JP4798416B2 - タービン翼部品 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンのタービン翼の後縁の構造に係る。特に後縁の冷却構造に特徴の有るガスタービンのタービン翼の後縁の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンでは、円周方向に配列された複数の静翼と複数の動翼とが軸方向に交互に並び、その翼の隙間に燃焼ガスを流して動力を発生する。
高温の燃焼ガスが静翼や動翼のタービン翼の間を流れるので、タービン翼は高温環境に晒される。タービン翼は、高温環境下で所定の機械性能を発揮するために、内部を空気冷却している。内部冷却通路が、タービン翼の内部に設けられ、空気が内部冷却通路を循環している。ところで、タービン翼の後縁部は、空力翼性能を確保するために翼の厚みが小さく、十分な内部冷却通路を設けにくい構造をしている。内部冷却通路を流れる空気のみによる冷却では、タービン翼の後縁部の冷却が不十分であるので、内部冷却通路を流れる空気の一部または全部を後縁部に設けた長穴（スロットという）から外部へ噴出させる。例えば、タービン翼の腹側の外壁（以下、腹側外壁という）の後端部とタービン翼の背側の外壁（以下、背側外壁という）の後端部との間に僅かの寸法の隙間を設け、その隙間から内部冷却通路を流れる空気を吹き出す。複数の結合部材が、その隙間の長手方向に所定の間隔で配置され、腹側外壁と背側外壁を結合している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述の構造を採用したタービン翼の場合、冷却効果に限界があり、タービン翼の後縁部の温度が翼全体の各所の温度の内で最も高温である。そのため、タービン翼の後縁部の温度が、タービン翼の内部冷却通路を流す空気流量を決定する主要ファクターとなっていた。内部冷却通路を流す空気は、ガスタービンの圧縮機から抽気されるので、空気流量が増加するとガスタービンの圧縮効率が低下する。また、タービン翼の後縁から噴出した空気はガスタービンのガス通路に流れるので、空気流量が増加するとタービン効率が低下する。そのため、空気流量が増加するとガスタービンの全体効率が低下する。従来以上にガスタービンの全体効率を上げるために、少ない空気流量でタービン翼の後縁を冷却できる冷却構造が望まれていた。
【０００４】
本発明は以上に述べた問題点に鑑み案出されたもので、従来のタービン翼部品にかわって、より少ない空気流量でタービン翼の後縁を冷却できる冷却構造をもったタービン翼部品を提供しようとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係るガスタービンのタービン翼として使用されるタービン翼部品は、腹側外壁と前縁外壁と背側外壁とが順に連なって翼の外周形状を形成し内部冷却通路を内部に形成し長手方向に延びる翼壁部と、
前記翼壁部の長手方向の一端と結合した翼座部と、
前記翼壁部の長手方向の他端を閉止する先端キャップ部と、
前記腹側外壁の後縁部と前記背側外壁の後縁部との間を仕切って長手方向に延びる後縁隔壁部と、を備え、
前記内部冷却通路は、前縁寄りの部屋と、該前縁寄りの部屋と翼壁部の先端部分で連通する中央の部屋と、該中央の部屋と翼壁部の根元で連通する後縁寄りの部屋とからなり、
前記翼座部に設けられた翼座開口が前記前縁寄りの部屋に連通し、
前記後縁寄りの部屋が前記腹側外壁の後縁部と前記背側外壁の後縁部との隙間に連通し、
前記腹側外壁の後縁部と前記背側外壁の後縁部との前記隙間が前記腹側外壁の後縁部に設けられた腹側開口に連通し、
前記腹側開口が前方腹側開口と後方腹側開口とを有し、
