JP5923936B2

JP5923936B2 - フィルム冷却構造及びタービン翼

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Publication number: JP5923936B2
Application number: JP2011245704A
Authority: JP
Inventors: 大北　洋治; 洋治大北; 千由紀仲俣; 世志久保; 渡辺　修; 修渡辺
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-11-09
Filing date: 2011-11-09
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2031-11-09
Also published as: US9546553B2; EP2778344B1; WO2013069724A1; EP2778344A1; JP2013100786A; US20140234121A1; EP2778344A4

Description

本発明は、フィルム冷却構造及びタービン翼に関するものである。

下記特許文献１には、ガスタービンにおける動翼、燃焼器のライナ等のように高温ガス（熱媒体）に臨む壁面に噴出孔（フィルム冷却孔）を設け、この噴出孔から噴出される冷却媒体を壁面に沿って流すことによって壁面の冷却を行うフィルム冷却構造が開示されている。このフィルム冷却構造は、壁面からの冷却媒体の剥離を抑制し、フィルム効率を高めるべく、一対以上の噴射孔からの冷却媒体の噴出方向が、これら冷却媒体を互いに壁面に押し付ける方向の渦を形成するように設定されている。

具体的には、各対の噴出孔が、壁面上で高温ガスの流れ方向に沿って前後に配置され、各噴出孔が、壁面上で、冷却媒体の噴出方向を長軸とする楕円形状を有し、各対の噴出孔から噴出される冷却媒体の噴出速度ベクトルはそれぞれ、高温ガスの流れに対して、壁面に沿った面上で横方向角度成分β１，β２を有し、これら横方向角度成分β１，β２が互いに相違するように設定されている。

特許第４１４７２３９号公報

上記特許文献１では、対をなす２つの噴出孔からの冷却媒体同士が干渉し合い、冷却媒体を壁面に押し付け、冷却媒体の壁面からの剥離を抑制することにより、壁面上におけるフィルム効率を高めることができる。
しかしながら、上記従来技術では、冷却媒体の押し付け作用が得られるのが冷却媒体の渦と渦との間の範囲であり、高いフィルム効率が得られる範囲が狭いという問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、高いフィルム効率が広範囲で得られるフィルム冷却構造及びタービン翼の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、熱媒体が流通する壁面と、該壁面に開口して冷却媒体を噴出する複数のフィルム冷却孔と、を有するフィルム冷却構造であって、上記熱媒体の主流方向において隣り合う上記フィルム冷却孔の各開口方向は、上記噴出によって形成される上記冷却媒体の渦の向きが互いに逆方向で、且つ、上記主流方向の下流側の上記冷却媒体の渦が、上記主流方向の上流側の上記冷却媒体の渦に巻き込まれて合流し、該合流した上記冷却媒体が上記壁面に沿って上記主流方向と交差する同一方向に流通するように設定されているという構成を採用する。

また、本発明においては、上記熱媒体の主流方向において隣り合う上記フィルム冷却孔の各開口方向は、上記主流方向と直交するそれぞれの平面内においてそれぞれ設定されているという構成を採用する。

また、本発明においては、上記熱媒体の主流方向において隣り合う上記フィルム冷却孔に係る、上記主流方向の上流側の上記開口方向の上記平面内における上記壁面に対する第１角度と、上記主流方向の下流側の上記開口方向の上記平面内における上記壁面に対する第２角度とは、互いに異なる角度に設定されているという構成を採用する。

また、本発明においては、上記第１角度と上記第２角度との差は、１００度よりも大きく、且つ、１２０度よりも小さい範囲内に設定されているという構成を採用する。

また、本発明においては、上記第１角度及び上記第２角度のうちいずれか一方が、１３５度よりも大きく、且つ、１５０度よりも小さい範囲内に設定されている場合に、他方が、３０度よりも大きく、且つ、４０度よりも小さい範囲内に設定されているという構成を採用する。

また、本発明においては、上記熱媒体の主流方向において隣り合う上記フィルム冷却孔は、上記主流方向と直交し、且つ、上記壁面に沿う方向において、互いに異なった位置に形成されているという構成を採用する。

