JP2012202280A

JP2012202280A - ガスタービン冷却構造

Info

Publication number: JP2012202280A
Application number: JP2011066981A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Sakamoto; 康朗坂元; Eisaku Ito; 栄作伊藤; Satoru Haneda; 哲羽田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2012-10-22

Abstract

【課題】冷却孔の拡大率を大きくした場合であってもフィルム空気を冷却孔の出口で剥離させることなく、フィルム空気をガスタービン構成部材の壁面に沿わせて流すことにより冷却性能を向上させることができるガスタービン冷却構造を提供する。
【解決手段】ガスタービンの構成部材の壁部に前記構成部材の壁面にフィルム空気を沿わせて流す冷却孔１を備えるガスタービン冷却構造において、燃焼ガスの主流の流れ方向における前記冷却孔１の少なくとも上流側の壁面１１ａになめらかな曲面を有する凹部２を形成することとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン冷却構造に関する。

従来、ガスタービンにおいて、ガスタービン内部の動翼や静翼、動翼及び静翼のエンドウォール、動翼部の分割環、ガスタービン燃焼器の壁部等のガスタービン構成部材は、高温の燃焼ガスに曝されることにより高温となるため、冷却のために冷却空気が供給されている。

図５は、従来のガスタービン冷却構造の構成の一例を示した断面図である。なお、図５中、ｘ方向は燃焼ガスの主流の流れる方向を示し、ｙ方向はガスタービン構成部材の壁部の壁面延在方向において燃焼ガスの主流の流れる方向と直交する方向を示し、ｚ方向はガスタービン構成部材の壁部の厚さ方向を示している。

図５に示すように、従来のガスタービン冷却構造として、ガスタービン構成部材の壁部１１に孔（以下、冷却孔１０という）を形成し図５中に矢印Ｆで示すようにガスタービン構成部材の壁面に沿わせてフィルム空気を流し、このフィルム空気によりガスタービン構成部材を冷却する構成が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。

図５中に矢印Ｍで示す燃焼ガスの主流は、冷却孔１０の上流側のガスタービン構成部材の壁面１１ａから下流側の壁面１１ｂに沿って流れている。なお、冷却孔１０は、図５中にＡ_inで示す冷却孔１０の入口の面積と図５中にＡ_exitで示す冷却孔１０の出口の面積との比で示される拡大率「Ａ_exit／Ａ_in」を大きくするほど、フィルム空気による冷却性能を高めることができる。

特許第４１３７５０７号公報

上述した従来のガスタービン冷却構造においては、冷却孔１０の拡大率を大きくすることによりフィルム空気による冷却性能（フィルム効率）を向上させることができるが、ある値でフィルム効率は最大となり、それよりも冷却孔１０の拡大率を大きくした場合、フィルム空気が冷却孔１０の出口で冷却孔１０の壁面１０ａから剥離し、逆にフィルム空気による冷却性能（フィルム効率）が低下してしまうという問題がある。

以上のことから、本発明は、冷却孔の拡大率を従来においてフィルム効率が最大となっていた値よりも大きくした場合であってもフィルム空気を冷却孔の出口で剥離させることなく、フィルム空気をガスタービン構成部材の壁面に沿わせて流すことにより冷却性能を向上させることができるガスタービン冷却構造を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明に係るガスタービン冷却構造は、
ガスタービンの構成部材の壁部に前記構成部材の壁面にフィルム空気を沿わせて流す孔を備えるガスタービン冷却構造において、
燃焼ガスの主流の流れ方向における前記孔の少なくとも上流側の前記壁面になめらかな曲面を有する凹部を形成する
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第２の発明に係るガスタービン冷却構造は、第１の発明に係るガスタービン冷却構造において、
前記曲面を前記流れ方向における断面形状が余弦曲線により描かれる曲面とする
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第３の発明に係るガスタービン冷却構造は、第１の発明又は第２の発明に係るガスタービン冷却構造において、
前記凹部の燃焼ガスの主流の流れ方向の寸法Ｌと、前記凹部の深さＤの比「Ｌ／Ｄ」を０．２５以下とし、
前記孔の入口の面積Ａ_inと前記孔の出口の面積Ａ_exitの比「Ａ_exit／Ａ_in」を４．０以上とする
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第４の発明に係るガスタービン冷却構造は、第１の発明から第３の発明のうちのいずれかひとつに係るガスタービン冷却構造において、
前記孔を前記壁面の延在方向において燃焼ガスの主流の流れ方向と直交する方向に複数形成し、複数の前記孔のそれぞれの前記凹部を連続させて少なくとも１つの溝を形成する
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第５の発明に係るガスタービン冷却構造は、第１の発明から第３の発明のうちのいずれかひとつに係るガスタービン冷却構造において、
前記孔を前記壁面の延在方向において燃焼ガスの主流の流れ方向と直交する方向に複数形成し、それぞれの前記孔の周囲にのみ前記凹部を形成する
ことを特徴とする。

