JP3886593B2 - 片側で熱ガスにより囲まれた壁を冷却するための装置と方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は特にガスタービン羽根の中空成形体の、片側で熱ガスにより囲まれた壁を冷却する装置であって、外側の表面及び内側の表面を備えた壁と、この壁に対してほぼ平行に配置されていてこの壁と一緒に冷却中空室を形成している冷却挿入体と、冷却流体の流れ方向で互いに前後して配置されていて壁の両方の表面の間に形成された１列又は複数列の切欠とから成っており、これらの切欠がそれぞれ予定の使用条件に対応する流入角もしくは流出角と直径とを有している形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
出力と効率との増大のために、現代のガスタービンプラントでは常に比較的高いタービン入口温度で運転が行われる。この高い温度からタービン羽根を保護するために、この羽根は従来より強力に冷却されなければならない。それゆえ、タービン入口温度が相応して高い場合には純粋に対流冷却による冷却だけでははもはや不十分である。その場合フィルム冷却が役立てられ、このフィルム冷却によりタービン羽根が冷却膜により熱ガスから保護される。そのことのために、羽根に孔又はスリットの形状の適当な切欠が設けられ、この切欠を通して冷却空気が噴出させられる。
【０００３】
対流冷却とフィルム冷却とのこの種の組合せは既にヨーロッパ特許公開第２５８７５４号明細書から公知である。この解決手段によれば、少なくとも１つの冷却挿入体が羽根中空室内に配置される。この冷却挿入体の開口から流出した冷却空気が、まず羽根外套の内側の表面に衝突し、次いで、冷却挿入体と羽根外套との間の中空室内でこの羽根外套を対流により冷却しつつ案内され、最終的に羽根外套の孔を介して羽根外套の外側の表面に達してこの表面をフィルム冷却により冷却する。
【０００４】
最適な冷却効果を得るために、噴出された冷却空気は可能な限り迅速に偏向されると共に成形表面を保護するようにこれに沿って流れる必要がある。孔と孔との間の領域をも保護するために、冷却空気は迅速に側方向へ拡がる必要がある。熱ガスと冷却空気流との混合領域内には極めて多様な渦が発生するが、これらの渦は冷却すべき構造の保護作用のために決定的な意味を有している。例えば、孔からの流出時の冷却空気噴流の湾曲により、いわゆる腎形渦（ドイツ語：Ｎｉｒｅｎｗｉｒｂｅｌ）、換言すれば右回転渦と左回転渦とから合成された渦対が生じる。ところでこの腎形渦は孔と孔との間の熱ガスの一部を直にタービン羽根の成形表面へ、ひいては冷却噴流の下方へ搬送し、これが重大な欠陥をもたらすことになる。
【０００５】
タービン羽根の内側のジオメトリを適当に形成することにより、腎形渦とは逆の回転方向を有する渦対が孔のところに生じるように冷却空気を孔内へ偏向することが公知である（Ｇ．Ｗｉｌｆｅｒｔ，Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｓｃｈｒｉｆｔ ｚｕｍ Ｔｅｍａ“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｅｌｌｅ ｕｎｄ ｎｕｍｅｒｉｓｃｈｅ Ｕｎｔｅｒｓｕｃｈｕｎｇｅｎ ｄｅｒ Ｍｉｓｃｈｕｎｇｓｖｏｒｇａｅｎｇｅ ｚｗｉｓｃｈｅｎ Ｋｕｅｈｌｆｉｌｍｅｎ ｕｎｄ Ｇｉｔｔｅｒｓｔｒｏｅｍｕｎｇ ａｎ ｅｉｎｅｍ ｈｏｃｈｂｅｌａｓｔｅｔｅｎＴｕｒｂｉｎｅｎｇｉｔｔｅｒ”Ｍｕｅｎｃｈｅｎ １９９４：Ｇ．Ｗｉｌｆｅｒｔ著、「冷却膜とグリッド流れとの混合過程の実験と数値的な試験」のテーマに関する学位論文，第５４ページ，第７０−７４ページ及び第７．２図を参照）。この種の内側渦にもとづき、腎形渦は迅速に消散し、熱ガスは側方向に冷却空気噴流の下方へ吸い込まれず、むしろ噴出流により冷却されて成形表面へ案内される。これにより、孔と孔との間の領域の冷却効果が、冷却空気の供給量を増加することなしに有利に増大する。
【０００６】
しかし、この解決手段の著しい欠点とするところは、内側渦の強さが弱く、その結果、この渦は迅速に消失してしまい、冷却効果の改善のために長く利用されることができないことにある。
【０００７】
フィルム冷却の改善のためにいわゆるファン形状（ｆａｎ−ｓｈａｐｅｄ）の孔が公知である。この解決手段では、冷却空気流の噴出パルスが、孔内に形成されたディフユーザにより低下する。その結果、冷却空気噴流の横方向への拡散が迅速に得られ、もしくはフィルム冷却の改善が得られる。しかし、この種のファン形状の孔の製作は極めて不経済であって、この種の孔を備えた壁は相応して高価である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
