JP4017708B2 - 冷却式羽根 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は冷却式羽根であって、主として羽根付け根と羽根本体とから成っており、羽根本体が圧力側の壁と吸込側の壁とから構成されており、これらの壁がほぼ後縁領域と前縁領域とを介して、冷却流体通路として使用される少なくとも１つの中空室を形成するように互いに結合されており、かつ、この中空室内にリブが配置されている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の羽根は例えばドイツ連邦共和国特許第３２４８１６２号明細書から公知である。同明細書には前縁領域に冷却流体通路を備えた冷却式羽根が記載されている。この冷却流体通路の幅にわたり、乱流を発生しかつ促進するための複数のリブが延在しており、これらのリブは前縁の壁の内側に対してほぼ３０°の鋭角を成して冷却流体流れ方向に向かって斜めに冷却流体通路内に配置されている。要するにリブは冷却空気が羽根の前縁へ案内されるように配向されている。その場合、リブ高さは冷却流体通路高さの１０ないし３３％である。その場合、リブ高さは冷却流体通路の幅にわたりそれぞれコンスタントであり、冷却手段は前縁領域内のノーズ通路のためにのみ適用可能である。
【０００３】
現代のガスタービンの後方段では、外側温度が高いために羽根の冷却が必要であるが、しかしこの場合には空気力学的理由から羽根は極めて細く形成されていなければならない。従って、羽根の前縁および後縁の領域内に鋭角の三角形頂点を有するほぼ二重三角形状の冷却通路（英語：ｄｏｕｂｌｅ ｔｒｉａｎｇｕ−ｌａｒ ｃｏｏｌａｎｔ ｐａｓｓａｇｅ）が形成される。鋭角の三角形頂点の領域内では流れ抵抗が極めて高く、従ってこの領域内では事実上冷却が行われない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題とするところは、冒頭に記載した形式の冷却式羽根において、羽根の冷却効果を改善して羽根の耐用寿命を高めることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題は本発明によれば、請求項１の特徴概念に記載した通り、少なくとも１つのリブが１つの頂点と２つの脚部とを有するように形成されており、かつ、リブのこれらの脚部が半径方向の平面に対して鋭角を成して屈曲されていることにより解決される。
【０００６】
【発明の効果】
本発明の利点とするところは特に、１つの頂点と２つの脚部とを備えたリブの上述の形状により羽根が均一に冷却され、かつ冷却流体の消費量が低減されることがてきることにある。このことは、主として羽根の冷却通路の前縁および後縁の領域内の死水領域が排除されることにより行われる。羽根の冷却により表面温度が均一化されて羽根の熱応力が軽減され、これにより羽根の耐用寿命が向上する。冷却流体消費量の低減によりタービンの効率が上昇する。羽根の外側の熱負荷に応じて、冷却流体通路内のリブのジオメトリが適合され、これにより羽根の均一な表面温度が得られる。その上、中空室内に配置されたリブを備えた羽根は鋳造技術的に簡単に製作される。
【０００７】
１つの頂点と２つの脚部とを備えたリブを、前縁および後縁の領域内に鋭角の三角形頂点を有する二重三角形状に形成された中空室内に配置するのが特に有利である。このことにより、空気力学的に高い効率を有する著しく細く形成される羽根プロフィールを、二重三角形状に形成された冷却通路により効果的に冷却することができる。
【０００８】
局部的な中空室高さに対する局部的なリブ高さの比をコンスタントに保つのが有利である。このことにより、前縁およぴ後縁の領域内の局部的なリブ高さが、中空室の中央領域内の局部的なリブ高さに対比して小さくなり、このことにより二次流れが強化される。
【０００９】
本発明に基づく別の構成がその他の請求項に記載されている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、図示の実施例につき本発明を詳細に説明する。
【００１１】
