JPH03253701A - ガスタービン翼 - 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〕 本発明はガスタービンにおけるタービン翼の改良に係り
、特に、その冷却構造に関する。

〔従来の技術〕

ガスタービンは圧縮機により圧縮された高圧空気を酸化
剤として燃料を燃焼させ、発生した高温高圧ガスにより
タービンを駆動し、たとえば、電力等のエネルギに変換
するものである。ガスタービンの性能向上を図る手段の
一つとして作動ガス条件の高温高圧化が進められている
。作動ガス温度の高温化のためには、タービン翼材の耐
用温度を満足させるため、タービン翼を冷却する必要が
ある。従来のタービン冷却翼構造は、例えばニー・エム
・エム・イー、８４−ジー・ティー−１１４゜カスケー
ド　ヒ−１−１−ランスファーテニス１へオブ　ザ　エ
アー　コールド　ダブリュ・５０トデイ　ファスト　ス
テージ　ベーン（１９８４年）第２図（ＡＳＭＥ８４．
−ＧＴ−１工４．　Ｃａ５ｃａｄｅＨｅａｔ　Ｔｒａｎ
ｓｆｅｒ　Ｔｅ５ｔｓ　ｏｆ　Ｔｈｅ　Ａｉｒ　Ｃｏｏ
ｌ、ｅｄ　１１５０１ＤＦｉｒｓｔ　Ｓｔａｇｅ　Ｖａ
ｎｅ　（１９８４）　Ｆｉｇｕｒｅ　２　）に記載され
ている。

タービン翼の冷却構造は、翼を二重構造、すなわち、翼
体を中空となし、その中空部に内部構造体（以下コアプ
ラグと記す）を配置し、そして、このコアプラグに数多
くの小孔を設け、かかる小孔（以下インピンジメント孔
を記す）より圧縮機から抽気した圧縮空気を翼体の内面
に吹出し、空気の強い衝突流によるインピンジメント冷
却を行っている。タービン翼を内面から冷却した空気は
、翼の背側、腹側、あるいは、後縁より主流ガス側に放
出される。主流ガス側の流動伝熱条件に対応させてこの
インピンジメント孔の数は配分され、翼温度がほぼ−様
な温度になるように調整されている。特に、翼前縁近傍
は高温ガスに晒されておリガス側熱伝達率が高く、冷却
上も曲率が大きく翼内面の冷却面積が翼外面の加熱面に
比らべ相対的に小さくなるため、数多くのインピンジメ
ント孔を配置し多量の冷却空気を使用している。特に最
近の高温度化に対して、ますますその傾向にある。

また、従来の高温ガスタービンのタービン冷却翼構造例
には、ニー・ニス・エム・イー、８５シイ−・テイーー
工２０、ディベロップメン１〜オブ　ア　デイザイン　
モデル　フォア　エアーフォイル　リーディング　エツ
ジ　フィルム　クーリング（土９８５年）第］−図（Ａ
ＳＭＥ、８５Ｇ　Ｔ　−１２０、Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎ
ｔ　ｏｆ　ａ　Ｄｉｓｉｇｎ　Ｍｏｄｅ］ｆｏｒ　Ａｊ
ｒｆｏｉｌ　ＬｃａｄｊｎｇＥｄｇｅ　Ｆｉｌｍ　Ｃｏ
ｏｌｉｎｇ（１９８５）Ｆｉｇｕｒｅ　１　）に記載さ
れている方法もある。この冷却方法は従来例と同様に翼
を二重構造とし、内部コアプラグのインピンジメント孔
から冷却空気を吹出すインピンジメント冷却を行ない、
その空気の一部を翼前縁近傍に設けた多数の小孔（以下
フィルム孔と記す）より主流ガス側に放出するフィルム
冷却との併用方式゛Ｃある。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述のように、タービン翼の冷却空気には圧縮機からの
油気空気を使用するため、冷却空気消費量の増加はガス
タービンとしての熱効率を低下させる。従ってガスター
ビンの冷却は少ない空気量で効率良く冷却することは肝
要であるが、前述したように、従来のタービン翼冷却方
式は作動ガス温度の高温化に対して冷却空気消費量を増
加させて対処しており、高温化による熱効率の改善効果
が小さい欠点がある。

