JPS59173501A - ガスタ−ビンの静翼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 用される静翼に関するものである。

近年ガスタービンは、そのタービンの性能向上及び出力
上昇のために、ますます高温化する傾向にある。

従って、このようなガスの高温のもとにおいて、ガスタ
ービンの静翼の強度をいかにして保持させるかというこ
とが大きな技術課題となってい，る。

このような課題を解決するため、静翼を冷却する方法と
して、静翼を中空に形成し、その中空部を冷却空気供給
源に連通させて冷却空気を導き、内部を対流冷却する方
法、静翼の中空部内に中子を設け、その中子内に冷却空
気を導き、中子先端の吹出用孔より静翼内面に吹出し、
局所的に熱伝達率を高め、強制冷却する方法、翼の中空
部内に冷却空気を導き、前縁部の吹出用孔から冷却空気
を吹き出し、表面を冷却空気でおおい、高温の燃焼ガス
から熱を遮断するフィルム冷却の方法等が採用され、ガ
スタービンが高温化するにつれてこれらの冷却方法を組
合わせて使用するに至っている。

ここで、静翼の前線部は、高温ガスがせき止められる部
分であり、静翼のうちで最も高温となるところであるた
め、この部分の冷却が重要であり、ガスタービンの高温
化に伴ってフィルム冷却を併用し、また、この部分を冷
却するに必要な冷却空気量も多くなっている。

しかしながら、この冷却空気は、一般にガスタービンの
タービン部により駆動される圧縮機より抽気して供給す
るため、上述のように冷却空気の供給量が増加すること
は、それだけ圧縮機で圧縮するだめの所要動力が大きく
なり、その分、ガスタービンの効率低下を招くことにな
る。

更には、上記のように冷却空気の供給量が増加すること
は、それだけ主流ガスに混合する冷却空気の量が増し、
主流ガスの平均ガス温度が−低下することにもなり、ガ
スタービンのサイクル効率が低下してしまうことになる
。

また、静翼の前線部は、主流ガスをせき止めるだめ、そ
の動圧が加わるが、冷却空気の吹出を完全にするために
は、冷却空気の圧力が主流ガスの動圧分を含む圧力より
大きい必要があり、このため主流ガス側の流路に絞り抵
抗等を設けて主流ガス圧力を低下する場合もある。

しかし、この場合は、このように圧力を下げ、た分だけ
ガスタービンの仕事に関与しないことになるので、結局
この場合もガスタービンの出力低下を招くことは避けら
れないことになる。

そこで本発明は、前記従来の問題を解消し、ガスタービ
ンの効率向上を可能とするガスタービンの静翼を提供す
ることを目的としだものである。

即ち、上記目的を達成する本発明のガスタービンの静翼
はガスタービンの静翼の頭部を、その本体部とに分け、
かつセラミックで形成し、該頭部と本体部との境界面を
該本体側が凸状であり、かつその境界面の延長線が本体
部の側面の接線に対し鋭角をなすように形成すると共に
、該境界面に沿って複数の突起を介在させた冷却空気の
吹出通路を設け、更に、該吹出通路を翼本体内に形成さ
れ、かつ冷却空気供給源に連通ずる中空部に吹出用孔を
もって連通させ、その−；吹出用孔の上記境界面側に空
気室を設けることにより構成される。　　　　　　＼ 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明するが、第１
図は本発明の実施例によるガスタービンの静翼の断面図
である。

第１図において、１は静翼であり、複数個が環状に配列
されており、このように配列された静翼群に対し、高温
ガスは矢印で示すように供給されるようになっている。

との静翼１は、耐熱合金からなる本体部２と、高温ガス
をせき止める前縁側のセラミックで形成された頭部６と
から構成されている。

この本体部２と頭部６とは、本体部２側が凸状となるよ
うな形状で境界面を形成しており、この凸状の境界面を
形成する断面の線は曲線でも良く、また本実施例のごと
く折線でも良い。

更に、両側の翼側面に延長する境界面の延長線は、それ
ぞれ翼側面の接線に対し、鋭角α。

α′をなすようになっている。

ここで、頭部乙の範囲は主流ガスがせき止められる範囲
、あるいはそれ以上とし、具体的にはキャンバ−ライン
長さの約１０％以内とするのが適当である。

一方、本体部２の内部には、図示されていない冷却空気
供給源、即ちガスタービンのタービン部により駆動され
る圧縮機に連通した２つの中空部４，５が仕切壁６゛に
区切られて形成されている。

一方の中空部４は、冷却空気の吹出用孔７を介して吹出
用孔７の境界面側に設けた空気室８に連通し、更にこの
空気室８を介して、本体部２と頭部６との間の境界面に
沿って設けた冷却空気の吹出通路９，９に連通し、それ
ぞれ、静翼１の両側面側に開口するようになっている。

