JP3319159B2 - フィルム冷却孔を備えた冷却タービン翼 - Google Patents
フィルム冷却孔を備えた冷却タービン翼Info
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/14—Form or construction
- F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
- F01D5/186—Film cooling
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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- F05D2250/10—Two-dimensional
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、タービン部材の表面に
冷却空気の薄いフィルムを形成するためのフィルム冷却
孔を備えた冷却タービン翼に関する。
冷却空気の薄いフィルムを形成するためのフィルム冷却
孔を備えた冷却タービン翼に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンのタービン部材を冷却する
ことによって、部材の使用温度より高いタービン入口ガ
ス温度を採用することができ、これにより、ガスタービ
ンの性能が向上することが、従来から知られている。ま
た、このため、通常の対流冷却以外にインピンジ冷却、
フィルム冷却、トランスピレーション冷却、等の冷却手
段がタービン翼を冷却するために従来から用いられてい
た。
ことによって、部材の使用温度より高いタービン入口ガ
ス温度を採用することができ、これにより、ガスタービ
ンの性能が向上することが、従来から知られている。ま
た、このため、通常の対流冷却以外にインピンジ冷却、
フィルム冷却、トランスピレーション冷却、等の冷却手
段がタービン翼を冷却するために従来から用いられてい
た。
【０００３】かかる冷却手段のうちフィルム冷却は、図
６に例示するように、タービン翼１の背側、腹側に空気
吹出孔２（フィルム冷却孔）を設け、この孔から冷却空
気３を吹き出してタービン部材の表面に冷却空気の薄い
フィルムを形成するものであり、従来ほぼ同一の丸孔又
は矩形孔がタービン翼の背側、腹側に設けられていた。
６に例示するように、タービン翼１の背側、腹側に空気
吹出孔２（フィルム冷却孔）を設け、この孔から冷却空
気３を吹き出してタービン部材の表面に冷却空気の薄い
フィルムを形成するものであり、従来ほぼ同一の丸孔又
は矩形孔がタービン翼の背側、腹側に設けられていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、かかる従来の
フィルム冷却孔を備えた冷却タービン翼では、タービン
翼表面を効果的に冷却することが困難であり、そのため
部分的に過熱又は過冷却されたり、冷却のために消費さ
れる冷却空気量が過大になる、等の問題点があった。
フィルム冷却孔を備えた冷却タービン翼では、タービン
翼表面を効果的に冷却することが困難であり、そのため
部分的に過熱又は過冷却されたり、冷却のために消費さ
れる冷却空気量が過大になる、等の問題点があった。
【０００５】本発明はかかる問題点を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ター
ビン翼表面を効果的に冷却でき、かつ必要な冷却空気量
を低減することができるフィルム冷却孔を備えた冷却タ
ービン翼を提供することにある。
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ター
ビン翼表面を効果的に冷却でき、かつ必要な冷却空気量
を低減することができるフィルム冷却孔を備えた冷却タ
ービン翼を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、タービ
ン翼の背側及び腹側に空気を吹き出すためのフィルム冷
却孔（１４）を備えた冷却タービン翼（１０）におい
て、背側及び腹側のフィルム冷却孔が矩形孔であり、該
矩形孔の横幅と縦幅の比（アスペクト比）は、背側でほ
ぼ２：１であり、腹側でほぼ１：１であり、更に、ター
ビン翼の前縁部付近にフィルム冷却孔（１４）を備え、
該フィルム冷却孔は半径方向に傾斜した丸孔からなる、
ことを特徴とするフィルム冷却孔を備えた冷却タービン
