JP4898731B2 - ガスタービン冷却構造およびこれを備えたガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン冷却構造およびこれを備えたガスタービンに関するものである。

近年、ガスタービン性能向上のため、タービンに流入する燃焼ガスの入口温度は上昇傾向にあり、将来的には1700℃に達する。タービン出口温度や段数を変更しない場合、必然的にガス入口／出口圧力比が上昇し、各段および翼への負荷は増加する。これにより、馬蹄渦などによる局所熱伝達が促進され、熱負荷が増加する。このような熱負荷の増加に対応するため、インピンジメント冷却とフィルム冷却を組み合わせて冷却を強化する構造が提案されている。
例えば、下記特許文献１では、図８に示されているように、静翼１が固定されたシュラウド５の背面に、格子７によって区切られた複数の冷却セル８が形成された冷却構造が提案されている。シュラウド５にはフィルム冷却穴Ｅが形成され、囲い板６にはインピンジメント冷却穴Ｄが形成されている。フィルム冷却穴Ｅ及びインピンジメント冷却穴Ｄは、各冷却セル８に対して設けられている。このような構成により、クロスフローの発生を抑え、インピンジメント冷却を行う噴流速度の低下を防いで冷却性能の向上を図っている。

特許第３０９５６３３号公報（図１参照）

フィルム冷却では、少なくとも燃焼ガスの主流圧力以上の高圧で流体を吹き出すため、フィルム流速を大きくして比較的高い質量流速比を確保する必要がある。しかし、フィルム流速が大きいとフィルム流体が主流へ貫通してしまい、壁面へフィルム状に冷却空気が拡散せず、冷却効率が低下してしまう。これを補うために、冷却空気量を増加せざるを得なくなり、ガスタービン性能の低下の一因となっている。
特に、特許文献１記載の技術では、インピンジメント冷却の流体がシュラウド５の背面に対して垂直に吹き付けられているので、フィルム流体が主流へ貫通するおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、インピンジメント冷却とフィルム冷却を組み合わせた冷却構造に対して、効果的なフィルム冷却を実現することができるガスタービン冷却構造およびこれを備えたガスタービンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のガスタービン冷却構造およびこれを備えたガスタービンは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるガスタービン冷却構造は、燃焼ガスが流通する燃焼ガス空間に接する壁部と、該壁部によって前記燃焼ガスから隔てられた該壁部の背面に形成され、冷却流体が導入される複数のセルとを備え、これらセルのそれぞれには、前記燃焼ガス空間に前記冷却流体を流出させて前記壁面のフィルム冷却を行うフィルム冷却穴と、前記壁部の前記背面に向けて前記冷却流体を衝突させてインピンジメント冷却を行うインピンジメント冷却穴とが形成されたガスタービン冷却構造において、前記インピンジメント冷却穴は、前記セル内で旋回流が形成されるように前記壁部の法線に対して所定角度傾斜させて形成されていることを特徴とする。

インピンジメント冷却穴を壁部の法線に対して所定角度傾斜させ、セル内で旋回流を形成することとしたので、角運動量を保持した旋回流として冷却流体がフィルム冷却穴を通り拡散しながら燃焼ガス空間へと流出する。燃焼ガス空間へと流出する冷却流体は旋回流となっているので、流出後の冷却流体は、燃焼ガスの主流を貫通することなく壁部表面に沿って拡散して流れることとなり、効果的なフィルム冷却が行われる。

さらに、本発明のガスタービン冷却構造では、前記各セルは、前記壁部に対して固定されるハニカム構造体と、該ハニカム構造体を前記壁部との間に狭持して固定するとともに、前記インピンジメント冷却穴が形成された蓋板とによって形成されていることを特徴とする。

壁部との間でハニカム構造体を蓋板で狭持することによって各セルを形成することとした。これにより、簡便な構造で複数のセルを構成することができる。

さらに、本発明のガスタービン冷却構造では、前記蓋板を前記壁部側に押圧する弾性部材を備えていることを特徴とする。

蓋板を押圧することによってハニカム構造体を壁部との間で固定することができるので、溶接等の接合が不要となる。これにより、負荷変化による熱膨張差を吸収でき、破壊の可能性を低減することができる。

さらに、本発明のガスタービン冷却構造では、前記各フィルム冷却穴の下流端には、該フィルム冷却穴よりも大きな流路断面積を有するクレータ穴が形成されていることを特徴とする。

フィルム冷却穴の下流端にフィルム冷却穴よりも大きな流路断面積を有するクレータ穴を形成し、クレータ穴に流入した冷却流体の流速を下げることとした。これにより、冷却流体の滞留時間を増加させることができ、フィルム冷却の拡散性能が増大する。

