JP5490091B2 - ガスタービン用案内翼 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンの技術分野に属する。本発明は、請求項１の上位概念に基づくガスタービン用案内翼に関する。また、本発明は、そのような案内翼を備えたガスタービンに関する。

順次燃焼式ガスタービンが周知であり、産業用途において実績を有する。当業者の間でＧＴ２４／２６として知られている、そのようなガスタービンは、例えば、非特許文献１の論文に記載されている。その論文の図１は、そのようなガスタービンの基本的な構造を図示しており、その論文の図１は、本明細書の図１として掲載されている。更に、そのようなガスタービンは、特許文献１に記載されている。

図１は、順次燃焼式ガスタービン１０を図示しており、シャフト１９に沿って、圧縮機１１、第一燃焼室１４、高圧タービン（ＨＤＴ）１５、第二燃焼室１７及び低圧タービン（ＮＤＴ）１８が配置されている。圧縮機１１と二つのタービン１５，１８は、シャフト１９の周りを回転するローターの一部となっている。圧縮機１１は、空気を吸い込んで、それを圧縮している。圧縮された空気は、プレナムチェンバーに流入して、そこから前混合バーナーに流れ、そこで、この空気は、少なくとも一つの燃料、少なくとも燃料供給部１２を介して供給される燃料と混合される。そのような前混合バーナーは、基本的に特許文献２又は３に記載されている。

圧縮された空気は、前混合バーナーに流入して、そこで、前述した通り、少なくとも一つの燃料との混合が行われる。次に、その燃料と空気の混合気は、第一燃焼室１４に流入して、そこで、その混合気は、安定した火炎面を形成して燃焼する。そのようにして生成された高温ガスは、次の高圧タービン１５内で出力を発生して部分的に減圧され、そして、第二燃焼室１７に流入して、そこで、更に別の燃料供給１６が行われる。高圧タービン１５内で部分的に減圧された高温ガスが依然として保持する高温によって、第二燃焼室１７内では、自己点火に基づく燃焼が起こる。次に、第二燃焼室１７内で再加熱された高温ガスは、複数段の低圧タービン１８内で減圧される。

低圧タービン１８は、フロー方向に対して順番に配置された、動翼と案内翼から成る複数の配列を備えており、動翼と案内翼は、交互に配置されている。フロー方向に対して三番目の案内翼配列の案内翼は、図１では符号２０’を付与されている。

新世代のガスタービンにおいて支配的である高温ガスの高い温度では、タービンの案内翼と動翼を持続的に冷却することが不可欠である。そのために、ガス状の冷媒（例えば、圧縮機によって圧縮された空気）又は蒸気が、ガスタービンに供給されている。如何なる場合でも、冷媒は、特に、ブレードの外側に冷却膜を形成（気膜冷却）するように、ブレード内に形成された（多くの場合曲がりくねって延びる）冷却通路を通されたり、ブレードの様々な場所で相応の開口部（孔、スリット）を介して外に誘導されている。そのように冷却されるブレードの例は、特許文献４に記載、図示されている。

図１の周知のガスタービンの案内翼２０’は、例えば、特許文献５から分かる通り、半径方向に延びる冷却通路を内部に有する冷却式ブレードとして構成されている。そのような案内翼は、高度な鋳造方法に基づき製作され、鋳造材料は、両側（ブレードヘッドとデッキプレート）から鋳型に供給される。ブレード板と鋳造方法により製作された冷気用通路及び開口部の壁が比較的薄いために、寿命、冷気消費量及び目標とする冷却効率は、鋳造方法で達成可能な精度に大きく依存する。そのことは、特に、そのようなブレードが空間内に鋳造された湾曲部を更に有する場合に言えることである。

欧州特許第０６２０３６２号明細書 欧州特許公開第０３２１８０９号明細書 欧州特許公開第０７０４６５７号明細書 米国特許第５，８１３，８３５号明細書 国際特許公開第２００６／０２９９８３号明細書

Joos, F. et al., "Field Experience of the Sequential Combustion System for the ABB GT24/GT26 Gasturbine Family", IG-TI/ASME 98-GT-220, 1998 Stockholm

そこで、本発明は、そのような問題を解決するものである。以上のことから、本発明は、改善策を提案する。本発明の課題は、鋳造技術の現状に鑑みて、寿命と冷却を最大化することができる案内翼を実現することである。

