JP6948793B2 - ガスタービンブレードおよび製造方法 - Google Patents

Description

本開示はガスタービンブレードに関し、詳細には、後縁冷却通路を有するガスタービンブレードに関する。

現代のガスタービンエンジンのガスタービンブレードは極めて複雑で、様々な空気力学的特徴および冷却特徴を含む。新しいブレードの設計および試験は、典型的には何年もかかり、また莫大な費用がかかる。これを考慮して、適応性が広く、その結果、製造開発の労力およびコストをかなり低減できる新しいブレード設計手法および製造方法が開発された。

本発明は、ここで参照すべき添付の独立請求項で規定される。本発明の有利な特徴は、従属請求項で明らかにされる。

一態様では、ガスタービン用のブレードが提供され、そのブレードは、後縁、および第１の上流端から第２の下流端に延在する後縁冷却通路を備え、後縁冷却通路を通る冷却流容量に最小限の変化しか与えない、または全く変化を与えないで後縁を除去することができるブレードとなるように、ブレードのキャンバラインに垂直な方向の後縁冷却通路の幅が変化し、後縁冷却通路の最も狭い幅が第１の上流端にある。

上記のガスタービンブレードによって、ブレードの単一の設計を修正して異なる設計の複数のガスタービンエンジンに使用できるという、ガスタービンブレードを提供するモジュラー式解決策が可能となる。この設計では、特定のガスタービン用のガスタービンブレードをカットバックして、空気力学性能および冷却性能に最小限の損失しか与えず、または全く損失を与えずに、異なるガスタービンに使用することができる。例えば、冷却流体流れのボトルネックが、カットバックされたブレード内でも維持され、ブレードをカットバックしたときに失われないので、後縁冷却通路を通る冷却流体の流れはカットバックによって最小限の影響しか受けない、または全く影響を受けない。最小限の変化とは、ブレードの冷却に深刻な影響を与えない、すなわち、ブレードの寿命の大幅な短縮を避けることができる変化である。

この設計は、内蔵されたモジュール化の機会を提供するように考えられ、ここでは、ブレードの単一の設計を製造後に修正して、ガスタービンの複数の異なる設計に使用する、または同じガスタービンで異なる用途に使用することができる。

好ましくは、後縁冷却通路はピン領域を備え、ピン領域内のピンは、後縁冷却通路をキャンバラインに垂直な方向に横切って延在する。好ましくは、第１の上流端近くのピンは、第２の下流端近くのピンよりも互いに接近している。好ましくは、後縁冷却通路は、使用時に後縁冷却通路を通って流れる冷却流体の流れ方向に拡がる。好ましくは、後縁冷却通路は、第１の上流端から第２の下流端までの距離の少なくとも半分の距離で拡がる。好ましくは、キャンバラインに垂直な方向の後縁冷却通路の幅は、キャンバラインの方向でのピン間で、ピンのある場所での幅よりも狭い。図４のスロート３４はこの例である。

好ましくは、最も狭い幅が、後縁から、ブレードの翼弦の５％より離れて、１０％より離れて、１５％より離れて、または２０％より離れて配置される。これによって、後縁におけるブレードのかなりの部分を、冷却流および冷却性能に大きな影響を与えることなく除去することができる。

第２の態様は、上記のようなブレードを備えるガスタービンを提供する。

第３の態様は、後縁、および第１の上流端から第２の下流端に延在する後縁冷却通路備えるガスタービン用のブレードを生産する方法を提供し、本方法は、ブレードを製造するステップと、ブレードの製造後、後縁を除去するステップであって、ブレードの翼弦の長さの少なくとも５％、少なくとも１０％、少なくとも１５％、または少なくとも２０％を除去するステップと、新しい後縁を形成するステップとを含む。これによって、１つのガスタービンエンジン用に設計したブレードを別のガスタービンエンジン内に取り付けることができる、または同じガスタービンの異なる用途に使用することができる。

好ましくは、ブレードは未使用のブレードであり、後縁は未使用のブレードから除去される。好ましくは、新しい後縁は直線状の、傾斜した、湾曲した、または段付きの後縁である。これらの形状は後縁周りに異なるフローパターンを提供する。カットバック後の後縁の形状は、後縁における高温ガスの必要な静圧に基づいて選ぶことができる。好ましくは、後縁の一部分を除去した後、少なくともその後縁に遮熱コーティングを付加する。

