JP5357601B2 - タービン用翼 - Google Patents
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Description
本発明は、ガスタービンに関し、より詳しくは、ガスタービンのタービン用翼（動翼・静翼）に関するものである。
ガスタービンのタービン用翼としては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。
上記特許文献１に開示されたタービン用翼の冷却通路には、冷却性能を向上させるという観点から、サーペンタイン流路が採用されている。
しかしながら、サーペンタイン流路のＵターン部（反転部）では、上流側の冷却通路と下流側の冷却通路とを仕切る隔壁の先端部における下流側の冷却通路を形成する面の近傍、および、Ｕターン部の隅部（角部）に流体（冷却媒体）の剥離が生じ、圧力損失が増大するとともに、冷却性能が低下してしまうといった問題点があった。
しかしながら、サーペンタイン流路のＵターン部（反転部）では、上流側の冷却通路と下流側の冷却通路とを仕切る隔壁の先端部における下流側の冷却通路を形成する面の近傍、および、Ｕターン部の隅部（角部）に流体（冷却媒体）の剥離が生じ、圧力損失が増大するとともに、冷却性能が低下してしまうといった問題点があった。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、サーペンタイン流路のＵターン部における剥離および圧力損失を低減させることができ、冷却性能を向上させることができるタービン用翼を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係るタービン用翼は、翼根部から供給された冷却媒体を翼の内部に導くサーペンタイン流路を備えたタービン用翼であって、前記サーペンタイン流路のＵターン部よりも上流側に位置する冷却通路と、下流側に位置する冷却通路とを仕切る隔壁の先端部に、前記Ｕターン部に向かって突出する半円部と、下流側に位置する冷却通路内に向かって突出するとともに、下流側に位置する冷却通路の流路断面積および流路幅を徐々に増加させる直線部とを有してなる膨出部を備え、前記隔壁の、前記直線部よりも下流側に位置する冷却通路を形成する表面と、前記直線部の表面との成す角度が５度から１０度までの範囲内に設定され、前記半円部の半径を前記隔壁の前記膨出部を含まない部分の板厚で除した値が１から３までの範囲内に設定されているとともに、前記隔壁の、前記直線部よりも下流側に位置する冷却通路を形成する表面と、前記直線部の表面との成す角度が５度に設定され、前記半円部の半径を前記隔壁の前記膨出部を含まない部分の板厚で除した値が２から３までの範囲内に設定されている。
本発明に係るタービン用翼は、翼根部から供給された冷却媒体を翼の内部に導くサーペンタイン流路を備えたタービン用翼であって、前記サーペンタイン流路のＵターン部よりも上流側に位置する冷却通路と、下流側に位置する冷却通路とを仕切る隔壁の先端部に、前記Ｕターン部に向かって突出する半円部と、下流側に位置する冷却通路内に向かって突出するとともに、下流側に位置する冷却通路の流路断面積および流路幅を徐々に増加させる直線部とを有してなる膨出部を備え、前記隔壁の、前記直線部よりも下流側に位置する冷却通路を形成する表面と、前記直線部の表面との成す角度が５度から１０度までの範囲内に設定され、前記半円部の半径を前記隔壁の前記膨出部を含まない部分の板厚で除した値が１から３までの範囲内に設定されているとともに、前記隔壁の、前記直線部よりも下流側に位置する冷却通路を形成する表面と、前記直線部の表面との成す角度が５度に設定され、前記半円部の半径を前記隔壁の前記膨出部を含まない部分の板厚で除した値が２から３までの範囲内に設定されている。
本発明に係るタービン用翼によれば、Ｕターン部の上流側に位置する冷却通路を隔壁に沿って流れてきた冷却媒体は、膨出部を備えていない従来のタービン用翼の隔壁のように急激に転回されることなく、半円部および直線部の表面にガイドされて（半円部および直線部の表面に沿って）Ｕターン部の下流側に位置する冷却通路に滑らかに流入していくことになるので、Ｕターン部における剥離および圧力損失を低減させることができ、冷却性能を向上させることができる。
また、本発明に係るタービン用翼によれば、Ｕターン部における剥離および圧力損失をさらに低減させることができ、冷却性能をさらに向上させることができる。
また、本発明に係るタービン用翼によれば、Ｕターン部における剥離および圧力損失をさらに低減させることができ、冷却性能をさらに向上させることができる。
本発明に係るタービン用翼は、翼根部から供給された冷却媒体を翼の内部に導くサーペンタイン流路を備えたタービン用翼であって、前記サーペンタイン流路のＵターン部よりも上流側に位置する冷却通路と、下流側に位置する冷却通路とを仕切る隔壁の先端部に、前記Ｕターン部に向かって突出する半円部と、下流側に位置する冷却通路内に向かって突出するとともに、下流側に位置する冷却通路の流路断面積および流路幅を徐々に増加させる直線部とを有してなる膨出部を備え、前記直線部の背側に位置して、前記隔壁の、前記上流側に位置する冷却通路を形成する表面に、断面視円弧状の凹みが設けられている。
本発明に係るタービン用翼によれば、Ｕターン部の上流側に位置する冷却通路を隔壁に沿って流れてきた冷却媒体は、膨出部を備えていない従来のタービン用翼の隔壁のように急激に転回されることなく、半円部および直線部の表面にガイドされて（半円部および直線部の表面に沿って）Ｕターン部の下流側に位置する冷却通路に滑らかに流入していくことになるので、Ｕターン部における剥離および圧力損失を低減させることができ、冷却性能を向上させることができる。
