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JP3276305B2 - ガスタービンの冷却静翼 - Google Patents

ガスタービンの冷却静翼

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JP3276305B2
JP3276305B2 JP11384597A JP11384597A JP3276305B2 JP 3276305 B2 JP3276305 B2 JP 3276305B2 JP 11384597 A JP11384597 A JP 11384597A JP 11384597 A JP11384597 A JP 11384597A JP 3276305 B2 JP3276305 B2 JP 3276305B2
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Japan
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cooling
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shroud
air
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康意 富田
素直 青木
潔 末永
達男 石黒
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/221—Improvement of heat transfer
    • F05D2260/2214—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface
    • F05D2260/22141—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface using fins or ribs

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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、冷却媒体として蒸気を用い、翼と共に
内側シュラウドも蒸気冷却するようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】図５は従来の代表的なガスタービン静翼
の空気冷却方式を示す図である。図において、４０は静
翼であり、４１がその外側シュラウド、４２が内側シュ
ラウドである。４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ，４３Ｄ，４３
Ｅは空気通路であり、４５は後縁であり、４４は後縁の
空気噴出穴、４６はこれら空気通路４３Ａ〜４３Ｅ内壁
に設けられたタービュレータで、流入する空気流を乱
し、熱伝達を向上させるものである。
【０００３】上記の静翼の冷却方式では、冷却空気４７
が外側シュラウド４１から空気通路４３Ａに流入し、基
部側に流れ、基部側より次の空気通路４３Ｂに入り、先
端部に流れて次の空気通路４３Ｃに入り、以下同様に４
３Ｄ，４３Ｅと順次流れ、翼を冷却して空気通路４３Ｅ
では後縁の空気噴出穴４４より空気を吹出すと共に、残
りの空気は内側シュラウド４２の下方から流出する。
【０００４】上記の図５に示す冷却方式では、空気通路
４３Ａ〜４３Ｅでサーペンタイン冷却経路を構成し、こ
の経路に空気を流して翼を冷却しているが、シュラウド
の冷却については全く考慮されていない。
【０００５】図４は翼の冷却には蒸気を用いて冷却し、
シュラウドの冷却には空気を用いた静翼の例であり、静
翼の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先行技術として示したも
のである。図において、３０は静翼であり、上部の外側
シュラウドは省略し、翼の１部を示している。３１はそ
の内側シュラウドである。３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ，３
３Ｄ，３３Ｅ，３３Ｆは静翼内部の蒸気通路である。
【０００６】上記構成の静翼において、冷却蒸気３９は
図示省略の外側シュラウドの前縁部より流入し、その基
部側より蒸気通路３３Ｂへ流入し、上部より次の通路３
３Ｃへ、同様に順次蒸気通路３３Ｄ，３３Ｅへ流れて３
３Ｅの基部側より後縁側の蒸気通路３３Ｆへ流入し、翼
内部を冷却した後、図示省略の外側シュラウドの蒸気回
収口より回収される。
【０００７】一方、シュラウド３１の冷却は空気により
行なわれ、シュラウド３１の下部から導かれた冷却空気
３７は一端より内側シュラウド３１の内部の空気冷却通
路に流入し、同空気冷却通路内を一端から他端へ流れて
シュラウド全体を冷却し、空気噴出孔３８より流出し、
全体を空気冷却している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】前述のように、従来の
ガスタービンの静翼においては、翼を空気冷却する方式
が主であり、そのシュラウドの冷却は、全くなされてい
ないか、あるいは図４に示すように空気をシュラウド３
１内の空気冷却通路内に流入して一端より他端へ流して
シュラウドの面を冷却し、他端の空気噴出孔３８より流
出させて行っている。又、この場合に図示していない
が、内側シュラウド３１内面に凹部を設け同内面と平行
にインピンジ板を配して下部より供給する冷却用空気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行なわれてい
る。
【０００９】上記の空気冷却方式では冷却のために多量
の空気を消費し、冷却後の空気は燃焼ガス通路へ放出し
