(57)【要約】【課題】        特に熱の影響を受け易い動翼のプラットホームにおいて、冷却用空気を用いて簡単な構成でプラットホームを効率的に冷却すること。【解決手段】    ガスタービン動翼のプラットホームの冷却機構において、プラットホーム３にロータ半径方向に延設する冷却空気流路６を設けると共に、冷却空気流路６からプラットホームの側面３ｃに至るシール空気流路７を設けること。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン動翼のプラットホームの冷却機構において、
前記プラットホームにロータ半径方向に延設する冷却空気流路を設けると共に、前記冷却空気流路から前記プラットホームの周方向端面に至るシール空気流路を設けたこと
を特徴とするガスタービン動翼。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービン動翼において、
前記冷却空気流路は前記プラットホームの翼部の前縁側に設けられたこと
を特徴とするガスタービン動翼。
【請求項３】
請求項１または２に記載のガスタービン動翼において、
前記冷却空気流路に供給される冷却用空気は車室側と軸部側とを仕切る壁に開口する開口部から供給されること
を特徴とするガスタービン動翼。
【請求項４】
請求項３に記載のガスタービン動翼において、
前記開口部は中間軸カバーに形成されること
を特徴とするガスタービン動翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン動翼におけるプラットホームを冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの内部では、ガスタービン内に供給された高温ガスによって、特に熱の影響を受け易い動翼のプラットホームにおいて、冷却空気またはシール空気等を用いて簡単な構成でプラットホームを効果的に冷却するようにしたガスタービン動翼が数多く提供されている。
【０００３】
例えば、特開平１０−２３８３０２号公報には、翼頭側から翼腹側及び翼背側の両側方に分かれ、最終的に翼尾側に至る冷却通路をプラットホーム内部を通して設け、この冷却通路の上流は翼部冷却通路に開口し、下流は翼尾の端面に開放して翼部冷却用の冷却空気でプラットホームを冷却するようにしたガスタービン動翼が開示されている。
【０００４】
また、特許第３０４０６６０号公報には、プラットホームの半径方向に向けて貫通するシール空気流路孔を設けると共に、同シール空気流路孔の上面に吹出口を設けることによって、プラットホーム下面を流れるシール空気は半径方向にシール空気流路孔を通ってプラットホーム上面に流出する。流出した際にプラットホーム上面に設けられた吹出口によって、プラットホームの上面を拡がりながら這うように流れて、プラットホームの上面を冷却するガスタービン動翼が開示されている。
【０００５】
更に、特許第３３３７３９３号公報には、冷却空気を動翼まで導く際に、動翼内部へ供給する経路に工夫をし、短い経路で静翼下部から動翼プラットホーム下部へ噴出させるようにして、冷却空気の温度上昇をなるべく少なくし、かつ圧力損失も小さくするようにして冷却性能を高めるようにしたガスタービン動翼が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２３８３０２号公報
【特許文献２】特許第３０４０６６０号公報
【特許文献３】特許第３３３７３９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、一般にタービン動翼列に高温ガスが供給されると、図５に示すように、翼部１０１の前縁部１０２にこの高温ガスが吹き付けられる。このとき翼部１０１の根元に形成するハブ部１０３には、高温ガスによる馬蹄渦Ａが発生し、高温ガスが動翼の周囲に渦を形成して拡がっていくことが知られている。これにより、動翼周辺の高温ガスの流れは、翼前縁部１０２の渦でプラットホーム１０４に押し返されると共に、隣接するプラットホーム１０４間の隙間に侵入するので、プラットホーム１０４に示す馬蹄渦Ａの影響を受けやすい領域である斜線部１０４ａが高温にさらされることになる。
【０００８】
