JP2007002843A - ターボ機械の可動な翼のための冷却回路 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンの空力性能を低下させることなく翼を効果的に冷却できる可動な翼のための冷却回路を提供する。
【解決手段】ターボ機械のための可動な翼１０であって、翼の中央部分Ｃは、圧力側冷却回路と吸引側冷却回路とを含む。圧力側回路は、翼の圧力側２０から中央壁３０に延在する少なくとも第１及び第２の圧力側空洞２４、２６と、翼の圧力側２０から吸引側２２に延在する中央空洞２８と、中央空洞２８から翼の圧力側面２０に開口する出口オリフィス４０とを備える。吸引側回路は、翼の吸引側２２から中央壁３０に径方向に延在する少なくとも第１及び第２の吸引側空洞４２、４４と、圧力側２０から吸引側２２に翼を横切って延在する中央空洞４６と、中央空洞４６から翼の圧力側面２０に開口する出口オリフィス５４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボ機械の可動な翼を冷却する全般的な分野に関し、特に高圧タービンの翼に関する。

高圧タービンおよび低圧タービン等の、ターボ機械ガスタービンの可動な翼に内部冷却回路を設け、ターボ機械の作動中に、可動な翼を、これが晒される非常に高い温度に損傷なしで耐えられるようにすることは知られている。そこで、高圧タービンにおいて、燃焼チャンバから到来するガスの温度が、タービンの可動な翼が、損傷なしで耐えうる温度をはるかに上回る値に達することがあり、その結果、可動な翼の寿命を制限することになる。

そのような冷却回路を使用することによって、空気は、一般的には翼内に翼の根元部を通じて導入され、翼の内側にできた空洞によって形成された経路をたどりながら翼を通過し、その後、翼の表面に開口したオリフィスを通じて排出される。

そのような冷却回路の異なる実施形態は、数多く存在する。そこで、一部の回路では、翼の全幅を占める冷却空洞を利用しており、したがって冷却の熱効率を制限する欠点をもたらしている。その欠点を軽減するため、欧州特許出願公開第１２８８４３８号及び欧州特許出願公開第１２８８４３９号で説明されているもの等の他の回路では、翼の側面の一方（圧力側または吸引側）のみを、または両側面を占めるエッジ冷却空洞を、このエッジ空洞間の大きい中央空洞とともに使用することを提案している。そのような回路は、熱の観点からは有効であるが、これらを鋳造により製造することは今尚困難且つ高価であり、できあがった翼の重量は大きい。
欧州特許出願公開第１２８８４３８号明細書 欧州特許出願公開第１２８８４３９号明細書

したがって本発明の主な目的は、タービンの空力性能を低下させることなく翼を効果的に冷却でき、かつ低い製造コストを呈する、可動な翼のための冷却回路を提案することによって、かかる欠点を軽減することにある。

この目的を達成するため、本発明の翼は、翼の中央部分に、圧力側冷却回路と吸引側冷却回路とを含む。圧力側冷却回路は、径方向に、且つ翼の圧力側から径方向に且つ翼の骨組方向に沿って延在する中央壁に翼の厚み方向に延在する、少なくとも第１及び第２の圧力側空洞と、径方向に且つ翼の圧力側から吸引側に翼の厚み方向に延在する中央空洞と、圧力側回路に空気を供給するための、第１の圧力側空洞の一方の径方向端にある空気導入口と、第１の圧力側空洞の他方の径方向端を、第２の圧力側空洞の隣接する径方向端に連絡する第１の通路と、第２の圧力側空洞の他方の径方向端を、中央空洞の隣接する径方向端に連絡する第２の通路と、中央空洞から翼の圧力側面に開口する出口オリフィスとを備える。吸引側冷却回路は、径方向に且つ翼の吸引側から前記中央壁に翼の厚み方向に延在する少なくとも第１及び第２の吸引側空洞と、径方向に且つ翼の圧力側から吸引側に翼の厚み方向に延在する中央空洞と、吸引側回路に空気を供給するため、第１の吸引側空洞の一方の径方向端にある空気導入口と、第１の吸引側空洞の他方の径方向端を、第２の吸引側空洞の隣接する径方向端に連絡する第１の通路と、第２の吸引側空洞の他方の径方向端を、中央空洞の隣接する径方向端に連絡する第２の通路と、中央空洞から翼の圧力側面に開口する出口オリフィスとを備える。

