JP6346993B2 - タービンブレード及びタービン - Google Patents

Description

本発明は、内部冷却型タービンブレード翼に関し、このブレード翼では、キャビティは、リブ素子によって冷媒を運ぶ少なくとも１つの冷却ダクトに分割される。

本発明は、複数のタービンブレードを備える少なくとも１つのタービン段を有するタービン、特にガスタービンにさらに関する。

一般的なタイプのタービンブレード並びにタービン及びガスタービンは、従来からすでに周知である。

しばしば、このようなタービンブレードには、タービン内、特に高温ガスタービン内において高温で広がる温度でさえも熱的にかつ機械的に耐えられるために、内部冷却型タービンブレード翼が備え付けられている。高温ガスタービンにおいて正確なことは、タービンブレードがしばしば比較的高い熱的及び機械的負荷を受けること、であり、タービンブレードがタービンの案内羽根であるかロータブレードであるかは、ここではあまり重要ではない。タービンブレードの冷却を改善することを可能とするために、このような内部冷却型タービンブレード翼は、特許文献１によれば、冷媒を通過させ得る中空空間を有する。この中空空間において、中空空間にしばしば蛇行型冷却ダクト経路を有する少なくとも１つの冷却ダクトを形成するために、さらなるリブ素子または複数のリブ素子は、通常、追加的に配設されている。特に、タービンブレード翼の前側面及びタービンブレード翼の後側面が熱的に良好に釣り合っていない場合に、タービン翼ブレードのこのような前側壁及び対応する後側壁双方は、リブ素子の領域において高い熱機械的負荷を受け得、このリブ素子は、タービンブレード翼を補強する。これは、結果として、特に危機的な応力状態をタービンブレード翼に発生させ、これにより、タービンブレードは、いくつかの領域において特に不利な負荷状態にさらされ、この負荷状態は、これら領域において長期間にわたってより迅速な素材疲労を招き得る。ここで、特に、リブ素子とタービンブレード翼の前側または後側壁との間にある移行領域にも、言及し得る。

欧州特許出願公開第１７５７７７３号明細書

本発明の目的は、少なくとも上述した欠点を克服するために、一般的なタイプのタービンブレードをさらに発展させること、である。

本目的は、内部冷却型タービンブレード翼を有するタービンブレードによって達成され、中空空間は、リブ素子によって、冷媒を運ぶ少なくとも１つの冷却ダクトに分割されており、分離裂目を形成するための手段は、リブ素子のうちの少なくとも１つに配設されており、上記分離裂目は、リブ素子の長手方向で少なくとも部分的に延在する。すなわち、リブ素子は、分離裂目始動装置を備える。

この目的で分離裂目を形成するための対応する手段を関連するリブ素子に導入する場合に、分離裂目は、特に簡素な態様でリブ素子に形成され得る。これにより、結果として、リブ素子内の分離裂目のコースは、長手方向及び横方向ですでに良好に予め規定され得る。

本発明にかかるリブ素子のこの少なくとも部分的に達成可能な分離に起因して、特に、熱機械的に導入された応力は、特にリブ素子と外壁、すなわちタービンブレードの前側もしくは後側にあるタービンブレードの前側及び後側壁との間の移行領域において、または、リブ素子自体内において、著しく低減され得、その結果、このような重要領域における素材疲労は、それに応じて好都合に遅延され得る。

特に、タービンブレード翼の吸引側と圧力側との間の温度差の結果として導入される熱機械的応力は、タービンブレード翼の重要領域において著しく低減され得る。

この選択的に形成された分離裂目は、有利には、実際のリブ素子とタービンブレード翼の前側壁及び／またはタービンブレード翼の後側壁との間にある移行領域において、及び、タービンブレード翼の実際の外壁において、分離裂目がリブ素子内における改善した応力分布を可能とするような態様で形成されている。これにより、結果として、特にリブ素子端部の周りにある重要領域において、同様にリブ素子自体内における、少なくとも１０％の、好ましくは２０％または２５％以上の応力低減を実現させることを生じさせ得る。

