JP4240718B2

JP4240718B2 - ガスタービン静翼、及び、ガスタービン

Info

Publication number: JP4240718B2
Application number: JP2000013162A
Authority: JP
Inventors: 康意富田; 成弘潮崎; 正人片岡
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-01-21
Filing date: 2000-01-21
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2020-01-21
Also published as: JP2001207802A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却機能を有するガスタービン静翼、及び、このような静翼を備えたガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、圧縮機によって圧縮された流体をタービンの静翼と動翼とで膨張させることによって動力を発生するガスタービンが様々な分野において幅広く利用されている。この種のガスタービンでは、各種構成部材を冷却すると共にタービン入口温度を高く設定することにより、性能向上を図ることが可能である。このため、従来から、ガスタービンを構成するタービンの静翼（ガスタービン静翼）として、冷却機能を備えたものが知られている。このようなガスタービン静翼の一例としては、例えば、特開平１０−２２０２０３号公報によって開示されたものが挙げられる。
【０００３】
同公報に記載されたガスタービン静翼は、外シュラウドと内シュラウドとによって挟持された翼部を有するものである。翼部の内部には、複数の仕切壁が設けられており、これら各仕切壁と、外シュラウド、内シュラウド、及び、翼部の内周面とによってサーペンタイン流路が画成される。サーペンタイン流路は、外シュラウドの前縁側の端部に形成された流体入口と連通しており、翼部の前縁部に沿って延びる。更に、サーペンタイン流路は、内シュラウド側と外シュラウド側とで順次折り返し（反転し）、翼部の後縁部に複数配設されている流体出口（スロット穴）と連通する。これにより、サーペンタイン流路内に冷却流体（例えば、圧縮機段間から抽気された空気、蒸気等）を流通させれば、ガスタービン静翼（翼部）を冷却することが可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように構成された従来のガスタービン静翼には、次のような問題点が存在していた。すなわち、従来のガスタービン静翼では、サーペンタイン流路に冷却流体を流通させて翼部等を冷却しているが、この場合でも、外シュラウド側における翼部の前縁付け根部近傍（流体入口近傍）の温度が上昇してしまう。
【０００５】
ここで、ガスタービンの作動中、タービンの静翼には、作動流体の流れ方向に沿って内シュラウド側から外シュラウド側に回転する方向の転倒モーメントが作用する。従って、外シュラウド側における翼部の前縁付け根部近傍が高温となってしまうと、当該箇所に加わる応力が増大することになり、場合によっては、クラック等が発生するおそれもある。このように、従来のガスタービン静翼には、冷却効率、信頼性等の面で問題があり、また、これらはガスタービンのロングライフ化を妨げる要因の一つともなっていた。
【０００６】
そこで、本発明は、良好な冷却効率、信頼性を有すると共に、簡易かつ低コストで構成可能なガスタービン静翼、及び、高い信頼性を有し、容易にロングライフ化を図ることができるガスタービンの提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明によるガスタービン静翼は、外シュラウドと内シュラウドとによって挟持された翼部内にサーペンタイン流路を有し、サーペンタイン流路内に冷却流体を流通させることができるガスタービン静翼において、サーペンタイン流路は、翼部の前縁に沿って延びる最前縁側流路を含み、最前縁側流路のうち、外シュラウド側における翼部の前縁付け根部近傍を含む領域には、流路面積を狭小化させる流路狭小化部材が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
このガスタービン静翼は、翼部内に形成されるサーペンタイン流路に冷却流体を流通させることによって翼部等を冷却可能なものであり、サーペンタイン流路に含まれて翼部の前縁に沿って延びる最前縁側流路には、流路狭小化部材が設けられている。この流路狭小化部材は、外シュラウド側における翼部の前縁付け根部近傍を含む領域に配置されて流路面積を狭小化させる。
