JP2009221995A

JP2009221995A - 高温部品の内面冷却構造

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Publication number: JP2009221995A
Application number: JP2008068719A
Authority: JP
Inventors: Chiyuki Nakamata; 千由紀仲俣
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2008-03-18
Publication date: 2009-10-01

Abstract

【課題】肉厚が薄い高温部品に適用可能であり、全面をほぼ均一に冷却でき、通常の管内乱流に対するヌセルト数増倍率を高めることができ、これにより冷却空気流量を大幅に削減してエンジン性能を向上させることができる高温部品の内面冷却構造を提供する。
【解決手段】外面が高温ガスで加熱される高温部品１の内面を冷却ガス３で冷却する高温部品の内面冷却構造。高温部品の外面を含み内部に平板状空間１３を有する外壁部材１２と、平板状空間１３に設けられその間を冷却ガス３が内面に沿って螺旋状に流れるラティス冷却構造１４とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、航空用または産業用のガスタービンにおける高圧タービン静翼のような高温部品の内面冷却構造に関する。

航空用または産業用のガスタービンにおける動翼や静翼のような高温部品は、運転中に外面が高温ガス（例えば１０００℃以上）に曝されるため、高温部品の過熱を防ぐため、その内側に冷却ガス（例えば冷却用空気）を流し高温部品を内側から冷却する場合がある。
そこでこのような内面冷却構造の性能を把握しその冷却性能を高めるため、種々の提案や研究が従来から行われている（例えば、特許文献１、非特許文献１）。

特許文献１の翼カバー冷却装置５０は、図５に示すように、複数の上部リブを有する翼カバー上板５２と、複数の下部リブを有する翼カバー下板５４と、複数の流れ方向変換領域とを備え、翼カバー上板は翼カバー下板の上に重ねられ、上部リブは、翼周方向基準線に対し第１角度で配置され、下部リブは流れ方向変換領域を形成するように翼周方向基準線に対し第２角度で配置され、翼カバー下板はタービン翼から冷却ガスを翼カバー上板に流すように構成されているものである。

非特許文献１は、図６に示すように、タービン翼内に格子状に配置した複数のリブを配置することで、タービン翼内に複数の折り返し流路を形成するラティス冷却構造（Ｌａｔｔｉｃｅ：格子構造）を提案している。

米国特許第６８６９２７０号明細書、“ＴＵＲＢＩＮＥＢＬＡＤＥＣＯＶＥＲＣＯＯＬＩＮＧＡＰＰＡＲＡＴＵＳＡＮＤＭＥＴＨＯＤＯＦＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ”

ＲｏｎａｌｄＳ．Ｂｕｎｋｅｒ， "ＬＡＴＴＩＣＥＷＯＲＫ（ＶＯＲＴＥＸ）ＣＯＯＬＩＮＧＥＦＦＥＣＴＩＶＥＮＥＳＳＰＡＲＴ１：ＳＴＡＴＩＯＮＡＲＹＣＨＡＮＮＥＬＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＳ"，ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＡＳＭＥＴｕｒｂｏＥｘｐｏ２００４ＰｏｗｅｒｆｏｒＬａｎｄ，Ｓｅａ，ａｎｄＡｉｒ，Ｊｕｎｅ１４−１７，２００４，ＶｉｅｎｎａＡｕｓｔｒｉａ，ＧＴ２００４−５４１５７

航空機用などの小型のガスタービンでは、タービン静翼のエンドウォールのように肉厚が薄く内部に冷却流路を構成しにくい部分（以下、エンドウォール等という）の冷却には、フィルム冷却が一般的に用いられている。

しかし、フィルム冷却の場合、多量の冷却ガス（例えば冷却空気）を必要とすると共に、冷却ガスを噴出するフィルム孔の加工が困難な場合が多く、冷却が不均一になり、溶損などの問題が発生することがあった。

さらに、仮にエンドウォール等の内部に非特許文献１のラティス冷却構造が適用できても、報告されているラティス冷却構造のヌセルト数増倍率（ヌセルト数Ｎｕの管内乱流のヌセルト数Ｎｕ_０に対する比率＝Ｎｕ／Ｎｕ_０）は、レイノルズ数Ｒｅが２５０００〜１０００００の範囲で、１．５〜２．１程度にすぎなかった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、肉厚が薄い高温部品に適用可能であり、全面をほぼ均一に冷却でき、通常の管内乱流に対するヌセルト数増倍率を高めることができ、これにより冷却空気流量を大幅に削減してエンジン性能を向上させることができる高温部品の内面冷却構造を提供することにある。

