JP2009503330A - ガスタービン翼列におけるガスタービン翼と翼台座要素、それらを取り付けるための支持構造物、ガスタービン翼列およびその利用 - Google Patents

Abstract

本発明は、支持構造物（８０）とそれに固定されたガスタービン翼（５０）とを備えたガスタービン翼列（９０）に関する。ガスタービン翼は翼脚（５２）を有し、この翼脚（５２）に順々に翼台座（５４）と、長手方向（Ｌ）に湾曲された翼形部（５６）が続き、翼脚（５２）は翼形部（５６）の長手方向（Ｌ）に延び、翼台座（５４）は両側にそれぞれ長手方向（Ｌ）に平行に延びる湾曲された翼台座長手縁（５５）を有している。単純に組立できるガスタービン翼列（９０）を提供するために、本発明に基づいて、翼脚（５２）は、翼背側ないし翼腹側の翼脚表面（７２）が翼台座長手縁（５５）に相応して凸面状あるいは凹面状に湾曲して延びるように形成されている。また本発明は、かかるガスタービン翼列（９０）の利用に関する。

Description

本発明は、断面に溝形がつけられた翼脚を備え、この翼脚に順々に翼台座と、長手方向に湾曲された翼形部が続き、その翼脚が翼形部の長手方向に延び、翼台座が両側に長手方向に延びる湾曲された長手縁を有するガスタービン翼に関する。さらに本発明は、溝形がつけられた翼台座要素脚と２つの湾曲された長手縁を有する翼台座板とを備え、翼台座板と翼台座要素脚が長手方向に延びているガスタービンにおけるガスタービン翼列の翼台座要素に関する。さらに本発明は、ガスタービン翼の翼脚がはめ込まれる翼保持溝が設けられている、ガスタービン翼を翼列（翼輪）の形に配置して固定するための支持構造物に関する。さらにまた本発明は、支持構造物とガスタービン翼とを備えたガスタービンにおけるガスタービン翼列（翼輪）並びにそのガスタービン翼列（翼輪）の利用に関する。

従来技術として、純粋に真っ直ぐな翼脚と翼台座並びに湾曲した翼形部を備えたガスタービン翼が知られている。翼背側および翼腹側における翼台座は、翼台座張出部がその幅を大きく変化して翼形部に沿って延びている。かかるガスタービン翼は、例えば前縁（入口縁）と後縁（出口縁）との間の中央領域において翼腹側に大きな幅の張出部を有し、この張出部は後縁および前縁に向けてその幅が徐々に小さくなっている。その大きな幅の張出部は、冷却を悪化ないし困難にし、ガスタービン翼の疲労寿命を低下させる。

その翼台座張出部を回避するために、国際公開第２００１／０５９２６３号パンフレットで、ガスタービンにおける１つのタービン翼配置構造が知られている。直線的翼脚を有するそのガスタービン翼は、タービン円板の外周に設けられた保持溝にはめ込まれ、かみ合い結合されている。そのガスタービン翼は、その長手縁がタービンの軸方向に湾曲して延びている翼台座端部しか有していない。隣り合う２個のガスタービン翼間に、別個の翼台座要素が補助ホルダによってタービン円板に結合されている。翼台座が存在しないために比較的軽量なガスタービン翼に基づいて、翼形部を半径方向に長くすることができる。

その場合、各翼台座要素が別個の保持要素ないし別個のホルダによってタービン円板に取り付けられねばならない、という欠点がある。

本発明の課題は、ガスタービンにおけるガスタービン翼列を形成するために支持構造物にガスタービン翼を固定するための単純な方式を提供することにある。また本発明の課題は、本発明に基づくガスタービン翼列の利用にある。

その方式に関する課題は、請求項１３に記載の特徴を有するガスタービン翼列の用意によって解決される。その単純な方式は少なくとも、請求項１ないし６のいずれか１つに記載のガスタービン翼が取り付けられる請求項１０ないし１２のいずれか１つに記載の支持構造物で構成される。その解決のために、ガスタービン翼の翼脚に対応して形成された翼保持溝が設けられた支持構造物も必要である。

