JPH10339104A - ガスタービン翼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 翼内部に高圧蒸気を供給し、同高圧蒸気で冷
却を行って熱エネルギを回収するという蒸気冷却方式が
提案されるに至っているが、翼強度等解決を要する問題
がある。本発明はこのような問題点を解消し、強度上問
題なくかつ高圧蒸気の流れにも問題ないようにしたもの
を提供することを課題とする。 【解決手段】 翼内部に翼長方向に延びる冷却媒体流路
を形成し、この中に翼の背側と腹側をつなぎ、かつ冷却
媒体の流れの方向に延びた補強リブを設け、冷却媒体の
流れに支障を来さずに翼の強度を確保した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は蒸気冷却構造を備え
たガスタービン翼に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年コンバインドサイクル発電プラント
においては、ガスタービンの熱効率改善のために翼の冷
却を空気に代わり、蒸気にて行い、冷却に供した蒸気を
主流ガス中に放出せずに回収することが考えられてい
る。

【０００３】このような蒸気冷却方式によれば、回収し
た蒸気からガスタービンの冷却熱を蒸気タービンで回収
することによりプラント全体の効率の低下を防ぎ、ま
た、ガスタービン内への冷却媒体の吹き出し量を抑える
ことでタービン効率を向上できる。また、冷却媒体を空
気から蒸気にかえることにより、従来の冷却通路形状を
大幅に変更することなく伝熱性能を大幅に向上すること
ができる。

【０００４】前記した従来の回収型蒸気冷却ガスタービ
ンにおける動翼の内部冷却構造を図２に示す。なお図２
（ａ）は翼の縦断面を示し、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断
面を示している。

【０００５】動翼１の冷却用蒸気は、翼前縁５側の翼下
部に設けた冷却蒸気入口８から供給され、動翼１内にサ
ーペンタイン状に形成された冷却通路４を通って矢印に
て示すように流れ、翼内部を冷却した後に翼後縁６側の
冷却蒸気出口９より翼外部に出、図示しない回収系に導
かれる。

【０００６】なお、ここで冷却通路４の内面には、冷却
蒸気の流れに交差する方向に延びる複数の乱流促進フィ
ン７を設け、内部伝熱を促進するような構造となってい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記したように冷却蒸
気はその後流で回収されるものであるために、冷却を行
なう翼内部での圧力は、翼面外側のガス圧力よりも２〜
４ＭＰａ高く保たれるために、この翼内部には、薄肉構
造の中空翼の強度の許容限度を越える内圧力がかかり、
翼が変形（バルジング）して膨れ、翼表面で作動ガスの
流体剥離が生じ、翼の性能を低下させる等の不具合を招
くことになり、少くともこれに耐え得る構造にすること
が求められる。

【０００８】本発明はこのようなニーズに応え、翼の強
度を確実に保った上で、ガスタービンの熱効率改善を狙
いとした蒸気冷却方式の利点を損うことなくそのメリッ
トを存分に享受できるようにしたガスタービン翼を提供
することを課題とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記した課題
を解決するべくなされたもので、翼内部に翼長方向に延
びる冷却媒体流路を形成し、同冷却媒体流路内に冷却媒
体の流れ方向に延びて翼の背側と腹側とをつないだ補強
リブを設けたガスタービン翼を提供するものである。

【００１０】このように補強リブで翼の背側と腹側とを
つなぐことにより翼内の高圧蒸気と翼外部ガスの圧力差
によって生じる力に耐え得る強度が得られ、また、この
補強リブは、翼内部に翼長方向に延びて形成された冷却
流路内で冷却媒体の流れ方向に延びているので、冷却媒
体である高圧蒸気の流れを妨げることなく、補強リブの
有無で流れの状態を変えずに所期の冷却効果を達成する
ものである。

【００１１】また本発明は、前記冷却媒体流路は仕切壁
で区画して形成され、前記補強リブは隣接する仕切壁の
間で左右の流路を閉塞しない位置に配置されたガスター
ビン翼を提供するものである。

