JPH04259603A - タービン静翼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】〔発明の目的〕

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明はタービン静翼に係り、特
に高温タービンの冷却翼に冷却媒体として蒸気を用いる
タービン静翼に関する。

【０００３】

【従来の技術】一般に、発電プラントに利用するガスタ
ービンは、図６に示す構成を備えており、ガスタービン
１と同軸に設けられた圧縮機２の駆動により空気を圧縮
し、この圧縮空気を燃焼器３に供給して、燃焼器３で燃
料を燃焼させ、この燃焼による高温の燃焼ガスを、トラ
ンジションピース４およびガスタービン１の静翼５を経
て動翼に案内し、この動翼を回転駆動してガスタービン
１の仕事をさせるようになっている。

【０００４】ところで、ガスタービン１の熱効率を向上
させるためには、タービン入口温度を高温にするとよい
ことは周知の事実であり、実際にも、タービン入口温度
の上昇が図られている。そして、入口温度の上昇に伴な
い、ガスタービン１の燃焼器３、静翼５および動翼６に
も、高温に耐え得る材料を使用する必要性が高まり、耐
熱性超合金材料が、ガスタービン部品として用いられる
ようになってきている。

【０００５】ところが、タービンの高温部材として現在
使用されている耐熱性超合金材料は、その限界温度が８
００〜９００℃であり、一方タービン入口温度は約１３
００℃にも達し、限界温度をはるかに越えている。した
がって、翼を限界温度まで冷却し、ガスタービンの信頼
性を維持するために、冷却構造を採用した冷却翼の使用
が必須となる。

【０００６】図７および図８は、タービン入口温度１３
００℃級のガスタービンに採用されている従来のタービ
ン静翼を示すもので、空気冷却翼構造となっている。

【０００７】すなわち、従来のタービン静翼５は、図７
および図８に示すように、翼後端にスリット１１を有す
る中空翼１０を備えており、この中空翼１０内には、冷
却空気を送り込む筒状のインサート１２が挿入配置され
、インサート１２には、多数のインピンジ孔１３が設け
られている。

【０００８】また、前記中空翼１０の壁面には、図７お
よび図８に示すように、フィルム冷却空気１４を得るた
めの多数の小孔１５が設けられ、また前記スリット１２
内には、冷却効率を向上させるためのピンフィン１６が
設けられている。

【０００９】以上の構成において、インサート１２内に
送り込まれた冷却空気は、インピンジ孔１３から中空翼
１０の内壁面に吐出され、中空翼１０を冷却するととも
に、小孔１５から外部に噴射されてフィルム冷却を行な
う。冷却空気はまた、スリット１１から外部に吐出され
、翼後縁部の冷却を行なう。そしてこれにより、翼の材
料温度が限界温度以下に下げられる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来のタービン静翼に
おいては、空気冷却方式を採っており、空気は冷却特性
が低いため、ガスタービン入口温度が１３００℃を越え
ると、必要な冷却空気量が著しく増大するという問題が
ある。しかも、翼外表面の熱伝達率は、図９に示すよう
に、翼面にそってかなり大きな分布があり、また、図１
０に示すように、翼外側のガス温度自身も、翼の半径方
向に大きな分布がある。

【００１１】そこで従来は、メタル温度を均一化するた
め、翼表面に形成した小孔１５から翼外にフィルム冷却
空気１４を吐出させ、フィルム冷却方式により翼を冷却
するようにしている。

【００１２】ところが、フィルム冷却方式では、冷却空
気量が増大するとともに、高温ガス中に低温空気が吹出
することになるため、ガスタービンの熱効率の低下およ
びこのガスタービンを用いた発電プラントの熱効率の低
下を招くという問題がある。また、不純物が混在するよ
うな粗悪燃料の場合には、小孔１５が目詰りを起こし、
フィルム冷却方式を採ることができないという問題もあ
る。