そのような回路によって、均一且つ効果的な翼の冷却を得ることが可能である。圧力側空洞を吸引側空洞から隔てる中央壁は、圧力及び吸引側回路に流れる空気によって冷却される。これは、翼の平均温度の低下をもたらし、直接的な結果として翼の寿命は増す。さらにこれらの冷却回路は、製造とタービンにおける設置との点で、特段の問題をもたらさない。

本発明の有利な配置において、翼は、翼の前縁の近くで径方向に延在する少なくとも一つの空洞と、前縁空洞内に開口する少なくとも一つの空気導入オリフィスと、この前縁空洞から翼の前縁に開口する出口オリフィスとを備える、前縁冷却回路をさらに含む。

本発明の別の有利な配置において、翼は、翼の後縁の近くで径方向に延在する少なくとも一つの空洞と、後縁空洞内に開口する少なくとも一つの空気導入オリフィスと、後縁空洞から翼の圧力側面に開口する空気出口オリフィスとを備える、後縁冷却回路をさらに含む。

好ましくは、圧力側及び吸引側冷却回路の空洞の内壁には、この壁に沿った熱伝達を増すためフローディスターバが設けられる。

本発明の他の特徴と利点とは、制限的性質を持たない実施形態を示す、添付の図面を参照しながらなされる以下の説明から明らかになる。

図１から図３は、高圧タービンの可動な翼等、ターボ機械の可動な翼１０を示す。本発明は、当然ながら、他のターボ機械の可動な翼、例えばその低圧タービンの翼にも応用できる。

翼１０は、翼根元部１２と翼先端１４との間で径方向に延在する、空気力学的表面（または部分）を備える。この空気力学的表面は、ターボ機械の燃焼チャンバから到来する高温ガスの流れに面して置かれる前縁１６と、前縁１６の反対側にある後縁１８と、圧力側面２０と、吸引側面２２とを備え、これらの側面２０及び２２は、前縁１６と後縁１８とを相互に結ぶ。

本発明のターボ機械の可動な翼１０は、これの中央部分Ｃに、すなわちその圧力側面２０と吸引側面２２との間の距離が最大となる部分に、圧力側冷却回路と吸引側冷却回路とを含む。

翼の圧力側冷却回路は、特に、少なくとも第１の圧力側空洞２４及び第２の圧力側空洞２６と、中央空洞２８とを備える（より多くの圧力側空洞を想定することは当然可能である）。空洞２４、２６、及び２８は、翼の根元部１２と先端１４との間で径方向に延在する。

さらに、圧力側空洞２４及び２６は、圧力側面２０から中央壁（または隔壁）３０に翼の厚み方向に延在し、この中央壁（または隔壁）３０は、第一に翼の根元部１２と先端１４との間で径方向に、第二に翼の骨組３２に沿って延在する。中央空洞２８は、翼の厚み方向に、圧力側面２０から吸引側面２２に延在する。

図２を参照すると、圧力側冷却回路は、圧力側回路に空気を供給するため、第１の圧力側空洞２４の一方の径方向端に（この場合は翼の根元部１２において）、空気導入口３４も有する。

第１の通路３６は、第１の圧力側空洞２４の他方の径方向端を（すなわち翼の先端１４にて）、第２の圧力側空洞２６の隣接する径方向端に連絡する。第２の通路３８は、第２の圧力側空洞２６の他方の径方向端を（すなわち翼の根元部１２にて）、圧力側回路の中央空洞２８の近傍の径方向端に連絡する。

圧力側冷却回路は、また、中央空洞２８から翼の圧力側面２０を通って開口する出口オリフィス４０を有する。これらのオリフィス４０は、翼の全径方向高さにわたって規則的に分配される。

この圧力側回路に沿って進む冷却空気がたどる経路は、上記から明白に理解できる。回路には、導入口３４を通じて冷却空気が供給される。空気は、最初に第一の圧力側空洞２４に沿って、次に第二の圧力側空洞２６に沿って、最後に中央空洞２８に沿って進み、その後翼の圧力側２０から出口オリフィス４０を通じて排出される。

翼の吸引側冷却回路は、具体的には、少なくとも第１の吸引側空洞４２及び第２の吸引側空洞４４と、中央空洞４６とを備える（より多くの吸引側空洞を想定することは当然可能である）。空洞４２、４４、及び４６は、翼の根元部１２と先端１４との間で径方向に延在する。