また、本発明に係るタービン用翼によれば、膨出部を設けたことによる隔壁の肉厚の増加を最小限にすることができるので、膨出部の熱容量を小さくでき、膨出部を設けたことによるホットスポットの発生を低減させることができる。また、ホットスポットを冷却するために冷却媒体量を増やす必要性が軽減され、冷却性能をさらに向上させることができる。
また、本発明に係るタービン用翼によれば、膨出部を設けたことによる隔壁の肉厚の増加を最小限にすることができるので、膨出部の熱容量を小さくでき、膨出部を設けたことによるホットスポットの発生を低減させることができる。また、ホットスポットを冷却するために冷却媒体量を増やす必要性が軽減され、冷却性能をさらに向上させることができる。
本発明に係るタービン用翼は、翼根部から供給された冷却媒体を翼の内部に導くサーペンタイン流路を備えたタービン用翼であって、前記サーペンタイン流路のＵターン部よりも上流側に位置する冷却通路と、下流側に位置する冷却通路とを仕切る隔壁の先端部に、前記Ｕターン部に向かって突出する半円部と、下流側に位置する冷却通路内に向かって突出するとともに、下流側に位置する冷却通路の流路断面積および流路幅を徐々に増加させる直線部とを有してなる膨出部を備え、前記隔壁を貫通して前記上流側に位置する冷却通路と前記下流側に位置する冷却通路とを連通し、前記隔壁の前記上流側に位置する冷却通路を形成する表面に第１の開口を有し、前記直線部の表面に第２の開口を有する第１の連通路を少なくとも一つ以上備え、前記第１の開口が前記第２の開口よりも翼先端の近くに位置する。
本発明に係るタービン用翼によれば、Ｕターン部の上流側に位置する冷却通路を隔壁に沿って流れてきた冷却媒体は、膨出部を備えていない従来のタービン用翼の隔壁のように急激に転回されることなく、半円部および直線部の表面にガイドされて（半円部および直線部の表面に沿って）Ｕターン部の下流側に位置する冷却通路に滑らかに流入していくことになるので、Ｕターン部における剥離および圧力損失を低減させることができ、冷却性能を向上させることができる。
また、本発明に係るタービン用翼によれば、第１の連通路の一端に位置する第１の開口が、第１の連通路の他端に位置する第２の開口よりも翼先端に近いので、動翼が回転することによってはたらく翼根部から翼先端方向への遠心力により生じるポンピング効果によって、下流側に位置する冷却通路を形成し第２の開口を有する直線部の表面に沿って流れる冷却媒体の一部が第１の連通路を介して、すなわち、第２の開口から第１の連通路に流入して第１の連通路を通った後、第１の開口から流出して、上流側に位置する冷却通路内に導かれ（吸い出され）ることになるので、Ｕターン部における剥離および圧力損失をさらに低減させることができ、冷却性能をさらに向上させることができる。
また、本発明に係るタービン用翼によれば、第１の連通路の一端に位置する第１の開口が、第１の連通路の他端に位置する第２の開口よりも翼先端に近いので、動翼が回転することによってはたらく翼根部から翼先端方向への遠心力により生じるポンピング効果によって、下流側に位置する冷却通路を形成し第２の開口を有する直線部の表面に沿って流れる冷却媒体の一部が第１の連通路を介して、すなわち、第２の開口から第１の連通路に流入して第１の連通路を通った後、第１の開口から流出して、上流側に位置する冷却通路内に導かれ（吸い出され）ることになるので、Ｕターン部における剥離および圧力損失をさらに低減させることができ、冷却性能をさらに向上させることができる。
本発明に係るタービン用翼は、翼根部から供給された冷却媒体を翼の内部に導くサーペンタイン流路を備えたタービン用翼であって、前記サーペンタイン流路のＵターン部よりも上流側に位置する冷却通路と、下流側に位置する冷却通路とを仕切る隔壁の先端部に、前記Ｕターン部に向かって突出する半円部と、下流側に位置する冷却通路内に向かって突出するとともに、下流側に位置する冷却通路の流路断面積および流路幅を徐々に増加させる直線部とを有してなる膨出部を備え、前記半円部および前記直線部の表面に、ディンプルが少なくとも一つ以上設けられている。
本発明に係るタービン用翼によれば、Ｕターン部の上流側に位置する冷却通路を隔壁に沿って流れてきた冷却媒体は、膨出部を備えていない従来のタービン用翼の隔壁のように急激に転回されることなく、半円部および直線部の表面にガイドされて（半円部および直線部の表面に沿って）Ｕターン部の下流側に位置する冷却通路に滑らかに流入していくことになるので、Ｕターン部における剥離および圧力損失を低減させることができ、冷却性能を向上させることができる。
また、本発明に係るタービン用翼によれば、Ｕターン部における剥離および圧力損失をさらに低減させることができ、冷却性能をさらに向上させることができる。
また、本発明に係るタービン用翼によれば、Ｕターン部における剥離および圧力損失をさらに低減させることができ、冷却性能をさらに向上させることができる。
本発明に係るタービン用翼は、翼根部から供給された冷却媒体を翼の内部に導くサーペンタイン流路を備えたタービン用翼であって、前記サーペンタイン流路のＵターン部よりも上流側に位置する冷却通路と、下流側に位置する冷却通路とを仕切る隔壁の先端部に、前記Ｕターン部に向かって突出する半円部と、下流側に位置する冷却通路内に向かって突出するとともに、下流側に位置する冷却通路の流路断面積および流路幅を徐々に増加させる直線部とを有してなる膨出部を備え、前記サーペンタイン流路を２系統以上備え、互いに隣接した一方のサーペンタイン流路と他方のサーペンタイン流路とを仕切るリブの先端部に、一方のサーペンタイン流路と他方のサーペンタイン流路とを連通する第２の連通路が少なくとも一つ以上設けられている。
