JP5078766B2 - タービン静翼構造 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンのタービン静翼構造に係り、特に、タービン静翼の外側シュラウド面に温度分布が生じないよう効率よく冷却する技術に関する。

従来、発電等に用いられるガスタービンは、タービン部を高温高圧の燃焼ガスが通過するため、安定した運転を継続するためにはタービン静翼等の冷却が重要となる。
タービン静翼の冷却に関する従来技術としては、冷却効率を向上させて冷却空気の使用量を抑え、ガスタービンの性能を向上させるものがある。この従来技術によれば、衝突板の小穴からチャンバへ流入してインピンジメント冷却を行った冷却空気が、前縁側、両側部を通って冷却した後に後縁側へ送り込まれて冷却するので、インピンジメント冷却に用いた冷却空気をそのまま後縁側へ送り込んで放出する場合と比較すれば、冷却空気の使用量を大幅に低減できるとされる。（たとえば、特許文献１参照）

また、タービン静翼の冷却構造においては、熱応力に起因するクラックの発生を防止するため、２段静翼の外側、内側シュラウド及び翼の構造を改良して冷却効率を高めることが開示されている。（たとえば、特許文献２参照）
特開２００４−６０６３８号公報 特開２００１−２５４６０５号公報

ところで、従来のガスタービン静翼においては、外側シュラウド全体で１つのキャビティを形成し、衝突板の全面をインピンジメント冷却した後の冷却空気が翼本体を冷却している。すなわち、キャビティが１つの外側シュラウドは、熱負荷の大きい翼前縁側及び熱負荷の小さい翼後縁側が冷却空気を共用するので、熱負荷が小さく負圧を受ける翼後縁側に多くの冷却空気が分配されることとなり、翼前縁側と翼後縁側との間に温度分布（温度差）を生じていた。このような温度分布は、熱応力を発生させる原因となるため好ましいことではなく、しかも、温度分布を抑制するためには、熱負荷の大きい翼前縁側に十分な冷却空気量を配分する必要がある。

しかし、翼前縁側に十分な冷却空気量を供給すると、分配量の多い（分配比が大きい）翼後縁側には過剰な冷却空気が流れることとなり、この過剰分だけ多量の冷却空気が必要となる。
また、冷却空気量の増加により外側シュラウド面等の冷却能力を向上させると、冷却空気量の増加分がタービン部を通過する燃焼ガス温度を低下させることとなる。従って、燃焼器から供給される燃焼ガス温度を高く設定しても、多量の冷却空気を使用して燃焼ガス温度が低下すれば、ガスタービンの運転効率向上が妨げられるため好ましくない。

近年においては、ガスタービンの効率向上を目指してタービン部に供給される燃焼ガス温度が上昇する傾向にあるため、タービン静翼の熱的環境はますます厳しいものとなり、特に、外側シュラウド面の冷却不足が懸念される。従って、ガスタービンの安定した運転を継続するためには、外側シュラウド面の冷却不足を解消し、タービン静翼等の冷却効率及び冷却能力をより一層向上させることが望まれる。

このような背景から、ガスタービンのタービン静翼構造においては、冷却空気の使用量を最小限に抑えるとともに、タービン静翼の冷却効率及び冷却能力をより一層向上させて外側シュラウド面の温度分布を均一化することが望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、冷却空気の使用量を最小限に抑えるとともに、タービン静翼の冷却効率及び冷却能力をより一層向上させて、外側シュラウド面の温度分布を均一化することができるガスタービンのタービン静翼構造を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係るタービン静翼冷却構造は、翼部の内側及び外側にそれぞれ内側シュラウド及び外側シュラウドを有し、前記外側シュラウド側に送り込まれる冷却空気によって前記外側シュラウド、前記翼部及び前記内側シュラウドの冷却が行われるガスタービンのタービン静翼構造において、前記外側シュラウドは、該外側シュラウドを上部外側キャビティと下部外側キャビティとに仕切るインピンジメント板を備え、該インピンジメント板の下流側に設けられた前記下部外側キャビティは、翼前縁側に位置して熱負荷の大きい高熱負荷キャビティ領域及び翼後縁側に位置して熱負荷の小さい低熱負荷キャビティ領域を含む互いに連通しない複数のキャビティ領域に区分され、前記高熱負荷キャビティ領域をインピンジメント冷却した冷却空気の全量が前記外側シュラウドの前縁端部、両側部端部及び後縁端部に廻されて端部冷却を行い、かつ、前記低熱負荷キャビティ領域をインピンジメント冷却した冷却空気の全量が翼後縁側キャビティに入って翼面冷却を行うことを特徴とするものである。

