JP5715331B2 - ターボ機械用のタービンバケット及びタービンバケットにおける頭部波作用を減少させる方法 - Google Patents

Description

本発明の例示的な実施形態は、ターボ機械の技術に関し、より具体的には、ターボ機械用のタービンバケットに関する。

ガスタービンでは、上流ノズル側壁の後縁と下流バケットプラットフォームの前縁との間に軸方向ギャップが存在する。高温ガスは、上流ノズル通路から流出し、バケット列通路に流入する前に軸方向ギャップを越えて流れる。高温ガスの一部分は、バケットプラットフォームの前縁部分において停滞した状態になる。停滞流又は頭部波（bow wave）は、軸方向ギャップにおいて円周方向圧力勾配を発生させる。頭部波によって発生した円周方向圧力勾配は、高温ガスを軸方向ギャップにかつトレンチ空洞領域内に押しやり、ホイールスペース空洞領域にさえ到達させる可能性がある。高温ガスは、タービンのホイールスペース部分を通って流れる低温パージ流と混合し、円周方向に移動し、かつ円周方向低圧領域においてトレンチ空洞から流出する。ホイールスペースの下部部分に到達した高温ガスは、タービンの損傷を引き起こしかつその全体稼働寿命を低下させるおそれがある。高温ガスの有害な作用を抑制するために冷却パージ流を増大させることは、タービン効率を低下させる。

米国特許第５４１７５４５号明細書 米国特許第６０８２９６１号明細書 米国特許第６４３１８３３号明細書 米国特許第６４８１９５９号明細書

本発明の例示的な実施形態によると、ターボ機械用のタービンバケットは、ベース部と翼形部とを有する本体部分含み、ベース部は、バケット空洞前方領域及びシャンク空洞を含む。本タービンバケットはまた、本体部分を貫通して延びる冷却流路を含む。１以上の流路が、バケット空洞前方領域に向かって冷却流路の１つとシャンク空洞との間で延びる。１以上の流路は、バケット空洞前方領域に向かって冷却ガスの流れを送給する。冷却ガスの流れは、バケット空洞前方領域内への高温ガスの吸込みを制限する。

本発明の別の例示的な実施形態によると、タービンバケットにおける頭部波作用を減少させる方法は、タービンバケットを貫通しかつ該タービンバケットのシャンク空洞に沿って延びるバケット冷却流路を通して冷却ガスを送給するステップと、冷却流路の１つとシャンク空洞との間で延びる流路を通してかつタービンバケットのバケット空洞前方領域を通して冷却ガスの一部分を流すステップと、流路を通って流れる冷却ガスの一部分の１以上の噴流を頭部波によって生じた局所的高温ガス通路圧力に対抗するように導いてバケット空洞前方領域内への高温ガスの吸込みを制限するステップとを含む。

本発明のさらに別の例示的な実施形態によると、ターボ機械は、ロータディスクと該ロータディスクに取付けられた複数のタービンバケットとを備えたタービン段を含む。複数のタービンバケットの各々は、ベース部及び翼形部を有する本体部分含み、ベース部は、バケット空洞前方領域及びシャンク空洞を含む。タービンバケットはまた、本体部分を貫通して延びる冷却流路を含む。１以上の流路が、バケット空洞前方領域に向かって冷却流路の１つとシャンク空洞との間で延びる。１以上の流路は、バケット空洞前方領域に向かって冷却ガスの流れを送給する。冷却ガスの流れは、バケット空洞前方領域内への高温ガスの吸込みを制限する。

本発明の例示的な実施形態により構成したタービンバケットを備えたターボ機械の部分側面横断面図。 本発明の例示的な態様により構成したタービンバケットの右側斜視図。 図２のタービンバケットの部分側面断面図である。 本発明の別の例示的な実施形態により構成したタービンバケットの右側斜視図。 本発明の別の例示的な態様により構成したタービンバケットの右側斜視図。 本発明のさらに別の例示的な態様により構成したタービンバケットの右側斜視図。 本発明のさらに別の例示的な態様により構成したタービンバケットの右側斜視図。

図１を参照すると、本発明により構成したターボ機械は、その全体を参照符号２で示している。ターボ機械２は、燃焼チャンバ６及びタービン段８を収容したタービンケーシング４を含む。この図示した例示的な実施形態では、タービン段８は、第１段である。燃焼チャンバ６からの燃焼ガスは、高温ガス通路（ＨＧＰ）１２に沿って第１段ノズル１０を通って流れて第２段ノズル１４に至る。燃焼ガスは、ロータディスク２０を駆動し、ロータディスク２０は次に、タービンシャフト（図示せず）を駆動する。以下により十分に説明するように、ロータディスク２０は、ターボ機械２のホイールスペース領域２２内に配置され、ロータディスク２０に取付けられた複数のタービンバケット２４を含み、その１つを参照符号２４で示している。各タービンバケット２４は、ベース部３０及び翼形部３２を形成した本体部分２７を含む。翼形部３２は、第１の端部セクション３４と第２の端部セクション３５とを含む。高温ガス通路１２に沿って流れる燃焼ガスは、翼形部３２を円周方向に押し動かしてロータディスク２０を回転させる。

