JP4191578B2 - ガスタービンエンジンのタービン冷却翼 - Google Patents

Description

本発明は、航空機等に用いられる小型ガスタービンエンジン、特にタービン翼に用いられるタービン冷却翼に関するものである。

現在ガスタービンは多くの機械・機器の動力源として用いられている。例えば、主軸に発電機を連結し発電に用いられたり、ガスタービンを利用したエンジンとして航空機等の輸送手段の動力源として用いられたりしている。

図６にガスタービンエンジンの概略図を示す。図６に示すガスタービンエンジンＧＴは、空気取り入れ口にも受けられた吸気ファンＫｆと、吸気された空気を圧縮する圧縮機Ｃｐと、圧縮機Ｃｐにて圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼する燃焼器Ｂｓと、燃焼器Ｂｓより噴出される燃焼ガスにて駆動されるタービンＴｂと、燃焼ガスを噴出して推力を得るためのノズルＮｚとを有している。吸気ファンＫｆ、圧縮機ＣｐとタービンＴｂは同一の回転軸で連結されており、燃焼ガスにてタービンＴｂを駆動し回転軸を回動させ、吸気ファンＫｆ、圧縮機Ｃｐを駆動している。

タービンＴｂは静翼及び動翼を有しており、静翼は吹き付けられる燃焼ガスの流れを整流し、動翼は燃焼ガスが吹き付けられることで回転軸を中心に回動する。静翼及び動翼に吹き付けられる燃焼ガスは非常に高温であり、熱による変形、破壊等の不具合が発生する。このような翼の不具合の発生を防止するために翼の冷却を行っている。

翼の冷却には圧縮機Ｃｐにて圧縮され燃焼器Ｂｓに送る圧縮空気の一部をタービンＴｂに送り冷却用の冷媒として利用するものが開示されている。冷却空気を翼の内部に流動させることで冷却するものである。翼の冷却方法としては、フィルム冷却、インピンジメント冷却、トランスピレーション冷却等の冷却方法がある。

高温ガスタービンエンジンのタービン冷却翼においては、インピンジメント冷却の後、フィルム冷却を併用して用いられている。図７に高温ガスタービンエンジンの冷却翼の断面図を示す。

図７に示すタービン冷却翼Ｂは内部に冷却空気が流動する冷却通路９１が形成されており、冷却通路９１内部には冷却空気が噴出する細孔が多数形成されているインサート９２が翼壁９０の内壁面９０１と間隙をあけて設けられている。冷却通路９１に流動してきた冷却空気はインサート９２の細孔９２１より冷却通路９１の内壁面９０１に略均一に吹き付けて内壁面９０１及び内壁近傍を冷却する、いわゆるインピンジメント冷却を行う。

また、冷却翼Ｂには冷却通路９１から外部へ貫通するフィルム冷却孔９３が形成されており、インピンジメント冷却を行った後の冷却空気は、フィルム冷却孔９３よりタービン冷却翼Ｂの外壁面９０２に噴出し、冷却シールを形成してタービン冷却翼Ｂを外部より冷却する。

上述の冷却方法は発電等に用いられる産業用ガスタービンに広く採用されているものである。
特開平７−２９３２０４号公報 特開２０００−２９１４０６号公報 特開２０００−２５７４０１号公報

航空機等に用いる小型のガスタービンエンジンと発電等に用いる産業用ガスタービンに用いられる冷却翼の各種パラメータの比較を表１に示す。表１に示すパラメータとして、フィルム冷却孔の孔径ｄ、コード長Ｃ、翼壁厚δ（図７及び後述の図９参照）及び、フィルム孔径とコード長の比ｄ／Ｃ、フィルム冷却孔径と翼壁厚の比ｄ／δを採用している。また、図８に翼の断面図とその翼周りの静圧分布を表すグラフを示す。グラフに示す翼周りの静圧分布は無次元化された翼で示されている。

