JP2021143658A - タービン静翼 - Google Patents

Abstract

【課題】作動媒体と冷却媒体との圧力差に起因するタービン性能の低下を防止し、タービン静翼の健全性を確保する。【解決手段】ガスタービンのケーシング内の作動流体流路１４に配されるタービン静翼１００は、作動流体流路１４に配される翼有効部１１０と、翼有効部１１０の径方向の外側端部と接続する板状部１２３と、板状部１２３の上流端部側から径方向外側および周方向に広がる前フック壁部１２１ａと、前フック壁部１２１ａの径方向外側部分に接続されケーシングと嵌合する前フック突部１２１ｂと、を有する外輪サイドウォール１２０と、翼有効部１１０の径方向の内側端部に接続された内輪サイドウォール１３０と、を具備する。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、ガスタービンに用いるタービン静翼に関する。

近年のガスタービンの作動流体の高温化により、多くの場合、精密鋳造によって製作された中空冷却構造を有する動翼や静翼の中空部に冷却媒体が供給され、作動媒体からの熱伝達による温度上昇を防止する。

ガスタービンの静翼の場合は、１つまたは複数の翼有効部がその径方向の外側の外輪サイドウォールとその径方向内側の外輪サイドウォールとに挟まれて一体となった静翼が、周方向に配列されている。静翼は、外輪サイドウォールにおいて径方向外側に突出した前側フックと後側フックが、ケーシングと嵌合することにより、その径方向外側からケーシングにより支持されている。

冷却媒体は、ケーシング側から外輪サイドウォールを介して翼有効部に導入される。このため、前側フックと後側フックとの間には、周方向にわたって冷却媒体用空間が形成され、ケーシングからの供給流路と各静翼の翼有効部を接続する流路となっている。

ここで、ガスタービンの中でも、ＣＯ_２タービンの場合、その運転温度は、従来のガスタービンと同程度の高温であるため、従来のガスタービンと同様の冷却構造が必要となり、動翼や静翼は前述のように中空構造をとっている。

一方、ＣＯ_２タービンの運転圧力は、蒸気タービンと同程度の高圧であり、動翼や静翼において生ずる圧力差、すなわち、冷却媒体と作動流体との圧力差、あるいは、動翼の前後の圧力差は、従来のガスタービンのこれらの値の１０倍程度にもなる。蒸気タービンの場合は、たとえば動翼や静翼は厚肉で中実の構造であり大きな圧力差に耐える構造となっているが、ＣＯ_２タービンの場合は、上述のように冷却構造とする必要があることから蒸気タービンのような対応をとることができない。

このように、ＣＯ_２タービンの静翼は、従来のガスタービンよりも、強度上厳しい高温高圧条件で使用される。

国際公開第２０１７／１５８６３７号

今、静翼については、通路部すなわち主流路を流れる作動媒体の翼前後差圧により、拘束されている外輪サイドウォールから自由端である内輪サイドウォールに曲げ力が作用する。また、外輪サイドウォールの径方向の外面には冷却媒体の圧力、径方向の内面には作動流体の圧力がかかり、外輪サイドウォールは、冷却媒体と作動媒体の差圧による力を受ける。

特に、ＣＯ_２タービンの静翼が使用される高温高圧条件では、従来のガスタービンと同様の構造とすると、差圧に起因する力による変形が大きく、特に、外輪サイドウォールでの翼の根元に高い応力が生じ、損傷に至る場合がある。

また、径方向に外輪サイドウォールを挟んだ内外の圧力差、すなわち作動媒体と冷却媒体との圧力差により、前側フックの径方向の先端と、後側フックの径方向の先端との間隔が狭まる方向に変位する。この結果、翼有効部と内輪サイドウォールが径方向内側、すなわちロータシャフトに近接する側に大きく変形し、タービン静翼とロータシャフトとのシール部の隙間が減少し、シール部がロータシャフトに接触して摩耗することにより漏れ量が増えてタービン性能が低下するという課題があった。

