JPWO2012140806A1 - ガスタービン動翼およびガスタービン - Google Patents

Abstract

熱応力が大きいフィレット部や翼面やプラットフォームの表面に孔加工を行わず、フィレット部を対流冷却した後の冷却空気は、熱応力の小さいプラットフォーム表面に開口するガスタービン動翼の冷却構造を提供する。ロータに固定される基部と、該基部に固定され、内部に冷却流路を備えるプラットフォームと、該プラットフォームから径方向の外側に延在する翼形部と、該翼形部と前記プラットフォームを繋げる面に配設されたフィレット部と、から形成されるガスタービン動翼であって、前記冷却流路から分岐して、前記プラットフォームの側端部に開口する母管と、該母管から分岐して、前記フィレット部に沿って径方向の内側に近接し、前記プラットフォームの表面に開口するフィルム孔を備える枝管と、から形成されることを特徴とする。

Description

本発明は、ガスタービンに適用されるフィレットの冷却に係わるガスタービン動翼およびガスタービンに関する。

ガスタービンは、高温の燃焼ガスが持つ熱エネルギーを回転エネルギーに変換して電力として取り出す装置であり、ガスタービンに組み込まれたガスタービン動翼は、常に高温の燃焼ガス中で使用される。そのため、ガスタービン動翼は、内部にサーペンタイン流路等の冷却流路を備え、外部から冷却空気を受入れて翼形部を冷却している。特に、翼形部とプラットフォームの繋ぎ面であるフィレット部は、壁が厚くなり、冷却しにくい部位であるため、相対的に壁温が高温となり、熱負荷や翼構造の点から大きい熱応力が発生しやすい部位である。特に、前縁近傍のフィレット部および翼形部の腹側（加圧面側）の前縁近傍は、熱応力が高くなりやすい場所である。これに対応するため、ガスタービン動翼のフィレット部を冷却する手段として、冷却空気によりフィレット部を対流冷却する方法が種々提案されている。

特許文献１には、翼形部内の冷却空気供給路から冷却空気の枝管を引き出し、フィレット部を貫通してフィルム冷却孔に開口して、冷却空気をフィルム冷却孔から吹き出してフィレット部を冷却する手段が開示されている。

特許文献２には、冷却空気を翼形部の冷却空気供給管から複数本の冷却空気通路を取り出し、フィレット下を這わせて、プラットフォーム表面に吹出すフィルム孔を備えた冷却手段が開示されている。

特開２００６−１７０１９８号公報 特開２００８−２０２５４７号公報

しかし、一般に、熱負荷が大きいフィレット部近傍やプラットフォームの表面は熱応力が大きいため、孔加工により孔周辺に応力集中が発生し、翼の疲労破壊を生じやすい。そのため、熱応力が大きいフィレット部や翼面およびプラットフォームの表面は、孔加工が困難という問題点がある。

また、特許文献２に示す冷却構造では、フィレット部と冷却流路の枝管が離れているため、フィレット部の冷却が不十分という問題点があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みなされたもので、熱応力が大きいフィレット部や翼面およびプラットフォームの表面に孔加工を行わず、フィレット部を対流冷却した後の冷却空気は、熱応力の小さいプラットフォーム表面に開口するガスタービン動翼の冷却構造を提供することを目的としている。

本発明は、上記の問題点を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明の第１の態様に係るガスタービン動翼は、ロータに固定される基部と、該基部に固定され、内部に冷却流路を備えるプラットフォームと、該プラットフォームから径方向の外側に延在する翼形部と、該翼形部と前記プラットフォームを繋げる面に配設されたフィレット部と、から形成されるガスタービン動翼であって、前記冷却流路から分岐して、前記プラットフォームの側端部に開口する母管と、該母管から分岐して、前記フィレット部に沿って径方向の内側から該フィレット部に近接し、前記プラットフォームの表面に開口するフィルム孔を備える枝管と、から形成されることを特徴とする。

