JP2001152805A

JP2001152805A - 蒸気冷却静翼及びガスタービン

Info

Publication number: JP2001152805A
Application number: JP33486999A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Ishiguro; 達男石黒; Yasushi Watanabe; 康司渡辺; Katsunori Tanaka; 克則田中
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-11-25
Filing date: 1999-11-25
Publication date: 2001-06-05

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、インピンジ板にバイパス孔を設け
静翼冷却通路に直接蒸気を供給する蒸気冷却静翼及びこ
の静翼を設けたガスタービンに関する。従来の静翼では
クロスフローが大きく、静翼のインピンジ冷却が阻害さ
れ静翼の冷却に高圧の冷却蒸気を必要とし、この静翼及
び静翼を設けたガスタービンでは、コンバインドプラン
ト効率が低下する不具合があった。本発明はこの不具合
の解消を課題とする。【解決手段】本発明の蒸気冷却静翼は、複数のインピ
ンジ孔が穿設され、外側シュラウドをインピンジ冷却す
る冷却蒸気、及び静翼冷却通路に直接流入させる冷却蒸
気を導入する外側の供給キャビティ、供給キャビティか
らの蒸気をインピンジ孔から噴出させるキャビティを仕
切るインピンジ板、静翼冷却通路に直接連通させ、供給
キャビティからの蒸気を直接通路に流入させるインピン
ジ板に穿設したバイパス孔を設けた。これにより上述し
た不具合が解消できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンにお
いて発生させた蒸気で駆動させるようにしたガスタービ
ンにおけるガスタービン静翼（以下単に静翼という）を
外側シュラウドから導入した蒸気により冷却するように
した蒸気冷却静翼とこの蒸気冷却静翼および内部に導入
した蒸気により冷却するようにした動翼を備えたガスタ
ービンに係り、特に、供給キャビティから静翼に冷却用
蒸気を直接導入させることができるようにしたバイパス
孔をインピンジ板に設けるようにした蒸気冷却静翼、お
よびこの蒸気冷却静翼を静翼として備えると共に内部か
ら蒸気により冷却する動翼を設けたガスタービンに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】高温ガスタービンに排熱回収ボイラを設
け、ガスタービンと共に排熱回収ボイラで発生させた蒸
気で駆動力を発生させるようにした蒸気タービンを設け
た、いわゆる、ガスタービンと蒸気タービンとにより駆
動力を発生させるコンバインドプラントにおいては、従
来、ガスタービンの冷却媒体として用いてきた圧縮機吐
出空気に替えて、空気に比較し熱容量が大きく冷却能力
の高い蒸気を冷却媒体として採用し、高温に曝らされる
ガスタービン動翼（以下単に動翼という）および翼の内
部に導入した蒸気のみで冷却して、静翼および動翼から
なるガスタービン翼が高温化し耐酸化限界温度（ＬＣ
Ｆ；ＬｏｗＣｙｃｌｅＦａｔｉｇｕｅ）以上になる
のを防止して、ガスタービン翼の寿命を長くすると共
に、その冷却によりガスタービン翼から奪って高温、高
圧化した蒸気を、全量ガスタービン外に設けた排熱回収
ボイラで回収し、これを蒸気タービンに送ることによ
り、蒸気タービンの駆動力向上させ、プラント全体とし
て効率向上を図ることにしている。

【０００３】図５、６は、従来のガスタービンのうち、
ガスタービン部３０３のケーシング２０７に固定され、
燃焼ガス２０９の加速および動翼３０５への燃焼ガス２
０９の流入角度を動翼の作動を高効率のものにするため
の静翼を冷却するために、従来から使用されている外側
シュラウドの冷却構造を示す図で、図５は、外側シュラ
ウドを外周側から見た平面図、図６は、図５の部分斜視
図である。

