(57)【要約】      （修正有）【課題】より効率的でより良好に分散された冷却を提供する冷却回路の改善をもたらすバケットを提供する。【解決手段】バケット組立体３０は、シャンク３２と、シャンク３２の半径方向外向きに位置付けられた翼形部３４とを含む。バケット組立体３０は更に、翼形部３４及びシャンク３２に定められ且つ７つの通路６１，６２，６３，６４，６５，６６，６７を含む主冷却回路６０を含み、７つの通路６１〜６７の各々が該７つの通路６１〜６７のうちの隣接する通路と流体接続されている。７つの通路６１〜６７の各々における最大回転回数が約０．４以下である。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バケット組立体であって、
シャンクと、
前記シャンクの半径方向外向きに位置付けられた翼形部と、
前記翼形部及び前記シャンクに定められ、７つの通路を含む主冷却回路と、
を備え、前記７つの通路の各々が該７つの通路のうちの隣接する通路と流体接続されており、前記７つの通路の各々における最大回転回数が約０．４以下である、バケット組立体。
【請求項２】
前記７つの通路の各々における回転回数が、約０．０１〜約０．３５の範囲にある、請求項１に記載のバケット組立体。
【請求項３】
前記７つの通路のうちの第１の通路が、前記７つの通路のうちの別の通路の翼形部の最大断面積よりも約１０％〜約２０％小さい範囲にある翼形部の最大断面積を有する、請求項１に記載のバケット組立体。
【請求項４】
前記翼形部に定められ且つ前記前記７つの通路のうちの第７の通路と流体連通した排気通路を更に備える、請求項１に記載のバケット組立体。
【請求項５】
前記翼形部及び前記シャンクに各々定められた前方冷却回路及び後方冷却回路を更に備える、請求項１に記載のバケット組立体。
【請求項６】
前記主冷却回路が７つの通路からなる、請求項１に記載のバケット組立体。
【請求項７】
前記シャンクと前記翼形部との間に半径方向に位置付けられたプラットフォームを更に備える、請求項１に記載のバケット組立体。
【請求項８】
前記翼形部が、前記前縁と前記後縁との間に延びる正圧側面及び負圧側面を定めた外面を有する、請求項１に記載のバケット組立体。
【請求項９】
ダブテールを更に備える、請求項１に記載のバケット組立体。
【請求項１０】
前記ダブテールが根元を定め、前記主冷却回路が前記根元まで延びる、請求項１に記載のバケット組立体。
【請求項１１】
ターボ機械であって、
入口セクションと、
排気セクションと、
圧縮機セクションと、
燃焼器セクションと、
複数のバケット組立体を含むタービンセクションと、
を備え、前記複数のバケット組立体の各々が、
シャンクと、
前記シャンクの半径方向外向きに位置付けられた翼形部と、
前記翼形部及び前記シャンクに定められ、７つの通路を含む主冷却回路と、
を含み、前記７つの通路の各々が該７つの通路のうちの隣接する通路と流体接続されており、前記７つの通路の各々における最大回転回数が約０．４以下である、ターボ機械。
【請求項１２】
前記７つの通路の各々における回転回数が、約０．０１〜約０．３５の範囲にある、請求項１１に記載のターボ機械。
【請求項１３】
前記７つの通路のうちの第１の通路が、前記７つの通路のうちの別の通路の翼形部の最大断面積よりも約１０％〜約２０％小さい範囲にある翼形部の最大断面積を有する、請求項１１に記載のターボ機械。
【請求項１４】
前記翼形部に定められ且つ前記前記７つの通路のうちの第７の通路と流体連通した排気通路を更に備える、請求項１１に記載のターボ機械。
【請求項１５】
前記翼形部及び前記シャンクに各々定められた前方冷却回路及び後方冷却回路を更に備える、請求項１１に記載のターボ機械。
【請求項１６】
前記主冷却回路が７つの通路からなる、請求項１１に記載のターボ機械。
【請求項１７】
前記シャンクと前記翼形部との間に半径方向に位置付けられたプラットフォームを更に備える、請求項１１に記載のターボ機械。
【請求項１８】
前記翼形部が、前記前縁と前記後縁との間に延びる正圧側面及び負圧側面を定めた外面を有する、請求項１１に記載のターボ機械。
【請求項１９】
ダブテールを更に備える、請求項１１に記載のターボ機械。
【請求項２０】
