JP4175669B2 - ガスタービン翼の後縁を冷却するための冷却チャンネル構造 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、ガスタービンに用いられる翼幹部、例えば静翼の翼幹部に関する。より詳細には、本発明は、冷却用空気の流路を改良した翼幹部に関する。
ガスタービンは、タービン区分内で列をなして円周方向に配列された複数の静翼を採用している。かかる静翼は燃焼区分から排出される高温ガスにさらされるので、これら静翼の冷却は極めて重要である。代表的には、冷却は、冷却用空気を、静翼幹部内に形成されたキャビティを通って流すことにより行われている。
一手法によれば、静翼幹部の冷却は、一又は二以上の管状インサートを翼幹部キャビティのそれぞれの中に組み込んで管状インサートを包囲する通路を管状インサートと翼幹部の壁との間に形成することにより行われている。管状インサートの周囲にはぐるりと分布した状態で多数の穴が設けられ、これら穴は、冷却用空気をこれら通路の周りに分配する。
別法によれば、各翼幹部キャビティは、蛇のように曲がりくねった列を形成する多数の（代表的には３本の）半径方向に延びる通路を有している。静翼の外側シュラウドに供給された冷却用空気は、第１の通路に流入し、半径方向内方へ流れ、ついには静翼の内側シュラウドに達するようになる。冷却用空気の第１の部分は、内側シュラウドを通って静翼から流出し、隣り合うロータディスク列間に位置しキャビティに流入する。キャビティ内の冷却用空気は、ディスクの面を冷却するのに役立つ。冷却用空気の第２の部分は、方向を逆にして第２の通路を通って半径方向外方に流れ、ついには外側シュラウドに達するようになり、ここで再び方向を変えて第３の通路を通って半径方向内方へ流れる。
静翼の後縁部分の冷却は、この後縁部分が薄いので特に困難である。従来の開ループ式冷却システムでは、冷却用空気を翼幹部の後縁に設けられている軸方向に向いた通路により静翼の内部キャビティから高温ガス流路中へ送り込んでいる。閉ループ冷却システムでは、静翼幹部の後縁部分を冷却できるようにするには、冷却用空気を後縁内で翼弦方向にぐるりと巻いた状態で延びるチャンネル中へ差し向ける。しかしながら、この方式では結果的に後縁が厚くなり、それにより空気力学的観点からは望ましくなく、しかも製造上の手の込み具合が増す。
別の手法では、冷却用空気を内側シュラウドと外側シュラウドとの間に延びるスパン（翼長）方向の半径方向穴中へ差し向け、この空気は、内側シュラウドから外側シュラウドに半径方向外方へ流れるか、或いは外側シュラウドから内側シュラウドに半径方向内方へ流れる。残念なことに、この手法は、幾つかの欠点をもっている。第１の欠点として、冷却用空気は、穴の端に至るときまでに十分加熱された状態になるのでその冷却効率は不適切であり、その結果、内側シュラウド又は外側シュラウドの隣に位置する後縁の部分が過熱することになる。また、もし穴の直径が比較的小さいと、穴の長さに起因して冷却用空気に望ましくない大きな圧力降下が生じることになる。しかしながら、穴の直径を大きくすることにより圧力降下を減少させると、後縁が厚くなって望ましくないことになる。
スパン半径方向穴を設けることも製造上が困難である。翼幹部を鋳造する場合、長くて小径のスパン半径方向穴を使用すると、鋳造中子が長くて無支持であり、それ故に弱いものである場合がある。加うるに、かかる長い冷却穴は、肉厚許容差を維持するのが困難であり、その結果、滲出し時間（冷却用空気が穴を通って出るのに要する時間）が長くなる。
したがって、上述の方法の問題を解決し、冷却用空気が冷却流路の端に達するまでのその昇温と冷却用空気に生じる圧力降下との両方を最小限に抑える翼幹部後縁部分の冷却手段を提供することが望ましい。
発明の概要