第二の従来例の冷却効果は第一の従来例の冷却効果より
良いが、冷却空気を多量に使用することは第一の従来例
と同じである。

又、インピンジメント孔から噴出される冷却空気によっ
て翼本体を内壁から冷却するに際し、翼先端部側の内壁
周辺に噴出された冷却空気が淀みがちで、最も高温で最
も冷却しなければならない翼先端が充分冷却されない嫌
いがあった。

本発明の目的は、翼先端内壁周辺に冷却空気が淀むこと
なく少量の冷却空気で効果的に冷却されるタービン翼を
提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、コアプラグ前縁部の外面に、翼の長手方向に
のびた鍔を設けるとともに、この鍔の両端のインピンジ
メント孔からの噴射冷却媒体を翼本体の内面に衝突させ
るようにし所期の目的を達成するようにしたものである
。

〔作用〕 すなわち、このようトこ形成すると、最も高温となり最
も冷却が必要な翼前縁側の内壁周辺に噴出冷却媒体が沈
むことなく、噴出冷却媒体はこの鍔に案内されてＤ）：
出方向に向うので、噴出冷却媒体同士がからみ合うこと
がなくなり、従って少量の冷却媒体でこの高温となりが
ちな翼前縁部を効果的に冷却することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第を図から第３図に基づいて
説明する。第１図は、ガスタービン翼の断面構造を示す
もので、図中、２は中空のタービン翼本体、３は翼本体
内部に収納された中空のコアプラグ（冷却冷媒噴射体）
、４はコアプラグ３に設けられた冷却空気噴出インピン
ジメント孔、５ａ、５ｂ、５ｃは翼本体２に設けられた
冷却空気噴出フィルム孔、６は翼後縁ピン７をもつ空気
噴出しスリットである。８はコアプラグ３の前縁８近傍
に、翼長方向にのびて設けられた縦鍔、１０はコアプラ
グ３の前縁部に、縦鍔９の両側の位置に設けられたイン
ピンジメン１−礼である。

このように形成された翼１の翼前縁部が拡大されて第２
図に示されている。また、その破断斜視図が第３図に示
されている。ここで重要なことは、図からも明らかなよ
うに、コアプラグ３のインピンジメント孔１０が、そこ
から吹出された冷却空気噴流（以下インピンジメント空
気と示す）が、翼前縁冷却面の縦鍔９の先端近傍に衝突
するような位置に、翼長方向に複数個設けられることで
ある。

次にこのように形成された翼の動作を説明する。

圧縮機（図示なし）から圧縮空気の一部が油気され、冷
却空気としてタービン翼１のコアプラグ３内に供給され
る。この冷却空気はコアプラグ３のインピンジメント孔
１０より、縦鍔９先端両側の翼本体２の前縁冷却面に高
速のインピンジメント流］２として吹出される。インピ
ンジメント空気は、同様にインピンジメント孔４から噴
射された空気とともに翼本体２とコアプラグ３との間の
通路１３を通って翼後流側に流れ、フィルム孔５ａ。

５ｂ、５ｃより翼本体２の表面に沿って主流ガス側に吹
出され、あるいは、翼後縁の空気噴出スリット６より吹
出される。

本発明により、作動ガス側熱的条件の厳しい、最も高温
となる翼前縁部で、インピンジメント孔１０からの冷却
空気噴流１２は縦鍔９により互いに干渉するのが防止さ
れて冷却効果の向上が図れ、かつ、衝突流による冷却に
よりさらに高い冷却効果が得られる。又、縦鍔９の先端
を翼前縁の冷却面に接触させることにより伝熱フィンと
しても作用させることが出来、より冷却効果を向上させ
ることが可能である。本実施例により少ない冷却空気量
でタービン翼の最も高い温度となる部分を効果的に冷却
することができ、ひいては、ガスタービン熱効率を向上
させることが出来る。

