JP2010043568A - タービン翼及びタービン翼後縁部の放熱促進部品 - Google Patents

Abstract

【課題】空力性能を維持しながらタービン翼の後縁部の冷却効率を向上させてタービン翼の耐久性を向上させる。
【解決手段】内部に冷却ガスが供給されると共に、内部に供給された上記冷却ガスを後縁部の腹側に形成された切欠き部５１ｅを介して排出可能なタービン翼であって、上記切欠き部５１ｅによって露出される領域Ｒに設置される放熱促進手段５１ｇを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、タービン翼及びタービン翼後縁部の放熱促進部品に関するものであり、特にガスタービンに適したタービン翼及びタービン翼後縁部の放熱促進部品に関するものである。

タービンが備えるタービン翼は、一般的に高温の流体に晒される。特に、ガスタービンが備えるタービン翼は、燃焼器から排出された高温の燃焼ガスに晒されるため、極めて高温の環境に晒されることとなる。
このような高温の環境に晒されるタービン翼に対して耐久性を高めるために、タービン翼の内部に冷却空気等の冷却ガスを供給する場合がある。このように冷却ガスをタービン翼の内部に供給することによって、タービン翼の温度上昇を抑制し、タービン翼の耐久性を向上させることが可能となる。

ところで、タービン翼の後縁部は、タービンの空力性能の観点から薄いことが望まれるため、内部に上記冷却ガスを流すための流路を形成することが困難な場合が多い。その一方で、タービン翼の後縁部は、高温の流体の流れが速いために熱伝達率が高く、高温の流体によって加熱されやすい部位であり、冷却が望まれる部位である。
このため、例えば特許文献１や特許文献２には、タービン翼の後縁部の腹側に切欠き部を形成することによって後縁部を薄くすると共に、切欠き部によって露出された腹側の面に向けて冷却ガスを吹き付けることによって後縁部をフィルム冷却する方法が提案されている。
米国特許第４３０３３７４号明細書 米国特許第４６０１６３８号明細書

しかしながら、特許文献１や特許文献２において提案されている方法では、タービン翼の後縁部を十分に冷却することが難しく、さらなる冷却効率の向上が望まれている。
一方で、タービン翼の後縁部の背側にも冷却ガスを吹き付けることも考えられるが、タービン翼の背側後半の高速部（流れの速い領域）に冷却空気等の２次流体を噴出させるとタービンの空力性能が低下するため、実用的な方法ではない。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、空力性能を維持しながらタービン翼の後縁部の冷却効率を向上させてタービン翼の耐久性を向上させることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、内部に冷却ガスが供給されると共に、内部に供給された上記冷却ガスを後縁部の腹側に形成された切欠き部を介して排出可能なタービン翼であって、上記切欠き部によって露出される領域に設置される放熱促進手段を備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記放熱促進手段が、上記切欠き部によって露出される面に立設される複数のピン部であるという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１の発明において、上記放熱促進手段が、上記切欠き部によって露出される面に形成される複数のディンプル部であるという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１の発明において、上記放熱促進手段が、上記切欠き部によって露出される面に立設されると共に上記冷却ガスの流れ方向と直交する方向に延在する複数の段部であるという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１の発明において、上記放熱促進手段が、上記切欠き部によって露出される領域に嵌合される格子構造体であるという構成を採用する。

第６の発明は、上記第１〜５いずれかの発明において、上記放熱促進手段が、上記切欠き部によって露出される領域に対して脱着可能とされているという構成を採用する。

第７の発明は、タービン翼の後縁部の放熱を促進させるタービン翼後縁部の放熱促進部品であって、内部に供給された冷却ガスが後縁部の腹側に形成された切欠き部を介して排出可能とされたタービン翼の上記切欠き部によって露出される領域に対して取り付け可能であると共に、上記タービン翼の上記後縁部の放熱を促進するという構成を採用する。

