JPH108909A - 片側で熱ガスにより囲まれた壁を冷却するための装置と方法 - Google Patents
片側で熱ガスにより囲まれた壁を冷却するための装置と方法Info
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- JPH108909A JPH108909A JP9079438A JP7943897A JPH108909A JP H108909 A JPH108909 A JP H108909A JP 9079438 A JP9079438 A JP 9079438A JP 7943897 A JP7943897 A JP 7943897A JP H108909 A JPH108909 A JP H108909A
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- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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- F05D2260/201—Heat transfer, e.g. cooling by impingement of a fluid
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- F05D2260/221—Improvement of heat transfer
- F05D2260/2212—Improvement of heat transfer by creating turbulence
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- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【解決手段】 切欠１０の各列の上流に半径方向のリブ
１５が壁３の内側の表面９に配置されており、冷却挿入
体４が切欠の領域内で壁３へ向けて変形されており、か
つ切欠への流入角１６に対してほぼ平行に形成されてい
る。これにより、冷却流体７は切欠に達する前に既に切
欠へ向けて偏向されて安定な内側渦対１９を発生せしめ
る。 【効果】 冷却流体の流入損失が軽減される。切欠内へ
流入しない冷却流体７は加速され、インパクト冷却効果
により熱伝達が増大する。冷却中空室５内では２つの切
欠の間に配置されたスペーサ２０又はピン２１が熱下げ
エレメントとして役立ち、２つの冷却噴流の側方の結合
までの領域での熱排出を改善する。
１５が壁３の内側の表面９に配置されており、冷却挿入
体４が切欠の領域内で壁３へ向けて変形されており、か
つ切欠への流入角１６に対してほぼ平行に形成されてい
る。これにより、冷却流体７は切欠に達する前に既に切
欠へ向けて偏向されて安定な内側渦対１９を発生せしめ
る。 【効果】 冷却流体の流入損失が軽減される。切欠内へ
流入しない冷却流体７は加速され、インパクト冷却効果
により熱伝達が増大する。冷却中空室５内では２つの切
欠の間に配置されたスペーサ２０又はピン２１が熱下げ
エレメントとして役立ち、２つの冷却噴流の側方の結合
までの領域での熱排出を改善する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は特にガスタービン羽
根の中空成形体の、片側で熱ガスにより囲まれた壁を冷
却する装置であって、外側の表面及び内側の表面を備え
た壁と、この壁に対してほぼ平行に配置されていてこの
壁と一緒に冷却中空室を形成している冷却挿入体と、冷
却流体の流れ方向で互いに前後して配置されていて壁の
両方の表面の間に形成された１列又は複数列の切欠とか
ら成っており、これらの切欠がそれぞれ予定の使用条件
に対応する流入角もしくは流出角と直径とを有している
形式のものに関する。
根の中空成形体の、片側で熱ガスにより囲まれた壁を冷
却する装置であって、外側の表面及び内側の表面を備え
た壁と、この壁に対してほぼ平行に配置されていてこの
壁と一緒に冷却中空室を形成している冷却挿入体と、冷
却流体の流れ方向で互いに前後して配置されていて壁の
両方の表面の間に形成された１列又は複数列の切欠とか
ら成っており、これらの切欠がそれぞれ予定の使用条件
に対応する流入角もしくは流出角と直径とを有している
形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】出力と効率との増大のために、現代のガ
スタービンプラントでは常に比較的高いタービン入口温
度で運転が行われる。この高い温度からタービン羽根を
保護するために、この羽根は従来より強力に冷却されな
ければならない。それゆえ、タービン入口温度が相応し
て高い場合には純粋に対流冷却による冷却だけでははも
はや不十分である。その場合フィルム冷却が役立てら
れ、このフィルム冷却によりタービン羽根が冷却膜によ
り熱ガスから保護される。そのことのために、羽根に孔
又はスリットの形状の適当な切欠が設けられ、この切欠
を通して冷却空気が噴出させられる。
