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JP2016138551A - ホイールスペースパージ用空気の制御のためのタービンバケット - Google Patents

ホイールスペースパージ用空気の制御のためのタービンバケット Download PDF

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Abstract

【課題】ガスタービンにおけるホイールスペースパージ用空気の制御のためのタービンバケットを提供する。【解決手段】タービンバケット４０が、プラットフォーム部４２と、プラットフォーム部４２から半径方向外向きに延びる翼形部と、プラットフォーム部４２から軸方向に延びるプラットフォームリップ４４を含み、プラットホームリップ４４の遠位端４８が翼形部に向かって半径方向外向きに角度が付けられており、複数の空隙１１０がプラットフォームリップ４４の遠位端４８に沿って設けられている。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、一般的に、回転機械に関し、より具体的には、ガスタービンにおけるホイールスペースパージ用空気の制御に関する。
本技術分野で知られているように、ガスタービンは、ロータ組立体のホイール／ディスク上に、ステータ又はノズル組立体上の固定ベーン列と交互の、バケット列を使用する。これらの交互の列は、ロータ及びステータに沿って軸方向に延び、燃焼ガスが交互の列を通って流れると、ロータを回転させることができる。
回転バケットと固定ノズルとの間の境界における軸方向／半径方向の開口部は、高温の燃焼ガスが高温ガス経路から出て、バケット列の間に介在するホイールスペースに半径方向に入ることを可能にする。高温ガスのかかる侵入を制限するために、バケット構造は、典型的には、軸方向に突出するエンゼルウイングを採用しており、これは、隣接するステータ又はノズルから軸方向に延びる阻止部材と協働する。これらのエンゼルウイングと阻止部材は、オーバラップするが接触せず、高温ガスがホイールスペースに侵入するのを制限する役割を果たす。
加えて、冷却空気つまり「パージ用空気」は、バケット列の間のホイールスペースに導入されることが多い。このパージ用空気は、ホイールスペース内及びバケットの半径方向内側の他の領域の構成要素及び空間を冷却する役割を果たし、さらに冷却空気を逆流させて高温ガスがホイールスペースに侵入するのをさらに制限する役割を果たす。従って、エンゼルウイングシールは、さらにパージ用空気が高温ガス流路に漏出するのを制限するように設計される。
それにもかかわらず、ほとんどのガスタービンでは、パージ用空気の相当量が高温ガス流路に漏出してしまう。例えば、第１段及び第２段ホイールスペースにおけるパージ用空気の漏出が０．１％から０．３％の間である可能性がある。その結果、より冷たいパージ用空気と高温ガス流路との混合により、温度差だけでなく、流れ方向の相違又はパージ用空気及び高温ガスの渦流に起因して、混合が大きく損なわれる。
米国特許第８４１９３５６号明細書
１つの実施形態において、本発明は、プラットフォーム部と、プラットフォーム部から半径方向外向きに延びる翼形部と、プラットフォーム部から軸方向に延びるプラットフォームリップと、プラットフォームリップの表面に沿って配置された複数の空隙とを含むタービンバケットを提供する。
別の実施形態において、本発明は、プラットフォーム部と、プラットフォーム部から半径方向外向きに延びる翼形部と、プラットフォーム部から軸方向に延びるプラットフォームリップと、プラットフォームリップの表面に沿って配置され、各々がプラットフォームリップの本体を通って半径方向に延びる複数の空隙とを含むタービンバケットを提供する。
本発明のこれら及び他の特徴は、本発明の各種実施形態を示す添付図面と併用される本発明の各種態様の以下の詳細な説明から容易に理解されるであろう。
