JP7216716B2 - 高温ガス構成要素の壁、および壁を備える高温ガス構成要素 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの膜冷却孔を備える高温ガス構成要素の壁と、このような壁を備える高温ガス構成要素とに関する。

例えばタービンの動翼および／または静翼など、高温ガス経路における構成要素は、高温の負荷を受ける。この状況において、作動流体の温度が構成要素の材料の最高許容可能温度を超えるという問題が生じる可能性がある。そのため、広範囲の冷却が、材料温度を許容可能な限度内に維持するために、延いては、構成要素を過熱から保護するために、必要とされる。

例えば、タービン構成要素は、遮熱被覆との組み合わせで、熱（対流）冷却を用いて通常は冷却される。具体的には、作動流体の温度が非常に高い前段において、追加の膜冷却が適用される。そのようにすることで、例えば比較的低温の空気といった、冷却流体の隔離層が、タービン構成要素の表面に適用され、タービン構成要素との高温の作動流体の直接的な接触を防止する。低温流体の隔離層は、構成要素の壁を貫いて穿孔された目立ちにくい膜冷却孔を用いて通常は適用される。

膜冷却孔は、高温ガス側の表面上を通過する主ガス流と平行である構成要素を有する方向において冷却流体が排出されるように、高温ガス側の表面に対して通常は傾斜させられる。

膜冷却孔は、さらに２つの種類で概して分離され得る。膜冷却孔はそれぞれ、構成要素の壁を貫く長手方向の延在全体にわたって、つまり、低温ガス側の表面における入口から反対の高温ガス側の表面における出口まで、一定で例えば円形の断面を有する。代替で、膜冷却孔は成形されてもよく、その場合、成形された膜冷却孔は、２つの区域、つまり、入口において始まり、長手方向において一定の断面積を有する計量区域と、反対側における出口に向けて通常は分岐し、平面状の側壁を有する後続の拡散器区域とを、通常は備える。その拡張のため、拡散器区域が、排出される冷却流体による高温ガス側の表面のより広い適用範囲を可能にすることになる。拡散器は、より高い吹き出し比における流れの分離の危険性を低減もする。さらに、冷却流体の噴流は主要な流束へと過度に深く侵入しない。異なる拡散器の形が現況技術から知られている。

計量区域および拡散器区域を伴う成形された膜冷却孔を伴う壁は、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、および特許文献４において開示されている。

さらに、特許文献３および特許文献５は、冷却流体が壁表面から分離されるのを回避するように特異的に成形される膜冷却孔を伴う壁を各々開示している。これは、壁における膜効率を高めることになる。この文献による膜冷却孔は、円筒形の主通路と、主通路における点から分岐する円筒形分岐通路の対と、主通路を分岐通路と連通させる２つの連通通路とを備える。この構成のため、分岐通路から注入された冷却媒体構成要素は、主通路から注入された冷却媒体と、高い指向性を有する真っ直ぐな流れの対とによって分離されることになる。十分に低い圧力を有する低圧部分が、高い指向性を伴う真っ直ぐな流れの対と、真っ直ぐな流れを包囲する領域から低圧部分へと内向きに旋回させられ、壁表面に向けて配向される流れとの間で発生させられることになる。このため、壁からの冷却流体の分離が回避されることになる。

また、特許文献６は、冷却の有効性を向上させるために、二葉の形の出口開口を伴う膜冷却孔を開示している。孔の形は、流れ方向の流れに対して垂直な方向において孔を大きな幅へと拡げ（二葉の部分において）、孔内での拡散を最適化するために前方へと孔の下流側を縮小し、二葉の形をもたらすことによって、大きな適用範囲を提供する。

さらに、特許文献７は、冷却剤の運動量を維持し、高温ガスの同伴を防止するために、真っ直ぐな拡散器の後端縁の上流にｗ字形の拡散器底部を伴う膜冷却孔を提案している。特許文献８は、膜冷却孔内での内部流れの分離を排除するために、鋭利な角がなく滑らかな表面の膜冷却孔を開示している。非対称の山形状の膜冷却孔が、具体的には表面での流体の流線の湾曲が重要である領域および適用において、様々な翼形表面または翼形領域について、特許文献９によって提案されている。

したがって、膜冷却孔は、隔離層を構築するために、延いては、高温ガスが構成要素の表面と接触するのを防止するために、冷却流体を高温ガス構成要素の表面に適用することができる。

しかしながら、構成要素の高温ガス側の表面上を通過する高温ガスの主流への冷却流体の排出は、図１０において概略的に描写されている複雑な渦の系をもたらす。大まかには、そこでは４つの異なる渦の構造、つまり、いわゆる環渦Ω１、対抗回転渦の対Ω２（腎臓形渦とも称される）、蹄鉄形渦Ω３、および静止渦Ω４が特定できる。これらの渦と、それらの形成についての理由とは、本明細書において参照により組み込まれている特許文献１０において、具体的には、この文献の段落［０００５］～［００１０］において、さらに説明されている。

