JP2862536B2 - ガスタービンの翼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明はガスタービンの翼に係り、特に工業用ガスタ
ービンエンジンの第１段目に使用されるような冷却を必
要とするガスタービンの翼に関する。 （従来の技術） 工業用ガスタービンエンジンでは、一般に、燃焼ガス
によって駆動されるタービン自身が燃焼器へ空気を供給
するための圧縮機を直接駆動する自力的駆動方式を採用
している。このようなガスタービンの出力効率を高める
ための最も有効な方法は、タービン入口における燃焼ガ
ス温度を高めることである。しかし、この温度はタービ
ンの翼、特に第１段目の静翼や動翼を構成している材料
の耐熱応力性あるいは耐高温酸化性、耐腐食性等により
制限される。 そこで、従来は、第６図に示すように翼を内側から冷
却流体で強制的に冷却する冷却機構を備えた翼が用いら
れている。この図は、ガスタービンの第１段静翼の例を
示すもので、翼本体のキャンバー線に沿って切断した縦
断面図である。また第７図は、第６図のＡ−Ａ線に沿っ
て切断した横断面図である。この翼は、大きくわけて、
翼本体１と、上部エンドウオール２および下部エンドウ
オール３とで構成されている。翼本体１内には翼本体１
の高さ方向に延びる空洞４が形成されており、この空洞
４内には冷却流体を案内するための案内筒５が上部エン
ドウオール２に支持されて挿設されている。 冷却流体は、上部エンドウオール２に取付けられたイ
ンピンジプレート６から流入し、上部エンドウオール２
を冷却し、かつその一部がフィルム冷却孔７から流出
し、エンドウオール表面をフィルム冷却する。残りの冷
却流体は案内筒５に導びかれ、案内筒５の前縁部に穿設
されたインピンジ孔８から流出し、翼本体１の前縁部内
面９をインピンジ冷却する。その後、第８図に示すよう
に、翼本体１の内面に設けられた突出部10と案内筒５の
外表面とで形成された冷気ダクト11を翼の後縁部側へと
流れ、翼本体１を内面から強制的に対流冷却し、後縁部
においては、対流効果を促進するために設けたピンフィ
ン12間を経て翼外に流出する。下部エンドウオール３側
においても同様に、インピンジプレート13から流入した
冷却流体が下部エンドウオール３をインピンジ冷却し、
またフイルム冷却孔14から流出してエンドウオール表面
をフイルム冷却するようになっている。 しかしながら、上記のように構成された翼にあっては
次のような問題があった。すなわち、翼本体１の前縁部
をインピンジ冷却した冷却流体が冷気ダクト10を経て後
縁部に達するときには、流体が相当温度上昇し、この結
果、後縁部では冷却効果が減少する。また、翼列入口の
主流側燃焼ガス温度分布は、翼本体１の高さ方向に対し
第９図に示すような分布である。すなわち、翼本体１の
中央部近傍で最も高く、最下端と、最上端で最も低い分
布となっている。したがって、翼面の温度分布も、高さ
方向の中央部近傍で最も高く、翼面の温度分布はかなり
大きい。冷却設計においては、翼本体１の平均温度と共
に局所の最大値を許容値内におさえる必要がある。した
がって、翼本体１の中央部で許容値内に冷却設計すると
翼本体１の上部，下部では、過度の冷却となり、効率的
な冷却を行なうことができないことになる。このよう
に、従来の翼では冷却流体を効果的に用いて翼面の温度
差の小さい冷却を行なうことができない欠点があった。 （発明が解決しようとする問題点） 上述の如く、従来の翼構造では、冷却流体の流量に対
して、効率のよい冷却を行なうことができず、しかも翼
面の温度差が大きく、熱応力的にも厳しくなると云う問
題があった。 そこで本発明は、従来と同程度の冷却流体の流量にお
いても、冷却性能に優れ、また低熱応力化を実現でき、
さらに高温のガスタービンに適用可能なガスタービンの
翼を提供することを目的としている。 ［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明に係るガスタービンの翼は、翼本体と、この翼
本体内に翼本体の高さ方向に延びるように形成された空
洞と、この空洞内に挿設されて外部から供給された冷却
流体を案内する案内筒と、この案内筒の高さ方向の中央
部近傍に翼本体のコード方向に沿って複数設けられて前
記冷却流体を翼本体の内面に向け吹き付けてインピンジ
冷却する中央吹出孔と、前記案内筒の後縁部に高さ方向
に亙って複数設けられた後縁吹出孔と、前記翼本体の内
