JP3727847B2 - ガスタービンの動翼翼端冷却構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービン動翼翼端冷却構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンが発電や、その他、色々な用途のために数多く使用されている。このガスタービンは圧縮機で高温に圧縮された空気に燃料を噴射して燃焼筒内で燃焼して燃焼ガスを発生し、この燃焼ガスを静翼で整流して動翼に導き、タービンを回転せしめて動力を得るものである。そして、ガスタービンの効率を上げるためには動翼へ導く燃焼ガス温度はできるだけ高い方がよく、動翼にあたる燃焼ガスの温度はますます高くなる傾向にある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような、燃焼ガスの高温化を実現させるためには、動翼の冷却を燃焼ガスの高温化の耐えられるように向上することが必要である。
ここで、動翼の先端は、腹側から背側への燃焼ガスの周り込み流れを抑制して作動効率を上げるべく、腹側部材と背側部材を集合して尖らせて１ヶ所で周り込み流れを防止するのではなくて、腹側部材と背側部材をそれぞれケーシング側に設けられる周囲シュラウドと近接させて二重に周り込み流れを防止する構造とすることが多く、例えば、特開昭６２−２２３４０２号公報に記載の冷却構造がある。
【０００４】
図１１の（Ａ）、（Ｂ）に示すのが上記公報の冷却構造であって、冷却空気は、翼端に、翼断面形状に沿うように形成された動翼の本体と蓋部材の間のスリットを通って流れるようにされているが、このスリットへ向かう冷却空気は軸心側から数カ所の供給穴を通って供給されている、供給穴とスリットの間には、空間が設けられているものの、供給穴は連続しておらず、必ずしも、充分均等に翼端部分を冷却できない可能性がある。
本発明は上記に鑑み、動翼の翼端部を充分均等に冷却できるガスタービンの動翼翼端冷却構造を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、圧縮機から供給された圧縮空気と燃料ノズルから噴射された燃料を燃焼筒内で燃焼し、その燃焼ガスを動翼に導き動力を得るガスタービンの、圧縮空気の一部を利用して動翼の翼端を冷却する動翼翼端冷却構造であって、
動翼本体の翼端面から軸心方向に深さを有して形成された凹部と、
動翼本体の前縁部材内部を通り凹部の前縁側の壁面に出口開口を有する翼端冷却空気導入通路と、
凹部の後縁側の壁面に入口開口を有し、動翼本体の後縁部材内部を通り、後縁または後縁に隣接する翼表面に出口開口を有する翼端冷却空気排出通路と、
動翼本体と別体に成形され、凹部内壁に密着接合して固定される蓋部材とを具備し、
蓋部材の凹部内壁に密着接合する面に、翼端冷却空気導入通路の出口開口と翼端冷却空気排出通路の入口開口を連通する複数の溝が設けられている、ガスタービンの動翼冷却構造が提供される。
このように構成されたガスタービンの動翼冷却構造では、蓋部材の凹部内壁に密着接合する面に設けられた複数の溝を冷却空気が流れるために、翼端を均等に冷却することができる。
【０００６】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、凹部が、前縁側壁面、後縁側壁面、腹側壁面、背側壁面、底面を有し、
蓋部材が、凹部の前縁側壁面、後縁側壁面、腹側壁面、背側壁面、底面にそれぞれ密着する前面、後面、腹側面、背側面、下面を有し、
翼端冷却空気導入通路が前縁側壁面に出口開口を有し、
翼端冷却空気排出通路が後縁側壁面に入口開口を有し、
溝が、蓋部材の腹側面、背側面、下面の少なくとも一つに設けられている、ガスタービン動翼翼端冷却構造が提供される。
【０００７】
請求項３の発明によれば、請求項１の発明において、溝が蛇行しているガスタービン動翼翼端冷却構造が提供される。
