JP2009257281A - ガスタービン静翼およびガスタービン装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン静翼のシールプレートが挿入される側壁縁部を効果的に冷却する。
【解決手段】隣接する静翼側壁２０１のセグメント同士が互いに周方向に対向する位置に静翼シール溝１０ａ，１０ｂが形成され、周方向に互いに対向する１対の静翼シール溝１０ａ，１０ｂにシールプレート５が挿入されている。シールプレート５の静翼シール溝１０ａ，１０ｂの底部に面する側の一部が切り欠かれて、この切り欠かれた部分と静翼シール溝１０ａ，１０ｂの底部との間に冷却空間１１が形成されている。冷却空気を冷却空間１１に導く複数のインピンジメント冷却孔１２が静翼側壁２０１に形成され、冷却空間１１内を通った冷却空気を燃焼ガス流路２０側に導いて燃焼ガスに合流させる冷却空気排出通路９，７が静翼側壁２０１に形成されている。
【選択図】図１

Description

この発明はガスタービン静翼およびそれを利用したガスタービン装置に関する。

ガスタービンは、一般にガスタービンに直結された圧縮機により高圧力に圧縮された作動流体を発生させ、そしてこの作動流体に燃料を加え燃焼させ、高温高圧の作動流体を得てタービンを駆動するように構成されている。このタービンの回転エネルギは、たとえばタービンに結合されている発電機により電気エネルギに変換される。

今日のガスタービンは蒸気タービンを組み合わせたコンバインドサイクルにより効率向上が図られており、今後の更なる効率向上が望まれている。コンバインドサイクルの効率向上を図るには、ガスタービン作動流体のより一層の高温高圧化が望まれている。そのため、ガスタービンの高温ガスにさらされる高温部品の溶融や、酸化減肉、あるいは熱応力によるき裂等の損傷の発生を最小限に抑える冷却技術が必要となっている。

ガスタービンの作動流体を高温化した場合、最も熱負荷が大きい第１段静翼は高度な冷却構造が要求され、翼部だけでなく周方向に環状ガスパス流路を構成する側壁部も翼部と同様に積極的な冷却が必要である。ガスタービン静翼は、図１１、図１２および図１３に示すように周方向にいくつかのセグメントに分割されて配置され、各々の静翼セグメントは下側壁２０１および上側壁２０２（両者を合わせて側壁２と呼ぶ）の縁部３ａ、３ｂでシールプレート５を介して連結されている。一般的に、静翼側壁２は内面側からインピンジメントプレート４を介してインピンジメント冷却され、インピンジメント後の冷却空気は吹出し冷却孔から燃焼ガス流路２０側面に吹き出され、静翼側壁２の燃焼ガス側表面を膜冷却する。

近年のガスタービンの高温化に伴い、静翼セグメント下流側のシールプレート５が挿入される側壁縁部３ａ、３ｂで酸化減肉やき裂等の損傷増大が見受けられる。図１３に示す従来の静翼側壁２の冷却構造では、静翼側壁縁部３ａ、３ｂのシールプレート５が挿入される部分は、前述のインピンジメント冷却が及ばない部位であり、相対的にメタル温度が高くなる傾向にある。さらに、燃焼ガスが静翼から流出する部位の側壁２表面の熱伝達率は、相対的に大きい傾向にあることが流体解析的に解っている。したがってこれらの要因が重なり合うことで損傷が発生するものと想定される。
特開２００３−１２９８０３号公報

前述の問題を解決するために、特許文献１に記載された技術が知られている。しかしながら、これには以下のような問題があり、充分な冷却効果が得られない。

すなわち、特許文献１に記載された一つの技術によれば、シールプレート５の損傷近傍に貫通孔（図示せず）を設け、この貫通孔を通して冷却空気を損傷近傍の側壁縁部３ａ、３ｂの空間７に吹き出し、この部位を冷却する。さらに吹き出した冷却空気は主流ガスによって下流側の側壁背側縁部３ｂを膜冷却する。しかし、この構造では、吹き出した膜冷却は下流側のみとなることと、冷却空気を吹き出した側壁縁部の空間７で充分な冷却効果を得るためには、多量の冷却空気が必要となる。

