JP2645209B2 - タービンの翼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、タービンの翼に係り、
特に工業用タービン・エンジンの第１段に使用されるよ
うな冷却を必要とするタービンの翼に関する。

【０００２】

【従来の技術】タービン・エンジン等では、一般に、燃
焼するガスによって駆動されるタービン自身が、燃焼器
へ空気を供給する送風機又は圧縮機を駆動する、自力的
駆動方式が採用されている。かかるタービンの出力効率
を高めるために、最も有効な方法は、タービン入口にお
ける燃焼ガス温度を高めることであるが、上記温度はタ
ービンの翼を構成する材料の耐熱応力性あるいは高温酸
化・腐食等に耐える能力により制限される。

【０００３】そこで、従来は翼の内部に冷却流体を通流
させる流路を備えた対流式のタービンの翼が用いられて
いる。しかし、この対流式のタービンの翼にあっては、
所定のタービン入口ガス温度に対して、タービン翼の温
度を許容値以内に保つために使用する冷却流体の量が過
大であり、満足できるものではなかった。すなわち、冷
却流体の量が多いと、翼の温度は明らかに低下するが、
逆に、翼の空力損失が増大し、またタービン出力効率も
低下する。このため、少ない冷却流体で翼を良好に冷却
できるものの出現が望まれているのが実状である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、ター
ビン出力を低下させることのない量の冷却流体を使って
翼の各部を良好に冷却でき、また比較的安価に製造可能
なタービンの翼を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、翼根部の基端部に入口を有するとともに
上記入口から翼根部の内部および翼本体の内部を経由し
て翼外に通じる冷却流路を備え、上記入口を冷却流体供
給部に接続するようにしたタービンの翼において、翼前
縁部内に設けられ、主として冷却流体を前記翼根部の内
部および前記翼本体の内部に翼の高さ方向に沿って形成
された経路で導く流路および上記流路に案内された冷却
流体を上記翼本体の外部へ排出させる排出孔を備えてな
る第１の冷却流路と、この第１の冷却流路とは独立して
翼中間部内に設けられ、主として冷却流体を前記翼根部
の内部および前記翼本体の内部に翼の高さ方向に沿って
形成された経路で導いた後に上記翼本体の高さ方向先端
部近傍で上記翼本体の前縁部側回りにリターンさせて上
記翼本体の基端部近傍まで案内し、さらに上記基端部近
傍から上記翼本体の前縁部側回りにリターンさせて上記
翼本体の高さ方向先端部近傍まで案内する屈折流路およ
び上記屈折流路の少なくとも最下流領域に案内された冷
却流体を上記翼本体の外部へ排出させる排出孔を備えて
なる第２の冷却流路と、この第２の冷却流路および前記
第１の冷却流路とは独立に翼後縁部内に設けられ、主と
して冷却流体を前記翼根部の内部および前記翼本体の内
部に翼の高さ方向に沿って形成された経路で導く流路お
よび上記流路に案内された冷却流体を上記翼本体の後縁
から外部へ排出させる流路を備えてなる第３の冷却流路
と、前記翼根部の前記基端部まで延びて前記第１の冷却
流路と前記第２の冷却流路とを仕切る仕切り壁および上
記第２の冷却流路と前記第３の冷却流路とを仕切る仕切
り壁とを備えていることを特徴としている。

