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1. WO1998050684 - GAS TURBINE COOLING STATIONARY BLADE

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ガスタービンの冷却静翼

発明の背景

発明の属する技術分野

本発明は、ガスタービンの蒸気冷却静翼に関し、特に、冷却媒体として蒸 気を用い、翼と共に内側シュラウ明ドも蒸気冷却するようにしたガスタービンの冷 却静翼に関する。

関連技術の説明

図 5は、従来の代表的なガスタービン静書翼の空気冷却方式を示す図である 。この図において、 4 0は静翼であり、 4 1がその外側シュラウド、' 4 2が内側 シュラウドである。 4 3 A, 4 3 B , 4 3 C, 4 3 D, 4 3 Eは、各々空気通路 である。 4 5は、翼の後縁であり、 4 4は、後縁の空気噴出穴、 4 6は、これら 空気通路 4 3 A〜4 3 E内壁に設けられたタービユレ一夕で、流入する空気流を 乱し、熱伝達を向上させるものである。

この静翼の空気冷却方式では、冷却空気 4 7が外側シュラウド 4 1から空 気通路 4 3 Aに流入し、基部側(内側シュラウド側)に流れ、この基部側より次 の空気通路 4 3 Bに入り、先端部側(外側シュラウド側)に流れて次の空気通路 4 3 Cに入り、以下同様に空気通路 4 3 D, 4 3 Eと順次流れて翼を冷却する。 そして、空気通路 4 3 Eにおいて、この冷却空気は、後縁 4 5の空気噴出穴 4 4 より噴出されると共に、残りの空気は、内側シュラウド 4 2の下方から流出する

このように構成された静翼の空気冷却方式では、空気通路 4 3 A〜 4 3 E でサーペンタイン冷却経路を構築し、この経路に冷却空気を流して翼を冷却する ようになつている力、シュラウドの冷却については、全く考慮されていない。

図 4は、蒸気を用いて翼を冷却すると共に、空気を用いてシュラウドを冷 却する静翼の一例を示している。この静翼に使用された蒸気冷却方式は、未だ実 用化されていないが、本出願人により研究されている一例を示したものである。 図において、 3 0は静翼であり、上部の外側シュラウドは省略し、翼の一部を示 している。 3 1は、その内側シユラウドである。 3 3 A, 3 3 B , 3 3 C , 3 3 D, 3 3 E , 3 3 Fは、各々静翼内部の蒸気通路である。

上記のように構成された静翼において、冷却蒸気 3 9は、外側シュラウド (図示せず)の前縁部より蒸気通路 3 3 Aに流入し、その基部側(内側シュラウ ド側)より蒸気通路 3 3 Bへ流入し、その上部(外側シュラウド側)より次の蒸 気通路 3 3じへ、同様に順次蒸気通路 3 3 D, 3 3 Eへ流れて、蒸気通路 3 3 E の基部側より後縁側の蒸気通路 3 3 Fへ流入し、翼内部を冷却した後、外側シュ ラウドの蒸気回収口より回収される。

一方、内側シュラウド 3 1の冷却は、冷却空気により行なわれ、内側シュ ラウド 3 1の下部から導かれた冷却空気 3 7は、一端より内側シュラウド 3 1の 内部の空気冷却通路に流入し、この空気冷却通路内を一端側から他端側へ流れて 内側シュラウド 3 1全体を冷却し、他端側の空気噴出孔 3 8より流出し、全体を 空気冷却している。

前述のように、図 5に示す従来のガスタービンの静翼においては、空気冷 却方式は、専ら翼を冷却するために用いられており、内側シュラウドの冷却には 、全く採用されていない。また、図 4に本出願人の創作した一例として示した空 気冷却方式では、冷却空気を内側シュラウド 3 1内の空気冷却通路内に流入させ 、内側シュラウドの一端側より他端側へ流してシュラウドの表面を内部から冷却 し、他端側の空気噴出孔 3 8より流出させて行うものである。さらに、この場合 に図示していないが、内側シュラウド 3 1内面に凹部を設け、この内側シュラウ ド内面と平行にィンピンジ板を配して、下部より供給する冷却空気 3 7をインピ ンジ板に当てて多数の穴より噴出させ、シュラウド内を均一に空気で冷却するこ とも本出願人は開発中である。

