JP4738715B2 - タービンバケットのプラットホームのインピンジメント冷却方式 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン部品の冷却に関し、より具体的には、ガスタービンバケットのプラットホーム区域の冷却に関する。

タービンバケットは、翼形部領域と、該翼形部とそれによってバケットがタービンロータホイールに固定されるダブテールのような組立体端部との間の半径方向位置にある中空の基部すなわちシャンク部分とを含む。比較的平坦なプラットホームが、翼形部の基部に置かれて、中空のシャンク部分の上側表面又は壁面を形成する。

翼形部は、前縁及び後縁と、正圧側面及び負圧側面とを有する。翼形部は、高温の燃焼ガスに曝されるので、一般的に翼形部自体の内部の内部冷却回路が用いられるが、本発明の一部ではない。ここでは、関心があるのはバケットプラットホームの冷却である。

低サイクル疲労（ＬＣＦ）は、全てのガスタービン高圧バケットに共通の破損メカニズムの１つである。低サイクル疲労は、応力及び温度の両方の関数である。応力は、機械的負荷から生じる場合があり、或いは熱的に引き起こされる場合がある。最適の冷却方式を組み込むことによって温度勾配を減少させて部品のＬＣＦ寿命を増大させることが、ガスタービン部品の設計者が直面する課題である。

バケットの外側ガス流路側のプラットホーム区域は、高温のガス温度に曝されているが、プラットホームの底面は、ラジアルピンを通して前方ロータホイール空間から漏洩する空気のために比較的低温に曝される。プラットホームの底面と上面との間のこの温度差により、大きな熱勾配及び高い応力場が生じることになるので、プラットホーム区域における熱応力を減少させる最適の冷却方式が必要となる。

本発明は、バケットプラットホーム下方の中空のバケットシャンク内部に配置されたインピンジメントプレートを含む、バケットプラットホームの必要とされる冷却ハードウェアの設計における独特な方法に関する。インピンジメントプレートは、表面（すなわち、ターゲット表面）からほぼ均一な間隔を置いて配置され、かつリブによって分割された最適化されたインピンジメント冷却孔の配列を含み、それによってバケットプラットホームの正圧側面上にインピンジメント区域を形成する。

この冷却方法は、ホイール空間の流れにより供給される空気から成り、該空気は、インピンジメント後の流れが、プラットホーム壁面を貫通して穿孔された最適に配置されたフィルム孔の列を通して吐出されるように、プレートの方向にかつ該プレートを通して、更にバケットの正圧側面上に圧送される。

本発明は、孔の直径、孔の間隔、及びインピンジメントプレートの冷却されるプラットホーム底面からの最適な離間距離の最も効果的な組合せを系統的に形成することを含む。インピンジメント区域を二叉に分けるリブは、二次元クロスフローの崩壊が局部的な熱伝達率に与える影響を減少させるよう設計される。ターゲット表面を３つの異なるインピンジメント区域に細分割することは、以下の点にも役立つ。

（ａ）インピンジメント後の領域内の静圧変化を制御すること。

（ｂ）噴流とクロスストリーム流との間の運動量フラックスを制御すること。

（ｃ）必要とされる熱伝達率の大きさをターゲット表面の熱応力分布の変化に基づいて最適化すること。

インピンジメントプレートにおける冷却構成及び最適化された噴流口配列に加えて、プラットホーム壁面自体は、該壁面の厚さ構成が変化するように最適化される。プラットホームの正圧側面及び翼形部−プラットホーム間のフィレット区域における応力分布を均衡させるために、プラットホーム厚さは軸方向に沿って変化させられる。プラットホームの前縁側の厚さを一様により薄くしまたプラットホームの後縁の厚さを一様により厚くすることが、最良の構成であることが実験による検討に基づいて明らかになった。接線方向に沿ったプラットホームの厚さは、変化させてもよいし、変化させなくてもよい。

従って、１つの態様において、本発明は、タービンバケットに関し、該バケットは、プラットホームから延び、高圧側面及び低圧側面を有する翼形部と、ホイール取付け部分と、プラットホームとホイール取付け部分との間の半径方向位置に配置された中空のシャンク部分とを含み、プラットホームが底面を有し、複数のインピンジメント冷却孔を有するインピンジメント冷却プレートが、該底面から間隔を置いて中空のシャンク部分の内部に配置されている。

