JP5182931B2

JP5182931B2 - タービン用翼

Info

Publication number: JP5182931B2
Application number: JP2008142926A
Authority: JP
Inventors: 芳史岡嶋; 哲羽田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2028-05-30
Also published as: JP2009287511A

Description

本発明は、ガスタービンに関し、より詳しくは、ガスタービンのタービン用翼（動翼・静翼）に関するものである。

ガスタービンのタービン用翼としては、ピンフィンを介して翼後縁部を冷却するものが知られている（例えば、特許文献１）。
特開２００４−６０６３８号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されたタービン用翼のピンフィンは、上流側から下流側にかけてピンピッチ（翼の立設方向軸線に対して略平行となる方向の配列ピッチおよび翼の立設方向軸線に対して略直交する方向の配列ピッチ）が一定になるように形成されている。また、ピンピッチが設けられている翼後縁部の通路幅は、入口から出口に向かって徐々に狭くなるように（先細になるように）形成されている。そのため、図５（ａ）の一番上に細い実線で示すように、通路の幅が狭まっていくのに伴って、冷却媒体の流速が次第に速くなり、冷却側の熱伝達率が次第に上がり、結果的に翼後縁部を形成するメタルの温度が、上流側で最も高く、下流側で最も低くなって、メタルの温度が不均一になってしまうといった問題点があった。
また、通路の入口部におけるメタルの温度を設計限界である設計メタル温度以下に保つためには、多量の冷却媒体を供給しなければならず、冷却媒体の流量（消費量：使用量）が多くなり過ぎてしまうといった問題点もあった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、翼後縁部を形成するメタルの温度の均一化を図ることができるとともに、冷却媒体の流量を削減することができるタービン用翼を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係るタービン用翼の第１の態様は、翼本体の後縁部内に形成された通路を冷却媒体が通過し、前記翼本体の後縁に形成された出口から前記冷却媒体が吹き出されることにより、前記翼本体の後縁部が冷却されるタービン用翼であって、前記通路内に、断面視形状が円形または多角形状とされた複数のピンフィンが、前記冷却媒体の流れ方向に直交する方向に突設されており、前縁側から後縁側にかけてピンピッチが徐々に大きくなるように、前記ピンフィンが配置されている。

本発明に係るタービン用翼の第２の態様は、翼本体の後縁部内に形成された流路を冷却媒体が通過し、前記翼本体の後縁に形成された出口から前記冷却媒体が吹き出されることにより、前記翼本体の後縁部が冷却されるタービン用翼であって、前記通路が、前縁側から後縁側に向かって少なくとも２つの領域に分けられており、前記通路内に、断面視形状が円形または多角形状とされた複数のピンフィンが、前記冷却媒体の流れ方向に直交する方向に突設されており、最も上流側に位置する前記領域内に突設されたピンフィンのピンピッチが最も小さく、下流側にいくにしたがって、その領域内に突設されたピンフィンのピンピッチが徐々に大きくなるように、前記ピンフィンが配置されている。

本発明に係るタービン用翼によれば、冷却媒体の流速および冷却側の熱伝達率が、上流側から下流側にかけて均一化されることとなるので、翼後縁部を形成するメタルの温度を、上流側から下流側にかけて設計限界である設計メタル温度以下で略均一に保つことができて、通路内における圧力損失を低減させることができて、冷却媒体の流量（消費量：使用量）を削減することができる。

本発明に係るガスタービンは、翼後縁部を形成するメタルの温度の均一化を図ることができるとともに、冷却媒体の流量を削減することができるタービン用翼を備えているので、タービン部における熱効率を向上させることができる。