したがって、本発明は、上述の方法の問題を解決し、冷却用空気が冷却流路の端に達するまでのその昇温と冷却用空気に生じる圧力降下との両方を最小限に抑える翼幹部後縁部分の冷却手段を提供することにある。
概要を述べると、本発明の上記及び他の目的は、ターボ形機械の翼幹部であって、（a）前縁及び後縁と、（b）第１の端部及び第１の端部から半径方向内方に位置する第２の端部と、（c）第１の側壁及び第２の側壁と、（d）第１の側壁と第２の側壁との間に形成され、翼幹部に差し向けられた冷却用流体の流れを受け入れる入口を有する第１の通路と、（e）側壁相互間に形成され、第１の端部と第２の端部との間に設けられ、第１の通路と流体連通するプレナムと、（f）プレナムと流体連通し、プレナムから第１の端部に向かって実質的に半径方向に延び、後縁に隣接して位置する複数の第２の通路と、（g）プレナムと流体連通し、プレナムから第２の端部に向かって実質的に半径方向に延び、後縁に隣接して位置する複数の第３の通路と、（h）第２の通路から排出された冷却用流体を集める第１のマニホルドと、（i）第３の通路から排出された冷却用流体を集める第２のマニホルドと、（j）第１及び第２のマニホルドと流体連通して冷却用流体を翼幹部の出口から排出する手段とより成る翼幹部により達成される。
本発明の好ましい実施形態では、プレナムは、翼幹部の後縁に隣接してほぼ中間高さ位置に設けられている。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明のガスタービン静翼の縦断面図である。
図２は、図１のII−II線矢視横断面図である。
図３は、図１のIII−III線矢視横断面図である。
図４は、プレナムの付近に位置した図１に示す静翼の後縁の部分の等角図である。
好ましい実施の形態の説明
図面を参照すると、図１〜図４には、ガスタービンのタービン区分に用いられる本発明の翼幹部を有する静翼１が示されている。静翼１は、一端に内側シュラウド２、他端に外側シュラウド４を備えた翼幹部６で構成されている。図２に最も良く示されているように、静翼１の翼幹部６は、前縁８及び後縁１０を形成するよう交わる互いに反対側の側壁９，１１で形成されている。本発明は、翼幹部６、好ましくは、後縁１０に隣接した翼幹部の部分を冷却する装置に関する。
翼幹部６の大部分は中空である。横方向に延びるリブ４８，５０，５２が、翼幹部６中空内部を３つの冷却用空気通路３２，３４，３６に分けている。第１の通路３２は、冷却用空気供給通路であり、前縁８に隣接した翼幹部の部分に形成されている。第２の通路３４も又、冷却用空気供給通路であるが、後縁６の近くに形成されている。第３の通路３６は、翼幹部６の翼弦の中間領域に形成されていて、冷却用空気の排出通路となっている。
図１を参照すると、冷却用流体供給管１２が外側シュラウド４に連結されている。外側シュラウド４に設けられた開口部１８により、供給管１３は、外側シュラウド内に形成された通路１６と連通できる。外側シュラウド通路１６は、翼幹部６の通路３２，３４につながっている。
図２及び図４に最も良く示されているように、本発明の重要な特徴によれば、プレナムとして役立つキャビティ４２が側壁９，１２間に形成されている。プレナム４２は好ましくは、高さのほぼ中間のところに且つ翼幹部６の後縁１９に隣接して位置する。リブ５２に設けられた開口部４０が、プレナム４２と供給通路３４とを互いに連結している。
