JP6924021B2 - 多重壁ブレードのためのプラットフォームコア供給部 - Google Patents

Description

本開示は、全体的に、タービンシステムに関し、より詳細には、多重壁ブレードのためのプラットフォームコア供給部に関する。

ガスタービンシステムは、発電などの分野において広く利用されているターボ機械の１つの実施例である。従来のガスタービンシステムは、圧縮機セクション、燃焼セクション、及びタービンセクションを含む。ガスタービンシステムの作動中、システムにおけるタービンブレードのような様々な構成要素は、高温流に晒され、これにより構成要素の機能不全を引き起こす可能性がある。一般に、より高い温度の流れになるほど、ガスタービンシステムの性能、効率、及び出力の向上をもたらすので、ガスタービンシステムが高温で作動できるようにするために、高温流に晒される構成要素を冷却するのが有利である。

タービンブレードは通常、複雑な迷路の内部冷却チャンネルを含む。例えば、ガスタービンシステムの圧縮機によって提供される冷却空気は、内部冷却チャンネルを通過して、タービンブレードを冷却することができる。

多重壁タービンブレード冷却システムは、内部の壁近傍冷却回路を含むことができる。このような壁近傍冷却回路は、例えば、多重壁ブレードの外壁に隣接した壁近傍冷却チャンネルを含むことができる。壁近傍冷却チャンネルは、通常は小型で、必要な冷却流が少ないながらも効果的な冷却を生じさせるのに十分な速度を依然として維持している。また、通常は大型で冷却効果が低い多重壁ブレードの中央チャンネルは、多重壁ブレードの冷却空気の供給源として用いることができ、再分配用に「使用済みの」冷却流を収集して再配向し、多重壁ブレードの熱負荷領域を低下させるための１つ又はそれ以上の再利用回路において用いることができる。

米国特許第８７３４１０８号明細書

本開示の第１の態様は、多重壁ブレード及びプラットフォームを含むタービンバケットのための冷却システムを提供する。多重壁ブレードのための冷却回路は、外側キャビティ回路及び冷却空気を外側キャビティ回路から収集するための中央キャビティと、外側キャビティ回路から冷却空気を受け取るためのプラットフォームコア空気供給部と、プラットフォームコア空気供給部をプラットフォームのプラットフォームコアに流体接続するための空気通路とを含む。

本開示の第２の態様は、多重壁ブレード及びプラットフォームを含むタービンバケットのための冷却回路を形成する方法であって、タービンバケットの外部からプラットフォームコア空気供給部を通ってプラットフォームのプラットフォームコアに延びる孔を形成するステップであって、プラットフォームコア空気供給部は多重壁ブレードの中央キャビティに接続される、ステップと、タービンバケットの外部に隣接した孔の部分を塞ぐステップとを含み、塞がれていない孔の部分は、プラットフォームコア空気供給部とプラットフォームコアとの間に空気通路を形成する、方法を提供する。

本開示の第３の態様は、圧縮機構成要素、燃焼器構成要素、及び複数のタービンバケットを含むタービン構成要素を含むガスタービンシステムであって、タービンバケットの少なくとも１つは多重壁ブレード及びプラットフォームを含む、ガスタービンシステムと；多重壁ブレード内に配置された冷却システムとを含み、該冷却システムは、外側キャビティ回路及び外側キャビティ回路から冷却空気を収集するための中央キャビティと、中央キャビティから冷却空気を受け取るためのプラットフォームコア空気供給部と、プラットフォームコア空気供給部をプラットフォームのプラットフォームコアに流体接続するための空気通路と、を含む、ターボ機械を提供する。

本開示の例示的な態様は、本明細書で記載される問題及び／又は検討していない他の問題を解決する。

本開示のこれら及び他の特徴要素は、本開示の種々の実施形態を示した添付図面を参照しながら、本開示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。

実施形態による、多重壁ブレードを含むタービンバケットの斜視図。 種々の実施形態による、図１の線Ｘ−Ｘに沿った、図１の多重壁ブレードの断面図。 種々の実施形態による、中間ブレード正圧側面冷却回路を示す、図２の一部の断面図。 種々の実施形態による、中間ブレード正圧側面冷却回路の斜視図。 種々の実施形態による、中間ブレード正圧側面冷却回路の側面図。 種々の実施形態による、プラットフォームコア供給部をプラットフォームコアに接続する方法の図。 種々の実施形態による、プラットフォームコア供給部をプラットフォームコアに接続する方法の図。 種々の実施形態による、ガスタービンシステムの概略図。 種々の実施形態による、冷却回路の側面図。

