JP5436457B2 - ガスタービンのための翼 - Google Patents

Description

本発明はガスタービンの分野に関するものである。本発明は、請求項１の上位概念部に記載のガスタービンのための翼に関する。

背景技術
今日のガスタービンを運転する高い熱ガス温度において、使用するタービンの案内翼及び動翼を冷却することは不可欠である。このためにガス状の冷却媒体、例えばガスタービンの圧縮機から適切な個所において分岐される圧縮された空気量、及び／又は特にガスタービンが複合サイクル発電プラントの一部分である場合、又はその他に適切な質及び量の場合には時折蒸気が使用される。冷却媒体は翼に配置されている、よく蛇行状に延在している冷却通路を通って案内される。案内は開放した及び／又は閉鎖した冷却路を介してもたらされる。特に翼の外面に形成されるフィルム冷却による冷却効果を翼の外面において達成するために、翼の種々異なる個所において適切な開口（孔、スリット）を通って冷却媒体が外方に放出されるように多様に構成される。このような冷却された翼の一例が、ＵＳ−Ａ−５８１３８３５に記載されかつ図示されている。

翼冷却という範囲においては、冷却媒体が後縁の上流に配置されている、後縁に対してほぼ平行に延在しているスリット状の開口を通して噴出されることにより、翼の後縁も頻繁に冷却する必要がある。冷却媒体は、後縁と、開口及び後縁の間に位置する翼表面の領域とを擦過する。後縁のこのような冷却は、ＵＳ−Ａ−５８１３８３５の図３に符号２０８，２１０によって示されている。

本願明細書の図１には、極めて簡略化した形式において後縁冷却部の基本的な幾何学形状が記載されている。翼先端１２において終わっている、長手方向、つまりタービン軸線に関して半径方向に延びている翼１０は、上流側に前縁１１及び下流側に後縁１３を有している。前縁１１及び後縁１３の間において、所定の翼の横断面を備えた翼は受圧面２３と吸込み面２４とを形成する。

受圧面２３において後縁１３の上流に、後縁１３に対して平行に延在する冷却媒体（特に冷却空気）のための流出スリット１４が設けられている。流出スリット１４を通って冷却媒体は外方に流出し、冷却流１６として後縁１３を擦過していく。冷却媒体は翼１０の内部の冷却通路１５を通って流出スリット１４に供給される。流出スリット１４には長手方向に制御部材１７が分配されて配置されている。制御部材１７により流出スリット１４の横断面が縮小（つまり制御）され、冷却媒体は流出スリット１４の全長にわたって分配される。

冷却流１６の制御、ひいてはガスタービンの効率のための制御部材１７の意義が、他の刊行物、つまりＵＳ−Ａ１−２００５／０２３２７７０の対象になっている。上記刊行物において、流出スリットにおける種々異なる構成の制御部材（「制御機構」）が提案されている。制御部材は流出スリットの鋳造技術により達成可能な横断面面積をさらに減じることになり、また同時にスリット領域における機械的な安定性の向上にも寄与する。制御部材１７の縁部の輪郭に応じて、冷却流１６は層流又は乱流であってよい。

冷却流１６が大量の質量流量で又は少ない質量流量で流出する場合には、スリットに配置されている障害物若しくは制御部材による後縁冷却流の減少は常に不都合である。このような構成では、図２のように流出スリットの出口に、収束する噴流構造１８が冷却流に形成される。噴流構造１８には、あまり冷却されない、ひいては高められた温度に曝されている中間領域１９がもたらされる。また、少ない質量流量の理由は再冷却された空気が使用されることにある。

発明の開示
本発明は対策を講じている。本発明の課題は、公知の翼の上記欠点を回避し、冷却媒体の質量流量が小さい場合でも、特に翼の後縁の平面における均一な冷却を特徴とする、ガスタービン翼を提供することである。

上記課題は、請求項１の全特徴により達成される。本発明にとって、流出スリットにおける制御部材の列若しくは配置において、種々異なって構成された制御部材が所定の配列で設けられているということが重要である。種々異なって構成された制御部材の列は、特に２つの機能を満たす。
・１つには、種々異なって構成された制御部材は流出スリットを通って流出する冷却流を、質量流量への有利な影響を意図した制御をもたらすようにブロックする。
・もう１つには、種々異なって構成された制御部材は、流出スリットと後縁との間の面の良好なカバー面積を冷却媒体フィルムによって保証するために、均等に分配された冷却流を提供する。

本発明の構成は、制御部材の列に、種々異なる横断面の輪郭を備えた少なくとも２種の構造の構成部材が設けられており、少なくとも２種の構造の制御部材のうちの一方は、冷却媒体の流れ方向に延在する縦長の、特に水滴状の横断面形状を有しており、少なくとも２種の構造の制御部材のうち他方は、ほぼ円形の横断面形状を有している。実験においてこのような配置が最も効果的であると実証された。