本発明の範囲において、用語「素材疲労」は、特に、疲労亀裂形成に及び、この疲労亀裂形成は、ブレード翼材料の熱機械的疲労によって特に導入される。

これに関連して、言及すべきことは、特に数字の低い負荷交互に関するＬＣＦ疲労（低サイクル疲労）、すなわち短期間のまたは低負荷の交互疲労である。

いずれの場合においても、実現可能な負荷交互の数は、この場合において、著しく増加され得、このため、早期のＬＣＦの危険性は、特に、本発明にしたがって対応する適切な分離裂目がリブ素子に形成される場合に、著しく低下され得る。示されていることは、本発明にしたがってリブ素子内に分離裂目がある結果として、タービンブレードの関連するＬＣＦ平均余命が著しく増加され得ること、である。

したがって、この場合において、関連するリブ素子は、分離裂目によって、タービンブレード翼内に熱機械的応力、ひいては関連する素材疲労を低減し得る態様で、構成されている。

有利には、この場合において、分離裂目は、実際の分離機能を損ねずまたは少なくとも無視できる小さい範囲でのみ損ね、中空空間に配列されたリブ素子は、複数の曲部を用いて、冷却ダクトに関して実行する。

さらに、同様にわかっていることは、リブ素子内のこの意図的な目的の分離裂目が、タービンブレード翼の安定性に悪影響を与えないこと、である。

実際には、関連するリブ素子が分離裂目に起因して負荷から十分に解放されるので、タービンブレードの耐用年数は、この場合において増加する。

明らかなことは、このような分離裂目が冷却ダクトを形成する１つのリブ素子のみにまたは冷却ダクトを境界付ける複数のリブ素子に形成され得ること、である。

本発明の範囲内において、分離裂目を形成するための手段は、さまざまな方法で構成され得る。

構造に関して、形成手段は、分離裂目を形成するための手段が材料弱化部、特に切欠部を備える場合に、特に簡素な態様で設けられ得る。

このような材料弱化部は、さまざまなタイプであり得る。好ましくは、材料弱化部は、リブ素子に形成された切欠部である。

リブ素子にある良好に機能する裂目開始点または線状型裂目開始領域は、形成手段によって、特に材料弱化部を用いて、構造的に簡素な態様で形成され得る。

材料弱化部、すなわち切欠部は、リブ素子の頭側部における裂目開始点として、または、リブ素子の長手方向範囲に沿う裂目開始線として、形成され得る。

このため、この場合において、分離裂目を形成するための手段は、開始補助手段を形成し、分離裂目は、この開始補助手段から、長手方向でかつ／または横断方向で、リブ素子を通るように広がる。

さらに、形成手段は、同様に、鋳造コアに配設されたピンによって設けられ得、このピンを用いて、切欠部は、鋳造すると、リブ素子の端部に形成される。タービンブレードを鋳造した後に、ピンは、鋳造コアと共に取り除かれる。その後、切欠部は、分離裂目のための裂目開始点として機能し、この分離裂目は、著しく大きな機械的負荷があるときにのみ動作中に形成されることができ、その後、リブに沿って伸び続ける。

このため、この場合において、裂目起源は、切欠部の位置によって予め定められ得る。

累積的にまたは代替的に、分離裂目を形成するための手段が頭側部において少なくとも１つのリブ素子に入れられる態様で配設される場合に、リブ素子に分離裂目を形成するための手段は、構造に、特にプロセス工学に関して、簡素な態様で実現され得る。

明確なことは、本発明の範囲内で設けられた分離裂目を形成するためのこの手段が、累積的にまたは代替的に、さまざまな形状の素子によって設けられ得ること、である。

このため、分離裂目を形成するために対応して構成された手段は、分離裂目を形成するための手段が楔状素子または釘状素子を備える場合に、特に簡素な態様でリブ素子に導入され得るまたは入れられ得る。

本発明の別の態様によれば、本発明のこの目的は、同様に、内部冷却型タービンブレード翼を有するタービンブレードによって達成され、このタービンブレードでは、中空空間は、リブ素子によって冷媒を運ぶ少なくとも１つの冷却ダクトに分割され、リブ素子のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つのリブ素子の長手方向で少なくとも部分的に延在する分離裂目を作るために、少なくとも１つのリブ素子に所定の破損点を形成するための手段を備える。

関連するリブ素子がリブ素子においてこのような所定の破損点を形成するための手段を備える場合、リブ素子の長手方向での分離裂目のコースは、特に正確に具体化された態様で形成され得る。このため、分離裂目は、予め規定した長手方向及び予め規定した横断方向双方でリブ素子を通るようにより正確に延在する。