前記第１の態様によれば、ガスタービン動翼の翼形部内の冷却流路から母管を分岐して、さらに枝管に分岐することにより、枝管がフィレット部の内側から近接して配置できる。そのため、フィレット部が内側から対流冷却され、フィレット部の熱応力が低減される。また、応力が高いプラットフォーム表面の冷却孔の加工が回避できるので、孔廻りの応力集中による疲労破壊が回避され、ガスタービン動翼の翼の信頼性が向上する。

前記第１の態様においては、前記冷却流路は、最も前縁に近い位置に配設されることが望ましい。

前記第１の態様によれば、母管を引き出す冷却流路が最も前縁に近い流路のため、熱応力が大きい前縁近傍のフィレット部の冷却が可能である。

前記第１の態様においては、前記枝管は、前記翼形部の径方向の平面断面視で、フィレット部の平面断面内を通過するように配設される構成が望ましい。

上記構成によれば、フィレット部の真下を枝管が近接して通過するので、フィレット部の真下が対流冷却され、十分にフィレット部の下面が冷却できる。

前記構成においては、前記枝管は、前記翼形部の腹側の前記冷却流路の内壁に外接し、前記翼形部の腹側の前記フィレット部の外縁に内接する接線に平行に配設される構成が望ましい。

上記構成によれば、冷却流路の腹側内壁に外接し、フィレット部外縁に内接する接線に対して、平行に枝管を配置する。したがって、枝管を最もフィレット部に近接して配置することができるので、フィレット部を最も広範囲に冷却できる。

前記構成においては、前記枝管は、前記翼形部の径方向の平面断面視で、前記枝管の延長線と前記フィレット部の外縁の交点と前記母管の接続口との中間点または中間点より母管に近い側に開口するフィルム孔を備えることが望ましい。

上記構成によれば、前記枝管のフィルム孔の位置を、前記翼形部の平面断面視で、前記枝管の延長線と前記フィレットラインとの交点と前記母管の接続口との間の中間点または中間点より母管に近い側に配置できるので、枝管の孔加工が容易である。

前記構成においては、前記枝管は、複数からなり、前記翼形部の径方向の内側方向の平面断面視で、前記翼形部の中心から離間すると共に、前記フィルム孔が前記母管に接近することが望ましい。

上記構成によれば、前記翼形部の平面断面視で、前記翼形部の中心に最も近い枝管から、前記枝管が前記中心から離間すると共に、前記母管寄りに開口するフィルム孔を備えるので、前記翼形部の中心より離れた枝管でも、前縁近傍のフィレット部に近接させて配置でき、フィレット部の前縁近傍の冷却を強化できる。

本発明の第２の態様は、前述のガスタービン動翼を備えたガスタービンであることが望ましい。

前記第２の態様によれば、動翼の信頼性が向上し、ガスタービンの長時間運転が可能となり、ガスタービン全体の信頼性が向上する。

前述した本発明によれば、ガスタービン動翼の熱応力の大きい領域に冷却孔を開口することなく、熱応力が大きいフィレット部の冷却ができるので、翼の信頼性が向上し、ガスタービンの長時間運転が可能となる。

図１は、ガスタービンの全体構成図の一例を示す。 図２は、ガスタービン動翼の斜視図を示す。 図３は、第１の実施形態に係わるガスタービン動翼の平面断面図を示す。 図４（ａ）は、図３の断面Ａ―Ａを示し、図４（ｂ）は図３の断面Ｂ−Ｂを示し、図４（ｃ）は図３の前縁廻りの拡大平面断面図を示す。 図５（ａ）は第２の実施形態に係わるガスタービン動翼の平面断面図を示し、図５（ｂ）は図５（ａ）の断面Ｃ−Ｃを示す。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係わるガスタービン動翼およびガスタービンについて、図１〜図３に基づいて以下に説明する。
図１は、ガスタービンの全体構成図を示す。ガスタービン１は、燃焼用空気を圧縮する圧縮機２と、圧縮機２から送られてきた圧縮空気に燃料を噴射させて燃焼させ、燃焼ガスを発生させる燃焼器３と、燃焼器の燃焼ガスの流れ方向の下流側に設けられ、燃焼器を出た燃焼ガスにより駆動されるタービン部４と、圧縮機２とタービン部４と発電機（図示せず）を一体に締結するロータ５で構成されている。