このようなタービン静翼構造によれば、外側シュラウドは、外側シュラウドを上部外側キャビティと下部外側キャビティに仕切るインピンジメント板を備え、該インピンジメント板の下流側に設けられた下部外側キャビティが、翼前縁側に位置して熱負荷の大きい高熱負荷キャビティ領域及び翼後縁側に位置して熱負荷の小さい低熱負荷キャビティ領域を含む互いに連通しない複数のキャビティ領域に区分され、前記高熱負荷キャビティ領域をインピンジメント冷却した冷却空気の全量が前記外側シュラウドの前縁端部、両側部端部及び後縁端部に廻されて端部冷却を行い、かつ、前記低熱負荷キャビティ領域をインピンジメント冷却した冷却空気の全量が翼後縁側キャビティに入って翼面冷却を行うように構成したので、熱負荷が異なる翼前縁側及び翼後縁側に各々独立した冷却空気流路を形成し、熱負荷に応じて冷却空気を有効に使い廻すことができる。

上記の発明において、前記インピンジメント板は、前記高熱負荷キャビティ領域及び前記低熱負荷キャビティ領域に対応するようにして前縁側インピンジメント板及び後縁側インピンジメント板に区分され、前記前縁側インピンジメント板に穿設された小穴の合計開口面積が前記後縁側インピンジメント板に穿設された小穴の合計開口面積より大きく設定されていることが好ましく、これにより、熱負荷の条件が厳しい領域でインピンジメント冷却を強化することができる。

上記の発明において、前記前縁側インピンジメント板は、前記後縁側インピンジメント板より前縁側外側シュラウド底面に近づけられていることが好ましく、これにより、熱負荷の条件が厳しい領域でインピンジメント冷却を強化することができる。

上記の発明において、前記インピンジメント板は、前記翼部に形成されて翼面のフィルム冷却を行う冷却空気を流出させる前縁通路に挿入されたインサートに連通する開口を備えていることが好ましく、これにより、インサート内には外側シュラウドから直接冷却空気が供給され、この冷却空気で前縁側翼面のインピンジメント冷却が行われるので、最も熱負荷の厳しい前縁側翼面冷却を充分に行うことができる。

上述した本発明によれば、冷却空気の使用量を最小限に抑えるとともに、タービン静翼の冷却効率及び冷却能力をより一層向上させて外側シュラウド面の温度分布を均一化することができる。この結果、ガスタービンの燃焼ガス温度を高くしても、最小限の冷却空気量による効率のよいタービン静翼の冷却を行って、信頼性が高く安定した高効率の運転が可能となる。

以下、本発明に係るガスタービンのタービン静翼構造について、その一実施形態を図１から図６に基づいて説明する。
図６に示すように、ガスタービン１は、燃焼用空気を圧縮する圧縮部（圧縮機）２と、この圧縮部２から送られてきた高圧空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼部（燃焼器）３と、この燃焼部３の下流側に位置し、燃焼部３を出た燃焼ガスにより駆動されるタービン部（タービン）４とを主たる要素とするものである。

図１は、タービン部４のタービン静翼（以下、「静翼」と省略する）１０を示す断面図（図２のＣ−Ｃ断面）である。この静翼１０は、たとえばタービン部４における第１段静翼であり、翼部１１の内側及び外側にそれぞれ内側シュラウド１２及び外側シュラウド１３を有している。この場合の内側は、ガスタービン１の半径方向においてロータ軸中心側を意味しているので、外側はガスタービン１のケーシング側となる。なお、図中符号３２は動翼である。

