JP2004137958A

JP2004137958A - ガスタービン動翼

Info

Publication number: JP2004137958A
Application number: JP2002302710A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Torii; 鳥井　俊介; Yoichi Sato; 佐藤　洋一; Yasumoto Tomita; 富田　康意; Yukihiro Hashimoto; 橋本　幸弘; Shinichi Inoue; 井上　真一
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2002-10-17
Publication date: 2004-05-13

Abstract

【課題】熱応力を抑制してクラックの発生を防止する。
【解決手段】冷却媒体が最初に折り返した後の通路１２ｂ，１２ｃの内壁面にリブ１５を設け、通路１２ａ，１２ｂ，１２ｃの間で相対的な冷却差を減少させる共に、翼部５を冷却した後の冷却流体をシャンク側に流通させ、翼部５の冷却を均等に行なうと共にプラットホーム３を挟んで翼部５とシャンク３との温度差を減少させ、熱応力を抑制してクラックの発生を防止する。
【選択図】　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部に冷却媒体が導入される空洞の通路が形成されたガスタービン動翼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンは回転軸の円周方向に動翼が設けられ、各動翼の間を流れる燃焼ガスにより回転軸が回転駆動され、例えば、圧縮機の駆動及び発電機の駆動を行なうものである。
【０００３】
ガスタービンには高温の燃焼ガスが導入され、特に前段側の動翼及び静翼は高温に晒されることになるため、内部に冷却媒体が導入される空洞の通路が形成された冷却翼がガスタービンの動翼として用いられている（例えば、特許文献１、２、３参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２３４７０３
【特許文献２】
特開２０００−２９１４０６
【特許文献３】
特開２００１−５５９０１
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ガスタービンの動翼は、回転軸側に保持されるクリスマスツリー型の埋込部を有し、シャンク及びプラットホームを挟んで翼部（翼プロファイル部）が形成されている。
【０００６】
このため、全体の質量に大きな差があり温度差が生じてしまう。また、冷却媒体が流通する際には後流側の冷却媒体の温度が高くなり、通路間での温度差も生じてしまう。このため、特にプラットホームを挟んでシャンクと翼部との間の後縁側に熱応力が発生してクラック等が生じる虞があった。
【０００７】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、翼部の冷却を均等に行なうことができるガスタービン動翼を提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、プラットホームを挟んで翼部とシャンクとに温度差が生じにくいガスタービン動翼を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明のガスタービン動翼は、
翼内部前縁側の翼根部から翼頂部にかけて冷却空気を流す通路を設け、頂部端部にて折り返して翼根に向かう通路、翼根部折り返し部にて翼頂に向かう通路を複数連続して形成してなるサーペンタイン冷却通路を形成し、前記通路のうち翼後縁側の通路にはトレイリングエッヂの縦列に設けた噴出し穴に連接した動翼において、前記前縁側冷却通路は平坦な空洞とし、折り返し後の通路には通路内壁にタービュレータを設けたことを特徴とする。
【００１０】
そして、前記翼根折り返し部分の空間を、翼根に付設するプラットホームより下方のシャンク部の位置にて設けたことを特徴とする。
