JP2015508141A - 熱機械、特にガスタービン用の構成部材 - Google Patents

Abstract

本発明は、熱機会、特にガスタービン用の構成部材に関する。構成部材は、高い熱負荷が加えられる角隅部もしくはエッジ（２２）を有している。構成部材の冷却は、角隅部もしくはエッジ（２２）を冷却するために、該角隅部もしくはエッジ（２２）の直ぐ近くに、表面から構成部材内に没入するように設けられた少なくとも１つの冷却通路（２５）が配置されていることにより改善される。

Description

本発明は、熱機械の分野に関する。本発明は、請求項１の上位概念部に記載の、熱機械、特にガスタービン用の構成部材に関する。

背景技術
熱機械、特にガスタービンには、一方では設計上の角隅部（コーナ部）およびエッジを有していて、かつ他方ではその角隅部もしくはエッジの箇所において運転中に高い熱負荷にさらされている種々の構成部材がある。そのような構成部材の例は、たとえば欧州特許出願公開第２１８９６２６号明細書に開示されているようなガスタービンの、複数の部材から組み立てられる動翼である。上掲の刊行物の図１および図２を、本明細書の図１として再掲した。

図１に示された部材、すなわちプラットホームエレメント１０および翼ブレードエレメント２０は、組み立てられ、かつ互いに結合されて動翼を形成する。プラットホームエレメント１０は、上面１１に貫通開口１２を有しており、該貫通開口１２を通じて、翼ブレードエレメント２０の、翼先端部１８で終端する翼ブレード１７を差し込むことができる。組み立てられた翼を固定するためには、プラットホームエレメント１０の下面に設けられた、一体成形されたフック１５，１６を備えた脚部１３，１４と、翼ブレード１７に軸部１９を介して結合された、翼ブレードエレメント２０の翼基部２１が役立つ。

組み立てられた状態では、翼ブレード１７と、プラットホームエレメント１０の上面１１との間に移行部が生じる。この移行部は、図２において断面で拡大して図示されている。部材１７と部材１１との間に形成された、翼ブレード１７の周囲を流れる高温ガスによって負荷がかけられている間隙２３により、高い熱負荷がかけられている角隅部領域２４を備えたエッジ２２が生じる。

従来、（図２に図平面に対して垂直方向に延びる）このエッジ２２は、当該エッジ２２に対して平行に、鋳造された冷却通路が設けられることにより冷却されていた。しかし、このような冷却通路は、あまり効率的ではない。なぜならば、
ａ）鋳造された通路では、表面に対する距離が比較的に大きく、このことは、角隅部領域２４における比較的高い温度をもたらし、
ｂ）鋳造された通路では、内径が比較的に大きく、このことは、冷却空気の比較的高い消費量をもたらすからである。

この理由から、冷却不足に基づいて、エッジ２２における酸化および亀裂形成が些細ではない程度で生じる。

この問題を解決するために、たとえば冷却空気によるパージを設けることによって、高温ガスによるエッジへの負荷を阻止することが既に提案されている（特開２０１０−１４４６５６号公報または米国特許第７５９７５３６号を参照）。この場合に不都合なのは、混合された高温ガスの温度を低く保つために、著しい量のパージ空気が必要とされることである。特に、間隙が比較的大きな場合、必要となるパージ空気量は著しく増大する。間隙幅が運転中に設計されたパージ空気量に一致しないように変化すると、この冷却タイプはその作用を失う。不都合な場合には、運転中に流れ条件が変化すると、パージ空気が直接に主流に流入することがある。この理由から、間隙は十分に冷却されない。なぜならば、両方の解決手段は、間隙内に侵入する高温ガスと、孔を通じて近づくパージ空気との、バランスのとれた混合を前提条件としているからである。

発明の開示
本発明の課題は、冒頭で述べた構成部材を改良して、公知の構成部材の欠点を回避し、高い熱負荷がかけられる角隅部もしくはエッジの領域において、小さな冷却材消費量で常に十分に冷却されている構成部材を提供することである。

