(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼形部分（３０２，４０２，５０２）、少なくとも１つの冷却通路（４２４，５２４）を備えるプラットフォーム部分（３０６，４０６，５０６）、及び根元部分（３０８，４０８，５０８）を有するタービンバケット（３００，４００，５００）を鋳造により作成するステップと、
プレナムチャンバ（３２０，４２０，５２０）、プレナム通路（３２８，４２８）、及び前記タービンバケットの根元部分にあるプレナム入口（３２９，４２９）を含む内部プレナムを半径方向に沿って前記タービンバケット内に機械加工して、前記プラットフォーム部分（３０６，４０６，５０６）に配置されるプレナムチャンバ（３２０，４２０，５２０）を前記少なくとも１つの冷却通路（４２４，５２４）に接続するステップを含む、方法。
【請求項２】
前記内部プレナムの少なくとも１つが、成形チューブ電解加工（ＳＴＥＭ）プロセス、放電加工（ＥＤＭ）プロセス、電解加工（ＥＣＭ）プロセス、又はこれらの組み合わせであるプロセスを用いて機械加工される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記根元部分におけるプレナム入口が、冷却流供給源（３４２）に接続されている、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記タービンバケットにおいて複数の冷却通路（４２４，５２４）を更に含む、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記内部プレナムが、分岐を有する冷却通路（４２４，５２４）に接続される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記内部プレナムが、矩形形状、円錐形状、円筒形状、六角形形状、湾曲形状、又はピラミッド形状、又はこれらの組み合わせである形状を有する、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記内部プレナムが、１つのプレナムチャンバに接続された１つよりも多いプレナム通路を含む、請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記内部プレナムが、１つよりも多いプレナムチャンバに接続された１つのプレナム通路を含む、請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記内部プレナムが、前記タービンバケット内部の少なくとも１つの鋳造空気ダクトと接続されない、請求項１乃至８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記プレナムチャンバが、水平方向寸法（Ｄ１）と、半径方向寸法（Ｄ２）とを有するように機械加工され、前記寸法は、前記プレナム通路の直径の１．２倍以上である、請求項１乃至９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記プレナム通路は、前記プレナムチャンバと前記プレナム入口との間の通路の長さ（Ｌ）全体にわたって一貫した直径（ｄ）を有していない、請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記内部プレナムが、前記翼形部分に延びる半径方向貫通孔を含まない、請求項１乃至１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
鋳造タービンバケット（３００，４００，５００）に追加の冷却流（３４０，４４０，５４０）を供給する方法であって、
翼形部分（３０２，４０２，５０２）、少なくとも１つの冷却通路（４２４，５２４）を備えるプラットフォーム部分（３０６，４０６，５０６）、及び根元部分（３０８，４０８，５０８）を有するタービンバケット（３００，４００，５００）を鋳造により作成するステップと、
半径方向に沿って前記タービンバケット内に内部プレナムを機械加工して、プレナムチャンバ（３２０，４２０，５２０）、プレナム通路（３２８，４２８）、及び前記タービンバケットの根元部分にプレナム入口（３２９，４２９）を形成して、前記プレナムチャンバ（３２０，４２０，５２０）を前記少なくとも１つの冷却通路（４２４，５２４）に接続するステップと、
前記タービンバケットをタービンホイール（３３０）に接続するステップと、を含み、
前記機械加工ステップが、前記内部プレナムへの冷却空気を受けるように構成された前記プレナム通路への入口を冷却空気の供給源（３４２）に近接して位置付けるステップを含み、
前記方法が更に、
冷却流を前記タービンバケットの根元部分にある前記内部プレナムの入口に流入させて前記タービンバケットの内部の前記プレナムチャンバに向けて再配向するステップと、
