ガスタービン静翼
【課題】
翼部の内部に冷却構造を有するガスタービン静翼の翼後縁部に損傷が生じた場合、冷却性能を維持しつつ簡便に補修することを可能とする。
【解決手段】
ガスタービン静翼は、鋳造により一体成型された外周側エンドウォール９、翼部７及び内周側エンドウォール１０と、ピンフィン冷却構造１４が形成された翼後縁部品１５とから構成され、外周側エンドウォール９に、翼後縁部品１５の断面形状に相当する貫通した切欠き部分１１を形成し、外周側エンドウォール９から翼後縁部品１５を差し込んで外周側エンドウォールに固定する。
翼部の内部に冷却構造を有するガスタービン静翼の翼後縁部に損傷が生じた場合、冷却性能を維持しつつ簡便に補修することを可能とする。
【解決手段】
ガスタービン静翼は、鋳造により一体成型された外周側エンドウォール９、翼部７及び内周側エンドウォール１０と、ピンフィン冷却構造１４が形成された翼後縁部品１５とから構成され、外周側エンドウォール９に、翼後縁部品１５の断面形状に相当する貫通した切欠き部分１１を形成し、外周側エンドウォール９から翼後縁部品１５を差し込んで外周側エンドウォールに固定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン静翼に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの構成要素であるタービンにおける静翼は静止体であり、静翼を構成する材料を冷却すべく翼部の内部に冷却空気を流す流路を有している。これら冷却空気が流れる内表面と、作動流体と接する外表面の間には大きな温度勾配が生じやすく、熱応力の発生要因となっており、翼部の損傷の一因となる。
【０００３】
通常、静翼は、外周側エンドウォール、翼部、内周側エンドウォールが鋳造により一体成型されている。このため、翼部に損傷が生じた場合には、新品の静翼に交換するか、損傷が生じた箇所を肉盛で補修したり、または、特許文献１に記載のように、静翼の一部をクーポン部材により形成し、クーポン部材が損傷した場合、クーポン部材切り離して新品のクーポン部材を取り付けて補修する例がある。
【０００４】
また、静翼の構成材料として耐熱性の優れたセラミックを用いた場合、耐熱衝撃強度を補うため、特許文献２に記載のように、静翼各部をセグメントに分割した構造として、各セグメントをそれぞれ一様な温度とするように構成し、各セグメントの熱応力を軽減するようにしたものがある。そして、万一損傷が生じた場合には、損傷したセグメントのみの部分交換が可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2003-343280号公報
【特許文献２】特開昭61-89903号公報
【非特許文献】
【０００６】
日本ガスタービン学会誌，Vol.35，No.3，142頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
静翼の翼部の後縁部（以下、翼後縁部という）には、冷却性能を高めるため、例えば、ピンフィン冷却構造が採用されることもある。ピンフィン冷却構造の代表的な例は、日本ガスタービン学会誌，Vol.35，No.3，142頁に示されている。翼後縁部は薄肉のため減肉による損傷が生じ、この損傷を補修する必要がある。しかし、ピンフィン冷却構造を維持しつつ補修を行うことは難しく、通常は、静翼を新品に交換するなどの対策が取られている。
【０００８】
損傷を肉盛で補修することが考えられるが、この場合、肉盛で形状を形成後、肉盛により埋まってしまったピンフィン冷却構造の箇所に冷却のための貫通孔を形成することになる。しかし、貫通孔による冷却では補修前のピンフィン冷却構造と比較して冷却性能が劣る。また、肉盛による補修では多数の工程を要する。
【０００９】
また、特許文献１では、翼内部に冷却構造を有する場合の補修について考慮されていない。また、特許文献１では、クーポン部材の箇所以外に損傷が生じた場合には対応できない。
【００１０】
また、特許文献２では、静翼の構成材料として、セラミックを用いた場合の耐熱衝撃強度の問題を解決するためにセグメント分割構造としたものであり、この技術思想は、外周側エンドウォール、翼部、内周側エンドウォールが鋳造により一体成型される静翼の技術思想とは相容れないものである。また、特許文献２では、セラミックを構成材料とするものであることから、翼内部に冷却構造を有するものではないので、翼内部に冷却構造を有する静翼の翼部の補修についてには全く考慮されていない。
【００１１】
本発明は、外周側エンドウォール、翼部、内周側エンドウォールが鋳造により一体成型され、翼部の内部に冷却構造を有する静翼において、翼後縁部に損傷が生じた場合、冷却性能を維持しつつ簡便に補修することが可能なガスタービン静翼を提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は、外周側エンドウォール、翼部、内周側エンドウォールが一体形成され、内部に冷却構造を有するガスタービン静翼において、翼部を翼後縁部とそれ以外とに分け、翼後縁部を交換可能な構造（翼後縁部品）とし、外周側エンドウォールまたは内周側エンドウォールに、翼後縁部品の断面形状に相当する貫通した切欠き部分を形成し、外周側エンドウォール又は内周側エンドウォールから翼後縁部を差し込んで外周側エンドウォール又は内周側エンドウォールに固定するように構成したこと特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、翼後縁部に損傷が生じた場合、翼後縁部は交換可能な構造（翼後縁部品）となっているので、交換品により冷却性能を維持しつつ簡便に補修することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ピンフィン冷却構造を有する翼後縁部の交換部品を組み込む前の本発明のガスタービン静翼を最も良く示す図である。
【図２】ピンフィン冷却構造を有する翼後縁部の交換部品を組み込んだ後の本発明のガスタービン静翼を最も良く示す図である。
