JPH08135402A - ガスタービン静翼構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 本発明は、ガスタービン静翼構造に関する。
高速高温のガス流体中に設置されるガスタービン静翼
は、熱応力、高温化に伴う熱疲労から寿命が短くなって
きている。熱応力を低減するとともに、冷却効果を上
げ、長寿命化できるガスタービン静翼構造を提供する。 【構成】 静翼１０３を冷却側である内側に補強材１０
５を配設した薄板パネル１１０で形成した。これによ
り、静翼１０３に発生する熱応力を低減できるととも
に、ガス流体Ｇによって翼１０３に発生する流体力は、
補強材１０５により、アウタシュラウドの静翼保持部へ
伝達され、翼１０３とアウタシュラウドの連結部の剛性
（板厚）を大きくする必要がなくなり、熱変形、および
熱応力の不等分布が回避できる。また、薄肉化ととも
に、補強材１０５による放熱により冷却効果が向上し、
高温化を防止できる。これらにより、タービン静翼の長
寿命が達成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービン静翼に適
用され、特に、熱疲労寿命の延長に効果的なガスタービ
ン静翼構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービン静翼は、調速の機能を有す
るコンポーネントであり、高速、高温のガス流体の中で
流体力を受ける。従って、ガスタービン静翼の強度とし
ては、耐クリープ、耐熱疲労、耐高温高サイクル疲労、
及び耐酸化が要求され、寿命はこれらにより決定され
る。近年、ガスタービン高効率化の動きから高温化が図
られ、これに伴って、ガスタービン静翼の冷却も強化さ
れつつある。さらには、ガスタービンの運用も、ＤＳＳ
（Daily Start Stop）運転等、発停回数の多い過酷な条
件のもとで行われるものとなって来ている。

【０００３】このように、ガスタービンの高温化、ガス
タービン静翼の冷却強化に伴い、ガスタービン静翼の熱
負荷は上昇し、熱応力が高くなり、なおかつ、発停回数
の増加などにより、ガスタービン静翼の低サイクル疲労
寿命が厳しくなって来ており、熱応力を低減すること
が、疲労寿命延長のキーポイントとなって来ている。

【０００４】従来、熱応力を低減するための構造として
は、実開昭５７−１５２４０４号、実開昭６１−１６６
１０４号、および実開平３−３７２０６号等で提案され
た、図４に示すものがある。この構造は、ガスタービン
静翼を構成する翼４０１と、翼４０１の外周側に取付け
られるアウタシュラウド４０２、および内周側に取り付
けられるインナシュラウド４０３とを切離して、翼取付
治具４０４を介して取付け、翼４０１と、アウタシュラ
ウド４０２、およびインナシュラウド４０３との間に、
それぞれ間隙部４０５を設け、変形拘束を少なくしたも
のである。

【０００５】また、実開昭５９−１４１１０２号等で提
案された、図５に示すものもある。この構造は、アウタ
シュラウド４０２と翼４０１の結合部、およびインナシ
ュラウド４０３と翼４０１の結合部５０８に、それぞれ
熱しゃへい板５０１を取付け、ガスパスを形成するとと
もに、ガスパスを形成するアウタシュラウド４０２、お
よびインナシュラウド４０３の表面に遮熱コーティング
５０２を施工し、結合部５０８の熱負荷を軽減して、温
度差を小さくするようにしたものである。

【０００６】しかしながら、図４に示す従来例では、ア
ウタシュラウド４０２、およびインナシュラウド４０３
と翼４０１の結合構造、図５に示す従来例では、アウタ
シュラウド４０２、およびインナシュラウド４０３と翼
４０１の結合部に取付ける、熱しゃへい板５０１の取付
構造において、ガス流体のシール、ガス流体による加振
力、及びガス流体の曲げ力に対する抗力などの機能を持
たせる必要があるため、複雑な構造となり、その実用化
は困難さを有していた。また、図５に示す従来例におけ
る、遮熱コーティングの５０２の施工についても、遮熱
コーティング５０２を行うアウタシュラウド４０２、又
はインナシュラウド４０３の母材と、コーティング材と
の温度差によるはく離等の問題が発生し、信頼性が悪い
などの欠点を有していた。

【０００７】このため、変形拘束の緩和、温度差の低減
の観点から図６に示すように、ガス流体力に対し、耐え
得るだけの薄板厚構造とし、かつ、フィルム冷却孔６０
１、および図５において説明した、遮熱コーティング５
０２などを設けることにより、熱負荷低減を図る構造の
ものが考えられている。

