JPH08296403A

JPH08296403A - ガスタービン空冷翼

Info

Publication number: JPH08296403A
Application number: JP10085195A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Hashidate; 立良夫橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-04-25
Filing date: 1995-04-25
Publication date: 1996-11-12

Abstract

(57)【要約】【目的】ガスタービン空冷翼の冷却通路による冷却効
率を向上させる。【構成】ガスタービン空冷翼の冷却通路２の腹側壁面
２ａおよび背側壁面２ｂに、各々リブ状のタービュラン
ス・プロモータ５が突設されている。また、冷却通路２
の背側壁面２ｂに、冷却通路２の内方へ延びる一対の柱
状突起体６が設けられている。この一対の柱状突起体６
は、壁面２ｂからタービュランス・プロモータ５の高さ
の２倍以上の高さまで延びている。突起体６は、好まし
くは冷却通路２の冷却空気１０の流れ方向に沿って、冷
却通路２の水力直径の１乃至５倍のピッチで複数配設さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内部に冷却空気を流す
冷却通路を備えたガスタービン空冷翼に係り、とりわ
け、冷却通路の冷却空気による冷却効率を向上させるこ
とのできるガスタービン空冷翼に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、自力駆動方式のガスタービンの
出力効率を高める最も有効な方法は、ガスタービン入口
部での燃焼ガス温度を高めることである。しかし、この
ガス温度は、ガスタービンのタービン翼材料の耐熱応力
性、高温下での耐酸化・耐腐食性によって制限される。
このため近年、タービン翼用の耐熱合金や耐熱コーティ
ング等の材料の改良が行われるとともに、タービン翼自
体を空気冷却するようにしたガスタービン空冷翼が採用
されている。

【０００３】このような従来のガスタービン空冷翼の例
として、図６及び図７にリターンフロー方式の超耐熱合
金製ガスタービン空冷翼（動翼）が示されている。図６
及び図７において、ガスタービン空冷翼１は内部に冷却
空気を流すための前縁部１ｃ側の冷却通路２Ａと後縁部
１ｄ側の冷却通路２Ｂとを備えている。図６に示すよう
に、各冷却通路２Ａ，２Ｂは、その翼根元部１ｅ側の入
口部３Ａ，３Ｂから冷却空気（圧縮機（図示せず）から
の抽気空気）１０が流入してチップ部１ｆ側に流れるよ
うになっている。各冷却通路２Ａ，２Ｂ内をチップ部１
ｆ側に流れた冷却空気１０は、チップ部リターン１６で
折り返して翼根元部１ｅ側に流れ、翼根元リターン１５
で再び折り返すようになっている。このうち、冷却通路
２Ａの翼根元リターン１５で折り返した冷却空気１０
は、そのままチップ部１ｆ側まで流れ、チップ部１ｆに
形成された孔１７から外部に流出する。一方、冷却通路
２Ｂの翼根元リターン１５で折り返した冷却空気１０
は、後縁部１ｄに形成されたピンフィン冷却通路１８を
通って外部に流出するとともに、その一部はチップ部１
ｆの孔１７から外部に流出する。また、ガスタービン空
冷翼１の腹側面１ａおよび背側面１ｂの外面熱伝達率の
高い箇所には、フィルム孔８が形成されており、このフ
ィルム孔８から冷却通路２Ａ，２Ｂ内の冷却空気１０の
一部が外部に流出するようになっている。

