JP2015075103A - 冷却を強化したガスタービン翼 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却を強化したガスタービン翼を提供する。
【解決手段】タービン静翼セグメントは、半径方向内側側壁と半径方向外側側壁との間に延在する１つ以上の静翼を含み、各静翼は、前記静翼の前縁と後縁との間に延在する外周端壁を有する。１つの例示的な実施形態では、略半径方向を向いた少なくとも１つの冷却流路は、前記前縁の前記外周端壁に、開口部を前記冷却流路の両側端部に有するように形成される。前記冷却流路の位置及び長さは、前記外周端壁の周りで変えることができ、前記静翼の内部空洞部には、前記１つ以上の冷却流路に沿って延在するリブを設けて、前記壁を補強し、更に、前記内部空洞部の冷却表面積を増加させることができる。
【選択図】図２

Description

本出願は概して、タービンエンジンの効率及び／または動作を向上させることに関する。更に詳細には、かつ限定されないが、本出願は、タービン静翼またはタービンノズル翼の冷却を強化することに関する。

ガスタービンエンジンは通常、圧縮機と、１つ以上の燃焼器と、少なくとも１つのタービン部と、を含む。圧縮機及びタービン部は普通、静翼列及び動翼列を含み、これらの静翼列及び動翼列は、軸線方向に多段に積層される。各段は、周方向に等間隔に配置され、かつ静止している静翼から構成される翼列、及びタービンロータに固定されるホイールに取り付けられ、かつ周方向に等間隔に配置される動翼から構成される翼列を交互に含むことができる。動作状態では、圧縮機の動翼は、ロータと共に回転して、圧縮機に供給される空気流を圧縮する。圧縮空気の殆どは、１つ以上の燃焼器のガス燃料または液体燃料と混合され、そして点火されて高温ガス流を供給し、この高温ガス流が、エンジンのタービン部で膨張して、タービンロータを回転させる。従って、燃料に含まれるエネルギーが、回転ロータの機械エネルギーに変換され、この機械エネルギーを使用して、圧縮機の動翼を回転させることにより、燃焼に必要な供給圧縮空気が生成されるだけでなく、発電機のコイルを回転させることにより、電力が生成される。

動作状態では、高温ガス経路の温度は極めて高いので、高流速の作動流体、及び回転速度で回るエンジン、回転動翼（または、回転翼）、及び静止している静翼は、機械的負荷及び熱的負荷が極めて大きくなって、非常に高い応力を受けるようになる。

当分野の当業者であれば理解することができることであるが、熱応力を軽減する１つの方法では、静翼及び／または動翼を冷却して、静翼及び／または動翼に生じる温度が、高温ガス経路の温度よりも低くなるようにする。効果的に冷却すると、例えばこれらの高温ガス経路の構成部品が、より高い燃焼温度に耐えることができ、高い動作温度におけるより高い熱的−機械的応力に耐えることができ、かつ／または稼働寿命を延ばすことができ、これらの特徴の全てによって、タービンエンジンは、費用対効果を更に高めるようになり、かつ一層効率的になることができる。静翼及び動翼を動作中に冷却する１つの方法では、内部冷却流路または内部冷却通路を利用する。一般的に、この手法では、圧縮機から供給することができる比較的低温の空気を、静翼内の、またはタービン翼内の内部冷却通路に流す。

米国特許第６５１７３１２号明細書

しかしながら、更に効果的となり、かつ更に効率的となる冷却を、例えば特に最高温度及び熱応力が生じる箇所のタービン初段の高温燃焼ガスに曝される静翼の前縁に対して行なう必要が依然として残っている。

１つの例示的かつ非限定的な実施形態では、タービン静翼セグメントが提供され、タービン静翼セグメントは、半径方向内側側壁と半径方向外側側壁との間に延在する１つ以上の静翼であって、各静翼が、前縁及び後縁を含む外周端壁を有する、前記１つ以上の静翼と、略半径方向を向いた少なくとも１つの冷却流路と、を備え、少なくとも１つの冷却流路は、前記外周端壁に、前記内側側壁及び外側側壁のうちの一方の側壁に流入口を有するように形成される。

