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JP7019331B2 - Turbine bucket cooling - Google Patents
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Description

本発明の実施形態は一般に回転機械に関し、より具体的には、少なくともタービンバケットの部分の冷却に関する。 Embodiments of the present invention generally relate to rotary machines, and more specifically to cooling at least a portion of a turbine bucket.

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/ディスクのバケット列を使用し、バケット列は、ステータまたはノズル組立体の静止ベーン列と交互に配置される。これらの交互に配置された列は、ロータおよびステータに沿って軸方向に延在し、これらの列を通って燃焼ガスが流れると、燃焼ガスはロータを回転させることができる。 As is known in the art, gas turbines use a row of wheel / disk buckets in a rotor assembly, the bucket rows alternating with a row of stationary vanes in a stator or nozzle assembly. These alternating rows extend axially along the rotor and stator, and the combustion gas can rotate the rotor as the combustion gas flows through these rows.

回転バケットと静止ノズルとの間の境界における軸方向/半径方向の開口によって、高温の燃焼ガスが高温ガス通路から出て、バケット列の間にあるホイールスペースに半径方向に入ってしまうことがある。高温ガスのこのような侵入を制限するために、バケット構造体は、典型的には、隣接するステータまたはノズルから軸方向に延在する阻止部材と協働する、軸方向に突出するエンゼルウイングを用いる。これらのエンゼルウイングおよび阻止部材は、オーバラップはするが接触はせず、ホイールスペースへの高温ガスの侵入を制限する役割を果たす。 Axial / radial openings at the boundary between the rotating bucket and the stationary nozzle can cause hot combustion gas to exit the hot gas passage and enter the wheel space between the bucket rows radially. .. To limit such ingress of hot gas, the bucket structure typically has an axially protruding angel wing that works with a blocking member that extends axially from an adjacent stator or nozzle. Use. These angel wings and blocking members overlap but do not contact and serve to limit the entry of hot gas into the wheel space.

さらに、冷却空気すなわち「パージ空気」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。このパージ空気は、ホイールスペースおよびバケットの半径方向内側の他の領域内の構成要素および空間を冷却するとともに、冷却空気の対向流を与えてホイールスペース内への高温ガスの侵入をさらに制限する役割を果たす。したがって、エンゼルウイングシールはさらに、高温ガス流路へのパージ空気の漏出を制限するように設計される。 In addition, cooling air or "purge air" is often introduced into the wheel space between the bucket rows. This purged air cools the wheel space and other areas within the radial inside of the bucket and serves to provide countercurrent of cooling air to further limit the ingress of hot gas into the wheel space. Fulfill. Therefore, the angel wing seal is further designed to limit the leakage of purged air into the hot gas flow path.

それにもかかわらず、ほとんどのガスタービンでは、かなりの量のパージ空気が高温ガス流路内に漏出することが示されている。例えば、第1段および第2段のホイールスペースにおいて、このパージ空気の漏出が0.1%と0.3%との間になることがある。その結果生じる低温のパージ空気と高温ガス流との混合により、パージ空気と高温ガスの温度の違いだけでなく、流れ方向または旋回の違いによって大きな混合損失が生じる。 Nevertheless, in most gas turbines it has been shown that a significant amount of purged air leaks into the hot gas flow path. For example, in the first and second stage wheel spaces, this purge air leak can be between 0.1% and 0.3%. The resulting mixing of cold purge air and hot gas flow results in large mixing losses due to differences in flow direction or swirl as well as differences in temperature between purged air and hot gas.

さらに、パージ空気と高温ガス流とが混合すると、タービンバケットのプラットフォームにわたるガスの流れがより無秩序になる。無秩序なガス流が増大すると、タービンの運転中、プラットフォームが等しく加熱されず、それは、プラットフォームの熱応力の増大を伴い、その結果、タービンバケットの使用寿命が短くなる。 In addition, the mixing of purged air and hot gas flow makes the gas flow across the turbine bucket platform more disordered. When the chaotic gas flow increases, the platform is not heated equally during turbine operation, which is accompanied by an increase in the thermal stress of the platform, resulting in a shorter service life of the turbine bucket.

米国特許出願公開第2014/0234076号明細書U.S. Patent Application Publication No. 2014/0234076

一実施形態では、本発明はタービンバケットの少なくとも一部分を冷却する方法を提供する。本方法は、タービンの運転中、プラットフォームから軸方向に延在するプラットフォームリップの下方でパージ空気の旋回速度を変えることを含む。ここで、パージ空気の旋回速度を変えることは、タービンバケットのシャンク部の面から軸方向に延在するエンゼルウイングの長さに沿って配置された複数の空所をパージ空気の流れに割り込ませることを含む。 In one embodiment, the invention provides a method of cooling at least a portion of a turbine bucket. The method comprises changing the swirling speed of the purged air below the platform lip extending axially from the platform during operation of the turbine. Here, changing the swirling speed of the purge air causes a plurality of voids arranged along the length of the angel wing extending axially from the surface of the shank portion of the turbine bucket to interrupt the flow of the purge air. Including that.

本発明のこれらのおよび他の特徴は、本発明の様々な実施形態を示す添付の図面と関連して本発明の様々な態様を以下で詳細に説明することによって、より容易に理解されるであろう。 These and other features of the invention will be more easily understood by describing in detail the various aspects of the invention below in connection with the accompanying drawings showing the various embodiments of the invention. There will be.

公知のタービンの一部分の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of a part of a known turbine. 公知のタービンバケットの斜視図である。It is a perspective view of a known turbine bucket. 本発明の実施形態による使用に適するタービンバケットの一部分を軸方向に見た図である。It is a figure which looked at the part of the turbine bucket suitable for use by embodiment of this invention in the axial direction. 本発明の様々な実施形態による使用に適するタービュレータの概略図である。It is a schematic diagram of a turbulator suitable for use by various embodiments of this invention. 公知のタービンの運転時の加熱状態の斜視図である。It is a perspective view of the heating state at the time of operation of a known turbine. 本発明の実施形態によるタービンバケットの運転時の加熱状態の斜視図である。It is a perspective view of the heating state at the time of operation of the turbine bucket by embodiment of this invention. 本発明の様々な実施形態による使用に適するタービュレータの概略図である。It is a schematic diagram of a turbulator suitable for use by various embodiments of this invention. 本発明の様々な実施形態による使用に適するタービュレータの概略図である。It is a schematic diagram of a turbulator suitable for use by various embodiments of this invention. 本発明の様々な実施形態による使用に適するタービュレータの概略図である。It is a schematic diagram of a turbulator suitable for use by various embodiments of this invention. 本発明の様々な実施形態による使用に適するタービュレータの概略図である。It is a schematic diagram of a turbulator suitable for use by various embodiments of this invention. 本発明の別の実施形態による使用に適するタービンバケットの一部分を軸方向に見た図である。FIG. 3 is an axial view of a portion of a turbine bucket suitable for use according to another embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の実施形態による使用に適するタービンバケットの部分の斜視図である。It is a perspective view of the part of the turbine bucket suitable for use by still another embodiment of this invention. 本発明のさらに他の実施形態による使用に適するタービンバケットの部分の斜視図である。It is a perspective view of the part of the turbine bucket suitable for use by still another embodiment of this invention. 典型的なタービンバケットに関係するパージ空気の流れの概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram of the flow of purged air associated with a typical turbine bucket. 本発明の実施形態によるタービンバケットに関係するパージ空気の流れの概略図である。It is the schematic of the flow of the purge air related to the turbine bucket by embodiment of this invention. 本発明の実施形態による使用に適するタービンバケットの一部分の側面断面図である。It is a side sectional view of a part of the turbine bucket suitable for use by embodiment of this invention. 図16のタービンバケットの部分の斜視図である。It is a perspective view of the part of the turbine bucket of FIG. 本発明の別の実施形態による使用に適するタービンバケットの一部分の斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of a portion of a turbine bucket suitable for use according to another embodiment of the present invention. 本発明のさらに別の実施形態による使用に適するタービンバケットの一部分の斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of a portion of a turbine bucket suitable for use according to yet another embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の実施形態による使用に適するタービンバケットの斜視図である。It is a perspective view of the turbine bucket suitable for use by still another embodiment of this invention. 本発明のさらに他の実施形態による使用に適するタービンバケットの斜視図である。It is a perspective view of the turbine bucket suitable for use by still another embodiment of this invention. 本発明のさらに他の実施形態による使用に適するタービンバケットの斜視図である。It is a perspective view of the turbine bucket suitable for use by still another embodiment of this invention. 本発明のさらに他の実施形態による使用に適するタービンバケットの斜視図である。It is a perspective view of the turbine bucket suitable for use by still another embodiment of this invention. 本発明のさらに他の実施形態による使用に適するタービンバケットの斜視図である。It is a perspective view of the turbine bucket suitable for use by still another embodiment of this invention. 本発明のさらに他の実施形態による使用に適するタービンバケットの斜視図である。It is a perspective view of the turbine bucket suitable for use by still another embodiment of this invention. 本発明のさらに他の実施形態による使用に適するタービンバケットの斜視図である。It is a perspective view of the turbine bucket suitable for use by still another embodiment of this invention. 本発明の実施形態による使用に適するタービンバケットの一部分の斜視図である。It is a perspective view of a part of the turbine bucket suitable for use by embodiment of this invention. 図27のタービンバケットの一部分を半径方向内向きに見た図である。It is a figure which looked at the part of the turbine bucket of FIG. 27 inward in the radial direction. 本発明の別の実施形態による使用に適するタービンバケットの一部分の斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of a portion of a turbine bucket suitable for use according to another embodiment of the present invention. 本発明のさらに別の実施形態による使用に適するタービンバケットの一部分の斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of a portion of a turbine bucket suitable for use according to yet another embodiment of the present invention. 図30のタービンバケットの側面断面図である。It is a side sectional view of the turbine bucket of FIG. 本発明の実施形態によるタービンバケットの一部分の斜視図である。It is a perspective view of a part of the turbine bucket by embodiment of this invention. 図32のタービンバケットの一部分を軸方向内向きに見た図である。It is a figure which looked at the part of the turbine bucket of FIG. 32 inward in the axial direction. 図32のタービンバケットの一部分を半径方向下向きに見た図である。FIG. 32 is a view of a part of the turbine bucket of FIG. 32 viewed downward in the radial direction.

