JP4929097B2 - ガスタービン翼 - Google Patents

Description

本発明は内部冷却構造を有するガスタービン翼に関する。

近年、熱効率向上のためにガスタービンの作動ガスは高温化する傾向にあり、それにはガスタービン翼の冷却性能の向上が重要な課題である。例えば、内部に冷却構造を有するガスタービン翼では、翼内部に冷却空気を流通させて冷却空気との熱交換によりガスタービン翼を冷却するが、翼後縁部では冷却空気の通路高さが十分に確保できない。そこで、翼内部の後縁側ではピンフィン冷却構造を採用し、背側と腹側の被冷却面（翼の内壁面）の間にピンフィンを設けることが多い。ピンフィン冷却構造は、応力や振動に対する強度の確保の面でも効果的である。しかし、一般にピンフィン冷却は圧力損失の割に冷却効率が低いという憾みがある。

ピンフィン冷却構造の冷却性能を強化する技術としては、例えばピンフィンを備えた冷却通路に凹部（ディンプル）を設置し付加的な渦動により冷却性能の向上を狙ったものがある（特許文献１等参照）。

特開２００５−１４７１３２号公報

通常、ガスタービン翼は圧縮機から抽気された空気で冷却されるため、冷却空気量の増加はガスタービン全体の熱効率を低下させる。また、一般に冷却効率の高い冷却構造は傾向として圧力損失が大きくなるが、ガスタービン翼内の冷却空気の流れは圧縮機抽気とタービン主流の圧力差によるため、冷却構造の圧力損失が過剰に大きくなると、冷却に要する空気流量をガスタービン翼へ供給することができなくなる。よって、ガスタービン翼の健全性を維持しながらガスタービンの熱効率を向上させるためには、少ない冷却空気量で十分な熱交換性能を発揮する必要がある。熱交換性能Ｋは、Ｎｕ：ヌセルト数、ｆ：圧力損失係数としたとき、Ｋ＝Ｎｕ／ｆ^１／３で表される。

しかしながら、前出の特許文献１に記載された技術等に見られる凹部による冷却促進を翼後縁のような薄肉部分に適用すると次のような問題が懸念される。

１つ目は、翼の内壁に凹部を設けることで翼壁が薄くなることから、翼壁の厚さ方向の温度勾配が大きくなり、熱応力の増大により健全性が低下することである。

２つ目は加工性に関することである。具体的には、翼後縁は空力性能の向上のために薄肉化されているから、強度上必要とされる翼壁の厚さと実際の翼壁の厚さの差（設計マージン）を多く採ることが難しい。一般にピンフィン通路は中子を用いた精密鋳造によって製作されるが、中子の位置決め精度は先の設計マージンにも左右されるため、翼壁に凹部を設けてさらに薄い部分を作るとより高い位置決め精度が要求され、翼製造時の歩留まりの低下を招く。

本発明は上記に鑑みなされたもので、ピンフィン冷却構造の圧力損失を抑えつつ冷却性能を向上させることができるガスタービン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は、ピンフィン冷却通路において、被冷却面と接する底面の頂角を上流側に向け、被冷却面から離れた頂点が冷却空気上流側へ偏っている三角錐状の渦発生体をピンフィンの上流側に配置する。

本発明によれば、ピンフィン冷却構造の圧力損失を抑えつつ冷却性能を向上させることができる。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

＜第１の実施の形態＞
図１は本発明のガスタービン翼の第１の実施の形態の周方向断面図、図２はその径方向断面図である。図１の周方向断面図はガスタービンのロータと同心の円筒面で切断した断面を表しており、図２の径方向断面図はロータの回転中心を通り径方向に延びる面で切断した断面を表している。

ガスタービンは、圧縮機で圧縮された圧縮空気を燃焼器にて燃料とともに燃焼し、その燃焼ガスをタービンに導いてタービンの回転動力を得る。本発明は高温の燃焼ガスに晒されるタービンの静翼又は動翼に適用される。図１及び図２に示したガスタービン翼１は、本発明をタービン初段静翼に適用した冷却翼を例示している。ガスタービン翼１に供給される冷却媒体には、燃焼用の圧縮空気を生成する先の圧縮機から抽気した圧縮空気を利用することとするが、場合によっては系外に別途設けた圧縮機からの圧縮空気や空気以外のアンモニア等の冷媒を利用することもできる。