【００１３】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、冷却効率を向上させ、高いガス温度に対して
も、良好かつ均一なメタル温度を得ることができるとと
もに、熱効率を向上させることができ、かつ粗悪燃料に
対しても適用することができるタービン静翼を提供する
ことを目的とする。 〔発明の構成〕

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の発明は、
前記目的を達成する手段として、中空の翼内部を、２枚
の仕切壁により翼前後方向に仕切って形成される前部空
間、回収ダクトおよび後縁部ダクトと、前記前部空間内
に挿入配置された筒状のインサートと、前記前部空間の
腹側内壁および背側内壁に、翼前後方向に間隔を置いて
翼半径方向に延設され、先端が前記インサートに密接す
る複数の突条と、これら各突条により前記インサート外
周部に形成された前縁冷却ダクト、翼前後方向に複数に
仕切られた腹側冷却ダクト、および翼前後方向に複数に
仕切られた背側冷却ダクトと、前記インサートの翼半径
方向中央部に設けられ、インサート内の冷却蒸気を前記
前縁冷却ダクト、腹側冷却ダクトおよび背側冷却ダクト
に吐出するインピンジ孔と、前記各ダクト内に設けられ
たタービュレンスプロモータと、前記後縁部ダクト内に
設けられたピンフィンとを備え、前記インサートおよび
後縁部ダクトに送り込んだ冷却蒸気を、前記回収ダクト
を介して回収するようにしたことを特徴とする。

【００１５】また、本発明の第２の発明は、前記目的を
達成する手段として、中空の翼内部を、２枚の仕切壁に
より翼前後方向に仕切って形成される前部空間、回収ダ
クトおよび後縁部ダクトと、前記前部空間内に挿入配置
された筒状のインサートと、前記前部空間の内壁に翼半
径方向に間隔を置い複数突設され、先端が前記インサー
トに密接する内フランジ状の隔壁と、これら各隔壁によ
り前記インサート外周部に形成された複数の冷却ダクト
と、前記インサートの翼前縁部に各冷却ダクトに対応し
てそれぞれ設けられ、インサート内の冷却蒸気を各冷却
ダクトに吐出するインピンジ孔と、前記各ダクト内に設
けられたタービュレンスプロモータと、前記後縁部ダク
ト内に設けられたピンフィンとを備え、前記インサート
および後縁部ダクトに送り込んだ冷却蒸気を、前記回収
ダクトを介して回収するようにしたことを特徴とする。

【００１６】

【作用】本発明の第１の発明に係るタービン静翼におい
て、インサート内に送り込まれた冷却蒸気は、インピン
ジ孔から前縁冷却ダクト、腹側冷却ダクトおよび背側冷
却ダクト内に吐出される。翼外側のガス温度は、翼の半
径方向中央部が最も高くなるが、インピンジ孔はこの部
分に設けられているので、高温部が重点的に冷却され、
温度分布の均一化が図られる。また腹側冷却ダクトおよ
び背側冷却ダクトは、翼前後方向に複数に仕切られてい
るので、各仕切内を流れる冷却蒸気量の調整により、翼
外表面の熱伝達率に大きな温度分布があっても、メタル
温度分布を均一化することが可能となる。

【００１７】一方、後縁部ダクト内に送り込まれた冷却
蒸気は、翼後縁部を冷却するが、冷却後の冷却蒸気は、
前縁冷却ダクト、腹側冷却ダクトおよび背側冷却ダクト
からの冷却蒸気とともに、回収ダクトを通して回収され
る。この際、回収ダクトには、タービュレンスプロモー
タが設けられているので、蒸気回収時にも翼冷却がなさ
れる。

