JP2015229981A - 軸流タービン静翼 - Google Patents

Abstract

【課題】静翼の入口角と作動流体の流入角の差のインシデンスが大きくなるガスタービンの運転時に、タービン翼の翼形損失の増加を抑制すると共に、冷却孔から供給する冷却空気をタービン静翼の表面に沿ってフィルム状に供給してタービン静翼の冷却効率を向上する。
【解決手段】翼面に冷却空気を供給する冷却孔を有する軸流タービン静翼であって、誘導翼をタービン静翼の前縁部の上流側に設け、誘導翼の下流側とタービン静翼の前縁部との間に該タービン静翼の冷却孔から噴出する冷却空気の一部を淀ませる淀み部を形成し、淀み部と連通して誘導翼の下流側の一方の縁とタービン静翼の腹側の圧力面との間を最短で結ぶ流路間隙となる第１のスリット部と、誘導翼の下流側の他方の縁とタービン静翼の背側の負圧面との間を最短で結ぶ流路間隙となる第２のスリット部をそれぞれ形成した軸流タービン静翼。
【選択図】図４

Description

本発明は、ガスタービンに用いられる軸流タービン静翼に関しており、特に翼形損失の改善及びタービン静翼の熱負荷についてタービン静翼の冷却効率向上の面より改善を図った軸流タービン静翼に関する。

ガスタービン、並びに蒸気タービンなどの軸流タービンにおいては、性能向上を目的とした種々の技術が採用されており、近年は高効率のタービンを実現している。

タービンの性能向上を実現するためには、タービン内部の圧力、段落、排気、機械等の各損失を低減させることが必要であり、さらに使用する作動流体によっては、タービン翼に対する高温対策が必要不可欠となる。

はじめに軸流タービンにおける段落損失について説明する。軸流タービンの段落損失は大きく分けて、二次流れ損失、翼形損失、漏れ損失などがある。これらの損失はタービンの各段落に共通する損失であり、タービン全体の損失の中でも大きな割合を占める。

ここでは、軸流タービンの段落損失のうち、二次流れ損失と翼形損失について説明する。二次流れ損失は翼間の圧力差で生じる二次流れの影響により、タービン静翼の翼前縁より発生する渦が翼間にて発達し、隣接するタービン静翼の間の翼間流路に流路渦を形成することが主な原因である。

そして、二次流れ損失は、特に、翼長の短いタービン静翼で二次流れ損失の影響が非常に大きいことが知られている。

一方、翼形損失は二次元翼素に関する損失である。この場合、翼形損失の低減策としては、主にタービン翼形を高性能化することや、タービン静翼への作動流体の流入角を適正化する方法などが知られている。

例えば、タービン静翼への作動流体の流入角については、軸流タービンの起動／停止時と、定格運転時に、作動流体の流入角が大きく異なる場合がある。

このため、タービン静翼の設計では、タービン静翼の入口角と作動流体の流入角との差であるインシデンスと呼ばれる指標を用い、インシデンスが大きくなってもタービン静翼の翼性能が低下しないようにタービン静翼の翼形を設計する方法が採られている。

以上に述べた損失低減方法に加え、タービン静翼に対して、耐熱対策を施す必要がある場合もある。特にガスタービンにおいては、作動流体として千数百℃に達する高温高圧ガスを使用するため、タービン静翼に熱負荷が生じる。このため一般的にタービン静翼を冷却する必要がある。

タービン静翼の冷却方法として、例えばタービン静翼内部に冷却空気を供給してタービン静翼を冷却する方法と、タービン静翼の表面に冷却孔と呼ばれる孔を設け、この冷却孔から翼表面上に冷却空気を供給してタービン静翼を冷却する方法に大別される。特に後者のタービン静翼を冷却する方法は、一般にフィルム冷却法と呼ばれている。

タービン静翼の表面に設けた冷却孔は、タービン静翼の背側および腹側に設けられており、これらの孔から翼表面上に冷却空気を供給することによってタービン静翼を冷却する。

上記に述べた冷却方法によってタービン静翼の冷却を実現しているが、タービン静翼の冷却性能はタービン静翼の背側および腹側に設けた冷却空気を供給する冷却孔の幾何学形状の影響を受けるため、冷却効率の面を考えると、冷却孔下流側の冷却効率は冷却孔付近の冷却効率と比較して低くなるという課題がある。

このため、タービン静翼の冷却空気を供給する冷却孔と冷却効率に関しては、タービン翼面上の冷却孔の位置、形状、タービン静翼の翼面に対して冷却空気を供給する吹き出し角度、作動流体に対して冷却空気を供給する吹き出し角度など、多くの幾何学的パラメータに依存することが知られている。

タービン静翼に対して作動流体の流入角を適正化した一例として、特許４６０７１９５号公報に記載された技術がある。

この特許４６０７１９５号公報では、複数の燃焼器を備えたガスタービンにおいて、タービン入口における流れ分布の不均一性に対処することを目的に、タービン静翼の上流側に案内羽根を設けることによって、タービン静翼に均一化した流れ分布の作動流体を供給する技術を開示されている。