本発明に係るタービン用翼によれば、Ｕターン部の上流側に位置する冷却通路を隔壁に沿って流れてきた冷却媒体は、膨出部を備えていない従来のタービン用翼の隔壁のように急激に転回されることなく、半円部および直線部の表面にガイドされて（半円部および直線部の表面に沿って）Ｕターン部の下流側に位置する冷却通路に滑らかに流入していくことになるので、Ｕターン部における剥離および圧力損失を低減させることができ、冷却性能を向上させることができる。
また、本発明に係るタービン用翼によれば、リブの先端部、すなわち、Ｕターン部の隅部（角部）に、一方のサーペンタイン流路から他方のサーペンタイン流路へ、または他方のサーペンタイン流路から一方のサーペンタイン流路への冷却媒体の流れが第２の連通路を介して形成されることになるので、Ｕターン部の隅部におけるホットスポットの発生を低減させることができると共に、ホットスポットを冷却するために冷却媒体量を増やす必要性が軽減され、冷却性能をさらに向上させることができる。また、Ｕターン部の隅部における剥離および圧力損失をさらに低減させることができ、冷却性能をさらに向上させることができる。
また、本発明に係るタービン用翼によれば、リブの先端部、すなわち、Ｕターン部の隅部（角部）に、一方のサーペンタイン流路から他方のサーペンタイン流路へ、または他方のサーペンタイン流路から一方のサーペンタイン流路への冷却媒体の流れが第２の連通路を介して形成されることになるので、Ｕターン部の隅部におけるホットスポットの発生を低減させることができると共に、ホットスポットを冷却するために冷却媒体量を増やす必要性が軽減され、冷却性能をさらに向上させることができる。また、Ｕターン部の隅部における剥離および圧力損失をさらに低減させることができ、冷却性能をさらに向上させることができる。
上記タービン用翼において、前記直線部の背側に位置して、前記隔壁の、前記上流側に位置する冷却通路を形成する表面に、断面視円弧状の凹みが設けられているとさらに好適である。
このようなタービン用翼によれば、膨出部を設けたことによる隔壁の肉厚の増加を最小限にすることができるので、膨出部の熱容量を小さくでき、膨出部を設けたことによるホットスポットの発生を低減させることができる。また、ホットスポットを冷却するために冷却媒体量を増やす必要性が軽減され、冷却性能をさらに向上させることができる。
上記タービン用翼において、前記隔壁を貫通して前記上流側に位置する冷却通路と前記下流側に位置する冷却通路とを連通し、前記隔壁の前記上流側に位置する冷却通路を形成する表面に第１の開口を有し、前記直線部の表面に第２の開口を有する第１の連通路を少なくとも一つ以上備え、前記第１の開口が前記第２の開口よりも翼先端の近くに位置しているとさらに好適である。
このようなタービン用翼によれば、第１の連通路の一端に位置する第１の開口が、第１の連通路の他端に位置する第２の開口よりも翼先端に近いので、動翼が回転することによってはたらく翼根部から翼先端方向への遠心力により生じるポンピング効果によって、下流側に位置する冷却通路を形成し第２の開口を有する直線部の表面に沿って流れる冷却媒体の一部が第１の連通路を介して、すなわち、第２の開口から第１の連通路に流入して第１の連通路を通った後、第１の開口から流出して、上流側に位置する冷却通路内に導かれ（吸い出され）ることになるので、Ｕターン部における剥離および圧力損失をさらに低減させることができ、冷却性能をさらに向上させることができる。
上記タービン用翼において、前記半円部および前記直線部の表面に、ディンプルが少なくとも一つ以上設けられているとさらに好適である。
このようなタービン用翼によれば、Ｕターン部における剥離および圧力損失をさらに低減させることができ、冷却性能をさらに向上させることができる。
上記タービン用翼において、前記サーペンタイン流路を２系統以上備え、互いに隣接した一方のサーペンタイン流路と他方のサーペンタイン流路とを仕切るリブの先端部に、一方のサーペンタイン流路と他方のサーペンタイン流路とを連通する第２の連通路が少なくとも一つ以上設けられているとさらに好適である。
このようなタービン用翼によれば、リブの先端部、すなわち、Ｕターン部の隅部（角部）に、一方のサーペンタイン流路から他方のサーペンタイン流路へ、または他方のサーペンタイン流路から一方のサーペンタイン流路への冷却媒体の流れが第２の連通路を介して形成されることになるので、Ｕターン部の隅部におけるホットスポットの発生を低減させることができると共に、ホットスポットを冷却するために冷却媒体量を増やす必要性が軽減され、冷却性能をさらに向上させることができる。また、Ｕターン部の隅部における剥離および圧力損失をさらに低減させることができ、冷却性能をさらに向上させることができる。
本発明に係るガスタービンは、サーペンタイン流路のＵターン部における剥離および圧力損失を低減させることができ、冷却性能を向上させることができるタービン用翼を具備している。
本発明に係るガスタービンによれば、タービン用翼における冷却性能の向上により、冷却通路に流入する冷却空気量を減少させることができ、ガスタービンの性能を向上させることができる。
また、タービン用翼の内部を通過してタービン用翼を冷却した冷却媒体（蒸気等）を回収するタイプのガスタービンでは、タービン用翼における圧力損失が低減することにより、コンバインド・サイクル効率が向上することになる。
また、タービン用翼の内部を通過してタービン用翼を冷却した冷却媒体（蒸気等）を回収するタイプのガスタービンでは、タービン用翼における圧力損失が低減することにより、コンバインド・サイクル効率が向上することになる。