別の態様において、本発明は、ガスタービンバケットに関し、該ガスタービンバケットは、プラットホームから延び、高圧側面及び低圧側面を有する翼形部と、ホイール取付け部分と、底面を有するプラットホームとホイール取付け部分との間の半径方向位置に配置された中空のシャンク部分と、該底面のインピンジメント冷却を可能にするための手段と中空のシャンク部分から冷却空気を吐出するための手段とを含む。

更に別の態様において、本発明は、翼形部と取付け部分との間の半径方向位置に配置され、かつ中空のシャンク部分の半径方向外側壁面を形成するタービンバケット・プラットホームを冷却する方法に関し、該方法は、複数のインピンジメント冷却孔を有するインピンジメント冷却プレートを、プラットホームの底面から間隔を置いて中空のシャンク部分の内部に固定する段階と、プラットホームに吐出孔を設ける段階と、インピンジメント冷却孔とプラットホームの吐出孔とを通してタービンホイール空間の空気流を導く段階とを含む。

図1及び図２を参照すると、タービンバケット１０は、水平でほぼ平らなプラットホーム１４から垂直方向上向きに延びる翼形部１２を含む。翼形部分は、前縁１５及び後縁１７を有する。プラットホーム１４の下方には、バケットの根元すなわちシャンク部分２４の前縁側面２０及び後縁側面２２から反対方向に延びる２対のいわゆる「天使の翼」がある。プラットホーム１４は、シャンク部分２４に結合されかつ該シャンク部分の一部を形成し、該シャンク部分２４はまた、側壁又はスカート２６を含む。中空のシャンク部分の下方には、ダブテール２８（一部のみが図示される）があり、該ダブテール２８によってバケットがタービンホイール（好ましい実施形態において、ガスタービンの第１段又は第２段ホイール）に固定される。

翼形部１２は、高圧側面３０及び低圧側面３２を有し、従って、プラットホーム１４もまた高圧側面３４及び低圧側面３６を有する。中空のシャンク部分２６が、プラットホームのすぐ半径方向下方に配置され、この中空のシャンク部分の内部において、インピンジメントプレート３８が、プラットホームの底面４４上の、該プレートの外周に一致する一体の棚部又は肩部４０、４２（図４参照）に沿って、シャンク部分の内部に固定（ろう付け又は他の適当な手段により）される。図３に示すように、インピンジメントプレートは、プラットホーム１４の底面４４に比較的に近接し、また該底面４４にほぼ一致しており、インピンジメントプレート３８とプラットホーム１４の底面４４との間の間隔が、ほぼ一定に保たれるようになっている。

インピンジメントプレート３８は、その平面図を示す図３に最も良く見られる。プレート４０は、その厚さがプラットホーム底面と該プレートとの間の間隔に一致している直立リブ４６によりほぼ二叉に分けられている。このような間隔は、約０．１０インチから０．３０インチの間、好ましくは約０．２０インチとすることができる。

プレート３８には、翼形部に最も近接するインピンジメント孔又は噴流口４８の第１の配列又は区域と、翼形部から遠く離れたリブ４６の他方側におけるインピンジメント孔又は噴流口５０の第２の配列又は区域と、翼形部の後縁１７の直近にあるプレート３８のコーナ部におけるインピンジメント孔又は噴流口５２の第３の配列又は区域とが形成される。図３から分かるように、これら３つの孔の配列は、プラットホーム１４に形成されたフィルム冷却孔５６の配列のすぐ下方に位置するプレートの空白域５４を囲んでおり、このフィルム冷却孔５６の配列は、プレート３８のインピンジメント孔とプラットホーム１４のフィルム孔との間の空間的関係の理解を容易にするために、図３において仮想線で示されている。図３には、インピンジメント孔の全てが示されているわけではなく、またそれら孔が一定の尺度で図示されてもいないことを理解されたい。それにもかかわらず、線５８、６０、及び６２の配列は、それぞれの配列の各々における孔の列の中心線を表す。流れの矢印６４は、インピンジメントプレート３８を通過した後にプラットホームの底部に沿ってプラットホーム１４のフィルム冷却孔５６における吐出位置に向かう冷却空気の流れの方向を示す。

