JP4302066B2 - フィルム冷却翼 - Google Patents

Description

本発明は、特にガスタービンの動翼及び静翼に適用されて好適なフィルム冷却翼に関するものである。

ガスタービンの動翼や静翼には、翼を効果的に冷却するために、内部に冷却通路を設け、冷却空気を流して対流冷却するとともに、フィルム冷却孔から冷却空気を翼表面にフィルム状に噴出させてフィルム冷却を行うフィルム冷却翼が採用される。

図８には、このようなフィルム冷却を行う動翼が示されている。
（ａ）は動翼の側面図、（ｂ）は動翼内部の冷却通路全体を示す断面図、（ｃ）はそのＢ−Ｂ断面図である。
図８（ａ）に示すように、動翼３０の外面には、動翼の前縁、中間および後縁のそれぞれに列状に並べられた複数のフィルム冷却孔５０ａ，ｂ，ｃが形成されている。
図８（ｂ）に示すように、動翼３０の内部には、動翼の前縁側に前縁側冷却通路３１、動翼の後縁側に後縁側冷却通路３５が形成されている。これら冷却通路３１，３５の間の中央部分に、対向壁部３６，３７，３８，３９で区分されて蛇行するように形成されたサーペンタイン冷却通路３２，３３，３４が設けられている。各冷却通路の壁部には、冷却空気（冷却流体）に略直行するように延在し、壁部から突出するように設けられた多数本のタービュレータ４８が設けられている。これらタービュレータ４８により、冷却通路を流れる冷却空気の流れを乱して対流熱伝達を促進している。

冷却空気４０は、図８（ｂ）において下方の翼基部から流入し、前縁側冷却通路３１内を流れて前縁部を冷却すると共に、前縁部に設けられたフィルム冷却孔５０ａから前縁フィルム冷却流れ４０ａとして噴出する。また、冷却空気４０は、翼基部から流入し、サーペンタイン冷却通路３２，３３，３４を流れて翼中央部を冷却すると共に、翼表面のフィルム冷却孔５０ｂより中央部フィルム冷却流れ４０ｂとして噴出し、翼面をフィルム冷却する。さらに、冷却空気４０は、翼基部から流入し、後縁の冷却通路３５を流れて後縁を冷却すると共に、後縁に設けられたフィルム冷却孔５０ｃより後縁フィルム冷却流れ４０ｄとして流出する。また、翼先端のチップ部にも複数の冷却孔（図示せず）が形成されており、これらの冷却孔から冷却空気が噴出してチップ冷却流れ４０ｃ（図８（ｂ）参照）を形成している。

上記構成のフィルム冷却翼に対して、特許文献１では、タービュレータの幅をｅ、タービュレータの下流端からフィルム冷却孔の中心位置までの距離をｄとした場合、０＜ｄ／ｅ＜２の位置にフィルム冷却孔を形成することにより、タービュレータ直後に形成される剥離領域に空気流れを形成し、冷却効果を高める技術が開示されている。

特開平１１−２５７００５号公報（請求項１，及び図１〜図２）

フィルム冷却翼は、冷却流体を翼表面に噴出させるために冷却通路内の圧力を所定値以上に維持させる必要があるが、何らかの理由により冷却通路内の圧力が低下した場合、フィルム冷却翼の外周を流れる高温の流体がフィルム冷却孔を逆流してしまうことがある。このように高温の流体がフィルム冷却孔を逆流すると、フィルム冷却翼に損傷を与えてしまう。このような高温流体の逆流は、高温流体の動圧が大きくかかる翼の前縁において特に発生しやすくなる。
また、このような高温流体の逆流を回避するために、フィルム冷却孔から流体を噴出させるための圧力を必要以上に高く設定せざるを得なかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、外周を流れる高温流体がフィルム冷却孔を逆流することを防止するフィルム冷却翼を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のフィルム冷却翼は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の参考例にかかるフィルム冷却翼は、内部に形成された冷却通路と、冷却流体の流れ方向に交差するように延在するとともに前記冷却通路の壁部から突出させて設けられたタービュレータと、を備え、前記壁部には、冷却通路内の冷却流体を外表面へと導きフィルム冷却を行うためのフィルム冷却孔が形成されたフィルム冷却翼において、前記フィルム冷却孔は、前記タービュレータの上流側直近に形成されていることを特徴とする。

