JP4240737B2 - ガスタービン冷却静翼 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービン冷却静翼に関し、特に１段静翼に適用されるもので、熱応力に対する強度を向上させると共に、冷却効果を高めるような改善を施したものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７はガスタービンのガス通路部分で前段の部分を示す一般的な断面図である。図において、燃焼器３０の取付フランジ３１には１段静翼（１ｃ）３２が外側シュラウド３３と内側シュラウド３４とに両端が固定されており、１段静翼３２は円周方向に複数枚が配置され静止側の車室に固定されている。１段静翼３２の後流側には１段動翼（１ｓ）３５が円周方向に複数枚配置されており、この１段動翼３５はプラットフォーム３６に固定され、プラットフォーム３６はロータディスクの周囲に取付けられており、動翼３５はロータと共に回転する。１段動翼３５の後流側には、２段静翼（２ｃ）３７の両端が外側シュラウド３８、内側シュラウド３９に固定され、同様に周方向に複数枚が静止側に取付けられている。同様に、後流側に２段動翼（２ｓ）４０がプラットフォーム４１を介してロータディスクに取付けられている。このような翼の配列を有するガスタービンは通常４段で構成され、燃焼器３０で燃焼して高温となった燃焼ガス５０が１段静翼（１ｃ）３２から流入し、２段〜４段の各翼間を流れる過程において膨張して、それぞれ動翼３５，４０、等を回転させ、ロータに回転動力を与えて排出するものである。
【０００３】
図８は上記した１段静翼の詳細な斜視図である。図において、１段静翼３２は外側シュラウド３３と内側シュラウド３４に固定されており、外側シュラウド３３は四方の周囲を端部フランジ３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄで囲い、内部に底面３３ｅを有している。同様に内側シュラウド３４の下側（内側）も四方周囲は端部フランジ３４ａ，３４ｃと取付フランジ４１，４２の面により囲まれて底面３４ｅを有している。静翼３２には外側シュラウド３３側から図示していないインピンジ板を介して冷却空気がシュラウド内へ流入し、シュラウド内面を冷却すると共に、静翼３２の上部開口部から流入し、内部の通路へ流れて翼を冷却し、冷却後の空気は翼の冷却穴及び後縁端の冷却穴より外部へ流出する、他方、内側シュラウド３４内へ別途冷却空気が流入し、内側シュラウドを冷却して外部へ流出する。
【０００４】
図９は１段静翼の詳細な断面図である。図において６１は翼壁であり、通常板厚は４．５mmの厚さの壁を形成している。内部にはリブ６２，６３が設けられ３区分された空間を形成し、各空間には、それぞれ前縁側のインサート６４、中間のインサート６５、後縁側のインサート６６が挿入され、翼壁６１の内周囲壁面と一定の隙間を保って固定されている。各インサート６４，６５，６６には周囲に複数の吹出穴６７が設けられ、内部の冷却空気を翼壁６１とインサートとの隙間に流出できるようになっている。又、翼壁６１には冷却空気が吹出す冷却穴６８が前縁部、背側、腹側の複数個所に設けられ、翼壁６１内壁とインサート６４，６５，６６との隙間に流出した冷却空気を吹出し、前縁部ではシャワーヘッド冷却、腹側、背側ではフィルム冷却を行い、高温の影響を少なくするようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、ガスタービンの１段静翼では、外側シュラウドより冷却空気が流入し、外側シュラウドの内面を冷却すると共に、静翼内へ流入し、翼内部を冷却し、他方、内側シュラウド内へ別途冷却空気を流入して内側シュラウドも冷却する構造である。しかし、１段静翼は最も高温にさらされる翼であり、特にシュラウドが高温により変形したり、酸化による減肉、コーティングの剥離が生じ、後縁の翼付根部や端面でのクラックが発生することがある。
【０００６】
そこで本発明では、特に１段静翼のうち高温にさらされて熱的に厳しい状態におかれるシュラウドや翼壁の強度を向上させると共に、冷却構造に改良を加え、熱の影響による変形やクラックの発生を抑えるようにする改善を施したガスタービン冷却静翼を提供することを課題としてなされたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述の課題を解決するために、次の（１）、（２）の手段を提供する。