特に、制御部材の２種の構造が交互に配列されていてよい。また、一方の種類の構造の２つの制御部材の間に、他方の構造の複数の制御部材が配列されていることも考慮可能である。特に、一方の構造の２つの制御部材の間に、他方の構造の２つ又は３つの制御部材が配列されていてよい。

先行技術に基づく、後縁の上流に配置された流出スリットによる後縁の冷却部を備えた、ガスタービン翼の一部分を簡略的に示す斜視図である。 公知の後縁冷却部における不都合な効果を示す概略図である。 交互に配置した２つの制御部材の構成を備えた本発明に係る、質量流量を減じる種々異なる制御部材の配置のための第１の実施の形態を示す図である。 それぞれ３つの部材毎に繰り返すように交互に配置した、２つの構造の制御部材を備えた本発明に係る、質量流量を減じる種々異なる制御部材の配置のための第２の実施の形態を示す図である。 それぞれ４つの部材毎に繰り返すように交互に配置した、２つの構造の制御部材を備えた本発明に係る、質量流量を減じる種々異なる制御部材の配置のための第３の実施の形態である。 所望に交互に配置されている２つの構造の制御部材を備えた本発明に係る、質量流量を減じる種々異なる制御部材の配置のための別の実施の形態であり、水滴状の制御部材は流出スリットを越えて延びている。

以下に、本発明を図面に関連した実施の形態に基づき詳細に説明する。本発明を直接的に理解するために必要でない全ての部材は省いてある。同一の部材には、種々異なる図面において同じ符号を付してある。媒体の流れ方向は矢印で示してある。

本発明の実施の形態について
図３〜６には、本発明に係るガスタービン翼の後縁のための冷却媒体流のスロットリングのための、種々異なる実施の形態が示されている。全ての実施の形態において共通して、２つの独特な構造の制御部材（絞り部材）２１，２２を使用できる。制御部材２１は水滴状の縁輪郭を有しており、制御部材２２は円形の縁輪郭を有している。本発明においては、図示の２つの縁輪郭又は横断面だけではないということを同時に付言しておく。

図３に明示されている実施の形態の翼２０には、２つの構造の制御部材２１，２２が交番して（交互に）流出スリット１４に配置されている。

図４に明示されている実施の形態の翼２０の場合、２つの構造の制御部材２１，２２が交番して流出スリット１４に配置されており、その配列は３つの部材毎に繰り返される。本実施の形態において、水滴状の構造の２つの制御部材２１の間にそれぞれ円形の構造の２つの制御部材２２が設けられている。

図５に明示されている実施の形態の翼２０の場合、２つの構造の制御部材２１，２２が交番して流出スリット１４に配置されており、その配列は４つの部材毎に繰り返される。本実施の形態において、水滴状の構造の２つの制御部材２１の間にそれぞれ円形の構造の３つの制御部材２２が設けられている。図５においては、補助線２５により流れ方向における個々の制御部材２１，２２の局地的な位置が示されている。本実施の形態において制御部材２１，２２は、制御部材の構造とは関係なく、流れ方向における全制御部材の最大の横断面が補助線２５が示そうとしている一平面に位置しているように配置されている。つまり、２つの制御部材間の最小の中間スペースが制御部材の最大の横断面の平面に一致する。したがって、１つの中間スペースを通る貫流は、隣の中間スペースを通る貫流によって、例えば収束するか又は偏向された流れ構造によって流体工学上妨害されることが避けられる。したがって、冷却流の安定的なカバー面積が達成される。この思想は明細書の、補助線２５が特に記載されていない他の図面にも当てはまる。

図６には、上記図５とは異なる態様が示されている。図６においては、水滴状の制御部材２１′が流出スリット１４を越えて延びている。本態様は、所定の流れ特性において、流れの不安定性を中和することができる。

上記交互の配置により、図２に記載されているような収束する噴流構造１８は確実に回避される。本発明において制御部材２１，２２は、流出スリット１４の内側における冷却媒体の進入方向とは無関係に制御部材２１，２２の機能を満たす。その結果、図３〜６に記載の態様は、半径方向に方向付けられた蛇行形状の冷却通路を備えた翼においても使用することができる。

