JPH1172004A - 中空のガスタービン羽根の後縁領域のための冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービン羽根の後縁領域における乱流お
よび別の手段の増大により伝熱係数の著しい増大を達成
することができ、また、特に、存在する狭隘部からの熱
導出が改善されるような冷却装置を提供する。 【解決手段】 リブ８が、ウェブ９から後縁５に向かっ
て斜めに延びており、両内壁の内の少なくとも一方にお
いて、半径方向外方に方向付けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、中空のガスタービ
ン羽根の後縁領域のための冷却装置であって、この装置
の場合、羽根基部から羽根先端部にまで、長手方向に貫
流されるダクトが延びており、このダクトが、一方では
後縁と、吸引側と、腹側との内壁によって、また他方で
は腹側を背側と結合させているウェブによって仕切られ
ており、この場合、少なくともほぼ平行に延びた多数の
リブを備えた、背側および腹側の内壁が設けられている
形式のものに関する。

【０００２】

【従来の技術】冷却剤としての流体、蒸気または空気を
備えた、中空の内部冷却されるタービン羽根はよく知ら
れている。特にこのような閉じられた回路で冷却剤が貫
流させられているような羽根の後縁領域の冷却には、問
題がある。後縁を形成している壁は、狭隘部を取り囲ん
でおり、この狭隘部から熱が導出されるようになってい
る。さらに、製造上の理由から、狭隘部は幅が最小値を
下回ってはならない。後縁の過剰加熱を回避するため
に、大きな材料蓄積部も存在してはならない。さらに、
強度上の理由から、壁厚が所定の寸法を下回ってはなら
ない。これらの基準値により、後縁に大きな曲率半径を
備えた内部冷却される羽根が提供され、このことは羽根
効率に悪影響をもたらす。

【０００３】冒頭に述べた形式の冷却装置は、ドイツ連
邦共和国特許第３２４８１６２号明細書より公知であ
る。問題となる領域には、内壁にリブが備えられてお
り、これらのリブは後縁からウェブにまで機械軸線に対
して平行に延びている。これらのリブは、乱流の誘発お
よび促進のために設けられている。この場合、リブは実
際の後縁に対して適当な間隔を有しており、したがって
後縁はリブを備えずに形成されている。これらのリブ
は、軸線方向に範囲において一定の高さを有している。
実際の後縁領域の効果的な冷却は、対応して配置構成さ
れたエレメントによる冷却剤の吹き出しによって行われ
る。

【０００４】リブを用いて、ガスタービン羽根の後縁領
域から成るようないわゆる三角ダクトにおける熱交換を
改善することができるという別の思想が、雑誌「ジャー
ナルオブ サーモフィジックス アンド ヒート トラ
ンスファ（Journal of Thermophisics and Heat Transf
er）」のツアング（Zhang ）他の記事（第８巻、第３
番、１９９４年７月〜９月、第５７４〜５７９頁）に説
明されている。

【０００５】リブが同じ高さで備えられている三角ダク
トの場合の問題は、以下のことである。つまり、三角形
の底部における大きな横断面を、抵抗が比較的小さいた
めに多すぎる量の冷却剤が流過するのに対し、三角形の
頂部においては僅かな量の流体がたいてい層流でしか流
過しない。このことは、以下で説明するような不都合を
もたらすおそれがある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
課題は、冒頭に述べた形式の冷却装置を改良して、後縁
領域における乱流および別の手段の増大により伝熱係数
の著しい増大を達成することができ、また、特に、存在
する狭隘部からの熱導出が改善されるような冷却装置を
提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の構成では、リブが、ウェブから後縁に向かっ
て斜めに延びており、両内壁の内の少なくとも一方にお
いて、半径方向外方に方向付けられているようにした。