表１に示すとおり、産業用ガスタービンではフィルム冷却孔の孔径とコード長の比ｄ／Ｃが０．００４であるのに対し、小型ガスタービンエンジンは０．０１３と大きな値になっている。図８のグラフは無次元化されており、グラフ中に小型ガスタービンエンジンのフィルム冷却孔と産業用ガスタービンの占める割合を示すと図中８１、８２になる。小型ガスタービンエンジンのフィルム冷却孔が翼に対して占める割合８１は産業用ガスタービンが翼に対して占める割合８２に比べて高く、小型ガスタービンエンジンのフィルム冷却孔の出口における圧力変動が高くなることがわかる。これにより、燃焼ガスがフィルム冷却孔より逆流しやすくなり、逆流を防止するめにはバックフローマージンを大きくしなくてはならず、すなわち、冷却空気を多量に流動させなくてはならない。

図９にフィルム冷却孔の断面図を示す。フィルム冷却孔９３はタービン翼壁９０に対して、所定角度傾けて形成されている。フィルム冷却孔９３の内壁側曲面９３１の内壁面近傍において、冷却空気がフィルム冷却孔９３の内壁側曲面９３１より離れて流れる剥離が発生し、その後、冷却空気の流れはフィルム冷却孔９３の外壁面９０２側の近くでフィルム冷却孔９３の冷却通路側曲面９３１に再付着する。

このときフィルム冷却孔９３の長さがある程度以上長くないと冷却空気の流れは、フィルム冷却孔９３に再付着せず、その剥離が発生している場所に外部の高温の作動流体が逆流し、冷却性能の低下を招く。

産業用ガスタービンではフィルム冷却孔の孔径と翼壁厚の比ｄ／δが０．１６であるのに対し、小型ガスタービンエンジンでは０．３３と大きな値になっている。これにより、フィルム冷却孔９３は再付着を生じるまでの十分な長さを備えることが難しく、逆流が生じる可能性が高く、フィルム冷却の冷却性能に悪影響を及ぼす。また、シェイプト冷却孔の適用も難しくなる。

また、図８に示すように翼周りの静圧は翼周り流れの下流側に行くにしたがって低くなっており、タービン冷却翼Ｂの内部に流入した作動流体は、そのまま、インサート９２と冷却通路９１の内壁９０１との間の間隙を下流側へ流れ、インピンジメント冷却の冷却性能が著しく低下する。

以上の問題を鑑みて本発明は、冷却空気量を増やすことなく、また、簡単な形状にて冷却性能を向上させることが可能である小型ガスタービンエンジンのタービン冷却翼を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、ガスタービンエンジンのタービン冷却翼であって、前記冷却翼の内部に形成され、冷却空気を流動させる冷却通路と、前記冷却通路の内壁面より前記冷却翼の外壁面に貫通して翼外面に冷却フィルムを形成するフィルム冷却孔と、前記冷却空気が噴出する細孔が多数形成されているインピンジメント冷却部材とを有しており、前記インピンジメント冷却部材は前記冷却通路内に前記内壁面と所定の間隙をあけて配置されており、前記内壁面と前記インピンジメント冷却部材とで形成される間隙には、該間隙を翼弦方向に分割するシール部が設けられており、前記シール部は翼弦方向に隣り合うフィルム冷却孔の間に設けられており、前記シール部にて分割される空間の前記内壁面には多数の２分割されたフィン状突起部が備えられており、前記２分割されたフィン状突起部は前記フィルム冷却孔を挟んで対称となるとともに、前記シール部に対して所定の角度傾いて形成されていることを特徴とするガスタービンエンジンのタービン冷却翼を提供する。

この構成によると、冷却空気のバックフローマージンを増やさなくても、フィルム冷却孔から高温のタービン作動流体が逆流するのを防ぐことができる。それだけ、冷却性能の高いガスタービンエンジンのタービン冷却翼とすることができる。

また、タービン冷却翼が所定の冷却能力を有するために、従来型と比べて冷却空気量が少なくて済み、その分無駄を省いた動作効率が高いタービン冷却翼とすることができ、結果として動作効率の高いガスタービンエンジンを提供することが可能である。

また、前記インピンジメント冷却部材から噴出された冷却空気は２分割されたフィン状突起部に吹き付けられる。このとき、２分割されたフィン状突起部が設けられていることで冷却面積が大きくなり冷却能力が高くなる。また、前記２分割されたフィン状突起部が備えられていることで前記インピンジメント冷却部材から吹き付けられる冷却空気が乱流になり、それだけ冷却性能を高くすることができる。