を含む、方法。
【請求項１４】
前記タービンバケットの内部に複数の冷却通路（４２４，５２４）を更に含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
分岐を有する前記複数の冷却通路が、前記タービンバケットのプラットフォーム部分の内部にある、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記冷却流が、前記プレナム通路、前記プレナムチャンバ、及び前記複数の冷却通路を通って流れるように配向される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記内部プレナムの少なくとも１つが、成形チューブ電解加工（ＳＴＥＭ）プロセス、放電加工（ＥＤＭ）プロセス、電解加工（ＥＣＭ）プロセス、又はこれらの組み合わせであるプロセスを用いて機械加工される、請求項１３乃至１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
前記機械加工ステップが、前記タービンバケットの内部から材料を除去して前記内部プレナムを作製するステップを含む、請求項１３乃至１７のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンに関する。本発明は、詳細には、タービンバケットにおける冷却通路及びバケットプラットフォームへの冷却流の提供に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンのタービンセクションは、作動中に高温に曝される。タービンの回転部分は、シャフト上に配列された一連のホイールを含む。ホイールのリムは、タービンバケットのダブテール部分を受けるように構成されたダブテールスロットの環状アレイを含む。タービンバケットは、ホイールのリムからタービンを通って高温ガス通路に外向きに延びる。各ホイール上のバケットは、タービンにおいてバケットの列を形成する。高温ガス通路を通って流れる高温燃焼ガスは、バケットに空気力学的力を加え、これにより、バケット、ホイール及びシャフトが回転して、圧縮機及び発電機などの外部装置を駆動するようになる。
【０００３】
タービンセクションは、固定タービンケーシングに装着されるベーンの列を含む。ベーンの各列は、ケーシングから高温ガス通路に内向きに延びる。ベーンの列は、バケットの列と交互している。ベーンは、高温ガス通路を通ってバケットの各それぞれの列に流入するガスを転回し案内する。
【０００４】
高温燃焼ガスは、タービンバケットを過熱し損傷を与える可能性がある。過熱及び熱損傷を避けるため、バケットは、バケット内の内部通路を通って流れる冷却ガスにより冷却される。
【０００５】
図１を参照すると、タービンバケット１０は、翼形部１２、シャンク部分１４、プラットフォーム１６、及び根元部分１８を含む。タービンバケット１０は、特にバケット１０のプラットフォーム１６に沿って劣化を生じやすい。
【０００６】
タービンバケットの劣化は、ガスタービン効率の低下を引き起こし、交換が必要となる。一般に劣化したバケットを交換するための材料コストは高価であり、タービンバケットの交換は、ガスタービンの運転停止を必要とする。よって、交換材料のコストに起因して、ガスタービンの運転コストが増大することになる。
【０００７】
タービンバケットの耐久性の問題を解決するための改善策が継続的に求められている。タービンバケットの耐久性を高めるためには、バケットの交換をより少なくし、タービンの運転コストを下げる必要がある。
【０００８】
タービンバケットは、一般に、タービン内部に設定された数の空気ダクト又は冷却通路を有して鋳造される。冷却の必要性に応じて、異なるタイプの冷却通路がタービンバケット内に鋳造される。
【０００９】
バケットプラットフォームに冷却を提供する多くの試みがなされてきた。プラットフォーム上の冷却通路は、一般に、空気流などの冷却流体を備え、これは、目元部分、翼形部分、又は根元と翼形部分の両方に鋳込まれる空気ダクトから得られる。
【００１０】
タービンバケットプラットフォームの冷却に関する問題を解決使用とする試みは、例えば、米国特許第８，６４１，３６８号；第８，６４１，３７７号；第２０１２／００８２５６７号；第７，４１６，３９１号；第７，３０９，２１２号；第５，３８２，１３５号；第２００９／０２０２３３９号；第６，４１６，２８４号、並びに日本国特許公開第２００８−２０２５４７号に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第８，６４１，３７７号明細書
【特許文献２】米国特許第８，６４１，３６８号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１２／００８２５６７号