【０００４】図に示すように、静翼２０１の外側シュラ
ウド２０１ａは、内部を供給管２０３から冷却蒸気２０
２と供給する外方の供給キャビティ２１６と、供給キャ
ビティ２１６内方のキャビティ２１５の２室に区画する
ように、インピンジ板２０６で仕切るようにしている。
このインピンジ板２０６には、複数のインピンジ孔２１
０があけられており、供給管２０３によって供給キャビ
ティ２１６に、図示省略した排熱回収ボイラから導入さ
れた冷却媒体である冷却蒸気２０２は、このインピンジ
孔２１０を通ってインピンジ流２１１となって、キャビ
ティ２１５の底面に衝突することにより外側シュラウド
２０１ａを冷却する構造になっている。

【０００５】また、インピンジ流２１１となって、外側
シュラウド２０１ａを冷却したインピンジ冷却後の冷却
蒸気２０２は、クロスフロー２１２となってキャビティ
２１５内を流れ、全量静翼２０１内の図２に示す静翼冷
却通路２０５へ導かれ、静翼２０１の冷却に用いられ
る。

【０００６】この静翼冷却通路２０５は図５に示すよう
に静翼２０１の翼幅方向に仕切板２１７が設けられ、翼
弦方向に複数（本実施例では６個）に区画されており、
前縁部に設けた静翼冷却通路２０５の一部を形成する第
１冷却通路２１４から静翼２０１内に導入された冷却蒸
気２０２は、内側シュラウド２１８側へ流れ静翼２０１
前縁部を冷却した後、静翼冷却流２１３となって図２に
示すように内側シュラウド２１８に設けた、静翼冷却通
路２０５内に流れ、内側シュラウド２１８を冷却する。

【０００７】この内側シュラウド２１８を冷却した静翼
冷却流２１３は、内側シュラウド２１８内で反転し、第
１冷却通路２１４の後方に設けられた静翼冷却通路２０
５内を外側シュラウド２０１ａ側へ流れ、さらに、外側
シュラウド２０１ａ近傍の静翼２０１内で再び反転し、
再び内側シュラウド２１８内の静翼冷却通路２０５内に
流入し、前縁部の第１冷却通路２１４から後縁側の静翼
冷却通路２０５へ順次流れ静翼２０１を冷却した後、後
縁部に設けた静翼冷却通路２０５を、内側シュラウド２
１８側から外側シュラウド２０１ａ側へ流れ、外側シュ
ラウド２０１ａを貫通して設けられた回収通路２０８か
ら、回収通路２０８に連結された、図２に示す回収管２
０４を通って排熱回収ボイラへ戻される。

【０００８】すなわち、排熱回収ボイラから供給管２０
３によって供給される低温、低圧の冷却蒸気２０３は、
外側シュラウド２０１ａ、内側シュラウド２１８を含む
静翼２０１を内部から冷却することによって、静翼２０
１の高温化を防止すると共に高温、高圧の蒸気となっ
て、排熱回収ボイラから蒸気タービンに送られることに
より、蒸気タービンの駆動力を向上させ、コンバインド
プラント全体としての効率を高めることができる。

【０００９】しかしながら、上述した外側シュラウド２
０１ａの冷却を行うインピンジ冷却では、インピンジ孔
２１０からキャビティ２１５へ導入された全ての冷却蒸
気２０２、すなわち、供給管２０３から静翼２０１内に
供給される冷却蒸気２０２が、キャビティ２１５に一た
ん導入された後、静翼冷却通路２０５の一部である第１
冷却通路２１４に、一斉に供給されるようになっている
ために、キャビティ２１５内ではインピンジ板２０６と
略平行な冷却蒸気２０２へ流れ、いわゆる、クロスフロ
ー２１２は大きい速度のものとなる。

