JP2008286157A - タービン静翼 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却空気（冷却媒体）量を低減させること。
【解決手段】内側シュラウド１２および／または外側シュラウド１３に、複数の***３１を有し、内側シュラウド１２および／または外側シュラウド１３の表面から間隔をあけて配設されて表面との間にチャンバを形成し、送り込まれた冷却媒体を***３１からチャンバ内へ流入させる衝突板３０と、前縁側に前縁側開口端３３を有し、両側部に沿って形成され、前縁側開口端３３から送り込まれた冷却媒体を後縁側へ導く側部流路３２と、後縁にて幅方向に沿って形成され、側部流路３２から冷却媒体が送り込まれるヘッダ３５と、一端側がヘッダ３５に連通され他端側が後縁にて開口されてヘッダ３５に送り込まれた冷却媒体を後縁から放出する後縁流路３６とが設けられており、***３１からチャンバ内へ送り込まれた冷却媒体が、側部流路３２の前縁側開口端３３に向かって流れるように構成されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ガスタービンに関し、より詳しくは、ガスタービンのタービン静翼に関するものである。

ガスタービンのタービン部におけるタービン静翼としては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。
特開２００４−６０６３８号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されたタービン静翼では、前縁流路の上流側開口端から流入した冷却空気を外側シュラウドの後縁（すなわち、後縁流路の下流側開口端）に導く流路の屈曲部が四つ（流路と前縁流路の上流側開口端との接合（連通）部、前縁流路の下流側開口端と側部流路の前縁側開口端と接合（連通）部、側部流路の後縁側開口端とヘッダの端部との接合（連通）部、およびヘッダの中央部と後縁流路の上流側開口端との接合（連通）部）も設けられている。そのため、流路の屈曲部における圧力損失（流路抵抗）が増加し、冷却空気の流速が低下して、外側シュラウドを効率よく冷却することができず、また、インピンジメント板の内壁面と外側シュラウドの表面との間に形成された冷却空間内に流入させる冷却空気量が多くなり、ガスタービンの性能（出力）が低下してしまうといった問題点があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、冷却空気（冷却媒体）量を低減させ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。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係るタービン静翼は、翼本体の内側および外側にそれぞれ内側シュラウドおよび外側シュラウドを有するタービン静翼であって、前記内側シュラウドおよび／または前記外側シュラウドに、複数の***を有し、前記内側シュラウドおよび／または前記外側シュラウドの表面から間隔をあけて配設されて前記表面との間にチャンバを形成し、送り込まれた冷却媒体を前記***から前記チャンバ内へ流入させる衝突板と、前縁側に前縁側開口端を有し、両側部に沿って形成され、前記前縁側開口端から送り込まれた冷却媒体を後縁側へ導く側部流路と、後縁にて幅方向に沿って形成され、前記側部流路から冷却媒体が送り込まれるヘッダと、一端側が前記ヘッダに連通され他端側が後縁にて開口されて前記ヘッダに送り込まれた冷却媒体を後縁から放出する後縁流路とが設けられており、前記***から前記チャンバ内へ送り込まれた冷却媒体が、前記側部流路の前記前縁側開口端に向かって流れるように構成されている。

本発明に係るタービン静翼によれば、衝突板に形成された***を通過した冷却空気が、側部流路の前縁側開口端に向かって一様に流れ、側部流路の前縁側開口端から側部流路内に流入した冷却空気は、直線状の流路を有する側部流路およびヘッダを通過した後、後縁流路を通って内側シュラウドおよび／または外側シュラウドの後縁から放出されるようになっている。
すなわち、本発明に係るタービン静翼によれば、側部流路の前縁側開口端から流入した冷却媒体を内側シュラウドおよび／または外側シュラウドの後縁（すなわち、後縁流路の下流側開口端）に導く流路の屈曲部は、側部流路の後縁側開口端とヘッダの端部との接合（連通）部、およびヘッダの中央部と後縁流路の上流側開口端との接合（連通）部の二つだけとされていることとなる。
これにより、流路の屈曲部における圧力損失（流路抵抗）を低減させることができ、冷却空気の流速を増加させることができて、内側シュラウドおよび／または外側シュラウドを効率よく冷却することができるとともに、衝突板の内壁面と内側シュラウドの表面との間および／または衝突板の内壁面と外側シュラウドの表面との間に形成されたキャビティ内に流入する冷却空気量を低減させることができ、全体の冷却空気量（冷却空気の消費量）を低減させることができる。

