【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は発電プラント等に適用されるガスタービンに係り、特にタービン静翼の冷却構造を改良したガスタービンに関する。

【０００２】

【従来の技術】発電プラント等に利用されるガスタービンは、例えば図６に示すように、タービン１およびこれと同軸の圧縮機２を有し、圧縮機２の駆動によって圧縮された空気が燃焼器３に供給されて、ライナ部分３ａで燃料の燃焼が行われるようになっている。 そして、高温の燃焼ガスが、トランジションピース４およびタービン静翼５を経て動翼６に案内され、この動翼６が回転駆動されてタービン１の仕事が行われるようになっている。

【０００３】ところで、このようなガスタービンの熱効率は、タービン入口温度を高温にすることにより向上できることが知られており、このタービン入口温度の高温化が既に実施されている。 この場合、入口温度の上昇に伴って、ガスタービン１の燃焼器３や静翼６等のタービン部品に耐高温性が要求され、種々の耐熱性超合金材料が適用されている。

【０００４】ところが、これまでにタービンの高温部材として使用されている耐熱性超合金材料では、その限界温度が800 〜900 ℃で、望ましいタービン入口温度（約
1300℃程度）に比較して低い。 このことから、特に静翼については、冷却構造の採用により限界温度まで冷却する冷却翼構造とすることが行われ、これによりガスタービンの信頼性維持が図られている。

【０００５】図７および図８は、このような冷却翼構造を採用したタービン静翼の従来例を示している。 このタービン静翼は、タービン入口温度が1300℃級のガスタービンに採用されているもので、中空翼構造の静翼５内に、インピンジメント冷却用のインサート７が設置されている。 これらインサート７および静翼５の周壁に、空気吹出し用の小孔８，９がそれぞれ設けられている。

【０００６】そして、冷却媒体として空気が用いられ、
図示しない空気供給装置から静翼５の外径側キャビティ１０に供給された冷却空気ａが、インサート７の小孔８
を介して静翼５の周壁内面側のキャビティ１１で対流し、インピンジメント冷却が行われるとともに、翼表面の小孔９から外方に相当量吹出し、これにより静翼５がフィルム冷却されて、材料温度を限界温度以下に降下する冷却作用が行われる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、冷却媒体として従来用いられている空気は冷却特性が低く、ガスタービン入口温度が1300℃を超える場合には冷却に必要とする空気量が著しく増大する。

【０００８】また、静翼５内部の空気対流にだけでは十分な冷却が困難で、上述の如く翼表面に形成した小孔９
から翼外面に冷却空気を吹出すフィルム冷却方式に頼らざるを得ない。 したがって、これによっても冷却空気量が増大するとともに、高温ガス中に低温空気が吹出すことになり、ガスタービンの熱効率の低下ひいては当該ガスタービンを用いた発電プラントの熱交換率の低下をも招く。 さらに、不純物が混在するような粗悪燃料については、静翼５の表面に形成した小孔９が目詰りを生じ易いので、このような燃料は適用できない。

【０００９】本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、タービン静翼の冷却性を向上でき、それにより高い燃焼ガス温度においても良好な冷却が行えるとともに、タービン熱効率ひいては発電プラント等の熱効率向上が図れ、かつ粗悪燃料の適用等も可能とすることができるガスタービンを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を達成するために、タービン静翼に冷却媒体流通用の冷却通路を設け、これにより前記静翼を冷却媒体の供給によって冷却する冷却翼構造としたガスタービンにおいて、
前記冷却媒体を蒸気とし、かつ前記冷却通路は、前記静翼の外径側エンドウォールに形成された蒸気入口としての蒸気供給用キャビティと、前記静翼の翼有効部内の表面近傍位置に複数本形成され前記蒸気供給用キャビティから内径側エンドウォール側に蒸気を流動させる翼有効部冷却孔と、前記内径側エンドウォールの内部に形成され前記翼有効部冷却孔を通過した蒸気を翼中心側に流動させる内径側エンドウォール冷却用の冷却ダクトと、前記翼有効部内の中心側に形成され前記冷却ダクトを通過した蒸気を前記外径側エンドウォール側に流動させる蒸気戻り孔と、前記静翼の外径側エンドウォールに形成され前記蒸気戻り孔を通過した蒸気を静翼外方に導く蒸気出口としての蒸気排出用キャビティとを有することを特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明によると、冷却媒体を比熱が空気の約２
倍で冷却特性の優れた蒸気としたことにより、空気と比較して少量の供給量で静翼の翼有効部、外径側エンドウォールおよび内径側エンドウォールを冷却することができ、タービン入口温度が1300℃以上の高温となる場合においても、十分な冷却性能が得られるようになる。 したがって、ガスタービンの熱効率の向上、ひいては当該ガスタービンを用いる発電プラントの熱効率向上も図れるようになる。