【００１１】
また、噴出し穴を設けた動翼トレイリングエッヂと翼後縁側冷却通路との間の肉厚が頂部からハブ部にかけて徐々に厚くなるように形成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、前記動翼トレイリングエッヂの冷却通路との間の肉厚部に噴出し穴を上下列に複数個設けたことを特徴とする。
【００１３】
また、前記噴出し穴は動翼のハブ部の穴が上部の噴出し穴より面積が大きいことを特徴とする。
【００１４】
また、前記ハブ部近くの噴出し穴は上下に長い長孔であることを特徴とする。
【００１５】
また、前記噴出し穴のハブ部に近い３つの穴が他の噴出し穴より大きい面積を有することを特徴とする。
【００１６】
また、前記噴出し穴の噴出し角度が上方向に形成されていることを特徴とする。
【００１７】
また、翼前縁側に前記サーペンタイン通路と独立した通路を設けて冷却空気を翼根部から導入し、翼頂部に排出する構成としたことを特徴とする。
【００１８】
上記目的を達成するための本発明のガスタービン動翼は、翼内部前縁側の翼根部から翼頂部にかけて冷却空気を流す通路を設け、頂部端部にて折り返して翼根に向かう通路、翼根部折り返し部にて翼頂に向かう通路を複数連続して形成してなるサーペンタイン冷却通路を形成し、前記通路のうち翼後縁側の通路にはトレイリングエッヂの縦列に設けた噴出し穴に連接し、且つプラットホームを有するガスタービン動翼において、前記動翼の翼根とプラットホームの付け根部分の形状を、翼トレイリングエッヂの背側及び腹側でのフィレット部分の形状が、翼前縁側の背側及び腹側でのフィレット部分の形状よりも大きな楕円形状であることを特徴とする。
【００１９】
そして、翼前縁側に前記サーペンタイン通路と独立した通路を設けて冷却空気を翼根部から導入し、翼頂部に排出する構成としたことを特徴とする。
【００２０】
また、中子を用いないで機械加工した噴出し穴を設けたことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１には本発明の一実施形態例に係るガスタービン動翼の全体構成を表す斜視状況、図２にはガスタービン動翼の断面、図３には図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ　線矢視、図４には図３中の矢印ＩＶ部の詳細、図５には図２中のＶ矢視を示してある。また、図６乃至図８には翼とプラットホームとの状況を表し、図６には付け根部のフィレットを示す全体斜視、図７には前縁側の正面からみた外観、図８には後縁側の正面からみた外観を示してある。
【００２２】
ガスタービンは、圧縮機及び燃焼器及びタービンにより構成され、圧縮機で圧縮された圧縮空気が燃焼器で燃料とともに燃焼され、燃焼ガスがタービンに導入されてタービンが駆動される。タービンの動力により圧縮機を作動させ、発電機で発電が実施される。
【００２３】
タービンの回転軸側には、図１に示したガスタービン動翼１が軸方向に多段にわたって設けられている。ガスタービン動翼１は回転軸側に保持されるクリスマスツリー型の埋込部２が形成され、シャンク３及びプラットホーム４を挟んで翼部（翼プロファイル部）５が形成されている。
【００２４】
図２、図３に示すように、ガスタービン動翼１には上下方向に延びる空洞が形成され、前縁から後縁にかけて、例えば、３つの通路１２ａ，１２ｂ，１２ｃが形成されている。前縁側の通路１２ａにはロータ側からの冷却流体（例えば、空気）送られる冷却流路１１が連通している。
【００２５】
前縁側の通路１２ａと中央部の通路１２ｂとは頂端部上部の折り返し部１３ａで連通し、通路１２ａを上方に流れた冷却流体は折り返し部１３ａで折り返して通路１２ｂを下方に流れる。通路１２ｂと後縁側の通路１２ｃとは翼根部下部の折り返し部１３ｂで連通し、通路１２ｂを下方に流れた冷却流体は折り返し部１３ｂで折り返して通路１２ｃを上方に流れる。通路１２ｃを上方に流れた冷却流体は上端の排出口１４から排出される。
【００２６】
