JPH0693802A

JPH0693802A - ガスタ−ビン静翼

Info

Publication number: JPH0693802A
Application number: JP24462092A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Chiba; 哲也千葉; Isao Takehara; 竹原　　勲
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-09-14
Filing date: 1992-09-14
Publication date: 1994-04-05

Abstract

(57)【要約】【目的】冷却ガス流量を多くすることなく、インピン
ジ冷却及びフィルム冷却効果を効率良く行う。【構成】静翼壁板２０に形成されるフィルム冷却孔３
０の流路が屈曲していると共に、その屈曲箇所に拡張空
間３５が形成されている。拡張空間３５には、静翼壁板
２０の内表面２１から拡張空間３５までの入口側流路３
１を通過してきた冷却ガスＧcの流れに対向し、且つ冷
却ガスＧcの流れを乱す対向面３６が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、静翼壁板に形成されて
いるフィルム冷却孔から該静翼壁板の外側に冷却ガスを
噴出するガスタービン静翼に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、ガスタービンの第１段静翼
は、高温ガスに直接接触するほか、燃焼器からの熱放射
を受けるために、空気等で冷却する必要がある。このた
め、従来においては、例えば、図１３及び図１４に示す
ように、翼内の中空コアプラグ１に複数のインピンジ冷
却孔２，２，…を形成して、このインピンジ冷却孔２か
ら翼壁板３の内表面３ａに冷却ガスＧcを吹き付けると
共に、翼壁板３に直線的な流路のフィルム冷却孔４を形
成して、ここから冷却ガスＧcを吹き出して翼壁板３の
外表面３ｂに空気の膜（フィルム）を形成するものがあ
る。

【０００３】また、フィルム冷却孔の構造としては、例
えば、特開昭６２−１６５５０４号公報や特開昭６２−
１６８９０３号公報に記載されているものがある。前者
のものは、フィルム冷却孔の流路中に、円筒上の拡張空
間を形成し、この拡張空間内で冷却ガスを旋回させた
後、翼壁板の外表面に噴出するというものである。後者
のものは、フィルム冷却孔の流路を屈曲させ、翼壁板の
外表面に沿って冷却ガスが噴出されるようにしたもので
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】フィルム冷却効率η
は、一般的に、図１０に示すように、高温の作動ガスＧ
gと冷却ガスＧcの質量流量比Ｍに大きく影響される。な
お、フィルム冷却効率ηは、作動ガスＧgの温度をＴg、
冷却ガスＧcの温度をＴc、断熱壁温度Ｔadを、とする
と、(数１）のように表すことができる。

【０００５】 η＝（Ｔg−Ｔad）／（Ｔg−Ｔc）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(数１）また、質量流量比Ｍは、作動ガスＧgの流速をＶg、作動
ガスＧgの密度をρ_g、冷却ガスＧcの噴出速度をＶ_C3、
冷却ガスＧcの密度をρ_C3、とすると、(数２)のように
表すことができる。Ｍ＝（ρ_g・Ｖg）／（ρ_C3・Ｖ_C3）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(数２）ところで、フィルム冷却孔は、図１２に示すように、静
翼の背側では、最も圧力が低い位置に設けられている。
これは、最も圧力が低い位置、つまりタービン作動ガス
Ｇgの流速が最も速い位置が、最も入熱量が多くなるか
らである。なお、同図において、縦軸は、静翼上流端の
圧力Ｐ₀₁と該当部分の圧力Ｐとの比Ｐ／Ｐ₀₁で、横軸
は、静翼の上流端から下流端までの幅Ｃと上流端から該
当部分までの幅Ｘとの比Ｘ／Ｃである。また、静翼の腹
側にも、図１４に示すように、フィルム冷却孔５が設け
られているが、ここは、図１２に示すように、比較的圧
力が高いので、コアプラグ１内の圧力は、少なくとも、
この静翼の腹側部分の圧力よりも高くなければ、腹側の
フィルム冷却孔５から冷却ガスＧcを噴出させることが
できないばかりか、インピンジ冷却孔２からも冷却ガス
Ｇcを噴出させることができず、インピンジ冷却を行う
ことができなくなる。

