JPH0696989B2 - ガスタービン及び同ガスタービンにおける熱膨張差減少方法 - Google Patents

ガスタービン及び同ガスタービンにおける熱膨張差減少方法

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JPH0696989B2
JPH0696989B2 JP3222683A JP22268391A JPH0696989B2 JP H0696989 B2 JPH0696989 B2 JP H0696989B2 JP 3222683 A JP3222683 A JP 3222683A JP 22268391 A JP22268391 A JP 22268391A JP H0696989 B2 JPH0696989 B2 JP H0696989B2
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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    • F01D5/18Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の背景】
【発明の分野】本発明は、ガスタービンに関し、具体的
には、ガスタービンの翼セグメントにおける熱膨張差、
特に、翼セグメントに冷却空気通路を形成する外部構造
体における熱膨張差を最小にする装置及び方法に関する
ものである。
【0002】ガスタービンのタービン部における環状ガ
ス流路の一部は、ロータを取り巻いて円周方向に配列さ
れた複数個の翼セグメントにより画成されている。各翼
セグメントは、ガス流路の境界を形成する内側及び外側
の囲い板と、1つ又は2つ以上の翼とから構成されてい
る。
【0003】翼セグメントを形成する材料が過熱されな
いようにし、それにより、材料の強度を妥協し得る限度
まで維持するために、最近のガスタービンの翼セグメン
トは、圧縮機部から抽気される空気により冷却されてい
る。この冷却空気は、内側及び外側の囲い板双方に向か
って供給されることが屡々あり、該囲い板から、翼セグ
メント全体にわたり分配される。この冷却空気を効果的
に利用するために、冷却空気を閉じ込めて分配する外部
構造体が翼セグメントの囲い板上に形成されている。通
常、このような外部構造体は、タービン部を流れる高温
ガスに露出される表面とは反対側の囲い板の表面に取り
付けられている。本発明は、このような外部構造体の改
良に関するものである。
【0004】
【従来の技術】上に述べたように、冷却空気を閉じ込め
て該冷却空気を翼セグメント囲い板に分配する構造体
は、通常、タービン部を流れる高温ガスに露出される表
面とは反対側の囲い板の表面に固着されている。この種
の構造体は、翼セグメントの翼状部内部に形成される冷
却空気分配構造と識別するために、“外部”冷却空気構
造と称されている。運転中、囲い板は、それ等の上を高
温ガスが流れる結果として非常に高温になる。しかし、
外部空気冷却構造体は、冷却空気が該構造体上を流れる
ために、近似的にも、囲い板と同程度には高温にならな
い。その結果、囲い板と外部冷却空気構造体との間の熱
膨張差に起因し、外部冷却空気構造体には由々しい熱応
力が生じる。
【0005】従来技術によれば、上記熱応力は、構造体
を薄板から形成し可能な限り可撓性にすることにより低
減させていた。しかし、当該構造体がその内部の冷却空
気の圧力に耐えるためには、最小限度量の強度及び剛性
が必要である。従って、強度と可撓性との間の妥協のた
め、従来技術では最適な結果は得られてはいない。
【0006】以上に鑑み、囲い板と、該囲い板に取り付
けられる外部冷却空気構造体との間の熱膨張差を最小に
する装置及び方法を提供することが望ましい。
【0007】従来、ガスタービンの燃焼部内の高温ガス
流に露出される、例えば燃焼器或は連絡ダクトのような
構成要素は、積層材から形成されていた。該積層材自体
は、2枚の薄板をサンドイッチ状に結合することにより
形成されている。通常、直線状配列或は蛇行状配列で1
つ又は複数の内部通路が積層材を構成する層間に形成さ
れている。これ等の内部通路に冷却空気が流れて、構成
要素を冷却する。本発明によれば、このような積層材が
翼セグメントの外部冷却空気構造体を形成するために新
規に利用されている。しかし、冷却の目的で内部通路を
使用するのではなく、囲い板上を流れる高温ガスを内部
通路に指向させる。この高温ガス流で上記構造体は加熱
され、それにより、該構造体と、それ等が取り付けられ
ている囲い板との間の熱膨張差が最小になる。
【0008】
【発明の概要】本発明の目的は、ガスタービンのタービ