本発明の図面は原寸に比例したものでは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されており、したがって、本発明の範囲を限定するものと見なすべきではない。図面においては、図面間で同様の番号は同様の要素を表す。 It should be noted that the drawings of the present invention are not proportional to the actual size. The drawings are intended only to show the typical aspects of the invention and should therefore not be considered as limiting the scope of the invention. In drawings, similar numbers represent similar elements between drawings.

次に図面を参照すると、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の一部分の概略断面図である。当業者であれば理解するように、バケット40は、軸方向に延在するロータ(図示せず)から半径方向外向きに延在する。バケット40は、実質的に平面のプラットフォーム42と、プラットフォーム42から半径方向外向きに延在するエーロフォイルと、プラットフォーム42から半径方向内向きに延在するシャンク部60とを含む。 Next, referring to the drawings, FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a part of the gas turbine 10 including the bucket 40 arranged between the first stage nozzle 20 and the second stage nozzle 22. As those skilled in the art will understand, the bucket 40 extends radially outward from a rotor (not shown) extending axially. The bucket 40 includes a substantially planar platform 42, an aero foil extending radially outward from the platform 42, and a shank portion 60 extending radially inward from the platform 42.

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在する一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在するエンゼルウイングシール74とを含む。異なる数および配置のエンゼルウイングシールが可能であり、それらは本発明の範囲内であることを理解すべきである。本明細書で説明するエンゼルウイングシールの数および配置は、例示のためだけに提示されている。 The shank portion 60 includes a pair of angel wing seals 70 and 72 extending outward in the axial direction toward the first stage nozzle 20, and an angel wing seal extending outward in the axial direction toward the second stage nozzle 22. Includes 74 and. It should be understood that different numbers and arrangements of angel wing seals are possible and they are within the scope of the present invention. The numbers and arrangements of angel wing seals described herein are presented for illustration purposes only.

図1で分かるように、ノズル面30および阻止部材32は第1段ノズル20から軸方向に延在し、それぞれエンゼルウイングシール70および72の半径方向外側に配置される。したがって、ノズル面30はエンゼルウイングシール70にオーバラップはするが接触はせず、阻止部材32はエンゼルウイングシール72にオーバラップはするが接触はしない。第2段ノズル22の阻止部材32と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ている。図1に示す配置では、タービンの運転中、ある程度の量のパージ空気が、例えば、ノズル面30と、エンゼルウイングシール70と、プラットフォームリップ44との間で排出され、これにより、高温ガス流路28内へのパージ空気の漏出、および高温ガス流路28からホイールスペース26内への高温ガスの侵入の両方を制限することができる。 As can be seen in FIG. 1, the nozzle surface 30 and the blocking member 32 extend axially from the first stage nozzle 20 and are arranged radially outside the angel wing seals 70 and 72, respectively. Therefore, the nozzle surface 30 overlaps with the angel wing seal 70 but does not come into contact with it, and the blocking member 32 overlaps with the angel wing seal 72 but does not come into contact with it. Similar arrangements are shown for the blocking member 32 of the second stage nozzle 22 and the angel wing seal 74. In the arrangement shown in FIG. 1, a certain amount of purged air is discharged between, for example, the nozzle surface 30, the angel wing seal 70, and the platform lip 44 during the operation of the turbine, thereby causing a high temperature gas flow path. Both the leakage of purged air into the 28 and the intrusion of the hot gas from the hot gas flow path 28 into the wheel space 26 can be restricted.

図1に示すように、ノズル面30および阻止部材32それぞれは、パージ空気の漏出および高温ガスの侵入を制限するように働く。本発明の他の実施形態では、阻止部材32に類似した別個の阻止部材をエンゼルウイングシール70とノズル面30との間に設けてこのような機能を与えることができる。 As shown in FIG. 1, each of the nozzle surface 30 and the blocking member 32 acts to limit the leakage of purged air and the ingress of hot gas. In another embodiment of the present invention, a separate blocking member similar to the blocking member 32 may be provided between the angel wing seal 70 and the nozzle surface 30 to provide such a function.

図1は、バケット40が第1段ノズル20と第2段ノズル22との間に配置されて、バケット40が第1段バケットを表しているように示しているが、これは単に例示および説明のためである。本明細書で説明する本発明の原理および実施形態は、タービンの任意の段のバケットに適用されて類似の結果を達成することを期待できる。 FIG. 1 shows that the bucket 40 is located between the first stage nozzle 20 and the second stage nozzle 22 so that the bucket 40 represents the first stage bucket, which is merely exemplary and explanatory. Because of. The principles and embodiments of the invention described herein can be expected to be applied to buckets at any stage of the turbine to achieve similar results.

図2は、バケット40の一部分の斜視図である。図示のように、エーロフォイル50は前縁52および後縁54を含む。後縁54より前縁52に近くて、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面62をシャンク部60は含む。 FIG. 2 is a perspective view of a part of the bucket 40. As shown, the aerofoil 50 includes a leading edge 52 and a trailing edge 54. The shank portion 60 includes a surface 62 located closer to the leading edge 52 than the trailing edge 54 and located between the angel wing 70 and the platform lip 44.

図3は、バケット40を面62に向かって軸方向に見た概略図である。図示のように、バケット40は複数のタービュレータ110を含み、タービュレータ110は、下記でより詳細に説明するように、面62から軸方向外向に、かつ/またはプラットフォームリップ44の半径方向内側面46から半径方向内向きに延在することができる。また、下記でより詳細に説明するように、タービュレータは任意の形状および向きのものとすることができる。 FIG. 3 is a schematic view of the bucket 40 viewed axially toward the surface 62. As shown, the bucket 40 includes a plurality of turbulators 110, which are axially outward from the surface 62 and / or from the radial inner surface 46 of the platform lip 44, as described in more detail below. It can extend inward in the radial direction. Also, as described in more detail below, the turbulator can be of any shape and orientation.

