JP2022061204A - ガスタービン静翼 - Google Patents

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Abstract

Figure 2022061204000001
【課題】
本発明は、インピンジメント冷却板を使用し、冷却空気を効率よく使用するガスタービン静翼を提供する。
【解決手段】
本発明のガスタービン静翼は、内周側エンドウォールと外周側エンドウォールとにより静翼が一体に形成され、内周側エンドウォールは、半径方向内側に伸び、内周ダイヤフラムと接続する上流側接続部と、上流側接続部よりも下流側に設置され、半径方向内側に伸び、内周ダイヤフラムと接続する下流側接続部と、上流側から下流側に伸び、上流側接続部及び下流側接続部が形成される内周側エンドウォール本体と、を有し、内周側エンドウォール本体は、上流側接続部と下流側接続部との間であって、半径方向外側に掘り込んだ掘り込み部を有し、掘り込み部の表面には、インピンジメント冷却板が設置されることを特徴とする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ガスタービン静翼、特に、内周側エンドウォールと外周側エンドウォールとにより２つの静翼が一体に形成される連翼構造のガスタービン静翼に関する。
こうした本技術分野における背景技術には、特開２０１７－２１９０４２号公報（特許文献１）がある。この特許文献１には、連翼構造のガスタービン静翼が記載されている（特許文献１の図３参照）。そして、特許文献１には、ノズル（ガスタービン静翼）の内側側壁の半径方向内面から半径方向内側に設置されるインピンジメントプレート（インピンジメント冷却板）を有するガスタービンエンジン用ノズル冷却システムが記載されている（特許文献１の要約参照）。
特開２０１７－２１９０４２号公報
特許文献１には、連翼構造のガスタービン静翼が記載されている。
今後、ガスタービン静翼は、ガスタービンの運転時に、増々、ガスタービン静翼の温度が上昇する。ガスタービン静翼は、ガスタービン静翼の温度が上昇することにより、更なるガスタービン静翼の冷却が必要となる。そして、ガスタービン静翼を冷却する際には、冷却空気を増加させることなく、冷却空気を使い回し、効率よくガスタービン静翼を冷却する必要がある。
しかし、特許文献１には、効率よく冷却することができるガスタービン静翼は記載されていない。つまり、特許文献１には、インピンジメント冷却板を使用し、ガスタービン静翼を冷却することは記載されている。しかし、特許文献１には、インピンジメント冷却板を使用し、加えて、冷却空気を効率よく使用し、ガスタービン静翼を冷却することは記載されていない。
そこで、本発明は、インピンジメント冷却板を使用し、冷却空気を効率よく使用するガスタービン静翼を提供する。
上記した課題を解決するため、本発明のガスタービン静翼は、内周側エンドウォールと外周側エンドウォールとにより静翼が一体に形成され、内周側エンドウォールは、半径方向内側に伸び、内周ダイヤフラムと接続する上流側接続部と、上流側接続部よりも下流側に設置され、半径方向内側に伸び、内周ダイヤフラムと接続する下流側接続部と、上流側から下流側に伸び、上流側接続部及び下流側接続部が形成される内周側エンドウォール本体と、を有する。
そして、内周側エンドウォール本体は、上流側接続部と下流側接続部との間であって、半径方向外側に掘り込んだ掘り込み部を有し、掘り込み部の表面には、インピンジメント冷却板が設置されることを特徴とする。
本発明によれば、インピンジメント冷却板を使用し、冷却空気を効率よく使用するガスタービン静翼を提供することができる。
なお、上記した以外の課題、構成及び効果については、下記する実施例の説明により、明らかにされる。