翼が提供される。
ン翼の背側及び腹側に空気を吹き出すためのフィルム冷
却孔（１４）を備えた冷却タービン翼（１０）におい
て、背側及び腹側のフィルム冷却孔が矩形孔であり、該
矩形孔の横幅と縦幅の比（アスペクト比）は、背側でほ
ぼ２：１であり、腹側でほぼ１：１であり、更に、ター
ビン翼の前縁部付近にフィルム冷却孔（１４）を備え、
該フィルム冷却孔は半径方向に傾斜した丸孔からなる、
ことを特徴とするフィルム冷却孔を備えた冷却タービン
翼が提供される。
【０００７】本発明の好ましい実施例によれば、前記各
フィルム冷却孔には、翼表面側が広がったディフューザ
部分が設けられている。
フィルム冷却孔には、翼表面側が広がったディフューザ
部分が設けられている。
【０００８】
【作用】本願発明者等は、フィルム冷却孔の断面形状の
アスペクト比（横幅と縦幅の比）によるフィルム冷却効
率が、タービン翼の部分、すなわち曲率の違いにより相
違することを実験的に発見し、この特性をフィルム冷却
性能を向上させる手段として利用することに着眼した。
本発明はかかる新規の知見と目的に基づくものである。
アスペクト比（横幅と縦幅の比）によるフィルム冷却効
率が、タービン翼の部分、すなわち曲率の違いにより相
違することを実験的に発見し、この特性をフィルム冷却
性能を向上させる手段として利用することに着眼した。
本発明はかかる新規の知見と目的に基づくものである。
【０００９】すなわち、実験の結果、フィルム冷却効率
は背側ではアスペクト比が大きい方が高く、逆に腹側で
は小さい方が高いので、上述した本発明の構成のよう
に、背側及び腹側のフィルム冷却孔（１４）を矩形孔と
し、かつ矩形孔の横幅と縦幅の比（アスペクト比）を、
背側でほぼ２：１、腹側でほぼ１：１にすることによ
り、背側及び腹側の両方のフィルム冷却効率を高めるこ
とができ、タービン翼全面を効果的に冷却し、かつ必要
な冷却空気量を低減することができる。更に、タービン
翼の前縁部付近にフィルム冷却孔（１４）を備え、この
フィルム冷却孔は半径方向に傾斜した丸孔とすることに
より、翼表面部の肉厚が同一のままで、冷却空気とフィ
ルム冷却孔との接触面積を拡大することができ、前縁部
における冷却効率を高めることができる。
は背側ではアスペクト比が大きい方が高く、逆に腹側で
は小さい方が高いので、上述した本発明の構成のよう
に、背側及び腹側のフィルム冷却孔（１４）を矩形孔と
し、かつ矩形孔の横幅と縦幅の比（アスペクト比）を、
背側でほぼ２：１、腹側でほぼ１：１にすることによ
り、背側及び腹側の両方のフィルム冷却効率を高めるこ
とができ、タービン翼全面を効果的に冷却し、かつ必要
な冷却空気量を低減することができる。更に、タービン
翼の前縁部付近にフィルム冷却孔（１４）を備え、この
フィルム冷却孔は半径方向に傾斜した丸孔とすることに
より、翼表面部の肉厚が同一のままで、冷却空気とフィ
ルム冷却孔との接触面積を拡大することができ、前縁部
における冷却効率を高めることができる。
【００１０】言い換えれば、タービン翼の曲率の違いに
応じてフィルム冷却孔（１４）の断面のアスペクト比を
変えることにより、翼表面の背側、腹側それぞれに対応
した（曲率に対応した）適切なアスペクト比のフィルム
冷却孔形状を選び、これにより、翼面温度を下げること
ができる。また、このため従来より少ない冷却空気流量
で必要な翼面温度まで下げられるため、冷却空気量の低
減ができ、これにより、ガスタービンの効率を一層高め
ることができる。
応じてフィルム冷却孔（１４）の断面のアスペクト比を
変えることにより、翼表面の背側、腹側それぞれに対応
した（曲率に対応した）適切なアスペクト比のフィルム
冷却孔形状を選び、これにより、翼面温度を下げること
ができる。また、このため従来より少ない冷却空気流量
で必要な翼面温度まで下げられるため、冷却空気量の低
減ができ、これにより、ガスタービンの効率を一層高め
ることができる。
【００１１】
【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照
して説明する。なお、各図において、共通する部分には
同一の符号を付して使用する。図１は、本発明によるフ
ィルム冷却孔を備えた冷却タービン翼の横断面図であ
り、図２は図１の説明図である。図１において、冷却タ
ービン翼１０は、その内部に設けられた冷却空気流路１
２と、この冷却空気流路１２と翼表面とを連通するフィ
ルム冷却孔１４と、を備えている。