加えて、吸引側空洞４２、４４は、翼の吸引側面２２から翼の圧力側冷却回路を参照して上に規定した中央壁３０に、翼の厚みにわたって延在する。中央空洞４６は、翼の圧力側面２０と翼の吸引側面２２との間で、翼の厚み全体を占める。

図３に示すとおり、吸引側冷却回路は、また、吸引側回路に空気を供給するため、第１の吸引側空洞４２の一径方向端にて（この例では翼の根元部１２において）、空気導入口４８を有する。

第１の通路５０は、第１の吸引側空洞４２の他方の径方向端を（すなわち翼の先端１４にて）、第２の吸引側空洞４４の隣接する径方向端に連絡する。第２の通路５２は、第２の吸引側空洞４４の他方の径方向端を（すなわち翼の根元部１２にて）、吸引側回路の中央空洞４６の隣接する径方向端に連絡する。

吸引側冷却回路は、また、中央空洞４６から翼の圧力側面２０に開口する出口オリフィス５４を有する。これらのオリフィス５４は、翼の全径方向高さにわたって規則的に分配される。

この吸引側回路に沿って進む冷却空気がたどる経路は、上記から明白に理解できる。回路には、導入口４８を通じて冷却空気が供給される。空気は、まず第１の吸引側空洞４２に沿って、次に第２の吸引側空洞４４に沿って、最後に中央空洞４６に沿って進み、その後翼の圧力側２０から出口オリフィス５４を通じて排出される。

圧力側及び吸引側冷却回路が、各々の空気導入口を有すること、そして回路の一方から他方にかけて空気の連絡がなく、その結果これらの回路が、互いに完全に独立していることに注目されたい。

圧力側冷却経路の圧力側空洞２４及び２６、ならびに吸引側冷却回路の吸引側空洞４２及び４４が、中央壁３０の両側に配置されていることに注目されたい。加えて、圧力側回路の中央空洞２８は、翼の前縁１６の近傍に位置し、他方、吸引側回路の中央空洞４６は、翼の後縁１８の傍らにある。

図１から図３に示すとおり、圧力側及び吸引側冷却空洞の空洞２４、２６、２８、４２、４４、及び４６の内壁には、これらの壁に沿った熱伝達を増すフローディスターバ５６が有利に設けられる。

これらのフローディスターバは、直線のリブの形、または翼の回転軸に対し傾斜するリブの形をとってよく、あるいはこれらは、ペグの形、またはその他同等の任意の形をとってよい。

付加的冷却回路は、翼の前縁１６と後縁１８とを冷却する働きをする。

一般的に前縁冷却回路は、翼の前縁１６の近くで径方向に延在する少なくとも一つの空洞５８と、前縁空洞５８内に開口する少なくとも一つの空気導入口オリフィス６０、６０’と、前縁空洞から翼の前縁に開口する出口オリフィス６２とを備える。

後縁冷却回路は、翼の後縁１８の近くで径方向に延在する少なくとも一つの空洞６４と、後縁空洞６４内に開口する少なくとも一つの空気導入口オリフィス６６、６６’と、後縁空洞から翼の圧力側面２０を通って開口する出口オリフィス６８とを備える。

これらの付加的冷却回路の異なる実施形態を、以下に説明する。

図１から図３の実施形態において、前縁冷却回路は、中央空洞７０を備え、中央空洞７０は、翼の根元部１２と先端１４との間で径方向に延在し、翼の圧力側２０から吸引側２２に翼を横切る。この中央空洞７０の一径方向端に（この例では翼の根元部１２において）、空気導入口７２が設けられる。

前縁回路は、また、翼の全高に沿って分配される複数の空気導入口オリフィス６０を含む。これらのオリフィスは、中央空洞７０から外へ開口し、前縁空洞５８の中へ至る。

したがって、冷却空気は、中央空洞７０に沿って、そして次に前縁空洞５８内に進み、その後、出口オリフィス６２を通じて翼の前縁１６から排出される。図１に示すとおり、空気は、翼の圧力側２０と吸引側２２から排出されることもできる。

さらに図１から図３の実施形態において、後縁冷却回路は、径方向に且つ翼の圧力側２０から吸引側２２に翼を横切ってに延在する中央空洞７４と、回路に空気を供給するために中央空洞７４の一方の径方向端に（この場合は翼の根元部１２において）開口部７６とをさらに備える。