また、タービン静翼の熱負荷を低減する一例として、特開平１０−３７７０１号公報に記載された技術がある。

この特開平１０−３７７０１号公報では、ガスタービン入口の温度が次第に高温になることを踏まえ、冷却空気を放出することなく十分な耐熱が可能となるよう、タービン静翼の先端部を一部被覆した構造にした技術が開示されている。

特許４６０７１９５号公報 特開平１０−３７７０１号公報

ここで、ガスタービンに使用される一般的なタービン静翼には、技術背景でも述べたように、タービン静翼の背側および腹側には冷却空気を供給する冷却孔が設けられており、この冷却孔より冷却空気がタービン静翼の表面に沿ってフィルム状に供給される。

この方式による冷却孔からの冷却空気の供給によってタービン静翼の冷却は実現できるが、冷却孔の幾何学形状の影響を受けるため、冷却効率の面を考えると、冷却孔下流側の冷却効率は、冷却孔付近と比較して冷却効率が落ちる。

また、タービン静翼に流入する作動流体の流入角によっては、タービン静翼を冷却するために前記冷却孔から供給する冷却空気が、必ずしも設計通りにタービン静翼の表面に沿ってフィルム状に供給されるとは限らない。

特許４６０７１９５号公報（特許文献１）に記載された技術では、タービン入口における流れ分布の不均一性に着目し、これを対処する目的のために、タービン静翼の上流側に案内羽根を設けている。

しかしながら、この特許文献１に記載された技術では、タービン静翼に均一化した作動流体を供給できることについて記載されているが、タービン静翼本体の冷却効率については何等記載されていない。

また、特開平１０−３７７０１号公報（特許文献２）に記載された技術では、作動流体の高温化に耐えうるように、タービン静翼の前縁部を一部被覆した構造にしている。

しかしながら、タービン静翼の前縁部を一部被覆した構造にしたことによって、タービン静翼の翼形損失、特に軸流タービン静翼における静翼の入口角と作動流体の流入角の差であるインシデンスが大きくなる場合の運転時に、翼形損失が増加することが想定される。

本発明の目的は、軸流タービン静翼における静翼の入口角と作動流体の流入角の差であるインシデンスが大きくなるガスタービンの運転時に、タービン翼の翼形損失の増加を抑制すると共に、冷却孔から供給する冷却空気をタービン静翼の表面に沿ってフィルム状に供給してタービン静翼の冷却効率を向上する軸流タービン静翼を提供することにある。

本発明の軸流タービン静翼は、翼面に冷却空気を供給する冷却孔を有する軸流タービン静翼であって、誘導翼をタービン静翼の前縁部の上流側に設け、誘導翼の下流側とタービン静翼の前縁部との間に該タービン静翼の冷却孔から噴出する冷却空気の一部を淀ませる淀み部を形成し、前記淀み部と連通して前記誘導翼の下流側の一方の縁とタービン静翼の腹側の圧力面との間を最短で結ぶ流路間隙となる第１のスリット部と、誘導翼の下流側の他方の縁とタービン静翼の背側の負圧面との間を最短で結ぶ流路間隙となる第２のスリット部をそれぞれ形成したことを特徴とする。

本発明によれば、軸流タービン静翼における静翼の入口角と作動流体の流入角の差であるインシデンスが大きくなるガスタービンの運転時に、タービン翼の翼形損失の増加を抑制すると共に、冷却孔から供給する冷却空気をタービン静翼の表面に沿ってフィルム状に供給してタービン静翼の冷却効率を向上する軸流タービン静翼が実現できる。

本発明の実施例である軸流タービン静翼が適用されるガスタービンのタービン静翼の翼列を示した斜視図。 図１に示した本発明の実施例である軸流タービン静翼が適用されるガスタービンのタービン静翼とタービン動翼の位置関係を模式的に示した概略断面図。 図１に示した本発明の実施例である軸流タービン静翼が適用されるガスタービンの翼列間に発生する渦およびインシデンスを示す斜視図。 本発明の第１実施例である誘導翼を備えた軸流タービン静翼であって、タービン静翼と誘導翼の位置関係を示した軸流タービン静翼の斜視図。 図４に示した本発明の第１実施例である誘導翼を備えた軸流タービン静翼であって、タービン静翼と誘導翼の位置関係を拡大して示した軸流タービン静翼の下面図。 図５に示した本発明の第１実施例である誘導翼を備えた軸流タービン静翼であって、誘導翼周辺のガスの流れと、誘導翼周辺を流れるガスの速度及び誘導翼とタービン静翼との間のスリット部を流れるガスの速度を示した軸流タービン静翼の下面図。 本発明の第２実施例である複数の誘導翼を備えた軸流タービン静翼であって、タービン静翼とこれらの複数の誘導翼の位置関係を示した軸流タービン静翼の斜視図。 図７に示した本発明の第２実施例である複数の誘導翼を備えた軸流タービン静翼であって、タービン静翼とこれらの複数の誘導翼の位置関係を拡大して示した軸流タービン静翼の下面図。 本発明の第３実施例である複数の湾曲した誘導翼を備えた軸流タービン静翼であって、タービン静翼とこれらの複数の湾曲した誘導翼の位置関係を示した軸流タービン静翼の斜視図。 図７に示した本発明の第２実施例である複数の誘導翼を備えた軸流タービン静翼において、誘導翼が翼長の全長に亘って同じ翼形の断面形状を有する形状で形成された誘導翼の部分図。 図９に示した本発明の第３実施例である複数の誘導翼を備えた軸流タービン静翼において、誘導翼が翼長の中間部で背中側に突出した凸状となるように湾曲した形状を示す誘導翼の部分図。 図９に示した本発明の第３実施例である複数の誘導翼を備えた軸流タービン静翼において、誘導翼が作動流体に作用する翼力を模式的に示した翼間模式図。

