JP6334878B2 - 適応冷却経路を有するタービン構成部材 - Google Patents

Description

本出願およびその結果得られる特許は概して、ガスタービンエンジンに関し、特に、追加的な冷却流が冷却経路を通過できるように所定の温度で酸化、軟化、体積変化などを受ける化合物が充填された冷却経路などの適応冷却経路を有するガスタービン構成部材に関する。

概して、ガスタービンは、支持ロータディスクから外側に延びるバケットを有するいくつかの段を含む。各バケットは、高温の燃焼ガスが上方を流れるエーロフォイルを含む。エーロフォイルは、燃焼ガスによって発生する高温に耐えるように冷却されなければならない。冷却が不十分であるとエーロフォイルに対して過度の応力および酸化が生じ、疲労および／または損傷に至ることがある。したがって、エーロフォイルは概ね中空であり、いくつかの冷却穴などに至る１つまたは複数の内部冷却流回路を有する。冷却空気は冷却穴を通して排出され、エーロフォイルの外面のフィルム冷却を生じさせる。他の高温ガス経路構成部材を同様に冷却してもよい。

現場で所与の構成部材が稼働される前に多数のモデルおよびシミュレーションが実施されることがあるが、構成部材またはその任意の領域が達する厳密な温度はタービンの熱延伸および冷延伸に起因して大幅に異なることがある。温度特有の特性は過熱の悪影響を受けることがある。その結果、多くのタービン構成部材は、構成部材上に生じることがある局部的な高温点を補償するために過冷されることがある。しかし、そのような過度の冷却は、ガスタービンエンジン全体の出力および効率に悪影響を与えることがある。

したがって、エーロフォイルおよびその他の種類の高温ガス経路タービン構成部材の構造を改良することが望ましい。そのような改良された構造は、最小限の量の冷却空気によって局部的な高温点に対処することができる。そのような改良された構造は、ガスタービン全体の効率および出力を損なわずに構成部材の寿命を延ばすこともできる。

米国特許出願公開第２０１２／０１８９４３５号公報

したがって、本出願およびその結果得られる特許は、ガスタービンの高温ガス経路において使用されるタービン構成部材を提供する。タービン構成部材は、外面と、内部冷却回路と、内部冷却回路と連通し外面を貫通して延びる多数の冷却経路と、内部冷却回路と連通し、外面を貫通して延びる多数の適応冷却経路とを含んでもよい。

本出願およびその結果得られる特許は、高温ガス経路内で動作するタービン構成部材を冷却する方法をさらに提供する。この方法は、内部冷却回路に冷却材を流すことと、外面の多数の冷却経路に冷却材を流すことと、局部的な所定の温度に達した後で１つまたは複数の適応冷却経路内の高温化合物を酸化させることと、１つまたは複数の適応冷却経路に追加的な量の空気を流すこととを含んでもよい。

本出願およびその結果得られるさらなる特許は、ガスタービンの高温ガス経路において使用されるエーロフォイル構成部材を提供する。エーロフォイル構成部材は、外面と、多数の内部冷却回路と、内部冷却回路と連通し外面を貫通して延びる多数の冷却経路と、内部冷却回路と連通し、外面を貫通して延びる多数の適応冷却経路とを含んでもよい。適応冷却経路は、内部に高温化合物を含んでもよい。

当業者には、以下の詳細な説明をいくつかの図面および添付の特許請求の範囲と併せて検討したときに、本出願およびその結果得られるさらなる特許の上記の特徴および改良ならびにその他の特徴および改良が明らかになろう。

圧縮器、燃焼器、およびタービンを示すガスタービンエンジンの概略図である。 周知のタービンバケットの斜視図である。 本明細書で説明するようなタービン構成部材の一部の斜視図である。 図３のタービン構成部材の一部の側面断面図である。 図３のタービン構成部材の一部の側面断面図である。 本明細書で説明するようなタービン構成部材の代替実施形態の一部の側面断面図である。 図６のタービン構成部材の一部の側面断面図である。