公知のタービンの一部の概略断面図。 公知のタービンバケットの斜視図。 本発明の実施形態によるタービンバケットの一部の断面側面図。 図３のタービンバケットの一部の斜視図。 本発明の別の実施形態によるタービンバケットの一部の斜視図。 本発明のさらに別の実施形態によるタービンバケットの一部の斜視図。 本発明のさらに他の実施形態によるタービンバケットの一部の斜視図。 本発明のさらに他の実施形態によるタービンバケットの一部の斜視図。 本発明のさらに他の実施形態によるタービンバケットの一部の斜視図。 本発明のさらに他の実施形態によるタービンバケットの一部の斜視図。 本発明のさらに他の実施形態によるタービンバケットの一部の斜視図。 本発明のさらに他の実施形態によるタービンバケットの一部の斜視図。 本発明のさらに他の実施形態によるタービンバケットの一部の斜視図。 典型的なタービンバケットとの関連におけるパージ用空気流の概略図。 本発明の実施形態によるタービンバケットとの関連におけるパージ用空気流の概略図。 本発明の実施形態によるタービンバケット最終段及びディフューザの概略図。 公知のタービン及び本発明の実施形態によるタービンのディフューザ入口平面における渦流スパイクプロファイルのグラフ。 公知のタービン及び本発明の実施形態によるタービンのディフューザ入口平面における全圧力スパイクプロファイルのグラフ。 本発明の実施形態による蒸気タービンバケットの概略断面側面図。
本発明の図面は、縮尺通りでないことに留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様を示すことのみを意図しており、従って、本発明の範囲を限定すると考えるべきではない。図面において、各図面の間で同様の番号は同様の要素を表す。
ここで図面を参照すると、図１は、第１段ノズル２０と第２段ノズル２２との間に配置されたバケット４０を含むガスタービン１０の一部の概略断面図を示す。当業者であれば理解できるように、バケット４０は、軸方向に延びるロータ（図示せず）から半径方向外向きに延びる。バケット４０は、概ね平面のプラットフォーム４２、プラットフォーム４２から半径方向外向きに延びる翼形部、プラットフォーム４２から半径方向内向きに延びるシャンク部６０を含む。
シャンク部６０は、第１段ノズル２０に向かって軸方向外向きに延びる１対のエンゼルウイングシール７０、７２と、第２段ノズル２２に向かって軸方向外向きに延びるエンゼルウイングシール７４とを含む。異なる数及び配置のエンゼルウイングシールが可能であり、本発明の範囲内であることを理解されたい。本明細書で説明されるエンゼルウイングシールの数及び配置は、例示目的のためだけに提供されている。
図１から分かるように、ノズル表面３０及び阻止部材３２は、第１段ノズルから軸方向に延び、かつ、それぞれエンゼルウイングシール７０及び７２の半径方向外側に配置される。このように、ノズル表面３０はエンゼルウイングシール７０にオーバラップするが接触せず、阻止部材３２はエンゼルウイングシール７２にオーバラップするが接触しない。第２段ノズル２２の阻止部材３２及びエンゼルウイングシール７４についても類似の配置が示される。図１に示す配置において、タービンの運転中、例えば、大量のパージ用空気をノズル表面３０、エンゼルウイングシール７０及びプラットフォームリップ４４の間に供給することができ、これにより、パージ用空気が高温ガス流路２８へ漏出すること及び高温ガスが高温ガス流路２８からホイールスペース２６に侵入することの両方が制限される。
図１では、バケット４０が第１段ノズル２０と第２段ノズル２２との間に配置され、バケット４０が第１段バケットを表すように示されるが、これは図示及び説明の目的のためだけである。本明細書で説明される本発明の原理及び実施形態は、タービンの任意の段のバケットに適用して類似の結果を達成することが期待できる。
図２は、バケット４０の一部の斜視図を示す。図示のように、翼形部５０は、前縁５２と、後縁５４とを含む。シャンク部６０は、エンゼルウイング７０とプラットフォームリップ４４との間に配置された、後縁５４より前縁５２に近い面６２を含む。