【００１８】また、本発明の第２の発明に係るタービン
静翼において、インサート内に送り込まれた冷却蒸気は
、インピンジ孔から各冷却ダクト内に吐出される。翼外
側の熱伝達率は、翼前縁部が比較的高いが、インピンジ
孔はこの部分に設けられているので、インピンジ冷却に
よりこの部分が重点的に冷却される。それ以外の部分は
、インピンジ冷却後の冷却蒸気により対流冷却される。 そして、温度分布は、タービュレンスプロモータにより
均一化される。また、翼外側のガス温度に起因する翼半
径方向の温度分布は、各冷却ダクト内を流れる冷却蒸気
量の調整により均一化される。

【００１９】一方、後縁部ダクト内に送り込まれた冷却
蒸気は、翼後縁部を冷却するが、冷却後の冷却蒸気は、
各冷却ダクトからの冷却蒸気とともに、回収ダクトを通
して回収される。この際、回収ダクトには、タービュレ
ンスプロモータが設けられているので、蒸気回収時にも
翼冷却がなされる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明に係るタービン静翼を、図１な
いし図３を参照して説明する。

【００２１】図１および図２は、本発明に係るタービン
静翼の一例を示すもので、この静翼２０は、精密鋳造法
により製作される中空翼２１を有しており、この中空翼
２１内には、２枚の仕切壁２２により、前部空間２３、
回収ダクト２４および後縁部ダクト２５の３つに翼前後
方向に仕切られている。

【００２２】前部空間２３内は、図１および図２に示す
ように、翼内径側の端部が閉塞する筒状のインサート２
６が挿入配置されており、このインサート２６には、翼
半径方向中央部に、インピンジ孔２７が穿設されている
。そして、インサート２６内に送り込まれた冷却蒸気２
８は、インピンジ孔２７から前部空間２３内壁に吐出さ
れるようになっている。

【００２３】この前部空間２３の腹側壁２９および背側
壁３０には、図１および図２に示すように、翼前後方向
に間隔を置いて翼半径方向に延びる複数の突条３１が設
けられており、これら各突条３１の先端は、インサート
２６に密接するようになっている。そして、これにより
、前部空間の前縁壁３２の内側には、前縁冷却ダクト３
３が形成され、また腹側壁２９の内側には、翼前後方向
に複数に区切られた腹側冷却ダクト３４が形成され、さ
らに背側壁３０の内側には、翼前後方向に複数に区切ら
れた背側冷却ダクト３５が形成されるようになっている
。

【００２４】これら各冷却ダクト３３，３４，３５、回
収ダクト２４および後縁部ダクト２５の内部には、図１
および図２に示すようにタービュレンスプロモータ３６
がそれぞれ設けられており、また後縁部ダクト２５内に
は、ピンフィン３７が設けられている。このピンフィン
３７は、図１に示すように、翼半径方向中央部が他の部
分よりも密になっており、後縁部ダクト２５内に送り込
まれる冷却蒸気２８により、翼半径方向の温度分布を均
一化できるようになっている。

【００２５】中空翼２１の半径方向両端部は、図１に示
すように、内径側エンドウォール３８および外径側エン
ドウォール３９がそれぞれ一体に設けられており、内径
側エンドウォール３８には、プレート４０により内径側
キャビティ４１が形成されているとともに、外径側エン
ドウォール３９内には、外径側キャビティ４２が形成さ
れている。そして、回収ダクト２４は、図１に示すよう
に、その翼内径側の端部が内径側キャビティ４１に接続
されるとともに、外径側キャビティ４２とは、連通孔４
３を介して連通している。

【００２６】インサート２６外周部の前縁冷却ダクト３
３、腹側冷却ダクト３４および背側ダクト３５は、図１
に示すように、オリフィス４４を介し各キャビティ４１
，４２に接続され、また後縁部ダクト２５は、オリフィ
ス４５を介して内径側キャビティ４１に接続される。