【００１２】すなわち、冷却媒体流路を形成する隣接す
る仕切壁の間、好ましくは中央部に流路を閉塞しないよ
うに位置決めをして補強リブを配置したことにより冷却
媒体流路の幅が狭まり、これにより冷却媒体流路を流れ
る冷却蒸気圧力とその外側を流れる主ガス圧力の圧力差
に起因して冷却蒸気側から膨らむ流路の翼変形（バルジ
ング）量が少なくなる。

【００１３】従って主ガス圧力より高い圧力の冷却蒸気
を使用しても翼の変形が回避されるので、この翼変形に
伴って発生する流体剥離による性能低下を防止すること
ができるものである。

【００１４】また本発明は、前記補強リブの左右の流路
は互いに独立の流れ性状を形成するそれぞれ独立の構造
に構成されたガスタービン翼を提供するものである。

【００１５】すなわち、補強リブは冷却媒体流路に単純
に配設するというものではなく、補強リブを配設するこ
とにより左右に区画した冷却媒体流路のそれぞれは、そ
の流路を流れる冷却蒸気の性状に応じてそれに適合する
ように独立の形態に構成され、効果的な熱交換、熱回収
を達成する様にしたものである。

【００１６】また本発明は、前記冷却媒体流路に供給し
回収される冷却蒸気は翼根の前方及び後方に突出した供
給入口と回収出口から供給・回収されるように構成され
たガスタービン翼を提供するものである。

【００１７】すなわち、冷却蒸気を冷却媒体流路に導入
する供給入口と、冷却作業を終わってタービン翼から熱
を受け取った冷却蒸気の回収出口は、この部位を翼根の
前方および後方にそれぞれ突出して構成しているので、
この部位での連結構造等を含めてその加工、工作が容易
であり、効率低下の要因となる冷却蒸気の漏洩を適切に
防止することができるものである。

【００１８】更にまた本発明は、前記補強リブは翼後端
の冷却媒体流路内にのみ設け、他の冷却媒体流路は断面
が円形に近くなる様に短区間で多数に区画したガスター
ビン翼を提供するものである。

【００１９】すなわち、冷却媒体流路は断面が円形に近
くなる様に短区間で多数に区画した場合には、この断面
ほぼ円形状の冷却媒体流路には補強リブは必要ないので
そこには設置せず、全体形状が細身となって断面を円形
に近くすることの困難な翼後端の冷却媒体流路のみを選
んで補強リブを設置したものであり、翼全体に亘って補
強リブを設置する設計、製作のコストを省略し、それで
も強度的に十分な翼を得る様にしたものである。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の第１形態を図１に
基づいて説明する。同図１において（ａ）は、蒸気冷却
するガスタービン動翼の縦断面を示し、（ｂ）は（ａ）
のＡ−Ａ断面を示している。なお、前記した従来の技術
と同一の部分については、図中に同一の符号を付して示
し、重複する説明は省略する。

【００２１】本実施の形態では、動翼１の内部をサーペ
ンタイン状に連通して、翼根側から翼チップ１１側、更
に同翼チップ１１側から翼根側へ連なり、動翼１の長手
方向へと往復して延びる冷却通路４内に、翼腹側２と翼
背側３とをつないで同冷却通路４のほぼ中央部を長手方
向に延びる補強リブ１２を配設している。

【００２２】また、サーペンタイン状に連なる冷却通路
４の翼チップ１１側の各折り返し部には、折り返しのカ
ーブに沿って曲った短かい補強リブ１３を配設してい
る。

【００２３】本実施の形態は上記のように冷却通路４内
に補強リブ１２，１３を配設したので、同冷却通路４を
流れる冷却用の高圧蒸気と、動翼１の外を流れる主流ガ
ス１０との圧力差（通常２〜４ＭＰａ）によって動翼１
に作用する力に十分耐えうる強度を得ることができる。

