JP4087586B2 - ガスタービン及びその静翼 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービン及びその静翼に係り、特に、高温度化に適応した回収型の冷却システム及び冷却構造を備えたガスタービン及びその静翼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発電装置などに採用されているガスタービンは、例えば一軸上に圧縮機とタービンとが配置され、この圧縮機により圧縮された高圧力の空気を酸化剤として燃焼器内で燃料を燃焼させ、発生した高温高圧ガスによりタービンを駆動するように形成されている。そして、タービン軸に結合された発電機により発電するように形成されている。すなわち熱エネルギーを機械的なエネルギーに変換し、更に電力エネルギーに変換するようになされている。消費された燃料に対して得られる電力エネルギーは、当然のことながら出来るだけ多い方が望ましく、このためにはガスタービンの性能向上が重要で、ますますその要求が高まってきている。最近においては、ガスタービンの性能向上を図る手段として作動ガスの高温高圧化が進められている。
【０００３】
ガスタービン作動ガスの高温化は、その高温部に用いられる使用材料によって制限されているのが実情である。すなわちガス温度に起因する熱応力に耐え得る材料能力によって制限されると言っても過言ではない。したがって作動ガス温度の高温化に際しては、材料の開発が最も重要となるが、しかしながら要望に応じた材料が簡単に開発できるわけではなく、現在のガスタービン及びそのタービン翼おいては最も高温燃焼ガスに曝されるであろう翼の耐用温度を満足させるために翼を中空構造とし、かかる中空部に冷却媒体を供給し内部から翼を冷却する方法が一般に採られている。冷却媒体としては冷却空気を圧縮機から抽気して用いることが多い。
【０００４】
冷却媒体として冷却空気を圧縮機から抽気して用いる場合、冷却空気の多量の消費はガスタービン効率の低下をきたすことになる。よりガスタービン性能を向上させるため、翼冷却空気をガスタービン燃焼器に回収して燃焼用空気に活用する、いわゆる回収型ガスタービンも提案されている。かかる冷却空気回収型ガスタービンの例として特開平７-１８９７３８号公報が挙げられる。特開平７-１８９７３８号公報は圧縮空気の冷却用部分を圧縮空気受入室より抽気し、更にファンで加圧して静翼に供給し、静翼を冷却することにより空気自らを加熱昇温させ、この空気を空気受入室に戻す構成になっている。また、圧縮機から抽気した冷却空気を冷却器と圧縮機により冷却昇圧して低温高圧空気とし、静翼に供給し冷却することも行われている。
【０００５】
一方、ガスタービン翼の冷却方法には、大きく分けて二つの方式がある。その一つは翼に内部空間を形成し、かかる空間を流路として冷却媒体を通過させ、その対流効果により冷却する対流冷却方式であり、他の一つは内部空間にその表面に多数の小孔を開けた挿入体を挿入し、かかる小孔から冷却媒体を翼内面に噴射した衝突噴流により冷却するインピンジメント冷却方式である。
【０００６】
一般にこれらの二つの冷却方式に対してより冷却効果を高めるために、幾つかの冷却促進方法が講じられている。その一つの例として、対流冷却方式には冷媒流路にリブを配置し乱流促進効果によりのその冷却伝熱特性の向上改善を図っている。また、冷媒の一部を翼面を被うように噴出し（フィルム冷却）、その冷媒膜の遮熱効果により翼温度の上昇を緩和する方式もあるが、噴出空気によりガスタービン効率は当然低下する。
【０００７】
このような冷却方式を開示するものとして例えば特開昭５８−１７０８０１号公報、特開平８−２６０９０１号公報等がある。これらは動翼に対する非回収型の冷却方法において、対流冷却、インピンジメント冷却、フィルム冷却を適宜組み合わせたものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上のようにガスタービン翼の冷却方法としては種々のものが提案されており、特に静翼に対する冷却方式としては、翼を中空構造とし冷却媒体を供給し内部から翼を冷却する方法、圧縮機から抽気した空気を冷却媒体として用い、静翼冷却後、燃焼器に回収する冷媒回収型の冷却システム（例えば特開平７-１８９７３８号公報）、更に圧縮機から抽気した空気を低温高圧化して冷却媒体として用いる冷媒回収型冷却システム等が採用されている。しかし、従来の静翼冷却方式では、近年の作動ガス温度のさらなる高温化に対し冷却が充分にできない嫌いがあった。
【０００９】
すなわち、特開平７-１８９７３８号公報に記載されるような冷媒回収型では、静翼冷却後の冷却空気を空気受入室に回収することを可能にするために、圧縮空気を更にファンで加圧して使用しているので空気温度が空気源である圧縮機出口空気温度よりさらに高まり、タービン静翼を冷却する能力が低下する。圧縮機から抽気した冷却空気を冷却器と圧縮機により冷却昇圧して低温高圧空気として冷却媒体とする方法では、空気を単に圧縮して供給する方式に比べて冷却能力を向上できる。しかし、ガスタービンでは、できるだけ少ない冷却媒体量でタービン翼を冷却することと冷却媒体供給のための動力をできるだけ少なくすること、即ち冷媒の圧力損失を小さくすることがガスタービン効率向上のために重要である。かかる観点から従来の冷媒回収型ガスタービンの静翼を見ると、冷媒流量及び圧力損失のさらに適正化を図る余地があった。
【００１０】
本発明の目的は、冷媒回収型の冷却システムを備えたもので、作動ガスの高温度化に対応した冷却が可能であり、かつ冷媒流量及び圧力損失の適正化を図ることができるガスタービン及びその静翼を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、圧縮空気を発生させる圧縮機部、圧縮機部に連通し前記圧縮空気が流入する空気室、空気室に配置し前記圧縮空気を酸化剤として燃料を燃焼させ高温高圧ガスを発生させる燃焼器部、燃焼器部に連通し前記高温高圧ガスを高速加速する静翼と高温高圧高速ガスにより回転駆動される動翼とを有するタービン部を備えたガスタービンにおいて、前記空気室より圧縮空気の一部を導き出して冷却低温化し、さらに昇圧して低温高圧空気を発生させる手段を設け、前記静翼は、翼部と、翼部を保持し前記高温高圧ガスの流路を形成する外周側流路壁及び内周側流路壁とを有し、前記翼部に、外周側に流入口、内周側に流出口を有する内部冷却流路を形成し、前記外周側流路壁及び内周側流路壁に前記翼部の内部冷却流路に連通する冷却流路を形成し、前記翼部の内部冷却流路を、前記静翼を構成する翼前縁側部分、翼中央部、翼後縁側部分の３つの部位にそれぞれ位置し、それぞれ外周側に流入口、内周側に流出口を有する第１、第２、第３の少なくとも３つの独立した冷却流路パスに分け、前記第１冷却流路パス及び前記第２冷却流路パスを、それぞれ、サーペンタイン状の流路構成とし、前記第３冷却流路パスを前記流入口から流出口に向かう単独の流路構成とし、前記外周側流路壁の冷却流路に前記低温高圧空気を供給して外周側流路壁を冷却した後、その低温高圧空気を前記流入口よりそれぞれの前記冷却流路パスに導入し、前記翼部の翼前縁側部分、翼中央部、翼後縁側部分の各部位をパラレルに冷却した後、前記導入した低温高圧空気の全量を前記流出口より前記内周側流路壁の冷却流路へと導くことで、外周側流路壁と翼部と内周側流路壁をシリーズに冷却し、冷却後の空気を前記空気室に戻すように構成するものとする。
【００１２】
このように圧縮空気の一部を冷却低温化し、さらに昇圧して低温高圧空気として供給し、タービン静翼冷却後その全量を回収することにより、タービン静翼の冷却効果を高めるとともにガスタービンの効率向上に寄与できる。
【００１３】
また、外周側流路壁と翼部と内周側流路壁をシリーズに冷却し、冷却後の空気を空気室に戻すように構成することにより、少ない冷却流量で静翼の外周側流路壁と翼部と内周側流路壁を冷却することができ、また翼部の内部冷却流路を第１、第２、第３の少なくとも３つの独立した冷却流路パスに分け翼部の各部位をパラレルに冷却することにより、翼部での圧損の増加を抑制することができる。第１及び第２冷却流路パスをサーペインタイン状（折り曲げ状）の流路構成とすることにより、独立した冷却流路パス数が３つと少なくなり、少ない冷却空気量で翼部を冷却することができる。
【００１４】
しかして冷媒回収型の冷却システムを備えたもので、作動ガスの高温度化に適応した冷却が可能となり、かつ冷媒流量及び圧力損失の適正化を図ることができる。その結果、少ない冷却空気量でタービン翼を冷却することと冷却空気の圧力損失を小さくすることで、冷却空気供給のための動力を少なくすることができ、熱効率の高いガスタービンを得ることができる。
【００１７】
（２）また、上記（１）において、好ましくは、前記複数の独立した冷却流路パスのうち前記翼部の前縁側部分に位置する前記第１冷却流路パスは、前記流入孔から内周側に向かう第１流路部分、内周側から外周側に向かう第２流路部分、外周側から前記流出孔に向かう第３流路部分をサーペンタイン状に結ぶ流路構成を有し、かつ前記第１及び第３流路部分をインピンジメント冷却するよう構成する。
【００１９】
サーペインタイン状の流路構成の第１及び第３流路部分をインピンジメント冷却するよう構成することにより、空気差圧が小さくても比較的大きな面積を冷却することができ、圧損を小さくすることができる。
【００２０】
また、外周側から内周側へと翼形状が小さくなる静翼の翼部にサーペンタイン状（折り曲げ状）の流路構成を用いる場合は、インピンジメント冷却構造物（孔開き容器）を流路に組み込み難い欠点があるが、第１及び第３流路部分のみをインピンジメント冷却流路とすることにより、インピンジメント冷却構造物（孔開き容器）を翼形状の大きい外周側から挿入可能となり、インピンジメント冷却構造物の組み込みが容易となる。
【００２１】
（３）また、上記目的を達成するために、本発明は、翼部と、翼部を保持し高温高圧ガスの流路を形成する外周側流路壁及び内周側流路壁とを有し、圧縮機部に連通し圧縮空気が流入する空気室より圧縮空気の一部を導き出して冷却低温化し昇圧した低温高圧空気により冷却されるガスタービン静翼において、前記翼部に内部冷却流路を形成し、かつこの内部冷却流路を、前記静翼を構成する翼前縁側部分、翼中央部、翼後縁側部分にそれぞれ位置し、それぞれ外周側に流入口、内周側に流出口を有する第１、第２、第３の少なくとも３つの独立した冷却流路パスに分け、前記第１冷却流路パスを、前記流入口から内周側に向かう第１流路部分、内周側から外周側に向かう第２流路部分、外周側から前記流出口に向かう第３流路部分をサーペンタイン状に結ぶ流路構成とし、前記第２冷却流路パスを、前記流入口から内周側に向かう第４流路部分、内周側から外周側に向かう第５流路部分、外周側から前記流出口に向かう第６流路部分をサーペンタイン状に結ぶ流路構成とし、前記第３冷却流路パスを前記流入口から流出口に向かう単独の流路構成とし、前記外周側流路壁及び内周側流路壁の内部に、前記翼部の内部冷却流路を構成する前記第１、第２、第３冷却流路パスに連通するキャビティを形成するとともに、前記内周側流路壁のキャビティのカバー及び前記内周側流路壁のそれぞれに前記キャビティを前記空気室に連通させる孔を形成し、前記外周側流路壁のキャビティに前記冷却低温化し昇圧した低温高圧空気を供給して外周側流路壁を冷却した後、その低温高圧空気を前記流入口より前記第１、第２、第３冷却流路パスに導いて前記翼部の翼前縁側部分、翼中央部、翼後縁側部分の各部位をパラレルに冷却し、更に前記流出口より前記内周側流路壁のキャビティへと導くことで、外周側流路壁と翼部全体と内周側流路壁のそれぞれをシリーズに冷却し、かつ前記外周側流路壁のキャビティに供給された冷却後の低温高圧空気の全量を前記カバー及び内周側流路壁のそれぞれに形成した孔から前記空気室に戻すように構成したものとする。