次に図２を参照して、本発明の第１の例示的な態様により構成したタービンバケット２４について説明する。図示するように、ベース部３０は、第１の端部セクション４５を含み、この第１の端部セクション４５は、中間セクション又はシャンク空洞４７を通って第２の端部セクション４６まで延びる。取付け部材５４は、第１の端部セクション４５においてベース部３０に取付けられる。取付け部材５４は、タービンバケット２４とロータディスク２０との間の接合部としての働きをする。加えて、ベース部３０は、第１のエンジェルウィング６０を備えたバケット空洞前方領域５９を含み、第１のエンジェルウィング６０は、第１段ノズル１０に向かって外向きに延びてトレンチ空洞６２を形成する。バケット空洞前方領域５９はさらに、これもまた第１段ノズル１０に向かって延びて緩衝空洞６６を形成した第２のエンジェルウィング６４を含む。第３のエンジェルウィング７０は、ベース部３０の対向する側面（別個には参照符号を付していない）から第２段ノズル１４に向かって外向きに延びる。エンジェルウィング６０、６４及び７０は、ＨＧＰ１２に沿って流れる高温ガスがホイールスペース領域に流入するのを防止するか又は少なくとも大幅に減少させる構造を形成する。

図３に最もよく示すように、ベース部３０は、バケット冷却流路８７を有する内部部分を含む。バケット冷却流路８７は、ベース部３０を貫通しかつ翼形部３２内に延びる。冷却流路８７は、タービンバケット２４を通して、例えば冷却ガスなどの冷却流体の流れを送給する。冷却流体は、翼形部３２の選択セクションを通って流れて温度を所望のレベルに維持する。この図示した例示的な態様によると、タービンバケット２４は、本体部分２７を通ってバケット冷却流路８７から延びかつトレンチ空洞６２に向かって開口した流路９７を含む。その目的のために、流路９７は、バケット冷却流路８７に流体連結された第１の端部１０４と、トレンチ空洞６２に向かって通じた第２の端部１０５とを含む。本発明の別の例示的な態様によると、流路９７は、図４に示したように、シャンク空洞４７との間で延びかつトレンチ空洞６２に向かって開口している。以下により十分に詳述するように、流路９７は、バケット冷却流路８７からトレンチ空洞６２に向かって冷却流体又はガスの噴流或いは流れを送給する。

タービンバケット２４の高圧領域は、トレンチ空洞６２の上方にかつ翼形部３２の前縁（別個には参照符号を付していない）の前方に位置する。高圧領域は、高温高圧ガスにより回転するタービンバケット２４の前縁によって生じた頭部波の結果である。頭部波は、高温ガスをエンジェルウィング６０と第１段ノズル１０との間で延びる軸方向ギャップ（別個には参照符号を付していない）内に押しやる。軸方向ギャップ内に流れる高温ガスは、緩衝空洞６６内に、それどころかさらにホイールスペース領域内まで吸込まれる可能性がある。軸方向ギャップ内への高温ガスの流れを防止するか又は少なくとも大幅に減少させるために、冷却流体又はガスの流れが、流路９７の第１の端部１０４内に導かれる。冷却ガスは、第２の端部からトレンチ空洞６２に向かって流れ出る。トレンチ空洞６２に流入する冷却ガスの流れは、軸方向ギャップに停滞している空気に対抗するか又はそれを崩壊させて高温ガスの吸込みを減少させる。加えて、冷却ガスの流れは、その高圧高温ガスがトレンチ空洞６２に流入する前に、頭部波によって生じた高圧高温ガスと混合する。さらに、流路９７を通って移動する冷却ガスは、タービンバケット２４を対流冷却することができる。このようにして、実際に軸方向ギャップを通って流れるあらゆるガスが、冷却ガスによってその性質が緩和される。軸方向ギャップを通って流れる高温ガスの性質を緩和させることにより、ホイールスペース領域２２内の構成部品に対して高温ガスが与える可能性があるあらゆる有害な作用が減少させる。