【０００６】一般的に、冷却ガスＧcの噴出流速Ｖ
_C3は、フィルム冷却孔４の入口部分の圧力Ｐ_C1と出口部
分の圧力Ｐ_C3と差に依存する。このため、以上のよう
に、背側のフィルム冷却孔４において、コアプラグ１内
の圧力が高く、冷却ガス噴出側（外側）の圧力が低く
て、静翼壁板３の内側と外側との圧力差が大きいと、冷
却ガスＧcの噴出速度Ｖ_C3は大きくなりがちである。し
たがって、従来の直線的な流路のフィルム冷却孔４で
は、噴出速度Ｖ_C3が大きくなるため、（数２）に示すよ
うに、質量流量比Ｍが大きくなり、図１０に示すよう
に、高いフィルム冷却効果を得ることができない。（図
１０のフィルム冷却効率曲線において、従来のフィルム
冷却効率を表す点をＡ点として示す。）すなわち、フィ
ルム冷却効果を高めるために、コアプラグ１内の圧力を
低くして、冷却ガスＧcの噴出速度Ｖ_C3を低下させよう
とすると、インピンジ冷却を十分に行うことができなく
なり、逆に、インピンジ冷却を十分に行うために、コア
プラグ１内の圧力を高くすると、フィルム冷却孔から噴
出する冷却ガスＧcの噴出速度Ｖ_C3が高まり、フィルム
冷却効果が低下してしまう。

【０００７】特開昭６２−１６５５０４号公報に記載さ
ているものでも、円筒状の拡張空間の中では旋回流が生
じてしまうので、フィルム冷却孔の流路に入った冷却ガ
スは、このような拡張空間では流速を落すことができ
ず、前述したように、高いフィルム冷却効果を得ること
ができない。また、特開昭６２−１６８９０３号公報に
記載されているものでも、フィルム冷却孔の流路中の屈
曲箇所において、流路内の冷却ガスの流れ方向が変わる
ものの、単に、屈曲箇所で冷却ガスの流れ方向が変わる
だけでは、冷却ガスの流速を減衰させることはできず、
結局、高いフィルム冷却効果を得ることができない。

【０００８】ところで、フィルム冷却効果を高めるため
には、フィルム冷却孔の流路面積を大きくして、冷却ガ
ス流量を多くすることが考えられるが、これでは、ガス
タービン内に供給される冷却ガス量が多くなり、ガスタ
ービン全体の熱効率を下げることになるので、これは避
けるべきである。以上のように、従来技術では、冷却ガ
ス流量を多くすることなく、インピンジ冷却及びフィル
ム冷却効果を共に効率良く行うことができないという問
題点がある。

【０００９】そこで、本発明の目的は、冷却ガス流量を
多くすることなく、インピンジ冷却を確実に行えると共
に、フィルム冷却効果を高めることができるガスタービ
ン静翼を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
のガスタービン用静翼は、静翼壁板に形成されるフィル
ム冷却孔の流路が屈曲していると共に、その屈曲箇所に
拡張空間が形成され、該拡張空間には、その内表面から
前記拡張空間までの入口側流路を通過してきた冷却ガス
の流れに対向し、且つ該冷却ガスの流れを乱す対向面が
形成されていることを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】冷却ガスがフィルム冷却孔の入口側流路から拡
張空間内に流入すると、対向面に衝突して流れが乱れ
る。この流れが乱れた状態で、冷却ガスが一時的に拡張
空間に滞留すると、冷却ガス流速が減衰し、拡張空間出
口における冷却ガス流速はほとんど０になる。すなわ
ち、拡張空間に流入してきた際の動圧分のエネルギーが
拡張空間により取り除かれてしまう。このため、冷却ガ
スの噴出速度は、翼壁板の内側と外側との圧力差に依存
せず、拡張空間から外側表面までの条件で決定してしま
うことになる。また、冷却ガスの拡張空間流入量（＝冷
却ガスの噴出流量）は、入口側流路の断面積とこの流路
における流速（翼壁板内側の圧力と拡張空間内の圧力に
依存する。）によって定まる。

