JP5591373B2 - タービン用翼およびその冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンや蒸気タービン等に適用されるタービン用翼（動翼・静翼）、特に、ガスタービンのタービン部後方段に設置される翼高さの高いタービン用翼およびその冷却方法に関するものである。

さて、ガスタービン翼列の後段側に設置される長大化されたガスタービン動翼としては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。

特開平９−５３４０７号公報

そして、このような長大化されたガスタービン動翼には、高温化に伴う強度低下を回避するため、その内部にマルチホール（複数の第１冷却通路）が翼軸方向に沿って穿設されている。
しかしながら、これらマルチホールは、その内部を通過する冷却空気（冷却媒体）の流速をたてて必要な熱伝達率を確保させるため圧損が大きく、翼根部に高い供給圧をたてる必要がある。
一方、一般には、ガスタービン動翼の冷却空気の供給源としては圧縮機からの抽気空気が用いられるが、冷却空気の供給圧を高くするためには、冷却空気の供給源を圧縮機の後方段（高圧側）からとる必要があり、それだけ余分な動力を消費することから、ガスタービンの性能が低下してしまうといった問題点があった。また、冷却空気の供給圧が高いことから、翼根部に形成された空洞からのシール洩れ空気量が大きくなり、ガスタービンの性能が低下してしまうといった問題点があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、翼根部に供給される冷却媒体の供給圧を低減させることができ、翼根部に形成された空洞からのシール洩れ空気量を低減させることができて、ガスタービンの性能を向上させることができるタービン用翼およびその冷却方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係るタービン用翼は、内部に複数の第１冷却通路が翼軸方向に沿って穿設されたタービン用翼であって、前記タービン用翼の先端には、シュラウドが前記タービン用翼と一体に形成され、前記シュラウドの内部には、プラグが上面側より挿入されて、前記シュラウドの内部に、前記第１冷却通路の軸方向視で該第１冷却通路の通路面積よりも大きい開口面積を有する空間が形成されるようにキャビティが形成されており、前記キャビティには、前記複数の第１冷却通路がそれぞれ連通し、前記第１冷却通路の出口側の端部で、翼端に向かって、かつ、前記キャビティに向かって末広がりとなるように形成された第１のテーパ部が形成されている。

本発明に係るタービン用翼によれば、第１冷却通路の先端部に第１のテーパ部が形成されており、これにより第１冷却通路を通過する冷却媒体の圧損が低減されることとなるので、翼根部に供給される冷却媒体の供給圧を低減させることができる。
また、冷却媒体の供給圧を低減できることから、冷却媒体の供給源を圧縮機のより前方段側（低圧側）に移すことが可能となり、冷却媒体を昇圧するための圧縮機の動力を低減することができ、ガスタービンの性能を向上させることができる。
また、翼根部に供給される冷却媒体の供給圧が低減されることにより、翼根部に形成された空洞からのシール洩れ空気量を低減させることができる。
さらに、第１冷却通路の先端部に第１のテーパ部が形成されることにより、先端部の重量が軽減されることとなるので、翼根部に加わる遠心力を減少させることができる。
さらにまた、第１冷却通路の先端部に第１のテーパ部が形成されることにより、第１冷却通路を通って第１のテーパ部に到達したゴミ等の異物は、第１冷却通路から流出していくこととなるので、第１冷却通路の先端部におけるゴミ詰まりを防止することができ、冷却性能の低下を防止することができる。
なお、前記プラグの平面寸法は、前記キャビティの開口寸法よりも大きいことが好ましい。

上記タービン用翼において、翼端に、前記第１のテーパ部を通過し前記キャビティに流入し、前記キャビティから冷却媒体を周囲に流出させる複数の第２冷却通路を有するシュラウドが設けられているとさらに好適である。

上記タービン用翼において、前記第２冷却通路の出口側の端部に、前記シュラウドの端面に向かって末広がりとなるように形成された第２のテーパ部が形成されているとさらに好適である。

このようなタービン用翼によれば、第２冷却通路の先端部に第２のテーパ部が形成されており、これにより第２冷却通路を通過する冷却媒体の圧損が低減されることとなるので、翼根部に供給される冷却媒体の供給圧をさらに低減させることができる。
また、冷却媒体の供給圧を低減できることから、冷却媒体の供給源を圧縮機のより前方段側（低圧側）に移すことが可能となり、冷却媒体を昇圧するための圧縮機の動力を低減することができ、ガスタービンの性能を向上させることができる。
また、翼根部に供給される冷却媒体の供給圧が低減されることにより、翼根部に形成された空洞からのシール洩れ空気量を低減させることができる。
さらに、第２冷却通路の先端部に第２のテーパ部が形成されることにより、先端部の重量がさらに軽減されることとなるので、翼根部に加わる遠心力をさらに減少させることができる。
さらにまた、第２冷却通路の先端部に第２のテーパ部が形成されることにより、第２冷却通路を通って第２のテーパ部に到達したゴミ等の異物は、外部に排出されることとなるので、第２冷却通路の先端部におけるゴミ詰まりを防止することができ、冷却性能の低下を防止することができる。