【００２２】
これによりタービン静翼冷却後の低温高圧空気の全量を回収することができ、上記（１）で述べたようにタービン静翼の冷却効果を高めるとともにガスタービンの効率向上に寄与できる。また、外周側流路壁と翼部と内周側流路壁をシリーズに冷却し、翼部の各部位をパラレルに冷却することができ、上記（１）で述べたように作動ガスの高温度化に適応した冷却が可能となり、かつ冷媒流量及び圧力損失の適正化を図ることができる。
【００２３】
また、翼部の第１及び第２冷却流路パスをサーペインタイン状（折り曲げ状）の流路構成とすることにより、上記（１）で述べたように少ない冷却空気量で翼部を冷却することができる。
【００２４】
（４）上記（３）において、好ましくは、前記第１冷却流路パスの第１及び第３流路部分に複数の小孔を設けた容器を配置し、この容器に冷却空気を供給し前記小孔より冷却空気を噴出し翼壁に衝突させることでインピンジメント冷却するよう構成する。
【００２５】
これにより上記（２）で述べたように、少ない冷却空気量、小さい圧損で翼部を冷却することができる。また、インピンジメント冷却構造物（孔開き容器）を翼形状の大きい外周側から挿入可能となり、インピンジメント冷却構造物の組み込みが容易となる。
【００２６】
（５）また、上記（３）において、好ましくは、前記第１冷却流路パスの第２流路部分に挿入体を配置し、この挿入体と翼壁との間に冷却空気の流路を形成する。
【００２７】
これにより第２流路部分の有効流路が翼壁側のみとなり、少ない冷却空気量で翼壁を対流冷却することができる。
【００２８】
（６）更に、上記目的を達成するために、本発明は、翼部と、翼部を保持し高温高圧ガスの流路を形成する外周側流路壁及び内周側流路壁とを有し、圧縮機部に連通し圧縮空気が流入する空気室より圧縮空気の一部を導き出して冷却低温化し昇圧した低温高圧空気により冷却されるガスタービン静翼において、前記外周側流路壁の内部にキャビティを形成し、このキャビティ内に複数の小孔を設けたプレートを配置し、キャビティに供給された冷却流体をそのプレートの小孔より噴出し壁部に衝突させることでインピンジメントするよう構成し、前記翼部に内部冷却流路を形成し、かつこの内部冷却流路を、前記静翼を構成する翼前縁側部分、翼中央部、翼後縁側部分にそれぞれ位置し、それぞれ外周側に前記外周側流路壁キャビティに連通する流入口を有し、内周側に前記内周側キャビティに連通する流出口を有する第１、第２、第３の少なくとも３つの独立した冷却流路パスに分け、前記第１冷却流路パスを、前記流入口から内周側に向かう第１流路部分、内周側から外周側に向かう第２流路部分、外周側から前記流出口に向かう第３流路部分をサーペンタイン状に結ぶ流路構成とし、前記第２冷却流路パスを、前記流入口から内周側に向かう第４流路部分、内周側から外周側に向かう第５流路部分、外周側から前記流出口に向かう第６流路部分をサーペンタイン状に結ぶ流路構成とし、前記第３冷却流路パスを前記流入口から流出口に向かう単独の流路構成とし、前記第１冷却流路パスの前記第１、第２、第３流路部分の少なくとも一部に複数の小孔を設けた容器を配置し、前記外周側流路壁をインピンジメント冷却した冷却空気の一部を前記第１冷却流路パスに導いて前記容器の小孔より噴出し壁部に衝突させることでインピンジメント冷却するとともに、前記外周側流路壁をインピンジメント冷却した残りの冷却空気を前記第２、第３冷却流路パスに導いて対流冷却するよう構成し、前記内周側流路壁の内部にキャビティを形成し、このキャビティ内に複数の小孔を設けたプレートを配置し、前記翼部を冷却した冷却空気を前記キャビティに導き、前記プレートの小孔より噴射し壁部に衝突させることでインピンジメント冷却するよう構成するとともに、前記内周側流路壁のキャビティのカバー及び前記内周側流路壁のそれぞれに前記キャビティを前記空気室に連通させる孔を形成し、前記外周側流路壁のキャビティに前記冷却低温化し昇圧した低温高圧空気を供給して外周側流路壁を冷却した後、その低温高圧空気を前記流入口より前記第１、第２、第３冷却流路パスに導いて前記翼部の翼前縁側部分、翼中央部、翼後縁側部分の各部位をパラレルに冷却し、更に前記流出口より前記内周側流路壁のキャビティへと導くことで、外周側流路壁と翼部全体と内周側流路壁のそれぞれをシリーズに冷却し、かつ前記外周側流路壁のキャビティに供給された冷却後の低温高圧空気の全量を前記カバー及び内周側流路壁のそれぞれに形成した孔から前記空気室に戻すように構成したものとする。
【００２９】
これによりタービン静翼冷却後の低温高圧空気の全量を回収することができ、上記（１）で述べたようにタービン静翼の冷却効果を高めるとともにガスタービンの効率向上に寄与できる。また、外周側流路壁と翼部と内周側流路壁をシリーズに冷却し、翼部の各部位をパラレルに冷却することができ、上記（１）で述べたように作動ガスの高温度化に適応した冷却が可能となり、かつ冷媒流量及び圧力損失の適正化を図ることができる。更に、翼部の第１及び第２冷却流路パスをサーペインタイン状（折り曲げ状）の流路構成とすることにより、上記（１）で述べたように少ない冷却空気量で翼部を冷却することができる。
【００３０】
また、外周側流路壁及び内周側流路壁をインピンジメント冷却するよう構成し、翼部の翼厚みの厚い翼前縁側の第１冷却流路パスをインピンジメント冷却、第２，第３冷却流路パスを対流冷却するよう構成することにより、上記（２）で述べたように少ない圧損で大きな面積を冷却することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００３７】
まず、図１及び図２により、本発明の一実施の形態に係わるガスタービンの構成及び冷却システムの構成を説明する。図１はガスタービンの要部の縦断面図であり、図２は図１のＡ部の拡大図である。
【００３８】
図１において、全体を符号１で示されたガスタービンは、大きく分けて圧縮機部２、燃焼器部３及びタービン部４の３部分で構成されている。圧縮機部２は、複数の圧縮機ディスク５と、圧縮機ディスク５にリング状に設けられた複数の圧縮機動翼６と、圧縮機ケーシング７の内側にリング状に設けられた複数の圧縮機静翼８とで構成されている。タービン部４は、複数のタービン・ディスク９と、タービン・ディスク９にリング状に設けられた複数のタービン動翼１０と、タービン・ケーシング１１の内側にリング状に設けられた第２段以下の複数のタービン静翼１２と、本発明に係わる第１段のタービン静翼１３とで構成されている。圧縮機ディスク５とタービン・ディスク９とはシリンダー１４によって結合され、ロータ１５を構成する。
【００３９】
ロータ１５の周囲には燃焼器部３がリング状に設置されている。燃焼器部３は、圧縮機部２に連通するリング状の空気室１８と、空気室１８に連通する複数の燃焼器１６と、燃料噴射器１７とにで構成され、燃焼器１６の一方端は燃焼器尾筒２５を経てタービン部４のガスパス入口に連通している。
【００４０】
ガスタービン１には、燃焼器部３の空気室１８より圧縮空気の一部を導き出す配管２０、その空気を冷却及び昇圧する後部冷却器２１及び昇圧圧縮機２２、その冷却及び昇圧した空気をタービン部４に導く配管２３、タービン部４内においてその冷却及び昇圧した空気をタービン静翼１３に供給する配管２４が設けられている。
【００４１】
タービン部４の静翼１３を中心とした構成を図２により説明する。図２は、図１におけるＡ部、すなわちタービン静翼１３の部分を詳しく示すものである。
【００４２】
図２において、タービン静翼１３は翼部３４、外周側流路壁３５、内周側流路壁３６を有している。ガスタービン・ケーシング１１の内側には外リテーナリング２６及び内リテーナリング２７が設置され、タービン静翼１３は、外周側流路壁３５に設けられたフック３１，３２を外リテーナリング２６に架け、内周側流路壁３６に設けられた鍔３３を内リテーナリング２７で保持することで固定される。また、外周側流路壁３５及び内周側流路壁３６にはシール溝３７，３８が設けられ、このシール溝３７，３８にシールプレート２８，２９を組み込むことで燃焼器尾筒２５と静翼１３との接続部をシールする。しかして、タービン静翼１３は燃焼器尾筒２５と共に作動ガスの流路パス（ガスパス）を形成する。
【００４３】
タービン静翼１３の詳細構造を図３〜図１１により説明する。
【００４４】
図３は、容器、挿入体（後述）等の構成部品を組み込む前のタービン静翼の縦断面図であり、図４は図３のＢ−Ｂ線断面図（横断面図）である。また、図５はそれら構成部品を組み込んだ後のタービン静翼の縦断面図であり、図６は図５のＣ−Ｃ線断面図（横断面図）である。
【００４５】
図３及び図４において、翼部３４は中空の翼体４０を有し、翼体４０は複数の仕切壁４１ａ，４１ｂ………により複数の冷却流路４２ａ，４２ｂ………に仕切られている。ここでこれら仕切壁及び冷却流路は、翼上流側から第１の仕切壁４１ａ、第２の仕切壁４１ｂ………、第１の冷却流路４２ａ、第２の冷却流路４２１ｂ………と呼ぶ。
【００４６】
第１の冷却流路４２ａは外周側流路壁３５側で開口し流入口４７を形成し、翼体４０の第１、第２の冷却流路４２ａ，４２ｂ部分と第２の仕切壁４１ｂは内周側流路壁３６側に延在して壁４３を形成し、この壁４３によりベント４８を構成している。翼体４０の第２、第３の冷却流路４２ｂ，４２ｃ部分と第１、３の仕切壁４１ａ，４１ｃは外周側流路壁３５側に延在してベント壁４６を形成し、後記する上蓋８８（図５）を取り付けることによってベント４９を構成している。翼体４０の第３、第４の冷却流路４２ｃ，４２ｄ部分と第２、４の仕切壁４１ｂ，４１ｄは内周側流路壁３６側に延在して流出口５０を形成している。
【００４７】
第３，５の仕切壁４１ｃ，４１ｅの外周流路壁３５側には第４の冷却流路４２ｄと第５の冷却流路４２ｅとにまたがる壁４４が形成され、この壁４４によりベント５３が形成されている。同様に、第４，６の仕切壁４２ｄ，４１ｆの内周側流路壁３６側には第５の冷却流路４２ｅと第６の冷却流路４２ｆとにまたがる壁４５が形成され、この壁５４によりベント５２が形成されている。第６の冷却流路４２ｆは外周側流路壁３５側で開口し、流入口５１を形成している。
【００４８】
第７の冷却流路４２ｇは外周側流路壁３５側で開口し流入口５４を形成し、翼体４０の第７の冷却流路４２ｇ部分と第６の仕切壁４１ｆは内周側流路壁３５側に延在し流出口５５を形成している。
【００４９】
しかして翼部３４には、流入口４７から第１の冷却流路４２ａ、ベント４８、第２の冷却流路４２ｂ、ベント４９、第３の冷却流路４２ｃさらに流出口５０からなる第１の冷却パス、流入口５１、第６の冷却流路４２ｆ、ベント５２、第５の冷却流路４２ｅ、ベント５３、第４の冷却流路４２ｄさらに流出口５０からなる第２の冷却パス、流入孔５４、第７の冷却流路４２ｇ、流出口５５とからなる第３の冷却パスが形成されている。
【００５０】
