JPWO2010131385A1 - タービン静翼およびガスタービン - Google Patents

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Abstract

翼形部(11)は、隔壁(P)で翼形部(11)の内部を前縁(LE)側から後縁(TE)側に向かって複数に区分した空間であるとともに、翼縦断面方向に延びる空間であって、翼体(21)の内壁に分割部(22)を備えた冷却室(C1、C2、C3)と、冷却室(C1、C2、C3)に配置され、複数のインピンジメント孔(34)を備えた挿入筒(31)と、翼体(21)に穿設されたフィルム孔(23)とを備えている。挿入筒(31)は、前縁(LE)側から後縁(TE)側に向かって延びるとともに、翼縦断面方向に延びる仕切部(32)を備えている。挿入筒(31)の内部は、正圧面(PS)側の正圧面側インサート空間(IP1、IP2)と、負圧面側の負圧面側インサート空間(IS1、IS2)と、に仕切られている。

Description

本発明は、ガスタービンにおける冷却構造を有するタービン静翼およびガスタービンに関する。
一般的に、ガスタービンにおけるタービン動翼およびタービン静翼は、高温環境で用いられることから、内部に冷却構造が設けられている場合が多い。
例えば、タービン静翼を冷却する構成として、内部に2から3の冷却空気が流通する空洞(チューブ)が設けられ、当該チューブの内部にインサート(挿入筒)が配置されている構成が知られている(例えば、特許文献1から4参照。)。
上述の構成の場合、インサートと、チューブの内壁との間には、基本的に1つの空間(キャビティ)が形成されている。当該キャビティの内部を領域によって異なる圧力にコントロールする場合には、当該キャビティを仕切るシールダムなどを設けることにより行う方法が知られている。
インサートの内部には、タービン静翼の冷却用空気が、車室圧と同じ圧力で供給されている。冷却用空気は、インサートに形成された多数の小さな孔から上述のチューブの内壁に向かって吹き付けられ、タービン静翼の冷却に用いられる(インピンジメント冷却)。
インピンジメント冷却に用いられた冷却用空気は、キャビティとタービン静翼の外部と繋ぐ貫通孔を通ってキャビティからタービン静翼の外側に吹出される。吹出された冷却用空気は、タービン静翼の外面を膜状に覆うことにより、高温ガスからタービン静翼への熱の流入を低減させている(フィルム冷却)。
上述のフィルム冷却を適正に行うためには、キャビティの内部と、タービン静翼の外側との間の圧力差をできるだけ下げる必要がある。
図7は、従来のタービン静翼60の翼横断面図を示すものである。
タービン静翼60の翼体71を形成する翼形部61には、その内部に前縁LEから後縁TEにかけて、複数の冷却室C1、C2、C3が配置され、各冷却室にはそれぞれインサート81が配置されている。翼形部61に供給される冷却空気は、インサート81に供給され、インサート81に穿設されたインピンジメント孔84からキャビティ空間(翼体71の内壁71aとインサート81に囲まれた空間)に吹出し、翼体71の内壁71aをインピンジメント冷却する。その後、翼形部61に設けられたフィルム孔73から燃焼ガス中へ排出させて、翼形部61の翼体71の外壁71bをフィルム冷却している。
しかし、図7に示すように、燃焼ガスが流れるタービン静翼60の翼形部61の外表面は、一般的に、翼が凸状に湾曲する負圧面SS側(背側)は、燃焼ガス圧力が低くなり、凹状に湾曲する正圧面PS側(腹側)は、燃焼ガス圧力が高くなっている。そのため、フィルム孔73を介して燃焼ガス中に連通しているキャビティ空間の圧力は、フィルム孔前後の差圧(フィルム差圧)を適正に保つため、正圧面PS側(腹側)で高圧となり、負圧面SS側(背側)で低圧となる。
すなわち、インサート81のインピンジメント孔84からキャビティ空間に吹出した冷却空気は、正圧面PS側(腹側)で吹出す空気の流速は遅く、負圧面SS側(背側)で空気の流速は速くなる。そのため、正圧面PS側(腹側)に比較して、負圧面SS側(背側)で翼体が過剰に冷却される傾向がある。
この現象を抑制するため、翼体71の内壁71aの前縁LE側及び後縁TE側に、翼縦断面方向に伸びる突起状のシールダム72を設け、キャビティ空間を正圧面側キャビティ空間CPと負圧面側キャビティ空間CSに仕切っている。シールダム72は、各冷却室に少なくとも2箇所(前縁LE側及び後縁TE側の内壁72a又は隔壁P)配置されている。
シールダム72は、インサート81を翼体71の内壁71a側から支持する目的の他に、キャビティ空間を正圧面側キャビティ空間CPと負圧面側キャビティ空間CSに分離して、正圧面側キャビティ空間CPと負圧面側キャビティ空間CSが連通するのを防止し、キャビティ空間の圧力を正圧面PS側(腹側)と負圧面SS側(背側)で変えることを目的としている。
このシールダム72は、翼体71の前縁LE側及び後縁TE側の内壁71aに沿って翼縦断面方向に延設する突起物であり、シールダム72の断面中央部には翼縦断面方向に沿って凹溝72aが設けられている。
一方、インサート81の外表面(翼体71の内壁71a側に対向する面)の前縁LE側及び後縁TE側には、翼縦断面方向及び翼横断面方向に延設する鍔部83が少なくとも2箇所設けられ、この鍔部83がシールダム72の凹溝72a内に挿入される。鍔部83とシールダム72とは凹溝72a内で互いに接触し、高圧側の正圧面側キャビティ空間CPと低圧側の負圧面側キャビティ空間CSを縁切りして、両空間の差圧をシールしている。
図7において、インサート81からインピンジメント孔84を介してキャビティ空間に吹出し、翼形部61に設けたフィルム孔73を介して燃焼ガス中に排出される冷却空気の流れを、以下に説明する。