なお、ガスタービンの作動ガス温度は、一般にタービン
翼長方向に対して翼中央部が高温度となる分布となるの
が普通であり、そのような場合、本発明では、インピン
ジメント孔１０の配列ピッチを翼長方向に対して変化さ
せ、翼中央付近の配列ピンチを密にして翼温度を一様化
さぜることも可能である。

尚、前述の実施例でインピンジメント孔１０４から吹出
された冷却空気は、フィルム孔５ａ。

５ｂ、５ｃから翼本体２の表面に沿って吹出されるが、
フィルム孔５ａ、５ｂ、５ｃ、インピンジメント孔４の
位置および配置は、作動ガス側の熱的条件により決めら
れるものであり、種々考えられる。又、第工図に示した
実施例では翼本体２を一室の中空体として図示したが、
二室以上の中空体構造でも良く、フィルム冷却をしない
で冷却空気の全てを翼後縁、あるいは、翼先端から放出
す１ る構成としても良いであろう。

以上は、本発明を一つの実施例に基づいて説明したが、
この他にも種々の実施例、応用例、変形例が考えられよ
う。

第４図および第５図にはもう−っの実施例が示されてい
る。これらの図において前述の実施例と同一部品には同
一の番号が付しである。

この第４図には、より高温用のガスタービンのタービン
翼冷却翼構造として、第１図に示した実施例に、フィル
ム冷却を併用した構造である。この図において、２２．
２３は翼本体２の前縁に設けられたフィルム冷却孔であ
り、その一方のフィルム孔２２は縦鍔９の一方側より前
縁よどみ点方向に傾斜させ、他の一方のフィルム孔２３
は縦鍔９の他の一方側より前縁よどみ点方向に傾斜させ
、かつ、フィルム孔２２．２３とは翼手方向に同位置に
ならないように、フィルム孔２２．２３は翼長方向に対
して交互に設けられている。冷却空気はインピンジメン
ト孔１０より翼前縁冷却面の縦鍔９の先端近傍に吹出し
、その冷却空気の一部は］２ 前縁フィルム孔２２．２３より主流ガス側に吹出される
。そして、本応用例では、翼内面の高い冷却効果と翼表
面における熱遮蔽効果により、より高温ガスに耐える冷
却翼を提供することが出来るし、前述した第二の従来例
よりフィルム冷却孔の数を少なく出来ることから、従来
のようにフィルム孔が目詰りする危険性が少ない。

さらに、第５図は、本発明をタービン翼全体の冷却に応
用したものである。第８図において２４ａ。

２４ｂ、２４ｃ、・・・はコアプラグ３の背側および腹
側の外面に設けられた複数個の縦鍔であり、縦鍔２４ａ
、２４ｂ、２４　ｃ、−の先端は翼本体２の冷却面に接
している。コアプラグ３には縦鍔２４ａ、２４ｂ、２４
ｃ、・・・の両側からインピンジメント空気を吹付けら
れる位置にインピンジメント孔２５が設けられる。翼本
体２には二つの縦鍔と翼本体２およびコアプラグ３で形
成される空気室２６ａ、２６ｂ、・・・から冷却空気を
翼外表面に吹出すフィルム孔２７ａ、２７ｂ、・・・が
設けられる。本応用例では、冷却空気の一部はインピン
ジメント孔１０より翼前縁に吹出し、さらに、前縁フィ
ルム孔２２．２３より翼外表面に沿って吹出すことによ
り翼前縁部を冷却し、冷却空気の他の一部はインピンジ
メント孔２５より翼背側、腹側の冷却面に吹出し、さら
に空気室２６ａ、２６ｂ。

