JPH04234535A - ガスタービン及び動翼冷却方法 - Google Patents
ガスタービン及び動翼冷却方法Info
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- JPH04234535A JPH04234535A JP3218389A JP21838991A JPH04234535A JP H04234535 A JPH04234535 A JP H04234535A JP 3218389 A JP3218389 A JP 3218389A JP 21838991 A JP21838991 A JP 21838991A JP H04234535 A JPH04234535 A JP H04234535A
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/14—Form or construction
- F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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- F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
- F01D5/186—Film cooling
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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- F01D5/12—Blades
- F01D5/14—Form or construction
- F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
- F01D5/187—Convection cooling
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2260/00—Function
- F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
- F05D2260/221—Improvement of heat transfer
- F05D2260/2212—Improvement of heat transfer by creating turbulence
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【発明の分野】本発明はガスタービンに関し、特に、ガ
スタービンの回転羽根もしくは動翼を冷却するための装
置及び方法に関するものである。
スタービンの回転羽根もしくは動翼を冷却するための装
置及び方法に関するものである。
【０００２】ガスタービンのタービン部においては、ロ
ータは一連の回転羽根円板を備えており、そこに回転羽
根もしくは動翼が取り付けられる。燃焼部からの高温ガ
スが動翼上を流れることにより、ロータ軸に回転力を伝
える。ガスタービンから最大の出力を得るためには、で
きるだけ高いガス温度で運転することが望ましい。しか
し、高いガス温度で運転するには動翼の冷却が必要であ
る。その理由は、動翼を形成している材料の強度が温度
の上昇に伴って低下するからである。典型的には、動翼
の冷却は、圧縮機部からブリードされた空気を動翼内に
流すことによって行われる。この冷却空気は、最終的に
は、タービン部を通流する高温ガスの中に入るが、燃焼
部において加熱を受けてはいないため、冷却空気から有
効な仕事が得られることはまずない。従って、高効率を
実現するためには、冷却空気の使用量を最小に維持する
ことが肝要である。本発明は、最小量の冷却空気を使用
して動翼を冷却するための装置及び方法を開示している
。
ータは一連の回転羽根円板を備えており、そこに回転羽
根もしくは動翼が取り付けられる。燃焼部からの高温ガ
スが動翼上を流れることにより、ロータ軸に回転力を伝
える。ガスタービンから最大の出力を得るためには、で
きるだけ高いガス温度で運転することが望ましい。しか
し、高いガス温度で運転するには動翼の冷却が必要であ
る。その理由は、動翼を形成している材料の強度が温度
の上昇に伴って低下するからである。典型的には、動翼
の冷却は、圧縮機部からブリードされた空気を動翼内に
流すことによって行われる。この冷却空気は、最終的に
は、タービン部を通流する高温ガスの中に入るが、燃焼
部において加熱を受けてはいないため、冷却空気から有
効な仕事が得られることはまずない。従って、高効率を
実現するためには、冷却空気の使用量を最小に維持する
ことが肝要である。本発明は、最小量の冷却空気を使用
して動翼を冷却するための装置及び方法を開示している
。
【０００３】
【先行技術の説明】従来、動翼内に冷却空気を通流させ
ることによる動翼の冷却は、２つの翼冷却構造のどちら
かを使用して行うのが典型的であった。第１の翼冷却構
造においては、多数の半径方向冷却穴が動翼に形成され
る。これ等の半径方向冷却穴は、動翼根部の基部から始
まって翼状部の先端部で終端する、動翼の長さにわたっ
て延びている。動翼根部の基部に供給された冷却空気は
、半径方向冷却穴を通って流れて動翼を冷却し、その先
端部において、動翼上を流れる高温ガス中に放出される
。