また、前記２分割されたフィン状突起部を設けることで翼壁の強度を高くすることができるとともに、振動及び該振動による共振を抑える効果も期待することができる。また、隣り合うフィン状突起部が前記シール部に対して異なる角度で形成されれているものであってもよい。

また、前記２分割されたフィン状突起部に換えて円柱状の突起部でありフィルム冷却孔の回りに複数取り付けられているものとしてもよい。また、これらに限定されるものではなく、冷却面積を広くすることができ、吹き付けられた冷却空気が乱流になりやすい突起を広く採用することができる。

また上記構成において前記フィルム冷却孔は内壁面に対して所定の角度傾けて形成されており、前記内壁面に前記フィルム冷却孔と同じ傾き角度で、且つ、該フィルム冷却孔の管内面の内壁側と一直線になるように取り付けられる冷却空気導入部材を備えていてもよい。

この構成によると、前記フィルム冷却孔に冷却空気が流入するときに前記冷却空気導入部材で剥離が生じるので該フィルム冷却孔での剥離が生じている剥離域を低減することができる。

これにより、フィルム冷却孔より高温のタービン作動流体が逆流するのを防ぐことができるとともに、安定した冷却フィルムを形成することができる。

また、冷却空気導入部材が前記インピンジメント冷却部材と接触しており、前記シール部と同等の効果を有していてもよい。

上記構成においてフィルム冷却孔は前記内壁面より前記外壁面の近傍まで円筒形のストレート孔であり、前記外壁面の近傍で該外壁面に沿う方向に広がるシェイプト化が施されているものであってもよい。

この構成によると、前記フィルム冷却孔の内壁側を円筒形のストレート孔としてできる限り長くすることで、内壁面近傍で冷却空気を再付着させることができ、冷却空気が該ストレート孔で安定して流動しその後、シェイプト化が施された孔を流動することで拡散する。

これにより、再付着しない又は外壁面近傍で再付着することでフィルム冷却孔より高温のタービン作動流体が逆流するのを防ぐとともに、効率よく冷却できる冷却フィルムを形成することができる。

前記フィルム冷却のシェイプト化の広がり角度は、１０度〜１５度であるものを例示することができる。

また、上記構成においてフィルム冷却孔は前記シェイプト化されている部分において、前記外壁面に交差する向きに掘り下げたレイドバック部を備えていてもよい。

この構成によると、より冷却性能の高い冷却フィルムを形成することができる。前記レイドバック部の広がり角度は、１０度〜１５度であるものを例示することができる。

前記インピンジメント冷却部材を備えないガスタービンエンジンのタービン冷却翼においても、前記フィルム冷却孔の先端部をシェイプト化及び（又は）レイドバック部を有することで冷却フィルムを安定的に形成することができる。

本発明によると、冷却空気を増加させることなくタービン冷却翼の冷却性能を上昇させることができ、それだけガスタービンエンジンの動作効率を上げることができるガスタービンエンジンのタービン冷却翼を提供することができる。

また本発明によると、簡単な構造でタービン冷却翼の冷却性能を高めることができ、タービン翼の製作コストを低く抑えつつガスタービンエンジンの動作効率を挙げることができるガスタービンエンジンのタービン冷却翼を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。図１（Ａ）に本発明にかかる小型ガスタービンエンジンのタービン冷却翼の一例の斜視図を示す。また、図１（Ｂ）には図１（Ａ）に示す小型ガスタービンエンジンのタービン冷却翼のＸ−Ｘ断面図を示す。図１（Ｃ）には図１（Ｂ）に示す円内の拡大断面図を、図１（Ｄ）に図１（Ａ）に示すタービン冷却翼の内壁面を矩形に切り取った正面図である。

ガスタービンエンジンは図６に示す従来のガスタービンエンジンと実質上同一の構造を有している。すなわち、ガスタービンエンジンＧＴは、空気取り入れ口にも受けられた吸気ファンＫｆと、吸気された空気を圧縮する圧縮機Ｃｐと、圧縮機Ｃｐにて圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼する燃焼器Ｂｓと、燃焼器Ｂｓより噴出される燃焼ガスにて駆動されるタービンＴｂと、燃焼ガスを噴出して推力を得るためのノズルＮｚとを有している。吸気ファンＫｆ、圧縮機ＣｐとタービンＴｂは同一の回転軸で連結されており、燃焼ガスにてタービンＴｂを駆動し回転軸を回動させ、吸気ファンＫｆ、圧縮機Ｃｐを駆動している。