これらの欠点を排除する本発明の課題とするところは、片側で熱ガスにより囲まれた壁を冷却するための装置の冷却効果を改善しかつその構造を簡単にすると共に、これに適した冷却法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この課題は本発明によれば、請求項１に記載のように、特にガスタービン羽根の中空成形体の、片側で熱ガスにより囲まれた壁を冷却する装置であって、外側の表面及び内側の表面を備えた壁と、この壁に対してほぼ平行に配置されていてこの壁と一緒に冷却中空室を形成している冷却挿入体と、冷却流体の流れ方向で互いに前後して配置されていて壁の両方の表面の間に形成された１列又は複数列の切欠とから成っており、これらの切欠がそれぞれ予定の使用条件に対応する流入角もしくは流出角と直径とを有している形式のものにおいて、切欠のそれぞれの列の上流で、半径方向のリブが壁の内側の表面に設けられており、冷却挿入体が切欠の領域内で壁へ向かって変形されており、かつその際、切欠の流入角に対して少なくともほぼ平行に形成されていることにより解決される。
【００１０】
対流冷却とフィルム冷却とを組み合わせたこの冷却形態によれば、切欠内への冷却流体の流入が改善され、これにより、これに関連した流入損失が削減される。このことのために、冷却流体は切欠に達する前に偏向され、その際この偏向はリブにより著しく強化される。しかし特に、それぞれ切欠の内部で形成されて腎形渦とは逆向きの渦から成る渦対の強化が行われ、その結果、この渦対は高い渦強さを有している。それぞれの冷却空気噴流の下方の噴流縁のところに存在するこの内側渦は切欠からの出口のところでも維持され、他面において、上方の噴流縁のところで熱ガスの主流と冷却空気噴流との間に形成される腎形渦は消失する。これにより、熱ガスはもはや側方向に冷却空気噴流の下方に引き込まれず、むしろ、この冷却空気噴流により冷却されて壁の表面へ案内される。このようにして、フィルム冷却の著しい改善が得られる。
【００１１】
さらにリブにより、隣り合う切欠列の間でも壁の対流冷却が改善される。切欠の領域内で冷却挿入体が壁に向かって変形していることにより、切欠内に進入せずに遠く下流で壁と冷却挿入体との間で流れる冷却流体の速度と、壁に向かう流れの速度とが増大する。この付加的なインパクト冷却と流れ速度の増大とにもとづき、壁から冷却流体への熱伝達が改善される。
【００１２】
【発明の効果】
以上説明したことの結果として、フィルム冷却のみならず壁の冷却全体が著しく改善される。これにより、冷却空気が節約され、その分をその他の箇所のところで有利に使用することができる。この種の冷却装置の製作コストは従来の冷却形態のものに対比して著しくは高くない。しかし、ファン形状の孔に対比すれば著しいコスト節約が得られる。このように冷却された壁は有利にはガスタービンの燃焼器壁としても又は熱交換セグメントとしても使用される。
【００１３】
リブがそれぞれの切欠の直径のほぼ３倍までの距離だけその入口中心点から離れて配置されており、リブが切欠の直径のほぼ半分ないし直径に相当する距離だけ冷却中空室内へ突入していると有利である。冷却挿入体は切欠の領域内で壁と冷却挿入体との垂直間隔の最大３０％を残して冷却中空室を閉鎖している。このような冷却形態によれば、内側渦は具体的な運転条件に最適に適合することができ、その結果、安定な内側渦対が得られる。さらに、切欠内へ流入する冷却流体の流れ損失が軽減される。
【００１４】
さらに、切欠の下流に、それぞれ少なくとも１つのスペーサ及び又は少なくとも１つのピンが冷却中空室に配置されていて壁の内側の表面に結合されていると有利である。その場合、スペーサは冷却挿入体まで達しており、他面においてピンは冷却挿入体の手前で終わっている。既に従来技術から公知であるこれらのスペーサは本発明にもとづくフィルム冷却との組合せにより極めて効果的に使用される。その場合、スペーサは２つの隣り合う切欠列の間に配置されるのが有利である。切欠の入口中心点から切欠直径のほぼ５倍までの下流に位置してほとんど冷却効果の得られない領域内では、このスペーサは冷却すべき壁のための付加的な熱下げエレメントとして作用し、換言すればこのスペーサは壁から冷却流体への熱排出のために役立つ。ピンを使用した場合、その付加的な表面と、これにより生ぜしめられる冷却流体の乱流状の混合とが同様に熱下げ効果をもたらす。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次ぎに、本発明を図示の実施例につき説明する。
