(57)【要約】【課題】翼本体（３０）の内部に形成された主冷却路（２６）から分岐された複数の副冷却路（２４）を有し、これらの副冷却路（２４）が翼本体（３０）の前縁部位において流出口に開口している、特にガスタービン（２）に利用されるタービン翼（１２、１４）において、これを、タービン（２）の作動媒体（Ｍ）に対して特に耐熱性を有し高い効率にける確実且つ安全な運転に対して設計する。【解決手段】本発明に基づいて、熱シールド要素（２２）が翼本体（３０）の前縁部位に所定間隔を隔てて設けられ、その熱シールド要素（２２）が、主冷却路（翼空洞、２６）から熱シールド要素（２２）の外側面（３６）まで延びる長手方向に直列配置された複数の流出ノズル（２８）を有している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼本体（３０）を備え、この翼本体（３０）の前縁部位における外側面（３２）に熱シールド要素（２２）がその外側面（３２）に対して間隔を隔てて設けられ、翼本体（３０）の前縁部位における外側面（３２）に、翼本体（３０）の内部に形成された主冷却路（２６）から分岐された複数の副冷却路（２４）が設けられ、これらの副冷却路（２４）が翼本体（３０）の前縁部位において流出口に開口している、特にガスタービン（１）に利用されるタービン翼（１２、１４）であって、
熱シールド要素（２２）が、主冷却路（２６）から熱シールド要素（２２）の外側面（３６）まで延びる複数の流出ノズル（２８）を有していることを特徴とするタービン翼（１２、１４）。
【請求項２】
熱シールド要素（２２）が翼本体（３０）の前縁部位における翼形に合わされた形状を有していることを特徴とする請求項１に記載のタービン翼（１２、１４）。
【請求項３】
熱シールド要素（２２）が翼本体（３０）に比べてより大きな耐熱性の材料で作られていることを特徴とすることを特徴とする請求項１又は２に記載のタービン翼（１２、１４）。
【請求項４】
熱シールド要素（２２）が翼本体（３０）に対して最大３ｍｍの距離を隔てて配置されていることを特徴とすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のタービン翼（１２、１４）。
【請求項５】
副冷却路（２４）が熱シールド要素（２２）の内側面（３４）に対してほぼ垂直に向けて配置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のタービン翼（１２、１４）。
【請求項６】
熱シールド要素（２２）がその周縁部位において翼本体（３０）に結合されていることを特徴とすることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のタービン翼（１２、１４）。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１つに記載の多数のタービン翼（１２、１４）を備えていることを特徴とする熱流体機械特にガスタービン（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は特許請求の範囲の請求項１の前文に記載のタービン翼に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体機械特にガスタービンは発電機や作動機械を駆動するために多くの分野で採用されている。ガスタービンは、通常、固定車室により取り囲まれ回転可能に支持されたロータを有している。ガスタービンの静止集合体はまとめてステータとも呼ばれる。その場合、燃料の含有エネルギがロータの回転運動を発生するために利用される。そのため、燃料が燃焼器で燃焼され、その際、圧縮機で圧縮された空気が導入される。燃焼器で燃料の燃焼によって高温高圧の作動媒体Ｍが発生され、その作動媒体Ｍは燃焼器に後置接続されたタービンに導かれ、そこで、仕事をしながら膨張する。
【０００３】