本発明に係るガスタービンは、全体の冷却空気量を低減させることができるタービン静翼を備えている。

本発明に係るガスタービンによれば、全体の冷却空気量が低減されることとなるので、ガスタービンの性能（出力）を向上させることができる。

本発明によれば、冷却空気（冷却媒体）量を低減させることができるという効果を奏する。

以下、本発明に係るタービン静翼の一実施形態について、図１から図３を参照しながら説明する。
図１は本発明に係るタービン静翼を具備したガスタービンを示す図であって、車室上半部を取り外した状態を示す概略斜視図、図２は本実施形態に係るタービン静翼を、その前縁と後縁とを結ぶ中心線に対して略直交する面で切った要部断面図、図３は本実施形態に係るタービン静翼の外側シュラウドを、外側（外周側）から見た斜視図である。

図１に示すように、ガスタービン１は、燃焼用空気を圧縮する圧縮部２と、この圧縮部２から送られてきた高圧空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼部３と、この燃焼部３の下流側に位置し、燃焼部３を出た燃焼ガスにより駆動されるタービン部４とを主たる要素とするものである。

本実施形態に係るタービン静翼１０は、例えば、タービン部４における第一段静翼に適用され得るものであり、図２に示すように、翼本体１１と、内側シュラウド１２と、外側シュラウド１３とを備えている。
翼本体１１には、複数個のフィルム冷却孔（図示せず）と、翼本体１１の立設方向軸線に対して略直交する断面における前縁（図示せず）と後縁（図示せず）とを結ぶ中心線（図示せず）に対して略直交して設けられ、翼本体１１の内部を複数個（例えば、４個）のキャビティＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に区画する図示しない板状のリブ（第１のリブ）と、中央部に位置するキャビティ（最も前縁側に位置するキャビティＣ１および最も後縁側に位置するキャビティＣ４以外のキャビティ）Ｃ２，Ｃ３を腹側と背側に区画する（略二分する）板状のリブ（第２のリブ）１４と、最も後縁側に位置するキャビティＣ４内の冷却空気（冷却媒体）を翼本体１１の外部に導くとともに複数のピンフィン（図示せず）を有する空気孔（図示せず）とが設けられている。

また、中央部に位置するキャビティＣ２，Ｃ３にはそれぞれ、インピンジメント板２０が収められて（収容されて）いる。
インピンジメント板２０はそれぞれ、複数個のインピンジメント冷却孔（図示せず）が設けられた板状のものであり、その内壁面（内周面）２１がリブ１４の壁面２２と対向し、かつ、その外壁面（外周面）２３が翼本体１１の内壁面２４と対向するように配置されている。
そして、インピンジメント板２０の外壁面２３と翼本体１１の内壁面２４とリブ（第１のリブ）の壁面（図示せず）との間にはそれぞれ、冷却空間、すなわち、冷却空気の通路が形成されている。

図２に示すように、内側シュラウド１２は翼本体１１の内側（内周側）に設けられており、外側シュラウド１３は翼本体１１の外側（外周側）に設けられている。
内側シュラウド１２の表面（図２において下側の面）２５および外側シュラウド１３の表面（図２において上側の面）２６にはそれぞれ、インピンジメント板２７が設けられている。
インピンジメント板２７はそれぞれ、複数個のインピンジメント冷却孔（図示せず）が設けられた板状のものであり、中央部に位置するキャビティＣ２，Ｃ３の、リブ１４の壁面２２よりも背側に形成された空間（すなわち、リブ（第１のリブ）の壁面とリブ１４の壁面２２と翼本体１１の内壁面２４とで囲まれた空間）の上方または下方を覆うように配置されている。

そして、インピンジメント板２７の内壁面２８と内側シュラウド１２の表面２５との間、およびインピンジメント板２７の内壁面２８と外側シュラウド１３の表面２６との間にはそれぞれ、冷却空間（チャンバ）、すなわち、インピンジメント板２７に形成されたインピンジメント冷却孔を通過した冷却空気を、中央部に位置するキャビティＣ２，Ｃ３の、リブ１４の壁面２２よりも背側に形成された空間内に導く冷却空気の通路が形成されている。

なお、中央部に位置するキャビティＣ２，Ｃ３の、リブ１４の壁面２２よりも背側に形成された空間内には、インピンジメント板２７に形成されたインピンジメント冷却孔を通過した冷却空気のみが供給され得るようになっている。
また、インピンジメント板２７をインピンジメント冷却した冷却空気は、中央部に位置するキャビティＣ２，Ｃ３の、リブ１４の壁面２２よりも背側に形成された空間内に流入し、翼本体１１の背側の内壁面２４に向かって開口するインピンジメント冷却孔から冷却空間内に吹き出して翼本体１１の腹側の内壁面２４をインピンジメント冷却した後、フィルム冷却孔から吹き出されるようになっている。