特に、腎臓形渦とも呼ばれ、冷却流体の噴流または流束の曲げと、流束または噴流の中で生じる圧力勾配とから生じる対抗回転渦の対Ω２は、壁から離れて主ガス流に向かう冷却流体の移動をもたらす。これは、特に膜冷却孔の下流へと距離が長くなるほど、膜冷却の効果を相当に低下させる。

特許文献１１から、構成要素の壁の高温ガス側の表面において、成形されていない円筒形の膜冷却孔の出口から下流に、ブーメランの形とされた膨出部を配置することが知られている。膨出部のため、冷却空気が横へと広げられ、冷却空気の腎臓形とされた渦の対の回転方向が変えられ、冷却空気は壁に付着させられる。

現況技術から知られている解決策は膜冷却の有効性を高めることができるが、代替のさらなる向上した解決策がなおも必要とされている。

欧州特許出願第０９４５５９３号 欧州特許出願第１６０９９４９号 加国登録特許第２９１２８２８号 国際公開第２０１２／０２１１９４号 欧州特許出願第２５５４７９２号 欧州特許第１８７３３５３号 米国特許第７，９９７，８６７号 米国特許第８，０５７，１８１号 米国特許出願公開第２０１１／００９７１９１号 欧州特許出願第２９９０６０６号 中国特許公開第１０２１４０９６４号

そのため、増加した膜冷却能力を有する膜冷却孔を提供することが、本発明の目的である。

本発明の目的は独立請求項１によって達成される。従属請求項は、本発明の有利な発展および改良を記載している。それらの特徴は任意に組み合わせられ得る。

本発明の主要な本旨は、膜冷却流体の注入から生じる渦と反対に作用する渦、具体的には、対抗回転渦の対Ω２を発生させるために特に設計される形状を伴う少なくとも１つの膜冷却孔を壁に提供することである。

拡散器区域の各々の腕部内では、冷却流体が本発明の膜冷却孔を通って流れるとき、渦が発生させられる。これらの渦は、冷却流体の流束の中での圧力勾配によって引き起こされる対抗回転渦の対Ω２と反対である回転の方向を有し、そのため以後において反対抗回転渦の対と呼ばれる渦の対を形成する。

新たな設計は、２つの腕部内で発生させられる反対抗回転渦の対の強度と螺旋状の延在との両方を増大させて膜冷却効果をさらに増大させるために、デルタ渦発生器をさらに利用する。発生させられたデルタ渦は、反対抗回転渦の対と同じ回転の方向を有する。

デルタ渦と、それらの形成についてのメカニズムとは、現況技術から知られている。具体的には、デルタ渦は、流体がデルタ形または楔形の要素によって分割されるときに発生させられる。デルタ渦は、例えば、航空機のデルタ形とされた羽根においても発生させられる。

組み合わせられた反対抗回転渦の対とデルタ渦とは、渦の対Ω２の強度を低下させ、延いては壁での通常の混ざり合い、つまり、主流との冷却流体の混合を低下させ、膜冷却効果を効率的に増加させる。

計量区域から高温ガス側の表面における出口まで延び、拡散器底部の反対に位置する拡散器区域の前端領域が、その全長にわたって一定の断面を有し、拡散器区域の前端領域は、具体的には、出口まで、計量区域の前端領域の延長に相当する。そのため、拡散器区域は（断面で見たとき）、分岐していないが、長手方向の延在全体に沿って一定の断面積によって特徴付けられる。具体的には、計量区域の断面の一部は、高温ガス側の表面における出口まで、拡散器区域の一部として続く。

拡散器区域の前端領域は、円筒形の切片の形態を有し、具体的には、半分の円筒形の形態または半分未満の円筒形の形態を有する。これは、円筒形の計量区域の切片の延在だけが、円筒形の切片の形に対応する形を伴う前端領域をもたらすため、計量区域が円筒形の形態のものである場合である。

計量区域から、または、計量区域の近くの拡散器底部における点から、高温ガス側の表面における出口まで延びる中央縁と、Ｖ字形の様態で計量区域から分岐する中央縁の両側における２つの拡散器腕部とが、デルタ渦を発生させるための手段として得られるように、拡散器底部は弧状にされる。

中央縁は、鈍的および／または少なくとも実質的に線形である。中央縁は、具体的には、計量区域の端から、好ましくは、計量区域の輪郭における点から、高温ガス側の表面における出口まで延びる。中央縁は拡散器区域の両方の腕部を繋ぐ。中央縁は、具体的には、計量区域を出る冷却流体の流れが中央縁によって２つの下位流れへと均等に分割される一方でデルタ渦を発生させるように、計量区域に対して中央に位置させられて計量区域を向く。

