JPH1113406A - ガスタービン静翼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ガスタービン静翼の低熱応力化によるき裂の成
長抑制および長寿命化が可能な構造の提供。 【解決手段】変位制御型の負荷である熱応力に対して、
高応力部位やき裂発生部位の冷却側に溝やスリットを加
工し、部材剛性を低下させることにより熱応力を低減さ
せ、長寿命化を達成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンにお
いて、燃焼器からの燃焼ガスに曝され、熱疲労やクリー
プによる損傷を受けるガスタービン静翼の構造に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービン静翼はプラントの起動停止
に伴って生じる熱応力の繰返しにより、図２に示すよう
な、き裂が発生することがある。これらき裂の成長が静
翼の寿命を決定している。これらのき裂の発生位置は、
静翼の構造によって決まるが、図２のような１つのセグ
メントに２枚以上の翼が含まれる構造では、翼と翼の間
のサイドウオール部にき裂が発生することが多くなる。
この部位は翼部に比べて肉厚が大きく、また翼部の熱膨
張の影響を大きく受けるため、比較的大きな熱曲げ応力
が作用する。

【０００３】さらに近年、高効率化のための燃焼ガス温
度の高温化や電力需要の変化に伴う起動停止の増加な
ど、ガスタービン各部品にとっては今まで以上に過酷な
条件下で使用される傾向にある。その部材の損傷を調査
するために、定期検査が行われている。静翼について
は、定期検査時にき裂の発生状況を調査し、必要に応じ
て補修を行っている。定期検査期間中はガスタービンが
停止することになり、その期間が長くなるとガスタービ
ンの稼働率が低下する。また補修にはかなりの時間を要
するため、その期間の稼働率が低下しないよう、予備の
静翼を用意し、それらをローテーションすることで対処
している。

【０００４】しかし頻繁に補修が必要となれば、予備の
静翼も数多く必要となり、部品管理のためのコストが高
くなる。ガスタービンでは、初期据え付け時のコストだ
けでなく、運用コストも重要であり、それを低減させる
ことが大きな課題となっている。静翼に限らずガスター
ビン高温部品は、損傷状態に応じて補修や交換といった
処置が施される有限寿命の部品であり、運用コストの低
下には、それら部品の長寿命化も大きな課題となる。

【０００５】このような条件下で使用される静翼を長寿
命化するためには、部材の熱応力を低減させ、き裂の成
長を抑制することが必要となる。熱応力は部材の温度変
動と構造による拘束に起因するので、それを低減する方
法としては、冷却強化による部材温度を低下させること
や、構造による機械的拘束を緩和することがあげられ
る。

【０００６】冷却強化による静翼の熱応力低減化構造と
して、特願平8−135402 号公報が提案されている。ここ
では翼部を薄肉化して冷却強化を図り、薄肉化による剛
性の低下を冷却側に設けた補強リブで抑えようとしてい
る。この構造では翼部のみの冷却強化に着目しており、
サイドウオールに発生する熱応力を低減させることがで
きない。また同平8−135403 号公報ではシュラウドを分
割することにより拘束を緩和し熱変形を減少させる方法
も提案されている。

【０００７】この手法では、製造時に補強リブやシュラ
ウドの分割のかたちが決まってしまうため、実機におけ
る複雑な応力状態に対応することができないことや、翼
とサイドウオールの境界部のような応力集中部の低応力
化や発生したき裂の成長抑制ができないなどの問題点が
ある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、静翼サイド
ウオール部のように、部材内の温度勾配や構造により大
きな曲げ応力を受ける部位について、発生したき裂の成
長を抑制し、長寿命化を達成するために、部材に生じる
熱応力を低減することのできる静翼構造を提供すること
を課題とした。

