WO1998048150A1 - Gas turbine cooling moving blades - Google Patents

Description

明 細 書 ガスタービン冷却動翼 技術分野

本発明はガスタ一ビン冷却動翼に関し、 動翼への冷却空気供給経路を改良し、 動翼へ供給するまでの経路での冷却空気のヒ一 トアップ、 圧力降下を抑制するよ うにしたものである。 背景技術

図 3は従来のガスタービン動翼と静翼を示し、 ガスタービン入口部の断面図で ある。 図において、 2 1 は 1段目の動翼、 2 はそのブラッ トフォーム、 2 3は 翼根部、 2 4はプラッ トフォーム 2 2下部のシャ ンク部である。 3 1 は動翼 2 1 に隣接する静翼であり、 3 2はその内側シユラウ ド、 3 3は内側シュラウ ド 3 3 下部のキヤビティ、 3 4は外側シュラウ ドである。 4 0はロータディスクであり 、 4 1 はディ スクキヤビティ、 4 2はロータディスク 4 0に穿設されたラジアル ホールであり、 冷却空気を通すものである。

上記のように動翼 2 1 は静翼 3 1 とロータ軸方向には交互に配置され、 口一夕 ディスク 4 0を介してロータ周方向に複数枚取付けられており、 燃焼器からの燃 焼ガス 6 0によりロータを回転駆動する。

上記のような構成のガスタービン動翼の冷却は、 冷却空気によって行なわれて いるが、 ロータ冷却用の空気の一部を動翼用に用いている。 即ち、 冷却空気 5 0 はディ スクキヤビティ 4 1 に流入し、 口一タディ スク 4 0に設けられたラジアル ホール 4 2を通って翼根部 2 3に導かれ、 シャンク部 2 4に流入し、 ここからプ ラッ トフオーム 2 2を通り、 図示していない翼内部の空気通路に流入し、 翼を冷 却して翼表面あるいは後縁部より燃焼ガス通路へ放出している。

前述のように従来のガスタービン動翼の冷却はロータ冷却系の冷却空気をディ スクキヤビティ 4 1からラジアルホール 4 2を経由して翼根部 2 3よりシャ ンク 部 2 4に導き、 ブラッ トフオーム 2 2下部の空気通路に流入して動翼を冷却して いる。

しかしながら、 このような冷却空気 5 0を動翼 2 1内部へ導く過程において、 冷却空気温度が口一タディ スク等の熱を吸収して温度が上昇し、 その圧力も降下 して動翼 2 1内へ供給する空気通路へ導く までに損失が生ずる。 従って、 このよ うな冷却空気の温度上昇や圧力損失をできるだけ少くすることが冷却性能を高め るために要求されている。 発明の開示 '

そこで本発明は、 冷却空気を動翼まで導き、 動翼内部へ供給する経路に工夫を し、 短い経路で静翼下部から動翼プラッ トフオーム下部へ噴出させるようにして 温度上昇をなるたけ少く し、 かつ圧力損失も小さ くするようにして冷却性能を高 めるようにしたガスタービン冷却動翼を提供することを第 1の課題としている。 更に、 上記のガスタービン冷却動翼の冷却空気供給通路の向きを、 回転する動 翼に対して最適な向きとし、 適正な速度で冷却空気を噴出させ、 動翼に効果的に 供給することのできるように配設することを第 2の課題としている。

本発明は前述の第 1、 第 2の課題を解決するために、 それぞれ次の （ 1 ) 、 （ 2 ) の手段を提供する。

( 1 ) 動翼のプラッ トフオーム下部から冷却空気を翼内へ導入し、 翼を冷却す るガスタービン冷却動翼であって、 前記動翼のプラッ トフオーム下部のシャンク 部に空気流入穴を設け、 更に隣接する前方の静翼下部の車室壁に貫通する冷却空 気通路を設け、 同冷却空気通路の一端は車室へ連通し、 他端は前記隣接する動翼 との空間に開放すると共に、 前記一端より冷却空気を導入し、 前記他端より前記 空気流入穴へ向けて冷却空気を噴出し、 同空気流入穴へ流入させることを特徴と ' するガスタービン冷却動翼。

( 2 ) 上記 （ 1 ) の発明において、 前記冷却空気通路は直線状で、 その向きは 動翼が静止して前記静翼と軸方向に配列している時の前記空気流入穴の位置より 同冷却空気通路から噴出する冷却空気の噴出速度と動翼の回転速度から定まる角 度だけ回転円周方向にずらした位置としたことを特徴とするガスタービン冷却動 P

3 本発明の （ 1 ) においては、 車室からの冷却空気が冷却空気通路の一端から流 入し、 他端から静翼と動翼間の空間に噴出されるが、 その他端は動翼のシャンク 部に設けた空気流入穴へ向けて噴出し、 その噴出の勢いで空気流入穴へ到達し、 この穴からシャンク部、 ブラッ トフォーム下部を通り動翼へ導かれ、 動翼を冷却 する。

