JP2008095693A6 - タービンにおける冷却材通路付きタービン翼 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンにおける作動媒体流路を部分的に境界づけるための翼台座（１６）を備え、この翼台座（１６）がその内部を延びる冷却材案内用の少なくとも１個の冷却材通路（２０）を有している、火力発電所のタービンにおけるタービン翼（１０）において、そのタービン翼の翼台座が有効に冷却され、および／又は、翼台座の冷却機能が安価な製造費で得られるようにする。
【解決手段】少なくとも１個の冷却材通路（２０）が、少なくとも２個の接続口（２２）で翼台座（１６）の外に通じ、タービン翼（１０）が、翼台座（１６）に取付け可能な連結通路（２８）を備えた少なくとも１個の付属部品（２４、２６）を有し、その連結通路（２８）が、接続口（２２）を流れ案内的に互いに接続するように設計されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、タービンにおける作動媒体流路を部分的に境界づけるための翼台座を備え、この翼台座がその内部を延びる冷却材案内用の少なくとも１個の冷却材通路を有している、火力発電所のタービンにおけるタービン翼に関する。また本発明は、かかるタービン翼を備えたタービンに関する。

かかるタービンの運転中、例えば蒸気タービンの場合には高温蒸気、ガスタービンの場合には燃焼ガスのような高温作動媒体が、作動媒体流路を通して流れる。その作動媒体流路を部分的に境界づける翼台座が過熱されないように防護するために、翼台座を冷却することが重要である。そのために、従来における翼台座の場合、翼台座の作動媒体流路の側の表面に、膜冷却用孔の形態の冷却材通路が設けられている。この膜冷却用孔は非常に細い断面形状を有し、翼台座表面から鋭角を成して出ている。膜冷却用孔によって、翼台座表面にわたり冷却膜が発生される。もっとも、翼台座への膜冷却用孔の設置には非常に経費がかかる。また、これにより得られる冷却作用も限定される。

本発明の課題は、タービン翼の翼台座が有効に冷却され、および／又は、翼台座の冷却機能が安価の製造費で得られる、冒頭に述べた形式のタービンを提供することにある。

この課題は、本発明により、少なくとも１個の冷却材通路が、少なくとも２個の接続口で翼台座の外に通じ、タービン翼が、翼台座に取付け可能ないし取り付けられ１個の連結通路を備えた少なくとも１個の付属部品を有し、その連結通路が、接続口を流れ案内的に互いに接続するために設計されている冒頭に述べたタービン翼によって解決される。またタービンについての課題は、本発明によりそのようなタービン翼を有するタービンによって解決される。さらに付属部品についての本発明の課題は、本発明により、タービン翼がタービンにおける作動媒体流路を部分的に境界づけるための翼台座を有し、この翼台座がその内部を延びる冷却材案内用の少なくとも１個の冷却材通路を有し、タービン翼の冷却材通路が、少なくとも２個の接続口で翼台座の外に通じている、火力発電所のタービンにおけるタービン翼の付属部品において、この付属部品が、翼台座に取り付けるために形成され、1個の連結通路を有し、この連結通路が接続口を流れ案内的に互いに接続するように設計されていることによって解決される。本発明におけるタービン翼は、ガスタービンあるいは蒸気タービンに利用するために形成される。また、そのタービン翼は静翼としてあるいは動翼として形成される。本発明により冷却される翼台座は、動翼翼台座および／又は静翼翼台座であり、特に上端あるいは下端の静翼翼台座である。

本発明により連結通路付き付属部品を備えることによって、少なくとも１個の冷却材通路が増大された開口断面で形成できる。付属部品の連結通路を介して少なくとも２個の接続口を接続することによって、冷却材が接続口で流出しこのために翼台座冷却作用が失われることが防止される。かかる付属部品が存在しない場合、入口孔として機能する接続口を通しての冷却材損失をできるだけ小さくするために、冷却通路は、非常に小さな開口断面の孔として形成されねばならない。

本発明によるタービン翼の場合、冷却材通路が増大された開口断面で形成できるので、その冷却材通路は相応した大きな冷却材流量で運転できる。これによって、少なくとも１個の冷却材通路の冷却作用はかなり改善される。冷却材通路を貫流する冷却材として、特に例えば冷却空気のようなガス状媒体および／又は液状冷却材が利用される。

大きな開口断面の冷却材通路を製造するための本発明によって開発された方式によって、冷却材通路は、翼台座ないしタービン翼の鋳造過程中に既に製造できる。これにより、冷却材通路は、例えばドリルのような切削加工によって後から設ける必要がない。従って、本発明により、翼台座の冷却機能がより安価な製造費で提供できる。鋳造工程中に既に冷却材通路を製造する方式によって、冷却材通路は、冷却作用にとって最良の幾何学形状で作ることもできる。即ち、例えば、冷却材通路を湾曲して、特に蛇行形状に形成することができる。