本発明は、ガスタービン翼の特に単純な個々の組立も可能にするために、ガスタービン翼の翼台座と翼脚並びに支持構造物の翼保持溝が、長手方向ないし軸方向に同じように形成されねばならない、という認識から出発している。しかし、引用文献の従来技術において、それらは異なり、即ち、翼台座長手縁は軸方向において湾曲して延び、これに対して、翼脚は軸方向に直線的に延びている。公知のガスタービン翼は直線的に延びる翼脚のために純粋な並進運動ではめ込まれ、その翼台座長手縁は湾曲されているので、このために、中間挿入された翼台座要素は、直線的運動方向で取り付けられ、中間に設けられる補助ホルダでタービン円板に固定するために、半径方向にその設置位置にはめ込まれねばならない。

これに対して本発明は、翼脚が、それぞれ翼の背側壁および翼の腹側壁の側の翼脚表面が翼台座長手縁に相応して凸面状あるいは凹面状に湾曲して延びるように形成されている、ことを提案する。その場合、組立に影響を与えるすべての幾何学的表面は、同じ方向に湾曲され、これにより、ガスタービン翼列を形成するすべての構成要素は、それらの曲率に応じた運動方向で個々に組み立てることができる。

さらに、この幾何学的条件を採ることにより、翼腹側の翼台座と翼背側の翼台座がそれぞれ翼側壁に沿って翼台座張出部とほぼ同じ翼台座幅を有するガスタービン翼を用意することが可能となる。その翼台座幅とは、翼腹側壁あるいは翼背側壁から直ぐ近くの翼台座長手縁までの距離である。

ほぼ一定した翼台座幅は、翼台座の本質的に単純且つ効果的な冷却を可能とする。これは、ガスタービンにおける使用中に翼台座に沿った温度分布をより一様にさせ、これは、熱応力が小さくなるためにガスタービンの寿命を長くさせる。

その構成は、ガスタービン翼および必要な場合には翼台座要素が、ガスタービンにおけるその据付け状態に関して、支持構造物の中に軸方向に移動可能に、即ち、据付け可能にしなければならない、という条件を満たす必要がある。この場合、翼形部に沿って一定した翼台座幅は、翼形部に応じて湾曲された翼脚によってのみ可能となる。直線的翼脚と湾曲した翼台座長手縁とを備えたガスタービン翼の場合、（引用文献における従来技術のように）直線的翼脚と湾曲翼台座との移行部は或る幾何学的な適合を必要とする。運転中、発生する力並びに機械的および熱的負荷の方向を転向しなければならない。これは本発明に基づくガスタービン翼の場合には不要である。また、直線的翼脚と直線的翼台座とを備えたガスタービン翼の場合のような部分的な翼台座張出部が避けられる。

翼背側と翼腹側の翼台座長手縁およびそれに対応した翼脚表面の同じ方向に延びる曲率に基づいて、従来の場合に必要であるような翼台座要素の中間挿入が必ずしも必要でなくなる。これにより、従来公知の翼台座要素に対する保持要素が不要となる。

また、本発明に基づくガスタービン翼列によれば、１つの翼列に従来よりも多くのガスタービン翼を備えることができる。

有利な実施態様は従属請求項に記載されている。

第１の有利な実施態様において、上述のガスタービン翼では、翼脚表面上の長手方向に延びるすべての曲率線が湾曲された翼台座長手縁に対して平行に円弧上を延びている。これによって、ガスタービン翼を特に簡単に且つ安価に製造することができる。それに代えて、翼背側の翼脚表面および翼腹側の翼脚表面を、翼脚が前縁側端面から後縁側端面まで徐々に細くなり、即ち、その横断面積がくさび状に長手方向に小さくなって延びるように、互いに湾曲して延ばすこともできる。かかるガスタービン翼は、運転中において、燃焼ガス流に生ずる推力により、ガスタービン翼に対応した形に形成された支持構造物内の保持溝に押し込まれ、軸方向に固定される。

翼背側壁から翼背側の翼台座長手縁までおよび／又は翼腹側壁から翼腹側の翼台座長手縁まで、翼背側ないし翼腹側の翼台座張出部が張り出し、その翼台座幅が長手方向に延びる翼台座長さの３０％にわたりほぼ一定であることが特に有利である。ほぼ一様な翼台座幅に基づいて、翼台座と翼形部との移行部が、運転中において一様な熱的および機械的応力を受ける。このように形成された翼台座は、特に良好に一様に冷却され、翼形部に沿った異なった幅の翼形部張出部の場合に発生する不均一冷却が本質的に防止される。また、一様な応力に基づいて、疲労寿命の増大が達成される。