図１の各図に示すタービン冷却翼Ａ１は、冷却翼１の外周を形成する翼壁１１と、翼壁１１にて囲まれた部分であり冷却空気を流動させるための冷却通路１２と、冷却通路１２の中に、翼壁１１の内壁面１１１と所定の間隙ｔをあけて配置され、インピンジメント冷却を行うためのインピンジメント冷却部材であるインサート２とを備えている。

翼壁１１には、内壁面１１１から外壁面１１２に貫通するフィルム冷却孔１３を有している。フィルム冷却孔１３は、図１（Ｂ）に示すように、翼弦方向と交差する方向に多数並んで設けられている。フィルム冷却孔１３は翼弦方向にも多数並んで設けられており、いわゆる、マトリクス状に設けられている。また、フィルム冷却孔１３より流出する冷却空気は翼壁１１の外壁面１１２に冷却フィルムを形成し、翼を外面から冷却する。

図１（Ｂ）、（Ｃ）に示すようにインサート２は小さな径を有する貫通孔２１（以下細孔２１という）が多数設けられており、細孔２１より冷却空気を噴出し、翼壁１１の内壁面１１１に冷却空気を吹き付けて冷却する、いわゆる、インピンジメント冷却を行うものである。

また、図１（Ｃ）及び図１（Ｄ）に示すように、冷却翼Ａの翼壁１１の内壁面１１１とインサート２との間隙ｔには、間隙ｔを仕切るためのシール部１４が設けられている。シール部１４は、翼弦方向の流体の流れを遮断するものであり、それには限定されないがここでは、翼壁１１と一体的に形成されている。これ以外にも、インサート２と一体的に形成されていてもよく、また、翼壁１１、インサート２とは別の部材として形成されていてもよい。

図１（Ｄ）に示す冷却翼の壁面を矩形に切り抜いた内壁面の正面図を示す。図１（Ｄ）に示す内壁面１１１は図中右から左に向かって（図中矢印ａｒ１）タービン内に流れる作動流体の主流が流れるものである。すなわち、翼周りの流れは矢印ａｒ１の方向に流れている。図１（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、シール部１４は主流の流れる方向（翼弦方向）に隣り合うフィルム冷却孔１３の間に配置される。

このようにシール部１４を配置することで、翼周りの静圧分布等によって内壁面１１１とインサート２の間の間隙ｔに翼弦方向の気流の流れが発生するのを防止することができる。間隙ｔに流れが発生すると、フィルム冷却孔１３よりタービンＴｂ内の高熱の作動流体が逆流し、翼の冷却性能が低下する。シール部１４を配置し気流の流れの発生を防止することで、逆流が起こりにくくなり翼の冷却性能の低下を抑えることができる。また、シール部１４に仕切られた領域に翼面長方向（図中上下方向）にフィルム冷却孔が形成されているが、この方向には圧力変動が少なく、上述の理由による逆流は発生しにくい。

また、上記実施例においてシール部１４にて仕切られる領域の翼面長方向（図中上下方向）にフィルム冷却孔１３が形成されているものを例示しているが、それに限られるものではなく、シール部１４に翼弦方向にシール部を設けてシール部にて仕切られる領域に、１つのフィルム冷却孔１３が設けられているものでもよく、また、隣り合うフィルム冷却孔１３が所定個数設けられていてもよい。

図２（Ａ）に本発明にかかるタービン冷却翼の他の例の拡大断面図を示す。また、図２（Ｂ）は図２（Ａ）に示す冷却翼の壁面を矩形に切り抜いたときの内壁面の正面図を示す。図２（Ｃ）〜図２（Ｅ）に複数の種類の突起部の内壁面の正面図を示す。図２（Ａ）、（Ｂ）に示すタービン冷却翼は、内壁面に突起部が形成されている以外は、図１各図に示すタービン冷却翼Ａ１と同じ構成であり、実質上同一部材には同一の符号が付してある。

