JP7168926B2 - フィルム冷却構造 - Google Patents
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-フィルム冷却構造-
図1は本発明の第1実施形態に係るフィルム冷却構造の斜視図、図2は図1のフィルム冷却構造を高温流路から見た平面図、図3は図2のA-A線による矢視断面図、図4は図2のB-B線による矢視断面図である。これらの図では高温部材1のフィルム冷却構造近傍を抜き出して部分的に表している。図示したフィルム冷却構造は、矢印方向に高温気体10が流れる高温流路に臨む高温部材1の表面にフィルム冷却膜を形成するための構造であり、フィルム冷却孔4と窪み30を含んでいる。以降、単に「上流側」、「下流側」と記載した場合には、高温気体10の流れ方向の上流側、下流側を意味することとする。
窪み30はフィルム冷却孔4の噴出口5に対応して高温表面2に設けられており、本実施形態ではフィルム冷却孔4と窪み30とが一対一の関係にある。図1-図4ではフィルム冷却構造を部分的に表しているのでフィルム冷却孔4が1つしか図示されていないが、実際にはフィルム冷却孔4は高温部材1に複数設けられており、フィルム冷却孔4の数だけ窪み30が存在する。窪み30は噴出口5よりも上流側に位置し、高温流路から見て噴出口5の中心線C2について対称な形状をしている。また窪み30は高温部材1の鋳造段階で成形することができる。
図5は図2のC-C線による矢視断面図である。同図において、高温気体10は紙面に直交する方向の手前から奥に向かって高温流路を流れている。噴出口5から高温流路に噴出する冷却気体20も紙面直交方向の奥に向かって流れ、この冷却気体20によって高温部材1の高温表面2を覆うようなフィルム冷却膜が形成される。本実施形態では、上記の通り噴出口5の上流側に位置するように中心線C2について対称に形成した窪み30を高温表面2に配置した。これにより、高温表面2に沿って流れる高温気体10には、窪み30を越える際にフィルム冷却孔4に向かって吹き下ろす向きの旋回成分が付与される。具体的には、同図のように高温気体10の流れ方向の上流側から見ると、中心線C2の右側を流れる高温気体10が窪み30(凹部30a)を超える際に左回り(反時計回り)に旋回する縦渦50が生じる。中心線C2を挟んで対称的に、中心線C2の左側を流れる高温気体10が窪み30(凹部30b)を超える際に右回り(時計回り)に旋回する縦渦51が生じる。これら縦渦50,51は中心線C2の付近では高温流路から高温表面2に吹き下ろす旋回成分を持つため、中心線C2上にあるフィルム冷却孔4から噴出する冷却気体20に対向する。このように高温気体10に冷却気体20に対向する成分を与えることにより、高温流路に噴出する冷却気体20を高温気体10で高温表面2に向かって押える。これにより高温表面2からの冷却気体20の剥離を抑制し、高温表面2に沿ってフィルム冷却膜を効果的に形成し拡げる。
図13は比較例に係るフィルム冷却構造を表す平面図、図14は図13の高温部材のC’-C’線による矢視断面図である。図13は図2、図14は図5に対応する図である。
(1)フィルム冷却性能
本実施形態では、上記の通り、高温表面2に沿って流れる高温気体10が窪み30を越える際に旋回成分を付与され、フィルム冷却孔4に向かって吹き下ろす向きに旋回する一対の縦渦50,51を生じさせることができる。縦渦50,51は冷却気体20の噴出に伴う渦150,151(図14)と反対方向に回転し、渦150,151を弱める。この作用と相俟って、窪み30により旋回成分を与えた高温気体10(渦50,51)により、フィルム冷却孔4から噴き出す冷却気体20が押えられ、冷却気体20の高温表面2からの冷却気体20の剥離が抑制されてフィルム冷却性能が向上する。