タービン部４は、燃焼器３で発生させた燃焼ガスをガスタービン静翼６およびガスタービン動翼７に供給し、ガスタービン動翼７をロータ５の廻りに回転させて、回転エネルギーを電力に変換している。ガスタービン静翼６およびガスタービン動翼７は、燃焼ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かって交互に配置されている。また、ガスタービン動翼７は、ロータ５の周方向に複数配置され、ロータ５と一体となって回転している。

図２は、ガスタービン動翼の外観を示している。ガスタービン動翼7は、ロータに固定される基部１３と、該基部１３に固定され、内部に冷却流路を備えるプラットフォーム１２と、該プラットフォーム１２から径方向の外側方向に延在して内部に冷却流路を備えた翼形部１１とから形成されている。前記翼形部１１と、前記プラットフォーム１２と、前記基部１３とは、鋳造で一体に製作されている。プラットフォーム１２と翼形部１１との繋ぎ面のフィレット部１４は、前記翼形部の全周に配置され、応力集中を避けるため、一定のＲ（曲率半径）をもった滑らかな曲面で形成されている。フィレット部１４とプラットフォーム１２の表面１２ａとの境界は、フィレット部の外縁１４ａを形成している。

本実施形態に係わるガスタービン動翼の断面構造の一例を、図３および図４（ａ）ないし図４（ｃ）に基づき説明する。図３は、ガスタービン動翼の径方向の平面断面図を示し、図４（ａ）は図３の断面Ａ−Ａを示し、図４（ｂ）は図３の断面Ｂ−Ｂを示し、図４（ｃ）は図３の前縁廻りの拡大図を示す。
ガスタービン動翼７は、翼形部１１を冷却するため、ロータ側の冷却流路（図示せず）から冷却空気ＣＡを受入れ、基部１３内に設けられた複数の冷却流路（図示せず）を経由して、翼形部内の冷却流路に供給される。ガスタービン動翼の冷却流路は、一般には、最も前縁に近接して配置され基部側から翼形部の翼頂部に延在する単一の冷却流路と、複数系統の冷却流路からなるサーペンタイン冷却流路から形成される。

図２に示すように、サーペンタイン冷却流路は、基部側の冷却流路から翼形部の冷却流路に冷却空気ＣＡが導入され、プラットフォーム１２近傍と翼頂部１５の間を折り返す複数系統の冷却流路で形成されている。図３の径方向の平面断面図で示せば、ガスタービン動翼の翼形部に配置される冷却流路は、最も前縁１６に近い第１冷却流路Ｃ１から最も後縁１７に近い第７冷却流路Ｃ７まで、前縁１６から後縁１７にかけて順に配置され、第２冷却流路Ｃ２から第７冷却流路Ｃ７の間で複数の折返し構造を備えたサーペンタイン流路が形成されている。図３では、第１冷却流路から第７冷却流路まで、７つの流路で構成される冷却流路を示しているが、この例に限定されるものではない。

フィレット部１４にかかる熱応力は、翼構造や翼面への熱負荷の大きさによって変動するが、通常は翼形部１１の腹側（加圧面側）１８の前縁１６近傍のフィレット部１４の熱応力が大きくなる傾向にある。本実施形態は、主に前縁腹側のフィレット部を冷却するための冷却構造について、以下に説明する。

図３に示すように、前縁腹側近傍の冷却構造は、プラットフォーム１２内の第１冷却流路Ｃ１から引き出され、翼形部１１の腹側１８のプラットフォーム１２の側端部１２ｂに開口する母管２０および末端にフィルム孔２１ａ（図４（ｃ）参照）を備えた枝管２１で構成されている。母管２０は、翼形部１１の径方向の平面断面視で、その一端がプラットフォーム１２内に配置された第１冷却流路Ｃ１の腹側１８に連通し、プラットフォーム１２の表面１２ａにほぼ平行に延伸して、他端は翼形部１１の腹側１８のプラットフォーム１２のロータ回転軸方向に沿って延在する側端部１２ｂに開口している。なお、母管２０のプラットフォーム１２の側端部１２ｂに設ける開口は、プラグ等で閉塞されている。