ることによる動翼の冷却は、２つの翼冷却構造のどちら
かを使用して行うのが典型的であった。第１の翼冷却構
造においては、多数の半径方向冷却穴が動翼に形成され
る。これ等の半径方向冷却穴は、動翼根部の基部から始
まって翼状部の先端部で終端する、動翼の長さにわたっ
て延びている。動翼根部の基部に供給された冷却空気は
、半径方向冷却穴を通って流れて動翼を冷却し、その先
端部において、動翼上を流れる高温ガス中に放出される
。
【０００４】冷却空気法の特性は、２つのパラメータ即
ち効率及び効果によって表すことができる。冷却効率は
、所定の熱量を吸収するのに必要な冷却空気の量を表し
ている。従って、高冷却効率は、冷却空気が１ポンド当
たり吸収する熱量を最大にすることによって達成される
。対照的に、冷却効果は、用いられた冷却空気の量には
関係なく、冷却空気により吸収された全熱量を表してい
る。
ち効率及び効果によって表すことができる。冷却効率は
、所定の熱量を吸収するのに必要な冷却空気の量を表し
ている。従って、高冷却効率は、冷却空気が１ポンド当
たり吸収する熱量を最大にすることによって達成される
。対照的に、冷却効果は、用いられた冷却空気の量には
関係なく、冷却空気により吸収された全熱量を表してい
る。
【０００５】上述した半径方向冷却穴からなる第１の翼
冷却構造では、半径方向冷却穴の直径が小さくて、該半
径方向冷却穴での圧力降下が大きいため、半径方向冷却
穴を冷却空気が高速度で通るので、非常に冷却効率が良
い。この高速度が高い熱伝達率になる。従って、１ポン
ド当たりの冷却空気が比較的に大きな熱量を吸収する。 しかし、残念ながら、この翼冷却構造の冷却効果は、半
径方向冷却穴の表面積が小さいために低い。その結果、
半径方向冷却穴による第１の翼冷却構造は、動翼上を流
れる高温ガスについてのガス温度及び熱伝達率が最も高
い動翼の前縁部においては、最適の冷却を行うことがで
きない。
冷却構造では、半径方向冷却穴の直径が小さくて、該半
径方向冷却穴での圧力降下が大きいため、半径方向冷却
穴を冷却空気が高速度で通るので、非常に冷却効率が良
い。この高速度が高い熱伝達率になる。従って、１ポン
ド当たりの冷却空気が比較的に大きな熱量を吸収する。 しかし、残念ながら、この翼冷却構造の冷却効果は、半
径方向冷却穴の表面積が小さいために低い。その結果、
半径方向冷却穴による第１の翼冷却構造は、動翼上を流
れる高温ガスについてのガス温度及び熱伝達率が最も高
い動翼の前縁部においては、最適の冷却を行うことがで
きない。
【０００６】第２の翼冷却構造においては、１つ或はそ
れ以上の長い蛇行回路が動翼に形成されるのが典型的で
ある。動翼根部の基部に供給された冷却空気は上述の蛇
行回路に入り、動翼先端部に達するまで半径方向外方に
流れて、そこで転流し、翼状部の基部に達するまで半径
方向内方に流れて、そこで再び転流して半径方向外方へ
流れ、最終的には、翼状部の後縁部又は先端部にある穴
を通って動翼外に出る。蛇行回路の表面積が大きく、ま
た、動翼内を流れる冷却空気の量が多い結果として、こ
の第２の翼冷却構造の冷却効果は高い。更に、翼状部の
前縁部における熱伝達は、翼状部の前縁部を通るように
ほぼ軸方向に向けられた１列以上の半径方向に延びる穴
を形成することによって、屡々増進される。これ等の穴
は、蛇行回路と連結して、同蛇行回路に入る冷却空気の
一部が羽根の前縁部から出るのを許容する。
れ以上の長い蛇行回路が動翼に形成されるのが典型的で
ある。動翼根部の基部に供給された冷却空気は上述の蛇
行回路に入り、動翼先端部に達するまで半径方向外方に
流れて、そこで転流し、翼状部の基部に達するまで半径
方向内方に流れて、そこで再び転流して半径方向外方へ
流れ、最終的には、翼状部の後縁部又は先端部にある穴
を通って動翼外に出る。蛇行回路の表面積が大きく、ま
た、動翼内を流れる冷却空気の量が多い結果として、こ
の第２の翼冷却構造の冷却効果は高い。更に、翼状部の
前縁部における熱伝達は、翼状部の前縁部を通るように
ほぼ軸方向に向けられた１列以上の半径方向に延びる穴
を形成することによって、屡々増進される。これ等の穴
は、蛇行回路と連結して、同蛇行回路に入る冷却空気の
一部が羽根の前縁部から出るのを許容する。
【０００７】過去に使用されていたかかる前縁部の穴の
配列は、“シャワーヘッド（ｓｈｏｗｅｒｈｅａｄ）”
配列と称されており、穴を、各半径方向位置において３
つ以上の穴からなる複数のグループに分けて配列してい
た。中間の穴は、冷却空気を前縁部の極く中心に指向さ
せ、隣接する穴は、冷却空気を前縁部のそれぞれ凹面側
及び凸面側に指向させる。前縁部における冷却空気の排
出により羽根上を流れる高温ガスの境界層が壊され易く
、羽根表面上を流れる高温ガスに関連した熱伝達率が増
す結果になることが観察された。境界層に対するこの擾
乱をできるだけ小さくするため、前縁部にある穴は、半
径方向に関して屡々傾斜している。
配列は、“シャワーヘッド（ｓｈｏｗｅｒｈｅａｄ）”
配列と称されており、穴を、各半径方向位置において３
つ以上の穴からなる複数のグループに分けて配列してい
た。中間の穴は、冷却空気を前縁部の極く中心に指向さ
せ、隣接する穴は、冷却空気を前縁部のそれぞれ凹面側
及び凸面側に指向させる。前縁部における冷却空気の排
出により羽根上を流れる高温ガスの境界層が壊され易く
、羽根表面上を流れる高温ガスに関連した熱伝達率が増
す結果になることが観察された。境界層に対するこの擾
