(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半径方向外側に配置された翼脚部（２）と、半径方向内側に配置された翼頭部（３）と、翼頭部と翼脚部の間を半径方向に延びる冷却空気通路（４）とを備え、冷却空気（２３）が翼脚部にある入口開口（３６）に導入され、翼頭部にある出口開口（３５）を経て少なくとも一部が流出するタービン静翼（１）において、
前記冷却空気通路（４）が、半径方向に延びる内側通路と、該通路に隣接し内側通路の周囲を少なくとも部分的に取り囲む外側通路（９）とを有し、前記内側通路が、前記翼頭部側終端部（６）に配置された少なくとも１つの連通孔（１０）を有し、かつ前記タービン静翼（１）の羽根（１８）の後縁部（１１）に、前記外側通路（９）に連通する出口開口（１２）を有し、前記冷却空気（２３）が、翼脚部から翼頭部迄流れ、前記翼頭部にある出口開口（３５）を経て少なくとも一部（４２）が流出され、残りの冷却空気（４１）が、前記連通孔（１０）を経て前記外側通路（９）に転流され、この外側通路（９）を経て翼脚部の方向に逆流し、前記出口開口（１２）を経て流出されることを特徴とするタービン静翼。
【請求項２】
外側通路（９）が内側通路の周囲全体を取り囲むことを特徴とする請求項１記載の静翼。
【請求項３】
内側通路が円筒状をなすことを特徴とする請求項１又は２記載の静翼。
【請求項４】
内側通路が冷却空気通路（４）にはめ込まれた冷却空気案内管（１３）であり、該案内管が冷却空気通路の内側壁面（８）に対し間隔を隔てて配置され、外側通路（９）が、冷却空気案内管（１３）と冷却空気通路の内側壁面（８）との間の中間空間により形成されたことを特徴とする請求項１から３の１つに記載のタービン静翼。
【請求項５】
前記間隔が、冷却空気案内管（１３）の横断面距離（１５）より小さいことを特徴とする請求項４記載の静翼。
【請求項６】
外側通路（９）内の冷却空気部分流（４１）の流れが、内側通路内の流れより速いことを特徴とする請求項１から５の１つに記載の静翼。
【請求項７】
請求項１記載のタービン静翼（１）の冷却空気通路（４）を中子により鋳造形成するタービン静翼の製造方法において、中子がタービン静翼鋳造用の通常の中子より小さな横断面積を有し、鋳造後に冷却空気通路内に、翼頭部側終端部（６）に配置される少なくとも１つの連通孔（１０）を備えた冷却空気案内管（１３）を、冷却空気通路の内側壁面（８）に対して間隔を隔ててはめ込み、タービン静翼の羽根（１８）の後縁部（１１）に、冷却空気通路の内側壁面からタービン静翼の外側輪郭（１６）迄達する出口開口（１２）を開けることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、半径方向外側に配置された翼脚部と、半径方向内側に配置された翼頭部と、翼頭部と翼脚部との間を半径方向に延びる冷却空気通路とを備え、冷却空気が翼脚部にある入口開口に導入され、翼頭部にある出口開口を通して少なくとも一部が流出されるタービン静翼、特に最終段のタービン静翼に関する。
【０００２】
タービンを駆動する高温ガス流は、静止したタービン静翼から、タービン中心軸線を中心に回転するタービン円板に固定したタービン動翼に導かれる。タービン静翼は、その半径方向外側の翼脚部で静止したタービン車室に固定される。多数のタービン静翼を円形に配列して形成したタービン静翼列は、タービン円板上に円形に配列して形成したタービン動翼列と、軸方向に交互に配置されている。タービン静翼の半径方向内側の翼頭部は断面Ｕ形の囲い輪に隣接し、該囲い輪は外側面に、囲い輪を高温ガスの洗流から密封するラビリンスパッキンを備える。
【０００３】
傍を流れる高温ガスで加熱されるタービン翼を冷却すべく、通常、冷却空気を利用する。タービン静翼の場合、その冷却空気は、例えばタービン静翼に設けた半径方向に延びる冷却空気通路を経て、タービン静翼の半径方向外側の翼脚部から半径方向内側の翼頭部迄流れる。その冷却空気は、翼頭部からそれに隣接する断面Ｕ形の囲い輪に導入される。この囲い輪はその傍を流れる冷却空気で冷却される。また、タービン静翼の翼頭部とその内側の囲い輪とで形成された中空室に高温ガスが侵入することは、冷却空気の過圧により防止せねばならない。
【０００４】
