JP6105166B2 - 翼形の形状を有するヒートシンクを備えているタービンブレード - Google Patents

Description

本発明は、正圧側面、負圧側面、並びに、正圧側面及び負圧側面の内面によって境界づけられている冷却空気ダクトを有しているタービンブレードであって、冷却空気ダクトの内部には、上側輪郭及び下側輪郭を具備する翼形の形態とされる底面を有している円筒状のヒートシンクが配置されており、ヒートシンクが、正圧側面から負圧側面に至るまで延在しており、底面が、正圧側面又は負圧側面の内面に位置しており、撹拌器が、ヒートシンクの領域において正圧側面及び／又は負圧側面の内面に配置されている、タービンブレードに関する。

タービンは、流体（液体又は気体）の内部エネルギ（エンタルピー）を回転エネルギに、最終的には機械駆動エネルギに変換するターボ機械である。流体が−可能な限り乱流が存在しない層流として−タービンブレードの周囲において流れると、流体の内部エネルギの一部分が抽出され、タービンのロータブレードによって消費される。これにより、タービンシャフトが回転され、有用な動力がタービンシャフトに結合された機械に、例えば発電機に供給される。ロータブレード及びシャフトは、タービンの可動式ロータすなわちスプールの一部分であり、ケーシングの内部に配置されている。

概して、多数のブレードが軸に取り付けられている。航空機に取り付けられているロータブレードは、ブレードリングすなわちロータリングを形成している。ブレードは、航空機の翼形に類似する、僅かに湾曲した輪郭を有している。ステータリングは、一般にロータリングそれぞれの上流に配置されている。これらステータブレードは、ケーシングから流れている媒体の内部に向かって突出しており、流れている媒体を旋回させる。ステータリングで発生する旋回（運動エネルギ）は、後続のロータリングにおいて、ロータリングブレードが取り付けられているシャフトを回転させるために利用される。ステータリング及びロータリングを併せて、段と呼称する。多数のこのような段が直列に接続されていることがある。

タービンのタービンブレードには特に高い負荷が作用する。高い負荷は、極めて高い耐性を有する材料を必要とする。従って、タービンブレードは、チタン合金、ニッケル超合金、又はタングステン−モリブテン合金から作られている。ブレードは、温度及び例えば孔食のような侵食に対して一層高い耐性を有しているコーティングによって保護されている。熱から保護するためのコーティングは、遮熱コーティング又は略してＴＢＣと呼称されている。より高い耐熱性をブレードに付与するための他の手段としては、複雑な冷却ダクトシステム（ausgekluegelten Kuehlkanalsystemen）が挙げられる。このような手法は、ステータブレード及びロータブレードの両方において利用される。

多くの場合、−タービンブレードの輪郭の正圧側面と負圧側面との間に延在している−冷却ダクトは、タービンブレードの内部に成形されている。これに関連して、冷却ダクトは、正圧側面及び負圧側面の内面と他の導入された境界壁とによって境界づけられている。貫流する空気の冷却効果を改善するために、“ピンフィン”として知られているヒートシンクが必要に応じて配置されている。これらヒートシンクは、様々な形状を有しており、特に翼形に成形されている。このようなヒートシンクは、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３から当業者に知られている。

これらヒートシンクは、鋳造工程においてタービンブレードに導入される。さらに、冷却ダクトの内面には、特にこれらピンフィンの領域におけるタービンブレードの外壁の内面には、空気の乱流をさらに形成すると共に冷却効果を改善するために、撹拌器が取り付けられている場合がある。

近年、タービンブレードに作用する熱応力は、タービンの効率を制限する。材料が、制限された動作温度のみを許容するからである。しかしながら、高い動作温度は、カルノー効率に対して良い影響を及ぼす。

欧州特許第０２３０９１７号明細書 欧州特許第００３４９６１号明細書 米国特許第５５３６１４３号明細書

従って、本発明の目的は、冷却空気効果を改善することによってタービンの動作温度及び効率を一層高めることができる、発明の概要で言及するタイプのタービンブレードを示すことである。

当該目的は、上側輪郭に隣接する領域において発生する空気の乱流が下側輪郭に隣接する領域において発生する空気の乱流より小さくなるように撹拌器が配置されている、本発明によって達成される。

