JP6746315B2 - ホイールスペースパージ用空気の制御のためのタービンバケット - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、一般的に、回転機械に関し、より具体的には、ガスタービンにおけるホイールスペースパージ用空気の制御に関する。

本技術分野で知られているように、ガスタービンは、ロータ組立体のホイール／ディスク上に、ステータ又はノズル組立体上の固定ベーン列と交互の、バケット列を使用する。これらの交互の列は、ロータ及びステータに沿って軸方向に延び、燃焼ガスが交互の列を通って流れると、ロータを回転させることができる。

回転バケットと固定ノズルとの間の境界における軸方向／半径方向の開口部は、高温の燃焼ガスが高温ガス経路から出て、バケット列の間に介在するホイールスペースに半径方向に入ることを可能にする。高温ガスのかかる侵入を制限するために、バケット構造は、典型的には、軸方向に突出するエンゼルウイングを採用しており、これは、隣接するステータ又はノズルから軸方向に延びる阻止部材と協働する。これらのエンゼルウイングと阻止部材は、オーバラップするが接触せず、高温ガスがホイールスペースに侵入するのを制限する役割を果たす。

加えて、冷却空気つまり「パージ用空気」は、バケット列の間のホイールスペースに導入されることが多い。このパージ用空気は、ホイールスペース内及びバケットの半径方向内側の他の領域の構成要素及び空間を冷却する役割を果たし、さらに冷却空気を逆流させて高温ガスがホイールスペースに侵入するのをさらに制限する役割を果たす。従って、エンゼルウイングシールは、さらにパージ用空気が高温ガス流路に流出するのを制限するように設計される。

それにもかかわらず、ほとんどのガスタービンでは、パージ用空気の相当量が高温ガス流路に漏出してしまう。例えば、第１段及び第２段ホイールスペースにおけるパージ用空気の漏出が０．１％から０．３％の間である可能性がある。その結果、より冷たいパージ用空気と高温ガス流路との混合により、温度差だけでなく、流れ方向の相違又はパージ用空気及び高温ガスの渦流に起因して、混合が大きく損なわれる。

米国特許第８４１９３５６号明細書

１つの実施形態において、本発明はタービンバケットを提供し、このタービンバケットは、プラットフォーム部と、プラットフォーム部から半径方向外向きに延びる翼形部と、プラットフォーム部から半径方向内向きに延びるシャンク部と、シャンク部の面から軸方向に延びるエンゼルウイングと、各々がエンゼルウイングを貫通して半径方向に延び、エンゼルウイングの長さに沿って配置された複数の空隙と、を備える。

別の実施形態において、本発明はガスタービンを提供し、このガスタービンは、ディフューザと、ディフューザに隣接した最終段タービンバケットとを備え、最終段タービンバケットは、プラットフォーム部から半径方向外向きに延びる翼形部と、プラットフォーム部から半径方向内向きに延びるシャンク部と、シャンク部の面から軸方向に延びるエンゼルウイングと、含み、エンゼルウイングは、各々がエンゼルウイングを貫通して半径方向に延び、エンゼルウイングの長さに沿って配置された複数の空隙を含む。

さらに別の実施形態において、本発明はタービンバケットを提供し、このタービンバケットは、エンゼルウイングと、エンゼルウイングの長さに沿った複数の空隙とを備え、複数の空隙の各々は、エンゼルウイングを貫通して半径方向に延び、タービンバケットの長手方向軸及び前記タービンバケットの回転方向の両方に対して角度がついている凹面を含む。