【０００４】また、図７に示すように、各冷却通路２
Ａ，２Ｂは略矩形状の断面を有している。すなわち、各
冷却通路２Ａ，２Ｂは、ガスタービン空冷翼１の腹側面
１ａ、背側面１ｂ、前縁部１ｃおよび後縁部１ｄにそれ
ぞれ対応する、腹側壁面２ａ、背側壁面２ｂ、前縁側壁
面２ｃおよび後縁側壁面２ｄによって囲まれている。そ
して、各冷却通路２Ａ，２Ｂの腹側壁面２ａおよび背側
壁面２ｂには、各々複数のリブ状のタービュランス・プ
ロモータ５が所定間隔を置いて突設されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、ガス
タービン空冷翼１は冷却空気１０として圧縮機からの抽
気空気を用いているため、冷却空気１０の流量の増加は
ガスタービン空冷翼１を備えたガスタービンの出力効率
の低下につながる。このため、ガスタービン入口部の燃
焼ガス温度を高めて出力効率の改善を図っても、それに
伴うガスタービン空冷翼１の温度上昇を防ぐために冷却
空気１０の流量を大幅に増加させる必要があれば、ガス
タービンの出力効率の改善効果は小さくなってしまう。
従って、冷却通路２Ａ，２Ｂの冷却空気１０による冷却
効率を向上させ、より少ない冷却空気１０の量でガスタ
ービン空冷翼１の温度上昇を押さえるようにする必要が
ある。

【０００６】ここで、冷却通路２Ａ，２Ｂ内に流入した
冷却空気１０は、下流に行くに従って壁面２ａ〜２ｄに
沿う境界層が発達するため、冷却通路２Ａ，２Ｂの断面
中央部に比べ壁面２ａ〜２ｄ付近の方が高温になる。こ
のため、特に冷却の必要性の高い腹側壁面２ａおよび背
側壁面２ｂにおいては、上記タービュランス・プロモー
タ５により壁面２ａ，２ｂ近傍の冷却空気１０の流れを
乱し、境界層の発達を押さえるようにしている。

【０００７】図８に、このようなタービュランス・プロ
モータ５を設けた矩形断面流路２１内の冷却空気２５の
流れ解析結果が、速度ベクトル図として示されている。
図８に示すように、流路２１の各壁面２２の最上流側に
設けられたタービュランス・プロモータ５ａ，５ｅの近
傍においては、壁面２２からタービュランス・プロモー
タ５ａ，５ｅの高さの約３倍の高さの領域まで流れが乱
されている。しかし、下流側のタービュランス・プロモ
ータ５ｂ〜５ｄの近傍においては、壁面２２からタービ
ュランス・プロモータ５ｂ〜５ｄの高さの約２倍未満の
高さの領域までしか流れが乱されていない。

【０００８】図９には、タービュランス・プロモータを
設けた流路における熱伝達に関する文献データ（タービ
ュラントヒートトランスファーオウグメンテーシ
ョンアンドフリクションインピリオディックフ
ルリーディベロップトチャネルフローズ，トランス
アクションズオブザエーエスエムイー，第１１４
巻，５６〜６４頁，１９９２年（Turbulent Heat Trans
fer Augmentationand Friction in Pperiodic Fully De
veloped Channel Flows;Transactions ofthe ASME,Vo
l.114,p56-64,1992）より引用）が示されている。図９
において、縦軸は熱伝達率を示す無次元数であるヌッセ
ルト数Ｎｕを平滑円管の実験式Ｎｕ_s＝0.023 Ｒｅ^0.8
Ｐｒ^0.4で規格化した値を示し、横軸は試験流路の入口
部からの距離を示している。図９によれば、タービュラ
ンス・プロモータを設けた流路においても、境界層の発
達により流路入口部から下流域にかけて熱伝達率が低下
していることが分かる。また、タービュランス・プロモ
ータの後流部に再付着点までの循環流領域が存在するた
め（図８参照）、この領域における熱伝達率の低下が生
じていることが分かる。

【０００９】以上説明したように、従来のガスタービン
空冷翼１においては、冷却通路２Ａ，２Ｂの冷却空気に
よる冷却効率は、壁面２ａ〜２ｄに沿う境界層の発達の
ために低下してしまう。

【００１０】本発明はこのような点を考慮してなされた
ものであり、冷却通路の冷却空気による冷却効率を向上
させることのできるガスタービン空冷翼を提供すること
を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
内部に冷却空気を流す冷却通路を備えたガスタービン空
冷翼において、前記冷却通路内に、冷却空気の流れを冷
却通路の壁面側に偏向させるための偏向用突起体を設け
たことを特徴とする。