上記タービン用翼において、前記第１冷却通路の出口側の端部における圧損係数が１．０であるとさらに好適である。

上記タービン用翼において、前記第１のテーパ部は電解加工またはドリル加工によって施工されているとさらに好適である。

上記タービン用翼において、前記タービン用翼の先端部と前記シュラウドの本体とを接続する領域に前記テーパ部が形成されているとさらに好適である。

上記タービン用翼において、前記第１冷却通路は、マルチホール、サーペンタイン冷却通路およびピンフィン冷却構造からなる群より選ばれた一つの冷却構造であるとさらに好適である。

本発明に係るガスタービンは、上記タービン用翼のいずれかを具備していることとなるので、ガスタービンの性能を向上させることができる。

本発明に係るタービン用翼の冷却方法は、内部に複数の第１冷却通路が翼軸方向に沿って穿設され、前記タービン用翼の先端には、シュラウドが前記タービン用翼と一体に形成され、前記シュラウドの内部には、プラグが上面側より挿入されて、前記シュラウドの内部に、前記第１冷却通路の軸方向視で該第１冷却通路の通路面積よりも大きい開口面積を有する空間が形成されるようにキャビティが形成されており、前記キャビティには、前記複数の第１冷却通路がそれぞれ連通するタービン用翼において、前記第１冷却通路に冷却空気を流す工程と、前記第１冷却通路の出口の端部で、翼端に向かって、かつ、前記キャビティに向かって末広がりとなるよう第１のテーパ部に冷却空気を流す工程と、前記第１のテーパ部から、前記キャビティに冷却空気を流す工程と、を含み、前記第１冷却通路の出口のテーパ部における出口圧損を低減するものである。
本発明に係るタービン用翼の冷却方法によれば、冷却通路の先端部にテーパ部が形成されており、これにより冷却通路を通過する冷却媒体の圧損が低減されることとなるので、翼根部に供給される冷却媒体の供給圧を低減させることができる。
また、翼根部に供給される冷却媒体の供給圧が低減されることにより、翼根部に形成された空洞からのシール洩れ空気量を低減させることができる。
さらに、冷却通路の先端部にテーパ部が形成されることにより、先端部の重量が軽減されることとなるので、翼根部に加わる遠心力を減少させることができる。
さらにまた、冷却通路の先端部にテーパ部が形成されることにより、冷却通路を通ってテーパ部に到達したゴミ等の異物は、外部に排出されることとなるので、冷却通路の先端部におけるゴミ詰まりを防止することができ、冷却性能の低下を防止することができる。

本発明によれば、翼根部に供給される冷却媒体の供給圧を低減させることができ、これによって、冷却空気の供給源を圧縮機のより低圧側に移すことができることから、圧縮機の動力を低減することができ、ガスタービンの性能を向上させることができるという効果を奏する。また、翼根部に形成された空洞からのシール洩れ空気量を低減させることができて、ガスタービンの性能を向上させることができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係るタービン用翼の縦断面図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 図１のＢ−Ｂ矢視断面図である。 図３のＣ−Ｃ矢視断面図である。 本発明に係るタービン用翼の作用効果を説明するための図であって、（ａ）は従来のマルチホールに生じる圧損を説明するための図、（ｂ）は本実施形態に係るマルチホールに生じる圧損を説明するための図である。 本発明の第２実施形態に係るタービン用翼の図であって、図４と同様の図である。

以下、本発明の第１実施形態に係るタービン用翼について、図１から図４を参照しながら説明する。
図１は本実施形態に係るタービン用翼の縦断面図、図２は図１のＡ−Ａ矢視断面図、図３は図１のＢ−Ｂ矢視断面図、図４は図３のＣ−Ｃ矢視断面図、図５は本実施形態に係るタービン用翼の作用効果を説明するための図であって、（ａ）は従来のマルチホールに生じる圧損を説明するための図、（ｂ）は本実施形態に係るマルチホールに生じる圧損を説明するための図である。

