JPH09209706A - ガスタービンの蒸気冷却静翼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービンの蒸気冷却静翼において、蒸気
室の洩れを防止すると共に熱伸び差を吸収することがで
きるようにする。 【解決手段】 静翼のシュラウド１１に翼２０内部に流
れる冷却蒸気の蒸気室５を設けたガスタービン蒸気冷却
静翼において、シュラウド１１の蒸気室の蓋を互いに接
近した内外の二重の蓋３，２で構成し、内側の蓋３をシ
ュラウド１１との熱伸び差を吸収可能にすると共にその
全周を密封できるようにシュラウド１１に接合してシュ
ラウドとの間に蒸気室５ｂを形成し、外側の蓋２は蒸気
室５内外の差力差による耐重に耐える肉厚を有すると共
に周囲はシュラウド１１に固定されていないように接続
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、翼内部を蒸気で冷
却するようにしたガスタービンの蒸気冷却静翼に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のガスタービンの静翼では、圧縮機
吐出空気又はその中間段から抽気した空気を翼内部に流
して内面から冷却し、翼のメタル温度を主流のガス温度
より低いその材料の強度上許される値に維持している。

【０００３】従来の空気冷却方式のガスタービンの静翼
の１例を、図３ないし図６によって説明する。ガスター
ビンの静翼の翼２０の上下両側に設けられたシュラウド
１１，１２にはそれぞれ空気室５，５が設けられ、上方
のシュラウド１１の空気室５には、その中央付近の部分
に空気の排出管２２とその外側の部分に空気の供給管２
１が開口している。上方のシュラウド１１の空気室５
は、供給管２１に連絡する外側の室５ａと排出管２１に
連絡する内側の室５ｂに区画され、また、下方のシュラ
ウド１２の空気室５も外側の室５ａと内側の室５ｂに区
画され、かつ、室５ａ，５ｂは互いに連通しており、シ
ュラウド１１の空気室５ａ，５ｂとシュラウド１２の空
気室５の室５ａ，５ｂとは、それぞれ翼２０内に設けら
れた複数の通路４で連絡されている。

【０００４】図示しない圧縮機の吐出空気又はその中間
段から抽出した空気は、図３中矢印で示すように、供給
管２１から室５ａに入り、外側の通路４を経てシュラウ
ド１２の空気室の室５ａに入り、更にシュラウド１２の
空気室５の室５ｂに入った上内側の通路４を経てシュラ
ウド１１の空気室５の室５ｂに入り、排出管２２から排
出され、静翼の冷却を行っている。

【０００５】なお、１３，１４は、それぞれシュラウド
１１，１２の部分において、空気室５の蓋を形成する外
壁である。なお、２３は、シュラウド１１の空気室５の
室５ｂ内の供給管２１の下方に設けられた多穴のインピ
ンジング板であり、空気を同インピンジング板２３の穴
から噴流となって噴出させてシュラウド１１に衝突させ
て冷却効果を向上させるようになっている。

【０００６】また、空気の供給管２１と排出管２２の位
置を逆にして、図３に示す矢印とは逆方向に空気を流す
ようにすることもできる。

【０００７】前記の従来の空気冷却方式のガスタービン
の静翼の場合、翼内部の冷却空気を前記の通り自分の圧
縮機から取り出すので、翼の内外面間の差圧は小さい。

【０００８】しかし最近に至ってガスタービンの効率向
上のため、翼内部に従来の自分の圧縮機から取り出した
空気に代り蒸気を流して冷却する方式が提案されてい
る。

【０００９】この場合一般に従来の空気より高い圧力の
蒸気が使用される。例えばガスタービンの圧力比１８〜
２３程度の場合４０ａｔａ程度の蒸気が使用される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ガスタービンの静翼に
おいて、蒸気冷却を行う場合についての問題点を空気の
場合と比較して述べると、以下の通りである。

【００１１】（１）従来の空気冷却の場合には、冷却空
気は冷却作用を果した後主流中に放出される。従って、
冷却空気の圧力と翼の外面との圧力差は圧力比２０程度
の場合３〜４ｋｇｆ／ｃｍ² を超えることはなく、ま
た、翼へ冷却空気を導入する接続部分や仕切壁で洩れ零
を要求されない。一方蒸気冷却の場合には、差圧は蒸気
供給圧４０ａｔａとすると２０〜４０ｋｇｆ／ｃｍ² に
達し、また、洩れはサイクル特性上許されず、僅かの洩
れがあってもガスタービンの効率低下が著しい。