高温ガス側の表面における出口は、実質的にＶ字形とされ、具体的には、実質的にブーメラン形とされる。この場合、Ｖ字またはブーメランの各々腕部は、具体的には、２つの拡散器腕部の一方によって定められる。特に好ましいとされる高温ガス側の表面における出口は、少なくとも実質的にＶ字形とされる後端縁を有する。対応する後端縁を伴うブーメラン形とされた出口は、デルタ渦を発生させるのに特に適していることが分かっている。Ｖ字状の様態で計量区域から分岐し、中央縁によって分離される２つの拡散器腕部に関して、それら腕部によって含まれる角度は、５０°～８０°の範囲にあり、好ましくは、最も大きい衝撃を伴うデルタ渦の発生を達成するために５６°～７６°の範囲にある。角度は、好ましくは、計量区域の中心長手方向軸に対して直交する平面において見られるときに腕部の２つの中央の長手方向軸によって含まれる角度によって定められる。

出口の少なくとも実質的にＶ字形とされた後端縁は、１００°～６０°、好ましくは１００°～７０°、特に好ましくは９５°～７０°の範囲で角度を定める。これらの範囲における角度はデルタ渦の発生のために必要とされる。Ｖ字形とされた後端縁の２つの腕部が線形ではなく、例えば湾曲されている場合、角度は、具体的には、後端縁の２つの腕部への接線によって定められる。後端縁の２つの腕部がそれらの長手方向の延在の一部だけにわたって線形である場合、角度は２つの腕部の線形区域によっても定められ得る。所与の範囲における角度が、具体的には、高温ガス側の表面の平面において見られる後端縁によって定められる。

拡散器区域は、２つの湾曲した、具体的には凸状の側壁を有する。具体的には、拡散器区域の各々の湾曲した側壁は、拡散器腕部の一方の外側の側壁である。それぞれの側壁の曲率半径は、好ましくは、それぞれの腕部の長手方向において変化する。

拡散器底部は、高温ガス側の表面の一部と共に、高温ガス側の表面の平面において、出口の少なくとも実質的にＶ字形とされた後端縁を定める、計量区域の方向を指す実質的に三角形またはデルタ形とされた楔が得られるように、弧状にされる。このように弧状とされた底部は、デルタ渦の効率的な発生に特に適している。

前端および後端という表現が、一般的にあるように、例えば本発明の壁を伴う構成要素を備えるガスタービンなどの動作の間、高温ガス側の表面にわたって流れる高温ガスの主流の方向に関連して本明細書で使用されていることは、留意されたい。前端縁は、主流がそこに最初に到達し、その後に後端縁に到達するように配向される。動作の間の主ガス流の方向と無関係に、前端縁と後端縁とは互いと反対に位置している。

拡散器腕部は各々、湾曲した断面の形のものとでき、具体的には谷のような形とされ得る。湾曲した形状は、対抗回転渦の対Ω２の回転方向と反対の回転方向での各々の腕部における渦の形成をさらに容易にし、それによって、膜冷却の有効性をさらに高める。

拡散器腕部の長さは、好ましくは中央縁の長さを超える。次に、少なくとも実質的にＶ字形とされる後端縁が、中央縁より遠くへと延びる腕部の２つの区域の間に定められ得る。

代替または追加で、拡散器腕部は計量区域に対して傾斜させられる。計量区域と拡散器腕部とは、さらにより好ましくは壁の高温ガス側の表面に対して傾斜させられ、２つの腕部と高温ガス表面との間の角度は、好ましくは、計量区域と高温ガス表面との間の角度より小さい。計量区域と高温ガス側の表面との間の角度は、例えば、２０°～４５°、具体的には３０°～４０°の範囲にあり得る。拡散器腕部と高温ガス側の表面との間の角度は、例えば、５°～２５°、具体的には１０°～１５°の範囲にあり得る。

さらに、計量区域は、例えば円形の断面を有し得る。このような形を伴う計量区域が、例えばレーザー穿孔などによって都合よく製造され得る。計量区域は、代替で楕円形の断面を有してもよい。

拡散器区域は、具体的には計量区域の中心長手方向軸に沿って見ると、アンダーカットがなく、簡単な製造をさらに容易にするような形状をさらに好ましくは有する。

計量区域と拡散器区域の前端領域とは同じ半径を好ましくは有する。

一定の断面積を伴う前端領域は、第１のステップにおいて、具体的には壁の低温ガス側から高温ガス側へとずっと延びる円筒形の孔である孔が容易に穿孔でき、第２のステップにおいて、中央縁と２つの腕部とを含む拡散器の残りの部分が、好ましくは円筒形の孔に、容易に結合できるため、特に容易な製造を可能にする。前端領域は渦の系に寄与しないため、計量区域の形態で維持され得る。