これに関連して、本発明は、これまではヒートシンクを、特に翼形のヒートシンクを利用した場合に、ヒートシンクに起因する温度勾配が考慮されていなかったという検討結果を発端とする。このような温度勾配は、構成部品に作用する熱応力の増大を意味し、これにより耐用寿命を縮めることになる。これに関連して、翼形を具備するヒートシンクは、このような温度勾配を生み出すと認識されている。冷却空気は、上側を通過する際に、すなわち輪郭の湾曲に起因して空気が輪郭の先縁部から輪郭の後縁部に至るより長い経路を通過する必要がある側を通過する際に、より速く流れるからである。その結果として、熱伝達が、下側と比較して上側において明確に改善される。従って、温度勾配を解消させるために、上側における熱伝達を高める必要がある。このことは、乱流を、すなわち下側の領域における空気の乱流を増大させることによってもたらせられる。このために、冷却ダクトの内面に配置された撹拌器は、上側輪郭に隣接する領域において発生する空気の乱流が下側輪郭に隣接する領域において発生する空気の乱流より小さくなるように配置されている。

優位には、当該目的を達成するために、ヒートシンクの下側輪郭に隣接する領域に配置されている撹拌器の数量は、上側輪郭に隣接する領域に配置されている撹拌器の数量より多い。例えば横方向レール、小さい垂直板や穴のような、層流を乱流に変化させる任意のタイプの人工的に取り付けられた表面欠陥が、撹拌器として利用される。上側輪郭に配置されている撹拌器の方が多い場合には、空気の乱流が大きくなるので、所望の効果が得られる。

さらに優位には、これに関連して、撹拌器が、ヒートシンクの上側輪郭に隣接する領域に配置されていない。これにより、上側輪郭の領域における空気の乱流が最小限度に抑えられるので、熱伝達が低減される。また、このことは、上側輪郭及び下側輪郭における熱伝達のバランスをとるのに貢献する。

一の優位な実施例では、撹拌器が、冷却空気ダクトの内部において主流れ方向に対して４５°より大きい角度で方向づけられている縁部を有している。これに関連して、撹拌器それぞれが、空気流に対して横方向に導入されているレールとして実現されている。このような形状は、比較的単純であるので、鋳造プロセスに導入することによって空気の乱流を確実に発生させることができる。

代替的又は付加的な優位な実施例では、ヒートシンクの下側輪郭に隣接する領域に配置されている撹拌器が上側輪郭に隣接する領域に配置されている撹拌器より凸状に形成されているので、空気の乱流が増大する。言い換えれば、下側輪郭に配置されている撹拌器は、冷却空気ダクトの内部に向かってさらに延在しているので、より明確な乱流を発生させることができる。

優位には、撹拌器は、上側輪郭からの放熱が下側輪郭からの放熱に相当するように配置されている。これにより、温度勾配を解消するという目的が最適に達成される。これに関連して、撹拌器の構成は、コンピュータモデリング又は一連の試験によって決定可能とされる。

優位には、複数のヒートシンクが冷却空気ダクトに特に格子状で配置されている。例えば、規則的な格子状に配置されたこのようなヒートシンクを形成することができ、冷却空気は規則的な格子状の配置を通過して流れる。格子状に配置することによって、冷却空気の貫流に対する障害を最小限度に抑える一方、同時に多数のヒートシンクが冷却空気に熱を伝達させることができる。

さらに、優位には、冷却空気ダクトがタービンブレードの輪郭の後縁部に隣接している。すなわち、タービンブレードの正圧側面と負圧側面との離隔距離は、タービンブレードの翼状の輪郭の後縁部において最小となる。正圧側面と負圧側面とが後縁部において鋭角に収束するからである。このために、タービンブレードの中央領域と比較して、後縁部ではほとんど冷却空気が流れないので、上述のように構成された撹拌器を具備するヒートシンクを利用することによって熱交換することができる表面領域を増大させることが優位である。

優位には、タービンのためのステータ又はロータは、ステータブレード又はロータブレードとしてこのようなタービンブレードを備えている。

優位には、タービンは、このようなステータ及び／又はロータを備えている。

優位には、これに関連して、タービンは、ガスタービンとして構成されている。特にガスタービンでは、熱応力及び機械的応力が特に高いので、タービンブレードの上述の実施例は、冷却ひいては効率に関して特に優位である。

優位には、発電所が、このようなタービンを備えている。

本発明によって達成される一の利点は、タービンブレードの冷却ダクトの内部に配置された翼形を有しているヒートシンクを利用し、温度勾配を解消することによって、特にタービンブレードの断面の後縁部において冷却が改善されることである。タービンブレードの耐用寿命が伸びるので、タービンブレードの外側における温度を高くすることができる。これにより、タービンの効率が高められる。

