JP5933502B2

JP5933502B2 - ロータリ流れ機械における少なくとも１つのブレード列のブレードを冷却するための方法及び冷却システム

Info

Publication number: JP5933502B2
Application number: JP2013199896A
Authority: JP
Inventors: ユストルザシャ; スィモン−デルガドカルロス; ハイデッケアクセル; オルメススヴェン
Original assignee: General Electric Technology GmbH
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2033-09-26
Also published as: CA2827633A1; KR101574979B1; CN103670529A; CN103670529B; RU2013143443A; EP2713009A1; JP2014066247A; KR20140040659A; US9765629B2; CA2827633C; RU2592095C2; EP2713009B1; US20140086743A1

Description

技術分野
本発明は、ガス又は蒸気ターボ機械又は圧縮機ユニットのような、ロータリ流れ機械における少なくとも１つのブレード列のブレードを冷却するための方法及び冷却システムであって、前記ロータリ流れ機械は、半径方向で内側においてロータユニットによって、かつ外側において少なくとも１つの定置の構成部材によって区切られた軸方向流れチャネルを備え、前記ブレードは、ロータユニットに配置されており、かつ半径方向で前記定置の構成部材に面したシュラウド付きブレード先端部を提供している、方法及び冷却システムに関する。

発明の背景
ロータリ流れ機械の熱に曝される構成部材を冷却することは、機関効率及び性能を高めるために一般的に使用される技術である。特に、ガス及び蒸気ターボ機関におけるタービンブレードの冷却は、冷却されないタービンブレードによって許容されるよりも高い温度においてこのようなタービンを作動させるために、極めて重要である。

ロータリ流れ機械における回転ブレードのための公知の冷却技術は、ブレード内の冷却チャネルシステムと間接的又は直接的に流体接続された内部冷却チャネルを提供する回転ユニットを介してブレードに供給することに基づく。

米国特許第４１７８１２９号明細書は、ガスタービン機関冷却システムを開示しており、このガスタービン機関冷却システムにおいて、各ブレード根元部には、個々のピトーレシーバが設けられており、これらのピトーレシーバは、プレスワールノズルの環状の配列から供給される冷却流の一部を収集し、プレスワールノズルは、周方向で連続的な出口流れ領域を有し、かつ前記冷却流れを、好適には前縁に隣接した、ブレードの内部の一部のみに方向付ける。

ガスタービン機関におけるブレード付きロータリのための別の冷却配列は、米国特許第５９８４６３６号明細書に開示されている。各ブレードは、冷却空気通路と、湾曲したフィンを備えたカバーとを有し、フィンは、ロータに隣接して取り付けられているが、ロータに結合されてはおらず、ロータディスクから僅かに離間させられており、冷却流体のための通路を形成している。カバーとロータディスクとによって区切られたキャビティは、比較的小さな半径で供給され、圧力上昇は、遠心圧縮機のように作動するベーンによって達成される。複雑な設計は、ロータに取り付けられる別個の部分を必要にする。

ロータボアを介して冷却空気をブレードに供給するための多くの他の解決手段が公知であるが、しかしながら、これらの解決手段は、寿命の問題を生ずる。なぜならば、回転するブレードに冷却空気を供給するための十分なスペースが設けられていないと、圧力が上昇し、最終的に十分でなくなるからである。

米国特許第４１７８１２９号明細書米国特許第５９８４６３６号明細書

本発明の一般的な課題は、ロータリ流れ機械の回転ブレードへの冷却空気の供給を単純化する、ロータリ流れ機械における少なくとも１つのブレード列のブレードを冷却するための方法及び冷却システムを提供することである。

前記課題は、請求項１に記載の方法によって達成される。本発明の冷却システムは、請求項３に開示されている。最後に、本発明のロータリ流れ機械は、請求項９の内容である。本発明は、有利には、従属請求項、及び特に好適な実施の形態を参照した以下の説明に開示された特徴によって変更することができる。

