JP6596911B2 - タービン翼 - Google Patents

Description

本発明は、タービン翼に関するものである。

例えば、特許文献１には、内部に冷却用の蛇行流路を有するタービン翼が開示されている。この蛇行流路は、翼高さ方向に延在する内部冷却流路が翼弦方向に複数接続されて形成されている。このような蛇行流路に対して冷却ガスが供給され、後縁から排気されることによって、冷却ガスがタービン翼の内部を流れてタービン翼の冷却が図られる。

また、特許文献１に示すタービン翼には、内部に導入された冷却ガスの一部をタービン翼の外部に噴出することによってタービン翼の表面をフィルム冷却するための冷却孔が形成されている。この冷却孔から噴出された冷却ガスがタービン翼の表面に沿って流れることによって、タービン翼の表面が冷却される。

特開平１１−１０７７０２号公報 特開２００７−１３８７９４号公報

通常、上述の冷却孔は、翼高さ方向に直線状に複数配列されている。このような冷却孔を翼高さ方向の全域に亘って配置することによって、タービン翼が翼高さ方向の全域において均一にフィルム冷却される。

ところで、例えば特許文献２に示すように、異なる冷却孔から噴射される冷却ガス同士を干渉させることによって、フィルム冷却効果が向上することが知られている。このため、一部の冷却孔の出口開口を翼弦方向に変位させ、これらの出口開口から噴射された冷却ガス同士を干渉させることが考えられる。

しかしながら、従来、冷却孔の形状は全て略同一とされている。このため、出口開口を翼弦方向に変位させると、同時に入口開口も翼弦方向に変位されてしまう。上述のように、タービン翼の内部には、翼高さ方向に延在する内部冷却流路が翼弦方向に複数接続されてなる蛇行流路が形成されている。このため、入口開口が翼弦方向に変位すると、１つの冷却孔列を形成する冷却孔の入口開口が、異なる内部冷却流路に形成されることになる。このような内部冷却流路では、内部冷却流路同士が接続されているものの、異なる内部冷却流路における圧力は、後縁に配置された内部冷却流路ほど低下する。また、この圧力の低下の程度は、冷却ガスの供給量や温度等の様々な要因によって異なり、予測が難しい。このため、１つの冷却孔列を構成する冷却孔の入口開口が異なる内部冷却流路に形成されると、冷却孔から噴射される冷却ガスの流量を安定させることが難しく、均一な冷却の妨げとなる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、翼高さ方向に配列された冷却孔を有するタービン翼において、フィルム冷却効率の向上を図りつつ、冷却孔から噴射される冷却ガスの流量を安定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、翼高さ方向に延在する内部冷却流路が翼弦方向に複数接続されてなる蛇行流路と、上記蛇行流路から外壁面に貫通する複数の冷却孔からなる冷却孔列とを有するタービン翼であって、上記冷却孔列が、上記冷却孔として、同一の上記内部冷却流路に沿って配列される複数の第１冷却孔と、上記第１冷却孔の入口開口に対して入口開口が翼高さ方向に直線状に配列されると共に、上記第１冷却孔の出口開口に対して出口開口が翼弦方向の上流側に変位した位置に形成される複数の第２冷却孔とを有す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、翼高さ方向に上記第１冷却孔と上記第２冷却孔とが交互に配列されているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記第１冷却孔及び上記第２冷却孔は、入口開口に対して出口開口が翼弦方向の下流側に変位された直線状の貫通孔であるという構成を採用する。