ン部において、翼セグメントの外部冷却空気構造体と、
それ等が取り付けられている囲い板との間の熱膨張差を
最小にする装置及び方法を提供することにある。
【0009】本発明の他の目的は、外部冷却空気構造体
を通して高温ガスを流すことにより意図的に該外部冷却
空気構造体を加熱することにより、上述のような熱応力
を可及的に低減することにある。
【0010】本発明の更に他の目的は、外部冷却空気構
造体の過熱を回避するために、該構造体を流れる高温ガ
スの温度を調整することにある。
【0011】上述の目的及び他の目的は、中心に配設さ
れたロータの周囲に円周列として配設された複数個の静
翼セグメントを有するガスタービンのタービン部におい
て達成される。各翼セグメントは内側及び外側囲い板を
有する。冷却空気のための通路を形成する構造体は、各
内側囲い板に固着される。該構造体は、2つの層からな
る積層板から形成される。上記層間には、高温ガス通路
が形成される。内側囲い板上を流れる燃焼部からの高温
ガスは、上記構造体を加熱するように高温ガス通路を通
るように指向され、それにより、上記構造体と、それが
取り付けられている内側囲い板との間の熱膨張差が最小
限度に抑えられる。内側囲い板に形成されている孔か
ら、冷却空気が、高温ガス通路の入口の上流側で該高温
ガス内に放出され、それにより、上記通路に流入する高
温ガスの温度が減少されて、上記構造体の過熱は回避さ
れる。
【0012】
【好適な実施例の説明】図1には、ガスタービンが示し
てある。ガスタービンの主たる構成部分は、空気がガス
タービンに流入する入口部32と、流入空気を圧縮する
圧縮機部(冷却空気供給源)33と、該圧縮機部からの
圧縮された空気を、燃焼器38内で燃料を燃焼すること
により加熱して圧縮高温ガスを発生する燃焼部34と、
該燃焼部からの圧縮高温ガスが膨張して、それにより軸
回転力を発生するタービン部35と、膨張したガスを大
気に放出する排気部37とからなる。中心に位置するロ
ータ36がガスタービンを貫通して延在している。
【0013】ガスタービンのタービン部35は、静翼と
動翼の交互する列から構成されている。各翼列は、ロー
タ36を取り囲む円周列の形態で配設されている。図2
には、1つの翼組立体の近傍におけるタービン部の一部
が示してある。典型的には翼組立体は、多数の翼セグメ
ント1から構成されている。各翼セグメント1は、その
内寄りの端部に形成された内側囲い板(部材)3及び外
寄りの端部に形成された外側囲い板2を有する翼状部7
から構成されている。或は、各翼セグメント1は、共通
の内側及び外側囲い板を有する2枚又は3枚以上の翼状
部により形成することもできる。
【0014】図2に示すように、翼セグメント1は、羽
根輪とも称される円筒体57により囲まれている。ま
た、翼セグメントは、内側の円筒構造体48を取り巻い
て配置されている。内側円筒構造体は、その後部フラン
ジに固定されたリング21を備えている。ロータ36の
円板部分63に固定されている動翼列64は静翼列の下
流側に配置されている。タービン部は外側の円筒体22
により囲まれている。
【0015】運転中、燃焼部34からの高温ガス19
は、ダクト(ガス指向手段)58により翼セグメント1
に流れるように指向される。この高温ガス19は、内側
囲い板3の外向きの表面(第1の表面)30と外側囲い
板2の内向きの表面50との間に閉じ込められる。
【0016】冷却空気は燃焼器38をバイパスするよう
に燃焼部から抽気されて、内側及び外側囲い板に向かい
供給される。
【0017】冷却空気10の一部11は、羽根輪57に
形成されている孔5を通流し、そこから外側シュラウド
そらせ板と称する外部冷却空気構造体4に形成されてい
る孔6を経て翼セグメント1に流入する。外側そらせ板
4は、外側囲い板2の外向きの表面51に固定されてい
る。そらせ板4から、冷却空気の一部11は、翼状部7
を通流して、翼状部の壁に形成されている孔(図示せ
ず)を介し高温ガス19内に放出される。
【0018】冷却空気10の一部12は、内側シュラウ
ドそらせ板と称する第2の外部冷却空気構造体8に形成
されている孔52を通って流れる。内側そらせ板8は、
内側囲い板3の内向きの表面(第2の表面)24に固定
されている。内側囲い板3の内向き表面24から突出部
20が半径方向内向きに突出しており、リング21に当
接することにより、タービン部への冷却空気10の漏洩
を阻止する働きをしている。内側そらせ板8には、冷却
空気の一部12が流れる通路49が形成されている。こ
の通路49から、冷却空気は、突出部20に形成された
開口16を通流して、閉込めキャップと称される第3の
