JP5317014B2 - タービン翼 - Google Patents

Description

本発明は、翼の両端を支持するエンドウォールの表面を冷却する構造を備えたタービン翼に関し、特に翼後縁の後方のエンドウォール面の冷却性能を向上できるタービン翼に関する。

タービン翼は、ガスタービンエンジンにおいて、燃焼器からの燃焼ガスの流路となる構成部品である。タービン翼には、タービン静翼とタービン動翼がある。図１に従来のタービン翼３０の一例を示す。タービン翼３０は、タービンの軸心周りに周方向に間隔をおいて配置された複数の翼３１と、各翼３１の両端部を支持して周方向に延びるエンドウォール３２とを有する。

タービン翼３０は、燃焼器からの高温の燃焼ガス（主流ガス）３４に曝されるため、タービン翼表面の熱による損傷を防止するために、エンドウォール３２の裏面側から供給される冷却空気３５を翼３１の内部から表面に吹き出す冷却孔３１ｈを設け、冷却空気の膜を形成して翼３１の表面を冷却するフィルム冷却が行われる。また、冷却は翼３１の表面だけでなく、エンドウォール３２の裏面側から供給される冷却空気３５をエンドウォール３２の表面３２ｓ（以下、エンドウォール面という）に導く冷却孔３２ｈを設け、冷却空気３５ｗの膜を形成して冷却する。エンドウォール３２に設ける冷却孔３２ｈは、エンドウォール面３２ｓが均一な温度になるよう、配置を最適化している。

なお、エンドウォールに設ける冷却孔の先行技術を開示する文献としては、下記特許文献１がある。

特開２００２−２０１９０６号公報

図２は、エンドウォール面３２ｓにおける冷却空気の流れを模式的に示す図である。隣接する翼３１間では、一方の翼３１の腹側の圧力が高く、他方の翼３１の背側の圧力が低い。このため、図２において破線の矢印で示すように、翼間のエンドウォール面３２ｓの流れは、腹側から背側に流れるため、翼３１の後縁の後方領域に冷却空気が十分に行きわたらず、その領域が冷却不足になり、高温領域Ａができる。この結果、損傷が発生する。

このような問題に対処するため、従来では、図３に示すように、翼３１の後縁の腹側近傍に冷却孔３２ｈを多めに配置することで、翼３１の後縁の後方領域の高温領域Ａ（冷却不十分領域）を小さくしている。しかしながら、このような従来技術では、冷却孔３２ｈを増加させる分、冷却空気の使用量が増大する。また、高温領域Ａを小さくできるものの、局所的な高温部分をなくすことはできないという問題がある。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、冷却空気量を増大させることなく、翼の後縁の後方領域のエンドウォール面に十分に冷却空気を流すことができるタービン翼を提供すること課題とする。

上記の問題を解決するため、本発明のタービン翼は、以下の技術的手段を採用する。
本発明は、翼と、該翼の両端部を支持してタービン軸心周りに周方向に延びる第１エンドウォール及び第２エンドウォールとを備え、前記第１エンドウォール及び第２エンドウォールが、冷却空気を表面に噴き出す複数の冷却孔を有するタービン翼であって、
前記第１エンドウォールと第２エンドウォールの一方又は両方の表面には、前記翼の後縁部腹側の位置に、前記冷却孔から流出した冷却空気を翼の後縁の延長方向に導くガイドが一体的に設けられており、
前記ガイドは、先端が前記翼の後縁よりもタービン軸方向前方に位置し、前記翼の平均反り線の延長線と交叉して延び、後端が前記翼の後縁よりもタービン軸方向後方に位置しており、
前記ガイドと前記翼との間であって、前記ガイドの先端から前記翼の後縁までの軸方向位置に、少なくとも一つの前記冷却孔が配置されている、ことを特徴とする。

上記の本発明の構成によれば、エンドウォールの表面に、冷却孔から流出した冷却空気をタービン翼後縁の後方領域に導くガイドを設けるとともに、ガイドと翼との間であってガイドの先端から翼の後縁までの軸方向位置に、少なくとも一つの冷却孔を配置したので、冷却空気の流れが表面の流れ場に支配されず、強制的に冷却空気を翼の後縁の後方領域に導くことができる。これにより、翼の後縁の後方領域に十分に冷却空気を供給でき、翼の後縁の後方の高温領域（冷却不十分領域）をなくす、あるいは、ほぼなくすことができる。
また、冷却孔を増やすのではなく、冷却空気をガイドによって強制的に翼の後縁の後方領域に導く構造を採用したことにより、従来構造の冷却空気と同程度の冷却空気量でタービン翼後縁の後方領域を冷却することができる。

