【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガスタービン翼の改良に係り、特にガスタービン翼の先端部にエンドウオール（シュラウド）を備え、かつ翼内部に冷却媒体流通路を備えているガスタービン翼の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば発電プラント等に用いられているガスタービン、すなわち圧縮機，燃焼器（あるいはガス発生器）及びタービンを主構成要素とするガスタービンでは、サイクル効率を向上させるため、タービン入口温度の高温化が追求されている。 一方、この種ガスタービンは、タービンと圧縮機が同軸上にあり、タービンにより圧縮機が駆動されていることから、プラント効率の関係で、吸込んだ圧縮空気は出来るだけ燃焼用として用いることが望ましく。 タービン翼の冷却用としては少ない量で冷却しなければならない。

【０００３】したがって、出来るだけ少ない冷却空気の消費量で翼温度を許容温度以下に冷却する優れた冷却技術が重要となり、最近においては冷却性能の改良が盛んに行なわれている。

【０００４】最近における高温ガスタービンの一般的な冷却方法は例えば、日本ガスタービン学会誌８，２９
（１９８０年）第２２頁〜第３２頁に空冷翼の冷却構造の変遷についてレビューされているように、静止側の翼、すなわち静翼では前縁部（ガス流に対して）と翼中央部をインピンジメント冷却とフィルム冷却の混合で行い、後縁部をピン列の間を冷却空気を通過させるピンフィン冷却で行っている。 又動翼においては、翼前縁と中央部はタービュレンスプロモータリブ付きの曲がりくねった冷却通路を翼内部に形成したいわゆるリターンフロー型冷却を、翼後縁部はピンフィン冷却で行っているのが一般的である。 この場合、特に翼の後縁部は、空力的な要求から翼の厚さが薄くなるため構造的な制約から、
ピン間に冷却空気を通し、ピンによる流れの乱れやフィン効果を利用して冷却効果を向上させる方法が現状では優れた冷却方法であるとされている。

【０００５】このうち静翼においては静止体であることから比較的冷却媒体の流通方向及び各部における流通量を容易に調整可能なのであるが、動翼の場合には翼自体が回動していることから冷却媒体に遠心力や乱流が働き、ピンフィンを設けても所要の効果が得られないのが普通である。

【０００６】図７及び図８はこの従来優れているとされている動翼の断面図で、動翼１には冷媒流通路２が設けられており、冷媒である冷却空気はシャンク３の内径位置より矢印ｄ，ｅで示されるように供給される。 冷媒流通路２の内面にはタービュレンスプロモータリブ４が設けられており、乱流促進効果により冷却性能を向上させている。 冷媒流通路２は、曲がり部５，６，７が設けられ曲がりくねった冷却通路を形成し冷却空気を有効に利用している。 動翼の後縁領域冷却部８にはピンフィン１
０が配置されておりピンフィン間を通った冷却空気の大部分が後縁吹出孔１１より主流ガス中に矢印ｅのように排出される。 この場合、半径方向および翼のコード方向に複数列よりなるピンフィン１０の間を冷却空気を均等に流すことが重要でありこのためコード方向に第１列目のピンフィン１２に流れの抵抗の大きな要素を設け流量が均一に流れるよう配慮している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのような動翼１は前述したように回転による遠心力場で作動しているため流れは複雑で、ピンフィン１０間を均一に流れている保証はなく、冷却性能の結果より微妙な難しい調整を行なう必要があり、またその調整がたとえできたとしても第１列目ピンフィンの流れの抵抗を大きくする必要があるため圧損が大きく冷却空気供給能力に限界があり、後縁領域冷却部８の冷却性能を向上させることは難しい。

【０００８】さらにまたこの種の動翼にはその頂部（先端）にシュラウド(エンドウオール)１３が設けられている場合があり、この場合にはこのシュラウドまで少ない冷却空気量で冷却しなければならない。

【０００９】一方静翼においてもエンドウオールが翼の両端に付随しており、とくに内径側のエンドウオールの冷却は構造上冷却しにくい場所でやはり少ない冷却空気量で冷却する必要がある。

【００１０】本発明はこれにかんがみなされたもので、
その目的とするところは、たとえエンドウオールを備えた翼であっても、少量の冷却空気量で翼母体及びエンドウオールが充分冷却されるこの種ガスタービン翼を提供するにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、翼内部に冷却媒体の流通路を備え、かつ翼頂部にエンドウオールを備えたガスタービン翼において、前記冷却媒体流通路の排出口を、前記エンドウオールの前縁側近傍に設けるようになし、所期の目的を達成するようにしたものである。

【００１２】

【作用】すなわちこのように形成されたタービン翼であると、翼冷却後の冷却媒体がエンドウオールとケーシングの間の上流側へ排出されるので、この排出冷却空気によりエンドウオールは前縁側から後縁側すべての外表面に接し、充分なエンドウオールの冷却が行なわれ、又翼母体の冷却は、内径方向より供給された冷却空気のすべてが翼先端より排出されるので、冷却空気は冷却媒体通路の内壁あるいはピンフィンに平等に接して流動し、一様な冷却が行なわれるのである。