図１及び図３に最も良く示されているように、第１の列をなす冷却用流体穴３８′が、プレナム４２から、外側シュラウド４に形成された冷却用流体マニホルド５４まで半径方向外方へ延びており、穴の入口はプレナムのところに位置し、出口はマニホルドのところに位置している。図３に示すように、通路５８が、外側シュラウド４内に形成されており、この通路５８は、全体として半径方向と垂直な方向に延びている。通路５８は、外側シュラウド内へ突出した翼幹部６の部分の周りにぐるりとマニホルド５４から延びている。開口部４６，４７が、外側シュラウド４内へ延びる側壁９，１１の部分にそれぞれ形成されている。開口部４６，４７により、通路５８は排出通路３６と連通できる。図１に示すように、出口３０が、排出通路３６内に形成されると共に戻り管１４に通じている。
図１、図２及び図４で最も良く分かるように、好ましくは冷却用流体穴３８′と半径方向に整列した第２の列をなす冷却用流体穴３８″が、プレナム４２から、内側シュラウド２に形成された冷却用流体マニホルド５６まで半径方向内方へ延びており、これらの穴の入口はプレナムのところに位置し、出口はマニホルドのところに位置している。外側シュラウド４の通路５８と類似した通路（図示せず）が、内側シュラウド２内に形成されており、この通路は、内側シュラウド内へ突出した翼幹部の部分の周りにぐるりとマニホルド５６から延びている。外側シュラウド４のところの開口部４６，４７と類似した開口部４４（これらのうち一つが図１に示されている）が、内側シュラウド２内へ延びる側壁９，１１の部分にそれぞれ形成されている。開口部４４により、内側シュラウド内の通路は排出通路３６と連通できる。
内側シュラウドと外側シュラウドは、後縁の冷却用流体マニホルド５４，５６を排出通路３６に連結する通路に加えて、シュラウド自体の冷却を促進する冷却用通路を有していることは理解されるべきである。しかしながら、かかるシュラウド冷却は本発明の要部をなさず、本発明は、翼幹部６の冷却、好ましくは後縁１９に隣接して位置する翼幹部の部分の冷却に関している。
作用を説明すると、好ましい実施形態では代表的にはガスタービンの圧縮機区分から抽気された圧縮空気２０である冷却用流体を、図１に示すように供給管１３により静翼の外側シュラウド４に差し向ける。第１の冷却用空気流２２は、後縁の供給通路３４を通ってプレナム４２に半径方向内方へ流れ、その際、翼幹部６の側壁９，１１の一部を冷却する。
第２の冷却用空気流２４は、前縁の供給通路３２を通って半径方向内方へ流れ、翼幹部６の前縁８を冷却する。次に、内側シュラウド２内の通路１７は、冷却用空気２４を通路３２から通路３４に差し向け、次いで、プレナム４２まで半径方向外方へ（即ち、外側シュラウド４に向かって）流れる。プレナム４２内において、冷却用空気流２２，２４は合流し、次に、後縁の冷却穴３８により数多くの小さな流れに分割される。図２及び図４に最も良く示されているように、プレナムは、翼幹部６の後縁１０に向かって軸方向に延びるにつれてテーパしている。かかるテーパにより、冷却穴３８相互間の均一な流れの分布が得られるのに必要な面積の減少がもたらされる。
合流した冷却用空気２２，２４の流れの一部２８は、プレナム４２から穴３８′を通ってマニホルド５４に半径方向外方へ（即ち、外側シュラウド４に向かって）流れ、それにより、後縁１０に隣接していて、プレナム４２の上に位置した翼幹部６のほぼ上半分の活発な冷却を可能にする。マニホルド５４内において冷却用空気２８の個々の流れは集められ、次に図３に示すようにこれを通路５８により開口部４６，４７に差し向ける。冷却用空気２８は図１に示すように開口部４６，４７から排出通路３６に流入し、そして排出管１４まで半径方向外方へ流れる。
同様に、合流した冷却用空気２２，２４の流れの一部２６は、プレナム４２から穴３８″を通ってマニホルド５６に半径方向内方へ流れ、それにより、プレナム４２の下で後縁１０に隣接した翼幹部６のほぼ下半分の活発な冷却を可能にする。マニホルド５６内において冷却用空気２６の個々の流れは集められ、次に、外側シュラウド４に関連して上述したように、これを内側シュラウドの通路により開口部４４に差し向ける。冷却用空気２６は開口部４４から排出通路３６に流入して排出管１４まで半径方向外方へ流れ、その際、翼幹部６の側壁９，１１の翼弦中間部分を冷却する。本発明の好ましい実施形態では、排出管１４は冷却用空気２９を冷却器に差し向け、タービンに再循環して戻す。