本発明に係るタービン用翼によれば、サーペンタイン流路のＵターン部における剥離および圧力損失を低減させることができ、冷却性能を向上させることができるという効果を奏する。
以下、本発明に係るタービン用翼の第１実施形態について、図１から図４を参照しながら説明する。
図１は本実施形態に係るタービン用翼の縦断面図、図２は図１の要部を拡大した図、図３は図１の要部を拡大した図であって、図２と同様の図、図４は本実施形態に係るタービン用翼を用いて行った実験の結果を示す図表である。
図１は本実施形態に係るタービン用翼の縦断面図、図２は図１の要部を拡大した図、図３は図１の要部を拡大した図であって、図２と同様の図、図４は本実施形態に係るタービン用翼を用いて行った実験の結果を示す図表である。
本実施形態に係るタービン用翼１は、例えば、燃焼用空気を圧縮する圧縮部（図示せず）と、この圧縮部から送られてきた高圧空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼部（図示せず）と、この燃焼部の下流側に位置し、燃焼部を出た燃焼ガスにより駆動されるタービン部（図示せず）とを主たる要素として構成されたガスタービンの、タービン部における動翼（例えば、１段動翼）に適用され得るものである。
図１において、符号２は翼根部、３はプラットフォームである。タービン用翼１の内部には、冷却通路４ａ、および、冷却通路５ａ，５ｂ，５ｃ，６ａ，６ｂ，６ｃからなるサーペンタイン冷却流路が形成されている。翼根部２には冷却通路４，５，６、７がそれぞれ独立して設けられている。冷却通路４は前縁側（図１において左側）に位置し、翼内の冷却通路４ａに連通している。冷却通路４には冷却空気１０がロータ側から流入し、冷却通路４ａを通過する過程で翼の前縁部を冷却した後、冷却孔１９から流出して前縁部をシャワーヘッドフィルム冷却する。冷却通路５には冷却空気１１が流入し、翼内の冷却通路５ａを通り、タービン外径側（図１において上方）のＵターン部１５で１８０°転回して冷却通路５ｂに流入する。そして、タービン内径側（図１において下方）のＵターン部１６で再び上方に転回して冷却通路５ｃに流入し、翼先端部より流出する。この過程において冷却穴（図示せず）より翼表面へ流出してフィルム冷却を行う。
冷却通路６には冷却空気１２が、冷却通路７には冷却空気１３がそれぞれ流入し、合流して冷却通路６ａを流れる。そして、外径側のＵターン部１７にて１８０°転回した後、冷却通路６ｂに入り、そして、内径側のＵターン部１８にて再び上方に転回して冷却流路６ｃに流入する。この過程において冷却穴（図示せず）より翼表面に流出してフィルム冷却を行い、残りの空気は翼後縁２０に至る領域をピンフィン冷却した後、排出孔２１より流出する。
さて、本実施形態に係るタービン用翼１には、冷却通路５ａと冷却通路５ｂとを仕切る隔壁（仕切壁）３１の先端部（翼先端側の端部）、および冷却通路６ａと冷却通路６ｂとを仕切る隔壁（仕切壁）３２の先端部（翼先端側の端部）に、膨出部３３，３４が設けられている。
図１に示すように、膨出部３３は、Ｕターン部１５に向かって突出するとともに、下流側に位置する冷却通路５ｂ内に向かって突出する膨らみであり、膨出部３４は、Ｕターン部１７に向かって突出するとともに、下流側に位置する冷却通路６ｂ内に向かって突出する膨らみである。
膨出部３３と膨出部３４とは、図１において左右対称を成す同一の構成要素からなるものであるので、以下、膨出部３４のみを説明する。
図１に示すように、膨出部３３は、Ｕターン部１５に向かって突出するとともに、下流側に位置する冷却通路５ｂ内に向かって突出する膨らみであり、膨出部３４は、Ｕターン部１７に向かって突出するとともに、下流側に位置する冷却通路６ｂ内に向かって突出する膨らみである。
膨出部３３と膨出部３４とは、図１において左右対称を成す同一の構成要素からなるものであるので、以下、膨出部３４のみを説明する。
図２に示すように、膨出部３４は、Ｕターン部１７に向かって突出する半円部３５と、下流側に位置する冷却通路６ｂ内に向かって突出する直線部３６とを備えている。
半円部３５の上流端は、冷却通路６ａに面する隔壁３２の一面３２ａの下流端と接続され、半円部３５の下流端は、直線部３６の上流端と接続されており、直線部３６の下流端は、冷却通路６ｂに面する隔壁３２の他面３２ｂの上流端と接続されている。
半円部３５の上流端は、冷却通路６ａに面する隔壁３２の一面３２ａの下流端と接続され、半円部３５の下流端は、直線部３６の上流端と接続されており、直線部３６の下流端は、冷却通路６ｂに面する隔壁３２の他面３２ｂの上流端と接続されている。
半円部３５および直線部３６は、５度≦θ≦１０度の式、および１≦Ｒ／Ｔ≦３の式を満たすように形成されている。ここで、θは隔壁３２の他面３２ｂと直線部３６の表面との成す角度（傾斜角度）、Ｒは半円部３５の半径、Ｔは隔壁３２の板厚（一面３２ａと他面３２ｂとの間の距離）である。
また、半円部３５および直線部３６は、Ａ２／Ａ１＝０．４〜１．８、Ａ３／Ａ１＝０．４〜１．０、Ｌ２／Ｌ１＝１．０〜１．５、およびＬ３／Ｌ１＝０．６〜１．０となるように形成されている。ここで、Ａ１およびＬ１は図３中に符号１０１で示す場所の流路断面積および流路幅（半円部３５の上流端と、この上流端に対向する面３７との間の距離）、Ａ２およびＬ２は図３中に符号１０２で示す場所の流路断面積および流路幅（半円部３５の頂点と、この頂点に対向する面３８との間の距離）、Ａ３およびＬ３は図３中に符号１０３で示す場所の流路断面積および流路幅（半円部３５の下流端と、この下流端に対向する面３９との間の距離）である。
