JP2018115601A

JP2018115601A - タービン翼の冷却構造

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Publication number: JP2018115601A
Application number: JP2017006571A
Authority: JP
Inventors: 智子都留; Tomoko Tsuru; 克彦石田; Katsuhiko Ishida
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2017-01-18
Filing date: 2017-01-18
Publication date: 2018-07-26
Anticipated expiration: 2037-01-18
Also published as: US11028701B2; WO2018135283A1; CN110226019A; CN110226019B; JP6898104B2; GB2573904B; GB201910579D0; DE112017006343B4; US20190360343A1; GB2573904A; DE112017006343T5

Abstract

【課題】ラティス構造によるタービン翼内部の冷却と、フィルム冷却によるタービン翼後縁部の冷却により、タービン翼全体を高効率に冷却する。
【解決手段】タービン翼（１）を冷却する構造において、高温ガス流路（ＧＰ）に対して凹状に湾曲する第１翼壁（３）と、凸状に湾曲する第２翼壁（５）との間に形成された冷却通路（１７）と、前記冷却通路に面する両壁面上に設けられた複数のリブを格子状に重ねて構成したラティス構造体（２３）と、前記冷却通路の下流側端部に設けられて、冷却通路内の冷却媒体（ＣＬ）を外部へ排出する冷媒排出口（２５）と、前記第２翼壁（５）の、冷媒排出口（２５）の外部へ延設された部分である露出壁部（２７）と、前記冷却通路の、前記ラティス構造体の出口（２３ａ）から前記冷媒排出口（２５）までの部分であって、前記第１翼壁（３）および第２翼壁（５）の壁面が平坦面として形成された平坦面部（２９）とを設ける。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガスタービンエンジンのタービンにおける静翼および動翼を冷却するための構造に関する。

ガスタービンエンジンを構成するタービンは、燃焼器の下流に配置され、燃焼器で燃焼された高温のガスが供給されるため、ガスタービンエンジンの運転中は高温にさらされる。したがって、タービンの静翼および動翼を冷却する必要がある。このようなタービン翼を冷却する構造として、圧縮機で圧縮された空気の一部を、翼内に形成した冷却通路に導入し、圧縮空気を冷却媒体としてタービン翼を冷却することが知られている（例えば、特許文献１参照）。

圧縮空気の一部をタービン翼の冷却に用いる場合、外部から冷却媒体を導入する必要がなく、冷却構造を簡単にできるメリットがある一方、圧縮機で圧縮された空気を多量に冷却に用いるとエンジン効率の低下につながるので、できるだけ少ない空気量で効率的に冷却を行う必要がある。タービン翼を高い効率で冷却するための構造として、複数のリブを格子状に組み合わせて形成した、いわゆるラティス構造を採用することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。ラティス構造では、ラティス構造を構成するリブに冷却媒体を衝突させて渦流を発生させることにより冷却効率を高めている。

他方、タービン翼内の冷却媒体を翼後縁部から排出する構造として、タービン翼後縁部の正圧面側の翼壁を切り欠き、これによって露出した負圧面側の翼壁の裏面に沿うように冷却媒体を流すことにより、この面をフィルム冷却することが提案されている（特許文献２参照）。

米国特許第５６０３６０６号明細書特許第４９５７１３１号明細書

しかし、特許文献２に開示されているように、ラティス構造に翼後縁部のフィルム冷却を組み合わせた場合、ラティス構造から流出した強い渦流が、露出した壁面へ排出されて、外部を流れる高温のガスに巻き込まれる。その結果、フィルム冷却による冷却効果を十分に得ることが困難であった。

そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決すべく、ラティス構造によってタービン翼内部を高い効率で冷却し、かつタービン翼後縁部もフィルム冷却によって効果的に冷却することにより、タービン翼全体を高効率に冷却できる冷却構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るタービン翼の冷却構造は、高温ガスによって駆動されるタービンのタービン翼を冷却するための構造であって、前記高温ガスの流路に対して凹状に湾曲する前記タービン翼の第１翼壁と、前記高温ガスの流路に対して凸状に湾曲する前記タービン翼の第２翼壁との間に形成された冷却通路と、前記冷却通路に面する前記第１翼壁の壁面上に設けられた複数の第１リブからなる第１リブ組と、前記冷却通路に面する前記第２壁の壁面上に設けられた複数の第２リブからなり、前記第１リブ組に格子状に重ねられた第２リブ組とを有するラティス構造体と、前記冷却通路の下流側端部に設けられて、前記冷却通路内の冷却媒体を外部へ排出する冷媒排出口と、前記第２壁の、前記冷媒排出口の外部へ延設されて形成された部分である露出壁部と、前記冷却通路の、前記ラティス構造体の出口から前記冷媒排出口までの部分であって、前記第１壁の壁面および前記第２壁の壁面が平坦面として形成された平坦面部とを備える。

この構成によれば、ラティス構造体から渦流として排出された冷却媒体が、平坦面部を流れる過程で、壁面に沿った均一な方向の流れに整流された後、冷媒排出口から露出壁部へ排出される。これにより、露出壁部において高温のガスと冷却媒体との混合が抑制され、十分なフィルム冷却効果が得られる。したがって、ラティス構造体によるタービン翼内の冷却とタービン翼後縁部のフィルム冷却が高い効率で両立できるので、タービン翼全体の冷却効率を高めることが可能になる。

本発明の一実施形態において、前記平坦面部の長さが、前記ラティス構造体の出口の高さの１倍以上かつ５倍以下の範囲内であってよい。この構成によれば、ラティス構造体による冷却効果に実質的な影響を及ぼさない範囲で、ラティス構造体から排出された渦流がフィルム冷却用に整流されるための十分な距離を確保できる。したがって、タービン翼全体の冷却効率をさらに高めることが可能になる。

本発明の一実施形態において、前記冷却媒体全体の移動方向が、前記タービン翼の翼弦に沿った方向であり、複数の前記ラティス構造体が、仕切り体を介して前記タービン翼の高さ方向に並べて配置されていてもよい。冷却媒体全体の移動方向を翼弦方向とすることにより、ラティス構造が存在しない平坦面部をタービン翼後端部の狭い空間に形成することになるので、ラティス構造体を省略することによる冷却効果の低減が抑制されるとともに、タービン翼の製造が容易になる。また、露出壁部を、タービン翼の高さ方向に広く確保することができるので、タービン翼全体の冷却効率をさらに高めることができる。

本発明によれば、ラティス構造体によるタービン翼内の冷却とタービン翼後縁部のフィルム冷却を高い効率で両立することにより、タービン翼全体の冷却効率を高め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タービン翼の一例を示す斜視図である。図１の冷却構造を模式的に示す縦断面図である。図１のタービン翼の横断面図である。図２の冷却構造に用いられるラティス構造体を模式的に示す斜視図である。図２のタービン翼の後端部付近を拡大して模式的に示す縦断面図である。本発明の一実施形態に係る冷却構造における平坦面部の長さと冷却媒体の渦流の強度との関係についてのシミュレーション結果を示す図である。本発明の一実施形態に係る冷却構造における平坦面部の長さと壁面の熱伝達率との関係についてのシミュレーション結果を示す図である。本発明の一実施形態に係る冷却構造の配置の一例を模式的に示す縦断面図である。

以下，本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態であるタービン翼の冷却構造が適用される、ガスタービンエンジンのタービンの動翼１を示す斜視図である。タービン動翼１は、図示しない燃焼器から供給された、矢印方向に流れる高温ガスＧによって駆動されるタービンＴを形成している。タービン動翼１は、高温ガスＧの流路ＧＰに対して凹状に湾曲する第１翼壁３と、高温ガスの流路ＧＰに対して凸状に湾曲する第２翼壁５とを有する。本明細書では、高温ガスＧの流れ方向に沿った上流側（図１の左側）を前方と呼び、下流側（図１の右側）を後方と呼ぶ。なお、以下の説明では、冷却構造が設けられるタービン翼として、主としてタービン動翼１を例として示すが、特に説明する場合を除き、本実施形態に係る冷却構造は、タービン翼であるタービン静翼にも同様に適用することができる。

