JP6742753B2 - 侵入損失を制御するためのタービンバケットプラットフォーム - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、全体的に回転機械に関し、より詳細には、ガスタービン及び蒸気タービンそれぞれにおける高温ガス又は蒸気のパッキング漏出及び主流の混合低減に関する。
当該技術分野で知られるように、タービンは、ステータ又はノズルアセンブリの静翼の列とロータアセンブリのホイール／ディスク上のバケットの列が交互に配置されたものを利用している。これらの交互する列は、ロータ及びステータに沿って軸方向に延在し、燃焼ガス又は蒸気が通過するときに、該燃焼ガス又は蒸気がロータを転回させることができる。
回転バケットと静止ノズルとの間の境界部での軸方向／半径方向開口は、高温燃焼ガス又は蒸気が主流から出てバケット列間に介在するホイールスペースに半径方向に流入するのを可能にする。ガスタービンにおいて、冷却空気又は「パージ空気」が、バケット列間のホイールスペースに導入される場合が多い。このパージ空気は、ホイールスペース及びバケットから半径方向内向きの他の領域内の構成要素及びスペースを冷却すると共に、高温ガスのホイールスペース内へのこれ以上の侵入を制限するための冷却空気の逆流を提供する役割を果たす。それでも尚、バケット列間のホイールスペース内への燃焼ガス又は蒸気の侵入は、約１％〜約１．５％のタービン効率の低下をもたらす。
一実施形態では、本発明は、プラットフォーム部分と、プラットフォーム部分から半径方向外向きに延在する翼形部と、プラットフォーム部分内に半径方向内向きに延在し、プラットフォーム部分の前縁に対してある角度で配置された１以上の凹部とを備えるタービンバケットを提供する。
別の実施形態では、本発明は、第１のプラットフォーム部分と、第１のプラットフォーム部分から半径方向外向きに延在する第１の翼形部と、第１のプラットフォーム部分内に半径方向内向きに延在し且つ第１のプラットフォーム部分の前縁に対してある角度で配置された１以上の凹部とを含む第１のタービンバケットと、第２のプラットフォーム部分と、第２のプラットフォーム部分から半径方向外向きに延在する第２の翼形部と、第２のプラットフォーム部分内に半径方向内向きに延在し且つ第２のプラットフォーム部分の前縁に対してある角度で配置された１以上の凹部とを含む第２のタービンバケットとを備える、タービンを提供する。
本発明のこれら及び他の特徴は、本発明の種々の実施形態を示した添付図面を参照しながら、本発明の種々の態様に関する以下の詳細な説明から容易に理解されるであろう。
本発明の図面は縮尺通りではない点に留意されたい。当該図面は、本発明の典型的な態様のみを描くことを意図しており、従って、本発明の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面では、同じ参照符号は、複数の図面にわたり同じ要素を示している。
次に図面に移ると、図１は、第１段ノズル２０と第２段ノズル２２との間に配置されたバケット４０を含むガスタービン１０の一部の概略断面図を示す。バケット４０は、当業者には理解されるように、軸方向に延在するロータ（図示せず）から半径方向外向きに延在する。バケット４０は、実質的に平坦なプラットフォーム４２と、該プラットフォーム４２から半径方向外向きに延在した翼形部と、プラットフォーム４２から半径方向内向きに延在したシャンク部６０とを含む。
シャンク部６０は、第１段ノズル２０に向かって軸方向外向きに延在するエンジェルウィングシール７０，７２のペアと、第２段ノズル２２に向かって軸方向外向きに延在するエンジェルウィングシール７４とを含む。エンジェルウィングシールの異なる数及び構成が実施可能であり、本発明の範囲内にある点は理解されたい。本明細書で記載されるエンジェルウィングシールの数及び構成は、単に例証の目的で提示されているに過ぎない。
図１から明らかなように、ノズル面３０及び阻止部材３２は、第１段ノズル２０から軸方向に延在しており、エンジェルウィングシール７０，７２それぞれから半径方向外向きに配置される。このため、ノズル面３０は、エンジェルウィングシール７０に重なり合うが接触しておらず、阻止部材３２は、エンジェルウィングシール７２に重なり合うが接触していない。第２段ノズル２２及びエンジェルウィングシール７４の阻止部材３２に関しても同様の構成が示されている。図１に示す構成において、タービンの作動中、例えば、ノズル面３０、エンジェルウィングシール７０、及びプラットフォーム４４の間に大量のパージ空気が配置され、これにより高温ガス流路２８内へのパージ空気の漏出と、高温ガス流路２８からホイールスペース２６内への高温ガスの侵入の両方を制限することができる。