【００１２】したがって、翼壁板の内側と外側との圧力
差に関係なく、出口側流路の出口端の流路面積を調整す
ることにより、フィルム冷却効率が最大となるような噴
出速度を得ることができる。このため、コアプラグ内の
圧力を高くしてインピンジ冷却を確保することができる
と共に、フィルム冷却効果を高めることができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の各種実施例について、図面を
用いて説明する。まず、第１の実施例について説明す
る。

【００１４】ガスタービン静翼は、図２に示すように、
中空のコアプラグ１０，１５と、このコアプラグ１０，
１５を覆う翼壁板２０とを有して構成されている。コア
プラグ１０，１５には、図１に示すように、内側から外
側へ貫通する複数のインピンジ冷却孔１１，１１，…が
形成されている。また、翼壁板２０には、その背側部分
及び腹側部分に内側から外側へ貫通する複数のフィルム
冷却孔２４，３０が形成されている。

【００１５】背側部分のフィルム冷却孔３０は、図１に
示すように、その流路の途中で屈曲しており、この屈曲
箇所に拡張空間３５が形成されている。翼壁板２０の内
側表面２１から拡張空間３５までの入口側流路３１は、
翼壁板２０の内側表面２１に対してほぼ直角に形成さ
れ、拡張空間３５から翼壁板２０の外側表面２２までの
出口側流路３２は、翼壁板２０の外側表面２２に対して
３０°以下で、且つここから噴出する冷却ガスＧcが静
翼の下流方向に向くように形成されている。また、出口
側流路３２は、その出口端における流路面積Ｓoutが入
口側流路の流路面積Ｓinよりも大きくなるよう形成され
ている。拡張空間３５は、直方体形状を成しており、そ
の一の面（対向面）３６と入口側流路３１の流路方向と
がほぼ直角になるよう形成されている。

【００１６】次に、本実施例の作用について説明する。
ガスタ−ビン圧縮機により加圧された空気は、冷却ガス
Ｇcとして、静翼のコアプラグ１０，１５内に供給され
る。冷却ガスＧcは、コアプラグ１０，１５に形成され
ているインピンジ冷却孔１１，１１，…からコアプラグ
１０，１５外に噴出し、翼壁板２０の内表面２１に衝突
する。この衝突噴流により翼壁板２０は冷却される。翼
壁板２０を冷却した冷却ガスＧcは、熱を吸収してある
程度温度が上昇し、翼壁板２０に形成されているフィル
ム冷却孔３０，３０，…から翼外に噴出し、高温の作動
ガスＧgと翼壁板２０の外側表面２１との間に低温のガ
ス膜を形成して、静翼を冷却している。

【００１７】ここで、フィルム冷却孔３０からの冷却ガ
ス噴出速度Ｖ_C3について、ここで説明する。例えば、前
述した特開昭６２−１６８９０３号公報に記載されてい
るものや、図５に示すように、フィルム冷却孔の流路を
単に屈曲させものにおける各位置の流速と圧力との関係
は、ベルヌーイの定理により、（数３）に示すように表
すことができる。

【００１８】Ｐ_A1＝Ｐ_A2＋ρ_A2・Ｖ_A2 ²／２＝Ｐ_A3＋ρ_A3・Ｖ_A3 ²／２・・・・・・(数３）Ｐ_A1；翼壁板の内側圧力、Ｐ_A2；屈曲箇所の圧力、
ρ_A2；屈曲箇所の冷却ガス密度、Ｖ_A2；屈曲箇所の流
速、Ｐ_A3；翼壁板の外側圧力、ρ_A3；噴出冷却ガスの密
度、Ｖ_A3；噴出冷却ガスの流速。