翼背側および／又は翼腹側の翼台座張出部が、比較的狭い翼台座幅の翼台座端部として形成されていることにより、特に小さな翼台座が得られる。この場合、ガスタービン翼はほとんど翼台座が要らず、これにより、その構造的形態が単純化される。その単純化は、ガスタービン翼の設計時並びに製造時におけるコストを下げる。さらに、翼形部と翼台座との移行部に生じて早期疲労に対して問題となる材料応力が除去される。

ガスタービン翼が、その翼脚の断面がダブテール状、ハンマ状あるいはクリスマスツリー状に形成されているガスタービン翼として形成されていることが有利である。また、好適に鋳造されたガスタービン翼は冷却可能である。

ガスタービン翼列の隣り合う２個のガスタービン翼間に、別個の翼台座要素がガスタービン翼と同じ様式で取り付けられるとき、上述の翼台座要素は翼台座要素脚を有していなければならず、その翼台座要素脚は、その翼台座要素脚の両側表面がそれらの長手縁に応じて凸面状ないし凹面状に湾曲して延びているように形成されている。

翼台座要素脚が長手方向において、翼台座要素脚表面の長手方向に延びるすべての曲率線が翼台座板の長手縁に対して平行して円弧上を延びているように形成されていることが特に有利である。即ち、翼台座要素脚はガスタービン翼の翼脚と同じように湾曲されている。従って、その両脚部は同一の円弧ないし半径を有し、これにより、両要素は個々に支持構造物に据付けできる。

特に安価なおよび／又は耐熱耐食性の翼台座要素を用意するために、これは少なくとも部分的にセラミックスから成っている。これによって、翼台座冷却力を減少することができ、これは、それが装備されたガスタービンの効率を向上させる。

ガスタービン翼は、ガスタービン翼の翼脚がはめ込まれる翼保持溝が設けられた支持構造物に、ガスタービン翼列（翼輪）の形に据え付けられ、その場合、各翼保持溝はガスタービン翼の翼脚に対応し、即ち、各翼保持溝は翼脚と同一に長手方向ないし軸方向に湾曲され、横断面に溝が付けられている。

支持構造物は目的に適ってタービン円板として形成され、その場合、翼保持溝はタービン円板の外周において軸方向に延びて設けられている。

ほぼ翼台座の無いガスタービン翼が支持構造物にはめ込まれる場合に、支持構造物において隣り合う翼保持溝間にそれぞれ翼台座要素保持溝が設けられ、この翼台座要素保持溝が翼台座要素脚と同じように湾曲されている。翼台座要素の長手縁並びにガスタービン翼の翼台座の翼台座長手縁およびそれらの（翼台座と翼の）脚が同じ方向に湾曲されているので、本発明に基づく翼台座要素は、この翼台座要素保持溝の中に、その曲率に応じた方向に挿入できる。

ガスタービン翼列の利用に向けられた課題は、請求項１５に記載の特徴によって解決され、この場合、ガスタービン翼列は定置形ガスタービンに利用される。

翼背側および／又は翼腹側の翼台座ないしその張出部のほぼ一定した幅に基づいて、これらは単純に且つ効果的に冷却できる。冷却空気の使用量が減少される。その節約された冷却空気は、定置形ガスタービンにおいて効率向上のために燃焼部に供給される。特に、翼台座要素がセラミックスで形成されるか、セラミック断熱層が設けられることによって、場合によっては翼台座の冷却が不要とされ、これはその翼台座要素が装備されたガスタービンの効率を向上させる。