そこで、本発明の実施形態は、作動媒体と冷却媒体との圧力差に起因するタービン性能の低下の防止およびタービン静翼の健全性の確保を目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態に係るタービン静翼は、ガスタービンのケーシング内の作動流体流路に配されるタービン静翼であって、前記作動流体流路に配される翼有効部と、前記翼有効部の径方向の外側端部と接続する板状部と、前記板状部の上流端部側から径方向外側および周方向に広が前フック壁部と、前記前フック壁部の径方向外側部分に接続され前記ケーシングと嵌合する前フック突部と、を有する外輪サイドウォールと、前記翼有効部の径方向の内側端部に接続された内輪サイドウォールと、を具備する。

第１の実施形態に係るタービン静翼の取り付け状態を示すガスタービンのタービン軸芯に沿った部分断面図である。 第１の実施形態に係るタービン静翼のタービン軸方向に沿った図３のＩＩ−ＩＩ線矢視図である。 第１の実施形態に係るタービン静翼を半径方向外側から見た図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視図である。 第１の実施形態に係るタービン静翼の効果を説明する概念図であり、（ａ）は外輪サイドウォールに付加される圧力状態を示し、（ｂ）は従来の構成の場合の変形状態、（ｃ）は本実施形態の場合を示す。 第２の実施形態に係るタービン静翼のタービン軸方向に沿った図６のＶ−Ｖ線矢視図である。 第２の実施形態に係るタービン静翼を半径方向外側から見た図５のＶＩ−ＶＩ線矢視図である。 第３の実施形態に係るタービン静翼のタービン軸方向に沿った図８のＶＩＩ−ＶＩＩ線矢視図である。 第３の実施形態に係るタービン静翼を半径方向外側から見た図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線矢視図である。 第４の実施形態に係るタービン静翼の翼有効部の前縁を含み翼有効部の厚み方向の中央に沿って切断した縦断面図である。 第４の実施形態に係るタービン静翼の効果を説明する概念図であり、（ａ）はタービン静翼に付加される荷重状態を示し、（ｂ）は荷重による変形状態を示す。 第４の実施形態に係るタービン静翼の要件を説明するグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るタービン静翼について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複する説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係るタービン静翼１００の取り付け状態を示すガスタービン１０のタービン軸芯Ｃに沿った部分断面図である。

ガスタービン１０のロータシャフト１１の径方向の外側であってケーシング１５の径方向内側に、図示しない燃焼器により生成されガスタービン１０に流入した作動流体が流れる環状の作動流体流路１４が形成されている。ここで、径方向とは、ロータシャフト１１の回転軸を中心とした径方向であり、径方向内側とは、ロータシャフト１１に向かう方向あるいはロータシャフト１１に近い側、径方向外側とは、ロータシャフト１１から遠ざかる方向あるいはロータシャフト１１から遠い側を指すものとする。

作動流体流路１４における作動流体の流れ方向は、図１において左側から右側に向かう方向である。以下、説明の便宜上、作動流体の流れの上流側を前側、下流側を後ろ側とも呼ぶ場合がある。

ロータシャフト１１に形成され軸方向に互いに間隔をおいて配されたロータディスク１２には、複数の動翼１３が周方向に亘り取り付けられ動翼翼列を形成する。

動翼１３の直上流には、静翼１００が周方向に亘って取り付けられており、静翼翼列を形成する。各静翼翼列とその直下流の動翼翼列により各タービン段落が形成される。図１では、１つのタービン段落のみを示している。

静翼１００は、翼有効部１１０と、翼有効部１１０の径方向外側の部分である外輪サイドウォール１２０と、翼有効部１１０の径方向内側の部分である内側サイドウォール１３０とを有する。１つの外輪サイドウォール１２０とこれに対向する内側サイドウォール１３０との間には、１つあるいは複数の翼有効部１１０が設けられている。

