JP2004501311A - 冷却材貫流形タービン翼 - Google Patents

Abstract

作動媒体（３）の流れ方向（２）に互いに隣接して配置され、半径方向内側に位置する翼脚（１０）上の入口開口（７、８、９）と、半径方向外側に位置する出口開口（１１、１２、１３）との間で延び、且つ半径方向（２０）に関し実際上無転向の冷却材流（１４）で貫流される複数の流路（４、５、６）を備え、作動媒体流れ方向において前方の流路（４）の出口開口（１１）が、タービン翼（１）の先端縁（１６）に設けられる冷却材貫流形タービン翼に関する。本発明に従い、貫流する冷却材流が所定の個所で局所的な横流成分（１７）を示す少なくとも１つの後縁流路（５、６）が存在し、この後縁流路の出口開口（１２、１３）がタービン翼の先端縁に設けられる。

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の前文に記載の冷却材貫流形タービン翼に関する。
【０００２】
かかる冷却材貫流形タービン翼は、隔壁で互いに分離された複数の内部流路を持つ。タービン翼を作動媒体が洗流する。タービン翼はガスタービンのタービン翼であり、作動媒体はガスである。タービン翼は流入する作動媒体に対し傾斜しているので、通常、タービンの円周方向に分力が生ずる。従って作動媒体の流れ方向は、主に作動媒体がタービン翼を洗流するタービン翼に沿った方向に向う。
【０００３】
上記形式のタービン翼は、タービンの後部範囲に位置するタービン翼である。その場所で作動媒体は、ほんの僅かに冷却すればよい弱冷タービン翼が利用できる程に既に膨張し冷却されている。これはタービンを貫流する冷却材の流量が僅かで済むことを意味する。弱冷タービン翼の場合、冷却材の流量が少ないために、冷却材流路の蛇行構造は十分に機能しない。冷却材はその遅い流速のために、蛇行状流路の入口範囲で強い冷却作用を行い、終端範囲では過度に加熱されているために冷却作用不足を生ずる。また上述のタービン翼の場合、タービン回転中に生ずる遠心力に対し、冷却材の流速が小さ過ぎる。
【０００４】
従って、タービン翼はただ単に、その半径方向に沿って冷却材で貫流される。単純な貫流の場合、即ち半径方向において実際上転向することのない流路を冷却材が貫流するなら、上述の問題は生じない。そのために、半径方向内側に位置する翼脚から半径方向外側に位置する出口開口（タービン翼先端縁に設けられた出口開口）迄延びる半径方向孔或いは真っ直ぐな半径方向通路を備えたタービン翼が公知である。その合成冷却材流は、流路の全ての個所で、局所的に実際上ほぼ半径方向外側に向いた所望の半径流成分を有している。
【０００５】
そのようなタービン翼の場合、技術上必要な中子と壁厚の最小寸法のために、冷却材の貫流、従って冷却効果が著しく不均一となる。即ち、作動媒体流れ方向に厚さを薄くせねばならないタービン翼の後縁部位は、製造過程によって条件づけられる上述の最小寸法のために、通常、半径方向流路を開けられない。そのため、タービン翼の張出し後縁に過熱が生じてしまう。また、特に上述した最小寸法によって、通常タービンの後部範囲における一般に大きなタービン翼の幾何学形状について制限が生ずる。
【０００６】
本発明の課題は、弱冷タービン翼において、少ない冷却材流にも係らず、その幾何学形状について技術的要件に適合し、それでもなお、特に縁部領域における十分均等な冷却ができるようなタービン翼を提供することにある。
【０００７】
この課題は、請求項１の特徴部分に記載の手段によって解決される。
【０００８】
本発明は、タービン翼、特にその縁部領域を均等に冷却可能という利点を生ずる。特にここでは、流体技術的要件、例えばタービン翼の厚さ漸減が要求される後縁流路の範囲が問題となる。
【０００９】
上述の利点は、貫流する冷却材が所定の個所で、局所的な横流成分を示す１つ或いは複数の後縁流路を設け、該流路の出口開口をタービン翼の後縁に設けることで生ずる。タービン翼後縁を冷却材の流出部位として利用することで、弱冷タービン翼につき、従来では不可能であった多種多様の構成が可能となる。