図示したように、ガスタービン翼１は中空構造となっており、内部空間は隔壁２によって前縁側の空洞部（前室）と後縁側の空洞部（後室）の２室に分けられている。隔壁２には連通孔７が設けられており、前室と後室は連通孔７を介して接続している。前室と後室の内側には、インピンジ冷却用の前側コアプラグ３と後側コアプラグ４がそれぞれ挿入されている。これらコアプラグ３，４にはインピンジ孔２８（図１参照）が穿設されている。コアプラグ３，４には、矢印９（図２参照）で示すように、翼根部側（図２中の上側）に設けた空気流入口５を経由して圧縮機から抽気された冷却空気が導かれる。コアプラグ３，４内の冷却空気は、それぞれインピンジ孔２８から高速噴流となって噴き出し、ガスタービン翼１の互いに対向する内壁面、すなわち腹側被冷却面６ｂと背側被冷却面６ａを衝突冷却する。

衝突冷却に使われた冷却空気のうち、一部は翼前縁部や腹側部分に設けたフィルム孔８（図１参照）からフィルム冷却空気としてガスパスに放出され、残りは後室の翼後縁側に設けたピンフィン通路１０を通りガスタービン翼１の最後縁部からガスパスに放出される。ピンフィン通路１０には、腹側冷却面６ｂから背側冷却面６ａに渡された円柱状のピンフィン１１が複数設けられている。最後縁部から放出される冷却空気は、矢印２７に示したようにピンフィン通路１０を流通し、ピンフィン１１を冷却する。ピンフィン１１は、ピンフィン通路１０内の冷却空気の流通方向（本例ではコード方向、すなわち図２中の左から右向き）に直交する向き（本例ではスパン方向、すなわちタービン径方向）に並べられている。そして、このスパン方向に並んだピンフィン１１の列がコード方向に複数列設置され、なおかつコード方向に隣接する列同士のピンフィン１１がスパン方向に半ピッチずれた状態で配列されており、全体としてピンフィン１１は周方向から見て千鳥状に配列されている（図２参照）。

なお、本実施の形態では翼後縁の冷却にのみピンフィン冷却を採用した場合を例に挙げているが、ピンフィンの設置場所を限定する趣旨ではなく、例えば動翼の内部冷却で一般に用いられるサーペンタイン冷却空気通路内に設置されることもある。また、各ピンフィン１１の直径が等しい場合を図示しているが、これもピンフィン１１の形状を限定する趣旨ではない。配置についても千鳥状の配置である必要は必ずしもない。

図３はピンフィン通路１０付近を拡大して表す径方向断面図である。

ガスタービン翼１は空力性能の観点から最後縁部に近付くほど翼厚さが薄くなっているため、ピンフィン通路１０の通路高さも後縁側ほど低くなる。本実施の形態では、ピンフィン通路１０の腹側被冷却面６ｂと背側被冷却面６ａに三角錐状の渦発生体１４が突設されている。

図４はピンフィン通路１０の俯瞰図、図５は平面図である。

図４及び図５に示すように、個々の渦発生体１４は、対応付けられたピンフィン１１の被冷却面との接面の中心（ピンフィン１１の軸心）を原点Ｏとし、原点Ｏから冷却空気の流れ方向にｘ軸をとった場合、ｘ軸の延長線上に位置し、対応付けられたピンフィン１１に対して冷却空気の流れ方向の直上流位置に配置されている。また渦発生体１４は、冷却空気の流れ方向の直下流側に位置する対応のピンフィン１１の前列（冷却空気の流れ方向上流側に隣接する列）のピンフィン１１に対してｘ軸方向に沿った占有面積（ｙ軸方向から見た投影面積）が重ならないように、ピンフィン１１の列間に設置されている。つまり、冷却空気の流れ方向と直交する方向から見た場合、ピンフィン１１と渦発生体１４の投影面積が重複しない配列としてあり、渦発生体１４の設置によりピンフィン通路１０の最小断面積が小さくならないように構成されている。

