JP2001254604A - ガスタービン冷却静翼 - Google Patents
ガスタービン冷却静翼Info
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Abstract
上させ、熱応力による翼のクラックの発生や、シュラウ
ドの熱変形を抑える構造とする。 【解決手段】 1段静翼20の外側シュラウド21の外
側,内側シュラウドの内側壁面には格子状のワッフルパ
ターン1が形成され、強度を向上させ、1段静翼20の
後縁最後列の冷却穴を他の穴径より大きい拡大冷却穴6
とし後縁の冷却効率を高め、壁内側にリブ2を形成し、
薄肉化を計る。内側シュラウド22の背側、腹側両側端
内部には冷却通路3を設け、更に内側から貫通し表面端
部へ開口する複数の冷却穴5を設けることによりシュラ
ウドの冷却効果を高める。これらの改良により、翼後縁
部やシュラウドのクラック発生や変形を防止する。
Description
翼に関し、特に1段静翼に適用されるもので、熱応力に
対する強度を向上させると共に、冷却効果を高めるよう
な改善を施したものである。
段の部分を示す一般的な断面図である。図において、燃
焼器30の取付フランジ31には1段静翼(1c)32
が外側シュラウド33と内側シュラウド34とに両端が
固定されており、1段静翼32は円周方向に複数枚が配
置され静止側の車室に固定されている。1段静翼32の
後流側には1段動翼(1s)35が円周方向に複数枚配
置されており、この1段動翼35はプラットフォーム3
6に固定され、プラットフォーム36はロータディスク
の周囲に取付けられており、動翼35はロータと共に回
転する。1段動翼35の後流側には、2段静翼(2c)
37の両端が外側シュラウド38、内側シュラウド39
に固定され、同様に周方向に複数枚が静止側に取付けら
れている。同様に、後流側に2段動翼(2s)40がプ
ラットフォーム41を介してロータディスクに取付けら
れている。このような翼の配列を有するガスタービンは
通常4段で構成され、燃焼器30で燃焼して高温となっ
た燃焼ガス50が1段静翼(1c)32から流入し、2
段〜4段の各翼間を流れる過程において膨張して、それ
ぞれ動翼35,40、等を回転させ、ロータに回転動力
を与えて排出するものである。
ある。図において、1段静翼32は外側シュラウド33
と内側シュラウド34に固定されており、外側シュラウ
ド33は四方の周囲を端部フランジ33a,33b,3
3c,33dで囲い、内部に底面33eを有している。
同様に内側シュラウド34の下側(内側)も四方周囲は
端部フランジ34a,34cと取付フランジ41,42
の面により囲まれて底面34eを有している。静翼32
には外側シュラウド33側から図示していないインピン
ジ板を介して冷却空気がシュラウド内へ流入し、シュラ
ウド内面を冷却すると共に、静翼32の上部開口部から
流入し、内部の通路へ流れて翼を冷却し、冷却後の空気
は翼の冷却穴及び後縁端の冷却穴より外部へ流出する、
他方、内側シュラウド34内へ別途冷却空気が流入し、
内側シュラウドを冷却して外部へ流出する。
において61は翼壁であり、通常板厚は4.5mmの厚さ
の壁を形成している。内部にはリブ62,63が設けら
れ3区分された空間を形成し、各空間には、それぞれ前
縁側のインサート64、中間のインサート65、後縁側
のインサート66が挿入され、壁61の内周囲壁面と一
定の隙間を保って固定されている。各インサート64,
65,66には周囲に複数の吹出穴67が設けられ、内
部の冷却空気を壁61とインサートとの隙間に流出でき
るようになっている。又、壁61には冷却空気が吹出す
冷却穴68が前縁部、背側、腹側の複数個所に設けら
れ、壁61内壁とインサート64,65,66との隙間