【００１０】
かくして後縁流路は、その冷却材の少なくとも一部をタービン翼後縁に設けた出口開口を経て排出する。これによってまた、作動媒体の流れ方向に見て後縁流路の前に配置した流路に対し大きな自由空間が生ずる。従来、後縁流路を経て冷却材を供給していた、特にタービン翼先端縁にある出口開口は、いまや、後縁流路の前に配置した流路からの冷却材を排出するために使える。
【００１１】
本発明により三重の効果が得られる。即ちまず第１に、本発明に基づくタービン翼の後縁を効果的に且つ均等に冷却でき、同時に、空気力学的に改善する意味で薄い後縁にできる。更に、後縁流路で冷却材の自然流出が起る。これは、後縁流路の前方に配置した前方流路を、その幾何学形状および特にその流出特性について、技術的要件に合わせることも可能にする。
【００１２】
これは、例えば前方流路が、タービン翼先端縁に沿って、従来の場合よりも大きな長さにわたり冷却材を流出できることを意味する。後縁流路が、一方では作動媒体流れ方向において後縁の方にずらされ、他方ではその湾曲形状に伴い場所を空けるので、その際に生じた自由空間を、後縁流路の前に配置した前方流路で占めることができる。前方流路は、これも後縁流路の局所的な横流成分に基づいて同様に局所的な横流成分を生ずるように曲げる。これによって、タービン翼の冷却有用体積の内部におけ空間を、冷却空気で一層効果的に利用できる。
【００１３】
これによって初めて、タービンの後部範囲のタービン翼、即ち弱冷タービン翼も、その幾何学形状に関し全く或いはほんの僅かしか制限されずに形成できる。例えば周知のように、強度および鋳造上、タービン翼を翼脚から半径方向外側に向かい細めるという要件がある。タービン翼後縁にある出口開口を利用するので、残りの流路、特に前方および中間の流路は、後縁方向に向けてその広がりに関して作動媒体流れ方向に対して平行に広げられる。この結果、半径方向における厚さの減少は、作動媒体流れ方向に対し平行な流路幅の拡大と、タービン翼先端縁にある複数の出口開口の利用により補償される。従って、できるだけ高いタービン効率で、流路の実際に一定した開口断面積が、細長い翼形と結びついて達成される。これは本発明によって初めて可能である。これは、タービン翼先端縁におけるいまや自由になった出口開口と流路の湾曲経過だけで、補助的な空間が得られるからである。また流路を穿孔加工した翼に比べ、空気力学的に最適化され、従来の幾何学形状と異なり後縁を冷却できるねじれ翼形が得られる。
【００１４】
本発明の有利な実施態様は従属請求項に記載してある。
【００１５】
流路は、作動媒体流れ方向又は逆方向の横流成分が生ずるよう形成する。しかし特に、専ら或いは主に作動媒体流れ方向に向いた横流成分が存在するようにする。横流成分は、従来にはなかった後縁貫流を生じさせる。更に上述の横流成分の利用により、冷却材を後縁にある出口開口に向けて自動的に導ける。
【００１６】
後縁流路および／又は前方流路は、少なくとも部分的に、特にその半径方向外側部分において、半径方向、即ち作動媒体流れ方向に曲げられる。
【００１７】
全冷却有用体積を効果的に利用すべく死空間を無くし、かつ全体として流れ抵抗を減少すべく屈曲部を丸める。該屈曲部は角張らせずに湾曲させて延ばす。
【００１８】
複数の後縁流路が存在してもよい。特に、作動媒体流れ方向で最後の後縁流路は、実際専ら後縁に位置する出口開口を有するようにする。これは、横流成分を利用し且つ後縁に出口開口を設けるという本発明の基本的な考えに基づき、非常に有効な方式であり、後縁と異なった場所にある出口開口に、冷却材はほんの僅かしか（好適には全く）供給されず、従ってその場所が空けられる。
【００１９】
従って、最後の後縁流路は、タービン翼先端縁の前で半径方向内側に半径方向距離を隔てて終えていてもよい。つまり本発明に基づいて、この流路は殆どタービン翼先端縁における出口開口を必要としない。これによって初めて、タービン効率に関して、タービン翼の特に効果的な構成が可能となる。
【００２０】