次に、それぞれの図において同じ参照符号が対応する部分を表している図５を参照して、本発明の別の例示的な態様により構成したタービンバケット１１０について説明する。図示するように、タービンバケット１１０は、トレンチ空洞６２に向かって冷却ガスの噴流を送給する複数の流路１１２を含む。より具体的には、タービンバケット１１０は、第１の流路１１４、第２の流路１１５、第３の流路１１６及び第４の流路１１７を含み、これら流路の全てが、トレンチ空洞６２の上方に延びる単一列に沿って配置される。流路１１４〜１１７は、トレンチ空洞６２に向かって複数の冷却ガスのストリーム又は噴流を送給して、頭部波によって生じた高圧高温ガスに対抗するように構成される。上記のものと同様に、複数の冷却ガス噴流は、高温ガス吸込みを減少させる。加えて、複数の冷却ガス噴流は、その高圧高温ガスがトレンチ空洞６２に流入する前に、頭部波によって生じた高圧高温ガスと混合する。さらに、流路１１２を通って移動する冷却ガスは、タービンバケット１１０を対流冷却することができる。このようにして、実際に軸方向ギャップを通って流れるあらゆる高圧高温ガスが、冷却ガスによってその性質が緩和される。軸方向ギャップを通って流れる高圧高温ガスの性質を緩和させることにより、ホイールスペース領域２２内の様々な構成部品に対して高圧高温ガスが与える可能性があるあらゆる有害な作用を減少させる。

次に、それぞれの図において同じ参照符号が対応する部分を表している図６を参照して、本発明の別の例示的な態様により構成したタービンバケット１３０について説明する。図示するように、タービンバケット１３０は、トレンチ空洞６２に向かって冷却ガスの噴流を送給する複数の流路１３２を含む。より具体的には、タービンバケット１３０は、第１の複数の流路１３４〜１３６、第２の複数の流路１４４〜１４７及び第３の複数の流路１５４〜１５６を含む。流路１３４〜１３６は、トレンチ空洞６２の上方に延びる第１の列１６４に沿って配置され、流路１４４〜１４７は、第１の列１６４に隣接してトレンチ空洞６２の上方に延びる第２の列１６５に沿って配置され、また流路１５４〜１５６は、第２の列１６５に隣接してトレンチ空洞６２の上方に延びる第３の列１６６に沿って配置される。この構成により、複数の冷却ガス噴流がトレンチ空洞６２に向かって導かれて、高温ガス吸込みを減少させる。加えて、複数の冷却ガス噴流は、頭部波によって生じた高圧高温ガスと混合しかつその高圧高温ガスの温度低下を生じさせる。さらに、流路１３２を通って移動する冷却ガスは、タービンバケット１３０を対流冷却することができる。このようにして、実際に軸方向ギャップを通って流れるあらゆる高圧高温ガスが、複数の冷却ガス噴流によってその性質が緩和される。軸方向ギャップを通って流れる高圧高温ガスの性質を緩和させることにより、ホイールスペース領域２２内の構成部品に対して高圧高温ガスが与える可能性があるあらゆる有害な作用を減少させる。

次に、それぞれの図において同じ参照符号が対応する部分を表している図７を参照して、本発明の別の例示的な態様により構成したタービンバケット１７４について説明する。図示するように、タービンバケット１７４は、複数の流路１７６〜１８０を含む。流路１７６〜１８０は、ベース部３０と翼形部３２との間の接合部（別個には参照符号を付していない）において単一列（別個には参照符号を付していない）に沿って配置される。流路１７６〜１８０は、タービンバケット１７４の前縁部分（別個には参照符号を付していない）の周りに並びにトレンチ空洞６２に向かっての両方に複数の冷却ガス噴流を導く。複数の冷却ガス噴流は、高圧高温ガス吸込みを減少させるだけでなく、頭部波によって生じた高圧高温ガスの温度低下を生じさせる。さらに、流路１７６〜１８０を通って移動する冷却ガスは、タービンバケット１７４を対流冷却することができる。このようにして、実際に軸方向ギャップを通って流れるあらゆる高圧高温ガスが、複数の冷却ガス噴流によってその性質が緩和される。軸方向ギャップを通って流れる高圧高温ガスの性質を緩和させることにより、ホイールスペース領域２２内の構成部品に対して高圧高温ガスが与える可能性があるあらゆる有害な作用を減少させる。

この時点で、本発明の例示的な態様により構成したタービンバケットはタービンのホイールスペース領域内への高圧高温ガス吸込みを減少させることが、理解される筈である。頭部波によって生じた高圧高温ガスは、冷却流体又はガスの１以上の噴流で混合することにより崩壊され及び／又は性質緩和される。さらに、１以上の流路を通って移動する冷却流体又はガスは、タービンバケットを対流冷却することができる。冷却ガスの１以上の噴流は、タービン構成部品に対して高圧高温ガスが与えるおそれがあるあらゆる有害な作用を減少させる。流路の具体的な数、位置及び構成は、本発明の例示的な態様に従って冷却ガス分流及び目標特定領域位置を減少させるように変化させることができることもまた理解されたい。最後に、本発明の例示的な実施形態は、タービンバケットの様々な部分への断熱皮膜と組合せて使用して熱流束をさらに減少させることができることを理解されたい。

