JP2018009550A - ガスタービンエンジンの冷却構造およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた対流冷却性能が得られる凹凸を有するガスタービンエンジンの冷却構造を提供する。【解決手段】ガスタービンエンジン（ＧＴ）の構成部材を、当該ガスタービンエンジンの作動ガス（Ａ）を冷却媒体（ＣＬ）として冷却する構造において、前記構成部材の一部から形成された、前記冷却媒体（ＣＬ）が流れる冷却媒体流路に面した流路壁（１３）の壁面（１３ａ）に、前記流路壁の壁面に形成された凹部（２１）と、前記凹部の周縁の少なくとも一部に形成された凸部（２３）とを設ける。【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンエンジンを構成する部材を冷却するための構造およびその製造方法に関する。

近年、ガスタービンエンジンでは、高温燃焼によるＮＯｘ発生を抑制するために、燃焼用空気量を増大させて火炎温度の上昇を抑制することが望まれている。そこで、燃焼自体に寄与しない空気（冷却空気）を少なくするために、高温に曝される構成部材の対流冷却性能の向上が図られている。このような構成部材、例えば燃焼器ライナの冷却構造として、燃焼器ライナの外周面に、複数の窪みを形成することや、リブのような突起物を設けること（特許文献１参照）等が知られている。このように、冷却対象面に凹凸を形成すると、冷却媒体として利用される圧縮空気に効果的に乱流を生じさせ、熱伝達が促進される結果、冷却性能が向上する。

特開２００６−６３９８４号公報

しかし、冷却対象面に単なる窪みやリブを設けるだけでは、十分な冷却性能が得られていない。また、従来は、精密鋳造、機械加工、棒状部材の追加設置などによって凹凸を形成しており、コストがかかるのみならず、複雑な形状の凹凸を形成することが困難であった。

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、優れた対流冷却性能が得られる凹凸を有するガスタービンエンジンの冷却構造を提供することにある。また、本発明の他の目的は、任意の凹凸形状を有する冷却構造を、低コストで製造することができる製造方法を提供することにある。

前記した目的を達成するために、本発明に係るガスタービンエンジンの冷却構造は、ガスタービンエンジンの構成部材を、当該ガスタービンエンジンの作動ガスを冷却媒体として利用して冷却するための構造であって、
前記構成部材の一部から形成された、前記冷却媒体が流れる冷却媒体流路に面した流路壁と、
前記流路壁の壁面に形成された凹部と、
前記凹部の周縁の少なくとも一部に形成された凸部と、
を有している。

この構成によれば、凹部に組み合わせて、その周縁に凸部を形成することにより、凹部に流入し、凹部から流出する冷却媒体の乱流発生が促進され、優れた冷却性能が得られる。

本発明の一実施形態に係る冷却構造において、前記凸部が、前記凹部の、冷却媒体の流れ方向Ｆにおける上流側の周縁にのみ形成されていてもよい。この構成によれば、凹部の内部において乱流の発生が促進され、壁面を効果的に冷却することができる。

本発明の一実施形態に係る冷却構造において、前記凸部が、前記凹部の、冷却媒体の流れ方向Ｆにおける下流側の周縁にのみ形成されていてもよい。この構成によれば、凹部の下流部分において乱流の発生が促進され、壁面を効果的に冷却することができる。

本発明に係るガスタービンエンジンの冷却構造の製造方法は、ガスタービンエンジンの金属製の構成部材を、当該ガスタービンエンジンの作動ガスを冷却媒体として利用して冷却するための構造を製造する方法であって、前記構成部材の一部から形成された、前記冷却媒体が流れる冷却媒体流路に面した流路壁に、レーザビームを照射するとともに、前記レーザビームが照射された部分にアシストガスを吹き付けて溶融金属を除去することにより、前記流路壁の壁面に凹部を形成することを含む。このような製造方法の一実施形態として、さらに、前記アシストガスを吹き付けて除去した溶融金属を、前記凹部の周縁の少なくとも一部に残留させることにより、凸部を形成してもよい。

この構成によれば、レーザビームを照射し、これによって溶融した金属にアシストガスを吹き付けることにより、容易に凹部を形成できるとともに、アシストガスを吹き付ける条件を調整することで、凹部の周辺に凸部を形成することが可能となる。また、レーザ照射条件を調整することにより、任意の凹部形状を得ることが容易となる。しかも、レーザを用いて加工するので、板状の構成部材のみならず、棒状の構成部材や成形品など、種々の形態の部材に、容易にかつ短時間で凹凸を形成することが可能になる。