本発明は、内部冷却される回転するタービンブレード用の冷却空気を提供するために使用され、ロータリ流れ機械の少なくとも１つのブレード列内の各ブレードの先端部を介して内部ブレード冷却システムに供給するという概念に基づく。したがって、ロータリ流れ機械における少なくとも１つのブレード列のブレードであって、前記ロータリ流れ機械は、半径方向で内側においてロータユニットによって、かつ外側において少なくとも１つの定置の構成部材によって区切られた軸方向流れチャネルを備え、前記ブレードは、ロータユニットに配置されており、半径方向で前記定置の構成部材に面したシュラウド付きブレード先端部を提供している、ブレードを冷却するための本発明の方法は、前記加圧された冷却空気が、半径方向外側から、少なくとも１つのブレード列におけるそれぞれの前記ブレードの先端部に向かって供給され、前記加圧された冷却空気は、シュラウド付きのブレード先端部における少なくとも１つの開口を通じてブレードに進入することを特徴とする。

各ブレードの先端部を通じて内部ブレード冷却システムに供給することを実現するための重要な態様は、シュラウド付きブレード先端部における開口を通じて内部ブレード冷却システムに高温ガスが進入することができないことを保証することである。この要求に従うために、シュラウド付きブレード先端部における少なくとも１つの開口の周囲のすぐ近くの領域には、好適には低い温度と、特にブレード前縁における軸方向流れチャネル内の高温ガスの合計相対圧力よりも高い静圧とで、冷却空気が供給されることを保証する必要がある。

好適な実施の形態において、加圧された冷却空気は、半径方向で前記少なくとも１つのブレード列を包囲する定置の構成部材を通じて供給され、定置の構成部材と、少なくとも１つのブレード列におけるブレードのシュラウド付き先端部とによって包囲されたキャビティに進入する。各ブレードのシュラウドは、ロータリ流れ機械の軸方向流れチャネルを通る流れ方向に関して上流及び下流の縁部において、少なくとも１つのフィンを提供しており、このフィンは、少なくとも２つのフィンの間に延びるシュラウド面を半径方向に超えて延びている。ブレードのこのようなシュラウド付き先端部は、２つの隣接するブレードのシュラウドが周方向で互いに隣接し、これにより、少なくとも１つのブレード列における全てのブレードのシュラウドが組み合わさり、定置の構成部材によって半径方向で区切られた、半径方向外方へ方向付けられた環状のフィン間キャビティを形成するように、設計及び配置されている。２つ以上のフィン間キャビティを形成するためにシュラウドに３つ以上のフィンを提供することも可能であるが、以下の説明は、発明の範囲を制限することなく、１つのフィン間キャビティを有するシュラウド付きブレードに関する。１つのブレード列内で全てのシュラウド付きブレードによって包囲されたフィン間キャビティは、環状であり、定置の構成部材における少なくとも１つの開口によって冷却空気が供給され、これにより、ロータリ流れ機械の軸方向流れチャネルにおける圧力よりも少なくとも僅かに高い静圧がフィン間キャビティ内に生じる。

ブレードはロータリ流れ機械の回転軸線を中心にして回転するので、環状部内の冷却空気は、回転方向に移動させられる。各ブレードのシュラウドにおける開口内への冷却空気の流入を高めるために、入口開口は、特別な開口輪郭を有し、この開口輪郭を通じて、環状部における冷却空気の流れは、シュラウドに対して局所的に減速させられる。これは、回転周方向に向けられた割り当てられた漏斗軸線を備えた漏斗状断面を有する漏斗のような各シュラウドの開口を成形することによって達成することができる。加えて、開口輪郭は、冷却空気の流れ方向において冷却空気が開口に進入するときに前記開口の流過横断面がより大きくなるような、軸方向、半径方向及び周方向における延在形状を提供している。

従って、ロータリ流れ機械における少なくとも１つのブレード列のブレードを冷却するための本発明の冷却システムは、半径方向で少なくとも１つのブレード列のブレードのシュラウド付き先端部に向かって面した、定置の構成部材における少なくとも１つの開口を提供する。さらに、少なくとも１つの開口は、定置の構成部材内の冷却チャネルの出口開口である。好適な実施の形態において、冷却空気は、ガス又は蒸気タービン配列の典型的な部分である圧縮機ユニットによって提供される。さらに、各ブレードは、シュラウド付きブレード先端部における少なくとも１つの開口を提供し、開口は、ブレード内の冷却チャネルの入口ポートである。

引き続き図面に関連した典型的な実施の形態に基づいて発明をさらに詳細に説明する。

ロータリ流れ機械内のブレードの側面図である。１つのブレード列内の２つのシュラウド付きブレード先端部の概略的な平面図である。ブレード列の周方向における隣接するシュラウド付きブレードのヘッド部分の、切断線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。

