JP2006266112A - タービン動翼 - Google Patents

Abstract

【課題】マルチホールによるタービン動翼の冷却を効率よく行うために、マルチホールの加工精度を上げて冷却空気流量を均一に規制することは困難なことを見出し、他の手段で個々のタービン動翼内の各冷却空気通路への冷却空気量配分を簡易かつ正確に調整することを課題とした。
【解決手段】タービン動翼１の先端３から翼底部５までそれぞれ独立した複数の冷却空気通路２となる貫通孔を設け、該翼体をタービンディスクに設置する翼底部５に、前記貫通孔にディスクからの空気を供給するためのオリフィス穴６−１を形成した板６を設け、該オリフィス穴６−１は前記貫通孔の翼底部開口部に接し且つ接する部分では該開口部よりも同等又はより小なる開口穴を有するオリフィス穴とした。
【選択図】図３

Description

本発明は先端から翼底面に独立した冷却通路を形成され、ここに冷却空気を供給されて動翼を冷却するタイプのタービン動翼に関する。

近年、ガスタービンなどの高効率化と高出力化を図るためタービン入口の燃焼ガス温度は高温化する傾向にある。高温ガスタービンのタービン動翼の内、冷却が必要な動翼は主として圧縮機からの空気を内部に流すことで冷却している。従って、ガスタービン動翼においては翼材料の耐熱性向上とともに、空気等の冷却用流体を用いて翼を冷却する構成が採用されている。動翼の空気冷却の方法としては、例えば翼内部に冷却空気通路を形成し、ガスタービン圧縮機等の吐出または圧縮機途中段の抽気を冷却空気通路に供給する方法が採用されている。

このうち冷却通路形状が半径方向にあけられた冷却方式を一般にマルチホール冷却という。この種の冷却通路を有するガスタービン動翼の例としては、例えば特許第３３６７６９７号公報に記載されたものがある。図６は同公報に示すガスタービン動翼の冷却通路の概略構成を示す動翼概観図（ａ）及び一部切り欠け図（ｂ）である。同図において、動翼１００はその先端から翼根部にかけて貫通した孔通路１０１を複数有し、これらの孔通路はそれぞれ動翼内では他の孔通路とは独立している。この孔通路は（ａ）のＳ−Ｓ線間を（ｂ）に示すように、動翼を円滑に冷却するために環状凹み１０２と環状リブ１０３が設けられており、更に動翼の中間部分には直線状の通路、円滑孔部に設定されている。

次に、冷却流量調整手段を備えたタービン動翼としては、特公平４−５１６４１号公報や特開２００１−１２２０５号公報に記載されたものがある。図７はその一つで、動翼２０１の翼内部をサーペンタインに形成した冷却通路２０２を有し、その供給口２０３をオリフィスプレート２０４で規制している。また図８は同公報のガスタービン動翼の一部切欠図（ａ）であり、動翼３０１の翼根部３０２での冷却通路３０３がタービンディスク３０４に取り付けられた構造を示す。ここにおいて、空間３０５を通じて冷却空気が各冷却通路３０３に供給される。図８（ｂ）は冷却空気を供給する手段として、オリフィス孔３０６を備えた流量調整板３０７が示され、図８（ｃ）はディスクへの取付け状態を示す。
特許第３３６７６９７号公報 特公平４−５１６１４号公報 特開２００１−１２２０５号公報