加えて、タービン翼先端縁に設けた出口開口と、タービン翼後縁に設けた出口開口とを有する半径方向通し後縁流路を設けてもよい。このような半径方向通し後縁流路は、いわば後縁に設けた出口開口しか持たない後縁流路と前方流路との間の移行部を形成する。そのような半径方向通し後縁流路によって、滑らかな移行が達成される。これによって、冷却有用体積を効果的に利用できる。
【００２１】
その際、例えば最後の後縁流路がタービン翼後縁における半径方向内側位置に設けた出口開口を有し、半径方向通し後縁流路がタービン翼後縁における半径方向外側位置に設けた出口開口を有してもよい。最後の後縁流路と半径方向通し後縁流路との間に、これら両流路間の内部範囲への開口である窓が設けられる。個々の全流路を互いに分離する隔壁は、その開口の範囲で中断している。その通し接続は、中子の意味で鋳造を可能にするために使える。
【００２２】
既述のように、本発明に基づき、各流路の局所的な合成有効開口断面積が、実際にそれらの全長にわたり、それらの流路の流れ抵抗に関して無視できる開口断面積偏差を除いて、同じ大きさを持つようにできる。その開口断面積偏差は、開口断面積の２０％、特に１０％より小さくする。
【００２３】
流路の入口開口の合成有効断面積は、その出口開口の合計断面積と同じであり、各合計断面積は、流路の開口断面積の合計に相当すると望ましい。
【００２４】
本発明によるタービン翼は僅かに冷却される。即ち流路の蛇行構造なしに形成される。該翼は、タービンの後部範囲および／又は弱冷タービンに利用される。
【００２５】
以下図示の実施例を参照し、本発明を詳細に説明する。
【００２６】
各図において同一部分には同一符号を付している。次に、図１および図２を同時に参照して本発明を説明する。
【００２７】
タービン翼１は、図１に単に例示的・部分的に示す作動流体３により、流れ方向２に洗流され、これに伴い、動力を発生する、即ちタービンを駆動する。タービン翼１は、図２にも例示的・部分的に示す冷却材３１により、流路４、５、６に沿って貫流される。これによって、タービン翼１が冷却される。その冷却材３１は例えば冷却された空気である。
【００２８】
タービン翼１は翼脚１０を備える。該翼脚１０はタービン円板（図示せず）にある対応した溝にはめ込まれ、そこに固定される。その場合、図示した冷却材入口開口７、８、９は、タービン円板にある対応した開口とぴったり合わされる。それらの開口を経て、冷却材３１が流路４、５、６に導入される。
【００２９】
流路４、５、６は、半径方向内側にある翼脚１０の入口開口７、８、９と、半径方向外側に位置する出口開口１１、１２、１３との間を繋いでいる。これら流路は、半径方向２０に関して転向個所なし、即ち実際上無転向で延びている。即ち、冷却材３１は各流路４、５、６に沿いタービン翼１の半径方向にただ単純に貫流する。合成冷却材流１４は、流路の全ての個所で、局所的に実際に半径方向外側に向いた（半径方向内側に向いていない）半径流成分１５を有する（図２参照）。従って、全ての半径流成分１５は、タービン回転中心から外方に向う。流路が実際上ほぼ半径方向外側に向いた半径流成分１５を有する場合も、タービン翼１は僅かに冷却され、本発明の実現のために寄与する。
【００３０】
図示の実施例の場合、隔壁３０で互いに分離された流路４、５、６は、合成冷却材流１４が上述の半径流成分１５に加えて、局所的な横流成分１７を持つように曲げられている。
【００３１】
明瞭化のため、図２では、合成冷却材流１４を流路４、５内で概略的に各々半径流成分１５と横流成分１７とに分解して示してある。半径流成分１５は、全て半径方向外側に向かう。この結果、冷却材流１４は半径方向２０に関し実際に転向されない。これは実施例において全ての流路４、５、６に当てはまる。
【００３２】
作動媒体流れ方向２に見て最後の後縁流路６がある。該流路６は、流路４、５と同様に湾曲した屈曲部２１が、半径方向２０から作動媒体流れ方向２に曲がっている。この結果、流路６はタービン翼後縁１８の方向に向いて曲がっている。
【００３３】
