JP2006105084A - ガスタービン動翼 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型ガスタービンの動翼を効果的に冷却する。
【解決手段】 チップ面の冷却孔を正圧側に近い位置に設ける。チップ面には正圧側から負圧側への流れがあるので、こうした冷却孔はより均一にチップ面を冷却する。静翼のアウターシュラウドの外周側の空気を後段側に隣接する動翼のチップ面の方へガイドするようにアウターシュラウドの後縁部と分割環の前縁部とに傾斜をつける。分割環の外周側の空気が動翼のチップ面を冷却するように分割環にスロットを設ける。隣接する分割環の間のシールピースに、チップ面の空気の流速が遅くなる隙間をふさぐ突起を設ける。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、ガスタービン動翼の冷却に関する。

ガスタービン動翼の翼端部（チップ部）は、チップリーケージ（チップ部における腹側から背側へのガスの流れ）、二次流れ等の影響で、熱的に非常に過酷な環境にさらされる。チップ部を効果的に冷却する技術が望まれている。

分割環とその外周に配置したインピンジメント冷却板との間を周方向に延びる圧力隔壁により軸方向で区画し、それぞれ異なる圧力に調整した複数のキャビティを設けたことを特徴とするガスタービンにおける分割環の冷却構造が知られている（特許文献１参照）。

圧縮機から供給された圧縮空気と燃料ノズルから噴射された燃料を燃焼筒内で燃焼し、その燃焼ガスを動翼に導き動力を得るガスタービンの、圧縮空気の一部を利用して動翼の翼端を冷却する動翼翼端冷却構造であって、動翼本体の翼端面から軸心方向に深さを有して形成された凹部と、動翼本体の前縁部材内部を通り凹部の前縁側の壁面に出口開口を有する翼端冷却空気導入通路と、凹部の後縁側の壁面に入口開口を有し、動翼本体の後縁部材内部を通り、後縁または後縁近傍の翼表面に出口開口を有する翼端冷却空気排出通路と、動翼本体と別体に成形され、凹部内壁に密着接合して固定される蓋部材とを具備し、蓋部材の凹部内壁に密着接合する面に、翼端冷却空気導入通路の出口開口と翼端冷却空気排出通路の入口開口を連通する複数の溝が設けられている、ことを特徴とするガスタービン動翼翼端冷却構造が知られている（特許文献２参照）。

特開平１１−２４７６２１号公報 特開２００２−１９５００３号公報

大型のガスタービンの動翼の場合、チップ部、およびチップ付近の背側、腹側に多数のフィルム冷却孔を設置し、フィルム冷却することによりチップ部の冷却が行われている。しかし、ヘリコプターの動力などに用いられる小型ガスタービンの場合、加工上の都合により、ｄ／Ｃ（ｄはフィルム孔径、Ｃはコード長）が大型の産業用ガスタービンに比べて大きい。そのため、小型のガスタービンに多数のフィルム孔を設置すると、フィルム冷却空気の流量が過大となり、過冷却となる。

本発明の目的は、小型のガスタービンの動翼のチップ部が効果的に冷却される構造のガスタービンを提供することである。

本発明の他の目的は、小型のガスタービンにおける冷却空気の量を低減することである。

以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明によるガスタービン動翼（６）は、翼端面（２６）の正圧側（３０）に近い位置に開口（２４）を有する冷却通路（２２）が内部に設けられている。

本発明によるガスタービン動翼（６）において、冷却通路（２２ｂ）は、内部を流れる冷却媒体を正圧側（３０）の内壁がインピンジメント冷却されるように誘導するガイド（３４）を備えている。

本発明によるガスタービン動翼（６）は、翼端面（２６）を内壁からインピンジメント冷却する冷却通路（２２ｄ）と、冷却通路（２２ｄ）に接続され、当該ガスタービン動翼（６）の翼端面（２６）に近い場所の正圧側（３０）の外壁をフィルム冷却するフィルム冷却孔（４０）に冷却媒体を導くフィルム冷却通路（３８）とを備えている。

本発明によるガスタービン動翼（６）は、翼端面（２６）に開口を有する第２冷却通路（２２ｃ）を備えている。冷却通路（２２ｄ）は第２冷却通路（２２ｃ）よりも下流側に位置し、フィルム冷却孔（４０）は動翼（６）の下流端に近い位置に設けられている。