【００２７】これら各オリフィス４４，４５は、メタル
温度が翼前後方向に均一になるように、冷却設計時に孔
径、個数が決定され、翼外側の熱伝達率が比較的高い部
分には、比較的多い冷却蒸気量を流すとともに、翼外側
の熱伝達率が比較的低い部分には、比較的少ない冷却蒸
気量を流すことができるようになっている。そして、回
収蒸気４６として回収ダクト２４に回収された蒸気は、
発電プラントの蒸気タービンで再利用されるようになっ
ている。

【００２８】なお、前記インサート２６と各突条３１と
は、インサート３２内の冷却蒸気２８の内圧と、外周部
の各冷却ダクト３３，３４，３５の冷却蒸気２８の静圧
との圧力差により常に密着し、各冷却ダクト３３，３４
，３５間の気密が保たれるようになっている。

【００２９】次に、本実施例の作用について説明する。

【００３０】インサート２６内に送り込まれた冷却蒸気
２８は、インピンジ孔２７から、前縁冷却ダクト３３、
腹側冷却ダクト３４および背側冷却ダクト３５内に吐出
され、翼半径方向中央部をインピンジ冷却する。この部
分は、翼外側のガス温度が高い部分であるので、効果的
な冷却がなされる。

【００３１】インピンジ冷却後の冷却蒸気２８は、図１
に矢印で示すように、各冷却ダクト３３，３４，３５内
を半径方向に二分して流れ、翼を対流冷却する。この対
流冷却は、冷却効果が比較的低いので、より少ない冷却
蒸気量で翼の半径方向のメタル温度を均一化することが
できる。

【００３２】各冷却ダクト３３，３４，３５内を冷却し
た冷却蒸気２８は、図１に示すように、オリフィス４４
を介し各キャビティ４１，４２に流入して合流する。こ
の際、オリフィス４４は、前述のように孔径、個数が最
適値に設定されているので、メタル温度を、翼前後方向
にも均一化することができる。

【００３３】一方、後縁部ダクト２５内に送り込まれた
冷却蒸気２８は、後縁部ダクト２５内を翼内径側に流れ
て翼冷却を行ない、オリフィス４５を介して内径側キャ
ビティ４１に流入する。この際、ピンフィン３７は、翼
半径方向中央部が他の部分よりも密に配されているので
、翼外側のガス温度が高い翼半径方向中央部が重点的に
冷却される。

【００３４】内径側キャビティ４１に流入した各冷却蒸
気は、回収蒸気４６として回収ダクト２４内を流れ、翼
の冷却を行なうとともに、この回収蒸気４６は、外径側
キャビティ４２からの回収蒸気４６と合流した後、発電
プラントの蒸気タービンで再利用される。

【００３５】しかして、比熱が空気の約２倍ある蒸気を
冷却媒体としているので、入口温度１３００℃以上の高
温においても、充分な冷却性能が得られるとともに、冷
却蒸気２８は中空翼２１外に吐出されることがないので
、ガスタービンの熱効率を低下させることがなく、この
ガスタービンを用いた発電プラントの熱効率を、図３に
示すように、空気冷却の場合よりも向上させることがで
きる。

【００３６】図４および図５は、本発明の第２実施例を
示すもので、前記実施例における前部空間２３内部およ
び内径側キャビティ４１の構造を変更するとともに、外
径側キャビティ４２を省略するようにしたものである。

【００３７】すなわち、前部空間２３内には、図４およ
び図５に示すように、周囲が前部空間内面と接触しない
ようにしてインサート２６が挿入配置される。一方、前
部空間２３の内壁には、翼半径方向に間隔を置いて、内
フランジ状をなす隔壁５０が複数突設され、これら各隔
壁５０の先端は、インサート２６に密接するようになっ
ている。そしてこれにより、インサート２６の外周部に
は、リング状をなす冷却ダクト５１が、翼半径方向に複
数形成されるようになっている。

