JP4489336B2 - 高温ガスを受ける構造部品 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、冷却流体が供給される少なくとも１つの通路を備え、高温ガスを受ける構造部品、特にタービン翼であって、その通路が両側に位置する側壁により境界づけられ、これら両側壁が構造部品と冷却流体との熱伝達を改善するために少なくとも１つの乱流発生体を備え、その第１側壁の乱流発生体と第２側壁の乱流発生体とが同じ傾斜方向を有し、冷却流体の流れ方向に対しある傾斜角だけ傾斜している、高温ガスを受ける構造部品、特にタービン翼に関する。
【０００２】
ガスタービン翼として形成されたそのような構造部品は、ヨーロッパ特許第７５８９３２号と米国特許第５６９５３２１号明細書、特にその図９Ａで知られている。公知のガスタービン翼は中空に形成され、冷却流体が供給される少なくとも１つの通路を有している。これにより、ガスタービンへのガスの入口温度が高まり、効率が向上する。その通路は両側の側壁で境界づけられている。これら両側壁に、ガスタービン翼と冷却流体との熱伝達を改善すべく１つ又は複数の乱流発生体が設けられている。両側壁の乱流発生体は、同じ傾斜方向を有し、冷却流体の流れ方向に対しある傾斜角だけ傾斜している。そのような形状に伴い、通路は乱流発生体によって局所的に狭められる。これは、特に両側壁、従って乱流発生体が異なる長さを持つ場合に生ずる。両側壁の乱流発生体は一部で同じ高さで対向して位置しており、通路は、その個所で局所的に狭められている。通常、各側壁は多数の乱流発生体を備えているので、その狭隘部は繰り返し生じる。このため、片側の側壁から反対側の側壁に向けて、冷却流体は一定した横断面を通して一様に蛇行して流れない。むしろ、冷却流体の通流する横断面積が繰り返し変化するので、圧力損失が生ずる。
【０００３】
米国特許第５４１３４５８号明細書に、翼台座付きガスタービン静翼が示されている。その翼台座に流れ室が設けられ、該室を通って流れる冷却流体が翼台座の隅に導かれるよう、流れ室に乱流発生体が配置されている。
【０００４】
本発明の課題は、局所的な狭隘部を設けることなしに、乱流発生体の全長にわたり一様な通路横断面積が存在するような、高温ガスを受ける構造部品を提供することにある。
【０００５】
この課題は、本発明によれば、冷却流体が供給される少なくとも１つの通路を備えた高温ガスを受ける構造部品であって、その通路が両側に位置する側壁によって境界づけられ、これらの両側壁が構造部品と冷却流体との熱伝達を改善すべく少なくとも１つの乱流発生体を備え、第１側壁の乱流発生体と第２側壁の乱流発生体とが同じ傾斜方向を有し、冷却流体の流れ方向に対し傾斜角（α、β）だけ傾斜されている構成を備える高温ガスを受ける構造部品において、第１側壁の乱流発生体の傾斜角（α）が、第２側壁の乱流発生体の傾斜角（β）と異なり、かつ前記第１側壁の乱流発生体をその全長にわたり、第２側壁の乱流発生体に対して、実際、完全に互い違いに配置することにより解決される。
【０００６】
第１、第２の両側壁における乱流発生体の傾斜角が異なることで、乱流発生体を、局所的な狭隘部を生ずることなく配置できる。乱流発生体は、その傾斜角が異なっていることから、部分的にも全く対向して位置しない。むしろ、第１側壁の乱流発生体はその全長にわたり、第２側壁の乱流発生体に対して、実際、完全に互い違いに配置される。このため、乱流発生体の長さ方向において、冷却流体に対する通路の一様な横断面積が生ずる。公知の構造で生じていた横断面積の変化およびそれに伴って生ずる圧力損失は、大きく減少する。
【０００７】
本発明の有利な実施態様は従属請求項に記載してある。
【０００８】
好適には、第１側壁の長さは第２側壁の長さより長い。これにより、高温ガスを受ける構造部品について種々の横断面形状が選定できる。
【０００９】
本発明の有利な実施態様では、第１、第２の両側壁を湾曲して形成する。この湾曲した側壁により、高温ガスを受ける構造部品に対し、翼形状の横断面形状が選定できる。この形状は、特にタービン翼として利用するのに必要である。
【００１０】