【０００８】

【発明の効果】新たな手段により、特に、吹出しを行わ
ない羽根後縁の形成が可能となり、ひいては蒸気または
別の媒体を羽根の冷却に使用することができる。

【０００９】ダクトの局所高さに対するリブの高さの割
合が、後縁からウェブに向かって増大しているか、また
はリブの長手方向範囲で一定であることは特に有利であ
る。これらの手段により、各半径方向平面において、後
縁からウェブまで、少なくともほぼ等しい遮断部を備え
た横断面、ひいては均一な流れ分配を達成することがで
きる。このことは、冒頭に述べた従来技術に比べて後縁
がより強く負荷されると同時にウェブが負荷軽減される
という利点を有している。低温のウェブの両側での高温
の羽根壁との結合箇所における過度に高い応力を回避す
るためには、ウェブが負荷軽減されることが重要であ
る。さらに、一定の局所的なダクト高さを備えたリブ配
置構成により、流体がダクトの角隅領域に到達し、この
角隅領域において乱流が生じる。その上、一定の局所的
なダクト高さを備えたリブは、以下のことを保証する。
すなわち、非常に強い二次的流れが生じ、この二次的流
れは、自由ダクト横断面における大きなリブ高さにより
制御される。この二次的流れは、角隅領域から高温の流
体を引き出し、この領域における乱流撹拌を助成する。

【００１０】また、リブがウェブにまで延びていないよ
うに、または低い高さでしかウェブに隣接しないよう
に、ウェブ領域におけるリブ高さが早期に減じられてい
ると、ウェブ領域の別の負荷軽減が達せられる。したが
ってこの領域において乱流が生じないことにより、有利
には結合領域におけるウェブの冷却が低減される。

【００１１】本発明の別の有利な構成は、請求項２以下
より判る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
につき詳しく説明する。

【００１３】図面には、本発明を理解するために重要な
部材だけを示した。特に、冷却剤が、後縁領域における
流過ダクトにとのように到達するか、またこの冷却剤
が、羽根先端部において羽根からどのように排出される
かは示されていない。分割された媒体の流れ方向は、矢
印により示した。

【００１４】図１に示した鋳造された羽根は、３つの内
室ａ，ｂ，ｃを有しており、これらの内室には冷却剤た
とえば蒸気が図面に対して垂直方向に貫流している。こ
の場合、壁Ｗを形成した羽根輪郭の内側を冷却剤が流れ
ており、また、外側には両側で高温のガスが流れてお
り、前記羽根輪郭の内側が、ガスの熱を冷却剤に引き渡
す。概して、少なくとも前側の２つの内室ａ，ｂには、
ガイドリブ、流過ダクト、インパクト冷却のための挿入
体等の多数の、ここには図示しない補助手段が、壁冷却
を高めるために設けられている。実施例の場合、冷却剤
が閉じられた回路を循環しており、これに基づき、前
縁、背側、腹側、さらには後縁の領域のいずれからも冷
却剤の流過ダクトへの吹出しが生ぜしめられないことが
判る。

【００１５】後側の内室ｃには２つの問題領域が存在す
る。一方は、周囲を熱いガスが流れている上に吹出しに
よるフィルム冷却が設けられていないため、特に入念な
冷却を必要とする実際の薄い壁の後縁であり、他方は、
決して冷却され過ぎないことが望ましい、背側６の内壁
と腹側７の内壁とのウェブ９の結合箇所である。

【００１６】実際の後縁ジオメトリに関する問題を図５
に基づき説明する。壁により形成された狭隘部Ｅは、上
昇した熱の導出のための十分な冷却剤を収容することが
できるように、最小限の大きさでなければならない。し
たがって、丸みを帯びた内縁部は直径ｄを備えて形成さ
れている。この最小限の直径は、概して、鋳造等の製造
方法によって決定される。同様に、強度上の問題から、
最小の壁厚Ｔを下回ることはできない。後縁の過剰加熱
を回避するために、後縁には大きな材料蓄積部を生じて
はならない。したがって、寸法Ｌａは、概して壁厚Ｔの
寸法に対応している。これらの全てのことにより、比較
的大きな直径Ｄａを備えた、丸みを帯びた外縁部が形成
される。冷却される後縁についてはここまで知られてい
る。

【００１７】自体公知の、羽根と一緒に鋳造される、し
かし新規の構成およびジオメトリのリブの利用に基づ
き、本発明は、両領域で生じる問題を同一の手段を用い
て解決する。

【００１８】図２および図３には、中空のガスタービン
羽根の後縁領域のための冷却装置が示されている。羽根
基部１から羽根先端部２にまで、長手方向に貫流される
ダクト３が延びており、このダクト３は図１に示した内
室ｃに対応している。羽根胴部４の領域において、この
ダクトは、後縁５、背側６および腹側７の内壁と、腹側
を背側に接続させたウェブとによって仕切られている。
背側および腹側の内壁には、少なくともほぼ平行に斜め
に延びた多数のリブ８が設けられており、これらのリブ
８は、羽根高さに亘って互い違いに配置されている。背
側のリブと腹側のリブとは、羽根高さに亘って互いに半
ピッチだけずらされている。

