JPH10299408A

JPH10299408A - ガスタービン静翼

Info

Publication number: JPH10299408A
Application number: JP10425597A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Isobe; 展宏磯部; Shigeo Sakurai; 茂雄桜井; Kazuhiko Kumada; 和彦熊田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-04-22
Filing date: 1997-04-22
Publication date: 1998-11-10

Abstract

(57)【要約】【課題】ガスタービン静翼の最大き裂の成長抑制による
長寿命化が可能な構造の提供。【解決手段】高応力部位やき裂発生部位に設けた楕円孔
やスリット，貫通孔により、熱変形の吸収，冷却強化に
よる熱応力の低減およびそれらの相互干渉による最大き
裂成長を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンにお
いて、燃焼器からの燃焼ガスに曝され、熱疲労やクリー
プによる損傷を受けるガスタービン静翼の構造に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービン静翼はプラントの起動停止
に伴って生じる熱応力の繰返しにより、図２に示すよう
な、き裂が発生することがある。それらき裂の成長が静
翼の寿命を決定している。さらに近年、高効率化のため
の燃焼ガス温度の高温化や電力需要の変化に伴う起動停
止の増加など、ガスタービン各部品にとっては今まで以
上に過酷な条件下で使用される傾向にある。その部材の
損傷を調査するために、定期検査が行われている。静翼
については、定期検査時にき裂の発生状況を調査し、必
要に応じて補修を行っている。定期検査期間中はガスタ
ービンが停止することになり、その期間が長くなるとガ
スタービンの稼働率が低下する。また補修にはかなりの
時間を要するため、その期間の稼働率が低下しないよ
う、予備の静翼を用意し、それらをローテーションする
ことで対処している。しかし頻繁に補修が必要となれ
ば、予備の静翼も数多く必要となり、部品管理のための
コストが高くなる。ガスタービンでは、初期据え付け時
のコストだけでなく、運用コストも重要であり、それを
低減させることが大きな課題となっている。静翼に限ら
ずガスタービン高温部品は、損傷状態に応じて補修や交
換といった処置が施される有限寿命の部品であり、運用
コストの低下には、それら部品の長寿命化も大きな課題
となる。

【０００３】このような条件下で使用される静翼を長寿
命化するためには、部材の熱応力を低減させ、き裂の成
長を抑制することが必要となる。熱応力を低減する方法
としては、高温強度に優れた一方向凝固材や単結晶材の
適用，冷却強化による部材温度の低下、さらには熱応力
が材料の熱膨張と周囲の拘束により生じることから、構
造による機械的拘束を緩和することがあげられる。

【０００４】一方向凝固材などの高強度材は、その製作
に特殊な技術を必要とし、製造歩留まりも悪いことか
ら、一般的な等軸晶（多結晶）材に比べてコスト高とな
り、その実用化には様々な課題を克服する必要がある。
一方向凝固材による静翼の製造を容易にする方法とし
て、特願平8−189304 号や同平8−17502号明細書など
で、静翼翼部とシュラウド部を別々に作成し、組み立て
た後に溶接により一体化することで製作する方法が提案
されている。しかし、その溶接部がき裂などの欠陥発生
の起点になりやすいという問題点がある。また、この一
方向凝固材などの特殊な結晶構造を有する材料は、現在
一般的に行われている補修が困難であるといった問題点
もある。

【０００５】冷却強化による静翼の熱応力低減化構造と
して、特願平8−135402 号明細書が提案されている。こ
こでは部材を薄肉化して冷却強化を図り、薄肉化による
剛性の低下を冷却側に設けた補強リブで抑えようとして
いる。また同平8−135403 号明細書ではシュラウドを分
割することにより拘束を緩和し熱変形を減少させる方法
も提案されている。これらの手法では、製造時に補強リ
ブやシュラウドの分割のかたちが決まってしまうため、
実機における複雑応力状態に対応することができないこ
とや、翼とシュラウドの境界部のような応力集中部の低
応力化や発生したき裂の成長抑制ができないなどの問題
点がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】き裂の成長は部材に生
じる熱応力を低減することで抑制される。熱応力は部材
の熱膨張が、構造による拘束を受けることにより生じ
る。その部材の熱膨張を吸収するような孔やスリットを
設けることで熱応力を低減させる。またき裂が発生する
と、孔やスリットと同様の作用により、熱応力が低減さ
れる。本発明はこれらを利用して、静翼に発生したき裂
の成長を抑制し、長寿命化が可能となる静翼構造を提供
することを課題とした。

