JP5696080B2 - 被冷却構造部材、タービン翼、及びタービン - Google Patents

Description

本発明は、高温の被冷却構造部材、タービン翼、及びタービンの冷却構造に関するものである。

例えば、タービン等に用いられる翼部材は、常時高温のガスに曝されるため、高温酸化によって損傷を受けてしまうおそれがある。従って、この翼部材は耐熱素材によって製造される必要があるだけでなく、積極的に冷却される必要がある。このため、一般には、翼部材内部に形成された冷却孔を通じて冷却空気を翼部材表面に案内し、冷却フィルムと呼ばれる薄い低温気流層を翼部材表面に形成することによって、この翼部材に直接高温のガスが接触することを回避し、翼部材の温度上昇の抑制を行なっている。

このような冷却フィルムを用いた冷却構造は、例えば、特許文献１に開示されている。具体的には、ガスタービン用高温部材において、フィルム冷却孔の流出部が、幅方向に末拡がりになるように形成されている。これにより、流出部から噴出した冷却媒体によって膜（冷却フィルム）を均一に形成することが可能となり、ガスタービン用高温部材の表面を流通する高温ガスからの熱伝達を低減し、フィルム効率の向上を図っている。

特開２００８−２４８７３３号公報

しかしながら、特許文献１の冷却構造は、図７に示すように、末拡がりとなった流出部１００の中途位置で、冷却媒体Ｗが流出部１００の側壁１０１の部分で剥離してしまい、冷却媒体Ｗが拡がらずに中央部に寄った状態や、図８に示すように、一方に偏った状態となってしまう。よって、流出部１００のピッチＰの方向に均一な冷却フィルムを形成することができないおそれがあった。さらに、外乱等によっても、側壁１０１の部分での剥離の発生状況が影響を受けるため、冷却フィルムの形成が不安定となり、フィルム効率を安定的に向上させることが困難であった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、安定的にフィルム効率を向上し、冷却性能の向上を図った被冷却構造部材、タービン翼、及びタービンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明に係る被冷却構造部材は、表面に沿うように上流側から下流側に高温ガスが流通する被冷却構造部材であって、前記表面から後退するように形成されて、前記下流側に向かうに従って前記表面に接続されるように傾斜する傾斜案内面と、該傾斜案内面の両側に形成された側面とを有する凹部と、前記凹部内に開口し、前記傾斜案内面に沿って前記下流側に冷媒を吹き出す冷却孔と、前記表面における前記側面の前記上流側に配置され、前記表面から突出するように形成されたステップ部とを備えることを特徴とする。

このような被冷却構造部材によると、傾斜案内面を通じて冷却孔から吹き出された冷媒が、凹部内を傾斜案内面及び側面に沿って下流側に向かって流通する。この際、ステップ部が形成された位置においては、ステップ部によって段差が形成されることで、高温ガスと凹部内の冷媒との間に空間を設けることができる。このため、高温ガスによって凹部内の冷媒の流れが制約されてしまうことを抑制でき、この結果、側面からステップ部に沿うように、凹部の中途位置から外側に拡がるように流通させることが可能となる。即ち、ステップ部によって凹部の側面が中途位置で取り除かれたように作用する。従って、側面から冷媒の流れが剥離して流れが中央部に寄ってしまうことなく、凹部の外側に拡がるフィルム空気を安定的に形成できる。

また、前記側面は、前記下流側に向かうに従って、互いに離間するように傾斜していてもよい。

このように、凹部の側面が下流に向かって離間することで、凹部が末拡がりとなるように形成されていることとなり、特に拡がりの度合いが大きくなっている場合には流れの剥離が発生し易くなってしまう。しかしながら、ステップ部を形成したことによって、側面からステップ部に沿うように凹部の中途位置から外側に拡がるように冷媒が流通することとなり、凹部の外側に拡がるフィルム空気を安定的に形成でき、フィルム効率を向上して冷却性能の向上を図ることが可能となる。

