JP4607302B2 - ガスタービンバケットを冷却するための冷却回路及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の技術的背景】
本発明はガスタービンに関し、特に、ガスタービンバケット用の閉じた内部冷却回路と、バケットを冷却する方法とに関する。
【０００２】
ガスタービンバケットを冷却するために歴史的に圧縮機抽出空気が用いられ、使用済み冷却空気は通例高温ガス流内に排出される。蒸気のような冷却媒体を用いるバケットの内部閉回路冷却の出現とともに、ガスタービンの熱力学的効率はかなり向上している。蒸気を用いる閉じた内部冷却回路の代表例は、本願出願人の米国特許第５５３６１４３号に説示されている。この米国特許では、例えば、各第１段バケットのダブテールに冷却蒸気供給通路が設けられ、冷却蒸気をバケットの後縁に沿って供給し、この蒸気は一連の蛇行通路を通り、前縁に沿う最終通路を通流後、ダブテール内の戻り通路を経て戻る。また、上記米国特許にはバケットの後縁に沿う１対の平行通路が開示されており、両通路の一方は冷却蒸気を受入れ、他方の通路は冷却蒸気の戻り用である。また、一つの通路が冷却蒸気を蛇行通路に供給し、その際冷却蒸気は蛇行状にバケットの前縁に向かって流れた後戻る。しかし、比較的高いガスタービン温度、従って比較的高い熱力学的効率が得られるようになるにつれ、冷却の増加が特に望ましくなる。
【０００３】
【発明の概要】
本発明の好適実施例によれば、ガスタービンのバケット用の閉じた内部冷却回路が設けられ、熱力学的効率を高める。詳述すると、この回路には、各バケットのダブテールに軸方向に沿って延在する冷却媒体供給通路、例えば、蒸気通路が含まれ、蒸気供給マニホルドと連通している。この軸方向延在供給通路と、第１及び第２半径方向延在蒸気供給通路が連通している。第１供給通路は半径方向外方に延在し、バケットの翼形部の前縁に直接隣接する第１通路に通じている。この第１通路は、バケット先端近辺で約１８０度転向して半径方向内向きの流れを生じる。次いで、この第２通路は翼形部の根元で約１８０度転向して半径方向外向きの流れを生じる。複数の蛇行通路が設けられ、冷却蒸気を根元転向部と先端転向部との間で半径方向外方に流しては半径方向内方に流し、最終蛇行通路は翼形部の先端に隣接する一室で終わっている。第２供給通路は半径方向外方にバケットのダブテールとシャンクとを貫通しており、そしてバケット翼形部の後縁に沿って延在する半径方向外向き通路、好ましくは２つの半径方向外向き通路と連通している。従って、供給冷却蒸気は第２供給通路を半径方向外方に通流して、後縁に隣接する２つの概して平行な半径方向外方延在通路を通り、そして翼形部先端に隣接する室内に入る。蛇行通路と両後縁通路からの使用済み冷却蒸気は前記室から半径方向内方にバケットの翼形部内の分割通路を通流して半径方向内向き戻り通路を通る。この戻り通路はバケットダブテール内の軸方向戻り通路と連通している。この軸方向戻り通路はロータ内の使用済み冷却蒸気戻りマニホルドと連通している。
【０００４】
上述の構成では、冷却蒸気はバケットの翼形部の前縁と後縁とに直接隣接する２つの別々の平行通路を通って供給される。バケットの前縁と後縁は冷却が最も困難であるから、冷却蒸気は冷却が最も必要なバケットのこれらの部分に供給される。前後両縁を通流する冷却蒸気はまた最低温度と最高圧力で両縁に供給されて冷却効果を高める。また、冷却蒸気は蛇行通路を通るように供給されてバケットの翼形部の中間部分を冷却する。
【０００５】
本発明による好適実施例では、シャンクと、半径方向先端部と、前縁と後縁とを有する翼形部とを有するガスタービンバケットにおいて、冷却媒体をバケットを通るように流すための閉じた内部回路が設けられ、この内部回路は、第１及び第２の概して半径方向外向きの冷却媒体供給通路と、概して半径方向内向きの使用済み冷却媒体戻り通路と、バケットの翼形部内で互いに直列に接続されそして蛇行状に配設された複数の概して半径方向に延在する内部通路であって、該蛇行通路の第１通路がバケットの前縁に隣接して延在しそして第１供給通路と連通しており冷却媒体を受入れて概して半径方向外方に通流させるような内部通路と、バケットの後縁に隣接して延在しそして第２供給通路と連通しており冷却媒体を受入れて概して半径方向外方に通流させる少なくとも一つの通路と、バケットの先端部に隣接する共通室に開いている蛇行通路の少なくとも一つと、使用済み冷却媒体を共通室から前記戻り通路に導くための翼形部内の戻り通路とからなる。
【０００６】