スタービンプラントでは常に比較的高いタービン入口温
度で運転が行われる。この高い温度からタービン羽根を
保護するために、この羽根は従来より強力に冷却されな
ければならない。それゆえ、タービン入口温度が相応し
て高い場合には純粋に対流冷却による冷却だけでははも
はや不十分である。その場合フィルム冷却が役立てら
れ、このフィルム冷却によりタービン羽根が冷却膜によ
り熱ガスから保護される。そのことのために、羽根に孔
又はスリットの形状の適当な切欠が設けられ、この切欠
を通して冷却空気が噴出させられる。
【０００３】対流冷却とフィルム冷却とのこの種の組合
せは既にヨーロッパ特許公開第２５８７５４号明細書か
ら公知である。この解決手段によれば、少なくとも１つ
の冷却挿入体が羽根中空室内に配置される。この冷却挿
入体の開口から流出した冷却空気が、まず羽根外套の内
側の表面に衝突し、次いで、冷却挿入体と羽根外套との
間の中空室内でこの羽根外套を対流により冷却しつつ案
内され、最終的に羽根外套の孔を介して羽根外套の外側
の表面に達してこの表面をフィルム冷却により冷却す
る。
せは既にヨーロッパ特許公開第２５８７５４号明細書か
ら公知である。この解決手段によれば、少なくとも１つ
の冷却挿入体が羽根中空室内に配置される。この冷却挿
入体の開口から流出した冷却空気が、まず羽根外套の内
側の表面に衝突し、次いで、冷却挿入体と羽根外套との
間の中空室内でこの羽根外套を対流により冷却しつつ案
内され、最終的に羽根外套の孔を介して羽根外套の外側
の表面に達してこの表面をフィルム冷却により冷却す
る。
【０００４】最適な冷却効果を得るために、噴出された
冷却空気は可能な限り迅速に偏向されると共に成形表面
を保護するようにこれに沿って流れる必要がある。孔と
孔との間の領域をも保護するために、冷却空気は迅速に
側方向へ拡がる必要がある。熱ガスと冷却空気流との混
合領域内には極めて多様な渦が発生するが、これらの渦
は冷却すべき構造の保護作用のために決定的な意味を有
している。例えば、孔からの流出時の冷却空気噴流の湾
曲により、いわゆる腎形渦（ドイツ語：Ｎｉｒｅｎｗｉ
ｒｂｅｌ）、換言すれば右回転渦と左回転渦とから合成
された渦対が生じる。ところでこの腎形渦は孔と孔との
間の熱ガスの一部を直にタービン羽根の成形表面へ、ひ
いては冷却噴流の下方へ搬送し、これが重大な欠陥をも
たらすことになる。
冷却空気は可能な限り迅速に偏向されると共に成形表面
を保護するようにこれに沿って流れる必要がある。孔と
孔との間の領域をも保護するために、冷却空気は迅速に
側方向へ拡がる必要がある。熱ガスと冷却空気流との混
合領域内には極めて多様な渦が発生するが、これらの渦
は冷却すべき構造の保護作用のために決定的な意味を有
している。例えば、孔からの流出時の冷却空気噴流の湾
曲により、いわゆる腎形渦（ドイツ語：Ｎｉｒｅｎｗｉ
ｒｂｅｌ）、換言すれば右回転渦と左回転渦とから合成
された渦対が生じる。ところでこの腎形渦は孔と孔との
間の熱ガスの一部を直にタービン羽根の成形表面へ、ひ
いては冷却噴流の下方へ搬送し、これが重大な欠陥をも
たらすことになる。
【０００５】タービン羽根の内側のジオメトリを適当に
形成することにより、腎形渦とは逆の回転方向を有する
渦対が孔のところに生じるように冷却空気を孔内へ偏向
することが公知である（Ｇ．Ｗｉｌｆｅｒｔ，Ｄｉｓｓ
ｅｒｔａｔｉｏｎｓｃｈｒｉｆｔ ｚｕｍ Ｔｅｍａ
“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｅｌｌｅ ｕｎｄ ｎｕｍｅｒ
ｉｓｃｈｅ Ｕｎｔｅｒｓｕｃｈｕｎｇｅｎ ｄｅｒ
Ｍｉｓｃｈｕｎｇｓｖｏｒｇａｅｎｇｅ ｚｗｉｓｃｈ
ｅｎ Ｋｕｅｈｌｆｉｌｍｅｎ ｕｎｄ Ｇｉｔｔｅｒ
ｓｔｒｏｅｍｕｎｇ ａｎ ｅｉｎｅｍ ｈｏｃｈｂｅ
ｌａｓｔｅｔｅｎＴｕｒｂｉｎｅｎｇｉｔｔｅｒ”Ｍｕ
ｅｎｃｈｅｎ １９９４：Ｇ．Ｗｉｌｆｅｒｔ著、「冷
却膜とグリッド流れとの混合過程の実験と数値的な試
験」のテーマに関する学位論文，第５４ページ，第７０
−７４ページ及び第７．２図を参照）。この種の内側渦
にもとづき、腎形渦は迅速に消散し、熱ガスは側方向に
冷却空気噴流の下方へ吸い込まれず、むしろ噴出流によ
り冷却されて成形表面へ案内される。これにより、孔と
孔との間の領域の冷却効果が、冷却空気の供給量を増加
することなしに有利に増大する。
形成することにより、腎形渦とは逆の回転方向を有する
渦対が孔のところに生じるように冷却空気を孔内へ偏向
することが公知である（Ｇ．Ｗｉｌｆｅｒｔ，Ｄｉｓｓ
ｅｒｔａｔｉｏｎｓｃｈｒｉｆｔ ｚｕｍ Ｔｅｍａ
“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｅｌｌｅ ｕｎｄ ｎｕｍｅｒ
ｉｓｃｈｅ Ｕｎｔｅｒｓｕｃｈｕｎｇｅｎ ｄｅｒ
Ｍｉｓｃｈｕｎｇｓｖｏｒｇａｅｎｇｅ ｚｗｉｓｃｈ
ｅｎ Ｋｕｅｈｌｆｉｌｍｅｎ ｕｎｄ Ｇｉｔｔｅｒ
ｓｔｒｏｅｍｕｎｇ ａｎ ｅｉｎｅｍ ｈｏｃｈｂｅ
ｌａｓｔｅｔｅｎＴｕｒｂｉｎｅｎｇｉｔｔｅｒ”Ｍｕ
ｅｎｃｈｅｎ １９９４：Ｇ．Ｗｉｌｆｅｒｔ著、「冷
却膜とグリッド流れとの混合過程の実験と数値的な試