例えば、図4はタービュレータ110を備えるリップの詳細図であり、タービュレータ110は、回転させようとするバケット40(図3)の方向Rに向かって開いた第1の凹面114、第1の凹面114の反対側の第2の凸面116、ならびに第1の凹面114と第2の凸面116との間の半径方向内側面118を含む。これらの面114、116、118は、各タービュレータ110の本体112を形成する。図4の実施形態では、各タービュレータ110は、プラットフォームリップ44の半径方向内側面46から半径方向内向きに延在するリブ状部材を形成する。本発明の他の実施形態では、タービュレータは、プラットフォームリップ44の半径方向内側面46から分離され、面62(図3)から軸方向外向きに延在することができる。他の実施形態では、タービュレータを、プラットフォームリップ44の半径方向内側面46またはシャンク60の面62のどちらか、または両方に取り付けることができる。どちらの場合も、1つまたは複数のタービュレータ110は、例えば、第1の凹面114がタービンの長手方向軸に対して正方向または負方向の角度で面62から延在するように軸方向に角度を付けることができる。軸方向に角度が付けられたタービュレータを使用する本発明の実施形態は、典型的には、取り付けられたときに、タービンの長手方向軸に対して±70度の角度が付けられた1つまたは複数のタービュレータを含む。 For example, FIG. 4 is a detailed view of a lip having a turbulator 110, wherein the turbulator 110 has a first concave surface 114 and a first concave surface 114 that open in the direction R of the bucket 40 (FIG. 3) to be rotated. Includes a second convex surface 116 on the opposite side of the, as well as a radial inner surface 118 between the first concave surface 114 and the second convex surface 116. These surfaces 114, 116, 118 form the body 112 of each turbulator 110. In the embodiment of FIG. 4, each turbulator 110 forms a ribbed member extending radially inward from the radial inner surface 46 of the platform lip 44. In another embodiment of the invention, the turbulator can be separated from the radial inner surface 46 of the platform lip 44 and extend axially outward from the surface 62 (FIG. 3). In other embodiments, the turbulator can be attached to either or both of the radial inner surfaces 46 of the platform lip 44 and the surface 62 of the shank 60. In either case, the turbulator 110 may be axially angled so that, for example, the first concave surface 114 extends from the surface 62 at a positive or negative angle with respect to the longitudinal axis of the turbine. Can be attached. Embodiments of the invention using an axially angled turbulator are typically one or one that is angled ± 70 degrees with respect to the longitudinal axis of the turbine when mounted. Includes multiple turbines.

タービュレータ110はパージ空気を引き込み、その旋回速度を増大させる。一般に、ホイールスペースキャビティから来るパージ空気の周方向速度は、隣接するロータ表面の局所周方向速度の0.2~0.4倍である。本発明の実施形態によるタービュレータは、これを通過するパージ流に力を与えることによって、周方向速度を0.9~1.1倍増大させる。このことにより、わずかなトルクの損失が生ずるが、この流れが主要なバケット40を通るときに、はるかに大きく好ましいトルク力を取り戻し、タービン段においてほぼ0.5%の効率の正味のゲインを得る。このゲインは、パージ空気の周方向の旋回速度が増大して、高温ガスがホイールスペースキャビティ内に取り込まれないようにするカーテン効果が生じることと、下記でさらに説明される、タービンの主流路に入るパージ空気の周方向角度が変化することの両方の結果である。周方向角度がこのように変化すると、パージ空気が高温ガス流の方向とよりよく一致し、その結果、パージ空気がホイールスペース26(図1)から高温ガス流路28(図1)に漏出するとき、混合損失がかなり低減する。 The turbulator 110 draws in purged air and increases its swirling speed. Generally, the circumferential velocity of the purge air coming from the wheel space cavity is 0.2-0.4 times the local circumferential velocity of the adjacent rotor surface. The turbulator according to the embodiment of the present invention increases the circumferential velocity by 0.9 to 1.1 times by applying a force to the purge flow passing through the turbulator. This results in a slight torque loss, but as this flow passes through the main bucket 40, it regains a much larger and favorable torque force, resulting in a net gain of efficiency of approximately 0.5% in the turbine stage. .. This gain increases the circumferential swirling speed of the purged air, creating a curtain effect that prevents hot gas from being taken into the wheel space cavity and in the turbine main flow path, further described below. It is the result of both changes in the circumferential angle of the incoming purge air. This change in circumferential angle allows the purged air to better match the direction of the hot gas flow, resulting in the purged air leaking from the wheel space 26 (FIG. 1) to the hot gas flow path 28 (FIG. 1). When the mixing loss is significantly reduced.

パージ空気と高温ガス流がこのようによりよく一致すると、流れのせん断層の流れ不安定性が低減し、かつホイールスペ-ス26の開口にわたって周方向に交互にある低圧と高圧の部分が減少する。この結果、高温ガスが取り込まれることが減少し、主流路28に入る低温のパージ空気の膜がプラットフォーム42(図1)にわたってより一様に分布する。この膜は、高温ガスとプラットフォーム42の金属面との間の遮蔽体を形成する。これによって、プラットフォーム42全体の「ホットスポット」が減少する。このようなホットスポットの減少には、ホットスポットの大きさ、数、温度、またはこれら3つのすべての減少を含むことができる。下記でより詳細に説明されるように、この減少によってプラットフォーム42全体の温度が下がり、プラットフォーム42、プラットフォームリップ44、シャンク面62、およびエーロフォイル50が冷却され、プラットフォーム42がより一様に加熱されることとなる。これによって、熱勾配によって生じる応力が下がり、それによって構成部品の寿命が延び、かつ運転中でのプラットフォーム42の冷却条件を下げる。 Such a better match between the purged air and the hot gas flow reduces the flow instability of the shear layer of the flow and reduces the circumferentially alternating low and high pressure portions across the opening of the wheel space 26. As a result, the uptake of hot gas is reduced and the film of cold purge air entering the main flow path 28 is more evenly distributed across the platform 42 (FIG. 1). This film forms a shield between the hot gas and the metal surface of the platform 42. This reduces the "hotspots" of the entire platform 42. Such reductions in hotspots can include reductions in hotspot size, number, temperature, or all three. As described in more detail below, this reduction lowers the temperature of the entire platform 42, cools the platform 42, platform lip 44, shank surface 62, and aerofoil 50, and heats the platform 42 more uniformly. The Rukoto. This reduces the stress generated by the thermal gradient, thereby extending the life of the components and lowering the cooling conditions of the platform 42 during operation.

図5および6はそれぞれ、本発明の実施形態によるタービュレータが付いた、および付いていないバケット40の運転中の斜視図である。図5および6では、エーロフォイル50とプラットフォーム42は、単に簡略化して説明するために別々に示されているにすぎない。図5では、パージ空気と高温ガス流とが無秩序に混合、または削減されないまま混合した結果、複数のホットスポット43A、43B、43C、43Dがプラットフォーム42に沿って見られ、これは公知の装置および方法では典型的なものである。類似のホットスポット53A、53B、53Cがエーロフォイル50に沿って見られ、これらは一般に、プラットフォーム42から上方にエーロフォイル50の全長の約20%まで延在する。これらのホットスポット43A、43B、43C、43D、53A、53B、53Cは1700°Fを超える温度に達することがあり、プラットフォーム42の表面積の大部分、およびエーロフォイル50の近位20%の部分を覆うことがある。その上、これらのホットスポット43A、43B、43C、43D、53A、53B、53Cと、プラットフォーム42およびエーロフォイル50の他の部分との温度差は600°Fより大きいことがある。図6では、本発明の実施形態によってパージ空気と高温ガス流との混合を少なくすると、低温のパージ気体の膜がプラットフォーム42にわたってより一様に分布され、それによって、プラットフォーム42がより一様に冷却45され、エーロフォイル50がより一様に冷却55される。それでもなお、プラットフォーム42、およびエーロフォイル50の近位部分にわたって温度差が認められるが、プラットフォーム42の表面積のより大きい部分、およびエーロフォイル50はより低い温度であり、これらの表面にわたって温度差はかなり低減される。いくつかの場合では、記録された最低温度は、約1400°F(図5)から約1300°F(図6)に下がり、記録された最高温度は、約2000°F(図5)から約1800°F(図6)に下がった。プラットフォームリップ44およびシャンク面62にも、冷却のある程度の改善が認められた。 5 and 6 are in-operation perspective views of the bucket 40 with and without the turbulator according to the embodiment of the present invention, respectively. In FIGS. 5 and 6, the aerofoil 50 and the platform 42 are shown separately for brevity only. In FIG. 5, multiple hotspots 43A, 43B, 43C, 43D are seen along platform 42 as a result of chaotic or unreduced mixing of purged air and hot gas currents, which are known equipment and. The method is typical. Similar hotspots 53A, 53B, 53C are found along the aerofoil 50, which generally extend upward from the platform 42 to about 20% of the total length of the aerofoil 50. These hotspots 43A, 43B, 43C, 43D, 53A, 53B, 53C can reach temperatures above 1700 ° F, covering most of the surface area of the platform 42 and 20% proximal to the aerofil 50. May cover. Moreover, the temperature difference between these hotspots 43A, 43B, 43C, 43D, 53A, 53B, 53C and the platform 42 and other parts of the aerofoil 50 can be greater than 600 ° F. In FIG. 6, when the mixture of purged air and hot gas stream is reduced according to embodiments of the present invention, a film of cold purge gas is more evenly distributed across the platform 42, thereby making the platform 42 more uniform. Cooling 45 is performed, and the aero foil 50 is cooled 55 more uniformly. Nonetheless, there is a temperature difference across the platform 42 and the proximal portion of the aero foil 50, but the larger portion of the surface area of the platform 42 and the aero foil 50 are at lower temperatures and the temperature difference is significant over these surfaces. It will be reduced. In some cases, the recorded minimum temperature drops from about 1400 ° F (FIG. 5) to about 1300 ° F (FIG. 6), and the recorded maximum temperature drops from about 2000 ° F (FIG. 5). It dropped to 1800 ° F (Fig. 6). The platform lip 44 and the shank surface 62 also showed some improvement in cooling.

