JP5965611B2 - タービンバケットを冷却するためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはタービンバケットを冷却するためのシステム及び方法に関連する。具体的には、本発明の実施形態は、タービンバケットのシャンク空洞及び／又はプラットフォームに対する冷却流体の流れを制御及び／又は導くことができる。

当技術分野では、エネルギーを発生させるタービンが知られている。一般的なタービンは、固定ベーン又はノズル並びに回転ブレード又はバケットの交互段を含む。回転バケットは、ロータに取付けられる。蒸気又は燃焼ガスのような作動流体が、高温ガス通路に沿って固定ベーン及び回転バケットを横切って流れる。固定ベーンは、作動流体を回転バケット上に導いて、該回転バケット、従ってロータを回転させて仕事を産生させる。例えば、ロータは、発電機に連結して、ロータの回転により電気エネルギーを生成するようにすることができる。作動流体の温度を上昇させることにより一般的に、タービンの熱力学的効率が高まるが、作動流体の温度の上昇はまた、高温ガス通路に沿ったタービンバケット及びその他の部品の過度の加熱を生じさせるおそれがある。従って、当技術分野では、タービンバケットに冷却を行なって、タービンバケットの損傷を防止しかつ／又はタービンバケットの作動寿命を増大させる様々なシステム及び方法が知られている。

回転バケットは一般的に、プラットフォームから高温ガス通路内に延びる翼形部を含む。回転バケットはさらに、プラットフォームの半径方向内側にシャンクを含み、シャンクは多くの場合に、シャンク空洞を含む。当技術分野で公知であるタービンバケットを冷却する１つのシステム及び方法は、シャンク空洞内に冷却媒体を流してシャンクを冷却する。冷却媒体には、圧縮機からの分流空気のような、シャンク空洞から熱を除去することができるあらゆる流体を含むことができる。シャンク空洞内に流す冷却媒体の圧力は一般的に、高温ガス通路内で翼形部上を流れる作動流体の圧力よりも高く維持される。このようにして、冷却媒体は、作動流体が翼形部を迂回しかつシャンク空洞内に漏洩する又は吸込まれるのを防止する。

冷却媒体及び作動流体間の圧力差により、冷却媒体の第１の部分がシャンク空洞から高温ガス通路内に漏洩することが生じる可能性がある。高温ガス通路内に漏洩した冷却媒体の第１の部分は次に、固定ベーン及び回転バケットの交互段を通って流れて仕事を産生する。しかしながら、冷却媒体及び作動流体間の圧力差によりまた、冷却媒体の第２の部分がシャンク空洞内を下流方向に流れかつ該シャンク空洞からシャンクの下流のホイールスペースパージ空洞のような下流部品内に漏洩することが生じる可能性がある。シャンク空洞から下流部品内に漏洩した冷却媒体の第２の部分は、タービン内で全く仕事を産生せず、従ってタービンの熱力学的効率には寄与しない。

シャンク空洞の後方部分内に後方シールピンを据付けて、シャンク空洞から下流部品内に漏洩する冷却媒体の量を減少させることができる。しかしながら、冷却媒体の圧力により、依然としてシャンク空洞から後方シールピンを通過して流れる冷却媒体の不要な漏洩が生じる。

米国特許第７０９０４６６号明細書

従って、シャンク空洞からの冷却媒体の不要な漏洩量を減少させる、タービンバケットを冷却するためのシステム及び方法の改良は有用であると言える。

本発明の態様及び利点は、次の説明において以下に記載しており、或いはそれら説明から自明なものとして理解することができ、或いは本発明の実施により学ぶことができる。

本発明の１つの実施形態は、タービンバケットであり、本タービンバケットは、翼形部と、翼形部に隣接したプラットフォームと、プラットフォームに隣接したシャンクとを含む。シャンクは、シャンク空洞を形成し、またシャンク空洞内に配置された仕切りは、該シャンク空洞間に圧力差を発生させる。

本発明の別の実施形態は、タービンバケットであり、本タービンバケットは、翼形部と、翼形部に隣接したプラットフォームと、プラットフォームに隣接したシャンクとを含む。シャンクは、それらの間に圧力差を有する前部シャンク空洞及び後部シャンク空洞を形成する。

本発明はまた、タービンバケットを冷却する方法を含む。本方法は、前部シャンク空洞に流体を導くステップと、前部シャンク空洞及び後部シャンク空洞間に圧力差を発生させるステップとを含む。