【０００９】

【課題を解決するための手段】熱応力は部材の熱膨張
が、構造による拘束を受けることにより生じる変形制御
型の負荷である。変位制御型の曲げ負荷については、部
材の肉厚を小さくするなどして、剛性を低減させれば発
生する応力が低減する。剛性を低減させる構造として
は、上気したように肉厚を小さくすることがあげられる
が、部材表面から深さ方向に溝あるいはスリットを加工
し、それにより熱膨張による変形を吸収し、熱応力を低
減させることができる。この溝を冷却側に加工すれば、
冷却空気に曝される面積が増大し、冷却強化も可能とな
る。また発生したき裂に対しても、同様の溝やスリット
をそのき裂発生部位の冷却側に加工することで、その周
辺の熱応力を低減し、き裂の成長を抑制できる。本発明
ではき裂発生頻度の高い高熱応力部位にそのような構造
を採用することにより、静翼の長寿命化を達成する。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１に本発明の実施の形態を示
す。図中４が静翼をシュラウドに固定するための突起で
あり、この方向はタービンの回転方向（タービン軸に垂
直な方向）に一致する。この突起はインナーウオール３
にも設けられている。５のタービン軸方向に平行な溝
が、熱応力低減のための溝である。図２は図１のアウタ
ーウオール１を２の翼部側から見た図であり、図中６の
ようなき裂が多くの静翼で発生することが確認されてい
る。静翼は冷却構造をとっているため、各部位で部材肉
厚方向に温度勾配が生じ、それに伴い発生する熱応力も
勾配をもった曲げ応力となる。曲げの方向は、き裂に垂
直な方向と考えられるので、図２ではタービン軸に垂直
な方向になると考えられる。

【００１１】静翼に発生する熱応力は、部材の熱膨張が
シュラウド等との取付による拘束により生じる変形制御
型の負荷である。一般のはりで最大曲げ変位δ_max と最
大曲げ応力σ_bmaxの間には次式が成り立つ。

【００１２】

【数１】

【００１３】ここで、ｌははりの長さ、Ｅはヤング率、
ｈは部材の板厚である。またｎ，ｍははりの形状、種類
によって決まる係数である。数１から、δ_max が一定と
なる変位制御型負荷の場合には、板厚ｈを小さくする方
が最大応力σ_bmaxが小さくなることが分かる。き裂発生
位置は他の部位に比べて応力が大きいと考えられ、その
応力を低減させることにより、き裂の発生，進展が抑え
られる。板厚を小さくすることは、部材の曲げ剛性を低
下することに対応する。曲げ剛性は、ヤング率Ｅと断面
２次モーメントＩの積ＥＩで与えられるので、板厚を小
さくすることはヤング率Ｅを小さくすることと等価にな
る。

【００１４】図３は、静翼における高応力発生部位につ
いて、その部位のヤング率を変化させて、熱応力解析を
行った結果を示す。図中ハッチングを施した部分がヤン
グ率を低下させた部位である。図中Ｏは翼後縁との境界
部であり、形状不連続により応力集中となる。き裂はこ
のＯ点から発生することが多い。図３の下図が解析結果
であり、Ｏ点を中心にｘ方向の応力分布を表している。
ｘはき裂方向と一致するようにとり、応力の成分はｘ軸
に垂直な方向、すなわちき裂の進展に最も寄与する応力
成分である。剛性（ヤング率）を低下させることで、そ
の応力が全体的に低下していることがわかる。したがっ
て、これらの部位の剛性を低下させることで、き裂の発
生，進展が抑制されることが分かる。

【００１５】剛性を低下させるような構造としては、上
記したように部材の板厚を小さくすればよいが、曲げに
垂直な方向に溝やスリットを加工することも、曲げ剛性
を低下させることになる。曲げの方向はき裂に垂直とな
るので、この場合は図１に示したような溝が加工され
る。この溝は静翼の鋳造時に設けられ、溝底部の応力集
中を緩和するため、鋳造後に底部の曲率半径が大きくな
るように加工される。この溝あるいはスリットは部材の
冷却側に設けられるため、冷却側の表面積が増加し、部
材の冷却強化にもつながる。このような溝により、部材
の熱応力が低減され、静翼の長寿命化が可能となる。図
１では翼のアウターウオール部のみを例にしているが、
このような構造はインナーウオール３や翼部２にも適用
可能である。