本発明によれば、冷却孔の拡大率を大きくした場合であってもフィルム空気を冷却孔の出口で剥離させることなく、フィルム空気をガスタービン構成部材の壁面に沿わせて流すことにより冷却性能を向上させることができるガスタービン冷却構造を提供することができる。

本発明の実施例に係るガスタービン冷却構造の構成を示した断面図である。本発明の実施例に係るガスタービン冷却構造と従来のガスタービン冷却構造における拡大率比とフィルム効率との関係を示した図である。本発明の実施例に係るガスタービン冷却構造において複数の冷却孔の凹部を連続させて形成した構成を示した模式図である。本発明の実施例に係るガスタービン冷却構造において複数の冷却孔の凹部を断続させて形成した構成を示した模式図である。従来のガスタービン冷却構造の構成の一例を示した断面図である。

以下、本発明に係るガスタービン冷却構造を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

以下、本発明に係るガスタービン冷却構造の実施例について説明する。
図１は、本実施例に係るガスタービン冷却構造の構成を示した断面図である。なお、図１中、ｘ方向は燃焼ガスの主流の流れる方向を示し、ｙ方向はガスタービン構成部材の壁部の壁面延在方向において燃焼ガスの主流の流れる方向と直交する方向を示し、ｚ方向はガスタービン構成部材の壁部の厚さ方向を示している。

図１に示すように、本実施例に係るガスタービン冷却構造は、ガスタービン構成部材の壁部１１に図１中に矢印Ｆで示すフィルム空気を流す孔（以下、冷却孔１という）が形成されている。なお、本実施例におけるガスタービン構造部材としては、例えば、動翼や静翼、動翼及び静翼のエンドウォール、動翼部の分割環、ガスタービン燃焼器の壁部等のガスタービン内部の様々な部材を想定することができる。

そして、本実施例に係るガスタービン冷却構造においては、ガスタービン構成部材の壁部１１の冷却孔１の少なくとも上流側の壁面１１ａになめらかな曲面を有する凹部２が形成されている。なお、本実施例においては、凹部２の曲面は燃焼ガスの主流の流れ方向（ｘ方向）における断面の形状が余弦曲線により描かれる曲面としたが、これ以外のなめらかな曲面としてもよい。また、本実施例においては、ガスタービン構成部材の壁部１１の冷却孔１の下流側の壁面１１ｂについても凹むようにしているが、冷却孔１の下流側の壁面１１ｂは凹んでいなくてもよい。

本実施例に係るガスタービン冷却構造においては、ガスタービン構成部材の壁部１１の冷却孔１の少なくとも上流側の壁面１１ａになめらかな曲面を有する凹部２を形成したことにより、図１中に矢印Ｍで示す燃焼ガスの主流が図１中に破線Ｐ_Hで示す部分で流速が減速し圧力が高くなり、図１中に破線Ｐ_Lで示す部分で流速が加速し圧力が低くなるため、フィルム空気は圧力が高い部分から圧力が低い部分へ流れることとなるため、冷却孔１の出口側壁面１ａからフィルム空気が剥離することを抑制してガスタービン構成部材の壁部１１の冷却孔１の下流側の壁面１１ｂに沿ってフィルム空気が流れやすくなる。

そして、本実施例においては、凹部２の燃焼ガスの主流の流れ方向の寸法をＬとし、凹部２の深さをＤとし、燃焼ガスの主流が凹部２に沿って流れやすくなるように考慮して図１中にθで示す余弦曲線の変曲点における接線の傾きを３０度とした場合、凹部２の燃焼ガスの主流の流れ方向の寸法Ｌと凹部２の深さＤの比「Ｌ／Ｄ」は、「Ｌ／Ｄ＝ｔａｎ３０°／π≒０．１８」となり、この値から余裕を見て「Ｌ／Ｄ」は０．２５以下と設定することとした。