このように構成されたガスタービン動翼翼端冷却構造では冷却空気は蛇行して流れ、冷却空気の当たる面積が増える。
請求項４の発明によれば、溝の表面に突起が形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン動翼翼端冷却構造。
請求項５の発明によれば、請求項１の発明において、溝が翼幅方向にずれた第１部分溝と第２部分溝をこれらに直角な連結溝でつないで成るクランク溝を、複数、隣接するクランク溝の第１部分溝と第２部分溝を翼幅方向で部分的にオーバーラップさせて配置して、これらオーバーラップせしめられた隣接するクランク溝の第１部分溝と第２部分溝を連通路でつないで形成されているガスタービン動翼翼端冷却構造が提供される。
このように構成されたガスタービンの動翼冷却構造では、さらに連通路を通過した冷却空気が連通路の出口側の部分溝の壁面をインピンジ冷却する。
【０００８】
請求項６の発明によれば、請求項５の発明において、冷却空気が軸心側から翼端側に向かって流れるように、クランク溝と、連通路が配設されている、ガスタービン動翼翼端冷却構造が提供される。
このように構成されたガスタービンの動翼冷却構造では、冷却空気は連通路を翼端側に流れ、翼端に近い部分溝の壁面をインピンジ冷却することができる。
【０００９】
請求項７の発明によれば、請求項１の発明において、溝の断面形状が、四角形、半円形、三角形のいずれかである、ガスタービン動翼翼端冷却構造が提供される。
【００１０】
請求項８の発明によれば、請求項１の発明において、翼端冷却空気排出通路が後縁に隣接する腹側表面に出口開口を有する、ガスタービン動翼翼端冷却構造が提供される。
このように構成されたガスタービンの動翼冷却構造では、翼端冷却空気排出通路を出た冷却空気は、後縁に隣接する腹側から背側にむかうフィルム冷却をおこなう。
請求項９の発明によれば、請求項１の発明において、蓋部材の外側表面に前縁側から後縁側に延びる溝が形成されている、ガスタービン動翼翼端冷却構造が提供される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の各実施の形態について説明する。先ず、本発明が適用されるガスタービンの、燃焼器の周辺部分の、基本的な構造を図１０を参照して説明する。
ケーシング１で形成される車室２内に燃焼器３が配設されていて、また車室２内には圧縮機４（一部のみ図示）で圧縮された高温の空気が矢印５０で示されるように導入される。燃焼器３は、燃料と空気を燃焼して燃焼ガスを発生する燃焼筒６と、燃焼筒６に燃料と空気を燃焼筒６に導く導入部５から成り、燃焼筒６の後端は静翼シール７を介して静翼８に結合され、静翼８の後流側には動翼９が配設されている。
【００１２】
導入部５は内筒１０の内部に１つのパイロットノズル１１と複数のメインノズル１２を配設して構成されている。圧縮機４から車室２内に導入された高温の圧縮空気は矢印５１で示されるように内筒１０の周りを通って上流側に向かい、内筒１０の上流端部に形成された燃焼空気入口１３から矢印５２で示されるように内筒１０の内側に導入される。内筒１０の内側に導入された空気は複数のそれぞれスワラー１４を有して成るスワール流路１５でスワール空気とされてから、メインノズル１２から噴射される燃料が混合されて予混合気となって燃焼筒６に送られる。
【００１３】
また、内筒１０の内側に導入された空気はパイロットノズル１１の周りの空気通路１１ａを通り、パイロットノズル１１の下流でパイロットノズル１１から噴射された燃料とともに拡散燃焼してパイロット火炎を生成する。このパイロット火炎が、スワール流路１５から排出された予混合気を着火し、それにより、燃焼ガスが生成される。
なお、パイロットノズル１１の先端部１６はメガホン状に広がるパイロットコーン１７内に配置されている。
【００１４】
以下、上記のようなガスタービンに適用される本発明のガスタービン動翼冷却構造について、動翼に適用した場合を例に説明する。