冷却流体はタービュレータに衝突することにより、タービュレータ上流側直近に淀み圧を発生させる。これによりタービュレータの上流側直近の圧力は上昇する。このように、冷却流体の衝突により圧力が上昇するタービュレータ上流側直近にフィルム冷却孔を位置させることにより、フィルム冷却孔の両端の圧力差（上流端と下流端との間の圧力差）を大きくすることができる。
本発明のフィルム冷却孔は、フィルム冷却翼の外周を流れる高温流体が衝突して圧力が大きく加わる翼の前縁に設けると特に有効である。
「タービュレータの上流側直近」とは、具体的には、タービュレータの冷却流体の流れ方向の幅をｅ、タービュレータ上流端からフィルム冷却孔の中心までの距離をｄとすると、０＜ｄ＜２ｅの範囲が好適である。

さらに、本発明のフィルム冷却翼では、前記フィルム冷却孔は、前記冷却流体の流れ方向と同じ向きになるように外表面に向けて形成されていることを特徴とする。

フィルム冷却孔を冷却流体の流れ方向と同じ向きになるように外表面に向けて形成したので、タービュレータ上流側直近で生じた淀み圧を有効に利用して、噴出圧力を高めることができる。

さらに、本発明の参考例にかかるフィルム冷却翼では、前記フィルム冷却孔は、前記冷却流体の流れ方向と反対向きになるように外表面に向けて形成されていることを特徴とする。

フィルム冷却孔を冷却流体の流れ方向と反対向きになるように外表面に向けて形成し、冷却流体の流れ方向とは逆方向に傾斜させることとしたので、同一流量を流す場合、圧損係数を大きくとることができ、フィルム冷却孔における圧力差を大きくすることができる。また、フィルム冷却孔がタービュレータの上流側直近に設けられているので、淀み圧による圧力上昇が利用でき、より圧力差を大きくすることができる。

また、本発明の参考例にかかるフィルム冷却翼は、内部に形成された冷却通路と、冷却流体の流れ方向に交差するように延在するとともに前記冷却通路の壁部から突出させて設けられたタービュレータと、を備え、前記壁部には、冷却通路内の冷却流体を外表面へと導きフィルム冷却を行うためのフィルム冷却孔が形成されたフィルム冷却翼において、前記フィルム冷却孔は、前記冷却流体の流れ方向と反対向きになるように外表面に向けて形成されていることを特徴とする。

フィルム冷却孔を冷却流体の下流側から上流側に向けて形成し、冷却流体の流れ方向とは逆方向に傾斜させることとしたので、同一流量を流す場合、圧損係数を大きくとることができ、フィルム冷却孔における圧力差を大きくすることができる。

また、本発明のフィルム冷却翼は、内部に形成された冷却通路と、冷却流体の流れ方向に交差するように延在するとともに前記冷却通路の壁部から突出させて設けられたタービュレータと、を備え、前記壁部には、冷却通路内の冷却流体を外表面へと導きフィルム冷却を行うためのフィルム冷却孔が形成されたフィルム冷却翼において、前記フィルム冷却孔は、前記タービュレータによって剥離した冷却流体が前記壁部に再付着する位置とされ、タービュレータ高さをｈ、タービュレータ下流端からフィルム冷却孔の中心までの距離をｄとすると、７ｈ＜ｄ＜１０ｈの範囲とされていることを特徴とする。

タービュレータによって剥離した冷却流体が壁部に再付着する位置にフィルム冷却孔を設けることとしたので、再付着する冷却流体の動圧を利用することができ、フィルム冷却孔における圧力差を大きくすることができる。
冷却流体が再付着する位置としては、具体的には、タービュレータ高さをｈ、タービュレータ下流端からフィルム冷却孔の中心までの距離をｄとすると、７ｈ＜ｄ＜１０ｈの範囲とされる。

