JP5239903B2 - タービン翼 - Google Patents

Description

本発明は、中空の翼本体の内部に、翼本体をインピンジ冷却するためのインサートが設置されるタービン翼に関するものである。

高温環境に晒されるタービン翼では、熱損傷による寿命の低下を抑制するために、タービン翼の冷却を行っている。
例えば、特許文献１〜４には、タービン翼の効率的な冷却を行うために、タービン翼の内部に複数のインピンジ孔が形成されたインサートが設置されたタービン翼が記載されている。
このインサートは、タービン翼の翼本体に向けて形成された複数のインピンジ孔を備えており、内部が中空とされている。そして、インサートの内部に供給された冷却ガスがインピンジ孔を介して翼本体の内壁面に吹き付けられることによって、翼本体がいわゆるインピンジ冷却される。

ところで、インサートと翼本体との間には、インピンジ孔から噴出された後の冷却ガスがインサートの表面及び翼本体の内面に沿って流れている。
このような噴出後の冷却ガスの流れ（以下、噴出後冷却ガス流れと称する）がインサートと翼本体との間に形成されると、噴出後冷却ガス流れの後流側に位置するインピンジ孔から噴射された冷却ガスが噴出後冷却ガス流れに流されてしまい翼本体に到達することが困難となる。よって、噴出後冷却ガス流れの後流側に向かうに連れてインピンジ冷却の効果が弱まってしまう。

これに対して、特許文献１には、インサートを翼本体に固定するためのインサート支えをインピンジ孔の上流側に配置する構成が提案されている。
このような特許文献１の構成によれば、インサートと翼本体との間に形成された噴出後冷却ガス流れがインピンジ孔と翼本体との間の領域に侵入することを抑制し、効率的なインピンジ冷却を行うことが可能となる。

特開平７−１９００２号公報 特開平６−３３０７０５号公報 特開昭５８−１８７５０２号公報 特開平３−７９５２２号公報

しかしながら、翼本体の全体を冷却する必要があることからインピンジ孔の数は、インサート全体に多数形成されている。これに対して、インサート支えは、インサートを支持するものであり、その設置数がインピンジ孔に対して明らかに少なく、また形状がインサートの支持に適した形状に限定される。
したがって、従来のインサート支えをインピンジ孔の上流側に配置する構成では、冷却ガスの翼本体への到達が確保されるインピンジ孔の数が限られるため、十分のインピンジ冷却の効率を向上させることが難しい。

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、翼本体のインピンジ冷却の効率をより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に、以下の構成を採用する。

第１の発明は、中空の翼本体と、インサート支えを介して上記翼本体に固定されることによって該翼本体の内部に設置されると共に上記翼本体の内壁面に向けて冷却ガスを噴出するインピンジ孔を備えるインサートとを備えるタービン翼であって、上記インピンジ孔から噴出された後の上記冷却ガスによって形成される流れである噴出後冷却ガス流れを遮蔽すると共に上記噴出後冷却ガス流れに対する上記インピンジ孔の少なくとも上流側に設置される遮蔽手段を上記インサート支えと別体で備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記遮蔽手段が、上記噴出後冷却ガス流れに対する上記インピンジ孔の少なくとも上流側に立設される遮蔽壁であるという構成を採用する。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記遮蔽壁が、設置面に対する平面視形状が上記噴出後冷却ガス流れの上流側に向けて中央部が突出した形状を有するという構成を採用する。

第４の発明は、上記第２の発明において、上記遮蔽壁が、上記インピンジ孔の周囲を囲って立設されているという構成を採用する。

本発明によれば、インサート支えとは別体に設けられる遮蔽手段によって、噴出後冷却ガス流れがインピンジ孔と翼本体との間の領域に侵入することが抑制される。
したがって、インサート支えの配置等に影響されず、必要な箇所に必要な数の遮蔽手段を設置することが可能となる。
よって、本発明によれば、翼本体のインピンジ冷却の効率をより向上させることが可能となる。

本発明の第１実施形態におけるタービン翼の概略構成を示す断面図である。 本発明の第１実施形態におけるタービン翼が備えるインサートの斜視図である。 本発明の第１実施形態におけるタービン翼が備える遮蔽壁を含む平面拡大図である。 本発明の第１実施形態におけるタービン翼が備える遮蔽壁の変形例を示す平面拡大図である。 本発明の第１実施形態におけるタービン翼が備える遮蔽壁の変形例を示す断面図である。 本発明の第２実施形態におけるタービン翼が備える遮蔽壁を含む側面断面図である。 本発明の第３実施形態におけるタービン翼が備える遮蔽壁を含む斜視図である。 本発明の第３実施形態におけるタービン翼が備える遮蔽壁を含む断面図である。

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の概略構成を示す断面図である。
この図に示すように、本実施形態のタービン翼１は、翼本体２と、インサート３とを供えている。

