(57)【要約】      （修正有）【課題】燃焼ガスによる温度上昇を低減することができるタービンベーン及びガスタービンを提供する。【解決手段】タービンベーン１００は、ガスタービン用タービンベーンであって、リーディングエッジ１１１及びトレーリングエッジ１１２が形成されたエアフォイル１１０と、エアフォイルの両端に配置されてエアフォイルを支持する内側及び外側シュラウド１２０，１３０とを含む。ここで、内側又は外側シュラウドは、リーディングエッジとトレーリングエッジを連結する第１方向の少なくともいずれか一方の端部の内部に冷却空気が流動するように冷却チャンバ１４０が形成される。【効果】燃焼ガスによる温度上昇を低減することができ、区域毎に温度偏差を減少させることができる。また、これによって、タービンベーンに温度偏差による熱応力が発生することを防止して、タービンベーンが破損することを防止することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リーディングエッジ及びトレーリングエッジが形成されたエアフォイルと、
前記エアフォイルの両端に配置されてエアフォイルを支持する内側シュラウド及び外側シュラウドと
を含み、
前記内側シュラウド又は外側シュラウドは、
前記リーディングエッジとトレーリングエッジを連結する第１方向の少なくともいずれか一方の端部の内部に冷却空気が流動するように冷却チャンバが形成される、タービンベーン。
【請求項２】
前記内側シュラウド又は外側シュラウドは、
板面が前記エアフォイルに向かうように配置される板状のプラットフォーム部と、
前記プラットフォーム部において前記エアフォイルと接する板面の反対面上に配置され、前記プラットフォーム部から外側に延びて形成されるルート部とを含み、
前記冷却チャンバは、
前記プラットフォーム部において前記第１方向への端部に配置される、請求項１に記載のタービンベーン。
【請求項３】
前記プラットフォーム部は、前記プラットフォーム部の表面と内部を連通させる複数個の冷却孔を含み、
前記冷却チャンバは、前記冷却孔のうちの一部と連通し、
前記冷却空気は、前記冷却チャンバ及び前記冷却孔に沿って移動する、請求項２に記載のタービンベーン。
【請求項４】
前記エアフォイルは、内部に冷却空気が流動する冷却チャネルを含み、
前記冷却チャンバは、前記エアフォイルの冷却チャネルと連通し、
前記冷却空気は、前記冷却チャンバ及び前記冷却チャネルに沿って移動する、請求項２又は３に記載のタービンベーン。
【請求項５】
前記外側シュラウドの冷却チャンバは、前記エアフォイルの冷却チャネルを介して前記内側シュラウドの冷却チャンバと連通し、
前記冷却空気は、前記エアフォイルの冷却チャネルを介して前記内側シュラウド及び外側シュラウドの冷却チャンバを通過する、請求項４に記載のタービンベーン。
【請求項６】
前記冷却チャンバは、
前記第１方向と前記プラットフォーム部の平面上で交差する第２方向に延びる空間を備える、請求項２から５のいずれか一項に記載のタービンベーン。
【請求項７】
前記冷却チャンバの底面又は天井面には複数個の突起が配列される、請求項６に記載のタービンベーン。
【請求項８】
前記冷却チャンバの底面又は天井面には、山と谷が繰り返されて形成される、請求項６又は７に記載のタービンベーン。
【請求項９】
前記冷却チャンバは複数個の区域で形成され、
前記複数個の区域を連結する連結孔を備える、請求項２から８のいずれか一項に記載のタービンベーン。
【請求項１０】
前記冷却チャンバは、
前記複数個の区域が、前記第１方向と交差する第２方向に並んで配列される、請求項９に記載のタービンベーン。
【請求項１１】
前記冷却チャンバは、
前記第２方向を基準として、前記連結孔が前記複数個の区域をジグザグ状に連結する、請求項１０に記載のタービンベーン。
【請求項１２】
前記冷却チャンバは、
前記複数個の区域が、前記第１方向と交差する第２方向にジグザグ状に配列される、請求項９から１１のいずれか一項に記載のタービンベーン。
【請求項１３】
前記冷却チャンバは、
前記複数個の区域が、前記第１方向と交差する第２方向に延びて形成され、第１方向に並んで配列される、請求項９から１２のいずれか一項に記載のタービンベーン。
