JP4845957B2 - インピンジメント冷却構造 - Google Patents

Description

発明の背景

発明の技術分野
本発明は、タービンシュラウドやタービンエンドウォールの高温壁を冷却するインピンジメント冷却構造に関する。

関連技術の説明
近年熱効率向上のためにガスタービンの高温化が進められており、この場合のタービン入口温度は１２００℃〜１７００℃程度にまで達する。かかる高温下において金属製のタービン部品は、材料の耐用限界温度を超えないように冷却が必要である。

このようなタービン部品の一例は、図１に示すタービンシュラウド３１であり、図２の断面図に示すように、複数のタービンシュラウド３１を周方向に接続してリング形状に構成し、高速回転するタービン翼３２の先端面から間隔を隔てて囲み、その隙間を流れる高温ガスの流量を抑制する機能を有する。
従って、タービンシュラウド３１の内面は常に高温ガスに曝されている。また同様にタービンエンドウォールの内面も高温ガスに曝されている。
なお、この図において３３はタービンシュラウド３１を固定するためのエンジン内面等の固定部分、３４は固定金具である。

上述したタービンシュラウドやタービンエンドウォールの高温壁を冷却するために、図３Ａ，図３Ｂに示すようなインピンジ冷却孔３５、乱流促進体３６（又はフィン付き平滑流路）、フィルム冷却孔３７などを単独又は組合わせた冷却構造が従来から用いられている。
しかしこのような冷却構造に用いる冷却空気は、通常、圧縮機で圧縮された高圧空気を使用するため、この冷却空気の使用量が直接的にエンジンの性能に影響を及ぼす問題がある。

そこで、冷却空気の使用量を低減するために、一度インピンジメント冷却させた冷却空気を再度インピンジメント冷却に使用する形態が提案されている（例えば特許文献１、２）。

米国特許第４，５２６，２２６号明細書、“ＭＵＬＴＩＰＬＥ‐ＩＮＰＩＮＧＥＭＥＮＴ ＣＯＯＬＥＤ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ” 米国特許第６，７７９，５９７号明細書、“ＭＵＬＴＩＰＬＥ ＩＮＰＩＮＧＥＭＥＮＴ ＣＯＯＬＥＤ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ”

特許文献１のインピンジメント冷却構造は、図４に示すように、内面３８、外面４０、エッジ４２、４４、リブ４６を有するシュラウド４７と、フランジ４８、５０と、第１バッフル５６と、第２バッフル５８と、流体連通手段とを備え、第１バッフル５６の孔を通る冷却空気でシュラウド外面の上流側をインピンジメント冷却し、さらに同じ冷却空気を第２バッフル５８の孔を通してシュラウド外面の下流側を再度インピンジメント冷却するものである。

特許文献２のインピンジメント冷却構造は、図５に示すように、内面６４と外面６６を有するベース６２と、第１バッフル７０と、キャビティ７２と、第２バッフル７４とを備え、第１バッフル７０の孔を通る冷却空気でベース外面の下流側をインピンジメント冷却し、さらに同じ冷却空気を第２バッフル７４の孔を通してベース外面の上流側を再度インピンジメント冷却するものである。

しかし、特許文献１、２のインピンジメント冷却構造は、半径方向外方に積層された複数の空気室（キャビティ）を設ける必要があるため、従来のシュラウドと比較して全体の厚みが増大する問題点があった。またこれらのインピンジメント冷却構造は、従来のシュラウドと比較して構造が複雑であり製造コストが高くなる問題点があった。

発明の要約

本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、半径方向の全体の厚みを増大させることなく、かつ従来と同程度の簡単な構造で、タービンシュラウドやタービンエンドウォールの高温壁を冷却する冷却空気量を低減することができるインピンジメント冷却構造を提供することにある。