外側シュラウド１３には、リブ１４及び外側シュラウド内壁１３ｃ，１３ｄに当接してインピンジメント板４０が取り付けられている。インピンジメント板４０は、冷却空気を通す多数の小穴４１が穿設された板状部材であり、前縁側インピンジメント板４０Ｆと後縁側インピンジメント板４０Ｒとにより形成されている。
外側シュラウド１３内の空間は、インピンジメント板４０により、冷却空気流の上流側に位置する上部外側キャビティ５０と、下流側に位置する下部外側キャビティ６０とに区分けされている。下部外側キャビティ６０は、さらに前縁キャビティ領域６１と後縁キャビティ領域６２とに区分けされている（図３参照）。
前縁キャビティ領域６１は、外側シュラウド内壁１３ｃ、前縁側インピンジメント板４０Ｆ及び前縁側外側シュラウド底面１３ａにより囲まれた空間であり、後縁キャビティ領域６２は、外側シュラウド内壁１３ｃ、後縁側インピンジメント板４０Ｒ及び後縁側外側シュラウド底面１３ｂにより囲われた空間である（詳細は後述する）。

翼部１１の内部には、リブ１４によって分割された前縁通路１５及び後縁通路１６が形成されている。これら前縁通路１５及び後縁通路１６には、筒状のインサート１７，１８が外側シュラウド１３側から挿入されている。
前縁通路１５に挿入されたインサート１７の周面には、複数の冷却空気穴１７ａが形成されている。また、インサート１７は、その上端１７ｄが外側シュラウド１３の前縁側インピンジメント板４０Ｆの上面で上部外側キャビティ５０に連通する開口１７ｂを備えている。さらに、インサート１７は、その下端１７ｅが内側シュラウド１２の内側キャビティ２８に連通する開口１７ｃを備えている。

後縁通路１６に挿入されたインサート１８は有底筒状体であり、その上端１８ｂが外側シュラウド１３側の後縁キャビティ領域６２に開口している。また、インサート１８の周面及び底面には、複数の冷却空気穴１８ａが形成されている。
翼部１１の前縁側となる翼内壁１１ａには、フィルム冷却穴１１ｂが穿設され、インサート１７から前縁通路１５に吹出した冷却空気は、翼内壁１１ａをインピンジメント冷却した後、冷却空気穴１１ｂから流出する際に翼面をフィルム冷却する。また、翼部１１の後縁側には、複数のピン１９が設けられた流路からなるピンフィン冷却部２０を備えている。

内側シュラウド１２には、その内側に設けられたシール部２９を支持するリング部材３１と内側シュラウド１２とによって囲われた内側キャビティ２８が形成されている。
内側シュラウド１２の底面１２ａは、翼部１１と一体に形成され、翼部１１の後縁側と内側キャビティ２８とを縁切りしている。すなわち、内側キャビティ２８は、インサート１７の冷却空気穴１７ａを介して翼部１１の前縁側に配置されている前縁通路１５と連通しているが、翼部１１の後縁側に配置された後縁通路１６には連通せず、完全に縁切りされている。

内側キャビティ２８には、多数の小穴２１を有するインピンジメント板２２が配置されている。このインピンジメント板２２は、内側シュラウド１２の底面１２ａとの間でチャンバ２３を形成している。このチャンバ２３は、接続流路２５を介して内側シュラウド１２の前縁側に形成された前縁流路２４に連通している。
内側シュラウド１２の後縁側には、内側シュラウド１２の幅方向に沿ってヘッダ２６が形成されている。ヘッダ２６の下流側には、燃焼ガス中に開口する後縁流路２７が設けられている。また、ヘッダ２６は、内側シュラウド１２の両側部に形成された側部流路（不図示）を介して前縁流路２４と連通しているので、前縁流路２４を流れる冷却空気は、側部流路（不図示）からヘッダ２６を経て、後縁流路２７から燃焼ガス中に放出される。