図１は、バケット４０が第１段バケットに相当するように、第１段ノズル２０と第２段ノズル２２の間に配置されたバケット４０を示しているが、これは単に例証及び説明の目的に過ぎない。本明細書で記載される本発明の原理及び実施形態は、同様の結果を達成することが期待されるタービンの何れの段のバケットにも適用することができる。
図２は、バケット４０の一部の斜視図を示す。図示のように、翼形部５０は、前縁５２と後縁５４とを含む。シャンク部６０は、エンジェルウィング７０とプラットフォームリップ４４との間に配置された、後縁５４よりも前縁５２により近接した面６２を含む。
図３は、本発明の一実施形態による、バケット１４０，２４０のペアの斜視図を示す。ここで、バケット１４０は、翼形部１５０の前縁１５２に隣接したプラットフォーム１４２に沿って凹部１９２，１９４のペアを含む。具体的には、プラットフォーム１４２は、上流側凹部１９２及び下流側凹部１９４を含む。プラットフォーム２４２は、翼形部２５０の前縁２５２及びバケット１４０の上流側凹部１９２に隣接するプラットフォーム２４２に沿った下流側凹部２９４を含む。
凹部１９２，１９４，２９４は、何れかの公知の又は将来開発される方法に従ってプラットフォーム１４２，２４２に機械加工することができる。或いは、凹部１９２，１９４，２９４は、プラットフォーム１４２，２４２の一部として鋳造することができる。
図４は、本発明の一実施形態による、３つのバケット１４０，２４０，３４０の半径方向内向きに見た概略図を示す。図３と同様に、上流側凹部１９２は、プラットフォーム１４２の前縁１４６から上流側縁部１４５まで延在する。上流側凹部１９２は、下流側凹部２９４と隣接しており、該下流側凹部２９４は、プラットフォーム２４２の前縁２４６から下流側縁部２４７まで延在する。同様に、上流側凹部２９２は、プラットフォーム２４２の前縁２４６から上流側縁部２４５まで延在する。上流側凹部２９２は、下流側凹部３９４と隣接しており、該下流側凹部３９４は、プラットフォーム３４２の前縁３４６から下流側縁部３４７まで延在する。
図５は、高温ガス２８０，３８０の流れに対するバケット１４０，２４０，３４０の半径方向内向きに見た概略図を示す。凹部１９２，２９４，２９２，３９４は、高温ガス２８０，３８０の流れを変化させる。具体的には、凹部１９２，２９４，２９２，３９４は、翼形部２５０，３５０それぞれの前面２５３，３５３の周りに配向される高温ガス２８０，３８０のスワールを変えるよう機能する。翼形部２５０の前面２５３の周りに高温ガス２８０を配向することにより、プラットフォーム１４２及び２４２間並びにホイールスペース２６（図１）内への高温ガス２８０の侵入が低減される。ホイールスペース２６内への高温ガス２８０の侵入の低減により、タービン効率が改善される。典型的には、本発明の実施形態による凹部がガスタービンの高圧段及び／又は中圧段で利用された場合、タービン効率は最大で約０．０８％まで改善される。
高温ガス２８０，３８０のスワールを変化させる範囲は、例えば、凹部１９２，２９４，２９２，３９４がプラットフォーム１４２，２４２，３４２内に半径方向内向きに延在する深さによって決まる。通常、凹部１９２，２９４，２９２，３９４は、最大で約１００ミル（すなわち、約０．１インチ）の深さまで、例えば、約１０ミル〜約１００ミル、又は約２０ミル〜約９０ミル、又は約３０ミル〜約８０ミル、又は約４０ミル〜約７０ミル、又は約５０ミル〜約６０ミルの深さまでプラットフォーム１４２，２４２，３４２内に半径方向内向きに延在する。
同様に、高温ガス２８０，３８０のスワールを変化させる範囲は、プラットフォーム前縁１４６，２４６，３４６に対して凹部１９２，２９４，２９２，３９４が配置される角度によって決まる。上流側凹部１９２，２９２，３９２は、通常、プラットフォーム前縁１４６，２４６，３４６に対して約４５度〜約８０度の角度が付けられる。下流側凹部１９４，２９４，３９４は、通常、プラットフォーム前縁１４６，２４６，３４６に対して約９０度〜約１２０度の角度が付けられる。本明細書で記載され且つ図３〜５に示すように、凹部１９２，２９４，２９２，３９４の角度は、上流側縁部１４５，２４５，３４５から測定したときの角度である。
ガスタービンの作動に関して上記に記載されたプラットフォーム凹部の動作原理はまた、蒸気タービンの作動にも適用される。例えば、図６は、本発明の一実施形態による、蒸気タービンバケット４４０の概略側面図を示す。拡大図Ａ及びＢは、それぞれ上流側縁部４４５及び下流側縁部４４７に隣接したプラットフォーム４４２の半径方向内向きに見た図を示す。拡大図Ａでは、上流側凹部４９２が、前縁４４６に対して角度αの角度が付けられて示されている。拡大図Ｂでは、下流側凹部４９４が、前縁４４６に対して角度βの角度が付けられて示されている。
