(57)【要約】【課題】ステータヒートシールド冷却のための一般的慣行における問題を解決する。【解決手段】本発明は、ガスタービンは、回転軸線を規定するロータを有し、ステータヒートシールドは、回転軸線に沿った配列において配置された複数の冷却ユニットを有し、各冷却ユニットは、ガスタービンの高温ガス通路に面した外側部分と、外側部分に位置決めされた、冷却空気に曝される内側プレートと有し、内側プレートは、冷却空気を外側部分内へ導入し、これによって外側部分の高温ガスに曝される壁部のインピンジメント冷却を行うために内側プレートを貫いて形成された複数の入口開口を有し、外側部分は、冷却空気を受け取るための第１の中央部分と、第１の中央部分の周囲の第２のらせん状部分とを有し、冷却空気を第２のらせん状部分の冷却空気出口に向かって外方へ搬送する、ガスタービン用の冷却されるステータヒートシールドを提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン用の冷却式ステータヒートシールドであって、前記ガスタービンは、回転軸線を規定するロータを有し、前記ステータヒートシールドは、実質的に前記回転軸線に沿った配列において配置された、前記ヒートシールドの高温ガスに露出された表面全体を覆う複数の冷却ユニットを有する、ステータヒートシールドにおいて、
各冷却ユニットは、前記ガスタービンの高温ガス通路に面した外側部分と、該外側部分に位置決めされた、冷却空気に露出された内側プレートと有し、
該内側プレートは、前記冷却空気を前記外側部分内へ導入し、これによって該外側部分のインピンジメント冷却を行うために前記内側プレートを貫いて形成された複数の入口開口を有し、
前記外側部分は、前記冷却空気を受け取るための第１の中央部分と、該第１の中央部分の周囲の第２のらせん状部分とを備える、前記外側部分に形成された冷却空気チャネルを有し、前記冷却空気を前記第２のらせん状部分の冷却空気出口に向かって外向きに搬送することを特徴とする、ガスタービン用の冷却されるステータヒートシールド。
【請求項２】
前記ステータヒートシールドの前縁および後縁の領域の近くに位置決めされた前記冷却ユニットにおいて、前記冷却空気出口は、前記冷却空気を高温ガス通路内へ供給するために前記外側部分の底面を貫く複数の排出穴として形成されている、請求項１記載のステータヒートシールド。
【請求項３】
前記ステータヒートシールドの前縁および後縁の領域の近くに位置決めされた前記冷却ユニットにおいて、前記冷却空気出口は、前記外側部分の底面を貫く複数のフィルム冷却穴として形成されている、請求項１記載のステータヒートシールド。
【請求項４】
前記冷却空気チャネル内に複数のフローバリヤエレメントが配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のステータヒートシールド。
【請求項５】
前記フローバリヤエレメントは、通常のリブ、Ｖ字形リブ、Ｗ字形リブ、ピン、渦発生器および凹部から成るグループから選択されている、請求項４記載のステータヒートシールド。
【請求項６】
前記ステータヒートシールドは、鋳造または付加的な製造方法によって製造されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のステータヒートシールド。
【請求項７】
前記付加的な製造方法は、選択的レーザ溶融を含む、請求項６記載のステータヒートシールド。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか１項記載のステータヒートシールドを含むガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン用の冷却式ステータヒートシールド、およびこのような冷却式ステータヒートシールドを備えるガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