また、本発明においては、先に記載のフィルム冷却構造を有するタービン翼を採用する。

本発明によれば、下流側のフィルム冷却孔から噴出した冷却媒体が、上流側のフィルム冷却孔から噴出した冷却媒体で形成された渦の下に潜り込むように巻き込まれ、互いの冷却媒体が主流方向と交差する同一方向に押し広げるようにして干渉し合う。
したがって、本発明では、高いフィルム効率が広範囲で得られる。

本発明の実施形態におけるタービン翼を示す斜視図である。本発明の実施形態におけるフィルム冷却構造のフィルム冷却孔の配置を示す平面図である。図２における矢視Ａ−Ａ断面図である。本発明の実施形態におけるフィルム冷却構造による作用を説明するための図である。本発明の実施形態におけるフィルム冷却構造のフィルム効率を示す解析結果図である。本実施例におけるフィルム冷却構造の解析モデルを示す平断面図である。本実施例の多次元解析結果（γ１＞γ２の場合）を示すグラフである。本実施例の多次元解析結果（γ１＜γ２の場合）を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の説明では、本発明におけるフィルム冷却構造を、ガスタービンのタービン翼の冷却構造に適用した場合を例示して説明する。

図１は、本発明の実施形態におけるタービン翼１００を示す斜視図である。
図１に示すように、タービン翼１００の前縁部１０１には、本実施形態におけるフィルム冷却構造１が設けられている。フィルム冷却構造１は、熱媒体が流通する壁面２と、壁面２に開口して冷却媒体を噴出する複数のフィルム冷却孔３と、を有する構成となっている。

熱媒体は、不図示の燃焼器によって生成された高温の燃焼ガスである。この熱媒体は、壁面２に沿って、前縁部１０１から後縁部１０２に向かう主流方向に流通する。熱媒体の主流方向は、図において符号Ｆで示す。
冷却媒体は、タービン翼１００が複数取り付けられる不図示の翼サポート部品等から供給される低温の圧縮空気である。タービン翼１００の内部は中空となって不図示の流路が形成されており、供給された冷却媒体は、フィルム冷却孔３から噴出する。

図２は、本発明の実施形態におけるフィルム冷却構造１のフィルム冷却孔３の配置を示す平面図である。図３は、図２における矢視Ａ−Ａ断面図である。
図において、Ｘ軸方向は熱媒体の主流方向を、Ｙ軸方向は熱媒体の主流方向と直交する方向（スパン（翼幅）方向）を、Ｚ軸方向はＸ−Ｙ平面（壁面２）に対して垂直な方向を、それぞれ示す。

図２に示すように、壁面２には、熱媒体の主流方向（Ｘ軸方向）において隣り合って、フィルム冷却孔３ａ，３ｂが配置されている。なお、図において、主流方向上流側（−Ｘ側）のフィルム冷却孔３には符号３ａを付し、主流方向下流側（＋Ｘ側）のフィルム冷却孔３には符号３ｂを付している。フィルム冷却孔３ａ，３ｂは、Ｙ軸方向において距離ｈをあけて、互いに異なった位置に形成されている。詳しくは、上流側のフィルム冷却孔３ａが＋Ｙ側にオフセットして配置され、下流側のフィルム冷却孔３ｂが−Ｙ側にオフセットして、互い違いに配置されている。

この熱媒体の主流方向において隣り合うフィルム冷却孔３ａ，３ｂの各開口方向（図３において矢印を付す）は、後述する図４に示すように、上記噴出によって形成される冷却媒体の渦の向きが互いに逆方向で、且つ、主流方向の下流側の冷却媒体の渦（符号Ｂ２で示す）が、主流方向の上流側の冷却媒体の渦（符号Ａ２で示す）に巻き込まれて合流し、該合流した冷却媒体が壁面２に沿って主流方向と交差する同一方向に流通するように設定されている。

具体的には、図３に示すように、熱媒体の主流方向において隣り合うフィルム冷却孔３ａ，３ｂの各開口方向は、主流方向と直交する平面（Ｙ−Ｚ平面）内においてそれぞれ設定されている。フィルム冷却孔３ａ，３ｂは、それぞれ壁面２に対して斜めに形成され、主流方向から視ると壁面２の内側で交差（クロス）するように形成されている。フィルム冷却孔３ａ，３ｂは、直径ｄを有し、図２に示す平面視では、それぞれＹ軸方向を長軸とする略楕円形状を呈している。