静翼１００は、外輪サイドウォール１２０においてケーシング１５により支持されている。

外輪サイドウォール１２０は、板状部１２３、前フック１２１および後フック１２２を有する。板状部１２３は、翼有効部１１０の径方向の端部と結合する部分である。前フック１２１および後フック１２２は、板状部１２３の径方向の外面のそれぞれ前側部分および後ろ側部分に径方向外側に向かって広がるように形成されている。前フック１２１および後フック１２２については、図２を引用しながら詳細を説明するが、それぞれ、かぎ状の前フック突部１２１ｂおよび後フック突部１２２ｂが形成されている。

一方、ケーシング１５には、前フック１２１の前フック突部１２１ｂが嵌合可能な前フック受け溝１５ｂと、後フック１２２の後フック突部１２２ｂが嵌合可能な後フック受け溝１５ｃが、それぞれ周方向に亘り形成されており、これらの部分を嵌合させることにより、ケーシング１５に取り付けられ、ケーシング１５により支持される。

外輪サイドウォール１２０の前フック１２１と後フック１２２は、翼有効部１１０に導く冷却媒体を導入する冷却媒体用空間１２６を形成する。この結果、冷却媒体用空間１２６は周方向に亘って形成される。ケーシング１５には、冷却媒体をこの冷却媒体用空間１２６に導く少なくとも一つの冷却媒体流路１５ａが形成されている。

冷却媒体用空間１２６を設けている第１の理由は、ケーシング１５への熱的影響の低減である。すなわち、タービン静翼１００の翼有効部１１０は高温の作動流体にさらされる。外輪サイドウォール１２０は、その径方向内側面が作動流体に接しており、さらの翼有効部１１０からの熱伝導も加わって、高温状態となる。外輪サイドウォール１２０がケーシング１５に嵌合しているが、ケーシング１５の材料は、一般に、タービン静翼１００の材料のように高温に対応可能な材料ではない。したがって、ケーシング１５の温度を適正な温度範囲に抑える必要があるためである。

冷却媒体用空間１２６を設けている第２の理由は、翼有効部１１０への冷却媒体の供給流路を確保するためである。すなわち、多くのガスタービンにおいては、翼有効部１１０は中空であり内部に冷却媒体の流路が形成されている。周方向に配列されているそれぞれのタービン静翼１００に冷却媒体を供給するためには、周方向にわたる環状の流路が必要であるためである。

図２は、第１の実施形態に係るタービン静翼のタービン軸方向に沿った図３のＩＩ−ＩＩ線矢視図、図３は、タービン静翼を半径方向外側から見た図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視図である。多くの場合、翼有効部１１０は中空であって、翼有効部１１０内の冷却用媒体の流路と冷却媒体用空間１２６と連通する開口が外輪サイドウォール１２０に形成されているが、図３ではこの開口は図示していない。なお、これらの図に示すブロックを周方向に連結することによって、環状の静翼翼列が構成される。

内輪サイドウォール１３０は、軸方向に延びて周方向に拡がる板状部１３１と、軸方向に互いに間隔をおいて板状部１３１の径方向内側面に周方向に拡がるように形成された複数のラビリンス歯１３２を有する。複数のラビリンス歯１３２は、ロータシャフト１１の表面との間でラビリンスを形成する。

次に、外輪サイドウォール１２０の詳細を説明する。

外輪サイドウォール１２０は、図２に示すように、前述の前フック１２１および後フック１２２と、板状部１２３とを有する。板状部１２３は、翼有効部１１０の径方向外側端部と接続する部分であり、周方向に同心円状に延びている。前フック１２１および後フック１２２は、それぞれ、板状部１２３の径方向外側面から径方向外側に延びて、周方向に拡がっている。なお、板状部１２３において、前フック１２１と接続する部分より上流側の方向の部分を前側突部１２４、後フック１２２と接続する部分より下流側の方向の部分を後側突部１２５と呼ぶこととする。

前フック１２１は、上述の径方向外側に延びた部分である前フック壁部１２１ａと、前フック壁部１２１ａの径方向外側端部から上流側に向かって突出するように形成された前フック突部１２１ｂとを有する。また、後フック１２２は、上述の径方向外側に延びた部分である後フック壁部１２２ａと、後フック壁部１２２ａの径方向外側端部から下流側に向かって突出するように形成された後フック突部１２２ｂとを有する。