本発明の他の実施態様において、第１側壁の乱流発生体の傾斜角は、第２側壁の乱流発生体のそれより大きい。これによって、第１側壁の乱流発生体の長さが減少し、第２側壁の乱流発生体の長さは増大する。この場合、傾斜角は、両側壁における乱流発生体が実際上完全に互い違いに配置されるよう選定する。この結果、通路の横断面積は乱流発生体の全長にわたって一様になる。
【００１１】
通路を仕切るべく２つの隔壁を設け、これら隔壁で第１、第２の両側壁を互いに結合するとよい。高温ガスを受ける構造部品の内部室は、２つの側壁により、互いに連通する複数、例えば３つの部分通路に仕切られる。冷却流体はその３つの通路を順々に貫流する。ガスタービン翼として利用する場合、冷却流体の温度が最も低い最初の部分通路を、ガスタービン翼の入口縁側に配置するとよい。
【００１２】
本発明の他の有利な実施態様では、２つの隔壁を互いに角度を成して設ける。これにより、これら隔壁を第１、第２の両側壁に対し垂直に配置することができる。この方向づけは、冷却流体の案内を最適にする。またこれら両隔壁の角度づけは、ガスタービン翼に利用する場合、荷重を受けるのに非常に適する。
【００１３】
本発明の有利な実施態様では、乱流発生体を真直ぐに形成する。この真直ぐな形状は、本発明に基づく構造部品の型抜きを容易にし、製造費を安価にする。
【００１４】
本発明の他の実施態様では、乱流発生体を湾曲して形成する。この湾曲に基づき、両乱流発生体を全長にわたり完全に互い違いにできる。この結果、横断面積の変化に基づく圧力損失を、可能な限りにおいて最小化できる。
【００１５】
以下、図示の実施例を参照して本発明を詳細に説明する。ここでは、本発明に基づく構造部品としてガスタービン翼を例示して説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００１６】
図１と２は、各々ガスタービン翼１０の縦断面図と横断面図である。このタービン翼１０は内側に冷却通路１１を有する。この冷却通路１１は互いに平行に延びる３つの部分通路１２、１３、１４に分かれている。冷却流体、特に冷却空気は、冷却通路１１を矢印１５の方向に貫流する。
【００１７】
各部分通路１２、１３、１４は、両側の外側壁１６、１７と１つ又は２つの隔壁１８、１９により仕切られている。冷却流体と外側壁１６、１７との熱伝達を改善するため、外側壁１６、１７は乱流発生体２０、２１を備えている。
【００１８】
特に図２から判るように、両外側壁１６、１７は湾曲しており、異なる長さを持つ。このため、ガスタービン翼１０に必要な翼形が得られる。その一方の外側壁１６はガスタービン翼１０の背を、他方の外側壁１７は腹を形成している。２つの隔壁１８、１９は、両外側壁１６、１７を互いに結合し、中央部分通路１３を仕切っている。それら隔壁１８、１９は、互いにある角度を成して配置され、外側壁１６、１７に対しほぼ垂直に延びている。この結果、冷却流体の案内の最適化が達成される。隔壁１８、１９を外側壁１６、１７に対し垂直に向けることで、運転中にガスタービン翼１０に生ずる荷重は良好に受けられる。
【００１９】
乱流発生体２０、２１は同じ傾斜方向に向き、冷却流体の流れ方向２２に対してある角度だけ傾斜している。これを図１において、乱流発生体２０に関し傾斜角αで示す。部分通路１２、１３、１４における冷却流体の流れ方向２２は、隔壁１８、１９に対し平行に延びている。
【００２０】
中央部分通路１３において、外側壁１６の部位は外側壁１７の部位よりも長くなっている。この中央部分通路１３において、乱流発生体２０も同様に乱流発生体２１より長くなっている。公知のガスタービン翼の場合、両隔壁１８、１９のいずれか一方に対し平行な投射図において、一方の外側壁１６における乱流発生体２０は、冷却流体の流れ方向２２に対し、他方の外側壁１７における乱流発生体２１と同じ傾斜角を有している。このため、乱流発生体２０、２１は、部分的に同じ高さにおいて対向して位置している。
【００２１】
