JPWO2011108440A1 - ガスタービンの動翼およびその製造方法ならびに動翼を用いたガスタービン - Google Patents
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Abstract
動翼内部に設けられる冷却通路の形成を容易にすると同時に、冷却通路が形成されることによって動翼強度や剛性が損なわれることを回避可能なガスタービンの動翼を提供する。ガスタービンの動翼（４１）は、その内部に形成される冷却通路（４１０）が、動翼（４１）の基部側長手方向に延在する複数の直線通路状の基部側長孔（４１０ａ）と、動翼（４１）の先端側長手方向に延在する複数の直線通路状の先端側長孔（４１０ｂ）と、これら両方の長孔（４１０ａ，４１０ｂ）の接続部に介在して両長孔（４１０ａ，４１０ｂ）を１本ずつ相互に連通させ、且つこれら両長孔（４１０ａ，４１０ｂ）の通路断面積よりも大きい断面積を有する複数の連通空洞部（４１０ｃ）と、を有する。また、連通空洞部（４１０ｃ）は、動翼（４１）のプラットフォーム部（４１３）の位置に合わせて形成されている。
Description
本発明は、火力発電などに使用されるガスタービンの動翼に係り、詳しくは動翼内部に形成される冷却空気流通用の冷却通路を改良した、ガスタービンの動翼およびその製造方法ならびに動翼を用いたガスタービンに関するものである。
ガスタービンでは、タービン動翼の周囲を高温の作動流体が流れるため、一般に、タービン動翼の内部には、動翼の長手方向に沿う冷却通路が形成されており、この冷却通路に冷却空気を流通させることによって動翼の冷却がなされている。冷却通路にはタービンの圧縮機により圧縮された空気の一部が抽気されて冷却空気として圧送され、この冷却空気は冷却通路を流れて動翼を内側から冷却し、高温な作動流体（燃焼ガス）の熱から動翼を保護する。かかる構成を採用する従来のガスタービン（ガスタービン動翼）として、特許文献１に記載された技術が知られている。
特許文献１に記載されている従来のガスタービンでは、動翼の基部側から先端側に向かって単一空間状の空洞部が形成される一方、動翼の先端側から基部側に向かって複数の直線通路状の長孔が形成され、これらの長孔が、動翼の長手方向中間部で空洞部に連通している。そして、空洞部の幅が、長孔との連通部において拡張されている。このため、動翼の先端側から長孔を加工形成する時に、長孔を空洞部に連通させ易く、加工が容易である。
しかしながら、特許文献１の構造では、空洞部が単一空間状に形成されていたため、この部分における動翼の有効断面積が小さくなってしまい、動翼の強度や剛性が損なわれて、最悪の場合には破壊（クリープ亀裂等）に至る懸念があり、信頼性に欠けるものであった。
一方、空洞部を設けずに、動翼の先端側と基部側の両側から長孔加工して中間で接続して一本の長孔とすることにより複数の直線通路状に形成すれば、空洞部を設けない分、動翼の有効断面積を大きくすることができる。しかし、この方法では、２方向からの長孔加工時の芯あわせが難しく、加工コストが増大したり、長孔同士の貫通不良により歩留まりが低下したりする懸念があった。
一方、空洞部を設けずに、動翼の先端側と基部側の両側から長孔加工して中間で接続して一本の長孔とすることにより複数の直線通路状に形成すれば、空洞部を設けない分、動翼の有効断面積を大きくすることができる。しかし、この方法では、２方向からの長孔加工時の芯あわせが難しく、加工コストが増大したり、長孔同士の貫通不良により歩留まりが低下したりする懸念があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、動翼内部に設けられる冷却通路の形成を容易にすると同時に、冷却通路が形成されることによって動翼強度や剛性が損なわれることを回避できて、信頼性の高いガスタービンの動翼およびその製造方法ならびに動翼を用いたガスタービンを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は、以下の手段を採用する。