本発明によれば、周方向に連結して高温ガス流を囲むリング形状のシュラウドを構成する複数のシュラウド部材と、該シュラウド部材の半径方向外面に取り付けられその間に中空のキャビティを構成するシュラウドカバーとからなり、
前記シュラウドカバーは、前記キャビティに連通し冷却空気を内部に噴出してキャビティ内面をインピンジメント冷却するための第１インピンジ冷却孔を有し、
前記シュラウド部材は、前記キャビティを複数のサブキャビティに分割する孔付きフィンを有し、
該孔付きフィンは、第１インピンジ冷却孔から流入した冷却空気を隣接するサブキャビティの底面に向けて斜めに噴出する第２インピンジ冷却孔を有する、ことを特徴とするインピンジメント冷却構造が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記シュラウド部材は、高温ガス流に沿って延びこれに直接曝される内面と、該内面より外側に位置し前記キャビティの底面を構成する外面と、高温ガス流の上流側から半径方向外方に延び固定部分に固定される上流側フランジと、高温ガス流の下流側から半径方向外方に延び固定部分に固定される下流側フランジと、を有し、該上流側フランジと下流側フランジは、シュラウドカバーの外側に冷却空気室を構成するようになっており、
前記孔付きフィンは、前記キャビティの底面を構成する外面からシュラウドカバーの内面まで半径方向外方に延び、前記キャビティを高温ガス流に沿って隣接する複数のサブキャビティに分割する。

また、前記上流側フランジ及び／又は下流側フランジは、該フランジの外面に向けて前記キャビティから冷却空気を噴出する第３インピンジ冷却孔を有する。

また、前記シュラウド部材は、前記キャビティから前記内面に冷却空気を噴出するフィルム冷却孔を有する。

また、前記キャビティの底面に乱流を促進する乱流促進体もしくは伝熱面積を拡大する突起又はピンを備える。

また、前記シュラウド部材は、前記キャビティを複数のサブキャビティに分割する孔無しフィンを有し、該孔無しフィンにより冷却空気の流路を２以上に分離する。

また、前記孔付きフィンの半径方向外方端とシュラウドカバーの内面との間に隙間を有し、該隙間の高さΔｈは前記孔付きフィンの高さｈの０．２以下である。

また、前記該孔付きフィンの第２インピンジ冷却孔のサブキャビティ底面に対する角度は４５°以下であり、インピンジ高さｅは、サブキャビティの流路方向長さＬの０．２６以下である。

上記本発明の構成によれば、シュラウドカバーが、シュラウド部材との間に設けられた中空のキャビティ内に冷却空気を噴出してキャビティ内面をインピンジメント冷却するための第１インピンジ冷却孔を有し、
シュラウド部材は、前記キャビティを複数のサブキャビティに分割する孔付きフィンを有し、
該孔付きフィンは、第１インピンジ冷却孔から流入した冷却空気を隣接するサブキャビティの底面に向けて斜めに噴出する第２インピンジ冷却孔を有するので、
シュラウド部材の厚さは従来と同一でよく、シュラウド全体の半径方向の厚みを増すことなく、かつ孔付きフィンを有するだけの従来と同程度の簡単な構造で、タービンシュラウドやタービンエンドウォールの高温壁を冷却する冷却空気量を低減することができる。

すなわち、本発明の冷却構造は、タービンシュラウドおよびエンドウォールの高温壁面に対し、一度インピンジメント冷却に使用した冷却空気を孔付きフィンに設けた斜め孔（第２インピンジ冷却孔）を通して再度インピンジメント冷却に使用することで、冷却空気量の大幅な低減を可能とするものである。
本発明のその他の目的及び有利な特徴は、添付図面を参照した以下の説明から明らかになろう。

