JP2010502872A - 冷却形タービン動翼 - Google Patents

Abstract

本発明は取付け部（１２）と翼形部（１６）を備えている軸流ガスタービンにおける冷却形タービン動翼（１０）に関する。その翼形部（１６）の内部に方向転換域（３０）が中間接続された蛇行状冷却路（２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）が設けられている。少なくとも１つのリブ（２４）が翼形部先端（２７）の範囲において前縁（１８）あるいは後縁（２０）に向けて湾曲されていることによって、方向転換域（３０）における従来生じていた死水域の発生が防止される。同時に、リブ（２４）の湾曲部（３２）に、方向転換域（３０）内を流れる冷却材（２９）の一部がそれを通して隣り合う冷却路（２２ｄ）に流れこむ開口（４０）が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は特許請求の範囲の請求項１の前文に記載の冷却形タービン動翼に関する。

翼形部（羽根部）付きのかかるタービン動翼は例えば欧州特許出願公開第０７３５２４０号明細書で知られている。翼形部を冷却するために、内部に互いに隣接する複数の冷却路が設けられ、これらの冷却路は蛇行状に配置され冷却材で順々に貫流される。それらの冷却路は前縁に対して平行に延びている。それぞれ隣り合う冷却路は互いにリブによって仕切られ、そのリブは隣り合う冷却路が連通する方向転換域で終えている。冷却空気が例えば外向き流れから内向き流れに方向転換される方向転換域に遅い流速領域が発生され、従って不十分な冷却作用が生ずることを防止するために、その箇所にバッフル板が設けられている（前記明細書の図１２参照）。しかしそのバッフル板にもかかわらず、方向転換域に局所的な過熱が生じてしまい、それはタービン翼の寿命を短縮させる。

また、内部に互いに平行に延びる複数の冷却路を有するタービン翼が米国特許第５２４６３４０号明細書で知られている。それらの冷却路はそれぞれリブにより仕切られている。隣り合う冷却路を互いに連通する開口がタービン翼先端の領域でリブに設けられ、タービン翼先端を衝突冷却するために、その開口を通して冷却材が横向きに流れる。

さらに、英国特許第２１０６９９６号明細書に薄板状衝突冷却インサート(組込み物)を備えたタービン翼が開示されている。

本発明の課題は、寿命が向上されたタービン動翼を提供することにある。

冒頭に述べた形式の冷却形タービン動翼に向けられた課題は、その冷却形タービン動翼が特許請求の範囲の請求項１に応じて形成されていることによって解決される。本発明に応じて、少なくとも１つのリブが（取付け部から翼形部先端部位の方向に見て）ほぼ一定したリブ厚を有し、翼形部先端の範囲において断面鋭角な冷却路隅部を形成して前縁あるいは後縁に向けて湾曲され、その湾曲部に隣り合う冷却路を互いに連通する少なくとも１つの開口が設けられ、その隅部に隣接する冷却路を流れる冷却材流の一部が前記開口を通して冷却路の隅部に流れるようにされていることを提案する。

湾曲されたリブによって、冷却路を通して流れる冷却空気の方向転換が本質的に空気力学的に行われる。その方向転換部はリブの一体構造部分であり、これによって、方向転換域における流速が低いか存在しない領域（死水域）の発生が防止される。この結果、リブが湾曲している部分の冷却路において流速がほぼ一定に保たれる。しかしリブの湾曲によって、隣の冷却路に、死水域を形成してしまう鋭角な隅部が生ずる。隣の冷却路における隅部に死水域が発生することを防止するために、湾曲部に隣り合う冷却路を互いに連通する少なくとも１つの開口が設けられ、その開口を通して冷却材流の一部が予め一方の冷却路から他方の冷却路に流れるようにされている。

また、湾曲リブに形成された開口は特に単純に形成できる。タービン動翼を鋳造するために利用される鋳造装置は、冷却材で貫流される空洞を製造するために中子を有し、その中子は蛇行状に配置された中子要素を有している。これらの互いに隣接し蛇行状に配置された中子要素を相互に支持するために、隣り合う中子要素間に中子押えが設けられ、この中子押えは、鋳造された一体形タービン動翼から中子を除去した後、リブの湾曲部に開口を残存させる。これによって、安定化された中子が得られ、これは製造精度を高める。

