JP5856731B2 - タービン端部壁冷却構成 - Google Patents

Description

本発明は、タービン端部壁に関する。

ガスタービンでは、タービン端部壁損傷は、その高い温度及び大きい温度勾配によって発生する可能性がある。タービン端部壁は、ステータ又はロータのいずれかにおいてまたタービンの内径又は外径のいずれかにおいて設置することができ、かつ一般的にタービン翼形部が端部壁表面から離れる方向に半径方向に延びるように配向される。

この技術分野において生じるタービン端部壁損傷のタイプには、それに限定されないが、端部壁構成要素の酸化、破砕、割れ、曲がり及び遊離が含まれる。従って、この問題に対処するために、様々な解決方法が試みられてきた。一般的に、これらの解決方法では、端部壁表面に対する冷却の強化、端部壁内への対流冷却通路の形成、及び／又は低運動量流れで局所的フィルム冷却を可能にする構成要素の付加が採用されている。

米国特許第６３０９１７５号明細書

本発明の１つの態様によると、翼形部を提供し、本翼形部は、半径方向端部間で延びることができる正圧表面とその中に画成された翼形部内部の流体通路とを有する翼形部本体を含む。正圧表面は、それによって翼形部内部の流体通路から、該正圧表面から離れる方向に周辺方向に冷却媒体を送給できる通路をさらに画成するように構成される。

本発明の別の態様によると、タービンを提供し、本タービンは、表面を備えた端部壁と端部壁に取付け可能な複数の翼形部とを含み、表面の一部分は、隣り合う翼形部の端部間に配置された状態になり、翼形部の各々は、正圧表面とその中に画成された翼形部内部の流体通路とを有する翼形部本体を含み、正圧表面は、それによって翼形部内部の流体通路から表面部分の１つに向けて冷却媒体を送給できる通路を画成するように構成される。

本発明のさらに別の態様によると、タービンを構成する方法を提供し、本方法は、その各々が正圧表面とその中に画成された翼形部内部の流体通路とを有する複数の翼形部を形成するステップと、隣り合う翼形部の半径方向端部間に配置可能である表面部分を備えた端部壁に複数の翼形部を取付けるステップと、それによって翼形部内部の流体通路から端部壁の表面部分の１つに向けて冷却媒体を送給できる通路を翼形部の正圧表面を貫通して形成するステップとを含む。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。

本発明は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の説明から明らかである。

タービン翼形部及び端部壁の斜視図。 図１のタービン翼形部から流出する冷却媒体の流れの半径方向図。 図２の冷却媒体の流れの軸方向図。 タービン翼形部及び端部壁の斜視図。

詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。

図１を参照すると、タービン１０を示している。タービン１０のセクションは、端部壁２０と複数の翼形部３０とを含む。端部壁２０は、それに対して翼形部３０の各々を取付けることのできる表面２１を含み、表面２１の一部分２５は、隣り合う対の翼形部３０の端部３１間に配置された状態になる。翼形部３０の各々は、対向する負圧及び正圧表面３３及び３４を含み、これら負圧及び正圧表面３３及び３４は、それぞれの前縁３５及び後縁３６において接合して翼形部３０形状を画成し、翼形部３０形状は、それを通して冷却回路４０が延びることができる翼形部内部３７に流体通路３８を有する。公知なように、負圧表面３３は一般的に、凸面形であり、また正圧表面３４は一般的に、凹面形である。さらに、正圧表面３４は、それによって表面部分２５の１つに向けて冷却媒体を送給できる通路５０又は幾つかの実施形態では通路５０の組を画成するように構成される。様々な実施形態によると、冷却媒体は、例えば翼形部３０の流体通路３８、冷却回路４０及び／又は別の構造から送給可能とすることができる。

表面部分２５は、タービン１０の運転時に発生する可能性がある高温ガスの端部壁２０に向かう移動の結果により比較的高温に加熱される傾向がある表面２１の区域として定めることができることが解るであろう。その意味で、表面部分２５は一般的に、隣り合う対の翼形部３０の端部３１間並びにその下流位置に配置される。

各通路５０は、例えば冷却回路４０からの冷却空気を含む冷却媒体が該通路５０から放出されかつ通路直交流内に同伴されるように、配置されかつ配向される。その結果、冷却媒体は、表面部分２５を覆いかつ高温ガスの移動から表面部分２５を分離するバリヤとして働き、従って表面部分２５における温度を低下させる。また、翼形部３０の主要セクション内から配置された通路５０の場合には、冷却媒体は、冷却回路３８又は４０に直接アクセスした状態でかつ比較的低応力レベルの領域において翼形部３０の位置から放出される。さらに、冷却媒体は、ブレード列スロート部の上流の軸方向位置において放出されるので、冷却流から比較的有用な仕事を取出すことが可能になる。

さらに図１を参照すると、通路５０は一般的に、翼形部３０の後縁３６よりも前縁３５に近接するように正圧表面３４内に画成される。このように、周辺方向運動量を備えた状態で通路５０から流出した冷却媒体は、下流方向に流れかつ表面部分２５を覆うことができる状態を維持する。このことは、図２及び図３において見ることができ、それらの図において、冷却媒体の流れは、それらの対応する通路５０から現われそれぞれ周辺方向Ｄ_Pかつ下流方向Ｄ_Dに流れる流線６０で記述されている。