また、図３に示すように、熱媒体の主流方向において隣り合うフィルム冷却孔３ａ，３ｂに係る、主流方向上流側のフィルム冷却孔３ａの開口方向のＹ−Ｚ平面内における壁面２に対する第１角度γ１と、主流方向下流側のフィルム冷却孔３ｂの開口方向のＹ−Ｚ平面内における壁面２に対する第２角度γ２とは、互いに異なる角度に設定されている。

第１角度γ１と第２角度γ２との差は、その大小関係に係らず、１００度よりも大きく、且つ、１２０度よりも小さい範囲内に設定することが好ましい。すなわち、第１角度γ１と第２角度γ２との差をΔで示すと、Δは下に示す式で表される。
Δ ＝｜γ１−γ２｜（但し、１００＜Δ＜１２０）

さらに、第１角度γ１及び第２角度γ２のうちいずれか一方が、１３５度よりも大きく、且つ、１５０度よりも小さい範囲内に設定されている場合に、他方が、３０度よりも大きく、且つ、４０度よりも小さい範囲内に設定することがより好ましい。すなわち、より好ましいケースとしては、下に示す２通りとなる。
ケース１… １３５＜γ１＜１５０且つ３０＜γ２＜４０
ケース２… ３０＜γ１＜４０且つ１３５＜γ２＜１５０

なお、上流側のフィルム冷却孔３ａ及び下流側のフィルム冷却孔３ｂは、それぞれスパン方向（Ｙ軸方向）に複数設けられて列を成している（図１参照）。上記関係は、この列毎に設定されている。すなわち、ある一列を構成するフィルム冷却孔３を見ると、それぞれ同じ傾きで形成されており、その隣の列と比較すると、上記関係を有する。図１においては、スパン方向に列を成すフィルム冷却孔３が主流方向に複数並んで示されているが、主流方向で隣り合う列同士のフィルム冷却孔３が、それぞれ上記関係を有することとなる。

続いて、上記構成のフィルム冷却構造１による作用について、図４を参照して説明する。
図４は、本発明の実施形態におけるフィルム冷却構造１による作用を説明するための図である。なお、図４（ａ）は図２における矢視Ａ−Ａ断面における冷却媒体の流れを示し、図４（ｂ）は図２における矢視Ｂ−Ｂ断面における冷却媒体の流れを示し、図４（ｃ）は図２における矢視Ｃ−Ｃ断面における冷却媒体の流れを示す。

壁面２には熱媒体がＸ軸方向（図４において紙面奥行き方向）に流通しており、上流側のフィルム冷却孔３ａから噴出した冷却媒体は、大きく分けて符号Ａ１で示す流れと符号Ａ２で示す流れになる。流れＡ１は、壁面２に沿う流れであり、フィルム冷却孔３ａの開口方向（傾く方向）に従った向きの＋Ｙ側の流れとなる。一方、流れＡ２は、冷却媒体の噴出により誘起された渦であり、フィルム冷却孔３ａの開口方向に逆らう向きの−Ｙ側の流れとなる。図４（ａ）に示すように、流れＡ２は、時計回りの渦を巻く。

図４（ｂ）に示すように、下流側のフィルム冷却孔３ｂから噴出した冷却媒体も同様に、大きく分けて符号Ｂ１で示す流れと符号Ｂ２で示す流れになるが、上流側の流れＡ１，Ａ２とはそれぞれ向きが反対になる。すなわち、流れＢ１は、壁面２に沿う流れであり、フィルム冷却孔３ｂの開口方向（傾く方向）に従った向きの−Ｙ側の流れとなる。一方、流れＢ２は、冷却媒体の噴出により誘起された渦であり、フィルム冷却孔３ｂの開口方向に逆らう向きの＋Ｙ側の流れとなる。図４（ｂ）に示すように、流れＢ２は、反時計回りの渦を巻く。

流れＡ２，Ｂ２は、それぞれ熱媒体の主流方向の流れによって下流側に運ばれるが、その下流側の矢視Ｃ−Ｃ断面において、図４（ｃ）に示すように干渉し合う。冷却媒体の渦の向きが互いに逆方向の流れＡ２，Ｂ２は、主流方向下流側の流れＢ２が、主流方向上流側からきた流れＡ２の渦に巻き込まれて合流し、該合流した冷却媒体が壁面２に沿って主流方向と交差する同一方向（Ｙ軸方向成分を含む方向）に流通する。これは、下流側のフィルム冷却孔３ｂから噴出した冷却媒体が、上流側のフィルム冷却孔３ａからの冷却媒体で誘起された流れＡ２の渦の下に潜り込むように広がり、互いにスパン方向（Ｙ軸方向）に押し広げるように干渉し合った結果である。