図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、母管２０より口径の小さい複数の枝管２１が、第１冷却流路Ｃ１に近接させて、母管２０から分岐している。複数の枝管２１が、第１冷却流路Ｃ１側から側端部１２ｂの方向に向かって、等間隔で並列的に配置されている。枝管２１は、母管２０の側端部１２ｂ側から第１冷却流路Ｃ１の方向を見た断面視で、母管２０の径方向の斜め外側方向から分岐して、翼形部１１の腹側１８のフィレット部１４に沿わせて、後縁１７の方向にほぼ直線状に延伸している。枝管２１は、プラットフォーム表面１２ａまで伸び、枝管２１の先端は開口したフィルム孔２１ａを形成している。

図３、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、母管２０から分岐する枝管２１は、枝管２１が母管２０から分岐する複数の接続口２１ｂの全てが、翼形部１１の径方向の平面断面視で、フィレット部１４の平面断面内に配置され、フィレット部１４の真下を通過して、プラットフォーム１２に配置されたフィルム孔２１ａまで延びる配置とすることが望ましい。ここで、接続口２１ｂをフィレット部１４の平面断面内に配置するとは、母管２０と枝管２１との接続口２１ｂが、フィレット部１４の外縁（フィレット部１４とプラットフォームの表面１２ａとが接する境界線）１４ａの内側で、第１冷却流路Ｃ１側に配置されることを意味する。

次に、枝管をフィレット部に沿わせて配置する考え方を以下に説明する。図３および図４（ｃ）に示す翼形部１１の平面断面図で、第１冷却流路Ｃ１の腹側１８の内壁の点Ｐに外接し、フィレット部１４の外縁１４ａの点Ｑに内接する接線をＸとする。また、第１冷却流路Ｃ１に最も近接する枝管２１と母管２０との接続口２１ｂを点Ｒとして、点Ｒを通る接線Ｘに平行なラインをＹとすれば、その中心軸がラインＹと一致する枝管が最もフィレット部に近接する枝管となる。

また、枝管２１は、フィルム孔２１ａの開口から母管２０に向かって直線状に孔加工される。孔加工は、放電加工や機械加工等により形成されるため、電極やドリル等の加工ツールの引き抜き代を考慮して、枝管２１の長さを選定する必要がある。ラインＹがフィレット部１４の外縁１４ａに交わる後縁１７側に近い点をＴとすれば、点Ｒと点Ｔの中間点Ｓまたは中間点Ｓより母管２０に近い側に枝管２１のフィルム孔２１ａが配置されるように、枝管２１を形成することが望ましい。

すなわち、図４（ｃ）の拡大断面図に示すように、中間点Ｓ近傍または中間点Ｓより母管２０に近い側に枝管２１のフィルム孔２１ａが配置されるように、翼形部１１の径方向の平面断面基準で、点ＲＳの長さと点ＳＴの長さが略同一の長さＬまたは点ＲＳの長さが点ＳＴの長さよりやや短くなるように各枝管を形成することが望ましい。このような枝管２１の配置を選定すれば、枝管２１がフィレット部１４に沿って配置され、且つフィレット部１４に最も近接して配置された枝管２１が形成できる。なお、翼形部１１の腹側１８の翼面は凹面状に形成されているため、母管２０の接続口２１ｂからフィレット部１４に沿ってラインＹ上を延伸した枝管２１は、翼形部１１の径方向の平面断面視でフィレット部１４の平面断面内（フィレット部下）を通過して、フィレット部１４の外縁１４ａを横切り、プラットフォーム１２の表面１２ａにフィルム孔２１ａを形成することになる。このフィルム孔２１ａは、熱応力が大きい前縁腹側を避けたプラットフォーム１２の表面１２ａに開口するので、孔加工に伴う応力集中による翼の疲労破壊の問題も回避できる。