して説明する。なお、各図において、共通する部分には
同一の符号を付して使用する。図１は、本発明によるフ
ィルム冷却孔を備えた冷却タービン翼の横断面図であ
り、図２は図１の説明図である。図１において、冷却タ
ービン翼１０は、その内部に設けられた冷却空気流路１
２と、この冷却空気流路１２と翼表面とを連通するフィ
ルム冷却孔１４と、を備えている。
【００１２】図１及び図２に示すように、本発明のフィ
ルム冷却孔１４は、前縁部に設けられた丸孔ＦＳ１及び
ＦＰ１と、背側に設けられた冷却孔ＦＳ２〜ＦＳ５と、
腹側に設けられた冷却孔ＦＰ２〜ＦＰ８からなる。また
図１で各フィルム冷却孔１４を示す直線は、冷却孔の方
向（冷却空気の吹き出し方向）も併せて示している。す
なわち図１から明らかなように、前縁部に設けられた丸
孔ＦＳ１及びＦＰ１は、冷却タービン翼１０に流入する
高温ガス４に対向する方向に吹き出し、背側及び腹側に
設けられた冷却孔は、翼に沿って冷却空気が流れ、翼表
面に冷却空気の膜（フィルム）を形成するように下流側
に吹き出すようになっている。
ルム冷却孔１４は、前縁部に設けられた丸孔ＦＳ１及び
ＦＰ１と、背側に設けられた冷却孔ＦＳ２〜ＦＳ５と、
腹側に設けられた冷却孔ＦＰ２〜ＦＰ８からなる。また
図１で各フィルム冷却孔１４を示す直線は、冷却孔の方
向（冷却空気の吹き出し方向）も併せて示している。す
なわち図１から明らかなように、前縁部に設けられた丸
孔ＦＳ１及びＦＰ１は、冷却タービン翼１０に流入する
高温ガス４に対向する方向に吹き出し、背側及び腹側に
設けられた冷却孔は、翼に沿って冷却空気が流れ、翼表
面に冷却空気の膜（フィルム）を形成するように下流側
に吹き出すようになっている。
【００１３】また、図２（Ａ）に示すように、各フィル
ム冷却孔１４の後流側には、翼表面側が広がったディフ
ューザ部分１４ａが設けられている。これにより、フィ
ルム冷却孔１４からの冷却空気を翼表面に拡げて流すこ
とができ、フィルム冷却孔の間隔が大きい場合にも翼表
面をほぼ均等に冷却することができる。図２（Ｂ）は、
翼の背側及び腹側に設けられたフィルム冷却孔の断面形
状図である。更に、図２（Ｃ）に示すように、各矩形孔
の横幅Ｗと縦幅Ｈの比、すなわちアスペクト比は、背側
でほぼ２、腹側でほぼ１であり、横幅Ｗと縦幅Ｈの比
（アスペクト比）が、背側が大きく腹側が小さくなって
いる。かかる構成により、後述する理由により、背側及
び腹側の両方のフィルム冷却効率を高めることができ、
タービン翼表面を効果的に冷却し、かつ必要な冷却空気
量を低減することができる。
ム冷却孔１４の後流側には、翼表面側が広がったディフ
ューザ部分１４ａが設けられている。これにより、フィ
ルム冷却孔１４からの冷却空気を翼表面に拡げて流すこ
とができ、フィルム冷却孔の間隔が大きい場合にも翼表
面をほぼ均等に冷却することができる。図２（Ｂ）は、
翼の背側及び腹側に設けられたフィルム冷却孔の断面形
状図である。更に、図２（Ｃ）に示すように、各矩形孔
の横幅Ｗと縦幅Ｈの比、すなわちアスペクト比は、背側
でほぼ２、腹側でほぼ１であり、横幅Ｗと縦幅Ｈの比
（アスペクト比）が、背側が大きく腹側が小さくなって
いる。かかる構成により、後述する理由により、背側及
び腹側の両方のフィルム冷却効率を高めることができ、
タービン翼表面を効果的に冷却し、かつ必要な冷却空気
量を低減することができる。
【００１４】また、前縁部に設けられたフィルム冷却孔
１４、すなわち丸孔ＦＳ１及びＦＰ１は、タービン翼の
半径方向に傾斜して設けられている。これにより、翼表
面部の肉厚が同一のままで、冷却空気とフィルム冷却孔
との接触面積を拡大することができ、前縁部における冷
却効率を高めることができる。
１４、すなわち丸孔ＦＳ１及びＦＰ１は、タービン翼の
半径方向に傾斜して設けられている。これにより、翼表
面部の肉厚が同一のままで、冷却空気とフィルム冷却孔
との接触面積を拡大することができ、前縁部における冷
却効率を高めることができる。
【００１５】図３は、フィルム冷却効率の定義を模式的
に示す図である。この図に示すように、主流ガス温度を
Ｔｇ、翼面断熱温度をＴａｄ、冷却空気温度をＴｃｉ
ｎ、翼面温度をＴｗとする場合に、フィルム冷却効率η
ｆは、ηｆ＝（Ｔｇ−Ｔａｄ）／（Ｔｇ−Ｔｃｉ
ｎ）．．（式）であらわされ、ηｆが高くなるとＴａ
ｄが低くなり、Ｔａｄが低くなるとＴｗが低くなる。す
なわち、フィルム冷却効率ηｆが高いほど翼面温度Ｔｗ
を低くすることができる。