本発明のこれら及び他の特徴は、本発明の各種実施形態を示す添付図面と併用される本発明の各種態様の以下の詳細な説明から容易に理解されるであろう。

公知のタービンの一部の概略断面図。 公知のタービンバケットの斜視図。 本発明の実施形態によるタービンバケットの一部の斜視図。 図３のタービンバケットの一部を軸方向内向きに見た図。 図３のタービンバケットの一部を半径方向下向きに見た図。 公知のタービンバケットとの関連におけるパージ用空気流の概略図。 本発明の実施形態によるタービンバケットとの関連におけるパージ用空気流の概略図。 本発明の実施形態によるタービンバケット最終段及びディフューザの概略図。 公知のタービン及び本発明の実施形態によるタービンのディフューザ入口平面における渦流スパイクプロファイルのグラフ。 公知のタービン及び本発明の実施形態によるタービンのディフューザ入口平面における全圧力スパイクプロファイルのグラフ。

本発明の図面は、縮尺通りでないことに留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様を示すことのみを意図しており、従って、本発明の範囲を限定すると考えるべきではない。図面において、各図面の間で同様の番号は同様の要素を表す。

ここで図面を参照すると、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。当業者であれば理解できるように、バケット４０は、軸方向に延びるロータ（図示せず）から半径方向外向きに延びる。バケット４０は、概ね平面のプラットフォーム４２、プラットフォーム４２から半径方向外向きに延びる翼形部、プラットフォーム４２から半径方向内向きに延びるシャンク部６０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びる１対のエンゼルウイングシール７０、７２と、第２段ノズル２２に向かって軸方向外向きに延びるエンゼルウイングシール７４とを含む。異なる数及び配置のエンゼルウイングシールが可能であり、本発明の範囲内であることを理解されたい。本明細書で説明されるエンゼルウイングシールの数及び配置は、例示目的のためだけに提供されている。

図１から分かるように、ノズル表面３０及び阻止部材３２は、第１段ノズルから軸方向に延び、かつ、それぞれエンゼルウイングシール７０及び７２の各々の半径方向外側に配置される。このように、ノズル表面３０はエンゼルウイングシール７０にオーバラップするが接触せず、阻止部材３２はエンゼルウイングシール７２にオーバラップするが接触しない。第２段ノズル２２の阻止部材３２及びエンゼルウイングシール７４についても類似の配置が示される。図１に示す配置において、タービンの運転中、例えば、大量のパージ用空気をノズル表面３０、エンゼルウイングシール７０及びプラットフォームリップ４４の間に供給することができ、これにより、パージ用空気が高温ガス流路２８へ流出すること及び高温ガスが高温ガス流路２８からホイールスペース２６に侵入することの両方が制限される。

図１では、バケット４０が第１段ノズル２０と第２段ノズル２２との間に配置され、バケット４０が第１段バケットを表すように示されるが、これは図示及び説明の目的のためだけである。本明細書で説明される本発明の原理及び実施形態は、タービンの任意の段のバケットに適用して類似の結果を達成することが期待できる。

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、エンゼルウイング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より前縁５２に近い面６２を含む。

図３は、本発明の実施形態によるタービンバケット４０の一部の斜視図を示す。図３から分かるように、複数の空隙１１０は、エンゼルウイング７０を貫通して半径方向に延びる。図３に示すように、複数の空隙１１０は、エンゼルウイングリム７４よりも面６２の近くでエンゼルウイング７０に沿って軸方向内側に配置される。図４には長方形断面形状（すなわち半径方向内向き）の複数の空隙１１０の各々が示されているが、これは必要でも必須でもない。当業者あれば理解できるように、任意の断面形状を採用することができ、これは本発明の範疇にある。

図３に示すように、複数の空隙１１０は、エンゼルウイング７０の長さに沿って実質的に均等に配置される。しかしながら、このことは必要でも必須でもないことに留意されたい。本発明の他の実施形態によれば、複数の空隙１１０は、エンゼルウイング７０の長さに沿って不規則に配置することができ、例えば、空隙は、エンゼルウイング７０の一端では他端に比べて数が多いか、エンゼルウイング７０の中央部に向かってより数が多いか、又は何らかの他の構成である。