本発明の一実施形態に係る製造方法において、前記アシストガスを、前記流路壁の壁面に対して傾斜した方向に吹き付けることにより、前記凹部の周縁の一部のみに前記凸部を形成してもよい。この構成によれば、アシストガスの吹き付け方向および角度を調整することにより、溶融金属によって形成される凸部の位置や突出高さを任意に設定することができる。

本発明の一実施形態に係る製造方法において、ビーム成形部材を介して、前記レーザビームを前記流路壁に照射してもよい。この構成によれば、ビーム成形部材を利用して、凹部の平面形状を任意に設定することができる。

本発明の一実施形態に係る製造方法において、さらに、前記凹部の表面にブラスト処理を施してもよい。この構成によれば、溶融した金属が固化して形成された凹部の表面の割れ発生を効果的に防止できる。

以上のように、本発明に係るガスタービンエンジンの冷却構造によれば、冷却対象面における冷却媒体の乱流発生が促進され、優れた冷却性能が得られる。また、本発明に係る冷却構造の製造方法によれば、優れた冷却性能を発揮する任意の凹凸形状を低コストで製造することが可能になる。

本発明の一実施形態に係る冷却構造が適用されるガスタービンエンジンの概略構成を示す部分破断側面図である。 本発明の一実施形態に係る冷却構造の概略構造を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る冷却構造の概略構造を模式的に示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る冷却構造の凹部の形状の例を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る冷却構造の凹部の形状の例を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る冷却構造の凹部の形状の例を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る冷却構造の凹部および凸部の形状の例を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る冷却構造の凹部の配列態様の例を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る冷却構造の凸部の形態の例を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る冷却構造の凸部の形態の例を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る冷却構造の製造方法に用いるレーザ照射装置の例の概略構造を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る冷却構造の製造方法に用いるレーザ照射装置の例の概略構造を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る冷却構造の製造方法に用いるレーザ照射装置の例の概略構造を示す断面図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る冷却構造を備えたガスタービンエンジン（以下、単にガスタービンと称する。）ＧＴの一部を破断した側面図である。ガスタービンＧＴは、外部から導入した空気Ａを圧縮機（図示せず）で圧縮して燃焼器１に導き、燃焼器１内で燃料を圧縮された空気Ａとともに燃焼させ、得られた高温高圧の燃焼ガスＨＧによりタービン（図示せず）を駆動する。燃焼器１は、圧縮機およびタービンの軸心Ｃに対して若干傾斜して配置されている。

燃焼器１は、内方に燃焼室３を形成する筒状の燃焼器ライナ５と、燃焼器ライナ５の頂壁５ａに取り付けられて燃焼室３に燃料と空気Ａの混合気を噴射するバーナユニット７とを備えている。これら燃焼器ライナ５とバーナユニット７とは、ガスタービン燃焼器１の外筒となる円筒状の燃焼器ケーシング９内に同心状の配置で収納されている。図示の例では、燃焼器１は、逆流缶型であり、圧縮空気Ａが、燃焼器ケーシング９と燃焼器ライナ５との間の空間として形成された圧縮空気Ａの供給流路１１を燃焼器１の頭部（バーナユニット７側）に向かって流れる。

本実施形態では、ガスタービンＧＴの構成部材を、ガスタービンＧＴの作動ガスである空気Ａを冷却媒体ＣＬとして利用して対流冷却している。以下の説明では、対流冷却の対象となる構成部材の一例として、燃焼器ライナ５を冷却する構造について説明する。

燃焼器ライナ５の周壁５ｂは供給流路１１の流路壁１３を形成している。図２に示すように、この流路壁１３の壁面１３ａには、多数の凹部２１が形成されている。また、各凹部２１の周縁に凸部２３が形成されている。なお、本明細書において、「凹部」とは、流路壁１３の壁面１３ａを基準として凹んでいる部分を指し、「凸部」とは、流路壁１３の壁面１３ａを基準として突出している部分を指す。また、本明細書における、「凹部の周縁に凸部が形成されている。」とは、凹部２１と凸部２３との間に流路壁１３の壁面１３ａが介在しないことを意味する。以下、各凹部２１およびこの凹部２１の周縁における凸部２３を合せて伝熱促進部２５と呼ぶ。これら多数の伝熱促進部２５に冷却媒体ＣＬが衝突することによって、流路壁１３が対流冷却される。すなわち、供給通路１１が、冷却媒体ＣＬが流れる冷却媒体通路を形成しており、この冷却媒体通路に面した流路壁１３の壁面１３ａに、凹部２１および凸部２３が形成されている。

