(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下流の第２部品の上流に位置する第１部品（１８）の多数のオリフィスを通して冷却媒体がその中に注入されるガス流内に曝される該下流の第２部品（２０）の寿命を増進する方法であって、前記第１部品（１８）がタービンの非回転構成部品であって、前記第２部品（２０）がタービンの回転構成部品であり、当該方法が、
該第２部品（２０）の部品寿命に影響を与える前記ガス流の流れ領域の温度分布を確かめる段階と、
該第２部品に影響を与える前記流れ領域の前記確かめられた温度分布を変え、それによって該第２部品の寿命を増進させるように、前記オリフィスを通しての前記冷却媒体の温度及び質量流量のうちの１つを、圧縮機の異なる段から冷却媒体を供給することによって変えることを含む手段により、前記冷却媒体の流れ特性を変更する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
第１部品（１８）の前記オリフィスによって第１の部品の金属温度及び寿命を制御する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
下流の第２部品の上流に位置する第１部品（１８）の多数のオリフィスを通して冷却媒体がその中に注入されるガス流内に曝される該下流の第２部品（２０）の寿命を増進する方法であって、前記第１部品（１８）がタービンの非回転構成部品であって、前記第２部品（２０）がタービンの回転構成部品であり、当該方法が、
該第２部品（２０）の部品寿命に影響を与える前記ガス流の流れ領域の温度分布を確かめる段階と、
該第２部品（２０）に影響を与える前記流れ領域の前記確かめられた温度分布を変え、それによって該第２部品の寿命を増進させるように、前記オリフィスを通しての前記冷却媒体の流れをほぼ段の外側バンド又は内側バンドの方向に向ける段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
前記第１部品はステータ羽根（１８）を含み、また前記第２部品はタービン段のバケット（２０）を含むことを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記ステータ羽根の前縁のオリフィスを通して前記冷却媒体を流す段階を含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第１及び第２部品（１８、２０）は互いに間隔を置いて配置されることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下流の第２部品の上流に位置する第１部品のオリフィスを通して冷却媒体がその中に注入されるガス流内に配置された下流の部品の寿命を増進するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温のガス流内に曝される部品の寿命は、流れ領域（流れ場）の温度プロフィール境界条件に非常に敏感である。例えば、タービンホイールに取り付けられたタービンバケットの寿命は、バケットが曝される平均温度だけでなくバケットが受けるガス流の温度分布に対する関数でもある。明らかなように、燃焼生成物の高温ガス流は、ノズル、次いで様々な段のタービンのバケットを通して流れる。一般的に、高温の燃焼ガスは、ノズル羽根の多数のオリフィスを通して高温のガス流中に噴出される冷却媒体により冷却される。オリフィスは、ノズルのステータ羽根の負圧側面及び正圧側面だけでなく前縁に沿っても設置することが可能であり、通常はノズル羽根のハブと先端部分との間に散在される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ノズルのステータ羽根におけるようなオリフィスを通して冷却空気を流すことは、オリフィスを含んでいる部品の金属温度及び寿命を制御するために用いられる通常の方法である。つまり、ガスタービン中の高温ガス流路の高い温度のような極端な条件に曝される部品の設計者は、通常、その部品にオリフィスを設け、オリフィスを通してまた該部品の周りに冷却媒体を流すことによって局部的な部品寿命を制御する。冷却媒体オリフィスを含んでいる部品の下流に位置する部品の寿命については、上流部品を冷却しようとする努力においては一般的に考慮されていない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の好ましい実施形態によると、高温ガス流内に曝される下流部品の寿命は、下流部品に影響を与える流れ領域の温度分布を変えてその部品寿命を増進するように、オリフィスを通しての冷却媒体の流れの位置、構成、又は方向を変更することによるか、或いは質量流量及び冷却媒体温度のような冷却媒体の特性を変更することによって一部制御される。例えば、上流部品のオリフィスを通して噴出される冷却媒体は、下流部品を取り巻く特定の温度分布をもつ流れ領域を生じる。下流部品の寿命は、結果として生じる温度領域（温度場）により影響される。従って、オリフィスを通しての冷却媒体の流れを位置決めし、形状を構成し、又は方向付けることによって、第２部品に影響を与える流れ領域の温度分布は、該第２部品の寿命を増すように好都合に変えることができる。すなわち、下流部品の寿命に影響を与える温度分布は、冷却媒体をガス流中へ注入する上流の特性を適切に設計することによって強化される。