取り付けられた状態では、ステータヒートシールドは、ガスタービンのステータおよび／またはハウジングに配置される。ステータヒートシールドは、通常、ガイドベーンキャリヤに取り付けられており、ガスタービンのロータのロータブレードの領域においてガスタービンの高温ガス通路のための半径方向境界を形成している。概して、複数のこのようなステータヒートシールドは、ロータの回転軸線に関して周方向で互いに隣接して配置されており、これにより、個々のステータヒートシールドの閉鎖されたリングを形成している。個々のステータヒートシールドは、この場合、リングセグメントを形成している。ステータヒートシールドは、ハウジングおよび／またはガイドベーンキャリヤをガスタービンの高温ガスへの露出から保護している。ステータヒートシールドの外側は高温ガスに露出されるのに対し、高温ガス通路とは反対側に面したそれぞれのステータヒートシールドの内側は、それぞれのステータヒートシールドを冷却するために、適切な冷却空気に曝される。この冷却により、ステータヒートシールドの寿命を延ばすことができる。しかしながら、基本的に、このようなステータヒートシールドの寿命をさらに延ばす必要がある。
【０００３】
特に第一段のステータヒートシールドの冷却は、極めて困難な課題である。回転するブレードがステータヒートシールドを通過する領域においては、高温ガスに露出される表面のフィルム冷却は適用できないので、冷却効果は対流冷却方式に制限される。これには、２つの理由がある。第１に、ステータヒートシールドとブレード先端部との間の間隙における複雑な流れ場が、冷却フィルムの形成を可能にせず、結果として生じるフィルム効果は極めて小さく、予測および測定するのが極めて困難である。第２に、ラビング現象の場合、冷却開口がしばしばこの現象により閉塞され、これにより、所要の冷却空気流出を阻害し、これは、冷却システム全体に対して不利な効果をもたらし、寿命を著しく短縮する。
【０００４】
ステータヒートシールド冷却の一般的な慣行は、側面から排出される冷却空気による広範囲なインピンジメント冷却を利用することである。例えば、ガスタービンエンジンの構成部材、すなわちヒートシールドは、米国特許出願公開第２０１２／０２５１２９５号明細書に開示されている。この構成部材は外壁を有しており、この外壁は、使用時に、その一方の表面が、エンジンを流過する作動ガスに露出される。この構成部材は、さらに、外壁に形成されたしみ出し冷却穴を有する。使用時、冷却空気は、冷却穴を通って吹き出し、作動ガスに露出される外壁の表面に冷却フィルムを形成する。この構成部材は、さらに、冷却穴へ分配するために冷却空気を受け取る空気入口配列を有する。構成部材は、さらに、複数の調量供給部と、複数の供給プレナムとを有する。調量供給部は、冷却空気を空気入口配列からそれぞれの供給プレナムへ計量供給し、供給プレナムは次いで、調量された冷却空気を冷却穴のそれぞれの部分へ供給する。米国特許出願公開第２０１２／０２５１２９５号明細書の冷却方式は、十分に頑丈であるが、大きな面積の冷却のためのインピンジメントシステムの制限により、少ない冷却剤消費は達成不可能である。
【０００５】
米国特許第６３５４７９５号明細書は、１つの可能な配列における、高温ガス露出面における冷却空気排出を伴うインピンジメント冷却式ステータヒートシールドを提案している。しかしながら、この開示は、高い熱伝達利用率を提案していない。なぜならば、冷却空気は、より高い冷却される領域をカバーするためのあらゆる付加的なチャネルを通過することなく、インピンジメントの直後に流路へ排出されるからである。すなわち、この方式は、平方単位当たりの高い冷却剤質量流量を有し、冷却空気の大幅な節約を支持しない。
【０００６】
ガスタービンのさらなる開発により、周期的パラメータ（圧力比および高温ガス温度）の上昇に焦点が置かれ、これは、ヒートシールドに最も高い影響を有する全ての冷却される部材の高温ガス熱的露出の増大につながる。なぜならば、冷却される部材は、対流により冷却されるだけであるからである。ステータヒートシールドの寿命を許容可能レベルへ戻すために、それは、排出領域を開放することによって冷却流量を増大させるか、またはより高い圧縮機段からの空気を使用することによって空気対高温ガス圧力比を増大することを必要とする。両方のこれらの行為は、タービンおよびエンジン効率に対する不利な影響につながる。このような状況では、大幅な冷却剤節約を達成しながら冷却効果をより高い水準に高めることができる改良されたステータヒートシールドを提供することが必要とされる。