験」のテーマに関する学位論文，第５４ページ，第７０
−７４ページ及び第７．２図を参照）。この種の内側渦
にもとづき、腎形渦は迅速に消散し、熱ガスは側方向に
冷却空気噴流の下方へ吸い込まれず、むしろ噴出流によ
り冷却されて成形表面へ案内される。これにより、孔と
孔との間の領域の冷却効果が、冷却空気の供給量を増加
することなしに有利に増大する。
【０００６】しかし、この解決手段の著しい欠点とする
ところは、内側渦の強さが弱く、その結果、この渦は迅
速に消失してしまい、冷却効果の改善のために長く利用
されることができないことにある。
ところは、内側渦の強さが弱く、その結果、この渦は迅
速に消失してしまい、冷却効果の改善のために長く利用
されることができないことにある。
【０００７】フィルム冷却の改善のためにいわゆるファ
ン形状（ｆａｎ−ｓｈａｐｅｄ）の孔が公知である。こ
の解決手段では、冷却空気流の噴出パルスが、孔内に形
成されたディフユーザにより低下する。その結果、冷却
空気噴流の横方向への拡散が迅速に得られ、もしくはフ
ィルム冷却の改善が得られる。しかし、この種のファン
形状の孔の製作は極めて不経済であって、この種の孔を
備えた壁は相応して高価である。
ン形状（ｆａｎ−ｓｈａｐｅｄ）の孔が公知である。こ
の解決手段では、冷却空気流の噴出パルスが、孔内に形
成されたディフユーザにより低下する。その結果、冷却
空気噴流の横方向への拡散が迅速に得られ、もしくはフ
ィルム冷却の改善が得られる。しかし、この種のファン
形状の孔の製作は極めて不経済であって、この種の孔を
備えた壁は相応して高価である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】これらの欠点を排除す
る本発明の課題とするところは、片側で熱ガスにより囲
まれた壁を冷却するための装置の冷却効果を改善しかつ
その構造を簡単にすると共に、これに適した冷却法を提
供することにある。
る本発明の課題とするところは、片側で熱ガスにより囲
まれた壁を冷却するための装置の冷却効果を改善しかつ
その構造を簡単にすると共に、これに適した冷却法を提
供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この課題は本発明によれ
ば、請求項１に記載のように、特にガスタービン羽根の
中空成形体の、片側で熱ガスにより囲まれた壁を冷却す
る装置であって、外側の表面及び内側の表面を備えた壁
と、この壁に対してほぼ平行に配置されていてこの壁と
一緒に冷却中空室を形成している冷却挿入体と、冷却流
体の流れ方向で互いに前後して配置されていて壁の両方
の表面の間に形成された１列又は複数列の切欠とから成
っており、これらの切欠がそれぞれ予定の使用条件に対
応する流入角もしくは流出角と直径とを有している形式
のものにおいて、切欠のそれぞれの列の上流で、半径方
向のリブが壁の内側の表面に設けられており、冷却挿入
体が切欠の領域内で壁へ向かって変形されており、かつ
その際、切欠の流入角に対して少なくともほぼ平行に形
成されていることにより解決される。
ば、請求項１に記載のように、特にガスタービン羽根の
中空成形体の、片側で熱ガスにより囲まれた壁を冷却す
る装置であって、外側の表面及び内側の表面を備えた壁
と、この壁に対してほぼ平行に配置されていてこの壁と
一緒に冷却中空室を形成している冷却挿入体と、冷却流
体の流れ方向で互いに前後して配置されていて壁の両方
の表面の間に形成された１列又は複数列の切欠とから成
っており、これらの切欠がそれぞれ予定の使用条件に対
応する流入角もしくは流出角と直径とを有している形式
のものにおいて、切欠のそれぞれの列の上流で、半径方
向のリブが壁の内側の表面に設けられており、冷却挿入
体が切欠の領域内で壁へ向かって変形されており、かつ
その際、切欠の流入角に対して少なくともほぼ平行に形
成されていることにより解決される。
【００１０】対流冷却とフィルム冷却とを組み合わせた
この冷却形態によれば、切欠内への冷却流体の流入が改
善され、これにより、これに関連した流入損失が削減さ
れる。このことのために、冷却流体は切欠に達する前に
偏向され、その際この偏向はリブにより著しく強化され
る。しかし特に、それぞれ切欠の内部で形成されて腎形
渦とは逆向きの渦から成る渦対の強化が行われ、その結
果、この渦対は高い渦強さを有している。それぞれの冷
却空気噴流の下方の噴流縁のところに存在するこの内側
渦は切欠からの出口のところでも維持され、他面におい
て、上方の噴流縁のところで熱ガスの主流と冷却空気噴
流との間に形成される腎形渦は消失する。これにより、
熱ガスはもはや側方向に冷却空気噴流の下方に引き込ま
れず、むしろ、この冷却空気噴流により冷却されて壁の
表面へ案内される。このようにして、フィルム冷却の著
しい改善が得られる。
この冷却形態によれば、切欠内への冷却流体の流入が改
善され、これにより、これに関連した流入損失が削減さ
れる。このことのために、冷却流体は切欠に達する前に
偏向され、その際この偏向はリブにより著しく強化され
る。しかし特に、それぞれ切欠の内部で形成されて腎形