【００１６】特に高温で使用されるような場合には、部
材の剛性を低下させることが強度上問題となることがあ
る。そのような場合に熱応力を抑えるためには部材を冷
却強化する必要がある。上記したように、部材冷却側に
溝やスリットを加工することは、表面積を増大させるこ
とになり、冷却強化につながる。そこで、剛性の低下量
を小さくして冷却強化を図るために図４に示すような、
曲げに平行、この場合ではタービン軸に垂直な方向の溝
を加工する。曲げに平行な方向の溝を加工することは、
元々薄肉の部材に補強リブを取り付けることと等価であ
り、垂直な方向の溝のように曲げ剛性を大きく低下させ
ることにはならない。なおこの溝も、鋳造時に設けら
れ、その後応力集中を小さくするように底部の形状が調
整される。以上は、静翼の冷却側に溝を予め加工するこ
とで剛性低下，冷却強化を図るものであったが、使用中
に発生したき裂についても、点検時等に同様の加工を施
すことで、き裂の進展を抑え長寿命化することができ
る。図５はその例を示した図である。一般的にき裂は主
応力に垂直に進展するので、曲げの方向もき裂に垂直と
推定される。したがって加工されるその方向もき裂に平
行な方向となる。

【００１７】静翼をシュラウドに固定する突起４は一般
にはタービンの回転方向に連続的に設けられる。この部
分は局部的に肉厚が大きくなるため、その裏側となる部
分では他の部分に比べて冷却の効果が小さくなる。また
連続して存在しているため全体の拘束を厳しくすること
にもなる。そこで、き裂の発生位置となるような翼後縁
部とウオール部の境界部等については、図６に示すよう
に、この突起が存在しないよう断続的な構造とする。こ
のような構造にすることにより、部材の拘束を小さくす
ることができる。また、突起の存在しない部分について
は冷却の効果が大きくなるため、これをき裂発生頻度の
高い部位に適用することにより、き裂の発生進展を抑え
長寿命化を図ることができる。

【００１８】以上のような手法を適用することで、静翼
の構造的な拘束を緩やかにし、熱応力を低減させ、さら
には冷却強化による部材温度の低減も可能となり、部材
の長寿命化が達成される。

【００１９】

【発明の効果】本発明のガスタービン静翼構造によれ
ば、溝やスリットによる熱応力低減および冷却強化によ
り、部材の損傷に大きく影響するき裂の進展を抑えるこ
とができ、長寿命化を可能とすることができる。部品の
長寿命化により、運用コストの低減が図れ、また検査と
検査の間隔を長くとることが可能になり、ガスタービン
の稼働率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例である翼概略図。

【図２】静翼に発生した熱疲労き裂を示す図。

【図３】本発明の効果を示す応力解析例を示す図。

【図４】タービン軸に垂直な加工溝を示す図。

【図５】発生したき裂への適用例を示す図。

【図６】分割されたシュラウド取付部の斜視図。

【符号の説明】

１…アウターウオール、２…静翼翼部、３…インナーウ
オール、４…シュラウドに静翼を固定するための突起、
５…溝あるいはスリット、６…熱疲労き裂、７…溝ある
いはスリット。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機で圧縮された空気に燃焼器で燃料を
   加えて発生させた高温の燃焼ガスによりタービンを回転
   させ、発電器を駆動するガスタービンにおいて、燃焼ガ
   スを最適となる角度で動翼に送り込むために燃焼器出口
   直後に設置され、外周および内周壁をシュラウドで固定
   され、それらの拘束と起動停止に伴う温度変動による熱
   疲労損傷を受けるガスタービン静翼において、サイドウ
   オールの冷却側に、タービン軸に平行な溝を設けたこと
   を特徴とするガスタービン静翼。
2. 【請求項２】請求項１記載のガスタービン静翼におい
   て、サイドウオールの冷却側に、タービン軸に垂直な溝
   を設けたことを特徴とするガスタービン静翼。
3. 【請求項３】請求項１記載のガスタービン静翼におい
   て、き裂発生部位の冷却側に、き裂に平行な溝を加工す
   ることを特徴とするガスタービン静翼の補修方法。
4. 【請求項４】請求項１記載のガスタービン静翼におい
   て、静翼をシュラウドに固定する突起部を断続的な構造
   としたことを特徴とするガスタービン静翼。