図１は本発明のガスタービン動翼冷却構造の第１の実施の形態を示す分解図である。動翼９の本体９０の翼端面に凹部９１が形成され、この凹部に蓋部材１００を嵌め込み、溶接等で固定することによって完成される。
【００１５】
凹部９１は翼端面から同じ深さを有する前縁側壁面９１ｆ、後縁側壁面９１ｒ、腹側壁面９１ａ、背側壁面９１ｂ、底面９１ｃを有し、前縁側壁面９１ｆと後縁側壁面９１ｒは、翼幅方向に直角な方向、すなわち、翼厚さ方向に真っ直ぐに延びているが、腹側壁面９１ａと背側壁面９１ｂはそれぞれ腹側表面９２ａと背側表面９２ｂに平行にカ−ブしながら翼幅方向に延びている。また、底面９１ｃは翼端側の開口の形状と同じ形をしている。
【００１６】
本体９０を形成している部材の内の、凹部９１（の前縁側壁面９１ｆ）より前側の部分を前縁部材９０ｆ、凹部９１（の後縁側壁面９１ｒ）よりも後ろ側の部分を後縁部材９０ｒ、凹部９１の腹側壁面９１ａと腹側表面９２ａの間の部材を腹側部材９０ａ、凹部９１の背側壁面９１ｂと背側表面９２ｂの間の部材を背側部材９０ｂとする。また、底面９１ｃが形成されている部材を凹部底面部材９０ｃとする。
なお、前縁部材９０ｆ、後縁部材９０ｒ、腹側部材９０ａ、背側部材９０ｂは凹部９１の周りの部分のみでなく、翼端から図示されない軸心側端部まで含むものとする。
【００１７】
前縁部材９０ｆ内に翼端冷却空気導入通路９３ｉが形成され、後縁部材９０ｒ内に翼端冷却空気排出通路９３ｅが形成されている。
図２、３から明らかなように、翼端冷却空気導入通路９３ｉは軸心側に延びていて、図示されない軸心側端部において、図示されない軸心部材に形成された冷却空気導入通路に接続されている。また、翼端冷却空気排出通路９３ｅは後縁近傍の、凹部９１の中間程度の翼長さ方向位置において、腹側表面９２ａに出口開口９５ｅを有し、出口開口９５ｅから出た冷却空気は腹側表面９２ａから背側表面９２ｂに向かって翼端部をフィルム冷却する。
【００１８】
また、底面部材９０ｃの軸心側には３個の中央冷却空気通路９３ａ、９３ｂ、９３ｃが形成されていて、これらにも図示されない軸心部材に形成された冷却空気導入通路から冷却空気が導入され、腹側部材９０ａ、背側部材９０ｂに形成されている図示されない穴から排出され、腹側表面９２ａ、背側表面９２ｂをフィルム冷却する。
【００１９】
一方、蓋部材１００は、本体９０の凹部９１の前縁側壁面９１ｆ、後縁側壁面９１ｒ、腹側壁面９１ａ、背側壁面９１ｂ、底面９１ｃに、それぞれ密着接合する、前面１００ｆ、後面１００ｒ、腹側面１００ａ、背側面１００ｂ、下面１００ｃ、及び、外側の上面１００ｄを有する。
【００２０】
蓋部材１００の前面１００ｆ、後面１００ｒは平面であるが、腹側面１００ａ、背側面１００ｂには、それぞれ、断面が四角形の溝１０１が２本形成されている。また、下面１００ｃにも上記溝１０１と同じ断面の溝１０２が形成されているが、前縁側では３本あるが、後縁側では翼厚さ方向の大きさが小さくなるので集合されている。一方、上面１００ｄには、大きな溝１０３が１本形成されているのみである。
【００２１】
図４に示されているように、蓋部材１００を取り付けた状態で、溝１０１、１０２の前縁側端部が翼端冷却空気導入通路９３ｉの出口の開口９４ｉの領域内にあるように翼端冷却空気導入通路９３ｉの開口９４ｉの形状が定められている。同様に、溝１０１、１０２の後縁側端部が翼端冷却空気排出通路９３ｅの開口９４ｅの領域内にあるように翼端冷却空気排出通路９３ｅの入口の開口９４ｅの形状が定められているが、図示しない。
【００２２】
第１の実施の形態は、上記のように、構成されており、翼端冷却空気導入通路９３ｉを通った冷却空気は、蓋部材の溝１０１と腹側壁面９１ａ、背側壁面９１ｂで形成される通路、および、溝１０２と底面９１ｃで形成される通路を通り、その後、翼端冷却空気排出通路９３ｅを通って排出される。したがって、蓋部材１００は、前縁側から後縁側まで連続的に冷却される。
