JPH03182602A - 冷却流路を有するガスタービン翼及びその冷却流路の加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、冷却流路を有するガスタービン翼およびその
冷却流路の加工方法に関するものである。

［従来の技術］ ガスタービンにおいてはタービン入口温度の高温化によ
る効率の向上が追求されている。高温化に対してはガス
タービンの高温部要素部品を許容温度以下に保つための
冷却を必要とするが、一般に冷却は、主流ガスすなわち
ガスタービン翼を回転させる作動ガスの温度を低下させ
、また主流ガスと冷却用の冷媒との混合損失を誘起する
。従ってタービン入口温度の高温化のメリットを十分発
揮するためには極力少ない冷媒量で効果的に冷却を行う
技術が必要とされる。特に、回転する動翼には大きな遠
心力が作用するので、動翼の冷却は強度・信頼性の視点
から重要である。従来、ガスタービン動翼に対しては翼
部内にあけた冷却孔内に冷媒を通し、動翼先端部より排
出させる、いわゆる単純対流冷却方式が＃ＩＩ造の簡単
さから多用されている。その典型的な従来例が第５．第
６．第７図に示されている。

同図において、ガスタービン動翼は翼部１、シュラウド
２、プラットホーム３、シャンク４、ダブテイル５より
構成され、シュラウド２の先端には、シールフィン６が
取付けられている。動翼は回転ディスク（図示省略）に
ダブテイル５を介して複数枚取付けられ、ケーシング７
の内部を流れる作動ガス（主流ガス）によって回転運動
する。

そして動翼の冷却は、冷媒をダブテイル５の下端やプラ
ットフォーム３の下部などから供給し、シャンク４や翼
部１の内部にあけられた複数本の円筒状冷却孔８の壁面
を冷却しながら通過させ、動翼先端より排出させること
により５行なわれる。

冷媒としては、空気、蒸気、水などの液体が使用される
。又、冷却孔８は動翼を均一かつ効果的に冷却するよう
、径１本数１位置などが最適設計される。

［発明が解決しようとする課題］ 上記の冷却方式は、構造が簡単で設計信頼性が高いが、
一定検媒流量に対する冷却効率は、例えば、翼面から冷
媒を吹き出すフィルム冷却方式に比べて劣るのが普通で
ある。このため対流冷却方式を、熱負荷の高い翼に対し
て適用するには空力性能をある程度犠牲にし、冷媒流量
を増して対処せざるを得なかった。すなわち円筒状の冷
却孔８は、内部を流れる冷媒による対流冷却効果を利用
したものであるが、その構造上冷却孔径に対して軸方向
距離が大きいため、冷却効果が翼の根元から先端に行く
に従い低下するという欠点がある。

これを更に説明すると、第８図のように、内部冷却媒体
温度境界層１００は入口から先端に行くに従って発達し
、壁面メタル温度と冷媒の温度差が小さくなり、熱伝達
が低下する。このため、多量の冷媒を流さざるを得なか
った。

しかしながら、多量の冷媒を流すと、前述したように、
主流ガスの温度を低下させ、また冷媒との混合損失を誘
起する以外に、次のような問題点も生しる。すなわち第
９図に示すように、翼部１のメタル温度を低下するため
、冷却孔８が翼弦方向にあけられているが、特に前縁に
おいてはメタル温度が高くなるため、そこの冷却孔８↓
は穴径を大きくして対処する必要がある。また、前縁の
温度を低下させるためには熱伝達率を上げる必要があり
、そのため一般にｄエサ法を大きくする、すなわち、入
口のＲを大きくする必要がある。しかしながらｄエサ法
を大きくすると翼外面の衝突損失が増大し翼性能を低下
させてしまうという問題が生じる。

冷却効果を高めるために、内部冷却通路に乱流促進用の
リブを設けたタービン翼が１例えば特開昭６０−１０１
２０号によって提案されているが、十分な冷却効果は期
待できないし、しかもリブの加工法については何ら開示
されていない。