従来のタービンシュラウドの斜視図である。 従来のタービンシュラウドの断面図である。 従来の冷却構造の断面図である。 従来の冷却構造の断面図である。 特許文献１のインピンジメント冷却構造の断面図である。 特許文献２のインピンジメント冷却構造の断面図である。 本発明のインピンジメント冷却構造を示す第１実施形態図である。 本発明の構造の第２実施形態を示す断面図である。 本発明の構造の第３実施形態を示す断面図である。 本発明の構造の第４実施形態を示す断面図である。 本発明の構造の第５実施形態を示す断面図である。 本発明の構造の第６実施形態を示す断面図である。 本発明の構造の第７実施形態を示す断面図である。 本発明の構造の第８実施形態を示す断面図である。 冷却効率の模式図と本発明と従来例の構造模式図である。 冷却効率の模式図と本発明と従来例の構造模式図である。 冷却効率の模式図と本発明と従来例の構造模式図である。 冷却効率の模式図と本発明と従来例の構造模式図である。 冷却空気流量ｗｃと高温主流空気流量ｗｇの比（ｗｃ／ｗｇ）と冷却効率ηの関係を示す試験結果である。 フィン先端の隙間Δｈと孔付きフィンの高さｈとの関係を示す説明図である。 軸方向長さとガスパス面メタル温度（主流側金属表面温度）の関係を示す解析結果である。 第２インピンジ冷却孔の角度θと孔付きフィンの高さｈとの関係を示す説明図である。 角度θ＝３０°、４５°における冷却空気流量と平均冷却効率の関係を示す試験結果である。 ｅ／Ｌ＝０．１３、０．２６における冷却空気流量と平均冷却効率の関係を示す試験結果である。 ｅ／Ｌ＝０．１３、０．２６における冷却空気流量と平均冷却効率の関係を示す試験結果である。 ｅ／Ｌ＝０．１３、０．２６における冷却空気流量と平均冷却効率の関係を示す試験結果である。

好ましい実施例の説明

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図６は、本発明のインピンジメント冷却構造を示す第１実施形態図である。

図６において、タービンに流入する主流ガス（高温ガス流１）は、タービン翼３２に仕事をする際に断熱膨張するため、タービンシュラウドの上流側が下流側より高温になる。これを考慮し、この例は上流側の冷却を強化した本発明の基本形である。
なおこの図において、３２は高速回転するタービン翼、３３はタービンシュラウドを固定するためのエンジン内面等の固定部分、３４は固定金具である。

本発明のインピンジメント冷却構造は、複数のシュラウド部材１０とシュラウドカバー２０とからなる。

シュラウド部材１０は、周方向に配置して高温ガス流１を囲むリング形状のシュラウドを構成する。また、シュラウドカバー２０は、シュラウド部材１０の半径方向外面に取り付けられその間に中空のキャビティ２を構成する。

シュラウド部材１０は、高温ガス流１に沿って延びこれに直接曝される内面１１と、内面１１より外側に位置しキャビティ２の底面を構成する外面１３と、高温ガス流１の上流側から半径方向外方に延び固定部分３３に固定される上流側フランジ１４と、高温ガス流１の下流側から半径方向外方に延び固定部分３３に固定される下流側フランジ１５とを有する。
上流側フランジ１４と下流側フランジ１５は、固定部分３３に固定された状態でシュラウドカバー２０の外側に冷却空気室４を構成する。

さらにシュラウド部材１０は、その半径方向外方の中央部にキャビティ２を複数のサブキャビティ２ａ，２ｂ，２ｃに分割する孔付きフィン１２を有する。孔付きフィン１２はこの例では２つであるが、単一でも３以上でもよい。
孔付きフィン１２は、キャビティ２の底面を構成する外面１３からシュラウドカバー２０の内面（図で下面）まで半径方向外方に延び、キャビティ２を高温ガス流に沿って隣接する複数のサブキャビティ２ａ，２ｂ，２ｃに分割する。

また孔付きフィン１２は、第１インピンジ冷却孔２２から流入した冷却空気３を隣接するサブキャビティ２ｂ，２ｃの底面に向けて斜めに噴出する第２インピンジ冷却孔１２ａを有する。

シュラウドカバー２０は、キャビティ２に連通し冷却空気３を内部に噴出してキャビティ内面をインピンジメント冷却するための第１インピンジ冷却孔２２を有する。第１インピンジ冷却孔２２は、この例では高温ガス流１に沿って最も上流側のサブキャビティ２ａに連通し、かつ高温ガス流１に対して垂直な貫通孔である。
しかし、本発明はこの構成に限定されず、第１インピンジ冷却孔２２を中間のサブキャビティ２ｂ又は下流側のサブキャビティ２ｃに連通させてもよい。

また、この例において、上流側フランジ１４及び下流側フランジ１５は、フランジの外面に向けてキャビティから冷却空気を噴出する第３インピンジ冷却孔１４ａ，１５ａをそれぞれ有する。