【図３】一般的なガスタービンの構造例を示す図である。
【図４】ピンフィン冷却構造を有する翼後縁部の交換部品と翼部の冷却流路の接続部分が１つの流路からなる本発明の他の実施例を示す図である。
【図５】ピンフィン冷却構造を有する翼後縁部の交換部品と翼部の冷却流路の接続部分がピンフィン冷却構造を有する２つ以上の流路からなる本発明の他の実施例を示す図である。
【図６】ピンフィン冷却構造を有する翼後縁部の交換部品と翼部の冷却流路の接続部分が２つ以上の流路からなる本発明の他の実施例を示す図である。
【図７】対流冷却構造を有する翼後縁部の交換部品を組み込んだ本発明のガスタービン静翼を最も良く示す図である。
【図８】ピンフィン冷却構造を有する翼後縁部の交換部品と外周側エンドウォール間の接合方法を示す図である。
【図９】ピンフィン冷却構造を有する翼後縁部の交換部品と内周側エンドウォール間の接合方法を示す図である。
【図１０】ピンフィン冷却構造を有する翼後縁部の交換部品と翼部間の接合方法を示す図である。
【図１１】ピンフィン冷却構造を有する翼後縁部の交換部品を組み込んだ２枚の翼部を有する本発明のガスタービン静翼を最も良く示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１６】
図１および図２は、本発明の実施の形態１として本発明の特徴を最も良く表わしているタービン静翼を示す図である。
【００１７】
タービン静翼は、通常、外周側エンドウォール、翼部及び内周側エンドウォールが鋳造により一体成型されている。本実施の形態では、タービン静翼の全体としての翼部は、翼後縁部（翼後縁部品１５）とそれ以外（翼部７）とに分けられる。
【００１８】
翼部７は、板状の外周側エンドウォール９と板状の内周側エンドウォール１０に挟まれ、外周側エンドウォール９及び内周側エンドウォール１０と鋳造により一体成型されている。鋳造による一体成型の際に、翼部７の内部に冷却流路８がタービンの径方向に貫通するように形成されている。
【００１９】
外周側エンドウォール９には翼後縁部品１５の断面形状（タービンの径方向から見た断面形状）に相当する貫通した切欠き部分１１が形成されている。内周側エンドウォール１０には翼後縁部品１５の断面形状（タービンの径方向から見た断面形状）に相当する貫通しない切欠き部分１２が形成されている。
【００２０】
翼後縁部品１５は、鋳造による成型の際に、内部の流路１３にピンフィン冷却構造１４が形成されている。流路１３は翼部７側から翼後縁に貫通するように形成されている。即ち、翼部７側と翼後縁に開口部（スリット）を有する。補修の際に、交換用の翼後縁部品１５を外周側エンドウォール９から差し込んで固定する（固定方法の詳細は後述する。）。
【００２１】
翼部７の翼後縁部品１５との連結部分には、流路１６が形成されている。流路１６は翼部７の翼後縁部品１５側の冷却流路８（図中、最右端の冷却流路）に連通し、また、翼後縁部品１５側に開口部を有している。本実施の形態では、流路１６の内にピンフィン冷却構造１４が形成されている。言い換えれば、ピンフィン冷却構造を有する翼後縁部を別部品とするにあたって、ピンフィン冷却構造１４の一部を翼部７側に残す構造としている。
【００２２】
この流路１６によって、図２に示すように、翼後縁部品１５を固定した際に、冷却通路８と翼後縁部品１５との連結が好適に行われる。また、翼部７に形成された連結部分の冷却も好適に行われる。
【００２３】
このようにピンフィン冷却構造１４を有する翼後縁部品１５を差し込み式の別部品とすることで、損傷が生じた場合には翼後縁部品１５のみを取り外して交換することで、ピンフィン冷却構造が有する冷却性能を低下させることなく、翼の補修が可能となる。また、翼の補修も簡便なものとなる。
【００２４】
図３に、本発明のガスタービン静翼が適用されるガスタービンの一般的な構造断面図を示す。ガスタービンは大きく分けて圧縮機１、燃焼器２およびタービン３から構成されている。圧縮機１は大気から吸い込んだ空気を作動流体として断熱圧縮し、燃焼器２は圧縮機１から供給された圧縮空気に燃料を混合し燃焼することで高温高圧のガスを生成し、そしてタービン３は燃焼器２から導入した燃焼ガスの膨張の際に回転動力を発生する。タービン３からの排気は大気中に放出される。タービン３は、静翼５と動翼４と交互に配置されている。静翼５は、ケーシング６の内周側に設けられた溝へ固定される構造が一般的である。
【００２５】
図４は本発明の実施の形態２として、本発明の特徴を良く表わしているタービン静翼を示す図である。
【００２６】
本実施の形態では、連結部分の流路１６の構造を簡易なものとしたものである。その他の構造は、図１及び図２に示す実施の形態と同じであるので説明を省略する。
【００２７】
本実施の形態では、流路１６にはピンフィン冷却構造１４が形成されていない分、連結部分での冷却は図１及び図２に示す実施の形態と比べて劣るが、翼後縁部１５のピンフィン冷却構造１４との位置合わせなどについて考慮する必要がないなど製造・補修作業が容易となる。その他の点では、ピンフィン冷却構造１４を有する翼後縁部品１５を差し込み式の別部品とすることで、図１及び図２に示す実施の形態と同様に、損傷が生じた場合には翼後縁部品１５のみを取り外して交換することで、ピンフィン冷却構造が有する冷却性能を低下させることなく、翼の補修が可能となる。また、翼の補修も簡便なものとなる。
【００２８】
図５は本発明の実施の形態３として、本発明の特徴を良く表わしているタービン静翼を示す図である。
【００２９】
本実施の形態では、連結部分の流路１６の構造を強固なものとしたものである。その他の構造は、図１及び図２に示す実施の形態と同じであるので説明を省略する。
【００３０】
本実施の形態では、翼部７と交換用の翼後縁部品１５の連結部分には、仕切り１７により２つの流路からなる流路１６とピンフィン冷却構造１４を有している。仕切り１７を複数とし、流路を３つ以上としても良い。
【００３１】