本発明は、従来型翼幹部冷却方式と比べ多くの利点を有している。第１の利点として、冷却用空気通路の長さは内側シュラウドから外側シュラウドまで延びるスパン方向穴と比べ、実際上半分になっているので、例えば冷却剤（これは空気又は蒸気であるのが良い）がシュラウドに達するときまでにこの冷却剤が過熱される恐れは殆ど無い。また、通路３８中の圧力降下は減少し、それにより最小直径の穴３８を使用できる。小径の穴を用いると、空気力学的利点を有する薄い後縁１０を使用できる。翼幹部６は又、製造が容易である。というのは、長く延びる冷却穴が避けられるからである。
本発明をガスタービンの静翼に関する翼幹部と関連して説明したが、本発明は又他形式の構成部品にも適用できる。さらに、本発明を、圧縮空気を利用する閉ループ冷却システムと関連して説明したが、本発明は又、より従来型の開ループシステム及び別のタイプの冷却用流体、例えば蒸気を用いるシステムにも適用できる。かくして、本発明は、その精神又は本質的属性から逸脱すること無く他の特定の形態で実施できるので、本発明の範囲を定めるに当たっては上記の説明ではなく特許請求の範囲を参照すべきである。

Claims (9)

1. ターボ形機械の翼幹部であって、
   （a）前縁（８）及び後縁（１０）と、
   （b）第１の端部及び第１の端部から半径方向内方に位置する第２の端部と、
   （c）第１の側壁（９）及び第２の側壁（１１）と、
   （d）第１の側壁と第２の側壁との間に形成され、翼幹部に差し向けられた冷却用流体の流れを受け入れる入口（１８）を有する第１の通路（３４）と、
   （e）側壁相互間に形成され、第１の端部と第２の端部との間に設けられ、第１の通路と流体連通するプレナム（４２）と、
   （f）プレナムと流体連通し、プレナムから第１の端部に向かって実質的に半径方向に延び、後縁に隣接して位置する複数の第２の通路（３８’）と、
   （g）プレナムと流体連通し、プレナムから第２の端部に向かって実質的に半径方向に延び、後縁に隣接して位置する複数の第３の通路（３８”）と、
   （h）第２の通路から排出された冷却用流体を集める第１のマニホルド（５４）と、
   （i）第３の通路から排出された冷却用流体を集める第２のマニホルド（５６）と、
   （j）第１及び第２のマニホルドと流体連通して冷却用流体を翼幹部の出口（３０）から排出する手段とより成る翼幹部。
2. プレナムは、第１の端部と第２の端部との間のほぼ中間で後縁に隣接して設けられている請求項１記載の翼幹部。
3. 第２の通路及び第３の通路は列状の通路を形成している請求項１記載の翼幹部。
4. 冷却用流体排出手段は、第１のマニホルドと流体連通している第４の通路（５８）から成る請求項１記載の翼幹部。
5. 第１及び第２の端部のうち一方に取り付けられた第１のシュラウドを更に有し、第４の通路は、第１のシュラウド（４）内に形成されている請求項４記載の翼幹部。
6. 第４の通路（５８）は半径方向に実質的に垂直な方向に延びている請求項４記載の翼幹部。
7. 第１の側壁と第２の側壁との間に形成され、出口（３０）と流体連通する第５の通路（３６）を更に有する請求項４記載の翼幹部。
8. 第１側壁と第２の側壁との間に延びて第５の通路（３６）を第１の通路（３４）から分離するリブ（５０）を更に有する請求項７記載の翼幹部。
9. 翼幹部は静翼の一部である請求項１記載の翼幹部。

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