JP6005764B2 - 絞り要素を有するタービンガイド翼 - Google Patents

Description

本発明は空気力学を考慮して湾曲された翼形体を備えるタービンガイド翼に関しており、当該翼形体は、冷却媒体をガイドするための通路部分から成るとともに絞り要素が配設されている通路システムを有している。

このようなタービン翼は例えば特許文献１から知られている。既知のタービン翼の冷却空気消費を絞ることは、プラグを用いて行われ、当該プラグは外部からタービンガイド翼内の冷却通路の転向箇所に取り付けられる。プラグの進入深さに応じて、転向箇所の貫流可能な断面、及びそれとともに冷却空気の体積流量が所定の程度に容易に調整される。これにより、タービン翼の製造によって生じる、鋳造に規定される寸法の相違は、プラグを用いて補償され得、それにより冷却空気の過度の消費が回避され得る。

さらに、転向箇所における絞りの代わりに冷却空気を取り出すための開口部が設置されていてもよい。この場合、当該位置において絞りを用いることは従来、不可能であった。

国際公開第０１／３６７９０号

本発明の課題は、代替的なタービンガイド翼であって、当該タービンガイド翼において、冷却媒体を当該タービンガイド翼から外部にガイドするための開口部が転向箇所に設けられているにもかかわらず、後から絞りを行うことが可能であるタービンガイド翼を提供することである。

タービンガイド翼を目標に定めた課題は、請求項１の特徴によるタービンガイド翼によって解決される。有利な構成は従属請求項に記載されている。従属請求項の特徴は任意の方法で互いに組み合わせられ得る。

本発明は以下の認識に基づいている。すなわち、空気力学を考慮して湾曲された翼形体であって、冷却媒体をガイドするための通路部分から成るとともに絞り要素が配設されている通路システムを有する翼形体を備えるタービンガイド翼において、絞り要素を、当該絞り要素が冷却媒体の取り出しをも可能にするように形成するべきであるという認識に基づいている。従って絞り要素には、流入開口部、流出開口部、及び当該２つの開口部を結合する通路が配設されているべきであろう。当該条件において絞り要素は絞りのみに役立つものではなくなっている。絞り要素は同時に、冷却媒体を分離された２つの冷却媒体部分流に分割するための切り替え装置として用いられる。２つの冷却媒体部分流のうちの一方は、タービンガイド翼内部をさらに流れ、翼形体と当該翼形体の後縁を冷却するために用いられる。２つの冷却媒体部分流のうちのもう一方は、タービンガイド翼から直接的に外部にガイドされる。後者の冷却媒体部分流は、以下の場合に特に有利である。すなわち、冷却媒体がタービンガイド翼から外部にガイドされる端部に、さらなるガスタービン構成要素が設けられており、当該ガスタービン構成要素は冷却されなければならないか、あるいは当該ガスタービン構成要素とタービンガイド翼（又は他の構成部材）とが、間隙を形成しており、当該間隙にガスタービンの高温ガスが入り込みかねない場合である。当該ガスタービン構成要素に冷却媒体を提供することにより、該当する間隙は流出する冷却媒体によって閉塞され、それにより高温ガスの侵入は確実に回避され得る。さらなるガスタービン構成要素の冷却も、高温ガスの侵入に対して間隙を塞ぐことも、材料温度が不適切に高いことによって構成部材が早期に劣化することを防ぎ、それによって当該構成部材の寿命を延長させる。

第一の有利なさらなる構成によれば、絞り要素はタービンガイド翼に挿入されているとともに、周面側に設けられた冷却媒体のための流入開口部を有してカップ状に形成されており、絞り要素のカップ開口部はタービンガイド翼の外面に設けられている。この場合、カップ開口部は、絞り要素に流入する冷却媒体部分流のための流出開口部を表している。当該形成により、流れ切り替え装置の比較的簡単な構成が提供されており、当該構成において２つの冷却媒体部分流のうちの前記もう一方の部分流は、入ってくる冷却媒体流が絞り要素を、より正確に言えば絞り要素の流入開口部を通過して流れ、通路システムのさらに下流にある通路部分に流入することによって作り出される。当該構成のさらなる有利点は、鋳造されるタービンガイド翼内に取り付けられる唯一の構成部材、すなわち絞り要素によって、入ってくる冷却媒体流を２つの部分流に分割することが行われ得ることである。冷却媒体流の分割は流入開口部の大きさと、通路システム内の絞り箇所において残っている貫流断面に依存している。