【特許文献４】米国特許第７，４１６，３９１号明細書
【特許文献５】米国特許第７，３０９，２１２号明細書
【特許文献６】米国特許第５，３８２，１３５号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００９／０２０２３３９号明細書
【特許文献８】米国特許第６，４１６，２８４号明細書
【特許文献９】特許公開第２００８−２０２５４７号公報
【発明の概要】
【００１２】
本発明は、鋳造タービンバケットにおいて冷却通路を追加又は修正する方法及び装置に関する。本発明は、高温環境の影響を軽減する冷却作用をもたらすためにタービンバケットにおいて冷却流を供給する調整可能プレナムを提供する。調整可能プレナムは、鋳造タービンバケット内に機械加工され、新規のタービンバケットとして、又は現在稼働中のタービンバケットを改善し改造するのに用いることができる。
【００１３】
少なくとも１つの機械加工プレナムを有する鋳造タービンバケットの１つの実施形態は、鋳造済みのタービンバケットを含み、このタービンバケット内に少なくとも１つのプレナムが機械加工される。プレナムは、少なくとも１つのプレナムチャンバ、少なくとも１つのプレナム通路、及びタービンバケットの根元部分にある入口を含む。
【００１４】
鋳造タービンバケットに追加の冷却流を供給する方法は、少なくとも１つのプレナムチャンバと、少なくとも１つのプレナム通路と、タービンバケットの根元部分にある入口とを有する少なくとも１つの新しいプレナムをタービンバケット内部に機械加工するステップと、内部に冷却流供給源を有するタービンホイールにタービンバケットを接続するステップと、冷却流をタービンバケットの根元部分にあるプレナムの入口に流入させてタービンバケットの内部のプレナムチャンバに向けて再配向するステップと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来のタービンバケットの例図。
【図２】従来の鋳造冷却通路を描いた、タービンバケットの翼形部及びプラットフォーム部分の透視図。
【図３】本発明の１つの実施形態を示す、タービンホイール上に配置されたタービンバケットの例示的なペアの側面図。
【図４】本発明の第２の実施形態を示す、タービンバケットの垂直軸に沿ったタービンバケットの断面図。
【図５】冷却通路を含む１つの実施形態を描いた、タービンバケットの翼形部及びプラットフォーム部分の透視図。
【図６】複数のプレナムを含む別の実施形態を描いた、翼形部に面するプラットフォームの表面に沿った透視断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
従来のタービンバケット１０が図２に示されており、一般に、バケットプラットフォーム１６の表面上に配置された翼形部１５を含む。タービンバケット１０は、図示の翼形部１２を通じてなど、バケットに既に鋳込まれている主空気ダクト２０を有することができる。主空気ダクト２０は、冷却液体流を翼形部１２に提供し、また、冷却流をプラットフォームの冷却通路２４に提供するのに使用することができる。また、他の空気ダクト２２をバケット１０に鋳込むことができ、冷却流体を冷却通路２４に又は翼形部１２のみに供給することもできる。
【００１７】
冷却流体流は、主空気ダクト２０から接続された冷却通路２４に再配向することができ、プラットフォーム１６の両側又はプラットフォーム１６の表面上の孔２６を通って流出することができる。主空気ダクト２０は、プラットフォーム部分１６の上の翼形部分１２内に延びる半径方向貫通孔を含むことができる。半径方向貫通孔は、図２に示すように、冷却流が翼形部１２に流入できるようにする。
【００１８】
しかしながら、ガスタービンの改善に起因して、又はタービンバケットの鋳造中の不正確さに起因してタービンバケットに対する冷却の必要性が変化するので、鋳造空気ダクト２０，２２は、タービンバケット上の所望の位置に冷却流体流を供給するには不十分である可能性がある。
【００１９】
当該技術分野で周知のように、タービンバケットはまた、タービンブレードとしても知られ、タービンベーンはまた、タービンノズルとしても知られ、シャンク部分はまた、ネック部分としても知られ、根元部分はまた、タービンバケットのダブテールとしても知られている。これらの用語は、本明細書全体を通じて同義的に用いることができる。異なる実施形態における対応する部品には、同様の符号が付与されている。
【００２０】