渦とは逆向きの渦から成る渦対の強化が行われ、その結
果、この渦対は高い渦強さを有している。それぞれの冷
却空気噴流の下方の噴流縁のところに存在するこの内側
渦は切欠からの出口のところでも維持され、他面におい
て、上方の噴流縁のところで熱ガスの主流と冷却空気噴
流との間に形成される腎形渦は消失する。これにより、
熱ガスはもはや側方向に冷却空気噴流の下方に引き込ま
れず、むしろ、この冷却空気噴流により冷却されて壁の
表面へ案内される。このようにして、フィルム冷却の著
しい改善が得られる。
【００１１】さらにリブにより、隣り合う切欠列の間で
も壁の対流冷却が改善される。切欠の領域内で冷却挿入
体が壁に向かって変形していることにより、切欠内に進
入せずに遠く下流で壁と冷却挿入体との間で流れる冷却
流体の速度と、壁に向かう流れの速度とが増大する。こ
の付加的なインパクト冷却と流れ速度の増大とにもとづ
き、壁から冷却流体への熱伝達が改善される。
も壁の対流冷却が改善される。切欠の領域内で冷却挿入
体が壁に向かって変形していることにより、切欠内に進
入せずに遠く下流で壁と冷却挿入体との間で流れる冷却
流体の速度と、壁に向かう流れの速度とが増大する。こ
の付加的なインパクト冷却と流れ速度の増大とにもとづ
き、壁から冷却流体への熱伝達が改善される。
【００１２】
【発明の効果】以上説明したことの結果として、フィル
ム冷却のみならず壁の冷却全体が著しく改善される。こ
れにより、冷却空気が節約され、その分をその他の箇所
のところで有利に使用することができる。この種の冷却
装置の製作コストは従来の冷却形態のものに対比して著
しくは高くない。しかし、ファン形状の孔に対比すれば
著しいコスト節約が得られる。このように冷却された壁
は有利にはガスタービンの燃焼器壁としても又は熱交換
セグメントとしても使用される。
ム冷却のみならず壁の冷却全体が著しく改善される。こ
れにより、冷却空気が節約され、その分をその他の箇所
のところで有利に使用することができる。この種の冷却
装置の製作コストは従来の冷却形態のものに対比して著
しくは高くない。しかし、ファン形状の孔に対比すれば
著しいコスト節約が得られる。このように冷却された壁
は有利にはガスタービンの燃焼器壁としても又は熱交換
セグメントとしても使用される。
【００１３】リブがそれぞれの切欠の直径のほぼ３倍ま
での距離だけその入口中心点から離れて配置されてお
り、リブが切欠の直径のほぼ半分ないし直径に相当する
距離だけ冷却中空室内へ突入していると有利である。冷
却挿入体は切欠の領域内で壁と冷却挿入体との垂直間隔
の最大３０％を残して冷却中空室を閉鎖している。この
ような冷却形態によれば、内側渦は具体的な運転条件に
最適に適合することができ、その結果、安定な内側渦対
が得られる。さらに、切欠内へ流入する冷却流体の流れ
損失が軽減される。
での距離だけその入口中心点から離れて配置されてお
り、リブが切欠の直径のほぼ半分ないし直径に相当する
距離だけ冷却中空室内へ突入していると有利である。冷
却挿入体は切欠の領域内で壁と冷却挿入体との垂直間隔
の最大３０％を残して冷却中空室を閉鎖している。この
ような冷却形態によれば、内側渦は具体的な運転条件に
最適に適合することができ、その結果、安定な内側渦対
が得られる。さらに、切欠内へ流入する冷却流体の流れ
損失が軽減される。
【００１４】さらに、切欠の下流に、それぞれ少なくと
も１つのスペーサ及び又は少なくとも１つのピンが冷却
中空室に配置されていて壁の内側の表面に結合されてい
ると有利である。その場合、スペーサは冷却挿入体まで
達しており、他面においてピンは冷却挿入体の手前で終
わっている。既に従来技術から公知であるこれらのスペ
ーサは本発明にもとづくフィルム冷却との組合せにより
極めて効果的に使用される。その場合、スペーサは２つ
の隣り合う切欠列の間に配置されるのが有利である。切
欠の入口中心点から切欠直径のほぼ５倍までの下流に位
置してほとんど冷却効果の得られない領域内では、この
スペーサは冷却すべき壁のための付加的な熱下げエレメ
ントとして作用し、換言すればこのスペーサは壁から冷
却流体への熱排出のために役立つ。ピンを使用した場
合、その付加的な表面と、これにより生ぜしめられる冷
却流体の乱流状の混合とが同様に熱下げ効果をもたら
す。
も１つのスペーサ及び又は少なくとも１つのピンが冷却
中空室に配置されていて壁の内側の表面に結合されてい
ると有利である。その場合、スペーサは冷却挿入体まで
達しており、他面においてピンは冷却挿入体の手前で終
わっている。既に従来技術から公知であるこれらのスペ
ーサは本発明にもとづくフィルム冷却との組合せにより
極めて効果的に使用される。その場合、スペーサは２つ
の隣り合う切欠列の間に配置されるのが有利である。切
欠の入口中心点から切欠直径のほぼ５倍までの下流に位
置してほとんど冷却効果の得られない領域内では、この
スペーサは冷却すべき壁のための付加的な熱下げエレメ
ントとして作用し、換言すればこのスペーサは壁から冷
却流体への熱排出のために役立つ。ピンを使用した場
合、その付加的な表面と、これにより生ぜしめられる冷
