JP4901186B2 - タービン用冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、タービンバケットプラットフォームの隣接するスラッシュ面間に配置されるピンに関し、具体的には、バケット振動を減衰しかつ酸化、クリープ及び低サイクル疲労割れを含む部品寿命要件を満たすのに必要な温度レベルまでタービンバケットプラットフォームのスラッシュ面を冷却するためのシステムに関する。

長年にわたって、ガスタービンは、入口燃焼温度を上昇させて出力及びエンジン効率を向上させる傾向にあった。ガス流路温度が上昇すると、バケットプラットフォームスラッシュ面は、酸化、クリープ及び低サイクル疲労割れを含む厳しい状態をますます示すようになった。この作用は、上流ノズルでのフィルム冷却によりバケットプラットフォームにおけるより高いガス流路温度の発生が著しく減少又は排除されていたので、閉ループ冷却を使用する場合のタービンにおいて倍加される。バケットプラットフォームスラッシュ面の厳しい状態は、プラットフォームを損傷させ、航空力学的不具合を招く減衰の不足、他のタービン部分に対する損傷を引き起こすプラットフォームの単体分離、及びエンジン効率の低下を招く圧縮機吐出流の漏洩を生じるおそれがある。
米国特許６４３２４８７号 米国特許６０４７５８９号 米国特許５８３０３８６号 米国特許６７３０４１３号

多くの従来のタービン設計では、低い燃焼温度と上流ノズル側壁からのフィルム冷却のキャリオーバとにより、プラットフォームスラッシュ面の能動的冷却を必要としなかったことが分るであろう。従って、特に今日のガスタービンのより高い燃焼温度を考慮して、部品寿命要件を満たすのに必要なレベルまでプラットフォームスラッシュ面の温度を低下させる必要性が生じてきた。

本発明の好ましい実施形態では、タービン用の冷却装置を提供し、本冷却装置は、対向するスラッシュ面を有する隣接するタービンバケットプラットフォームと、ほぼ円筒形状のピンとを含み、ピンは、該ピンに沿って間隔を置いた軸方向位置で該ピンの周辺部分の周りに形成された複数のチャネルを有し、該チャネルを通して冷却媒体を送達しかつ隣接するタービンバケットプラットフォームのスラッシュ面の少なくとも１つを冷却するようになっている、
本発明の別の好ましい実施形態では、タービンを提供し、本タービンは、互いにほぼ円周方向に整合したスラッシュ面を備えたバケットプラットフォームを有する１対の円周方向に隣接するバケットを有し、各スラッシュ面は、タービンの高温ガス流路に曝されるプラットフォームの表面の下方で互いにほぼ円周方向に整合した溝を含み、スラッシュ面の少なくとも１つを冷却するための冷却システムは、整合した溝内に配置されたほぼ円筒形のピンを含み、ピンは、該ピンに沿って間隔を置いた軸方向位置で該ピンの周辺部分の周りに形成された複数のチャネルを有し、該チャネルを通して冷却媒体を送達しかつ隣接するタービンバケットプラットフォームのスラッシュ面の少なくとも１つを冷却するようになっている。

本発明のさらに別の実施形態では、高温ガス流路を有するタービン用の冷却システムを提供し、本システムは、各々が翼形部と、根元と、プラットフォームとを有し、隣接するプラットフォームのスラッシュ面が互いに円周方向に整合した状態になった環状配列のタービンバケットを含み、各スラッシュ面が、タービンの高温ガス流路に曝されるプラットフォームの表面の下方で互いにほぼ円周方向に整合した溝を含み、スラッシュ面の少なくとも１つが、該スラッシュ面の溝の１つの周辺部分に沿って形成された複数の軸方向に間隔を置いて配置されたチャネルを含み、ダンパピンが溝に沿って配置されて、冷却媒体が前述の１つの溝のチャネルを通って流れかつ隣接するタービンバケットのスラッシュ面少のなくとも１つ又は別の１つを冷却するのを可能にする。