【００１２】請求項２記載の発明は、内部に冷却空気を
流す冷却通路を備え、この冷却通路の壁面に複数のター
ビュランス・プロモータが突設されているガスタービン
空冷翼において、前記冷却通路の壁面に、前記冷却通路
の内方へ前記タービュランス・プロモータの高さの２倍
以上の高さまで延びる柱状突起体を設けたことを特徴と
する。

【００１３】

【作用】請求項１記載の発明によれば、冷却通路内の冷
却空気の流れは、偏向用突起体によって冷却通路の壁面
側に偏向させられる。そして、壁面側に偏向させられた
冷却空気の流れは、その壁面に対して冷却空気の混合に
よる冷却効果をもたらすとともに衝突噴流に近い優れた
冷却効果をもたらす。

【００１４】請求項２記載の発明によれば、冷却通路の
壁面からタービュランス・プロモータの高さの２倍以上
の高さの、タービュランス・プロモータによっては冷却
空気の流れがほとんど乱されない冷却通路内の領域にお
いても、柱状突起体によって冷却空気の流れを乱すこと
ができる。このことにより、冷却通路の壁面（伝熱面）
近傍の高温の冷却空気と、冷却通路の壁面からタービュ
ランス・プロモータの高さの２倍以上の高さの低温の冷
却空気との混合を促進することができ、これにより柱状
突起体後流部の壁面（伝熱面）近傍の冷却空気温度を低
下させることができる。

【００１５】

【実施例】次に、図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。なお、以下説明する本発明の実施例におい
て、図６および図７に示す従来のガスタービン空冷翼１
と同一の構成部分には同一符号を付し、詳細な説明は省
略する。

【００１６】第１の実施例図１は本発明の第１の実施例を示す図である。図１に
は、本実施例によるガスタービン空冷翼１の冷却通路２
の入口部３付近が縦断面で示されている。図１におい
て、冷却通路２の腹側壁面２ａおよび背側壁面２ｂに、
各々複数のリブ状のタービュランス・プロモータ５が突
設されている。また、冷却通路２の入口部３側の前縁側
壁面２ｃ（または後縁側壁面２ｄ）に、三角柱形状を有
する偏向用突起体４が突設されている。この偏向用突起
体４は、冷却通路２の入口部３から流入する冷却空気１
０を腹側壁面２ａ側および背側壁面２ｂ側に偏向させる
ための一対の傾斜面４ａを有している。

【００１７】次に、このような構成よりなる本実施例の
作用について説明する。本実施例によれば、冷却通路２
内の冷却空気１０の流れは、偏向用突起体４の傾斜面４
ａによって冷却通路２の腹側壁面２ａ側および背側壁面
２ｂ側に偏向させられる（図１の矢印１１参照）。そし
て、壁面２ａ，２ｂ側に偏向させられた冷却空気の流れ
１１は、通常の流れと異なり、壁面２ａ，２ｂに対して
衝突噴流に近い優れた冷却効果をもたらす。また、偏向
用突起体４によって、その後流域の冷却空気１０の流れ
が乱され、熱伝達が促進される。このため、冷却通路２
の冷却空気１０による冷却効率を向上させることができ
る。

【００１８】なお、冷却通路２の入口部３側に偏向用突
起体４が設けられている場合について説明したが、冷却
通路２の入口部３側以外の部分にも適宜、偏向用突起体
４を設けてもよい。また、壁面２ａ，２ｂにタービュラ
ンス・プロモータ５が突設された冷却通路２の場合につ
いて説明したが、タービュランス・プロモータ５が設け
られていない冷却通路２の場合も、偏向用突起体４を設
けることにより同様の冷却効果が得られる。さらに、偏
向用突起体４は図１に示すような三角柱形状に限らず、
板状であってもよく、その傾斜面４ａも平面に限らず、
曲面であってもよい。