各配列内の孔は、所定の列において「翼幅」方向に互いに間隔を置いて配置されると同時に、列自体は「流線」方向に間隔を置いて配置される。特定の用途に応じて、両方向における間隔を変えることができる。１つの実施例では、流線方向における列の間隔は、０．１６から０．４３インチの間で変えることができる。翼幅方向における孔の間隔は、０．１４から０．２７インチの間で変えることができる。

インピンジメントプレートのインピンジメント冷却孔４８、５０、５２の全てが、該プレートの上面及び下面に対して垂直に穿孔され、約０．０２０インチの直径を有することができる。フィルム冷却孔５６は、ある角度で傾斜させてプラットホームを貫通して穿孔されて、プラットホーム表面への付着を促進し、従って付加的な冷却機能を与える。

インピンジメント孔の直径、翼幅方向及び流線方向の両方向の間隔、並びにインピンジメントプレート３８とプラットホーム１４の底面４４との間の最適な離間距離を賢明に選択することによって、幾つかの利点が得られる。例えば、インピンジメントプレートにわたる全圧力損失を、最小限にすることができ、また運動量フラックスを制御することによっても（噴流口の配列構成のクロスフローの崩壊への影響を減らすことにより）、ターゲット表面（すなわち底面４４）における高い熱伝達率分布を達成することができる。

更に、孔４８、５０、５２のそれぞれの配列によって形成されるインピンジメント区域を二叉に分けるリブ４６を組み込むことにより、二次元クロスフローの崩壊が局部的な熱伝達率に与える影響を減少させる。このことはまた、回転場の影響による遠心荷重だけでなく、プレート４０にわたる圧力比による該プレートの変形を減少させるのにも役立つ。

冷却構成及び最適化された噴流口配列及びインピンジメントプレート構成に加えて、プラットホーム１４自体の壁面が、該壁面の厚さ構成を変化させることによって最適化される。プラットホームの正圧側面及び翼形部−プラットホーム間のフィレット区域における応力分布を均衡させるために、プラットホームの厚さが、図１に最も良く見られるように軸方向に沿って変化させられる。プラットホームの前縁側の厚さを一様により薄く（例えば、０．１６０インチ）し、プラットホームの後縁の厚さを一様により厚く（例えば、０．３８０インチ）し、プラットホームの中央部の周りではそれらの厚さの間で変化させることが、最良の構成であることが実験による検討に基づいて明らかになった。

この特定のプラットホームの幾何学形状構成を上述の冷却配置に組み合わせることよって、最良のＬＣＦ寿命が得られると思われる。

現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるべきではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更形態及び均等の構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

バケットの中空のシャンク部分内部のインピンジメントプレートを示す、ガスタービンバケットの一部断面の部分正面図。 バケットのシャンク部分内部のインピンジメントプレートを全体的に仮想線で示す、図１に示したバケットの平面図。 本発明によるインピンジメントプレートの平面図。 図２に示したバケットの部分側面断面図。

符号の説明

１０ タービンバケット
１２ 翼形部
１４ プラットホーム
１５ 翼形部前縁
１６、１８ 天使の翼
１７ 翼形部後縁
２４ シャンク部分
２６ スカート
２８ ダブテール
３８ インピンジメント冷却プレート
４４ プラットホームの底面
４６ リブ
５０ インピンジメント冷却孔

Claims (10)

