は共通の軸11に配置されている。この軸11は、発電所において、電力を発生するための図示しない発電機に接続されている。タービン部9には通流路12が設けてある。この通流路12に交互に、順次タービン軸3に沿って案内羽根リング13と可動羽根リング15が配置されている。なお、図では各々その中の1つのリングを例として示す。各案内羽根リング13はガスタービン案内羽根17からなっている。各可動羽根リング15はガスタービン可動羽根19からなる。
【0030】
ガスタービン1の運転時、周囲の空気21を圧縮機5内で圧縮し、燃焼室7に供給する。そこで供給された燃料が燃焼する。発生した高温の排ガス(高温ガスとも言う)23は通流路21を通して導かれる。その際圧力崩壊が起る。そのとき自由になった潜在エネルギーが運動エネルギーとして案内羽根17及び可動羽根19を介して軸11に伝達され、軸を回転運動させる。高温の排ガス23によって通流路12に或いは構造部品、特にガスタービン案内羽根17及びガスタービン可動羽根19は高い熱的負荷を受ける。
【0031】
図2はガスタービン案内羽根17の一部を斜視図で示す。羽根軸32に沿い、交互にブレード部34、プラットホーム部36及び固定部38を配置している。ブレード部34は、ガスタービン案内羽根17をガスタービン1に装着した際通流路12に突出する。固定部38は、ガスタービン1内に案内羽根17を固定するのに役立つ。ブレード部34は入り口側40と出口側42を備える。丸まった移行部44で、ブレード部34はプラットホーム部36に移行している。
【0032】
プラットホーム部36は羽根軸32に対し垂直に延びるプラットホーム48を備える。このプラットホームは案内羽根17をガスタービン1に装着した際、通流路12を部分的に境界付ける。プラットホーム48は主として独立の構造部品として、即ち分離部50として構成されている。プラットホーム部36には、羽根軸32及びブレード部36の輪郭に対しほぼ垂直に連続して、溝46が延びている。溝46に合致して、分離部50の羽根側の縁部51に、溝46にぴったり嵌るほぞ52、即ち羽根側の縁部51に沿って延びる突出部52が配置されている。溝とほぞとは相互に交換可能である。即ち分離部50に溝46を、プラットホーム部36にほぞ52を設けることができる。
【0033】
分離部50は平面広がり部Fを備える。この平面広がり部Fにほぼ垂直に分離部50の下側にリブ56が配置されている。分離部50をプラットホーム部36に嵌めると、分離部50の羽根側の縁部51がほぞ52で溝46に嵌る。この分離部の嵌め合いを矢58で示す。同時にリブ56は固定部38の溝49に一致し、適当な、図示しない結合手段で固定部38に結合される。この結合手段は、例えば図4で詳しく説明する中間部材82である。リブ56により、分離部50とプラットホーム部36との間の結合は付加的に補強される。固定部38は、ガスタービン1を運転する際に案内羽根17に加わる力の主要部を吸収するように形成してある。分離部50は、それ故、主として通流路12における高温ガス23の遮蔽のみに、即ち通流路12の境界付けに役立つ。
【0034】
分離部50を別設の構造部として分離構成することで、特に鋳造のガスタービンの案内羽根17において、製造上大幅な簡素化を図れる。というのは、一体の鋳造品では羽根に対して垂直に立つプラットホーム48が鋳造プロセスを複雑化し、高価にするのからである。その上、分離部50はガスタービンの案内羽根17のその余の部分と無関係に、任意の材料からプラットホーム48に課せられる要求に合わせて構成できる。さらに分離部50は、場合により案内羽根17の残りの部分の皮膜と異なる皮膜を備えてもよい。その上、この皮膜は、案内羽根17のその他の部分と無関係の被着工程で最適に仕上げることができるので、例えばプラズマ溶射により、高品質に形成できる。さらに、ブレード部34とプラットホーム部36との間の移行部44も効果的に冷却可能である。冷却空気は分離部50とプラットホーム部36の間において溝46を通り、そして縁部52の傍を通って移行部44にまで導かれ、そこで移行部44を有効に冷却する。正にこの移行部44こそは、材料の堆積により熱応力に関して臨界的な位置である。
【0035】
図3は、ガスタービンの案内羽根17の異なる構成例を斜視図で示す。この図に示す例では、案内羽根17は案内羽根17を羽根軸32に沿って貫通する空洞60を備える。この空洞60には補強リブ62が配置してある。固定部38は、互いに対向する固定縁部63a及び63bを備える。この固定縁部63a及び63bにより、案内羽根17はガスタービン1に固定される。補強リブ64により固定縁部63a及び63bは補強されている。プラットホーム48を形成する分離部50は、既に図2で示したように、案内羽根17に結合可能である。分離部50はこの図に示すような、高温ガス側に対向する低温側にバッフル冷却ポケット68を備え、この上にバッフル冷却開口72を持つバッフル冷却板70を配置している。分離部50を別に構成することで、冷却手段を特に容易に取り付けられる。案内羽根側の縁部51に対しほぼ垂直に延び、分離部50の頭部67にある溝66は、プラットホーム部36に分離部50を固定するのに応じ、分離部50をここでは図示しないガスタービン1の構造部に固定するのに役立つ。