ロータの回転運動を発生するために、通常、翼群あるいは翼列の形にまとめられた多数の動翼がそのロータに配置され、これらの動翼が流れ媒体の衝撃伝達によってロータを駆動する。またタービンにおいて流れ媒体を案内するために、通常、隣接する動翼列間に静翼列が配置され、この静翼列はタービン車室に結合されている。タービン翼特に静翼は、通常、作動媒体を適切に案内するために翼軸線に沿って延びる翼形部（羽根部）を有し、タービン翼をそれぞれの支持体に固定するために、その翼形部に翼軸線に対して直角に延びる翼台座が一体形成されている。
【０００４】
かかるガスタービンの設計時、達成可能な出力に加えて、通常、特に高い効率が設計目標となっている。その効率向上は、熱力学的理由から基本的に、作動媒体が燃焼器から出てタービンに流入する温度の増大によって達成される。従って、かかるガスタービンの運転中に到達される温度はほぼ１３００℃までに及ぶ。
【０００５】
しかし、そのような作動媒体の高い温度に曝されるガスタービンの構成要素および部品は大きな熱的負荷を受ける。それでも当該構成要素の比較的長い寿命を大きな信頼性のもとで保証するために、通常、当該構成要素特にタービンの動翼および／又は静翼は冷却される。タービン翼に一般に冷却路が設けられ、その場合特に、タービン翼における特に大きな熱的に負荷される前縁（入口縁）の効果的且つ確実な冷却が保証されねばならない。
【０００６】
その冷却材として、通常、冷却空気が利用される。その冷却空気はそれぞれのタービン翼にその翼形部あるいは羽根部に一体形成された複数の冷却材路を介して導かれる。冷却空気はその冷却材路から分岐された流出路を通してタービン翼の所定部位を貫流し、これによって、翼内部および翼壁の対流冷却が達成される。それらの流出路は流出側が開放され、これによって、冷却空気はタービン翼の貫流後に膜冷却孔とも呼ばれる流出口から流出し、翼形部の表面に冷却膜を形成する。翼本体は表面がその冷却膜によって、高速で流れる高温作動媒体との激しい直接接触から十分に防護される。
【０００７】
翼形部の前縁部位において特に一様で効果的な膜冷却を可能とするために、その部位における流出口は、通常、前縁に対して平行に少なくとも二列に整列されて一様に配置されている。またその流出路は一般にタービン翼の長手軸線に対して斜めに向けられ、これは表面に沿って流れる防護冷却膜の形成を支援する。
【０００８】
特にタービン翼の前縁部位が強い熱的負荷を受けるので、翼の前縁に熱シールド層が設けられる。この熱シールド層は、目的に適って、翼本体の材料より大きな耐熱性の材料から成っている。また熱シールド層は低い熱伝導率で特徴づけられ、これによって、翼本体の母材の温度負荷が低減される。これにより、タービン翼の寿命がかかる熱シールド層によって翼前縁の冷却と関連して増大される。
【０００９】
しかしその熱シールド層は、或る時間経過後に熱シールド層に割れ（クラック）が発生するという欠点がある。その割れはガスタービンの高温燃焼ガス（作動媒体）に対する翼本体の防護作用を低下させ、これによって、タービン翼の本体における増大された熱的負荷のために割れが発生することがある。翼本体におけるかかる割れは運転安全性を害し、ガスタービンの停止を生じさせる。
【００１０】
冒頭に述べた形式のモジュール形タービン翼が特許文献１で知られている。そのタービン翼は鋳造翼本体を有し、その翼本体は翼形部（羽根部）を備え、その翼形部の前縁（入口縁）側に複数の冷却空気流出スロットが設けられ、それらの冷却空気流出スロットは、翼形部の横に取り付けられた防護鋼板により間隔を隔てて覆われている。それらの流出スロットから流出する冷却空気は、その鋼板前縁を衝突冷却様式で冷却し、その衝突冷却に続いて鋼板によって、冷却空気が腹側翼面および背側翼面の部位においてモジュール形タービン翼から去るように方向転換される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】英国特許第８４１１１７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の課題は、高温の流体温度での使用時でも単純な手段によってガスタービンの特に高い運転安全性が保証される冒頭に述べた形式のタービン翼を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この課題は本発明に基づいて特許請求の範囲の請求項１に記載のタービン翼によって解決される。