当該構成は以下のようなさらなる有利点を有している。すなわち、すでに現場にあって運転による負荷を受けているタービンガイド翼に対して、場合により後からこのような絞り装置が配設可能とされ、当該タービンガイド翼が加工、変更もしくはそのために準備される必要がないというものである。

カップ開口部はさらに、カラーを有していてよい。当該カラーの直径は、絞り要素が挿入されている開口部よりも大きい。これにより、絞り要素を挿入する際、当該絞り要素が通路部分に落ち、それによって失われ得ることが防止される。

タービンガイド翼は通常、概ね又は完全に一体式に形成されている鋳造部材である。タービンガイド翼は好適に、固定のための底部領域と頭部領域とを含んでいる。２つの領域は翼形体において両側に設けられている。絞り要素は底部領域及び／又は頭部領域に設けられていてよい。タービンガイド翼の底部領域は、当該タービンガイド翼をリング状のガイド翼支持体に固定するために役立つ。翼形体は底部領域から径方向内側に延伸しており、当該翼形体の内側端部に頭部領域が接続している。底部領域と頭部領域はそれぞれ通常、ガスタービンの高温ガス通路を局所的かつ径方向において画定するためのいわゆるプラットフォームを含んでいる。内側プラットフォームの、高温ガス通路に背向する側にフックが設けられており、当該フックは頭部領域の部分であり、当該フックに通常、いわゆるＵリングが固定される。当該Ｕリングによって、ガイド翼リングのタービンガイド翼又はタービンガイド翼セグメントは互いに連結される。これらのＵリングは場合によって冷却されなければならず、これらの構成要素がロータと共に形成する間隙は高温ガスが侵入しないように閉鎖されなければならないため、通常はタービンガイド翼によってガイドされる冷却媒体がタービンガイド翼の頭部側の端部において、絞り要素によって再び取り出され、当該頭部側の端部においてハブ側で用いられ得るならば、特に有利である。

以下のようなさらなる構成はさらに有利である。すなわち、翼形体において互いにほぼ平行に設けられた２つの冷却通路部分が、底部側又は頭部側に設けられた転向領域を介して、流体技術的に互いに結合されており、絞り要素は転向領域における冷却媒体の局所的な貫流方向に関して横方向に当該転向領域内に突出している。この場合、互いに平行に設けられている２つの通路部分の間に、分離壁が設けられており、当該分離壁は転向領域において終結しており、それによって絞り要素は進入深さに応じて当該分離壁の端部から比較的近く、あるいは比較的遠く離れて終結し得る。この意味において上記の分離壁は絞り装置の部分であり、それにより、絞り要素が後から取り付けられる場合、すでにタービンガイド翼内に存在している要素は、当該要素が本来そのために設けられているわけではないさらなる機能を引き受ける。

流入開口部が入ってくる冷却媒体流に対向している場合、絞り要素によって、わずかな圧力損失で冷却媒体を取り出すことが行われ得る。

冷却媒体流、もしくは絞り要素の直ぐ下流の通路システムにおける、いわゆる死水領域を回避し、それとともに冷却が比較的劣っている翼壁を避けるために、好ましくは、絞り要素に少なくとも１つの、周面側に設けられたさらなる貫流開口部が備えられている。このとき全ての貫流開口部の断面積は好ましくは、流入開口部の断面積よりもはるかに小さい。貫流開口部は好ましくは、流入開口部に向き合って、従って、タービンガイド翼内に当面残っている冷却媒体部分流が流出する、絞り要素の側に設けられている。このような貫流開口部自体が、以下の場合には絞り要素内に設置されていることさえ考えられる。それは、当該絞り要素が冷却空気を取り出すためではなく、すなわち部分的に管状ではなく、塊状に形成されている場合である。

このとき本発明にとって、冷却媒体の供給が底部側で行われるか、頭部側で行われるかは重要ではない。しかしながら絞り要素は好適に、供給に対向する領域に設けられている。

本発明のさらなる有利点及び特徴について、以下の図面に基づいて詳述する。

スライスされた翼形体と、底部側に挿入された絞り要素とを有するタービンガイド翼を斜視的に示す図である。 タービンガイド翼の翼形体のハブ側の断面を当該翼形体に設けられている絞り要素と共に示す図である。