この例では、各凹部２１の平面形状は、図３に示すように、ほぼ円形であり、凹部２１の周縁の全周に渡って、クロスハッチングで示す凸部２３が設けられている。図２に示すように、凹部２１の断面形状はほぼ円弧状である。凹部２１の平面形状は楕円形であってもよい。

もっとも、凹部２１の形状はこの例に限られない。凹部２１の平面形状の例を、図４，５に示す。なお、これら図４，５は、凹部２１単体の平面形状のみを示すための図であり、凸部２３は図示を省略している。凹部２１の平面形状は、図４に示す涙滴形状であってもよい。あるいは、凹部２１の平面形状は、例えば星形のような、大きな折り曲げ形状を複数組み合わせた形状であってもよい。星形のような複雑な平面形状の凹部２１であっても、後述する製造方法によって作製することが可能である。

また、各凹部２１の平面形状は、細長く延びる溝状であってもよい。例えば、各凹部２１の平面形状は、図５に示す直線状に延びる溝状であってもよい。あるいは、各凹部２１の平面形状は、円弧状、波線状、鋸歯状等に延びる溝状であってよい。

また、各凹部２１平面形状は、連続的な曲線または直線である輪郭線で形成された形状に限らず、図６に示すように、不規則に折曲する輪郭線で形成された形状であってもよい。各凹部２１の平面形状の輪郭線を不規則に折曲するように形成することにより、連続的な輪郭線を有する凹部２１に比べて、冷却媒体の乱流の発生がさらに促進される。

各凹部２１の断面形状は、図２に示す円弧上に限らず、例えば、すり鉢形状や図７に示す涙滴形状等であってよい。

また、複数の凹部２１の配列態様は、図８に示すように、壁面１３ａ上の互いに直交する２方向に行列状に配列してもよい。図示の例では、複数の凹部２１は、冷却媒体の流れ方向（以下、単に「流れ方向」と呼ぶ。）Ｆおよび流れ方向Ｆに直交する流路の幅方向（以下、単に「幅方向」と呼ぶ。）Ｗに行列状に配列されている。もっとも、複数の凹部２１の配列態様はこの例に限らず、例えば、複数の凹部２１を千鳥状に配列してもよい。

図５に示す平面形状が細長い溝状の凹部２１の配列態様としては、幅方向Ｗの同一範囲に延びる複数の凹部２１を、流れ方向Ｆに沿って等間隔に配列してもよいし、各凹部２１の幅方向Ｗ位置を、流れ方向Ｆに沿って交互にずらして配列してもよい。また、各凹部２１の延設方向を幅方向Ｗに対して傾斜させてもよい。

上述したように、本実施形態の伝熱促進部２５において、図３に示すように、各凹部２１の周縁に凸部２３が形成されている。同図に示す例では、凹部２１の周縁の全周に渡って凸部２３が設けられている。もっとも、凸部２３は、凹部２１の周縁の少なくとも一部に設けられていればよい。例えば、図９に示すように、凸部２３が、凹部２１の、流れ方向Ｆにおける上流側の周縁にのみ形成されていてもよい。この例の場合、凹部２１の内部において乱流の発生が促進される。あるいは、凸部２３が、凹部２１の、流れ方向Ｆにおける下流側の周縁にのみ形成されていてもよい。この例の場合、凹部２１の下流部分において乱流の発生が促進される。

また、図１０に示すように、凸部２３は、凹部２１の周縁の全周に渡って間欠的に設けられていてもよい。凸部２３が凹部２１の周縁の一部のみに設けられる場合の凸部２３の形態は、これらの例に限定されない。凸部２３の幅および突出高さはそれぞれ均一でもよく、連続的にまたは不連続的に不均一であってもよい。効果的に冷却媒体ＣＬの乱流を発生させる観点から、凹部の深さに対する凸部の高さの比率は、５％以上５０％以下であることが好ましく、１０％以上４０％以下であることがより好ましい。なお、図３，９，１０では、ほぼ円形の平面形状を有する凹部２１を例として凸部２３の形態を説明したが、このような凸部２３の形態は、図４〜６で示した形状を含む他の平面形状を有する凹部２１についても同様に適用することができる。

以上説明した本実施形態に係るガスタービンエンジンの冷却構造によれば、凹部２１に組み合わせて、その周縁に凸部２３を形成することにより、凹部２１に流入し、凹部２１から流出する冷却媒体の乱流発生が促進され、優れた冷却性能が得られる。