従って、 （ 1 ) の発明においては、 従来のように動翼のロータディスクのラジ アルホールを通ることなく静翼の下部から最短距離で、 動翼の空気流入穴へ向 つて冷却空気を噴出させるので、 冷却空気が動翼へ供給されるまでの温度上昇を 最小限に抑え、 圧力損失を少くすることができ、 動翼の冷却性能が向上する。 本発明の （2 ) においては、 （ 1 ) の発明の冷却空気通路の向きを、 動翼静止 時の空気流入穴の回転方向に所定の角度だけずれた位置としているので、 動翼回 転時に空気流入穴も回転しており、 空気流入穴の移動する速度に合わせて冷却空 気の噴出速度を定めて噴出させ、 これにより冷却空気の空気流入穴への到達のタ ィミ ングがー致するようになり、 動翼回転時に最適の向きで冷却空気を供給する ことができる。 これにより上記 （ 1 ) の発明の効果が一層増すものである。 図面の簡単な説明

図 1は本発明の実施の一形態に係るガスタービン冷却動翼の翼根部の断面図で ある。

図 2は本発明の実施の一形態に係るガスタービン冷却動翼の冷却空気穴の説明 図で、 （a ) はその状態を示す斜視図、 （b ) は動翼の回転速度と空気のジニッ トスピードとの相対関係を示す図である。

図 3は従来のガスタービン動翼の空気冷却系統を示す断面図である。

発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の実施の形態について図面に基づいて具体的に説明する。 図 1は 本発明の実施の一形態に係るガスタービン冷却動翼の翼根部の断面図である。 図

1において、 1は 1段目の動翼を示し、 2はそのブラッ トフオーム、 プラッ トフ オームには図示省略するが、 ロータ周方向の隣接するプラッ トフオーム間をシ一 ルするシールピンが設けられている。 4はブラッ トフオーム 2下部のシャンク部 、 5は翼根部、 6はシャンク部 4の側面に設けられた空気流入穴である。

1 1は動翼 1に隣接する 1段目の静翼であり、 1 2はその内側シュラウドであ る。 1 3は静翼 1 1と動翼 1間の空間、 1 4は車室、 1 5は車室壁である。 1 6 は車室壁 1 5に貫通して設けられた冷却空気通路であり、 その端部 1 6 aは車室 に連通し、 他端部 1 6 bは空間 1 3にそれぞれ連通している。

上記の冷却空気通路 1 6は 1段目静翼 1 1の下部車室壁 1 5から斜め上向きに 直線で穿設されており、 その軸線 1 7は隣接する動翼 1のシャンク部 4の空気流 入穴 6の方向を向いており、 後述するように冷却空気通路 1 6から吹出す冷却空 気を動翼回転時に動翼 1の空気流入穴 6へタイミング良く到達するようにして効 果的に流入させるものである。

図 2は冷却空気通路 1 6の方向と動翼 1の空気流入穴 6との関係を示し、 （a ) は動翼 1が静止し、 静翼と軸方向に並んでいる時の冷却空気通路 1 6と空気流 入穴 6との関係を、 （b ) は動翼 1が回転方向 Rに角速度 ωで回転している時の 冷却空気穴 1 6と空気流入穴 6 との相対関係をそれぞれ示している。

図 2において、 動翼 1が静止している状態では （a ) に示すように冷却空気通 路 1 6の軸線 1 7はその空気のジェッ トスピードを考慮して空気流入穴 6の方向 (線分 A ) とは周方向で角度 0だけ回転方向へずれて設定する。 実際は A方向に 向けて空気を吹出せば最短の距離で空気流入穴 6に空気が到達し、 空気がブラッ トフオーム 2下部のシャンク部 4に流入するが、 動翼 1が回転しているのでその 回転速度で移動する分だけ軸線 1 7をずらせている。

この状態の速度の相対関係を示したのが図 2 ( b ) であり、 動翼が静止してい る時に冷却空気が空気流入穴 6に入る適正な向きを Aとすると、 空気流入穴 6は 角速度 ωで回転するので速度ァ ωだけ回転して 6 ' の位置となる。 一方冷却空気 通路 1 6から軸線 1 7の方向へ吹出す冷却空気のジエツ トスピ一ド Vを図示のよ うに 6 ' で一致するように設定し、 その時の冷却空気通路 1 6の軸線 1 7と空気 流入穴 6の方向とのなす角度を Sとなるように設定すれば、 動翼 1の回転を考慮 した最適な冷却空気穴 1 6の方向を定めることができる。