図３は、本発明の実施形態によるタービンバケット４０の一部の断面側面図を示す。図３から分かるように、プラットフォームリップ４４の遠位端４８は、翼形部５０に向かって半径方向外向きに角度がつけられている。
図４は、図３のバケット４０の斜視図を示す。複数の空隙１１０は、プラットフォームリップ４４の遠位端４８に沿って設けられる。図４に示すように、空隙１１０は、形状が概ね台形であるが、このことは必要でも必須でもない。例えば、長方形、菱形、又はアーチ形状を含む、他の形状を有する空隙も採用できる。
例えば、図５は、本発明の別の実施形態によるバケット４０の斜視図を示す。ここでは、プラットフォームリップ４４は、プラットフォーム４２から軸方向に延びる（つまり、図３及び図４におけるように、遠位端は、翼形部５０に向かって角度がつけられていない）。空隙２１０は、空隙２１０に隣接したプラットフォームリップ４４の残り部分がアーチ形面４５を含むように、アーチ形経路においてプラットフォームリップ４４を通って延びる。
図６に示す本発明の実施形態は、バケット４０の斜視図を示す。ここでは、プラットフォームリップ４４は、図３及び図４におけるように、角度がつけられた遠位端４８を含む。しかしながら、空隙３１０は、遠位端４８にではなく、プラットフォームリップ４４の本体４６内に形成される。上述のように、空隙３１０は、例えば、長方形、台形、菱形、アーチ形などを含む、任意の形状とすることができる。
図７〜図９は、本発明の他の実施形態の斜視図を示す。図７において、空隙４１０は、形状が楕円形であり、バケット４０の半径方向軸に対して角度がつけられる。
図８において、異なるサイズの楕円形空隙５１０が採用され、空隙サイズは、翼形部５０の凹面のトレーリング面（ｔｒａｉｌｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ）に近い端部から、凸面のリーディング面（ｌｅａｄｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ）に向かって、プラットフォームリップ４４に沿って次第に大きくなる。かかる実施形態において、プラットフォームリップ４４とエンゼルウイング７０との間のパージ用空気に対する空隙５１０の作用は、一般的に、より大きい空隙の近隣でより顕著であろう。これは、例えば、パージ用空気の損失又は高温ガスの侵入が、より大きい空隙の領域でより多い場合に望ましい。
図９において、異なるサイズの楕円形空隙５１０が採用され、空隙サイズは、翼形部５０の凹面のトレーリング面に近い端部から凸面のリーディング面に向かって、プラットフォームリップ４４に沿って次第に小さくなる。上記の検討から認識されるように、かかる実施形態は、例えば、パージ用空気の損失又は高温ガスの侵入が、より大きい空隙の領域でより多い場合に望ましい。
図１０〜図１３は、本発明の各種実施形態によるタービンバケット４０の斜視図を示す。図１０〜図１３の実施形態の各々において、空隙は、プラットフォームリップ４４に沿って不規則に配置される。
図１０において、複数の概ね長方形の空隙６１０が、翼形部５０の凹面のトレーリング面よりも凸面のリーディング面の近くに、プラットフォームリップ４４に沿って配置される。
図１１において、空隙が集中する領域は、図１０のものとは反対であり、翼形部５０の凸面のリーディング面より凹面のトレーリング面の近くに、プラットフォームリップ４４に沿って配置される。
図１２及び図１３は、それぞれ図１０及び図１１における実施形態に類似した実施形態を示し、空隙７１０の形状は、概ね長方形ではなく、菱形である。菱形の空隙７１０の使用は、例えば、パージ用空気を、翼形部５０の凸面のリーディング面又は凹面のトレーリング面のいずれかに向けるために採用することができる
図１４は、典型的なタービンバケットにおけるパージ用空気流の概略図を示す。パージ用空気８０は、領域８２に集結し、より高い渦流速度を有し、漏出するパージ用空気８４の相当量が高温ガス流路２８に入るように示される。領域８２において、面６２の近くで、より高い渦流速度を有するパージ用空気８０が集結すると、高温ガス９５をホイールスペース２６に侵入させてしまう。