【０００９】
このように構成されたガスタービン静翼では、サーペンタイン流路に冷却流体を導入すれば、翼部の前縁付け根部近傍において、最前縁側流路を流通する冷却流体の流速が速まり、当該箇所における熱伝達率が増大することになる。これにより、ガスタービン作動中に高温となる前縁付け根部近傍を効率よく冷却でき、前縁付け根部近傍で発生する応力を低減させることが可能となるので、ガスタービン静翼の信頼性を向上させることができる。加えて、流路狭小化部材は、前縁付け根部近傍で最前縁側流路に適宜配置（固定）すればよいので、このガスタービン静翼は、簡易かつ低コストで構成することができる。更に、流路狭小化部材は、既設のガスタービン静翼に対しても容易に適用可能である。
【００１０】
また、流路狭小化部材は、内シュラウド側に位置する底部と外壁部とからなる筒体として形成されると共に外壁部に配設された複数のインピンジ孔を有し、冷却流体は、流路狭小化部材の内部に供給されると好ましい。
【００１１】
このような構成を採用すれば、流路狭小化部材内に供給された冷却流体は、複数のインピンジ孔を介して、前縁付け根部近傍における翼部の内周面に吹き付けられる。従って、高温となる翼部の前縁付け根部近傍をより効率よく冷却することが可能となる。
【００１２】
更に、各インピンジ孔は、外シュラウドから内シュラウドに向かうにつれて、冷却流体に対する抵抗が増大するように配設されていると好ましい。
【００１３】
すなわち、この場合、外シュラウドから内シュラウドに向かうにつれて、各インピンジ孔を小径化したり、インピンジ孔の配設密度を減少させたりする。これにより、翼部の前縁付け根部近傍の中でも、より高温となる外シュラウド側の領域に対する冷却流体の供給量を増大化させることが可能となり、当該箇所を効率よく冷却することができる。
【００１４】
また、流路狭小化部材の外周面と翼部の内周面とに当接するリブ材を複数備えると好ましい。
【００１５】
このような構成を採用すれば、各リブ材は、いわゆる冷却フィンとして機能し、また、冷熱がリブ材から翼部に対して伝わることになるので、高温となる翼部の前縁付け根部近傍を一層効率よく冷却することが可能となる。
【００１６】
更に、流路狭小化部材は、外シュラウドから内シュラウドに向かうにつれて最前縁側流路の流路面積を広げるように形成されていると好ましい。
【００１７】
このような構成を採用すれば、翼部の前縁付け根部近傍の中でも、より高温となる外シュラウド側の領域における冷却流体の流速をより速めることが可能となり、当該箇所における熱伝達率を増大化させることができる。また、最前縁側流路における冷却流体の圧損を低減させることが可能となる。
【００１８】
請求項６に記載の本発明によるガスタービンは、圧縮機によって圧縮された流体をタービンの静翼と動翼とで膨張させることによって動力を発生するガスタービンにおいて、タービンの静翼は、外シュラウド、内シュラウド、及び、冷却流体を流通させるサーペンタイン流路が形成されている翼部を有し、サーペンタイン流路は、翼部の前縁に沿って延びる最前縁側流路を含み、最前縁側流路のうち、外シュラウド側における翼部の前縁付け根部近傍を含む領域には、流路面積を狭小化させる流路狭小化部材が設けられていることを特徴とする。
【００１９】
このガスタービンを構成するタービンに設けられているガスタービン静翼は、簡易かつ低コストで構成可能であるだけではなく、高い冷却効率、信頼性を有するものである。従って、このようなガスタービン静翼をガスタービンに対して備えれば、ガスタービン自体の信頼性を向上させると共に、容易にロングライフ化を図ることが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明によるガスタービン静翼及びガスタービンの好適な実施形態について詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明によるガスタービンを示す模式図である。同図に示すガスタービン１は、互いに直結された圧縮機２とタービン３とを備える。圧縮機２は、例えば軸流圧縮機として構成されており、大気又は所定のガスを吸込口から作動流体として吸い込んで昇圧させる。この圧縮機２の吐出口には、燃焼器４が接続されており、圧縮機２から吐出された作動流体は、燃焼器４によって所定のタービン入口温度まで加熱される。そして所定温度まで昇温された作動流体は、タービン３に供給される。
【００２２】
図１に示すように、タービン３は、ケーシング５の内部に固定された複数の静翼Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を備える。また、タービン３の主軸６には、各静翼Ｓ１〜Ｓ４と１組の段をそれぞれ形成する動翼Ｒ１，Ｒ２、Ｒ３，Ｒ４が取り付けられている。主軸６の一端は、圧縮機２の回転軸に接続されており、その他端には、発電機７の回転軸が接続されている。