【００２３】
なお、溝の断面形状は、適宜、変形することができ、例えば、図５の（Ａ）に示すような半円形、（Ｂ）に示すような三角形にすることができる。
【００２４】
次に、第２の実施の形態について説明する。この第２の実施の形態は、蓋部材２００が第１の実施の形態の蓋部材１００と異なるが、本体９０は同じであるので、蓋部材２００についてのみ説明する。
図６が第２の実施の形態における蓋部材２００を腹側から見た図であって、蓋部材２００の腹側面には、翼幅方向にずれた内側溝２１０と外側溝２２０を放射方向溝２３０でつないだクランク溝２０１が形成されている。なお、背側面にも同様にされている。
第２の実施の形態は上記のように構成され、図６に矢印で示すように、冷却空気が蛇行して流れ、蓋部材２００を、翼幅方向に連続して冷却することができるので冷却効率がよい。
【００２５】
次に、第２の実施の形態の変形例について図７を参照して説明する。この変形例は第２の実施の形態の蛇行する溝の表面に突起２４０を多数設けたものである。このように構成することにより、冷却空気の流れの乱流大きくなり冷却性能がさらに、向上する。なお、このような突起は第１の実施の形態および後述の第３の実施の形態にも適用することができる。
【００２６】
次に、第３の実施の形態について説明する。この第３の実施の形態は、蓋部材３００が第１の実施の形態の蓋部材１００と異なるが、本体９０は同じであるので、蓋部材３００についてのみ説明する。
図８が第３の実施の形態における蓋部材３００を腹側から見た図であって、蓋部材３００の腹側面３００ａには、翼幅方向にずれた内側溝３１０と外側溝３２０を放射方向溝３３０でつないだクランク溝３０１が複数形成され、隣接するクランク溝３０１の内側溝３１０と外側溝３２０が連通穴３４０で連通されている。図８では、前面３００ｆに外側溝３２０の中間部があるように、また、後面３００ｒに外側溝３２０の中間部があるように、されているが、連通穴３４０の設けられているところが、前面３００ｆ、後面３００ｒにこないようにだけすれば、他の部分が前面３００ｆ、後面３００ｒにあってもよい。
【００２７】
図９の（Ａ）は、図８のIXA-IXA 線に沿ってみたものであり、（Ｂ）は図８のIXB-IXB 線に沿ってみたものであり、（Ｃ）は図８のIXC-IXC 線に沿ってみたものであり、（Ｄ）は図８のIXD-IXD 線に沿ってみたものである。
第３の実施の形態は上記のように構成され、図８に矢印で示すように、冷却空気が流れ、蓋部材３００を、翼幅方向に連続して冷却することができ、さらに、連通穴を通った空気が、溝の上側（外側）の面をインピンジ冷却しているので冷却効率がよい。
【００２８】
また、図８の各図から明らかなように、背側面３００bも、腹側面３００ａと同じようにされている。
そして、蓋部材３００の下面３００ｃ、上面３００ｄは、第１の実施の形態の蓋部材１００の下面１００ｃ、上面１００ｄとそれぞれ同じで、溝３０２、３０３が形成されている。
【００２９】
以上、第１の実施の形態、第２の実施の形態（含む変形例）、第３の実施の形態を説明したが、これらはいずれも、凹部が、前縁側壁面、後縁側壁面、腹側壁面、背側壁面、底面を有し、蓋部材が、凹部の前縁側壁面、後縁側壁面、腹側壁面、背側壁面、底面にそれぞれ密着する前面、後面、腹側面、背側面、下面を有するものである。しかしながら、このような、はっきりと分けられる面を有することは、必ずしも必要ではなく、凹部を連続した曲面で形成されるバスタブ状にし、蓋部材もこれに密着する曲面としてもよい。
また、動翼の翼端面は、周囲に配設されるケーシングの面に均等な隙間を介して接するように、翼厚さ方向において、若干中央部分が盛り上がっている。
【００３０】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明は、圧縮機から供給された圧縮空気と燃料ノズルから噴射された燃料を燃焼筒内で燃焼し、その燃焼ガスを動翼に導き動力を得るガスタービンの、圧縮空気の一部を利用して動翼の翼端を冷却する動翼翼端冷却構造であるが、