つまり、３つの通路１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、折り返し部１３ａ，１３ｂにより複数通路を連続したサーペンタイン通路状態が構成されている。
【００２７】
通路１２ａの空洞の内壁は平坦な面として形成されており、通路１２ｂ及び最後縁側の通路である通路１２ｃの内壁面には冷却流体の流通方向に交差する方向に延びるタービュレータ（乱流発生手段）としてのリブ１５が多数形成されている。
【００２８】
通路１２ｂ，１２ｃを流通する冷却流体はリブ１５により壁面に向かう乱流が生じ、熱伝達が促進されるようになっている。つまり、冷却媒体が最初に折り返した後の通路１２ｂ，１２ｃの内壁面にリブ１５が設けられている。
【００２９】
一方、通路１２ｂと後縁側の通路１２ｃとを連通する折り返し部１３ｂ（通路の端部）はプラットホーム４を挟んでシャンク３側に配置されている。つまり、シャンク３の部位で通路１２ｂを流通した冷却流体が折り返す連続した通路状態が構成されている。
【００３０】
上述したガスタービン動翼１では、冷却流体が冷却流路１１から前縁側の通路１２ａに送られ、冷却流体は通路１２ａを上方に流通する。
【００３１】
通路１２ａを上方に流れた冷却流体は折り返し部１３ａで折り返して中央部の通路１２ｂを下方に流れる。中央部の通路１２ｂを流通する際に冷却流体にはリブ１５により壁面に向かう再付着流が生じて熱伝達が促進される。
【００３２】
通路１２ｂを下方に流れた冷却流体はシャンク３の部位に位置する折り返し部１３ｂで折り返して後縁側の通路１２ｃを上方に流れる。後縁側の通路１２ｃを流通する際に冷却流体にはリブ１５により壁面に向かう再付着流が生じて熱伝達が促進される。通路１２ｃを上方に流れた冷却流体は上端の排出口１４から排出される。
【００３３】
上記構成のガスタービン動翼１は、前縁側の通路１２ａには内壁は平坦な面一の空洞としてリブ１５が設けられていないので、動翼根部からの冷たい冷却空気は前縁側の翼を冷却するに十分であり、冷却流体は冷たい状態が維持されて通路１２ｂに送られることが出来る。このため、通路１２ｂには通路１２ａで熱伝達が十分に生じていない高い冷却能力を維持した状態にある冷却流体が送られる。このため、通路１２ａと通路１２ｂとで相対的な冷却差が減少し、温度差を少なくすることができる。
【００３４】
また、上記構成のガスタービン動翼１は、通路１２ｂを下方に流れた冷却流体はシャンク３の部位に位置する折り返し部１３ｂで折り返すので、通路１２ｂを冷却して温まった状態の冷却媒体がシャンク３を流通することになる。プラットホーム４より下部のシャンク３は高温の燃焼ガスに直接晒されないので、翼部５に比べて温度は低温である。
【００３５】
このため、温まった状態の冷却媒体がシャンク３を流通することにより、低温状態のシャンク３が冷却媒体により温められた状態になり、シャンク３と翼部５の温度差を少なくすることができる。
【００３６】
図３、図４に示すように、後縁側の通路１２ｃは内壁面にリブ１５が形成され、直接腹側と背側とは連結されていない状態になっている。このため、後縁端から通路１２ｃまでの後縁部（中実部）の長さＨを大きく確保して、腹側と背側との非連結状態による剛性の低下を抑制している。
【００３７】
また、プラットホームの下部でシャンク３の部位には通路１２ｂと後縁側の通路１２ｃを折り返すための折り返し部１３ｂが配置され、即ち、通路１２がシャンク３の部位にまで延びているため、むしろ、暖められた冷却空気でシャンク部を暖めてプラットホームとシャンク部との温度差をなくす。
【００３８】
このため、翼部５の厚さは根元側を細く先端側が薄い状態に構成することができる。
【００３９】
従来の後縁側の通路１２ｃは、他の通路と同様に中子を入れた状態で鋳造され、通路１２ｃはトレイリングエッヂとの噴出し穴を構成するためにペデスタルを付設する部分を除いて中子により噴出し穴を形成される。この吹き出し穴の周囲は金属結晶が少なく機械的に比較的弱い状態となる。これに対し、図３、図４に示すように、後縁側の通路１２ｃの後縁部（最後縁）には後縁部を貫通する流体噴出孔１６が設けられている。流体噴出孔１６は、翼部５の厚み部位を鋳造した後、機械加工（穴あけ加工）により形成されている。
