JP5911684B2 - タービンブレードプラットフォーム冷却システム - Google Patents

Description

本出願は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、隣り合うブレードプラットフォームの負圧側面を冷却するタービンブレードプラットフォーム冷却システムに関する。

公知のタービン組立体は一般的に、円周方向に間隔を置いて配置されたタービンブレードの列を含む。一般的に説明すると、各タービンブレードは、プラットフォームから外向きに延びる翼形部と、それから内向きに延びるダブテールを備えたシャンク部とを含む。ダブテールは、タービンブレードをロータディスクと共に回転するように該ロータディスクに取付けるために使用される。公知のタービンブレードは一般的に、翼形部、プラットフォーム、シャンク部及びダブテールの少なくとも一部分を通して内部冷却空洞を形成することができるように中空である。

ブレードの翼形部部分はシャンク部及びダブテール部分よりも高温に曝されるので、翼形部及びプラットフォーム間並びに／或いはシャンク部及びプラットフォーム間の接合部に、温度不整合が生じる可能性がある。時の経過と共に、そのような温度差及び関連する熱歪みにより、ブレードプラットフォームに対して大きな圧縮熱応力が生じるおそれがある。さらに、タービン全体の作動温度の上昇は、酸化、疲労、割れ及び／又はクリープ変形を引き起こし、従ってタービンブレードの有効寿命を短縮させるおそれがある。具体的には、より高いタービン燃焼温度により一般的に、タービンブレード及びバケットプラットフォーム全体に対する応力発生の可能性が増大する。

米国特許第７４１６３９１号明細書

従って、特にプラットフォームの負圧側面の周りでの冷却を改善したタービンブレードに対する要望が存在する。そのような改良型のタービンブレード設計は、より高い燃焼温度の使用を可能にし、従って部品寿命を増大させながら全体システム効率を向上させることができる。

従って、本出願は、タービンブレード冷却システムを提供する。本タービンブレード冷却システムは、正圧側面通路と連通した冷却空洞を有する第１のタービンブレードプラットフォームを備えた第１のタービンブレードと、負圧側面通路を持つプラットフォーム冷却空洞を有する第２のタービンブレードプラットフォームを備えた第２のタービンブレードとを含むことができる。第１のタービンブレードプラットフォームの正圧側面通路は、第２のタービンブレードプラットフォームの負圧側面通路と連通している。

本出願はさらに、タービンブレードプラットフォームの冷却方法を提供する。本方法は、第１のタービンブレードプラットフォームの正圧側面通路を通して冷却媒体を流すステップと、第２のタービンブレードプラットフォームの負圧側面通路を通して冷却媒体を流すステップと、第２のタービンブレードプラットフォーム内のプラットフォーム冷却空洞を通して冷却媒体を流すステップと、第２のタービンブレードプラットフォームを冷却するステップとを含むことができる。

本出願はさらに、タービンブレードプラットフォームを提供する。本タービンブレードプラットフォームは、正圧側面通路と、正圧側面通路と連通した冷却回路と、負圧側面通路と、負圧側面通路と連通したプラットフォーム冷却空洞と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及び改良は、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。

公知のガスタービンエンジンの部品の概略図。 公知のタービンブレードの概略図。 本明細書で説明することができるようなタービンブレードプラットフォーム冷却システムの一対のタービンブレードの上面図。 図３のタービンブレードプラットフォーム冷却システムの一対のタービンブレードの側面断面図。 図３のタービンブレードプラットフォーム冷却システムの一対のタービンブレードの分離させた部分側面斜視図。

次に、幾つかの図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、公知のガスタービンエンジン１０の部品の概略図を示している。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５は、流入する空気の流れ２０を加圧する。圧縮機１５は、加圧した空気の流れ２０を燃焼器２５に送給する。燃焼器２５は、加圧した空気の流れ２０を加圧した燃料の流れ３０と混合しかつその混合気を点火燃焼させて、燃焼ガスの流れ３５を形成する。単一の燃焼器２５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２５を含むことができる。燃焼ガスの流れ３５は次に、タービン４０に送給される。燃焼ガスの流れ３５は、タービン４０を駆動して、機械的仕事を生成する。タービン４０内で生成された機械的仕事は、圧縮機１５並びに発電機及び同様のもののような外部負荷４５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、ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙ又はその他によって提供される多数の異なるガスタービンの１つとすることができる。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部品を使用することができる。本明細書では、その他のタイプのガスタービンエンジンもまた使用することができる。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もまた、共に使用することができる。