【００１２】また、蒸気は高温ガス中に吹出すことなく、外径側エンドウォールの蒸気排出用キャビティを介して全量回収することが可能となる。 したがって、高温ガスへの冷却媒体の混入による温度低下が防止でき、さらに回収した蒸気は、発電プラントの蒸気タービンにて再利用可能となる。 しかも、翼表面に冷却媒体を吹出す小孔がないので、不純物が混在する粗悪燃料であっても目詰り等の問題を生じることなく適用できるようになる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図５を参照して説明する。 なお、ガスタービンの全体構成は図６に示すものと変わらないので、その説明は省略する。

【００１４】図１〜図４は本実施例によるガスタービンの静翼構造を示している。 本実施例のガスタービンでは、静翼２０に設けられる冷却媒体流通用の冷却通路が翼有効部２１、外径側エンドウォール２２および内径側エンドウォール２３に亘って蒸気を連続的に流通させる冷却通路とされ、冷却媒体は蒸気とされている。

【００１５】静翼２０の冷却通路は図１および図２に示すように、大別して外径側エンドウォール２２に形成された蒸気入口としての蒸気供給用キャビティ２４と、翼有効部２１内の表面近傍位置に複数本形成され蒸気供給用キャビティ２４から内径側エンドウォール２３側に蒸気を流動させる翼有効部冷却孔２５と、内径側エンドウォール２３の内部に形成され翼有効部冷却孔２５を通過した蒸気を翼中心側に流動させる内径側エンドウォール冷却用の冷却ダクト２６と、翼有効部２１内の中心側に形成され冷却ダクト２６を通過した蒸気を外径側エンドウォール２３側に流動させる蒸気戻り孔２７と、外径側エンドウォール２３に形成され蒸気戻り孔２７を通過した蒸気を静翼２０の外方に導く蒸気出口としての蒸気排出用キャビティ２８とを有する構成とされている。

【００１６】蒸気供給用キャビティ２４は、図１および図２に示すように、外径側エンドウォール２２の後縁側と燃焼器側とに２カ所設けられ、この各蒸気供給用キャビティ２４には、これらに蒸気を導入するための分岐管状の供給管２９が連設されている。

【００１７】各供給キャビティ２４は図３に示すように、細長い外径側エンドウォール冷却孔３１に接続され、これらの外径側エンドウォール冷却孔３１は複数本の連絡路３２を介して分配キャビティ３３に接続されている。 分配キャビティ３３は、静翼２０の翼有効部２１
の断面形状に沿う湾曲形状とされている。 翼有効部冷却孔２５は、分配キャビティ３３に連通して翼有効部２１
の翼面近傍に多数本形成されている。

【００１８】内周側エンドウォール２３の冷却ダクト２
６は、図４に示すように例えば３本に分割して設けられ、それぞれ所定数の翼有効部冷却孔２５に連通する収集キャビティ３４と、この各収集キャビティ３４に連通する多数本の連絡孔３５とを介して、翼有効部冷却孔２
５に接続されている。 各収集キャビティ３４では、翼有効部冷却孔２５で翼有効部２１の冷却に使用した蒸気が集められ、その蒸気は連絡孔３５を介して各冷却ダクト２６に送られる。

【００１９】蒸気戻り孔２７は冷却に使用した蒸気を回収するためのもので、翼有効部２１の中央部に例えば３
本平行に設けられている。 これら蒸気戻り孔２７は図２
および図４に示すように、それぞれ冷却蒸気の流量配分のためのオリフィス孔３６を介して、内径側エンドウォール２３の各冷却ダクト２６に接続されている。

【００２０】蒸気排出用キャビティ２８は、蒸気戻り孔２７を通過した蒸気を合流して回収するためのもので、
図３に示すように、外径側エンドウォール２２に１カ所設けられている。 この蒸気排出用キャビティ２８には、
蒸気を静翼２０の外方に導くための排出管３７が連設されている。 次に作用を説明する。

