JP4957131B2 - 冷却構造 - Google Patents
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Description
このようなタービン部品を冷却するために、部品内部に冷却用空気の流路を形成し、部品内部から冷却している。この際、冷却用空気として、通常、圧縮機で生成される高圧空気を使用する。そのため、冷却用空気として使用する空気量が、直接的にガスタービンの性能に影響を及ぼす。
David R.H.Gillespie, Peter T.IreLand, Geoff M.Dailey, "DETAILED FLOW AND HEAT TRANSFER CORFFICIENT MEASUREMENTS IN A MODEL OF AN INTERNAL COOLING GEOMETRY EMPLOYING ORTHOGONAL INTERSECTING CHANNELS", Proceedings of ASME TURBOEXPO 2000 May 8-11, 2000, Munich Germany, 2000-GT-653 Ronald S.Bunker, "LATTICEWORK(VORTEX) COOLING EFFECTIVENESS PART1:STATIONARY CHANNEL EXPERIMENTS", Proceedings of ASME Turbo Expo 2004 Power for Land, Sea, and Air, June 14-17, 2004, Vienna Austria, GT2004-54157 Sumanta Acharya, Fuguo Zhou, Jonathan Lagrone, Gazi Mahmood, Ronald S.Bunker, "LATTICEWORK(VORTEX) COOLING EFFECTIVENESS PART2:STATIONARY CHANNEL EXPERIMENTS", Proceedings of ASME Turbo Expo 2004 Power for Land, Sea, and Air, June 14-17, 2004, Vienna Austria, GT2004-53983
本願発明は、タービンの略軸線方向に流れる高温燃焼ガスに沿って設けられた構造体の冷却構造であって、前記構造体を構成する略背向する二つの壁面と、前記二つの壁面にそれぞれ略平行に配列された複数のリブ同士を格子状に組み合わせて形成した複数の冷却流路を有するラティス冷却構造と、前記二つの壁面に対して立設して前記ラティス冷却構造を前記高温燃焼ガスの進行方向に交差する方向に沿って複数の領域に区分けする仕切部材と、を備えることを特徴とする。
また、前記仕切部材は、前記高温燃焼ガスの進行方向において、前記ラティス冷却構造と同一又は短く形成されることを特徴とする。
また、前記冷却流路に、複数の乱流促進体を設けたことを特徴とする。
また、前記ラティス冷却構造は、前記タービン翼の後縁に設けられた出口孔に連通されていることを特徴とする。
また、前記ラティス冷却構造の前縁側に、前記高温燃焼ガスの進行方向に交差する方向から前記タービン翼内に導入される冷却用空気の流入路が設けられることを特徴とする。
二つの壁面(翼面)間に設けられるラティス冷却構造を、二つの壁面に対して立設する仕切部材によって、高温燃焼ガスの進行方向に交差する方向に沿って複数の領域に区分けしたので、ラティス冷却構造の略全面において良好な冷却効率を実現することができる。これにより、タービンの略軸線方向に流れる高温燃焼ガスに沿って設けられた構造体の二つの壁面を良好に冷却することができる。
仕切部材の高温燃焼ガスの進行方向における長さを任意に設定可能とすることで、冷却効率を任意に調整して、二つの壁面を良好に冷却することが可能となる。
冷却流路に、複数の乱流促進体を設けることで、ラティス冷却構造における冷却効率を更に向上させることができる。
図1は、本実施形態に係る冷却構造X1を備えるタービン翼1を示す斜視図である。図2は、冷却構造X1を備えるタービン翼1の一部断面図である。図3は、冷却構造X1を備えるタービン翼1の横断面図である。