図５は、本発明の実施形態におけるフィルム冷却構造１のフィルム効率を示す解析結果である。なお、図５における熱媒体の主流方向は、紙面右側から紙面左側であり、符号Ｆで示す。また、フィルム効率の高低は、パターンの濃淡で示している。
図５に示すように、本実施形態のフィルム冷却構造１によれば、上流側のフィルム冷却孔３ａから噴出した冷却媒体の流れと下流側のフィルム冷却孔３ｂから噴出した冷却媒体の流れとが干渉し合って、壁面２において高いフィルム効率が広範囲で得られていることが分かる。

このように、上述の本実施形態によれば、熱媒体が流通する壁面２と、該壁面２に開口して冷却媒体を噴出する複数のフィルム冷却孔３と、を有するフィルム冷却構造１であって、熱媒体の主流方向（Ｘ軸方向）において隣り合うフィルム冷却孔３ａ，３ｂの各開口方向は、上記噴出によって形成される冷却媒体の渦の向きが互いに逆方向で、且つ、主流方向の下流側の符号Ｂ２で示す冷却媒体の渦が、主流方向の上流側の符号Ａ２で示す冷却媒体の渦に巻き込まれて合流し、該合流した冷却媒体が壁面２に沿って主流方向と交差する同一方向に流通するように設定されているという構成を採用することによって、高いフィルム効率が広範囲で得られる。
また、本実施形態のフィルム冷却構造１を有するタービン翼１００によれば、熱耐久性が向上するため、高性能化、長寿命化を図ることができる。

（実施例）
以下、実施例により本発明の効果をより明らかにする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

図６は、本実施例におけるフィルム冷却構造１の解析モデルを示す平断面図である。
図６に示すように、本多次元解析においては、タービン翼１００の前縁部１０１を想定したモデルを用いた。本多次元解析においては、平断面視で略Ｕ字形状のモデルを半分にしたものを用いた。なお、図６において、上流側のフィルム冷却孔３ａの基準面１１０に対する角度はαで示し、下流側のフィルム冷却孔３ｂの基準面１１０に対する角度はβで示している。

本多次元解析においては、流れに関する１つの流れ変数、すなわち噴出し比（ＢＲ）及び形状に関する４つの設計変数（ｈ／ｄ、β、γ１、γ２）の計５つを変数として解析を行った。各条件は以下の通りである。なお、αは、一定（１５°）とした。

［流れ条件］
ＢＲ … ０．５≦ＢＲ≦２．０
［形状条件］
ｈ／ｄ（図２及び図３参照） … ３．５≦ｈ／ｄ＜１０．５（ベース条件：ｈ／ｄ＝３．５）
β（図６参照） … ３９≦β≦９０（ベース条件：β＝５５°）
γ１（図３参照）… １０≦γ１（ベース条件：γ１＝４５°）
γ２（図３参照）… γ２≦１７０（ベース条件：γ２＝４５°）

図７は、本実施例の多次元解析結果（γ１＞γ２の場合）を示すグラフである。図８は、本実施例の多次元解析結果（γ１＜γ２の場合）を示すグラフである。なお、同グラフは、各パラメータにおいて上に向かうほど値が大きくなるグラフである。また、冷却孔率は、壁面２における３点の所定箇所（η_５ｄ、η_１２０、η_９０）で評価した。

図７に示すように、γ１＞γ２の場合、形状条件（ａｂｓ（γ１−γ２））が１００°〜１２０°の範囲内にあれば、他の条件（ＢＲ、ｈ、β）の値をある程度振ったとしても、高い冷却効率が得られることが分かる。
また、図８に示すように、γ１＜γ２の場合（逆の関係）においても同様に、形状条件（ａｂｓ（γ１−γ２））が１００°〜１２０°の範囲内にあれば、他の条件（ＢＲ、ｈ／ｄ、β）の値をある程度振ったとしても、高い冷却効率が得られることが分かる。