第８の発明は、上記第７の発明において、上記放熱促進部品が、格子構造体であるという構成を採用する。

本発明によれば、タービン翼の後縁部の腹側に形成される切欠き部によって露出される領域に設置される放熱促進手段あるいは放熱促進部品によって、タービン翼の背側をフィルム冷却することなく後縁部の放熱効率が高まる。
したがって、本発明によれば、空力性能を維持しながらタービン翼の後縁部の冷却効率を向上させてタービン翼の耐久性を向上させることが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明に係るタービン翼及びタービン翼の放熱促進部品の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。また、以下の説明においては、本発明に係るタービン翼及びタービン翼の放熱促進部品を備えるガスタービンエンジンについて説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態のタービン翼が設置されるガスタービンエンジンの概略構成を示す断面図である。
この図に示すように、ガスタービンエンジン１は、ファン２、圧縮機３、燃焼器４及びタービン５を備えている。

ファン２、圧縮機３、燃焼器４及びタービン５は、空気流れの上流側から下流側へ順次配列されている。
ファン２は、ケーシング１１内の上流側端部近傍であって筒状隔壁１２の上流に配設されて、外部から空気Ａを取り入れる。
圧縮機３は、筒状隔壁１２内の上流側端部近傍に配設されて、ファン２が取り入れた空気Ａの一部を取り込んで圧縮する。
燃焼器４は、筒状隔壁１２内における圧縮機３の下流側に配設されて、圧縮機３が圧縮した空気Ａに燃料を混合して燃焼させ、燃焼ガスを排出する。
タービン５は、複数のタービン翼５１を備え、筒状隔壁１２内における燃焼器４の下流側に配設されている。そして、タービン５は、燃焼器４が排出する燃焼ガスによって、ファン２及び圧縮機３を駆動する。なお、タービン翼５１は、筒状隔壁１２に固定されるタービン翼５１である静翼５２と、該静翼５２の下流側に配置されると共にシャフト１３を介してファン２及び圧縮機３と接続されるタービン翼５１である動翼５３とによって構成されている。

なお、ケーシング１１の上流側の開口は、空気Ａを取り入れる空気取入口１４とされている。
また、ケーシング１１の下流側の開口は、上記バイパス流Ｙを排出するバイパス流排出口１５とされている。このバイパス流Ｙは、空気取入口１４から取り入れられた空気Ａのうち圧縮機３に取り込まれなかった空気Ａである。
また、筒状隔壁１２の下流側の開口は、上記コア流Ｚを排出するコア流排出口１６とされている。このコア流Ｚは、タービン５からの排気つまり上記燃焼ガスである。

図２は、タービン５が備える本実施形態のタービン翼５１の斜視図である。また、図３は、タービン翼５１の断面図である。
これらの図に示すように、タービン翼５１は、内部が中空とされており、腹側５１ａには、複数の貫通孔５１ｂが形成されている。一方、タービン翼５１の背側５１ｃの流れの速い領域である高速部（主に後半部）には、貫通孔５１ｂが形成されていない。

また、タービン翼５１の後縁部５１ｄの腹側５１ａには、複数の切欠き部５１ｅが形成されている。図４は、切欠き部５１ｅの近傍を拡大した斜視図である。この図に示すように、タービン翼５１の後縁部５１ｄは、腹側５１ａに切欠き部５１ｅが形成されることによって厚みｄが、切欠き部５１ｅが形成されない場合と比較して薄くなるように構成されている。
さらに、タービン翼５１には、タービン翼５１の内部から切欠き部５１ｅに連通する貫通部であるスロット５１ｆが、切欠き部５１ｅごとに形成されている。

そして、本実施形態のタービン翼５１においては、切欠き部５１ｅによって露出される領域Ｒに、後縁部５１ｄの放熱を促進させるための複数のピン部５１ｇ（放熱促進手段）が設置されている。なお、具体的には、ピン部５１ｇは、切欠き部５１ｅによって露出された面Ｓに立設され、その高さが、切欠き部５１ｅを形成しなかった場合におけるタービン翼５１の腹側の表面位置から外側に向けて突出しないように設定されている。このように、ピン部５１ｇの高さを設定することによって、空力性能の低下を抑制することができる。

