JPH09280003A - ガスタービン冷却動翼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】翼端部を含む翼全体の冷却を均一に行え、冷却
空気量が過大にならないように管理してガスタービン機
器の信頼性と効率を向上させる。 【解決手段】翼内部に冷却通路１３を有するとともに翼
外周端部を突壁状のシンニング部１７で囲む。冷却通路
１３内に流通させた冷却媒体を翼外周端部に開設した放
出孔１４からシンニング部１７で囲まれる空間に放出す
る。シンニング部１７で囲まれる翼外周端部の空間を、
翼高さ方向に向う複数の仕切り板２２によって区画す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、翼内部に冷却通路
を有するとともに冷却媒体を放出孔から翼外部に放出し
て外面冷却も行うようにしたガスタービン冷却動翼に係
り、特に翼外周端部にシンニング部を有するものにおい
て放出される冷却媒体の流量を適正に管理できるように
して冷却の均一化を図ったガスタービン冷却動翼に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、発電プラント等に適用されるガス
タービンとして、例えば図９に示す構成のものが知られ
ている。すなわち、ケーシング１内にタービン軸２と圧
縮機軸３とが同軸として設けられ、タービン軸２に設け
られた動翼４およびケーシング１に設けられた静翼５に
よってタービンの段落が構成されている。なお、圧縮機
段落は、ケーシング１に設けられた静翼６と、圧縮機軸
３に設けられた動翼７とによって構成されている。

【０００３】タービン段落と圧縮機段落との間には燃焼
器８が設けられ、圧縮機段落で圧縮された圧縮空気は燃
焼器８に供給され、ここで燃料の燃焼が行われ、燃焼に
よって生じる高温の燃焼ガスがトラジションピース９を
経てタービン段落に案内され、動翼４が回転駆動されて
タービン軸１が回転し、これにより仕事が行われる。

【０００４】ところで、ガスタービン出力の増大、ある
いは熱効率の向上を図る手段として、ガスタービン入口
温度を高温にすることが行われているが、この場合には
ガス通路を構成する動翼の温度も高温となるため、材料
強度の低下や高温酸化等による材料腐食を生じる可能性
がある。

【０００５】そこで、材料腐食等を防止するために動翼
内に冷却通路を形成し、その冷却通路に冷却媒体として
空気、蒸気、水などを流通させることが知られている。
このうち、ガスタービンの圧縮機から抽気した低温の抽
気空気を利用する冷却方式が一般的である。

【０００６】一方、この種のガスタービンにおいては、
動翼の空力性能の向上と共振現象の防止のために動翼の
翼端にチップシュラウドを設けることも知られている。
しかし、燃焼器出口に近い高温高圧部の動翼ではチップ
シュラウドの冷却が困難であるため、チップシュラウド
を設けていない場合が多い。

【０００７】チップシュラウドを設けないガスタービン
の動翼の構成を、図１０，１１，１２等によって説明す
る。

【０００８】図１０は動翼４の断面構成を示したもので
ある。この動翼４は、タービン軸２に埋設される植え込
み部１０、その外周側に連続するシャンク部１１、さら
にその外周側に連続する翼有効部１２等により一体的に
構成されている。

【０００９】この動翼４の内部には、植え込み部１０か
ら翼有効部１２に至る冷却通路１３が形成され、この動
翼４の周壁部分には複数の放出孔１４が開口している。
そして、タービン軸２側から冷却通路１３に供給される
冷却媒体としての空気（以下、冷却空気という）によっ
て内部冷却が行われるとともに、放出孔１４から翼外部
に放出される冷却空気によって動翼４の外側面も冷却さ
れるようになっている。なお、ケーシング１の内面の動
翼４外周面と対向する部位には、シュラウドセグメント
１５が固着してある。

【００１０】また、動翼４の外周側では、冷却通路１３
を閉塞するための閉止板１６が設けられており、この閉
止板１６にも放出孔１４が形成されて、冷却空気が翼外
周側にも放出されるようになっている。

【００１１】さらに図１１および図１２に拡大して示す
ように、動翼４の外周端部にはシンニング部１７が設け
られている。このシンニング部１７は、動翼４の外周端
部を囲む肉薄な突壁によって構成され、このシンニング
部１７の内側に盆地状の空間が形成されている。