タービン静翼60の外壁71bを流れる燃焼ガスは、正圧面PS側(腹側)で圧力が高く、負圧面CS側(背側)で圧力が低くなる。翼体71を冷却する冷却空気は、インサート81内に燃焼ガス圧より高い圧力で供給される。冷却空気は、インサート81に設けたインピンジメント孔84を介して、正圧面側キャビティ空間CP及び負圧面側キャビティ空間CSに吹き出し、翼体71の内壁71aをインピンジメント冷却する。
また、インサート81から正圧面側キャビティ空間CPに吹き出した冷却空気は、翼形部61の翼体71の正圧面PS側(腹側)に設けたフィルム孔73を介して燃焼ガス中へ排出される。負圧面側キャビティ空間CSに吹き出した冷却空気は、翼形部62の負圧面CS側(背側)に設けたフィルム孔73を介して燃焼ガス中へ排出する。翼体71の正圧面PS側および負圧面SS側を流れる燃焼ガス圧の違いにより、正圧面側キャビティ空間CPの圧力は負圧面側キャビティ空間CSの圧力より高くなる。
米国特許第4312624号明細書 特開2002−161705号公報 特開2003−286805号公報 特開平09−112205号公報
しかし、図7に示す従来例は、冷却室C1、C2、C3内に各1個のインサート81を配置した例であり、インサート81に供給される冷却空気は、インピンジメント孔84を介して、正圧面側キャビティ空間CP及び負圧面側キャビティ空間CSに供給され、翼体71の内壁71aをインピンジメント冷却した後、翼形部61の外面をフィルム冷却する。しかし、冷却室内に1つのインサート81のみを設けた場合、適切なフィルム冷却を行うことが難しい。
すなわち、上述の構成では、燃焼ガスの上流側にある正圧面PS側(腹側)の翼体71は、燃焼ガスの下流側にある負圧面SS側(背側)の翼体71より高温となるため、正圧面PS(腹側)の翼体71は、負圧面SS(背側)の翼体71よりインピンジメント冷却を強化する必要がある。
一方、正圧面側キャビティ空間CPは、負圧面側キャビティ空間CSより高圧であるため、インサート81内とキャビティ空間の差圧が、正圧面側キャビティ空間CPで小さく、負圧面側キャビティ空間CSで大きくなる。従って、正圧面PS(腹側)の翼体71の内壁71aに対するインピンジメント冷却を十分に効かせるためには、正圧面側キャビティ空間CPに連通するインピンジメント孔84の孔数の密度を大きくし、負圧面側キャビティ空間CSに連通するインピンジメント孔84の孔数の密度を小さくする必要がある。
このような孔数の調整を行わないと、正圧面PS(腹側)の翼体に比較して、負圧面SS(背側)の翼体に対するインピンジメント冷却が強くなり、負圧面SS(背側)での冷却空気量が増加する。すなわち、正圧面PS(腹側)に対して、負圧面SS(背側)へのインピンジメント冷却の空気量が過剰となり、負圧側SS(背側)の翼体が冷えすぎ、翼全体の冷却空気量が増加して、ガスタービンの冷却効率を低下させることになる。
しかし、負圧側SS(背側)の翼体のインピンジメント孔数の密度を、正圧面PS(腹側)の翼体のインピンジメント孔数の密度より小さくすると、負圧面SS(背側)の翼体では、インピンジメント孔の孔ピッチが広がり、翼体に温度むらが生じて、翼体の熱応力が増加するという問題があった。
また、上述のように、正圧面側キャビティ空間CPの圧力は、負圧面側キャビティ空間CSの圧力より高圧であるため、インサート81内とキャビティ空間との差圧は、正圧面側キャビティ空間CPでは小さいが、負圧面側キャビティ空間CSでは相対的に大きくなる。そのため、インサート81の負圧面SS(背側)では、図7において破線で示すように、インサート81が翼横断面の外方に向かって膨張して、インサート全体が変形するという問題があった。
さらに、インサートが変形すると、インサートの鍔部83とシールダム72の凹溝72aとの間のシール性が悪化し、図7で矢印の流れで示すように、正圧面側キャビティ空間CPから負圧面側キャビティ空間CSに向かって冷却空気が漏れ、負圧側キャビティと、正圧側キャビティとの間のシール性が悪化するという問題があった。
インサートの変形を抑制するために、インサートにリブやディンプルを設けてインサートの強度を向上させる方法や、インサートの板厚を厚くしてインサートの強度を向上させる方法などが考えられる。しかしながら、上述のインサートの強度を向上させる方法では、インサートの製造性が悪化するという問題があった。
上記の問題点は、図7に示す最も前縁LE側に近い冷却室C1の他に、隣接する他の冷却室C2においても、同様に存在する。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、インサート空間と正圧面側キャビティ空間との間、及び、インサート空間と負圧面側キャビティ空間の間の適正な差圧を選定して、翼体に対する適正なインピンジメント冷却を実現し、かつ、インサートの変形を抑制することにより、翼形部のフィルム冷却の冷却性向上を図ることができるタービン静翼およびガスタービンを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の第1の態様に係るタービン静翼は、凹状に湾曲する正圧面および凸状に湾曲する負圧面を有する翼形部と、タービンケーシングに支持された外側シュラウドと、該翼形部を介して外側シュラウドに接続する内側シュラウドと、から構成されるタービン静翼であって、前記翼形部は、隔壁で前記翼形部の内部を前縁側から後縁側に向かって複数に区分した空間であるとともに、翼縦断面方向に延びる空間であって、翼体の内壁に分割部を備えた冷却室と、該冷却室に配置され、複数のインピンジメント孔を備えた挿入筒と、前記翼体に穿設されたフィルム孔と、を備え、前記挿入筒は、前記前縁側から前記後縁側に向かって延びるとともに、前記翼縦断面方向に延びる仕切部を備え、前記挿入筒の内部は、前記正圧面側の正圧面側インサート空間と、前記負圧面側の負圧面側インサート空間と、に仕切られている。