本発明による好適実施例では、シャンクと、半径方向先端部と、前縁と後縁とを有する翼形部と、閉じた内部冷却回路とを有するガスタービンバケットにおいて、バケットを冷却する方法が提供され、この方法は、バケットの翼形部の前後両縁に隣接する１対の概して半径方向外向き通路に冷却媒体を供給して前後両縁を冷却する段階と、冷却媒体を両通路の一方から複数の直列接続蛇行通路に流してバケットの前縁と後縁との間の翼形部の部分を冷却する段階と、蛇行通路からの流れを翼形部の先端に隣接する室内に導く段階と、前記１対の通路の他方からの冷却媒体の流れを前記室内に導く段階と、使用済み冷却媒体を前記室から概して半径方向内方にバケットのダブテール内の戻り通路に流す段階とからなる。
【０００７】
【発明の実施形態】
図１にはタービンバケットが総体的に１０で示され、翼形部１２を含み、この翼形部は翼台部１４に取付けられそしてその一部分を形成している。翼台部１４はシャンク１６をタービン流路内の高温燃焼ガスから保護する。翼形部１２は前縁１８と後縁２０と先端部１９とを含んでいる。また、エンジェルウィング２１がシャンク１６の軸方向に相反する側に沿って装着され、ホイールスペース空洞を従来のように密封する。バケット１０は、シャンク１６と一体に形成された従来のダブテール２２によってタービンロータホイールに取付けられている。本発明の閉じた内部冷却回路は第１段バケットに特に適用可能であるが、本発明の原理による冷却蒸気は他段のバケットにも適用可能であることを認識されたい。
【０００８】
冷却媒体の軸方向供給通路２４がダブテール２２の一端に沿って入口２６を有し、冷却媒体、例えば、蒸気をマニホルド（図示せず）から受入れる。マニホルドはスプーリ（図示せず）を介して入口２６に接続されている。もちろん、列をなすバケット１０が、ロータの軸線を中心として周方向に相隔たるようにロータホイールに配置されている。第１半径方向供給通路２８と第２半径方向供給通路３０が軸方向供給通路２４と連通している。第１半径方向供給通路２８は半径方向外方に延在して一連の蛇行状通路３２、３４、３６、３８、４０、４２、４４の第１通路３２と連通しており、これらの蛇行通路は翼形部１２の相対する壁部間に延在するリブによって形成されている。さらに詳述すると、各半径方向通路はバケット１０の翼形部１２の内部に延在して冷却媒体を半径方向内方又は外方に流す。例えば、第１通路３２は冷却媒体を半径方向外方に前縁１８に沿って流す。この通路は翼形部１２の先端で約１８０度転向しており、半径方向内方に通路３４を通る流れを生じる。通路３４の根部で、この流路３４は約１８０度転向しており、従って、冷却媒体は半径方向外方に半径方向外向き通路３６を通流する。先端部で、通路３６は転向して冷却媒体を半径方向内方に通路３８を通るように流す。通路３８の根部で、この流路は転向して冷却媒体を半径方向外方に通路４０を通るように流す。先端部で通路４０は転向して冷却媒体を半径方向内方に通路４２を通るように流す。通路４２はその根部で約１８０度転向し、従って、冷却媒体は半径方向外方に蛇行通路の最終通路４４を通流する。最終通路４４により冷却媒体は半径方向外方に流れ、翼形部１２の先端に隣接する室４６に流入する。
【０００９】
軸方向供給通路２４と連通している第２半径方向供給通路３０は戻り通路５０と交差し、翼形部１２の根元で、一つの、そして好ましくは二つの半径方向延在通路５２、５４と連通している。図示のように、通路５２、５４は翼形部１２の後縁２０に沿って延在する。冷却媒体は翼形部１２の先端近辺で通路５２、５４を出て室４６に入る。図からわかるように、室４６はこのように使用済み冷却媒体を蛇行通路の最終通路４４から受入れるとともに、後縁に沿って延在する両通路５２、５４からも受入れる。室４６内の使用済み冷却媒体は１対の並行戻り通路５６、５８を通流して半径方向戻り通路５０に流入する。半径方向戻り通路５０はダブテール２２内で軸方向戻り通路６０で終わっており、この軸方向通路は、ロータによって担持された戻りマニホルド（図示せず）と連通している。図示のように、第１半径方向供給通路２８はバケット１０の前部内に存在するのに対し、第２半径方向通路又は交差通路３０は第１半径方向供給通路２８と半径方向戻り通路５０との間に延在し、その後戻り通路５０を交差して翼形部１２の後縁に達している。
【００１０】
図１に明示のように、乱流促進体７０が蛇行通路３２、３４、３６、３８、４０、４２、４４の各通路内で用いられる。乱流促進体はバケットの翼形部１２の壁から突出したリブからなる。前縁通路３２内の乱流促進体はバケットの半径にほぼ垂直に延在し、前縁通路以外の蛇行通路内の乱流促進体は傾斜した乱流促進体を有する。すなわち、傾斜乱流促進体７０は翼形部１２の内壁表面から内方にかつリブ７４間に延在し、リブ７４は翼形部１２の対向壁の構造的な支持をなす。乱流促進体７０は、さもなければ概して層流の流れパターンを乱すことにより乱流を生成して冷却効果を高める。また、図１に示すように、玉ろう付けが製造工程中に用いられて製造中の構造的な支持に役立つ。用いられた玉はまた蛇行通路の半径方向内端を根元転向部で閉ざすように作用する。