上記課題は、請求項１の特徴部に記載の特徴により解決される。熱機械、特にガスタービンのために設けられ、高い熱負荷をかけられた角隅部もしくはエッジを有する本発明による構成部材は、角隅部もしくはエッジを冷却するために、角隅部もしくはエッジの直ぐ近くに、表面から構成部材内へと没入するように設けられた少なくとも１つの冷却通路が配置されていることを特徴とする。

本発明に係る構成部材の態様は、角隅部もしくはエッジは、設定された線に沿って延びており、少なくとも１つの冷却通路は、設定された区間にわたって、角隅部もしくはエッジに対してほぼ平行に延びていることを特徴とする。

別の態様は、角隅部もしくはエッジの直ぐ近くに、互いに平行に延び、没入するように設けられた複数の冷却通路が配置されていることにより優れている。

別の態様は、冷却通路が溝に導入されたそれぞれ１つの冷却管を含んでいることを特徴とする。

特に、冷却管が、溝に充填された充填材料に埋め込まれていて、これにより冷却管は、構成部材の、冷却管を取り囲んでいる材料に熱結合されている、つまり熱を伝達するように結合されている。

別の態様は、導入された冷却管を備えた溝が冷却すべき表面に向かって閉じられていることにより優れている。

特に溝を閉じるために、溶接被着されたカバー層が設けられている。

本発明の別の態様は、冷却通路の中心軸線が、冷却すべき表面から１ｍｍの範囲の距離を有していることを特徴とする。

別の態様によれば、冷却通路は、約１ｍｍの範囲の内径を有している。

本発明のさらに別の態様は、冷却通路が、冷却すべき表面の側に流出部を有し、冷却すべき表面とは反対に位置する側に流入部を有していることを特徴とする。

別の態様によれば、構成部材は、断熱層を有している。このことは、特に高い熱負荷を加えられる構成部材、特にガスタービンにおいて高い熱負荷を加えられる構成部材のために必要となる。

別の態様によれば、構成部材は、ガスタービンの翼として形成されている。

特に翼は、別個の複数の構成部材から組み立てられている。この場合、冷却すべき角隅部もしくはエッジは、別個の構成部材の間の移行部に形成されている。

この場合、角隅部もしくはエッジは、一方の側で、高温ガスが流れる間隙により画定されている。

欧州特許出願公開第２１８９６２６号により公知の、本発明が使用され得るガスタービンの組み立てられた動翼を示す図である。 図１に示した翼の、高い熱負荷が加えられる角隅部もしくはエッジの断面図である。 本発明による、図２から公知の角隅部もしくはエッジを冷却するための実施の形態を示す図である。 本発明による、図２から公知の角隅部もしくはエッジを冷却するための別の実施の形態を示す図である。 本発明による、図２から公知の角隅部もしくはエッジを冷却するためのさらに別の実施の形態を示す図である。 本発明によるエッジ冷却のための例示的な冷却通路構成を縦断面（Ａ）および横断面（Ｂ）で示す図である。 本発明に係る環状に延びる冷却通路を有する、構成された翼のプラットホームを上から見た平面図である。 図１に示したプラットホームエレメントの外側の角隅部もしくはエッジにおける本発明によるエッジ冷却通路を示す図である。

本発明を実施する方法
本発明によれば、ガスタービン構成部材、たとえば動翼、静翼または熱シールドの高い熱負荷を加えられたエッジもしくは角隅部を冷却するための表面近傍に没入された冷却通路の技術が使用される。図２に示した構成では、エッジ２２が互いに付き合わせられる２つの面から高温ガスにさらされていて、したがって角隅部領域２４は特に高い熱負荷を加えられている。

図３によれば、エッジ領域に、エッジ２２に対して平行に延びる、小さな内径を有する冷却通路２５が、表面すぐ下に設けられていて、これにより角隅部領域２４を効果的にかつ通常は冷却空気である冷却材の減じられた使用量で冷却することができる。冷却通路２５の流入部３０および流出部２９は図３に破線で示されている。

冷却通路２５は、（流入部３０で）冷却空気を充填されたプレナムから出発し、次いで冷却すべきエッジ２２に対して平行に延び、流出部２９を介して加熱された空気を間隙２３内へと排出する。流出部２９は、表面へとガイドされていてもよく、これにより加熱された空気を直接に高温ガス流内に流出させ、かつ表面においてフィルム冷却の形態で冷却空気フィルムを形成することができる。