本課題は、請求項１の特徴全体によって解決される。本発明では、ブレード板が、半径方向に対して、ブレード板の高さに沿って変化するブレード材料の横断面を有することが重要である。そうすることによって、使用する鋳造技術に関して、ブレードの冷却作用と寿命を所望の通り調整することが可能となる。この場合、ブレード材料の横断面とは、ブレード板の横断面全体と冷却通路の横断面との差であると解釈する。

本発明の一つの実施形態では、ブレード材料の横断面は、ブレード板の高さに沿って最も小さくなる部分を有する。

特に、ブレード材料の最も小さい横断面は、ブレード板の全体の高さの２０％〜４０％の範囲内に有る。

本発明による案内翼の別の実施構成は、案内翼が空間内で湾曲した形状を有することと、ブレード板の内部には、半径方向に延びる一定数の冷却通路が高温ガスフローの方向に順番に配置されるとともに、ブレード板又は冷却通路の両端に設けられた方向転換領域によって互いに接続されていることと、冷媒が、冷却通路を順番に逆転する方向に貫流することと、冷却通路が、半径方向に対してブレード板の湾曲部に沿って空間内を延びていることとを特徴とする。

有利には、ガスタービンは、そのような本発明による案内翼を備えており、案内翼は、ガスタービンのタービンに配置されている。

特に、ガスタービンは、高圧タービンを後続する第一燃焼室と、低圧タービンを後続する第二燃焼室とを備えた順次燃焼式ガスタービンであり、この案内翼は、低圧タービンに配置されている（前述した図１を参照）。

有利には、低圧タービンは、フロー方向に並んだ、案内翼から成る複数の配列を備えており、本発明による案内翼は、中央の案内翼配列に配置されている。

従来技術による順次燃焼式ガスタービンの基本構造図 本発明の有利な実施例による、図１の順次燃焼式ガスタービンの低圧タービンにおける案内翼の吸気側の側面図 図２の案内翼の縦断面図

以下において、図面と関連した実施例に基づき、本発明を詳しく説明する。本発明の理解と直接関係しない重要でない全ての構成要素を省略している。異なる図面内の同じ構成要素には、同じ符号を付与している。媒体のフロー方向は、矢印で示している。

図２には、本発明の有利な実施例による、図１の順次燃焼式ガスタービンの低圧タービンにおける案内翼の側面を外側から見た図面が図示されている。案内翼２０は、長手方向（ガスタービンの半径方向）に対してブレードヘッド２３とデッキプレート２１の間に延びるとともに、高温ガスフロー２９の方向に対して前端２７から後端２８にまで達する、空間内で大きく湾曲したブレード板２２を有する。両端２７と２８の間において、ブレード板２２は、外部に対して圧力側３１（図２で観察者の方を向いた側）と吸気側２６とによって画定されている。案内翼２０は、デッキプレート２１の上側に形成されたフック形状の固定部品２４と２５を用いて、タービンの筐体と固定される一方、ブレードヘッド２３をローターと密着させている。

案内翼２０の内部構造が、図３に図示されている。三つの冷却通路３０，３１及び３２が、長手方向にブレード板を貫流しており、それらの冷却通路は、ブレード板の湾曲部に沿って空間内を延びており、高温ガスフロー２９の方向に順番に配置されるとともに、冷媒が冷却通路３０，３１，３２を順番に逆転する方向に貫流するように、ブレード板の両端に設けられた方向転換領域によって互いに接続されている。

内部に冷却通路３０，３１，３２が有るブレード板２２は、外側に対して壁３３，３６によって画定される一方、冷却通路３０，３１，３２は、壁３４と３５によって互いに区分されている。半径方向、即ち、ブレード板２２の高さｈの方向に関する壁３３，３４，３５，３６の横断面全体は、ブレード板の横断面と冷却通路３０，３１，３２の横断面の差によって得られる。そのような横断面の差分は、ブレード材料が詰まった横断面である。案内翼２０を鋳造する場合、鋳造材料は、二つの側、即ち、ブレードヘッド２１とデッキプレート２３から鋳型に流し込まれるので、ブレードの設計時に、特に、ブレード材料の横断面が最も小さくなる部分を調整することによって、ブレード材料の横断面を高さｈに沿って変化させることが、鋳造の結果及び精度に関して有利である。横断面が最も小さくなる部分は、図３で破線による境界で示されている通り、ブレード板２２の高さｈの２０％〜４０％の範囲又は０．２ｈ〜０．４ｈの範囲内に有るのが有利である。