第４の発明は、上記第３の発明において、上記第１冷却孔の流路面積が、上記第２冷却孔の流路面積よりも広く設定されているという構成を採用する。

本発明においては、１つの冷却孔列を構成する冷却孔として、形状の異なる第１冷却孔と第２冷却孔との２種類が設けられている。これらの第１冷却孔と第２冷却孔とは、入口開口が翼高さ方向に直線状に配列されるが、出口開口が翼弦方向に変位した位置に形成される。このような本発明によれば、第１冷却孔の入口開口と第２冷却孔の入口開口とが翼高さ方向に直線状に配列されていることから、１つの冷却孔列を構成する第１冷却孔と第２冷却孔とを全て同一の内部冷却流路に接続することができる。このため、圧力の異なる内部冷却流路に第１冷却孔と第２冷却孔とが接続される場合と比較して、第１冷却孔と第２冷却孔とから噴射される冷却ガスの流量を安定させることができる。さらに、本発明によれば、第１冷却孔の出口開口と第２冷却孔の出口開口とが翼弦方向に変位して形成されているため、第１冷却孔から噴射された冷却ガスと第２冷却孔から噴射された冷却ガスとが干渉し、フィルム冷却効率を向上させることができる。したがって、本発明によれば、翼高さ方向に配列された冷却孔を有するタービン翼において、フィルム冷却効率の向上を図りつつ、冷却孔から噴射される冷却ガスの流量を安定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を示す図であり、（ａ）が斜視図であり、（ｂ）が断面図である。 （ａ）が本発明の一実施形態のタービン翼が備える冷却孔列の一部を図示した平面図であり、（ｂ）が本発明の一実施形態のタービン翼が備える冷却孔列の一部を図示した斜視図である。 （ａ）が本発明の一実施形態の冷却構造を有するタービン翼が備えるフィルム冷却機構に基づくモデルを示す斜視図であり、（ｂ）が従来のフィルム冷却機構に基づくモデルを示す斜視図である。 図３（ａ）に示す（Ａ）〜（Ｆ）の位置での空間断面における流速分布を示す図である。 図３（ｂ）に示す（Ｇ）〜（Ｊ）の位置での空間断面における流速分布を示す図である。 主流と冷却孔から噴射される冷却ガスの流量との比に依存する吹出し比ＢＲと、冷却効率との関係を示す実験結果であり、（ａ）がＢＲが０．５の場合の実験結果を示し、（ｂ）がＢＲが１．０の場合の実験結果を示し、（ｃ）がＢＲが１．５の場合の実験結果を示している。

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。

図１は、本実施形態のタービン翼１を示す図であり、（ａ）が斜視図であり、（ｂ）が断面図である。図１に示すように、タービン翼１は、前縁２ａと後縁２ｂとを備える中空の翼体２を有している。このようなタービン翼１は、例えば燃焼器の下流に設置されており、燃焼器で生成された燃焼ガス（高温ガス）の排気流路途中に、翼体２の前縁２ａを上流側に、翼体２の後縁２ｂを下流側に向けて配置される。

翼体２の内部には、冷却ガスを流すための蛇行流路１０が形成されている。この蛇行流路１０は、翼高さ方向（図１（ａ）及び図１（ｂ）における上下方向）に直線状に延在する内部冷却流路１１が翼弦方向（図１（ａ）及び図１（ｂ）の左右方向）に配列され、これらの内部冷却流路１１同士が上端と下端とで交互に接続されることによって形成されている。つまり、蛇行流路１０は、内部冷却流路１１が複数接続されることにより形成されている。このような蛇行流路１０は、上流側の端部がタービン翼１の根元部分に開口されており、下流側の端部が翼体２の後縁２ｂに形成されたスロットに接続されている。

このようなタービン翼１は、翼体２によって燃焼ガスの流れを整流する。つまり、排気流路を流れる燃焼ガスは、タービン翼１の翼体２を通過することによって整流される。以下の説明では、この燃焼ガスの流れを主流Ｆと称する。このような主流Ｆは、タービン翼１を通過するときに、翼体２の表面に沿って前縁２ａから後縁２ｂに向けて流れる。

また、本実施形態のタービン翼１は、翼体２の表面のフィルム冷却を行うフィルム冷却機構３を備えている。本実施形態において、フィルム冷却機構３は、冷却孔列４から構成されている。なお、本実施形態においてはフィルム冷却機構３が１つの冷却孔列４を有している構成を採用しているが、フィルム冷却機構３が複数の冷却孔列４を有する構成を採用することも可能である。

