JP6860383B2 - タービン翼の冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンのタービンにおける静翼および動翼を冷却するための構造に関する。

ガスタービンエンジンを構成するタービンは、燃焼器の下流に配置され、燃焼器で燃焼された高温のガスが供給されるため、ガスタービンエンジンの運転中は高温にさらされる。したがって、タービンの静翼および動翼を冷却する必要がある。このようなタービン翼を冷却する構造として、圧縮機で圧縮された空気の一部を、翼内に形成した冷却通路に導入し、圧縮空気を冷却媒体としてタービン翼を冷却することが知られている（例えば、特許文献１参照）。

圧縮空気の一部をタービン翼の冷却に用いる場合、外部から冷却媒体を導入する必要がなく、冷却構造を簡単にできるメリットがある一方、圧縮機で圧縮された空気を多量に冷却に用いるとエンジン効率の低下につながるので、できるだけ少ない空気量で効率的に冷却を行う必要がある。タービン翼を高い効率で冷却するための構造として、複数のリブを格子状に組み合わせて形成した、いわゆるラティス構造を採用することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。ラティス構造では、ラティス構造を構成するリブに冷却媒体を衝突させて渦流を発生させることにより冷却効率を高めている。

他方、タービン翼内の冷却媒体を翼後縁部から排出する構造として、タービン翼後縁部の正圧面側の翼壁を切り欠き、これによって露出した負圧面側の翼壁の裏面に沿うように冷却媒体を流すことにより、この面をフィルム冷却することが提案されている（特許文献２参照）。

米国特許第５６０３６０６号明細書 特許第４９５７１３１号明細書

しかし、特許文献２に開示されているように、ラティス構造に翼後縁部のフィルム冷却を組み合わせた場合、ラティス構造から流出した強い渦流が、露出した壁面へ排出されて、外部を流れる高温のガスに巻き込まれる。その結果、フィルム冷却による冷却効果を十分に得ることが困難であった。

そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決すべく、ラティス構造によってタービン翼内部を高い効率で冷却し、かつタービン翼後縁部もフィルム冷却によって効果的に冷却することにより、タービン翼全体を高効率に冷却できる冷却構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るタービン翼の冷却構造は、高温ガスによって駆動されるタービンのタービン翼を冷却するための構造であって、
前記高温ガスの流路に対して凹状に湾曲する前記タービン翼の第１翼壁と、前記高温ガスの流路に対して凸状に湾曲する前記タービン翼の第２翼壁との間に形成された冷却通路と、
複数のラティス構造体であって、各ラティス構造体は、前記冷却通路に面する前記第１翼壁の壁面上に設けられた複数の直線状に延びる第１リブからなる第１リブ組と、前記冷却通路に面する前記第２壁の壁面上に設けられた複数の直線状に延びる第２リブからなり、前記第１リブ組に格子状に重ねられた第２リブ組とを有する、複数のラティス構造体と、
隣接する２つの前記ラティス構造体の間に設けられて、各リブ組に形成された流路を閉塞する仕切り体と、
前記冷却通路の下流側端部に設けられて、前記冷却通路内の冷却媒体を外部へ排出する冷媒排出口と、
前記第２翼壁の、前記冷媒排出口の外部へ延設されて形成された部分である露出壁部と、
を備え、
前記仕切り体を介して隣接する２つの前記ラティス構造体の、少なくとも各出口部において、隣接する２つの前記第１リブ組および隣接する２つの前記第２リブ組が、それぞれ、前記仕切り体に対して逆向きに傾斜している。

この構成によれば、ラティス構造体から渦流として排出された冷却媒体が、隣接するラティス構造体から排出された逆向きの渦流を形成する冷却媒体と互いに干渉することにより、渦流が打ち消し合って均一な方向の流れに整流された後、冷媒排出口から露出壁部へ排出される。これにより、露出壁部において高温のガスと冷却媒体との混合が抑制され、十分なフィルム冷却効果が得られる。したがって、ラティス構造体によるタービン翼内の冷却とタービン翼後縁部のフィルム冷却が高い効率で両立できるので、タービン翼全体の冷却効率を高めることが可能になる。

本発明の一実施形態において、前記仕切り体を介して隣接する２つの前記ラティス構造体の、少なくとも各出口部において、隣接する２つの前記第１リブ組および隣接する２つの前記第２リブ組が、それぞれ、前記仕切り体に対して対称に傾斜していてもよい。この構成によれば、隣接するラティス構造体から排出された冷却媒体の渦流がより効果的に打ち消し合うので、極めて均一に整流された冷却媒体によって、高い効率でタービン翼後縁部のフィルム冷却を行うことができる。