【００１９】また、冷却空気の流れ１０を冷却通路２の
腹側壁面２ａ側および背側壁面２ｂ側に偏向させる場合
について説明したが、腹側壁面２ａと背側壁面２ｂとの
冷却の必要度に応じて、腹側壁面２ａ側または背側壁面
２ｂ側のいずれか一方に偏向させるようにしてもよい。

【００２０】第２の実施例図２は本発明の第２の実施例を示す図である。図２
（ａ）には、本実施例によるガスタービン空冷翼１の冷
却通路２の一部が縦断面で示されており、図２（ｂ）に
は同じく横断面で示されている。図２において、冷却通
路２の腹側壁面２ａおよび背側壁面２ｂに、各々リブ状
のタービュランス・プロモータ５が突設されている。ま
た、冷却通路２の背側壁面２ｂに、冷却通路２の内方
（腹側壁面２ａ側）へ延びる一対の柱状突起体６が設け
られている。この一対の柱状突起体６は、壁面２ｂから
タービュランス・プロモータ５の高さの２倍以上の高さ
まで延び、図２においては壁面２ｂから壁面２ａまでの
高さの半分の高さまで延びている。

【００２１】次に、このような構成よりなる本実施例の
作用について説明する。本実施例によれば、一対の柱状
突起体６が壁面２ｂからタービュランス・プロモータ５
の高さの２倍以上の高さまで延びているので、冷却通路
２の壁面２ｂからタービュランス・プロモータ５の高さ
の２倍以上の高さの、タービュランス・プロモータ５に
よっては冷却空気１０の流れがほとんど乱されない冷却
通路２内の領域（図８参照）においても、柱状突起体６
によって冷却空気１０の流れを乱すことができる。この
ため、冷却通路２の壁面２ｂ近傍の高温の冷却空気１０
と、冷却通路２の壁面２ｂからタービュランス・プロモ
ータ５の高さの２倍以上の高さの低温の冷却空気１０と
の混合を促進することができる。また、柱状突起体６に
よって冷却通路２内に三次元的乱流渦が発生するため、
タービュランス・プロモータ５後流部の循環流領域にお
ける熱伝達を向上させることができる。さらに、柱状突
起体６が壁面２ｂに設けられていることにより、冷却通
路２の伝熱面積が実質的に増大する。このため、冷却通
路２の冷却空気１０による冷却効率を向上させることが
できる。

【００２２】また、突起体６は好ましくは冷却通路２の
冷却空気１０の流れ方向に沿って、冷却通路２の水力直
径の１乃至５倍のピッチで複数配設される。ここで水力
直径とは、水力平均深さ（＝通路断面積／通路断面周囲
長）の４倍の値をいう。突起体６の後流域においては、
冷却空気１０の流れ方向に冷却通路２の水力直径の１乃
至５倍の範囲でヌッセルト数の低下が生ずる。このた
め、複数の突起体６を上記のようなピッチで配設するこ
とにより、突起体６後流域のヌッセルト数の低下を順
次、後流側の突起体６によって回復することができる。
しかも、この程度の範囲のピッチであれば、突起体６に
よる冷却空気１０の流れの圧力損失も実用上問題ない範
囲に収めることができる。

【００２３】なお、冷却通路２の背側壁面２ｂに一対の
突起体６を設けた場合について説明したが、突起体６を
背側壁面２ｂに一つづつ設けてもよい。また、腹側壁面
２ａおよび背側壁面２ｂの冷却の必要度に応じて、背側
壁面２ｂに突起体６を設けてもよく、壁面２ａ，２ｂの
両方に突起体６を設けてもよい。

【００２４】第３の実施例図３は本発明の第３の実施例を示す図である。図３に示
すように、本実施例は図２に示す上記第２の実施例の一
対の突起体６に加えて、冷却通路２の腹側壁面２ａに、
冷却通路２の横断面方向から見て（図３（ｂ）参照）前
記一対の突起体６同志の間に向かって延びる突起体６
を、冷却空気１０の流れ方向にずらして設けた（図３
（ａ）参照）点で第２の実施例と異なり、その他の構成
は第２の実施例と同様である。