【０００７】

【課題を解決するための手段】部材の損傷は多数の微小
き裂が発生した場合よりも、一本でも長いき裂が存在す
る方が大きくなる。すなわち、最大き裂長さが損傷度を
表すパラメータとして適しているといえる。さらにき裂
の成長については、深さ方向の進展量が重要となるが、
静翼は冷却構造をとっているため、部材内部に温度勾配
およびそれに起因する応力勾配が生じ、き裂の形状は表
面長に比べて深さ方向の成長量が小さい，浅いき裂とな
る。したがって、微小き裂は複数発生しても部材に与え
る損傷は小さく、またそれらの干渉により成長が遅くな
り、さらに熱応力低減にも寄与すると考えられる。予め
そのような状況になるように、微小き裂の起点となる孔
やスリットを複数設け、それらが複数発生しても、損傷
に最も影響する最大き裂の成長を抑制する。また、発生
したき裂に対しても、同様の孔やスリットをそのき裂周
辺に加工することで、そのき裂の成長を抑制し、静翼の
長寿命化を達成する。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１に本発明の実施の形態を示
す。図中２を高応力発生部位とする。図中３が主応力の
方向を示す矢印であり、き裂はこれに垂直な方向に進展
する。この主応力方向は有限要素法などによる構造解析
や過去のき裂発生例などから推定される。図２に静翼の
き裂発生状況を模式的に表した図を示す。図２のよう
に、少数でも大きなき裂が発生すると、損傷度の評価に
はき裂の深さ方向の進展量が重要となるので、機器に与
える損傷は大きくなる。一方、微小き裂が多数発生して
も、それら一つ一つの深さ方向の進展量は小さいので、
機器に与える損傷は、大きなき裂が少数ある場合に比べ
て小さくなる。そこで、き裂の起点になると考えられ
る、高応力部位周辺に、き裂の起点となるような楕円孔
を複数設け、予め微小き裂が複数発生するような状況と
する。これらの楕円孔は放電加工やレーザ加工等により
導入される。複数のき裂が存在する場合、図３に示す、
き裂間の距離ｄとき裂長さａの比ｄ／ａが小さくなれ
ば、応力拡大係数が小さくなり、き裂が成長し難くなる
ことが知られている。このようなき裂相互の干渉を利用
して、各き裂の進展を抑え、最大き裂長さが小さくなる
ようにするものである。また、静翼に発生する応力は、
温度上昇による熱膨張と周囲の拘束に起因する熱応力で
ある。したがって、部材の熱変形量が小さくなると、熱
応力も小さくなる。き裂が発生すると、そのき裂により
熱変形が吸収されるので、熱応力が低減される。微小き
裂を複数発生させることは、機器に与える損傷を比較的
小さくするだけでなく、熱応力を低減させることでき裂
の成長を抑える効果もある。ただし、これらの楕円孔が
長径方向に直線上に並ぶと、それらから発生したき裂が
合体し、単一の大きなき裂となる可能性があるので、主
応力に垂直な方向に隣接して存在しないように孔を配置
する必要がある。

【０００９】上記したような、熱変形量を抑えて熱応力
を低減させる方法として、部材に予め幅の狭い溝やスリ
ットを加工しておく方法もある。静翼は冷却構造をとっ
ているため、部材内に温度勾配が生じる。部材の熱膨張
はそれに対応して、図４に破線で示したように、高温側
の方が大きくなる。その高温側に、図５のように幅の狭
い溝やスリットを加工しておくことにより、高温側の熱
変形量を減少させ、熱応力を抑えることができる。この
場合の溝やスリットは、大きすぎると部材の剛性低下を
招いたり、燃焼ガスの流れに影響することが考えられる
ので、材料の線膨張係数を考慮して最適となるように設
定される。

【００１０】以上の方法は使用前に、解析や過去の経験
から部材の応力状態を推定し、それに対応した楕円孔や
スリットを加工するというものであった。しかし、ガス
タービン静翼は一台のガスタービンで数十枚使用されて
おり、全てが同じ条件で使用されることはなく、翼によ
りばらつきがある。そのような場合には、図６のように
使用中に発生したき裂の周辺、特に先端近傍に楕円孔や
スリットを加工することで、長寿命化を図ることができ
る。それらの孔やスリットの効果は、上と同じく、熱変
形の吸収による熱応力低減や互いの干渉によりき裂の成
長速度を低下させることである。また、以上では未貫通
の孔により長寿命化を行ってきたが、部位によっては、
図７の１８のように、冷却孔となる貫通孔を設け、き裂
周辺の冷却を強化し、部材温度を低下させることで、き
裂の成長を遅くし、長寿命化を図ることもできる。な
お、この発明は溶接補修が困難な一方向凝固材で製作さ
れた静翼にもそのまま適用できるものである。

【００１１】静翼に生じる熱応力は、部材内に温度勾配
が生じているため、それに対応して勾配を持つ曲げ応力
であることが一般的である。さらに、その応力は周囲の
高速によって発生するため、変位制御型の応力となる。
変位制御型の場合は部材板厚を小さくすると、曲げ応力
も低下する。板厚の減少は冷却を強化することにもつな
がる。しかし、必要以上に板厚を小さくすると部材の剛
性が低下することになる。そこで、図８に示すように、
冷却側に、曲げ応力に垂直な方向の溝を加工すること
で、熱曲げによる応力を低減し、長寿命化を図ることが
できる。部材の変形は、図９に示すように、高温側に凸
となるが、溝により変形に伴う応力が低下し、さらに部
分的な板厚の減少，冷却側表面積の増加により冷却強化
も図れ、低熱応力化が達成される。