図２（ａ）は、冷却孔列４の一部を図示した平面図である。また、図２（ｂ）は、冷却孔列４の一部を図示した側面図である。これらの図に示すように、冷却孔列４は、主流Ｆの流れる方向と直交する方向（翼高さ方向）に配列された複数の冷却孔５によって構成されている。これらの冷却孔５は、図２（ｂ）に示すように、冷却孔５は、タービン翼１の翼体２を貫通しており、翼体２の内部に供給された冷却ガスを翼体２の表面に沿うように噴出する。これによって翼体２がフィルム冷却される。

また、本実施形態のタービン翼１において、フィルム冷却機構３は、上記冷却孔５として、第１冷却孔６と第２冷却孔７とを有している。これらの第１冷却孔６と第２冷却孔７とは、主流Ｆが流れる方向と直交する方向に向けて、交互に配置されている。

第１冷却孔６は、翼体２の外壁面に対して開口された出口開口６ａと、翼体２の内壁面（すなわち蛇行流路１０）に対して開口された入口開口６ｂと、これらの出口開口６ａと入口開口６ｂとを連通する流路部６ｃとを有している。出口開口６ａ及び入口開口６ｂとは、図２に示すように、同一の楕円形状とされている。また、出口開口６ａ及び入口開口６ｂは、翼体２の表面の法線方向から見て長軸が同一直線状に並ぶように形成され、かつ、入口開口６ｂよりも出口開口６ａが主流Ｆの流れ方向（すなわち翼弦方向）の下流側に位置するように配置されている。流路部６ｃは、出口開口６ａと入口開口６ｂとを直線状に結ぶ流路であり、上記法線方向の直交面での断面形状が常に出口開口６ａ及び入口開口６ｂと同一とされた形状となっている。

また、図２に示すように、第１冷却孔６の出口開口６ａは、第２冷却孔７の後述する出口開口７ａに対して、主流Ｆの流れ方向の下流側に変位した位置に形成されている。本実施形態では、第１冷却孔６の入口開口６ｂと第２冷却孔７の入口開口７ｂとは、主流Ｆの流れ方向に対して同位置に形成されている。このため、出口開口６ａが第２冷却孔７の出口開口７ａに対して主流Ｆの流れ方向の下流に位置する第１冷却孔６の流路長は、第２冷却孔７よりも長くなる。また、本実施形態においては、第１冷却孔６の流路面積は、第２冷却孔７の流路面積よりも広く設定されている。

このような第１冷却孔６は、タービン翼１の翼高さ方向に等間隔で複数配列されている。これにより、１つの冷却孔列４に含まれる第１冷却孔６の入口開口６ｂは、１つの内部冷却流路１１に対して形成されている。これらの第１冷却孔６は、入口開口６ｂから流路部６ｃに取り込んだ冷却ガスを出口開口６ａから噴出し、上記法線方向から見て出口開口６ａの長軸に沿う方向に冷却ガスを噴出する。

第２冷却孔７は、翼体２の外壁面に対して開口された出口開口７ａと、翼体２の内壁面（すなわち蛇行流路１０）に対して開口された入口開口７ｂと、これらの出口開口７ａと入口開口７ｂとを連通する流路部７ｃとを有している。出口開口７ａ及び入口開口７ｂとは、図２に示すように、同一の楕円形状とされている。出口開口７ａ及び入口開口７ｂは、翼体２の表面の法線方向から見て長軸が同一直線状に並ぶように形成され、かつ、入口開口７ｂよりも出口開口７ａが主流Ｆの流れ方向の下流側に位置するように配置されている。流路部７ｃは、出口開口７ａと入口開口７ｂとを直線状に結ぶ流路であり、上記法線方向の直交面での断面形状が常に出口開口７ａ及び入口開口７ｂと同一とされた形状となっている。

