JPS6148610B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は燃焼タービンに関し、より詳細には、
発電用又は他の工業的工程を実施するために用い
られる静置型燃焼タービンのための空気冷却され
る羽根構造物に関するものである。

ガスタービンのためのより高温での作動を得る
ための開発活動の継続に伴ない、作動時の高温に
より生ずる熱応力に長期間にわたり耐え得るター
ビンの高温部分の構造を開発することの必要性が
感じられている。この場合の作動温度では、現在
利用可能な合金によつては問題の解決は得られな
いため、高温部分を積極的に冷却するための構造
上の処置が必要になる。

典型的には、高温部分の冷却のために圧縮機排
出空気が用いられる。従来は、タービン羽根構造
の翼部分に冷却材を向け、多少とも汚損され易い
開口を経て高温ガス通路中に消耗した冷却材を排
出させることが普通に行われていた。或る場合に
は羽根のシユラウドを別に冷却するため、余分な
冷却材空気が必要になり、そのためにタービン効
率が低下する。

従つて本発明の目的は、これらの従来技術の欠
点を解消するために改良された燃焼タービンのた
めの空気冷却される羽根構造物を提供することに
ある。

この目的から、本発明は、燃焼タービンのため
の空気冷却される羽根構造物であつて、タービン
ケーシング中に支持されたリング手段と、複数の
セクター羽根組立体と、燃焼器からの高温ガス流
がそれを通り差し向けられる環状スペースを与え
る環状形態において上記リング手段に対し相対的
に上記セクター羽根組立体を支持する支持手段と
を有し、上記セクター羽根組立体の各々は、内側
シユラウド部分、外側シユラウド部分及び上記環
状スペース中において内側シユラウド部分と外側
シユラウド部分との間に延びる少くとも１つの羽
根を備え、上記羽根は内部の構造部材及び該構造
部材に固定された胴部材を備え、該構造部材及び
胴部材は上記羽根に翼状の外形を与えるように共
働し、更に前記羽根構造物は、供給冷却材空気を
上記羽根の構造部材に給送する第１給送手段と、
構造部材からの冷却材空気を上記羽根の胴部材の
内面の分布された部分上に給送して羽根の胴部外
面温度を制限する第２給送手段と、上記内側シユ
ラウド及び外側シユラウドに対して上記羽根を支
持する支持手段とを有するものにおいて、上記胴
部材への第２給送手段は冷却材チヤンネルであ
り、該第２給送手段から上記内側シユラウド及び
外側シユラウドに上記構造部材を再び通して返送
冷却材空気を導く案内手段と、上記内側シユラウ
ド及び外側シユラウド内全体に上記冷却材空気を
給送する第３給送手段と、内側及び外側シユラウ
ドの冷却材空気を高温ガスに排出させる排出手段
とを有することを特徴とするものである。

本発明による空気冷却される羽根構造物は、タ
ービン効率が向上し羽根翼部の保守が少くて済む
ように高温ガス通路中において羽根の表面温度を
低下させるように構成されている。羽根構造物は
羽根と内側及び外側のシユラウドとを有し、冷却
材は最初に羽根を通つて、次にシユラウドを通つ
て流れた後に排出される。

次に添付図面に示した本発明の好ましい実施例
について更に詳述する。

特に第１図には、ケーシング１４中のタービン
縦軸線の回りに配設された複数の燃焼器１２を備
えた静置型燃焼タービン１０が示されている。

高温の燃焼生成物は移行ダクト１６を経て流
れ、これらのダクト１６は、第１段落の静置型タ
ービンの羽根１８が位置されている環状スペース
を経て燃焼生成物を差し向けるために、それぞれ
の燃焼器１２に連結されている。羽根１８は、タ
ービン効率を高くする角度及び速度で高温ガスを
第１段落のローター羽根２０に向けるような構造
を有し、そのように位置決めされている。

この場合タービン１０は比較的高温の、即ち
1148℃（2100〓）以上のガスについて作動するよ
うに設計されている。そのため少くとも全部の第
１段落のローター羽根２０及び第１段落のステー
ター羽根１８について積極的な冷却を行い、使用
された合金が熱応力及びクリープの結果として不
適切な部品寿命をもたらすレベル以下に金属温度
が保たれるようにする必要がある。