本発明の有利な実施態様は従属請求項に記載されている。

また、特に有利な実施態様において、同様にしばしば局所的に過熱される、天井裏とも呼ばれる、閉鎖壁が、その開口を通して流出する冷却材噴射流により衝突冷却され、これによって、その閉鎖壁の特に効果的な冷却が行われる。そのために、その開口はその長手方向が閉鎖壁に向くように傾斜するだけで済む。

好適には、後縁に隣接するリブが翼形部先端の範囲において湾曲されている。そのリブは、（取付け部から先端部位の方向に見て）前縁に向けて湾曲され、これによって、隣り合う冷却路間の方向転換域の部分に、本質的に一様な流れ開口断面が形成される。これは冷却材における圧力損失を低減する。特に軽量のタービン動翼を得るために、リブはその湾曲に沿ってほぼ一定したリブ厚を有している。

本発明の他の有利な実施態様において、閉鎖壁の内側面に乱流発生体が形成されている。これによって、閉鎖壁ないし天井裏の冷却が簡単な様式で向上される。タービン動翼の形成に応じて、隣接する複数の冷却路が冷却材によって順々にあるいは並行して貫流されるようにできる。並行して貫流される冷却路の場合、開口を通して生ずる冷却材流を維持するために、十分な圧力勾配が存在するように注意しなければならない。

以下図を参照して本発明を詳細に説明する。図には蛇行状に配置された冷却路を備えた本発明に基づくタービン動翼が断面図で示されている。

図は鋳造で製造されたタービン動翼１０を断面図で示している。従って一体形のタービン動翼１０は翼台座１４付きの断面クリスマスツリー状取付け部並びにそれに続いて一体に形成された翼形部１６を有している。断面が流線型的な翼形部１６はそれぞれ前縁１８から後縁２０まで延びている腹側翼壁と背側翼壁で形成され、翼形部１６の内部に空洞を有し、この空洞の内部に複数の冷却路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄが形成されている。それらの冷却路２２は互いに隣接し、それぞれ前縁１８に対してほぼ平行に延びている。隣り合う冷却路２２は腹側翼壁と背側翼壁とを結合するリブ２４ａ、２４ｂ、２４ｃによって区域的に互いに仕切られている。取付け部１２とは反対の側の翼形部先端２７の部位において、冷却路２２は天井裏とも呼ばれる閉鎖壁２８によって境界づけられている。

図１に示されたタービン動翼１０は前縁側冷却路２２ａを有し、この冷却路２２ａに取付け部側から冷却材例えば冷却空気あるいは冷却蒸気が供給される。その供給された冷却空気は翼形部１６の前縁１８の部位を、例えば対流冷却、衝突冷却および／又は膜冷却のような通常の冷却方式で冷却する。

冷却路２２ｂに翼脚側から供給される冷却材２９はその冷却路２２ｂに沿って翼形部先端２７まで流れ、続いて、方向転換域３０においてその流れ方向が方向転換され、即ち、取付け部１２の方向に向けて方向転換される。そのために、後縁２０に隣接するリブ２４ｃは、翼形部先端２７の範囲において一定したリブ厚Ｄで湾曲されている。その湾曲部３２はリブ２４ｃが（取付け部１２から先端部位２６の方向に見て）前縁１８に向けて湾曲されるように形成されている。これによって、方向転換域３０の部分は冷却路２２ｃとほぼ同一の冷却路幅Ｂを有している。これによって、冷却路２２ｂ、２２ｃを順々に貫流する冷却材２９の特に空気力学的な方向転換が得られる。

後縁２０に隣接するリブ２４ｃの湾曲部３２のために、冷却路２２ｄにおいて翼形部先端２７の領域に鋭角な隅部３４が形成される。そのリブ２４ｃにおける湾曲部３２の部位に１つの開口４０が設けられ、方向転換域３０内を流れる冷却材２９が、圧力関係に基づいてその開口４０を通して部分的に流出し、隅部３４に流入することができる。場合によっては、隅部３４における流れに的確に影響を与えるために複数の開口４０を設けることもできる。これによって隅部３４を十分に冷却することができる。従って、この箇所に小さな冷却材流速の領域従って不十分な冷却作用の領域が発生されることが確実に防止される。