図６（ａ）は渦発生体１４の俯瞰図、図６（ｂ）は三面図である。

ここでは、渦発生体１４の各部について説明する。

まず、三角錐状の渦発生体１４の被冷却面６ａ又は６ｂと接する面１５を底面とする。この底面１５は概略二等辺三角形に形成されている。底面１５の頂角（両斜辺２４の挟角）に対向する（底角に挟まれた）辺を底辺１７とする。この底辺１７は対応のピンフィン１１の冷却空気流れ方向の直上流位置にあり、底面１５の頂角は冷却空気の流れ方向の上流側を向いている。また、渦発生体１４の被冷却面（言い換えれば底面１５）から離間した頂点１６は、底面１５の重心よりも冷却媒体の流れ方向の上流側に偏った形状をしており、本実施の形態では、底面１５の頂角と頂点１６を含む両側面３２がほぼ直角三角形に形成されている。頂点１６が渦発生体１４の最高部である。側面３２の３つの角のうち、底面１５の頂角に接する角がほぼ直角になっている。また、両側面３２の間の面は、頂点１６から冷却空気の流れ方向に向かうにつれて被冷却面に向かって（底辺１７に向かって）直線的に下る斜面３３になっている。この斜面３３も概略二等辺三角形に形成されており、その頂角１９が頂点１６に接している。斜面３３と被冷却面（言い換えれば底面１５）とがなす角を迎え角１８とする。

本実施の形態では、薄発生体１４の設置により、ピンフィン通路１０にピンフィン１１のみを設置した場合に比べ、ピンフィン通路１０の圧力損失の増加を抑えつつ被冷却面１６ａ，１６ｂの冷却効率を向上させることができる。また、作動ガス（燃焼ガス）の高温化により冷却空気と作動ガスの温度差が大きくなると、翼後縁の腹側と背側での温度差が大きくなる。それに伴い翼後縁には過大な熱応力が発生する恐れがあるが、本実施の形態によってガスタービン翼の腹側と背側で生じる温度差を低減し熱応力を緩和することもできる。次にその原理について説明する。

図７は渦発生体１４の周囲の冷却空気の流れを表すモデル図である。

まず、熱伝達率の向上には、冷却空気の流れに被冷却面に垂直な速度成分を与えて熱の輸送を活発にすることが有利である。渦発生体１４は、側面３２に沿って左右に偏向する流れと、斜面３３に沿って被冷却面に向かう下向きの速度成分を持つ流れを作り出す。この２つの流れの境界面にて剪断作用によって縦渦２１が作り出される。渦発生体１４の両側で発生する縦渦２１は互いに逆回転し、縦渦２１，２１の間では被冷却面に向かう下降流２２が、縦渦２１の外側（両縦渦２１，２１の互いに遠い側）では上昇流２３が誘起される。こうした流れ２２，２３の発生により、ピンフィン通路１０の中央部付近にある被冷却面近傍の流体よりも低温の流体が被冷却面近傍に移動し、ピンフィン１１や被冷却面６ａ，６ｂの冷却性能が向上する。さらに、縦渦２１は冷却空気を被冷却面に押し付け、押し付けた冷却空気を被冷却面に沿って下流へ移動させるように作用するので、被冷却面６ａ，６ｂの広範囲に渡って冷却性能の向上が期待できる。ピンフィン１１は単独でも冷却空気に縦渦を発生させる作用があるが、渦発生体１４をピンフィン１１の上流側に設置することにより、渦発生体１４の作り出す縦渦とピンフィン１１の近傍の流れが干渉し縦渦の効果が強められる。

また、冷却空気の流れの圧力損失は、被冷却面との摩擦による摩擦損失と局所損失とに大別される。ここで言う局所損失とは、被冷却面からの流れの剥離により生じる圧力損失を意味する。局所損失は摩擦損失に比べ大きくなり易く、流れ場に剥離領域が現れると圧力損失が急激に増加する。渦発生体１４は冷却空気の流れ方向に垂直な面を持たず、渦発生体１４の近傍において流れの剥離が起こり難い。そのため、圧力損失の増加が抑制される。さらに、渦発生体１４の両側に発生した２つの縦渦２１は、互いに干渉し被冷却面に押し付け合うので、対向側の被冷却面近傍の流れに与える影響は少ない。したがって、被冷却面６ａ，６ｂにそれぞれ設ける渦発生体１４の形状や数を変えれば、被冷却面６ａ，６ｂの冷却効率をそれぞれ調整することができ、被冷却面６ａ，６ｂの冷却効率に差をつけ、ガスタービン翼の腹側と背側で生じる温度差を調整し熱応力を緩和することもできる。

