(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン翼形部と付属チップシュラウド用の開放冷却回路であって、当該開放冷却回路が、
翼形部内部で半径方向外向きに延在する第一組及び第二組の内部冷却孔（２３４，２３６）で、翼形部の前縁側及び後縁側にそれぞれ配置された第一組及び第二組の内部冷却孔（２３４，２３６）、
翼形部の半径方向外側部分にある複数の拡大プレナム（２４２，２４４）で、それぞれ第一組及び第二組の内部冷却孔と連通している拡大プレナム（２４２，２４４）、及び
チップシュラウド（２３２）内の１以上のフィルム冷却孔（２６２〜２７８）で、上記プレナム（２４２，２４４）の１つと連通しかつチップシュラウド（２３２）を貫通して外に通じている１以上のフィルム冷却孔（２６２〜２７８）
を含んでおり、上記内部冷却孔（２３４，２３６）の各々に対して個別に拡大プレナム（２４２，２４４）が設けられている、開放冷却回路。
【請求項２】
前記プレナム（２４２，２４４）を閉じるためのプラグ（２４６）が前記シュラウドに結合している、請求項１記載の開放冷却回路。
【請求項３】
前記プラグ（２４６）を貫通する流量調整孔（２５０）が設けられている、請求項２記載の開放冷却回路。
【請求項４】
前記フィルム冷却孔がプレナムからチップシュラウドを貫通してチップシュラウド上面に通じている、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の開放冷却回路。
【請求項５】
前記フィルム冷却孔がプレナムからチップシュラウド下面のチップシュラウド隅肉部（２８２）に通じている、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の開放冷却回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明はガスタービンバケットチップシュラウドの冷却に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンバケットは、半径方向内端がルート部に結合され半径方向外端がチップ（翼先端部）に結合された翼形部を有している。幾つかのバケットは半径方向最外端のチップにシュラウドを備えており、シュラウドは、チップから高温ガスが漏れるのを防止するとともに振動を軽減すべく、隣接バケットに設けられた同様のシュラウドと協働する。しかし、チップシュラウドは、遠心力による曲げ応力と高温の組合せによるクリープ損傷を受け易い。米国特許第５４８２４３５号には、ガスタービンバケットのシュラウドを冷却するためのコンセプトが記載されているが、その冷却設計はシュラウド冷却のための専用の空気に頼ったものである。バケット翼形部又は固定ノズル静翼用の別の冷却構造が米国特許第５４８０２８１号、同第５３９１０５２号及び同第５３５０２７７号に開示されている。
【０００３】
【発明の概要】
本発明では、翼形部自体から排出された使用済み冷却空気を利用してバケットの付属チップシュラウドを冷却する。具体的には、本発明は、ガスタービンチップシュラウドのクリープ損傷の危険性を低減するとともに、バケット翼形部とシュラウドに要する冷却流を最小限にするためのものである。すなわち、本発明は、既にバケット翼形部の冷却に用いられた空気ではあるがその温度がタービン流路内のガスよりも低い空気を使用することを提案するものである。
【０００４】
本発明の一つの例示的実施形態では、翼形部内部に翼形部の前縁と後縁にほぼ沿って前縁側の一群の冷却孔と後縁側の一群の冷却孔が半径方向外向きに延在する。上記冷却孔群の各々は、翼形部の半径方向に最も外側の部分にあるそれぞれのキャビティ（つまりプレナム）と連通している。半径方向冷却通路から使用済み冷却空気が上記一対のプレナムに流入し、チップシュラウド内の複数の孔を通って高温ガス流路へと排出される。チップシュラウド内の孔はチップシュラウドの平面内に延在してシュラウドの外周縁に沿って開いていてもよいし、或いはある角度をもって延在してシュラウドの上面を貫いて開いていてもよい。
【０００５】