単にオリフィスを備えていただけでは、目的の効果は期待できない。マルチホールタイプの冷却通路は、通路となる貫通孔を機械加工で形成するのであるから、流量は孔径と孔内部の粗度によって決定されている。翼内部にサーペンタインのような、比較的大きな通路を形成するものは、精密鋳造によって流路を形成し、オリフィス穴を形成した板によって供給口を規制し、流量を決定している。最近、タービン動翼の冷却が設計通りでないことが見受られ、その原因がマルチホールでの流量規制にあることを見出した。即ち、マルチホールタイプでは、設計予測誤差や冷却孔自体の製品誤差によって、（１）冷却空気量過小は即ち、冷却性能不足につながる。また、（２）冷却空気量過大は即ち、性能低下につながる。即ち、動翼冷却空気としてはガスタービン圧縮機の吐出空気または中間段からの抽気が用いられるから、冷却空気の消費量が大きいと圧縮機動力が増大しガスタービンの効率が低下することとなる。マルチホールの孔精度を高めて対応する方式を検討したが、マルチホール自体、数が多く、均一化することは難しいことであり、また、冷却空気通路の加工精度を上げて流路抵抗を均一にするためには、動翼の冷却通路動の加工コストが大幅に増大する問題がある。
本発明では、別の手段として、的確な流量調整装置をマルチホールと組み合わせて的確なものとすることを課題とした。

本発明は上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
（１）翼体の先端から翼底部までそれぞれ独立した複数の冷却空気通路となる貫通孔を設け、該翼体をタービンディスクに設置する翼底部に、前記貫通孔にディスクからの空気を供給するためのオリフィス穴を形成した板を設け、該オリフィス穴は前記貫通孔の翼底部開口部に接し且つ接する部分では該開口部よりも同等又はより小なる開口穴を有するオリフィス穴としたことを特徴とするタービン動翼として、冷却通路を流れる的確な冷却空気の流量を規制し、冷却性能のよい通路とすることができた。
（２）オリフィス板に形成したオリフィス穴は翼底部と接する部分よりディスクと面する部分で開口面積を大きくしたことを特徴とする（１）記載のタービン動翼として、冷却空気が冷却通路に流れていくように方向つけができた。
（３）オリフィス穴の翼底部側とディスク側とで穴に傾斜を持たせたことを特徴とする（２）記載のタービン動翼によって、円滑な流れを形成することができた。
（４）オリフィス板のオリフィス穴を翼厚部分でのマルチホールに合わせて２列にしたことを特徴とする（１）記載のタービン動翼によって、翼内部に大きな空室を設けるのでなく、冷却通路を翼の両側に備えて表面を効率よく冷却するようにした。
（５）オリフィス板のオリフィス穴を翼厚部分でのマルチホールに合わせて千鳥足状にしたことを特徴とする請求項１記載のタービン動翼によって、あまり厚くない翼幅のものでも、２列状態とできる。
（６）翼前縁側のマルチホールの孔径を翼後縁側のマルチホールの孔径よりも大きくしたことを特徴とする（１）記載のタービン動翼によって、高温ガスに晒される前縁側をより冷却しやすいように効率のよい冷却空気利用とした。
（７）翼体の先端から翼底部までそれぞれ独立した複数の冷却空気通路となる貫通孔を設け、該翼体をタービンディスクに設置する翼底部に、前記貫通孔にディスクからの空気を供給するためのオリフィス穴を形成した板を設けるとともに該板に合致するように翼根底部に溝を形成したことを特徴とするタービン動翼によって、オリフィスの取付が自在にできる。
（８）翼体の先端及び翼底部から機械加工して中間部で合致させてそれぞれ独立した複数の冷却空気通路となる貫通孔を設けたことを特徴とする請求項１記載のタービン動翼によって、機械加工しやすくでき、加工性のよいものとすることがよい。

本発明では動翼を均一に冷却するためには、前記貫通孔の翼底部開口部よりも同等又はより小なる開口穴を有するオリフィス穴とし、各マルチホールに適量の冷却空気が供給され、更にはマルチホールの孔とオリフィスの穴の開口形状などによって、マルチホールへ適量に冷却空気を調整できる。更に動翼の特に高温となる部分にあっては、冷却空気を多く送るようにできる。従って、必要かつ最小の適切な空気流量によって最大限の冷却ができるので、その効果は大である。