また、ピンフィン通路１０内の上流部分には助走区間（一般にピンフィン通路１０のうちの上流から１〜４列目のピンフィンが設置されたあたりの領域を言う）と呼ばれる低熱伝達率の領域がある。この助走領域は、冷却空気の流れがピンフィン通路１０に流入して十分に乱れるのに要する区間であり、冷却空気が乱流化しつつある領域である。渦発生体１４は乱流促進の効果があるので、渦発生体１４の設置により助走区間が短縮され、十分に乱流化された領域を広く確保することができ、冷却性能をさらに向上させることができる。

なお、渦発生体１４の迎え角１８を大きくすると縦渦２１の作用は強くなり、頂角１９を大きく、底辺１７を長くすると２つの縦渦２１の間隔が広がる。迎え角１８、頂角１９のいずれも大きい方が冷却性能の向上が期待されるが、これらの値の組み合わせによっては渦発生体１４の近傍で流れが剥離し、渦の生成が妨げられるとともに圧力損失の増大が懸念される。

そこで、本願発明者等は、渦発生体１４による伝熱促進効果をモデル試験により検討した。モデル試験ではピンフィン１１が千鳥状に配置されたピンフィン通路１０において、対向する２面の被冷却面のうちの片側にのみ渦発生体１４を設置した。渦発生体１４の高さ２６（図６（ｂ）参照）はピンフィン通路１０の高さ（ピンフィン１１の高さ）の約半分に設定し、表１のように形状の異なる渦発生体Ａ〜Ｄについて、ピンフィン通路１０での圧力損失係数、ヌセルト数を測定した。ピンフィン１１の配置、すなわちピッチ２９，３０のとり方は図５と同じ態様とした。また、ピンフィン１１及び対応の渦発生体１４の間の冷却空気の流れ方向（ｘ軸方向）にとった距離３１は、隣り合うピンフィン１１の列の間の距離（ピンフィンのｘ軸方向ピッチ）２９の半分以下に設定されている。

図８〜図１２はモデル試験の試験結果を表したグラフである。図８〜図１２とも、横軸にピンフィン径に基づくレイノルズ数をとっている。

図８及び図９は、渦発生体設置時のヌセルト数と非設置時（ピンフィンのみ）のヌセルト数の比を縦軸に採ったもので、ピンフィン１１の直上流側に渦発生体１４を設置したときの結果である。図８は渦発生体１４を設置した被冷却面上のヌセルト数、図９はその対向面（渦発生体非設置面）上のヌセルト数をそれぞれ示している。これら図８及び図９のグラフでは、同じ横軸の値で縦軸の値が大きいほど冷却性能が高いことを意味する。

図１０は渦発生体設置時と非設置時の圧力損失係数の比を縦軸に採ったもので、ピンフィン１１の直上流側に渦発生体１４を設置したときの結果である。図１０のグラフでは、同じ横軸の値で縦軸の値が小さいほど圧力損失が小さく望ましい構造であることを意味する。

図１１及び図１２は渦発生体設置時の熱交換性能と非設置時の熱交換性能の比を縦軸に採ったもので、図１１はピンフィン１１の斜め上流側に渦発生体を設置した場合、図１２はピンフィン１１の直上流側に設置した場合の結果である。これら図１１及び図１２のグラフでは縦軸の値が大きいほど冷却性能が良いことを意味する。次に表１に示した渦発生体記号（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）に対する各試験結果について考察する。

＜熱交換性能＞
まず、渦発生体１４と熱交換性能の関係を検討する。図１２に示すようにピンフィン１１の直上流側に渦発生体１４を設置した場合、ガスタービン定格運転時の条件に相当するレイノルズ数５．０×１０^４〜７．０×１０^４の間の値を見ると、モデルＢの熱交換性能に約７％の向上が見られた。モデルＣでは約４％、モデルＡ，Ｄでは２％の熱交換性能の向上が見られた。

それに対し、ピンフィン１１の斜め上流側に渦発生体１４を設置した場合、図１１に示されているように、各モデルとも熱交換性能の多少の向上は見られるものの、向上幅は最大で２％程度に留まっている。

このようにピンフィン１１の上流側に渦発生体１４を設置することにより熱交換性能が向上し、特に渦発生体１４をピンフィン１１の直上流側に設置した場合に高い効果が確認された。

