JP3665369B2 - 構造部分を冷却するための冷却装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、機械工学の分野、特に熱的な機械の分野に関する。つまり、本発明は、熱的に負荷された、平板的な外壁を備えている構造部分における冷却装置であって、冷却空気供給部と、外壁に対して平行に延びる冷却空気通路とが設けられており、前記構造部分を冷却するために、該構造部分の第１冷却区分へ、冷却空気供給部を通って外壁に向かって冷却空気を供給しかつ外壁の手前で側方に変向せしめ、第２冷却区分において側方に接続している冷却空気通路を介して冷却空気を別の冷却のために、外壁に対し平行に案内するものであって、この場合、第１冷却区分における衝突冷却作用を減少させるために、冷却空気供給部から到来する冷却空気流を主流とバイパス流とに分流し、主流を直接、構造部分の外壁に沿って冷却空気通路に案内し、バイパス流を外壁に接触することなしに冷却空気通路に案内し、かつ両部分流を冷却空気通路の入口において再び合流させるための、冷却通路の開始部から冷却空気供給部の領域にまで、外壁に対し平行でかつこれから間隔を置いて中間壁が設けられている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例へばガスタービンの高温ガスケーシング乃至タービン入口を冷却するためのこの種の方法は、ドイツ国特許第２８ ３６ ５３９号明細書によって公知である。
【０００３】
熱的に負荷される機械の構造部分、例へばガスタービンの高温ガスケーシング乃至タービン入口のシェルには、通常冷却空気による冷却装置が設けられている。その際冷却空気は（図１）、対流冷却のために、外壁２に沿い冷却空気通路３内の構造部分１の外壁２に対し平行に流れる。冷却空気通路３は例へば外壁２と、外壁２を間隔を置いて取り囲んでいる、案内薄板の形状をなした通路壁６とによって形成されている。
【０００４】
ガスタービンの場合冷却空気は通常圧縮機部分から出発していて、高圧ガスケーシングを取り囲んでいる所謂高圧室から冷却通路３内に流入している。この目的のため多くの場合、通路壁６と向い合って位置する制限壁４との間の冷却空気通路３の入口に、ギャップ状の開口部が冷却空気供給部５として設けられており、該供給部５を貫いて冷却空気が冷却空気通路３内に流れ込んでいる。上述の幾何学的な形状に基いて冷却空気は、冷却空気供給部５の領域内で一般に鉛直な速度成分を有しており、そのため冷却空気は、多かれ少なかれ冷却空気通路３の入口の前で構造部分１の外壁２に強力に衝突し、その後で初めて、側方に出発している冷却空気通路３に変向せしめられる。
【０００５】
衝突は一方では外壁２に特に効果的な衝突冷却作用を及ぼすが、他方では衝突する冷却空気のよどみ点には全く冷却作用が発生しない。このためこの衝突冷却作用が行われている第１冷却区分Ａにおいては、構造部分１が極めて不均一に冷却されるようになる。この不均一な冷却によって構造部分には、一般的に不都合である付加的な負荷が加わるようになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の課題は、冒頭で述べた形式の冷却装置を改良して、冷却特性の均一化を行うことができる冷却装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の構成では、
（ａ）中間壁が、冷却空気供給部と冷却空気通路との間の空間を、主通路とこれに対して平行に延びるバイパス通路とに分割しており、
（ｂ）主通路は構造部分の外壁と中間壁とによって形成されており、
（ｃ）バイパス通路は中間壁の外方を延びている
ようにした。
【０００８】
【発明の効果】
本発明の本質は、全冷却空気を、衝突冷却に関与する第１部分流と、衝突冷却なしで冷却空気通路内に直接移送される第２部分流とに、選択可能に分配することによって、第１冷却区分における冷却と第２冷却区分における冷却とを整合させることができるようにすることにある。
【００１１】
