JP5635816B2 - タービンバケット先端シュラウド用の冷却孔出口 - Google Patents

Description

本出願は、総括的にはタービンエンジンに関し、より具体的には、先端シュラウドの周りに収束−発散形通路を備えて冷却の改善を行うタービンバケット用の冷却孔に関する。

一般的に説明すると、ガスタービンバケットは、全体的に翼形部形状の本体部分を有することができる。バケットは、その内側端部において根元部分に連結しまたその外側端部において先端部分に連結することができる。シュラウドは、先端部分から延びて該先端を通過する高温ガスの漏洩を防止するか又は減少させるようにすることができる。シュラウドの使用はまた、バケット振動全体を減少させることができる。

全体として、先端シュラウド及びバケットは、高温度及び遠心力で生じた曲げ応力によりクリープ損傷を受ける可能性がある。全体として、バケットを冷却する１つの方法は、該バケットを貫通して延びる幾つかの冷却孔を使用することである。冷却孔は、バケットを通して冷却空気を輸送し、かつバケット及び先端シュラウドと高温ガスの流れとの間に断熱層を形成することができる。

バケットを冷却することにより、クリープ損傷を減少させることができるが、バケットを冷却するための空気流の使用は、この冷却空気がタービンセクションを通過しないために全体としてタービンエンジンの効率を低下させる可能性がある。さらに、空気がバケットの底部から頂部に移動するにつれて、冷却空気の有効性が低下する。この有効性の低下により、その冷却作用の減少のために先端シュラウドの周りにおけるバケットの出口に向けて高い温度が生じる。

米国特許第７３５１０３６号明細書

従って、適切な冷却を行って、クリープを防止しかつバケット寿命を増大させながらタービン全体の性能及び効率を向上させるバケット冷却システム及び方法に対する願望が存在する。

従って、本出願は、ガスタービンエンジン用のタービンバケットについて記述する。本タービンバケットは、翼形部と、翼形部の先端上に配置された先端シュラウドと、翼形部及び先端シュラウドを貫通して延びる幾つかの冷却孔とを含むことができる。冷却孔の１以上は、先端シュラウドの周りにおける狭小化直径の長さ部及び先端シュラウドの表面の周りにおける拡大化直径の長さ部を含むことができる。

本出願はさらに、タービンバケットを冷却する方法について記述する。本方法は、タービンバケットを貫通して延びる幾つかの冷却孔を通して空気を流すステップと、冷却孔内の狭小化直径の長さ部を通して該空気を流すステップと、冷却孔の出口の周りの拡大化直径の長さ部を通して該空気を流すステップとを含む。

本出願はさらに、ガスタービンエンジン用のタービンバケットについて記述する。本タービンバケットは、翼形部と、翼形部の端部上の先端と、翼形部及び先端を貫通して延びる幾つかの冷却孔とを含むことができる。冷却孔の１以上は、先端の周りにおける狭小化直径の長さ部及び先端の表面の周りにおける拡大化直径の長さ部を含むことができる。

本出願のこれらの及びその他の特徴は、幾つかの図面及び特許請求の範囲と関連させてなした以下の詳細な説明を精査することにより、当業者には明らかになるであろう。

ガスタービンエンジンの概略図。 ガスタービンの幾つかの段の概略図。 タービンバケットの断面図。 タービンバケット先端シュラウドの平面図。 公知の冷却孔出口の側面断面図。 本明細書に説明したような幾つかの冷却孔出口を備えたタービンバケット先端シュラウドの平面図。 図６の冷却孔出口の側面断面図。 本明細書に説明したような冷却孔出口の別の実施形態の側面断面図。 図８Ａの冷却孔出口の平面図。 本明細書に説明したような冷却孔出口の別の実施形態の側面断面図。 図９Ａの冷却孔出口の平面図。 本明細書に説明したような冷却孔出口の別の実施形態の側面断面図。 図１０Ａの冷却孔出口の平面図。 本明細書に説明したような冷却孔出口の別の実施形態の側面断面図。 図１１Ａの冷却孔出口の平面図。

