(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側、内側シュラウドに固定された翼内部に複数の通路を有し、同各通路内には多数の空気吹出し穴を有する筒状のインサートを所定隙間を保って挿入、固定されてなるガスタービン静翼において、前記翼の前縁側の前記インサートにはその背側後部に他の空気吹出し穴よりも径の大きい空気吹出し穴を設けると共に、前記翼の背側には前記径の大きい空気吹出し穴近辺に他の冷却穴よりも径の大きい冷却穴を設けたことを特徴とするガスタービン静翼。
【請求項２】
前記翼の前記内側、外側シュラウドへの付根部のフィレットは楕円短軸の曲面形状で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン静翼。
【請求項３】
前記インサートは各通路内においてそれぞれ２個所で支持されていることを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービン静翼。
【請求項４】
外側、内側シュラウドに固定された翼内部に複数の通路を有し、同各通路内には多数の空気吹出し穴を有する筒状のインサートを所定隙間を保って挿入、固定されてなるガスタービン静翼において、前記翼の前縁部は楕円長軸の曲面で形成されると共に、前記翼の前縁の一部に楕円長軸曲面で形成される突起部を設け、同突起部には冷却空気が吹き出す複数の冷却穴を設け、前記翼の前記内側、外側シュラウドへの付根部のフィレットは楕円短軸の曲面形状で形成され、前記インサートは各通路内においてそれぞれ２個所で支持され前記翼の前縁側の前記インサートにはその背側後部に他の空気吹出し穴よりも径の大きい空気吹出し穴を設けると共に、前記翼の背側には前記径の大きい空気吹出し穴近辺に他の冷却穴よりも径の大きい冷却穴を設けたことを特徴とするガスタービン静翼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービン静翼に関し、翼の冷却空気の吹出しを効率良くするように前縁部の形状に改良を加えると共に熱応力の集中を避ける形状とし、更に翼の組立も容易にする構造にしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６はガスタービンの代表的な一段静翼を示す断面図である。図において、２０は一段静翼を示し、２１は外側シュラウド、２２は内側シュラウドである。２０ａは静翼の前縁部、２０ｂは後縁部、２０ｃ，２０ｄ，２０ｅは翼中央部、後縁にそれぞれ設けられた空気冷却穴である。静翼２０の内部には前縁側の通路２３、中央部の通路２４、後縁部の通路２９が設けられており、通路２３内にはインサート２５が挿入され、通路２４にはインサート２６が挿入されている。これらインサート２５，２６はそれぞれ通路２３，２４の内壁に所定の隙間を保って挿入され、多点で支持されている。インサート２５，２６は中空の筒状体であり、周囲にはそれぞれ多数の空気吹出し穴２７，２８が明けられている。
【０００３】
上記の一段静翼において、冷却用空気３０，３１，３２は図示省略の車室空間より外側シュラウド２１を通り、静翼２０内へ導かれるが、冷却空気３０は前縁側のインサート２５に流入し、インサート２５周囲の空気吹出し穴２７より通路２３とインサート２５とで形成する隙間に流出し、通路２３の周囲をインピンジ冷却した後、翼に穿設されている冷却穴２０ｃより翼表面に流出し、翼表面をシャワーヘッド及びフィルム冷却する。
【０００４】
同様に冷却空気３１もインサート２６内に流入し、インサート２６の空気吹出し穴２８よりインサート２６と通路２４とで形成される隙間に流出し、通路２４内周囲をインピンジ冷却し、同様に翼に設けられたフィルム冷却穴２０ｄより翼表面に流出し翼表面をフィルム冷却する。又、冷却空気３２は後縁の通路２９に入り、後翼部を冷却し、後縁のフィルム冷却穴２０ｅより外部へ流出する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述の一段静翼においては、翼の前縁部において流出する空気の流出が不均一となり流速の乱れが生じて圧力損失が大きくなったり、場合によっては冷却空気が逆流することが起り得る。又、内部のインサートの空気吹出し穴が空気中のゴミにより目詰りが生じ、圧損が大きくなる不具合が発生する。又、インサートの組立時においては、インサートを通路内に多点で固定するために組立誤差が大きく、又隙間も小さく、組立に多くの時間を要している。更に熱応力の面では翼の外側、内側シュラウドとの付根部のフィレットの曲率が小さく、熱応力が集中してクラックが発生しやすい構造であり、近年のガスタービンの高温化に伴い、これら不具合を解消し、静翼の信頼性向上を図る必要がある。