却流体の乱流状の混合とが同様に熱下げ効果をもたら
す。
【００１５】
【発明の実施の形態】次ぎに、本発明を図示の実施例に
つき説明する。
つき説明する。
【００１６】図面にはは本発明の理解にとって重要なエ
レメントだけが示されている。圧縮機とガスタービンと
を備えたガスタービンプラントは図示されていない。作
動媒体の流れ方向は矢印をもって示されている。
レメントだけが示されている。圧縮機とガスタービンと
を備えたガスタービンプラントは図示されていない。作
動媒体の流れ方向は矢印をもって示されている。
【００１７】ガスタービンの案内羽根１は、外套として
形成された壁３と、これから間隔をおいて配置された冷
却挿入体４と、それら両者の間に形成された冷却中空室
５とを備えた中空成形体から成っている。冷却挿入体４
の内部には羽根中空室６が形成されており、この羽根中
空室６は従来通りガスタービンタービンプラントの図示
されていない圧縮機に連通しており、かつ圧縮機から冷
却流体として役立つ冷却空気の供給を受ける。壁３は外
側の表面８と内側の表面９とを備えており、これら両者
の間に冷却孔として形成された複数列の切欠１０が配置
されている。羽根中空室６は冷却挿入体４に設けられた
複数の開口１１を介して冷却中空室５に連通されている
（図１）。勿論、案内羽根１は１列の切欠だけを備える
こともできる。
形成された壁３と、これから間隔をおいて配置された冷
却挿入体４と、それら両者の間に形成された冷却中空室
５とを備えた中空成形体から成っている。冷却挿入体４
の内部には羽根中空室６が形成されており、この羽根中
空室６は従来通りガスタービンタービンプラントの図示
されていない圧縮機に連通しており、かつ圧縮機から冷
却流体として役立つ冷却空気の供給を受ける。壁３は外
側の表面８と内側の表面９とを備えており、これら両者
の間に冷却孔として形成された複数列の切欠１０が配置
されている。羽根中空室６は冷却挿入体４に設けられた
複数の開口１１を介して冷却中空室５に連通されている
（図１）。勿論、案内羽根１は１列の切欠だけを備える
こともできる。
【００１８】ガスタービンプラントの運転中に図示され
ていない燃焼器からガスタービンの案内羽根１と、同様
に図示されていない回転羽根とを介して熱ガス１２が流
れる。それゆえ、これらの羽根は常時冷却されなければ
ならない。案内羽根１の冷却は圧縮機から到来する冷却
空気７により行われ。その場合、この冷却空気は冷却挿
入体４の開口１１を介して冷却中空室５内へ進入して、
まず壁３の内側の表面９を対流により冷却する。次い
で、冷却空気７は切欠１０を通って多数の冷却空気噴流
を成して壁３の外側の表面８へ噴出する。熱ガス１２の
主流内へ冷却空気噴流が流出する際に生じる冷却空気噴
流の湾曲はほぼ角３０°の流出角１３で生じる。その
際、混合領域内に２次流れが生じ、この２次流れが右回
転渦と左回転渦とから成る渦対１４を形成する。このい
わゆる腎形渦１４は熱ガス１２を直接に案内羽根１の外
側の表面８へ搬送する（図２）。案内羽根１の損傷を阻
止するために、案内羽根１と熱ガス１２との直接的な接
触は回避されなければならない。
ていない燃焼器からガスタービンの案内羽根１と、同様
に図示されていない回転羽根とを介して熱ガス１２が流
れる。それゆえ、これらの羽根は常時冷却されなければ
ならない。案内羽根１の冷却は圧縮機から到来する冷却
空気７により行われ。その場合、この冷却空気は冷却挿
入体４の開口１１を介して冷却中空室５内へ進入して、
まず壁３の内側の表面９を対流により冷却する。次い
で、冷却空気７は切欠１０を通って多数の冷却空気噴流
を成して壁３の外側の表面８へ噴出する。熱ガス１２の
主流内へ冷却空気噴流が流出する際に生じる冷却空気噴
流の湾曲はほぼ角３０°の流出角１３で生じる。その
際、混合領域内に２次流れが生じ、この２次流れが右回
転渦と左回転渦とから成る渦対１４を形成する。このい
わゆる腎形渦１４は熱ガス１２を直接に案内羽根１の外
側の表面８へ搬送する（図２）。案内羽根１の損傷を阻
止するために、案内羽根１と熱ガス１２との直接的な接
触は回避されなければならない。
【００１９】図３には本発明に基づき形成された案内羽
根１の拡大断面図が示されている。この案内羽根１で
は、冷却孔としての切欠１０の各列の上流に、流れに都
合よく形成された半径方向のリブ１５が壁３の内側の表
面９に配置されている。冷却挿入体４は切欠１０の領域
内では壁３へ向けて変形されており、かつその場合、少
なくとも近似的に切欠１０内への冷却空気７の流入角１
６に対して平行に形成されている。
根１の拡大断面図が示されている。この案内羽根１で
は、冷却孔としての切欠１０の各列の上流に、流れに都
合よく形成された半径方向のリブ１５が壁３の内側の表
面９に配置されている。冷却挿入体４は切欠１０の領域
内では壁３へ向けて変形されており、かつその場合、少
なくとも近似的に切欠１０内への冷却空気７の流入角１
６に対して平行に形成されている。
【００２０】その場合リブ１５は切欠１０の直径１７の
３倍だけその入口中心点１８から離れて配置されてい
る。冷却挿入体４と壁３との間隔が切欠１０の直径１７