また、多次元解析において、γ１とγ２を考え得る角度範囲全体で数値解析を行った結果、第１角度γ１及び第２角度γ２のうちいずれか一方が、１３５度よりも大きく、且つ、１５０度よりも小さい範囲内に設定されている場合に、他方が、３０度よりも大きく、且つ、４０度よりも小さい範囲内に設定されていることが、冷却効率の観点から優位な効果が得られることが分かった。

以上の実施例から、第１角度γ１と第２角度γ２との差は、１００度よりも大きく、且つ、１２０度よりも小さい範囲内に設定することが、好ましく、また、第１角度γ１及び第２角度γ２のうちいずれか一方が、１３５度よりも大きく、且つ、１５０度よりも小さい範囲内に設定されている場合に、他方が、３０度よりも大きく、且つ、４０度よりも小さい範囲内に設定されていることが、より好ましいことが分かる。

以上、図面を参照しながら本発明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るものではない。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、上記実施形態では、本フィルム冷却構造１をガスタービンのタービン翼１００の冷却構造に適用した場合を例示して説明したが、本発明はこの構成に限定されず、例えば、燃焼器のライナ等の他の冷却構造にも適用可能である。

１…フィルム冷却構造、２…壁面、３（３ａ，３ｂ）…フィルム冷却孔、Ａ１…流れ、Ａ２…流れ（上流側の渦）、Ｂ１…流れ、Ｂ２…流れ（下流側の渦）、γ１…第１角度、γ２…第２角度、１００…タービン翼

Claims

熱媒体が流通する壁面と、該壁面に開口して冷却媒体を噴出する複数のフィルム冷却孔と、を有するフィルム冷却構造であって、
前記熱媒体の主流方向において隣り合う前記フィルム冷却孔の各開口方向は、前記主流方向と直交するそれぞれの平面内においてそれぞれ設定されていると共に、前記噴出によって形成される前記冷却媒体の渦の向きが互いに逆方向で、且つ、前記主流方向の下流側の前記冷却媒体の渦が、前記主流方向の上流側の前記冷却媒体の渦に巻き込まれて合流し、該合流した前記冷却媒体が前記壁面に沿って前記主流方向と交差する同一方向に流通するように設定されていることを特徴とするフィルム冷却構造。
前記熱媒体の主流方向において隣り合う前記フィルム冷却孔に係る、前記主流方向の上流側の前記開口方向の前記平面内における前記壁面に対する第１角度と、前記主流方向の下流側の前記開口方向の前記平面内における前記壁面に対する第２角度とは、互いに異なる角度に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のフィルム冷却構造。
前記第１角度と前記第２角度との差は、１００度よりも大きく、且つ、１２０度よりも小さい範囲内に設定されていることを特徴とする請求項２に記載のフィルム冷却構造。
前記第１角度及び前記第２角度のうちいずれか一方が、１３５度よりも大きく、且つ、１５０度よりも小さい範囲内に設定されている場合に、他方が、３０度よりも大きく、且つ、４０度よりも小さい範囲内に設定されていることを特徴とする請求項３に記載のフィルム冷却構造。
前記熱媒体の主流方向において隣り合う前記フィルム冷却孔は、前記主流方向と直交し、且つ、前記壁面に沿う方向において、互いに異なった位置に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のフィルム冷却構造。
熱媒体が流通する壁面と、該壁面に開口して冷却媒体を噴出する複数のフィルム冷却孔と、を有するフィルム冷却構造であって、
前記熱媒体の主流方向において隣り合う前記フィルム冷却孔の各開口方向は、前記噴出によって形成される前記冷却媒体の渦の向きが互いに逆方向で、且つ、前記主流方向の下流側の前記冷却媒体の渦が、前記主流方向の上流側の前記冷却媒体の渦に巻き込まれて合流し、該合流した前記冷却媒体が前記壁面に沿って前記主流方向と交差する同一方向に流通するように設定されており、
前記熱媒体の主流方向において隣り合う前記フィルム冷却孔は、前記主流方向と直交し、且つ、前記壁面に沿う方向において、互いに異なった位置に形成されていることを特徴とするフィルム冷却構造。
請求項１〜６のいずれか一項に記載のフィルム冷却構造を有するタービン翼。