JP5049030B2

JP5049030B2 - タービン動翼及びタービン動翼のプラットフォームを冷却する方法

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Publication number: JP5049030B2
Application number: JP2007044833A
Authority: JP
Inventors: ルイス・ヴェルトル; クリストファー・アーダ・マッカリン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-02-24
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2027-02-26
Also published as: EP1826360A3; US7416391B2; CN101025091B; CN101025091A; US20070201979A1; KR20070088369A; EP1826360A2; JP2007224919A

Description

本発明はタービン動翼の耐用年数を長くするための新規な冷却システムに関する。

ガスタービンは、（ｉ）圧縮空気を生成するための圧縮部と、（ｉｉ）圧縮空気の第１の部分を加熱する燃焼部と、を備え、これにより高温圧縮ガスを生成し、さらに、（ｉｉｉ）生成した高温圧縮ガスを膨張させるためのローターを有するタービン部を備えている。ローターは、円周上に配設された複数のタービン動翼から構成される。

図１に示すように、各タービン動翼１０は、吸引面及び圧力面を有する翼部１２と、ブレードをローター軸に固定する構造部１８を有する根元部１４と、翼部がここから延びるプラットフォーム１６と、シャンク部２０と、を備えている。

プラットフォームはタービン動翼に用いられて、ガスタービンの高温ガス経路部を介した内部流体通路の境界を形成する。設計条件（ガス経路の温度及び機械的負荷）によっては、動翼プラットフォームがエンジンで所望の期間持続することを著しく困難にする場合がしばしばある。これに関して、タービン動翼により生じる負荷は、動翼プラットフォームに応力の大きな領域を生成し、該プラットフォームは、上昇する温度と相まって、所望の設計寿命に至る前に機能しなくなることがある。
米国特許第６，１９０，１３０号明細書米国特許第５，６３９，２１６号明細書

従来、種々なプラットフォーム冷却設計が使用され、あるいは開示されている。図２に示す従来のプラットフォーム冷却設計の一つは、冷却回路と一体化した部分としての、隣接するバケットシャンク１２０及びプラットフォーム１１６によって形成された空洞１２２を用いることに基づいている。この種の設計では、バケットの内部冷却通路の１つから空気を取り出し、この空気を用いて、上述のように、隣接するバケットシャンク１２０とプラットフォーム１１６によって形成された空洞１２２を加圧する。加圧されると、この空洞はプラットフォームの殆どあらゆる場所を冷却することができる。この種の設計にはインピンジメント（衝突）冷却が導入されることが多く、これは熱伝達を強化するためである。冷却用空気は、プラットフォームのフィルム冷却穴を通して空洞から出るか、又は軸方向の冷却穴を通して空洞から出ることができ、これらの穴は空気をシャンク空洞の外部へと導く。しかしながら、この設計はいくつかの欠点を有する。第一に、冷却回路は一つの部分に内蔵されているのではなく、少なくとも２つのバケット１１０が近接して組み立てられた場合にだけ形成される。このことは、据付前の流れ試験を著しく困難にしている。第２の欠点は、隣接するバケット１１０の間で形成される空洞１２２の完全性が空洞周辺部のシールの如何に依存することである。シーリングが十分でないと、プラットフォームの冷却が不十分となり、冷却用空気の無駄をもたらすことがある。

他の従来の技術設計が、米国特許第６，１９０，１３０号明細書の図１（ａ）及び図５（ａ）に開示されている。この設計では、単一のバケットに完全に包含された冷却回路を使用する。この設計によって、冷却用空気は、翼前縁の冷却通路から取り出され、プラットフォームを介して後部に導かれる。冷却用空気は、動翼プラットフォーム後部の出口穴を通して放出されるか、又は隣接する動翼プラットフォーム間のスラッシュ面の空洞から放出される。この設計のものは、組み立て条件のばらつきにより影響を受けないという点で上述した図２に示すものよりも有利である。しかしながら、図示されるように、翼のそれぞれの側に一つの冷却回路が設けられているため、プラットフォームの異なる場所で使用する冷却用空気量の調整が限定されるという不都合を有している。また、この設計では前縁の空洞への冷却用空気の供給が制限されるという不都合もある。