次に、各図面を参照する。いくつかの図にわたって同じ参照符号は同じ要素を指す。図１は、本明細書で使用できるようなガスタービンエンジン１０の概略図を示す。ガスタービンエンジン１０は圧縮器１５を含んでもよい。圧縮器１５は、流入する空気２０を圧縮する。圧縮器１５は、圧縮空気２０の流れを燃焼器２５に分流する。燃焼器２５は、圧縮空気２０の流れを燃料３０の加圧流と混合し、混合物に点火して燃焼ガス３５の流れを形成する。単一の燃焼器２５が図示されているが、ガスタービンエンジン１０は、任意の数の燃焼器２５を含んでもよい。燃焼ガス３５の流れは順にタービン４０に供給される。燃焼ガス３５の流れはタービン４０を駆動し、機械的作用を生じさせる。タービン４０において生じる機械的作用によって、軸４５および発電機などの外部負荷５０を介して圧縮器１５が駆動される。

ガスタービンエンジン１０は天然ガス、様々な種類の合成ガス、および／または他の種類の燃料を使用してもよい。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のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙによって提供される多数の異なるガスタービンエンジンのいずれかであってもよい。ガスタービンエンジン１０は、様々な構成を有してもよく、他の種類の構成部材を使用してもよい。本明細書では他の種類のガスタービンエンジンを使用してもよい。本明細書では、複数のガスタービンエンジン、他の種類のタービン、および他の種類の発電装置を一緒に使用してもよい。

図２は、高温ガス経路５６において使用されるタービン４０と一緒に使用できるタービンバケット５５の一例を示す。概して、タービンバケット５５は、エーロフォイル６０と、シャンク部６５と、エーロフォイル６０とシャンク部６５との間に配設されたプラットフォーム７０とを含む。エーロフォイル６０は概して、プラットフォーム７０から半径方向上向きに延び、前縁部７２および後縁部７４を含む。エーロフォイル６０は、加圧側７６を画定する凹状面と、吸引側７８を画定する凸状面とを含んでもよい。プラットフォーム７０は、実質的に水平でありかつ平面状であってもよい。シャンク部６５は、プラットフォーム７０から半径方向下向きに延び、したがって、プラットフォーム７０は概して、エーロフォイル６０とシャンク部６５との間の接合面を画定する。シャンク部６５は内部にシャンクキャビティ８０を含んでもよい。シャンク部６５は、１つまたは複数のアングルウイング８２とダブテールなどのルート構造８４とをさらに含んでもよい。ルート構造８４は、タービンバケット５５を軸４５に固定するように構成されてもよい。本明細書では他の構成部材および他の構成を使用してもよい。

タービンバケット５５は、圧縮器１５または他の供給源からの空気などの冷却媒体８８を流せるようにタービンバケット５５内を延びる１つまたは複数の冷却回路８６を含んでもよい。冷却回路８６および冷却媒体８８は、エーロフォイル６０、シャンク部６５、およびプラットフォーム７０の少なくとも一部を任意の順序で、あるいは任意の方向に、あるいは任意のルートで循環してもよい。本明細書では多数の異なる種類の冷却回路および冷却媒体を使用してもよい。冷却回路８６は、多数の冷却穴９０または他の種類の冷却経路に至りフィルム冷却などを実施してもよい。本明細書では、他の構成要素および他の構成を使用してもよい。

図３は、本明細書で説明するようにタービン構成部材１００の一部の一例を示す。この例では、タービン構成部材１００は、エーロフォイル１１０および特にその側壁であってもよい。エーロフォイル１１０は、ブレードまたはベーンの一部などであってもよい。タービン構成部材１００は、シャンク、プラットフォーム、または任意の種類の高温ガス経路構成部材を含む任意の種類の空冷構成部材であってもよい。本明細書では他の種類の構成部材およびその他の構成を使用してもよい。