好ましくは、本ブレードは、後縁冷却通路を通る冷却流容量に最小限の変化しか与えない、または全く変化を与えないで後縁を除去することができるブレードとなるように、ブレードのキャンバラインに垂直な方向の後縁冷却通路の幅が変化し、後縁冷却通路の最も狭い幅が第１の上流端にある、ブレードである。

第４の態様は、複数のブレードを備えるガスタービンの段の高温ガス流容量を調節する方法であって、複数のブレードの少なくともいくつかから後縁を切り去るステップを含む方法を提供する。好ましくは、後縁を切り去るステップは、ブレードのすべて（すなわち、静止ベーンのすべて、または回転ブレードのすべて、またはその両方）で実施される。この方法は、段の最大高温ガス流容量を増大させ、それによって、圧縮機のサージを回避することができ、またはガスタービンセットの性能特性に影響を与えることができる。

次に、本発明の一実施形態を単なる例として添付図面を参照して説明する。

ブレードの断面図である。 図１のブレードの後縁近くの領域の断面図である。 図２の矢印Ａの方向のピンの断面図である。 代替の後縁冷却通路形状の断面図である。 カットバック後の後縁の断面図である。 カットバック後の後縁の断面図である。 カットバック後の後縁の断面図である。 カットバック後の後縁の断面図である。 カットバック前のピンバンクの断面図である。 カットバック後の図９のピンバンクの断面図である。

いくつかのガスタービン設計では、特に同じ製造者によって行われる繰返し設計では、全体のブレードの大きさ、およびブレードの取付具が以前の設計のブレードと同じ場合がある。言い換えれば、１つのガスタービンの設計に対して設計されたブレードを別のガスタービンの設計に取り入れることが物理的に可能な場合がある。しかしながら、実際のブレードの空気力学的特徴は、高温ガス流容量および圧力比など設計間で変わる因子に依存する特定の大きさまたは形状である必要があり、したがって、異なるガスタービンの設計で異なるブレードの設計が必要となる。

本明細書で説明するブレードは、１つのタイプのガスタービンに対して新たに設計されたブレードで、その後縁をカットバックすることによって別のガスタービンで使用するために修正することができるようにも設計されている。この比較的過激な解決策によって、単一のブレード設計を、２つ以上の異なるガスタービンエンジンの設計に使用することができる。例えば、ガスタービンエンジンの１つの設計では、ブレードは元のままの状態で使用され、ガスタービンエンジンの第２の設計ではブレードをカットバックして使用することができる。ブレードをカットバックすることができることによって、既存のガスタービンの修正、またはガスタービンの使用の変更を反映するように、あるいは、代替の用途に対して性能特性を適切にするようにブレードを改造することもまた可能である。１つの例では、ガスタービンの圧縮機質量流量を変える場合、ブレードをカットバックすることもできる。別の例では、ブレードをカットバックして最大出力の最適設定と最大効率の最適設定との間を動かすことができる。第３の例では、ガスタービンは、ブレードをカットバックすることによって、最適な単一サイクル運転設定とコンバインドサイクル運転設定との間、または、低エネルギー燃料タイプ（低ＢＴＵ燃料）に対して最適化するなど、異なる燃料のタイプに対して最適設定間を動くことができる。

図１は、下記に示す構造を備えることができるブレード１０の断面図である。ブレードは、後縁１２、前縁１４、圧力面１６、および負圧面１８を有する。ブレードを二等分するキャンバライン２０の部分が、後縁から前縁に延在する翼弦２２とともに示されている。ブレードは、ブレード内に空洞３０、および圧力面と負圧面との間の空洞から後縁に延在する後縁冷却通路３２（冷却流体通路）を含む。ブレードをガスタービンで使用しているとき、冷却流体は空洞と後縁冷却通路を通って高温ガス通路内に出る。