【００１４】
本発明は、ガスタービンの運転安全性および経済性に関して、タービン翼が適切に選択された熱シールドによってできるだけ長い寿命を有するようにするという考えから出発している。その場合特に、タービン翼の前縁が熱的に大きく負荷されることを考慮に入れている。従って、タービン翼前縁が特に防護されねばならない。
【００１５】
これは、熱シールド要素が翼本体の前縁部位に間隔を隔てて設けられ、これによって、熱シールド要素と翼本体との直接接触が防止されることによって達成される。その場合、翼本体を冷却するために、その前縁部位における外側面に複数の副冷却路が設けられ、これらの副冷却路は主冷却路（翼本体空洞）から翼本体の外側面まで延びている。これらの副冷却路は、翼本体の前縁部位における効果的な冷却のために熱シールド要素の背後に均一に分布して配置されている。これによって、翼本体における応力およびそれにより生ずる割れが防止される。
【００１６】
熱シールド要素を冷却するために、この熱シールド要素はその外側面から翼本体の方向に延びる複数の流出ノズルを有している。冷却流を案内するために形成されたこれらの流出ノズルは、追加的に、熱シールド要素と翼本体との結合要素としても用いられる。その場合、この流出ノズルはその端部が翼内部に形成された主冷却路（空洞）内に突出し、その主冷却路内を流れる媒体が熱シールド要素を冷却すべくその外側面に向かって流れる。
【００１７】
このように形成された熱シールド装置によって、タービン翼の特に危険な部位、即ち、前縁部位が、タービン作動媒体の高温から特に効果的に防護される。熱シールド要素および翼本体の冷却によって、タービン翼を洗流するタービン作動媒体の温度を、タービン翼の材料にとって可能とされる温度以上に増大することができる。その冷却は、主冷却路からの冷却流の一部が熱シールド要素の流出ノズルを通してその外側面に導かれ、主冷却路からの冷却流の他の一部が翼本体の副冷却路を介して、熱シールド要素と翼本体とにより形成された隙間を通して流れるようにして行われる。このように案内される冷却材によって、熱シールド要素の表面に防護膜が形成される。この防護膜は高温のタービン作動媒体と熱シールド要素との直接接触を防止し、これによって、洗流される熱シールド要素外側面の温度負荷が低減される。それでもなお生ずる熱シールド要素の温度増大は、熱シールド要素が翼本体に対して間隔を隔てて配置されているので、翼本体の前縁部位における温度に直接には作用しない。また、前縁部位における熱が内部冷却流によって搬出されることによって、熱シールド要素と翼本体との間における熱伝達は、熱シールド要素の内側面と翼本体外側面との間を流れる媒体によって著しく減少される。
【００１８】
特に、熱シールド要素が翼本体の前縁部位における翼形に合わされた形状を有していることが有利である。これによって、タービン翼が熱シールド要素の設置後も前縁部位における最良流線形を有することが達成される。また、翼本体に対応した熱シールド要素の形状は、前縁部位における隙間の幅を一様にさせる。これによって、冷却材はほぼ一定した速度で翼本体外側面および熱シールド要素の内側面に沿って流れ、これによって、タービン翼の前縁部位における冷却が特に一様に行われる。これによって、特に翼本体において割れを発生させてしまう過大な応力は生じない。
【００１９】
目的に適った他の実施態様において、熱シールド要素は翼本体に比べてより耐熱性の高い材料で作られている。タービンの運転中、熱シールド要素が高温作動媒体で洗流されるので、正にその構成要素は大きな熱的負荷を受ける。従って、特に運転安全性を保証するためおよびタービンの停止時間を短縮するために、熱シールド要素は特に耐熱性の材料で作られねばならない。
【００２０】