本実施の形態では、流路１６に仕切り１７が形成されることにより、図１及び図２に示す実施の形態と比べて構造が複雑となるが、流路１６の構造が強固となる。その他の点では、ピンフィン冷却構造１４を有する翼後縁部品１５を差し込み式の別部品とすることで、図１及び図２に示す実施の形態と同様に、損傷が生じた場合には翼後縁部品１５のみを取り外して交換することで、ピンフィン冷却構造が有する冷却性能を低下させることなく、翼の補修が可能となる。また、翼の補修も簡便なものとなる。
【００３２】
図６は本発明の実施の形態４として、本発明の特徴を良く表わしているタービン静翼を示す図である。
【００３３】
本実施の形態では、図４に示す実施の形態をベースとして、図５に示す実施の形態のように、連結部分の流路１６の構造を仕切り１７により強固なものとしたものである。その他の構造は、図４に示す実施の形態と同じであるので説明を省略する。
【００３４】
本実施の形態では、図４の構造が簡易である効果と図５の構造が強固となる効果を併せ持つ。その他の点では、ピンフィン冷却構造１４を有する翼後縁部品１５を差し込み式の別部品とすることで、図１及び図２に示す実施の形態と同様に、損傷が生じた場合には翼後縁部品１５のみを取り外して交換することで、ピンフィン冷却構造が有する冷却性能を低下させることなく、翼の補修が可能となる。また、翼の補修も簡便なものとなる。
【００３５】
図７は本発明の実施の形態５として、本発明の特徴を良く表わしているタービン静翼を示す図である。
【００３６】
本実施の形態では、翼後縁部品１５及び連結部分に形成する冷却構造をピンフィン冷却構造に替えて対流冷却構造１８としたものである。本実施の形態では、対流冷却構造は、翼部７側から翼後縁に貫通する複数の貫通孔で構成されている。連結部分の貫通孔と翼後縁部品１５の貫通孔が翼後縁部品１５を固定した際に一致するように形成されている。その他の構造は、図４に示す実施の形態と同じであるので説明を省略する。
【００３７】
このように対流冷却構造１８を有する翼後縁部品１５を差し込み式の別部品とすることでも、損傷が生じた場合には翼後縁部品１５のみを取り外して交換することで、冷却性能を低下させることなく、翼の補修が可能となる。また、翼の補修も簡便なものとなる。
【００３８】
なお、本実施の形態５をベースとして、図４に示す実施の形態と同様に、連結部分に冷却構造（図７の実施の形態では対流冷却構造１８）を設けることなく、連結部分を単に矩形の流路１６としても良い。この場合、図４の実施の形態と同様に、翼後縁部１５の対流冷却構造１８との位置合わせなどについて考慮する必要がないなど製造・補修作業が容易となる。
【００３９】
また、本実施の形態５をベースとして、図６に示す実施の形態と同様に、連結部分に冷却構造（図７の実施の形態では対流冷却構造１８）を設けることなく、連結部分を仕切り１７を設けた複数の矩形の流路１６としても良い。
【００４０】
次に、交換用の翼後縁部品１５を外周側エンドウォール９と固定する方法について図８を用いて説明する。図８では、図１及び図２に示すピンフィン冷却構造を有する交換用の翼後縁部品及び連結部分を例にして固定方法を説明している。この固定方法は他の実施の形態に示す翼後縁部品又は連結部分でも同様である。図８の（ａ）,（ｂ）,（ｃ）,（ｄ）及び（ｅ）は、面Ａを矢印の方向から見た図である。
【００４１】
外周側エンドウォール９と交換用の翼後縁部品１５の固定には、外周側エンドウォール９から開先を設けて溶接１９する固定方法（ａ）、外周側エンドウォール９から開先を設けて溶接１９するとともに内側から隅肉溶接２０する固定方法（ｂ）、外周側エンドウォール９から隅肉溶接２０する固定方法（ｃ）、外周側エンドウォール９から隅肉溶接２０するとともに内側から隅肉溶接２０する固定方法（ｄ）、外周側エンドウォール９の内側から隅肉溶接２０するなどの固定方法（ｅ）がある。なお、溶接による固定方法（特に（ｂ））が望ましいが、溶接による固定方法以外に冷やし嵌め、拡散ろう付けなどの固定方法も採用することができる。
【００４２】
次に、交換用の翼後縁部品１５を内周側エンドウォール１０と固定する方法について図９を用いて説明する。図９では、図１及び図２に示すピンフィン冷却構造を有する交換用の翼後縁部品及び連結部分を例にして固定方法を説明している。この固定方法は他の実施の形態に示す翼後縁部品又は連結部分でも同様である。図９の（ａ）,（ｂ）,（ｃ）及び（ｄ）は、面Ｂを矢印の方向から見た図である。
【００４３】
内周側エンドウォール１０と交換用の翼後縁部品１５の固定には、貫通しない切欠き部分１２に固定された翼後縁部品１５と内周側エンドウォール１０を隅肉溶接２０する固定方法（ａ）、翼後縁部品１５と内周側エンドウォール１０を隅肉溶接２０する固定方法（ｂ）、翼後縁部品１５を貫通しない切欠き部分１２に差し込んだままの固定方法（ｃ）がある。さらに翼後縁部品１５は（ｄ）のように固定しなくても良い。この場合、外周側エンドウォール９への固定により翼後縁部品１５を静翼へ取り付けることになる。
【００４４】
次に、交換用の翼後縁部品１５を翼部７と固定する方法について図１０を用いて説明する。図１０では、図１及び図２に示すピンフィン冷却構造を有する交換用の翼後縁部品及び連結部分を例にして固定方法を説明している。この固定方法は他の実施の形態に示す翼後縁部品又は連結部分でも同様である。図１０の（ａ）及び（ｂ）は、面Ｃを矢印の方向から見た図である。
【００４５】
翼部７と交換用の翼後縁部品１５の固定には、翼後縁部品１５と翼部を開先を設けて溶接１９する固定方法（ａ）がある。さらに翼後縁部品１５は（ｂ）に示すように固定しなくても良い。この場合、外周側エンドウォール９及び内周側エンドウォール１０への固定により翼後縁部品１５を静翼へ取り付けることになる。
【００４６】
翼後縁部品１５に損傷が生じた場合、図８〜図１０に示す溶接箇所を削り取り、翼後縁部品１５を外周側エンドウォール９に設けられた貫通した切欠き部分１１から抜き取る。その後、新たな翼後縁部品１５を外周側エンドウォール９に設けられた貫通した切欠き部分１１から差し込み、図８〜図１０に示すように溶接して固定することにより補修を完了する。
【００４７】