本明細書を精査することにより、当業者には、そのような実施形態の特徴及び態様並びにその他がより良好に理解されるであろう。

添付図面の図を参照することを含む本明細書の以下の残り部分において、当業者に対する本発明の最良の形態を含む本発明の完全かつ有効な開示をより具体的に説明する。

タービンバケット段の簡略軸方向断面図。 本発明の１つの実施形態によるタービンバケットの斜視図。 図２に示すタービンバケットの負圧側面の側面図。 本発明の別の実施形態によるタービンバケットの正圧側面の側面図。 図４に示すタービンバケットの一部分の拡大図。

次に、その１つ又はそれ以上の実施例を添付図面に示している本発明の現時点での実施形態を詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴要素を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様な又は類似した部品を示すために、図面及び説明において同様な又は類似した表示を使用している。

各実施例は、本発明の限定ではなくて本発明の説明として示している。実際には、本発明においてその技術的範囲及び技術思想から逸脱せずに修正及び変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示し又は説明した特徴要素は、別の実施形態で使用してさらに別の実施形態を生成することができる。従って、本発明は、そのような修正及び変更を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。

本発明の様々な実施形態は、タービンバケットのシャンクに対して改良型の冷却を行なう。加えて、本発明の特定の実施形態はまた、タービンバケットのプラットフォームに対して改良型の冷却及び／又は支持を行なう。シャンク及び／又はプラットフォームの改良型の冷却は、タービンバケットの冷却要求を低下させ、タービンの熱力学的効率を向上させ、かつ／又はタービンバケットの作動寿命を延長させる。

図１は、一般的なタービンバケット段１０の簡略軸方向断面図を示している。図示するように、タービンバケット段１０は一般的に、ホイール１４に取付けられた複数のタービンバケット１２を含み、ホイール１４は次に、ロータ（図示せず）に取付けられる。各タービンバケット１２は一般的に、ダブテール１６と、シャンク１８と、プラットフォーム２０と、翼形部２２とを含む。ダブテール１６及びホイール１４は、各タービンバケット１２を軸方向にホイール１４内に摺動させるのを可能にする相補形表面２４を含み、またホイール１４及びダブテール１６間の相補形表面２４は、運転時にタービンバケット段１０が回転する時に各タービンバケット１２を所定の位置に保持する。シャンク１８は、ダブテール１６に連結されかつダブテール１６からプラットフォーム２０まで半径方向外向きに延びる。図１に示すように、シャンク１８は、隣接するタービンバケット１２間のギャップを埋める複数のピンを含むことができる。具体的には、各シャンク１８は、該シャンク１８の前面付近に前方ピン２６を、該シャンク１８の後面（図１では目視できず）付近に後方ピン２８を、また該シャンク１８の上面付近に水平ピン３０を含むことができる。タービンバケット１２がロータの周りで回転すると、遠心力により、ピン２６、２８、３０が隣接するタービンバケット１２間のギャップ内に着座して、該隣接するタービンバケット１２間における振動及び／又は流体流れを減少させる。プラットフォーム２０は、シャンク１８の半径方向外側にかつ該シャンク１８に隣接して配置され、また翼形部２２は、プラットフォーム２０に隣接して配置されかつ該プラットフォーム２０から半径方向外向きに延びる。当技術分野では公知なように、作動流体は、高温ガス通路に沿って翼形部２２を横切って流れて、タービンバケット段１０をロータの周りで回転させる。

図２は、発明の１つの実施形態によるタービンバケット１２の斜視図を示しており、また図３は、図２に示すタービンバケット１２の負圧側面３２の側面図を示している。タービンバケット１２の正圧側面は一般的に、隣接するタービンバケット１２を共に取付けることができるように負圧側面３２の鏡像になっていること、またタービンバケット１２の正圧側面の図示は、図２及び図３に示すタービンバケット１２の実施形態を理解する又は可能にするのに必要でないことが、当業者には分かるであろう。タービンバケット１２は一般的に、図１に関して前述したのと同様に、ダブテール１６、シャンク１８、プラットフォーム２０及び翼形部２２を含む。図２に最も明瞭に示すように、シャンク１８は、それぞれ前方ピン２６、後方ピン２８及び水平ピン３０を保持する前方トレンチ３４、後方トレンチ３６及び水平トレンチ３８を含むことができる。前述したのと同様に、タービンバケット１２の回転により発生した遠心力は、隣接するタービンバケット１２間のギャップ内にピン２６、２８、３０を着座させて、該隣接するタービンバケット１２間における振動及び／又は流体流れを減少させる。