本発明の典型的な実施例について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

ガスタービンの部分的な縦断面図である。 ロータブレードの断面を表わす。 ロータブレードの縦断面図である。 上側輪郭の領域に撹拌器を具備するピンフィンを表わす。 相違する数量のピンフィンが撹拌器として下側輪郭及び上側輪郭に設けられていることを表わす。

すべての図面において、同一の部品には、同一の参照符号が付されている。

図１は、タービン１００の、当該実施例ではガスタービンの部分的な縦断面図である。ガスタービン１００の内部では、ガスタービン１００は、ロータ１０３が回転軸線１０２（アキシアル方向軸線）の周りに回転可能とされるように取り付けられているロータ１０３を有している。ロータ１０３は、タービンロータとも呼称される。入口ハウジング１０４と圧縮機１０５と複数の同軸配置されている燃焼器１０７を具備するトロイダル型燃焼室１１０、特に環状燃焼室１０６とタービン１０８と排出ガスハウジング１０９とがロータ１０３に沿って直列に配置されている。

環状燃焼室１０６は、環状の高温ガスダクト１１１と連通している。タービン１０８は、例えば４つの直列に接続されたタービン段１１２によって形成されている。タービン段１１２それぞれが、２つのブレードリングから形成されている。作動媒体１１３が流れる方向において見ると、高温ガスダクト１１１では、一列のステータブレード１１５が、ロータブレード１２０から形成されている列１２５の上流に配置されている。

これに関連して、ステータブレード１３０は、ステータ１４３に固定されているが、列１２５のロータブレード１２０は、タービンディスク１３３を介してロータ１０３に装着されている。従って、ロータブレード１２０は、ロータすなわちスプール１０３の構成部品である。発電機（図示しない）は、ロータ１０３に結合されている。

ガスタービン１００が動作している際に、圧縮機１０５は入口ハウジング１０４を通じて空気１３５を吸入し、空気１３５を圧縮する。圧縮機１０５のタービン側端部に位置する圧縮空気は、燃焼器１０７に到達し、燃焼器１０７において燃料と混合される。その後に、混合体はトロイダル型燃焼室１１０の内部で燃焼され、作動媒体１１３が形成される。トロイダル型燃焼室１１０から、作動媒体１１３が高温ガスダクト１１１に沿って流れ、ステータブレード１３０及びロータブレード１２０を通過する。作動媒体１１３は、ロータブレード１２０において膨張し、ロータブレード１２０にモーメントを作用させるので、ロータブレード１２０がロータ１０３を駆動させ、ロータ１０３がロータ１０３に結合されている発電機を駆動させる。

ガスタービン１００が動作している際に、高温の作動媒体１１３に曝されている構成部品には、熱応力が作用する。環状燃焼室１０６を裏打ちしている遮熱タイルを除けば、作動媒体１１３の流れ方向において見た場合における第１のタービン段１１２のステータブレード１３０及びロータブレード１２０には、最大の熱応力が作用する。ステータブレード１３０及びロータブレード１２０は、ステータブレード１３０及びロータブレード１２０において支配的な温度に耐えることができるように、冷却剤によって冷却される。同様に、ロータブレード１２０及びステータブレード１３０には、耐腐食コーティング（ＭＣｒＡｌＸ；Ｍ＝Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，希土類元素）及び遮熱コーティング（例えば、ＺｒＯ２，Ｙ２Ｏ４−ＺｒＯ２）が施されている。

ステータブレード１３０それぞれが、タービン１０８の内側ケーシング１３８に面しているステータブレード根元部（ここでは図示しない）と、ステータブレード根元部の反対側の端部であるステータブレード先端部とを有している。ステータブレード先端部がロータ１０３に面しており、ステータ１４３のシールリング１４０に固定されている。これに関連して、シールリング１４０がロータ１０３のシャフトを囲んでいる。

図２は、ロータブレード１２０の輪郭を例示的に表わす。当該輪郭は、航空機の翼形の輪郭に類似している。ロータブレード１２０は、丸められた先縁部１４４と後縁部１４６とを有している。ロータブレード１２０の正圧側面１４８及び負圧側面１５０は、先縁部１４４と後縁部１４６との間において延在している。冷却空気ダクト１５２は、ロータブレード１２０が延在する主方向に沿って、特に図２の平面に対して垂直に延在しており、正圧側面１４８と負圧側面１５０との間に挿置されており、壁１５４によって互いに分離されている。

