JP5387751B2 - タービン翼 - Google Patents

Description

本発明は、内部の中空領域に冷却ガスが供給可能なタービン翼に関するものである。

タービンが備えるタービン翼は、一般的に高温の流体に晒される。特に、ガスタービンが備えるタービン翼は、燃焼器から排出された高温の燃焼ガスに晒されるため、極めて高温の環境に晒されることとなる。
このような高温の環境に晒されるタービン翼に対して耐久性を高めるために、タービン翼の内部に冷却空気等の冷却ガスを供給する場合がある。このように冷却ガスをタービン翼の内部に供給することによって、タービン翼の温度上昇を抑制し、タービン翼の耐久性を向上させることが可能となる。

ところで、タービン翼の後縁部は、タービンの空力性能の観点から薄いことが望まれるため、内部に上記冷却ガスを流すための流路を形成することが困難な場合が多い。その一方で、タービン翼の後縁部は、高温の流体の流れが速いために熱伝達率が高く、高温の流体によって加熱されやすい部位であり、冷却が望まれる部位である。
このため、例えば特許文献１や特許文献２には、タービン翼の後縁部の腹側に切欠き部を形成することによって後縁部を薄くすると共に、切欠き部によって露出された腹側の面に向けて冷却ガスを吹き付けることによって後縁部をフィルム冷却する方法が提案されている。

米国特許第４３０３３７４号明細書 米国特許第４６０１６３８号明細書

しかしながら、特許文献１や特許文献２において提案されている方法では、タービン翼の後縁部を十分に冷却することが難しく、さらなる冷却効率の向上が望まれている。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、タービン翼の後縁部の冷却効率を向上させてタービン翼の耐久性を向上させることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、内部の中空領域に冷却ガスが供給可能なタービン翼であって、上記中空領域から後縁部の腹側に抜ける第１貫通孔と、上記後縁部の腹側から上記後縁部の背側に抜ける第２貫通孔とを備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記第２貫通孔が上記後縁部の背側における外部流体の流れ方向と鋭角をなすように傾斜されているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記第２貫通孔の断面積が上記後縁部の腹側から背側に向かうに連れて縮小されているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記冷却ガスの流れ方向の上流側に配列される複数の上記第１貫通孔と上記冷却ガスの流れ方向の下流側に配列される複数の上記第２貫通孔とを備え、上記第１貫通孔の上記後縁部の腹側の開口部から上記冷却ガスの後流位置に上記第２貫通孔の上記後縁部の腹側の開口部が形成されているという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記冷却ガスの流れ方向の上流側に配列される複数の上記第１貫通孔と上記冷却ガスの流れ方向の下流側に配列される複数の上記第２貫通孔とを備え、上記第１貫通孔の上記後縁部の腹側の開口部から上記冷却ガスの後流位置とずれた位置に上記第２貫通孔の上記後縁部の腹側の開口部が形成されているという構成を採用する。

本発明によれば、第１貫通孔によってタービン翼内部の中空領域から後縁部の腹側に冷却ガスが抜け、当該冷却ガスによって後縁部の腹側が冷却される。一方で、第１貫通孔から後縁部の腹側に抜けた冷却ガスの一部が第２貫通孔を介して後縁部の背側に抜け、当該冷却ガスによって後縁部の背側が冷却される。
つまり、本発明によれば、後縁部の腹側と背側との両側が冷却ガスによって冷却される。したがって、本発明によれば、タービン翼の後縁部の冷却効率を向上させてタービン翼の耐久性を向上させることが可能となる。

本発明の第１実施形態におけるタービン翼の斜視図である。 本発明の第１実施形態におけるタービン翼の断面図である。 図３の要部拡大図である。 本発明の第２実施形態におけるタービン翼の斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るタービン翼の一実施形態について説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。また、以下の説明においては、本発明に係るタービン翼を備えるガスタービンエンジンについて説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態のタービン翼５１の斜視図である。また、図２は、タービン翼５１の断面図である。また、図３は、図２の要部拡大図である。
これらの図に示すように、タービン翼５１は、内部に冷却ガスが供給可能な中空領域Ｒ１を備えている。そして、本実施形態のタービン翼５１は、内部の中空領域Ｒ１から後縁部５１ａの腹側５１ｂに抜ける第１貫通孔１０と、該第１貫通孔１０の下流側において後縁部５１ａの腹側５１ｂから背側５１ｃに抜ける第２貫通孔２０とを備えている。

第１貫通孔１０は、中空領域Ｒ１に供給された冷却ガスを後縁部５１ａの腹側５１ｂに導出するための流路として機能するものであり、タービン翼５１のハブからチップへ向かう方向に複数配列されている。