【０００８】
（１）外側シュラウドから静翼内部へ挿入された吹出穴付筒状インサートに冷却空気を流し同吹出穴から流出させ翼壁を貫通する冷却穴より外部へ流出させると共に、他方、内側シュラウドへも冷却空気を導き同内側シュラウドを冷却して外部へ流出させるガスタービン冷却静翼において、前記内側シュラウドの背側及び腹側の両端内部に設けられ前縁側から冷却空気を流し後縁側に開口して流出させる冷却通路と、前記内側シュラウドの背側及び腹側の両端内部で前縁側から後縁側に配列され且つ内側から外表面へ貫通して冷却空気を内側から表面に流出させる複数の冷却穴、とを備え、前記翼壁を貫通する冷却穴において、前記静翼の後縁の最後列の冷却穴は前記静翼の他の冷却穴の径よりも大きくし、前記内側シュラウドの内側後方の周方向に伸びる取付フランジは、前記静翼の後縁端部の取付位置よりも後方へ配置して、前記取付フランジと前記静翼に隣接する動翼のプラットフォーム端部との間で形成される空間を狭くして同空間内の圧力を高くすることによりシール空気によるシール性を向上させたことを特徴とするガスタービン冷却静翼。
【０００９】
（２）前記静翼は１段静翼であることを特徴とする（１）記載のガスタービン冷却静翼。
【００１５】
本発明の（１）によれば、内側シュラウドには背側及び腹側の両端内部に冷却通路が設けられ、流入する冷却空気を前縁側から後縁側へ流し、内側シュラウド両端部が冷却され、更に、この両端内部には内側から上面に開口し、冷却空気を両端上面へ吹出す複数の冷却穴が配列しているので、両端が効果的に冷却される。そして、これらの構成により、外側シュラウド、内側シュラウド及び翼の熱応力による変形が防止され、冷却効果の向上によりシュラウド端面のクラックや翼付根部のクラックの発生が防止される。また、翼後縁の最後列の冷却穴が他の穴よりも径が大きいので、冷却空気の流出量が増加すると共に、冷却空気中に含まれるゴミを流出しやすくし、ゴミにより冷却穴が詰まるのを防止できる。更に、内側シュラウドの取付フランジが後流側へ移動することにより、隣接する後流側の動翼のプラットフォームとで形成される空間が狭くなり、この空間内の圧力が高まり、シール空気のシール効果が高まると共に、ガス通路からの高温燃焼ガスの内側への侵入を防ぎ、内側の冷却効果を高めることになり、内側シュラウドの冷却効果を一層高めるものである。
【００１６】
本発明の（２）によれば、特に最も高温にさらされる１段静翼に適用することにより、熱応力に対する強度の向上、冷却効果を高めることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて具体的に説明する。図１は本発明の実施の第１形態に係るガスタービン冷却静翼の断面図である。図において、燃焼器３０の尾筒フランジ５１には外側シュラウド２１、内側シュラウド２２が接合し、両シュラウド２１，２２間には１段静翼２０が取付けられ、従来と同様な１段静翼を構成し、高温燃焼ガス５０が燃焼器から流入し、後段側に流れる構成であり、この構成は従来と同じである。
【００２０】
図１において、１はワッフルパターンであり、外側シュラウド２１の外面及び内側シュラウド２２の内面にそれぞれ形成されている。ワッフルパターン１は、後述するように格子状のリブからなり、シュラウドの壁面に突起を形成することにより壁の強度を向上することができるものである。２は翼壁面の内側に形成されたリブであり、翼内壁面の全周に亘って形成され強度を向上すると共に、強度が向上されるので壁の厚さを薄肉にすることができる。本実施の第１形態においては、従来の翼の肉厚が４．５mmであったものを、３mmとして薄肉化している。
【００２１】