本発明の第1の態様に係るタービン静翼によれば、正圧面側インサート空間および負圧面側インサート空間に異なる圧力の冷却用流体を供給することができる。そのため、正圧面側インサート空間と正圧面側キャビティ空間との間、および、負圧面側インサート空間と負圧面側キャビティ空間との間で適正な差圧を選定することができる。
ここで、正圧面側キャビティ空間は、分割部によって分割された冷却室と挿入筒との間の2つの空間のうち、正圧面側の空間であり、負圧面側キャビティ空間は、負圧面側の空間である。
これにより、挿入筒に形成されるインピンジメント孔の孔数の密度を適正な値に選定することができる。特に、差圧が拡大しやすい負圧面側インサート空間と負圧面側キャビティ空間との間におけるインピンジメント孔の孔数の密度を高めて、インピンジメント冷却による冷却性向上を図ることができる。その結果、翼体の熱応力が緩和されて、翼全体の冷却空気量が低減できる。
また、正圧面側および負圧面側において、正圧面側インサート空間と正圧面側キャビティ空間との間、および、負圧面側インサート空間と負圧面側キャビティ空間との間の差圧拡大を抑制し、挿入筒の変形を抑制することができる。
さらに、挿入筒の変形を抑制することで、分割部と挿入筒との間のシール性低下を抑制することができる。
分割部と挿入筒との間のシール性低下を抑制することで、正圧面側キャビティ空間および翼形部外部の正圧面側との間の圧力差や、負圧面側キャビティ空間および翼形部外部の負圧面側との間の圧力差を所定の範囲内に収めることができる。そのため、フィルム孔から翼形部の外側に流出する冷却用流体の流速を所定の範囲内に収めることができ、フィルム冷却による冷却性を確保することができる。
挿入筒に付加される上述の差圧に起因する力の増加が抑制される。そのため、挿入筒の強度を確保するリムやディンプルなどの加工を施す必要性が低減し、挿入筒の板厚の増加を抑制することができる。
上記発明において、前記仕切部は、前記正圧面側インサート空間および前記負圧面側インサート空間を繋ぐ連通孔を備えることが好ましい。
この構成によれば、ガスタービンの運転条件の変動により、翼形部の外面の負圧面側のフィルム空気量が増加し、負圧面側インサート空間の圧力が低下しても、連通孔を介して正圧面側インサート空間より冷却空気が適宜供給されるので、負圧面側インサート空間の圧力変動が抑制され、負圧面側の翼形部におけるフィルム冷却を確実に行うことができる。
上記発明において、前記負圧面側インサート空間は、前記挿入筒と、前記仕切部と、前記外側シュラウドおよび前記内側シュラウドに配置された圧力調整板と、に囲まれた空間であることが好ましい。
この構成によれば、負圧面側インサート空間に供給される冷却空気は、圧力調整板により常に適正な圧力に調整されるため、翼体の良好な冷却性能が得られ、インサートの変形もない。
本発明の第2の態様に係るガスタービンは、上記のタービン静翼を有するタービン部が設けられているガスタービンである。
本発明の第2の態様に係るガスタービンによれば、上記のタービン静翼を有するため、インピンジメント冷却およびフィルム冷却の冷却性向上を図ることができる。
本発明のタービン静翼およびガスタービンによれば、正圧面側インサート空間および負圧面側インサート空間に異なる圧力の冷却用流体を供給することができるため、翼体の熱応力が緩和され、インピンジメント冷却およびフィルム冷却の冷却性向上を図ることができるので、冷却空気量が低減するという効果を奏する。また、インサートの変形が抑制され、シール性能が向上するという効果を奏する。
本発明の第1の実施形態に係るタービン静翼を有するガスタービンの構成を説明する模式図である。 図1のタービン静翼の構成を説明する翼縦断面図である。 図1のタービン静翼の構成を説明する翼横断面図である。 本発明の第2の実施形態に係わるタービン静翼の構成を説明する翼縦断面図である。 図4のタービン静翼の構成を説明する翼横断面図である。 本発明の第3の実施形態に係わるタービン静翼の構成を説明する翼縦断面図である。 従来のタービン静翼のインサートの構成を示す翼横断面図である。
この発明の第1の実施形態に係るタービン静翼およびガスタービンの構成について、図1から図3を参照して説明する。なお、本実施形態では、本発明のタービン静翼の構成をガスタービンのタービン部における1段静翼や2段静翼に適用して説明する。
図1は、本実施形態に係るタービン静翼を備えたガスタービンの構成を説明する模式図である。ガスタービン1には、図1に示すように、圧縮部2と、燃焼部3と、タービン部4と、回転軸5とが設けられている。
圧縮部2は、図1に示すように、外部より空気を吸入して圧縮し、圧縮された空気を燃焼部3に供給するものである。圧縮部2には、回転軸5を介してタービン部4から回転駆動力が伝達され、回転駆動されることにより圧縮部2は空気を吸入して圧縮する。
燃焼部3は、図1に示すように、外部から供給された燃料と圧縮部2から供給された圧縮空気を混合し、混合気を燃焼させて高温燃焼ガスを生成し、生成された高温燃焼ガスをタービン部4に供給するものである。
タービン部4は、図1に示すように、供給された高温燃焼ガスから回転駆動力を抽出し、回転軸5を回転駆動するものである。タービン部4には、ガスタービン1のケーシング6に取り付けられるタービン静翼7と、回転軸5に取り付けられ回転軸5とともに回転するタービン動翼8とが、周方向に等間隔に並んで配置されている。