【請求項１４】
流入する空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機からの圧縮された空気と燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器からの燃焼したガスで動力を発生させ、タービンベーンを備えるタービンとを含み、
前記タービンベーンは、
リーディングエッジ及びトレーリングエッジが形成されたエアフォイルと、
前記エアフォイルの両端に配置されてエアフォイルを支持する内側シュラウド及び外側シュラウドと
を含み、
前記内側シュラウド又は外側シュラウドは、
前記リーディングエッジとトレーリングエッジを連結する第１方向の少なくともいずれか一方の端部の内部に冷却空気が流動するように冷却チャンバが形成される、ガスタービン。
【請求項１５】
前記内側シュラウド又は外側シュラウドは、
板面が前記エアフォイルに向かうように配置される板状のプラットフォーム部と、
前記プラットフォーム部において前記エアフォイルと接する板面の反対面上に配置され、前記プラットフォーム部から外側に延びて形成されるルート部とを含み、
前記冷却チャンバは、
前記プラットフォーム部において前記第１方向への端部に配置される、請求項１４に記載のガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンベーン及びそれを含むガスタービンに関し、より具体的には、ガスタービンに使用されて温度偏差を減少させることができるタービンベーンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料を混合して燃焼させ、燃焼により発生した高温のガスでタービンを回転させる動力機関である。ガスタービンは発電機、航空機、船舶、汽車などを駆動するのに使用される。
【０００３】
一般に、ガスタービンは圧縮機、燃焼器及びタービンを含む。圧縮機は、外部空気を吸入して圧縮した後、燃焼器に伝達する。圧縮機で圧縮された空気は高圧及び高温の状態となる。燃焼器は、圧縮機から流入した圧縮空気と燃料を混合して燃焼させる。燃焼により発生した燃焼ガスはタービンに排出される。燃焼ガスによってタービンは回転するようになり、これを通じて動力が発生する。発生した動力は、発電、機械装置の駆動など、様々な分野に使用される。
【０００４】
高温の燃焼ガスがタービンに排出されるとき、高温の燃焼ガスが直接当たるタービンベーンの位置に応じて、１０００℃を超える温度偏差を有する。過度の温度差は、熱膨張による熱応力を発生させ、タービンベーンの破損をもたらすことがある。このような問題を解決するためには、タービンベーンに対する効果的な冷却技術が必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の一側面は、燃焼ガスによる温度上昇を低減することができるタービンベーン及びガスタービンを提供することである。
【０００６】
また、本発明の他の一側面は、区域毎に温度偏差を減少させることができるタービンベーン及びガスタービンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るタービンベーンは、ガスタービン用タービンベーンであって、リーディングエッジ及びトレーリングエッジが形成されたエアフォイルと、エアフォイルの両端に配置されてエアフォイルを支持する内側及び外側シュラウドとを含む。ここで、内側又は外側シュラウドは、リーディングエッジとトレーリングエッジを連結する第１方向の少なくともいずれか一方の端部の内部に冷却空気が流動するように冷却チャンバが形成される。
【０００８】
本発明に係るタービンベーンにおいて、内側又は外側シュラウドは、板面がエアフォイルに向かうように配置される板状のプラットフォーム部；及びプラットフォーム部の外側板面上に配置され、プラットフォーム部から外側に延びて形成されるルート部；を含む。冷却チャンバは、プラットフォーム部において第１方向への端部に配置されてもよい。
【０００９】