【００１６】
図面にはは本発明の理解にとって重要なエレメントだけが示されている。圧縮機とガスタービンとを備えたガスタービンプラントは図示されていない。作動媒体の流れ方向は矢印をもって示されている。
【００１７】
ガスタービンの案内羽根１は、外套として形成された壁３と、これから間隔をおいて配置された冷却挿入体４と、それら両者の間に形成された冷却中空室５とを備えた中空成形体から成っている。冷却挿入体４の内部には羽根中空室６が形成されており、この羽根中空室６は従来通りガスタービンタービンプラントの図示されていない圧縮機に連通しており、かつ圧縮機から冷却流体として役立つ冷却空気の供給を受ける。壁３は外側の表面８と内側の表面９とを備えており、これら両者の間に冷却孔として形成された複数列の切欠１０が配置されている。羽根中空室６は冷却挿入体４に設けられた複数の開口１１を介して冷却中空室５に連通されている（図１）。勿論、案内羽根１は１列の切欠だけを備えることもできる。
【００１８】
ガスタービンプラントの運転中に図示されていない燃焼器からガスタービンの案内羽根１と、同様に図示されていない回転羽根とを介して熱ガス１２が流れる。それゆえ、これらの羽根は常時冷却されなければならない。案内羽根１の冷却は圧縮機から到来する冷却空気７により行われ。その場合、この冷却空気は冷却挿入体４の開口１１を介して冷却中空室５内へ進入して、まず壁３の内側の表面９を対流により冷却する。次いで、冷却空気７は切欠１０を通って多数の冷却空気噴流を成して壁３の外側の表面８へ噴出する。熱ガス１２の主流内へ冷却空気噴流が流出する際に生じる冷却空気噴流の湾曲はほぼ角３０°の流出角１３で生じる。その際、混合領域内に２次流れが生じ、この２次流れが右回転渦と左回転渦とから成る渦対１４を形成する。このいわゆる腎形渦１４は熱ガス１２を直接に案内羽根１の外側の表面８へ搬送する（図２）。案内羽根１の損傷を阻止するために、案内羽根１と熱ガス１２との直接的な接触は回避されなければならない。
【００１９】
図３には本発明に基づき形成された案内羽根１の拡大断面図が示されている。この案内羽根１では、冷却孔としての切欠１０の各列の上流に、流れに都合よく形成された半径方向のリブ１５が壁３の内側の表面９に配置されている。冷却挿入体４は切欠１０の領域内では壁３へ向けて変形されており、かつその場合、少なくとも近似的に切欠１０内への冷却空気７の流入角１６に対して平行に形成されている。
【００２０】
その場合リブ１５は切欠１０の直径１７の３倍だけその入口中心点１８から離れて配置されている。冷却挿入体４と壁３との間隔が切欠１０の直径１７の２倍に相応している場合に、リブ１５は切欠１０の直径１７に相応する寸法だけ冷却中空室５内へ突入している。冷却挿入体４は切欠１０の領域内では、冷却中空室５をその垂直寸法の３０％を残して閉鎖するように壁３へ向けて変形されている。
【００２１】
この構成にもとづき 冷却空気７は既に冷却中空室５内で、換言すればそれぞれの切欠１０の上流の領域内で切欠へ向けて偏向されており、これにより、切欠１０内での再循環領域が回避される。このことにより、切欠１０の内部ではそれぞれ腎形渦１４に対して逆向きの渦対１９が発生する。このいわゆる内側渦１９の回転の中心は切欠１０の中央に位置せず、むしろ冷却空気噴流の下方領域内に存在する（図４）。
【００２２】
特に、リブ１５のこの構成により、冷却空気７は切欠１０内へ流入する際に著しく強く偏向される。従来ではこの場合の偏向角はほぼ３０°であったが、本発明の場合には５０°までの角度で冷却空気７が偏向される。冷却空気７のこの著しい偏向及び切欠１０内での再循環領域の阻止の結果、著しく安定な内側渦１９が生じる。これにより、この内側渦１９はそれぞれの切欠１０からの流出時にも維持され、他面において、冷却空気噴流の上方領域内の不所望な腎形渦１４が迅速に消失する。いまや内側渦１９により、熱ガス１２は冷却されて案内羽根１の壁３の外側の表面８へ案内される。
【００２３】
冷却中空室５内には、切欠１０の下流で２つの隣り合う切欠１０の間の中央にスペーサ２０とピン２１とが配置されている。このスペーサ２０及びピン２１は壁３の内側の表面９に結合されており、その場合、スペーサ２０は冷却挿入体４まで達しているが、ピン２１は比較的短く形成されている。２つの隣り合う切欠１０の間でその中央にスペーサ２０及びピン２１が配置されていることにより、比較的わずかな冷却作用しか有しないこの領域、換言すれば、切欠１０の出口中心点２２の下流で切欠１０の直径のほぼ５倍まで離れた領域内でも壁３から冷却空気７への十分な熱流出が得られる。