本発明の様々な実施形態によると、また図１及び図４を参照すると、翼形部３０及び端部壁２０は、タービン１０のロータ又はステータの構成要素としてかつタービン１０の内径又は外径に設けることができる。端部壁２０がタービン１０のロータにかつ／又は内径に設けられている場合には、表面２１は、半径方向外向きに面する。ここでは、通路５０は、翼形部３０の半径方向内側寄り端部３１に配置された翼形部フィレット７０の外側寄りに配置される。必ずしもそうである必要はないが、このケースにおける通路５０はまた、翼形部３０の半径方向長さの約２５％よりも少ない半径方向内側寄り端部３１からの位置に配置され、或いは幾つかのケースでは、通路５０は、半径方向内側寄り端部３１から翼形部３０の半径方向長さの５０％の位置に配置される。一方、図４に示すように、端部壁２０をタービン１０の外径に設けた場合には、端部壁２０の表面２１は、半径方向内向きに面して、通路５０は上記の説明とは反対に配置された状態になる。

図１に示すように、正圧表面３４は、複数通路５０を画成するように構成することができる。このケースでは、複数通路５０は、例えば前縁３５から下流方向に配列することができる。この構成の場合では、表面２１に送給された冷却媒体は、該表面２１のより大きな表面を覆って流れることができる。このことは、図２及び図３において見ることができ、それらの図において、流線６０は、表面部分２５及び翼形部３０の下流の表面２１の一部分を覆って流れる。複数通路５０は、半径方向に延びる配列或いは半径方向及び下流方向の両方向に延びる配列のような様々な構成で配列することができる。

通路５０は、ほぼ管状形状であり、かつ翼形部３０の内部３７の流体通路３８から正圧表面３４に延びる。幾つかのケースでは、通路５０は、冷却回路４０から正圧表面３４に延びる。通路５０は、正圧表面３４のくり抜き領域として形成することができるが、通路５０の壁にはまた、冷却媒体の流れ特性を増大させ、低下させ又は別なものに変更させる付加的な構成要素を設けることができる。さらに、十分ではあるが過剰でない量の冷却媒体を冷却回路４０から取出すのを保証するために、通路５０は、冷却媒体の流れを妨げかつ／又は可能にする不規則断面形状を有することができることを理解されたい。

通路５０は、新規なブレード又はベーン設計のいずれかに適用することができ、或いは既存の構成要素に対する補修オプションとして使用することができる。従って、タービン１０を構成する方法を提供し、本方法は、その各々が正圧表面３４とその中に画成されかつそれを通して冷却回路４０が延びることができる翼形部内部３７の流体通路とを有する複数の翼形部３０を形成するステップを含む。本方法はさらに、表面２１と隣り合う対の翼形部３０の端部間に配置可能である表面部分２５とを備えた端部壁２０に複数の翼形部３０を取付けるステップを含む。通路５０又は通路５０の組は、正圧表面３４を貫通して画成される。通路５０は、例えば流体通路３８及び／又は冷却回路４０からかつ表面部分２５の１つに向けて冷却媒体を送給することができる。

本発明の実施形態によると、通路５０は、機械加工するか又は翼形部３０と共に鋳造することができる。機械加工を採用する場合には、本方法はさらに、表面部分２５の１つの比較的高温加熱発生可能性セクションを特定するステップと、その特定した比較的高温加熱発生可能性セクションに向けて冷却媒体を送給できるように通路５０を機械加工するステップとを含む。このように、冷却媒体流の冷却の利点を増大させることが可能になる。

限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

１０ タービン
２０ プラットフォーム
２１ 表面
２５ 表面部分
３０ 翼形部
３１ 端部
３３ 負圧表面
３４ 正圧表面
３５ 前縁
３６ 後縁
３７ 内部
４０ 冷却回路
５０ 通路
Ｄ_P 周辺方向
Ｄ_D 下流方向
６０ 流線
７０ フィレット
７１ 外側寄り端部

Claims (8)

1. 表面（２１）を有する端部壁（２０）と、
   前記表面（２１）に取付け可能な複数の翼形部（３０）であって、前記表面の一部分（２５）が隣り合う翼形部（３０）の端部（３１）間に配置される翼形部（３０）と
   を含むタービン（１０）であって、
   前記翼形部（３０）の各々が、前記端部（３１）に設けられたフィレット（７０）を有しているとともに、それぞれの前縁（３５）及び後縁（３６）でつながって翼形部内部（３７）を画成する対向する負圧表面（３３）及び正圧表面（３４）を含んでおり、正圧表面（３４）が、翼形部内部（３７）の複数の流体通路（３８）の各々から１本ずつ前記表面部分（２５）に向けて冷却媒体を送給できる通路（５０）の列を、前記表面（２１）から少なくとも前記フィレット（７０）の半径方向高さを超える半径位置に沿って一列だけ画成するように構成されており、前記通路（５０）の列が、後縁（３６）よりも前縁（３５）に近接するように配置されている、タービン（１０）。
2. 前記通路（５０）の列が前縁（３５）から下流方向に配列される、請求項１記載のタービン（１０）。
3. 前記通路（５０）がほぼ管状形状である、請求項１又は請求項２記載のタービン（１０）。
4. 前記通路（５０）が不規則断面形状を有する、請求項１又は請求項２記載のタービン（１０）。
5. 前記通路（５０）の列が正圧表面（３４）から離れる方向に周辺方向に冷却媒体を導く、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のタービン（１０）。
6. 前記通路（５０）の列が、前記端部（３１）から、翼形部（３０）の半径方向長さの２５％〜５０％の位置に配置される、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のタービン（１０）。
7. 前記端部壁（２０）及び翼形部（３０）が、タービン（１０）のロータの構成要素であり、前記端部（３１）が、翼形部（３０）の半径方向内側寄り端部である、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のタービン（１０）。
8. 前記端部壁（２０）及び翼形部（３０）が、タービン（１０）のステータの構成要素であり、前記端部（３１）が、翼形部（３０）の半径方向外側寄り端部である、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のタービン（１０）。
   

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