図４において、７７ａ，７７ｂ………は冷却流路４２ａ，４２ｂ………に対応した翼体４０の冷却面であり、第１の冷却流路４２ａの冷却面７７ａには翼前縁側に翼スパン方向の縦突起６３が形成されると共に、翼コード方向の複数の横突起５６が所定の間隔で設けられ、第３の冷却流路７２ｃの冷却面７７ｃには翼コード方向の複数の横突起５７が所定の間隔で設けられている。第２の冷却流路４２ｂの冷却面７７ｂ、さらに第４，５，６の冷却流路４２ｄ，４２ｅ，４２ｆの冷却面７７ｄ，７７ｅ，７７ｆには、それぞれ、複数の乱流促進リブ５８，５９，６０，６１が設けられている。第７の冷却流路４２ｇには複数のピンフィン６２が設けられている。これらの縦突起６３、横突起５６，５７、乱流促進リブ５８，５９，６０，６１、さらにピンフィン６２は翼体４０と一体構造で形成されている。
【００５１】
図３に戻り、外周側流路壁３５には外周側上流面の隔壁９９と外周側下流面の隔壁１００が設けられ、外周側上流面の隔壁９９にシール溝３７、フック３１が形成され、外周側下流面の隔壁１００にフック３２が形成されている。同様に、内周側流路壁３６には内周側上流面の隔壁１０１と内周側下流面の隔壁１０２が設けられ、内周側上流面の隔壁１０１にシール溝３８が設けられ、かつ隔壁１０１には後記するキャビティ９２と連通する複数の孔９３が設けられている。これら隔壁９９，１００，１０１，１０２も外周側流路壁３５、内周側流路壁３６と共に翼体４０と一体構造で形成されている。
【００５２】
図５は、前述したように、必要な構成部品を組み込んだ後のタービン静翼の縦断面図であり、図６は図５のＣ−Ｃ線断面図（横断面図）である。
【００５３】
図５及び図６において、第１の冷却流路４２ａには第１の容器６４が挿入されており、第１の容器６４は内部空間６５を有し、一方端に底板６７を設け、さらに表面に複数の小孔６８が開けられており、鍔６６により外周側流路壁３５に取付固定されている。また、第１の容器６４は第１の仕切壁４１ａ側が凹状に形成され、その凹状部で翼スパン方向の流路７０を形成している。
【００５４】
第３の冷却流路４２ｃには第２の容器７３が挿入され、第２の容器７３は内部空間７９を有し、一方端に底板７５を設け、さらに表面に複数の小孔７６が開けられており、鍔７４により外周側流路壁３５に取付固定されている。また、第２の容器７３は第２の仕切壁４１ｂ側が凹状に形成され、その凹状部で翼スパン方向の流路７８を形成している。
【００５５】
第１の容器６４の小孔６８は第１の冷却流路４２ａの横突起５６に重ならない位置に、すなわち隣接する横突起５６，５６間に位置するように設けられる。さらに縦突起６３と横突起５６は、後記する冷却空気の流路を形成するとともに、第１の容器６４の第１の冷却流路４２ａに対する位置決めの作用をする。また、第２の容器７３の小孔７６は第３の冷却流路４２ｃの隣接する横突起５７，５７間に位置するように設けられ、横突起５７は第２の容器７３の第３の冷却流路４２ｃに対する位置決めの作用をする。
【００５６】
第２の冷却流路４２ｂには挿入体７１が挿入され、挿入体７１と冷却面７７ｂとの間には間隙流路７２が形成されている。ベント壁４６には前記したように上蓋８８が取付けられ、ベント４９を形成する。
【００５７】
外周側流路壁３５には複数の小孔８２を設けたプレート８１が取り付けられ、外周側流路壁３５とプレート８１とでキャビティ９０を形成している。外周側隔壁９９，１００にはカバー８０が取り付けられ、カバー８０と隔壁９９，１００、プレート８１とでキャビティ８９を形成している。カバー８０には冷却空気供給のための配管２４が接続される。
【００５８】
一方、内周側流路壁３６には複数の小孔８４を設けたプレート８３が取り付けられ、内周側流路壁３６とプレート８３とでキャビティ９２を形成している。前述した隔壁１０１に設けられた複数の孔９３はかかるキャビティ９２に通じるように設けられる。内周側隔壁１０２と鍔３３との間にはカバー８５が設けられ、内周側隔壁１０１と鍔３３との間には孔８７を有するカバー８６が設けられ、かかるカバー８５，８６と隔壁１０１，１０２、プレート８３とでキャビティ９１を形成している。前述した流出口５０，５５はキャビティ９１に連通するよう形成されている。
【００５９】
図７〜図１１を用いて静翼１３の構造をさらに説明する。
【００６０】
図７は図５のＥ−Ｅ線断面図、すなわち第１の冷却流路４２ａを中心とした部分断面図である。前述したように、第１の容器６４の小孔６８は第１の冷却流路４２ａの横突起５６に重ならないように、隣接する突起５６，５６間に位置している。外周側流路壁３５には外周側側面の隔壁９５が設けられ、キャビティ８９はこの隔壁９５と前述した隔壁９９，１００、カバー８０及びプレート８１に囲まれた空間として形成されている。隔壁９５にはシール溝９７が形成されている。
【００６１】
同様に内周側流路壁３６には内周側側面の隔壁９６が設けられ、キャビティ９１はこの隔壁９６と前述した隔壁１０１，１０２、カバー８５，８６、プレート８３に囲まれた空間として形成されている。隔壁９６にはシール溝９８が形成されている。
【００６２】
図８は図５のＦ−Ｆ線断面図、すなわち第１の冷却流路４２ｂを中心とした部分断面図である。挿入体７１は第２の冷却流路４２ｂのほぼ中央に位置し、冷却面７７ｂと挿入体７１との間隙流路７２に冷却空気の流路空間が形成されている。
【００６３】
図９は図５のＧ−Ｇ線断面図、すなわち第３の冷却流路４２ｃを中心とした部分断面図である。図７で述べたのと同様に、第２の容器７３の小孔７６は第３の冷却流路４２ｃの隣接する横突起５７，５７に重ならないように配置されている。
【００６４】
図１０は図５のＤ−Ｄ線断面図、すなわち隔壁９５，９９，１００、キャビティ８９部分の断面図である。プレート８１には複数の小孔８２が設けられている。
【００６５】
図１１は図５のＨ−Ｈ線断面図、すなわち隔壁９６，１０１，１０２、キャビティ９１部分の断面図である。翼体部分及び仕切壁を内周側流路壁３６側へと延在させることで形成された流出口５０，５５は、プレート８３の内周側すなわちキャビティ９１に連通するように突出している。プレート８３には複数の小孔８４が設けられている。
【００６６】
ガスタービンの作動を図１により説明する。圧縮機部２では大気空気を吸込み高圧力に圧縮して燃焼器部３の空気室１８に送り込む。かかる圧縮空気の多くは燃焼器１６に導かれ、燃料噴射器１７から吹き出だされる燃料の酸化剤として作用して燃焼させ、発生する高温高圧ガスをタービン部４に供給してタービンを駆動する。高温燃焼ガスに曝されるタービン静翼１２、動翼１０は、圧縮機の中間段の抽気空気、あるいは空気室１８の圧縮機吐出空気の一部を抽気して冷却するが、これは従来のタービン翼の冷却方法と同じである。
【００６７】
本発実施の形態に係わるガスタービンの静翼１３及びその冷却システムの作用を図１、図２、図５〜図１１により説明する。
【００６８】
燃焼器部３の空気室１８より圧縮空気の一部を配管２０を経てガスタービン外に導き出し、後部冷却器２１で冷却してその温度を下げ、昇圧圧縮機２２によりその圧力を高め、配管２３でタービン部４に供給する。タービン部４ではタービン・ケーシング１１を通して燃焼器空気室１８内の冷却空気供給管２４を経由し、タービン静翼１３のキャビティ８９に冷却空気１１０を供給する。キャビティ８９の冷却空気は、プレート８１の複数の小孔８２より噴出され、その衝突により外周側流路壁３５を冷却する（インピンジメント冷却）。外周側流路壁３５を冷却した空気の一部はキャビティ９０から第１の容器６４の内部空間６５に入りその小孔６８より噴射され、第１冷却流路４２ａの冷却面７７ａを冷却することにより翼体４０を冷却する（インピンジメント冷却）。さらにその空気は横突起５６に沿って翼後流側に流れ、第１の容器６４の凹状部で形成される流路７０を、あるいは翼冷却面７７ａと第１の容器６４との間を内周側に流れてベント４８に流下する。さらにベント４８より第２の冷却流路４２ｂの挿入体７１との間隙流路７２を通って冷却面７７ｂを冷却する（対流冷却）。乱流促進リブ５８は冷却面７７ｂにおける冷却空気の乱れを発生させることのより冷却効果を助長する。第２の冷却流路を通った空気はベント４９に流入し、さらに第３の冷却流路４２ｃの第２の容器７３に入り、その小孔７６より噴射することにより第３の冷却流路の冷却面７７ｃを冷却する（インピンジメント冷却）。さらにその空気は横突起５７に沿って翼上流側に流れ、第２の容器７３の凹状部で形成される流路７８を、あるいは翼冷却面７７ｃと第２の容器７３との間を内周側に流れて流出口５０よりキャビティ９１に導かれる。
【００６９】
キャビティ９０の冷却空気の他の一部は第６の冷却流路４２ｆの流入口５１より供給され、第６の冷却流路４２ｆ、ベント５２、第５の冷却流路４２ｅ、ベント５３、さらに第４の冷却流路４２ｄをサーペンタイン状に通過することにより翼体４０を冷却し（対流冷却）、流出口５０よりキャビティ９１に導かれる。
【００７０】
キャビティ９０の冷却空気のさらに他の一部は、流入口５４より第７の冷却流路４２ｇに供給されれ翼後縁を冷却し（対流冷却）、流出口５５よりキャビティ９１に導かれる。
【００７１】
キャビティ９１に導かれた冷却空気の一部は、プレート８３の複数の小孔８４より噴射し内周側流路壁３６を冷却し（インピンジメント冷却）、さらにその空気は孔９３を通って静翼１３の外に排出され、燃焼器部３の空気室１８に入る。さらにキャビティ９１の冷却空気の一部は、カバー８６の孔８７より直接空気室１８に排出される。これらの空気は圧縮機の吐出空気と混合し、その一部の空気は再び配管２０より導き出されて前記説明のごとく翼冷却に寄与するが、大部分の空気は燃焼器１６に供給されて燃焼用空気として作用し、タービン駆動用ガスとなる。
【００７２】
なお、空気室１８とタービン低圧段とは外リテーナリング２６、内リテーナリング２７と静翼１３の鍔３３とにより仕切られ、空気室１８の空気がタービン低圧段側に流出することはなく、その空気の大部分は燃焼用空気に寄与する。
【００７３】
以上のように構成した本実施の形態の第１の特徴は、圧縮機部２の吐出空気の一部を冷却し低温度化するための後部冷却器２１とさらに昇圧圧縮機２２を設け、それらにより低温度高圧力化した冷却空気によりタービン静翼１３を冷却してかかる空気を燃焼器空気室１８に回収するシステムとしたことであり、これによりタービン静翼１３の冷却効果を高めるとともに冷却空気の全量が燃焼器空気室１８に回収され、ガスタービン１の効率向上に寄与することができる。
【００７４】
第２の特徴は、冷却空気を静翼外周側に供給して外周側流路壁３５を冷却した後、その冷却空気を翼部３４、内周側流路壁３６へと供給して外周側流路壁３５と翼部３４と内周側流路壁３５をシリーズに冷却し、昇温した冷却空気を燃焼器空気室１８に回収して燃焼空気とするとともに、翼部３４の内部冷却流路を翼前縁側、翼中央部、翼後縁側に対応して独立した３つの冷却流路パス（第１〜第３の冷却流路４２ａ〜４２ｃ；第４〜第６の冷却流路４２ｄ〜４２ｆ；第７の冷却流路４２ｇ）に分け、翼部３４では翼前縁側、翼中央部、翼後縁側の各部位をパラレルに冷却することである。このように外周側流路壁３５と翼部３４と内周側流路壁３６をシリーズに冷却し、冷却後の空気を圧縮機空気室１８に戻すように構成することにより、少ない冷却流量で静翼１３の外周側流路壁３５と翼部３４と内周側流路壁３６を冷却することができ、また翼部３４の内部冷却流路を３つの独立した冷却流路パスに分け、翼部３４の各部位をパラレルに冷却することにより、翼部３４での圧損の増加を抑制することができる。
【００７５】