拡散器区域の一方の側を各々定める外側の側壁に加えて、各々の腕部は、外側の側壁と反対のさらなる内側の側壁を好ましくは有する。そのため、腕部の２つの内側の側壁は、拡散器底部の楔形とされた弧状の部分を好ましくは定める。２つの腕部の内側の側壁は、具体的には、計量区域を向く共通の縁として中央縁を有する。２つの腕部の内側の側壁は、外側の側壁のように、例えば凸状といった湾曲とされ得る。

好ましくは、拡散器区域は、底部を拡散器区域の前端領域と繋ぐ、具体的には凸状である湾曲した側壁を有する。拡散器の側壁が湾曲させられ、具体的には凸状とさせられる場合、それら側壁は、拡散器区域の好ましくは円筒形の切片の形とされた前端領域より大きい半径を有し得る。これは、一方では、先に記載したように簡単な製造を容易にし、他方では、各々の腕部において渦の発生を容易にする。

別の好ましい実施形態によれば、計量区域の断面積Ａ１に対する、高温ガス側の表面における出口の前端点と交差する拡散器区域の断面積Ａ２の割合ＡＲは、２～６の範囲にあり、具体的には３．５～４．０の範囲にある。

拡散器区域の断面積の割合ＡＲ＝Ａ２／Ａ１は、分離しようとする流れの傾向に相当に影響を与える。大きい割合ＡＲは流れの大きな減速にとって有益であるが、流れの分離ももたらす。

計量区域は、中央縁を伴う１つの平面に位置する中心長手方向軸を通常は有することになる。この平面において、中央縁と計量区域の中心長手方向軸との間の角度は好ましくは７°～１５°の範囲にある。

そのため、先に名付けられた面積Ａ２が定められるのに関連する出口の前端点は、計量区域の中心長手方向軸および中央縁が位置する同じ平面において、中央縁の反対に好ましくは位置する。

好ましくは、拡散器区域の形は、好ましくは円筒形の計量区域の中心長手方向軸に沿って見ると、本発明の膜冷却孔が容易に製造され得るようにアンダーカットがない。

本発明は、先に記載された本発明の膜冷却孔を、少なくとも一つ備え、好ましくはいくつか備える高温ガス構成要素をさらに提供し、具体的には、ガスタービンのための構成要素をさらに提供する。

本発明による壁に設けられるいくつかの膜冷却孔がある場合、膜冷却孔は、このような膜冷却孔のうちの１つまたは複数の列に好ましくは配置される。

本発明による高温ガス構成要素は、例えば、ロータのタービン板、タービン静翼、タービン固定ノズル、および／または、ガスタービンもしくは燃焼器シェルのリング部分などとして設計され得る。具体的にはガスタービンのさらなる部品が、先に記載されているような少なくとも１つの膜冷却孔を伴う本発明の壁も備え得る。膜冷却を必要とする任意の種類の構成要素が、本発明による膜冷却孔を少なくとも１つ伴う壁を備えることができる。

ここで本発明の実施形態が、例だけを用いて、添付の図面を参照して説明される。

第１の例示の実施形態としての本発明による膜冷却孔を備える壁を貫いての断面図である。 図１による膜冷却孔の斜め上方から見た斜視図である。 図１による膜冷却孔の斜視上面図である。 図１による膜冷却孔の斜視側面図である。 計量区域の中心長手方向軸に沿って見たときの図１による膜冷却孔の拡散器区域の斜視底面図である。 反対抗回転渦の対およびデルタ渦の純粋に概略的な描写を伴う図１による膜冷却孔の出口の図である。 図１による膜冷却孔の拡散器区域を貫く断面図であり、高温ガス側の表面上方での腕部における流れの純粋に概略的な描写である。 図１による膜冷却孔の拡散器区域の端における断面図であり、高温ガス側の表面上方での流れの純粋に概略的な描写である。 図１による膜冷却孔の拡散器区域の後方での定められた距離における断面図であり、高温ガス側の表面上方での流れの純粋に概略的な描写である。 円筒形の膜冷却孔の渦の発生を示す純粋に概略的な代表図である。 本発明の膜冷却孔の１つまたは複数の列を備える壁を表しているタービン動翼の側面図である。 本発明の膜冷却孔の１つまたは複数の列を備える壁を表しているタービン静翼の側面図である。 本発明の膜冷却孔の１つまたは複数の列を備える壁を表しているリング部分の側面図である。