次に図１を参照すると、その全体を符号１０で表したタービンバケットを示しており、タービンバケット１０は、翼形部１２と、バケットプラットフォーム１４と、シャンク１８を含む根元部分１６と、ダブテール２０とを含む。タービンバケット１０は、図示していないタービンホイール内に配置された時の、タービンホイールの周辺部の周りに固定された環状配列のタービンバケットの１つであることが分るであろう。軸方向挿入型バケットを開示しているが、本発明の冷却システムは、接線方向挿入型バケットに適用することができることが分るであろう。

図２、図３及び図５に示すように、円周方向に対向する隣接するプラットフォーム１４は、スラッシュ面２２間に設計間隙２４を含む。各スラッシュ面２２はまた、ダンパピン２８を受けるための溝２６の一部分を含む。ピン２８は、振動ダンパとして働き、また隣接するスラッシュ面の溝の表面と協働して、スラッシュ面を冷却するための漏洩通路を形成する。圧縮機吐出空気は、比較的高い圧力かつ高温ガス流路における圧力より高い圧力で、隣接するプラットフォーム間かつ該隣接するプラットフォームの半径方向内側の領域内に供給されることが分るであろう。しかしながら、一般的には、ダンパピンは、隣接するプラットフォームの溝内で使用されて、振動を減衰させ、かつ圧縮機吐出流が隣接するプラットフォーム間の間隙２４を通って高温ガス流路内に流れるのを実質的に阻止する。しかしながら、本発明は、ダンパピンの振動減衰機能を維持し、それに加えてダンパピンを通過してスラッシュ面を冷却するようになった漏洩制御通路を形成する。

このことを達成するために、ダンパピン２８は、溝２６を形成するプラットフォームの表面と協働して、スラッシュ面を冷却しかつプラットフォーム間間隙２４をパージにするための漏洩流制御通路を形成する。本発明の１つの実施態様では、ダンパピン２８は、ピンの長さに沿って軸方向に間隔を置いた位置でダンパピン２８の周辺部分に形成された複数のチャネル３０を含む。チャネル３０はまた、図５及び図６に示すように、ピンの対向する両側面に沿って互いに千鳥配置される。ピンの対向する両側面に沿ったチャネル３０は、ピン２８と溝２６の表面との間に漏洩冷却流通路を形成する。図２に示すように、ピンの両端部は、スラッシュ面端部に沿った対応する平坦部と協働するようになった平面部を備えた半円筒形セクションを有し、溝２６内での配向を維持する。

冷却作用は、対流冷却とインピンジメント冷却との組合せである。例えば、プラットフォームの内側領域からの圧縮機吐出空気は、チャネル３０に沿って高速で流れ、チャネル３０と整合したスラッシュ面を対流冷却する。チャネル３０は、各チャネル３０が冷却空気を対向するスラッシュ面２６上に直接吐出する出口ポート又は角度を有するように、ピン２８の周りに設けられる。従って、対向するスラッシュ面は、衝突空気の噴流によってインピンジメント冷却される。従って、各スラッシュ面２６は、スラッシュ面と同じ側に沿ったチャネル３０を通る冷却空気流によって対流冷却され、かつピン２８の反対側に沿った流出チャネル３０によってインピンジメント冷却されることが分るであろう。さらに、ダンパピン２８は、隣接するプラットフォームの上面の下方に配置された溝内に設置されるので、チャネル３０から流出した冷却空気は、ピン２８の外側のスラッシュ面２２間の間隙２４において高温ガスをパージするか又は該高温ガスと混合するために使用され、それによって間隙内の空気の温度を低下させる。このピンと溝との構成の結果として、圧縮機吐出空気は、スラッシュ面を対流冷却しかつスラッシュ面に対してインピンジメント冷却を行いまたパージ空気を供給するのに使用され、これらのすべてにより、必要な冷却空気量が減少し、それによってエンジン性能及び出力が最大になる。