本発明によるガスタービンは、本発明によるガスタービン動翼（６）を備えている。

本発明によるガスタービンは、アウターシュラウド（９）を備えた静翼（５）と、静翼（５）の後段側に隣接する動翼（６）と、動翼（６）の外周に設置された分割環（１０）と、アウターシュラウド（９）の外周側から分割環（１０）の内周側に入る漏れ空気（４２）に、動翼（６）の前縁の方に向いた運動量を与えるガイド（４１）とを備えている。

本発明によるガスタービンにおいて、ガイド（４１）は、アウターシュラウド（９）の後縁と分割環（１０）の前縁により構成される。

本発明によるガスタービンにおいて、分割環（１０）は、周方向を長手方向として分割環（１０）の内周側と外周側とを連通するスロット（４４）を備えている。スロット（４４）の内周側の開口部は、外周側の開口部よりも下流側にある。

本発明によるガスタービンは、動翼（６）と、動翼（６）の外周に設置された分割環（１０）とを備えている。分割環（１０）は、周方向を長手方向として分割環（１０）の内周側と外周側とを連通するスロット（４４）を備えている。スロット（４４）の内周側の開口部は、外周側の開口部よりも下流側にある。

本発明によるガスタービンは、周方向に複数配列された分割環（１０）と、隣接する分割環（１０）の間に挿入されるシールピース（４６）とを備えている。シールピース（４６）は、隣接する分割環（１０）と動翼（６）の翼端面（２６）とにより形成される隙間を小さくする突起（４８）を備えている。

本発明によるガスタービンにおいて、シールピース（４６）は、粘弾性が分割環（１０）よりも大きい。

本発明によるガスタービンにおいて、シールピース（４６）はグラファイトを含む。

本発明によるガスタービンは、ヘリコプターの動力として搭載される。

本発明によるヘリコプターは、本発明によるガスタービンをローターの回転動力としている。

本発明によれば、小型のガスタービンの動翼のチップ部が効果的に冷却される構造のガスタービンが提供される。

さらに本発明によれば、小型のガスタービンにおける冷却空気の量が低減される。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。本発明によるガスタービンは、例えばヘリコプターの動力として使用される小型のガスタービンである。

（実施の第１形態）
図１を参照すると、ガスタービンの断面図が示されている。ガスタービン３は、流れ方向に交互に配置された静翼５と動翼６とを備えている。動翼６の回転軸（図示せず）は図面の下方向にある。静翼５の内周側にはインナーシュラウド８が取り付けられている。静翼５の外周側にはアウターシュラウド９が取り付けられている。動翼６の外周側には、動翼の先端部に対向して分割環１０が設けられている。ガスタービンの上流側は燃焼器の尾筒２に接続されている。尾筒２から送り込まれた主流ガス１５は、静翼５で整流され、動翼６を回転させる。

図２を参照すると、動翼６の断面図が示されている。動翼６は、タービンの径方向（タービンの回転軸に直交する方向）に延長する冷却通路２２を内部に有している。動翼６の翼端面、即ち動翼の最も外周側の、分割環１０に対向する面は、チップ面２６と呼ばれる。冷却通路２２はチップ面２６にチップ冷却孔２４と呼ばれる開口を有する。冷却媒体は、冷却通路２２の内周側から供給され、外周側に向かって流れ、チップ冷却孔２４から動翼６の外に流出し、チップ面を冷却する。

図３Ａを参照すると、動翼６の上面図（動翼６をチップ面２６の側から見た図）が描かれている。動翼６を上面から見たときに、正圧側の面は腹側３０と呼ばれ、負圧側の面は背側３２と呼ばれる。本実施の形態において、チップ冷却孔２４ａはチップ面２６のなかで腹側３０に近い位置に設けられている。図３Ｂを参照すると、図３ＡにおけるＢ−Ｂ断面が描かれている。冷却通路２２ａはチップ面２６において腹側３０に偏った位置に絞られた開口を有している。

チップ冷却孔２４が腹側３０に近い位置に設けられていることによる効果を説明する。チップ面２６の付近においては、分割環１０とチップ面２６の間の隙間に、腹側３０から背側３２に向かって、腹側３０と背側３２との圧力差によるガスの流れが生じている。そのため、チップ冷却孔２４から出た冷却媒体は、腹側３０から背側３２に向けて流される傾向がある。したがって、チップ冷却孔２４が腹側３０に近い位置に設けられていると、チップ面２６がより均一に冷却され好ましい。