【０００７】
ガスタービン用のタービンシュラウド冷却アセンブリは、欧州特許出願公開第２５７４５１号明細書に記載されており、この場合、典型的なインピンジメント冷却特徴は、冷却マイクロチャネルと組み合わされている。インピンジメントは、高温ガスが流れる面に露出されていないので、低い冷却効率のみが存在する。さらに、配列されたマイクロチャネルは、高温ガスが流れる壁部を弱め、これは、内部漏れの高い可能性により頑丈ではない。米国特許第８４４９２４６号明細書は、“低温”壁部に露出されるインピンジメント冷却を記載しており、したがって、全体的な金属温度低下に極めて僅かな影響を提供する。米国特許第２００６／２１０３９０号明細書は、極めて滑らかなチャネルを備える純粋な蛇行したチャネル冷却システムを提案しており、これは、低い冷却剤消費率を有する高い冷却効果の達成を生じることができない。米国特許出願公開第２０１０／１８３４２８号明細書に開示された熱伝達向上エレメントを備える蛇行したチャネルを使用する冷却方式は、多くの圧力損失発生器、特に曲がりを意味する。すなわち、この冷却方式は、高温ガス圧力分配への過剰な冷却剤を必要とし、ヒートシールドの前縁領域のために実施することはできない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の課題は、ステータヒートシールド冷却のための一般的慣行における前記問題を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ガスタービン用の冷却式ステータヒートシールドであって、ガスタービンは、回転軸線を規定するロータを有し、ステータヒートシールドは、実質的に回転軸線に沿った配列において配置された、ヒートシールドの高温ガスに露出される表面全体を覆う複数の冷却ユニットを有する、ステータヒートシールドにおいて、各冷却ユニットは、ガスタービンの高温ガス通路に面した外側部分と、外側部分に位置決めされた、冷却空気に露出される内側プレートと有し、内側プレートは、冷却空気を外側部分内へ導入し、これによって該外側部分のインピンジメント冷却を行うために内側プレートを貫いて形成された複数の入口開口を有し、外側部分は、冷却空気を受け取るための第１の中央部分と、第１の中央部分の周囲の第２のらせん状部分とを備える冷却空気チャネルを有し、冷却空気を第２のらせん状部分の冷却空気出口に向かって外方へ搬送する、ガスタービン用の冷却されるステータヒートシールドを提供する。
【００１０】
本発明の核心は、高い冷却有効性とともに、最大の高い熱利用率（ひいては最小限の冷却剤消費）の間のバランスを見つけるという目標で、インピンジメント冷却をリブ付き蛇行チャネルと組み合わせることである。インピンジメントは、小さな圧力降下で最善の冷却効果を提供するが、大きな冷却面積には適していない一方、開示された蛇行チャネルの使用は、所定の量の冷却剤で冷却される面積を増大させるが、過剰な圧力降下を提供する。冷却ユニットは、小スケールの細胞状（カタツムリ状）セルであり、熱シールドの高温ガス露出面全体を覆っている。各冷却ユニットは、インピンジメント冷却特徴部を有し、その後、らせん状（２７０度）の蛇行マルチパスが続いている。両冷却特徴部は、直接、高温ガスが流れる壁部に面している。
【００１１】
本発明の１つの例である実施の形態によれば、ステータヒートシールドの前縁および後縁の領域の近くに位置決めされた冷却ユニットにおいて、冷却空気出口は、冷却空気を高温ガス通路内へ供給するために外側部分の下面を貫く複数の排出穴として形成されている。
【００１２】
本発明の１つの例である実施の形態によれば、ステータヒートシールドの前縁および後縁の領域の近くに位置決めされた冷却ユニットにおいて、冷却空気出口は、外側部分の下面を貫く複数のフィルム冷却穴として形成されている。
【００１３】
