JP4879267B2 - ガスタービンにおける冷却形タービン翼とそのタービン翼の利用 - Google Patents

ガスタービンにおける冷却形タービン翼とそのタービン翼の利用 Download PDF

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Description

本発明は、翼脚と、この翼脚に続き横に延びる翼台座を備えた翼台座領域と、その翼台座に続く長手方向に湾曲した翼形部と、翼脚と翼台座とを貫通して翼形部まで延び翼脚側が開口し冷却材で貫流される少なくとも1個の空洞とを備えたガスタービンにおけるタービン翼に関する。また本発明はかかるタービン翼の利用に関する。
かかるタービン翼は欧州特許出願公開第1355041号明細書で知られている。その鋳造されたタービン翼は、翼脚から翼台座を通って翼形部まで延びる空洞を有している。その空洞は開口断面積がその延長にわたってほぼ一定している。空洞は内側壁で取り囲まれており、その内側壁が翼台座の領域でその翼台座に対して外側にへこんでいることにより、翼台座の領域だけにおいて開口断面積が拡大されている。翼形部とそれに対して横に張り出した翼台座との移行部位における材料厚さは、その間に位置する移行部が良好に冷却できるように、一定に保たれている。
また図2は、動翼として形成された従来公知の中空タービン翼30を斜視図で示している。このタービン翼30は翼脚32を有し、これに翼軸線に沿って順々に翼台座34および翼形部(羽根部)36が配置されている。翼形部36はその全高にわたっては示されておらず、短く示されている。タービン翼30に冷却用に設けられた空洞は、理解を容易にする理由から示されていない。翼台座34および翼脚32は、ガスタービン翼の据付け状態に関して軸方向Aに沿って直線的に延びている。図3は、翼脚32から翼形部36まで延び冷却材が貫流する空洞58を示している。
図3は図2に示されたタービン翼30を断面図で示している。軸方向Aに直線的な翼脚32およびこれに対して平行に形成された翼台座34のために、軸方向Aに沿って、それに対して横方向に、異なった翼台座幅Bで突出した翼台座張出部が生じている。
ガスタービンの運転中、ガスタービン翼に、機械的遠心力負荷および比較的低温で薄肉の翼形部としばしば高温の翼台座との間における熱応力が生ずる。翼台座および移行部位における大きな応力は、タービン翼全体の疲れ寿命を短くする。さらに、ガス流を大きく方向転換する、従って大きく湾曲されたタービン翼の場合には特に、区域的に片寄って張り出した翼台座によって疲れ寿命が一層短くなる。幅広い翼台座張出部は冷却を複雑にし、特にそこに大きな熱応力が生じ、その熱応力も疲れ寿命を短くする。
また、翼台座を冷却する際に、一方では、翼台座に冷却空気を導入することが困難であり、他方では、冷却空気の経済的使用量を考慮に入れて疲れ寿命を長くするためにできるだけ一様に放熱することが困難である。
本発明の課題は、冷却空気の節約下において疲れ寿命が長くされたガスタービン用タービン翼を提供することにある。また、本発明の課題はかかるタービン翼の利用にある。
タービン翼に向けられた課題は、特許請求の範囲の請求項1に記載の特徴に応じて形成されたタービン翼によって解決される。
本発明は、空洞を拡大する空所が、翼台座表面の下側における部位に、少なくとも部分的に中空の翼台座を形成した状態で入り込み、冷却材を前記部分空洞の中に方向転換するための少なくとも1個の手段が設けられていることによって、翼台座が特に簡単に冷却できるという認識から出発している。
中空に形成された翼台座は、タービン翼の鋳造時に適切な中子(なかご)によって製造できる。翼台座の中に入り込んでいる空所のために、翼形部と翼台座との移行部を、一定の材料厚を有する横断面にすることができる。特にこれによって、移行部位および翼台座における熱応力が低減され、これはタービン翼の寿命に有利に影響を与える。従って本発明は、引用文献の公知技術より本質的に進歩している。