タービン静翼7とタービン動翼8とは、燃焼部3から供給された高温燃焼ガスの下流方向に向かって、タービン静翼7、タービン動翼8の順に交互に並んで配置されている。一対のタービン静翼7およびタービン動翼8の組を段と呼び、燃焼部3側から第1段、第2段・・・と数える。
回転軸5は、図1に示すように、タービン部4から圧縮部2に回転駆動力を伝達するものである。回転軸5には、圧縮部2およびタービン部4が設けられている。
タービン静翼7を冷却するための冷却空気は、圧縮部2で加圧された圧縮空気の一部を抽気し、抽気配管(図示せず)を経由してタービン部4に供給される冷却空気を流用する。タービン部4に供給された冷却空気は、連絡配管(図示せず)を経由してタービン静翼7の外側シュラウド又は内側シュラウドに供給される。
次に、本発明の第1の実施形態に係るタービン静翼について、図2および図3を参照して説明する。
図2は、本実施形態に係るタービン静翼の構成を説明する翼縦断面図である。図3は、本実施形態に係わるタービン静翼の翼横断面図である。
本実施形態のタービン静翼10は、ガスタービンにおけるタービン部の静翼であって、インピンジ冷却構造およびフィルム冷却構造を有するものである。
タービン静翼10には、図2および図3に示すように、翼形部11と、内側シュラウド12と、外側シュラウド13が、主な構成要素として設けられている。
翼形部11は、タービン静翼10の翼体21の外形を構成するものであり、高温の燃焼ガスが、その周囲を流れるものである。図2では、翼縦断面方向に延びる翼形部11の横断面図が示されている。
翼形部11には、図2に示すように、正圧面PSと、負圧面SSと、前縁LEと、後縁TEと、冷却室C1、C2、C3と、シールダム(分割部)22と、フィルム孔23と、が設けられている。
また、翼形部11には、その内部に前縁LEから後縁TEにかけて、複数の冷却室C1、C2、C3が配置され、各冷却室C1、C2、C3は互いに板状の隔壁Pで仕切られている。隔壁Pは、翼縦断面方向に延びるとともに、正圧面PSおよび負圧面SSと交差する方向に延びる板状の部材であって、翼形部11の内部に配置された部材である。
なお、本実施形態では、冷却室が3個(C1、C2、C3)の場合を示しているが、4個以上であっても本発明を適用できるし、2個の場合でも適用できる。
正圧面PSは、図2に示すように、負圧面SSとともに翼形部11の翼体21の外形を構成する面であって、凹状に湾曲した腹側の面である。
負圧面SSは、正圧面PSとともに翼形部11の外形を構成する面であって、凸状に湾曲した背側の面である。
前縁LEは、図2に示すように、翼形部11において正圧面PSと負圧面SSとの境界部分であって、燃焼ガス流れに対して上流側の部分である。
後縁TEは、翼形部11において正圧面PSと負圧面SSとの境界部分であって、燃焼ガス流れに対して下流側の部分である。
冷却室C1、C2、C3は、図2および図3に示すように、内部にインサート31が配置される空間であって、タービン静翼10の翼縦断面方向に延びる空間である。さらに、冷却室C1、C2、C3は、シールダム22を介して、インサート31との間に正圧面側キャビティ空間(キャビティ空間)CP1、CP2および負圧面側キャビティ空間(キャビティ空間)CS1、CS2を形成するものである。
シールダム22は、図2に示すように、冷却室C1、C2の前縁LE側及び後縁TE側の内壁21aまたは隔壁Pに沿って、翼縦断面方向に伸びる突起部材であり、インサート31と内壁21aの間に形成されたキャビティ空間を、正圧面側キャビティ空間CP1、CP2および負圧面側キャビティ空間CS1、CS2に分割するものである。さらに、一対のシールダム22のうちの前縁LE側のものは、冷却室C1、C2の壁面における前縁LEの近傍に設けられ、後縁TE側のものは、冷却室C1、C2の壁面のうちの隔壁Pに設けられている。
突起状のシールダム22の断面中央部には、翼縦断面方向に沿って凹溝22aが設けられている。また、インサート31の壁面から翼縦断面方向及び翼横断面方向でシールダム22に向かって延設する鍔部33が凹溝22aに挿入され、インサート31と翼体21の内壁21aの間に形成されたキャビティ空間を、正圧面側キャビティ空間CP1、CP2および負圧面側キャビティ空間CS1、CS2に区切っている。
なお、冷却室C1、C2、C3の内、最も後縁TE側に近い冷却室(本実施例では、C3)は、インサート31内のキャビティ空間を高圧側と低圧側に区切る必要がない。すなわち、冷却室C3には、インサート31の仕切部やシールダムが配置されていない。
フィルム孔23は、図2および図3に示すように、タービン静翼10をフィルム冷却するものであって、正圧面側キャビティ空間CPまたは負圧面側キャビティ空間CSから、タービン静翼10の外部に向かって延びる貫通孔である。
正圧面側キャビティ空間CPと連通するフィルム孔23の孔数の密度は、正圧面側キャビティ空間CPにおける冷却用空気の圧力と、正圧面PS近傍における燃焼ガスの圧力との差圧に基づいて定められている。負圧面側キャビティ空間CSと連通するフィルム孔23の孔数の密度も同様に、負圧面側キャビティ空間CSにおける冷却用空気の圧力と、負圧面SS近傍における燃焼ガスの圧力との差圧に基づいて定められている。
インサート31は、図2および図3に示すように、冷却室C1、C2、C3の内部に配置される筒状に形成された部材であって、内部にタービン静翼10を冷却する空気が供給されるものである。
インサート31は、配置される冷却室C1、C2、C3と略相似な形であって、冷却室C1、C2、C3の壁面との間にキャビティ空間が形成される形状に形成されている。
インサート31は、図2および図3に示すように、中央部に仕切部32を備え、インサート31を腹側と背側に完全に仕切るものである。また、インサート31の壁面には、正圧面PS側及び負圧面SS側の内壁21aに対向する面に、インピンジメント孔34が設けられている。