さらに、図３に示すように、内側シュラウド１２の表面２５（図２参照）および外側シュラウド１３の表面２６（図２参照）にはそれぞれ、インピンジメント板（衝突板）３０が設けられている。
インピンジメント板３０はそれぞれ、複数個のインピンジメント冷却孔（***）３１が設けられた板状のものであり、翼本体１１の腹側上流側および前縁上流側の上方または下方を覆うように配置されている。

そして、インピンジメント板３０の内壁面（図示せず）と内側シュラウド１２の表面２５との間、およびインピンジメント板３０の内壁面（図示せず）と外側シュラウド１３の表面２６との間にはそれぞれ、冷却空間、すなわち、インピンジメント板３０に形成されたインピンジメント冷却孔３１を通過した冷却空気を、側部流路３２の前縁側開口端３３に導く冷却空気の通路が形成されている。
側部流路３２は、内側シュラウド１２および外側シュラウド１３の前縁側から後縁側にかけて、その両側部に形成された冷却空気の通路であり、その後縁側開口端３４はそれぞれ、内側シュラウド１２および外側シュラウド１３の幅方向にわたって、その後縁部に形成されたヘッダ３５の対応する端部に接続されている。また、側部流路３２の内壁面には、図示しない複数の板状の突起（タービュレータ）が設けられている。

ヘッダ３５は、側部流路３２の前縁側開口端３３から側部流路３２内に流入した冷却空気を、内側シュラウド１２および外側シュラウド１３の後縁部に形成された後縁流路３６導く冷却空気の通路である。
そして、インピンジメント板３０に形成されたインピンジメント冷却孔３１を通過した冷却空気は、側部流路３２の前縁側開口端３３から側部流路３２内に流入し、側部流路３２、ヘッダ３５、および後縁流路３６を通過した後、内側シュラウド１２および外側シュラウド１３の後縁から放出されるようになっている。このとき、内側シュラウド１２および外側シュラウド１３の前縁部、両側部、および後縁部は、冷却空気により冷却されるようになっている。

このように構成されたタービン静翼１０において、インピンジメント板２７に向かって供給された（吹き出された）冷却空気は、インピンジメント板２７をインピンジメント冷却した後、インピンジメント板２７に形成されたインピンジメント冷却孔を通過して、インピンジメント板２７の内壁面２８と内側シュラウド１２の表面２５との間、およびインピンジメント板２７の内壁面２８と外側シュラウド１３の表面２６との間に形成された冷却空間内を通り、中央部に位置するキャビティＣ２，Ｃ３の背側で、かつ、リブ（第１のリブ）の壁面、リブ１４の壁面２２、およびインピンジメント板２０の内壁面２１により形成された空間内に流入するようになっている。そして、キャビティＣ２，Ｃ３の背側で、かつ、リブ（第１のリブ）の壁面、リブ１４の壁面２２、およびインピンジメント板２０の内壁面２１により形成された空間内に流入した冷却空気は、キャビティＣ２，Ｃ３の背側に設けられて、翼本体１１の背側の内壁面２４に向かって開口するインピンジメント冷却孔からインピンジメント板２０の外壁面２３、リブ（第１のリブ）の壁面、および翼本体１１の背側の内壁面２４により形成された冷却空間内に吹き出して翼本体１１の背側の内壁面２４をインピンジメント冷却した後、フィルム冷却孔から吹き出されるようになっている。

一方、中央部に位置するキャビティＣ２，Ｃ３の腹側で、かつ、リブ（第１のリブ）の壁面、リブ１４の壁面２２、およびインピンジメント板２０の内壁面２１により形成された空間内には、図示していない手段によって冷却空気が直接導入（供給）されるようになっている。そして、キャビティＣ２，Ｃ３の腹側で、かつ、リブ（第１のリブ）の壁面、リブ１４の壁面２２、およびインピンジメント板２０の内壁面２１により形成された空間内に流入した冷却空気は、キャビティＣ２，Ｃ３の腹側に設けられて、翼本体１１の腹側の内壁面２４に向かって開口するインピンジメント冷却孔からインピンジメント板２０の外壁面２３、リブ（第１のリブ）の壁面、および翼本体１１の背側の内壁面２４により形成された冷却空間内に吹き出して翼本体１１の腹側の内壁面２４をインピンジメント冷却した後、フィルム冷却孔から吹き出されるようになっている。

また、本実施形態に係るタービン静翼１０では、インピンジメント板３０に形成されたインピンジメント冷却孔３１を通過した冷却空気が、側部流路３２の前縁側開口端３３に向かって一様に流れ、側部流路３２の前縁側開口端３３から側部流路３２内に流入した冷却空気は、直線状の流路を有する側部流路３２およびヘッダ３５を通過した後、後縁流路３６を通って内側シュラウド１２および外側シュラウド１３の後縁から放出されるようになっている。