第３の特徴は、比較的翼肉厚の厚い翼前縁側に位置する第１の冷却流路パスを第１〜第３の少なくとも３つの流路部分（第１〜第３の冷却流路４２ａ〜４２ｃ）によりサーペインタイン状の流路構成とするとともに、サーペインタイン状の流路構成の第１の流路部分（第１の冷却流路４２ａ）をインピンジメント冷却流路、第２の流路部分（第２の冷却流路４２ｂ）を対流冷却流路、第３の流路部分（第３の冷却流路４２ｃ）をインピンジメント冷却流路とし、比較的翼厚みが薄くなる翼中央部に位置する第２の冷却流路パスは少なくとも３つの流路部分（第４〜第６の冷却流路４２ｄ〜４２ｆ）によりサーペインタイン状の流路構成としかつ対流冷却により冷却する流路構成とし、さらに翼肉厚の薄い翼後縁側の第３の冷却流路パスは独立した１つの冷却流路（第７の冷却流路４２ｇ）により貫流型の流路構成にしたことにある。
【００７６】
インピンジメント冷却方式の特徴は空気差圧が比較的小さくても大きな面積を冷却できることにあるが、内周側翼形状が外周側翼形状より小さい静翼では折流（サーペンターン）のインピンジメント冷却が出来難い欠点がある。一方、対流冷却方式の場合は空気流速により冷却性能が決まるため流路面積の小さい部分の冷却に適し、翼厚みの厚いところでは流路面積が大きくなるために冷却空気量が多くなる欠点がある。
【００７７】
翼前縁側と翼中央部に位置する冷却流路パスをサーペインタイン状の流路構成とすることにより、独立した冷却流路パス数は３本と少なくなり、少ない冷却空気量で翼部３４を冷却することができる。
【００７８】
また、比較的翼肉厚の厚い翼前縁側に位置する第１の冷却流路パスにおいて、サーペインタイン状の流路構成の第１及び第３流路部分（第１及び第３の冷却流路４２ａ，４２ｃ）をインピンジメント冷却流路とすることにより、空気差圧が小さくても比較的大きな面積を冷却することができ、圧損を小さくすることができる。
【００７９】
更に、第１及び第３流路部分（第１及び第３の冷却流路４２ａ，４２ｃ）のみをインピンジメント冷却流路とすることにより、インピンジメント冷却構造物（孔開き容器６４，７３）を翼形状の大きい外周側から挿入可能となり、インピンジメント冷却構造物の組み込みが容易となり製作がし易くなる。
【００８０】
第４の特徴は、比較的翼肉厚の厚い翼前縁側に位置する第１の冷却流路パスにおいて、サーペインタイン状の流路構成の第２流路部分（第２の冷却流路４２ｂ）に挿入体７１を挿入し、挿入体７１と翼壁との間に冷却空気の流路７２を形成したことにある。これにより第２流路部分（第２の冷却流路４２ｂ）の有効流路が翼壁側のみとなり、少ない冷却空気量で翼壁を対流冷却することができる。
【００８１】
しかして本実施の形態によれば、回収型の冷却システムを備えたもので、作動ガスの高温度化に適応した冷却が可能となり、かつ冷媒流量及び圧力損失の適正化を図ることができる。その結果、少ない冷却空気量でタービン静翼１３を冷却することと冷却空気の圧力損失を小さくすることで、冷却空気供給のための動力を少なくすることができ、熱効率の高いガスタービン１を得ることができる。
【００８２】
なお、以上の実施の形態では、翼部３４に独立した３つの冷却流路パスを形成したが、その冷却流路パス数や各冷却流路パスの構成はガスタービンの規模、冷却翼の大きさ、翼冷却設計思想により変更可能である。但し、少なくとも翼肉厚の厚い翼前縁側はインピンジメント冷却を組み合わせたサーペンタイン状の流路構成、翼肉厚が比較的薄くなる翼中央部は対流冷却によるサーペンタイン状の流路構成、翼後縁側の冷却流路パスは単独冷却流路による貫流型の流路構成とするのが良い。また、第２，４，５，６の冷却流路４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆの冷却面には翼冷却性能向上を目的にした乱流促進リブ５８，５９，６０，６１を翼部３４と一体構造に設けたが、乱流促進リブ５８，５９，６０，６１の形状は、冷却空気流に対して直交した構造、傾斜した構造などが考えられ、またピンフィン構造でも良い。すなわち本発明は冷却伝熱促進構造そのものに関するものではなく、冷却促進構造は翼冷却設計思想により種々の構造を採用できるものである。また、第２の冷却流路パスは第６，５，４の順序で冷却流路を経由する流路構成としたが、第４，５，６の冷却流路の順序でもよい。さらに、内周側流路壁３６において、孔９３より空気室１８に回収する空気量とカバー８６の孔８７より空気室１８に直接回収する空気量は、内周側流路壁３６の冷却設計思想により異なるものであり、本発明で定めるものでない。
【００８３】
また、以上の実施の形態は第１段の静翼１３に本発明を適用した場合のものであるが、内周側流路壁から外周側流路壁へ至る戻り流路を付加し、冷却後の空気を外周側から圧縮機空気室に戻すことにより、第２段以降の静翼１２にも本発明を適用し、同様の効果を得ることができる。
【００８４】
【発明の効果】
本発明によれば、冷媒回収型の冷却システムを備えたもので、作動ガスの高温度化に適応した冷却が可能となり、かつ冷媒流量及び圧力損失の適正化を図ることができ、その結果、少ない冷却空気量でタービン翼を冷却することと冷却空気の圧力損失を小さくすることで、冷却空気供給のための動力を少なくすることができ、熱効率の高いガスタービンを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスタービンの一部の断面図である。
【図２】図１のＡ部拡大図であり、タービン静翼近傍の断面図である。
【図３】本発明のガスタービン静翼の翼部分の縦断面図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】本発明のガスタービン静翼の縦断面図である。
【図６】図５のＣ−Ｃ線断面図である。
【図７】図５のＥ−Ｅ線断面図である。
【図８】図５のＦ−Ｆ線断面図である。
【図９】図５のＧ−Ｇ線断面図である。
【図１０】図５のＤ−Ｄ線断面図である。
【図１１】図５のＨ−Ｈ線断面図である。
【符号の説明】
１：ガスタービン
２：圧縮機部
３：燃焼器部
４：タービン部
５：圧縮機ディスク
６：圧縮機動翼
７：圧縮機ケーシング
８：圧縮機静翼
９：タービン・ディスク
１０：タービン動翼
１１：タービン・ケーシング
１２：タービン静翼
１３：タービン静翼
１４：シリンダー
１５：ロータ
１６：燃焼器
１７：燃料噴射器
１８：空気室
２０：配管
２１：後部冷却器
２２：昇圧圧縮機
２３：配管
２４：配管
２５：燃焼器尾筒
２６：外リテーナリング
２７：内リテーナリング
２８，２９：シール板
３１，３２：フック
３３：鍔
３４：翼部
３５：外周側流路壁
３６：内周側流路壁
３７，３８：シール溝
４０：翼体
４１ａ，４１ｂ，……：仕切り壁
４２ａ，４２ｂ，……：冷却流路
４３，４４，４５：壁
４６：ベント壁
４７：流入口
４８，４９：ベント
５０：流出口
５１：流入口
５２，５３：ベント
５４：流入口
５５：流出口
５６，５７：横突起
５８，５９，６０，６１：乱流促進リブ
６２：ピンフィン
６３：縦突起
６４：第１の容器
６５：内部空間
６６：鍔
６７：底板
６８：小孔
７０：流路
７１：挿入体
７２：間隙流路
７３：第２の容器
７４：鍔
７５：底板
７６：小孔
７７ａ，７７ｂ，……：冷却面
７８：流路
７９：内部空間
８０：カバー
８１：プレート
８２：小孔
８３，８４：プレート
８５，８６：カバー
８７：孔
８８：上蓋
８９，９０，９１，９２：キャビティ
９３：孔
９５，９６：隔壁
９７，９８：シール溝
９９，１００，１０１，１０２：隔壁
８８：上蓋
８９，９０，９１，９２：キャビティ
９３：孔
１１０：空気供給流
１１１，１１２，１１３：空気排出流
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービン及びその静翼に係り、特に、高温度化に適応した回収型の冷却システム及び冷却構造を備えたガスタービン及びその静翼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発電装置などに採用されているガスタービンは、例えば一軸上に圧縮機とタービンとが配置され、この圧縮機により圧縮された高圧力の空気を酸化剤として燃焼器内で燃料を燃焼させ、発生した高温高圧ガスによりタービンを駆動するように形成されている。そして、タービン軸に結合された発電機により発電するように形成されている。すなわち熱エネルギーを機械的なエネルギーに変換し、更に電力エネルギーに変換するようになされている。消費された燃料に対して得られる電力エネルギーは、当然のことながら出来るだけ多い方が望ましく、このためにはガスタービンの性能向上が重要で、ますますその要求が高まってきている。最近においては、ガスタービンの性能向上を図る手段として作動ガスの高温高圧化が進められている。
【０００３】
ガスタービン作動ガスの高温化は、その高温部に用いられる使用材料によって制限されているのが実情である。すなわちガス温度に起因する熱応力に耐え得る材料能力によって制限されると言っても過言ではない。したがって作動ガス温度の高温化に際しては、材料の開発が最も重要となるが、しかしながら要望に応じた材料が簡単に開発できるわけではなく、現在のガスタービン及びそのタービン翼おいては最も高温燃焼ガスに曝されるであろう翼の耐用温度を満足させるために翼を中空構造とし、かかる中空部に冷却媒体を供給し内部から翼を冷却する方法が一般に採られている。冷却媒体としては冷却空気を圧縮機から抽気して用いることが多い。
【０００４】
冷却媒体として冷却空気を圧縮機から抽気して用いる場合、冷却空気の多量の消費はガスタービン効率の低下をきたすことになる。よりガスタービン性能を向上させるため、翼冷却空気をガスタービン燃焼器に回収して燃焼用空気に活用する、いわゆる回収型ガスタービンも提案されている。かかる冷却空気回収型ガスタービンの例として特開平７-１８９７３８号公報が挙げられる。特開平７-１８９７３８号公報は圧縮空気の冷却用部分を圧縮空気受入室より抽気し、更にファンで加圧して静翼に供給し、静翼を冷却することにより空気自らを加熱昇温させ、この空気を空気受入室に戻す構成になっている。また、圧縮機から抽気した冷却空気を冷却器と圧縮機により冷却昇圧して低温高圧空気とし、静翼に供給し冷却することも行われている。
【０００５】
一方、ガスタービン翼の冷却方法には、大きく分けて二つの方式がある。その一つは翼に内部空間を形成し、かかる空間を流路として冷却媒体を通過させ、その対流効果により冷却する対流冷却方式であり、他の一つは内部空間にその表面に多数の小孔を開けた挿入体を挿入し、かかる小孔から冷却媒体を翼内面に噴射した衝突噴流により冷却するインピンジメント冷却方式である。
【０００６】
一般にこれらの二つの冷却方式に対してより冷却効果を高めるために、幾つかの冷却促進方法が講じられている。その一つの例として、対流冷却方式には冷媒流路にリブを配置し乱流促進効果によりのその冷却伝熱特性の向上改善を図っている。また、冷媒の一部を翼面を被うように噴出し（フィルム冷却）、その冷媒膜の遮熱効果により翼温度の上昇を緩和する方式もあるが、噴出空気によりガスタービン効率は当然低下する。
【０００７】