し力、し、上記のような図 5に示す空気冷却方式では、冷却のために多量の 空気を消費すると共に、冷却後の空気は燃焼ガス通路へ放出され、このため圧縮 機やクーラーの相当な動力を消費するという問題点があった。また、冷却後の空 気を燃焼ガス通路へ放出するため、冷却空気が燃焼ガスに混入して、ガス温度を 低下させ、タービン効率の低下を招くという問題点もあった。

一方、図 4に示す翼の蒸気冷却方式では、蒸気を用いて翼の冷却を行い、 冷却後の蒸気は回収されて蒸気供給源に戻されるので、蒸気の有効活用を行うこ とはできる。し力、し、蒸気による冷却は、翼に対してのみであり、内側シュラウ ドには、空気冷却方式が用いられ、内側シュラウド冷却後の空気は、ガスタービ ン内を流れる主流の燃焼ガスに放出される。従って、上記の図 5に示した翼を空 気冷却するものよりは、冷却空気量は少く、節減することができるが、いずれに しても冷却空気を必要とし、且つ燃焼ガスへの混入により燃焼ガスの温度を低下 させるため、タービン効率の低下につながるという問題点があつた。

発明の目的

そこで、上記問題点を解決するために、本発明の主たる目的は、翼内部の 冷却のみならず、内側シュラウドの冷却も総て蒸気冷却とし、且つ、冷却後の蒸 気は総て回収して蒸気供給源に戻して有効活用できるようにし、冷却空気を必要 とせず、タ一ビンの効率を向上させることのできるガスタービン冷却静翼を提供 することにある。

又、本発明の別の目的は、内側シュラウドを冷却する場合の蒸気通路の構 造を簡素化し、組立及び加工の面においても有利となるガスタービン冷却静翼を 提供することにある。

発明の概要

本発明は、上記の目的を達成するために、次の(1 ) 〜(5 ) の手段を提 供する。

( 1 ) 本発明に係るガスタービンの冷却静翼は、外側シュラウドと、内側 シュラウドと、該外側及び内側シュラウドの間に配設され前縁及び後縁を備える 静翼と、該静翼の内部に設けられ冷却蒸気を流す第一の蒸気冷却手段と、前記内 側シュラウドに設けられ且つ前記第一の蒸気冷却手段に連通して前記冷却蒸気の

一部を流す第二の蒸気冷却手段とを備えていることを特徴とする。

上記の本発明の(1 ) においては、第一及び第二の蒸気冷却手段により、 静翼内部を蒸気で冷却すると共に、内側シュラウドも蒸気で冷却することが可能 となり、従来のように冷却空気が不要となり、圧縮機やクーラーにおける動力の 消費を節約すると共に、冷却空気が燃焼ガス通路へ放出されないので、燃焼ガス 温度が低下せず、タービン効率の低下を防ぐ。

( 2 ) 上記(1 ) において、本発明に係るガスタービンの冷却静翼は、前 記第一の蒸気冷却手段と前記第二の蒸気冷却手段とは、前記静翼の前記前縁側及 び前記後縁側において各々連通しており、前記冷却蒸気の一部が、前記静翼の前 記前縁側において前記第一の蒸気冷却手段から前記第二の蒸気冷却手段に流入す ると共に、該第二の蒸気冷却手段を通る前記冷却蒸気が前記静翼の前記後縁側に お ^、て前記第一の蒸気冷却手段へ戻ることを特徴とする。

上記の本発明の(2 ) においては、内側シュラウドの第二の蒸気冷却手段 に前縁側から流入した一部の冷却蒸気は、その後縁側から第一の蒸気冷却手段に 回収されるので、蒸気の有効利用ができ、効率的である。

( 3 ) 上記(2 ) において、本発明に係るガス夕一ビンの冷却静翼は、前 記第一の蒸気冷却手段が第一の蒸気通路であり、前記冷却蒸気が前記静翼の前記 前縁側の該蒸気通路へ外側シュラウドを介して流入し、前記後縁側の該蒸気通路 より外側シュラウドを介して流出することを特徴とする。