本発明の一実施形態において、前記ラティス構造体の出口が、前記冷媒排出口に配置されていてもよい。この構成によれば、冷却通路内の全体をラティス構造体によって効果的に冷却したうえ、タービン翼の後端部を均一な流れの冷却媒体によってフィルム冷却することができる。したがって、タービン翼全体の冷却効率をさらに高めることが可能になる。

本発明の一実施形態において、前記冷却媒体全体の移動方向が、前記タービン翼の翼弦に沿った方向であり、複数の前記ラティス構造体が、仕切り体を介して前記タービン翼の高さ方向に並べて配置されていてもよい。冷却媒体全体の移動方向を翼弦方向とすることにより、露出壁部を、タービン翼の高さ方向に広く確保することができるので、タービン翼全体の冷却効率をさらに高めることができる。

本発明によれば、ラティス構造体によるタービン翼内の冷却とタービン翼後縁部のフィルム冷却を高い効率で両立することにより、タービン翼全体の冷却効率を高めることが可能になる。

本発明の一実施形態に係る冷却構造が適用されるタービン翼の一例を示す斜視図である。 図１の冷却構造を模式的に示す縦断面図である。 図１のタービン翼の横断面図である。 図２の冷却構造に用いられるラティス構造体を模式的に示す斜視図である。 図２のタービン翼の後端部付近を拡大して模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る冷却構造の配置の一例を模式的に示す縦断面図である。

以下，本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態であるタービン翼の冷却構造が適用される、ガスタービンエンジンのタービンの動翼１を示す斜視図である。タービン動翼１は、図示しない燃焼器から供給された、矢印方向に流れる高温ガスＧによって駆動されるタービンＴを形成している。タービン動翼１は、高温ガスＧの流路ＧＰに対して凹状に湾曲する腹側の第１翼壁３と、高温ガスの流路ＧＰに対して凸状に湾曲する背側の第２翼壁５とを有する。本明細書では、高温ガスＧの流れ方向に沿った上流側（図１の左側）を前方と呼び、下流側（図１の右側）を後方と呼ぶ。なお、以下の説明では、冷却構造が設けられるタービン翼として、主としてタービン動翼１を例として示すが、特に説明する場合を除き、本実施形態に係る冷却構造は、タービン翼であるタービン静翼にも同様に適用することができる。

具体的には、タービン動翼１は、図２に示すように、そのプラットフォーム１１がタービンディスク１３の外周部に連結されることで、周方向に多数植設されてタービンＴを形成している。タービン動翼１の前部１ａの内部には、翼高さ方向Ｈに延びて折り返す前部冷却通路１５が形成されている。タービン動翼１の後部１ｂの内部には、後部冷却通路１７が形成されている。これらの冷却通路は、図３に示すように、第１翼壁３と第２翼壁５との間の空間を利用して形成されている。

図２に示すように、圧縮機からの圧縮空気の一部である冷却媒体ＣＬが、径方向内側のタービンディスク１３の内部に形成された前部冷却媒体導入通路１９，後部冷却媒体導入通路２１を通って、径方向外側に向かって流れ、それぞれ前部冷却通路１５，後部冷却通路１７に導入される。前部冷却通路１５に供給された冷却媒体ＣＬは、タービン動翼１の外部に連通する図示しない冷媒排出孔から外部へ排出される。後部冷却通路１７に供給された冷却媒体ＣＬは、後述する冷媒排出口２５から外部へ排出される。以下、本実施形態に係る冷却構造をタービン動翼１の後部１ｂのみに設けた例について説明するが、本実施形態に係る冷却構造は、タービン動翼１の後部１ｂを含むいかなる範囲に設けてもよい。

後部冷却通路１７の内部には、タービン動翼１を冷却するための冷却構造として、ラティス構造体２３が設けられている。ラティス構造体２３は、後部冷却通路１７に面する第１翼壁３および第２翼壁５の壁面にそれぞれ立設されたリブに冷却媒体ＣＬを接触または衝突させることにより、タービン動翼１をその内部から冷却する。以下の説明では、第１翼壁３の後部冷却通路１７に面する壁面を第１壁面３ａと称し、第２翼壁５の後部冷却通路１７に面する壁面を第２壁面５ａと称する。本実施形態では、後部冷却通路１７内において、冷却媒体ＣＬの全体が、ラティス構造体２３を前方から後方へ横切る方向に流れる。以下の説明では、この冷却媒体ＣＬ全体の流れ方向を、冷媒移動方向Ｍと称する。