【０００６】
そこで本発明は、静翼の前縁部の曲面から流出する空気の流れをスムーズにし、又空気の流出するフィルム冷却穴の目詰りを防止する構造とすると共に、インサートの支持も簡素な支持構造とし、更に翼付根部のフィレット曲面も熱応力が集中しないような曲面に改良し、これらの改良により、静翼の冷却効率を高めると共に製造時の組立も良好な構造とし、静翼の信頼性を向上することを課題としてなされたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述の課題を解決するために次の（１）乃至（４）の手段を提供する。
【００１１】
（１）外側、内側シュラウドに固定された翼内部に複数の通路を有し、同各通路内には多数の空気吹出し穴を有する筒状のインサートを所定隙間を保って挿入、固定されてなるガスタービン静翼において、前記翼の前縁側の前記インサートにはその背側後部に他の空気吹出し穴よりも径の大きい空気吹出し穴を設けると共に、前記翼の背側には前記径の大きい空気吹出し穴近辺に他の冷却穴よりも径の大きい冷却穴を設けたことを特徴とするガスタービン静翼。
【００１２】
（２）前記翼の前記内側、外側シュラウドへの付根部のフィレットは楕円短軸の曲面形状で形成されていることを特徴とする（１）に記載のガスタービン静翼。
【００１３】
（３）前記インサートは各通路内においてそれぞれ２個所で支持されていることを特徴とする（１）又は（２）記載のガスタービン静翼。
【００１４】
（４）外側、内側シュラウドに固定された翼内部に複数の通路を有し、同各通路内には多数の空気吹出し穴を有する筒状のインサートを所定隙間を保って挿入、固定されてなるガスタービン静翼において、前記翼の前縁部は楕円長軸の曲面で形成されると共に、前記翼の前縁の一部に楕円長軸曲面で形成される突起部を設け、同突起部には冷却空気が吹き出す複数の冷却穴を設け、前記翼の前記内側、外側シュラウドへの付根部のフィレットは楕円短軸の曲面形状で形成され、前記インサートは各通路内においてそれぞれ２個所で支持され前記翼の前縁側の前記インサートにはその背側後部に他の空気吹出し穴よりも径の大きい空気吹出し穴を設けると共に、前記翼の背側には前記径の大きい空気吹出し穴近辺に他の冷却穴よりも径の大きい冷却穴を設けたことを特徴とするガスタービン静翼。
【００１７】
本発明の（１）では、冷却空気にはゴミが含まれていることがあり、この微細なゴミがインサート内の空気吹出し穴から流出しようとして目詰りを起す可能性がある。そこでインサートの空気吹出し穴のうち、ゴミが比較的滞留しやすい前縁部の背側後部の空気吹出し穴の径を他の空気吹出し穴よりも大きくしておき、又この径の大きい空気吹出し穴の近辺の翼の冷却穴も他の冷却穴よりも大きくしておくことにより、インサート内のゴミがこれら径の大きい空気吹出し穴と径の大きい冷却穴を通って空気と共に流出させるようにする。従ってゴミによるインサートの空気吹出し穴や冷却穴の目詰りがなくなり、冷却の信頼性が著しく向上するものである。
【００１８】
本発明の（２）では、翼のフィレットが楕円曲面であり、従来の小さな曲率が解消されるので、熱応力の翼付根部分での応力集中がなくなり、クラックの発生を防ぐことができる。又（３）においては、各通路内のインサートがそれぞれ２個所で支持されるので従来の多点支持と比べて組立時の位置合せが容易となり、翼組立時の工数が低減されると共に、取付精度も向上し、翼の信頼性が向上する。
【００１９】
更に、本発明の（４）においては、上記（１）〜（３）の各特徴をすべて備えた構成の静翼であるので、上記の（１）から（３）の発明の効果をすべて備えている。