従って、中空部４に供給された冷却空気は、吹出用孔７
より頭部３の後面に向けて吹き出され、頭部３を強制冷
却し、空気室８に一時とどまった後、吹出通路９から本
体部２０両側面に吹き出され、その本体部２をフィルム
冷却することになる。

また、他方の中空部５は冷却空気の吹出用孔１０を介し
て翼後縁に開口するようになっており、従って、この中
空部５に供給された冷却空気は内部を対流冷却し、しか
る後、吹出用孔１０から本体部２の翼後縁側に吹き出さ
れるようになっている。

ここで空気室８には第２図に示すように吹出用孔７の１
個または複数個ごとに仕切１４を設けておくが、本体部
２を鋳造でつくるときは、仕切１４付の空気室８を一体
成形すると良い。

また、頭部３と本体部２との境界面に沿って設けられた
吹出通路９には、第２図及び第３図に示すように複数の
柱状の突起１５を介在させており、吹出通路９を通過す
る冷却空気に乱流を起させることにより、頭部６と本体
部２の冷却を促進するようにしている。

この突起１５の配列につｖｆｉは、第３図に示すごとく
規則的な配列以外のランダムな配列でも良く１．またそ
の形状も柱状以外のどのような形状でも良く、吹出通路
９を通過する冷却空気にできるだけ乱流を起させるよう
な配列及び形状を選定すると良い。

また、これら突起１５は第３図のごとく本体部２側の材
料に一体に形成しても良いが、第４図の態様例に示すよ
うに頭部６側にそれらの突起１８を一体に形成しても良
く、更に、これら突起１５、１８を本体部２または頭部
６に埋込みその他の方法で取付けても良い。

なお、吹出通路９から本体部２０両側面に吹出される冷
却空気の量は、吹出用孔７の総面積に規定されるように
する。

第５図は本発明の他の実施例からなる静翼１を示すもの
で、第１図とほぼ同様の構成及び機能を有し、同じ部品
は同じ部品番号で示している。

この実施例では、本体部２の先端側の中空部４の中に中
子１１を設けたもので、この中子１１の内部を冷却空気
源に連通させると共に、中子１１の先端に多数の吹出用
孔１２を設けるようにしている。

１従って、この静翼１では、中子１１の先端の吹−出用
孔１２から冷却空気を中空部４の内面に向けて吹きつけ
ることにより、局所的に熱伝達を高めるようにして強制
冷却を行なうようにしている。

との静翼１では、中空部４から翼側面に冷却空気を吹出
すための吹出用孔１６が、さらに下方にも開口するよう
に設けられ、吹出通路９がらの冷却空気と共に、本体部
２を十分にフィルム冷却することになる。

第６図は、本発明の更に他の実施例を示すものであり、
第５図と同様に、第１図とほぼ同様の構成及び機能を有
し、同じ部品は同じ部品番号で示しているが、この実施
例では本体部２の後縁側の中空部５内に冷却空気供給源
に連通ずる中子１６を設け、この中子１６の先端に多数
の吹出用孔１７を穿設するようにしたものである。

との静翼１の場合も、上記第５図の実施例の場合と同様
に、中子１６の吹出用孔１７がら中空部５の内面に対し
局所的に冷却空気を吹き付けｈ伝達を高めるようにして
いる。

上述した各実施例の静翼１は、主流ガスをせ°き止める
静翼１のうちで最も高温となる前縁部が、金属よりも耐
熱性の高いセラミックからな芯頭部乙により形成されて
いるため、との前縁′°部には、従来の静翼の前縁部の
ように冷却空気の吹出用孔を設け、フィルム冷却する必
要がなく、主流ガス温度が特に高い場合でも、その後面
を冷却する程度で足りることになる。

一方、本体部２は前縁部はど高温とはならず、その先端
はセラミック類の頭部乙により、主流ガスの熱を遮断さ
れると共に、両者の境界面に設けた吹出通路９によって
熱伝達を防止されるため、この本体部２自身の冷却のた
めに、従来の機構の静翼はとに多量の冷却空気を必要と
しなくなる。

更に、本発明では、吹出通路９に乱流発生を目的とした
突起１５、または１８が多数介在しており、吹出通路９
を通過する冷却空気に乱流を起させ、頭部３と本体部２
の冷却を促進するととができ、それだけ本体部２の冷却
のために要する冷却空気の量を更に低減することができ
る。

その結果、主流ガス中に混合する冷却空気量１１氏減少
して平均ガス温度の低下は抑制され、ガニ）トタービン
の効率は向上すると共に、圧縮機を駆動するだめの所要
動力も少なくなるため、ガ、コトタービンの効率を一層
向上することになる。