所定の破損点を形成する手段が少なくとも１つのリブ素子内に１以上の材料弱化部を備える場合に、有利である。

材料弱化部、ひいては所定の破損点は、例えば、リブ素子の長手方向において線型態様で構成されており、それにより、分離裂目は、リブ素子に沿って対応して規定した態様で進展し得る。

この場合において、所定の破損点を形成するための手段は、代替の開始補助手段を形成し、分離裂目は、この開始補助手段から横断方向でリブ素子を通るように広がる。

この線型材料弱化部、すなわち所定の破損点は、例えば、構造に関して特に簡素な態様で、長手方向リブ素子側部にある切欠部として形成され得る。

線型材料弱化部の代替として、所定の破損点は、同様に、複数の点状材料弱化部によって形成され得、これら点状材料弱化部は、リブ素子の長手方向範囲に沿って、例えば長手方向リブ素子側部に、線状態様で交互に配列されている。

少なくとも１つのリブ素子内で所定の破損点を形成するための手段が少なくとも１つのリブ素子の両側に配列されている場合に、分離裂目のコースは、リブ素子内でより正確に形成され得る。

さらに、分離裂目が少なくとも１つのリブ素子の長さの半分以上に沿って、または、２／３以上に沿って、好ましくは少なくとも１つのリブ素子の全長に沿って延在する場合に、有利である。単にリブ素子に沿って部分的にのみ形成されたリブ素子であっても、リブ素子の領域における前側壁と後側壁との十分な連結解除を実現し得る。

このため、同様に、分離裂目が第１リブ素子側面から第１リブ素子側面の反対側に位置する第２リブ素子側面まで延在する場合に、有利である。

ここで、分離裂目は、分離裂目面に及び、この分離裂目面は、リブ素子側面のうちの少なくとも１つに対してほぼ垂直に配設されている。このため、この分離裂目面は、タービンブレード翼の外壁とほぼ同じ向きを有する。

本発明の目的は、同様に、タービン、特にガスタービンによって実現され、このタービンは、複数のタービンブレードを備える少なくとも１つのタービン段を有し、少なくとも１つのタービン段は、本明細書で説明した特徴のうちの１つにしたがったタービンブレードのようなタービンロータブレード及び／またはタービン案内羽根を備える。

タービン、そのタービンブレードは、素材疲労による悪影響を受けにくく、または、危険にさらさられにくく、保守要求が低い状態でより動作的な信頼性の高い態様で動作され得るだけではなく、全体としてより長い耐用年数を有し、したがって、よりコスト効率が高く動作され得る。

リブ素子は、有利には、分離裂目がタービンの立上中に、すなわちリブ素子によって形成されるような態様で構成されており、リブ素子全体は、このような薄いリブ素子横断面を有し、この横断面では、本発明の範囲内にある分離裂目に起因して、裂目がタービンの動作中に発生する。

理想的には、分離裂目は、分離裂目を形成するための当該手段及び／または所定の破損点を形成するための手段が原因で、立上中に開始される。

いずれの場合においても、分離裂目は、有利には、タービンが動作していると、リブ素子内に形成され得る。

明確なことは、対応して累積する態様で利点を実現することを可能とするために、上述しかつ特許請求の範囲にある解決法の特徴を同様に組み合わせる可能性があり得ること、である。

本発明のさらなる特徴、効果及び利点を添付の図面及び以下の説明に基づいて説明し、この説明において、例として、本発明にかかる、タービンブレード翼内に配設されたリブ素子を有し、上記リブ素子が冷却ダクトを境界付けて分割されているタービンブレード翼を図示して説明する。

長手方向断面におけるタービンブレード翼の中空空間を部分的に示す概略図であって、タービンブレード翼が、冷却ダクトを境界付けるリブ素子を有し、リブ素子内の分離裂目が長手方向に延在している、概略図である。 リブ素子の頭側部の領域において図１に示すリブ素子を示す概略側面図であって、分離裂目を形成するための手段が配設されている、概略側面図である。

図１において少なくとも部分的に示されているタービンブレード１は、高温ガスタービン（図示略）の案内羽根２である。

タービンブレード１は、内部冷却型タービンブレード翼３を有し、タービンブレード翼３の前側壁５の内側部４は、図１において少なくとも部分的に示されている。タービンブレード翼３の前縁領域６は、右手側に位置している。したがって、タービンブレード翼３の後縁領域７は、左手側に位置しており、この後縁領域には、複数の冷却空気出口開口部８がある（単に一例として本明細書では番号付けしている）。