ており、このために圧縮機やクーラーにかなりの動力を
消費しており、冷却後の空気は燃焼ガス通路へ放出し、
燃焼ガスに混入してガス温度を低下させ、タービン効率
の低下をまねいていた。
【００１０】又、図４に示す翼の蒸気冷却方式では、翼
の冷却に蒸気を用い、冷却後の蒸気はこれを回収し、蒸
気供給源に戻して有効活用に供されているが、シュラウ
ドは空気冷却であり、シュラウド冷却後の空気は主流ガ
スに放出しており、上記の翼を空気冷却するものよりは
空気量は少く、空気量を節減しているが、いずれにして
も空気を必要とし、かつ燃焼ガスへの混入によりガス温
度を低下させ、タービン効率の低下につながっていた。
【００１１】そこで、本発明の第１の課題は翼内部の冷
却のみならず、シュラウドの冷却もすべて蒸気冷却と
し、かつ、冷却後の蒸気はすべ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て空気の使用をなくし、
これによりタービンの効率を向上す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。
【００１２】又、第２の課題としては、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、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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は、前述の課題を
解決するために次の（１），（２）の手段を提供する。
【００１４】（１） ガスタービン静翼内部に蒸気通路
を設け、同蒸気通路の一端より冷却用蒸気を流入し、他
端より回収して翼内部を冷却すると共に、その蒸気の一
部を翼から内側シュラウドの蒸気通路へ導き、同内側シ
ュラウドを冷却した蒸気を翼に戻すガスタービンの冷却
静翼であって、前記内側シュラウドの蒸気通路は端部周
囲に配設すると共に、静翼前縁側の蒸気通路から前記冷
却用蒸気の一部を抽出して同内側シュラウド蒸気通路へ
流入させ、静翼後縁側の蒸気通路へ戻すことを特徴とす
るガスタービンの冷却静翼。
【００１５】（２） 上記の（１）において、前記内側
シュラウドの蒸気通路は同内側シュラウド周囲側面に沿
って溝を加工し、同溝を側板でふさいで形成したことを
特徴とするガスタービンの冷却静翼。
【００１６】上記の本発明の（１）においては、冷却用
蒸気は静翼内の蒸気通路の一端より冷却用蒸気を流入
し、翼内部を通る過程において翼を冷却し、蒸気通路の
他端より流出し、回収される。一方、内側シュラウドに
は翼の前縁側より翼の冷却用蒸気の一部が流入し、シュ
ラウド端部周辺の両側に設けた蒸気通路を流れて後縁側
の翼の蒸気通路へ流入し、翼の回収冷却空気と混入して
回収される。
【００１７】上記のように、本発明の（１）では静翼内
と共に、内側シュラウドも蒸気冷却されるので従来のよ
うに冷却用空気が不要となり、又、冷却用蒸気は翼と内
側シュラウドを冷却することにより温度が上昇し、回収
されて蒸気供給源へ戻し、有効活用されるので、タービ
ンの効率が向上する。
【００１８】本発明の（２）においては、上記（１）の
発明の内側シュラウド蒸気通路がシュラウド周囲側面の
溝とその溝に当接して固定される側板により形成される
ので蒸気通路の端部への形成が容易となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面に基づいて具体的に説明する。図１は本発明の実
施一形態に係るガスタービンの冷却静翼の斜視図であ
る。図において符号３１乃至３３Ａ〜３３Ｆは図５に示
す先行技術に係る冷却静翼と同一機能を有するものであ
り、詳しい説明は省略し、そのまま引用しているが、本
発明の特徴部分は、本出願人が開発中の図５に示す先行
技術を更に改良し、翼内部のみならず、内側シュラウド
３１の端部も蒸気冷却するような構成としたものであ
る。
【００２０】図１において、冷却蒸気３９は図５の例と
同様に静翼３０の前縁側の図示省略の外側シュラウドよ
り蒸気通路３３Ａへ流入し、同蒸気通路３３Ａより蒸気
通路３３Ｂへ入り、上方へ流れて蒸気通路３３Ｃへ流入
する。以下同様に蒸気通路３３Ｃ，３３Ｄと流れて通路
３３Ｅの下部より後縁の蒸気通路３３Ｆに流入し、これ
らの過程において翼内部を冷却し、図示省略の上部の外
側シュラウドの蒸気回収口より回収される。
【００２１】一方、前縁の蒸気通路３３Ａから流入した
冷却蒸気３９の一部は内側シュラウド３１内に入り、蒸
気流入通路２２から端部に設けられた蒸気通路２０へ流
れる。蒸気通路２０は内側シュラウド３１の端部周囲に
設けられており、蒸気流入通路２２より左右に分れて流
れ、両側を通って後縁側の蒸気流出通路２１へ両側から
流入し、この蒸気流出通路２１に連通する後縁の蒸気通
路３３Ｆへ入り、翼内部から流入する蒸気と合流し、上
昇して図示省略の外側シュラウドの蒸気回収口から回収
される。このようにして翼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３１の端部も蒸気
により冷却し、静翼全体を蒸気冷却することができる。
【００２２】図２は上記に説明した実施の形態における
冷却翼の内側シュラウドの内部の断面図である。図にお
いて内側シュラウド３１には前述のように端部周囲のリ
ブには蒸気通路２０が設けられており、前縁側にはこの
蒸気通路２０と蒸気通路３３Ａとを連通する蒸気流入通
路２２が設けられ、更に後縁側には蒸気通路３３Ｆと蒸
気通路２０とを連通する蒸気流出通路２１が設けられて
いる。
【００２３】冷却蒸気は図示のように静翼３０の前縁側
の蒸気通路３３Ａより蒸気流入通路２２を通り、蒸気通
路２０に流入し、左右に分かれて内側シュラウド３１の
両端部を通り、後縁側に流れ、蒸気流出通路２１より静