図３に示した単独の冷却通路２５が、エッジ２２を冷却するために十分ではない場合、図４に示すように、平行に延びる２つの冷却通路２５ａ，２５ｂを設けることができる。これらの冷却通路２５ａ，２５ｂは、相応してプレナムと高温ガス通路とに接続されている。これらの冷却通路２５ａ，２５ｂでも十分ではない場合、図５に示すように２つよりも多くの冷却通路２５ａ，２５ｃ，２５ｄがエッジ２２に対して平行に延びていてよい。

細い冷却通路を、予め成型された構成部材に、表面から、冷却すべき表面の極めて近傍に後から形成することができる原則的な方法は、図６から明らかである。この場合、図６（Ａ）は、例示的な配置構造の縦断面を示しており、図６（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ平面での横断面を示している。構成部材２６内に、上面から、適当に形成された工具を用いた適切な方法（たとえば形彫り放電加工）により、溝４１が構成部材の壁に形成される。溝４１は、一方の端部において、屈曲部３１ａを以て斜め上方に向かって延出し（流出部２９）、他方の端部において屈曲部３１ｂの背後で下面への貫通部を有している（流入部３０）。このように形成された溝４１内には、相応して寸法設計されかつ成形された冷却管３１が導入され、充填材料３２（たとえば硬ろう等）を介して、構成部材２６の、周囲を取り囲んでいる材料に熱的に密に結合される。このように形成された配置構造は、次いで、溶接によりカバー層３３を被着させることにより閉じることができる。カバー層３３は、表面近傍の冷却通路２７を形成し、該冷却通路２７は、運転中に冷媒２８、たとえば冷却空気により貫流される。

このようにして形成された冷却通路２７は、冷却通路２７の中心軸線と表面との距離が冷却通路２７の内径と同程度であって、たとえば内径が約１ｍｍの範囲の場合、１ｍｍの範囲の中心軸線と表面との距離を有している。冷却通路２７の長さは、概して１０ｍｍから１００ｍｍの範囲であり、有利には２０ｍｍから４０ｍｍである。エッジ長さが上記冷却通路の長さを越える場合、複数の冷却通路２７が連続して配置され、このことは図７および図８に例示的に示されている。連続する冷却通路２７の長さは互いに相違しており、これによりたとえば種々の熱負荷または構造的な必要性を考慮することができる。複数の冷却通路は、最適な冷却効果のために、同一の方向または互いに反対の方向で冷媒により貫流され得る。同じことは、平行に配置された冷却通路にも適用される。

上面３５に、翼プロフィールと類似する湾曲した曲線によって縁取られた貫通開口３６を有している図７に示したプラットホームエレメント３４の場合、本発明による少なくとも１つの冷却通路３７は、湾曲した曲線に追従する必要がある。湾曲しても形成され得る、相前後して配置された冷却通路３７の個数は、曲線輪郭による。個別の通路３７の具体的な長さは、特にプラットホームエレメント３４の熱負荷に依存する。個別の通路長さは、通常２０ｍｍから４０ｍｍである。

図１に示したプラットホームエレメントでは、外側のエッジにおいても、図８に冷却通路３８，３９のために示されているように、本発明による冷却通路が使用され得る。

本発明の利点は以下のように纏められる。
（ａ）減じられた冷却空気消費量により、機械の効率が改善される。
（ｂ）冷却は、冷却すべき箇所のできるだけ近傍で行われる。
（ｃ）互いに突き合わせられる環状面を形成し、これにより特に強く負荷されている、高い熱負荷を加えられた角隅部もしくはエッジが効果的に冷却される。
（ｄ）このように冷却された構成部材の寿命が大幅に延長される。

１０，３４ プラットホームエレメント
１１，３５ 上面
１２，３６ 貫通開口
１３，１４ 脚部
１５，１６ フック
１７ 翼ブレード
１８ 翼先端部
１９ 軸部
２０ 翼ブレードエレメント
２１ 翼基部
２２ 角隅部、エッジ
２３ 間隙
２４ 角隅部領域
２５，２５ａ−ｄ 冷却通路
２６ 構成部材
２７，３７ 冷却通路
２８ 冷媒、たとえば空気
２９ 流出部
３０ 流入部
３１ 冷却管
３１ａ，ｂ 屈曲部
３２ 充填材料（たとえば、ろう材）
３３ カバー層
３８，３９ 冷却通路
４０ａ，ｂ 角隅部、エッジ
４１ 溝