【００１２】（２）そこで、蒸気冷却の場合には、翼の
冷却蒸気を囲む壁は、前記の圧力差に耐え、かつ、完全
密封でなければならない。そのため、図３に示す構造を
採用した場合には、蒸気室の蓋となるシュラウドの外壁
１３，１４は充分な厚さを有し、かつ、シュラウド１
１，１２と強固に接合されなければならない。ところが
主流ガスに接するシュラウド１１，１２の壁の厚さ方向
の平均メタル温度は、規設計の例によると８００〜９０
０℃に達する。一方蓋である外壁１３，１４は主流ガス
に接していないので冷却用蒸気温度（例えば３００〜３
５０℃）に近い。従来の空気冷却の場合、外壁１３，１
４は、圧力差小でかつ、洩れ零を要求されていないので
比較的薄板でよく、その接合はシュラウドとの熱伸び差
を適当に吸収できるルーズな取り付け方法が許され、そ
の結果熱応力は低くすることができた。しかし蒸気冷却
の場合には温度差の大きな厚板同志を強固に接合するの
で大きな熱応力が発生する。

【００１３】（３）現在静翼に適した耐熱合金として
は、主としてＣＯ基合金例えばＸ−４５、ＥＣＹ７６８
等が採用されているが、これらの合金では、溶接性が悪
く翼シュラウド部にそれと同じ大きさ、肉厚の蓋を耐圧
強度を満足させるような溶接を行うことは容易ではな
い。また、翼に使用されるＮｉ基耐熱合金でも、溶接は
はなはだ困難である。このために、溶接に代ってロー付
けが採用されるが、広い面積に及んで信頼性のあるロー
付けを行うことも容易ではない。

【００１４】本発明は、以上の問題点を解決することが
できるガスタービンの蒸気冷却静翼を提供しようとする
ものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、静翼のシュラ
ウドに翼内部に流れる冷却蒸気の蒸気室を設けたガスタ
ービン蒸気冷却静翼において、シュラウドの蒸気室の蓋
を互いに接近して配置された内外の二重の蓋で構成し、
内側の蓋はシュラウドとの熱伸び差を吸収可能に形成す
ると共にその全周が密封されるようにシュラウドに接合
してシュラウドとの間に蒸気室を形成し、外側の蓋は蒸
気室内外の差力差による耐重に対する肉厚を有すると共
に周囲はシュラウドに固定されていない状態でシュラウ
ドに接続されていることを特徴とする。

【００１６】本発明では、冷却蒸気を収容するシュラウ
ドの蒸気室の洩れに対する密封作用と密封であるように
接合したことによる熱伸び差の吸収は内側の蓋が分担す
る。しかし、蒸気室の内側の蓋は、広い面に対して耐圧
強度は期待できない。そこで広い面全体の荷重は、シュ
ラウドの蒸気室内の蒸気の圧力によって内側の蓋が変形
して接近して位置する外側の蓋に接触して蒸気室の外側
の肉厚の大きい蓋が分担する。しかし、外側の蓋はシュ
ラウドは周囲でシュラウドに固定されていないので熱応
力を軽減できる。しかも、本発明では、熱伸び差を吸収
する蒸気室の内側の蓋のみがシュラウドに接合されるに
止まるので、溶接性の悪い翼用耐熱合金の大規模な溶接
を避けることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の実施の第１の形態を、図
１によって説明する。本実施の形態は、図３〜図６に示
す空気冷却方式のガスタービンの静翼を以下述べるよう
な改良を行って蒸気冷却方式のガスタービンの静翼に適
用したものであり、図１において変更のない部分は図３
〜図６におけると同一の符号を付し、その説明を省略す
る。

【００１８】即ち、本実施の形態では、供給管２１に蒸
気を供給し排出管２２から蒸気を排出するようにし、図
３〜図６に示される空気室５が蒸気室５に変更されてい
る。

【００１９】また、上方のシュラウド１の空気１の蒸気
室５の蓋は、互いに接近して配置された金属製の外側
（上側）の蓋２と内側の蓋３で構成され、外側の蓋２は
蒸気室５と蒸気室５外の雰囲気との差力差による荷重に
耐える肉厚を有し、また、内側の蓋３は薄板で構成され
ると共に縦横に形成された波形を有するように構成さ
れ、シュラウド１の熱伸び差を吸収できるようになって
いる。

【００２０】図示を省略したが、下方のシュラウド（図
３に符号１２で示す）にも、供給管２１及び排出管２２
がない点を除いて、前記の上方のシュラウド１と同様な
外側の蓋と内側の蓋を備えた蒸気室が設けられている。

【００２１】前記内側の蓋３の水平方向内側の周縁部
は、空気室の室５ａ，５ｂを区画するシュラウド１１の
部分にロー付け又は溶接によってその全周が密封される
ように接合され、また、内側の蓋３の水平方向の外側の
周縁部は、蒸気室の室５ｂを形成する水平方向外側のシ
ュラウド１１の部分に設けられた溝１１ａ内に挿入され
た上同部分にロー付け又は溶接によってその全周が密封
されるように接合されている。これによって、内側の蓋
３の下方のシュラウド１１内には同蓋３によって密封さ
れた蒸気室５の室５ｂが形成される。