図面における図示は純粋に概略的な形態である。異なる図において、同様または同一の要素が同一の参照符号で提供されていることは、留意されたい。

図１は、図には示されていないガスタービンにおいて組み立てられて使用されるように指定された高温ガス構成要素の壁１を貫く断面図を示している。壁１は、冷却流体４に曝され得る第１の低温ガス側の表面３を備える。低温ガス側の表面３の反対において、壁１は、高温ガス６に曝され得るのに専用に作製されている第２の高温ガス側の表面５を備える。

壁１には、１つだけが図１において示されている複数の膜冷却孔７（図１１～図１３と比べられたい）が位置させられている。図２～図５は、各々がここでもまた膜冷却孔７のうちの１つだけの異なる斜視図を示しており、膜冷却孔７の輪郭が示されているが、膜冷却孔７が貫いて延びる壁１は示されていない。

図において見られるように、各々の膜冷却孔７は、冷却流体４を低温ガス側の表面３から高温ガス側の表面５まで導くために、壁１の低温ガス側の表面３における入口８から高温ガス側の表面５における出口９まで延びている。

膜冷却孔７は、本発明に従って、膜冷却流体４の注入から生じる渦と反対に作用する渦、具体的には、対抗回転渦の対Ω２（図１０および対応する先の記載と比べて、注入から生じる渦に関して）を発生させるために特に設計されている。

各々の膜冷却孔７は、入口８から下流側（膜冷却孔７を通る冷却流体４の流れ方向に関して）に延び、膜冷却孔７の長手方向において一定の断面積を有する計量区域１０を備える。ここで記載されている例示の実施形態の構成内において、計量区域１０は円形の断面を有する。

各々の膜冷却孔は、計量区域１０から高温ガス側の表面５における出口９へと延びる拡散器区域１１をさらに備える。拡散器区域１１は、拡散器底部１２と２つの相対する拡散器側壁１３とによって少なくとも画定されている。拡散器底部１２は、低温ガス側の表面３の反対に位置している膜冷却孔７の内面の一部分である。拡散器底部１２は、丸められた縁を介して各々の拡散器の側壁１３へと横方向で融合している。拡散器底部１２は、具体的には図２、図３、および図５において見ることができ、拡散器側壁１３は、具体的には図２、図３、および図４において見ることができる。

具体的には図２において見られるように、本発明の膜冷却孔７の拡散器底部１２は、計量区域１０の端から高温ガス側の表面５における出口９へと延びる線形の鈍的な中央縁１４と、計量区域１０からＶ字形の様態で分岐する中央縁１４の両側における２つの拡散器腕部１５、１６（図３および図５）とが得られるように弧状にされている。記載されている実施形態の構成内において、中央縁１４は、若干丸められており、つまり、鈍的となっており、これは簡単な製造を容易にするが、鋭利な縁であってもよい。腕部１５、１６は、計量区域１０から離れる方向において中央縁１４の両側へ傾斜している。図において見られるように、拡散器底部１２は、詳細には、前端縁としての中央縁１４を伴う拡散器区域１１における楔形とされた要素が得られるように弧状にされている。中央縁１４は、計量区域１０から流れてくる冷却流体４を均等に分割し、１つが各々の腕部１５、１６を通って流れる２つの下位流れが発生させられる。

具体的には図３、図５、および図６において見られるように、実質的にブーメラン形とされ、実質的にＶ字形とされた後端縁１７を有する出口９が、高温ガス側の表面５において得られる（具体的には、ここでも図３および図５と比べられたい）。前端および後端という表現が、一般的にあるように、動作の間、高温ガス側の表面５にわたって流れる高温ガス６の主流の方向（参照符号６で印の付けられた図における対応する矢印と比べられたい）に関連して本明細書で使用されていることは、留意されたい。

記載されている例示の実施形態に関して、実質的にＶ字形とされた後端縁１７は、高温ガス側の表面５の平面において、約８０°の角度αを含み（図３と比べられたい）、後でさらに記載されているようなデルタ渦発生器として機能する。後端縁１７はさらに、鈍的な中央縁１４と比べて、比較的鋭利である。

２つの拡散器腕部１５、１６に関して、拡散器腕部１５、１６は、計量区域１０の中心長手方向軸１８に対して直交する平面で見ると、計量区域１０の中心からそれぞれの腕部の先端まで延びる長手方向軸Ｌ同士の間に約７０°の角度βを含む。

さらに、図１による断面図において、計量区域１０の中心長手方向軸１８と中央縁１４とによって含まれる角度γは約７°である。

例えば、平面における２つの拡散器腕部１５、１６の底縁１９の突出が点線によって指示されている図１による壁１を貫く断面において見られるように、拡散器腕部１５、１６の長さは中央縁１４の長さを超えている。