したがって、本発明の目的は冷媒流量は少なくて冷却効
果の大きい冷却流路を有するガスタービン翼を提供し、
ひいては、冷却効率向上によって平均メタル温度を下げ
てガスタービン翼の長寿命化を図り、或は燃焼ガス温度
を上昇させてガスタービンの熱効率を向上させることに
ある。

また他の発明は、上記発明の目的を達成するための冷却
流路を容易に形成することのできる加工方法を提供する
ことを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記目的を達成するために、特許請求の範囲
の請求項１ないし３の各々に記載の冷却流路を有するガ
スタービン翼を提供し、また請求項４ないし６の各々に
記載の該冷却流路の加工方法を提供する。

［作　　　用コ 冷媒としての空気、水又は蒸気は動翼の根元から冷却流
路内を流れて翼先端部より作動流体（主流ガス）中に排
出される。本発明においては、冷却流路には一条又は複
数条の螺旋状の凹凸部が形成されているので、冷媒との
接触面積が広くなって、翼は効率的に冷却される。しか
も凹凸部が形成されているので、冷媒の流れは乱流とな
り、冷却効果は一段と高いものとなる。

このように、効率的に翼が冷却されるので、翼のメタル
温度を下げることができ、長寿命のガスタービン翼が得
られ、また燃焼ガス温度を上昇させてガスタービンの熱
効率を上げることもできる。

また冷却流路の加工に、放電加工または電解加工が使用
されるので、−条または複数条のｍ旋状凹凸部を容易に
形成することができる。この場合、冷却流路は翼の根元
と先端の両方向から加工することもでき、例えば流路が
「＜」の字形に途中で曲った設計のものにも容易に対応
できる。

［実　施　例］ 本発明の一実施例によるガスタービン翼について説明す
る。

第１図〜第３図において、ガスタービン動翼は、翼部１
と、その先端部であるシュラウド２と、その根元部であ
るプラットフォーム３、シャンク４、ダブテイル５より
構成され、多数枚が同転ディスク（図示省酩）の外周に
はめ込まれ、円筒または円錐状の内周面を持つケーシン
タ７内を流れる高温の作動流体（主流ガス）によって回
転する。このガスタービン動翼を冷却する冷媒１０は動
翼の下部から供給され、シャンク３、翼部１を貫通する
冷却孔すなわち冷却流路８（尚、冷却孔は一部しか図示
していない）を通り、翼先端部より作動流体中に排出さ
れる。冷媒１０の流量は冷却孔８の出入口の圧力差と冷
却孔８の流入流出部および冷却孔８内部の流動抵抗によ
って定まる。本実施例のガスタービン動翼では、第４図
に示す如く、この冷媒１０に撹乱もしくは渦２０の成分
を持たせたことを特徴とする。冷媒１０の撹乱２０が冷
却性能を向上させる機能についてここで説明する。

説明例として流れの撹乱或は渦２０により冷却孔８内熱
伝達率が増大する現象をより詳しく第１０図にて説明す
る。第１０図（ａ）は冷却孔８を示す模式図であり、孔
径ｄ、孔の長さ、凹凸の幅ａ、ピッチｐ、深さｈ等、お
よび冷媒１０の物性値、レイノルズ数Ｒｅを与えると、
冷却孔８内熱伝達率は、第１０図（ｂ）に示す如く、孔
壁面に凹凸部１５．１３がない場合に比較して最適な凸
部１５高さと凸部１５ピツチを有する場合には約２倍と
なる（日本機械学会編集、伝熱工学資料改訂第３版、頁
１１９）。第１０図（ｂ）の縦軸はヌッセルト数（熱伝
達率を示す数で、大きいほど熱伝達が良い）を示す。

