JP4554760B2 - ガスタービンノズル用の部分的乱流発生後縁冷却通路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、後縁を冷却するため熱媒体をノズル翼内部のキャビティから冷却通路を通して高温ガス流路へと流す冷却通路を有するガスタービンノズルに関するものであり、具体的には、温度分布を改善し、熱応力及び後縁亀裂を最小限とするとともに所要抽出空気の量を低減すべく配置されたタービュレータ及び冷却通路入口を有する後縁冷却通路に関する。
【０００２】
【発明の技術的背景】
ガスタービン内のノズル翼の後縁は後縁を冷却するための冷却通路を有することが多い。通例、冷却空気を翼内部のキャビティに送り、翼の後縁の長さに沿って互いに離隔した複数の通路を通して高温ガス流路へと流す。冷却空気は、通路周囲の後縁の金属及び後縁外面の金属を冷却する。慣用的に、後縁の両側面壁及び後縁後方端の周りに遮熱コーティングが設けられる。しかし、後縁の側面壁及び後方端に均等に遮熱コーティングを施工しようと努力が払われているにもかかわらず、コーティングはしばしば、取扱中に後方端からコーティングが離脱したり、作動時に剥離してしまうことが多々ある。そこで、後縁の後方端の冷却が特に重要な関心事であり、効果的な冷却のために熱伝達の改善が必要である。
【０００３】
ノズル後縁を冷却するため通路にタービュレータを用いることも行われてきた。タービュレータは冷却空気の流れを乱して乱流を生じ、冷却効果を高める。タービュレータは、従来、冷却通路の全長にわたって設けられていた。その結果、後縁通路の全長にわたって周囲金属及び後縁表面の冷却が向上する。しかし、これらの領域の材料は大部分は後縁の両側面の遮熱コーティングによって保護されている。従って、冷却の向上を必要とする領域である後縁の後方端は効果的に冷却されるものの、遮熱コーティングで保護されていて冷却の向上を必要としない領域についてもタービュレータによって冷却作用が高められる。そのため、後縁に沿って横方向に広範囲の温度分布が生じ、その結果、熱的不整合が起こして後縁の金属に高い応力が発生する。
【０００４】
さらに、ノズル翼の後縁を冷却するための空気は通例圧縮機吐出空気からなる。冷却のために圧縮機から抽出される空気の分だけ、タービン効率は低下する。従って、当面の問題は、冷却作用を高める必要のある領域で冷却効果を高めるとともに冷却作用を高める必要のない後縁の領域の冷却作用の増大をなくすと同時に、圧縮機吐出口からの冷却用抽出空気の必要量を制限することである。
【０００５】
【発明の概要】
本発明では、後縁冷却用の熱媒体（好ましくは空気）を受入れる後縁冷却通路を有するガスタービンノズル翼であって、部分的に乱流を発生させる後縁冷却通路を採用したガスタービンノズル翼を提供する。部分的にしか乱流を発生させない冷却空気通路を設けることで、後縁での温度分布は熱勾配が最小限となって応力が低減する一方、最小限の圧縮機抽出空気で後縁の後方端の冷却作用が高まる。以上を達成するため、ノズル翼後縁に、後縁の長さに沿って互いに離隔した複数の冷却通路で、翼内部のキャビティと連通した冷却通路を設ける。冷却空気はキャビティから冷却通路を通って高温ガス流へと流れる。ただし、通路は部分的にしか乱流を発生せず、熱伝達の向上が必要とされる領域だけで乱流を発生する。そこで、後縁通路の後方端近傍の後方部分、すなわち、高温ガス流へと流れ出す冷却空気の出口近傍で乱流を発生し、乱流発生通路部分の前方の通路の大部分は乱流を生じない。好ましくは、このような前方通路部分は滑らかな内径である。その結果、非乱流発生通路部分の周囲の金属領域での温度分布は熱勾配及び応力が最小限となり、一方、後方の乱流発生通路部分は、作動中に遮熱コーティングが摩耗又は剥離してしまった後縁後方端領域での冷却効果を高める。
【０００６】
さらに、通路に通じる入口スロットの寸法を制限することで、冷却通路を流れる圧縮機抽出空気は最小限にできる。例えば、通路の前端近傍の入口スロットは断面が小さく、通路に流れ込む空気流を制限する。こうすることで、圧縮機抽出空気の所要量が低減し、タービン効率が高まる。
【０００７】