図６のインピンジメント冷却構造において、高圧の冷却空気３は、まず第１インピンジ冷却孔２２を通りサブキャビティ２ａの底面を構成する外面１３（高温壁）に垂直に衝突し高温壁から熱を吸収する。次に、この冷却空気３は孔付きフィン１２と熱交換しつつ上流側の第２インピンジ冷却孔１２ａに到達し、孔を抜けて再度高温壁（サブキャビティ２ｂの底面を構成する外面１３）に衝突し、壁から吸熱する。また同時に冷却空気３の一部は、上流側フランジ１４と熱交換しつつ第３インピンジ冷却孔１４ａに到達し、孔を抜けてフランジの外面に衝突し、壁から吸熱しながら主流に出る。
さらに、サブキャビティ２ｂに流入した冷却空気３は、孔付きフィン１２と熱交換しつつ下流側の第２インピンジ冷却孔１２ａに到達し、孔を抜けて再度高温壁（サブキャビティ２ｃの底面を構成する外面１３）に衝突し、壁から吸熱する。最後にこの冷却空気３は下流側フランジ１５と熱交換しつつ第３インピンジ冷却孔１５ａに到達し、孔を抜けてフランジの外面に衝突し、壁から吸熱し、主流に出る。

上述した構成により、本発明のインピンジメント冷却構造では、冷却空気再利用およびフィンによる効果で冷却性能が向上することにより、従来型インピンジメント冷却に対し必要冷却空気量を約１／２以下にまで抑えた場合でも、同等の金属温度を維持することが可能になる。

図７は、本発明の構造の第２実施形態を示す断面図である。この例では、第１実施形態（基本型）と比較して、孔付きフィン１２を１つのみとし、上流側フランジ１４の第３インピンジ冷却孔１４ａを無くし、下流側フランジ１５の第３インピンジ冷却孔１５ａのみにしている。その他の構成は第１実施形態（基本型）と同様である。
この構成により、インピンジメント冷却の段数を減らすことができる。また、逆に孔付きフィン１２を増やしてインピンジメント冷却の段数を増やしてもよい。

図８、図９は、本発明の構造の第３、第４実施形態を示す断面図である。この例では、第１実施形態（基本型）と比較して、冷却空気がインピンジメント冷却する最初の位置を変更している。

図１０は、本発明の構造の第５実施形態を示す断面図である。この例では、第１実施形態（基本型）と比較して、第３インピンジ冷却孔１４ａと第３インピンジ冷却孔１５ａを省略し、その代わりに、シュラウド部材１０は、キャビティ２（２ａ，２ｂ，２ｃ）から内面１１に斜めに冷却空気３を噴出するフィルム冷却孔１６ａ，１６ｂを有する。
この構成により、例えば設計要求に従ってフィルム冷却孔により冷却を強化することができる。

図１１は、本発明の構造の第６実施形態を示す断面図である。この例では、第１実施形態（基本型）と比較して、キャビティ２（２ａ，２ｂ，２ｃ）の底面に乱流促進体１７を備える。乱流促進体１７は、流れを乱して熱伝達係数を高める機能を有するピン、突起、等であるのがよい。乱流促進体以外に、伝熱面積の拡大を目的としてより大きな突起・ピン等を備えてもよい。
この構成により、熱伝達係数を高め、伝熱面積を拡大させて冷却を強化することができる。

図１２は、本発明の構造の第７実施形態を示す断面図である。この例では、第１実施形態（基本型）と比較して、メタル温度が高くなる箇所をローカルに冷却するための垂直インピンジ冷却孔（第１インピンジ冷却孔２２）を追加した構造である。

図１３は、本発明の構造の第８実施形態を示す断面図である。この例では、第１実施形態（基本型）と比較して、シュラウド部材１０は、キャビティ２を複数のサブキャビティに分割する孔無しフィン１８を有し、この孔無しフィン１８により冷却空気３の流路を２つに分離する構造である。
この構成により、冷却空気量は増加するが冷却をさらに強化することができる。