図４は、軸方向内向きに見たタービンバケット４０の一部のエンゼルウイング７０に沿った断面図である。図４から分かるように、本発明の１つの実施形態では、空隙１１０は、凸面１１２及び凹面１１４を含み、エンゼルウイング７０を貫通する湾曲又はアーチ形通路を形成する。すなわち、空隙１１０は、半径方向外側開口１１０Ａから、凸面１１２及び凹面１１４に沿って、半径方向内側の開口１１０Ｂまでの経路を辿る。これにより、半径方向内側開口１１０Ｂは、半径方向外側開口１１０Ａよりもエンゼルウイング７０の端部７０Ａの近くに配置される。

エンゼルウイング７０を貫通する空隙１１０のこの湾曲又はアーチ形形状は、エンゼルウイング７０とプラットフォームリップ４４との間のパージ用空気の渦流速度を増大させる。以下に詳細に説明するように、このことは、カーテン作用をもたらし、高温ガスがホイールスペース２６（図１）に進入するのを制限しながら同時にホイールスペース２６から漏出するパージ用空気の量を低減する
図５は、タービンバケット４０の一部を半径方向下向きに見た図を示す。各空隙１１０の凹面１１４が見える。加えて、図４に示すように、凹面１１４は、さらに軸方向に角度がついている。すなわち、凹面１１４は長手方向軸Ｒ_Ｌ及びタービンバケット４０の回転方向Ｒの両方に対して角度がついている。従って、エンゼルウイング７０を半径方向外向きに貫通する空隙１１０の形状は、パージ用ガスに渦流を与えることになり、パージ用ガスをエンゼルウイングリム７４に向かう軸方向及びエンゼルウイング７０の端部７０Ａに向かう横方向の両方向に向ける。

図６は、公知のタービンバケットにおけるパージ用空気流の概略図を示す。パージ用空気８０は、面６２の近くで、領域８２に集結し、より高い渦流速度を有する。対照的に、図７は、本発明の種々の実施形態による、パージ用空気８０に対する空隙１１０（図５）の作用を示す概略図である。ここで、パージ用空気８０が集結し、より高い渦流速度を示す領域８３は、図６と比較すると、面６２からプラットフォームリップ４４の遠位端に向かって、より遠ざかっている。事実上、これが領域８３においてカーテン作用をもたらし、高温ガス流路２８からの高温ガス９５の侵入を制限し、同時にホイールスペース２６から高温ガス流路２８へ漏出するパージ用空気８０の量を低減させる。

本発明の実施形態を用いて達成されるタービン効率の向上は、多くの要因に起因する。第１に、上述のように、渦流速度の増大は、パージ用空気の高温ガス流路２８への漏出を減少させ、渦流の増大は、漏出するパージ用空気に起因する混合損を減少させ、本発明による空隙により生じるカーテン作用は、高温ガス９５がホイールスペース２６に侵入するのを減少させるか又は防止する。これらの各々が、観察される効率の向上に寄与する。

加えて、必要とされるパージ用空気の全体量は、少なくとも２つの理由により減少する。第１に、漏出するパージ用空気の減少は、必然的に置換する必要があるパージ用空気を減少させ、タービン効率に直接、好ましい作用をもたらす。第２に、高温ガス９５のホイールスペース２６への侵入の減少は、ホイールスペース２６内の温度上昇、及び追加のパージ用空気を導入することにより温度を下げるために必要な付随物を減少させる。必要な総パージ用空気に対するこれらの低減の各々は、パージ用空気を提供する圧縮機等の他のシステム構成要素に対する必要性を減少させる。

上記では、エンゼルウイング内の空隙が、ホイールスペース内、特にタービンバケットの前段に隣接するホイールスペース内でのパージ用空気の渦流速度を変化させる能力について参照したが、このようなエンゼルウイング空隙を任意の段のタービンバケットに採用して、パージ用空気渦流速度及び角度を同様に変化させることができることに留意されたい。事実、本出願人は、エンゼルウイングリム空隙を最終段バケット（ＬＳＢ）に採用する場合に非常に有効な結果を得られることに気付いた。

