JP2012189026A - タービン翼 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルム冷却の効率低下を抑制しつつ翼部と冷却ガスとの間における熱伝達率を向上させ、これによって後縁領域の冷却効率を向上させる。
【解決手段】主流の流れ方向に複数例に亘って冷却部が配置されるタービン翼であって、いずれかの冷却部が乱流促進冷却部とされ、他のいずれかの冷却部がフィルム冷却部とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービン翼に関するものである。

タービンが備えるタービン翼は、一般的に高温の流体に晒される。特に、ガスタービンが備えるタービン翼は、燃焼器から排出された高温の燃焼ガスに晒されるため、極めて高温の環境に晒されることとなる。
このような高温の環境に晒されるタービン翼に対して耐久性を高めるために、翼内部に冷却空気等の冷却ガスを供給する場合がある。このように冷却ガスを翼内部に供給することによって、タービン翼の温度上昇を抑制し、タービン翼の耐久性を向上させることが可能となる。

ところで、タービン翼の後縁領域は、タービンの空力性能の観点から薄いことが望まれるため、内部に上記冷却ガスを流すための流路を形成することが困難な場合が多く冷却が難しい部位である。
このため、例えば特許文献１や特許文献２には、タービン翼の後縁領域の腹側に切欠き部を形成することによって後縁領域を薄くすると共に、切欠き部によって露出された腹側の面に向けて冷却ガスを吹き付けることによって後縁領域をフィルム冷却する方法が提案されている。

特開２００３−５６３０１号公報 米国特許第５２１５４３１号明細書

しかしながら、特許文献１や特許文献２において提案されている方法では、タービン翼の後縁領域を十分に冷却することが難しく、さらなる冷却効率の向上が望まれている。
例えば、切欠き部から排出される冷却ガスの流れを乱流とすることによって、翼部と冷却ガスとの間における熱伝達率を高めることができる。ところが、冷却ガスの流れを乱流とした場合には、熱伝達率を高めることができるものの、冷却ガスが翼部の表面を流れる主流とすぐに混合されてしまい、冷媒である冷却ガスの温度が上昇してしまうというデメリットもある。つまり、冷却ガスの乱流を促進してしまうとフィルム冷却層と主流ガスとの混合が促進され、フィルム冷却の効率が低下するという問題が生じる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、タービン翼において、フィルム冷却の効率低下を抑制しつつ翼部と冷却ガスとの間における熱伝達率を向上させ、これによって後縁領域の冷却効率を向上させることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、内部に導入された冷却ガスを上記翼面腹側に排出する切欠き部を有する冷却部を上記翼前縁から翼後縁に向かう方向において複数列備えるタービン翼であって、上記複数例のうち最下流列における上記冷却部が、上記切欠き部によって露出される領域に乱流促進手段を有する乱流促進冷却部とされ、上記複数列のうち他のいずれかの列における上記冷却部が、上記切欠き部によって露出される領域にフィルム冷却層を形成するフィルム冷却部とされている構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記複数列のうちいずれかの列にて、翼高さ方向に複数の上記冷却部が離散的に配列されているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記複数列のうちいずれかの列にて、翼高さ方向に上記冷却部が長尺状に連続的に設けられているという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明において、上記乱流促進手段が、上記切欠き部によって露出される領域に立設される複数のピン部であるという構成を採用する。

第６の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明において、上記乱流促進手段が、上記切欠き部によって露出される領域に立設されると共に上記冷却ガスの流れ方向に複数配列された段部であるという構成を採用する。

第７の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明において、上記乱流促進手段が、上記切欠き部によって露出される領域に形成される複数のディンプル部であるという構成を採用する。