以下、本発明について図を参照して説明する。
図１は、本発明１実施例ガスタービン動翼の正面図であり、動翼１は、耐熱材料から形成され、内部には複数の独立した冷却通路、マルチホール２が穿孔又は成形されている。このマルチホールは翼の先端３と翼根部４とに連なりそれぞれ翼の先端３及び翼底部５にて開口している。冷却空気は、図の矢印から各マルチホールに供給され、動翼を冷却しながら、翼先端から高温ガス通路に排出される。
１実施例では、マルチホールの穴は翼体を機械加工によって穿孔され、翼先端から中段までのマルチホール２ａは１〜２mm程度の孔径とし、また翼底部から中段までのマルチホール２ｂは、２ａより大き目の孔径にして３〜４mm程度の孔を穿孔し、中段において合致して貫通孔とする。このように翼の底部に近いところの通路は比較的孔径を大きくしているので冷却空気の流れが円滑にいく。また、穿孔は翼先端からと翼底部とからそれぞれ行うので、加工時間が短縮されるし、穿孔の仕損じも少なくなる。
図２は、図１のＡ部を底面から見た説明図であり、（ａ）は翼底面であり、（ｂ）はオリフィス板６の底面であり、（ｃ）はオリフィス板６の断面図である。翼底面に開口しているマルチホール２の穴開口部２−１に当接するオリフィス穴６−１が設けられている。オリフィス板の厚みと穴口径とは冷却空気取り入れに重要な役割をし、冷却通路マルチホールの長さ、口径によっても規定される。また、同じマルチホール通路の口径でも翼前縁側２−２の孔面積を他より大きくすることも、翼前縁での高温に対し、有効な冷却が可能である。動翼の後縁側では他より小さなマルチホール口径でよく、できるだけ効率のよい冷却空気利用とすることが出力にも影響する。（ｃ）はオリフィス穴がマルチホールの孔に合わせて翼厚方向で千鳥足状に設計されており、（ｄ）は他実施例で、翼の厚みが比較的厚いものであり、翼厚方向に合わせて穴が２列状になっている。
図３は、図１Ａ部のより詳細な断面図であり、（ａ）は翼根部４とオリフィス板６の取り付け構造を示し、（ｂ）はオリフィス板の底面図を示す。図に詳細示すように、このオリフィス穴の当接する側の口径ｄは、貫通孔２の翼底部開口部口径Ｄよりも同等又はより小なる口径を有する。これにより、流量が規制され、適切量に制御される。
図４は、オリフィス孔の開口状態を示した部分断面図であり、（ａ）はハの字型でマルチホール側に口径の小さな面が当接するようにされ、そこからディスクと面する部分に向けて穴に傾斜面を設けている。これはオリフィス板厚みの大きな場合に使用されることが多い。（ｂ）は略垂直の孔であり、これは板厚みの薄い場合に使用されることが多い。（ｃ）は、オリフィス穴のディスクに面する側にＲ部（丸み）を施した穴形状として、冷却空気の円滑な流れを企図したもので、ディスク側空気供給通路が広い場合に有効である。このうち、（ｂ）の略垂直孔は流量調整がしやすいという特徴がある。このように、オリフィス穴を設けた板によって規制できるので、穴の調整が簡単である。