【００２４】
この種の冷却形態はガスタービンの案内羽根１にのみ限定されない。それはガスタービンの回転羽根、燃焼器壁、熱交換セグメント又は片側で熱ガス１２により囲まれたその他の壁３においても使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】公知技術にもとづくガスタービン案内羽根の成形横断面を示す図である。
【図２】壁の外側の表面上に形成される腎形渦を熱ガス主流方向でみた略示図である。
【図３】本発明にもとづくガスタービン案内羽根を羽根壁に設けた切欠の領域で断面して示す拡大図である。
【図４】図３に基づく案内羽根の切欠をＩＶ−ＩＶ線に沿って断面した図である。
【符号の説明】
１ 案内羽根、 ２ 中空成形体、 ３ 壁、 ４ 冷却挿入体、 ５ 冷却中空室、 ６ 羽根中空室、 ７ 冷却流体、 ８ 外側の表面、 ９ 内側の表面、 １０ 切欠（冷却孔）、 １１ 開口、 １２ 熱ガス、 １３ 流出角、 １４ 腎形渦（渦対）、 １５ リブ、 １６ 流入角、 １７ 切欠の直径、 １８ 切欠の入口中心点、 １９ 内側渦（渦対）、 ２０ スペーサ、 ２１ ピン、 ２２ 切欠の出口中心点

Claims (7)

1. 特にガスタービン羽根の中空成形体の、片側で熱ガスにより囲まれた壁を冷却する装置であって、外側の表面（８）及び内側の表面（９）を備えた壁（３）と、この壁（３）に対してほぼ平行に配置されていてこの壁と一緒に冷却中空室（５）を形成している冷却挿入体（４）と、冷却流体（７）の流れ方向で互いに前後して配置されていて壁（３）の両方の表面（８，９）の間に形成された１列又は複数列の切欠（１０）とから成っており、これらの切欠（１０）がそれぞれ予定の使用条件に対応する流入角（１６）もしくは流出角（１３）と直径（１７）とを有している形式のものにおいて、切欠（１０）のそれぞれの列の上流で、半径方向のリブ（１５）が壁（３）の内側の表面（９）に配置されており、冷却挿入体（４）が切欠（１０）の領域内で壁（３）へ向かって変形されており、かつその際、切欠（１０）の流出角（１６）に対して少なくともほぼ平行に形成されていることを特徴とする、片側で熱ガスにより囲まれた壁を冷却するための装置。
2. 切欠（１０）が入口中心点（１８）を有しており、リブ（１５）がそれぞれの切欠（１０）の直径（１７）のほぼ３倍までの距離だけこの入口中心点（１８）から離れて配置されており、リブ（１５）が切欠（１０）の直径（１７）のほぼ半分ないし直径に相当する距離だけ冷却中空室（５）内へ突入しており、かつ、冷却挿入体（４）が、切欠（１０）の領域内で壁（３）と冷却挿入体（４）との垂直間隔の最大３０％を残して冷却中空室（５）を閉鎖している、請求項１記載の装置。
3. 切欠（１０）の下流に、それぞれ少なくとも１つのスペーサ（２０）及び又は少なくとも１のピン（２１）が冷却中空室（５）内に配置されていて壁（３）の内側の表面（９）に結合されており、その場合、スペーサ（２０）が冷却挿入体（４）まで達しており、かつピン（２１）が冷却挿入体（４）の手前で終わっている、請求項１又は２記載の装置。
4. スペーサ（２０）並びにピン（２１）が互いに隣り合う２列の切欠（１０）の間の中央に配置されている、請求項３記載の装置。
5. 特にガスタービン羽根の中空成形体の片側で熱ガスにより囲われた壁を冷却するための方法であって、冷却流体（７）を、まず、冷却すべき壁（３）と冷却挿入体（４）との間の冷却中空室（５）内へ案内し、次いで壁（３）の少なくとも１列の切欠（１０）を介して噴出せしめる方法において、冷却流体を、切欠（１０）に達する前に切欠へ向けて偏向せしめることを特徴とする、片側で熱ガスにより囲われた壁を冷却するための方法。
6. 冷却流体（７）の一部を、遠く上流に配置された切欠（１０）のところを擦過せしめ、その際まず加速すると共に壁（３）の内側の表面（９）へ向け、次いで、遠く下流に配置された切欠（１０）へ案内する、請求項５記載の方法。
7. 冷却流体（７）を、遠く下流に配置された切欠（１０）に達する前にまず、冷却中空室（５）内に形成されたスペーサ（２０）及び又はピン（２１）を擦過せしめて案内する、請求項６記載の方法。

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