この場合には圧縮機排出空気のバイパスによる
積極的な冷却においては、種々の制御系パラメー
ターの制御により、第１段落及びその後の段落の
金属温度を所望の温度例えば815℃（1500〓）に
制御することができる。そのため、冷却空気の流
入温度、冷却空気流量、冷却空気への直接の金属
伝熱面及び他の種々の設計パラメーターに対する
適切な仕様により、金属温度が所望のように制限
されるように、冷却材系統の熱除去容量を設計す
ることができる。

ステーター羽根１８は、環状スペース１５の回
りに配設したセクター羽根組立体２２（第２図）
中に配設されている。羽根組立体２２は、ケーシ
ング１４に固着したセクターリング部分により形
成されたリング２３により支持されている。

各々の羽根組立体２２は、内側シユラウド２４
と外側シユラウド２６との間に支持された少くと
も１つの翼部即ち羽根１８を備えている。全部の
羽根組立体２２を環状形態に固定するとシユラウ
ド２４，２６は共働して高温ガス通路を制限し環
状スペース１５を画定する。膨張適応性を高くす
るために各々の羽根組立体２２に１つの羽根１８
を設けることがこの実施例において望ましい。
各々の移行ダクト１６は複数の羽根組立体２２の
範囲にわたつている。

一般に羽根組立体構造物は、使用可能な適切な
高温合金の腐食又はクリープによる（特に第１段
落の）羽根の寿命を短くすることなく、改善され
た金属冷却及び作動を与えるようになつている。

タービン１０の高温部分の冷却は、冷却材の操
作についてタービン効率に課せられる代償を少く
するように、冷却材作用を供与した後タービン高
温通路に戻される圧縮機の排出空気によつて、
（時にはその温度を更に低下させた後に）通常行
われる。

冷却空気は、リング２３により形成されたプレ
ナム室にリング２３を経て供給される適当な供給
配管から取得される。冷却空気は次に、タービン
１０を駆動する高温ガスの流れ条件及び期待温度
に基づいて所望金属表面温度制御がなされるよう
に高温部分に形成された冷却材分配回路へと入口
を通つて流れる。

羽根後縁及び羽根の吐出側と吸込側にある羽根
胴部の開口を経て高温ガス流に冷却材が排出され
る前に羽根の内部空洞に冷却空気を供給し、羽根
胴部の回りに冷却材を分配させることができる。
しかしこの形式の冷却材回路には、胴部の冷却材
の開口が付着物により閉塞されて冷却機能が損な
われるという潜在的な欠点がある。冷却空気は、
米国特許第3560107号明細書に記載されているよ
うに、羽根底部から排出させることもできる。

本発明の好ましい実施態様によれば冷却材回路
は好ましくは、(イ)羽根を通る冷却材流を生じ、冷
却材の一部は羽根後縁を通つて排出され、(ロ)残り
の大部分の冷却材は（所定の分割比で）上部及び
下部のシユラウド２４，２６を通り、最終的には
汚損され難いシユラウド面開口を経て向けられ、
高温ガス通路に排出される。

このようにして羽根構造に高信頼性の内部冷却
が与えられる。別の利点として、単に羽根の翼部
分を冷却するために通常用いられた後に高温ガス
通路に排出される冷却空気を再使用して、排出前
に内部及び外部のシユラウドを冷却させる。冷却
空気のこの２回通過の利用により、シユラウドを
別々に冷却する必要が減少し、タービン効率が改
善される。

羽根組立体の改良された作用を与えるような冷
却材回路の構造形態について以下に考察する。一
般に、第２〜４図を参照して、冷却材空気は冷却
材供給配管から上部シユラウドへの入口３４を経
て、いくつかの内部冷却空洞２８，３０，３２に
入り、羽根胴部の内面に沿つて流れる。冷却材の
一部は羽根１８の後縁を通つて排出される。

羽根１８は、好ましくは、冷却材空洞と共に鋳
造されて羽根１８の基本的な構造強度を与える構
造部材、即ちけた材３８と、けた材３８に拡散接
合された比較的薄い胴部４０とにより形成され
る。冷却材チヤンネル４２は、冷却材空洞２８，
３０，３２からけた材通孔４４を経て冷却材を受
け、返却空洞４６，４８にけた材通孔５０又は後
縁３６の排出開口を経て冷却材を返却するよう
に、胴部４０の内面又はけた材３８の外面に弦方
向にエツチングにより形成されている。けた材３
８は、羽根の翼部分の等断面延長部分であるほそ
５２，５４を形成するように、外側端及び内側端
において胴部４０をこえて延長している。排出ポ
ート５６′，５８′は冷却材をシユラウド冷却材空
洞に差し向けるようにほぞ５２，５４（第６Ａ，
６Ｄ，６Ｅ，６Ｆ図）の側面に鋳造により形成さ
れている。

