JP3031997B2 - ガスタービン冷却翼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、例えばコンバインドサイクル発電プラント
などに用いられるガスタービン冷却翼に関する。

（従来の技術） 周知の通り、ガスタービンエンジンでは、一般に燃焼
ガスによって駆動されるタービン自身が駆動源となって
燃焼機に空気を供給する送風機、あるいは圧縮機を駆動
する自力的駆動方式が採用されている。このようなガス
タービンで出力効率を高めるために有効な方法は、ター
ビンの入口ガス温度、すなわちタービンに導入する燃焼
ガス温度をより高いものにすることである。これは翼列
を多段に配列したタービンの各翼列についても同じこと
が言える。

しかし、タービンの入口ガス温度を高くすることは、
タービンの翼、特に最高温度にさらされる第１段の静翼
及び動翼の耐熱温度を上げることが必要となるが、翼を
構成する材料や構造で自ずと耐熱能力は制限されてく
る。

このようななかで近年、経済性向上を目指し、高温度
のガスで運転するガスタービンを主機とした蒸気・ガス
タービンのコンバインドサイクル発電プラントが検討さ
れている。そして、現在のコンバインドサイクル発電プ
ラントでは、ガスタービンの主流ガス温度を1300℃程度
から1500〜1800℃程度にまで引上げて、プラント効率を
上げ、大幅な省エネルギを達成しようとしている。

そこで、以下に従来から用いられていたガスタービン
冷却翼の一つについて、第５図を参照して説明する。

第５図はガスタービンの静翼の横断面図である。図に
おいて、１はNi基合金あるいはCo基合金等の耐熱性金属
で形成された翼本体であり、この翼本体１は両端部に設
けられた図示しないシュラウド部によって同じく図示し
ないタービンのケーシング部に環状翼列を形成するよう
に取付けられる。翼本体１の内部には前側中空部2,中央
中空部3,後側中空部４が仕切板5,6を設けて形成されて
いる。これら各中空部2,3,4の内部には、小径のインピ
ンジ冷却のための孔７が多数穿されたインサート8,9,10
が、翼本体１の内壁面、即ち各中空部2,3,4の壁面に対
し離間するようにして設けられている。また翼本体１の
外周部には、外表面と各中空部2,3,4との間を貫通する
ように小径のフィルム冷却のための小孔11が複数穿た
れ、さらに後側中空部４と翼後縁部12との間を貫通する
ように細孔13が穿たれている。またさらに中央中空部３
と後側中空部４とを仕切る仕切板６には通過孔14が貫通
するように穿たれている。

そしてこのように構成されたものにおいては、シュラ
ウド部から各インサート8,9,10の内部に供給された冷却
媒体が、各インサート8,9,10のインピンジ冷却のための
孔７から翼本体１の内壁面に衝当するように流れ、さら
に翼本体１の内壁面や仕切板5,6とインサート8,9,10と
の間の流路及び通過孔14を通流して対流冷却を行う。ま
た対流冷却を行った冷却媒体は、フィルム冷却のための
小孔11から翼本体１の外方に吹出して外表面を膜冷却
し、また翼後縁部12に至ったものは細孔13を通流して翼
後縁部12を冷却し、翼本体１の外部へ排出される。

しかしながら上記の従来技術においては、冷却媒体に
空気を用い、空気の流量を主流ガスの５〜10％程度にお
いて最適設計を行っても、せいぜい主流ガス温度は1300
℃程度までしか上げることができない。

そこで翼本体１を同じ組成の材料で構成し、主流ガス
温度が1500〜1800℃程度であっても運転できるようにし
ようとすると、空気の流量を主流ガスの20％以上にまで
増加させなければならない。このように冷却媒体の流量
を増すようにして対応すると、排気される主流ガス温度
が下がり、通常多段に配列されるガスタービンにおいて
は次段の翼列の入口ガス温度が下がって出力効率が低下
してしまう。さらに排熱回収を十分に行うことも出来な
いため、例えばコンバインドサイクル発電プラントなど
においてはサイクル効率を高く保持することができなく
なってしまう。

また、燃焼ガス温度を高くした分だけ周辺機器等を含
めてそれぞれの耐熱温度を上げるなどして対応しなけれ
ばならず、各機器の高額化を招いてしまうが、この対応
に見合ったガスタービンの出力効率等を得ることが出来
ない。