図２（Ａ）、（Ｂ）に示すタービン冷却翼Ａ２は、内壁面１１１にフィン状の突起部１５が形成されている。突起部１５はそれには限定されないが、ここでは、シール部１４と直行する方向に延伸するフィン状の突起部である。

フィン状突起部１５はインサート２には接触しないように配置されており、フィン状突起部１５が取り付けられている。それにより、インサート２のインピンジメント冷却用の細孔２１から噴出された冷却空気が吹き付けられる表面積を広くすることができる。同量の冷却空気で冷却する場合、突起部が無いものに比べて冷却空気が乱流になりやすく高い冷却能力を有している。また、フィン状突起部１５は冷却空気が吹き付けられる内壁面１１１に取り付けられているので、フィン状突起部１５に吹き付けられた冷却空気は乱流になりやすく、冷却空気が乱流になることで冷却空気を高めることができる。

また、図２（Ａ）、（Ｂ）に示す突起部１５１のように、２枚に分割されたフィン状突起部１５１ａ、１５１ｂが取り付けられていてもよい。このとき、フィルム冷却孔１３を挟んで対称になる位置に配置されるものを例示することができる。これにより、インサート２のインピンジメント冷却用の細孔２１から吹き付けられた冷却空気はフィン状突起部１５１ａ、１５１ｂに吹き付けられ乱流になる。その後、フィルム冷却孔１３の周りにフィン状突起部１５１ａ、１５１ｂの取り付け隙間があり、冷却空気が円滑にフィルム冷却孔１３より翼外部に噴出され、翼外面に冷却フィルムを形成する。フィン状突起部１５１ａ、１５１ｂは２分割されているが、それに限定されるものではなく、冷却空気の流れが乱流になりやすく、冷却空気がフィルム冷却孔１３に円滑に流入する分割数を選択することができる。

また、図２（Ｃ）に示す突起部１５２のように、フィン状突起部１５２がシール部１４に対して、所定の角度傾けて取り付けられていてもよい。このとき、インサート２のインピンジメント冷却用の細孔２１より噴出される冷却空気をより高効率で乱流にすることが可能であり、それだけ、冷却性能を上げることが可能である。また、図２（Ｃ）に示す突起部は複数のフィン状突起部１５２が同じ傾きで平行に取り付けられているものを例示しているが、それに限定されるものではなく、フィン状突起部を冷却空気が乱流になりやすいように適切に角度を変えてもよい。

さらに、図２（Ｄ）に示す突起部１５３のように、フィン状突起部が２分割１５３ａ、１５３ｂでシール部に対して所定の角度傾けて取り付けられていてもよい。このとき、インサート２のインピンジメント冷却用の細孔２１から吹き付けられたフィン状突起部１５３ａ、１５３ｂに衝突した後に乱流になりやすく、内壁面１１１を十分に冷却することができるとともに、フィルム冷却孔１３より冷却空気は円滑に翼外部に噴出され冷却フィルムを形成することができる。２分割されたフィン状突起部１５３ｃ、１５３ｄが直線状に、隣り合うフィン状突起部１５３が同じ傾き角で配置されているが、それに限定されるものではなく、隣り合うフィン状突起部が異なる角度で取り付けられていてもよく、さらには２分割されたフィン状突起部１５３ｃ、１５３ｄのようにハの字状に配列されていてもよい。

また、図２（Ｅ）に示す突起部１５４のように、円柱状突起部１５４を翼内壁面１１１のうちフィルム冷却孔１３が配置されていない部分に分散させて配置されるものであってもよい。この場合、冷却空気が衝突する面積を広く取ることができるとともに、冷却空気の流れが乱流になりやすくそれだけ高い冷却能力を有するタービン冷却翼とすることができる。

以上のいずれの突起部１５、１５１、１５２、１５３、１５４を備えた場合であっても、備えていない場合に比べて冷却空気が衝突する面積を広くすることができるので、同じ冷却空気量であっても効率よく冷却することが可能である。また、上記のいずれの突起部も、内壁面１１１と一体的に形成されていてもよく、別途形成しておき内壁面１１１に取り付けるものであってもよい。また、突起部１１１が翼壁１１に取り付けられていることで、翼壁１１の強度を上げたり、共振を抑えたりする効果も期待することができる。