【０００６】

【作用】第１，第２，第３つの冷却流路は、翼根部の基
端部から翼内を経由して翼外に至るまで完全に独立して
いる。このため、各冷却流路への冷却流体供給圧力を一
定とした場合、従来の翼のように１つあるいは２つの内
部流路だけを設けたものに較べて冷却流体の流速が増加
する。この結果、対流による冷却効果が向上し、結果的
に冷却流体の供給圧力を低下でき、冷却流体の量の減少
化が可能となり、空力損失の減少化ならびに効率の向上
化に寄与できる。また、３つの冷却流路を完全に独立さ
せているので、各冷却流路内の圧力が互いに干渉するの
を防止できる。この結果、各冷却通路に設定通りの冷却
流体を通流させることが可能となり、最少の流量で最大
の冷却効果を発揮させることが可能となる。すなわち、
この種の翼は１つずつ鋳造等によって製作されるので、
製作精度にバラツキが生じ、冷却流路の精度にもバラツ
キが生じる。したがって、翼を製作した後には上記バラ
ツキが所定範囲に入っているか否かを確認するための試
験を行う必要がある。この試験としては、規定圧の冷却
流体供給源に冷却流路を接続し、各冷却流路の流量や流
量比を調べる方法がある。３つの冷却流路を完全に独立
させた構成であると、３つの冷却流路をそれぞれ流量計
を介して共通の冷却流体供給源に接続し、各冷却流路を
流れる流量および各冷却流路の流量比を正確に知ること
ができる。この試験の結果に応じて、各冷却流路の入口
に流量調整機構等を取付けることによって各冷却通路に
最少の流量で最大の冷却効果が得られる冷却流体を通流
させることが可能となる。また、第２の冷却流路では、
翼中間部領域内の後縁部から翼中間部領域内の前縁部に
向けて屈折しながら延びる流路構成となっているので、
翼中間部領域内の後縁部を延びる流路部分からフイルム
冷却用の排出孔を介して翼中間部領域の後縁部外面に冷
却流体を噴出させてフイルム冷却するようにすると、翼
の形状に起因する特性から翼中間部領域の後縁部を良好
に冷却できる。したがって、第２の冷却流路を流れる冷
却流体が第２の冷却流路の後流域に達するまでに温度上
昇してしまうのを防止でき、この結果、少ない量の冷却
流体で翼中間部領域の前縁部を良好に冷却することが可
能となる。

【０００７】

【実施例】図１は本発明をタービンの動翼に適用した一
実施例の外観を示すものである。すなわち、この動翼
は、大きく分けて、翼本体１と、この翼本体１を支持す
る翼根部２と、プラットホーム部３とから構成されてい
る。

【０００８】翼本体１，翼根部２およびプラットホーム
部３は、翼本体１の先端壁Ｘ（図２参照）だけを残して
精密鋳造によって一体的に形成されたもので、先端壁Ｘ
は溶接あるいは拡散接合によって接合されている。

【０００９】翼本体１内と翼根部２内とには、図２およ
び図３に示すように翼本体１の高さ方向に延びる３つの
冷却流体系統１１，１２，１３が仕切壁１４，１５によ
って形成されており、これら冷却流体系統１１，１２，
１３の翼根部２側に位置している端部は、図示しない回
転軸に設けられた冷却流体供給路に接続されている。な
お、仕切り壁１４，１５は翼根部２の基端部まで延びて
おり、これによって３つの冷却流体系統１１，１２，１
３は翼根部２の基端部から翼根部２内、翼本体１内を経
由して翼外に至るまで完全に独立している。

【００１０】仕切壁１４は、翼本体１の根本部近傍にお
いて２つの分岐壁１４ａ，１４ｂに分岐し、これら分岐
壁１４ａ，１４ｂは前述した先端壁Ｘの内面近くまで延
びている。そして、分岐壁１４ａ，１４ｂ間には、この
分岐壁１４ａ，１４ｂの間にＵ字形の流路１６を構成す
る壁１７が設けられている。

【００１１】前記第１の冷却系統１１は、翼根部２から
翼本体１の先端部近傍まで延びるように仕切壁１４と前
縁部Ｆの近傍に設けられた仕切壁１８とによって形成さ
れた直線状の流路１９と、仕切壁１８と前縁部Ｆの外面
との間に形成された空洞２０と、仕切壁１８に複数設け
られた小孔２１と、空洞２０と前縁部Ｆの外面との間に
存在する壁２２に複数設けられたフィルム冷却用の排出
孔２３とで構成されている。

【００１２】したがって、この第１の冷却系統１１に供
給された冷却流体は、翼根部２から流入し、流路１９を
翼高さ方向に流れ、先端壁Ｘ付近に達するが、その間
に、仕切壁１８に設けられた複数の小孔２１から空洞２
０内に噴射流入し、さらに、壁２２に設けられた複数の
排出孔２３を通過して、翼外部に流出する。なお、図中
２４は流路１９の翼背側の内面および翼腹側の内面の両
者にそれぞれ突設され、対流冷却効果を増進させるため
の攪拌ストリップを示している。