に流出した冷却空気を吹出し、前縁部ではシャワーヘッ
ド冷却、腹側、背側ではフィルム冷却を行い、高温の影
響を少なくするようにしている。
ービンの1段静翼では、外側シュラウドより冷却空気が
流入し、外側シュラウドの内面を冷却すると共に、静翼
内へ流入し、翼内部を冷却し、他方、内側シュラウド内
へ別途冷却空気を流入して内側シュラウドも冷却する構
造である。しかし、1段静翼は最も高温にさらされる翼
であり、特にシュラウドが高温により変形したり、酸化
による減肉、コーティングの剥離が生じ、後縁の翼付根
部や端面でのクラックが発生することがある。
温にさらされて熱的に厳しい状態におかれるシュラウド
や翼の壁の強度を向上させると共に、冷却構造に改良を
加え、熱の影響による変形やクラックの発生を抑えるよ
うにする改善を施したガスタービン冷却静翼を提供する
ことを課題としてなされたものである。
決するために、次の(1)〜(6)の手段を提供する。
れた吹出穴付筒状インサートに冷却空気を流し同吹出穴
から流出させ翼壁を貫通する冷却穴より外部へ流出させ
ると共に、他方、内側シュラウドへも冷却空気を導き同
内側シュラウドを冷却して外部へ流出させるガスタービ
ン1段静翼において、前記外側シュラウドの外側壁面及
び内側シュラウドの内側壁面に形成された格子状の突起
と、前記内側シュラウドの背側及び腹側の両端内部に設
けられ前縁側から冷却空気を流し後縁側に開口して流出
させる冷却通路と、前記筒状インサート外周との間で翼
の内壁面に形成され横方向に伸び上下に複複段からなる
翼壁リブと、前記内側シュラウドの背側及び腹側の両端
内部で前縁側から後縁側に配列され内側から外表面へ貫
通して開口し冷却空気を内側から表面に流出させる複数
の冷却穴とを備えてなることを特徴とするガスタービン
冷却静翼。
て、翼の後縁の最後列の冷却穴は他の冷却穴の径よりも
大きくしたことを特徴とする(1)記載のガスタービン
冷却静翼。
の両端内部に設けられた冷却通路を有し前縁側から冷却
空気を流し後縁側に開口させて成る(1)記載のガスタ
ービン冷却静翼。
が設けられていることを特徴とする(1)又は(3)記
載のガスタービン冷却静翼。
材料はMGA2400からなることを特徴とする(1)
記載のガスタービン冷却静翼。
側端部は燃焼器尾筒出口と接続フランジを介して接続さ
れ、同接続フランジの周囲には外側から後流側へ向かっ
て傾斜し、内側へ貫通する複数の冷却穴が設けられてい
ることを特徴とする(1)から(4)のいずれかに記載
のガスタービン冷却静翼。
方向に伸びる取付フランジは、前記翼の後縁端部の取付
位置よりも後方へ配置したことを特徴とする(1)から
(4)のいずれかに記載のガスタービン冷却静翼。
と内側シュラウドの壁面には格子状の突起が形成されて
いるので、シュラウド全体の剛性が高まり、熱応力によ
る変形が防止され、又、シュラウドの肉厚も薄肉化が可
能となる。又、内側シュラウドには背側と腹側の両端部
に冷却通路が設けられ、流入する冷却空気を前縁側から
後縁側へ流し、内側シュラウド両端部が冷却され、更
に、この両端部には内側から上面に開口し、冷却空気を
両端上面へ吹出す複数の冷却穴が配列しているので、両
端が効果的に冷却される。更に、翼壁内側周囲にも翼壁
リブが横方向上伸び、上下に複数本配列されているの
で、翼の剛性が高まり、これにより翼壁の肉厚も薄くす
ることができる。これらの構成により、外側シュラウ
ド、内側シュラウド及び翼の熱応力による変形が防止さ
れ、冷却効果の向上によりシュラウド端面のクラックや
翼付根部のクラックの発生が防止される。
却穴が他の穴よりも径が大きいので、冷却空気の流出量
が増加すると共に、冷却空気中に含まれるゴミを流出し