【００４０】
流体噴出孔１６から冷却流体の一部を噴出させることにより、トレイリングエッヂ部分の冷却流体によるフィルム冷却が行なわれる。
【００４１】
上述したように流体噴出孔に相当する部材を鋳造により形成した場合、翼部５が腹側の部材と背側の部材に分割され、適宜連結部材で連結されて鋳込まれることになる。このため、流体噴出孔に相当する部材が形成される部位の鋳造品の厚さが薄くなり、金属結晶が少ない状態になる。
【００４２】
これに対し、翼部５の厚み部位を鋳造した後、機械加工（穴あけ加工）により流体噴出孔１６を形成した場合、鋳造時に翼部５の厚み部の鋳造品の厚さが十分に確保されて金属結晶が多数存在して均質化された状態になる。
【００４３】
孔加工を行なっても金属結晶の数は減ることはないので、流体噴出孔に相当する部材を鋳造により形成した場合に比べ（薄物を鋳造した場合に比べ）、本実施形態例の翼部５は強度の点で有利な構造となっている。
【００４４】
図２に示すように、トレイリングエッヂの冷却通路と噴出し穴１６の稜線との間の肉厚が翼頂部からハブ部にかけて徐々に厚くなるように形成されており、これにより、冷却通路を流れる空気の温度と冷却される前記肉厚部との温度影響を少なくしている。翼の応力を受け持つ部分の金属結晶を多くし且つハブ部の噴出し穴を大きくしても熱による損傷を少なくしている。
【００４５】
更に、図６に示すように、ガスタービン動翼１の翼部５の翼根とプラットホーム４の付け根部分の形状を、翼トレイリングエッヂの背側及び腹側でのフィレット部分の形状（図８参照）が、翼前縁側の背側及び腹側でのフィレット部分の形状（図７参照）よりも大きな楕円形状としている（図６中点線の下側：点線から上は直線部分）。これにより、翼部５の後縁側のプラットホーム４との間のフィレットＲは応力集中を避けるために大きく形成されている。また、更に、翼部５の後縁側のプラットホーム４との付け根部には応力集中を避けるための曲面凹状の溝を周方向に形成して、即ち、該部分の厚み部を削ったぬすみ部１７が設けられている。
【００４６】
また、図５に示すように、流体噴出孔１６は、ハブ側、即ちプラットホーム４寄り（下側）の３個の流体噴出孔１６ａ，１６ｂ，１６ｃが上下方向に長い（例えば、短径：長径が１：３の長孔）長孔により形成されている。流体噴出孔１６ａ，１６ｂ，１６ｃを上下方向に長い長孔で形成したことにより、上下方向の応力集中がなくなる。
【００４７】
上述したガスタービン動翼１は、通路１２ａと通路１２ｂとで相対的な冷却差が減少し、温度差を少なくすることができると共に、温まった状態の冷却媒体がシャンク３を流通することにより、低温状態のシャンク３が冷却媒体により温められた状態になり、シャンク３と翼部５の温度差を少なくすることができる。
【００４８】
このため、翼部５とプラットホーム４の間の熱応力を抑制することができ、特に、後縁側の翼部５の付け根部にクラックが発生しにくくなる。また、プラットホームの変形を防止することができる。
【００４９】
また、後縁端から通路１２ｃまでの後縁部（中実部）の長さＨが大きく確保され、固有振動数が下がるのを相殺した状態になる。
【００５０】
また、翼部５の厚み部位に鋳造した後、機械加工（穴あけ加工）により流体噴出孔１６を形成したので、金属結晶が多数存在した状態になり、強度の点で有利な構造となっている。
【００５１】
更に、フィレットＲは応力集中を避けるために大きく形成され、３個の流体噴出孔１６ａ，１６ｂ，１６ｃが上下方向に長い長孔により形成されているので、上下方向の応力集中がなくなる。
【００５２】
図９に基づいて本発明の他の実施形態例を説明する。図９には本発明の他の実施形態例に係るガスタービン動翼の断面を示してある。尚、図２に示した部材と同一部材及び同一機能部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。