本実施形態では、後部冷却通路１７に、複数（図示の例では４つ）のラティス構造体２３が設けられている。この例では、タービン動翼１の高さＨ方向に複数のラティス構造体が並べて配置されている。隣接するラティス構造体２３間には、冷媒移動方向Ｍに延びる仕切り体２７が介在している。

図３に示すように、タービン動翼１を冷却するための冷却構造として、タービン動翼１は、さらに、冷媒排出口２５および露出壁部２９を有している。タービン動翼１の後端部において、第１翼壁３を切り欠いて第２翼壁５の壁面を外部（高温ガスの流路ＧＰ）に露出させた部分を形成している。冷媒排出口２５は、後部冷却通路１７の下流側端部（後端部）に設けられて、後部冷却通路１７内の冷却媒体ＣＬを外部へ排出する。冷媒排出口２５は、上記のように第１翼壁３を切り欠いた箇所における第１壁面３ａと第２壁面５ａとの間の隙間として形成されている。すなわち、露出壁部２９は、第２翼壁５の、冷媒排出口２５の外部へ延設されて形成された部分である。ラティス構造体２３の出口２３ａは、冷媒排出口２５に配置されている。

図４に示すように、ラティス構造体２３は、後部冷却通路１７に面する両壁面３ａ，５ａ上に、互いに平行にかつ等間隔に設けられた複数のリブ３１からなるリブ組を、複数組格子状に重ねて組み合わせることにより形成されている。本実施形態では、２つのリブ組、すなわち第１リブ組（図４における下段のリブ組）３３Ａと第２リブ組（図４における上段のリブ組）３３Ｂとを、リブ３１の高さ方向（第１壁面３ａと第２壁面５ａとが対向する方向）に格子状に重ねることによって組み合わせて、ラティス構造体２３が形成されている。ラティス構造体２３において、各リブ組３３Ａ，３３Ｂの隣り合うリブ３１，３１間の間隙が冷却媒体ＣＬの流路（ラティス流路）３５を形成する。ラティス構造体２３は、後部冷却通路１７内において、冷媒移動方向Ｍに延びる２つの側壁３７，３７の間に、ラティス流路３５が冷媒移動方向Ｍに対して傾斜するように配置される。

ラティス構造体２３に導入された冷却媒体ＣＬは、同図に破線矢印で示すように、まず一方のリブ組（図示の例では下段の第１リブ組３３Ａ）のラティス流路３５を流れ、一方の側壁３７に衝突して折返し、同図に実線矢印で示すように、他方のリブ組（図示の例では上段の第２リブ組３３Ｂ）のラティス流路３５に流れ込む。この他方のラティス流路３５に流れ込んだ冷却媒体ＣＬは、側壁３７および壁面５ａ（３ａ）への衝突によって次第に渦流を形成しながら当該ラティス流路３５を流れ、その後他方の側壁３７に達する。このように、ラティス構造体２３においては、冷却媒体ＣＬが、ラティス流路３５を流れ、側壁３７に衝突して折返し、他方のラティス流路３５に流れ込んでラティス流路３５を渦流として通過することを繰り返した後にラティス構造体２３から排出される。冷却媒体ＣＬが側壁３７および壁面３ａ，５ａへの衝突を繰り返すことにより、ラティス流路３５を流れる冷却媒体ＣＬ流れの中に渦流が発生し、冷却が促進される。

なお、ラティス構造体２３において、第１リブ組３３Ａのラティス流路３５と第２リブ組３３Ｂのラティス流路３５とが互いに連通する部分（すなわち、平面視において第１リブ組３３Ａのラティス流路３５と第２リブ組３３Ｂのラティス流路３５とが交差する部分）である連通部２３ｂからも、互いのラティス流路３５へ冷却媒体ＣＬが流入する。

本実施形態では、図４に示すように、ラティス構造体２３において、上段と下段の各リブ３１の高さ、すなわち翼厚方向のラティス流路高さｈは同一である。また、第１リブ組３３Ａにおけるリブ３１，３１同士の間隔と、第２リブ組３３Ｂにおけるリブ３１，３１同士の間隔とは同一である。すなわち、第１リブ組３３Ａにおけるラティス流路幅ｗと、第２リブ組３３Ｂにおけるラティス流路幅ｗとは同一である。第１リブ組３３Ａの延設方向と第２リブ組３３Ｂの延設方向とのなす角度は略９０°に設定されている。もっとも、各リブ組における複数のリブ３１の配置構成は、図示の例に限定されず、タービン翼の構造や要求される冷却性能等に応じて適宜設定してよい。