図５は、冷却空気量のばらつきによる影響について、本発明と従来技術との対比を表したものである。（１）は動翼メタル温度への影響を表し、縦軸はメタル温度、横軸は冷却空気量を示し（以下横軸は同じ）、従来のマルチホールの孔と内部粗度での流量規制によるばらつきの範囲ａを示し、それについて本発明でのばらつきの範囲ｂではその範囲が狭くなり、ばらつきが小さいので、冷却性能が効率よく行われていることがわかる。（２）は動翼の寿命比較を示し（縦軸を寿命とする）、従来ａでは寿命にばらつきがあるためにかなり早めの交換を必要とするのに対し、本発明ｂでは、寿命のばらつきが一定しているので交換するときにも一度に交換することができるので、大変効率的且つ経済的である。
（３）はガスタービン本体の出力（縦軸に出力をとる）に関する影響で、従来技術ではばらつきにより本体出力にもばらつきが生じ（ａ）、本発明では、ばらつきが少ないので、安定した出力を供給できる（ｂ）。
（４）はガスタービン効率についても、従来技術のばらつきによる効率のばらつきが生じ、本発明では効率にばらつきのない運転が可能であり、効率アップが見込める。
ディスク側の冷却空気供給は、ロータ中心からディスク内の通路を経て、供給通路に入ってきて、オリフィス穴を通じて各マルチホールに供給される。また、オリフィス板は翼根部底面に差込みできるように、スライドできる溝を形成しておくことは、組付け時に有効である。

本発明によって、冷却孔加工誤差や設計誤差による、即ち冷却空気量過小によるタービン翼メタル温度過大による信頼性低下や、冷却空気量過大によるガスタービン性能低下のリスクを防ぐことができる。このように、設計予測誤差の調整及び製品誤差の調整に適用でき、産業上、利用可能性が特に大である。

本発明１実施例のガスタービンのタービン動翼の正面図である。 図１のＡ部を底面から見た説明図である。 図１Ａ部のより詳細な断面図である。 本発明1実施例に用いるオリフィス孔の開口状態を示した部分断面図である。 本発明と従来技術とのばらつき対比表である。 従来ガスタービン動翼の正面図（ａ）、Ｓ−Ｓ部分一部切り欠き図（ｂ）である。 他の従来例動翼の断面図である。 更に他の従来ガスタービン動翼の冷却空気流量調整構造の正面図（ａ）、冷却空気流量調整板の斜視図（ｂ）、及び冷却流量調整板の取付構造断面図（ｃ）である。

符号の説明

１ タービン動翼
２ マルチホール
２−１ 開口部
３ 翼先端
４ 翼根部
５ 翼底部
６ オリフィス板
６−１ オリフィス穴

Claims (8)

1. 翼体の先端から翼底部まで機械加工によりそれぞれ独立した複数の冷却空気通路となる貫通孔を設け、該翼体をタービンディスクに設置する翼底部に、前記貫通孔にディスクからの空気を供給するためのオリフィス穴を形成した板を設け、該オリフィス穴は前記貫通孔の翼底部開口部に接し且つ接する部分では該開口部よりも同等又はより小なる開口穴を有するオリフィス穴としたことを特徴とするタービン動翼。
2. オリフィス板に形成したオリフィス穴は翼底部と接する部分よりディスクと面する部分で開口面積を大きくしたことを特徴とする請求項１記載のタービン動翼。
3. オリフィス穴のディスク側にＲ部を設けたことを特徴とする請求項２記載のタービン動翼。
4. オリフィス板のオリフィス穴を翼厚部分でのマルチホールに合わせて２列にしたことを特徴とする請求項１記載のタービン動翼。
5. オリフィス板のオリフィス穴を翼厚部分でのマルチホールに合わせて千鳥足状にしたことを特徴とする請求項１記載のタービン動翼。
6. 翼前縁側のマルチホールの孔径を翼後縁側のマルチホールの孔径よりも大きくしたことを特徴とする請求項１記載のタービン動翼。
7. 翼体の先端から翼底部までそれぞれ独立した複数の冷却空気通路となる貫通孔を設け、該翼体をタービンディスクに設置する翼底部に、前記貫通孔にディスクからの空気を供給するためのオリフィス穴を形成した板を設けるとともに該板に合致するように翼根底部に溝を形成したことを特徴とするタービン動翼。
8. 翼体の先端及び翼底部から機械加工して中間部で合致させてそれぞれ独立した複数の冷却空気通路となる貫通孔を設けたことを特徴とする請求項１記載のタービン動翼。

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