以下図を参照して本発明を詳細に説明する。

図１はガスタービン１を縦断面図で示している。ガスタービン１は内部に中心軸線２を中心として回転可能に支持されタービンロータとも呼ばれるロータ３を有している。このロータ３に沿って順々に、吸込み室４、圧縮機５、複数のバーナ７が回転対称に配置されたトーラス状環状燃焼器６、タービン装置８および排気室９が続いている。環状燃焼器６は環状の燃焼ガス通路１８に連通する燃焼室１７を形成している。そこで直列接続された４つのタービン段１０がタービン装置８を形成している。各タービン段１０は２つの翼列（翼輪）で形成されている。環状燃焼器６で発生された燃焼ガス１１の流れ方向に見て、燃焼ガス通路１８内において各静翼列１３に、複数の動翼１５から成る翼列１４が続いている。静翼１２はステータ（車室）に固定され、これに対して、翼列１４の動翼１５はタービン円板１９によってロータ３に設置されている。ロータ３に発電機や作業機械（図示せず）が連結されている。

図２に、本発明に基づいてガスタービン動翼として形成されたガスタービン翼５０が示され、このガスタービン翼５０は、翼脚５２と、これに順々に続く翼台座５４と、翼形部（羽根部）５６とを備えている。翼形部５６は長手方向Ｌにおいて、即ち、ガスタービン１における据付け状態において軸方向Ａに湾曲されている。理解を容易にする理由から、翼形部５６はその全高にわたっては示されておらず、翼台座５４の近くまでが示されている。

翼形部５６は翼腹側壁６２並びに翼背側壁６４を有し、これらの翼側壁６２、６４はそれぞれ翼形部５６の前縁（入口縁）６６から後縁（出口縁）６８まで延びている。ガスタービンの運転中、燃焼ガス１１がガスタービン翼５０を洗流する。その燃焼ガス１１は翼側壁６２、６４に沿って前縁６６から後縁６８の方向に流れる。

翼台座５４は翼形部５６の曲率に応じて長手方向Ｌに沿って湾曲され、翼台座５４の長手縁５５は真っ直ぐではなく、円弧上を延びている。翼背側の翼台座長手縁５５ａは凸面状に、翼腹側の翼台座長手縁５５ｂは凹面状にそれぞれ湾曲されている。翼台座５４は前縁６６の領域および後縁６８の領域にそれぞれ横に延びる翼台座端面５３を有している。

図２の斜視図から理解できるように、翼脚５２は翼台座５４の長手縁５５と同じように湾曲されている。翼腹側の翼脚表面７２ｂは長手方向に凹面状に、翼背側の翼脚表面７２ａは長手方向に凸面状にそれぞれ湾曲されている。翼脚５２はまた、図示された実施例において、翼脚表面７２の長手方向Ｌに延びるすべての曲率線７０が翼台座長手縁５５に対して平行して円弧上を延びるように形成されている。

翼台座長手縁５５および翼脚５２における曲率線７０は円弧上を延び、これにより、翼台座長手縁５５および翼脚５２は特に簡単に、支持構造物８０における翼保持溝９２（図４参照）に順次挿入できる。

ここで翼脚表面７２とは長手方向Ｌに延びる翼脚５２の側面を意味する。翼脚端面７３はそこから除かれる。

翼脚５２の湾曲形状に基づいて、特に良好に熱応力を低減した翼台座張出部７５が実現でき、その翼台座張出部７５は翼背側並びに翼腹側において長手軸線Ｌに沿って翼台座５４の（長手方向における）長さの少なくとも３０％にわたってほぼ一定して延びている。

本発明に基づく翼台座要素７４が図３に斜視図で示されている。この翼台座要素７４は翼台座板７６並びに翼台座要素脚７８を有し、これらはいずれも長手方向Ｌに延びている。翼台座要素７４の翼台座板７６は、ガスタービン翼５０の翼台座５４に類似して、長手方向Ｌに凸面状に湾曲した翼台座長手縁７９ａと、凹面状に湾曲した翼台座長手縁７９ｂとを有している。翼台座要素脚７８は長手方向Ｌに翼台座長手縁７９に相応して湾曲されている。翼台座脚表面８１の長手方向Ｌに延びるすべての曲率線７７は、本発明に基づくガスタービン翼５０の翼脚表面７２の長手方向Ｌに延びるすべての曲率線７０と同様に、翼台座板７６の長手縁７９に対して平行して円弧上を延びている。