また、本発明の参考例にかかるフィルム冷却翼は、内部に形成された冷却通路と、冷却流体の流れ方向に交差するように延在するとともに前記冷却通路の壁部から突出させて設けられたタービュレータと、を備え、前記壁部には、冷却通路内の冷却流体を外表面へと導きフィルム冷却を行うためのフィルム冷却孔が形成されたフィルム冷却翼において、前記タービュレータの延在方向は、冷却流体の流れ方向に対して所定角度有するように斜めに設けられ、前記フィルム冷却孔は、前記壁部の両側部に形成されていることを特徴とする。

タービュレータの延在方向が冷却流体の流れ方向に所定角度有するように斜めに設けられていると、冷却流体の流れ方向に直交する面内において二次流れが発生する。この二次流れは、冷却流体の流れ方向に直交する面内において渦を巻き、壁部の両側部（タービュレータが延在する方向において両端）に衝突するように流れる。この位置にフィルム冷却孔を設けることにより、二次流れが衝突することによる淀み圧を有効に利用して、フィルム冷却孔の圧力差（上流端と下流端との間の圧力差）を大きくすることができる。
さらに、フィルム冷却孔をタービュレータの上流側直近に設け、冷却流体がタービュレータに衝突することによって生じる淀み圧を利用することとしても良い。

フィルム冷却孔をタービュレータの上流側直近に形成したので、冷却流体の動圧を利用でき、フィルム冷却孔の圧力差を大きくとることができる。これにより、フィルム冷却翼の外周を流れる高温流体がフィルム冷却孔を逆流することを防止できる。

フィルム冷却孔を冷却流体の流れ方向と反対向きになるように外表面に向けて形成したので、圧損係数を大きくしてフィルム冷却孔における圧力差を大きくすることができる。これにより、フィルム冷却翼の外周を流れる高温流体がフィルム冷却孔を逆流することを防止できる。

タービュレータの延在方向が冷却流体の流れ方向に所定角度有するように斜めに設けられている場合に、フィルム冷却孔を壁部の両側部に形成することとしたので、二次流れの衝突による淀み圧を利用してフィルム冷却孔の圧力差を大きくとることができる。これにより、フィルム冷却翼の外周を流れる高温流体がフィルム冷却孔を逆流することを防止できる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１参考例］
以下、本発明の第１参考例について、図１を用いて説明する。
本参考例は、図８を用いて説明した構成と基本的に同様であり、フィルム冷却孔の位置が異なる。
図１には、フィルム冷却翼の断面が示されている。冷却通路２０は図において左右に形成されており、壁部に囲まれている。図において下方の壁部がフィルム冷却翼の外表面を構成する外側壁部１０となっており、上方の壁部が隣接する冷却流路（図示せず）とを仕切るリブ又は他の外表面を構成する壁部とされた対向壁部１２となっている。
タービュレータ４８は、外側壁部１０上に、冷却空気（冷却流体）の流れ方向（図の矢印参照）に直交するように延在しており、同図において紙面垂直方向に延在している。タービュレータ４８は、外側壁部１０および対向壁部１２の内面から冷却空気側に向けて突出している。
外側壁部１０には、フィルム冷却翼の外表面に向けて冷却空気を噴出させてフィルム冷却を行うためのフィルム冷却孔５０が形成されている。本参考例では、フィルム冷却孔５０は、冷却空気の流れ方向に対してほぼ垂直に形成されている。フィルム冷却孔５０は、タービュレータ４８の上流側直近に形成されている。具体的には、フィルム冷却孔５０の上流端５０ｄは、タービュレータ４８の冷却空気の流れ方向の幅をｅ、タービュレータ４８の上流端からフィルム冷却孔の中心までの距離をｄとすると、０＜ｄ＜２ｅの範囲に位置されている。

本参考例によれば、以下のような作用効果を奏する。
冷却空気はタービュレータ４８に衝突することにより、タービュレータ４８上流側直近に淀み圧を発生させる。これによりタービュレータ４８の上流側直近の圧力は上昇する。このように淀み圧によって圧力が上昇したタービュレータ４８上流側直近にフィルム冷却孔５０を位置させることにより、フィルム冷却孔５０の両端の圧力差（即ちフィルム冷却孔５０の上流端５０ｄと下流端５０ｅとの間の圧力差）を大きくすることができる。したがって、フィルム冷却翼周りを流れる高温流体がフィルム冷却孔５０内を逆流することを防止できる。
また、本参考例のフィルム冷却孔５０は、フィルム冷却翼の外周を流れる高温流体の動圧が大きく加わる前縁に設けることとすれば、特に有効である。