図２は、ブレードの後縁近く領域の断面を示す。圧力面１６および負圧面１８が、後縁１２、空洞３０の一部分、および後縁冷却通路３２とともに示されている。ピンバンク（ピン領域）内のピン４０もまた、後縁冷却通路を横切って延在し、また後縁冷却通路近くの空洞内を延在しているのが示され、全部で６列（ライン）のピンが示されている。流路のボトルネック（基本的には絞りで、最も狭い幅）は、後縁冷却通路の始点と考えられる。冷却流体の流れ方向２４が示されている。

後縁冷却通路の幅が変化していることが図２に示されている。後縁冷却通路の入口の前では空洞の幅はａであり、後縁冷却通路の出口では冷却通路の幅はｂであり、入口では冷却通路の幅はｃである。幅ｃは幅ｂより狭く、幅ｂは幅ａより狭い。後縁冷却通路の最も狭い部分は幅ｃの箇所である。冷却流体の流れ方向２４に見たとき、最も狭い部分の下流では、後縁冷却通路は拡がり、冷却流体の流れ方向２４に見たとき、最も狭い部分の上流では、空洞は狭まる。

図３は、図２の矢印Ａで示した方向の図２のピン４０の断面を示す。最も上流のピン列の隣接するピン間の距離はｄで示され、最も下流のピン列の隣接するピン間の距離はｅで示されている。距離ｄは距離ｅより短く、隣接するピン間の距離は冷却流体の流れ方向２４に長くなる。

図４は、図２と同じよう見た後縁冷却通路３２の断面を示す。ピン４０が示され、冷却流体の流れ方向に、ピン４０の上流またはピン間で、後縁冷却通路３２は狭まり、通常、幅ｅより狭い幅ｆのスロート３４を画定する。

幅ａ、ｂ、ｃ、およびｆは、キャンバライン２０に垂直な方向の幅を示し、したがって、圧力面１６から負圧面１８にブレードを横切る方向に幅を示す。幅ｄおよびｅは、後縁の方向の幅を示す。

ガスタービンブレードを生産する方法において、ブレードは第１のステップで製造される。その結果得られたブレードは、特定の空気力学の設定で特定のガスタービンに使用することができる形態である。これに代えて、またはこれに加えて、熱力学の設定は重要な因子となる場合がある。空気力学の設定に関連する因子は、タービンの流れ容量（最大流量）および圧力比を含むことができる。同じタイプのブレードではあるが異なる空気力学の設定の異なるガスタービンでは、同じブレードを使用することは一般には可能ではない。ガスタービンブレードを生産する方法における第２のステップでは、隣接したブレード間の開口幅が広いブレードとなるようにブレードの後縁の一部分を除去する。これによって、異なる空気力学の設定に対するブレードとすることができ、そのブレードを異なる設計のガスタービンに使用することができる。その結果、ブレードを生産するこの方法によって、単一のブレードを、２つ以上の異なる設計のガスタービンエンジンに対して設計することができ、それによって、複数の異なるブレードを設計して試験する必要を避けることができる。上記のように、この方法によって、同じガスタービン内の性能特性を調節することもでき、潜在的には、様々な異なる用途に同じガスタービンおよびブレードを使用することもできる。

再び図２を参照すると、２本のカットバック線５０が示され、それらは図２のブレードの可能なカットバック位置の例を示している。ブレードの端部は、様々な異なる形状に加工することができ、図５から８に４つの例が示されている。図５は直線状の後縁を示し、図６は湾曲した後縁を示し、図７は傾斜した後縁を示し、図８は段付きの後縁を示す。図５には、直線状の切断が示されており、これは、図２のカットバック線５０で示したタイプの切断である。この設計は、ほとんどの他の切断より実行するのが容易であるという利点を持っている。図６は湾曲した後縁を示し、これは、少なくともいくつかの設計において最も効率的な選択肢である。図７は傾斜した後縁を示す。これもまた、図２または図５に示したような直線的な切断であるが、図５の切断はキャンバライン２０に垂直であり、一方、図７の切断はキャンバラインから斜めになっており、キャンバラインに垂直ではない。図８は、後縁冷却通路３２の片側のみをカットバックした段付きの後縁を示す。この段付き後縁によって、少なくともいくつかの設計では、直線状の切断または湾曲した切断を超える効率の向上がもたらされる場合がある。図９は、ピン領域の上面図であり、したがって、図３と同じ方向に見た図である。ピン領域には５列のピンがある。カットバック線５０に沿ってカットバックした後、図１０に示すピン領域が２列のピンを有して残る。

