JP2716480B2 - ガスタービンブレードの冷却方法 - Google Patents

ガスタービンブレードの冷却方法

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JP2716480B2 JP63260599A JP26059988A JP2716480B2 JP 2716480 B2 JP2716480 B2 JP 2716480B2 JP 63260599 A JP63260599 A JP 63260599A JP 26059988 A JP26059988 A JP 26059988A JP 2716480 B2 JP2716480 B2 JP 2716480B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は、作動時に高温の作用ガス流に曝されるガ
スタービンの動翼及び静翼(この明細書では両者を総称
するときはブレードという)を内部から冷却し、作用ガ
スの温度を高めてガスタービンの効率を向上させたり、
又、一定温度の作用ガスに対しては耐熱強度の低いブレ
ード材料の使用を可能にするガスタービンブレードの冷
却方法に関する。
(従来の技術) ガスタービンは、第8図に略示するように、コンプレ
ッサ1で大気を圧縮して得た高温、高圧(200〜350℃、
5〜12kg/cm2)の空気2を燃焼器3に送り、燃料4を燃
焼させて高温の作用ガスを造り、この作用ガス5をガス
タービン6に導き、ガスタービン内で、静翼7の形成す
るノズルからロータ8の周囲に取付けた動翼9に吹付け
てロータ8を回転させ、軸10によりこれに連結された発
電機等の負荷11を駆動する動力装置である。ブレード
7、9は、ガスタービン運転中は常に高温ガス流に曝さ
れている。
ガスタービンの効率は、作用ガス温度が高い程良くな
るので、現在は1000℃以上の高温ガスを使用するように
なって来ているが、ブレード材料の耐熱性能に限度があ
るため作用ガス温度のみを一方的に高めることはできな
い。そこでブレードを内部から冷却して高温の作用ガス
流に耐えられるようにしている。
次に先ず、従来のガスタービンブレードの冷却方法
を、動翼を空気冷却する方法の概要を示す第9〜10図に
より説明する。回転軸10を持つロータ8の周囲に取付け
られた多数の動翼9、9は、内部に中空部12が形成され
ており、この中空部は多数の小孔13、13により動翼の外
側面に通じ、中空部12は、又、ケーシング15内に開口す
る通気孔14に通じている。中空部12には、ケーシング15
内に取入れた冷却用空気が通気孔14から導入される。
ガスタービン運転時にこの動翼9を冷却するには、コ
ンプレッサ1で圧縮されて温度上昇(例えば12kg/cm2
350℃)した燃焼用圧縮空気2の一部をケーシング15内
に取入れ、これを冷却用空気として動翼の通気孔14から
中空部12に導入する。この冷却用空気は、小孔13、13か
ら動翼外に噴出し、動翼9の外面に沿って流れ去る。こ
の冷却用空気のための動翼9は内部から冷却され、又外
面に沿って流れ去る空気が断熱膜として作用し、高温ガ
ス流のため動翼が加熱される程度を低くする。
ノズルを形成する静翼7の場合は、不動であるから、
ケーシングの内又は外に設けた通路から冷却用空気を静
翼に設けた中空部に導入し同様にして冷却する。
なお、このようにして空気冷却した場合に、ブレード
表面の温度は、第11図に1例を示すように、前縁部9a、
後縁部9bが中央部より110〜150℃位高くなり、第12図に
例示するように、根本部が先端部よりよく冷却されるこ
とが知られている。
上記は空気冷却の場合について説明したが、特開昭55
−72604号公報、特開昭60−3404号公報に記載されてい
るように、水を冷却媒体として使用することも考えられ
ている。
水は空気に比べて比熱が大きく、固体からの熱伝導も
よく、蒸発熱を冷却に利用することもできるので、冷却
媒体としては空気よりも勝れた点が多い。
(発明が解決しようとする課題) ブレード冷却の媒体として水は勝れた性質を持ってい
るが、著しく高温の物体に向けて水を噴射し冷却しよう
とすると、次のようなライデン・フロスト現象を起して
十分な冷却を行なうのが妨げられる。即ち、噴射した細
かい水滴が500℃程度になっている高温物体に接触する
と、先ず水滴の接触部分において水が瞬時に蒸発し、そ
の爆発的膨張のため水滴の他部分がはじき飛ばされて高
温物体に接触できず、水の折角の勝れた冷却能力を十分
冷却に利用することができない。
(課題を解決するための手段) この発明は、冷却用媒体として水を使用するもので、
第一段階としてブレード内に設けたノズル管の小孔から