図２は、公知のタービンブレード５０の斜視図を示している。タービンブレード５０は、上記したようなタービン４０及び同様のもので使用することができる。円周方向に間隔を置いた配列で互いに隣り合わせて、あらゆる数のブレード５０を配置することができる。各タービンブレード５０は一般的に、プラットフォーム６０から延びる翼形部５５を含む。翼形部５５は、その形状が凸面形であり、負圧側面６５及び正圧側面７０を有する。各翼形部５５はまた、前縁７５及び後縁８０を有することができる。本明細書では、その他の翼形部構成もまた使用することができる。

タービンブレード５０はまた、プラットフォーム６０から内向きに延びるシャンク部８５及びダブテール９０を含むことができる。シャンク部８５に対して、幾つかのエンジェルウィング８６を取付けることができる。ダブテール９０は、タービンブレード５０をロータディスク（図示せず）と共に回転するように該ロータディスクに取付けることができる。シャンク部８５は、ほぼ中空であり、その中にシャンク空洞９５を有する。シャンク空洞９５は、圧縮機吐出空気のような冷却媒体と連通状態にすることができる。本明細書では、その他のタイプの冷却回路及び冷却媒体もまた使用することができる。冷却媒体は、ダブテール９０、シャンク部８５及びプラットフォーム６０の少なくとも一部分を通りかつ翼形部５５内に循環することができる。本明細書では、その他の構成も使用することができる。

図３〜図５は、本明細書で説明することができるようなタービンブレードプラットフォーム冷却システム１００を示している。タービンブレードプラットフォーム冷却システム１００は、第１のタービンブレード１２０及び第２のタービンブレード１３０のみを図示しているが、あらゆる数のタービンブレード１１０を含むことができる。上記のように、あらゆる数のタービンブレード１１０は、ロータディスク（図示せず）の周りに円周方向に互いに隣り合わせて配置することができる。各対のタービンブレード１１０は、それらの間にギャップ１４０を形成することができる。第１のタービンブレード１２０及び第２のタービンブレード１３０は、ほぼ同一とすることができる。

各タービンブレード１１０は、そこから外向きに延びる翼形部１６０及びそこから内向きに延びるシャンク部１７０を備えたプラットフォーム１５０を含むことができる。プラットフォーム１５０は、前方側面１５２、後方側面１５４、負圧側面１５６及び正圧側面１５８を有することができる。

タービンブレード１１０は、それを貫通して延びる冷却空洞１８０を含むことができる。冷却空洞１８０は、圧縮機吐出空気及び同様のもののような冷却媒体１９０と連通状態にすることができる。冷却空洞１８０は、シャンク部１７０を少なくとも部分的に貫通しかつ翼形部１６０内に延びることができる。冷却空洞１８０の一部分はまた、プラットフォーム１５０内に延びて、冷却媒体１９０の少なくとも一部分が翼形部１６０を通って流れる代わりに又は該翼形部１６０を通って流れた後にかのいずれかで該プラットフォーム１５０を通って流れることができるようにすることができる。具体的には、冷却空洞１８０は、プラットフォーム１５０の正圧側面１５８の周りで該プラットフォーム１５０の後方側面１５４内に延びることができる。冷却空洞１８０の一部分は、プラットフォーム１５０の正圧側面通路２００付近で終端させることができる。本明細書では、その他の構成も使用することができる。

プラットフォーム１５０はまた、プラットフォーム冷却空洞２１０を含むことができる。
プラットフォーム冷却空洞２１０は、プラットフォーム１５０の負圧側面１５６から後方側面１５４に向けて延びることができる。プラットフォーム冷却空洞２１０は、負圧側面通路２２０付近で開始することができる。負圧側面通路２２０は、隣接するタービンブレード１１０の正圧側面通路２００と整列して該正圧側面通路２００を通して冷却媒体１９０を流すようにすることができる。プラットフォーム冷却空洞２１０はまた、後方側面通路２３０を含み、冷却媒体１９０がそれを通して流れると該冷却媒体１９０を吐出するようにすることができる。プラットフォーム冷却空洞２１０はまた、その中にピンバンク又はその他のタイプのタービュレータ２４０を含み、渦流を与えて熱伝達を強化するようにすることができる。本明細書では、その他のタイプの内部構成も使用することができる。

使用中に、冷却媒体１９０は、第１のタービンブレード１２０の冷却チャネル１８０を通って流れる。冷却媒体１９０の少なくとも一部分は、プラットフォーム１５０を通って流れかつ正圧側面通路２００を介して流出する。冷却媒体１９０は次に、ギャップ１４０を通ってかつ第２のタービンブレード１３０のプラットフォーム冷却空洞２１０内に流れる。具体的には、冷却媒体１９０は、プラットフォーム１５０の後方端部１５４に沿って該プラットフォーム１５０の負圧側面１５６上に配置されたプラットフォーム冷却空洞２１０の負圧側面通路２２０内に流れる。冷却媒体１９０は次に、後方側面通路２３０に沿ってプラットフォーム１５０から流出する。