図３は、ガスタービンにおけるホイール３３０上に配置された２つの例示的なタービンバケット３００の概略図を示す。ホイール３３０の外側リムだけが図示されている。ホイール３３０は、ガスタービンのシャフトを受ける中心アパーチャを有するディスクを含むことができる。外側リムは、通常はディスクと一体化されている。各ホイール３３０上には、タービンバケット３００が横並びに配置されて、タービンのバケット列を構成するバケット３００の環状アレイを形成している。タービンバケット３００は各々、ホイール３３０上に独立して配置することができる。タービンバケットは、翼形部分３０２、プラットフォーム部分３０６、シャンク部分３０４、及び根元部分３０８を含む。
【００２１】
タービンバケット３００は、バケット３００内部に１又はそれ以上の追加の内部プレナムを有するように、鋳造後に機械加工することができる。この関連における内部プレナムは、半径方向に延びる通路を含まない。１又はそれ以上の内部プレナムは、水平冷却通路と、タービンバケット３００のプラットフォーム部分３０６において配列される冷却孔とを接続するよう機械加工することができる。
【００２２】
内部プレナムは、内部プレナム通路３２８により根元部分３０８に接続された内部プレナムチャンバ３２０を含む。内部プレナム通路は、ホイール３３０のリムにて又はその半径方向内向きに入口３２９を含む。これらの入口３２９は、開放されるか、或いは、ガスタービン圧縮機から高温ガス通路の半径方向内向きのタービン内の通路までダクトに通された圧縮機空気のような冷却空気の供給源３４２と流体連通している。冷却空気３４０は、入口３２９に入り、内部プレナム通路３２８を通り、内部プレナムチャンバ３２０を通り、バケットのプラットフォーム３０６及び翼形部３０２における何れかの内部冷却通路を通って流れ、次いで、これらの冷却通路から例えば高温ガス通路に排出することができる。プレナムチャンバ３２０及びプレナム通路３２８はまた、必要に応じてタービンバケット３００の他の部分を冷却し、或いは、自らが冷却通路として機能して、タービンバケットの所望の部分に冷却を提供することができる。
【００２３】
プレナムチャンバ３２０及びプレナム通路３２８は、成形チューブ電解加工（ＳＴＥＭ）プロセス、放電加工（ＥＤＭ）プロセス、他の電解加工（ＥＣＭ）プロセス、及びこれらの組み合わせを含む、何らかの機械加工プロセスを用いてバケット３００から材料を除去することにより作成することができる。
【００２４】
一例として、１つの実施形態では、好ましくは、プレナムチャンバ及びプレナム通路を含む新しいプレナムを生成するのにＳＴＥＭプロセスを用いて行われる。ＳＴＥＭプロセスを用いることで、プレナムは、タービンバケットを酸性液に入れて、電気分解プロセスを経て、タービンバケット内部の所定位置から材料を除去することによってタービンバケット内に機械加工することができる。
【００２５】
ガスタービンのロータ冷却回路のような冷却流体流の供給源３４２は、ガスタービンのホイール３３０内から又はホイールに取り付けられたタービンバケット３００に冷却流３４０を供給することができる。冷却流３４０は、タービンバケット３００の根元部分３０８にてプレナム通路３２０内に再配向され、ここで冷却流３４０の送給圧力は、ガスタービンにおいて明確に定めることができる。プレナム通路３２８への入口３２９は、根元部分３０８の先端にて、又は該根元部分３０８の外周に沿って存在し、或いは他の方法で根元部分３０８上に好適に提供することができる。
【００２６】
図４は、根元部分４０８にてプレナム入口４２９を含むプレナム通路４２８を用いてタービンバケット４００の根元部分４０８に接続されるプレナムチャンバ４２０を有するプレナムを示した例示的なタービンバケット４００の断面図を示す。プレナムチャンバ４２０はまた、プラットフォーム４２６における冷却通路４２４に接続される。
【００２７】
１つの実施形態において、プレナムチャンバ４２０及びプレナム通路４２８のサイズは、相対的に定めることができる。プレナムチャンバ４２０は、水平方向寸法（Ｄ１）と、半径方向寸法（Ｄ２）とを有することができる。同様に、プレナム通路４２８は、通路４２８の長さ（Ｌ）に沿った直径（ｄ）を有することができる。長さ（Ｌ）は、タービンバケット４００においてプレナムチャンバ４２０とプレナム入口４２９との間に定めることができる。
【００２８】
プレナムチャンバ４２０の水平方向寸法（Ｄ１）は、プレナム通路４２８の直径（ｄ）の１．２倍以上（例えば、Ｄ１≧１．２＊ｄ）とすることができ、プレナムチャンバ４２０の半径方向寸法（Ｄ２）は、プレナム通路４２８の直径（ｄ）の１．２倍以上（例えば、Ｄ２≧１．２＊ｄ）とすることができる。別の実施形態において、プレナムチャンバ４２０のＤ１及びＤ２は同じでなくてもよい。直径（ｄ）は、プレナム通路４２８の長さ（Ｌ）全体にわたって同じでなくてもよい。
【００２９】