図２に示すように、本実施形態においては、後部冷却通路１７内に、複数（図示の例では３つ）の仕切り体２７によって高さ方向Ｈに隔離された複数（図示の例では４つ）のラティス構造体２３が設けられており、後部冷却通路１７の上端壁１７ａ，仕切り体２７，下端壁１７ｂが図４の側壁３７に相当する。この仕切り体２７によって、各リブ組に形成されたラティス流路３５が閉塞される。この例では、平板状の仕切り板を仕切り体２７として用いている。なお、仕切り体２７は、各リブ組のラティス流路３５を実質的に閉塞することができる構造体、つまり、隣接するラティス構造体２３間の冷却媒体ＣＬの流通を妨げることが可能であり、かつ、ラティス構造体２３の側部において、冷却媒体ＣＬを衝突させて、一方のリブ組のラティス流路３５から他方のリブ組のラティス流路３５（図４）へ流れ込むように折り返すことができる構造体であれば、どのようなものを用いてもよい。例えば、ラティス構造体２３の側部の各ラティス流路３５の開口に面する位置に配置した複数のピンフィンを仕切り体２７として用いてもよい。

本実施形態では、図５に示すように、仕切り体２７を介して隣接する２つのラティス構造体２３，２３において、隣接する２つの第１リブ組３３Ａ，３３Ａ（同図においてクロスハッチングで示すリブ組）および隣接する２つの第２リブ組３３Ｂ，３３Ｂ（同図において破線で示すリブ組）が、それぞれ、仕切り体２７に対して逆向きに傾斜するように延設されている。より具体的には、隣接する２つの第１リブ組３３Ａ，３３Ａおよび隣接する２つの第２リブ組３３Ｂ，３３Ｂが、それぞれ、仕切り体２７に対して対称に傾斜している。

同図に示すように、各ラティス構造体２３から排出された冷却媒体ＣＬは、渦流を形成している。本実施形態では、仕切り体２７を介して隣接する２つのラティス構造体２３は、その各リブ組が仕切り体２７に対して対称に傾斜するように配置されているので、両ラティス構造体２３，２３から排出された冷却媒体ＣＬは互いに逆向きの渦流を形成する。したがって、これらの冷却媒体ＣＬにおける逆向きの渦流は互いに干渉して打ち消し合う。その結果、流れの方向が均一化された冷却媒体ＣＬが露出壁部２９へ排出され、この冷却媒体ＣＬによって露出壁部２９の壁面２９ａが効果的にフィルム冷却される。

もっとも、隣接する２つの第１リブ組および隣接する２つの第２リブ組は、仕切り体２７に対して対称に傾斜している必要はなく、仕切り体２７に対して互いに逆向きに傾斜していれば、隣接するラティス構造体から排出された冷却媒体ＣＬの渦流が打ち消し合う効果を得ることができる。例えば、隣接するラティス構造体２３，２３間で、リブの位置が冷媒移動方向Ｍに対してずれていてもよく、隣接するラティス構造体２３，２３間で、仕切り体２７に対するリブの傾斜角度が異なっていてもよい。

また、図２に示すように、本実施形態では、ラティス構造体２３の全体に渡って、隣接する２つの第１リブ組および隣接する２つの第２リブ組が、それぞれ、仕切り体２７に対して逆向きに傾斜しているが、少なくとも各ラティス構造体２３の出口２３ａ部分において、隣接する２つの第１リブ組および隣接する２つの第２リブ組が、それぞれ、仕切り体２７に対して逆向きに傾斜していればよい。

また、本実施形態では、第１リブ組および第２リブ組のそれぞれにおいて、両側壁間に渡って延びる各リブの両端部における２つのラティス連通部２３ｂの間に、複数の連通部２３ｂが形成されるように延設されている。このように構成することにより、一方の側壁で折り返した冷却媒体ＣＬが他方の側壁に達するまでの間に、渦流を形成してラティス流路の壁面を冷却するための十分な距離が確保される。もっとも、ラティス構造体２３におけるリブの延設長さはこれに限定されない。

本実施形態では、ラティス構造体２３の出口２３ａを冷媒排出口２５に配置している。換言すれば、ラティス構造体を後部冷却通路１７の後端まで設けている。これにより、後部冷却通路１７内の全体をラティス構造体２３によって効果的に冷却したうえ、タービン翼の後端部を均一な流れの冷却媒体ＣＬによってフィルム冷却することができるので、タービン翼全体の冷却効率をさらに高めることが可能になる。もっとも、ラティス構造体２３の出口２３ａは冷媒排出口２５よりも前側に位置していてもよい。