さらに、本発明のガスタービン冷却構造では、複数の前記フィルム冷却穴の下流端を接続する接続溝が形成されていることを特徴とする。

複数のフィルム冷却穴の下流端を接続する接続溝を設け、接続溝に流入した冷却流体の流速を下げることとした。これにより、冷却流体の滞留時間を増加させることができ、フィルム冷却の拡散性能が増大する。

さらに、前記壁部としては、ガスタービン翼の翼壁またはシュラウド壁とされていることが好適である。

また、本発明のガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機によって圧縮された空気を用いて燃料を燃焼させる燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービン部と、を備えたガスタービンにおいて、上記のいずれかのガスタービン冷却構造を備えていることを特徴とする。

上記のいずれかのガスタービン冷却構造をガスタービンに用いることにより、フィルム冷却が効果的に行われることで、冷却空気を大量に消費せずに効率の良いガスタービンを提供することができる。

インピンジメント冷却穴を壁部の法線に対して所定角度傾斜させ、セル内で旋回流を形成することとしたので、燃焼ガス空間へと流出した後の冷却流体は、燃焼ガスの主流を貫通することなく壁部表面に沿って拡散して流れることとなり、効果的なフィルム冷却を実現することができる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を用いて説明する。
本実施形態にかかるガスタービン冷却構造は、ガスタービンの静翼のシュラウドや静翼のプロファイル部（翼壁）に用いることができる。
静翼のシュラウド５の冷却に用いる場合には、図３に示すように、冷却が必要な領域５Ａ〜Ｅごとにガスタービン冷却構造を分割して用いることができる。

図１には、ガスタービン冷却構造として用いられる、一つの冷却セル８の断面が示されている。この冷却セル８は、図８を用いて説明したように、格子によって区切られている。なお、図８に対して、本実施形態は、インピンジメント冷却穴Ｄの形状が主として異なり、基本的な構成は同様となっている。本実施形態に示したガスタービン冷却構造は、「V-cellフィルム」と称せられる。
シュラウド５（壁部）には、フィルム冷却穴Ｅが形成されている。図１において、シュラウド５の上面が燃焼ガス空間１０を流れる燃焼ガスと接する表面となっており、シュラウド５の下面が冷却セル８が形成される背面となっている。フィルム冷却穴Ｅの直径は、例えば１ｍｍ程度とされる。
囲い板（蓋板）６には、インピンジメント冷却穴Ｄが形成されている。このインピンジメント冷却穴Ｄから、冷却空気が冷却セル８内に供給される。冷却流体として用いられる冷却空気は、燃焼用空気を圧縮する圧縮機によって圧縮された空気の一部が用いられる。インピンジメント冷却穴Ｄの直径は、例えば１ｍｍ程度とされる。シュラウド５の背面と囲い板６との間の距離、すなわち冷却セル８の高さは、インピンジメント冷却穴Ｄの直径の２〜４倍程度とされる。

インピンジメント冷却穴Ｄは、冷却セル８内で冷却空気による旋回流ＣＦが形成されるように、シュラウド５の法線に対して所定角度傾斜させて形成されている。すなわち、インピンジメント冷却穴Ｄから流入した冷却空気は、シュラウド５の背面に対して所定の入射角を有して衝突させられる。シュラウド５の背面に衝突した冷却空気は、シュラウド５の背面上を流れ、図２に示すように旋回流ＣＦを形成する。特に、図２に示したように、インピンジメント冷却穴Ｄから流入する冷却空気が円周方向に沿うように流れるようにすることによって、より大きな角運動量を有する旋回流ＣＦが形成される。

このように形成された冷却空気の旋回流ＣＦは、最終的にフィルム冷却穴Ｅから燃焼ガス空間１０へと流出する。この際に、冷却空気は、角運動量を保持した旋回流となっているので、図１に示すように、フィルム冷却穴Ｅ内で旋回方向（図１において水平方向）に拡散しながら流出する。これにより、流出後の冷却空気は、燃焼ガスの主流を貫通することなくシュラウド５の表面に沿って拡散して流れることとなり、効果的なフィルム冷却が行われる。

なお、フィルム冷却穴Ｅの径を、インピンジメント冷却穴の径の２倍程度（例えば直径２ｍｍ程度）まで拡大して、フィルム冷却孔Ｅ内での旋回による拡散効果を高めるようにしても良い。このように、フィルム冷却穴Ｅの径を大きくすることで、フィルム冷却穴の総数を減らすことができ、加工コストを低減することができる。また、フィルム冷却穴Ｅの径を大きくすることで、目詰まりを防止することもできる。

