JP2017031885A - 冷却構造及びタービン翼 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルム冷却を行う冷却構造及びタービン翼において、フィルム冷却効率をより向上させる。【解決手段】表面に沿って高温ガスが流れる構造物の冷却構造であって、構造物を貫通して設けられる冷却孔が高温ガスの流れである主流に対して直交する方向に配列されて形成される冷却孔列を有し、冷却孔列が、主流に対して第１角度にて傾斜する方向に冷却ガスを噴出する第１冷却孔と、第１冷却孔と同一方向でかつ第１角度と異なる第２角度にて主流に対して傾斜する方向に冷却ガスを噴出する第２冷却孔とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、冷却構造及びタービン翼に関するものである。

例えば、特許文献１には、ガスタービンにおける動翼、燃焼器のライナ等のように高温ガスに臨む壁面に冷却孔を設け、この冷却孔から噴出される冷却ガスを壁面に沿って流すことによって壁面の冷却を行うフィルム冷却構造が開示されている。このフィルム冷却構造では、高温ガスの流れ（主流）方向と直交する方向に冷却孔が複数配列されてなる冷却孔列が、高温ガスの流れ方向に２つ配列された構成を有している。また、主流の上流側に位置する冷却孔列を形成する冷却孔と、主流の下流側に位置する冷却孔列を形成する冷却孔とは、冷却ガスの噴出方向が異なっている。

このような特許文献１によれば、主流の上流側の冷却孔から噴出された冷却ガスと、主流の下流側の冷却孔から噴出された冷却ガスとが干渉することで、壁面からの冷却ガスの剥離を抑制し、フィルム冷却効率を高めている。

特開２００７−１３８７９４号公報

ところで、特許文献１に開示された構成では、１つの冷却孔列を形成する冷却孔が全て主流に対して同一角度傾斜した方向に冷却ガスを噴射している。すなわち、特許文献１においては、１つの冷却孔列を形成する冷却孔から噴射される冷却ガスは、互いに平行に噴射される。１つの冷却孔列を形成する冷却孔から噴射される冷却ガス同士が干渉することによっても、冷却ガスの剥離を抑制してフィルム冷却効率を高めることができると考えられるが、特許文献１では１つの冷却孔列を形成する冷却孔から噴射される冷却ガス同士が平行に噴射されるため、冷却ガス同士が干渉するまでに時間を要し、フィルム冷却効率を十分に高められていない。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、フィルム冷却を行う冷却構造及びタービン翼において、フィルム冷却効率をより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、表面に沿って高温ガスが流れる構造物の冷却構造であって、上記構造物を貫通して設けられる冷却孔が上記高温ガスの流れである主流に対して直交する方向に配列されて形成される冷却孔列を有し、上記冷却孔列は、上記主流と直交かつ上記表面に沿う軸に対して第１角度にて傾斜する方向に冷却ガスを噴出する第１冷却孔と、上記第１冷却孔と傾斜方向が同一でかつ上記第１角度と異なる第２角度にて上記軸に対して傾斜する方向に冷却ガスを噴出する第２冷却孔とを有す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、上記冷却孔列が、上記第１冷却孔と上記第２冷却孔とが交互に配列されてなるという構成を採用する。

第３の発明は、タービン翼であって、上記第１または第２の発明である冷却構造を有するという構成を採用する。

本発明によれば、第１冷却孔と第２冷却孔とが、主流と直交かつ上記表面に沿う軸に対して同一方向に傾斜された方向に冷却ガスを噴出するため、第１冷却孔から噴出された冷却ガスが形成する渦流と、第２冷却孔から噴出された冷却ガスが形成する渦流とが同一方向に回転する。これらの第１冷却孔から噴出された冷却ガスと、第２冷却孔から噴出された冷却ガスとを干渉させることにより、主流と直交する方向へ構造物の壁面に沿う流れが形成され、これによってフィルム冷却効率が高まる。さらに、本発明によれば、第１冷却孔が冷却ガスを噴出する角度（第１角度）と第２冷却孔が冷却ガスを噴出する角度（第２角度）とが異なるため、１つの冷却孔列を形成する冷却孔から噴出される冷却ガスの噴射方向が全て平行となることを防止することができる。この結果、１つの冷却孔列を形成する冷却孔から噴出される冷却ガス同士が干渉するまでの時間（すなわち距離）を短縮することができ、より短時間で、上述の主流と直交する方向へ構造物の壁面に沿う流れを形成することができ、フィルム冷却効率をさらに向上させることが可能となる。したがって、本発明によれば、フィルム冷却を行う冷却構造及びタービン翼において、フィルム冷却効率をより向上させることが可能となる。

