JPS6310285B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は主として高温ガスタービン等に使用さ
れるガスタービンの静翼に関するものである。

近年、ガスタービンは、性能向上および出力上
昇のため、ますます高温化の傾向にあり、このた
め、ガスタービンの翼は高温にさらされることに
なるが、現在このような高温下で強度を有する材
料はないため、翼を冷却する方法が採用されてい
る。

従来のガスタービンに使用される静翼（以下本
説明では便宜上翼と略称する）は、第１−Ａ図、
第１−Ｂ図、第１−Ｃ図及び第１−Ｄ図の例に示
すように、翼１を中空に形成し、ここに冷却空気
を導き、内部を対流冷却した第１−Ａ図に示した
もの、中空状の翼１内に中子４を設け、その中子
４内に冷却空気を導き、中子４先端の多数の細孔
５より翼内面に向けてその空気を吹出し、局所的
に熱伝達を高め、強制冷却した第１−Ｂ図に示し
たもの、さらに中空状の翼１内に冷却空気を導
き、翼前縁部の多数の細孔６より翼外に吹出し、
翼１を冷却空気層でおおい、高温の燃焼ガスから
熱を遮断し、フイルム冷却した第１−Ｃ図に示し
たもの等があり、ガスタービンが高温化するにつ
れて、これらを組合せて使用する第１−Ｄ図の翼
１に至つている。

なお、上記第１−Ａ図から第１−Ｄにおいて、
同じ部品は同じ部品番号で示している。

ここで、ガスタービンの翼１で燃焼ガスにさら
されて最も高温となるのは、主流ガスがせき止め
られる翼１の前縁部であるので、この前縁部の冷
却が最も重要であり、ガスタービンの高温化にと
もなつてフイルム冷却を併用し、また、この部分
を冷却するのに必要な冷却空気の量も多くなつて
いる。

しかしながら、翼１をフイルム冷却し、これに
必要な冷却空気の量が増加すれば、それだけ主流
ガスに混合する冷却空気の量が増し、平均主流ガ
ス温度が低下し、このためガスタービンのサイク
ル効率は低下することになる。

また、翼１を冷却する冷却空気は、通常第２図
の系統図に示すように、ガスタービンのタービン
部１０で駆動される圧縮機８で圧縮された空気
を、燃焼器９前で抽気し、ケーシングあるいは、
これに接続された配管等を通つて翼１内に供給さ
れる。

このため、冷却空気量が増加すれば圧縮機８で
圧縮するための所要動力が多くなり、この分だけ
ガスタービン１０の効率及び出力が低下すること
になる。

また、フイルム冷却を完全に行なうためには、
主流ガスの圧力に対する冷却空気の圧力差が適正
である必要があり、この圧力差が小さいと局所的
に吹出しが行なわれないのみならず、主流ガスが
翼内部へ逆流することもあり、冷却性能が損なわ
れ、逆に圧力差が大きすぎると、冷却空気が勢い
よく吹出し、翼面に対する吹出し角が大きい場
合、翼面に沿つた冷却空気層が形成され難く、空
力性能までもが損なわれる。

一般に、主流ガスの圧力は、冷却空気の圧力よ
りわずかに低いだけであるため、吹出しが完全に
行なわれるように、主流ガス系の圧縮機８出口か
らガスタービンのタービン部１０の翼列に至るま
での間に絞り抵抗等を設け、主流ガスの圧力を下
げる場合もある。

このように、主流ガスの圧力を下げることは、
この分が仕事に関与しないため、そのままロスと
なり、出力は低下する。

また、翼１の各部より冷却空気を吹出し、フイ
ルム冷却を行なう場合には、翼面に沿つて主流ガ
スに圧力分布があり、それぞれの位置に所定量の
冷却空気を吹出すための翼構造は、複雑となつて
いる。

また、冷却空気の吹出し孔を設けることは、そ
れだけ加工の手間がかかり、コスト上昇をまね
き、強度が低下し、翼寿命は短かくなる。

以上のように、従来の冷却式の翼の構造では、
ガスタービンの高温化にともない、翼前縁部から
フイルム冷却を行ない、これに必要な冷却空気量
も多くなつているため、主流ガス冷却によるガス
タービン熱効率の低下と、圧縮機所要動力にしめ
るロスが多くなり、また主流ガス圧力を下げるた
めの出力低下等の問題があり、この対策が強く望
まれていた。

そこで、本発明は前記従来の問題点を解消し、
ガスタービンの効率向上を可能ならしめることを
目的としてなされたものである。

即ち、本発明は、ガスタービンの静翼の頭部と
本体部とを別体に形成すると共に、該静翼のプラ
ツトフオーム及びシユラウドに該頭部寸法よりや
や大きい寸法を有する穴及び溝を設け、それらの
穴及び溝の内面に軟かい材質の保護部材を介挿さ
せて該頭部の上下端部を装着することにより構成
される。