本発明の実施例である軸流タービン静翼について、図面を用いて以下に説明する。

本発明の実施例の軸流タービン静翼は、ガスタービンに用いられる軸流タービン静翼であって、翼形損失の改善およびタービン静翼の熱負荷についてタービン静翼の冷却効率向上の面より改善を図った軸流タービン静翼に関するものである。

本明細書では、軸流タービン静翼の代表例としてガスタービンに適用される軸流タービン静翼を例にとって説明する。

図１は本発明の実施例である軸流タービン静翼が適用されるガスタービンのタービン静翼３の翼列を示した斜視図であり、複数個配列されたタービン静翼３の外周側に設けられた静翼の外壁１と、タービン静翼３の内周側に設けられた静翼の内壁２との間に形成された作動流体を流下する流路内に複数のタービン静翼３を、相互に離間させて環状に設置している。

タービン静翼３は、タービン静翼３の根元部およびタービン静翼３の先端部を、静翼の外壁１と静翼の内壁２にそれぞれ固定させた構成となっている。

タービン静翼３は、翼枚数から決定される隣り合うタービン静翼３の周方向長さ（ピッチ長ｔ）を用いて周方向に等間隔に環状に設置されている。

このタービン静翼３がガスタービンに適用するタービン静翼３の場合には、タービン静翼３の表面に冷却空気を翼面に供給する多数の冷却孔４が設けられている。

タービン静翼３の表面に設ける冷却孔４は、タービン静翼３の冷却条件によって冷却孔４の位置および個数、冷却孔４の形状が種々であり、図１のタービン静翼３では前記冷却孔４の一例を示している。

図２はガスタービンに使用するタービン静翼３とタービン動翼５の位置関係を示している。図２において、タービン静翼３は、タービン静翼３の外壁１と、タービン静翼３の内壁２との間に固定されている。

タービン静翼３の半径方向先端側は静翼の外壁１に設置され、タービン静翼３の根元側はタービン静翼３の内壁２に設置される。そして、タービン動翼５はタービン静翼３の作動流体の下流側に設置される。

タービン動翼５の根元側はローター６に固定され、タービン動翼５の半径方向先端側にはシュラウド７が設置されている。

そして、作動流体の主流８は、タービン静翼３の前縁部９より流入し、環状に複数配設されたタービン静翼３の翼間を通過して、タービン静翼３の後縁部１０から作動流体の下流側に流出する。

このタービン静翼３の後縁部１０から流出した作動流体は、タービン静翼３の作動流体の下流側に設置されたタービン動翼５に流入してこのタービン動翼５に衝突することでローター６が回転し、ローター６の端部に据え付けられた発電機（図省略）を回転させて発電する。

図３は環状に複数配設されたタービン静翼３の翼列間の流動状態を斜視図として示している。図３に示したように、タービン静翼３の翼列内部にはタービン静翼３の腹側３ａとなる圧力面１１、及びタービン翼３の背側３ｂとなる負圧面１２が存在する。

タービン静翼３に対して流入する作動流体の主流８は、まず、タービン静翼３の前縁部９に供給され、次に、タービン静翼３の腹側３ａとなる圧力面１１と、タービン静翼３の背側３ｂとなる負圧面１２との間に形成される流路となるタービン翼間流路１３を通過して、タービン翼３の後縁部１０へと流出する。

作動流体の主流８がこの翼間流路１３を通過する時、タービン静翼３と隣接するタービン静翼３との間に圧力勾配が生じる。この圧力勾配のために、図３に示したように、タービン静翼３の腹側３ａの圧力面１１からタービン静翼３の背側３ｂの負圧面１２に向かう二次流れ１４が生じる。

また、タービン静翼３の翼前縁９に作動流体の主流８が衝突することによって、タービン静翼３の腹側３ａの圧力面１１と、タービン静翼３の背側３ｂの負圧面１２には渦が発生する。

そして、タービン静翼３の腹側３ａの圧力面１１とタービン静翼３の背側３ｂの負圧面１２に発生したこれらの渦は、タービン静翼３の翼列内部の翼間流路１３内で発達しながら、図３に示したような流路渦１５を形成する。