【００２４】また、補強リブ１２は冷却通路４の伸長方
向に沿って配設されているので冷却蒸気流れに平行とな
り、冷却蒸気の流れを乱すこともなく、補強リブ１３は
冷却通路４の折り返しカーブに沿って曲っているので、
翼チップ側１１にも流れをスムーズに導き、従来のもの
のように補強リブ１２，１３がないものと比べてみても
冷却蒸気の流れには格別の差異はなく、蒸気を冷却媒体
とした場合の利点を何ら損うことなく、所期の冷却効果
を達成するものである。

【００２５】なおここで用いた補強リブ１２，１３の形
状については、流体力学的に圧力損失の少ない形状、つ
まり補強リブ１２，１３の前縁、後縁を丸くしたものと
し、大きさは動翼１の翼腹側２及び翼背側３からの引っ
張りに耐えうる強度を持つ巾とすればよく、具体的寸法
は対象であるタービンの規模により決められるものであ
る。

【００２６】次に本発明の実施の第２形態を図２に基づ
いて説明する。同図２において（ａ）は、蒸気冷却する
ガスタービン動翼の縦断面を示し、（ｂ）は（ａ）のＸ
−Ｘ断面を示している。

【００２７】なお、前記した従来の技術および実施の第
１形態のものと同一の部分については、図中に同一の符
号を付して示し、重複する説明は省略してこれ等と異な
る点を重点的に説明する。

【００２８】本実施の形態においては、Ｕ字形をした仕
切壁１４ａとその中央部に挿入する様に配置したＩ字形
をした仕切壁１４ｂとでサーペンタイン状に曲折する冷
却通路４を形成し、同仕切壁１４ａ，１４ｂ等の間でそ
のほぼ中央位置に補強リブ１２を配置して同冷却通路４
の部位に当たる翼の強度を確保している。

【００２９】そして特に翼後縁６側に位置して形成され
た冷却通路４について注目してみると、この冷却通路４
に配置された補強リブ１２の左右両側の乱流促進フィン
（タービュレータ）７ａ，７ｂは、他の冷却通路４にお
ける補強リブ１２との関連構成とは様相を異にしてい
る。

【００３０】即ち、他の冷却通路４においては、冷却通
路４の全巾に亘って一様に延びた乱流促進フィン７の上
に補強リブ１２が単純素直に配置された様な配列形状と
なっているが、ここでは補強リブ１２の左右それぞれの
側でそれぞれ別個独立な形状配列となっている。

【００３１】更に詳細に説明すれば、補強リブ１２を挟
んで一側の乱流促進フィン７ａと、他側の乱流促進フィ
ン７ｂとはそれぞれの傾斜方向を互いに異ならせ、かつ
また設置する本数（配列のメッシュ）自体互いに異なっ
ている。

【００３２】これは補強リブ１２の左右両側では冷却蒸
気の性状自体が微妙に異なるために、それぞれの位置に
於ける冷却蒸気の性状に応じてそれに適合した流れを得
ることにより効果的に熱交換、熱回収を達成する様にし
たものである。

【００３３】また、本実施の形態によれば動翼１の翼根
部において、前縁側では前方に向かって僅かに突出して
冷却蒸気入口８を設け、また後縁側では後方に僅かに突
出して冷却蒸気出口９を設けている。

【００３４】蒸気冷却方式においては、冷却蒸気の供給
経路、および冷却後の回収経路のいずれにいおいてもそ
の途中で漏洩のないことが求められているが、特に翼１
に対する連結部であるこの冷却蒸気入口８と冷却蒸気出
口９とを外方に突出させて形成したことにより、この部
位における加工、工作の作業環境が好ましい状況で確保
されるので、その作業性を向上するとともに蒸気漏洩を
確実に防止することができるものである。

【００３５】次に本発明の実施の第３形態を図３に基づ
いて説明する。同図３において（ａ）は、蒸気冷却する
ガスタービン動翼の縦断面を示し、（ｂ）は（ａ）のＹ
−Ｙ断面を示している。

【００３６】なお、前記した従来の技術および実施の第
１、第２形態のものと同一の部分については、図中に同
一の符号を付して示し、重複する説明は省略してこれ等
と異なる点を重点的に説明する。