このような冷却方式を開示するものとして例えば特開昭５８−１７０８０１号公報、特開平８−２６０９０１号公報等がある。これらは動翼に対する非回収型の冷却方法において、対流冷却、インピンジメント冷却、フィルム冷却を適宜組み合わせたものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上のようにガスタービン翼の冷却方法としては種々のものが提案されており、特に静翼に対する冷却方式としては、翼を中空構造とし冷却媒体を供給し内部から翼を冷却する方法、圧縮機から抽気した空気を冷却媒体として用い、静翼冷却後、燃焼器に回収する冷媒回収型の冷却システム（例えば特開平７-１８９７３８号公報）、更に圧縮機から抽気した空気を低温高圧化して冷却媒体として用いる冷媒回収型冷却システム等が採用されている。しかし、従来の静翼冷却方式では、近年の作動ガス温度のさらなる高温化に対し冷却が充分にできない嫌いがあった。
【０００９】
すなわち、特開平７-１８９７３８号公報に記載されるような冷媒回収型では、静翼冷却後の冷却空気を空気受入室に回収することを可能にするために、圧縮空気を更にファンで加圧して使用しているので空気温度が空気源である圧縮機出口空気温度よりさらに高まり、タービン静翼を冷却する能力が低下する。圧縮機から抽気した冷却空気を冷却器と圧縮機により冷却昇圧して低温高圧空気として冷却媒体とする方法では、空気を単に圧縮して供給する方式に比べて冷却能力を向上できる。しかし、ガスタービンでは、できるだけ少ない冷却媒体量でタービン翼を冷却することと冷却媒体供給のための動力をできるだけ少なくすること、即ち冷媒の圧力損失を小さくすることがガスタービン効率向上のために重要である。かかる観点から従来の冷媒回収型ガスタービンの静翼を見ると、冷媒流量及び圧力損失のさらに適正化を図る余地があった。
【００１０】
本発明の目的は、冷媒回収型の冷却システムを備えたもので、作動ガスの高温度化に対応した冷却が可能であり、かつ冷媒流量及び圧力損失の適正化を図ることができるガスタービン及びその静翼を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、圧縮空気を発生させる圧縮機部、圧縮機部に連通し前記圧縮空気が流入する空気室、空気室に配置し前記圧縮空気を酸化剤として燃料を燃焼させ高温高圧ガスを発生させる燃焼器部、燃焼器部に連通し前記高温高圧ガスを高速加速する静翼と高温高圧高速ガスにより回転駆動される動翼とを有するタービン部を備えたガスタービンにおいて、前記空気室より圧縮空気の一部を導き出して冷却低温化し、さらに昇圧して低温高圧空気を発生させる手段を設け、前記静翼は、翼部と、翼部を保持し前記高温高圧ガスの流路を形成する外周側流路壁及び内周側流路壁とを有し、前記翼部に、外周側に流入口、内周側に流出口を有する内部冷却流路を形成し、前記外周側流路壁及び内周側流路壁に前記翼部の内部冷却流路に連通する冷却流路を形成し、前記翼部の内部冷却流路を、前記静翼を構成する翼前縁側部分、翼中央部、翼後縁側部分の３つの部位にそれぞれ位置し、それぞれ外周側に流入口、内周側に流出口を有する第１、第２、第３の少なくとも３つの独立した冷却流路パスに分け、前記第１冷却流路パス及び前記第２冷却流路パスを、それぞれ、サーペンタイン状の流路構成とし、前記第３冷却流路パスを前記流入口から流出口に向かう単独の流路構成とし、前記外周側流路壁の冷却流路に前記低温高圧空気を供給して外周側流路壁を冷却した後、その低温高圧空気を前記流入口よりそれぞれの前記冷却流路パスに導入し、前記翼部の翼前縁側部分、翼中央部、翼後縁側部分の各部位をパラレルに冷却した後、前記導入した低温高圧空気の全量を前記流出口より前記内周側流路壁の冷却流路へと導くことで、外周側流路壁と翼部と内周側流路壁をシリーズに冷却し、冷却後の空気を前記空気室に戻すように構成するものとする。
【００１２】
このように圧縮空気の一部を冷却低温化し、さらに昇圧して低温高圧空気として供給し、タービン静翼冷却後その全量を回収することにより、タービン静翼の冷却効果を高めるとともにガスタービンの効率向上に寄与できる。
【００１３】
また、外周側流路壁と翼部と内周側流路壁をシリーズに冷却し、冷却後の空気を空気室に戻すように構成することにより、少ない冷却流量で静翼の外周側流路壁と翼部と内周側流路壁を冷却することができ、また翼部の内部冷却流路を第１、第２、第３の少なくとも３つの独立した冷却流路パスに分け翼部の各部位をパラレルに冷却することにより、翼部での圧損の増加を抑制することができる。第１及び第２冷却流路パスをサーペインタイン状（折り曲げ状）の流路構成とすることにより、独立した冷却流路パス数が３つと少なくなり、少ない冷却空気量で翼部を冷却することができる。
【００１４】
しかして冷媒回収型の冷却システムを備えたもので、作動ガスの高温度化に適応した冷却が可能となり、かつ冷媒流量及び圧力損失の適正化を図ることができる。その結果、少ない冷却空気量でタービン翼を冷却することと冷却空気の圧力損失を小さくすることで、冷却空気供給のための動力を少なくすることができ、熱効率の高いガスタービンを得ることができる。
【００１７】
（２）また、上記（１）において、好ましくは、前記複数の独立した冷却流路パスのうち前記翼部の前縁側部分に位置する前記第１冷却流路パスは、前記流入孔から内周側に向かう第１流路部分、内周側から外周側に向かう第２流路部分、外周側から前記流出孔に向かう第３流路部分をサーペンタイン状に結ぶ流路構成を有し、かつ前記第１及び第３流路部分をインピンジメント冷却するよう構成する。
【００１９】
サーペインタイン状の流路構成の第１及び第３流路部分をインピンジメント冷却するよう構成することにより、空気差圧が小さくても比較的大きな面積を冷却することができ、圧損を小さくすることができる。
【００２０】
また、外周側から内周側へと翼形状が小さくなる静翼の翼部にサーペンタイン状（折り曲げ状）の流路構成を用いる場合は、インピンジメント冷却構造物（孔開き容器）を流路に組み込み難い欠点があるが、第１及び第３流路部分のみをインピンジメント冷却流路とすることにより、インピンジメント冷却構造物（孔開き容器）を翼形状の大きい外周側から挿入可能となり、インピンジメント冷却構造物の組み込みが容易となる。
【００２１】
（３）また、上記目的を達成するために、本発明は、翼部と、翼部を保持し高温高圧ガスの流路を形成する外周側流路壁及び内周側流路壁とを有し、圧縮機部に連通し圧縮空気が流入する空気室より圧縮空気の一部を導き出して冷却低温化し昇圧した低温高圧空気により冷却されるガスタービン静翼において、前記翼部に内部冷却流路を形成し、かつこの内部冷却流路を、前記静翼を構成する翼前縁側部分、翼中央部、翼後縁側部分にそれぞれ位置し、それぞれ外周側に流入口、内周側に流出口を有する第１、第２、第３の少なくとも３つの独立した冷却流路パスに分け、前記第１冷却流路パスを、前記流入口から内周側に向かう第１流路部分、内周側から外周側に向かう第２流路部分、外周側から前記流出口に向かう第３流路部分をサーペンタイン状に結ぶ流路構成とし、前記第２冷却流路パスを、前記流入口から内周側に向かう第４流路部分、内周側から外周側に向かう第５流路部分、外周側から前記流出口に向かう第６流路部分をサーペンタイン状に結ぶ流路構成とし、前記第３冷却流路パスを前記流入口から流出口に向かう単独の流路構成とし、前記外周側流路壁及び内周側流路壁の内部に、前記翼部の内部冷却流路を構成する前記第１、第２、第３冷却流路パスに連通するキャビティを形成するとともに、前記内周側流路壁のキャビティのカバー及び前記内周側流路壁のそれぞれに前記キャビティを前記空気室に連通させる孔を形成し、前記外周側流路壁のキャビティに前記冷却低温化し昇圧した低温高圧空気を供給して外周側流路壁を冷却した後、その低温高圧空気を前記流入口より前記第１、第２、第３冷却流路パスに導いて前記翼部の翼前縁側部分、翼中央部、翼後縁側部分の各部位をパラレルに冷却し、更に前記流出口より前記内周側流路壁のキャビティへと導くことで、外周側流路壁と翼部全体と内周側流路壁のそれぞれをシリーズに冷却し、かつ前記外周側流路壁のキャビティに供給された冷却後の低温高圧空気の全量を前記カバー及び内周側流路壁のそれぞれに形成した孔から前記空気室に戻すように構成したものとする。
【００２２】
これによりタービン静翼冷却後の低温高圧空気の全量を回収することができ、上記（１）で述べたようにタービン静翼の冷却効果を高めるとともにガスタービンの効率向上に寄与できる。また、外周側流路壁と翼部と内周側流路壁をシリーズに冷却し、翼部の各部位をパラレルに冷却することができ、上記（１）で述べたように作動ガスの高温度化に適応した冷却が可能となり、かつ冷媒流量及び圧力損失の適正化を図ることができる。
【００２３】
また、翼部の第１及び第２冷却流路パスをサーペインタイン状（折り曲げ状）の流路構成とすることにより、上記（１）で述べたように少ない冷却空気量で翼部を冷却することができる。
【００２４】
（４）上記（３）において、好ましくは、前記第１冷却流路パスの第１及び第３流路部分に複数の小孔を設けた容器を配置し、この容器に冷却空気を供給し前記小孔より冷却空気を噴出し翼壁に衝突させることでインピンジメント冷却するよう構成する。
【００２５】
これにより上記（２）で述べたように、少ない冷却空気量、小さい圧損で翼部を冷却することができる。また、インピンジメント冷却構造物（孔開き容器）を翼形状の大きい外周側から挿入可能となり、インピンジメント冷却構造物の組み込みが容易となる。
【００２６】
（５）また、上記（３）において、好ましくは、前記第１冷却流路パスの第２流路部分に挿入体を配置し、この挿入体と翼壁との間に冷却空気の流路を形成する。
【００２７】
これにより第２流路部分の有効流路が翼壁側のみとなり、少ない冷却空気量で翼壁を対流冷却することができる。
【００２８】
（６）更に、上記目的を達成するために、本発明は、翼部と、翼部を保持し高温高圧ガスの流路を形成する外周側流路壁及び内周側流路壁とを有し、圧縮機部に連通し圧縮空気が流入する空気室より圧縮空気の一部を導き出して冷却低温化し昇圧した低温高圧空気により冷却されるガスタービン静翼において、前記外周側流路壁の内部にキャビティを形成し、このキャビティ内に複数の小孔を設けたプレートを配置し、キャビティに供給された冷却流体をそのプレートの小孔より噴出し壁部に衝突させることでインピンジメントするよう構成し、前記翼部に内部冷却流路を形成し、かつこの内部冷却流路を、前記静翼を構成する翼前縁側部分、翼中央部、翼後縁側部分にそれぞれ位置し、それぞれ外周側に前記外周側流路壁キャビティに連通する流入口を有し、内周側に前記内周側キャビティに連通する流出口を有する第１、第２、第３の少なくとも３つの独立した冷却流路パスに分け、前記第１冷却流路パスを、前記流入口から内周側に向かう第１流路部分、内周側から外周側に向かう第２流路部分、外周側から前記流出口に向かう第３流路部分をサーペンタイン状に結ぶ流路構成とし、前記第２冷却流路パスを、前記流入口から内周側に向かう第４流路部分、内周側から外周側に向かう第５流路部分、外周側から前記流出口に向かう第６流路部分をサーペンタイン状に結ぶ流路構成とし、前記第３冷却流路パスを前記流入口から流出口に向かう単独の流路構成とし、前記第１冷却流路パスの前記第１、第２、第３流路部分の少なくとも一部に複数の小孔を設けた容器を配置し、前記外周側流路壁をインピンジメント冷却した冷却空気の一部を前記第１冷却流路パスに導いて前記容器の小孔より噴出し壁部に衝突させることでインピンジメント冷却するとともに、前記外周側流路壁をインピンジメント冷却した残りの冷却空気を前記第２、第３冷却流路パスに導いて対流冷却するよう構成し、前記内周側流路壁の内部にキャビティを形成し、このキャビティ内に複数の小孔を設けたプレートを配置し、前記翼部を冷却した冷却空気を前記キャビティに導き、前記プレートの小孔より噴射し壁部に衝突させることでインピンジメント冷却するよう構成するとともに、前記内周側流路壁のキャビティのカバー及び前記内周側流路壁のそれぞれに前記キャビティを前記空気室に連通させる孔を形成し、前記外周側流路壁のキャビティに前記冷却低温化し昇圧した低温高圧空気を供給して外周側流路壁を冷却した後、その低温高圧空気を前記流入口より前記第１、第２、第３冷却流路パスに導いて前記翼部の翼前縁側部分、翼中央部、翼後縁側部分の各部位をパラレルに冷却し、更に前記流出口より前記内周側流路壁のキャビティへと導くことで、外周側流路壁と翼部全体と内周側流路壁のそれぞれをシリーズに冷却し、かつ前記外周側流路壁のキャビティに供給された冷却後の低温高圧空気の全量を前記カバー及び内周側流路壁のそれぞれに形成した孔から前記空気室に戻すように構成したものとする。