特許文献3に示されているように、仮にフィルム冷却孔4の噴出口5の上流側の高温表面2に突起を設けた場合、本実施形態と同等のフィルム冷却性能が期待できる。しかし、高温気体10に晒されることで突起の高さが高温酸化現象により徐々に低くなり、フィルム冷却性能が経時的に低下する可能性がある。それに対し、本実施形態における窪み30は元から凹んでいるので消失することがなく、フィルム冷却性能の経時的な低下を抑制することができる。
窪み30は高温部材1の鋳造段階で成形することができ、この場合には高温部材1の鋳造後に窪み30を仕上げ加工する工程は省略できる。仮に高温部材1の鋳造後に窪み30の仕上げ加工が必要な場合でも、窪み30に形状を合わせた電極を用いた放電加工により容易に窪み表面を仕上げることができる。フィルム冷却孔4は高温部材1の鋳造後に放電加工等で単純な円孔を穿てば良く、製作時間の短縮とコストの低減を図ることができる。フィルム冷却孔4の形状が単純なので精度良く加工することができ、フィルム冷却孔4の形状のばらつきを抑え、冷却性能の低下を抑制することができる。但し、フィルム冷却孔4は単純な円孔ではなく、フィルム冷却性能を向上するために用いられている断面形状が複雑なシェイプト孔としても良い。
本願発明者等は、フィルム冷却孔4の噴出口5の上流側に窪み30を設ける構成について、窪み30の形状や配置のパターンを変えて幾通りかフィルム冷却性能を検討した。その結果、次の知見が得られた。まず、本実施形態においては、前述した通り窪み30の長さLを幅Wより長くして細長い形状とし、下流側に向かって開くV字型に窪み30を配置した。この構造の場合、例えば窪み30を1つの円形の窪みとした場合、中心線C2を挟んで分離した凹部30a,30bを平行に配置した場合に比べて、縦渦50,51の速度成分が強化されてフィルム冷却性能がより向上することが分かった。また、窪み30(凹部30a,30b)の幅Wをフィルム冷却孔4の直径Dより小さくすることにより、縦渦50,51の強度がより強まり、フィルム冷却性能の向上に一層効果的であることも判った。
図6は本発明の第2実施形態に係るフィルム冷却構造の高温流路から見た平面図である。第1実施形態と同様の要素には既出図面と同符号を付して適宜説明を省略する。本実施形態は窪み30の形状を変えた例である。本実施形態では窪み30を構成する2つの凹部30a,30bが分離されている。一対の凹部30a,30bは噴出口5の中心線C2について対称であり、中心線C2を挟んで間隔Sだけ離して配置してある。間隔Sは高温表面2と直交する方向から見た凹部30a,30bの中心点間距離である。同図に示すように、凹部30a,30bは互いの長軸の間隔が高温気体10の流れ方向の下流側に向かって広がるように配置されている。その他の構成は、幅W、長さL、角度θ、直径Dの関係を含めて第1実施形態と同様である。
図7は本発明の第3実施形態に係るフィルム冷却構造の高温流路から見た平面図である。第1実施形態と同様の要素には既出図面と同符号を付して適宜説明を省略する。第1実施形態では1つの噴出口5に対応して高温部材1の高温表面2に窪み30を1つ設けた構成を例示したが、窪み30は少なくとも1つあれば良く、1つの噴出口5に対応して窪み30を複数設けても良い。本実施形態は、1つのフィルム冷却孔4の噴出口5の上流側において、高温気体10の流れ方向に窪み30を複数(本例では2つ)並べて配置した例である。2つの窪み30はいずれも中心線C2について対称な第1実施形態の窪み30と形状及び向きも同様であり、中心線C2に沿って並べられている。この例では2つの窪み30の大きさも等しい。また窪み30は2つともフィルム冷却孔4と高温気体10の流れ方向の位置が重複している。その他の構成は第1実施形態と同様である。
図8は本発明の第4実施形態に係るフィルム冷却構造の高温流路から見た平面図である。第1実施形態と同様の要素には既出図面と同符号を付して適宜説明を省略する。本実施形態は第2実施形態と第3実施形態を組み合わせた例であり、第3実施形態のような凹部30a,30bが分離した窪み30をフィルム冷却孔4の噴出口5の上流側に高温気体10の流れ方向に複数並べて配置してある。その他の構成については、説明済みの実施形態と同様である。このように実施形態を組み合わせてもフィルム冷却性能の向上の効果が得られる。