【００２１】まず供給管２２から外径側エンドウォール２２の２カ所の供給キャビティ２４に供給された冷却蒸気は、図に矢印で示すように、外径側エンドウォール冷却孔３１を通過する際に外径側エンドウォール２２を冷却する。

【００２２】この後、蒸気は分配キャビティ３３を介して翼有効部冷却孔２５に導かれ、この翼有効部冷却孔２
５内を内径側エンドウォール２３側に向かって流れながら、翼有効部２１を冷却し、内径側エンドウォール２３
の収集キャビティ３４に集められる。

【００２３】収集キャビティ３４に集められた蒸気は、
連絡孔３５および冷却ダクト２６を流動する間に内周側エンドウォール２２を冷却し、オリフィス孔３６を介して３本の戻り孔２７に導かれ、回収蒸気となる。

【００２４】回収蒸気は、戻り孔２７を通過して外径側エンドウォール２２の蒸気排出用キャビティ２８で合流し、排出管３７を介して静翼２０の外方に導かれ、蒸気タービンその他の回収設備に回収される。

【００２５】本実施例によれば、冷却媒体を比熱が空気の約２倍で冷却特性の優れた蒸気としたことにより、空気よりも少量の蒸気供給によって、静翼２０の翼有効部２１のみならず、外径側エンドウォール２２および内径側エンドウォール２３を同時に冷却することが可能となり、入口温度が1300℃以上の高温となる場合においても、十分な冷却性能が得られるようになる。 したがって、ガスタービンの熱効率の向上、ひいては当該ガスタービンを用いた発電プラントの熱効率向上も図れるようになる。

【００２６】本実施例によるガスタービンをコンバインドプラントに適用してタービン入口温度に対する効率を調べたところ、図５に特性線ａで示すように、従来の特性線ｂに比して著しく高い効率が得られることが認められた。

【００２７】しかも、蒸気は高温ガス中に吹出すことなく、外径側エンドウォールの蒸気排出用キャビティ２８
を介して全量回収することが可能となる。 したがって、
高温ガスへの冷却媒体の混入による温度低下が防止でき、さらに回収した蒸気は発電プラントの蒸気タービン等にて再利用可能となる。

【００２８】なお、本発明において、翼面のメタル温度を均一に冷却するためには、冷却蒸気の流量配分が重要となるが、本実施例においては、蒸気供給用キャビティ２４を２つに分離配置するとともに、翼有効部冷却孔２
５、冷却ダクト２６および戻り孔２７等も複数に分割し、さらに戻り孔２７の入口部にオリフィス孔３６を形成したことにより、精度の良い冷却蒸気の流量配分が実現できる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、冷却媒体を冷却特性の高い蒸気としたことにより、高いガス温度においても翼を十分にかつ均一に冷却することができ、ガスタービン熱効率の向上ひいては当該ガスタービンを用いた発電プラントの熱効率向上が図れ、また蒸気を高温ガス中に吹出すことなく外径側エンドウォールの蒸気排出用キャビティを介して全量回収できるようにしたので、高温ガスへの冷却媒体の混入による温度低下が防止できえるとともに、回収した蒸気の再利用等も可能となり、さらに翼表面に冷却媒体を吹出す小孔を省略したことにより、不純物が混在する粗悪燃料であっても目詰り等の問題を生じることなく適用可能となる等の効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るタービン冷却翼の一実施例を示す斜視図。

【図２】同実施例のタービン冷却翼を示す縦断面図。

【図３】図２のＡ−Ａ線断面図。

【図４】図２のＢ−Ｂ線断面図。

【図５】タービン入口温度と発電プラント効率との関係を示すグラフ。

【図６】ガスタービンの概略構成図。

【図７】従来のタービン静翼の断面図

【図８】図７のＣ−Ｃ線断面図。

【符号の説明】

２０ タービン静翼 ２２ 外径側エンドウォール ２４ 蒸気供給用キャビティ ２１ 翼有効部 ２３ 内径側エンドウォール ２５ 翼有効部冷却孔 ２６ 冷却ダクト ２７ 蒸気戻り孔 ２８ 蒸気排出用キャビティ