第二の例示的実施形態では、複数の比較的小さなフィルム冷却孔が、翼形部の正圧側面と負圧側面それぞれの半径方向プレナム壁を貫通するように形成されている。これらの孔はシュラウド下面のシュラウド隅肉部で開いている。この構成の一変形では、上述の前縁側プレナムと後縁側プレナムは内部連通キャビティで連通している。好ましくは、冷却孔の大多数は動翼の正圧側面及び負圧側面の前縁部で開いていて、比較的少数の冷却孔が後縁部で開いている。各プレナムを閉じるためカバーがシュラウドに結合され、冷却空気の排出量を制御するため各カバーに１以上の流量調整孔が形成される。
【０００６】
第三の例示的実施形態では、翼形部内部の個々の半径方向冷却孔はチップシュラウド端において幾分大きめの寸法に穿孔される。換言すれば、各冷却孔が独自のプレナムもしくはチャンバを有しているといえる。プラグもしくはインサートを冷却孔に結合して孔の端をシールし、一方では、シュラウド冷却孔を個々のプレナムに直接通じるように穿孔してシュラウド上面又はシュラウド下面で外に出る。適切な流れ分布を確保するため、流量調整孔が各種半径方向冷却孔プラグに必要とされることもあろう。
【０００７】
本発明は、一つの態様では、翼形部とチップシュラウドとを有するガスタービンバケット用の開放冷却回路であって、当該冷却回路は翼形部を貫通した複数の半径方向冷却孔を含んでおり、これらの冷却孔は、翼形部の冷却に用いられた冷却媒体が次いでチップシュラウドの冷却に用いられるように、チップシュラウドの外に出る前にチップシュラウド内の内部拡大部と連通している、冷却回路に関する。
【０００８】
本発明は、別の態様では、ガスタービン翼形部と付属チップシュラウド用の開放冷却回路であって、翼形部内部で半径方向外向きに延在する複数の冷却孔；翼形部の半径方向外側部分にある１以上の第一プレナムチャンバで、上記複数の冷却孔の少なくとも幾つかと連通している第一プレナムチャンバ；及びチップシュラウド内の複数の追加冷却孔で、上記プレナムと連通しかつチップシュラウドを貫通して外に通じている複数の追加冷却孔、を含んでなる冷却回路に関する。
【０００９】
本発明は、さらに別の態様では、ガスタービン翼形部と付属チップシュラウドを冷却する方法であって、ａ）翼形部内に複数の半径方向孔を設けて該半径方向孔に冷却空気を供給すること、ｂ）冷却空気を翼形部内部のプレナムに導くこと、及びｃ）冷却空気を上記プレナムからチップシュラウドに通すこと、を含んでなる方法に関する。
【００１０】
本発明のその他の目的及び利点は以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、ガスタービンのタービン部１０を部分的に示したものである。ガスタービンのタービン部１０はタービン燃焼器１１の下流にあり、ロータ軸アセンブリに装着されその一部をなして共に回転するタービンホイール１２，１４，１６，１８を含む一連の４段のロータ（全体を符号Ｒで示す）を含んでいる。各ホイールは１列のバケットＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４を担持しており、その翼は半径方向外向きにタービンの燃焼ガス通路内に突出している。バケットは固定ノズルＮ１，Ｎ２，Ｎ３，Ｎ４と交互に配置されている。別法として、タービンホイール間に、前方から後方の順にスペーサ２０，２２，２４が存在していて、各スペーサは対応ノズルの半径方向内側に配置されている。ホイールとスペーサは、従来のガスタービン構造と同様、複数の周方向に隔設された軸方向延在ボルト２６（１本だけ図示）によって互いに固定されることが理解されるであろう。
【００１２】
図２及び図３について説明すると、タービンバケットは動翼もしくは翼形部３０と付属の半径方向外側チップシュラウド３２とを含んでいる。翼形部３０は第一組の半径方向延在内部冷却孔３４と、第二組の５つの半径方向延在冷却孔３６とを有する。第一組の冷却孔３４は翼形部の前縁３８の比較的近い前半分に配置され、他方、第二組の冷却孔３６は翼形部の後縁４０近くに配置される。第一組の前縁側冷却孔３４は翼形部の半径方向最外部で第一キャビティ又はプレナム４２と通じており、後縁側冷却孔３６は翼形部の後縁４０近くの第二プレナム４４と通じている。プレナム４２，４４は翼形部の形状と略合致する形状に形成され、半径方向にチップシュラウド３２内部に延在している。プレナム４２，４４は凹み付きカバー（例えば、図４にそれぞれ４６，４８で示すもの）でシールされる。カバーは、高温ガス通路内への冷却空気の排出速度を制御するための流量調整孔５０，５２を有していてもよい。