また、特許文献１に記載されたもう一つの技術によれば、シールプレート５の静翼シール溝１０ａ、１０ｂの挿入方向周囲に複数の溝（図示せず）を設け、このシールプレート５を静翼側壁縁部３ａ、３ｂの静翼シール溝１０に嵌め込むことで、側壁冷却空気側から燃焼ガス側にシールプレート５周囲の冷却通路が形成される。この冷却通路を冷却空気が流れ、かつ前記セグメント間の側壁縁部の空間７に吹き出すことで効果的に冷却される。しかしながら、この方法では薄いシールプレート５の肉厚方向の両面に溝を加工する必要があって、加工が困難であるとともに強度的にも問題がある。

本発明の目的は、ガスタービン静翼のシールプレートが挿入される側壁縁部を効果的に冷却することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るガスタービン静翼は、周方向に複数のセグメントに分割されて、各セグメントが連結されたときに環状となる第１の静翼側壁と、各セグメントが連結されたときに前記第１の静翼側壁を取り囲む環状となる第２の静翼側壁と、前記第１および第２の静翼側壁にはさまれた環状の燃焼ガス流路で周方向に互いに間隔をあけて配列されて前記第１および第２の静翼側壁に固定される複数の静翼有効部とを有して静翼段落が構成され、前記第１および第２の静翼側壁の燃焼ガス流路と反対側に冷却空気が流通するように構成されたガスタービン静翼において、互いに隣接する前記第１の静翼側壁のセグメント同士または第２の静翼側壁のセグメント同士が互いに周方向に対向する位置に周方向に延びる静翼シール溝が形成され、前記周方向に互いに対向する１対の静翼シール溝に共通のシールプレートが挿入され、前記シールプレートの前記静翼シール溝の底部に面する側の一部が切り欠かれて、この切り欠かれた部分と前記静翼シール溝の底部との間に冷却空間が形成され、前記冷却空気を前記冷却空間に導く複数のインピンジメント冷却孔が前記第１または第２の静翼側壁に形成され、前記冷却空間内を通った冷却空気を前記燃焼ガス流路側に導いて燃焼ガスに合流させる冷却空気排出通路が前記第１または第２の静翼側壁に形成されていること、を特徴とする。

また、本発明に係るガスタービン装置は、上記特徴を持つガスタービン静翼を有する。

本発明によれば、ガスタービン静翼のシールプレートが挿入される側壁縁部を効果的に冷却することができる。

［第１の実施形態］
図１と図２に本発明の第１の実施形態を示す。図１は第１の実施形態に係るガスタービン静翼側壁の縁部冷却構造を示す燃焼ガス側から見た斜視図であり、図２は図１のII−II線矢視部分断面図である。また、図１１および図１２に示される構成は、この実施形態でも共通である。図１２のXIII−XIII線矢視断面が、この実施形態では図２に示すようになる。

この実施形態のガスタービン静翼は、周方向にいくつかのセグメントに分割されて製造され、それらが周方向に配列されて全体で円環状に構成される。静翼側壁２は、下部側壁（第１の静翼側壁）２０１と上部側壁（第２の静翼側壁）２０２とからなり、下部側壁２０１、上部側壁２０２それぞれが、周方向に配列されて全体で円環状をなす。上部側壁２０２は全体で下部側壁２０１を囲むように配置され、下部側壁２０１と上部側壁２０２にはさまれた環状空間が燃焼ガス流路２０となって、ここを燃焼ガスが矢印２１の方向に流れる。燃焼ガス流路２０内で、下部側壁２０１と上部側壁２０２とを連絡するように複数の静翼有効部１が、周方向に互いに間隔をおいて配列されている。

以下、下部側壁２０１の縁部３ａ、３ｂ付近の構造について説明する。上部側壁２０２についても同様である。

互いに周方向に隣接する二つのセグメントの側壁の腹側の縁部３ａと背側の縁部３ｂが互いに対向しており（図１２参照）、この対向する位置にシール溝１０ａ、１０ｂが形成されている。このシール溝１０ａ、１０ｂには平板状のシールプレート５が挿入されている。

側壁の縁部３ａと縁部３ｂは間隔を隔てて互いに対向しており、それらの間でシールプレート５よりも燃焼ガス流路２０側に側壁縁部空間７が形成されている。

静翼の側壁２０１の燃焼ガス流路２０の反対側には、この側壁２０１に沿ってインピンジメントプレート４が配置され、インピンジメントプレート４には複数の貫通孔２２が形成されている。冷却空気がこれらの貫通孔２２を通って静翼の側壁２０１表面に供給されて側壁２０１がインピンジメント冷却される。