本発明によれば、翼後縁部を形成するメタルの温度の均一化を図ることができるとともに、冷却媒体の流量を削減することができるという効果を奏する。

以下、本発明に係るタービン用翼の一実施形態について、図１から図５を参照しながら説明する。
図１は本実施形態に係るタービン用翼の断面図、図２は本実施形態に係るタービン用翼の内側シュラウドを底面側から見た斜視図、図３は本実施形態に係るタービン用翼の外側シュラウドを上面側から見た斜視図、図４は本実施形態に係るタービン用翼の翼後縁部を示す図であって、上段はタービン用翼の立設方向軸線に対して略直交する面で切った断面図、下段はタービン用翼の立設方向軸線に対して略平行となる面で切った断面図、図５（ａ）から図５（ｃ）は本実施形態に係るタービン用翼の冷却効果を説明するためのグラフである。
なお、図５中の各グラフの横軸はピンフィン入口からの距離を示し、縦軸はそれぞれ冷却空気流速、冷却側熱伝達率、および翼後縁部のメタル温度を示している。ここで、ピンフィン入口とは、図４に示す最も上流側（第１の領域３４）の第１列目のピンフィンの中心線と一致する位置のことをいう。
また、図面を簡略化するため、図４の上段にはピンフィンおよびペデスタルを示していない。

本実施形態に係るタービン用翼１０は、燃焼用空気を圧縮する圧縮部（図示せず）と、この圧縮部から送られてきた高圧空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼部（図示せず）と、この燃焼部の下流側に位置し、燃焼部を出た燃焼ガスにより駆動されるタービン部（図示せず）とを主たる要素として構成されたガスタービンの、例えば、タービン部における静翼に適用され得るものである。

図１に示すように、タービン用翼１０は、翼本体１１と、この翼本体１１の内側および外側にそれぞれ設けられた内側シュラウド１２および外側シュラウド１３とを備えている。
翼本体１１は、その内部に、リブ４０によって前縁通路４２および後縁通路４４が形成されており、これら前縁通路４２および後縁通路４４には、周面および底面に複数の冷却空気穴７０，７１，７２，７３が形成された有底筒状のインサート４６，４７が外側シュラウド２７側から挿入されている。
翼本体１１は、その後縁側に複数のピンフィン２６が設けられた通路１６ｃからなるピンフィン冷却部を備えている。
そして、これらインサート４６，４７にマニホールド（図示せず）から冷却空気が送り込まれると、この冷却空気は、冷却空気穴７０，７１から噴出し、前縁通路４２および後縁通路４４の内壁に衝突し、いわゆるインピンジメント冷却が行われ、また、翼本体１１の後縁側のピンフィン２６間の流路１６ｃからなるピンフィン冷却部を流れ、ピンフィン冷却が行われるようになっている。

内側シュラウド１２には、前縁側および後縁側に、前方フランジ８１および後方フランジ８２が形成されており、ロータ４のアーム部４８との間をシールするシール１４が支持されたシール支持部６６に連結されている。そして、このシール支持部６６と内側シュラウド１２との間にキャビティ４５が形成されており、このキャビティ４５にも、インサート４６の開口端から流出した冷却空気が送り込まれるようになっている。
シール支持部６６には、前方側に流路８５が形成されており、この流路８５を介してキャビティ４５から前段の動翼１８側およびシール１４の隙間を通って後段の動翼１９側へ空気が送り込まれ、内部を高温燃焼ガスの通路よりも高圧に保持して高温燃焼ガスの内部への浸入が防止されるようになっている。

図２に示すように、内側シュラウド１２には、その前縁側に、多数の針状フィン８９を備えた前縁流路８８が形成されている。また、内側シュラウド１２の両側部には、前後に沿ってレール９６が形成されており、これらレール９６には、一端が前縁流路８８と連通し、他端が内側シュラウド１２の後縁にて燃焼ガス中に開口した側部流路９３が形成されている。
内側シュラウド１２の底面には、複数の小穴１０１を有する衝突板８４が底面に対して間隔をあけて設けられており、これら衝突板８４によって内側シュラウド１２の底面側に、チャンバ８３（図１参照）が形成されている。
また、内側シュラウド１２の後縁側には、一端が側部流路９３に連通し、他端で燃焼ガス中へ排出する複数の後縁流路９２が形成されている。

また、キャビティ４５内に送り込まれた冷却空気は、衝突板８４の小穴１０１からチャンバ８３内にも流入する。冷却空気が衝突板８４の小穴１０１からチャンバ８３へ流入した際に、内側シュラウド１２の底面に衝突することにより、インピンジメント冷却が行われる。そして、チャンバ８３内に送り込まれた冷却空気は、内側シュラウド１２の前縁流路８８に送り込まれ、針状フィン８９間を通過することにより内側シュラウド１２の前縁側を冷却し、その後、側部流路９３を通り、内側シュラウド１２の後縁から後縁流路９２を介して燃焼ガス中へ放出されるようになっている。