その上、これらの表面のより大きい部分はより低い温度になるため、表面全体の平均温度が下がった。プラットフォーム42およびエーロフォイル50がそれぞれこのようにより一様に加熱45、55されると、これらの構成部品が受ける熱応力が下がり、それによって使用寿命が延びる。 Moreover, the larger parts of these surfaces have lower temperatures, which lowers the average temperature of the entire surface. When the platform 42 and the aero foil 50 are heated more uniformly in this way 45, 55, respectively, the thermal stresses on these components are reduced, thereby extending their service life.

図4の凹面状のタービュレータは、パージ空気と高温ガス流との混合損失を低減することができる一実施形態にすぎない。例えば、図7~10は、異なる構成を有するタービュレータを示す。図7では、第1および第2の面214、216は実質的に真直ぐであり、半径方向内側面218は、第1および第2の面214、216の両方に対して実質的に垂直であり、その結果、本体212の断面は実質的に長方形である。他の実施形態では、長方形の突出部は、半径方向平面または軸方向平面に対して角度を付けることができる。図8では、第1および第2の面314、316のそれぞれは実質的に真直ぐであるが、半径方向に垂直でない角度が付いており、その結果、本体312は、半径方向内側がより広い寸法の実質的に台形の断面形状を有する。一方、図9では、第1および第2の面414、416は、半径方向に垂直でない角度が付いており、その結果、本体412は、半径方向内側がより狭い寸法の実質的に台形の断面形状を有する。図10では、各タービュレータ510は、半径方向内側面518と、半径方向内側面518の両側に配置された少なくとも1つの隣接する弓形面514、516とを交差させて形成される。端面515、517は、実質的に真直ぐであり、プラットフォームリップ44から半径方向に延在し、それによって、複数のタービュレータ510を挟んでいる。 The concave turbulator of FIG. 4 is only one embodiment capable of reducing the mixing loss of the purged air and the hot gas flow. For example, FIGS. 7-10 show turbulators with different configurations. In FIG. 7, the first and second surfaces 214 and 216 are substantially straight, and the radial inner side surface 218 is substantially perpendicular to both the first and second surfaces 214 and 216. As a result, the cross section of the main body 212 is substantially rectangular. In other embodiments, the rectangular protrusion can be angled with respect to a radial or axial plane. In FIG. 8, each of the first and second surfaces 314 and 316 is substantially straight, but at an angle that is not perpendicular to the radial direction, so that the body 312 has wider dimensions inside the radial direction. Has a substantially trapezoidal cross-sectional shape. On the other hand, in FIG. 9, the first and second surfaces 414 and 416 have angles that are not perpendicular to the radial direction, so that the body 412 has a substantially trapezoidal cross section with narrower radial inside dimensions. Has a shape. In FIG. 10, each turbulator 510 is formed by crossing a radial inner surface 518 and at least one adjacent bow-shaped surface 514 and 516 arranged on both sides of the radial inner surface 518. The end faces 515 and 517 are substantially straight and extend radially from the platform lip 44, thereby sandwiching the plurality of turbulators 510.

上記のように、本発明の実施形態によるタービュレータは、面62から軸方向外向きに、かつ/またはプラットフォームリップ44の半径方向内側面46から半径方向内向きに延在することができる。タービュレータが面62から軸方向外向きに延在する場合、タービュレータがプラットフォームリップ44の半径方向内側面46に近いほど、タービン効率の改善は大きい。すなわち、タービュレータをプラットフォームリップ44の内側面46から半径方向内向きに移動して、それから離れるようにすると、効率のゲインは減少する。図14および15について下記でより詳細に説明するように、この効果は以下のことに起因する。すなわち、プラットフォームリップ44とタービュレータとが組み合わさることにより、パージ空気をシャンク面62から軸方向に離すように最大の速度で投げつけることができ、それは、高温ガスがホイールスペースキャビティ内に取り込まれないようにするカーテン効果を生み、高温ガスのホイールスペース26(図1)内への侵入を減らす。タービュレータとプラットフォームリップ44との間の空間が増大すると、引き起こされるこのカーテン効果は徐々に減る。 As described above, the turbulator according to the embodiment of the present invention can extend axially outward from the surface 62 and / or radially inward from the radial inner surface 46 of the platform lip 44. When the turbulator extends axially outward from the surface 62, the closer the turbulator is to the radial inner surface 46 of the platform lip 44, the greater the improvement in turbine efficiency. That is, moving the turbulator radially inward from the inner surface 46 of the platform lip 44 and away from it reduces the gain in efficiency. As will be described in more detail below with reference to FIGS. 14 and 15, this effect is due to: That is, the combination of the platform lip 44 and the turbulator allows the purge air to be thrown at maximum speed so as to be axially separated from the shank surface 62, which prevents hot gas from being trapped into the wheel space cavity. Creates a curtain effect and reduces the intrusion of hot gas into the wheel space 26 (FIG. 1). As the space between the turbulator and the platform lip 44 increases, this curtain effect caused by it gradually diminishes.

図11は、バケット40の一部分を面62に向かって軸方向に見た図である。図11で分かるように、複数のタービュレータ610のそれぞれは軸方向に角度を付けられ、その結果、各タービュレータ610の少なくとも第1の凹面614は面62に対して垂直ではない。上記のように、このような実施形態では、パージ空気の旋回角度を変えることができる。 FIG. 11 is a view of a part of the bucket 40 viewed in the axial direction toward the surface 62. As can be seen in FIG. 11, each of the plurality of turbulators 610 is axially angled so that at least the first concave surface 614 of each turbulator 610 is not perpendicular to the surface 62. As described above, in such an embodiment, the swirling angle of the purge air can be changed.

図12および13は、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部分の斜視図である。図12では、複数のタービュレータ710が、プラットフォームリップ44から半径方向内向きに延在する追加の材料から形成(例えば、機械加工、鋳造など)される。典型的には、このような追加の材料は、鋳造時にはプラットフォームリップ44に含まれ、その後、タービュレータ710を形成するように鋳造材料が機械加工される。本発明の他の実施形態では、タービュレータは、プラットフォームリップ44に溶接、締結、またはその他の方法で固定された別の材料に設けることができる。タービュレータは、面62に接触することができる、または面62から軸方向に間隔を置いて配置することができる。例えば、図13では、タービュレータ810は同様に、プラットフォームリップ44から半径方向内向きに延在しているが、図示の実施形態では湾曲している面62から軸方向に間隔を置いて配置されている。タービュレータのこれらの突出部は、半径方向平面および/または軸方向平面に対して角度を付けることができる。 12 and 13 are perspective views of a portion of the turbine bucket according to still another embodiment of the present invention. In FIG. 12, a plurality of turbulators 710 are formed from additional material extending radially inward from the platform lip 44 (eg, machining, casting, etc.). Typically, such additional material is included in the platform lip 44 during casting, after which the casting material is machined to form the turbulator 710. In another embodiment of the invention, the turbulator can be provided on another material that is welded, fastened, or otherwise secured to the platform lip 44. The turbulator can be in contact with the surface 62 or can be arranged axially spaced from the surface 62. For example, in FIG. 13, the turbulator 810 also extends radially inward from the platform lip 44, but is axially spaced from the curved surface 62 in the illustrated embodiment. There is. These protrusions of the turbulator can be angled with respect to the radial and / or axial planes.

図12および13に示したタービュレータ710、810はそれぞれ、断面形状が実質的に長方形であるように示されているが、このことは必要なことでもないし、重要なことでもない。このようなタービュレータは、例えば、図4および7~10について上記で説明した形状を含む任意の断面形状とすることができる。同様に、いかなるこのようなタービュレータも、図11について上記で説明したように、軸方向に角度を付けることができる。 The turbulators 710 and 810 shown in FIGS. 12 and 13, respectively, are shown to have a substantially rectangular cross-sectional shape, which is neither necessary nor important. Such a turbulator can be, for example, any cross-sectional shape including the shapes described above for FIGS. 4 and 7-10. Similarly, any such turbulator can be axially angled, as described above for FIG.

