JPS6147286B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガスタービンの空冷ベーンに関するも
のであり、特にベーンの内壁に冷却空気の噴流を
向ける開口を有するインサートを内包する中空ベ
ーンに関するものである。

ベーンの内壁に冷却空気が衝突するように冷却
空気の流れを方向付けるためのインサートを有す
る中空空冷ガスタービンベーンは、米国特許第
4056332号及び第4767322号明細書に開示されてい
るように公知である。冷却空気は、ベーンの内壁
に衝突した後、ガスタービン動作ガス流路に排出
される。空気の一部はベーンの側部開口から排出
されてベーンの外側表面に沿つて空気の防護層を
形成し、空気の他の部分はベーン内部の室から後
縁出口（半径方向に伸びるせまいスリツト）を通
じて排出される（このことはベーンの後縁付近の
領域も冷却されることを意味する）。

次のような技術はすでに提案されている。すな
わち、空冷ベーンの後縁出口内に横方向伸長ピン
状部材を設けて空気流に乱流を生じさせ、空気と
スリツト内壁との間の熱伝達を改善するという技
術である。ピン状部材は、スリツトを寸法的に安
定した状態に維持するための機械的支持部材とし
ても作用し、熱変形（これは予定しない空気流を
生じさせる原因となる）を最小化する。

ピン状部材の高さは、通過する空気への熱伝達
に関して実質的効果を有しておらず、最も大きな
冷却効果はスリツトの内壁表面付近の乱流空気に
よつて与えられるということがわかつている。し
かし、せまいスリツトへと続く上流の入口の面積
は広いので、入口における冷却空気速度は、空気
が入口のピン状部材の周囲を流れる際に、乱流を
生じさせるほどには大きくない。従つて、入口付
近の冷却空気への熱伝達を最大化するためには、
スリツトの内壁表面付近の空気流に乱流を生じさ
せるのに十分なように入口のピン状部材を横切る
空気速度を増大させることが必要である（なお、
スリツトの下流のせまい通路の空気速度はこの下
流領域に乱流を生じさせるのに十分であり、空気
流に十分な熱伝達を与えている）。

冷却空気の入口速度を増大するための方法は、
(1)流れる空気の体積を増加すること、(2)スリツト
への入口の面積を減少すること、の２つである。
しかしながら、タービンの効率は冷却空気流の増
大にともなつて低下するので、ベーンへの冷却空
気の体積流量を最小に維持することが好ましい。
更に、熱吸収率の変化及びその結果としてのベー
ン壁に沿う熱膨張量の変化及びこれにともなう応
力の変化という問題があるので、スリツトへの入
口の面積をベーンの壁厚の急激な増大によつて減
少させることは好ましいことではない。

本発明は先行技術における上記のような欠点を
解消したタービンの空冷ベーンを得ることを目的
とするものである。

この目的から本発明の空冷タービンベーンは、
前縁、負圧側側面、圧力側側面及び後縁から成る
と共に冷却空気を受け入れる室を区画するように
中空である翼部分と、翼部分の後縁を通つて室か
ら伸びるスリツトであつて、スリツトを区画する
対向内部壁を互いに近づけることによつて室に近
い上流の入口から下流のせまい通路へと次第にせ
まくなつているスリツトと、スリツトを横切つて
伸びると共にスリツトを区画する対向内部壁と一
体であるピン状部材の複数の列であつて、スリツ
トを通過する冷却空気流を異なつた位置でさえぎ
るように互いに隣接する列のピン状部材に対して
半径方向にオフセツトしてあるピン状部材の複数
の列と、室に入る冷却空気の少なくとも一部を受
け入れるように室内に設けられた中空インサート
と、を有する空冷タービンベーンであつて、イン
サートはスリツトの入口に隣接する下流端壁部分
に複数列の開口を有しており、この複数列の開口
は、スリツトの少なくとも一方の対向内部壁と半
径方向にオフセツトする複数列のピン状部材との
所定の複数の連結部分に対するその相対的位置
が、開口から出る冷却空気が該連結部分に直接衝
突する方向に冷却空気を向けて、冷却空気が連結
部分の下流の壁に隣接して流れる際に該連結部分
により冷却空気に乱流を生じさせて空冷タービン
ベーンを効率的に冷却するのに十分な速度を冷却
空気に与えるように設定されている。