冷媒１０に撹乱２０の成分を与える手段として、第１図
ないし第３図に示した本実施例においては。

工作性を考慮し、ガスタービン動翼の冷却孔すなわち冷
却流Ｍ８に一条のメネジ１１を加工した構造を採用した
。メネジ１１の凸部（山部）１５、凹部（谷部）１３に
対し直角方向１７に冷媒１０が流れるため、渦２０が発
生し温度境界ＷＪ（第４図）が剥離され薄くなり、これ
によって熱流速が増加し熱伝達率が増大する。

本実施例における冷却効果の計算例を下記に示す。

条件１．主流ガス温度：　１０００℃ ２、冷却空気温度：３５０℃ ３、ガス熱伝達率：　　　３０００ＫｃａＱ／　ｒｎ）
１℃４、空気熱伝達率：従来２０００Ｋｃａ　Ｑ／　ｍ
　’　「Ｃ本実流側４０００ＫｃａＱ／ｍＨ’ｃ ５、材質：ニッケル基超合金 ６、ガスタービン出カニ約８０Ｍ１ この条件におけるガスタービン動翼の表面メタル温度は
、従来例では８３０℃ 本実施例では８００℃ となり、本実施例では約３０℃低減する。

従って、従来と同一寿命（クリープラブチャー゛で使う
場合、主流ガス温度は、１０３０℃として良く、この温
度上昇により熱効率の高いガスタービンを提供すること
ができる。

クリープラブチャー破断曲線の検討の結果、同一応力、
同一主流ガス温度において、メタル温度が３０℃下がる
と、寿命が約１０倍に延びる。すなわち、信頼性の高い
ガスタービン翼を提供することができる。

上述の実施例ではガスタービン動翼の冷媒１０が気体す
なわち空気の場合を想定して説明したが、水などの液体
を冷媒として用いた場合も同様の効果が期待できる。

本実施例におけるメネジ形状の壁面を有する冷却孔は、
下記のように放電加工により製作する事ができる。

同業者に良く知られた方法として、先ず、冷却孔のない
ガスタービン翼を精密鋳造により製作する。次いで円筒
形状の通常銅製の電極を用い、電極と翼との放電現象に
て除々に円筒形状の冷却孔を加工する。更に、メネジ形
状の凹凸部を冷却孔壁面に残すためには、オネジ形状の
電極を製作し、この電極を回転させながら同調した速度
で徐々にその軸方向に移動させて冷却孔壁面をメネジ形
状に放電加工する。

本実施例の様な形状を容易に加工する装置を第１１図に
示す、放電加工機は、従来の放電加工機と同様、２方向
に移動可能な電極５０、電極５０の位置決めを行なうサ
ーボモータ５１、電極５０を被加工物５５に対して適正
な加工ギャップδに制御するコントローラ５２、加工液
系統５３、放電を発生させる電気系統５４を有する。更
に本発明においては、電極５０をＺ軸のまわりに回転位
置決めし得る機構を追加する。

被加工物５５に始めに円筒形状の冷却孔を加工する場合
は、丸棒の電極を適正なギャップδを保ちなからＺ方向
に移動させ、２方向に丸穴を加工する。

次に、第１２図に示す様なオネジ形の電極６１を用い、
電極６１を２方向移動させつつ、Ｚ軸まわりに回転位置
決めして、メネジ形の冷却孔を形成する。

第１３図に、加工例を示す。加工範囲に関しては、δ、
くδ２の様に設定し、第↓１図のコントローラ５２にプ
ログラミングすることにより、加工によってδ１が範囲
δ２を越えた場合に、電極５０をＺ軸方向に回転、並進
させる様にする。