上記のタービン翼において、前記ガイドは、前記翼の後縁よりもタービン軸方向前方の位置から、前記翼の後縁よりもタービン軸方向後方の位置まで延びる突起又は段差である。

上記のように、ガイドは、突起又は段差でもよい。エンドウォールを鋳造で成形する場合には、エンドウォールの製作の際に突起又は段差のガイドを一体的に鋳造できるので、製造コストは増大しない。

本発明のタービン翼によれば、冷却空気量を増大させることなく、翼の後縁の後方領域のエンドウォール面に十分に冷却空気を流すことができる。

従来のタービン翼の一例を示す図である。 従来のエンドウォール面における冷却空気の流れを模式的に示す図である。 冷却孔を多く配置した従来のエンドウォール面における冷却空気の流れを模式的に示す図である。 本発明に係るタービン翼の第１実施形態を示す概略斜視図である。 本発明に係るタービン翼の第１実施形態の、エンドウォール面における冷却空気の流れを模式的に示す図である。 本発明に係るタービン翼の第１実施形態の変形例を示す図である。 本発明に係るタービン翼の第２実施形態を示す概略斜視図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。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４は、本発明に係るタービン翼１の第１実施形態を示す図であり、タービン翼１を主流ガスの流れ方向の上流側から見た概略斜視図である。
なお、図４に示すタービン翼１は、静翼が周方向に配列されたタービン静翼であるが、本発明はこれに限定されず、動翼が周方向に配列されたタービン動翼にも適用可能である。
また、以下の説明において、「軸方向」とはタービンの軸心方向を意味するものとし、「半径方向」とはタービンの半径方向を意味するものとする。

図４において、タービン翼１は、タービンの軸心周りに周方向に間隔をおいて配置された複数の翼２と、各翼２の両端部を支持して周方向に延びるエンドウォール３とを備える。本明細書では、半径方向内側（図４で下側）に位置するエンドウォール３を第１エンドウォール３Ａと定義し、半径方向外側（図４で上側）に位置するエンドウォール３を第２エンドウォール３Ｂと定義する。ただし、以下では、第１エンドウォール３Ａと第２エンドウォール３Ｂを区別して説明する必要がある場合を除き、両者を総称してエンドウォール３と呼ぶ。

図４に示すタービン翼１は、第１エンドウォール３Ａと第２エンドウォール３Ｂとの間に２枚の翼２を配置した構成で１つのセグメントを構成しており、ガスタービンの静翼部では、このようなセグメントがタービン軸心周りに３６０度にわたって配列される。ただし、本発明は図４の構成に限定されず、１つのセグメントに１枚または３枚以上の翼２を配置した構成であってもよい。

タービン翼１には、燃焼器からの高温の燃焼ガス（主流ガス）１０が流入する。このようにタービン翼１は、高温の燃焼ガス１０に曝されるため、翼２の表面の熱による損傷を防止するために、エンドウォール３の裏面側から供給される冷却空気１１を翼２の内部から表面に吹き出す冷却孔２ｈを設け、冷却空気の膜を形成して翼２の表面を冷却するフィルム冷却が行われる。

また、冷却は翼２の表面だけでなく、エンドウォール３の表面（エンドウォール面３ｓ）においても行わる。このため、エンドウォール３は、その裏面側に供給された冷却空気１１を表面側に導くための複数の冷却孔３ｈを有している。エンドウォール面３ｓに噴出した冷却空気１１ｗは、エンドウォール面３ｓにおいて膜を形成して、エンドウォール面３ｓを冷却する。エンドウォール３に設ける冷却孔３ｈは、エンドウォール面３ｓが均一な温度になるよう、配置が最適化されている。