また、半円部３５および直線部３６は、Ａ２／Ａ１＝０．４〜１．８、Ａ３／Ａ１＝０．４〜１．０、Ｌ２／Ｌ１＝１．０〜１．５、およびＬ３／Ｌ１＝０．６〜１．０となるように形成されている。ここで、Ａ１およびＬ１は図３中に符号１０１で示す場所の流路断面積および流路幅（半円部３５の上流端と、この上流端に対向する面３７との間の距離）、Ａ２およびＬ２は図３中に符号１０２で示す場所の流路断面積および流路幅（半円部３５の頂点と、この頂点に対向する面３８との間の距離）、Ａ３およびＬ３は図３中に符号１０３で示す場所の流路断面積および流路幅（半円部３５の下流端と、この下流端に対向する面３９との間の距離）である。
そして、Ａ２／Ａ１＝１．０、Ａ３／Ａ１＝０．７〜１．０、Ｌ２／Ｌ１＝１．０、Ｌ３／Ｌ１＝０．７〜１．０とし、θ＝５°として、Ｒ／Ｔ＝１，２，３のときの圧力損失係数と、Ａ２／Ａ１＝１．０、Ａ３／Ａ１＝０．７〜１．０、Ｌ２／Ｌ１＝１．０、Ｌ３／Ｌ１＝０．７〜１．０とし、θ＝１０°として、Ｒ／Ｔ＝１，２，３のときの圧力損失係数とを実験で求め、図４に示す実験結果を得た。なお、図４中に示す「ベースケース」とは、本実施形態に係る半円部３５および直線部３６からなる膨出部３４を備えていない従来のタービン用翼（Ｒ／Ｔ＝１．０）を用いて行った実験結果であり、図４はこのベースケースの圧力損失係数を１．０としたときの各々の実験結果を相対値として示している。
図４からθ＝５°、Ｒ／Ｔ＝２のときに圧力損失係数が最も小さくなり、Ｒ／Ｔ＝２，３のとき、すなわち、半円部３５のＲが大きいときには、θを小さくすると圧力損失係数が小さくなることがわかる。
ここで、圧力損失係数は、ΔＰ／（（１／２）×ρ×Ｖ２）であらわすことができる。なお、ΔＰは、半円部３５の上流端と、この上流端に対向する面３７との間を通過する流体（本実験では室温の空気）の圧力Ｐ１（図３参照）と、直線部３６の下流端よりも下流側に位置する隔壁３２の他面３２ｂと、この他面３２ｂに対向する面３９との間を通過する流体の圧力Ｐ２（図３参照）との差（Ｐ１−Ｐ２）である。また、ρは、空気の粘性計数、Ｖは半円部３５の上流端と、この上流端に対向する面３７との間を通過する流体の速度である。
図４からθ＝５°、Ｒ／Ｔ＝２のときに圧力損失係数が最も小さくなり、Ｒ／Ｔ＝２，３のとき、すなわち、半円部３５のＲが大きいときには、θを小さくすると圧力損失係数が小さくなることがわかる。
ここで、圧力損失係数は、ΔＰ／（（１／２）×ρ×Ｖ２）であらわすことができる。なお、ΔＰは、半円部３５の上流端と、この上流端に対向する面３７との間を通過する流体（本実験では室温の空気）の圧力Ｐ１（図３参照）と、直線部３６の下流端よりも下流側に位置する隔壁３２の他面３２ｂと、この他面３２ｂに対向する面３９との間を通過する流体の圧力Ｐ２（図３参照）との差（Ｐ１−Ｐ２）である。また、ρは、空気の粘性計数、Ｖは半円部３５の上流端と、この上流端に対向する面３７との間を通過する流体の速度である。
本実施形態に係るタービン用翼１によれば、Ｕターン部１７の上流側に位置する冷却通路６ａを隔壁３２に沿って流れてきた冷却媒体は、膨出部３４を備えていない従来のタービン用翼の隔壁のように急激に転回されることなく、半円部３５および直線部３６の表面にガイドされて（半円部３５および直線部３６の表面に沿って）Ｕターン部１７の下流側に位置する冷却通路６ｂに滑らかに流入していくことになるので、Ｕターン部１７における剥離および圧力損失を低減させることができ、冷却性能を向上させることができる。
本発明に係るタービン用翼の第２実施形態について、図５を参照しながら説明する。
図５は本実施形態に係るタービン用翼の要部を拡大した図であって、図２および図３と同様の図である。
本実施形態に係るタービン用翼５１は、直線部３６の裏側（背側）に位置する隔壁３２の一面３２ａに、断面視円弧状の凹み（窪み）５２が設けられているという点で上述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
図５は本実施形態に係るタービン用翼の要部を拡大した図であって、図２および図３と同様の図である。
本実施形態に係るタービン用翼５１は、直線部３６の裏側（背側）に位置する隔壁３２の一面３２ａに、断面視円弧状の凹み（窪み）５２が設けられているという点で上述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
図５に示すように、凹み５２は、直線部３６の裏側において冷却通路６ａの流路断面積および流路幅を徐々に増加させた後、徐々に減少させて、隔壁３２の一面３２ａと直線部３６の表面との距離（すなわち、膨出部３４における隔壁３２の板厚）をタービン用翼５１の翼厚方向（図５において紙面に直交する方向）に沿って、上述した第１実施形態のものよりも減少させる凹所であり、直線部３６の下流端裏側近傍から半円部３５の上流端近傍にかけて形成されている。
また、凹み５２の上流端および下流端における接線と、隔壁３２の一面３２ａとの成す角度θ２は、おおよそ５°以下になるように、すなわち、凹み５２の上流端および下流端に剥離が生じないように設定されている。
また、凹み５２の上流端および下流端における接線と、隔壁３２の一面３２ａとの成す角度θ２は、おおよそ５°以下になるように、すなわち、凹み５２の上流端および下流端に剥離が生じないように設定されている。
本実施形態に係るタービン用翼５１によれば、膨出部３４を設けたことによる隔壁３２の肉厚の増加を最小限にすることができるので、膨出部３４の熱容量を小さくでき、膨出部３４を設けたことによるホットスポットの発生を低減させることができる。また、ホットスポットを冷却するために冷却媒体量を増やす必要性が軽減され、冷却性能をさらに向上させることができる。