（発明が解決しようとする課題） 上記のような、より高温度の燃焼ガスでの運転が要望
されているが、効率よく対応できない状況に鑑みて本発
明はなされたもので、その目的とするところは主流ガス
温度が高温度となっても対応することができる高い冷却
性能が得られ、もって高い出力効率が得られるガスター
ビン冷却翼を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明のガスタービン冷却翼は、翼本体と、この翼本
体内の略全体に設けられた中空部と、前記翼本体の外表
面に一端部を開口させて翼前縁から翼後縁にわたり設け
られた複数の小孔と、前記翼本体の外周部の略全周に設
けられた翼スパン方向に延びる複数のチャネル通路とを
有し、前記中空部の全体に第１の冷却媒体を流通させる
と共に、前記小孔から外方に前記第１の冷却媒体の全て
を吹出させ、かつ前記チャネル通路に第２の冷却媒体の
供給源から第２の冷却媒体を通流させると共に、この第
２の冷却媒体の全量を回収するようにしたことを特徴と
するものである。

（作用） 上記のように構成されたガスタービン冷却翼は、翼本
体内の略全体に設けられた中空部に第１の冷却媒体を流
通させて対流冷却を行い、また翼本体の外表面に一端部
を開口させて翼前縁から翼後縁にわたり設けた複数の小
孔から外方に全ての第１の冷却媒体を吹出させて膜冷却
を行うようにした構成で、さらに翼本体の外周部略全周
に設けた複数のチャネル通路に第２の冷却媒体の供給源
から第２の冷却媒体を通流させて対流冷却を行い、全量
を回収するようにしているために、翼本体が高い冷却性
能を持つことになってより高い主流ガス温度での使用が
できるようになり、出力効率を高くすることができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を第１図乃至第４図を参照して
説明する。尚、従来と同一部分は同一符号を付して説明
を省略し、従来と異なる本発明の構成について説明す
る。

先ず、第１の実施例について第１図及び第２図により
説明する。

第１図はガスタービンの静翼の横断面図であり、第２
図は縦断面図である。図において21は翼本体で、従来の
技術と同様にNi基合金あるいはCo基合金等の耐熱性金属
で形成されている。この翼本体21は両端部をそれぞれ大
径の環状に形成された上部シュラウド22もしくは小径の
環状に形成された下部シュラウド23に取着されている。
そして上部シュラウド22を図示しないタービンのケーシ
ング部に取付けることによって、環状翼列が形成され
る。

また、上部シュラウド22の内部には第１の冷却媒体、
例えば空気を供給する図示しないマニホールドの他に、
第２の冷却媒体、例えば過熱水蒸気を供給，回収する供
給用マニホールド24及び回収用マニホールド25が形成さ
れており、各マニホールド24,25にはそれぞれ供給管26
あるいは回収管27の片端部が接続されている。なお供給
管26及び回収管27の他端部は第２の冷却媒体の供給源、
例えば図示しないコンバインドサイクル発電プラントな
どの蒸気サイクルの過熱水蒸気源に接続されている。

また、翼本体21の外周部、すなわち各中空部2,3,4の
内壁面と翼外表面との間の肉厚部分及び翼後縁部12の肉
厚部分には翼スパン方向にのびる複数のチャネル通路28
a,28bが穿たれている。そしてチャネル通路28a,28bの下
部側の端部はリターン部29によって互いに連結されてお
り、また上部側のそれぞれの端部は冷却用マニホールド
２あるいは回収用マニホールド25に接続されている。こ
れにより供給用マニホールド24からチャネル通路28a、
リターン部29及びチャネル通路28bを通り、回収用マニ
ホールド25に至る第２の冷却媒体の流路が翼本体21内に
形成される。

本実施例は以上のように構成されているので、従来例
と同様に第１の冷却媒体である例えば空気は、この空気
を供給するマニホールドから各中空部2,3,4の各インサ
ート8,9,10の内部に供給され、インピンジ冷却のための
各孔７から翼本体21の内壁面に衝当するように流れ、さ
らに翼本体21の内壁面や仕切板5,6とインサート8,9,10
との間の流路及び通過孔14を通流して対流冷却を行う。
また翼本体21内で対流冷却を行った空気は、フィルム冷
却のための各小孔11から翼本体21の外方に吹出して外表
面を膜冷却し、また翼後縁部12に至ったものは細孔13を
通流して翼後縁部12を冷却し、翼本体21の外部へ排出さ
れて主流ガスと共にガスタービンの外に排気される。

これに対し、第２の冷却媒体の供給源から供給管26を
通じて供給用マニホールド24に供給された第２の冷却媒
体である例えば過熱水蒸気は、翼本体21の外周部に形成
されたチャネル通路28aを上部側から下部側に流れてリ
ターン部29に至り、さらにリターン部29で方向を反転
し、チャネル通路28bを下部側から上部側に流れて翼本
体21の外周部の対流冷却を行う。そして過熱水蒸気は回
収用マニホールド25に回収され、回収管27によって過熱
水蒸気源（第２の冷却媒体の供給源）に戻される。