本発明の冷却装置の有利な第１実施例にあっては、中間壁が冷却空気供給部の領域にまで入り込んで、向い合って位置する冷却空気供給部の制限壁と協働して供給開口を形成し、該開口の幅は冷却空気供給部の幅よりも小さいという特徴を有している。これによって第１空気冷却区分における冷却作用を、個々の幅の選択によって特に簡単に決定することができる。
【００１２】
本発明の冷却装置の有利な第２実施例にあっては、中間壁内には並列状に位置する多数の孔が設けられており、該孔を貫いて冷却空気が主通路内に流入可能であるという特徴を有している。これによって両冷却区分間に特に均一な移行部が形成される。
【００１３】
本発明の冷却装置の有利な第３実施例にあっては、構造部分がガスタービンの熱的に負荷された部分であり、ガスタービンがタービン部分と、燃焼室と、燃焼室からタービン部分に通じるタービン入口とを有しており、該タービン入口が高温燃焼ガスを案内しかつ内方シェルと外方シェルとから形成されており、冷却される構造部分がタービン入口の内方シェル及び又は外方シェルであるという特徴を有している。ガスタービン内では本発明の冷却装置によって特に良好な冷却特性が達成可能である。
【００１４】
この外の構成例が関係する請求項に述べられている。
【００１５】
【実施例】
次に実施例に基いて本発明を、図面に関連させて詳細に述べることにする。
【００１６】
図１には、従来の冷却装置の特に簡略化された概略図が区分的に図示されており、この図面に基いて本発明の基本的な問題点を説明する。出発点は熱的に負荷される構造部分１、例へば冷却空気の流れによって冷却されなければならないシェル又は壁部である。この目的のため構造部分１の外方に、構造部分１の外壁２に対し平行に延びて外壁２から離反した通路壁６が設けられており、該通路壁６は外壁２と協働して冷却空気通路３を形成している。冷却空気は更に外壁２に対し平行に冷却通路３を貫いて流れ、かつ構造部分１を対流冷却によって冷却している（冷却空気流は図示の矢印で示唆されている）。
【００１７】
冷却空気通路３用の冷却空気は、図示されていない冷却空気源から制限壁４に沿い冷却空気供給部５を貫いて供給される。その際供給は、冷却空気が鉛直か又は少くとも鉛直な速度成分を以って外壁２に衝突して側方に偏向せしめられて、側方に接続する冷却通路３に流入するというような通常の形式で行われている。その際供給される質量流れｄｍ_e／ｄｔ（図１においてもまた図２乃至図４においても同じであるが、質量ｍの時間的な導函数がスペースの関係から公知の形式で上方につけたドットによって短縮して表わされている）は、冷却空気通路３へ出て行く質量流れｄｍ_a／ｄｔとして不変に供給されている。
【００１８】
図１に図示された構造にあっては、冷却空気供給部の幾何学的形状に伴い冷却空気供給部５に直接向い合って位置する第１冷却区分Ａにおいて極めて効果的な冷却作用が発生し、一方冷却空気通路３の領域で一致している隣接する第２冷却区分Ｂ内では、効果的な対流冷却が僅か行われるだけである。この異なった冷却作用のために構造部分１は、全体で極めて非均一に冷却されるようになる。つまり第１冷却区分Ａにおいては冷却区分Ｂにおけるよりも明らかに低い温度になっている。
【００１９】
本発明は、この不均一性を簡単かつ有効に減少し乃至はこれを除去することの可能な形式を提供している。本発明の核心は、図１に対して比較可能な簡略化された冷却装置で図示されている図２の図面に基いて明らかにすることができる。この例では到来する冷却空気流ｄｍ_e／ｄｔが、冷却供給部５の後方で主流（ｄｍ₁／ｄｔ）とバイパス流（ｄｍ₂／ｄｔ）とに分流される。主流は主通路１１内で先づ外壁２に接触せしめられ、続いて冷却空気通路３に供給されており、一方バイパス流は、バイパス通路８を貫き外壁２を通って冷却空気通路３の入口に直接案内されている。このような形式で衝突冷却の割合が減少せしめられ又はこれを全部消滅させることができる。
【００２０】