ブレード内面に冷却用水を吹付ける。
この場合、500℃程度の高温になっているブレード内
面に向けて水を噴射すると、この冷却用水は微細水滴の
集った霧状となってブレード内面に衝突するが、その水
滴の一部は瞬時に蒸発し、残りの水滴部分とブレードと
の接触を妨げてしまう。即ち、ライデン・フロスト現象
を生じて冷却効果を落すことになる。
本発明は、ブレード内面に複数の棚状のフィンや案内
壁、突起等を設けて、第二段階として一部の急激な蒸発
のためはじき飛ばされる水滴や低温空気をフィン、案内
壁等の間に捕捉し、ブレード内面や両側のフィン、案内
壁等に繰返し接触させてブレードから多くの熱を奪い、
冷却用水の蒸気をブレードの小孔13から流出させるよう
にしてブレードの水冷却を改善することを考慮したもの
である。
(作用) 第一段階として高温のブレード内面に向けて噴射され
た冷却用水は、微細水滴より成る霧状となってブレード
内面に接触し、ライデン・フロスト現象を起すが、水滴
の一部は蒸発してブレードから熱を奪った後、ブレード
の小孔から流出し、作用ガスとブレード外面との間に断
熱膜を形成しつつ流れ去る。
第二段階として、ライデン・フロスト現象によりはじ
き飛ばされた水滴は、ブレード内面に棚状に突出したフ
ィンや案内壁の間に捕捉され、両側のフィンや案内壁に
接触し、又水滴がはね返される状態を繰返して蒸発しブ
レードの熱を奪うようになり、ライデン・フロスト現象
による水冷却の不良が改善される。
(実施例) 第1〜7図は本発明によるタービンブレードの冷却方
法の実施態様の概要を例示するもので、第1図は水冷却
の第一段階を行なうための装置の基本構造である水噴射
構造を示すロータ、ブレード部の縦断側面図、第2図は
棚状フィンを設けたブレードの横断面図、第3図は第2
図のA−A断面図、第4図はフィン、案内壁を設けたブ
レードの横断面図、第5図は第4図のB−B断面図、第
6図a,bはフィンの2例を示す側面図、第7図a、bは
フィンの変形である突起の2例を示す側面図である。前
述の従来例と同等部分には同符号を用いて以下にこの実
施例を説明する。
水冷却の基本構造を示す第1図において、ブレード冷
却用水は送水管16から、軸10と水密に摺動する送水箱17
を経て軸10、ロータ8内に設けた送水路18に入り、動翼
9の中空部12内に固設したノズル管19、19に入る。ノズ
ル管19、19は、温度が特に高くなるブレードの前縁部9
a、後縁部9b(第2図、第4図)に近く設けられてい
る。
ノズル管19の側面には複数の小孔19aが設けられてい
て、送水管16、送水路18を通ってノズル管19内に圧送さ
れて来た冷却用水をブレード内面に向けて吹付けるよう
になっている。
このように構成されるから、第一段階としてノズル管
内に圧送された冷却用水が小孔19aからブレード内面に
向けて霧状水滴となって噴射されると、例えば12kg/cm2
で水の沸騰点は187℃であるから、この水滴が500℃程度
の高温になっているブレードの内面に衝突すると、水滴
の一部は忽ち蒸発し、水滴の残部をはじき飛ばすライデ
ン・フロスト現象を起す。はじき飛ばされた水滴部分
は、中空部12内の熱のため続いて蒸発し、小孔13からブ
レード外に流出し、ブレード外面に沿う断熱膜を形成し
つつ流れ去る。このようにして噴射した冷却用水により
ブレードの熱を奪い、又ブレードが作用ガスにより加熱
される程度を弱くする。
第2〜3図は、ブレード内面にU字状の複数のフィン
20を棚状に重ねて取付けて、ライデン・フロスト現象に
よりブレード内面からはじき飛ばされた水滴を第二階段
として捕捉し、ブレード冷却を良く行なわせるようにし
たものである。
第一段階においてノズル管19の小孔19aから噴出した
微小水滴よりなる霧状の冷却用水は、フィン20、20の間
からブレード内面に向けて噴射され、500℃程度の高温
になっているブレードの内面に衝突すると、水滴の一部
が忽ち蒸発し、残部をはじき飛ばしてしまう。
このはじき飛ばされた水滴残部は、第二段階として上
下に位置する同様に高温になっているフィン20,20に当
って一部を蒸発させ、残部は更にはじき飛ばされて第三
段階として再び他のフィン又はブレード内面に衝突す
る。このようにして水滴とブレード又はフィンとの衝突
回数が多くなり、衝突する毎にブレード又はフィンから
熱が奪い去られる。フィンの無い第1図の構造による場
合は、水滴が一度はじき飛ばされてしまうと、その後は
ブレードは水滴衝突時に発生した比較的低温の蒸気のみ
により冷却されることになるが、本発明の場合は、フィ
ン20のため、水滴による冷却回数が多くなるのでブレー
ド冷却を良好にすることができる。
フィン20としては、例えば幅0.5〜2mm程度のU形板を