上述のエーロフォイルと同様に、エーロフォイル１１０は前縁部１２０および後縁部１３０を含んでもよい。同様に、エーロフォイル１１０は加圧側１４０と吸引側１５０とを含んでもよい。エーロフォイル１１０は、内部に１つまたは複数の内部冷却回路１６０を含んでもよい。冷却回路１６０は、多数の冷却穴１７５のような多数の冷却経路１７０に至ってもよい。冷却穴１７５は、エーロフォイル１１０の外面１８０を貫通して延びてもよい。冷却回路１６０および冷却穴１７５は、内部の冷却媒体１９０によってエーロフォイル１１０およびその構成部材を冷却する働きをする。任意の供給源からの空気、水蒸気のような任意の種類の冷却媒体１９０を使用してもよい。冷却穴１７５は任意のサイズ、形状、または構成を有してもよい。本明細書では任意の数の冷却穴１７５を使用してもよい。本明細書では他の種類の冷却経路１７０を使用してもよい。本明細書では他の構成部材および他の構成を使用してもよい。

図４および図５に示すように、エーロフォイル１１０は、多数の適応冷却経路２００を含んでもよい。この例では、適応冷却経路２００は、多数の適応冷却穴２１０の形をしていてもよい。適応冷却穴２１０は、冷却穴１７５と同様に外面１８０を貫通して延びてもよい。適応冷却穴２１０は、１つまたは複数の冷却回路１６０と連通してもよい。しかし、適応冷却穴２１０には高温化合物２２０を充填してもよい。高温化合物２２０は、耐高温性粒子を含む結合剤であってもよい。高温化合物２２０は、所定の完全燃焼温度で灰化するかまたはその他の方法で酸化してもよい。高温化合物２２０は、溶融ガラスと同様に（液化に対して）軟化してもよい。さらに、高温化合物２２０は、体積が変化し、すなわち負の熱膨張係数を有してもよい。本明細書では他の種類のプロセスを使用してもよい。

高温化合物２２０の例には、高温接着剤、封止剤、修理用化合物などに使用される任意の種類の化合物が含まれる。そのような化合物は、金属セラミック組成物、他の種類のセラミック組成物、およびその他の種類の材料であってもよい。そのような化合物の例には、ニューヨーク州ブルックリンのＣｏｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されているＲｅｓｂｏｎ接着剤および封止剤、ニューヨーク州バリーコテージのＡｒｅｍｃｏ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｉｎｃ．から市販されているＰｙｒｏ−Ｐｕｔｔｙ、オハイオ州アクロンのＡＰＶ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｃｏａｔｉｎｇｓから市販されているＭマスキング材料、オハイオ州ウエスタビルのＥｄｗａｒｄ Ｏｒｔｏｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎから市販されているＰｙｒｏｍｅｔｒｉｃ Ｃｏｎｅｓなどが含まれる。高温化合物２２０は、局部的な完全燃焼温度に達するまで適応冷却穴２１０に埋め込まれて適応冷却穴２１０を塞いでいてもよい。次いで、高温化合物２２０を灰化させるか、場合によっては高温化合物２２０に酸化、軟化、体積変化などを生じさせてもよい。適応冷却穴２１０の両端間の差圧によって適応冷却穴２１０から灰を噴出させ、適応冷却穴２１０に追加的な量１９５の冷却媒体１９０を流して外面１８０を冷却してもよい。

図６および図７は、適応冷却経路２００のさらなる例を示す。この例では、適応冷却経路２００は適応冷却溝２３０の形をとってもよい。適応冷却溝２３０は、１つまたは複数の適応冷却溝穴２４０と連通してもよい。適応冷却溝２３０は、エーロフォイル１１０の周囲または他の種類のタービン構成部材１００の周囲に位置してもよい。適応冷却溝２３０は任意のサイズ、形状、または構成を有してもよい。任意の数の適応冷却溝２３０を使用してもよい。同様に、適応冷却溝穴２４０は任意のサイズ、形状、または構成を有してもよい。適応冷却溝２３０の全体または一部に高温化合物２２０を充填してもよい。上述のように、所定の完全燃焼温度に達した後で高温化合物２２０を焼き払うか、場合によっては高温化合物２２０に酸化、軟化、または体積変化を生じさせ、追加的な量１９５の冷却媒体１９０の分だけ適応冷却溝穴２４０ならびに適応冷却溝２３０の全体または一部を開放してもよい。本明細書では他の構成部材および他の構成を使用してもよい。