＜冷却性能＞
次に、渦発生体１４の形状と冷却性能の関係について検討する。図８は設置した渦発生体１４の形状によるヌセルト数の増加を表している。図８はピンフィンの直上流側に渦発生体を設置した場合の結果であるが、モデルＡで１２％、モデルＢで７〜８％ほどヌセルト数が向上している。渦発生体１４の迎え角１８が小さく、かつ頂角１９が大きいものほどヌセルト数の向上効果が大きくなる。また、頂角４０°のモデルＣ，Ｄではヌセルト数の向上効果が十分に認められないため、渦発生体１４の頂角が４０°未満では効果が期待できない。したがって、頂角は４０°以上であることが望ましい。

＜圧力損失＞
図１０に示す圧力損失係数は、レイノルズ数５．０×１０^４〜７．０×１０^４の領域で、モデルＡの圧力損失係数が２５%増加しており、他のモデルＢ〜Ｄに対し圧力損失係数の増加が顕著である。モデルＡではヌセルト数が１２％向上したにも関わらず、圧力損失の増加のために熱交換性能の向上は２％程度に止まった（図１２参照）。一方、他のモデルＢ〜Ｄについては設置／非設置で圧力損失係数の大きな変化が見られず、非設置の場合に対して３％程度の増加に抑えられている。

以上の通り、モデルＡ〜Ｄを比較する限りにおいては、頂角１９は４０°以上であることが望ましい。その一方で、渦発生体１４の頂角１９は８０°以上、迎え角１８は１５°以下の条件で圧力損失係数が急増する結果となった。頂角１９が８０°で迎え角１８が１５°の場合、ピンフィン通路１０の通路高さをｈ（渦発生体１４の高さが約ｈ／２）とすると、渦発生体１４を上流から見た投影断面積は約０．８ｈ^２となる。モデルの上流からの投影面積の増加とともにヌセルト数と圧力損失係数は増加するが、０．８ｈ^２付近を境に圧力損失係数の増加がヌセルト数の増加を上回り、熱交換性能が悪くなると考えられるので、モデルの上流からの投影面積が０．８ｈ^２以下となるようにすることが望ましい。以上の結果、渦発生体１４は、頂角１９が４０°以上、迎え角１８が１５°以上、上流からの投影断面積が０．８ｈ^２以下の条件を満たす形状とすることが望ましい。

なお、渦発生体１４は鋳造等によってガスタービン翼１と一体成形されるが、意図せずして角部に丸みを帯びたり被冷却面との接触部に段差が生じたりすることがある。本願明細書に言う渦発生体１４の概略三角錐形状とは、こうした製造誤差等に起因する形状のバラツキは許容され、発明の範疇に含まれる。さらに、意図的に角部を面取り加工したり斜面３３や側面３２等を曲面に変更したりすることも考えられる。

また、ガスタービン翼の熱応力の抑制や冷却空気量の削減のためには翼表面温度を一様に保つことが望ましい。しかし、ガスタービン翼の各部が晒される作動ガス（燃焼ガス）や冷却空気の熱的状態は異なるので、温度一様化のためには両者の熱的条件に合わせて冷却構造の配置・種類を変化させなければならない。この場合、渦発生体１４の形状パラメータをコード方向位置やスパン方向位置によって変化させることでメタル温度の均一化を図ることができる。具体的には、熱伝達率の低いピンフィン通路入口側や、熱負荷の高い翼スパン方向中央部付近で縦渦が強くなるよう、渦発生体の高さ２６、頂角１９、迎え角１８の大きさを変えることが挙げられる。

＜第２の実施の形態＞
図１３（ａ）は本発明のガスタービン翼の第２の実施の形態の径方向断面図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）の矢印XIIIb方向から見た部分破断図である。図１３（ａ）の図示は図３に対応している。図１３（ｂ）では破線が背側被冷却面６ａに接する構造物（本例ではピンフィン１１のみ）、実線が腹側被冷却面６ｂに接する構造物（本例ではピンフィン１１と渦発生体１４）の配置を表している。図１３（ａ）は図１３（ｂ）のXIIIa−XIIIa断面による断面を表している。渦発生体１４の概形、ピンフィン１１との位置関係等は第１の実施の形態と同様であるが、渦発生体１４をガスタービン翼の腹側被冷却面６ｂにのみ設置した点が第１の実施の形態と異なる。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