やすくし、ゴミにより冷却穴が詰まるのを防止できる。
又、本発明の(3)においては、外側シュラウドの背側
と腹側の両端側が効果的に冷却される。又、(4)の発
明においては、冷却通路内のタービュレータにより通路
内の流れが攪拌され熱伝達率を高め、又、(5)の発明
では従来の材料ECY768からMGA2400を用い
たので強度が向上し、これら(2),(4),(5)の
発明により上記(1)の発明の効果がより一層確実に得
られるものである。
口と外側及び内側シュラウドとの接続フランジに設けら
れた複数の冷却穴から冷却空気がガス通路に流出し、こ
れにより外側及び内側シュラウドの前流側の端部周辺が
冷却され、高温ガスの影響を直接受ける部分の冷却を行
うことができ、上記(1)の発明の外側及び内側シュラ
ウドの冷却効果をより一層向上させることができる。
ドの取付フランジが後流側へ移動することにより、隣接
する後流側の動翼のプラットフォームとで形成される空
間が狭くなり、この空間内の圧力が高まり、シール空気
のシール効果が高まると共に、ガス通路からの高温燃焼
ガスの内側への侵入を防ぎ、内側の冷却効果を高めるこ
とになり、上記(1)の内側シュラウドの冷却効果を一
層高めるものである。
て図面に基づいて具体的に説明する。図1は本発明の実
施の第1形態に係るガスタービン冷却静翼の断面図であ
る。図において、燃焼器30の尾筒フランジ51には外
側シュラウド21、内側シュラウド22が接合し、両シ
ュラウド21,22間には1段静翼20が取付けられ、
従来と同様な1段静翼を構成し、高温燃焼ガス50が燃
焼器から流入し、後段側に流れる構成であり、この構成
は従来と同じである。
り、外側シュラウド21の外面及び内側シュラウド22
の内面にそれぞれ形成されている。ワッフルパターン1
は、後述するように格子状のリブからなり、シュラウド
の壁面に突起を形成することにより壁の強度を向上する
ことができるものである。2は翼壁面の内側に形成され
たリブであり、翼内壁面の全周に亘って形成され強度を
向上すると共に、強度が向上されるので壁の厚さを薄肉
にすることができる。本実施の第1形態においては、従
来の翼の肉厚が4.5mmであったものを、3mmとして薄
肉化している。
の腹側、背側の両端内部に設けられ、車室側から供給さ
れた冷却空気を前縁側から導いて流し、内側シュラウド
両側を冷却して後縁側へ流出させる。4はタービュレー
タであり、冷却通路3内に形成され、流れを攪拌して冷
却効果を高めるものである。5は複数の冷却穴であり、
内側シュラウド22の背側、腹側の両端部に設けられ、
内側から両端部の上面に貫通して開口し、冷却空気を端
部上面に吹出し、内側シュラウド両側端面を冷却する。
一方、静翼には図2にて後述するように、翼の表面全体
にわたって翼壁を貫通する冷却穴が穿設されており、そ
の中の翼後縁の最後列にあたる6は拡大冷却穴であり、
静翼20の背側最後列の冷却穴を他の冷却穴よりも径を
大きくし、空気中に含まれるゴミを流出できるようにし
ている。
(a)は断面図、(b)は(a)におけるA−A断面図
である。(a)図において、翼の主要な構造は図9で示
す従来の構造と同じであるが、本発明の特徴部分は拡大
冷却穴6とリブ2を設けた部分にある。又、翼壁の肉厚
は、従来の4.5mmから3mmへと薄肉化を計り、材料も
ECY768からMGA2400へ変更し強度を向上し
ている。
り、肉厚は、t=3mmとし、ピッチP=10mmごとにリ
ブ2を上下に配列して形成している。リブ2の幅はW=
2.41mm、高さH=3.05mmとしてリブ2で全周囲
を補強し、強度が向上した分薄肉化を可能としている。
リブの先端は円形とし基部は壁に曲面Rで形成されてい
る。
列の冷却穴は拡大冷却穴6として、他の冷却穴28より