図５は、本発明に係るタービン翼１の第１実施形態の、エンドウォール面３ｓにおける冷却空気１１ｗの流れを模式的に示す図である。図５中、矢印Ｘはタービンの軸方向を示し、破線の矢印はエンドウォール面３ｓにおける冷却空気１１ｗの流れ方向を示している。隣接する翼２間では、一方の翼２の腹側の圧力が高く、他方の翼２の背側の圧力が低いので、隣接する翼２間のエンドウォール面３ｓの冷却空気１１ｗは、一方の翼２の腹側から他方の翼２の背側に流れる傾向がある。
なお、図５では、第１エンドウォール３Ａ（図４参照）のエンドウォール面３ｓにおける冷却空気１１ｗの流れを示しているが、第２エンドウォール３Ｂのエンドウォール面３ｓにおいても同様の現象が生じる。

図４及び図５に示すように、タービン翼１において、エンドウォール面３ｓには、各翼２の後縁腹側の位置に、冷却孔３ｈから流出した冷却空気１１ｗを翼２の後縁の後方領域に導くガイド６が設けられている。ガイド６は、第１エンドウォール３Ａと第２エンドウォール３Ｂ（図４参照）の一方のみに設けてもよいが、両方に設けるのが好ましい。第１実施形態では、ガイド６は、翼２の後縁よりもタービン軸方向前方の位置から翼２の後縁よりもタービン軸方向後方の位置まで延びる突起６Ａである。
ここで、「翼の後縁の後方領域」とは、翼２の後縁から見て軸方向の後方にある領域を意味するものではなく、翼２の後縁の延長方向にある領域（図３で高温領域Ａがある領域）を意味する。

図５に示すように、各ガイド６は、先端が翼２の後縁よりもタービン軸方向前方に位置し、後端が翼２の後縁よりもタービン軸方向後方に位置している。またガイド６と翼２との間であって、ガイド６の先端から翼２の後縁までの軸方向位置に、少なくとも一つの冷却孔３ｈが配置されている。エンドウォール３を鋳造で成形する場合、図５に示すような突起６Ａからなるガイド６は、エンドウォール３の製作の際に一体的に鋳造できる。

上述した本発明の第１実施形態によれば、エンドウォール３の表面に、冷却孔３ｈから流出した冷却空気１１ｗを翼２の後縁の後方領域に導くガイド６を設けるとともに、ガイド６と翼２との間であってガイド６の先端から翼２の後縁までの軸方向位置に、少なくとも一つの冷却孔３ｈを配置したので、冷却空気１１ｗの流れが表面の流れ場に支配されず、強制的に冷却空気１１ｗを翼２の後縁の後方領域に導くことができる。これにより、翼２の後縁の後方領域に十分に冷却空気１１ｗを供給でき、翼２の後縁の後方の高温領域（冷却不十分領域）をなくす、あるいは、ほぼなくすことができる。

また、冷却孔３ｈを増やすのではなく、冷却空気１１ｗをガイド６によって強制的に翼２の後縁の後方領域に導く構造を採用したことにより、従来構造の冷却空気と同程度の冷却空気量で翼２の後縁の後方領域を冷却することができる。

また、エンドウォール面３ｓを流れる冷却空気１１ｗは、膜状であり厚さは約０．３〜０．５ｍｍ程度であるので、これと同程度（約０．３〜０．５ｍｍ）の高さのガイド６により、冷却空気１１ｗを翼２の後縁の後方領域に導く機能を発揮できる。このため、空力的な損失はほとんど生じない。
また、エンドウォール３の製作の際には、ガイド６を一体的に鋳造できるので製造コストは増大しない。

なお、図４に示す突起６Ａの横断面形状は、半円形状に近いが、このような形状に限定されず、例えば楕円形状や四角形状や三角形状であってもよい。
図５に示す構成例では、ガイド６と翼２との間であって、ガイド６の先端から翼２の後縁までの軸方向位置に、一つの冷却孔３ｈが配置されているが、ガイド６の先端位置を上流側に延ばしてガイド６と翼２との間に冷却孔３ｈが２つ以上配置されるように構成し、より多くの冷却空気１１ｗを翼２の後縁の後方領域に導くようにしてもよい。
図４及び５に示すガイド６は直線状に延びているが、冷却孔３ｈから出た冷却空気１１ｗを翼２の後縁の後方領域に導ける形状であれば、曲線状に延びる形状であってもよい。

図６は、本発明に係るタービン翼１の第１実施形態の変形例を示す図である。タービン翼１の１つのセグメントにおけるエンドウォール面３ｓの範囲内にガイド６の全長が収まらない場合、図６に示すように、ガイド６は、隣接するセグメントに跨る形で形成されてもよい。この場合、ガイド６の全長のうち一部が、隣接する一方のセグメントにおけるエンドウォール３に形成され、残りの部分が、他方のセグメントにおけるエンドウォール３に形成される。