図２は、本実施例に係るガスタービン冷却構造と従来のガスタービン冷却構造における拡大率比とフィルム効率との関係を示した図である。なお、図２においては、従来のガスタービン冷却構造におけるフィルム効率が最大となる拡大率を基準とし、この拡大率との比を横軸とし、フィルム効率を縦軸とした。よって、従来のガスタービン冷却構造においてフィルム効率が最大となるときの拡大率比を１として、従来のガスタービン冷却構造におけるフィルム効率を破線により示し、本実施例に係るガスタービン冷却構造におけるフィルム効率を実線により示している。

図２に示すように、従来のガスタービン冷却構造においてフィルム効率が最大となっている拡大率に対し、本実施例に係るガスタービン冷却構造においては拡大率がその１．２倍前後の時にフィルム効率が最大となっており、拡大率がその前後の時のフィルム効率が従来のガスタービン冷却構造におけるフィルム効率の最大値を上回っている。

このように、本実施例に係るガスタービン冷却構造においては、ガスタービン構成部材の壁部１１の冷却孔１の少なくとも上流側の壁面１１ａになめらかな曲面を有する凹部２を形成したことにより、上述したようにフィルム空気が冷却孔１の壁面１ａから剥離することを抑制してガスタービン構成部材の壁部１１の冷却孔１の下流側の壁面１１ｂに沿って流れやすくなったため、従来のガスタービン冷却構造ではフィルム効率が低下してしまう程度まで拡大率を拡大することが可能となり、冷却性能を向上させることができる。

図３は、本実施例に係るガスタービン冷却構造において複数の冷却孔１の凹部２を連続させて形成した構成を示した模式図である。また、図４は、本実施例に係るガスタービン冷却構造において複数の冷却孔１の凹部２を断続させて形成した構成を示した模式図である。なお、図３，４中、ｘ方向は燃焼ガスの主流の流れる方向を示し、ｙ方向は壁面の延在方向において燃焼ガスの主流の流れる方向と直交する方向を示し、ｚ方向はガスタービン構成部材の壁部の厚さ方向を示している。

本実施例に係るガスタービン冷却構造においては、図３に示すように、ｙ方向に複数形成した冷却孔１のうち少なくとも２つ以上の冷却孔１のそれぞれの凹部２を連続させて少なくとも１つ以上の溝として形成してもよいし、図４に示すように、それぞれの冷却孔１の周りにのみ凹部２を形成するようにしてもよい。なお、図４においては、Ｚ方向に見てほぼ円形の凹部２を形成する場合を例として説明するが、これ以外にも楕円形や角型等の形状としてもよい。

以上説明したように、本実施例に係るガスタービン冷却構造によれば、冷却孔１の拡大率を従来のガスタービン冷却構造においてフィルム効率が最大となっていた拡大率よりも大きくした場合であってもフィルム空気を冷却孔１の出口で剥離させることなく、フィルム空気をガスタービン構成部材の壁面１１ｂに沿わせて流すことにより冷却性能を向上させることができるガスタービン冷却構造を提供することができる。

本発明は、例えば、ガスタービン内部のガスタービン構成部材を冷却するガスタービン冷却構造に利用することが可能である。

１冷却孔
１ａ冷却孔の壁面
２凹部
１０冷却孔
１１壁部
１１ａ上流側の壁面
１１ｂ下流側の壁面

Claims

ガスタービンの構成部材の壁部に前記構成部材の壁面にフィルム空気を沿わせて流す孔を備えるガスタービン冷却構造において、
燃焼ガスの主流の流れ方向における前記孔の少なくとも上流側の前記壁面になめらかな曲面を有する凹部を形成する
ことを特徴とするガスタービン冷却構造。
前記曲面を前記流れ方向における断面形状が余弦曲線により描かれる曲面とする
ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン冷却構造。
前記凹部の燃焼ガスの主流の流れ方向の寸法Ｌと、前記凹部の深さＤの比「Ｌ／Ｄ」を０．２５以下とし、
前記孔の入口の面積Ａ_inと前記孔の出口の面積Ａ_exitの比「Ａ_exit／Ａ_in」を４．０以上とする
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガスタービン冷却構造。
前記孔を前記壁面の延在方向において燃焼ガスの主流の流れ方向と直交する方向に複数形成し、複数の前記孔のそれぞれの前記凹部を連続させて少なくとも１つの溝を形成する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載のガスタービン冷却構造。
前記孔を前記壁面の延在方向において燃焼ガスの主流の流れ方向と直交する方向に複数形成し、それぞれの前記孔の周囲にのみ前記凹部を形成する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載のガスタービン冷却構造。