全体として、本明細書は最良の形態を含む幾つかの実施例を使用して、本発明を開示し、さらにあらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の当業者による実施を可能にする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、本発明の例示的な実施形態の技術的範囲内に属することになることを意図している。

２ ターボ機械
４ タービンケーシング
６ 燃焼チャンバ
８ タービン段（第１段）
１０ 第１段ノズル
１２ 高温ガス通路（ＨＧＰ）
１４ 第２段ノズル
２０ ロータディスク
２４ タービンバケット
２７ 本体部分
３０ ベース部
３２ 翼形部（タービンバケットの）
３４ 第１の端部セクション（翼形部の）
３５ 第２の端部セクション（翼形部の）
４５ 第１の端部セクション（ベース部の）
４６ 第２の端部セクション（ベース部の）
４７ 中間セクション（ベース部の）
５４ 取付け部材
５９ バケット空洞前方領域
６０ 第１のエンジェルウィング
６２ トレンチ空洞
６４ 第２のエンジェルウィング
６６ 緩衝空洞
７０ 第３のエンジェルウィング
８０ シャンク空洞
８７ バケット冷却流路
９７ 流路
１０４ 第１の端部（流路の）
１０５ 第２の端部（流路の）
１１０ タービンバケット
１１２ 複数の流路
１１４〜１１７ 流路
１３０ タービンバケット
１３２ 複数の流路
１３４〜１３６ 流路
１４４〜１４７ 流路
１５４〜１５６ 流路
１６４ 第１の列
１６５ 第２の列
１６６ 第３の列
１７４ タービンバケット
１７６〜１８０ 流路

Claims (8)

1. ターボ機械用のタービンバケット（２４、１１０、１３０、１７４）であって、当該タービンバケットが、
   トレンチ空洞（６２）を持つバケット空洞前方領域（５９）及びシャンク空洞を備えたベース部（３０）並びに翼形部（３２）を有する本体部分（２７）と、
   前記本体部分（２７）を貫通して延びる冷却流路（８７）と、
   前記バケット空洞前方領域に向かって前記冷却流路（８７）の１つから延びる第１の流路、又は、前記バケット空洞前方領域に向かって前記シャンク空洞から延びる第２の流路の少なくとも１つと
   を含んでおり、
   前記第１又は第２の流路の前記少なくとも１つは、前記トレンチ空洞（６２）及び前記翼形部（３２）間の前記バケット空洞前方領域（５９）に設けられた開口を備え、該開口が前記バケット空洞前方領域（５９）に向かって冷却ガスの流れを送給して前記バケット空洞前方領域（５９）内への高温ガスの吸込みを制限する
   ことを特徴とする、タービンバケット（２４、１１０、１３０、１７４）。
2. 前記第１又は第２の流路の前記少なくとも１つが、前記バケット空洞前方領域（５９）の少なくとも一部分に沿って延びる単一列に沿って配置された複数の流路（１１２）を含む、請求項１記載のタービンバケット（１１０）。
3. 前記第１又は第２の流路の前記少なくとも１つが、前記バケット空洞前方領域（５９）の少なくとも一部分に沿って延びる複数列として配置される、請求項１記載のタービンバケット（１３０）。
4. 前記第１又は第２の流路の前記少なくとも１つが前記第１の流路を含み、該第１の流路が、前記翼形部（３２）と前記ベース部（３０）との間の接合部において、前記冷却流路（８７）と前記バケット空洞前方領域（５９）との間で延びる、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のタービンバケット。
5. 前記バケット空洞前方領域（５９）が、緩衝空洞（６６）を含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のタービンバケット。
6. 前記第１又は第２の流路の前記少なくとも１つが、第１の端部（１０４）と第２の端部（１０５）とを含み、前記第２の端部（１０５）が、前記トレンチ空洞（６２）の上方に配置される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のタービンバケット。
7. 前記ベース部（３０）は、前記バケット空洞前方領域（５９）から上流側に向かって外向きに延びて前記トレンチ空洞（６２）を形成する第１のエンジェルウィング（６０）を備える、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のタービンバケット。
8. 前記バケット空洞前方領域（５９）が、緩衝空洞（６６）を含み、
   前記ベース部（３０）は、前記バケット空洞前方領域（５９）から上流側に向かって外向きに延びて前記トレンチ空洞（６２）を形成する第１のエンジェルウィング（６０）を備え、
   前記ベース部（３０）は、前記第１のエンジェルウィング（６０）の半径方向内側に位置し、前記バケット空洞前方領域（５９）から上流側に向かって外向きに延びて前記緩衝空洞（６６）を形成する第２のエンジェルウィング（６４）を備える、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のタービンバケット。
   

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