JP2851575B2 - 蒸気冷却翼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温ガス中で作動
する動翼の内部に水蒸気を導入して、動翼の後縁部をイ
ンピンジメント冷却し、高温化を防止して構造強度が維
持できる温度以下に冷却するようにした蒸気冷却翼に関
する。

【０００２】

【従来の技術】高温ガスタービンに用いる動翼では、動
翼の内部に冷却空気の通路を設け、低温の圧縮空気を流
して、動翼を内部から冷却し、動翼自身の温度を動翼メ
タル温度より低い、構造強度を保持できる許容値以下に
抑えるようにしている。このような、動翼の空気冷却で
は、動翼に供給された冷却空気は、内部冷却通路を通過
し、動翼を内部から対流冷却すると共に、動翼の前縁
部、翼端部、又は後縁部に設けた穴から動翼の外周を流
れる高温ガス中に放出され、これらの部分を、インピン
ジメント冷却するようにしている。

【０００３】図３は、このような冷却空気で内部を通過
する圧縮空気で、動翼を冷却するようにした空気冷却翼
の縦断面図である。図に示すように、動翼０１の内部に
は、翼根部０２と翼端部０３とを結ぶ翼幅方向に、冷却
通路０４が設けられている。冷却通路０４は、翼弦方向
に複数列設けられ、翼根部０２を外周面に植設する、図
示しないロータの内部に穿設した空気流路から、入口通
路０１０に導入した冷却空気０５を通過させ、動翼０１
を内部から対流冷却を行う。

【０００４】また、入口通路０１０から流入した冷却空
気０５の一部は、動翼０１を対流冷却した後、動翼０１
の前縁部０１１に穿設した開口０６等から、動翼０１の
外周を流れる高温ガス０９中に高速で放出され、翼幹部
のフィルム冷却を行うようにしている。また、冷却空気
０５の一部は、翼後縁部０１２を対流冷却した後、後縁
部０１２に穿設した穴０７、および翼端部０１３に穿設
した開口部０８部を通って高温ガス０９中に放出され
る。

【０００５】このように、従来の空気冷却翼では、動翼
０１の後縁部０１２に流す冷却空気の空気通路を、対流
冷却構造を用いて冷却し、動翼０１の作動効率上、翼厚
が薄く、構造強度が小さく、高温強度がシビアになる後
縁部の高温化を防止して、後縁部の構造強度を保持し、
効率の低下を防止するようにしている。なお、同図にお
いて、０１５は冷却通路０４に、冷却空気０５の流れと
交叉するように配設したタービュレータである。

【０００６】また、高温ガスタービンでは、近年、さら
にガスタービンの熱効率改善のために、従来よりも高い
高温ガスを作動ガスに使用することが考えられており、
このためには、動翼０１をより高温強度に富む材料にす
るとともに、動翼の冷却を圧縮空気に代え、熱容量が大
きく、冷却効率を高くできる水蒸気で行うことが考えら
れている。

【０００７】しかしながら、動翼０１の内部に水蒸気を
通して冷却する蒸気冷却翼では、冷却に使用された水蒸
気を、前述した冷却空気のように高温ガス０９中に放出
するとガスタービンの熱効率が大幅に下がるため、冷却
に使った水蒸気の全てを蒸気タービンで回収する必要が
あり、前述した空気冷却翼と同様の冷却構造を用いるこ
とができない。特に、冷却に必要とする流量の水蒸気を
通す冷却通路０４の形成が難しい、動翼０１の後縁部０
１２冷却が困難であるという不具合がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した従
来の冷却構造の不具合を解消して、ガスタービンの熱効
率改善するため、特に、動翼の後縁部の冷却を強化する
ために後縁側に設けられ、水蒸気を流すようにした冷却
通路に、インピンジメント板を設けて、熱伝達率が対流
冷却に比べて５〜１０倍と高く、十分な冷却ができるイ
ンピンジメント冷却を行うとともに、冷却した水蒸気の
全てを回収して、ガスタービン効率を向上できるように
した蒸気冷却翼の提供を課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の蒸気
冷却翼は、次の手段とした。

【００１０】（１）高温ガス中で作動する動翼の内部
を、翼根部と翼端部との間の翼幅方向に穿設され、前縁
部と後縁部との間の翼弦方向に複数列設けられる冷却通
路のうち、少くとも後縁端に形成された後縁側冷却通路
に、翼幅方向に配設され、後縁側冷却通路を翼幅方向に
仕切り、後縁側の冷却を行う水蒸気が導入され、後縁側
の対流冷却を行う蒸気が流れる対流冷却蒸気通路と、対
流冷却蒸気通路の後方を後縁に沿って形成され、インピ
ンジメント冷却蒸気が流れるインピンジメント冷却蒸気
通路とに区切るとともに、対流冷却蒸気通路に導入され
た水蒸気を高速にして、インピンジメント冷却蒸気通路
に流出させ、対流冷却に比較して熱伝達率を高めること
のできるインピンジメント冷却を行い後縁部を冷却する
インピンジメント板を設けた。