・の空気はフィルム孔２７ａ、２７ｂ、　　・より翼外
表面に沿って吹出すことにより翼背側および翼腹側を冷
却する。インピンジメント空気の一部は、翼後縁のスリ
ット６より翼外に吹出し、翼後縁をも冷却する。しかし
て本応用例では、タービン翼全面で高い冷却効果が得ら
れ、より高温度ガスに副えるタービン冷却翼が得られる
。

なお、フィルム孔２７ａ、２７ｂ、　　は翼外表面の熱
遮蔽をより効果的に行なわせるために空気室２６ａ、２
６ｂ、　　・・の上流側に設け、インピンジメント冷却
効果の少なくなる空気室２７ａ。

２７ｂ、・の中央部の翼表面を重点にフィルム熱遮蔽か
かかるようにした方が良い。また、縦鍔２４　ａ、２４
　ｂ、２４　ｃ、−の設置位置、数２間隔、インピンジ
メント孔２５の数２間隔、さらに、フィルム冷却孔２７
ａ、２７ｂ、・・・の数２間隔などは、主流作動ガス側
の熱的条件により、翼温度が目標温度になるよう、適宜
、設けられる。

さらに、本発明の変形例を第６図から第８図により説明
する。この第６図から第８図は、翼前縁部に注目してコ
アプラグ３のインピンジメント孔の形状、開は方を示し
たものである。第６図は、縦長円スリット形インピンジ
メント孔３１を縦フイン突起９の両側に位置した構造、
第７図は第１図における実施例において縦鍔両側のイン
ピンジメント孔］Ｏの翼長方向に対して交互に位置させ
た構造、第８図は第６図に示した縦長円スリット形イン
ピンジメント孔３１を翼長方向に対して交互に位置した
構造であり、いずれの変形例もインピンジメント冷却空
気流を縦鍔９の両側より翼前縁に吹付けることを基本と
するものであり、前述と同様に高い冷却効果を得ること
が出来る。