図２及び図３に示すように、シャンク１８は、前部シャンク空洞４０及び後部シャンク空洞４２を形成することができ、また前部シャンク空洞４０及び後部シャンク空洞４２間に仕切り４４を配置することができる。仕切り４４は、プラットフォーム２０に対して鋭角に配置することができ、また水平ピン３０を通り越してプラットフォーム２０に連結して該プラットフォーム２０に付加的な支持を与えることができる。仕切り４４は、面積又はボリュームを分離或いは区分する当技術分野で公知のあらゆる好適な構造を含むことができる。例えば、仕切り４４は、ラビリンスシール、ガスケット、バリヤ、プレート、ワイパ又は同等の構造体を含むことができる。図２及び図３に示すように、仕切り４４は、シールピン４８を保持するポケット４６を含むことができる。タービンバケット１２が回転すると、遠心力により、シールピン４８を傾斜ポケット４６に対して半径方向外向きに移動させて、前部シャンク空洞４０及び後部シャンク空洞４２間に部分又は完全シールを形成する。仕切り４４及びプラットフォーム２０間の角度を小さくすることにより、タービンバケット１２が回転しかつシールピン４８が半径方向外向きに移動した時に該シールピン４８及びポケット４６間に形成されるシールが強化されることが、当業者には容易に分かるであろう。

前部シャンク空洞４０に冷却媒体を供給して、タービンバケット１２のシャンク１８を冷却することができる。冷却媒体には、圧縮機からの分流空気のような、シャンク１８から熱を除去することができるあらゆる流体を含むことができる。冷却媒体は一般的に、高温ガス通路内の作動流体の圧力よりも高い圧力に維持される。その結果、冷却媒体は、作動流体が前部シャンク空洞４０に流入するのを防止し、また前部シャンク空洞４０から高温ガス通路内に漏洩するあらゆる冷却媒体は、高温ガス通路内の作動流体に合流し、タービンバケット１２上を流れるにつれて仕事を産生する。加えて、仕切り４４は、冷却媒体が自由に後部シャンク空洞４２に流れるのを防止して、前部シャンク空洞４０及び後部シャンク空洞４２間に圧力差を発生させる又は生じさせる。前部シャンク空洞４０及び後部シャンク空洞４２間の圧力差は、後部シャンク空洞４２内の冷却媒体の圧力の低下を引き起こす。後部シャンク空洞４２内の冷却媒体の圧力の低下は、後方シールピン２８を通過して後部シャンク空洞４２から漏洩する可能性がある冷却媒体の量を減少させる。

図４は、本発明の別の実施形態によるタービンバケット１２の正圧側面５０の側面図を示しており、また図５は、図４に示す正圧側面５０の一部分の拡大図を示している。タービンバケット１２の負圧側面は一般的に、隣接するタービンバケット１２を共に取付けることができるように正圧側面５０の鏡像になっていること、またタービンバケット１２の負圧側面の図示は、図４及び図５に示すタービンバケット１２の実施形態を理解する又は可能にするのに必要でないことが、当業者には分かるであろう。タービンバケット１２はここでも一般的に、図１に関して前述したのと同様に、ダブテール１６、シャンク１８、プラットフォーム２０及び翼形部２２を含む。加えて、シャンク１８はここでも、図１、図２及び図３に関して前述したのと同様に、前方、後方及び水平トレンチ３４、３６、３８並びに関連する前方、後方及び水平ピン２６、２８、３０を含むことができる。さらに、シャンク１８はここでも、前部シャンク空洞４０及び後部シャンク空洞４２を形成し、また前部シャンク空洞４０及び後部シャンク空洞４２間に仕切り４４を配置することができる。仕切り４４はここでも、シールピン４８を保持するポケット４６を含むことができ、また仕切り４４は、水平ピン３０を通り越してプラットフォーム２０に連結して該プラットフォーム２０に付加的な支持を与えることができる。

図４及び図５に示す特定の実施形態では、仕切り４４は、プラットフォーム２０に対して垂直に配置して該プラットフォーム２０に付加的な支持を与えることができる。図５に最も明瞭に示すように、仕切り４４はさらに、該仕切り４４を貫通して、冷却媒体の一部分が該仕切り４４を通り抜けて後部シャンク空洞４２内に流れるのを可能にする１つ又はそれ以上のアパーチャ５２を含むことができる。アパーチャ５２は、仕切り４４内で傾斜させて、該アパーチャ５２を通って流れる冷却媒体をプラットフォーム２０上に導くことができる。このようにして、アパーチャ５２を通って流れる冷却媒体は、プラットフォーム２０に衝突して該プラットフォーム２０に対してインピンジメント冷却を行なうことができる。