【００５３】
図９に示すように、翼前縁側にサーペンタイン通路とは独立した狭隘な冷却空気通路２１を設け、翼根部の冷却流路２２から空気を導入して翼頂部の開口２３から排出する構成としている。また、トレイリングエッヂの流体噴出孔１６の角度は上方に向けている。その他の構成は図２で示したものと同一である。
【００５４】
冷却空気通路２１を設けたことで、さらに冷却性能を高めることができると共に、流体噴出孔１６の角度は上方に向けたことで噴出しを円滑に行なうことができる。尚、流体噴出孔１６の角度は図２に示したものと同じように水平であっても支障はない。
【００５５】
尚、上述した実施形態例では、冷却用の通路を３つ及び４つ備えたガスタービン動翼１を例に挙げて説明したが、５つ以上の通路を設けたものを適用することが可能であり、大きさや設けられる位置により適宜変更可能である。更に、タービュレータとしては、水平のもの、斜め方向に位置するものなど適宜実施できる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明のガスタービン動翼は、翼内部前縁側の翼根部から翼頂部にかけて冷却空気を流す通路を設け、頂部端部にて折り返して翼根に向かう通路、翼根部折り返し部にて翼頂に向かう通路を複数連続して形成してなるサーペンタイン冷却通路を形成し、前記通路のうち翼後縁側の通路にはトレイリングエッヂの縦列に設けた噴出し穴に連接した動翼において、前記前縁側冷却通路は平坦な空洞とし、折り返し後の通路には通路内壁にタービュレータを設けたので、通路の間で相対的な冷却差が減少し、翼部の冷却を均等に行なうことができるガスタービン動翼とすることができる。
【００５７】
この結果、熱応力を抑制してクラックの発生を防止することが可能になる。
【００５８】
そして、前記翼根折り返し部分の空間を、翼根に付設するプラットホームより下方のシャンク部の位置にて設けたので、翼部を冷却した後の冷却流体がシャンク部側に流通し、プラットホームを挟んで翼部とシャンク部とに温度差が生じにくいガスタービン動翼とすることができる。
【００５９】
この結果、熱応力を抑制してクラックの発生を防止することが可能になる。
【００６０】
また、噴出し穴を設けた動翼トレイリングエッヂと翼後縁側冷却通路との間の肉厚が頂部からハブ部にかけて徐々に厚くなるように形成されているので、冷却通路を流れる空気の温度と冷却される肉厚部との温度影響を少なくすることができる。
【００６１】
また、前記動翼トレイリングエッヂの冷却通路との間の肉厚部に噴出し穴を上下列に複数個設けたので、効果的にフィルム冷却を行なうことができる。
【００６２】
また、前記噴出し穴は動翼のハブ部の穴が上部の噴出し穴より面積が大きいので、また、前記ハブ部近くの噴出し穴は上下に長い長孔であるので、また、前記噴出し穴のハブ部に近い３つの穴が他の噴出し穴より大きい面積を有する上下方向の応力集中をなくすことができる。
【００６３】
また、前記噴出し穴の噴出し角度が上方向に形成されているので、吹き出しを円滑にすることができる。
【００６４】
また、翼前縁側に前記サーペンタイン通路と独立した通路を設けて冷却空気を翼根部から導入し、翼頂部に排出する構成としたので、更に冷却性能を高めることができる。
【００６５】
上記目的を達成するための本発明のガスタービン動翼は、翼内部前縁側の翼根部から翼頂部にかけて冷却空気を流す通路を設け、頂部端部にて折り返して翼根に向かう通路、翼根部折り返し部にて翼頂に向かう通路を複数連続して形成してなるサーペンタイン冷却通路を形成し、前記通路のうち翼後縁側の通路にはトレイリングエッヂの縦列に設けた噴出し穴に連接し、且つプラットホームを有するガスタービン動翼において、前記動翼の翼根とプラットホームの付け根部分の形状を、翼トレイリングエッヂの背側及び腹側でのフィレット部分の形状が、翼前縁側の背側及び腹側でのフィレット部分の形状よりも大きな楕円形状であるので、翼部の後縁側のプラットホームとの間のフィレットＲは応力集中を避けるために大きく形成される。
【００６６】
