JPH07189738A - ガスタービン翼の冷却構成 - Google Patents

ガスタービン翼の冷却構成

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JPH07189738A
JPH07189738A JP6330057A JP33005794A JPH07189738A JP H07189738 A JPH07189738 A JP H07189738A JP 6330057 A JP6330057 A JP 6330057A JP 33005794 A JP33005794 A JP 33005794A JP H07189738 A JPH07189738 A JP H07189738A
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passage
cooling air
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cooling
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JP6330057A
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Allen Gwokliang Chen
グォクリアング チェン アレン
Gerard G Mcquiggan
ジー マッキーガン ジェラード
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Westinghouse Electric Corp
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガスタービンのタービン区分の静翼の冷却装
置を提供する。 【構成】 ガスタービン（１）の燃焼器（12）は、圧縮
機区分（２）からの圧縮機空気（34）を受け入れる室
（10）内に設けられている。この圧縮機空気は、燃焼用
空気と冷却用空気の両方の役目を果たす。圧縮空気の冷
却用空気部分（36）を室から抽気して更に加圧すること
により静翼を通って循環させ、その後、かかる冷却用空
気部分は、静翼（28）内の冷却用空気流路を通って流
れ、その結果、静翼の冷却とこの空気の加熱が行われる
ことになる。次に、加熱された空気（38）は室に戻さ
れ、この中で、流入する燃焼用空気（35）と混ざり、そ
れにより静翼から伝達された熱の一部を燃焼用空気に与
える。その結果、燃焼用空気の温度は上昇し、それによ
りガスタービンの熱力学的効率が高くなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービンの静翼の
冷却系に関する。より詳細には、本発明は、圧縮空気が
静翼を通って再循環して流れる冷却用空気系に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンは、圧縮空気を生じさせる
圧縮機区分を有し、圧縮空気はその後、燃焼器区分内で
燃料を燃焼させることにより加熱される。燃焼器区分か
らの高温ガスはタービン区分に差し向けられ、高温ガス
はここでロータ軸を駆動するのに用いられ動力が得られ
る。燃焼器区分は代表的には圧縮機区分からの圧縮空気
を受け入れる室を形成するシェルで構成される。複数の
円筒形燃焼器が、室内に設けられ、燃やされるべき燃料
と一緒に圧縮空気を受け入れる。ダクトが各燃焼器の後
端部に連結されていて、燃焼器からの高温ガスをタービ
ン区分に差し向けるのに役立つ。
【０００３】タービン区分は代表的には、円周方向列状
に配列された複数の静翼を採用している。かかる静翼は
燃焼器区分から排出される高温ガスにさらされるので、
これら静翼の冷却は極めて重要である。従来、冷却は、
室からの冷却用空気を、静翼にの翼幹部に形成された空
所（これは本質的には中空である）を通って流すことに
より行われていた。代表的には、多くの細い通路が翼幹
部の内部に形成され、これら通路は空所から静翼の表
面、例えば、前縁及び後縁、或いは負圧面及び正圧面ま
で延びる。しばしば、例えば前縁の冷却の場合において
は、かかる通路は、空所からの冷却用空気を、静翼表面
上を薄膜の状態で流れるよう差し向け、それにより静翼
を冷却する。これは、しばしば「フィルム冷却」と呼ば