乱をできるだけ小さくするため、前縁部にある穴は、半
径方向に関して屡々傾斜している。
【０００８】しかし、上述した蛇行回路構造においては
、冷却空気の全てが同蛇行回路に入りそこを通って流れ
ることから、蛇行回路の流れ面積は大きいので、流速は
低くなり、また、熱伝達率も小さくなる。擾乱を増し熱
伝達率を増すため軸方向に指向されたリブが蛇行回路と
屡々組み合わされていたが、蛇行回路構造の冷却効率は
比較的に低いままである。その結果、過大な量の冷却空
気を使用しなければならず、ガスタービン総効率の低下
原因になっていた。
、冷却空気の全てが同蛇行回路に入りそこを通って流れ
ることから、蛇行回路の流れ面積は大きいので、流速は
低くなり、また、熱伝達率も小さくなる。擾乱を増し熱
伝達率を増すため軸方向に指向されたリブが蛇行回路と
屡々組み合わされていたが、蛇行回路構造の冷却効率は
比較的に低いままである。その結果、過大な量の冷却空
気を使用しなければならず、ガスタービン総効率の低下
原因になっていた。
【０００９】従って、羽根の多くの部分で効率的な半径
方向穴冷却構造の使用が可能であるが、蛇行回路構造に
関連して多量の冷却空気を使用することなく、羽根の臨
界的な前縁部における同蛇行回路構造の冷却効果に匹敵
しうる冷却効果を奏する技術を案出することが望まれて
いた。
方向穴冷却構造の使用が可能であるが、蛇行回路構造に
関連して多量の冷却空気を使用することなく、羽根の臨
界的な前縁部における同蛇行回路構造の冷却効果に匹敵
しうる冷却効果を奏する技術を案出することが望まれて
いた。
【００１０】
【発明の概要】本発明の目的は、ガスタービンのタービ
ン部における回転羽根もしくは動翼を冷却するための装
置を提供することである。
ン部における回転羽根もしくは動翼を冷却するための装
置を提供することである。
【００１１】本発明の別の目的は、過大な量の冷却空気
を使用することなく羽根の前縁部において適切な冷却を
行うと共に、羽根の中心部及び後縁部において冷却空気
を非常に効果的に使用することである。
を使用することなく羽根の前縁部において適切な冷却を
行うと共に、羽根の中心部及び後縁部において冷却空気
を非常に効果的に使用することである。
【００１２】これ等の目的及びその他の目的は、円板の
周囲に取り付けられる複数の回転羽根もしくは動翼を有
するガスタービンのタービン部において達成される。冷
却空気は各動翼の根部に供給されて２つの部分に分けら
れる。第１の部分は、動翼の翼状部の前縁部にある半径
方向通路を通って流れることにより、該前縁部を冷却す
る。また、この半径方向通路と流体的に連通する複数列
の穴（第１穴もしくは第二の穴）が前縁部に沿って配設
されていて、更に冷却するようになっている。前縁部に
沿った穴の間隔は、同じく前縁部に沿った半径方向の温
度分布の変化に適合するように、変化している。また、
半径方向通路は、これ等の穴によって冷却空気が吹き出
される時に同半径方向通路を流れる冷却空気の速度がほ
ぼ一定であるように、外側方向にテーパが付いている。
周囲に取り付けられる複数の回転羽根もしくは動翼を有
するガスタービンのタービン部において達成される。冷
却空気は各動翼の根部に供給されて２つの部分に分けら
れる。第１の部分は、動翼の翼状部の前縁部にある半径
方向通路を通って流れることにより、該前縁部を冷却す
る。また、この半径方向通路と流体的に連通する複数列
の穴（第１穴もしくは第二の穴）が前縁部に沿って配設
されていて、更に冷却するようになっている。前縁部に
沿った穴の間隔は、同じく前縁部に沿った半径方向の温
度分布の変化に適合するように、変化している。また、
半径方向通路は、これ等の穴によって冷却空気が吹き出
される時に同半径方向通路を流れる冷却空気の速度がほ
ぼ一定であるように、外側方向にテーパが付いている。
【００１３】動翼の根部に供給された冷却空気の第２の
部分は、該根部に形成されたプレナムもしくは室内に流
入する。このプレナムは、動翼の中央部及び後縁部を通
って延びる小さな半径方向の穴（第２穴、第３穴）に冷
却空気を分配する。冷却空気は、半径方向の穴を通流し
て、動翼の先端部から流出する。
部分は、該根部に形成されたプレナムもしくは室内に流
入する。このプレナムは、動翼の中央部及び後縁部を通
って延びる小さな半径方向の穴（第２穴、第３穴）に冷
却空気を分配する。冷却空気は、半径方向の穴を通流し
て、動翼の先端部から流出する。
【００１４】
【好適な実施例の説明】図１にガスタービンが示されて
いる。同ガスタービンの主要構成要素は、空気をガスタ
ービンに入れる入口部３２と、流入空気を圧縮する圧縮
機部３３と、燃焼器３８において燃料を燃やすことによ
り圧縮機部からの圧縮空気を加熱して高温圧縮ガスを発
生させる手段（高温ガス流の供給手段）即ち燃焼部３４
と、該燃焼部３４からの高温圧縮ガスを膨張させて回転
軸出力を発生させるタービン部３５と、膨張ガスを大気
に追い出す排気部３７とからなる。中央に配置されたロ
ータ３６がガスタービンの中を通って延びている。
いる。同ガスタービンの主要構成要素は、空気をガスタ
ービンに入れる入口部３２と、流入空気を圧縮する圧縮
機部３３と、燃焼器３８において燃料を燃やすことによ
り圧縮機部からの圧縮空気を加熱して高温圧縮ガスを発
生させる手段（高温ガス流の供給手段）即ち燃焼部３４
と、該燃焼部３４からの高温圧縮ガスを膨張させて回転
軸出力を発生させるタービン部３５と、膨張ガスを大気
