JP5947524B2 - ターボ機械静翼、及びターボ機械静翼を冷却する方法 - Google Patents

Description

本書で開示する内容は、一般的に云えば、ターボ機械の技術に関し、より詳しくは、衝突冷却空洞を含むターボ機械静翼に関するものである。

一般に、ガス・ターボ機械は燃料／空気混合物を燃焼させ、これは高いエネルギを放出して高温のガス流を形成する。高温のガス流は高温ガス流路によりタービンへ導かれる。タービン内では、高温のガス流は複数の静翼を通過して、複数のタービン動翼に作用する。これらのタービン動翼は高温のガス流の熱エネルギを機械的エネルギへ変換して、タービン・シャフトを回転させる。タービンは、ポンプ又は発電機に動力を供給することのような様々な用途に用いることができる。

運転中、複数のタービン静翼は、高温のガス流との相互作用の結果として、並びに他の因子により、温度が上昇する。耐用寿命を長くするために、複数のタービン静翼は冷却される。冷却空気がターボ機械の燃焼室部分を迂回して、タービンへ導かれる。冷却空気は次いで、複数のタービン静翼の翼形(airfoil) 部分及びプラットフォーム部分の中を通って、局所温度を下げる。

米国特許第７４６７９２２号

模範的な実施形態の一面によれば、ターボ機械は、外被と、該外被内に配列された少なくとも１つのタービン静翼とを含む。前記少なくとも１つのタービン静翼は、翼形部分と、該翼形部分に動作可能に接続されたプラットフォーム部分とを含む。前記プラットフォーム部分は、第１の面と、反対側の第２の面と、該第１及び第２の面を連結する側面とを含む。プラットフォーム部分には冷却空洞が形成される。この冷却空洞は、第１の壁と、該第１の壁に向かい合って配置された第２の壁と、前記第１及び第２の壁を連結する第３の壁と、前記第１及び第２の壁を連結し且つ前記第３の壁に向かい合って配置された第４の壁とを含む。衝突冷却プレートが前記冷却空洞の中に延在して、内側空洞部分及び外側空洞部分を画成する。前記衝突冷却プレートは、前記冷却空洞の前記第１、第２、第３及び第４の壁の内の少なくとも１つへ衝突冷却流を導くように構成及び配置された少なくとも１つの衝突冷却通路を含む。

模範的な実施形態の別の面によれば、タービン動翼は、翼形部分と、該翼形部分に動作可能に結合されたプラットフォーム部分とを含む。前記プラットフォーム部分は、第１の面と、反対側の第２の面と、該第１及び第２の面を連結する側面とを含む。プラットフォーム部分には冷却空洞が形成される。この冷却空洞は、第１の壁と、該第１の壁に向かい合って配置された第２の壁と、前記第１及び第２の壁を連結する第３の壁と、前記第１及び第２の壁を連結し且つ前記第３の壁に向かい合って配置された第４の壁とを含む。衝突冷却プレートが前記冷却空洞の中に延在して、内側空洞部分及び外側空洞部分を画成する。前記衝突冷却プレートは、前記冷却空洞の前記第１、第２、第３及び第４の壁の内の少なくとも１つへ衝突冷却流を導くように構成及び配置された少なくとも１つの衝突冷却通路を含む。

これらの及び他の利点及び特徴は、図面を参照した以下の説明からより一層明らかになろう。

発明と見なされる技術的内容は「特許請求の範囲」に具体的に指摘して明瞭に記載している。本発明の前述の及び他の特徴及び利点は、添付の図面を参照した以下の詳しい説明から明らかである。

図１は、模範的な実施形態に従ったタービン静翼を含むターボ機械の概略断面図である。 図２は、図１のタービン静翼の斜視図である。 図３は、図２のタービン静翼の部分断面図であって、模範的な実施形態に従った衝突冷却空洞を例示する。 図４は、図２のタービン静翼のプラットフォーム部分の部分断面図であって、衝突冷却空洞を形成する方法を例示する。