即ち、本発明の第１の態様に係るガスタービンの動翼は、タービンの動翼内部に冷却通路が形成され、該冷却通路に冷却空気を流通させて前記動翼の冷却を行うガスタービンの動翼において、前記冷却通路は、前記動翼の基部側長手方向に延在する複数の直線通路状の基部側長孔と、前記動翼の先端側長手方向に延在する複数の直線通路状の先端側長孔と、前記基部側長孔と前記先端側長孔との接続部に介在して両長孔を１本ずつ相互に連通させ、且つ前記両長孔の通路断面積よりも広い断面積を有する複数の連通空洞部と、を有する。
即ち、本発明の第１の態様に係るガスタービンの動翼は、タービンの動翼内部に冷却通路が形成され、該冷却通路に冷却空気を流通させて前記動翼の冷却を行うガスタービンの動翼において、前記冷却通路は、前記動翼の基部側長手方向に延在する複数の直線通路状の基部側長孔と、前記動翼の先端側長手方向に延在する複数の直線通路状の先端側長孔と、前記基部側長孔と前記先端側長孔との接続部に介在して両長孔を１本ずつ相互に連通させ、且つ前記両長孔の通路断面積よりも広い断面積を有する複数の連通空洞部と、を有する。
本発明によれば、例えば基部側長孔と連通空洞部とを先に形成し、その後で動翼の先端側から先端側長孔を形成する際に、連通空洞部の断面積が基部側長孔や先端側長孔の通路断面積よりも大きいため、先端側長孔を連通空洞部に容易に貫通させることができる。このため、動翼内部に形成される冷却通路の形成を容易にすることができる。また、基部側長孔が、単一の空洞部とならずに複数の直線通路状に形成されるため、冷却通路の形成に起因して動翼強度や剛性が損なわれることが回避される。
また、本発明の第２の態様に係るガスタービンの動翼は、前記連通空洞部を、前記動翼のプラットフォーム部の位置に合わせて形成している。これにより、冷却通路中で最も横断面積の大きい連通空洞部が、動翼の中で最も肉厚の大きいプラットフォーム部の内部に形成されるため、実質的に動翼の有効断面積が小さくなる部分が最小限となり、動翼の強度や剛性が損なわれることを防止できる。
さらに、本発明の第３の態様に係るガスタービンの動翼は、前記複数の連通空洞部のうちの、隣り合う連通空洞部の高さを異ならせている。これにより、隣り合う連通空洞部同士が同じ高さに並ぶことがなくなり、各連通空洞部の間の距離が大きくなるため、連通空洞部の位置において動翼の有効断面積が小さくなることが回避され、動翼の強度や剛性が損なわれることを防止できる。
さらに、本発明のガスタービンの動翼は、少なくとも前記複数の先端側長孔の先端から前記連通空洞部までの長さを同一としたことを特徴とする。これにより、複数の電極またはドリルによる同時加工が可能となり、長孔の加工精度のばらつきが発生せず、加工精度が一層向上する。
さらに、本発明のガスタービンの動翼は、少なくとも前記複数の先端側長孔の先端から前記連通空洞部までの長さを同一としたことを特徴とする。これにより、複数の電極またはドリルによる同時加工が可能となり、長孔の加工精度のばらつきが発生せず、加工精度が一層向上する。
また、本発明の第４の態様に係るガスタービンは、前記第１から第３の態様のいずれかのガスタービンの動翼をタービンに用いている。これにより、動翼の強度および剛性が確保されて信頼性が向上する。
そして、本発明の第５の態様に係るガスタービンの動翼の製造方法は、前記第１から第３の態様のいずれかのガスタービンの動翼に前記冷却通路を形成する場合において、前記動翼の基部側から電気的加工により前記基部側長孔を形成する基部側長孔形成工程と、該基部側長孔の終端位置で前記電気的加工の加工進行速度を低下もしくは停止させて前記連通空洞部を形成する連通空洞部形成工程と、前記動翼の先端側から前記先端側長孔を形成し、該先端側長孔を前記連通空洞部に貫通させる先端側長孔形成工程と、を有する。