次に、上記の実施形態に係る冷却構造の製造方法について説明する。

本実施形態に係る製造方法では、図１１に示すように、構成部材の一部から形成された、冷却媒体が流れる冷却媒体流路に面した流路壁１３の壁面１３ａに、レーザビームＬを照射するとともに、レーザビームＬが照射された部分にアシストガスＡＧを吹き付けて溶融金属を除去することにより、流路壁１３の壁面１３ａに凹部２１を形成する。

同図に示す、レーザビームＬを照射するレーザ照射装置３１では、レーザ光源３３を収容する筒状の筐体３５内に、外部のガス源（図示せず。）からアシストガスＡＧが導入される。筐体３５の先端部には、レーザビームＬの光路と同心状に配置されたガスノズル３７が設けられており、このガスノズル３７の先端に位置する噴射口３９からアシストガスＡＧが噴射される。レーザビームＬはガスノズル３７の噴射口３９を通って照射される。なお、本実施形態では、レーザ光源３３として、近赤外領域のレーザ光を発光するＹｂファイバーレーザを使用している。

図示の例では、レーザ光源３３から発光されたレーザビームＬの焦点は、筐体３５内に配置された集光レンズ４１によって、ガスノズル３７の噴射口３９の位置に合せられている。このように調整されたレーザ照射装置３１を、前記流路壁１３の壁面１３ａであるレーザビーム照射面に対する距離を調整してデフォーカスすることにより、レーザビーム照射面における照射径を調整することができる。なお、レーザビーム照射面における照射径の調整は、デフォーカスによってではなく、例えば、筐体３５内の集光レンズ４１等の光学系によって調整してもよい。照射径、照射時間およびレーザ出力を調整することにより、凹部２１の平面視径および深さを任意に調整することが可能となる。本実施形態では、レーザビームの照射距離（噴射口３９から壁面１３ａまでの距離）を２０ｍｍ〜８０ｍｍ、レーザ出力を１０００Ｗ〜８０００Ｗ、照射時間を３０ｍｓｅｃ．〜５００ｍｓｅｃ．の範囲で調整しているが、これらの範囲に限定されない。

レーザビームＬの照射によって溶融された金属が、照射部分に吹き付けられたアシストガスＡＧによって除去されることにより、照射部分に凹部２１が形成される。また、照射部分から除去された溶融金属は、凹部２１の周縁に残留して固化することにより、図２の凸部２３を形成する。すなわち、アシストガスＡＧの流量を調整することによって、アシストガスＡＧを吹き付けて除去した溶融金属を、凹部２１の周縁の少なくとも一部に残留させて、凸部２３を形成することができる。本実施形態では、図１１のアシストガスＡＧとして、例えばアルゴンガスのような不活性ガスを使用する。本実施形態では、アシストガスの流量を、２０Ｌ／ｍｉｎ．〜８０Ｌ／ｍｉｎ．の範囲で調整しているが、この範囲に限定されない。

なお、ガスノズル３７から噴射されるアシストガスＡＧが、周囲の空気を巻き込んだ状態で照射部分に吹き付けられることにより溶融金属が酸化することを防止するために、図１２に示すように、ガスノズル３７を囲繞する補助ガスノズル４３を設けて二重ノズル構造としてもよい。このような二重ノズル構造を有するレーザ照射装置３１を用いて、ガスノズル３７の外側の補助ガスノズル４３からさらにアシストガスＡＧを噴射することにより、照射部分に吹き付けられるアシストガスＡＧに周囲の空気が混入することが抑制されるので、溶融金属の酸化を防止できる。

また、図１１、１２では、ガスノズル３７をレーザ照射装置３１の筐体３５と一体的に設けて、レーザビームＬの照射方向とアシストガスＡＧの噴射方向を、レーザビーム照射面に対してほぼ垂直方向に一致させる構成例を示したが、レーザビームＬの照射方向およびアシストガスＡＧの照射方向は、これらの例に限定されない。例えば、レーザビームＬの照射方向を壁面１３ａに対して傾斜させることにより、図４に示した涙滴形状の凹部２１を形成することができる。また、図１３に示すように、レーザ照射装置３１の筐体３５と別体に設けたガスノズル３７から、アシストガスＡＧを流路壁１３の壁面１３ａに対して傾斜した方向に吹き付けることによって、図９に示したように、凹部２１の周縁の一部のみに凸部２３を形成することができる。