本発明によれば、外面が高温ガスで加熱される高温部品の内面を冷却ガスで冷却する高温部品の内面冷却構造であって、
前記高温部品の外面を含み内部に平板状空間を有する外壁部材と、
前記平板状空間に設けられその間を冷却ガスが内面に沿って螺旋状に流れるラティス冷却構造と、を備えたことを特徴とする高温部品の内面冷却構造が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記平板状空間は、冷却ガスの流入部から外部への流出部まで延びる幅方向の両端面を有し、
前記ラティス冷却構造は、前記両端面間に位置し、冷却ガスの流入部から外部への流出部まで延び、平板状空間を２以上の平板部分に仕切る仕切部材と、
仕切部材で仕切られた前記平板部分を仕切部材に対して斜めに延び、互に平行に所定の間隔を隔て、平板状空間の厚さ方向の第１内面に密着して設けられた複数の第１リブ部材と、
前記平板部分間を前記第１リブ部材と交叉する方向に斜めに延び、互に平行に所定の間隔を隔て、平板状空間の厚さ方向の第２内面に密着して設けられた複数の第２リブ部材とを備え、
前記第１リブ部材と第２リブ部材は互に交叉する位置で密着しており、
これにより複数の第１リブ部材の間と、複数の第２リブ部材の間とを冷却ガスが第１と第２の内面に沿って交互に螺旋状に流れる。

前記複数の第１リブ部材と第２リブ部材は、前記平板部分間をほぼ均等に２分するように設定されている。

前記高温部品は、タービン静翼のエンドウォールである、ことが好ましい。

上記本発明の構成によれば、内部に平板状空間を有する外壁部材とその内部に設けられたラティス冷却構造からなるので、ラティス冷却構造を外壁部材で挟む簡単な構造であり、タービン静翼エンドウォールのような肉厚が薄い高温部品に適用が可能である。

また、ラティス冷却構造により、その間を冷却ガスが高温部品の内面に沿って流れるので、高温部品の内面全体をほぼ均一に冷却できる。

また、冷却ガスは内面に沿って螺旋状に流れるので、螺旋流れの幅方向両端部において流れ方向が反転し、その際にインピンジ冷却と乱流促進が行われるので、通常の管内乱流に対するヌセルト数増倍率（＝Ｎｕ／Ｎｕ_０）を高めることができ、これにより冷却空気流量を大幅に削減してエンジン性能を向上させることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明による内面冷却構造を有する高温部品の全体斜視図である。
この図において、高温部品はタービン静翼１のエンドウォール２であり、この例では後縁部に本発明による内面冷却構造１０を設けている。

高温部品（タービン静翼１のエンドウォール２）は、外面が高温ガスで加熱される。本発明の内面冷却構造１０は、高温部品の内面を冷却ガス３（冷却空気）で冷却する機能を有する。

本発明の内面冷却構造１０は、外壁部材１２とラティス冷却構造１４からなる。

外壁部材１２は、高温部品の外面を含み、内部に平板状空間１３を有する。すなわち、平板状空間１３は、高温部品の内面の間に間隔を隔てて設けられた平板状の空間である。平板状空間１３は、この例では厚さが一定の薄い平行四辺形であるが、本発明はこれに限定されず、厚さが変化しても、形状が矩形形状、台形、その他でもよい。
ラティス冷却構造１４は、高温部品内の平板状空間１３に設けられ、その間を冷却ガス３が内面に沿って螺旋状に流れる冷却流路を構成する。

なお、図１では、ラティス冷却構造１４は、エンドウォール２の後縁部のみに設けているが、エンドウォール２の全面へ適用してもよい。
また、冷却ガス３は、平板状空間１３の長さ方向の一方の端部（図で手前側）から流入し、直角に折れ曲がり、長さ方向の他方の端部（図で向こう側）に流出しているが、流路の向きは、図とは異なってよく、いかなる方向でもよい。

また、この例で、冷却ガス３は、ラティス冷却構造１４を通過した後、長さ方向の他方の端部（図で向こう側）にそのまま流出しているが、流出出口はフィルム孔、スロットなどいかなる流出形態でもよく、ラティス冷却構造１４の中間部分にそれらの一部を設けてもよい。