ディフューザ入口の内側半径領域における全圧力（Ｐ_Ｔ）及び渦流プロファイルの各スパイクは、高温ガス流とＬＳＢに隣接するホイールスペースを出るパージ用空気の渦流との間の不一致の結果である。本出願人は、本発明の各種実施形態によるエンゼルウイング空隙は、内側半径に近いディフューザ入口におけるＰ_Ｔスパイクの増大させることができるが、同時に、同一位置における又はその近くの渦流スパイクを減少させることができることを発見した。これらのそれぞれがディフューザ性能を改善させる。例えば、エンゼルウイング空隙は、ＬＳＢホイールスペースを出るパージ用空気の渦流角度を１〜３度だけ変化させるが、Ｐ_Ｔスパイクを１５〜３０％だけ増加させることが分かっている。

図８は、ディフューザ３００に隣接するＬＳＢ１４０の概略図を示す。高温ガス１９５は、ディフューザ入口平面３１０においてディフューザ３００に入り、ストラット３２０に向かう。本発明の実施形態による空隙は、パージ用空気が高温ガス１９５と混合する際のパージ用空気の渦流不一致を減少させ、高温ガス１９５がストラット３２０に入る際の高温ガス１９５の分離を防止する。同時に、空隙は、Ｐ_Ｔスパイクを増大させる。

図９は、ディフューザ入口平面高さの関数としての渦流スパイクのグラフを示す。プロファイルＡは、本発明の実施形態によるエンゼルウイング空隙を有するタービンに対する渦流スパイクを表す。プロファイルＢは、本技術分野で公知のエンゼルウイングを有するタービンに対する渦流スパイクを表す。プロファイルＡは、ディフューザ入口平面の半径方向内側位置で渦流スパイクが著しく減少することを示す。

図１０は、ディフューザ入口平面高さの関数としてのＰ_Ｔスパイクのグラフを示す。プロファイルＡは、本発明の実施形態によるエンゼルウイング空隙を有するタービンに対するＰ_Ｔスパイクを表す。プロファイルＢは、本技術分野で公知のエンゼルウイングを有するタービンに対するＰ_Ｔスパイクを表す。プロファイルＡは、ディフューザ入口平面の半径方向内側位置でＰ_Ｔスパイクが増大することを示す。