冷却空気供給部５と冷却空気通路３の入口との間の空間の配分は、有利には例へば外壁２に対し平行でこれとは間隔を置いて配置されている中間壁７によって行われている。その際中間壁７は、冷却空気通路３の開始部から冷却空気供給部５の領域にまで延びていて、有利な実施例では向い合って位置する制限壁４の前方で間隔を置いて終了している。そのため主流に対しては、冷却空気供給部５の幅Ｄよりも小さな幅Ｃを備えた供給開口１０が形成されている。通路壁６は有利には冷却空気通路３の開始部に対して拡幅されていて、その拡幅された領域で中間壁７にオーバラップしており、該中間壁７の外壁２に対する間隔は有利には対応する通路壁６の間隔よりも小さい。これによって簡単な形式で、主流及びバイパス流を冷却空気通路３に確実に供給することができる。全冷却空気流に対する主流の大きさは、この例にあっては冷却空気供給部５の幅Ｄに対する供給開口１０の幅Ｃとの比に基いて調整されていて、要求に容易に適合可能である。
【００２１】
供給開口１０に対し付加的に又は供給開口１０の代りに、中間壁７に分配配置された孔９が設けられており、該孔９を貫いて小さい部分流の形状を成した質量流れｄｍ₃／ｄｔが連続してバイパス通路８から主流１１内に移動している。この場合変向領域における冷却効果の調節のためのパラメータとして、孔密度と、個々の孔の大きさ及びピッチを利用することができる。その場合は通常、薄板部分として構成されている中間壁７がバイパス薄板又は衝突薄板として作用している。
【００２２】
図２の実施例にあっては、制限壁４と構造部分１の外壁２との間で閉成された角度が９０°であり、ひいては供給冷却空気が実用上外壁２に対し垂直に衝突しているが、一方では本発明は、閉成された角度が９０°とは異なっている、つまり鈍角（例へば１７０°まで）か又は鋭角（例へば１０°まで）かのいづれかであるような場合がより一般的である。この両場合が図３及び図４に暗示的に図示されている。この場合自明のことではあるが、特に鈍角の場合には衝突冷却がより弱く現われる。それは、外壁２に対し垂直な流れのそのための標準的な速度成分がそれに対応してより小さくなるからである。
【００２３】
特に有利なのは、本発明に基く均一化がガスタービンの熱的に負荷された構造部分の冷却、特に燃焼室とタービン部分との間に配置されたタービン入口のシェルの冷却に使用された場合である。この様に利用された場合の実施例が図５（タービン入口の外方シェル）及び図６（タービン入口の内方シェル）に図示されている。
【００２４】
図５に縦断面で（区分的に）図示されたタービン入口１３の外方部分は、冷却端部に対する構造部分として外方シェル２４を有している。外方シェル２４は、高温ガスを（図面の右側から左側に向って）燃焼室からタービン部分内に導いている空間を外方に向って制限している。外方シェル２４は外側で案内薄板１９によって取り囲まれ、該案内薄板１９は、間隔保持体２０によって外方シェル２４に支持されていて、間隔保持体２０によって不動にレーイングされた間隔でシェル２４に対しほぼ平行に延びている。案内薄板１９と外方シェル２４の外壁２２との間に冷却空気通路２３が位置しており、該通路２３を貫いて冷却空気が外方シェル２４に沿って流れている。
【００２５】
外方シェル２４はそのタービン側の端部において内方セグメント支承体１８に移行しており、該支承体１８内にはリング状の配置で、多数のシールセグメント１７が対応して形成された脚部分と共に支承されている。別の側でシールセグメント１７は、ノズル支持体１４の部分である外方のセグメント支承体１５に支承されており、該ノズル支持体１４は、図示されていないタービン部分の案内ノズルを支持している。
【００２６】
案内薄板１９を備えた外方シェル２４は、外方でタービンの所謂高圧室１２で取り囲まれており、該高圧室１２には、燃焼空気としてもまた冷却空気としても使用することのできる、圧縮機部分からの圧縮空気が存在している。冷却空気は外方シェル２４を冷却するため高圧室１２から冷却空気通路２３内に流入しており、その際冷却空気は方向変換せしめられる。その際シールセグメント１７は、図１乃至図４の制限壁４の機能を代行していて、図示の実施例では外方シェル２４に対し直角を形成している（図２に図示された位置に比較可能）。変向領域内で冷却空気が過度に外方シェル２４に衝突しないようにするため、その位置に薄板の形状を成した中間壁２７が配置されている。中間壁２７は、外方シェルの外壁２２に対し平行に、しかも案内薄板１９の間隔よりも小さな間隔で延びている。中間壁２７は同じ様に間隔保持体２１によって外方シェル２４に支持されていて、中間壁２７自体と外壁２２との間で主通路２６を規定している。