典型的な実施の形態の詳細な説明
図１は、ロータリ流れ機械のブレード列に取り付けられたブレード１の側面図である。ロータリ流れ機械は、半径方向で内側においてロータユニット３によって、外側において少なくとも１つの定置の構成部材４によって区切られた流れチャネル２を有する。通常、定置の構成部材４は、前記ロータリ流れ機械を包囲するケーシングの内壁に取り付けられた遮熱構成部材である。ブレード列の各ブレード１は、ロータユニット３に取外し可能に結合されたシャベルフット５と、軸方向流れチャネル２を半径方向に通って延び、かつ軸方向流れチャネルを通過する高温ガス流に曝される翼６と、最後に、ブレード先端部におけるシュラウド７とを有する。

ブレード１の冷却目的のために、本発明では、シュラウド付きブレード先端部における開口９を通じて定置の構成部材の半径方向外側からブレード１内へ冷却空気８を供給することが提案される。少なくとも１つの定置の構成部材４を通じた半径方向外側からのブレード１への半径方向冷却空気供給により、上述のようなロータユニット内の複雑に設計された冷却チャネルを回避することができる。定置の構成部材４への冷却空気供給は、極めて容易に設計及び配置することができ、これにより、ブレード１の冷却を実現するための構造的及び財政的出費を大幅に減じることができる。

ブレード１内の冷却チャネルの開口９に高温ガスが進入しないことを保証するために、シュラウド７は、図１ａにおいて左から右へ向けられた矢印Ｆによって示された軸方向流れチャネル２を通る軸方向流れ方向に関して、上流縁部７’及び下流縁部７’’を提供している。上流縁部７’に沿って第１のフィン１０が、下流縁部７’’に沿って第２のフィン１１が配置されており、両フィン１０，１１は、両フィン１０，１１の間に延びるシュラウド面１２を半径方向に超えて突出している。シュラウド設計と、定置の構成部材４に対するブレード１の配置とにより、シュラウド７は、定置の構成部材４とともにフィン間キャビティ１３を包囲しており、このフィン間キャビティ１３内には、図示されていない定置の構成部材内の冷却チャネルシステムの出口ポートである定置の構成部材の開口１４を通じて、冷却空気８が供給される。加圧された冷却空気８がフィン間キャビティ１３内へ供給され、これにより、前記キャビティ１３内の静圧は、少なくとも１つのブレード列におけるブレード１の前縁１５における軸方向流れチャネル２における流れの合計相対圧力よりも高くなる。これにより、高温ガスがフィン間キャビティ１３に進入することを回避することができる。

定置の構成部材４における少なくとも１つの開口１４は、シュラウド付きブレード先端部に半径方向で投影されるところに配置されており、このような開口１４の数は、ブレードにおける所望の冷却効果に依存する。冷却空気供給を１つの開口のみによっては達することができない場合、定置の構成部材内に、ブレード列の周囲において周方向でより多くの開口を配置することができる。

図１ｂは、各ブレードの翼の輪郭が示された、２つの隣接するシュラウド付きブレード先端部の概略的な平面図を示す。各シュラウド７は、上流縁部７’であって、該上流縁部７’に沿ってフィン１０が配置されている上流縁部７’と、下流縁部７’’であって、該下流縁部７’’に沿ってフィン１１が配置されている下流縁部７’’とを提供しており、各フィン１０，１１は、両フィン１０，１１の間に軸方向に延びるシュラウド面１２を超えて延びている。図１ｂにおいては、フィン１０，１１は図平面を超えて突出していると仮定する。

さらに、２つの隣接するブレードのシュラウド７は、ロータリ流れ機械の回転運動に対応する周方向Ｒにおいて互いに隣接しており、これにより、少なくとも１つのブレード列における全てのブレードのシュラウド７は、組み合わさって、図１ｂに平面図で示された、半径方向外方に向けられた環状のフィン間キャビティ１３を形成している。