また別の従来技術の冷却回路構成が、米国特許第６，１９０，１３０号の図３（ａ）及び米国特許第５，６３９，２１６号明細書に開示されている。この設計でも単一のバケット内に完全に包含された冷却回路を使用するが、プラットフォーム下部から、すなわち、シャンクポケットの空洞又は前方のホィールスペース（ディスク状空洞）から空気が供給される。

本発明は、動翼プラットフォームの応力及び温度を低減するように設計されたプラットフォームの構成を提案する。

このために、本発明は、翼部と、この翼部と根元部との間の境界でプラットフォームと一体にされた当該根元部と、プラットフォーム冷却部と、を有するタービン動翼において具現化され、プラットフォーム冷却部は、プラットフォーム内に形成される冷却通路であって、翼部の凹面の圧力側における少なくとも一部に沿って延びる冷却通路と、翼部の軸方向における中心近傍の翼冷却媒体用空洞から延びる前記冷却通路への一つ以上の冷却媒体吸入口と、前記冷却通路から冷却媒体を放出するための一つ以上の出口開口部と、を含む。

また、本発明は、翼部及び根元部を有するタービン動翼のプラットフォームを冷却する方法において具現化され、この翼部はプラットフォームに結合され、該プラットフォームは根元部に及んでおり、前記方法は、前記翼部の凹面の圧力側における少なくとも一部に冷却通路を設けるステップと、翼部の軸方向における中心近傍の冷却媒体用空洞から、穴を通して前記冷却通路へと冷却媒体を流すステップと、前記冷却通路から一つ以上の出口開口部を通して冷却媒体を放出するステップと、を有する。

本発明の上述の目的及び他の目的、さらに本発明の利点については、添付図面を参照しつつ以下の本発明の好ましい例示的な実施形態の詳細な説明を入念に検討することによって完全に理解される。

本発明の実施形態の一例によると、図３、図６、図７、図８、図９、図１０及び図１１において略図で示すように、一つ以上の優先冷却通路が、翼部の凹面の、圧力側で動翼プラットフォーム内に形成される。これらの冷却通路には、翼の冷却回路、すなわち、詳しくは各々の翼の軸方向における中心又は中間部の近傍から、冷却媒体（例えば、空気）が供給される。複数の冷却通路が設けられた図示の例において、それぞれの冷却通路には、各翼の冷却回路の空洞又は通路から空気が供給される。

冷却通路はそれぞれ、少なくとも二つの目的を達成するための大きさ及び形状をもつ。第一に、通路は、プラットフォームの優先冷却を可能とするために形成される。優先冷却により、プラットフォーム上の様々な位置で、的確な量の冷却を行うことが可能となる。

一例として図３に示す実施形態を参照すると、本実施形態では、２つの通路２２４、２２６が、翼２１２の凹面の、つまり圧力側２２８で規定されることが分かる。第１冷却通路２２４は、翼の軸方向における中心又は中点近傍において、翼２１２の冷却回路の空洞又は通路２３０と流体連通し、そして、冷却用空気の流体通路を規定するように配設されており、この流体通路は、第１の蛇行経路２３２に沿ってプラットフォーム２１６の前縁２３４の方へと延び、次に周経路部分２３６に沿って翼の圧力側のスラッシュ面２３８の方へ延びるとともに、最終的にはスラッシュ面２３８とほぼ平行に延びる、実質的に直線状の長手冷却経路２４０に沿って、プラットフォーム２１６の後縁へと延びている。図示の実施形態では、第１冷却通路２２４が、軸方向において、空気などの冷却媒体をプラットフォームの流体通路に向けて放出する複数のフィルム冷却穴２４２で終端されているため、更なる冷却の利点が得られる。

また、図３の実施形態において、第２冷却通路２２６は、翼２１２の凹面の圧力側２２８に設けられ、これもまた翼２１２の軸方向における中心又は中点近傍で冷却用空気の空洞２４４と流体連通するように配設される。第２冷却通路２２６は、蛇行経路２４６に沿ってプラットフォーム２１６の後部、つまり後縁へと延びる。図示の実施形態では、第２冷却流通路もまた、軸方向において複数のフィルム冷却穴２４８で終端となる。本実施形態の蛇行経路２３２、２４６は各々、複数の部分円状をした部分を有しており、これらの部分は、優先冷却の目的で、プラットフォームを介して冷却媒体を分配させるための、軸方向の一部分と相互に連結される。この点に関して、各流体通路の、冷却用空気の供給通路の直径及び寸法を選択することによって、プラットフォームの各部の優先冷却のために差分の質量流量及び速度を実現できることは明らかである。

図４及び図５を参照すると、本発明の実施形態では、プラットフォームの優先冷却を行う第１及び第２の通路の提供に加えて、プラットフォームが重量比に対して高い剛性をもつように構成される。この点に関して、図４を参照すると、例えば、「L」字型の断面を有する従来のプラットフォーム１１６は、曲げ軸についての剛性をもつように、厚みを大きくする必要がある。本発明の実施形態では、図５に示すように、冷却通路２２４、２２６の経路２３２、２４６、２４０が、プラットフォームを鋳造することで画定されるが、これは、プラットフォーム２１６の径方向における内面上の溝を規定するためであり、そして、各経路には底部プレート２５０を設けることで、それぞれの冷却通路２２４、２２６の底部が画定され、プラットフォーム構造部２１６が完成する。結果としてできる「箱」型の断面は、従来の「L」字型の断面に比して本質的に剛性が高く、その重量は、内部通路を画定するための材料を省くことで最小となる。このように、上述の冷却効果を高めることに加えて、プラットフォームの剛性及び強度を増強しつつ、重量が最小化される。さらには、プラットフォーム構造部が単純化され、所望の構成を有する通路の製造が容易になる。

本発明の他の実施形態を図６に示す。図示のように、第１及び第２の冷却通路は、本実施形態の第１冷却通路２２４がスラッシュ面２３８への出口穴２５２を有する点を除いて、図３で例示したものとほぼ同様である。スラッシュ面に出口穴を設けることによって、付加的な冷却が提供され、高温ガスの取り込みに対する部品の耐久性が高まる。図示の例では、スラッシュ面の出口穴２５２がフィルム冷却穴２４２の代わりに設けられているが、スラッシュ面の出口穴及びフィルム冷却穴を組み合わせても良いことは明らかである。

本発明の他の実施形態を図７に示す。ここに例示した実施形態では、２つの通路３２４、３２６が翼３１２の凹面、つまり圧力側３２８に形成されていることが分かる。第１冷却通路３２４は、翼３１２の冷却回路の空洞又は通路３３０と、翼の軸方向における中心又は中点近傍で流体連通し、そして、冷却用空気の流体通路を規定するように配設されており、この流体通路は、第１の周経路部分３３６に沿って翼の圧力側でスラッシュ面３３８へと延び、次に、スラッシュ面３３８とほぼ平行に延びる、実質的に直線状の長手冷却経路３４０に沿って、プラットフォーム３１６の前縁３３４へと延びている。図示の実施形態において、複数のフィルム冷却穴３４２は、空気などの冷却媒体を、フィルム冷却通路３２４からプラットフォームの流体経路面に向けて放出するように形成されているため、更なる冷却の利点が得られる。

また、図７の実施形態において、翼３１２の凹面の圧力側３２８には、第２冷却通路３２６が設けられ、翼３１２の軸方向における中心又は中点近傍で冷却用空気の空洞又は通路３４４と流体連通するように配置されている。この第２冷却通路３２６は、第１冷却通路３２４とほぼ鏡像関係にあり、スラッシュ面３３８へと向かう第１の周経路部分３３７を有し、プラットフォーム３１６の後縁へと向かうとともにスラッシュ面３３８とほぼ平行に延びる、実質的に直線状の長手冷却経路３４１を有している。図示の実施形態において、第２冷却通路もまた、複数のフィルム冷却穴３４８で終端とされる。また、各流体通路の、冷却用空気の供給通路の直径及び寸法を選択することによって、プラットフォームの各部の優先冷却のために差分の質量流量及び速度を実現できることは明らかである。

本発明のさらに別の実施形態を図８に示す。本実施形態において、第１及び第２冷却通路は、本実施形態の冷却通路がスラッシュ面３３８への出口穴３５２、３５３を有する点を除いて、図７で例示したものとほぼ同様である。スラッシュ面に出口穴を設けることにより、付加的な冷却が提供され、高温ガスの取り込みに対する部品の耐久性が高まる。図示の例では、スラッシュ面の出口穴３５２、３５３がフィルム冷却穴３４２、３４８の代わりに設けられているが、スラッシュ面の出口穴及びフィルム冷却穴を組み合わせてもよいことは明らかである。

本発明の更なる実施形態を図９に示す。ここに例示した実施形態では、２つの通路４２４、４２６が翼４１２の凹面の圧力側４２８に形成されていることが分かる。第１冷却通路４２４は、翼４１２の冷却回路の空洞又は通路４３０と、翼の軸方向における中心又は中点近傍で流体連通し、そして、冷却用空気の流体通路を形成するように配設されており、この流体通路は、第１の周経路部分４３６に沿って翼の圧力側のスラッシュ面４３８へと延び、次に、スラッシュ面４３８とほぼ平行に延びる、実質的に直線状の長手冷却経路４４０に沿って、プラットフォーム４１６の前縁４３４へと延びている。冷却用空気のための流体通路は、翼４１２の一部の方へ、そして、翼４１２の一部に沿って、かぎ状に曲がっている。図示の実施形態において、複数のフィルム冷却穴４４２は、空気などの冷却媒体を、第１冷却通路４２４からプラットフォームの流体経路面に向けて放出するように形成されているため、更なる冷却の利点が得られる。

また、図９に示す実施形態において、翼４１２の凹面の圧力側４２８には、第２冷却通路４２６が設けられ、翼４１２の軸方向における中心又は中点近傍で冷却用空気の空洞又は通路４４４と流体連通するように配置されている。第２冷却通路４２６は、第１冷却通路４２４とほぼ鏡像関係にあり、スラッシュ面４３８に向かう第１の周経路部分４３７を有し、プラットフォーム４１６の後縁に向かうとともにスラッシュ面４３８とほぼ平行に延びる、実質的に直線状の長手冷却経路４４１を有している。第２冷却通路は、翼４１２の一部の方へ、そして、翼４１２の一部に沿って、かぎ状に曲がっている。図示の実施形態において、第２冷却通路もまた、複数のフィルム冷却穴４４８で終端とされている。また、各流体通路の、冷却用空気の供給通路の直径及び寸法を選択することによって、プラットフォームの各部の優先冷却のために差分の質量流量及び速度を実現できることは明らかである。

本発明の更なる実施形態を図１０に示す。本実施形態において、第１及び第２冷却通路は、本実施形態の冷却通路がスラッシュ面４３８への出口穴４５２、４５３を有する点を除いて、図９で例示したものとほぼ同様である。スラッシュ面に出口穴を設けることにより、付加的な冷却が提供され、高温ガスの取り込みに対する部品の耐久性が高まる。図示の例では、スラッシュ面の出口穴４５２、４５３がフィルム冷却穴４４２、４４８の代わりに設けられているが、スラッシュ面の出口穴及びフィルム冷却穴を組み合わせてもよいことは明らかである。

本発明の更なる実施形態を図１１に示す。ここに例示した実施形態では、２つの通路５２４、５２６が翼５１２の凹面の圧力側５２８に形成されていることが分かる。第１冷却通路５２４は、翼４１２の冷却回路の空洞又は通路５３０と、翼の軸方向における中心又は中点近傍で流体連通し、そして、冷却用空気の流体通路を形成するように配設されており、この流体通路は、第１の周部分の主供給経路５３６に沿って、翼の圧力側のスラッシュ面５３８の方へ延びている。図示の実施形態において、主供給経路５３６は、計測穴５４２でスラッシュ面５３８に終端して質量流量レベルを制御する。更なる冷却の利点が冷却穴又は通路５５２により得られ、この冷却穴又は通路は、プラットフォーム５１６を通って、第１冷却通路５２４の主供給通路５３６から、スラッシュ面５３８へと斜めに延びている。図１１には２つの冷却穴５５２を示しているが、プラットフォームを優先冷却するために、これ以上又はこれ以下の数の分岐通路などを設けても構わないことは明らかである。