以下に、例として図面を参照して、本発明の実施形態を利点及び特徴と共に詳しく説明する。

図１乃至図３について説明すると、模範的な実施形態に従ったターボ機械を全体的に参照数字２で示している。ターボ機械２は、タービン部分１１の高温ガス流路１０の少なくとも一部を画成する外被４を含む。タービン部分１１は、複数の静翼１４及び動翼１６を持つ第１段１２と、複数の静翼１８及び動翼２０を持つ第２段１７と、複数の静翼２２及び動翼２４を持つ第３段２１とを含む。勿論、タービン部分１１は追加の段（図示せず）を含むことが可能であることを理解されたい。高温燃焼ガスが高温ガス流路１０に沿って静翼１４、１８及び２２を通って流れて、動翼１６、２０及び２４に衝突して該動翼を回転させる。静翼１４、１８及び２２の部分間に生じる熱流束を軽減するために、冷却空気流がタービン部分１１に導かれる。模範的な実施形態によれば、冷却ガスの一部分は、静翼１４の下流端部（別個に参照符号を示していない）に構成された冷却システム３０の中へ方向転換される。

図示のように、静翼１４は、基部又はプラットフォーム部分４２から延在する翼形部分４０を含む。プラットフォーム部分４２は、第１の面４４と、反対側の第２の面４６と、第１及び第２の面４４及び４６を連結する側面４８とを含む。プラットフォーム部分４２はまた、図示のように、第２の面４６からほぼ垂直に延在し且つ静翼１４の下流端部（別個に参照符号を示していない）に隣接しているフランジ５０を含む。フランジ５０は、タービン部分１１に静翼１４を固定するように構成され且つ配置される。

模範的な実施形態によれば、冷却システム３０は、プラットフォーム部分４２に形成された冷却空洞６０を含む。後でより詳しく説明するように、冷却空洞６０は、第１の壁７０と、該第１の壁７０に向かい合って配置された第２の壁７１と、前記第１及び第２の壁７０及び７１を連結する第３の壁７２と、前記第１及び第２の壁７０及び７１を連結し且つ前記第３の壁７２に向かい合って配置された第４の壁７３とによって画成された内部区域６１を含む。冷却空洞６０は、第２の壁７１を通って延在する開口７５を含む。図示の模範的な実施形態では、開口７５は翼形部分４０の軸方向範囲によってカバーされる。すなわち、開口７５は、翼形部分４０の外縁部分（別個に参照符号を示していない）を超えてプラットフォーム部分４２の中に延在しない。この態様では、フランジ５０と側面４８との間の軸方向距離は最小にされる。勿論、開口７５の特定の場所は変えることができることを理解されたい。

冷却剤供給チャンネル７８がプラットフォーム部分４２を通って冷却空洞６０の中へ延在する。より具体的に述べると、冷却剤供給チャンネル７８は、圧縮機吐出空気に露出されるように開放している第１の端部７９から、冷却空洞６０に開放している第２の端部８０まで延在する。更に、第１の膜冷却通路８４が、プラットフォーム部分４２を通って高温ガス流路１０の中へ延在する。第１の膜冷却通路８４は、冷却空洞６０に開放している第１の端部８６から、第１の面４４を通って高温ガス流路１０に開放している第２の端部８７まで延在する。冷却空洞６０から第１の膜冷却通路８４を通って流れる冷却ガスが、第１の面４４を冷却する膜を形成する。第２の膜冷却通路９１が第１の膜冷却通路８４とほぼ平行に延在する。第２の膜冷却通路９１は、冷却空洞６０に開放している第１の端部９３から、第１の面４４を通って高温ガス流路１０に開放している第２の端部９４まで延在する。上記と同様な態様で、冷却空洞６０から第２の膜冷却通路９１を通って流れる冷却ガスが、第１の面４４を冷却する膜を形成する。冷却システム３０はまた、第３の冷却通路すなわち排出冷却通路９７を含む。第３の冷却通路９７は、衝突冷却空洞６０に開放している第１の端部９８から、側面４８を通って高温ガス流路１０に開放している第２の端部９９まで延在する。この構成では、冷却システム３０はプラットフォーム部分４２の複数の面を通るように冷却流を導く。

