JPH11132003A

JPH11132003A - ガスタービンのタービン羽根

Info

Publication number: JPH11132003A
Application number: JP10245038A
Authority: JP
Inventors: Wilhelm Dr Endres; エンドレスヴィルヘルム; Hans Dr Wettstein; ヴェットシュタインハンス
Original assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; ABB AB
Priority date: 1997-09-01
Filing date: 1998-08-31
Publication date: 1999-05-18
Also published as: EP0899425A2; CN1211667A; DE59810315D1; EP0899425A3; EP0899425B1; DE19738065A1; US6033181A; CN1120287C

Abstract

(57)【要約】【解決手段】内室８が、吸込側の壁４と、圧力側の壁
５と、羽根トレーリングエッジ７の領域内に、少なくと
も１つの冷却通路１０，２７，２８を備えた閉じた蒸気
・冷却機構９を有しており、羽根リーディングエッジ６
の領域内に、少なくとも１つの冷却通路１４，１５と、
羽根本体３を貫通する複数のフィルム冷却孔２２とを備
えた開いた冷却機構１１が形成されている。【効果】２つの分離された冷却機構内で羽根冷却を分
割して行うことにより、通常の大きさの固形異物貫通時
には、羽根リーディングエッジに隣合う開いた冷却機構
だけしか損傷しない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はガスタービンのター
ビン羽根であって、羽根リーディングエッジと、これと
反対側に位置する羽根トレーリングエッジと、吸込側の
壁と、圧力側の壁と、中空な内室とから成る羽根本体を
有しており、この中空な内室内に、少なくとも１つの冷
却媒体を案内する複数の冷却通路が配置されている形式
のものに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在のガスタービンプラントの出力上昇
及び効率改善は特に温度を上昇させることにより得られ
る。しかし、ガスタービンの材料の耐熱強度に限度があ
るため、最高の温度にさらされる構成部分は冷却されな
ければならない。このことは特に、ガスタービンの案内
羽根及び回転羽根についても同様である。

【０００３】このことのために、タービン羽根は内部が
少なくとも部分的に中空に形成されており、かつ単数又
は複数の冷却通路を備えている。これらの冷却通路には
冷却流体が通流され、その際、羽根本体の内部で対流に
よる熱伝達によって冷却作用が生じる。羽根本体に設け
た開口を通して冷却流体の一部をタービン羽根の外側へ
案内することによって付加的なフィルム冷却が可能であ
る。そのところには冷却流体膜が形成され、この冷却流
体膜はタービン羽根の外側をタービンの熱い作動媒体か
ら遮蔽する（ドイツ連邦共和国特許第３６４２７８９号
明細書参照）。冷却流体としてはガスタービンプラント
の圧縮機から、又は外的な供給源から到来する過圧下の
空気又は適当に準備された水蒸気が使用されることが知
られている。

【０００４】蒸気回路から到来する蒸気を、まず、閉じ
た冷却回路内に保有する蒸気・冷却機構は技術的にさま
ざまである。対流冷却プロセスによって加熱された蒸気
は再び蒸気回路に供給される（ヨーロッパ特許公開第０
６９８７２３号明細書参照）。加熱された蒸気が羽根本
体に設けた開口を介してタービン羽根の外側へ案内され
る開いた蒸気・冷却機構も公知である。さらに、閉じた
主要部分と、羽根トレーリングエッジの領域内で開いて
いて蒸気又は空気により運転される冷却機構とを備え
た、いわゆるハイブリッド蒸気・冷却機構も存在してい
る。

【０００５】閉じた蒸気・冷却機構は、開いた蒸気・冷
却機構に対比して、かつ上述のハイブリッド蒸気・冷却
機構に対比してもプロセスに関する利点を有している。
この種の機構の使用範囲は現代においては特にその効率
が高いことにより拡大している。しかし、閉じた蒸気・
冷却機構は、固形異物が羽根リーディングエッジに隣合
う冷却通路内に貫通することにより著しく損傷される。
固形異物の貫通により羽根リーディングエッジ内に形成
される穴の数及び大きさに応じて、それ相応に多量の冷
却蒸気が漏れ出し、その結果、貫通箇所の下流ではもは
や十分な羽根冷却が行われない。このことにより、材料
が過熱され、それゆえ、重大な間接損害を生じる恐れが
ある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】これらすべての欠点を
回避すべく本発明の課題とするところは、機能確実性の
高いタービン羽根を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題は本発明によれ
ば、請求項１の上位概念に記載の装置において、内室
が、吸込側の壁と、圧力側の壁と、羽根トレーリングエ
ッジの領域内に、少なくとも１つの冷却通路を備えた閉
じた蒸気・冷却機構を有しており、かつ、羽根リーディ
ングエッジの領域内に、少なくとも１つの冷却通路と、
羽根本体を貫通する複数のフィルム冷却孔とを備えた、
分離された、開いた冷却機構が形成されていることによ
って解決される。