仕切部32は、インサート31の内部に設けられたインサート空間を正圧面側インサート空間(インサート空間)IP1、IP2および負圧面側インサート空間(インサート空間)IS1、IS2に分割するものである。
仕切部32は、インサート31の内部を翼縦断面方向(図2の紙面に対して垂直方向)に延びる板状の部材であって、インサート31における前縁LE側のシールダム22と接触する部分から、後縁TE側のシールダム22に向かって延びるものである。
インピンジメント孔34は、図2および図3に示すように、タービン静翼10の翼形部11をインピンジ冷却するものであって、正圧面側インサート空間IP1、IP2と正圧面側キャビティ空間CP1、CP2とを連通させる貫通孔、または、負圧面側インサート空間IS1、IS2と負圧面側キャビティ空間CS1、CS2とを連通させる貫通孔である。
正圧面側インサート空間IP1、IP2と正圧面側キャビティ空間CP1、CP2とを連通させるインピンジメント孔34の孔数の密度は、正圧面側インサート空間IP1、IP2と正圧面側キャビティ空間CP1、CP2との間の冷却用空気の圧力差に基づいて定められている。負圧面側インサート空間IS1、IS2と負圧面側キャビティ空間CS1、CS2とを連通させるインピンジメント孔34の孔数の密度も同様に、負圧面側インサート空間IS1、IS2と負圧面側キャビティ空間CS1、CS2との間の冷却用空気の圧力差に基づいて定められている。
次に、タービン静翼10のインサート31に冷却空気を供給する構造について、図3を参照しながら説明する。なお、タービン静翼用の冷却空気は、タービン部に供給される圧縮空気を流用し、内側シュラウド12側及び外側シュラウド13側からインサート空間に供給される。図3は、タービン静翼10の翼縦断面を示す図である。
タービン静翼10は、翼形部11、内側シュラウド12及び外側シュラウド13で形成され、外側シュラウド13を介して、タービン部のケーシングに支持される。内側シュラウド12及び外側シュラウド13には、圧力調整板16、17、18、19が配置され、圧力調整板16,18によりインサート空間の圧力が調整される。
図2及び図3を参照して、前縁LE側に最も近い冷却室C1を例に挙げて具体的に説明する。負圧面側インサート空間IS1は、インサート31の負圧面側の壁面31bと仕切部32に囲まれた空間であり、外側シュラウド13側とは圧力調整板18で仕切られ、内側シュラウド12側とは圧力調整板16で仕切られている。
圧力調整板16、18は、多数のインピンジメント孔(図示せず)を備え、内側シュラウド12側及び外側シュラウド13側に導入された冷却空気を減圧して、負圧面側インサート空間IS1の圧力を適正に保つ役割を果たす。
一方、正圧面側インサート空間IP1は、インサート31の正圧面PS側の壁面31aと仕切部32に囲まれた空間であり、内側シュラウド12側及び外側シュラウド13側とは圧力調整板等では仕切られていない。すなわち、車室側から内側シュラウド12側及び外側シュラウド13側に供給された冷却空気は、圧力調整板を介さずに、正圧面側インサート空間IP1に直接供給される。
また、図3に示すように、負圧面側インサート空間IS1の内側シュラウド12側の入口部分には、翼形部11の翼体の負圧面側の内壁21aおよび正圧面側の内壁21aに沿って、インサート受板37がそれぞれ固定されている。インサート31の一端部(図3における下側の端部)は、インサート受板37に差し込む構造としている。この構造により、負圧面側インサート空間IS1の冷却空気の内側シュラウド側をシールするとともに、インサート31の翼縦断面方向の熱伸び差を吸収している。
この構造で、インサート31の翼縦断面方向の熱伸び差を吸収しつつ、インサート31が翼縦断面方向に伸縮できるような構造となっている。
なお、上述の説明では、インサート31は、外側シュラウド13側で翼体21に固定され、内側シュラウド12側に凹溝37aを備えるインサート受板37を設ける構造で説明したが、この構造とは逆に、インサート31が、内側シュラウド12側で翼体21に固定され、外側シュラウド13側にインサート受板37を設ける構造であってもよい。
上述の説明では、冷却室C1を例に挙げたが、隣接する冷却室C2でも同様の構造が適用される。すなわち、負圧面側インサート空間IS2は、インサート31の負圧面側の壁面31bと仕切部32及び内側シュラウド12、外側シュラウド13との境界に設ける圧力調整板16、18により仕切られる。
一方、正圧面側インサート空間IP2と内側シュラウド12、外側シュラウド13との境界には圧力調整板は配置されず、冷却空気は内側シュラウド12側及び外側シュラウド13側から正圧面側インサート空間IP2に直接導入される。
圧力調節板としては、多数の貫通孔を備えたインピンジメント孔(図示せず)の他に、他の絞り構造などの減圧機能を備えた公知の技術を用いることができ、特に限定するものではない。
なお、内側シュラウド12および外側シュラウド13の端部には、冷却通路(図示せず)が設けられ、圧力調整板17と内側シュラウド12の内壁14および圧力調整板19と外側シュラウド13の内壁15に囲まれた空間に連通している。圧力調整板17、19は、インピンジメント孔(図示せず)を備えている。
次に、上記の構成からなるタービン静翼10の冷却方法及び冷却空気の流れについて、図2および図3を参照しながら説明する。
タービン静翼10の冷却には、タービン静翼10が設けられているガスタービンの圧縮部2から抽気された空気が用いられる。抽気された冷却用の空気を、そのままタービン静翼10に冷却用空気として供給してもよいし、ガスクーラ等により冷却した後に供給してもよく、特に限定するものではない。