なお、本実施形態において各ピン部５１ｇは、タービン翼５１の成形の際に形成されるものであり、タービン翼５１と一体とされている。ただし、各ピン部５１ｇは、タービン翼５１と別体で形成し、タービン翼５１に対して脱着可能な構成としても良い。
そして、各ピン部５１ｇは、タービン翼５１の成形の際に形成される場合にはタービン翼５１と同様の材料によって形成され、タービン翼５１と別体で形成する場合にはタービン翼５１と同等のあるいはタービン翼５１より高い熱伝導率を有する材料によって形成される。

また、本実施形態のタービン翼５１の内部には、タービン翼５１の根元部５１ｈを介して冷却空気（冷却ガス）が供給されるように構成されている。
なお、上記冷却空気としては、例えばファン２にてガスタービンエンジン１の内部に取り込んだ外気の一部を用いることができる。

このような構成を有する本実施形態のタービン翼５１の内部に根元部５１ｈを介して冷却空気が供給されると、冷却空気は、タービン翼５１全体を内部から冷却すると共に、一部が腹側５１ａに形成された貫通孔５１ｂを介して排出されてタービン翼５１の腹側５１ａをフィルム冷却する。

また、タービン翼５１の内部に供給された冷却空気の一部は、スロット５１ｆから排出されて、後縁部５１ｄの腹側５１ａに形成された切欠き部５１ｅによって露出された面Ｓをフィルム冷却する。つまり、タービン翼５１の内部に供給された冷却空気の一部は、切欠き部５１ｅを介して排出される。

そして、本実施形態のタービン翼５１においては、複数のピン部５１ｇが切欠き部５１ｅによって露出された面Ｓに立設されている。このため、切欠き部５１ｅによって露出された面Ｓの見かけ上の表面積が増加し、後縁部５１ｄの放熱面が増加すると共に、流れの乱れが助長され、高温流体と冷却空気が混合され熱の拡散が促進されるので熱伝達率も増加する。このため、本実施形態のタービン翼５１は、後縁部５１ｄの冷却効率に優れたものとなる。
一方で、本実施形態のタービン翼５１においては、タービン翼５１の背側５１ｃの高速部（流れの速い領域）に冷却空気を噴出させることなく、後縁部５１ｄの冷却効率の向上が図られている。このため、空力性能が低下することを防ぐことができる。

このように本実施形態のタービン翼５１によれば、空力性能を維持しながらタービン翼の後縁部の冷却効率を向上させてタービン翼の耐久性を向上させることが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本第２実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図５は、本実施形態のタービン翼の切欠き部５１ｅの近傍を拡大した斜視図である。この図に示すように、本実施形態のタービン翼には、上記第１実施形態のタービン翼のピン部５１ｇに換えて、切欠き部５１ｅによって露出される面Ｓに複数のディンプル部５１ｉ（放熱促進手段）が形成されている。

このような本実施形態のタービン翼においても、ディンプル部５１ｉにて、切欠き部５１ｅによって露出された面Ｓの見かけ上の表面積が増加し、後縁部５１ｄの放熱面が増加すると共に、流れの乱れが助長され、高温流体と冷却空気が混合され熱の拡散が促進されるので熱伝達率も増加する。このため、本実施形態のタービン翼は、後縁部５１ｄの冷却効率に優れたものとなる。
一方で、本実施形態のタービン翼においては、タービン翼の背側５１ｃの高速部（流れの速い領域）に冷却空気を噴出させることなく、後縁部５１ｄの冷却効率の向上が図られている。このため、空力性能が低下することを防ぐことができる。

このように本実施形態のタービン翼によれば、空力性能を維持しながらタービン翼の後縁部の冷却効率を向上させてタービン翼の耐久性を向上させることが可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。なお、本第３実施形態の説明においても、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図６は、本実施形態のタービン翼の切欠き部５１ｅの近傍を拡大した斜視図である。この図に示すように、本実施形態のタービン翼には、上記第１実施形態のタービン翼のピン部５１ｇに換えて、切欠き部５１ｅによって露出される面Ｓに、冷却空気の流れ方向に配置された複数の段部５１ｊ（放熱促進手段）が立設されている。