本発明においては、翼前縁から翼後縁に向かう方向に、切欠き部を有する冷却部が複数例備えられている。そして、この複数列の冷却部のうち、最下流列が乱流促進手段を備えて乱流にて冷却を行う乱流促進冷却部とされ、他のいずれかがフィルム冷却層を形成するフィルム冷却部とされている。
このため、本発明によれば、乱流促進冷却部によって冷却ガスの乱流が促進されて当該部の対流熱伝達が促進され、フィルム冷却部から流出した冷却ガスによってフィルム冷却層が形成されフィルム冷却が行われる。つまり、本発明によれば、後縁領域において、主流ガスよりも温度の低いフィルム冷却ガスとの対流熱伝達が乱流促進冷却部で促進されるため、後縁部を効率的に冷却することができる。
したがって、本発明によれば、フィルムを形成する切り欠き部と伝熱促進する構造を有する切り欠き部を別々に配置することにより、フィルム冷却の効率低下を抑制しつつ翼部と冷却ガスとの間における熱伝達率を向上させることができ、これによって後縁領域の冷却効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態におけるタービン翼の斜視図である。 本発明の一実施形態におけるタービン翼の断面図である。 本発明の一実施形態におけるタービン翼の要部を拡大した斜視図である。 本発明の一実施形態におけるタービン翼の変形例を示す拡大斜視図である。 本発明の一実施形態におけるタービン翼の変形例を示す平面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るタービン翼の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態のタービン翼１の斜視図である。また、図２は、タービン翼１の断面図であり、（ａ）が図１のＡ−Ａ線断面図であり、（ｂ）が図１のＢ−Ｂ線断面図である。
そして、図１に示すように、本実施形態のタービン翼１は、翼部２と、根元部３と、冷却部４とを備えている。

翼部２は、図２に示すように、前縁２１（翼前縁）と、後縁２２（翼後縁）と、腹側翼面２３（翼腹）と、背側翼面２４とを有する翼形状に形状設定されている共に、内部２５（翼内部）が冷却ガスを導入可能なように中空とされている。
この翼部２は、前縁２１を流体の上流側に向けて配置されている。このため、翼部２の腹側翼面２３及び背側翼面２４の表面には、前縁２１から後縁２２に向けて流れる流れが形成される。
なお、以下の説明において、腹側翼面２３及び背側翼面２４の表面に沿って前縁２１から後縁２２に流れる上記流れを主流と称する。

根元部３は、翼部２を支持するものであり、タービンディスクに固定される。
なお、根元部３は不図示の内部流路を有している。そして根元部３の内部流路を通じて冷却ガスが翼部２の内部２５に供給されるように構成されている。

冷却部４は、翼部２の内部２５に導入された冷却ガスを後縁２２側の腹側翼面２３側に排出して後縁２２を含む後縁領域の冷却を図るものである。
冷却部４は、腹側翼面２３側に形成された切欠き部４１を有している。このような切欠き部４１によってスロット４２が形成される。
また、冷却部４は、スロット４２の前縁２１側の壁部に設けられ、翼部２の内部２５に貫通する貫通孔４３を有している。この貫通孔４３は、切欠き部４１に冷却ガスを排出する。
このように、本実施形態のタービン翼１において冷却部４は、翼部２の内部２５に導入された冷却ガスを腹側翼面２３側に排出する切欠き部４１を有している。

また、本実施形態のタービン翼１は、図１に示すように、上述の冷却部４を、前縁２１から後縁２２に向かう方向において２列（複数列）備えている。
なお、各列は、翼高さ方向（図１の紙面上下方向）に離散的に等間隔で配置された複数の冷却部４によって構成されている。また、図１に示すように、前縁２１側の列を構成する冷却部４と、後縁２２側の列を構成する冷却部４とは、翼高さ方向においてずれて配置されており、これによって冷却部４が千鳥状に配列されている。

そして、本実施形態のタービン翼１においては、前縁２１側の１列を構成する冷却部４がフィルム冷却部４Ａとされ、後縁２２側の１列を構成する冷却部４が乱流促進冷却部４Ｂとされている。つまり、本実施形態のタービン翼１においては、