図14および15はそれぞれ、公知のガスタービン、および本発明の実施形態によるタービュレータを含むガスタービンにおけるパージ気体の流れを概略的に表した図である。図14では、パージ空気80が示されており、その軸方向の運動量は小さく、その到達範囲は区域82に限定されており、そこでは、パージ空気80は渦を形成し、最終的には、高温ガス流路28内に漏出する。パージ空気80の集中部分は、区域82を向くブレードシャンク面のそのままの曲率によって、ブレードシャンク面から軸方向に投げつけられるが、それは、面62に接近した距離のみに限定され、そのため、高温ガス95がホイールスペース26内に侵入するのを許す。 14 and 15, respectively, are views schematically showing the flow of purge gas in a known gas turbine and a gas turbine including a turbulator according to an embodiment of the present invention. FIG. 14 shows purged air 80, whose axial momentum is small and its reach is limited to area 82, where the purged air 80 forms a vortex and ultimately. It leaks into the high temperature gas flow path 28. The concentrated portion of the purge air 80 is thrown axially from the blade shank surface by the same curvature of the blade shank surface facing the area 82, but only at a distance close to the surface 62, so that the hot gas 95 Allows to enter the wheel space 26.

対照的に、図15は、本発明の様々な実施形態によるタービュレータ110~810のパージ空気80への影響を示す。図15で分かるように、パージ空気がより高い軸方向の運動量/速度をもって投げつけられる区域83は、面62からより遠くの距離にある。さらに、パージ空気のこの区域83は、図14と比べると、面62から軸方向に離れるように移動した。同時に、漏出するいかなるパージ空気85も、プラットフォームリップ44(図12~13)から離れるようにノズル30の方へ移動した。これによって、事実上、カーテン効果が生み出され、高温ガス流路28から高温ガス95の侵入を制限し、最終的に、ホイールスペース26から高温ガス流路28内への漏出を制限する。したがって、本明細書で提示したこれらの実施形態は、カーテン/シール有効度が強化されるので、これらを実施すると、高温ガスがホイールスペースキャビティ内に取り込まれることに対するシール効果を同じに/より高く維持したまま、パージ流量の条件を下げることができる。 In contrast, FIG. 15 shows the effect of turbulators 110-810 on purged air 80 by various embodiments of the invention. As can be seen in FIG. 15, the area 83 into which the purge air is thrown with higher axial momentum / velocity is at a greater distance from the surface 62. In addition, this area 83 of purged air has moved axially away from the surface 62 as compared to FIG. At the same time, any leaking purge air 85 was moved towards the nozzle 30 away from the platform lip 44 (FIGS. 12-13). This effectively creates a curtain effect, limiting the ingress of the hot gas 95 from the hot gas flow path 28 and finally limiting the leakage from the wheel space 26 into the hot gas flow path 28. Therefore, these embodiments presented herein enhance the curtain / seal effectiveness and, when implemented, have the same / higher sealing effect against the uptake of hot gas into the wheel space cavity. The condition of the purge flow rate can be lowered while maintaining the condition.

さらに取り込まれる高温ガスが少なくなる結果、ノズル面30を含むホイールスペース26近辺のさらなる構成部品が冷却される。典型的には、本発明の実施形態では、ノズル面30が100°F~400°F冷却されることが示された。 Further, as a result of the reduced amount of hot gas taken in, further components in the vicinity of the wheel space 26 including the nozzle surface 30 are cooled. Typically, in embodiments of the invention it has been shown that the nozzle surface 30 is cooled by 100 ° F to 400 ° F.

本発明の実施形態を使用して達成されたタービン効率の上昇は、いくつかの要素を原因とすることができる。まず、上記のように、高温ガス流路28内へのパージ空気の旋回速度が増大することによってパージ空気に起因する混合損失が低減する。さらに、本発明によるタービュレータによって引き起こされたカーテン効果は、ホイールスペース26内への高温ガス95の侵入を減らし、または防ぎ、高温ガスが少ししか取り込まれない、または全く取り込まれないことによってホイールスペースキャビティの加熱を防ぐ。これらの要素それぞれが、観察された効率の上昇に寄与する。 The increase in turbine efficiency achieved using embodiments of the present invention can be due to several factors. First, as described above, the mixing loss caused by the purged air is reduced by increasing the swirling speed of the purged air into the high temperature gas flow path 28. Further, the curtain effect caused by the turbulator according to the present invention reduces or prevents the ingress of the hot gas 95 into the wheel space 26, and the wheel space cavity is taken in by little or no hot gas. Prevents heating. Each of these factors contributes to the observed increase in efficiency.

さらに、必要とするパージ空気全体の量が少なくとも2つの理由で削減される。第1に、漏出するパージ空気が削減されると、その代わりにならなければならないパージ空気が必然的に削減され、タービン効率には直接的な好ましい効果となる。第2に、高温ガス95のホイールスペース26内への侵入が低減されると、ホイールスペース26内の温度上昇が小さくなり、さらに、温度上昇に付随して追加のパージ空気を導入して温度を下げる必要性が下がる。必要とするパージ空気全体のこれらの削減のそれぞれによって、パージ空気の供給元の圧縮機などの他のシステム構成部品への要求が軽減される。 In addition, the total amount of purged air required is reduced for at least two reasons. First, reducing the amount of leaked purge air inevitably reduces the amount of purge air that must replace it, which has a direct positive effect on turbine efficiency. Secondly, when the intrusion of the high temperature gas 95 into the wheel space 26 is reduced, the temperature rise in the wheel space 26 becomes small, and further, additional purge air is introduced in association with the temperature rise to increase the temperature. The need to lower is reduced. Each of these reductions in the overall purge air required reduces the demand on other system components such as the compressor from which the purge air is supplied.

バケットプラットフォーム42、プラットフォームリップ44、およびバケットシャンク面がより低い温度になること、ならびにプラットフォーム42にわたって低温のパージ気体の膜がより一様に分布することは、他の実施形態によっても達成することができる。例えば、図16は、本発明の実施形態によるタービンバケット40の一部分の側面断面図である。図16で分かるように、プラットフォームリップ144の遠位端148はエーロフォイル50に向かって半径方向外向きに角度が付けられている。 Lower temperatures of the bucket platform 42, platform lip 44, and bucket shank surface, and more uniform distribution of the cold purge gas film across the platform 42 can also be achieved by other embodiments. can. For example, FIG. 16 is a side sectional view of a part of the turbine bucket 40 according to the embodiment of the present invention. As can be seen in FIG. 16, the distal end 148 of the platform lip 144 is angularly outwardly angled towards the aerofoil 50.

図17は、図16のバケット40の斜視図である。複数の空所110がプラットフォームリップ144の遠位端148に沿って設けられている。図17に示すように、空所110の形状は実質的に台形であるが、このことは必要なことでもないし、重要なことでもない。例えば、長方形、偏菱形、または弓形を含む他の形状を有する空所もまた用いることができる。 FIG. 17 is a perspective view of the bucket 40 of FIG. A plurality of voids 110 are provided along the distal end 148 of the platform lip 144. As shown in FIG. 17, the shape of the vacant space 110 is substantially trapezoidal, which is neither necessary nor important. For example, voids with other shapes, including rectangles, rhomboids, or bows can also be used.

例えば、図18は、本発明の別の実施形態によるバケット40の斜視図である。ここでは、プラットフォームリップ144はプラットフォーム42から軸方向に延在している(すなわち、遠位端は、図16および17のようにエーロフォイル50の方へ角度が付けられていない)。空所210は、弓形通路にプラットフォームリップ144を貫通して延在し、その結果、空所210に隣接するプラットフォームリップ144の残りの部分は弓形面145を含む。 For example, FIG. 18 is a perspective view of the bucket 40 according to another embodiment of the present invention. Here, the platform lip 144 extends axially from the platform 42 (ie, the distal end is not angled towards the aerofoil 50 as in FIGS. 16 and 17). The vacant space 210 extends through the platform lip 144 into the bow passage, so that the rest of the platform lip 144 adjacent to the vacant space 210 includes the bow-shaped surface 145.

図19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144は、図16および17のように、角度が付けられた遠位端148を含む。しかしながら、空所310は、プラットフォームリップ144の遠位端148ではなく、その本体146に形成される。上記のように、空所310は、例えば、長方形、台形、偏菱形、弓形などを含む任意の形状を採ることができる。 The embodiment of the present invention shown in FIG. 19 shows a perspective view of the bucket 40. Here, the platform lip 144 includes an angled distal end 148, as in FIGS. 16 and 17. However, the void 310 is formed in the body 146 rather than the distal end 148 of the platform lip 144. As described above, the space 310 can take any shape including, for example, a rectangle, a trapezoid, a rhomboid, an arch, and the like.