ガスタービン翼は背側に比べて腹側の熱負荷が高いため、メタル温度を均一にするためには腹側６ａの冷却性能を背側６ｂに比べて強化する必要がある。しかしながら、被冷却面６ａ，６ｂはほぼ対称な形状であるため互いの熱伝達率はほぼ等しくなる。そこで、本実施の形態のように、渦発生体１４を被冷却面６ａ，６ｂのうち腹側被冷却面６ｂのみに配置することで、腹側被冷却面６ｂの熱伝達率を向上させ背側被冷却面６ａに対して腹側被冷却面６ｂの冷却性能を強化することができる。これは、渦発生体１４が生じさせた縦渦２１により腹側被冷却面６ｂに冷却空気が押し付けられ、腹側被冷却面６ｂの冷却効果が向上することによる。このように渦発生体１４を対向する２つの被冷却面の一方にのみ配置することで、腹側被冷却面６ａと背側被冷却面６ｂの両面の温度を均一化し、熱応力を低く抑え，ガスタービン翼の健全性を向上させることができる。

前出の図８の渦発生体設置面側のヌセルト数と図９の渦発生体非設置面側の結果を比較すると、非設置面側の方がモデル変更に伴うヌセルト数の変化が小さいことが判る。これは、モデルＡ〜Ｄの設置による影響が渦発生体設置面の対向面側に及んでいないことを示している。このように渦発生体１４を用いることでピンフィン通路１０のように通路高さが低い通路であっても、腹側被冷却面６ｂと背側被冷却面６ａの冷却を選択的に強化することができる。

＜第３の実施の形態＞
図１４（ａ）は本発明のガスタービン翼の第３の実施の形態の径方向断面図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）の矢印XIVb方向から見た部分破断図である。図１４（ａ）の図示は第１の実施の形態の図３に対応している。図１４（ｂ）では破線が背側被冷却面６ａに接する構造物（ピンフィン１１と渦発生体１４’）、実線が腹側被冷却面６ｂに接する構造物（ピンフィン１１と渦発生体１４）の配置を表している。図１４（ａ）は図１４（ｂ）のXIVa−XIVa断面による断面を表している。渦発生体１４の概形、ピンフィン１１との位置関係等は第１の実施の形態と同様であるが、背側被冷却面６ｂに設置した渦発生体１４’が腹側被冷却面６ｂに設置した渦発生体１４よりも小さい点が第１の実施の形態と異なる。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態では、腹側被冷却面６ｂに設置した渦発生体１４の高さが背側被冷却面６ａに設置した渦発生体１４’に比べ大きくしているので、渦発生体１４’による縦渦に比べて渦発生体１４による縦渦が強く、腹側被冷却面６ｂの冷却作用が強い。これにより、背側被冷却面６ａに比べて熱負荷が高い腹側被冷却面６ｂの冷却効果を高めることができるため、被冷却面６ａ，６ｂの温度差を抑制することができる。したがって、被冷却面６ａ，６ｂ間のメタル温度を均一化し、熱応力を低く抑え、ガスタービン翼の健全性を向上させることができる。

＜第４の実施の形態＞
図１５（ａ）は本発明のガスタービン翼の第４の実施の形態の径方向断面図、図１５（ｂ）は図１５（ａ）の矢印XVb方向から見た部分破断図である。図１５（ａ）の図示は第１の実施の形態の図３に対応している。図１５（ｂ）では破線が背側被冷却面６ａに接する構造物（ピンフィン１１と渦発生体１４）、実線が腹側被冷却面６ｂに接する構造物（ピンフィン１１と渦発生体１４）の配置を表している。図１５（ａ）は図１５（ｂ）のXVa−XVa断面による断面を表している。渦発生体１４の概形、ピンフィン１１との位置関係等は第１の実施の形態と同様であるが、背側被冷却面６ｂよりも腹側被冷却面６ｂに渦発生体１４を多く設置した点が第１の実施の形態と異なる。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態では、両被冷却面６ａ，６ｂにおいて上流側に渦発生体１４を設置したピンフィン１１の列５０と、腹側被冷却面６ｂのみに上流側に渦発生体１４を設置したピンフィン１１の列５１を、冷却空気の流れ方向に交互に配置することで、腹側被冷却面６ｂに設置した渦発生体１４を背側被冷却面６ａに設置した渦発生体１４に対して多くした場合を例示している。これにより、背側被冷却面６ａに比べて熱負荷が高い腹側被冷却面６ｂの冷却効果を高めることができるため、被冷却面６ａ，６ｂの温度差を抑制することができる。したがって、被冷却面６ａ，６ｂ間のメタル温度を均一化し、熱応力を低く抑え、ガスタービン翼の健全性を向上させることができる。