Claims (16)

1. 高い熱負荷を加えられる角隅部もしくはエッジ（２２；４０ａ，ｂ）を有している、熱機械、特にガスタービン用の構成部材（１０，２０；２６；３４）であって、
   前記角隅部もしくはエッジ（２２；４０ａ，ｂ）を冷却するために、該角隅部もしくはエッジ（２２；４０ａ，ｂ）の直ぐ近くに、表面から前記構成部材（１０，２０；２６；３４）内に没入するように設けられた少なくとも１つの冷却通路（２５，２５ａ−ｄ；２７；３７；３８，３９）が配置されていることを特徴とする、熱機械用の構成部材（１０，２０；２６；３４）。
2. 前記角隅部もしくはエッジ（２２；４０ａ，ｂ）は、所定の線に沿って延びており、かつ少なくとも１つの前記冷却通路（２５，２５ａ−ｄ；２７；３７；３８；３９）は、所定の区間にわたって、前記角隅部もしくはエッジ（２２；４０ａ，ｂ）に対してほぼ平行に延びている、請求項１記載の構成部材。
3. 前記角隅部もしくはエッジ（２２；４０ａ，ｂ）の直ぐ近くに、複数の冷却通路（２５，２７，３７，３８，３９）が一列に配置されている、請求項１または２記載の構成部材。
4. 前記角隅部もしくはエッジ（２２；４０ａ，ｂ）の直ぐ近くに、互いに対して平行に延びる、没入するように設けられた複数の冷却通路（２５ａ−ｄ）が配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の構成部材。
5. 互いに平行に延びる前記冷却通路（２５，２７）は、互いに対してずらされて配置されている、請求項４記載の構成部材。
6. 前記冷却通路（２５，２５ａ−ｄ；２７；３７；３８；３９）は、溝（４１）内に導入されたそれぞれ１つの冷却管（３１）を含んでいる、請求項１から５までのいずれか１項記載の構成部材。
7. 前記冷却管（３１）は、それぞれ前記通路（４１）に充填された充填材料（３２）に埋め込まれていて、これにより前記構成部材（１０，２０；２６；３４）の、周囲を取り囲む材料に熱的に結合されている、請求項６記載の構成部材。
8. 導入された前記冷却管（３１）を備える前記溝（４１）は、冷却すべき表面に向かって閉じられている、請求項６または７記載の構成部材。
9. 前記溝（４１）を閉じるために、溶接被着されたカバー層（３３）が設けられている、請求項８記載の構成部材。
10. 前記冷却通路（２５，２５ａ−ｄ；２７；３７；３８；３９）の中心軸線は、冷却すべき表面から１ｍｍの範囲の距離を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の構成部材。
11. 前記冷却通路（２５，２５ａ−ｄ；２７；３７；３８；３９）は、約１ｍｍの範囲の内径を有している、請求項１から１０までのいずれか１項記載の構成部材。
12. 前記冷却通路（２５，２５ａ−ｄ；２７；３７；３８；３９）は、前記冷却すべき表面の側に流出部（２９）を有しており、前記冷却すべき表面とは反対の側に流入部（３０）を有している、請求項１から１１までのいずれか１項記載の構成部材。
13. 前記構成部材の表面には、断熱層が被着されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の構成部材。
14. ガスタービンの翼（１０，２０）として形成されている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の構成部材。
15. 前記翼が、別個の複数の構成部材（１０，２０）から組み立てられており、冷却すべき角隅部もしくはエッジ（２２，４０ａ，ｂ）は、前記別個の構成部材（１０，２０）の間の移行部に形成されている、請求項１４記載の構成部材。
16. 前記角隅部もしくはエッジ（２０，４０ａ，ｂ）は、一方の側で高温ガスにより負荷される間隙（２３）により画定されている、請求項１５記載の構成部材。

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