この製造方法によれば、基部側長孔の終端位置で電気的加工の進行速度を低下もしくは停止させることにより、基部側長孔の通路断面積よりも大きい断面積を有する連通空洞部を容易に形成でき、ひいては冷却通路全体の形成を容易にすることができる。
以上のように、本発明に係るガスタービンの動翼およびその製造方法によれば、動翼内部に設けられる冷却通路の形成を容易にすると同時に、冷却通路が形成されることによって動翼強度や剛性が損なわれることを回避し、動翼、ひいてはガスタービン全体の信頼性を高めることができる。
以下に、本発明に係るガスタービンの動翼の複数の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
〔第１実施形態〕
図１〜図６は、本発明の第１実施形態を示している。図１は、本発明に係る動翼が適用されたガスタービンの一例を示す全体構成図である。このガスタービン１は、圧縮機２と、燃焼器３と、タービン４とを有する。圧縮機２は、空気取込口から取り込まれた空気を圧縮して圧縮空気を生成する。燃焼器３は、この圧縮空気に燃料を噴射して高温・高圧の燃焼ガスを発生させる。タービン４は、この燃焼ガスの熱エネルギーをロータ５の回転エネルギーに変換して駆動力を発生させる。そして、この駆動力がロータ５に連結された発電機（図示省略）などに伝達される。タービン４は燃焼器３に繋がるように設けられたタービンハウジング６の内部に配置されている。
図１〜図６は、本発明の第１実施形態を示している。図１は、本発明に係る動翼が適用されたガスタービンの一例を示す全体構成図である。このガスタービン１は、圧縮機２と、燃焼器３と、タービン４とを有する。圧縮機２は、空気取込口から取り込まれた空気を圧縮して圧縮空気を生成する。燃焼器３は、この圧縮空気に燃料を噴射して高温・高圧の燃焼ガスを発生させる。タービン４は、この燃焼ガスの熱エネルギーをロータ５の回転エネルギーに変換して駆動力を発生させる。そして、この駆動力がロータ５に連結された発電機（図示省略）などに伝達される。タービン４は燃焼器３に繋がるように設けられたタービンハウジング６の内部に配置されている。
タービン４は、ロータ５に回転一体に設けられた数段の動翼４１と、タービンハウジング６の内周面に固定されて、各動翼４１の間に交互に配置された数段の静翼４２とを有する。そして、燃焼器３で発生した高温・高圧の燃焼ガスが、これらの動翼４１および静翼４２間を膨張しつつ通過することにより、動翼４１と共にロータ５が回転して駆動力が発生する。このタービン４では、圧縮空気の一部が冷却空気として圧縮機２から抽出され、この冷却空気により動翼４１、静翼４２等の、高温なガスに晒される部材が後に述べるように内部から冷却される。
動翼４１は、基部４１１と、ブレード部４１２と、プラットフォーム部４１３とが、耐熱性および耐食性を備えた強靭な鋼材料により一体に成形されており、その基部４１１が嵌合され、ブレード部４１２がロータ５から放射方向に延び、各ブレード部４１２の先端部が環状のシュラウド４１５によって周方向に連結される。プラットフォーム部４１３は、各動翼４１がロータ５に取付けられた時に連続して筒状をなし、燃焼ガスの流れを整流する。
動翼４１の内部には複数のマルチホール状の冷却通路４１０が形成されており、これらの冷却通路４１０に、圧縮機２から抽出された圧縮空気が冷却空気として、ロータ５内部に設けられた流路（図示せず）を経由して供給される。冷却空気は、動翼４１の基部側底部から供給され、先端部に向かう冷却通路４１０内を流れる過程で動翼４１の内部を冷却し、高温の燃焼ガスの熱からブレード部４１２を保護する。
冷却通路４１０は、動翼４１の基部側長手方向に延在するように形成された複数の直線通路状の基部側長孔４１０ａと、同じく直線通路状で動翼４１の先端側長手方向に延在するように形成された複数の先端側長孔４１０ｂと、これら基部側長孔４１０ａと先端側長孔４１０ｂとの接続部に介在して両長孔４１０ａ，４１０ｂを１本ずつ相互に連通させる複数の連通空洞部４１０ｃとを備えて構成されている。