図２は、外側シュラウド１３の上部外側キャビティ５０について、インピンジメント板４０に平行な面で断面視した場合の翼面断面構造（図１のＡ−Ａ断面）を示している。
インピンジメント板４０は、前縁側インピンジメント板４０Ｆと後縁側インピンジメント板４０Ｒとに区分される板状体である。前縁側インピンジメント板４０Ｆは、前述した前縁キャビティ領域６１を形成する面の一部を構成し、後縁側インピンジメント板４０Ｒは、後縁キャビティ領域６２を形成する面の一部を構成する。
前縁側インピンジメント板４０Ｆは、図２において、主に前縁端部側の点Ｐ１，Ｐ２を結ぶ辺Ｐ１−Ｐ２、前縁側端側の辺Ｐ１−Ｐ６、前縁側端部の辺Ｐ２−Ｐ３及び翼部１１の前縁背側の内壁１１ａに沿った辺Ｐ３−Ｐ５で囲われた面（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ５，Ｐ６の各点を通る辺で囲われた面）から形成される。
また、後縁側インピンジメント板４０Ｒは、主に後縁端部側の辺Ｐ７−Ｐ８、後縁側端側の辺Ｐ３−Ｐ８、後縁側端側の辺Ｐ６−Ｐ７、翼部１１の前縁腹側の内壁１１ａに沿った辺Ｐ３−Ｐ４及びリブ１４に沿った辺Ｐ４−Ｐ５で囲われた面（Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７，Ｐ８の各点を通る辺で囲われた面）から形成される。

前縁通路１５の内壁１１ａに相当する辺Ｐ３−Ｐ４−Ｐ５（前縁通路１５の内壁１１ａの輪郭を前縁インピンジメント板に投影させた場合の前縁側インピンジメント板４０Ｆ上の輪郭）で囲まれた面（Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５を通る辺で囲まれた面）は、前縁側インピンジメント板４０Ｆにも含まれず、後縁側インピンジメント板４０Ｒにも含まれない領域である。この領域は、前縁側となるインサート１７の開口１７ｂを囲むように設けた蓋板４０Ｍで構成されている。

前縁側インピンジメント板４０Ｆの表面には、略全面に渡ってインピンジメント冷却を目的とした小穴４１ａが穿設されている。また、後縁側インピンジメント板４０Ｒにも、同様の小穴４１ｂが穿設されている。これらの小穴４１ａ，４１ｂから吹出す冷却空気流により、それぞれ前縁キャビティ領域６１を構成する前縁側外側シュラウド底面１３ａ及び後縁キャビティ領域６２を構成する後縁側外側シュラウド底面１３ｂに対するインピンジメント冷却が行われる。

このインピンジメント冷却においては、前縁キャビティ領域６１（前縁側外側シュラウド底面１３ａ）の方が後縁キャビティ領域６２（後縁側外側シュラウド底面１３ｂ）よりも熱負荷が大きくなるので、より強力に冷却する必要がある。従って、前縁側インピンジメント板４０Ｆに穿設する小穴４１ａは、インピンジメント板単位面積当たりの穴径及び／または穴数について、後縁側インピンジメント板４０Ｒに穿設する小穴４１ｂよりも大きくすることにより、インピンジメント板４０Ｆにおける単位面積当たりの全開口面積をインピンジメント板４０Ｒより大きく設定して冷却能力を上げている。すなわち、インピンジメント板４０Ｆ，４０Ｒの全開口面積は、インピンジメント板４０の単位面積に対して設ける小穴４１ａ，４１ｂの穴径及び／または穴数から、その開口面積を合計した面積により決定される。この場合、開口面積の選定は、インピンジメント板４０の単位面積に対して同一の穴径で穴数を変えてもよく、あるいは、穴径を変えて穴数を同じとしてもよい。また、熱負荷の程度によっては、インピンジメント板４０の単位面積に対する小穴４１ａ，４１ｂの穴径及び穴数について、両方を変えてもよい。

蓋板４０Ｍは、前縁側となるインサート１７に形成された開口１７ｂの周囲を、インピンジメント冷却用の小穴４１が設けられていない板材で囲ったものであり、上部外側キャビティ５０と前縁通路１５との間を仕切っている。
上部外側キャビティ５０に供給される冷却空気は、前縁通路１５に直接流入することはなく、開口１７ｂからいったん前縁側のインサート１７内に流入した後、前縁通路１５内に流入する。また、蓋板４０Ｍの領域は、前縁キャビティ領域６１及び後縁キャビティ領域６２に対するインピンジメント冷却の機能を備えていない。