この湾曲に伴い、横流成分１７は全ての個所で夫々作動媒体流れ方向２に向けられている。この結果、最後の後縁流路６の冷却材３１は、タービン翼後縁１８における半径方向内側に位置する出口開口１３に導かれる。
【００３４】
図には２つの後縁流路５、６を示す。これら両流路５、６は、タービン翼後縁１８の出口開口１３、２３に開口している。後縁側半径方向通し流路５は、タービン翼後縁１８における半径方向外側位置に設けた出口開口２３に開口し、同時にタービン翼先端縁１６に設けた出口開口１２に開口している。その半径方向外側に位置する出口開口２３に、後縁側半径方向通し流路５内の冷却材３１を供給可能とすべく、作動媒体流れ方向２に見て最後の後縁流路６は、タービン翼先端縁１６の前で半径方向内側に半径方向距離２２を隔てて終えている。この結果、出口開口２３には最後の後縁流路６を経て冷却材が供給されない。
【００３５】
後縁流路５、６は、後縁側半径方向通し流路５の半径方向２０の中央で、最後の後縁流路６の半径方向外側端に配置した開口２４を経て連通している。
【００３６】
作動媒体流れ方向２に見て前方の流路４は、半径方向２０において外側、即ち作動媒体流れ方向２において幅が広がっている。またこの前方流路４は、局所的な合成横流成分１７が存在するよう湾曲して延びている。流路４、５、６を互いに分離する隔壁３０は、タービン翼１の半径方向全体の広がりにわたり実際上同じ厚さを持っている。従って、前方流路４はその経過が後縁流路５、６に追従して延び、それらとぴったり合っていて、タービン翼１の空洞空間は実際上完全に流路４、５、６で貫通されている。
【００３７】
本発明において、後縁流路５、６がタービン翼１の後縁１８の部位を、残存する外側壁厚を除いて、実際に貫通している点でも新規である。その外側壁厚は、鋳造タービン翼の中子の大きさ、即ち空洞の大きさと同様に、製造過程の技術的パラメータに伴い下限がある。タービン翼後縁１８をも貫通しているのに伴い、全体として、タービン翼１の後縁１８をも含めた均等な冷却が生ずる。
【００３８】
特に図１の斜視図から判るように、タービン翼１は半径方向２０の外側に向かい且つ同時に作動媒体流れ方向２に細まっている。しかしその場合、流路４、５、６の開口断面積２５はほぼ一定、より詳しくは流路４、５、６の全長２６にわたり実際上一定でなければならない。これは本発明により、後部範囲のタービン翼１で初めて達成される。この結果、局所的な合成有効開口断面積２５は、実際に流路４、５、６の全長２６にわたり、流路４、５、６の流れ抵抗に関し無視できる開口断面積偏差を除き一定している。これを、図１に流路４の例で示す。
【００３９】
ここで、開口断面積２５を、分かり易くするためハッチングを入れて示している。これは流路内部における同じ大きさの面積を表そうとしている。該面積は、相互の比率を明瞭にするため尺度通り示していない。開口断面積２５は開口断面積偏差２７だけ半径方向２０において大きくなっている。この開口断面積偏差２７は、開口断面積２５の２０％、特に１０％より小さくするとよい。また、タービン翼１が細められた場所である前方流路４の半径方向外側範囲においても、その開口断面積２５（明瞭には図示せず）は一定でなければならない。この目的を達成するため、前方流路４は半径方向２０において外側に広がっている。
【００４０】
後縁流路５、６の対応する開口断面積２５も示す。これから明瞭なように、タービン翼１は作動媒体流れ方向２に細まっている。しかし流路４、５、６にわたって見て、半径方向２０、即ち各流路４、５、６の経過方向において、開口断面積２５が実際に同じでなければならない。これは、タービン翼１の内部における翼脚１０から出口開口１１、１２、１３、２３迄の冷却材３１の流れ経路全体に対し当てはまる。
【００４１】
即ち、入口開口７、８、９の合成有効断面積２８は、流路４、５、６の出口開口１１、１２、１３の合計断面積２９と同じである。両合計断面積２８、２９は、上述の偏差を除き流路４、５、６の開口断面積２５の合計に略相当する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づくタービン翼の斜視図。