次に、幾つかの図全体を通して同じ参照符号が同様な要素を表している図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジン１０の概略図を示している。公知なように、ガスタービンエンジン１０は、流入空気の流れを加圧する圧縮機１２を含むことができる。圧縮機１２は、加圧空気の流れを燃焼器１４に送給する。燃焼器１４は、加圧空気の流れを加圧燃料の流れと混合しかつその混合気を点火燃焼させる。（単一の燃焼器１４のみを示しているが、ガスタービンエンジン１０は、あらゆる数の燃焼器１４を含むことができる。）次に、高温燃焼ガスが、タービン１６に送給される。高温燃焼ガスは、タービン１６を駆動して、機械的仕事を産生するようにする。タービン１６内で産生された機械的仕事は、圧縮機１２を駆動しかつ発電機などのような外部負荷１８を駆動する。ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、様々なタイプの合成ガス及びその他のタイプの燃料を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、その他の構成を有することができ、またその他のタイプの構成要素を使用することができる。本明細書では、複数のガスタービンエンジン１０、その他のタイプのタービン及びその他のタイプの発電装置を共に使用することができる。

図２は、タービン１６の幾つかの段２０を示している。第一段２２は、幾つかの円周方向に間隔を置いて配置された第一段ノズル２４及びバケット２６を含む。同様に、第二段２８は、幾つかの円周方向に間隔を置いて配置された第二段ノズル３０及びバケット３２を含む。さらに、第三段３４は、幾つかの円周方向に間隔を置いて配置された第三段ノズル３６及びバケット３８を含む。段２２，２８，３４は、タービン１６を通る高温ガス通路４０内に配置される。本明細書では、あらゆる数の段２０を使用することができる。

図３は、タービン１６の第二段２８のバケット３２の断面図を示している。公知なように、各バケット３２は、プラットフォーム４２、シャンク４４及びダブテール４６を有することができる。翼形部４８は、プラットフォーム４２から延びかつ該翼形部の先端５２の周りの先端シュラウド５０で終端する。先端シュラウド５０は、翼形部４８と一体形に形成することができる。その他の構成も公知である。

各バケット３２は、ダブテール４６と翼形部４８の先端５２の先端シュラウドとの間で延びる幾つかの冷却孔５４を有することができる。図４に示すように、冷却孔５４は、先端シュラウド５０を貫通して延びる出口５６を有することができる。従って、冷却媒体、例えば圧縮機１２からの空気は、冷却孔５４を通って流れ、翼形部４８の先端５２の周りで出口５６を通してかつ高温ガス通路４０内に流出することができる。図５に示すように、出口５６は、その形状がほぼ円形でありかつ全体的に比較的一定の直径でそれを貫通する直線壁５８を有する。その他の構成も公知である。

図６及び図７は、本明細書に説明するようなタービンバケット１００を示している。タービンバケット１００は、その先端１３０における先端シュラウド１２０まで延びる翼形部を含む。タービンバケット１００は、該タービンバケットを貫通して延びる幾つかの冷却孔１４０を含むことができる。本明細書では、あらゆる数の冷却孔１４０を使用することができる。冷却孔１４０は、先端シュラウド１２０の周りの出口１５０まで延びることができる。冷却孔１４０は、翼形部１１０を貫通する全体的に一定の直径１６０を有することができる。

冷却孔１４０は、先端シュラウド１２０の周りに配置された収束形通路又は狭小化直径の長さ部１７０を有することができる。冷却孔１４０は次に出口１５０の表面１９０に向かう拡大形通路又は拡大化直径の長さ部１８０を取ることができる。狭小化直径の長さ部１７０は、拡大化直径の長さ部１８０よりも長くすることができる。長さ部１７０、１８０は、変化させることができる。狭小化直径１７０及び拡大化直径１８０は、ネック部２００において出会っている。ネック部２００は、先端シュラウド１２０の表面１９０の下方約１００〜３００ミル（約２．５４〜７．６２ミリメートル）に位置させることができる。本明細書では、出口１５０及びその他の場所を貫通する冷却孔１４０の深さ、寸法及び構成は、変化させることができる。