以下、本発明を添付図面の第１〜４図に基づい
て説明する。

まず第１図について説明すると、複数の中空ガ
スタービンベーンが組み立てられた状態で示して
あり、高温動作ガスの流れが矢印によつて示して
ある。各ベーン１０は前縁１２、圧力側側面１
４、負圧側側面１６及び後縁１８から成る翼形状
部分を有している。各ベーン１０は（第２図によ
り明瞭に示すように）中空であり、中間仕切壁２
４によつて２つの室２０，２２に分割されてい
る。各室２０，２２は、各室の内壁形状にほぼ対
応した（しかし内壁からは隔置されている）形状
の中空インサート２６，２８を包囲している。イ
ンサート２６，２８はそれぞれ所定の位置に複数
の開口３０，４０を有している。タービンコンプ
レツサからの高圧冷却空気は周知の方法でインサ
ート２６，２８内に導びかれ、開口３０，４０か
ら空気の噴流として排出されて室２０，２２の内
壁に衝突しこれを冷却する。特に前縁側の室２０
内のインサート２６の開口３０はベーン１０の前
縁１２側の壁及び圧力側側面の壁に主として噴流
を衝突させるように配置してある。なぜならば、
ベーンのこれらの部分の外側表面は高温動作ガス
に直接的に接触しており十分な冷却を必要とする
からである。

インサート２６から室２０へ送られる冷却空気
は、負圧側側面１６に設けた１対の開口列３２，
３４から排出される。冷却空気はまた仕切壁２４
の直上流の中央部の圧力側側面１４に設けた開口
列３６からも排出される。この排出された冷却空
気は、ベーンの外側表面に隣接して境界空気層を
形成し、高温動作流体がベーンの外側表面に直接
的に接触しないようにし、動作流体からベーンへ
の熱伝達を防止する。仕切壁２４は、冷却空気の
残りの部分を室２０から室２２へ排出するための
１列の穴３８を有している。上述のように、イン
サート２８は所定の位置に複数の開口４０を有し
ており、インサート２８内に供給された冷却空気
の流れを噴流として室２２の内壁の所定の位置へ
吹きつける。この場合、冷却空気は主としてベー
ンの負圧側側面１６の壁へと向けられる。

室２２内の冷却空気は、ベーンの圧力側開口列
４２を通して、及び室２２からベーンの後縁１８
へ伸びているスリツト４４を通して、排出され
る。なお、開口列４２から排出される冷却空気は
ベーンの圧力側表面に沿つて境界空気層を形成す
る。

第３及び４図について説明するとほぼ円筒状の
ピン状部材（以下、「ピン」とする）４６の複数
の列がスリツト４４を横切つて伸びており、また
このピン４６はスリツト４４を区画する対向壁と
一体である。各列のピン４６は、冷却空気の異な
つた層をさえぎるように、隣の列のピンから半径
方向にオフセツトされている。

ピン４６によつてスリツト４４は機械的に補強
される。すなわち、ベーンの両側の膨張の相違に
もかかわらず、スリツト４４の寸法を比較的一定
に維持する。しかしながら、ピン４６の本来的な
機能は、内壁に隣接してスリツト４４を通過する
空気流に乱流を生じさせて、空気の冷却効率を最
大化することである。室２２からスリツト４４へ
の遷移領域４８は、広い入口からスリツト４４へ
と下流に向かつてテーパ付けられている。なお、
遷移領域４８を過ぎた後のスリツト４４の幅は比
較的一定である。また、少なくとも２列のピン４
６ａ，４６ｂが広い入口及び遷移領域を横切つて
伸びている。

横方向伸長ピン４６の中央部分付近を流れる冷
却空気はそこからそれほど多くの熱の除去するこ
とはない。従つて、スリツト４４を区画するベー
ン内壁に接するように大量の冷却空気を流し、し
かもピン４６がその流れを乱流にするような速度
で流すのが有利である。これによつてスリツト４
４を区画する壁の内側表面を対流冷却することに
より最大の冷却効果が得られる。このことは、後
縁１８に近いベーンの下流部分も効果的に冷却さ
れることを意味する。