【0036】
図4は、分離部50とプラットホーム部36との機械的固定の異なる方法を斜視図で部分的に示す。図2及び3に示すような、溝とほぞの原理による固定に較べて、図4は、案内羽根側の縁部51における分離部50の溝80にも、またプラットホーム36の溝46にも挿入される中間部材82を使用した固定方法を示す。この中間部材82は、その上、溝を付けた表面84を持ち、これにより封止作用を強化している。このような封止作用は分離部50とプラットホーム部36との間の間隙を通流路12の高温ガス23に対し密封するのに役立っている。これについては図5でなお詳しく説明する。
【0037】
図5は案内羽根リング13の一部を平面図で示す。各々2つの互いに直接隣接するガスタービン案内羽根17は、互いに案内羽根リング13の周囲方向に、それらの間に位置する分離部50を共有している。各案内羽根17の分離部50とプラットホーム部36のと間に間隙86が存在する。この間隙は、通流路12からの高温ガス23の侵入に対し、図4に示すように、中間部材82によって封止される。分離部50を各々2つの案内羽根に対する共通の分離部50として構成することにより、部品点数を削減し、それにより製造技術的な簡素化を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ガスタービンの概略構成を断面図で示す。
【図2】 ガスタービンの案内羽根の一部を斜視図で示す。
【図3】 ガスタービンの案内羽根の異なる実施例を斜視図で示す。
【図4】 分離部とプラットホーム部との間の接続部の一部を斜視図で示す。
【図5】 ガスタービンの案内羽根リングを平面図で示す。
【符号の説明】
1 ガスタービン
3 タービンの軸
5 圧縮器
7 燃焼室
9 タービン部
11 回転子軸
12 通流路
13 案内羽根リング
15 可動羽根リング
17 案内羽根
19 可動羽根
21 周囲空気
23 高温排ガス(高温ガス)
32 羽根軸
34 ブレード部
36 プラットホーム部
38 固定部
40 吸込側
42 吐出側
44 移行部
46、66、80 溝
48 プラットホーム
49 固定部の溝
50 分離部
51 羽根側の縁部
52,54 ほぞ
56、62 リブ
60 空洞
63a,63b 固定縁部
64 補強リブ
67 頭部
68 バッフル冷却ポケット
69 冷却側
70 バッフル冷却板
72 バッフル冷却開口
82 中間部材
84 溝付き表面
86 間隙

Claims (7)

  1. 流体機械(1)タービン案内羽根軸(32)に沿って設けられたブレード部(34)と、固定部(38)と、プラットホーム部(36)とを備、前記プラットホーム部(36)がタービン案内羽根(17)から破壊なしに分離可能な分離部(50)を受け入れるように構成され、前記分離部(50)が流体機械(1)における通流路(12)を制限するための、プラットホーム部(36)に属するプラットホームの部分(48)であり、前記分離部(50)が羽根側の縁部(51)で前記プラットホーム部(36)に接合可能であるタービン案内羽根(17)において、
    前記羽根側の縁部(51)とプラットホーム部(36)とが、前記分離部(50)を接合する際に、溝(46)とほぞ(52)とによって、羽根側の縁部(51)の全長にわたり互いに嵌り合うように構成されていることを特徴とする流体機械のタービン案内羽根。
  2. 中間部材(82)が前記プラットホーム部(36)と羽根側の縁部(51)の間に挿入可能で、これにより分離部(50)を接合した後にこの分離部(50)とプラットホーム部(36)との間に残る間隙(86)が封止されることを特徴とする請求項1記載のタービン案内羽根。
  3. 羽根側の縁部(51)とプラットホーム部(36)とが、分離部(50)を接合したとき互いに対向する1つの溝(46,80)を備え、これらの溝(46,80)に前記中間部材(82)が溝(46,80)の全長にわたり挿入可能であることを特徴とする請求項記載のタービン案内羽根。
  4. プラットホーム(48)が平面広がり部(F)を備え、この平面広がり部(F)が分離部(50)の70%以上の部分を占めることを特徴とする請求項1からの1つに記載のタービン案内羽根。
  5. 分離部(50)から補強リブ(56)が、前記分離部(50)の平面の広がりに対して垂直に、この補強リブが分離部(50)を接合したとき固定部(38)に結合されるように延びることを特徴とする請求項1からの1つに記載のタービン案内羽根。
  6. 互いに隣接する2つのタービン案内羽根(17)間に分離部(50)が配置されたことを特徴とする請求項1からの1つに記載のタービン案内羽根(17)を備えた案内羽根リング。
  7. 互いに隣接する2つのタービン案内羽根(17)間に、各々1つの分離部(50)だけが配置されたことを特徴とする請求項記載の案内羽根リング。
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