図３に示すように、外側シュラウド１３には、その上面に、複数の小穴１００を有する衝突板１０２が上面に対して間隔をあけて設けられており、これら衝突板１０２によって外側シュラウド１３の上面側に、チャンバ１０４（図１参照）が形成されている。
また、外側シュラウド１３には、前縁流路１０５が形成され、両側部に、前方側の前縁流路１０５と連通しかつ外側シュラウド１３の後縁にて開口した側部流路１０６が形成されており、前縁流路１０５が一方のチャンバ１０４と連通されている。

そして、マニホールド（図示せず）内に送り込まれた冷却空気は、衝突板１０２の小穴１００からチャンバ１０４内に流入し、側部流路１０６の後縁から放出されるようになっている。そして、冷却空気が衝突板１０２の小穴１００からチャンバ１０４へ流入した際に、外側シュラウド１３の上面に衝突することにより、インピンジメント冷却が行われる。
また、チャンバ１０４内に流入した冷却空気は、前縁流路１０５にも流入し、この前縁流路１０５および側部流路１０６を通過することにより、外側シュラウド１３の前縁および両側部を冷却し、その後、外側シュラウド１３の後縁から放出されるようになっている。

図４の上段に示すように、通路１６ｃの入口３３における通路幅（入口通路高さ）Ｈ１は、通路１６ｃの出口３２における通路幅（出口通路高さ）Ｈ２の、例えば、３倍とされており、通路１６ｃの入口３３から通路１６ｃの出口３２に向かって徐々に狭くなるように（先細になるように）形成されている。
また、図４の上段および下段に示すように、通路１６ｃは、上流側（図４において左側）から下流側（図４において右側）に向かって、例えば、３つの領域（第１の領域３４、第２の領域３５、および第３の領域３６）に分けられている。そして、図４の下段に示すように、ピンフィン２６は、第１の領域３４におけるピンピッチ（翼本体１１の立設方向軸線に対して略平行となる方向の配列ピッチ、すなわち、ピンフィン２６の立設方向におけるピンフィンの中心間距離および翼本体１１の立設方向軸線に対して略直交する方向の配列ピッチ、すなわち、ピンフィン列の列間距離）Ｐ１が、第２の領域３５におけるピンピッチＰ２よりも小さく、第２の領域３５におけるピンピッチＰ２が、第３の領域３６におけるピンピッチＰ３よりも小さくなるように形成されている。すなわち、ピンフィン２６は、第１の領域（最も上流側に位置する領域）３４でピンピッチが最も小さくなり（密になり）、第３の領域（最も下流側に位置する領域）３６でピンピッチが最も大きくなる（疎になる）ように形成されている。
なお、同じ領域内のピンフィン２６のピンピッチは、翼本体１１の立設方向軸線に対して略平行となる方向の配列ピッチと翼本体１１の立設方向軸線に対して略直交する方向の配列ピッチを同じピッチ（第１の領域であればＰ１）としたが、略平行となる方向と略直交する方向の配列ピッチが同一ではなく、異なっていても構わない。ただし、各領域間で比較した配列ピッチの変化の割合は、立設方向軸線に対して略平行となる方向の配列ピッチと立設方向軸線に対して略直交する方向の配列ピッチが同じ割合で変化するのが好ましい。
また、本実施形態におけるピンフィン２６の外径（直径）は、いずれもｄ（同一の直径）に設定されている。また、図４の下段中の符号３７は、ペデスタルを示している。