図７と８は、各々従来のガスタービン翼１０を、図２のＶ−Ｖ線とＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図に相応した図で示している。図２の中央部分通路１３の左側部位を図７に断面図で示す。この中央部分通路１３の左側部位において、両外側壁１６、１７の乱流発生体２０、２１は互い違いに配置されている。この部位で、冷却流体は片側外側壁１６から反対側外側壁１７に向けて一様に蛇行しつつ流れる。図２の中央部分通路１３の右側部位を、図８に断面図で示す。この通路１３の右側部位において、両外側壁１６、１７の乱流発生体２０、２１は同じ高さで対向して位置している。ここでは、冷却流体流は一様に蛇行して流れることができない。両乱流発生体２０、２１間に狭隘部２３が生ずる。これに伴い、冷却流体が通流する横断面積の反復的な変化が生ずる。この変化は圧力損失を引き起こし、従って冷却効果を局所的に減少させ、過熱を生ずる。
【００２２】
それに対し本発明は、乱流発生体２０、２１を同じ傾斜方向であるが、流れ方向２２に対し異なる傾斜角で配置することを提案する。これを、両隔壁１８、１９に向いた図である図３と４に詳細に示す。両外側壁１６、１７における乱流発生体２０、２１は同じ傾斜方向を有し、左下から右上に延びている。分かり易くするため、図３および４では外側壁１７を示していない。
【００２３】
図３では、隔壁１８の幅が正しく見えている。隔壁１９は目視方向に基づき歪んで見え、従って幅広く描いてある。第１外側壁１６の乱流発生体２０は、隔壁１８から隔壁１９迄その外側壁１６に沿って延びている。従って、この乱流発生体２０は、図３では右側部位が一部隔壁１９に隠れている。第２外側壁１７の乱流発生体２１は、隔壁１８、１９間をその外側壁１７に沿って延びている。両外側壁１６、１７の長さが異なり、両隔壁１８、１９が角度を成しているため、乱流発生体２０、２１の長さが異なっている。
【００２４】
狭隘部が生じるのを避けるため、第１外側壁１６の乱流発生体２０の傾斜角αは、第２外側壁１７の乱流発生体２１の傾斜角βより大きく選定されている。この結果、乱流発生体２０の長さが減少し、乱流発生体２１の長さが増大する。従って、両乱流発生体２０、２１間に角度差γが生ずる。
【００２５】
図４は、隔壁１９に向いて目視した図である。それに応じ、隔壁１９は歪みなく見え、隔壁１８は目視方向に基づき幅広く見える。異なる傾斜角α、βに基づき発生する乱流発生体２０、２１間の角度差γが、明らかに理解できる。
【００２６】
図３と４は、目視角を変えて、乱流発生体２０、２１の状態を示している。この異なる目視角のため、図３および４において、異なった傾斜角および角度差が生じ、これらを符号α₁、α₂、β₁、β₂、γ₁、γ₂で示している。その歪みの種類と大きさは、個々の場合に左右される。
【００２７】
乱流発生体２０、２１の傾斜角α、βが異なり、傾斜方向が同じであるのに伴い、両乱流発生体はほぼ完全に互い違いとなる。図３、４に示すように、乱流発生体２０、２１が対向して位置する個所はない。従って、冷却流体は第１外側壁１６から第２外側壁１７に向けて、支障なしに蛇行して流れる。これは隔壁１８の近くでも、隔壁１９の近くでも当てはまる。
【００２８】
図５と６は、図２のＶ−Ｖ線とＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図に応じ、隔壁１８、１９の近傍の状態を示す。ここから、本発明に基づくガスタービン翼１０では、従来存在していた狭隘部がもはや存在しないのは明白である。これは、乱流発生体２０、２１が同じ傾斜方向を有し、傾斜角α、βが異なることで得られる。
【００２９】
図３と４に示すとおり、真直ぐな乱流発生体２０、２１を利用すると、ガスタービン翼１０を経費的に有利に製造できる。両乱流発生体２０、２１の完全な互い違い配置は、真直ぐな乱流発生体の場合、隔壁１８、１９が平行に延びる場合しかできない。即ち、隔壁１８の近傍での両乱流発生体２０、２１間の間隔は、隔壁１９の近傍における両乱流発生体２０、２１間の間隔と異なっている。湾曲した乱流発生体２０、２１を利用すれば、完全に同心的な互い違いの配置が生ずる。これを図９に示す。更に、湾曲した乱流発生体２０、２１によって、乱流発生体２０、２１の全長にわたり、両乱流発生体２０、２１間の一様な間隔が得られる。この結果、両外側壁１６、１７間での冷却流体の最適な蛇行流が生ずる。これと対比して図１０に、両隔壁１８、１９が互いに平行でなく、隔壁１８が隔壁１９から徐々に遠ざかっている場合の、従来のガスタービン翼１０における乱流発生体２０、２１の相対位置を示す。この図から、乱流発生体２０、２１が隔壁１９の近傍で、互いに対向して位置していることが明瞭に理解できる。この結果、図８に示す狭隘部２３が生ずる。