前記隙間として、前記腹側外壁の後縁部と前記後縁隔壁部との間に形成され前記前方腹側開口に連通する隙間と、前記背側外壁の後縁部と前記後縁隔壁部との間に形成され前記後方腹側開口に連通する隙間とが設けられているものとした。
【０００６】
上記本発明の構成により、後縁隔壁部が腹側外壁の後縁部と背側外壁の後縁部の間を仕切り、冷却用の空気が、翼座開口から入って、先端キャップ部に遮られ、内部冷却通路を経由して、腹側開口から吹き出すので、腹側外壁の後縁部と背側外壁の後縁部との間で後縁隔壁部に仕切られて多層となって吹き出した空気が、翼壁部の後縁を効率良く冷却する。
【０００７】
さらに、上記本発明の構成により、腹側外壁の後縁部と背側外壁の後縁部との間で後縁隔壁部に仕切られて多層となって吹き出した空気が、前方腹側開口と後方腹側開口とから別個に吹き出すので、別個に吹き出した空気が多層の流れとなって腹側外壁の後縁部に流れ、翼壁部の後縁をより効率良く冷却する。
【０００８】
さらに、本発明に係るタービン翼部品は、前記腹側外壁と前記後縁隔壁部とを長手方向に所定の間隔で結合する複数の腹側結合部と、前記後縁隔壁部と前記背側外壁とを長手方向に所定の間隔で結合する複数の背側結合部と、を備えたものとした。
上記本発明の構成により、長手方向に並んだ背側結合部が背側外壁と後縁隔壁部とを結合し、長手方向に並んだ腹側結合部が後縁隔壁部と前記腹側外壁とを結合するので、後縁隔壁部が支持される。
【０００９】
さらに、本発明に係るタービン翼部品は、背側結合部と腹側結合部とが長手方向に交互に配置されたものとした。
上記本発明の構成により、背側結合部と腹側結合部とが長手方向に交互に配置されるので、背側外壁と後縁隔壁部の隙間から吹き出す空気と後縁隔壁部と腹側外壁の隙間から吹き出す空気が千鳥に重なり合って、均一な空気が翼壁部の後縁に流れ、後縁を均一に冷却する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１１】
本発明の実施形態に係るタービン翼部品の構造を説明する。図１は、本発明の実施形態の斜視図である。図２は、本発明の実施形態の側面断面図である。図３は、本発明の実施形態の平面断面図である。実施形態に係るタービン翼部品は、本発明を動翼に適用したものである。
【００１２】
タービン翼部品１は、翼壁部１０と後縁隔壁部２０と腹側結合部２１と背側結合部２２と翼座部３０と先端キャップ部４０とを備える。
翼壁部１０は、タービン翼部品の主要構造部であって、翼形状をした外周が長手方向に連続した外形を有する。その翼壁部１０は、腹側外壁１１と前縁外壁１２と背側外壁１３とが順に連なった壁である。
腹側外壁１１と前縁外壁１２と背側外壁１３とは、明確な境がなく順に繋がり一連の構造をし、その外周が翼の外周形状を構成する。腹側外壁１１は、正圧力を受ける翼外面を有する翼壁部であり、凹形状の断面を有する。腹側外壁１０の後縁部には、腹側開口が設けられる。腹部開口は、前方腹側開口と後方腹側開口とを有する。前方腹側開口は、後述する複数の前方スロット２が長手方向に並んだ構造を有する。後方腹側開口は、後述する複数の後方スロット３が長手方向に並んだ構造を有する。前方腹側開口と後方腹側開口とは長手方向に直交する向きに並んでおり、後方腹側開口が翼壁部の後端に近い位置に設けられ、前方腹側開口が、その後方腹側開口の横に並んでいる。
前縁外壁１２は、円弧形状をし、腹側外壁１１と背側外壁１３とを繋ぐ。
背側外壁１３は、負圧力を受ける翼外面を有する翼壁部であり、凸形状の断面を有する。背側外壁１３の後端は、円みを帯びており、翼の後端を構成する。
【００１３】