【００１３】この第１の冷却系統１１の冷却性能は、主
に、流路１９における対流冷却効果、冷却流体が流路１
９から小孔２１を通過し壁２２の内面に噴流として衝突
することによるインピンジ冷却効果、排出孔２３の内面
の対流冷却効果および上記排出孔２３を介して翼外に吹
出した冷却流体が翼外表面、すなわち前縁部Ｆならびに
この前縁部Ｆの背側，腹側に沿って流れることによるフ
ィルム冷却効果の相乗効果で与えられる。

【００１４】前記第２の冷却系統１２は、仕切壁１４と
１５との間に形成され翼根部２から翼本体１の先端壁Ｘ
の近傍まで延びた後、前記Ｕ字形の流路に通じた屈折流
路３１と、この屈折流路３１を構成する翼本体１の腹側
の壁に複数設けられた排出孔３２（図３参照）とを主体
にして構成されている。

【００１５】したがって、この第２の冷却系統１２に導
かれた冷却流体は、仕切壁１４と１５との間を翼根部か
ら翼本体１の先端部へ向けて流れた後、前縁部側回りに
１８０度リターンして分岐壁１４ｂと壁１７との間を流
れ、その後、翼本体１の根本部分において再び前縁部側
回りに１８０度リターンして分岐壁１４ａと壁１７との
間を翼先端部付近まで流れる。この間に、この屈折流路
３１を構成する翼本体１の腹側の壁に設けられた排出孔
３２から翼外へと流れる。なお、図中３３は第１の冷却
系統１１と同様に設けられた攪拌ストリップを示し、ま
た３４は先端壁Ｘに設けられた排出孔を示している。

【００１６】この第２の冷却系統１２の冷却性能は、屈
折流路３１での対流冷却効果、排出孔３２，３４内での
対流冷却効果、排出孔３２，３４から吹出した冷却流体
が翼の腹側外面および先端部外面に沿って流れることに
よるフィルム冷却効果によって与えられる。

【００１７】なお、屈折流路３１は途中の複数個所にお
いて、排出孔３２から冷却流体を翼外へ排出しているの
下流に向かうにしたがって通過する冷却流体の量が徐々
に減少し、対流冷却効果が低下する虞れがあるので、こ
の実施例では、下流に向かうにしたがって通路断面積を
減少させ、これによって流速をほぼ一定に保つようにし
ている。また流路の圧力損失を少なくするという観点か
ら２つのリターン部はなめらかな曲率で変化する曲率路
に形成されている。

【００１８】前記第３の冷却系統１３は、翼の後縁部側
を冷却するためのもので、仕切壁１５と翼本体１の後縁
部側に設けられた仕切壁４１との間に翼根部２から翼本
体１の先端壁Ｘの近辺に至るまで延びる流路４２と、仕
切壁４１と翼本体１の後縁部Ｒとの間に形成された空洞
４３と、仕切壁４１に設けられた複数の小孔４４と、空
洞４３と後縁部Ｒとの間に存在する壁４５に設けられた
複数の排出孔４６とで構成されている。

【００１９】したがって、この第３の冷却系統１３に導
かれた冷却流体は、翼根部２から流路４２内を翼本体１
の先端部側へと流れた後、小孔４４を通って空洞４３内
に流れ込み、次に排出孔４６を通って翼外へと流れる。
なお、図中４７は、攪拌ストリップを示している。

【００２０】この第３の冷却系統１３の冷却性能は、流
路４２での対流冷却効果、小孔４４を通過した冷却流体
が噴流となって壁４５の内面に衝突することによるイン
ピンジ冷却効果および排出孔４６の内面における対流冷
却効果によって与えられる。

【００２１】一方、第１，第２，第３の冷却系統１１，
１２，１３の翼根部２に位置する冷却流体導入口には、
各冷却系統１１，１２，１３に流入する冷却流体の流量
を細かに調整するオリフィスプレート５１が着脱自在に
設けられている。

【００２２】これは次のような理由に基づく。すなわ
ち、上記構成の翼は、翼の内部から外部へ冷却流体を吹
出す、いわゆるフィルム冷却用の排出孔を多用している
ため、少ない流量で冷却効果を得るには各冷却系統間の
流量配分を厳密に行なう必要がある。この配分を行なう
手段として、製造加工時の精度を上げることも考えられ
るが、上記精度を上げることは実際問題として困難であ
る。そこで、この実施例では、流量調整機構、つまりオ
リフィスプレート５１を付加して製作後に流量配分を適
正値に保つようにしているのである。