熱シールド要素の耐熱性を高めるために、熱シールド要素は耐熱性材料の利用に加えて冷却される。熱シールド要素は特に効果的な冷却のために衝突冷却に対して設計され、これは熱シールド要素と翼本体との間隔が十分小さく保たれることによって達成される。そのために、熱シールド要素は、好適には、翼本体に対して１ｍｍ〜３ｍｍの距離を隔てて配置されている。タービン翼の前縁部位に対してこの間隔を隔てて設けられた熱シールド要素は、熱シールド要素の内側面への冷却材の十分大きな衝突速度を保証し、これによって、特に効果的な冷却が衝突冷却によって達成される。翼本体の主冷却路に静圧が与えられているので、冷却流の衝突速度は例えば副冷却路の直径のほかに、特に熱シールド要素と翼本体との間隔によっても決められる。熱シールド要素の内側面に衝突する直前における冷却材の十分大きな速度は、そのようにして冷却材と熱シールド要素の内側面との密な接触が行われるために必要である。かかる衝突冷却によって、例えば膜冷却の場合よりもかなり効果的な熱搬出が可能となる。
【００２１】
特に有利な実施態様において、副冷却路は熱シールド要素の内側面に対してほぼ垂直に向けて配置されている。これによって、主冷却路からの冷却流は、熱シールド要素の内側面に垂直に衝突し、これによって、冷却材の運転エネルギの大部分が、冷却流における微粒子と熱シールド要素の内側面との間の特に密な接触に対して利用される。これによって、熱シールド要素の熱が特に効果的に内部冷却流に伝達され搬出される。
【００２２】
他の実施態様において、熱シールド要素はタービン翼の周縁部位において翼本体に結合されている。特に効果的な衝突冷却を形成するために、翼本体は、好適には、その前縁部位に凹所が設けられている。この実施例の利点は特に、タービン翼の本来の最良流線形が保たれることにある。
【００２３】
上述した熱シールド要素は、熱流体機械の部品および集合体が高温の作動媒体で負荷される流体機械の複数の箇所に有利な様式で採用することができる。しかし特に好適には、翼本体における前縁部位の熱的負荷が特に大きいので、熱シールド要素はタービン翼の前縁部位を防護するために採用される。特に、かかる熱シールド装置によって、ガスタービンの停止時間が短縮され、熱シールド要素によって寿命が増大される。
【００２４】
熱シールド要素の極めて高い熱的負荷によって、特に耐熱性材料を利用した場合も、特にタービンの所定運転期間経過後に熱シールド要素に割れが生ずることがある。この場合、例えばガスタービンの点検作業の枠内で、これらの熱シールド要素は比較的簡単な方法で取り外され、新品と交換することができる。これによって、タービン翼の前縁部位に割れが発生した場合に、従来のようにそのタービン翼全体を取り換える必要はない。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によって得られる利点は特に、タービン翼の翼本体に前置された熱シールド要素によって、タービン作動媒体の高温に対してタービン翼の前縁部位の有効な防護が提供されることにある。特にかかる熱シールド装置は衝突冷却の採用を可能とし、これによって、熱シールド要素が特に効果的に冷却される。また、この熱シールド要素によって、熱シールド要素の外側面から万一出発して生ずる割れが翼本体内に伝播することが防止される。さらに、本発明に基づく熱シールド要素はタービン翼に簡単な方法で非常に安価に追加設置できる。
【００２６】
以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。なお各図において同一部分には同一符号が付されている。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】ガスタービンの縦断面図。
【図２】熱シールド要素を備えたタービン翼の縦断面図。
【図３】熱シールド要素の縦断面図。
【図４】熱シールド要素の横断面図。
【図５】熱シールド要素を備えたタービン翼の横断面図。