図２および図３に示すように、前フック壁部１２１ａと後フック壁部１２２ａとは、互いに対向するように形成されているが、前フック壁部１２１ａの後フック壁部１２２ａと対向する側の面と、後フック壁部１２２ａの前フック壁部１２１ａと対向する側の面とを接続するように、言い換えれば前フック１２１と後フック１２２の間に、補強部材１５０としての３本の補強棒１５１が設けられている。

補強棒１５１の設けられる径方向の位置は、補強棒１５１が有効に機能するように、前フック１２１および後フック１２２の径方向の中央より外側であり、外側端部に近い位置が好ましい。

補強部材１５０としての３本の補強棒１５１はそれぞれ、周方向に互いに間隔をおいて配されている。補強棒１５１の前フック壁部１２１ａおよび後フック壁部１２２ａへの取り付け状態は、補強棒１５１の方向がタービン回転軸Ｃ（図１）に平行で、かつ、前フック壁部１２１ａおよび後フック壁部１２２ａへの取り付け位置が前フック１２１および後フック１２２の径方向外側の部分である。

なお、図３では補強棒１５１が３本の場合を示しているが、１本、あるいは３本以外の複数本の場合であってもよい。

補強部材１５０としての３本の補強棒１５１は、前フック壁部１２１ａと後フック壁部１２２ａとの間隔が減少しようとする変形に起因する圧縮荷重に対して十分な強度を有し、座屈が生じないような材料、形状寸法に形成されている。

翼有効部１１０は、その上流側の端部である有効部前縁１１１から、その下流側の端部である有効部後縁１１２まで延びている。

図４は、第１の実施形態に係るタービン静翼１００の効果を説明する概念図であり、（ａ）は外輪サイドウォール１２０に付加される圧力状態を示し、（ｂ）は従来の構成の場合の変形状態、（ｃ）は本実施形態の場合を示す。

図４（ａ）に示すように、ガスタービン１０の運転状態においては、外輪サイドウォール１２０の板状部１２３には、その径方向内側の作動流体流路１４側からは作動流体の圧力Ｐｃが作用している。また、板状部１２３の径方向外側の冷却媒体用空間１２６側からは、冷却媒体の圧力Ｐａが作用している。

ここで、冷却媒体の圧力Ｐａは、作動流体の圧力Ｐｃよりも高いことから、板状部１２３には、径方向内側に凸となるような荷重が付加される。

今、外輪サイドウォール１２０に補強部材１５０が設けられていない場合を想定する。この場合、図４（ａ）に示す圧力差に起因する荷重により、図４（ｂ）に示すように、板状部１２３が径方向内側に凸となるように変形することになる。

このような状態においては、前フック１２１については、前フック壁部１２１ａの板状部１２３への付け根部の上流側部分である前フック外側付け根部１２１ｃと付け根部の下流側部分である前フック内側付け根部１２１ｄの、一方に圧縮応力が生じ、他方に引っ張り応力が生ずる。

後フック１２２については、後フック壁部１２２ａの板状部１２３への付け根部の上流側部分である後フック内側付け根部１２２ｃと付け根部の下流側部分である後フック外側付け根部１２２ｄの、一方に圧縮応力が生じ、他方に引っ張り応力が生ずる。

一方、本実施形態におけるタービン静翼１００においては、前フック１２１と後フック１２２間に補強部材１５０としての補強棒１５１が設けられていることから、図４（ｂ）に示すような変形を防止する。

すなわち、従来の課題であった、径方向に外輪サイドウォールを挟んだ内外の圧力差、すなわち作動媒体と冷却媒体との圧力差により前側フックの径方向の先端と、後側フックの径方向の先端との間隔が狭まる方向に変位すると、翼有効部と内輪サイドウォールが径方向内側、すなわちロータシャフトに近接する側に大きく変形し、タービン静翼とロータシャフトとのシール部の隙間が減少し、シール部がロータシャフトに接触して摩耗することにより漏れ量が増えてタービン性能が低下するという事態を防止し、また、タービン静翼１００の健全性を確保することができる。