本発明の一実施形態の冷却構造を有するタービン翼の斜視図である。 （ａ）が本発明の一実施形態の冷却構造の備える冷却孔列の一部を図示した平面図であり、（ｂ）が本発明の一実施形態の冷却構造の備える冷却孔列の一部を図示した斜視図である。 （ａ）が本発明の一実施形態の冷却構造を有するタービン翼が備えるフィルム冷却機構に基づくモデルを示す斜視図であり、（ｂ）が従来のフィルム冷却機構に基づくモデルを示す斜視図である。 図３（ａ）に示す（Ａ）〜（Ｆ）の位置での空間断面における流速分布を示す図である。 図３（ｂ）に示す（Ｇ）〜（Ｊ）の位置での空間断面における流速分布を示す図である。 主流と冷却孔から噴射される冷却ガスの流量との比に依存する吹出し比ＢＲと、冷却効率との関係を示す実験結果であり、（ａ）がＢＲが０．５の場合の実験結果を示し、（ｂ）がＢＲが１．０の場合の実験結果を示し、（ｃ）がＢＲが１．５の場合の実験結果を示している。 第１冷却孔噴射角度と、第２冷却孔噴射角度と、冷却効率との関係を示すグラフである。 第１冷却孔噴射角度と第２冷却孔噴射角度との差の絶対値と、冷却効率との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明に係る冷却構造及び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。

図１は、本実施形態の冷却構造を有するタービン翼１の斜視図である。図１に示すように、タービン翼１（構造物）は、前縁２ａと後縁２ｂとを備える中空の翼体２を有している。この翼体２の内部には、翼体２を冷却するための冷却ガス（例えば、冷却用の空気）が供給される。このようなタービン翼１は、例えば燃焼器の下流に設置されており、燃焼器で生成された燃焼ガス（高温ガス）の排気流路途中に、翼体２の前縁２ａを上流側に、翼体２の後縁２ｂを下流側に向けて配置される。

タービン翼１は、翼体２によって燃焼ガスの流れを整流する。すなわち、排気流路を流れる燃焼ガスは、タービン翼１の翼体２を通過することによって整流される。以下の説明では、この燃焼ガスの流れを主流Ｆと称する。このような主流Ｆは、タービン翼１を通過するときに、翼体２の表面に沿って前縁２ａから後縁２ｂに向けて流れる。

このような本実施形態のタービン翼１は、翼体２の表面のフィルム冷却を行うフィルム冷却機構３（冷却機構）を備えている。本実施形態において、フィルム冷却機構３は、冷却孔列４から構成されている。なお、本実施形態においてはフィルム冷却機構３が１つの冷却孔列４を有している構成を採用しているが、フィルム冷却機構３が複数の冷却孔列４を有する構成を採用することも可能である。

図２（ａ）は、冷却孔列４の一部を図示した平面図である。また、図２（ｂ）は、冷却孔列４の一部を図示した斜視図である。これらの図に示すように、冷却孔列４は、主流Ｆの流れる方向（Ｘ方向）と直交かつ翼体２の表面に沿う方向（Ｙ方向）に配列された複数の冷却孔５によって構成されている。これらの冷却孔５は、図２（ｂ）に示すように、冷却孔５は、タービン翼１の翼体２を貫通して設けられている。このような冷却孔５は、翼体２の内部に供給された冷却ガスを翼体２の表面に沿うように噴出し、これによって翼体２をフィルム冷却する。

また、本実施形態のタービン翼１において、フィルム冷却機構３は、上記冷却孔５として、第１冷却孔６と第２冷却孔７とを有している。これらの第１冷却孔６と第２冷却孔７とは、主流Ｆが流れる方向と直交する方向（すなわちＹ方向）に向けて、交互に配置されている。