本明細書で用いられる場合、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈がそうでないことを明確に示さない限り、複数形も含むことを意図している。さらに、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書で用いられる場合、記述された特徴、整数、ステップ、操作、要素、及び／又は構成要素の存在を指定するが、１つ又はそれ以上の他の特徴、整数、ステップ、操作、要素、構成要素、及び／又はそれらの群の存在又は追加を排除するものではないことが理解されるであろう。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること及びあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
プラットフォーム部と、
上記プラットフォーム部から半径方向外向きに延びる翼形部と、
上記プラットフォーム部から半径方向内向きに延びるシャンク部と、
上記シャンク部の面から軸方向に延びるエンゼルウイングと、
各々が上記エンゼルウイングを貫通して半径方向に延び、上記エンゼルウイングの長さに沿って配置された複数の空隙と、
を備えるタービンバケット。
［実施態様２］
運転時、上記複数の空隙は、上記エンゼルウイングと上記プラットフォーム部の間のパージ用空気の渦流速度を変更するようになっている、実施態様１に記載のタービンバケット。
［実施態様３］
上記プラットフォーム部から軸方向に延びるプラットフォームリップをさらに備える、実施態様２に記載のタービンバケット。
［実施態様４］
上記パージ用空気は、上記エンゼルウイングと上記プラットフォームリップとの間に供給される、実施態様３に記載のタービンバケット。
［実施態様５］
上記複数の空隙のうちの少なくとも１つは、長方形断面形状である、実施態様１に記載のタービンバケット。
［実施態様６］
上記複数の空隙のうちの少なくとも１つは、凹面を有する、実施態様１に記載のタービンバケット。
［実施態様７］
上記凹面は、軸方向に角度がついている、実施態様６に記載のタービンバケット。
［実施態様８］
上記凹面は、上記タービンバケットの回転方向に対して角度がついている、実施態様６に記載のタービンバケット。
［実施態様９］
上記複数の空隙は、上記エンゼルウイングの長さに沿って不規則に分散される、実施態様１に記載のタービンバケット。
［実施態様１０］
ディフューザと、
上記ディフューザに隣接した最終段タービンバケットと、
を備えるガスタービンであって、
上記最終段タービンバケットは、
プラットフォーム部から半径方向外向きに延びる翼形部と、
上記プラットフォーム部から半径方向内向きに延びるシャンク部と、
上記シャンク部の面から軸方向に延びるエンゼルウイングと、
を含み、
上記エンゼルウイングは、各々が上記エンゼルウイングを貫通して半径方向に延び、上記エンゼルウイングの長さに沿って配置された複数の空隙を含む、ガスタービン。
［実施態様１１］
運転時、上記複数の空隙は、上記ディフューザの入口での全圧力（ＰＴ）スパイクを増大させるようになっている、実施態様１０に記載のガスタービン。
［実施態様１２］
上記複数の空隙は、上記ディフューザの入口の内半径の近くのＰＴを増大させるようになっている、実施態様１１に記載のガスタービン。
［実施態様１３］
運転時、上記複数の空隙は、上記ディフューザの入口の渦流スパイクを低減するようになっている、実施態様１０に記載のガスタービン。
［実施態様１４］
運転時、上記複数の空隙は、上記ディフューザの入口の内半径の近くの渦流スパイクを低減するようになっている、実施態様１３に記載のガスタービン。
［実施態様１５］
上記複数の空隙のうちの少なくとも１つは、長方形断面形状である、実施態様１０に記載のガスタービン。
［実施態様１６］
上記複数の空隙のうちの少なくとも１つは、凹面を含む、実施態様１０に記載のガスタービン。
［実施態様１７］
上記凹面は、軸方向に角度がついている、実施態様１６に記載のガスタービン。
［実施態様１８］
上記凹面は、上記タービンバケットの回転方向に対して角度がついている、実施態様１６に記載のガスタービン。
［実施態様１９］
上記複数の空隙は、上記エンゼルウイングの長さに沿って不規則に分散される、実施態様１０に記載のガスタービン。
［実施態様２０］
エンゼルウイングと、
上記エンゼルウイングの長さに沿った複数の空隙と、
を備えるタービンバケットであって、
上記複数の空隙の各々は、上記エンゼルウイングを貫通して半径方向に延び、上記タービンバケットの長手方向軸及び上記タービンバケットの回転方向の両方に対して角度がついている凹面を含む、タービンバケット。

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 ノズル表面
３２ 阻止部材
４０ タービンバケット
４２ 略平面プラットフォーム
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 エンゼルウイング
７２ エンゼルウイングシール
７４ エンゼルウイングシール
８０ パージ用空気
８２ 領域
８３ 領域
９５ 高温ガス
１１０ 空隙
１１０Ａ 半径方向外側開口
１１０Ｂ 半径方向内側開口
１１２ 凸面
１１４ 凹面
１４０ 最終段バケット（ＬＳＢ）
１９５ 高温ガス
３００ ディフューザ
３１０ ディフューザ入口平面
３２０ ストラット

Claims (10)