この結果、図６及び図７に示すように、高温ガスがプラットホーム１０４に吹き付けられることにより、翼内部に冷却空気流路を配して冷却された翼部１０１と、高温に保持されたプラットホーム１０４との温度差が増大する。これにより、プラットホームの側面１０４ｂでは高温による圧縮応力が発生するのに対し、翼部１０１の下方に形成されるプラットホームの内部１０４ｃでは低温による引張応力が発生する。即ち、プラットホームの内部１０４ｃから側面１０４ｂに向けて徐々に高温になっている。従って、図８に示すような、低サイクル疲労によるクラックＤがプラットホームの側面１０４ｂに発生する。
【０００９】
また、プラットホーム１０４が馬蹄渦Ａにより高温に保持され続けると、特に各プラットホーム１０４が隣接する側面１０４ｂにおいては、図８に示すように、プラットホーム１０４の表面に皮膜されている遮熱コーティングの剥離Ｄが発生する。
【００１０】
しかしながら、上述した３つの従来のガスタービン動翼においては、翼部やプラットホームの冷却を図っているものの、プラットホームの側部に侵入する高温ガスについては、充分な冷却構造にはなっていない。このため、圧縮応力によるクラックや高温ガスによる遮熱コーティングの剥離の対策も何ら取られてはいない。つまり、ガスタービン動翼においては、高温ガスをプラットホーム間に侵入することを防ぐと共に、プラットホームを効率的に冷却することが要求されている。
【００１１】
従って、本発明はこのような問題を解決するものであって、ガスタービン内部において、特に熱の影響を受け易い動翼のプラットホームにおいて、冷却用空気を用いて簡単な構成でプラットホームを効率的に冷却するようにしたガスタービン動翼及びガスタービンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決する第１の本発明に係るガスタービン動翼は、ガスタービン動翼のプラットホームの冷却機構において、前記プラットホームにロータ半径方向に延設する冷却空気流路を設けると共に、前記冷却空気流路から前記プラットホームの周方向端面に至るシール空気流路を設けたことを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する第２の本発明に係るガスタービン動翼は、第１の発明に記載のガスタービン動翼において、前記冷却空気流路は前記プラットホームの翼部の前縁側に設けられたことを特徴とする。
【００１４】
上記課題を解決する第３の本発明に係るガスタービン動翼は、第１または第２の発明に記載のガスタービン動翼において、前記冷却空気流路に供給される冷却用空気は車室側と軸部側とを仕切る壁に開口する開口部から供給されることを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決する第４の本発明に係るガスタービン動翼は、第３の発明に記載のガスタービン動翼において、前記開口部は中間軸カバーに形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
ガスタービン動翼のプラットホームの冷却機構において、前記プラットホームにロータ半径方向に延設する冷却空気流路を設けると共に、前記冷却空気流路から前記プラットホームの周方向端面に至るシール空気流路を設けたので、前記シール空気流路から噴出した冷却空気は、前記隣接するプラットホーム間に充満し、前記隣接するプラットホーム間に侵入する高温ガスを防いで、プラットホーム３を効率的に冷却することができる。これにより、前記プラットホームの表面の遮熱コーティングの剥離と、圧縮応力によるクラックとを防止することもできる。従って、特に高温ガスの影響を受け易い前記プラットホームにおいて、冷却空気を用いて簡単な構成で前記プラットホームを効率的に冷却することができる。
【００１７】
また、前記冷却空気流路は前記プラットホームの翼部の前縁側に設けられているので、確実に前記隣接するプラットホーム間に充満することができる。従って、確実に侵入する高温ガスを防ぎ、プラットホーム３を効率的に冷却することができる。
【００１８】
また、前記冷却空気流路に供給される冷却用空気は車室側と軸部側とを仕切る壁に開口する開口部から供給されるので、低温で高圧に保持された冷却空気が前記冷却空気流路から前記シール空気流路に供給され、噴出する。従って、更にプラットホーム３を効率的に冷却できると共に、前記隣接するプラットホーム間に充満した冷却空気は高温ガスの侵入を防ぐことができる。