【００１９】リブは、ウェブ９から後縁に向かって半径
方向外方に４５゜の角度を成して延びている。１５゜〜
４５゜の迎角が適していると予想される。斜めに配置さ
れたこのリブの作用は、乱流発生装置としての自体公知
の固有の機能の他に、以下のものがある：リブの構造
は、ダクト内に二次的流れを生ぜしめ、この二次的流れ
は、後縁の直接領域からの高温の空気をダクト中央部へ
送り込む。この高温の空気に、ダクト中央部からの低温
の空気が補われる。

【００２０】背側６および腹側７におけるリブのずらさ
れた配列は、以下のことを生ぜしめる。

【００２１】すなわち、ずらされていない配列に比べ
て、小さな圧力損失の場合には、乱流強化により伝熱の
極めて良好な促進が達成される。流れは、腹側および背
側においてリブが成す障害物を回避することを絶えず強
制され、このことは強度の熱伝達を生ぜしめる。

【００２２】ダクト３の局所高さＨに対するリブの高さ
ｈの割合は、後縁５からウェブ９に向かって増大してい
る。この高さの増大は、実施例の場合、後縁とウェブと
の間では自由な貫流ダクトがどの軸線方向平面において
もほぼ同じ幅を有するように選択されている。この手段
により、流過横断面全体に亘って均一な冷却剤分配が生
ぜしめられる。箇所に応じたリブ高さを用いることによ
り初めて、伝熱を向上させるための前記両機構が特に有
効となる。箇所に応じたリブ高さはダクト内に流れを生
ぜしめ、この流れは、狭い後縁領域においてさえも流れ
る。なぜならば、狭い後縁領域では今や流れ抵抗が残り
のダクト内の流れ抵抗とほぼ同じ大きさであるからであ
る。さらに、冷却通路内の新規リブの構成は、ダクト内
の前記二次的流れに対して極めて積極的かつ補助的な影
響をもたらし、この二次的流れは、空気を後縁から前方
のダクト領域へ移動させる。この場合、前方のダクト領
域に設けられた高さの高いリブは、極めて強い二次的流
れを生ぜしめる。

【００２３】実験的に証明されたように、所定の条件の
場合には、ダクトの局所高さＨに対するリブの高さｈの
割合がリブの長さに亘って一定であると有利である。

【００２４】図２より明らかなように、リブの高さｈ
は、ウェブ９の領域において、０になるように徐々に減
少している。縁部の角張った結合は製造上の条件からほ
とんど不可能であることは明らかである。既に説明した
ように、この構成は、内壁とのウェブの結合箇所におい
て冷却剤が壁に沿ってほとんど妨げなしに流れ、これに
より、より少ない冷却作用を生ぜしめるという利点を有
している。もちろん、中間ウェブは決して高温になりす
ぎてはならない。選択された配置構成に基づきこのこと
が可能であるならば、リブを適当な高さ、すなわち同じ
高さまたは減じられた高さを備えながら、ウェブにまで
さらに延長させる可能性もある。

【００２５】羽根高さに亘って互い違いに配置された個
々のリブの高さｈは、もちろん、局所的に存在する熱負
荷に適応させられていることができる。羽根先端部に向
かってリブを大きく形成することが特に適しているの
は、冷却剤が、ダクトを貫通した通路の通過時に既に著
しく加熱されており、その結果、リブ高さが小さな場合
に、冷却したい壁と冷却剤との所要の温度差は、目標と
する熱交換のためにもはやより小さくなることはない場
合である。

【００２６】羽根高さに亘って配置されたリブの間隔が
可変に構成されている場合にも同様の作用を得ることが
できる。もちろん、両手段を組み合わせることもでき
る。

【００２７】図４に示した変化実施例の場合には、同様
にウェブに向かって広くなった腹側７に設けられたリブ
８′は、ウェブ９から後縁５に向かって半径方向外方へ
方向付けられており、背側６に設けられたリブ８は、ウ
ェブ９から後縁に向かって半径方向内方へ方向付けられ
ている。この変化実施例は以下のような思想に基づいて
いる。つまり、後縁領域において成形体周囲に亘って均
一な金属温度を得ようとするならば、より高い熱的負荷
を受ける羽根側においてより多くの熱が引き渡されなけ
ればならないという思想である。