３は冷却通路であり、内側シュラウド２２の腹側、背側の両端内部に設けられ、車室側から供給された冷却空気を前縁側から導いて流し、内側シュラウド両側を冷却して後縁側へ流出させる。４はタービュレータであり、冷却通路３内に形成され、流れを攪拌して冷却効果を高めるものである。５は複数の冷却穴であり、内側シュラウド２２の背側、腹側の両端部に設けられ、内側から両端部の上面に貫通して開口し、冷却空気を端部上面に吹出し、内側シュラウド両側端面を冷却する。一方、静翼には図２にて後述するように、翼の表面全体にわたって翼壁を貫通する冷却穴が穿設されており、その中の翼後縁の最後列にあたる６は拡大冷却穴であり、静翼２０の背側最後列の冷却穴を他の冷却穴よりも径を大きくし、空気中に含まれるゴミを流出できるようにしている。
【００２２】
図２は図１に示す静翼の断面であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。（ａ）図において、翼の主要な構造は図９で示す従来の構造と同じであるが、本発明の特徴部分は拡大冷却穴６とリブ２を設けた部分にある。又、翼壁の肉厚は、従来の４．５mmから３mmへと薄肉化を計り、材料もＥＣＹ７６８からＭＧＡ２４００へ変更し強度を向上している。
【００２３】
図２（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図であり、肉厚は、ｔ＝３mmとし、ピッチＰ＝１０mmごとにリブ２を上下に配列して形成している。リブ２の幅はＷ＝２．４１mm、高さＨ＝３．０５mmとしてリブ２で全周囲を補強し、強度が向上した分薄肉化を可能としている。リブの先端は円形とし基部は壁に曲面Ｒで形成されている。
【００２４】
図２（ａ）に戻り、翼の後縁の背側の最後列の冷却穴は拡大冷却穴６として、他の冷却穴２８よりも径を大きくして冷却空気中に含まれるゴミを抜き出すことができるようにし、ゴミを流出させ、ゴミの残留により冷却穴の目詰まりを起こすことを防止する。その他の構造は図９に示すものと同じであるので説明は省略する。
【００２５】
図３は実施の第１形態におけるシュラウドの面に設けられたワッフルパターンを示し、（ａ）は外側シュラウドの平面図、（ｂ）はワッフルパターンの詳細な斜視図、（ｃ）は（ａ）の側面図である。これら図において、外側シュラウド２１の周囲は端部フランジ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄで囲まれており、底面２１ｅには格子状のワッフルパターン１が形成されている。ワッフルパターン１は（ｂ）に示すように、格子状に板状のリブ１ａ，１ｂを組合せて格子を形成し、底面２１ｅを補強するものである。このため、シュラウドの肉厚は、従来４mmであったものが３mmに薄肉化することができる。又、両端部には冷却通路２３ａ，２３ｂが設けられ、両通路内へはタービュレータ２４が設けられている。２５ａ，２５ｂは前縁側の空気流入口であり、冷却空気が流入する。
【００２６】
図４は実施の第１形態における内側シュラウド２２の冷却構造を示し、（ａ）は内側シュラウドの平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。これら図において、内側シュラウド２２の内側には外側シュラウド２１と同様のワッフルパターン１が形成されている。又、内側シュラウド２２の背側及び腹側の両端内部に冷却通路３ａ，３ｂが設けられ、車室側から内側シュラウド２２の下側を通り、供給された冷却空気が前縁側の空間８から冷却通路３ａ，３ｂに流入し、内側シュラウド２２の両端を冷却して後縁側に流出する。冷却通路３ａ，３ｂ内にはタービュレータ４が形成されており、冷却空気の流れを攪拌することにより熱伝達率を向上させて冷却効果を高めるようにしている。
【００２７】
内側シュラウド２２の両側には更に、多数の冷却穴５ａ，５ｂが配列しており、（ｂ）に示すように、冷却穴５ａ，５ｂは内側シュラウド２２の端部を内側から斜めに貫通して端部上面で開口しており、内側に流入した空気が冷却穴５ａ，５ｂを通って上面に吹出し、内側シュラウド２２の両端部を冷却するものである。なお、空気は前縁側空間８から両側の冷却通路３ａ，３ｂに流しているが、外側シュラウド２１の場合と同様に前縁側の両側に空気流入口を設けるようにしても良い。
【００２８】