れる。いずれの場合でも、冷却用空気は静翼通路を出た
後、タービン区分に流入して、この中を流れている高温
ガスと混ざる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】残念なことに、タービ
ン静翼を冷却する従来法は、ガスターンの熱効率を低下
させていた。冷却用空気は最終的にはタービン内で膨張
する高温ガスと混ざるが、これは燃焼プロセスをバイパ
スするので、圧縮状態の冷却用空気の膨張から回収され
る仕事は、燃焼器内で加熱される圧縮空気の膨張から回
収される仕事よりも非常に少ない。事実、圧力降下及び
機械的効率に起因する損失の結果として、冷却用空気か
ら回収される仕事は、空気を圧縮機内で圧縮するのに必
要な仕事よりも少ない。さらに、高温ガス流への冷却用
空気の送込みの結果として、冷却用空気が高温ガスと混
合するので、空力学損失が生じる。
【０００５】さらに、従来方式は静翼の翼幹部の適度の
冷却を可能にするが、効率の犠牲にもかかわらず、静翼
の内側及び外側シュラウド部分の完全な冷却は得られ
ず、これら構成要素の劣化はタービンの運転温度を制限
する場合がある。
【０００６】したがって、冷却用空気を燃焼器をバイパ
スさせることにより、これを直接、高温ガス流路内へ送
り込むことはなく、内側及び外側シュラウドの効果的な
冷却を達成するガスタービン用冷却系又は冷却装置を提
供することが望ましい。
【０００７】したがって、本発明の主目的は、冷却用空
気を燃焼器をバイパスさせることにより、これを直接、
高温ガス流路内へ送り込むことはなく、内側及び外側シ
ュラウドの効果的な冷却を達成するガスタービン用冷却
装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】広義には、本発明のこの
目的は、圧縮空気を生じさせる圧縮機区分と、冷却用空
気となる該圧縮機空気の第１の部分及び燃焼用空気とな
る該圧縮機空気の第２の部分と、前記圧縮機と流通状態
にある室を形成し、それにより前記圧縮空気の冷却用空
気部分と燃焼用空気部分が室内に流入するようにするシ
ェルと、各々が内側シュラウド、外側シュラウド及び翼
幹部を有し、且つ、内側シュラウド、外側シュラウド及
び翼幹部を貫通していて入口及び出口を備える第１の通
路を含む冷却用空気流路を有する列状の静翼とを有し、
前記出口は、前記室と直接的に流通状態にあり、それに
より冷却用空気は静翼から出てから直接、前記室内へ入
って前記圧縮空気と混じり、更に、前記室空の冷却用空
気を静翼の冷却用空気流路に再循環させ、次に直接前記
室内へ戻し、それにより静翼からの熱を冷却用空気に伝
えて静翼を冷却すると共に冷却用空気を加熱する手段が
設けられていることを特徴とするガスタービンによって
達成される。
【０００８】
【実施例】図面を参照すると図１には、ガスタービン１
の一部の縦断面図が示されている。ガスタービンは、３
つの主要な構成要素、即ち圧縮機区分２、燃焼器区分３
及びタービン区分４で構成されている。ロータ５がガス
タービン内の中央に配置されていて、３つの区分を貫通
している。圧縮機区分２は、交互に並んだ列状の静翼８
と回転翼７をシリンダ１１で包囲したものである。静翼
８はシリンダ１１に取り付けられ、回転翼７はロータ５
に取り付けられたディスクに固定されている。
【０００９】燃焼器区分３は、室１０を形成するシェル
９で構成され、室１０内には、複数の燃焼器１２及びこ
れら燃焼器をタービン区分４に連結するダクト１８が収
納されている。燃料５２がノズル（図示せず）によって
各燃焼器１２に供給される。
【００１０】タービン区分４は、内側シリンダ２１を包
囲する外側シリンダ２０で構成され、これらシリンダの
間には環状のマニホルド２２が形成されている。内側シ
リンダ２１は静翼２８の列及び回転翼３０の列を包囲し
ている。静翼２８は内側シリンダ２１に固定され、回転
翼３０はロータ５のタービン区分の一部を形成するディ
スク３２に固定されている。
【００１１】動作原理を説明すると、圧縮機は周囲空気
をその入口に引き込み、圧縮空気３４をシェル９によっ
て形成されている室１０内に送り出す。室１０内の空気
３４の大部分３５は燃料５２を燃焼させるのに必要な燃
焼用空気となる。圧縮空気３４の残りはガスタービンの
種々の構成要素を冷却するのに用いられる冷却用空気と
なる。静翼２８の冷却に用いられるこの冷却用空気の一