図４Ａを参照して、本実施の形態の変型例について説明する。この変型例においても、チップ冷却孔２４は腹側３０に近い位置に開口している。図４Ｂを参照すると、図４ＡのＣ−Ｃ断面が描かれている。冷却通路２２ｂは、チップ面２６に近い位置において冷却通路屈折部３４を備えている。チップ面２６の方向へ向かう冷却媒体の流れは、冷却通路屈折部３４において一旦、腹側３０に向かう運動量を与えられ、チップ面２６に近い部分の腹側３０の壁を内部からインピンジメント冷却する。その後、冷却媒体はチップ面２６の腹側３０に偏った位置に設けられたチップ冷却孔２４から動翼６の外部に流れ出し、チップ面２６を冷却する。

（実施の第２形態）
図５を参照すると、実施の第２形態における動翼６の上面図が示されている。動翼６は、チップ面２６にチップ冷却孔２４ｃを有している。動翼６は更に、チップ面２６に近い後縁部（主流ガスの流れの下流側の端部に近い部分）の腹側３０に、フィルム冷却孔４０を有している。

図６を参照すると、本実施の形態における動翼６を腹側から見た側面図が示されている。動翼６の内部に設けられた径方向に延長した冷却通路２２ｃ、２２ｄのうちの一部の冷却通路２２ｃは、チップ面２６にチップ冷却孔２４ｃを有している。他の冷却通路２２ｄは、チップ面２６において蓋部３６で閉じられている。冷却通路２２ｄは、冷却通路３８に接続されている。冷却通路３８は、チップ面６に近い後縁部に設けられたフィルム冷却孔４０において開口している。

冷却通路２２ｃをチップ面２６の方向に向かって流れる冷却媒体は、チップ冷却孔２４ｃから動翼の外部に流れ出し、チップ面２６を冷却する。冷却通路２２ｄをチップ面２６の方向に向かって流れる冷却媒体は、蓋部３６においてチップ面２６を内壁からインピンジメント冷却し、その後冷却通路３８を流れて、フィルム冷却孔４０から動翼の外部に流れ出し、チップ面６に近い後縁部をフィルム冷却する。この部分は特に冷却が必要な部分であるため、フィルム冷却空気が供給されることは好ましい。

本実施の形態において、チップ冷却孔２４ｃが実施の第１形態におけるように腹側３０に近い位置に設けられることは、チップ面２６をより均一に冷却するために好ましい。さらに、冷却通路２２ｃの内部に冷却通路屈折部３４が設けられることも好ましい。

（実施の第３形態）
図７を参照して、本発明の実施の第３形態について説明する。静翼５に取り付けられているアウターシュラウド９の後縁部と、その静翼５の後段側に隣接する動翼６のチップ面２６に対向する分割環１０の前縁部との間には、隙間がある。本実施の形態においては、その隙間が、アウターシュラウド９の外周側のガスを動翼６のチップ面２６の近くに導入する形状をしたガイド部４１となっている。図７に示された例では、ガイド部４１は、アウターシュラウド９の後縁部と分割環１０の前縁部との隙間が外周側から内周側にかけて後段側に傾斜することにより構成されている。

分割環１０は、軸方向の中央付近にスロット４４を有している。図８を参照すると、分割環１０の上面図が示されている。スロット４４は、周方向に長い溝の形状をしている。スロット４４が設けられる位置は、軸方向の中央付近でなくても、チップ面２６の冷却したい位置でよい。スロット４４は複数設けられてもよい。

アウターシュラウド９の外周側からガイド部４１により動翼６のチップ面２６に近い前縁部に導入された漏れ空気４２は、動翼６のチップ面２６の付近、特に前縁部の付近を冷却する。分割環１０の外周側からスロット４４により動翼６のチップ面２６の方向に導入されたガスは、動翼６の軸方向に中央付近や後縁部付近など、スロット４４が設けられた部分のチップ面２６とその近くに側面を冷却する。スロット４４が周方向に長い溝の形状をしていることにより、より効果的にチップ面の広範囲にわたる冷却が行われる。

（実施の第４形態）
図９を参照して、本発明の実施の第４形態について説明する。図９は、動翼６と分割環１０とを、ガスタービン３の軸方向の上流側から見た部分図である。互いに隣接する分割環１０の間には、シールピース４６が配置されている。シールピース４６は突起４８を備えている。突起４８は、動翼６との間にできる隙間をふさいで隙間を小さくしている。シールピース４６の材料は、隙間がよりよくふさがれるように、グラファイトに例示される粘弾性の大きいねばい材料であることが好ましい。