後縁側インピンジメント板４０Ｒは、その下流側に位置する後縁通路１６の内壁１１ａに相当する領域（後縁通路１６の内壁１１ａの輪郭を後縁側インピンジメント板４０Ｒに投影させた場合の後縁側インピンジメント板４０Ｒ上の輪郭）には、インピンジメント冷却用の小穴４１ｂが設けられていない。これは、上述した領域に小穴４１ｂを設けても、インピンジメント冷却の効果が得られないためである。
なお、前述のように、後縁側インピンジメント板４０Ｒ上のその他の領域には、インピンジメント冷却用の小穴４１ｂが穿設されている。

ところで、上述したインピンジメント板４０は、前縁側インピンジメント板４０Ｆと後縁側インピンジメント板４０Ｒとの２分割に構成されるとして説明したが、この例に限定されることはない。すなわち、前縁キャビティ領域６１と後縁キャビティ領域６２とが連通せずに仕切られる構造である限り、分割部のない一枚板で形成してもよいし、３分割以上の板で形成してもよい。
また、外側シュラウド１３のインピンジメント冷却は、前縁キャビティ領域６１と後縁キャビティ領域６２の２分割で行う例を説明したが、下部外側キャビティ６０の空間が、前縁側から後縁側に亘って、互いに連通しない２以上の複数の領域に仕切る構造である限り、本発明の範囲内に含まれる。

外側シュラウド１３の前縁側には、前縁通路１５と流路１５ａを介して連通する前縁流路４２が設けられ、後縁側には、幅方向に沿ってヘッダ４３が形成されている。このヘッダ４３は、たとえば図２に示すように、外側シュラウド１３の両側部に形成された側部流路４４を介して前縁流路４２に連通している。
なお、ヘッダ４４には、外側シュラウド１３の後縁にて開口する後縁流路４３ａが設けられている。

図３は、外側シュラウド１３の下部外側キャビティ６０をインピンジメント板４０に平行な面でロータ中心線方向に断面視した場合について、翼面の断面構造（図１のＢ−Ｂ断面）を示している。
上述したように、前縁キャビティ領域６１は、翼前縁側に位置して熱負荷の大きい領域（高負荷キャビティ領域）であり、後縁キャビティ領域６２は、翼後縁側に位置して熱負荷の小さい領域（低負荷キャビティ領域）である。図３に示す外側シュラウド１３の底面において、前縁キャビティ領域６１を構成する前縁側外側シュラウド底面１３ａは、主に前縁側端部の辺Ｐ１１−Ｐ１２、前縁側部の辺Ｐ１１−Ｐ１６、前縁通路１５の翼面背側に沿った辺Ｐ１３−Ｐ１４で囲われた面（Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１５，Ｐ１６で囲われた面）により形成される。

後縁キャビティ領域６２を構成する後縁側外側シュラウド底面１３ｂは、主に後縁側端部の辺Ｐ１７−Ｐ１８、後縁側部の辺Ｐ１６−Ｐ１７及び辺Ｐ１３−Ｐ１８、前縁通路１５の翼面腹側に沿った辺Ｐ１３−Ｐ１４、リブ１４に沿った辺Ｐ１４−Ｐ１５で囲われた面（Ｐ１３，Ｐ１４，Ｐ１５，Ｐ１６，Ｐ１７，Ｐ１８を通る辺で囲われた面）により形成される。なお、図３に示す外側シュラウド１３の底面上に設定した点Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４，Ｐ１５，Ｐ１６，Ｐ１７，Ｐ１８について、各点の平面上の位置は、図２に示すインピンジメント板４０上の点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７，Ｐ８の平面上の位置に対応している。
前縁キャビティ領域６１は、前縁側外側シュラウド底面１３ａ、前縁側インピンジメント板４０Ｆ、外側シュラウド内壁１３ｃ及び翼部１１の前縁背側の翼壁で囲まれた空間であり、後縁キャビティ領域６２は、後縁側外側シュラウド底面１３ｂ、後縁側インピンジメント板４０Ｒ、外側シュラウド内壁１３ｄ及び翼部１１の前縁腹側の翼壁で囲まれた空間をいう。