【００２３】
これにより、燃焼器４からタービン３のケーシング５内に高温高圧の作動流体を供給すれば、ケーシング５内で作動流体が膨張することにより、主軸６が回転し、発電機７が駆動される。すなわち、ケーシング５内に供給された作動流体は、ケーシング５に固定されている各静翼Ｓ１〜Ｓ４によって圧力降下させられ、これにより発生した運動エネルギは、主軸６に取り付けられた各動翼Ｒ１〜Ｒ４を介して回転トルクに変換される。そして、各動翼Ｒ１〜Ｒ４で発生した回転トルクは、主軸６に伝達され、発電機７が駆動される。
【００２４】
この種のガスタービンでは、各種構成部材を冷却すると共にタービン入口温度を高く設定するによって性能向上を図ることが可能である。このため、このガスタービン１では、各静翼（ガスタービン静翼）Ｓ１〜Ｓ４は、何れも冷却機能を有するものとして構成されている。以下、ガスタービン１の第３段静翼Ｓ３を例に取りながら、本発明によるガスタービン静翼について説明する。
【００２５】
図２は、ガスタービン１を構成するタービン３の第３段静翼Ｓ３を示す断面図である。同図に示すように、静翼Ｓ３は、タービン３のケーシング５に固定される外シュラウド１１と、主軸６側に位置する内シュラウド１２とを有しており、これら外シュラウド１１と内シュラウド１２とによって翼部１４が挟持されている。翼部１４は、中空に形成されており、一端部（図中、上端部）が外シュラウド１１に固定されており、他端部（図中、下端部）が内シュラウド１２に固定されている。
【００２６】
また、静翼Ｓ３には、翼部１４の内部を仕切る仕切壁１５が複数（この場合、４枚）配置されている。すなわち、各仕切壁１５は、何れも外シュラウド１１と内シュラウド１２との間の距離よりも短い全長を有し、互いに所定の間隔を隔てて、外シュラウド１１又は内シュラウド１２に対して交互に固定されている。これにより、各仕切壁１５と、外シュラウド１１、内シュラウド１２、及び、翼部１４の内周面とによってサーペンタイン流路１６が画成される。サーペンタイン流路１６は、翼部１４の前縁に沿って延びる最前縁側流路１６ａを含むと共に、内シュラウド１２側と外シュラウド１１側とで反転している。なお、サーペンタイン流路１６には、図示を省略するタービュレータが複数配設されている。
【００２７】
また、翼部１４の前縁側における外シュラウドの端部には、サーペンタイン流路１６と連通する流体入口１１ａが形成されており、この流体入口１１ａには、配管等を介して、圧縮機２の段間から抽気された空気、蒸気等が冷却流体Ｃとして導入される。一方、翼部１４の後縁部には、流体出口（スロット穴）１４ａが複数配設されており、サーペンタイン流路１６は、これら各流体出口１４ａと連通している。これにより、流体入口１１ａに冷却流体Ｃを導入すれば、冷却流体Ｃは、サーペンタイン流路１６内を流通しながら、静翼Ｓ３（翼部１４）を冷却し、各流体出口１４ａから翼部１４の外部に排出される。
【００２８】
ここで、上述したように構成されたタービン３の第３段目に位置する静翼Ｓ３では、外シュラウド１１側における翼部１４の前縁付け根部１４ｂ近傍（流体入口１１ａ近傍）の温度が上昇してしまう。これを踏まえて、この静翼Ｓ３では、図２及び図３に示すように、サーペンタイン流路１６に含まれる最前縁側流路１６ａのうち、外シュラウド１１側における翼部１４の前縁付け根部１４ｂ近傍を含む領域に流路狭小化部材１７が配置されている。流路狭小化部材１７は、図４及び図５に示すように、例えば、金属等によって筒状に形成されており、外壁部１７ａを有する。
【００２９】
流路狭小化部材１７を最前縁側流路１６ａに配置するに際しては、図４及び図５に示すようなステー１８を用いるとよい（この場合２体）。ステー１８は、２本の脚部を有し、各脚部の先端は折り曲げられて固定部１８ａとされている。この場合、ステー１８の各固定部１８ａの全周と外シュラウド１１の上面とを溶接すると共に、流路狭小化部材１７の外壁部１７ａの背面と仕切壁１５とを溶接すると好ましい（図５における×××部参照）。
【００３０】
図３に示すように、流路狭小化部材１７は、最前縁側流路１６ａに配置された際に、最前縁側流路１６ａの流路面積（横断面積）を、本来の流路面積のおよそ２分の１程度まで狭小化させるように構成される。また、流路狭小化部材１７の全高は、外シュラウド１１側における翼部１４の前縁付け根部１４ｂ近傍を含む領域の高さＨ（図２参照）に応じて定められる。高さＨは、例えば、翼部１４の前縁部の高さの約２０〜４０％程度の長さ（本実施形態では、約２５％）とされるが、静翼のサイズ等に応じて任意に定められる。