長さ方向のピッチを2〜3mm程度としてブレード内面に
取付けることが考えられる。
第4〜5図は、上記のように棚状に設けられたフィン
20,20の内方端縁を長さ(縦)方向又は横方向に連続又
は間欠的に連ねる案内壁21を設けて、ライデン・フロス
ト現象によりはじき飛ばされた水滴をブレード内面、フ
ィン、案内壁の間で捕捉し、水滴がこれらの高温の各部
と接触する機会を一層多くする方法を示す。図示の例
は、案内壁を縦横に連続させたものである。
又、フィンを省いて案内壁21をブレード内面との間に
間隙を介在させてノズル管19の両側に設け、この間隙内
に蒸気、水滴を拘束するようにしても有効である。
フィンとしては、平板でもよいが、第6図aのような
波状の弯曲板22や、第6図bのようなジグザグ状に断続
する板片23で構成したもの、又は第7図aのような角形
突起24、第7図bのような円形突起25により形成しても
よい。
(発明の効果) (1)従来の空気冷却に比べて比熱が大きく、固体から
の熱伝導がよく、蒸発熱を利用できる水によりブレード
冷却を行なう際に、ライデン・フロスト現象のためはじ
き飛ばされた水滴を、フィン、案内壁の一方又は双方と
ブレード内面との間で捕捉してブレード冷却に与からせ
るから、水による冷却効率がよくなる。
(2)ブレード冷却を従来以上に良好に行なえるから、
燃焼ガス温度をブレード材料の耐熱限度温度以上に高く
したり、燃焼ガス温度が不変ならば、従来より低い耐熱
性能の材料を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
第1〜7図は本発明によるタービンブレードの冷却方法
の実施態様の概要を例示するもので、第1図は水冷却の
ための装置の基本構造を示すロータ、ブレード部の縦断
側面図、第2図は棚状フィンを設けたブレードの横断面
図、第3図は第2図のA−A断面図、第4図はフィン及
び案内壁を設けたブレードの横断面図、第5図は第4図
のB−B断面図、第6図a、bはフィンの2例を示す側
面図、第7図a、bはフィンの変形である突起の2例を
示す側面図である。第8〜12図は従来技術を示し、第8
図はガスタービンの概要を示す略図、第9図は空気冷却
を行なうブレードの側面図、第10図は空気冷却のための
送気構造を示す略図、第11図はブレードの 幅方向の温
度分布を示す線図、第12図はブレードの長さ方向の冷却
程度を示す線図である。 1:コンプレッサ、2:空気、3:燃焼器、4:燃料、5:作用ガ
ス、6:ガスタービン、7:静翼(ブレード)、8:ロータ、
9:動翼(ブレード)、9a:前縁部、9b:後縁部、10:軸、1
1:負荷、12:中空部、13:小孔、14:通気孔、15:ケーシン
グ、16:送水管、17:送水箱、18:送水路、19:ノズル管、
19a:小孔、20:フィン、21:案内壁、22:弯曲板、23:板
片、24:角形突起、25:円形突起。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】中空にしたブレード内に、小孔を設けたノ
    ズル管を固設すると共に、ブレード内面とノズル管との
    間に複数の棚状のフィンを設けて、ノズル管の小孔から
    ブレード内面に向けて噴射した冷却用水の蒸気及びはじ
    き飛ばされる水滴をフィンの間を流通させ、蒸気及び水
    滴とブレードの内面及びフィンとの接触の機会を多くす
    ることを特徴とするガスタービンブレードの冷却方法。
  2. 【請求項2】中空にしたブレード内に、小孔を設けたノ
    ズル管を固設すると共に、ブレード内面とノズル管との
    間に複数の棚状のフィンを設け、フィンの内方端縁に案
    内壁を設けて、ノズル管の小孔からブレード内面に向け
    て噴射した冷却用水の蒸気、及びはじき飛ばされる水滴
    を、ブレード内面、フィン及び案内壁の間に拘束しつつ
    流し、その間に蒸気及び水滴がブレード内面、フィン、
    案内壁と接触する機会を多くしたことを特徴とするガス
    タービンブレードの冷却方法。
  3. 【請求項3】中空にしたブレード内に小孔を穿設したノ
    ズル管を固設すると共に、ブレード内面との間に間隙を
    介在させた案内壁をノズル管の両側に設けて、ノズル管
    の小孔からブレード内面に向けて噴射した冷却用水の蒸
    気及びはじき飛ばされる水滴を、ブレード内面及び案内
    壁の間に拘束しつつ流し、その間に蒸気及び水滴がブレ
    ード内面、案内壁と接触する機会を多くしたことを特徴
    とするガスタービンブレードの冷却方法。
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