【００１３】
加えて、プレナム４２，４４は、チップシュラウド内部の冷却通路を通して直接排気し得る。例えば、図３に示す通り、チャンバ４２からの使用済み冷却空気は通路５４，５６，５８を通じてチップシュラウドの縁から排出できる。これらの通路はシュラウド３２の平面内にあって、冷却空気をシュラウド内に分布させてシュラウドをフィルム冷却及び対流冷却する。同様に、プレナム４４はシュラウド３２の後縁部の同様の通路６０と通じている。
【００１４】
翼形部内の半径方向孔の数及び直径が設計上の要件及び製造プロセス能力に依存することは自明であろう。そこで、図２では４つの半径方向孔の群３４と３つの半径方向孔の群３６を示したが、図３ではこれらの群をそれぞれ５つの半径方向孔からなるものとして示した。
【００１５】
図４に示すこの例示的実施形態の一変形では、チップシュラウド内部に前縁側プレナム４２と連通した冷却孔６２，６４，６６，６８，７０，７２を有しているが、これらの冷却孔はチップシュラウドの平面に対して傾斜していてチップシュラウド縁からではなくシュラウド上面７４から排気する。同様に、後縁側プレナム４４と連通した冷却孔７６，７８，８０もシュラウドの上面７４から排気する。
【００１６】
図５及び図６は本発明の第二の例示的実施形態を示すが、図５及び図６では、便宜上、図２及び図３で用いた符号と同様の符号に接頭辞「１」を付加したものを対応構成部の表示に適宜使用した。第一組の半径方向延在内部冷却孔１３４は翼形部の前縁１３８の比較的近傍で半径方向外向きに翼形部内を貫通してプレナム１４２と通じている。同様の第二組の冷却孔１３６は翼形部の後縁１４０の比較的近傍で翼形部内部を半径方向外向きに貫通し、プレナム１４４と通じている。第一群のシュラウド冷却孔１６２，１６４，１６６及びシュラウド冷却孔１６８，１７０，１７２，１７４はそれぞれプレナム１４２の負圧側面及び正圧側面から延在し、チップシュラウド１３２の下面をフィルム冷却及び対流冷却するが、これらの冷却孔はチップシュラウド隅肉部８２で翼形部の外に通じている。第二群のシュラウド冷却孔１７６，１７８はプレナム１４４から延在し、それぞれ翼形部の正圧側面及び負圧側面で開いており、同じくチップシュラウドの下面に通じている。また、前の例示的実施形態と同様に、プレナムカバー１４６の外に出る流れは１以上の流量調整孔１５０（図７）で流量調節し得る。シュラウドの正圧側面及び負圧側面で外に通じているシュラウド冷却孔の数は必要に応じて変更し得る。
【００１７】
図７は図５と同様の図であるが、前縁側プレナム１４２と後縁側プレナム１４４の間に延在する内部の連通キャビティ８４を含んでいる。両プレナムからの冷却孔は前記と同様にチップシュラウドの下面から排出される。連通キャビティ８４によって大半の冷却空気が前縁側プレナム１４２に流れ、主として翼形部の前縁部で翼形部の負圧側面及び正圧側面それぞれに沿って配設された冷却孔１６２，１６４，１６６及び冷却孔１６８，１７０，１７２，１７４を経て排出される。図５と同様に、翼形部の後縁部で外に通じる冷却孔は２つだけ（１７６，１７８）である。この構成で、望ましくは冷却空気の大半が翼形部の前縁部に導かれ、高温燃焼ガスによって後縁部に押し戻され、かくしてシュラウドの望ましい冷却をもたらす。カバー１４６内の流量調整孔１５０は、チップシュラウド下面でのシュラウドの直接冷却に使用されるもの以外の使用済み冷却空気を全て排出して、シュラウド上面を流れる高温ガスを希釈する。
【００１８】
図８〜図１１は本発明の第三の例示的実施形態を示すが、図８〜図１１では、便宜上、前述の各例示的実施形態の説明に用いた符号と同様の符号に接頭辞「２」を付加したものを対応構成部の表示に適宜使用した。第一組の半径方向延在内部冷却孔２３４は翼形部の前縁２３８の比較的近傍で半径方向外向きに翼形部を貫通している。第二組の内部冷却孔２３６は翼形部の後縁２４０の比較的近傍で翼形部内部を半径方向外向きに延在している。個々の半径方向冷却孔２３４はその半径方向外端で穿孔又は深座ぐりされて個別にプレナム２４２を画成しており、他方、各半径方向冷却孔２３６は同様に穿孔又は深座ぐりされ、同様のしかしもっと小さいプレナム２４４を形成している。各々の拡大チャンバもしくはプレナム２４２，２４４はプラグもしくはカバー２４６でシールされる（図８及び図９ではプラグ又はカバー２４６は明瞭化のため省略した）。各プラグもしくはカバーには適切な流れ分布を確保すべく流量調整孔２５０を設けてもよい。
