JP3410222B2

JP3410222B2 - ガスタービン動翼装置

Info

Publication number: JP3410222B2
Application number: JP17662294A
Authority: JP
Inventors: 宣明木塚; 俊一安斎; 学松本; 隆池口; 和彦川池
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-07-28
Filing date: 1994-07-28
Publication date: 2003-05-26
Anticipated expiration: 2018-05-26
Also published as: JPH0842302A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願発明はガスタービンおよびそ
のガスタービンに用いられる動翼装置の改良に係り、特
に動翼を冷却した後の冷却媒体が回収されるように形成
されているガスタービンに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種ガスタービンは、一般にガスター
ビンに直結された圧縮機により高圧力の圧縮空気を発生
させ、そしてこの圧縮空気を酸化剤として燃料とともに
燃焼させ、高温高圧のガスを得てタービンを駆動するよ
うに形成されている。またこのタービンの回転エネルギ
ーは、例えばタービンに結合されている発電機により電
気エネルギーに変換される。

【０００３】当然のことながら消費される燃料に対して
得られるエネルギーはできるだけ多い方が望ましく、現
状ガスタービンの性能および効率を向上させることに期
待が寄せられている。ガスタービンの性能向上および効
率向上を図るには、ぜひ作動ガスのより一層の高温高圧
化が必要で、この高温高圧化の開発研究には多くの時間
が費やされている。

【０００４】この場合、大きな問題の一つに耐熱材料の
問題がある。すなわち、現状においては材料耐熱温度の
制限等を考慮すると高温化も限界に近く、さらなる効率
向上には冷却方式の改善が望まれる。現在の冷却方式
は、タービン翼の冷却に用いている冷却媒体（空気ある
いは蒸気）を翼冷却後主流ガス中に排出する方式（以下
オープン冷却方式と呼ぶ）が主流であるのに対し、冷却
媒体を回収して、それが空気ならば燃焼空気に利用した
り、蒸気ならば蒸気タービン駆動に利用するといった冷
却媒体回収方式（以下クローズド冷却方式と呼ぶ）が効
率向上の有力な手段として提案されている。

【０００５】前述したオープン冷却方式は、翼冷却後の
空気が翼先端あるいは翼後部より主流ガス路にそのまま
排出されるので、翼の構成は簡単で冷却媒体の流通に対
するトラブルが少なく有効なのであるが、翼冷却後の冷
却媒体と主流ガスが混合することから、主流ガスの温度
低下を招き圧力損失等を生じるきらいがある。一方、ク
ローズド冷却方式では、冷却翼の構成が多少複雑になる
が、これらの問題、すなわち主流ガス温度の低下や圧力
損失の発生等はなく、効率向上の点では非常に有効であ
る。

【０００６】従来、冷却媒体に蒸気を利用したタービン
動翼の回収構造（クローズド冷却方式）を考慮したもの
として、特開平３−２６４７０３号公報がある。このも
のは図１３にも示されているように、冷却動翼３０が中
空に形成された蒸気冷却におけるリターンフロー方式の
ものである。冷却動翼３０は中空に形成されるととも
に、翼中央部に中空部を上流側と下流側に分離する分離
体３４を設け、この分離体により供給口３２と回収口３
３とを形成し、これら供給口３２、回収口３３を介して
冷却媒体を流通させ回収するようにしたものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】クローズド冷却方式ガ
スタービンは、前述したように、効率向上の上では有効
なものであるが、ここで、クローズド冷却方式ガスター
ビンのために、それによって得られる利点の他に新たに
発生する問題点をも対処する必要がある。すなわち前記
従来例の場合、供給側では温度の低かった冷却媒体でも
排出側では翼の冷却により非常に高温となる。すなわ
ち、回収孔近傍のシャンク部及びダブテイル部はかかる
高温回収冷却媒体により加熱されて高温となり、冷却媒
体供給孔近傍とに大きな温度差が生じ、その温度差に基
づく熱変形により翼自体が傾き翼の能率を低下させた
り、またダブテイル結合部に無理な応力を生じさせ翼お
よびその周辺部材の耐久性を損なう恐れがあるというこ
とである。