図７に示すような本発明の別の態様では、スラッシュ面２２に沿って溝２６を形成する表面内にチャネル４２を形成した状態で、中実の平滑面のダンパピン４０を使用することができる。チャネル４２は、各スラッシュ面溝２６に沿って互いに軸方向に間隔を置いた位置に形成することができ、かつ対向するスラッシュ面溝に沿って互いに千鳥配置することができる。この構成により、前述の構成におけるのと同様の冷却作用、すなわちスラッシュ面表面２２の対流冷却と、チャネル４２に対向するスラッシュ面表面のインピンジメント冷却と、最終的にスラッシュ面間の間隙２４における空気のパージとが得られる。さらに、本発明の各構成では、ピンが、その減衰機能を果たし、従ってスラッシュ面を冷却することと振動を減衰させることとの２重の機能を果たすことが分るであろう。スラッシュ面の冷却は、エンジン性能への影響を最小にしながら部品寿命要件を満たす。

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ものではなく、反対に、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及び均等な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。

翼形部、プラットフォーム及び根元を含むバケットの斜視図。 タービンブラケットプラットフォームのスラッシュ面に沿ったダンパピンを示す部分斜視図。 隣接するスラッシュ面間のダンパピンの位置を示す軸方向端面図。 隣接するスラッシュ面間のダンパピンの概略図。 冷却空気を流してスラッシュ面を冷却しかつプラットフォーム間間隙をパージにするようになった、ダンパピン内のチャネルを示す拡大断面図。 ダンパピンの平面図。 本発明の別の態様を示す、図５と同様な図。

符号の説明

１０ タービンバケット
１２ 翼形部
１４ バケットプラットフォーム
１６ 根元部分
１８ シャンク
２０ ダブテール
２２ スラッシュ面
２４ 間隙
２６ 溝
２８ ダンパピン
３０ チャネル

Claims (5)

1. 互いに円周方向に整合したスラッシュ面（２２）を備えたバケットプラットフォーム（１４）を有する１対の円周方向に隣接するバケット（１０）を有し、前記スラッシュ面の各々が、タービンの高温ガス流路に曝される前記プラットフォームの表面の下方で互いに円周方向に整合した溝（２６）を含むタービンにおいて、
   前記スラッシュ面の少なくとも一方を冷却するための冷却システムであって、前記整合した溝内に配置された円筒形のダンパピン（２８）を含み、前記ダンパピンが、該ダンパピンに沿って間隔を置いた軸方向位置で該ダンパピンの周辺部分の周りに形成された複数のチャネル（３０）を有し、該チャネルを通して冷却媒体を送達しかつ前記隣接するタービンバケットプラットフォームのスラッシュ面の少なくとも一方を冷却するように構成され、かつ前記溝の１つの表面が、前記チャネルと対向して位置し、該チャネル内を流れる冷却媒体によって対流冷却されるとともに、前記チャネル（３０）が、該チャネルから流出する冷却媒体を前記スラッシュ面の他方をインピンジメント冷却するように向けるように構成された吐出ポートを有することを特徴とするシステム。
2. 前記溝表面が、前記一方のスラッシュ面の一部を形成していて、前記冷却チャネルが、前記一方のスラッシュ面を対流冷却するとともに前記他方のスラッシュ面をインピンジメント冷却するように配置されることを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. 前記チャネルが、前記ダンパピンの対向する両側面に沿って延び、かつ該ダンパピンの全周辺部に達しないで終わることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のシステム。
4. 前記チャネル（３０）が、前記ダンパピンの対向する両側面に沿って位置し、かつ該ダンパピンの長さに沿って互いに千鳥配置されることを特徴とする請求項１記載のシステム。
5. 前記ダンパピンの両端部が、前記スラッシュ面（２２）の端部に沿った対応する平坦部と協働する平面部を備えた半円筒形セクションを有していて、前記溝（２６）内での配向を維持することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のシステム。
   

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