上述した本発明の構造の冷却効率を従来例と比較した試験結果を以下に説明する。
図１４Ａに模式的に示すように、タービンシュラウドを模擬した試験片５を製作し、片面に高温ガス１を流し、反対面に冷却空気３を流した状態で試験片５の主流側金属表面温度Ｔｍｇを計測し、冷却効率ηを計算した。
なお冷却効率ηは、η＝（Ｔｇ−Ｔｍｇ）／（Ｔｇ−Ｔｃ）・・・（１）で定義される。ここで、Ｔｇは高温主流空気温度、Ｔｃは冷却空気温度である。
図１４Ｂは試験に用いた本発明の構造（多段傾斜インピンジ）であり、図１４Ｃは従来例１（ピンフィンなし）、図１４Ｄは従来例２（ピンフィン付き）である。その他の条件は同一条件とした。

図１５は試験結果であり、横軸は冷却空気流量ｗｃと高温主流空気流量ｗｇの比（ｗｃ／ｗｇ）であり、縦軸は冷却効率ηである。
この図から、従来例１、２に比べて本発明の冷却効率は高く、例えば０．５の冷却効率を必要とする場合、従来例ではｗｃ／ｗｇは約１．３％であるのに対し、本発明では約０．６％であり、冷却効率ηを維持したままで必要空気量を１／２以下にできることがわかる。

次に、本発明の構造において、フィン先端部の隙間の影響を試験した。
図１６は、孔付きフィン１２の半径方向外方端とシュラウドカバー２０の内面との間の隙間Δｈと孔付きフィンの高さｈとの関係を示す説明図である。この図において、フィン先端とプレート間の隙間Δｈ÷フィン高さｈを、０（隙間無）〜０．２として、冷却空気流量計算及び伝熱解析を実施した
図１７はその解析結果であり、横軸は軸方向長さ、縦軸はガスパス面メタル温度（主流側金属表面温度）、図中の各線は、Δｈ／ｈが、０〜０．２までの解析結果である。
この図から、Δｈ／ｈが０．２程度まではタービンシュラウドの温度は許容値以下であることがわかった。

次に、本発明の構造において、第２インピンジ冷却孔１２ａの角度の影響を試験した。
図１８は、第２インピンジ冷却孔１２ａの角度θとインピンジ高さｅとの関係を示す説明図である。この図において、角度θ＝３０°、４５°、インピンジ高さｅ／冷却室長さＬ＝０．１３， ０．２６として冷却性能試験を実施した。
図１９はその試験結果であり、横軸は冷却空気流量、縦軸は平均冷却効率、図中の黒丸は３０°、白丸は４５°の試験結果である。
この図から、角度を変えても冷却効率に殆ど影響は無いことがわかった。

次に、図１８と同じ条件において、インピンジ高さｅの影響を試験した。
図２０Ａ，Ｂ，Ｃはその試験結果であり、横軸は冷却空気流量、縦軸は平均冷却効率、図中の黒丸はｅ／Ｌ＝０．１３、白丸はｅ／Ｌ＝０．２６の試験結果である。
この図から、インピンジ高さｅ／冷却室長さＬを変えた場合については０．１３の方が冷却効率は良いことがわかる。但し、第２インピンジ冷却孔１２ａの角度θを大きめに取った場合、シュラウド厚みを厚くする必要があるため、重量増・運用時の熱応力増大といった好ましくない影響が出る。従って角度θは４５°程度までが好ましい。またインピンジ高さｅ／冷却室長さＬは小さい方が好ましく、０．２６以下であるのがよい。

上述したように、本発明の構成によれば、シュラウドカバー２０が、シュラウド部材１０との間に設けられた中空のキャビティ２内に冷却空気３を噴出してキャビティ内面をインピンジメント冷却するための第１インピンジ冷却孔２２を有し、
シュラウド部材１０は、キャビティ２を複数のサブキャビティに分割する孔付きフィン１２を有し、
孔付きフィン１２は、第１インピンジ冷却孔２２から流入した冷却空気３を隣接するサブキャビティの底面に向けて斜めに噴出する第２インピンジ冷却孔１２ａを有するので、
シュラウド部材１０の厚さは従来と同一でよく、シュラウド全体の半径方向の厚みを増すことなく、かつ孔付きフィン１２を有するだけの従来と同程度の簡単な構造で、タービンシュラウドやタービンエンドウォールの高温壁を冷却する冷却空気量を低減することができる。

なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

Claims (8)