部分３６については以下に詳細に説明する。しかしなが
ら、当業者には容易に理解できるように、冷却用空気の
他の部分は従来通りタービン区分の他の部分だけではな
くてロータを冷却するのに用いられる。従って、これら
従来の冷却方式についてはここでは説明しない。
【００１２】燃焼用空気３５は、燃焼器１２の入口端部
の開口部１４を通るだけでなく燃焼器入口の下流側に設
けられた穴１６を通ることによっても燃焼器１２に流入
する。燃焼器１２内では、燃料５２は燃焼用空気３５内
に注入されてこれと混合され、燃焼し、それによって高
温の圧縮ガス５０を生じさせる。高温の圧縮ガス５０は
ダクト１８を通って流れ、次にタービン区分４内の静翼
２８及び回転翼３０の列（図示しないその下流側の静翼
及び回転翼の列と同様に）を通り、その過程でガスは膨
張してロータ５に連結された負荷（図示せず）を駆動す
る出力を生じさせる。次に、膨張したガスはタービンか
ら出て、大気中に排出され、或いは排熱回収式蒸気発生
器に差し向けられる。
【００１３】タービン区分４内の静翼２８は燃焼器１２
からの高温ガス５０（これは１０９０℃（１０００°
Ｆ）を超える場合がある）にさらされ、熱膨張差に起因
する応力だけでなく、高温ガス５０の流れによって加え
られる力に起因する応力を含む種々の応力を受ける。応
力に変える静翼を形成する材料の能力は温度上昇につれ
て低下するので、静翼材料の温度を許容レベル内に維持
するよう適度に冷却することが肝要である。
【００１４】好ましい実施例では、この冷却は、室１０
からの圧縮空気３４の一部３６を静翼２８を通し、室１
０に戻すよう再循環させることによって行なう。この再
循環を行なうために、空気３６をシェル９に連結された
外部のパイプ２４を通して抽気する。ファン２５がパイ
プ２４内に設けられていて、圧縮空気３６を一段と加圧
し、マニホルド２２に流入させる。圧縮空気３７は、マ
ニホルド２２から、内側シリンダ２１に設けられた穴２
６を通り、あとで説明する静翼２８内の冷却用空気流路
を通って流れる。そうする際、熱が静翼２８から圧縮空
気３７に伝えられ、それによって静翼を冷却するととも
に圧縮空気を加熱する。静翼冷却用空気流路は、タービ
ン区分を通って流れる高温ガス５０から隔離されてい
て、従って、今や加熱された圧縮空気３８である圧縮空
気３７の全ては静翼の２８から出て、室１０に戻され
る。
【００１５】室１０内では、再循環した空気３８は流入
する圧縮空気３４と混ざり、再循環空気３８の第１の部
分が燃焼器１２に供給される燃焼用空気３５に流入する
と共に再循環空気の第２の部分がこれと混合される流入
圧縮空気３４の新たな部分と一緒に再び静翼２８を通っ
て循環されるようになる。かくして、燃焼器１２、パイ
プ２４の入口、静翼２８の冷却用流路の出口及びシェル
９によって形成された室１０の配置の構成は、圧縮空気
３４を燃焼器１２内で加熱される第１の部分３５と静翼
２８内で加熱される第２の部分３６に分けるよう働くと
ともにさらに、静翼２８から戻った加熱された再循環冷
却用空気３８を燃焼器に流入する燃焼用空気３５と混ざ
ってこれを加熱する第１の部分と流入圧縮空気３４と混
ざって冷却され、次に再び静翼２８を通って再循環され
る第２の部分に分けるのに役立つ。
【００１６】この常時行なわれる混合の結果として、再
循環空気３６は、サイクルからの熱の損失という結果を
もたらす外部冷却装置を使用しないで、比較的低温状態
に保たれる。加うるに、再循環装置３６に伝えられた熱
は、燃焼用空気３５の温度の上昇に反映される。燃焼用
空気３５のこの温度の増大は、所望のタービン入口温度
を達成するのに必要な燃料５２の量を減少させ、それに
よって熱力学的効率を高める。
【００１７】従来の冷却法とは異なり、高温ガス流５０
に直接（即ち、まず最初に燃焼器１２内で加熱されない
で）排出される静翼冷却用空気３７は無い。従って、本
発明によれば、静翼の冷却は上述のように従来法と関連
のある熱力学的な損失及び混合の損失なく達成される。
【００１８】静翼２８を通る冷却用空気の流路について
以下に説明する。図２〜図４に示すように、静翼２８は
内側シュラウド部分６０、外側シュラウド部分６１及び
内側シュラウドと外側シュラウドとの間に位置した翼幹
部５９で構成される。図２に示すように、翼幹部５９は
前縁部分６４及び後縁部分６９を有する。外側シュラウ
ド６１は、翼幹部５９に向いた表面８１及び翼幹部から