これらの流路渦１５はタービン静翼３の根元部およびタービン静翼３の半径方向先端部にそれぞれに存在する。

タービン静翼３の段落効率を考えると、二次流れ１４及び流路渦１５は、タービン静翼３の翼間に存在することで、本来、タービン静翼３が行うべき仕事の効率低下を招き、二次流れ損失の大きな要因となる。

ここで、二次流れ損失に影響を及ぼすインシデンスについて説明する。図３は作動流体の主流８がインシデンス０でタービン静翼３の前縁部９に流入する場合を例に示している。

図３において、作動流体の主流８がタービン静翼３の圧力面１１の側から流入する場合は正（＋）のインシデンス、タービン静翼３の負圧面１２の側から流入する場合は負（−）のインシデンスと規定する。

インシデンスが大きな値を有しており、作動流体の主流８が複数のタービン静翼３を備えた静翼列に流入して、インシデンスが正（＋）のインシデンスの場合は、作動流体の主流８はタービン静翼３の腹側３ａの圧力面１１の翼面に衝突し、この圧力面１１の翼面に衝突した作動流体は流路渦１５を形成することから、インシデンスが０の場合の作動流体と比較して、早期に流路渦１５が形成されるので、二次流れ損失が大きくなる傾向にある。

また、インシデンスが負（−）のインシデンスの場合は、作動流体の主流８はタービン静翼３の背側３ｂの負圧面１２に衝突し、この圧力面１１の翼面に衝突した作動流体は流路渦１５を形成することから、同様に、インシデンスが０の場合の作動流体と比較して、早期に流路渦１５が形成されるので、二次流れ損失が大きくなる傾向にある。

図４は本発明の第１実施例である誘導翼１６を備えた軸流タービン静翼３の斜視図を示している。誘導翼１６はタービン静翼３の前縁部９よりも上流側に設置され、タービン静翼３の前縁部９と誘導翼１６の下流側となる誘導翼１６の凹部１６ｈとの間には、タービン静翼３の翼面に設けた冷却孔４から噴出した冷却空気２０が主に淀む空間となる淀み部１７が形成されている。

この淀み部１７は、タービン静翼３の前縁部９に設けた冷却孔４に面しており、タービン静翼３の冷却孔４から供給される冷却空気は、冷却孔４から吐出されると淀み部１７に一時的に溜める機能を持っている。

図５は、図４に示した本発明の第１実施例である誘導翼１６を備えた軸流タービン静翼３を下面から見た図である。誘導翼１６の形状は、流体力学的に損失の小さい形状（流体力学的に設計された形状）を持つことがより望ましく、例えば、誘導翼１６の上流側となる作動流体に触れる側は凸面形状の凸部１６ｇに、誘導翼１６の下流側であって、タービン静翼３の前縁部９との間に冷却空気２０の一部が淀む淀み部１７に面した側は凹面形状の凹部１６ｈを有するように形成されている。

また、誘導翼１６の下流側となる凹面形状の凹部１６ｈの両端には、これらの凹面形状の凹部１６ｈと、誘導翼１６の上流側となる凸面形状の凸部１６とが分岐する分岐部に相当する縁１６ｅと縁１６ｆをそれぞれ有している。

本発明の第１実施例である誘導翼１６を備えた軸流タービン静翼３において、誘導翼１６に使用する材質については、高温な作動流体に耐え得るようにその表面には耐熱コーティングを施すこと、または、耐熱材を有する材質を使用することが望ましい。
また、誘導翼１６には該誘導翼１６を回転させる回転機構となる回転軸１８を備えており、誘導翼１６はこの回転軸１８を中心にして回転することができる。

誘導翼１６に該誘導翼１６を回転させる回転軸１８を有する回転機構を備えることで次の２点の効果を得ることができる。

タービン静翼３に備えた誘導翼１６を回転させる効果の１点目は、タービン静翼３に対するインシデンスの調整が可能となることである。

タービン静翼３に対するインシデンスが大きくなる場合、誘導翼１６を回転軸１８の周りに適宜回転させることでインシデンスを小さくする効果を持つ。

誘導翼１６を回転軸１８の周りに適宜回転させることにより、タービン静翼３に対し適正に作動流体を流入することができ、二次流れ損失を抑えることができる。

誘導翼１６の回転は、例えば、インシデンスが比較的大きくなるガスタービンの起動時および停止時において、誘導翼１６を回転軸１８の周り適宜に回転させることがより望ましい。

タービン静翼３に備えた誘導翼１６を回転させる効果の２点目は、以下に述べる誘導翼１６の下流側となる誘導翼１６の凹部１６ｈの両端に形成された縁１６ｅ及び縁１６fのうち、一方の縁１６ｅとタービン静翼３の腹側３ａとなる圧力面１１との間で規定する長さが最小となる誘導翼１６の流路間隙となるスリット部１９ａの間隙の長さと、他方の縁１６fとタービン静翼３の背側３ｂとなる負圧面１２との間で規定する長さが最小となる誘導翼１６の流路間隙となるスリット部１９ｂの間隙の長さをそれぞれ調節することができる点にある。