【０００８】本発明はこれに鑑みなされたもので、その
目的とするところは、たとえガスタービンが今後ますま
す高温化されても、熱変形により翼自体が傾きその性能
を低下させたり、また動翼の結合部に熱温度差による応
力が発生したりすることがなく、耐久性に富んだこの種
動翼装置を有するガスタービンを提供するにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、翼母
体とダブテイル部間に位置するシャンク部の冷却媒体回
収孔に、この冷却媒体排出孔内を流通する冷却媒体とシ
ャンク部母体間の熱伝達を阻止する遮熱装置を設けるよ
うになし所期の目的を達成するようにしたものである。

【００１０】

【作用】すなわちこのように形成された動翼装置である
と、シャンク部の冷却媒体排出孔内を流通する冷却媒体
とシャンク部母体間の熱伝達が阻止されることから、冷
却媒体回収孔近傍の温度上昇を小さくでき、したがって
温度差に基づく熱変形により翼自体が傾きその性能を低
下させたり、また動翼の結合部に熱温度差による応力が
発生したりすることがなく、耐久性に富んだこの種動翼
装置を得ることができるのである。

【００１１】

【実施例】以下図示した実施例に基づいて本発明を詳細
に説明する。図１にはそのガスタービンの概要が示され
ている。このガスタービンはクローズド冷却方式を実施
したもので、４６は冷却用空気および燃焼用空気を発生
する圧縮機、４７はその圧縮空気室、４８は高温高圧の
ガスを発生する燃焼器、４９は動翼装置１ａを備えてい
るタービンである。なお、１０はロータであり、５０は
冷却用の空気を昇圧するブースト圧縮機、５１は動翼を
冷却した後の空気を回収する冷却空気回収流路、５２は
このガスタービンに駆動される発電機である。

【００１２】このように構成されているガスタービンは
次のような動作をする。すなわち圧縮機４６により圧縮
された高圧空気は圧縮空気室４７に導入され、その後燃
焼器４８に供給されて燃料とともに燃焼する。この燃焼
により発生した高温高圧のガスはタービン４６を回転駆
動し、その動力により圧縮機４６および発電機５２が回
転させられる。

【００１３】動翼装置１ａの冷却には、冷却媒体として
圧縮機室４７からの高圧空気が用いられるが、この場合
この高圧空気はブースト圧縮機５０によりさらに昇圧し
たものをロータ１０内を通過させてタービン動翼１の根
元から供給し、翼の冷却を行うように形成されている。

【００１４】動翼装置１ａを冷却することにより高温と
なった冷却空気は、動翼のロータ側に回収され、そして
冷却空気回収流路５１を通って圧縮空気室４７に導かれ
る。この圧縮空気室４７に導かれた空気は燃焼用空気と
して利用される。

【００１５】この動翼装置の動翼は、図２に示されてい
るように、内部に冷却媒体流通路２０を有する翼母体２
と、この翼母体を回転体に固定保持するためのダブテイ
ル部４と、このダブテイル部と前記翼母体の間に位置し
てダブテイル部と翼母体を結合保持し、かつ内部に翼母
体の冷却媒体流通路２０に連通する冷却媒体供給孔５お
よび回収孔６を有するシャンク部３とを備えている。す
なわち動翼１は、翼母体２、シャンク部３およびダブテ
イル部４の一体構造で構成されている。

【００１６】シャンク部内の冷却媒体回収孔６には、断
熱装置９ａが設けられるが、ここではその一つの例であ
る熱シールドパイプ９の場合が示されている。すなわち
冷却媒体回収孔６に熱シールドパイプ９が挿入されてい
る。この熱シールドパイプ９は、耐高温でかつ翼材より
熱伝導率が小さい材質、例えば、ニッケル・クロム鋼、
チタン鋼、セラミックス、セメント、煉瓦等を用い、ま
たタービン動翼１本体とは接触面積をできるだけ小さく
することが望ましい。