タービン翼1は、動翼であって、その内部に冷却構造X1を備える。冷却構造X1は、タービン軸線C1に対して半径方向に立設し、その壁面に沿って高温燃焼ガスG(図3参照)が流れるタービン翼1の内部に形成された構造であって、冷却用空気Aが流れる冷却流路2を備えている。
流路5は、タービンの半径方向(タービン翼1の高さ方向と略同一方向)に延びる流入路10と、流入路10の後縁1b側に配置されたラティス冷却構造18とを備えている。
流路5のラティス冷却構造18は、複数の流路7C,8Cが格子形に配置された構造を備えるものであって、背側翼面1cに略直交するように立設した複数のリブ7と、腹側翼面1dに略直交するように立設した複数のリブ8とから形成される。
背側翼面1cに略直角に立設する複数のリブ7及び腹側翼面1dに略直角に立設する複数のリブ8は、それぞれタービン翼1の前後方向(前縁1aから後縁1bに向かう方向)に対して所定の角度(例えば20°〜60°等)を有するように配置されている。
そして、背側翼面1cに立設する複数のリブ7と、腹側翼面1dに立設する複数のリブ8は、それぞれの先端部が、背側翼面1c及び腹側翼面1dから等距離の中間面付近で、接触するように形成されている。
また、背側翼面1c及び腹側翼面1dには、流路5(流入路10,ラティス冷却構造18)に連通された複数のフィルム孔を設けてもよい。
不図示の圧縮機側から導入された空気は、不図示の燃焼器で燃料が混合され、更に燃焼されて高温燃焼ガスGとなる。そして、高温燃焼ガスGは、タービン翼1の前縁1aに衝突した後、背側翼面1c及び腹側翼面1dに沿って後縁1b側に流れる。
一方、圧縮機側から導入された空気の一部は、タービン翼1の冷却用空気Aとして、導入口12から、流入路10内に導入される。
このような動作を繰り返すことで、冷却用空気Aは、ラティス冷却構造18内を、螺旋状に旋回しながら、後縁1b側に向けて流れる。
そして、このとき、冷却用空気Aが流路7Cから流路8C、或いは流路8Cから流路7Cへ流入する際の流れの急な方向転換に伴う複雑な流れの場により、高い熱伝達が誘起され、翼面1c,1dは、複数のリブ7,リブ8を介して、また直接、冷却用空気Aとの間で熱交換が行われて冷却される。
仕切板19は、ラティス冷却構造18に複数設けられ、ラティス冷却構造18をタービンの半径方向に複数の領域に区分けしている。これにより、ラティス冷却構造18の全域において、高い冷却効率が得られるようになっている。
なぜなら、ラティス冷却構造18は、その前後方向の長さに比べて、半径方向(高さ方向)の長さが大きいので、流路7C,8Cに流入した冷却用空気Aの多くは、チップ面1eやハブ面1fに衝突することなく、流路7C,8Cに沿ってそのまま後縁1b側に流れ、複数のスロット冷却孔21を介してタービン翼1外に排出されてしまうからである。
このため、流路7C,8Cとの間を折り返す冷却用空気A(仕切り板19や背側翼面1c及び腹側翼面1dに繰り返し衝突して、各翼面1c,1dを冷却する冷却用空気A)の流量が減少し、冷却効率が低下してしまう。
複数の仕切板19によって、ラティス冷却構造18をタービンの半径方向に複数の領域に区分けした場合には、各ラティス冷却構造18の半径方向(高さ方向)の長さをその前後方向の長さに比べて十分に小さくすることができる。言い換えれば、各ラティス冷却構造18は、前後方向に細長く形成される。
このため、区分けされたラティス冷却構造18の各流路7C,8Cに流入した冷却用空気Aは、後縁1b側に向けて流れる際に、必ず仕切板19(チップ面1e,ハブ面1f)に衝突し、連通する他の流路7C,8Cに流れ込むようになる。つまり、冷却用空気Aは、必ず仕切り板19、背側翼面1c及び腹側翼面1dに繰り返し衝突して、各翼面1c,1dを冷却するようになる。したがって、仕切板19を設けた場合には、高い冷却効率が実現される。
なお、乱流促進体15は、流路7C,8C同士が連通する箇所の全てに設ける必要はない。例えば、背側翼面1c,腹側翼面1dの一方にのみ設けたり、背側翼面1cと腹側翼面1dの両方に設ける場合であってもその一部の領域にのみ設けたりすることができる。