具体的には、タービン動翼１は、図２に示すように、そのプラットフォーム１１がタービンディスク１３の外周部に連結されることで、周方向に多数植設されてタービンＴを形成している。タービン動翼１の前部１ａの内部には、翼高さ方向Ｈに延びて折り返す前部冷却通路１５が形成されている。タービン動翼１の後部１ｂの内部には、後部冷却通路１７が形成されている。これらの冷却通路は、図３に示すように、第１翼壁３と第２翼壁５との間の空間を利用して形成されている。

図２に示すように、圧縮機からの圧縮空気の一部である冷却媒体ＣＬが、径方向内側のタービンディスク１３の内部に形成された前部冷却媒体導入通路１９，後部冷却媒体導入通路２１を通って、径方向外側に向かって流れ、それぞれ前部冷却通路１５，後部冷却通路１７に導入される。前部冷却通路１５に供給された冷却媒体ＣＬは、タービン動翼１の外部に連通する図示しない冷媒排出孔から外部へ排出される。後部冷却通路１７に供給された冷却媒体ＣＬは、後述する冷媒排出口２５から外部へ排出される。以下、本実施形態に係る冷却構造をタービン動翼１の後部１ｂのみに設けた例について説明するが、本実施形態に係る冷却構造は、タービン動翼１の後部１ｂを含むいかなる範囲に設けてもよい。本実施形態では、後部冷却通路１７内において、冷却媒体ＣＬの全体が、前方から後方へ横切る方向に流れる。以下の説明では、この冷却媒体ＣＬ全体の流れ方向を、冷媒移動方向Ｍと称する。

図３に示すように、後部冷却通路１７の内部には、タービン動翼１を冷却するための冷却構造として、ラティス構造体２３が設けられている。ラティス構造体２３は、後部冷却通路１７に面する第１翼壁３および第２翼壁５の壁面にそれぞれ立設された複数のリブからなる。以下の説明では、第１翼壁３の後部冷却通路１７に面する壁面を第１壁面３ａと称し、第２翼壁５の後部冷却通路１７に面する壁面を第２壁面５ａと称する。

タービン動翼１を冷却するための冷却構造として、タービン動翼１は、さらに、冷媒排出口２５、露出壁部２７および平坦面部２９を有している。タービン動翼１の後端部において、第１翼壁３を切り欠いて第２翼壁５の壁面を外部（高温ガスの流路ＧＰ）に露出させた部分を形成している。冷媒排出口２５は、後部冷却通路１７の下流側端部（後端部）に設けられて、後部冷却通路１７内の冷却媒体ＣＬを外部へ排出する。冷媒排出口２５は、上記のように第１翼壁３を切り欠いた箇所における第１壁面３ａと第２壁面５ａとの間の隙間として形成されている。すなわち、露出壁部２７は、第２翼壁５の、冷媒排出口２５の外部へ延設されて形成された部分である。平坦面部２９は、後部冷却通路１７内の、ラティス構造体２３の出口２３ａから冷媒排出口２５までの領域の部分に形成されており、第１壁面３ａおよび第２壁面５ａが平坦面として、つまり突起物や凹所が設けられていない面として形成されている。この平坦面部２９によって、ラティス構造体２３から排出された冷却媒体ＣＬが冷媒排出口２５へ向けて導出される。

図４に示すように、ラティス構造体２３は、後部冷却通路１７に面する両壁面３ａ，５ａ上に、互いに平行にかつ等間隔に設けられた複数のリブ３１からなるリブ組を、複数組格子状に重ねて組み合わせることにより形成されている。本実施形態では、２つのリブ組、すなわち第１リブ組（図４における下段のリブ組）３３Ａと第２リブ組（図４における上段のリブ組）３３Ｂとを、リブ３１の高さ方向（第１壁面３ａと第２壁面５ａとが対向する方向）に格子状に重ねることによって組み合わせて、ラティス構造体２３が形成されている。