【０００５】
より具体的には、ノズル羽根が冷却媒体を高温ガス流中に流すためのオリフィスを有するタービン段の場合には、オリフィスの位置、構成、及び／又は方向は、第２部品が部品寿命を増進する状態になるように下流の流れ領域の所望の温度分布をもたらすように、変更される。例えば、ノズル羽根の前縁オリフィスは、ほぼ半径方向外向きに向けられ、それによって下流のバケットが受けるガス流れの温度プロフィール分布がバケットハブにおけるよりもバケット先端における方が低くなるようにすることができる。オリフィスがほぼ半径方向内向きに向けられる場合には、逆があてはまる、すなわち、下流の温度プロフィールはハブにおいて強くなる。初期流の流れは冷却空気注入区域内においては低い運動量を有するので、影響はより顕著である。結果として、下流部品、例えばバケットは、部品寿命を増進させるのに適した温度プロフィール分布に曝されることになる。下流部品が受ける温度を操作するために、漏洩に対する端壁パージの大きさを設定することを含む多くの他の有用な適用法を、当業者は思いつくであろう。
【０００６】
高温のガス流内に曝される下流部品の寿命を制御する別の例として、質量流量及び冷却媒体温度のような冷却媒体の特性を変更することができる。オリフィスを通しての流れの位置、構成、又は方向を変更しないで、オリフィスを通しての流れを、下流部品の寿命を変えるように変更することができる。上流のオリフィスを通しての温度の流れは、例えば、圧縮機の異なる段から冷却媒体を供給することによって変更することができる。従って、下流部品の寿命は、上流部品の適切な冷却を維持しながら増進することができる。上流のオリフィスを通しての質量流量も、同じ結果を得るように同様に変更することができる。
【０００７】
本発明による好ましい実施形態において、下流の第２部品の上流に位置する第１部品の多数のオリフィスを通して冷却媒体がその中に注入されるガス流内に曝される該下流の第２部品の寿命を増進する方法が提供され、該方法は、（ａ）第２部品の部品寿命に影響を与えるガス流の流れ領域の温度分布を確かめる段階と、（ｂ）該第２部品に影響を与える流れ領域の前記確かめられた温度分布を変え、それによって該第２部品の寿命を増進させるように、オリフィスを通しての冷却媒体の流れの位置、構成、又は方向を変更する段階とを含む。
【０００８】
本発明による別の好ましい実施形態において、下流の第２部品の上流に位置する第１部品の多数のオリフィスを通して冷却媒体がその中に注入されるガス流内に曝される該下流の第２部品の寿命を増進する方法が提供され、該方法は、（ａ）第２部品の部品寿命に影響を与えるガス流の流れ領域の温度分布を確かめる段階と、（ｂ）該第２部品に影響を与える流れ領域の前記確かめられた温度分布を変え、それによって該第２部品の寿命を増進させるように、オリフィスを通しての冷却媒体の温度及び質量流量のうちの１つを変えることを含む手段により、冷却媒体の流れ特性を変更する段階とを含む。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、全体を１０で示した、複数の段を有するタービンの1部分が示される。各段は複数のステータ羽根を含み、該複数のステータ羽根はロータ軸線の周りに互いに周方向に間隔を置いて配置された翼形部を有する。図示されたタービン１０は、３つの段を含み、第１段１６は、複数の周方向に間隔を置いて配置されたノズル羽根１８と回転可能なタービンホイール２２の周りに周方向に間隔を置いて配置された複数のバケット２０とを有し、第２段２４は、複数の周方向に間隔を置いて配置されたノズル羽根２６と第２段ホイール３０に取り付けられた複数の周方向に間隔を置いて配置されたバケット２８とを含み、また、第３段３２には、ノズル羽根３４と第３段ホイール３８に取り付けられた複数の周方向に間隔を置いて配置されたバケット３６とが取り付けられている。ノズル羽根及びバケットは、ガスがタービンを通して矢印４０の方向に流れる、タービンの高温ガス流路内に位置していることが分かるであろう。
【００１０】
図２及び図３を参照すると、様々なタービン段の何れか１つのノズル羽根の任意の１つ、例えば、羽根１８が概略的に示される。普通そうであるように、ノズル羽根、特にノズル羽根のオリフィス及び側面に近接する金属を冷却する目的で、ノズル羽根は、それを通して冷却媒体、例えば冷却空気を外向きに高温ガス流中に流すためのオリフィスが設けられる場合が多い。冷却媒体がガス流中に流れ込むと、温度分布プロフィールがノズル羽根の下流にもたらされ、後続のバケットが該温度分布プロフィールを「受ける」ことが分かるであろう。オリフィスがそれぞれのオリフィスにおいてノズル羽根の局部表面にほぼ垂直に向けられている場合、流れの流線は、オリフィスを流出するとほぼ軸方向で互いに平行である。また、温度プロフィールは、ステータ羽根のスパンの中央部で最も高い温度をもつ水平方向に延びる放物線として現れる。