【０００８】

【発明の効果】２つの分離された冷却機構内で羽根冷却
を分割して行うことにより、通常の大きさの固形異物貫
通時には、羽根リーディングエッジに隣合う開いた冷却
機構だけしか損傷しない。蒸気により対流で行われる羽
根本体の主要部分の冷却は確保される。羽根リーディン
グエッジの領域内では羽根本体が、開いた冷却機構を介
して同様に対流により、かつ付加的にはフィルム冷却に
より冷却される。

【０００９】開いた冷却機構が、互いに平行に配置され
ていて複数の流入開口を介して互いに連通した２つの冷
却通路から成っていると特別有利である。この構成で
は、第１の冷却通路の漏れ箇所の下流でも、第２の冷却
通路からの冷却媒体の供給により冷却が維持される。

【００１０】本発明の別の１構成では羽根リーディング
エッジに隣合う冷却通路が少なくともほぼ円形に形成さ
れている。フィルム冷却孔はこの第１の冷却通路を起点
として接線方向に配置されており、他面において、流入
開口は第２の冷却通路を起点として接線方向に延びてい
て同様に接線方向で第１の冷却通路内へ開口している。
このことにより、第１の冷却通路内では冷却媒体に回転
運動いわゆるスワールが与えられる。冷却媒体のこのス
ワールは羽根本体内の対流冷却を改善すると共に、羽根
本体の効果的なフィルム冷却のためにも役立つ。

【００１１】フィルム冷却孔がガスタービンの作動流体
の少なくともほぼ流れ方向で吸込側の壁へ向けられてい
ると有利である。これにより既に、高い速度でフィルム
冷却孔から流出する冷却媒体に所望の流れ方向が与えら
れる。この形式で、タービン羽根の吸込側の壁上に拡が
る冷却膜の作用が良好となり、これにより、フィルム冷
却の改善が得られる。

【００１２】本発明のさらに別の１構成では、閉じた蒸
気・冷却機構が、同様に互いに平行に配置されていて接
続開口を介して互いに連通している少なくとも２つの冷
却通路から成っている。固形異物が貫通した後、冷却媒
体は接続開口を介して当該貫通箇所へ流れ、その結果、
冷却側で下流に位置する冷却区間が再び冷却媒体により
充填される。この形式で、タービン羽根の機能確実性が
さらに向上する。

【００１３】さらに、有用性に応じて、開いた冷却機構
内では空気又は閉じた冷却機構でのように蒸気が冷却媒
体として使用される。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に、ガスタービンの回転羽根に
つき本発明の２つの実施例を図面に即して説明する。

【００１５】図面には本発明の理解のために重要なエレ
メントだけが示されている。ガスタービンプラントのう
ち、例えば圧縮機、燃焼器及びガスタービンの案内羽根
は図示されていない。作動媒体の流れ方向は矢印で示さ
れている。

【００１６】図示されていないガスタービンは複数列の
回転羽根及び案内羽根を備えている。図１に１つの回転
羽根１が示されている。この回転羽根１は羽根基部２と
羽根本体３とから成る。回転羽根１の羽根本体３は吸込
側の壁４と、その反対側に位置する圧力側の壁５と、羽
根リーディングエッジ６と、羽根トレーリングエッジ７
とを有している。回転羽根１は中空な内室８を備えてお
り、この内室は吸込側の壁４と、圧力側の壁５と、羽根
トレーリングエッジ７との領域内に、冷却通路１０を備
えた閉じた蒸気・冷却機構９を収容している（図２）。
他面において、羽根リーディングエッジ６の領域内に
は、互いに平行に配置された２つの冷却通路１４，１５
を備えた開いた冷却機構１１が形成されている。閉じた
蒸気・冷却機構９と開いた冷却機構１１との間には隔壁
１６が配置されている。

【００１７】開いた冷却機構１１の第１の冷却通路１４
は羽根リーディングエッジ６に隣合っていて円形に形成
されており、かつ中間壁１７に設けた複数の流入開口１
８を介して第２の冷却通路１５に連通している。勿論、
第１の冷却通路１４は、例えばほぼ円形、楕円形又はジ
ャガイモ状の構成（図示せず）のようなその他の適当な
形状を有することができる。中間壁１７は羽根基部２の
領域内で結合片１９を介して吸込側の壁４に結合されて
おり、その場合、結合片１９内には吸込側の壁４の局部
冷却のための複数の冷却孔２０が設けられている。