【００２９】
これによりタービン静翼冷却後の低温高圧空気の全量を回収することができ、上記（１）で述べたようにタービン静翼の冷却効果を高めるとともにガスタービンの効率向上に寄与できる。また、外周側流路壁と翼部と内周側流路壁をシリーズに冷却し、翼部の各部位をパラレルに冷却することができ、上記（１）で述べたように作動ガスの高温度化に適応した冷却が可能となり、かつ冷媒流量及び圧力損失の適正化を図ることができる。更に、翼部の第１及び第２冷却流路パスをサーペインタイン状（折り曲げ状）の流路構成とすることにより、上記（１）で述べたように少ない冷却空気量で翼部を冷却することができる。
【００３０】
また、外周側流路壁及び内周側流路壁をインピンジメント冷却するよう構成し、翼部の翼厚みの厚い翼前縁側の第１冷却流路パスをインピンジメント冷却、第２，第３冷却流路パスを対流冷却するよう構成することにより、上記（２）で述べたように少ない圧損で大きな面積を冷却することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００３７】
まず、図１及び図２により、本発明の一実施の形態に係わるガスタービンの構成及び冷却システムの構成を説明する。図１はガスタービンの要部の縦断面図であり、図２は図１のＡ部の拡大図である。
【００３８】
図１において、全体を符号１で示されたガスタービンは、大きく分けて圧縮機部２、燃焼器部３及びタービン部４の３部分で構成されている。圧縮機部２は、複数の圧縮機ディスク５と、圧縮機ディスク５にリング状に設けられた複数の圧縮機動翼６と、圧縮機ケーシング７の内側にリング状に設けられた複数の圧縮機静翼８とで構成されている。タービン部４は、複数のタービン・ディスク９と、タービン・ディスク９にリング状に設けられた複数のタービン動翼１０と、タービン・ケーシング１１の内側にリング状に設けられた第２段以下の複数のタービン静翼１２と、本発明に係わる第１段のタービン静翼１３とで構成されている。圧縮機ディスク５とタービン・ディスク９とはシリンダー１４によって結合され、ロータ１５を構成する。
【００３９】
ロータ１５の周囲には燃焼器部３がリング状に設置されている。燃焼器部３は、圧縮機部２に連通するリング状の空気室１８と、空気室１８に連通する複数の燃焼器１６と、燃料噴射器１７とにで構成され、燃焼器１６の一方端は燃焼器尾筒２５を経てタービン部４のガスパス入口に連通している。
【００４０】
ガスタービン１には、燃焼器部３の空気室１８より圧縮空気の一部を導き出す配管２０、その空気を冷却及び昇圧する後部冷却器２１及び昇圧圧縮機２２、その冷却及び昇圧した空気をタービン部４に導く配管２３、タービン部４内においてその冷却及び昇圧した空気をタービン静翼１３に供給する配管２４が設けられている。
【００４１】
タービン部４の静翼１３を中心とした構成を図２により説明する。図２は、図１におけるＡ部、すなわちタービン静翼１３の部分を詳しく示すものである。
【００４２】
図２において、タービン静翼１３は翼部３４、外周側流路壁３５、内周側流路壁３６を有している。ガスタービン・ケーシング１１の内側には外リテーナリング２６及び内リテーナリング２７が設置され、タービン静翼１３は、外周側流路壁３５に設けられたフック３１，３２を外リテーナリング２６に架け、内周側流路壁３６に設けられた鍔３３を内リテーナリング２７で保持することで固定される。また、外周側流路壁３５及び内周側流路壁３６にはシール溝３７，３８が設けられ、このシール溝３７，３８にシールプレート２８，２９を組み込むことで燃焼器尾筒２５と静翼１３との接続部をシールする。しかして、タービン静翼１３は燃焼器尾筒２５と共に作動ガスの流路パス（ガスパス）を形成する。
【００４３】
タービン静翼１３の詳細構造を図３〜図１１により説明する。
【００４４】
図３は、容器、挿入体（後述）等の構成部品を組み込む前のタービン静翼の縦断面図であり、図４は図３のＢ−Ｂ線断面図（横断面図）である。また、図５はそれら構成部品を組み込んだ後のタービン静翼の縦断面図であり、図６は図５のＣ−Ｃ線断面図（横断面図）である。
【００４５】
図３及び図４において、翼部３４は中空の翼体４０を有し、翼体４０は複数の仕切壁４１ａ，４１ｂ………により複数の冷却流路４２ａ，４２ｂ………に仕切られている。ここでこれら仕切壁及び冷却流路は、翼上流側から第１の仕切壁４１ａ、第２の仕切壁４１ｂ………、第１の冷却流路４２ａ、第２の冷却流路４２１ｂ………と呼ぶ。
【００４６】
第１の冷却流路４２ａは外周側流路壁３５側で開口し流入口４７を形成し、翼体４０の第１、第２の冷却流路４２ａ，４２ｂ部分と第２の仕切壁４１ｂは内周側流路壁３６側に延在して壁４３を形成し、この壁４３によりベント４８を構成している。翼体４０の第２、第３の冷却流路４２ｂ，４２ｃ部分と第１、３の仕切壁４１ａ，４１ｃは外周側流路壁３５側に延在してベント壁４６を形成し、後記する上蓋８８（図５）を取り付けることによってベント４９を構成している。翼体４０の第３、第４の冷却流路４２ｃ，４２ｄ部分と第２、４の仕切壁４１ｂ，４１ｄは内周側流路壁３６側に延在して流出口５０を形成している。
【００４７】
第３，５の仕切壁４１ｃ，４１ｅの外周流路壁３５側には第４の冷却流路４２ｄと第５の冷却流路４２ｅとにまたがる壁４４が形成され、この壁４４によりベント５３が形成されている。同様に、第４，６の仕切壁４２ｄ，４１ｆの内周側流路壁３６側には第５の冷却流路４２ｅと第６の冷却流路４２ｆとにまたがる壁４５が形成され、この壁５４によりベント５２が形成されている。第６の冷却流路４２ｆは外周側流路壁３５側で開口し、流入口５１を形成している。
【００４８】
第７の冷却流路４２ｇは外周側流路壁３５側で開口し流入口５４を形成し、翼体４０の第７の冷却流路４２ｇ部分と第６の仕切壁４１ｆは内周側流路壁３５側に延在し流出口５５を形成している。
【００４９】
しかして翼部３４には、流入口４７から第１の冷却流路４２ａ、ベント４８、第２の冷却流路４２ｂ、ベント４９、第３の冷却流路４２ｃさらに流出口５０からなる第１の冷却パス、流入口５１、第６の冷却流路４２ｆ、ベント５２、第５の冷却流路４２ｅ、ベント５３、第４の冷却流路４２ｄさらに流出口５０からなる第２の冷却パス、流入孔５４、第７の冷却流路４２ｇ、流出口５５とからなる第３の冷却パスが形成されている。
【００５０】
図４において、７７ａ，７７ｂ………は冷却流路４２ａ，４２ｂ………に対応した翼体４０の冷却面であり、第１の冷却流路４２ａの冷却面７７ａには翼前縁側に翼スパン方向の縦突起６３が形成されると共に、翼コード方向の複数の横突起５６が所定の間隔で設けられ、第３の冷却流路７２ｃの冷却面７７ｃには翼コード方向の複数の横突起５７が所定の間隔で設けられている。第２の冷却流路４２ｂの冷却面７７ｂ、さらに第４，５，６の冷却流路４２ｄ，４２ｅ，４２ｆの冷却面７７ｄ，７７ｅ，７７ｆには、それぞれ、複数の乱流促進リブ５８，５９，６０，６１が設けられている。第７の冷却流路４２ｇには複数のピンフィン６２が設けられている。これらの縦突起６３、横突起５６，５７、乱流促進リブ５８，５９，６０，６１、さらにピンフィン６２は翼体４０と一体構造で形成されている。
【００５１】
図３に戻り、外周側流路壁３５には外周側上流面の隔壁９９と外周側下流面の隔壁１００が設けられ、外周側上流面の隔壁９９にシール溝３７、フック３１が形成され、外周側下流面の隔壁１００にフック３２が形成されている。同様に、内周側流路壁３６には内周側上流面の隔壁１０１と内周側下流面の隔壁１０２が設けられ、内周側上流面の隔壁１０１にシール溝３８が設けられ、かつ隔壁１０１には後記するキャビティ９２と連通する複数の孔９３が設けられている。これら隔壁９９，１００，１０１，１０２も外周側流路壁３５、内周側流路壁３６と共に翼体４０と一体構造で形成されている。
【００５２】
図５は、前述したように、必要な構成部品を組み込んだ後のタービン静翼の縦断面図であり、図６は図５のＣ−Ｃ線断面図（横断面図）である。
【００５３】
図５及び図６において、第１の冷却流路４２ａには第１の容器６４が挿入されており、第１の容器６４は内部空間６５を有し、一方端に底板６７を設け、さらに表面に複数の小孔６８が開けられており、鍔６６により外周側流路壁３５に取付固定されている。また、第１の容器６４は第１の仕切壁４１ａ側が凹状に形成され、その凹状部で翼スパン方向の流路７０を形成している。
【００５４】
第３の冷却流路４２ｃには第２の容器７３が挿入され、第２の容器７３は内部空間７９を有し、一方端に底板７５を設け、さらに表面に複数の小孔７６が開けられており、鍔７４により外周側流路壁３５に取付固定されている。また、第２の容器７３は第２の仕切壁４１ｂ側が凹状に形成され、その凹状部で翼スパン方向の流路７８を形成している。
【００５５】
第１の容器６４の小孔６８は第１の冷却流路４２ａの横突起５６に重ならない位置に、すなわち隣接する横突起５６，５６間に位置するように設けられる。さらに縦突起６３と横突起５６は、後記する冷却空気の流路を形成するとともに、第１の容器６４の第１の冷却流路４２ａに対する位置決めの作用をする。また、第２の容器７３の小孔７６は第３の冷却流路４２ｃの隣接する横突起５７，５７間に位置するように設けられ、横突起５７は第２の容器７３の第３の冷却流路４２ｃに対する位置決めの作用をする。
【００５６】
第２の冷却流路４２ｂには挿入体７１が挿入され、挿入体７１と冷却面７７ｂとの間には間隙流路７２が形成されている。ベント壁４６には前記したように上蓋８８が取付けられ、ベント４９を形成する。
【００５７】
外周側流路壁３５には複数の小孔８２を設けたプレート８１が取り付けられ、外周側流路壁３５とプレート８１とでキャビティ９０を形成している。外周側隔壁９９，１００にはカバー８０が取り付けられ、カバー８０と隔壁９９，１００、プレート８１とでキャビティ８９を形成している。カバー８０には冷却空気供給のための配管２４が接続される。
【００５８】
一方、内周側流路壁３６には複数の小孔８４を設けたプレート８３が取り付けられ、内周側流路壁３６とプレート８３とでキャビティ９２を形成している。前述した隔壁１０１に設けられた複数の孔９３はかかるキャビティ９２に通じるように設けられる。内周側隔壁１０２と鍔３３との間にはカバー８５が設けられ、内周側隔壁１０１と鍔３３との間には孔８７を有するカバー８６が設けられ、かかるカバー８５，８６と隔壁１０１，１０２、プレート８３とでキャビティ９１を形成している。前述した流出口５０，５５はキャビティ９１に連通するよう形成されている。