囲い輪は製造と費用上の理由から、通常低耐熱性材料で作られる問題がある。冷却空気はタービン静翼の貫流時、一般にタービン静翼の許容最高温度迄加熱される。従って、冷却空気は囲い輪への流入時、既にかなり高温である。最終段のタービン静翼は、他のタービン静翼段に比べ左程加熱されず、従ってその冷却は少量の冷却空気で足りる。しかしそのような少量の冷却空気では、囲い輪を十分に冷却できない。これはまた、囲い輪とタービン静翼の脚頭部とからなる中空室に導入された冷却空気が、中空室貫流後に排出され、十分に冷却されない、熱に弱い最終段のタービン円板に向けて流れる点で問題である。
【０００５】
従来はこの問題を、極めて多量の冷却空気を、タービン静翼の中央孔又は空洞付き鋳造タービン静翼の冷却空気通路を経て案内することで解決していた。
【０００６】
本発明の課題は、少量の冷却空気しか必要とせず、それでも囲い輪を十分に冷却できるタービン静翼を形成することにある。
【０００７】
この課題は本発明に基づき、冷却空気通路が半径方向に延びる内側通路と、該通路に隣接し内側通路の周囲を少なくとも部分的に取り囲む外側通路とを有し、この外側通路が内側通路に連通して翼脚部に出口開口を有し、冷却空気が翼脚部から翼頭部迄流れ、冷却空気部分流が外側通路を経て翼脚部の方向に逆流し、出口開口を通して流出することで解決される。
【０００８】
冷却空気通路を内側通路と外側通路に分割すると、冷却空気がまず内側通路を経て流れ、翼頭部で一部が囲い輪を冷却すべく流出し、一部が転流後に外側通路を経て戻るようにできる。内側通路は総冷却空気流で貫流させ、対向流の形での少量の冷却空気流により周囲を洗流する。内側通路を包囲する外側通路内の冷却空気流は非常に高速である。従ってこの空気流は、高速冷却空気流束の大きな冷却力により、タービン静翼の周辺部を良好に冷却する。高速で逆流する冷却空気は、一方では内側通路を絶縁し、多量の冷却空気の使用なしに、冷却空気が翼頭部の囲い輪への流出個所で低温を保持するのを可能にする。同時に、逆流冷却空気は冷却空気通路の側壁を冷却し、従ってタービン静翼の負荷支持部であるタービン静翼の周辺部を冷却する。冷却空気通路を包囲するタービン翼の壁は、本発明に基づき従来に比し厚肉とされ、従って強固になっている。外側通路を経る冷却空気流の一部の転流と、外側通路での冷却空気の高速案内とで、総冷却空気量が減り、同時に、囲い輪を冷却すべくタービン静翼の翼頭部で流出する冷却空気の温度が低下する。従って本発明によれば、タービン静翼と囲い輪を少量の冷却空気で十分に冷却できる利点が生ずる。
【０００９】
タービン静翼が最終段のタービン静翼なら、通常の冷却空気通路を利用するのに比べ、高温ガスが最終段に到達する迄に既にかなり冷えており、最終段のタービン静翼が基本的に左程強く加熱されないので、冷却空気は大幅に節約できる。この静翼に対し、本発明のタービン静翼で、冷却空気を大幅に節約できる。
【００１０】
外側通路が内側通路の周囲をほぼ完全に取り囲むことで、内側通路を経て導く冷却空気のほぼ全面にわたる放射熱を、外側通路を経て導く冷却空気で搬出できる。大きな放射面積により、短時間での大きな熱伝達が可能である。従って、翼頭部に到達する冷却空気はかなり低温であり、囲い輪を良好に冷却する。
【００１１】
内側通路が少なくとも１つの連通孔を有し、この孔を経て冷却空気部分流が外側通路に転流するため、冷却空気は連通孔の個所で非常に強く加速される。高速に伴い多量の熱を吸収するので、外側通路の冷却空気の冷却性能が向上する。
【００１２】
内側通路が翼頭部側終端部位に少なくとも１つの連通孔を持つことで、タービン静翼内に長い冷却空気経路が生じ、従って冷却空気を有効利用できる。冷却空気が冷却空気案内管を、翼頭部と翼脚部との間のほぼ全長にわたり高温の翼壁から遮蔽するので、タービン静翼の翼頭部から流出する冷却空気は、内側通路内の冷却空気の量が少ないときも、囲い輪を良好に冷却するに十分な低温にある。同時に、外側通路を逆流する冷却空気流はタービン静翼の周辺部位を冷す。
【００１３】