本発明に係るタービンベーンにおいて、プラットフォーム部は、プラットフォーム部の表面と内部を連通させる複数個の冷却孔を含み、冷却チャンバは、冷却孔のうちの一部と連通する。冷却空気は、冷却チャンバ及び冷却孔に沿って移動することができる。
【００１０】
本発明に係るタービンベーンにおいて、エアフォイルは、内部に冷却空気が流動する冷却チャネルを含み、冷却チャンバは、エアフォイルの冷却チャネルと連通する。冷却空気は、冷却チャンバ及び冷却チャネルに沿って移動することができる。
【００１１】
ここで、外側シュラウドの冷却チャンバは、エアフォイルの冷却チャネルを介して内側シュラウドの冷却チャンバと連通し、冷却空気は、エアフォイルの冷却チャネルを介して内側及び外側シュラウドの冷却チャンバを通過することができる。
【００１２】
本発明に係るタービンベーンにおいて、冷却チャンバは、プラットフォーム部上で第１方向と交差する第２方向に延びる空間を備えることができる。
【００１３】
本発明に係るタービンベーンにおいて、冷却チャンバの底面又は天井面には複数個の突起が配列されてもよい。
【００１４】
本発明に係るタービンベーンにおいて、冷却チャンバの底面又は天井面には、山と谷が繰り返されて形成されてもよい。
【００１５】
本発明に係るタービンベーンにおいて、冷却チャンバは複数個の区域で形成され、複数個の区域を連結する連結孔を備えることができる。
【００１６】
ここで、冷却チャンバは、複数個の区域が、第１方向と交差する第２方向に並んで配列されてもよい。
【００１７】
ここで、冷却チャンバは、第２方向を基準として、連結孔が複数個の区域をジグザグ状に連結することができる。
【００１８】
本発明に係るタービンベーンにおいて、冷却チャンバは、複数個の区域が、第１方向と交差する第２方向にジグザグ状に配列されてもよい。
【００１９】
本発明に係るタービンベーンにおいて、冷却チャンバは、複数個の区域が、第１方向と交差する第２方向に延びて形成され、第１方向に並んで配列されてもよい。
【００２０】
本発明に係るガスタービンは、流入する空気を圧縮する圧縮機と；圧縮機からの圧縮された空気と燃料を混合して燃焼させる燃焼器と；燃焼器からの燃焼したガスで動力を発生させ、タービンベーンを備えるタービンと；を含む。ここで、タービンベーンは、リーディングエッジ及びトレーリングエッジが形成されたエアフォイルと、エアフォイルの両端に配置されてエアフォイルを支持する内側及び外側シュラウドとを含む。ここで、内側又は外側シュラウドは、リーディングエッジとトレーリングエッジを連結する第１方向の少なくともいずれか一方の端部の内部に冷却空気が流動するように冷却チャンバが形成される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の実施例によれば、燃焼ガスによる温度上昇を低減することができ、区域毎に温度偏差を減少させることができる。また、これによって、タービンベーンに温度偏差による熱応力が発生することを防止して、タービンベーンが破損することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施例に係るガスタービンの内部を概略的に示す構成図である。
【図２】本発明の一実施例に係るタービンベーンが配置されるタービンの一区域を示す概念図である。
【図３】本発明の一実施例に係るタービンベーンを示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施例に係るタービンベーンにおいて冷却チャンバの変形例を示す斜視図である。
【図５】本発明の一実施例に係るタービンベーンにおいて冷却チャンバの変形例を示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施例に係るタービンベーンにおいて冷却チャンバの変形例を示す斜視図である。
【図７】本発明の一実施例に係るタービンベーンにおいて冷却チャンバの変形例を示す斜視図である。
【図８】本発明の一実施例に係るタービンベーンにおいて冷却チャンバの変形例を示す斜視図である。
【図９】本発明の一実施例に係るタービンベーンにおいて冷却チャンバの変形例を示す斜視図である。