以下図面を参照して本発明の実施例を説明する
が、第３図は本発明の一実施例におけるガスター
ビンの静翼の翼部断面図であり、第４図は第３図
の静翼のキヤンバーラインに沿つた断面図で、第
５図は第３図の翼頭部の断面図であり、第１−Ａ
から第１−Ｄ図に示す従来例と同じ部品は同じ部
品番号で示している。

まず、第２図の従来例で説明したと同様のガス
タービンのタービン部１０に適用される本発明の
翼１において、１２が頭部、１３が本体部、１４
が中空の先端部、１５が仕切、１６が冷却空気通
路、１７が先端の冷却空気吹出し孔、１８がプラ
ツトフオーム、１９がシユラウド、そして２０が
キヤツプである。

次に、この翼１では頭部１２と本体部１３とが
別体に形成されており、頭部１２は、本体部１
３、プラツトフオーム１８、シユラウド１９と同
じ耐熱合金で形成することも、または本体部１３
とは異なるセラミツク材で形成しても良い。

頭部１２の範囲は、主流ガスがせき止められる
範囲、あるいは、熱伝達率の高い範囲までとす
る。

また、頭部１２は本体部１３側で凸となるよう
な曲線、あるいは折線等でその分割線が翼外面と
接する角度が大きくなるように本体部１３と分け
ている。

また、本体部１３およびプラツトフオーム１８
とシユラウド１９とは一体となつている。

更に、プラツトフオーム１８には、頭部１２の
寸法よりやや大きな穴２１をあけ、そしてシユラ
ウド１９には、頭部１２の寸法よりやや大きな溝
２２を設け、穴２１と溝２２の内面には、頭部１
２の寸法に合せた軟かい材質の保護部材２３を設
けている。

頭部１２は穴２１を通して溝２２にさし込みの
上、穴２１にキヤツプ２０をしたのち、キヤツプ
２０の上部を全周にわたつて溶接する。

また、本体部１３には仕切１５によつて先端部
１４と後縁部２に分けた中空部を設け、その先端
に細孔の冷却空気吹出し孔１７を多数穿設し、か
つその外面、即ち、頭部１２との合せ面には冷却
空気通路１６を設け、後縁部２の中空部は内部対
流冷却構造とする。

本発明の静翼は、以上のように構成されてお
り、本体部１３の先端部１４および後縁部２に冷
却空気を導き、先端部１４の中空部に導かれた冷
却空気は、本体部１３先端の冷却空気吹出し孔１
７より頭部１２と本体部１３との間の冷却空気通
路１６に吹出され、その冷却空気通路１６を通つ
て翼外に吹出され、本体部１３を冷却空気層でお
おい、フイルム冷却する。

また、後縁部２の中空部に導かれた冷却空気
は、本体部１３の内部を対流冷却し、後縁の冷却
空気吹出し孔３より翼外に吹出される。

なお、ここで、シユラウド１９に穴２１を設
け、プラツトフオーム１８に溝２２を設けても、
または双方に穴を設けても良い。

以上のごとく、本発明では翼１の頭部１２を、
他の翼構造部、即ち、本体部１３、プラツトフオ
ーム１８、シユラウド１９等と分けてあり、翼１
の構造強度は後者でもち、頭部１２にかかる空気
力も本体部でささえるため、頭部１２は構造強度
を必要としない。

また、翼１はタービンケーシングの熱伸び等の
影響を受け、あるいは自からの熱伸び等により変
形することもあるが、これらの頭部１２の上下両
端部を取付けるためのプラツトフオーム１８の穴
２１と、シユラウド１９の溝２２は、頭部１２よ
り大きく、穴２１および溝２２と頭部１２の間に
は、軟かい材質の保護部材２３があるため、翼１
が変形しても、この保護部材２３が変形すること
により、頭部１２に大きな力が働くようなことは
ない。

ただし、このためには保護部材２３に頭部の構
造強度より弱い、軟かい材質を選ぶ必要がある。

ここで、第６図の本発明の他の実施例に示すよ
うに、保護部材２３を薄片断面をもつ環状とし、
穴２１及び溝２２に小溝２５を設け、これにはめ
込んでおけば、小さな力で保護部材２３が変形
し、頭部１２に働く力はより小さくなる。

また、保護部材２３は頭部１２の構造強度より
弱い力で変形する必要があり、その必要変形量
は、具体的には0.1〜0.15mmである。

なお、熱伸びにより翼１の全体が膨張する場合
は、穴２１と溝２２との中心線がずれたり、本体
部１３がせり出してくることもないので、翼１の
膨張に対する穴２１と溝２２の間隙は考慮の必要
はない。

