JP5808862B2 - 少なくとも１つの冷却ダクトを具備するガスタービンのための内部冷却可能部品 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの冷却ダクトを具備するガスタービンのための内部冷却可能部品であって、冷却ダクトの内面には、冷却剤の主流れ方向に対して横方向に延在している撹拌部の形態をした撹拌要素が配置されている、内部冷却可能部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的なタイプの内部冷却可能部品についての既知の例としては、直線的な態様で又は蛇行した態様で配置された冷却ダクトを内蔵している定置式ガスタービンのタービンブレードが挙げられる。このタイプのタービンブレードは、特許文献１に開示されている。タービンブレードの内面には、冷却用リブとも呼称される撹拌部が配置されており、例えば冷却用空気のような冷却剤の主流れ方向に対して略横方向に延在している。冷却用リブは、冷却剤の混合を改善し、これにより壁から冷却剤に至る熱伝導を高めることができる。同時に、特許文献１では、いわゆるピンも、冷却用リブ同士の間において冷却ダクトの中央区間内に設けられており、翼弦及び翼幅における自身の位置及びに従って異なる高さを有している。特許文献１及び特許文献２の両方において、ピンは、ブレード翼の負圧側壁をブレード翼の正圧側壁に接続している。
【０００３】
このことの欠点は、冷却用リブが流れ抵抗を大きくするので、これにより圧力損失も大きくなることである。圧力損失が過剰に大きい場合には、高温ガスが冷却空気用貫通出口開口部内に引き込まれ、冷却剤が冷却空気用貫通出口開口部を通じて流出することが想定される。これにより、ブレードが破損する場合がある。このような理由によって、及び効率の観点から、冷却ダクト内で発生する圧力損失を可能な限り小さく維持することが必要とされる。
【０００４】
一般に、冷却ダクトの断面及び形状、並びに撹拌部の大きさ、配置、及び分布は、冷却空気用出口開口部における冷却剤の圧力が十分な大きさとなるように適合されている。これにより、高温ガスが引き込まれることはなくなる。
【０００５】
しかしながら、ガスタービンの内部冷却可能部品の冷却ダクト内における圧力損失をさらに低減させるというニーズが依然として存在する。従って、本発明の目的は、特に効果的な態様で内部冷却可能とされるガスタービンのための部品を提供することである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】欧州特許出願第１４３１５１４号明細書
【特許文献２】米国特許第７９０１１８３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の基礎となる目的は、請求項１の特徴に基づく内部冷却可能部品によって達成される。本発明における優位な構成は、従属請求項に示されており、従属請求項それぞれに示された特徴は、必要に応じて互いに組み合わせることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ピンの高さが、冷却用リブの高さより低いこと、及び、連なって配設されたピンが、冷却剤の主流れ方向において見ると、異なる高さを有していることを提供する。２つの冷却用リブ同士の間における表面には、ピンが形成されており、ピンは、冷却用リブより小さい流れ抵抗を有しており、長手方向における渦流を流れに発生させず、境界層を破壊するか又は境界層の形成を阻害するので、これにより、冷却剤の乱流を増やすことができる。これにより、リブ形状の撹拌部同士の間における従来の流れの剥離に関して、冷却効果を低減させることなく、同時に流れの剥離を増やすと共に圧力損失を低減させることができる。
【０００９】
好ましくは、ピンの高さは、主流れ方向において徐々に大きくなっている。好ましくは、ピンの平均的な高さは、境界層の厚さに相当する。従って、ピンの高さを徐々に大きくするに従って、境界層の厚さも大きくなる。すなわち、境界層のみが混合される。従って、冷却ダクトの中央における主流れの混合は、第一に圧力損失を発生させるにすぎず、熱伝導を著しく高めることはないが、このような混合を回避することができる。このようにして、付随する圧力損失が小さく維持され、熱伝導が最大化される。
【００１０】
言うまでもなく、内部冷却可能部品は、例えばタービン案内羽根、タービンロータブレードや案内リングセグメントのような、タービンブレードとして構成されている。案内リングセグメントは、ロータブレードのブレード翼の先端に対向して配置されており、ガスタービンの高温ガスのための経路の境界を形成している。
【００１１】
好ましくは、リブの形態をした撹拌部が、主流れ方向に対して所定の角度で、好ましくは４５°で傾斜している。
【００１２】
本発明におけるさらなる利点及び特徴については、図面の簡単な説明中の好ましい典型的な実施例を参照しつつ詳述する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ガスタービンの部分的な長手方向断面図である。
【図２】内部冷却可能部品としてのタービンブレードの斜視図である。
【図３】内面に配置されている撹拌部及びピンを有している冷却ダクトの縦断面図である。
【図４】一連のピンの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、定置式ガスタービン１０の長手方向断面図である。定置式ガスタービン１０は、ロータ１４を内蔵しており、ロータ１４は、回転軸線１２の周りに回転可能に取り付けられており、さらにタービンロータとして構成されている。吸入ハウジング１６と、軸流式ターボ圧縮機１８と、互いに対して回転対称に配置されている複数のバーナー２２を具備する環状のトロイダル燃焼室２０と、タービンユニット２４と、排出ハウジング２６とが、ロータ１４に沿って連なって配設されている。
【００１５】