【図１０】本発明の一実施例に係るタービンベーンにおいて冷却チャンバの形成位置を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明は、様々な変更を加えることができ、様々な実施例を有することができるところ、特定の実施例を例示し、詳細な説明で詳しく説明する。しかし、これは、本発明を特定の実施形態に限定するためのものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変更、均等物又は代替物を含むものと理解しなければならない。
【００２４】
本発明で使用した用語は、単に特定の実施例を説明するために使用されるもので、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明らかに別の意味を示すものでない限り、複数の表現を含む。本発明において、「含む」又は「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであり、一つ又はそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものの存在又は付加可能性を予め排除しないものと理解しなければならない。
【００２５】
以下、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。このとき、添付の図面において、同一の構成要素には、可能な限り同一の符号を付するようにしていることに留意しなければならない。また、本発明の要旨を不明瞭にする可能性がある公知の機能及び構成についての詳細な説明は省略する。同様の理由で、添付の図面において、一部の構成要素は誇張、省略または概略的に図示された。
【００２６】
図１は、本発明の一実施例に係るガスタービンの内部を概略的に示す構成図である。
【００２７】
図１に示したように、本発明の一実施例に係るガスタービン１は、圧縮機１０、燃焼器２０、及びタービン３０を含む。圧縮機１０は、流入する空気を高圧で圧縮する役割を果たし、圧縮された空気を燃焼器側に伝達する。圧縮機１０は、放射状に設置された多数のブレード１１を備え、タービン３０の回転から生成された動力の一部が伝達されてブレード１１が回転し、ブレード１１の回転によって空気が圧縮されながら燃焼器２０側に移動する。ブレード１１の大きさ及び設置角度は、設置位置によって異なり得る。
【００２８】
圧縮機１０で圧縮された空気は、燃焼器２０に移動し、環状に配置された複数の燃焼チャンバ２１及び燃料ノズルモジュール２２を介して燃料と混合されて燃焼する。燃焼により発生した高温の燃焼ガスはタービン３０に排出され、燃焼ガスによってタービンが回転するようになる。
【００２９】
図２は、本発明の一実施例に係るタービンベーンが配置されるタービンの一区域を示す概念図である。
【００３０】
図２に示したように、タービン３０は、タービンベーン（１００：１００ａ，１００ｂ）とタービンブレード（２００：２００ａ，２００ｂ）がガスタービン１の軸方向に沿ってｎ個ずつ交互に配列され得る。高温の燃焼ガスＨＧは、軸方向に沿ってタービンベーン１００及びタービンブレード２００を通過し、タービンブレード２００を回転させる。
【００３１】
図３は、本発明の一実施例に係るタービンベーンを示す斜視図である。
【００３２】
図３を参照すると、本発明の一実施例に係るタービンベーンは、エアフォイル１１０、及び内側及び外側シュラウド１２０，１３０を含み、内側又は外側シュラウド１２０，１３０には、その内部に冷却空気が流動するように冷却チャンバ１４０が形成されている。
【００３３】
エアフォイル１１０は、リーディングエッジ１１１及びトレーリングエッジ１１２が形成されており、リーディングエッジ１１１は、エアフォイル１１０で流動する流体を迎える前方端を意味し、トレーリングエッジ１１２はエアフォイル１１０の後方端を意味する。エアフォイル１１０は、リーディングエッジ１１１とトレーリングエッジ１１２を連結して形成される圧力面（ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｓｉｄｅ）及び吸い込み面（ｓｕｃｔｉｏｎ  ｓｉｄｅ）を備え、流動する流体は圧力面に圧力を加える。