図３（Ａ）に本発明にかかるタービン冷却翼の壁面内部を拡大した拡大断面図を示す。また、図３（Ｂ）にタービン冷却翼を矩形に切り取ったときの内壁面の形状の図を示す。なお、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すタービン冷却翼は冷却空気導入部材が備えられている以外は、図１各図に示すタービン冷却翼と実質上同様の構造を有しており実質上同一の部分には同一の符号が付してある。

図３（Ａ）、（Ｂ）に示すタービン冷却翼Ａ３は、冷却空気が流動する冷却通路１２と冷却通路１２内に翼壁１１の内壁面１１１と所定の間隙をあけてインサート２が取り付けられている。翼壁１１に内壁面１１１から外壁面１１２に貫通する冷却空気が流動するためのフィルム冷却孔１３が形成されている。フィルム冷却孔１３は翼壁１１に対して所定の角度傾けて取り付けられている。

内壁面１１１にはフィルム冷却孔１３の内壁側曲面部１３１と直線状に並ぶ冷却空気導入部材３が設けられている。フィルム冷却孔１３に冷却空気が流動し、翼外部に流出して冷却フィルムを形成する場合、フィルム冷却孔１３の内壁側曲面部１３１の内壁面１１１近傍１３ａでは、冷却空気がフィルム冷却孔１３から離れた部分を流れる、いわゆる剥離現象が発生する。その後、外壁面１１２に近づいた場所で冷却空気はフィルム冷却孔１３の内壁面側曲面部１３１に再付着して外壁面１１２側の開口より噴出する。

冷却空気導入部材３を取り付けることで、冷却空気は冷却空気導入部材３をフィルム冷却孔１３の内壁面側曲面部１３１の一部として流動するので、冷却空気が再付着するために十分な長さを得ることができ、冷却空気導入部材３が取り付けられた部分で剥離が生じるとともに、フィルム冷却孔１３の内壁面１１１に近い部分で再付着する。それゆえ、冷却空気がフィルム冷却孔１３から安定して噴出され、それにより冷却フィルムが安定的に形成される。

また、図３（Ｂ）に示すように、冷却空気導入部材３が翼面長方向（図中上下方向）に一体的に形成され設けられているものや、フィルム冷却孔１３ごとに冷却空気導入部材３１が設けられているものであってもよい。

さらに、図３（Ｃ）に示すように、冷却空気導入部材３２がインサート２まで延伸しており、シール部と同等の効果を有するものであってもよい。この場合、シール部を別個に設けなくてもよく、それだけ、簡単な構造で形成することが可能である。

また、図３各図に示すタービン冷却翼では、インピンジメント冷却用のインサート２が設けられている状態の内壁面１１１に、冷却空気導入部材３が取り付けられているものが示されているが、それに限定されるものではなく、インピンジメント冷却用のインサート２が設けられていない状態の内壁面に、冷却空気導入部材が取り付けられていてもよい。インサートが設けられていない場合、シール部の形成されていない翼内壁面に冷却空気導入部材が取り付けられており、冷却空気導入部材が冷却空気の乱流化を促進する部材として作用することが可能である。

図４（Ａ）に本発明にかかるタービン冷却翼のフィルム冷却孔部分の概略平面図及び拡大断面図を、図４（Ｂ）にフィルム冷却孔の他の例を備えたタービン冷却翼の概略平面図及び拡大断面図を示す。図４に示すタービン冷却翼Ａ４は、フィルム冷却孔以外は図１各図に示すタービン冷却翼Ａと同一であり、実質上同一の部分には同一の符号が付してある。

図４に示すタービン冷却翼Ａ４のフィルム冷却孔１６はストレート孔部１６１とシェイプト化孔部１６２とを組み合わせた形状を有している。ストレート孔部１６１は翼壁１１の内壁面１１１側に形成されており、上述の冷却空気の剥離、再付着したのち、安定的に流動する長さＬを有している。その後、翼壁１１に沿う方向の両側に広がる形状のシェイプト化孔部１６２が連結されている。シェイプト化孔部１６２の広がり角度は、それに限定されるものではないが、例えば１０度から１５度であるものを示すことができる。