開口４０を通して流れる冷却材噴射流は閉鎖壁２８の内側面４２に衝突し、その際、翼形部先端２７の衝突冷却を生じさせる。衝突冷却噴射流の冷却作用を一層向上するために、閉鎖壁２８の内側面４２に被冷却表面を増大させる乱流発生体４４を設けることができる。また、閉鎖壁２８の内側面４２に沿って流れる冷却材２９は、乱流発生体４４の煽り立てに基づいて冷却空気側の伝熱係数を増大し、これによって、閉鎖壁（天井裏）の一層向上された冷却が達成される。

リブ２４ａをタービン動翼１０の先端部位２６において本発明に基づいて後縁２０の方向に向けて湾曲して閉鎖壁２８に移行させ、同様にその湾曲部に１つあるいは複数の開口を設けることも考えられる。

全体として本発明によって、取付け部１２と翼形部１６とその翼形部１６内に蛇行状に形成された複数の冷却路２２を備えた特に定置形軸流ガスタービンに対するタービン動翼１０が得られる。方向転換域３０あるいは冷却路端に冷却材２９の小さな流速領域が発生することを防止するために、本発明は、少なくとも１つのリブ２４が翼形部先端２７の範囲において一定したリブ厚Ｄで前縁１８に向けてあるいは後縁２０に向けて湾曲されていること、およびリブ２４の湾曲部３２に方向転換域３０内を流れる冷却材２９の一部がそこを通して隣の冷却路２２ｄに流れこむことができる少なくとも１つの開口４０が設けられていることを提案する。

本発明に基づく冷却形タービン動翼の断面図。

１０ タービン動翼
１２ 取付け部
１６ 翼形部（羽根部）
１８ 前縁
２０ 後縁
２２ 冷却路
２４ リブ
２７ 翼形部先端
２９ 冷却材流
３２ 湾曲部

Claims (6)

1. 定置形軸流ガスタービンにおける冷却形タービン動翼（１０）であって、
   取付け部（１２）と翼形部（１６）を備え、この翼形部（１６）が腹側翼壁と背側翼壁で形成され、取付け部（１２）から翼形部先端（２７）まで延び、前縁（１８）と後縁（２０）を有し、
   この翼形部（１６）の内部に互いに隣接する複数の冷却路（２２）を有し、これらの冷却路（２２）が、腹側翼壁と背側翼壁とを結合し取付け部（１２）から翼形部先端（２７）まで延びるリブ（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）によって少なくとも部分的に互いに仕切られ、冷却路（２２）を翼形部先端側において境界づける閉鎖壁（２８）を備えているタービン動翼（１０）において、
   少なくとも１つのリブ（２４ｃ）が（取付け部（１２）から翼形部先端部位（２６）の方向に見て）ほぼ一定したリブ厚（Ｄ）を有し、翼形部先端（２７）の範囲において長手方向にみて断面が鋭角な冷却路隅部を形成して前縁（１８）あるいは後縁（２０）に向けて湾曲され、その湾曲部（３２）において隣り合う冷却路（２２ｃ、２２ｄ）を連通する少なくとも１つの開口（４０）が設けられ、その隅部に隣接する冷却路（２２ｃ）を流れる冷却材流（２９）の一部が前記開口（４０）を通して冷却路（２２ｄ）の隅部に流れこむようにされていることを特徴とする定置形軸流ガスタービンにおける冷却形タービン動翼（１０）。
2. 後縁（２０）に隣接するリブ（２４ｃ）が翼形部先端（２７）の範囲において湾曲されていることを特徴とする請求項１に記載のタービン動翼（１０）。
3. 開口（１０）が、閉鎖壁が衝突冷却されるように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のタービン動翼（１０）。
4. 閉鎖壁（２８）の内側面（４２）に乱流発生体（４４）が形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のタービン動翼（１０）。
5. 冷却路（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）が冷却材（２９）によって順々にあるいは並行して貫流されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のタービン動翼（１０）。
6. 鋳造製造されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のタービン動翼（１０）。

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