JP2013124613A - タービン翼 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジン等が備えるタービン翼の冷却効率をさらに高める。
【解決手段】冷却空気孔の内部に配置されると共に冷却空気孔５の内壁面から突出して設けられる凸部６を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、タービン翼に関するものである。

ガスタービンエンジン等が備えるタービン翼は、燃焼器によって生成された燃焼ガスに晒されて高温となる。このため、タービン翼の耐熱性を向上させるために、特許文献１〜４に示すような、様々な対策が施されている。例えば、特許文献３には、冷却空気孔から噴き出された冷却空気を突起部によって分流するタービン翼が開示されている。

特許第３９９７９８６号公報 特許第４７５２８４１号公報 特開平１０−８９００５号公報 特開平６−０９３８０２号公報

しかしながら、特許文献３においては、突起部の上方が開放されており、突起部に乗り上げた冷却空気は、その上方を流れる主流ガス（燃焼ガス）によって吹き飛ばされてしまう。つまり、冷却空気の一部が翼体の外壁面に沿うことなく吹き飛ばされてしまう。このため、十分に冷却効率を向上させることができない。

近年においてはガスタービンエンジン等のさらなる出力の向上が求められており、これによって燃焼器で生成される燃焼ガスの温度が、以前にも増して高温化される傾向にある。
このため、ガスタービンエンジン等が備えるタービン翼には、冷却効率のさらなる向上が求められている。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ガスタービンエンジン等が備えるタービン翼の冷却効率をさらに高め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、中空とされた翼体の内壁面から外壁面に貫通する冷却空気孔を備えるタービン翼であって、上記冷却空気孔の内部に配置されると共に上記冷却空気孔の内壁面から突出して設けられる凸部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、上記凸部が、上記翼体の上記外壁面を流れる主流ガスの流れ方向の下流側に位置する上記冷却空気孔の内壁面に設けられているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記冷却空気孔が上記翼体の内壁面側に設けられる直管部と上記翼体の外壁面側に設けられる拡径部とを有し、上記直管部または上記直管部と上記拡径部との接続部位に上記凸部が設けられているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１または第２の発明において、上記冷却空気孔が上記翼体の内壁面側に設けられる直管部と上記翼体の外壁面側に設けられる拡径部とを有し、上記直管部の上記翼体の内壁面側の端部から上記翼体の外壁面側の端部まで連続して上記凸部が設けられているという構成を採用する。

本発明においては、凸部が冷却空気孔の内部に設けられているため、凸部に乗り上げた冷却空気は、主流ガス等の他の流れに影響されることがない。このため、冷却空気の一部が主流ガスによって吹き飛ばされることなく、冷却空気孔から噴き出される冷却空気の多くをフィルム冷却に寄与させることができる。さらに、冷却空気が凸部に乗り上げることによって、流れながら広がるため、より広範囲に冷却空気を噴き出すことが可能となる。
このように本発明によれば、翼体の外壁面の冷却に寄与する冷却空気を減少させることなく、広い範囲に冷却空気を噴き出すことができ、タービン翼の冷却効率を高めることが可能となる。

本発明の第１実施形態におけるタービン翼の概略構成を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態におけるタービン翼が備えるフィルム冷却部の概略図であり、（ａ）が縦断面図であり、（ｂ）が凸部を含む平面図であり、（ｃ）が翼体の内壁面側から見た正面図である。 本発明の第１実施形態におけるタービン翼が備えるフィルム冷却部をモデルとしたシミュレーションによって得られた絶対速度の分布を示す模式図である。 図３における断面Ａ〜断面Ｊにおける絶対速度及び流れ方向を示す模式図である。 図３における凸部の近傍における絶対速度及び流れ方向を示す模式図である。 本発明の第２実施形態におけるタービン翼が備えるフィルム冷却部の概略図であり、（ａ）が縦断面図であり、（ｂ）が凸部を含む平面図であり、（ｃ）が翼体の内壁面側から見た正面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るタービン翼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。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態のタービン翼１の概略構成を示す斜視図である。本実施形態のタービン翼１は、タービン静翼であり、翼体２と、翼体２を挟み込むバンド部３と、フィルム冷却部４とを備えている。

翼体２は、不図示の燃焼器の下流側に配置されており、燃焼器によって生成された燃焼ガスＧ（図２参照）の流路に配置されている。この翼体２は、前縁２ａと、後縁２ｂと、正圧面２ｃと、負圧面２ｄとを有する翼形状とされている。翼体２は、中空とされており、内部に冷却空気を導入するための内部空間を有している。翼体２の内部空間には、不図示の冷却空気流路が接続されており、例えば燃焼器の上流側に設置される圧縮機から抽気された空気が冷却空気として導入される。バンド部３は、翼体２を高さ方向から挟み込んで設けられおり、燃焼ガスＧの流路壁の一部として機能する。これらのバンド部３は、翼体２のチップとハブに一体化されている。