【００１０】このように、クロスフロー２１２の流速が
速いと、インピンジ孔２１０からインピンジ板２０６に
対して直交方向に、キャビティ２１５内へ噴出するイン
ピンジ流２１１は、このクロスフロー２１２のために大
きく曲げられて、外側シュラウド２０１ａの底面への効
果的な衝突が妨げられ、これにより熱伝達率が低下し、
外側シュラウド２０１ａが高温化することによる。

【００１１】また、この熱伝達率の低下を補うために
は、インピンジ板２０６の両側の差圧を大きくしなけれ
ばならず、このためには、供給キャビティ２１６に供給
される冷却蒸気２０２の圧力を高くする必要があり、こ
のためにコンバインドプラント全体の効率の低下を招く
という問題が生じる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の蒸気
冷却静翼の不具合を解消するために、キャビティ内のク
ロスフローの速度を小さくして、インピンジ板の両側の
差圧を大きくすることなく、インピンジ流を外側シュラ
ウド底面へ効果的に衝突させて、外側シュラウドを効果
的に冷却することができ、また、冷却蒸気を高圧にする
ことなくコンバインド全体の効率向上を図ることができ
る蒸気冷却静翼、およびこのような蒸気冷却静翼を静翼
として備えるようにしたガスタービンを提供することを
課題とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の蒸気
冷却翼は、次の手段とした。

【００１４】（１）複数のインピンジ孔が穿設され、ガ
スタービン部のケーシングに固定されて静翼の翼根部が
固定される外側シュラウドの底面をインピンジ冷却する
冷却蒸気、及び静翼内に穿設された静翼冷却通路に直接
流入させて静翼を冷却する冷却蒸気をそれぞれ導入する
外側の供給キャビティと、供給キャビティに供給された
冷却蒸気をインピンジ孔から噴出させ、外側シュラウド
底面にインピンジさせてインピンジ冷却を行う空間を形
成する内側のキャビティとに外側シュラウドを内、外の
区画に仕切るインピンジ板を設けた。

【００１５】（２）静翼冷却通路に直接連通して設けら
れ、供給キャビティに供給された冷却蒸気を、静翼内に
穿設された静翼冷却通路に直接流入させることができる
ようにインピンジ板に穿設されたバイパス孔を設けた。
なお、バイパス孔から静翼冷却通路に直接流入させる冷
却蒸気は、インピンジ冷却した後静翼冷却通路に流入す
る冷却蒸気と静翼冷却通路内で混合されて、静翼の冷却
を行う。

【００１６】本発明の蒸気冷却静翼は、上述（１）、
（２）の手段により、インピンジ孔から噴出され外側シ
ュラウド底面をインピンジ冷却するインピンジ流は、キ
ャビティ内をインピンジ板面と略平行に流れるクロスフ
ロー流により、曲げられることが少なくなり、外側シュ
ラウド底面に略直交して衝突するようになり、外側シュ
ラウドは効果的にインピンジ冷却され、高温化を逓減す
ることができる。また、静翼冷却通路には、キャビティ
内の大きなクロスフロー流の発生を考慮することなく、
静翼の冷却に必要とする流量の冷却蒸気を流すことがで
きるとともに、インピンジ冷却に使用されることなく、
供給キャビティに導入された低温の冷却蒸気が静翼冷却
通路に流されるので、静翼の冷却が効果的に行われ、静
翼の高温化を逓減することができる。

【００１７】また、蒸気冷却静翼を冷却するための冷却
蒸気が低圧のものにできるため、排熱回収装置等で回収
された熱量で発生させた蒸気のうち、より多くの高温の
蒸気が蒸気タービンに供給でき、蒸気タービンをも効率
的に駆動させることができ、より効率的なコンバインド
プラントとすることができる。

【００１８】また、本発明のガスタービンは、次の手段
とした。

【００１９】（３）上述（１）、（２）の手段を備えた
蒸気冷却静翼を設けた静翼と静翼の後流側に配置され、
静翼により加速されると共に流入方向が規制された燃焼
ガスにより、ロータ回転中心まわりに回動する動翼とか
らなるものとした。

