JP5329033B2 - プラットフォーム前縁部が冷却されるガスタービンバケット及びプラットフォーム前縁部を冷却する方法 - Google Patents

Description

本発明は、タービンバケットの冷却に関し、特に、バケットの前縁部において、バケットのプラットフォーム領域を冷却することに関する。

長年にわたり、ガスタービンの燃焼温度はタービンの効率及び出力を改善するために上昇し続けてきた。燃焼温度が上がるにつれて、従来は冷却されていなかったバケットプラットフォームは、酸化、低サイクル疲労及びクリープなどの危機的な問題を示すようになった。最近になって、プラットフォームの冷却を補助するために薄膜冷却が使用されているが、一般に、薄膜冷却は、プラットフォームの後方部分に限定される。プラットフォームの後方部分においては、ガス流路流れが十分に加速されるため、静圧は、高温ガスを取り込むことなく薄膜流れを確実に通過させるのに十分な供給圧力が存在するレベルまで降下される。これに対し、プラットフォームの前縁部は、薄膜冷却を利用するには圧力が不十分であるが、高温による損傷を受ける領域にある。
米国特許第５，５３６，１４３号公報 米国特許第６，３９０，７７４号公報 米国特許第６，４２２，８１７号公報 米国特許第６，４３１，８３３号公報 米国特許第６，８０５，５３４号公報 米国特許第５，３８２，１３５号公報 米国特許第５，６３９，２１６号公報 米国特許第５，８１３，８３５号公報 米国特許第５，８４８，８７６号公報 米国特許第６，０１９，５７９号公報 米国特許第６，０７１，０７５号公報 米国特許第６，１２０，２４９号公報 米国特許第６，１３２，１７３号公報 米国特許第６，１９０，１３０号公報 米国特許第６，１９６，７９９号公報 米国特許第６，３０９，１７５号公報 米国特許第６，４１６，２８４号公報 米国特許第６，４３１，８３３号公報 米国特許第６，４８１，９６７号公報 米国特許第６，５０６，０２０号公報 米国特許第６，６４１，３６０号公報 欧州特許第０７７７，８１８号公報 欧州特許第０７８９，８０６号公報 欧州特許第０８６６，２１４号公報 欧州特許第０９３７，８６３号公報 欧州特許第１，０８７，１０２号公報 欧州特許第１，５１４，９９９号公報 特許第１０２５２４０６号公報 特許第２００１０９０５０１号公報

本発明は、エンジン性能への影響を最小限に抑えつつ、バケットの耐用年数条件に適合するように、バケットプラットフォームの前縁部を能動的に冷却することにより、上記の問題を解決する独自の方法を提供する。能動冷却は、プラットフォーム前縁部に沿って延在する空洞部へ冷却剤を搬送することにより実行される。従って、本発明は、エーロフォイル部分及び根元部分を有し、エーロフォイル部分と根元部分との間の境界面にほぼ平坦なプラットフォームを含むタービンバケットであって、プラットフォームの前方部分に沿って延在する空洞部と、冷却剤源から空洞部まで延出する少なくとも１つの入口孔と、空洞部から冷却剤を放出する少なくとも１つの出口開口部とを含むプラットフォーム冷却構造を有するタービンバケットにおいて実現されてもよい。

更に、本発明は、エーロフォイル部分及び根元部分を有し、エーロフォイル部分が、根元部分を覆うように延出するプラットフォームに接合されているタービンバケットの前縁部を冷却する方法であって、前縁部の少なくとも一部に沿い且つそれに隣接して延出するように空洞部を形成することと；冷却剤源から少なくとも１つの入口孔を通して空洞部まで冷却剤を流通させることと；少なくとも１つの出口開口部を通して空洞部から冷却剤を放出することとから成る方法において実現されてもよい。

燃焼温度が上昇するにつれて、バケットプラットフォームの前縁部は、酸化、低サイクル疲労及びクリープなどの危機的な問題を示し始めた。バケットプラットフォームの前縁部を薄膜冷却するには、冷却圧力比が不十分である。従って、本発明の一実施形態においては、バケットプラットフォームの前縁部に対する酸化、低サイクル疲労及びクリープなどの難問を排除するために、能動冷却が実行される。冷却剤流れは、バケットプラットフォームの前方部分に沿って鋳造又は機械加工により形成された空洞部、あるいは穴あけにより形成された穴を通して供給される。