空所に冷却材が流入できるようにするために、部分空洞に冷却材を方向転換するための少なくとも1個の手段が設けられている。かかる手段が存在しない場合、翼脚側から流入する冷却空気は、タービン翼を半径方向にしか貫流しない。また、半径方向に対して横に延びる空所に、僅かな冷却空気部分しか旋回させない停滞渦流あるいはいわゆる死水域が生ずるだけである。前記手段の採用は、翼脚側から流入する冷却材を強制的に空所の方向に方向転換させ、これによって、翼台座表面の背面も冷却材で洗流される。これは、移行部および翼台座を特に効果的に対流冷却させる。
有利な実施態様は従属請求項に記載されている。
冷却材を案内するための手段として、部分空洞に少なくとも1個の出口開口が設けられ、この出口開口を通して冷却材が部分空洞から流出できることによって、翼台座の非密閉冷却が達成される。その出口開口は翼台座縁の近くに設けられ、これにより、冷却材が空所に流入し、反対側の位置で流出する。好適には、出口開口は翼台座表面に開口している。これにより、翼台座の特に高温部位を燃焼ガスに対して効果的に防護するために、対流冷却のほかに、翼台座の膜冷却が可能とされる。
これに対して、出口開口が翼台座の端面に開口しているとき、隣り合うガスタービン翼の翼台座の端面側長手縁で形成された隙間が、燃焼ガスの侵入に対して有利に封じられる。
本発明の他の有利な実施態様において、冷却材を案内するための手段として、空洞内に存在し翼脚から少なくとも翼台座領域まで延びるピンが設けられている。このピンは空洞を、その表面近くを通る2つの供給路に分割している。それに応じて、内部を流れる冷却材が、タービン翼を冷却するために、通路の比較的内側壁近くに沿って導かれる。
特に、ピンが翼台座領域において、ピンに沿って流れる冷却材を部分空洞に向けて方向転換する膨出部を有していることが有利である。横方向に延びる膨出部に基づいて、供給路を通して半径方向に流入する冷却材が、中空翼台座の中に向けて横方向に方向転換される。
本発明の他の有利な実施態様において、冷却材を案内するための手段として、少なくとも1個の断面L形の案内要素が、翼脚から出発して翼台座領域の方向に延び、翼台座領域に位置する案内要素端部の脚部が、少なくとも部分的に中空の部分空洞の中に入り込んでいる。これによって、L形案内要素が空洞および部分空洞を境界づける内側壁に対して平行に延びているので、供給路に流入する冷却材が特に効果的に部分空洞に方向転換される。L形案内要素のために、部分空洞に方向転換された冷却材は翼台座縁まで導かれ、そこで冷却材は、L形案内要素の脚部の自由端を半径方向外向きに流れ、続いて内向きに流れる。タービン翼内に生ずる圧力状態により、冷却材はそれから翼形部の方向に流れ、その間に翼形部と翼台座との移行部位を非常に効果的に冷却する。
この実施態様の場合、翼台座の一様な冷却および移行部の一様な冷却により、タービン翼の疲れ寿命が有効に長くされる。
本発明の他の実施態様において、冷却材を案内するための手段として、少なくとも1個の案内要素が、翼脚から出発して翼台座領域の方向に、案内要素が翼形部の空洞を境界づける内側壁に移行するまで延びている。
上述の構想は、翼脚が翼形部の長手方向に延び、翼台座が長手方向に平行に湾曲して延びる翼台座両側長手縁を有し、翼背側壁および翼腹側壁の側のそれぞれの翼脚表面が、それぞれの翼台座長手縁に対応して凸面状ないし凹面状に湾曲して延びているタービン翼に特に効果的に採用できる。湾曲した翼脚と湾曲した翼台座とを備えたかかるタービン翼の場合、長手方向に沿って、翼形部に沿ってほぼ一定した翼台座幅を有する翼背側および翼腹側の翼台座しか生じない。そのような一定した翼台座幅は一様に暖まり、従って、本発明に基づく冷却構想と特に良好に組み合わせることができる。
翼背側および/又は翼背側の翼台座張出部が、比較的狭い翼台座幅の翼台座端部として形成されている場合でも、かかる冷却構想は有利に採用できる。
タービン翼が鋳造製造され、断面がダブテール状、ハンマ状あるいはクリスマスツリー状の翼脚を有していると好適である。
