JP3238344B2 - ガスタービン静翼 - Google Patents

ガスタービン静翼

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    • F05D2260/2322—Heat transfer, e.g. cooling characterized by the cooling medium steam

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は冷却媒体として蒸気
と空気を併用して冷却を行うようにしたガスタービンの
静翼に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の技術について図４に基づいて説明
する。図は従来のガスタービン冷却静翼の翼断面を示し
ている。
【０００３】冷却静翼５１は図示されていない外側シュ
ラウドと図示されていない内側シュラウドと共に精密鋳
造によって一体に形成される。冷却静翼５１内には多数
の冷却孔５３を有するインサート５４Ａ，５４Ｂが挿着
されており、各インサート５４Ａ，５４Ｂ内へは、外側
シュラウドを経て冷却空気が供給される。
【０００４】この冷却空気は冷却孔５３から矢印のよう
に流出し、冷却静翼５１の内壁に衝突してインピンジメ
ント冷却を行って中空室Ａに流入する。その後翼後縁に
向って流れる間に静翼を冷却し、一部はフィルム冷却孔
５２，５５から翼プロフィルに沿って流出して翼表面に
冷却膜を形成してフィルム冷却をする。
【０００５】翼後縁のスリット５６から流出する冷却空
気はピンフィン５７を含めて翼後縁をコンベクション冷
却する。又翼前縁の冷却孔５８から流出する冷却空気
は、翼前縁をシャワーヘッド冷却する。
【０００６】なお、図には示されていないが外側シュラ
ウド及び内側シュラウドには、共にインピンジメント板
及びピンフィンが設けられていて、前記インサート５４
Ａ，５４Ｂに供給される前の冷却空気によるインピンジ
メント冷却及びピンフィン冷却が行なわれている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】昨今のガスタービンの
効率向上に伴い、入口温度が高温化することによって熱
容量が小さく多くの量を必要とする空気冷却のみでは１
５００℃級の入口温度に対応出来ない状況にある。そこ
で冷却媒体として熱容量が空気より大きく量的にも少く
てすむ蒸気が利用され始めている。
【０００８】このようなニーズの変化と対応技術の発展
の過程において、空気冷却で対応可能な静翼部位は空気
冷却で対応し、他方、空気冷却での対応が困難な静翼部
位は蒸気で対応することが考えられた。
【０００９】しかしこのように蒸気冷却を行う場合、蒸
気はコンバインドサイクルを構成する蒸気タービンの抽
気蒸気又は廃熱ボイラ蒸気等が使用されるので、ガスタ
ービン内への蒸気の洩れは皆無にすることが蒸気サイク
ルの効率上の理由から要求される。
【００１０】従って冷却媒体通路は外部に対し閉じ蒸気
供給口と回収口を具えたものであることが要求される。
【００１１】また、冷却媒体として蒸気と空気の両方を
用いる以上、いずれか一方の冷却媒体のみに依存するこ
となく、翼自体は勿論のこと、外側シュラウド及び内側
シュラウドを含め全体的に両方の冷却媒体を使用して冷
却することが全体の制御バランス等の理由からも要求さ
れるところである。
【００１２】本発明はこれらの事情を背景とし、蒸気と
空気の両方の冷却媒体をバランス良く効果的に使用して
必要箇所をくまなく冷却し、かつ、冷却蒸気については
これを漏すことなく用いるようにしたものを提供するこ
とを課題とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は前記した課題を
解決するべくなされたもので、翼の前縁から後方にかけ
て蒸気冷却部を設けると共に翼の後縁に空気冷却部を設
けたガスタービン静翼において、前記蒸気冷却部は、外
側シュラウドの先端寄りにインピンジメント板を有して
形成した冷却蒸気供給部と、同冷却蒸気供給部から翼長
方向に延びて複数に反転するサーペンタイン流路と、同
サーペンタイン流路内壁に流れに対し斜めに延びて配置
した多数のタービュレータと、前記サーペンタイン流路
の最終反転部で内側シュラウドに設けた内側インピンジ
メント板と、同内側インピンジメント板で折り返したサ
ーペンタイン流路の下流で前記外側シュラウドに設けた
蒸気回収口とを有し、同最終反転部に至った蒸気により
内側インピンジメント板を通して内側シュラウドを冷却
した後これを同蒸気回収口に回収するように構成し、前
記空気冷却部は、前記蒸気冷却部の後方で前記外側シュ
ラウドの外縁から前記内側シュラウドの外縁まで延びる
と共に内壁に流れに対し斜めに延びて配置した多数のタ
ービュレータを有する空気流路と、翼後縁部に設けたス
ロット孔と、同スロット孔への冷却空気供給部とを有し
て構成したガスタービン静翼を提供し、冷却蒸気は温度
がより高い方の翼前縁から後方にかけての部位を受け持
ち、まず外側シュラウドをインピンジメント冷却し、次
いでサーペンタイン流路内を乱流状態で長手方向に折り