図４は、ガスタービン１における本発明に基づくガスタービン翼列９０の一部を斜視図で示している。このガスタービン翼列９０は支持構造物８０特にタービン円板１９によって保持されている。タービン円板１９の外周９１に、ロータ３の回転軸線に関して軸方向Ａに延びる保持溝が設けられている。この保持溝は本発明に基づくガスタービン翼５０および翼台座要素７４を収容し固定するために用いられる。ガスタービン翼５０を固定するために利用される保持溝、即ち、翼保持溝９２は、好適には、断面がクリスマスツリー状に形成され、これに対して、翼台座要素７４を保持し固定するために利用される翼台座要素保持溝９３は、断面がダブテール状に形成されるか、あるいは他の脚形状にすることもできる。各翼脚５２は翼保持溝９２にかみ合い結合され、各翼台座要素脚７８は翼台座要素保持溝９３にかみ合い結合される。翼保持溝９２並びに翼台座要素保持溝９３は軸方向Ａにおいて、それらの溝表面の軸方向Ａに延びる曲率線が１つの円弧上を延びるように湾曲され、翼脚５２および翼台座要素脚７８の曲率に相応している。

これによって、ガスタービン翼５０および翼台座要素７４を対応した保持溝の中に、個々に順々にその曲率に応じた方向に挿入することができる。

図４から明らかなように、軸方向Ａないし長手方向Ｌに湾曲して延びるすべての長手縁が平行して１つの円弧上に位置し、これにより、完全に装着されたガスタービン翼列９０の各部品、即ち、ガスタービン翼５０並びに翼台座要素７４は、ガスタービン翼列９０から移動して取り出せる。

全体として、翼脚および翼台座における湾曲形状に基づいて、基本的に、翼形部の両側、即ち、翼背側並びに翼腹側に一様な翼台座幅を形成することができる。従って、翼腹側並びに翼背側における翼台座張出部は、翼形部の長手方向に沿ってほぼ同じ大きさにでき、これにより、比較的対称的に形成でき、これにより、片寄った翼台座張出部およびそれに応じて局所的に変化する質量集中が回避される。変化する質量集中は応力分布に不利に作用し、このために、ガスタービン翼の寿命に不利に作用する。また、区域的に片寄って生ずる翼台座張出部は冷却を難しくし、これは同様に、ガスタービン翼の寿命に不利な影響を与える。疲労現象は遅れて生ずる。湾曲した翼脚および湾曲した翼台座長手縁の形成によって、ガスタービン翼の構造的単純化、およびそれに従って、効果的冷却が生じ、これは、ガスタービン翼間に設けられる翼台座要素あるいは中間翼台座の差込みをも有利に可能とする。

ガスタービンの縦断面図。 湾曲翼脚と湾曲翼台座とを備えた本発明に基づくガスタービン翼の斜視図。 湾曲翼台座要素脚を備えた本発明に基づく翼台座要素の斜視図。 本発明に基づくガスタービン翼列の部分斜視図。

符号の説明

１ ガスタービン
５０ ガスタービン翼
５２ 翼脚
５４ 翼台座
５５ 翼台座長手縁
５６ 翼形部（羽根部）
６２ 翼腹側壁
６４ 翼背側壁
７２ 翼脚表面
８０ 支持構造物
９０ ガスタービン翼列

Claims (15)