図２は、本発明による実施例を示す高温部品の構成図である。
この図は、高温部品として上述したタービン静翼のエンドウォールを模擬しており、冷却ガス３は、内側（図で右方向）から、平板状空間１３の長さ方向の一方の端部（図で下端部）に流入し、直角に９０度折れ曲がり、長さ方向の他方の端部（図で上端側）に流出するようになっている。

この図において、平板状空間１３は、冷却ガス３の流入部１３ａから外部への流出部１３ｂまで延びる幅方向の両端面１２ａ，１２ｂを有する。端面１２ａ，１２ｂは、外壁部材１２の幅方向内面である。両端面１２ａ，１２ｂは、この例ではほぼ平行であるが、互いに傾斜してもよい。
ラティス冷却構造１４は、仕切部材１６、複数の第１リブ部材１８、及び複数の第２リブ部材２０を備える。

仕切部材１６は、両端面１２ａ，１２ｂの間に位置し、冷却ガス３の流入部１３ａから外部への流出部１３ｂまで延び、平板状空間１３を２以上の平板部分１３’に仕切る。
仕切部材１６は、この例では端面１２ａ，１２ｂとほぼ平行に延びるが、平行でなくてもよい。またこの例で、仕切部材１６は中間に１本のみであるが、必要に応じて２本以上でもよい。

複数（この例では６本）の第１リブ部材１８は、仕切部材１６で仕切られた平板部分１３’（この例では仕切部材１６と平板状空間１３の端面１２ａ，１２ｂとの間）を仕切部材１６に対して斜めに延びる。この斜めの角度はこの例では仕切部材１６の軸方向から４５度であるが、４０度以上、５０度以下の範囲で自由に設定できる。また、仕切部材１６を２本以上設ける場合には、隣接する仕切部材間に同様に設けるのがよい。

複数の第１リブ部材１８は、互に平行に所定の間隔を隔て、平板状空間１３の厚さ方向の第１内面に密着して設けられる。厚さ方向の第１内面は、外壁部材１２の厚さ方向上面であり、この図では省略している手前側内面である。所定の間隔は、ここを流れる冷却ガス３のレイノルズ数Ｒｅが適正範囲になるように設定する。

複数の第１リブ部材１８の間はこの例では５つあり、図で冷却ガス３の流入部３ａ側（図で下側）から、ｃｈ１，ｃｈ２，ｃｈ３，ｃｈ４，ｃｈ５と呼ぶ。

複数（この例では６本）の第２リブ部材２０は、平板部分１３’（この例では仕切部材１６と平板状空間１３の端面１２ａ，１２ｂとの間）を第１リブ部材１８と交叉する方向に斜めに延びる。この斜めの角度はこの例では仕切部材１６の軸方向から第１リブ部材１８と反対側に４５度であるが、４０度以上、５０度以下の範囲で自由に設定できる。この角度は第１リブ部材１８と同じであるのが好ましいが、異なる冷却性能を得るために、異なる角度に設定してもよい。また、仕切部材１６を２本以上設ける場合には、隣接する仕切部材間に同様に設けるのがよい。

複数の第２リブ部材２０は、互に平行に所定の間隔を隔て、平板状空間の厚さ方向の第２内面１２ｃに密着して設けられる。厚さ方向の第２内面１２ｃは、外壁部材１２の厚さ方向下面である。外壁部材１２の幅方向内面１２ａ，１２ｂ、第１内面（図示せず）及び第２内面１２ｃで囲まれる空間が、平板状空間１３に相当する。
第２リブ部材２０の所定の間隔は、この例では第１リブ部材１８と同じであるが、異なる冷却性能を得るために、異なる間隔に設定してもよい。この間隔は、ここを流れる冷却ガス３のレイノルズ数Ｒｅが適正範囲になるように設定する。
複数の第２リブ部材２０の間はこの例では５つあり、図で冷却ガス３の流入部１３ａ側（図で下側）から、ｃｈ１，ｃｈ２，ｃｈ３，ｃｈ４，ｃｈ５と呼ぶ。

第１リブ部材１８と第２リブ部材２０は互に交叉する位置で密着しており、交叉領域を冷却ガスが通過しないようになっている。

また、この図において、複数の第１リブ部材１８と第２リブ部材２０は、冷却ガス３の流入部１３ａにおいて、平板部分１３’（仕切部材１６と平板状空間の端面１２ａ，１２ｂとの間）をほぼ均等に２分するように設定されている。また、仕切部材１６を２本以上設ける場合には、隣接する仕切部材間に同様に設けるのがよい。

