JP7019331B2 - タービンバケット冷却 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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。

米国特許出願公開第２０１４／０２３４０７６号明細書

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。

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。

公知のタービンの一部分の概略断面図である。 公知のタービンバケットの斜視図である。 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。 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。 公知のタービンの運転時の加熱状態の斜視図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 図１６のタービンバケットの部分の斜視図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 図３０のタービンバケットの側面断面図である。 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。 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。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (6)

1. 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。
2. 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に記載の方法。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。

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