以上説明の実施の第１実施形態におけるガスタービン冷却静翼においては、外側シュラウド２１、内側シュラウド２２にワッフルパターン１を設け、翼の材料にＭＧＡ２４００を採用すると共に、壁の内側にはリブ２を形成したので、外側シュラウド２１，内側シュラウド２２及び静翼２０の剛性、強度が向上し、これにより、シュラウドの肉厚を４mmから３mmへ、又、翼は４．５mmから３mmへ薄肉化が可能となる。更に、静翼２０の後縁背側の最後の列の冷却穴を拡大冷却穴６とし、これに加えて内側シュラウド２２の両側に冷却通路３ａ，３ｂを設け、更に両端面に開口する複数の冷却穴５ａ，５ｂを設けたので、翼後縁側の冷却効果が増し、又、内側シュラウド２２の冷却が効果的になされ、クラックの発生やシュラウドの変形が防止され、高温酸化による減肉や剥離、等も防止できる。
【００２９】
図５は本発明の実施の第２形態に係るガスタービン冷却静翼の断面図である。図において、本実施の第２形態における特徴部分は、図１に示す実施の第１形態の構成に、燃焼器尾筒と１段静翼の外側及び内側シュラウドとの接続部に冷却穴を設け、更に、内側シュラウドの後縁側の取付フランジを翼の後縁側より後方へ移動し、内側シュラウド２２の内側の冷却効果を後述するように高めるようにした部分にあり、その他の構成は図１に示す実施の第１形態と同じである。
【００３０】
図５において、燃焼器３０の尾筒出口周囲のフランジ３１と外側シュラウド２１及び内側シュラウド２２の端部とはフランジ５１を介して接続されている。フランジ５１の周囲には外側から斜めに複数の冷却穴７が貫通して設けられガス通路側に開口している。冷却空気は外周囲から冷却穴７を通ってガス通路へ吹出し、フランジ５１及びこれに接続する外側，内側シュラウド２１，２２の前流側端部周辺を冷却する。
【００３１】
又、更に、内側シュラウド２２の取付フランジ４２ａは図１に示す実施の第１形態の取付フランジ４２よりも後流側へ移動したところに設けている。即ち、取付フランジ４２ａは静翼２０の付根部よりも後方に位置しており、この取付フランジ４２ａと後方の１段動翼のプラットフォーム端部とで形成する空間６０を狭くしている。その他の構成は図１とおなじである。
【００３２】
図６は上記に説明の実施の第２形態の内側シュラウドを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。両図において、図４に示す実施の第１形態と同様に、内側シュラウド２２の両側内部には冷却通路３ａ，３ｂ、冷却穴５ａ，５ｂ、内側にはワッフルパターン１が設けられている。本実施の第２形態においては、更に後方の取付フランジ４２ａが、図１に示す取付フランジ４２よりも後方へ移動したところに配置しており、前述のように、隣接する１段動翼のプラットフォーム端部とで形成される空間６０は図１のもの、及び従来のものよりも狭くしている。このように空間６０を狭くすることにより、空間６０内の圧力が高まり、シール用空気が逆流したりすることがなく、シール性能が向上し、更に、高温燃焼ガスが内側へ侵入するのを防止し、内側シュラウド２２内部の冷却効果が実施の第１形態のものよりも一層向上するものである。
【００３３】
以上説明の実施の第２形態によれば、実施の第１形態の構造に、更に燃焼器の尾筒と外側，内側シュラウドとの接続部のフランジ５１に冷却穴７を追加し、又、内側シュラウド２２の取付フランジ４２ａを後流側へ移動させたので、実施の第１形態の効果に加え、外側，内側シュラウド２１，２２の燃焼器側の端部の冷却効果が高まり、内側シュラウド２２の冷却も、より一層効果的になされるものである。
【００３４】
【発明の効果】
本発明のガスタービン冷却静翼は、（１）外側シュラウドから静翼内部へ挿入された吹出穴付筒状インサートに冷却空気を流し同吹出穴から流出させ翼壁を貫通する冷却穴より外部へ流出させると共に、他方、内側シュラウドへも冷却空気を導き同内側シュラウドを冷却して外部へ流出させるガスタービン冷却静翼において、前記内側シュラウドの背側及び腹側の両端内部に設けられ前縁側から冷却空気を流し後縁側に開口して流出させる冷却通路と、前記内側シュラウドの背側及び腹側の両端内部で前縁側から後縁側に配列され且つ内側から外表面へ貫通して冷却空気を内側から表面に流出させる複数の冷却穴、とを備え、前記翼壁を貫通する冷却穴において、前記静翼の後縁の最後列の冷却穴は前記静翼の他の冷却穴の径よりも大きくし、前記内側シュラウドの内側後方の周方向に伸びる取付フランジは、前記静翼の後縁端部の取付位置よりも後方へ配置して、前記取付フランジと前記静翼に隣接する動翼のプラットフォーム端部との間で形成される空間を狭くして同空間内の圧力を高くすることによりシール空気によるシール性を向上させたことを特徴としている。