【００３１】
このように構成されたタービン３の第３段静翼Ｓ３では、圧縮機２の段間から抽気された圧縮空気等の冷却流体Ｃをサーペンタイン流路１６に導入すれば、翼部１４の前縁付け根部１４ｂ近傍において、最前縁側流路１６ａを流通する冷却流体Ｃの流速が速まり、当該箇所における熱伝達率が増大することになる。これにより、ガスタービン作動中に高温となる前縁付け根部１４ｂ近傍を効率よく冷却でき、前縁付け根部１４ｂ近傍で発生する応力を低減させることが可能となるので、静翼Ｓ３の信頼性を向上させることができる。また、流路狭小化部材１７は、前縁付け根部１４ｂ近傍で最前縁側流路１６ａに適宜配置（固定）するだけでよいことから、静翼Ｓ３は、簡易かつ低コストで構成可能である。
【００３２】
このように、ガスタービン１を構成するタービン３に設けられている静翼Ｓ３は、簡易かつ低コストで構成可能であるだけではなく、高い冷却効率、信頼性を有するものである。従って、このような静翼Ｓ３をガスタービン１に対して備えれば、ガスタービン１自体の信頼性を向上させると共に、容易にロングライフ化を図ることが可能となる。更に、流路狭小化部材１７は、既設のガスタービン静翼に対しても容易に適用することができる。
【００３３】
図６は、ガスタービン１を構成するタービン３に設けられる静翼Ｓ３に対して適用可能な他の流路狭小化部材を示す断面図である。同図に示す流路狭小化部材１７Ａは、外壁部１７ａと内シュラウド１２側に位置する底部１７ｂとを有する有底筒体として形成される。そして、流路狭小化部材１７Ａの外壁部１７ａには、図６に示すように、複数のインピンジ孔１７ｃが配設される。また、この流路狭小化部材１７Ａの内部には、外シュラウド１１側（底部１７ｂの反対側）から、圧縮機２の段間から抽気された空気、蒸気等が配管等を介して冷却流体Ｃとして導入される。
【００３４】
このように構成された流路狭小化部材１７Ａを用いれば、流路狭小化部材１７Ａ内に供給された冷却流体Ｃは、複数のインピンジ孔１７ｃを介して、前縁付け根部１４ｂ近傍における翼部１４の内周面に吹き付けられる。従って、高温となる翼部１４の前縁付け根部１４ｂ近傍をより効率よく冷却することが可能となる。
【００３５】
ここで、外壁部１７ａにインピンジ孔１７ｃを配設するに際しては、図７に示すように、外シュラウド１１側から内シュラウド１２側に向かうにつれて（図中、上から下に向かうにつれて）各インピンジ孔１７ｃを小径化したり、図８に示すように、外壁部１７ａにおける単位面積あたりのインピンジ孔１７ｃの配設密度を減少させたりすると好ましい。
【００３６】
すなわち、各インピンジ孔１７ｃを外シュラウド１１側から内シュラウド１２側に向かうにつれて、冷却流体Ｃに対する抵抗が増大するように配設すれば、翼部１４の前縁付け根部１４ｂ近傍の中でも、より高温となる外シュラウド１１側の領域に対する冷却流体Ｃの供給量を増大化させることが可能となる。これにより、当該箇所を効率よく冷却することができる。
【００３７】
また、図７及び図８に示すように、流路狭小化部材１７Ａは、外シュラウド１１側から内シュラウド１２側に向かうにつれて最前縁側流路１６ａ（図２参照）の流路面積（横断面積）を広げることができるものとして形成してもよい。この場合、具体的には、翼部１４のスパン方向における幅ｄが外シュラウド１１側から内シュラウド１２側に向かうにつれて大きくなるように流路狭小化部材１７Ａを形成する。
【００３８】
このような構成を採用すれば、翼部１４の前縁付け根部１４ｂ近傍の中でも、より高温となる外シュラウド１１側の領域における冷却流体Ｃの流速をより速めることが可能となり、当該箇所における熱伝達率を増大化させることができる。また、最前縁側流路１６ａにおける冷却流体Ｃの圧損を低減させることが可能となる。なお、かかる構成は、図２等に示したインピンジ孔を有さない流路狭小化部材１７に適用してもよい。
【００３９】
更に、静翼Ｓ３に対して流路狭小化部材１７Ａを取り付けるに際しては、図９に示すように、複数のリブ材２０を更に配設してもよい。これらリブ材２０は、インピンジ孔１７ｃと干渉せず、かつ、流路狭小化部材１７Ａの外壁部１７ａの外周面と翼部１４の内周面との双方に当接するように配置される。
【００４０】
