JP4109445B2 - ガスタービン翼 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却流体を案内するための空洞を備えたガスタービン翼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような冷却ガスタービン翼は米国特許第５４３１５３７号明細書に示されている。ガスタービン翼はそれを洗流する高温ガスによって非常に高い温度に曝される。このために、ガスタービン翼は冷却されねばならない。ガスタービン翼の前縁部は特に高い熱的負荷を受ける。この理由から、前縁部は特に強く冷却されねばならない。冷却空気を利用して冷却する際、その冷却空気の消費がガスタービンの効率を低下させるので、冷却空気の消費量をできるだけ少なくすることが望まれる。ガスタービン翼の冷却作用を改善するために、冷却媒体を渦巻かせて熱伝達を良好にする渦流発生体が、ガスタービン翼の空洞内面に設けられている。米国特許第５４３１５３７号明細書におけるガスタービン翼の場合、その渦流発生体の構成によって、前縁部の良好な冷却が達成され、かつタービン翼の鋳造性に対する利点が得られる。
【０００３】
また米国特許第５３２０４８３号明細書に蒸気冷却ガスタービン翼が示されている。この蒸気冷却方式はガスタービンの効率に関して適している。もっともこの蒸気冷却方式は、冷却空気と異なって蒸気がタービン翼から高温ガス通路に導入されないようにするために、閉鎖冷却回路を必要とする。ガスタービン翼の前縁部を冷却するために、その前縁部の輪郭に応じて蒸気を通路の中に導入する衝突冷却装置が利用されている。その場合、蒸気はその通路から孔を通って前縁部に向かって流れ出て衝突し、この前縁部を冷却する。しかしこの構造は、製造技術的に非常に経費がかかり、また前縁部を非常に厚肉にし、空気力学的に最良の形にならなくなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、製造技術的に簡単に製造でき、前縁部が良好に冷却され、しかも空気力学的に良好な形をしているガスタービン翼を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によればこの課題は、冷却流体を案内するための空洞を有する羽根を備え、この羽根が翼の背、翼の腹、前縁部および後縁部を有している翼長手軸線に沿って延びるガスタービン翼において、空洞が、前縁部に隣接する前縁部側空洞と、この前縁部側空洞に後縁部の方向へ続いている第１部分空洞とを有し、この第１部分空洞が、前縁部から後縁部の方向へ延びる仕切り壁によって、第１仕切り室と第２仕切り室とに仕切られ、冷却流体が、第１仕切り室から衝突冷却開口を通して前縁部側空洞に流入して、前縁部を衝突冷却し、そこから第２仕切り室に導入される、ことによって解決される。
【０００６】
この構成によってまず第１に、ガスタービン翼の前縁部範囲に、分割形空洞を設けることが提案される。これによって、単純な構造で冷却流体を密閉して案内することができる。この構造は、前縁部の範囲における複雑に形成された衝突冷却装置を回避し、更に前縁部を空気力学的に良好に形成することを可能にする。
【０００７】
好適には、前縁部側空洞は第１部分空洞から、羽根に結合されたリブによって分離されている。このリブは、ガスタービン翼においては通常、翼の背から翼の腹まで延びておらず、空洞内で終えている。そのリブは、例えば鋳造タービン翼の場合、一体鋳造される。冷却流体は第１仕切り室からリブを介して前縁部側空洞に導かれる。そのために、リブに衝突冷却開口が設けられている。更に好適には、この衝突冷却開口はスリットとして形成されている。そのスリット付きリブは製造技術的に簡単に製造でき、最良の衝突冷却条件を提供する。
【０００８】
好適には、第１部分空洞に後縁部の方向へ第２部分空洞が続き、この第２部分空洞が、翼の背から翼の腹まで延びる隔壁によって第１部分空洞から分離され、冷却流体が隔壁にある通路を通して、第２仕切り室から第２部分空洞に導入される。その場合更に、冷却流体は、第１仕切り室内において翼長手軸線に対して平行に、第２仕切り室内において翼長手軸線に対して直角に、第２部分空洞内において翼長手軸線に対して平行に、それぞれ導かれる。これによって、第１部分空洞の両仕切り室内における冷却流体が互いに直交する流れ方向を有するという状況が生ずる。