【００１２】これにより、冷却通路１３とシンニング部
１７内とが閉止板１６の放出孔１４によって連通され、
シンニング部１７内には冷却空気と冷却通路１３内の異
物とが放出される。つまり、植込部１０からシャンク部
１１を介して翼有効部１２内に形成されている冷却通路
１３に冷却空気を通して対流冷却を行い、その冷却空気
の一部を空気膜冷却のために翼有効部１２に放出し、最
終的にシンニング部１７内の放出孔１４から放出するよ
うにしている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
動翼４においては翼端とシュラウドセグメント１５との
間にクリアランスが存在する。そして、図１３に示すよ
うに、翼面圧力と翼面位置との関係をみると、動翼４の
翼面の腹側１８と背側１９とでは圧力差があり、前縁２
０と後縁２１との間でも圧力差がある。このため、図１
４に示すように、翼端の腹側１８から背側１９に向けて
チップリーク流れａが発生する。

【００１４】このチップリーク流れａの発生により、冷
却流路１３から翼端に放出される冷却空気もチップリー
ク流れａに沿って低圧の後縁２１の背側１９に引かれて
いく。よって、上記の動翼４の翼端部においては、前縁
２０の背側１９の冷却が特に不足する場合があった。

【００１５】また、各冷却流路１３内での対流冷却を効
果的に行うためには、最適な流量配分が必要であるが、
図１０に示す冷却流路１３を流れる冷却空気の流量は、
閉止板１６上における各放出孔１４の出口圧力で規定さ
れる。上記の動翼４においては、シンニング部１７の内
側がいわば一室となった空間であるため、各放出孔１４
の出口圧力は等しく、全体がチップリーク流れａの影響
を受けるため、その出口圧力も低くなる。

【００１６】さらに、放出孔１４は冷却流路１３からの
異物放出機能も兼ねているため、孔径を絞ることにも制
約がある。

【００１７】このように、上記の動翼４において最適な
冷却を行うことは困難であり、通常は安全側に設計する
ため必要以上の冷却空気を要し、それだけガスタービン
出力と熱効率とが低下することになっていた。

【００１８】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、上述した従来技術の問題点を解消し、翼端部を
含む翼全体の冷却を均一に行え、かつ冷却空気量が過大
にならないように管理でき、これによりガスタービン機
器の信頼性および効率を向上させることができるガスタ
ービン冷却動翼を提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明は、翼内部に冷却通路を有すると
ともに翼外周端部を突壁状のシンニング部で囲み、前記
冷却通路内に流通させた冷却媒体を翼外周端部に開設し
た放出孔から前記シンニング部で囲まれる空間に放出す
るようにしたガスタービン冷却動翼において、前記シン
ニング部で囲まれる翼外周端部の空間を、翼高さ方向に
向う複数の仕切り板によって区画したことを特徴とす
る。

【００２０】本発明によれば、シンニング部の内側に仕
切り板を設けたことにより、翼端のシンニング部の内側
空間に対する放出孔の出口をそれぞれ仕切り板によって
独立化でき、冷却媒体がチップリーク流れに引かれる影
響を低減することができる。また、出口圧力を定めるこ
とが容易となり、さらに放出孔の出口圧力が必要以上に
低下することも防止できるようになる。

【００２１】請求項２の発明は、請求項１記載のガスタ
ービン冷却動翼において、仕切り板をシンニング部より
も高く翼外周側に立上らせるものであることを特徴とす
る。

【００２２】本発明によれば、シンニング部内の仕切り
板をシンニング部よりも高くしたことにより、チップリ
ーク流れに沿う冷却媒体への抵抗が増大でき、腹側前縁
から背側後縁への流動を有効に防止できる。

【００２３】請求項３の発明は、請求項１または２記載
のガスタービン冷却動翼において、シンニング部から翼
端の外面側に冷却媒体を導く放出部を設けたことを特徴
とする。

【００２４】本発明によれば、翼端のシンニング部の内
側空間から翼外面側の任意の位置に冷却媒体を放出する
ことができ、翼の背側等の表面冷却効果の向上が図れ
る。

【００２５】請求項４の発明は、請求項１から３までの
いずれかに記載のガスタービン冷却動翼において、仕切
り壁に、それによって仕切られるシンニング部内側の空
間を相互に連通させる連通路を設けたことを特徴とす
る。

【００２６】本発明によれば、翼端のシンニング部の内
側空間において、仕切り板で仕切られた各空間に連通路
を介して冷却媒体を送ることができるので、翼端表面の
冷却効果の向上が図れる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るガスタービン
冷却動翼の実施形態について図１〜図８を参照して説明
する。なお、以下の実施形態において、翼全体の構成は
従来のものと略同様であるから、図９，図１０の対応部
分もそのまま参照して説明する。