上記のように、第１の冷却媒体の空気での冷却に加
え、過熱水蒸気の第２の冷却媒体で翼本体21の冷却を行
う構成をとっているために、過熱水蒸気の温度を適正な
値に設定することによって、従来と同じ組成の耐熱金属
材料を用いながら、より高い温度の燃焼ガスを主流ガス
として取込むことができる。

そして、従来の構成でより高い温度の燃焼ガスに対応
すべく第１の冷却媒体の空気の流量を多くした場合に、
冷却を行った後の空気を主流ガス中に多量に排出させて
主流ガスの温度を引き下げることがないため、ガスター
ビンの出力効率を低下させることがない。

また、過熱水蒸気源をコンバインドサイクル発電プラ
ントなどの蒸気サイクルとし、この蒸気サイクルの過熱
水蒸気の一部を用いて翼本体21を冷却する場合には、過
熱水蒸気は翼本体21を冷却した後、高温度となって蒸気
サイクルに戻され、排熱が回収されて再び蒸気サイクル
で利用されるため、サイクル効率を高く保持することが
できる。さらに蒸気サイクルからの過熱蒸気の供給量を
主流ガス温度に合せて制御することにより、部分負荷運
転時においても翼本体21を過冷却させずに良好に冷却す
ることができる。

次に、第２の実施例を第３図及び第４図により説明す
る。

第３図はガスタービンの静翼の横断面図であり、第４
図は部分縦断面図である。図において31は翼本体で、第
１の実施例と同様に耐熱性金属で形成されている。この
翼本体31は両端部を大径の環状に形成された上部シュラ
ウド32及び図示しない小径の環状に形成された下部シュ
ラウドに取着されている。そして上部シュラウド32を図
示しないタービンのケーシング部に取付けることによっ
て、環状翼列が形成される。なお、上部シュラウド32に
は第１の冷却媒体、例えば空気のマニホールドが形成さ
れている。

翼本体31の内部には前縁部に前側中空部33が設けら
れ、さらに後縁側にかけて第1,第2,第3,第４の中空部3
4,35,36,37が仕切板38,39,40,41を設けて形成され、第
2,第3,第４の中空部35,36,37は各間に図示しないリター
ン部を有して連接されている。なお前側中空部33と第１
の中空部34とを仕切る仕切板38にはインピンジ冷却のた
めの孔42が穿たれている。そして第1,第２の中空部34,3
5は第１の冷却媒体のマニホールドに接続されていて、
第１の冷却媒体の流路が翼本体31内に２つ形成される。
すなわち、マニホールドから第１の中空部34を通り、孔
42を経て前側中空部33に至るものと、マニホールドから
第２の中空部35を通り、リターン部を経て第３の中空部
36に入り、さらに次ぎのリターン部を経て第４の中空部
37に至るものがそれぞれ形成される。なお第1,第2,第3,
第４の中空部34,35,36,37の壁面には乱流促進用の突起
部43が形成されている。そして翼本体31には、外周部に
外表面に一端が開口したフィルム冷却のための小孔11
が、また翼後縁部12に細孔13が穿たれている。

また、翼本体31の外周部の上端部44は上部シュラウド
32内に延在していて、この上端部44と上部シュラウド32
の外壁部45及び内壁部46との間に、それぞれ供給用マニ
ホールド47及び回収用マニホールド48が形成されてい
る。

さらにまた、翼本体31の外周部には翼スパン方向にの
びる複数のチャネル通路28a,28bが穿たれている。そし
てチャネル通路28a,28bの下部側の端部はリターン部に
よって互いに連結されており、またチャネル通路28a,28
bの上端部は、供給孔49あるいは回収孔50を介して供給
用マニホールド47もしくは回収用マニホールド48に接続
されている。これにより供給用マニホールド47から供給
孔49、チャネル通路28a、リターン部及びチャネル通路2
8bを通り、回収孔50を経て回収用マニホールド48に至る
第２の冷却媒体、例えば過熱水蒸気の流路が形成され
る。

以上のように本実施例は構成されているので、第１の
冷却媒体である例えば空気は、マニホールドから第１及
び第２の中空部34,35に供給され、第１の中空部34に供
給された空気は突起部43で乱流となって流れ、対流冷却
を行って後、孔42から前側中空部33に流入する。なお一
部の空気は小孔11から外方に吹出し膜冷却を行う。そし
て孔42からの流入空気は翼本体21の最前縁部の内壁面に
衝当するように流れ、インピンジ冷却を行い翼前縁部の
小孔11から外方に吹出し膜冷却を行う。また、第２の中
空部35に供給された空気は第２の中空部35内を上部側か
ら下部側に流れ、リターン部で折返して第３の中空部36
内を逆方向に流れ、さらに次のリターン部で折返して第
４の中空部37内を第２の中空部35内と同方向に流れる。
そして空気は、第2,第3,第４の中空部35,36,37内を突起
部43で乱流促進されながら流れて対流冷却を行い、一部
は小孔11から外方に吹出して膜冷却を行う。さらに第４
の中空部37に流入した空気は、翼後縁部12の細孔13を流
れながら対流冷却を行い、その後翼本体31の外に排出さ
れる。翼本体31の外部へ排出された空気は主流ガスと共
にガスタービンの外に排気される。