さらに、壁面１３ａにレーザビームＬを照射しながら、レーザ照射装置３１を走査することにより、図５に一例を示した種々の平面形状を有する溝状の凹部２１を形成することが可能となる。また、図１１に一点鎖線で示すように、照射されるレーザビームＬの光路上に、光学回折格子のようなビーム成形部材４５を配置し、このビーム成形部材を介してレーザビームＬを流路壁１３の壁面１３ａに照射することにより、任意の平面形状、例えば上述した星形の平面形状の凹部２１を形成することができる。

また、レーザビームＬ照射装置によって壁面１３ａに凹部２１および凸部２３を形成した後に、凹部２１の表面にブラスト処理を施してもよい。これにより、溶融した金属が固化して形成された凹部２１の表面の割れ発生が効果的に防止される。

以上説明したように、本実施形態に係る冷却構造の製造方法によれば、レーザビームＬを照射し、これによって溶融した金属にアシストガスＡＧを吹き付けることにより、容易に凹部２１を形成できる。しかも、アシストガスＡＧを吹き付ける条件を調整することで、凹部２１の周辺に凸部２３を形成することが可能となる。また、レーザ照射条件を調整することにより、任意の凹部２１形状を得ることが容易となる。さらに、レーザを用いて加工するので、板状の構成部材のみならず、棒状の構成部材や成形品など、種々の形態の部材に、容易にかつ短時間で凹凸を形成することが可能になる。なお、本実施形態に係る冷却構造の製造方法は、凹部２１のみを設ける場合にも適用できる。

また、上記の各実施形態では、冷却対象であるガスタービンＧＴの構成部材として燃焼器ライナ５を例として説明したが、冷却対象である構成部材は、ガスタービンエンジンの作動ガスを冷却媒体として利用して対流冷却することが可能であれば、これに限られない。例えば、燃焼器からの燃焼ガスをタービンへ導く燃焼器尾筒（遷移ダクト）や、スクロール、タービン翼の外周側を覆うタービンシュラウドなどに適用することができる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

５ 燃焼器ライナ（構成部材）
１３ 流路壁
１３ａ 流路壁の壁面
２１ 凹部
２３ 凸部
Ａ 空気（作動ガス）
ＡＧ アシストガス
ＣＬ 冷却媒体
Ｆ 冷却媒体の流れ方向
Ｌ レーザビーム
ＧＴ ガスタービンエンジン

Claims (8)

1. ガスタービンエンジンの構成部材を、当該ガスタービンエンジンの作動ガスを冷却媒体として利用して冷却するための構造であって、
   前記構成部材の一部から形成された、前記冷却媒体が流れる冷却媒体流路に面した流路壁と、
   前記流路壁の壁面に形成された凹部と、
   前記凹部の周縁の少なくとも一部に形成された凸部と、
   を有する、ガスタービンエンジンの冷却構造。
2. 請求項１に記載の冷却構造において、前記凸部が、前記凹部の、冷却媒体の流れ方向における上流側の周縁にのみ形成されているガスタービンエンジンの冷却構造。
3. 請求項１に記載の冷却構造において、前記凸部が、前記凹部の、冷却媒体の流れ方向における下流側の周縁にのみ形成されているガスタービンエンジンの冷却構造。
4. ガスタービンエンジンの金属製の構成部材を、当該ガスタービンエンジンの作動ガスを冷却媒体として利用して冷却するための構造を製造する方法であって、
   前記構成部材の一部から形成された、前記冷却媒体が流れる冷却媒体流路に面した流路壁に、レーザビームを照射するとともに、前記レーザビームが照射された部分にアシストガスを吹き付けて溶融金属を除去することにより、前記流路壁の壁面に凹部を形成することを含む、
   ガスタービンエンジンの冷却構造の製造方法。
5. 請求項４に記載の製造方法において、さらに、前記アシストガスを吹き付けて除去した溶融金属を、前記凹部の周縁の少なくとも一部に残留させることにより、凸部を形成することを含む、ガスタービンエンジンの冷却構造の製造方法。
6. 請求項５に記載の製造方法において、前記アシストガスを、前記流路壁の壁面に対して傾斜した方向に吹き付けることにより、前記凹部の周縁の一部のみに前記凸部を形成する、ガスタービンエンジンの冷却構造の製造方法。
7. 請求項４から６のいずれか一項に記載の製造方法において、ビーム成形部材を介して、前記レーザビームを前記流路壁に照射する、ガスタービンエンジンの冷却構造の製造方法。
8. 請求項４から７のいずれか一項に記載の製造方法において、さらに、前記凹部の表面にブラスト処理を施すことを含む、ガスタービンエンジンの冷却構造の製造方法。

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