フィルム冷却孔１６が内壁面１１１側をストレート孔部１６１に形成され、外壁面１１２側の端部がシェイプト化孔部１６２に形成されていることで、冷却空気がフィルム冷却孔１６内を安定して流動し、外壁面１１２に冷却効果の高い冷却フィルムを形成することができる。

図４（Ｂ）に示すフィルム冷却孔１７のように、シェイプト化孔部１７２がストレート孔部１７１の外壁面側に形成されており、シェイプト化孔部１７２に翼面と交差する方向に掘り下げ形状を有するレイドバック部１７３が形成されていてもよい。レイドバック部１７３が形成されていることで、冷却空気の流れが安定的になり、冷却フィルムを安定して形成し、冷却性能を向上させることが可能である。レイドバック部１７３の広がり角度は、それに限定されるものではないが、例えば１０度から１５度であるものを示すことができる。

図５（Ａ）に本発明にかかるタービン冷却翼のさらに他の例の断面図を、図５（Ｂ）に図５（Ａ）に示すタービン冷却翼の翼壁を拡大した断面図を示す。図５各図に示すタービン冷却翼Ａ５は、薄板状に形成された内壁４１と外壁４２の間に球状物４３を充填したものを、翼壁４として採用したものである。

内壁４１及び外壁４２には、冷却空気が流動するための細孔４１１、４２１が形成されている。細孔４１１、４２１の直径は、内壁４１及び外壁４２の間に挟まれる球状物４３の直径よりも小さく、冷却空気は流動するが、球状物４３が内壁４１及び外壁４２の間からでていかないように形成されている。

球状物４３の間隙を冷却空気が流動することで、球状物４３及び球状物４３に接触している内壁４１及び外壁４２を冷却することができる。それにより、球状物４３が配置されている内壁４１及び外壁４２の間隙では、擬似的にトランスピレーション冷却が行われ、非常に高い冷却性能を有している。また、外壁４２の細孔４２１から冷却空気を噴出することで、翼の表面に冷却フィルムを形成し、外部より翼壁を冷却する。

擬似的なトランスピレーション冷却と、フィルム冷却と両方を実施していることで、冷却性能が非常に高いタービン冷却翼を提供することが可能である。

また、図５（Ｃ）に示すタービン冷却翼Ａ６のように、翼の後縁部１８のみに内壁４１と外壁４２の間に球状物４３を充填した翼壁とするものを例示することができる。一般的に翼の後縁部１７はインピンジメント冷却やフィルム冷却をするのが難しく、効果的な冷却を行うのが難しい。また、内壁４１と外壁４２の間に球状物４３を充填することで形成される翼壁４は、製造するのが難しく製造時間及びコストを多く必要となる。さらには、十分な強度を確保するのが非常に難しい。

そのため、強度が十分に必要であり、インピンジメント冷却及びフィルム冷却で十分に冷却できる部分は、上述しているようにインピンジメント冷却及びフィルム冷却で行い、冷却が難しく且つ強度が必要ない部分にのみ、内壁４１と外壁４２の間に球状物４３が充填された翼壁４を用いるものを採用する。このことで、タービン冷却翼全体を十分な冷却効果を有し、製造時間及びコストを低く抑えることが可能である。

図１、２、３、４に示すタービンの冷却翼Ａ１〜Ａ４はインピンジメント冷却用のインサート２が設けられており、一般的には静翼に用いられるものであるがそれに限定されるものではなく、動翼に用いてもよい。