本開示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、本開示の典型的な態様のみを描くことを意図しており、従って、本開示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。

上述のように、本開示は、全体的に、タービンシステムに関し、より詳細には、多重壁ブレードのためのプラットフォームコア供給部に関する。

図において（例えば、図８参照）、「Ａ」軸は軸方向を表している。本明細書で使用される場合、用語「軸方向の」及び／又は「軸方向に」は、ターボ機械（詳細にはロータセクション）の回転軸に実質的に平行な軸線Ａに沿った物体の相対的位置／方向を指す。更に本明細書で使用される場合、用語「半径方向の」及び「半径方向に」は、軸線Ａに実質的に垂直で且つ１箇所でのみ軸線Ａと交わる軸線「ｒ」（例えば、図１参照）に沿った物体の相対的位置／方向を指す。加えて、用語「円周方向の」及び／又は「円周方向に」は、軸線Ａを囲み且つあらゆる位置にて軸線Ａと交わらない円周（ｃ）に沿った物体の相対的位置／方向を指す。

図１を見ると、タービンバケット２の斜視図が示される。タービンバケット２は、シャンク４と、該シャンク４に結合され且つシャンク４から半径方向外向きに延びる多重壁ブレード６とを含む。多重壁ブレード６は、正圧側面８と、反対側の負圧側面１０と、先端領域３８とを含む。多重壁ブレード６は更に、正圧側面８と負圧側面１０の間にある前縁１４、並びに前縁１４の反対側の側部上で正圧側面８と負圧側面１０の間にある後縁１６を含む。多重壁ブレード６は、正圧側面プラットフォーム５及び負圧側面プラットフォーム７から半径方向に離れるように延びる。プラットフォーム３は、多重壁ブレード６とシャンク４との間の交点又は移行部に配置される。

シャンク４及び多重壁ブレード６は各々、１つ又はそれ以上の金属（例えば、鋼鉄、鋼鉄合金、その他）から形成することができ、従来の手法によって形成（例えば、鋳造、鍛造、又は他の機械加工）することができる。シャンク４及び多重壁ブレード６は、一体的に形成（例えば、鋳造、鍛造、３次元プリント、その他）することができ、或いは、別個の構成要素として形成してもよく、後で接合（例えば、溶接、ろう付け、接着、又は他の結合機構により）される。

図２は、図１の線Ｘ−Ｘに沿った多重壁ブレード６の断面図を示す。図示のように、多重壁ブレード６は、複数の内部キャビティを含むことができる。実施形態において、多重壁ブレード６は、前縁キャビティ１８、複数の正圧側面（壁近傍）キャビティ２０Ａ〜２０Ｅ、複数の負圧側面（壁近傍）キャビティ２２Ａ〜２２Ｆ、複数の後縁キャビティ２４Ａ〜２４Ｃ、及び複数の中央キャビティ２６Ａ、２６Ｂを含む。言うまでもなく、多重壁ブレード６のキャビティ１８、２０、２２、２４、２６の数は、例えば、多重壁ブレード６の特定の構成、サイズ、使用目的等に応じて変わり得る。この点に関して、本明細書に開示される実施形態に示す多重壁ブレード６のキャビティ１８、２０、２２、２４、２６の数は、限定することを意図するものではない。実施形態によると、キャビティ１８、２０、２２、２４、２６の異なる組み合わせを用いて、様々な冷却回路を提供することができる。

図３及び図４において、冷却回路、例えば、中間ブレード正圧側面冷却回路３０を含む１つの実施形態が示される。正圧側面冷却回路３０は、前縁１４と後縁１６との間にある、多重壁ブレード６の正圧側面８に隣接して配置される。正圧側面冷却回路３０は、正圧側面キャビティ２０Ｃ、２０Ｄ及び２２Ｅによって形成された、前方に流れる３経路蛇行回路である。他の実施形態においては、正圧側面キャビティ２０Ｃ〜２２Ｅを通る冷却空気の流れ方向を逆にすることによって、後方に流れる３経路蛇行冷却回路を設けることができる。