上述の実施の形態では、内周側エンドウォール１０に翼後縁部品の断面形状に相当する貫通しない切欠き部分１２を設けているが、貫通しない切欠き部分１２は貫通する切り欠き部分に替えても良い。また、図９の（ｄ）に示すように切欠きを設けなくても良い。
【００４８】
また、上述の実施の形態では、外周側エンドウォール９へ翼後縁部品の断面形状に相当する貫通する切欠き部分を施工し、内周側エンドウォール１０へ貫通しない切欠き部分を施工した例を示しているが、内周側エンドウォール１０へ翼後縁部品の断面形状に相当する貫通する切欠き部分を施工し、外周側エンドウォール９へ貫通しない切欠き部分を施工して、内周側エンドウォール１０に形成した貫通する切欠き部分から交換用の翼後縁部分１５を差し込んで静翼に固定するようにしても良い。
【００４９】
さらに，図１１に示すように、外周側エンドウォール９と内周側エンドウォール１０に挟まれる翼部７は，単翼でなく２連翼以上でも良い。
【００５０】
また、上述の実施の形態では、翼後縁部品を内部にピンフィン冷却構造や対流冷却構造を有する冷却性能に優れた鋳造品としているが、翼後縁部品のみを耐熱性に優れたセラミックで形成することも可能である。この場合、外周側エンドウォールまたは内周側エンドウォールへの翼後縁部品の固定は、外周側エンドウォールまたは内周側エンドウォールに形成した翼後縁部品の断面形状に相当する貫通した切欠き部分から翼後縁部品を差し込んで、その後、外周側エンドウォールまたは内周側エンドウォールの貫通した切り欠き部分を塞ぐように金属の別部材を被せて別部材を外周側エンドウォールまたは内周側エンドウォールに溶接し、翼後縁部品の外周側エンドウォールまたは内周側エンドウォールへの固定を確実なものとする。このような構成により、翼後縁部品の損傷抑制し、万一損傷した場合でも簡便に補修することが可能となる。
【００５１】
上述したように、本発明によれば、翼後縁部に損傷が生じた場合、翼後縁部は交換可能な構造となっているので、交換品により冷却性能を維持しつつ簡便に補修することが可能となる。
【００５２】
特に、冷却性能が高いものの、冷却構造部分に損傷が生じると補修が困難なピンフィン冷却構造を有するガスタービン静翼の場合、ピンフィン冷却構造の冷却性能を低下させることなく簡便に補修することが可能となる。
【００５３】
ガスタービンは、今後はさらなる高効率化、すなわち高温化が必要になることも予想され、簡便かつ低コストな補修を実現できると同時に高い冷却性能を有するガスタービン静翼が望まれるが、本発明によりそのようなガスタービン静翼が可能となる。
【符号の説明】
【００５４】
１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
４ 動翼
５ 静翼
６ ケーシング
７ 翼部
８ 内部冷却流路
９ 外周側エンドウォール
１０ 内周側エンドウォール
１１ 貫通した切欠き部分
１２ 貫通しない切欠き部分
１３ 内部の流路
１４ ピンフィン冷却構造
１５ 交換用の翼後縁部品
１６ 流路
１７ 仕切り
１８ 対流冷却構造
１９ 開先を設けた溶接
２０ 隅肉溶接
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン静翼に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの構成要素であるタービンにおける静翼は静止体であり、静翼を構成する材料を冷却すべく翼部の内部に冷却空気を流す流路を有している。これら冷却空気が流れる内表面と、作動流体と接する外表面の間には大きな温度勾配が生じやすく、熱応力の発生要因となっており、翼部の損傷の一因となる。
【０００３】
通常、静翼は、外周側エンドウォール、翼部、内周側エンドウォールが鋳造により一体成型されている。このため、翼部に損傷が生じた場合には、新品の静翼に交換するか、損傷が生じた箇所を肉盛で補修したり、または、特許文献１に記載のように、静翼の一部をクーポン部材により形成し、クーポン部材が損傷した場合、クーポン部材切り離して新品のクーポン部材を取り付けて補修する例がある。
【０００４】
また、静翼の構成材料として耐熱性の優れたセラミックを用いた場合、耐熱衝撃強度を補うため、特許文献２に記載のように、静翼各部をセグメントに分割した構造として、各セグメントをそれぞれ一様な温度とするように構成し、各セグメントの熱応力を軽減するようにしたものがある。そして、万一損傷が生じた場合には、損傷したセグメントのみの部分交換が可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2003-343280号公報
【特許文献２】特開昭61-89903号公報
【非特許文献】
【０００６】
日本ガスタービン学会誌，Vol.35，No.3，142頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
静翼の翼部の後縁部（以下、翼後縁部という）には、冷却性能を高めるため、例えば、ピンフィン冷却構造が採用されることもある。ピンフィン冷却構造の代表的な例は、日本ガスタービン学会誌，Vol.35，No.3，142頁に示されている。翼後縁部は薄肉のため減肉による損傷が生じ、この損傷を補修する必要がある。しかし、ピンフィン冷却構造を維持しつつ補修を行うことは難しく、通常は、静翼を新品に交換するなどの対策が取られている。
【０００８】
損傷を肉盛で補修することが考えられるが、この場合、肉盛で形状を形成後、肉盛により埋まってしまったピンフィン冷却構造の箇所に冷却のための貫通孔を形成することになる。しかし、貫通孔による冷却では補修前のピンフィン冷却構造と比較して冷却性能が劣る。また、肉盛による補修では多数の工程を要する。
【０００９】
また、特許文献１では、翼内部に冷却構造を有する場合の補修について考慮されていない。また、特許文献１では、クーポン部材の箇所以外に損傷が生じた場合には対応できない。
【００１０】