１つの冷却通路４２４だけが図４に示されているが、タービンバケット４００において複数の冷却通路４２４が存在することができる。プレナムチャンバ４２０は、図５に示すように、タービンバケット４００において１又はそれ以上の冷却通路４２４に冷却流４４０を提供することができる。１つのプレナムチャンバ４２０が、プラットフォーム４０６において１つよりも多い冷却通路４２４に冷却流４４０を供給することができ、冷却流４４０は、プラットフォーム４０６の端部にて冷却孔４２６を通って冷却通路４２４から流出することができる。
【００３０】
１つの実施形態において、プレナムは、翼形部分４０２に延びる半径方向貫通孔を含まなくてもよい。プレナムチャンバ４２０から延びるような、プレナムから延びる半径方向貫通孔が無い場合、冷却流４４０は、プレナムチャンバ４２０に接続された１又はそれ以上の冷却通路４２４に完全に再配向することができる。
【００３１】
別の実施形態において、冷却孔４２６はまた、翼形部４０２に面して該翼形部４０２に冷却流を提供するプラットフォーム４０６の表面上に位置付けることができる。同様に、冷却孔４２６はまた、プラットフォーム４０２にフィルム冷却を提供するために設けることができる。更に、冷却通路４２４及び冷却孔４２６の何れかの配列は、プレナムチャンバ４２０及びプレナム通路４２８により提供することができる。
【００３２】
図６を参照すると、タービンバケット５００内に機械加工される１つよりも多いプレナムチャンバ５２０が存在することができる。プレナムチャンバ５２０の各々は、１つよりも多い冷却通路５２４に冷却流５４０を供給するのに利用することができる。プレナムチャンバ５２０は、所望の冷却通路５２４及びバケット５００上の箇所に冷却流５４０を供給するのに好適なタービンバケット５００の何れかの所望の位置に機械加工することができる。
【００３３】
更に、各プレナムチャンバ５２０は、１つのプレナムチャンバ５２０に接続することができ、又は、複数のプレナムチャンバ５２０を１つのプレナム通路に接続することができる。プレナムチャンバ５２０とプレナム通路の配列は、必要に応じて決定することができ、１つの特定の配列に限定されない。
【００３４】
更に、プレナムチャンバ及びプレナム通路は、同様の形状でなくてもよく、特定の形状に限定されなくてもよい。プレナム及びプレナム通路は、矩形形状、円筒形状、円錐形状、ピラミッド形状、六角形形状、他の何れかの好適な形状、或いはこれらの組み合わせを有するように機械加工することができる。加えて、プレナム通路はまた、湾曲することができる。プレナムチャンバ及び通路はまた、シャンク、翼形部、プラットフォーム、及び根元部分など、冷却の目的でタービンバケットの様々な部分に設けることができる。
【００３５】
鋳造タービンバケットにおける既存の空気ダクトと一致する場合もあれば又は一致しない場合もある追加のプレナムを機械加工する利点には、タービン作動要求が変化したときに必要に応じて冷却通路に追加の冷却供給流を提供すること、タービンバケットが改善されること、新規に提案された冷却通路に追加の冷却供給流を提供すること、鋳造中に誤った位置にある空気ダクトを有する不十分に構成されたタービンバケットを改善すること、機械加工されたプレナム通路及びプレナムチャンバを用いてタービンバケットに追加の冷却を提供すること、が挙げられる。
【００３６】
現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００３７】
１０  従来のタービンバケット
１２  翼形部分
１４  シャンク部分
１６  プラットフォーム部分 
１８  根元部分 
２０  主空気ダクト
２２  他の空気ダクト
２４  冷却通路
２６  冷却孔
３００  タービンバケット（図３の実施形態）
３０２  翼形部分
３０４  シャンク部分
３０６  プラットフォーム部分 
３０８  根元部分
３２０  プレナムチャンバ
３２８  プレナム通路
３２９  プレナム入口
３３０  タービンホイール
３４０  冷却流
３４２  冷却流供給源
４００  タービンバケット（図４及び５の実施形態）
４０２  翼形部分
４０４  シャンク部分
４０６  プラットフォーム部分
４０８  根元部分
４２０  プレナムチャンバ
４２４  冷却通路
４２６  冷却孔
４２８  プレナム通路
４２９  プレナム入口
４４０  冷却流
（ｄ）  プレナム通路の直径
（Ｌ）  プレナム通路の長さ 
（Ｄ１）  プレナムチャンバの水平寸法
（Ｄ２）  プレナムチャンバの半径方向寸法 
５００  タービンバケット（図６の実施形態） 
５０２  翼形部分
５０６  プラットフォーム部分
５２０  プレナムチャンバ
５２４  冷却通路
５２６  冷却孔
５４０  冷却流
【図１】
0006641108.tif 000002
【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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