シールプレート５の側壁腹側縁部３ａと背側縁部３ｂそれぞれの静翼シール溝１０ａ、１０ｂ底部に面する側は一部が切り欠かれ、この切欠き部とそれぞれの静翼シール溝１０ａ、１０ｂ底部との間に冷却空間１１が構成され、さらに環状に結合された側壁２０１の冷却空気側から冷却空間１１に通じる複数のインピンジメント冷却孔１２が側壁縁部３ａ、３ｂに設けられている。さらに、シールプレート５の燃焼ガス流路２０側面に、冷却空間１１に通じる複数の溝８が設けられ、この溝８と対向する腹側、背側それぞれの静翼シール溝面１０ａ、１０ｂとの間で周方向対流冷却通路９が構成され、かつこの冷却通路９は側壁腹側縁部３ａと側壁背側縁部３ｂとの間の側壁縁部空間７に通じている。すなわち、冷却通路９と側壁縁部空間７とで冷却空気排出通路を構成している。

上記構成で、冷却空気側からインピンジメント冷却孔１２を通って冷却空気が冷却空間１１に流入し、静翼シール溝１０ａ、１０ｂ内面をインピンジメント冷却する。さらにインピンジメント冷却後の冷却空気は、周方向対流冷却通路９を通過しながら、静翼シール溝１０ａ、１０ｂ内面を対流冷却し、側壁縁部空間７に吹き出す。さらにこの冷却空気は側壁縁部空間７を通過して燃焼ガス流路２０に吹き出し、その後下流側の背側縁部３ｂを膜冷却する。

以上により、側壁縁部３ａ、３ｂを静翼シール溝１０ａ、１０ｂ内面からインピンジメント冷却と対流冷却し、さらに燃焼ガス流路１０側面を膜冷却することで効果的な冷却が可能となる。さらにシールプレート５への追加工も容易な構造となっている。

［第２の実施形態］
図３と図４に本発明の第２の実施形態を示す。図３は第２の実施形態に係るガスタービン静翼側壁の縁部冷却構造を示す燃焼ガス側から見た斜視図であり、図４は図３のIV−IV線矢視部分断面図である。第１の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

本実施形態は、第１の実施形態に対して、シールプレート５上の溝８を無くし、代わりに冷却空間１１から燃焼ガス流路２０側に通じる複数の吹出し冷却孔１３を側壁縁部３ａ、３ｂに設ける構造となっている。

すなわちこの場合は、吹出し冷却孔１３が冷却空気排出通路を構成している。吹出し冷却孔１３は、図４に示すように、燃焼ガス流路２０の下流側に向かうように傾斜しているのが好ましい。

前記構成にすることで、冷却空気側からインピンジメント冷却孔１２を通って冷却空気が冷却空間１１に流入し、静翼シール溝１０ａ、１０ｂ内面をインピンジメント冷却する。さらにインピンジメント冷却後の冷却空気は、吹出し冷却孔１３を通って、側壁縁部３ａ、３ｂを吹出し冷却孔１３内面から対流冷却しつつ燃焼ガス流路２０に吹き出し、側壁縁部３ａ、３ｂの表面を膜冷却する。

第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果が得られるとともに側壁腹側縁部３ａから吹き出した冷却空気は側壁腹側縁部３ａと背側縁部３ｂを含めて膜冷却する。さらに本実施形態ではシールプレート５の周方向溝加工が不要となる。

［第３の実施形態］
図５、図６および図７に本発明の第３の実施形態を示す。図５は第３の実施形態に係るガスタービン静翼側壁の縁部冷却構造を示す燃焼ガス側から見た斜視図であり、図６は図５のVI−VI線矢視部分断面図、図７は図５のVII−VII線矢視部分断面図である。第１の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

この実施形態では、シールプレート５の切欠き部は静翼上流側端部に設けられ、この部位に第１の実施形態と同様な冷却空間１１を形成するとともに前記と同様なインピンジメント冷却孔１２によるインピンジメント冷却構造としている。