【００２８】第１実施形態（図１，２） 図１は本実施形態によるガスタービン冷却動翼の構成を
翼外周端側から見た状態で示した図であり、図２は図１
のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【００２９】本実施形態では、動翼４の翼有効部１２内
の冷却通路１３が閉止板１６で塞がれ、この閉止板１６
に放出孔１４が形成されている。動翼４の翼外周端は薄
肉板からなるシンニング部１７によって囲まれている。
翼外周端には、閉止板１６の放出孔１４間に位置して、
シンニング部１７と同一高さの複数の仕切り板２２が閉
止板１６から立上る形で翼の曲率に対応して異なる向き
に突出し、それぞれ両端がシンニング部１７と当接して
いる。即ち、各仕切り板２２は、シンニング部１７の内
側において、各放出孔１４を区分する状態で配置されて
いる。

【００３０】そして、翼有効部１２内の冷却通路１３に
流れる冷却媒体としての冷却空気がシンニング部１７の
内側空間に放出孔１４から放出されると、そのシンニン
グ部１７の内側空間では、放出孔１４が仕切り板２２に
よって独立した状態に区分けされているため一旦保留状
態となり、放出孔１４の出口圧力に対するチップリーク
流れによる影響が減少または皆無となって安定し、かつ
低圧化が防止される。

【００３１】したがって、本実施形態によると、仕切り
板２２を設けたことによって、各放出孔１４の出口圧力
を設定できるので、各冷却通路１３の冷却流量を最適に
することができ、しかも、各放出孔１４の出口圧力が必
要以上に低圧にならないので、余分な冷却空気量の消費
を防止することができる。

【００３２】このことにより、動翼全体の冷却を均一に
することができ、ガスタービン機器の信頼性の向上が図
れるとともに、チップリークに沿って低圧側に流れる余
分な冷却空気を削減することができ、ひいてはガスター
ビン性能の向上が図れるようになる。

【００３３】第２実施形態（図３，４） 図３は本実施形態によるガスタービン冷却動翼の構成を
翼外周端側から見た状態で示した図であり、図４は図３
のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

【００３４】本実施形態の動翼４は第１実施形態と略同
様に、シンニング部１７で囲まれる翼端部に複数の仕切
り板を有するが、本実施形態の仕切り板２２ａは、背が
シンニング部１７よりも高く、かつ先端が鋭角断面を有
する構成とされている。また、この仕切り板２２ａは、
回転方向と平行に設置されている。なお、仕切り板２２
ａによってシンニング部１７の内側空間が区分されてい
る点は前記第１実施形態と同様である。

【００３５】このような構成によれば、仕切り板２２ａ
の先端がシンニング部１７よりも高いため、第１実施形
態で述べた冷却空気の流れ規制作用が増大する。また、
仕切り板２２ａが動翼４の回転方向に沿うので、チップ
リークが仕切り板２２ａに沿って流れるようになり、こ
れと同様に、閉止板１６の放出孔１４から放出された冷
却空気も、仕切り板２２ａに沿って回転方向に流れる。

【００３６】したがって、本実施形態によると、動翼４
の前縁２０側の背側１９がより有効に冷却されるように
なる。なお、仕切り板２２ａがシンニング部１７よりも
高いことで回転抵抗の増大が考えられるが、仕切り板２
２ａの先端が尖っているので特に悪影響は及ばない。

【００３７】第３実施形態（図５，６） 図５は本実施形態によるガスタービン冷却動翼の構成を
翼外周端側から見た状態で示した図であり、図６は図５
のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。

【００３８】本実施形態の動翼４は前記第１実施形態と
殆ど同一構成の仕切り板２２を有している。これに加
え、本実施形態ではシンニング部１７に各仕切り板２２
で区分される空間毎に孔２３または溝２４からなる放出
部２５を形成し、これにより翼端有効部に冷却空気を放
出できるようにしてある。

【００３９】このような構成によれば、第１実施形態の
ガスタービン冷却動翼の作用に加え、冷却空気が閉止板
１６上の放出孔１４を介して仕切り板２２によって形成
された区間に流入した後、圧力が低く開口面積が大きい
放出部２５に引かれる状態となる。

【００４０】したがって、本実施形態によれば、翼端表
面への放出部２５を設けることで、冷却空気の流れが放
出部２５の方向に引かれるので、仕切り板２２によって
形成された区間から冷却を重点的に必要とする背側１９
等の翼端表面部位に冷却空気を導くことができ、第１実
施形態で述べた効果がより容易に得られるようになる。