タービン静翼の羽根の後縁部に、外側通路に連通する出口開口を設けるとよい。内側通路の傍をかすめて流れる転流冷却空気は、導入された冷却空気と混じることなく、出口開口を経てタービン静翼から流出する。後縁部に流出開口を配置することで、傍を流れる高温ガスが侵入し損傷を起すのを防げる。外側通路を貫流する冷却空気の出口開口を、タービン静翼の翼脚部に設けると、冷却空気はタービン静翼内を非常に長い経路を経て流れ、その結果冷却空気量が少ないときもタービン静翼から多量の熱エネルギを吸収し、内側通路内の冷却空気を加熱することなく外に放出できる。
【００１４】
内側通路が円筒状なので、それを洗流する冷却空気の流速、様式、従って熱搬出も、通路全長にわたり略同一になる。この結果、一様な冷却を保障できる。
【００１５】
本発明の有利な実施態様では、内側通路は冷却空気通路にはめ込んだ冷却空気案内管であり、該管が冷却空気通路の内側壁面に対し間隔を隔てて配置され、冷却空気案内管と冷却空気通路の内側壁面との中間の空間により外側通路を形成する。この結果、冷却通路の製造を単純化できる。冷却空気案内管は、鋳造後に冷却空気通路にはめ込む。外側通路は冷却空気案内管の周りを延びる中間空間からなる。その空間の幅は、冷却空気案内管の冷却空気通路の側壁からの間隔に相当し、必要に応じ調整できる。中間空間が狭くなればなる程、圧送される冷却空気の速度が増大する。冷却空気速度の増大に伴い、その熱搬出容量が増える。
【００１６】
外側通路の横断面積は、冷却空気が通路を経て急速に流れるように選定し、これによって十分な冷却を保障するのがよい。
【００１７】
本発明の課題は、タービン静翼の製造方法にも関する。
【００１８】
この課題は本発明に基づき、タービン静翼の冷却空気通路を中子により形成するタービン静翼の製造方法において、中子がタービン静翼鋳造用の通常の中子より小さな横断面積を有し、鋳造後に冷却空気通路内に、翼頭部側終端部に配置される少なくとも１つの連通孔を備えた冷却空気案内管を、冷却空気通路の内側壁面に対して間隔を隔ててはめ込み、タービン静翼の羽根における後縁部に、冷却空気通路の内側壁面からタービン静翼の外側輪郭迄達する出口開口を開けることで解決される。
【００１９】
製造時、鋳造用の翼中子の形状を通常の中子に比べて小さくできる。これにより生ずる冷却通路が小さくなるので、タービン翼の壁厚が特に翼前縁に向かい増大する。従って、危険な壁厚が存在せず、鋳造は著しく単純になる。その鋳造後に冷却空気案内管をはめ込む。それだけで、冷却空気案内管と冷却空気通路内壁との間に、冷却空気案内管を環状に包囲する狭い外側通路が生ずる。中子の大きさの減少と、これに伴う冷却空気通路内壁の面積の減少に伴い、熱放射用の放射面が減少し、この結果、単位時間毎に冷却空気流に放出される熱量が減少する。この結果、冷却空気は左程強く加熱されず、少量の冷却空気で十分足りる。タービン静翼の冷却は、特に最終段において比較的低い温度で十分である。
【００２０】
以下、図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
【００２１】
図１は、最終段のタービン静翼１を斜視図で示す。タービン静翼１は、かみ合わせ保持突起２４を持つ翼脚部２により、円筒状タービン車室（図示せず）の内壁に取り付ける。タービン静翼１の羽根（翼形部）１８がその翼脚部２からタービン中心軸線３０に向けて半径方向に延びている。タービン静翼１の半径方向内側端には翼頭部３を設けている。この翼頭部３は、平坦部２５と、タービン中心軸線３０に関し半径方向内側の湾曲凹所２６とを備える。この翼頭部３に、レール状かみ合い保持突起２７により、断面Ｕ形の囲い輪１９が連結している。この突起２７は、囲い輪１９のかみ合い保持溝２８に係合する。翼頭部３の湾曲凹所２６は囲い輪１９と共に中空室２０を形成する。この室２０の長手方向２９は、タービン中心軸線３０と翼軸線３１に対し直角に延びる。囲い輪１９の半径方向内側にラビリンスパッキン２１が存在する。タービン運転中、タービン中心軸線３１を中心に回転するタービン円板２２が、タービン静翼１の半径方向内側にある。この円板２２にタービン動翼（図示せず）が取り付けられている。ラビリンスパッキン２１はタービン円板２２を高温ガス１７から密封する。
【００２２】