定置式のガスタービンのためのタービンガイド翼１０が図１において斜視的に表示されている。タービンガイド翼１０は底部領域１２、空気力学を考慮して湾曲された翼形体１４、及び頭部領域１６を含んでおり、これらは長手軸１８に沿って連続的に設けられている。ガスタービンに取り付けた位置において底部領域１２は径方向外側に設けられており、頭部領域１６は径方向内側に設けられている。底部領域１２も、頭部領域１６もそれぞれ、プラットフォーム２０を含んでおり、当該プラットフォームは該当するタービンガイド翼１０の領域において、ガスタービンのリング状高温ガス通路の局所的かつ径方向の画定部を形成している。この意味において翼形体１４はリング状の高温ガス通路２２を通過して延在している。また、底部領域１２及び頭部領域１６は、当該領域の高温ガス通路２２に背向する側に、固定を行うための複数のフック２４を有している。底部領域１２に設けられているフック２４は、タービンガイド翼１０を図示しないリング状のタービンガイド翼支持体に固定する役割を果たす。これに対して、頭部領域１６に設置されているフックは、図示しないが、いわゆるＵリングを固定する役割を果たす。

翼形体１４は、翼前縁１７及び翼後縁１９を含んでおり、翼前縁１７と翼後縁１９との間には、正圧側翼形体壁部４０と負圧側翼形体壁部４２とが延在している。図１に表わす翼形体１４は完全に斜視的に示されておらず、部分的に長手方向断面において示されている。これにより、翼形体１４の内部に設けられている通路システム２８の通路部分２６が表示されている。すなわち、通路部分２６を有する通路システム２８は２つの壁部４０，４２（図２参照）の間に設けられている。通路システム２８は冷却媒体をガイドするために形成されており、当該冷却媒体は、底部側に設けられているタービンガイド翼１０の開口部３０を介して供給可能である。図示の実施形態では、平行に並置された３つの通路部分２６が設けられており、当該通路部分のうち頭部側領域に接する２つは、転向領域３０を介して流体技術的に互いに連結されている。当該転向領域３０においてタービンガイド翼１０は開口部３１を有しており、当該開口部に外部から絞り要素３２が挿入されている。タービンガイド翼１０を絞り要素の損失から保護するために、絞り要素３２は点状に、又は全周にわたって溶接又ははんだ付けされていてよい。

絞り要素３２は、シリンダ状のケーシングとカップ底部３４とを具備するカップ状に形成されており、カップ底部３４は、２つの通路部分２６に分離している分離壁３６の反対側に載置されており、これにより間隙が形成されている。

すべての図面において、同一の特徴には同一の参照番号が付されている。従って、図２は、頭部領域１６と頭部領域１６の上に設けられたフック２４とを具備するタービンガイド翼１０の、図１における断面ＩＩ−ＩＩの斜視図である。頭部側において外部からタービンガイド翼１０に挿入された絞り要素３２が斜視的に表示されており、流入開口部３７を有しており、流入開口部３７は、通路部分２６のうちの一の通路部分（２６ａ）に対向している。流入開口部３７を貫通しているカップ開口部３８が図示されている。カップ底部３４は、分離壁３６の頭部側端部３９（図１）の反対側に載置されており、これにより間隙が形成されている。

図示の典型的な実施形態では、絞り要素３２は、一定の直径を有したシリンダ状に形成されている。言うまでもなく、絞り要素が部分ごとに異なる直径を有しているか、又は円錐状に形成されている場合もある。

絞り要素３２の側方において、翼形体壁部４０，４２の内面は離間しており、それにより通路部分２６ａから流れて来る冷却媒体流、多くの場合、冷却空気は、２つの冷却空気流への分割を行うために、流入開口部３７に、又は、翼壁部内面同士の間の間隙に若しくは分離壁３６と絞り要素３２との間の間隙に流入する。続いて、後者の部分流は通路部分２６ｂを通過して流れ、初めのうちはタービンガイド翼１０内に留まる。流入開口部３７に流入する部分流は、カップ開口部３８を介して外部に流れ、ハブ側に設置された構成部材を冷却するために、又は高温ガスが侵入しないように間隙を塞ぐためにハブ側で利用される。

