JP6216618B2 - ガスタービン翼の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン翼の製造方法に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２００７−２９２００６号公報（特許文献１）がある。この公報には、「内部に冷却通路を備え、前記冷却通路の翼後縁側の腹側壁面と翼後縁側の背側壁面に凸部または前記両壁面をつなぐ部分（例えば翼後縁側腹側壁面から翼後縁側背側壁面にのびる円筒状のピンフィン）を複数有するタービン翼において、前記凸部または翼後縁側の前記両壁面をつなぐ部分は、翼後縁側の前記壁面上の位置により流路抵抗を異ならしめるように配置して効率的な冷却が行えるようにしつつ、冷却媒体の必要量を低減する。」と記載されている（要約参照）。

特開２００７−２９２００６号公報

ガスタービンを高効率化するための課題のひとつに冷却空気量の削減がある。この課題に対してガスタービン冷却構造の改良の観点からは、ガスタービン動翼の後縁部において、径方向の冷却空気の流量を調整することに加え、さらに少ない空気でも伝熱性能を維持、もしくは向上させる技術が解決策となりうる。

また、ガスタービン翼の冷却空気量は、例えば、翼のメタル温度が許容値を満足するように決められる場合があり、翼のメタル温度およびその許容値はガスタービン本体の仕様や、翼を形成する金属材料の特性や、翼外表面に設けられた遮熱コーティングの特性など種々の要因によって決まる。高い冷却性能を得る為には、冷却空気量に応じた適切な内部冷却構造とすることが望ましいが、細かな仕様の違いに応じて冷却構造を再設計し製作することはコストの増加を招く。

ガスタービン動翼の後縁側の内部冷却構造として、ピンフィンが備えられたピンフィン冷却通路が使われる場合がある。ピンフィンは、翼後縁のような高さが狭い通路にも設置可能であり、また、翼の腹側と背側を接続しているため強度的にも優れた構造である。特許文献１には、後縁ピンフィン冷却通路の冷却性能を調整するための仕組みが記載されている。

しかし、前記特許文献１に記載の技術は、冷却空気量の配分調整に限定された技術であり、少ない空気量で伝熱性能を向上させるような技術は開示されていない。また、前記特許文献１に記載の技術では、冷却空気量に応じた形状最適化を低コスト化するという観点については開示されていない。

そこで、本発明は、径方向の冷却空気量を適切に調整し、さらに伝熱性能を向上させる後縁冷却構造を備え、さらに仕様の違いに応じて低コストで冷却構造を調整可能なガスタービン翼の製造方法を提供する。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、冷却通路の一部であるピンフィン通路を形成するための複数のピンフィン形成孔が形成された中子を用いたガスタービン翼の製造方法であって、円柱状のピンフィンを形成するピンフィン形成孔が規則的な千鳥配列で形成されたベース形状の中子を用意する工程、前記冷却通路に供給する冷却空気量に応じて、一部に長円型のピンフィンが形成されるように前記中子の隣接する前記ピンフィン形成孔同士の間を接続するブリッジ部を追加工により形成する工程と、前記ブリッジ部を形成した中子を用いて鋳造を行なう工程とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、径方向の冷却空気量を適切に調整し、さらに伝熱性能を向上させる後縁冷却構造を備え、さらに仕様の違いに応じて低コストで冷却構造を調整可能なガスタービン翼の製造方法を提供することができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例１に係るタービン翼の構成図の例である。 実施例１に係るタービン翼の構成図の例である。 実施例１に係るタービン翼の構成図の例である。 実施例１に係るタービン翼の構成による効果の説明図。 実施例１に係るタービン翼を製造するための中子の例である。 実施例２に係るタービン翼の構成図の例である。 実施例３に係るタービン翼の構成図の例である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

図２は、本発明の第１の実施の形態に係るタービン翼をガスタービンのロータと同心の円筒面で切断した断面を表す周方向断面図である。また、図３は第１の実施の形態に係るタービン翼をガスタービンのロータの回転中心を通り径方向に延びる面で切断した断面を表す径方向断面図である。本実施例のタービン翼１はシャンク部２と翼部３とを備えており、この翼部３が高温高圧のガスに曝される。

タービン翼１は中空であり、高温高圧のガスに曝される翼部３の内部には隔壁１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅとタービン翼腹側面１３とタービン翼背側面１４によって囲まれた冷却通路４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、４ｇが形成される。それぞれの冷却通路４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、４ｇは転向部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄによって接続され蛇行型冷却通路６、７となる。