上記に説明のような構成のガスタービン動翼において、 1段目静翼 1 1下部の 車室壁 1 5に設けた冷却空気通路 1 6の端部 1 6 aから冷却空気 2 0を導入し、 先端部 1 6 bから空間 1 3に噴出させる。 この冷却空気のジ ッ トスピードは動 翼 1の回転速度と、 図 2 ( b ) に示すように、 所定の速度 Vで噴出させる。 この 時の噴出圧力は空間 1 3の圧力と同じ位の圧力とし、 シャンク部 4の圧力はこの 空間 1 3の圧力よりも低いので噴出した冷却空気は空間 1 3より容易に空気流入 穴 6へ向って流れる。

冷却空気通路 1 6の軸線 1 7は前述のように空気流入穴 6の回転方向に適正な 距離だけずらせてあるので、 動翼 1が回転した時には冷却空気は空気流入穴の回 転速度ァ ωに見合ったジヱッ トスピ一 ド Vで噴射させると、 空間 1 3から回転時 の空気流入穴 6へ適正な距離とタイ ミ ングで到達し、 空気流入穴 6からシャンク 部 4へ流入する。

シャンク部 4へ流入した冷却空気は図示していないプラッ トフオーム 2下部の 空気通路から動翼 1内に導かれ、 翼内の空気通路を通って翼を冷却し、 翼表面あ るいは後縁部から外部へ放出し、 シャワーへッ ド冷却、 フィルム冷却、 スロッ ト 冷却を行う。

上記の実施の形態のガスタービン冷却動翼によれば、 1段目静翼 1 1下部の車 室壁 1 5に動翼 1の空気流入穴 6へ向け、 動翼 1の回転速度を考慮して最適な方 向に向いた冷却空気通路 1 6を設け、 冷却空気を動翼 1の回転速度に見合ったジ ェッ トスピー ドで空間 1 3を介して噴射し、 空気流入穴 6へ流入させるような構 成としたので、 冷却空気の動翼 1への経路が最短となり、 かつ従来のように動翼 1のラジアルホール等を通ることがなくなり、 そのために冷却空気の温度上昇を 最小限に抑えると共にその圧力降下も抑えることができ、 結果として冷却性能が 向上するものである。

本発明の冷却動翼の構造は、 特に、 図 1で説明したように、 1段目の動翼 1 に 適用されるもので、 1段目の静翼 1 1の車室壁 1 5のように冷却空気穴 1 6が直 線状で最短距離で設けることができるような構造で、 かつ冷却効果を高める必要 のある動翼に適用されるとより効果的となるものである。 産業上の利用可能性 本発明の （ 1 ) は、 動翼のプラッ トフォーム下部から冷却空気を翼内へ導入し 、 翼を冷却するガスタービン冷却動翼であって、 前記動翼のプラッ トフオーム下 部のシャンク部に空気流入穴を設け、 更に隣接する前方の静翼下部の車室壁に貫 通する冷却空気通路を設け、 同冷却空気通路の一端は車室へ連通し、 他端は前記 隣接する動翼との空間に開放すると共に、 前記一端より冷却空気を導入し、 前記 他端より前記空気流入穴へ向けて冷却空気を噴出し、 同空気流入穴へ流入させる ことを特徴としているので、 冷却空気通路が最短となり、 従来のように動翼下部 のラジアルホールを通ることがなく、 冷却空気が動翼へ供給されるまでの経路で の温度上昇が最小限に抑えられ、 圧力損失も少くすることができる。

本発明 （2 ) においては、 上記 （ 1 ) の発明の冷却空気通路は直線状で、 その 向きは動翼が静止して前記静翼と軸方向に配列している時の前記空気流入穴の位 置より同冷却空気通路から噴出する冷却空気の噴出速度と動翼の回転速度から定 まる角度だけ回転円周方向にずらした位置としたことを特徴としているので、 冷 却空気通路からの冷却空気が回転中の動翼の空気流入穴へタイミ ング良く供給す ることができ、 上記 （ 1 ) の効果が一層高まるものである。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 動翼のプラッ トフオーム下部から冷却空気を翼内へ導入し、 翼を冷却 するガスタービン冷却動翼であって、 前記動翼のブラッ トフォーム下部のシャン ク部に空気流入穴を設け、 更に隣接する前方の静翼下部の車室壁に貫通する冷却 空気通路を設け、 同冷却空気通路の一端は車室へ連通し、 他端は前記隣接する動 翼との空間に開放すると共に、 前記一端より冷却空気を導入し、 前記他端より前 記空気流入穴へ向けて冷却空気を噴出し、 同空気流入穴へ流入させることを特徴 とするガスタービン冷却動翼。

2 . 前記冷却空気通路は直線状で、 その向きは動翼が静止して前記静翼と 軸方向に配列している時の前記空気流入穴の位置より同冷却空気通路から噴出す る冷却空気の噴出速度と動翼の回転速度から定まる角度だけ回転円周方向にずら した位置としたことを特徴とする請求の範囲 1記載のガスタービン冷却動翼。