前記ダブテールが根元を定め、前記主冷却回路が前記根元まで延びる、請求項１１に記載のターボ機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、全体的にターボ機械に関し、より詳細には、ターボ機械におけるバケット組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンシステムは、発電などの分野で広く利用されているターボ機械の一例である。従来のガスタービンシステムは、圧縮機セクション、燃焼器セクション、及びタービンセクションを含む。ガスタービンシステムの作動中、システム内の種々の構成要素は、高温の流れに曝され、これにより構成要素が故障する可能性がある。このような高温流れは一般に、ガスタービンシステムの性能、効率、及び出力の増大をもたらすので、ガスタービンシステムが高温で作動できるように、高温流れに曝される構成要素を冷却すべきである。
【０００３】
ガスタービンシステムのタービンセクション、すなわち高温ガス経路セクションの各段が多くのシステム要件に適合し、全体的な効率及び翼形部荷重の改善を含む設計目標に適合するようにしなくてはならない。詳細には、タービンセクションの種々の段のバケットは、当該特定の段における作動要件に適合し、また、バケット冷却区域及び壁厚の要件に適合しなくてはならない。タービンを安全で効率的且つ円滑な方法で作動させることを可能にする段性能要件に適合するような固有内部コアプロファイルを必要とする、内部冷却要件を最適化する必要がある。
【０００４】
より具体的には、バケット設計の１つの現在の傾向は、バケット翼形部の最大厚みを増大させ、空気力学的効率を向上させることである。また、翼形部壁及びリブ厚み（翼形部に定められる種々の冷却通路間）の低減が促進され、バケットの全体流量を最小限にされてきた。しかしながら、これら２つの傾向が組み合わされた結果、大きな縦横比を有する大型の冷却通路がもたらされ、その十分な冷却を求めて所要の対流効率を提供するために、通路を通る冷却流の増大が必要となった。発明者らは、これらの傾向の結果として、冷却通路を通る冷却流のマッハ数が低下し、冷却通路におけるコリオリの効果の増大につながることを見出した。各冷却通路では、これにより不均等な冷却が生じ、通路の正圧側面又は負圧側面の一方で熱伝達効率が増大し、他方の側面で熱伝達効率が低下する状態となる。結果として、これらバケットの冷却が効率的ではなく不均一となり、バケットの損傷をもたらす可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５，１６５，８５２号明細書
【発明の概要】
【０００６】
従って、当該技術分野において改善されたバケットが必要とされる。詳細には、より効率的でより良好に分散された冷却を提供する冷却回路の改善をもたらすバケットが有利なものとなる。
【０００７】
本発明の態様及び利点は、その一部を以下の説明に記載しており、又はその説明から自明なものとすることができ、或いは本発明を実施することにより知ることができる。
【０００８】
１つの実施形態において、バケット組立体が開示される。バケット組立体は、シャンクと、シャンクの半径方向外向きに位置付けられた翼形部とを含む。バケット組立体は更に、翼形部及びシャンクに定められ且つ７つの通路を含む主冷却回路を含み、７つの通路の各々が該７つの通路のうちの隣接する通路と流体接続されている。７つの通路の各々における最大回転回数が約０．４以下である。
【０００９】
本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、以下の説明及び添付の請求項を参照するとより理解できるであろう。本明細書に組み込まれ且つその一部を構成する添付図面は、本発明の実施形態を例証しており、本明細書と共に本発明の原理を説明する役割を果たす。
【００１０】
添付図を参照した本明細書において、当業者に対してなしたその最良の形態を含む本発明の完全且つ有効な開示を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ガスタービンシステムの概略図。
【図２】本開示の１つの実施形態による、ガスタービンシステムのタービンセクションの側断面図。
【図３】本開示の１つの実施形態による、バケット組立体の斜視図。
【図４】本開示の１つの実施形態による、バケット組立体の内部構成要素を示す正面図。