【００１８】中間壁１７に設けられた流入開口１８は両
方の冷却通路１４，１５に接線方向で接続されている。
第１の冷却通路１４を起点として、羽根本体３には、こ
れを貫通して、ガスタービンの作動流体１３のほぼ流れ
方向で吸込側の壁４へ向けられた接線方向のそれぞれ複
数のフィルム冷却孔２２を有するそれぞれ１つのフィル
ム冷却孔列２１が形成されており、その一方のフィルム
冷却孔列２１が図２で実線で、その他方のフィルム列孔
２１が破線で示されている。

【００１９】ガスタービンプラントの運転時に燃焼器か
ら到来した熱い作動流体１３がガスタービン内へ誘導さ
れ、そのところで回転羽根１を介して膨張する。その
際、固形粒子がガスタービン内へ侵入し、その構成部分
に衝突する。開いた冷却機構１１が、羽根リーディング
エッジ６の領域内に、ひいては作動流体１３の流れ方向
１２で見てガスタービンから最も遠い上流に配置されて
いるため、作動流体１３内に含まれていて回転羽根１の
羽根本体３に衝突する粒子は、ほぼ、開いた冷却機構１
１だけにしか損傷を与えず、この冷却機構から隔離され
た閉じた冷却機構９は保護される。この理由で、羽根本
体３の主要部分の冷却は初めから保護されていることに
なる。

【００２０】開いた冷却機構１１内ではガスタービンプ
ラントの圧縮機から又は外的な供給源から到来した過圧
下の空気が冷却媒体２３として使用される。この冷却媒
体２３は羽根基部２内に設けられた供給通路２４を介し
て第２の冷却通路１５内へ誘導され、そのところで羽根
本体３の対流冷却のために役立てられる。続いて、冷却
媒体２３は流入開口１８を介して第１の冷却通路１４内
へ達し、そのところで冷却媒体は羽根本体３を同様に対
流冷却する。第１の冷却通路１４が円形に形成されてい
ることにより、かつ冷却媒体の噴入が接線方向で行われ
ることにより、冷却媒体２３に回転運動、いわゆるスワ
ールが与えられる。このことが冷却作用を著しく改善す
る。次いで冷却媒体２３は第１の冷却通路１４から、同
様に接線方向に配置されたフィルム冷却孔２２を通して
吸込側の壁４へ達する。そのところで、冷却媒体は薄い
冷却膜を形成し、この冷却膜が羽根本体３の外側の表面
をガスタービンの熱い作動流体１３から遮蔽する。フィ
ルム冷却孔２２の前述した向きにより、冷却媒体２３は
既にほぼ作動流体１３の流れ方向１２で噴出し、このこ
とがフィルム冷却を一層改善する。

【００２１】勿論、適当に準備された水蒸気を冷却媒体
２３として使用することができる。その場合には、閉じ
た冷却通路９並びに開いた冷却通路１１は同じ冷却媒体
２３，２６で運転される。それゆえ、冷却媒体供給を別
々に行う必要がなく、従って、両方の冷却機構９，１１
の間の隔壁を羽根基部２の領域で短く形成することがで
きる（図示せず）。

【００２２】作動流体内に含まれる粒子は大きな運動エ
ネルギで回転羽根１の羽根リーディングエッジ６に衝突
して、これを貫通することができる。このことにより、
この領域内には穴２５が羽根本体３にあけられる（図
１、図２）。この穴２５を通って漏れた冷却媒体２３
は、第２の冷却通路１５からの冷却媒体２３の補給によ
り補償される。万一ガスタービンの熱い作動流体１３が
侵入しても、この作動流体は、まず、冷却媒体２３のス
ワールの中央に保有され、最終的にはこの冷却媒体によ
り薄められ、その結果、粒子の衝突後でも、開いた冷却
機構１１内の冷却が確保される。

【００２３】冷却過程時にガスタービンの作動流体１３
内に達した、開いた冷却機構１１の冷却媒体２３は、下
流に位置するタービン羽根列部分内で膨張する。これに
対比して、閉じた蒸気・冷却機構９内で冷却媒体２６と
して使用されている蒸気は戻し案内されて、例えばガス
タービンに結合された蒸気タービンの蒸気回路内で膨張
する（図示せず）。

【００２４】第２実施例では、閉じた蒸気・冷却機構９
が蛇行冷却機構として形成されている。この蛇行冷却機
構は互いに平行に配置された２つの冷却通路２７，２８
から成っており、これらの冷却通路は羽根長手方向で羽
根基部２から羽根先端２９まで延びている。これらの冷
却通路２７，２８は回転羽根１の羽根先端２９のところ
で羽根基部２へ向かって方向転換している（図３）。互
いに平行にかつ同じ方向で蒸気２６により通流されるこ
れら冷却通路２７，２８の間にはリブ壁３０が配置され
ており、これらのリブ壁は複数の接続孔３１を備えてい
る。勿論、その反対方向に通流される冷却通流２８，２
７の間にもリブ壁３２を配置することができる。しか
し、このリブ壁３２は接続孔３１を有していない（図
４）。羽根先端２９には、万一冷却媒体２６内に存在す
る汚れ粒子又はその他の固形異物のための出口３３が設
けられている。