さらに静翼下流側に向かっては、シールプレート５の厚み方向の燃焼ガス流路２０側を切り欠き、この切欠き面と対向する側壁縁部静翼シール溝１０ａ、１０ｂ面との間で静翼上流側から下流側への軸方向対流冷却通路１４が形成される。さらにシールプレート５の下流端部側は、シールプレート５の燃焼ガス流路２０側面に、軸方向対流冷却通路１４に通じる複数の溝８を設け、この溝８と対向する側壁縁部静翼シール溝１０ａ、１０ｂ面との間で周方向対流冷却通路９を形成し、かつこの冷却通路９は側壁腹側縁部３ａと側壁背側縁部３ｂとの間の側壁縁部空間７に通じている。

前記構成にすることで、冷却空気側からインピンジメント冷却孔１２を通って冷却空気が冷却空間１１に流入し、静翼シール溝１０ａ、１０ｂ内面をインピンジメント冷却する。さらにインピンジメント冷却後の冷却空気は、軸方向対流冷却通路１４を通過しながら静翼シール溝１０ａ、１０ｂ内面を対流冷却する。軸方向に冷却した冷却空気は、周方向対流冷却通路９に流入し、静翼シール溝１０ａ、１０ｂ内面を対流冷却した後、側壁縁部空間７に吹き出す。さらにこの冷却空気は側壁縁部空間７を通過して燃焼ガス流路２０に吹き出し、その後下流側の背側縁部３ｂを膜冷却する。

第３の実施形態によれば、側壁縁部３ａ、３ｂを静翼シール溝１０ａ、１０ｂ内面からインピンジメント冷却し、さらに軸方向に対流冷却するため軸方向に広範囲の領域を冷却可能な構造となっている。また軸方向下流側では周方向対流冷却通路９による冷却と燃焼ガス流路２０側を膜冷却することでさらに効果的な冷却が可能となる。したがって、酸化減肉等の損傷が激しい部位にシールプレートの下流側を配置することで、より均一なメタル温度分布を得ることが可能となる。

［第４の実施形態］
図８、図９および図１０に本発明の第４の実施形態を示す。図８は第４の実施形態に係るガスタービン静翼側壁の縁部冷却構造を示す燃焼ガス側から見た斜視図であり、図９は図８のIX−IX線矢視部分断面図、図１０は図８のＸ−Ｘ線矢視部分断面図である。第２または第３の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

本実施形態は、第３の実施形態に対して、シールプレート５上の溝８を無くし、代わりに、第２の実施形態と同様に冷却空間１１から燃焼ガス流路２０側に通じる複数の吹出し冷却孔１３を側壁縁部３ａ、３ｂに設ける構造となっている。

このような構成にすることで、冷却空気側からインピンジメント冷却孔１２を通って冷却空気が冷却空間１１に流入し、静翼シール溝１０ａ、１０ｂ内面をインピンジメント冷却する。さらにインピンジメント冷却後の冷却空気は、軸方向対流冷却通路１４を通過しながら静翼シール溝１０ａ、１０ｂ内面を対流冷却する。軸方向に冷却した冷却空気は、吹出し冷却孔１３を通って側壁縁部３ａ、３ｂを吹出し冷却孔１３内面から対流冷却を行ないつつ燃焼ガス流路面に吹き出し、側壁縁部３ａ、３ｂの表面を膜冷却する。

第４の実施形態によれば、第３実施形態と同様な効果が得られるとともに側壁腹側縁部３ａから吹き出した冷却空気は側壁腹側縁部３ａと背側縁部３ｂを含めて膜冷却する。さらに本実施形態によりシールプレートの周方向溝８加工が不要となる。

［他の実施形態］
以上、説明した実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。たとえば、第１の実施形態と第２の実施形態の特徴を組み合わせることが可能であり、その場合さらに冷却効果が向上する。また同様に第３の実施形態と第４の実施形態を組み合わせて冷却効果を向上させることも可能である。

さらに上述の実施形態は、側壁腹側縁部および背側縁部ともに同じ冷却構造とした場合を示しているが、腹側と背側で上記第１〜第４の実施形態の特徴を別々に組み合わせることも可能である。

また、上記実施形態の説明は、下部側壁（第１の静翼側壁）２０１とその周辺の構造に本発明を適用した例として示したが、上部側壁（第２の静翼側壁）２０２とその周辺の構造に本発明を適用することもでき、下部側壁２０１とおよび上部側壁２０２の両方の周辺の構造に本発明を適用してもよい。