また、複数の独立した冷却セル８は、図４に示すように、ハニカム構造体１１と、囲い板６とによって形成することができる。ハニカム構造体１１は、６角形断面を有する複数の部屋を有している。ハニカム構造体１１としては、インコネルを用いることができる。このハニカム構造体１１を、シュラウド５と囲い板６とによって狭持する。このような構成により、簡便な構造で複数の冷却セルを有するガスタービン冷却構造を製作できる。
図４に示した構造を、図３に示した各領域５Ａ〜Ｅに対応する形状に加工することによって、所望の形状の冷却構造を得ることができる。

また、図５に示すように、囲い板６と押え板１３との間に複数のバネ（弾性部材）１５を配置することによって、囲い板６をシュラウド５側に押圧して固定することとしても良い。このようにしてハニカム構造体１１及び囲い板６をシュラウドに対して一体的に固定することによって、溶接等の接合が不要となる。これにより、負荷変化による熱膨張差を吸収でき、破壊の可能性を低減することができる。

なお、図６に示すように、フィルム冷却穴Ｅを変形しても良い。すなわち、フィルム冷却穴Ｅの下流端に、フィルム冷却穴Ｅよりも大きな流路断面積を有するクレータ穴１７が形成されている。これにより、クレータ穴１７に流入した冷却空気の流速を下げることとし、冷却流体の滞留時間を増加させて、フィルム冷却の拡散性能を増大させることができる。

また、図７に示すように、フィルム冷却穴Ｅを変形しても良い。すなわち、複数のフィルム冷却穴Ｅの下流端を接続する接続溝１９を形成する。これにより、接続溝１９に流入した冷却流体の流速を下げることとし、冷却流体の滞留時間を増加させて、フィルム冷却の拡散性能を増大させることができる。

本発明のガスタービン冷却構造の一実施形態を示した縦断面図である。 図１のガスタービン冷却構造の平面図である。 ガスタービン冷却構造が適用される領域を示した静翼シュラウドの正面図である。 ハニカム構造体によって冷却セルを構成したガスタービン冷却構造の斜視図である。 図４のハニカム構造体をバネによって固定した状態を示した斜視図である。 フィルム冷却穴の第１変形例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図である。 フィルム冷却穴の第２変形例を示した斜視図である。 従来のガスタービン冷却構造を示した部分断面斜視図である。

符号の説明

５ シュラウド（壁部）
６ 囲い板（蓋板）
８ 冷却セル
１０ 燃焼ガス空間
１１ ハニカム構造体
１５ バネ（弾性体）
１７ クレータ穴
１９ 接続溝
Ｄ インピンジメント冷却穴
Ｅ フィルム冷却穴

Claims (7)

1. 燃焼ガスが流通する燃焼ガス空間に接する壁部と、
   該壁部によって前記燃焼ガスから隔てられた該壁部の背面に形成され、冷却流体が導入される複数のセルと、を備え、
   これらセルのそれぞれには、前記燃焼ガス空間に前記冷却流体を流出させて前記壁面のフィルム冷却を行うフィルム冷却穴と、前記壁部の前記背面に向けて前記冷却流体を衝突させてインピンジメント冷却を行うインピンジメント冷却穴とが形成されたガスタービン冷却構造において、
   前記インピンジメント冷却穴は、前記セル内で旋回流が形成されるように前記壁部の法線に対して所定角度傾斜させて形成されていることを特徴とするガスタービン冷却構造。
2. 前記各セルは、前記壁部に対して固定されるハニカム構造体と、該ハニカム構造体を前記壁部との間に狭持して固定するとともに、前記インピンジメント冷却穴が形成された蓋板とによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン冷却構造。
3. 前記蓋板を前記壁部側に押圧する弾性部材を備えていることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン冷却構造。
4. 前記各フィルム冷却穴の下流端には、該フィルム冷却穴よりも大きな流路断面積を有するクレータ穴が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のガスタービン冷却構造。
5. 複数の前記フィルム冷却穴の下流端を接続する接続溝が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のガスタービン冷却構造。
6. 前記壁部は、ガスタービン翼の翼壁またはシュラウド壁とされていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のガスタービン冷却構造。
7. 空気を圧縮する圧縮機と、
   該圧縮機によって圧縮された空気を用いて燃料を燃焼させる燃焼器と、
   該燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービン部と、を備えたガスタービンにおいて、
   請求項１から６のいずれかに記載のガスタービン冷却構造を備えていることを特徴とするガスタービン。

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