JP4250088B2

JP4250088B2 - ガスタービン動翼或いは静翼の衝突冷却構造

Info

Publication number: JP4250088B2
Application number: JP2003580687A
Authority: JP
Inventors: グレイ、クリストファー
Original assignee: アルストム（スイッツァーランド）リミテッド
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: CA2480393C; CA2480393A1; US7056083B2; WO2003083267A1; DE60307070D1; GB2386926A; JP2005521825A; EP1488078A1; DE60307070T2; US20050220626A1; EP1488078B1; GB0207171D0

Description

本発明は、動翼および静翼のような翼形ガスタービン構成要素と、該要素を衝突冷却するために用いる衝突冷却用管に関する。

近年のガスタービンは、通常、極めて高温で運転される。タービン動翼および／又は静翼への高温の作用は、タービンの運転効率に好ましくなく、極端な情況では動翼や静翼を損傷し、破損してしまう。この危険を防止すべく、高温タービンは、所謂衝突冷却用管を内在する空洞の動翼或いは静翼を有する。中空管は動翼或いは静翼の内部を半径方向に延びている。冷却空気は管内に供給され、管に沿って流れ、適当な開口を経て、管と空洞の動翼又は静翼の内側面との間の隙間内に流出する。開口から排出された空気は、空洞の動翼又は静翼の内側面に衝突して所謂「衝突冷却」を行い、かつ動翼又は静翼を冷却するために内部空気流を生じさせる。

通常、動翼および静翼は鋳造で作られる。衝突冷却用管は、空洞構造物内に、片側端又は両側端から挿入され、溶接等の方法で固定される。また、通常、動翼の内部に、主に冷却材を案内し大きな冷却表面を形成すべく、翼弦に沿って延びる複数のリブが一体鋳造されている。それらリブ又はそのうちの選択された一部は、冷却空気に対し必要な内部空間を形成するため、衝突冷却用管に対する位置決めスペーサとして用いられる。

最新の動翼又は静翼内に衝突冷却用管を固定する際、動翼や静翼の翼形部が極めて複雑であるという問題がある。空洞の翼形部は多方向の湾曲部を持つ。幾つかの設計では、翼形部の中央部分を、実際、その先端或いはハブ側部分より細くしている。

従って、そのような空洞のタービン動翼或いは静翼の内部に、衝突冷却用管を固定することを可能にする技術が必要であり、本発明の課題は、その技術を提供することにある。

この課題は、本発明に基づき、空洞翼形部と、空洞翼形部の内側面に翼弦に沿って設けられたリブと、空洞翼形部内に置かれた衝突冷却用管とから成るタービン構成要素において、衝突冷却用管を、翼形部の長さ方向に延びる２つの別個の部分から形成し、両部分衝突冷却用管の相互に対向する端部を、リブ上に位置決めすることで解決される。

両部分衝突冷却用管の相互に対向する端部を位置決めするリブに加えて、空洞翼形部の内側面に翼弦に沿って延びる複数のリブを設けるとよい。

両部分衝突冷却用管の互に対向する端部を位置決めするリブは、不連続的に延び得る。該リブは、両部分衝突冷却用管の相互に隣接する端部に係合すべく、断面シェブロン（chevron・山形袖章）形を成すとよい。その際、両部分衝突冷却用管の相互に対向する端部を、断面シェブロン形リブを補足するように、傾斜を付け得る。或いは、両部分衝突冷却用管の相互に隣接する端部に係合するため、リブが断面舌片形を成してもよい。

両部分衝突冷却用管の相互に隣接する端部の少なくとも一方は、終端壁を備え得る。冷却空気が部分衝突冷却用管から出て動翼又は静翼の高さ中央範囲の近くでその翼内側面に衝突することを可能にする開口を、少なくとも一つの終端壁或いはその近くに設けるとよい。

以下図示の実施例を参照し、本発明を詳細に説明する。

ここでは、分かり易くすべくタービンの動翼についてのみ説明するが、本発明は、動翼および静翼の両方に適用できることは明らかである。空気冷却の目的のため、静翼又は動翼の内部に空気通路を設けることは、当該技術者に高く評価されている。