以上の方法により、電極の放電による消耗を防止し、容
易に溝加工することができる。

第１４図には、電解加工でメネジ形冷却孔を形成する実
施例を示す。電極８０を中空にし、Ｚ軸に直角方向に電
解液のノズル穴↓８↓を設ける。

電極８０を放電加工の場合と同様にＺ軸まわりに回転さ
せながら、それに同調した送り速度でＺ軸方向に並進運
動させることにより、螺旋状の溝を作成することができ
る。

又１回転運動と並進運動を別々に制御することにより、
径の違う穴を加工することも可能である。

第１４図に１本発明に基づきガスタービン動翼に設けた
冷却孔（冷却流路）の他の実施例の断面図を示す。この
図に示した冷却流路は、螺旋状の凹凸のほかに、複数個
所において拡径されたリセス１０２が形成されている。

第５、第６、第７図に示されているような円筒状の冷却
孔は、内部を流れる冷媒による対流冷却効果を利用した
ものであるが、その構造上、冷却孔径に対し軸方向距離
が長いため、冷却効果が翼の根元から先端に行くに従っ
て低下する。

これに対して、第１５図に示す実施例によると、冷却孔
径を軸方向位置に応じて変化させであるので、その流路
形状の変化による冷却媒体の膨張、収縮により、温度境
界層の発達を押え抑えることができる。さらに詳しく説
明すると、まず、冷媒（冷却空気）は、ダブティル５か
ら流入する。流路として、第１５図に示す様な螺旋状溝
１０１が始めに設けられており、表面近傍の熱伝達率の
向上を図っている。しかし、冷却空気は更に図の上方へ
流れることにより、温度境界層が発達し、空気とメタル
の温度差が少なくなり、熱伝達が低下する。その後、冷
却空気はリセス１０２に入り膨張することによりミキシ
ングされ、温度が均一化される。更にリセス１０２の先
に設けられた螺旋状溝１０３に入る時、冷却空気は比較
的均一な温度になっており、動翼壁面との温度差が大き
くなり、熱伝達率の向上が図られる。

このような構造における、螺旋状溝１０１゜１０３及び
リセス１０２の径ｄ１．　ｄ、、　ｄ、、長さＲ，、Ｒ
２，Ｑ、は、動翼の温度分布に応じて定めるものである
。

又、本実施例で示す冷却流路を、動翼のメタル温度が最
大となる前縁部分或は比較的高くなる後縁部分に設ける
と、冷却効果が大きいので、翼形性能を向上させること
ができる。その例が、第１６図に示されている。

従来のように、冷却孔の熱伝達率が低いと、先に述べた
ように、メタル温度を下げるために冷却孔８１は大きく
しなければならず、そのため第９図の４１寸法が大きく
なり、翼外面の衝突損失が増大し翼性能を低下させる。

これに対して、第１６図の如く１本発明による冷却孔或
は冷却流路８２を動翼前縁部に設けると、冷却効率が高
いため、少ない冷媒流量でよく、従って前縁の冷却孔を
小径化でき、翼の入口寸法ｄ２を小さく（小さなＲ）で
き、衝突損失を少なくできる。また、性能重視の翼形設
計が可能となる。

なお第１５図に示す冷却流路の加工は、螺旋状凹凸部に
ついては第１１、第１２図で説明した放電加工法を適用
し、リセス部分については、第１４図で説明した電解加
工法を適用することができる。

［発明の効果コ 以上詳述したように５本発明によると、冷却流路の壁面
には、−条又は複数条の螺旋状凹凸部が形成されている
ので、冷媒の流れに撹乱成分・渦成分を与えることがで
き、したがって冷却効果を促進し、冷却効率を向上させ
ることができる。

また、冷却流路途中に拡径されたリセスを設けることに
より、流路壁面近くの高温冷媒が一旦ミキシングされる
ので温度分布が均一化され、後流側で再度冷媒とメタル
の温度差が大きくなり、熱伝達を増し冷却効率を向上さ
せる。この効果はリセス前後の穴径を変えることにより
衝突によりミキシングすることができるため、上記同様
に冷却効率を向上させる。