拡散器腕部１５、１６の各々は、円筒形の計量区域１０の中心長手方向軸１８に沿っての下方からの拡散器区域の眺めを示している図５において最も良く見られるように、湾曲した断面形のものであり、拡散器区域１１での異なる奥行きにおける切断線１９が指示されている。腕部１５、１６の湾曲した断面の形は、各々の腕部１５、１６における渦の形成を容易にする。

本発明の膜冷却孔７の記載されている実施形態の拡散器区域１１は、計量区域１０から高温ガス側の表面５における出口９へと延び、拡散器底部１２およびその中央縁１４の反対に位置する拡散器区域１１の前端領域２０が、その全長にわたって、つまり、計量区域の端から出口９へと一定の断面を有することをさらに特徴とする。拡散器区域１１の前端領域２０は、出口９までの計量区域１０の前端領域２１の延在に対応する。これは図２および図３において最も良く見られ、これらの図は、膜冷却孔７の上方部分において、断面積が入口８から出口９まで一定のままであることを示している。したがって、拡散器区域１１の前端領域２０は円筒形の切片の形態を有し、出口９の円形の前端縁２２が得られる（図３において、前端縁２２は点線で指示されている）。

この構成は、二回のステップの穿孔過程の適用を可能にするため、本発明の膜冷却孔７の製造を特に簡単にし、その穿孔過程では、始めに、低温ガス側の表面３から高温ガス側の表面５までずっと延びる円筒形の孔が穿孔され、続いて、２つの腕部１５、１６が拡散器区域１１を得るために加えられる。膜冷却孔７の製造は、例えばレーザー穿孔によって達成できる。拡散器区域１１の前端領域２０は渦の系に寄与しないため、簡単な製造を容易にするためにこの形で維持され得る。

図は、簡単な製造をさらに容易にするアンダーカットが拡散器区域１１にないことを示している。

前述したように、拡散器区域１１の２つの腕部１５、１６は、湾曲した断面の形のものである。拡散器区域１１の２つの側壁１３は凸状になっている。側壁１３の曲率半径は、計量区域１０の中央からそれぞれの腕部の先端へと延びる長手方向軸Ｌの方向において変化する。

各々の拡散器腕部１５、１６は内側の側壁２３も有し、側壁２３は、弧状にされた拡散器底部１２の一部であり、（外側の）側壁１３のように湾曲されているが、ここで記載されている例示の実施形態では、内側の側壁２３は、（外側の）側壁１３と比べて、比較的平坦である。

拡散器区域１１の側壁１３は拡散器底部１２を前端領域２０と繋げ、図２および図３において最も良く見られるように、側壁１３は、前端領域２０より大きい半径を有する。これは、後でさらに記載されている渦の対Ω２と反対に作用する渦を拡散器腕部１５、１６において形成することを容易にする。

記載されている例示の実施形態の構成内において、計量区域１０の断面積Ａ１に対する、高温ガス側の表面５における出口９の前端点２４と交差する拡散器区域１１の断面積Ａ２の割合ＡＲは、ＡＲ＝Ａ２／Ａ１＝３．９である。出口９の前端点２４は、計量区域１０の中心長手方向軸１８および中央縁１４が位置する同じ平面において、中央縁１４の反対に位置する。拡散器区域１１の断面積の割合ＡＲは、分離しようとする流れの傾向に相当に影響を与える。大きい割合ＡＲは流れの大きな減速にとって有益であるが、流れの分離ももたらす。

動作の間、冷却流体４が、本発明の膜冷却孔７を通じて、例えばタービンの動翼または静翼の壁１の低温ガス側の表面３から高温ガス側の表面５まで流れるとき、渦が拡散器区域１１の腕部１５、１６の各々の中で発生させられる。両方の渦は渦の対２５を形成し、そこでは、形成された渦の対２５の回転の方向が、冷却流体４の流束内において圧力勾配によって引き起こされる対抗回転渦の対Ω２と反対である（拡散器区域１１において発生させられた渦が概略的に指示されている図６、および、対抗回転渦の対Ω２を示す図１０と比べられたい）。この反対の回転の方向のため、新たに形成された渦の対は反対抗回転渦の対２５と呼ばれる。膜冷却孔７の新たな設計は、反対抗回転渦の対２５の強度と螺旋状の延在との両方を増大させ、膜冷却効果をさらに増大させるために、デルタ渦発生器をさらに利用する。図６に示されているように、反対抗回転渦の対２５が拡散器区域１１の２つの腕部１５、１６内で発生させられる一方で、デルタ渦２６は、壁１の高温ガス側の表面５と交差し、デルタ渦発生器として機能する拡散器腕部１５、１６の内側の壁２３によって定められるＶ字形とされた後端縁１７において発生させられる（Ｖ字形とされた後端縁１７は、図３において点線で指示されている）。