これに関連して、冷却空気出口開口部１５６が先縁部１４４の領域に設けられており、冷却空気は冷却空気出口開口部１５６を通じて流出するので、ロータブレード１２０の外面には保護冷却膜が形成される。後縁部１４６に隣接している冷却空気ダクト１５２には、“ピンフィン”と呼称されるヒートシンク１５８がさらに配置されている。ヒートシンク１５８は、円筒状に、すなわち２つの平行且つ合同な平面（底面及び頂面）と側面すなわち円筒状面とによって境界づけられてる本体として形成されている。ここで、側面は、複数の平行な直線によって形成されている。これに関連して、底面及び頂面が、冷却空気ダクト１５２の境界壁に、すなわち正圧側側面１４８及び負圧側面１５０それぞれの内面に位置している。ヒートシンク１５８は、ヒートシンクの表面を冷却空気に曝すことによって、冷却空気とロータブレード１２０との間における熱伝達を改善する。これに関連して、ヒートシンク１５８は、翼形を有している。言い換えれば、底面及び頂面が翼形の形態とされる。従って、このような翼形に成形することによって、その結果としてヒートシンクの側方部分が翼形の上側の輪郭に相当し、さらなる側方部分は翼形の下側の輪郭に相当することになる。

図３は、ロータブレード１２０の縦断面図である。図３は、先縁部１４４に隣接する３つの平行配置された冷却空気ダクト１５２が、蛇行する共通のダクトを形成するように開口部１６０を介して接続されていることを表わす。冷却空気Ｋは、図３の下端から流入し、開口部１６０それぞれにおいて逆方向に方向転換されるので、冷却空気Ｋが冷却空気出口開口部１５６を最終的に過ぎ去るまで冷却空気ダクト１５２に沿ってさらに流される。

これら４つの冷却空気ダクト１５２の内部において、撹拌器１６２が、冷却空気Ｋの主流れ方向それぞれに対して横向きにされた状態でロータブレード１２０の平坦な外面に配置されている。撹拌器１６２は、人工的に形成された小さい表面欠陥とされる。撹拌器１６２は、乱流を発生させ、層流境界層流れを乱流境界層流れに変化させる。撹拌器１６２は、例えば横方向レール、小さい垂直方向板、又は穴から成る。典型的な実施例では、撹拌器１６２は、撹拌器１６２として熱伝達ひいては冷却効果を改善する冷却リブの形態とされる。対照的に、後縁部１４６に向かって方向づけられている冷却空気ダクト１５２は、別々に接続されており、上述のようにヒートシンク１５８を有している。図３は、ヒートシンク１５８が規則的な格子状に配置されていることを表わす。

上述の冷却構造については、ロータブレード１２０を例として説明した。このような冷却構造は、ステータブレード１３０に設けることもできる。ヒートシンク１５８及び撹拌器１６２の構造は、以下に説明するように、ステータブレード１３０にも適用可能とされる。

図４は、タービンブレード１２０，１３０の後縁部１４６に向かって方向づけられている冷却空気ダクト１５２の拡大詳細図である。図４は、冷却空気ダクト１５２の内部に配置されている４つのヒートシンク１５８と冷却空気Ｋの主流れ方向とを表わす。ヒートシンク１５８は、湾曲の方向において上側輪郭１６４を形成すると共に当該湾曲の反対側に下側輪郭１６６を形成するように湾曲している、翼形を有している。湾曲の方向は、主流れ方向の途中で変化する。撹拌器１６２は、冷却リブの形態とされ、すなわち主流れ方向に対して横方向に（４５°より大きい角度で）方向づけられている隆起部分とされる。

図４では、撹拌器１６２は、下側輪郭１６６それぞれの領域のみに配置されている。ヒートシンク１５８の上側輪郭１６４それぞれの領域には、撹拌器１６２が配置されていない。

図５に表わす代替的な実施例では、図４に表わす実施例とは対照的に、撹拌器１６２が上側輪郭１６４それぞれの領域に配置されているが、冷却空気ダクト１５２内では、撹拌器１６２の数量及び大きさが小さくなっている。

従って、撹拌器１６２は、上側輪郭１６４における空気の乱流が下側輪郭１６６における空気の乱流より小さくなるように、且つ、冷却空気Ｋへの熱伝達が下側輪郭１６６において改善されるように構成されている。これに関連して、撹拌器１６２は、下側輪郭１６６及び上側輪郭１６４における冷却空気Ｋへの熱伝達が等しくなるように、すなわち、増大する熱伝達が上側輪郭１６４における冷却空気Ｋの流速が増大することに起因して補償されるように構成されている。これにより、ヒートシンク１５８を亘る温度勾配が解消される。