別の非限定的な態様では、本発明はタービンエンジンを提供し、タービンエンジンは、圧縮機と、少なくとも１つの燃焼器と、少なくとも１つのタービン段と、を備え、少なくとも１つのタービン段は、半径方向内側側壁と半径方向外側側壁との間に延在する静翼から構成される翼列であって、各静翼が、前縁及び後縁を含む外周端壁を有する、前記静翼から構成される翼列と、略半径方向を向いた少なくとも１つの冷却流路と、を含み、少なくとも１つの冷却流路は、前記外周端壁に、前記内側側壁及び外側側壁のうちの一方の側壁に設けられる流入口を有するように形成される。

更に、補強リブを静翼の内側空洞部に、外周端壁の流路に隣接して、かつ流路に少なくとも部分的に沿って設けることが本発明の１つの特徴である。従って、更に別の例示的な態様では、タービンエンジンが提供され、タービンエンジンは、圧縮機と、少なくとも１つの燃焼器と、少なくとも１つのタービン段と、を備え、少なくとも１つのタービン段は、半径方向内側側壁と半径方向外側側壁との間に延在する静翼から構成される翼列であって、各静翼が、前縁及び後縁を含む外周端壁を有する、前記静翼から構成される翼列と、前記外周端壁の周りに形成される略半径方向を向いた複数の冷却流路であって、前記外周端壁が前記前縁に、略半径方向を向いた前記複数の冷却流路を含み、前記複数の冷却流路が、前記内側側壁と前記外側側壁との間の半径方向長さに沿って、少なくとも途中まで延在し、かつ流入口を前記内側側壁及び前記外側側壁のうちの一方の側壁に有する、または一方の側壁に隣接して有する、略半径方向を向いた前記複数の冷却流路と、前記外周端壁の内側表面に沿って、かつ略半径方向を向いた前記複数の冷却流路の各冷却流路に隣接して延在する補強リブと、を含む。

従来のガスタービンエンジンの模式図である。 従来のガスタービンエンジンのタービン部の部分側面図である。 本発明の例示的かつ非限定的な実施形態によるガスタービン静翼体の斜視図である。 本発明の例示的かつ非限定的な実施形態による前縁冷却流路を示す部分断面図である。 図４から取り出した拡大図である。 図４から取り出した拡大図である。 １つの実施形態による例示的な冷却流路を示す部分斜視図である。 別の実施形態による例示的な冷却流路を示す部分斜視図である。 更に別の実施形態による例示的な冷却流路を示す部分斜視図である。 例示的かつ非限定的な別の実施形態による冷却流路を備える静翼の部分的上平面図である。 例示的な別の実施形態による異なる直径の冷却流路を有する静翼の部分断面である。 静翼の部分断面であり、例示的な別の実施形態による静翼の前縁に隣接して配列される冷却流路を示している。

図１は、ガスタービンシステム１０を模式的に示しており、ガスタービンシステム１０は、本明細書において更に詳細に説明されるように、静翼及び動翼またはタービン動翼を含み、これらの静翼または動翼は、内部冷却循環路を備えることができる。従来とは異なるこの構成では、流入口１２を介して供給される空気は、圧縮機１４で圧縮され、１つ以上の燃焼器１６の燃料と混合され、これらの燃焼器では、燃料に点火することにより高温燃焼ガスを生成する。エネルギーは、これらの燃焼器の下流に配置される１つ以上のタービン段１８の燃焼ガスから取り出されて、電力を発生する発電機２０を駆動する。取り出されたエネルギーを使用して圧縮機１４を駆動することもでき、タービンロータ２２は、圧縮機、タービン段、及び発電機に共通のものとすることができることに留意されたい。しかしながら、本明細書において記載される発明は、図示のガスタービンシステムにだけ限定されない。更に、この点に関して、本明細書において記載されるこれらの冷却循環路は、冷却循環路の通路または冷却循環路の空洞部を流れる空気を利用する種々のフィルム冷却構造に完全に適合する。

図２を更に参照するに、通常のガスタービン構造では、多数の燃焼器１６は、多数のトランジションピース（尾筒）２４が、高温燃焼ガスをそれぞれの燃焼器からガスタービン部１８に導くように、タービンロータの周りに環状に配置することができる。