タービン部4に供給された冷却用空気は、連絡配管(図示せず)を経由して外側シュラウド13及び内側シュラウド12内に導入される。本実施形態では、外側シュラウド13及び内側シュラウド12の両側から、冷却室C1、C2に冷却空気が導入される両側供給方式(両側供給構造)が採用されている。
図2および図3に示すように、内側シュラウド12および外側シュラウド13に導入された冷却空気は、正圧面側インサート空間IP1、1P2には圧力調整されずに直接導入され、負圧面側インサート空間IS1、IS2には、圧力調整板16、18を介して供給される。冷却空気は、圧力調整板16、18に設けられた多数のインピジメント孔(図示せず)を介して外側シュラウド13及び内側シュラウド12の内壁14、15に吹出して、内壁14、15をインピンジメント冷却する。インピンジメント冷却後の冷却空気が、負圧面側インサート空間IS1、IS2に供給される。
上述の構造により、負圧面側インサート空間IS1、IS2の冷却空気の圧力が調節され、負圧面側インサート空間IS1、IS2と負圧面側キャビティ空間CS1、CS2の間に適正な圧力差が維持され、かつ、正圧面側キャビティ空間CP1、CP2と負圧面側キャビティ空間CS1、CS2の間でも適正な圧力差が維持できる。その結果、負圧面SSの翼体の過剰なインピンジメント冷却が抑制され、熱応力が緩和される。
なお、内側シュラウド12および外側シュラウド13に導入され、圧力調整板17、19を介して、圧力調整板17と内側シュラウド12の内壁14でかこまれた空間および圧力調整板19と、外側シュラウド13の内壁15と、でかこまれた空間に供給された冷却空気は、内側シュラウド12および外側シュラウド13の内壁14、15をインピンジメント冷却した後、外側シュラウド13及び内側シュラウド12の冷却通路(図示せず)に導入され、端部冷却した後、燃焼ガス中に排出される。
正圧面側インサート空間IP1、1P2および負圧面側インサート空間IS1、IS2に供給された冷却用空気は、インサート31に設けられたインピンジメント孔34から、それぞれ正圧面側キャビティ空間CP1、CP2および負圧面側キャビティ空間CS1、CS2に向かって噴出する。
正圧面側インサート空間IP1、1P2内の冷却用空気は、正圧面側キャビティ空間CP1、CP2との間の圧力差により、正圧面側キャビティ空間CP1、CP2に向かって噴出し、冷却室C1、C2を構成する内壁21aに衝突する。これにより、タービン静翼10の翼体21(内壁21a)はインピンジメント冷却される。
本実施形態では、適正なフィルム差圧を保つため、正圧面側キャビティ空間CP1、CP2における冷却用空気の圧力は負圧面側キャビティ空間CS1、CS2の冷却用空気より高い圧力を維持する必要がある。そのため、正圧面側インサート空間IP1、1P2と正圧面側キャビティ空間CP1、CP2を連通させるインピンジメント孔34の孔数の適正な密度が定められる。
負圧面側インサート空間IS1、IS2内の冷却用空気についても同様に、負圧面側キャビティ空間CS1、CS2との間の圧力差により、負圧面側キャビティ空間CS1、CS2に向かって噴出し、冷却室C1、C2を構成する内壁21aに衝突する。
すなわち、負圧面SS側において適正なフィルム差圧を保つため、負圧面側キャビティ空間CS1、CS2における冷却用空気の圧力は、正圧面側キャビティ空間CP1、CP2より低圧に維持する必要がある。そのため、負圧面側インサート空間IS1、IS2と負圧面側キャビティ空間CS1、CS2を連通させるインピンジメント孔34の孔数の適正な密度が定められる。
ここで、正圧面側キャビティ空間CP1、CP2と負圧面側キャビティ空間CS1、CS2との間は、シールダム22により分割されているため、上述のように異なる圧力の冷却用空気を、正圧面側キャビティ空間CP1、CP2と負圧面側キャビティ空間CS1、CS2の内部に満たすことができる。
インピンジメント冷却に用いられた冷却用空気は、その後、正圧面側キャビティ空間CP1、CP2と負圧面側キャビティ空間CS1、CS2から、フィルム孔23を介して翼形部11の外側に流出して、フィルム冷却に用いられる。
正圧面側キャビティ空間CP1、CP2における冷却用空気は、翼形部11における正圧面PSの近傍を流れる燃焼ガスとの間の圧力差により、フィルム孔23を介して翼体の正圧面PSの外部に流出する。流出した冷却用空気は、正圧面PSに沿ってフィルム状の層を形成しながら流れることにより、タービン静翼10の翼体21の外壁21bをフィルム冷却する。
上記の構成によれば、正圧面側インサート空間IP1、1P2および負圧面側インサート空間IS1、IS2に異なる圧力の冷却用空気を供給することができる。そのため、正圧面側インサート空間IP1、IP2と正圧面側キャビティ空間CP1、CP2との間の圧力差の拡大、および負圧面側インサート空間IS1、IS2と負圧面側キャビティ空間CS1、CS2との間の圧力差の拡大を抑制し、インサート31の変形を抑制することができる。
インサート31の変形を抑制することで、シールダム22に設けた凹溝22aとインサート31の鍔部33の間で接触面が維持され、接触面の形成によりシールダム22とインサート31との間のシール性低下を抑制することができ、インピンジメント冷却およびフィルム冷却の冷却性向上を図ることができる。
シールダム22とインサート31との間のシール性低下を抑制することで、正圧面側キャビティ空間CP1、CP2における冷却用空気の圧力および正圧面PS近傍における燃焼ガスの圧力の間の差圧や、負圧面側キャビティ空間CS1、CS2における冷却用空気の圧力および負圧面SS近傍における燃焼ガスの圧力の間の差圧を所定の範囲内に収めることができる。そのため、フィルム孔23から翼形部11の外側に流出する冷却用空気の流速を所定の範囲内に収めることができ、フィルム冷却による冷却性を確保することができる。