ラティス構造体２３において、各リブ組３３Ａ，３３Ｂの隣り合うリブ３１，３１間の間隙が冷却媒体ＣＬの流路（ラティス流路）３５を形成する。ラティス構造体２３は、後部冷却通路１７内において、冷媒移動方向Ｍに延びる２つの側壁３７，３７の間に、ラティス流路３５が冷媒移動方向Ｍに対して傾斜するように配置される。ラティス構造体２３に導入された冷却媒体ＣＬは、同図に破線矢印で示すように、まず一方のリブ組（図示の例では下段の第１リブ組３３Ａ）のラティス流路３５を流れ、他方のリブ組（図示の例では上段の第２リブ組３３Ｂ）を横切ることにより渦流を生じさせる。その後、冷却媒体ＣＬは側壁３７に衝突し、同図に実線矢印で示すように、衝突した部分から他方のリブ組（図示の例では上段の第２リブ組３３Ｂ）のラティス流路３５に流れ込む。このように、ラティス構造体２３においては、冷却媒体ＣＬが、ラティス流路３５を流れ、側壁３７に衝突して他方のラティス流路３５に流れ込むことを繰り返した後にラティス構造体２３から排出される。その過程において、冷却媒体ＣＬが当該ラティス流路３５を横断する方向に延びる他方のリブ組を横切ることにより、冷却媒体ＣＬ流れの中に渦流が発生し、壁面３ａ，５ａの冷却が促進される。

本実施形態では、図４に示すように、ラティス構造体２３において、上段と下段の各リブ３１の高さ、すなわち翼厚方向のラティス流路高さｈは同一である。また、第１リブ組３３Ａにおけるリブ３１，３１同士の間隔と、第２リブ組３３Ｂにおけるリブ３１，３１同士の間隔とは同一である。すなわち、第１リブ組３３Ａにおけるラティス流路幅ｗと、第２リブ組３３Ｂにおけるラティス流路幅ｗとは同一である。第１リブ組３３Ａの延設方向と第２リブ組３３Ｂの延設方向とのなす角度は略９０°に設定されている。もっとも、各リブ組における複数のリブ３１の配置構成は、図示の例に限定されず、タービン翼の構造や要求される冷却性能等に応じて適宜設定してよい。

なお、図２に示す実施形態においては、後部冷却通路１７内に、複数（図示の例では２つ）の仕切り体３９，３９によって高さ方向Ｈに隔離された複数（図示の例では３つ）のラティス構造体２３を設けており、後部冷却通路１７の上端壁１７ａ，仕切り体３９，下端壁１７ｂが図４の側壁３７に相当する。なお、この例では、平板状の仕切り板を仕切り体３９として用いているが、仕切り体３９は、隣接するラティス構造体２３間の冷却媒体ＣＬの流通を実質的に妨げることが可能であり、かつ、ラティス構造体２３の側部において、冷却媒体ＣＬを衝突させて、一方のラティス流路３５から他方のラティス流路３５（図４）へ流れ込むように折り返すことができれば、どのようなものを用いてもよい。

図５に示すように、ラティス構造体２３を通過してきた冷却媒体ＣＬは、ラティス構造体２３の出口２３ａから主に渦流として排出される。その後、渦流であった冷却媒体ＣＬは、平坦面部２９における壁面３ａ，５ａ上を後方に向かって流れるにしたがい、壁面３ａ，５ａに沿って、後方に向かう均一な方向の流れに整流された状態で冷媒排出口２５から高温ガスの流路ＧＰへ排出される。これにより、冷却媒体ＣＬは、露出壁部２７において露出壁部２７の壁面２７ａに沿って均一な方向に流れる。露出壁部２７に排出された冷却媒体ＣＬの流れに強い渦流が残っていれば、この渦流が高温ガスＧの流れに巻き込まれて冷却媒体ＣＬと高温ガスＧとが混合され、露出壁部２７のフィルム冷却が阻害される。しかし、本実施形態では、上述のように、冷却媒体ＣＬは露出壁部２７において壁面２７ａに沿って均一な方向に流れるから、露出壁部２７において高温ガスＧと冷却媒体ＣＬとの混合が抑制され、露出壁部２７が効果的にフィルム冷却される。