また、タービン翼とは別個の付属部品を備えることによって、タービン部品群の、あるいは全体として製造すべき部品の複雑さが減少される。これは製造工程における経費節減を可能にする。さらに、タービン翼のモジュール構造によって、タービン翼の修理が容易になる。即ち、例えば付属部品は、必要に応じて個別に交換できる。また、鋳造法における個々の部品の向上された生産性が得られる。これは例えば単純化された幾何学形状によって、および断面変化の回避によって達成できる。かかる生産性の向上は、ＤＳ合金（柱状組織を備えた方向性凝固合金）あるいはＳＸ合金（単結晶粒組織を備えた方向性凝固合金）を利用する場合のように特に鋳造品の方向性凝固の際に達成される。

また、個々の冷却材通路が、第１接続口と第２接続口で翼台座の外に通じ、第１付属部品と第２付属部品が、第１接続口ないし第２接続口をそれぞれ流れ案内的に互いに接続するために設けられていることが目的に適っている。これにより、例えば２個の冷却材通路が両端で付属部品によって互いに接続され、これにより、密閉管路系が生ずる。この密閉管路系によって、冷却材循環回路が確立される。

また、タービン翼が、タービン翼がタービン内でタービンロータの軸線に対して半径方向に組み付け可能な形で長手軸線を有し、翼台座がその主境界面に沿ってタービン翼の長手軸線に対して直角に延び且つ主境界面に対して直角に配置された端面を有し、少なくとも１個の付属部品を介して互いに接続される接続口が、端面特に組み付けられた状態においてロータ軸線に対して平行に延びる端面に配置されている、ことが有利である。その場合、これらの端面は付属部品を介して接続すべき接続口を有している。特に、付属部品が、翼台座に組み立てられた状態において翼台座の作動媒体流路の側の表面を引き継ぐように形成されていることが有利である。その付属部品は翼台座の作動媒体流路側表面を、移行部が作動媒体における追加的乱流を引き起こさないように引き継ぐのが有利である。さらに、接続口が翼台座の両側端面に配置されていることが有利である。この場合、両側端面にそれぞれ付属部品が設けられねばならない。また、少なくとも１個の冷却材通路が翼台座の内部を主境界面に対して平行に延びていることが有利である。この形態において、翼台座の主境界面は効果的に冷却される。

少なくとも１個の付属部品が翼台座に材料結合および／又はかみ合い結合されているとき、本発明によるタービン翼はタービン運転中において特に頑丈である。これにより、翼台座と付属部品との間に負荷をかけうる結合部が形成され、これにより、付属部品間の結合部がタービン運転中に生ずる強い力に耐えるようなる。これにより、タービン運転中における点検・修理のための休止時間が最短にされる。また、付属部品がシール溝および／又はシール尖端を有している、ことが有利である。さらに、タービン翼が組み付けられた状態において互いに隣接する２個のタービン翼の翼台座間における隙間を相殺するように、付属部品の形状が的確に合わされていることが目的に適っている。

他の有利な実施態様では、連結通路が、完全に付属部品の内部を延び、特にＵ形をしている。連結通路を通って流れる冷却材は、付属部品の作動媒体流路を境界づける表面を特に冷却する。付属部品における連結通路は、例えば鋳造、鍛造のような成形法によって、あるいは後からの機械加工によって形成されるのが有利である。

タービン翼の他の目的に適った実施態様において、翼台座および付属部品が異なった材料を有している。これにより、翼台座は付属部品と異なった材料ないし異なった材料組成で作られている。それぞれの付属部品は、その機械的および化学的要件に合わされた材料で作られている。即ち、付属部品は例えば「異質材料」で作られる。例えば付属部品が耐酸化材料を有することが有利である。

また、上述したタービン翼についての課題は、翼台座が鋳造品であり、少なくとも１個の冷却材通路が、翼台座の鋳造中に空けられた空洞を含んでいることによって解決される。これにより、冷却材通路を翼台座に後で加工する必要がない。むしろ、翼台座は冷却材通路を形成しながら、場合によってはタービン翼の他の部位と一緒に鋳造されることが可能である。これにより、タービン翼の製造がかなり容易化される。また、付属部品が同様に鋳造品であり、連結通路が付属部品の鋳造中に空けられた空洞を含んでいることが有利である。

有利な実施態様において、２個の冷却材通路が設けられており、これらの冷却材通路は少なくとも２個の接続口のうちの一つで翼台座の外に通じている。これにより、各接続口に１個の冷却通路が割り当てられ、付属部品が少なくとも２個の冷却材通路の接続を可能にする。さらに目的に適った実施態様において、少なくとも２個の冷却材通路がそれぞれ直線的に延び、特に互いに平行に延びている。これにより、冷却材が翼台座表面における実現可能な出口開口に直接導かれる。特に、少なくとも２個の冷却材通路はロータ軸線に対して直角に延びている。ロータの軸線に対して直角に配置された複数の冷却通路が存在する場合、これにより、作動媒体通路内に存在しロータ軸線に沿った作動媒体の温度勾配に、翼台座冷却が適切に合わされる。そのようにして、上流に位置する冷却材通路に、下流に位置する冷却材通路よりも大きな冷却能力の冷却材が供給できる。これにより、冷却材通路の冷却性能が、温度が下流に行くに従い低下する作動媒体流路における作動媒体の温度経過に合わされる。冷却材通路は、断面円形、円錐形あるいは多角形に形成される。

他の冷却空洞、特に翼台座の表面に開口する冷却孔が設けられ、少なくとも１個の冷却材通路が、その冷却空洞に冷却材を供給する冷却材供給源として形成されていることによって、特に効果的な翼台座冷却が達成される。かかる冷却孔は、翼台座表面にわたって冷却膜を発生する膜冷却用孔として形成される。この場合、冷却材通路は複数の冷却空洞に冷却材を供給する。本発明のこの有利な実施態様における冷却材供給通路の存在によって、翼台座を冷却するために必要な冷却材が、他の冷却空洞に特に効果的に供給される。その冷却材供給通路は、翼台座の表面に出口を有していない冷却空洞にも冷却材を供給する。冷却空洞は例えば隣接する翼台座への当接縁に出口を有することもできる。その場合、冷却材は互いに隣接する翼台座間の隙間を通って作動媒体流路に流入し、当接縁の領域で翼台座を冷却する。また、その冷却空洞が翼台座の鋳造後に、例えばドリルによるような切削加工によって翼台座に設けられることが有利である。

本発明による付属部品の有利な実施態様において、付属部品が鋳造品として形成され、少なくとも１個の連結通路が、付属部品の鋳造中に空けられた空洞を含んでいる。また、付属部品に、他の冷却空洞、特に付属部品の表面に開口する冷却孔が設けられることが有利であり、その冷却孔は付属部品の鋳造後に切削加工によって付属部品に設けられる。

以下図を参照して本発明に基づくタービン翼の実施例を詳細に説明する。

図１には、主に長手軸線１２に沿って延びる本発明によるタービン翼１０の実施例が示されている。ここでは、タービン翼は静翼として形成されている。なお本発明は静翼だけに限定されず、例えば動翼にも適用できる。タービン翼１０は長手軸線１２に沿って延び、図１では一部しか示されていない翼形部（羽根部）１４を有している。翼形部１４の一端に長手軸線１２に対して直角に延びる翼台座１６が続いている。この翼台座１６は、タービン翼１０がタービンに組み付けられた状態において、翼台座１６の主境界面（主表面）３０によって他のタービン翼の翼台座と共にタービンにおける作動媒体（流れ媒体）流路を境界づけるために用いられる。翼台座１６には下向きに、タービン翼を車室ないし静翼輪に取り付けるための取付け構造物１８が続いている。この取付け構造物１８は、動翼の場合、タービンロータに翼を取り付けるための翼脚として形成されている。

翼台座１６の内部を複数の冷却材通路２０が延びている。ここでは、それらの冷却材通路２０は直線的に形成され、タービンに組み付けられたタービン翼１０において、タービンロータ軸線に対して直角に延びている。冷却材通路２０は第１端面３２と第２端面３４で翼台座１６の外に通じている。その両端面３２、３４は、主境界面３０に対してほぼ直角に延び、タービン翼１０がタービンに組み付けられた状態において、タービンロータ軸線に対して直角に延びている。

図２から理解できるように、第１端面３２に第１付属部品２４が、第２端面３４に第２付属部品２６がそれぞれ取り付けられている。各付属部品２４、２６はそれぞれ２個の冷却材通路２０の接続口２２を互いに接続するための1個の連結通路２８を有している。図２および図３では簡略化のために、両側が付属部品２４、２６によって流れ案内的に接続された２個の冷却材通路２０しか示されていない。付属部品２４、２６は、図４Ａに示されているように、翼台座１６にかみ合い結合することができる。これは、溝が断面ダブテール状に形成されたありつぎにより行われる。あるいはまた、付属部品２４、２６は、図４Ｂに示されているように、翼台座１６に材料結合することもできる。その場合、相応した部品は、ろう付け継手あるいは溶接継手３６により互いに結合されているのが有利である。