本実施例に記載するガスタービン１００を説明する概略説明図である。 本実施例に記載するガスタービン静翼１０を説明する斜視説明図である。 本実施例に記載するガスタービン静翼１０を説明する断面説明図である。 本実施例に記載する内周側エンドウォール３を説明する断面説明図である。 本実施例に記載するインピンジメント冷却板３５の設置位置を模式的に説明する説明図である。
以下、本発明の実施例を、図面を使用して説明する。なお、実質的に同一又は類似の構成には、同一の符号を付し、説明が重複する場合には、その説明を省略する場合がある。
≪ガスタービン１００≫
先ず、本実施例に記載するガスタービン１００を説明する。
図１は、本実施例に記載するガスタービン１００を説明する概略説明図である。
ガスタービン１００は、ガスタービン静翼１０とガスタービン動翼２０とを有し、燃焼ガスを導入する。
燃焼ガスは、圧縮機（図示なし）にて圧縮される圧縮空気と、燃焼器（図示なし）に供給される燃料とが、燃焼器にて、燃焼され、生成される。
そして、ガスタービン１００は、燃焼器にて生成される燃焼ガスを、ガスタービン静翼１０に導入し、ガスタービン静翼１０を流通した燃焼ガスを、ガスタービン動翼２０に導入する。
ガスタービン動翼２０は、導入される燃焼ガスにより回転し、ガスタービン動翼２０が回転することにより、ガスタービン動翼２０と同軸に連結する発電機（図示なし）が発電する。
このように、ガスタービン静翼１０には、燃焼器にて生成される高温の燃焼ガスが導入される。
そして、今後、ガスタービン静翼１０は、ガスタービン１００の運転時に、増々、ガスタービン静翼１０の温度が上昇し、ガスタービン静翼１０の温度が上昇する。これにより、ガスタービン静翼１０は、更なるガスタービン静翼の冷却が必要となる。そして、ガスタービン静翼１０を冷却する際には、冷却空気を増加させることなく、冷却空気を使い回し、効率よくガスタービン静翼１０を冷却する必要がある。
なお、ガスタービン静翼１０は、その内周側が内周ダイヤフラム３０に接続され、その外周側が外周ダイヤフラム４０に接続される。
≪ガスタービン静翼１０≫
次に、本実施例に記載するガスタービン静翼１０を説明する。
図２は、本実施例に記載するガスタービン静翼１０を説明する斜視説明図である。
本実施例に記載するガスタービン静翼１０は、特に、連翼構造のガスタービン静翼１０である。
つまり、本実施例に記載する連翼構造のガスタービン静翼１０は、２つの静翼１が、内周側エンドウォール３と外周側エンドウォール２との間に、内周側エンドウォール３と外周側エンドウォール２と一体に形成される。
また、ガスタービン静翼１０に形成される２つの静翼１は、静翼１の後縁部を、静翼１の前縁部に対して、円周方向にずらして、形成される。これにより、ガスタービン静翼１０を流通した燃焼ガスを、効率よく、ガスタービン動翼２０に導入することができる。
図３は、本実施例に記載するガスタービン静翼１０を説明する断面説明図である。
ガスタービン静翼１０は、静翼１と、外周側エンドウォール２と、内周側エンドウォール３と、を有する。
外周側エンドウォール２は、外周ダイヤフラム４０と接続する、半径方向外側に伸びる前方フランジ２１と、外周ダイヤフラム４０と接続する、前方フランジ２１よりも下流側に設置され、半径方向外側に伸びる後方フランジ２２と、前方フランジ２１及び後方フランジ２２が一体に形成され、上流側から下流側に伸びる外周側エンドウォール本体２３と、を有する。
また、内周側エンドウォール３は、内周ダイヤフラム３０と接続する、半径方向内側に伸びる上流側接続部３１と、内周ダイヤフラム３０と接続する、上流側接続部３１よりも下流側に設置され、半径方向内側に伸びる下流側接続部３２と、上流側接続部３１及び下流側接続部３２が形成され、上流側から下流側に伸びる内周側エンドウォール本体３３と、を有する。
更に、内周側エンドウォール本体３３には、上流側接続部３１と下流側接続部３２との間であって、内周側エンドウォール本体３３を半径方向外側に（内周ダイヤフラム３０側（非ガスパス面側）から）掘り込んだ掘り込み部３４が形成され、掘り込み部３４の表面には、インピンジメント冷却板３５が設置される。
そして、内周側エンドウォール３を冷却する際には、特に、