羽根１８は、半径方向に延びる円筒状冷却空気通路４を持つ。この通路４は、タービン静翼１の翼脚部２の冷却空気２３の入口開口３６から、タービン静翼１の翼頭部３の冷却空気２３の出口開口３５迄、通して延びている。この通路４は羽根１８と翼脚部２の範囲で、羽根１８の外側輪郭１６に似た横断面輪郭３４を示す。冷却空気通路４の横断面輪郭３４は、翼脚部２から翼頭部３の前迄の範囲で、その形状をほぼ保っているが、大きさは減少できる。その輪郭３４は、冷却空気通路４が翼頭部３に移行する個所で狭まり、環状段部３３を生ずる。この狭まった横断面輪郭３４は、冷却空気通路４の中空室２０への出口開口３５が存在する翼頭部３の凹所２６迄ほぼ保たれている。冷却空気通路４内のほぼ中央に、円筒状冷却空気案内管１３をはめ込んでいる。この管１３は全長にわたりほぼ一様な横断面楕円形１５を示す。冷却空気案内管１３はタービン静翼１の翼頭部３に、主に冷却空気案内管１３が移行部に合わされた横断面形状１５を持つ環状段部３３に当たる迄延びるか、翼頭部３内で冷却空気通路４の狭まった横断面３４内にはめ込むことで保持される。冷却空気案内管１３は翼脚部２内で、例えば冷却空気通路４の内側壁面８に一体形成したスペーサ３７で中央に保持している。冷却空気通路４は、タービン静翼１を鋳造する際、中子の挿入に伴い直接形成される。冷却空気案内管１３は、鋳造後に冷却空気通路４内にはめ込まれる。
【００２３】
冷却空気案内管１３は、タービン静翼１の翼脚部２の上側面３２迄達する。冷却空気２３は翼脚部２で、冷却空気案内管１３の入口開口３６に導入される。その空気２３は、冷却空気案内管１３を連通孔１０迄貫流し、そこで一部が分かれる。冷却空気の部分流４２は、タービン静翼１の翼頭部３迄流れ、そこで出口開口３５を経て中空室２０に流入する。冷却空気の他の部分流４１は冷却空気案内管１３から連通孔１０を経て、冷却空気案内管１３と冷却空気通路４との間の外側通路９に流入し、そこを図２に示す如く逆向きに翼脚部２に向けて流れる。その部分流４１は、細い連通孔１０で加速されて冷却通路４の内側壁面８に向かって流れる。その孔１０が小さな直径を有するため、冷却空気部分流４１は加速され、従って冷却通路４の内側壁面８で非常に強い冷却作用が起る。外側通路９が冷却空気案内管１３に比べ狭いので、冷却空気部分流４１はそこを速く流れる。最終的に、昇温した冷却空気部分流４１は、タービン静翼１の羽根１８の後縁部１１で、外側通路９から羽根外側輪郭１６迄達する出口開口１２を経て排出される。翼頭部３の出口開口３５を経て流出する冷却空気部分流４２は、まず中空室２０に流入し、この室２０の半径方向内面を境界付ける囲い輪１９を冷却する。その部分流４２は囲い輪１９の側壁４０にある孔３８を経て流出する。
【００２４】
図２は、図１のタービン静翼１を縦断面図で示す。翼脚側終端部５で冷却空気案内管１３内に流入する冷却空気流２３は、２つの部分流に分かれる。即ち、翼頭部側終端部６の孔１０を経て外側通路９に流入し出口開口１２で流出する転向冷却空気流４１と、囲い輪１９に向けて流出する冷却空気流４２とに分かれる。
【００２５】
図３は、各冷却空気部分流４１、４２が各々タービン静翼１を長手方向３１に冷却通路４の最終長ｌ迄貫流する間の各冷却空気部分流４１、４２の温度Ｔの経過を展開図で示す。その通し冷却空気流４２は最高温度Tmaxに到達せず、従って、囲い輪を十分に冷却する。これに対し他方の冷却空気部分流４１は、熱の大部分を搬出し、その熱でタービン静翼の熱に弱い部分を損傷することなく、タービン静翼から流出する。両冷却空気部分流４１、４２の合計である総冷却空気流２３は、従来に比べかなり少なくなっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に基づくタービン静翼の斜視図。
【図２】  図１におけるタービン静翼の部分縦断面図。
【図３】  冷却空気流の温度経過を示す線図。
【符号の説明】
１        タービン静翼
２        翼脚部
３        翼頭部
４        冷却空気通路
６        翼頭部側終端部
８        内側壁面
９        外側通路
１０        連通孔
１１        翼後縁部
１２        出口開口
１３        冷却空気案内管
３６        入口開口
４１、４２  冷却空気部分流
【図１】
0004726389.tif 000002
【図２】
0004726389.tif 000003
【図３】
0004726389.tif 000004