【図５】本開示の１つの実施形態による、バケット組立体の種々の内部構成要素を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、その１つ又はそれ以上の実施例を図面に示している本発明の実施形態について詳細に説明する。各実施例は、本発明の限定ではなく、例証として提供される。実際に、当業者であれば、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、種々の修正及び変形を本発明において実施できる点は理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。
【００１３】
図１は、ターボ機械の概略図であり、図示の実施形態においてはガスタービンシステムである。システム１０は、圧縮機セクション１２、燃焼器セクション１４、及びタービンセクション１６を含むことができる。圧縮機セクション１２及びタービンセクション１６は、シャフト１８によって結合することができる。シャフト１８は、単一のシャフトであるか、又は共に結合されてシャフト１８を形成する複数のシャフトセグメントとすることができる。入口セクション１９は、圧縮機セクション１２に空気流を提供することができ、排気ガスが、タービンセクション１６から排気セクション２０を通って排出され、システム１０又は他の好適なシステムにおいて排出及び／又は利用することができる。
【００１４】
タービンセクション１６は、複数のタービン段を含むことができる。例えば、１つの実施形態において、タービンセクション１６は、図２に示すように３つの段を有することができる。例えば、タービン１６の第１の段は、複数の円周方向に離間したノズル２１及びバケット２２を含むことができる。ノズル２１は、シャフト１８の周りに円周方向に配置されて固定することができる。バケット２２は、シャフト１８の周りに円周方向に配置され、該シャフト１８に結合することができる。タービンセクション１６の第２の段は、複数の円周方向に離間したノズル２３及びバケット２４を含むことができる。ノズル２３は、シャフト１８の周りに円周方向に配置されて固定することができる。バケット２４は、シャフト１８の周りに円周方向に配置され、該シャフト１８に結合することができる。タービンセクション１６の第３の段は、複数の円周方向に離間したノズル２５及びバケット２６を含むことができる。ノズル２５は、シャフト１８の周りに円周方向に配置されて固定することができる。バケット２６は、シャフト１８の周りに円周方向に配置され、該シャフト１８に結合することができる。タービンセクション１６の種々の段は、高温ガス流２８の経路においてタービン１６内に配置することができる。タービンセクション１６は、３つの段に限定されず、むしろあらゆる数の段が本開示の範囲及び精神内にある点は理解されたい。
【００１５】
バケット２２、２４、２６の各々は、図３〜５に示すように、バケット組立体３０を含むことができる。例示的な実施形態において、本開示によるバケット組立体３０は、第１段バケット２２であるが、代替の実施形態において、バケット組立体３０はあらゆる好適なバケットとすることができる。バケット組立体３０は、一般に、シャンク３２及び翼形部３４を含むことができる。翼形部３４は、シャンク３２の半径方向外向きに位置付けられて延びることができる。加えて、バケット組立体３０は、プラットフォーム３６を含むことができる。プラットフォーム３６は、シャンク３２及び／又は翼形部３４の間に半径方向に位置付けることができ、更に、シャンク３２及び／又は翼形部３４の一方又は両方を囲むことができる。また、バケット組立体３０は、ダブテール３８を含むことができる。ダブテール３８は、シャンク３２から半径方向内向きに延びることができ、一部の実施形態では、シャンク３２の半径方向内向き部分とすることができる。ダブテール３８は、バケット組立体３０をロータホイール（図示せず）に結合するよう構成することができる。
【００１６】
翼形部３４は、全体的に、前縁４６及び後縁４８の間に延びる正圧側面４２及び負圧側面４４を含み且つ定める外面を有することができる。更に、翼形部３４は、先端５２と根元５４の間を延びることができる。先端５２は、例えば、翼形部３４の半径方向外向き部分とすることができる。根元５４は、シャンク３２又はダブテール３８の半径方向内向き部分とすることができる。
【００１７】