【００１３】

【実施例】以下図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。

【００１４】図１にはガスタービンに採用されているタービン翼（動翼）とその周辺が断面で示されている。

【００１５】動翼１は翼母体１ａとシュラウド（エンドウオール）１３とより構成され、そしてこの動翼の上流側（主流ガスの流通方向（矢印Ｑで示す）に対して）には静翼２０が配置されている。

【００１６】動翼１の内部には動翼自体を冷却するための冷却媒体流通路２が設けられている。 この冷却媒体流通路は前縁側流通路２ａと中央流通路と後縁側流通路２
ｃとに分かれており、これら流通路は直列に連通されている。

【００１７】冷却媒体としてはガスタービンの場合、極く普通には空気が採用され、この冷却空気は内径側、すなわち回転軸側（図中下方）より供給され、図中実線矢印で示すように冷却媒体流通路に沿って流通する。

【００１８】この場合翼の後縁側流通路２ｃには、その流路壁より樹立したピンフィン１０が設けられ動翼母体と冷却空気との良好な熱変換が行なわれるように形成されている。

【００１９】又中央流通路２ｂと前縁側流通路２ａには同様に、すなわち熱変換を良好とするために、タービュレンスプロモータリブ４が設けられている。

【００２０】翼の熱を奪った冷却空気は翼外（主流ガス中）へ排出されるわけであるが、ここで重要なことは、
冷却空気の排出口１５が外径側、すなわち翼先端側で前縁側の位置に設けられているということである。

【００２１】もう少し詳しく述べれば、翼先端にはシュラウドが設けられているので、前記排出口はこのシュラウド１３の前縁側で、かつシュラウドに設けられているシールフィン１４より上流側に設けられるということである。

【００２２】このように形成された動翼であると、図３
に拡大して示されているように、排出口１５より排出した冷却空気がシュラウド１３とシールフィン１４及びケーシング内壁２１で形成される空間ｇに噴出し、この部分にたむろすることになり、やがては主流ガスＱとともに動翼上流から下流へ流動する。

【００２３】これによりシュラウド全体の充分な冷却が行なわれる。 すなわちシュラウド１３の外表面には主流作動流体（高温ガス）より温度の低い冷却空気がシュラウド１３の前縁側から後縁側すべての外表面に接して流動するので、シュラウド１３の冷却が充分行なわれるのである。

【００２４】又動翼母体の冷却は、内径方向より供給された冷却空気のすべてが翼先端より排出されるので、すなわち、冷却空気が後縁端より吹出さないようになっており、かつ冷却空気の供給口と排出口１５が半径方向位置に存在するので、冷却空気が確実に半径方向に流れかつ各ピンフィン１０間を流れる流量の分布を、特別な流量調整用の抵抗を設けることなく一様にすることができる。 また流れ方向の後縁領域冷却部の断面積は、従来構造のピンフィン冷却の高さ方向の断面積より一般的に１
／３〜１／６と小さくすることが可能で少ない空気流量で同等の冷却効果を達成できる。 さらに回転する動翼では後縁領域冷却空気は内径位置より供給され外径側に流れるので、遠心力によるポンピング効果が後縁端より吹出す場合に比べて大きく、冷却空気供給能力は大きくなる効果もある。

【００２５】さらに冷却空気の排出位置を上述位置に選定することにより主流ガスが、静翼と動翼間のホィールスペースにもれこんだり、動翼先端部のケーシングとシュラウドの間のすき間を横切ってもれこむのを冷却空気の排出エネルギーによりブロックすることができ、これらの主流ガスのもれを低減する効果も達成する。

【００２６】すなわち冷却空気が空間ｇに排出され、動翼チップクリアランス部の上流側に高圧部が形成され、
主流作動流体はこのチップクリアランス部側へは流動し難くなること、又チップクリアランス部からはこの冷却空気が洩れることになり、主流作動流体の洩れを補うことができ、空力性能が大幅に向上する。

【００２７】尚以上の説明では翼内の冷却媒体通路が３
列の直列連通路の場合について説明してきたが、この流通路は３列に限らず、単列でもよいし、さらに３列以上であってもよいことは勿論である。

【００２８】又翼先端のシュラウド１３にシールフィン１４を有する場合について述べてきたが、シールフィンの無いものであっても同様な効果が生ずることは云うまでもない。

【００２９】さらにまた、以上の説明では、冷却媒体の排出口を形成するにあたり、一つの実施例をあげて説明してきたが、常にこのようにしなければならないわけではなく、次のように形成してもよい。

【００３０】すなわち図４には複数のシールフィンを有する場合のもう一つの実施例が示されている。 この図は動翼先端部分を示したもので、この場合は冷却空気の排出口１５が前実施例同様シールフィン１４の上流側に設けられるが、さらに下流側のシールフィン１４ａの上流側、すなわち第１と第２のシールフィンの間に前記排出口よりは数段と小さい第２の排出口１５ａを設けるのである。