収束形通路又は狭小化直径の長さ部１７０の使用は、先端シュラウド１２０の出口１５０における熱伝達率を高めるのを助ける。熱伝達率は、同一の質量流量の場合に、収束形形状を通る速度の上昇により増大する。ディタス‐ベルターの相関（強制対流）を使用した計算によると、熱伝達率を約１６％増加させることができることを示している。得られた熱伝達率は、冷却孔１４０の寸法及び形状、該冷却孔１４０を通る質量流量、流体粘度並びにその他の変数により変化させることができる。

同様に、表面１９０における拡大形通路又は拡大化直径の長さ部１８０の使用は、強力な再循環をもたらしてフィルム層冷却を形成して、先端シュラウド１２０に対して付加的冷却を行なうようにする。この流れは、吐出係数を増大させかつ表面１９０付近のブローオフを減少させる。再循環は、約１２０フィート／秒（３６．６メートル／秒）で流れることができる。流速は、変化させることができる。

本明細書に示す冷却の改善により、全体としてタービンバケット１００の寿命の延長が得られる筈である。具体的には、狭小化直径１７０及び拡大化直径１８０は、先端シュラウド１２０の表面上にフィルム層を形成することによってまたさらに熱伝達率を増大させることによって表面１９０における冷却作用を増大させる。

図８Ａ〜図８Ｂ並びに図９Ａ〜図９Ｂに示すように、拡大化直径の長さ部１８０は、全体的に楕円形形状１２０を取ることができ、一方、狭小化直径の長さ部１７０は、全体的に円形断面２３０を備えた全体的に円錐形形状を有することができる。狭小化直径１７０は、拡大化直径１８０のいずれかの側の周りに配置することができる。本明細書では、その他のタイプのオフセット位置を使用することができる。同様に、図１０Ａ〜図１０Ｂに示すように狭小化直径１７０は、拡大化直径１８０の中間部に配置することができる。図１１Ａ〜図１１Ｂに示すように、拡大化直径１８０はまた、全体的に円形形状２３０を取ることができる。本明細書では、その他の形状、位置及び構成を使用することができる。

上記の説明は本出願の好ましい実施形態のみに関するものであること並びに本明細書において当業者は特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の一般的技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに多くの変更及び修正を加えることができることを理解されたい。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ タービン
１８ 外部負荷
２０ 段
２２ 第一段
２４ ノズル
２６ バケット
２８ 第二段
３０ ノズル
３２ バケット
３４ 第三段
３６ ノズル
３８ バケット
４０ 高温ガス通路
４２ プラットフォーム
４４ シャンク
４６ ダブテール
４８ 翼形部
５０ 先端シュラウド
５２ 先端
５４ 冷却孔
５６ 出口
５８ 直線壁
１００ タービンバケット
１１０ 翼形部
１２０ 先端シュラウド
１３０ 先端
１４０ 冷却孔
１５０ 出口
１６０ 一定直径
１７０ 狭小化直径の長さ部
１８０ 拡大化直径の長さ部
１９０ 表面
２００ ネック部
２１０ 楕円形形状
２２０ 円形形状
２３０ 円形断面

Claims (10)