そのような設計によって、横断面、壁厚、翼弦長及び冷却通路の断面に関して、ブレード断面の形状が調整されている。そのようなブレード板の高さに関するパラメータを相応に配分することによって、ブレードの寿命、達成可能な冷却及び冷気消費量に関する基本的な要件が満たされる。

ブレードを鋳造する場合、ブレード板に沿ってブレード材料を最適に配分することによって、気孔の発生が最小限となる。そうすることによって、鋳造したブレード板の品質が向上して、そのことは、効率、特に、冷却に関する効率を改善し、寿命を延ばし、製造時のコストを削減することとなる。

本発明による案内翼は、有利には、順次燃焼式ガスタービンに用いることができ、詳しくは、特に、第二燃焼室の後に接続された低圧タービンの中央の案内翼配列に用いることができる。

１０ ガスタービン
１１ 圧縮機
１２，１６ 燃料供給部
１３ ＥＶバーナー、前混合バーナー
１４，１７ 燃焼室
１５ 高圧タービン
１８ 低圧タービン
１９ シャフト
２０，２０’ 案内翼
２１ デッキプレート（デッキベルト）
２２ ブレード板
２３ ブレードヘッド
２４，２５ （フック形状の）固定部品
２６ 吸気側
２７ 前端
２８ 後端
２９ 高温ガスフロー
３０，３１，３２ 冷却通路
３３，３４，３５，３６ （ブレード板の）壁
ｈ （ブレード板の）高さ

Claims (6)

1. 案内翼（２０）が、半径方向に対してブレードヘッド（２３）とデッキプレート（２１）の間に延びるブレード板（２２）を有し、そのブレード板の内部には、冷却通路（３０，３１，３２）が延びており、その冷却通路には、案内翼（２０）を冷却するための冷媒が流れる、ガスタービン（１０）用の案内翼（２０）において、
   ブレード板（２２）が、半径方向に対してブレード板（２２）の横断面と冷却通路（３０，３１，３２）の横断面の差であるブレード材料の横断面を有することと、
   そのブレード材料の横断面が、ブレードヘッド（２３）からのブレード板（２２）の高さ（ｈ）に沿って変化しており、ブレードヘッド（２３）からのブレード板（２２）の高さ（ｈ）に応じて最も小さくなる部分を有し、この最も小さくなる部分が、ブレードヘッド（２３）からのブレード板（２２）の高さ（ｈ）の２０％〜４０％の範囲内に有ることと、
   を特徴とする案内翼。
2. 冷媒が空気と蒸気の中の一つ以上であることを特徴とする請求項１に記載の案内翼。
3. 案内翼が空間内を湾曲する形状を有することと、
   ブレード板（２２）の内部には、半径方向に延びる三つの冷却通路（３０，３１，３２）が、高温ガスフロー（２９）の方向に対して順番に配置されるとともに、ブレード板（２２）の両端に設けられた方向転換領域によって互いに接続されていることと、
   冷媒が冷却通路（３０，３１，３２）を順番に逆転する方向に貫流することと、
   冷却通路（３０，３１，３２）が、半径方向に対してブレード板（２２）の湾曲部に沿って空間内を延びていることと、
   を特徴とする請求項１又は２に記載の案内翼。
4. 請求項１から３までのいずれか一つに記載の案内翼を備えたガスタービン（１０）において、
   案内翼（２０）が、ガスタービン（１０）のタービン（１５，１８）内に配置されていることを特徴とするガスタービン。
5. ガスタービン（１０）が、高圧タービン（１５）を後続する第一燃焼室（１４）と、低圧タービン（１８）を後続する第二燃焼室（１７）とを備えた順次燃焼式ガスタービンであることと、
   案内翼（２０）が、低圧タービン（１８）内に配置されていることと、
   を特徴とする請求項４に記載のガスタービン。
6. 当該の低圧タービンが、フロー方向に並んだ、案内翼から成る複数の配列を備えていることと、
   案内翼（２０）が、中央の案内翼配列に配置されていることと、
   を特徴とする請求項５に記載のガスタービン。

Images