JP2010242710A - タービンの冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンブレードの根元部分を効果的に冷却できるタービンの冷却構造を提供することを課題とする。
【解決手段】タービンディスク３ａの外周側に空洞部３ｃを設けると共に、当該空洞部３ｃと、タービンディスク３ａの周面に並設された多数のタービンブレード３ｂ，３ｂ同士の間の外部Ａとを連通する連通部３ｄを設け、この連通部３ｄにその一部が進入配置したコマ４によって、空洞部３ｃから連通部３ｄを介してタービンブレード３ｂ，３ｂ同士の間の外部Ａへ流出する冷却空気の量及び方向を制御し、タービンブレード３ｂの根元部分を効果的に冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービンの冷却構造に関する。

従来、図７に示すように、大気を圧縮機１で圧縮し、この圧縮空気を燃焼器２で燃焼し、この燃焼器２からの燃焼ガスによりタービン３を回転させて機械的動力を得ると共に、高速の排気ガスから推力を得るタービンエンジンが知られている（例えば、特許文献１参照）。このタービンエンジンを構成するタービン３は、図７及び図８に示すように、円板状のタービンディスク３ａの外周面に多数のタービンブレード３ｂを並設して備えるのが一般的である。

ここで、タービンエンジンの場合、タービン入口温度を上げると熱効率が上がる。従って、通常サイズのタービンエンジンでは、タービンブレード３ｂの表面に熱遮蔽コーティングを施すと共に、タービンブレード３ｂの内部に冷却空気の通路を設け、ブレード温度よりも高いタービン入口温度を実現することが一般的に行われている。

特開２００７−２２４８６６号公報

しかしながら、小型サイズのタービンエンジンにあっては、タービンブレード３ｂが小さく且つ薄くなるため、熱遮蔽コーティングが適用できず、タービンブレード３ｂの内部に冷却空気の通路を設けるスペースも無い。

本発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、タービンブレード、特にタービンブレードの根元部分を効果的に冷却できるタービンの冷却構造を提供することを課題とする。

本発明によるタービンの冷却構造は、タービンディスクの周面に多数のタービンブレードを並設して備えると共に燃焼器からの燃焼ガスにより回転するタービンを冷却するための構造であって、タービンディスクの外周側に設けられた空洞部と、タービンディスクに設けられ、空洞部とタービンブレード同士の間の外部とを連通する連通部と、空洞部から連通部を介してタービンブレード同士の間の外部へ流出する冷却空気の量及び方向を制御するように、連通部にその一部が進入配置されたコマと、を具備したことを特徴としている。

このようなタービンの冷却構造によれば、タービンディスクの外周側に空洞部が設けられると共に、当該空洞部と、タービンディスクの周面に並設された多数のタービンブレード同士の間の外部とを連通する連通部が設けられ、この連通部にその一部が進入配置されたコマによって、空洞部から連通部を介してタービンブレード同士の間の外部へ流出する冷却空気の量及び方向が制御されるため、タービンブレードの根元部分を効果的に冷却できる。

ここで、コマは、空洞部に配置され連通部より大径の内側部と、外部に配置され連通部より大径の外側部と、連通部に進入し内側部と外側部とを連結する連結部と、を備えて断面略Ｈ字状を成し、冷却空気の量及び方向を制御するように、タービンの回転時に内側部から冷却空気が流入し外側部から冷却空気が流出する冷却空気通路を有しているのが好ましい。

このような構成を採用した場合、タービンの静止時及び回転時の何れの場合でも、内側部、外側部が連通部を通らないため、コマの離脱を防止できると共に、タービンの回転時にコマに遠心力が作用した場合に、冷却空気通路により冷却空気が内側部から流入し外側部から流出し冷却空気の量及び方向が制御されるため、タービンブレードの根元部分を効果的に冷却できる。

このように本発明によれば、タービンブレードの根元部分を効果的に冷却できるタービンの冷却構造を提供することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係るタービンの冷却構造を示す断面構成図である。 本発明の第２実施形態に係るタービンの冷却構造を示す断面構成図である。 本発明の第３実施形態に係るタービンの冷却構造を示す断面構成図である。 本発明の第４実施形態に係るタービンの冷却構造を示す断面構成図である。 本発明の第５実施形態に係るタービンの冷却構造を示す断面構成図である。 本発明の第６実施形態に係るタービンの冷却構造を示す断面構成図である。 一般的なタービンエンジンを示す概略構成図である。 図７中のタービンを示す斜視図である。

以下、本発明によるタービンの冷却構造の好適な実施形態について図１〜図６を参照しながら説明する。なお、各図において、同一の要素には同一の記号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の第１実施形態に係るタービンの冷却構造を示す断面構成図である。