更に模範的な実施形態によれば、静翼１４は、冷却空洞６０の第１及び第４の壁７０及び７３へ衝突冷却流を導く衝突冷却システム１００を含む。衝突冷却システム１００は、冷却空洞６０内に延在して、内側又は衝突空洞部分１０５及び外側空洞部分１０６を画成する衝突冷却プレート１０４を含む。衝突冷却プレート１０４は、プラットフォーム部分４２に接続された第１の部分１０７を含む。第１の部分１０７は第２の部分１０９まで延在する。第２の部分１０９は第３の部分すなわち第１の衝突冷却面１１１へ続く。第１の衝突冷却面１１１は第１の壁７０から隔たっていて、第１の壁７０にほぼ平行に延在する。第１の衝突冷却面１１１は第４の部分すなわち第２の衝突冷却面１１３まで延在する。第２の衝突冷却面１１３は第４の壁７３から隔たっていて、第４の壁７３にほぼ平行に延在する。第４の部分１１３は、第３の部分１１１にほぼ平行に延在する第５の部分１１５まで延在する。第５の部分１１５は第６の部分１１６へ続き、第６の部分１１６はプラットフォーム部分４２に再び接続される。図示の模範的な実施形態では、衝突冷却プレート１０４は複数の衝突冷却通路（その内の２つを参照数字１２０及び１２３で示す）を含み、それらの衝突冷却通路は高圧の空気流を衝突空洞部分１０５から第１及び第４の壁７０及び７３へ導く。高圧の流れすなわち衝突流は第１及び第４の壁７０及び７３に突き当たって、それらの壁を冷却する。第１及び第４の壁７０及び７３に突き当たった後、衝突冷却流は外側空洞部分１０６内に集まって、第１及び第２の膜冷却通路８４及び９１並びに排出冷却通路９７を通ってプラットフォーム部分４２から出て行く。最後に、衝突冷却システム１００は、図示のように、開口７５を閉じる冷却空洞カバー１４０を含む。開口７５に関して前に述べたように、冷却空洞カバー１４０は、フランジ５０と側面４８との間の短い軸方向長さを維持するように、プラットフォーム部分４２上で翼形部分４０の軸方向範囲内に留まる。

模範的な実施形態の一面よれば、冷却空洞６０は、図４に示されているように中子１５０の周りに静翼１４を鋳造することによって形成される。中子１５０は、例えば、セラミック又はセラミック複合体から形成される。静翼１４を形成したとき、中子１５０は、セラミックを溶解して除去する酸浴槽に入れる。この態様では、衝突冷却空洞は、開口７５の全体の大きさを小さくするように形成される。開口７５の大きさ及び衝突冷却空洞カバー１４０の大きさを比較的小さく保つことによって、ターボ機械２内の静翼と動翼との間の間隔を、一方が他方と接触することがないようにしながら、小さくすることができる。より具体的に述べると、開口７５をプラットフォーム部分４２上の翼形部分４０の軸方向範囲内に維持することによって、例えば、動翼１６上のエンゼル・ウイング１６０と衝突冷却空洞カバー１４０との間の接触が防止される。局所的衝撃区域を生じることなく静翼と隣接の動翼との間の間隔を短くすることによって、ターボ機械２の全体の大きさを減少させることができる。

これまで静翼１４に関して図示し説明したが、静翼１８及び２２も同様な衝突冷却システムを含むことができることを理解されたい。また、衝突冷却通路の特定の数、大きさ及び方向は、特許請求の範囲から逸脱することなく変えることができる。最後に、衝突冷却システムは、静翼１４の内面に構成するものとして図示したが、静翼１４の外面に構成することもできることを理解されたい。

以上、本発明を限られた数の実施形態のみに関連して詳しく説明したが、本発明がこのような開示した実施形態に制限されるものではないことが直ぐに理解されよう。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の精神及び範囲に相応する任意の数の変形、変更、置換又は等価な構成を取り入れるように修正することができる。更に、本発明の様々な実施形態を説明したが、本発明の様々な面が説明した実施形態の幾つかのみを含み得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制限されるものと考えるべきではなく、「特許請求の範囲」に記載の範囲によって制限される。

２ ターボ機械
４ 外被
１０ 高温ガス流路
１１ タービン部分
１２ 第１段
１４、１８、２２ 静翼
１６、２０、２４ 動翼
１７ 第２段
２１ 第３段
３０ 冷却システム
４０ 翼形部分
４２ プラットフォーム部分
４４ プラットフォームの第１の面
４６ プラットフォームの第２の面
４８ プラットフォームの側面
５０ フランジ
６０ 冷却空洞
６１ 内部区域
７０ 冷却空洞の第１の壁
７１ 冷却空洞の第２の壁
７２ 冷却空洞の第３の壁
７３ 冷却空洞の第４の壁
７５ 冷却空洞の開口
７８ 冷却剤供給チャンネル
７９ 冷却剤供給チャンネルの第１の端部
８０ 冷却剤供給チャンネルの第２の端部
８４ 第１の膜冷却通路
８６ 第１の膜冷却通路の第１の端部
８７ 第１の膜冷却通路の第２の端部
９１ 第２の膜冷却通路
９３ 第２の膜冷却通路の第１の端部
９４ 第２の膜冷却通路の第２の端部
９７ 第３の冷却通路（排出冷却通路）
９８ 第３の冷却通路の第１の端部
９９ 第３の冷却通路の第２の端部
１００ 衝突冷却システム
１０４ 衝突冷却プレート
１０５ 内側又は衝突空洞部分
１０６ 外側空洞部分
１０７ 衝突冷却プレートの第１の部分
１０９ 衝突冷却プレートの第２の部分
１１１ 衝突冷却プレートの第３の部分（第１の衝突冷却面）
１１３ 衝突冷却プレートの第４の部分（第２の衝突冷却面）
１１５ 衝突冷却プレートの第５の部分
１１６ 衝突冷却プレートの第６の部分
１２０、１２３ 衝突冷却通路
１４０ 冷却空洞カバー
１５０ 中子
１６０ エンゼル・ウイング