【００１９】
更に、前記開口部は中間軸カバーに形成されるので、温度が低く、損失が少ない高圧の冷却空気を供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は本発明の一実施例に係るガスタービン動翼の翼背側斜視図、図２は本発明の一実施例に係るガスタービン動翼の翼腹側斜視図、図３は図１の下側面図、図４は本発明の一実施例に係る冷却空気系統を示す断面図である。
【００２１】
図１から図３に示すように、動翼１は高温ガス流に晒される翼部２と、翼部２のプラットホーム３と、プラットホーム３の下部に形成するシャンク部４及び翼根部５とから構成されている。プラットホーム３には、プラットホーム３を冷却するために、プラットホームの底面３ａから半径方向に形成される冷却空気流路６が設けられている。この冷却空気流路６はプラットホーム３の翼部の前縁部２ａ側に２本設けられ、プラットホームの上面３ｂまで貫通するものではなく、プラットホームの底部３ａから所定の長さに形成された流路である。また、各冷却空気流路６には、冷却空気流路６から周方向に形成され、プラットホームの側面３ｃに貫通するシール空気流路７が複数本（実施例では４本）設けられている。
【００２２】
次に、図４に示すように、動翼１はロータディスク８を介して図示しないロータに回転可能に支持されており、そのロータ軸方向の前後には静翼９が配置されている。この静翼９の内側には内側シュラウド１０が設置されると共に、外側には外側シュラウド１１が設置されている。静翼９はこの外側シュラウド１１を介してケーシング１２に支持されている。
【００２３】
また、動翼１の前方に設置される静翼９には、車室１３に設置される燃焼器１４の端部が配置され、この燃焼器１４から高温ガス流が動翼１及び静翼９の並列する通路に送り込まれる。更に車室１３には、中間軸カバー１５に貫通し、空間１６に連通するパイプ１７が設置されている。このパイプ１７は空間１６に冷却空気を供給するためのものであり、空間１６には供給された冷却空気を分流させるためのリングカバー１８が中間軸カバー１５に支持されている。
【００２４】
そして、空間１６の冷却空気を効率よく供給するために、ロータディスク８の冷却空気穴８ａが形成されると共に、車室１３からの冷却空気を取り込むための中間軸カバー１５に形成される冷却空気穴１５ａと、パイプ１７から空間１６に供給された冷却空気を動翼１側に取り込むための冷却空気穴１５ｂとが形成されている。この冷却空気穴１５ａ，１５ｂはロータ軸方向に開口する穴である。冷却空気穴１５ａは車室１３の冷却空気をすぐに動翼１側へ供給でき、冷却空気穴１５ｂは空間１６に供給された冷却空気を最短距離で動翼１側へ供給できるので、冷却空気穴１５ａ，１５ｂは温度を上昇させることなく、かつ損失が少なく圧力の高い冷却空気を供給することができる。また、ロータディスク８には翼１内部を冷却するための冷却空気通路穴８ｂが形成されている。この冷却空気通路穴８ｂは、動翼１の下部に連通しており、翼根部５，シャンク部及び翼部２を通る図示しない流路に連通している。
【００２５】
従って上述したように、高温ガス流路には動翼１列と静翼９列とはロータの軸方向に交互に配置され、動翼１はロータディスク８を介してロータに回転可能に支持されると共に、静翼９は外側シュラウド１１を介してケーシング１２に支持されている。また、動翼１及び静翼９は、各々ロータの周方向に並列に複数枚取り付けられている。
【００２６】
そして、燃焼器１４から供給された高温ガス流を取り込むと、高温ガス流は静翼９により周方向の速度を与えられて動翼１列に入る。動翼１においても高温ガス流によって周方向の速度が与えられて、ロータが回転するようになっている。動翼１列を出た高温ガス流は後置の静翼９列を通って、その静翼９列の後置の動翼１列に入る。この間、高温ガスは動翼によりエネルギが与えられ、増減速を繰り返して圧力が上昇されていく。
【００２７】
これと同時に、動翼１を冷却するための冷却空気がパイプ１７を通り車室１６に供給されている。ここで、冷却空気がパイプ１７を通り空間１６に供給される流れをＸとする。冷却空気Ｘは中間軸カバーの冷却空気穴１５ｂを通る冷却空気ｘ１と、中間軸カバー１５とリングカバー１８との間を流れる冷却空気ｘ２と、リングカバー１８とロータディスク８との間を流れる冷却空気ｘ３とに分流される。