図１に示すように、本実施形態のタービンの冷却構造は、タービンディスク３ａの外周側に設けられた空洞部３ｃと、タービンディスク３ａに設けられ、空洞部３ｃとタービンブレード３ｂ，３ｂ同士の間の外部Ａとを連通する連通部３ｄと、空洞部３ｃから連通部３ｄを介してタービンブレード３ｂ，３ｂ同士の間の外部Ａへ流出する冷却空気の量及び方向を制御するように、連通部３ｄにその一部が進入配置されたコマ４と、を具備して成る。

空洞部３ｃは、タービンディスク３ａにおけるタービンブレード３ｂ，３ｂ同士の間に対応する位置（タービンブレード３ｂ，３ｂ同士の間の外部Ａより内側位置）に設けられ、この空洞部３ｃと外部Ａとを連通する連通部３ｄは、大径の孔又は大きいスリットにより構成され、空洞部３ｃの略中央とタービンブレード３ｂ，３ｂ間の略中央とを連通する。

コマ４は、断面略Ｈ字状を成すように構成され、空洞部３ｃに配置され連通部３ｄより大径の内側部（内側の部分）４ａと、外部Ａに配置され連通部３ｄより大径の外側部（外側の部分）４ｂと、連通部３ｄに進入し内側部４ａと外側部４ｂとを連結する連結部４ｃと、を備える。

そして、コマ４の図示左右両側には、空洞部３ｃから外部Ａに向かうように冷却空気が流れる冷却空気通路４ｄが設けられている。具体的には、この冷却空気通路４ｄは、内側部４ａの径方向外側、連通部３ｄの周方向外側、外側部４ｂの径方向内側に連続して設けられた凹設溝であって全体でコの字状を成し、内側部４ａの径方向外側の凹設溝は空洞部３ｃと連通し、外側部４ｂの径方向内側の凹設溝は外部Ａと連通するように構成される。

このような第１実施形態によれば、タービン３が回転し、コマ４に遠心力が作用すると、当該コマ４は、タービンブレード３ｂの取付部となるプラットフォーム３ｐの内側の面に、その内側部４ａの外側の面が当接し位置決めされ、この状態で、外側部４ｂの外側の面が、プラットフォーム３ｐの外側の面とほぼ面一とされる。

このとき、凹設溝より成る冷却空気通路４ｄは連通状態にあるため、空洞部３ｃの冷却空気は、当該冷却空気通路４ｄを通して流れ外部Ａに流出する。この状態で、コマ４は、連通部３ｄにおいて、タービンブレード３ｂの根元部分の冷却に不必要な部分（中央部分）をシールする。

ここで、流出する冷却空気の量及び方向は、コマ４により制御され、タービンブレード３ｂの根元部分に対応する外部領域Ｘに冷却空気が向かうように構成されているため、冷却空気は、タービンブレード３ｂに沿って流れ、タービン主流の高温ガスからタービンブレード３ｂの根元部分が遮断され、タービンブレード３ｂの根元部分が効果的に冷却される。

また、本実施形態によれば、タービン３の静止時及び回転時の何れの場合でも、内側部４ａ、外側部４ｂが連通部３ｄを通らないため、コマ４の離脱が防止されている。

なお、連通部３ｄは、タービンディスク３ａのリム部の熱応力の緩和にも寄与する。

図２は、本発明の第２実施形態に係るタービンの冷却構造を示す断面構成図である。

この第２実施形態が第１実施形態と違う点は、第１実施形態の大径の孔又は大きいスリットより成る連通部３ｄを、これより小径の孔又は小さいスリットの連通部３ｅとして複数設け、この連通部３ｅを冷却空気通路として、この冷却空気通路３ｅの出口（流出口）がタービンブレード３ｂの根元部分を臨むように設けた点である。

このような第２実施形態によれば、空洞部３ｃの冷却空気は、小径の孔又は小さいスリットより成る冷却空気通路３ｅでその流量が制限されると共に加速されてタービンブレード３ｂの根元部分に対応する外部領域Ｘに向かい、タービンブレード３ｂに沿って流れ、これにより、タービン主流の高温ガスからタービンブレード３ｂの根元部分が遮断され、タービンブレード３ｂの根元部分が効果的に冷却される。

図３は、本発明の第３実施形態に係るタービンの冷却構造を示す断面構成図である。

この第３実施形態が第２実施形態と違う点は、第２実施形態の空洞部３ｃを、仕切壁３ｉにより、内側の空洞部３ｆと外側の空洞部３ｇとに分けるようにし、第２実施形態の冷却空気通路３ｅに代えて、仕切壁３ｉに内側の空洞部３ｆと外側の空洞部３ｇとを連通し、タービンブレード３ｂの根元部分に向かう小径の孔から成る冷却空気通路３ｈを設けた点である。

このような第３実施形態によれば、内側の空洞部３ｆの冷却空気は、小径の孔より成る冷却空気通路３ｈでその流量が制限されると共に加速されて外側の空洞部３ｇを構成する内壁に衝突し、熱伝導によりタービンブレード３ｂの根元部分が効果的に冷却される。