さらに、前記ステップ部は、前記上流側に形成された第一ステップ部と、前記第一ステップ部から前記側面に沿って前記下流側に突出して、該第一ステップ部に一体に形成された第二ステップ部とを有していてもよい。

凹部を流通する冷媒は、下流側へ向かう中途位置で側面から剥離するが、このように、第二ステップ部が第一ステップ部から下流側に突出して形成されていることによって、剥離が発生する位置までは側面に沿って冷媒を流通させ、その後、剥離の可能性のある位置においては、ステップ部の作用により、凹部の外側に拡がるフィルム空気を形成することが可能となる。即ち、第二ステップ部によって凹部の形状に沿って、凹部の外側に拡がるフィルム空気を安定的に形成できる。このため、さらなるフィルム効率の向上が可能となり、冷却性能の向上を図ることが可能となる。
ここで、本発明に係るタービン翼は、上記の被冷却構造部材を翼部材として備えることを特徴とする。
また、本発明に係るタービンは、上記のタービン翼を備えることを特徴とする。

本発明の被冷却構造部材、タービン翼、及びタービンによると、ステップ部によって、凹部の外側に拡がるフィルム空気を安定的に形成できるため、フィルム効率を向上し、冷却性能の向上を図ることが可能となる。

本発明の第一実施形態に係る翼部材を示す全体斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る翼部材における冷却部を示す斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る翼部材における冷却部を示す上面図である。 本発明の第一実施形態に係る翼部材における冷却部を示す縦断面図であって、図３のＡ−Ａ断面を示すものである。 本発明の第二実施形態に係る翼部材における冷却部を示す斜視図である。 本発明の第二実施形態に係る翼部材における冷却部を示す上面図である。 従来の翼部材における冷却構造を示す上面図である。 従来の翼部材における冷却構造を示す上面図である。

以下、本発明の実施形態に係る翼部材（被冷却構造部材）１について説明する。
図１に示すように、翼部材１は、例えば軸流式のタービン等の動翼として用いられる部材である。また、この翼部材１は腹側が凹状曲面とされ、背側が凸状曲面とされた翼形状をなしている。そして、高温ガスＧがこれら腹側及び背側の曲面上、即ち翼部材表面１ａ上を、前縁から後縁に向かう翼弦方向（図１における左側から右側に向かう方向）に流通する際に生じる揚力によって、タービンを軸線回りに回転させ、回転力を得ることが可能となっている。

また、この翼部材１は、その内部に翼弦方向に形成された複数（本実施形態では３箇所）の空気導入孔２、３、４と、これら空気導入孔２、３、４に連通し、翼弦方向に直交する翼幅方向（図１における上下方向）に間隔をあけて設けられた複数の冷却部１０と、上記翼部材表面１ａから突出して各々の冷却部１０から翼幅方向に拡がるステップ部１１とを備えている。
なお、本実施形態では、翼幅方向に複数設けられた冷却部１０は、腹側の翼部材表面１ａにおいて、翼弦方向に間隔をあけて二列分が配置されている。

空気導入孔２、３、４は、翼部材１の外部に設置された図示しない冷却空気供給源より、冷却空気（冷媒）ＣＡを導入して流通可能とする流路である。

図２から図４に示すように、冷却部１０は、上記翼部材表面１ａから翼弦方向に前縁側へ向かう方向、即ち、上流側に向かって後退するように凹む凹部１５と、凹部１５の上流側の端部に開口して、凹部１５と空気導入孔２、３、４とを連通する冷却孔１６とを備えている。

凹部１５は、上記翼部材表面１ａから翼弦方向に後縁側へ向かう方向、即ち下流側に向かうに従って、翼部材表面１ａに滑らかに接続されるように傾斜する傾斜案内面１５ａと、傾斜案内面１５ａの翼幅方向の両側に形成されて、傾斜案内面１５ａ及び翼部材表面１ａに接続された側面１５ｂとを有している。
また、側面１５ｂ同士は、下流側に向かうに従って互いに離間し、即ち、凹部１５は翼幅方向に漸次拡幅するように形成されている。