【００１７】このように形成された動翼１は次のように
して冷却される。すなわち翼ダブテイル部４及びシャン
ク部３に設けられた冷却空気供給孔５から供給された冷
却空気７は、翼母体２の内部に設けられた冷却媒体流通
路２０において高温高圧のガスに曝されている翼母体２
の冷却を行う。タービン翼の冷却に寄与した高温の冷却
媒体８は、シャンク部３及びダブテイル部４の回収孔６
の挿入された熱シールドパイプ９内を通り翼外に回収さ
れる。

【００１８】尚、冷却媒体として何を適用するかは、ガ
スタービンのシステム構成と設置目的などにより利用形
態が異なり特に制限を与えるものではない。例えば、上
記のように冷却媒体に空気を用いた場合にはガスタービ
ン燃焼器に供給して燃焼空気として利用することによっ
てガスタービン排気ガスの低ＮＯｘ化を図ること、また
はガスタービン出力の増加に寄与できる。

【００１９】さらにコンバインドプラントガスタービン
に利用した場合には蒸気タービンシステム系より蒸気の
一部を冷却媒体に利用し、回収蒸気を蒸気タービン系に
戻すことによってコンバインドプラント性能向上に寄与
できる。

【００２０】以上のように構成されたガスタービン動翼
１には、熱シールドパイプ９の熱伝導率が小さくさらに
回収孔壁との接触熱抵抗が大きいことにより熱遮蔽効果
があり、冷却回収媒体８による翼シャンク部３、翼ダブ
テイル部４、ロータ１０の回収路近傍の温度過上昇を抑
える効果があり、翼シャンク部３、翼ダブテイル部４、
ロータ１０全体の温度差を少なくすることによって翼部
の熱変形、熱応力を軽減でき、長期的信頼性の高い冷却
媒体回収型のガスタービン動翼及びガスタービンを得る
ことができる。

【００２１】以上の説明では回収孔がロータ芯側に延び
ている場合について述べてきたが、この回収孔は常にこ
のように形成されなければならないわけではなく、例え
ばシャンク部の途中から翼外に回収するようにしたもの
でも適用可能である。図３にはその一例が示されてい
る。すなわちシャンク部３の側壁面に回収孔６の出口部
を設け、この回収孔の部分に熱シールドパイプ９を施す
のである。

【００２２】またダブテイル部４の側面で回収する構造
としてもよくこの場合には図４のようになる。回収路出
口を翼の側面に設ける効果は、翼外の冷却媒体回収路を
ロータ１０内に設けるよりもロータ１０の外に設けた方
がロータの温度上昇がより小さくて済み耐久性及び信頼
性の面で効果がある。

【００２３】図５は回収孔６の内壁に遮熱コーティング
１１を施した、すなわち遮熱層を形成するようにしたも
のである。ここで、コーティングとは熱抵抗の非常に大
きなジルコニアセラミック等を母材に溶射してコーティ
ングしたものであり、前記パイプを挿入するのと同様の
遮熱効果がある。

【００２４】図６はパイプ１２の外周に連続した凹凸１
３を設けたものであり、シャンク部３及びダブテイル部
４の回収孔壁との接触面積を減らすことによって熱抵抗
を大きくし、遮熱効果をより促進するものである。な
お、連続した凹凸を形成させる方向は、パイプ１２の長
手方向に平行，直交，螺旋状いずれでも効果があり、特
に限定するものではない。

【００２５】図７は挿入するパイプ１４の外側に遮熱コ
ーティング１５を施したものであり、遮熱効果をより促
進することができる。また、図示説明は省略するが図６
の外周に連続した凹凸１３を設けたパイプ１２に遮熱コ
ーティングを施せば一層の遮熱効果がある。

【００２６】図８は、パイプを挿入する回収孔壁面に連
続する凹凸１６を設けたものであり、パイプ９との接触
面積を減らすことによって熱抵抗を大きくし、遮熱効果
を助長するものである。尚、挿入するパイプ９に遮熱コ
ーティングを施せば一層効果を高めることができる。