タービン翼の利用に向けられた課題は、請求項12に記載の特徴によって解決される。請求項1ないし11のいずれか1つに記載のタービン翼を定置形ガスタービンに利用することを提案する。
以下図を参照して本発明を詳細に説明する。
図1はガスタービン1を縦断面図で示している。ガスタービン1は内部に中心軸線2を中心として回転可能に支持されタービンロータとも呼ばれるロータ3を有している。このロータ3に沿って順々に、吸込み室4、圧縮機5、複数のバーナ7が回転対称に配置されたトーラス状環状燃焼器6、タービン装置8および排気室9が続いている。環状燃焼器6は環状の燃焼ガス通路18に連通する燃焼室17を形成している。そこで直列接続された4つのタービン段10がタービン装置8を形成している。各タービン段10は2つの翼列(翼輪)で形成されている。環状燃焼器6で発生された燃焼ガス11の流れ方向に見て、燃焼ガス通路18内において各静翼列13に、複数の動翼15から成る翼列14が続いている。静翼12はステータ(車室)に固定され、これに対して、翼列14の動翼15はタービン円板19によってロータ3に設けられている。ロータ3に発電機や作業機械(図示せず)が連結されている。
図4は本発明に基づいて動翼として形成されたタービン翼50を示し、このタービン翼50は、翼脚52と、これに順々に続く翼台座54と、翼形部(羽根部)56とを備えている。翼形部56はガスタービン1における据付け状態において軸方向Aに湾曲されている。理解を容易にする理由から、翼形部56はその全高にわたって示されておらず、翼台座54の近くまでが示されている。翼台座54の翼形部56の側の表面61は、ガスタービン1を貫流する燃焼ガス11に曝される。
翼形部56は凹面状に湾曲された翼腹側壁62と凸面状に湾曲された翼背側壁64とを有し、その両翼側壁62、64はそれぞれ翼形部56の前縁(入口縁)66から後縁(出口縁)68まで延びている。ガスタービン1の運転中、燃焼ガス11はタービン翼50を洗流し、その翼側壁62、64に沿って前縁66から後縁68の方向に流れる。
翼台座54は、翼形部56の曲率に対応して軸方向Aに沿って湾曲され、翼台座54の長手縁55は真っ直ぐではなく、円弧上を延びている。翼腹側壁62に配置された翼台座長手縁55は凹面状に、翼背側壁64に配置された翼台座長手縁は凸面状にそれぞれ湾曲されている。翼台座54は前縁66の領域および後縁68の領域にそれぞれ横方向の翼台座端面53を有している。
図4の斜視図から理解できるように、翼脚52は翼台座54の長手縁55に対して平行に湾曲されている。翼脚52は、その翼腹側壁62および翼背側壁64の側の翼脚表面72が翼台座長手縁55に相応して凹面状ないし凸面状に湾曲して延びるように形成されている。翼脚表面72の軸方向Aに延びるすべての曲率線が、翼台座長手縁55に対して平行に1つの円弧上を延びているのが好適である。それに応じて、ガスタービン翼50は特に簡単に、タービン円板19における相応して湾曲された動翼保持溝にはめ込み固定できる。
ここで翼脚表面72とは軸方向Aに延びる翼脚52の側面を意味する。翼脚端面はそこから除かれる。
翼台座54は半径方向に対して直角に、即ち、横方向に張り出した翼台座張出部75を有している。この翼台座張出部75の幅は、翼背側壁64ないし翼腹側壁62からそれらに直ぐに隣接する翼台座長手縁55までの距離で決定される。
翼脚52の湾曲形状に基づいて、翼背側並びに翼腹側において軸方向Aに沿ってほぼ一定の翼台座幅Bを有する特に良好な翼台座張出部75が実現できる。一定の翼台座幅Bにより、後述するように、この翼台座幅Bは特に一様に冷却できる。
図4に示されたタービン翼50は図5〜図11における断面図に応じて中空に形成されている。従って、タービン翼50は翼脚52から翼台座54を貫通して翼形部56まで延びる空洞58を有している。この空洞58は内側壁59で境界づけられ、この内側壁59の輪郭は翼台座54の領域でその翼台座縁ないし翼形部長手縁に向けてへこんでいる。