図３にも示すように、先端側長孔４１０ｂは、ブレード部４１２の湾曲形状に沿ってほぼ等間隔に配設されている。図４に示すように、ブレード部４１２の肉厚に応じて先端側長孔４１０ｂの内径を変化させてもよい。ここでは、ブレード部４１２の肉厚の大きい部分を通過する先端側長孔４１０ｂの内径を、肉厚の小さい部分を通過する先端側長孔４１０ｂの内径よりも大きくしている。
図５に拡大して示すように、基部側長孔４１０ａの通路断面積（内径ｄ１）は、先端側長孔４１０ｂの通路断面積（内径ｄ２）よりも大きい。なお、図６に示すように、基部側長孔４１０ａの内径ｄ１と先端側長孔４１０ｂの内径ｄ２とを同一寸法にしてもよい。図４に示すように、ブレード部４１２の肉厚に応じて先端側長孔４１０ｂの内径を変化させる場合には、同様に基部側長孔４１０ａの内径を変化させてもよい。
連通空洞部４１０ｃは、基部側長孔４１０ａおよび先端側長孔４１０ｂの通路断面積よりも大きい横断面積を有する球状または楕円球状等に形成されている。この連通空洞部４１０ｃは、基部４１１やブレード部４１２に比べて肉厚の大きなプラットフォーム部４１３の位置（高さ）に合わせて形成されている。
次に、以上のように構成された動翼４１における冷却通路４１０の形成方法について、図７Ａから図７Ｄを参照しながら説明する。
まず、図７Ａに示す基部側長孔形成工程において、動翼４１の基部側、即ち基部４１１側から、電気的加工、例えば放電加工または電解加工（好ましくは硝酸電解加工）等により基部側長孔４１０ａを形成する。
次に、図７Ｂに示す連通空洞部形成工程において、基部側長孔４１０ａの終端位置、即ちプラットフォーム部４１３の形成される高さ付近で、電気的加工の加工進行速度を低下、もしくは停止させて暫時保持する。これにより、基部側長孔４１０ａの終端部における内径が拡張し、プラットフォーム部４１３の内部に球状または楕円球状の連通空洞部４１０ｃが形成される。ここで動翼４１の基部側からの加工は完了する。なお、基部側長孔４１０ａの終端位置は、プラットフォーム部４１３に限らず、基部４１１に設けてもよい。
次に、図７Ｃに示す先端側長孔形成工程において、動翼４１の先端側から、電気的加工、例えば放電加工ないしは電解加工またはドリル等による切削加工によって先端側長孔４１０ｂを形成し、この先端側長孔４１０ｂを連通空洞部４１０ｃに貫通させて加工を完了する。
こうして、図７Ｄに示すように、基部側長孔４１０ａと先端側長孔４１０ｂと連通空洞部４１０ｃとが互いに連通して冷却通路４１０が完成する。
このように、基部側長孔４１０ａの終端位置にて電気的加工の加工進行速度を低下もしくは停止させる加工方法を採ることにより、基部側長孔４１０ａの通路断面積よりも大きな断面積を有する連通空洞部４１０ｃを容易に形成でき、ここに通じる先端側長孔４１０ｂの貫通性を向上させ、ひいては冷却通路４１０全体の形成を容易にすることができる。
以上のように構成された動翼４１は、その冷却通路４１０が、動翼４１の基部側長手方向に延在する複数の基部側長孔４１０ａと、動翼４１の先端側長手方向に延在する複数の先端側長孔４１０ｂと、これら各長孔４１０ａ，４１０ｂの接続部に位置する連通空洞部４１０ｃとを有して構成され、連通空洞部４１０ｃの断面積（内径ｄ３）が各長孔４１０ａ，４１０ｂの通路断面積（内径ｄ１，ｄ２）よりも広いため、図７Ｃに示す先端側長孔形成工程において、先端側長孔４１０ｂの位置が多少ずれても連通空洞部４１０ｃに対する貫通率が極めてよくなり、これによって冷却通路４１０の形成を非常に容易にすることができる。
また、基部側長孔４１０ａが、単一の空洞部とならずに複数の直線通路状に形成されるため、この部分における動翼４１の有効断面積が十分に確保され、動翼４１の強度や剛性が損なわれることがない。しかも、冷却通路４１０の中で最も横断面積の大きな連通空洞部４１０ｃを、動翼４１の中で最も肉厚の大きなプラットフォーム部４１３の内部に形成したため、実質的に動翼４１の有効断面積が小さくなる部分が最小限となり、動翼４１の強度や剛性の低下を確実に抑制することができる。