本発明に係るタービン用翼の第３実施形態について、図６を参照しながら説明する。
図６は本実施形態に係るタービン用翼の要部を拡大した図であって、図２および図３と同様の図である。
本実施形態に係るタービン用翼６１は、隔壁３２を貫通して上流側に位置する冷却通路６ａと下流側に位置する冷却通路６ｂとを連通し、隔壁３２の上流側に位置する冷却通路６ａを形成する表面３２ａに第１の開口６３を有し、直線部３６の表面に第２の開口６４を有する第１の連通路６２を少なくとも一つ以上備え、第１の開口６３が第２の開口６４よりも翼先端の近くに位置しているという点で上述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
図６は本実施形態に係るタービン用翼の要部を拡大した図であって、図２および図３と同様の図である。
本実施形態に係るタービン用翼６１は、隔壁３２を貫通して上流側に位置する冷却通路６ａと下流側に位置する冷却通路６ｂとを連通し、隔壁３２の上流側に位置する冷却通路６ａを形成する表面３２ａに第１の開口６３を有し、直線部３６の表面に第２の開口６４を有する第１の連通路６２を少なくとも一つ以上備え、第１の開口６３が第２の開口６４よりも翼先端の近くに位置しているという点で上述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
図６に示すように、第１の連通路６２は、その中心軸線（延在方向）が、冷却通路６ａを流れる流体の向きと鋭角を成すように形成された孔状またはスリット状のものであり、タービン用翼６１の翼厚方向（図６において紙面に直交する方向）に沿って少なくとも一つ以上形成されている。
なお、中心軸線と流体の向きとが成す角度は鋭角に限定されるものではなく、第１の開口６３が第２の開口６４よりも翼先端の近くに位置しておれば、直角でも鈍角でも構わない。
なお、中心軸線と流体の向きとが成す角度は鋭角に限定されるものではなく、第１の開口６３が第２の開口６４よりも翼先端の近くに位置しておれば、直角でも鈍角でも構わない。
本実施形態に係るタービン用翼６１によれば、第１の連通路６２の一端に位置する第１の開口６３が、第１の連通路６２の他端に位置する第２の開口６４よりも翼先端に近いので、動翼６１が回転することによってはたらく翼根部２から翼先端方向への遠心力により生じるポンピング効果によって、下流側に位置する冷却通路６ｂを形成し第２の開口６４を有する直線部３６の表面に沿って流れる冷却媒体の一部が第１の連通路６２を介して、すなわち、第２の開口６４から第１の連通路６２に流入して第１の連通路６２を通った後、第１の開口６３から流出して、上流側に位置する冷却通路６ａ内に導かれ（吸い出され）ることになるので、Ｕターン部１７における剥離および圧力損失をさらに低減させることができ、冷却性能をさらに向上させることができる。
本発明に係るタービン用翼の第４実施形態について、図７を参照しながら説明する。
図７は本実施形態に係るタービン用翼の要部を拡大した図であって、図２および図３と同様の図である。
本実施形態に係るタービン用翼７１は、半円部３５および直線部３６の表面に、ディンプル７２が少なくとも一つ以上設けられているという点で上述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
図７は本実施形態に係るタービン用翼の要部を拡大した図であって、図２および図３と同様の図である。
本実施形態に係るタービン用翼７１は、半円部３５および直線部３６の表面に、ディンプル７２が少なくとも一つ以上設けられているという点で上述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
図７に示すように、ディンプル７２は、断面視半円状（または円弧状）の凹み（窪み）であり、タービン用翼７１の翼厚方向（図７において紙面に直交する方向）に沿って多数形成されているとともに、半円部３５上流端近傍から直線部３６の下流端近傍にかけても少なくとも一つ以上形成されている。
本実施形態に係るタービン用翼７１によれば、ディンプル７２によっても剥離および圧力損失が低減されることになるので、Ｕターン部１７における剥離および圧力損失をさらに低減させることができ、冷却性能をさらに向上させることができる。
本発明に係るタービン用翼の第５実施形態について、図８を参照しながら説明する。
図８は本実施形態に係るタービン用翼の要部を拡大した図であって、図２および図３と同様の図である。
本実施形態に係るタービン用翼８１は、サーペンタイン流路を２系統以上備え、互いに隣接した一方のサーペンタイン流路と他方のサーペンタイン流路とを仕切るリブ８２の先端部に、一方のサーペンタイン流路と他方のサーペンタイン流路とを連通する第２の連通路８３が少なくとも一つ以上設けられているという点で上述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
図８は本実施形態に係るタービン用翼の要部を拡大した図であって、図２および図３と同様の図である。
本実施形態に係るタービン用翼８１は、サーペンタイン流路を２系統以上備え、互いに隣接した一方のサーペンタイン流路と他方のサーペンタイン流路とを仕切るリブ８２の先端部に、一方のサーペンタイン流路と他方のサーペンタイン流路とを連通する第２の連通路８３が少なくとも一つ以上設けられているという点で上述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