ガスタービン1の運転中、空洞58は冷却材60好適には冷却空気で貫流される。空洞58は冷却材60を導入するために翼脚52において翼脚側が開口している。ガスタービン1における据付け状態に関連して、タービン翼50は翼台座54の部位に半径方向Rに対して直角方向の空所63を有している。この空所63は翼台座54の中に、その空所63が翼台座54における部分空洞51として翼台座表面61の反対側に位置するように深く入り込んでいる。
空所63は翼台座張出部75の幅Bの少なくとも30%にわたり延びている。従来に比べて比較的深く翼台座54の中に入り込んでいるポケット状空所63のために、翼形部56からそれに対して直角に延びる翼台座54への移行部位48の十分効果的な冷却が行えるだけでなく、翼台座54ないし翼台座張出部75の効果的な内部対流冷却も行える。
翼脚側から導入される冷却材60を空所63の方向に中空翼台座54に向けて方向転換するために、図5および図6に示されているように、冷却材60に対する少なくとも1個の出口開口73が設けられている。この出口開口73は空所63ないしポケットの最外端に設けられている。翼腹側の翼台座54a並びに翼背側の翼台座54bに軸方向Aに分布された好適には複数の出口開口73が設けられている。各出口開口73は出口側が、図5に応じて翼台座54の燃焼ガスを受ける表面61に設けられるか、(図6に応じて)翼台座54の翼台座長手縁の横端面55に設けられる。かかる出口開口73が存在しない場合、図5および図6に示されたタービン翼50の部分空洞51内に冷却材停滞渦流および熱伝達率の低いいわゆる死水領域が生じ、即ち、この場合、冷却材はタービン翼50を主に半径方向に貫流する。出口開口73の存在により、冷却材60は部分空洞51を完全に貫流し、その間に、燃焼ガスを受ける翼台座54およびその翼形部56との移行部を特に効果的に冷却する。
図5に示された出口開口73の構成は、翼台座54の表面61の特に有効な補助的膜冷却を可能にするために、出口開口73を軸方向Aに関して傾斜して形成できるという利点を有する。特に翼台座54に比較的深く入り込んでいる空所63に基づいて、特に良好な穴あけ角が得られ、これは特に効果的な膜冷却を生じさせる。
図6における実施態様において、翼台座54においてその端面で吹き出された冷却材60は、隣り合う2個のタービン翼50の翼台座54の互いに対向して位置する端面間に形成された隙間を封じるために有利に利用される。
本発明の他の有利な実施例において、図7に示されているように、本発明に基づくタービン翼50は、出口開口73の代わりに、空洞58内の中央を延びるピン80を有し、このピン80は翼脚52から少なくとも翼台座領域まで延びている。空洞58はピン80によって翼脚側が2つの供給路96a、96cに分割され、これらの供給路96a、96cを通して、冷却材60が中空タービン翼50に流入する。冷却材60はピン80によって空洞58の縁に、即ち、内側壁59に押しやられ、これにより、翼脚52と移行部位48における中空翼台座54の対流冷却が達成される。
図8に本発明に基づくタービン翼50の異なった実施例が示され、このタービン翼50は、図7に類似しているが、空洞58内を延びるピン80が、翼台座54の領域で横方向に広がり、即ち、横方向に風船状に膨出している。その膨出部82は、空洞58が翼脚52に沿って翼台座54の領域までほぼ同じ流れ開口断面積を有するように形成されている。ピン80の膨出部82は、翼脚側から流入する冷却材60を強制的に方向転換させ、これにより、冷却材60は空所63に向けられ、その中に深く流入し、そのための出口開口は不要である。即ち、翼台座54は閉鎖冷却できる。
翼脚側から供給路96a、96cに流入する2つの冷却材流60a、60cが翼台座54を冷却するために空所63に導かれた後、これらの冷却材流60a、60cは翼形部56内で合流される。そこで冷却材流60は、翼形部56を冷却するために例えば衝突冷却、対流冷却、膜冷却や滲み出し冷却のような通常の冷却方式の用途に利用される。