誘導翼１６の下流側となる誘導翼１６の凹部１６ｈの両端に形成された縁１６ｅ及び縁１６fと、タービン静翼３の腹側３ａとなる圧力面１１及びタービン静翼３の背側３ｂとなる負圧面１２との間でそれぞれ規定する長さが最小となる誘導翼１６の流路間隙となるスリット部１９ａの間隙の長さ、及び誘導翼１６の流路間隙となるスリット部１９ｂの間隙の長さを調整することは、誘導翼１６の凹部１６ｈとタービン静翼３の前縁部９との間に形成され、タービン静翼３の翼面に設けた冷却孔４から供給した冷却空気２０の一部を淀ませている淀み部１７に溜まった冷却空気が、これらの誘導翼１６の流路間隙となるスリット部１９ａ及び流路間隙となるスリット部１９ｂの間隙を通過してタービン静翼３の下流側へ供給される冷却空気２０の供給量を調整する効果を有している。

ここで、誘導翼１６のスリット部１９ａ、１９ｂとは、図５に示した本実施例の軸流タービン静翼３において、該軸流タービン静翼３の前縁部９よりも上流側に設置した誘導翼１６の下流側となる誘導翼１６の凹部１６ｈの両端に形成された縁１６ｅ及び縁１６fのうち、一方の縁１６ｅと、タービン静翼３の腹側３ａの圧力面１１との間を最短で結ぶ長さの間隙を有する流路間隙となるスリット部１９ａ、及び、誘導翼１６の下流側となる誘導翼１６の凹部１６ｈの両端に形成された縁１６ｅ及び縁１６fのうち、他方の縁１６fと、タービン静翼３の背側３ｂの負圧面１２との間を最短で結ぶ長さの間隙を有する流路間隙となるスリット部１９ｂ、とそれぞれ定義する。

タービン静翼３の翼面に設けた多数の冷却孔４から噴出した冷却空気２０の一部は、タービン静翼３の前縁部９と、誘導翼１６の下流側に設けた凹部１６ｈの凹面形状面との間に形成された淀み部１７に一時的に溜められ、そしてその後、冷却空気２０は、淀み部１７から誘導翼１６の流路間隙となるスリット部１９ａ、１９ｂの間隙を通過して、タービン静翼３の下流側へ供給される。

上記した構造を採用することによって、タービン静翼３の前縁部９の翼面に設けた冷却孔４の幾何学形状の影響を受けた冷却空気２０は、タービン静翼３の前縁部９と、誘導翼１６の下流側に設けた凹部１６ｈの凹面形状面との間に形成された淀み部１７で一度溜められ、その後、誘導翼１６の流路間隙となるスリット部１９ａ、１９ｂの間隙を通過してタービン静翼３の下流側へ供給されることで、冷却空気２０がタービン静翼３の翼高さ方向の全体にフィルム状に広がり、タービン静翼３の翼高さ方向の全体に広がった状態でこの冷却空気２０をタービン静翼３の下流側に均一に供給できるという効果を有することになり、その分、タービン静翼３の冷却性能を向上させることができる。

次に誘導翼１６の下流側の凹部１６ｈの一方の端に形成された縁１６ｅとタービン静翼３の腹側３ａの圧力面１１との間で規定される前記スリット部１９ａの間隙の長さ、及び誘導翼１６の下流側の凹部１６ｈの他方の端に形成された縁１６fとタービン静翼３の背側３ｂの負圧面１２との間で規定される前記スリット部１９ｂの間隙の長さと、冷却空気２０の冷却空気量の関係について説明する。

図６は図５に示すタービン静翼３の前縁部９の近傍を流れる作動流体の流動状態を模式的に表した図である。

ここで、誘導翼１６の下流側に設けた凹部１６ｈの凹面形状面とタービン静翼３の前縁部９の間に形成された淀み部１７から、誘導翼１６のスリット部１９ａ、１９ｂの間隙を通過してタービン静翼３の下流側に流下する冷却空気の流速をＶ_ｃｏ、誘導翼１６の上流側となる凸部１６ｇの凸面形状に沿って前記誘導翼１６のスリット部１９ａ、１９ｂの近傍を流下する作動流体（ガス）８の流速をＶ_ｇａｓ、タービン静翼３の翼高さをＨ、前記誘導翼１６のスリット部１９ａ、１９ｂの間隙の長さをｄと仮定する。

本実施例である誘導翼１６を備えた軸流タービン静翼３においては、誘導翼１６のスリット部１９ａ、１９ｂの間隙の長さｄは、タービン静翼３の翼高さＨの方向に一定であると仮定する。

前記誘導翼１６のスリット部１９ａ、１９ｂの間隙を通過する冷却空気流量Ｑ_ｃｏは、式（１）で示される。

Ｑ_ｃｏ＝Ｈ×ｄ×Ｖ_ｃｏ ・・・（１）
ここでガスタービン運転中においては、タービン静翼３の翼高さＨは既知、前記誘導翼１６のスリット部１９ａ、１９ｂの間隙を通過する冷却空気流量Ｑ_ｃｏはある一定値で供給されると仮定する。