【００３０】
図９および１０の乱流発生体２０、２１の流れ方向２２における角度経過は、選定した投射方向に起因する。図９、１０は、図２のＩ−Ｉ線に沿う平面への中央部分通路１３の概略的な投射図である。この図で、乱流発生体２０、２１の本発明に基づく配置により、図９に示す一様な経過が生ずる。
【００３１】
図１０における乱流発生体２０、２１の見かけの異なる傾斜角並びに図９における見かけの同じ傾斜角は、投射による歪みに起因する。この歪みのため、図９並びに１０において、乱流発生体２０、２１は、実際は異なった長さであるにも係らず、同じ長さに見えている。
【００３２】
本発明によれば、全体として、乱流発生体２０、２１の全長にわたり通路１１を一様な横断面積にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガスタービン翼の縦断面図（図２のＩ−Ｉ線に沿った断面図）。
【図２】 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿うガスタービン翼の断面図。
【図３】 図２の矢印ＩＩＩ方向から見た図。
【図４】 図２の矢印ＩＶ方向から見た図。
【図５】 図２のＶ−Ｖ線に沿う断面図。
【図６】 図２のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図。
【図７】 従来のガスタービン翼の図５に相当する図。
【図８】 従来のガスタービン翼の図６に相当する図。
【図９】 本発明に基づくガスタービン翼の異なった実施例の図１に相当する部分図。
【図１０】 従来のガスタービン翼の図９に相当する図。
【符号の説明】
１０ ガスタービン翼
１１ 冷却流体通路
１３ 中央部分通路
１６、１７ 外側壁
１８、１９ 隔壁
２０、２１ 乱流発生体
２２ 流れ方向
α、β 傾斜角

Claims (8)

1. 冷却流体が供給される少なくとも１つの通路（１３）を備えた高温ガスを受ける構造部品（１０）であって、その通路（１３）が両側に位置する側壁（１６、１７）によって境界づけられ、これらの両側壁（１６、１７）が構造部品（１０）と冷却流体との熱伝達を改善すべく少なくとも１つの乱流発生体（２０、２１）を備え、第１側壁（１６）の乱流発生体（２０）と第２側壁（１７）の乱流発生体（２１）とが同じ傾斜方向を有し、冷却流体の流れ方向（２２）に対し傾斜角（α、β）だけ傾斜されている構成を備える高温ガスを受ける構造部品において、第１側壁（１６）の乱流発生体（２０）の傾斜角（α）が、第２側壁（１７）の乱流発生体（２１）の傾斜角（β）と異なり、かつ前記第１側壁の乱流発生体をその全長にわたり、第２側壁の乱流発生体に対して、実際、完全に互い違いに配置することを特徴とする高温ガスを受ける構造部品。
2. 第１側壁（１６）の長さが第２側壁（１７）の長さより長いことを特徴とする請求項１記載の構造部品。
3. 第１、第２の両側壁（１６、１７）が湾曲して形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の構造部品。
4. 第１側壁（１６）の乱流発生体（２０）の傾斜角（α）が、第２側壁（１７）の乱流発生体（２１）の傾斜角（β）より大きいことを特徴とする請求項２又は３記載の構造部品。
5. 通路（１３）を仕切るため更に２つの隔壁（１８、１９）が設けられ、これら隔壁（１８、１９）が第１、第２両側壁（１６、１７）を互いに結合することを特徴とする請求項１ないし４の１つに記載の構造部品。
6. ２つの隔壁（１８、１９）が互いに角度を成して配置されたことを特徴とする請求項５記載の構造部品。
7. 乱流発生体（２０、２１）が真直ぐに形成されたことを特徴とする請求項１ないし６の１つに記載の構造部品。
8. 乱流発生体（２０、２１）が湾曲して形成されたことを特徴とする請求項１ないし６の１つに記載の構造部品。

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