翼の全高さに沿って分配される複数の空気導入口オリフィス６６は、この回路の中央空洞７４から後縁空洞６４内に開口する。

この後縁冷却回路において空気がたどる経路は、前縁回路における経路に類似する。空気は、中央空洞７４に沿って、次に後縁空洞６４に沿って進み、その後、翼の圧力側面２０を通じてこれの後縁１８の近くで排出される。

図４に示す別の実施形態において、翼１０’の前縁及び後縁回路の空気導入口オリフィスは、前縁空洞５８及び後縁空洞６４の各々の径方向端に（具体的には翼の根元部１２に）位置し、且つ前記空洞内に開口する開口部である。これらの空気導入口オリフィスは、図４に示されていないが、これらは、翼の圧力側及び吸引側冷却回路に供給するものと同じタイプである。

したがって、冷却空気は、前縁空洞５８及び後縁空洞６４に沿って、翼の根元部１２から先端１４に向かって進み、その後、各々の出口オリフィス６２、６８を通じて排出される。

図５に示すさらに別の実施形態において、翼１０”の前縁冷却回路は、前縁空洞５８の中へ、および圧力側冷却回路の中央空洞２８内に開口する複数の空気導入口オリフィス６０’を有する。

同様に、翼１０”の後縁冷却回路は、吸引側冷却回路の中央空洞４６から後縁空洞６４内に開口する、複数の空気導入口オリフィス６６’を有する。

したがって、前縁及び後縁回路に供給する冷却空気は、翼のそれぞれ圧力側及び吸引側回路から到来する。

図１から図３の実施形態に比べて、図４及び図５に示す翼１０’及び１０”のためのこれらの異なる実施形態は、前縁及び後縁冷却回路内に中央空洞を有さない。したがってこれらの実施形態は、図１から図３を参照しながら説明した翼弦より短い翼弦の翼に、より一層適する。

図４の実施形態に比べて、図５の実施形態は、また、より低いガス温度に晒される翼により一層向いている。

本発明の冷却回路は、多数の利点を呈する。特に、翼の中央部分において骨組に沿って位置し、且つ圧力側及び吸引側回路の圧力側及び吸引側空洞に沿って進む空気によって冷やされる、中央壁の存在は、翼が、効果的且つ均一に冷却されるのを保証することを可能にする。これは、翼の平均温度の大幅減を招き、これにより翼の寿命は大幅に増し、したがって翼交換を遅らせる結果をもたらす。そのような翼が装着されたタービンの空力性能は、冷却回路の存在によって低下しない。そのような冷却回路を設けた翼は、付加的な特段の問題を呈することなく鋳造によって製造できる。

本発明における翼を冷却する方法は、また、大きい「主断面」と呼ばれる種類の可動な翼へ容易に適応されるという利点をもたらす。翼の主断面は、翼の断面に内接されることのできる最大円の面積に相当する。したがって、大きい主断面を呈する翼は、標準的な主断面を呈する翼の円よりも大きい半径の円を収容できる。

本発明の実施形態を構成する可動な翼の断面図である。 ＩＩ−ＩＩ沿いに取った図１の断面図である。 ＩＩＩ−ＩＩＩ沿いに取った図１の断面図である。 本発明の別の実施形態を構成する可動な翼の断面図である。 本発明の別の実施形態を構成する可動な翼の断面図である。

符号の説明

１０、１０’、１０” 翼
１２ 根元部
１４ 先端
１６ 前縁
１８ 後縁
２０ 圧力側面
２２ 吸引側面
２４、２６ 圧力側空洞
２８、４６、７０、７４ 中央空洞
３０ 中央壁
３２ 翼の骨組
３４、４８、６０、６０’、６６、６６’、７２ 空気導入口オリフィス
３６、５０ 第１の通路
３８、５２ 第２の通路
４０、５４、６２、６８ 出口オリフィス
４２、４４ 吸引側空洞
５６ フローディスターバ
５８ 前縁空洞
６４ 後縁空洞
７６ 開口部

Claims (10)