図７～図９に示されているように、発生したデルタ渦２６は、具体的には２つの拡散器腕部１５、１６の間の領域において、高温ガス側の表面５において膜の冷却流体４をもたらす。デルタ渦２６の回転の方向は、反対抗回転渦の対２５の回転の方向と同じであり、対抗回転渦の対Ω２と対応するように反対である（ここでも、図６および図１０と比べられたい）。これは、高温ガス６の主流との冷却流体４の混合を低下させ、延いては、特にはこの領域での膜冷却効果を増加させる。拡散器腕部１５、１６の最も下流の縁２７において、デルタ渦２６のレッグは、反対抗回転渦の対２５の隣接するレッグと融合し始めて、より大きな反対抗回転渦の対を形成する（図９と比べられたい）。これは、特に横方向において冷却流体４が高温ガス側の表面５においてより良好に分配され、膜冷却効果の悪化が低減されるため、有益である。膜冷却孔７の下流では、冷却流体の流束の横方向の幅全体を網羅する楕円形の反対抗回転渦の対が発生させられる。ここでもまた、対抗回転渦の対Ω２が反対抗回転渦の対２５によって弱められるため、膜冷却効果の悪化が低減される。

図１１～図１３は、本発明による少なくとも１つの膜冷却孔を備える１つまたは複数の壁を備え得る構成要素の例を示している。

図１１および図１２は、ガスタービン（図では示されていない）のタービン動翼２８とタービン静翼２９とを側面図で示している。各々のタービン動翼２８およびタービン静翼２９は、ロータディスクまたはタービン静翼担持体のいずれかといった担持体に前記部品を取り付けるための留め付け要素を備え得る。タービン動翼２８およびタービン静翼２９は、プラットフォームと、一列だけが表示されている膜冷却孔７の１つまたは複数の列を備える空気力学的に成形された翼形３０とをさらに備える。膜冷却孔７の各々は、先に詳細に記載した膜冷却孔の例示の実施形態に従って適応されている。

図１３は、二列の本発明の膜冷却孔７を備えるリング部分３１を斜視図で示しており、表示されたリング部分は燃焼器シェル要素としても使用できる。

本発明は好ましい実施形態を参照して詳細に記載されているが、本発明が開示されている例によって限定されないことと、数々の追加の改良および変形が本発明の範囲から逸脱することなく当業者によって行われ得ることとは、理解されるものである。

本出願を通じての「１つ（ａまたはａｎ）」の使用は複数を排除せず、「備える」は他のステップまたは要素を排除しないことは、留意されるべきである。また、異なる実施形態との関連で記載された要素は組み合わせられてもよい。さらに、請求項における参照符号が請求項の範囲を限定するとして解釈されるべきではないことは、留意されるべきである。

１ 壁
３ 低温ガス側の表面
４ 冷却流体
５ 高温ガス側の表面
６ 高温ガス
７ 膜冷却孔
８ 入口
９ 出口
１０ 計量区域
１１ 拡散器区域
１２ 拡散器底部
１３ 拡散器側壁
１４ 中央縁
１５、１６ 拡散器腕部
１７ 後端縁
１８ 中心長手方向軸
１９ 底縁、切断線
２０ 前端領域
２１ 前端領域
２２ 前端縁
２３ 内側の側壁
２４ 前端点
２５ 反対抗回転渦の対
２６ デルタ渦
２８ タービン動翼
２９ タービン静翼
３０ 翼形
Ａ１ 計量区域の断面積
Ａ２ 拡散器区域の断面積
ＡＲ 割合
Ｌ 長手方向軸
α 角度
β 角度
γ 角度
Ω２ 対抗回転渦の対

Claims (14)