軸流式ターボ圧縮機１８は、―直列に―連なって配設された圧縮機段を収容している環状の圧縮機ダクト２５を含んでおり、圧縮機段は、ロータブレードリング及び案内羽根リングから成る。ロータブレード２７は、ロータブレード２７の自由端であるブレード翼先端部２９が圧縮機ダクト２５の外壁に対向している状態で、ロータ１４に配置されている。圧縮機ダクト２５は、圧縮機出口ディフューザ３６を介してプレナム３８に対して開口している。燃焼空間２８を具備する環状のトロイダル燃焼室２０は、プレナム３８内に設けられており、燃焼空間２８は、タービンユニット２４の環状の高温ガスダクト３０と連通している。連なって配設された４つのタービン段３２は、タービンユニット２４内に配置されている。発電機又は動作機械（それぞれ図示しない）は、ロータ１４に結合されている。
【００１６】
定置式ガスタービン１０が動作している場合には、軸流式ターボ圧縮機１８は、圧縮するための媒体として吸入ハウジング１６を介して周囲空気３４を引き込んで、周囲空気３４を圧縮する。圧縮された空気は、圧縮機出口ディフューザ３６を通じてプレナム３８の内部に供給され、その結果として、バーナー２２の内部に流入する。また、燃料が、バーナー２２を介して燃焼空間２８の内部に流入する。燃焼空間２８の内部では、燃料が、圧縮された空気と共に燃焼され、高温ガスＭとなる。その後に、高温ガスＭは、高温ガスダクト３０の内部に流入し、高温ガスダクト３０内において膨張し、タービンユニット２４のタービンブレードにおいて仕事をする。これにより解放されたエネルギが、ロータ１４に取り込まれ、軸流式ターボ圧縮機１８を駆動する一方で動作機械又は発電機を駆動するために利用される。
【００１７】
図２は、詳細に上述した定置式ガスタービン１０のためのタービンブレード３１の斜視図である。タービンブレード３１は、内部冷却可能部品として構成されている。すなわち、冷却ダクト３５が、特にタービンブレード３１のブレード翼３３を貫通してタービンブレード３１の内側において延在している（図３参照）。
【００１８】
図３は、冷却ダクト３５の概略的な長手方向断面図である。冷却ダクト３５の横方向の境界は、２つの側壁３７によって形成されている。冷却ダクト３５の第３の境界形成壁３９が、２つの側壁３７の間に延在している。第３の境界形成壁３９の裏側４９（図４参照）は、高温ガスの流れに曝されている。隆起状の撹拌部４６の形態をした撹拌要素のうち一の撹拌要素のみを図示するが、当該撹拌要素は、主流れ方向４４に対して横方向に延在するように、第３の境界形成壁３９の内面４２に等間隔で形成されている。また、リブの形態をした撹拌部は、冷却用リブとも呼称される。いわゆるピン４８の領域が、連なって配設された冷却用リブ同士の間に配置されている。ピン４８それぞれは、シリンドリカルな形態とされる。ピン４８は、ピン４８の領域において格子状に配置されており、図４に表わすように、ピン４８の高さは、流れ方向４４において大きくなっていく。しかしながら、ピン４８の高さは、冷却用リブの高さより低い。
【００１９】
当該構成によって、冷却ダクト３５内を流れる冷却剤４５を境界層のみにおいて混合させることができるので、これにより熱伝導を高めることができる。さらに、境界層の上方における主流れの混合を、ひいては圧力損失の増大を回避することができる。冷却剤４５における圧力損失を低減させることによって、冷却剤４５を供給するための圧力を小さくすることができるので、定置式ガスタービン１０の効率を高めることに貢献することができる。
【００２０】
概略的に、本発明は、少なくとも１つの冷却ダクト３５を具備するガスタービン１０のための内部冷却可能部品であって、冷却ダクト３５の内面４２には、撹拌部４６の形態をした撹拌要素４６が配置されており、撹拌要素４６が、冷却剤の主流れ方向に対して横方向に延在している、内部冷却可能部品に関する。冷却剤４５のための冷却ダクト３５内における圧力損失を低減させるために、異なる高さのピン４８が撹拌部４６同士の間に形成されている。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
１０ 定置式ガスタービン
１２ 回転軸線
１４ ロータ
１６ 吸入ハウジング
１８ 軸流式ターボ圧縮機
２０ トロイダル燃焼室
２２ バーナー
２４ タービンユニット
２５ 圧縮機ダクト
２６ 排出ハウジング
２７ ロータブレード
２９ ブレード翼先端部
３０ 高温ガスダクト
３２ タービン段
３３ ブレード翼
３５ 冷却ダクト
３６ 圧縮機出口ディフューザ
３７ 側壁
３８ プレナム
３９ 第３の境界形成壁
４２ （第３の境界形成壁の）内面
４４ 主流れ方向
４５ 冷却剤
４６ 撹拌部（撹拌要素）
４８ ピン
４９ （第３の境界形成壁の）後側
Ｍ 高温ガス

Claims (4)

1. 少なくとも１つの冷却ダクト（３５）を有しているガスタービンのための内部冷却可能部品であって、
   撹拌部（４６）の形態をした撹拌要素（４６）が、前記冷却ダクト（３５）の内面（４２）に配置されており、冷却剤（４５）の主流れ方向（４４）に対して横方向に延在しており、異なる高さのピン（４８）が、前記撹拌要素（４６）同士の間に配置されている、前記内部冷却可能部品において、
   前記ピン（４８）の高さが、前記撹拌要素（４６）の高さより低く、
   連なって配設された前記ピン（４８）が、前記冷却剤（４５）の前記主流れ方向（４４）において見ると、異なる高さを有していることを特徴とする冷却可能部品。
2. 連なって配設された前記ピン（４８）の高さが、前記冷却剤（４５）の前記主流れ方向（４４）において見ると、大きくなっていくことを特徴とする請求項１に記載の冷却可能部品。
3. 前記撹拌要素（４６）が、前記主流れ方向（４４）に対して所定の角度で傾斜しているように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却可能部品。
4. タービンブレード（３１）又は案内リングセグメントとして構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷却可能部品。

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