さらにまた、前記翼の前縁部は楕円長軸の曲面で形成されると共に、前記翼の前縁の一部に楕円長軸曲面で形成される突起部を設け、同突起部には冷却空気が吹き出す複数の冷却穴を設けているので、前縁部には突起部が形成されており、この突起部により特に熱負荷の大きい前縁部を小さくすることができる。従来の前縁部はほぼ円形状であり、この部分に冷却空気が吹き出す冷却穴が複数列配置されていたが、前縁部の熱負荷の高い部分を滑らかな曲面で突出させ、この部分を小形にしているので冷却穴の列も従来より少くすることができる。又、突起部の曲面を楕円長軸側の曲面で形成しているので、冷却空気の流出を小さな形状の突起部で効果的に流出させ、この部分を集中的に冷却することができる。そして、前縁部が楕円曲面で形成されているので、冷却穴より流出する空気が、特に背側において乱れることがなく曲面に沿って背側へ流れやすくなるので効果的なフィルム冷却が可能となる。
以上から、冷却効果が一段と向上し、穴の目詰まりによる冷却効果の低下も防止され、熱応力の影響も小さくし、更に組立精度も増して従来の静翼の構造と比べ信頼性が格段に向上する静翼を実現することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて具体的に説明する。図１は本発明の実施の一形態に係るガスタービン静翼の断面図であり、特に一段静翼の例を示している。図において、１０は静翼全体であり、１は前縁の突起部で前縁の一部を滑かな曲面で突出させている。静翼１０の内部には従来と同じく通路２３，２４が設けられており、通路２３内には中空状の前部インサート２が、通路２４内には後部インサート５がそれぞれ挿入され、後述するように２個所で固定されている。
【００２１】
前部インサート２は筒状であり、多数の空気吹出し穴４ａ，４ｂが設けられており、空気吹出し穴４ａは図示していないが、上下に１５個が直線状に配列され、その径は 0.5mmとしている。又、空気吹出し穴４ｂは４ａよりは径をやや大きくして 0.6mmとして上下に１６個が一列に配列している。
【００２２】
通路２３の内壁には突起状のインサート支持部３ａ，３ｂが２個所形成されている。前部インサート２は、この２個所のインサート支持部３ａ，３ｂで２点支持され、通路２３周囲に所定の隙間を保持して固定されている。
【００２３】
後部インサート５も筒状であり、周囲に多数の空気吹出し穴７が設けられており、空気吹出し穴７は上下に背側が２０個、腹側の前部２列が１０個、後部３列が１５個とそれぞれ直線状に配置されており、その径は 0.5mmである。又、後部インサート５は前方がリブのインサート支持部６ａ、後部が突起状のインサート支持部６ｂにそれぞれ支持され、通路２４の周囲と所定の隙間を保って２個所で固定されている。
【００２４】
静翼１０には、突起部１に４列のシャワーヘッド冷却穴１１ａが設けられている。シャワーヘッド冷却穴１１ａの▲１▼は上下に２１個、▲２▼は２０個、▲３▼は２１個、▲４▼は２０個がそれぞれ直線状に配置され、その径は 0.5mmである。又その他前縁部にはフィルム冷却穴１１ｂ、１１ｃが設けられ、これらは上下に１９個が配列され、同じく径は 0.5mmである。又、後縁部にもフィルム冷却穴１１ｄ，１１ｅが設けられており、１１ｄは上下に１９個、１１ｅは上下に２０個がそれぞれ配列している。
【００２５】
更に背側にはフィルム冷却穴１２が設けられ、この穴の径は 0.6mmと他の冷却穴よりは径を大きくし、その代り上下の数を１６個とし少なくし、空気の流出量が他と比較して過大とならないように設定している。このフィルム冷却穴１２の位置は通路２３内のうちで圧力が比較的低い領域Ｗに設けられており、この領域Ｗに空気中に含まれるゴミが滞留しやすい所であり、後述するようにゴミを空気と一緒に流出させるためのフィルム冷却穴である。
【００２６】
上記構成の一段静翼において、突起部１は後述するように楕円形状の曲面を有しており、この部分にフィルム冷却穴１１ａを▲１▼〜▲４▼の４列を配置している。従来はこの部分に５列のフィルム冷却穴が配置されているが、本発明では楕円形状の曲面にすることにより熱応力の大きい部分を突起部として小さくし、かつ空気の流出が良好となり、その分穴の配列数を少くして空気量も少くすることができる。
【００２７】
又、従来は前部インサート２内の空気中に含まれるゴミが比較的圧力の低い領域Ｗに滞留し、前部インサート２の背側の空気吹出し穴４ａ，４ｂに侵入し、目詰まりを起し、冷却不足を起すことがあったが、本発明では、前部インサート２の領域Ｗ近辺の空気吹出し穴４ｂ及び翼のフィルム冷却穴１２の径を他の穴より大きくし、空気中に含まれるゴミ５０は点線で示すように空気吹出し穴４ｂより前部インサート２と通路２３との隙間に流出し、更に、フィルム冷却穴１２より外部へ流出するようにしている。これにより他の空気冷却穴やフィルム冷却穴が目詰りを起すことがない。