内部冷却通路５０が、翼壁部１０の内部に形成される。内部冷却通路５０は、翼壁部の内部を、前縁寄りの部屋５１と中央の部屋５２と後縁寄りの部屋５３に分割する。前縁寄りの部屋５１と中央の部屋５２とは、翼壁部１０の先端部分で連通する。中央の部屋５２と後縁寄りの部屋５３とは、翼壁部１０の根元で連通する。その内部冷却通路５０の後縁寄りの部屋５３は、腹側外壁１１の後縁部と背側外壁１３の後縁部との隙間に連通する。
【００１４】
後縁隔壁部２０は、腹側外壁１１の後縁部と背側外壁１３の後縁部との間を仕切って長手方向に延びる壁である。
腹側結合部２１は、腹側外壁１１と後縁隔壁部２０とを長手方向に所定の間隔で結合する複数の壁である。腹側結合部２１と腹側外壁１１と後縁隔壁部２０とで囲まれた穴（以下、前方スロット２という）が、長手方向に連なる。
背側結合部２２は、後縁隔壁部２０と背側外壁１３とを長手方向に所定の間隔で結合する複数の壁である。背側結合部２２と後縁隔壁部２０と背側外壁１３とで囲まれた穴（以下、後方スロット３という）が、長手方向に連なる。
腹側結合部２１と背側結合部２２とは長手方向に交互に配置される。したがって、前方スロット２と後方スロット３とが長手方向に千鳥に並ぶ。
【００１５】
翼座部３０は、翼壁部１０の長手方向の根元部と結合した座であり、ガスタービンの軸に結合する構造を有する。開口（以下、翼座開口という）３１が、その翼座部の翼先縁部分に設けられる。翼座開口３１は、前記内部冷却通路５０の前縁寄りの部屋５１に連通する。
先端キャップ部４０は、翼壁部の長手方向の先端部を閉止する壁である。
【００１６】
次に、タービン翼部品の空気冷却の作用を説明する。
冷却用の空気が、翼座部３０の翼座開口３１を通過して、前縁寄りの部屋５１に入る。冷却空気は、翼壁部１０を冷却しながら長手方向の先端部分でＵターンして、前縁寄りの部屋５１から中央の部屋５２へ入る。冷却空気は、翼壁部１０を冷却しながら長手方向の根元部分でＵターンして、中央の部屋５２から後縁寄りの部屋５３へ入る。冷却空気は、後縁寄りの部屋５３から腹側外壁１１の後縁部と背側外壁１３の後縁部との隙間に入る。冷却空気は、後縁隔壁部２０で２つの流れに分けられ、前方スロット２と後方スロット３とから翼壁部の外部へ吹き出す。前方スロット２から吹き出した空気が後方スロット３から吹き出した空気を覆って流れるので、タービン翼の周囲を流れる燃焼ガスの熱が後方スロット３から吹き出した空気に伝わるのを抑制する。その後方スロット３から吹き出した空気が、翼壁部１０の後縁部（特に後縁外壁１４）を効果的に冷却する。
【００１７】
次に、参考例を、図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１８】
参考例に係るタービン翼部品の構造を説明する。図４は、参考例の斜視図である。図５は、参考例の側面断面図である。図６は、参考例の平面断面図である。
【００１９】
タービン翼部品１は、翼壁部１０と後縁隔壁部２０と腹側結合部２１と背側結合部２２と翼座部３０ａ、３０ｂと先端キャップ部４０とを備える。翼壁部１０の構造は、上述の実施例の構造と同じなので、説明を省略する。
【００２０】
内部冷却通路５０が、翼壁部１０の内部に形成される。内部冷却通路５０は、翼壁部の内部の一つの部屋で構成される。その内部冷却通路５０の部屋は、腹側外壁１１の後縁部と背側外壁１３の後縁部との隙間に連通する。
【００２１】
後縁隔壁部２０は、腹側外壁１１の後縁部と背側外壁１３の後縁部との間を仕切って長手方向に延びる壁である。
腹側結合部２１は、腹側外壁１１と後縁隔壁部２０とを長手方向に所定の間隔で結合する複数の壁である。腹側結合部２１と腹側外壁１１と後縁隔壁部２０とで囲まれた穴（以下、前方スロット２という）が、長手方向に連なる。