第２貫通孔２０は、第１貫通孔１０を通過した冷却ガスの一部を後縁部５１ａの腹側５１ｂから背側５１ｃに導出するための流路として機能するものであり、第１貫通孔１０と同様にタービン翼５１の幅方向に複数配列されている。

そして、本実施形態のタービン翼５１においては、第１貫通孔１０から噴出された冷却ガスの流れの上流側に第１貫通孔１０が配列され、下流側に第２貫通孔２０が配列されている。
なお、本実施形態のタービン翼５１においては、図１に示すように、第１貫通孔１０の後縁部５１ａの腹側５１ｂの開口部１０ａから冷却ガスの流れ方向に進んだ位置に第２貫通孔２０の後縁部５１ａの腹側５１ｂの開口部２０ａが形成されている。

また、本実施形態のタービン翼５１においては、図２に示すように、第２貫通孔２０が後縁部５１ａの背側５１ｃにおける外部流体（燃焼器４が排出する燃焼ガス）の流れ方向と鋭角をなすように傾斜されている。
また、第２貫通孔２０の断面積は、後縁部５１ａの腹側５１ｂから背側５１ｃに向かうに連れて縮小されている。すなわち、第２貫通孔２０は、後縁部５１ａの腹側５１ｂから背側５１ｃに向かう先細り形状を有している。

このように構成された本実施形態のタービン翼５１においては、中空領域Ｒ１に冷却ガスが供給されると、冷却ガスが第１貫通孔１０を介して後縁部５１ａの腹側５１ｂに噴出される。そして、第１貫通孔１０を通過して噴出された冷却ガスによって後縁部５１ａの腹側５１ｂが冷却される。
また、タービン翼５１では、背側５１ｃにおける外部流体の流速が腹側５１ｂにおける外部流体の流速として比較して速いため、背側５１ｃが負圧状態となる。すなわち、背側５１ｃと腹側５１ｂとに圧力差が生じている。このため、第１貫通孔１０を通過して噴出された冷却ガスの一部は、第２貫通孔２０を介して後縁部５１ａの腹側５１ｂから背側５１ｃに噴出される。

ここで、第２貫通孔２０の開口部２０ａは、第１貫通孔１０の開口部１０ａから冷却ガスの流れ方向に進んだ位置に形成されている。このため、第２貫通孔２０の開口部２０ａが第１貫通孔１０の開口部１０ａから冷却ガスの後流（流れ方向に進んだ）位置からずれた位置に形成されている場合と比較して、第２貫通孔２０に流れ込む冷却ガスの流量が増加し、後縁部５１ａの背側５１ｃに噴出される冷却ガスの流量を増加させることができる。
また、第２貫通孔２０が後縁部５１ａの背側５１ｃにおける外部流体の流れ方向と鋭角をなすように傾斜されているため、第２貫通孔２０から噴出された冷却ガスが外部流体を乱すことを抑制することができる。
さらに、第２貫通孔２０の断面積が後縁部５１ａの腹側５１ｂから背側５１ｃに向かうに連れて縮小されているため、第２貫通孔２０から噴出される冷却ガスの流速を高め、第２貫通孔２０から噴出された冷却ガスと外部流体との速度差を小さくし、これにより冷却ガスと外部流体との過度な混合を抑制することができる。

なお、２つの流体層が並行して流れていることを考えた場合、両方の流体層が同じ速度で流れている場合には、両方の流体層は互いに作用を及ぼさず、さらに流体層間で摩擦力も働かないため、急激に２つの流体層が混じることはない。一方で、両方の流体層の速度が大きく異なると、流体層同士の境界面に摩擦力が作用して互いの流体層が相手側の速度に近づこうとするため混合が急激に進む。したがって、冷却ガスと外部流体との速度差を小さくすることで、冷却ガスと外部流体との過度な混合を抑制することができる。

そして、本実施形態のタービン翼５１においては、第２貫通孔２０を介して後縁部５１ａの背側５１ｃに噴出された冷却ガスによって後縁部５１ａの背側５１ｃが冷却される。

以上のような本実施形態のタービン翼５１によれば、第１貫通孔１０によってタービン翼５１内部の中空領域Ｒ１から後縁部５１ａの腹側５１ｂに冷却ガスが抜け、当該冷却ガスによって後縁部５１ａの腹側５１ｂが冷却される。一方で、第１貫通孔１０から後縁部５１ａの腹側５１ｂに抜けた冷却ガスの一部が第２貫通孔２０を介して後縁部５１ａの背側５１ｃに抜け、当該冷却ガスによって後縁部５１ａの背側５１ｃが冷却される。
つまり、本発明によれば、後縁部の腹側と背側との両側が冷却ガスによって冷却される。したがって、本実施形態のタービン翼５１によれば、タービン翼５１の後縁部５１ａの冷却効率を向上させてタービン翼の耐久性を向上させることが可能となる。