さらに、インサート31に付加される上述の差圧に起因する力の増加が抑制される。そのため、インサート31の強度を確保するリムやディンプルなどの加工を施す必要性が低減し、インサート31の板厚の増加を抑制することができる。そのため、インサートの製造性悪化を防止することができる。
その一方で、負圧面側インサート空間IS1、IS2と負圧面側キャビティ空間CS1、CS2との間の冷却用空気の圧力差の拡大を抑制することで、インピンジメント孔34の数を増加させることができ、インピンジメント冷却による冷却性向上を図ることができる。
次に、本発明の第2の実施形態に係るガスタービン静翼の構成について、図4及び図5を参照して説明する。なお、本実施形態においても、第1の実施形態と同様に、1段静翼の他に2段静翼にも適用できる。
本実施形態のタービン静翼40では、第1の実施形態のタービン静翼10と比較して、負圧面側インサート空間IS1、IS2に冷却空気を供給する方法が異なっている。
すなわち、図4及び図5に示すように、各冷却室C1、C2に配置されたインサート31の仕切部32には、正圧面側インサート空間IP1、IP2と負圧面側インサート空間IS1、IS2を連通する連通孔35を備える点が異なっている。その他の構成は、第1の実施形態と同じである。第1の実施形態と共通する名称及び符号は、第1の実施形態と同一の名称及び符号を使用する。
本実施形態における冷却空気の供給構造及び冷却空気の流れを、以下に説明する。
図4及び図5に示すように、負圧面側インサート空間IS1、IS2に供給される冷却空気の主要な流れは、第1の実施形態と同じである。すなわち、車室側から外側シュラウド13及び内側シュラウド12に供給された冷却空気は、外側シュラウド13及び内側シュラウド12の両側からインピンジメント孔(図示せず)を備えた圧力調整板16、18を介して負圧面側インサート空間IS1、IS2に供給される(両側供給方式及び両側供給構造)。更に、負圧面側インサート空間IS1、IS2に供給された冷却空気は、インサート31に設けられたインピンジメント孔34を介して負圧面側キャビティ空間CS1、CS2に吹き出し、翼体21の内壁21aをインピンジメント冷却する。インピンジメント冷却後の冷却空気は、翼体21に設けられたフィルム孔23を経由して燃焼ガス中に吹き出す際、翼形部11の外面をフィルム冷却する。
正圧面側インサート空間IP1、1P2の冷却空気の流れも、上記負圧面側インサート空間IS1、IS2に供給される冷却空気の流れと同じである。
一方、本実施形態においては、正圧面側インサート空間IP1、IP2に供給された冷却空気の一部は、仕切部32に配置された連通孔35を介して、負圧面側インサート空間IS1、IS2に導入される。
しかし、ガスタービンの運転条件の変動により、翼形部11の負圧面SS側のフィルム冷却空気量が増加した場合、負圧面側インサート空間IS1、IS2の圧力(静圧)が低下して、負圧面側インサート空間IS1、IS2から負圧面側キャビティ空間CS1、CS2に吹き出す必要なインピンジメント空気量が確保できず、翼体の冷却が十分に行われない場合が発生しうる。
本実施形態では、この問題を解決するため、仕切部32に連通孔35を設けた。すなわち、負圧面側インサート空間IS1、IS2に供給される冷却空気は、主に外側シュラウド13及び内側シュラウド12からインピンジメント孔を備えた圧力調整板16、18を介して供給されるが、仕切部32に設けられた連通孔35を介して正圧面側インサート空間IP1、1P2の冷却空気の一部が負圧面側インサート空間IS1、IS2に補給できる構造としているので、負圧面側インサート空間IS1、IS2の圧力の低下を防止できる。
つまり、仕切部32に設けられた連通孔35は、負圧面側インサート空間IS1、IS2の圧力が低下した際、正圧面側インサート空間と負圧面側インサート空間の差圧を利用して、正圧面側インサート空間IP1、1P2から冷却空気を補給し、負圧面側インサート空間IP1、1P2の圧力の低下を抑え、圧力を回復させる圧力調整機能を備えている。
負圧面側インサート空間IP1、1P2の圧力が安定すれば、翼形部の外面におけるフィルム冷却が確実に行われる。また、ガスタービンの運転条件の変動に対して、負圧面側キャビティ空間CS1、CS2と燃焼ガスとの間の適正なフィルム差圧が維持されるので、翼体の負圧面側の冷却空気量の適正化が図れ、翼全体の冷却空気量を最小にできる。
なお、本実施形態の場合、第1の実施形態と同様に、内側シュラウド12および外側シュラウド13に導入された冷却空気の一部は、圧力調整板17、19を介して、内側シュラウド12および外側シュラウド13の端部冷却(図示せず)に使用される。
次に、本発明の第3の実施形態に係るガスタービン静翼の構成について、図6を参照して説明する。図6は、第3の実施形態に係わるタービン静翼の翼縦断面図を示す。なお、本実施形態においても、第1、第2の実施形態と同様に、1段静翼の他に2段静翼にも適用できる。
第1及び第2の実施形態では、負圧面側インサート空間IS1、IS2に供給される冷却空気は、外側シュラウド13及び内側シュラウド12の両側から圧力調整板(第2の実施形態では、仕切部32)を介して冷却空気が供給される両側供給方式が適用されているが、本実施形態では片側供給方式を採用している点で、他の実施形態とは異なっている。
図6に示すように、本実施形態に係るタービン静翼50は、第1及び第2の実施形態と比較して、冷却室C1の負圧面側インサート空間IS1の内側シュラウド12側の入口部分に、インサート受板37に代わり、インサート仕切板38を設けている点が異なっている。