【００５９】
図７〜図１１を用いて静翼１３の構造をさらに説明する。
【００６０】
図７は図５のＥ−Ｅ線断面図、すなわち第１の冷却流路４２ａを中心とした部分断面図である。前述したように、第１の容器６４の小孔６８は第１の冷却流路４２ａの横突起５６に重ならないように、隣接する突起５６，５６間に位置している。外周側流路壁３５には外周側側面の隔壁９５が設けられ、キャビティ８９はこの隔壁９５と前述した隔壁９９，１００、カバー８０及びプレート８１に囲まれた空間として形成されている。隔壁９５にはシール溝９７が形成されている。
【００６１】
同様に内周側流路壁３６には内周側側面の隔壁９６が設けられ、キャビティ９１はこの隔壁９６と前述した隔壁１０１，１０２、カバー８５，８６、プレート８３に囲まれた空間として形成されている。隔壁９６にはシール溝９８が形成されている。
【００６２】
図８は図５のＦ−Ｆ線断面図、すなわち第１の冷却流路４２ｂを中心とした部分断面図である。挿入体７１は第２の冷却流路４２ｂのほぼ中央に位置し、冷却面７７ｂと挿入体７１との間隙流路７２に冷却空気の流路空間が形成されている。
【００６３】
図９は図５のＧ−Ｇ線断面図、すなわち第３の冷却流路４２ｃを中心とした部分断面図である。図７で述べたのと同様に、第２の容器７３の小孔７６は第３の冷却流路４２ｃの隣接する横突起５７，５７に重ならないように配置されている。
【００６４】
図１０は図５のＤ−Ｄ線断面図、すなわち隔壁９５，９９，１００、キャビティ８９部分の断面図である。プレート８１には複数の小孔８２が設けられている。
【００６５】
図１１は図５のＨ−Ｈ線断面図、すなわち隔壁９６，１０１，１０２、キャビティ９１部分の断面図である。翼体部分及び仕切壁を内周側流路壁３６側へと延在させることで形成された流出口５０，５５は、プレート８３の内周側すなわちキャビティ９１に連通するように突出している。プレート８３には複数の小孔８４が設けられている。
【００６６】
ガスタービンの作動を図１により説明する。圧縮機部２では大気空気を吸込み高圧力に圧縮して燃焼器部３の空気室１８に送り込む。かかる圧縮空気の多くは燃焼器１６に導かれ、燃料噴射器１７から吹き出だされる燃料の酸化剤として作用して燃焼させ、発生する高温高圧ガスをタービン部４に供給してタービンを駆動する。高温燃焼ガスに曝されるタービン静翼１２、動翼１０は、圧縮機の中間段の抽気空気、あるいは空気室１８の圧縮機吐出空気の一部を抽気して冷却するが、これは従来のタービン翼の冷却方法と同じである。
【００６７】
本発実施の形態に係わるガスタービンの静翼１３及びその冷却システムの作用を図１、図２、図５〜図１１により説明する。
【００６８】
燃焼器部３の空気室１８より圧縮空気の一部を配管２０を経てガスタービン外に導き出し、後部冷却器２１で冷却してその温度を下げ、昇圧圧縮機２２によりその圧力を高め、配管２３でタービン部４に供給する。タービン部４ではタービン・ケーシング１１を通して燃焼器空気室１８内の冷却空気供給管２４を経由し、タービン静翼１３のキャビティ８９に冷却空気１１０を供給する。キャビティ８９の冷却空気は、プレート８１の複数の小孔８２より噴出され、その衝突により外周側流路壁３５を冷却する（インピンジメント冷却）。外周側流路壁３５を冷却した空気の一部はキャビティ９０から第１の容器６４の内部空間６５に入りその小孔６８より噴射され、第１冷却流路４２ａの冷却面７７ａを冷却することにより翼体４０を冷却する（インピンジメント冷却）。さらにその空気は横突起５６に沿って翼後流側に流れ、第１の容器６４の凹状部で形成される流路７０を、あるいは翼冷却面７７ａと第１の容器６４との間を内周側に流れてベント４８に流下する。さらにベント４８より第２の冷却流路４２ｂの挿入体７１との間隙流路７２を通って冷却面７７ｂを冷却する（対流冷却）。乱流促進リブ５８は冷却面７７ｂにおける冷却空気の乱れを発生させることのより冷却効果を助長する。第２の冷却流路を通った空気はベント４９に流入し、さらに第３の冷却流路４２ｃの第２の容器７３に入り、その小孔７６より噴射することにより第３の冷却流路の冷却面７７ｃを冷却する（インピンジメント冷却）。さらにその空気は横突起５７に沿って翼上流側に流れ、第２の容器７３の凹状部で形成される流路７８を、あるいは翼冷却面７７ｃと第２の容器７３との間を内周側に流れて流出口５０よりキャビティ９１に導かれる。
【００６９】
キャビティ９０の冷却空気の他の一部は第６の冷却流路４２ｆの流入口５１より供給され、第６の冷却流路４２ｆ、ベント５２、第５の冷却流路４２ｅ、ベント５３、さらに第４の冷却流路４２ｄをサーペンタイン状に通過することにより翼体４０を冷却し（対流冷却）、流出口５０よりキャビティ９１に導かれる。
【００７０】
キャビティ９０の冷却空気のさらに他の一部は、流入口５４より第７の冷却流路４２ｇに供給されれ翼後縁を冷却し（対流冷却）、流出口５５よりキャビティ９１に導かれる。
【００７１】
キャビティ９１に導かれた冷却空気の一部は、プレート８３の複数の小孔８４より噴射し内周側流路壁３６を冷却し（インピンジメント冷却）、さらにその空気は孔９３を通って静翼１３の外に排出され、燃焼器部３の空気室１８に入る。さらにキャビティ９１の冷却空気の一部は、カバー８６の孔８７より直接空気室１８に排出される。これらの空気は圧縮機の吐出空気と混合し、その一部の空気は再び配管２０より導き出されて前記説明のごとく翼冷却に寄与するが、大部分の空気は燃焼器１６に供給されて燃焼用空気として作用し、タービン駆動用ガスとなる。
【００７２】
なお、空気室１８とタービン低圧段とは外リテーナリング２６、内リテーナリング２７と静翼１３の鍔３３とにより仕切られ、空気室１８の空気がタービン低圧段側に流出することはなく、その空気の大部分は燃焼用空気に寄与する。
【００７３】
以上のように構成した本実施の形態の第１の特徴は、圧縮機部２の吐出空気の一部を冷却し低温度化するための後部冷却器２１とさらに昇圧圧縮機２２を設け、それらにより低温度高圧力化した冷却空気によりタービン静翼１３を冷却してかかる空気を燃焼器空気室１８に回収するシステムとしたことであり、これによりタービン静翼１３の冷却効果を高めるとともに冷却空気の全量が燃焼器空気室１８に回収され、ガスタービン１の効率向上に寄与することができる。
【００７４】
第２の特徴は、冷却空気を静翼外周側に供給して外周側流路壁３５を冷却した後、その冷却空気を翼部３４、内周側流路壁３６へと供給して外周側流路壁３５と翼部３４と内周側流路壁３５をシリーズに冷却し、昇温した冷却空気を燃焼器空気室１８に回収して燃焼空気とするとともに、翼部３４の内部冷却流路を翼前縁側、翼中央部、翼後縁側に対応して独立した３つの冷却流路パス（第１〜第３の冷却流路４２ａ〜４２ｃ；第４〜第６の冷却流路４２ｄ〜４２ｆ；第７の冷却流路４２ｇ）に分け、翼部３４では翼前縁側、翼中央部、翼後縁側の各部位をパラレルに冷却することである。このように外周側流路壁３５と翼部３４と内周側流路壁３６をシリーズに冷却し、冷却後の空気を圧縮機空気室１８に戻すように構成することにより、少ない冷却流量で静翼１３の外周側流路壁３５と翼部３４と内周側流路壁３６を冷却することができ、また翼部３４の内部冷却流路を３つの独立した冷却流路パスに分け、翼部３４の各部位をパラレルに冷却することにより、翼部３４での圧損の増加を抑制することができる。
【００７５】
第３の特徴は、比較的翼肉厚の厚い翼前縁側に位置する第１の冷却流路パスを第１〜第３の少なくとも３つの流路部分（第１〜第３の冷却流路４２ａ〜４２ｃ）によりサーペインタイン状の流路構成とするとともに、サーペインタイン状の流路構成の第１の流路部分（第１の冷却流路４２ａ）をインピンジメント冷却流路、第２の流路部分（第２の冷却流路４２ｂ）を対流冷却流路、第３の流路部分（第３の冷却流路４２ｃ）をインピンジメント冷却流路とし、比較的翼厚みが薄くなる翼中央部に位置する第２の冷却流路パスは少なくとも３つの流路部分（第４〜第６の冷却流路４２ｄ〜４２ｆ）によりサーペインタイン状の流路構成としかつ対流冷却により冷却する流路構成とし、さらに翼肉厚の薄い翼後縁側の第３の冷却流路パスは独立した１つの冷却流路（第７の冷却流路４２ｇ）により貫流型の流路構成にしたことにある。
【００７６】
インピンジメント冷却方式の特徴は空気差圧が比較的小さくても大きな面積を冷却できることにあるが、内周側翼形状が外周側翼形状より小さい静翼では折流（サーペンターン）のインピンジメント冷却が出来難い欠点がある。一方、対流冷却方式の場合は空気流速により冷却性能が決まるため流路面積の小さい部分の冷却に適し、翼厚みの厚いところでは流路面積が大きくなるために冷却空気量が多くなる欠点がある。
【００７７】
翼前縁側と翼中央部に位置する冷却流路パスをサーペインタイン状の流路構成とすることにより、独立した冷却流路パス数は３本と少なくなり、少ない冷却空気量で翼部３４を冷却することができる。
【００７８】
また、比較的翼肉厚の厚い翼前縁側に位置する第１の冷却流路パスにおいて、サーペインタイン状の流路構成の第１及び第３流路部分（第１及び第３の冷却流路４２ａ，４２ｃ）をインピンジメント冷却流路とすることにより、空気差圧が小さくても比較的大きな面積を冷却することができ、圧損を小さくすることができる。
【００７９】
更に、第１及び第３流路部分（第１及び第３の冷却流路４２ａ，４２ｃ）のみをインピンジメント冷却流路とすることにより、インピンジメント冷却構造物（孔開き容器６４，７３）を翼形状の大きい外周側から挿入可能となり、インピンジメント冷却構造物の組み込みが容易となり製作がし易くなる。
【００８０】
第４の特徴は、比較的翼肉厚の厚い翼前縁側に位置する第１の冷却流路パスにおいて、サーペインタイン状の流路構成の第２流路部分（第２の冷却流路４２ｂ）に挿入体７１を挿入し、挿入体７１と翼壁との間に冷却空気の流路７２を形成したことにある。これにより第２流路部分（第２の冷却流路４２ｂ）の有効流路が翼壁側のみとなり、少ない冷却空気量で翼壁を対流冷却することができる。
【００８１】
しかして本実施の形態によれば、回収型の冷却システムを備えたもので、作動ガスの高温度化に適応した冷却が可能となり、かつ冷媒流量及び圧力損失の適正化を図ることができる。その結果、少ない冷却空気量でタービン静翼１３を冷却することと冷却空気の圧力損失を小さくすることで、冷却空気供給のための動力を少なくすることができ、熱効率の高いガスタービン１を得ることができる。
【００８２】
なお、以上の実施の形態では、翼部３４に独立した３つの冷却流路パスを形成したが、その冷却流路パス数や各冷却流路パスの構成はガスタービンの規模、冷却翼の大きさ、翼冷却設計思想により変更可能である。但し、少なくとも翼肉厚の厚い翼前縁側はインピンジメント冷却を組み合わせたサーペンタイン状の流路構成、翼肉厚が比較的薄くなる翼中央部は対流冷却によるサーペンタイン状の流路構成、翼後縁側の冷却流路パスは単独冷却流路による貫流型の流路構成とするのが良い。また、第２，４，５，６の冷却流路４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆの冷却面には翼冷却性能向上を目的にした乱流促進リブ５８，５９，６０，６１を翼部３４と一体構造に設けたが、乱流促進リブ５８，５９，６０，６１の形状は、冷却空気流に対して直交した構造、傾斜した構造などが考えられ、またピンフィン構造でも良い。すなわち本発明は冷却伝熱促進構造そのものに関するものではなく、冷却促進構造は翼冷却設計思想により種々の構造を採用できるものである。また、第２の冷却流路パスは第６，５，４の順序で冷却流路を経由する流路構成としたが、第４，５，６の冷却流路の順序でもよい。さらに、内周側流路壁３６において、孔９３より空気室１８に回収する空気量とカバー８６の孔８７より空気室１８に直接回収する空気量は、内周側流路壁３６の冷却設計思想により異なるものであり、本発明で定めるものでない。