各ブレードは、そのシュラウド７において、シュラウド面１２における少なくとも１つの開口９を提供しており、この開口９は、ブレード１内の冷却チャネル１７の入口ポートである。図１ｂに示された切断線ＢＢに沿った断面図を示す図１ｃも参照されたい。各開口９は、少なくとも１つの隣接するシュラウドへ跨がる部分を含んでいる。また、各開口９は、図１ｂに示されたようなシュラウド７への半径方向投影においてみたときに開口９が回転周方向Ｒに向けられた最小軸方向幅１６を有するボトルネック形状に相当するように、軸方向及び周方向における延びを有する開口輪郭を提供している。開口のこのような形状は、ブレード１の冷却チャネル１７への冷却媒体の流入を維持する。特に、図１ｃに示された各開口９の断面設計は、回転周方向Ｒに向けられた漏斗軸線を有する、開口９の開口輪郭の半径方向及び周方向における漏斗状断面により、冷却チャネル１７への冷却空気の流入を補助する。

図１ａに示したように、各フィン１０，１１の上部が、前に説明したように好適には遮熱構成部材である定置の部分４の内面の極めて近くに配置されているため、フィン間キャビティ１３から流路２内へ逃げる冷却空気の漏れを大幅に減じることができる。好適な実施の形態において、フィン１０，１１及び遮熱構成部材は、ラビリンスシールを実現するように配置及び設計されている。

１ブレード
２軸方向流れチャネル
３ロータユニット
４定置の構成部材
５シャベル根元部
６翼
７シュラウド
７’ 上流縁部
７’’ 下流縁部
８冷却空気
９開口
１０，１１フィン
１２シュラウド面
１３フィン間キャビティ
１４開口
１５前縁
１６開口
１７冷却チャネル
１８漏斗軸線