【００１１】
ステータ羽根、例えばバケットの下流に位置する部品の寿命は、バケットが受ける温度及び他のパラメータの関数であるので、下流部品の寿命は、本発明の好ましい形態により、特定の温度分布をもつ下流部品に対する流れ領域を生じさせることによって増進させることができる。このことを達成するためには、オリフィス、例えば冷却及び漏洩噴出口は、下流の流れ領域の温度分布、その結果下流部品の寿命に影響を与えるように意図的に形成される。例えば、冷却媒体を流すための前縁オリフィスは、半径方向外向き方向に向けることができる。図2及び図３における矢印５０及び５２は、羽根の正圧側面及び負圧側面上のオリフィスの方向を示す。従って、バケットが受ける下流の温度分布は、ノズル羽根の表面にほぼ垂直なオリフィスを有する従来のノズルの冷却オリフィスにより与えられる温度分布とは異なる。
【００１２】
図６には、百分率スパン、すなわち、ステータ羽根の出口における縦座標に沿うスパンの百分率位置と、全温度を質量平均温度で割った横座標に沿う変化の分布とを有するグラフが示される。グラフは、オリフィスの方向及び／又は構成、従ってそれが下流部品に影響を与えるガス流中への冷却媒体の流れを変更することによる下流の温度分布を示す。例えば、図２、図３、図４及び図６を見直すと分かるであろうが、ノズル羽根の前縁に沿うオリフィスは、流れ、従って流れの流線５６（図４）を先端に向かって半径方向外向きに（シャワヘッド上向き）向けるように傾斜される。図６は、この流れ分布の場合に、下流部品の温度プロフィールは、先端に沿って減少し、ハブに沿って増大することを明らかにしている。これとは逆に、図５及び図６によると、図５の流線５６により示されるように、オリフィスを通しての冷却媒体の流れの構成及び／又は方向をハブに向かう半径方向内向き（シャワヘッド下向き）に変更することにより、下流部品の温度プロフィールは逆になる、すなわち下流部品の温度分布は先端において増大し、ハブにおいて減少することがわかるであろう。オリフィスの位置も、下流部品の寿命に影響を与えるように変更することができる。例えば、下流の温度分布に影響を与えるように羽根の先端又はハブに隣接してオリフィスをより集中させて設置することができる。温度分布プロフィールは、部品寿命に影響を与え、またガス流中への冷却媒体の流れの位置、構成、又は方向を変えることにより変更させることができるため、下流の構成部品の部品寿命を増進させることができることが分かるであろう。
【００１３】
上流のオリフィスを通しての冷却媒体の流れの位置、構成、又は方向を変えることにより得られる同じような結果はまた、上流のオリフィスを通して流れる質量流量及び冷却媒体温度のような冷却媒体の特性を変更することにより達成することができる。例えば、下流部品、例えばバケットが受ける温度プロフィールを変更するために、上流のオリフィスを通して流れる冷却媒体は、圧縮機の異なる段から取り出すことができる。質量流量もまた同様に変更することができる。従って、下流部品の部品寿命を増進するためにオリフィスを通しての冷却媒体流れの位置、構成、又は方向を変更することができるだけではなく、下流部品の寿命を増進するために冷却媒体自体の特性を変更することもできる。
【００１４】
現在最も実用的で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べきではなく、反対に、添付の特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲に含まれる様々な変更形態及び均等の構成を保護しようとするものである。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態を用いる複数の段を有するタービンの概略図。
【図２】  冷却媒体を流すための複数のオリフィスを有するステータ羽根の正圧側面の概略側面図。
【図３】  冷却媒体を流すためのオリフィスを有するステータ羽根の負圧側面を示す図２と同様な図。
【図４】  冷却媒体流れが流線により示されるように羽根の先端の方向に向けられたステータ羽根の側面の概略図。
【図５】  ハブに向かう方向の冷却媒体の流れを示す図４と同様な図。
【図６】  オリフィスの構成、位置、及び／又は方向を変更することが温度分布プロフィールに与える影響をスパンの関数として示すグラフ。
【符号の説明】
１０  タービン
１６  第１段
１８  第１段のノズル羽根
２０  第１段のバケット
２２  第１段のホイール
２４  第２段
２６  第２段のノズル羽根
２８  第２段のバケット
３０  第２段のホイール
３２  第３段
３４  第３段のノズル羽根
３６  第３段のバケット
３８  第３段のホイール
【図１】
0004416387.tif 000002
【図２】
0004416387.tif 000003
【図３】
0004416387.tif 000004
【図４】
0004416387.tif 000005
【図５】
0004416387.tif 000006
【図６】
0004416387.tif 000007