【００２０】本発明のガスタービンは、上述（１）、
（２）の手段にした蒸気冷却静翼に加え、上述（３）の
手段にしたことにより、上述した第１番目の発明の作
用、効果に加え、低温化された静翼により設計値通りの
燃焼ガスが流入する動翼は、効果的に作動させることが
でき、設計値通りの駆動力を発生できるので、効果的に
発電等が行えるガスタービンとすることができる。な
お、動翼としてはどのような形態のもの、例えば本出願
人が先に提案した特願平１１−３３２６４７号「高温ガ
スタービン動翼の冷却構造」で提案した空気冷却するよ
うにしたものを採用することもできるが、冷却蒸気によ
り内部から冷却されるものを採用すれば、動翼の高温化
もより効果的に防止され、ＬＣＦ温度以上になることが
防止され、ガスタービン寿命を長くできるとともに、動
翼からも冷却した冷却蒸気を回収することにより、さら
に多くの高温の蒸気が蒸気タービンに供給でき、さらに
効果的なコンバインドプラントとすることもできる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の蒸気冷却静翼の実
施の一形態を図面にもとづき説明する。

【００２２】なお、図において図５、図６に示す部材と
同一若しくは類似の部材については、同一符号を付して
説明は省略する。図１は、本発明の蒸気冷却静翼の実施
の第１形態としての外側シュラウドの冷却構造を示す部
分斜視図、図２は、図１に示す実施の形態の冷却系統を
説明するガスタービン部の概略拡大図、図３は、ガスタ
ービンの一般的構成を示す概略図、図４は、ガスタービ
ン部の一般的構成を示す概略説明図である。

【００２３】ガスタービンは、一般的構成図としての図
３に示すように、圧縮機３０１で空気を圧縮し、圧縮空
気を燃焼器３０２に供給すると共に、燃焼器３０２に燃
料を投入して燃焼ガス２０９を作り、それをガスタービ
ン部３０３に導入して駆動力を発生させ、動翼３０５の
回動により圧縮機３０１および発電機３０４を駆動させ
る構成となっている。

【００２４】また、タービン部３０３は、図４に概略的
に示すように、ケーシング２０７内に静翼２０１と静翼
２０５後流側に配設される動翼３０５が交互に配置され
ており、その静翼２０１は、燃焼器３０２から供給され
る燃焼ガス２０９の温度に耐え得るよう、その内部に冷
却媒体としての冷却蒸気２０２を供給して内部から冷却
する構造になっている。なお、静翼２０１を通った燃焼
ガス２０９でロータ回転中心３０６まわりに回動し、駆
動力を発生させる動翼３０５についても、同様に内部に
排熱ガスボイラから供給される蒸気２０２を供給して、
静翼２０１と同様に内部から冷却するようにしている。

【００２５】次に、本発明のガスタービンの実施の第１
形態を構成する静翼２０１の冷却について、図２を参照
して説明する。動翼２０１の外側シュラウド２０１ａ
に、ケーシング２０７の外部に設けられた、図示省略し
た排熱回収装置から供給管２０３を通じて、冷却蒸気２
０２を供給キャビティ２１６に供給する。

【００２６】供給キャビティ２１６に供給された冷却蒸
気２０２は、外部ケーシング２０１ａ内を供給キャビテ
ィ２１６とキャビティの２１５とに仕切る、インピンジ
板２０６にあけられた複数のインピンジ孔２１０を通っ
て、キャビティ２１５内に噴出しキャビティ２１５の底
面を形成するとともに、外部シュラウド２０１ａの底面
を形成する外側シュラウド２０１ａの内周壁面に衝突
し、外部シュラウド２０１ａを冷却した後、キャビティ
２１５内をインピンジ板２０６の表面と略平行に流れ、
静翼２０１の内部に設けられ後述するバイパス孔１００
からの冷却蒸気２０２が流入する静翼冷却通路２０５に
順次流れて静翼２０１を冷却し、翼後縁側静翼冷却通路
２０５から回収通路２０８およびこれに連結された回収
管２０４を通ってガスタービン系外の排熱回収装置へ導
かれる。