図（Ａ）は本発明にかかる小型ガスタービンエンジンのタービン冷却翼の斜視図であり、図（Ｂ）は図（Ａ）に示す小型ガスタービンエンジンのタービン冷却翼のＸ−Ｘ断面図であり、図（Ｃ）は図（Ｂ）に示す円内の拡大断面図であり、図（Ｄ）は図（Ａ）に示すタービン冷却翼の内壁面を矩形に切り取った正面図である。 図（Ａ）は本発明にかかるタービン冷却翼の他の例の拡大断面図であり、図（Ｂ）〜図２（Ｅ）は図（Ａ）に示すタービン冷却翼の突起部が設けられた内壁面の正面図である。 図（Ａ）は本発明にかかるタービン冷却翼の壁面内部を拡大した拡大断面図であり、図（Ｂ）はタービン冷却翼を矩形に切り取ったときの内壁面の正面図であり、図（Ｃ）は図（Ａ）の冷却空気導入部材がインサートに接続しているものの拡大断面図である。 図（Ａ）は本発明にかかるタービン冷却翼のフィルム冷却孔部分の拡大断面図であり、図（Ｂ）はフィルム冷却孔の他の例を備えたタービン冷却翼の拡大断面図である。 図（Ａ）は本発明にかかるタービン冷却翼の他の例の断面図であり、図（Ｂ）は図（Ａ）に示すタービン冷却翼の翼壁の拡大断面図であり、図（Ｃ）は通常のタービン冷却翼の後縁部に図（Ｂ）に示す翼壁を採用した断面図である。 従来の小型ガスタービンエンジンの概略図である。 従来の高温ガスタービンエンジンのタービン冷却翼の断面図である。 翼の断面図とその翼周りの静圧分布を表すグラフである。 フィルム冷却孔の断面図である。

符号の説明

Ａ１〜Ａ５ タービン冷却翼
１ 冷却翼
１１ 翼壁
１１１ 内壁面
１１２ 外壁面
１２ 冷却通路
１３ フィルム冷却孔
１４ シール部
１５ 突起部
１５１、１５２、１５３ フィン状突起部
１５４ 円柱状突起部
１６ フィルム冷却孔
１６１ ストレート孔
１６２ シェイプト化孔部
１７ フィルム冷却孔
１７１ ストレート化孔部
１７２ シェイプト化孔部
１７３ レイドバック部
２ インサート
２１ 細孔
３ 冷却空気導入部材
３２ 冷却空気導入部材
４ 翼壁
４１ 内壁
４２ 外壁
４３ 球状物
ＧＴ ガスタービンエンジン
Ｋｆ 吸気ファン
Ｃｐ 圧縮機
Ｂｓ 燃焼器
Ｔｂ タービン
Ｎｚ ノズル

Claims (6)

1. ガスタービンエンジンのタービン冷却翼であって、前記冷却翼の内部に形成され、冷却空気を流動させる冷却通路と、前記冷却通路の内壁面より前記冷却翼の外壁面に貫通して翼外面に冷却フィルムを形成するフィルム冷却孔と、前記冷却空気が噴出する細孔が多数形成されているインピンジメント冷却部材とを有しており、前記インピンジメント冷却部材は前記冷却通路内に前記内壁面と所定の間隙をあけて配置されており、前記内壁面と前記インピンジメント冷却部材とで形成される間隙には、該間隙を翼弦方向に分割するシール部が設けられており、前記シール部は翼弦方向に隣り合うフィルム冷却孔の間に設けられており、前記シール部にて分割される空間の前記内壁面には多数の２分割されたフィン状突起部が備えられており、前記２分割されたフィン状突起部は前記フィルム冷却孔を挟んで対称となるとともに、前記シール部に対して所定の角度傾いて形成されていることを特徴とするガスタービンエンジンのタービン冷却翼。
2. 隣り合うフィン状突起部が前記シール部に対して異なる角度で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジンのタービン冷却翼。
3. 前記フィルム冷却孔は内壁面に対して所定の角度傾けて形成されており、前記内壁面には前記フィルム冷却孔と同じ傾き角度で、且つ、該フィルム冷却孔の管内面の内壁面側と一直線になるように取り付けられる冷却空気導入部材を備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガスタービンエンジンのタービン冷却翼。
4. 前記冷却空気導入部材は前記インピンジメント冷却部材と接続していることを特徴とする請求項３に記載のガスタービンエンジンのタービン冷却翼。
5. 前記フィルム冷却孔は前記内壁面より前記外壁面の近傍まで円筒形のストレート孔であり、前記外壁面の近傍で該外壁面に沿う方向に広がるシェイプト化が施されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のガスタービンエンジンのタービン冷却翼。
6. 前記フィルム冷却孔は前記シェイプト化されている部分において、前記外壁面に交差する向きに掘り下げたレイドバック部を備えていることを特徴とする請求項５に記載のガスタービンエンジンのタービン冷却翼。

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