翼弦２２の長さの少なくとも全部で５％、少なくとも全部で１０％、少なくとも全部で１５％、または少なくとも全部で２０％をカットバックして除去することができる。例えば、（タービンの第１段の）タービンベーン１は、少なくとも１０ｍｍ、１０から３０ｍｍの間、１５から２５ｍｍの間、または少なくとも２０ｍｍカットバックされる。

通常、カットバックすると、ピン列のすべてではないがいくつかが除去され、少なくとも１列のピンは残る。例えば、図２には６列のピンが示されており、カットバック線５０によって２列または４列のピンが除去される。図９および１０は、３列のピンが除去され、２列のピンが残っていることを示している。カットバックは、後縁冷却通路を通ってブレードを出る冷却流体の最大流量（冷却流容量）に最小限の影響しか与えない、または全く影響しないように意図され、したがって、冷却流容量は、カットバック前のブレードでの流量と変わらないか、同様である。

多くのブレードは外側に遮熱コーティング（ＴＢＣ：ｔｈｅｒｍａｌ ｂａｒｒｉｅｒ ｃｏａｔｉｎｇ）を有する。ブレードがカットバックされた後、ブレードの一部分はＴＢＣなしのままとなる。いくつかの設計では、これを補うためにＴＢＣの新しい層をブレードに施工することができる。あるいは、ブレードの製造中、ＴＢＣをブレードに施工する直前にカットバックを実施することができ、その結果、ＴＢＣはカットバックした後縁にも施工される。

ガスタービンは、圧縮機、圧縮機の下流の燃焼器、およびタービンを備える。上記のブレード１０は、ガスタービンのタービンの第１段のブレード（回転ブレードまたは静止ベーン）として使用することができる。上記のブレードはまた、タービンの第２段またはより後段で使用することができる。

ブレードの一般的な部品を説明するために本明細書で使用している用語（前縁、圧力面、および翼弦など）は、「Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ−Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ」 Ｄａｖｉｄ Ｇｏｒｄｏｎ Ｗｉｌｓｏｎ、ｔｈｅ ＭＩＴ ｐｒｅｓｓ、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｍａｓｓａｃｈｕｓｓｅｔｔｓ、米国、第５刷（１９９１年）の４８７から４９２ページの用語集で提示された定義に一致する。用語集（４８７から４９２ページ）は本明細書に参照によって援用される。

いくつかの例示的な構造を本明細書で説明したが、これらの構造に様々な修正を施すことは可能である。例えば、後縁冷却通路３２は、キャンバラインに沿って対称であるように示されているが、これは必要なことではない。後縁冷却通路は、空洞から後縁に延在し、冷却流体が空洞からブレードの外に（高温ガス流内に）流れるようにしている。

後縁冷却通路の断面の形状は、上記のものの他に様々な形状とすることができる。例えば、空洞および後縁冷却通路は、それらの間をドラバルノズルとすることができ、それは、後縁冷却通路の最も狭い箇所の上流に空洞の狭まる部分と、最も狭い箇所の下流に拡がる部分とを有して（砂時計形の）滑らかな曲率を有する。同様に、ピン間のスロート（図４のスロート３４）は、ドラバルノズルとすることができる。ピンが３列以上の場合、ピン列の上流に、またはピン列間の１つまたは複数の空間内のどちらかにドラバルノズルを設けることができる。

後縁冷却通路は、上流端から下流端に延在する。後縁冷却通路の最も狭い箇所は一般に、大部分のピンの上流である。

ピン４０は、例えば、図３および図９の配置のような様々な方法で編成することができる。ピン列は普通、後縁の方向に延在し、例えば、図９では、ピン列は後縁に平行となるように示されているが、列を後縁から斜めにしてもよい。ピン領域は普通、ブレードの翼弦の５％より長く、１０％より長く、１５％より長く、または２０％より長く延在する。ピン領域は空洞３０内に延在することができる。

この出願では、３つの独特な特徴、すなわち、後縁冷却通路の特定の形状（例えば、図２）、ピン領域の特定の形状（例えば、図３）、ピン列間のスロート３４を記述している。これらの特徴は、個別に、または任意に組み合わせて設けることができる。