【００２７】本実施の形態の蒸気冷却静翼では、このイ
ンピンジ板２０６の構造として、図１に示すように、前
述した従来の蒸気冷却静翼の問題点を解決するため、静
翼２０１の静翼冷却通路２０５の１部を構成する第１冷
却通路２１４の直上の１部分のインピンジ板２０６にバ
イパス孔１００を設けた点に特徴がある。

【００２８】すなわち、静翼２０１の冷却に必要な冷却
蒸気２０２量のうち、外側シュラウド２０１ａの冷却に
必要な冷却蒸気２０２として、インピンジ孔２１０を通
るインピンジ流２１１と、新たに設けたバイパス孔１０
０を通り、直接静翼２０１の第１冷却通路２１４に供給
されるバイパス流１０１とに分かれるようにし、インピ
ンジ流２１１は外側シュラウド２０１ａ内で外側シュラ
ウド２０１ａの底面をインピンジ冷却後、クロスフロー
２１２となって第１冷却通路２１４に流入し、このイン
ピンジ流２１１とバイパス流１０１とは第１冷却通路２
１４内で合流し、静翼冷却流２１３となるようにしてい
る。

【００２９】これによって、キャビティ２１５内で生じ
るクロスフロー２１２の流速を遅くすることができ、イ
ンピンジ孔２１０からキャビティ２１５内へ噴出され、
外側シュラウド２０１ａ底面をインピンジ冷却するイン
ピンジ流２１１が、クロスフロー２１２によって曲げら
れることが少なくなり、外側シュラウド２０１ａ底面に
略直交して衝突して、インピンジ冷却が行われるので、
高温の燃焼ガス２０９に下面が曝らされ、高温化する外
側シュラウド２０１から冷却蒸気２０２への熱伝達率を
大きくできる。

【００３０】さらに、熱伝達率を大きくできるようにし
たにも拘わらず、インピンジ板２０６の内外の圧力差は
小さくできるため、排熱回収装置から供給される冷却蒸
気２０２は低圧にでき、排熱回収装置で発生する蒸気は
蒸気タービンの駆動力発生に有効に使用することができ
るため、コンバインドプラント全体としての効率の向上
を図ることができる。

【００３１】なお、静翼２０５の後流側に配置され、静
翼２０５とともに、本実施の形態のガスタービンを形成
する動翼３０５としては、どのような形態のもの、例え
ば、高耐熱合金を使用し、特に冷却を行なわないもの、
或いは特願平１１−３３２６４７号「高温ガスタービン
動翼の冷却構造」で提案されている、空気を動翼３０５
の内部に導入して内部から空気冷却するようにしたもの
を採用することもできるが、前述した静翼２０５の内部
に導入するようにした冷却蒸気２０２と同様に冷却蒸気
を導入して、この冷却蒸気により内部から冷却するよう
にしたものを採用すれば、動翼３０５の高温化はより効
果的に防止され、ＬＣＦ温度以上になることがなく、ガ
スタービン寿命を長くできるとともに、動翼３０５から
も冷却した冷却蒸気を回収することにより、さらに高温
の蒸気が蒸気タービンに供給でき、さらに効果的なコン
バインドプラントにすることもできる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の蒸気冷却
静翼は、複数のインピンジ孔が穿設され、外側シュラウ
ドの底面をインピンジ冷却する冷却蒸気、及び静翼冷却
通路に直接流入させて静翼を冷却する冷却蒸気を導入す
る外側の供給キャビティ及び供給キャビティに供給され
た冷却蒸気をインピンジ孔から噴出させ、外側シュラウ
ドのインピンジ冷却を行う内側のキャビティとを仕切る
インピンジ板、静翼冷却通路に直接連通して設けられ、
供給キャビティの冷却蒸気を静翼冷却通路に直接流入さ
せるインピンジ板に穿設されたバイパス孔を設けるもの
とした。