【００１９】
第一群のシュラウドフィルム冷却孔２６２，２６４，２６６，２６８，２７０，２７２は様々なプレナム２４２からチップシュラウドを貫通してチップシュラウド上面に通じている。同様に、第二群のフィルム冷却孔２７４，２７６，２７８はプレナム２４４から延在し、やはりチップシュラウド上面に通じている。なお、フィルム冷却孔２６４，２６２は同一のプレナムから延在しているが、フィルム冷却孔２７０，２７２は次の隣接プレナムから延在している。ただし、この構成は具体的用途に応じて変更し得る。
【００２０】
図９には、プレナム２４２，２４４から延在するフィルム冷却孔を示すが、この冷却孔はチップシュラウド下面のほぼチップシュラウド隅肉部２８２に通じている。フィルム冷却孔２８４，２８６，２８８，２９０は２つのプレナム２４２から延在し、チップシュラウド下面で翼形部の正圧側面及び負圧側面に通じている。なお、フィルム冷却孔２８４，２９０は同一のプレナムから延在しており、同様の構成が隣接プレナムから延在するシュラウドフィルム冷却孔２８６，２８８についても存在する。
【００２１】
シュラウドフィルム冷却孔２９４，２９６は、チップシュラウドシールの反対側の半径方向冷却孔２３６が付随した１対の隣合うプレナム２４４から延在しているが、これらの冷却孔もやはりチップシュラウド下面に延在している。
【００２２】
以上説明してきた構成は、ガスタービンシュラウドのクリープ損傷の危険性を低減するとともに、バケットに要する冷却流を最小限に抑え、翼形部の冷却に使用した空気をチップシュラウドの冷却にも有効利用するためのものである。
【００２３】
以上、現時点で最も実用的で好ましいと思料される実施形態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、請求項に規定される技術的思想及び技術的範囲に属する様々な変更及び均等な構成を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  陸上ガスタービンのタービン部の部分側断面図である。
【図２】  本発明の第一の例示的実施形態によるタービン動翼及びチップシュラウドにおける半径方向冷却通路群を示す概略部分側面図である。
【図３】  本発明の第一の例示的実施形態によるチップシュラウドの平面図である。
【図４】  図３に示す構成の変更例を示す平面図である。
【図５】  本発明の第二の例示的実施形態によるタービン翼形部及びチップシュラウドの平面図である。
【図６】  図５の矢視６−６断面図である。
【図７】  図５に類似した翼形部とチップシュラウドの平面図であるが、内部プレナム相互間の連通キャビティを示す。
【図８】  本発明の第三の例示的実施形態によるチップシュラウドの平面図であり、チップシュラウド上面に開いたシュラウド冷却孔を示す。
【図９】  図８に示すチップシュラウドの平面図であるが、チップシュラウド下面に開いたシュラウド冷却孔を示す。
【図１０】  図８の矢視１０−１０断面図である。
【図１１】  図９の矢視１１−１１断面図である。
【符号の説明】
３０  バケット翼形部
３２  チップシュラウド
３４，３６  半径方向冷却孔
４２，４４  プレナム
５０，５２  流量調整孔
５４，５６，５８，６０  シュラウド冷却孔
６２，６４，６６，６８，７０，７２  シュラウド冷却孔
７６，７８，８０  シュラウド冷却孔
８４  連通キャビティ
【図１】
0004514885.tif 000002
【図２】
0004514885.tif 000003
【図３】
0004514885.tif 000004
【図４】
0004514885.tif 000005
【図５】
0004514885.tif 000006
【図６】
0004514885.tif 000007
【図７】
0004514885.tif 000008
【図８】
0004514885.tif 000009
【図９】
0004514885.tif 000010
【図１０】
0004514885.tif 000011
【図１１】
0004514885.tif 000012