また、図２に示すように、第２冷却孔７の出口開口７ａは、第１冷却孔６の出口開口６ａに対して、主流Ｆの流れ方向の上流側に変位した位置に形成されている。本実施形態では、第１冷却孔６の入口開口６ｂと第２冷却孔７の入口開口７ｂとは、主流Ｆの流れ方向に対して同位置に形成されている。このため、出口開口７ａが第１冷却孔６の出口開口６ａに対して主流Ｆの流れ方向の下流に位置する第２冷却孔７の流路長は、第１冷却孔６よりも短くなる。

この第２冷却孔７は、タービン翼１の翼高さ方向に等間隔で複数配列されている。各々の第２冷却孔７は、入口開口７ｂが第１冷却孔６の入口開口６ｂ同士の間に配置されている。これにより、本実施形態では、第１冷却孔６と第２冷却孔７とが翼高さ方向に交互に配列されている。このような本実施形態では、１つの冷却孔列４に含まれる第２冷却孔７の入口開口７ｂは、第１冷却孔６の入口開口６ｂが形成された内部冷却流路１１と同一の内部冷却流路１１に対して形成されている。これらの第２冷却孔７は、入口開口７ｂから流路部７ｃに取り込んだ冷却ガスを出口開口７ａから噴出し、上記法線方向から見て出口開口７ａの長軸に沿う方向に冷却ガスを噴出する。

このようなフィルム冷却機構３を備えるタービン翼１によれば、翼体２の内部に供給された冷却ガスが、第１冷却孔６及び第２冷却孔７から翼体２の外側に噴出される。この噴出された冷却ガスが翼体２の表面に沿って前縁２ａ側から後縁２ｂに向けて流れ、これによって翼体２がフィルム冷却される。

ここで、図３〜図５を参照し、シミュレーション結果に基づいて、本実施形態のタービン翼１の作用及び効果について説明する。なお、比較用として、長軸が主流Ｆの流れ方向と平行とされた冷却孔２０を備える従来のフィルム冷却機構についてもシミュレーションを行った。図３は、シミュレーションにて用いたモデルを模式的に示す斜視図である。図３（ａ）は、本実施形態のタービン翼１が備えるフィルム冷却機構３に基づくモデルを示し、図３（ｂ）は、従来のフィルム冷却機構に基づくモデルを示している。なお、図３においてＸ方向は主流Ｆが流れる方向を示している。また、Ｙ方向は、Ｘ方向と直交する翼体２の表面に沿う方向を示している。また、Ｚ方向は、翼体２の表面の法線方向を示している。

図４は、図３（ａ）に示す（Ａ）〜（Ｇ）の位置での空間断面における流速分布を示す図である。（Ａ）に示すように、第２冷却孔７から冷却ガスが噴出されると、出口開口７ａの傾斜方向と反対側の端部近くに時計回りの渦流Ｓ１が形成される。

続いて、（Ｂ）に示すように、渦流Ｓ１は下流に向かうに連れて成長する。続いて、（Ｃ）に示すように、第１冷却孔６から冷却ガスが噴出されると出口開口７ａの傾斜方向と反対側の端部近くに反時計回りの渦流Ｓ２が形成される。続いて、（Ｄ）に示すように、渦流Ｓ１と渦流Ｓ２とが干渉し、干渉領域の流れが翼体２の表面に押し付けられる。そして、（Ｅ）〜（Ｇ）に示すように、渦流Ｓ２が幅方向へ移流しながら壁面に留まる。また、渦流Ｓ２の回転方向に引きずられ、渦流Ｓ１が持続し、渦流Ｓ２が崩壊し難くなる。この結果から、フィルム冷却機構３を備えるタービン翼１では、フィルム冷却効率が向上することが分かる。