【００２３】このように、タービンの翼の内部を複数の
細長い流路に区切り、内部を通過する冷却流体の速度を
上昇させて対流冷却効果を高めると同時に、フィルム冷
却用の排出孔を多数配置し、フィルム冷却の重ね合わさ
れた効果をも併用しているので少ない量の冷却流体で冷
却性能を飛躍的に向上させることができる。また、第２
の冷却系統１２では、翼中間部領域内の後縁部から翼中
間部領域内の前縁部に向けて屈折しながら延びる流路構
成となっているので、屈折流路３１の翼中間部領域内の
後縁部を延びる部分から排出孔３２を介して翼中間部領
域の後縁部外面に冷却流体を噴出させてフイルム冷却す
るようにすると、翼の形状に起因する特性から翼中間部
領域の後縁部を良好に冷却できる。すなわち、翼中間部
領域の後縁部外面で腹側に沿って流れる燃焼ガスの流速
は通常、極めて速い。したがって、この腹側部分に冷却
流体を噴出させてフイルム冷却を行うと、翼とフイルム
との間の温度境界層を薄くでき、翼からフイルムへ熱伝
達率を大きくできる。すなわち、この腹側部分を良好に
冷却できる。一方、翼中間部領域の後縁部外面で背側に
沿って流れる燃焼ガスは翼の形状の影響を受けて乱流化
する。したがって、この背側部分に冷却流体を噴出させ
てフイルム冷却を行うと、やはり翼とフイルムとの間の
温度境界層を薄くでき、翼からフイルムへの熱伝達率を
大きくできる。すなわち、この背側部分を良好に冷却で
きる。このため、第２の冷却系統１２を流れる冷却流体
が第２の冷却系統１２の後流域に達するまでに温度上昇
してしまうのを防止でき、この結果、冷却流体の量を増
すことなく翼中間部領域の前縁部も良好に冷却すること
が可能となる。

【００２４】なお、本発明は、上述した実施例に限定さ
れるものではない。すなわち、第２の冷却系統１２の屈
折流路３１におけるリターン部に図５に示すようにガイ
ド６１を設けることによって、この部分での流動抵抗を
減少させるようにしてもよい。また、第３の冷却系統１
３において、翼後縁部Ｒの両面の冷却を強化するために
流路４２および空洞４３と翼外とを連通させるフィルム
冷却用の排出孔を設けてもよい。さらに、最後縁部の流
路形状としては、図６(a) ，(b) に示すようにスリット
状流路７１としてもよいし、また図７(a) ，(b) に示す
ように空洞４３内に熱交換面を増加させるためにピンフ
ィン７２を設けるようにしてもよい。さらに、各冷却系
統において、翼本体１の先端壁Ｘにフィルム冷却用の排
出孔を設けてもよい。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
独立した３つの冷却流路を設けているので、各冷却流路
への冷却流体供給圧力を一定とした場合、従来の翼のよ
うに１つあるいは２つの内部流路だけを設けたものに較
べて冷却流体の流速を増加させることができる。この結
果、対流による冷却効果を向上させることができ、結果
的に冷却流体の供給圧力を低下でき、冷却流体の量の減
少化を図れ、空力損失の減少化ならびに効率の向上化を
図ることができる。また、３つの冷却流路を翼根部の基
端部から翼内を経由して翼外に至るまで完全に独立させ
ているので、各冷却流路内の圧力が互いに干渉すること
がなく、各冷却通路に設定通りの冷却流体を通流させる
ことが可能となり、最少の流量で最大の冷却効果を発揮
させることが可能となる。すなわち、翼を製作した後に
３つの冷却流路をそれぞれ流量計を介して共通の冷却流
体供給源に接続することによって、各冷却流路に流れる
流量および各冷却流路の流量比を正確に知ることができ
る。この試験の結果に応じて、各冷却流路の入口に流量
調整機構等を取付けることによって各冷却通路に最少の
流量で最大の冷却効果が得られる冷却流体を通流させる
ことが可能となる。また、第２の冷却流路では、翼中間
部領域内の後縁部から翼中間部領域内の前縁部に向けて
屈折しながら延びる流路構成となっているので、翼中間
部領域内の後縁部を延びる流路部分からフイルム冷却用
の排出孔を介して翼中間部領域の後縁部外面に冷却流体
を噴出させてフイルム冷却するようにすると、翼の形状
に起因する特性から翼中間部領域の後縁部を良好に冷却
できる。したがって、第２の冷却流路を流れる冷却流体
が第２の冷却流路の後流域に達するまでに温度上昇して
しまうのを防止でき、この結果、少ない量の冷却流体で
翼中間部領域の前縁部も良好に冷却することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るタービンの翼の外観図