本実施形態に係るタービン用翼１は、例えば、燃焼用空気を圧縮する圧縮部（図示せず）と、この圧縮部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（図示せず）と、この燃焼部の下流側に位置し、燃焼部を出た燃焼ガスにより駆動されるタービン部（図示せず）とを主たる要素として構成されたガスタービンの、タービン部後方段に設置される翼高さの高い長大化されたタービン動翼に適用され得るものである。

図において、符号２はその先端のシュラウド、符号３はシュラウド２に設けられたフィンである。また、符号４はタービン用翼（以下「タービン動翼」という。）１の内部に穿設されたマルチホール（複数の第１冷却通路）、符号５はタービン動翼１の内壁に設けられたピンフィン、符号６は空胴７を支持するリブであり、符号８はハブ部、符号９は翼根部である。

図３に示すように、シュラウド２の内部には、２つのキャビティ１０，１１が独立して形成されており、キャビティ１０，１１にはそれぞれ、図４に示すように、プラグ（キャップ）１２が上面側より挿入されて、シュラウド２の内部に空間が形成されるようになっている。そして、キャビティ１０，１１には、マルチホール４がそれぞれ連通し、後述する冷却空気（冷却媒体）１３が供給されるようになっている。なお、冷却空気１３は圧縮部からの抽気空気を供給源としている（図示せず）。また、キャビティ１０，１１にはそれぞれ、対向する両側に向かって複数の冷却通路（第２冷却通路）１４が連通しており、冷却通路１４はそれぞれシュラウド２の両端面で開口し、これら開口から冷却空気１３が流出されるようになっている。

冷却空気１３は、図１において実線矢印で示すように、翼根部９より空胴７に流入し、ピンフィン５により熱伝達率を向上させて基部を冷却してマルチホール４を流れて先端部へ導かれる。先端部に導かれた冷却空気１３は、シュラウド２のキャビティ１０，１１に流入し、キャビティ１０，１１から各冷却通路１４を通り、シュラウド２２の両端面に形成された開口から流出して、シュラウド２の全体を冷却する。

また、タービン動翼１の先端には、インテグラル状をなすシュラウド２がタービン動翼１と一体に形成されている。シュラウド２は、タービン動翼１の先端から漏洩するガスを減少させるとともに、シュラウド２の端面を隣接するシュラウド２の端面に圧接させて一連のグループ翼を形成することにより、タービン動翼１の耐振動強度を向上させている。タービン動翼１には、回転軸方向と円周方向との２方向の振動が発生するが、シュラウド２の端面を図３に示すように斜めに形成することにより、両方向の振動が抑制される。また、シュラウド２には、タービン動翼１の先端部から漏洩するガスを減少させるためとケーシング側との接触を防止するため、一体鋳造や削り出し等により形成されたフィン３が設けられている。

さて、本実施形態に係るタービン動翼１は、図４に示すようなマルチホール４、すなわち、先端部（出口側の端部：出口部）にテーパ部（第１のテーパ部）１５を有するマルチホール４を備えている。テーパ部１５は、キャビティ１０（またはキャビティ１１）に向かって（その入口端からその出口端に向かって）末広がりとなるように（徐々に拡径するように）形成された円錐台形状を呈する部分であり、電解加工やドリル加工等によって施工される。また、テーパ部１５のテーパ角（マルチホール４の中心軸線Ｃ１とテーパ部１５の内壁面１６とのなす角）αは、５°〜１０°に設定されている。

図５（ａ）はテーパ部１５を有していない従来のマルチホール４Ａを示しており、図５（ｂ）はテーパ部１５を有する、本実施形態に係るマルチホール４を示している。
ここで、マルチホール４Ａの入口端、出口端、マルチホール４の入口端、およびテーパ部１５の入口端における断面積をＡ１、テーパ部１５の出口端における断面積をＡ２、マルチホール４Ａおよびマルチホール４の入口端における冷却空気１３の流速をＶ０、マルチホール４Ａの出口端およびテーパ部１５の入口端における冷却空気１３の流速をＶ１、テーパ部１５の出口端における冷却空気１３の流速をＶ２とする。
また、マルチホール４Ａ，４の中間部における冷却空気１３の流速をＶｍｉｄとし、マルチホール４Ａ，４の入口端における冷却空気１３の密度をγ０、マルチホール４Ａの出口端およびテーパ部１５の入口端における冷却空気１３の密度をγ１、マルチホール４Ａ，４の中間部における冷却空気１３の密度をγｍｉｄとする。
さらに、ζｉｎは、マルチホール４Ａ，４の入口端における圧損係数であり、ζｏｕｔは、マルチホール４Ａ，４の出口端における圧損係数であり、１．０である。ζｍｉｄは、マルチホール４Ａ，４の管摩擦圧損係数である。
これより、マルチホール４Ａ，４の全体の圧力損失（入口圧損＋管摩擦圧損＋出口圧損）をそれぞれΔＰＡ、ΔＰとすると、近似的に次の［数１］および［数２］で表すことができる。