【００２８】したがって、後縁と側壁とのジオメトリお
よび壁厚；冷却剤が貫流する内室ｃのジオメトリ；羽根
後縁の熱負荷；冷却剤の種類、温度および流速；といっ
た条件が与えられている場合には、リブ形成角度の選
択、貫流されるダクト内に突出したリブの局所高さ、半
径方向で羽根高さに亘って互い違いに配置されたリブの
数および分配は、羽根高さに亘って一定な金属温度のた
めに決定的である。

【００２９】測定の結果、軸線方向に延びた公知のリブ
との伝熱係数よりも、局所的な可変の高さを備えた、斜
めに配置された新規のリブとの伝熱係数の方が何倍も大
きいことが示された。

【図面の簡単な説明】

【図１】羽根の横断面図である。

【図２】図１の羽根の後縁領域を示す横断面図である。

【図３】後縁領域の縦断面図である。

【図４】リブ配列の変化実施例を示す図である。

【図５】従来技術に属する後縁を備えた、図１の詳細な
図である。

【符号の説明】

ａ，ｂ，ｃ 内室、 Ｗ 羽根壁、 Ｅ 狭隘部、 Ｌ
長さ、 Ｔ 壁厚、Ｄ，ｄ 直径、 １ 羽根基部、
２ 羽根先端部、 ３ ダクト、 ４ 羽根胴部、
５ 後縁、 ６ 背側、 ７ 腹側、 ８，８′ リ
ブ、 ９ ウェブ、 ｈ 高さ、 Ｈ 局所高さ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ベルンハルト ヴァイガント ドイツ連邦共和国 ヴァルツフート−ティ ーンゲン ヘーベルシュトラーセ 15 (72)発明者 プリス ハラスガマ スイス国 レーキンゲン ローゼンヴェー ク ２

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中空のガスタービン羽根の後縁領域のた
   めの冷却装置であって、該装置の場合、羽根基部（１）
   から羽根先端部（２）にまで、長手方向に貫流されるダ
   クト（３）が延びており、該ダクトが、一方では後縁
   （５）と、背側（６）と、腹側（７）との内壁によっ
   て、また他方では腹側を背側と結合させているウェブ
   （９）によって仕切られており、この場合、少なくとも
   ほぼ平行に延びた多数のリブ（８）を備えた、背側およ
   び腹側の内壁が設けられている形式のものにおいて、 リブ（８）が、ウェブ（９）から後縁（５）に向かって
   斜めに延びており、両内壁の内の少なくとも一方におい
   て、半径方向外方に方向付けられていることを特徴とす
   る、中空のガスタービン羽根の後縁領域のための冷却装
   置。
2. 【請求項２】 羽根高さに亘って腹側のリブと背側のリ
   ブとが（半ピッチだけ）互いにずらされている、請求項
   １記載の冷却装置。
3. 【請求項３】 リブ（８）の高さ（ｈ）が、後縁（５）
   からウェブ（９）に向かって増大している、請求項１記
   載の冷却装置。
4. 【請求項４】 ダクトの局所高さ（Ｈ）に対するリブ
   （８）の高さ（ｈ）の割合が、リブの長さに亘って一定
   である、請求項１記載の冷却装置。
5. 【請求項５】 リブ（８）の高さ（ｈ）が、ウェブ
   （９）の領域において減少している、請求項１記載の冷
   却装置。
6. 【請求項６】 リブ（８）の高さ（ｈ）が、羽根高さに
   亘って可変である、請求項１記載の冷却装置。
7. 【請求項７】 リブ（８）の配列が、互いに対して、羽
   根高さに亘って可変である、請求項１記載の冷却装置。
8. 【請求項８】 腹側（７）のリブ（８′）が、ウェブ
   （９）から後縁（５）に向かって半径方向外方に方向付
   けられておりかつ背側（６）のリブ（８）が、ウェブ
   （９）から後縁（５）に向かって半径方向内方に方向付
   けられているか、または、腹側のリブが、ウェブから後
   縁に向かって半径方向内方に方向付けられておりかつ背
   側のリブが、ウェブから後縁に向かって半径方向外方に
   方向付けられている、請求項２記載の冷却装置。