なお、図７Ａから図７Ｃに示す長孔形成工程は、基部側から先端側に向けて加工を開始したが、これとは逆に先端側から基部側に向けて加工を開始してもよい。
なお、図７Ａから図７Ｃに示す長孔形成工程は、基部側から先端側に向けて加工を開始したが、これとは逆に先端側から基部側に向けて加工を開始してもよい。
そして、このように、強度および剛性が確保された動翼４１をタービン４に適用することにより、ガスタービン１の信頼性を格段に向上させることができる。
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について、図８を参照して説明する。この第２実施形態に示す動翼５１は、その冷却通路４１０を構成している複数の連通空洞部４１０ｃの長手方向の位置が異なる点を除き、図２に示す第１実施形態における動翼４１と同様である。
次に、本発明の第２実施形態について、図８を参照して説明する。この第２実施形態に示す動翼５１は、その冷却通路４１０を構成している複数の連通空洞部４１０ｃの長手方向の位置が異なる点を除き、図２に示す第１実施形態における動翼４１と同様である。
ここでは、複数の連通空洞部４１０ｃのうちの、隣り合う連通空洞部４１０ｃ同士の高さが異なるように、例えば上下に高さを変化させて互い違いに連通空洞部４１０ｃが配置されている。このように高さを変化させたとしても、全部の連通空洞部４１０ｃがプラットフォーム部４１３の内部に位置するように形成することが望ましい。
このように構成することにより、隣り合う連通空洞部４１０ｃ同士が同じ高さに並ぶことがなくなり、各連通空洞部４１０ｃの間の距離が大きくなるため、連通空洞部４１０ｃの位置において動翼５１の有効断面積が小さくなることが回避され、動翼５１の強度や剛性が損なわれることを、より効果的に防止することができる。
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態について、図９を参照して説明する。第３実施形態に示す動翼６１は、複数の先端側長孔６１０ｂの先端から連通空洞部までの長さを同一としたことを除き、図２に示す第１実施形態における動翼４１と同様である。
次に、本発明の第３実施形態について、図９を参照して説明する。第３実施形態に示す動翼６１は、複数の先端側長孔６１０ｂの先端から連通空洞部までの長さを同一としたことを除き、図２に示す第１実施形態における動翼４１と同様である。
複数の先端側長孔６１０ｂを同一の長さとすることにより、複数の電極またはドリルによる同時加工が可能となり、長孔の加工精度のばらつきが発生せず、加工精度が一層向上する。
〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態について、図１０を参照して説明する。第４実施形態に示す動翼７１は、複数の先端側長孔７１０ｂの先端から連通空洞部までの長さを同一とし、更に複数の基端側長孔７１０ａの基部４１１の端面から連通空洞部までの長さも同一としたことを除き、図２に示す第１実施形態における動翼４１と同様である。
次に、本発明の第４実施形態について、図１０を参照して説明する。第４実施形態に示す動翼７１は、複数の先端側長孔７１０ｂの先端から連通空洞部までの長さを同一とし、更に複数の基端側長孔７１０ａの基部４１１の端面から連通空洞部までの長さも同一としたことを除き、図２に示す第１実施形態における動翼４１と同様である。
先端側長孔７１０ｂおよび基端側長孔７１０ａをそれぞれ同一の長さとすることにより、第３実施形態における動翼６１と同様の効果が得られる。
１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
５ ロータ
６ タービンハウジング
４１ 動翼
５１ 動翼
６１ 動翼
７１ 動翼
４１０ 冷却通路
４１０ａ 基部側長孔