本発明の１つの例である実施の形態によれば、冷却空気チャネル内に複数のフローバリヤエレメントが配置されている。
【００１４】
本発明の１つの例である実施の形態によれば、フローバリヤエレメントは、通常のリブ、Ｖ字形リブ、Ｗ字形リブ、ピン、渦発生器および凹部から成るグループから選択されている。
【００１５】
本発明の１つの例である実施の形態によれば、ステータヒートシールドは、鋳造または付加的な製造方法によって製造されている。
【００１６】
本発明の１つの例である実施の形態によれば、付加的な製造方法は、選択的レーザ溶融を含む。
【００１７】
本発明は、上記のステータヒートシールドを備えるガスタービンにも関する。
【００１８】
本発明におけるステータヒートシールドの構成は、高温ガス熱的条件下で所要の熱流束を回収するための全ての冷却ユニットの熱的性能を最適化することができ、その結果、全ての位置において金属温度および応力の最大限の均一性を生じ、全ての臨界ゾーンを排除し、ひいては、冷却材節約を達成しながらステータヒートシールドの最大限の寿命を提供する。さらに、本発明における冷却ユニットの配置は、ステータヒートシールドの前縁および後縁の領域において高温ガス流路内へ冷却空気を排出することを可能にする。これは、最大運転圧力比、結果として最大冷却有効性のための冷却剤流速および熱伝達率を維持することを可能にする。本発明における提案された冷却方式の初期調査は、一般的な設計と比較して４０％の冷却空気節約が予測されることを示している。
【００１９】
本発明の課題、利点およびその他の特徴は、添付の図面に関連した、例示目的のみで提供された本発明の好適な実施の形態の以下の非制限的な説明を読むことによりさらに明らかになるであろう。図面を通じて同じ参照符号は、同じ要素を指すために使用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】ステータヒートシールドを備えるガスタービンの部分的な概略図を示している。
【図２】本発明の第１の実施の形態における冷却ユニットの斜視図を示している。
【図３】本発明の第２の実施の形態における冷却ユニットの斜視図を示している。
【図４】図４ａ〜図４ｆは、本発明におけるフローバリヤエレメントの択一的な構造を示している。
【図５】本発明の第３の実施の形態における冷却ユニットの斜視図を示している。
【図６】本発明の第４の実施の形態における冷却ユニットの斜視図を示している。
【図７】冷却空気流を備えるステータヒートシールドの概略図を示している。
【図８】本発明による複数の細胞状冷却ユニットを備えるステータヒートシールドを示している。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１によれば、ここにはその小さな細部のみが示されているガスタービン１は、ステータ２およびロータ３を有しており、ステータ２およびロータ３のそれぞれもまた一部のみが示されている。ステータ２のうち、ガイドベーン４が部分的に見えており、またガイドベーンキャリヤ５の一部も見えている。ガイドベーン４はガイドベーンキャリヤ５に取り付けられている。ステータヒートシール１０はガイドベーンキャリヤ５に取り付けられている。ロータ３のうち、ここでは１つのタービンブレード６のみが見えており、このブレードは２つのガイドベーン４の間に配置されている。ガスタービン１の運転中、ロータ３は回転軸線９を中心にして回転し、この回転軸線９は、ガスタービン１の軸方向を規定している。回転軸線９はここでは一点鎖線で示されている。つまり、この文脈において軸方向とは、回転軸線９に対して平行であることを意味するのに対し、半径方向とは、回転軸線９に対して垂直であり、周方向とは、回転軸線９を中心とする円形の経路に沿って向けられている。したがって、ロータブレード６は、軸方向で２つのガイドベーン４の間に配置されている。ステータヒートシールド１０は、半径方向でロータブレード６と向き合って配置されており、軸方向で２つのガイドベーン４の間に位置決めされている。複数のステータヒートシールド１０は、周方向で互いに隣接して配置されたセグメントを形成しており、周方向で互いに隣接したロータブレード６によって形成されたロータブレード列を包囲する閉鎖された円形のリングを形成している。図１に示されたそれぞれのステータヒートシールド１０は、矢印によって示されたガスタービン１の高温ガス通路８を、やはり矢印によって示された、ほぼステータ２において延びた冷却ガス空気７から分離している。ステータヒートシールド１０の配置は従来公知であるので、図１には概略的に示されているだけである。