図２に示すガスタービン部１８は、３つの個別の段を含む。各段は、タービンロータまたはタービン軸（図示せず）に従来の方法で取り付けられるそれぞれのロータホイール３２、３４、及び３６にそれぞれ接続される一連の動翼２６、２８、３０を含む。軸線方向に等間隔に配置される動翼から構成される翼列の間には、周囲のタービンステータ（図示せず）に固定され、かつ図２に記号Ｓ１Ｎ、Ｓ２Ｎ、及びＳ３Ｎが付されたタービン静翼列を構成するタービン静翼または静翼３８、４０、及び４２の環状配列がそれぞれ配設される。

これらの静翼列は、静翼３８の列にのみ参照番号４６及び４８が付されている内側側壁４６及び外側側壁４８を有するが、同様の内側側壁及び外側側壁が、各翼段落の静翼に接続される。これらの側壁は通常、円弧状に設けられて、各円弧部が１つの静翼、２つの静翼、またはそれよりも多くの静翼を支持することができるようになっている。

図３は、本発明の例示的かつ非限定的な第１の実施形態による静翼部を示している。２つの静翼５０、５２は、外周端壁５１、５３をそれぞれ有し、これらの外周端壁は、これらの静翼の周りに延び、それぞれの前縁５４、５６及び後縁（１つの後縁が番号５５で図示されている）を接続している。これらの静翼は、円弧部の内側側壁４６と外側側壁４８との間に支持される。静翼５０、５２の前縁５４、５６は、トランジションピース２４からタービン初段に流れ込む高温燃焼ガスに曝される。静翼５０、５２は、略同一であり、一方の静翼についてだけ詳細に説明すれば済むので、Ｓ１Ｎ静翼列の静翼３８の全てに、以下に説明する冷却強化を施せばよいことを理解できるであろう。

１つの例示的かつ非限定的な実施形態では、従来とは異なるいずれの内部冷却循環路を静翼内に設けるかどうかに関係なく、前縁５４は、更に別の冷却形状を有するように設けることができる。図４〜６を詳細に参照するに、冷却通路または冷却流路５８は、外周端壁５１内を、静翼５０の前縁５４に沿って、静翼の半径方向外側端部６０と半径方向内側端部６２との間に延在している。図示の例では、内側端部６２は、参照番号６４で指示される箇所で一方の側が裾広がり状に形成されている。冷却流路５８は、ドリル加工して、または鋳込成形して所定の位置に形成することができ、流路は、内側側壁４６及び外側側壁４８内を延在させることができることを理解されたい。冷却流路５８は、流路の半径方向外側端部及び半径方向内側端部において開放されているので、圧縮機からの排気または吸気が流路内を流れることができるようになっている。例示的な実施形態における冷却流路５８は、外周端壁５１の肉厚に食い込んで延びる様子が図示されているので、以下に詳細に説明するように、外周端壁を補強して、最小限必要な厚さを維持する必要がある。１つの冷却流路５８を図示のように設けることができる、または静翼の前縁領域に沿って架け渡される複数の冷却流路を設けることができ、これらの流路が、種々の断面形状を有することができることを理解できるであろう。

図７〜９は、異なる断面形状の複数の冷却流路構造だけでなく、内部補強リブ構造の例を示している。詳細には、図７は、３つの冷却通路または冷却流路が配列される様子を示しており、これらの冷却通路または冷却流路は、冷却流路５８を前縁５４の最前縁部に含むとともに、隣接する冷却流路６６及び６８を含み、これらの流路の全ては、「レーストラック形状」の断面を有し、内部リブ７０、７２、及び７４が、それぞれの流路に略位置合わせされ、かつそれぞれの流路に沿って延びている。動作状態では、圧縮機の二次冷却流は、半径方向に向いたこれらの冷却通路内または冷却流路５８、６６、６８内を通過して、前縁温度を低下させ、これによって今度は、ＬＣＦ（低サイクル疲労特性）、耐クリープ性、及び耐酸化性が向上する。内部リブ７０、７２、及び７４は、それぞれの冷却流路の真裏に当たる位置の前縁５４の肉厚を補強するように機能する。図８は、冷却流路１５８、１６６、及び１６８が、円形断面形状を有しているのに対し、補強リブ１７０、１７２、１７４は図７に示すものと殆ど同じままになっていることを除き、同様の構造を示している。図９は、冷却流路２５８、２６６、及び２６８が略矩形断面形状を有することを除き、同様の構造を示している。この場合も同じように、内部補強リブ２７０、２７２、及び２７４は、図７及び８に示すリブと同様である。冷却流路形状及びリブ形状は、必要に応じて変えることにより、所望の冷却効果を発現させることができることを理解できるであろう。例えば、これらのリブに傾斜を付けることができる、またはその他には、これらのリブは、これらのリブのそれぞれの長さに沿って不均一な厚さを有することができる。