翼本体２は、本実施形態のタービン翼１の外形形状を形作るものであり、その内部が中空とされることによって内部空間２ａを備えている。
また、翼本体２は、前縁部２ｂと後縁部２ｃとを備えており、後縁部２ｃには、内部空間２ａから翼本体２の外部に連通する貫通孔２ｄが形成されている。

インサート３は、翼本体２とインサート３とを接続するインサート支え４に支持されることによって、翼本体２の内壁面と一定の距離離間された状態で翼本体２の内部空間２ａに収容されている。
なお、インサート支え４は、インサート３の表面に固定されている。そして、インサート支え４の先端側が翼本体２の内壁面に当接されることによってインサート３が支持される。

図２は、インサート３の斜視図である。この図に示すように、インサート３は、翼本体２の内部空間２ａの外形形状と略等しい相似形の外形形状を有しており、その内部が中空とされることによって内部空間３ａを備えている。
また、インサート３は、図２に示すように、翼本体２の内壁面に向けて形成されるインピンジ孔３ｂが複数形成されている。
なお、インサート３の内部空間３ａには冷却ガスが供給され、当該冷却ガスがインピンジ孔３ｂを介して翼本体２の内壁面に吹き付けられることによって、翼本体２がインピンジ冷却される。

また、インピンジ孔３ｂから噴出された冷却ガスは、インサート３と翼本体２の内壁面との間を後縁部２ｃに向けて流れる。つまり、インサート３と翼本体２の内壁面との間には、噴出後の冷却ガスによって形成されると共に後縁部２ｃに向けて流れる噴出後冷却ガス流れＲが形成される。
そして、本実施形態のタービン翼１は、インピンジ孔３ｂと翼本体２の内壁面との間の領域に噴出後冷却ガス流れＲが侵入することを抑制する遮蔽壁５（遮蔽手段）を備えている。

遮蔽壁５は、インサート支え４と別体で備えられており、図３の拡大平面図に示すように、各インピンジ孔３ｂの上流側（流体流れＲ方向の上流側）に立設されている。この遮蔽壁５は、インサート３に対して固定されている。
そして、遮蔽壁５は、図３の拡大平面図に示すように、設置面に対する平面形状が、流体流れＲ方向の上流側に向けて中央部が突出する形状となるように、２つの壁５ａと壁５ｂとが角度を持って接続されることで形成されている。

このような構成を有する本実施形態のタービン翼１においては、インサート３の内部空間３ａに供給された冷却ガスがインピンジ孔３ｂを介して噴出されて翼本体２の内壁面に吹き付けられることによって翼本体２がインピンジ冷却される。そして、図３に示すように、遮蔽壁５によって、噴出後冷却ガス流れＲが、インピンジ孔３ｂと翼本体２の内壁面との間の領域に侵入することが抑制される。このため、インピンジ孔３ｂから噴出された冷却ガスが噴出後冷却ガス流れＲに流されることを抑制し、インピンジ孔３ｂから噴出された冷却ガスをより確実に翼本体２の内壁面に吹き当てることが可能となる。

以上のような本実施形態のタービン翼１によれば、インサート支え４とは別体にて設けられた遮蔽壁５によって、インサート３と翼本体２との間に形成される噴出後冷却ガス流れＲがインピンジ孔３ｂと翼本体２との間の領域に侵入することが抑制される。
したがって、インサート支え４の配置等に影響されず、必要な箇所に必要な数の遮蔽壁５を設置することが可能となり、本実施形態のタービン翼１のように各インピンジ孔３ｂに対して遮蔽壁５を設置することが可能となる。
よって、本実施形態のタービン翼１によれば、翼本体２のインピンジ冷却の効率をより向上させることが可能となる。

また、本実施形態のタービン翼１によれば、インピンジ冷却の効率が向上するため、タービン翼１を所望の温度まで冷却するにあたり、冷却ガスの使用量を低減させることが可能となる。

また、本実施形態のタービン翼１においては、遮蔽壁５の形状は、噴出後冷却ガス流れＲの上流側に向けて中央部が突出する形状とされている。
このため、噴出後冷却ガス流れＲが遮蔽壁５を通過する際の乱流の発生を抑制し、インサート３と翼本体２の内壁面との間における圧力損失を低減させることができる。

なお、本実施形態のタービン翼１においては、２つの壁５ａと壁５ｂとが角度を持って接続されることで、遮蔽壁５の形状が噴出後冷却ガス流れＲの上流側に向けて中央部が突出する形状とされている。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、図４及び図５に示すように、噴出後冷却ガス流れＲの上流側に向けて中央部が突出するように、遮蔽壁５が湾曲されて形成されていても良い。
また、遮蔽壁５の先端は翼本体２の内壁面と当接していてもよい。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本第２実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。
図６は、本実施形態のタービン翼が備える遮蔽壁６を含む側面断面図である。
この図に示すように、本実施形態のタービン翼が備える遮蔽壁６は、設置面と鋭角をなすように、噴出後冷却ガス流れＲの上流側から下流側に向けて傾斜して設置されていても良い。
また、遮蔽壁６は、先端部が翼本体２の内壁面から離間するようにインサート３に立設されている。