いずれの場合においても、タービンブレード翼３は、中空空間１０を有し、この中空空間１０は、図１にかかる図面において、部分的にのみ内側部４を通して示されている。

図１にかかる図面には、中空空間１０内に位置する２つのリブ素子１１及び１２が示され得、これらリブ素子を用いて、蛇行型冷却ダクト経路を有する複数の曲部を有する冷却ダクト１３は、中空空間１０内に形成されている。曲がった冷却ダクト１３、すなわちその蛇行型冷却ダクト経路に沿って、冷媒として作用する冷却空気は、タービンブレード翼を内側から冷却するため、タービンブレード翼３を通って案内され得る。

部分的に図示した冷却ダクト１３の場合において、タービンブレード根元領域１４から到来する冷却空気は、タービンブレード翼３を通して流動し、冷却空気の一部は、方向１６で、タービンブレード翼先端１８の領域１７に到達する。

曲がった冷却ダクト１３の蛇行型冷却ダクトコースは、少なくとも図示した部分図の領域において２つのリブ素子１１及び１２によって形成されており、第１リブ素子１１は、２つの冷却ダクトセクションを互いに物理的に分離させる。

図１にかかる図面に示すように、第１リブ素子１１は、そのリブ素子端部２４で終端し、このリブ素子端部は、冷却ダクト１３内で自由端である頭側部２３によって画成される。

リブ素子１１及び１２の、特にリブ素子端部２４の周辺領域には、危機的な応力状態の危険性がある。これは、第１リブ素子１１とタービンブレード翼３の前側壁５及び／またはタービンブレード翼３の後側壁との間の移行領域に適用され、ここで関連する応力は、素材疲労の増加を生じさせることが可能である。

したがって、特に、図２にかかる図面で示すように、リブ素子１１は、その長手方向２９において、分離裂目３０によって少なくとも部分的に、タービンブレード翼３の前側壁５に密着接続されている長手方向リブ素子半体３１と、タービンブレード翼３の後側壁（図示略）に密着接続されているさらなる長手方向リブ素子半体３２と、に分割されている。リブ素子１１を通って延在するこの分離裂目３０によって、タービンブレード翼３内の熱機械的応力は、特に、著しく低減され得、その結果として、周辺領域２８における早期の素材疲労の危険性を同様に低減させる。

構造的に簡素な態様でリブ素子１１に分離裂目３０を形成することを可能とするために、分離裂目３０を形成するための対応する手段は、リブ素子１１の長手方向２９において少なくとも部分的に延在しており、楔状素子３４の形態で頭側部２３に配設されている。手段３３は、すでに上述したように、分離裂目始動装置と称され得る。

ここで、楔状素子３４は、タービンブレード１（ここでは図示略）内にある機能的開口部を通して挿入されており、処理においてリブ素子１１の頭側部２３に叩き込まれている。

分離裂目３０のコースをリブ素子１１に正確に形成するために、リブ素子側面３７及び３８双方において線状態様で延在する切欠部３９の形態にあり、所定の破損点３６を形成するためのさらなる手段３５は、この例示的な実施形態において、リブ素子１１に追加的に実現されている。このため、これら切欠部３９は、リブ素子１１に裂目開始点または裂目開始線（別個には番号付けしていない）を形成する。

所定の破損点３６、すなわち裂目開始線は、リブ素子１１の全長に沿って、または、この例示的な実施形態で示すように、リブ素子１１の一部に沿ってのみ、延在し得る。決定的なことは、正確に延在する分離裂目３０を形成するために、材料弱化部を対応するリブ素子１１に少なくとも部分的に設けること、である。

必要に応じて、分離裂目３０を形成するための手段３３は、全体に施され得る。

同様に想定されることは、１つのみの切欠部をリブ素子１１にある裂目開始点として形成するために、分離裂目３０を形成するための手段３３が同様に鋳型の鋳造コアに設けられ得ること、である。分離裂目３０を形成するための手段３３は、その後、鋳型と共に同様に取り除かれ、切欠部のみは、リブ素子１１に残る。

好ましい例示的な実施形態によって本発明を詳細に例示して説明したが、本発明は、この開示した例示的な実施形態によって限定されず、他の変形例は、本発明の保護範囲から逸脱することなく、当業者によってこの例示的な実施形態から派生され得る。