【００２２】前記外側の蓋２の水平方向内側の周縁部
は、蒸気室の室５ａ，５ｂを区画するシュラウド１１の
部分とは若干の間隙をおくように配置され、また、外側
の蓋２の水平方向の外側の周縁部は、シュラウド１１の
蒸気室の室５ｂを形成する水平方向外側の部分に設けら
れた溝１１ａ内にシュラウド１１に対して移動可能に挿
入され、かつ、外側の蓋２と溝１１ａとの係合によって
荷重を蓋２からシュラウド１１に伝達することができる
ようになっている。

【００２３】なお、シュラウド１１の溝１１ａに外側の
蓋２を挿入するために、溝１１ａより上方のシュラウド
１１ａの部分に切欠を設けて溝１１ａを入溝構造とする
か、蓋２を分割する等の手段が採用される。

【００２４】本実施の形態は以上のように構成されてい
るので、蒸気室５ｂ内の蒸気温度によるシュラウド１１
との熱伸び差は内側の蓋３によって吸収され、かつ、蒸
気室５の密封が保持される。この場合外側の蓋２は、シ
ュラウド１１に対して自由であり、何らの熱伸び差によ
る荷重が作用することはない。

【００２５】また、蒸気室の室５ｂ内の蒸気圧力と翼の
外面との圧力差によって、内側の蓋３は外方へ変形して
外側の蓋２に接触し、荷重は外側の蓋２からシュラウド
１１の溝１１ａとの係合部を経てシュラウド１１へ伝え
られる。従って、前記圧力差による荷重は充分な肉厚を
有する外側の蓋２によって分担され、内側の蓋３にこの
荷重がかかることはない。

【００２６】また、本実施の形態では、薄板の内側の蓋
３の周縁部のみをシュラウド１１にロー付け又は溶接に
よって接合するので、溶接性の悪い耐熱合金の大規模な
溶接をさけて製作が容易である。

【００２７】本発明の実施の第２の形態を、図２によっ
て説明する。本実施の形態は、前記本発明の実施の第１
の形態において、外側の蓋２を蒸気室５を形成するシュ
ラウド１１の部分を覆うように形成された車室の壁で兼
用させるようにし、内側の蓋３は、前記本発明の実施の
第１の形態と同様にシュラウド１１にその全周が密封す
るように接合した。前記車室の壁で構成される外側の蓋
２の水平方向内側の周縁部は、シュラウド１１の蒸気室
５の室５ａ，５ｂを区画する部分より若干の間隙をおく
ように配置され、また、外側の蓋２下側には、シュラウ
ド１１の蒸気室５ｂを形成する水平方向外側の部分が接
触するようにしている。

【００２８】本実施の形態においても、前記本発明の実
施の第１の形態と同様な作用及び効果を奏することがで
きる。

【００２９】

【発明の効果】本発明に、請求項に記載された構成を具
備しているので、蒸気室の密封性を確保した状態でガス
タービンノズルの蒸気冷却静翼における高差圧に対し耐
久性が確保されると共に熱伸び差による熱応力も吸収す
ることができる。また、これに加えて、熱伸び差を吸収
する内側の蓋だけがシュラウドに密封されるように接合
されるので、広い面積にわたって信頼性の高い溶接或い
はロー付け等を内側の蓋の接合を行うことができる。

【００３０】従って、主流ガス中に蒸気が洩れることが
防止され、ガスタービンノズルの信頼性が向上させると
共に、熱効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の第１の形態の断面図である。

【図２】本発明の実施の第２の形態の断面図である。

【図３】従来の空気冷却方式のガスタービン静翼の断面
図である。

【図４】図３のＡ−Ａ矢視断面図である。

【図５】図３のＢ−Ｂ矢視断面図である。

【図６】図３のＣ矢視図である。

【符号の説明】

２ 外側の蓋 ３ 内側の蓋 ４ 通路 ５ 蒸気（空気室） ５ａ，５ｂ 蒸気室の室 １１，１２ シュラウド １１ａ 溝 ２０ 翼 ２１ 供給管 ２２ 排出管

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 静翼のシュラウドに翼内部に流れる冷却
   蒸気の蒸気室を設けたガスタービン蒸気冷却静翼におい
   て、シュラウドの蒸気室の蓋を互いに接近して配置され
   た内外の二重の蓋で構成し、内側の蓋はシュラウドとの
   熱伸び差を吸収可能に形成すると共にその全周が密封さ
   れるようにシュラウドに接合してシュラウドとの間に蒸
   気室を形成し、外側の蓋は蒸気室内外の差力差による荷
   重に対する肉厚を有すると共に周囲は固定されていない
   状態でシュラウドに接続されていることを特徴とするガ
   スタービンの蒸気冷却静翼。