図３（ａ）は、フィルム冷却部４Ａの拡大斜視図である。この図に示すように、フィルム冷却部４Ａは、切欠き部４１によって露出された領域Ｒが平面とされている。そしてフィルム冷却部４Ａは、貫通孔４３から排出された冷却ガスでフィルム冷却層を形成しフィルム冷却を行うことを目的とする構造である。
つまり、フィルム冷却部４Ａは、切欠き部４１によって露出される領域Ｒにフィルム冷却層を形成しフィルム冷却を行い、これによって翼部２の後縁領域を冷却するものである。

図３（ｂ）は、乱流促進冷却部４Ｂの拡大斜視図である。この図に示すように、乱流促進冷却部４Ｂは、切欠き部４１によって露出された領域Ｒに立設される複数のピン部４４（乱流促進手段）を備えている。そして、乱流促進冷却部４Ｂは、当該ピン部４４に貫通孔４３から排出された層流が衝突することにより乱流促進することでフィルム空気との対流熱伝達を促進する。
ピン部４４は、図３（ｂ）に示すように、領域Ｒに千鳥状に複数配列されている。各ピン部４４の高さは、上述の主流との衝突を避けるために腹側翼面２３の表面を越えないように設定されている。なお、図３（ｂ）に示すように、本実施形態においては全てのピン部４４が同じ高さに設定されているが、ピン部４４の高さは必ずしも統一する必要はない。

以上のように構成された本実施形態のタービン翼１においては、前縁２１から後縁２２に向かう方向に、切欠き部４１を有する冷却部４が複数例備えられている。そして、この複数列の冷却部４のうち、後縁２２側が乱流促進冷却部４Ｂとされ、前縁２１側がフィルム冷却部４Ａとされている。
このため、本実施形態のタービン翼１によれば、乱流促進冷却部４Ｂによって対流熱伝達が促進され、フィルム冷却部４Ａによってフィルム冷却層が形成される。つまり、本実施形態のタービン翼１によれば、主流ガスよりも温度の低いフィルム冷却ガスとの対流熱伝達が乱流促進冷却部で促進されるため、後縁部を効率的に冷却することができる。
したがって、本発明によれば、フィルム冷却層を形成する切り欠き部と伝熱促進する構造を有する切り欠き部を別々に配置することにより、フィルム冷却の効率低下を抑制しつつ翼部と冷却ガスとの間における熱伝達率を向上させることができ、これによって後縁領域の冷却効率を向上させることができる。

また、本実施形態のタービン翼１においては、最も後縁２２側の列を構成する冷却部４が乱流促進冷却部４Ｂとされている。
翼後縁側背側面が翼面温度が高くなりやすい部位であり、冷却を強化する必要がある部位である。この部分の冷却側壁面は翼腹側の切り欠き部となるため、この部分に対し、出来るだけ低い温度のガスと高い熱伝達率で熱伝達を行なうことが好ましい。
したがって、本実施形態のタービン翼１のように、最も後縁２２側の列を構成する冷却部４が乱流促進冷却部４Ｂとすることによって、乱流の後流側への影響を減らし、フィルム冷却効率の低下を防ぎつつ、熱伝達率を向上させることができる。

また、本実施形態のタービン翼１においては、ピン部４４によって乱流を形成する構成を採用している。このため、簡易な構成で乱流を形成することができる。

なお、ピン部４４に換えて、例えば、図４（ａ）に示すように、切欠き部４１によって露出される領域Ｒに立設されると共に冷却ガスの流れ方向に複数配列された段部４５（乱流促進手段）を備える構成を採用することもできる。
このような構成を採用した場合であっても、貫通孔４３から排出された冷却ガスが段部４５に衝突して乱流が促進されるため、簡易な構成で乱流を促進することができる。