背側結合部２２は、後縁隔壁部２０と背側外壁１３とを長手方向に所定の間隔で結合する複数の壁である。背側結合部２２と後縁隔壁部２０と背側外壁１３とで囲まれた穴（以下、後方スロット３という）が、長手方向に連なる。
腹側結合部２１と背側結合部２２とは長手方向に交互に配置される。したがって、前方スロット３と後方スロット２とが長手方向に千鳥に並ぶ。
【００２２】
翼座部３０ａは、翼壁部１０の長手方向の一端と結合した座であり、ガスタービンのハウジング側固定部に結合する構造を有する。開口（以下、翼座開口という）３１が、その翼座部３０ａの翼先縁部分に設けられる。翼座開口は、前記内部冷却通路の部屋に連通する。
翼座部３０ｂは、翼壁部１０の長手方向の他端と結合した座であり、ガスタービンの軸側固定部に結合する構造を有する。
先端キャップ部４０は、翼壁部の翼座部３０ｂ側の端を閉止する壁である。
【００２３】
次に、タービン翼部品の空気冷却の作用を説明する。
冷却用の空気が、翼座部３０ａの翼座開口３１を通過して、内部冷却通路５０の部屋に入る。冷却空気は、翼壁部１０を冷却した後、部屋から腹側外壁１１の後縁部と背側外壁１３の後縁部との隙間に入る。冷却空気は、後縁隔壁部２０で２つの流れに分けられ、前方スロット２と後方スロット３から翼壁部の外部で吹き出す。前方スロット２から吹き出した空気が後方スロット３から吹き出した空気を覆って流れるので、タービン翼の周囲を流れる燃焼ガスの熱が後方スロット３から吹き出した空気に伝わるのを抑制する。その後方スロット３から吹き出した空気が、翼壁部１０の後縁部（特に後縁外壁１４）を効果的に冷却する。
【００２４】
上述の実施形態のタービン翼部品を用いれば、前方スロットから吹き出した空気と後方スロットから吹き出した空気とが、タービン翼の後縁部を２つの重なった空気層となって流れる。前方スロットから吹き出した空気の層が後方スロットから吹き出した空気の層を覆い、周囲の高温の燃焼ガスが後方スロットから吹き出した空気に直接接しない。後方スロットから吹き出した空気がタービン翼の後縁を効率良く冷却するので、後方スロットと前方スロットから吹き出す空気量を少なくすることができ、ガスタービンの圧縮機の効率の低下を防ぐことが出来る。
また、タービンのガス通路に流れ出る空気の量を減らすことができるので、タービンの効率を向上させることが出来る。
また、後方スロットと前方スロットを千鳥に配置することが出来るので、空気の流れを均一化することができ、タービン翼の後縁を均等に冷却することができる。
【００２５】
本発明は以上に述べた実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で各種の変更が可能である。
後縁隔壁部を一枚であるとして説明したがこれに限定されず、例えば、２枚の後縁隔壁部が腹側外壁の後縁部と背側外壁の後縁部との間を仕切ってもよく、この場合は、３行のスロット列が後縁に設けられることとなる。
また、後縁隔壁部は平板であるとして図示したがこれに限定されず、例えば、長手方向に波打った板面をしていても良い。
また、背側結合部と腹側結合部を交互に配置したがこれに限定されず、例えば背側結合部と腹側結合部の数が異なっていても良い。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のガスタービンのタービン翼として使用されるタービン翼部品は、その構成により、以下の効果を有する。
後縁隔壁部が腹側外壁の後縁部と背側外壁の後縁部の間を仕切り、冷却用の空気が、翼座開口から入って、先端キャップ部に遮られ、内部冷却通路を経由して、腹側開口から吹き出すので、腹側外壁の後縁部と背側外壁の後縁部との間で後縁隔壁部に仕切られて多層となって吹き出した空気が、翼壁部の後縁を効率良く冷却する。