これらの段部５１ｊは、冷却空気の流れ方向と直交する方向に延在されて切欠き部５１によって露出された面Ｓに立設され、その高さが、切欠き部５１ｅを形成しなかった場合におけるタービン翼の腹側の表面位置から外側に向けて突出しないように設定されている。このように、段部５１ｊの高さを設定することによって、空力性能の低下を抑制することができる。

なお、本実施形態において各段部５１ｊは、タービン翼の成形の際に形成されるものであり、タービン翼と一体とされている。ただし、各段部５１ｊは、タービン翼と別体で形成し、タービン翼に対して脱着可能な構成としても良い。
そして、各段部５１ｊは、タービン翼の成形の際に形成される場合にはタービン翼と同様の材料によって形成され、タービン翼と別体で形成する場合にはタービン翼と同様のあるいは高い熱伝導率を有する材料によって形成される。

このような本実施形態のタービン翼においても、段部５１ｊにて、切欠き部５１ｅによって露出された面Ｓの見かけ上の表面積が増加し、後縁部５１ｄの放熱面が増加すると共に、流れの乱れが助長され、高温流体と冷却空気が混合され熱の拡散が促進されるので熱伝達率も増加する。このため、本実施形態のタービン翼は、後縁部５１ｄの冷却効率に優れたものとなる。
一方で、本実施形態のタービン翼においては、タービン翼の背側５１ｃの高速部（流れの速い領域）に冷却空気を噴出させることなく、後縁部５１ｄの冷却効率の向上が図られている。このため、空力性能が低下することを防ぐことができる。

このように本実施形態のタービン翼によれば、空力性能を維持しながらタービン翼の後縁部の冷却効率を向上させてタービン翼の耐久性を向上させることが可能となる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。なお、本第４実施形態の説明においても、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図７は、本実施形態のタービン翼の切欠き部５１ｅの近傍を拡大した斜視図である。この図に示すように、本実施形態のタービン翼には、上記第１実施形態のタービン翼のピン部５１ｇに換えて、切欠き部５１ｅによって露出される領域Ｒに放熱促進部品である格子構造体１００（放熱促進手段）が嵌合されている。

図８は、格子構造体１００の斜視図である。この格子構造体１００は、タービン翼に対して取り付け可能な別部品として構成されており、タービン翼と同様のあるいは高い熱伝導率を有する材料によって形成される。
また、格子構造体１００は、その高さが、切欠き部５１ｅを形成しなかった場合におけるタービン翼の腹側の表面位置から外側に向けて突出しないように設定されている。このように、格子構造体１００の高さを設定することによって、空力性能の低下を抑制することができる。
このような格子構造体１００は、例えば、耐熱性の高いニッケルロウ材によってタービン翼に対して固定可能とされており、切欠き部を有する既存のタービン翼に対して後付けすることが可能とされている。

そして、このような格子構造体１００を有する本実施形態のタービン翼によれば、格子構造体１００にて、切欠き部５１ｅによって露出された面Ｓの見かけ上の表面積が増加し、後縁部５１ｄの放熱面が増加すると共に、流れの乱れが助長され、高温流体と冷却空気が混合され熱の拡散が促進されるので熱伝達率も増加する。このため、本実施形態のタービン翼は、後縁部５１ｄの冷却効率に優れたものとなる。
一方で、本実施形態のタービン翼においては、タービン翼の背側５１ｃの高速部（流れの速い領域）に冷却空気を噴出させることなく、後縁部５１ｄの冷却効率の向上が図られている。このため、空力性能が低下することを防ぐことができる。