【０００９】
好適には仕切り壁は板金である。これは正に、鋳造ガスタービン翼において仕切り壁を一体鋳造する必要がないので、製造技術を一層単純化させる。仕切り壁は鋳造タービン翼に簡単に嵌め込まれる。好適には、仕切り壁は、一体鋳造された渦流発生体間にある溝に締付け固定され、及び／又は、特に隔壁に特別に設けられた段部に接合される。更に好適には、仕切り壁は第２仕切り室を前縁部側空洞から分離する。仕切り壁は前縁部側空洞から第２仕切り室に冷却流体を導入するための開口を有している。この形成は、特に好適には、前縁部側空洞を第１仕切り室から分離するリブと関連づけられる。一方ではリブによって、他方では板金として接合された仕切り壁によって、前縁部側空洞が第１部分空洞から分離されている。その板金は好適にはリブに接触支持されている。
【００１０】
好適にはそのガスタービン翼は静翼として形成されている。
【００１１】
好適には冷却流体は蒸気である。
【００１２】
蒸気冷却方式は冷却空気が節約できるという利点を有し、従ってガスタービンの効率が向上し、出力が増大する。静翼はタービン車室に結合され、このタービン車室を通して冷却蒸気を導入できるので、正に本発明は、静翼に対して良好に適用される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下において図に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。各図において同一部分には同一符号が付されている。
【００１４】
図１には、ガスタービン翼１が側面図で示されている。このガスタービン翼１は静翼として形成され、翼長手軸線３に沿って延びている。ガスタービン翼１は羽根（翼形部）５を有している。この羽根５は翼の背７と翼の腹９とを有し、また高温活動流体に対する前縁部１１と後縁部１３とを有している。羽根５はタービン車室側翼台座１５とロータ側翼台座１７との間に配置されている。羽根５は冷却流体を案内するための空洞１９を有している。以下、この羽根５の内部冷却構造について、図を参照して詳細に説明する。
【００１５】
図２には、図１におけるガスタービン翼１が横断面図で示されている。空洞１９は、前縁部１１の範囲にある前縁部側空洞２１と、この前縁部側空洞２１に後縁部１３の方向へ続いている第１部分空洞２３と、この第１部分空洞２３に続いている第２部分空洞２５と、この第２部分空洞２５に続いている後縁部側空洞２７とから構成されている。第１部分空洞２３は第１仕切り室３１と第２仕切り室３３とに仕切られている。これらの両仕切り室３１、３３は仕切り壁３７によって仕切られて形成されている。この仕切り壁３７は第１部分空洞２３内を延び、前縁部から後縁部の方向へ延びている。従って、両仕切り室３１、３３は互いに並んで軸線方向に延びている。仕切り壁３７は同時に、第２仕切り室３３を前縁部側空洞２１から区切っている。前縁部側空洞２１は、翼の腹９から翼の背７までの距離の約半分まで翼の腹９から空洞１９の中に突入しているリブ３５によって、第１仕切り室３１から分離されている。これによって、リブ３５とこのリブ３５に接する仕切り壁３７とによって、前縁部側空洞２１が第１部分空洞２３から分離されている。リブ３５にスリット状衝突冷却開口５５が設けられている（図３参照）。仕切り壁３７の前縁部側空洞２１に隣接する側に、開口６１が設けられている。第１部分空洞２３は、翼の腹９から翼の背７まで完全に延びている隔壁３９によって、第２部分空洞２５から分離されている。この隔壁３９はそのほぼ中央部分に、翼長手軸線３に沿って延びる段部４１を有している。第１部分空洞２３における羽根内面に、翼長手軸線３に対して直角に延びる渦流発生体４５が配置されている。また前縁部側空洞２１における羽根内面にも、翼長手軸線３に対して直角に延びる渦流発生体４３が配置されている。これらの両渦流発生体４３、４５間を、翼長手軸線３に対してほぼ平行に溝４４が延びている。仕切り壁３７は板金で形成され、その一端は溝４４内に保持され、他端は隔壁３９の段部４１に接している。この仕切り壁３７は更にリブ３５に取り付けられている。この構成は、特に鋳造ガスタービン翼１の中に仕切り壁３７を非常に簡単に組み込むことを可能にする。
【００１６】