また、第２の冷却媒体の供給源から供給用マニホール
ド47に供給された第２の冷却媒体である例えば過熱水蒸
気は、翼本体31の外周部に形成されたチャネル通路28a
を上部側から下部側に流れてリターン部に至り、方向を
反転してチャネル通路28bを下部から上部側に流れて翼
本体31の外周部の対流冷却を行う。そして過熱水蒸気は
回収用マニホールド48に回収され、過熱水蒸気源（第２
の冷却媒体の供給源）に戻される。

上記のように、本実施例においても第１の冷却媒体の
空気での冷却に加え、第２の冷却媒体の過熱水蒸気での
翼本体31の冷却を行う構成をとっているために、前記の
第１の実施例と同様の作用及び効果が得られる。

尚、上記の各実施例では、第２の冷却媒体を隣接する
ように設けたチャネル通路28a,28b内を往復するように
流して冷却しているが、往路，復路を隣接させずに翼本
体21,31の温度分布に応じて適宜分布配置すればよく、
また供給用，回収用マニホールド24,47,25,48も翼本体2
1の温度分布に応じて分割したものとしてもよい。

また、第２の冷却媒体の供給用，回収用マニホールド
24,47,25,48を上部シュラウド22,32の内部に形成した
が、供給用マニホールドと回収用マニホールドを上部シ
ュラウドと下部シュラウドの内部に分け、リターン部を
設けず、第２の冷却媒体を一方向にチャネル通路内を流
してもよい。

また、第２の冷却媒体の供給用，回収用マニホールド
を上部シュラウド及び下部シュラウドのそれぞれに設
け、チャネル通路の一部を上部シュラウドの供給用マニ
ホールドと下部シュラウドの回収用マニホールドの間に
設け、残りのチャネル通路を下部シュラウドの供給用マ
ニホールドと上部シュラウドの回収用マニホールドの間
に設けてもよい。この場合には冷却を終えた第２の冷却
媒体を上部，下部シュラウドの回収用マニホールドに回
収し、これをシュラウドの冷却に用いることによって、
より効率の良い冷却を行うことができる。

さらに本発明は、上記の各実施例等に限定されるもの
ではなく、動翼に適用してもよく、チャネル通路28a,28
bは種々の断面形状及び経路を取ることができ、また通
路内壁面を乱流促進のために突起壁形状としてもよく、
さらに冷却媒体は空気や加熱水蒸気以外のものを用いて
もよく、またさらに単一の媒体で冷却を行ってももよい
等、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得る
ものである。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明は翼本体内の
略全体に設けた中空部に第１の冷却媒体を流通させ、さ
らに翼前縁から翼後縁にわたる翼本体外表面に開口する
小孔から第１の冷却媒体の全てを吹出させると共に、翼
本体の外周部略全周にチャネル通路を設け、このチャネ
ル通路に第２の冷却媒体の供給源から第２の冷却媒体を
通流させ、全量を回収するように構成したことにより翼
の平均温度の低減と温度分布の均一化が可能となって高
い冷却性能が得られ、同一組成の材料で翼本体がなるも
のにおいても、より高温度の燃焼ガスを主流ガスとして
使用することができ、もって高い出力効率が得られるガ
スタービンを提供できるようになるという効果を有する
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す横断面図、第２図
は第１の実施例の縦断面図、第３図は第２の実施例を示
す横断面図、第４図は第２の実施例の部分縦断面図、第
５図は従来例の横断面図である。 ２……前側中空部、３……中央中空部、 ４……後側中空部、11……小孔、 21……翼本体、 28a,28b……チャネル通路。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】翼本体と、この翼本体内の略全体に設けら
   れた中空部と、前記翼本体の外表面に一端部を開口させ
   て翼前縁から翼後縁にわたり設けられた複数の小孔と、
   前記翼本体の外周部の略全周に設けられた翼スパン方向
   に延びる複数のチャネル通路とを有し、前記中空部の全
   体に第１の冷却媒体を流通させると共に、前記小孔から
   外方に前記第１の冷却媒体の全てを吹出させ、かつ前記
   チャネル通路に第２の冷却媒体の供給源から第２の冷却
   媒体を通流させると共に、この第２の冷却媒体の全量を
   回収するようにしたことを特徴とするガスタービン冷却
   翼。