［第２の実施形態］
図５は、第２の実施形態に係るタービン静翼１００ａのタービン軸方向に沿った図６のＶ−Ｖ線矢視図であり、図６は、タービン静翼１００ａを半径方向外側から見た図５のＶＩ−ＶＩ線矢視図である。

本第２の実施形態は、第１の実施形態の変形であり、タービン静翼１００ａが、補強部材１５０としての第１の実施形態における補強棒１５１に代えて補強部材１５０としての補強外部板１５２を有する点が異なり、その他の点では、第１の実施形態と同様である。

図６では、補強外部板１５２に通風孔１５２ａが形成されている場合を示している。通風孔１５２ａは、ケーシング１５に形成された冷却媒体流路１５ａ（図１）を通過してきた冷却媒体が、冷却媒体用空間１２６（図５）に流入するための孔であり、一部のタービン静翼１００ａの補強外部板１５２に形成されている。図６では、通風孔１５２ａが、円形で１つの場合を示したが、これ以外の形状および数であってもよい。

補強部材１５０としての補強外部板１５２は、前フック壁部１２１ａの後フック壁部１２２ａと対向する面と、後フック壁部１２２ａの前フック壁部１２１ａと対向する面とを接続するように取り付けられている。

補強部材１５０としての補強外部板１５２は、一枚の板であり、平板あるいは同心円の一部の形状を有する。補強外部板１５２の前フック壁部１２１ａおよび後フック壁部１２２ａへの取り付け状態は、補強外部板１５２の長手方向がタービン回転軸Ｃ（図１）に平行で周方向に拡がるように取り付けられ、かつ、前フック壁部１２１ａおよび後フック壁部１２２ａへの取り付け位置が前フック１２１および後フック１２２の径方向外側の部分である。

なお、補強外部板１５２は、一枚の場合に限らず、たとえば、周方向あるいは軸方向に分割された複数枚の平板であってもよい。

本実施形態におけるタービン静翼１００ａにおいては、前フック１２１と後フック１２２間に補強部材１５０としての補強外部板１５２が設けられていることから、第１の実施形態と同様に、前フック壁部１２１ａと後フック壁部１２２ａ間が近接するような変形を防止することにより、漏れ量の増大によるタービン性能の低下を防止し、また、タービン静翼１００ａの健全性を確保することができる。

［第３の実施形態］
図７は、第３の実施形態に係るタービン静翼１００ｂのタービン軸方向に沿った図８のＶＩＩ−ＶＩＩ線矢視図であり、図８は、タービン静翼１００ｂを半径方向外側から見た図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線矢視図である。

本第３の実施形態は、第１の実施形態の変形であり、タービン静翼１００ｂが、補強部材１５０としての第１の実施形態における補強棒１５１に代えて、補強部材１５０としての２枚の補強側板１５３を有する点が異なり、その他の点では、第１の実施形態と同様である。

補強側板１５３は、外輪サイドウォール１２０の周方向の両側端部のそれぞれにおいて、板状部１２３の径方向の外側の冷却媒体用空間１２６側の面、前フック１２１の前フック壁部１２１ａの冷却媒体用空間１２６側の面、および後フック１２２の後フック壁部１２２ａの冷却媒体用空間１２６側の面、のそれぞれの周方向端部と接続するように配されている。したがって、補強側板１５３は、折れ曲がった平板状である。

補強側板１５３には、各タービン静翼１００ｂの冷却媒体用空間１２６間を連通させるための通風孔１５３ａ（図７）が形成されている。なお、通風孔１５３ａの数は、１つあるいは３つ以上でもよい。また、通風孔１５３ａの形状は、図８に示すような円形、あるいは例えば多角形など他の形状でもよい。