【００３４】
内側及び外側シュラウド１２０，１３０は、エアフォイル１１０の両端に配置されてエアフォイル１１０を支持し、それぞれプラットフォーム部１２２，１３２及びルート部１２４，１２６，１３４，１３６を含むことができる。タービンベーン１００は、内側シュラウド１２０が、ガスタービン１の内側回転軸に向かう方向に配置され、外側シュラウド１３０が、ガスタービン１の外部に向かう方向に配置される。
【００３５】
プラットフォーム部１２２，１３２は、板面がエアフォイル１１０に向かうように板状に形成され、ルート部１２４，１２６，１３４，１３６は、プラットフォーム部１２２，１３２の外側板面、すなわち、エアフォイル１１０と接する板面の反対面上に配置され、プラットフォーム部１２２，１３２から外側に延びて形成される。
【００３６】
リーディングエッジ１１１とトレーリングエッジ１１２を連結する方向を第１方向とするとき、冷却チャンバ１４０は、第１方向の少なくともいずれか一方の端部に形成され得る。冷却空気ＣＧがシュラウド１２０，１３０の内部の冷却チャンバ１４０に流入してシュラウド１２０，１３０を冷却し、シュラウド１２０，１３０の外部に抜け出る（図２参照）。冷却空気は、一般に、圧縮機１０から、圧縮機ディスクユニット（図示せず）、タイロッド（図示せず）、タービンディスクユニット３１０に形成された冷却流路に沿って内側シュラウド１２０に流入することができる。また、冷却空気は、圧縮機１０に連結された外部冷却流路（図示せず）に沿ってタービンケーシングを介して外側シュラウド１３０に流入することができる。
【００３７】
プラットフォーム部１２２，１３２又はルート部１２４，１２６，１３４，１３６は、プラットフォーム部又はルート部の表面と内部を連通させる複数個の冷却孔（図示せず）を含むことができる。冷却孔によって、プラットフォーム部又はルート部の外面に冷却空気がエアカーテンのように移動しながら、いわゆる、フィルム冷却（ｆｉｌｍ  ｃｏｏｌｉｎｇ）方式でプラットフォーム部１２２，１３２、ルート部１２４，１２６，１３４，１３６など、シュラウド１２０，１３０を冷却することができる。この場合、冷却チャンバ１４０は冷却孔のうちの一部と連通して、冷却空気が冷却チャンバ１４０及び冷却孔に沿って移動することによって、冷却効率をさらに高めることができる。冷却チャンバ１４０は、ルート部１２４，１２６，１３４，１３６が配置された部分よりも外側に形成することができ、プラットフォーム１２２，１３２の板面の厚さ方向から見たとき、ルート部１２４，１２６，１３４，１３６と重ならないように形成することができる。ルート部１２４，１２６，１３４，１３６には冷却孔が形成され得るので、このように形成することが冷却効率をさらに高めることができる。
【００３８】
エアフォイル１１０もまた、内部に冷却空気が流動する冷却チャネル（図示せず）を含むことができ、冷却空気がエアフォイル１１０の内部を流れながら熱伝導によってエアフォイル１１０を冷却することができる。この場合、冷却チャンバ１４０はエアフォイル１１０の冷却チャネルと連通して、冷却空気が冷却チャンバ１４０及び冷却チャネルに沿って移動することによって、冷却効率をさらに高めることができる。
【００３９】
外側シュラウド１３０の冷却チャンバは、エアフォイル１１０の冷却チャネルを介して前記内側シュラウド１２０の冷却チャンバと連通し、冷却空気ＣＧは、エアフォイル１１０の冷却チャネルを介して内側及び外側シュラウド１２０，１３０の冷却チャンバを通過することができる（図２参照）。
【００４０】
図４から図９は、本発明の一実施例に係るタービンベーンにおいて冷却チャンバの変形例を示す斜視図である。
【００４１】
リーディングエッジ１１１とトレーリングエッジ１１２を連結する第１方向とプラットフォーム部１２２，１３２の平面上で交差する方向を第２方向とするとき、冷却チャンバ１４０は、図４に示したように、第２方向に延びて形成されてもよい。
【００４２】