に追い出す排気部３７とからなる。中央に配置されたロ
ータ３６がガスタービンの中を通って延びている。
【００１５】ガスタービンのタービン部３５は交互する
静翼列と動翼列とからなっている。図２に示すように、
各動翼１はディスクもしくは円板２７に取り付けられる
。円板２７は、タービン部３５の中を通って延びるロー
タ３６の一部を形成する。各動翼は翼状部２と根部３と
を有する。また、動翼は、各根部３を円板２７の周囲に
ある溝５２に滑入させることによって、同円板２７内に
保持される。
静翼列と動翼列とからなっている。図２に示すように、
各動翼１はディスクもしくは円板２７に取り付けられる
。円板２７は、タービン部３５の中を通って延びるロー
タ３６の一部を形成する。各動翼は翼状部２と根部３と
を有する。また、動翼は、各根部３を円板２７の周囲に
ある溝５２に滑入させることによって、同円板２７内に
保持される。
【００１６】図２に示すように、ダクト（高温ガス流の
供給手段）５５が、１１００℃以上の温度であるかも知
れない燃焼器部３４からの高温ガスを各動翼の翼状部２
上に指向させて、動翼へ積極的に熱を伝達している。圧
縮機部（冷却空気供給源）３３から吹き出た冷却空気２
９は、ロータ構造の外筒２８に形成された穴３１を通っ
てロータ３６に入る。円板２７にある半径方向の通路２
６は、この冷却空気を円板溝５２内に流入するよう指向
させる。流入した冷却空気３０は溝５２に沿って流れ、
動翼の根部３内にその底部５３から入る。穴３１、通路
２６及び溝５２は冷却空気指向手段を構成する。
供給手段）５５が、１１００℃以上の温度であるかも知
れない燃焼器部３４からの高温ガスを各動翼の翼状部２
上に指向させて、動翼へ積極的に熱を伝達している。圧
縮機部（冷却空気供給源）３３から吹き出た冷却空気２
９は、ロータ構造の外筒２８に形成された穴３１を通っ
てロータ３６に入る。円板２７にある半径方向の通路２
６は、この冷却空気を円板溝５２内に流入するよう指向
させる。流入した冷却空気３０は溝５２に沿って流れ、
動翼の根部３内にその底部５３から入る。穴３１、通路
２６及び溝５２は冷却空気指向手段を構成する。
【００１７】図３に示すように、動翼の翼状部は前縁１
３と後縁４０とを有する。また、翼状部の本体は、翼状
部の上流側約５分の１の前縁部７と、中央部３９と、翼
状部の下流側約３分の１である後縁部６とからなるよう
に示すことができる。
３と後縁４０とを有する。また、翼状部の本体は、翼状
部の上流側約５分の１の前縁部７と、中央部３９と、翼
状部の下流側約３分の１である後縁部６とからなるよう
に示すことができる。
【００１８】図４及び図５に示すように、動翼の根部は
実質的に中空である。半径方向に延びるリブ４４が根部
の内部を半径方向通路１７とプレナム１６とに分割して
いる。根部の底部５３において、冷却空気３０は、リブ
４４によって２つの部分１８（第１部分）、１９（第２
部分）に分けられる。一方の部分１８は、根部の底部５
３に取り付けられたオリフィス板１４にある穴（請求項
１では第一の穴、請求項２では第１冷却空気部分指向手
段）１５を通って通路１７に入り、同通路１７を半径方
向外方に通って流れる。この通路１７は冷却空気を翼状
部にある半径方向通路１１に指向させる。
実質的に中空である。半径方向に延びるリブ４４が根部
の内部を半径方向通路１７とプレナム１６とに分割して
いる。根部の底部５３において、冷却空気３０は、リブ
４４によって２つの部分１８（第１部分）、１９（第２
部分）に分けられる。一方の部分１８は、根部の底部５
３に取り付けられたオリフィス板１４にある穴（請求項
１では第一の穴、請求項２では第１冷却空気部分指向手
段）１５を通って通路１７に入り、同通路１７を半径方
向外方に通って流れる。この通路１７は冷却空気を翼状
部にある半径方向通路１１に指向させる。
【００１９】また、多数の穴４３が半径方向に延びる列
となって翼状部の前縁１３に沿って配設されている。こ
れ等の穴４３により、半径方向の通路１７がタービン部
を通って流れる高温圧縮ガス２４に連通することによっ
て、冷却空気１８の一部（第３部分）２３が翼状部の前
縁を通って流れ同前縁を冷却することが可能になる。前
述したように、穴４３は半径方向の線５６に対して鋭角
の角度４６で傾斜していて、翼状部上を流れる高温ガス
の境界層内に冷却空気を導入することによって招来され
る有害な擾乱を最小にする。また、穴を傾斜させること
により、その長さ、従ってその表面積が大きくなり、冷
却空気２３への熱伝達を増しうることに注目されたい。 好適な実施例においては、角度４６は約３０°である。
となって翼状部の前縁１３に沿って配設されている。こ
れ等の穴４３により、半径方向の通路１７がタービン部
を通って流れる高温圧縮ガス２４に連通することによっ
て、冷却空気１８の一部（第３部分）２３が翼状部の前
縁を通って流れ同前縁を冷却することが可能になる。前
述したように、穴４３は半径方向の線５６に対して鋭角
の角度４６で傾斜していて、翼状部上を流れる高温ガス
の境界層内に冷却空気を導入することによって招来され
る有害な擾乱を最小にする。また、穴を傾斜させること
により、その長さ、従ってその表面積が大きくなり、冷
却空気２３への熱伝達を増しうることに注目されたい。 好適な実施例においては、角度４６は約３０°である。
【００２０】前述のように、動翼の前縁にある穴は、図