【００２７】翼母体に複数の冷却流路を構成するために
は、冷却媒体供給路もそれにあわせて構成する必要が生
じる。以下に複数の供給孔を必要とする場合の本発明の
適用例を示す。

【００２８】図９は複数の冷却媒体流通路２０、２０ａ
を有するタービン動翼１の部分断面図であり、図１０は
その断面を示すものである。冷却媒体供給孔５側から熱
シールドパイプ９の外側を通して反対側の冷却媒体流通
路２０ａに冷却媒体を供給するための新たな供給流路１
７を設けたものである。尚、挿入するパイプ９に、遮熱
コーティングを施せば前記同様に遮熱効果を促進でき
る。

【００２９】これには、回収流路を形成している熱シー
ルドパイプ９の外側を供給冷却媒体７で覆うことによっ
て遮熱効果を一層上げ、シャンク部３とダブテイル部４
の温度差及び温度ムラを一層小さくするという効果と、
一つの供給孔から回収孔をはさんだ反対側にも冷却媒体
を供給することが可能になるという効果がある。

【００３０】温度ムラを小さくするという効果を考える
と、熱シールドは図示説明を省略するが冷却媒体供給孔
にも適用することができる。

【００３１】かかる本発明の前記種々の実施例の効果を
計算により確認した。計算は熱シールド材料の構成及び
構造例を一次元熱伝導モデルで行った。まず、計算条件
は、供給側の冷却空気温度は３００℃とし、回収側の冷
却空気温度は、ガスタービン冷却設計の場合より少ない
冷却空気量で翼材温度を許容範囲内におさめる冷却限界
設計を行うことが肝要であることから６００℃とした。
供給孔側と回収孔側間の距離は１５ｍｍとし、供給孔壁
面及び回収孔壁面の熱伝達率はそれぞれ７２２．３Ｗ／
ｍ² Ｋ，１０３２．２Ｗ／ｍ² Ｋとした。かかる計算
結果を表１に示す。

【００３２】

【表１】

【００３３】ここで、ケースＡは熱シールド無しの従来
構造、ケースＢは回収孔壁面に遮熱コーティングを１ｍ
ｍ施した構造、ケースＣは挿入パイプにニッケル・クロ
ム鋼１ｍｍを用いそれに遮熱コーティング０．５ｍｍを
施した構造、ケースＤは挿入パイプにニッケル・クロム
鋼２ｍｍを用いパイプ外側表面に凹凸を施した構造、ケ
ースＥは挿入パイプにニッケル・クロム鋼２ｍｍを用い
パイプ外側表面に凹凸を施しさらに外側表面を遮熱コー
ティング０．５ｍｍを施した構造の計算結果である。

【００３４】それぞれの熱伝導率は、翼材（ニッケル合
金）２３Ｗ／ｍＫ、ニッケル・クロム鋼２０Ｗ／ｍ
Ｋ、遮熱コーティング１Ｗ／ｍＫとした。ＴＨは回収
孔側の表面温度、ＴＭは回収側の翼材の表面温度、ＴＣ
は供給孔側の翼材の表面温度で、本発明の効果は回収側
と供給側の翼材の表面温度差ＴＭ−ＴＣの比較により評
価できる。ケースＡすなわち従来構造では６５．１度、
ケースＢでは４６．１度、ケースＣでは３８．５度、ケ
ースＤでは５０．３度、ケースＥでは２１．６度となっ
た。上記に示した本願発明の構造によって温度差を小さ
くする効果が確認された。

【００３５】特に、ケースＣ、Ｅのように挿入パイプに
熱抵抗の非常に大きな遮熱コーティングを施し、翼材と
の接触面積をできるだけ小さくするのがより効果的と言
える。尚、回収孔壁面に遮熱コーティングを施し、挿入
パイプ外側表面に凹凸を設け接触面積を小さくした場合
にもケースＣ、Ｅと同等の効果がある。