図８に示すように、第２の連通路８３は、一方のサーペンタイン流路を形成する冷却通路５ａと他方のサーペンタイン流路を形成する冷却通路６ａを仕切るリブ８２の先端部に位置し、冷却通路６ａを形成する面３７の翼先端側の隅部８５と、この裏側（背側）に位置して冷却通路５ａを形成する面８４の翼先端側の隅部８６とを連通する孔状またはスリット状のものであり、タービン用翼８１の翼厚方向（図８において紙面に直交する方向）に沿って少なくとも一つ以上形成されている。
本実施形態に係るタービン用翼８１によれば、リブ８２の先端部、すなわち、Ｕターン部１５，１７の隅部（角部）８５，８６に、一方のサーペンタイン流路から他方のサーペンタイン流路へ、または他方のサーペンタイン流路から一方のサーペンタイン流路への冷却媒体の流れが第２の連通路８３を介して形成されることになるので、Ｕターン部１５，１７の隅部８５，８６近傍におけるホットスポットの発生を低減させることができると共に、ホットスポットを冷却するために冷却媒体量を増やす必要性が軽減され、冷却性能をさらに向上させることができる。また、Ｕターン部の隅部における剥離および圧力損失をさらに低減させることができ、冷却性能をさらに向上させることができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更・変形が可能である。
例えば、第２実施形態と第３実施形態とを組み合わせて実施したり、第２実施形態または第３実施形態と第４実施形態とを組み合わせて実施したり、第２実施形態から第４実施形態のいずれかと第５実施形態とを組み合わせて実施することもできる。
例えば、第２実施形態と第３実施形態とを組み合わせて実施したり、第２実施形態または第３実施形態と第４実施形態とを組み合わせて実施したり、第２実施形態から第４実施形態のいずれかと第５実施形態とを組み合わせて実施することもできる。
また、本発明は１系統のサーペンタイン流路を有するタービン用翼１に設けられた隔壁の先端部１箇所においてのみ適用されるものではなく、２系統以上のサーペンタイン流路を有するタービン用翼１に設けられた少なくとも一つ以上の隔壁における少なくとも１箇所以上の先端部においても適用することができる。
また、本発明は翼先端側（チップ側）に位置するＵターン部１５，１７においてのみ適用され得るものではなく、翼根元側（ハブ側）に位置するＵターン部１６，１８においても適用することができる。
さらに、上述した実施形態では、タービン部における動翼（例えば、１段動翼）に適用したものを一具体例として説明したが、本発明はタービン部における動翼（例えば、１段動翼）のみに適用され得るものではなく、その他の段の動翼にも適用することができる。
さらにまた上述した第１実施形態、第２実施形態、第４実施形態、および第５実施形態については、タービン部における静翼にも適用することができる。
また、本発明は翼先端側（チップ側）に位置するＵターン部１５，１７においてのみ適用され得るものではなく、翼根元側（ハブ側）に位置するＵターン部１６，１８においても適用することができる。
さらに、上述した実施形態では、タービン部における動翼（例えば、１段動翼）に適用したものを一具体例として説明したが、本発明はタービン部における動翼（例えば、１段動翼）のみに適用され得るものではなく、その他の段の動翼にも適用することができる。
さらにまた上述した第１実施形態、第２実施形態、第４実施形態、および第５実施形態については、タービン部における静翼にも適用することができる。
１ タービン用翼
５ａ 冷却通路
５ｂ 冷却通路
６ａ 冷却通路
６ｂ 冷却通路
１５ Ｕターン部
１７ Ｕターン部
３１ 隔壁
３２ 隔壁
３２ａ 一面（表面）
３２ｂ 他面（表面）
３３ 膨出部
３４ 膨出部
３５ 半円部
３６ 直線部
５１ タービン用翼
５２ 凹み
６１ タービン用翼
６２ 第１の連通路
６３ 第１の開口
６４ 第２の開口
７１ タービン用翼
７２ ディンプル
８１ タービン用翼
８２ リブ
８３ 第２の連通路
８５ 隅部
８６ 隅部
５ａ 冷却通路
５ｂ 冷却通路
６ａ 冷却通路
６ｂ 冷却通路
１５ Ｕターン部
１７ Ｕターン部
３１ 隔壁
３２ 隔壁
３２ａ 一面（表面）
３２ｂ 他面（表面）
３３ 膨出部
３４ 膨出部
３５ 半円部
３６ 直線部
５１ タービン用翼
５２ 凹み
６１ タービン用翼
６２ 第１の連通路
６３ 第１の開口
６４ 第２の開口
７１ タービン用翼
７２ ディンプル
８１ タービン用翼
８２ リブ
８３ 第２の連通路
８５ 隅部
８６ 隅部
Claims (10)
- 翼根部から供給された冷却媒体を翼の内部に導くサーペンタイン流路を備えたタービン用翼であって、
前記サーペンタイン流路のＵターン部よりも上流側に位置する冷却通路と、下流側に位置する冷却通路とを仕切る隔壁の先端部に、前記Ｕターン部に向かって突出する半円部と、下流側に位置する冷却通路内に向かって突出するとともに、下流側に位置する冷却通路の流路断面積および流路幅を徐々に増加させる直線部とを有してなる膨出部を備え、
前記隔壁の、前記直線部よりも下流側に位置する冷却通路を形成する表面と、前記直線部の表面との成す角度が５度から１０度までの範囲内に設定され、前記半円部の半径を前記隔壁の前記膨出部を含まない部分の板厚で除した値が１から３までの範囲内に設定されているとともに、
前記隔壁の、前記直線部よりも下流側に位置する冷却通路を形成する表面と、前記直線部の表面との成す角度が５度に設定され、前記半円部の半径を前記隔壁の前記膨出部を含まない部分の板厚で除した値が２から３までの範囲内に設定されていることを特徴とするタービン用翼。 - 翼根部から供給された冷却媒体を翼の内部に導くサーペンタイン流路を備えたタービン用翼であって、