【００１１】
以上、本発明の最適実施例と考えられるものについて説明したが、本発明は開示した実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で様々な改変と対等構成が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適実施例によるガスタービンバケット用の閉回路冷却システムの断面図である。
【図２】反対側から見た場合の図１と同様の図である。
【図３】本発明のバケットの斜視図である。
【符号の説明】
１０ タービンバケット
１２ 翼形部
１６ シャンク
１８ 前縁
１９ 先端部
２０ 後縁
２２ ダブテール
２４ 軸方向供給通路
２６ 入口
２８ 第１半径方向供給通路
３０ 第２半径方向供給通路
３２、３４、３６、３８、４０、４２、４４ 蛇行通路
３２ 蛇行通路の第１通路（前縁通路）
４６ 室
５０ 戻り通路
５２、５４ 半径方向通路
５６、５８ 並行戻り通路
７０ 乱流促進体
７４ リブ

Claims (6)

1. シャンク（１６）と、半径方向先端部（１９）と、前縁（１８）と後縁（２０）とを有する翼形部（１２）とを有するガスタービンバケットであって、当該バケットが、冷却媒体を該バケットを通して流すための閉じた内部回路を有しており、該内部回路が、
   概して半径方向外向きの第１及び第２の冷却媒体供給通路（２８、３０）と、
   概して半径方向内向きの使用済み冷却媒体戻り通路（５０）と、
   前記バケットの前記翼形部内で互いに直列に接続されて蛇行通路をなす複数の概して半径方向に延在する内部通路（３２、３４、３６、３８、４０、４２、４４）であって、該蛇行通路の第１通路（３２）が前記バケットの前記前縁（１８）に隣接して延在し前記第１の冷却媒体供給通路（２８）と連通しており前記冷却媒体を受入れて概して半径方向外方に通流させる内部通路（３２、３４、３６、３８、４０、４２、４４）と、
   当該バケットの前記後縁（２０）に隣接して延在し前記第２の冷却媒体供給通路（３０）と連通しており前記冷却媒体を受入れて概して半径方向外方に通流させる２つの半径方向延在通路（５２、５４）と、
   当該バケットの前記先端部（１９）に隣接する共通室（４６）であって、前記蛇行通路の少なくとも１つが開口しているとともに、前記２つの半径方向延在通路（５２、５４）が開口している共通室（４６）と、
   使用済み冷却媒体を前記共通室（４６）から前記使用済み冷却媒体戻り通路（５０）に導くための前記翼形部内の戻り通路（５６、５８）と
   を含み、前記第２の冷却媒体供給通路（３０）が部分的に前記使用済み冷却媒体戻り通路（５０）の前方に延在し前記使用済み冷却媒体戻り通路（５０）と交差していて前記冷却媒体を前記２つの半径方向延在通路（５２、５４）に供給し、
   当該バケットがダブテール（２２）を有し、当該バケットの前記ダブテール（２２）内の軸方向に延在する通路（２４）が前記第１の冷却媒体供給通路（２８）と連通していて前記冷却媒体を前記第１の冷却媒体供給通路に供給するとともに、前記第２の冷却媒体供給通路（３０）とも連通していて前記冷却媒体を前記第２の冷却媒体供給通路に供給し、当該バケットの前記シャンク（１６）内の軸方向戻り通路（６０）が前記使用済み冷却媒体戻り通路（５０）と連通している、ガスタービンバケット。
2. 前記蛇行通路内の乱流促進体（７０）を含む、請求項１記載のガスタービンバケット。
3. 前記乱流促進体（７０）が当該バケットの翼形部（１２）の壁から突出したリブからなる、請求項２記載のガスタービンバケット。
4. 前記蛇行通路の第１通路（３２）内の乱流促進体（７０）がバケットの半径にほぼ垂直に延在し、蛇行通路の残りの通路内の乱流促進体は傾斜した乱流促進体を有する、請求項２又は請求項３記載のガスタービンバケット。
5. 前記蛇行通路の半径方向内端の根元転向部が玉ろう付けによる玉（７６）によって閉じられている、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のガスタービンバケット。
6. 前記冷却媒体が蒸気である、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のガスタービンバケット。

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