【００３８】インサート２６の翼前縁部には、図４およ
び図５に示すように、各冷却ダクト５１の前縁壁３２を
冷却蒸気２８でインピンジ冷却するためのインピンジ孔
２７が設けられている。また、各冷却ダクト５１の腹側
壁２９および背側壁３０には、翼半径方向に延びるター
ビュレンスプロモータ５２が、翼前後方向に複数設けら
れている。また、各冷却ダクト５１と回収ダクト２４と
を仕切る仕切壁２２には、各冷却ダクト５１に対応する
オリフィス５３がそれぞれ設けられている。そして、前
縁壁３２をインピンジ冷却した後の冷却蒸気２８は、腹
側壁２９側と背側壁３０側とに分かれて対流冷却を行な
い、最終的には、オリフィス５３から回収ダクト２４に
排出されるようになっている。

【００３９】これら各オリフィス５３は、メタル温度が
翼半径方向に均一になるよう、冷却設計時にその孔径、
個数が決定されるようになっている。

【００４０】また、内径側キャビティ４１は、本発明の
第１実施例と同様、内径側エンドウォール３８とプレー
ト４０とにより形成されているが、前記第１実施例と異
なり、回収ダクト２４と後縁部ダクト２５との間にのみ
設けられている。

【００４１】なお、その他の点については、前記第１実
施例と同一構成になっている。

【００４２】次に、本実施例の作用について説明する。

【００４３】インサート２６内に送り込まれた冷却蒸気
２８は、インピンジ孔２７から各冷却ダクト５１に吐出
され、翼外側の熱伝達率の比較的高い前縁壁３２が、イ
ンピンジ冷却により重点的に冷却される。翼外側の熱伝
達率の比較的低い部分は、インピンジ冷却後の冷却蒸気
２８により、冷却効果の比較的低い対流冷却により冷却
される。このため、翼面にそった翼前後方向のメタル温
度を均一化することができる。

【００４４】各冷却ダクト５１で冷却を行なった冷却蒸
気２８は、オリフィス５３を通って回収ダクト２４に回
収されるが、この際、各オリフィス５３の孔径、個数を
適切に設定することにより、翼半径方向のメタル温度を
均一化することができる。

【００４５】一方、後縁部ダクト２５内に送り込まれた
冷却蒸気２８は、前記第１実施例と同様に翼冷却を行な
った後、オリフィス４５を介して内径側キャビティ４１
に流入し、さらに回収ダクト２４に回収される。そして
、回収蒸気４６は、前記第１実施例と同様、発電プラン
トの蒸気タービンで再利用される。

【００４６】しかして、本実施例の場合にも、前記第１
実施例と同様の効果が期待できる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の第１の発
明は、インサートの外周部に、相互に独立する前縁冷却
ダクト、腹側冷却ダクトおよび背側冷却ダクトをそれぞ
れ形成するとともに、インサートの翼半径方向中央部に
、冷却蒸気のインピンジ孔を設け、翼外側のガス温度が
比較的高い翼半径方向中央部を、冷却蒸気によりインピ
ンジ冷却するとともに、他の部分は対流冷却するように
しているので、翼半径方向のメタル温度を均一化できる
。また、腹側冷却ダクトおよび背側冷却ダクトの内部は
、翼前後方向に複数に仕切られているとともに、翼後縁
部には後縁部ダクトが設けられているので、冷却蒸気量
の調整により、翼前後方向のメタル温度も均一化できる
。また、冷却蒸気は、回収ダクトを介して回収され、高
温ガス中に吹出されることがないので、ガスタービンお
よびこれを用いた発電プラントの熱効率を、空気冷却の
場合よりも向上させることができるとともに、粗悪燃料
に対しても適用することができる。