【００１９】この（数３）を冷却ガス噴出速度Ｖ_A3でま
とめると、（数４）に示すようになり、結局、冷却ガス
噴出速度Ｖ_A3は、翼壁板の内側と外側との圧力差（Ｐ_A1
−Ｐ_A3）に依存してしまい、冷却ガス噴出速度Ｖ_A3を十
分に落すことができない。Ｖ_A3＝ｆ（Ｐ_A1−Ｐ_A3）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(数４）一方、本実施例のように、屈曲部分に拡張空間３５を設
けた場合の各位置の流速と圧力との関係は、（数５）及
び（数６）に示すように表すことができる（図４参照の
こと。）。

【００２０】Ｐ_C1＝Ｐ_C2＋ρ_C2・Ｖ_C2 ²／２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(数５）Ｐ_C2＝Ｐ_C3＋ρ_C3・Ｖ_C3 ²／２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(数６）Ｐ_C1；翼壁板の内側圧力、Ｐ_C2；拡張空間内の圧力、ρ
_C2；拡張空間内の冷却ガス密度、Ｖ_C2；拡張空間内の流
速、Ｐ_C3；翼壁板の外側圧力、ρ_C3；噴出冷却ガスの密
度、Ｖ_C3；噴出冷却ガスの流速。

【００２１】入口側流路２１から拡張空間３５に冷却ガ
スＧcが入った瞬間の流速Ｖ_C2は、（数５）を満足する
値の流速であるが、その後、冷却ガスＧcが拡張空間３
５の対向面３６に衝突して、流れの向きが急激に変わ
り、拡張空間３５内で流れが乱れてしまうと、流速が急
激に減衰してしまい流速がほとんどなくなってしまう。
すなわち、拡張空間３５の出口においては、（数５）に
示す動圧の項（ρ_C2・Ｖ_C ₂ ²／２）が０となり、冷却ガス
噴出速度Ｖ_C3は、（数６）及び（数７）に示すように、
拡張空間３５内の圧力と翼壁板２０の外側圧力との圧力
差（Ｐ_C2−Ｐ_C3）に依存することになる。Ｖ_C3＝ｆ（Ｐ_C2−Ｐ_C3）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(数７）一方、フィルム冷却孔の流路を単に屈曲させた場合に
は、屈曲部分で冷却ガスＧcの流れ方向を変えることが
できるものの、流速を減衰させるためのバッファー空
間、つまり拡張空間３５がないので、流速は低下せず、
（数３）に示す動圧の項（ρ_A2・Ｖ_A2 ²／２）を０にする
ことができず、前述したように、翼壁板の内側と外側と
の圧力差（Ｐ_A1−Ｐ_A3）に依存してしまう。

【００２２】拡張空間３５内の圧力Ｐ_C2は、図６に示す
ように、翼壁板２０の内側圧力Ｐ_C1（＝Ｐ_A1）よりも、
当然低いから、拡張空間３５内と翼壁板２０の外側との
圧力差（Ｐ_C2−Ｐ_C3）は、翼壁板２０の内側と外側との
圧力差（Ｐ_C1−Ｐ_C3）（＝（Ｐ_A1−Ｐ_A3））よりも小さ
くなる。したがって、単にフィルム冷却孔の流路を屈曲
させて翼壁板の内側と外側との圧力差（Ｐ_A1−Ｐ_A3）に
流速が依存してしまうものより、本実施例のように拡張
空間３５を設けて拡張空間３５内と翼壁板２０の外側と
の圧力差（Ｐ_C2−Ｐ_C3）に流速が依存するものの方が、
冷却ガス噴出速度Ｖ_C3を低下させることができる。

【００２３】なお、図６に示すように、フィルム冷却孔
３０の流路内における圧力降下量を大きくすべく、単
に、フィルム冷却孔の流路に、例えば、オリフィス等の
抵抗を設けても、本実施例と同様の効果を得ることがで
きない。これは、オリフィスにより、圧力を低下させる
ことはできるものの、逆に動圧が増加してしまうからで
ある。