【００２８】
分流された冷却空気ｘ１，ｘ２はロータの軸方向へ流れると共に冷却空気ｘ４の流れとなって合流する。一方ｘ３は、ロータディスクの冷却空気通路穴８ｂに流れる冷却空気ｘ５と、ロータディスクの冷却空気穴８ａに流れる冷却空気ｘ６とに分流される。
【００２９】
冷却空気ｘ５は、冷却空気通路穴８ｂを通り翼根部５，シャンク部４及び翼部２の冷却通路を通り動翼１内部を冷却するものであり、動翼１内部を循環した後は、翼部２の翼頭，先端，翼尾付近から排出され、高圧ガス流に合流する。一方、ロータディスクの冷却空気穴８ａに流れた冷却空気ｘ６は、動翼１の次の段に配置される図示しない動翼に供給されるもので、その後この動翼を冷却することになる。
【００３０】
冷却空気ｘ４は、車室１３にある圧縮空気Ｙが中間軸カバーの冷却空気穴１５ａを通り空間１６に供給される冷却空気ｙ１と合流し、シール空気及び冷却空気Ｚとされる。その後、シール空気及び冷却空気Ｚは動翼１と静翼９との間からの高温ガス流漏出を防ぐシール空気となり、プラットホーム３の表面を冷却しながら高温ガス流に含まれる。
【００３１】
このとき、冷却空気Ｚの流れの一部である冷却空気ｚ１が、プラットホームの底面３ａに開口する冷却空気流路６に供給されることになる。この冷却空気ｚ１は、動翼１の回転により生じた半径方向へ圧力であるポンプアップ効果により、冷却空気流路６内を流れていく。更に、冷却空気流路６に供給された冷却空気ｚ１は、この圧力による強制渦によって冷却空気流路６に連通し周方向に通路を有するシール空気流路７に供給され、その後、プラットホームの側面３ｃ側から噴出される。
【００３２】
つまり、冷却空気ｚ１を冷却空気流路６及びシール空気流路７に通過させることにより、馬蹄渦に高温にさらされたプラットホーム３を冷却することができる。また、冷却空気ｚ１をシール空気流路からプラットホームの側面３ｃ側に噴出させることにより、隣接する動翼１のプラットホームの側面３ｃ間の隙間に冷却空気ｚ１を充満させ、プラットホームの側面３ｃ間の隙間に高温ガスが侵入することを防ぐことができる。これは、充満した冷却空気ｚ１がシールの役目を果たしているからである。これにより、プラットホームの側面３ｃに高温ガスが接触することがないので、冷却効果が高められると同時に、特にプラットホームの側面３ｃに発生する遮熱コーティングの剥離や圧縮応力によるクラックを防止することができる。
【００３３】
また、冷却空気ｚ１は、冷却空気穴１５ａから供給された冷却空気ｙ１と、冷却空気穴１５ｂから供給された冷却空気ｘ１とから構成され、また上述したように、低温で、かつ圧力の高い冷却空気となされているので、更に、冷却効率が得られると共に、冷却空気流路６に供給された後、シール空気流路７に無理なく供給され、噴出することができる。このため、プラットホームの側面３ｃ間に充満した状態においても、プラットホームの側面３ｃを冷却し、高温ガスの侵入を防ぐことができる。
【００３４】
即ち、プラットホームの側面３ｃ間に充満した冷却空気ｚ１がシールの役目を果たすので、隣接するプラットホームの側面３ｃ間に侵入する高温ガスを防ぐことができる。更に、冷却空気ｚ１が充満することにより、プラットホームの側面３ｃが常に冷却され、これと同時に、冷却空気流路６とシール空気流路７とに供給されている冷却空気ｚ１がプラットホーム３の内部を冷却しているので、プラットホーム３の側面３ｃ及び内部を効率的に冷却することができる。また、このようにプラットホーム３を効率的に冷却できることにより、高温ガスによる馬蹄渦を受けても、プラットホームの側面３ｃに発生しやすい遮熱コーティングの剥離を抑え、プラットホームの側面３ｃは冷却された翼部２との温度差が少ないことから、圧縮応力の低サイクル疲労によるクラックを抑えることができる。
【００３５】