【００２８】
更に、前部インサート２は、前述のように翼１０の内壁に突起状に形成された２個所のインサート支持部３ａ，３ｂにより２個所で支持されており、又、後部インサート５も通路２３と２４との間のリブのインサート支持部６ａ、後縁側に突出して形成されたインサート支持部６ｂとの２個所で支持されている。従って組立時にインサート２，５の通路２３，２４への挿入、位置合せが容易となり、組立が簡素化されるものである。又、組立精度も向上する。
【００２９】
図２は上記に説明の実施の一形態に係る静翼のフィレットの形状を示す図であり、翼１０の外側シュラウド２１との付根の前縁部、後縁部のフィレット２０ａ，２０ｂはそれぞれ楕円形４０の曲面を有し、同様に内側シュラウド２２の付根部の前縁、後縁部のフィレット２０ｃ，２０ｄも楕円形状の曲面を有している。このようにフィレットを楕円曲面にすると、従来のようにフィレットの曲率が小さくて熱応力が集中するようなことがなく、熱応力によるクラックの発生が抑えられる。
【００３０】
図３は翼の前縁部の形状を示す図であり、（ａ）は本発明の形状、（ｂ）は従来の形状である。（ｂ）に示す従来の形状は、前縁部が円４２の曲面を有しており、流出する冷却空気３４は前縁の曲面に沿って流れるが、一部が曲面に沿って流れず、乱れが生じていたが、（ａ）に示す本発明では前縁部が楕円４１の曲面形状としている。この場合には流出する空気は楕円の滑らかな曲面に沿ってスムーズに背側に沿って流れ、乱れが生ずることなく冷却効果が増すものである。
【００３１】
上記の円形状の従来の前縁形状と、本発明の楕円の前縁形状とを比較して冷却空気の流速を図５に示すが、Ｘが翼の背側、Ｙが腹側の流速を示し、実線が本発明の楕円形状の翼、点線が従来の円形状の翼の流速のパターンである。図示のように背側においては、Ｌで示す位置において流速が変動する速度スパイクが発生し、冷却空気がスムーズに流れないが、本発明の楕円曲面の前縁では、このような速度スパイクは発生しない。
【００３２】
図４は図１における前縁の突起部１の形状の詳細を示し、突起部１も円形もしくは楕円形の曲面であるが、楕円形状が好ましく、図では楕円４３の長軸の曲面に沿った形状をしている。このような楕円形状とすることにより熱負荷の高い前縁部を小形化することができ、これによりシャワーヘッド冷却穴１１ａの数を従来より列数を減らすことができる。従来の円形状の前縁部では５列のシャワーヘッド冷却穴が設けられていたが、本実施の形態のように、熱負荷の大きい領域を小さくするので４列とすることができる。
【００３３】
以上説明のように、本実施の形態のガスタービン静翼においては、〈１〉通路２３，２４内の前部、後部インサート２，５を２点支持として、組立を容易な構造とする。〈２〉前部インサート２に径が他のものより大きい空気吹出し穴４ｂ、及び穴４ｂの近傍の翼背側に他のものよりも径の大きいフィルム冷却穴１２を設け、空気中に含まれるゴミを流出させ、空気吹出し穴やシャワーヘッド及びフィルム冷却穴の目詰りを防止する。〈３〉又、翼の前縁部を楕円形状の曲面として冷却空気の流れをスムーズにして乱れをなくする。〈４〉又、前縁部に突起部１を設け、熱負荷の大きい前縁部を小形にし、シャワーヘッド冷却穴１１ａの列を減少させることができる。〈５〉更に、翼の外側、内側シュラウドとの付根部のフィレットを楕円形状として熱応力の集中を避ける構造とする。このような〈１〉〜〈５〉の各部分の改良によりガスタービンの一段静翼の信頼性が著しく向上するものである。
【００３４】
なお上記の〈１〉から〈５〉の構成は、これらをそれぞれ単独で適用しても良いし、又これらを部分的に組合せて構成しても良いが、特に〈２〉、さらにそれに〈５〉、〈１〉を加えることが好ましく、これら〈１〉〜〈５〉を全部適用すれば静翼の信頼性が一段と向上し、信頼性が増すものである。
【００３５】
【発明の効果】
本発明のガスタービン静翼は、（１）外側、内側シュラウドに固定された翼内部に複数の通路を有し、同各通路内には多数の空気吹出し穴を有する筒状のインサートを所定隙間を保って挿入、固定されてなるガスタービン静翼において、前記翼の前縁側の前記インサートにはその背側後部に他の空気吹出し穴よりも径の大きい空気吹出し穴を設けると共に、前記翼の背側には前記径の大きい空気吹出し穴近辺に他の冷却穴よりも径の大きい冷却穴を設けたことを特徴としている。このような構成により、ガスタービン静翼において、インサート内のゴミがこれら径の大きい空気吹出し穴と冷却穴を通って空気と共に流出させるようにする。従ってゴミによるインサートの空気吹出し穴や冷却穴の目詰りがなくなり、冷却の信頼性が著しく向上するものである。