図４は、本発明の第４実施形態に係るタービンの冷却構造を示す断面構成図である。

この第４実施形態が第２実施形態と違う点は、第２実施形態の空洞部３ｃ内に、空洞部３ｃを構成する内壁に沿って外側に凸となるように弓形に湾曲する仕切板５を設けた点である。

仕切板５は、弓形の湾曲に沿って凹凸が繰り返される凹凸板であり、その凹部分、特に弓形の頂点付近の凹部分には、タービンブレード３ｂの根元部分に向かう小径の孔から成る冷却空気通路５ａが設けられている。また、空洞部３ｃの内壁には、タービン３の静止時に仕切板５が内側に移動するのを防止するためのストッパ３ｊが設けられている。

このような第４実施形態によれば、タービン３が回転し、仕切板５に遠心力が作用すると、外側に凸となっている凸部が、空洞部３ｃを構成する内壁に押し当てられて位置決めされると共に、空洞部３ｃを構成する内壁と凹部分との間に空洞部３ｋが形成され、空洞部３ｃの冷却空気は、仕切板５の小径の孔より成る冷却空気通路５ａでその流量が制限されると共に加速されて、空洞部３ｋを構成する内壁に衝突し、熱伝導によりタービンブレード３ｂの根元部分が効果的に冷却される。

また、タービン３の静止時には、ストッパ３ｊにより、仕切板５の内側への移動が防止され位置決めされる。この仕切板５は自身の遠心力で永久変形を起こさないように補強されている。

なお、仕切板５に孔より成る冷却空気通路５ａを設けるようにしているため、第３実施形態のように仕切壁３ｉに孔より成る冷却空気通路３ｈを設ける場合に比して、孔の加工が容易であると共に、孔の位置、大きさ、壁との間の距離等の調整が容易である。

図５は、本発明の第５実施形態に係るタービンの冷却構造を示す断面構成図である。

この第５実施形態が第４実施形態と違う点は、タービンディスク３ａにおけるタービンブレード３ｂ，３ｂ同士の間に対応する位置に設けられた空洞部３ｃを、タービンディスク３ａにおけるタービンブレード３ｂの内側（延長線上）に設けた点である。

このような第５実施形態によれば、冷却空気通路５ａから流出し空洞部３ｋを構成する内壁に衝突する冷却空気の位置を、第４実施形態に比して、タービンブレード３ｂの根元部分に近くできるため、第４実施形態に比して、タービンブレード３ｂの根元部分が一層効果的に冷却される。

なお、図に矢印で示すように、タービンブレード３ｂの遠心荷重はストレートにタービンディスク３ａには伝わらず、分岐してタービンディスク３ａに伝わる。因みに、図１に示す第１実施形態、図２に示す第２実施形態、図３に示す第３実施形態、図４に示す第４実施形態では、タービンブレード３ｂの遠心荷重がストレートにタービンディスク３ａに伝わる。

図６は、本発明の第６実施形態に係るタービンの冷却構造を示す断面構成図である。

この第６実施形態が第５実施形態と違う点は、空洞部３ｃの幅を小さくし、１つのタービンブレード３ｂに対し、当該タービンブレード３ｂの内側の空洞部３ｃ及びその両隣の空洞部３ｃにより冷却するようにした点である。

このような第６実施形態にあっても、第５実施形態とほぼ同様な効果を得ることができると共に、第５実施形態に比して、タービンブレード３ｂの遠心荷重を分岐することなく無理せずタービンディスク３ａに伝えることができる。

以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

２…燃焼器、３…タービン、３ａ…タービンディスク、３ｂ…タービンブレード、３ｃ…空洞部、３ｄ…連通部、４…コマ、４ａ…内側部、４ｂ…外側部、４ｃ…連結部、４ｄ…冷却空気通路、Ａ…外部。

Claims (2)

1. タービンディスクの周面に多数のタービンブレードを並設して備えると共に燃焼器からの燃焼ガスにより回転するタービンを冷却するための構造であって、
   前記タービンディスクの外周側に設けられた空洞部と、
   前記タービンディスクに設けられ、前記空洞部と前記タービンブレード同士の間の外部とを連通する連通部と、
   前記空洞部から前記連通部を介して前記タービンブレード同士の間の前記外部へ流出する冷却空気の量及び方向を制御するように、前記連通部にその一部が進入配置されたコマと、を具備したことを特徴とするタービンの冷却構造。
2. 前記コマは、
   前記空洞部に配置され前記連通部より大径の内側部と、
   前記外部に配置され前記連通部より大径の外側部と、
   前記連通部に進入し前記内側部と外側部とを連結する連結部と、を備えて断面略Ｈ字状を成し、
   前記冷却空気の量及び方向を制御するように、前記タービンの回転時に前記内側部から前記冷却空気が流入し前記外側部から前記冷却空気が流出する冷却空気通路を有することを特徴とする請求項１記載のタービンの冷却構造。

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