また、本実施形態のタービン翼５１においては、第２貫通孔２０の開口部２０ａが第１貫通孔１０の開口部１０ａから冷却ガスの後流位置に形成されているため、上述のように後縁部５１ａの背側５１ｃに噴出される冷却ガスの流量を増加させることができる。したがって、後縁部５１ａの背側５１ｃの冷却効果を高めることができる。

また、本実施形態のタービン翼５１においては、第２貫通孔２０が後縁部５１ａの背側５１ｃにおける外部流体の流れ方向と鋭角をなすように傾斜されているため、第２貫通孔２０から噴出された冷却ガスが外部流体を乱すことを抑制できる。したがって、タービン翼５１の空力性能の低下を抑制しながらタービン翼５１の冷却を図ることが可能となる。

また、本実施形態のタービン翼５１においては、第２貫通孔２０の断面積が後縁部５１ａの腹側５１ｂから背側５１ｃに向かうに連れて縮小されることによって、第２貫通孔２０から噴出される冷却ガスの流速を高め、第２貫通孔２０から噴出された冷却ガスと外部流体との速度差を小さくし、これにより冷却ガスと外部流体との過度な混合を抑制できる。したがって、タービン翼５１の空力性能の低下を抑制しながらタービン翼５１の冷却を図ることが可能となる。

また、本実施形態のタービン翼５１においては、２つの貫通孔を形成するのみで、後縁部５１ａの冷却を図ることが可能となる。
このため、金属からなるタービン翼よりも複雑な加工が困難なセラミックス基複合材料からタービン翼においても、容易に後縁部５１ａの冷却を図ることが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図４は、本実施形態のタービン翼５１Ａの斜視図である。この図に示すように、本実施形態のタービン翼５１Ａにおいては、図４に示すように、第１貫通孔１０の後縁部５１ａの腹側５１ｂの開口部１０ａから冷却ガスの流れ方向に進んだ位置とずれた位置に第２貫通孔２０の後縁部５１ａの腹側５１ｂの開口部２０ａが形成されている。
すなわち、第１貫通孔１０の開口部１０ａと第２貫通孔２０の開口部２０ａとが、冷却ガスの流れ方向に千鳥配置されている。

このように、第１貫通孔１０の開口部１０ａと、第２貫通孔２０の開口部２０ａとが、冷却ガスの流れ方向に千鳥配置されることによって、第２貫通孔２０の開口部２０ａが第１貫通孔１０の開口部１０ａから冷却ガスの流れ方向に進んだ位置に形成されている場合と比較して、第２貫通孔２０に流れ込む冷却ガスの流量が減少し、後縁部５１ａの背側５１ｃに噴出される冷却ガスの流量を低減させることができる。
そして、後縁部５１ａの背側５１ｃに噴出される冷却ガスの流量を低減させることによって、後縁部５１ａの背側５１ｃが過剰に冷却されることを防止することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係るタービン翼の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、第２貫通孔２０が直線状に延在される構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、第２貫通孔２０が折れ曲がって延在される構成や湾曲される構成を採用することも可能である。

５１，５１Ａ……タービン翼、５１ａ……後縁部、５１ｂ……腹側、５１ｃ……背側、１０……第１貫通孔、１０ａ……開口部、２０……第２貫通孔、２０ａ……開口部、Ｒ１……中空領域

Claims (3)

1. 内部の中空領域に冷却ガスが供給可能であると共に、中空領域から後縁部の腹側に抜ける第１貫通孔と、後縁部の腹側から前記後縁部の背側に抜ける第２貫通孔とを備えるタービン翼であって、
   前記冷却ガスの流れ方向の上流側に配列される複数の前記第１貫通孔と前記冷却ガスの流れ方向の下流側に配列される複数の前記第２貫通孔とを備え、
   前記第１貫通孔の前記後縁部の腹側の開口部から前記冷却ガスの後流位置とずれた位置に前記第２貫通孔の前記後縁部の腹側の開口部が形成されている
   ことを特徴とするタービン翼。
2. 前記第２貫通孔が前記後縁部の背側における外部流体の流れ方向と鋭角をなすように傾斜されていることを特徴とする請求項１記載のタービン翼。
3. 前記第２貫通孔の断面積が前記後縁部の腹側から背側に向かうに連れて縮小されていることを特徴とする請求項１または２記載のタービン翼。

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