見て反対方向に向いた表面８０を有する。同様に、内側
プラグ６０は翼幹部５９へ向いた表面８３及び翼幹部か
ら見て反対方向に向いた表面８２を有する。
【００１９】翼端部５９は本質的には中空であり、翼幹
部５９を貫通して半径方向にキャビティ６２が設けられ
ており、このキャビティ６２は静翼２８の主要な冷却用
流路として役立つ。キャビティ６２は外側シュラウド６
１に形成された入口６８を有し、この入口６８は上述の
ようにマニホルド２２から加圧冷却用空気３７を受け入
れる。加熱された冷却用空気３８は、キャビティ６２を
通って半径方向を内方に流れるとともに、静翼２８から
熱を受けた後、内側シュラウド６０に形成された出口７
０を介して静翼から流出し、その後上述のように室１０
に戻る。
【００２０】静翼冷却用空気流路はまた、多数の小さな
二次翼幹部冷却用空気通路７８を有し、これら冷却用空
気通路７８は、前縁６４及び後縁６９に隣接した翼幹部
５９の部分内だけではなく、キャビティ６２の回りに分
布して配置されている。図３及び図４で最もよく示され
ているように、二次翼幹部通路７８は外側シュラウド６
１の表面８０に形成された出口７６及び内側シュラウド
６０の表面８２に形成された出口７７を有する。通路７
８はそれらの入口７６と出口７７の間で、実質的に半径
方向に翼幹部５９を貫通している。マニホルド２２から
の加圧冷却用空気３７の一部３７´は入口７６に流入
し、通路７８を通って流れ、出口７７を通って静翼２８
から流出し、その後室１０に戻る。このように、二次翼
幹部通路７８は翼幹部５９の追加の冷却を行なう。
【００２１】本発明の重要な特徴によれば、追加の冷却
用空気通路６５，６６がそれぞれ内側シュラウド６０及
び外側シュラウド６１に形成されている。図２及び図４
に示すように、外側シュラウド通路６６は外側シュラウ
ド表面８０に形成された入口７２及びキャビティ６２の
壁に形成された出口７４を有する。通路６６は、外側シ
ュラウド６１を半径方向内方に貫通して表面８０，８１
のほぼ中間まで延びた後、直角に曲り、次に実質的に円
周方向に、即ちロータ５の中心線とほぼ接線方向であっ
てタービン区分４を通る高温ガス５０の流れの方向にお
いてキャビティ６２まで進む。
【００２２】外側シュラウド通路入口７２はマニホルド
２２から加圧冷却用空気３７の一部３７″を受け入れ、
出口７４はこの冷却用空気をキャビティ６２内へ送り出
し、その後この冷却用空気は室１０に戻る。このよう
に、外側シュラウド通路６６は、特に外側シュラウド６
１に関する冷却を行なう。
【００２３】図２及び図５に示すように、内側シュラウ
ド通路６５はキャビティ６２の壁に形成された入口７３
及び内側シュラウドの表面８２に形成された出口７５を
有する。通路６５は、キャビティ６２から、表面８２，
８３のほぼ中間の位置まで実質的に円周方向に延びた
後、直角に曲がり、次に内側シュラウド表面８２まで半
径方向内方に進む。
【００２４】内側シュラウド通路入口７３は、キャビテ
ィ６２の大部分を通って流れた後のマニホルド２２から
の加圧冷却用空気３７の一部３７´″を受け入れる。出
口７５はこの冷却用空気を送り出して室１０に戻す。こ
のように、内側シュラウド通路６５は、内側シュラウド
６１に特に関連した冷却を行なう。
【００２５】注目すべきこととして、タービン区分４を
通って流れる高温ガス５０と静翼２８を通る冷却用空気
の流路は互いに流体連通する個所はない。かくして、冷
却用空気３７の全ては室１０に戻される。本発明の冷却
装置は、従来の冷却法と関連のあるガスタービン１の熱
力学的性能を損なうことなく、タービンの静翼２８の有
効な冷却を可能にする再循環冷却方式を提供することが
理解できよう。加うるに、本発明の冷却装置は、静翼の
翼端部だけではなく内側及び出口シュラウドの効果的な
冷却を可能にする。
【００２６】
【図面の簡単な説明】
【図１】燃焼器区分の付近のガスタービンの一部の縦断
面図であり、本発明の静翼冷却装置を示す図である。
【図２】図１に示すタービン静翼のうち一本の等角図で
ある。
【図３】ＩＩＩ−ＩＩＩ線における図２に示す静翼の概
略縦断面図である。
【図４】ＩＶ−ＩＶ線における図２に示す静翼の横断面
図である。
【図５】図４に示すＶ−Ｖ線の内側シュラウドの断面図
である。
【符号の説明】