内側シユラウド２４（第７Ａ図）は、支持ピン
５７を間隔をおいて配設した鋳造され仕切りされ
た内部冷却空洞５６を有する。羽根１８からの冷
却材空気は、空洞５６を経て一様に分配され、内
側シユラウド２４のガス通路面を覆う或るパター
ンの傾斜冷却孔５８を経て排出される。最終組立
てに際しけた材３８のほぞ５４（第４図）を受け
いれるための翼状の凹み６０もシユラウド２４に
鋳造により形成される。

外側シユラウド２６は構造及び目的について内
側シユラウド２４に類似している。またタービン
中のリング２３上に羽根組立体２２をキー支持す
るための支持突部６４，６６は外側シユラウド２
６に一体的に鋳造により形成されている。

シユラウド２４，２６は例えばろう付けの溶加
材を使用するなどして最終組立ての際に羽根１８
に適宜接合される。

チヤンネル冷却される羽根１８中の冷却材回路
の詳細な熱伝達設計は、次の２つの主要な考察即
ち(イ)所望の最高金属温度例えば760℃（1400〓）
について必要とされる冷却材チヤンネルの幾何学
的形状及び冷却材流量と、(ロ)選定されたチヤンネ
ルの幾何学的形状についての羽根の平均断面の２
次元的熱伝達分析の考察に基づいている。

本発明の実施に当り、胴部／けた材について最
初の熱伝達分析を行う。この分析には、スパン方
向及び弦方向の伝導を除いた翼部壁を通る伝導に
よる熱伝達のシミユレーシヨンが含まれる。冷却
材温度の上昇及び圧力降下の計算が分析中に含ま
れる。例えば1187℃（2170〓）の温度においての
予定されたタービン運転と見合う条件について計
算が行われる。胴部／けた材羽根の設計は翼部表
面の最高金属温度を所定値例えば760℃（1400
〓）に制限することに基づいている。

冷却材チヤンネルの幾何学的形状の選択は、簡
略化された１次元伝導分析に基づいたものでもよ
い。この分析において外部熱環境を特定化する場
合、冷却材の流れ方向においての壁及び流体の温
度分布並びに冷却材流量の計算が行われるように
するには、供給圧力、排出圧力及び冷却材通路の
指定で充分である。指定された最高表面温度を妥
当な時間維持し且つチヤンネルの化学的エツチン
グの過程と見合う幾何学的形状の案を選択するた
めに、いくつかの冷却材チヤンネルの幾何学的形
状を検査することができる。冷却材チヤンネルの
幾何学的形状の案が選択された後は、最高表面温
度を保ちながら外部環境に整合するように翼部の
回りのチヤンネル長さを変化させる。

羽根の平均断面の２次元的な熱伝達分析は最高
表面温度形態について行い得る。この分析には、
翼部壁を通る方向及び弦方向の伝導を勘案しても
よいが、径方向（スパン方向）の伝導は無視して
もよい。次の支配的な定常２次元熱伝導微分方程
式を解く。

∂／∂ｘＫ∂Ｔ／∂ｘ＋∂／∂ｙＫ∂Ｔ／∂ｙ＝
０ ここにＴは壁部温度、Ｋは温度に依存する熱伝
導度、ｘ及びｙは空間座標軸である。或る幾何学
的形状及び境界条件に対しては、Ｔ＝Ｔ（ｘ、
ｙ）の形で方程式の正確な解を得ることができ
る。しかしこれは翼については不可能であるた
め、数値技術を用いて解を得る。

翼部壁の温度分布について上記方程式を解き得
る前に、境界条件を定義する。これらの条件に
は、 (イ) ガス−翼部の局所熱伝達係数、 (ロ) 局所断熱壁温度、 (ハ) 翼部−冷却材の局所熱伝達係数、及び (ニ) 翼部の内面近傍の局所冷却材温度 が含まれる。

第１０図には、最高金属表面温度649℃（1200
〓）について設計されたチヤンネルの幾何学的形
状及び冷却材流量について計算された表面及びけ
た材の中心線の温度が線図として示されている。