また、母管２０の第１冷却流路Ｃ１に連通する開口端からフィレット部１４の外縁１４ａと交差する点Ｕまでの間において、上述した最も第１冷却流路Ｃ１に近接した枝管２１に並列させて、複数の枝管２１を配置できる。複数の枝管２１は、互いに平行に配置され、母管２０から取り出した位置が、径方向に同一高さで、同一方向に取り出すのが望ましい。このような枝管２１の配置により、フィレット部１４に沿った複数の枝管２１群からなる冷却流路が形成でき、フィレット部１４の真下（フィレット部の径方向の内側）からフィレット部１４を対流冷却できる。

本実施形態によれば、フィレット部１４の冷却構造は、翼形部１１内の第１冷却流路Ｃ１から引き出してプラットフォーム１２の側端部１２ｂに開口する母管２０と、母管２０から分岐してフィレット部１４に沿って延伸し、末端にフィルム孔２１ａを備えた枝管２１で形成される。従って、フィレット部１４に沿って近接した枝管２１を配置でき、フィレット部１４の径方向の内側からフィレット部１４を対流冷却できる。また、熱応力の大きいフィレット部１４やプラットフォーム表面１２ａに孔加工は施さずに、フィレット部１４を対流冷却できるので、熱応力の大きい部位に加工孔を設けることによる疲労破壊の問題が回避され、翼の信頼性が向上する。

また、各枝管２１は、熱応力の比較的小さいプラットフォーム表面１２ａに開口し、先端にフィルム孔２１ａが形成されている。フィルム孔２１ａの形状は、公知のいずれの形状も適用できる。枝管２１の末端にフィルム孔２１ａを備えるので、枝管２１から吹きだした冷却空気ＣＡにより、プラットフォーム表面１２ａに安定した冷却空気のフィルム層が形成され、プラットフォーム１２の効率的なフィルム冷却が可能となる。また、枝管２１は、熱応力が小さいプラットフォームの表面１２ａに開口するので、フィルム孔２１ａの廻りの疲労破壊が回避できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係わるガスタービン動翼およびガスタービンについて、図５（ａ）及び図５（ｂ）に基づいて以下に説明する。
本実施形態は、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、第１の実施形態に比較して、枝管の配置が異なる。すなわち、最も第１冷却流路Ｃ１に近い枝管３１は、第１の実施形態と同じ配置である。すなわち、翼形部１１の径方向の平面断面視で、枝管３１のフィルム孔３１ａの位置が、枝管３１の延長線とフィレット部１４の外縁１４ａとが交差する点のうち後縁１７に近い点と母管３０の接続口３１ｂとの中間点または中間点より母管３０に近い側となるような構成である。但し、隣接する枝管３１は、翼形部１１の中心から離間すると共に枝管３１の長さを短くして、フィルム孔３１ａの位置を母管３０に順次接近させる点が第１の実施形態と異なっている。

図５（ｂ）に示すように、各枝管３１は母管３０から後縁１７の方向のプラットフォーム表面１２ａに向け、直線状に立ち上がる点は第１の実施形態と同じであるが、各枝管の傾斜角（径方向垂直軸に対する角度）は、翼形部１１の中心（第１冷却流路Ｃ１）から離間するほど、小さくなるように配置されている。フィルム孔３１ａの位置を、ロータ軸方向に少しずつずらせているので、プラットフォーム表面１２ａ上に形成されるフィルム空気層が隣接する枝管から吹きだす冷却空気に影響されず、安定したフィルム層を維持できる。但し、傾斜角が小さくなりすぎると、フィルム層の形成が難しくなる。また、枝管３１のフィルム孔３１ａをプラットフォームの熱応力の大きい部位に設けることが困難なため、傾斜角を小さくして、フィルム孔の位置を前縁に近づけすぎるのは望ましくない。

本実施形態においても、母管の配置の考え方、フィレット部に沿わせる枝管の配置の考え方は、第１の実施形態と同様であり、第１の実施形態で奏する効果は、本実施形態にも適用できる。

本発明のフィレット部の冷却構造によれば、フィレット部が対流冷却され、熱応力が大きい領域の冷却孔加工が回避できるので、翼の疲労破壊が回避される。そのため、翼の信頼性が向上し、ガスタービンの長時間運転が可能となり、ガスタービン全体の信頼性が向上する。