【図２】図１のタービン翼の断面図。
【符号の説明】
１　　タービン翼
２　　作動媒体流れ方向
３　　作動媒体
４、５、６　　流路
７、８、９　　入口開口
１０　　翼脚
１１、１２、１３、２３　　出口開口
１４　　冷却材流
１５　　半径流成分
１６　　タービン翼先端縁
１７　　横流成分
１８　　タービン翼後縁
１９　　半径方向外側部分
２０　　半径方向
２１　　屈曲部
２２　　半径方向距離
２４　　連通開口
２５　　開口断面積
２７　　開口断面積偏差
２８　　入口開口の合計断面積
２９　　出口開口の合計断面積

Claims (14)

1. 作動媒体（３）の流れ方向（２）に互いに隣接して配置され、半径方向内側に位置する翼脚（１０）にある入口開口（７、８、９）と半径方向外側に位置する出口開口（１１、１２、１３）との間を延び、且つ半径方向（２０）において実際に転向することのない冷却材流（１４）で貫流される複数の流路（４、５、６）を備え、前記媒体の流れ方向（２）に見て前方の流路（４）の出口開口（１１）がタービン翼（１）の先端縁（１６）に設けられている冷却材貫流形タービン翼（１）において、貫流する冷却材流（１４）が所定の個所で局所的な横流成分（１７）を有するような少なくとも１つの後縁流路（５、６）が存在し、該流路（５、６）の出口開口（１２、１３）がタービン翼（１）の後縁（１６）に設けられたことを特徴とするタービン翼。
2. 作動媒体流れ方向（２）に向いた横流成分（１７）が存在することを特徴とする請求項１記載のタービン翼。
3. 後縁流路（５、６）および／又は前方流路（４）が、少なくとも部分的に、特にその半径方向外側部分（１９）が、半径方向（２０）から作動媒体流れ方向（２）に曲げられたことを特徴とする請求項１又は２記載のタービン翼。
4. 後縁流路（５、６）および／又は前方流路（４）に、湾曲した屈曲部（２１）が存在することを特徴とする請求項３記載のタービン翼。
5. 複数の後縁流路（５、６）が存在することを特徴とする請求項１から４の１つに記載のタービン翼。
6. 作動媒体流れ方向（２）に見て最後の後縁流路（６）が、専らタービン翼後縁（１８）に設けられた出口開口（１３）を有することを特徴とする請求項１から５の１つに記載のタービン翼。
7. 最後の後縁流路（６）が、タービン翼先端縁（１６）の前で半径方向内側に半径方向距離（２２）を隔てて終えることを特徴とする請求項６記載のタービン翼。
8. タービン翼先端縁（１６）に設けた出口開口（１２）と、タービン翼後縁（１８）に設けた出口開口（２３）とを持つ半径方向通し後縁流路（５）が存在することを特徴とする請求項１から７の１つに記載のタービン翼。
9. 最後の後縁流路（６）が、タービン翼後縁（１８）における半径方向内側位置に設けられた出口開口（１３）を有し、半径方向通し後縁流路（５）が、タービン翼後縁（１８）における半径方向外側位置に設けた出口開口（１３）を有することを特徴とする請求項６から８の１つに記載のタービン翼。
10. 最後の後縁流路（６）が、半径方向通し後縁流路（５）に接続開口（２４）を経て連通することを特徴とする請求項９記載のタービン翼。
11. 各流路（４、５、６）の局所的な合成有効開口断面積（２５）が、それらの全長（２６）にわたり、それら流路（４、５、６）の流れ抵抗に関して無視できる開口断面積偏差（２７）を除いて、同じ大きさであることを特徴とする請求項１から１０の１つに記載のタービン翼。
12. 開口断面積偏差（２７）が、開口断面積（２５）の２０％、特に１０％より小さいことを特徴とする請求項１１記載のタービン翼。
13. 流路（４、５、６）の入口開口（７、８、９）の合成有効合計断面積（２８）が、その出口開口（１１、１２、１３、２３）の合計断面積（２９）と同じであり、各合計断面積（２８、２９）が、各流路（４、５、６）の開口断面積（２５）の合計に相当することを特徴とする請求項１１又は１２記載のタービン翼。
14. タービンの後部範囲および／又は弱冷タービンに利用することを特徴とする請求項１から１３の１つに記載のタービン翼の利用方法。