返し流れて翼を冷却し、途中の前記サーペンタイン流路
の最終反転部で内側シュラウドをインピンジメント冷却
して蒸気冷却を効果的に行った後、最終的に外側シュラ
ウドから所定の回収系へ移行され、他方、冷却空気は翼
の後縁側を受持ち、乱流状態で空気流路内を翼長方向に
流れて翼を冷却すると共に、翼の後縁部ではスロット孔
からガス流路へ抜けるスロット冷却を行い、この蒸気冷
却と空気冷却との協働により所望の翼冷却を行うと共に
蒸気冷却では冷却蒸気を途中で漏洩することなく案内し
て所定の回収を確実に行い、種々の効率向上に結びつけ
るようにしたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態について、
図１ないし図３に基づいて説明する。図１はガスタービ
ン冷却静翼の断面を、図２は外側シュラウドの平面を、
また図３は内側シュラウドの平面をそれぞれ示してい
る。
【００１５】１はガスタービンの静翼、３は同静翼１の
内部に形成されたサーペンタイン流路で、同サーペンタ
イン流路３は静翼１の長手方向に延び、かつ外周側と内
周側で反転して蛇行するためにその名が付いている。
【００１６】２はタービュレータで、サーペンタイン流
路３のほゞ全域に亘ってその内壁から突出して多数設け
られ、同サーペンタイン流路３を流れる流体の流れ方向
に対して斜めに交差する方向に延び、かつ隣接するもの
相互間でほゞ平行に配置されている。
【００１７】従ってこのサーペンタイン流路３を流れる
流体は内周面でタービュレータ２に衝突して乱流とな
り、熱伝達の悪い層流状態を作らないようになってい
る。
【００１８】４は外側シュラウドで、タービンの回転軸
を中心にして外側に当る静翼１の端部と一体的に形成さ
れている。
【００１９】５はインピンジメント板で、外側シュラウ
ド４の内部に設けられ、図示省略の多数の孔を穿設して
おり、蒸気供給口２０から供給される冷却蒸気を外側シ
ュラウド４に向けてインピンジメント冷却している。
【００２０】６は内側シュラウドで、前記外側シュラウ
ド４と対峙して静翼１の半径方向内側に一体的に形成さ
れている。
【００２１】７は内側インピンジメント板で、内側シュ
ラウド６の内部に設けられ、前記サーペンタイン流路３
の最終反転部で冷却蒸気を供給され、図示省略の多数の
孔から冷却蒸気を噴出して内側シュラウド６をインピン
ジメント冷却している。
【００２２】２１は蒸気回収口で、外側シュラウド４に
設けられ、サーペンタイン流路３の末尾から出て来る冷
却蒸気を図示省略の外部の回収系へ送り出す出口を形成
している。
【００２３】即ち、前記した蒸気供給口２０からこの蒸
気回収口２１に至る一連の関連構造により蒸気冷却部を
構成することになる。
【００２４】８は静翼１の後縁で、ここには図中に明確
に示していないが翼長方向に分布して多数のスロット孔
９が設けられている。
【００２５】１０は冷却空気を供給する空気流路で、前
記蒸気冷却部のサーペンタイン流路３の後方で、かつ前
記スロット孔９の前方に配置され、その内壁には冷却空
気の流れに対し斜めに延びた多数のタービュレータ２ａ
を設けている。また同空気流路１０の空気供給口２２は
外側シュラウド４の外縁に形成され、同空気流路１０に
は内側シュラウド６の外縁まで延びている。
【００２６】なお、外側シュラウド４及び内側シュラウ
ド６はそれぞれ外周を囲んで冷却空気を通す空気流路１
３，１６を配置しており、外側シュラウド４の空気流路
１３には空気入口１１と空気出口１２が、また、内側シ
ュラウド６の空気流路１６には空気入口１４と空気出口
１５が設けられており、空気冷却が行われる構造となっ
ている。
【００２７】前記のように構成された本実施の形態にお
いて、ガスタービンの静翼１の内部には、斜めに配設さ
れた多数のタービュレータ２ａを有し、複数に反転する
サーペンタイン流路３が設けられていて、外側シュラウ
ド４に設けられた蒸気冷却インピンジメント板５を通っ
て冷却蒸気が供給される。
【００２８】冷却蒸気はサーペンタイン流路３内をその
配列に沿って反転して流れ、内側シュラウド６の内側イ
ンピンジメント板７で内側シュラウド６を冷却した後再
び反転してサーペンタイン流路３を流れて外側シュラウ
ド４に設けられた蒸気回収口２１から回収される。
【００２９】一方、静翼１の後縁８には、多数のスロッ
ト孔９が設けられると共に同後縁８に隣接する空気流路
１０は、空気供給口２２が外側シュラウド４の外縁に設
けられた空気流路１３に連通し、また、対向する出口側
は内側シュラウド６の外縁に設けられた空気流路１６と
連通させてあるので、この経路を経て冷却空気が流れて
所定の冷却が行われるものである。
【００３０】このように本実施の形態では静翼１を蒸気
と空気の二種類の冷却媒体で区分けして冷却し、蒸気の
冷却系統では冷却に用いた蒸気を確実に回収して高温に
なった蒸気を再活用し、また、空気より熱容量の大きい
蒸気の使用により蒸気と空気を合せての全体の流体流量
を空気単独の場合に比べて大巾に減少させ、更に冷却空
気の使用量の低減は燃焼空気に余裕を生せてガスタービ
ンの効率向上を促進する等種々の利点が得られるもので
ある。
【００３１】以上、本発明を図示の実施の形態について