ここで、ｇは重力加速度である。これより、ΔＰＡ、ΔＰとの差Δｐは出口圧損の差のみとなり、次の［数３］で表される。

また、流量が同じであれば、流速と断面積の関係は次の［数４］のように表される。

［数４］を用いて［数３］を書き直し、ζｏｕｔ＝１．０とすると、Δｐは次の［数５］のように表される。

これより、Ａ１＜Ａ２であることから、Δｐ＞０となり、マルチホール４の圧力損失係数はマルチホール４Ａの圧力損失より小さいことがわかる。その結果、Δｐだけマルチホール４の入口端における冷却空気１３の供給圧力を低減させることができるようになる。

本実施形態に係るタービン動翼１によれば、マルチホール４の先端部にテーパ部１５が形成されており、これによりマルチホール４を通過する冷却空気１３の圧損が低減されることとなるので、翼根部９に供給される冷却空気１３の供給圧を低減させることができ、ガスタービンの性能を向上させることができる。
また、冷却空気１３の供給圧を低減できることから、冷却媒体の供給源を圧縮部のより低圧側に移すことが可能となり、冷却空気１３を昇圧するための圧縮部の動力を低減することができ、ガスタービンの性能を向上させることができる。
また、翼根部９に供給される冷却空気１３の供給圧が低減されることにより、翼根部に形成された空洞からのシール洩れ空気量を低減させることができ、ガスタービンの性能をさらに向上させることができる。
さらに、マルチホール４の先端部にテーパ部１５が形成されることにより、先端部の重量が軽減されることとなるので、翼根部９に加わる遠心力を減少させることができる。
さらにまた、マルチホール４の先端部にテーパ部１５が形成されることにより、マルチホール４を通ってテーパ部１５に到達したゴミ等の異物は、キャビティ１０，１１内にスムーズに流入していくこととなるので、マルチホール４の先端部におけるゴミ詰まりを防止することができ、冷却性能の低下を防止することができる。

本発明の第２実施形態に係るタービン用翼について、図６を参照しながら説明する。図６は本実施形態に係るタービン用翼の図であって、図４と同様の図である。
本実施形態に係るタービン動翼２１は、図６に示すような冷却通路１４、すなわち、先端部（出口側の端部：出口部）にテーパ部（第２のテーパ部）２２を有する冷却通路２３を備えているという点で上述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。

テーパ部２２は、シュラウド２の端面に向かって（その入口端からその出口端に向かって）末広がりとなるように（徐々に拡径するように）形成された円錐台形状を呈する部分であり、電解加工やドリル加工等によって施工される。また、テーパ部２２のテーパ角（冷却通路２３の中心軸線Ｃ２とテーパ部２２の内壁面２４とのなす角）βは、５°〜１０°に設定されている。

本実施形態に係るタービン動翼２１によれば、冷却通路２３の先端部にテーパ部２２が形成されており、これにより冷却通路２３を通過する冷却空気１３の圧損が低減されることとなるので、翼根部９に供給される冷却空気１３の供給圧をさらに低減させることができ、ガスタービンの性能をさらに向上させることができる。
また、冷却空気１３の供給圧を低減できることから、冷却媒体の供給源を圧縮部のより低圧側に移すことが可能となり、冷却空気１３を昇圧するための圧縮部の動力を低減することができ、ガスタービンの性能をさらに向上させることができる。
また、翼根部９に供給される冷却空気１３の供給圧が低減されることにより、翼根部に形成された空洞からのシール洩れ空気量を低減させることができ、ガスタービンの性能をさらに向上させることができる。
さらに、冷却通路２３の先端部にテーパ部２２が形成されることにより、先端部の重量がさらに軽減されることとなるので、翼根部９に加わる遠心力をさらに減少させることができる。
さらにまた、冷却通路２３の先端部にテーパ部２２が形成されることにより、冷却通路２３を通ってテーパ部２２に到達したゴミ等の異物は、外部に排出されることとなるので、冷却通路２３の先端部におけるゴミ詰まりを防止することができ、冷却性能の低下を防止することができる。

また、図４および図６に示すように、シュラウド２のＲの位置、すなわち、翼本体先端部とシュラウド本体とを接続する（結合する）領域にテーパ部１５が形成されているとさらに好適である。
これにより、シュラウド２のＲの位置における肉厚を増加させることなく、シュラウド２のＲの位置における機械的強度を確保することができる。