本実施形態に係るタービン用翼１０によれば、通路１６ｃの幅が広く、冷却媒体の流速が遅い第１の領域３４に、ピンフィン２６が密になるように設けられており、通路１６ｃの幅が狭く、冷却媒体の流速が速い第３の領域３６に、ピンフィン２６が疎になるように設けられている。すなわち、本実施形態に係るタービン用翼１０のピンフィン２６は、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、第２の領域３５および第３の領域３６を通過する冷却媒体（冷却空気）の流速を低下させるとともに、冷却側の熱伝達率を低下させるように（冷却媒体の流速および冷却側の熱伝達率を、上流側から下流側にかけて均一化させるように）配置されている。
なお、図５（ａ）に示す冷却空気流速とは、冷却空気が翼本体１１の立設方向軸線と平行な方向のピンフィン列の中心線を通過する際の冷却空気の流速をいう。
これにより、図５（ｃ）に示すように、翼後縁部を形成するメタルの温度を、上流側から下流側にかけて設計限界である設計メタル温度以下で略均一に保つことができるとともに、通路１６ｃ内における圧力損失を低減させることができて、冷却媒体の流量（消費量：使用量）を削減することができる。
また、図４に示す例は、３つの領域（領域３４〜３６）に区分けした場合を示しているが、この例に限らない。最低２つの領域が必要であるが、４つ以上の領域に区分けしてもよい。区分け数が多ければ、より一層翼後縁部のメタル温度を設計メタル温度に近い温度に選定することができ、一層の熱効率の向上が期待できる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、適宜必要に応じて変形実施、変更実施することができる。
例えば、上述した実施形態では、全てのピンフィン２６の外径をｄとし、ピンピッチを変化させているが、ピンピッチを一定とし、ピンフィン２６の外径を変化させてもよい。すなわち、ピンピッチは一定とし、第１の領域（最も上流側に位置する領域）３４におけるピンフィン２６の外径を最も大きくし、第３の領域（最も下流側に位置する領域）３６におけるピンフィン２６の外径を最も小さくすることもできる。
また、これらを組み合わせて、すなわち、ピンフィンの外径およびピンピッチの双方を変化させて実施することもできる。

さらに、ピンフィン２６の断面視形状は、円形に限定されるものではなく、翼形、流線形、多角形、楕円形等、いかなる形状のものであってもよい。

さらにまた、本発明は図１〜図３に示すような静翼のみに適用され得るものではなく、その他の動翼や静翼にも適用可能である。

本発明の一実施形態に係るタービン用翼の断面図である。本発明の一実施形態に係るタービン用翼の内側シュラウドを底面側から見た斜視図である。本発明の一実施形態に係るタービン用翼の外側シュラウドを上面側から見た斜視図である。本発明の一実施形態に係るタービン用翼の翼後縁部を示す図であって、上段はタービン用翼の立設方向軸線に対して略直交する面で切った断面図、下段はタービン用翼の立設方向軸線に対して略平行となる面で切った断面図である。（ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施形態に係るタービン用翼の冷却効果を説明するためのグラフである。

１０タービン用翼
１１翼本体
１６ｃ流路
２６ピンフィン
３２出口
３４第１の領域
３５第２の領域
３６第３の領域
Ｐ１ピンピッチ
Ｐ２ピンピッチ
Ｐ３ピンピッチ

Claims

翼本体の後縁部内に形成された通路を冷却媒体が通過し、前記翼本体の後縁に形成された出口から前記冷却媒体が吹き出されることにより、前記翼本体の後縁部が冷却されるタービン用翼であって、
前記通路内に、断面視形状が円形または多角形状とされた複数のピンフィンが、前記冷却媒体の流れ方向に直交する方向に突設されており、
前縁側から後縁側にかけてピンピッチが徐々に大きくなるように、前記ピンフィンが配置されていることを特徴とするタービン用翼。
翼本体の後縁部内に形成された流路を冷却媒体が通過し、前記翼本体の後縁に形成された出口から前記冷却媒体が吹き出されることにより、前記翼本体の後縁部が冷却されるタービン用翼であって、
前記通路が、前縁側から後縁側に向かって少なくとも２つの領域に分けられており、
前記通路内に、断面視形状が円形または多角形状とされた複数のピンフィンが、前記冷却媒体の流れ方向に直交する方向に突設されており、
最も上流側に位置する前記領域内に突設されたピンフィンのピンピッチが最も小さく、下流側にいくにしたがって、その領域内に突設されたピンフィンのピンピッチが徐々に大きくなるように、前記ピンフィンが配置されていることを特徴とするタービン用翼。
請求項１または２に記載のタービン用翼を備えてなることを特徴とするガスタービン。