このような構成により、内側シュラウド両端の冷却通路により内側シュラウド両端部が冷却され、又、この両端部には冷却穴が配列しているので、両端が効果的に冷却される。これらの構成により、外側シュラウド、内側シュラウド及び翼の熱応力による変形が防止され、冷却効果の向上によりシュラウド端面のクラックや翼付根部のクラックの発生が防止される。また、翼後縁の最後列の冷却穴が他の穴よりも径が大きいので、冷却空気の流出量が増加すると共に、冷却空気中に含まれるゴミを流出しやすくし、ゴミにより冷却穴が詰まるのを防止できる。更に、内側シュラウドの取付フランジが後流側へ移動することにより、隣接する後流側の動翼のプラットフォームとで形成される空間が狭くなり、この空間内の圧力が高まり、シール空気のシール効果が高まると共に、ガス通路からの高温燃焼ガスの内側への侵入を防ぎ、内側の冷却効果を高めることになり、内側シュラウドの冷却効果を一層高めるものである。
【００３５】
本発明の（２）によれば、特に最も高温にさらされる１段静翼に適用することにより、熱応力に対する強度の向上、冷却効果を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態に係るガスタービン冷却静翼の全体断面図である。
【図２】本発明の実施の第１形態に係るガスタービン冷却静翼の断面を示し、（ａ）は翼断面を、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の実施の第１形態に係る外側シュラウドを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は内部のワッフルパターンの斜視図、（ｃ）は（ａ）の側面図である。
【図４】本発明の実施の第１形態に係る内側シュラウドを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。
【図５】本発明の実施の第２形態に係るガスタービン冷却静翼の全体断面図である。
【図６】本発明の実施の第２形態に係る内側シュラウドを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。
【図７】従来の一般的なガスタービンの１段，２段部分を示す断面図である。
【図８】従来の１段静翼の一般的な斜視図である。
【図９】従来の１段静翼の断面図である。
【符号の説明】
１ ワッフルパターン
２ リブ
３ 冷却通路
４ タービュレータ
５，７ 冷却穴
６ 拡大冷却穴
２０ １段静翼
２１ 外側シュラウド
２２ 内側シュラウド
３０ 燃焼器
３１ 取付フランジ
４２ａ 取付フランジ
５１ フランジ
６０ 空間

Claims (2)

1. 外側シュラウドから静翼内部へ挿入された吹出穴付筒状インサートに冷却空気を流し同吹出穴から流出させ翼壁を貫通する冷却穴より外部へ流出させると共に、他方、内側シュラウドへも冷却空気を導き同内側シュラウドを冷却して外部へ流出させるガスタービン冷却静翼において、前記内側シュラウドの背側及び腹側の両端内部に設けられ前縁側から冷却空気を流し後縁側に開口して流出させる冷却通路と、前記内側シュラウドの背側及び腹側の両端内部で前縁側から後縁側に配列され且つ内側から外表面へ貫通して冷却空気を内側から表面に流出させる複数の冷却穴、とを備え、前記翼壁を貫通する冷却穴において、前記静翼の後縁の最後列の冷却穴は前記静翼の他の冷却穴の径よりも大きくし、前記内側シュラウドの内側後方の周方向に伸びる取付フランジは、前記静翼の後縁端部の取付位置よりも後方へ配置して、前記取付フランジと前記静翼に隣接する動翼のプラットフォーム端部との間で形成される空間を狭くして同空間内の圧力を高くすることによりシール空気によるシール性を向上させたことを特徴とするガスタービン冷却静翼。
2. 前記静翼は１段静翼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冷却静翼。

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