動翼本体の翼端面から軸心方向に深さを有して形成された凹部と、
動翼本体の前縁部材内部を通り凹部の前縁側の壁面に出口開口を有する翼端冷却空気導入通路と、
凹部の後縁側の壁面に入口開口を有し、動翼本体の後縁部材内部を通り、後縁または後縁に隣接する翼表面に出口開口を有する翼端冷却空気排出通路と、
動翼本体と別体に成形され、凹部内壁に密着接合して固定される蓋部材とを具備し、
蓋部材の凹部内壁に密着接合する面に、翼端冷却空気導入通路の出口開口と翼端冷却空気排出通路の入口開口を連通する複数の溝が設けられていて、蓋部材の凹部内壁に密着接合する面に設けられた複数の溝を冷却空気が流れるために、翼端を均等に冷却することができる。
特に、請求項３のように、溝を蛇行させれば、冷却空気は蛇行して流れ冷却空気の当たる面積が増え冷却性能が向上する。
特に、請求項４のように、溝の表面に突起を設ければ、冷却空気の乱れが増大して冷却性能が向上する。
特に、請求項５のように、溝が翼幅方向にずれた第１部分溝と第２部分溝をこれらに直角な連結溝でつないで成るクランク溝を、複数、隣接するクランク溝の第１部分溝と第２部分溝を翼幅方向で部分的にオーバーラップさせて配置して、これらオーバーラップせしめられた隣接するクランク溝の第１部分溝と第２部分溝を連通路でつないで形成すれば、連通路を通過した冷却空気が連通路の出口側の部分溝の壁面をインピンジ冷却することができ冷却効率が向上する。
さらに、請求項６のように、冷却空気が軸心側から翼端側に向かって流れるように、クランク溝と、連通路が配設すれば、冷却空気は連通路を翼端側に流れ、翼端に近い部分溝の壁面をインピンジ冷却することができ、翼端側の冷却が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスタービン動翼冷却構造を示す分解図である。
【図２】図１の線II-II を通る面で切った断面図である。
【図３】蓋部材を装着した状態で、動翼を翼長さ方向から示す図であって、
（Ａ）は外側から見た図であり、
（Ｂ）は図２のIIIB-IIIB 線に沿って見た断面図であり、
（Ｃ）は図２のIIIC-IIIC 線に沿って見た断面図であり、
（Ｄ）は図２のIIID-IIID 線に沿って見た断面図である。
【図４】図２のIV-IV 線に沿って見た図である。
【図５】蓋部材に形成される溝の変形例を示す図であって、
（Ａ）は断面が半円形のもの、
（Ｂ）は断面が三角形のものである。
【図６】第２の実施の形態の蓋部材の側面図である。
【図７】第２の実施の形態の変形例の蓋部材の側面図である。
【図８】第３の実施の形態の蓋部材の側面図である。
【図９】図８の蓋部材の断面図であって、
（Ａ）は図８のIXA-IXA 線に沿ってみたものであり、
（Ｂ）は図８のIXB-IXB 線に沿ってみたものであり、
（Ｃ）は図８のIXC-IXC 線に沿ってみたものであり、
（Ｄ）は図８のIXD-IXD 線に沿ってみたものである。
【図１０】ガスタービンの燃焼器まわりの構造を示す図である。
【図１１】従来技術のガスタービンの動翼冷却構造であって、（Ａ）は翼端側から見た図であって、
（Ｂ）は（Ａ）のXIB-XIB 線に沿って見た図である。
【符号の説明】
９…動翼
９０…（動翼）本体
９０ａ…腹側部材
９０ｂ…背側部材
９０ｆ…前縁部材
９０ｒ…後縁部材
９１…凹部
９１ａ…（凹部の）腹側壁面
９１ｂ…（凹部の）背側壁面
９１ｃ…（凹部の）底面
９１ｆ…（凹部の）前縁側壁面
９１ｒ…（凹部の）後縁側壁面
９２ａ…腹側表面
９２ｂ…背側表面
９３ｉ…冷却空気導入通路
９３ｅ…冷却空気排出通路
９４ｉ…（冷却空気導入通路の）出口開口
９４ｅ…（冷却空気排出通路の）入口開口
９５ｅ…（冷却空気排出通路の）出口開口
１００…蓋部材