（１）内周側エンドウォール本体３３の先端部分（前縁部分）から、内周側エンドウォール本体３３と上流側接続部３１との付根部分（内周側エンドウォール本体３３と上流側接続部３１との接続部分）まで、の間の内周側エンドウォール本体３３、
（２）上流側接続部３１と下流側接続部３２との間の内周側エンドウォール本体３３（翼間部冷却）、
（３）下流側接続部３２よりも下流側（内周側エンドウォール本体３３の後端部分（後縁部分）まで）の内周側エンドウォール本体３３（下流側冷却）、
を冷却する必要がある。
そこで、これらを、冷却空気を増加させることなく、冷却空気を使い回し、効率よく冷却する必要がある。
本実施例では、内周側エンドウォール本体３３に、上流側接続部３１と下流側接続部３２との間であって、内周側エンドウォール本体３３を半径方向外側に掘り込んだ掘り込み部３４を形成し、掘り込み部３４の表面に、インピンジメント冷却板３５を設置する。
これにより、冷却空気を効率よく使用し、内周側エンドウォール本体３３、つまり、ガスタービン静翼１０を効率よく冷却することができる。
特に、本実施例では、内周側エンドウォール３と外周側エンドウォール２とにより２つの静翼１が一体に形成される連翼構造のガスタービン静翼１０の内周側エンドウォール３の中央部分（上流側接続部３１と下流側接続部３２との間）に、掘り込み部３４を形成し、そこにインピンジメント冷却板３５を設置する。
これにより、冷却空気を効率よく使用し、ガスパス面側の圧力勾配の影響を受けずに、均一に、効率よく、内周側エンドウォール本体３３、つまり、ガスタービン静翼１０を冷却することができる。
≪内周側エンドウォール３≫
次に、本実施例に記載する内周側エンドウォール３を説明する。
図４は、本実施例に記載する内周側エンドウォール３を説明する断面説明図である。
内周側エンドウォール３は、内周ダイヤフラム３０と接続する、半径方向内側に伸びる上流側接続部３１と、内周ダイヤフラム３０と接続する、上流側接続部３１よりも下流側に設置され、半径方向内側に伸びる下流側接続部３２と、上流側接続部３１及び下流側接続部３２が形成され、上流側から下流側に伸びる内周側エンドウォール本体３３と、を有する。
そして、内周側エンドウォール本体３３には、上流側接続部３１と下流側接続部３２との間であって、内周側エンドウォール本体３３を半径方向外側に掘り込んだ掘り込み部３４が形成され、掘り込み部３４の表面には、インピンジメント冷却板３５が設置される。
なお、インピンジメント冷却板３５は、冷却空気を、インピンジメント冷却板３５に形成される噴射孔から内周側エンドウォール本体３３に形成される掘り込み部３４の底面（半径方向外側）に、垂直に噴射させるものである。なお、噴射孔は千鳥格子状に形成されることが好ましい。
これにより、内周側エンドウォール本体３３、つまり、ガスタービン静翼１０を効率よく冷却することができる。
そして、掘り込み部３４は、内周側エンドウォール本体３３の中央部分（上流側接続部３１と下流側接続部３２との間）を切削して形成してもよいし、内周側エンドウォール本体３３と共に、鋳造して形成してもよい。また、インピンジメント冷却板３５は、内周側エンドウォール本体３３に、掘り込み部３４の表面を覆うように、溶接により、設置される。
なお、掘り込み部３４は、内周側エンドウォール本体３３の中央部分に形成され、上流側接続部３１の付根部分と掘り込み部３４の縁との間、及び、下流側接続部３２の付根部分と掘り込み部３４の縁との間に、インピンジメント冷却板３５の溶接部分を残し、形成される。
また、掘り込み部３４は、内周側エンドウォール本体３３の中央部分を、半径方向に、内周側エンドウォール本体３３の中央部分の厚さの半分程度を掘り込んで、形成される。つまり、掘り込み部３４の半径方向の深さは、内周側エンドウォール本体３３の中央部分の厚さの１／２～１／３であることが好ましい。
なお、掘り込み部３４が形成される内周側エンドウォール本体３３は、翼間薄肉部となる。つまり、この翼間薄肉部は、その半径方向の厚さが、掘り込み部３４の深さの１／２以上となる。