1. 高温ガス構成要素（２）の壁（１）であって、
   高温ガス側の表面（５）と、
   前記高温ガス側の表面（５）の反対に位置させられる低温ガス側の表面（３）と、
   冷却流体（４）を前記低温ガス側の表面（３）から前記高温ガス側の表面（５）まで導くための、前記低温ガス側の表面（３）における入口（８）から前記高温ガス側の表面（５）における出口（９）まで延びる少なくとも１つの膜冷却孔（７）と、
   を備え、
   それぞれの前記膜冷却孔（７）は、前記入口（８）から下流側に延びる一定の断面の計量区域（１０）と、前記計量区域（１０）から前記出口（９）へと延びる拡散器区域（１１）とを備え、
   前記拡散器区域（１１）は、拡散器底部（１２）と２つの相対する拡散器側壁（１３）とによって少なくとも画定され、
   前記拡散器区域（１１）は、前記計量区域（１０）から前記高温ガス側の表面（５）における前記出口（９）まで延び、前記拡散器底部（１２）の反対に位置し、その全長にわたって一定の断面を有する前端領域（２０）を有し、前記拡散器区域（１１）の前記前端領域（２０）は、前記出口（９）まで、前記計量区域（１０）の前端領域（２１）の延長に相当し、前記拡散器区域（１１）の前記前端領域（２０）は円筒形の切片の形態を有し、
   前記拡散器区域（１１）は、流体流れを２つの下位流れへと分割するための２つの湾曲した断面の形とされた拡散器腕部（１５、１６）と、デルタ渦（２６）を発生させるための手段と、を備え、
   前記拡散器底部（１２）は、
   前記計量区域（１０）から、または、前記計量区域（１０）の近くの前記拡散器底部（１２）における点から、前記高温ガス側の表面（５）における前記出口（９）まで延びる鋭利なおよび／または丸められた中央縁（１４）と、
   Ｖ字形とされた様態で前記計量区域（１０）から分岐する、前記中央縁（１４）の両側における２つの前記拡散器腕部（１５、１６）と、
   が得られるように弧状にされ、
   前記高温ガス側の表面（５）における前記出口（９）は、ブーメラン形とされ、前記高温ガス側の表面（５）における前記出口（９）は、Ｖ字形とされる後端縁（１７）を、２つの前記拡散器腕部（１５、１６）が前記計量区域の中心長手方向軸に対して直交する平面において５０°～８０°の範囲で角度（β）を含むように、および／または、前記Ｖ字形とされる後端縁（１７）が１００°～６０°の範囲で角度（α）を定めるように有し、これにより、前記Ｖ字形とされる後端縁（１７）は、前記デルタ渦（２６）を発生させるための手段として機能し、
   前記拡散器区域（１１）は、２つの外側に向けて凸状に湾曲した側壁（１３）を備え、前記拡散器区域（１１）の前記２つの外側に向けて凸状に湾曲した側壁（１３）それぞれは前記拡散器腕部（１５、１６）の一方の側壁（１３）であり、それぞれの前記側壁（１３）の曲率半径はそれぞれの前記拡散器腕部（１５、１６）の長手方向において変化する、壁（１）。
2. 前記角度（β）は５６°～７６°の範囲にあること、および／または、前記角度（α）は、１００°～７０°であることを特徴とする、請求項１に記載の壁（１）。
3. 前記角度（α）は９５°～８０°であることを特徴とする、請求項２に記載の壁（１）。
4. 前記拡散器腕部（１５、１６）の長さは前記中央縁（１４）の長さを超えること、および／または、前記拡散器腕部（１５、１６）は前記計量区域（１０）に対して傾斜させられることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の壁（１）。
5. 各々の前記拡散器腕部（１５、１６）は谷のような湾曲した断面の形のものであることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の壁（１）。
6. 前記計量区域（１０）は円形の断面を有することを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の壁（１）。
7. 前記拡散器区域（１１）の前記前端領域（２０）は、半分の円筒形の形態または半分未満の円筒形の形態を有することを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の壁（１）。
8. 前記計量区域（１０）と前記拡散器区域（１１）の前記前端領域（２０）とは同じ半径を有することを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の壁（１）。
9. 前記２つの外側に向けて凸状に湾曲した側壁（１３）は、前記拡散器底部（１２）を前記拡散器区域（１１）の前記前端領域（２０）と繋ぐことと、前記２つの外側に向けて凸状に湾曲した側壁（１３）は、前記拡散器区域（１１）の前記前端領域（２０）より大きい半径を有することと、を特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の壁（１）。
10. 前記計量区域（１０）の断面積（Ａ１）に対する、前記高温ガス側の表面（５）における前記出口（９）の前端点（２４）と交差する前記拡散器区域（１１）の断面積（Ａ２）の割合（ＡＲ）は、３．５～４．０の範囲にあることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の壁（１）。
11. 前記計量区域（１０）は、前記中央縁（１４）を伴う１つの平面に位置する中心長手方向軸（１８）を有することを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の壁（１）。
12. 前記出口（９）の前記前端点（２４）は、前記計量区域（１０）の前記中心長手方向軸（１８）および前記中央縁（１４）が位置する同じ平面において、前記中央縁（１４）の反対に位置することを特徴とする、請求項１０に記載の壁（１）。
13. 少なくとも１つの前記膜冷却孔（７）を備える、請求項１から１２のいずれか一項に記載の壁（１）を備える、ガスタービンのための高温ガス構成要素。
14. 複数の前記膜冷却孔（７）を備える、請求項１から１２のいずれか一項に記載の壁（１）を備える、ガスタービンのための高温ガス構成要素。

Images