【００１２】図１０は発生したき裂の先端に未貫通の円
孔を設け、き裂の成長を抑制しようとする手法を表して
いる。図１１はその断面を表したものである。静翼に発
生するき裂は、上述したように、部材内の応力勾配によ
り図１１のような半楕円型の表面き裂になる。このよう
なき裂においては、き裂の最深点の方が表面点よりも応
力拡大係数等の破壊力学パラメータを求める際に必要な
形状係数が大きくなり、長径と短径の比が大きい、すな
わち扁平な形状ほどその傾向が強くなる。部材の損傷に
はき裂の深さ方向の成長量が大きく影響するため、深さ
方向への成長を抑えることが部材の長寿命化にもつなが
る。静翼外表面は高温の燃焼ガスに直接さらされるた
め、材料劣化が激しく、長時間使用後には、部材内部に
比べてき裂進展抵抗が小さくなると考えられる。そのた
め、き裂はさらに表面長が深さに比べて大きい扁平なも
のになるが、その形状の影響により深さ方向への成長も
加速される。そこで表面長の成長を抑えるために、き裂
先端の応力集中を低減させるための円孔を加工し、長寿
命化を図ることができる。

【００１３】一般にガスタービン高温部品は有限寿命の
部品であるため、定期的にプラントを停止し、定期検査
を行い、損傷の調査が行われている。静翼については、
その際に必要に応じて溶接補修などの処置がとられる。
一般的にき裂が発生するのは高応力部位であり、補修後
もその部位からのき裂成長が生じることが予想される。
また、溶接金属は母材よりも低延性のものがほとんどで
あり、補修後は補修前に比べてき裂の発生，成長が速ま
ることが予想される。そこで図１２のように、補修が施
された部位の周辺に、上記したような楕円孔やスリッ
ト，貫通孔などを設け、熱応力低減，冷却強化により、
補修後の寿命低下を抑えることも可能である。

【００１４】以上のような手法を単独あるいは組み合わ
せて使用することで、熱応力による損傷を受ける静翼
の、熱変形緩和，冷却強化による長寿命化が可能な構造
を提供することができる。

【００１５】

【発明の効果】本発明のガスタービン静翼構造によれ
ば、楕円孔やスリットによる熱応力緩和およびそれらか
ら発生した微小き裂の干渉により、部材の損傷に大きく
影響する最大き裂長さを抑えることができ、長寿命化が
可能な静翼構造とすることができる。部品の長寿命化に
より、運用コストの低減が図れる。また、検査と検査の
間隔を長くとることが可能になり、ガスタービンの稼働
率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明手法の斜視図。

【図２】静翼に発生した熱疲労き裂の説明図。

【図３】隣接して発生したき裂の説明図。

【図４】温度勾配を持つ部材の熱変形の説明図。

【図５】熱応力緩和のためのスリットの説明図。

【図６】熱疲労き裂成長抑制のための楕円孔の説明図。

【図７】熱疲労き裂成長抑制のためのスリット，貫通孔
の説明図。

【図８】熱応力低減ための冷却側の溝の説明図。

【図９】熱曲げによる変形の説明図。

【図１０】熱疲労き裂成長抑制のための円孔の説明図。

【図１１】図１０の断面図。

【図１２】補修部位と熱応力緩和のための楕円孔の説明
図。

【符号の説明】

１…ガスタービン静翼、２…高応力部位、３…主応力方
向を示す矢印、４…楕円孔、５…楕円孔から発生した微
小き裂。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧縮機で圧縮された空気に燃焼器で燃料を
加えて発生させた高温の燃焼ガスによりタービンを回転
させ、発電器を駆動するガスタービンにおいて、燃焼ガ
スを最適となる角度で動翼に送り込むために燃焼器出口
直後に設置され、外周および内周壁をシュラウドで固定
され、それらの拘束により発生する熱応力の起動停止に
伴う繰返しにより損傷を受けるガスタービン静翼におい
て、高応力発生部位に主応力と垂直な方向に長径を持つ
楕円孔を複数配置することを特徴とするガスタービン静
翼。
【請求項２】請求項１において、高応力発生部位に主応
力に垂直な方向のスリットを設けたガスタービン静翼。
【請求項３】請求項１において、使用中に発生したき裂
の周辺に、き裂に平行な冷却孔あるいはスリットを加工
するガスタービン静翼の補修方法。
【請求項４】請求項１において、部材の冷却側表面にス
リットあるいは溝を設けたガスタービン静翼。
【請求項５】請求項１において、使用中に発生したき裂
の先端に未完通穴を設けるガスタービン静翼の補修方
法。
【請求項６】請求項１において、補修時に補修部位の周
辺の非補修部に、微小き裂の起点となる楕円孔やスリッ
トを加工するガスタービン静翼の補修方法。