に示す図である。この図に示すように、主流ガス温度を
Ｔｇ、翼面断熱温度をＴａｄ、冷却空気温度をＴｃｉ
ｎ、翼面温度をＴｗとする場合に、フィルム冷却効率η
ｆは、ηｆ＝（Ｔｇ−Ｔａｄ）／（Ｔｇ−Ｔｃｉ
ｎ）．．（式）であらわされ、ηｆが高くなるとＴａ
ｄが低くなり、Ｔａｄが低くなるとＴｗが低くなる。す
なわち、フィルム冷却効率ηｆが高いほど翼面温度Ｔｗ
を低くすることができる。
【００１６】図４は、背側と腹側におけるフィルム冷却
効率ηｆとアスペクト比（矩形孔の横幅と縦幅の比：Ｗ
／Ｈ）の関係を示す実験結果である。この図で、横軸Ｘ
／Ｄは、フィルム冷却孔からの距離Ｘとフィルム冷却孔
の代表寸法Ｄとの比である。図４から明らかなように、
背側ではアスペクト比が２の方が１よりもフィルム冷却
効率が高く、逆に腹側ではアスペクト比が１の方が２よ
りも高くなっている。従って、図１及び図２に示したよ
うに、横幅Ｗと縦幅Ｈの比（アスペクト比）を、背側が
大きく腹側が小さくすることにより、背側及び腹側の両
方のフィルム冷却効率を高めることができ、タービン翼
全面を効果的に冷却し、かつ必要な冷却空気量を低減す
ることができる。
効率ηｆとアスペクト比（矩形孔の横幅と縦幅の比：Ｗ
／Ｈ）の関係を示す実験結果である。この図で、横軸Ｘ
／Ｄは、フィルム冷却孔からの距離Ｘとフィルム冷却孔
の代表寸法Ｄとの比である。図４から明らかなように、
背側ではアスペクト比が２の方が１よりもフィルム冷却
効率が高く、逆に腹側ではアスペクト比が１の方が２よ
りも高くなっている。従って、図１及び図２に示したよ
うに、横幅Ｗと縦幅Ｈの比（アスペクト比）を、背側が
大きく腹側が小さくすることにより、背側及び腹側の両
方のフィルム冷却効率を高めることができ、タービン翼
全面を効果的に冷却し、かつ必要な冷却空気量を低減す
ることができる。
【００１７】図５は、翼表面温度と翼の各部分との関係
を模式的に示す図である。この図において、２つの実線
は、翼全体のアスペクト比を一定（１又は２）にした場
合であり、破線は背側アスペクト比を２、腹側アスペク
ト比を１にした場合である。この図から明らかなよう
に、翼全体のアスペクト比を一定にすると、背側又は腹
側のいずれかの翼表面温度が高くなる問題が生じるが、
アスペクト比を背側が大きく腹側が小さくすることによ
り、背側、腹側、前縁部、及び後縁部を含むタービン翼
全面の温度をほぼ同一の温度に冷却することができる。
を模式的に示す図である。この図において、２つの実線
は、翼全体のアスペクト比を一定（１又は２）にした場
合であり、破線は背側アスペクト比を２、腹側アスペク
ト比を１にした場合である。この図から明らかなよう
に、翼全体のアスペクト比を一定にすると、背側又は腹
側のいずれかの翼表面温度が高くなる問題が生じるが、
アスペクト比を背側が大きく腹側が小さくすることによ
り、背側、腹側、前縁部、及び後縁部を含むタービン翼
全面の温度をほぼ同一の温度に冷却することができる。
【００１８】なお、本発明は上述した実施例に限定され
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できるこ
とは勿論である。
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できるこ
とは勿論である。
【００１９】
【発明の効果】上述したように、本発明のフィルム冷却
孔を備えた冷却タービン翼は、タービン翼の曲率の違い
に応じてフィルム冷却孔の断面のアスペクト比を変える
ことにより、翼表面の背側、腹側それぞれに対応した適
切なアスペクト比のフィルム冷却孔形状を選定して翼面
温度を下げ、併せて従来より少ない冷却空気流量で必要
な翼面温度まで下げることができ、これにより冷却空気
量の低減ができ、ガスタービンの効率を一層高めること
ができる、等の優れた効果を有する。
孔を備えた冷却タービン翼は、タービン翼の曲率の違い
に応じてフィルム冷却孔の断面のアスペクト比を変える
ことにより、翼表面の背側、腹側それぞれに対応した適
切なアスペクト比のフィルム冷却孔形状を選定して翼面
温度を下げ、併せて従来より少ない冷却空気流量で必要
な翼面温度まで下げることができ、これにより冷却空気
量の低減ができ、ガスタービンの効率を一層高めること
ができる、等の優れた効果を有する。
【図１】本発明によるフィルム冷却孔を備えた冷却ター
ビン翼の横断面図である。
ビン翼の横断面図である。
【図２】図１の説明図である。