３に示した“シャワーヘッド”状に率先して配列されて
いる。この配列の場合、半径方向に延びる３つの穴列、
即ち穴４３によって形成される中央の列と、穴４１によ
って形成される凹面側の列と、穴４２によって形成され
る凸面側の列とがある。各列の穴は周方向に整列してい
るので、前縁１３に沿った各半径方向位置５４において
は、半径方向に延びるこれ等の列の各々から１つの穴、
合計３つの穴４１、４２、４３（請求項１では第二の穴
、請求項２及び請求項３では第１穴）が存在する。穴４
３が前縁の殆ど中央に向かい方向付けられているのに対
して、穴４１及び４２は、翼状部のそれぞれ凹面４側及
び凸面５側に向かって傾斜している。勿論、同様の配列
において各半径方向位置で３つ以上の穴が用いられてい
てもよい。
３に示した“シャワーヘッド”状に率先して配列されて
いる。この配列の場合、半径方向に延びる３つの穴列、
即ち穴４３によって形成される中央の列と、穴４１によ
って形成される凹面側の列と、穴４２によって形成され
る凸面側の列とがある。各列の穴は周方向に整列してい
るので、前縁１３に沿った各半径方向位置５４において
は、半径方向に延びるこれ等の列の各々から１つの穴、
合計３つの穴４１、４２、４３（請求項１では第二の穴
、請求項２及び請求項３では第１穴）が存在する。穴４
３が前縁の殆ど中央に向かい方向付けられているのに対
して、穴４１及び４２は、翼状部のそれぞれ凹面４側及
び凸面５側に向かって傾斜している。勿論、同様の配列
において各半径方向位置で３つ以上の穴が用いられてい
てもよい。
【００２１】典型的には、高温ガス２４から翼状部内へ
の熱伝達は、翼状部の外側部４８の方が内側部４９にお
けるよりも大きい。このことは、燃焼部からの高温ガス
の温度分布もしくはプロフィルが屡々歪み、ガスの温度
が外側部において高くなるためである。また、翼状部と
外側部における高温ガスとの間の相対的な速度差が大き
くなればなるほど、熱伝達率が高くなる。従って、好適
な実施例においては、冷却用の穴４１、４２、４３から
なる半径方向に延びる列が内側部４９及び外側部４８の
双方に延在しているが、冷却用の穴４１、４２、４３の
半径方向の間隔５０は、内側部４９におけるよりも外側
部４８の方が小さく、そのため、冷却空気の半径方向の
分布は前縁に沿った温度分布に合致する。
の熱伝達は、翼状部の外側部４８の方が内側部４９にお
けるよりも大きい。このことは、燃焼部からの高温ガス
の温度分布もしくはプロフィルが屡々歪み、ガスの温度
が外側部において高くなるためである。また、翼状部と
外側部における高温ガスとの間の相対的な速度差が大き
くなればなるほど、熱伝達率が高くなる。従って、好適
な実施例においては、冷却用の穴４１、４２、４３から
なる半径方向に延びる列が内側部４９及び外側部４８の
双方に延在しているが、冷却用の穴４１、４２、４３の
半径方向の間隔５０は、内側部４９におけるよりも外側
部４８の方が小さく、そのため、冷却空気の半径方向の
分布は前縁に沿った温度分布に合致する。
【００２２】穴４１、４２、４３を通って動翼から出な
かった冷却空気部分は、半径方向通路１１を通って流れ
て、翼状部の前縁部７を更に冷却する。軸方向に指向さ
れた多数のリブ１２が通路１１に沿って設けられていて
、同通路の表面における熱伝達率を大きくするようにな
っている。半径方向通路１１が終端する翼状部の先端部
２５は、翼状部の最も半径方向外側の部分である。通路
１１の外端４５に形成された穴２１は、冷却空気１８の
残りの部分（第４部分）４７が先端部２５から流出する
のを許容することにより、冷却空気に同伴した塵芥粒子
が通路に蓄積して最終的には穴４１、４２、４３を閉塞
するようになるのを防止している。
かった冷却空気部分は、半径方向通路１１を通って流れ
て、翼状部の前縁部７を更に冷却する。軸方向に指向さ
れた多数のリブ１２が通路１１に沿って設けられていて
、同通路の表面における熱伝達率を大きくするようにな
っている。半径方向通路１１が終端する翼状部の先端部
２５は、翼状部の最も半径方向外側の部分である。通路
１１の外端４５に形成された穴２１は、冷却空気１８の
残りの部分（第４部分）４７が先端部２５から流出する
のを許容することにより、冷却空気に同伴した塵芥粒子
が通路に蓄積して最終的には穴４１、４２、４３を閉塞
するようになるのを防止している。
【００２３】図４から分かるように、半径方向通路１１
の横断流れ面積２２は、半径方向外側に向かうに従って
連続的に減少している。これにより、穴４１、４２、４
３を通る流れのため冷却空気の量が減少するので冷却空
気の速度が維持される。好適な実施例においては、前縁
１３に沿った任意の横断面での通路１１の流れ面積は、
横断面の内側にある穴４１、４２、４３の数に逆比例し
ている。即ち、横断流れ面積２２の減少は、通路が半径
方向外側に延びる時に通った穴４１、４２、４３の数に
依存しているので、横断流れ面積の減少率は、穴４１、
４２、４３の半径方向の間隔が最も小さい翼状部の外側
部分４８において最も大きい。従って、冷却空気が通路
１１を貫流する際に冷却空気の速度が維持され、そのた
め大きな熱伝達率が維持される。例えば、好適な実施例
においては、翼状部の幅即ち、前縁から後縁までの距離
が約９ｃｍの動翼の場合、通路１１への入口における横
断流れ面積２２は、約１．０３ｃｍ２であり、通路の外
側端４５における横断流れ面積は約０．２６ｃｍ２であ
る。 勿論、動翼の大きさや希望される冷却特性に合わせて他