従って本発明によれば、プラットホーム３にロータ半径方向に延設する冷却空気流路６を設けると共に、冷却空気流路６からプラットホームの側面３ｃに至るシール空気流路７を設けたので、シール空気流路７から噴出した冷却空気ｚ１は、プラットホームの側面３ｃ間に充満し、前記隣接するプラットホーム間に侵入する高温ガスを防いで、プラットホーム３を効率的に冷却することができる。また、このようにプラットホーム３を効率的に冷却できることにより、高温ガスによる馬蹄渦を受けても、プラットホームの側面３ｃに発生しやすい遮熱コーティングの剥離を抑えると共に、プラットホームの側面３ｃは冷却された翼部２との温度差が少ないことから、圧縮応力の低サイクル疲労によるクラックを抑えることができる。つまり、特に高温ガスの影響を受け易いプラットホーム３において、冷却空気ｚ１を用いて簡単な構成でプラットホーム３を効率的に冷却すると共に、プラットホームに発生する遮熱コーティングの剥離とクラックとを防止できる。
【００３６】
また、冷却空気流路７はプラットホーム３の翼部の前縁側２ａに設けられているので、確実にプラットホームの側面３ｃ間に充満することができる。従って、確実に侵入する高温ガスを防ぎ、プラットホーム３を効率的に冷却することができる。
【００３７】
更に、冷却空気流路７に供給される冷却用空気は車室１３側とロータ側とを仕切る中間カバー１５に開口する冷却空気穴１５ａ，１５ｂから供給されるので、低温で高圧に保持された冷却空気ｚ１が冷却空気流路６からシール空気流路７に供給され、噴出することができる。従って、冷却空気ｚ１がプラットホームの側面３ｃ間に充満することにより、プラットホームの側面３ｃが常に冷却されると共に、冷却空気流路６とシール空気流路とに供給されている冷却空気ｚ１がプラットホーム３の内部を冷却しているので、プラットホーム３の側面３ｃ及び内部を更に効率的に冷却することができる。
【００３８】
なお、本実施例では、冷却空気流路６をプラットホーム３の翼部の前縁部２ａ側に設けているが、例えば、翼部１の翼尾側，翼背側，及び翼腹側のプラットホーム３に適宜設けてもよく、シール空気流路７も冷却空気のシール性やプラットホーム３の冷却具合を考慮して、その本数を設定してよい。また、冷却空気流路６及びシール空気流路７の流路形状においても、冷却空気の噴出量により自由に設定できる。更に、冷却空気流路６及びシール空気流路は、隣接するプラットホームの側面３のどちらか一方に設けても、同様の効果を得ることができる。
【００３９】
更に、冷却空気ｚ１をパイプ１７から供給された冷却空気ｘ４と、車室１３から供給された冷却空気ｙ１とが合流した冷却空気Ｚの一部としているが、これに限定されるものではなく、例えば、冷却空気通路穴８ｂを通る冷却空気５ｘの一部を冷却空気流路６に供給しても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、隣接するプラットホーム間に侵入する高温ガスの防止をすると共に、プラットホームを効率的に冷却するガスタービン動翼に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施例に係るガスタービン動翼の翼背側斜視図である。
【図２】本発明の一実施例に係るガスタービン動翼の翼腹側斜視図である。
【図３】図１の下側面図である。
【図４】本発明の一実施例に係る冷却空気系統を示す断面図である。
【図５】馬蹄渦を受ける従来のガスタービン動翼の斜視図である。
【図６】図５のＢ部詳細図である。
【図７】図６のＣ部詳細図である。
【図８】クラックとコーティング剥離とが発生した従来のガスタービン動翼の斜視図である。
【符号の説明】
【００４２】
１        動翼
２        翼部
２ａ      前縁部
３        プラットホーム
３ａ      底面
３ｂ      上面
３ｃ      側面
４        シャンク部
５        翼根部
６        冷却空気流路
７        シール空気流路
８        ロータディスク
８ａ      冷却空気穴
８ｂ      冷却空気通路穴
９        静翼
１０      内側シュラウド
１１      外側シュラウド
１２      ケーシング
１３      車室
１４      燃焼器
１５      中間軸カバー
１５ａ    冷却空気穴
１５ｂ    冷却空気穴
１６      空間
１７      パイプ
１８      リングカバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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