従って、図２、図３、図４及び図５に関して説明しかつ例示したタービンバケット１２の実施形態は、前部シャンク空洞４０及び後部シャンク空洞４２間に冷却媒体の圧力差を発生させる。この圧力差により、前部シャンク空洞４０内の冷却媒体の圧力を高温ガス通路内の作動流体よりも高く維持して該前部シャンク空洞４０内への作動流体の吸込みを減少させる及び／又は防止することができる。加えて、この圧力差は、後部シャンク空洞４２内の冷却媒体の圧力の低下を引き起こし、それによって後方シールピン２８を通過して後部シャンク空洞４２から漏洩する冷却媒体の量を減少させる。その結果、タービン内で仕事を産生しない状態でシャンク１８を通って流れる冷却媒体の量が減少する。別の実施形態では、シャンク１８は前部シャンク空洞４０及び後部シャンク空洞４２間に１つよりも多い仕切り４４を含んでいて、該前部シャンク空洞４０及び後部シャンク空洞４２間に複数の圧力差を発生させることができること、また複数の仕切り４４の図示は、本発明の技術的範囲内にあるタービンバケット１２の別の実施形態を理解する又は可能にするのに必要でないことが、当業者には容易に分かるであろう。

図２、図３、図４及び図５に関して前述した実施形態は、タービンバケット１２を冷却する方法を提供する。本方法は一般的に、前部シャンク空洞４０に流体を導くステップと、前部シャンク空洞４０及び後部シャンク空洞４２間に圧力差を発生させるステップとを含む。圧力差を発生させるために、本方法はさらに、前部シャンク空洞４０を後部シャンク空洞４２と分割するステップを含むことができる。特に図４及び図５に示すように、本方法はさらに、流体の一部分を前部シャンク空洞４０から後部シャンク空洞４２に流してプラットフォーム２０に衝突させて、該プラットフォーム２０に対してインピンジメント冷却を行なうのを可能にするステップを含むことができる。

本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、また当業者が、あらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の実施を行なうこともできる。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲により定めており、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を含むか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属する。

１０ タービンバケット段
１２ タービンバケット
１４ ホイール
１６ ダブテール
１８ シャンク
２０ プラットフォーム
２２ 翼形部
２４ 相補形表面
２６ 前方ピン
２８ 後方ピン
３０ 水平ピン
３２ 負圧側面
３４ 前方トレンチ
３６ 後方トレンチ
３８ 水平トレンチ
４０ 前部シャンク空洞
４２ 後部シャンク空洞
４４ 仕切り
４６ ポケット
４８ シールピン
５０ 正圧側面
５２ アパーチャ

Claims (10)

1. タービンバケット（１２）であって、
   翼形部（２２）と、
   前記翼形部（２２）に隣接したプラットフォーム（２０）と、
   前記プラットフォーム（２０）に隣接しかつシャンク空洞（４０、４２）を画成するシャンク（１８）と、
   前記シャンク空洞（４０、４２）内に配置された仕切り（４４）であって、シールピン（４８）を含んでいて、前部シャンク空洞（４０）と後部シャンク空洞（４２）とに分割してそれらの間に圧力差を発生させる仕切り（４４）と
   を備えるタービンバケット（１２）。
2. 前記仕切り（４４）が、前記プラットフォーム（２０）に対して垂直に配置される、請求項１記載のタービンバケット（１２）。
3. 前記仕切り（４４）が、前記プラットフォーム（２０）に対して鋭角に配置される、請求項１又は請求項２記載のタービンバケット（１２）。
4. 前記仕切り（４４）が、前記プラットフォーム（２０）に連結される、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のタービンバケット（１２）。
5. 前記シャンク空洞（４０、４２）内に複数の仕切り（４４）をさらに含んでいて、前記複数の仕切り（４４）が、前記シャンク空洞（４０、４２）間に複数の圧力差を発生させる、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のタービンバケット（１２）。
6. 前記仕切り（４４）を貫通するアパーチャ（５２）をさらに含んでいて、前記アパーチャ（５２）が、流体が前記仕切り（４４）を通り抜けて流れるのを可能にする、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のタービンバケット（１２）。
7. 前記アパーチャ（５２）が、前記流体を前記プラットフォーム（２０）に衝突させる角度をもつ、請求項６記載のタービンバケット（１２）。
8. タービンバケット（１２）を冷却する方法であって、
   前部シャンク空洞（４０）に流体を導くステップと、
   シールピン（４８）を含む仕切り（４４）によって前記前部シャンク空洞（４０）を後部シャンク空洞（４２）と分割するステップと
   前記前部シャンク空洞（４０）及び後部シャンク空洞（４２）間に圧力差を発生させるステップと
   を含む方法。
9. 前記流体の一部分を前記前部シャンク空洞（４０）から前記後部シャンク空洞（４２）に流すようにするステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
10. 前記後部シャンク空洞（４２）内の前記流体の一部分をタービンプラットフォーム（２０）に衝突させるステップをさらに含む、請求項８又は請求項９記載の方法。