図１には冷却流体通路として役立つ中空室２を備えた流体機械の羽根本体１が横断面して示されている。この羽根本体１は前縁３の領域と、後縁４の領域と、吸込側の壁５と、圧力側の壁６とを備えており、その場合、吸込側の壁及び圧力側の壁は前縁３の領域及び後縁４の領域内で互いに結合されている。このことにより、前縁３及び後縁４の領域内に鋭角の三角形頂点を有する二重三角形状に形成された冷却通路が形成されている。圧力側の壁６には１つの頂点９と２つの脚部１４，１５とを備えたＶ字形のリブ７が配置されている。このＶ字形のリブ７は同じ長さの２つの脚部を備えることがてきるが、しかし、中空室２内でのリブの頂点９の配置に応じて異なる長さの２つの脚部を備えることもできる。中空室２の局部的な高さＨ１に対するリブ７の高さｈ１の比は、中空室２の局部的な高さＨ２に対するリブ７の高さｈ２の比と同じ大きさである。それゆえ、中空室高さＨに対するリブ高さｈの比はリブのいかなる箇所においてもほぼ同じである。中空室２が前縁及び後縁の領域内へ移行する領域内ではリブ７がこれら両方の領域内への冷却流体の通流を妨げない程度に狭められている。
【００１２】
図２は前縁３及び後縁４の領域を断面して吸込側の壁５の内側を示す。この場合、流体機械の羽根１０は、羽根本体１と、羽根本体を取付けめための羽根付け根１１とから成る。羽根本体１と羽根付け根１１との間には一般的に、羽根本体を囲繞して流れる流体から羽根付け根を遮蔽するプラットフォームが配置されている。吸込側の壁には同様にＶ字形のリブ７ａが配置されており、その場合、リブの頂点９ａが中空室２の１平面１３上に配置されており、かつ頂点９ａが下流に位置している。この平面１３は羽根に対しては半径方向に、かつ羽根の壁５，６の内側に対しては垂直に延びており、かつ中空室２の最も広い箇所に位置している。それゆえ、頂点９ａは局部的なリブ高さｈが最大である箇所に位置している。
【００１３】
羽根付け根１１から冷却流体２０が中空室２を通して案内される。リブは冷却流体２０の主流れ方向に対して角度８を成すように屈曲されており、その場合、主流れ方向はほぼ平面１３に対して平行である。この場合、角度８は３０ないし６０°、有利には４０ないし５０°、特に４５°である。Ｖ字形のリブの下流には熱伝導率を高める渦及び循環区域が生じる。
【００１４】
リブ高さ／中空室高さ［％］ ０ １８ ３１ ４４
Ｎｕ／Ｎｕsmooth １ ２〜４ ５〜７ ９〜１１
表１：Ｖ字形リブのリブ高さに依存した平均ヌセルト数（実験データ）
ヌセルト数とは、伝導された熱量に対する、対流により排出された熱量の比として規定されている。表１では種々異なるリブ高さのための平均ヌセルト数Ｎｕがリブなしの通路のヌセルトＮｕsmooth と比較されている。この場合、Ｖ字形のリブの頂点は下流に配置されている。表１から明らかなように、平均ヌセルト数はリブ高さ増大につれて著しく増加している。それゆえ、局部的な中空室高さに対する局部的なリブ高さの比は５ないし５０％、有利には２０ないし４０％でなければならない。
【００１５】
冷却流体温度が熱エネルギの受取りにより流れ方向で上昇し、従って壁温度と冷却流体温度との間の差異が減少するため、局部的なリブ高さｈと局部的な中空室高さＨとの間の比が流れ方向で連続的に増大することができ、これにより、上記の表にもとづきヌセルト数が上昇し、ひいては熱伝導が改善される。このことにより、冷却流体により受取られる熱エネルギは羽根の外側の熱負荷に適合される。このことは羽根の半径方向の温度分布の付加的な均一化ひいては応力の明らかな低下を導く。
【００１６】
図３は前縁３及び後縁４の領域を断面して圧力側の壁６の内側を示す。圧力側の壁６の内側に配置されたリブ７ｂは同様にＶ字形に形成されており、この場合、その頂点９ｂは中空室２の平面１３上に配置されている。それゆえ、頂点９ｂは局部的なリブ高さｈが最大である箇所に位置している。図３から看取されるように、リブは吸込側と圧力側とで互いに流れ方向にずれて配置されることができる。
【００１７】
図４からはリブ７ａと７ｂとの相互の配置が看取される。リブは互いに流れ方向でずれており、その結果、流れは交互に吸込側の壁５のリブ７ａと圧力側の壁６のリブ７ｂとに衝突する。有利には、それぞれ一方の壁のリブがそれぞれ他方の壁のリブの間の中央に配置される。
【００１８】
図４に示す配置によれば、前縁および後縁の鋭角的な領域内へ流れが案内され、これにより、表１に示した平均ヌセルト数に比して明らかに高い局部的なヌセルト数が得られる。これにより、羽根の前縁３および後縁４の領域内に著しく高い熱伝導係数が得られ、他面において通路中央の領域内に比較的低い熱伝導係数が生じる。
【００１９】