図１に示す如く、動翼１は運転中の空力特性を増大すべく複雑に湾曲した外部翼形を有する。なお図１には、動翼１の翼形部しか示していない。また、その前縁２も、できる限り多方向に湾曲させている。動翼は、空洞３を形成すべく、それ自体公知の如く鋳造で製造する。全体を矢印４で示す衝突冷却用管は、冷却空気に対する通路を形成すべく、空洞翼形部の内部に挿入される。本発明に基づき、衝突冷却用管は、図示の如く、翼長のほぼ中央に位置する翼弦平面Ｃで、２つの部分４ａ、４ｂに分割される。

図２に示す如く、動翼は、翼形部のほぼ翼弦方向に延びる内部リブ５と一体に鋳造するとよい。該リブ５は翼形部の前縁２の周りに沿って延びている。この断面図では唯一のリブ５しか示さないが、通常翼長にわたり半径方向に互いに間隔を隔てて複数のリブを設けており、以下の説明は、そのような複数のリブの設置を前提とする。これは、それらリブが追加的な冷却面積を形成し、衝突冷却用管に存在する多数の小孔（図示せず）から排出された冷却空気を、動翼の熱的により危険な表面に向けて案内できるという利点を持つ。使用済み冷却材は、最終的に、それ自体公知の如く、動翼から膜冷却孔、スロット或いは他の開口を経て、周囲の自由流内に流れる。それら開口の幾つかは、動翼の後縁６に設ける。即ち図２は、後縁スロットＳを設けた翼形部を示す。

リブ５は、動翼の内側面と衝突冷却用管の外側面との間に、内部空間７を備える。該空間は、周知の如く、衝突冷却用管４や該管４に存在する多数の小孔を経て、冷却空気を排出可能としている。動翼の場合、冷却空気をハブ又はタービン円板を経て供給し、半径方向最内側端から衝突冷却用管内に流入させる。静翼の場合は、冷却空気を、静翼の半径方向片側端又は両側端から衝突冷却用管４内に供給する。

衝突冷却用管４とこれと共働する翼形部は、それらの高さ中央部がそれらの半径方向両側端より小さな横断面積を有する。そのため、衝突冷却用管４を動翼の内部に挿入可能とすべく、２つの部分４ａ、４ｂに分割している。各部分衝突冷却用管４ａ、４ｂは、動翼の半径方向両側端から、夫々動翼の高さ中央領域に向けて挿入される。ここで高さとは、動翼の半径方向最内側端から半径方向最外側端迄測定した寸法である。

図２に示す如く、リブ５は衝突冷却用管４の外面に沿って延びているが、それに接していない。しかし動翼の高さ中央領域又はその近傍に存在するもう１つのリブ５¹は、動翼の内側面と衝突冷却用管との間の隙間を跨ぐよう寸法付けている。このため、両部分衝突冷却用管４ａ、４ｂの相互に隣接する端部を位置決めできる。図４に示す如く、衝突冷却用管に面したリブ５¹の側面は、リブ５¹における部分衝突冷却用管を位置決めする能力を高めるように形状を定めている。この好適な形状で、両部分衝突冷却用管の相互に隣接する端部に対し、より積極的な位置決め、即ち締りばめを行なうべく、リブ５¹の衝突冷却用管に面する側を、断面シェブロン形にしている。場合により両衝突冷却用管４ａ、４ｂの相互に対向する端部を、断面シェブロン形リブに対し補足的に傾斜付けしてもよい。

或いは図５に示す如く、リブ５¹¹を、横に突出した舌片９を備えて形成してもよい。該舌片９の両側面に、両部分衝突冷却用管４ａ、４ｂの平らな端部を当てる。

両衝突冷却用管４ａ、４ｂの相互に隣接する端部を、互いに狭い隙間を介して対向して位置させるか（図１、図５）、図４においてリブ５¹のシェブロン形の頂点で規定された弦線に沿って互いに突き当てることができる。