本実施例のタービン翼１の内部には蛇行型冷却通路が２系統あり、ひとつは前縁側冷却空気供給孔８から冷却通路４ａ、４ｂ、４ｃと転向部５ａ、５ｂを通過し、吹き出し孔１１へと至る前縁側蛇行型冷却通路６であり、もう1つは、後縁側冷却空気供給孔から冷却通路４ｄ、４ｅ、４ｆと転向部５ｃ、５ｄを経て、略円柱状のピンフィン２０と呼ばれる冷却構造の設置された翼後縁冷却通路４ｇへと至る後縁側蛇行型冷却通路７である。

また、蛇行型冷却通路６、７内には乱流促進リブ１２が設置されている。乱流促進リブ１２の形状として平行リブを例示したが、これはリブ形状を限定するものではない。リブは形状によってリブ設置面の熱伝達率が変化するため、熱負荷に応じて適切な形状のリブを配置することが望ましい。

また、本実施例のタービン翼１は、例えば、ロストワックス精密鋳造により、形成しようとする蛇行型冷却通路６、７に対応する形状のセラミックス製の中子を用いて製造する。また、このセラミックス製の中子は蛇行型冷却通路６、７に対応する形状の金型内に、セラミックスを含む材料を射出形成し、焼結することにより製作される。また、焼結された中子はバリや、焼結前の成型体の強度維持のための補強構造などを有しており。これらが手作業によって除かれる場合がある。

この蛇行型冷却空気通路６、７を流れる冷却空気は冷却空気供給孔８、９から供給される。この冷却空気供給孔８、９の前にはオリフィスプレート(図示していない)が設けられており、オリフィス径によって冷却空気量を調整している。なお、タービン翼１に供給される冷却媒体には、例えば、圧縮機から抽気した圧縮空気が利用される。

冷却空気供給孔８、９より翼内部に流入した冷却空気は蛇行型冷却通路６、７に沿って、冷却通路４ａ、４ｄでは翼根元側から翼先端側へ、冷却通路４ｂ、４ｅでは翼先端側から翼根元側へ、冷却通路４ｃ、４ｆでは翼根元側から翼先端側へと流れる。そして、冷却空気通路４ｆを流れた冷却空気は吹き出し孔１１から翼外へと径方向に放出される。後縁側蛇行型冷却通路７を流れた冷却空気は、冷却通路４fとピンフィン流路４ｇにおいて略９０度転向し、翼後縁方向１８へと流れの向きを変え放出される。また、いずれの流路においても冷却空気の圧力は、乱流促進リブ１２やピンフィン２０、転向部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄでの圧力損失のため流下とともに徐々に減少する。

図１にピンフィン通路４ｇ付近の拡大図を示す。ピンフィン通路４ｇには、腹側冷却面１３と背側冷却面１４を接続する円柱状のピンフィン２０が千鳥状に複数設けられている。また、ピンフィン通路４ｇの翼根元側方向１７は長円型ピンフィン２１が設けられている。

長円型ピンフィン２１を備えることによる効果を図４を用いて説明する。図４（ａ）はピンフィン２０のみによるピンフィン通路４ｇであり、図４（ｂ）は長円型ピンフィン２１を備えたピンフィン通路４ｇである。

図４（ａ）に示す構成では、冷却通路４ｆ内での圧力降下により、翼外周側方向１６に向かって、ピンフィン通路４ｇ内の翼後縁側圧力勾配が減少する。そのため、翼外周側の冷却空気流量が翼根元側に比べて減少し、翼外周側の冷却性能が不足する場合があった。一方、図４（ｂ）に示す構成では、長円型ピンフィン２１が、ピンフィン通路４ｇが接続する蛇行流路である冷却通路４ｆにとっての上流側にあたる領域に配置されている。そのため、長円型ピンフィン２１により翼根元側通路の流動抵抗を増加させることができる。これにより、翼外周側の冷却空気量を増加させ、冷却性能を調整することができる。

また、図４（ａ）に示す構成では、冷却空気流２２は冷却通路４ｆからピンフィン通路４ｇに流入する際に、転向しきれず、ピンフィン間を斜めに流下する場合がある。ピンフィン通路４ｇはピンフィン２０の千鳥状配置により冷却空気流れを蛇行させ、乱流化を促進することで伝熱性能を向上させる形状であるが、このような場合には、効果が低減してしまう。一方、図４（ｂ）に示す構成では、冷却空気流２２を長円型ピンフィン２１で大きく転向させることでピンフィン通路４ｇに流入する流れの向きを適正化し、伝熱性能を向上させることができる。