また、特許文献２では、静翼の構成材料として、セラミックを用いた場合の耐熱衝撃強度の問題を解決するためにセグメント分割構造としたものであり、この技術思想は、外周側エンドウォール、翼部、内周側エンドウォールが鋳造により一体成型される静翼の技術思想とは相容れないものである。また、特許文献２では、セラミックを構成材料とするものであることから、翼内部に冷却構造を有するものではないので、翼内部に冷却構造を有する静翼の翼部の補修についてには全く考慮されていない。
【００１１】
本発明は、外周側エンドウォール、翼部、内周側エンドウォールが鋳造により一体成型され、翼部の内部に冷却構造を有する静翼において、翼後縁部に損傷が生じた場合、冷却性能を維持しつつ簡便に補修することが可能なガスタービン静翼を提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は、外周側エンドウォール、翼部、内周側エンドウォールが一体形成され、内部に冷却構造を有するガスタービン静翼において、翼部を翼後縁部とそれ以外とに分け、翼後縁部を交換可能な構造（翼後縁部品）とし、外周側エンドウォールまたは内周側エンドウォールに、翼後縁部品の断面形状に相当する貫通した切欠き部分を形成し、外周側エンドウォール又は内周側エンドウォールから翼後縁部を差し込んで外周側エンドウォール又は内周側エンドウォールに固定するように構成したこと特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、翼後縁部に損傷が生じた場合、翼後縁部は交換可能な構造（翼後縁部品）となっているので、交換品により冷却性能を維持しつつ簡便に補修することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ピンフィン冷却構造を有する翼後縁部の交換部品を組み込む前の本発明のガスタービン静翼を最も良く示す図である。
【図２】ピンフィン冷却構造を有する翼後縁部の交換部品を組み込んだ後の本発明のガスタービン静翼を最も良く示す図である。
【図３】一般的なガスタービンの構造例を示す図である。
【図４】ピンフィン冷却構造を有する翼後縁部の交換部品と翼部の冷却流路の接続部分が１つの流路からなる本発明の他の実施例を示す図である。
【図５】ピンフィン冷却構造を有する翼後縁部の交換部品と翼部の冷却流路の接続部分がピンフィン冷却構造を有する２つ以上の流路からなる本発明の他の実施例を示す図である。
【図６】ピンフィン冷却構造を有する翼後縁部の交換部品と翼部の冷却流路の接続部分が２つ以上の流路からなる本発明の他の実施例を示す図である。
【図７】対流冷却構造を有する翼後縁部の交換部品を組み込んだ本発明のガスタービン静翼を最も良く示す図である。
【図８】ピンフィン冷却構造を有する翼後縁部の交換部品と外周側エンドウォール間の接合方法を示す図である。
【図９】ピンフィン冷却構造を有する翼後縁部の交換部品と内周側エンドウォール間の接合方法を示す図である。
【図１０】ピンフィン冷却構造を有する翼後縁部の交換部品と翼部間の接合方法を示す図である。
【図１１】ピンフィン冷却構造を有する翼後縁部の交換部品を組み込んだ２枚の翼部を有する本発明のガスタービン静翼を最も良く示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１６】
図１および図２は、本発明の実施の形態１として本発明の特徴を最も良く表わしているタービン静翼を示す図である。
【００１７】
タービン静翼は、通常、外周側エンドウォール、翼部及び内周側エンドウォールが鋳造により一体成型されている。本実施の形態では、タービン静翼の全体としての翼部は、翼後縁部（翼後縁部品１５）とそれ以外（翼部７）とに分けられる。
【００１８】
翼部７は、板状の外周側エンドウォール９と板状の内周側エンドウォール１０に挟まれ、外周側エンドウォール９及び内周側エンドウォール１０と鋳造により一体成型されている。鋳造による一体成型の際に、翼部７の内部に冷却流路８がタービンの径方向に貫通するように形成されている。
【００１９】
外周側エンドウォール９には翼後縁部品１５の断面形状（タービンの径方向から見た断面形状）に相当する貫通した切欠き部分１１が形成されている。内周側エンドウォール１０には翼後縁部品１５の断面形状（タービンの径方向から見た断面形状）に相当する貫通しない切欠き部分１２が形成されている。
【００２０】
翼後縁部品１５は、鋳造による成型の際に、内部の流路１３にピンフィン冷却構造１４が形成されている。流路１３は翼部７側から翼後縁に貫通するように形成されている。即ち、翼部７側と翼後縁に開口部（スリット）を有する。補修の際に、交換用の翼後縁部品１５を外周側エンドウォール９から差し込んで固定する（固定方法の詳細は後述する。）。
【００２１】
翼部７の翼後縁部品１５との連結部分には、流路１６が形成されている。流路１６は翼部７の翼後縁部品１５側の冷却流路８（図中、最右端の冷却流路）に連通し、また、翼後縁部品１５側に開口部を有している。本実施の形態では、流路１６の内にピンフィン冷却構造１４が形成されている。言い換えれば、ピンフィン冷却構造を有する翼後縁部を別部品とするにあたって、ピンフィン冷却構造１４の一部を翼部７側に残す構造としている。
【００２２】
この流路１６によって、図２に示すように、翼後縁部品１５を固定した際に、冷却通路８と翼後縁部品１５との連結が好適に行われる。また、翼部７に形成された連結部分の冷却も好適に行われる。
【００２３】
このようにピンフィン冷却構造１４を有する翼後縁部品１５を差し込み式の別部品とすることで、損傷が生じた場合には翼後縁部品１５のみを取り外して交換することで、ピンフィン冷却構造が有する冷却性能を低下させることなく、翼の補修が可能となる。また、翼の補修も簡便なものとなる。
【００２４】
図３に、本発明のガスタービン静翼が適用されるガスタービンの一般的な構造断面図を示す。ガスタービンは大きく分けて圧縮機１、燃焼器２およびタービン３から構成されている。圧縮機１は大気から吸い込んだ空気を作動流体として断熱圧縮し、燃焼器２は圧縮機１から供給された圧縮空気に燃料を混合し燃焼することで高温高圧のガスを生成し、そしてタービン３は燃焼器２から導入した燃焼ガスの膨張の際に回転動力を発生する。タービン３からの排気は大気中に放出される。タービン３は、静翼５と動翼４と交互に配置されている。静翼５は、ケーシング６の内周側に設けられた溝へ固定される構造が一般的である。