【００２５】この種のガスタービンプラントの運転時
に、閉じた蒸気・冷却機構９の領域内の穴２５も補償さ
れることができる。回転羽根１のこの領域内に固形異物
が衝突して吸込側の壁に穴２５があけられた場合、それ
ぞれ該当しない冷却通路２７，２８から接続孔３１を通
って当該穴２５へ冷却媒体が供給され、その結果、冷却
側の下流に位置する冷却区域が再び蒸気２６により充填
される。開いた冷却機構１１に関するプロセスの順序は
第１実施例と同様である。

【００２６】勿論、ガスタービンの図示されていない案
内羽根も冷却に関して同様に形成されることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例にもとづき閉じた冷却機構
と開いた冷却機構とを備えた回転羽根の部分縦断面図で
ある。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った拡大横断面図であ
る。

【図３】本発明の第２実施例にもとづき２つの平行な冷
却通路を備えた回転羽根を図１と同様に示す図である。

【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った拡大横断面図であ
る。

【符号の説明】

１回転羽根、２羽根基部、３羽根本体、４
吸込側の壁、５圧力側の壁、６羽根リーディン
グエッジ、７羽根トレーリングエッジ、８羽根本
体の中空な内室、９閉じた蒸気・冷却機構、１０
冷却通路、１１開いた冷却機構、１２流れ方
向、１３作動流体、１４第１の冷却通路、１
５第２の冷却通路、１６隔壁、１７中間壁、
１８流入開口、１９結合片、２０冷却孔、
２１フィルム冷却孔列、２２フィルム冷却孔、
２３冷却媒体（空気、蒸気）、２４供給通路、
２５穴、２６冷却媒体（蒸気）、２７，２８
冷却通路、２９羽根先端、３０リブ壁（冷却通路
間の）、３１接続開口、３２リブ壁（冷却通路
間の）、３３出口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガスタービンのタービン羽根であって、
羽根リーディングエッジ（６）と、これと反対側に位置
する羽根トレーリングエッジ（７）と、吸込側の壁
（４）と、圧力側の壁（５）と、中空な内室（８）とか
ら成る羽根本体（３）を有しており、この中空な内室
（８）内に、少なくとも１つの冷却媒体（２３，２６）
を案内する複数の冷却通路（１０，１４，１５，２７，
２８）が配置されている形式のものにおいて、ａ）内室（８）が、吸込側の壁（４）と、圧力側の壁
（５）と、羽根トレーリングエッジ（７）の領域内に、
少なくとも１つの冷却通路（１０，２７，２８）を備え
た閉じた蒸気・冷却機構（９）を有しており、ｂ）羽根リーディングエッジ（６）の領域内に、少なく
とも１つの冷却通路（１４，１５）と、羽根本体（３）
を貫通する複数のフィルム冷却孔（２２）とを備えた開
いた冷却機構（１１）が形成されていることを特徴とす
るガスタービンのタービン羽根。
【請求項２】開いた冷却通路（１１）が、互いに平行
に配置されていて複数の流入開口（１８）を介して互い
に連通した２つの冷却通路（１４，１５）から成る請求
項１記載のタービン羽根。
【請求項３】フィルム冷却孔（２２）が、羽根リーデ
ィングエッジ（６）に隣合う第１の冷却通路（１４）を
起点として接線方向に配置されており、流入開口（１
８）が、第２の冷却通路（１５）を起点として接線方向
に延びていて第１の冷却通路（１４）内へ同様に接線方
向で開口するように配置されている請求項２記載のター
ビン羽根。
【請求項４】第１の冷却通路（１４）が少なくともほ
ぼ円形に形成されている請求項３記載のタービン羽根。
【請求項５】フィルム冷却孔（２２）が少なくともほ
ぼ作動媒体（１３）の流れ方向（１２）で吸込側の壁
（４）へ向けられている請求項４記載のタービン羽根。
【請求項６】閉じた蒸気・冷却機構（９）が互いに平
行に配置された少なくとも２つの冷却通路（２７，２
８）から成り、これらの冷却通路が接続開口（３１）を
介して互いに連通している請求項１記載のタービン羽
根。
【請求項７】開いた冷却機構（１１）内の冷却媒体
（２３）として空気が使用される請求項２又は６記載の
タービン羽根。
【請求項８】開いた冷却機構（１１）内の冷却媒体
（２３）として蒸気が使用される請求項２又は６記載の
タービン羽根。