も径を大きくして冷却空気中に含まれるゴミを抜き出す
ことができるようにし、ゴミを流出させ、ゴミの残留に
より冷却穴の目詰まりを起こすことを防止する。その他
の構造は図9に示すものと同じであるので説明は省略す
る。
の面に設けられたワッフルパターンを示し、(a)は外
側シュラウドの平面図、(b)はワッフルパターンの詳
細な斜視図、(c)は(a)の側面図である。これら図
において、外側シュラウド21の周囲は端部フランジ2
1a,21b,21c,21dで囲まれており、底面2
1eには格子状のワッフルパターン2が形成されてい
る。ワッフルパターン1は(b)に示すように、格子状
に板状のリブ1a,1bを組合せて格子を形成し、底面
21eを補強するものである。このため、シュラウドの
肉厚は、従来4mmであったものが3mmに薄肉化すること
ができる。又、両端部には冷却通路23a,23bが設
けられ、両通路内へはタービュレータ24が設けられて
いる。25a,25bは前縁側の空気流入口であり、冷
却空気が流入する。
ウド22の冷却構造を示し、(a)は内側シュラウドの
平面図、(b)は(a)におけるB−B断面図である。
これら図において、内側シュラウド22の内側には外側
シュラウド21と同様のワッフルパターン1が形成され
ている。又、内側シュラウド22の背側、腹側に両側端
内部に冷却通路3a,3bが設けられ、車室側から内側
シュラウド22の下側を通り、供給された冷却空気が前
縁側の空間8から冷却通路3a,3bに流入し、シュラ
ウド22の両端を冷却して後縁側に流出する。冷却通路
3a,3b内にはタービュレータ4が形成されており、
冷却空気の流れを攪拌することにより熱伝達率を向上さ
せて冷却効果を高めるようにしている。
の冷却穴5a,5bが配列しており、(b)に示すよう
に、冷却穴5a,5bは内側シュラウド22の端部を内
側から斜めに貫通して端部上面で開口しており、内側に
流入した空気が冷却穴5a,5bを通って上面に吹出
し、内側シュラウド22の両端部を冷却するものであ
る。なお、空気は前縁側空間8から両側の冷却通路3
a,3bに流しているが、外側シュラウド21の場合と
同様に前縁側の両側に空気流入口を設けるようにしても
良い。
スタービン冷却静翼においては、外側シュラウド21、
内側シュラウド22にワッフルパターン1を設け、翼の
材料にMGA2400を採用すると共に、壁の内側には
リブ2を形成したので、外側,内側シュラウド21,2
2及び静翼20の剛性、強度が向上し、これにより、シ
ュラウドの肉厚を4mmから3mmへ、又、翼は4.5mmか
ら3mmへ薄肉化が可能となる。更に、静翼20の後縁背
側の最後の列の冷却穴を拡大冷却穴6とし、これに加え
て内側シュラウド22の両側に冷却通路3a,3bを設
け、更に両端面に開口する複数の冷却穴5a,5bを設
けたので、翼後縁側の冷却効果が増し、又、内側シュラ
ウド22の冷却が効果的になされ、クラックの発生やシ
ュラウドの変形が防止され、高温酸化による減肉や剥
離、等も防止できる。
タービン冷却静翼の断面図である。図において、本実施
の第2形態における特徴部分は、図1に示す実施の第1
形態の構成に、燃焼器尾筒と1段静翼の外側及び内側シ
ュラウドとの接続部に冷却穴を設け、更に、内側シュラ
ウドの後縁側の取付フランジを翼の後縁側より後方へ移
動し、内側シュラウド22の内側の冷却効果を後述する
ように高めるようにした部分にあり、その他の構成は図
1に示す実施の第1形態と同じである。
のフランジ31と外側シュラウド21及び内側シュラウ
ド22の端部とはフランジ51を介して接続されてい
る。フランジ51の周囲には外側から斜めに複数の冷却
穴7が貫通して設けられガス通路側に開口している。冷
却空気は外周囲から冷却穴7を通ってガス通路へ吹出