【００２５】
図４は本発明の実施の形態２として、本発明の特徴を良く表わしているタービン静翼を示す図である。
【００２６】
本実施の形態では、連結部分の流路１６の構造を簡易なものとしたものである。その他の構造は、図１及び図２に示す実施の形態と同じであるので説明を省略する。
【００２７】
本実施の形態では、流路１６にはピンフィン冷却構造１４が形成されていない分、連結部分での冷却は図１及び図２に示す実施の形態と比べて劣るが、翼後縁部１５のピンフィン冷却構造１４との位置合わせなどについて考慮する必要がないなど製造・補修作業が容易となる。その他の点では、ピンフィン冷却構造１４を有する翼後縁部品１５を差し込み式の別部品とすることで、図１及び図２に示す実施の形態と同様に、損傷が生じた場合には翼後縁部品１５のみを取り外して交換することで、ピンフィン冷却構造が有する冷却性能を低下させることなく、翼の補修が可能となる。また、翼の補修も簡便なものとなる。
【００２８】
図５は本発明の実施の形態３として、本発明の特徴を良く表わしているタービン静翼を示す図である。
【００２９】
本実施の形態では、連結部分の流路１６の構造を強固なものとしたものである。その他の構造は、図１及び図２に示す実施の形態と同じであるので説明を省略する。
【００３０】
本実施の形態では、翼部７と交換用の翼後縁部品１５の連結部分には、仕切り１７により２つの流路からなる流路１６とピンフィン冷却構造１４を有している。仕切り１７を複数とし、流路を３つ以上としても良い。
【００３１】
本実施の形態では、流路１６に仕切り１７が形成されることにより、図１及び図２に示す実施の形態と比べて構造が複雑となるが、流路１６の構造が強固となる。その他の点では、ピンフィン冷却構造１４を有する翼後縁部品１５を差し込み式の別部品とすることで、図１及び図２に示す実施の形態と同様に、損傷が生じた場合には翼後縁部品１５のみを取り外して交換することで、ピンフィン冷却構造が有する冷却性能を低下させることなく、翼の補修が可能となる。また、翼の補修も簡便なものとなる。
【００３２】
図６は本発明の実施の形態４として、本発明の特徴を良く表わしているタービン静翼を示す図である。
【００３３】
本実施の形態では、図４に示す実施の形態をベースとして、図５に示す実施の形態のように、連結部分の流路１６の構造を仕切り１７により強固なものとしたものである。その他の構造は、図４に示す実施の形態と同じであるので説明を省略する。
【００３４】
本実施の形態では、図４の構造が簡易である効果と図５の構造が強固となる効果を併せ持つ。その他の点では、ピンフィン冷却構造１４を有する翼後縁部品１５を差し込み式の別部品とすることで、図１及び図２に示す実施の形態と同様に、損傷が生じた場合には翼後縁部品１５のみを取り外して交換することで、ピンフィン冷却構造が有する冷却性能を低下させることなく、翼の補修が可能となる。また、翼の補修も簡便なものとなる。
【００３５】
図７は本発明の実施の形態５として、本発明の特徴を良く表わしているタービン静翼を示す図である。
【００３６】
本実施の形態では、翼後縁部品１５及び連結部分に形成する冷却構造をピンフィン冷却構造に替えて対流冷却構造１８としたものである。本実施の形態では、対流冷却構造は、翼部７側から翼後縁に貫通する複数の貫通孔で構成されている。連結部分の貫通孔と翼後縁部品１５の貫通孔が翼後縁部品１５を固定した際に一致するように形成されている。その他の構造は、図４に示す実施の形態と同じであるので説明を省略する。
【００３７】
このように対流冷却構造１８を有する翼後縁部品１５を差し込み式の別部品とすることでも、損傷が生じた場合には翼後縁部品１５のみを取り外して交換することで、冷却性能を低下させることなく、翼の補修が可能となる。また、翼の補修も簡便なものとなる。
【００３８】
なお、本実施の形態５をベースとして、図４に示す実施の形態と同様に、連結部分に冷却構造（図７の実施の形態では対流冷却構造１８）を設けることなく、連結部分を単に矩形の流路１６としても良い。この場合、図４の実施の形態と同様に、翼後縁部１５の対流冷却構造１８との位置合わせなどについて考慮する必要がないなど製造・補修作業が容易となる。
【００３９】
また、本実施の形態５をベースとして、図６に示す実施の形態と同様に、連結部分に冷却構造（図７の実施の形態では対流冷却構造１８）を設けることなく、連結部分を仕切り１７を設けた複数の矩形の流路１６としても良い。
【００４０】
次に、交換用の翼後縁部品１５を外周側エンドウォール９と固定する方法について図８を用いて説明する。図８では、図１及び図２に示すピンフィン冷却構造を有する交換用の翼後縁部品及び連結部分を例にして固定方法を説明している。この固定方法は他の実施の形態に示す翼後縁部品又は連結部分でも同様である。図８の（ａ）,（ｂ）,（ｃ）,（ｄ）及び（ｅ）は、面Ａを矢印の方向から見た図である。
【００４１】
外周側エンドウォール９と交換用の翼後縁部品１５の固定には、外周側エンドウォール９から開先を設けて溶接１９する固定方法（ａ）、外周側エンドウォール９から開先を設けて溶接１９するとともに内側から隅肉溶接２０する固定方法（ｂ）、外周側エンドウォール９から隅肉溶接２０する固定方法（ｃ）、外周側エンドウォール９から隅肉溶接２０するとともに内側から隅肉溶接２０する固定方法（ｄ）、外周側エンドウォール９の内側から隅肉溶接２０するなどの固定方法（ｅ）がある。なお、溶接による固定方法（特に（ｂ））が望ましいが、溶接による固定方法以外に冷やし嵌め、拡散ろう付けなどの固定方法も採用することができる。
【００４２】
次に、交換用の翼後縁部品１５を内周側エンドウォール１０と固定する方法について図９を用いて説明する。図９では、図１及び図２に示すピンフィン冷却構造を有する交換用の翼後縁部品及び連結部分を例にして固定方法を説明している。この固定方法は他の実施の形態に示す翼後縁部品又は連結部分でも同様である。図９の（ａ）,（ｂ）,（ｃ）及び（ｄ）は、面Ｂを矢印の方向から見た図である。