図１と共に図３及び図４を参照すると、例えば、ガスタービンシステム１０２（図８）の圧縮機１０４によって生成される供給冷却空気３２が、（例えば、少なくとも１つの冷却空気供給部を介して）シャンク４（図１）を通り、正圧側面キャビティ２０Ｅの基部３４に送り込まれる。冷却空気３２は、正圧側面キャビティ２０Ｅを通って多重壁ブレード６の先端領域３８（図１）に向かって半径方向外向きに流れる。転向部３６は、冷却空気３２を、正圧側面キャビティ２０Ｅから正圧側面キャビティ２０Ｄに再配向する。冷却空気３２は、正圧側面キャビティ２０Ｄを通って正圧側面キャビティ２０Ｄの基部３９に向かって半径方向内向きに流れる。転向部４０は、冷却空気３２を、正圧側面キャビティ２０Ｄの基部３９から正圧側面キャビティ２０Ｃの基部４２に再配向する。冷却空気３２は、正圧側面キャビティ２０Ｃを通って多重壁ブレード６の先端領域３８に向かって半径方向外向きに流れる。転向部４４は、冷却空気３２を、正圧側面キャビティ２０Ｃから中央キャビティ２６Ｂに再配向する。冷却空気３２は、中央キャビティ２６Ｂを通って中央キャビティ２６Ｂの基部４６に向かって半径方向内向きに流れる。

ここで図１と関連して図５を参照すると、図５は、種々の実施形態による、中間ブレード正圧側面冷却回路３０の側面図である。図示のように、冷却空気３２は、中央キャビティ２６Ｂの基部４６からプラットフォームコア空気供給部４８に向かって流れ、該プラットフォームコア空気供給部４８は、シャンク４の側面に向かって中央キャビティ２６Ｂから離れるように延びる。プラットフォームコア空気供給部４８は、端部タブ５０を含む。空気通路５２は、プラットフォームコア空気供給部４８の端部タブ５０からプラットフォーム３のコア５４に延びる。空気通路５２により、冷却空気３２が、プラットフォームコア空気供給部４８の端部タブ５０を通ってプラットフォームコア５４に流入し、プラットフォーム３を冷却する（例えば、対流冷却を介して）ことが可能になる。プラットフォーム３は、正圧側面プラットフォーム５及び／又は負圧側面プラットフォーム７を含むことができる。冷却空気３２は、少なくとも１つのフィルムアパーチャ６０を介して、プラットフォームコア５４から冷却フィルム５８として出て、プラットフォーム３のフィルム冷却を与えることができる。

図６及び図７に関して、実施形態による、プラットフォームコア空気供給部４８の端部タブ５０をプラットフォームコア５４に流体接続する方法が説明される。中間ブレード正圧側面冷却回路３０と関連して説明されるが、本明細書に開示される概念は、冷却空気を、プラットフォームコア又は冷却を必要とし得る他のコアに供給するように構成された任意の冷却回路と共に用いるように適合させ得ることが明らかであろう。

図６において、機械加工作業（例えば、穿孔作業）を実施して、シャンク４の外部からプラットフォームコア５４へドリル孔６４を形成する。図示のように、ドリル孔６４は、シャンク４及びプラットフォームコア空気供給部４８の端部タブ５０を通って、プラットフォームコア５４の内部に延びる。プラットフォームコア空気供給部４８の端部タブ５０間のドリル孔６４の部分は、空気通路５２を形成する。同じく図１を参照すると、ドリル孔６４は、正圧側面シャンク６６又は負圧側面シャンク６８内に形成することができる。他の実施形態において、ドリル孔６４は、正圧側面スラッシュ面７０、負圧側面スラッシュ面７２内に、又はプラットフォームプリントアウトを通って形成することができる。他の実施形態において、拡張チャネル４８は、端部タブ５０を含まないことがある。この場合、ドリル孔６４は、拡張チャネル４８を通ってプラットフォームコア５４に入る。一般に、ドリル孔６４は、ドリル孔６４が、プラットフォームコア空気供給部４８の部分（例えば、端部タブ５０）及びプラットフォームコア５４の両方を接続するように、任意の適切な位置に向けることができる。

図７に示すように、プラグ７４（例えば、金属プラグ）をシャンク４内に固定して、冷却空気３２がシャンク４を通って端部タブ５０から漏出するのを防止する。プラグ７４は、例えば、ろう付け又は他の適切な技術を介して、固定することができる。