1. 翼形部（１１０）と、
   前記翼形部（１１０）の先端（１３０）上に配置された先端シュラウド（１２０）と、
   前記翼形部（１１０）及び先端シュラウド（１２０）を貫通して半径方向に延びる複数の冷却孔（１４０）と
   を備え、
   前記複数の冷却孔（１４０）の１以上が、前記先端シュラウド（１２０）の周りに狭小化直径の長さ部（１７０）と、前記先端シュラウド（１２０）の表面（１９０）の周りに拡大化直径の長さ部（１８０）を含み、
   前記狭小化直径の長さ部（１７０）が前記拡大化直径の長さ部（１８０）に対して半径方向内側の部分に配置され、
   前記狭小化直径の長さ部（１７０）の長さは、前記拡大化直径の長さ部（１８０）の長さよりも長く、
   前記狭小化直径の長さ部（１７０）の中心軸が前記拡大化直径の長さ部（１８０）の中心軸と平行に配置され、かつ前記狭小化直径の長さ部（１７０）の中心軸に対して、該中心軸に垂直な前記拡大化直径の長さ部（１８０）の断面の中心がオフセットして配置され、
   前記複数の冷却孔（１４０）の複数の出口（１５０）からの前記空気が、前記先端シュラウド（１２０）の表面上にフィルム層を形成する、タービンバケット（１００）。
2. 前記複数の冷却孔（１４００）の１以上が、前記狭小化直径の長さ部（１７０）及び拡大化直径の長さ部（１８０）間にネック部（２００）を含む、請求項１記載のタービンバケット（１００）。
3. 前記拡大化直径の長さ部（１８０）がほぼ楕円形形状（２１０）又は、ほぼ円形形状（２３０）の断面を含み、
   前記狭小化直径の長さ部（１７０）がほぼ楕円形形状（２１０）又は、ほぼ円形形状（２３０）を含む、請求項１または２に記載のタービンバケット（１００）。
4. 前記複数の冷却孔（１４０）は、前記先端シュラウド（１２０）を貫通して延びる複数の出口（５６）を備え、
   前記複数の出口（５６）の各々が、前記タービンバケット（１００）を備えるタービン（１６）の軸方向の異なる位置に配置される、請求項１乃至３のいずれかに記載のタービンバケット（１００）。
5. 第二段バケットをさらに含む、請求項１乃至４のいずれかに記載のタービンバケット（１００）。
6. タービンバケット（１００）を冷却する方法であって、
   前記タービンバケット（１００）を貫通して延びる複数の冷却孔（１４０）を通して空気を流すステップと、
   前記複数の冷却孔（１４０）内の狭小化直径の長さ部（１７０）を通して前記空気を流すステップと、
   前記複数の冷却孔（１４０）の複数の出口（１５０）の周りの拡大化直径の長さ部（１８０）を通して前記空気を流すステップと、
   前記複数の出口（１５０）からの前記空気により、前記先端シュラウド（１２０）の表面上にフィルム層を形成するステップと、
   を含み、
   前記狭小化直径の長さ部（１７０）が前記拡大化直径の長さ部（１８０）に対して半径方向内側の部分に配置され、
   前記狭小化直径の長さ部（１７０）が第１の長さを含み、前記拡大化直径の長さ部（１８０）が第２の長さを含み、前記第１の長さが前記第２の長さよりも大きく、
   前記狭小化直径の長さ部（１７０）の中心軸が前記拡大化直径の長さ部（１８０）の中心軸と平行かつ前記狭小化直径の長さ部（１７０）の中心軸に対して、該中心軸に垂直な前記拡大化直径の長さ部（１８０）の断面の中心がオフセットして配置される、方法。
7. 前記狭小化直径の長さ部（１７０）を通して前記空気を流すステップが、空気の速度を上昇させるステップを含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記狭小化直径の長さ部（１７０）を通して前記空気を流すステップが、熱伝達率を高めるステップを含む、請求項６または７に記載の方法。
9. 前記タービンバケット（１００）が、
   翼形部（１１０）と、
   前記翼形部（１１０）の先端（１３０）上に配置された先端シュラウド（１２０）と、
   前記翼形部（１１０）及び先端シュラウド（１２０）を貫通して半径方向に延びる前記複数の冷却孔（１４０）と
   を備え、
   前記先端シュラウド（１２０）の表面上に再循環流によりもたらされるフィルム層を形成するステップを含む、請求項６乃至８のいずれかに記載の方法。
10. 前記拡大化直径の長さ部（１８０）がほぼ楕円形形状（２１０）又は、ほぼ円形形状（２３０）の断面を含み、
    前記狭小化直径の長さ部（１７０）がほぼ楕円形形状（２１０）又は、ほぼ円形形状（２３０）を含む、請求項６乃至９のいずれかに記載の方法。