動翼６が回転するとき、チップ面２６には腹側３０から背側３２に向かうチップリーケージ空気５０が発生する。シールピース４６に突起４８が無い場合、そこにできる隙間においてチップリーケージ空気５０の流速が遅くなり渦が発生することなどにより、隙間におけるガス温度が高くなり、熱負荷が増大する。突起４８があることにより、流速が遅くなることが避けられ、ガス温度の局所的な上昇が避けられる。

図１は、ガスタービンの断面図である。 図２は、動翼の断面図である。 図３Ａは、動翼の上面図である。 図３Ｂは、動翼の断面図である。 図４Ａは、動翼の上面図である。 図４Ｂは、動翼の断面図である。 図５は、動翼の上面図である。 図６は、動翼の断面図である。 図７は、隣接する静翼と動翼を示す。 図８は、分割環の上面図を示す。 図９は、隣接する分割環とその間のシールピースを示す。

符号の説明

２…尾筒
５…静翼
６…動翼
８…インナーシュラウド
９…アウターシュラウド
１０…分割環
１５…主流ガス
２２…冷却通路
２４…チップ冷却孔
２６…チップ部
３０…腹側
３２…背側
３４…冷却通路屈折部
３６…蓋部
３８…冷却通路
４０…フィルム冷却孔
４１…ガイド部
４２…漏れ空気
４４…スロット
４６…シールピース
４８…突起
５０…チップリーケージ空気

Claims (14)

1. 翼端面の正圧側に近い位置に開口を有する冷却通路が内部に設けられた
   ガスタービン動翼。
2. 請求項１に記載されたガスタービン動翼であって、
   前記冷却通路は、内部を流れる冷却媒体が前記正圧側の内壁をインピンジメント冷却されるように誘導するガイドを備えた
   ガスタービン動翼。
3. 翼端面を内壁からインピンジメント冷却する冷却通路と、
   前記冷却通路に接続され、当該ガスタービン動翼の前記翼端面に近い場所の正圧側の外壁をフィルム冷却するフィルム冷却孔に冷却媒体を導くフィルム冷却通路
   とを備える
   ガスタービン動翼。
4. 請求項３に記載されたガスタービン動翼であって、
   さらに、翼端面に開口を有する第２冷却通路
   を具備し、
   前記冷却通路は前記第２冷却通路よりも下流側に位置し、前記フィルム冷却孔は前記動翼の下流端に近い位置に設けられている
   ガスタービン動翼。
5. 請求項１から４のうちのいずれか１項に記載されたガスタービン動翼
   を具備する
   ガスタービン。
6. アウターシュラウドを備えた静翼と、
   前記静翼の後段側に隣接する動翼と、
   前記動翼の外周に設置された分割環と、
   前記アウターシュラウドの外周側から前記分割環の内周側に入る漏れ空気に、前記動翼の前縁の方に向いた運動量を与えるガイド
   とを具備する
   ガスタービン。
7. 請求項６に記載されたガスタービンであって、
   前記ガイドは、前記アウターシュラウドの後縁と前記分割環の前縁により構成される
   ガスタービン。
8. 請求項６または７に記載されたガスタービンであって、
   前記分割環は、周方向を長手方向として前記分割環の内周側と外周側とを連通するスロットを備え、
   前記スロットの前記内周側の開口部は、前記外周側の開口部よりも下流側にある
   ガスタービン。
9. 動翼と、
   前記動翼の外周に設置された分割環
   とを具備し、
   前記分割環は、周方向を長手方向として前記分割環の内周側と外周側とを連通するスロットを備え、
   前記スロットの前記内周側の開口部は、前記外周側の開口部よりも下流側にある
   ガスタービン。
10. 周方向に複数配列された分割環と、
    隣接する前記分割環の間に挿入されるシールピースと
    を具備し、
    前記シールピースは、隣接する前記分割環と動翼の翼端面とにより形成される隙間を小さくする突起を備える
    ガスタービン。
11. 請求項１０に記載されたガスタービンにおいて、
    前記シールピースは、粘弾性が前記分割環よりも大きい
    ガスタービン。
12. 請求項１１に記載されたガスタービンにおいて、
    前記シールピースはグラファイトを含む
    ガスタービン。
13. 請求項５から１２のうちのいずれか１項に記載されたガスタービンであって、
    前記ガスタービンは、ヘリコプターの動力として搭載される
    ガスタービン。
14. 請求項１３に記載されたガスタービンを搭載したヘリコプター。

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