すなわち、内側シュラウド12側にインサート仕切板38を設けることにより、内側シュラウド12側と負圧面側インサート空間IS1とは縁切りされている。
なお、その他の構成要素については、上述した実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
ここで、本実施形態では、図6に示すように、冷却室C1の負圧面側インサート空間IS1は、一方側(図6において上方側)が圧力調整板18を介して外側シュラウド13と連通し、他方側(図7において下方側)がインサート31の一端部(図7における下側の端部)に固定されたインサート仕切板38により閉塞されている。
一方、冷却室C2の負圧面側インサート空間IS2は、負圧面側インサート空間IS1とは逆に、一方側が圧力調整板16を介して内側シュラウド12と連通し、他方側がインサート31の端部(図6における上側の端部)に固定されたインサート仕切板(図示せず)により閉塞されている。
つまり、負圧面側インサート空間IS1は、外側シュラウド13の圧力調整板18でインピンジメント冷却した冷却空気のみが供給され、内側シュラウド12側は閉塞されて、内側シュラウド12側からは冷却空気が供給されない。
一方、負圧面側インサート空間IS2は、内側シュラウド12の圧力調整板16でインピンジメント冷却した冷却空気のみが供給され、外側シュラウド13側は閉塞されて、冷却空気が供給されない、いわゆる「片側供給構造」が採用されている。
なお、本実施形態における負圧面側インサート空間IS1は、一方側が、圧力調整板16を介して内側シュラウド12と連通し、他方側が外側シュラウド13に近いインサート31の端部に固定されたインサート仕切板38により閉塞する構造とし、隣接する負圧面側インサート空間IS2は、一方側が外側シュラウド13と連通し、他方側がインサート31の端部に固定されたインサート仕切板(図示せず)により閉塞された「片側供給構造」としてもよい。
さらに、タービン静翼50の冷却室が4個以上の場合でも、片側供給構造が適用できるが、外側シュラウド又は内側シュラウドのいずれから冷却空気を供給するか、いずれの負圧面側インサート空間に供給するか、原則的にその組み合わせは任意である。
但し、隣接する負圧面側インサート空間同士は、互いに異なるシュラウド(外側シュラウド又は内側シュラウド)から供給する片側供給構造とすることが望ましい。負圧面側インサート空間に供給される冷却空気の偏流を避けるためである。
なお、図6は、第1の実施形態の翼縦断面を参照して説明したが、第2の実施形態の場合でも同様である。
本実施形態に係るタービン静翼50によれば、インサート仕切板38は、インピンジメント板31に密着するようにして固定されており、インサート仕切板38とインピンジメント板31との接合部におけるシール性が確保されることとなるので、当該接合部からの冷却空気の漏れを確実に防止することができる。
さらに、本実施形態ではインサート仕切板38により冷却空気がシールされているため、第1及び第2の実施形態に比較して、冷却空気の漏れを更に低減できる。
なお、その他の作用効果は、第1及び第2の実施形態と同じであるので、ここではその説明を省略する。
1 ガスタービン
4 タービン部
6 ケーシング
7 タービン静翼
10、40、50 タービン静翼
11、61 翼形部
12 内側シュラウド
13 外側シュラウド
16、17、18、19 圧力調整板
21、71 翼体(内壁21a、71a、外壁21b、71b)
22、72 シールダム(分割部)
23、73 フィルム孔
31、81 インサート(挿入筒)
32 仕切部
34、84 インピンジメント孔
35 連通孔
PS 正圧面
SS 負圧面
LE 前縁
TE 後縁
P 隔壁
CP、CP1、CP2 正圧面側キャビティ空間(キャビティ空間)
CS、CS1、CS2 負圧面側キャビティ空間(キャビティ空間)
IP1、IP2 正圧面側インサート空間(インサート空間)
IS1、IS2 負圧面側インサート空間(インサート空間)
C1、C2、C3 冷却室

Claims (4)

  1. 凹状に湾曲する正圧面および凸状に湾曲する負圧面を有する翼形部と、タービンケーシングに支持された外側シュラウドと、該翼形部を介して外側シュラウドに接続する内側シュラウドと、から構成されるタービン静翼であって、
    前記翼形部は、
    隔壁で前記翼形部の内部を前縁側から後縁側に向かって複数に区分した空間であるとともに、翼縦断面方向に延びる空間であって、翼体の内壁に分割部を備えた冷却室と、
    該冷却室に配置され、複数のインピンジメント孔を備えた挿入筒と、
    前記翼体に穿設されたフィルム孔と、
    を備え、
    前記挿入筒は、前記前縁側から前記後縁側に向かって延びるとともに、前記翼縦断面方向に延びる仕切部を備え、
    前記挿入筒の内部は、前記正圧面側の正圧面側インサート空間と、前記負圧面側の負圧面側インサート空間と、に仕切られているタービン静翼。
  2. 前記仕切部は、前記正圧面側インサート空間および前記負圧面側インサート空間を繋ぐ連通孔を備える請求項1に記載のタービン静翼。
  3. 前記負圧面側インサート空間は、
    前記挿入筒と、前記仕切部と、前記外側シュラウドおよび前記内側シュラウドに配置された圧力調整板と、に囲まれた空間である請求項1に記載のタービン静翼。
  4. 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のタービン静翼を有するタービン部が設けられているガスタービン。
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