なお、図７では、補強側板１５３が、板状部１２３、前フック１２１、および後フック１２２と接続する場合を例にとって示したが、これに限定されない。すなわち、少なくとも、前フック１２１および後フック１２２のぞれぞれの径方向の中央より外側の部分と接続されていれば、板状部１２３とは接続されていなくともよい。この場合は、+板状部１２３との間隙が通風路となることから、通風孔１５３ａを形成する必要はない。

なお、以上、外輪サイドウォール１２０の周方向の両側端部のそれぞれにおいて補強側板１５３が設けられている場合を例にとって示したが、たとえば、周方向の中間位置に設けられてもよい。あるいは、端部と中間部の両方に設けられてもよい。また、必ずしも折れ曲がりがなくともよい。

本実施形態におけるタービン静翼１００ｂにおいては、前フック１２１と後フック１２２間に補強部材１５０としての補強側板１５３が設けられていることから、第１の実施形態と同様に、前フック壁部１２１ａと後フック壁部１２２ａ間が近接するような変形を防止することにより、漏れ量の増大によるタービン性能の低下を防止し、また、タービン静翼１００ｂの健全性を確保することができる。

［第４の実施形態］
図９は、第４の実施形態に係るタービン静翼１００ｃの翼有効部１１０の前縁１１１を含み翼有効部１１０の厚み方向の中央に沿って切断した縦断面図である。

本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本実施形態においては、翼有効部１１０の前縁１１１と、外輪サイドウォール１２０の軸方向の位置が所定の関係にある。

翼有効部１１０の径方向の外側端部、すなわち外輪サイドウォール１２０の板状部１２３との接合部における前縁１１１の軸方向位置と、外輪サイドウォール１２０の前フック１２１の前フック壁部１２１ａの厚み方向の中央線Ｍとの軸方向位置の差、すなわち、前縁１１１と中央線Ｍとの軸方向位置のずれの量をｄとする。有効部前縁１１１が中央線Ｍより作動流体の上流側にある場合にｄが正、有効部前縁１１１が中央線Ｍより作動流体の下流側にある場合にｄが負であるとする。また、翼有効部１１０の高さ、すなわち径方向の長さをＨとする。また、位置ずれ度δを（ｄ／Ｈ）で表す。

このとき、本実施形態においては、位置ずれ度δと、外輪サイドウォール１２０と翼有効部１１０の前フック１２１との接合部１１１ａ（図１０）において板状部１２３に生ずる応力とが、所定の関係にある。所定の関係の内容については、後に、図１１を引用しながら説明する。

図１０は、第４の実施形態に係るタービン静翼の効果を説明する概念図であり、（ａ）はタービン静翼に付加される荷重状態を示し、（ｂ）は荷重による変形状態を示す。

作動流体流路１４を作動流体が流れることに起因して、翼有効部１１０の有効部の軸方向前後に圧力差が生ずる。ずなわち、有効部後縁１１２側に比べて有効部前縁１１１側の圧力が高くなることから、翼有効部１１０には、上流側から下流側に向かう荷重が作用する。タービン静翼１００は、外輪サイドウォール１２０側でケーシング１５（図１）により支持され、内輪サイドウォール１３０側、すなわち径方向内側が自由端となっている。

このため、タービン静翼１００は、内輪サイドウォール１３０側が下流側に移動するように変形する。この変形の結果、翼有効部１１０と外輪サイドウォール１２０との接続部においては、軸方向上流側に引張応力が、また、軸方向下流側に圧縮応力が生ずる。すなわち、有効部前縁１１１の板状部１２３との接続部である有効部前縁外側付け根部１１１ａには引張応力が、また、有効部後縁１１２の板状部１２３との接続部である有効部後縁外側付け根部１１２ａには圧縮応力が生ずる。

ここで、第１の実施形態において図４を引用しながら説明したように、外輪サイドウォール１２０に補強部材１５０を設けない場合は、前フック１２１については前フック外側付け根部１２１ｃおよび前フック内側付け根部１２１ｄの一方に圧縮応力が、また、他方に引張応力がそれぞれ生ずる。