冷却チャンバ１４０は、複数個の区域で形成され、複数個の区域を連結する連結孔を備えることができる。この場合、冷却チャンバ１４２ａは、図５に示したように、複数個の区域が、第１方向と交差する第２方向に並んで配列されてもよい。ここで、連結孔１４２ｂが、第２方向を基準として、複数個の区域１４２ａをジグザグ状に連結することができる。連結孔１４２ｂが、このようにジグザグ状に形成される場合、冷却チャンバ１４２ａの内部に引き込まれた冷却空気に渦流が発生して熱交換効率を向上させて、シュラウド１２０，１３０を効果的に冷却することができる。
【００４３】
冷却チャンバ１４３ａは、図６に示したように、複数個の区域が、第１方向と交差する第２方向にジグザグ状に配列され、連結孔１４３ｂによって連結されてもよい。この場合にも、冷却チャンバ１４３ａの内部に引き込まれた冷却空気に渦流が発生して熱交換効率を向上させて、シュラウド１２０，１３０を効果的に冷却することができる。
【００４４】
冷却チャンバ１４４ａは、図７に示したように、複数個の区域が、第１方向と交差する第２方向に延びて形成され、第１方向に並んで配列されてもよい。ここで、連結孔１４４ｂが、複数個の区域１４４ａを第１方向を基準としてジグザグ状に連結することができる。この場合にも、冷却チャンバ１４４ａの内部に引き込まれた冷却空気に渦流が発生して熱交換効率を向上させて、シュラウド１２０，１３０を効果的に冷却することができる。
【００４５】
冷却チャンバ１４５ａの底面又は天井面には、図８に示したように、複数個の突起１４５ｂが配列されてもよい。図８では、突起１４５ｂが底面に形成された場合を示したが、天井面に形成されてもよく、底面と天井面を連結する柱状に形成されてもよい。また、図８では、１４５ｂが一定の行と列をなして配列されているが、交互に配列されてもよく、不規則に配列されてもよい。
【００４６】
冷却チャンバ１４６ｂの底面又は天井面には、図９に示したように、山と谷が繰り返されて形成されてもよい。図９では、山と谷が一列に繰り返されているが、複数個の列が繰り返されて形成されてもよい。
【００４７】
このような場合にも、冷却チャンバ１４５ａ，１４６ａの内部に引き込まれた冷却空気に渦流が発生して熱交換効率を向上させて、シュラウド１２０，１３０を効果的に冷却することができる。
【００４８】
図１０は、本発明の一実施例に係るタービンベーンにおいて冷却チャンバの形成位置を示す概念図である。
【００４９】
図１０に示したように、冷却チャンバ１４０は、内側シュラウド１２０及び外側シュラウド１３０の第１方向の端部のうちいずれにも形成可能であり、冷却チャンバ同士がプラットフォーム部及びエアフォイルを介して互いに連結されて、冷却空気が連通することができる。
【００５０】
本実施例及び本明細書に添付された図面は、本発明に含まれる技術的思想の一部を明確に示しているものに過ぎず、本発明の明細書及び図面に含まれた技術的思想の範囲内で当業者が容易に類推することができる様々な変形例と具体的な実施例はすべて本発明の範囲に含まれることが自明である。
【符号の説明】
【００５１】
１    ガスタービン
１０    圧縮機
２０    燃焼器
３０    タービン
１００    タービンベーン
１１０    エアフォイル
１１１    リーディングエッジ
１１２    トレーリングエッジ
１２０    内側シュラウド
１２２、１３２    プラットフォーム
１２４、１２６、１３４、１３６    ルート部
１３０    外側シュラウド
１４０    冷却チャンバ
２００    タービンブレード
【図１】
2020037944.tif 000003
【図２】
2020037944.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2020037944.tif 000007
【図６】
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【図７】
2020037944.tif 000009
【図８】
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【図９】
2020037944.tif 000011
【図１０】
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