前縁キャビティ領域６１と後縁キャビティ領域６２は、互いに連通せずに、完全に仕切られている。また、前縁キャビティ領域６１と前縁通路１５との間も縁切りされている。
すなわち、上述のように、前縁通路１５は、外側シュラウド１３の上部外側キャビティ５０に、インサート１７に設けた冷却空気孔１７ａおよび開口１７ｂを介して連通しているが、前縁キャビティ領域６１との間は前縁背側翼部１１で完全に縁切りされている。後縁キャビティ領域６２と後縁通路１６の間は、直接連通してはいないが、後縁側となるインサート１８の上端１８ｂが後縁キャビティ領域６２に開口しているので、後縁キャビティ領域６２は、インサート１８の冷却空気穴１８ａを介して後縁通路１６に連通している。

図４は、タービン静翼（静翼）１０の翼構造を示している。
熱負荷の大きい翼部１１の前縁側には、冷却空気穴１１ｂが穿設されている。インサート１７内に供給された冷却空気は、インサート１７に穿設された冷却空気穴１７ａを通過し、翼内壁１１ａをインピンジメント冷却する。その後、冷却空気は、冷却空気穴１１ｂを通過する際に翼部１１の外面をフィルム冷却した後、燃焼ガス中に放出される。

上述したように、図１に示す外側シュラウド１３の上部から導入された冷却空気は、いったんは上部外側キャビティ５０に供給された後、主に次の３系統よりなる冷却空気系統に配分され、静翼１０内の冷却必要個所を冷却してから燃焼ガス中へ放出される。
第１の冷却空気系統（図２に矢印Ａ１で示す）は、前縁インピンジメント板４０Ｆに穿設された小穴４１ａを通って前縁側外側シュラウド底面１３ａをインピンジメント冷却した後、この冷却空気の全量が外側シュラウド１３の端部に廻されて端部冷却を行う。

すなわち、外側シュラウド１３側では、インピンジメント冷却後の冷却空気が前縁キャビティ領域６１から流路１５ａを通って前縁流路４２に導かれる。この冷却空気が前縁流路４２を流れることにより、外側シュラウド１３の前縁端部が端部冷却される。
この冷却空気は、前縁端部の端部冷却を行った後、左右の側部端部に設けた側部流路４４を通って後縁端部側のヘッダ４３に導かれ、後縁流路４３ａから燃焼ガス中へ流出する。この結果、冷却空気が側部流路４４及びヘッダ４３を通って後縁流路４３ａから流出する過程において、外側シュラウド１３の両側部端部及び後縁端部の端部冷却が行われる。
この場合、冷却空気量の調整は、前縁側インピンジメント板４０Ｆに穿設されたインピンジメント冷却用の小穴４１ａの穴径及び／または穴数を変えることにより調整可能であるが、この系統の下流端となる後縁流路４３ａの断面積を変えても流量の調整が可能である。

第２の冷却空気系統（図２に矢印Ａ３，Ａ４，Ａ５で示す）は、上部外側キャビティ５０内の冷却空気が、後縁側インピンジメント板４０Ｒに穿設された小穴４１ｂを通過して後縁キャビティ領域６２に供給される。後縁キャビティ領域６２の後縁側外側シュラウド底面１３ｂをインピンジメント冷却した冷却空気の全量は、インサート１８内に流入し、翼面冷却を行う。すなわち、後縁キャビティ領域６２に供給された冷却空気は、インサート１８内に流入し、インサート１８の冷却空気穴１８ａを通って後縁通路１６内の翼部１１の壁面１１ａをインピンジメント冷却した後、翼部１１の後縁側に設けられたピンフィン冷却部２０を通って流出する。
この場合、冷却空気量の調整は、後縁側インピンジメント板４０Ｒに穿設されたインピンジメント冷却用の小穴４１ｂの穴径及び／または穴数を変えることにより調整が可能である。さらに、冷却空気量の調整は、インサート１８に穿設された冷却空気穴１８ａの穴径及び／または穴数によっても調整可能である。

第３の冷却空気系統（図２に矢印Ａ２で示す）は、上部外側キャビティ５０の冷却空気が、開口１７ｂを介して直接インサート１７内に供給される。この冷却空気は、インサート１７に穿設された冷却空気穴１７ａを通過して前縁通路１５に供給され、翼部１１の前縁内壁１１ａをインピンジメント冷却する。さらに、この冷却空気は、翼部１１に穿設された冷却空気穴１１ｂから燃焼ガス中へ放出される際、翼部１１の外面をフィルム冷却する。