1. プラットホーム（１４）から延び、高圧側面（３０）及び低圧側面（３２）を有する翼形部（１２）と、
   ホイール取付け部分（２８）と、
   前記プラットホーム（１４）と前記ホイール取付け部分（２８）との間の半径方向位置に配置された中空シャンク部分（２４）と
   を含むタービンバケット（１０）であって、
   前記プラットホーム（１４）が底面（４４）を有していて、
   前記底面（４４）から間隔を置いて前記中空シャンク部分（２４）の内部に、インピンジメント冷却孔（４８、５０、５２）の複数の分離した配列が形成されたインピンジメント冷却プレート（３８）配置されており、
   前記プラットホーム（１４）が前縁側での厚さよりも後縁側での厚さが厚くなるように形成されており、前記インピンジメントプレート（３８）が、前記インピンジメント孔を備えていない空白域（５４）を含み、前記プラットホームには、前記中空のシャンク部分（２４）から空気を吐出するフィルム冷却孔（５６）の配列が形成されており、該フィルム冷却孔（５６）の配列が、前記インピンジメントプレート（３８）の前記空白域（５４）と実質的に整列している、タービンバケット（１０）。
2. 前記インピンジメントプレート（３８）を複数のインピンジメント区域に分割する、前記底面（４４）と該インピンジメントプレートとの間の細長いリブ（４６）を更に含む、請求項１に記載のタービンバケット。
3. 前記インピンジメント孔（４８、５０、５２）が、前記インピンジメントプレート（３８）の上面及び下面に対してほぼ垂直である、請求項１又は請求項２に記載のタービンバケット。
4. 前記インピンジメントプレート（３８）が、前記プラットホームの底面（４４）から０．１０インチ（０．２５ｃｍ）〜０．３０インチ（０．７６ｃｍ）だけ間隔を置いて配置されている、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のタービンバケット。
5. 前記インピンジメント冷却孔が約０．０２０インチ（０．５１ｍｍ）の直径を有する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のタービンバケット。
6. 前記インピンジメントプレートが、前記翼形部（１２）の前記高圧側面（３０）の半径方向内側に配置されている、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のタービンバケット。
7. プラットホーム（１４）から延び、高圧側面（３０）及び低圧側面（３２）を有する翼形部（１２）と、
   ホイール取付け部分（２８）と、
   前記プラットホーム（１４）と前記ホイール取付け部分（２８）との間の半径方向位置に配置された中空シャンク部分（２４）と
   を含むタービンバケット（１０）であって、
   前記プラットホーム（１４）が底面（４４）を有していて、
   前記底面（４４）から間隔を置いて前記中空シャンク部分（２４）の内部に、インピンジメント冷却孔（４８、５０、５２）の複数の分離した配列が形成されたインピンジメント冷却プレート（３８）が翼形部（１２）の高圧側面（３０）に沿って配置されており、該インピンジメントプレート（３８）が、前記インピンジメント冷却孔を備えていない空白域（５４）を含んでおり、前記プラットホームには、前記中空シャンク部分（２４）から空気を吐出するフィルム冷却孔（５６）の配列が形成されており、該フィルム冷却孔（５６）の配列が、前記インピンジメントプレート（３８）の前記空白域（５４）と実質的に整列している、タービンバケット（１０）。
8. 翼形部（１２）と取付け部分（２８）との間の半径方向位置に配置され、かつ中空シャンク部分（２４）の半径方向外側壁面を形成するタービンバケット・プラットホーム（１４）を冷却する方法であって、当該方法が、
   前記プラットホーム（１４）を前縁側での厚さよりも後縁側での厚さが厚くなるように形成する段階と、
   複数のインピンジメント冷却孔（４８、５０、５２）を有するインピンジメント冷却プレート（３８）を、前記プラットホームの底面（４４）から間隔を置いて前記中空シャンク部分（２４）の内部に固定する段階と、
   前記プラットホームに吐出孔（５６）を設ける段階と、
   前記インピンジメント冷却孔（４８、５０、５２）と前記プラットホーム（１４）の前記吐出孔（５６）とを通してタービンホイールスペースの空気流を導く段階と、
   を含んでおり、前記インピンジメントプレート（３８）には、前記インピンジメント冷却孔の複数の分離した配列が形成され、前記インピンジメントプレート（３８）が、前記インピンジメント孔を備えていない空白域（５４）を含み、前記プラットホームには、前記中空シャンク部分（２４）から空気を吐出するフィルム冷却孔（５６）の配列が形成されており、該フィルム冷却孔（５６）の配列が、前記インピンジメントプレート（３８）の前記空白域（５４）と実質的に整列している、方法。
9. 前記インピンジメント孔（４８、５０、５２）が、前記インピンジメントプレート（３８）の上面及び下面に対してほぼ垂直である、請求項８に記載の方法。
10. 前記インピンジメントプレートが、前記翼形部（１２）の前記高圧側面（３０）の半径方向内側に配置されている、請求項８又は請求項９に記載の方法。

Images