１００ タービン（ガスタービン）
１０２ 回転軸線（アキシアル方向軸線）
１０３ ロータ（スプール）
１０４ 入口ハウジング
１０５ 圧縮機
１０６ 環状燃焼室
１０７ 燃焼器
１０８ タービン
１０９ 排出ガスハウジング
１１０ トロイダル型燃焼室
１１１ 高温ガスダクト
１１２ タービン段
１１３ 作動媒体
１１５ ステータブレード
１２０ ロータブレード
１２５ （ロータブレード１２０）から成る列
１３０ ステータブレード
１３３ タービンディスク
１３８ 内側ケーシング
１４０ シールリング
１４３ ステータ
１４４ （ロータブレード１２０の）先縁部
１４６ （ロータブレード１２０の）後縁部
１４８ （ロータブレード１２０の）正圧側面
１５０ （ロータブレード１２０の）負圧側面
１５２ 冷却空気ダクト
１５４ 壁
１５６ 冷却空気出口開口部
１５８ ヒートシンク
１６０ 開口部
１６２ 撹拌器
１６４ 上側輪郭
１６６ 下側輪郭
Ｋ 冷却空気

Claims (12)

1. 正圧側面（１４８）、負圧側面（１５０）、並びに、前記正圧側面（１４８）と前記負圧側面（１５０）との間に配置されている冷却空気ダクト（１５２）であって、前記正圧側面（１４８）及び前記負圧側面（１５０）の内面によって境界づけられている前記冷却空気ダクト（１５２）を有しているタービンブレード（１２０，１３０）において、
   前記冷却空気ダクト（１５２）の内部には、上側輪郭（１６４）及び下側輪郭（１６６）を具備する翼形の形態とされる底面（１５８）を有している円筒状のヒートシンク（１５８）が配置されており、前記ヒートシンク（１５８）が、前記正圧側面（１４８）から前記負圧側面（１５０）に至るまで延在しており、
   前記底面（１５８）が、前記正圧側面（１４８）又は前記負圧側面（１５０）の内面に位置しており、撹拌器（１６２）が、隣接する前記ヒートシンク（１５８）の領域において、前記正圧側面（１４８）及び前記負圧側面（１５０）のうち少なくとも１つの前記内面に配置されており、
   前記撹拌器（１６２）が、前記上側輪郭（１６４）に隣接する領域において発生する空気の乱流が、前記下側輪郭（１６６）に隣接する領域において発生する空気の乱流より小さいことを特徴とするタービンブレード（１２０，１３０）。
2. 前記ヒートシンク（１５８）の前記下側輪郭（１６６）に隣接する領域に配置されている前記撹拌器（１６２）の数量が、前記上側輪郭（１６４）に隣接する領域に配置されている前記撹拌器（１６２）の数量より多いことを特徴とする請求項１に記載のタービンブレード（１２０，１３０）。
3. 前記撹拌器（１６２）が、前記ヒートシンク（１５８）の前記上側輪郭（１６４）に隣接する領域に配置されていないことを特徴とする請求項２に記載のタービンブレード（１２０，１３０）。
4. 前記撹拌器（１６２）が、前記冷却空気ダクト（１５２）の内部における主流れ方向に対して４５°より大きい角度で方向づけられている縁部を有し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タービンブレード（１２０，１３０）。
5. 前記ヒートシンク（１５８）の前記下側輪郭（１６６）に隣接する領域に配置されている前記撹拌器（１６２）が、前記上側輪郭（１６４）に隣接する領域に配置されている前記撹拌器（１６２）より凸状に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のタービンブレード（１２０，１３０）。
6. 前記撹拌器（１６２）が、前記上側輪郭（１６４）からの放熱が前記下側輪郭（１６６）からの放熱に相当するように配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のタービンブレード（１２０，１３０）。
7. 複数の前記ヒートシンク（１５８）が、前記冷却空気ダクト（１５２）の内部に配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のタービンブレード（１２０，１３０）。
8. 前記冷却空気ダクト（１５２）が、前記タービンブレード（１２０，１３０）の後縁部（１４６）に隣接していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のタービンブレード（１２０，１３０）。
9. タービン（１００）のためのステータ（１４３）又はロータ（１０３）において、
   前記ステータ（１４３）又は前記ロータ（１０３）が、請求項１〜８のいずれか一項に記載のタービンブレード（１２０，１３０）を有していることを特徴とするステータ（１４３）又はロータ（１０３）。
10. 請求項９に記載のステータ（１４３）及び／又はロータ（１０３）を有していることを特徴とするタービン（１００）。
11. ガスタービン（１００）として構成されていることを特徴とする請求項１０に記載のタービン（１００）。
12. 請求項１０又は１１に記載のタービン（１００）を有していることを特徴とする発電所。

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