さらに、本実施形態では、平坦面部２９の長さＬ（冷媒移動方向Ｍに沿った距離）を、ラティス構造体２３の出口２３ａの高さＥの１〜５倍の範囲内に設定している。図示の例では、平坦面部２９の長さＬは、ラティス構造体２３の出口高さＥの２倍である。上述のように、平坦面部２９を設けてラティス構造体２３の出口冷媒排出口２５との間を離間させることにより、ラティス構造体２３の複数の出口２３ａから後方へ流出する冷却媒体ＣＬ流の向きを均一化することができるが、平坦面部２９の長さＬが長すぎると、渦流が解消して熱伝達率が低下し、ラティス構造体２３による冷却に寄与しない部分の面積が増えることになる。したがって、平坦面部２９の長さＬは、ラティス構造体２３から排出された冷却媒体ＣＬの渦流を解消して流れを均一化するのに十分な範囲で短くすることが好ましい。また、ラティス構造体２３から排出された冷却媒体ＣＬの渦流の強度（回転速度）は、主としてラティス構造体２３の出口高さＥに依存することがわかっているので、平坦面部２９の長さＬは、ラティス構造体２３の出口高さＥを基準として規定することが適切である。

このような観点から、平坦面部２９の長さＬと冷却媒体ＣＬの渦流の強度の関係についてシミュレーションを行った結果を図６に示す。ラティス構造体２３の出口２３ａから排出された直後に強い渦流であった冷却媒体ＣＬは、平坦面部２９の長さＬ＝１Ｅの位置から渦流の強度が顕著に弱まり始め、この位置から下流に向かうに従って次第に流れが均一化されることが確認された。したがって、平坦面部２９の長さＬを１Ｅ以上とすれば、ラティス構造体２３の出口２３ａから後方へ流出する冷却媒体ＣＬ流の向きを均一化させて露出壁部２７を効果的にフィルム冷却することができると考えられる。

次に、平坦面部２９の長さＬと壁面の熱伝達率の関係についてもシミュレーションを行った結果を図７に示す。同図は、平滑な壁面を有する管内を、冷却媒体が渦流を含まない均一流として流れる場合の熱伝達率を基準（１．０）として、この熱伝達率に対する比率を表したものである。平坦面部２９の長さＬ＝５Ｅの位置より上流の領域では、ラティス構造体２３が存在しなくとも、冷却媒体に残存する渦流の影響によって、壁面における熱伝達率が、通常の平滑な壁面上を流れる冷却媒体流（ほぼ完全に均一な流れ）の場合よりも高い値に維持される部分が広く存在する。一方、平坦面部２９の長さＬ＝５Ｅの位置より下流の領域では、冷却媒体における渦流がほぼ完全に解消し、壁面における熱伝達率が、通常の平滑な壁面上を流れる冷却媒体流の場合と同等の値となる部分の割合が急激に増加していくことが確認された。すなわち、平坦面部２９の長さＬ＝５Ｅの位置より上流の領域においては、ラティス構造体２３による冷却効果が残存している。したがって、平坦面部２９の長さを５Ｅ以下とすることにより、平坦面部２９においてもラティス構造体２３による冷却効果を十分に得ながら、露出壁部２７を効果的にフィルム冷却することができると考えられる。これらの結果から、平坦面部２９の長さＬが出口高さＥの１倍以上５倍以下の範囲内にあることが好ましく、出口高さＥの１．５倍以上３．５倍以下の範囲内にあることがより好ましい。