図１１に示す実施形態において、翼５１２の凹面の圧力側５２８には、さらに第２冷却通路５２６が設けられ、翼５１２の軸方向における中心又は中点近傍で冷却用空気源５４４と流体連通するように配置されている。この第２冷却通路５２６は、第１冷却通路５２４とほぼ鏡像関係にあり、スラッシュ面５３８へと延びる、第１の周経路部分５３７を有している。図示の実施形態において、第２冷却流体通路もまた、スラッシュ面５３８における計測穴５４８で終端となる。そして、主供給通路５３７からスラッシュ面５３８へと斜めに延びる冷却穴又は通路５５３により、更なる冷却の利点が得られる。また、各流体通路の、冷却用空気の供給通路の直径及び寸法を選択することによって、プラットフォームの各部の優先冷却のために差分の質量流量及び速度を実現できることは明らかである。

本発明について、現時点で最も現実的かつ好ましいとされる実施形態に関して説明したが、本発明は開示した実施形態に限定されることなく、添付の特許請求の範囲の精神と範囲内において様々な変形及び等価な構成を網羅するものであることは明らかである。

タービン動翼及びプラットフォームの斜視図である。隣接したバケットシャンク間の空洞を利用した従来技術の冷却回路を示す概略図である。本発明の実施形態としてのバケットについて上面で見た図である。従来のプラットフォーム構造部の断面図である。本発明の実施形態によるプラットフォーム設計の断面図である。図３の実施形態の修正態様によるバケットについて上面で見た図である。本発明の他の実施形態によるバケットについて上面で見た図である。図７の実施形態の修正態様によるバケットについて上面で見た図である。本発明の他の実施形態によるバケットについて上面で見た図である。図９の実施形態の修正態様によるバケットについて上面で見た図である。本発明の他の実施形態によるバケットについて上面で見た図である。

符号の説明

10 タービン動翼
12 翼部
14 根元部
16 構造部
18 プラットフォーム
20 シャンク部
110 バケット
116 プラットフォーム
120 バケットシャンク
122 空洞
212 翼
116 従来のプラットフォーム
224 第１冷却通路
226 第２冷却通路
228 凹面又は圧力側
230 冷却回路の空洞又は通路
232 第１の,蛇行経路
234 前縁
236 周経路部分
238 スラッシュ面
240 長手冷却経路
242 フィルム冷却穴
244 冷却用空気の空洞
246 蛇行経路
248 フィルム冷却穴
250 底部プレート
252 出口穴
312 翼
316 プラットフォーム
324 第１冷却通路
326 第２冷却通路
328 凹面又は圧力側
330 冷却回路の空洞又は通路
334 前縁
336 第１の, 周経路部分
337 第１の, 周経路部分
338 スラッシュ面
340 長手冷却経路
341 長手冷却経路
342 フィルム冷却穴
344 冷却用空気の空洞
348 フィルム冷却穴
352, 353 出口穴
412 翼
416 プラットフォーム
424 第１冷却通路
426 第２冷却通路
428 凹面又は圧力側
430 冷却回路の空洞又は通路
434 前縁
436 第１, 周経路部分
437 第１の,周経路部分
438 スラッシュ面
440 長手冷却経路
441 長手冷却経路
442 フィルム冷却穴
444 冷却用空気の空洞
448 フィルム冷却穴
452, 453 出口穴
512 翼
516 プラットフォーム
524 第１冷却通路
526 第２冷却通路
528 凹面又は圧力側
530 冷却回路の空洞又は通路
536 第１の,周部分の,主供給通路
537 第１の,周部分の,主供給通路
538 スラッシュ面
542 計測穴
544 冷却用空気の空洞
548 計測穴
552 冷却穴又は通路
553 冷却穴又は通路