１ ガスタービン ２ 圧縮機区分 ９ シェル １０ 室 １２ 燃焼器 ２５ ファン ２８ 静翼 ３４ 圧縮空気 ３５ 燃焼用空気部分 ３６ 冷却用空気 ５９ 翼幹部 ７２，７４ 開口部 ６０，６１ シュラウド ６２，６６ 通路 ７３，７５ 開口部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェラード ジー マッキーガン アメリカ合衆国 フロリダ州 32817 オ ーランド レイクシャープドライブ 4912

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 圧縮空気を生じさせる圧縮機区分と、冷
    却用空気となる該圧縮機空気の第１の部分及び燃焼用空
    気となる該圧縮機空気の第２の部分と、前記圧縮機と流
    通状態にある室を形成し、それにより前記圧縮空気の冷
    却用空気部分と燃焼用空気部分が室内に流入するように
    するシェルと、各々が内側シュラウド、外側シュラウド
    及び翼幹部を有し、且つ、内側シュラウド、外側シュラ
    ウド及び翼幹部を貫通していて入口及び出口を備える第
    １の通路を含む冷却用空気流路を有する列状の静翼とを
    有し、前記出口は、前記室と直接的に流通状態にあり、
    それにより冷却用空気は静翼から出てから直接、前記室
    内へ入って前記圧縮空気と混じり、更に、前記室空の冷
    却用空気を静翼の冷却用空気流路に再循環させ、次に直
    接前記室内へ戻し、それにより静翼からの熱を冷却用空
    気に伝えて静翼を冷却すると共に冷却用空気を加熱する
    手段が設けられていることを特徴とするガスタービン。
  2. 【請求項２】 燃料を燃焼させるための燃焼器を更に有
    し、前記燃焼器は前記室からの圧縮空気の燃焼用空気部
    分と通じ、燃焼器は燃焼用空気を加熱することを特徴と
    する請求項１のガスタービン。
  3. 【請求項３】 前記室は、燃焼器を静翼の冷却用空気流
    路から再循環して前記室に戻った冷却用空気の第１の部
    分と流通させる手段を有し、それにより冷却用空気の第
    １の部分が、静翼からの熱伝達により加熱された後、燃
    焼器を通って流れ、前記室は更に、静翼の冷却用空気流
    路から再循環して前記室に戻った冷却用空気の第２の部
    分を静翼の冷却用空気流路に再び再循環させる手段を有
    することを特徴とする請求項２のガスタービン。
  4. 【請求項４】 燃焼器は、前記室内に設けられているこ
    とを特徴とする請求項３のガスタービン。
  5. 【請求項５】 再循環手段は、冷却用空気を更に加圧す
    るファンを含むことを特徴とする請求項１のガスタービ
    ン。
  6. 【請求項６】 静翼の冷却用空気流路は各々、前記シュ
    ラウドのうち一方を貫通する第２の通路を更に有するこ
    とを特徴とする請求項１のガスタービン。
  7. 【請求項７】 第２の通路は、円周方向に延びることを
    特徴とする請求項６のガスタービン。
  8. 【請求項８】 第２の通路は、第１の通路と流通状態に
    あることを特徴とする請求項６のガスタービン。
  9. 【請求項９】 第２の通路は、第１の通路に設けられた
    第１の開口部を有することを特徴とする請求項６のガス
    タービン。
  10. 【請求項１０】 第１の通路が貫通する前記シュラウド
    のうちの前記一方は、翼幹部の方に向いた第１の表面及
    び翼幹部から遠ざかる方向に向いた第２の表面を有し、
    第２の通路は第２の表面に形成された第２の開口部を有
    することを特徴とする請求項９のガスタービン。
  11. 【請求項１１】 第２の通路が貫通する前記シュラウド
    のうちの前記一方は外側シュラウドであり、第２の通路
    の第２の開口部は、第２の通路の出口であり、第２の開
    口部は第２の通路の入口であることを特徴とする請求項
    １０のガスタービン。
  12. 【請求項１２】 第２の通路が貫通する前記シュラウド
    のうちの前記一方は内側シュラウドであり、第２の通路
    の第１の開口部は第２の通路の入口であり、第２の開口
    部は第２の通路の出口であることを特徴とする請求項１
    ０のガスタービン。
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