１０１、１０２、１０３…溝
１００ａ…（蓋部材）腹側面
１００ｂ…（蓋部材）背側面
１００ｃ…（蓋部材）底面
１００ｄ…（蓋部材）上面
１００ｆ…（蓋部材）前面
１００ｒ…（蓋部材）後面
２００…蓋部材
２０１…溝
２１０…内側溝
２２０…外側溝
２３０…放射方向溝
３００…蓋部材
２０１，２０２，２０３…溝
３００ａ…（蓋部材）腹側面
３００ｂ…（蓋部材）背側面
３００ｃ…（蓋部材）底面
３００ｄ…（蓋部材）上面
３００ｆ…（蓋部材）前面
３００ｒ…（蓋部材）後面
３１０…内側溝
３２０…外側溝
３３０…放射方向溝
３４０…連通穴

Claims (9)

1. 圧縮機から供給された圧縮空気と燃料ノズルから噴射された燃料を燃焼筒内で燃焼し、その燃焼ガスを動翼に導き動力を得るガスタービンの、圧縮空気の一部を利用して動翼の翼端を冷却する動翼翼端冷却構造であって、
   動翼本体の翼端面から軸心方向に深さを有して形成された凹部と、
   動翼本体の前縁部材内部を通り凹部の前縁側の壁面に出口開口を有する翼端冷却空気導入通路と、
   凹部の後縁側の壁面に入口開口を有し、動翼本体の後縁部材内部を通り、後縁または後縁に隣接する翼表面に出口開口を有する翼端冷却空気排出通路と、
   動翼本体と別体に成形され、凹部内壁に密着接合して固定される蓋部材とを具備し、
   蓋部材の凹部内壁に密着接合する面に、翼端冷却空気導入通路の出口開口と翼端冷却空気排出通路の入口開口を連通する複数の溝が設けられている、ことを特徴とするガスタービン動翼翼端冷却構造。
2. 凹部が、前縁側壁面、後縁側壁面、腹側壁面、背側壁面、底面を有し、
   蓋部材が、凹部の前縁側壁面、後縁側壁面、腹側壁面、背側壁面、底面にそれぞれ密着する前面、後面、腹側面、背側面、下面を有し、
   翼端冷却空気導入通路が前縁側壁面に出口開口を有し、
   翼端冷却空気排出通路が後縁側壁面に入口開口を有し、
   溝が、蓋部材の腹側面、背側面、下面の少なくとも一つに設けられている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン動翼翼端冷却構造。
3. 溝が蛇行している、ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン動翼翼端冷却構造。
4. 溝の表面に突起が形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン動翼翼端冷却構造。
5. 溝が翼幅方向にずれた第１部分溝と第２部分溝をこれらに直角な連結溝でつないで成るクランク溝を、複数、隣接するクランク溝の第１部分溝と第２部分溝を翼幅方向で部分的にオーバーラップさせて配置して、これらオーバーラップせしめられた隣接するクランク溝の第１部分溝と第２部分溝を連通路でつないで形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン動翼翼端冷却構造。
6. 冷却空気が軸心側から翼端側に向かって流れるように、クランク溝と、連通路が配設されている、ことを特徴とする請求項５に記載のガスタービン動翼翼端冷却構造。
7. 溝の断面形状が、四角形、半円形、三角形のいずれかである、ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン動翼翼端冷却構造。
8. 翼端冷却空気排出通路が後縁に隣接する腹側表面に出口開口を有する、 ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン動翼翼端冷却構造。
9. 蓋部材の外側表面に前縁側から後縁側に延びる溝が形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン動翼翼端冷却構造。

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