このように、ピンフィン通路４ｇの翼根元側に長円型ピンフィン２１を備えることにより、翼外周側への冷却空気の割合が増加して翼根元側の冷却空気量が減少するが、流入方向の適正化による伝熱促進作用により、冷却空気量の削減による伝熱性能低下を補うことができる。

また、タービン翼１の冷却空気量は、例えば、翼のメタル温度が許容値を満足するように決められる場合があり、翼のメタル温度、およびその許容値は、ガスタービン本体の仕様や、タービン翼１を形成する金属材料の特性や、翼外表面に設けられた遮熱コーティングの特性など種々の要因によって決められる。そのため、ガスタービンの仕様変更時に、タービン翼の形状はそのままで、材料や遮熱コーティングを変更することで許容メタル温度を上昇させ、冷却空気量を削減して使用することがある。

さらに、ガスタービンの仕様、特に燃焼温度に応じて冷却空気量を適正化するために、同一の翼形状であっても冷却空気量を変化させて使用する場合がある。

高い冷却性能を得る為には、冷却空気量に応じた適切な内部冷却構造とすることが望ましい。例えば図４（ａ）に示す構成においては、ピンフィン通路４ｇの冷却空気量を減らすと、径方向に均一に冷却空気量が減るのではなく、翼外周側の冷却空気量がより多く減る傾向を示す。このため、外周側のメタル温度がボトルネックとなり、冷却空気量の削減が制限されてしまう。一方で、細かな仕様の違いに応じて冷却構造を大きく変更することは、製造コストの増加を招いてしまう。

ここで、冷却構造に関する製造コストは、前述の中子の射出形成用の金型の大きな変更を伴う場合に特に増加する。よってこの金型の修整を小さく留めるか、もしくは金型の修整なしに冷却構造を変更できることが望ましい。

そこで、本実施例では、タービン翼製造に用いる中子の修整を小さく抑えたまま、上記の冷却性能の調整効果が得られるよう、ベース形状として翼根元側の円柱状のピンフィン２０を規則的な千鳥配列としておき、冷却空気量に応じて、長円型ピンフィン２１が形成されるように中子を修整して使用する点を特徴としている。ピンフィンを規則的な千鳥配列とすることで、長円化したピンフィンの数に応じて流動抵抗が規則的に増加することになるため、流量調整設計が行いやすくなる。また、将来的な冷却空気削減量を見越して、翼根元側からどの程度の範囲を規則的に並べておくかを決定しておくことが望ましい。

本実施例による、タービン翼１を製造する際の中子を図５に示す。図５（ａ）はベース形状であり、図５（ｂ）は例えば冷却空気削減による冷却構造の調整を行った後の形状である。図５（ｃ）は、図５（ｂ）によって製造されるタービン翼１よりもさらに冷却空気量を削減したタービン翼１を製造するための中子の例である。長円型ピンフィン２１は、ピンフィン２０に対応するピンフィン形成孔２５同士の間をつなぐブリッジ部２６を後加工（追加工）などにより切削することで形成できる。また、後加工によらない場合は、ブリッジ部２６に対応する部分の金型に肉盛溶接することで容易に修整することができる。

このような手法により製作したタービン翼１は、長円型ピンフィン２１が形成されることによる前述の翼根元側空気量の削減により、減少しがちな翼外周側の冷却空気量確保に貢献し、さらに翼根元側の伝熱性能を向上させ、冷却空気量の削減による伝熱性能低下を相殺することができるため、より大きな冷却空気削減を可能とする。さらに、ベース形状からの修整が少ない為、低コストで冷却空気量に応じて適切な冷却構造を得ることができる。

なお、図１では、翼根元側より１０個の長円型ピンフィン２１を設けるように記載したが、長円型ピンフィンを設ける場所は冷却空気量に応じて適切に設定することが望ましい。

以上のように、本実施例によれば径方向の冷却空気量を適切に調整し、さらに伝熱性能を向上させ、さらに仕様の違いに応じて低コストで冷却構造を調整可能なガスタービン翼、およびそれを有するガスタービンを提供することができる。

本実施例では、冷却空気削減時の冷却性能を改善可能なタービン翼の例を説明する。図６は、実施例２におけるタービン翼１を示す図である。

図６に示す本実施例のタービン翼１は、図１に示した第１の実施例に係るタービン翼１に対し、翼外周側に翼端冷却孔２７を設けるように構成したものである。その他の構成は、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有するので、それらの説明は省略する。