【００２７】
中間壁２７はその一方の端部において向い合って位置するシールセグメント１７に完全には到達していないので、図２乃至図４の供給開口１０に対応するその位置のギャップを貫通して冷却空気が主通路２６内に流入することができる。中間壁２７は他方の端部において冷却空気通路２３の開口にまで達しており、そのため中間壁２７と案内薄板１９の開始部との間に短かなバイパス通路１６が形成されるようになっている。中間壁２７のこの領域における安定した固定は、その他の薄板が舌状板２５を介して結合されている薄板の終端区分が、上方に折り曲げられかつ案内薄板１９の開始部と協働して間隔保持体２０に固定されることによって達成可能である。中間壁２７はこの実施例の場合その外に、均等に配分された孔２８を有しており、該孔２８を貫通して冷却空気が小さい部分流で主通路２６に到達可能である。
【００２８】
本発明の原理をタービン入口の内方シェルに利用した場合の実施例が図６に図示されている。内方シェル２９がタービンケーシング３９を取り囲んでいる。タービンケーシング内には通路状の冷却空気供給部４０が設けられており、該供給部４０を貫いて冷却空気が内方シェル２９の外壁３５上に流れ込むようになっている。本来の冷却はこの場合も、内方シェル２９と内方シェル２９を間隔を置いて取り囲んでいる案内薄板３７とによって形成されている冷却空気通路３６内で行われる。変向領域における衝突冷却を減少させるため、この場合も薄板から成る中間壁３２が役立っており、該中間壁３２は有利には内方シェル２９に対し平行に延びていて、内方シェル２９との間隔が案内薄板３７のそれよりも小さな間隔を有している。中間壁３２及び案内薄板３７は共に、間隔保持体３０，３３乃至３８を介して内方シェル２９に支持されている。
【００２９】
中間壁３２は、一方では主通路３１を制限しており、他方では短かいバイパス通路３４を形成し乍ら案内薄板３７にオーバラップしている。この実施例では中間壁３２内に孔が設けられていないけれども、変向領域における冷却を強化するため、付加的に容易に孔を設けることができる。
【００３０】
外部から到来する冷却空気を構造部分表面に対し平行に延びる冷却空気通路内で変向させる必要がある場合に冷却の均一化を達成するには、全体として本発明によって有効な手段を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１冷却区分における卓越した衝突冷却部と第２冷却区分における純対流冷却部とを備えた、従来の空気冷却装置の概略図である。
【図２】冷却空気の鉛直な衝突部と穿孔された中間壁とを備えた、本発明の装置の第１実施例の概略図である。
【図３】変向角が９０°よりも大きい場合の、図２に比較可能な概略図である。
【図４】変向角が９０°よりも小さい場合の、図２に比較可能な概略図である。
【図５】ガスタービンのタービン入口の外方シェルに本発明の冷却装置を取り付けた実施例の縦断面図である。
【図６】ガスタービンのタービン入口の内方シェルに本発明の冷却装置を取り付けた実施例の縦断面図である。
【符号の説明】
１ 構造部分
２ 外壁
３ 冷却空気通路
４ 制限壁
５ 冷却空気供給部
６ 通路壁
７ 中間壁
８ バイパス通路
９ 孔
１０ 供給開口
１１ 主通路
１２ 高圧室
１３ タービン入口
１４ 羽根支持体
１５ セグメント支持体
１６ バイパス通路
１７ シールセグメント
１８ セグメント支承体
１９ 案内薄板
２０，２１ 間隔保持体
２２ 外壁
２３ 冷却空気通路
２４ 外方シェル
２５ 舌状板
２６ 主通路
２７ 中間壁
２８ 孔
２９ 内方シェル
３０ 間隔保持体
３１ バイパス通路
３２ 中間壁
３３ 間隔保持体
３４ バイパス通路
３５ 外壁
３６ 冷却空気通路
３７ 案内薄板
３８ 間隔保持体
３９ タービンケーシング
４０ 冷却空気供給部
Ａ，Ｂ 冷却区分
Ｃ，Ｄ 幅
ｄｍ_a／ｄｔ 質量流（出口）