【００３６】以上、本発明の他の実施例を用いることに
よってより信頼性の高い冷却媒体回収型のガスタービン
動翼を提供することができる。

【００３７】しかして本発明のガスタービン動翼装置を
登載したガスタービン４５は、前述のごとく長期的信頼
性の高いタービン動翼によってガスタービンそのものの
信頼性を確保し、さらに冷却空気を燃焼空気として回収
することにより、ガスタービンの出力、熱効率を向上さ
せ、または排気ガスの低ＮＯｘ化を図るなど、冒頭に記
述したエネルギー変換機器に対する要求に合致したガス
タービンを提供できる。

【００３８】かかるガスタービン４５を蒸気タービン５
７と組み合わせたコンバインド発電プラント５３の構成
を図１１に示す。この図において５６はガスタービンの
排ガスを利用して蒸気を発生させる排熱回収ボイラーで
あり、５７はかかる蒸気により駆動する蒸気タービンで
ある。５４は復水器であり、５５は復水を排熱回収ボイ
ラー５６に供給するための給水ポンプである。かかるコ
ンバインド発電プラントでは、ガスタービンの比較的高
温の排気ガスを排熱回収ボイラー５６に導き、発生蒸気
により蒸気タービン５７を駆動するが、ガスタービン４
５と蒸気タービン５７の出力により、投入燃料に対して
熱利用効率が高くなる。本発明のタービン動翼１を登載
したガスタービン４５を組み合わせることにより。前述
と同様に長期的信頼性が高く、かつ熱効率の高い、及び
排気ガスの低ＮＯｘ化を達成できるコンバインド発電プ
ラントを提供できる。

【００３９】さらにコンバインド発電プラントではター
ビン翼の冷却に蒸気タービン系の蒸気を利用する方法も
考えられる。図１２図は本願発明のタービン動翼１を登
載したガスタービン４５を組み込んだコンバインド発電
プラント５９のタービン冷却媒体に、蒸気を利用したと
きのプラント構成図を示すものである。排熱回収ボイラ
ー５６で発生した蒸気の一部をガスタービン４５の本願
発明のタービン動翼１に導き、タービン動翼を冷却した
後回収して蒸気タービンに供給する、しかして本コンバ
インド発電プラントでは、前述の効果とともに、タービ
ン動翼を冷却することにより得た熱エネルギーを蒸気タ
ービンで動力として回収できる効果がさらに得られる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明は、動翼
シャンク部の冷却媒体排出孔に、この冷却媒体排出孔内
を流通する冷却媒体とシャンク部母体間の熱伝達を阻止
する断熱装置を設けるようになしたから、シャンク部の
冷却媒体排出孔内を流通する冷却媒体とシャンク部母体
間の熱伝達は阻止され、したがって冷却媒体排出孔近傍
の温度差に基づく熱変形は小さくなり、翼自体が傾きそ
の性能が低下したり、またシャンク部若しくはダブテイ
ル部に熱温度差による応力が発生したりする恐れはなく
なり、耐久性に富んだこの種動翼装置を得ることができ
る。また、回収流路を形成している熱シールドパイプの
外側を供給冷却媒体で覆うことによって遮熱効果を一層
上げ、シャンク部とダブテイル部の温度差及び温度ムラ
を一層小さくするという効果と、一つの供給孔から回収
孔をはさんだ反対側にも冷却媒体を供給することが可能
になるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガスタービンの一実施例を示す一部縦
断側面図である。

【図２】本発明のガスタービン動翼装置の一実施例を示
す一部破断側面図である。

【図３】本発明のガスタービン動翼装置の他の実施例を
示す要部縦断側面図である。

【図４】本発明のガスタービン動翼装置の他の実施例を
示す要部縦断側面図である。

【図５】本発明のガスタービン動翼装置の他の実施例を
示す要部縦断側面図である。

【図６】本発明のガスタービン動翼装置に用いられる挿
入パイプの一実施例を示す斜視図である。

【図７】本発明のガスタービン動翼装置に用いられる挿
入パイプの他の実施例を示す斜視図である。

【図８】本発明のガスタービン動翼装置の他の実施例を
示す要部縦断側面図である。

【図９】本発明のガスタービン動翼装置の他の実施例を
示す要部縦断側面図である。

【図１０】図９のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【図１１】コンバインド発電プラントの線図である。