面にコード方向に複数列突設された突出部と前記案内筒
とで形成された流路を通して前記中央吹出孔から吹き出
された冷却流体を上記中央吹出孔の位置を境にして上下
方向に分流案内した後に上記翼本体の上下端に融合して
いるエンドウォール内に形成された流路を通して上記翼
本体の後縁部側へと導く冷気ダクトを具備してなること
を特徴としている。 （作用） 案内筒に導かれた冷却流体の大部分は案内筒の高さ方
向中央部近傍に設けられた中央吹出孔から翼本体の内面
中央部、つまり最も高温になり易い部分に吹き付けられ
る。その後、冷却流体は翼本体の内面に沿って上下方向
に流れ、続いてエンドウォール内に形成されている流路
を経由する冷気ダクトを流れながら対流冷却する。この
とき、冷却流体の温度が上昇するが、冷気ダクト自体に
フィン効果があり、しかも燃焼ガスの温度が翼本体の上
下方向では低くなるため、エンドウォールを含めた翼表
面のメタル温度は、冷却された状態下の中央部とほぼ同
程度となる。したがって、均一な温度分布を得る事が可
能となる。そして、従来の翼より少ない冷却流体の流量
で同程度の冷却性能を得る事が可能となる。 （実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明す
る。第１図は、本発明をガスタービンの第１段静翼に適
用した例を示す縦断面図であり、第２図は第１図におけ
るＣ−Ｃ線に沿って切断し、矢印の方向にみた横断面図
であり、さらに第３図は同様に第１図におけるＤ−Ｄ線
に沿って切断し、矢印の方向にみた横断面図である。 この翼は、翼本体21と、上部エンドウオール22およ
び、下部エンドウオール23とで構成されている。翼本体
21内には翼本体21の高さ方向に延びる空洞24が形成され
ており、この空洞24内には上部エンドウオール22に溶接
等で支持された案内筒25が挿設されている。 案内筒25は有底筒状に形成されている。そして第５図
にも示すように、高さ方向の中央部近傍のみにコード方
向全域にわたってインピンジ孔26が穿設されてある。ま
た、後縁部には、高さ方向全域に細孔27が穿設されてあ
る。翼本体21の内面には、第４図に示すように、中央部
近傍以外に翼の上下方向に延びる突出部28がコード方向
に複数列形成してあり、前記案内筒25の外表面と密着し
て、翼の上下方向に冷気ダクト29を形成している。翼本
体21の後縁部には、コード方向および高さ方向全域にわ
たってピンフイン30が形成されている。また、上部エン
ドウオール22および下部エンドウオール23には各冷気ダ
クト29に共通に接続される流路31,32が形成されてお
り、流路31は上記エンドウオール22の後縁端に複数開口
された排出孔33に通じ、流路32は下部エンドウオール23
の後縁端に複数開口された排出孔34に通じている。ま
た、上部エンドウオール22には、このウオール22の内面
をフイルム冷却するためのフイルム冷却孔35が流路31に
連通して複数設けられている。同様に下部エンドウオー
ル23にも、このウオール23の内面をフイルム冷却するた
めのフイルム冷却孔36が流路32に連通して複数設けられ
ている。 なお、この翼を実際に製造するときには、翼内壁の突
出部28とピンフイン30を含む翼本体21と上下部のエンド
ウオール22,23とを精密鋳造によって一体的に製造す
る。また、案内筒25は、板金等により成型後、穴あけ加
工し、その後翼本体21の内部に挿入し、上部エンドウオ
ール22に溶接によって固定すればよい。 このような構成であると、案内筒25に流入して冷却流
体は、インピンジ孔26から噴射して翼本体21の高さ方向
中央部近傍をインピンジ冷却し、その後、冷気ダクト29
を通って上下にわかれる。一方、案内筒25の細孔27から
独立に流出した冷却流体は、ピンフイン30の部分を通っ
て翼外に流出する。この際、直接冷たい流体が後縁部に
供給されるため、良好に冷却される。また前記、冷気ダ
クト29内を翼本体21の上方向に向った冷却流体は、冷気
ダクト29で翼本体21を内部から対流冷却し、上部エンド
ウオール22内の流路31に導びかれる。この流路31に流入
した冷却流体は、エンドウオール表面の燃焼ガス側に穿
設されたフイルム冷却孔35から一部を流出して表面をフ
イルム冷却する。残った冷却流体はエンドウオール後縁
端に設けた排出孔33から外部に流出する。また、冷気ダ
クト29内を翼本体21の下方向に向った冷却流体も同様に
下部エンドウオール23内に設けられた流路32に流入し、