図７は、本発明に係るタービン翼１の第２実施形態を示す図であり、タービン翼１を主流ガス１０の流れ方向の下流側（翼２の後縁側）から見た概略斜視図である。
第２実施形態において、エンドウォール３の表面には、各翼２の後縁腹側の位置に、冷却孔３ｈから流出した冷却空気１１ｗを翼２の後縁の後方領域に導くガイド６が設けられている。各ガイド６は、先端が翼２の後縁よりもタービン軸方向前方に位置し、後端が翼２の後縁よりもタービン軸方向後方に位置している。ガイド６と翼２との間であって、ガイド６の先端から翼２の後縁までの軸方向位置に、少なくとも一つの冷却孔３ｈが配置されている。ガイド６は、第１エンドウォール３Ａと第２エンドウォール３Ｂの一方のみに設けてもよいが、両方に設けるのが好ましい。以上の点は、第１実施形態と同じである。

上述した第１実施形態におけるガイド６は突起６Ａであったが、図７に示す第２実施形態では、ガイド６は、翼２の後縁よりもタービン軸方向前方の位置から翼２の後縁よりもタービン軸方向後方の位置まで延びる段差６Ｂである。エンドウォール３を鋳造で成形する場合、図７に示すような段差６Ｂからなるガイド６は、エンドウォール３の製作の際に一体的に鋳造できる。

このような第２実施形態によっても、第１実施形態と同様に、翼２後縁の後方領域に十分に冷却空気１１ｗを供給でき、翼２の後縁の後方の高温領域（冷却不十分領域）をなくす、あるいは、ほぼなくすことができ、従来構造の冷却空気と同程度の冷却空気量で翼２の後縁の後方領域を冷却することができ、空力的な損失はほとんど生じることがない。また、エンドウォール３の製作の際には段差６Ｂからなるガイド６を一体的に鋳造できるので製造コストは増大しない。

なお、図７に示す段差６Ｂは直線状に延びているが、冷却孔３ｈから出た冷却空気１１ｗを翼２の後縁の後方領域に導ける形状であれば、曲線状に延びる形状であってもよい。
図７に示す構成例では、段差６Ｂと翼２との間であって、段差６Ｂの先端から翼２の後縁までの軸方向位置に、一つの冷却孔３ｈが配置されているが、段差６Ｂの先端位置を上流側に延ばして段差６Ｂと翼２との間に冷却孔３ｈが２つ以上配置されるように構成し、より多くの冷却空気１１ｗを翼２の後縁の後方領域に導くようにしてもよい。

上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１ タービン翼
２ 翼
２ｈ 翼の冷却孔
３ エンドウォール
３Ａ 第１エンドウォール
３Ｂ 第２エンドウォール
３ｈ エンドウォールの冷却孔
３ｓ エンドウォール面
６ ガイド
６Ａ 突起
６Ｂ 段差
１０ 燃焼ガス（主流ガス）
１１、１１ｗ 冷却空気

Claims (2)

1. 翼と、該翼の両端部を支持してタービン軸心周りに周方向に延びる第１エンドウォール及び第２エンドウォールとを備え、前記第１エンドウォール及び第２エンドウォールが、冷却空気を表面に噴き出す複数の冷却孔を有するタービン翼であって、
   前記第１エンドウォールと第２エンドウォールの一方又は両方の表面には、前記翼の後縁部腹側の位置に、前記冷却孔から流出した冷却空気を翼の後縁の延長方向に導くガイドが一体的に設けられており、
   前記ガイドは、先端が前記翼の後縁よりもタービン軸方向前方に位置し、前記翼の平均反り線の延長線と交叉して延び、後端が前記翼の後縁よりもタービン軸方向後方に位置しており、
   前記ガイドと前記翼との間であって、前記ガイドの先端から前記翼の後縁までの軸方向位置に、少なくとも一つの前記冷却孔が配置されている、ことを特徴とするタービン翼。
2. 前記ガイドは、前記翼の後縁よりもタービン軸方向前方の位置から、前記翼の後縁よりもタービン軸方向後方の位置まで延びる突起又は段差である、請求項１記載のタービン翼。
   

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