一実施形態として、図１及び図２は、エーロフォイル部分４及び根元部分６を有するタービンバケット２を示す。エーロフォイル部分と根元部分との間の境界面に、ほぼ平坦なプラットフォーム８がある。冷却蒸気などの冷却剤は、バケット冷却回路（概略的に図中符号１５により示される）又はプラットフォーム冷却回路（概略的に図中符号１４により示される）から前方空洞部１２に供給される。空洞部１２は、バケットプラットフォームの前方部分に鋳造、機械加工又は穴あけにより形成される。図１及び図２の実施形態において冷却剤の供給源として利用できる冷却回路には、例えば、開示内容が参考として本明細書中に取り入れられている米国特許第６，４２２，８１７号公報、第６，３９０，７４４号公報及び第５，５３６，１４３号公報に開示される冷却回路などがある。概略的に示されるように、冷却材は、空洞部１２をエーロフォイル蒸気回路１５又は圧力側のプラットフォーム冷却回路１４に接続する１つ以上の流路又は孔１６又は１７を経て、前方空洞部に供給される。本実施形態においては、前方空洞部１２へ搬送される高速の蒸気は、高度の熱伝達冷却及び対流冷却を実現する。対流冷却を更に増補するために、流路１６、１７又は空洞部１２に形成される突起、くぼみ（以下、それらを総称してタービュレータと呼ぶ）によって、冷却性能を向上してもよい。

プラットフォームの前縁部１０を対流冷却するために蒸気が使用された後、蒸気は、少なくとも１つの開口部を通って放出される。図示される実施形態においては、出口開口部１８は、冷却空洞部１２の長手方向の両端部の各々にあるバケットスラッシュ面に形成される。放出された蒸気は、隣接するバケットスラッシュ面に衝突し、それにより、隣接するバケットスラッシュ面も冷却する。その後、冷却蒸気は、バケット間の間隙をパージングし、バケット間の間隙に侵入する高温のガス流路空気の量を減少する。蒸気の圧力がガス流路圧力よりはるかに高いので、このパージングが可能である。

本発明の別の実施形態が図３及び図４に示される。図１及び図２の実施形態の場合と同様に、バケットプラットフォーム８の前方部分１０に沿って、鋳造又は機械加工により形成された空洞部、あるいは穴あけにより形成された穴が形成され、それにより、前方空洞部１１２が形成される。本実施形態においては、空洞部１１２に冷却材を供給するために、バケットシャンクポケット１１４から延出するように穴あけ又は他の方法により形成された１つ以上の穴１１６を介して、圧縮機排出空気が供給される。開示内容が参考として本明細書中に取り入れられている米国特許第６，４３１，８３３号公報は、シャンクポケットへの冷却空気の供給を開示する。前方空洞部１１２を通過する高速の空気は、高効率な熱伝達冷却及び対流冷却を実現する。図１及び図２の実施形態の場合と同様に、タービュレータによって熱伝達を更に向上して対流冷却をさらに促進できる。

プラットフォームの前縁部を対流冷却するために空気が使用された後、空気は、少なくとも１つの出口開口部を経て排出される。開口部は、空洞部の長手方向端部（一端部又は両端部）に設けられてもよい。これに加えて又はその代わりに、出口開口部は、プラットフォームを貫通して、ガス流路静圧が回路を通る流れを押し出すほど十分に低いエーロフォイル部分４の吸込み側まで延出する薄膜穴１１８を含んでもよい。それらの薄膜穴は、プラットフォーム８の前縁部の吸込み側部分を冷却する。薄膜穴１１８を出た空気は、低温空気の層を形成する。低温空気の層は、プラットフォーム８の吸込み側を高温ガス流路空気から更に隔離する。プラットフォームに向かう熱流束を更に減少するために、プラットフォームガス流路は、熱障壁被覆膜（ＴＢＣ）によって被覆されてもよい。

現時点で最も実用的で好適な実施形態であると考えられるものに関連して本発明を説明したが、本発明は、開示された実施形態に限定されてはならず、添付の特許請求の範囲の趣旨の範囲内に含まれる種々の変形及び等価の構成を含むことが意図されていると理解すべきである。

本発明の一実施形態によるバケットを示した概略部分側面横断面図である。 図１のバケットを示した平面図である。 本発明の別の実施形態によるバケットを示した概略部分側面横断面図である。 図３のバケットを示した平面図である。