図２は、フィルム冷却部４の概略図であり、（ａ）が縦断面図であり、（ｂ）が後述の凸部６を含む平面図であり、（ｃ）が翼体２の内壁面２ｅ側から見た正面図である。これらの図に示すように、フィルム冷却部４は、冷却空気孔５と、凸部６とを備えている。

冷却空気孔５は、翼体２の内壁面２ｅから外壁面２ｆに貫通する貫通孔であり、内壁面２ｅ側の直管部５ａと、外壁面２ｆ側の拡径部５ｂとから構成されている。直管部５ａは、直線状に延びる部位であり、断面が長孔形状とされている。また、直管部５ａは、内壁面２ｅ側の端部より外壁面２ｆ側の端部が翼体２の外壁面２ｆに沿って流れる主流ガスＧの下流側に配置されるように傾斜されている。拡径部５ｂは、外壁面２ｆに向かうに連れて流路断面が大きくなる部位である。なお、図２（ａ）に示すように、拡径部５ｂは、内壁面２ｅ側から外壁面２ｆ側に向かうに連れて、側壁面５ｃが翼体２の高さ方向に広がる形状とされている。
このような冷却空気孔５は、翼体２の内部空間から供給される冷却空気Ｙを外壁面２ｆに向けて案内すると共に、拡径部５ｂにおいて冷却空気Ｙを翼体２の高さ方向に分散させて広げてから外壁面２ｆに沿って噴き出す。

凸部６は、冷却空気孔５の内部に配置されると共に冷却空気孔５の内壁面から突出して設けられている。この凸部６は、図２に示すように、翼体２の内壁面２ｅ側が三角形状の衝突面６ａとされた三角錐形状とされている。また、凸部６は、冷却空気孔５の内壁面のうち、燃焼ガスＧ（主流ガス）の流れ方向の下流側に位置する部位に設けられている。さらに凸部６は、直管部５ａと拡径部５ｂとの接続部位に設けられている。

なお、図１に示すように、本実施形態のタービン翼１においては、上述のように構成されたフィルム冷却部４が多数設けられている。このようなフィルム冷却部４から噴出された冷却空気Ｙが翼体２の外壁面２ｆに沿って流れ、これによって翼体２の外壁面２ｆがフィルム冷却される。

このような構成を有する本実施形態のタービン翼１によれば、翼体２の内部から冷却空気がフィルム冷却部４の冷却空気孔５に流れ込む。冷却空気孔５に流れ込んだ冷却空気Ｙは、流路面積が変化しない直管部５ａで真っ直ぐと案内され、流路面積が連続的に広がる拡径部５ｂで翼体２の高さ方向に広がりながら流れる。よって、本実施形態のタービン翼１が備える冷却空気孔５によれば、直管部のみからなる冷却空気孔と比較して、翼体２の高さ方向において、より広範囲に冷却空気Ｙを噴き出すことができ、翼体２の外壁面２ｆをより広範囲に冷却することができる。

また、本実施形態のタービン翼１においては、凸部６が冷却空気孔５の内部に設けられている。このため、凸部６に乗り上げた冷却空気Ｙは、燃焼ガスＧの流れに影響されることがない。このため、冷却空気Ｙの一部が燃焼ガスＧによって吹き飛ばされることなく、冷却空気孔５から噴き出される冷却空気Ｙの多くをフィルム冷却に寄与させることができる。さらに、冷却空気Ｙが凸部６に乗り上げることによって、流れながら広がるため、より広範囲に冷却空気Ｙを噴き出すことが可能となる。
このように本実施形態のタービン翼１によれば、翼体２の外壁面２ｆの冷却に寄与する冷却空気Ｙを減少させることなく、広い範囲に冷却空気Ｙを噴き出すことができ、タービン翼１の冷却効率を高めることが可能となる。

また、本実施形態のタービン翼１において凸部６は、翼体２の外壁面２ｆを流れる燃焼ガスＧの流れ方向の下流側に配置されている。これによって、冷却空気Ｙを翼体２の高さ方向に広げて噴き出すことが可能となる。

また、本実施形態のタービン翼１においては、直管部５ａと拡径部５ｂとの接続部位に凸部６が設けられている。拡径部５ｂは直管部５ａよりも空間的に広いため、凸部６が直管部５ａと拡径部５ｂとの接続部位に設けられることによって、凸部６に乗り上げることによって広がろうとする冷却空気Ｙが広がるための空間を確保することができる。したがって、冷却空気Ｙの広がりが阻害されず、より広範囲に冷却空気Ｙを噴き出すことができる。