外部冷却空気構造体(積層構造体)9に流入する。閉込
めキャップ9は、内側囲い板3の内向きの表面24に固
定されている。図3に示すように、閉込めキャップ9の
内側表面31及び内側囲い板の内向きの表面24は、冷
却空気13(図2)が流れる通路(第1の通路)23を
形成している。冷却空気13は、通路23から内側囲い
板に形成されている孔15を経て翼状部に流入し、最終
的には翼状部の壁に形成されている孔(図示せず)を通
り高温ガス19内に放出され、翼状部の後縁に設けられ
ている通路(図示せず)経て排出される。
【0019】同様に、圧縮機部から抽気される冷却空気
55はロータ36を通って流れる。この冷却空気は、円
板63の上流側の面及び閉込めキャップ9上を流れ、し
かる後に内側囲い板上を流れる高温ガス19内に放出さ
れる。
【0020】既に述べたように、燃焼部からの高温ガス
19は、内側囲い板3の外向きの表面30及び外側囲い
板2の内向きの表面50上を流れる。囲い板上を流れる
高温ガスの温度は、典型的に約900℃である。囲い板
は、高温ガスに露出される表面とは反対側の表面24及
び51上で冷却空気11及び12にさらされる。この冷
却空気の温度は、典型的に約400℃である。その結
果、囲い板の平均温度は約700℃である。
【0021】囲い板とは対照的に、閉込めキャップ9の
表面31及び54のような外部冷却空気構造体の表面
は、それ等の内向き及び外向きの表面の両方で冷却空気
にさらされる。従って、何らかの意図的な加熱がない場
合、この構造体の温度は、近似的に冷却空気の温度、即
ち400℃である。その結果、囲い板と外部冷却空気構
造体との間には大きな温度差が生じ、そのため、上記2
つの構成要素間には相当大きな熱膨張差が存在し、大き
な熱応力が生ずる。本発明は、閉込めキャップ9を意図
的に加熱することにより、閉込めキャップ9と内側囲い
板3との間における上記の熱膨張差を最小にする装置及
び方法に関するものである。
【0022】図3及び図4に示すように、本発明によれ
ば、閉込めキャップ9の第1表面即ち内側表面31と第
2表面即ち外側表面54との間に第2の通路(高温ガス
流路)59が形成される。好適な実施例では、この通路
59は、ろう付け又は拡散結合によりサンドイッチ状に
表面に沿って結合された薄板の第1、第2の層17及び
18を含む積層構造体から閉込めキャップ9を形成する
ことにより生成される。好適な実施例においては、各層
17、18は、約0.076cm(0.030インチ)の
厚さである。2つの層17及び18間には通路59が形
成される。積層構造体の層17が、図6の(a)及び
(b)に、閉込めキャップ9に成形される以前の状態で
示してある。好適な実施例においては、通路59は、層
17を層18に接合する表面に研削された溝からなる。
通路59は、図6の(a)に示すように、蛇行状配列に
形成することができ、2つの端部46及び47を有す
る。この蛇行状配列によれば、多重往復流路が得られる
結果、閉込めキャップ9全体にわたり均等な加熱が実現
される。或は、2つ又は3つ以上の蛇行状の通路を板に
並置関係で形成し、それぞれの通路にそれ自身の端部を
設ける構成を採ることもできる。更に、図6の(b)に
示すように、直線状の流路42、43を有する積層板4
9を用いることも可能である。この場合、通路42及び
43が入口及び出口マニホールドをそれぞれ形成してい
る。入口及び出口マニホールドは、一連の平行な流路4
5により相互に接続されている。
【0023】好適な実施例に示すように、通路59は、
上記積層構造体の外寄りの層17にのみある溝により形
成されている。しかし、通路は、内寄りの層18に溝を
形成することにより、或は双方の層に互いに組み合う溝
を形成することにより実現可能であろう。好適な実施例
においては、溝の深さは近似的に層17の厚さの約2分
の1であり、そして溝のピッチはその幅の約2倍であ
り、それにより、閉込めキャップの表面全体にわたり適
切且つ均等な加熱が確保される。
【0024】図4に示すように、通路(ガス入口指向手
段)29は内側の囲い板3に形成されている。該通路2
9の入口27は、内側の囲い板の外向きの表面30に設
けられ、そして出口39は、内側の囲い板の突出部20
の下流側の表面上に設けられている。内側囲い板の外向
きの表面30上を流れる高温ガス19の一部(第1の部
分)26は、入口27から入って通路29を流れ、出口
39で放出される。該出口39から、高温ガス26は、
閉込めキャップ9の外側表面54に固定されている板1
4及び突出部20により形成される空洞53内に流入す
る。高温ガスは、該空洞53から積層構造体の層18に
形成されている開口41を通って流れる。該開口41