【０００８】このように、ガスタービン静翼構造を薄板
化することは、熱応力低減には有効であるが、ガス流体
Ｇ力による加振力、曲げ力に抗する必要から、ある程度
の制約が生じて来る。特に、ガス流体Ｇ力を受ける翼４
０１、及び翼４０１が受けたガス流体Ｇ力を静翼保持部
６０３に伝達するアウタシュラウド４０２と翼４０１付
け根の結合部５０８は、ガス流体Ｇに接する面であり、
温度も高いため、翼４０１内部に設けた冷却通路用隔壁
６０２を通じて供給される冷媒を、フィルム冷却孔６０
１から噴出させて冷却を行ったとしても、これらの薄肉
化は難かしいものがあった。

【０００９】従って、アウタシュラウド４０２と翼４０
１の結合部５０８、及びアウタシュラウド４０２は、上
記の制限のため、薄肉化は出来ておらず、結果として翼
４０１とアウタシュラウド４０２間の熱容量の差異や、
アウタシュラウド４０２の熱変形に対する反力の大きさ
などから、ガスタービン静翼構造に対し、熱応力低減が
図れず、機器の寿命を短くしているのが現状である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述の問題
点を解消するため、ガスタービン静翼を薄肉化して熱応
力の低減を図るとともに、薄肉化した翼を補強する補強
材を翼の冷却側に配設することにより、剛性を大きくし
てガス流体力に抗することができ、高温化を防止して熱
疲労に対する寿命を向上できるガスタービン静翼構造を
提供することを課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】このため、本発明のガス
タービン静翼構造は次の手段とした。外周側がハウジン
グに取付けられるアウタシュラウドに固着され、内周側
が回動するロータとの間をシールするシール装置が取付
けられるインナシュラウドに固着されて、タービン動翼
の前方に設置されるガスタービン静翼の翼を、ガス流体
が通過する外側と反対側の内側の冷却側に、補強用リブ
を配設した薄板パネルで形成した。

【００１２】

【作用】ガスタービン静翼などの高温構造体に対しては
冷却を施こす事は必要であり、この場合、構造体に生ず
る温度差に関しては、構造体の薄肉化が熱応力低減のう
えから有効である。しかしながら、ガス流体力などの外
力の作用に耐える必要のある構造体の場合、薄肉化には
限界がある。そこで、本発明のガスタービン静翼構造で
は、上述の手段により薄板パネルに施こす補強材は、冷
却側に配置し、補強材の温度上昇に対する剛性強度を保
ち、耐流体力構造とし、さらには、板厚の薄肉化、補強
材の冷却フィン効果により、冷却強化及び熱応力低減が
図るようになり、ガスタービン静翼の機能を保持できる
とともに、耐寿命延長に効果のあるものにすることがで
きる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明のガスタービン静翼構造の実施
例を、図面にもとづき説明する。

【００１４】図１は、本発明のガスタービン静翼構造の
一実施例を示す全体斜視図を示す。本実施例のガスター
ビン静翼の保持は、図示しないハウジングに固着される
静翼保持部１０４で行なわれる。つまり、翼１０３がガ
ス流体Ｇの流体力を受けると、アウタシュラウド１０１
と翼１０３の付け根部１０８を介して、静翼保持部１０
４にその流体力が伝達される片持ち梁構造となる。ここ
で、本実施例では、まず、翼１０３の熱応力低減化を図
るため、一部を断面で示す翼１０３の斜視図である図
２、および図２に示す矢視Ａ−Ａの断面図である図３に
示すように、翼１０３自体を従来の翼に比べ薄肉化し
た、薄板パネル１１０で形成した。このため、翼１０３
を形成する薄板パネル１１０がガス流体Ｇの流体圧力に
抗するように、薄板パネル１１０の冷却側、すなわち、
ガス流体Ｇが接触する外側面の反対側である翼１０３の
内面側に、図１の点線で示すように、縦横の補強材１０
５を配し、パネル板１１０の曲げ強度を向上させた。

【００１５】なお、補強材１０５はパネル板１１０と一
体鋳造化している。すなわち、パネル板１１０の内面側
に設ける補強材１０５は、従来、翼１０３の内部に流す
冷媒の冷却促進を目的とし、翼１０３の内部の冷媒通路
に設置する、タービュレンスプロモータの製作と同様
に、中子をＳｉＯ₂ で形成しておき、オートクレーブ中
で苛性ソーダにより溶かしてしまう方法により製作し
た。

【００１６】このようにして、翼１０３自体が形成され
ているので、翼１０３全面に分布しているガス流体Ｇに
よる流体力は、補強材１０５を介し力が伝達され、アウ
タシュラウド１０１側へ移行する。しかも、アウタシュ
ラウド１０１への力の流れは、翼付け根部１０８に負担
をかけないため、アウタシュラウド１０１を形成する薄
板パネル１１１を、シュラウド補強材１０７とともに補
強する、先端部が翼１０３の冷却通路用隔壁１０６に連
結された、流体力吸収シュラウド補強材１０６を介して
行い、静翼保持部１０４へと力の伝達を行うようにして
いる。これにより、アウタシュラウド１０１の薄肉化も
図ることができる。