【００２４】また、拡張空間３５内に流入する冷却ガス
Ｇcの流量Ｑinを拡張空間３５内に流入した直後の流速
Ｖ_C2と入口側流路３１の断面積Ｓinとで表すと、（数
８）に示すように、表すことができる。Ｑin＝Ｖ_C2・Ｓin＝Ｑout・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(数８）この流量Ｑinは、当然、冷却ガスＧcの噴出流量Ｑoutに
等しい。

【００２５】一方、出口側流路３２の出口流速（噴出速
度Ｖ_C3）は、翼壁板２０の内側と外側との圧力差に依存
せず、拡張空間３５から外側表面２２までの条件で決定
してしまうので、入口側流路３１の流路面積Ｓinに対す
る出口側流路３２の流路面積Ｓoutを変えることによ
り、冷却ガス噴出速度Ｖ_C3を自由に調整することができ
る。そこで、（数２）に示す質量流量比Ｍが小さくなっ
て、図１０に示すフィルム冷却効率ηが最大となるよう
に（同図中、フィルム冷却効率ηが最大となる点をＢ点
として示す。）、入口側流路３１の流路面積Ｓinに対す
る出口側流路３２の流路面積Ｓoutを大きくすることに
より、フィルム冷却効果を高めることができる。

【００２６】また、本実施例では、フィルム冷却効率η
に影響のある冷却ガス噴出速度Ｖ_C3が翼壁板２０の内側
と外側との圧力差（Ｐ_C1−Ｐ_C3）に依存しないので、コ
アプラグ１０内の圧力を高めることができ、インピンジ
冷却を十分に行うことができる。したがって、冷却ガス
の流量を増加させることなく、図１１に示すように、静
翼を冷却することができる。なお、同図中、実線が本実
施例を示しており、破線が図１３及び図１４の従来例を
示している。

【００２７】次に、本発明に係るガスタービン静翼の第
２の実施例について図７を用いて説明する。本実施例
は、拡張空間３５ａの対向面３６ａを傾斜させたもので
ある。本発明における対向面の役割は、拡張空間内に流
入してきた冷却ガスの流れを乱すものである。したがっ
て、この役割を果たすことができれば、第１の実施例の
ように、入口側流路３１の流路方向に対してほぼ直角な
対向面３６を形成しなくてもよい。但し、本実施例のよ
うに、対向面３６ａを傾斜させる場合、拡張空間３５ａ
内に流入してきた冷却ガスが拡張空間３５ａ内で一時的
に溜ることなく、出口側流路３２へ流れ出てしまって
は、冷却ガスの流速を拡張空間３５ａで減衰させること
ができないので、傾斜の方向が出口側流路３２の流路方
向に近くなる方向に傾けることは避けるべきである。

【００２８】拡張空間の対向面は、以上の実施例のよう
に、平坦である必要はなく、図８に示す第３の実施例の
ように形成してもよい。すなわち、この実施例は、対向
面３６ｂがでこぼこになるよう形成してものである。こ
のように、対向面３６ｂを形成すると、拡張空間３５ｂ
内に流入してきた冷却ガスの流れをより効果的に乱すこ
とができる。但し、対向面３６ｂをでこぼこに形成する
ため、製作工数が嵩むことは言うまでもない。

【００２９】次に、本発明に係るガスタービン静翼の第
４の実施例について図９を用いて説明する。本実施例
は、１の拡張空間３５に対して複数の出口側流路３２
ｃ，３２ｃを形成したものである。出口側流路３２ｃ
は、第１の実施例で説明したように、冷却ガス噴出速度
Ｖ_C3を調整すべく、その出口端における全流路面積が入
口側流路３１の流路面積より大きくなるよう、形成され
ている。