【００１１】（２）動翼の翼端内部を翼弦方向に穿設さ
れ、後縁側を冷却して、インピンジメント冷却蒸気通路
の翼端側から流出するインピンジメント冷却蒸気を翼端
前縁側に流し、対流冷却蒸気通路から、後縁側冷却通路
の前縁側に設けた冷却通路に流れ、翼根部からロータ内
の流路に、対流冷却蒸気を流出させる冷却通路の下流側
に合流させるバイパス通路を設けた。

【００１２】本発明の蒸気冷却翼は、上述（１），
（２）の手段に示すように、対流冷却では、冷却し難い
動翼の後縁部をインピンジメント冷却ができる構造にす
るとともに、インピンジメント冷却に必要な差圧を確保
し、インピンジメント冷却をした水蒸気を動翼内部から
回収するために、バイパス通路を翼端部に設けたことに
より、対流冷却では、翼厚が小さく水蒸気が流れ難く、
熱伝達率を大きくできず、冷却が難しい動翼の後縁部
を、インピンジメント冷却することにより、冷却効率を
上げ、冷却を強化することができる。

【００１３】これにより、翼厚が薄く、構造強度が小さ
い後縁部の高温化が防止でき、強度が保持できるように
なる。このことは、動翼の周辺を流れ、動翼を作動させ
る高温ガスの温度を高めて、ガスタービンの熱効率をさ
らに向上させることができることにもなる。また、イン
ピンジメント冷却を行うためのインピンジメント差圧
は、バイパス通路を設けることにより、確保されるとと
もに、バイパス通路を設けたことにより、インピンジメ
ント冷却をした水蒸気は、翼厚の薄い後縁部から高温ガ
ス中に放出することなく、動翼の内部から対流冷却した
水蒸気とともに、回収することができ、この面からもガ
スタービンの熱効率を向上させることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の蒸気冷却翼の実施
の一形態を図面にもとずき説明する。図１は本発明の蒸
気冷却翼の実施の第１形態を示す縦断面図、図２は図１
に示す矢視Ａ−Ａにおける断面図である。

【００１５】図に示すように、動翼１の翼幹部２には、
翼根部３から翼端部４に向う冷却通路５が、複数列翼弦
方向に配設されている。冷却通路５は、動翼１の内部の
前縁側と後縁側にそれぞれ１系列づつ設けられており、
また、冷却通路５には、冷却蒸気９の通過する方向と交
叉する方向に、タービュレータが多数設置され、冷却蒸
気９の流れを乱流状態にして、熱伝達率を向上させるよ
うにしている。

【００１６】このうち、前縁側に設けられた前側冷却通
路５１には、図示しないロータの内部に設けた蒸気流路
から入口通路８に流入した冷却蒸気９が、前縁６に沿っ
て配設された最前列の前側冷却通路５１に流入し、翼根
部３から翼端部４側に流れ、翼端部４で１８０°旋回し
て、折返し、翼根部３側へ流れ、翼根部３で、再び１８
０°旋回した後、翼端部側４へ流れ、さらに、１８０°
旋回して、翼根部３側へ流れ、動翼１の前縁側を内部か
ら対流冷却して、回収蒸気１０となって、前側出口通路
１１からロータ内の流路へ流出する。

【００１７】また、後縁側に設けられる冷却通路５は、
入口通路８に流入した冷却蒸気９が分岐して流入する、
後縁７に沿って配設された、最後列の後縁側冷却通路５
２と、後縁側冷却通路５２の前方に、翼弦方向に配設さ
れた３列の後側冷却通路５３とからなる。

【００１８】後縁側冷却通路５２は、翼幅方向に配設さ
れたインピンジメント板１２で、対流冷却蒸気通路５２
ａとインピンジメント冷却蒸気通路５２ｂの２区画に仕
切られており、入口通路８から分岐して後縁側冷却通路
５２に流入した冷却蒸気９は、さらに分岐して、一方は
前方の対流冷却蒸気通路５２ａをインピンジメント板１
２に沿って翼端部４側へ流れ、翼端部４に設置された、
後述するバイパス板１３の内周側で、１８０°旋回して
折返し、翼根部３側へ流れ、翼根部で再び１８０°旋回
した後、翼端部４へ流れ、さらに１８０°旋回して、翼
根部３側へ流れ、動翼１の後縁側を内部から対流冷却し
て、回収蒸気１０となって、前側出口通路１１の後側に
設けられた、後側出口通路１１’からロータ内の流路へ
流出する。