また、本実施形態では、図２に示すように冷却媒体ＣＬ全体の移動方向Ｍを翼弦方向とすることにより、ラティス構造体２３が存在しない平坦面部２９を、タービン翼後端部の冷却通路幅（冷却通路の壁面間距離）が短い領域に形成することになる。したがって、この領域においてラティス構造体２３を省略し、平坦面部２９として形成しても、ラティス構造体２３から排出された渦流によって十分な冷却効果が得られる。また、冷却通路幅が短い領域に複雑な構造のラティス構造体２３を設ける必要がないので、タービン翼の製造が容易になる。さらには、露出壁部２７を、タービン翼の高さＨ方向に広く確保することができるので、タービン翼全体の冷却効率をさらに高めることができる。もっとも、冷却媒体ＣＬの移動方向は翼弦方向に限定されず、ラティス構造体２３、平坦面部２９、冷媒排出口２５および露出壁部２７の配置は冷却媒体ＣＬの移動方向に応じて適宜設定してよい。

なお、図２の例では、後部冷却通路１７内に、複数の仕切り体３９によって高さ方向に隔離された複数のラティス構造体２３を設けているが、仕切り体３９で隔離されていないラティス構造体２３を設けてもよい。また、図示の例では、ラティス構造体２３を、タービン動翼１の高さ方向Ｈ（タービンの径方向）のほぼ全体に渡って設けているが、高さ方向Ｈの一部にのみラティス構造体２３を設けてもよい。例えば、図８に示すように、ラティス構造体２３をタービン動翼１の根元側（図示の例では根元側半分の領域）、すなわち径方向内側にのみ設けてもよい。これにより、タービン動翼１の中で大きな応力がかかる部分である根元部分を効果的に冷却することができる。同様の理由により、タービン静翼にラティス構造体２３を設ける場合には、タービンの径方向外側となるタービン静翼の根元側にのみラティス構造体２３を設けてもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る冷却構造によれば、ラティス構造体２３から渦流として排出された冷却媒体ＣＬが、平坦面部２９を流れる過程で、壁面に沿った均一な方向の流れに整流された後、冷媒排出口２５から露出壁部２７へ排出される。これにより、露出壁部２７において高温のガスＧと冷却媒体ＣＬとの混合が抑制され、十分なフィルム冷却効果が得られる。したがって、ラティス構造体２３によるタービン翼内の冷却とタービン翼後縁部のフィルム冷却が高い効率で両立できるので、タービン翼全体の冷却効率を高めることが可能になる。

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。

１タービン動翼（タービン翼）
３第１翼壁
５第２翼壁
１７後部冷却通路（冷却通路）
２３ラティス構造体
２３ａラティス構造体の出口
２５冷媒排出口
２７露出壁部
２９平坦面部
ＣＬ冷却媒体
Ｅラティス構造体の出口高さ
Ｇ高温ガス
ＧＰ高温ガスの流路
Ｌ平坦面部の長さ

Claims

高温ガスによって駆動されるタービンのタービン翼を冷却するための構造であって、
前記高温ガスの流路に対して凹状に湾曲する前記タービン翼の第１翼壁と、前記高温ガスの流路に対して凸状に湾曲する前記タービン翼の第２翼壁との間に形成された冷却通路と、
前記冷却通路に面する前記第１翼壁の壁面上に設けられた複数の第１リブからなる第１リブ組と、前記冷却通路に面する前記第２壁の壁面上に設けられた複数の第２リブからなり、前記第１リブ組に格子状に重ねられた第２リブ組とを有するラティス構造体と、
前記冷却通路の下流側端部に設けられて、前記冷却通路内の冷却媒体を外部へ排出する冷媒排出口と、
前記第２翼壁の、前記冷媒排出口の外部へ延設されて形成された部分である露出壁部と、
前記冷却通路の、前記ラティス構造体の出口から前記冷媒排出口までの部分であって、前記第１翼壁の壁面および前記第２翼壁の壁面が平坦面として形成された平坦面部と、
を備える、ガスタービンエンジンの冷却構造。
請求項１に記載の冷却構造において、前記平坦面部の長さが、前記ラティス構造体の出口の高さの１倍以上かつ５倍以下の範囲内にある冷却構造。
請求項２に記載の冷却構造において、前記冷却媒体全体の移動方向が、前記タービン翼の翼弦に沿った方向であり、複数の前記ラティス構造体が、仕切り体を介して前記タービン翼の高さ方向に並べて配置されている冷却構造。