図７を一例として使用すると、従来とは異なる内部静翼冷却循環路の一部とすることができる既存の前縁冷却空洞部７６は、冷却空洞部７６内の内部リブ７０、７２、及び７４が、空洞部内の表面積を増やすように機能することができることにより、冷却効果を高めることもできることを除き、前縁冷却通路５８、６６、及び６８を設けることによって変わることがないことにも留意されたい。

静翼の外周端壁に設けられる冷却流路の本数及び位置は、変えることができることを理解こともできるであろう。例えば、図１０に示すように、かつ冷却要求によって異なるが、複数の流路７６を外周端壁７８の全体または一部の周りの離間位置に形成することができ、この場合、内部補強リブを必要に応じて設けて、外周端壁の最小厚さ要求を満たすようにする。

図１１に示すように、個々の流路の直径は、これらの流路のそれぞれの長さに沿って変えることができる。詳細には、外周端壁８２に形成される冷却流路８０は、外側側壁８６に隣接する第１直径部分８４と、内側側壁と外側側壁との間の半径方向の位置の小さい方の直径部分８８と、を有する。直径が変化する箇所は、冷却要求によって異なるが、必要に応じて設けることができる。

図１２は、冷却流路の半径方向長さが、前縁９０のいずれかの側で変化する構成の別の冷却流路構造を示している。詳細には、徐々に短くなる半径方向長さを有する２つの更に別の流路９２及び９４は、前縁流路９６の一方の側に図示されており、同様の流路は、前縁９０の他方の側に、対称に、または非対称に形成することができることを理解できるであろう。従って、これらの流路は、半径方向内側側壁及び／または外側側壁の間の任意の位置（例えば、静翼の半径方向長さの５０％から１００％の位置）で終端させることができ、静翼内の内部冷却空洞部に接続される流路につき１つ以上の流出口を有することができる。図１２では、前縁流路９６は、複数の流出口９８を有するものとして図示されており、この形状は、本明細書において記載される冷却流路構造のいずれの冷却流路構造にも適用することができる。流出口９８は、補強リブ（図１２には図示されず）を貫通して延在させることができる、または延在させる必要がないことに留意されたい。

更に、圧縮機の二次排気流または二次吸気流の方向は、半径方向外側方向または半径方向内側方向とすることができるので、これらの流路の流入口位置及び流出口位置を決定することができる。別の表現をすると、これらの流路の流入口は、内側側壁及び外側側壁のうちの一方の（または、隣接する）側壁に設けることができる。

本発明を主として、例示的な地上用ガスタービンエンジンの初段について説明してきたが、本発明は、任意のタービン段に適用することができ、当分野の当業者であれば更に、本発明の実施形態は、航空機、及び他の種類のロータリーエンジンに使用されるタービンを含む他のタービンに使用することもできることを理解できるであろう。

本発明を、現時点で最も実用的かつ好適であると考えられる実施形態に関連して説明してきたが、本発明は、開示される実施形態に限定されるものではなく、添付の請求項の思想及び範囲に含まれる種々の変形及び等価な構成を含むものであることを理解されたい。

１０ ガスタービンシステム
１２ 流入口
１４ 圧縮機
１６ 燃焼器
１８ タービン段、ガスタービン部
２０ 発電機
２２ タービンロータ
２４ トランジションピース
２６、２８、３０ 動翼
３２、３４、３６ ロータホイール
３８、４０、４２ タービン静翼、静翼
４６ 内側側壁
４８、８６ 外側側壁
５０、５２ 静翼
５１、５３、７８、８２ 外周端壁
５４、５６、９０ 前縁
５５ 後縁
５８、６６、６８ 冷却流路、前縁冷却通路
６０ 外側端部
６２ 内側端部
６４ 箇所
７０、７２、７４ 内部リブ
７６ 前縁冷却空洞部、流路
８４ 第１直径部分
８８ 小さい方の直径部分
９２、９４ 流路
９６ 前縁流路
９８ 流出口
１５８、１６６、１６８、２５８、２６６、２６８ 冷却流路
１７０、１７２、１７４ 補強リブ
２７０、２７２、２７４ 内部補強リブ
Ｓ１Ｎ、Ｓ２Ｎ、Ｓ３Ｎ タービン静翼列