一方の部分衝突冷却用管４ａは、動翼内に挿入した後、その半径方向外側端を、溶接等の方法で固定する。他方の部分衝突冷却用管４ｂも同様に、その半径方向内側端で固定する。両部分衝突冷却用管の挿入深さと、それら内側端を突合わせるか否かとは、例えば溶接ビードおよび／又は形状リブ５¹、５¹¹の寸法の調整で的確に制御できる。加えて形状リブを、両部分衝突冷却用管の相互に隣接する端部間の（場合により存在する）隙間を経た冷却空気の漏れを最少にすべく配置するか、或いは適当な設計で、両部分衝突冷却用管の端部間の空間に所定の冷却空気流を形成する。例えば上述の隙間を経る漏れを最少にするため、リブ５¹は、隙間を無くすべくその隙間を覆うよう、動翼の内側面の少なくとも主要部分にわたり連続して延びているか、或いは図３に示すように、一層の冷却空気流を可能にするために、リブは不連続的に延びる。

両部分衝突冷却用管の相互に隣接する端部の一方又は両方を閉鎖し、冷却空気が部分衝突冷却用管から出て動翼の内側壁を冷却することを可能にする開口を、両部分衝突冷却用管の端部やその近傍に設けることで、冷却作用を高められる。それら開口が端部に対し直角に延びていれば十分であるが、開口を傾斜可能とすべく、底部が厚肉材料から成る部分衝突冷却用管を用意するとよい。これによって、良好な冷却作用を得られるように、部分衝突冷却用管から出る冷却空気を、動翼の内側壁の所定個所に衝突させ得る。

上述の方式と別に、部分衝突冷却用管は、適切な角度を成す孔を規定し、スタンピング加工で閉鎖された端部を備え得る。底部での孔の方向は、一方の部分衝突冷却用管の底からの空気が、他方の部分衝突冷却用管の底にある孔に直接達しないよう定める。

また、部分衝突冷却用管は、単一品の衝突冷却用管で通例のように、前縁近くに集中して小孔列を備え得る。翼形部自体にも、それ自身公知の如く、前縁と後縁に、動翼から冷却空気を外部境界層および自由流に夫々排出することを可能にする膜冷却孔を設け、かつ熱伝達を向上すべく後縁に脚部８を設けることができる。

空洞のタービン動翼或いは静翼の透視斜視図。動翼或いは静翼の内側面から衝突冷却用管が間隔を開けられていることを表した図１における翼弦に沿った断面図。空洞の動翼或いは静翼の内部に２つの部分衝突冷却用管を位置させたことを表した透視図。両部分衝突冷却用管の突合わせ部を示した図３の部分拡大図。異なった形状のリブを備えた図４に相当した図。

符号の説明

１翼、２前縁、３空洞、４衝突冷却用管、４ａ部分衝突冷却用管、４ｂ部分衝突冷却用管、５リブ、６後縁、７空間

Claims

空洞翼形部と、空洞翼形部の内側面に翼弦に沿って設けられたリブと、空洞翼形部内に置かれた衝突冷却用管とから成るタービン構成要素において、衝突冷却用管が、翼形部の長さ方向に延びる２つの別個の部分から形成され、両部分衝突冷却用管の相互に対向する端部が、リブ上に位置決めされたことを特徴とするタービン構成要素。
両部分衝突冷却用管の相互に対向する端部を位置決めするリブに加えて、空洞翼形部の内側面に翼弦に沿って延びる複数のリブが設けられたことを特徴とする請求項１記載のタービン構成要素。
両部分衝突冷却用管の相互に対向する端部を位置決めするリブが、不連続的に延びることを特徴とする請求項１又は２記載のタービン構成要素。
リブが、両部分衝突冷却用管の相互に隣接する端部に係合するために、断面シェブロン形であることを特徴とする請求項１から３の１つに記載のタービン構成要素。
両部分衝突冷却用管の相互に対向する端部が、断面シェブロン形リブを補足するように傾斜をつけられたことを特徴とする請求項４記載のタービン構成要素。
リブが、両部分衝突冷却用管の相互に隣接する端部に係合すべく、断面舌片形をなすことを特徴とする請求項１から３の１つに記載のタービン構成要素。
両部分衝突冷却用管の相互に隣接する端部の少なくとも一方が、終端壁を有することを特徴とする請求項１から６の１つに記載のタービン構成要素。
冷却空気が部分衝突冷却用管から出て動翼或いは静翼の高さ中央範囲の近くでその翼内側面に衝突することを可能にする開口が、少なくとも一つの終端壁、或いはその近傍に設けられたことを特徴とする請求項１記載のタービン構成要素。