一方、外輪サイドウォール１２０に補強部材１５０を設ける場合は、前フック１２１と後フック１２２間の間隔を維持して、外輪サイドウォール１２０に補強部材１５０の径方向の内外の圧力差による変形を抑制し、翼有効部と内輪サイドウォールがロータシャフトに近接するような変形を防止することができるが、外輪サイドウォール１２０の前フック１２１および後フック１２２の付け根部は複雑な応力状態となる。

特に前フック外側付け根部１２１ｃには引張応力がかかることから、できるだけ、他の応力の発生を防止し、合成された応力が大きくなることを避けることが好ましい。

上述のように、外輪サイドウォール１２０自身に応力が生じている。前フック１２１側と板状部１２３との結合部においては、前フック１２１の厚み方向の応力は、前フック壁部１２１ａの前側表面と後ろ側表面とで応力の向きが互いに逆転している、すなわち、一方が圧縮方向であれば他方は引っ張り方向であると考えられる。したがって、前フック１２１近傍では、前フック壁部１２１ａの厚み方向の中間部分、すなわち中央線Ｍに相当する位置において、応力はほぼゼロであると考えられる。

したがって、翼有効部１１０の前縁１１１が外輪サイドウォール１２０の前フック壁部１２１ａの厚み方向の中央の軸方向の位置と実質的に一致する関係になる場合には、前述の有効部前縁外側付け根部１１１ａに生ずる引張応力に、外輪サイドウォール１２０における応力が重畳しないようにすることができる。

図１１は、第４の実施形態に係るタービン静翼の要件を説明するグラフである。横軸は、位置ずれ度δ（％）、すなわち、有効部前縁外側付け根部１１１ａにおける有効部前縁１１１の位置の中央線Ｍからの軸方向のずれｄの翼有効部１１０の高さＨに対する比（ｄ／Ｈ）、縦軸は、許容応力に対する応力比αである。

外輪サイドウォール１２０と翼有効部１１０の前フック１２１との接合部１１１ａ（図１０）において板状部１２３に生ずる応力をσａ、許容応力をσｐとすると、応力比αは、σａ／σｐで表される。

ここで、許容応力σｐは、耐力を超える程度が一般的なガスタービン部品の交換頻度になる程度の応力をいうものとする。すなわち、ガスタービン、特に高温かつ高圧の作動流体により駆動されるＣＯ_２タービンにおいては、局部的に応力が当該部の材料の耐力を超えることは一般的に起こり得ることである。この結果、塑性ひずみが蓄積することから、一般的に、疲労寿命を考慮して定期的に部品を交換することにより、運転を継続するという運用を行う場合が多い。

したがって、上述のように応力が高くなるのが局部的な場合には、ここでいう許容応力σｐは、材料のたとえば０．２％耐力を超える応力値であってもよい。また、上述の部品の交換頻度としては、一般的に当該部品の交換頻度が例えば５年ないし１０年ごとの間隔である場合、その間隔の平均値あるいは中間値をとってもよいし、あるいは、その最も短い５年を採用することでもよい。

図１１で示す曲線は、外輪サイドウォール１２０と翼有効部１１０の前フック１２１との接合部１１１ａ（図１０）において板状部１２３に生ずる応力σａについての許容応力σｐに対する比αの値を示す。図１１に示すように、有効部前縁１１１の位置の中央線Ｍから軸方向のずれｄの翼有効部１１０の高さＨに対する比、すなわち位置ずれ度δ（ｄ／Ｈ（％））の絶対値が軸方向の前後に大きくなると、許容応力σｐに対する比である応力比αが大きくなる。

今、静翼１００ｃの鋳造を含めた製作公差を考慮して、位置ずれ度δ（％）の許容範囲を、マイナス２％以上、プラス２％以内の範囲に設定する。この場合、位置ずれ度δがマイナス２％のときの応力比αとプラス２％のときの応力比αの大きい方の値をα_ｔとする。ここで、基準値α_ｐは、たとえば、１．０に余裕をみた０．９であるとする。この場合、基準値α_ｐより小さい応力比α_ｔを得ることができる。