し、フランジ51及びこれに接続する外側,内側シュラ
ウド21,22の前流側端部周辺を冷却する。
ンジ42aは図1に示す実施の第1形態の取付フランジ
42よりも後流側へ移動したところに設けている。即
ち、取付フランジ42aは静翼20の付根部よりも後方
に位置しており、このフランジ42aと後方の1段動翼
のプラットフォーム端部とで形成する空間60を狭くし
ている。その他の構成は図1とおなじである。
シュラウドを示し、(a)は平面図、(b)は側面図で
ある。両図において、図4に示す実施の第1形態と同様
に、内側シュラウド22の両側内部には冷却通路3a,
3b、冷却穴5a,5b、内側にはワッフルパターン2
が設けられている。本実施の第2形態においては、更に
後方の取付フランジ42aが、図1に示す取付フランジ
42よりも後方へ移動したところに配置しており、前述
のように、隣接する1段動翼のプラットフォーム端部と
で形成される空間60は図1のもの、及び従来のものよ
りも狭くしている。このように空間60を狭くすること
により、空間60内の圧力が高まり、シール用空気が逆
流したりすることがなく、シール性能が向上し、更に、
高温燃焼ガスが内側へ侵入するのを防止し、内側シュラ
ウド22内部の冷却効果が実施の第1形態のものよりも
一層向上するものである。
の第1形態の構造に、更に燃焼器の尾筒と外側,内側シ
ュラウドとの接続部のフランジ51に冷却穴7を追加
し、又、内側シュラウド22の取付フランジ42aを後
流側へ移動させたので、実施の第1形態の効果に加え、
外側,内側シュラウド21,22の燃焼器側の端部の冷
却効果が高まり、内側シュラウド22の冷却も、より一
層効果的になされるものである。
(1)外側シュラウドから翼内部へ挿入された吹出穴付
筒状インサートに冷却空気を流し同吹出穴から流出させ
翼壁を貫通する冷却穴より外部へ流出させると共に、他
方、内側シュラウドへも冷却空気を導き同内側シュラウ
ドを冷却して外部へ流出させるガスタービン1段静翼に
おいて、前記外側シュラウドの外側壁面及び内側シュラ
ウドの内側壁面に形成された格子状の突起と、前記内側
シュラウドの背側及び腹側の両端内部に設けられ前縁側
から冷却空気を流し後縁側に開口して流出させる冷却通
路と、前記筒状インサート外周との間で翼の内壁面に形
成され横方向に伸び上下に複複段からなる翼壁リブと、
前記内側シュラウドの背側及び腹側の両端内部で前縁側
から後縁側に配列され内側から外表面へ貫通して開口し
冷却空気を内側から表面に流出させる複数の冷却穴とを
備えてなることを特徴としている。このような構成によ
り、シュラウド全体の剛性が高まり、熱応力の変形が防
止され、又、シュラウドの肉厚も薄肉化が可能となる。
又、内側シュラウド両端の冷却通路により内側シュラウ
ド両端部が冷却され、又、この両端部には冷却穴が配列
しているので、両端が効果的に冷却される。更に、翼壁
内側周囲の翼壁リブにより翼の剛性が高まり、これによ
り翼壁の肉厚も薄くすることができる。これらの構成に
より、外側シュラウド、内側シュラウド及び翼の熱応力
による変形が防止され、冷却効果の向上によりシュラウ
ド端面のクラックや翼付根部のクラックの発生が防止さ
れる。
却穴が他の穴よりも径が大きいので、冷却空気の流出量
が増加すると共に、冷却空気中に含まれるゴミを流出し
やすくし、ゴミによる冷却穴が詰まるのを防止できる。
又、(3)の発明においては、外側シュラウドの両端部
にも冷却空気が流れるので、外側シュラウドが効果的に
冷却される。又、(4)の発明においては、冷却通路内
のタービュレータにより通路内の流れが攪拌され熱伝達
率を高め、又、(5)の発明では従来の材料ECY76
8からMGA2400を用いたので強度が向上し、これ