また、腹側外壁の後縁部と背側外壁の後縁部との間で後縁隔壁部に仕切られて多層となって吹き出した空気が、前方腹側開口と後方腹側開口とから別個に吹き出すので、別個に吹き出した空気が多層の流れとなって腹側外壁の後縁部に流れ、翼壁部の後縁をより効率良く冷却する。
また、長手方向に並んだ背側結合部が背側外壁と後縁隔壁部とを結合し、長手方向に並んだ腹側結合部が後縁隔壁部と前記腹側外壁とを結合するので、後縁隔壁部がしっかりと支持される。
また、背側結合部と腹側結合部とが長手方向に交互に配置されるので、背側外壁と後縁隔壁部の隙間から吹き出す空気と後縁隔壁部と腹側外壁の隙間から吹き出す空気が千鳥に重なり合って、均一な空気が翼壁部の後縁に流れ、後縁を均一に冷却する。
従って、より少ない空気流量でタービン翼の後縁を冷却できる冷却構造をもったタービン翼部品を提供できる。
【００２７】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の斜視図である。
【図２】本発明の実施形態の側面断面図である。
【図３】本発明の実施形態の平面断面図である。
【図４】参考例の斜視図である。
【図５】参考例の側面断面図である。
【図６】参考例の平面断面図である。
【符号の説明】
１ タービン翼部品（動翼用、静翼用）
２ 前方スロット（前方腹側開口）
３ 後方スロット（後方腹側開口）
１０ 翼壁部
１１ 腹側外壁
１２ 前縁外壁
１３ 背側外壁
２０ 後縁隔壁部
２１ 腹側結合部
２２ 背側結合部
３０ 翼座部（動翼用）
３０ａ 翼座部（静翼用）
３０ｂ 翼座部（静翼用）
３１ 翼座開口
４０ 先端キャップ部
５０ 内部冷却通路
５１ 前縁寄りの部屋
５２ 中央の部屋
５３ 後縁寄りの部屋

Claims (3)

1. ガスタービンのタービン翼として使用されるタービン翼部品であって、
   腹側外壁と前縁外壁と背側外壁とが順に連なって翼の外周形状を形成し内部冷却通路を内部に形成し長手方向に延びる翼壁部と、
   前記翼壁部の長手方向の一端と結合した翼座部と、
   前記翼壁部の長手方向の他端を閉止する先端キャップ部と、
   前記腹側外壁の後縁部と前記背側外壁の後縁部との間を仕切って長手方向に延びる後縁隔壁部と、を備え、
   前記内部冷却通路は、前縁寄りの部屋と、該前縁寄りの部屋と翼壁部の先端部分で連通する中央の部屋と、該中央の部屋と翼壁部の根元で連通する後縁寄りの部屋とからなり、
   前記翼座部に設けられた翼座開口が前記前縁寄りの部屋に連通し、
   前記後縁寄りの部屋が前記腹側外壁の後縁部と前記背側外壁の後縁部との隙間に連通し、
   前記腹側外壁の後縁部と前記背側外壁の後縁部との前記隙間が前記腹側外壁の後縁部に設けられた腹側開口に連通し、
   前記腹側開口が前方腹側開口と後方腹側開口とを有し、
   前記隙間として、前記腹側外壁の後縁部と前記後縁隔壁部との間に形成され前記前方腹側開口に連通する隙間と、前記背側外壁の後縁部と前記後縁隔壁部との間に形成され前記後方腹側開口に連通する隙間とが設けられている、ことを特徴とするタービン翼部品。
2. 前記腹側外壁と前記後縁隔壁部とを長手方向に所定の間隔で結合する複数の腹側結合部と、
   前記後縁隔壁部と前記背側外壁とを長手方向に所定の間隔で結合する複数の背側結合部と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載のタービン翼部品。
3. 前記背側結合部と前記腹側結合部とが長手方向に交互に配置されたことを特徴とする請求項２に記載のタービン翼部品。

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