本発明のガスタービン翼の第１の実施の形態の周方向断面図である。 本発明のガスタービン翼の第１の実施の形態の径方向断面図である。 ピンフィン通路付近を拡大して表す径方向断面図である。 ピンフィン通路の俯瞰図である。 ピンフィン通路の平面図である。 渦発生体の俯瞰図および三面図である 渦発生体の周囲の冷却空気の流れを表すモデル図である。 伝熱特性の実験結果を表す特性図である。 伝熱特性の実験結果を表す特性図である。 伝熱特性の実験結果を表す特性図である。 伝熱特性の実験結果を表す特性図である。 伝熱特性の実験結果を表す特性図である。 本発明のガスタービン翼の第２の実施の形態の径方向断面図及び部分破断図である。 本発明のガスタービン翼の第３の実施の形態の径方向断面図及び部分破断図である。 本発明のガスタービン翼の第４の実施の形態の径方向断面図及び部分破断図である。

符号の説明

１ ガスタービン翼
６ａ 背側被冷却面
６ｂ 腹側被冷却面
１０ ピンフィン冷却通路
１１ ピンフィン
１４ 渦発生体
１５ 底面
１６ 頂点
１７ 底辺
１８ 迎え角
１９ 頂角
２１ 縦渦
２４ 斜辺
２６ 高さ
２９ ピンフィンのピッチ
３１ ピンフィンと渦発生体の距離
３２ 側面
３３ 斜面
ｈ 被冷却面間の距離
Ｏ 原点

Claims (7)

1. 背側及び腹側の対向する２つの被冷却面によって構成される冷却通路を内部に有するガスタービン翼において、
   前記２つの被冷却面間に渡したピンフィンと、
   少なくとも腹側の前記被冷却面に突設した三角錐状の渦発生体とを備え、
   前記渦発生体は、前記被冷却面に接する底面の１つの角を冷却媒体の流れ方向の上流側に向けて配置され、前記被冷却面から離間した頂点が冷却媒体の流れ方向の上流側に偏った形状をしており、前記ピンフィンに対して冷却媒体の流れ方向の上流側に配置され、
   前記渦発生体の作り出す縦渦が前記ピンフィンの近傍の流れに干渉し強化されるように構成されていることを特徴とするガスタービン翼。
2. 請求項１のガスタービン翼において、
   前記渦発生体は、対応付けられたピンフィンの前記被冷却面との接面の中心を原点とし、原点から冷却媒体の流れ方向にｘ軸をとった場合、ｘ軸の延長線上に位置し、対応のピンフィンに対して冷却媒体の流れ方向の直上流位置に配置されていることを特徴とするガスタービン翼。
3. 請求項２のガスタービン翼において、
   冷却媒体の流れ方向に直交する向きに並んだ前記ピンフィンの列が冷却媒体の流れ方向に複数列設置され、前記ピンフィン及び対応の渦発生体の間の前記ｘ軸方向にとった距離が、隣り合うピンフィンの列の間の距離の半分以下であることを特徴とするガスタービン翼。
4. 請求項１のガスタービン翼において、
   前記渦発生体は、前記頂点から冷却媒体の流れ方向に向かうにつれて被冷却面に向かって下る斜面が被冷却面との間になす角が１５°以上、前記斜面の前記頂点をなす頂角が４０°以上に設定されていることを特徴とするガスタービン翼。
5. 請求項４のガスタービン翼において、
   前記２つの被冷却面間の距離をｈとしたとき、冷却空気の流れ方向上流側から見た前記渦発生体の投影面積が０．８ｈ^２以下であることを特徴とするガスタービン翼。
6. 請求項１のガスタービン翼において、
   背側の被冷却面に対し、腹側の被冷却面に前記渦発生体を多く配置したことを特徴とするガスタービン翼。
7. 請求項１のガスタービン翼において、
   背側の被冷却面に設けた渦発生体に対し、腹側の被冷却面に設けた渦発生体の高さを高くしたことを特徴とするガスタービン翼。
   

Images