の大きさの通路を採用することもできる。
の横断流れ面積２２は、半径方向外側に向かうに従って
連続的に減少している。これにより、穴４１、４２、４
３を通る流れのため冷却空気の量が減少するので冷却空
気の速度が維持される。好適な実施例においては、前縁
１３に沿った任意の横断面での通路１１の流れ面積は、
横断面の内側にある穴４１、４２、４３の数に逆比例し
ている。即ち、横断流れ面積２２の減少は、通路が半径
方向外側に延びる時に通った穴４１、４２、４３の数に
依存しているので、横断流れ面積の減少率は、穴４１、
４２、４３の半径方向の間隔が最も小さい翼状部の外側
部分４８において最も大きい。従って、冷却空気が通路
１１を貫流する際に冷却空気の速度が維持され、そのた
め大きな熱伝達率が維持される。例えば、好適な実施例
においては、翼状部の幅即ち、前縁から後縁までの距離
が約９ｃｍの動翼の場合、通路１１への入口における横
断流れ面積２２は、約１．０３ｃｍ２であり、通路の外
側端４５における横断流れ面積は約０．２６ｃｍ２であ
る。 勿論、動翼の大きさや希望される冷却特性に合わせて他
の大きさの通路を採用することもできる。
【００２４】オリフィス板１４は、半径方向通路１７の
近傍において動翼根部の底部５３の部分に取り付けられ
ている。オリフィス板にある穴１５の大きさを調整する
ことによって、半径方向の通路に供給される冷却空気の
量が調節できる。明らかなように、本発明によれば、（
１）半径方向通路１１の比較的に大きな表面積と、（２
）この通路を前縁の表面に連通させる多くの穴４１、４
２、４３（ある角度で傾斜していて表面積を増大させる
と共に境界層の擾乱を最小にさせ、且つ相互に離間して
いて最も必要な部分の冷却を行う）と、（３）通路がテ
ーパ付きの形状である結果、同通路全体にわたって冷却
空気が高速度であることと、（４）乱流を促進するリブ
との複合作用によって、翼状部の前縁部の冷却が非常に
効果的に行うことができる。
近傍において動翼根部の底部５３の部分に取り付けられ
ている。オリフィス板にある穴１５の大きさを調整する
ことによって、半径方向の通路に供給される冷却空気の
量が調節できる。明らかなように、本発明によれば、（
１）半径方向通路１１の比較的に大きな表面積と、（２
）この通路を前縁の表面に連通させる多くの穴４１、４
２、４３（ある角度で傾斜していて表面積を増大させる
と共に境界層の擾乱を最小にさせ、且つ相互に離間して
いて最も必要な部分の冷却を行う）と、（３）通路がテ
ーパ付きの形状である結果、同通路全体にわたって冷却
空気が高速度であることと、（４）乱流を促進するリブ
との複合作用によって、翼状部の前縁部の冷却が非常に
効果的に行うことができる。
【００２５】図３及び図４に示すように、本発明によれ
ば、翼状部の中央部３９及び後縁部６は、動翼根部の底
部に供給される冷却空気の第２部分１９によって冷却さ
れる。円板２７に形成された溝５２は、冷却空気１９を
動翼根部３の底部５３に沿って開口５１へ指向させる。 この開口５１から、冷却空気１９は動翼根部に形成され
たプレナム１６に入る。プレナム１６からは半径方向の
穴８、９、１０が翼状部の先端部２５まで延びている。 本発明は、プレナム無しで且つ半径方向の穴を動翼根部
の底部から翼状部の先端部まで延ばして実施しうるし、
或はプレナムが中央部にある半径方向の穴９、１０のみ
と連通するように同プレナムの大きさを減じて実施しう
るが、好適な実施例においては、プレナムは、翼状部の
中央部及び後縁部にある半径方向の穴８、９、１０に均
等に冷却空気を分配するように機能している。冷却空気
１９は、半径方向の穴８、９、１０を通って流れ、その
後先端部２５において冷却空気２０として、翼状部上を
流れる高温ガス２４中に排出される。前述したように、
半径方向の穴８、９、１０の直径は比較的に小さいので
、穴を通る冷却空気の速度は高い。そのため、熱伝達率
が高くなり、また、冷却空気を効率的に使用できる。
ば、翼状部の中央部３９及び後縁部６は、動翼根部の底
部に供給される冷却空気の第２部分１９によって冷却さ
れる。円板２７に形成された溝５２は、冷却空気１９を
動翼根部３の底部５３に沿って開口５１へ指向させる。 この開口５１から、冷却空気１９は動翼根部に形成され
たプレナム１６に入る。プレナム１６からは半径方向の
穴８、９、１０が翼状部の先端部２５まで延びている。 本発明は、プレナム無しで且つ半径方向の穴を動翼根部
の底部から翼状部の先端部まで延ばして実施しうるし、
或はプレナムが中央部にある半径方向の穴９、１０のみ
と連通するように同プレナムの大きさを減じて実施しう
るが、好適な実施例においては、プレナムは、翼状部の
中央部及び後縁部にある半径方向の穴８、９、１０に均
等に冷却空気を分配するように機能している。冷却空気
１９は、半径方向の穴８、９、１０を通って流れ、その
後先端部２５において冷却空気２０として、翼状部上を
流れる高温ガス２４中に排出される。前述したように、
半径方向の穴８、９、１０の直径は比較的に小さいので
、穴を通る冷却空気の速度は高い。そのため、熱伝達率
が高くなり、また、冷却空気を効率的に使用できる。
【００２６】図３に示すように、単一列の穴８が翼状部
の後縁部６に形成されている。この単一列は翼状部の凹
凸面４、５に平行に延びる。翼状部が肉厚の中央部３９
においては、２列の穴９、１０が形成されている。穴１