このように本実施形態のタービン翼によれば、空力性能を維持しながらタービン翼の後縁部の冷却効率を向上させてタービン翼の耐久性を向上させることが可能となる。

また、本実施形態における格子構造体１００によれば、切欠き部を有する既存のタービン翼に対して後付けすることが可能とされている。このため、既存のタービンにおける空力性能を維持しながらタービン翼の後縁部の冷却効率を向上させてタービン翼の耐久性を向上させることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係るタービン翼及びタービン翼後縁部の放熱促進部品の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、本実施形態のタービン翼及びタービン翼の放熱促進部品を備えるガスタービンエンジンを挙げて説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、発電用のガスタービンや蒸気タービンに本実施形態のタービン翼及びタービン翼の放熱促進部品を用いることも可能である。

また、上記実施形態においては、本発明の放熱促進手段として、ピン部、ディンプル部、段部、格子構造体を挙げて説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の放熱促進手段としては、切欠き部によって露出される面の見かけ上の面積を増加すると共に、流れの乱れが助長されて熱伝達率も増加する構造を用いることができる。例えば、格子構造をハニカム構造としてもよい。

また、上記実施形態においては、本発明の後付けする放熱促進部品が格子構造体である構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の放熱促進部品の形状は、任意である。
例えば、複数のフィンを備えるフィン構造体を本発明の放熱促進部品として用いることも可能である。

また、上記実施形態においては、冷却ガスとして外気を用いる構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、冷却ガスとして、他の気体を用いることも可能である。

本発明の第１実施形態におけるタービン翼を備えるガスタービンエンジンの概略構成を示す断面図である。 本発明の第１実施形態におけるタービン翼の斜視図である。 本発明の第１実施形態におけるタービン翼の断面図である。 本発明の第１実施形態におけるタービン翼の切欠き部の近傍を拡大した斜視図である。 本発明の第２実施形態におけるタービン翼の切欠き部の近傍を拡大した斜視図である。 本発明の第３実施形態におけるタービン翼の切欠き部の近傍を拡大した斜視図である。 本発明の第４実施形態におけるタービン翼の切欠き部の近傍を拡大した斜視図である。 本発明の第４実施形態における格子構造体の斜視図である。

符号の説明

１……ガスタービンエンジン、５……タービン、５１……タービン翼、５１ａ……腹側、５１ｃ……背側、５１ｄ……後縁部、５１ｅ……切欠き部、５１ｇ……ピン部（放熱促進手段）、５１ｉ……ディンプル部（放熱促進手段）、５１ｊ……段部（放熱促進手段）、１００……格子構造体（放熱促進手段、放熱促進部品）、Ｒ……切欠き部によって露出される領域、Ｓ……切欠き部によって露出される面

Claims (8)

1. 内部に冷却ガスが供給されると共に、内部に供給された前記冷却ガスを後縁部の腹側に形成された切欠き部を介して排出可能なタービン翼であって、
   前記切欠き部によって露出される領域に設置される放熱促進手段を備えることを特徴とするタービン翼。
2. 前記放熱促進手段は、前記切欠き部によって露出される面に立設される複数のピン部であることを特徴とする請求項１記載のタービン翼。
3. 前記放熱促進手段は、前記切欠き部によって露出される面に形成される複数のディンプル部であることを特徴とする請求項１記載のタービン翼。
4. 前記放熱促進手段は、前記切欠き部によって露出される面に立設されると共に前記冷却ガスの流れ方向と直交する方向に延在する複数の段部であることを特徴とする請求項１記載のタービン翼。
5. 前記放熱促進手段は、前記切欠き部によって露出される領域に嵌合される格子構造体であることを特徴とする請求項１記載のタービン翼。
6. 前記放熱促進手段は、前記切欠き部によって露出される領域に対して脱着可能とされていることを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載のタービン翼。
7. 内部に供給された冷却ガスが後縁部の腹側に形成された切欠き部を介して排出可能とされたタービン翼の前記切欠き部によって露出される領域に対して取り付け可能であると共に、前記タービン翼の前記後縁部の放熱を促進することを特徴とするタービン翼後縁部の放熱促進部品。
8. 前記放熱促進部品は、格子構造体であることを特徴とする請求項７記載のタービン翼後縁部の放熱促進部品。
   

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