〔発明の効果〕

本発明はコアプラグの翼本体前縁部側に、翼の長手方向
にのびた縦鍔を設けるとともに、この縦５ 鍔の両側より噴出した冷却媒体が翼前縁冷却面に衝突す
るようにコアプラクのインピンジメント孔を形成したの
で、最も高温となる翼先端側の内壁周辺に噴出冷却媒体
が淀むことがなく、すなわち、噴出冷却媒体はこの縦鍔
に案内されて排出方向に向うので、噴出冷却媒体同志が
からみ合うことがなく、したがって、少量の冷却媒体で
この高温となりがちな翼先端を効果的に冷却することが
できる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例を示すガスタービン翼の断面
図、第２図は第１図のタービン翼前縁部の拡大図、第３
図は第２図の斜め断面図、第４図は本発明の他の実施例
を示すタービン翼前縁部の拡大断面図、第５図はさらに
他の実施例を示す翼断面図、第６図から第８図はさらに
本発明の実施例を示すもので、翼本体とコアプラグの要
部を示す断面斜視図である。 ↓・　タービン翼、２　・翼本体、３　コアプラグ、４
・インピンジメント孔、５ａ、５ｂ、５ｃ　　フ６ イルム孔、６　スリット、７・・ピンフィン、８・・第 １ 図 特開平３ ２５３７０１（６） 第２図 弔 ４ 図 材） 図 第６図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、中空状に形成された翼本体と、 前記翼本体の中空部内に配置され、かつ、その表面より
   冷却媒体を噴射するように形成された冷媒噴射体と、を
   備え、 前記冷媒噴射体より噴出された冷却媒体が、前記翼本体
   の内壁面に衝突して前記翼本体の熱を奪うように形成さ
   れたタービン翼において、前記冷媒噴射体の翼前縁側に
   、翼の長手方向にのびた鍔を設けるとともに、この鍔の
   両側より前記冷却媒体が噴き出し、翼前縁内壁面に直接
   衝突するように形成したことを特徴とするタービン翼。 ２、中空状に形成された翼本体と、 前記翼本体の中空部内に配置され、かつ、その表面より
   冷却媒体を噴射するように形成された冷媒噴射体と、を
   備え、前記冷媒噴射体より噴出された前記冷却媒体が、
   前記翼本体の内壁面に衝突して前記翼本体の熱を奪うよ
   うに形成されたタービン翼において、 前記冷媒噴射体の翼上流縁側に、翼の長手方向にのびた
   鍔を設け、この鍔の両側より前記冷却媒体が噴き出し、
   翼上流縁内壁面に、直接、衝突するように形成したこと
   を特徴とするタービン翼。 ３、中空状に形成された翼本体と、前記翼本体の内壁面
   と所定の間隔を保つて前記翼本体の中空部内に配置され
   、かつそれ自身が中空体に形成されるとともに、この側
   壁にインピンジメント孔を有するコアプラグと、 前記コアプラグの中空部へ冷却媒体を供給する冷却供給
   手段と、を備え、前記コアプラグ内へ供給された前記冷
   却媒体が、前記インピンジメント孔より前記翼本体の内
   壁へ噴出衝突せられ、前記翼本体の冷却が行なわれるよ
   うになしたタービン翼において、 前記コアプラグの翼前縁側に、翼の長手方向にのびた鍔
   を設けるとともに、前記鍔の両側の前記インピンジメン
   ト孔より噴射した前記冷却媒体が翼前縁内壁面に、直接
   、衝突するように、前記インピンジメント孔を配置した
   ことを特徴とするタービン翼。 ４、前記インピンジメント孔が、翼の長手方向に所定の
   間隔をおいて複数個設けられていることを特徴とする請
   求項３に記載のタービン翼。 ５、前記インピンジメント孔が、前記鍔の両側部分に夫
   々対向するように複数列設けられている請求項３に記載
   のタービン翼。 ６、前記鍔の両側部分に対向しているインピンジメント
   孔が、その両側部間で互いに翼の長方向にずれて配置さ
   れている請求項５に記載のタービン翼。 ７、中空状に形成された翼本体と、前記翼本体の中空部
   内に配置され、かつ、その表面より冷却媒体を噴出する
   インピンジメント孔を有する冷媒噴射体と、を備え、前
   記冷媒噴射体より噴出された前記冷却媒体が、前記翼本
   体の内壁面に衝突して前記翼本体の熱を奪うように形成
   されたタービン翼において、 前記冷媒噴射体の前縁側に、翼の長手方向にのびた鍔を
   設けるとともに、前記鍔の両側の前記インピンジメント
   孔より噴出した冷却媒体が翼前縁内壁面に、直接、衝突
   するように形成し、かつ、衝突後の冷却媒体が夫々混合
   することなく翼本体外へ排出されるように形成したこと
   を特徴とするタービン翼。 ８、中空状に形成された翼本体と、 前記翼本体の中空部内に前記翼本体の内壁面と所定の間
   隔を保つて配置され、かつ、その表面より冷却媒体を噴
   出するように形成されたコアプラグと、前記コアプラグ
   へ冷却媒体を供給する冷媒供給手段とを備え、前記コア
   プラグより噴出された前記冷却媒体が、前記翼本体の内
   壁へ衝突し、前記翼本体の冷却が行なわれるようになし
   たタービン翼において、 前記コアプラグの翼前縁側に、翼の長手方向にのび、か
   つ前記翼本体の内壁面の表面へその頂点が接合している
   鍔を設け、前記鍔の両側の前記インピンジメント孔より
   噴射した冷却媒体が翼の前縁内壁面に、直接、衝突する
   ように、前記インピンジメント孔を配置したことを特徴
   とするタービン翼。