【図２】図１におけるＰ−Ｐ線に沿って切断し矢印方向
に見た断面図

【図３】図１におけるＱ−Ｑ線に沿って切断し矢印方向
に見た断面図

【図４】図１におけるＳ−Ｓ線に沿って切断し矢印方向
に見た局部的な断面図

【図５】本発明に係るタービンの翼の変形例を局部的に
示す断面図

【図６】(a) は本発明の別の実施例における要部の縦断
面図で(b) は同要部の横断面図

【図７】(a) は本発明のさらに別の実施例における要部
の縦断面図で(b) は同要部の横断面図

【符号の説明】

１…翼本体 ２…翼根部 ３…プラットホーム部 １１…第１の冷
却系統 １２…第２の冷却系統 １３…第３の冷
却系統

フロントページの続き (72)発明者 大友 文雄 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献 実開 昭50−129707（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭47−40209（ＪＰ，Ｂ１) 英国特許1514613（ＧＢ，Ａ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】翼根部の基端部に入口を有するとともに上
   記入口から翼根部の内部および翼本体の内部を経由して
   翼外に通じる冷却流路を備え、上記入口を冷却流体供給
   部に接続するようにしたタービンの翼において、 翼前縁部内に設けられ、主として冷却流体を前記翼根部
   の内部および前記翼本体の内部に翼の高さ方向に沿って
   形成された経路で導く流路および上記流路に案内された
   冷却流体を上記翼本体の外部へ排出させる排出孔を備え
   てなる第１の冷却流路と、 この第１の冷却流路とは独立して翼中間部内に設けら
   れ、主として冷却流体を前記翼根部の内部および前記翼
   本体の内部に翼の高さ方向に沿って形成された経路で導
   いた後に上記翼本体の高さ方向先端部近傍で上記翼本体
   の前縁部側回りにリターンさせて上記翼本体の基端部近
   傍まで案内し、さらに上記基端部近傍から上記翼本体の
   前縁部側回りにリターンさせて上記翼本体の高さ方向先
   端部近傍まで案内する屈折流路および上記屈折流路の少
   なくとも最下流領域に案内された冷却流体を上記翼本体
   の外部へ排出させる排出孔を備えてなる第２の冷却流路
   と、 この第２の冷却流路および前記第１の冷却流路とは独立
   に翼後縁部内に設けられ、主として冷却流体を前記翼根
   部の内部および前記翼本体の内部に翼の高さ方向に沿っ
   て形成された経路で導く流路および上記流路に案内され
   た冷却流体を上記翼本体の後縁から外部へ排出させる流
   路を備えてなる第３の冷却流路と、 前記翼根部の前記基端部まで延びて前記第１の冷却流路
   と前記第２の冷却流路とを仕切る仕切り壁および上記第
   ２の冷却流路と前記第３の冷却流路とを仕切る仕切り壁
   と を具備してなることを特徴とするタービンの翼。
2. 【請求項２】前記第１，第２，第３の冷却流路の入口に
   は、各流路に流入する冷却流体の流量を調整する流量調
   整機構が設けられてなることを特徴とする請求項１に記
   載のタービンの翼。
3. 【請求項３】前記第１，第２，第３の冷却流路は、前記
   翼本体の高さ方向先端部外面に沿って冷却流体を翼外へ
   排出させる排出孔を備えてなることを特徴とする請求項
   １に記載のタービンの翼。
4. 【請求項４】前記第１の冷却流路は、冷却流体を前記翼
   本体の高さ方向に案内する部分と、この部分と上記翼本
   体の前縁部外面との間に形成された空洞と、この空洞と
   上記部分とを仕切る仕切壁に設けられ上記部分によって
   案内された冷却流体を上記翼本体の前縁部外面と上記空
   洞との間に存在する壁部の内面に向けて噴射させる複数
   の小孔とを備えてなることを特徴とする請求項１に記載
   のタービンの翼。