JP4669202B2

JP4669202B2 - ガスタービン羽根

Info

Publication number: JP4669202B2
Application number: JP2002530494A
Authority: JP
Inventors: ティーマンペーター
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2001-09-18
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2021-09-18
Also published as: US20040022630A1; EP1191189A1; JP2004510091A; EP1320661A1; DE50113551D1; WO2002027146A1; US6874988B2; EP1320661B1

Description

【０００１】
本発明は、ガスタービン羽根であって、羽根ブレード前縁と、羽根ブレード後縁と、内部の冷却構造とが設けられており、該冷却構造が、メアンダ状の冷却通路を有しており、該冷却通路が、羽根軸線に沿って方向付けられた、冷却流体を羽根ブレード前縁から羽根ブレード後縁に案内するための複数の分離区分を備えている形式のものに関する。
【０００２】
アメリカ合衆国特許第５４６８１２５号明細書には、冷却空気によって冷却可能な中空のガスタービン羽根が開示されている。冷却空気は、中空のガスタービン羽根の、羽根軸線に対して平行に延びる冷却室内に吹き込まれる。そこでは、冷却空気が、室を通流して内側からガスタービン羽根の熱い表面を冷却する。まだ昇温されていない流入した冷却空気は、まずガスタービン羽根の流入縁部を流過する。この流入縁部は特に高い温度にさらされていて、したがって、特に効率よく冷却されなければならない。冷却空気が羽根の別の領域をも冷却して羽根を通って案内された後、冷却空気は、羽根の流出縁部で孔を介して羽根から流出する。
【０００３】
本発明の課題は、ガスタービン羽根を冷却するための冷却流体が特に効率よく使用されるガスタービン羽根を提供することである。
【０００４】
本発明によれば、この課題は、羽根軸線に沿って方向付けられたガスタービン羽根であって、羽根ブレード前縁と、羽根ブレード後縁と、内部の冷却構造とが設けられており、該冷却構造が、メアンダ状の冷却通路を有しており、該冷却通路が、羽根軸線に沿って方向付けられた、冷却流体を羽根ブレード前縁から羽根ブレード後縁に案内するための分離区分を備えており、該分離区分の第１の分離区分が、羽根ブレード前縁に沿って延びていて、冷却流体のための流入領域と、冷却流体のための流出領域とを有している形式のものにおいて、第１の分離区分が、インピンジメント冷却インサートを有しており、該インピンジメント冷却インサートが、羽根ブレード前縁に対して方向付けられたインサート前側で羽根ブレード前縁に対して平行に延びており、インピンジメント冷却インサートが、流出領域に向かって先細りになっていることによって解決される。
【０００５】
この場合、本発明は、メアンダ状の冷却通路によるガスタービン羽根の従来の内部の冷却時には、羽根ブレード前縁の、熱的に特に高く負荷される外面とは反対の側で羽根ブレード前縁の内面に比較的少ない表面が存在しているので、羽根ブレード前縁を常に十分に効率よく冷却することができないという認識から出発する。羽根ブレード前縁におけるメアンダ通路分離領域での冷却流体流による純然たる対流冷却は、場合によっては、羽根ブレード前縁の温度を十分に低下させるためには不十分となり得る。さらに、本発明は、確かに単に羽根ブレード前縁での単にインピンジメント冷却インサートによる冷却が、インピンジメント冷却のより高い冷却出力によって、より大きな熱除去を可能にするが、しかし、羽根ブレードを全体的にインピンジメント冷却インサートによって冷却することは、冷却流体が全体的により少ない熱を吸収するので比較的効率よくないという観察から出発する。冷却空気によって冷却された、メアンダ冷却を伴ったガスタービン羽根では、たとえばメアンダ通路の通流後に後縁から流出する冷却流体が、インピンジメント冷却後に同じく羽根後縁から流出する冷却流体よりも高温になっている。
【０００６】
いま、本発明はまず、インピンジメント冷却とメアンダ通路冷却とを組み合わせており、これによって、両方法の利点が使用されるようになっている。この場合、各方法の欠点にさらされることは同じ程度にあり得ない。このことは、羽根ブレード前縁がインピンジメント冷却インサートによる高い冷却出力を伴って冷却されることによって達成される。しかし、インピンジメント冷却インサートはメアンダ状の冷却通路の第１の分離区分にしか使用されていない。この場合、インピンジメント冷却インサートは羽根ブレード前縁に対して平行に延びているので、全ての羽根ブレード前縁がインピンジメント冷却によって冷却される。しかし、同時にインピンジメント冷却インサートは第１の分離区分の流入領域から第１の分離区分の流出領域に至るまで先細りになっている。すなわち、第１の分離区分では、冷却の形式が、第１の分離区分に流入した冷却流体の流れ方向に沿ってインピンジメント冷却から、第１の分離区分に流入した冷却流体による対流冷却に移行している：その後、羽根の残りの部分は、後続の分離区分を通流する冷却流体によって対流冷却される。これによって、羽根ブレード前縁の領域での特に有効なインピンジメント冷却を省略することなしに、冷却流体の冷却能が十分に使用される。当然ながら、ガスタービン羽根のための別の冷却手段、たとえば羽根ブレード外壁から流出した冷却流体によるフィルム冷却が提案されていてよい。