また、ピン部４４に換えて、例えば、図４（ｂ）に示すように、切欠き部４１によって露出される領域に形成される複数のディンプル部４６（乱流促進手段）を備える構成を採用することもできる。
このような構成を採用した場合であっても、貫通孔４３から排出された冷却ガスがディンプル部４６に流れ込むことで乱流が形成されるため、簡易な構成で乱流を形成することができる。

また、本実施形態のタービン翼１においては、１つの列を構成する冷却部４が翼高さ方向に離散的に複数配置されている。
このため、冷却部４と冷却部４との間に肉厚な領域を残すことができ、タービン翼１の強度を確保することが可能となる。

なお、例えば、図５に示すように、冷却部４（図５においてはフィルム冷却部４Ａ）が、翼高さ方向に長尺状に連続的に設けられた構成を採用することもできる。
このような構成を採用することによって、翼高さ方向のより広い範囲の冷却を行うことが可能となる。
ただし、冷却部４を長尺状とした場合には貫通孔の開口面積が増加して長尺化された冷却部４から構成される列から排出される冷却ガスの流量が、離散配置された冷却部４から構成される列から排出される冷却ガスの流量よりも増大してしまう可能性がある。
このため、冷却部４を長尺状とする場合には、長尺化された冷却部４における貫通孔の開口面積を絞り、離散配置された冷却部４から十分な冷却ガスが排出されるように構成することが好ましい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、図１に示した翼模式図はタービン動翼であるが、本構造をタービン静翼に適用する場合もあり得る。

例えば、上記実施形態においては、冷却部４が、主流の流れ方向に２列備えられた構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、冷却部４が、主流の流れ方向に３列以上備えられる構成を採用することもできる。
ただし、本発明においては、複数列のうち、最下流列を構成する冷却部が乱流促進冷却部４Ｂとされ、他の列を構成する冷却部がフィルム冷却部４Ａとされている。

また、上記実施形態においては、冷却部４が千鳥状に配列された構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、冷却部４が格子状に配列された構成を採用することも可能である。
さらに、乱流促進冷却部４Ｂについては、貫通孔４３を形成しない構成としてもよい。

１……タービン翼、２……翼部、２１……前縁（翼前縁）、２２……後縁（翼後縁）、２３……腹側翼面（腹側）、２４・・・・・・背側翼面（背側）、２５……内部（翼内部）、４……冷却部、４Ａ……フィルム冷却部（冷却部）、４Ｂ……乱流促進冷却部（冷却部）、４１……切欠き部、４２……スロット、４３……貫通孔、４４……ピン部（乱流促進手段）、４５……段部（乱流促進手段）、４６……ディンプル部（乱流促進手段）

Claims (6)

1. 翼内部に導入された冷却ガスを前記翼面腹側に排出する切欠き部を有する冷却部を前記翼前縁から翼後縁に向かう方向において複数列備えるタービン翼であって、
   前記複数例の最下流列における前記冷却部が、前記切欠き部によって露出される領域に乱流促進手段を有する乱流促進冷却部とされ、
   前記複数列のうち他のいずれかの列における前記冷却部が、前記切欠き部によって露出される領域にフィルム冷却層を形成するフィルム冷却部とされている
   ことを特徴とするタービン翼。
2. 前記複数列のうちいずれかの列にて、翼高さ方向に複数の前記冷却部が離散的に配列されていることを特徴とする請求項１に記載のタービン翼。
3. 前記複数列のうちいずれかの列にて、翼高さ方向に前記冷却部が長尺状に連続的に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のタービン翼。
4. 前記乱流促進手段は、前記切欠き部によって露出される領域に立設される複数のピン部であることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のタービン翼。
5. 前記乱流促進手段は、前記切欠き部によって露出される領域に立設されると共に前記冷却ガスの流れ方向に複数配列された段部であることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のタービン翼。
6. 前記乱流促進手段は、前記切欠き部によって露出される領域に形成される複数のディンプル部であることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のタービン翼。

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