図５は、図３（ｂ）に示す（Ｈ）〜（Ｋ）の位置での空間断面における流速分布を示す図である。（Ｈ）に示すように、冷却孔２０から冷却ガスが噴出すると、（Ｉ）に示すように、各冷却孔２０の両端近傍に、反対方向に回転する渦流Ｓ３及び渦流Ｓ４が形成される。これらの渦流Ｓ３と渦流Ｓ４とは、近接する位置で翼体２の表面から離間するように回転する。（Ｊ）に示すように、渦流Ｓ３と渦流Ｓ４とは下流に向かうことにより成長し、（Ｋ）に示すように、干渉することで、翼体２の表面から離間する方向に流れる剥離流Ｓ５が形成される。この結果から、従来の本実施形態のフィルム冷却機構を備えるタービン翼では、フィルム冷却効率が悪化することが分かる。

以上のように本実施形態のタービン翼１においては、１つの冷却孔列４を構成する冷却孔として、形状の異なる第１冷却孔６と第２冷却孔７との２種類が設けられている。これらの第１冷却孔６と第２冷却孔７とは、入口開口（第１冷却孔６の入口開口６ｂ及び第２冷却孔７の入口開口７ｂ）が翼高さ方向に直線状に配列されるが、出口開口（第１冷却孔６の出口開口６ａ及び第２冷却孔７の出口開口７ａ）が翼弦方向に変位した位置に形成される。

このような本実施形態のタービン翼１によれば、第１冷却孔６の入口開口６ｂと第２冷却孔７の入口開口７ｂとが翼高さ方向に直線状に配列されていることから、１つの冷却孔列４を構成する第１冷却孔６と第２冷却孔７とを全て同一の内部冷却流路１１に接続することができる。このため、圧力の異なる内部冷却流路１１に第１冷却孔６と第２冷却孔７とが接続される場合と比較して、第１冷却孔６と第２冷却孔７とから噴射される冷却ガスの流量を安定させることができる。

さらに、本実施形態のタービン翼１本発明によれば、第１冷却孔６の出口開口６ａと第２冷却孔７の出口開口７ａとが翼弦方向に変位して形成されているため、第１冷却孔６から噴射された冷却ガスと第２冷却孔７から噴射された冷却ガスとが干渉し、フィルム冷却効率を向上させることができる。したがって、本実施形態のタービン翼１によれば、フィルム冷却効率の向上を図りつつ、冷却孔（第１冷却孔６及びと第２冷却孔７）から噴射される冷却ガスの流量を安定させることができる。

図６は、主流と冷却孔から噴射される冷却ガスの流量との比に依存する吹出し比ＢＲと、冷却効率との関係を示す実験結果である。図６（ａ）はＢＲが０．５の場合の冷却効率の分布を示す実験結果を示し、図６（ｂ）はＢＲが１．０の場合の冷却効率の分布を示す実験結果を示し、図６（ｃ）はＢＲが１．５の場合の冷却効率の分布を示す実験結果を示している。これらの実験結果に示すように、ＢＲが大きくなる（すなわち冷却ガスの流量が増加）と、フィルム冷却により冷却される範囲が拡がることが確認できる。

また、本実施形態のタービン翼１においては、翼高さ方向に第１冷却孔６と第２冷却孔７とが交互に配列されている。このため、翼高さ方向において、第１冷却孔６から噴射された冷却ガスと第２冷却孔７から噴射された冷却ガスとを均一に干渉させることができる。したがって、本実施形態のタービン翼１によれば、より均一なフィルム冷却を実現することができる。

また、本実施形態のタービン翼１においては、第１冷却孔６及び第２冷却孔７は、入口開口（第１冷却孔６の入口開口６ｂ及び第２冷却孔７の入口開口７ｂ）に対して出口開口（第１冷却孔６の出口開口６ａ及び第２冷却孔７の出口開口７ａ）がタービン翼１の翼弦方向の下流側に変位された直線状の貫通孔とされている。このため、第１冷却孔６及び第２冷却孔７では、上流側に配置された入口開口から冷却ガスを取り込み、下流側に配置された出口開口まで直線状に冷却ガスを案内する。よって、第１冷却孔６及び第２冷却孔７において、冷却ガスを円滑に流すことが可能となる。