図9は本発明の異なった実施例を示している。そのタービン翼50は空洞58の内部に2個の断面L形の板状案内要素92を有し、これらの案内要素92は空洞58を境界づける内側壁59に対して間隔を隔てて設けられている。案内要素92は翼脚52から翼台座領域まで延び、内側壁59の輪郭に対して平行に延びている。案内要素92は翼脚52内においてまず半径方向に延び、それから翼台座54の高さで横方向Uに折れ曲がり、これによって、案内要素92はその自由端94が中空翼台座54の空所63の中に深く入り込んでいる。
空洞58は翼脚側がその両案内要素92によって3つの供給路96a、96b、96cに分割されている。供給路96a、96cに流入する冷却材60は、案内要素92が冷却材60を空所63に向けて強制的に方向転換するので、本発明に基づくタービン翼50の翼台座54を対流冷却する。これに対して、供給路96bに流入する冷却材60は、使用されずに翼脚52および翼台座部位を通って翼形部56に流入し、そこではじめて、翼形部56の冷却のために利用される。
その結果、これらの方式によって、冷却材60は的確に空所63ないし部分空洞51の中に導入されて翼台座を閉鎖冷却し、これは、翼台座54および移行部位48ないし移行曲率部の特に効果的な冷却を生じさせる。また、軸方向Aに沿ってほぼ一定した翼台座幅Bにより、移行部の特に一様な冷却が行える。
図7、図8、図9で提案されたタービン翼50は鋳造法で製造され、その場合、特別に形成されたアンダーカット付き中子が、空洞を形成するために採用される。
本発明に基づくタービン翼50の最後の実施例が、図10と図11に断面図で示され、図12に平面図で示されている。このタービン翼50は横方向Uに翼台座54が続く湾曲された翼形部56を有している。翼形部56の軸方向Aに延びる曲がりに応じて、軸方向Aに延びる翼台座長手縁55および翼脚52は、凸面状あるいは凹面状に湾曲されている。
図示された幾何学形状を明瞭にするために、図10はタービン翼50を図12のX−X線に沿った断面図で示している。タービン翼50は前縁の部位において翼脚側に、冷却材60が流入できる3個の供給路96a、96b、96cを有している。
供給路96bは入口側が中央に配置され、冷却材60を中空翼形部56に案内する。その翼腹側および翼背側に隣接して供給路96a、96cが設けられている。これらの供給路96a、96cは翼脚52においてまず半径方向に延び、翼台座54の領域で横方向に、続いて軸方向Aに折れ曲がり、これによって、これらの供給路96a、96cは中空翼台座54を形成している。従って、タービン翼50の翼脚側端で冷却材60の供給が行われる。
供給路96a、96cは冷却路57a、57cに移行している。これらの冷却路57a、57cは軸方向Aにおいて湾曲された翼台座長手縁55に沿ってそれに対してほぼ平行に延びており、そこでは案内要素92が翼脚52から出発して翼台座領域の方向に延び、翼形部56の空洞58を境界づける内側壁59に移行している。
図11はタービン翼50を図12におけるXI−XI線に沿った断面図で示している。冷却路57は翼台座54の表面61の下側を軸方向に延び、翼台座54の端面53で開口している。
図示されたタービン翼50は、好適には、ガスタービンの軸方向に湾曲された形の翼脚52と翼台座54を有し、これにより、翼台座54の非対称的張出部は生じていない。これに伴った一様な翼台座幅(軸方向に沿った翼台座張出部)により、すべての新たな冷却構想が特に単純に且つ特に効果的に採用できる。
全体として本発明によれば、特に効果的に且つ一様に冷却可能な翼台座を有するタービン翼に対する新たな冷却構想が得られる。一様な冷却により、タービン翼の疲れ寿命が長くなる。中空に形成された翼台座は、適当なピンあるいは案内要素によって、および/又は冷却空気の吹き出しを発生するための孔の存在によって、内側から対流冷却できる。また、良好に冷却可能な上述の翼台座によって、TBC被覆(Thermal Barrier Coating=熱遮蔽被覆)の特に効果的採用が可能となる。また、従来公知の翼台座冷却構想に比べて、冷却空気が節約でき、その節約冷却空気は燃焼に利用され、これにより、ガスタービンの効率が高まる。