第１冷却孔６は、翼体２の表面に対して開口された出口端６ａと、翼体２の内壁面に対して開口された入口端６ｂと、これらの出口端６ａと入口端６ｂとを連通する流路部６ｃとを有している。出口端６ａ及び入口端６ｂとは、図２に示すように、同一の楕円形状とされている。また、出口端６ａ及び入口端６ｂとは、翼体２の表面の法線方向（Ｚ方向）から見て長軸が同一直線状に並ぶように形成され、かつ、入口端６ｂよりも出口端６ａが主流Ｆの流れ方向の下流側に位置するように配置されている。また、図２（ａ）に示すように、出口端６ａの長軸Ｌ１は、Ｙ方向と平行とされた仮想的に設けられた軸Ｌａに対して傾斜されている。流路部６ｃは、出口端６ａと入口端６ｂとを直線状に結ぶ流路であり、上記法線方向の直交面での断面形状が常に出口端６ａ及び入口端６ｂと同一とされた形状となっている。

このような第１冷却孔６は、入口端６ｂから流路部６ｃに取り込んだ冷却ガスを出口端６ａから噴出し、図２（ａ）に示すように、上記法線方向から見て出口端６ａの長軸Ｌ１に沿う方向に冷却ガスを噴出する。つまり、第１冷却孔６は、軸Ｌａに対して傾斜した方向に冷却ガスを噴出する。以下、第１冷却孔６が冷却ガスを噴射する方向と、軸Ｌａとが成す角度を、第１冷却孔噴射角度α１（第１角度）と称する。すなわち、第１冷却孔６は、軸Ｌａに対して第１冷却孔噴射角度α１にて傾斜する方向に冷却ガスを噴出する。

第２冷却孔７は、翼体２の表面に対して開口された出口端７ａと、翼体２の内壁面に対して開口された入口端７ｂと、これらの出口端７ａと入口端７ｂとを連通する流路部７ｃとを有している。出口端７ａ及び入口端７ｂとは、図２に示すように、同一の楕円形状とされている。さらにこれらの出口端７ａ及び入口端７ｂの形状は、第１冷却孔６の出口端６ａ及び入口端６ｂとも同様である。一方で、出口端７ａの長軸Ｌ２は、第１冷却孔６の出口端６ａの長軸Ｌ１と軸Ｌａに対して傾斜方向が同一でかつ長軸Ｌ１と異なる角度（大きな角度）で傾斜されている。

出口端７ａ及び入口端７ｂとは、翼体２の表面の法線方向（Ｚ方向）から見て長軸が同一直線状に並ぶように形成され、かつ、入口端７ｂよりも出口端７ａが主流Ｆの流れ方向の下流側に位置するように配置されている。流路部７ｃは、出口端７ａと入口端７ｂとを直線状に結ぶ流路であり、上記法線方向の直交面での断面形状が常に出口端７ａ及び入口端７ｂと同一とされた形状となっている。

このような第２冷却孔７は、入口端７ｂから流路部７ｃに取り込んだ冷却ガスを出口端７ａから噴出し、図２（ａ）に示すように、上記法線方向から見て出口端７ａの長軸Ｌ２に沿う方向に冷却ガスを噴出する。つまり、第２冷却孔７は、軸Ｌａに対して傾斜した方向に冷却ガスを噴出する。以下、第２冷却孔７が冷却ガスを噴射する方向と、軸Ｌａとが成す角度を、第２冷却孔噴射角度β１（第２角度）と称する。すなわち、第２冷却孔７は、軸Ｌａに対して第２冷却孔噴射角度β１にて傾斜する方向に冷却ガスを噴出する。

このようなフィルム冷却機構３を備えるタービン翼１によれば、翼体２の内部に供給された冷却ガスが、第１冷却孔６及び第２冷却孔７から翼体２の外側に噴出される。この噴出された冷却ガスが翼体２の表面に沿って前縁２ａから後縁２ｂに向けて流れ、これによって翼体２がフィルム冷却される。

ここで、図３〜図５を参照し、シミュレーション結果に基づいて、本実施形態のタービン翼１の作用及び効果について説明する。なお、比較用として、全ての冷却孔１０の長軸が主流Ｆの流れ方向（Ｘ方向）と平行とされた従来のフィルム冷却機構についてもシミュレーションを行った。図３は、シミュレーションにて用いたモデルを模式的に示す斜視図である。図３（ａ）は、本実施形態のタービン翼１が備えるフィルム冷却機構３に基づくモデルを示し、図３（ｂ）は、従来のフィルム冷却機構に基づくモデルを示している。なお、図３に示す方向は、上記実施形態と同一である。すなわち、Ｘ方向は主流Ｆが流れる方向を示している。また、Ｙ方向は、Ｘ方向と直交する翼体２の表面に沿う方向を示している。また、Ｚ方向は、翼体２の表面の法線方向を示している。