【０００７】
ａ）インピンジメント冷却インサートが、流入領域全体をカバーしていると有利である。これによって、まず全ての冷却流体がインピンジメント冷却インサート内に案内される。
【０００８】
ｂ）インピンジメント冷却インサートの横断面が、羽根軸線に沿って測定されてインピンジメント冷却インサートから流出する冷却流体量に比例して縮小されていると有利である。インピンジメント冷却インサートの先細り、すなわち、羽根軸線に対して平行な方向に沿ったインピンジメント冷却インサートの横断面の減少は必要に応じて種々異なる形式で行われてよい。しかし、縮小に比例して羽根軸線に沿ってインピンジメント冷却インサートから流出する冷却流体量は、特に羽根ブレード前縁の至るところに均一にインピンジメント冷却空気が供給されるという利点を有している。このことは、特に均質な冷却を意味している。
【０００９】
ｃ）インピンジメント冷却インサートが、羽根軸線に対して横方向に方向付けられた空気案内リブによって取り囲まれており、該空気案内リブが、インピンジメント冷却インサートから流出した冷却流体を、インピンジメント冷却インサートを巡って羽根ブレード後縁に向かって案内するようになっていると有利である。すなわち、このような空気案内リブによって、冷却流体は、インピンジメント冷却するように羽根ブレード壁に衝突した後、インピンジメント冷却インサートの外壁に沿って羽根ブレード前縁から離れる方向に案内され、次いで、第１の分離区分の自由部分に流入する。第１の分離区分の自由部分とは、インピンジメント冷却インサートが配置されていない部分である。空気案内リブが、羽根軸線に対して垂直に方向付けられた平面に対して方向付けられており、これによって、空気案内リブが、冷却流体を付加的に流入領域から流出領域の方向に案内するようになっているとさらに有利である。したがって、第１の分離区分の自由部分に流入した冷却流体は、すでに第１の分離区分に主流れ方向での流れ成分を有している。したがって、空気案内リブによる流れ案内によって、ガスタービン羽根を通る冷却流体の可能な限り渦流なしのひいては圧力損失に関して特に有利な流れが可能となる。
【００１０】
ｄ）ガスタービン羽根が、案内羽根として形成されており、該案内羽根が、内側リングを備えて形成されていると有利である。この内側リングは、ガスタービン内での案内羽根の使用時にガスタービンの熱ガス通路をガスタービンのロータに対してシールするために働く。インピンジメント冷却インサートからは、内側リング冷却通路が内側リングに通じている。メアンダ通路内に流入した冷却流体の単に対流冷却によるガスタービン羽根の従来の冷却時には、内側リングに供給された冷却流体がすでに必然的に羽根ブレード前縁の流過により昇温されていることによって、ガスタービン案内羽根の内側リングの冷却の効率が低下させられるのに対して、インピンジメント冷却インサートから内側リングへの冷却流体の供給は、昇温されていない冷却流体を内側リングに供給することができるという利点を提供している。これにより、昇温されていない冷却流体のより高い冷却出力によって、内側リング冷却のための冷却流体消費量がより少なくなる。しかし、いま、インピンジメント冷却インサートからの冷却流体の供給の利点は、先細りにされたインピンジメント冷却インサートの特別な構造によって、従来のインピンジメント冷却インサートの上記欠点、つまり、羽根ブレード冷却時の冷却流体の冷却容積の好ましくない使用によって、比較的高い冷却流体消費量が生ぜしめられることが回避される。
【００１１】
ａ）〜ｄ）に記載した構成は任意に互いに組み合わされてもよい。
【００１２】
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００１３】
ガスタービン案内羽根１は羽根軸線３に沿って方向付けられている。この羽根軸線３に沿ってガスタービン羽根１は連続して、固定領域５と、プラットフォーム領域６と、羽根ブレード領域７と、内側リング９とを有している。羽根ブレード領域７は羽根ブレード前縁８と羽根ブレード後縁１０とを有している。固定領域５は、ガスタービンのハウジング（図示せず）にガスタービン羽根１をフック固定するためのフック固定部１１を有している。内側リング９は、ガスタービンの熱ガス通路（図示せず）をガスタービンのロータ（図示せず）に対してシールするためのシールシステムに係合するための段部１３を有している。ガスタービン羽根１は中空に形成されている。
【００１４】
以下に、ガスタービン羽根１の内部の冷却システムを詳しく説明する：