1. 周方向に連結して高温ガス流を囲むリング形状のシュラウドを構成する複数のシュラウド部材と、該シュラウド部材の半径方向外面に取り付けられその間に中空のキャビティを構成するシュラウドカバーとからなり、
   前記シュラウドカバーは、前記キャビティに連通し冷却空気を内部に噴出してキャビティ内面をインピンジメント冷却するための第１インピンジ冷却孔を有し、
   前記シュラウド部材は、前記キャビティを、前記高温ガス流の方向に複数のサブキャビティに分割する孔付きフィンを有し、
   該孔付きフィンは、前記キャビティの底面を構成する外面からシュラウドカバーの内面に向かって半径方向外方に延び、第１インピンジ冷却孔から流入した冷却空気を隣接するサブキャビティの底面に向けて斜めに噴出する第２インピンジ冷却孔を有し、
   第２インピンジ冷却孔は、冷却空気が流入する第１の開口と、サブキャビティの底面に向けて斜めに冷却空気を噴出する第２の開口と、を有し、
   前記第１の開口は、前記孔付きフィンにおいて、前記高温ガス流の方向と該方向と反対の方向のうち一方の方向を向いている第１の面に形成されており、前記第２の開口は、前記孔付きフィンにおいて、前記高温ガス流の方向と該方向と反対の方向のうち他方の方向を向いている第２の面に形成されている、ことを特徴とするインピンジメント冷却構造。
2. 周方向に連結して高温ガス流を囲むリング形状のシュラウドを構成する複数のシュラウド部材と、該シュラウド部材の半径方向外面に取り付けられその間に中空のキャビティを構成するシュラウドカバーとからなり、
   前記シュラウドカバーは、前記キャビティに連通し冷却空気を内部に噴出してキャビティ内面をインピンジメント冷却するための第１インピンジ冷却孔を有し、
   前記シュラウド部材は、前記キャビティを複数のサブキャビティに分割する孔付きフィンを有し、
   該孔付きフィンは、第１インピンジ冷却孔から流入した冷却空気を隣接するサブキャビティの底面に向けて斜めに噴出する第２インピンジ冷却孔を有し、
   前記シュラウド部材は、高温ガス流に沿って延びこれに直接曝される内面と、該内面より外側に位置し前記キャビティの底面を構成する外面と、高温ガス流の上流側から半径方向外方に延び固定部分に固定される上流側フランジと、高温ガス流の下流側から半径方向外方に延び固定部分に固定される下流側フランジと、を有し、該上流側フランジと下流側フランジは、シュラウドカバーの外側に冷却空気室を構成するようになっており、
   前記孔付きフィンは、前記キャビティの底面を構成する外面からシュラウドカバーの内面に向かって半径方向外方に延び、前記キャビティを高温ガス流に沿って隣接する複数のサブキャビティに分割する、ことを特徴とするインピンジメント冷却構造。
3. 前記上流側フランジ及び／又は下流側フランジは、該フランジの外面に向けて前記キャビティから冷却空気を噴出する第３インピンジ冷却孔を有する、ことを特徴とする請求項２に記載のインピンジメント冷却構造。
4. 前記シュラウド部材は、前記キャビティから前記内面に冷却空気を噴出するフィルム冷却孔を有する、ことを特徴とする請求項２に記載のインピンジメント冷却構造。
5. 前記キャビティの底面に乱流を促進する乱流促進体もしくは伝熱面積を拡大する突起又はピンを備える、ことを特徴とする請求項１に記載のインピンジメント冷却構造。
6. 前記シュラウド部材は、前記キャビティを複数のサブキャビティに分割する孔無しフィンを有し、該孔無しフィンにより冷却空気の流路を２以上に分離する、ことを特徴とする請求項１に記載のインピンジメント冷却構造。
7. 前記孔付きフィンの半径方向外方端とシュラウドカバーの内面との間に隙間を有し、該隙間の高さΔｈは前記孔付きフィンの高さｈの０．２以下である、ことを特徴とする請求項２に記載のインピンジメント冷却構造。
8. 前記孔付きフィンの第２インピンジ冷却孔のサブキャビティ底面に対する角度は４５°以下であり、インピンジ高さｅは、サブキャビティの流路方向長さＬの０．２６以下である、ことを特徴とする請求項２に記載のインピンジメント冷却構造。

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