図４は、図３（ａ）に示す（Ａ）〜（Ｆ）の位置での空間断面における流速分布を示す図である。（Ａ）に示すように、第１冷却孔６から冷却ガスが噴出されると、出口端６ａの傾斜方向と反対側の端部近くに反時計回りの渦流Ｓ１が形成される。

続いて、（Ｂ）に示すように、渦流Ｓ１は下流に向かうに連れて成長する。また、第２冷却孔７から冷却ガスが噴出されると出口端７ａの傾斜方向と反対側の端部近くに反時計回りの渦流Ｓ２が形成される。つまり、第２冷却孔７の近傍に、渦流Ｓ１と同一方向に回転する渦流Ｓ２が形成される。

続いて、（Ｃ）に示すように、渦流Ｓ１は成長しながら、一部が渦流Ｓ２に移流される。すなわち、渦流Ｓ１と渦流Ｓ２とが干渉し始める。なお、渦流Ｓ２は、成長を続ける。そして、（Ｄ）に示すように、渦流Ｓ１と渦流Ｓ２との干渉が進むと、渦流Ｓ１と渦流Ｓ２とがＹ方向に押し広げられ、全体としてＹ方向に向かう横断流Ｓ３が形成される。（Ｅ）及び（Ｆ）に示すように、この横断流Ｓ３は、渦流Ｓ１と渦流Ｓ２とに抑えられることにより、翼体２の表面近傍に留まり続ける。この結果から、本実施形態のフィルム冷却機構３を備えるタービン翼１ではフィルム冷却効率が向上することが分かる。

図５は、図３（ｂ）に示す（Ｇ）〜（Ｊ）の位置での空間断面における流速分布を示す図である。（Ｇ）に示すように、冷却孔１０から冷却ガスが噴出すると、（Ｈ）に示すように、各冷却孔１０の両端近傍に、反対方向に回転する渦流Ｓ４及び渦流Ｓ５が形成される。これらの渦流Ｓ４と渦流Ｓ５とは、近接する位置で翼体２の表面から離間するように回転する。（Ｉ）に示すように、渦流Ｓ４と渦流Ｓ５とは下流に向かうことにより成長し、（Ｊ）に示すように、干渉することで、翼体２の表面から離間する方向に流れる剥離流Ｓ６が形成される。この結果から、従来の本実施形態のフィルム冷却機構を備えるタービン翼では、フィルム冷却効率が悪化することが分かる。

以上のように本実施形態のフィルム冷却機構３を有するタービン翼１によれば、第１冷却孔６と第２冷却孔７とが、軸Ｌａ（Ｙ方向）に対して同一方向に傾斜された方向に冷却ガスを噴出するため、第１冷却孔６から噴出された冷却ガスが形成する渦流Ｓ１と、第２冷却孔７から噴出された冷却ガスが形成する渦流Ｓ２とが同一方向に回転する。これらの第１冷却孔６から噴出された冷却ガスと、第２冷却孔７から噴出された冷却ガスとを干渉させることにより、主流Ｆと直交する方向へ翼体２の表面に沿う流れ（横断流Ｓ３）が形成され、これによってフィルム冷却効率が高まる。さらに、本実施形態のフィルム冷却機構３を有するタービン翼１によれば、第１冷却孔６が冷却ガスを噴出する角度である第１冷却孔噴射角度α１と第２冷却孔が冷却ガスを噴出する角度である第２冷却孔噴射角度β１とが異なるため、１つの冷却孔列４を形成する冷却孔５から噴出される冷却ガスの噴射方向が全て平行となることを防止することができる。この結果、１つの冷却孔列を形成する冷却孔から噴出される冷却ガス同士が干渉するまでの時間（すなわち距離）を短縮することができ、より短時間で、横断流Ｓ３を形成することができ、フィルム冷却効率をさらに向上させることが可能となる。