は、図6の(a)に示してある蛇行状通路の端部46と
整列しており、従って、該開口41が通路59に対する
入口を形成している。層18には第2の開口40が形成
されており、この開口40は、蛇行状通路の端部47と
整列してしており、それにより、通路59の出口を形成
している。高温ガス26は、通路59を流れて、開口4
0を通り、内側囲い板の下流側で高温ガス19内に放出
される。図6の(b)に示してある別の配列もしくは構
成においては、入口41及び出口40は、それぞれ、入
口マニホールド42及び出口マニホールド43に接続さ
れる。
【0025】高温ガス19の圧力は、タービン部を流れ
る際に該タービン部で受ける膨張の結果として減少す
る。図5に見ることができるように、翼セグメントに対
する出口62の流れ断面積は、入口61における流れ断
面積よりも大きい。従って、内側囲い板の上流側部分、
即ち、翼セグメント入口61近傍の部分上を流れる高温
ガスの圧力は、囲い板の下流側の部分、即ち、翼セグメ
ント出口62近傍の部分を流れる高温ガスの圧力よりも
大きい。通路29に対する開口27は、内側囲い板の上
流側部分に形成されており、出口40は、囲い板の下流
側の部分上を流れる高温ガス19に開口しているので、
通路29及び59を経る高温ガス26の流れを誘起する
ような圧力差が存在する。更に、図4に示してあるよう
に、通路29の最初の部分は、高温ガスの流れを良好に
受け入れることができるように、軸方向上流側に向かい
或る角度で傾斜している。
【0026】既に述べたように、内側囲い板の外向きの
表面30上を流れる高温ガス19の温度は約900℃台
であり、他方、内側囲い板の温度は僅かに700℃台に
過ぎないので、上述の積層構造体を経る高温ガス26の
流れで、閉込めキャップの温度が過度に上昇する危険が
ある。この閉込めキャップが過度に加熱すると、積層構
造体が弱体化し、それにより、閉込めキャップ内を流れ
る冷却空気13と関連する圧力に耐える能力が減少す
る。加えるに、過度の加熱は、反対の方向に付加的な熱
応力を発生する可能性がある。言い換えるならば、閉込
めキャップは、内側囲い板を更に膨張する傾向を有する
ことになる。従って、本発明の好適な実施例において
は、通路29に流入する高温ガス26の温度を調節して
いる。この調節は、図4に示すように、通路26に対す
る入口27の上流側で内側囲い板に形成された孔65を
含む温度調節機構により達成される。孔65を含む温度
調節機構は、内側囲い板の内向きの表面から外向きの表
面に延在していて、通路49を流れる冷却空気12の一
部25を、内側囲い板上を流れる高温ガス19に指向さ
せ、それにより、通路29内に流入する高温ガス26の
温度を減少している。孔65の寸法を適切に選択するこ
とにより、上記積層構造体を流れる高温ガス26の温度
を、閉込めキャップ9が、充分な強度を維持し、熱膨張
差を最小にするのに必要な適当な温度範囲内で動作する
ように調整することができる。
【0027】図5に示してあるように、翼セグメントの
翼状部7は、凸状表面56及び凹状表面44を有してい
る。この形状の結果、これ等の表面は、高温ガス19の
流れを、翼セグメントを通し方向66に沿って案内す
る。好適な実施例においては、孔65に対する出口28
は、入口27の上流側で、方向66に沿い通路29に整
列されている。この構成により、高温ガス26が入口2
7に流入する前に、冷却空気12と高温ガス19との間
に適切な混合が行われる。
【0028】最後に、本発明のこの好適な実施例におい
ては、当該技術分野で周知のセラミック製のような熱障
壁もしくは熱バリヤ被覆60が、図3に示すように、閉
込めキャップ9の内側表面31及び外側表面54に塗布
されている。この熱バリヤ被覆は層17、18から冷却
空気13、55への熱伝導を遅延し、それにより、冷却
空気13の不必要な加熱が回避されると共に、通路59
を流れる高温ガス26による閉込めキャップ9の適切な
加熱が保証される。
【0029】以上、翼セグメントの内側囲い板に設けら
れている閉込めキャップに関連して説明したが、ここに
開示した本発明の原理は、取り付けられている部材より
も温度が低い結果として過度の熱膨張差を受けるガスタ
ービン部材に形成されている他の構造体にも同様に適用
可能である。更に、本発明の好適な実施例に関連して説
明したが、当業者には、本発明の範囲から逸脱すること
なく他の変形や変更が可能であろう。
【0030】従って、本発明は、タービン環境であるか
否かに関係なく、空気のような冷却媒体が容器を通流
し、該容器の外側が高い温度に加熱されるような閉込め
容器或は通路の構造体にも適用可能である。このような