1. ターボ機械のための可動な翼（１０、１０’、１０”）であって、翼の中心部分（Ｃ）が、圧力側冷却回路と吸引側冷却回路とを含み、
   前記圧力側冷却回路が、
   径方向に、且つ翼の圧力側（２０）から径方向に且つ翼の骨組方向（３２）に沿って延在する中央壁（３０）に翼の厚み方向に延在する、少なくとも第１及び第２の圧力側空洞（２４、２６）と、
   径方向に且つ翼の圧力側（２０）から吸引側（２２）に翼の厚み方向に延在する中央空洞（２８）と、
   圧力側回路に空気を供給するための、第１の圧力側空洞（２４）の一方の径方向端にある空気導入口（３４）と、
   第１の圧力側空洞（２６）の他方の径方向端を、第２の圧力側空洞（２６）の隣接する径方向端に連絡する第１の通路（３６）と、
   第２の圧力側空洞（２６）の他方の径方向端を、中央空洞（２８）の隣接する径方向端に連絡する第２の通路（３８）と、
   中央空洞（２８）から翼の圧力側面（２０）に開口する出口オリフィス（４０）とを備え、
   吸引側冷却回路が、
   径方向に且つ翼の吸引側（２２）から前記中央壁（３０）に翼の厚み方向に延在する少なくとも第１及び第２の吸引側空洞（４２、４４）と、
   径方向に且つ翼の圧力側（２０）から吸引側（２２）に翼の厚み方向に延在する中央空洞（４６）と、
   吸引側回路に空気を供給するため、第１の吸引側空洞（４２）の一方の径方向端にある空気導入口（４８）と、
   第１の吸引側空洞（４２）の他方の径方向端を、第２の吸引側空洞（４４）の隣接する径方向端に連絡する第１の通路（５０）と、
   第２の吸引側空洞（４４）の他方の径方向端を、中央空洞（４６）の隣接する径方向端に連絡する第２の通路（５２）と、
   中央空洞（４６）から翼の圧力側面（２０）に開口する出口オリフィス（５４）とを備えることを特徴とする、翼。
2. 翼の前縁（１６）の近くで径方向に延在する少なくとも一つの前縁空洞（５８）と、前縁空洞（５８）内に開口する少なくとも一つの空気導入口オリフィス（６０、６０’）と、前記前縁空洞から翼の前縁（１６）に開口する出口オリフィス（６２）とを備える、前縁冷却回路をさらに含む、請求項１に記載の翼。
3. 空気導入口オリフィスが、前縁空洞（５８）の径方向端に位置する開口部である、請求項２に記載の翼。
4. 前縁冷却回路が、圧力側冷却回路の中央空洞（２８）から前縁空洞（５８）内に開口する複数の空気導入口オリフィス（６０’）を含む、請求項２に記載の翼。
5. 前縁冷却回路が、径方向に且つ翼の圧力側（２０）から吸引側（２２）に翼の厚み方向に延在する中央空洞（７０）と、前縁冷却回路に空気を供給するための、中央空洞（７０）の一方の径方向端にある開口部（７２）と、中央空洞（７０）から前縁空洞（５８）内に開口する複数の空気導入口オリフィス（６０）とをさらに含む、請求項２に記載の翼。
6. 翼の後縁（１８）の近くで径方向に延在する少なくとも一つの空洞（６４）と、後縁空洞（６４）内に開口する少なくとも一つの空気導入口オリフィス（６６、６６’）と、後縁空洞から翼の圧力側面（２０）に開口する空気出口オリフィス（６８）とを備える、後縁冷却回路とをさらに含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の翼。
7. 空気導入口オリフィスが、後縁空洞（６４）の径方向端に位置する開口部である、請求項６に記載の翼。
8. 後縁冷却回路が、吸引側冷却回路の中央空洞（４６）から後縁空洞（６４）内に開口する複数の空気導入口オリフィス（６６’）を含む、請求項６に記載の翼。
9. 後縁冷却回路が、径方向に且つ翼の圧力側（２０）から吸引側（２２）に翼を横切って延在する中央空洞（７４）と、後縁冷却回路に空気を供給するための、中央空洞（７４）の径方向端にある開口部（７６）と、前記中央空洞から後縁空洞（６４）内に開口する複数の空気導入口オリフィス（６６）とをさらに含む、請求項６に記載の翼。
10. 圧力側及び吸引側冷却回路の空洞（２４、２６、２８、４２、４４、４６）の内壁に、前記内壁に沿って熱伝達を増すためのフローディスターバ（５６）が設けられる、請求項１から９のいずれか一項に記載の翼。

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