ガスタービン翼１の使用中、冷却流体（特に蒸気）５１が、第１部分空洞２３の第１仕切り室３１に導入される。第１仕切り室３１内において冷却流体５１は翼長手軸線３に対して平行に導かれる。その冷却流体５１は、ガスタービン翼１の前縁部１１が内側から衝突冷却されるように、第１仕切り室３１からリブ３５にある衝突冷却開口５５を通して前縁部側空洞２１の中に達する。それ後この冷却流体５１は、仕切り壁３７にある開口６１（図４参照）を通って第２仕切り室３３に流入し、そこで冷却流体５１は翼長手軸線３に対して垂直に流れる。冷却流体５１は第２仕切り室３３から隔壁３９にある通路６３を通って第２部分空洞２５に流入し、そこで冷却流体５１は、翼長手軸線３に対して平行に導かれ、ガスタービン翼１から排出される。
【００１７】
この製造技術的に特に単純かつ安価な構造によって、特に蒸気冷却のために冷却流体を閉鎖式に案内でき、前縁部を特に空気力学的に良好に形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービン翼（静翼）の正面図。
【図２】図１のガスタービン翼の横断面図。
【図３】図２におけるスリット付きリブの横断面図。
【図４】図２のガスタービン翼の一部断面斜視図。
【符号の説明】
１ ガスタービン翼
３ 翼長手軸線
５ 羽根（翼形部）
７ 翼の背
９ 翼の腹
１１ 前縁部
１３ 後縁部
１５ 翼台座
１７ 翼台座
１９ 空洞
２１ 前縁部側空洞
２３ 第１部分空洞
２５ 第２部分空洞
２７ 後縁部側空洞
３１ 第１仕切り室
３３ 第２仕切り室
３５ リブ
３７ 仕切り壁
３９ 隔壁
４１ 段部
４３ 渦流発生体
４５ 渦流発生体
５１ 冷却流体
５５ 衝突冷却開口
６１ 開口
６３ 通路

Claims (7)

1. 冷却流体（５１）を案内するための空洞（１９）を有する羽根（５）を備え、この羽根（５）が翼の背（７）、翼の腹（９）、前縁部（１１）および後縁部（１３）を有している翼長手軸線（３）に沿って延びるガスタービン翼（１）において、空洞（１９）が、前縁部（１１）に隣接する前縁部側空洞（２１）と、この前縁部側空洞（２１）に後縁部（１３）の方向へ続いている第１部分空洞（２３）とを有し、この第１部分空洞（２３）が、前縁部（１１）から後縁部（１３）の方向へ延びる板金製の仕切り壁（３７）によって、第１仕切り室（３１）と第２仕切り室（３３）とに仕切られ、かつ前縁部側空洞（２１）は、翼の腹（９）から翼の背（７）の方向へ空洞（１９）の中間に突出させたリブ（３５）と、このリブに接して設けた前記仕切り壁（３７）とによって、第１部分空洞（２３）から分離され、冷却流体（５１）が、第１仕切り室（３１）から、前記リブ（３５）に設けた衝突冷却開口（５５）を通して前縁部側空洞（２１）に流入して、前縁部（１１）を衝突冷却し、そこから第２仕切り室（３３）に導入されることを特徴とするガスタービン翼。
2. 衝突冷却開口（５５）が、リブ（３５）においてスリット状に形成されていることを特徴とする請求項１記載のガスタービン翼。
3. 第１部分空洞（２３）に後縁部（１３）の方向へ第２部分空洞（２５）が続き、この第２部分空洞（２５）が、翼の背（７）から翼の腹（９）まで延びる隔壁（３９）によって第１部分空洞（２３）から分離され、冷却流体（５１）が隔壁（３９）にある通路（６３）を通して、第２仕切り室（３３）から第２部分空洞（２５）に導入されることを特徴とする請求項１記載のガスタービン翼。
4. 冷却流体（５１）が、第１仕切り室（３１）内において翼長手軸線（３）に対して平行に、第２仕切り室（３３）内において翼長手軸線（３）に対して直角に、第２部分空洞（２５）内において翼長手軸線（３）に対して平行に、それぞれ導かれることを特徴とする請求項３記載のガスタービン翼。
5. 仕切り壁（３７）が第２仕切り室（３３）を前縁部側空洞（２１）から分離し、仕切り壁（３７）が、前縁部側空洞（２１）から第２仕切り室（３３）に冷却流体（５１）を導入するための開口（６１）を有していることを特徴とする請求項１記載のガスタービン翼。
6. 静翼として形成されていることを特徴とする請求項１記載のガスタービン翼。
7. 冷却流体（５１）が蒸気であることを特徴とする請求項１記載のガスタービン翼。

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