なお、本参考例のフィルム冷却孔５０は、図８にも示したように、前縁側冷却通路３１、サーペンタイン冷却通路３２，３３，３４および後縁側冷却通路３５のいずれの冷却流路にも適用できるものである。

［第２参考例］
次に、本発明の第２参考例について、図２を用いて説明する。
本参考例は、第１参考例に対して、フィルム冷却孔の形成方向が異なる。その他の構成については第１参考例と同様なので、それらの説明は省略する。
図２に示されているように、フィルム冷却孔５０は、冷却空気の流れ方向と同じ向きになるように、冷却通路２０から外表面に向けて形成されている。すなわち、フィルム冷却孔５０の上流端５０ｄは、下流端５０ｅよりも冷却空気流れの上流側に位置している。

このように、本参考例では、フィルム冷却孔５０を冷却空気の流れ方向と同じ向きになるように外表面に向けて形成したので、タービュレータ４８上流側直近で生じた淀み圧を有効に利用して、フィルム冷却孔ａの下流端５０ｅから噴出する噴出圧力を高めることにより、高温流体の逆流を防止することができる。

［第３参考例］
次に、本発明の第３参考例について、図３を用いて説明する。
本参考例は、第１参考例に対して、フィルム冷却孔の形成方向が異なる。その他の構成については第１参考例と同様なので、それらの説明は省略する。
図３に示されているように、フィルム冷却孔５０は、冷却空気の流れ方向と反対向きになるように、冷却通路２０から外表面に向けて形成されている。すなわち、フィルム冷却孔５０の上流端５０ｄは、下流端５０ｅよりも冷却空気流れの下流側に位置している。

このように、本参考例では、フィルム冷却孔５０を冷却空気の流れ方向と反対向きになるように外表面に向けて形成し、冷却空気の流れ方向とは逆方向に傾斜させることとしたので、フィルム冷却孔５０の上流端５０ｄにおける圧損を大きくできる。したがって、冷却空気の流れ方向にフィルム冷却孔５０を形成した場合に比べて、同一流量を流す場合、圧損係数を大きくとることができ、フィルム冷却孔５０における圧力差（上流端５０ｄと下流端５０ｅとの間の圧力差）を大きくすることができる。
また、フィルム冷却孔５０がタービュレータ４８の上流側直近に設けられているので、動圧による圧力上昇が利用でき、より圧力差を大きくすることができる。
したがって、フィルム冷却翼の外周側から高温流体がフィルム冷却孔５０を逆流することを防止することができる。

なお、本参考例では、フィルム冷却孔５０の上流端５０ｄをタービュレータ４８の上流側直近に位置させることとしたが、図４に示すように、フィルム冷却孔５０をタービュレータの位置とは無関係に配置しても良い。この場合であっても、フィルム冷却孔５０の圧損係数を大きくとることができるので、高温流体の逆流を防止することができる。

［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態について、図５を用いて説明する。
本実施形態は、第１参考例に対して、フィルム冷却孔の位置が異なる。その他の構成については第１参考例と同様なので、それらの説明は省略する。
図５に示すように、フィルム冷却孔５０は、タービュレータ４８によって剥離した冷却空気が外側壁部１０に再付着する位置に設けられている。フィルム冷却孔５０の具体的な位置は、例えば、タービュレータ高さをh、タービュレータ下流端からフィルム冷却孔の中心までの距離をｄとすると、７h＜ｄ＜１０ｈの範囲が好適である。

このように、本実施形態によれば、タービュレータ４８によって剥離した冷却空気が外側壁部１０に再付着する位置にフィルム冷却孔５０を設けることとしたので、再付着する冷却空気の動圧を利用することができ、フィルム冷却孔における圧力差を大きくすることができる。したがって、高温流体がフィルム冷却孔５０を逆流することを防止することができる。