図20~22は、本発明の他の実施形態の斜視図である。図20では、空所410の形状は楕円形で、バケット40の半径方向軸に対して角度が付けられている。 20-22 are perspective views of another embodiment of the present invention. In FIG. 20, the shape of the void 410 is elliptical and is angled with respect to the radial axis of the bucket 40.

図21では、異なる寸法の楕円形の空所510が用いられ、空所の寸法は、エーロフォイル50の凹状の後面により近い端部から凸状の前面に向かってプラットフォームリップ144に沿って増大する。このような実施形態では、プラットフォームリップ144とエンゼルウイング70との間のパージ空気への空所510の影響は、概して、より大きな空所に隣接するほど大きくなる。これは、例えば、様々な理由のため、例えば、より低温のパージ流をプラットフォーム42上に予想されるホットスポットの位置に押し付けることによってより一様な冷却になるようにするために、プラットフォーム42を覆って周方向に通るパージ流の量を制御する必要がある場合には望ましいことがある。 In FIG. 21, elliptical voids 510 of different dimensions are used, the dimensions of the voids increase along the platform lip 144 from the end closer to the concave posterior surface of the aerofoil 50 towards the convex anterior surface. .. In such an embodiment, the effect of the void 510 on the purge air between the platform lip 144 and the angel wing 70 is generally greater as it is adjacent to the larger void. This is done, for example, for a variety of reasons, for example, to allow the platform 42 to have a more uniform cooling by pushing a cooler purge stream onto the expected hotspot location on the platform 42. It may be desirable if it is necessary to control the amount of purge flow that covers and passes circumferentially.

図22では、異なる寸法の楕円形の空所510が用いられ、空所の寸法は、エーロフォイル50の凹状の後面により近い端部から凸状の前面に向かってプラットフォームリップ144に沿って縮小する。上記の検討から認識すべきように、このような実施形態は、例えば、より大きな空所の区域には、パージ空気の損失または高温ガスの侵入がより大きい場合に望ましい。 In FIG. 22, elliptical voids 510 of different dimensions are used, the dimensions of the void shrink along the platform lip 144 from the end closer to the concave posterior surface of the aerofoil 50 towards the convex anterior surface. .. As should be recognized from the above considerations, such embodiments are desirable when, for example, larger vacant areas have greater loss of purged air or intrusion of hot gas.

図23~26は、本発明の様々な実施形態によるタービンバケット40の斜視図である。図23~26の実施形態のそれぞれでは、空所はプラットフォームリップ144に沿って非一様に配置される。 23-26 are perspective views of the turbine bucket 40 according to various embodiments of the present invention. In each of the embodiments of FIGS. 23-26, the voids are arranged non-uniformly along the platform lip 144.

図23では、実質的に長方形の複数の空所610が、エーロフォイル50の凹状の後面ではなく、凸状の前面により近いプラットフォームリップ144に沿って配置される。 In FIG. 23, a plurality of substantially rectangular voids 610 are placed along the platform lip 144, which is closer to the convex anterior surface, rather than the concave posterior surface of the aerofoil 50.

図24では、空所が集中している区域は図23とは反対であり、実質的に長方形の複数の空所610は、エーロフォイル50の凸状の前面ではなく、凹状の後面により近いプラットフォームリップ144に沿って配置される。 In FIG. 24, the areas where the vacant spaces are concentrated are opposite to those in FIG. 23, and the substantially rectangular vacant spaces 610 are platforms that are closer to the concave rear surface rather than the convex front surface of the aerofoil 50. Arranged along the lip 144.

図25および26は、それぞれ図23および24と類似の実施形態を示し、これらの実施形態では、空所710は、プラットフォームリップ144(図22)の縁から取り除かれた材料の切り目である。プラットフォームリップ144の縁の空所710の用途は、例えば、エーロフォイル50の凸状の前面または凹状の後面のどちらかの方へパージ空気を向けるように用いることができる。 25 and 26 show embodiments similar to FIGS. 23 and 24, respectively, in which the void 710 is a cut in the material removed from the edge of the platform lip 144 (FIG. 22). The use of the vacant space 710 at the edge of the platform lip 144 can be used, for example, to direct purge air toward either the convex front surface or the concave rear surface of the aero foil 50.

プラットフォーム42にわたって低温のパージ気体の膜をより一様に分布させることは、さらに他の実施形態によっても達成することができる。例えば、図27は、本発明の実施形態によるタービンバケット40の一部分の斜視図である。図27で分かるように、複数の空所910が、エンゼルウイング170の遠位端178のエンゼルウイングリム174に沿って配置される。空所910はエンゼルウイングリム174に沿って間隔を置いて配置され、その結果、エンゼルウイングリム174の残りの部分は複数の柱状部材175を形成する。図27に示すように、空所910は半径方向に角度が付けられている、すなわち、タービンバケット40の半径方向軸(Ar)に対して角度が付けられているが、このことは必要なことでもないし、重要なことでもない。本発明の他の実施形態では、空所は、タービンバケットの半径方向軸に対して実質的に平行とすることができる。 More uniform distribution of the cold purge gas film across the platform 42 can also be achieved by yet other embodiments. For example, FIG. 27 is a perspective view of a part of the turbine bucket 40 according to the embodiment of the present invention. As can be seen in FIG. 27, a plurality of voids 910 are arranged along the angel wing rim 174 at the distal end 178 of the angel wing 170. The vacant spaces 910 are spaced apart along the angel wing rim 174 so that the rest of the angel wing rim 174 forms a plurality of columnar members 175. As shown in FIG. 27, the vacant space 910 is angled in the radial direction, i.e., angled with respect to the radial axis (Ar) of the turbine bucket 40, which is necessary. Nor is it important. In another embodiment of the invention, the void can be substantially parallel to the radial axis of the turbine bucket.

タービンバケット40を半径方向内向きに見た図28に最も明瞭に示されるように、柱状部材175(および対応する空所910)は弓形面を含む。詳細には、柱状部材175は、凹面175A(空所910の凸面)と、凸面175B(空所910の凹面)とを含む。したがって、空所910は、エンゼルウイングリム174の軸方向内側面174Aに沿う第1の開口910Aを含み、第1の開口910Aは、エンゼルウイングリム174の軸方向外側面174Bに沿う第2の開口910Bの側方に配置される。もちろん、柱状部材および空所は他の形状とすることができることを理解すべきである。例えば、柱状部材および空所は、断面形状を、長方形、台形、または他の任意の形状とすることができる。 As most clearly shown in FIG. 28, which is a radial inward view of the turbine bucket 40, the columnar member 175 (and the corresponding void 910) includes an arcuate surface. Specifically, the columnar member 175 includes a concave surface 175A (convex surface of the vacant space 910) and a convex surface 175B (concave surface of the vacant space 910). Thus, the void 910 includes a first opening 910A along the axial inner surface 174A of the angel wing rim 174, and the first opening 910A is a second opening along the axial outer surface 174B of the angel wing rim 174. It is arranged on the side of the 910B. Of course, it should be understood that columnar members and voids can have other shapes. For example, columnar members and voids can have a rectangular, trapezoidal, or any other cross-sectional shape.

図29は、本発明の別の実施形態によるタービンバケット40の一部分の斜視図である。ここで、エンゼルウイングシールの半径方向外側面に隣接する複数のダム部材277は、シャンク部60から複数の柱状部材275のそれぞれまで軸方向に延在する。いくつかの実施形態によれば、ダム部材277は、タービンバケット40の半径方向軸に対して角度を付けることができる、すなわち、タービンバケット40の回転方向に対して正方向に、または負方向に角度を付けることができる。同様に、いくつかの実施形態によれば、ダム部材277は、柱状部材275のように、1つまたは複数の弓形面を含むことができる、または、上記で説明したように、その断面は長方形、台形、または他の任意の形状を含むことができる。 FIG. 29 is a perspective view of a part of the turbine bucket 40 according to another embodiment of the present invention. Here, the plurality of dam members 277 adjacent to the radial outer surface of the angel wing seal extend axially from the shank portion 60 to each of the plurality of columnar members 275. According to some embodiments, the dam member 277 can be angled with respect to the radial axis of the turbine bucket 40, i.e., positively or negatively with respect to the rotational direction of the turbine bucket 40. Can be angled. Similarly, according to some embodiments, the dam member 277 can include one or more arcuate surfaces, such as the columnar member 275, or, as described above, its cross section is rectangular. , Trapezoid, or any other shape.