1. タービンバケット（４０）であって、当該タービンバケット（４０）が、
   プラットフォーム部（４２）と、
   前記プラットフォーム部（４２）から半径方向外向きに延びる翼形部（５０）と、
   前記プラットフォーム部（４２）から半径方向内向きに延びるシャンク部（６０）と、
   前記シャンク部（６０）の面（６２）から軸方向に延びるエンゼルウイング（７０）と、
   前記エンゼルウイング（７０）の長さに沿って配置された複数の空隙（１１０）であって、前記複数の空隙（１１０）の各々が凸面（１１２）及び凹面（１１４）によって画成され、前記複数の空隙（１１０）の各々が、前記エンゼルウイング（７０）を貫通して半径方向外側開口（１１０Ａ）から前記凹面（１１４）及び前記凸面（１１２）に沿って半径方向内側開口（１１０Ｂ）まで延びる、複数の空隙（１１０）と
   を備えており、
   前記凹面（１１４）が、当該タービンバケットの長手方向軸（Ｒ _Ｌ ）及び当該タービンバケットの回転方向（Ｒ）の両方に対して角度がついており、前記半径方向外側開口（１１０Ａ）が当該タービンバケットの回転方向（Ｒ）において半径方向内側開口（１１０Ｂ）の後方にあり、前記凹面（１１４）が当該タービンバケットの回転方向（Ｒ）において前記凸面（１１２）の後方にある、タービンバケット（４０）。
2. 運転時、前記複数の空隙（１１０）は、前記エンゼルウイング（７０）と前記プラットフォーム部（４２）の間でパージ用空気（８０）のカーテン作用をもたらす、請求項１に記載のタービンバケット。
3. 前記プラットフォーム部（４２）から軸方向に延びるプラットフォームリップ（４４）をさらに備える、請求項２に記載のタービンバケット。
4. 前記パージ用空気（８０）は、前記エンゼルウイング（７０）と前記プラットフォームリップ（４４）との間に供給される、請求項３に記載のタービンバケット。
5. 前記複数の空隙（１１０）のうちの少なくとも１つは、長方形断面形状である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のタービンバケット。
6. 前記複数の空隙（１１０）は、前記エンゼルウイング（７０）の長さに沿って不規則に分散される、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のタービンバケット。
7. ディフューザ（３００）と、
   前記ディフューザ（３００）に隣接した最終段タービンバケット（１４０）と
   を備えるガスタービン（４０）であって、
   前記最終段タービンバケット（１４０）が、
   プラットフォーム部（４２）から半径方向外向きに延びる翼形部（５０）と、
   前記プラットフォーム部（４２）から半径方向内向きに延びるシャンク部（６０）と、
   前記シャンク部（６０）の面（６２）から軸方向に延びるエンゼルウイング（７０）と
   を含み、
   前記エンゼルウイング（７０）が、前記エンゼルウイング（７０）の長さに沿って配置された複数の空隙（１１０）であって、前記複数の空隙（１１０）の各々が凸面（１１２）及び凹面（１１４）によって画成され、前記複数の空隙（１１０）の各々が、前記エンゼルウイング（７０）を貫通して半径方向外側開口（１１０Ａ）から前記凹面（１１４）及び前記凸面（１１２）に沿って半径方向内側開口（１１０Ｂ）まで延びる、複数の空隙（１１０）を含んでおり、
   前記凹面（１１４）が、当該タービンバケットの長手方向軸（Ｒ _Ｌ ）及び当該タービンバケットの回転方向（Ｒ）の両方に対して角度がついており、前記半径方向外側開口（１１０Ａ）が当該タービンバケットの回転方向（Ｒ）において半径方向内側開口（１１０Ｂ）の後方にあり、前記凹面（１１４）が当該タービンバケットの回転方向（Ｒ）において前記凸面（１１２）の後方にある、
   ガスタービン。
8. 運転時、前記複数の空隙は、前記ディフューザの入口での全圧力（ＰＴ）スパイクを増大させる、請求項７に記載のガスタービン。
9. 前記複数の空隙は、前記ディフューザの入口の半径方向内側位置近くのＰＴスパイクを増大させる、請求項８に記載のガスタービン。
10. 運転時、前記複数の空隙は、前記ディフューザの入口の渦流スパイクを低減する、請求項７に記載のガスタービン。