図８は、本明細書で用いることができるガスターボ機械１０２の概略図を示す。ガスターボ機械１０２は、圧縮機１０４を含むことができる。圧縮機１０４は、流入する空気１０６の流れを圧縮する。圧縮機１０４は、圧縮空気１０８の流れを燃焼器１１０に送給する。燃焼器１１０は、圧縮空気１０８の流れと燃料１１２の加圧流とを混合して、混合気を点火し、燃焼ガス１１４の流れを生成する。単一の燃焼器１１０のみが図示されているが、ガスターボ機械１０２は、あらゆる数の燃焼器１１０を含むことができる。次いで、燃焼ガス１１４の流れは、タービン１１６に送給され、該タービンは通常、複数のタービンバケット２（図１）を含む。燃焼ガス１１４の流れは、タービン１１６を駆動して、機械的仕事を生成する。タービン１１６において生成された機械的仕事は、シャフト１１８を介して圧縮機１０４を駆動し、また、発電機及び／又は同様のものなどの外部負荷１２０を駆動するのに用いることができる。

中間ブレード正圧側面蛇行冷却回路３０と共に使用するために、プラットフォームコア供給部が説明されている。しかしながら、プラットフォームコア供給部は、冷却空気がキャビティ内に収集される多重壁ブレードにおいて、いずれのタイプの冷却回路（非蛇行回路、蛇行回路等）と共に用いてもよい。例えば、図９は、種々の実施形態による冷却回路２００の側面図を示す。

図１と共に説明される図９において、供給冷却空気３２が、シャンク４を通って、多重壁ブレード６の１つ又はそれ以上の外側キャビティ２０２（例えば、キャビティ２０、２２、２４、２６）の基部３４に送り込まれる。図９には、１つの外側キャビティ２０２のみが示される。冷却空気３２は、外側キャビティ２０２を通って多重壁ブレード６の先端領域３８に向かって半径方向外向きに流れる。導管２０４は、冷却空気３２を外側キャビティ２０２から中央キャビティ２０６（例えば、中央キャビティ２６）に再配向する。冷却空気３２は、中央キャビティ２０６を通って中央キャビティ２０６の基部２０８に向かって半径方向内向きに流れる。

冷却空気３２は、中央キャビティ２０６の基部２０８からプラットフォームコア空気供給部４８に流入し、該プラットフォームコア空気供給部４８は、シャンク４の側面に向かって中央キャビティ２０６から離れるように延びる。プラットフォームコア供給部４８は、端部タブ５０を含む。空気通路５２は、プラットフォームコア供給部４８の端部タブ５０からプラットフォーム３のコア５４に延びる。空気通路５２により、冷却空気３２が、プラットフォームコア供給部４８の端部タブ５０を通ってプラットフォームコア５４に流入し、プラットフォーム３を冷却する（例えば、対流冷却を介して）ことが可能になる。プラットフォーム３は、正圧側面プラットフォーム５及び／又は負圧側面プラットフォーム７を含むことができる。冷却空気３２は、少なくとも１つのフィルムアパーチャ６０を介してプラットフォームコア５４から冷却フィルム５８として出て、プラットフォーム３のフィルム冷却をもたらすことができる。

様々な実施形態において、互いに「結合される」ものとして記載される構成要素は、１つ又はそれ以上の境界部に沿って接合することができる。一部の実施形態において、これらの境界部は、別個の構成要素間の接合部を含むことができ、他の場合では、これらの境界部は、堅固に及び／又は一体的に形成される相互接続部を含むことができる。すなわち、一部の場合において、互いに「結合される」構成要素は、単一の連続部材を定めるよう同時に形成することができる。しかしながら、他の実施形態では、これらの結合された構成要素は、別個の部材として形成されて、その後、既知のプロセス（例えば、締結、超音波溶接、接着）を通じて接合してもよい。

要素又は層が別の要素「の上にある」、「に係合される」、「に接続される」、又は「に結合される」と呼ばれる場合、要素又は層は、直接的に別の要素の上にあり、係合され、接続され、又は結合することができ、或いは、介在要素が存在してもよい。対照的に、要素が別の要素の「直接的に上にあり」、「直接係合され」、「直接接続され」、又は「直接結合される」と呼ばれる場合には、介在する要素又は層は存在しない。要素間の関係を記述するのに使用される他の用語は、同様に解釈すべきである（例えば、「間にある」と「直接間にある」、「隣接する」と「直接隣接する」、その他）。本明細書で使用される用語「及び／又は」は、関連して挙げられる要素の１つ又はそれ以上の要素の何れか及び全ての組み合わせを含む。

本明細書で使用される用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本開示を限定するものではない。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／又は構成要素の存在を明示しているが、１つ又はそれ以上の特徴部、完全体、ステップ、動作、要素、構成要素及び／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。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、また、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、並びにあらゆる組み込み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含む場合、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。