本開示によるバケット組立体３０は更に、内部に定められる１つ又はそれ以上の冷却回路を含む。冷却回路は、一般に、翼形部３４及び／又はシャンク３２を貫通して延びることができる。冷却流体（典型的には空気又は別の好適なガス）は、冷却回路を通って流れて、バケット組立体３０及び詳細には翼形部３４を冷却する。例えば、バケット組立体３０は、主冷却回路６０を含むことができる。主冷却回路６０は、翼形部３４及びシャンク３２内に定めることができる。例えば、主冷却回路６０は、シャンク３２を通って根元５４まで延びることができ、更に、根元５４からシャンク３２を通って翼形部３４内に延びることができる。
【００１８】
図示のように、主冷却回路６０は、種々の冷却通路を含む。詳細には、本開示による主冷却回路６０は、７つの冷却通路を含み（７つの冷却通路からなるような）、第１の冷却通路６１、第２の冷却通路６２、第３の冷却通路６３、第４の冷却通路６４、第５の冷却通路６５、第６の冷却通路６６、及び第７の冷却通路６７を含む。各冷却通路は、バケット組立体３０を通ってほぼ半径方向に延びることができる。各冷却通路は、隣接する冷却通路に接続され、従って、隣接する冷却通路と流体連通することができる。例えば、第１の冷却通路６１は、第２の冷却通路６２と流体連通することができ、該第２の冷却通路６２は、第３の冷却通路６３と流体連通することができるなどである。むしろ、冷却通路は、前縁４６及び後４８間に列をなして整列することができ、従って、ほぼ翼弦方向の列とすることができる。冷却通路は順次的に整列することができ、第１の冷却通路６１が後縁４８に比較的近接して位置付けられ、第７の冷却通路６７が前縁４６に比較的近接している。冷却流体は、主冷却回路６０内で各冷却通路を通って流れることができる。更に、接続された冷却通路は、ほぼ蛇行パターンを有することができ、冷却通路を通る流れの方向を交互にすることができる。例えば、第１、第３、第５、及び第７の冷却通路６１、６３、６５、６７の流れの全体的な方向は、先端５２に向かってほぼ半径方向外向き方向とすることができ、第２、第４、及び第６の冷却通路６２、６４、６６の流れの全体的な方向は、根元５４に向かってほぼ半径方向内向き方向とすることができる。
【００１９】
主冷却回路６０の各冷却通路は、翼形部３４及び任意選択的にシャンク３２において少なくとも部分的に定めることができる。加えて、１つ又はそれ以上の冷却通路は、１つ又はそれ以上の入口部分を含むことができ、ここを通って冷却流体が主冷却回路６０に供給される。例えば、図示のように、第１の冷却通路６１は、シャンク３２に定められて根元５４まで延びた第１の入口部分６８及び第２の入口部分６９を含むことができる。入口部分６８、６９は、図示のシャンク３２におけるように併合されて単一の第１の冷却通路６１を形成することができる。
【００２０】
加えて、バケット組立体３０は、他の様々な冷却回路を含むことができる。例えば、バケット組立体３０は、前方冷却回路７０を含むことができる。前方冷却回路７０は、翼形部３４及びシャンク３２に定めることができ、図示のように根元５４から延びることができる。更に、前方冷却回路７０は、前縁４６と主冷却回路６０との間など、前縁４６に隣接してほぼ翼弦方向に位置付けることができる。前方冷却回路７０は、例示的な実施形態において第１の冷却通路７１及び第２の冷却通路７２のような、あらゆる好適な数の冷却通路を含むことができる。
【００２１】
これに加えて、又は代替として、バケット組立体３０は、後方冷却回路８０を含むことができる。後方冷却回路８０は、翼形部３４及びシャンク３２に定めることができ、図示のように根元５４から延びることができる。更に、後方冷却回路８０は、後縁４８と主冷却回路６０との間など、後縁４８に隣接してほぼ翼弦方向に位置付けることができる。後方冷却回路８０は、例示的な実施形態において第１の冷却通路８１のような、あらゆる好適な数の冷却通路を含むことができる。
【００２２】
加えて、排気通路９０を翼形部３４に定めることができる。各排気通路９０は、図示のような主冷却回路６０、前方冷却回路７０、又は後方冷却回路８０など、冷却回路の通路に接続され、従って、これら冷却回路の通路と流体連通することができる。排気通路９０は、冷却流体を冷却回路から貫流させ、該冷却流体をバケット組立体３０から排出させるために設けることができる。詳細には、排気通路９０は、翼形部３４に定められ、図示のように第７の通路６７と流体連通して、主冷却回路６０から冷却流を排出することができる。一部の実施形態では、排気通路９０は、例えば、排出された冷却流体がバケット組立体３０のフィルム冷却を可能にするような向きにすることができる。
【００２３】