Claims (20)

1. 半径方向内側側壁（４６）と半径方向外側側壁（４８）との間に延在する１つ以上の静翼（５０、５２）であって、各静翼（５０、５２）が、前縁（５４、５６）及び後縁（５５）を含む外周端壁（５１、５３）を有する、前記１つ以上の静翼（５０、５２）と、略半径方向を向いた少なくとも１つの冷却流路と、を備え、前記少なくとも１つの冷却流路は、前記外周端壁（５１、５３）に、前記内側側壁（４６）及び外側側壁（４８）のうちの一方の側壁に設けられる流入口（１２）を有するように形成される、タービン静翼セグメント。
2. 略半径方向を向いた前記少なくとも１つの冷却流路は、半径方向を向いた複数の冷却流路を備え、前記複数の冷却流路は、１つの冷却流路を前記前縁（５４、５６）の最前方部に含む、請求項１に記載のタービン静翼セグメント。
3. 前記静翼（５０、５２）は、略中空形状であり、半径方向を向いたリブ（７０、７２、７４）が、前記外周端壁（５１、５３）の内側表面に、略半径方向を向いた前記少なくとも１つの冷却流路に隣接して、かつ前記少なくとも１つの冷却流路に沿って延びるように設けられる、請求項１に記載のタービン静翼セグメント。
4. 前記静翼（５０、５２）は、略中空形状であり、半径方向を向いたリブ（７０、７２、７４）が、前記外周端壁（５１、５３）の内側表面に、略半径方向を向いた前記複数の冷却流路の各冷却流路に隣接して、かつ各冷却流路に沿って延びるように設けられる、請求項２に記載のタービン静翼セグメント。
5. 半径方向を向いた前記リブ（７０、７２、７４）は、前記静翼（５０、５２）の内部冷却空洞部（７６）内に配置される、請求項４に記載のタービン静翼セグメント。
6. 略半径方向を向いた前記少なくとも１つの冷却流路は、複数の冷却流路を、前記前縁（５４、５６）と後縁（５５）との間の前記外周端壁（５１、５３）の略全体の周りの離間位置に備え、半径方向を向いたリブ（７０、７２、７４）は、前記外周端壁（５１、５３）の内側表面に、前記複数の冷却流路の各冷却流路に隣接して、かつ各冷却流路に沿って延びるように設けられる、請求項１に記載のタービン静翼セグメント。
7. 半径方向を向いた前記複数の冷却流路は、流出口（９８）を、前記内側側壁（４６）と外側側壁（４８）との間の異なる半径方向位置に有する、請求項２に記載のタービン静翼セグメント。
8. 各前記静翼（５０、５２）は、略半径方向を向いた前記少なくとも１つの冷却流路とは別であり、かつ前記少なくとも１つの冷却流路に接続されない内部冷却循環路を備え、前記少なくとも１つの流路の流出口は、前記内側側壁（４６）及び外側側壁（４８）のうちの他方の側壁に配置される、請求項１に記載のタービン静翼セグメント。
9. 略半径方向を向いた前記少なくとも１つの冷却流路は、円形、矩形、またはレーストラックの断面形状を有する、請求項１に記載のタービン静翼セグメント。
10. 略半径方向を向いた少なくとも１つの冷却流路は、異なる直径部分を半径方向長さ寸法に沿って有するように形成される、請求項１に記載のタービン静翼セグメント。
11. 圧縮機（１４）と、少なくとも１つの燃焼器（１６）と、少なくとも１つのタービン段（１８）と、を備え、前記少なくとも１つのタービン段（１８）は、半径方向内側側壁（４６）と半径方向外側側壁（４８）との間に延在する静翼（５０、５２）から構成される翼列であって、各静翼（５０、５２）が、前縁（５４、５６）及び後縁（５５）を含む外周端壁（５１、５３）を有する、前記静翼（５０、５２）から構成される翼列と、略半径方向を向いた少なくとも１つの冷却流路と、を含み、前記少なくとも１つの冷却流路は、前記外周端壁（５１、５３）に、前記内側側壁（４６）及び外側側壁（４８）のうちの一方の側壁に設けられる流入口（１２）を有するように形成される、タービンエンジン。