従って、タービンブレードプラットフォーム冷却システム１００は、第１のタービンブレード１２０からの冷却媒体１９０により、第２のタービンブレード１３０のプラットフォーム１５０の負圧側面１５６上に冷却を与える。プラットフォーム冷却空洞２１０内のピンバンク又はぞの他のタイプのタービュレータ２４０はまた、該プラットフォーム冷却空洞２１０内の熱伝達を強化する。この冷却はまた、より低温のシャンク側面及びプラットフォームの高温ガス側面間に幾らかの側方自由度を与えて該プラットフォーム１５０内の熱応力を減少させるようにする。本明細書ではまた、プラットフォーム冷却空洞２１０と連通状態で表面フィルム孔及び同様のものを使用することができる。ギャップ１４０の周りではまた、様々なタイプのシールを使用して、該ギャップ１４０を通しての漏洩及び吸込みを減少させることができる。

従って、タービンブレードプラットフォーム冷却システム１００は、プラットフォーム冷却を与えてより高いタービン作動温度を可能にして、効率をより高めかつ顧客作動コストをより低下させると同時に部品耐久性に対する影響をより少なくすることができる。さらに、第１のブレード１２０からの冷却媒体１９０を使用して、第２のブレード１３０を冷却するようにすることにより、そのような全体効率が上昇する。冷却媒体１９０の輸送はまた、同様な方法で負圧側面１５０から正圧側面１５８に行なうことができる。本明細書では、あらゆる方向へのあらゆるタイプのプラットフォーム毎の冷却方式を使用することができる。

上記の説明は本出願の一部の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
１５ 圧縮機
２０ 空気の流れ
２５ 燃焼器
３０ 燃料の流れ
３５ 燃焼ガスの流れ
４０ タービン
４５ 負荷
５０ タービンブレード
５５ 翼形部
６０ プラットフォーム
６５ 負圧側面
７０ 正圧側面
７５ 前縁
８０ 後縁
８５ シャンク部
８６ エンジェルウィング
９０ ダブテール
９５ シャンク空洞
１００ タービンブレード冷却システム
１１０ タービンブレード
１２０ 第１のタービンブレード
１３０ 第２のタービンブレード
１４０ ギャップ
１５０ プラットフォーム
１５２ 前方側面
１５４ 後方側面
１５６ 負圧側面
１５８ 正圧側面
１６０ 翼形部
１７０ シャンク部
１８０ 冷却空洞
１９０ 冷却媒体
２００ 正圧側面通路
２１０ プラットフォーム冷却空洞
２２０ 負圧側面通路
２３０ 後方側面通路
２４０ タービュレータ

Claims (15)