上記の例では、カットバック線５０がピン間に示されているが、ピンを通って切断することもできる。切断されたピンの残りの部分は、後縁を支持するのに役立ち、したがって、全体として構成部品の機械的一体性に影響を与えない、または大きな影響を与えずにおくことを確実にする。

上記の実施形態への様々な他の修正は可能であり、当業者は、以下の特許請求の範囲に規定される本発明から逸脱することなくそれらの修正を想到するであろう。

１０ ブレード（ガスタービンブレード）
１２ 後縁
１４ 前縁
１６ 圧力面
１８ 負圧面
２０ キャンバライン
２２ 翼弦
２４ 冷却流体の流れ方向
３０ 空洞
３２ 後縁冷却通路
３４ スロート
４０ ピン
５０ カットバック線
ＴＢＣ 遮熱コーティング

Claims (13)

1. ガスタービン用のブレード（１０）であって、当該ブレードが、前縁（１４）と、後縁（１２）と、第１の壁によって画定される圧力面（１６）と、第２の壁によって画定される負圧面（１８）と、ブレード内部の空洞（３０）と、第１の壁と第２の壁との間で冷却流体の流れ方向（２４）に第１の上流端から第２の下流端まで延在する後縁冷却通路（３２）とを備えており、
   第１の壁と第２の壁との間で当該ブレード（１０）のキャンバライン（２０）に垂直な方向に規定される後縁冷却通路（３２）の幅が変化して、後縁冷却通路（３２）の最も狭い幅（ｃ，ｆ）が第１の上流端にあるように、第１の壁と第２の壁が、前記空洞（３０）と後縁冷却通路（３２）との間にスロート（３４）を画定しており、
   後縁（１２）が、後縁冷却通路（３２）を通る冷却流容量に最小限の変化しか或いは全く変化を与えずに第１の上流端と第２の下流端後縁（１２）の間で除去できるように適応している、ブレード（１０）。
2. 後縁冷却通路（３２）がピン領域を備えており、該ピン領域内のピン（４０）が、キャンバライン（２０）に垂直な方向に後縁冷却通路（３２）を横断して延在する、請求項１に記載のブレード（１０）。
3. 第１の上流端近くのピン（４０）が、第２の下流端近くのピン（４０）よりも互いに接近している、請求項２に記載のブレード（１０）。
4. 後縁冷却通路（３２）が、使用時に後縁冷却通路（３２）を通って流れる冷却流体の流れ方向（２４）に向かって拡がる、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のブレード（１０）。
5. 後縁冷却通路（３２）が、第１の上流端から第２の下流端までの距離の少なくとも半分の距離で拡がる、請求項４に記載のブレード（１０）。
6. キャンバライン（２０）に垂直な方向の後縁冷却通路（３２）の幅が、キャンバライン（２０）の方向での前記ピン（４０）間で、前記ピン（４０）のある場所での幅よりも狭い、請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載のブレード（１０）。
7. 前記最も狭い幅が、後縁（１２）から、前記ブレード（１０）の翼弦（２２）の５％超、１０％超、１５％超又は２０％超離れて配置される、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のブレード（１０）。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のブレード（１０）を備えるガスタービン。
9. ガスタービン用のブレード（１０）を生産する方法であって、
   請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のブレード（１０）を製造するステップと、
   前記ブレード（１０）の製造後、後縁（１２）を除去するステップであって、前記ブレード（１０）の翼弦（２２）の長さの少なくとも５％、少なくとも１０％、少なくとも１５％又は少なくとも２０％を除去して、カットバックされた後縁を形成するステップと
   を含む方法。
10. 未使用のブレードを用意し、未使用のブレードから後縁（１２）を除去することを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記カットバックされた後縁が直線状、傾斜、湾曲又は段付きの後縁である、請求項９又は請求項１０に記載の方法。
12. 後縁（１２）の一部分を除去した後、少なくとも前記カットバックされた後縁（１２）に遮熱コーティングを付加する、請求項９乃至請求項１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のブレード（１０）を複数備えるガスタービンの段の高温ガス流容量を調節する方法であって、前記複数のブレード（１０）の少なくともいくつかから後縁（１２）を切り去るステップ含む方法。

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