また、本実施形態のフィルム冷却機構３を有するタービン翼１においては、冷却孔列４が、第１冷却孔６と第２冷却孔７とが交互に配列されてなる。このような構成を採用することにより、隣り合う冷却孔５から噴射された冷却ガス同士を全て短時間で干渉させることができ、より大きな横断流Ｓ３を形成することができる。したがって、さらにフィルム冷却効率を向上させることが可能となる。

また、主流Ｆに対する冷却孔５から噴射する冷却ガスの流量を相対的に大きくすることによってフィルム冷却を可能とする範囲を広げることができる。図６は、主流Ｆと冷却孔から噴射される冷却ガスの流量との比に依存する吹出し比ＢＲと、冷却効率ηとの関係を示す実験結果である。図６（ａ）はＢＲが０．５の場合の実験結果を示し、図６（ｂ）はＢＲが１．０の場合の実験結果を示し、図６（ｃ）はＢＲが１．５の場合の実験結果を示している。これらの実験結果に示すように、ＢＲが大きくなる（すなわち冷却ガスの流量が増加）と、フィルム冷却により冷却される範囲が拡がることが確認できる。

以上、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るものではない。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、上記実施形態において図２（ａ）に示される第１冷却孔噴射角度α１及び第２冷却孔噴射角度β１は、あくまでも一例である。図７は、第１冷却孔噴射角度α１と、第２冷却孔噴射角度β１と、冷却効率ηとの関係を示すグラフである。この図に示すように、例えば第１冷却孔噴射角度α１、あるいは、第２冷却孔噴射角度β１は、１８０°までの範囲で、７０°よりも小さく、１２０°より大きい範囲とすることで冷却効率ηが高まることが分かる。また、図８は、第１冷却孔噴射角度α１と第２冷却孔噴射角度β１との差の絶対値（Δβ）と、冷却効率ηとの関係を示すグラフである。この図に示すように、第１冷却孔噴射角度α１と第２冷却孔噴射角度β１との差は、０°より大きく３５°よりも小さい範囲とすることで冷却効率ηが高まる。したがって、例えば、冷却効率ηが高まるように、上述の範囲で第１冷却孔噴射角度α１及び第２冷却孔噴射角度β１を設定することが考えられる。

また、上記実施形態における冷却孔５の形状は一例である。他の形状の冷却孔を採用することも可能である。例えば、流路部５ｃや流路部６ｃが直線状でない形状や、出口端６ａ、入口端６ｂ、出口端７ａ及び入口端７ｂが楕円形状でない形状を採用することも可能である。

また、上記実施形態においては、本発明の冷却機構をタービン翼に適用した例について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、他の構造物の冷却用として採用することも可能である。

１ タービン翼（構造物）
２ 翼体
２ａ 前縁
２ｂ 後縁
３ フィルム冷却機構
４ 冷却孔列
５ 冷却孔
５ｃ 流路部
６ 第１冷却孔
６ａ 出口端
６ｂ 入口端
６ｃ 流路部
７ 第２冷却孔
７ａ 出口端
７ｂ 入口端
７ｃ 流路部
１０ 冷却孔
Ｌａ 軸
Ｌ１ 長軸
Ｌ２ 長軸
Ｓ１ 渦流
Ｓ２ 渦流
Ｓ３ 横断流
Ｓ４ 渦流
Ｓ５ 渦流
Ｓ６ 剥離流
α１ 第１冷却孔噴射角度（第１角度）
β１ 第２冷却孔噴射角度（第２角度）

Claims (3)

1. 表面に沿って高温ガスが流れる構造物の冷却構造であって、
   前記構造物を貫通して設けられる冷却孔が前記高温ガスの流れである主流に対して直交する方向に配列されて形成される冷却孔列を有し、
   前記冷却孔列は、前記主流と直交かつ前記表面に沿う軸に対して第１角度にて傾斜する方向に冷却ガスを噴出する第１冷却孔と、前記第１冷却孔と傾斜方向が同一でかつ前記第１角度と異なる第２角度にて前記軸に対して傾斜する方向に冷却ガスを噴出する第２冷却孔とを有する
   ことを特徴とする冷却構造。
2. 前記冷却孔列は、前記第１冷却孔と前記第２冷却孔とが交互に配列されてなることを特徴とする請求項１記載の冷却構造。
3. 請求項１または２記載の冷却構造を有することを特徴とするタービン翼。