本実施例に係るタービン翼１では、翼根元側に長円型ピンフィン２１を設けるとともに翼端部に翼端冷却孔２７を設けたことを特徴とする。

実施例１と同様に、長円型ピンフィンによる流動抵抗の増加により、翼外周側方向１６への流量を増加させるとともに、翼外周部の翼端冷却孔２７により翼外周側の冷却孔の開口面積を増加させることで、より多くの冷却空気を外周側へ導くことができる。

さらに、翼端冷却孔２７から噴出する空気は、フィルム冷却空気としてタービン翼１を冷却する効果を示すため、翼外周側の冷却性能をより高めることができる。

また、翼端冷却孔２７は、精密鋳造後、放電加工など、後加工にて設けることができ、金型修整など大きな冷却設計の変更を必要としないため、低コストに翼を改良可能である。

以上のように、本実施例によれば径方向の冷却空気量を適切に調整し、さらに伝熱性能を向上させ、さらに仕様の違いに応じて低コストで冷却構造を調整可能なガスタービン翼、およびそれを有するガスタービンを提供することができる。

本実施例では、冷却空気削減時の冷却性能を改善可能なタービン翼の例を説明する。図７は、実施例３におけるタービン翼１を示す図である。

図７は実施例１に記載の技術をタービン静翼に適用した場合の一例である。その他の構成は、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有するので、それらの説明は省略する。

本実施例によるタービン翼１では、ピンフィン通路４ｇに長円型ピンフィン２１を設け、さらにフィルム冷却孔２８を備えたことを特徴とする。

タービンの静翼は、ガスタービン燃焼器との位置関係により大きく熱条件が変化する。例えば、燃焼器ホットストリークとぶつかる静翼はメタル温度が特に高くなり、環状に設置された複数の静翼間で求められる冷却性能が異なる。

ガスタービンで使用される冷却空気を削減するためには、このガスタービンの周方向について生じる不均一な条件に応じて適切な冷却構造をとることが望ましい。

ここで、フィルム冷却孔２８を備えた静翼において、冷却空気を削減すると、タービン翼内部の冷却空気圧力が減少し、フィルム冷却空気孔２８から噴出する冷却空気量が減少し、さらには主流の高温な空気が逆流する場合がある。

そこで、本実施例においては、必要な冷却空気量に応じて、ピンフィン通路４ｇのピンフィンを長円型ピンフィン２１に変更して流動抵抗を増加させることにより、冷却空気を削減した際の翼内部の冷却空気圧力の減少を抑制している。

そして、ガスタービンの周方向位置によって図７の（ａ）や（ｂ）のような異なる数の長円型ピンフィンを有する静翼を配置することにより、ガスタービンの周方向について生じる不均一な条件に対応した冷却を実現する事が可能である。

また、実施例１及び実施例２と同様に、タービン翼製造に用いる中子の修整を小さく抑えたまま、上記の冷却性能の調整効果が得られるよう、ベース形状として、ピンフィンを規則的な千鳥配列としておき、冷却空気量に応じて、中子を修整し使用するように構成している。これにより、周方向に不均一な構造を１つの金型で射出形成された中子により製造することが可能となり、コストを低減することが可能である。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

1…タービン翼、2…シャンク部、3…翼部、4a，4b，4c，4d，4e，4f…冷却通路、4g…後縁冷却通路、5a，5b，5c，5d…転向部、6…前縁側蛇行型冷却通路、7…後縁側蛇行型冷却通路、8…前縁側冷却空気供給孔、9…後縁側冷却空気供給孔、10a，10b，10c，10d，10e…隔壁、11…冷却空気吹き出し孔、12…乱流促進リブ、13…タービン翼背側、14…タービン翼腹側、16…先端側方向、17…翼根元側方向、18…翼後縁側方向、19…吹き出し孔、20…ピンフィン、21…長円型ピンフィン、22…冷却空気流、25…ピンフィン形成孔、26…ブリッジ部、27…翼端冷却孔

Claims (1)

1. 冷却通路の一部であるピンフィン通路を形成するための複数のピンフィン形成孔が形成された中子を用いたガスタービン翼の製造方法であって、
   円柱状のピンフィンを形成するピンフィン形成孔が規則的な千鳥配列で形成されたベース形状の中子を用意する工程、
   前記冷却通路に供給する冷却空気量に応じて、一部に長円型のピンフィンが形成されるように前記中子の隣接する前記ピンフィン形成孔同士の間を接続するブリッジ部を追加工により形成する工程と、
   前記ブリッジ部を形成した中子を用いて鋳造を行なう工程とを備えたことを特徴とするガスタービン翼の製造方法。