上述した構成により、図に曲線の矢印で示すように、複数の第１リブ部材１８の間（ｃｈ１〜ｃｈ５）と、複数の第２リブ部材の間（ｃｈ１〜ｃｈ５）とを冷却ガス３を第１と第２の内面に沿って交互に螺旋状に流すことができる。

すなわち、流入部１３ａから第１リブ部材１８のｃｈ１に入った冷却ガス３は、第１内面に沿って第１リブ部材１８のｃｈ１を仕切部材１６まで斜めに流れ、ここで流れが折り返されて、第２リブ部材２０のｃｈ３に入り、第２内面１２ｃに沿って第２リブ部材２０のｃｈ３を平板状空間の端面１２ａまで反対方向に斜めに流れ、ここで再び流れが折り返されて、第１リブ部材１８のｃｈ５に入り、第１内面に沿って第１リブ部材１８のｃｈ５を流入部１３ｂまで斜めに流れ、ここから外部に流出する。

同様に、流入部１３ａから第２リブ部材２０のｃｈ１に入った冷却ガス３は、第２内面１２ｃに沿って第２リブ部材２０のｃｈ１を平板状空間の端面１２ａまで斜めに流れ、ここで流れが折り返されて、第１リブ部材１８のｃｈ３に入り、第１内面に沿って第１リブ部材１８のｃｈ３を仕切部材１６まで反対方向に斜めに流れ、ここで再び流れが折り返されて、第２リブ部材２０のｃｈ５に入り、第２内面１２ｃに沿って第２リブ部材２０のｃｈ５を流入部１３ｂまで斜めに流れ、ここから外部に流出する。

流入部１３ａから第１リブ部材１８又は第２リブ部材２０のｃｈ２に直接入った冷却ガス３の流れも同様である。

この結果、冷却ガス３は、第１と第２の内面に沿って交互に螺旋状に流れ、両端部で流れが折り返されるため、この折り返し部でインピンジ冷却と乱流促進が行われる。インピンジ冷却及び乱流促進は、通常の管内冷却に比較して冷却性能が高いので、ラティス冷却構造において、平板状空間に適宜仕切板を設けて仕切ることで、流れの折り返し部を多くとり、冷却性能を向上させることができる。

図２に示した本発明に類似の内面冷却構造１０をアクリル樹脂を用いて製造し、その性能を試験した。
この試験では、仕切部材１６を省略し、平板状空間１３の端面１２ａ，１２ｂの間に内面冷却構造１０を設けた。従ってこの例では、平板状空間１３と平板部分１３’は同一である。
またこの試験では、平板状空間１３（＝平板部分１３’）の寸法を入口幅６０ｍｍ、長さ１５０ｍｍとし、一面（第１内面）を平面、反対面（第２内面１２ｃ）を傾斜面とした。
試験では、感熱液晶を用いて、熱伝達率を計測している。

図３は、本発明の実施例によるヌセルト数増倍率の変化を示す図である。この図は、平面側のヌセルト数増倍率の変化であり、（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）はレイノルズ数Ｒｅがそれぞれ２４０８１，４００００，５９１８６の場合である。
各図において、横軸はｓ／Ｌであり縦軸はヌセルト数増倍率Ｎｕ／Ｎｕ_０である。ここで、ｓは各チャンネルｃｈ１〜ｃｈ５に沿った入口側からの距離、Ｌは各チャンネルｃｈ１〜ｃｈ５の全長である。また、ヌセルト数増倍率Ｎｕ／Ｎｕ_０は、通常の管内乱流のヌセルト数Ｎｕ_０に対する本発明の構造によるヌセルト数Ｎｕの増倍率（＝Ｎｕ／Ｎｕ_０）である。

図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）において、チャンネルｃｈ１のヌセルト数増倍率（Ｎｕ／Ｎｕ_０）は、１〜２の範囲であり、最初のチャンネルでは相対的に低いことがわかる。これは、最初のチャンネルｃｈ１では、第１と第２の内面を内側から冷却するが、両端部の折り返し部を通っていないので、流れは通常の管内乱流（Ｎｕ_０＝１）と同様であるためと考えられる。