【００１７】一方、前述したアウタシュラウド１０１、
と同様にインナシュラウド１０２も流体力を受けるの
で、薄肉化に対し、シュラウド補強材１０７を配置して
補強している。翼１０３の補強材１０５は、前述したよ
うに、翼１０３内面を縦横に配設され、かつ、インピン
ジプレート２０１にあけられた、インピンジ穴２０２を
使って、冷却用通路隔壁１０６の間に供給される冷媒を
噴出させることによって、補強材１０５自身を冷却する
事により、冷却フィン効果を得る事ができ、冷却強化が
図れる。また、これにより温度分布の均一化も行える事
により熱応力低減が図れる。

【００１８】なお、図２，図３において、２０３は翼１
０３の後縁側の冷却効果を上げるために設けられた、ピ
ンフィンである。

【００１９】本実施例において採用された薄板補強構造
は、大型構造物で耐圧を要求される機器、例えば、ダク
ト、ボイラなどの重量低減、コスト低減の構造として多
く用いられている。本実施例では、補強材１０５をガス
タービン静翼１０３の冷却側（冷媒通路）に縦横に配置
する事により、冷媒の乱流化が促進され、冷却強化の作
用も合わせ持ち、薄板パネル１１０による熱応力低減と
同時に、機器寿命の延長、冷却性能向上が図れる。

【００２０】また、耐圧に関しては、薄板パネル１１０
に対し、補強材１０５を挿入する事により、補強材１０
５廻りに圧力を受け持つ有効幅が生じ、薄板パネル１１
０の曲げ強度を増加させる事が出来、流体力による座
屈、あるいはクリープ座屈等に対し有効な手段となる。

【００２１】さらに、翼１０３とアウタシュラウド１０
１付け根部に、流体力吸収シュラウド補強材１０６を配
置する事により、静翼保持部１０４に流れる力を、剛性
比の大きく異なる補強材１０６から伝達する事により、
翼１０３、およびアウタシュラウド１０１付け根、ある
いはアウタシュラウド１０１の応力を低減する事が出
来、結果として当該部の薄板化が実現でき、熱応力低減
が果たせる。

【００２２】冷却に関しては、薄板パネル１１０である
事から、冷却効率で決定される平均メタル温度に対し、
ガス流体Ｇ側温度が低減される事、及び冷却側に配置さ
れた補強材１０５を冷却する事により、補強材１０５が
冷却フィンの効果の機能を持ち、冷却効果が図れる。こ
れにより、冷却空気の低減等も望め、ガスタービン全体
の効率向上に役立つ。さらには、補強材１０５を静翼１
０３の翼形に対し、縦横に配置する事により翼１０３冷
却の均一化を図り、温度分布の均一化などが果たせ、結
果として熱応力低減に大きく寄与する。

【００２３】

【発明の効果】本発明のガスタービン静翼構造によれ
ば、特許請求の範囲に示す構成により、翼を薄板化する
事により、熱応力低減が図れると共に、薄板化した翼の
補強材を冷却する事により、冷却強化型の翼構造とする
ことができる。

【００２４】また、これにより熱疲労に対する寿命の向
上、高温酸化の防止、加振力に対する剛性、及び流体力
に対する抗力を満足し、なおかつ冷却空気量低減が図
れ、ガスタービン静翼の機器寿命を大幅に改善し、ガス
タービン全体効率の向上も期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガスタービン静翼構造の一実施例に係
る全体斜視図、

【図２】図１に示す実施例の翼を一部断面で示す斜視
図、

【図３】図２に示す矢視Ａ−Ａにおける断面図、

【図４】のガスタービン静翼構造の一例を示す斜視図、

【図５】のガスタービン静翼構造の他の例を示す斜視
図、

【図６】従来のガスタービン静翼構造の他の例を示す斜
視図である。

【符号の説明】

１０１ アウタシュラウド １０２ インナシュラウド １０３ 翼 １０４ 静翼保持部 １０５ （翼パネル）補強材 １０６ 流体吸収シュラウド補強材（兼冷却通路用隔
壁） １０７ （シュラウド）補強材 １０８ 翼結合部 １１０ 薄板パネル（翼） １１１ （シュラウド）薄板パネル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外周側をアウタシュラウドに固着され、
   内周側をインナシュラウドに固着されて、ガスタービン
   動翼の上流側に配設されるガスタービン静翼において、
   翼を冷却側に補強材を配設した薄板パネルで形成したこ
   とを特徴とするガスタービン静翼構造。