【００２５】本実施例によれば、第１の実施例の場合よ
り更に効果的に冷却空気１０の流れを乱し、冷却通路２
の冷却空気１０による冷却効率をより向上させることが
できる。

【００２６】第４の実施例図４は本発明の第４の実施例を示す図である。図４に示
すように、本実施例は図２に示す上記第２の実施例の一
対の突起体６に代えて、冷却通路２の腹側壁面２ａと背
側壁面２ｂとを繋いで延びる柱状突起体７を、冷却通路
２横断面の略中央部を横断するように（図４（ｂ）参
照）設けた点で第２の実施例と異なり、その他の構成は
第２の実施例と同様である。

【００２７】本実施例によれば、突起体７によって、冷
却空気１０の流れを乱すことにより冷却通路２の冷却効
率を向上させることができるとともに、冷却通路２の腹
側壁面２ａと背側壁面２ｂとの間の伝熱を促進すること
ができる。このため、ガスタービン空冷翼１の腹側面１
ａと背側面１ｂ（図７参照）との温度を均一化して、ガ
スタービン空冷翼１の熱応力の低減を図ることができ
る。

【００２８】第５の実施例図５は本発明の第５の実施例を示す図である。図５にお
いて、冷却通路２の腹側壁面２ａおよび背側壁面２ｂ
に、各々リブ状のタービュランス・プロモータ５が突設
されている。また、冷却通路２の前縁側壁面２ｃおよび
後縁側壁面２ｄに各々冷却通路２の内方へ延びる柱状突
起体８が設けられている。図５（ａ）に示すように、各
突起体８は、冷却通路２内の冷却空気１０の流れを冷却
通路２の腹側壁面２ａ側および背側壁面２ｂ側にそれぞ
れ偏向させるための一対の傾斜面８ａを有している。

【００２９】次に、このような構成よりなる本実施例の
作用について説明する。本実施例によれば、冷却通路２
内の冷却空気１０の流れは、突起体８の傾斜面８ａによ
って冷却通路２の腹側壁面２ａ側および背側壁面２ｂ側
に偏向させられる（図５（ａ）の矢印１２参照）。そし
て、壁面２ａ，２ｂ側に偏向させられた冷却空気の流れ
１２は、通常の流れと異なり、壁面２ａ，２ｂに対して
衝突噴流に近い優れた冷却効果をもたらす。また、突起
体８によって冷却通路２の壁面２ａ〜２ｄ近傍の高温の
冷却空気１０と、壁面２ａ〜２ｄからの高さの高い領域
の低温の冷却空気１０との混合を促進することができ
る。このため、冷却通路２の冷却空気１０による冷却効
率を向上させることができる。

【００３０】また、突起体８は、上記第２の実施例の突
起体６と同様、好ましくは壁面２ｂ，２ｃからタービュ
ランス・プロモータ５の高さの２倍以上の高さまで延び
るとともに、冷却通路２の冷却空気１０の流れ方向に沿
って、冷却通路２の水力直径の１乃至５倍のピッチで複
数配設される。

【００３１】なお、冷却空気の流れ１０を冷却通路２の
腹側壁面２ａ側および背側壁面２ｂ側に偏向させる場合
について説明したが、腹側壁面２ａと背側壁面２ｂとの
冷却の必要度に応じて、腹側壁面２ａ側または背側壁面
２ｂ側のいずれか一方に偏向させるようにしてもよい。
また、冷却通路２の前縁側壁面２ｃおよび後縁側壁面２
ｄに突起体８を設けた場合について説明したが、各壁面
２ａ乃至２ｄの冷却の必要度に応じて壁面２ｃまたは壁
面２ｄのいずれか一方に突起体８を設けてもよく、壁面
２ｃと壁面２ｄとを繋ぐ突起体８を設けてもよい。

【００３２】また、上記第１乃至第５の実施例におい
て、図１乃至図５にタービュランス・プロモータ５が冷
却通路２の腹側壁面２ａと背側壁面２ｂとに互いに対向
して設けられた、いわゆる正則配置の場合を示したが、
タービュランス・プロモータ５が腹側壁面２ａと背側壁
面２ｂとで互いに位置がずれるように設けられた、いわ
ゆる食い違い配置になっている場合（図８参照）であっ
てもよい。