【００２２】
本発明によれば、ステータヒートシールド１０は、実質的に回転軸線９に沿った配列で配置された複数の冷却ユニット２０を有する。図１に示したように、ステータヒートシールド１０は４つの冷却ユニット２０を有するが、冷却ユニットの数は４つに限定されない。
【００２３】
図２は、本発明の第１の実施の形態による１つの冷却ユニット２０の斜視図を示している。冷却ユニット２０は、ガスタービンの高温ガス通路８に面した外側部分２１と、外側部分２１に配置された、冷却空気７に露出される内側プレート２２とを有する。内側プレート２２は、冷却空気７を外側部分２１に導入するために内側プレート２２を貫いて形成された複数の入口開口２３を有する。図２に示したように、内側プレート２２の実質的に中央の領域に４つの入口開口２３が形成されている。入口開口の数は４つに制限されないことに留意すべきである。外側部分２１には冷却空気チャネル２４が形成されている。冷却空気チャネル２４は、第１の中央部分２５と、第２のらせん状部分２６とを有する。第１の中央部分２５は、内側プレート２２の入口開口２３を流過する冷却空気７を受け取るための凹んだチャンバとして、外側部分２１の実質的に中央の領域に配置されている。第２のらせん状部分２６は、Ｕ字形の溝として形成されており、第１の中央部分２５の周囲で外向きにらせんを描いており、冷却空気出口２７を有する。第２のらせん状部分２６は第１の中央部分２５に連通しており、冷却空気７を入口開口２３から冷却空気出口２７へ搬送する。冷却空気の流れは、図３に矢印によって概略的に示されている。冷却空気チャネル２４のこの構成は、高温ガス熱的条件下で所要の熱流束を回収するための全ての冷却ユニット２０の熱的性能を最適化することができ、その結果、全ての位置において金属温度および応力の最大限の均一性を生じ、全ての臨界ゾーンを排除し、ひいては、冷却剤節約を達成しながらステータヒートシールドの最大限の寿命を提供する。
【００２４】
図３は、本発明の第２の実施の形態による冷却ユニット２０の斜視図を示している。冷却ユニットの基本的な構造は図２のものと同じである。図３に示したように、通常のリブなどの複数のフローバリヤエレメント２８が、熱伝達率を高めるために冷却空気チャネル２４の第２のらせん状部分２６に配置されている。通常のリブは、第２のらせん状部分２６の壁部に対して傾斜させられている。
【００２５】
図４ａ〜図４ｆは、フローバリヤエレメント２８の択一的な構造を示しており、この場合、フローバリヤエレメント２８は、図４ｂ〜図４ｆにそれぞれ示されたＶ字形リブ、Ｗ字形リブ、ピン、渦発生器、および凹部として構成されていてよい。図４ｂは、フローバリヤエレメントがＶ字形リブであるように構成されていることを示しており、図４ｃは、フローバリヤエレメントがＷ字形リブであるように構成されていることを示しており、図４ｄは、フローバリヤエレメントが、第２のらせん状部分の中央に配置されたおよび／または第２のらせん状部分の壁部に取り付けられたピンであるように構成されていることを示しており、図４ｅは、フローバリヤエレメントが、第２のらせん状部分の中央に配置されたおよび／または第２のらせん状部分の壁部に取り付けられた渦発生器であるように構成されていることを示しており、図４ｆは、第２のらせん状部分の中央に配置されたおよび／または第２らせん状部分の壁部に取り付けられた凹部であるように構成されている。これらのフローバリヤエレメントは、冷却効果を増強し、最小限の冷却剤消費で最大限の熱利用を保証するために設けられている。
【００２６】