図30は、本発明の別の実施形態によるタービンバケット40の一部分の斜視図である。ここで、切れ目のないエンゼルウイングリム374が、エンゼルウイングシール370から上向きに延在し、複数のダム部材377が、面62に接触せずに面62に隣接した隙間64を空けて、リム374から面62に向かって軸方向に延在する。 FIG. 30 is a perspective view of a part of the turbine bucket 40 according to another embodiment of the present invention. Here, the seamless angel wing rim 374 extends upward from the angel wing seal 370, and the plurality of dam members 377 leave a gap 64 adjacent to the surface 62 without contacting the surface 62, and the rim 374 It extends axially from the surface 62 toward the surface 62.

図31は、本発明の実施形態によるノズル面130に関する図30のタービンバケット40の側面断面図である。図31では、エンゼルウイングリム374がノズル面130内に溝131を切る、または掘るように、ノズル面130は、少なくとも半径方向内向き面に沿って多孔性または摩耗可能な部分を備え、または含む。ノズル面130の多孔性または摩耗可能な部分がエンゼルウイングリム374によって摩滅または摩耗されるように、多孔性または摩耗可能な部分は、「ハニカム」または類似のパターンのノズル面130の材料を備えることができる。本発明の他の実施形態では、ノズル面130の多孔性または摩耗可能な部分が同様にエンゼルウイングリム374によって摩滅または摩耗されるように、多孔性または摩耗可能な部分は、ノズル面130の他の材料より軟らかい材料を備える、または含むことができる。 FIG. 31 is a side sectional view of the turbine bucket 40 of FIG. 30 regarding the nozzle surface 130 according to the embodiment of the present invention. In FIG. 31, the nozzle surface 130 comprises or includes at least a porous or wearable portion along a radial inward surface, as the angel wing rim 374 cuts or digs a groove 131 in the nozzle surface 130. .. The porous or wearable portion shall comprise a "honeycomb" or similar pattern of nozzle surface 130 material so that the porous or wearable portion of the nozzle surface 130 is worn or worn by the angel wing rim 374. Can be done. In another embodiment of the invention, the porous or wearable portion is other than the nozzle surface 130 so that the porous or wearable portion of the nozzle surface 130 is also worn or worn by the angel wing rim 374. Can include or contain a softer material than the material of.

運転時、パージ空気は、ノズル面130の溝131内を通ってから、ダム部材377間を下方に流れ、面62に向かう。次いで、パージ空気80は、タービンバケット40が回転すると、面62に隣接する隙間64内を周方向に流れ、それによってパージ空気80の旋回を増大させる。 During operation, the purge air passes through the groove 131 of the nozzle surface 130, then flows downward between the dam members 377, and heads toward the surface 62. The purged air 80 then flows circumferentially through the gap 64 adjacent to the surface 62 as the turbine bucket 40 rotates, thereby increasing the swirling of the purged air 80.

上記の説明から明白なように、パージ空気と高温ガス流との間の混合を減らし、プラットフォーム42にわたって高温ガス流をより一様に分布させるためにエンゼルウイングに対する他の修正を用いることができる。例えば、図32は、本発明の実施形態によるタービンバケット40の一部分の斜視図である。図32で分かるように、複数の空所1110が、エンゼルウイング470を通って半径方向に延在している。図32に示すように、複数の空所1110は、エンゼルウイングリム474よりも面62に接近するようにエンゼルウイング470に沿って軸方向内側に配置される。複数の空所1110のそれぞれは、断面形状が長方形(すなわち、半径方向内向きに見て長方形)であるように図32に示されているが、このことは必要なことでもないし、重要なことでもない。当業者であれば理解するように、任意の断面形状を用いることができ、それは本発明の範囲内である。 As will be apparent from the above description, other modifications to the angel wing can be used to reduce the mixing between the purged air and the hot gas stream and to distribute the hot gas stream more evenly across the platform 42. For example, FIG. 32 is a perspective view of a part of the turbine bucket 40 according to the embodiment of the present invention. As can be seen in FIG. 32, a plurality of voids 1110 extend radially through the Angel Wing 470. As shown in FIG. 32, the plurality of voids 1110 are arranged axially inward along the angel wing 470 so as to be closer to the surface 62 than the angel wing rim 474. Each of the vacant spaces 1110 is shown in FIG. 32 as having a rectangular cross-sectional shape (ie, rectangular when viewed inward in the radial direction), which is not necessary or important. not. Any cross-sectional shape can be used, as will be appreciated by those skilled in the art, which is within the scope of the present invention.

図32に示すように、複数の空所1110は、エンゼルウイング470の長さに沿って実質的に一様に配置される。しかしながら、このことは必要なことでもないし、重要なことでもないことに留意されたい。本発明の他の実施形態によれば、空所がエンゼルウイング470の一端において他端より多くなる、エンゼルウイング470の中央に向かって多くなる、または、他の任意の構成となるように、複数の空所1110をエンゼルウイング470の長さに沿って非一様に配置することができる。 As shown in FIG. 32, the plurality of voids 1110 are arranged substantially uniformly along the length of the angel wing 470. However, keep in mind that this is neither necessary nor important. According to another embodiment of the invention, there are more than one void at one end of the angel wing 470 than at the other end, more towards the center of the angel wing 470, or any other configuration. The vacant space 1110 can be arranged non-uniformly along the length of the angel wing 470.

図33は、エンゼルウイング470内を通るタービンバケット40の一部分を軸方向内向きに見た断面図である。図33で分かるように、本発明の実施形態によれば、空所1110は、凸面1112と凹面1114とを含み、それらは、エンゼルウイング470を通る湾曲した、または弓形の通路を形成する。すなわち、空所1110は、半径方向外向きの開口1110Aから、凸面1112および凹面1114に沿って半径方向内向きの開口1110Bまでの経路をたどる。それによって、半径方向内向きの開口1110Bは、半径方向外向きの開口1110Aよりもエンゼルウイング470の端部470Aに接近して配置される。 FIG. 33 is a cross-sectional view of a part of the turbine bucket 40 passing through the angel wing 470 as viewed inward in the axial direction. As can be seen in FIG. 33, according to embodiments of the invention, the void 1110 comprises a convex surface 1112 and a concave surface 1114, which form a curved or bowed passage through the Angel Wing 470. That is, the void 1110 follows a path from the radial outward opening 1110A to the radial inward opening 1110B along the convex 1112 and the concave 1114. Thereby, the radial inward opening 1110B is placed closer to the end 470A of the angel wing 470 than the radial outward opening 1110A.

エンゼルウイング470を通る空所1110のこの湾曲した、または弓形の形状によって、エンゼルウイング端部470とプラットフォームリップ44との間のパージ空気の旋回速度が増大する。本発明の他の実施形態にしたがって上記で説明したように、これによってカーテン効果が生み出され、ホイールスペース26(図1)内への高温ガスの侵入が制限されながら同時に、ホイールスペース26から漏出するパージ空気の量が低減される。 This curved or bowed shape of the void 1110 through the angel wing 470 increases the swirling speed of the purge air between the angel wing end 470 and the platform lip 44. As described above according to another embodiment of the invention, this creates a curtain effect, which limits the ingress of hot gas into the wheel space 26 (FIG. 1) and at the same time leaks out of the wheel space 26. The amount of purged air is reduced.

図34は、タービンバケット40の一部分を半径方向下向きに見た図である。各空所1110の凹面1114が見られる。さらに、図32に示すように、凹面1114はまた軸方向に角度が付けられている。すなわち、凹面1114は、長手方向軸RLおよびタービンバケット40の回転方向Rの両方に対して角度が付けられている。したがって、エンゼルウイング470を通って半径方向外向きに通るような空所1110の形状によって、パージ気体は旋回を与えられ、パージ気体は、エンゼルウイングリム474に向かう軸方向、およびエンゼルウイング470の端部470Aに向かう横方向の両方向に向けられる。 FIG. 34 is a view of a part of the turbine bucket 40 viewed downward in the radial direction. The concave surface 1114 of each vacant space 1110 can be seen. Further, as shown in FIG. 32, the concave surface 1114 is also axially angled. That is, the concave surface 1114 is angled with respect to both the longitudinal axis RL and the rotational direction R of the turbine bucket 40. Thus, the shape of the void 1110 so that it passes radially outward through the angel wing 470 gives the purge gas a swirl, the purge gas axially towards the angel wing rim 474, and the end of the angel wing 470. It is directed in both lateral directions toward the portion 470A.