上記実施形態では窪み30の凹部30a,30bが高温流路から見て楕円形状である場合を例に挙げて説明したが、例えば短軸方向のいずれかに凸となるように長軸がカーブしたような、楕円を変形させた形状としても良い。その他、凹部30a,30bが長軸について非対称であるような形状(例えば長軸が中心から短軸方向のいずれかにオフセットしたような形状)としても良い。
図9は本発明のフィルム冷却構造の一適用対象であるガスタービンの部分断面図である。この図に示したガスタービンは、大気aを吸い込んで圧縮する圧縮機100、圧縮機100からの圧縮空気bを燃料cと共に燃焼する燃焼器200、及び燃焼器200からの燃焼ガスdによって駆動されるタービン300を備えている。
図10は本発明のフィルム冷却構造の適用例1を示す図である。同図には本発明の高温部材のフィルム冷却構造をガスタービンの静翼321の翼部302の表面(翼面)に適用した例を示している。静翼321は内外周のエンドウォール303,304とこれらに両端を支持された翼部302を備えている。翼部302は同一段落において円環状に複数配列されるが、同図ではそのうちの一つを抜き出して図示している。静翼環の内外周、翼部302の内部には、低温流路が存在する。ガスタービンの燃焼ガスd(高温気体)が周方向に隣接する静翼321の間に流れ込むと、翼面とエンドウォール303,304の表面が高温の燃焼ガスdに晒される。翼部302の腹側面(圧力面)には、いずれかの実施形態(図では第3実施形態)に係るフィルム冷却構造が設けられている。本例ではタービン径方向(静翼の翼高さ方向)に複数のフィルム冷却構造を並べた場合を例示している。フィルム冷却構造は図7で説明した例と同様であり、翼部302の表面におけるフィルム冷却孔4の燃焼ガスdの流れ方向の上流側にフィルム冷却性能の向上に最も効果的な2列の窪み30が設けてある。
図11は本発明のフィルム冷却構造の適用例2を示す図である。同図には本発明に係るフィルム冷却構造をガスタービンの静翼321のエンドウォール304に適用した例を示している。本例では一つのエンドウォール304に2枚の翼部302を設けた構成を例示している。翼部302と同様にガスパスに臨むエンドウォール304の表面も高温の燃焼ガスdに晒される。従って、エンドウォール304の健全性を確保するため、エンドウォール304に複数のフィルム冷却孔4が設けられていて、ここから冷却気体を噴き出すことによってエンドウォール304の温度を低減している。本例ではフィルム冷却孔4はエンドウォール304の前縁306の近くに配置されていて、その上流側に2列の窪み30が設けてある。フィルム冷却構造は図6で説明した例と同様であるが、他の実施形態のフィルム冷却構造も当然適用可能である。
図12は本発明のフィルム冷却構造の適用例3を示す図である。同図はガスタービンの動翼316の翼面301に本発明に係るフィルム冷却構造を適用した例を示している。図示したように、動翼316の内部は隔壁331によって前側の流路332と後側の流路333に仕切られた蛇行流路構造となっている。本図では、前縁側の3つの流路と後縁側の3つの流路が一組となっており、それぞれ翼の付根側と先端側で繋がった蛇行流路となっている。翼の付根部に冷却空気の導入口があり、圧縮機100からの圧縮空気の一部が冷却気体としてタービン軸を介して導かれていて、翼前縁部や腹側部分に設けたフィルム冷却孔4から冷却気体がガスパスに放出される。本例では、腹側と背側のフィルム冷却孔4の噴出口5の上流側に2列の窪み30を設けた場合を例示している。このフィルム冷却構造は図6で説明した例と同様であるが、他の実施形態のフィルム冷却構造も当然適用可能である。
適用例1-3は、それぞれ単独で適用することもできるし、他の少なくとも1つの適用例と組み合わせて適用することもできる。また、本発明に係るフィルム冷却構造を燃焼器ライナ201や尾筒202、静翼321の翼部302、エンドウォール303,304、動翼316に適用した例を説明した。しかし、これらの部位に限られず、動翼316のプラットフォーム、シュラウド等、一般にフィルム冷却が採用されている種々の高温部材にも本発明に係るフィルム冷却構造は適用可能であり、同様の効果が得られる。