図５は羽根本体１と羽根付け根１１とから成る羽根１０の前縁３および後縁４の領域を断面して圧力側の壁６の内側を示す。圧力側の壁のリブ７ｃは、図３のリブ７ｂとは異なり、その頂点が最初に流れにより負荷されるように配置されている。この場合にはリブは冷却流体２０の主流れ方向に対して同様に角度８を成して主流れ方向へ屈曲されている。
【００２０】
図６はリブ７ａを備えた吸込側の壁と図５に示したリブ７ｃとを示し、この場合、リブ７ａは図２に相応して吸込側に配置されている。構造技術的な理由からこの場合には局部的な中空室高さに対する局部的なリブ高さの比は常に５０％より小さい。
【００２１】
図６にもとづく配置により、同様に極めて高い熱伝導係数が得られるが、この場合には図４にもとづく配置の場合に比して熱伝導係数が均一に分配される。しかし、図６の配置では、圧力側と吸込側とで羽根の熱伝導係数を互いに異にし、従って、この配置は圧力側と吸込側とで熱負荷が異なる場合に適用される。
【００２２】
本発明は図示の実施例に制約されないのは勿論である。Ｖ字形のリブは、複数の冷却空気通路を備えた羽根にも、これらの冷却空気通路の縁区域内に高い流れ抵抗が生じる場合には配置されることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】羽根の羽根本体の部分横断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って羽根を部分縦断面した図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って羽根を部分縦断面した図である。
【図４】図１のＩＩ−ＩＩ線に平行にずらして羽根を部分縦断面した図である。
【図５】図１のＶ−Ｖ線に沿って羽根を部分縦断面した図である。
【図６】図１のＶ−Ｖ線に平行にずらして羽根を部分縦断面した図である。
【符号の説明】
１ 羽根本体、 ２ 中空室、 ３ 前縁、 ４ 後縁、 ５ 吸込側の壁、６ 圧力側の壁、 ７ リブ、 ７ａ，７ｃ 吸込側の壁のリブ、 ７ｂ 圧力側の壁のリブ、 ８ 角度、 ９，９ａ，９ｂ，９ｃ リブの頂点、 １０羽根、 １１ 羽根付け根、 １２ プラットフォーム、 １３ 平面、 １４，１５ Ｖ字形のリブの脚部、２０ 冷却流体、 ｈ，ｈ１，ｈ２ 局部的なリブ高さ、 Ｈ，Ｈ１，Ｈ２ 局部的な中空室高さ

Claims (8)

1. 冷却式羽根（１０）であって、主として羽根付け根（１１）と羽根本体（１）とから成っており、羽根本体（１）が圧力側の壁（６）と吸込側の壁（５）とから構成されており、これらの壁（５，６）がほぼ後縁領域（４）と前縁領域（３）とを介して、冷却流体通路として使用される少なくとも１つの中空室（２）を形成するように互いに結合されており、該中空室（２）内にリブ（７）が配置されており、少なくとも１つのリブ（７）が１つの頂点（９）と２つの脚部（１４，１５）とを有するように形成されており、リブ（７）の脚部（１４，１５）が冷却流体の主流れ方向に対し平行に延びる直線（１３）に対し鋭角を成して屈曲されている形式のものにおいて、局部的な中空室高さ（ H ）に対する局部的なリブ高さ（ｈ）の比がリブ（７）のほぼすべての点でコンスタントである、ことを特徴とする冷却式羽根。
2. 中空室（２）が前縁（３）の領域および後縁（４）の領域内に鋭角的な三角形頂点を有する二重三角形状に形成されている請求項１記載の冷却式羽根。
3. リブ（７）の頂点（９）が局部的な最大のリブ高さ（ｈ）の領域内に配置されている請求項２記載の冷却式羽根。
4. 局部的な中空室高さ（Ｈ）に対する局部的なリブ高さ（ｈ）の比が５〜５０％である請求項３記載の冷却式羽根。
5. 局部的な中空室高さ（Ｈ）に対する局部的なリブ高さ（ｈ）の比が、主流れ方向で順次配置されたリブ（７）のために増大している請求項３記載の冷却式羽根。
6. 吸込側の壁（５）及び圧力側の壁（６）のリブ（７）の頂点（９）が冷却流体（２０）の主流れ方向で下流に位置している請求項１又は２記載の冷却式羽根。
7. リブ（７）の頂点（９）が吸込み側の壁（５）又は圧力側の壁（６）にて冷却流体の主流方向で下流に位置し、この壁に対向して位置する壁（５，６）にて上流に位置する請求項１又は２記載の冷却式羽根。
8. リブの脚部（１４，１５）が前記直線（１３）に対して３０から６０°の角度（８）を成して屈曲させられている請求項１又は２記載の冷却式羽根。

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