の２倍に相応している場合に、リブ１５は切欠１０の直
径１７に相応する寸法だけ冷却中空室５内へ突入してい
る。冷却挿入体４は切欠１０の領域内では、冷却中空室
５をその垂直寸法の３０％を残して閉鎖するように壁３
へ向けて変形されている。
３倍だけその入口中心点１８から離れて配置されてい
る。冷却挿入体４と壁３との間隔が切欠１０の直径１７
の２倍に相応している場合に、リブ１５は切欠１０の直
径１７に相応する寸法だけ冷却中空室５内へ突入してい
る。冷却挿入体４は切欠１０の領域内では、冷却中空室
５をその垂直寸法の３０％を残して閉鎖するように壁３
へ向けて変形されている。
【００２１】この構成にもとづき 冷却空気７は既に冷
却中空室５内で、換言すればそれぞれの切欠１０の上流
の領域内で切欠へ向けて偏向されており、これにより、
切欠１０内での再循環領域が回避される。このことによ
り、切欠１０の内部ではそれぞれ腎形渦１４に対して逆
向きの渦対１９が発生する。このいわゆる内側渦１９の
回転の中心は切欠１０の中央に位置せず、むしろ冷却空
気噴流の下方領域内に存在する（図４）。
却中空室５内で、換言すればそれぞれの切欠１０の上流
の領域内で切欠へ向けて偏向されており、これにより、
切欠１０内での再循環領域が回避される。このことによ
り、切欠１０の内部ではそれぞれ腎形渦１４に対して逆
向きの渦対１９が発生する。このいわゆる内側渦１９の
回転の中心は切欠１０の中央に位置せず、むしろ冷却空
気噴流の下方領域内に存在する（図４）。
【００２２】特に、リブ１５のこの構成により、冷却空
気７は切欠１０内へ流入する際に著しく強く偏向され
る。従来ではこの場合の偏向角はほぼ３０°であった
が、本発明の場合には５０°までの角度で冷却空気７が
偏向される。冷却空気７のこの著しい偏向及び切欠１０
内での再循環領域の阻止の結果、著しく安定な内側渦１
９が生じる。これにより、この内側渦１９はそれぞれの
切欠１０からの流出時にも維持され、他面において、冷
却空気噴流の上方領域内の不所望な腎形渦１４が迅速に
消失する。いまや内側渦１９により、熱ガス１２は冷却
されて案内羽根１の壁３の外側の表面８へ案内される。
気７は切欠１０内へ流入する際に著しく強く偏向され
る。従来ではこの場合の偏向角はほぼ３０°であった
が、本発明の場合には５０°までの角度で冷却空気７が
偏向される。冷却空気７のこの著しい偏向及び切欠１０
内での再循環領域の阻止の結果、著しく安定な内側渦１
９が生じる。これにより、この内側渦１９はそれぞれの
切欠１０からの流出時にも維持され、他面において、冷
却空気噴流の上方領域内の不所望な腎形渦１４が迅速に
消失する。いまや内側渦１９により、熱ガス１２は冷却
されて案内羽根１の壁３の外側の表面８へ案内される。
【００２３】冷却中空室５内には、切欠１０の下流で２
つの隣り合う切欠１０の間の中央にスペーサ２０とピン
２１とが配置されている。このスペーサ２０及びピン２
１は壁３の内側の表面９に結合されており、その場合、
スペーサ２０は冷却挿入体４まで達しているが、ピン２
１は比較的短く形成されている。２つの隣り合う切欠１
０の間でその中央にスペーサ２０及びピン２１が配置さ
れていることにより、比較的わずかな冷却作用しか有し
ないこの領域、換言すれば、切欠１０の出口中心点２２
の下流で切欠１０の直径のほぼ５倍まで離れた領域内で
も壁３から冷却空気７への十分な熱流出が得られる。
つの隣り合う切欠１０の間の中央にスペーサ２０とピン
２１とが配置されている。このスペーサ２０及びピン２
１は壁３の内側の表面９に結合されており、その場合、
スペーサ２０は冷却挿入体４まで達しているが、ピン２
１は比較的短く形成されている。２つの隣り合う切欠１
０の間でその中央にスペーサ２０及びピン２１が配置さ
れていることにより、比較的わずかな冷却作用しか有し
ないこの領域、換言すれば、切欠１０の出口中心点２２
の下流で切欠１０の直径のほぼ５倍まで離れた領域内で
も壁３から冷却空気７への十分な熱流出が得られる。
【００２４】この種の冷却形態はガスタービンの案内羽
根１にのみ限定されない。それはガスタービンの回転羽
根、燃焼器壁、熱交換セグメント又は片側で熱ガス１２
により囲まれたその他の壁３においても使用することが
できる。
根１にのみ限定されない。それはガスタービンの回転羽
根、燃焼器壁、熱交換セグメント又は片側で熱ガス１２
により囲まれたその他の壁３においても使用することが
できる。
【図１】公知技術にもとづくガスタービン案内羽根の成
形横断面を示す図である。
形横断面を示す図である。
【図２】壁の外側の表面上に形成される腎形渦を熱ガス
主流方向でみた略示図である。
主流方向でみた略示図である。
【図３】本発明にもとづくガスタービン案内羽根を羽根
壁に設けた切欠の領域で断面して示す拡大図である。
壁に設けた切欠の領域で断面して示す拡大図である。
【図４】図３に基づく案内羽根の切欠をＩＶ−ＩＶ線に
沿って断面した図である。
沿って断面した図である。
１ 案内羽根、 ２ 中空成形体、 ３ 壁、 ４ 冷
却挿入体、 ５ 冷却中空室、 ６ 羽根中空室、 ７
冷却流体、 ８ 外側の表面、 ９ 内側の表面、