ガスタービン羽根１の内部を通ってメアンダ状の冷却通路２１が案内されている。このメアンダ状の冷却通路２１は、羽根軸線３に沿って方向付けられた複数の分離区分２３，２５，２７から形成されている。これらの分離区分２３，２５，２７は互いにリブ３１によって分離されている。第１の分離区分２３は羽根ブレード前縁８に沿って延びている。メアンダ状の冷却通路２１内では、羽根ブレード領域７の内側に乱流発生器２９が配置されている。この乱流発生器２９は、メアンダ状の冷却通路２１を通流する冷却流体に乱流を付与するために働く。また、このことは、冷却流体への改善された熱伝達を結果的に招く。第１の分離区分２３は固定領域５に向かって開放されていて、そこに、冷却流体のための流入領域３３を有している。第１の分離区分２３の、内側リング９に隣接した端部は、第１の分離区分２３からの冷却流体のための流出領域３５を形成している。次いで、冷却流体は第２の分離区分２５に流入する。第１の分離区分２３にはインピンジメント冷却インサート３７が配置されている。このインピンジメント冷却インサート３７は流入領域３３から流出領域３５に向かって先細りにされて円錐形に延びているので、羽根軸線３に沿って連続した３つの横断面Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３は互いに比較して先細りの方向に沿って小さくなっている。この場合、インピンジメント冷却インサート３７は、そのインサート前側３９で羽根ブレード前縁８に対して平行に延びているように方向付けられている。この場合、インピンジメント冷却インサート３７は羽根ブレード前縁８の全長にわたって延びている。インピンジメント冷却インサート３７の先細りによって、流入領域３３から流出領域３５の方向で第１の分離区分２３がますます多く開放される。したがって、インピンジメント冷却インサート３７の、インサート前側３９とは反対の側のインサート裏側４１の線形傾斜の経過によって、第１の分離区分２３が、インピンジメント冷却インサート３７によって確保された半部と、インピンジメント冷却インサート３７なしの半部とにほぼ斜めに二等分される。
【００１５】
インピンジメント冷却インサート３７は、均一に分配されて、インピンジメント冷却孔４３を有している。羽根ブレード領域７の内側には、インピンジメント冷却インサート３７を取り囲む空気案内リブ５１が配置されている。この空気案内リブ５１は羽根軸線３に対して横方向に延びている。同時に空気案内リブ５１は、羽根軸線３に対して垂直に方向付けられた平面に対して傾けられている。空気案内リブ５１は、それぞれ第１の分離区分２３の自由部分に進入する前に終わっている。
【００１６】
羽根ブレード後縁１０の領域では、羽根ブレード領域７にフィルム冷却開口５３が設けられている。
【００１７】
インピンジメント冷却インサート３７は内側リング９の領域で内側リング冷却通路５５に開口している。
【００１８】
ガスタービン案内羽根１の使用中には、このガスタービン案内羽根１はガスタービン内に配置されていて、熱いガスの通流によって、この熱いガスで取り囲まれる。高い熱負荷は冷却流体６１による冷却を要求する。この冷却流体６１はガスタービン案内羽根１に第１の分離区分２３の流入領域３３を介して供給される。インピンジメント冷却インサート３７は流入領域３３を完全にカバーしているので、冷却流体６１はまず完全にインピンジメント冷却インサート３７内に導入される。このインピンジメント冷却インサート３７から冷却流体６１はインピンジメント冷却孔４３を介して羽根ブレード領域７の壁に対して垂直に流出して衝突し、この壁を冷却する。特に羽根ブレード前縁８は前縁インピンジメント冷却孔４５を通って極めて有効に冷却される。その後、インピンジメント冷却インサート３７から流出した冷却流体６１は、インピンジメント冷却を行った後、空気案内リブ５１を介して第１の分離区分２３の自由部分に向かって案内される。この自由部分はインピンジメント冷却インサート３７の先細りによって形成される。この場合、インピンジメント冷却インサート３７の横断面は、このインピンジメント冷却インサート３７から流出する冷却流体量に比例して縮小されている。ここでは、冷却流体６１は冷却空気である。インピンジメント冷却インサート３７の端部で内側リング９の領域にとどまるインピンジメント冷却空気は内側リング冷却通路５５を介して内側リング９の領域に案内され、この内側リング９を冷却するために働く。第１の分離区分２３の自由部分に空気案内リブ５１を介して導入された冷却空気６１は第２の分離区分２５に導入され、次いで、第３の分離区分２７に導入される。そこから、冷却空気６１はフィルム冷却孔５３を介して熱ガス通路内に流出する。
【００１９】
羽根ブレード前縁８は特に有効にインピンジメント冷却される。しかし、この場合、冷却流体６１は後続の経過においてメアンダ状の冷却通路２１を通って案内され、これによって、冷却流体６１の冷却作用が可能な限り効率よく使用される。さらに、メアンダ状の冷却通路２１による冷却にもかかわらず、インピンジメント冷却インサート３７を介して、昇温されていない冷却空気６１を内側リング９に供給することができる。これによって、内側リング９を冷却するための冷却空気消費量が少なく保たれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービン案内羽根の縦断面図である。
【符号の説明】
１ガスタービン羽根、３羽根軸線、５固定領域、６プラットフォーム領域、７羽根ブレード領域、８羽根ブレード前縁、９内側リング、１０羽根ブレード後縁、１１フック固定部、１３段部、２１冷却通路、２３分離区分、２５分離区分、２７分離区分、２９乱流発生器、３１リブ、３３流入領域、３５流出領域、３７インピンジメント冷却インサート、３９インサート前側、４１インサート裏側、４３インピンジメント冷却孔、４５前縁インピンジメント冷却孔、５１空気案内リブ、５３フィルム冷却開口、５５内側リング冷却通路、６１冷却流体、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３横断面