【００４３】
内周側エンドウォール１０と交換用の翼後縁部品１５の固定には、貫通しない切欠き部分１２に固定された翼後縁部品１５と内周側エンドウォール１０を隅肉溶接２０する固定方法（ａ）、翼後縁部品１５と内周側エンドウォール１０を隅肉溶接２０する固定方法（ｂ）、翼後縁部品１５を貫通しない切欠き部分１２に差し込んだままの固定方法（ｃ）がある。さらに翼後縁部品１５は（ｄ）のように固定しなくても良い。この場合、外周側エンドウォール９への固定により翼後縁部品１５を静翼へ取り付けることになる。
【００４４】
次に、交換用の翼後縁部品１５を翼部７と固定する方法について図１０を用いて説明する。図１０では、図１及び図２に示すピンフィン冷却構造を有する交換用の翼後縁部品及び連結部分を例にして固定方法を説明している。この固定方法は他の実施の形態に示す翼後縁部品又は連結部分でも同様である。図１０の（ａ）及び（ｂ）は、面Ｃを矢印の方向から見た図である。
【００４５】
翼部７と交換用の翼後縁部品１５の固定には、翼後縁部品１５と翼部を開先を設けて溶接１９する固定方法（ａ）がある。さらに翼後縁部品１５は（ｂ）に示すように固定しなくても良い。この場合、外周側エンドウォール９及び内周側エンドウォール１０への固定により翼後縁部品１５を静翼へ取り付けることになる。
【００４６】
翼後縁部品１５に損傷が生じた場合、図８〜図１０に示す溶接箇所を削り取り、翼後縁部品１５を外周側エンドウォール９に設けられた貫通した切欠き部分１１から抜き取る。その後、新たな翼後縁部品１５を外周側エンドウォール９に設けられた貫通した切欠き部分１１から差し込み、図８〜図１０に示すように溶接して固定することにより補修を完了する。
【００４７】
上述の実施の形態では、内周側エンドウォール１０に翼後縁部品の断面形状に相当する貫通しない切欠き部分１２を設けているが、貫通しない切欠き部分１２は貫通する切り欠き部分に替えても良い。また、図９の（ｄ）に示すように切欠きを設けなくても良い。
【００４８】
また、上述の実施の形態では、外周側エンドウォール９へ翼後縁部品の断面形状に相当する貫通する切欠き部分を施工し、内周側エンドウォール１０へ貫通しない切欠き部分を施工した例を示しているが、内周側エンドウォール１０へ翼後縁部品の断面形状に相当する貫通する切欠き部分を施工し、外周側エンドウォール９へ貫通しない切欠き部分を施工して、内周側エンドウォール１０に形成した貫通する切欠き部分から交換用の翼後縁部分１５を差し込んで静翼に固定するようにしても良い。
【００４９】
さらに，図１１に示すように、外周側エンドウォール９と内周側エンドウォール１０に挟まれる翼部７は，単翼でなく２連翼以上でも良い。
【００５０】
また、上述の実施の形態では、翼後縁部品を内部にピンフィン冷却構造や対流冷却構造を有する冷却性能に優れた鋳造品としているが、翼後縁部品のみを耐熱性に優れたセラミックで形成することも可能である。この場合、外周側エンドウォールまたは内周側エンドウォールへの翼後縁部品の固定は、外周側エンドウォールまたは内周側エンドウォールに形成した翼後縁部品の断面形状に相当する貫通した切欠き部分から翼後縁部品を差し込んで、その後、外周側エンドウォールまたは内周側エンドウォールの貫通した切り欠き部分を塞ぐように金属の別部材を被せて別部材を外周側エンドウォールまたは内周側エンドウォールに溶接し、翼後縁部品の外周側エンドウォールまたは内周側エンドウォールへの固定を確実なものとする。このような構成により、翼後縁部品の損傷抑制し、万一損傷した場合でも簡便に補修することが可能となる。
【００５１】
上述したように、本発明によれば、翼後縁部に損傷が生じた場合、翼後縁部は交換可能な構造となっているので、交換品により冷却性能を維持しつつ簡便に補修することが可能となる。
【００５２】
特に、冷却性能が高いものの、冷却構造部分に損傷が生じると補修が困難なピンフィン冷却構造を有するガスタービン静翼の場合、ピンフィン冷却構造の冷却性能を低下させることなく簡便に補修することが可能となる。
【００５３】
ガスタービンは、今後はさらなる高効率化、すなわち高温化が必要になることも予想され、簡便かつ低コストな補修を実現できると同時に高い冷却性能を有するガスタービン静翼が望まれるが、本発明によりそのようなガスタービン静翼が可能となる。
【符号の説明】
【００５４】
１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
４ 動翼
５ 静翼
６ ケーシング
７ 翼部
８ 内部冷却流路
９ 外周側エンドウォール
１０ 内周側エンドウォール
１１ 貫通した切欠き部分
１２ 貫通しない切欠き部分
１３ 内部の流路
１４ ピンフィン冷却構造
１５ 交換用の翼後縁部品
１６ 流路
１７ 仕切り
１８ 対流冷却構造
１９ 開先を設けた溶接
２０ 隅肉溶接
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一体形成された外周側エンドウォール、翼部及び内周側エンドウォールと、冷却構造が内部に形成された翼後縁部品とから構成され、
前記外周側エンドウォール又は前記内周側エンドウォールは、前記翼後縁部品の断面形状に相当する貫通した切欠き部分が形成されており、
前記翼後縁部品は、前記貫通した切欠き部分に固定されていることを特徴とするガスタービン静翼。
【請求項２】
請求項１において、
前記貫通した切欠き部分が形成された前記外周側エンドウォール又は前記内周側エンドウォールに対向する前記内周側エンドウォール又は前記外周側エンドウォールには、前記翼後縁部品の断面形状に相当する貫通しない切欠き部分が形成され、
前記翼後縁部品は、前記貫通した切欠き部分と前記貫通しない切欠き部分により固定されていることを特徴とするガスタービン静翼。
【請求項３】
請求項１において、前記翼後縁部品の内部に形成された冷却構造は、ピンフィン冷却構造であることを特徴とするガスタービン静翼。
【請求項４】