上記制御部材２１，２２は流出スリット１４の全横断幅を絶対に占めていないように構成されていてもよい。つまり、個々の又は複数の制御部材２１，２２は、制御部材２１，２２のヘッド側の横断面に沿って、流出スリット１４の一方の貫流壁に対してエアギャップを有している。したがってこのような実施の形態においては、流出する冷却媒体１６は個々の制御部材２１，２２の縁輪郭を回って外方に流れるだけでなく、存在する開放しているエアギャップにより制御部材２１，２２のヘッド側の横断面に沿って流出することもできる。本発明の制御部材２１，２２の列に、設けたいエアギャップの数及び配列に基づき種々異なる位置関係を設けることもできる。このことはエアギャップの個々の大きさにも当てはまる。上記手段によって課題に基づく目的を必要に応じてサポートすることができる。

全体的に、冷却媒体の比較的小さな質量流量を翼の後縁に沿って流出させたいあらゆる場所において、種々異なって構成された絞り部材の上記交互の配置を使用することができる。即ち、上記交互の配置は、
・壁付近にて冷却が行われる案内翼又は動翼において、
・再冷却された冷却空気が使用される構成要素において、
・ガスタービンの、環状の開口又は場合によっては流出スリット又は類似の流出開口を有する付加的な冷却段において
使用することができる。

流出スリット１４に設けられている制御部材２１，２１′，２２による流出スリット１４の横断面の狭幅部に関しては、２０〜９０％の間の狭まりで変化する。このことは、翼の後縁の冷却に関して満たさなければならない諸条件に基づく。

１０ 翼（ガスタービン）、 １１ 前縁、 １２ 翼先端、 １３ 後縁、 １４ 流出スリット、 １５ 冷却通路、 １６ 冷却流、 １７ 制御部材（例えば水滴状）、 １８ 噴流構造、 １９ 中間領域、 ２０，２０′，２０″ 翼（ガスタービン）、 ２１，２１′，２２ 制御部材、 ２３ 受圧面（翼）、 ２４ 吸込み面（翼）

Claims (11)

1. ガスタービンのための翼（２０，２０′，２０″）であって、該翼（２０，２０′，２０″）は長手方向に延在して前縁（１１）と後縁（１３）とを有しており、該前縁（１１）と後縁（１３）との間において翼（２０，２０′，２０″）は前記長手方向に対して横方向に、受圧面（２３）と吸込み面（２４）とを形成して延びており、翼（２０，２０′，２０″）は、冷却媒体（１６）の流出のための前記長手方向に延在する流出スリット（１４）を後縁（１３）近傍に有しており、流出スリット（１４）を通って流出する冷却媒体（１６）の質量流量を制御する制御部材（２１，２２）の列が、前記長手方向に分配されて少なくとも流出スリット（１４）に配置されている、ガスタービンのための翼において、
   制御部材（２１，２２）の前記列に、種々異なって形成された制御部材（２１，２２）の所定の配列が設けられていて、
   流出スリット（１４）は翼（２０，２０′，２０″）の後縁（１３）の上流に間隔を持って配置されていることを特徴とする、ガスタービンのための翼。
2. 制御部材（２１，２２）の前記列に、種々異なる横断面の輪郭を備えた少なくとも２つの構造の制御部材（２１，２２）が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の翼。
3. 前記少なくとも２つの構造の前記制御部材のうちの一方の構造（２１）が、前記冷却媒体の流れ方向に延びている縦長の水滴状の横断面の形状を有しており、前記少なくとも２つの構造の前記制御部材のうちの他方の構造（２２）が、ほぼ円形状の横断面形状を有していることを特徴とする、請求項２記載の翼。
4. 前記２つの構造の制御部材（２１，２２）は交互に直列に配置されていることを特徴とする、請求項２又は３記載の翼。
5. 一方の構造（２１，２２）の２つの前記制御部材の間に、他方の構造（２２，２１）の複数の前記制御部材が直列に配置されていることを特徴とする、請求項２又は３記載の翼。
6. 一方の構造（２１，２２）の２つの前記制御部材の間に、他方の構造（２２，２１）の２つ又は３つの前記制御部材が直列に配置されていることを特徴とする、請求項５記載の翼。
7. 流出スリット（１４）は翼（２０，２０′，２０″）の受圧面（２３）に配置されていることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項記載の翼。
8. 少なくとも１つの制御部材（２１，２２）は流出スリット（１４）の横断面の全幅に関して、流出スリット（１４）の一方の貫流壁に対してヘッド側のエアギャップを持って形成されていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一項記載の翼。
9. 前記エアギャップは種々異なる大きさを有していることを特徴とする、請求項８記載の翼。
10. 水滴状の制御部材（２１′）は流出スリット（１４）を越えて延びていることを特徴とする、請求項３又は請求項３を引用する請求項４から９までのいずれか一項記載の翼。
11. 制御部材（２１，２１′，２２）によりもたらされる横断面の狭幅部は２０〜９０％にあることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一項記載の翼。

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