４１０ｂ 先端側長孔
４１０ｃ 連通空洞部
４１１ 基部
４１２ ブレード部
４１３ プラットフォーム部
４１５ シュラウド
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
５ ロータ
６ タービンハウジング
４１ 動翼
５１ 動翼
６１ 動翼
７１ 動翼
４１０ 冷却通路
４１０ａ 基部側長孔
４１０ｂ 先端側長孔
４１０ｃ 連通空洞部
４１１ 基部
４１２ ブレード部
４１３ プラットフォーム部
４１５ シュラウド
上記課題を解決するために、本発明は、以下の手段を採用する。
即ち、本発明の第１の態様に係るガスタービンの動翼は、タービンの動翼内部に冷却通路が形成され、該冷却通路に冷却空気を流通させて前記動翼の冷却を行うガスタービンの動翼において、前記冷却通路は、前記動翼の基部側長手方向に延在する複数の直線通路状の基部側長孔と、前記動翼の先端側長手方向に延在する複数の直線通路状の先端側長孔と、前記基部側長孔と前記先端側長孔との接続部に介在して両長孔を１本ずつ相互に連通させ、且つ前記両長孔の通路断面積よりも広い断面積を有する複数の連通空洞部と、を有し、前記連通空洞部を、前記動翼のプラットフォーム部の位置に合わせて形成している。
即ち、本発明の第１の態様に係るガスタービンの動翼は、タービンの動翼内部に冷却通路が形成され、該冷却通路に冷却空気を流通させて前記動翼の冷却を行うガスタービンの動翼において、前記冷却通路は、前記動翼の基部側長手方向に延在する複数の直線通路状の基部側長孔と、前記動翼の先端側長手方向に延在する複数の直線通路状の先端側長孔と、前記基部側長孔と前記先端側長孔との接続部に介在して両長孔を１本ずつ相互に連通させ、且つ前記両長孔の通路断面積よりも広い断面積を有する複数の連通空洞部と、を有し、前記連通空洞部を、前記動翼のプラットフォーム部の位置に合わせて形成している。
また、冷却通路中で最も横断面積の大きい連通空洞部が、動翼の中で最も肉厚の大きいプラットフォーム部の内部に形成されるため、実質的に動翼の有効断面積が小さくなる部分が最小限となり、動翼の強度や剛性が損なわれることを防止できる。
Claims (6)
- タービンの動翼内部に冷却通路が形成され、該冷却通路に冷却空気を流通させて前記動翼の冷却を行うガスタービンの動翼において、
前記冷却通路は、
前記動翼の基部側長手方向に延在する複数の直線通路状の基部側長孔と、
前記動翼の先端側長手方向に延在する複数の直線通路状の先端側長孔と、
前記基部側長孔と前記先端側長孔との接続部に介在して両長孔を１本ずつ相互に連通させ、且つ前記両長孔の通路断面積よりも大きい断面積を有する複数の連通空洞部と、
を有するガスタービンの動翼。 - 前記連通空洞部を、前記動翼のプラットフォーム部の位置に合わせて形成した請求項１に記載のガスタービンの動翼。
- 前記複数の連通空洞部のうちの、隣り合う連通空洞部の高さを異ならせた請求項１または２に記載のガスタービンの動翼。
- 少なくとも前記複数の先端側長孔の先端から前記連通空洞部までの長さを同一としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスタービンの動翼。
- 請求項１乃至４のいずれかに記載のガスタービンの動翼をタービンに用いたガスタービン。
- 請求項１乃至４のいずれかに記載のガスタービンの動翼に前記冷却通路を形成する場合において、
前記動翼の基部側から電気的加工により前記基部側長孔を形成する基部側長孔形成工程と、
該基部側長孔の終端位置で前記電気的加工の加工進行速度を低下もしくは停止させて前記連通空洞部を形成する連通空洞部形成工程と、
前記動翼の先端側から前記先端側長孔を形成し、該先端側長孔を前記連通空洞部に貫通させる先端側長孔形成工程と、
を有するガスタービンの動翼の製造方法。
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