【図６】翼本体の前縁部位に熱シールド要素が一体化されたタービン翼の縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１におけるガスタービン１は、燃焼空気用の圧縮機２、燃焼器４、および圧縮機２と発電機あるいは作業機械（図示せず）とを駆動するためのタービン６を有している。そのためにタービン６および圧縮機２は、タービンロータとも呼ばれる共通のタービン軸８上に配置されている。このタービン軸８はその中心軸線９を中心に回転可能に支持され、発電機ないし作業機械が結合されている。環状燃焼器の形に形成された燃焼器４には、液体燃料あるいは気体燃料を燃焼するための複数のバーナ１０が装備されている。
【００２９】
タービン６はタービン軸８に取り付けられた多数の動翼１２を有している。これらの動翼１２はタービン軸８に輪状に配置され、これによって、複数の動翼列を形成している。またタービン６は多数の静翼１４を有し、これらの静翼１４も同様に輪状に配置されて静翼列を形成し、タービン６の内部車室１６に取り付けられている。その動翼１２は、タービン６を貫流する作動媒体Ｍの衝撃伝達によって、タービン軸８を駆動するために使われる。これに対して静翼１４は、作動媒体Ｍの流れ方向に相前後する２つの動翼列あるいは動翼輪の間において、作動媒体Ｍの流れを案内するために使われる。互いに相前後して位置する一対の静翼輪あるいは静翼列と動翼輪あるいは動翼列は、タービン段とも呼ばれる。
【００３０】
各静翼１４は翼台座１８を有し、この翼台座１８は静翼１４をタービン６の内部車室１６に固定するために壁要素として配置されている。その翼台座１８は（タービン翼１２、１４と同様に）熱的に非常に大きく負荷される部品である。各動翼１２も同じように翼脚とも呼ばれる翼台座１９を介してタービン軸８に取り付けられている。
【００３１】
隣接する２つの静翼列の互いに間隔を隔てられた静翼１４の翼台座１８間にそれぞれ案内輪２１が配置され、タービン６の内部車室１６に固定されている。この案内輪２１の内側面もタービン６を貫流する高温作動媒体Ｍに曝され、それに対向して位置する動翼１２の半径方向外側端から半径方向に隙間によって間隔を隔てられている。隣接する静翼列間に配置された案内輪２１は特に、タービン６を貫流する作動媒体Ｍによる過負荷から内部車室１６や他の車室構成要素を保護する覆い要素として用いられる。
【００３２】
この実施例において、燃焼器４はいわゆる環状燃焼器として形成され、タービン軸８の周りに円周方向に分布して複数のバーナ１０が配置され、これらのバーナ１０は共通の燃焼室に開口している。そのために、燃焼器４は全体として、タービン軸８の周りに位置された環状構造物として形成されている。
【実施例１】
【００３３】
比較的大きな効率を得るために、燃焼器４は、作動媒体Ｍの約１０００℃〜１６００℃の非常に高い温度に対して設計されている。材料にとって不利なこの運転パラメータにおいても比較的長い運転期間を可能とするために、動翼１２は（図２に示されているように）前縁部位に熱シールド要素２２が設けられている。動翼１２に設けられた各熱シールド要素２２は作動媒体側が、例えばセラミックスのような特別な耐熱防護層を備えているか、高温耐熱材料で作られている。
【００３４】
図２に示されているように、タービン翼１２、１４は前縁部位に複数の副冷却路２４が設けられている。タービン翼１２、１４の前縁部位に複数の流出ノズル２８も設けられ、これらの流出ノズル２８は主冷却路（空洞）２６の中に突出し、冷却材Ｋを案内するほかに、熱シールド要素２２に対する取付け要素として用いられる。タービン６における周囲圧力に比べて翼本体３０の主冷却路２６内に高い圧力がかかっているために、冷却材Ｋとして利用される好適には冷却空気Ｋは、翼本体３０の外側面３２と熱シールド要素２２の内側面３４との間に形成された隙間の中に流れ、また熱シールド要素２２の流出ノズル２８を通して流れ、その流出ノズル２８から流出する冷却材Ｋは、作動媒体Ｍと熱シールド要素２２の外側面との間に防護膜を形成する。これに対して、翼本体３０の副冷却路２４から漏れる冷却空気Ｋは、熱シールド要素２２の内側面３４に向けて流れ、それによって生ずる衝突冷却作用によってその内側面３４を冷却する。
【００３５】