対照的に、図１５は、本発明の各種実施形態による、パージ用空気８０に対する空隙１１０の作用を示す。図１５から分かるように、パージ用空気８０が集結し、より高い渦流速度を示す領域８３は、図１４と比較すると、面６２からプラットフォームリップ４４の遠位端に向かって、より遠ざかっている。事実上、これがカーテン作用をもたらし、高温ガス流路２８からの高温ガス９５の侵入を制限し、同時にホイールスペース２６から高温ガス流路２８へ漏出するパージ用空気の量を低減させる。
本発明の実施形態を用いて達成されるタービン効率の向上は、多くの要因に起因する。第１に、上述のように、渦流速度の増大は、パージ用空気の高温ガス流路２８への漏出を減少させ、渦流角度の変化は、漏出するパージ用空気に起因する混合損を減少させ、本発明による空隙により生じるカーテン作用は、高温ガス９５がホイールスペース２６に侵入するのを減少させるか又は防止する。これらの各々が、観察される効率の向上に寄与する。
加えて、必要とされるパージ用空気の全体量は、少なくとも２つの理由により減少する。第１に、漏出するパージ用空気の減少は、必然的に置換する必要があるパージ用空気を減少させる。第２に、高温ガス９５のホイールスペース２６への侵入の減少は、ホイールスペース２６内の温度上昇、及び追加のパージ用空気を導入することにより温度を下げるために必要な付随物を減少させる。必要な総パージ用空気に対するこれらの低減の各々は、パージ用空気を提供する圧縮機等の他のシステム構成要素に対する必要性を減少させる。
上記では、プラットフォームリップ空隙が、ホイールスペース内、特にタービンバケットの前段に隣接するホイールスペース内でのパージ用空気の渦流速度を変化させる能力について参照したが、プラットフォームリップ空隙を任意の段のタービンバケットに採用して、パージ用空気渦流速度及び角度を同様に変化させることができることに留意されたい。事実、本出願人は、プラットフォームリップ空隙を最終段バケット（ＬＳＢ）に採用する場合に非常に有効な結果を得られることに気付いた。
ディフューザ入口の内側半径領域における全圧力（ＰＴ）及び渦流プロファイルの各スパイクは、高温ガス流とＬＳＢに隣接するホイールスペースを出るパージ用空気の渦流との間の不一致の結果である。本出願人は、本発明の各種実施形態によるプラットフォームリップ空隙は、内側半径に近いディフューザ入口におけるＰＴスパイクの増大させることができるが、同時に、同一位置における又はその近くの渦流スパイクを減少させることができることを発見した。これらのそれぞれがディフューザ性能を改善させる。例えば、プラットフォームリップ空隙は、ＬＳＢホイールスペースを出るパージ用空気の渦流角度を１〜３度だけ変化させるが、ＰＴスパイクを１５〜３０％だけ増加させることが分かっている。
図１６は、ディフューザ８５０に隣接するＬＳＢ４０の概略図を示す。高温ガス１９５は、ディフューザ入口平面８６０においてディフューザ８５０に入り、ストラット８７０に向かう。本発明の実施形態によるプラットフォームリップ空隙は、パージ用空気が高温ガス１９５と混合する際のパージ用空気の渦流不一致を減少させ、高温ガス１９５がストラット８７０に入る際の高温ガス１９５の分離を防止する。同時に、かかるプラットフォームリップ空隙は、ＰＴスパイクを増大させる。
図１７は、ディフューザ入口平面高さの関数としての渦流スパイクのグラフを示す。プロファイルＡは、本発明の実施形態によるプラットフォームリップ空隙を有するタービンに対する渦流スパイクを表す。プロファイルＢは、本技術分野で公知のプラットフォームリップを有するタービンに対する渦流スパイクを表す。プロファイルＡは、ディフューザ入口平面の半径方向内側位置で渦流スパイクが著しく減少することを示す。
図１８は、ディフューザ入口平面高さの関数としてのＰＴスパイクのグラフを示す。プロファイルＡは、本発明の実施形態によるプラットフォームリップ空隙を有するタービンに対するＰＴスパイクを表す。プロファイルＢは、本技術分野で公知のプラットフォームリップを有するタービンに対するＰＴスパイクを表す。プロファイルＡは、ディフューザ入口平面の半径方向内側位置でＰＴスパイクが増大することを示す。