なお、上述した実施形態において、マルチホール４、テーパ部１５、冷却通路２３、およびテーパ部２２の断面視形状は、製作の容易性を考慮すると円形状であることが好ましいが、本発明はこれに限定されるものではなく、楕円形状や多角形状等、如何なる形状であってもよい。
また、上述した実施形態では、マルチホール４とテーパ部１５とが、冷却通路２３とテーパ部２２とが、角部を介して接続されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、丸みを帯びたＲ部（または面取部）を介して滑らかに接続させることもできる。

また、上述した実施形態では、マルチホール４にテーパ部１５を設けた構成としているが、テーパ部１５を省略し、シュラウド２の冷却通路２３にテーパ部２２を設ける構成としても良い。
さらに、翼内部の冷却通路をマルチホール以外の構成、例えば、サーペンタイン冷却通路やピンフィン冷却構造などのその他の冷却構造としても良く、本実施例に限定されるものではない。
また、上述した実施形態では、冷却媒体を圧縮部からの抽気空気としたが、他の冷却媒体、例えば蒸気を冷却媒体とする蒸気冷却方式のガスタービンにおいても本発明は適用できる。例えばコンバインドプラントにおいて、ガスタービンの排熱によって蒸気を発生する排熱蒸気発生器からの蒸気を冷却媒体として使用する場合、使用する蒸気の圧力を低減できると共に、蒸気の使用量も低減できることから、プラント効率を向上させることができる。

１ タービン用翼
２ シュラウド
４ マルチホール（複数の第１冷却通路）
１３ 冷却空気（冷却媒体）
１５ テーパ部（第１のテーパ部）
２１ タービン用翼
２２ テーパ部（第２のテーパ部）
２３ 冷却通路（第２冷却通路）

Claims (10)

1. 内部に複数の第１冷却通路が翼軸方向に沿って穿設されたタービン用翼であって、
   前記タービン用翼の先端には、シュラウドが前記タービン用翼と一体に形成され、
   前記シュラウドの内部には、プラグが上面側より挿入されて、前記シュラウドの内部に、前記第１冷却通路の軸方向視で該第１冷却通路の通路面積よりも大きい開口面積を有する空間が形成されるようにキャビティが形成されており、
   前記キャビティには、前記複数の第１冷却通路がそれぞれ連通し、
   前記第１冷却通路の出口側の端部で、翼端に向かって、かつ、前記キャビティに向かって末広がりとなるように形成された第１のテーパ部が形成されていることを特徴とするタービン用翼。
2. 前記プラグの平面寸法は、前記キャビティの開口寸法よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のタービン用翼。
3. 翼端に、前記第１のテーパ部を通過し前記キャビティに流入し、前記キャビティから冷却媒体を周囲に流出させる複数の第２冷却通路を有するシュラウドが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のタービン用翼。
4. 前記第２冷却通路の出口側の端部に、前記シュラウドの端面に向かって末広がりとなるように形成された第２のテーパ部が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のタービン用翼。
5. 前記第１冷却通路の出口側の端部における圧損係数が１．０であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のタービン用翼。
6. 前記第１のテーパ部は電解加工またはドリル加工によって施工されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のタービン用翼。
7. 前記タービン用翼の先端部と前記シュラウドの本体とを接続する領域に前記テーパ部が形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のタービン用翼。
8. 前記第１冷却通路は、マルチホール、サーペンタイン冷却通路およびピンフィン冷却構造からなる群より選ばれた一つの冷却構造であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のタービン用翼。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載のタービン用翼を備えてなることを特徴とするガスタービン。
10. 内部に複数の第１冷却通路が翼軸方向に沿って穿設され、
    前記タービン用翼の先端には、シュラウドが前記タービン用翼と一体に形成され、
    前記シュラウドの内部には、プラグが上面側より挿入されて、前記シュラウドの内部に、前記第１冷却通路の軸方向視で該第１冷却通路の通路面積よりも大きい開口面積を有する空間が形成されるようにキャビティが形成されており、
    前記キャビティには、前記複数の第１冷却通路がそれぞれ連通するタービン用翼において、
    前記第１冷却通路に冷却空気を流す工程と、
    前記第１冷却通路の出口の端部で、翼端に向かって、かつ、前記キャビティに向かって末広がりとなるよう第１のテーパ部に冷却空気を流す工程と、
    前記第１のテーパ部から、前記キャビティに冷却空気を流す工程と、を含み、
    前記第１冷却通路の出口のテーパ部における出口圧損を低減することを特徴とするガスタービン用翼の冷却方法。

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