前記サーペンタイン流路のＵターン部よりも上流側に位置する冷却通路と、下流側に位置する冷却通路とを仕切る隔壁の先端部に、前記Ｕターン部に向かって突出する半円部と、下流側に位置する冷却通路内に向かって突出するとともに、下流側に位置する冷却通路の流路断面積および流路幅を徐々に増加させる直線部とを有してなる膨出部を備え、
前記直線部の背側に位置して、前記隔壁の、前記上流側に位置する冷却通路を形成する表面に、断面視円弧状の凹みが設けられていることを特徴とするタービン用翼。 - 翼根部から供給された冷却媒体を翼の内部に導くサーペンタイン流路を備えたタービン用翼であって、
前記サーペンタイン流路のＵターン部よりも上流側に位置する冷却通路と、下流側に位置する冷却通路とを仕切る隔壁の先端部に、前記Ｕターン部に向かって突出する半円部と、下流側に位置する冷却通路内に向かって突出するとともに、下流側に位置する冷却通路の流路断面積および流路幅を徐々に増加させる直線部とを有してなる膨出部を備え、
前記隔壁を貫通して前記上流側に位置する冷却通路と前記下流側に位置する冷却通路とを連通し、前記隔壁の前記上流側に位置する冷却通路を形成する表面に第１の開口を有し、前記直線部の表面に第２の開口を有する第１の連通路を少なくとも一つ以上備え、前記第１の開口が前記第２の開口よりも翼先端の近くに位置することを特徴とするタービン用翼。 - 翼根部から供給された冷却媒体を翼の内部に導くサーペンタイン流路を備えたタービン用翼であって、
前記サーペンタイン流路のＵターン部よりも上流側に位置する冷却通路と、下流側に位置する冷却通路とを仕切る隔壁の先端部に、前記Ｕターン部に向かって突出する半円部と、下流側に位置する冷却通路内に向かって突出するとともに、下流側に位置する冷却通路の流路断面積および流路幅を徐々に増加させる直線部とを有してなる膨出部を備え、
前記半円部および前記直線部の表面に、ディンプルが少なくとも一つ以上設けられていることを特徴とするタービン用翼。 - 翼根部から供給された冷却媒体を翼の内部に導くサーペンタイン流路を備えたタービン用翼であって、
前記サーペンタイン流路のＵターン部よりも上流側に位置する冷却通路と、下流側に位置する冷却通路とを仕切る隔壁の先端部に、前記Ｕターン部に向かって突出する半円部と、下流側に位置する冷却通路内に向かって突出するとともに、下流側に位置する冷却通路の流路断面積および流路幅を徐々に増加させる直線部とを有してなる膨出部を備え、
前記サーペンタイン流路を２系統以上備え、互いに隣接した一方のサーペンタイン流路と他方のサーペンタイン流路とを仕切るリブの先端部に、一方のサーペンタイン流路と他方のサーペンタイン流路とを連通する第２の連通路が少なくとも一つ以上設けられていることを特徴とするタービン用翼。 - 前記直線部の背側に位置して、前記隔壁の、前記上流側に位置する冷却通路を形成する表面に、断面視円弧状の凹みが設けられていることを特徴とする請求項１，３，４，５のいずれか一項に記載のタービン用翼。
- 前記隔壁を貫通して前記上流側に位置する冷却通路と前記下流側に位置する冷却通路とを連通し、前記隔壁の前記上流側に位置する冷却通路を形成する表面に第１の開口を有し、前記直線部の表面に第２の開口を有する第１の連通路を少なくとも一つ以上備え、前記第１の開口が前記第２の開口よりも翼先端の近くに位置することを特徴とする請求項１，２，４，５，６のいずれか一項に記載のタービン用翼。
- 前記半円部および前記直線部の表面に、ディンプルが少なくとも一つ以上設けられていることを特徴とする請求項１，２，３，５，６，７のいずれか一項に記載のタービン用翼。
- 前記サーペンタイン流路を２系統以上備え、互いに隣接した一方のサーペンタイン流路と他方のサーペンタイン流路とを仕切るリブの先端部に、一方のサーペンタイン流路と他方のサーペンタイン流路とを連通する第２の連通路が少なくとも一つ以上設けられていることを特徴とする請求項１，２，３，４，６，７，８のいずれか一項に記載のタービン用翼。
- 請求項１から９のいずれか一項に記載のタービン用翼を備えていることを特徴とするガスタービン。
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| US9528379B2 (en) * | 2013-10-23 | 2016-12-27 | General Electric Company | Turbine bucket having serpentine core |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019040272A1 (en) * | 2017-08-24 | 2019-02-28 | Siemens Aktiengesellschaft | AERODYNAMIC TURBINE ROTOR PROFILE AND CORRESPONDING METHOD FOR REDUCING PRESSURE LOSS IN CAVITY WITHIN A BLADE |
| US11111795B2 (en) | 2017-08-24 | 2021-09-07 | Siemens Energy Global GmbH & Co. KG | Turbine rotor airfoil and corresponding method for reducing pressure loss in a cavity within a blade |
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