ガスタービンの縦断面図。 張出し翼台座部付きの公知のタービン翼の斜視図。 非対称的に張り出した翼台座を備えた公知のタービン翼の断面図。 湾曲翼を備えた本発明に基づくタービン翼の斜視図。 翼台座開放冷却方式の本発明に基づくタービン翼の断面図。 翼台座開放冷却方式の本発明に基づくタービン翼の断面図。 翼台座閉鎖冷却方式の本発明に基づくタービン翼の断面図。 翼台座閉鎖冷却方式の本発明に基づくタービン翼の断面図。 翼台座閉鎖冷却方式の本発明に基づくタービン翼の断面図。 タービン翼の図12におけるX−X線に沿った断面図。 タービン翼の図12におけるXI−XI線に沿った断面図。 翼台座長手縁に沿って冷却路が鋳造成形されたタービン翼の平面図。
符号の説明
1 ガスタービン
50 タービン翼
51 部分空洞
52 翼脚
54 翼台座
55 翼台座長手縁
56 翼形部(羽根部)
58 空洞
59 内側壁
60 冷却材
61 翼台座表面
62 翼腹側壁
63 空所
64 翼背側壁
72 翼脚表面
80 ピン
82 膨出部
92 L形案内要素
94 自由端
96a 空洞
96b 空洞
96c 空洞

Claims (3)

  1. 翼脚(52)と、この翼脚(52)に続き横に延びる翼台座(54)を備えた翼台座領域と、その翼台座(54)に続く軸方向(A)に湾曲した翼形部(56)と、翼台座(54)に設けられ燃焼ガスに曝される翼台座表面(61)と、翼脚側が開口し冷却材(60)で貫流される少なくとも1個の空洞(58、96a、96c)とを備え、
    該空洞(58、96a、96c)が、翼脚(52)を通過し少なくとも翼台座領域の中まで延び、内側壁(59)で取り囲まれており、該内側壁(59)の翼台座領域において延びる輪郭が、翼脚(52)において延びる輪郭に対して、空洞(58、96a、96c)を拡大する空所(63)を形成した状態でずらされ、空洞(58、96a、96c)を拡大する空所(63)が、翼台座表面(61)の下側における部位に、少なくとも部分的に中空翼台座(54)を形成した状態で外側にへこんでおり、冷却材(60)を部分空洞(51)の中に方向転換するための少なくとも1個の手段(73、80、92、82)が設けられているガスタービン(1)における一体型に鋳造されたタービン翼(50)において、
    翼形部と翼台座との移行部が、断面において一定の材料厚さ分布を有し、冷却材(60)を案内するための手段として、空洞(58)内に存在し翼脚(52)から少なくとも翼台座領域まで延びるピン(80)が設けられ、該ピン(80)が翼台座領域において、ピン(80)に沿って流れる冷却材(60)を部分空洞(51)に向けて方向転換する膨出部(82)を有しており、
    前記翼脚(52)が翼形部(56)の軸方向(A)に延び、また、前記翼台座(54)前記軸方向(A)に延びた2つの翼台座長手縁(55)を有し、これらの翼台座長手縁(55)は翼背側および翼腹側の翼形部壁(64、62)に並行して湾曲しており、かつ、前記翼形部(56)から前記軸方向と直角に張り出して翼台座長手縁(55)まで達する一定の翼台座幅を形成してなる翼台座張出部(75)を有し、
    翼背側壁(64)および翼腹側壁(62)の側のそれぞれの翼脚表面(72)が、それぞれの翼台座長手縁(55)に応じて凸面状ないし凹面状に湾曲して前記軸方向に延びていることを特徴とするガスタービン(1)における一体型に鋳造されたタービン翼。
  2. 前記翼脚(52)が、断面ダブテール状、ハンマ状あるいはクリスマスツリー状に形成されていることを特徴とする請求項1記載のタービン翼。
  3. 請求項1または2記載のタービン翼(50)を利用した定置形ガスタービン。
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