1. 第１のタービンブレード（１２０）と、
   第２のタービンブレード（１３０）と
   を含むタービンブレード冷却システム（１００）であって、
   前記第１のタービンブレード（１２０）が、翼形部（５５）、第１のタービンブレードプラットフォーム（１５０）及び、前記翼形部（５５）と前記第１のタービンブレードプラットフォーム（１５０）内に延在するブレード冷却空洞（１８０）を含み、
   前記ブレード冷却空洞（１８０）が前記第１のタービンブレードプラットフォーム（１５０）内の正圧側面通路（２００）と連通し、前記第１のタービンブレードプラットフォーム（１５０）の正圧側の端に延びており、
   前記第２のタービンブレード（１３０）が第２のタービンブレードプラットフォーム（１５０）及びプラットフォーム冷却空洞（２１０）を含み、
   前記プラットフォーム冷却空洞（２１０）が、前記第２のタービンブレードプラットフォーム（１５０）内の負圧側面通路（２２０）と連通し、前記第２のタービンブレードプラットフォーム（１５０）の負圧側の端に延び、
   前記第１のタービンブレードプラットフォーム（１５０）の前記正圧側面通路（２００）が、前記第２のタービンブレードプラットフォーム（１５０）内の前記負圧側面通路（２２０）と連通する、タービンブレード冷却システム（１００）。
2. 前記第１のタービンブレードプラットフォーム（１５０）が、正圧側面（１５８）を含み、前記正圧側面通路（２００）が、前記正圧側面（１５８）内に配置される、請求項１記載のタービンブレード冷却システム（１００）。
3. 前記第１のタービンブレードプラットフォーム（１５０）が、後方側面（１５４）を含み、前記正圧側面通路（２００）が、前記後方側面（１５４）内に配置される、請求項１または２に記載のタービンブレード冷却システム（１００）。
4. 前記第２のタービンブレードプラットフォーム（１５０）が負圧側面（１５６）を含み、前記負圧側面通路（２２０）が前記負圧側面（１５６）内に配置される、請求項１乃至３のいずれかに記載のタービンブレード冷却システム（１００）。
5. 前記第２のタービンブレードプラットフォーム（１５０）が負圧側面（１５６）を含み、前記プラットフォーム冷却空洞（２１０）が前記負圧側面（１５６）内に配置される、請求項１乃至４のいずれかに記載のタービンブレード冷却システム（１００）。
6. 前記第２のタービンブレードプラットフォーム（１５０）が後方側面（１５４）を含み、前記プラットフォーム冷却空洞（２１０）が前記後方側面（１５４）内に配置される、請求項１乃至５のいずれかに記載のタービンブレード冷却システム（１００）。
7. 前記第２のタービンブレードプラットフォーム（１５０）が後方側面（１５４）を含み、前記プラットフォーム冷却空洞（２１０）が前記後方側面（１５４）上に後方側面通路（２３０）を含む、請求項１乃至６のいずれかに記載のタービンブレード冷却システム（１００）。
8. 前記第１のタービンブレードプラットフォーム（１５０）及び第２のタービンブレードプラットフォーム（１５０）間にギャップ（１４０）をさらに含む、請求項１乃至７のいずれかに記載のタービンブレード冷却システム（１００）。
9. 冷却媒体（１９０）をさらに含み、前記冷却媒体（１９０）が、前記第１のタービンブレードプラットフォーム（１５０）の正圧側面通路（２００）を通りかつ前記第２のタービンブレードプラットフォーム（１５０）の負圧側面通路（２２０）及びプラットフォーム冷却空洞（２１０）内に流れる、請求項１乃至８のいずれかに記載のタービンブレード冷却システム（１００）。
10. 前記プラットフォーム冷却空洞（２１０）内に配置された複数のタービュレータ（２４０）を含む、請求項１乃至９のいずれかに記載のタービンブレード冷却システム（１００）。
11. タービンブレードプラットフォーム（１５０）の冷却方法であって、
    第１のタービンブレード（１２０）の翼形部（５５）と第１のタービンブレードプラットフォーム（１５０）内に延在するブレード冷却空洞（１８０）を通して冷却媒体（１９０）を流すステップと、
    前記第１のタービンブレードプラットフォーム（１５０）の正圧側面通路（２００）を通して前記冷却媒体（１９０）を流すステップであって、前記正圧側面通路（２００）が、前記第１のタービンブレードプラットフォーム（１５０）の正圧側の端に延びると共に、前記ブレード冷却空洞（１８０）と連通する、前記ステップと、
    第２のタービンブレードプラットフォーム（１５０）の負圧側面通路（２２０）を通して前記冷却媒体（１９０）を流すステップであって、前記第２のタービンブレードプラットフォーム（１５０）の前記負圧側面通路（２２０）が、前記第１のタービンブレードプラットフォーム（１５０）の前記正圧側面通路（２００）と連通する、前記ステップと、
    前記負圧側面通路（２２０）と連通する、前記第２のタービンブレードプラットフォーム（１５０）内のプラットフォーム冷却空洞（２１０）を通して前記冷却媒体（１９０）を流すステップと、
    前記第２のタービンブレードプラットフォーム（１５０）を冷却するステップと
    含む、タービンブレードプラットフォーム（１５０）の冷却方法。
12. 前記プラットフォーム冷却空洞（２１０）を通して前記冷却媒体（１９０）を流すステップが、該冷却媒体（１９０）内に渦流を発生させるステップを含む、請求項１１記載のタービンブレードプラットフォーム（１５０）の冷却方法。
13. 前記プラットフォーム冷却空洞（２１０）から後方側面通路（２３０）を介して前記冷却媒体（１９０）を流すステップをさらに含む、請求項１１または１２に記載のタービンブレードプラットフォーム（１５０）の冷却方法。
14. 前記正圧側面通路（２００）及び負圧側面通路（２２０）間のギャップ（１４０）をシールするステップをさらに含む、請求項１１乃至１３のいずれかに記載のタービンブレードプラットフォーム（１５０）の冷却方法。
15. 前記第１のタービンブレードプラットフォーム（１５０）に連結された翼形部（１６０）を通して前記冷却媒体（１９０）を流すステップをさらに含む、請求項１１乃至１４のいずれかに記載のタービンブレードプラットフォーム（１５０）の冷却方法。