【００３３】これにより、キャビティ内で発生するクロ
スフロー流は流速の小さいものにでき、インピンジ孔か
ら噴出され外側シュラウドをインピンジ冷却するインピ
ンジ流はクロスフロー流により、曲げられることがな
く、外側シュラウドに略直交して衝突し、外側シュラウ
ドはインピンジ流により効果的に冷却され、高温化する
ことがなく、また、静翼冷却通路には、大きなクロスフ
ロー流の発生を考慮することなく、静翼の冷却に必要な
流量の冷却蒸気を流すことができ、さらには、インピン
ジ冷却に使用されていない低温の冷却蒸気が静翼冷却通
路に流され静翼の冷却が効果的になり、静翼の高温化を
逓減できる。

【００３４】また、本発明のガスタービンは、上述の蒸
気冷却静翼にした静翼とこの静翼の後流側に配置された
動翼とからなるものとした。

【００３５】これにより、上述の作用、効果に加え、蒸
気冷却翼と蒸気冷却翼から設計値通りの方向、速度で流
入する動翼とで駆動力を発生するので、効率的に発電等
が行えるガスタービンにすることができ、また、蒸気冷
却静翼を冷却する冷却蒸気が低圧にでき、回収された熱
量で発生させた高圧蒸気の多くが蒸気タービンに供給で
き、蒸気タービンを効率的に駆動できるようになり、よ
り効率的なコンバインドプラントにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の蒸気冷却静翼の実施の第１形態として
の外側シュラウドの冷却構造を示す部分斜視図、

【図２】図１に示す実施の形態の冷却系統を説明するガ
スタービン部の概略拡大図、

【図３】ガスタービンの一般的構成を示す概略図、

【図４】ガスタービン部の一般的構成を示す概略説明
図、

【図５】従来の蒸気冷却静翼の外側シュラウドの冷却構
造を示す平面図、

【図６】図５に示す外側シュラウドの冷却構造の部分斜
視図である。

【符号の説明】

１００バイパス孔１０１バイパス流２０１静翼２０１ａ外側シュラウド２０２冷却蒸気２０３供給管２０４回収管２０５静翼冷却通路２０６インピンジ板２０７ケーシング２０８回収通路２０９燃焼ガス２１０インピンジ孔２１１インピンジ流２１２クロスフロー２１３静翼冷却流２１４第１冷却通路２１５キャビティ２１６供給キャビティ２１７仕切板２１８内側シュラウド３０１圧縮機３０２燃焼器３０３ガスタービン部３０４発電機３０５動翼３０６ロータ回転中心

フロントページの続き (72)発明者田中克則兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号三菱重工業株式会社高砂製作所内Ｆターム(参考） 3G002 GA02 GA08 GB01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガスタービン部のケーシングに固定され
て静翼の翼根部が固定される外側シュラウドを冷却蒸気
でインピンジ冷却するとともに、インピンジ冷却した冷
却蒸気を前記静翼内に穿設された静翼冷却通路に導入
し、静翼の冷却を行う蒸気冷却静翼において、複数のイ
ンピンジ孔が穿設されて外側シュラウド内を内側のキャ
ビティと外側の供給キャビティに仕切るインピンジ板
に、前記静翼冷却通路に直接連通するバイパス孔が設け
られ、前記供給キャビティに供給された前記冷却蒸気
を、インピンジ冷却した冷却蒸気とともに前記静翼冷却
通路に直接流入させるようにしたことを特徴とする蒸気
冷却静翼。
【請求項２】請求項１の蒸気冷却静翼を設けた静翼
と、前記静翼の後流側に配置された動翼とからなること
を特徴とするガスタービン。