【００３７】本実施の形態は、サーペンタイン状に曲折
した冷却通路４のうち翼１の後端に位置するものに限っ
て補強リブ１２を配設したものである。

【００３８】即ち、本実施の形態では、翼１の内部に前
記サーペンタイン状に曲折した冷却通路４を形成するに
際し、仕切壁１４を多く採用し、翼１の内部を細かく仕
切っているので（通常４区画程の仕切りであるのに対
し、ここでは６区画に仕切っている）、各冷却通路４は
ほぼ円形に近い形状となり強度的に強いものとなる。

【００３９】しかし、翼１の本来の形状は、その後縁側
は細身になっているので、この位置の冷却通路４の形状
を円形に近付けるまで仕切壁１４を設けず、補強リブ１
２を配設して強度を持たせたものである。

【００４０】従って本実施の形態によれば、翼１の前縁
側から中央、そして後縁の一つ前までは仕切壁１４を短
区間配置してほぼ円形状の冷却通路４により強度を受け
持たせ、全体形状が細身となって断面を円形に近くする
ことの困難な翼後端の冷却流路４のみを選んで補強リブ
を設置したことにより、翼全体に亘って補強リブ１２を
設置する設計、製作のコストを省略し、それでも強度的
に十分な翼を得る様にしたものである。

【００４１】なお、本実施の形態のものにおいては、仕
切壁１４の下方にバイパス孔１６を設け、冷却通路４を
流れる一部の冷却蒸気をサーペンタイン状に曲折せずに
バイパスさせて先回りさせ、全体の温度バランス等を調
整する様に工夫されている。

【００４２】以上、本発明を図示の実施の形態について
説明したが、本発明はかかる実施の形態に限定されず、
本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えて
よいことはいうまでもない。

【００４３】

【発明の効果】以上本発明によれば、動翼内部冷却通路
に補強リブを設けることにより、翼内の高圧蒸気と翼外
部ガスの圧力差によって生じる力に耐えうる強度が得ら
れ、安全性、安定性の高い翼を得ることができたもので
ある。

【００４４】また冷却蒸気流れに沿って平行な形状の補
強リブ構造とすることにより、冷却蒸気は内部通路をリ
ブなし時とほとんど同様に流れ、内部対流冷却性能を損
なうこともなく所期の効果を達成する翼を得ることがで
きたものである。

【００４５】そしてこれ等により、ガスタービンの熱効
率改善のために翼の冷却を空気に代わって、蒸気を用い
る利点を損なうことなく、翼の強度を保つことができ、
これらの効果を総合してガスタービン効率及びプラント
全体の効率向上を図ることができたものである。

【００４６】また請求項２の発明によれば、仕切壁で区
画した冷却媒体流路に補強リブを配設するに際し、補強
リブは隣接する仕切壁の間で左右の流路を閉塞しない位
置に配置したものである。

【００４７】すなわち、冷却媒体流路を形成する隣接す
る仕切壁の間のたとえば中央部に、流路を閉塞しないよ
うに位置決めをして補強リブを配置したことにより冷却
媒体流路の幅を狭め、これにより冷却媒体流路を流れる
冷却蒸気圧力とその外側を流れる主ガス圧力の圧力差に
起因して冷却蒸気側から膨らむ流路の翼変形（バルジン
グ）量が少なくし、以て主ガス圧力より高い圧力の冷却
蒸気を使用しても翼の変形が回避されるようにして、こ
の翼変形に伴って発生する流体剥離による性能低下を防
止する様にしたものである。

【００４８】また請求項３の発明によれば、ガスタービ
ン翼内に形成された冷却媒体流路に配設する補強リブの
左右の流路は互いに独立の流れ性状を形成するそれぞれ
独立の構造に構成したものである。

【００４９】すなわち、補強リブは冷却媒体流路に単純
に配設するというものではなく、この補強リブが配設さ
れることにより左右に区画される冷却媒体流路は、それ
ぞれの側を流れる冷却蒸気の性状に応じてそれに適合す
るように独立の形態に構成されることができるので、効
果的な熱交換、熱回収を達成することができたものであ
る。