このように、掘り込み部３４を形成することにより、内周側エンドウォール本体３３の中央部分を効率よく冷却することができる。
また、内周側エンドウォール本体３３には、内周側エンドウォール本体３３の先端部分から、内周側エンドウォール本体３３と上流側接続部３１との付根部分まで、の間に、この間を冷却する冷却流路３６（上流側冷却流路）が形成される。つまり、内周側エンドウォール本体３３は、内周側エンドウォール本体３３の先端部分から、内周側エンドウォール本体３３と上流側接続部３１との付根部分まで、の間に、この間を冷却する冷却流路３６を有する。
冷却流路３６は、円周方向に複数本（例えば、３０本～５０本）が形成され、この内、円周方向の中央部の複数本（例えば、１０本～２０本）が、上流側接続部３１と下流側接続部３２との間に接続する。
そして、内周側エンドウォール本体３３の先端部分から導入される冷却空気が、内周側エンドウォール本体３３と上流側接続部３１との付根部分に導出される。この導出された冷却空気が、インピンジメント冷却板３５を介して、掘り込み部３４に噴射される。
これにより、内周側エンドウォール本体３３の先端部分から、内周側エンドウォール本体３３と上流側接続部３１との付根部分まで、を冷却した冷却空気を使用し、内周側エンドウォール本体３３の中央部分を冷却することができる。
また、内周側エンドウォール本体３３には、下流側接続部３２よりも下流側に、この下流側を冷却する冷却流路３７（下流側冷却流路）が形成される。つまり、内周側エンドウォール本体３３は、下流側接続部３２よりも下流側に、この下流側を冷却する冷却流路３７を有する。
冷却流路３７は、掘り込み部３４の側面（下流側側面）から内周側エンドウォール本体３３の後端部分まで形成され、円周方向に複数本（例えば、１０本～２０本）が形成される。
これにより、内周側エンドウォール本体３３の中央部分を冷却した冷却空気を使用し、下流側接続部３２よりも下流側の内周側エンドウォール本体３３を冷却することができる。つまり、インピンジ冷却に使用された冷却空気は、水平方向に下流側へ流れ、下流側接続部３２よりも下流側の内周側エンドウォール本体３３を冷却し、排出される。
このように、本実施例によれば、冷却空気を増加させることなく、冷却空気を使い回し、内周側エンドウォール本体３３、つまり、ガスタービン静翼１０を効率よく冷却することができる。また、本実施例によれば、翼間部冷却と下流側冷却とを同じ冷却空気を使用し、効率良く実施することができ、冷却空気を削減することもできる。
次に、本実施例に記載するインピンジメント冷却板３５の設置位置を模式的に説明する。
図５は、本実施例に記載するインピンジメント冷却板３５の設置位置を模式的に説明する説明図である。
本実施例に記載するガスタービン静翼１０は、連翼構造であるため、２つの静翼１が、内周側エンドウォール３と外周側エンドウォール２との間に、形成される。
そこで、本実施例では、インピンジメント冷却板３５を、図５に示すように、２つの静翼１の間に設置する。つまり、掘り込み部３４も、２つの静翼１の間に形成される。
これにより、２つの静翼１の間を、ガスパス面側の圧力勾配の影響を受けずに、均一に冷却することができ、２つの静翼１の間のメタル温度を効率よく低減することができる。
また、掘り込み部３４及びインピンジメント冷却板３５は、平行四辺形状に形成されることが好ましい。
本実施例に記載するガスタービン静翼１０は、２つの静翼１の後縁部が、軸方に対して、円周方向にずれて、形成される。つまり、２つの静翼１の後縁部は、内周側エンドウォール３の後縁部に対して、円周方向に偏って、形成される。
このため、掘り込み部３４及びインピンジメント冷却板３５を、平行四辺形状に形成することにより、２つの静翼１の間を、更に均一に冷却することができる。そして、冷却空気を効率よく使用し、内周側エンドウォール本体３３、つまり、ガスタービン静翼１０を効率よく冷却することができる。