１０ 切欠（冷却孔）、 １１ 開口、 １２ 熱ガ
ス、 １３ 流出角、 １４ 腎形渦（渦対）、 １５
リブ、 １６ 流入角、 １７ 切欠の直径、 １８
切欠の入口中心点、 １９ 内側渦（渦対）、 ２０
スペーサ、 ２１ ピン、 ２２ 切欠の出口中心点
却挿入体、 ５ 冷却中空室、 ６ 羽根中空室、 ７
冷却流体、 ８ 外側の表面、 ９ 内側の表面、
１０ 切欠（冷却孔）、 １１ 開口、 １２ 熱ガ
ス、 １３ 流出角、 １４ 腎形渦（渦対）、 １５
リブ、 １６ 流入角、 １７ 切欠の直径、 １８
切欠の入口中心点、 １９ 内側渦（渦対）、 ２０
スペーサ、 ２１ ピン、 ２２ 切欠の出口中心点
Claims (7)
- 【請求項１】 特にガスタービン羽根の中空成形体の、
片側で熱ガスにより囲まれた壁を冷却する装置であっ
て、外側の表面（８）及び内側の表面（９）を備えた壁
（３）と、この壁（３）に対してほぼ平行に配置されて
いてこの壁と一緒に冷却中空室（５）を形成している冷
却挿入体（４）と、冷却流体（７）の流れ方向で互いに
前後して配置されていて壁（３）の両方の表面（８，
９）の間に形成された１列又は複数列の切欠（１０）と
から成っており、これらの切欠（１０）がそれぞれ予定
の使用条件に対応する流入角（１６）もしくは流出角
（１３）と直径（１７）とを有している形式のものにお
いて、切欠（１０）のそれぞれの列の上流で、半径方向
のリブ（１５）が壁（３）の内側の表面（９）に配置さ
れており、冷却挿入体（４）が切欠（１０）の領域内で
壁（３）へ向かって変形されており、かつその際、切欠
（１０）の流出角（１６）に対して少なくともほぼ平行
に形成されていることを特徴とする、片側で熱ガスによ
り囲まれた壁を冷却するための装置。 - 【請求項２】 切欠（１０）が入口中心点（１８）を有
しており、リブ（１５）がそれぞれの切欠（１０）の直
径（１７）のほぼ３倍までの距離だけこの入口中心点
（１８）から離れて配置されており、リブ（１５）が切
欠（１０）の直径（１７）のほぼ半分ないし直径に相当
する距離だけ冷却中空室（５）内へ突入しており、か
つ、冷却挿入体（４）が、切欠（１０）の領域内で壁
（３）と冷却挿入体（４）との垂直間隔の最大３０％を
残して冷却中空室（５）を閉鎖している、請求項１記載
の装置。 - 【請求項３】 切欠（１０）の下流に、それぞれ少なく
とも１つのスペーサ（２０）及び又は少なくとも１のピ
ン（２１）が冷却中空室（５）内に配置されていて壁
（３）の内側の表面（９）に結合されており、その場
合、スペーサ（２０）が冷却挿入体（４）まで達してお
り、かつピン（２１）が冷却挿入体（４）の手前で終わ
っている、請求項１又は２記載の装置。 - 【請求項４】 スペーサ（２０）並びにピン（２１）が
互いに隣り合う２列の切欠（１０）の間の中央に配置さ
れている、請求項３記載の装置。 - 【請求項５】 特にガスタービン羽根の中空成形体の片
側で熱ガスにより囲われた壁を冷却するための方法であ
って、冷却流体（７）を、まず、冷却すべき壁（３）と
冷却挿入体（４）との間の冷却中空室（５）内へ案内
し、次いで壁（３）の少なくとも１列の切欠（１０）を
介して噴出せしめる方法において、冷却流体を、切欠
（１０）に達する前に切欠へ向けて偏向せしめることを
特徴とする、片側で熱ガスにより囲われた壁を冷却する
ための方法。 - 【請求項６】 冷却流体（７）の一部を、遠く上流に配
置された切欠（１０）のところを擦過せしめ、その際ま
ず加速すると共に壁（３）の内側の表面（９）へ向け、
次いで、遠く下流に配置された切欠（１０）へ案内す
る、請求項５記載の方法。 - 【請求項７】 冷却流体（７）を、遠く下流に配置され
た切欠（１０）に達する前にまず、冷却中空室（５）内
に形成されたスペーサ（２０）及び又はピン（２１）を
擦過せしめて案内する、請求項６記載の方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19612840.4 | 1996-03-30 | ||
| DE19612840A DE19612840A1 (de) | 1996-03-30 | 1996-03-30 | Vorrichtung und Verfahren zur Kühlung einer einseitig von Heissgas umgebenen Wand |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH108909A true JPH108909A (ja) | 1998-01-13 |
| JP3886593B2 JP3886593B2 (ja) | 2007-02-28 |
Family
ID=7790044
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP07943897A Expired - Fee Related JP3886593B2 (ja) | 1996-03-30 | 1997-03-31 | 片側で熱ガスにより囲まれた壁を冷却するための装置と方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5779438A (ja) |