【図面の簡単な説明】

第１図は高温ガスの移動経路中においての羽根
組立体の位置を示すタービンの縦断面図、第２，
３図は本発明の好ましい実施例による羽根組立体
の組立前及び組立後の状態をそれぞれ示す斜視
図、第４図は冷却材回路を略示した羽根組立体の
分解斜視図、第５Ａ図は羽根組立体に用いられる
羽根の断面図、第５Ｂ図は胴部冷却材チヤンネル
を示すための第５Ａ図の線Ｂ−Ｂにおける羽
根の拡大断面図、第５Ｃ図は羽根冷却材回路を示
すための羽根の垂直断面図、第６Ａ〜６Ｆ図は第
４図に示す羽根の説明的な断面図（第６Ｄ図及び
第６Ｅ図は第６Ａ図の線Ｄ−Ｄ及びＥ−
Ｅにおける断面図である）、第７Ａ〜７Ｈ図は
種々の内部シユラウド冷却材及び構造特徴を示す
内側シユラウドの説明的な断面図（第７Ａ図は第
７Ｅ図の線Ａ−Ａにおける断面図、第７Ｂ
図、第７Ｃ図、第７Ｄ図、第７Ｆ図、第７Ｇ図及
び第７Ｈ図は第７Ａ図の線Ｂ−Ｂ，Ｃ−
Ｃ，Ｄ−Ｄ，Ｆ−Ｆ，Ｇ−Ｇ、及び
Ｈ，Ｈにおける図である）、第８Ａ〜８Ｈ図
は外側シユラウドの同様の説明的な断面図（第８
Ｄ図、第８Ｅ図、第８Ｆ図及び第８Ｇ図は第８Ａ
図の線Ｄ−Ｄ，Ｅ−Ｅ，Ｆ−Ｆ及び
Ｇ−Ｇにおける断面図である）、第９図は羽
根組立体の組立て立面図、第１０図は温度分布状
態を示す線図である。 １０……燃焼タービン、１４……ケーシング
（ケーシング手段）、１５……環状スペース、１８
……ステーター羽根、２０……ローター羽根、２
２……羽根組立体、２４……内側シユラウド、２
６……外側シユラウド、４０……胴部（胴部
材）、２３……リング手段、３８……けた材（構
造部材）、２８，３０及び３２……構造部材に給
送する第１給送手段（内部空洞）、４２……胴部
材の内面に給送する第２給送手段（冷却材チヤン
ネル）、４６及び４８……構造部材を再び通して
返送冷却材空気を導く案内手段（冷却空洞）、５
６……第３給送手段（内部冷却空洞）、５８……
排出手段（傾斜冷却孔）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 燃焼タービンのための空気冷却される羽根構
   造物であつて、タービンケーシング中に支持され
   たリング手段と、複数のセクター羽根組立体と、
   燃焼器からの高温ガス流がそれを通り差し向けら
   れる環状スペースを与える環状形態において上記
   リング手段に対し相対的に上記セクター羽根組立
   体を支持する支持手段とを有し、上記セクター羽
   根組立体の各々は、内側シユラウド部分、外側シ
   ユラウド部分及び上記環状スペース中において内
   側シユラウド部分と外側シユラウド部分との間に
   延びる少くとも１つの羽根を備え、上記羽根は内
   部の構造部材及び該構造部材に固定された胴部材
   を備え、該構造部材及び胴部材は上記羽根に翼状
   の外形を与えるように共働し、更に前記羽根構造
   物は、供給冷却材空気を上記羽根の構造部材に給
   送する第１給送手段と、構造部材からの冷却材空
   気を上記羽根の胴部材の内面の分布された部分上
   に給送して羽根の胴部外面温度を制限する第２給
   送手段と、上記内側シユラウド及び外側シユラウ
   ドに対して上記羽根を支持する支持手段とを有す
   るものにおいて、上記胴部材への第２給送手段は
   冷却材チヤンネルであり、該第２給送手段から上
   記内側シユラウド及び外側シユラウドに上記構造
   部材を再び通して返送冷却材空気を導く案内手段
   と、上記内側シユラウド及び外側シユラウド内全
   体に上記冷却材空気を給送する第３給送手段と、
   内側及び外側シユラウドの冷却材空気を高温ガス
   に排出させる排出手段とを有することを特徴とす
   る羽根構造物。