ｄｍ_e／ｄｔ 質量流（入口）
ｄｍ₁／ｄｔ 質量流（主通路）
ｄｍ₂／ｄｔ 質量流（バイパス）
ｄｍ₃／ｄｔ 質量流（孔）

Claims (10)

1. 熱的に負荷された、平板的な外壁（２）を備えている構造部分（１）における冷却装置であって、冷却空気供給部（５）と、外壁（２）に対して平行に延びる冷却空気通路（３）とが設けられており、前記構造部分（１）を冷却するために、該構造部分（１）の第１冷却区分（Ａ）へ、冷却空気供給部（５）を通って外壁（２）に向かって冷却空気を供給しかつ外壁（２）の手前で側方に変向せしめ、第２冷却区分（Ｂ）において側方に接続している冷却空気通路（３）を介して冷却空気を別の冷却のために、外壁（２）に対し平行に案内するものであって、この場合、第１冷却区分（Ａ）における衝突冷却作用を減少させるために、冷却空気供給部（５）から到来する冷却空気流を主流とバイパス流とに分流し、主流を直接、構造部分（１）の外壁（２）に沿って冷却空気通路（３）に案内し、バイパス流を外壁（２）に接触することなしに冷却空気通路（３）に案内し、かつ両部分流を冷却空気通路（３）の入口において再び合流させるための、冷却通路（３）の開始部から冷却空気供給部（５）の領域にまで、外壁（２）に対し平行でかつこれから間隔を置いて中間壁（７）が設けられている形式のものにおいて、
   （ａ）該中間壁（７）が、冷却空気供給部（５）と冷却空気通路（３）との間の空間を、主通路（１１）とこれに対して平行に延びるバイパス通路（８）とに分割しており、
   （ｂ）主通路（１１）は構造部分（１）の外壁（２）と中間壁（７）とによって形成されており、
   （ｃ）バイパス通路（８）は中間壁（７）の外方を延びている
   ことを特徴とする、冷却装置。
2. 中間壁（７）が冷却空気供給部（５）の領域にまで入り込んで、向い合って位置する冷却空気供給部（５）の制限壁（４）と協働して供給開口（１０）を形成し、該開口（１０）の幅（Ｃ）は冷却空気供給部（５）の幅（Ｄ）よりも小さいことを特徴とする、請求項１記載の冷却装置。
3. 主通路（１１）における冷却空気質量流れとバイパス通路（８）における冷却空気質量流れとの比が、もっぱら供給開口（１０）の幅（Ｃ）によって調節可能であることを特徴とする、請求項２記載の冷却装置。
4. 中間壁（７）内には並列状に位置する多数の孔（９）が設けられており、該孔（９）を貫いて冷却空気が主通路（１１）内に流入可能であることを特徴とする、請求項１又は２記載の冷却装置。
5. 構造部分（１）の外壁（２）と中間壁（７）と間の間隔が、外壁（２）と通路壁（６）との間の間隔よりも小さいことを特徴とする、請求項１から４までのいづれか１項記載の冷却装置。
6. 通路壁（６）と中間壁（７）とが互いにオーバラップしていることを特徴とする、請求項１から５までのいづれか１項記載の冷却装置。
7. 構造部分（１）がガスタービンの熱的に負荷された部分であることを特徴とする、請求項１から６までのいづれか１項記載の冷却装置。
8. ガスタービンがタービン部分と、燃焼室と、燃焼室からタービン部分に通じるタービン入口（１３）とを有しており、該タービン入口（１３）が高温燃焼ガスを案内しかつ内方シェル（２９）と外方シェル（２４）とから形成されており、冷却される構造部分（１）がタービン入口（１３）の内方シェル（２９）及び又は外方シェル（２４）であることを特徴とする、請求項７記載の冷却装置。
9. 冷却通路（２３乃至３６）を形成するための通路壁として案内薄板（１９乃至３７）が設けられており、該案内薄板（１９，３７）は、間隔保持体（２０乃至３８）によって外方シェル（２４）乃至内方シェル（２９）の外壁（２２乃至３５）に支持されていることを特徴とする、請求項８記載の冷却装置。
10. 中間壁（２７乃至３２）が同じ様に薄板から成り、該薄板は間隔保持体（２１乃至３０，３１）によって外方シェル（２４）乃至内方シェル（２９）の外壁（２２乃至３５）に支持されていることを特徴とする、請求項９記載の冷却装置。

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