また、本実施形態のタービン翼１においては、流路長が長い第１冷却孔６の流路面積が、流路長が短い第２冷却孔７の流路面積よりも広く設定されている。このため、本実施形態のタービン翼１によれば、細く長い冷却孔を形成する必要がなく、作製が容易に行うことができる。

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、上記実施形態においては、第１冷却孔６と第２冷却孔７とが交互に配列された構成を採用した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、第１冷却孔６と第２冷却孔７の配列パターンを変更しても良い。

また、上記実施形態においては、第１冷却孔６と第２冷却孔７とが、入口開口（第１冷却孔６の入口開口６ｂ及び第２冷却孔７の入口開口７ｂ）に対して出口開口（第１冷却孔６の出口開口６ａ及び第２冷却孔７の出口開口７ａ）がタービン翼１の翼弦方向の下流側に変位された直線状の貫通孔と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、第１冷却孔６と第２冷却孔７との入口開口が翼高さ方向に直線状に配列され、第１冷却孔６と第２冷却孔７との出口開口が主流の流れ方向に変位していれば、第１冷却孔６と第２冷却孔７との形状を任意に変更可能である。

また、上記実施形態においては、流路長が長い第１冷却孔６の流路面積が、流路長が短い第２冷却孔７の流路面積よりも広く設定されている。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、第１冷却孔６の流路面積と第２冷却孔７の流路面積とを同一に設定することも可能である。

また、上記実施形態においては、１つの冷却孔列４のみがタービン翼１に形成された構成を採用した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、２つ以上の冷却孔列を備える構成を採用することも可能である。

１ タービン翼
２ 翼体
２ａ 前縁
２ｂ 後縁
３ フィルム冷却機構
４ 冷却孔列
５ 冷却孔
６ 第１冷却孔
６ａ 出口開口
６ｂ 入口開口
６ｃ 流路部
７ 第２冷却孔
７ａ 出口開口
７ｂ 入口開口
７ｃ 流路部
１０ 蛇行流路
１１ 内部冷却流路
２０ 冷却孔
Ｆ 主流
Ｓ１ 渦流
Ｓ２ 渦流
Ｓ３ 渦流
Ｓ４ 渦流
Ｓ５ 剥離流

Claims (2)

1. 翼高さ方向に延在する内部冷却流路が翼弦方向に複数接続されてなる蛇行流路と、前記蛇行流路から外壁面に貫通する複数の冷却孔からなる冷却孔列とを有するタービン翼であって、
   前記冷却孔列は、前記冷却孔として、
   同一の前記内部冷却流路に沿って配列される複数の第１冷却孔と、
   前記第１冷却孔の入口開口に対して入口開口が翼高さ方向に直線状に配列されると共に、前記第１冷却孔の出口開口に対して出口開口が翼弦方向の上流側に変位した位置に形成される複数の第２冷却孔と
   を有し、
   翼高さ方向に前記第１冷却孔と前記第２冷却孔とが交互に配列され、
   前記翼弦方向から見て、前記第１冷却孔の出口開口と前記第２冷却孔の出口開口との一部が重なっており、
   前記第１冷却孔の流路面積が前記第２冷却孔の流路面積よりも広く設定されていることで、前記第１冷却孔の出口開口の面積が前記第２冷却孔の出口開口の面積よりも大きく設定され、
   前記第１冷却孔の出口開口及び前記第２冷却孔の出口開口がいずれも楕円形状であり、前記第１冷却孔の出口開口の長軸が前記翼弦方向に対して傾斜しており、前記第２冷却孔の出口開口の長軸が前記第１冷却孔の出口開口の長軸と反対側に前記翼弦方向に対して傾斜している
   ことを特徴とするタービン翼。
2. 前記第１冷却孔及び前記第２冷却孔は、入口開口に対して出口開口が翼弦方向の下流側に変位された直線状の貫通孔であることを特徴とする請求項１記載のタービン翼。