本発明による翼台座付きタービン翼の実施例の、翼台座に付属部品が配置されていない状態の斜視図。 翼台座の両側端面にそれぞれ付属部品が配置された図１における翼台座の、図１に対して９０°回転された方向から見た簡略化された斜視図。 図２における翼台座並びに付属部品の部分断面図。 図２における付属部品を備えた翼台座の第１実施例の部分側面図。 図２における付属部品を備えた翼台座の第２実施例の部分側面図。

符号の説明

１０ タービン翼
１１ タービン翼長手軸線
１６ 翼台座
２０ 冷却材通路
２２ 接続口
２４ 付属部品
２６ 付属部品
２８ 連結通路
３０ 主境界面
３２ 第１端面
３４ 第２端面

Claims (12)

1. タービンにおける作動媒体流路を部分的に境界づけるための翼台座（１６）を備え、該翼台座（１６）がその内部を延びる冷却材案内用の少なくとも１個の冷却材通路（２０）を有している、タービンにおけるタービン翼（１０）において、
   少なくとも１個の冷却材通路（２０）が、少なくとも２個の接続口（２２）で翼台座（１６）の外に通じ、タービン翼（１０）が、翼台座（１６）に取り付けられ１個の連結通路（２８）を備えた少なくとも１個の付属部品（２４、２６）を有し、前記連結通路（２８）が、接続口（２２）を流れ案内的に互いに接続するために設計されていることを特徴とするタービンにおけるタービン翼（１０）。
2. 個々の冷却材通路（２０）が、第１接続口（２２）と第２接続口で翼台座（１６）の外に通じ、第１付属部品（２４）および第２付属部品（２６）が、第１接続口（２２）ないし第２接続口をそれぞれ流れ案内的に互いに接続するために設けられていることを特徴とする請求項１に記載のタービン翼（１０）。
3. タービン翼（１０）が、タービン翼（１０）がタービン内でタービンロータの軸線に対して半径方向に組み付け可能な形で長手軸線（１２）を有し、翼台座（１６）が、その主境界面（３０）に沿ってタービン翼（１０）の長手軸線（１２）に対して直角に延び且つ主境界面（３０）に対して直角に配置された両側端面（３２、３４）を有し、少なくとも１個の付属部品（２６）を介して互いに接続される接続口（２２）が、両側端面（３２、３４）の一方に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のタービン翼（１０）。
4. 少なくとも１個の付属部品（２４、２６）が翼台座（１６）に材料結合および／又はかみ合い結合されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のタービン翼（１０）。
5. 連結通路（２８）が、完全に付属部品（２４、２６）の内部を延び、特にＵ形をしていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のタービン翼（１０）。
6. 翼台座（１６）および付属部品（２４、２６）が異なった材料を有していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のタービン翼（１０）。
7. タービンにおける作動媒体流路を部分的に境界づけるための翼台座（１６）を備え、該翼台座（１６）がその内部を延びる冷却材案内用の少なくとも１個の冷却材通路（２０）を有しているタービンにおけるタービン翼（１０）において、
   翼台座（１６）が鋳造品であり、少なくとも１個の冷却材通路（２０）が、翼台座（１６）の鋳造中に空けられた空洞を含んでいることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のタービンにおけるタービン翼（１０）。
8. 少なくとも２個の接続口（２２）のうちの一つで翼台座（１６）の外に通じている少なくとも２個の冷却材通路（２０）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載のタービン翼（１０）。
9. 他の冷却空洞、特に翼台座（１６）の表面に開口する冷却孔が設けられ、少なくとも１個の冷却材通路（２０）が、前記冷却空洞に冷却材を供給する冷却材供給源として形成されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載のタービン翼（１０）。
10. 前記冷却空洞が、翼台座（１６）の鋳造後に、切削加工によって翼台座（１６）に設けられていることを特徴とする請求項９に記載のタービン翼（１０）。
11. タービン翼（１０）がタービンにおける作動媒体流路を部分的に境界づけるための翼台座（１６）を有し、該翼台座（１６）がその内部を延びる冷却材案内用の少なくとも１個の冷却材通路（２０）を有し、タービン翼（１０）の冷却材通路（２０）が、少なくとも２個の接続口（２２）で翼台座（１６）の外に通じている、請求項１ないし１０のいずれか１つに記載のタービンにおけるタービン翼（１０）の付属部品（２４、２６）において、
    付属部品（２４、２６）が、翼台座（１６）に取り付けるように形成され、連結通路（２８）を有し、該連結通路（２８）が、付属部品（２４、２６）のタービン翼への取付け後に接続口（２２）を流れ案内的に互いに接続するために設計されていることを特徴とするタービンにおけるタービン翼（１０）の付属部品（２４、２６）。
12. 請求項１ないし１０のいずれか１つに記載のタービン翼（１０）を備えていることを特徴とする定置形火力発電所におけるタービン。

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