［第４参考例］
次に、本発明の第４参考例について、図６を用いて説明する。
本参考例は、第１参考例に対して、タービュレータの延在方向が異なる。その他の構成については第１参考例と同様なので、それらの説明は省略する。
タービュレータ４８は、図６（ａ）に示されているように、冷却空気の流れ方向に所定角度有するように斜めに設けられている。すなわち、第１参考例では、タービュレータ４８は冷却空気の流れ方向に直交するように延在していたが、本参考例のタービュレータ４８は、冷却空気の流れ方向に所定角度だけ傾けた状態で交差させてある。
フィルム冷却孔５０は、外側壁部１０の両側部に形成されている。すなわち、外側壁部１０の両側に立設する壁部（図示せず）の近傍にフィルム冷却孔５０が設けられている。
タービュレータ４８に対するフィルム冷却孔５０の位置は、図６（ｂ）に示されているように、第１参考例と同様に、タービュレータ４０の上流側直近に設けられている。

本参考例によれば、以下のような作用効果を奏する。
タービュレータ４８の延在方向が冷却空気の流れ方向に対して所定角度有するように斜めに設けられていると、冷却空気の流れ方向に直交する面内において二次流れが発生する。この二次流れｆ１は、図６（ｃ）に示されているように、冷却空気の流れ方向に直交する面内において渦を巻き、外側壁部１０の両側部（タービュレータ４８が延在する方向において両端）に衝突するように流れる。この位置にフィルム冷却孔５０を設けることにより、二次流れｆ１の衝突による淀み圧を有効に利用して、フィルム冷却孔５０の圧力差を大きくすることができる。したがって、高温流体がフィルム冷却孔５０を逆流することを防止することができる。なお、図６（ｃ）は、図６（ａ）の下流側から見た図である。
さらに、フィルム冷却孔５０をタービュレータ４８の上流側直近に設けているので、冷却空気がタービュレータ４８に衝突することによって生じる淀み圧を利用することができる。

また、フィルム冷却孔５０は、外側壁部１０の両側部のみに設けるだけでなく、その他の部分、例えば図７に示すように外側壁部の中央部にも形成することとしても良い。

以上説明した実施形態および各参考例に示したフィルム冷却翼は、動翼に限らず、静翼に用いても良い。

本発明のフィルム冷却翼にかかる第１参考例を示し、タービュレータとフィルム冷却孔との関係を示した要部拡大断面図である。 本発明のフィルム冷却翼にかかる第２参考例を示し、タービュレータとフィルム冷却孔との関係を示した要部拡大断面図である。 本発明のフィルム冷却翼にかかる第３参考例を示し、タービュレータとフィルム冷却孔との関係を示した要部拡大断面図である。 図３の変形例を示した要部拡大断面図である。 本発明のフィルム冷却翼にかかる第１実施形態を示し、タービュレータとフィルム冷却孔との関係を示した要部拡大断面図である。 本発明のフィルム冷却翼にかかる第４参考例を示し、（ａ）は壁部を平面視した平面図、（ｂ）は壁部を断面視した断面図、（ｃ）は冷却空気の流れ方向に直交する面を下流側から見た断面図である。 図６の変形例を示し、（ａ）は壁部を平面視した平面図、（ｂ）は壁部を断面視した断面図である。 従来のフィルム冷却翼を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は（ｂ）のＢ矢視における断面図である。

符号の説明

１０ 外側壁部（壁部）
２０ 冷却流路
４８ タービュレータ
５０ フィルム冷却孔

Claims (1)

1. 内部に形成された冷却通路と、冷却流体の流れ方向に交差するように延在するとともに前記冷却通路の壁部から突出させて設けられたタービュレータと、を備え、前記壁部には、冷却通路内の冷却流体を外表面へと導きフィルム冷却を行うためのフィルム冷却孔が形成されたフィルム冷却翼において、
   前記フィルム冷却孔は、前記タービュレータによって剥離した冷却流体が前記壁部に再付着する位置とされ、タービュレータ高さをｈ、タービュレータ下流端からフィルム冷却孔の中心までの距離をｄとすると、７ｈ＜ｄ＜１０ｈの範囲とされていることを特徴とするフィルム冷却翼。

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