JPS6360204B2 - - 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。

従つて、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つてい
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
焼ガスから燃を遮断するフイ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つてい
る。

ここで静翼の前縁部は、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つてフイルム冷却を併
用し、また、この部分を冷却するに必要な冷却空
気量も多くなつている。

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
するた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、静翼の前縁部は、主流ガスをせき止める
ため、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たものである。

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、かつセラミツクで形成
し、該頭部と本体部との境界面を該本体部側が凸
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、該境界面に沿つて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する中空部に吹出用孔を
もつて連通させたガスタービンの静翼において、
該吹出用孔の上記境界面側に空気室を設けた点を
特徴とする。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明す
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
るようになつている。

この静翼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ツクで形成
された頭部３とから構成されている。

この本体部２と頭部３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
なすようになつている。

ここで頭部３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
ヤンバーライン長さの約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３との間の境界面に沿つ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つている。

従つて、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に一時とどまつた
後、吹出通路９から本体部２の両側面に吹き出さ
れ、その本体部２をフイ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１
０を介して翼後縁に開口するようになつており、
従つて、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つてい
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個または複数固ごとに仕切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、吹出通路９には、第３図に示すように本
体部２に多数の溝１５を刻設して形成してある
が、第４図の態様例に示すように、本体部２に仕
切板１８を突設して形成しても良い。

なお、吹出通路９から本体部２の両側面に吹出
される冷却空気の量は、吹出用孔７の総面績に規
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。

従つて、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。

この静翼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１３が、さらに下方に
も開口するように設けられ、吹出通路９からの冷
却空気と共に、本体部２を十分にフイルム冷却す
ることになる。

第６図は、本発明の更に他の実施列を示すもの
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する中子１６
を設け、この中子１６の先端に多数の吹出用孔１
７を穿設するようにしたものである。

この静翼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から中空部
５の内面に対し局所的に冷却空気を吹き付け熱伝
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ツクからなる頭部
３により形成されているため、この前縁部には、
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、フイ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は前縁部ほど高温とはならず、
その先端はセラミツク製の頭部３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によつ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
静翼ほどに多量の冷却空気を必要としなくなる。

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

また、吹出通路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、圧力が下がつているため、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、ここに仕切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つ
て吹出用孔７から吹出すこと、あるいは、片寄つ
て吹出通路９を流れることを防止し、本体部２の
側面の空気フイルム層の形式を完全なものとし、
また、この吹出通路９の延長線は翼側面の接線に
対しα，α′の鋭角となつているため、たとえ冷却
空気の圧力が主流ガスの圧力よりも大きくなつて
勢よく吹出すようなことがあつても、翼側面には
良好な冷却空気のフイルム層が形成されることに
なり、冷却性能や空力性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
き出すための翼構造を、従来の前縁部から吹出す
るようにした静翼に比べ簡単にすることができ
る。

更に、セラミツ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
ラミツクを頭部３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３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、セラミツ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、セラミツクの頭部３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３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３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ツクの頭部３
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、
かつセラミツクで形成し、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、その境界線に沿つて冷却空気
の吹出通路を設け、この吹出通路を本体部内の中
空部に吹出用孔をもつて連通し、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
スの圧力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。

加えて、セラミツ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、主流ガス温度上昇
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ー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、３…頭部、４，５…中
空部、７…吹出用孔、８…空気室、９…吹出通
路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ガスタービンの静翼の頭部を、その本体部と
   に分け、かつセラミツクで形成し、該当部と本体
   部との境界面を該本体部側が凸状であり、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、該境界面に沿つ
   て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
   通する中空部に吹出用孔をもつて連通させたガス
   タービンの静翼において、該吹出用孔の上記境界
   面側に空気質を設けたことを特徴とするガスター
   ビンの静翼。