Claims (12)
- 高温気体が流れる高温流路に臨む高温部材の表面にフィルム冷却膜を形成するフィルム冷却構造であって、
前記高温部材の表面に噴出口が開口したフィルム冷却孔、及び
前記噴出口に対応して前記高温部材の表面に設けられ、前記フィルム冷却孔に向かって吹き下ろす向きに旋回する一対の縦渦を前記高温気体に生じさせる、少なくとも1つの窪みを備え、
前記窪みが、前記高温気体の流れ方向における前記噴出口よりも上流側に位置し、前記高温気体の流れ方向に延ばした前記噴出口の中心線について対称に形成してあり、
前記窪みが短軸及び長軸をそれぞれ有する形状の一対の凹部を備えており、互いの長軸の間隔が前記高温気体の流れ方向の下流側に向かって広がるように前記一対の凹部を配置してあり、
前記凹部の短軸の長さが、前記フィルム冷却孔の直径以下であることを特徴とするフィルム冷却構造。 - 請求項1のフィルム冷却構造において、前記一対の凹部の上流側の部分が前記噴出口の中心線上で重なっていることを特徴とするフィルム冷却構造。
- 請求項1のフィルム冷却構造において、前記一対の凹部が前記噴出口の中心線を挟んで離して配置してあることを特徴とするフィルム冷却構造。
- 請求項1のフィルム冷却構造において、前記高温気体の流れ方向に前記窪みが複数配置してあることを特徴とするフィルム冷却構造。
- 請求項1のフィルム冷却構造において、前記窪みは、前記高温部材の表面との境界である縁部を除いて角のない曲面で形成されていることを特徴とするフィルム冷却構造。
- 請求項1のフィルム冷却構造において、前記フィルム冷却孔が、その中心線と直交する断面が円形の円孔であることを特徴とするフィルム冷却構造。
- 請求項1のフィルム冷却構造において、前記噴出口と前記窪みとの前記高温気体の流れ方向に採った距離が、前記フィルム冷却孔の直径の4倍以下であることを特徴とするフィルム冷却構造。
- 請求項1のフィルム冷却構造を備えたタービン翼。
- 請求項1のフィルム冷却構造を備えた燃焼器ライナ。
- 空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機からの圧縮空気と共に燃料を燃焼する燃焼器と、
請求項8のタービン翼を備えて前記燃焼器からの燃焼ガスで駆動されるタービンと
を備えたことを特徴とするガスタービン。 - 空気を圧縮する圧縮機と、
請求項9の燃焼器ライナを備えて前記圧縮機からの圧縮空気と共に燃料を燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器からの燃焼ガスで駆動されるタービンと
を備えたことを特徴とするガスタービン。 - 高温気体が流れる高温流路に臨む高温部材の表面にフィルム冷却膜を形成するフィルム冷却方法であって、
前記高温部材の表面に開口したフィルム冷却孔の噴出口よりも前記高温気体の流れ方向における上流側に位置するように、前記高温気体の流れ方向に延ばした前記噴出口の中心線について対称に形成した窪みを前記高温部材の表面に少なくとも1つ配置すると共に、
前記窪みを、短軸及び長軸をそれぞれ有する形状の一対の凹部を備え、互いの長軸の間隔が前記高温気体の流れ方向の下流側に向かって広がるように前記一対の凹部が配置された形状とし、かつ
前記凹部の短軸の長さを、前記フィルム冷却孔の直径以下とすることで、
前記窪みを通る高温気体に前記フィルム冷却孔に向かって吹き下ろす向きの旋回成分を付与して一対の縦渦を生じさせ、前記フィルム冷却孔から噴出する冷却気体を旋回する高温気体で押え、前記高温部材の表面からの前記冷却気体の剥離を抑制することを特徴とするフィルム冷却方法。
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