【００８３】
また、以上の実施の形態は第１段の静翼１３に本発明を適用した場合のものであるが、内周側流路壁から外周側流路壁へ至る戻り流路を付加し、冷却後の空気を外周側から圧縮機空気室に戻すことにより、第２段以降の静翼１２にも本発明を適用し、同様の効果を得ることができる。
【００８４】
【発明の効果】
本発明によれば、冷媒回収型の冷却システムを備えたもので、作動ガスの高温度化に適応した冷却が可能となり、かつ冷媒流量及び圧力損失の適正化を図ることができ、その結果、少ない冷却空気量でタービン翼を冷却することと冷却空気の圧力損失を小さくすることで、冷却空気供給のための動力を少なくすることができ、熱効率の高いガスタービンを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスタービンの一部の断面図である。
【図２】図１のＡ部拡大図であり、タービン静翼近傍の断面図である。
【図３】本発明のガスタービン静翼の翼部分の縦断面図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】本発明のガスタービン静翼の縦断面図である。
【図６】図５のＣ−Ｃ線断面図である。
【図７】図５のＥ−Ｅ線断面図である。
【図８】図５のＦ−Ｆ線断面図である。
【図９】図５のＧ−Ｇ線断面図である。
【図１０】図５のＤ−Ｄ線断面図である。
【図１１】図５のＨ−Ｈ線断面図である。
【符号の説明】
１：ガスタービン
２：圧縮機部
３：燃焼器部
４：タービン部
５：圧縮機ディスク
６：圧縮機動翼
７：圧縮機ケーシング
８：圧縮機静翼
９：タービン・ディスク
１０：タービン動翼
１１：タービン・ケーシング
１２：タービン静翼
１３：タービン静翼
１４：シリンダー
１５：ロータ
１６：燃焼器
１７：燃料噴射器
１８：空気室
２０：配管
２１：後部冷却器
２２：昇圧圧縮機
２３：配管
２４：配管
２５：燃焼器尾筒
２６：外リテーナリング
２７：内リテーナリング
２８，２９：シール板
３１，３２：フック
３３：鍔
３４：翼部
３５：外周側流路壁
３６：内周側流路壁
３７，３８：シール溝
４０：翼体
４１ａ，４１ｂ，……：仕切り壁
４２ａ，４２ｂ，……：冷却流路
４３，４４，４５：壁
４６：ベント壁
４７：流入口
４８，４９：ベント
５０：流出口
５１：流入口
５２，５３：ベント
５４：流入口
５５：流出口
５６，５７：横突起
５８，５９，６０，６１：乱流促進リブ
６２：ピンフィン
６３：縦突起
６４：第１の容器
６５：内部空間
６６：鍔
６７：底板
６８：小孔
７０：流路
７１：挿入体
７２：間隙流路
７３：第２の容器
７４：鍔
７５：底板
７６：小孔
７７ａ，７７ｂ，……：冷却面
７８：流路
７９：内部空間
８０：カバー
８１：プレート
８２：小孔
８３，８４：プレート
８５，８６：カバー
８７：孔
８８：上蓋
８９，９０，９１，９２：キャビティ
９３：孔
９５，９６：隔壁
９７，９８：シール溝
９９，１００，１０１，１０２：隔壁
８８：上蓋
８９，９０，９１，９２：キャビティ
９３：孔
１１０：空気供給流
１１１，１１２，１１３：空気排出流
Claims (6)
- 圧縮空気を発生させる圧縮機部、圧縮機部に連通し前記圧縮空気が流入する空気室、空気室に配置し前記圧縮空気を酸化剤として燃料を燃焼させ高温高圧ガスを発生させる燃焼器部、燃焼器部に連通し前記高温高圧ガスを高速加速する静翼と高温高圧高速ガスにより回転駆動される動翼とを有するタービン部を備えたガスタービンにおいて、
前記空気室より圧縮空気の一部を導き出して冷却低温化し、さらに昇圧して低温高圧空気を発生させる手段を設け、
前記静翼は、翼部と、翼部を保持し前記高温高圧ガスの流路を形成する外周側流路壁及び内周側流路壁とを有し、
前記翼部に、外周側に流入口、内周側に流出口を有する内部冷却流路を形成し、前記外周側流路壁及び内周側流路壁に前記翼部の内部冷却流路に連通する冷却流路を形成し、
前記翼部の内部冷却流路を、前記静翼を構成する翼前縁側部分、翼中央部、翼後縁側部分の３つの部位にそれぞれ位置し、それぞれ外周側に流入口、内周側に流出口を有する第１、第２、第３の少なくとも３つの独立した冷却流路パスに分け、
前記第１冷却流路パス及び前記第２冷却流路パスを、それぞれ、サーペンタイン状の流路構成とし、
前記第３冷却流路パスを前記流入口から流出口に向かう単独の流路構成とし、
前記外周側流路壁の冷却流路に前記低温高圧空気を供給して外周側流路壁を冷却した後、その低温高圧空気を前記流入口よりそれぞれの前記冷却流路パスに導入し、前記翼部の翼前縁側部分、翼中央部、翼後縁側部分の各部位をパラレルに冷却した後、前記導入した低温高圧空気の全量を前記流出口より前記内周側流路壁の冷却流路へと導くことで、外周側流路壁と翼部と内周側流路壁をシリーズに冷却し、冷却後の空気を前記空気室に戻すように構成したことを特徴とするガスタービン。 - 請求項１記載のガスタービンにおいて、前記複数の独立した冷却流路パスのうち前記翼部の前縁側部分に位置する前記第１冷却流路パスは、前記流入孔から内周側に向かう第１流路部分、内周側から外周側に向かう第２流路部分、外周側から前記流出孔に向かう第３流路部分をサーペンタイン状に結ぶ流路構成を有し、かつ前記第１及び第３流路部分をインピンジメント冷却するよう構成したことを特徴とするガスタービン。
- 翼部と、翼部を保持し高温高圧ガスの流路を形成する外周側流路壁及び内周側流路壁とを有し、圧縮機部に連通し圧縮空気が流入する空気室より圧縮空気の一部を導き出して冷却低温化し昇圧した低温高圧空気により冷却されるガスタービン静翼において、
前記翼部に内部冷却流路を形成し、かつこの内部冷却流路を、前記静翼を構成する翼前縁側部分、翼中央部、翼後縁側部分にそれぞれ位置し、それぞれ外周側に流入口、内周側に流出口を有する第１、第２、第３の少なくとも３つの独立した冷却流路パスに分け、
前記第１冷却流路パスを、前記流入口から内周側に向かう第１流路部分、内周側から外周側に向かう第２流路部分、外周側から前記流出口に向かう第３流路部分をサーペンタイン状に結ぶ流路構成とし、
前記第２冷却流路パスを、前記流入口から内周側に向かう第４流路部分、内周側から外周側に向かう第５流路部分、外周側から前記流出口に向かう第６流路部分をサーペンタイン状に結ぶ流路構成とし、
前記第３冷却流路パスを前記流入口から流出口に向かう単独の流路構成とし、
前記外周側流路壁及び内周側流路壁の内部に、前記翼部の内部冷却流路を構成する前記第１、第２、第３冷却流路パスに連通するキャビティを形成するとともに、前記内周側流路壁のキャビティのカバー及び前記内周側流路壁のそれぞれに前記キャビティを前記空気室に連通させる孔を形成し、前記外周側流路壁のキャビティに前記冷却低温化し昇圧した低温高圧空気を供給して外周側流路壁を冷却した後、その低温高圧空気を前記流入口より前記第１、第２、第３冷却流路パスに導いて前記翼部の翼前縁側部分、翼中央部、翼後縁側部分の各部位をパラレルに冷却し、更に前記流出口より前記内周側流路壁のキャビティへと導くことで、外周側流路壁と翼部全体と内周側流路壁のそれぞれをシリーズに冷却し、かつ前記外周側流路壁のキャビティに供給された冷却後の低温高圧空気の全量を前記カバー及び内周側流路壁のそれぞれに形成した孔から前記空気室に戻すように構成したことを特徴とするガスタービン静翼。 - 請求項３記載のガスタービン静翼において、前記第１冷却流路パスの第１及び第３流路部分に複数の小孔を設けた容器を配置し、この容器に冷却空気を供給し前記小孔より冷却空気を噴出し翼壁に衝突させることでインピンジメント冷却するよう構成したことを特徴とするガスタービン静翼。
- 請求項３記載のガスタービン静翼において、前記第１冷却流路パスの第２流路部分に挿入体を配置し、この挿入体と翼壁との間に冷却空気の流路を形成したことを特徴とするガスタービン静翼。
- 翼部と、翼部を保持し高温高圧ガスの流路を形成する外周側流路壁及び内周側流路壁とを有し、圧縮機部に連通し圧縮空気が流入する空気室より圧縮空気の一部を導き出して冷却低温化し昇圧した低温高圧空気により冷却されるガスタービン静翼において、
前記外周側流路壁の内部にキャビティを形成し、このキャビティ内に複数の小孔を設けたプレートを配置し、キャビティに供給された冷却流体をそのプレートの小孔より噴出し壁部に衝突させることでインピンジメントするよう構成し、
前記翼部に内部冷却流路を形成し、かつこの内部冷却流路を、前記静翼を構成する翼前縁側部分、翼中央部、翼後縁側部分にそれぞれ位置し、それぞれ外周側に前記外周側流路壁キャビティに連通する流入口を有し、内周側に前記内周側キャビティに連通する流出口を有する第１、第２、第３の少なくとも３つの独立した冷却流路パスに分け、
前記第１冷却流路パスを、前記流入口から内周側に向かう第１流路部分、内周側から外周側に向かう第２流路部分、外周側から前記流出口に向かう第３流路部分をサーペンタイン状に結ぶ流路構成とし、
前記第２冷却流路パスを、前記流入口から内周側に向かう第４流路部分、内周側から外周側に向かう第５流路部分、外周側から前記流出口に向かう第６流路部分をサーペンタイン状に結ぶ流路構成とし、
前記第３冷却流路パスを前記流入口から流出口に向かう単独の流路構成とし、
前記第１冷却流路パスの前記第１、第２、第３流路部分の少なくとも一部に複数の小孔を設けた容器を配置し、前記外周側流路壁をインピンジメント冷却した冷却空気の一部を前記第１冷却流路パスに導いて前記容器の小孔より噴出し壁部に衝突させることでインピンジメント冷却するとともに、前記外周側流路壁をインピンジメント冷却した残りの冷却空気を前記第２、第３冷却流路パスに導いて対流冷却するよう構成し、
前記内周側流路壁の内部にキャビティを形成し、このキャビティ内に複数の小孔を設けたプレートを配置し、前記翼部を冷却した冷却空気を前記キャビティに導き、前記プレートの小孔より噴射し壁部に衝突させることでインピンジメント冷却するよう構成するとともに、
前記内周側流路壁のキャビティのカバー及び前記内周側流路壁のそれぞれに前記キャビティを前記空気室に連通させる孔を形成し、前記外周側流路壁のキャビティに前記冷却低温化し昇圧した低温高圧空気を供給して外周側流路壁を冷却した後、その低温高圧空気を前記流入口より前記第１、第２、第３冷却流路パスに導いて前記翼部の翼前縁側部分、翼中央部、翼後縁側部分の各部位をパラレルに冷却し、更に前記流出口より前記内周側流路壁のキャビティへと導くことで、外周側流路壁と翼部全体と内周側流路壁のそれぞれをシリーズに冷却し、かつ前記外周側流路壁のキャビティに供給された冷却後の低温高圧空気の全量を前記カバー及び内周側流路壁のそれぞれに形成した孔から前記空気室に戻すように構成したことを特徴とするガスタービン静翼。
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