【００４８】また、本発明の第２の発明は、インサート
の外周部に、翼半径に隔壁で仕切られた複数の冷却ダク
トを形成し、各冷却ダクトに個別に冷却蒸気を供給する
ようにしているので、各冷却ダクトの冷却蒸気量の調整
により、翼半径方向のメタル温度を均一化できる。また
、インサートのインピンジ孔は、翼前縁部に設けられて
いるので、翼外側の熱伝達率が比較的高い翼前縁部がイ
ンピンジ冷却されるとともに、他の部分は対流冷却され
、翼前後方向のメタル温度も均一化できる。また、冷却
後の蒸気は、回収ダクトを介して回収され、高温ガス中
に吹出されることがないので、ガスタービンおよびこれ
を用いた発電プラントの熱効率を、空気冷却の場合より
も向上させることができるとともに、粗悪燃料に対して
も適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るタービン静翼の第１実施例を示す
断面図。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図。

【図３】本発明に係るタービン静翼を用いた場合のプラ
ント効率を空気冷却のタービン静翼を用いた場合と比較
して示すグラフ。

【図４】本発明に係るタービン静翼の第２実施例を示す
断面図。

【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図。

【図６】ガスタービンの構成を示す上半断面図。

【図７】従来のタービン静翼を示す断面図。

【図８】図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う断面図。

【図９】翼表面の熱伝達率分布を示すグラフ。

【図１０】翼半径方向の翼外側のガス温度分布を示すグ
ラフ。

【符号の説明】

２０　　タービン静翼 ２１　　中空翼 ２２　　仕切壁 ２３　　前部空間 ２４　　回収ダクト ２５　　後縁部ダクト ２６　　インサート ２７　　インピンジ孔 ２８　　冷却蒸気 ３１　　突条 ３３　　前縁冷却ダクト ３４　　腹側冷却ダクト ３５　　背側冷却ダクト ３６，５２　　タービュレンスプロモータ３７　　ピン
フィン ４４，４５，５３　　オリフィス ４６　　回収蒸気 ５０　　隔壁 ５１　　冷却ダクト

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　中空の翼内部を、２枚の仕切壁により
   翼前後方向に仕切って形成される前部空間、回収ダクト
   および後縁部ダクトと、前記前部空間内に挿入配置され
   た筒状のインサートと、前記前部空間の腹側内壁および
   背側内壁に、翼前後方向に間隔を置いて翼半径方向に延
   設され、先端が前記インサートに密接する複数の突条と
   、これら各突条により前記インサート外周部に形成され
   た前縁冷却ダクト、翼前後方向に複数に仕切られた腹側
   冷却ダクト、および翼前後方向に複数に仕切られた背側
   冷却ダクトと、前記インサートの翼半径方向中央部に設
   けられ、インサート内の冷却蒸気を前記前縁冷却ダクト
   、腹側冷却ダクトおよび背側冷却ダクトに吐出するイン
   ピンジ孔と、前記各ダクト内に設けられたタービュレン
   スプロモータと、前記後縁部ダクト内に設けられたピン
   フィンとを備え、前記インサートおよび後縁部ダクトに
   送り込んだ冷却蒸気を、前記回収ダクトを介して回収す
   ることを特徴とするタービン静翼。
2. 【請求項２】　　中空の翼内部を、２枚の仕切壁により
   翼前後方向に仕切って形成される前部空間、回収ダクト
   および後縁部ダクトと、前記前部空間内に挿入配置され
   た筒状のインサートと、前記前部空間の内壁に翼半径方
   向に間隔を置い複数突設され、先端が前記インサートに
   密接する内フランジ状の隔壁と、これら各隔壁により前
   記インサート外周部に形成された複数の冷却ダクトと、
   前記インサートの翼前縁部に各冷却ダクトに対応してそ
   れぞれ設けられ、インサート内の冷却蒸気を各冷却ダク
   トに吐出するインピンジ孔と、前記各ダクト内に設けら
   れたタービュレンスプロモータと、前記後縁部ダクト内
   に設けられたピンフィンとを備え、前記インサートおよ
   び後縁部ダクトに送り込んだ冷却蒸気を、前記回収ダク
   トを介して回収することを特徴とするタービン静翼。