流速の小さい冷却媒体流れ領域を回避するために、絞り要素にさらに１つ又は複数の貫流開口部４１が設けられていてよい。

タービンガイド翼１０が鋳造された後であっても、絞り要素３２を用いて、タービンガイド翼１０の冷却空気量全体と、２つの冷却媒体部分流の分割の比率とが調整され得ることは特に有利である。冷却空気を節約することにより、本発明に係るタービンガイド翼１０が配設されたガスタービンでは、その効率が改善される。同時に、すでに運転による負荷を受けているタービンガイド翼１０に、後から絞り要素３２を配設することが可能であり、タービンガイド翼１０は、タービンガイド翼１０がタービンガイド翼１０に流入する冷却媒体を取り出すための開口部を有している限り、基本的に機械加工の必要がない。新品同様ではあるが、仕様に適合しないタービンガイド翼１０を、絞り要素３２を用いて、ガスタービンにおける使用に対して適応させることも可能である。これにより構成部材における棄却率を低減し、これによりコストを最小化することができる。

概して、本発明は、空気力学を考慮して湾曲された翼形体１４であって、冷却媒体をガイドするための通路部分２６から成るとともに絞り要素３２が配設されている通路システム２８を有している翼形体１４を備えるタービンガイド翼１０に関する。代替的なタービンガイド翼１０として、タービンガイド翼１０において内部を流れる冷却媒体部分流も、タービンガイド翼１０から再び外部にガイドされる冷却媒体部分流も調整可能である、タービンガイド翼１０を提供するために、絞り要素３２が冷却媒体を取り出すために形成されていることが提案される。

１０ タービンガイド翼
１２ 底部領域
１４ 翼形体
１６ 頭部領域
１７ 翼前縁
１８ 長手軸
１９ 翼後縁
２０ プラットフォーム
２２ 高温ガス通路
２４ フック
２６ 通路部分
２６ａ 通路部分
２６ｂ 通路部分
２８ 通路システム
３０ 転向領域
３１ 開口部
３２ 絞り要素
３４ カップ底部
３６ 分離壁
３７ 流入開口部
３８ カップ開口部
３９ 頭部側端部
４０ 翼形体壁部
４１ 貫流開口部
４２ 翼形体壁部

Claims (6)

1. 空気力学を考慮して湾曲された翼形体（１４）を有するタービンガイド翼（１０）であって、
   前記翼形体が、冷却媒体をガイドするための通路部分（２６）から成るとともに絞り要素（３２）が配設されている通路システム（２８）を有している、タービンガイド翼（１０）において、
   前記絞り要素（３２）が、前記タービンガイド翼（１０）に挿入されているとともに、前記タービンガイド翼（１０）から冷却媒体を取り出すように構成されており、且つ周面側に設けられた冷却媒体のための流入開口部（３７）を有してカップ状に構成されており、
   前記絞り要素（３２）のカップ開口部（３８）が、前記タービンガイド翼（１０）の外面に設けられていることを特徴とする、タービンガイド翼（１０）。
2. 前記タービンガイド翼（１０）において前記流入開口部（３７）が入ってくる冷却媒体流に対向している、請求項１に記載のタービンガイド翼（１０）。
3. 前記タービンガイド翼（１０）において少なくとも１つの貫流開口部が設けられている、請求項１に記載のタービンガイド翼（１０）。
4. 前記タービンガイド翼が、固定のための底部領域（１２）と頭部領域（１６）とを含んでおり、前記底部領域（１２）及び前記頭部領域（１６）が、前記翼形体（１４）において両側に設けられており、前記絞り要素（３２）が、前記底部領域（１２）及び／又は前記頭部領域（１６）に設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のタービンガイド翼（１０）。
5. 前記タービンガイド翼では、前記翼形体（１４）において互いに略平行に設けられた２つの通路部分（２６）が、底部側又は頭部側に設けられた転向領域（３０）を介して互いに流通しており、前記絞り要素（３２）が、翼長方向に前記転向領域（３０）内に突出している、請求項１、２及び４のいずれか一項に記載のタービンガイド翼（１０）。
6. 前記タービンガイド翼（１０）において前記流入開口部（３７）が入ってくる冷却媒体流に対向している、請求項３に記載のタービンガイド翼（１０）。

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