本発明によれば、このように、少い冷媒流量で冷却目標
を遠戚できるので、空気力学的および熱的損失の少い高
性能のガスタービン翼が得られる。

翼の冷却効率が良いので、翼のメタル温度を下げて翼の
長寿命化を図り、又は、燃焼ガス温度を上げてタービン
の熱効率の向上を図ることができる。

タービン動翼の前縁あるいは後縁に上記冷却流路を設け
れば、冷却効率が高いため小径穴にでき、翼肉厚の薄い
部分で翼形状を変えることなく、冷却温度を低くおさえ
ることができる。翼入口・出口厚を薄くすることができ
るため翼入口の衝突損失や翼後縁の後縁損失を少なくす
ることが可能となり、高性能翼形状を提供できるため、
ガスタービン性能の大幅な向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１〜第３図は本発明の１実施例を示し、第１図は動翼
部分の平面図、第２図はケーシングと動翼部を示す正面
図、第３図はその側面図、第４図は第２図、第３図にお
いて４０で示す部分の拡大図、第５図〜第９図は従来例
を示す図であり、第５図は動翼を示す平面図、第６図は
ケーシングと動翼を示す正面図、第７図はその側面図、
第８図は第６図、第７図において４０で示す部分の作用
を説明するための拡大図、第９図は動翼の平面図。 第１０図（ａ）は本発明の実施例の作用を説明するため
の冷却流路の模式的拡大図、第１０図（ｂ）は孔内熱伝
達率を示す図、第１１図は冷却流路を加工する放電加工
機の１例を示す模式的正面図、第１２図は螺旋状凹凸加
工用の放電加工電極棒の１例を示す正面図、第１３図は
放電加工によって螺旋状凹凸を形成している状態を示す
正面断面図、第１４図は電解加工法で螺旋状凹凸を形成
する状態を示す正面断面図、第１５図は本発明による冷
却流路の他の実施例を示す断面図、第１６図は第１５図
に示す冷却流路を翼の前縁に設けた本発明の実施例に係
るガスタービン動翼の平面図である。 １・・・翼部　　　　　８・・・冷却孔（冷却流路）１
１・・・メネジ　　　１３・・・凹部−１５・・・凸部
　　　　６１・・・放電加工用の電極８０・・・電解加
工用の中空電極 （化１名） 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 第 ０ 図 図 （流速）− 第 １１ 図 蒙内郁 第 ３ 図 第 ４ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　翼内部に冷媒を通過させる翼の根元から先端に到る
   複数の冷却流路を有するガスタービン翼において、前記
   冷却流路は該流路の内壁に一条または複数条の螺旋条凹
   凸部を有することを特徴とするガスタービン翼。 ２　前記冷却流路は、前記の螺旋状凹凸部の他に、更に
   、該流路の長手方向に間隔を置いた個所に拡径されたリ
   セス部を有する請求項１記載のガスタービン翼。 ３　前記冷却流路がガスタービン翼の前縁部又は後縁部
   に設けられている請求項１又は２記載のガスタービン翼
   。 ４　ガスタービン翼内部に翼の根元から先端に到る複数
   の丸孔をあけ、該丸孔に放電加工用電極を挿入して該電
   極を回転させると共にその回転軸線方向に移動させるこ
   とによって、上記丸孔の内壁に一条または複数条の螺旋
   状凹凸を放電加工により形成することを特徴とするガス
   タービン翼の冷却流路の加工方法。 ５　前記放電加工用電極は外面に一条または複数条の螺
   旋状凸部を有する棒状電極である請求項４記載のガスタ
   ービン翼の冷却流路の加工方法。 ６　ガスタービン翼内部に翼の根元から先端に到る複数
   の丸孔をあけ、該丸孔に電解液を側方に噴出する電解加
   工用中空電極を挿入し、該電極を回転させると共にその
   回転軸線方向に移動させることによって、上記丸孔の内
   壁に一条または複数条の螺旋状凹凸を電解加工により形
   成することを特徴とするガスタービン翼の冷却流路の加
   工方法。