なお、さらに構造強度上の余裕をとるために、許容応力σｐを、たとえば、材料の０．２％耐力の値、あるいはその０．９倍等の値に設定し、上述の条件が成立することを確認することでもよい。

以上のように、本第４の実施形態に係るタービン静翼１００ｃにおいては、翼有効部１１０の前縁１１１を外輪サイドウォール１２０の軸方向の位置と極力近接させることにより、前述の有効部前縁外側付け根部１１１ａに生ずる引張応力に、外輪サイドウォール１２０における応力が重畳しないようにし、タービン静翼１００ｃの健全性を確保することができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。

また、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…ガスタービン、１１…ロータシャフト、１２…ロータディスク、１３…動翼、１４…作動流体流路、１５…ケーシング、１５ａ…冷却媒体流路、１５ｂ…前フック受け溝、１５ｃ…後フック受け溝、１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ…静翼、１１０…翼有効部、１１１…有効部前縁、１１１ａ…有効部前縁外側付け根部、１１２…有効部後縁、１１２ａ…有効部後縁外側付け根部、１２０…外輪サイドウォール、１２１…前フック、１２１ａ…前フック壁部、１２１ｂ…前フック突部、１２１ｃ…前フック外側付け根部、１２１ｄ…前フック内側付け根部、１２２…後フック、１２２ａ…後フック壁部、１２２ｂ…後フック突部、１２２ｃ…後フック内側付け根部、１２２ｄ…後フック外側付け根部、１２３…板状部、１２４…前側突部、１２５…後側突部、１２６…冷却媒体用空間、１３０…内輪サイドウォール、１３１…板状部、１３２…ラビリンス歯、１５０…補強部材、１５１…補強棒、１５２…補強外部板、１５３…補強側板、１５３ａ…通風孔、Ｃ…タービン回転軸

Claims (9)

1. ガスタービンのケーシング内の作動流体流路に配されるタービン静翼であって、
   前記作動流体流路に配される翼有効部と、
   前記翼有効部の径方向の外側端部と接続する板状部と、前記板状部の上流端部側から径方向外側および周方向に延びるとともにその先端が前記ケーシングと嵌合する前フックと、前記板状部の下流端部側から径方向外側および周方向に延びるとともにその先端が前記ケーシングと嵌合する後フックと、前記前フックと前記後フックとの間隔を保持する補強部材と、を有する外輪サイドウォールと、
   前記翼有効部の径方向の内側端部に接続された内輪サイドウォールと、
   を具備することを特徴とするタービン静翼。
2. 前記補強部材は、少なくとも、前記前フックにおける径方向外側端部近傍と前記後フックの径方向外側端部近傍とを接続することを特徴とする請求項１に記載のタービン静翼。
3. 前記補強部材は、前記前フックにおける径方向外側端部近傍と前記後フックの径方向外側端部近傍とを接続する少なくとも１つの棒状の補強棒を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のタービン静翼。
4. 前記補強部材は、前記前フックにおける径方向外側端部近傍と前記後フックの径方向外側端部近傍とを接続し周方向に広がる補強外部板を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のタービン静翼。
5. 前記補強部材には、通風孔が形成されていることを特徴とする請求項４に記載のタービン静翼。
6. 前記補強部材は、外輪サイドウォールの周方向の両端に配され、棒状で前記前フックにおける径方向外側端部近傍と前記後フックの径方向外側端部近傍とを接続して、径方向内側に広がる補強側板を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のタービン静翼。
7. 前記補強側板が、前記板状部とも接続する場合において、前記補強側板には、通風孔が形成されていることを特徴とする請求項６に記載のタービン静翼。
8. 前記翼有効部の軸方向上流側先端の軸方向位置と前記前フックの前記板状部から径方向および周方向に延びる部分の肉厚の中央の位置とのズレの前記翼有効部の径方向の高さに対する比である位置ずれ度は、所定の許容値以内であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のタービン静翼。
9. 前記所定の許容値は、マイナス２％以上かつプラス２％以下であることを特徴とする請求項８に記載のタービン静翼。

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