２ タービンバケット
３ プラットフォーム
４ シャンク
５ 正圧側面プラットフォーム
６ 多重壁ブレード
７ 負圧側面プラットフォーム
８ 正圧側面
１０ 負圧側面
１４ 前縁
１６ 後縁
１８、２０、２２、２４、２６ キャビティ
１８ 前縁キャビティ
２０Ａ〜２０Ｅ 正圧側面（壁近傍）キャビティ
２２Ａ〜２２Ｆ 負圧側面（壁近傍）キャビティ
２４Ａ〜２４Ｃ 後縁キャビティ
２６Ａ、２６Ｂ 中央キャビティ
３０ 正圧側面冷却回路
３２ 冷却空気
３４ 基部
３６ 転向部
３８ 先端領域
３９ 基部
４０ 転向部
４２ 基部
４４ 転向部
４６ 基部
４８ プラットフォームコア空気供給部
５０ 端部タブ
５２ 空気通路
５４ プラットフォームコア
５８ 冷却フィルム
６０ フィルムアパーチャ
６４ ドリル孔
６６ 正圧側面シャンク
６８ 負圧側面シャンク
７０ 正圧側面スラッシュ面
７２ 負圧側面スラッシュ面
７４ プラグ
１０２ ガスターボ機械
１０４ 圧縮機
１０６ 空気の流れ
１０８ 圧縮空気
１１０ 燃焼器
１１２ 燃料の流れ
１１４ 燃焼ガス
１１６ タービン
１１８ シャフト
１２０ 負荷
２００ 冷却回路
２０２ 外側キャビティ
２０４ 導管
２０６ 中央キャビティ
２０８ 基部

Claims (8)

1. 多重壁ブレード（６）及びプラットフォーム（３）を含むタービンバケット（２）のための冷却システムであって、前記多重壁ブレード（６）が前記プラットフォーム（３）の上面から半径方向に離れるように延び、当該冷却システムが、
   正圧側面外側キャビティ回路、負圧側面外側キャビティ回路、及び前記多重壁ブレード（６）内で半径方向に延びる中央キャビティ（２６Ａ，２６Ｂ）であって前記正圧側面外側キャビティ回路から冷却空気（３２）を収集するため前記正圧側面外側キャビティ回路と前記負圧側面外側キャビティ回路との間に配置された中央キャビティ（２６Ａ，２６Ｂ）を含む、前記多重壁ブレード（６）のための冷却回路（２００）と、
   前記中央キャビティ（２６Ａ，２６Ｂ）から前記冷却空気（３２）を受け取るためのプラットフォームコア空気供給部（４８）であって、前記プラットフォーム（３）の下方の前記タービンバケット（２）のシャンク（４）内で前記タービンバケット（２）の側方に向かって外側に延びるプラットフォームコア空気供給部（４８）と、
   前記プラットフォームコア空気供給部（４８）を前記プラットフォーム（３）のプラットフォームコア（５４）に流体接続するための空気通路（５２）と
   を備えており、前記プラットフォーム（３）の上面が、前記冷却空気（３２）を前記プラットフォームコア（５４）から冷却フィルム（５８）として排出するための複数のアパーチャ（６０）を含んでいる、冷却システム。
2. 前記空気通路（５２）が、孔の部分を含み、前記孔が、前記タービンバケット（２）の前記側方の外部から、前記プラットフォームコア空気供給部（４８）の部分を通って、前記プラットフォームコア（５４）に延びる、請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記プラットフォームコア空気供給部（４８）の前記部分が、端部タブ（５０）を含む、請求項２に記載の冷却システム。
4. 前記孔を前記タービンバケット（２）の前記側方の前記外部から前記プラットフォームコア空気供給部（４８）の前記部分までシールするためのプラグをさらに備える、請求項２に記載の冷却システム。
5. 前記タービンバケット（２）の前記側方の前記外部が、前記タービンバケット（２）の前記シャンク（４）又は前記プラットフォーム（３）のスラッシュ面を含む、請求項２に記載の冷却システム。
6. 前記正圧側面外側キャビティ回路が複数の正圧側面キャビティを含んでおり、前記負圧側面外側キャビティ回路が複数の負圧側面キャビティを含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の冷却システム。
7. 前記正圧側面外側キャビティ回路が３経路正圧側面蛇行回路を含む、請求項６に記載の冷却システム。
8. 前縁キャビティ（１８）及び複数の後縁キャビティ（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ）をさらに含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の冷却システム。

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