Claims

ロータリ流れ機械における少なくとも１つのブレード列のブレード（１）を冷却する方法であって、前記ロータリ流れ機械は、内側においてロータユニット（３）によって、かつ外側において半径方向で前記少なくとも１つのブレード列を包囲する少なくとも１つの定置の構成部材（４）によって半径方向で区切られた軸方向流れチャネル（２）を備え、前記ブレード（１）は、ロータユニット（３）に配置されており、かつ、半径方向で前記定置の構成部材（４）に面したシュラウド付きブレード先端部を提供している、方法において、加圧された冷却空気（８）が、半径方向外側から、前記少なくとも１つのブレード列におけるそれぞれの前記ブレード（１）の先端部に向かって供給され、このとき、前記加圧された冷却空気（８）は、半径方向で前記定置の構成部材（４）に設けられた開口（１４）を通じて、前記定置の構成部材（４）と、前記少なくとも１つのブレード列における前記ブレード（１）の前記シュラウド付き先端部とによって包囲されたキャビティ（１３）に供給され、該キャビディ（１３）から、前記加圧された冷却空気（８）は、前記シュラウド付きブレード先端部における少なくとも１つの開口（９）を通じて前記ブレード（１）に進入し、前記開口（９）の開口輪郭は、半径方向及び周方向において漏斗状断面を提供しており、該漏斗状断面は、回転周方向に向けられた割り当てられた漏斗軸線（１８）を有することを特徴とする、ブレードを冷却する方法。
前記加圧された冷却空気（８）が、少なくとも１つの、定置の構成部材（４）側の開口（１４）を通じてキャビティ（１３）に供給され、これにより、前記少なくとも１つのブレード列における前記ブレード（１）の前縁（１５）における軸方向流れチャネル（２）における流れの合計相対圧力よりも高い静圧が、前記キャビティ（１３）内に生ずる、請求項１記載の方法。
ロータリ流れ機械における少なくとも１つのブレード列のブレード（１）を冷却するための冷却システムであって、前記ロータリ流れ機械は、内側においてロータユニット（３）によって、かつ外側において半径方向で前記少なくとも１つのブレード列を包囲する少なくとも１つの定置の構成部材（４）によって半径方向で区切られた軸方向流れチャネル（２）を備え、前記ブレード（１）は、前記ロータユニット（３）に配置されており、かつ、半径方向で前記定置の構成部材（４）に面した、シュラウド付きブレード先端部を提供している、ブレード（１）を冷却するための冷却システムにおいて、少なくとも１つの開口（１４）が、前記少なくとも１つのブレード列の前記ブレード（１）の前記シュラウド付き先端部に向かって半径方向で面した定置の構成部材（４）に配置されており、前記少なくとも１つの開口（１４）は、前記定置の構成部材（４）内の冷却チャネルの出口ポートであり、各ブレード（１）は、前記シュラウド付きブレード先端部において少なくとも１つの開口（９）を提供しており、該開口（９）は、前記ブレード（１）内の冷却チャネル（１７）の入口ポートであり、このとき、前記加圧された冷却空気（８）は、半径方向で前記定置の構成部材（４）に設けられた開口（１４）を通じて、前記定置の構成部材（４）と、前記少なくとも１つのブレード列における前記ブレード（１）の前記シュラウド付き先端部とによって包囲されたキャビティ（１３）に供給され、該キャビディ（１３）から、前記加圧された冷却空気（８）は、前記シュラウド付きブレード先端部における少なくとも１つの開口（９）を通じて前記ブレード（１）に進入し、前記ブレード（１）の前記シュラウド付き先端部は、各ブレード（１）の前記シュラウド（７）が、前記ロータリ流れ機械の前記軸方向流れチャネル（２）を通る軸方向流れ方向（Ｆ）に関して上流縁部（７’）及び下流縁部（７’’）を提供し、かつ前記上流縁部（７’）及び前記下流縁部（７’’）に沿って少なくとも１つのフィン（１０，１１）が配置され、該フィンが、両フィン（１０，１１）の間に延びるシュラウド面（１２）を超えて半径方向に突出するように、設計及び配置されており、前記開口（９）の開口輪郭は、半径方向及び周方向において漏斗状断面を提供しており、該漏斗状断面は、回転周方向に向けられた割り当てられた漏斗軸線（１８）を有することを特徴とする、ブレード（１）を冷却するための冷却システム。
前記ブレード（１）の前記シュラウド付き先端部は、２つの隣接するブレード（１）のシュラウド（７）が周方向で互いに隣接し、これにより、少なくとも１つのブレード列における全てのブレード（１）のシュラウド（７）が組み合わさり、これにより、前記定置の構成部材（４）によって半径方向で区切られた、半径方向外方へ向けられた環状のフィン間キャビティ（１３）を形成するように、設計及び配置されている、請求項３記載の冷却システム。
前記シュラウド付きブレード先端部の各開口（９）は、該開口の流過横断面が、開口（９）に進入する冷却空気の流れ方向でより大きくなるような、軸方向、半径方向及び周方向における延在形状を有する開口輪郭を提供している、請求項３又は４記載の冷却システム。
各開口（９）の前記開口輪郭は、２つ以上の隣接するブレードの間に延びている、請求項３から５までのいずれか１項記載の冷却システム。
前記少なくとも１つの開口の前記出口ポートは、半径方向に向けられた割り当てられた軸線を有する、請求項３から６までのいずれか１項記載の冷却システム。
前記ロータリ流れ機械は、ガス又は蒸気ターボ機械、又は圧縮機ユニットである、請求項３から７までのいずれか１項記載の冷却システム。
ロータリ流れ機械であって、内側においてロータユニット（３）によって、かつ外側において半径方向で前記少なくとも１つのブレード列を包囲する少なくとも１つの定置の構成部材（４）によって半径方向で区切られた軸方向流れチャネル（２）と、ブレード（１）であって、ロータユニット（３）に配置されており、かつ半径方向で前記定置の構成部材（４）に面したシュラウド付きブレード先端部を提供する、少なくとも１つのブレード列内のブレード（１）とを備える、ロータリ流れ機械において、少なくとも１つの開口（１４）が、前記少なくとも１つのブレード列の前記ブレード（１）の前記シュラウド付き先端部に向かって半径方向で面した定置の構成部材（４）に配置されており、前記少なくとも１つの開口（１４）は、前記定置の構成部材（４）内の冷却チャネルの出口ポートであり、各ブレード（１）は、前記シュラウド付きブレード先端部において少なくとも１つの開口（９）を提供しており、該開口（９）は、前記ブレード（１）内に延びる冷却チャネル（１７）の入口ポートであり、このとき、前記加圧された冷却空気（８）は、半径方向で前記定置の構成部材（４）に設けられた開口（１４）を通じて、前記定置の構成部材（４）と、前記少なくとも１つのブレード列における前記ブレード（１）の前記シュラウド付き先端部とによって包囲されたキャビティ（１３）に供給され、該キャビディ（１３）から、前記加圧された冷却空気（８）は、前記シュラウド付きブレード先端部における少なくとも１つの開口（９）を通じて前記ブレード（１）に進入し、前記開口（９）の開口輪郭は、半径方向及び周方向において漏斗状断面を提供しており、該漏斗状断面は、回転周方向に向けられた割り当てられた漏斗軸線（１８）を有することを特徴とする、ロータリ流れ機械。