本発明の第１の実施形態に係るガスタービン静翼側壁の縁部冷却構造を示す燃焼ガス側から見た斜視図。 図１のII−II線矢視部分断面図。 本発明の第２の実施形態に係るガスタービン静翼側壁の縁部冷却構造を示す燃焼ガス側から見た斜視図。 図３のIV−IV線矢視部分断面図。 本発明の第３の実施形態に係るガスタービン静翼側壁の縁部冷却構造を示す燃焼ガス側から見た斜視図。 図５のVI−VI線矢視部分断面図。 図５のVII−VII線矢視部分断面図。 本発明の第４の実施形態に係るガスタービン静翼側壁の縁部冷却構造を示す燃焼ガス側から見た斜視図。 図８のIX−IX線矢視部分断面図。 図８のＸ−Ｘ線矢視部分断面図。 一般的なガスタービン静翼の構成図。 図１１のXII−XII線矢視断面図。 図１２のXIII−XIII線矢視断面図。

符号の説明

１…静翼有効部、 ２…静翼側壁、 ３ａ，３ｂ…側壁縁部、 ４…インピンジメントプレート、 ５…シールプレート、 ６…シールプレート貫通孔、 ７…側壁縁部空間（冷却空気排出通路）、 ８…シールプレート周方向溝、 ９…周方向対流冷却通路（冷却空気排出通路）、 １０ａ，１０ｂ…静翼シール溝、 １１…冷却空間、 １２…インピンジメント冷却孔、 １３…吹出し冷却孔、 １４…軸方向対流冷却通路、 ２０…燃焼ガス流路、 ２２…貫通孔、 ２０１，２０２…側壁

Claims (5)

1. 周方向に複数のセグメントに分割されて、各セグメントが連結されたときに環状となる第１の静翼側壁と、各セグメントが連結されたときに前記第１の静翼側壁を取り囲む環状となる第２の静翼側壁と、前記第１および第２の静翼側壁にはさまれた環状の燃焼ガス流路で周方向に互いに間隔をあけて配列されて前記第１および第２の静翼側壁に固定される複数の静翼有効部とを有して静翼段落が構成され、前記第１および第２の静翼側壁の燃焼ガス流路と反対側に冷却空気が流通するように構成されたガスタービン静翼において、
   互いに隣接する前記第１の静翼側壁のセグメント同士または第２の静翼側壁のセグメント同士が互いに周方向に対向する位置に周方向に延びる静翼シール溝が形成され、
   前記周方向に互いに対向する１対の静翼シール溝に共通のシールプレートが挿入され、
   前記シールプレートの前記静翼シール溝の底部に面する側の一部が切り欠かれて、この切り欠かれた部分と前記静翼シール溝の底部との間に冷却空間が形成され、
   前記冷却空気を前記冷却空間に導く複数のインピンジメント冷却孔が前記第１または第２の静翼側壁に形成され、
   前記冷却空間内を通った冷却空気を前記燃焼ガス流路側に導いて燃焼ガスに合流させる冷却空気排出通路が前記第１または第２の静翼側壁に形成されていること、
   を特徴とするガスタービン静翼。
2. 前記冷却空気排出通路は、シールプレートの燃焼ガス流路側の面に形成されて周方向に延びて前記冷却空間に通じる複数のシールプレート溝とこのシールプレート溝に対向する静翼シール溝面との間に形成される周方向対流冷却通路と、この周方向対流冷却通路の下流側にあって互いに隣接するセグメント間の第１または第２の側壁の燃焼ガス流路側の周方向縁部にはさまれた側壁縁部空間とを含むことを特徴とする請求項１記載のガスタービン静翼。
3. 前記冷却空気排出通路は、前記第１または第２の側壁に形成されて前記冷却空間から燃焼ガス流路側に通じる複数の吹出し冷却孔を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスタービン静翼。
4. 前記静翼シール溝内の前記冷却空間と冷却空気排出通路との間に、前記静翼シール溝内の前記シールプレートの前記燃焼ガス流路側の厚さ方向の一部が切り欠かれて、前記静翼シール溝が延びる方向に沿って軸方向対流冷却通路が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のガスタービン静翼。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のガスタービン静翼を有するガスタービン装置。

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