事例においては、少なくとも第2の要素の一部分を通流
する通路及び上記容器又は通路の外部に存在する高温ガ
スのような加熱媒体の一部を制御可能に上記通路を介し
て通流するための手段を設け、それにより、閉込め領域
周囲の温度差を減少もしくは調節する。
【図面の簡単な説明】
【図1】ガスタービンを一部切除して示す斜視図。
【図2】1つの翼列近傍におけるガスタービンのタービ
ン部の一部を示す横断面図。
【図3】内側囲い板に形成されている閉込めキャップを
示す、図2の線III−IIIにおける断面図。
【図4】図3の線IV−IVにおける横断面図。
【図5】2つの隣接する翼セグメントを示す、図4の線
V−Vにおける横断面図。
【図6】閉込めキャップを構成する積層構造体の層間に
形成される高温ガス流路配列の2つの実施例、即ち蛇行
状配列(a)及び直線状配列(b)を示す平面図。
【符号の説明】
1 翼セグメント 3 内側囲い板(部材) 9 構造体もしくは積層構造体(閉込めキャップ) 17 構造体の第1の層 18 構造体の第2の層 23 第1の通路(通路) 24 囲い板の第2の表面(内向きの表面) 26 高温ガスの第1の部分 29 ガス入口指向手段(通路) 30 囲い板の第1の表面(外向きの表面) 31 構造体9の第1表面(内側表面) 33 冷却空気供給源(圧縮機部) 34 燃焼部 35 タービン部 40 通路59の出口(開口) 41 通路59の入口(開口) 38 高温ガス発生手段(燃焼器) 54 構造体9の第2表面(外側表面) 58 高温ガスを第1の表面に指向させるガス指向手段
(ダクト) 59 通路、第2の通路もしくは高温ガス流路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン・カーミン・マタラッツオ アメリカ合衆国、フロリダ州、オーラン ド、アパートメント 324、エコン・サー クル 2333

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下記の要件a)〜c)を備えたガスター
    ビン。 a)高温ガス発生手段を含む燃焼部、b)第1及び第2
    の表面をそれぞれ有する複数の囲い板が内部に配置され
    ると共に、前記高温ガスを前記各第1の表面上を流れる
    ように指向するガス指向手段を有するタービン部、及び
    c)前記各囲い板の前記第2の表面に固着されると共
    に、それぞれが、積層結合された第1及び第2の層と、
    前記第1及び第2の層間に形成された通路とを備え、前
    記各通路は、前記囲い板の前記第1の表面上を流れる前
    記高温ガスと流れ連通関係にある入口及び出口を有す
    る、構造体。
  2. 【請求項2】 第1及び第2の表面を有する部材と、該
    部材の前記第1の表面上を流れるように高温ガスを指向
    するガス指向手段と、冷却空気供給源とを有すると共
    に、前記高温ガスが通流するガスタービンにおいて、前
    記冷却空気供給源からの冷却空気を受け入れ分配するた
    めの装置であって、該装置が、a)前記部材の前記第2
    の表面に固着されると共に、第1及び第2表面を有する
    構造体と、b)前記構造体の前記第1及び第2表面間に
    配置されると共に、入口を有する高温ガス流路と、c)
    前記部材の前記第1の表面上を流れる前記高温ガスの第
    1の部分を前記高温ガス流路の前記入口に指向するガス
    入口指向手段と、を含むガスタービン。
  3. 【請求項3】 第1及び第2の表面を有する囲い板を含
    む翼セグメントを備え、高温ガスが前記第1の表面上を
    流れ、冷却空気が前記囲い板に供給され、前記翼セグメ
    ントが前記囲い板の前記第2の表面に固着された積層構
    造体を有し、該積層構造体が、前記囲い板の前記第2の
    表面上に前記冷却空気のための第1の通路を形成すると
    共に、該積層構造体に第2の通路が形成されている、前
    記高温ガスが通流するガスタービンにおいて、前記積層
    構造体及び前記囲い板間の熱膨張差を減少させる方法で
    あって、a)前記囲い板の前記第1の表面上を流れる前
    記高温ガスの第1の部分を前記第2の通路に導き、b)
    前記高温ガスの前記第1の部分を前記第2の通路を通る
    ように流し、c)前記第2の通路を流れる前記高温ガス
    を、前記囲い板の前記第1の表面上を流れる前記高温ガ
    スに戻す、諸ステップを含むガスタービンにおける熱膨
    張差減少方法。
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