上記の本発明の(3 ) においては、冷却蒸気が蒸気通路内を流れるので、 翼を効率的に冷却できると共に、翼に流入した冷却蒸気は翼及び内側シュラウド を冷却することにより相対的に温度が上昇し、外側シュラウドを介して回収され て蒸気供給源へ戻され、有効活用されるので、タービンの効率が向上する。

( 4 ) 上記(2 ) または(3 ) において、本発明に係るガスタービンの冷 却静翼は、前記第二の蒸気冷却手段が第二の蒸気通路であり、前記内側シュラウ ドの端部周囲に配設されていることを特徴とする。

上記の本発明(4 ) においては、冷却蒸気が内側シュラウド周囲を流れ、 内側シュラウドを効率的に冷却する。

( 5 ) 上記(1 ) において、本発明に係るガスタービンの冷却静翼は、前 記内側シュラウドの前記第二の蒸気冷却手段が、該内側シュラウド周囲側面に沿 つて設けられた溝と、該溝を塞ぐ側板から構成されることを特徴とする。

上記の本発明(5 ) においては、第二の蒸気冷却手段をこのように構成し たことにより、内側シュラウドの端部への形成が容易となる。

図面の簡単な説明

図 1は、本発明の実施の一形態に係るガスタービンの冷却静翼の概略図で ある。

図 2は、本発明の実施の一形態に係るガスタービンの冷却静翼における内 側シュラウドの内部断面図である。

図 3は、図 2における A— A断面図であり、(a ) 、 ( b ) 、 ( c ) は、 各々異なつた構造例を示している。

図 4は、本発明に関連する本出願人により創作された一例に係るガスター ビンの冷却静翼の概略図である。

図 5は、従来のガスタービン静翼の内部説明図である。

好適な実施例の説明

以下に、添付の図面を参照しながら、本発明の現在好適であると考えられ る実施形態及びそれに代わる他の実施形態について、詳細に説明する。以下の説 明において、各図面を通じて同様の構成要素には、同一の参照符号を付する。ま た、以下の説明中、「右」、「左」、「上」、「下」等の用語は、便宜上使用す るもので、これらの用語を限定的に解釈すべきでないことを記しておく。

実施例 1 .

図 1は、本発明の実施一形態に係るガスタ一ビンの冷却静翼の概念図であ る。図において、符号 3 1乃至 3 3 A〜3 3 Fは、図 4に示す本出願人により開 発中のガスタービンの冷却静翼と同一機能を有するものであり、既に説明したの で、詳しい説明は省略する。本発明の特徴部分は、本出願人が開発中であるガス

タービンの冷却静翼を更に改良し、翼 3 0内部のみならず、内側シュラウド 3 1 の端部も蒸気冷却するような構成としたことである。

図 1において、冷却蒸気 3 9は、図 4の一例と同様に、静翼 3 0の前縁側 の外側シュラウド(図示せず)より蒸気通路 3 3 Aへ流入し、この蒸気通路 3 3 Aより蒸気通路 3 3 Bへ入り、上方(外側シュラウド側)へ流れて蒸気通路 3 3 Cへ流入する。以下同様に蒸気通路 3 3 C, 3 3 Dと流れて蒸気通路 3 3 Eの下 部 (内側シュラウド側)より翼 3 0の後縁の蒸気通路 3 3 Fに流入し、これらの 過程において翼内部を冷却し、上部の外側シュラウド(図示せず)の蒸気回収口 より回収される。

一方、前縁の蒸気通路 3 3 Aから流入した冷却蒸気 3 9の一部は、この蒸 気通路 3 3 Aの下部より内側シュラウド 3 1内に入り、蒸気流入通路 2 2から蒸 気通路 2 0へ流れる。蒸気通路 2 0は、内側シュラウド 3 1の端部周囲に設けら れており、蒸気流入通路 2 2より左右に分れて流れ、両側端部を通って後縁側の 蒸気流出通路 2 1へ両側から流入する。この蒸気流出通路 2 1に流入した冷却蒸 気は、この通路に連通する後縁の蒸気通路 3 3 Fへ入り、翼内部の蒸気通路 3 3 A〜3 3 Eを介して蒸気通路 3 3 Fに流入する冷却蒸気と合流し、上方に流れて 外側シュラウド(図示せず)の蒸気回収口から回収される。このようにして、冷 却蒸気は、翼 3 0内部を蒸気冷却すると共に、その一部の蒸気により、内側シュ ラウド 3 1の端部も冷却し、静翼全体を蒸気冷却することができる。