上述の空隙の動作原理は、蒸気タービンの運転にも適用することができる。例えば、図１９は、翼形部９５０と、ディスク９９０に固定されたシャンク９６０とを有する蒸気タービンバケット９４０の概略断面図を示す。プラットフォームリップ９４４の拡大図が提示され、プラットフォームリップ９４４に沿って、空隙９１０（想像線で示す）を、上記の図３〜図５、図１２及び図１３に示す空隙と同様に配置することができる。
本明細書で説明するような本発明の実施形態を使用する蒸気タービンは、通常、例えば、漏れ流及び特徴部を用いる段に応じて、０．１％から０．５％の間の効率改善を実現する。
本明細書で用いられる場合、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈がそうでないことを明確に示さない限り、複数形も含むことを意図している。さらに、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書で用いられる場合、記述された特徴、整数、ステップ、操作、要素、及び／又は構成要素の存在を指定するが、１つ又はそれ以上の他の特徴、整数、ステップ、操作、要素、構成要素、及び／又はそれらの群の存在又は追加を排除するものではないことが理解されるであろう。
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること及びあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
プラットフォーム部と、
上記プラットフォーム部から半径方向外向きに延びる翼形部と、
上記プラットフォーム部から軸方向に延びるプラットフォームリップと、
上記プラットフォームリップの表面に沿って配置された複数の空隙と、
を備えるタービンバケット。
［実施態様２］
上記プラットフォーム部から半径方向内向きに延びるシャンク部と、
上記シャンク部の面から軸方向に延びる少なくとも１つのエンゼルウイングと、
をさらに含む、実施態様１に記載のタービンバケット。
［実施態様３］
運転状態において、上記複数の空隙は、上記プラットフォームリップと上記少なくとも１つのエンゼルウイングとの間でパージ用空気の渦流速度を変化させるように適合される、実施態様２に記載のタービンバケット。
［実施態様４］
上記複数の空隙は、上記プラットフォームリップの遠位端に沿って配置される、実施態様１に記載のタービンバケット。
［実施態様５］
上記プラットフォームリップの上記遠位端は、上記翼形部に向かって角度がつけられる、実施態様４に記載のタービンバケット
［実施態様６］
上記複数の空隙のうち少なくとも１つは、軸方向に角度がつけられる、実施態様１に記載のタービンバケット。
［実施態様７］
上記複数の空隙は、上記プラットフォームリップの上記表面に沿って不規則に配置される、実施態様１に記載のタービンバケット。
［実施態様８］
上記複数の空隙は、上記翼形部のリーディング面に近いほど集中する、実施態様１に記載のタービンバケット。
［実施態様９］
上記複数の空隙は、上記翼形部のトレーリング面に近いほど集中する、実施態様１に記載のタービンバケット。
［実施態様１０］
上記複数の空隙の各々は、長方形の断面形状を有する、実施態様１に記載のタービンバケット。
［実施態様１１］
上記複数の空隙の各々は、台形の断面形状を有する、実施態様１に記載のタービンバケット。
［実施態様１２］
プラットフォーム部と、
上記プラットフォーム部から半径方向外向きに延びる翼形部と、
上記プラットフォーム部から軸方向に延びるプラットフォームリップと、
上記プラットフォームリップの表面に沿って配置され、各々が上記プラットフォームリップの本体を通って半径方向に延びる複数の空隙と、
を備えるタービンバケット。
［実施態様１３］
上記プラットフォーム部から半径方向内向きに延びるシャンク部と、
上記シャンク部の面から軸方向に延びる少なくとも１つのエンゼルウイングと、
をさらに含む、実施態様１２に記載のタービンバケット。
［実施態様１４］