一方、インサート１７内の残りの冷却空気は、内側シュラウド１２内の内側キャビティ２８に直接供給される。内側キャビティ２８に供給された冷却空気は、内側インピンジメント板２２に穿設された小穴２１を通過してチャンバ２３内に供給され、内側シュラウド底面１２ａをインピンジメント冷却する。このようにしてインピンジメント冷却した冷却空気は、接続流路２５を通って前縁流路２４に流れた後、図示しない側部流路及びヘッダ２６を通って後縁流路２７から燃焼ガス中へ流出する。この結果、内側シュラウド１２の前縁部、両側部及び後縁部は、上述した外側シュラウド１３と同様に、冷却空気による端部冷却が行われる。また、内側キャビティ２８内の冷却空気の一部は、シールガスとして空気流路３０から燃焼ガス中へ放出される。
冷却空気量の流量調整は、インサート１７に穿設された冷却空気穴１７ａの穴径及び／または穴数を変えるか、あるいは、内側シュラウド１２の後縁端部にある後縁流路２７の流路断面積を変えることにより可能となる。

このように、上述したタービン静翼構造によれば、外側シュラウド１３において、下部外側キャビティ６０が、熱負荷の大きい前縁キャビティ領域６１と、熱負荷の小さい後縁キャビティ領域６２とに区分され、両者の間は完全に縁切りされ連通していないので、熱負荷のレベルに応じて前縁キャビティ領域６１と後縁キャビティ領域６２は互いに独立に冷却空気流量の調整ができる。すなわち、前縁キャビティ領域６１及び外側シュラウド１３の端部を主たる冷却対象とする第１の冷却空気系統と後縁キャビティ領域６２及び後縁側の翼面を主たる冷却対象とする第２の冷却空気系統とは、独立した流路経路を備えているので、各々が独立して適正な空気量の選定ができ、冷却空気量の低減ができる。
また、前縁側の翼面及び内側シュラウド１２の端部を冷却対象とする第３の冷却空気系統は、第１の冷却空気系統及び第２の冷却空気系統とは区分けされて独立した流路系統を備え、互いに独立して冷却空気量の調整が可能である。従って、翼面、外側シュラウド及び内側シュラウドの熱負荷の状況を見ながら、上記３系統の各々の冷却空気量を独立に調整できるので、静翼廻りの最適な冷却空気量の選定が可能であり、静翼全体の冷却空気量の低減に有効である。

この結果、翼部１１の内側及び外側にそれぞれ内側シュラウド１２及び外側シュラウド１３を有し、外側シュラウド１３側に送り込まれる冷却空気によって、外側シュラウド１３、翼部１１及び内側シュラウド１２の冷却が行われるガスタービン１の静翼１０において、外側シュラウド１３は、熱負荷の大きい翼前縁側及び熱負荷の小さい翼後縁側に最適な冷却空気量の供給を受けて冷却され、特に、最も熱負荷の大きい前縁側翼面の冷却に対しては、冷却空気が外側シュラウド１３の上部外側キャビティ５０からインピンジメント板４０（小穴４１）を介することなく、開口１７ｂを介してインサート１７に直接供給されるので、他の冷却対象部位から独立して前縁側翼面の翼面冷却が可能である。そのため、熱負荷の差による温度分布が解消または低減され、熱応力の発生を最小限に抑えることができる。また、冷却空気の使用量を最小限に抑えるとともに、静翼１０の冷却効率及び冷却能力をより一層向上させて外側シュラウド面１３の温度分布を均一化することができる。従って、ガスタービン１の燃焼ガス温度を高く設定しても、最小限の冷却空気量による効率のよい静翼冷却が可能になるので、信頼性が高く安定した高効率の運転を実施することができる。

また、上述したタービン静翼構造においては、たとえば図５に示す変形例のように、前縁キャビティ領域６１に設置されるインピンジメント板４０Ｆが、後縁キャビティ領域６２に設置されるインピンジメント板４０Ｒより外側シュラウド１３の壁面（前縁側外側シュラウド底面１３ａ）に近づけられていることが好ましい。
このような構成とすれば、熱負荷の厳しい前縁キャビティ領域６１において、インピンジメント板４０Ｆが前縁側外側シュラウド底面１３ａと近い位置に設置されているので、インピンジメント冷却の冷却効果を増すことができる。この結果、冷却空気量を低減するなど、冷却空気の有効利用が可能となる。