１ タービンブレード、２ タービン案内羽根、３ 内部冷却型タービンブレード翼、１０ 中空空間、１１ 第１リブ素子、１２ 第２リブ素子、１３ 冷却ダクト、２９ 長手方向、３０ 分離裂目、３３ 分離裂目を形成するための手段、３４ 楔状素子，釘状素子、３５ 破損点を形成するための手段、３６ 破損点、３７ 第１リブ素子側面、３８ 第２リブ素子側面

Claims (12)

1. 内部冷却型タービンブレード翼（３）を有するタービンブレード（１）であって、
   中空空間（１０）が、リブ素子（１１、１２）によって、冷媒を運ぶ少なくとも２つの冷却ダクト（１３）に分割されており、
   分離裂目（３０）を形成するための手段（３３）が、裂目開始点として、前記リブ素子（１１、１２）のうちの少なくとも１つに配設されており、前記分離裂目が、実際の分離機能を損ねずまたは少なくとも無視できる小さい範囲でのみ損ねる程度で熱的負荷を解放するためのものであり、
   前記分離裂目が、前記少なくとも１つのリブ素子（１１、１２）の長手方向（２９）で少なくとも部分的に延在していることを特徴とするタービンブレード。
2. 前記分離裂目（３０）を形成するための前記手段（３３）が、材料弱化部を備えることを特徴とする請求項１に記載のタービンブレード。
3. 前記材料弱化部が、切欠部として構成されていることを特徴とする請求項２に記載のタービンブレード。
4. 前記分離裂目（３０）を形成する前記手段（３３）が、頭側部において、前記少なくとも１つのリブ素子（１１、１２）に入れられるように配設されていることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか１項に記載のタービンブレード。
5. 前記分離裂目（３０）を形成するための手段（３３）が、楔状素子（３４）または釘状素子を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のタービンブレード。
6. 内部冷却型タービンブレード翼（３）を有するタービンブレード（１）であって、
   中空空間（１０）が、リブ素子（１１、１２）によって、冷媒を運ぶ少なくとも２つの冷却ダクト（１３）に分割されており、
   前記リブ素子（１１、１２）のうちの少なくとも１つが、裂目開始点として、前記少なくとも１つのリブ素子（１１、１２）の長手方向（２９）で少なくとも部分的に延在する分離裂目（３０）を形成するために、前記少なくとも１つのリブ素子（１１、１２）に所定の破損点（３６）を形成するための手段（３５）を備え、
   前記分離裂目が、実際の分離機能を損ねずまたは少なくとも無視できる小さい範囲でのみ損ねる程度で熱的負荷を解放するためのものであることを特徴とするタービンブレード。
7. 前記リブ素子（１１、１２）のうちの少なくとも１つが、裂目開始点として、前記少なくとも１つのリブ素子（１１、１２）の長手方向（２９）で少なくとも部分的に延在する分離裂目（３０）を形成するために、前記少なくとも１つのリブ素子（１１、１２）に所定の破損点（３６）を形成するための手段（３５）を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のタービンブレード。
8. 所定の破損点（３６）を形成するための前記手段（３５）が、前記少なくとも１つのリブ素子（１１、１２）にある１以上の材料弱化部を備えることを特徴とする請求項６または７に記載のタービンブレード。
9. 前記少なくとも１つのリブ素子（１１、１２）に所定の破損点（３６）を形成するための前記手段（３５）が、前記少なくとも１つのリブ素子（１１、１２）の両側部に配設されていることを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載のタービンブレード。
10. 前記分離裂目（３０）が、前記少なくとも１つのリブ素子（１１、１２）のうちの半分以上または２／３以上に沿って延在していることを特徴とする請求項６から９のいずれか１項に記載のタービンブレード。
11. 前記分離裂目（３０）が、第１リブ素子側面（３７）から前記第１リブ素子側面（３７）とは反対側に位置する第２リブ素子側面（３８）まで延在していることを特徴とする請求項６から１０のいずれか１項に記載のタービンブレード。
12. 複数のタービンブレード（１）を備える少なくとも１つのタービン段を有するタービンであって、
    少なくとも１つの前記タービン段が、請求項１から１１のいずれか１項に記載のタービンブレード（１）のようなタービンロータブレード及び／またはタービン案内羽根（２）を備えることを特徴とするタービン。

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