請求項１において、前記翼後縁部品の内部に形成された冷却構造は、対流冷却構造であることを特徴とするガスタービン静翼。
【請求項５】
請求項１において、
前記翼部は、
前記外周側エンドウォールから前記内周側エンドウォールへ貫通する冷却流路と、
前記翼後縁部品との連結部分に形成され、前記冷却流路と前記翼後縁部品の冷却構造とを連通する冷却構造とを有し、
前記連結部分に形成された冷却構造を、前記翼後縁部品に形成された冷却構造と同じ方式の冷却構造としたことを特徴とするガスタービン静翼。
【請求項６】
請求項１において、
前記翼部は、
前記外周側エンドウォールから前記内周側エンドウォールへ貫通する冷却流路と、
前記翼後縁部品との連結部分に形成され、前記冷却流路と前記翼後縁部品の冷却構造とを連通する流路を有することを特徴とするガスタービン静翼。
【請求項７】
請求項６において、前記連結部分に形成された流路は、１つの流路からなることを特徴とするガスタービン静翼。
【請求項８】
請求項６において、前記連結部分に形成された流路は、２つ以上の流路からなることを特徴とするガスタービン静翼。
【請求項９】
圧縮機、燃焼器およびタービンとから構成されたガスタービンであって、前記タービンのガスタービン静翼として、請求項１〜８の何れかに記載されたガスタービン静翼を用いたことを特徴とするガスタービン。
【請求項１０】
ガスタービン静翼の補修方法であって、
前記ガスタービン静翼は、一体形成された外周側エンドウォール、翼部及び内周側エンドウォールと、冷却構造が内部に形成された翼後縁部品とから構成され、前記外周側エンドウォール又は前記内周側エンドウォールは、前記翼後縁部品の断面形状に相当する貫通した切欠き部分が形成されており、前記翼後縁部品は、前記貫通した切欠き部分に溶接されており、
前記翼後縁部品に損傷が生じた場合、前記翼後縁部品と前記貫通した切欠き部分の溶接を削り取り、前記翼後縁部品を前記貫通した切欠き部分から抜き取り、冷却構造が内部に形成された新たな翼後縁部品を前記貫通した切欠き部分から差し込み、前記貫通した切欠き部分に溶接して固定することを特徴とするガスタービン静翼の補修方法。
【請求項１】
一体形成された外周側エンドウォール、翼部及び内周側エンドウォールと、冷却構造が内部に形成された翼後縁部品とから構成され、
前記外周側エンドウォール又は前記内周側エンドウォールは、前記翼後縁部品の断面形状に相当する貫通した切欠き部分が形成されており、
前記翼後縁部品は、前記貫通した切欠き部分に固定されていることを特徴とするガスタービン静翼。
【請求項２】
請求項１において、
前記貫通した切欠き部分が形成された前記外周側エンドウォール又は前記内周側エンドウォールに対向する前記内周側エンドウォール又は前記外周側エンドウォールには、前記翼後縁部品の断面形状に相当する貫通しない切欠き部分が形成され、
前記翼後縁部品は、前記貫通した切欠き部分と前記貫通しない切欠き部分により固定されていることを特徴とするガスタービン静翼。
【請求項３】
請求項１において、前記翼後縁部品の内部に形成された冷却構造は、ピンフィン冷却構造であることを特徴とするガスタービン静翼。
【請求項４】
請求項１において、前記翼後縁部品の内部に形成された冷却構造は、対流冷却構造であることを特徴とするガスタービン静翼。
【請求項５】
請求項１において、
前記翼部は、
前記外周側エンドウォールから前記内周側エンドウォールへ貫通する冷却流路と、
前記翼後縁部品との連結部分に形成され、前記冷却流路と前記翼後縁部品の冷却構造とを連通する冷却構造とを有し、
前記連結部分に形成された冷却構造を、前記翼後縁部品に形成された冷却構造と同じ方式の冷却構造としたことを特徴とするガスタービン静翼。
【請求項６】
請求項１において、
前記翼部は、
前記外周側エンドウォールから前記内周側エンドウォールへ貫通する冷却流路と、
前記翼後縁部品との連結部分に形成され、前記冷却流路と前記翼後縁部品の冷却構造とを連通する流路を有することを特徴とするガスタービン静翼。
【請求項７】
請求項６において、前記連結部分に形成された流路は、１つの流路からなることを特徴とするガスタービン静翼。
【請求項８】
請求項６において、前記連結部分に形成された流路は、２つ以上の流路からなることを特徴とするガスタービン静翼。
【請求項９】
圧縮機、燃焼器およびタービンとから構成されたガスタービンであって、前記タービンのガスタービン静翼として、請求項１〜８の何れかに記載されたガスタービン静翼を用いたことを特徴とするガスタービン。
【請求項１０】
ガスタービン静翼の補修方法であって、
前記ガスタービン静翼は、一体形成された外周側エンドウォール、翼部及び内周側エンドウォールと、冷却構造が内部に形成された翼後縁部品とから構成され、前記外周側エンドウォール又は前記内周側エンドウォールは、前記翼後縁部品の断面形状に相当する貫通した切欠き部分が形成されており、前記翼後縁部品は、前記貫通した切欠き部分に溶接されており、
前記翼後縁部品に損傷が生じた場合、前記翼後縁部品と前記貫通した切欠き部分の溶接を削り取り、前記翼後縁部品を前記貫通した切欠き部分から抜き取り、冷却構造が内部に形成された新たな翼後縁部品を前記貫通した切欠き部分から差し込み、前記貫通した切欠き部分に溶接して固定することを特徴とするガスタービン静翼の補修方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２３７２７０（Ｐ２０１２−２３７２７０Ａ）
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０７８８０（Ｐ２０１１−１０７８８０）
【出願日】平成２３年５月１３日（２０１１．５．１３）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１３日（２０１１．５．１３）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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