このように、流路7C,8Cに、乱流促進体15を設けて、冷却用空気Aを通過させることでラティス冷却構造18における冷却を強化することができる。
なお、図5においては、理解しやすくするために乱流促進体15の形状を円柱形としたが、これに限らない。流路7C,8Cを流れる冷却用空気Aを乱流にする形状であれば、その形状は任意である。また、乱流促進体15の配置場所は、流路7C,8C同士が連通する箇所に限らない。背側翼面1c,腹側翼面1dのいずれの場所にも乱流促進体15を配置してもよい。
上述した実施形態では、ラティス冷却構造18を複数の領域に区分けする仕切板19を、タービンの半径方向に略均等な間隔で配置する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、仕切板19のタービンの半径方向の配置は、任意に設定することができる。
例えば、ラティス冷却構造18の半径方向(高さ方向)において、高い冷却効率が求められる領域が存在する場合には、その領域に配置される仕切板19の半径方向の間隔を密に(狭く)するのが好ましい。仕切板19の配置間隔を密にすると、2つの仕切板19で区分けされたラティス冷却構造18は、その半径方向の長さが前後方向の長さに比べて、より小さくなる。このため、冷却用空気Aが流路7C,8Cとの間を折り返す回数をより多くすることができ、高い冷却効率を実現することができる。
したがって、図6(a)に示すように、チップ面1e側においては仕切板19の配置間隔を密に(狭く)し、ラティス冷却構造18のうち、ハブ面1f側においては仕切板19の配置間隔を粗に(広く)してもよい。このように、ラティス冷却構造18の冷却効率を部分的に調整し、その結果、背側翼面1c,腹側翼面1dの全体を略均一に冷却することもできる。
また、図6(b)に示すように、ラティス冷却構造18のチップ面1e側の仕切板19の配置間隔を粗にし、ハブ面1f側の配置間隔を密にすることもできる。
また、図6(c)に示すように、ラティス冷却構造18のチップ面1e側及びハブ面1f側の仕切板19の配置間隔を密にし、中央領域の配置間隔を粗にしたり、図6(d)に示すように、ラティス冷却構造18のチップ面1e側及びハブ面1f側の仕切板19の配置間隔を粗にし、中央領域の配置間隔を密にしたりすることもできる。
また、仕切板19をラティス冷却構造18の前後方向の全体にわたって配置する場合について説明したが、これに限らない。仕切板19がラティス冷却構造18の前後方向において、部分的に配置される場合であってもよい。
ラティス冷却構造18の前後方向において、高い冷却効率が求められる領域が存在する場合には、その領域には仕切板19を密に配置し、そうでない領域には仕切板19を粗に配置するようにしてもよい。
これにより、仕切板19が密に配置された領域の冷却効率を高くして、粗に配置された領域に比べて、強力に冷却することが可能となる。
例えば、図7(a)に示すように、ラティス冷却構造18の前縁1a側の仕切板19の配置間隔を密にし、後縁1b側の配置間隔を粗にしたり、図7(b)に示すように、ラティス冷却構造18の前縁1a側の仕切板19の配置間隔を粗にし、後縁1b側の配置間隔を密にしたりすることができる。
また、図7(c)に示すように、ラティス冷却構造18の前縁1a側と後縁1b側の仕切板19の配置間隔を密にし、中央領域の配置間隔を粗にしたり、図7(d)に示すように、ラティス冷却構造18の前縁1a側と後縁1b側の仕切板19の配置間隔を粗にし、中央領域の配置間隔を密にしたりすることができる。
更に、図7(e)に示すように、ラティス冷却構造18の前縁1a側、中央領域、後縁1b側において、仕切板19の配置間隔は同一であるが、段違いに配置するようにしてもよい。
仕切板19としては、必ずしも平坦な板状部材でなくてもよい。例えば、図8(a),(b)に示すように、湾曲したり、折れ曲がったりする板状部材であってもよい。このような仕切板19を用いることで、仕切板19の半径方向(高さ方向)の配置間隔を、任意に密にしたり粗にしたりすることができる。