1. 断面に溝形がつけられた翼脚（５２）を備え、該翼脚（５２）に順々に翼台座（５４）と、長手方向（Ｌ）に湾曲された翼形部（５６）が続き、該翼形部（５６）が翼背側壁（６４）と翼腹側壁（６２）によって形成され、翼脚（５２）が翼形部（５６）の長手方向（Ｌ）に延び、翼台座（５４）が、それぞれ長手方向（Ｌ）に延び凸面状に湾曲された翼背側の翼台座長手縁（５５ａ）と凹面状に湾曲された翼腹側の翼台座長手縁（５５ｂ）とを有しているガスタービン翼（５０）において、
   翼脚（５２）が、翼背側壁（６４）および翼腹側壁（６２）の側の翼脚表面（７２）がそれぞれ翼台座長手縁（５５ａ、５５ｂ）に相応して凸面状あるいは凹面状に湾曲して延びるように形成されていることを特徴とするガスタービン翼（５０）。
2. 翼脚（５２）が長手方向（Ｌ）において、翼脚表面（７２）の長手方向（Ｌ）に延びるすべての曲率線（７０）が翼台座長手縁（５５）に対して平行に円弧上を延びるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン翼（５０）。
3. 翼背側壁（６４）から翼背側の翼台座長手縁（５５）までおよび／又は翼腹側壁（６２）から翼腹側の翼台座長手縁（５５）まで、翼背側ないし翼腹側の翼台座張出部（７５）が翼台座幅（Ｂ）で張り出し、該翼台座幅（Ｂ）が長手方向（Ｌ）に延びる翼台座長さの３０％にわたりほぼ一定であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービン翼（５０）。
4. 翼背側および／又は翼腹側の翼台座張出部（７５）が、比較的狭い翼台座幅（Ｂ）の翼台座端部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３のいずれか１つに記載のガスタービン翼（５０）。
5. 翼脚（５２）の断面がダブテール状、ハンマ状あるいはクリスマスツリー状に形成され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つに記載のガスタービン翼（５０）。
6. 冷却可能でありおよび／又は鋳造製造され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つに記載のガスタービン翼（５０）。
7. 溝形がつけられた翼台座要素脚（７８）および凸面状に湾曲された長手縁（７９ａ）と凹面状に湾曲された長手縁（７９ｂ）とを有する翼台座板（７６）を備え、翼台座板（７６）および翼台座要素脚（７８）が長手方向（Ｌ）に延びている、ガスタービン（１）におけるガスタービン翼列（９０）の翼台座要素（７４）において、
   翼台座要素脚（７８）が、その翼台座要素脚の両側面（７７）が長手縁（７９）に相応して凸面状あるいは凹面状に湾曲して延びるように形成されていることを特徴とするガスタービン（１）におけるガスタービン翼列（９０）の翼台座要素（７４）。
8. 翼台座要素脚（７８）が長手方向（Ｌ）において、翼台座要素脚表面（８１）の長手方向（Ｌ）に延びるすべての曲率線（７７）が長手縁（７９）に対して平行して円弧上を延びるように形成されていることを特徴とする請求項７に記載の翼台座要素（７４）。
9. 少なくとも部分的にセラミックスから成っていることを特徴とする請求項８に記載の翼台座要素（７４）。
10. ガスタービン翼（５０）の翼脚（５２）がはめ込まれる翼保持溝（９２）が設けられている請求項１ないし６のいずれか１つに記載のガスタービン翼（５０）を翼列（翼輪）の形に配置して固定するための支持構造物（８０）において、
    各翼保持溝（９２）が翼脚（５２）と同じように湾曲されていることを特徴とする支持構造物（８０）。
11. 支持構造物（８０）がタービン円板（１９）によって形成され、翼保持溝（９２）がタービン円板（１９）の外周（９１）において軸方向に延びて設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の支持構造物（８０）。
12. 隣り合う翼保持溝（９２）間にそれぞれ翼台座要素保持溝（９３）が設けられ、該翼台座要素保持溝（９３）が翼台座要素脚（７８）と同じように湾曲されていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の支持構造物（８０）。
13. 請求項１０ないし１２のいずれか１つに記載の支持構造物（８０）と
    請求項１ないし６のいずれか１つに記載のガスタービン翼（５０）とを備えたガスタービン（１）におけるガスタービン翼列（９０）であって、
    該ガスタービン翼（５０）の翼脚（５２）が、支持構造物（８０）における対応した翼保持溝（９２）にはめ込まれていることを特徴とするガスタービン（１）におけるガスタービン翼列（９０）。
14. 請求項１２に記載の支持構造物（８０）と請求項４に記載のガスタービン翼（５０）とを備え、円周方向（U）に見て、翼保持溝（９２）にはめ込まれ互いに隣り合う２個のガスタービン翼（５０）の翼台座長手縁（５５）間にそれぞれ、請求項７ないし９のいずれか１つに記載の翼台座要素（７４）が翼台座要素保持溝（９３）に挿入して設けられ、翼台座板（７６）が支持構造物（８０）を覆っていることを特徴とする請求項１３に記載のガスタービン翼列（９０）。
15. 請求項１３又は１４に記載のガスタービン翼列（９０）が定置形ガスタービン（１）に利用されることを特徴とするガスタービン翼列（９０）の利用。

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