また、本実施形態では、図２に示すように冷媒移動方向Ｍを翼弦方向とすることにより、露出壁部２９を、タービン翼の高さＨ方向に広く確保することができるので、タービン翼全体の冷却効率をさらに高めることができる。もっとも、冷媒移動方向Ｍは翼弦方向に限定されず、ラティス構造体２３、冷媒排出口２５および露出壁部２９の配置は冷媒移動方向Ｍに応じて適宜設定してよい。

なお、図示の例では、ラティス構造体２３を、タービン動翼１の高さ方向Ｈ（タービンの径方向）のほぼ全体に渡って設けているが、高さ方向Ｈの一部にのみラティス構造体２３を設けてもよい。例えば、図６に示すように、ラティス構造体２３をタービン動翼１の根元側（図示の例では根元側半分の領域）、すなわち径方向内側にのみ設けてもよい。これにより、タービン動翼１の中で大きな応力がかかる部分である根元部分を効果的に冷却することができる。同様の理由により、タービン静翼にラティス構造体２３を設ける場合には、タービンの径方向外側となるタービン静翼の根元側にのみラティス構造体２３を設けてもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る冷却構造によれば、隣接するラティス構造体２３，２３から排出された逆向きの渦流を形成する冷却媒体ＣＬが互いに干渉することにより、渦流が打ち消し合って均一な方向の流れに整流された後、冷媒排出口２５から露出壁部２９へ排出される。これにより、露出壁部２９において高温のガスＧと冷却媒体ＣＬとの混合が抑制され、十分なフィルム冷却効果が得られる。したがって、ラティス構造体２３によるタービン翼内の冷却とタービン翼後縁部のフィルム冷却が高い効率で両立できるので、タービン翼全体の冷却効率を高めることが可能になる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ タービン動翼（タービン翼）
３ 第１翼壁
５ 第２翼壁
１７ 後部冷却通路（冷却通路）
２３ ラティス構造体
２３ａ ラティス構造体の出口
２５ 冷媒排出口
２７ 仕切り体
２９ 露出壁部
ＣＬ 冷却媒体
Ｇ 高温ガス
ＧＰ 高温ガスの流路

Claims (4)

1. 高温ガスによって駆動されるタービンのタービン翼を冷却するための構造であって、
   前記高温ガスの流路に対して凹状に湾曲する前記タービン翼の第１翼壁と、前記高温ガスの流路に対して凸状に湾曲する前記タービン翼の第２翼壁との間に形成された冷却通路と、
   複数のラティス構造体であって、各ラティス構造体は、前記冷却通路に面する前記第１翼壁の壁面上に設けられた複数の直線状に延びる第１リブからなる第１リブ組と、前記冷却通路に面する前記第２翼壁の壁面上に設けられた複数の直線状に延びる第２リブからなり、前記第１リブ組に格子状に重ねられた第２リブ組とを有する、複数のラティス構造体と、
   隣接する２つの前記ラティス構造体の間に設けられて、各リブ組に形成された流路を閉塞する仕切り体と、
   前記冷却通路の下流側端部に設けられて、前記冷却通路内の冷却媒体を外部へ排出する冷媒排出口と、
   前記第２翼壁の、前記冷媒排出口の外部へ延設されて形成された部分である露出壁部と、
   を備え、
   前記仕切り体を介して隣接する２つの前記ラティス構造体の、少なくとも各出口部において、隣接する２つの前記第１リブ組および隣接する２つの前記第２リブ組が、それぞれ、前記仕切り体に対して逆向きに傾斜している、
   ガスタービンエンジンの冷却構造。
2. 請求項１に記載の冷却構造において、前記仕切り体を介して隣接する２つの前記ラティス構造体の、少なくとも各出口部において、隣接する２つの前記第１リブ組および隣接する２つの前記第２リブ組が、それぞれ、前記仕切り体に対して対称に傾斜している冷却構造。
3. 請求項１または２に記載の冷却構造において、前記ラティス構造体の出口が、前記冷媒排出口に配置されている冷却構造。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の冷却構造において、前記冷却媒体全体の移動方向が、前記タービン翼の翼弦に沿った方向であり、複数の前記ラティス構造体が、前記仕切り体を介して前記タービン翼の高さ方向に並べて配置されている冷却構造。

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