Claims

翼部と根元部とスラッシュ面部分とプラットフォーム冷却部とを備え、前記根元部が前記翼部と根元部とスラッシュ面部分との境界にあるプラットフォームを有するタービン動翼において、
前記プラットフォーム冷却部は、
プラットフォーム内に形成され、翼部の凹面の圧力側における少なくとも一部に沿って延び、翼部からプラットフォームのスラッシュ面の方向へ延びる第１の周部分と、該第１の周部分から角度をもって延びる第２の略直線状部分とを有する第１の冷却通路と、
翼部の軸方向における中心近傍の翼冷却媒体用空洞から延びる前記第１の冷却通路への一つ以上の第１の冷却媒体吸入口と、
前記第１の冷却通路から冷却媒体を放出するために、それぞれが前記スラッシュ面のみに形成された一つ以上の第１の出口開口部と、
プラットフォーム内に形成され、翼部の凹面の圧力側における少なくとも一部に沿って延びる第２の冷却通路と、
翼部の軸方向における中心近傍の翼冷却媒体用空洞から延びる前記第２の冷却通路への一つ以上の第２の冷却媒体吸入口と、
前記第２の冷却通路から冷却媒体を放出するために、それぞれが前記スラッシュ面のみに形成された一つ以上の第２の出口開口部と、
を含むことを特徴とするタービン動翼。
前記第１および第２の冷却通路が、翼部からプラットフォームのスラッシュ面の方向へ延びる第１の周部分と、該第１の周部分から角度をもって延びる第２の略直線状部分と有し、
前記第１および第２の冷却通路のうちの一方の前記第２の略直線状部分が、前記プラットフォームの前縁の方へと延びており、他方の前記第２の略直線状部分が、前記プラットフォームの後縁の方へと延びている
ことを特徴とする請求項１に記載のタービン動翼。
前記第２の冷却通路が蛇行部分を含むことを特徴とする請求項１に記載のタービン動翼。
翼部、根元部およびスラッシュ面部分を有し、該翼部がプラットフォームに結合され、該プラットフォームが根元部の上方でスラッシュ面部分の方向に及んでいるタービン動翼のプラットフォームを冷却する方法において、
翼部の凹面の圧力側における少なくとも一部に沿って延びる冷却通路を設けるステップであって、前記冷却通路は、翼部からプラットフォームのスラッシュ面の方向へ延びる第１の周部分と、該第１の周部分から角度をもって延びる第２の略直線状部分とを有する、ステップと、
翼部の軸方向における中心近傍の冷却媒体用空洞から、穴を通して前記冷却通路へと冷却媒体を流すステップと、
前記冷却通路から一つ以上の出口開口部を通して、冷却媒体を放出させる放出ステップであって、前記一つ以上の出口開口部のそれぞれは、前記スラッシュ面のみに形成されている、ステップと、
を有し、
前記冷却通路を設けるステップはさらに、翼部からプラットフォームのスラッシュ面の方向へ延びる第１の周部分と、該第１の周部分から角度をもって延びる第２の略直線状部分とを設けるステップとを含み、
前記冷却通路を設けるステップはさらに、翼部の凹面の圧力側における少なくとも一部に沿って延びる第２の冷却通路を設けるステップを含み、
前記方法は、さらに、
翼部の軸方向における中心近傍の冷却媒体用空洞から、穴を通して前記第２の冷却通路へと冷却媒体を流すステップと、
前記第２の冷却通路から一つ以上の出口開口部を通して、冷却媒体を放出させる放出ステップであって、前記一つ以上の出口開口部のそれぞれは、前記スラッシュ面のみに形成されている、ステップと、
を含む、方法。
前記冷却通路のそれぞれが、翼部からプラットフォームのスラッシュ面の方向へ延びる第１の周部分と、該第１の周部分から角度をもって延びる第２の略直線状部分と有し、
前記冷却通路のうちの一方の前記略直線状部分が、前記プラットフォームの前縁の方へと延びており、他方の前記略直線状部分が、前記プラットフォームの後縁の方へと延びている、
ことを特徴とする請求項４に記載の方法。