図３と図４は熱シールド要素２２をそれぞれ異なった断面図で示し、図３に示された熱シールド要素２２の断面図から明らかなように、流出ノズル２８は熱シールド要素２２の長手方向に見て直列に連続して配置され、その各流出ノズル２８は熱シールド要素２２の外側面３６からその内側面３４に向けて延びている。その流出ノズル２８は（図４に示されているように）熱シールド要素２２の中央に長手方向に対して垂直に配置される。
【００３６】
図５における図から特に明らかなように、熱シールド要素２２は翼本体３０の前縁部位における翼形に合わされた形状を有している。これによって特に、タービン翼１２、１４が翼本体３０への熱シールド要素２２の設置後も最良流線形を有することが達成される。また、このように湾曲された熱シールド要素２２は、熱シールド要素２２の内側面３４と翼本体３０の外側面３２との間に一様な間隔を生じさせ、これによって、この範囲における特に効果的な冷却が可能となる。その冷却に必要な冷却空気Ｋはタービン翼１２、１４の主冷却路２６から副冷却路２４および流出ノズル２８を通して流れ、これによって、流出ノズル２８から流出する冷却空気Ｋおよびタービン６内を流れる作動媒体Ｍに基づいて、熱シールド要素２２の外側面３６上に冷却膜が形成される。熱シールド要素２２の内側面３４およびタービン翼１２、１４の翼本体３０の前縁部位における外側面３２の冷却は、副冷却路２４からの冷却空気Ｋの流出によって行われ、その場合、熱シールド要素２２の内側面３４はその際に生ずる衝突冷却作用によって特に効果的に冷却される。
【００３７】
熱シールド要素２２の内側面３４における冷却空気Ｋで洗流される各部位においてできるだけ衝突冷却を得るために、副冷却路２４は、好適には、その副冷却路２４から流出する冷却空気Ｋが熱シールド要素２２の内側面３４に垂直に衝突するように配置されている。その場合、翼本体３０と熱シールド要素２２との間隔は、好適には、冷却空気Ｋが熱シールド要素２２の内側面３４に衝突する際に十分大きな流速を有することによって、冷却空気Ｋと衝突面との密な接触が生じ、これによって、衝突冷却作用が生ずるように選定されている。
【実施例２】
【００３８】
図６に、本発明に基づく熱シールド要素２２を備えたタービン翼１２、１４の特に目的に適った形態が示されている。その場合、熱シールド要素２２は翼本体３０の前縁部位に組み込まれ、これによって、タービン翼１２、１４の本来の形状が有利に保たれる。従って、流体機械の空力学的設計は変更されず、これにより、翼本体３０の外側に熱シールド要素２２が設けられた場合の例えば熱シールド要素外縁におけるうず流発生に基づくガスタービンの効率低下が防止される。
【００３９】
タービン翼１２、１４のこの特別な実施例において、衝突冷却の発生にとって必要な熱シールド要素２２と翼本体３０との間の隙間は、熱シールド要素２２が翼本体３０に存在する凹所３８に設置されることによって得られる。これによって、ガスタービンのガス流路内に出ているタービン翼１２、１４の外側面が部分的に熱シールド要素２２の外側面によって形成される。
【００４０】
図５における熱シールド要素２２の自由端は図６の実施例においては、タービン翼１２、１４の段差のない表面を得るために、翼本体３０で形成された翼壁にぴったり合わされている。このために、熱シールド要素２２と正対する翼本体３０の部分が翼内部に向けて後退し、熱シールド要素２２の周縁部位が翼本体に結合されている。
【符号の説明】
【００４１】
１    ガスタービン
１２    タービン翼
１４    タービン翼
２２    熱シールド要素
２４    副冷却路
２６    主冷却路
２８    流出ノズル
３０    翼本体
３２    翼本体の外側面
３６    熱シールド要素の外側面
【図１】
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【図２】
2010508461.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2010508461.tif 000009
2010508461.tif 000010
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