本明細書では、最良の態様を含む例を用いて本発明を開示し、また、任意の装置またはシステムの作製および使用、ならびに任意の関連した、または組み入れられた方法の実施を含め、当業者が本発明を実施できるようにしている。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定されており、当業者が想到する他の例を含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と相違ない構成要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を含む場合、特許請求の範囲内であることが意図されている。 The present invention is disclosed herein with examples including the best embodiments, including the fabrication and use of any device or system, and the implementation of any related or incorporated method. Allows the practice of the present invention. The patentable scope of the invention is defined by the claims and may include other examples conceived by those skilled in the art. Other such examples are within the scope of the claim if they have components that are not different from the wording of the claims, or if they contain equivalent components that are not substantially different from the wording of the claims. It is intended to be.

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 ノズル面
32 阻止部材
40 タービンバケット
42 プラットフォーム
43A ホットスポット
43B ホットスポット
43C ホットスポット
43D ホットスポット
44 プラットフォームリップ
45 より一様な冷却、より一様な加熱
46 半径方向内側面
48 遠位端
50 エーロフォイル
52 前縁
53A ホットスポット
53B ホットスポット
53C ホットスポット
54 後縁
55 より一様な冷却、より一様な加熱
60 シャンク部
62 シャンク面
64 隙間
70 エンゼルウイング
72 エンゼルウイング
74 エンゼルウイングシール
80 パージ空気
82 区域
83 区域
85 漏出するパージ空気
95 高温ガス
110 タービュレータ、空所
112 本体
114 凹面
116 凸面
118 半径方向内側面
130 ノズル面
131 溝
144 プラットフォームリップ
145 弓形面
146 本体
148 遠位端
170 エンゼルウイング
174 エンゼルウイングリム
174A 内側面
174B 外側面
175 柱状部材
175A 凹面
175B 凸面
178 遠位端
210 タービュレータ、空所
212 本体
214 面
216 面
218 半径方向内側面
275 柱状部材
277 ダム部材
310 タービュレータ、空所
312 本体
314 面
316 面
370 エンゼルウイングシール
374 エンゼルウイングリム
377 ダム部材
410 タービュレータ、空所
412 本体
414 面
416 面
470 エンゼルウイング
470A 端部
474 エンゼルウイングリム
510 タービュレータ、空所
514 弓形面
515 端面
516 弓形面
517 端面
518 半径方向内側面
610 タービュレータ、空所
614 凹面
710 タービュレータ、空所
810 タービュレータ
910 空所
910A 第1の開口
910B 第2の開口
1110 空所
1110A 外向きの開口
1110B 内向きの開口
1114 凹面
1112 凸面
10 Gas turbine 20 1st stage nozzle 22 2nd stage nozzle 26 Wheel space 28 Flow path 30 Nozzle surface 32 Blocking member 40 Turbine bucket 42 Platform 43A Hotspot 43B Hotspot 43C Hotspot 43D Hotspot 44 Platform lip 45 More uniform Cooling, more uniform heating 46 Radial inner surface 48 Distal end 50 Aerofoil 52 Front edge 53A Hotspot 53B Hotspot 53C Hotspot 54 Trailing edge 55 More uniform cooling, more uniform heating 60 Shank part 62 Shank surface 64 Gap 70 Angel wing 72 Angel wing 74 Angel wing seal 80 Purge air 82 Area 83 Area 85 Leaking purge air 95 High temperature gas 110 Turbine, vacant space 112 Main body 114 Concave surface 116 Convex surface 118 Radial inner surface 130 Nozzle surface 131 Groove 144 Platform Lip 145 Arched Face 146 Body 148 Disdistant End 170 Angel Wing 174 Angel Wing Rim 174A Inner Side 174B Outer Side 175 Columnar Member 175A Concave 175B Convex 178 distal End 210 Turbine Radius, Empty 212 Inner side 275 Columnar member 277 Dam member 310 Turbine, vacant space 312 Main body 314 surface 316 surface 370 Angel wing seal 374 Angel wing rim 377 Dam member 410 Turbine member, vacant space 412 Main body 414 surface 416 surface 470 Angel wing 470 Rim 510 Turbine, Vacancy 514 Bow Face 515 End Face 516 Bow Face 517 End Face 518 Radial Inner Side 610 Turbine, Vacancy 614 Concave Surface 710 Turbine, Vacancy 810 Turbine Turbine 910 Vacancy 910 B 1st Opening 910 Place 1110A Outward opening 1110B Inward opening 1114 Concave 1112 Convex

Claims (6)

タービンバケット(40)の少なくとも一部分を冷却する方法であって、当該方法が、
タービンの運転中、プラットフォームから軸方向に延在するプラットフォームリップ(44)の下方でパージ空気(80)の旋回速度を変えること
を含んでおり、
前記パージ空気の前記旋回速度を変えることが、前記タービンバケット(40)のシャンク部(60)の面(62)であってプラットフォームリップ(44)の下方の面(62)から軸方向に延在するエンゼルウイング(470)の周方向長さに沿って配置された複数の空所(1110)を前記パージ空気(80)の流れに割り込ませることを含んでおり、前記複数の空所(1110)の各々が凸面(1112)及び凹面(1114)によって画成され、前記複数の空所(1110)の各々が、前記エンゼルウイング(470)を貫通して半径方向外向きの開口(1110A)から前記凹面(1114)及び前記凸面(1112)に沿って半径方向内向きの開口(1110B)まで延在し、前記凹面(1114)が、前記タービンバケット(40)の長手方向軸(RL)及び前記タービンバケット(40)の回転方向(R)の両方に対して角度が付けられており、前記半径方向外向きの開口(1110A)が前記タービンバケット(40)の回転方向(R)において半径方向内向きの開口(1110B)の後方にあり、前記凹面(1114)が前記タービンバケット(40)の回転方向(R)において前記凸面(1112)の後方にある、方法。
A method of cooling at least a part of the turbine bucket (40), wherein the method is:
During the operation of the turbine, it involves changing the swirl speed of the purge air (80) below the platform lip (44) that extends axially from the platform.
Changing the swirling speed of the purge air extends axially from the surface (62) of the shank portion (60) of the turbine bucket (40) and the lower surface (62) of the platform lip (44). A plurality of vacant spaces (1110) arranged along the circumferential length of the angel wing (470) are interrupted by the flow of the purge air (80) , and the plurality of vacant spaces (1110) are included. Each of the plurality of vacant spaces (1110) is defined by a convex surface (1112) and a concave surface (1114), and each of the plurality of vacant spaces (1110) penetrates the angel wing (470) and is described from a radial outward opening (1110A). It extends along the concave surface (1114) and the convex surface (1112) to the radial inward opening (1110B), where the concave surface (1114) is the longitudinal axis (RL) of the turbine bucket (40) and the turbine. The bucket (40) is angled with respect to both directions of rotation (R) so that the radially outward opening (1110A) is radially inward in the direction of rotation (R) of the turbine bucket (40). The method, wherein the concave surface (1114) is behind the convex surface (1112) in the rotational direction (R) of the turbine bucket (40) .
前記複数の空所(1110)のうちの少なくとも1つが長方形の断面形状を含む、請求項1記載の方法。 The method of claim 1 , wherein at least one of the plurality of voids (1110) comprises a rectangular cross-sectional shape. 前記複数の空所(1110)が、前記エンゼルウイング(470)の長さに沿って非一様に分布される、請求項1又は請求項2に記載の方法。 The method of claim 1 or 2, wherein the plurality of voids (1110) are non-uniformly distributed along the length of the angel wing (470). 前記タービンバケット(40)の前記一部分が、バケットプラットフォーム(42)、プラットフォームリップ(44)、エーロフォイル(50)及びシャンク面(62)から成るグループから選択される、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の方法。 13 . The method according to any one . 前記タービンバケット(40)に隣接するノズル面(30)を冷却することをさらに含む請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 4 , further comprising cooling the nozzle surface (30) adjacent to the turbine bucket (40). 前記パージ空気の前記旋回速度を変えることが、前記エンゼルウイング(470)と前記プラットフォームリップ(44)との間でのパージ空気の旋回速度を増大させ、かつホイールスペース(26)への高温ガスの侵入に対するカーテン効果を生み出すことを含む、請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の方法。Changing the swirling speed of the purged air increases the swirling speed of the purged air between the angel wing (470) and the platform lip (44), and the hot gas into the wheel space (26). The method of any one of claims 1 to 5, comprising producing a curtain effect against intrusion.
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