本発明の好ましい実施形態では、後方端を終端とする後縁と後縁の前方にあって熱媒体を受入れるキャビティとを有するタービン静翼を備えてなり、上記後縁がその長さに沿って互いに離隔した複数の隔離通路を含んでいて、該通路は、熱媒体を上記キャビティから受入れ該通路を通して後縁の後方端に沿って設けられた複数の開口へと流すため、その一端で上記キャビティと連通しており、かつ、上記通路内にその後部に設けられた複数のタービュレータを備えており、該通路の後部前方の上記通路の長さの大部分をなす部分にはタービュレータが設けられておらず、各タービュレータは、該通路後部を通る熱媒体に乱流を生じて後縁を冷却し後縁での熱勾配及び応力を最小限に抑制するため、該通路後部内に突当たり面を形成している、タービン冷却装置が提供される。
【０００８】
本発明のもう一つの好ましい実施形態では、後方端を終端とする後縁と、後縁の前方にあって熱媒体を受入れるキャビティとを有するタービン静翼を備えてなり、上記後縁がその長さに沿って互いに離隔した複数の隔離通路を有していて、該通路が、熱媒体を上記キャビティから受入れ該通路を通して後縁の後方端に沿って設けられた複数の開口へと流すため、その一端で上記キャビティと連通しており、かつ、上記通路内に設けられた複数のタービュレータを備えており、該通路の後部前方の上記通路の長さの大部分をなす部分にはタービュレータが設けられておらず、各タービュレータは、該通路後部を通る熱媒体に乱流を生じて後縁を冷却し後縁での熱勾配及び応力を最小限に抑制するため、該通路後部内に突当たり面を形成しており、しかも、上記通路の前方部分が、該通路内への熱媒体の流れを制限するため、上記キャビティと該通路の連絡部近傍に流量削減導入口を有している、タービン用冷却装置が提供される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図面、特に図１を参照すると、全体を符号１０で示すロータの一部分、特にロータの第１段翼車１２と第２段翼車１４が例示されている。翼車１２、１４はそれぞれ周方向にバケット１６、１８の列が植設されている。周方向に列をなした第１段ノズル静翼２０及び第２段ノズル静翼２２も示してある。バケット１６、１８及びノズル翼２０、２２はタービンの高温ガス流路２１内に置かれることが分かる。図１に示すタービンでは、ノズル翼２２はインナーシェル２４で保持されているが、その詳細は本発明を構成するものではない。ノズル翼２２が高温ガス流路に置かれており、（通例、圧縮機吐出からの）冷却空気を後縁キャビティ２６に流して、後縁後方端へと通じる通路を通して高温ガス流へと流すことによって、ノズル翼の後縁が空気冷却されることを述べておけば十分である。
【００１０】
図２及び図３を参照すると、上述の通り、ノズル翼の後縁の空気冷却は従来より実施されていた。通例、空気が個々の翼の後方キャビティ（例えばキャビティ２６）に供給され、キャビティ２６から、後縁の後方端２３全体にわたって離隔した通路開口を通して高温ガス流路へと冷却空気を流すため、翼の長さに沿って互いに離隔した複数の通路２８が後縁３０を貫いて形成されている。通路２８には、通例、各通路２８の全長にわたり互いに均等に離隔したタービュレータ３２が設けられている。タービュレータ３２は様々な形態を取ることができ、図示した従来技術では、各通路２８の長さに沿って互いに軸方向に均等に離隔した周方向延在リブの形態を取っている。タービュレータは空気の流れに乱れを生じ、後方端２３を通して後縁から流出するまでに向上した冷却効果を与える。
【００１１】
図４に例示した本発明では、ノズル静翼（例えば、図１の静翼２２）の後縁４０は、その長さに沿って互いに離隔した複数の通路４２を有する。各通路は、冷却空気（好ましくは圧縮機吐出空気）の供給されるキャビティ４４と連通している。通路４２の反対側端部は、使用済み冷却空気を直接高温ガス流路へと流すため、後縁４０の後方端４６を貫通した開口４５に通じている。図４には、後縁４０の両側面に沿って形成された遮熱コーティング（ＴＢＣ）４８も図示してある。ＴＢＣコーティングは通例後縁の後方端に沿って施工されるが、時として取扱い中又は実用作動中に後方端４６から離脱又は剥離して後縁４０の後方端領域がＴＢＣで保護されていない状態に陥ることがある。従って、後縁の後方端領域の冷却作用が高められていることが重要である。また、後縁を横方向に横切る温度分布が、熱応力を最小限にすべく低減した温度勾配を有することも重要である。温度勾配を最小限としつつ、しかも後縁の後方端領域での冷却作用を高めるために、各冷却通路４２は、通路４２の後部５０近傍に位置するタービュレータによって部分的に乱流を発生させる。図４に示す通り、タービュレータは周方向に延在する複数のリブ５２からなり、これらのリブは突当たり面を形成していて通路後部５０を通る空気に乱流を起こし、もって後縁の後方端領域での冷却効果を高める。なお、タービュレータ５２はその他の形態、例えば、ピン、棒、粗面等の形態も取り得る。好ましくは、通路４２は円形の断面をもつ。断面が円形の冷却通路は、長円形のような他の断面形状と比べて、やはり高い冷却効果を与えることが判明した。
【００１２】
図４に示す通り、各通路４２の長さの大部分にはタービュレータは設けられておらず、換言すれば、通路４２の大部分５４は好ましくは滑らかな内径である。図示したＴＢＣコーティング４８は後縁の両側面に延在する。従って、後縁の横方向の温度分布又は温度勾配が最小限となり、無用の熱応力が最小になる。
【００１３】
また、増大した冷却効果を必要とする後縁領域の規模を縮小することで、熱媒体、すなわち、冷却用の圧縮機抽出空気の削減を達成できるということも顕著な効果である。そこで、冷却空気流を制限するため、各通路４２は、通路４２の内径の大きな前方円滑内径部分とキャビティ４４との間で流量絞りを形成する前端５６を有している。かくして、キャビティ４４から冷却通路に入る冷却空気の量が制限され、圧縮機からの抽出空気の所要量が減少する。流量絞り５６は適宜幾多の形態を取り得るもので、図示した例では、通路４２への入口の断面を狭めた内径の小さな円滑内径開口からなる。
【００１４】
以上、現時点で最も実用的で好ましいと思料される実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で特定した技術的思想及び技術的範囲に属する様々な変更及び均等な構成を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 タービンの高温ガス流路の断片立面図であり、タービン内に設けたノズル翼と動翼を例示し、ノズル翼は、本発明による冷却通路を有する後縁を有するものとして例示されている。
【図２】 従来のノズル翼の後縁の拡大断面図であり、乱流促進流路を示す。
【図３】 従来の乱流促進流路の一部分の斜視図である。
【図４】 図２と同様の断面図であり、本発明によるガスタービンノズル用の部分的にタービュレータを設けた後縁冷却通路を示す。
【符号の説明】
２０、２２ タービンノズル翼
４０ 後縁
４２ 冷却通路
４４ キャビティ
４５ 開口
４６ 後縁後方端
４８ 遮熱コーティング
５０ 通路後部
５２ タービュレータ
５４ 前方通路部分
５６ 絞り

Claims (7)

1. 後方端（４６）を終端とする後縁（４０）と、後縁（４０）の前方にあって熱媒体を受入れるキャビティ（４４）とを有するタービン静翼（２２）を備えてなり、
   上記後縁（４０）が後縁の翼長方向の長さに沿って互いに離隔した複数の隔離通路（４２）を含んでいて、該通路（４２）が、熱媒体を上記キャビティから受入れて後縁（４０）の後方端に沿って設けられた複数の開口（４５）の各々へと該通路の各々を通して流すため、その一端で上記キャビティと直接連通しており、かつ
   上記通路（４２）内にその後部（５０）に設けられた複数のタービュレータ（５２）を備えており、該通路の後部（５０）前方の上記通路の長さの大部分をなす部分（５４）にはタービュレータ（５２）が設けられておらず、各タービュレータは、該通路後部（５０）を通る熱媒体に乱流を生じて後縁を冷却し後縁（４０）での熱勾配及び応力を最小限に抑制するため、該通路後部（５０）内に突当たり面を形成している、タービン冷却装置。
2. 前記前方通路部分（５４）が滑らかな内径を有する、請求項１記載の装置。
3. 前記通路（４２）が円形断面を有する、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記タービュレータ（５２）が前記通路（４２）内で半径方向内側に突出した複数のリブからなる、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記通路（４２）の前方部分（５４）が、該通路内への熱媒体の流れを制限するため、前記キャビティ（４４）と該通路（４２）の連絡部近傍に流量削減導入口（５６）を有している、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記タービュレータ（５２）は、前記通路後部（５０）にのみ沿って設けられている、請求項１に記載の装置。
7. 前記前方通路部分（５４）がその全長に渡り滑らかな内径を有する、請求項６記載の装置。

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