このため頭部１２に、構造強度に対する信頼性
が不十分のため従来翼１を構成できなかつたセラ
ミツクを用いることもできる。

なお、キヤツプ２０をプラツトフオーム１８に
全周溶接したのは、主流ガスが穴２１の間隙を通
つて主流ガス通路外にもれることを防止するため
である。

従つて、本発明では主流ガスがせき止められ、
翼として最も高温となる前縁部の頭部が本体部と
は別体に形成されているので、頭部が高温により
膨張しても本体部には影響を与えることがなく翼
全体としての構造強度を十分に維持することがで
きる。

特に本発明では、静翼のプラツトフオーム及び
シユラウドに設けた頭部寸法よりやや大きな穴及
び溝内に、頭部よりも軟かい材質の保護部材を介
して頭部の上下両端部を装着しており、頭部が膨
張したり、頭部に力が加わつても上記保護部材で
十分吸収し、その支持状態を維持し、翼全体の強
度を長時間保つことができる。

また、本発明では、頭部と本体部との分割面に
冷却空気通路を設け、その冷却空気通路より冷却
空気を本体部側面に吹出し、本体部をフイルム冷
却することができ、翼全体としてみれば、前棺吹
出しはなくなり、側面からの吹出しとなる。

翼前縁からフイルム冷却を行なう場合、翼前縁
には主流ガスの動圧分が加わるため、冷却空気の
圧力はこれより高いことが必要で、この圧力差を
保つため、主流ガス系の圧力をわざと下げること
もあるが、翼後縁から吹出す場合は、主流ガスが
加速し、圧力は下つているため、主流ガスと冷却
空気の圧力差は保たれることになり、主流ガス系
の圧力を下げる必要はなくなり、この分ガスター
ビンの効率が向上する。

また、上記の翼では、頭部と本体部との分割線
が翼外面と接する角度を大きくとることができる
ので、分割面にある冷却空気通路を通つて翼外に
吹出す冷却空気は、翼後方に小さな角度で吹出す
ことになる。

このため、冷却空気の圧力が主流ガスの圧力よ
り高くなつて勢よく吹出しても、翼面に沿つて冷
却空気層が形成され、冷却性能や空力性能が損な
われることはない。

また、本発明では、翼前縁からの冷却空気吹出
しがなくなり、翼側面および翼後縁からの吹出し
となる。

冷却空気を翼内から翼外に吹出す量は、冷却空
気と主流ガスの圧力差に応じて冷却空気吹出し孔
の総断面積で規定するため、翼前縁と翼側面等か
ら吹出しを行なう場合、主流ガスには翼面に沿つ
た圧力分布があり、それぞれの位置の冷却空気吹
出し量を所定の量にするための翼構造は複雑とな
つているが、主流ガスの動圧分を受ける翼前縁か
らの冷却空気吹出しがなくなり、主流ガスが加速
し、圧力の下がつた翼側面および翼後縁からの吹
出しとなれば、翼面に沿つた主流ガスの圧力分布
に応じて冷却空気を所定量吹出すための翼構造は
簡単となる。

また、本発明では翼を頭部と本体部に分けると
き、本体部側が凸となるように分けてあるため、
頭部に働く空気力の方向が変化してもこの力は有
効に本体部でささえることができる。

また、頭部と本体部との組合せは、凹及び凸と
なり、頭部が本体部とずれて段差ができ、翼面を
流れる主流ガスが剥離し、空力性能が低下するこ
とも防止できる。

また、別体に形成した頭部が、何らかの原因で
破損しても、本体部は先端が凸形状の翼形をなし
ており、ある程度の空力性能は保たれると共に、
また頭部が破損しても簡単に取替えることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１−Ａ図、第１−Ｂ図、第１−Ｃ図及び第１
−Ｄ図は、それぞれ異なる従来の冷却式の静翼の
断面図、第２図はガスタービンの系統図、第３図
は本発明の一実施例におけるガスタービンの静翼
の翼部断面図であり、第４図は第３図の静翼のキ
ヤンバーラインに沿つた断面図で、第５図は第３
図の翼頭部の断面図であり、第６図は、本発明の
他の実施例に於けるガスタービンの静翼頭部の断
面図である。 １……翼、１０……ガスタービンのタービン
部、１１……発電機、１２……頭部、１３……本
体部、１８……プラツトフオーム、１９……シユ
ラウド、２０……キヤツプ、２１……穴、２２…
…溝、２３……保護部材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ガスタービンの静翼の頭部と本体部とを別体
   に形成すると共に、該静翼のプラツトフオーム及
   びシユラウドに該頭部寸法よりやや大きい寸法を
   有する穴及び溝を設け、それらの穴及び溝の内面
   に軟かい材質の保護部材を介挿させて該頭部の上
   下両端部を装着したことを特徴とするガスタービ
   ンの静翼。