説明したが、本発明はかかる実施の形態に限定されず、
本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えて
よいことはいうまでもない。
【００３２】
【発明の効果】以上本発明によれば、翼の前縁から後方
にかけて蒸気冷却部を設けると共に翼の後縁に空気冷却
部を設けたガスタービン静翼であって、前記蒸気冷却部
を、外側シュラウドの先端寄りにインピンジメント板を
有して形成した冷却蒸気供給部と、同冷却蒸気供給部か
ら翼長方向に延びて複数に反転するサーペンタイン流路
と、同サーペンタイン流路内壁に流れに対し斜めに延び
て配置した多数のタービュレータと、前記サーペンタイ
ン流路の最終反転部で内側シュラウドに設けた内側イン
ピンジメント板と、同内側インピンジメント板で折り返
したサーペンタイン流路の下流で前記外側シュラウドに
設けた蒸気回収口とを有し、同最終反転部に至った蒸気
により内側インピンジメント板を通して内側シュラウド
を冷却した後これを同蒸気回収口に回収するように構成
し、また、前記空気冷却部を、前記蒸気冷却部の後方で
前記外側シュラウドの外縁から前記内側シュラウドの外
縁まで延びると共に内壁に流れに対し斜めに延びて配置
した多数のタービュレータを有する空気流路と、翼後縁
部に設けたスロット孔と、同スロット孔への冷却空気供
給部とにより構成し、これを併せてガスタービン静翼を
構成しているので、稼働時に高温となるガスタービン静
翼は、外側シュラウドをインピンジメント冷却した後前
縁から後方にかけて翼内をサーペンタイン流路で流れ、
最終反転部で内側シュラウドをインピンジメント冷却し
た後蒸気回収口へ回収する冷却蒸気による蒸気冷却と、
後縁において空気流路冷却及びスロット冷却を組み合せ
た空気冷却部とが相俟って適切な翼冷却が行なわれ、し
かも前記蒸気冷却では高温化した冷却蒸気を確実に回収
して再活用に供し、蒸気が熱容量が大きいことから空気
と合せた全体流量を空気単独のものに比べて大巾に減少
し、更に冷却媒体としての空気の使用量の大巾減少は、
燃焼空気の余裕を導いてガスタービンの効率向上へ帰結
する等々の秀れた効果を奏することができたものであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係るガスタービン冷却
静翼の縦断面図。
【図２】図１の一部である外部シュラウドの平面図。
【図３】図１の一部である内部シュラウドの平面図。
【図４】従来のガスタービン静翼の横断面図。
【符号の説明】 １ 静翼 ２ タービュレータ ３ サーペンタイン流路 ４ 外側シュラウド ５ インピンジメント板 ６ 内側シュラウド ７ 内側インピンジ板 ８ 後縁 ９ スロット孔 １０ 空気流路 １１，１４ 空気入口 １３，１６ 空気流路 １２，１５ 空気出口 ２０ 蒸気供給口 ２１ 蒸気回収口 ２２ 空気供給口
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−241902（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−257405（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−319803（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−264706（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F01D 9/00 F01D 5/18

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 翼の前縁から後方にかけて蒸気冷却部を
    設けると共に翼の後縁に空気冷却部を設けたガスタービ
    ン静翼において、前記蒸気冷却部は、外側シュラウドの
    先端寄りにインピンジメント板を有して形成した冷却蒸
    気供給部と、同冷却蒸気供給部から翼長方向に延びて複
    数に反転するサーペンタイン流路と、同サーペンタイン
    流路内壁に流れに対し斜めに延びて配置した多数のター
    ビュレータと、前記サーペンタイン流路の最終反転部で
    内側シュラウドに設けた内側インピンジメント板と、同
    内側インピンジメント板で折り返したサーペンタイン流
    路の下流で前記外側シュラウドに設けた蒸気回収口とを
    有し、同最終反転部に至った蒸気により内側インピンジ
    メント板を通して内側シュラウドを冷却した後これを同
    蒸気回収口に回収するように構成し、前記空気冷却部
    は、前記蒸気冷却部の後方で前記外側シュラウドの外縁
    から前記内側シュラウドの外縁まで延びると共に内壁に
    流れに対し斜めに延びて配置した多数のタービュレータ
    を有する空気流路と、翼後縁部に設けたスロット孔と、
    同スロット孔への冷却空気供給部とを有して構成したこ
    とを特徴とするガスタービン静翼。
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