【図１２】コンバインド発電プラントの線図である。

【図１３】従来のガスタービン動翼装置の一部破断側面
図である。

【符号の説明】

１…ガスタービン動翼、２…翼母体、３…シャンク部、
４…ダブテイル部、５…冷却媒体供給孔、６…冷却媒体
回収孔、７…供給冷却媒体、８…回収冷却媒体、９…熱
シールド、１０…ロータ、１１…遮熱コーティング、１
２…挿入パイプ、１３…凹凸、１４…挿入パイプ、１５
…遮熱コーティング、１６…凹凸、１７…冷却媒体供給
流路、２０…冷却流路、２０ａ…冷却流路、３０…蒸気
冷却動翼、３２…蒸気の供給孔、３３…蒸気の回収孔、
３４…分離体、４５…ガスタービン、４６…圧縮機、４
７…圧縮空気室、４８…燃焼器、４９…タービン、５１
…冷却空気回収流路、５２…発電機、５３…コンバイン
ド発電プラント、５４…復水器、５５…給水ポンプ、５
６…排熱回収ボイラ、５７…蒸気タービン、５８…蒸気
分岐管、５９…コンバインド発電プラント。

フロントページの続き (72)発明者池口隆茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者川池和彦茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (56)参考文献特開平２−241902（ＪＰ，Ａ) 特開平３−264702（ＪＰ，Ａ) 英国特許出願公開2270126（ＧＢ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F01D 5/08 - 5/20 F01D 25/12 F02C 7/18,7/24

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に冷却媒体流通路を有する翼母体と、
該翼母体を回転体に固定保持するためのダブテイル部
と、該ダブテイル部と前記翼母体の間に位置してダブテ
イル部と翼母体を結合保持し、かつ内部に前記翼母体の
冷却媒体流通路に連通する冷却媒体供給孔および回収孔
を有するシャンク部とを備え、前記翼母体を冷却する冷
却媒体が、前記シャンク部内の冷却媒体供給孔を流通し
て前記翼母体の冷却媒体流通路に供給され、かつ翼母体
冷却後の冷却媒体がこのシャンク部内の冷却媒体回収孔
を流通して回収されるように形成されているガスタービ
ン動翼装置において、前記シャンク部の冷却媒体回収孔に、該冷却媒体回収孔
内を流通する冷却媒体とシャンク部母体間の熱伝達を阻
止する遮熱装置を設け、かつ、前記シャンク部の側壁面
に前記回収孔の出口部を設ける、若しくは前記ダブテイ
ル部の側面で冷却媒体を回収することを特徴とするガス
タービン動翼装置。
【請求項２】内部に第一及び第二の冷却媒体流通路を有
する翼母体と、該翼母体を回転体に固定保持するための
ダブテイル部と、該ダブテイルと前記翼母体の間に位置
してダブテイル部と翼母体を結合保持し、かつ内部に前
記翼母体の第一の冷却媒体流通路に連通する第一の冷却
媒体供給孔および回収孔を有するシャンク部とを備え、
前記翼母体を冷却する冷却媒体が、前記シャンク部内の
前記第一の冷却媒体供給孔を流通して前記翼母体の前記
第一の冷却媒体流通路に供給され、かつ翼母体冷却後の
冷却媒体がこのシャンク部内の冷却媒体回収孔を流通し
て回収されるように形成されているガスタービン動翼装
置において、前記シャンク部の冷却媒体回収孔に、該冷却媒体回収孔
内を流通する冷却媒体とシャンク部母体間の熱伝達を阻
止する遮熱装置を設け、該遮熱装置を熱シールドパイプ
とし、かつ、前記熱シールドパイプに対して前記第一の
冷却媒体供給孔とは反対側の前記第二の冷却媒体流通路
に冷媒を供給する第二の冷却媒体供給孔を設けて、前記
冷却媒体回収孔をはさんだ反対側に冷却媒体を供給でき
るよう構成したことを特徴とするガスタービン動翼装
置。