12. 略半径方向を向いた前記少なくとも１つの冷却流路は、半径方向を向いた複数の冷却流路を備え、前記複数の冷却流路は、１つの冷却流路を前記前縁（５４、５６）の最前方部に含む、請求項１０に記載のタービンエンジン。
13. 前記静翼（５０、５２）は、略中空形状であり、半径方向を向いたリブ（７０、７２、７４）は、前記外周端壁（５１、５３）の内側表面に、略半径方向を向いた前記少なくとも１つの冷却流路に隣接して、かつ前記少なくとも１つの冷却流路に沿って延びるように設けられる、請求項１１に記載のタービンエンジン。
14. 前記静翼（５０、５２）は、略中空形状であり、半径方向を向いたリブ（７０、７２、７４）は、前記外周端壁（５１、５３）の内側表面に、略半径方向を向いた前記複数の冷却流路の各冷却流路に隣接して、かつ各冷却流路に沿って延びるように設けられる、請求項１２に記載のタービンエンジン。
15. 半径方向を向いた前記リブ（７０、７２、７４）は、前記静翼（５０、５２）の内部冷却空洞部（７６）内に配置される、請求項１１に記載のタービンエンジン。
16. 半径方向を向いた前記少なくとも１つの冷却流路は、複数の冷却流路を、前記前縁（５４、５６）と後縁（５５）との間の前記外周端壁の略全体の周りの離間位置に備え、半径方向を向いたリブは、前記外周端壁（５１、５３）の内側表面に、前記複数の冷却流路の各冷却流路に隣接して、かつ各冷却流路に沿って延びるように設けられる、請求項１１に記載のタービンエンジン。
17. 半径方向を向いた前記少なくとも１つの冷却流路は、前記内部冷却空洞部（７６）に接続される流出口（９８）を有する、請求項１５に記載のタービンエンジン。
18. 前記静翼（５０、５２）は、略半径方向を向いた前記少なくとも１つの冷却流路とは別であり、かつ前記少なくとも１つの冷却流路に接続されない内部冷却循環路を備え、前記少なくとも１つの流路の流出口は、前記内側側壁（４６）及び外側側壁（４８）のうちの他方の側壁に配置される、請求項１１に記載のタービンエンジン。
19. 略半径方向を向いた前記少なくとも１つの冷却流路は、円形、矩形、またはレーストラックの断面形状を有する、請求項１１に記載のタービンエンジン。
20. 圧縮機（１４）と、少なくとも１つの燃焼器（１６）と、少なくとも１つのタービン段（１８）と、を備え、前記少なくとも１つのタービン段（１８）は、半径方向内側側壁（４６）と半径方向外側側壁（４８）との間に延在する静翼（５０、５２）から構成される翼列であって、各静翼（５０、５２）が、前縁（５４、５６）及び後縁（５５）を含む外周端壁（５１、５３）を有する、前記静翼（５０、５２）から構成される翼列と、前記外周端壁（５１、５３）の周りに形成される略半径方向を向いた複数の冷却流路であって、前記外周端壁（５１、５３）が前記前縁（５４、５６）に、略半径方向を向いた前記複数の冷却流路を含み、前記複数の冷却流路が、前記内側側壁（４６）と前記外側側壁（４８）との間の半径方向長さに沿って、少なくとも途中まで延在し、かつ流入口を前記内側側壁（４６）及び前記外側側壁（４８）のうちの一方の側壁に有する、または一方の側壁に隣接して有する、略半径方向を向いた前記複数の冷却流路と、前記外周端壁（５１、５３）の内側表面に沿って、かつ略半径方向を向いた前記複数の冷却流路の各冷却流路に隣接して延在する補強リブ（１７０、１７２、１７４）と、を含む、タービンエンジン。