【００４１】第４実施形態（図７，８） 図７は本実施形態に係るガスタービン冷却動翼の構成を
翼外周端側から見た状態で示した図であり、図８は図７
のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。

【００４２】本実施形態は第１実施形態のガスタービン
冷却動翼と略同様の仕切り板２２を有するが、その仕切
り板２２によって形成されるシンニング部１７の内側空
間の各区間同士で冷却空気を連絡できるように、各仕切
り板２２にそれぞれ連通路２６を設けてある。なお、翼
後縁２１には翼外方へ通じる流出孔２７が形成されてい
る。

【００４３】このような構成によれば、閉止板１６の放
出孔１４から放出された冷却空気は、仕切り板２２によ
って形成された区間に流入した後、連通路２６を介し、
相対的に圧力が低い区間へ引かれる。そして、後縁の流
出孔２７から翼外方へ流出する。

【００４４】したがって、各区間の間に連通路２６を設
けることで、冷却を重点的に必要とする区間に冷却空気
を廻すことができ、第１実施形態で述べた効果がさらに
有効に得られるようになる。

【００４５】なお、以上の実施形態では冷却媒体として
空気を適用したが、蒸気、水等の他の流体を適用できる
ことは勿論である。

【００４６】また、本発明は以上の各実施形態毎の構成
に限らず、これらの構成を任意に組合せたものとして、
適宜実施することができる。

【００４７】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、翼端に
シンニング部と閉止板とを有するガスタービンの冷却動
翼において、仕切り板、放出部、連通路等を設けること
により、翼端部を含む翼全体における冷却を均一にする
ことができ、ガスタービン機器の信頼性の向上が図れ、
また翼端から放出される余分な冷却空気の削減が可能と
なり、チップリーク流れによる出力損失の低減、ひいて
はガスタービンの性能向上も図れる等の効果が奏され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態によるガスタービン冷却
動翼の翼端面形状を示す図。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。

【図３】本発明の第２実施形態によるガスタービン冷却
動翼の翼端面形状を示す図。

【図４】図３のＢ−Ｂ線断面図。

【図５】本発明の第３実施形態によるガスタービン冷却
動翼の翼端面形状を示す図。

【図６】図５のＣ−Ｃ線断面図。

【図７】本発明の第４実施形態によるガスタービン冷却
動翼の翼端面形状を示す図。

【図８】図７のＤ−Ｄ線断面図。

【図９】ガスタービンの全体構成例を示す図。

【図１０】図９における動翼構造を示す拡大図。

【図１１】従来例を示すもので、翼端面形状を示す図。

【図１２】図１１のＥ−Ｅ線断面図。

【図１３】ガスタービン冷却動翼の翼面圧力と翼面位置
との関係を示す特性図。

【図１４】従来例の問題点であるチップリーク流れを示
す図。

【符号の説明】

１ ケーシング ２ タービン軸 ３ 圧縮機軸 ４，７ 動翼 ５，６ 静翼 ８ 燃焼器 ９ トランジションピース １０ 植え込み部 １１ シャンク部 １２ 翼有効部 １３ 冷却通路 １４ 放出孔 １５ シュラウドセグメント １６ 閉止板 １７ シンニング部 １８ 腹側 １９ 背側 ２０ 前縁 ２１ 後縁 ２２，２２ａ 仕切り板 ２３ 孔 ２４ 溝 ２５ 放出部 ２６ 連通路 ２７ 流出孔

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 翼内部に冷却通路を有するとともに翼外
   周端部を突壁状のシンニング部で囲み、前記冷却通路内
   に流通させた冷却媒体を翼外周端部に開設した放出孔か
   ら前記シンニング部で囲まれる空間に放出するようにし
   たガスタービン冷却動翼において、前記シンニング部で
   囲まれる翼外周端部の空間を、翼高さ方向に向う複数の
   仕切り板によって区画したことを特徴とするガスタービ
   ン冷却動翼。
2. 【請求項２】 請求項１記載のガスタービン冷却動翼に
   おいて、仕切り板はシンニング部よりも高く翼外周側に
   立上るものであることを特徴とするガスタービン冷却動
   翼。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載のガスタービン冷
   却動翼において、シンニング部から翼端の外面側に冷却
   媒体を導く放出部を設けたことを特徴とするガスタービ
   ン冷却動翼。
4. 【請求項４】 請求項１から３までのいずれかに記載の
   ガスタービン冷却動翼において、仕切り壁に、それによ
   って仕切られるシンニング部内側の空間を相互に連通さ
   せる連通路を設けたことを特徴とするガスタービン冷却
   動翼。