本実施形態に係るタービン静翼１０によれば、側部流路３２の前縁側開口端３３から流入した冷却空気を内側シュラウド１２および外側シュラウド１３の後縁（すなわち、後縁流路３６の下流側開口端）に導く流路の屈曲部は、側部流路３２の後縁側開口端３４とヘッダ３５の端部との接合（連通）部、およびヘッダ３５の中央部と後縁流路３６の上流側開口端との接合（連通）部の二つだけとされているので、流路の屈曲部における圧力損失（流路抵抗）を低減させることができ、冷却空気の流速を増加させることができて、内側シュラウド１２および外側シュラウド１３を効率よく冷却することができるとともに、インピンジメント板３０の内壁面と内側シュラウド１２の表面２５との間、およびインピンジメント板３０の内壁面と外側シュラウド１３の表面２６との間に形成された冷却空間内に流入する冷却空気量を低減させることができ、全体の冷却空気量（冷却空気の消費量）を低減させることができる。

また、本実施形態に係るタービン静翼１０によれば、インピンジメント板２７をインピンジメント冷却した冷却空気が、翼本体１１の背側の内壁面２４をインピンジメント冷却するとともに、翼本体１１の背側の外壁面（外周面）をフィルム冷却するのに利用されることとなる。
これにより、中央部に位置するキャビティＣ２，Ｃ３の背側で、かつ、リブ（第１のリブ）の壁面、リブ１４の壁面２２、およびインピンジメント板２０の内壁面２１により形成された空間内に流入する冷却空気量を低減させることができ、全体の冷却空気量（冷却空気の消費量）を低減させることができるとともに、温度の低い冷却空気がフィルム冷却孔から吹き出されるのを防止することができる。

さらに、本実施形態に係るタービン静翼１０によれば、圧力の低く、かつ、流速の遅い冷却空気が、中央部に位置するキャビティＣ２，Ｃ３の背側に形成されたフィルム冷却孔から吹き出され、翼本体１１の背側の外壁面に沿って、持続性の高い冷却空気による膜が均一に形成されることとなる。
これにより、燃焼ガス（高温ガス）から翼本体１１の表面（より詳しくは、翼本体１１の背側の外壁面）への熱伝達をより低減させることができて、フィルム効率を向上させることができる。

本実施形態に係るタービン静翼１０を備えたガスタービン１によれば、全体の冷却空気量が低減されることとなるので、ガスタービンの性能（出力）を向上させることができるとともに、フィルム冷却孔からの温度の低い冷却空気の吹き出しが低減されることとなるので、ガスタービンの熱効率を向上させることができる。

なお、本発明は第一段静翼のみに適用され得るものではなく、その他の段の静翼にも適用可能である。

本発明に係るタービン静翼を具備したガスタービンを示す図であって、車室上半部を取り外した状態を示す概略斜視図である。 本発明の一実施形態に係るタービン静翼を、その前縁と後縁とを結ぶ中心線に対して略直交する面で切った要部断面図である。 本発明の一実施形態に係るタービン静翼の外側シュラウドを、外側から見た斜視図である。

符号の説明

１ ガスタービン
１０ タービン静翼
１１ 翼本体
１２ 内側シュラウド
１３ 外側シュラウド
２５ 表面
２６ 表面
３０ インピンジメント板（衝突板）
３１ インピンジメント孔（***）
３２ 側部流路
３３ 前縁側開口端
３５ ヘッダ
３６ 後縁流路

Claims (2)

1. 翼本体の内側および外側にそれぞれ内側シュラウドおよび外側シュラウドを有するタービン静翼であって、
   前記内側シュラウドおよび／または前記外側シュラウドに、複数の***を有し、前記内側シュラウドおよび／または前記外側シュラウドの表面から間隔をあけて配設されて前記表面との間にチャンバを形成し、送り込まれた冷却媒体を前記***から前記チャンバ内へ流入させる衝突板と、前縁側に前縁側開口端を有し、両側部に沿って形成され、前記前縁側開口端から送り込まれた冷却媒体を後縁側へ導く側部流路と、後縁にて幅方向に沿って形成され、前記側部流路から冷却媒体が送り込まれるヘッダと、一端側が前記ヘッダに連通され他端側が後縁にて開口されて前記ヘッダに送り込まれた冷却媒体を後縁から放出する後縁流路とが設けられており、
   前記***から前記チャンバ内へ送り込まれた冷却媒体が、前記側部流路の前記前縁側開口端に向かって流れるように構成されていることを特徴とするタービン静翼。
2. 請求項１に記載のタービン静翼を備えてなることを特徴とするガスタービン 。

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