フイルム冷却孔36および排出孔34から翼外に流出する。 このように構成された翼では、最も高温になり易い部
分、すなわち翼本体の内面中央部分に冷たい冷却流体を
集中的に吹き付け、この吹き付けられた冷却流体を翼本
体の内面に沿って上下方向に流し、続いて翼本体の上下
端に融合しているエンドウォール内の流路に流した後に
翼本体の後縁部側へと流すようにしているので、エンド
ウォールを含めた翼面温度分布の均一化を実現でき、熱
応力を緩和させることになる。また、案内筒25aに導か
れた冷却流体を案内筒25の高さ方向の中央部近傍に設け
られた複数のインピンジ孔26から噴射させ、この噴射さ
れた冷却流体を冷却ダクト29で上下方向に分流させて流
すようにしているので、翼本体内の冷却流体の流れを、
インピンジ孔26を通って上側へ向かう流れと、インピン
ジ孔26を通って下側へ向かう流れと、案内筒25の後縁部
を通して後縁へ向かう流れとの３系統にすることができ
る。このように、冷却流体の通流系統を３系統にするこ
とができるので、翼本体の最も高温の部分を良好に冷却
できるばかりか、たとえ製作後であっても各通流系統へ
の流量配分調整が可能となり、少ない冷却流体流量で翼
本体の高さ方向に均一な温度分布特性を得ることがで
き、従来のものより少ない冷却流体を流量で同程度の冷
却性能を得ることが可能である。 また、実施例のように冷却流体のエンドウオールの後
縁端から流出させるようにすると、エンドウオールを冷
却できるばかりか、流出した冷却流体で静翼と動翼との
間の燃焼ガスのシールも行なわせることができるので、
冷却流体を一層節約することができる。 ［発明の効果］ 以上明したように、本発明によれば、少ない冷却流体
を使って最も高温になり易い高さ方向中央部分の温度を
効果的に下げることができ、しかもエンドウォールを含
めた翼面温度分布の均一化を図って熱応力を緩和できる
ガスタービンの翼を提供できる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例に係るガスタービンの翼を翼
形状に沿って切断した縦断面図、第２図および第３図は
それぞれ同翼を第１図におけるＣ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線に沿
って切断し矢印の方向にみた横断面図、第４図は翼本体
だけを取り出して一部切欠して示す斜視図、第５図は案
内筒の斜視図、第６図は従来の翼を翼形状に沿って切断
した縦断面図、第７図は、同翼を第６図におけるＡ−Ａ
線に沿って切断し矢印の方向にみた横断面図、第８図は
第６図におけるＢ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向にみた
断面図、第９図は翼列入口における燃焼ガスの温度分布
を説明するための図である。 21……翼本体、22……上部エンドウオール、23……下部
エンドウオール、24……空洞、25……案内筒、26……イ
ンピンジ孔、27……細孔、29……冷気ダクト、30……ピ
ンフイン、31,32……流路、33,34……排出孔。

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．翼本体と、この翼本体内に翼本体の高さ方向に延び
   るように形成された空洞と、この空洞内に挿設されて外
   部から供給された冷却流体を案内する案内筒と、この案
   内筒の高さ方向の中央部近傍に翼本体のコード方向に沿
   って複数設けられて前記冷却流体を翼本体の内面に向け
   吹き付けてインピンジ冷却する中央吹出孔と、前記案内
   筒の後縁部に高さ方向に亙って複数設けられた後縁吹出
   孔と、前記翼本体の内面にコード方向に複数列突設され
   た突出部と前記案内筒とで形成された流路を通して前記
   中央吹出孔から吹き出された冷却流体を上記中央吹出孔
   の位置を境にして上下方向に分流案内した後に上記翼本
   体の上下端に融合しているエンドウォール内に形成され
   た流路を通して上記翼本体の後縁部側へと導く冷気ダク
   トとを具備してなることを特徴とするガスタービンの
   翼。 ２．前記エンドウォール内に形成された流路は、冷却流
   体の少なくとも一部をエンドウォールの後縁部から外部
   に流出させるものであることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のガスタービンの翼。