図３〜図５は、本実施形態のタービン翼１のフィルム冷却部４における流れをシミュレーションした結果を模式的に示す図である。図３はフィルム冷却部４における冷却空気Ｙの絶対速度の分布を示し、図４は図３における断面Ａ〜断面Ｊにおける冷却空気Ｙの絶対速度及び局所的な流れ方向を示し、図５は凸部６の近傍における絶対速度及び局所的な流れ方向を示している。なお、図３及び図５に示すように、冷却空気Ｙは、直管部５ａ側から拡径部５ｂに向かって流れている。また、図４及び図５においては、冷却空気孔５内部における冷却空気Ｙの局所的な流れ方向を太い矢印にて示している。

これらの図（特に図４のＥ〜Ｊ）に示すように、本実施形態のタービン翼１においては、凸部６に乗り上げた冷却空気Ｙが、燃焼ガスＧの影響を受けることなく広がっていることが確認できる。
また、図５に示すように、凸部６の下流側には二次渦が形成されていることが分かる。このような二次渦が形成されることによって冷却空気孔５の内部の圧力損失が高まり、冷却空気Ｙの流速を低下させることができる。この結果、冷却空気Ｙがより広範囲に広がりやすくなる。

（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６は、本実施形態のタービン翼が備えるフィルム冷却部４Ａの概略図であり、（ａ）が縦断面図であり、（ｂ）が後述の凸部７を含む平面図であり、（ｃ）が翼体２の内壁面２ｅ側から見た正面図である。これらの図に示すように、本実施形態のフィルム冷却部４Ａは、上記実施形態の凸部６に換えて、翼体２の内壁面２ｅと外壁面２ｆとを結ぶ方向に長い凸部７を備えている。

この凸部７は、冷却空気孔５の内部に配置されると共に冷却空気孔５の内壁面から突出して設けられている。また、凸部７は、図６に示すように、翼体２の内壁面２ｅ側が三角形状とされた三角柱形状とされている。また、凸部７は、直管部５ａの翼体２の内壁面２ｅ側の端部から翼体２の外壁面２ｆ側の端部まで連続して設けられている。

このような構成を有する本実施形態のタービン翼１においても、凸部７に乗り上げた冷却空気Ｙは、燃焼ガスＧの流れに影響されることがない。このため、冷却空気Ｙの一部が燃焼ガスＧによって吹き飛ばされることなく、冷却空気孔５から噴き出される冷却空気Ｙの多くをフィルム冷却に寄与させることができる。さらに、冷却空気Ｙが凸部７に乗り上げることによって、流れながら広がるため、より広範囲に冷却空気Ｙを噴き出すことが可能となる。
このように本実施形態のタービン翼においても、翼体２の外壁面２ｆの冷却に寄与する冷却空気Ｙを減少させることなく、広い範囲に冷却空気Ｙを噴き出すことができ、タービン翼の冷却効率を高め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、本発明の趣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、上記実施形態の翼体２におけるフィルム冷却部４の配置位置及び個数は一例であり、タービン翼に要求される冷却性能に応じて適宜変更可能である。
また、上記実施形態においては、タービン翼が静翼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、動翼に対してフィルム冷却部を設置する構成を排除するものではない。
また、上記実施形態における凸部６，７の形状は一例であり、例えば、角柱や半円柱形状等の他の形状に変更可能である。
また、上記実施形態における凸部６を直管部５ａの内部に設置するようにしても良い。

１……タービン翼、２……翼体、２ａ……前縁、２ｂ……後縁、２ｃ……正圧面、２ｄ……負圧面、２ｅ……内壁面、２ｆ……外壁面、３……バンド部、４，４Ａ……フィルム冷却部、５……冷却空気孔、５ａ……直管部、５ｂ……拡径部、６……凸部、６ａ……衝突面、Ｇ……燃焼ガス（主流ガス）、Ｙ……冷却空気

Claims (4)

1. 中空とされた翼体の内壁面から外壁面に貫通する冷却空気孔を備えるタービン翼であって、
   前記冷却空気孔の内部に配置されると共に前記冷却空気孔の内壁面から突出して設けられる凸部を備えることを特徴とするタービン翼。
2. 前記凸部は、前記翼体の前記外壁面を流れる主流ガスの流れ方向の下流側に位置する前記冷却空気孔の内壁面に設けられていることを特徴とする請求項１記載のタービン翼。
3. 前記冷却空気孔が前記翼体の内壁面側に設けられる直管部と前記翼体の外壁面側に設けられる拡径部とを有し、前記直管部または前記直管部と前記拡径部との接続部位に前記凸部が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載のタービン翼。
4. 前記冷却空気孔が前記翼体の内壁面側に設けられる直管部と前記翼体の外壁面側に設けられる拡径部とを有し、前記直管部の前記翼体の内壁面側の端部から前記翼体の外壁面側の端部まで連続して前記凸部が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載のタービン翼。