【００３６】
本発明の（２）では、翼のフィレットが楕円曲面であり、従来の小さな曲率が解消されるので、熱応力の翼付根部分での応力集中がなくなり、クラックの発生を防ぐことができる。
【００３７】
又（３）においては、各通路内のインサートがそれぞれ２個所で支持されるので従来の多点支持と比べて組立時の位置合せが容易となり、翼組立時の工数が低減されると共に、取付精度も向上し、翼の信頼性が向上する。
【００３８】
本発明の（４）は、ガスタービン静翼において、前記翼の前縁部は楕円長軸の曲面で形成されると共に、前記翼の前縁の一部に楕円長軸曲面で形成される突起部を設け、同突起部には冷却空気が吹き出す複数の冷却穴を設け、前記翼の前記内側、外側シュラウドへの付根部のフィレットは楕円短軸の曲面形状で形成され、前記インサートは各通路内においてそれぞれ２個所で支持され前記翼の前縁側の前記インサートにはその背側後部に他の空気吹出し穴よりも径の大きい空気吹出し穴を設けると共に、前記翼の背側には前記径の大きい空気吹出し穴近辺に他の冷却穴よりも径の大きい冷却穴を設けたことを特徴としている。このような構成により、本発明の（４）においては、上記（１）〜（３）の各特徴をすべて備えた構成の静翼であるので、上記の（１）〜（３）の発明の効果をすべて備えている。
さらにまた、前記翼の前縁部は楕円長軸の曲面で形成されると共に、前記翼の前縁の一部に楕円長軸曲面で形成される突起部を設け、同突起部には冷却空気が吹き出す複数の冷却穴を設けているので、前縁部には突起部が形成されており、この突起部により特に熱負荷の大きい前縁部を小さくすることができる。従来の前縁部はほぼ円形状であり、この部分に冷却空気が吹き出す冷却穴が複数列配置されていたが、前縁部の熱負荷の高い部分を滑らかな曲面で突出させ、この部分を小形にしているので冷却穴の列も従来より少くすることができる。又、突起部の曲面を楕円長軸側の曲面で形成しているので、冷却空気の流出を小さな形状の突起部で効果的に流出させ、この部分を集中的に冷却することができる。そして、前縁部が楕円曲面で形成されているので、冷却穴より流出する空気が、特に背側において乱れることがなく曲面に沿って背側へ流れやすくなるので効果的なフィルム冷却が可能となる。
以上から、冷却効果が一段と向上し、穴の目詰まりによる冷却効果の低下も防止され、熱応力の影響も小さくし、更に組立精度も増して従来の静翼の構造と比べ信頼性が格段に向上する静翼を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係るガスタービン静翼の断面図である。
【図２】本発明の実施の一形態に係るガスタービン静翼の翼のフィレットの形状を示す図である。
【図３】本発明の実施の一形態に係るガスタービン静翼の前縁部形状を示し、（ａ）は本発明、（ｂ）は従来の形状をそれぞれ示す。
【図４】図１におけるガスタービン静翼の前縁の突起部形状を示す図である。
【図５】本発明の実施の一形態に係るガスタービン静翼における冷却空気の流速を示す図である。
【図６】ガスタービンの一段静翼の代表的な断面図である。
【符号の説明】
１                              突起部
２                              前部インサート
３ａ，３ｂ，６ａ，６ｂ          インサート支持部
４ａ，４ｂ，７                  空気吹出し穴
５                              後部インサート
１０                            静翼
１１ａ                          シャワーヘッド冷却穴
１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ  フィルム冷却穴
１２                            フィルム冷却穴
【図１】
0003794868.tif 000002
【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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