Claims (10)

1. 外被（４）と、
   前記外被（４）内に配列された少なくとも１つのタービン静翼（１１）であって、少なくとも１つのタービン静翼（１１）が、翼形部分（４０）と、該翼形部分（４０）とつながるプラットフォーム部分（４２）とを含んでいて、該プラットフォーム部分（４２）が、第１の面（４４）と、反対側の第２の面（４６）と、第１の面（４４）と第２の面（４６）とを連結する側面（４８）とを含んでいる、少なくとも１つのタービン静翼（１１）と、
   前記プラットフォーム部分（４２）の後方端に形成された冷却空洞（６０）であって、第１の壁（７０）と、第１の壁に向かい合って配置された第２の壁（７１）と、第１の壁（７０）と第２の壁（７１）とを連結する第３の壁（７２）と、第１の壁（７０）と第２の壁（７１）とを連結し且つ第３の壁（７２）に向かい合って配置された第４の壁（７３）とを含んでいる冷却空洞（６０）と、
   前記冷却空洞（６０）の中に延在して、内側空洞部分（１０５）及び外側空洞部分（１０６）を画成する衝突冷却プレート（１０４）であって、衝突冷却プレート（１０４）は、前記冷却空洞（６０）の第１、第２、第３及び第４の壁（７０，７１，７２，７３）の内の少なくとも１つへ衝突冷却流を導くように構成及び配置された少なくとも１つの衝突冷却通路（１２０，１２３）を含んでいる衝突冷却プレート（１０４）と
   を有しているターボ機械（２）。
2. 前記衝突冷却プレート（１０４）が第１の衝突冷却面（１１１）及び第２の衝突冷却面（１１３）を含んでいる、請求項１記載のターボ機械（２）。
3. 第１の衝突冷却面（１１１）は第１の壁（７０）にほぼ平行に延在し、且つ第２の衝突冷却面（１１３）は第４の壁（７３）にほぼ平行に延在している、請求項２記載のターボ機械（２）。
4. 少なくとも１つの衝突開口（１２０）が第１の衝突冷却面（１１１）に形成されている、請求項３記載のターボ機械（２）。
5. 少なくとも１つの衝突開口（１２０，１２３）が、第１の衝突冷却面（１１１）に形成された第１の衝突冷却開口（１２０）、及び第２の衝突冷却面（１１３）に形成された第２の衝突冷却開口（１２３）を含んでいる、請求項３記載のターボ機械（２）。
6. 前記少なくとも１つのタービン静翼（１１）が、前記プラットフォーム部分（４２）の第１及び第２の面（４４，４６）の内の一方（４６）に開口（７５）を含んでおり、該開口（７５）は前記冷却空洞（６０）に通じている、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のターボ機械（２）。
7. 前記開口（７５）は、前記翼形部分（４０）の軸方向範囲を超えて延在しない外縁を含んでいる、請求項６記載のターボ機械（２）。
8. 前記ターボ機械（２）は更に、前記開口（７５）にわたって延在する冷却空洞カバー（１４０）を含んでおり、前記冷却空洞カバー（１４０）は前記プラットフォーム部分（４２）に取外し可能に取り付けられ且つ前記翼形部分（４０）の軸方向範囲内に維持されている、請求項６記載のターボ機械（２）。
9. 更に、前記プラットフォーム部分（４２）を通って前記冷却空洞（６０）の中へ延在する冷却剤供給チャンネル（７８）を有している、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載のターボ機械（２）。
10. 前記ターボ機械（２）は更に、前記冷却空洞（６０）から前記プラットフォーム部分（４２）を通って延在する膜冷却通路（８４）を含み、該膜冷却通路（８４）は第１の面（４４）に露出した開口（８７）を含んでいる、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載のターボ機械（２）。