上述の第１実施形態および第２実施形態では、第１冷却流路から冷却空気を取り出して、前縁腹側のフィレット部を冷却する例で説明したが、フィレット部の他の部位を冷却する場合であっても、同様の考え方が適用できる。

前述の実施形態は、本発明の技術思想を反映した代表例であるが、本発明の技術思想を満足する限り、他の実施例およびその他の変形例も本発明の範囲に含まれる。

１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン部
５ ロータ
６ ガスタービン静翼
７ ガスタービン動翼
１１ 翼形部
１２ プラットフォーム
１２ａ プラットフォーム表面
１２ｂ 側端部
１３ 基部
１４ フィレット部
１４ａ フィレット部外縁
１５ 翼頂部
１６ 前縁
１７ 後縁
１８ 腹側（加圧面側）
１９ 背側（負圧面側）
２０、３０ 母管
２１、３１ 枝管
２１ａ、３１ａ フィルム孔
２１ｂ、３１ｂ 接続口
Ｃ１ 第１冷却流路
Ｃ２〜Ｃ７ 第２冷却流路〜第７冷却流路
ＣＡ 冷却空気

前記構成においては、前記枝管は、複数からなり、前記翼形部の径方向の内側方向の平面断面視で、前記翼形部の中心から離間するにつれて、前記フィルム孔が前記母管に接近することが望ましい。

上記構成によれば、前記翼形部の平面断面視で、前記翼形部の中心に最も近い枝管から、前記枝管が前記中心から離間するにつれて、前記母管寄りに開口するフィルム孔を備えるので、前記翼形部の中心より離れた枝管でも、前縁近傍のフィレット部に近接させて配置でき、フィレット部の前縁近傍の冷却を強化できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係わるガスタービン動翼およびガスタービンについて、図５（ａ）及び図５（ｂ）に基づいて以下に説明する。
本実施形態は、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、第１の実施形態に比較して、枝管の配置が異なる。すなわち、最も第１冷却流路Ｃ１に近い枝管３１は、第１の実施形態と同じ配置である。すなわち、翼形部１１の径方向の平面断面視で、枝管３１のフィルム孔３１ａの位置が、枝管３１の延長線とフィレット部１４の外縁１４ａとが交差する点のうち後縁１７に近い点と母管３０の接続口３１ｂとの中間点または中間点より母管３０に近い側となるような構成である。但し、隣接する枝管３１は、翼形部１１の中心から離間するにつれて枝管３１の長さを短くして、フィルム孔３１ａの位置を母管３０に順次接近させる点が第１の実施形態と異なっている。

Claims (7)

1. ロータに固定される基部と、
   該基部に固定され、内部に冷却流路を備えるプラットフォームと、
   該プラットフォームから径方向の外側に延在する翼形部と、
   該翼形部と前記プラットフォームを繋げる面に配設されたフィレット部と、
   から形成されるガスタービン動翼であって、
   前記冷却流路から分岐して、前記プラットフォームの側端部に開口する母管と、
   該母管から分岐して、前記フィレット部に沿って径方向の内側から該フィレット部に近接し、前記プラットフォームの表面に開口するフィルム孔を備える枝管と、
   から形成されるガスタービン動翼。
2. 前記冷却流路は、最も前縁に近い位置に配設される請求項１に記載のガスタービン動翼。
3. 前記枝管は、前記翼形部の径方向の平面断面視で、フィレット部の平面断面内を通過するように配設される請求項１に記載のガスタービン動翼。
4. 前記枝管は、前記翼形部の腹側の前記冷却流路の内壁に外接し、前記翼形部の腹側の前記フィレット部の外縁に内接する接線に平行に配設される請求項３に記載のガスタービン動翼。
5. 前記枝管は、前記翼形部の径方向の平面断面視で、前記枝管の延長線と前記フィレット部の外縁の交点と前記母管の接続口との中間点または中間点より母管に近い側に開口するフィルム孔を備える請求項４に記載のガスタービン動翼。
6. 前記枝管は、複数からなり、前記翼形部の径方向の平面断面視で、前記翼形部の中心から離間すると共に、前記フィルム孔が前記母管に接近する請求項４に記載のガスタービン動翼。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のガスタービン動翼を備えたガスタービン。

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