０は、凹面４の近くに配設され、穴９は凸面５の近くに
配設されている。後縁部の場合と同様に、中央部におい
ても穴９、１０の列は翼状部の凹凸面と平行に延びてい
る。図３に示すように、後縁部では単一の列が用いられ
ているだけであるから、後縁部にある穴８の直径は中央
部にある穴９、１０の直径よりも大きい。また、本発明
によると、冷却空気用の穴の直径とそれ等の密度は、翼
状部の凹凸面上の高温ガスの温度又は熱伝達率の変化に
応じて、翼状部の中央部及び後縁部全体にわたって変え
ることができる。例えば、好適な実施例では、約９ｃｍ
の翼幅を有する動翼の場合、穴８、９、１０の直径は大
体０．１２〜０．２０ｃｍの範囲にあれば、穴を通る高
速の冷却空気流が確保される。対照的に、通路１１の横
断面積は穴８、９、１０のそれの約３０〜８０倍も大き
い。勿論、動翼の大きさや希望される冷却特性に応じて
、異なる直径の穴を利用しうる。
の後縁部６に形成されている。この単一列は翼状部の凹
凸面４、５に平行に延びる。翼状部が肉厚の中央部３９
においては、２列の穴９、１０が形成されている。穴１
０は、凹面４の近くに配設され、穴９は凸面５の近くに
配設されている。後縁部の場合と同様に、中央部におい
ても穴９、１０の列は翼状部の凹凸面と平行に延びてい
る。図３に示すように、後縁部では単一の列が用いられ
ているだけであるから、後縁部にある穴８の直径は中央
部にある穴９、１０の直径よりも大きい。また、本発明
によると、冷却空気用の穴の直径とそれ等の密度は、翼
状部の凹凸面上の高温ガスの温度又は熱伝達率の変化に
応じて、翼状部の中央部及び後縁部全体にわたって変え
ることができる。例えば、好適な実施例では、約９ｃｍ
の翼幅を有する動翼の場合、穴８、９、１０の直径は大
体０．１２〜０．２０ｃｍの範囲にあれば、穴を通る高
速の冷却空気流が確保される。対照的に、通路１１の横
断面積は穴８、９、１０のそれの約３０〜８０倍も大き
い。勿論、動翼の大きさや希望される冷却特性に応じて
、異なる直径の穴を利用しうる。
【００２７】本発明によれば、翼状部全体にわたって多
量の冷却空気を供給する先行技術によって教示されるよ
うな蛇行冷却回路は用いられていない。その代わりに、
大きな流量の冷却空気が要求される翼状部の前縁部のみ
にそのような大きな流量の冷却空気を供給し、且つ前縁
部における該冷却空気に関連した表面積と熱伝達率とを
最大にすることによって、少量の冷却空気を用いて、翼
状部全体にわたって適切な冷却が実現される。中央部及
び後縁部においては、小さな半径方向の穴を多量に用い
ることにより、使用冷却空気が最小になり、高い熱伝達
率と冷却空気の効率的な使用とが実現される。
量の冷却空気を供給する先行技術によって教示されるよ
うな蛇行冷却回路は用いられていない。その代わりに、
大きな流量の冷却空気が要求される翼状部の前縁部のみ
にそのような大きな流量の冷却空気を供給し、且つ前縁
部における該冷却空気に関連した表面積と熱伝達率とを
最大にすることによって、少量の冷却空気を用いて、翼
状部全体にわたって適切な冷却が実現される。中央部及
び後縁部においては、小さな半径方向の穴を多量に用い
ることにより、使用冷却空気が最小になり、高い熱伝達
率と冷却空気の効率的な使用とが実現される。
【００２８】上述の説明は本発明の好適な実施例に向け
られたものであるが、当業者にとっては、本発明の精神
及び範囲から逸脱することなく種々の改変及び変更が可
能であろう。
られたものであるが、当業者にとっては、本発明の精神
及び範囲から逸脱することなく種々の改変及び変更が可
能であろう。
【図１】ガスタービンを部分的に切り欠いて示す等角斜
視図。
視図。
【図２】動翼列の近傍にあるタービン部の一部を示す断
面図。
面図。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って示す翼状部の
断面図。
断面図。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿って示す翼状部の断面
図。
図。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿って示す動翼根部の断面図
。
。
１ 動翼
２ 翼状部
３ 根部
６ 翼状部の後縁部
７ 翼状部の前縁部
１１ 半径方向通路（第１半径方向通路）１５ 穴
（翼状部に形成された半径方向に指向する第一の穴、第
１冷却空気部分指向手段） １７ 半径方向通路 １８ 冷却空気の第１部分 １９ 冷却空気の第２部分 ２３ 冷却空気の第３部分 ２４ 高温ガス ２５ 翼状部の先端部 ２６ 通路（冷却空気指向手段） ３０ 冷却空気 ３１ 穴（冷却空気指向手段） ３３ 圧縮機部（冷却空気供給源） ３４ 燃焼部（高温ガス流を発生する手段、高温ガス
流供給手段） ３５ タービン部 ３６ ロータ ３９ 翼状部の中央部 ４１ 穴（第二の穴、第１穴） ４２ 穴（第二の穴、第１穴） ４３ 穴（第二の穴、第１穴） ４７ 冷却空気の第４部分 ５２ 溝（冷却空気指向手段）
（翼状部に形成された半径方向に指向する第一の穴、第
１冷却空気部分指向手段） １７ 半径方向通路 １８ 冷却空気の第１部分 １９ 冷却空気の第２部分 ２３ 冷却空気の第３部分 ２４ 高温ガス ２５ 翼状部の先端部 ２６ 通路（冷却空気指向手段） ３０ 冷却空気 ３１ 穴（冷却空気指向手段） ３３ 圧縮機部（冷却空気供給源） ３４ 燃焼部（高温ガス流を発生する手段、高温ガス