ら(2),(4),(5)の発明により上記(1)の発
明の効果がより一層確実に得られるものである。
口と外側及び内側シュラウドとの接続フランジに設けら
れた複数の冷却穴から冷却空気がガス通路に流出し、こ
れにより外側及び内側シュラウドの前流側の端部周辺が
冷却され、高温ガスの影響を直接受ける部分の冷却を行
うことができ、上記(1)の発明の外側及び内側シュラ
ウドの冷却効果をより一層向上させることができる。
ドの取付フランジが後流側へ移動して設けられることに
より、隣接する後流側の動翼のプラットフォームとで形
成される空間が狭くなり、この空間内の圧力が高まり、
シール空気のシール効果が高まると共に、ガス通路から
の高温燃焼ガスの内側への侵入を防ぎ、内側の冷却効果
を高めることになり、上記(1)の内側シュラウドの冷
却効果を一層高めるものである。
却静翼の全体断面図である。
却静翼の断面を示し、(a)は翼断面を、(b)は
(a)におけるA−A断面図である。
を示し、(a)は平面図、(b)は内部のワッフルパタ
ーンの斜視図、(c)は(a)の側面図である。
を示し、(a)は平面図、(b)は(a)におけるB−
B断面図である。
却静翼の全体断面図である。
を示し、(a)は平面図、(b)は(a)の側面図であ
る。
を示す断面図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 外側シュラウドから翼内部へ挿入された
吹出穴付筒状インサートに冷却空気を流し同吹出穴から
流出させ翼壁を貫通する冷却穴より外部へ流出させると
共に、他方、内側シュラウドへも冷却空気を導き同内側
シュラウドを冷却して外部へ流出させるガスタービン1
段静翼において、前記外側シュラウドの外側壁面及び内
側シュラウドの内側壁面に形成された格子状の突起と、
前記内側シュラウドの背側及び腹側の両端内部に設けら
れ前縁側から冷却空気を流し後縁側に開口して流出させ
る冷却通路と、前記筒状インサート外周との間で翼の内
壁面に形成され横方向に伸び上下に複複段からなる翼壁
リブと、前記内側シュラウドの背側及び腹側の両端内部
で前縁側から後縁側に配列され且つ内側から外表面へ貫
通して冷却空気を内側から表面に流出させる複数の冷却
穴、とを備えてなることを特徴とするガスタービン冷却
静翼。 - 【請求項2】 前記翼壁を貫通する冷却穴において、翼
の後縁の最後列の冷却穴は翼の他の冷却穴の径よりも大
きくしたことを特徴とする請求項1記載のガスタービン
冷却静翼。 - 【請求項3】 前記外側シュラウドは背側及び腹側の両
端内部に設けられた冷却通路を有し前縁側から冷却空気
を流し後縁側に開口させて成る請求項1記載のガスター
ビン冷却静翼。 - 【請求項4】 前記冷却通路内にはタービュレータが設
けられていることを特徴とする請求項1又は3記載のガ
スタービン冷却静翼。 - 【請求項5】 前記外側,内側シュラウド及び翼の材料
はMAG2400からなることを特徴とする請求項1記
載のガスタービン冷却静翼。 - 【請求項6】 前記外側及び内側シュラウドの前流側端
部は燃焼器尾筒出口と接続フランジを介して接続され、
同接続フランジの周囲には外側から後流側へ向かって傾
斜し、内側へ貫通する複数の冷却穴が設けられているこ
とを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のガス
タービン冷却静翼。 - 【請求項7】 前記内側シュラウドの内側後方の周方向
に伸びる取付フランジは、前記翼の後縁端部の取付位置
よりも後方へ配置したことを特徴とする請求項1から4
のいずれかに記載のガスタービン冷却静翼。
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