そして、翼前縁側に前記サーペンタイン通路と独立した通路を設けて冷却空気を翼根部から導入し、翼頂部に排出する構成としたので、更に冷却性能を高めることができる。
【００６７】
また、中子を用いないで機械加工した噴出し穴を設けので、フィルム冷却用の流体噴出孔を金属結晶の多い最後縁に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例に係るガスタービン動翼の全体構成を表す斜視図。
【図２】ガスタービン動翼の断面図。
【図３】図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ　線矢視図。
【図４】図３中の矢印ＩＶ部の詳細図。
【図５】図２中のＶ矢視図。
【図６】付け根部のフィレットを示す全体斜視図。
【図７】前縁側の正面からみた外観図。
【図８】後縁側の正面からみた外観図。
【図９】本発明の他の実施形態例に係るガスタービン動翼の断面図。
【符号の説明】
１　ガスタービン動翼
２　埋込部
３　シャンク
４　プラットホーム
５　翼部
１１　冷却流路
１２　通路
１２ａ　前縁側の通路
１２ｂ　中央部の通路
１２ｃ　後縁側の通路
１３ａ　上側の折り返し部
１３ｂ　下側の折り返し部
１４　排出口
１５　リブ
１６　流体噴出孔
１７　ぬすみ部
２１　冷却空気通路
２２　冷却流路
２３　開口

Claims

翼内部前縁側の翼根部から翼頂部にかけて冷却空気を流す通路を設け、頂部端部にて折り返して翼根に向かう通路、翼根部折り返し部にて翼頂に向かう通路を複数連続して形成してなるサーペンタイン冷却通路を形成し、前記通路のうち翼後縁側の通路にはトレイリングエッヂの縦列に設けた噴出し穴に連接した動翼において、前記前縁側冷却通路は平坦な空洞とし、折り返し後の通路には通路内壁にタービュレータを設けたことを特徴とするガスタービン動翼。
前記翼根折り返し部分の空間を、翼根に付設するプラットホームより下方のシャンク部の位置にて設けたことを特徴とする請求項１記載のガスタービン動翼。
噴出し穴を設けた動翼トレイリングエッヂと翼後縁側冷却通路との間の肉厚が頂部からハブ部にかけて徐々に厚くなるように形成されていることを特徴とする請求項１記載のガスタービン動翼。
前記動翼トレイリングエッヂの冷却通路との間の肉厚部に噴出し穴を上下列に複数個設けたことを特徴とする請求項３記載のガスタービン動翼。
前記噴出し穴は動翼のハブ部の穴が上部の噴出し穴より面積が大きいことを特徴とする請求項４記載のガスタービン動翼。
前記ハブ部近くの噴出し穴は上下に長い長孔であることを特徴とする請求項５記載のガスタービン動翼。
前記噴出し穴のハブ部に近い３つの穴が他の噴出し穴より大きい面積を有することを特徴とする請求項５記載のガスタービン動翼。
前記噴出し穴の噴出し角度が上方向に形成されていることを特徴とする請求項５記載のガスタービン動翼。
翼前縁側に前記サーペンタイン通路と独立した通路を設けて冷却空気を翼根部から導入し、翼頂部に排出する構成としたことを特徴とする請求項１乃至請求項８記載のガスタービン動翼。
翼内部前縁側の翼根部から翼頂部にかけて冷却空気を流す通路を設け、頂部端部にて折り返して翼根に向かう通路、翼根部折り返し部にて翼頂に向かう通路を複数連続して形成してなるサーペンタイン冷却通路を形成し、前記通路のうち翼後縁側の通路にはトレイリングエッヂの縦列に設けた噴出し穴に連接し、且つプラットホームを有するガスタービン動翼において、前記動翼の翼根とプラットホームの付け根部分の形状を、翼トレイリングエッヂの背側及び腹側でのフィレット部分の形状が、翼前縁側の背側及び腹側でのフィレット部分の形状よりも大きな楕円形状であることを特徴とするガスタービン動翼。
翼前縁側に前記サーペンタイン通路と独立した通路を設けて冷却空気を翼根部から導入し、翼頂部に排出する構成としたことを特徴とする請求項１０記載のガスタービン動翼。
中子を用いないで機械加工した噴出し穴を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項１０記載のガスタービン動翼。