図５は、本発明の第３の実施の形態による冷却ユニット２０の斜視図を示している。冷却ユニット２０の基本的な構造は図２のものと同じである。冷却空気チャネル２４は、第１の中央部分２５と、第２のらせん状部分２６とを有する。複数のフローバリヤエレメントは、冷却空気チャネル２４の第２のらせん状部分２６に配置されている。第２のらせん状部分２６の冷却空気出口２７は、外側部分２１の底面を貫いた一列の複数の排出穴２９として形成されている。図５に矢印によって示されているように、冷却空気は、入口開口２３に入り、冷却空気チャネル２４を通過し、排出穴２９を通過し、高温ガス通路へ流入する。図６は、本発明の第４の実施の形態による冷却ユニット２０を示している。この実施の形態では、排出穴２９はフィルム冷却穴３０によって置き換わっている。冷却空気の流路は、図６に示されており、図５における流路と同じである。
【００２７】
図７は、本発明の別の実施の形態によるステータヒートシールド１０における冷却ユニット２０の配置の概略図を示している。ステータヒートシールド１０は、配列に配置された複数の冷却ユニット２０を有する。この場合、冷却ユニットの数は４つである。このステータヒートシールド１０の、第３および第４の実施の形態において上で説明されたような排出穴またはフィルム冷却穴を備える冷却ユニット２０は、回転ブレード６から外れて位置決めされた、ステータヒートシールドの前縁１２および後縁１１の領域の近くに配置されている。図７に示したようなステータヒートシールド１０の上方の４つの矢印は、冷却ユニット２０に供給される冷却空気を表している。ステータヒートシールド１０の下方の２つの矢印は、冷却ユニットを通過した後に高温ガス通路に供給される冷却空気を表している。通常、ステータヒートシールドの前縁および後縁の領域は最も高い冷却材温度、ひいてはより低い冷却効果を有する。冷却ユニットが回転ブレード６から外れて位置決めされているこのような配列によれば、ラビングリスク、すなわちブレードによる排出穴のスミアリングは予測されず、高温ガス流路への冷却空気排出、またはフィルム冷却が可能である。したがって、最大運転圧力比、結果として最高冷却有効性のための冷却剤流速および熱伝達率を維持することができる。
【００２８】
複数の冷却ユニットを有するステータヒートシールドは、鋳造、または選択的レーザ溶融などの付加的な製造方法、またはあらゆるその他の適切な手段によって製造することができる。
【００２９】
本発明は、限定された数の実施の形態のみに関連して詳しく説明されているが、発明はこのような開示された実施の形態に限定されないことが容易に理解されるべきである。むしろ、発明は、これまでに説明されていないが、発明の思想および範囲と一致するあらゆる数の変化、変更、代用または均等配列を含むように修正することができる。加えて、発明の様々な実施の形態が説明されているが、発明の複数の態様は、説明された実施の形態のうちの幾つかのみを含んでいてもよいことが理解されるべきである。したがって、発明は、前記説明によって限定されるのではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定されるということが分かる。
【符号の説明】
【００３０】
１  ガスタービン
２  ステータ
３  ロータ
４  ガイドベーン
５  ガイドベーンキャリヤ
６  タービンブレード
７  冷却空気
８  高温ガス通路
９  回転軸線
１０  ステータヒートシールド
１１  ステータヒートシールドの後縁
１２  ステータヒートシールドの前縁
２０  冷却ユニット
２１  外側部分
２２  内側プレート
２３  入口開口
２４  冷却空気チャネル
２５  第１の中央部分
２６  第２のらせん状部分
２７  冷却空気出口
２８  フローバリヤエレメント
２９  排出穴
３０  フィルム冷却穴
【図７】
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【図８】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
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