また、仕切板19により仕切られた各ラティス冷却構造18において、リブ7,8の間隔(流路7C,8Cの大きさ)や、リブ7,8の配置角度(タービン翼1の前後方向に対する角度)は、任意に設定することが可能である。
リブ7,8の間隔や配置角度を任意に設定することで、流路7C,8Cを流れる冷却用空気Aの流量や流速を増減させたり、冷却用空気Aが流路7C,8Cの間で折り返す回数を増減させたりすることができる。したがって、仕切板19により仕切られた各ラティス冷却構造18の冷却効率を任意に調整することが可能となる。
例えば、図9(a)に示すように、チップ面1e側のラティス冷却構造18においてはリブ7,8の間隔を広くし、ハブ面1f側においてはリブ7,8の間隔を狭くするようにしてもよい。また、その逆であってもよい。
また、例えば、図9(b)に示すように、チップ面1e側のラティス冷却構造18においてはリブ7,8の角度を大きくし、ハブ面1f側においてはリブ7,8の間隔を小さくするようにしてもよい。また、その逆であってもよい。
このようにして、ラティス冷却構造18の冷却効率を部分的に調整し、その結果、背側翼面1c,腹側翼面1dの全体を略均一に冷却することが可能となる。
また、上述した実施形態においては、タービン翼1が動翼の場合について説明したが、静翼であってもよい。
X1〜X5…冷却構造
1…タービン翼(構造体)
1a…前縁
1b…後縁
1c…背側翼面(壁面)
1d…腹側翼面(壁面)
1e…チップ面
1f…ハブ面
2…冷却流路
5…流路
7,8…リブ
7C,8C…流路
10…流入路
12…導入口
15…乱流促進体
18…ラティス冷却構造
19…仕切板(仕切部材)
21…スロット冷却孔
G…高温燃焼ガス
A…冷却用空気
Claims (8)
- タービンの略軸線方向に流れる高温燃焼ガスに沿って設けられた構造体の冷却構造であって、
互いに背向して前記構造体を構成する背側翼面および腹側翼面と、
前記背側翼面に直交するように立設して配列され、かつ互いに平行に配列された複数の第1リブと、前記腹側翼面に直交するように立設して配列され、かつ互いに平行に配列されるとともに、前記第1リブに対して交差する方向に配列された複数の第2リブとが、互いに先端部どうしが接触した状態で格子状に組み合わされて形成された複数の冷却流路を有するラティス冷却構造と、
前記二つの壁面に対して立設して前記ラティス冷却構造を前記高温燃焼ガスの進行方向に交差する方向に沿って複数の領域に区分けする仕切部材と、
を備えることを特徴とする冷却構造。 - 前記仕切部材を複数備え、
前記高温燃焼ガスの進行方向に交差する方向において、前記仕切部材の配置間隔が密な領域と粗な領域を有することを特徴とする請求項1に記載の冷却構造。 - 前記仕切部材は、前記高温燃焼ガスの進行方向において、前記ラティス冷却構造と同一又は短く形成されることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の冷却構造。
- 前記仕切部材により区分けされた前記ラティス冷却構造の区分毎に、前記複数の第1リブ及び第2リブの配置間隔と配置角度とのいずれか一方又は両方が設定されることを特徴とする請求項1から請求項3のうちいずれか一項に記載の冷却構造。
- 前記冷却流路に、複数の乱流促進体を設けたことを特徴とする請求項1から請求項4のうちいずれか一項に記載の冷却構造。
- 前記構造体は、タービン翼であって、
前記ラティス冷却構造は、前記タービン翼内部の後縁側に配置されることを特徴とする請求項1から請求項5のうちいずれか一項に記載の冷却構造。 - 前記ラティス冷却構造は、前記タービン翼の後縁に設けられた出口孔に連通されていることを特徴とする請求項6に記載の冷却構造。
- 前記ラティス冷却構造の前縁側に、前記高温燃焼ガスの進行方向に交差する方向から前記タービン翼内に導入される冷却用空気の流入路が設けられることを特徴とする請求項6又は請求項7に記載の冷却構造。
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