ここで主冷却回路６０に戻ると、このような回路６０は、バケット組立体３０の冷却を有利に改善する種々の特徴要素及び特性を含む。例えば、上記で検討したように、主冷却回路６０は、７つの冷却通路を有する。これは、従来のバケット組立体に含まれる冷却通路の典型的な数を増加させる。冷却通路の数が増加することにより、バケット組立体３０の全体重量及び翼形部３４の壁及びリブの厚みを低減することができる。他方、これに加えて、冷却通路における冷却流のマッハ数が有利には増大することができ、冷却通路におけるコリオリの効果の減少につながり、従って、効率が向上し、冷却通路によるバケット組立体３０の冷却をより均一に分散させることができる。例えば、本発明者らは、冷却通路における冷却流の回転回数を約０．４以下に低減することにより、バケット組立体における冷却が改善されることを見出した。回転回数は、コリオリの効果に逆相関される無次元の数であり、次式
Ｒｏ＝ω＊ｂ／（Ｗ／（ρＡ））
に基づいて計算することができ、ここで、Ｒｏは回転回数（無次元）、ωは回転速度、ｂは通路の断面長（断面幅ではない、図５を参照）、Ｗは冷却流体の質量流量、ρは冷却流体の密度、Ａは冷却通路の断面積（例えば、方形又は矩形の冷却通路断面の場合、ａ＊ｂ）である。従って、本開示による本発明の主冷却回路６０の設計は、７つの冷却通路６１、６２、６３、６４、６５、６６、６７の各々において、一部の実施形態では約０．３５以下、又は一部の実施形態では約０．０１と約０．４の間、或いは一部の実施形態では約０．０１と約０．３５の間など、約０．４以下の最大回転回数を有する冷却流を提供する。
【００２４】
加えて、本発明者らは、本発明の主冷却回路６０の更なる追加の設計特徴によってバケット組立体３０の冷却が改善されることを見出した。例えば、本発明者らは、翼形部３４における主冷却回路６０の第１の通路６１の断面積を翼形部３４における残りの通路６２、６３、６４、６５、６６、６７の断面積に比べて削減している。断面積は、図５に示す図において翼形部３４上のあらゆる好適な位置にて計算することができる。従って、第１の通路６１の翼形部３４の最大断面積は、他の何れかの通路６２、６３、６４、６５、６６、６７の翼形部３４の最大断面積よりも約１０％〜約２０％の範囲とすることができる。残りの通路６２、６３、６４、６５、６６、６７に対する第１の通路６１のこのような低減は更に、元々はコリオリの効果が比較的顕著であった場所である第１の通路６１におけるコリオリの効果を低減させる。
【００２５】
加えて、本発明の主冷却回路６０の設計は、他の種々の利点を提供する。例えば、冷却流が隣接する冷却通路間で転回される種々の転回領域における冷却は、冷却流が転回領域に流入する際に冷却流のマッハ数が増大したことに起因して改善される。従って、本発明のバケット組立体３０及び主冷却回路６０は、本発明者らによって認識されたバケット組立体３０の冷却問題に対する新規の有利な解決策を提供する。
【００２６】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００２７】
１０  ガスタービンシステム
１２  圧縮機セクション
１４  燃焼器セクション
１６  タービンセクション
１８  シャフト
１９  入口セクション
２０  排気セクション
２１  第１段ノズル
２２  第１段バケット
２３  第２段ノズル
２４  第２段バケット
２５  第３段ノズル
２６  第３段バケット
２８  高温ガス流
３０  バケット組立体
３２  シャンク
３４  翼形部
３６  プラットフォーム
３８  ダブテール
４２  正圧側面
４４  負圧側面
４６  前縁
４８  後縁
５２  先端
５４  根元
６０  主冷却回路
６１  第１の冷却通路
６２  第２の冷却通路
６３  第３の冷却通路
６４  第４の冷却通路
６５  第５の冷却通路
６６  第６の冷却通路
６７  第７の冷却通路
６８  第１の入口部分
６９  第２の入口部分
７０  前方冷却回路
７１  第１の冷却通路
７２  第２の冷却通路
８０  後方冷却回路
８１  第１の冷却通路
９０  排気通路
ａ  通路断面長
ｂ  通路断面幅
【図１】
2014051976.tif 000003
【図２】
2014051976.tif 000004
【図３】
2014051976.tif 000005
【図４】
2014051976.tif 000006
【図５】
2014051976.tif 000007
【外国語明細書】
2014051976000001.pdf