また、吹田通路９は従来の静翼のように前縁：部に開口
するのではなく、翼側面に開口させるものであるので、
従来の静翼の場合のように主流ガスの動圧が作用するこ
とがなく、逆に主流ガスの速度が増し、圧力が下がって
いるため、冷却空気の吹出しを可能にするために主流ガ
スとの圧力差を考慮して、主流ガス圧力をわざわざ下げ
るというような処置も必要でなくなるので、この面から
もガスタービン効率の向上に寄与することになる。

また、吹出用孔７の境界面側に設けた空気室８は頭部３
の後面゛の冷却効果を高める効果をもつが、ことに仕切
１４を設けることにより、主流ガスの半径方向圧力分布
のために冷却空気が片寄って吹出用孔７から吹出すこと
、あるいは、片寄って吹出通路９を流れることを防止し
、本体部２の側面の空気フィルム層の形式を完全なもの
とし、また、との吹出通路９の延長線は翼側面の接線に
対しα、α′の鋭角となっているた）千、たとえ冷却空
気の圧力が主流ガスの圧力よ＋ｌｈ　４大きくなって勢
よく吹出すようなことがち−ｐても、翼側面には良好な
冷却空気のフィルム層が形成されることになり、冷却性
能や空力性１能が損なわれるようなことはない。

また、前記の静翼１では、主流ガスの動圧を１受ける前
縁部に冷却空気の吹出用孔を設けていないため、主流ガ
スの圧力分布に応じて冷却空気を吹出すための翼構造を
、従来の前縁部から吹出すようにした静翼に比べ簡単に
することができる。

更に、セラミックは金属に比べて構造強度が劣るため、
従来はガスタービンの静翼に利用することは難しいとさ
れていたが、上記のようにこのセラミックを頭部６のみ
にし、その構造強度は金属の本体部２でもつように構成
し、かつ頭部６にかかる空気力も本体部で支えるように
したことにより、セラミックの利用を可能にしている。

これに伴い、上記のようにガスタービン効率の一層の向
上を可能にしている。

しかも、セラミックの頭部６と本体部２とは、本体部２
側が凸となるような形状で境界面を形成しているので頭
部乙に作用する主流ガスの力の方向が変化しても、この
力を本体部２で支えることができる。

また、頭部６と本体部２とは凹凸の組合せであるので、
両者の間のずれにより段差ができ、□ガス流れが翼面か
ら剥離して空力性能を低下するようなことも防止するこ
とができる。

また、何らかの原因によりセラミックの頭部６が破損し
たとしても、本体部２の先端が凸状であるため、ある程
度の空力性能は維持することができ、また、簡単に交換
ができる。

前記のごとく、本発明のガスタービンの静翼は、主流ガ
スをせき止める頭部を本体部と分け１かクセラミックで
形成し、この頭部と本体部との境界面を、本体部側が凸
状であり、かつその境界面の延長線が翼側面の接線に対
し鋭角をなすように形成すると共に、その境界線に沿っ
て冷却空気の吹出通路を設け、かつその吹出通路に複数
の乱流発生用の突起を介在させ、との吹出通路を本体部
内の中空部に吹出用孔をもって連通し、この吹出用孔の
前記境界面側には空気室を設け、また、上記中空部を冷
却空気供給源に連通させた構成としたので、冷却空気量
を低減でき、また冷却空気の吹出路を翼前縁部に設けな
い構成にしたので、主流ガスの圧ノＪを下げる必要がな
くなり、ガスタービンの効率向上をはかることができる
３、 加えて、セラシックは金属より高い温度に耐えられるの
で、冷却空気を増加させないで主流ガス温度を上げるこ
とができ、この面からも効率向上をはかることができる
と共に、主流ガス１儒度上昇と、冷却空気減少の相乗効
果によるガスタービン効率の向上をはかることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例によるガスタービンの静翼を示
す縦断面図、第２図は第１図の静翼の本体部の要部拡大
斜視図、第３図は第１図のＡ−Ａ方向の要部拡大断面図
、第４図は第３図に対応する他の態様例の断面図、第５
図及び第６図はそれぞれ本発明の他の実施例による静翼
の縦断面図である。 １・・・静翼、２・・・本体部、６・・・頭部、４，５
・・・中空部、７・・・吹出用孔、８川空気室、９・・
・吹出通路、１５，１８・・・突起。 出願人　工業技術院長　石板域− ３図　　第４図 ８

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ガスタービンの静翼の頭部を、その本体部とに分け、か
   つセラミックで形成し、該頭部と本体部との境界面を該
   本体側が凸状であり、かつその境界面の延長線が本体部
   の側面の接線に対し鋭角をなすように形成すると共に、
   該境界面に沿って複数の突起を介在させた冷却空気の吹
   出通路を設け、更に、該吹出通路を翼本体内に形成され
   、かつ冷却空気供給源に連通ずる中空部に吹出用孔をも
   って連通させ、該吹出用孔の上記境界面に空気室を設け
   たことを特徴とするガスタービンの静翼。