符号の説明

２…タービンバケット、４…エーロフォイル部分、６…根元部分、８…プラットフォーム、１０…プラットフォーム前縁部、１２…前方空洞部、１４…プラットフォーム冷却回路、１５…バケット冷却回路、１６、１７…流路、１８…出口開口部、１１２…前方空洞部、１１４…バケットシャンクポケット、１１６…穴、１１８…薄膜穴

Claims (10)

1. エーロフォイル部分（４）及び根元部分（６）を有し、前記エーロフォイル部分と前記根元部分との間の境界面にほぼ平坦なプラットフォーム（８）を含むタービンバケット（２）であって、前記プラットフォームの内部で該プラットフォームの前方部分に沿って、前記エーロフォイル部分（４）の前縁の前方でエーロフォイル部分（４）の正圧側から負圧側まで連続して延出する空洞部（１２、１１２）と、冷却剤源（１４、１５、１１４）から前記空洞部まで延出する少なくとも１つの入口孔（１６、１７、１１６）と、前記空洞部から冷却剤を放出する少なくとも１つの出口開口部（１８、１１８）とを含むプラットフォーム冷却構造を有していて、前記少なくとも１つの出口開口部が、前記空洞部（１２）の少なくとも１つの長手方向端部に形成された出口開口部（１８）、又は前記プラットフォームを貫通して前記空洞部（１１２）を前記エーロフォイル部分（４）の負圧側の低静圧領域と連通させる少なくとも１つの薄膜冷却穴（１１８）を含む、タービンバケット。
2. 前記空洞部（１２、１１２）が、前記プラットフォーム（８）の前縁部（１０）とほぼ平行に延在する、請求項１記載のタービンバケット。
3. 前記冷却剤が蒸気であり、前記冷却剤源が、前記エーロフォイル部分及び前記プラットフォームの一方を貫通するよう形成された冷却回路（１４、１５）を具備する、請求項１又は請求項２記載のタービンバケット。
4. 前記冷却剤が空気であり、前記冷却剤源が、前記根元部分（６）に形成されたポケット（１１４）を具備する、請求項１又は請求項２記載のタービンバケット。
5. 前記空洞部（１２、１１２）が、鋳造又は機械加工で形成された空洞部或いは穴あけにより形成された穴である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のタービンバケット。
6. 前記出口開口部が、前記プラットフォームのスラッシュ面に形成され、隣接するバケットのスラッシュ面に対向していて、前記隣接するスラッシュ面を冷却するように方向付けされる、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のタービンバケット。
7. 前記空洞部（１２、１１２）及び入口孔（１６、１７、１１６）の少なくとも１つに、熱伝達を更に向上させるための複数のタービュレータを含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のタービンバケット。
8. エーロフォイル部分（４）及び根元部分（６）を有し、前記エーロフォイル部分が、前記根元部分を覆うように延出するプラットフォーム（８）に接合されているタービンバケット（２）の前縁部を冷却する方法であって、当該方法が、
   前記前縁部の少なくとも一部に沿い且つそれに隣接して、前記エーロフォイル部分（４）の前縁の前方でエーロフォイル部分（４）の正圧側から負圧側まで連続して延出するように空洞部（１２、１１２）を前記プラットフォームの内部に形成する工程と、
   冷却剤源（１４、１５、１１４）から少なくとも１つの入口孔（１６、１７、１１６）を通して前記空洞部（１２、１１２）まで冷却剤を流通させる工程と、
   少なくとも１つの出口開口部（１８、１１８）を経て前記空洞部から冷却剤を放出する工程と
   を含んでおり、
   前記少なくとも１つの出口開口部が、前記空洞部（１２）の少なくとも１つの長手方向端部に形成された出口開口部（１８）、又は前記プラットフォームを貫通して前記空洞部（１１２）を前記エーロフォイル部分（４）の負圧側の低静圧領域と連通させる少なくとも１つの薄膜冷却穴（１１８）を含む、方法。
9. 前記少なくとも１つの出口開口部が、前記エーロフォイル部分（４）の負圧側にある薄膜冷却穴（１１８）であって、当該方法が、前記空洞部（１１２）から前記薄膜冷却穴（１１８）を通して冷却剤を放出させることを含む、請求項８記載の方法。
10. 前記少なくとも１つの出口開口部が、前記空洞部（１２）の長手方向端部にある開口部（１８）であって、当該方法が、使用済み冷却剤を前記空洞部から隣接するバケットプラットフォームに向かって搬送し、隣接するプラットフォームの間の間隙を前記使用済み冷却剤によってパージングすることを更に含む、請求項８記載の方法。
    

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