翼後縁の蒸気通路３３Ｆへ流出し、内側シュラウド３１
の周囲を蒸気により冷却する。
【００２４】図３は図２におけるＡ−Ａ断面図であり、
蒸気通路の構造を示している。（ａ），（ｂ），（ｃ）
はそれぞれ蒸気通路の異なった構造例を示しており、こ
れらのいずれの構造を適用しても良いものである。な
お、蒸気通路の構造はこれら（ａ），（ｂ），（ｃ）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。
【００２５】図３（ａ）の例では内側シュラウド端部に
溝を形成しておき、その溝の端部に側板２３を挿入し、
固定した構造である。（ｂ）は側板２４が突起状の形状
を使用したもの、（ｃ）はシュラウド端部と同一厚さの
側板２５を適用した構造例であり、それぞれ蒸気通路２
０を形成している。
【００２６】なお、内側シュラウド３１の蒸気通路とな
る溝を側板でふさいだ後、溝と側板との当接部（図３の
丸印個所）を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。
【００２７】以上説明の実施の形態によれば、内側シュ
ラウド３１の端部周囲に蒸気通路２０を形成し、前縁側
の蒸気通路３３Ａより蒸気流入通路２２を通って蒸気通
路２０に流入し、シュラウド両端部を通って後縁側の蒸
気流出通路２１を通って後縁の蒸気通路３３Ｆより流出
する構成としたので、静翼３０の内部のみならず、内側
シュラウド３１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、そのための圧縮機やクーラ
の動力をその分低減することができる。
【００２８】更に、冷却に用いた蒸気は回収され、冷却
により吸収し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。
【００２９】
【発明の効果】本発明の（１）はガスタービン静翼内部
に蒸気通路を設け、同蒸気通路の一端より冷却用蒸気を
流入し、他端より回収して翼内部を冷却すると共に、そ
の蒸気の一部を翼から内側シュラウドの蒸気通路へ導
き、同内側シュラウドを冷却した蒸気を翼に戻すガスタ
ービンの冷却静翼であって、前記内側シュラウドの蒸気
通路は端部周囲に配設すると共に、静翼前縁側の蒸気通
路から前記冷却用蒸気の一部を抽出して同内側シュラウ
ド蒸気通路へ流入させ、静翼後縁側の蒸気通路へ戻すこ
とを特徴としている。このような構成により静翼内部の
みならず、内側シュラウドも蒸気により冷却することが
でき、冷却用の空気を不要とし、そのための圧縮機やク
ーラの動力を削減することができる。更に冷却用蒸気は
回収されて蒸気供給源へ戻し、冷却により吸収した熱は
有効利用される。
【００３０】本発明の（２）は、上記（１）において前
記内側シュラウドの蒸気通路は同内側シュラウド周囲側
面に沿って溝を加工し、同溝を側板でふさいで形成した
ことを特徴としている。このような構成により内側シュ
ラウドの蒸気通路が端部に容易に加工ができ、形成する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係るガスタービンの冷
却静翼の斜視図である。
【図２】本発明の実施の一形態に係るガスタービンの冷
却静翼の内側シュラウドの内部断面図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ断面図であり、（ａ），
（ｂ），（ｃ）はそれぞれ異なった構造例を示してい
る。
【図４】本発明に関連する先行技術に係るガスタービン
の冷却静翼の斜視図である。
【図５】従来のガスタービン静翼の内部断面図である。
【符号の説明】
２０ 蒸気通路 ２１ 蒸気流出通路 ２２ 蒸気流入通路 ２３，２４，２５ 側板 ３０ 静翼 ３１ 内側シュラウド ３３Ａ〜３３Ｆ 蒸気通路 ３９ 冷却蒸気
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石黒 達男 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (56)参考文献 特開 平５−163959（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−177406（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−257405（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−28303（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F01D 9/02 F02C 7/18

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガスタービン静翼内部に蒸気通路を設
    け、同蒸気通路の一端より冷却用蒸気を流入し、他端よ
    り回収して翼内部を冷却すると共に、その蒸気の一部を
    翼から内側シュラウドの蒸気通路へ導き、同内側シュラ
    ウドを冷却した蒸気を翼に戻すガスタービンの冷却静翼
    であって、前記内側シュラウドの蒸気通路は端部周囲に
    配設すると共に、静翼前縁側の蒸気通路から前記冷却用
    蒸気の一部を抽出して同内側シュラウド蒸気通路へ流入
    させ、静翼後縁側の蒸気通路へ戻すことを特徴とするガ
    スタービンの冷却静翼。
  2. 【請求項２】 前記内側シュラウドの蒸気通路は同内側
    シュラウド周囲側面に沿って溝を加工し、同溝を側板で
    ふさいで形成したことを特徴とする請求項１記載のガス
    タービンの冷却静翼。
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