【００３０】このように、１の拡張空間３５に対して複
数の出口側流路３２ｃ，３２ｃを形成することにより、
翼壁板２０ｃの外表面２２におけるフィルム冷却孔３０
ｃの数量が多くすることができ、翼壁板外表面２２をよ
り均一に冷却することができる。また、拡張空間３５の
数量を減らすことができるので、製作工数を低減させる
こともできる。なお、本実施例では、１の拡張空間３５
に対する複数の出口側流路３２ｃ，３２ｃを上下流方向
に並べたが、上下流方向に対して直角方向に並べるよう
にしてもよい。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、翼壁板の内側と外側と
の圧力差に関係なく、出口側流路の出口端の流路面積を
調整することで、冷却ガスの噴出速度を変えることがで
きる。したがって、冷却ガスの噴出速度を変えてフィル
ム冷却効率を向上させることができると共に、コアプラ
グ内の圧力を高くしてインピンジ冷却を確保することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図２におけるＩ部拡大図である。

【図２】本発明に係る第１の実施例のガスタービン静翼
の断面図である。

【図３】図１におけるIII矢視図である。

【図４】本発明に係る第１の実施例のガスタービン静翼
における冷却ガス噴出速度を説明するための説明図あ
る。

【図５】従来のガスタービン静翼における冷却ガス噴出
速度を説明するための説明図である。

【図６】本発明に係る第１の実施例のガスタービン静翼
における各部位の圧力を示すグラフである。

【図７】本発明に係る第２の実施例のガスタービン静翼
の要部断面図である。

【図８】本発明に係る第３の実施例のガスタービン静翼
の要部断面図である。

【図９】本発明に係る第４の実施例のガスタービン静翼
の要部断面図である。

【図１０】作動ガスと冷却ガスとの質量流量比とフィル
ム冷却効率との関係を示すグラフである。

【図１１】静翼表面の温度分布を示すグラフである。

【図１２】静翼表面の圧力分布を示すグラフである。

【図１３】図１４におけるＸIII部拡大図である。

【図１４】従来のガスタービン静翼の断面図である。

【符号の説明】

１０，１５…コアプラグ、１１…インピンジ冷却孔、２
０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…静翼壁板、２１…（静翼
壁板の）内表面、２２…（静翼壁板の）外表面、３０，
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ…フィルム冷却孔、３１…入口
側流路、３２，３２ｃ…出口側流路、３５，３５ａ，３
５ｂ…拡張空間、３６，３６ａ，３６ｂ…対向面。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】静翼壁板の内表面から外表面に向かって貫
通するフィルム冷却孔が該静翼壁板に形成され、該フィ
ルム冷却孔から該静翼壁板の該外表面側に冷却ガスを噴
出するガスタービン静翼において、前記静翼壁板に形成される前記フィルム冷却孔の流路が
屈曲していると共に、その屈曲箇所に拡張空間が形成さ
れ、前記拡張空間には、前記内表面から前記拡張空間までの
前記フィルム冷却孔の入口側流路を通過してきた前記冷
却ガスの流れに対向し、且つ該冷却ガスの流れを乱す対
向面が形成されていることを特徴とするガスタービン静
翼。
【請求項２】前記拡張空間から前記外表面までの前記フ
ィルム冷却孔の出口側流路は、その出口端の流路面積が
前記入口側流路の流路面積よりも大きくなるよう形成さ
れていることを特徴とする請求項１記載のガスタービン
静翼。
【請求項３】前記拡張空間から前記外表面までの前記フ
ィルム冷却孔の出口側流路は、一の前記拡張空間に対し
て複数形成されていることを特徴とする請求項１記載の
ガスタービン静翼。
【請求項４】複数の前記出口側流路は、それらの出口端
の全流路面積が前記入口側流路の流路面積よりも大きく
なるよう形成されていることを特徴とする請求項３記載
のガスタービン静翼。
【請求項５】前記対向面は、前記入口側流路方向に対し
てほぼ垂直な平面であることを特徴とする請求項１、
２、３又は４記載のガスタービン静翼。
【請求項６】前記対向面は、凹凸を有することを特徴と
する請求項１、２、３、４又は５記載のガスタービン静
翼。
【請求項７】前記翼壁板の内側には、中空のコアプラグ
が設けられ、前記コアプラグには、その内側から外側へ貫通するイン
ピンジ冷却孔が形成されていることを特徴とする請求項
１、２、３、４、５又は６記載のガスタービン静翼。