冷却孔１６は、凹部１５の上流側の端部に接続されて開口するとともに、空気導入孔２、３、４に接続されることで、凹部１５と空気導入孔２、３、４とを連通しており、空気導入孔２、３、４からの冷却空気ＣＡを凹部１５へ流入可能としている。

ステップ部１１は、凹部１５の側面１５ｂにおける上流側の中途位置で、上記翼部材表面１ａから突出するとともに、翼幅方向に拡がって形成された段差部である。より具体的には、凹部１５において、上流側から下流側に向かう方向の中途位置で、凹部１５の側面１５ｂから立ち上がるように、ステップ部１１の下流側を向く端面１１ａが形成され、また、この端面１１ａに接続されて上流側に向かって拡がる上面１１ｂが形成されている。このようにして、ステップ部１１が凹部１５を中途位置までを覆うように配されている。

なお、本実施形態では、このステップ部１１は、翼幅方向に隣接する凹部１５同士の間の全域にわたって形成されており、また、上面１１ｂは、上流側で翼部材表面１ａ上に段差が形成されないように滑らかに翼部材表面１ａに連続して接続されている。

このような翼部材１においては、外部の空気供給源より空気導入孔２、３、４に導入された冷却空気ＣＡが、冷却孔１６を通じて凹部１５へ流入して、翼部材表面１ａより吹き出される。そして、凹部１５内においては、冷却空気ＣＡは傾斜案内面１５ａ及び側面１５ｂに沿って下流側へ向かって流通する。

この際、仮にステップ部１１を設けない状態では、凹部１５の下流側へ向かう中途位置で、側面１５ｂから冷却空気ＣＡが剥離してしまい、即ち、冷却空気ＣＡが翼幅方向に拡がらず、凹部１５の翼幅方向の中央部に寄った状態や、一方に偏った状態で流通することとなる。特に、本実施形態のように、凹部１５が下流側に向かって末拡がりに形成されていることで、流れの剥離が発生し易くなってしまう。従って、側面１５ｂに沿って凹部１５から冷却空気ＣＡを吹き出すことは難しい。

この点、本実施形態では、ステップ部１１の下流側を向く端面１１ａによって、翼部材表面１ａからステップ部１１の上面１１ｂを通じて下流側へ流通する高温ガスＧと、凹部１５内を流通する冷却空気ＣＡとの間に、空間を設けることができる。このため、上面１１ｂへ流通する高温ガスＧによって凹部１５内の冷却空気ＣＡの流れが制約されてしまうことを抑制可能となる。

従って、凹部１５内を流通する冷却空気ＣＡが、ステップ部１１の端面１１ａが形成された位置に至った際には、ステップ部１１の端面１１ａに沿って側面１５ｂから翼幅方向に向かって、冷却空気ＣＡが外側に拡がるように流通することとなる。即ち、凹部１５の側面１５ｂが中途位置で取り除かれたように作用し、側面１５ｂから冷却空気ＣＡの流れの剥離によって冷却空気ＣＡの流れが、凹部１５内で翼幅方向の中央部に寄ってしまうことがなく、凹部１５の外側に拡がるようにフィルム空気を安定的に形成できる。

本実施形態の翼部材１によると、ステップ部１１を形成して、ステップ部１１の上面１１ｂから下流側に向かって流通する高温ガスＧと、凹部１５内の冷却空気ＣＡとの間に空間を設けられ、高温ガスＧによる影響を低減して、凹部１５の外側に拡がるフィルム空気を安定的に形成可能となる。この結果、フィルム効率を向上することができ、冷却性能の向上を図ることができる。

なお、図２から図４に示したように、ステップ部１１における端面１１ａと上面１１ｂとは角（本実施形態では直角）をなして接続されている。同様に、端面１１ａと翼部材表面１ａとも角（本実施形態では直角）をなして接続されている。そして、このようにして段差が形成されている。しかし、端面１１ａと上面１１ｂ、及び、端面１１ａと翼部材表面１ａとは、例えば、角をなさずに曲面によって滑らかに接続されたＲ形状となっていてもよい。