【図３】フィルム冷却効率の定義を模式的に示す図であ
る。
る。
【図４】背側と腹側におけるフィルム冷却効率ηｆとア
スペクト比の関係を示す実験結果である。
スペクト比の関係を示す実験結果である。
【図５】翼表面温度と翼の各部分との関係を模式的に示
す図である。
す図である。
【図６】従来のフィルム冷却孔を備えた冷却タービン翼
の断面図である。
の断面図である。
１ タービン翼 ２ フィルム冷却孔 ３ 冷却空気 ４ 高温ガス １０ 冷却タービン翼 １２ 冷却空気流路 １４ フィルム冷却孔 １４ａ ディフューザ部分
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−135606（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−168904（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−228328（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−165505（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−175502（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F01D 5/18 F01D 9/02
Claims (2)
- 【請求項１】 タービン翼の背側及び腹側に空気を吹き
出すためのフィルム冷却孔（１４）を備えた冷却タービ
ン翼（１０）において、 背側及び腹側のフィルム冷却孔が矩形孔であり、該矩形
孔の横幅と縦幅の比（アスペクト比）は、背側でほぼ
２：１であり、腹側でほぼ１：１であり、 更に、タービン翼の前縁部付近にフィルム冷却孔（１
４）を備え、該フィルム冷却孔は半径方向に傾斜した丸
孔からなる、 ことを特徴とするフィルム冷却孔を備えた
冷却タービン翼。 - 【請求項２】 前記各フィルム冷却孔には、翼表面側が
広がったディフューザ部分（１４ａ）が設けられてい
る、ことを特徴とする請求項１に記載のフィルム冷却孔
を備えた冷却タービン翼。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16173494A JP3319159B2 (ja) | 1994-07-14 | 1994-07-14 | フィルム冷却孔を備えた冷却タービン翼 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16173494A JP3319159B2 (ja) | 1994-07-14 | 1994-07-14 | フィルム冷却孔を備えた冷却タービン翼 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0828203A JPH0828203A (ja) | 1996-01-30 |
| JP3319159B2 true JP3319159B2 (ja) | 2002-08-26 |
Family
ID=15740877
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16173494A Expired - Fee Related JP3319159B2 (ja) | 1994-07-14 | 1994-07-14 | フィルム冷却孔を備えた冷却タービン翼 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3319159B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4096706B2 (ja) | 2002-11-13 | 2008-06-04 | 株式会社Ｉｈｉ | 薄肉軽量冷却タービン翼 |
| JP5474279B2 (ja) * | 2007-03-06 | 2014-04-16 | 株式会社Ｉｈｉ | 冷却タービン翼 |
-
1994
- 1994-07-14 JP JP16173494A patent/JP3319159B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0828203A (ja) | 1996-01-30 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |