JP4610836B2 - 構造と冷却を強化したタービン翼 - Google Patents
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Description
本発明は、壁で囲まれ冷却流体が供給される少なくとも1つの通路を備え、その少なくとも1つの壁に、該壁と冷却流体との熱交換を改善すべく複数の乱流発生体が設けられた翼、特にタービン翼に関する。
【0002】
このようなタービン翼は、例えば欧州特許第0758932号明細書で知られている。この公知のタービン翼は空洞に形成され、4つの通路を備える。それら通路は、夫々タービン翼の両外側壁と隔壁とにより境界付けられ、冷却のため冷却流体で貫流される。その外側壁と冷却流体との熱交換を改善するため、外側壁に乱流発生体が設けられている。
【0003】
公知のタービン翼の場合、乱流発生体は単に熱交換を改善するためにしか使われない。運転中に生ずるタービン翼の荷重は、実際上外側壁により専ら受けられる。従ってその外側壁は非常に厚く形成せねばならない。荷重が大きくなるときは、外側壁の壁厚を一層厚くせねばならない。しかし、その壁厚の増加に伴って冷却効果が低下し、総合効率が低下する。
【0004】
本発明の課題は、壁厚を増大することなしに大きな荷重容量を有するか、同じ荷重容量の場合に壁厚を減少することができる翼を提供することにある。
【0005】
この課題は本発明に基づき、壁で囲まれて冷却流体が供給される少なくとも1つの通路を備え、その少なくとも1つの壁に該壁と冷却流体との熱交換を改善するための複数の乱流発生体が設けられた翼において、一方の壁に設けられた前記乱流発生体が前記壁を強化するために使われ、互いに交差し合っており、前記乱流発生体が、これら乱流発生体が多角形をした互いに並び重なり合って位置する凹所を形成するよう配置されたことによって解決される。
【0006】
本発明に基づいて、まず乱流発生体を壁の強化のために使い、互いに交差させる。これに伴い、補助的な材料および壁厚の増大を起すことなしに、剛性の著しい増大が図れる。同時に壁と冷却流体との良好な熱交換が達成される。従って、高い冷却効果と総合効率が生ずる。
【0007】
壁の強化は、個々の乱流発生体の範囲でしか生じない。しかし乱流発生体相互の結合によって、大面積の強化が達成される。
【0008】
本発明の有利な実施態様および発展形態は、従属請求項に記載してある。
【0009】
乱流発生体は真っ直ぐに形成すると有利である。真っ直ぐな乱流発生体を利用することで、簡単に製造でき、大きな剛性が得られる。
【0010】
第1の有利な実施態様において、全ての乱流発生体は翼の長手軸線に対し同じ角度を成している。これにより、乱流発生体の対称な配置構造が生じ、あらゆる方向からの荷重を一様に受けることができる。
【0011】
本発明の有利な実施態様において、乱流発生体は相互に直角を成している。或いは、相互に鋭角又は鈍角を成すこともできる。
【0012】
第2の有利な態様では、第1グループの乱流発生体が翼の長手軸線に対し第1の角度、第2グループの乱流発生体が翼の長手軸線に対し第2の角度を成す。
【0013】
これによって両グループの乱流発生体は、翼の長手軸線に対し異なった傾きを持つ。従って翼の剛性は荷重の作用方向に関係している。即ち、異なった傾きによって、剛性を種々の方向において的確に適合させることができる。
【0014】
乱流発生体を、これらが多角形、特に四角形、菱形又は六角形の、互いに並び重なり合って位置する凹所を形成するよう配置するとよい。壁の内側面にはハニカム構造を設ける。個々の多角形又はハニカムは夫々大きく荷重できる閉鎖断面を形成し、相互に支え合う。これに伴い、剛性の大きな増大が達成できる。
【0015】
本発明の有利な実施態様では、壁の厚みを少なくとも乱流発生体間の範囲で減少させる。この壁厚の減少は、乱流発生体で壁を強化することで可能となる。壁厚の減少に伴い、冷却効果も高まる。この場合、乱流発生体は、翼の鋳造時に材料供給路として使うとよい。従ってハニカム構造は容易に製造できる。
【0016】
本発明の有利な実施態様では、翼が、乱流発生体を様々に配置した複数の部分を備える。この様々な配置により、翼の個々の部分で、剛性に的確に影響を与えられる。この結果、翼の各部分に存在する荷重に最良に適合させられる。
【0017】
本発明の有利な第1の実施態様では、それら部分が互いに間隔を隔てる。これに伴い、乱流発生体の異なる配置を簡単に交換できる。
【0018】
本発明の有利な第2の実施態様では、それらの部分が互いに接している。これによって、翼の剛性の一貫した増大が生ずる。
【0019】
本発明に基づく翼は、回転機械の静翼又は動翼として形成される。
【0020】
以下、図示の実施例を参照して本発明を詳細に説明する。各図において、同一部分には同一符号を付してある。
【0021】
図1は、車室11とロータ12を備え、タービン10の形をした回転機械を縦断面図で示す。車室11に静翼13、ロータ12に動翼14を夫々設けている。タービン10を、運転中矢印15の方向に流体が貫流する。流体は静翼13と動翼14に沿って流れ、中心軸16を中心としてロータ12を回転させる。
【0022】
流体の温度は、多くの利用状態において、特に第1翼列(図1の左側)の範囲で非常に高い。従って静翼13と動翼14の冷却を行う。冷却流体の流れを矢印17、18で概略的に示す。冷却流体として、特に空気を利用する。
【0023】
図2は、静翼13を破断して概略的に示す。静翼13は湾曲した外側壁19、20を備えている。両外側壁19、20間に位置する内部空間は、2つの隔壁21によって全部で3つの通路22に仕切られている。これら通路22には運転中冷却流体が供給される。
【0024】
外側壁19、20と冷却流体との熱交換を改善するため、外側壁19、20に複数の乱流発生体23を設けてある。図2において、乱流発生体23は図を見易くするためかなり単純化して示してある。しかし乱流発生体23が互いに交差し合い、ハニカム構造を形成していることは理解できる。そのハニカム構造は外側壁19、20を強化している。
【0025】
図3は図2の部分Xを拡大して示す。乱流発生体23は真っ直ぐに形成され、互いに交差し合っている。図示の実施例において、夫々4つの乱流発生体23によって凹所24が境界づけられている。外側壁19の壁厚dは、乱流発生体23から出発して連続して凹所24の中心迄減少している。壁厚dの減少は、乱流発生体23が相互に支え合い、これに伴い静翼13の剛性が著しく高まることにより可能となる。乱流発生体23は、同時に衝撃防護体として使われる。
【0026】
壁厚dが減少していることにより、高い冷却効果が生ずる。従って僅かな冷却流体しか必要なく、タービン10の高い総合効率が得られる。
【0027】
乱流発生体23は横断面ほぼ三角形に形成され、外側壁19から出発して先細りになっている。従って乱流発生体23は、静翼13の鋳造中に材料供給路として使われる。従って本発明に基づく静翼13は簡単に製造できる。
【0028】
図4〜6は、種々の形態の外側壁19の内側面を概略正面図で示す。図4で、全乱流発生体23a、23bは静翼13の長手軸線25に対し同じ角度α、βを成している。乱流発生体23a、23bは互に直角26を成している。従って、乱流発生体23a、23bで境界づけられた凹所24は正方形となっている。
【0029】
乱流発生体23a、23bは、夫々2つの交点31間を延びている。乱流発生体23a、23bは交点31の範囲で互いに交差している。真直ぐな乱流発生体23a、23bを利用することで製造が単純になり、かつ大きな剛性が生ずる。
【0030】
図5の形態では、第1グループの乱流発生体23aは長手軸線25に対し第1角度αを成し、第2グループの乱流発生体23bは長手軸線25に対し第2角度βを成している。この形態で、第1、第2の両乱流発生体間の角度26は90°より大となっている。その結果菱形の凹所24が生ずる。長手軸線25に対する乱流発生体23a、23bの異なる傾きにより、荷重方向に関し静翼13の異なる剛性が生ずる。従って、種々の周辺条件への良好な適合が達成される。
【0031】
図6の形態では、夫々6つの乱流発生体23で六角形の凹所24を形成している。静翼13の剛性を著しく高めるハニカム構造が生じている。
【0032】
勿論、乱流発生体23の異なる適当な配置構造も利用できる。乱流発生体23を、図4〜図6に示す凹所24が生ずるよう配置するとよい。これら凹所24は平面的に見て閉鎖断面を有し、従って大きな剛性を有している。或いはまた、乱流発生体23をV又はX形に配置することもできる。
【0033】
勿論、乱流発生体23は動翼14に設けてもよい。図7はそのような動翼14を概略的に示す。この動翼14は、乱流発生体23を種々に配置した複数の部分28、29、30を有している。その1つの部分28の配置は図4に相当し、残りの2つの部分29、30は夫々図5、図6に相応している。個々の部分28、29、30は互いに間隔を隔てている。部分28、29、30間の範囲で、安価な製造費用で動翼14の横断面変化又は形状変化が行われる。必要な剛性を得るため、外側壁19、20の壁厚dをこれらの移行範囲で相応して高める。乱流発生体23の種々の配置を利用することで、動翼14の個々の部分28、29、30における剛性に的確に影響を与えることができる。従って、長手軸線25に沿った種々の周辺条件への良好な適合が生ずる。
【0034】
部分28、29、30は、図8に静翼13を参照して概略的に示すように連続してもよい。その場合、個々の部分28、29、30の乱流発生体23は、交点(図示せず)で相互に接する。これに伴い、静翼13はその長手軸線25に沿って連続的に強化される。
【0035】
本発明によれば、熱交換を改善すべく設ける乱流発生体を適切に配置することで、剛性を高めることができる。荷重が同じ場合、外側壁19、20の壁厚dを薄くできる。この壁厚の減少に伴い冷却効果が増大するので、全体としてタービン10の高い総合効率が生ずる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 回転機械の縦断面図。
【図2】 本発明に基づくタービン翼の破断斜視図。
【図3】 図2におけるX部の拡大図。
【図4】 本発明に基づくタービン翼外側壁内側面の第1実施例の正面図。
【図5】 本発明に基づくタービン翼外側壁内側面の第2実施例の図4に相当する図。
【図6】 本発明に基づくタービン翼外側壁内側面の第3実施例の図4に相当する図。
【図7】 本発明に基づく動翼の概略構成図。
【図8】 本発明に基づく静翼の概略構成図。
【符号の説明】
10 タービン
11 車室
12 ロータ
13 静翼
14 動翼
19 タービン翼外側壁
20 タービン翼外側壁
23 乱流発生体
25 タービン翼長手軸線
Claims (10)
- 壁(19、20、21)で囲まれて冷却流体が供給される少なくとも1つの通路(22)を備え、その少なくとも1つの壁(19、20)に該壁(19、20)と冷却流体との熱交換を改善するための複数の乱流発生体(23)が設けられた翼(13、14)において、一方の壁に設けられた前記乱流発生体(23)が前記壁(19、20)を強化するために使われ、互いに交差し合っており、前記乱流発生体(23)が、これら乱流発生体(23)が多角形をした互いに並び重なり合って位置する凹所を形成するよう配置されたことを特徴とする翼。
- 乱流発生体(23)が真っ直ぐに形成されたことを特徴とする請求項1記載の翼。
- 全ての乱流発生体(23a、23b)が翼(13、14)の長手軸線(25)に対し同じ角度(α、β)を成すことを特徴とする請求項2記載の翼。
- 乱流発生体(23a、23b)が相互に直角(26)を成すことを特徴とする請求項2又は3記載の翼。
- 第1グループの乱流発生体(23a)が翼(13、14)の長手軸線(25)に対し第1角度(α)を成し、第2グループの乱流発生体(23b)が翼(13、14)の長手軸線(25)に対し第2角度(β)を成すことを特徴とする請求項2記載の翼。
- 壁(19、20)の壁厚(d)が少なくとも乱流発生体(23)間の範囲で減少されたことを特徴とする請求項1から5の1つに記載の翼。
- 翼(13、14)が、乱流発生体(23)を様々に配置した複数の部分(28、29、30)を有することを特徴とする請求項1から6の1つに記載の翼。
- 部分(28、29、30)が互いに間隔を隔てて配置されたことを特徴とする請求項7記載の翼。
- 部分(28、29、30)が互いに接していることを特徴とする請求項7記載の翼。
- 翼が回転機械(10)の静翼(13)又は動翼(14)として形成されたことを特徴とする請求項1から9の1つに記載の翼。
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