次に、本発明の第二実施形態に係る翼部材２１について説明する。
なお、第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態では、ステップ部３１の形状が、第一実施形態のものと異なっている。

図５及び図６に示すように、ステップ部３１は、上流側に配置された第一ステップ部３５と、凹部１５の側面１５ｂに沿って、第一ステップ部３５から下流側に突出する第二ステップ部３６とを有している。

第一ステップ部３５は、凹部１５の側面１５ｂにおける上流側の中途位置で、翼幅方向に拡がるとともに、上記翼部材表面２１ａから突出して形成された段差部である。より具体的には、凹部１５を、上流側から下流側に向かう方向の中途位置で、側面１５ｂ同士の間に配されて、この中途位置で凹部１５の側面１５ｂから立ち上がるように、第一ステップ部３５の下流側を向く端面３５ａが形成されている。

第二ステップ部３６は、第一ステップ部３５から下流側に突出して形成されている。より具体的には、第一ステップ部３５の下流側を向く端面３５ａの翼幅方向両縁から下流側に向かって、凹部１５の中途位置までステップ部側面３７が、凹部１５の側面１５ｂに一体に形成されている。そして、このステップ部側面３７の下流側の端縁に接続されて翼幅方向に拡がるように、第二ステップ部３６の下流側を向く端面３６ａが形成されている。

また、これら第一ステップ部３５の端面３５ａと第二ステップ部３６の端面３６ａには、上流側に向かって拡がるステップ部３１の上面３１ｂが接続されている。
このようにして、ステップ部３１は、第一ステップ部３５と第二ステップ部３６とによって、上流側から下流側に向かう方向に離間して、二段階に段差が形成されていることとなる。

なお、本実施形態では、このステップ部３１は、翼幅方向に隣接する凹部１５同士の間の全域にわたって形成されており、また、上面３１ｂは、上流側で翼部材表面２１ａ上に段差が形成されないように滑らかに翼部材表面２１ａに連続して接続されている。

このような翼部材２１によると、外部の空気供給源より空気導入孔２、３、４に導入された冷却空気ＣＡが、冷却孔１６を通じて凹部１５へ流入し、凹部１５における傾斜案内面１５ａ及び側面１５ｂに沿って下流側へ向かって流通する。

この際、冷却空気ＣＡは、下流側へ向かう中途位置で側面１５ｂから剥離してしまうが、下流側を向く端面３６ａによって、翼部材表面２１ａからステップ部３１の上面３１ｂを通じて下流側へ流通する高温ガスＧと、凹部１５内を流通する冷却空気ＣＡとの間に、空間を設けることができる。このため、第一実施形態と同様に、翼部材表面２１ａを流通する高温ガスＧによって凹部１５内の冷却空気ＣＡの流れが制約されてしまうことを抑制可能となる。

さらに、第二ステップ部３６は、第一ステップ部３５から下流側に突出して形成されている。従って、剥離が発生する位置までは側面１５ｂに沿って冷却空気ＣＡを流通させ、その後、剥離の可能性のある位置においては、第二ステップ部３６の作用によって側面１５ｂから翼幅方向に向かって、凹部１５の外側に拡がるフィルム空気を安定的に形成することが可能となる。

即ち、第一ステップ部３５及び第二ステップ部３６によって、段差が二段階に形成されることで、より凹部１５の形状に沿ったフィルム空気を安定的に形成できる。

さらに、第二ステップ部３６の段差がより下流側に形成されることとなるため、ステップ部３１の上面３１ｂから下流側に向かって流通する高温ガスＧからの制約をさらに抑制でき、凹部１５の外側に拡がるフィルム空気を安定的に形成できる。このため、フィルム効率の向上が可能となり、さらなる冷却性能の向上を図ることができる。