このように、本実施例に記載するガスタービン静翼１０は、内周側エンドウォール３と外周側エンドウォール２とにより２つの静翼１が一体に形成され、内周側エンドウォール２は、半径方向内側に伸び、内周ダイヤフラム３０と接続する上流側接続部３１と、上流側接続部３１よりも下流側に設置され、半径方向内側に伸び、内周ダイヤフラム３０と接続する下流側接続部３２と、上流側から下流側に伸び、上流側接続部３１及び下流側接続部３２が形成される内周側エンドウォール本体３３と、を有する。
そして、内周側エンドウォール本体３３は、上流側接続部３１と下流側接続部３２との間であって、半径方向外側に掘り込んだ掘り込み部３４を有し、掘り込み部３４の表面には、インピンジメント冷却板３５が設置される。
本実施例によれば、インピンジメント冷却板３５を使用し、冷却空気を効率よく使用するガスタービン静翼１０を提供することができる。
なお、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施例は、本発明を分かりやすく説明するために、詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を有するものに限定されるものではない。
１・・・静翼
２・・・外周側エンドウォール
３・・・内周側エンドウォール
１０・・・ガスタービン静翼
２０・・・ガスタービン動翼
２１・・・前方フランジ
２２・・・後方フランジ
２３・・・外周側エンドウォール本体
３０・・・内周ダイヤフラム
３１・・・上流側接続部
３２・・・下流側接続部
３３・・・内周側エンドウォール本体
３４・・・掘り込み部
３５・・・インピンジメント冷却板
３６・・・冷却流路
３７・・・冷却流路
４０・・・外周ダイヤフラム
１００・・・ガスタービン

Claims (7)

  1. 内周側エンドウォールと外周側エンドウォールとにより静翼が一体に形成されるガスタービン静翼であって、
    前記内周側エンドウォールは、半径方向内側に伸び、内周ダイヤフラムと接続する上流側接続部と、前記上流側接続部よりも下流側に設置され、半径方向内側に伸び、前記内周ダイヤフラムと接続する下流側接続部と、前記上流側接続部及び前記下流側接続部が形成され、上流側から下流側に伸びる内周側エンドウォール本体と、を有し、
    前記内周側エンドウォール本体は、前記上流側接続部と前記下流側接続部との間であって、半径方向外側に掘り込んだ掘り込み部を有し、前記掘り込み部の表面には、インピンジメント冷却板が設置されることを特徴とするガスタービン静翼。
  2. 請求項１に記載するガスタービン静翼であって、
    前記ガスタービン静翼は、前記内周側エンドウォールと前記外周側エンドウォールとにより２つの前記静翼が一体に形成される連翼構造を有することを特徴とするガスタービン静翼。
  3. 請求項２に記載するガスタービン静翼であって、
    前記掘り込み部は、２つの前記静翼の間に形成されることを特徴とするガスタービン静翼。
  4. 請求項２に記載するガスタービン静翼であって、
    前記掘り込み部の半径方向の深さは、内周側エンドウォール本体の中央部分の厚さの１／２～１／３であることを特徴とするガスタービン静翼。
  5. 請求項２に記載するガスタービン静翼であって、
    前記内周側エンドウォール本体は、その先端部分から、前記上流側接続部の付根部分まで、の間を冷却する冷却流路を有することを特徴とするガスタービン静翼。
  6. 請求項２に記載するガスタービン静翼であって、
    前記内周側エンドウォール本体は、前記下流側接続部よりも下流側を冷却する冷却流路を有することを特徴とするガスタービン静翼。
  7. 請求項６に記載するガスタービン静翼であって、
    前記冷却流路は、掘り込み部の側面から内周側エンドウォール本体の後端部分まで形成されることを特徴とするガスタービン静翼。
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