このような構成を有する本実施形態のタービン翼によれば、インピンジ孔３ｂと翼本体２の内壁面との間に形成される噴出後冷却ガス流れＲの厚みを減少させることができ、インピンジ孔３ｂと翼本体２の内壁面との間の領域侵入する噴出後冷却ガス流れＲを減少させることができる。

このような構成を有する本実施形態のタービン翼においても、上記第１実施形態と同様に、インピンジ孔３ｂから噴出された冷却ガスが噴出後冷却ガス流れＲに流されることを抑制し、インピンジ孔３ｂから噴出された冷却ガスを確実に翼本体２の内壁面に吹き当てることが可能となる。
そして、インサート支え４の配置等に影響されず、必要な箇所に必要な数の遮蔽壁５を設置することが可能となり、各インピンジ孔３ｂに対して遮蔽壁６を設置することができる。
よって、本実施形態のタービン翼によれば、翼本体２のインピンジ冷却の効率をより向上させることが可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。なお、本第３実施形態の説明においても、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。
図７は、本実施形態のタービン翼が備える遮蔽壁７を含む斜視図である。図８は、本実施形態のタービン翼が備える遮蔽壁７を含む断面図である。
これらの図に示すように、本実施形態のタービン翼が備える遮蔽壁７は、インピンジ孔３ｂの周囲を囲って設置されている。
また、遮蔽壁７は、先端部が翼本体２の内壁面から離間するようにインサート３に立設されている。

このような構成を有する本実施形態のタービン翼によれば、インピンジ孔３ｂと翼本体２の内壁面との間に形成される噴出後冷却ガス流れＲの厚みを減少させることができ、インピンジ孔３ｂと翼本体２の内壁面との間の領域に侵入する噴出後冷却ガス流れＲを減少させることができる。
また、遮蔽壁７がインピンジ孔３ｂを囲っているため、インピンジ孔３ｂの後流側からインピンジ孔３ｂ方向への噴出後冷却ガス流れＲの回りこみを防止することができる。
よって、本実施形態のタービン翼によれば、翼本体２のインピンジ冷却の効率をより向上させることが可能となる。

以上、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るものではない。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、本発明の主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、上記実施形態においては、翼本体２の内部が単一の空間とされ、その内部に単一のインサート３が設置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、例えば、翼本体２の内部を仕切板等により複数の空間に分割し、各空間にインサートを設置するようにしても良い。

また、上記実施形態においては、各インピンジ孔３ｂに対して１つの遮蔽壁が設置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、必ずしも全てのインピンジ孔３ｂに対して遮蔽壁を設置する必要はない。
また、１つのインピンジ孔３ｂに対して複数の遮蔽壁を設置しても良い。

また、上記実施形態においては、インピンジ孔３ｂの形状が円形である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、インピンジ孔３ｂの形状が楕円形や長円形等の他の形状であっても良い。

また、上記実施形態においては、本発明の遮蔽手段として遮蔽壁を用いる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、本発明の遮蔽手段として例えばシート部材やフィルム部材を用いることも可能である。

１……タービン翼、２……翼本体、２ａ……内部空間、３……インサート、３ａ……内部空間、３ｂ……インピンジ孔、４……インサート支え、５，６，７……遮蔽壁（遮蔽手段）、Ｒ……噴出後冷却ガス流れ

Claims (2)

1. 中空の翼本体と、インサート支えを介して前記翼本体に固定されることによって該翼本体の内部に設置されると共に前記翼本体の内壁面に向けて冷却ガスを噴出するインピンジ孔を備えるインサートとを備えるタービン翼であって、
   前記インピンジ孔から噴出された後の前記冷却ガスによって形成される流れである噴出後冷却ガス流れを遮蔽すると共に前記噴出後冷却ガス流れに対する前記インピンジ孔の少なくとも上流側に設置される遮蔽手段を前記インサート支えと別体で備え、
   前記遮蔽手段は、前記噴出後冷却ガス流れに対する前記インピンジ孔の少なくとも上流側に立設される遮蔽壁であり、
   前記遮蔽壁は、設置面に対する平面視形状が前記噴出後冷却ガス流れの上流側に向けて中央部が突出した形状を有すると共に、前記インピンジ孔から離間しかつ先端部が前記翼本体の内壁面から離間するように設けられている
   ことを特徴とするタービン翼。
2. 前記遮蔽壁は、前記インピンジ孔の周囲を囲って立設されていることを特徴とする請求項１記載のタービン翼。

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