ここで、第二ステップ部３６の下流側を向く端面３６ａの位置は、側面１５ｂからの冷却空気ＣＡの剥離が発生する位置よりも上流側に形成されていることが好ましい。この場合、剥離の影響を最小限に抑えることができ、フィルム効率を最大限に高めることができる。

なお、図５及び図６に示したように、第一ステップ部３５における端面３５ａと上面３１ｂとは角（本実施形態では直角）をなして接続されている。同様に、第二ステップ部３６における端面３６ａと上面３１ｂとは角（本実施形態では直角）をなして接続されている。また、第二ステップ部３６における端面３６ａと翼部材表面２１ａとも角（本実施形態では直角）をなして接続されている。そして、このようにして段差が形成されている。しかし、端面３５ａと上面３１ｂ、端面３６ａと上面３１ｂ、端面３６ａと翼部材表面２１ａとは、例えば、角をなさずに曲面によって滑らかに接続されたＲ形状となっていてもよい。

以上、本発明の実施形態についての詳細説明を行なったが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
例えば、ステップ部１１、３１の上面１１ｂ、３１ｂは、上流側で翼部材表面１ａ、２１ａ上に段差が形成されないように、翼部材表面１ａ、２１ａに滑らかに連続していなくともよく、即ち、段差が形成され、ステップ部１１、３１全体が翼部材表面１ａ、２１ａ上に突出していてもよい。

また、ステップ部１１、第一ステップ部３５は、凹部１５の側面１５ｂにおける上流側の中途位置に形成されていなくともよく、側面１５ｂにおける上流側の端部に形成されてもよい。

また、冷却孔１６の凹部１５への接続位置は下流側の端部に限定されず、例えば、傾斜案内面１５ａに接続されて開口していてもよい。

さらに、ステップ部１１、３１は、翼幅方向に隣接する凹部１５同士の間の全域にわたって形成されていなくともよく、換言すれば、翼幅方向に接続されていなくともよく、翼幅方向に隣接する冷却部１０同士の間で不連続となっていてもよい。

また、例えば凹部１５の側面１５ｂは漸次拡幅せず、矩形状となっていてもよく、形状は本実施形態の場合に限定されない。

１…翼部材（被冷却構造部材）、１ａ…翼部材表面、２、３、４…空気導入孔、１０…冷却部、１１…ステップ部、１１ａ…端面、１１ｂ…上面、１５…凹部、１５ａ…傾斜案内面、１５ｂ…側面、１６…冷却孔、２１…翼部材、２１ａ…翼部材表面、３１…ステップ部、３１ｂ…上面、３５…第一ステップ部、３５ａ…端面、３６…第二ステップ部、３６ａ…端面、３７…ステップ部側面、Ｇ…高温ガス、ＣＡ…冷却空気（冷媒）、１００…流出部、１０１…側壁、Ｗ…冷却媒体、Ｐ…ピッチ

Claims (5)

1. 表面に沿うように上流側から下流側に高温ガスが流通する被冷却構造部材であって、
   前記表面から後退するように形成されて、前記下流側に向かうに従って前記表面に接続されるように傾斜する傾斜案内面と、該傾斜案内面の両側に形成された側面とを有する凹部と、
   前記凹部内に開口し、前記傾斜案内面に沿って前記下流側に冷媒を吹き出す冷却孔と、
   前記表面における前記側面の前記上流側に配置され、前記表面から突出するように形成されたステップ部とを備えることを特徴とする被冷却構造部材。
2. 前記側面は、前記下流側に向かうに従って、互いに離間するように傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の被冷却構造部材。
3. 前記ステップ部は、
   前記上流側に形成された第一ステップ部と、
   前記第一ステップ部から前記側面に沿って前記下流側に突出して、該第一ステップ部に一体に形成された第二ステップ部とを有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の被冷却構造部材。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の被冷却構造部材を翼部材として備えることを特
   徴とするタービン翼。
5. 請求項４に記載のタービン翼を備えることを特徴とするタービン。

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