ところで、上述した実施形態では、外側シュラウド面１３が、翼前縁側に位置して熱負荷の大きい前縁キャビティ領域６１及び翼後縁側に位置して熱負荷の小さい低熱負荷キャビティ領域６２に区分された構成例を示して説明したが、前縁キャビティ領域６１及び後縁キャビティ領域６２を含む互いに連通しない複数のキャビティ領域に区分し、シュラウド端部の冷却を行う冷却空気及び翼面冷却を行う冷却空気が、各々異なる冷却空気系統を流れるようにしてもよい。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係るタービン静翼構造の一実施形態を示す縦断面図（図２のＣ−Ｃ断面図）である。 外側シュラウドの上部断面を示す図（図１のＡ−Ａ断面図）である。 外側シュラウドの下部断面を示す図（図１のＢ−Ｂ断面図）である。 静翼の断面形状を示す図である。 図２のＤ−Ｄ断面図である。 ガスタービンの概要を示す部分断面斜視図である。

符号の説明

１０ タービン静翼（静翼）
１１ 翼部
１１ａ 翼内壁
１１ｂ 冷却空気穴
１２ 内側シュラウド
１３ 外側シュラウド
１４ リブ
１５ 前縁通路
１６ 後縁通路
１７，１８ インサート
１７ａ，１８ａ 冷却空気穴
１７ｂ、１７ｃ 開口
１９ ピン
２０ ピンフィン冷却部
２１，４１ 小穴
２２，４０ インピンジメント板
２４，４２ 前縁流路
２６，４３ ヘッダ
２７，４３ａ 後縁流路
４０Ｆ 前縁側インピンジメント板
４０Ｒ 後縁側インピンジメント板
４０Ｍ 蓋板
４４ 側部流路
５０ 上部外側キャビティ
６０ 下部外側キャビティ
６１ 前縁キャビティ領域（高熱負荷キャビティ領域）
６２ 後縁キャビティ領域（低熱負荷キャビティ領域）

Claims (4)

1. 翼部の内側及び外側にそれぞれ内側シュラウド及び外側シュラウドを有し、前記外側シュラウド側に送り込まれる冷却空気によって前記外側シュラウド、前記翼部及び前記内側シュラウドの冷却が行われるガスタービンのタービン静翼構造において、
   前記外側シュラウドは、該外側シュラウドを上部外側キャビティと下部外側キャビティとに仕切るインピンジメント板を備え、
   該インピンジメント板の下流側に設けられた前記下部外側キャビティは、翼前縁側に位置して熱負荷の大きい高熱負荷キャビティ領域及び翼後縁側に位置して熱負荷の小さい低熱負荷キャビティ領域を含む互いに連通しない複数のキャビティ領域に区分され、
   前記高熱負荷キャビティ領域をインピンジメント冷却した冷却空気の全量が前記外側シュラウドの前縁端部、両側部端部及び後縁端部に廻されて端部冷却を行い、かつ、前記低熱負荷キャビティ領域をインピンジメント冷却した冷却空気の全量が翼後縁側キャビティに入って翼面冷却を行うことを特徴とするタービン静翼構造。
2. 前記インピンジメント板は、前記高熱負荷キャビティ領域及び前記低熱負荷キャビティ領域に対応するようにして前縁側インピンジメント板及び後縁側インピンジメント板に区分され、前記前縁側インピンジメント板に穿設された小穴の合計開口面積が前記後縁側インピンジメント板に穿設された小穴の合計開口面積より大きく設定されていることを特徴とする請求項１に記載のタービン静翼構造。
3. 前記前縁側インピンジメント板が、前記後縁側インピンジメント板より前縁側外側シュラウド底面に近づけられていることを特徴とする請求項２に記載のタービン静翼構造。
4. 前記インピンジメント板は、前記翼部に形成されて翼面のフィルム冷却を行う冷却空気を流出させる前縁通路に挿入されたインサートに連通する開口を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のタービン静翼構造。

Images