この場合、誘導翼１６を、該誘導翼１６に設けた回転軸１８を中心に回転させることで前記誘導翼１６のスリット部１９ａ、１９ｂの間隙である長さｄを可変にすることが出来る。

例えば、前記誘導翼１６のスリット部１９ａ、１９ｂの間隙の長さｄを大きくとると、スリット部１９ａ、１９ｂの間隙を通過する冷却空気２０の流速Ｖ_ｃｏは小さくなり、反対に前記誘導翼１６のスリット部１９ａ、１９ｂの間隙の長さｄを小さくとると、スリット部１９ａ、１９ｂの間隙を通過する冷却空気２０の流速Ｖ_ｃｏは大きくなる。

ここで、Ｖ_ｇａｓ＜Ｖ_ｃｏの場合に、冷却空気２０が作動流体（ガス）の主流部８に勢いよく吹き出して、タービン静翼３の翼面上がこの冷却空気２０によって十分に覆われないことが想定される。

また、Ｖ_ｃｏ＜Ｖ_ｇａｓの場合に、タービン静翼３の上流側に設置された誘導翼１６の下流側となる誘導翼１６の凹部１６ｈと、タービン静翼３の前縁部９との間に形成された淀み部１７には、十分な量の冷却空気２０が溜まる。

しかし、淀み部１７に溜まった冷却空気２０は、誘導翼１６のスリット部１９ａ、１９ｂの間隙を経由して間欠的にタービン静翼３の下流部へ流出して、タービン静翼３の表面部がこの冷却空気２０によって十分に覆われないことが想定される。

そこで、前記した構成のタービン静翼３を本実施例の軸流タービン静翼に適用した場合に、タービン静翼３の内部の冷却空気２０が、タービン静翼３の翼面に形成した多数の冷却孔４から噴出してタービン静翼３の翼面に沿って下流側へスムーズに供給されるためには、作動流体（ガス）８の流速Ｖ_ｇａｓと、軸流タービン静翼３の前縁部９よりも上流側に設置した誘導翼１６の下流側となる誘導翼１６の凹部１６ｈの両端に形成された縁１６ｅ及び縁１６fのうち、一方の縁１６ｅと、タービン静翼３の腹側３ａの圧力面１１との間を最短で結ぶ間隙の長さである誘導翼１６のスリット部１９ａ、及び、誘導翼１６の下流側となる誘導翼１６の凹部１６ｈの両端に形成された縁１６ｅ及び縁１６fのうち、他方の縁１６fと、タービン静翼３の背側３ｂの負圧面１２との間を最短で結ぶ間隙の長さである誘導翼１６のスリット部１９ｂ、をそれぞれ通過する冷却空気の流速Ｖ_ｃｏの値がほぼ等しくなるように、前記誘導翼１６のスリット部１９ａ、１９ｂの間隙の長さｄの値を設定する事が望ましい。

本実施例によれば、軸流タービン静翼における翼の入口角と作動流体の流入角の差であるインシデンスが大きくなるガスタービンの運転時に、タービン翼の翼形損失の増加を抑制すると共に、冷却孔から供給する冷却空気をタービン静翼の表面に沿ってフィルム状に供給してタービン静翼の冷却効率を向上する軸流タービン静翼が実現できる。

次に本発明の第２実施例である軸流タービン静翼について図７及び図８を用いて説明する。

本実施例の軸流タービン静翼３は、図４〜図７に示した第１実施例である誘導翼１６を備えた軸流タービン静翼３と基本的な構造は類似しているので、両者に共通した説明は省略し、相違する内容についてのみ以下に説明する。

図７及び図８に示された第２実施例の軸流タービン静翼３において、軸流タービン静翼３に備えられる誘導翼は、誘導翼１６ａと誘導翼１６ｂとの複数枚の誘導翼によって構成されている。

即ち、図７に示した本実施例の軸流タービン静翼３においては、タービン静翼３の前縁部９の上流側に設置する誘導翼として、タービン静翼３の腹側３ａとなる圧力面１１に面して誘導翼１６ａが設置されると共に、タービン静翼３の背側３ｂとなる負圧面１２に面して誘導翼１６ｂが設置された構成であり、この複数枚の誘導翼１６ａ、１６ｂを設置したタービン静翼３の斜視図が示されている。

また、図８には図７に示した本実施例の軸流タービン静翼３を下面から見た図を示している。

図７及び図８に示された本実施例の軸流タービン静翼３の前縁部９の上流側に設置された誘導翼１６ａ及び誘導翼１６ｂには、回転軸１８ａ及び１８ｂが夫々設けえられており、これらの回転軸１８ａ及び１８ｂの回転を操作することで、前記誘導翼１６ａ及び誘導翼１６ｂを回転軸１８ａ及び１８ｂの周りにそれぞれ独立して回転させることができる。

また、本実施例の軸流タービン静翼３においては、前記したように、複数枚となる誘導翼１６ａ及び誘導翼１６ｂをタービン静翼３の前縁部９の上流側に設置することで、前述したインシデンスの微調整、および誘導翼１６ａのスリット１９ａの間隙の長さ、誘導翼１６ｂのスリット１９ｂの間隙の長さをそれぞれ個別に微調整することができる。