| EP (1) | EP0798448B1 (ja) |
| JP (1) | JP3886593B2 (ja) |
| DE (2) | DE19612840A1 (ja) |
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| JP2017101666A (ja) * | 2015-12-03 | 2017-06-08 | ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ | タービン翼形部のための後縁冷却装置 |
| JP2018519453A (ja) * | 2015-05-07 | 2018-07-19 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフトＳｉｅｍｅｎｓ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ | 内部冷却チャネルを備えるタービン翼 |
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| DE19845147B4 (de) * | 1998-10-01 | 2006-11-23 | Alstom | Vorrichtung und Verfahren zur Kühlung einer einseitug von Heißgas umgebenen Wand |
| GB2350867B (en) * | 1999-06-09 | 2003-03-19 | Rolls Royce Plc | Gas turbine airfoil internal air system |
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| JP4147239B2 (ja) | 2005-11-17 | 2008-09-10 | 川崎重工業株式会社 | ダブルジェット式フィルム冷却構造 |
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| CN105401983B (zh) * | 2015-12-24 | 2017-04-12 | 河北工业大学 | 一种提高组件外部冷却效果的上游结构 |
| US10465526B2 (en) | 2016-11-15 | 2019-11-05 | Rolls-Royce Corporation | Dual-wall airfoil with leading edge cooling slot |
| US10648341B2 (en) | 2016-11-15 | 2020-05-12 | Rolls-Royce Corporation | Airfoil leading edge impingement cooling |
| US10450873B2 (en) * | 2017-07-31 | 2019-10-22 | Rolls-Royce Corporation | Airfoil edge cooling channels |
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| US10570751B2 (en) | 2017-11-22 | 2020-02-25 | General Electric Company | Turbine engine airfoil assembly |
| GB201806821D0 (en) * | 2018-04-26 | 2018-06-13 | Rolls Royce Plc | Coolant channel |
| CN113217462B (zh) * | 2021-06-08 | 2022-11-29 | 西北工业大学 | 亚声速旋涡吹气式压气机叶片 |
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1996
- 1996-03-30 DE DE19612840A patent/DE19612840A1/de not_active Withdrawn
-
1997
- 1997-02-04 US US08/794,056 patent/US5779438A/en not_active Expired - Lifetime
- 1997-03-03 DE DE59710009T patent/DE59710009D1/de not_active Expired - Lifetime
- 1997-03-03 EP EP97810115A patent/EP0798448B1/de not_active Expired - Lifetime
- 1997-03-31 JP JP07943897A patent/JP3886593B2/ja not_active Expired - Fee Related
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