Claims

羽根軸線（３）に沿って方向付けられたガスタービン羽根（１）であって、羽根ブレード前縁（８）と、羽根ブレード後縁（１０）と、内部の冷却構造とが設けられており、該冷却構造が、メアンダ状の冷却通路（２１）を有しており、該冷却通路（２１）が、羽根軸線（３）に沿って方向付けられた、冷却流体（６１）を羽根ブレード前縁（８）から羽根ブレード後縁（１０）に案内するための分離区分（２３，２５，２７）を備えており、該分離区分（２３，２５，２７）の第１の分離区分（２３）が、羽根ブレード前縁（８）に沿って延びていて、冷却流体（６１）のための流入領域（３３）と、冷却流体（６１）のための流出領域（３５）とを有している形式のものにおいて、
第１の分離区分（２３）が、インピンジメント冷却インサート（３７）を有しており、該インピンジメント冷却インサート（３７）が、羽根ブレード前縁（８）に対して方向付けられたインサート前側（３９）で羽根ブレード前縁（８）に対して平行に延びており、インピンジメント冷却インサート（３７）が、流出領域（３５）に向かって先細りになっており、
第１の分離区分（２３）において、該第１の分離区分（２３）での通流する冷却流体（６１）の冷却の形式が、インピンジメント冷却から対流冷却に移行しており、
インピンジメント冷却インサート（３７）が、羽根軸線（３）に対して横方向に方向付けられた空気案内リブ（５１）によって取り囲まれており、該空気案内リブ（５１）が、インピンジメント冷却インサート（３７）から流出した冷却流体（６１）を、インピンジメント冷却インサート（３７）を巡って羽根ブレード後縁（１０）に向かって案内するようになっており、
空気案内リブ（５１）が、羽根軸線（３）に対して垂直に方向付けられた平面に対して方向付けられており、これによって、空気案内リブ（５１）が、冷却流体（６１）を付加的に流入領域（３３）から流出領域（３５）の方向に案内するようになっていることを特徴とする、ガスタービン羽根。
インピンジメント冷却インサート（３７）が、流入領域（３３）全体をカバーしている、請求項１記載のガスタービン羽根。
インピンジメント冷却インサート（３７）の横断面が、羽根軸線（３）に沿って測定されてインピンジメント冷却インサート（３７）から流出する冷却流体量に比例して縮小されている、請求項１記載のガスタービン羽根。
当該ガスタービン羽根（１）が、内側リング（９）を備えた案内羽根として形成されており、内側リング（９）が、ガスタービン内への案内羽根の組込み時にガスタービンの熱ガス通路をガスタービンのロータに対してシールするようになっており、内側リング冷却通路（５５）が、インピンジメント冷却インサート（３７）から内側リング（９）に通じている、請求項１記載のガスタービン羽根。