運転状態において、上記複数の空隙は、上記プラットフォームリップと上記少なくとも１つのエンゼルウイングとの間でパージ用空気の渦流速度を変化させるように適合される、実施態様１３に記載のタービンバケット。
［実施態様１５］
上記複数の空隙は、上記プラットフォームリップの長さに沿って不規則に配置される、実施態様１２に記載のタービンバケット。
［実施態様１６］
上記複数の空隙は、上記翼形部のリーディング面に近いほど集中する、実施態様１５に記載のタービンバケット。
［実施態様１７］
上記複数の空隙は、上記翼形部のトレーリング面に近いほど集中する、実施態様１５に記載のタービンバケット。
［実施態様１８］
上記複数の空隙の各々は、長方形の断面形状を有する、実施態様１２に記載のタービンバケット。
［実施態様１９］
上記複数の空隙の各々は、卵形の断面形状を有する、実施態様１２に記載のタービンバケット。
［実施態様２０］
上記複数の空隙の各々は、異なるサイズの空隙を含む、実施態様１２に記載のタービンバケット。
１０ ガスタービン
２０ 第１段ノズル
２２ 第２段ノズル
２６ ホイールスペース
２８ 流路
３０ ノズル表面
３２ 阻止部材
４０ 最終段バケット（ＬＳＢ）
４２ プラットフォーム
４４ プラットフォームリップ
４５ アーチ形面
４６ 本体
４８ 遠位端
５０ 翼形部
５２ 前縁
５４ 後縁
６０ シャンク部
６２ 面
７０ エンゼルウイング
７２ エンゼルウイングシール
７４ エンゼルウイングシール
８０ パージ用空気
８２ 領域
８３ 領域
９５ 高温ガス
１１０ 空隙
１９５ 高温ガス
２１０ 空隙
３１０ 空隙
４１０ 空隙
５１０ 空隙
６１０ 長方形の空隙
７１０ 菱形の空隙
８５０ ディフューザ
８６０ ディフューザ入口平面
８７０ ストラット
９１０ 空隙
９４０ 蒸気タービンバケット
９４４ プラットフォームリップ
９５０ 翼形部
９６０ シャンク
９９０ ディスク

Claims (10)

  1. プラットフォーム部（４２）と、
    前記プラットフォーム部（４２）から半径方向外向きに延びる翼形部（５０）と、
    前記プラットフォーム部（４２）から軸方向に延びるプラットフォームリップ（４４）と、
    前記プラットフォームリップ（４４）の表面に沿って配置された複数の空隙（１１０）と、
    を備えるタービンバケット（４０）。
  2. 前記プラットフォーム部（４２）から半径方向内向きに延びるシャンク部（６０）と、
    前記シャンク部（６０）の面（６２）から軸方向に延びる少なくとも１つのエンゼルウイング（７０）と、
    をさらに含む、請求項１に記載のタービンバケット。
  3. 運転状態において、前記複数の空隙（１１０）は、前記プラットフォームリップ（４４）と前記少なくとも１つのエンゼルウイング（７０）との間でパージ用空気の渦流速度を変化させるように適合される、請求項２に記載のタービンバケット。
  4. 前記複数の空隙（１１０）は、前記プラットフォームリップ（４４）の遠位端に沿って配置される、請求項１に記載のタービンバケット。
  5. 前記プラットフォームリップ（４４）の前記遠位端は、前記翼形部（５０）に向かって角度がつけられる、請求項４に記載のタービンバケット
  6. 前記複数の空隙（１１０）のうち少なくとも１つは、軸方向に角度がつけられる、請求項１に記載のタービンバケット。
  7. 前記複数の空隙（１１０）は、前記プラットフォームリップ（４４）の前記表面に沿って不規則に配置される、請求項１に記載のタービンバケット。
  8. 前記複数の空隙（１１０）は、前記翼形部（５０）のリーディング面に近いほど集中する、請求項１に記載のタービンバケット。
  9. 前記複数の空隙（１１０）は、前記翼形部（５０）のトレーリング面に近いほど集中する、請求項１に記載のタービンバケット。
  10. 前記複数の空隙（１１０）の各々は、長方形の断面形状及び台形の断面形状から成るグループから選択される、請求項１に記載のタービンバケット。
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