【００３３】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、冷却通路
内の冷却空気の流れは、偏向用突起体によって冷却通路
の壁面側に偏向させられる。そして、壁面側に偏向させ
られた冷却空気の流れは、冷却通路の壁面に対して冷却
空気の混合による冷却効果をもたらすとともに衝突噴流
に近い優れた冷却効果をもたらす。このため、冷却通路
の冷却空気による冷却効率を向上させ、より少ない冷却
空気の量でガスタービン空冷翼の温度上昇を押さえるこ
とができる。

【００３４】請求項２記載の発明によれば、冷却通路の
壁面からタービュランス・プロモータの高さの２倍以上
の高さの、タービュランス・プロモータによっては冷却
空気の流れがほとんど乱されない冷却通路内の領域にお
いても、柱状突起体によって冷却空気の流れを乱すこと
ができる。このことにより、冷却通路内の壁面近傍の高
温の冷却空気と、冷却通路の壁面からタービュランス・
プロモータの高さの２倍以上の高さの低温の冷却空気と
の混合を促進することができ、これにより柱状突起体後
流部の壁面（伝熱面）近傍の冷却空気温度を低下させる
ことができる。このため、冷却通路の冷却空気による冷
却効率を向上させ、より少ない冷却空気の量でガスター
ビン空冷翼の温度上昇を押さえることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるガスタービン空冷翼の第１の実施
例の要部を拡大して示す縦断面図。

【図２】本発明によるガスタービン空冷翼の第２の実施
例の要部を拡大して示す図。

【図３】本発明によるガスタービン空冷翼の第３の実施
例の要部を拡大して示す図。

【図４】本発明によるガスタービン空冷翼の第４の実施
例の要部を拡大して示す図。

【図５】本発明によるガスタービン空冷翼の第５の実施
例の要部を拡大して示す図。

【図６】従来のガスタービン空冷翼を、翼の反り線に沿
う断面で示す図。

【図７】図６のVII-VII 線断面図。

【図８】タービュランス・プロモータを設けた矩形断面
流路内の流れ解析の結果を示す速度ベクトル図。

【図９】タービュランス・プロモータを設けた流路にお
ける熱伝達の状態を示すグラフ。

【符号の説明】

１ガスタービン空冷翼２，２Ａ，２Ｂ冷却通路２ａ〜２ｄ壁面３，３Ａ，３Ｂ入口４偏向用突起体４ａ，８ａ傾斜面５タービュランス・プロモータ６，７，８突起体１０冷却空気

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に冷却空気を流す冷却通路を備えたガ
スタービン空冷翼において、前記冷却通路内に、冷却空気の流れを冷却通路の壁面側
に偏向させるための偏向用突起体を設けたことを特徴と
するガスタービン空冷翼。
【請求項２】内部に冷却空気を流す冷却通路を備え、こ
の冷却通路の壁面に複数のタービュランス・プロモータ
が突設されているガスタービン空冷翼において、前記冷却通路の壁面に、前記冷却通路の内方へ前記ター
ビュランス・プロモータの高さの２倍以上の高さまで延
びる柱状突起体を設けたことを特徴とするガスタービン
空冷翼。
【請求項３】前記突起体は、前記冷却通路の一側の壁面
と他側の壁面とを繋いで延びていることを特徴とする請
求項２記載のガスタービン空冷翼。
【請求項４】前記突起体は、前記冷却通路内の冷却空気
の流れを前記冷却通路の壁面側に偏向させるための傾斜
面を有することを特徴とする請求項２または３記載のガ
スタービン空冷翼。
【請求項５】前記突起体は、前記冷却通路の冷却空気の
流れ方向に沿って、前記冷却通路の水力直径の１乃至５
倍のピッチで複数配設されていることを特徴とする請求
項２、３、または４記載のガスタービン空冷翼。