流供給手段） ３５ タービン部 ３６ ロータ ３９ 翼状部の中央部 ４１ 穴（第二の穴、第１穴） ４２ 穴（第二の穴、第１穴） ４３ 穴（第二の穴、第１穴） ４７ 冷却空気の第４部分 ５２ 溝（冷却空気指向手段）
Claims (3)
- 【請求項１】 次の要件を備えてなるガスタービン。 ａ）高温圧縮ガスを発生する手段を有する燃焼部、ｂ）
該燃焼部からの前記高温圧縮ガスが通って流れるタービ
ン部、及びｃ）該タービン部内に配置され、それぞれが
根部と翼状部とを有する複数の動翼であって、前記翼状
部の各々が、前縁部と、半径方向に指向するように同翼
状部に形成された複数の第一の穴と、第１半径方向通路
と、前記前縁部の各々に形成された複数の第二の穴とを
有し、該第二の穴の各々が、前記第１半径方向通路の１
つを、高温圧縮ガスが前記タービン部を通って流れてい
る各前縁部の外側に連通させている、前記複数の動翼。 - 【請求項２】 中央に配置されたロータと、該ロータ
を冷却するための冷却空気の空気供給源と、前記ロータ
に取り付けられた少なくとも１つの動翼であって、根部
及び翼状部を有すると共に、該翼状部を構成する前縁部
、中央部、後縁部及び先端部を含んでいる、前記動翼と
、前記先端部及び前記前縁部上に高温ガス流を供給する
ガス流供給手段と、前記動翼を冷却する動翼冷却手段と
を備えるガスタービンにおいて、前記動翼冷却手段は、
ａ）前記空気供給源から前記根部に冷却空気を指向させ
る冷却空気指向手段と、ｂ）前記前縁部に形成された半
径方向通路と、該半径方向通路に前記根部からの前記冷
却空気の第１部分を指向させる第１冷却空気部分指向手
段と、ｃ）前記前縁部に沿って半径方向に延びる第１の
列となるように配列され、前記半径方向通路に接続され
て、前記冷却空気の第１部分を、前記前縁部上を流れる
前記高温ガス流との連通状態にする、複数の第１穴と、
ｄ）半径方向に指向するように前記後縁部に形成された
複数の第２穴と、半径方向に指向するように前記中央部
に形成された第３穴とを備え、該第２穴及び第３穴の各
々が、前記根部に指向された前記冷却空気の第２部分を
、前記先端部上を流れる前記高温ガス流との連通状態に
する、ガスタービン。 - 【請求項３】 複数の動翼が取り付けられたロータを
中央に配置させていると共に、冷却空気供給源を有し、
前記動翼の各々が、翼状部及び根部を含み、各翼状部が
、前縁部、中央部、後縁部及び先端部を含み、高温ガス
が、前記翼状部上と、前記前縁部の各々に形成された半
径方向通路と、前記前縁部の各々に形成された複数の第
１穴と、半径方向に指向するように前記後縁部に形成さ
れた複数の第２穴と、半径方向に指向するように前記中
央部に形成された第３穴とを流れるガスタービンにおい
て、前記動翼を冷却する方法であって、ａ）前記冷却空
気供給源からの冷却空気を前記動翼の各根部へ指向させ
、ｂ）前記各動翼に供給された前記冷却空気を第１部分
及び第２部分に分け、ｃ）前記冷却空気の前記各第１部
分を前記半径方向通路の各々に通流させ、ｄ）前記冷却
空気の前記第１部分の各々を第３部分及び第４部分に分
けると共に、前記半径方向通路からの前記第３部分の各
々を、前記第１穴を通って前記翼状部上に流れる前記高
温ガスへ流れさせ、ｅ）前記冷却空気の前記第２部分を
前記第２穴、第３穴に分配する、ステップからなる動翼
冷却方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/577,376 US5117626A (en) | 1990-09-04 | 1990-09-04 | Apparatus for cooling rotating blades in a gas turbine |
| US577376 | 1990-09-04 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04234535A true JPH04234535A (ja) | 1992-08-24 |
Family
ID=24308440
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3218389A Pending JPH04234535A (ja) | 1990-09-04 | 1991-08-29 | ガスタービン及び動翼冷却方法 |
Country Status (9)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5117626A (ja) |
| EP (1) | EP0473991B1 (ja) |
| JP (1) | JPH04234535A (ja) |
| KR (1) | KR100254756B1 (ja) |
| AR (1) | AR246781A1 (ja) |
| AU (1) | AU640513B2 (ja) |
| CA (1) | CA2050546A1 (ja) |
| DE (1) | DE69107148T2 (ja) |
| MX (1) | MX173973B (ja) |
Cited By (4)
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|---|---|---|---|---|
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