これに対して、チャンネルｃｈ１〜ｃｈ５では、ヌセルト数増倍率Ｎｕ／Ｎｕ_０が４〜５に達しており、特にその両端部（ｓ／Ｌ＝０，１）では７〜８に達している。
これは両端部で流れが折り返されるため、この折り返し部でインピンジ冷却と乱流促進が行われ、冷却性能が飛躍的に高まり、折り返し後の中間部でも流れの乱れが続いているため、通常の管内乱流（Ｎｕ_０＝１）よりも冷却性能が高いものと考えられる。

図４は、本発明の実施例によるレイノルズ数とヌセルト数増倍率の関係を示す図である。この図において、横軸はレイノルズ数、縦軸はヌセルト数増倍率であり、図中の□は本発明の平面側、△は本発明の傾斜側、○●は非特許文献１による従来例である。
この図から、本発明によれば、レイノルズ数Ｒｅが約２４０００〜約６００００の範囲で、ヌセルト数増倍率Ｎｕ／Ｎｕ_０が３．５〜４に達していることがわかる。

上述したように本発明の構成によれば、内部に平板状空間１３を有する外壁部材１２とその内部に設けられたラティス冷却構造１４からなるので、ラティス冷却構造１４を外壁部材１２で挟む簡単な構造であり、タービン静翼エンドウォールのような肉厚が薄い高温部品に適用が可能である。

また、ラティス冷却構造１４により、その間を冷却ガス３が高温部品の内面に沿って流れるので、高温部品の内面全体をほぼ均一に冷却できる。

また、冷却ガス３は内面（第１内面及び第２内面１２ｃ）に沿って螺旋状に流れるので、螺旋流れの幅方向両端部において流れ方向が反転し、その際にインピンジ冷却と乱流促進が行われるので、通常の管内乱流に対するヌセルト数増倍率（＝Ｎｕ／Ｎｕ_０）を３以上に高めることができ、これにより冷却空気流量を大幅に削減してエンジン性能を向上させることができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

本発明による内面冷却構造を有する高温部品の全体斜視図である。本発明による実施例を示す高温部品の構成図である。本発明の実施例によるヌセルト数増倍率の変化を示す図である。本発明の実施例によるレイノルズ数とヌセルト数増倍率の関係を示す図である。特許文献１の翼カバー冷却装置の模式図である。非特許文献１のラティス冷却構造の模式図である。

符号の説明

１タービン静翼、１ａ静翼、
２エンドウォール、３冷却ガス（冷却空気）、
１０内面冷却構造、１２外壁部材、
１２ａ，１２ｂ端面（幅方向内面）、１２ｃ第２内面、
１３平板状空間、１３’平板部分、
１３ａ流入部、１３ｂ流出部、
１４ラティス冷却構造、１６仕切部材、
１８第１リブ部材、２０第２リブ部材

Claims

外面が高温ガスで加熱される高温部品の内面を冷却ガスで冷却する高温部品の内面冷却構造であって、
前記高温部品の外面を含み内部に平板状空間を有する外壁部材と、
前記平板状空間に設けられその間を冷却ガスが内面に沿って螺旋状に流れるラティス冷却構造と、を備えたことを特徴とする高温部品の内面冷却構造。
前記平板状空間は、冷却ガスの流入部から外部への流出部まで延びる幅方向の両端面を有し、
前記ラティス冷却構造は、前記両端面間に位置し、冷却ガスの流入部から外部への流出部まで延び、平板状空間を２以上の平板部分に仕切る仕切部材と、
仕切部材で仕切られた前記平板部分を仕切部材に対して斜めに延び、互に平行に所定の間隔を隔て、平板状空間の厚さ方向の第１内面に密着して設けられた複数の第１リブ部材と、
前記平板部分間を前記第１リブ部材と交叉する方向に斜めに延び、互に平行に所定の間隔を隔て、平板状空間の厚さ方向の第２内面に密着して設けられた複数の第２リブ部材とを備え、
前記第１リブ部材と第２リブ部材は互に交叉する位置で密着しており、
これにより複数の第１リブ部材の間と、複数の第２リブ部材の間とを冷却ガスが第１と第２の内面に沿って交互に螺旋状に流れる、ことを特徴とする請求項１に記載の高温部品の内面冷却構造。
前記複数の第１リブ部材と第２リブ部材は、前記平板部分間をほぼ均等に２分するように設定されている、ことを特徴とする請求項２に記載の高温部品の内面冷却構造。
前記高温部品は、タービン静翼のエンドウォールである、ことを特徴とする請求項１乃至３に記載の高温部品の内面冷却構造。