使用時には、エーロフォイル１１０などのタービン構成部材１００を掘削して冷却穴１７５などの冷却経路１７０およびその他の種類の冷却機能を設けてもよい。タービン構成部材１００に遮熱コーティングを被覆してもよい。次いで、適応冷却経路２００に高温化合物２２０を充填してもよい。次いで、タービン構成部材１００を稼働させてもよい。タービン構成部材１００またはタービン構成部材１００上の局部的な高温点が高温化合物２２０の完全燃焼温度を超えた場合、高温化合物２２０が燃え尽きるか、場合によっては酸化して適応冷却経路２００を開放し、追加的な量１９５の冷却媒体１９０が構成部材１００を冷却し、高温点の影響をなくすかあるいは少なくとも軽減するのを可能にする。

したがって、適応冷却経路２００を使用すると、タービン構成部材１００はガスタービン１０の全体的な動作条件に適応することができる。タービン構成部材１００またはその一部領域が予想される温度よりも高温である場合、適応冷却経路２００は、追加的な量１９５の冷却媒体１９０によって破砕および酸化またはその他の有害な高温効果などの問題を緩和することができる。

適応冷却経路２００は、冷却媒体１９０の使用を最低限に抑えることもできる。具体的には、適応冷却経路２００は、タービン構成部材１００またはそのある領域が指定された完全燃焼温度に達した後にのみ追加的な体積１９５分だけ開放される。したがって、適応冷却経路２００によって、設計時間を短縮し、現場でのばらつきを低減させることができる。タービン構成部材１００の全体的な寿命も延びるはずである。具体的には、構成部材１００が動作することのできる間隔数を増やすことができる。同様に、必要な適応冷却経路２００を追加的な量１９５の冷却媒体の分だけ開放すればよいという点で、冷却媒体１９０の量を低減させることもできる。さらに、過熱の心配がなければ新しい冷却方策を使用してもよい。

本出願では、改良された構造において利用すべき加熱パターンおよび冷却パターンを確認することを目的として冷却された構成部材を試験することもできる。適応冷却を作動させると、以後の構成部材において冷却媒体を反復的にかつよりうまく利用することができる。

上記の内容が本出願およびその結果得られる特許のある実施形態にのみ関することは明らかであろう。当業者によって、以下の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される本発明の概略的な趣旨および範囲から逸脱せずに実施形態に多数の変更および修正を施してもよい。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮器
２０ 空気
２５ 燃焼器
３０ 燃料
３５ 燃焼ガス
４０ タービン
４５ 軸
５０ 負荷
５５ バケット
５６ 高温ガス経路
６０ エーロフォイル
６５ シャンク
７０ プラットフォーム
７２ 前縁部
７４ 後縁部
７６ 加圧側
７８ 吸引側
８０ シャンクキャビティ
８２ ウイング
８４ ルート構造
８６ 冷却回路
８８ 冷却媒体
９０ 冷却穴
１００ タービン構成部材
１１０ エーロフォイル
１２０ 前縁部
１３０ 後縁部
１４０ 加圧側
１５０ 吸引側
１６０ 冷却回路
１７０ 冷却穴
１７５ 冷却経路
１８０ 外面
１９０ 冷却媒体
１９５ 追加的な冷却量
２００ 適応冷却経路
２１０ 受動冷却穴
２２０ 適応温度化合物
２３０ 適応冷却溝
２４０ 適応冷却溝穴

Claims (17)