図 2は、上述した実施の形態における冷却翼の内側シュラウド 3 1の内部 断面図である。図において、内側シュラウド 3 1の端部周囲に設けられたリブ 3 5には、蒸気通路 2 0が設けられており、翼の前縁側には、この蒸気通路 2 0と 蒸気通路 3 3 Aとを連通する蒸気流入通路 2 2が、また翼の後縁側には、蒸気通 路 3 3 Fと蒸気通路 2 0とを連通する蒸気流出通路 2 1が各々設けられている。

冷却蒸気は、図面において太い実線で示したように、静翼 3 0の前縁側の 蒸気通路 3 3 Aより蒸気流入通路 2 2を通り、蒸気通路 2 0に流入し、左右に分 かれて内側シュラウド 3 1の両側端部を通り、静翼の後縁側に流れ、蒸気流出通 路 2 1より静翼後縁の蒸気通路 3 3 Fへ流出し、内側シュラウド 3 1の周囲を冷 却する。

図 3 ( a ) 、 ( b ) 、 ( c ) は、図 2における A— A断面図であり、各々 異なった構造例の蒸気通路 2 0を示している。図 3 ( a ) 、(b ) 、(c ) のい ずれの構造も、最初に、内側シュラウド 3 1の端部に設けられたリブ 3 5に溝を 形成しておく。そして、図 3 ( a ) における構造は、この溝の端部に溝とほほ同 じ幅の側板 2 3を挿入して固定することにより、蒸気通路 2 0を画成するもので ある。また、図 3 ( b ) の構造は、リブ 3 5に形成された溝に、この溝の幅とほ ぼ同じ幅を有する突起部を備えると共に、リブ 3 5及び内側シュラウド 3 1の端 部幅と同じ幅を有する側板 2 4を嵌め込んで固定することにより、蒸気通路 2 0 を画成するものである。さらに、図 3 ( c )の構造は、リブ 3 5に形成された溝全 体を塞ぐように、リブ 3 5及び内側シュラウド 3 1の端部と同一厚さの側板 2 5 を取付て固定することにより、蒸気通路 2 0を画成するものである。

なお、内側シュラウド 3 1の蒸気通路 2 0となる溝を側板で塞いだ後、こ の溝と側板との当接部に符号 3 6で示す線溶接或いはロー付等を施し、蒸気洩れ を無くすることが望ましい。また、これらのいずれの構造も、本発明に係るガス タービンの冷却静翼に適用できるものであり、さらにまた、蒸気通路 2 0の構造 は、これらの構造のみに限定されるものではなく、内部をくり抜いて一体成形し ても良く、又、その形状も角状のみでなく丸形でも良いものである。

以上説明の実施の形態によれば、内側シュラウド 3 1の端部周囲に蒸気通 路 2 0を形成し、翼の前縁側の蒸気通路 3 3 Aより蒸気流入通路 2 2を介して蒸 気通路 2 0に流入し、内側シュラウド 3 1の両側端部を通って翼の後縁側の蒸気 流出通路 2 1を介して後縁の蒸気通路 3 3 Fより流出する構成としたので、静翼 3 0の内部のみならず、内側シュラウド 3 1も蒸気により冷却することができ、 冷却に用いていた空気を削減し、さらには圧縮機やクーラの動力を低減すること ができる。

更に、冷却に用いた蒸気は回収され、冷却作用により蒸気に吸収された熱 は、蒸気供給源において再利用することができ、空気を使用しない効果も伴って タービンの効率が大幅に向上するものである。

以上、図面を参照し、本発明の現在好適であると考えられる実施形態及び それに代わる他の実施形態について詳細に説明したが、本発明は、これ等の実施 形態に限定されるものではなく、ガスタービン冷却静翼の種々の付加的な適用例 及び変更例は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、当該技術分野にお ける当業者にとつて容易に想到し実現し得るものであることを記しておく。