具体的には、誘導翼１６ａの第１のスリット部１９ａの間隙の長さ、及び誘導翼１６ｂの第２のスリット部１９ｂの間隙の長さを通じて、軸流タービン翼３の下流側に供給される冷却空気２０の空気供給量は、タービン静翼３の腹側３ａの圧力面１１と誘導翼１６ａの腹側の圧力面１６ｈ１との間、およびタービン静翼３の背側３ｂの負圧面１２と誘導翼１６ｂの腹側の圧力面１６ｈ２との間でそれぞれ調整することが可能となる。

本実施例によれば、軸流タービン静翼における翼の入口角と作動流体の流入角の差であるインシデンスが大きくなるガスタービンの運転時に、タービン翼の翼形損失の増加を抑制すると共に、冷却孔から供給する冷却空気をタービン静翼の表面に沿ってフィルム状に供給してタービン静翼の冷却効率を向上する軸流タービン静翼が実現できる。

次に本発明の第３実施例である軸流タービン静翼３について図９及び図１０Ａ〜図１０Ｃを用いて説明する。

本実施例の軸流タービン静翼３は、図７〜図８に示した第２実施例である誘導翼１６ａ及び誘導翼１６ｂを備えた軸流タービン静翼３と基本的な構造は類似しているので、両者に共通した説明は省略し、相違する内容についてのみ以下に説明する。

図９及び図１０Ｂ〜図１０Ｃに示した第３実施例である軸流タービン静翼３は、図７及び図８に示した第２実施例の軸流タービン静翼３と同様に、誘導翼１６ａと誘導翼１６ｂとの２枚の誘導翼を備えた軸流タービン静翼３であって、一方の誘導翼１６ａの形状及び他方の誘導翼１６ｂの形状を、該誘導翼１６ａが翼長の中間部で背中側に向かって突出した凸形状部１６ｃ、及び該誘導翼１６ｂが翼長の中間部で背中側に向かって突出した凸形状部１６ｄを有するようにそれぞれ湾曲させて形成した構成の軸流タービン静翼３の斜視図を示す。

図１０Ｂ〜図１０Ｃは本実施例の軸流タービン静翼３に備えられた２枚の誘導翼である誘導翼１６ａと誘導翼１６ｂのうち、その形状を理解し易くするために、軸流タービン静翼３の背側３ｂの負圧面１２に面して設置された一方の誘導翼１６ｂを取り出して示したものである。

また、図１０Ａは、図１０Ｂに示した本実施例の軸流タービン静翼３の背側３ｂの負圧面１２に面して設置された前記一方の誘導翼１６ｂが、翼長の中間部で背中側に向かって突出した凸形状部１６ｄを有する形状に形成されている誘導翼１６ｂの形状と比較する為に、図７の第２実施例である軸流タービン静翼３に備えられた誘導翼１６ａ及び誘導翼１６ｂのうちの一方の誘導翼１６ｂに対応した誘導翼１６ｂの形状を示したものであり、この誘導翼１６ｂの形状は、図１０Ａに示すように、誘導翼１６ｂが翼長の全長に亘って同じ翼形の断面形状１６ｇを有する形状で形成されている。

即ち、図９及び図１０Ｂ〜図１０Ｃに示した本実施例の軸流タービン静翼３は、タービン静翼３の前縁部９の上流側に設置した誘導翼１６ａ及び誘導翼１６ｂの形状を、誘導翼１６ａが翼長の中間部で背中側の負圧面１６ｇ１が背中側に突出した凸状となるように湾曲した凸形状部１６ｃを有するように形成すると共に、誘導翼１６ｂが翼長の中間部で背中側の負圧面１６ｇ２が背中側に突出した凸状となるように湾曲した凸形状部１６ｄを有するように形成した構成となっている。

また、図１０Ｃは、本実施例の軸流タービン静翼３において、誘導翼１６ａ及び誘導翼１６ｂに図１０Ｂに示した形状の誘導翼を適用した場合における誘導翼が作動流体に作用する翼力を模式的に示した翼間模式図である。

本実施例の軸流タービン静翼３では、図９及び図１０Ｂ〜図１０Ｃに示した形状の誘導翼１６ａ及び誘導翼１６ｂをタービン静翼３の前縁部９の上流側にそれぞれ設置することによって、これらの誘導翼１６ａ、１６ｂの翼前縁に主流８が衝突し、タービン静翼３の腹側圧力面１１および負圧面１２に図３に示したような流路渦１５が発生することになる。

これらの流路渦１５は、隣接したタービン静翼３の間で形成される翼列内部の流路内で発達しながら流路渦１５が形成されるので、タービン全体の効率が低下することが考えられる。