1. ガスタービンの高温ガス経路において使用されるタービン構成部材であって、
   外面と、
   内部冷却回路と、
   前記内部冷却回路と連通し前記外面を貫通して延びる複数の冷却経路と、
   前記内部冷却回路と連通する複数の冷却経路であって、前記複数の冷却経路の中空部を画定する内壁を有し、前記外面を貫通して延びる複数の冷却経路と、
   前記複数の冷却経路及び、前記外面と連通し、円錐形状部分を有する複数の冷却溝と、
   前記複数の冷却溝の少なくとも一部を充填するように、前記複数の冷却溝内に配置され、前記複数の冷却溝の壁に接着された高温化合物と、
   を備え、
   前記高温化合物は、前記複数の冷却経路の前記中空部の終端から前記外面への経路を塞ぎ、
   前記高温化合物は、前記複数の冷却経路に配置されず、
   前記高温化合物は、所定の焼却温度で、前記円錐形状部分において焼き払らわれるタービン構成部材。
2. エーロフォイルを備える、請求項１記載のタービン構成部材。
3. 前記エーロフォイルはブレードまたはベーンを備える、請求項２記載のタービン構成部材。
4. 前記タービン構成部材を被覆する遮熱コーティングを備える、請求項１乃至３のいずれかに記載のタービン構成部材。
5. 前記高温化合物は、前記所定の焼却温度で灰化する、請求項１乃至４のいずれかに記載のタービン構成部材。
6. 灰化した前記高温化合物は、前記複数の冷却溝の外に噴出する、請求項５記載のタービン構成部材。
7. 前記複数の冷却経路は複数の適応冷却穴を備える、請求項１乃至６のいずれかに記載のタービン構成部材。
8. 前記内部冷却回路を通って流れる冷却媒体をさらに備える、請求項１乃至７のいずれかに記載のタービン構成部材。
9. 前記冷却媒体は前記複数の冷却経路を通って流れる、請求項８記載のタービン構成部材。
10. 追加的な量の前記冷却媒体をさらに備え、前記追加的な量の前記冷却媒体は、局部的な所定の温度に達した後で前記複数の冷却経路を通って流れる、請求項８記載のタービン構成部材。
11. 前記タービン構成部材はシャンクを備える、請求項１乃至１０のいずれかに記載のタービン構成部材。
12. 高温ガス経路内で動作するタービン構成部材を冷却する方法であって、
    内部冷却回路に冷却材を流すステップと、
    外面の複数の冷却経路に前記冷却材を流すステップであって、前記複数の冷却経路が、前記複数の冷却経路の中空部を画定する内壁を有し、円錐形状部分を有する複数の冷却溝が前記外面と連通している、前記ステップと、
    高温化合物で、前記内部冷却回路から前記外面への経路を塞ぐステップであって、前記高温化合物が、前記複数の冷却溝の少なくとも一部を充填するように、前記複数の冷却溝内に配置され、前記高温化合物が、前記複数の冷却経路に配置されない、前記ステップと、
    前記複数の冷却溝で前記高温化合物を加熱するステップと、
    前記複数の冷却溝に渡る圧力差を生成するステップと、
    局部的な所定の温度に達した後で前記複数の冷却溝内の高温化合物を灰化させるステップと、
    前記複数の冷却経路に追加的な量の空気を流すステップとを含む方法。
13. ガスタービンの高温ガス経路において使用されるエーロフォイル構成部材であって、
    外面と、
    複数の内部冷却回路と、
    前記複数の内部冷却回路と連通し前記外面を貫通して延びる複数の冷却経路と、
    前記複数の内部冷却回路と連通する複数の冷却経路であって、前記複数の冷却経路の中空部を画定する内壁を有し、複数の冷却経路と、
    前記複数の冷却経路及び、前記外面と連通し、その少なくとも一部が高温化合物で充填される円錐形状部分を有する複数の冷却溝と、を備え、
    前記高温化合物は、前記複数の内部冷却回路から前記外面への経路を塞ぎ、
    前記高温化合物は、前記複数の冷却経路に配置されず、
    前記高温化合物は、所定の焼却温度で、前記円錐形状部分から排除されるエーロフォイル構成部材。
14. 前記高温化合物は所定の温度で酸化する、請求項１３記載のエーロフォイル構成部材。
15. 前記高温化合物は所定の温度で軟化するかあるいは体積が変化する、請求項１３記載のエーロフォイル構成部材。
16. 前記複数の冷却経路は、複数の適応冷却穴を備え、遮熱コーティングが前記タービン構成部材を被覆する、請求項１３乃至１５のいずれかに記載のエーロフォイル構成部材。
17. 前記複数の冷却経路を通って流れる冷却媒体をさらに備え、局部的な所定の温度に達した後で前記複数の冷却溝を通って流れる追加的な量の前記冷却媒体をさらに備える、請求項１３乃至１６のいずれかに記載のエーロフォイル構成部材。