【００３１】このように形成すると、前述した効果を達成することは勿論のこと、さらに曲がりくねった冷却媒体通路２の途中の塵埃排出に役立ち有効である。

【００３２】尚以上は、冷却通路が曲がり部によって直列連通している場合を示したが、図５に示すように複数の流路２ａ，２ｃが先端部で並列に連通しており、各々の冷却通路を流れた冷却空気が先端部で合流し、前縁側の排出口１５から流出するようにしてもよい。

【００３３】又上例では、タービン動翼の場合の実施例について説明したが、つぎに静翼の場合の実施例について説明する。

【００３４】図６にはガスタービンに採用されているタービン静翼とその周辺が示されている。

【００３５】静翼２０は翼母体２０ａと内周側と外周側のエンドウオール２０ａ，２０ｂとから成っている。 静翼の上流側または下流側には動翼１が配置されている。

【００３６】静翼の内部には、静翼母体を冷却するための冷却媒体冷却通路２１が設けられており、冷却媒体通路は複数本から成っており直列に連通している。 冷却媒体は一般には圧縮機から導いた空気が用いられ、外径側のエンドウオール２０ａの側から供給される。 この場合、静翼の後縁側流通路２１ｃには流路内にピンフィン２３が設けられて、翼中央部流通路２０ｂと前縁側流通路２０ａには伝熱促進をするタービュレンスプロモータリブ２４が配置されている。

【００３７】翼母体２０ａを冷却した冷却媒体は主流ガス中に放出されるわけであるが、重要なことは冷却空気の排出口２５が、内周側のエンドウオール２０ｂの翼前縁側の位置に設けられていることである。 すなわち、翼母体２０ａを冷却した冷却媒体は、翼の内周側エンドウオール側より冷却通路より翼母体外に排出される。 静翼の場合この排出される位置は、前縁側でも後縁側でもよい。 翼母体２０ａの内部に形成された冷却媒体冷却通路２１より排出された冷媒は内周側エンドウオールの内周面とカバー２６によって形成されるエンドウオール部冷却通路２７を通って、エンドウオール内面を冷却しながら、内周側エンドウオールの前縁側の排出口２５より排出される。 しかもこの排出口２５は、本静翼２０の上流側にある動翼１との間のキャビティ２８に排出されるような位置に設けられている。 この場合主流ガスのもれ込みは静翼２０の上流と下流の圧力差によって生じるがこのもれ込みを防ぐためにロータ３１との間にラビリンスシール２９が形成されており、このシールフィンの上流側に排出口が位置しなければならない。 この排出口２５
より排出された冷却媒体は、高温の主流ガスがキャビティに侵入するのを防止する効果と、排出された冷却媒体が今後は、エンドウオールの主流側の面に拡散し比較的低温の冷却空気の膜を形成し、内周側エンドウオール２
０ｂを内外面両方から冷却することができる。 この冷却空気はエンドウオール冷却用に特別供給されたものではなく、翼母体を冷却した冷却空気を再利用しているので、ガスタービン性能の低下要因とはならない。

【００３８】

【発明の効果】以上種々述べてきたように、本発明のタービン翼によれば、翼内に設けられている冷却媒体流通路の排出口を、翼先端に設けられているエンドウオールの前縁側近傍に設けるようになしたから、翼冷却後の冷却媒体はエンドウオールとケーシングの間、すなわち翼チップクリアランスの上流側へ排出されるので、この排出冷却空気によりシュラウドは前縁側から後縁側すべての外表面に接し、充分なエンドウオールの冷却が行なわれ、又翼母体の冷却は、内径方向より供給された冷却空気のすべてが翼先端より排出されるので、冷却空気は冷却媒体通路の内壁に平等に接して流動し、一様な冷却が行なわれ、したがってエンドウオールを有する翼であっても、少量の冷却空気量で翼母体及びエンドウオールが充分冷却されるこの種ガスタービン翼を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガスタービン翼を備えた翼装置の一部縦断側面図。

【図２】本発明のガスタービン翼の平面図。

【図３】本発明のガスタービン翼の冷却空気排出口周囲を示す要部断面図。

【図４】本発明の他の実施例のガスタービン翼を示す縦断側面図。

【図５】本発明の他の実施例のガスタービン翼及びその周囲を示す縦断側面図。

【図６】本発明の他の実施例のガスタービン翼及びその周囲を示す縦断側面図。

【図７】従来のガスタービン翼を示す縦断側面図。

【図８】図７のＡ−Ａ線に沿う断面図。

【符号の説明】

１…動翼、２…冷媒流通路、４…タービュレンスプロモータ、１０…ピンフィン、１３…シュラウド、１４…シールフィン、１５…排出口。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹原 勲 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 金子 了市 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内