【００５０】また請求項４の発明によれば、ガスタービ
ン翼内に形成した冷却媒体流路に供給し回収される冷却
蒸気は、翼根の前方及び後方に突出した供給入口と回収
出口から供給・回収されるように構成したものである。

【００５１】すなわち、冷却蒸気を冷却媒体流路に導入
する供給入口と、冷却作業を終わってタービン翼から熱
を受け取った冷却蒸気の回収出口では、この部位で蒸気
漏洩が起こる可能性が高いが、本発明では前記したよう
にこの部位を翼根の前方および後方にそれぞれ突出して
構成しているので、この部位での連結構造等を含めてそ
の加工、工作が容易となり、効率低下の要因となる冷却
蒸気の漏洩を適切、確実に防止することができたもので
ある。

【００５２】更にまた請求項５の発明によれば、ガスタ
ービン翼の内部に形成した冷却媒体流路に配設する補強
リブは、翼後端の冷却媒体流路内にのみ設け、他の冷却
媒体流路は、その断面が円形に近くなる様に短区間で多
数に区画して構成したものである。

【００５３】すなわち、冷却媒体流路は短区間で多数に
区画して断面が円形に近くなる様にした場合には、この
断面ほぼ円形状の冷却媒体流路は強度が高くなって補強
リブは必要ないのでそこには設置せず、全体形状が細身
となって断面を円形に近くすることの困難な翼後端の冷
却媒体流路のみを選んで補強リブを設置したものであ
り、翼全体に亘って補強リブを設置する設計、製作のコ
ストを省略した上全体が強度的に十分な翼を得ることが
できたものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の第１形態に係る蒸気冷却式ガス
タービン動翼を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は
（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【図２】本発明の実施の第２形態に係る蒸気冷却式ガス
タービン動翼を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は
（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。

【図３】本発明の実施の第３形態に係る蒸気冷却式ガス
タービン動翼を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は
（ａ）のＹ−Ｙ断面図である。

【図４】従来の蒸気冷却式ガスタービン動翼を示し、
（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 動翼 ２ 翼腹側 ３ 翼背側 ４ 冷却通路 ５ 翼前縁 ６ 翼後縁 ７、７ａ，７ｂ 乱流促進フィン ８ 冷却蒸気入口 ９ 冷却蒸気出口 １０ 主流ガス流れ １１ 翼チップ １２，１３ 補強リブ １４、１４ａ，１４ｂ 仕切壁 １５ａ，１５ｂ 空洞部 １６ バイパス孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上松 一雄 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂製作所内 (72)発明者 福野 宏紀 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂製作所内 (72)発明者 富田 康意 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂製作所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 翼内部に翼長方向に延びる冷却媒体流路
   を形成し、同冷却媒体流路内に冷却媒体の流れ方向に延
   びて翼の背側と腹側とをつないだ補強リブを設けたこと
   を特徴とするガスタービン翼。
2. 【請求項２】 前記冷却媒体流路は仕切壁で区画して形
   成され、前記補強リブは隣接する仕切壁の間で左右の流
   路を閉塞しない位置に配置されたことを特徴とする請求
   項１に記載のガスタービン翼。
3. 【請求項３】 前記補強リブの左右の流路は互いに独立
   の流れ性状を形成するそれぞれ独立の構造に構成された
   ことを特徴とする請求項２に記載のガスタービン翼。
4. 【請求項４】 前記冷却媒体流路に供給し回収される冷
   却蒸気は翼根の前方及び後方に突出した供給入口と回収
   出口から供給・回収されるように構成されたことを特徴
   とする請求項２または３のいずれかに記載のガスタービ
   ン翼。
5. 【請求項５】 前記補強リブは翼後端の冷却媒体流路内
   にのみ設け、他の冷却媒体流路は断面が円形に近くなる
   様に短区間で多数に区画したことを特徴とする請求項
   １、２、３、または４のいずれかに記載のガスタービン
   翼。