そこで、この流路渦１５の対策として、本実施例の軸流タービン静翼３においては、図９及び図１０Ｂ〜図１０Ｃに示したように、タービン静翼３の前縁部９の上流側に２つ設置された一方の誘導翼１６ａの形状及び他方の誘導翼１６ｂの形状が、タービン静翼３の腹側３ａの圧力面１１に面した前記一方の誘導翼１６ａが翼長の中間部で背中側に向かって突出した凸形状部１６ｃを有するように湾曲させて形成すると共に、タービン静翼３の負圧面１２に面した前記他方の該誘導翼１６ｂが翼長の中間部で背中側に向かって突出した凸形状部１６ｄを有するようにそれぞれ湾曲させて形成することによって、タービン静翼３の半径方向先端部に向かう翼力およびタービン静翼３の根元部に向かう翼力がそれぞれ生じる。

タービン静翼３の半径方向先端部およびタービン静翼３の根元部に向かって生じたこれらの翼力により、誘導翼１６ａ及び誘導翼１６ｂの背中側となる負圧面側の流れはタービン静翼３の半径方向先端部およびタービン静翼３の根元部にそれぞれ押し付けられるので、前述した誘導翼１６ａ、１６ｂによって発生した流路渦１５がタービン静翼３の翼中央部へ発達することを抑制する効果を得ることができる。

この結果、前記翼力によって流路渦１５の発達を抑制することができるので、本実施例の軸流タービン静翼によれば、更に、タービン静翼の二次流れ損失を低減することが可能となる。

上記したように、本実施例によれば、軸流タービン静翼における翼の入口角と作動流体の流入角の差であるインシデンスが大きくなるガスタービンの運転時に、タービン翼の翼形損失の増加を抑制すると共に、冷却孔から供給する冷却空気をタービン静翼の表面に沿ってフィルム状に供給してタービン静翼の冷却効率を向上する軸流タービン静翼が実現できる。

また、本実施例では、誘導翼１６ａ及び誘導翼１６ｂが翼長の全長に亘って同じ翼形の断面形状１６ｇを有する形状で形成された例を示したが、翼長の全長または一部分において、翼形の断面形状１６ｇが２種類以上で構成され、かつ翼形の断面形状は流体力学的に損失が小さくなるよう、翼長の全長方向に滑らかに接続された誘導翼であっても本特許による効果を得ることができる。

１：静翼の外壁、２：静翼の内壁、３：タービン静翼、３ａ：タービン静翼の腹側、３ｂ：タービン静翼の背側、４：静翼冷却孔、５：タービン動翼、６：タービンロータ、７：シュラウド、８：作動流体の主流、９：タービン静翼の前縁部、１０：タービン静翼の後縁部、１１：タービン静翼の圧力面、１２：タービン静翼の負圧面、１３：翼間流路、１４：二次流れ、１５：流路渦、１６、１６ａ、１６ｂ：誘導翼、１６ｃ、１６ｄ：凸形状部、１６ｇ：凸面形状、１６ｈ：凹面形状、１６ｈ１：誘導翼の腹側の圧力面、１６ｈ２：誘導翼の腹側の圧力面、１６ｇ１：誘導翼の背中側の負圧面、１６ｇ２：誘導翼の背中側の負圧面、１７：淀み部、１８、１８ａ、１８ｂ：誘導翼の回転軸、１９ａ：誘導翼の第１のスリット部、１９ｂ：誘導翼の第２のスリット部、２０：冷却空気、１６ｅ、１６ｆ：縁、１６ｇ：誘導翼翼形断面形状。

Claims (6)

1. 翼面に冷却空気を供給する冷却孔を有する軸流タービン静翼であって、誘導翼をタービン静翼の前縁部の上流側に設け、
   誘導翼の下流側とタービン静翼の前縁部との間に該タービン静翼の冷却孔から噴出する冷却空気の一部を淀ませる淀み部を形成し、
   前記淀み部と連通して前記誘導翼の下流側の一方の縁とタービン静翼の腹側の圧力面との間を最短で結ぶ流路間隙となる第１のスリット部と、誘導翼の下流側の他方の縁とタービン静翼の背側の負圧面との間を最短で結ぶ流路間隙となる第２のスリット部をそれぞれ形成したことを特徴とする軸流タービン静翼。
2. 請求項１に記載の軸流タービン静翼において、
   前記誘導翼を複数枚の誘導翼によって構成したことを特徴とする軸流タービン静翼。
3. 請求項１又は２に記載の軸流タービン静翼において、
   前記誘導翼に回転機構を備え、前記誘導翼が回転機構によって回転可能に構成したことを特徴とする軸流タービン静翼。
4. 請求項２に記載の軸流タービン静翼において、
   前記複数枚の誘導翼にそれぞれ備えた回転機構によって、前記複数枚の誘導翼がそれぞれ独立して回転可能に構成されていることを特徴とする軸流タービン静翼。
5. 請求項３又は４に記載の軸流タービン静翼において、
   前記回転機構は前記誘導翼の翼長方向に沿って配設された回転軸を備えていることを特徴とする軸流タービン静翼。
6. 請求項２、４及び５のいずれか１項に記載の軸流タービン静翼において、
   前記誘導翼の負圧面側が凸形状となるように湾曲して形成されていることを特徴とする軸流タービン静翼。

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