空気がピン４６の周囲を流れる際に空気流に乱
流を生じさせるのに十分なほど高速の空気流を遷
移領域４８の入口に与えるために、１対列の開口
４９，５０がインサート２８の下流壁部分を貫通
している。この開口４９，５０は冷却空気の噴流
の方向を決める。また、この開口４９，５０はく
いちがい関係になるように配置されている。すな
わち、一方の列の開口４９は、スリツト４４の遷
移領域４８内のピン４６ａの列内の各ピンの根元
付近に冷却空気の噴流を向けて、この列の各ピン
４６ａの周囲を壁に隣接して流れる高速の空気流
を提供すると共にピン４６ａの下流に乱流を生じ
させる。他方の列の開口５０は、次の下流列のピ
ン４６ｂの根元付近に冷却空気噴流を向け、この
ピン４６ｂの直下流の空気流に乱流を生じさせ、
空気の冷却効果を増大する。ピン４６ｂの下流に
おいてスリツト４４の幅を連続的にせばめること
によつて、壁に隣接する空気流に乱流を生じさせ
るのに十分な空気速度が維持されて、翼形状部分
の後縁１８の残りの部分全域にわたつて冷却効果
が維持される。

説明した実施例においては、冷却空気はスリツ
ト４４の一方の壁上（すなわち、ベーンの負圧側
側面１６）のピン根元部分のみへ向けられる。な
ぜならば、ベーンの圧力側側面１４の排出開口列
３６，４２を通して提供される境界空気の薄膜は
十分に効果的であるので、ベーンの圧力側の後縁
部分１８の追加冷却は不必要であるからである。
しかし、負圧側側面１６の特に隣接するベーンの
対面する圧力側側面１４を越えて伸びる部分（第
１図においてこの部分は寸法Ｘによつて示してあ
る）においては、高温動作ガス流路は区画されて
おらず、境界空気の連続的層をベーンの負圧側表
面近くに維持することができない。従つて、ベー
ン表面のこの部分は高温動作ガスの加熱効果にさ
らされるので、特別の冷却を必要とする（これ
が、インサート２８下流から冷却空気開口が負圧
側の壁上に向けられている理由である）。しか
し、もしベーンの圧力側側面１４の下流部分の追
加の冷却が必要なのであれば、別の開口を設けて
ベーンのこちら側のピンの根元に冷却空気を向け
ることもできることは明らかである。目的は、最
小体積の空気流しか必要とせず、しかもスリツト
の壁に隣接する空気流に乱流を生じさせるのに十
分なピン通過空気速度を維持して、ベーン壁に対
する冷却効果を増大することである。インサート
２８を出る高速空気のおかげで、さもなくは壁と
ピンとの連結部に乱流を生じさせるには空気速度
が不十分である遷移領移４８において、空気量は
最小化され、冷却効果は最大化される。

【図面の簡単な説明】

第１図は中空ベーン列の断面図、第２図は第１
図に示すベーンの拡大断面図、第３図は第２図に
示すベーン後縁部分の拡大断面図、第４図は第３
図の―線に沿う断面図である。 １０……ベーン、１２……前縁、１４……圧力
側側面、１６……負圧側側面、１８……後縁、２
０……室、２２……室、２４……仕切壁、２６…
…インサート、２８……インサート、３０……開
口、３２……開口列、３４……開口列、３６……
開口列、３８……穴、４０……開口、４２……開
口列、４４……スリツト、４６……ピン状部材、
４８……遷移領域、４９……開口、５０……開
口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 前縁、負圧側側面、圧力側側面及び後縁から
   成ると共に冷却空気を受け入れる室を区画するよ
   うに中空である翼部分と、 翼部分の後縁を通つて室から伸びるスリツトで
   あつて、スリツトを区画する対向内部壁を互いに
   近づけることによつて室に近い上流の入口から下
   流のせまい通路へと次第にせまくなつているスリ
   ツトと、 スリツトを横切つて伸びると共にスリツトを区
   画する対向内部壁と一体であるピン状部材の複数
   の列であつて、スリツトを通過する冷却空気流を
   異なつた位置でさえぎるように互いに隣接する列
   のピン状部材に対して半径方向にオフセツトして
   あるピン状部材の複数の列と、 室に入る冷却空気の少なくとも一部を受け入れ
   るように室内に設けられた中空インサートと、 を有する空冷タービンベーンであつて、 インサートはスリツトの入口に隣接する下流端
   壁部分に複数列の開口を有しており、この複数列
   の開口は、スリツトの少なくとも一方の対向内部
   壁と、半径方向にオフセツトする複数列のピン状
   部材との所定の複数の連結部分に対するその相対
   的位置が、開口から出る冷却空気が該連結部分に
   直接衝突する方向に冷却空気を向けて、冷却空気
   が連結部分の下流の壁に隣接して流れる際に該連
   結部分により冷却空気に乱流を生じさせて空冷タ
   ービンベーンを効率的に冷却するのに十分な速度
   を冷却空気に与えるように設定されている空冷タ
   ービンベーン。