このような構成を採用すれば、各リブ材２０は、いわゆる冷却フィンとして機能し、また、流路狭小化部材１７Ａ内に導入された冷却流体の冷熱がリブ材２０から翼部１４に対して伝わることになる。従って、高温となる翼部１４の前縁付け根部１４ｂ近傍を一層効率よく冷却することが可能となる。この場合は、図４及び図５に示したようなステー１８を省略し、流路狭小化部材１７Ａをリブ材２０によって翼部１４に対して固定することも可能である。また、かかる構成も、図２等に示したインピンジ孔を有さない流路狭小化部材１７に対して適用することができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によるガスタービン静翼は、以上説明したように構成されているため、次のような効果を得る。すなわち、ガスタービン静翼のサーペンタイン流路に含まれる最前縁側流路に対して、外シュラウド側における翼部の前縁付け根部近傍を含む領域に流路面積を狭小化させる流路狭小化部材を設けることにより、良好な冷却効率、信頼性を有し、簡易かつ低コストで構成可能なガスタービン静翼の実現が可能となる。また、このようなガスタービン静翼をガスタービンに適用すれば、ガスタービンの信頼性を向上化でき、容易にロングライフ化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガスタービンを示す概略構成図である。
【図２】本発明によるガスタービン静翼を示す断面図である。
【図３】図２におけるIII−III線についての断面図である。
【図４】流路狭小化部材の取付手法を説明するための斜視図である。
【図５】流路狭小化部材の取付手法を説明するための平面図である。
【図６】本発明によるガスタービン静翼の他の態様を示す断面図である。
【図７】流路狭小化部材の他の態様を示す側面図である。
【図８】流路狭小化部材の更に他の態様を示す側面図である。
【図９】本発明によるガスタービン静翼の更に他の態様を示す断面図である。
【符号の説明】
１…ガスタービン、２…圧縮機、３…タービン、４…燃焼器、５…ケーシング、６…主軸、７…発電機、１１…外シュラウド、１１ａ…流体入口、１２…内シュラウド、１４…翼部、１４ａ…流体出口、１４ｂ…前縁付け根部、１５…仕切壁、１６…サーペンタイン流路、１６ａ…最前縁側流路、１７，１７Ａ…流路狭小化部材、１７ａ…外壁部、１７ｃ…インピンジ孔、２０…リブ材、Ｃ…冷却流体、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４…動翼、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４…静翼、Ｓ３…第３段静翼。

Claims

外シュラウドと内シュラウドとによって挟持された翼部内にサーペンタイン流路を有し、前記サーペンタイン流路内に冷却流体を流通させることができるガスタービン静翼において、
前記サーペンタイン流路は、前記翼部の前縁に沿って延びる最前縁側流路を含み、前記最前縁側流路のうち、前記外シュラウド側における前記翼部の前縁付け根部近傍を含む領域には、流路面積を狭小化させる流路狭小化部材が設けられ、
前記流路狭小化部材は、前記翼部の前縁部の高さの２０％〜４０％の長さとなっており、前記内シュラウド側に位置する底部と外壁部とからなる筒体として形成されると共に前記外壁部に配設された複数のインピンジ孔を有し、
前記冷却流体は、前記流路狭小化部材の内部に供給されることを特徴とするガスタービン静翼。
前記各インピンジ孔は、前記外シュラウドから前記内シュラウドに向かうにつれて、前記冷却流体に対する抵抗が増大するように配設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静翼。
前記流路狭小化部材の外周面と前記翼部の内周面とに当接するリブ材を複数備えることを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン静翼。
前記流路狭小化部材は、前記外シュラウドから前記内シュラウドに向かうにつれて前記最前縁側流路の流路面積を広げるように形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のガスタービン静翼。
圧縮機によって圧縮された流体をタービンの静翼と動翼とで膨張させることによって動力を発生するガスタービンにおいて、
前記タービンの前記静翼は、外シュラウド、内シュラウド、及び、冷却流体を流通させるサーペンタイン流路が形成されている翼部を有し、前記サーペンタイン流路は、前記翼部の前縁に沿って延びる最前縁側流路を含み、前記最前縁側流路のうち、前記外シュラウド側における前記翼部の前縁付け根部近傍を含む領域には、流路面積を狭小化させる流路狭小化部材が設けられ、
前記流路狭小化部材は、前記翼部の前縁部の高さの２０％〜４０％の長さとなっており、前記内シュラウド側に位置する底部と外壁部とからなる筒体として形成されると共に前記外壁部に配設された複数のインピンジ孔を有し、前記冷却流体は、前記流路狭小化部材の内部に供給されることを特徴とするガスタービン。