図３〜５に関して上述されたように、上流側凹部４９２及び下流側凹部４９４は、最大で約１００ミルの深さまで、例えば、約１０ミル〜約１００ミル、又は約２０ミル〜約９０ミル、又は約３０ミル〜約８０ミル、又は約４０ミル〜約７０ミル、又は約５０ミル〜約６０ミルの深さまでプラットフォーム４４２内に半径方向内向きに延在する。本発明の実施形態によるプラットフォーム凹部を利用した蒸気タービンの効率の向上は、ガスタービンに関して上述した内容と同様である。通常、最大で約０．０８％の効率の向上が観測される。
本明細書で使用される単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り、複数形態も含む。更に、本明細書内で使用する場合に、「含む」及び／又は「備える」という用語は、そこに述べた特徴部、完全体、ステップ、動作、要素及び／又は構成部品の存在を明示しているが、１以上の特徴部、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことは理解されるであろう。
本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
１０ ガスタービン
２０ 第１段ノズル
２２ 第２段ノズル
２６ ホイールスペース
２８ 高温ガス流路
３０ ノズル面
３２ 阻止部材
４０ バケット
４２ プラットフォーム
４４ プラットフォームリップ
５０ 翼形部
５２ 前縁
５４ 後縁
６０ シャンク部
６２ 面
７０，７２，７４ エンジェルウィングシール
１４０ バケット
１４２ プラットフォーム
１４５ 上流側縁部
１４６ 前縁
１５０ 翼形部
１５２ 前縁
１９２ 凹部
１９４ 下流側凹部
２４０ バケット
２４２ プラットフォーム
２４５ 上流側縁部
２４６ 前縁
２４７ 下流側縁部
２５０ 翼形部
２５２ 前縁
２５３ 前面
２８０ 高温ガス
２９２ 上流側凹部
２９４ 下流側凹部
３４０ バケット
３４２ プラットフォーム
３４５ 上流側縁部
３４６ 前縁
３４７ 下流側縁部
３５０ 翼形部
３５３ 前面
３８０ 高温ガス
３９２ 上流側凹部
３９４ 下流側凹部
４４２ プラットフォーム
４４５ 上流側縁部
４４６ 前縁
４４７ 下流側縁部
４９２ 上流側凹部
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３９４ 下流側凹部
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４４７ 下流側縁部
４９２ 上流側凹部
４９４ 下流側凹部
Claims (3)
- タービンバケット（１４０，２４０，３４０，４４０）であって、当該タービンバケットが、
プラットフォーム部分（１４２，２４２，３４２，４４２）と、
プラットフォーム部分から半径方向外向きに延在する翼形部（１５０，２５０，３５０）と
を備えており、
翼形部が、前縁（１５２，２５２）、負圧側面及び正圧側面を含んでおり、
プラットフォーム部分が、翼形部の前縁の側に位置するプラットフォーム部分の前縁（１４６，２４６，３４６，４４６）、翼形部の正圧側面の側に位置するプラットフォーム部分の上流側縁部（１４５，２４５，３４５，４４５）、及び翼形部の負圧側面の側に位置するプラットフォーム部分の下流側縁部（１４７，２４７，３４７，４４７）を含んでおり、
プラットフォーム部分の前縁において、１以上の凹部（１９２，１９４，２９２，２９４，３９２，３９４，４９２，４９４）がプラットフォーム部分内に半径方向内向きに延在しており、
１以上の凹部が、
プラットフォーム部分の前縁からプラットフォーム部分の上流側縁部まで延在し、プラットフォームの接平面においてプラットフォーム部分の前縁に対して４５度〜８０度の角度（α）が付けられている上流側凹部（１９２，２９２，３９２，４９２）と、
プラットフォーム部分の前縁からプラットフォーム部分の下流側縁部まで延在し、プラットフォームの接平面においてプラットフォーム部分の前縁に対して９０度〜１２０度の角度（β）が付けられている下流側凹部（１９４，２９４，３９４，４９４）と
を含んでおり、
１以上の凹部が、プラットフォーム部分内に最大で１００ミル（２．５４ｍｍ）の深さまで半径方向内向きに延在している、タービンバケット。 - 作動状態において、１以上の凹部が、プラットフォーム部分を越えて通過する高温ガスのスワールを変化させるように適合される、請求項１に記載のタービンバケット。
- タービン（１０）であって、
複数のタービンバケットであって、各々が請求項１又は請求項２に記載のタービンバケットである、複数のタービンバケット
を備える、タービン。
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