【００１９】さらに、後縁側冷却通路５２に流入した冷
却蒸気９の他方は、後縁側冷却通路５２に、翼幅方向に
配設されたインピンジメント板１２に、翼幅方向に適宜
数設けられたインピンジメント穴１３から、インピンジ
メント板１２で区画された後方のインピンジメント冷却
蒸気通路５２ｂへ流出し、後縁７部分をインピンジメン
ト冷却する。インピンジメント冷却した冷却蒸気９は、
インピンジメント冷却蒸気通路５２ｂを翼端部４側へ流
れ、対流冷却蒸気通路５２ａおよび後側冷却通路５３の
外周端壁を形成し、翼弦方向に配設されたバイパス板１
３と、翼端部４材で形成されるバイパス通路１４を通っ
て、前縁側へ流れ、最前列の後側冷却通路５３に外周端
から流入し、後側冷却通路５３を流れる冷却蒸気９と合
流して、回収蒸気１０となって、後側出口通路１１’か
らロータ内の流路へ流出する。

【００２０】本実施の形態の蒸気冷却翼は、上述したよ
うに、特に冷却が難しく、さらに翼厚が薄い、動翼１の
後縁側を、冷却蒸気９の流量が充分確保できる程度に、
比較的翼厚の大きい部分は、対流冷却蒸気通路５２ａお
よび後側冷却通路５３を流れる、冷却蒸気９による対流
冷却で冷却するとともに、翼厚の小さく、冷却蒸気９の
流量を確保できる通路が形成できない後縁７部分は、イ
ンピンジメント板１２から噴出させる冷却蒸気９によっ
て、インピンジメント冷却し、熱伝達率を高めた冷却を
するようにしたので、後縁７部分の冷却効率が飛躍的に
向上し、翼厚の小さい後縁７部分の構造強度を保持でき
る。

【００２１】このことは、動翼１の周囲に流れる高温ガ
スの温度を、さらに上昇できることに連がり、ガスター
ビンの熱効率を向上させることができることとなる。さ
らに、本実施の形態の蒸気冷却翼では、インピンジメン
ト冷却した冷却蒸気９は、インピンジメント冷却蒸気通
路５２ｂ、バイパス通路１４を通って、動翼１の後縁側
を対流冷却する後側冷却通路５３の下流側で、対流冷却
した冷却蒸気９と合流させて、後側出口通路１１’から
流出させるようにしたので、インピンジメント差圧は充
分確保できるようになる。

【００２２】すなわち、インピンジメント冷却した冷却
蒸気９が通過する、インピンジメント冷却蒸気通路５２
ｂ、バイパス通路１４における圧力損失よりも、対流冷
却蒸気通路５２ａ、後側冷却通路５３を通過する冷却蒸
気９の圧力損失を大きくすることによって、インピンジ
メント差圧が確保できる。

【００２３】さらに、従来の空気冷却における冷却構造
のように、インピンジメント冷却した冷却媒体を高温ガ
ス中へ放出しないので、高温ガスの温度低下によるガス
タービン熱効率の低下が生じないばかりでなく、高温化
した回収蒸気１０は、コンバインドガスタービン等で採
用する蒸気タービンで、出力として回収できるほか、ガ
スタービンに付設する機器等にも利用できるので、ガス
タービン熱効率を向上させることができる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の蒸気冷却
翼によれば、特許請求の範囲に示す構成により、 （１）動翼の後縁部の冷却が強化され、高温ガスの温度
をさらに上げることができるようになるとともに、イン
ピンジ流量の調節により動翼メタル温度の調節が可能と
なる。 （２）後縁側から冷却蒸気を流出させる必要がなく、高
圧エネルギー化した冷却蒸気の回収率１００％が確保で
きる。

【００２５】これらにより、ガスタービンの熱効率を向
上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の蒸気冷却翼の実施の第１形態を示す縦
断面図、

【図２】図１に示す矢視Ａ−Ａにおける断面図、

【図３】従来の空気冷却翼の縦断面図である。

【符号の説明】

１ 動翼 ２ 翼幹部 ３ 翼根部 ４ 翼端部 ５ 冷却通路 ５１ 前側冷却通路 ５２ 後縁側冷却通路 ５２ａ 対流冷却蒸気通路 ５２ｂ インピンジメント冷却蒸気通路 ５３ 後側冷却通路 ６ 前縁 ７ 後縁 ８ 入口通路 ９ 冷却蒸気 １０ 回収蒸気 １１ 前側出口通路 １１’ 後側出口通路 １２ インピンジメント板 １３ バイパス板 １４ バイパス通路 １５ タービュレータ １６ 高温ガス

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高温ガス中で作動する動翼の内部を翼幅
   方向に形成された冷却通路を通過する水蒸気で、前記動
   翼を冷却する蒸気冷却翼において、前記動翼の後縁側に
   形成された後縁側冷却通路内に翼幅方向へ配設され、前
   記後縁側冷却通路を、前記水蒸気が導入される対流冷却
   蒸気通路と、前記動翼の後縁に沿って形成されるインピ
   ンジメント冷却蒸気通路とに仕切るインピンジメント板
   と、前記動翼の翼端部を翼弦方向に穿設され、前記イン
   ピンジメント冷却蒸気通路の翼端側から流出する水蒸気
   を、前記対流冷却蒸気通路から前記動翼の前縁方向へ流
   れる水蒸気に合流させるバイパス通路とを設けたことを
   特徴とする蒸気冷却翼。